JP7085845B2 - 回転電機の固定子および回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子および回転電機に関する。

産業や生活に密着した回転電機は現代の社会を支える基盤機器である。特に地球環境保護の観点から普及しつつあるハイブリッド自動車や電気自動車においては、搭載スペースの確保および軽量化による燃費向上の観点から、動力源のモータには小型・軽量化が要求される。

それに対応する手段として、駆動モータは高速回転化の傾向にあり、回転数を制御するインバータは駆動電圧基本波の高周波化が求められている。インバータ素子として、従来はIGBTが用いられていたが、より高速動作し、かつ低損失なシリコンカーバイド（SiC）、ガリウムナイトライド（GaN）を素子として用いる次世代インバータの実用化が進展している。

一方、インバータ駆動モータでは、インバータのスイッチングによりサージ電圧が入力端に発生する。駆動インバータの高速スイッチングにより、サージ電圧が増大し、これに伴いモータ固定子のコイル内分担電圧が増大する。従来、インバータの分担電圧レベルでは問題とならなかった分担電圧印加によるターン間絶縁破壊の顕在化が予想され、インバータ・スイッチング高速化に対応した高信頼性絶縁システム設計が必要となる。

ハイブリッド自動車や電気自動車用モータの固定子コイルには、一般にエナメル絶縁被覆線が用いられ、分担電圧に対する絶縁保護は、コイルのエナメル絶縁層が担っている。従って、次世代インバータによるサージ分担電圧増大に対しては、増大する分担電圧に耐えうるようにエナメル絶縁被覆層を厚くすることが考えられる。

コイルの絶縁厚を増大させる技術として、例えば特許文献１が提案されている。特許文献1では、サージ電圧の負担率が高い上段コイルの絶縁厚を下段コイルの絶縁厚よりも厚くし、サージ電圧に対する絶縁強度を確保するようにした技術が開示されている。

特開平１１－８９１４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のように、コイル絶縁厚の増大は、コイルに占める導体割合を減少させ、コイル電流密度の低下によりモータ出力が低下するといった課題があった。

また、コイル絶縁厚の増大によるコイル電流密度の低下は、モータ稼動時にコイル温度が上昇し、絶縁システムの熱劣化が加速してモータが故障するといった課題があった。

本発明の目的は、前記課題を解決し、サージ分担電圧増大によるモータ固定子のコイル内ターン間絶縁破壊を抑制し、高信頼性を確保した回転電機の固定子および回転電機を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明の特徴とするところは、回転子コアと、前記固定子の固定子コアに設けられた複数のスロットと、前記複数のスロットのそれぞれのスロットに配置された３相の複数のセグメントコイルと、前記固定子コアと前記複数のセグメントコイルとの間に配置された第１の絶縁部材とを備えた回転電機の固定子であって、前記それぞれのスロットには、前記３相のセグメントコイルのうち、相が異なるセグメントコイルがそれぞれ２つずつ、且つ同相同士が隣接して配置され、前記複数のセグメントコイルの異相同士の間、及び前記複数のセグメントコイルのうち一部の同相同士の間には第２の絶縁部材を配置したことにある。

本発明によれば、サージ分担電圧増大によるモータ固定子のコイル内ターン間絶縁破壊を抑制し、高信頼性を確保した回転電機の固定子および回転電機を提供することができる。

本発明の一実施例に係る回転電機を回転軸方向に沿って切断した断面図である。 本発明の一実施例に係る固定子コアの外観斜視図である。 本発明の一実施例に係る固定子の外観斜視図である。 本発明の一実施例に係る１つのセグメントコイルを示す図である。 本発明の一実施例に係るセグメントコイルを固定子コアに組み込んだ状態を示す図である。 図４ＡにおけるＶ－Ｖ断面図である。 本発明の一実施例に係る同相セグメントコイル間に第２の絶縁部材を介在させた構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る同相セグメントコイル間に第２の絶縁部材を介在させない構成を示す図である。 セグメントコイルと絶縁部材との関係を示す比較例である。 本発明の一実施例に係るサージ模擬電圧波形の模式図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。本発明は以下の実施例に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例もその範囲に含むものである。

