JP7239284B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のステータに係り、特に、鋼板を積層して構成されるステータコアを備える回転電機のステータに関する。

従来、鋼板を積層して構成されるステータコアであって、円環状のヨークの内周面から径方向内側へ突出する複数のティース及び各ティース間に形成されるスロットを有するステータコアと、ステータコアのスロットを通ってティースに巻回されたコイルと、を備える回転電機のステータが知られている。回転電機のステータには、ステータコアのスロットの内壁面とコイルとの間に絶縁シートが設けられるものがある。

特許文献１には、ステータコアのスロットの内壁面とコイルとの間に、加熱により膨張する絶縁性の膨張シートを配置することが開示されている。膨張シートにより、スロットの内壁面とコイルとの間に生じる空隙を、スロットの軸方向の全長に亘って消失または低減させることができ、スロット内のコイルの固定性が向上するとしている。

特開２０１３－２３６４６８号公報

特許文献１のように、スロットの軸方向の全長に亘ってコイルをスロットの内壁面に固定した場合、回転電機のロータ回転時に、スロットの軸方向の全長に亘って積層された各鋼板の半径及び周方向の動きが規制され、各鋼板の微小振動による鋼板間の摩擦減衰が発生しない、或いは、非常に小さくなる。それにより、回転電機の振動騒音性能が悪化する虞がある。

本発明の目的は、鋼板を積層して構成されるステータコアを備え、ステータコアのスロットの内壁面とコイルとの間に絶縁シートが設けられる回転電機のステータにおいて、振動騒音性能を向上することにある。

本発明の回転電機のステータは、鋼板を積層して構成されるステータコアであって、円環状のヨークの内周面から径方向内側へ突出する複数のティース及び前記各ティース間に形成されるスロットを有するステータコアと、前記ステータコアの前記スロットを通って前記ティースに巻回されたコイルと、前記ステータコアの前記スロットの内壁面と前記コイルとの間に設けられた絶縁シートと、を備える回転電機のステータであって、前記絶縁シートは、前記スロットの内壁面側と前記コイル側とに接着層を有し、前記絶縁シートの前記接着層は、前記スロットの軸方向の両端部と、前記スロットの軸方向の両端部の間の中央部とを含む、前記スロットの軸方向の一部に設けられており、前記中央部は、前記スロットの軸方向における前記スロットの中央位置を含む部分であり、前記スロットの内壁面と前記コイルとが前記絶縁シートを介して前記接着層により接着されており、前記絶縁シートの前記接着層が設けられた部分は、接着領域であり、前記スロットの軸方向の両端部それぞれの前記接着領域と、前記中央部の前記接着領域は、前記スロットの軸方向における長さが同じとなるように設けられており、複数の前記接着領域は、前記スロットの軸方向に間隔をあけて３箇所以上設けられており、複数の前記接着領域の前記スロットの軸方向に沿った長さの合計は、前記スロットの軸方向の全体の長さの４／５以下となっている、ことを特徴とする。
本発明の回転電機のステータにおいて、前記絶縁シートは、２つのフィルム層と、２つの前記フィルム層の間に設けられた感熱発泡層とを有し、前記絶縁シートの前記接着層は、２つの前記フィルム層のそれぞれの外側面に設けられている、としてもよい。

本発明の回転電機のステータによれば、回転電機のロータ回転時に、スロット内のコイルと未接着の範囲にある鋼板間で微小振動が可能となり、鋼板間の摩擦減衰が増大するため、振動騒音を抑制することができる。

実施形態に係る回転電機のステータの斜視図である。 実施形態に係るステータコアの断面図である。 実施形態に係る回転電機のステータのスロット部分の断面図である。 図３のＡ－Ａ線における断面図（Ａ）と、Ｂ－Ｂ線における断面図（Ｂ）である。 実施形態に係る絶縁シートの未接着領域の部分断面図（Ａ）と、接着領域の部分断面図（Ｂ）である。 実施形態に係る回転電機のステータの微小振動について説明するための図である。 実施形態に係る回転電機のステータの振動騒音特性を、従来技術の回転電機のステータの振動騒音特性と比較した図である。 別の実施形態に係る回転電機のステータのスロット部分の断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。以下では、車両に搭載される回転電機に用いられるステータを述べるが、これは、説明のための例示であって、車両搭載用以外の回転電機に用いられても構わない。以下では、コイルの巻回方法として分布巻を述べるが、これは説明のための例示であって、集中巻等であってもよい。また、コイルとして、導体セグメントを用いるものを述べるが、これは説明のための例示であって、連続した導体線を巻回して形成されるコイルであってもよい。

