JPWO2014061101A1 - 回転電機の電機子 - Google Patents

Abstract

この発明は、軸方向の小型化を図るとともに、エッジワイズコイルのコイル間の絶縁性を高めることができる回転電機の電機子を得る。この発明に係る回転電機の電機子は、それぞれ径方向に延在して周方向に所定のピッチで配列された複数のティースを有するコアと、絶縁被覆された平角導体線をエッジワイズ巻きに複数ターン巻回して構成された複数のエッジワイズコイルと、を備え、上記複数のエッジワイズコイルのそれぞれは、径方向に配列された、それぞれ曲げ部により連結された直線部とコイルエンド部を有し、上記直線部が、上記ティースの周方向の側部に、上記ティースの先端から根元側に向かって、上記ティースの中心軸から漸次離間するように、径方向に配列され、上記曲げ部の内周側部分における曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部が、径方向に隣り合う上記平角導体線同士で対向しないように構成されている。

Description

この発明は、平角導体線をエッジワイズ巻きに巻回して作製されるエッジワイズコイルを備えた回転電機の電機子に関するものである。

エッジワイズ巻きに巻回して作製されるエッジワイズコイルは、丸線ではなく平角導体線を用いるので、占積率が向上し、抵抗値が低くなるという利点を有している。さらに、エッジワイズコイルは、多層に巻かれることがないので、コイルの内外温度差が少なく、放熱性がよいという利点も有している。

しかしながら、平角導体線をエッジワイズ巻きに巻回した場合、外周部分が伸び、内周部分には圧縮応力が作用する。そして、内周部分は、圧縮応力が作用することにより膨らむ傾向がある。平角導体線は、一般に、エナメルなどの絶縁被膜が表面に被覆されている。
従来の、同じ位置で整列して曲げが施されたエッジワイズコイルの構造では、曲げによる内周の膨らみ部分がコイルの積層方向に重なってしまい、コイルの線間の絶縁性が低下する危険性があった。

このような状況を鑑み、曲げが施された、コイルエンド部を構成する第１の曲げ部と、第１の曲げ部のコイル積層方向隣りに配置され、コイルエンド部を構成する第２の曲げ部とを含み、第１の曲げ部と第２の曲げ部の内周部分の位置が、コイルエンド部のみについて、平角導体線の平面方向に相互にずれるように配置されているとともに、内周部分において、曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部分が隣接する平角導体線同士で対向しないようにして、コイルの線間の絶縁性の低下を抑えた回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４５８３７９８号公報

特許文献１に記載の回転電機では、第１の曲げ部と第２の曲げ部の内周部分の位置を平角導体線の平面方向に、すなわち回転電機の軸方向に相互にずれるように配置して、曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部分が隣接する平角導体線同士で対向しないようにしているので、隣り合うコイルエンド部を軸方向にずらす分、回転電機の軸方向寸法が増大してしまうという課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、エッジワイズコイルの直線部の長さ方向の寸法を増大させることなく、曲げ部の内周部分の重なりを抑え、軸方向の小型化を図るとともに、エッジワイズコイルの線間の絶縁性を高めることができる回転電機の電機子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、それぞれ径方向に延在して周方向に所定のピッチで配列された複数のティースを有するコアと、絶縁被覆された平角導体線をエッジワイズ巻きに複数ターン巻回して構成された複数のエッジワイズコイルと、を備えている。上記複数のエッジワイズコイルのそれぞれは、径方向に配列された、それぞれ曲げ部により連結された直線部とコイルエンド部を有している。そして、上記直線部が、上記ティースの周方向の側部に、上記ティースの先端から根元側に向かって、上記ティースの中心軸から漸次離間するように、径方向に配列され、上記曲げ部の内周側部分における曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部が、径方向に隣り合う上記平角導体線同士で対向しないように構成されている。

この発明によれば、直線部が、ティースの周方向の側部に、ティースの先端から根元側に向かって、ティースの中心線から漸次離間するように、径方向に配列され、曲げ部の内周側部分における曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部が、径方向に隣り合う平角導体線同士で対向しないように構成されている。そこで、電機子の軸方向寸法を増大させることなく、エッジワイズコイルのコイル間の絶縁性の低下を抑えることができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを示す端面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットに適用される集中巻コイルを示す側面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットに適用される集中巻コイルを示す背面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットにおけるティース周りを示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットにおける曲げ部周りを示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す要部断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機のステータを構成するコアユニットにおけるコアブロックを示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す斜視図である。

