JP7125360B2 - 回転電機および回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は回転電機および回転電機の製造方法に関する。

車両等に搭載されて使用される電動機や発電機などの回転電機は、回転可能に設けられた回転子と、この回転子と径方向に対向して配置された固定子とを備えている。固定子は、周方向に配列された複数のスロットを有する固定子鉄心と、この固定子鉄心の複数のスロットに嵌装されたセグメント導体とを備えている。

特許文献１には、周方向に複数のスロットを有する固定子鉄心と、スロットに嵌装されたセグメント導体とを円環状に備える回転電機の固定子が記載されている。そして、各スロットに挿入されたセグメント導体の端部同士が接合されて固定子巻線を構成する。

特開２０１８－３３２３８号公報

特許文献１に記載の固定子は、固定子の組立製造時におけるセグメント導体の固定子スロットへの挿入性が損なわれ、セグメント導体の挿入後にセグメント導体の位置ずれが生じる問題があった。

本発明による回転電機は、複数のセグメント導体と、複数のスロットが形成された鉄心とを有し、前記複数のセグメント導体を前記複数のスロットに配置した固定子と、前記固定子の内周側に配置される可動子とを備え、前記セグメント導体は、前記スロット内に配置される一対の直線部と、前記一対の直線部の間に形成される折り曲げ部と、前記一対の直線部の前記折り曲げ部とは反対側にそれぞれ形成される一対の端末部と、を有し、前記直線部は、矩形、たる状、台形のいずれかの断面形状を有し、前記固定子の中心から径方向に延びる中心線と前記セグメント導体の前記直線部の側面とのなすねじれ角度は、前記直線部の前記端末部に近い側と前記直線部の前記折り曲げ部に近い側とで異なり、かつ前記直線部の前記端末部に近い側が前記直線部の前記折り曲げ部に近い側より小さく、前記直線部は、前記折り曲げ部に近い側が前記スロットの内壁面と接触している。
本発明による回転電機の製造方法は、複数のセグメント導体と、複数のスロットが形成された鉄心とを有し、前記複数のセグメント導体を前記複数のスロットに配置した固定子と、前記固定子の内周側に配置される可動子とを備える回転電機の製造方法であって、前記セグメント導体は、前記固定子の製造時において、前記スロットへ先に挿入される端末部と、前記スロットへ挿入されない折り曲げ部と、前記スロット内に配置される直線部とを有し、前記セグメント導体が前記スロットへ挿入されたときに、前記固定子の中心から径方向に延びる中心線と前記セグメント導体の前記直線部の側面とのなすねじれ角度が、前記直線部の前記端末部に近い側と前記直線部の前記折り曲げ部に近い側とで異なるように、前記セグメント導体にねじれ部を形成する第一の工程と、前記ねじれ部が形成された前記セグメント導体を前記端末部から前記スロットへ挿入する第二の工程とを備える。

本発明によれば、固定子の組立製造時におけるセグメント導体の固定子スロットへの挿入性が向上し、セグメント導体の挿入後にセグメント導体の位置ずれを防止できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。

回転電機の外観図である。 回転電機の断面図である。 固定子の斜視図である。 セグメント導体の一例を示す斜視図である。 （Ａ）～（Ｄ）セグメント導体の断面形状を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）セグメント導体の製造方法の第一の例を示す図である。 （Ａ）～（Ｃ）セグメント導体の斜視図および断面図である。 （Ａ）（Ｂ）セグメント導体を固定子鉄心のスロットに挿入した状態の断面図である。 セグメント導体の製造方法の第二の例を示す図である。 口出し線用セグメント導体を示す斜視図である。 異形セグメント導体を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

以下、本実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、セグメント導体を内蔵する回転電機１００の外観図である。回転電機１００は、車両等に搭載されて使用される電動機や発電機などであり、例えば、電動パワーステアリングに用いられるモータである。回転電機１００は、ハウジング１と、ブラケット２とを備える。ブラケット２からは出力軸であるシャフト３が突出している。シャフト３の反対側に複数のコイル口出し線５０が延出している。また、シャフト３の反対側には制御回路（不図示）が配置される。