本発明の実施例について、図１乃至図７を用いて説明する。図１は本発明の一実施例に係る回転電機を回転軸方向に沿って切断した断面図である。図１において、回転電機１００は、ハウジング１１０と、固定子１２０と、固定子コア１２１と、固定子コイル１２２と、回転子１３０とから構成される。

ハウジング１１０の内周側には、固定子１２０が固定されている。固定子１２０の内周側には、回転子１３０が回転可能に支持されている。ハウジング１１０は、プレス加工等によって円筒状に成形されている。

ハウジング１１０の外周側には、液冷ジャケット１１２が固定されている。液冷ジャケット１１２の内周壁とハウジング１１０の外周壁とで、油などの液状冷媒の冷媒通路１１３が構成され、この冷媒通路１１３は液漏れしないように形成されている。液冷ジャケット１１２は、回転子１３０の回転軸１３１を回転可能に支持する軸受１１４、１１５が収納されている。

直接液体冷却の場合、冷媒は冷媒貯蔵空間１１６に溜まった液体が冷媒通路１１３を通り、冷媒出口１１７、１１８から固定子１２０へ向けて流出し、固定子１２０を冷却する。

回転子１３０は、電磁鋼板を積層して構成された回転子コア１３２と、この回転子コア１３２に埋設された永久磁石１３３と、回転軸１３１とで構成されている。本実施例の回転子１３０は、一般的な永久磁石を用いた表面磁石型回転子や埋め込み磁石型の構造が用いられている。

次に固定子コアの構成について図２を用いて説明する。図２は本発明の一実施例に係る固定子コアの外観斜視図である。

図２において、固定子コア１２１は、固定子コア１２１の軸方向に平行な複数のスロット１２３が周方向に等間隔となるように形成されている。本実施例においては、スロット１２３の数は７２個とした。スロット１２３に固定子コイル１２２が組み込まれる。スロット１２３間に複数のティース１２４が形成される。スロット１２３の形状は、幅一定の略矩形形状であり、本実施例ではその幅、平行部深さは、それぞれ約４．２ｍｍ、１１.５ｍｍとした。

固定子コア１２１は、日本工業規格ＪＩＳ Ｃ ２５５２の３５Ａ３００相当の電磁鋼板を打ち抜き加工により成形し、成形された円環形状の電磁鋼板を複数枚積層し、溶接固定して形成される。ＴＩＧ溶接やレーザー溶接などにより形成される溶接部１２５は、円筒状の固定子コア１２１の外周部において、固定子コア１２１の軸方向に平行に設けられている。本実施例では固定子コア１２１の寸法は、外径２４５ｍｍ、内径２００ｍｍ、コア積厚９４ｍｍとした。

次に固定子の構成について図３を用いて説明する。図３は本発明の一実施例に係る固定子の外観斜視図である。

固定子１２０は、セグメント巻線方式により形成された固定子コイル１２２と、この固定子コイル１２２が装着される円筒状の固定子コア１２１を有している。固定子コイル１２２は分布巻の方式で巻かれ、スター結線の構成で接続されている。分布巻とは、後述する複数のスロット１２３を跨いで離間した二つのスロット１２３に相巻線が収納されるように、相巻線が固定子コア１２１に巻かれる巻線方式である。本実施例では、巻線方式として分布巻を採用しているので、形成される磁束分布は集中巻きに比べて正弦波に近く、リラクタンストルクを発生しやすい特徴を有している。そのため、この回転電機１００は、弱め界磁制御やリラクタンストルクを活用する制御の制御性が向上し、低回転速度から高回転速度までの広い回転速度範囲に亘って利用が可能であり、ハイブリッド自動車や電気自動車に適した優れたモータ特性を得ることができる。

