JP7150171B2 - 回転電機の固定子、端子台及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の固定子に関する。

本発明は、回転電機は高出力が求められており、コイルを高ターン化することが望まれている。

本技術分野の背景技術として、以下の先行技術がある。特許文献１（国際公開２０１７／１９５４８１号）には、固定子の軸長が伸びて大型化すると共に、接続箇所が固定子鉄心の両端側にあるため回転電機の生産性が悪くなる。固定子鉄心と、複数のセグメントコイルにより構成される固定子巻線と、固定子巻線のセグメントコイルの異なる相を繋ぐ異相間接続導体および固定子巻線の同相のセグメントコイルをつなぐ同相間接続導体を固定する結線板と、を備え、固定子巻線は、固定子鉄心の軸方向に対して一方側に複数のセグメントコイルの互いの端部が接続されるコイル接続部を有し、 結線板は、固定子鉄心に対して、コイル接続部が配置された側に配置される回転電機。

国際公開２０１７／１９５４８１号

このような、固定子コイルの高ターン化に伴い、コイルが密集する入出力部において温度が上昇する問題がある。このため、スロット内に流した冷却液（例えば、ＡＴＦ）によるコイルの冷却が求められている。しかし、固定子の上面側に装着される結線板がスロット内への冷却液の流入を妨げることがある。このため、冷却液の流入を妨げない結線板の形状が求められている。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、回転電機の固定子であって、固定子コアと、前記固定子コアのスロットから突出しかつ径方向に並べられた複数のセグメントコイルと、前記セグメントコイルの間を接続する接続導体と、前記接続導体を保持する絶縁部材とを備え、前記絶縁部材は、前記セグメントコイルが貫通して収容される貫通孔とを有し、冷却液が前記貫通孔に流入可能な開口部を前記絶縁部材の内周側に有することを特徴とする。

本発明によれば、結線板が設けられた回転子でも、回転子コイルを効率的に冷却できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。

本発明の実施例にかかる回転電機の全体構成を示す模式図である。 本実施例のハウジングに取り付けられた固定子を示す斜視図である。 本実施例のハウジングから取り外された固定子の斜視図である。 本実施例の結線板の斜視図である。 本実施例の結線板に内蔵される入出力接続導体の斜視図である。 本実施例の結線板を装着した状態の固定子の断面図である。 本実施例の結線板を装着した固定子の平面図である。 本実施例の結線板を装着した固定子の平斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本実施形態に係る回転電機は、自動車の走行への使用が好適な回転電機である。ここで、回転電機を使用するいわゆる電気自動車には、エンジンと回転電機の両方を備えるハイブリッドタイプの電気自動車（ＨＥＶ）と、エンジンを用いないで回転電機のみで走行する純粋な電気自動車（ＥＶ）とがあるが、以下に説明する回転電機は両方のタイプに利用できる。

図１は、本発明の実施例にかかる回転電機１００の全体構成を示す模式図である。図１では、回転電機１００の一部分を断面として、回転電機１００の内部を示している。回転電機１００は、ケース１０の内部に配設され、ハウジング１１２と、ハウジング１１２に固定される固定子コア１３２を有する固定子１３０と、固定子１３０内に回転自在に配設される回転子１５０とを有する。ケース１０は、エンジンのケースや変速機のケースによって構成されてもよい。

回転電機１００は、永久磁石内蔵型の三相同期モータである。本実施例では、回転電機１００の例として三相同期モータについて説明するが、本発明は誘導モータにも適用できる。

本実施例の回転電機１００は、固定子コア１３２に巻回される固定子コイル１３８に三相交流電流が供給されることで、回転子１５０を回転させる電動機として作動する。また、回転電機１００は、エンジンによって駆動されると、発電機として作動して三相交流の発電電力を出力する。つまり、回転電機１００は、電気エネルギーに基づいて回転トルクを発生する電動機としての機能と、機械エネルギーに基づいて発電する発電機としての機能の両方を有しており、自動車の走行状態によって前述した機能を選択的に利用できる。

固定子１３０はハウジング１１２に固定されている。固定子１３０は、ハウジング１１２に設けられたフランジ１１５がボルト１２によりケース１０に締結されることによって、ケース１０内に固定され、保持されている。回転軸１１８に固定された回転子１５０は、ケース１０の軸受け１４Ａ、１４Ｂにより支承され、固定子コア１３２の内側において回転可能に保持される。

