JPWO2011086648A1 - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピースに、それぞれ電線を巻装して巻線を形成した複数の固定子分割体を、所定数環状に接合した固定子を有する回転電機において、電線は、第１の絶縁被覆を有し、上記複数の固定子分割体の内、互いに隣接する固定子分割体の巻線は、それぞれの最外層電線部にて対向し、上記それぞれの最外層電線部の少なくともいずれか一方を形成する上記電線の所定部位は、上記第１の絶縁被覆の上に設けられた第２の絶縁被覆にて被覆され、第２の絶縁被覆は、上記対向する側の面を覆うようにした。
Description
この発明は、固定子ピースに電線を巻装した固定子分割体を所定数環状に接合した固定子を有する回転電機およびその製造方法に関する。
従来の回転電機においては、積層電磁鋼板からなる固定子ピースに一体成形したインシュレータにて対地絶縁層を設け、この対地絶縁層上にエナメル被覆された電線を巻装して固定子分割体を作成し、これを所定数接合することで環状の固定子を構成している。（例えば、特許文献１参照）。また、隣接する固定子分割体の巻線は異なる相となるため、隣接する巻線の間に挿入された絶縁シート、および、この絶縁シートと巻線とインシュレータとに囲まれた間隙を充填する樹脂部にて、相間の絶縁層が構成されている。（例えば、特許文献２参照）。
従来の回転電機の固定子では、隣接する異なる相の巻線間の絶縁を、絶縁シートと樹脂部にて確保しているため、絶縁シートと樹脂部との厚み分、巻線を配置できる空間が狭くなり、巻線の占積率が制限されるという問題があった。
また、巻線の占積率を高くするために、絶縁シートと樹脂部との厚さを薄くすると、樹脂部の絶縁上の弱点部、例えば、ボイドおよび剥離などの影響が顕著になり、サージなどの高電圧で絶縁破壊が発生する問題があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであって、絶縁の信頼性を維持したままで巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機を提供することを目的とする。
この発明に係る回転電機は、極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピースに、それぞれ電線を巻装して巻線を形成した複数の固定子分割体を、所定数環状に接合した固定子を有する回転電機であって、電線は、第１の絶縁被覆を有し、複数の固定子分割体の内、互いに隣接する固定子分割体の巻線は、それぞれの最外層電線部にて対向し、上記それぞれの最外層電線部の少なくともいずれか一方を形成する電線の所定部位は、第１の絶縁被覆の上に設けられた第２の絶縁被覆にて被覆され、第２の絶縁被覆は、上記対向する側の面を覆うようにしたものである。
また、回転電機の製造方法であって、第１の絶縁被覆を有する電線の所定部位に第２の絶縁被覆を粉体塗装または電着塗装にて形成処理する工程、形成処理された電線をインシュレータが被せられた固定子ピースの巻き溝に、所定部位が巻線の最外層を覆うように巻装して固定子分割体を作成する工程、固定子分割体を所定数環状に接合して固定子を形成する工程、および固定子に回転子を挿入組立てする工程を有するものである。
この発明は、絶縁の信頼性を維持したままで固定子の巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機を得ることができる。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１の回転電機１を示すものである。図１において、固定子２は回転子３を取り囲むように筐体４に保持されている。回転子２は回転軸５と一体に構成され、回転軸５は軸受６にて回動自在に保持されている。
図１は、この発明を実施するための実施の形態１の回転電機１を示すものである。図１において、固定子２は回転子３を取り囲むように筐体４に保持されている。回転子２は回転軸５と一体に構成され、回転軸５は軸受６にて回動自在に保持されている。