以下、本発明の回転電機の電機子の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを示す端面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す分解斜視図、図４はこの発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットに適用される集中巻コイルを示す側面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットに適用される集中巻コイルを示す背面図、図６はこの発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットにおけるティース周りを示す断面図、図７はこの発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを構成するコアユニットにおける曲げ部周りを示す断面図である。

図１において、電機子としてのステータ１は、円環状のステータコア３と、ステータコア３に装着されたステータコイル５と、を備えている。ステータコア３は、周方向に１２等分割された１２個のコアブロック４から構成されている。また、ステータコイル５は、１２個の集中巻コイル６から構成されている。そして、ステータ１は、集中巻コイル６をコアブロック４に装着して構成されるコアユニット２を周方向に環状に配列し、円環状のフレーム９に挿入、固着されて、構成されている。

ここで、コアユニット２は、図３に示されるように、コアブロック４と、集中巻コイル６と、一対のボビン１０と、一対の絶縁シート１５と、を備えている。

コアブロック４は、例えば、同一形状に打ち抜かれた多数枚の電磁鋼板を積層一体化して作製され、円弧形のコアバック部４ａと、コアバック部４ａの内周面の周方向中央から径方向内方に延設されたティース４ｂと、を有する。ティース４ｂは、周方向幅がティース４ｂの先端から根元側に向かって漸次広くなる形状であり、端面（底面）を略台形とする柱状体である。ここで、ティース４ｂの幅方向中央とステータコア３の軸心とを通る軸をティース４ｂの中心軸Ａとする。

集中巻コイル６は、図４および図５に示されるように、平角導体線７をエッジワイズ巻きに所定ターンで１層に巻回して作製されたエッジワイズコイルである。平角導体線７は、絶縁被覆された銅線、アルミ線などが用いられる。集中巻コイル６の各ターンは、一対の相対する平行な直線部６ａと一対の相対する平行なコイルエンド部６ｂとが、所定の曲率で曲げられた曲げ部６ｃで連結されたレーストラック形状に形成されている。そして、集中巻コイル６は、直線部６ａとコイルエンド部６ｂが曲げ部６ｃにより螺旋状に連結されて平角導体線７の長方形断面の長辺で構成される面と直交する方向（以下、コイル積層方向という）に所定ターン数積層されて構成されている。

また、２列に配列された直線部６ａは、それぞれティース４ｂの軸方向長さと同等の長さを有し、相対する直線部６ａ間の間隔がコイル積層方向の一方向に向かって漸次広くなるように配列され、底面を略台形とする柱状体のティース４ｂに外嵌状態に嵌合可能となっている。２列に配列されたコイルエンド部６ｂは、相対するコイルエンド部６ｂ間の間隔が一定となるようにコイル積層方向に配列されている。これにより、コイル積層方向に隣り合う曲げ部６ｃの内周端近傍の重なりが回避される。

ここで、所定の曲率で曲げられた曲げ部６ｃの外周部分では伸びが発生する。一方、曲げ部６ｃの内周部分では、図に示されるように、曲げによる圧縮応力が作用して膨らみ部８が生じる。そして、曲げ部６ｃの内周部分の膨らみ、すなわち変形により、絶縁被膜の厚みむらが発生しやすい。

絶縁性端板としてのボビン１０は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を用いた樹脂成型体である。ボビン１０は、長さ方向と平行な断面を台形とし、長さ方向と直交する断面を上部側の両角部にアール加工を施した略矩形とし、長さ方向をティース４ｂの延出方向（径方向）に一致させて、底面をティース４ｂの軸方向の両端面に接するように配設される胴部１１と、胴部１１の上面の長さ方向一側から底面と反対側（ティース４ｂと反対側）に延在する第１ガイド部１２と、胴部１１の上面の長さ方向他側から第１ガイド部１２と相対して底面と反対側に延在する第２ガイド部１３と、を有する。なお、胴部１１の底面は、台形形状の高さが低い点を除いて、ティース４ｂの端面とほぼ同一の形状に形成され、胴部１１の上部側の両角部は、集中巻コイル６の曲げ部６ｃの内周側面の曲率と同等の曲率に形成されている。