図２は、回転電機１００の断面図である。ハウジング１とブラケット２との間にはその接続部にＯリング６が設けられている。ブラケット２には、シャフト３の一端側を支持するフロントベアリング５がベベル型トメワ４で固定されている。一方、ハウジング１には、シャフト３の他端側を支持するリアベアリング１０が設けられている。シャフト３は、フロントベアリング５およびリアベアリング１０により回転可能に支持されている。固定子１４の内周側には、シャフト３と一体化して回転子（可動子）１２が設けられる。回転子（可動子）１２は、回転子鉄心８の中に永久磁石７が設けられた埋め込み構造や表面磁石構造となっている。

ハウジング１の内周面に固定子１４が焼き嵌めや圧入により固定される。固定子１４は、固定子鉄心９に形成された複数のスロット（溝）内にエナメル皮膜などの絶縁皮膜が付与されたセグメント導体を複数挿入する。セグメント導体は、スロット内に配置される少なくとも一つの直線部と、固定子１４のスロット外に配置される一対の端末部よりなる。セグメント導体は、互いに接続されて３相の巻線２０を形成し、複数のコイル口出し線５０よりコイルエンド部側に引き出される。

図３は、巻線２０が配置された固定子１４の斜視図である。固定子鉄心９の軸方向で図示上側に配置されたコイルエンド部からは、複数のコイル口出し線５０が引き出されている。固定子鉄心９の反対側には巻線２０を構成するセグメント導体３０の接続部１３が設けられている。各セグメント導体３０は、固定子鉄心９の軸方向の図示上側からスロットに挿入される。挿入されたセグメント導体３０の端部はスロットの反対側、すなわち軸方向の図示下側から突出している。軸方向の図示下側から突出したセグメント導体３０の端部は半田、Ｔｉｇ溶接およびレーザー溶接等により接続され接続部１３を構成する。

図４は、図３において固定子鉄心９のスロットに挿入されるセグメント導体３０の一例を示す斜視図である。セグメント導体３０は、図示上部の頭部３１を中心とした略左右対称な形状を有する。すなわち、セグメント導体３０は、図示左右１組の傾斜部３２と、１組の屈曲部３３と、１組の直線部３４とを備える。頭部３１は１組の傾斜部３２の間に配される。頭部３１に最も近く配置される傾斜部３２は、固定子鉄心９の端面に対して０度より大きく９０度未満の角度を有する。屈曲部３３を介して傾斜部３２に接続される直線部３４は、直線の形状を有し、固定子鉄心９のスロットに挿入される。ここで、頭部３１、傾斜部３２、屈曲部３３を総称して折り曲げ部３５と呼称し、折り曲げ部３５とは反対側にそれぞれ形成される他のセグメント導体３０と接合される部分を端末部３６と呼称する。すなわち、折り曲げ部３５は一対の直線部３４の間に形成されており、一対の直線部３４の折り曲げ部３５と反対側には、一対の端末部３６がそれぞれ形成されている。

図５は、セグメント導体３０の断面形状を示す図である。図５（Ａ）は、丸断面を示す図、図５（Ｂ）は、矩形断面を示す図、図５（Ｃ）は、たる状断面を示す図、図５（Ｄ）は、台形断面を示す図である。図５（Ａ）は、成形する前の断面形状を示す。図５（Ｂ）～図５（Ｄ）は、成形した後の本実施形態における断面形状を示す。

図５（Ａ）に示すように、円形の断面を「丸断面」と呼ぶ。なお、図５（Ａ）では真円を示しているが、楕円も丸断面に含む。図５（Ｂ）に示すように、矩形の断面を「矩形断面」と呼ぶ。ただし、図５（Ｂ）に示すように角が丸くてもよく、本実施形態における矩形断面は、断面が平行な２組の辺を含む形状を指す。また、矩形断面は、円形断面を上下方向と左右方向の両方からつぶした形状とも言える。

図５（Ｃ）に示すように、１組の平行な辺と２つの半円の組み合わせからなる断面を「たる状断面」と呼ぶ。たる状断面は、円形断面を上下方向および左右方向のいずれか一方からつぶした形状とも言える。図５（Ｃ）では円形断面を図示上下方向のみからつぶした形状である。図５（Ｄ）に示すように、１組の平行な辺とそれらを接続する斜辺を有する断面を「台形断面」と呼ぶ。ただし図５（Ｄ）では４隅に角を有するが、図５（Ｂ）や図５（Ｃ）のように角が丸くてもよい。