固定子コイル１２２は三相のスター接続された相コイルを構成しており、断面が丸形状であっても、四角形状であってもよいが、スロット１２３の内部の断面をできるだけ有効に利用し、スロット内の空間が少なくなるような構造とすることが効率の向上につながる傾向にあるため、断面が四角形状の方が効率向上の点で望ましい。なお、固定子コイル１２２の断面の四角形状は、固定子コア１２１の周方向が短く、径方向が長い形状をしていてもよいし、逆に周方向が長く、径方向に短い形状をしていてもよい。

次に図４及び図５を用いて、固定子コイルの構成について説明する。図４Ａは本発明の一実施例に係る１つのセグメントコイルを示す図である。図４Ｂは本発明の一実施例に係るセグメントコイルを固定子コアに組み込んだ状態を示す図である。図５は図４ＡにおけるＶ－Ｖ断面図である。

図４Ａに示すように、本実施例では直線状のコイルを、頂点２０１を折り返し点とし、その両側に斜行部２０２を有する略Ｕ字形状のセグメントコイル２００に成型する。本実施例のセグメントコイル２００では、図５に示すように、幅３．３ｍｍ、高さ２．４ｍｍの銅導体３０１に厚さ０．１ｍｍのポリイミド絶縁層３０２が被覆された略矩形の断面形状を有する平角線とした。セグメントコイル２００は、各スロット１２３内でセグメントコイル２００の長方形断面が固定子コア１２１の周方向について長く、固定子コア１２１の径方向について短い形状としている。本実施例では複数のセグメントコイル２００を用いて固定子コイルを形成している。

セグメントコイル２００は、図４Ｂに示すように、固定子コア１２１の回転軸方向から絶縁部材（図示せず）を介してスロット１２３に挿入される。スロット１２３にはセグメントコイル２００の直線部２０３が収納され、固定子コア１２１の端面から突出した部分が、接続される他のセグメントコイル２００へ向かって曲げられ、溶接側傾斜部２０４が形成される。さらに溶接側傾斜部の端部２０５が曲げられる。セグメントコイル２００の曲げられた端部２０５同士が溶接され、電気的に接続される。

本実施例では、複数のスロットのそれぞれのスロット１２３に４本（複数）のセグメントコイル２００を組み込み、固定子コイル１２２を、３相のコイル（Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２）で構成し、各々のコイルを２Ｙ結線で接続した。各相コイルのターン数は、４８ターンとなる。固定子コイル１２２には、ＵＶＷ三相それぞれの固定子コイル１２２の入力端子１２６（Ｕ）、１２７（Ｖ）、１２８（Ｗ）を取り付け（図３参照）、最後にエポキシ系のワニスによりスロット１２３内に配置されたセグメントコイル２００、第1の絶縁部材２１０、第２の絶縁部材２１１を固着させた。

次に図６を用いて、スロット内の構成について説明する。図６Ａは、本発明の一実施例に係る同相セグメントコイル間に第２の絶縁部材を介在させた構成を示す図である。図６Ｂは、本発明の一実施例に係る同相セグメントコイル間に第２の絶縁部材を介在させない構成を示す図である。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、セグメントコイル２００とティース１２４（固定子コア１２１）との間には、概略Ｏ字形の第1の絶縁部材２１０が配置され、セグメントコイル２００と固定子コア１２１とが絶縁されている。

スロット１２３には、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のセグメントコイルのうち、Ｕ相の２つのセグメントコイル２００（２００ａ、２００ｂ）と、Ｖ相の２つのセグメントコイル２００（２００ｃ、２００ｄ）が配置されている。Ｕ相の２つのセグメントコイル２００（２００ａ、２００ｂ）はスロット１２３の開口部側に位置しており、このＵ相側が、分担電圧が高い入力端近傍ターンとなる。

