JPWO2014041637A1 - 回転電機の電機子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

エッジワイズコイルの放熱性を向上させて、回転電機の効率を向上させることができる回転電機の電機子であって、ヨーク部と、ヨーク部から突出したティース部とを有するコアと、導体断面が方形形状である平角線をエッジワイズ曲げにより巻回して構成され、絶縁部材を介してティース部に挿入されるエッジワイズコイルと、ティース部とエッジワイズコイルとの隙間に充填された伝熱部材と、を備え、ティース部とエッジワイズコイルの長辺との間の２箇所に形成される隙間が、互いに異なるものである。

Description

この発明は、回転電機の電機子およびその製造方法に関する。

近年、回転電機の損失を低減して、回転電機の効率を向上させることを目的とした開発が盛んに行われている。ここで、回転電機の損失を低減する方法の１つとして、コアに巻回された銅線（コイル）がその巻回スペースに占める割合、いわゆる占積率を向上させることにより、銅の発熱、すなわち銅損を抑えることが挙げられる。

なお、コイルを、絶縁部材を介してコアに直接巻回する直巻方式では、コイルをコアに密着させて巻回することができず、巻き膨らんでしまうので、巻回可能領域に対してコイルを効果的に巻回することができない。特に、コイルが太線になるほど、この傾向は顕著になり、コイルの占積率の向上を阻害する要因となっている。

そこで、このような場合には、コイルを一旦別の巻枠に巻回した後、コイルの膨らみ部分を外部から成形することで膨らみを矯正してから、コイルをコアに挿入する方法が知られている。このような組み立て工程とすることにより、コイルの占積率を向上させることができる。

また、コイルの占積率をさらに向上させる方法として、導体断面が方形形状（長方形）である平角線について、この平角線を、導体断面の短辺がコイル軸の内側になる方向に曲げて形成されるエッジワイズコイルを適用することが提案されている。

エッジワイズコイルを用いることにより、導体断面が円形状である丸線のものと比較して、不要な隙間をなくすことができ、コイルの占積率を向上させることができる。また、エッジワイズコイルは、コアに対して一層構造を有するので、複数層巻回される丸線のものと比較して、熱を直接コアに逃がすことができ、放熱性を向上させることができる。

ここで、エッジワイズコイルについても同様に、エッジワイズコイルを一旦形成した後、エッジワイズコイルを、インシュレータを介してコアに挿入することにより、ステータを製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２５４６８９号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１には、エッジワイズコイルをコアに挿入する際に、インシュレータを介してエッジワイズコイルとコアとの隙間を一定量確保する構造が示されている。このインシュレータは、エッジワイズコイルとコアとを絶縁するとともに、エッジワイズコイルの発する熱をコアに逃がす（放熱する）機能を有している。

特許文献１のステータにおいて、エッジワイズコイルの放熱性を向上させるためには、インシュレータの厚みを薄くする必要があるが、成形上の課題から、ある程度の厚みを確保する必要があり、そのため、放熱性を向上させることができないという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、エッジワイズコイルの放熱性を向上させて、回転電機の効率を向上させることができる回転電機の電機子およびその製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機の電機子は、回転電機の電機子であって、ヨーク部と、ヨーク部から突出したティース部とを有するコアと、導体断面が方形形状である平角線をエッジワイズ曲げにより巻回して構成され、絶縁部材を介してティース部に挿入されるエッジワイズコイルと、ティース部とエッジワイズコイルとの隙間に充填された伝熱部材と、を備え、ティース部とエッジワイズコイルの長辺との間の２箇所に形成される隙間が、互いに異なるものである。

また、この発明に係る回転電機の電機子の製造方法は、回転電機の電機子の製造方法であって、導体断面が方形形状である平角線をエッジワイズ曲げにより巻回してエッジワイズコイルを形成するステップと、エッジワイズコイルを、ヨーク部と、ヨーク部から突出したティース部とを有するコアのティース部に絶縁部材を介して挿入するステップと、エッジワイズコイルを、エッジワイズコイルの短辺方向にずらすステップと、ティース部とエッジワイズコイルとの隙間に伝熱部材を充填するステップと、を有するものである。