絶縁シート１５は、例えばポリイミドフィルムをメタ系アラミド繊維で挟み込んで作製されたシートをプレス成形して形成される。絶縁シート１５は、コアブロック４のコアバック部４ａおよびティース４ｂのスロットを画成する内壁面に宛がわれるスロット絶縁部１６と、折り返されて集中巻コイル６の直線部６ａの列を覆う相間絶縁部１７，１８と、を有する。

ついで、コアユニット２を組み立てるには、一対のボビン１０を集中巻コイル６の内周側に挿入し、直線部６ａの長さ方向に移動して、集中巻コイル６に装着する。これにより、コイル積層方向に配列されたコイルエンド部６ｂの列が、第１ガイド部１２と第２ガイド部１３との間に挿入され、コイルエンド部６ｂおよび曲げ部６ｃの内周側面が胴部１１の外周面に接する。ついで、スロット絶縁部１６をコイル積層方向に積層された直線部６ａの各列の内周側面に沿わせるように絶縁シート１５を装着する。そして、絶縁シート１５の相間絶縁部１７，１８を折り返して、コイル積層方向に積層された直線部６ａの各列の外周を包み込む。ついで、ボビン１０および絶縁シート１５が装着された集中巻コイル６を、コアブロック４のティース４ｂに外嵌状態に装着し、図３に示されるコアユニット２が組み立てられる。

ついで、コアブロック４のコアバック部４ａの周方向の側面同士を突き合わせて、１２個のコアユニット２を周方向に環状に配列する。そして、周方向に環状に配列されたコアユニット２を、円環状のフレーム９に圧入、固着して、あるいは焼き嵌めによりフレーム９内に挿入、固着して、図１に示されるステータ１が組み立てられる。ついで、ワニス１９が集中巻コイル６に滴下される。そこで、ワニス１９は、毛細管現象により平角導体線７間、および平角導体線７と絶縁シート１５との間などに含浸され、硬化される。また、１２本の集中巻コイル６が交流結線され、ステータコイル５が構成される。

なお、コアブロック４がコアバック部４ａの周方向の側面同士を突き合わせて円環状に配列されてステータコア３を構成している。コアバック部４ａが周方向に連結してステータコア３の円環状のコアバックを構成し、コアバックと隣り合うティース４ｂとにより形成される空間がスロットを構成する。集中巻コイル６のコイルエンド部６ｂおよび曲げ部６ｃが、ステータコア３のスロットから軸方向外方に突出し、ステータコイル５のコイルエンドを構成する。

このように組み立てられたステータ１は、図示していないが、ハウジング内に回転可能に配設されたロータを囲繞するようにハウジングに保持され、電動機、発電機などの回転電機を構成する。

また、集中巻コイル６の直線部６ａは、図６に示されるように、ティース４ｂの周方向両側に、ティース４ｂの先端から根元側に向かって、ティース４ｂの中心軸Ａから漸次離間するように配列される。そこで、直線部６ａは、略台形の断面形状のティース４ｂの周方向の両側面に沿って、且つ近接して、コイル積層方向（径方向）に１列に並んで配列される。そして、絶縁シート１５が、スロット絶縁部１６をティース４ｂおよびコアバック部４ａと１列に配列された直線部６ａの列との間に介装させ、相間絶縁部１７，１８を折り返して、直線部６ａの列の外周を囲むようにして、装着されている。さらに、ワニス１９が、図示していないが、コアブロック４と絶縁シート１５との間、絶縁シート１５と直線部６ａとの間、および直線部６ａ間に含浸、硬化されている。

また、集中巻コイル６のコイルエンド部６ｂが、ティース４ｂの軸方向両側に、その内周側面が面一となるように径方向に１列に並んで配列されている。そして、ボビン１０が面一に配列されたコイルエンド部６ｂの内周側面、および曲げ部６ｃの内周側面に接するようにティース４ｂの軸方向両端面上に配設されている。さらに、ワニス１９が、図７に示されるように、曲げ部６ｃ間、曲げ部６ｃとボビン１０との間、さらにはコイルエンド部６ｂ間、およびコイルエンド部６ｂとボビン１０との間に含浸、硬化されている。