スロット１２３内の異相コイル間、すなわちＵ相のセグメントコイル２００ｂとＶ相のセグメントコイル２００ｃとの間には、第２の絶縁部材２１１ａが配置され、異相間のセグメントコイルが絶縁されている。

さらに本実施例では、図６Ａに示すように隣接する同相（Ｕ相）のセグメントコイル２００ａ、２００ｂとの間に、第２の絶縁部材２１１ｂを配置した。ただし、第２の絶縁部材２１１ｂは、全てのスロット１２３に配置されるものではなく、図６Ｂに示すように、第２の絶縁部材２１１ｂを配置しないスロット１２３が存在する。すなわち、本実施例の固定子１２０では、第２の絶縁部材２１１ｂが配置されているスロット１２３と第２の絶縁部材２１１ｂが配置されないスロット１２３とが混在している。固定子１２０のスロット１２３全体で見ると、スロット１２３内に配置された第２の絶縁部材２１１は、スロット１２３によって枚数が異なるように配置されている。換言すると、それぞれのスロットに配置された複数のセグメントコイルの異相同士の間、及び複数のセグメントコイルのうち一部の同相同士の間には第２の絶縁部材２１１ｂを配置している。このように本実施例では第２の絶縁部材２１１の配置形態が異なっている。

第２の絶縁部材２１１ｂが配置されているスロット１２３は、電圧入力端（モータ電圧入力端）に偏在させて配置している。本実施例においては一例として、モータ電圧入力端から３ターンまでのコイルと隣接する同相（Ｕ相）のセグメントコイル２００ａ、２００ｂとの間としている。電圧によっては、第２の絶縁部材２１１ｂはモータ電圧入力端のみに設けるようにしても良い。それ以外のスロット１２３には、第２の絶縁部材２１１ｂは配置しなくても良い。これは、サージ分担電圧は、電圧入力端近傍のターンにのみ印加することを考慮したものである。また、必要以上に第２の絶縁部材２１１ｂを配置するとコストが増加するため、本実施例では、コスト増加を抑制するために所定のスロット１２３に第２の絶縁部材２１１ｂを配置している。

図７に比較例を示す。図７はセグメントコイルと絶縁部材との関係を示す比較例である。図６において、絶縁部材２２０は概略Ｂ字形をしてスロット１２３に配置されている。セグメントコイル２００ａと２００ｂ、セグメントコイル２００ｃと２００ｄの同相同士は接触しており、セグメントコイル２００とティース１２４（固定子コア１２１）との間には、絶縁部材２２０が配置されている。また、Ｕ相のセグメントコイル２００ｂとＶ相のセグメントコイル２００ｃとの間には絶縁部材２２０の端部が重なるように配置されている。

近年、インバータにおけるスイッチングの高速化に伴い、セグメントコイル内ターン間の分担電圧が増大する傾向にある。このような状況において、図７に示す構成を固定子１２０の全てのスロット１２３に配置した場合、モータ電圧入力端側のターンに位置するセグメントコイル２００ａと２００ｂとの間でサージ電圧が印加されることにより絶縁破壊が生じる。この絶縁破壊を防止するために本実施例では、セグメントコイル２００ａ、２００ｂとの間に、第２の絶縁部材２１１ｂを配置した。

本実施例では、第１の絶縁部材２１０として、厚さ０．２ｍｍのアラミド紙－ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）－アラミド紙が接着積層された３層ラミネート紙を予め成型した絶縁部材を用いた。第１の絶縁部材２１０にはスロット１２３への挿入を容易にするため、挿入する側の厚さが薄くなるようにテーパを形成すると良い。また、第２の絶縁部材としては、セグメントコイル２００をスロット内に挿入する前に、幅３．４ｍｍ、厚さ０．１９ｍｍの粘着アラミドテープをセグメントコイル２００の直線部２０３に貼り付け形成した。