以下で述べる形状、材質等は、説明のための例示であって、回転電機のステータの仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機のステータ１０を示す斜視図である。車両に搭載される回転電機は、モータケース（不図示）の中にロータ（不図示）とステータ１０を含んで構成され、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型の回転電機である。

図１に、軸方向と径方向と周方向とを示す。軸方向は、ステータ１０の中心軸ＣＬに沿った方向である。軸方向の２方向を区別するときは、三相動力線ＰＯが引き出される側がリード側の方向であり、その反対側が反リード側の方向である。図１の例では、紙面の上方側がリード側の方向、下方側が反リード側の方向である。径方向は、軸方向に垂直な面内で中心軸ＣＬを通る放射状の方向である。周方向は、中心軸ＣＬを中心として円周方向に沿った方向である。

ステータ１０は、ロータの外周側に所定の間隔を隔てて配置される固定子である。ステータ１０は、円環状の形状を有し、円環状の外周側に複数の取付穴５６が設けられる。取付穴５６は、ステータ１０をモータケースに取り付けるために用いられ、モータケースはケース取付穴等によって車両に固定される。

ステータ１０は、ステータコア１２と、コイル１４（ステータコイル）とを含む。図２は、ステータ１０の軸方向に垂直な面で切断したステータコア１２の断面図である。図２に示すように、ステータコア１２は、ロータが配置される中心穴を有する磁性体部品であり、環状のヨーク１８と、このヨーク１８の内周面から径方向内方へ突出し、周方向に間隔をあけて設けられた複数のティース２０とを備えている。各ティース２０間には、スロット２２が形成されている。

かかるステータコア１２は、ヨーク１８と、ティース２０と、スロット２２とが形成される円環状の磁性体薄板を軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。以下、この磁性体薄板を鋼板と言う。鋼板の1枚1枚がカシメられて軸方向に積み重ねられて、図１のようなステータコア１２が形成される。

コイル１４は、三相の分布巻巻線で、１つの相巻線が複数のティースに跨って巻回されて形成される。各相巻線の形成には、複数の導体セグメント３２を用いる。導体セグメント３２は、両端部を除く導体線の周囲に絶縁皮膜を被覆し、略Ｕ字形に成形された絶縁皮膜付き導体線であり、略矩形状の断面形状を有する。

導体セグメント３２の略Ｕ字形のうち、山形に折り曲げて成形された部分から真直ぐに延びる２つのストレート部分が、ステータコア１２において所定のスロット間隔だけ離れた２つのスロットにそれぞれ挿入される部分である。導体セグメント３２を山形に折り曲げて成形された部分をステータコア１２の反リード側として、２つのストレート部分をスロットに挿入すると、ストレート部分の先端の絶縁皮膜が剥離されたリード部がステータコア１２のリード側に突き出す。突き出たリード部は、ステータコア１２のリード側の軸方向端面の外側で折り曲げ成形され、他の導体セグメント３２のリード部に接合されて、ステータ１０のリード側におけるコイルエンド部３４を形成する。山形に折り曲げて成形された部分は、ステータ１０の反リード側におけるコイルエンド部３６を形成する。

ステータ１０のリード側におけるコイルエンド部３４では、複数の導体セグメント３２のリード部が、所定の接続方法で互いに接続され、各相巻線が形成される。なお、本実施形態では、ステータコア１２の１つのスロットには同一相（例えばＵ相）の巻線が挿通され、隣り合うスロットには他の相（例えばＶ相またはＷ相）の巻線が挿通されることになる。リード側のコイルエンド部３４において形成された各相巻線のそれぞれの両端子は、一方側の端子が互いに接続されて中性点を形成し、他方側の端子はそれぞれステータコア１２の外側に引き出され、ステータ１０の三相動力線ＰＯとなる。

上記では、コイル１４の形成に略Ｕ字形の導体セグメント３２を用いることを述べたが、これは説明のための例示である。略Ｕ字形以外の異形セグメントコイルを用いてもよく、場合によっては、導体セグメント３２を用いずに連続巻線でコイル１４を形成してもよい。

ステータ１０は、図４に示すように、ステータコア１２のスロット２２の内壁面４０とコイル１４との間に設けられた絶縁シート２３を含む。絶縁シート２３は、各相のコイル間を絶縁する相間絶縁シートである。本実施形態では、絶縁シート２３が、スロット２２の軸方向の両端部のみに接着層を有し、その部分でコイル１４とスロット２２の内壁面４０とが絶縁シート２３を介して接着されている特徴を有する。以下、本特徴について詳しく説明する。