この発明に係る回転電機の電機子およびその製造方法によれば、ティース部とエッジワイズコイルの長辺との間の２箇所に形成される隙間が、互いに異なるように形成されている。
そのため、エッジワイズコイルからコアへの伝熱部の熱抵抗を低減することができ、エッジワイズコイルの放熱性を向上させて、回転電機の効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子により構成されるステータを示す上面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のコアを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のエッジワイズコイルを示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれこの発明の実施の形態１に係る回転電機のエッジワイズコイルを示す側面図および上面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のインシュレータを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の絶縁紙を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子の組み立て手順を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子の組み立て手順を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれこの発明の実施の形態１に係る回転電機のコアおよびエッジワイズコイルを示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子の断面図である。

以下、この発明に係る回転電機の電機子およびその製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

なお、以下の実施の形態では、エッジワイズコイルのことを単にコイルと表記する場合がある。また、以下の実施の形態では、この発明に係る回転電機の電機子がステータに適用された場合について説明するが、これに限定されず、この発明に係る回転電機の電機子は、ロータに適用されてもよい。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子１０により構成されるステータ１００を示す上面図である。図１において、ステータ１００は、円環状に配置された電機子１０と、電機子１０の外周に配置されるフレーム２０とから構成されている。フレーム２０は、締め代を有しており、圧入または焼きばめすることにより、電機子１０を保持固定している。

図２は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子１０を示す斜視図である。図２において、電機子１０は、コア１１、インシュレータ（絶縁部材）１２、絶縁紙（絶縁部材）１３およびコイル１４から構成されている。

図３は、この発明の実施の形態１に係る回転電機のコア１１を示す斜視図である。図３において、コア１１は、ヨーク部１１ａと、ヨーク部１１ａからステータ１００の中心方向に向けて突出したティース部１１ｂとから構成されている。

また、コア１１は、薄板鋼板１１ｃを積層して構成されている。ここで、薄板鋼板１１ｃとして珪素鋼板を使用することにより、鉄損を抑えることができる。また、積層された薄板鋼板１１ｃは、プレス成型されるダボ１１ｄ、１１ｅ、１１ｆによりかしめられて一体に固定される。

なお、積層された薄板鋼板１１ｃの固定方法は、この他にも、接着により固定する方法や、溶接により固定する方法等がある。また、ティース部１１ｂがコイル１４と対向する面をティース部側面１１ｇと称し、ヨーク部１１ａがコイル１４を対向する面をヨーク部側面１１ｈと称する。

図４は、この発明の実施の形態１に係る回転電機のエッジワイズコイル１４を示す斜視図である。図４において、コイル１４は、導体断面が方形形状（長方形）である平角線を、導体断面の短辺がコイル軸の内側になる方向に曲げる、いわゆるエッジワイズ曲げにより巻回して構成されている。また、コイル１４は、コア１１のティース部１１ｂに挿入される。

コイル１４は、ステータ１００の軸方向両端側のコイル短辺であるコイルエンド部１４ａ、１４ｂと、コイル長辺であるスロット部１４ｃ、１４ｄと、端末である２本のコイル端末１４ｅ、１４ｆとを有している。ここで、コイル１４は、表面がポリアミドイミド等の絶縁皮膜で覆われた導体からなる。

なお、スロット部１４ｃ、１４ｄがコア１１のティース部１１ｂ（ティース部側面１１ｇ）と対向する面をスロット内周面１４ｇと称し、スロット部１４ｃ、１４ｄがコア１１のヨーク部１１ａ（ヨーク部側面１１ｈ）と対向する面をスロットヨーク面１４ｈと称する。

また、コイル端末１４ｅ、１４ｆは、ステータ１００の状態に組み立てられた後、３相結線される。なお、この発明の実施の形態１では、コイル端末１４ｅ、１４ｆが同一方向に延びているが、これに限定されず、互いに反対方向に延びていてもよい。この場合には、ステータ１００の軸方向の両端において、それぞれ結線される。