図２は、ハウジング１１２に取り付けられた固定子１３０を示す斜視図であり、図３はハウジング１１２から取り外された固定子１３０の斜視図である。図３において、固定子コア１３２の一部を省略した。

ハウジング１１２は、厚さ２～５ｍｍ程度の鋼板（高張力鋼板など）を絞り加工によって円筒形状に形成されている。ハウジング１１２の軸方向一端にはフランジ１１５が設けられており、前述したようにケース１０にボルト１２で固定される（図１参照）。フランジ１１５は、絞り加工によってハウジング１１２と一体に形成される。なお、ハウジング１１２を設けずに、固定子１３０をケース１０に直接固定してもよい。

固定子１３０は、ハウジング１１２の内周側に固定され、円筒状の固定子コア１３２と、固定子コア１３２に装着される固定子コイル１３８と結線板１４０とを有している。固定子コア１３２は、例えば、厚さが０．０５～１．０ｍｍ程度の打ち抜き加工又はエッチング加工によって成形された複数の電磁鋼板１３３を積層して形成される。積層された電磁鋼板１３３は溶接によって接続されて、固定され、ハウジング１１２に圧入した際の締め付け力に起因する電磁鋼板１３３の変形が抑制される。

固定子コア１３２には、軸方向に延在する複数のスロット１２２が周方向に等間隔となるように形成されている。スロット１２２の数は、例えば本実施の形態では７２個である。スロット１２２には、図２に示すように固定子コイル１３８が収容される。図３に示す例では、スロット１２２は開スロットであり、固定子コア１３２の内周側には開口が形成されている。この開口の周方向の幅は、固定子コイル１３８が装着される各スロット１２２のコイル装着部とほぼ同等又はコイル装着部よりも若干小さいとよい。

なお、各スロット１２２内には、スロットライナー３００が配置されている。スロットライナー３００は、例えば耐熱性を有する樹脂で所定の形状に成形されており、厚さは０．１～０．５ｍｍ程である。スロットライナー３００は、スロット１２２内やコイルエンドに配設される。スロットライナー３００をスロット１２２に挿通されるコイルの相互間、及びコイルとスロット１２２の内面との間に配設され、絶縁部材として機能して、コイル間やコイルとスロット１２２の内面との間の絶縁耐圧を向上している。

固定子コイル１３８は、Ｕ字形状の複数のセグメントコイルが互いに接続されて形成される。セグメントコイルは、その端部がスロット１２２（すなわち固定子１３０）から露出するように、一つの端部が他のセグメントコイルと隣接するように配置され、他方の端部がさらに他のセグメントコイルと隣接して配置されている。端部が隣接するセグメントコイルは、その隣接する端部において互いに接続されることによって、固定子コア１３２に巻回される固定子コイル１３８を形成している。

固定子コイル１３８のセグメントコイルの端部の一部には、固定子１３０と電気回路とを結線するための結線板１４０が装着される。

また、コイルエンドに配設されるスロットライナー３００は、コイルエンドにおける相間絶縁や導体間絶縁のためにコイル間に環状に配設される。このように、本実施例の回転電機１００では、スロット１２２の内側やコイルエンドにスロットライナー３００が配設されているため、コイルの絶縁被膜が傷ついたり劣化したりしても、必要な絶縁耐圧を保持できる。

スロット１２２間にはティース１２１が形成されており、各ティース１２１は環状のコアバック１２３と一体に成形されている。固定子コア１３２は、各ティース１２１とコアバック１２３とが一体に成形された一体型コアとされている。ティース１２１は、固定子コイル１３８によって発生した回転磁界を回転子１５０に導き、回転子１５０に回転トルクを発生させる。

回転子１５０は、回転子コア１５２と、回転子コア１５２に形成された磁石挿入孔に保持されている永久磁石１５４、とを有している。

回転子コア１５２には、直方体形状の磁石挿入孔が外周部近傍において周方向に等間隔で形成されている。各磁石挿入孔には永久磁石１５４が埋め込まれ、接着剤などで固定されている。磁石挿入孔の円周方向の幅は、永久磁石１５４の円周方向の幅よりも大きく形成されており、永久磁石１５４の両側には磁気的空隙１５６が形成されている。この磁気的空隙１５６は接着剤を埋め込んでもよいし，樹脂で永久磁石１５４と一体に固めてもよい。