図３は、ステータ１０の軸方向に平行な面で切断したスロット２２部分の断面図である。図４（Ａ）は、図３のＡ－Ａ線（未接着領域）における断面図であり、図４（Ｂ）は、図３のＢ－Ｂ線（接着領域）における断面図である。図３に示すように、絶縁シート２３は、スロット２２の軸方向の全長に亘って存在するが、前述したように、接着層２７，２８は、スロット２２の軸方向の両端部のみに存在する。これにより、スロット２２の軸方向において、絶縁シート２３を介してコイル１４とスロット２２の内壁面４０とが接着される接着領域５０と、コイル１４とスロット２２の内壁面４０とが接着されない未接着領域５２とが設けられる。

ここで、絶縁シート２３の構造について説明する。図５（Ａ）は、未接着領域５２の絶縁シート２３の部分断面図であり、図５（Ｂ）は、接着領域５０の絶縁シート２３の部分断面図である。図５（Ａ）に示すように、絶縁シート２３は、２つのフィルム層２５，２６と、それらの間に設けられた感熱発泡層２４とを有する。さらに、図５（Ｂ）に示すように、接着領域５０では、絶縁シート２３は、フィルム層２５，２６のそれぞれの外側の面に設けられた接着層２７，２８を有する。感熱発泡層２４は、加熱されることによって発泡を生じ、その厚みを増大させる層であり、電気絶縁性を有する。接着層２７，２８は、熱硬化性の接着剤である。

絶縁シート２３を、図４に示すようにコ字状にしてステータコア１２のスロット２２に収容する。そして、スロット２２内に導体セグメント（コイル１４）を挿通した後、絶縁シート２３を加熱する。それにより、絶縁シート２３の感熱発泡層２４が膨張する。図４（Ａ）に示すように、未接着領域５２では、接着層２７，２８が無いため、感熱発泡層２４が膨張しても、コイル１４とスロット２２の内壁面４０とは絶縁シート２３を介して接着されない。一方、図４（Ｂ）に示すように、接着領域５０では、感熱発泡層２４の膨張により、接着層２７，２８のそれぞれがコイル１４とスロット２２の内壁面４０とに押し付けられた状態になり、絶縁シート２３への加熱によって接着層２７，２８が軟化する。そして、接着層２７がコイル１４へ付着し、接着層２８がスロット２２の内壁面４０へ付着して、絶縁シート２３へのさらなる加熱によって接着層２７，２８が硬化する。これにより、コイル１４とスロット２２の内壁面４０とが絶縁シート２３を介して接着された状態になる。

図３に示すように、未接着領域５２では、各鋼板４２とコイル１４とは未接着であり、接着領域５０では、各鋼板４２とコイル１４とが接着された状態になる。各接着領域５０の軸方向の長さＬ２１，Ｌ２２を合計した（Ｌ２１＋Ｌ２２）は、スロット２２の軸方向の寸法Ｌ１の４／５以下の長さとなっている。

次に、本実施形態の回転電機のステータ１０の作用効果について説明する。本実施形態の回転電機のステータ１０は、回転電機として組み立て、回転電機のロータを回転させた際に、スロット２２内のコイル１４と未接着の範囲（未接着領域５２）にある鋼板４２間で微小振動が発生する。図３に示すように、未接着領域５２にある鋼板４２間で径方向に微小振動７０が起こる。また、図６に示すように、未接着領域５２にある鋼板４２間で周方向に微小振動７０が起こる。これにより、鋼板４２間の摩擦減衰が増大するため、回転電機の振動騒音を抑制することができる。

図７は、本実施形態のステータ１０と、従来技術のステータとについて、回転電機に組み立てて、それぞれの回転電機を動作させて振動騒音の音圧レベルを比較した図である。図７の測定では、本実施形態のステータ１０として、図３に示した２つの接着領域５０の長さＬ２１，Ｌ２２をほぼ同じ長さとし、それらの合計（Ｌ２１＋Ｌ２２）をスロット２２の軸方向の寸法Ｌ１の略１／２の長さとしたステータ１０を用いた。また、従来技術のステータとして、スロット２２の軸方向の全長に亘って絶縁シート２３に接着層２７，２８を設け、全部を接着領域５０としたステータを用いた。図７において、横軸は回転電機の毎分あたりの回転数（ＲＰＭ）であり、縦軸は音圧レベルである。淡色線は、本実施形態のステータ１０を有する回転電機の振動騒音特性６０で、濃色線は、従来技術のステータを有する回転電機の振動騒音特性６２である。淡色線と濃色線との間が塗り潰されている部分は、本実施形態のステータ１０を有する回転電機が従来技術のステータを有する回転電機に比べて、特に、音圧レベルが低減されている部分である。図７に示すように、本実施形態のステータ１０を有する回転電機は、従来技術のステータを有する回転電機に比べて、１５００ｒｐｍ～３０００ｒｐｍの範囲で数ｄＢ～１０ｄＢ程度の音圧レベルの低減効果がある。従来技術のステータを有する回転電機は、積層された鋼板が一体化し、ロータの回転方向のバネ性が増加し、その結果ステータコアに回転方向の共振が発生するため、振動騒音性能が悪化していると考えられる。