次にインバータ・サージ模擬電圧を試験電源により印加した検証について、図８を用いて説明する。図８は本発明の一実施例に係るサージ模擬電圧波形の模式図である。

前述した本実施例の固定子１２０について、Ｕ相コイルの入力端子１２６（図３参照）に図８に示す概略波形のインバータ・サージ模擬電圧を試験電源により印加し、分担電圧の作用による絶縁破壊挙動に差異が生じるかを検証した。この時、Ｖ相コイル、固定子コア１２１は接地電位とし、Ｗ相コイルはオープンとした。

サージ模擬電圧は、図８におけるサージ電圧ピークＶｐを１．５ｋＶｐ、サージ電圧立ち上がり時間ｔｒを５０ｎｓ、パルス幅ｔｗを１２０ｎｓ、パルス周波数ｆを１０ｋＨｚとした。その結果、図７に示す比較例の構成では、約３時間でＵ相コイルの電圧入力端に最も近いターンと隣接する同相コイル内のターン間で絶縁破壊を起こした。それに対し、第２の絶縁部材で絶縁強化された本実施例の構成においては、１０時間連続課電しても絶縁破壊が起こらなかった。

本実施例では、第２の絶縁部材としてガラス転移温度が２００℃を超え十分な耐熱性を有するアラミド繊維をテープ状にしたアラミドテープを用いた。これは、ハイブリッド自動車や電気自動車用モータでは、固定子の温度上昇が避けられず、絶縁部材の耐熱性を考慮したことによる。絶縁部材の耐熱性が低い場合は、モータの温度上昇による絶縁部材の熱、機械的劣化により稼働中の絶縁破壊が起きかねない。これを防ぐには、ガラス転移温度が５０℃以上の樹脂を用いることが必要となる。

また、本実施例では、第２の絶縁部材として接着剤が塗布された成形体（テープ状体）を用いたが、セグメントコイルの挿入後に、第2の絶縁部材として接着剤が塗布されないテープ状の成形体を挿入、装着しても良い。この他にセグメントコイル２００挿入のために設けられるスロット内空隙を利用し、セグメントコイル２００の挿入後（配置後）に絶縁強化が必要なターンと隣接ターン間に所定幅の空隙を設け、その空隙の中に、例えば熱硬化性樹脂を注入し熱硬化させて第２の絶縁部材を設けることが可能である。

加えて、本実施例では、第２の絶縁部材として単葉のアラミドテープを用いた。分担電圧は、電圧入力端から離れるに従い低下することが知られており、分担電圧レベルに応じて第２の絶縁部材をグレーディングすることもできる。例えば、分担電圧レベルの高い電圧入力端に隣接する第１ターンには、２層の絶縁部材、第２ターン以降は、第２の絶縁部材を１層としても良い。換言すれば、第１ターンに配置する第２の絶縁部材の厚さを第２ターン以降に配置する第２の絶縁部材の厚さよりも厚くする。第１ターンから第３ターンまで、第２の絶縁部材を配置した場合は、第１ターンに配置する第２の絶縁部材の厚さを第２ターン、第３タンに配置する第２の絶縁部材の厚さよりも厚くする。

以上説明したように本実施例によれば、サージ分担電圧増大によるモータ固定子のコイル内ターン間絶縁破壊を抑制し、高信頼性を確保した回転電機を提供することができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