図２は、極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピース７に、それぞれ電線９を巻装して巻線１０が形成された複数の固定子分割体１１を、所定数環状に接合した固定子２を示す斜視図であり、固定子分割体１１の内部構造が分かるように一部を切り欠いている。図３は、固定子分割体１１の構成を説明するための斜視図である。固定子分割体１１は、図３（ａ）に示すように、電磁鋼板を積層後に略Ｔ状に打ち抜いた固定子ピース７を、図３（ｂ）に示すように、インシュレータ１３にて覆って固定子ピース７と絶縁された巻き溝１２を構成し、図３（ｃ）に示すように、この巻き溝１２に電線９を巻装して形成した巻線１０を有するものである。インシュレータ１３は、固定子ピース７と巻線１０との絶縁を確保すると共に、張力をかけて巻装される電線９の破損防止の役割を担っている。また、一般に固定子ピース７は対地電位となるので、インシュレータ１３は巻線１０と対地の絶縁を担うことになる。
図４は、図３（ｃ）の断面Ｓを図中の矢印の方向から見た断面図を示しており、電線９は、導線８ａに第１の絶縁被覆８ｂ、例えばエナメル被覆を施した被覆電線であり、固定子ピース７の中心軸側から順次巻装される。固定子分割体１１の巻線１０の最外層に位置する最外層電線部９ａは、隣接する別の固定子分割体１１の巻線１０と対向する（図示せず）。この最外層電線部９ａには、第１の絶縁被覆８ｂに加えて第２の絶縁被覆１４が設けられている。
図５は、この発明の実施の形態１の電線に第２の絶縁被覆１４を設ける方法を説明するための模式図である。図５（ａ）は同図（ｂ）の断面Ｂ−Ｂを、図５（ｂ）は同図（ａ）の断面Ａ−Ａを、それぞれ示している。
第２の絶縁被覆１４は、図５に示すように、スプレー１５などにより、樹脂を主成分とした絶縁材料、例えば、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）など、熱硬化性もしくは熱可塑性の樹脂を主剤とした絶縁膜を、巻装の前の最外層電線部９ａである電線９の所定部位９ａaの第１の絶縁被覆８ｂの上から塗布することで、容易に任意の厚さに可変させて形成できる。しかも、粉体塗装、電着塗装などを用いることで、射出成型や既に巻装された電線間隙への樹脂充填などに比べ、ボイドの殆ど無い良質な絶縁膜が得られる。また、この最外層電線部９ａへの第２の絶縁被覆１４の形成は、予め、巻装される電線９の所定部位９ａaにおこなわれるので、最適な環境で塗布処理ができ、安定した膜質が得られる。
図１１は、この発明の実施の形態１に係る第２の絶縁被覆１４のボイド率の影響を説明するための説明図であり、ボイドがない場合の第２の絶縁被覆１４の絶縁耐圧Ｖ０に対する、ボイド含有率αがそれぞれ１％、２％、３％、４％の場合の絶縁耐圧Ｖαの比を示している。同図から、ボイド含有率αが２％よりも大きくなると絶縁耐圧が急に低下することが分かる。つまり、ボイド含有率αを２％以下に抑制することにより、ボイドがない場合に相当する絶縁耐圧を得ることができる。
図６に示すように、第２の絶縁被覆１４が形成された最外層電線部９ａと、第１の絶縁被覆８ｂのみの未処理電線部９ｃとが連続してつながった電線９は、１つの巻枠１６に巻いた状態で巻装の工程に供給され、インシュレータ１３が被された固定子ピース７の巻き溝１２に巻装されて固定子分割体１１が作成される。
このようにして作成された固定子分割体１１を、所定数環状に接合して固定子２を形成し、さらに固定子２に回転子３を挿入して筐体４に組み込むことで、絶縁の信頼性を維持したままで巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機１が得られる。
図７は、互いに隣接する固定子分割体１１ａ、１１ｂの接合の状態を示す断面図である。図８は、図７の断面Ａ−Ａを示している。それぞれの巻線１０ａ、１０ｂの最外層に位置する最外層電線部９ａ、９ｂに、第１の絶縁被覆８ｂに加えて第２の絶縁被覆１４が設けられている。互いに隣接する固定子分割体１１ａ、１１ｂのそれぞれの巻線１０ａと巻線１０ｂとは異なる相となり、固定子分割体１１ａ、１１ｂの互いに対向する第２の絶縁被覆１４によって相間の絶縁を確保している。具体的には、固定子分割体１１ａ、１１ｂのそれぞれの第２の絶縁被覆１４は、それぞれ巻線１０ａ、１０ｂが対向する側（相間側）の面を覆うように構成されている。
このように絶縁層を配置することで、それぞれの固定子分割体１１ａ、１１ｂの最外層電線部９ａ、９ｂよりも巻き溝１２ａ、１２ｂ側、つまり内側の未処理電線部９ｃが、異なる相の巻線１０ａまたは１０ｂと直接対向することがなく、これら未処理電線部９ｃの被覆にピンホールなどの絶縁欠陥があったとしても、相間の耐電圧が低下することは無い。従って、絶縁の信頼性を維持するために、互いに隣接する固定子分割体１１ａ、１１ｂの巻線１０ａ、１０ｂの間の距離を広げる必要もなく、さらに未処理電線部９ｃの被覆を厚くする必要もなく、その分、巻線の占積率を向上させることができる。