永久磁石１５４は、回転子１５０の界磁極を形成するものである。なお、本実施例では、一つの永久磁石１５４で一つの磁極を形成する構成としているが、一つの磁極を複数の永久磁石１５４によって構成してもよい。各磁極を形成するための永久磁石１５４を複数に増やすことで、永久磁石１５４が発する各磁極の磁束密度が大きくなり、磁石トルクを増大することができる。永久磁石１５４には、ネオジウム系、サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石、ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができるが、永久磁石１５４の残留磁束密度は、０．４～１．３Ｔ程度が望ましく、ネオジウム系の磁石がより適している。各永久磁石１５４間に補助磁極が形成されてもよい。

三相交流電流が固定子コイル１３８に供給されることにより固定子１３０に回転磁界が発生すると、この回転磁界が回転子１５０の永久磁石１５４に作用して磁石トルクが発生する。回転子１５０には、この磁石トルクに加えて、上述のリラクタンストルクが発生するので、回転子１５０には上述の磁石トルクとリラクタンストルクとの両方のトルクが回転トルクとして作用し、大きな回転トルクを得ることができる。

図４、図５、図６、図７を参照して結線板１４０について説明する。図４は結線板１４０の斜視図であり、図５は結線板１４０の内部に配置される入出力接続導体１４４の斜視図であり、図６は結線板１４０を装着した状態の固定子１３０の断面図であり、図７は結線板１４０を装着した固定子１３０の平面図である。

結線板１４０は、回転電機１００の外部と固定子１３０を接続する引出線としての入出力接続導体１４４（図５参照）と、セグメントコイルの間を接続する中継線としての接続導体１４５、１４６と、入出力接続導体１４４及び接続導体１４５、１４６を保持する絶縁部材１４１とを有する。入出力接続導体１４４の端部には、接続端子１４２が接続される（図２、図３参照）。

絶縁部材１４１は、樹脂材料の一体成型によって、入出力接続導体１４４及び接続導体１４５、１４６を保持するように構成される。絶縁部材１４１は、内周側で開口（開口部１４１２）しており、櫛状の樹脂端子ブロックを形成している。この開口部１４１２は、後述するように、固定子コア１３２のスロット１２２内に冷却油を導入するために使用される。

接続導体１４５、１４６は、図５に示すように、同相のセグメントコイルを接続する同相間接続導体１４５と、異相のセグメントコイルを接続する異相間接続導体１４６とがある。接続導体１４４、１４５、１４６は、結線板１４０内における電気的絶縁のため一定の間隔を保って絶縁部材１４１内で固定されている。

図３、図４、図７に示すように、セグメントコイルの端部を結線板１４０の貫通孔１４１１内に軸方向に通すことによって、セグメントコイルの軸方向の端部と固定子鉄心の軸方向の端部との間の位置に結線板１４０が装着される。この位置に結線板１４０が装着されることによって固定子コイル１３８のコイル終端部の長さを短くでき、回転電機１００を小型化できる。

絶縁部材１４１は、固定子１３０に装着された位置で、その内周側面がティース１２１の先端より外周側に位置する大きさとしている。このため、固定子１３０の内側に回転子１５０を挿入する際に、結線板１４０と回転子１５０とが干渉しないようにでき、回転子１５０を上側及び下側のいずれからも挿入できる。

また、セグメントコイルと接続導体１４４、１４５、１４６とは、軸方向側で固定子１３０の上部、すなわち結線板１４０の上部で接続される。軸方向の上部で接続することによって、セグメントコイルと接続導体１４４、１４５、１４６との接続時に導体同士のクランプが容易となり、接続箇所を固定子コア１３２に近い位置にでき、回転電機１００を小型化できる。

このように結線板１４０を固定子コイル１３８に装着することによって、セグメントコイルの端部と接続導体１４４、１４５、１４６の端部とが隣接し、セグメントコイルの端部と接続導体１４４、１４５、１４６の端部とが接続可能となる。