図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれこの発明の実施の形態１に係る回転電機のエッジワイズコイル１４を示す側面図および上面図である。図５において、コイル１４は、コイル端末１４ｅから、スロット部１４ｗ、コイルエンド部１４ｘ、スロット部１４ｙ、コイルエンド部１４ｚ・・・コイル端末１４ｆの順に、平角線が螺旋状に巻回されている。

ここで、スロット部１４ｗは、コイル端末１４ｅに続く、最もスロットヨーク面１４ｈ側のスロット部１４ｄであり、コイルエンド部１４ｘは、スロット部１４ｗに続く、最もスロットヨーク面１４ｈ側のコイルエンド部１４ｂであり、スロット部１４ｙは、コイルエンド部１４ｘに続く、最もスロットヨーク面１４ｈ側のスロット部１４ｃであり、コイルエンド部１４ｚは、スロット部１４ｙに続く、最もスロットヨーク面１４ｈ側のコイルエンド部１４ａである。

また、図５において、１ターン目から２ターン目への巻き上がりは、コイル端末１４ｅから遠い側のスロット部１４ｙから、コイルエンド部が徐々にスロープ状になり、コイル端末１４ｅに近い側のコイルエンド部１４ｚとコイル端末１４ｅとが重なって、２ターン目となる。

これ以降、平角線を同様に積み重ねて、規定のターン数を巻回する。そのため、コイル端末１４ｅに続くスロット部１４ｗと、他方のスロット部１４ｙとは、同一平面上にない。したがって、コイル端末１４ｅに続くスロット部１４ｗとコア１１との隙間は、他方のスロット部１４ｙとコア１１との隙間よりも小さくなる。

図６は、この発明の実施の形態１に係る回転電機のインシュレータ１２を示す斜視図である。図６において、インシュレータ１２は、略コの字形状であり、コイル１４とコア１１との間に配置されるコイル受け部１２ａと、コイル受け部１２ａの側面でコア１１のヨーク部１１ａ側に設けられた外壁１２ｂと、コア１１のティース部１１ｂの先端側に設けられた内壁１２ｃとを有している。

ここで、外壁１２ｂおよび内壁１２ｃは、コイルエンド部１４ａ、１４ｂがステータ１００の外径側または内径側に飛び出すことを規制するものである。なお、インシュレータ１２は、耐熱性を有する熱可塑性樹脂または熱硬化樹脂等によって形成されている。

図７は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の絶縁紙１３を示す斜視図である。なお、絶縁紙１３は、耐熱性および絶縁性を有する材料を使用し、複数枚の材料を重ねたシートであり、例えばアラミド紙−ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド：ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ）−アラミド紙等が使用される。

図７において、絶縁紙１３は、ティース部側面１１ｇおよびスロット内周面１４ｇを覆うティース絶縁部１３ａと、ヨーク部側面１１ｈおよびスロットヨーク面１４ｈを覆うヨーク絶縁部１３ｂと、コイル１４のティース部１１ｂの先端側を覆うティース先端絶縁部１３ｃと、コイル１４の外側を覆い、ステータ１００の状態に組み立てた際の相間絶縁を確保する相間絶縁部１３ｄとを有している。

以下、図８、９を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子１０の組み立て手順について説明する。図８、９は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子１０の組み立て手順を示す斜視図である。

まず、図８に示されるように、コイル１４のスロット部１４ｃ、１４ｄに、それぞれ絶縁紙１３を巻きつける。このとき、絶縁紙１３のティース絶縁部１３ａをスロット部１４ｃ、１４ｄの内周側に配置し、ヨーク絶縁部１３ｂおよびティース先端絶縁部１３ｃを折り曲げ、最後に相間絶縁部１３ｄを重ねる。

次に、コイル１４のコイルエンド部１４ａ、１４ｂに、それぞれインシュレータ１２を内挿する。続いて、図９に示されるように、インシュレータ１２および絶縁紙１３を組み付けたコイル１４に対して、コイル１４の内側にコア１１のティース部１１ｂを挿入することにより、回転電機の電機子１０が完成する。

次に、図１０を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子１０のコイル１４とコア１１との寸法関係について説明する。図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれこの発明の実施の形態１に係る回転電機のコア１１およびエッジワイズコイル１４を示す断面図である。