次に、セグメント導体３０の製造方法の第一の例について図６を参照して説明する。
図６（Ａ）に示すようにプレス冶具４０を用いて、図５（Ａ）に示す丸断面の直線状導体片４１をプレス成形する。プレス成形された直線状導体片４１の断面は、図５（Ｂ）に示す矩形断面、図５（Ｃ）に示すたる状断面、図５（Ｄ）に示す台形断面のいずれかであればよい。このプレス成形において、図６（Ｂ）に示すように直線状導体片４１の長手方向において部分的にねじれ角度を変えるねじれ部が形成される。続いて、直線状導体片４１の中央部を曲げ成形して、図４に示す、折り曲げ部３５、直線部３４、端末部３６を有するセグメント導体３０を形成する。

プレス成形におけるねじれ部の形成を具体的に説明する。図６（Ａ）に示すように、プレス冶具４０は、セグメント導体３０の直線部３４であって端末部３６に近い部分Ｘとセグメント導体３０の直線部３４であって折り曲げ部３５に近い部分Ｙにおいて、それぞれねじれ角度が異なるように成形する。

ここで、後述するように固定子１４の中心からスロット１５の周方向中心を通って径方向に延びる中心線aに対する直線状導体片４１の側面ｂのなす角度をねじれ角度と定義する。図６（Ｂ）に示すように、直線状導体片４１の部分Ｙを点線で示すとその側面ｂyと中心線aのなす角度はねじれ角度φyである。一方、直線状導体片４１の部分Ｘを実線で示すとその側面ｂxと中心線aのなす角度はねじれ角度φxである。このように、直線状導体片４１は、直線状導体片４１の部分Ｙのねじれ角度φyは、直線状導体片４１の部分Ｘのねじれ角度φxより大きくなるように成形される。

図７は、セグメント導体３０の斜視図および断面図である。図７（Ａ）は、図４の斜視図と同様であるが、セグメント導体３０の直線部３４において上述したねじれ部を形成している。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すセグメント導体３０のＹ-Ｙ断面図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）に示すセグメント導体３０のＸ-Ｘ断面図である。

図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示すように、セグメント導体３０は、直線部３４において端末部３６側の断面の開き角θ１と折り曲げ部３５側のコイル断面の開き角θ２が異なる。開き角θ２は開き角θ１より大きく、また、セグメント導体３０の直線部３４において端末部３６側から折り曲げ部３５側に行くに従って徐々に開き角が大きくなる。

例えば、セグメント導体３０が矩形断面の場合は長辺の長さα、短返の長さβ、スロットの幅γ、端末部側の直線部断面の開き角θ１、折り曲げ部側の直線部断面の開き角θ２とすると、θ１とθ２の関係は次式（１）で決定される。

図８は、セグメント導体３０を固定子鉄心９のスロット１５に挿入した状態の断面図である。図８（Ａ）は、セグメント導体３０の直線部３４における端末部３６側（部分Ｘ）の断面を、図８（Ｂ）は、セグメント導体３０の直線部３４における折り曲げ部３５側（部分Ｙ）の断面を示す。

図８（Ａ）に示すようにセグメント導体３０の直線部３４x1、３４x2、３４x3、３４x4が、スロット１５に挿入されているが、セグメント導体３０の直線部３４における端末部３６側は、ねじれ角度φx1～φx4が小さい。セグメント導体３０は、直線部３４x1、３４x2、３４x3、３４x4の断面形状の角部分においてスロット１５の内壁面の両側と点接触しない。なお、角部分がスロット１５の内壁面の片側と点接触する構成であってもよい。これにより、固定子１４の組立製造時におけるセグメント導体３０のスロット１５への挿入性が向上する。

図８（Ｂ）に示すようにセグメント導体３０の直線部３４y1、３４y2、３４y3、３４y4が、スロット１５に挿入されているが、セグメント導体３０の直線部３４における折り曲げ部３５側は、ねじれ角度φy1～φy4が大きい。そして、セグメント導体３０は、直線部３４y1、３４y2、３４y3、３４y4の断面形状の角部分においてスロット１５の内壁面の両側と点接触する。なお、角部分がスロット１５の内壁面の両側と点接触する構成に限らず、内壁面の少なくとも片側において点接触する構成であってもよい。また、接触状態は点接触に限らず、少なくともスロット１５の内壁面と接触する構成であればよい。これにより、セグメント導体３０をスロット１５に挿入した後にセグメント導体３０の位置ずれを防止できる。