１００ 回転電機
１１０ ハウジング
１１２ 液冷ジャケット
１１３ 冷媒通路
１１４ 軸受
１１５ 軸受
１１６ 冷媒貯蔵空間
１１７ 冷媒出口
１１８ 冷媒出口
１２０ 固定子
１２１ 固定子コア
１２２ 固定子コイル
１２３ スロット
１２４ ティース
１２５ 溶接部
１２６ 入力端子
１３０ 本実施例の回転子
１３０ 回転子
１３１ 回転軸
１３２ 回転子コア
１３３ 永久磁石
２００ セグメントコイル
２００ａ セグメントコイル
２００ｂ セグメントコイル
２００ｃ セグメントコイル
２００ｄ セグメントコイル
２０１ 頂点
２０２ 斜行部
２０３ 直線部
２０４ 溶接側傾斜部
２０５ 端部
２１０ 第１絶縁部材
２１１ 第２絶縁部材
２１１ａ 第２絶縁部材
２１１ｂ 第２絶縁部材
２２０ 絶縁部材
３０１ 銅導体
３０２ ポリイミド絶縁層

Claims (16)

1. 固定子コアと、前記固定子コアに設けられた複数のスロットと、前記複数のスロットのそれぞれのスロットに配置された３相の複数のセグメントコイルと、前記固定子コアと前記複数のセグメントコイルとの間に配置された第１の絶縁部材とを備えた回転電機の固定子であって、
   前記それぞれのスロットには、前記３相のセグメントコイルのうち、相が異なるセグメントコイルがそれぞれ２つずつ、且つ同相同士が隣接して配置され、
   前記複数のセグメントコイルの異相同士の間、及び前記複数のセグメントコイルのうち一部の同相同士の間には第２の絶縁部材を配置したことを特徴とする回転電機の固定子。
2. 請求項１において、
   同相同士の間に配置される前記第２の絶縁部材は、電圧入力端側に偏在させて配置したことを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項２において、
   前記第２の絶縁部材は、電圧入力端のみに配置したことを特徴とする回転電機の固定子。
4. 請求項２において、
   前記第２の絶縁部材は、電圧入力端である第１ターン、第２ターン及び第３ターンに配置したことを特徴とする回転電機の固定子。
5. 請求項４において、
   前記第２の絶縁部材の厚さは、前記第２ターン及び前記第３ターンよりも前記第１ターンを厚くしたことを特徴とする回転電機の固定子。
6. 請求項１において、
   前記セグメントコイルは、断面形状が平角線であることを特徴とする回転電機の固定子。
7. 請求項６において、
   前記セグメントコイルは、銅導体にポリイミド絶縁層を被覆して構成されたことを特徴とする回転電機の固定子。
8. 請求項１において、
   前記セグメントコイル、前記第１の絶縁部材、及び前記第２の絶縁部材はエポキシ系のワニスにより前記スロット内に固着されたことを特徴とする回転電機の固定子。
9. 請求項１において、
   前記第２の絶縁部材は、ガラス転移温度が５０℃以上の樹脂であることを特徴とする回転電機の固定子。
10. 請求項１において、
    前記第２の絶縁部材は、アラミド繊維としたことを特徴とする回転電機の固定子。
11. 請求項１０において、
    前記アラミド繊維はテープ状にしたことを特徴とする回転電機の固定子。
12. 請求項１において、
    前記第２の絶縁部材は、テープ状アラミド繊維とし、前記複数のセグメントコイルを前記スロットに配置する前に、前記複数のセグメントコイルの異相同士の間、及び前記複数のセグメントコイルのうち一部の同相同士の間のセグメントコイルに貼り付けて形成したことを特徴とする回転電機の固定子。
13. 請求項１において、
    前記第２の絶縁部材は、前記複数のセグメントコイルを前記スロットに配置後、熱硬化性樹脂を注入して形成したことを特徴とする回転電機の固定子。
14. 請求項１において、
    前記第１の絶縁部材は、アラミド紙－ポリエチレンナフタレート－アラミド紙を接着積層された３層ラミネート紙であることを特徴とする回転電機の固定子。
15. 請求項１４において、
    前記第１の絶縁部材は、前記スロットへ挿入する側の厚さが薄くなるようにテーパを形成したことを特徴とする回転電機の固定子。
16. 回転子と固定子とを備えた回転電機であって、
    前記固定子は、請求項１であることを特徴とする回転電機。

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