図１０において、コイル１４の熱をコア１１に逃がす伝熱経路としては、コイル１４のスロット内周面１４ｇからコア１１のティース部側面１１ｇに逃げる経路と、コイル１４のスロットヨーク面１４ｈからコア１１のヨーク部側面１１ｈに逃げる経路とがある。

この発明の実施の形態１では、コイル１４とコア１１との組み立て時の寸法関係として、図１０（ａ）に示されるように、コア１１のティース部１１ｂの幅をＸとし、図１０（ｂ）に示されるように、コイル１４のスロットヨーク面１４ｈ側の幅（絶縁紙１３を含む）をＹとしたときに、Ｘ＞Ｙと規定する。

また、図１０（ａ）に示されるように、コア１１の中心線に対するティース部側面１１ｇの角度をαとし、図１０（ｂ）に示されるように、コイル１４の中心線に対するスロット内周面１４ｇの角度をβとしたときに、α＞βと規定する。

このような寸法関係に基づいて組み立てを行い、コア１１に対するコイル１４の中心位置を、コイル端末１４ｆの方向（ステータ１００の周方向）にずらす。これにより、コイル１４のスロット内周面１４ｇと、コア１１のティース部側面１１ｇとの隙間が左右非対称となる。

続いて、図１１を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子１０のコイル１４とコア１１との関係について説明する。図１１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の電機子１０の断面図である。

図１１において、この状態で、コイル１４とコア１１との隙間を熱伝達率の高いワニス（伝熱部材）３０ａ、３０ｂで充填する。この構造によれば、スロット内周面１４ｇとティース部側面１１ｇとの隙間が左右非対称なので、隙間の狭いワニス３０ａの厚みは、隙間の広いワニス３０ｂの厚みよりも薄くなる。

このとき、熱抵抗が並列の熱抵抗となるので、全体の熱抵抗は、ワニス３０ａ、３０ｂの厚みが左右均等の場合と比較して小さくなる。したがって、エッジワイズコイル１４の放熱性が向上し、回転電機の効率が向上する。

また、上述したように、コイル端末１４ｅに続くスロット部１４ｗとコア１１との隙間が、他方のスロット部１４ｙとコア１１との隙間よりも小さくなることから（図５参照）、さらに全体の熱抵抗が小さくなり、エッジワイズコイル１４の放熱性が向上し、回転電機の効率が向上する。

以上のように、実施の形態１によれば、ティース部とエッジワイズコイルの長辺との間の２箇所に形成される隙間が、互いに異なるように形成されている。
そのため、エッジワイズコイルからコアへの伝熱部の熱抵抗を低減することができ、エッジワイズコイルの放熱性を向上させて、回転電機の効率を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１では、コイル１４とコア１１との隙間をワニス（伝熱部材）３０ａ、３０ｂで充填すると説明した。しかしながら、これに限定されず、コイル１４とコア１１との隙間に充填する伝熱部材を伝熱シリコンとしてもよい。ここで、伝熱シリコンは粘度が高く、コイル１４とコア１１との組み立て後の塗布では、隙間に浸透しないので、組み立て前の塗布とする。

塗布方法としては、組み立て前の先塗りで、例えばコア１１のティース部１１ｂに、左右非対称に厚みを変えて、クリアランスが小さい側には薄く、大きい側には厚く塗った後に、コイル１４を組み付けることで、電機子１０を製作する。この場合には、熱伝達率の高い伝熱シリコンを使用することにより、エッジワイズコイル１４の放熱性をさらに向上させることができる。

この発明に係る回転電機の電機子は、回転電機の電機子であって、ヨーク部と、ヨーク部から突出したティース部とを有するコアと、導体断面が方形形状である平角線をエッジワイズ曲げにより巻回して構成され、絶縁部材を介してティース部に挿入されるエッジワイズコイルと、ティース部とエッジワイズコイルとの隙間に充填された伝熱部材と、を備え、ティース部のヨーク部側の外幅は、エッジワイズコイルのヨーク部側の内幅よりも大きく、かつ、コアの中心線に対するティース部の外形側の角度は、エッジワイズコイルの中心線に対するエッジワイズコイルの内周面の角度よりも大きく、ティース部の一方のティース部側面とエッジワイズコイルの長辺との間に形成される隙間と、ティース部の他方のティース部側面とエッジワイズコイルの長辺との間に形成される隙間とが、互いに異なるものである。