具体的には、同相間接続導体１４５は、周方向に隣り合う二つの貫通孔１４１１の間に配置され、結線板１４０の上面において、スロット１２２内の最内周（第１層）のセグメントコイルと最外周（第６層）のセグメントコイルとを接続する（図５参照）。

また、スロット１２２内の第２層のセグメントコイルの端部と第３層のセグメントコイルの端部とが接続され、第４層のセグメントコイルの端部と第５層のセグメントコイルの端部とが接続される。

入出力接続導体１４４は、各相において２本設けられており、１本の入出力接続導体１４４は最内周（第１層）のセグメントコイルと接続され、他の１本の入出力接続導体１４４は最外周（第６層）のセグメントコイルと接続される。これによって、２系統のコイルが各相一つの接続端子１４２に結線される。

異相間接続導体１４６は、異なる相のセグメントコイルの端部を接続し、絶縁部材１４１の内部で中性点を形成する 中性点を、絶縁部材１４１の上面に引き出してもよい。

このように、セグメントコイルと接続導体１４４、１４５、１４６との接続によって、固定子コイル１３８の電気回路が形成される。

セグメントコイルの端部と接続導体１４４、１４５、１４６の端部との接続方法、及びＵ字形セグメントコイルの端部同士の接続方法は、例えばＴＩＧ溶接を用いることができるが、レーザ溶接、電子ビーム溶接、超音波溶接等の他の接合方法も採用可能である。

本実施例において、最内周のセグメントコイルと隣接する接続導体１４４、１４５、１４６は、当該セグメントコイルの端部と周方向に隣接する位置に設けられており、導体の端部が開口部１４１２への冷却油の流入を妨げないようにしている。また、最外周のセグメントコイルと隣接する接続導体１４４、１４５、１４６は、当該セグメントコイルの端部と径方向に隣接する位置に設けられており、後述する溜まり部１４１３に到達する冷却油によって冷却されるようにしている。

次に、図７及び図８を参照して、本実施例におけるコイルの冷却について説明する。図７は結線板１４０を装着した固定子１３０の平面図であり、図８は結線板１４０を装着した固定子１３０の平斜視図である。図７及び図８において、冷却油の流れを矢線で示した。

本実施例の回転電機１００のケース１０の内部には、冷却油が流れており、固定子コイル１３８の銅損により発生する熱を冷却している。例えば、自動変速機と回転電機１００とが一つのケースに収容される場合、回転電機１００の内部にＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）が流れ、回転電機１００の内部の固定子コイル１３８の周囲に流れるＡＴＦによって固定子コイル１３８を冷却する。一般にＡＴＦは固定子１３０の上面（例えば、固定子コイル１３８の溶接側の面）からスロット１２２内を流れて、固定子１３０の下面（例えば、セグメントコイルの挿入側の面）から流出する。

本実施例の回転電機１００では、結線板１４０が固定子１３０の上面側に装着されるので、結線板１４０の形状によっては固定子１３０内へのＡＴＦの流入を妨げることがある。このため、本実施例の結線板１４０は、結線板１４０の絶縁部材１４１の内周側に開口部１４１２を設け、開口部１４１２から貫通孔１４１１に冷却油を導入する。このため、結線板１４０の下部に位置する固定子コイル１３８に冷却油を導入でき、結線板１４０の下部に位置する固定子コイル１３８を冷却できる。

また、結線板１４０の絶縁部材１４１の外周側には開口部１４１２より幅広の溜まり部１４１３が設けられている。このため、開口部１４１２から絶縁部材１４１の内部に流入した冷却油が溜まり部１４１３に到達し、溜まり部１４１３に滞留することによって、接続導体１４４、１４５、１４６を効果的に冷却できる。また、開口部１４１２から絶縁部材１４１の内部に流入した冷却油が絶縁部材１４１を冷却するので、絶縁部材１４１に設けられる接続導体１４４、１４５、１４６を冷却できる。

以上に説明した実施例では、冷却油によって固定子コイル１３８を冷却する例を説明したが、本発明の固定子１３０は、油ではない冷却媒体（液体又は気体）を用いても冷却できる。