また、第２の絶縁被覆１４を外力で変形可能な素材で構成すれば、巻装時の張力、および固定子分割体１１ａ、１１ｂを接合するときの互いに隣接する固定子分割体１１ａ、１１ｂが相互に押し合う力により、第２の絶縁被覆１４が変形するので、最外層電線部９ａ、９ｂを構成する電線相互間の接触面、最外層電線部９ａとインシュレータ１３との接触面、および最外層電線部９ｂとインシュレータ１３との接触面を、十分に確保することができる。これにより、図８に示すように、第２の絶縁被覆１４によって、それぞれ巻線１０ａ、１０ｂが対向する側の面をまったく隙間なく覆うように構成することが可能となり、一層の絶縁の信頼性の向上と巻線の占積率を向上が可能となる。
また、この実施の形態では、異なる相となる巻線１０ａ、１０ｂの間の絶縁のために絶縁紙を使用しないため、従来のような絶縁紙の挿入工程が必要無く、簡便に回転電機の固定子を組み立てることができる。
以上より、この実施の形態では、互いに隣接する固定子分割体１１ａ、１１ｂの巻線１０ａ、１０ｂをそれぞれの最外層電線部９ａ、９ｂにて対向させ、最外層電線部９ａ、９ｂをそれぞれ形成する電線９の所定部位９ａａに、巻装の前に第１の絶縁被膜８ｂの上から第２の絶縁被覆１４を形成し、第２の絶縁被覆１４にて巻線１０ａ、１０ｂが互いに対向する側をそれぞれ覆うようにしたので、相間の絶縁の信頼性を維持したままで固定子の巻線の占積率を向上させることができ、高効率の回転電機１を実現できるという効果が得られる。
また、回転電機１を、第１の絶縁被覆８ｂを有する電線９の所定部位９ａａに第２の絶縁被覆１４を粉体塗装または電着塗装にて形成処理する工程、上記形成処理された上記電線９をインシュレータ１３が被せられた固定子ピース７の巻き溝１２に、所定部位９ａａが巻線１０の最外層を覆うように巻装して固定子分割体１１を作成する工程、および固定子分割体１１を所定数環状に接合して固定子２を形成する工程、および固定子２に回転子３を挿入組立てする工程を経て製造するので、相間の絶縁の信頼性を維持したままで固定子の巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機１が得られる。
尚、この実施の形態では、第２の絶縁被覆１４の形成方法として粉体塗装および電着塗装などを示したが、静電引力を用いたスプレー拭きつけ、および流動浸漬などでも良い。
また、この実施の形態における回転電機の製造方法では、第２の絶縁被覆１４が形成された最外層電線部９ａと、第１の絶縁被覆８ｂのみの未処理電線部９ｃとが連続してつながった電線９を、一旦、巻き枠１６に巻き取ったが、第２の絶縁被覆１４を電線９の所定部位９ａａに形成処理する工程と、上記形成処理された電線９を巻き溝１２に巻装する工程を連続的におこなうことで、上記形成処理された電線９を巻き枠１６に巻き取る工程を省略できることは言うまでもない。
実施の形態２．
実施の形態１では、第２の絶縁被覆１４によって、それぞれ対向する側の巻線１０の面を覆うように、またはまったく間隙なく覆うように構成したが、図９に示すように、第２の絶縁被覆１４として直鎖の長い分子構造をもつ低弾性エポキシや低弾性ポリイミド、低弾性ポリアミド、ポリエステル、もしくはシリコーンゴム、ウレタンなどの外力により大きく変形可能な絶縁材料を用いることで、隣接する最外層電線部９ａ、９ｂを相互に密接させると共に、未処理電線部９ｃの最外層となる電線９の凹凸表面を第２の絶縁被覆１４にて密接させるように構成しても良い。このように、第２の絶縁被覆１４をこれらと隣接する電線９の対向する凹凸表面と空隙無く密接するように構成することで、絶縁の弱点部となる電線９間の凹凸状の空隙をなくすことができ、絶縁信頼性を一層向上させることができる。
実施の形態１では、第２の絶縁被覆１４によって、それぞれ対向する側の巻線１０の面を覆うように、またはまったく間隙なく覆うように構成したが、図９に示すように、第２の絶縁被覆１４として直鎖の長い分子構造をもつ低弾性エポキシや低弾性ポリイミド、低弾性ポリアミド、ポリエステル、もしくはシリコーンゴム、ウレタンなどの外力により大きく変形可能な絶縁材料を用いることで、隣接する最外層電線部９ａ、９ｂを相互に密接させると共に、未処理電線部９ｃの最外層となる電線９の凹凸表面を第２の絶縁被覆１４にて密接させるように構成しても良い。このように、第２の絶縁被覆１４をこれらと隣接する電線９の対向する凹凸表面と空隙無く密接するように構成することで、絶縁の弱点部となる電線９間の凹凸状の空隙をなくすことができ、絶縁信頼性を一層向上させることができる。