このように、固定子１４の軸方向と直交するセグメント導体３０の断面において、固定子１４の中心からスロット１５の周方向中心を通って径方向に延びる中心線aに対する直線状導体片４１の側面ｂx、ｂyのなす角度をねじれ角度と定義する。ねじれ角度は、セグメント導体３０の直線部３４の端末部３６側と折り曲げ部３５側で異なる。直線部３４の折り曲げ部３５側のねじれ角度φy1～φy4は、直線部３４の端末部３６側のねじれ角度φx1～φx4より大きい。また、セグメント導体３０の直線部３４において端末部３６側から折り曲げ部３５側に行くに従って徐々にねじれ角度が大きくなる。

これにより、セグメント導体３０を固定子鉄心９に挿入する場合に、セグメント導体３０の挿入側である端末部３６側はねじれ角度が比較的小さく揃っているので、セグメント導体３０のスロット１５に対する挿入性が良くなる。さらに、セグメント導体３０をスロット１５に挿入していき、折り曲げ部３５側に近づくと、ねじれ角度が変化していき、直線部３４の断面形状の角部分においてスロット１５の内壁面と接触する。そして、その摩擦力によりセグメント導体３０の位置が保持される。

次に、セグメント導体３０の製造方法の第二の例について図９を参照して説明する。
図９に示すように、セグメント導体３０の端末部３６側を固定具４５、４６に固定する。次に、セグメント導体３０の折り曲げ部３５側を冶具４７、４８で挟持する。そして、セグメント導体３０の中心軸を中心に冶具４７、４８を回動するねじり工程を行い、セグメント導体３０の直線部３４にねじれ角度を生じさせる。これにより、セグメント導体３０の直線部３４において、端末部３６側から折り曲げ部３５側に行くに従って徐々にねじれ角度が大きくなるように成形することができる。

なお、図４に示したセグメント導体３０はヘアピン形セグメント導体であり、上述の例ではこのヘアピン形セグメント導体を例に説明したが、セグメント導体３０は図１０に示す口出し線用セグメント導体６０、図１１に示す異形セグメント導体７０であってもよい。

固定子鉄心９のスロット１５に、複数のヘアピン形セグメント導体３０、口出し線用セグメント導体６０、異形セグメント導体７０の直線部３４、６１、７１が挿入される。各セグメント導体３０、６０、７０の端末部３６、６２、７２は、固定子鉄心９に組み込む前は、直線部３４、６１、７１から延びる直線形状６３、７３（図示点線）である。各セグメント導体３０、６０、７０を固定子鉄心９に組み込んだ後は、固定子鉄心９の軸方向端面から突出した部位を曲げ成形（図示実線）する。

ここで、上述したセグメント導体３０と同様に、折り曲げ部６５、７５に近い直線部６１、７１の部分Ｙは、端末部６２、７２に近い直線部６１、７１の部分Ｘよりもねじれ角度が大きくなるように成形される。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）回転電機１００は、複数のセグメント導体３０、６０、７０と、複数のスロット１５が形成された固定子鉄心９とを有し、複数のセグメント導体３０、６０、７０を複数のスロット１５に配置した固定子１４と、固定子１４の内周側に配置される可動子１２とを備え、セグメント導体３０、６０、７０は、スロット１５内に配置される一対の直線部３４、６１、７１と、一対の直線部３４、６１、７１の間に形成される折り曲げ部３５、６５、７５と、一対の直線部３４、６１、７１の折り曲げ部３５、６５、７５とは反対側にそれぞれ形成される一対の端末部３６、６２、７２と、を有し、固定子１４の中心から径方向に延びる中心線とセグメント導体３０、６０、７０の直線部３４、６１、７１の側面とのなすねじれ角度は、直線部３４、６１、７１の端末部３６、６２、７２に近い側と直線部３４、６１、７１の折り曲げ部３５、６５、７５に近い側とで異なる。これにより、固定子の組立製造時におけるセグメント導体の固定子スロットへの挿入性が向上し、セグメント導体の挿入後にセグメント導体の位置ずれを防止できる。