以上説明した回転電機のステータ１０は、スロット２２の軸方向の両端部を接着領域５０としたが、それに加えて、さらに接着領域５０が設けられてもよい。図８は、別の実施形態の回転電機のステータ１０におけるスロット２２部分の断面図である。図８に示すように、両端部のＬ２１，Ｌ２２の長さを有する接着領域５０に加えて、中心付近にＬ２３の長さを有する接着領域５０を設けて、接着領域５０を３箇所としている。このように、接着領域５０を３箇所以上としてもよい。ただし、各接着領域５０の軸方向の寸法Ｌ２ｉ（ｉ＝１～ｎ、ｎは接着領域５０の数）の合計は、スロット２２の軸方向の寸法Ｌ１の４／５以下となるようにする。すなわち、以下の（数１）式が満たされるようにする。

なお、接着領域５０は等間隔で配置しなくてもよく、不等間隔で配置してもよい。

以上説明した絶縁シート２３は、感熱発泡層２４を有するものであったが、絶縁シート２３は、コイル１４とスロット２２の内壁面４０とを絶縁シート２３を介して接着できる限り、感熱発泡層２４を有しないものであってもよい。また、接着層２７，２８は、熱硬化性の接着剤に限らず、例えば、熱可塑性の接着剤であってもよい。

また、以上説明した回転電機のステータコア１２は、鋼板４２の1枚1枚がカシメられた構造としたが、その構造に限定されるものではない。鋼板４２が積層された構造のステータコア１２であれば、本発明が適用可能である。

１０ ステータ、１２ ステータコア、１４ コイル、１８ ヨーク、２０ ティース、２２ スロット、２３ 絶縁シート、２４ 感熱発泡層、２５，２６ フィルム層、２７，２８ 接着層、３２ 導体セグメント、３４，３６ コイルエンド部、４０ 内壁面、４２ 鋼板、５０ 接着領域、５２ 未接着領域、５６ 取付穴、６０，６２ 振動騒音特性、７０ 微小振動。

Claims (2)

1. 鋼板を積層して構成されるステータコアであって、円環状のヨークの内周面から径方向内側へ突出する複数のティース及び前記各ティース間に形成されるスロットを有するステータコアと、
   前記ステータコアの前記スロットを通って前記ティースに巻回されたコイルと、
   前記ステータコアの前記スロットの内壁面と前記コイルとの間に設けられた絶縁シートと、を備える回転電機のステータであって、
   前記絶縁シートは、前記スロットの内壁面側と前記コイル側とに接着層を有し、
   前記絶縁シートの前記接着層は、前記スロットの軸方向の両端部と、前記スロットの軸方向の両端部の間の中央部とを含む、前記スロットの軸方向の一部に設けられており、
   前記中央部は、前記スロットの軸方向における前記スロットの中央位置を含む部分であり、
   前記スロットの内壁面と前記コイルとが前記絶縁シートを介して前記接着層により接着されており、
   前記絶縁シートの前記接着層が設けられた部分は、接着領域であり、
   前記スロットの軸方向の両端部それぞれの前記接着領域と、前記中央部の前記接着領域は、前記スロットの軸方向における長さが同じとなるように設けられており、
   複数の前記接着領域は、前記スロットの軸方向に間隔をあけて３箇所以上設けられており、
   複数の前記接着領域の前記スロットの軸方向に沿った長さの合計は、前記スロットの軸方向の全体の長さの４／５以下となっている、
   ことを特徴とする回転電機のステータ。
2. 前記絶縁シートは、２つのフィルム層と、２つの前記フィルム層の間に設けられた感熱発泡層とを有し、
   前記絶縁シートの前記接着層は、２つの前記フィルム層のそれぞれの外側面に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のステータ。

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