尚、この実施の形態では、第２の絶縁被覆１４を外力により大きく変形可能な絶縁材料で形成する場合を示したが、半硬化状態の樹脂材料にて第２の絶縁被覆１４を形成した電線９をインシュレータ１３が被せられた固定子ピース７ａ、７ｂの巻き溝１２ａ、１２ｂにそれぞれ巻装し、互いに隣接する固定子分割体１１ａ、１１ｂを所定数環状に接合して固定子２を構成した後、上記の半硬化状態の樹脂材料を最終硬化させても良い。
実施の形態３．
実施の形態１および２では、互いに隣接する固定子分割体１１ａ、１１ｂの最外層電線部９ａ、９ｂの両方に第２の絶縁被覆１４を設けたが、図１０に示すように、要求される相間の絶縁性能が確保できる場合は、一方の固定子分割体１１ａの最外層電線部９ａのみに第２の絶縁被覆１４を設けても良い。このように構成することで、一層の巻線の占積率の向上が可能となる。
実施の形態１および２では、互いに隣接する固定子分割体１１ａ、１１ｂの最外層電線部９ａ、９ｂの両方に第２の絶縁被覆１４を設けたが、図１０に示すように、要求される相間の絶縁性能が確保できる場合は、一方の固定子分割体１１ａの最外層電線部９ａのみに第２の絶縁被覆１４を設けても良い。このように構成することで、一層の巻線の占積率の向上が可能となる。
尚、図１０では、固定子分割体１１ａの最外層電線部９ａのみに第２の絶縁被覆１４を設ける例を示したが、反対に固定子分割体１１ｂの最外層電線部９ｂのみに第２の絶縁被覆１４を設けても同様であることは言うまでもない。
また、実施の形態１〜３では、最外層電線部９ａ、９ｂの両方またはいずれか一方の全周にわたって第２の絶縁被覆１４を設けたが、第２の絶縁被覆１４を、最外層電線部９ａ、９ｂの両方またはいずれか一方の、互いに隣接する固定子分割体１１ａまたは１１ｂの側の面（相間の側の面）のみに設けるか、もしくは互いに隣接する固定子分割体１１ａまたは１１ｂ側の面をその反対側の面（未処理電線部９ｃ側の面）より厚くしても良い。このように構成することで、より一層、巻線１０ａ、１０ｂの占積率が向上できる。
尚、上記のように電線の周方向で厚さの異なる第２の絶縁被覆１４を形成するには、例えば、電線９の第１の絶縁被覆８ｂの表面には耐摩耗性を向上するために潤滑剤が塗られているので、この潤滑剤を片側のみ無くし、その部分にスプレー１５などで絶縁層を塗布するようにすれば良い。
実施の形態４．
実施の形態１〜３では、極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピース７をインシュレータ１３にて覆って、固定子ピース７と絶縁された巻き溝１２に第２の絶縁層１４を被覆した電線９を巻装して固定子分割体１１を形成したが、この実施の形態では、図１２に示すように、隣り合う固定子ピース７の巻き溝１２ａ、１２ｂに、それぞれ、導線８ａに第１の絶縁被覆８ｂを有する電線９を巻装した後、最外層電線部９ａ、９ｂに、粉体塗装、電着塗装またはスプレー１５による塗布などで第２の絶縁被覆１４を形成し、その後に隣り合う固定子分割体１１aと１１ｂを接合している。その他の構成は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
実施の形態１〜３では、極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピース７をインシュレータ１３にて覆って、固定子ピース７と絶縁された巻き溝１２に第２の絶縁層１４を被覆した電線９を巻装して固定子分割体１１を形成したが、この実施の形態では、図１２に示すように、隣り合う固定子ピース７の巻き溝１２ａ、１２ｂに、それぞれ、導線８ａに第１の絶縁被覆８ｂを有する電線９を巻装した後、最外層電線部９ａ、９ｂに、粉体塗装、電着塗装またはスプレー１５による塗布などで第２の絶縁被覆１４を形成し、その後に隣り合う固定子分割体１１aと１１ｂを接合している。その他の構成は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
このように、電線９を巻装した後に、最外層電線部９ａ、９ｂの互いに対向する相間側のみに第２の絶縁被覆１４を施すことで、巻線の占積率をさらに向上させることができる。
ところで、図１２では、最外層電線部９ａ、９ｂの両方に第２の絶縁被覆１４を形成する場合を示したが、相間の絶縁性能が確保できる場合は、どちらから一方でもよい。