（２）回転電機１００の製造方法は、複数のセグメント導体３０、６０、７０と、複数のスロット１５が形成された固定子鉄心９とを有し、複数のセグメント導体３０、６０、７０を複数のスロット１５に配置した固定子１４と、固定子１４の内周側に配置される可動子１２とを備え、セグメント導体３０、６０、７０は、固定子１４の製造時において、スロット１５へ先に挿入される端末部３６、６２、７２と、スロット１５へ挿入されない折り曲げ部３５、６５、７５と、スロット１５内に配置される直線部３４、６１、７１とを有し、セグメント導体３０、６０、７０がスロット１５へ挿入されたときに、固定子１４の中心から径方向に延びる中心線とセグメント導体３０、６０、７０の直線部３４、６１、７１の側面とのなすねじれ角度が、直線部３４、６１、７１の端末部３６、６２、７２に近い側と直線部３４、６１、７１の折り曲げ部３５、６５、７５に近い側とで異なるように、セグメント導体３０、６０、７０にねじれ部を形成する第一の工程と、ねじれ部が形成されたセグメント導体３０、６０、７０を端末部３６、６２、７２からスロット１５へ挿入する第二の工程とを備える。これにより、固定子の組立製造時におけるセグメント導体の固定子スロットへの挿入性が向上し、セグメント導体の挿入後にセグメント導体の位置ずれを防止できる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１ ハウジング
２ ブラケット
３ シャフト
４ トメワ
５、１０ ベアリング
６ Ｏリング
７ 永久磁石
８ 回転子鉄心
９ 固定子鉄心
１２ 回転子（可動子）
１３ 接続部
１４ 固定子
１５ スロット
２０ 巻線
３０、６０、７０ セグメント導体
３１ 頭部
３２ 傾斜部
３３ 屈曲部
３４、６１、７１ 直線部
３５、６５、７５ 折り曲げ部
３６、６２、７２ 端末部
４０ プレス冶具
４１ 直線状導体片
４５、４６ 固定具
４７、４８ 冶具
５０ コイル口出し線
１００ 回転電機

Claims (6)

1. 複数のセグメント導体と、複数のスロットが形成された鉄心とを有し、前記複数のセグメント導体を前記複数のスロットに配置した固定子と、
   前記固定子の内周側に配置される可動子と、を備え、
   前記セグメント導体は、前記スロット内に配置される一対の直線部と、前記一対の直線部の間に形成される折り曲げ部と、前記一対の直線部の前記折り曲げ部とは反対側にそれぞれ形成される一対の端末部と、を有し、
   前記直線部は、矩形、たる状、台形のいずれかの断面形状を有し、
   前記固定子の中心から径方向に延びる中心線と前記セグメント導体の前記直線部の側面とのなすねじれ角度は、前記直線部の前記端末部に近い側と前記直線部の前記折り曲げ部に近い側とで異なり、かつ前記直線部の前記端末部に近い側が前記直線部の前記折り曲げ部に近い側より小さく、
   前記直線部は、前記折り曲げ部に近い側が前記スロットの内壁面と接触している
   回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記セグメント導体は、前記直線部の前記折り曲げ部に近い側が前記スロットの内壁面の両側と接触している回転電機。
3. 複数のセグメント導体と、複数のスロットが形成された鉄心とを有し、前記複数のセグメント導体を前記複数のスロットに配置した固定子と、
   前記固定子の内周側に配置される可動子とを備える回転電機の製造方法であって、
   前記セグメント導体は、前記固定子の製造時において、前記スロットへ先に挿入される端末部と、前記スロットへ挿入されない折り曲げ部と、前記スロット内に配置される直線部とを有し、
   前記セグメント導体が前記スロットへ挿入されたときに、前記固定子の中心から径方向に延びる中心線と前記セグメント導体の前記直線部の側面とのなすねじれ角度が、前記直線部の前記端末部に近い側と前記直線部の前記折り曲げ部に近い側とで異なるように、前記セグメント導体にねじれ部を形成する第一の工程と、
   前記ねじれ部が形成された前記セグメント導体を前記端末部から前記スロットへ挿入する第二の工程とを備える回転電機の製造方法。
4. 請求項３に記載の回転電機の製造方法において、
   前記第一の工程は、前記セグメント導体を押し潰して前記ねじれ部を形成するプレス工程である回転電機の製造方法。
5. 請求項３に記載の回転電機の製造方法において、
   前記第一の工程は、前記セグメント導体をその中心軸を中心に回動して前記ねじれ部を形成するねじり工程である回転電機の製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の回転電機の製造方法において、
   前記第一の工程では、前記ねじれ角度が、前記直線部の前記端末部に近い側が前記直線部の前記折り曲げ部に近い側より小さくなるように、前記セグメント導体に前記ねじれ部
   を形成する回転電機の製造方法。

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