また、この発明に係る回転電機の電機子の製造方法は、回転電機の電機子の製造方法であって、導体断面が方形形状である平角線をエッジワイズ曲げにより巻回してエッジワイズコイルを形成するステップと、エッジワイズコイルを、ヨーク部と、ヨーク部から突出したティース部とを有するコアのティース部に絶縁部材を介して挿入するステップと、エッジワイズコイルを、エッジワイズコイルの短辺方向にずらすステップと、ティース部とエッジワイズコイルとの隙間に伝熱部材を充填するステップと、を有し、ティース部のヨーク部側の外幅は、エッジワイズコイルのヨーク部側の内幅よりも大きく、かつ、コアの中心線に対するティース部の外形側の角度は、エッジワイズコイルの中心線に対するエッジワイズコイルの内周面の角度よりも大きいものである。

このような寸法関係に基づいて組み立てを行い、コア１１に対するコイル１４の中心位置を、ステータ１００の周方向にずらす。これにより、コイル１４のスロット内周面１４ｇと、コア１１のティース部側面１１ｇとの隙間が左右非対称となる。

図１１において、この状態で、コイル１４とコア１１との隙間を熱伝達率の高いワニス（伝熱部材）３０ａ、３０ｂで充填する。この構造によれば、スロット内周面１４ｇとティース部側面１１ｇとの隙間が左右非対称なので、隙間の狭いワニス３０ｂの厚みは、隙間の広いワニス３０ａの厚みよりも薄くなる。

この発明に係る回転電機の電機子は、回転電機の電機子であって、ヨーク部と、ヨーク部から突出したティース部とを有するコアと、導体断面が方形形状である平角線をエッジワイズ曲げにより巻回して構成され、絶縁部材を介してティース部に挿入されるエッジワイズコイルと、ティース部とエッジワイズコイルとの隙間に設けられた伝熱部材と、を備え、ティース部のヨーク部側の外幅は、エッジワイズコイルのヨーク部側の内幅よりも大きく、かつ、コアの中心線に対するティース部の外形側の角度は、エッジワイズコイルの中心線に対するエッジワイズコイルの内周面の角度よりも大きく、ティース部の一方のティース部側面とエッジワイズコイルの長辺との間に形成される隙間と、ティース部の他方のティース部側面とエッジワイズコイルの長辺との間に形成される隙間とが、互いに異なるものである。

Claims (5)

1. 回転電機の電機子であって、
   ヨーク部と、前記ヨーク部から突出したティース部とを有するコアと、
   導体断面が方形形状である平角線をエッジワイズ曲げにより巻回して構成され、絶縁部材を介して前記ティース部に挿入されるエッジワイズコイルと、
   前記ティース部と前記エッジワイズコイルとの隙間に充填された伝熱部材と、を備え、
   前記ティース部と前記エッジワイズコイルの長辺との間の２箇所に形成される隙間が、互いに異なる
   回転電機の電機子。
2. 前記ヨーク部と前記エッジワイズコイルの長辺との間の２箇所に形成される隙間が、互いに異なる
   請求項１に記載の回転電機の電機子。
3. 前記伝熱部材は、ワニスである請求項１または請求項２に記載の回転電機の電機子。
4. 前記伝熱部材は、伝熱シリコンである請求項１または請求項２に記載の回転電機の電機子。
5. 回転電機の電機子の製造方法であって、
   導体断面が方形形状である平角線をエッジワイズ曲げにより巻回してエッジワイズコイルを形成するステップと、
   前記エッジワイズコイルを、ヨーク部と、前記ヨーク部から突出したティース部とを有するコアの前記ティース部に絶縁部材を介して挿入するステップと、
   前記エッジワイズコイルを、前記エッジワイズコイルの短辺方向にずらすステップと、
   前記ティース部と前記エッジワイズコイルとの隙間に伝熱部材を充填するステップと、
   を有する回転電機の電機子の製造方法。

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