尚、実施の形態１〜３では、インシュレータ１３に巻き溝１２があるものを使用しているが、巻き溝１２が無い構造でも絶縁耐圧の観点からは、同様の効果が得られることは言うまでも無い。
１ 回転電機、２ 固定子、３ 回転子、４ 筐体、５ 回転軸、６ 軸受、７、７ａ、７ｂ 固定子ピース、８ａ 導線、８ｂ 第１の絶縁被覆、９ 電線、９ａ、９ｂ 最外層電線部、９ａa 所定部位、９ｃ 未処理電線部、１０、１０ａ、１０ｂ 巻線、１１、１１ａ、１１ｂ 固定子分割体、１２、１２ａ、１２ｂ 巻き溝、１３ インシュレータ、１４ 第２の絶縁被覆、１５ スプレー、１６ 巻枠。
この発明に係る回転電機は、極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピースに、それぞれ電線を巻装して巻線を形成した複数の固定子分割体を、所定数環状に接合した固定子を有する回転電機であって、電線は、第１の絶縁被覆を有し、複数の固定子分割体の内、互いに隣接する固定子分割体の巻線は、それぞれの最外層電線部にて対向し、上記それぞれの最外層電線部の少なくともいずれか一方を形成する電線の所定部位は、第１の絶縁被覆の上に設けられた第２の絶縁被覆にて被覆され、第２の絶縁被覆は、上記対向する側の面を覆い、かつ隣接する電線の対向する凹凸表面と隙間無く密接するようにしたものである。
また、回転電機の製造方法であって、第１の絶縁被覆を有する電線を、インシュレータが被せられた固定子ピースの巻き溝に巻装する工程、第１の絶縁被覆を有する電線の最外層電線部に、第２の絶縁被覆を粉体塗装または電着塗装にて形成処理して固定子分割体を作成する工程、固定子分割体を所定数環状に接合して固定子を形成する工程、および固定子に回転子を挿入組立てする工程を有するものである。
また、第１の絶縁被覆を有する電線の所定部位に第２の絶縁被覆を粉体塗装または電着塗装にて形成処理する工程、形成処理された電線をインシュレータが被せられた固定子ピースの巻き溝に、所定部位が巻線の最外層を覆うように巻装して固定子分割体を作成する工程、固定子分割体を所定数環状に接合して固定子を形成する工程、および固定子に回転子を挿入組立てする工程を有するものである。
また、第１の絶縁被覆を有する電線の所定部位に第２の絶縁被覆を粉体塗装または電着塗装にて形成処理する工程、形成処理された電線をインシュレータが被せられた固定子ピースの巻き溝に、所定部位が巻線の最外層を覆うように巻装して固定子分割体を作成する工程、固定子分割体を所定数環状に接合して固定子を形成する工程、および固定子に回転子を挿入組立てする工程を有するものである。
Claims (5)
- 極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピースに、それぞれ電線を巻装して巻線を形成した複数の固定子分割体を、所定数環状に接合した固定子を有する回転電機において、
上記電線は、第１の絶縁被覆を有し、
上記複数の固定子分割体の内、互いに隣接する固定子分割体の巻線は、それぞれの最外層電線部にて対向し、
上記それぞれの最外層電線部の少なくともいずれか一方を形成する上記電線の所定部位は、上記第１の絶縁被覆の上に設けられた第２の絶縁被覆にて被覆され、
上記第２の絶縁被覆は、上記対向する側の面を覆うことを特徴とする回転電機。 - 第２の絶縁被覆のボイド含有率が２％以下であること特徴とする請求項１記載の回転電機。
- 第２絶縁被覆は、隣接する電線の対向する凹凸表面と空隙なく密接すること特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
- 第２の絶縁被覆は、樹脂を主成分とした絶縁材料を電線の所定部位に被覆形成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
- 第１の絶縁被覆を有する電線の所定部位に第２の絶縁被覆を粉体塗装または電着塗装にて形成処理する工程、上記形成処理された上記電線をインシュレータが被せられた固定子ピースの巻き溝に、上記所定部位が巻線の最外層を覆うように巻装して固定子分割体を作成する工程、上記固定子分割体を所定数環状に接合して固定子を形成する工程、および上記固定子に回転子を挿入組立てする工程を有することを特徴とする回転電機の製造方法。
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