以上に説明したように、本発明の実施例によると、回転電機１００の固定子１３０であって、固定子コア１３２と、固定子コア１３２のスロット１２２から突出しかつ径方向に並べられた複数のセグメントコイルと、セグメントコイルの間を接続する接続導体１４５、１４６と、接続導体１４５、１４６を保持する絶縁部材１４１とを備え、絶縁部材１４１は、セグメントコイルが貫通して収容される貫通孔１４１１を有し、冷却液が貫通孔１４１１に流入可能な開口部１４１２を絶縁部材１４１の内周側に有するので、結線板１４０が設けられた固定子１３０でも、固定子コイル１３８を効率的に冷却できる。

また、絶縁部材１４１は、貫通孔１４１１の外周側に、開口部１４１２から流入した冷却液が到達する溜まり部１４１３を有するので、冷却液が溜まり部１４１３に流れ込み、接続導体１４４、１４５、１４６を効果的に冷却できる。

また、接続導体１４５、１４６は、最外周に配置されるセグメントコイルと径方向で隣接して接続され、最内周に配置されるセグメントコイルと周方向で隣接して接続されるので、冷却油の開口部１４１２への流入を妨げないようにしており、溜まり部１４１３に到達する冷却油によって効果的に冷却できる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述した実施の形態では回転子に永久磁石を備えた回転電機を例に説明したが、本発明は、誘導モータ等の回転電機の固定子にも同様に適用することができる。また、車両駆動用回転電機以外にも適用できる。

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやす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本発明は限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えてもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をしてもよい。

１０ ケース、１２ ボルト、１４Ａ、１４Ｂ 軸受け、１００ 回転電機、１１２ ハウジング、１１５ フランジ、１１８ 回転軸、１２１ ティース、１２２ スロット、１２３ コアバック、１３０ 固定子、１３２ 固定子コア、１３３ 電磁鋼板、１３８ 固定子コイル、１４０ 結線板、１４１ 絶縁部材、１４１１ 貫通孔、１４１２ 開口部、１４１３ 溜まり部、１４２ 入出力接続端子、１４４ 入出力接続導体、１４５、１４６ 接続導体、１５０ 回転子、１５２ 回転子コア、１５４ 永久磁石、１５６ 磁気的空隙、３００ スロットライナー

Claims (7)

1. 回転電機の固定子であって、
   固定子コアと、
   前記固定子コアのスロットから突出しかつ径方向に並べられた複数のセグメントコイルと、
   前記セグメントコイルの間を接続する接続導体と、
   前記接続導体を保持する絶縁部材とを備え、
   前記絶縁部材は、
   前記セグメントコイルが貫通して収容される貫通孔とを有し、
   冷却液が前記貫通孔に流入可能な開口部を前記絶縁部材の内周側に有することを特徴とする回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
   前記絶縁部材は、前記貫通孔の外周側に、前記開口部から流入した冷却液が到達する溜まり部を有することを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
   前記接続導体は、
   前記複数のセグメントコイルのうち最外周に配置されるセグメントコイルと径方向で隣接して接続され、
   前記複数のセグメントコイルのうち最内周に配置されるセグメントコイルと周方向で隣接して接続されることを特徴とする回転電機の固定子。
4. 回転電機の固定子に装着される端子台であって、
   固定子巻線を構成し、固定子コアのスロットから突出しかつ径方向に並べられた複数のセグメントコイルの間を接続する接続導体と、
   前記接続導体を保持する絶縁部材とを備え、
   前記絶縁部材は、
   前記セグメントコイルが貫通して収容される貫通孔とを有し、
   冷却液が前記貫通孔に流入可能な開口部を前記絶縁部材の内周側に有することを特徴とする端子台。
5. 請求項４に記載の端子台であって、
   前記絶縁部材は、前記貫通孔の外周側に、前記開口部から流入した冷却液が到達する溜まり部を有することを特徴とする端子台。
6. 請求項４に記載の端子台であって、
   前記接続導体は、
   前記複数のセグメントコイルのうち最外周に配置されるセグメントコイルと径方向で隣接して接続され、
   前記複数のセグメントコイルのうち最内周に配置されるセグメントコイルと周方向で隣接して接続されることを特徴とする端子台。
7. 請求項１から３のいずれか一つに記載の固定子を有する回転電機。

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