この実施の形態１によれば、各列の直線部６ａは、ステータコア３の周方向に相対する直線部６ａ間の間隔が径方向外方（コイル積層方向の一方向）に向かって漸次広くなるように配列されている。そこで、径方向に隣り合う曲げ部６ｃの内周部分の膨らみ部８は、周方向にずれ、重なりが回避される。これにより、平角導体線７を密接状態に巻回でき、ステータ１の径方向寸法の小型化が図られる。さらに、膨らみ部８、すなわち絶縁被膜の厚みむらが発生する部分が径方向に重なることに起因するコイル間の耐圧の低下が抑えられる。

また、各列のコイルエンド部６ｂは、ステータコア３の軸方向に相対するコイルエンド部６ｂ間の間隔が一定となるように径方向に配列されているので、集中巻コイル６の直線部６ａの長さ方向寸法の増大がなく、ステータ１の軸方向寸法の小型化が図られる。

コアブロック４のティース４ｂは、その周方向幅がティース４ｂの先端から根元側に向かって漸次広くなる台形断面形状に作製されているので、磁気飽和が緩和され、鉄損を低減することができる。
ティース４ｂが集中巻コイル６の２列に配列された直線部６ａの列間の断面形状に略一致する台形断面形状に形成されている。そこで、コイル積層方向に配列された直線部６ａがティース４ｂの周方向両側面に近接した状態で、集中巻コイル６をコアブロック４のティース４ｂに装着できる。これにより、直線部６ａとティース４ｂとの間の熱伝達性が向上し、集中巻コイル６での発熱をコアブロック４を介して効率的に放熱できる。

ボビン１０が集中巻コイル６のコイルエンド部６ｂおよび曲げ部６ｃの内周側面に接するようにティース４ｂの軸方向両端面上に配設されているので、ティース４ｂに装着される集中巻コイル６の位置決めが容易となる。
絶縁シート１５のスロット絶縁部１６が直線部６ａとコアブロック４との間に介装されているので、集中巻コイル６とコアブロック４との間の耐圧が大きくなる。絶縁シート１５の相間絶縁部１７，１８が直線部６ａの列の外周を包み込むように配設されているので、集中巻コイル６間の耐圧が大きくなる。

ワニス１９が集中巻コイル６に含浸、硬化されているので、集中巻コイル６がコアブロック４に強固に固定される。また、集中巻コイル６での発熱がコアブロック４に熱伝達されやすくなり、集中巻コイル６の過度の温度上昇が抑えられる。
軸方向に相対するコイルエンド部６ｂ間の間隔が一定となるように配列されているので、径方向に配列されたコイルエンド部６ｂの内周側面が面一となる。そこで、径方向に隣り合うコイルエンド部６ｂの相対する面積が大きくなり、ワニス１９による接合面積が増大し、集中巻コイル６が強固に固定される。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す斜視図、図９はこの発明の実施の形態２に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す要部断面図、図１０はこの発明の実施の形態２に係る回転電機のステータを構成するコアユニットにおけるコアブロックを示す斜視図である。

図８において、コアユニット２Ａは、コアブロック２１と、コアブロック２１の軸方向両端に配設された一対のボビン１０Ａと、集中巻コイル６と、一対の絶縁シート１５と、を備えている。また、図示していないが、集中巻コイル６には、ワニスが含浸されている。

凹溝２０が、図９に示されるように、ボビン１０Ａの底面に、一定の溝深さで、溝幅が長さ方向一端から他端に向かって漸次広くなるように、長さ方向一端から他端に至るように凹設されている。コアブロック２１は、図１０に示されるように、補助コア２２をコアブロック４の軸方向両端面に一体に固着して構成されている。補助コア２２は、円弧形のコアバック部２２ａと、コアバック部２２ａの内周面の周方向中央から径方向内方に延設されたティース２２ｂと、を有する。そして、コアバック部２２ａは、凹溝２０の溝深さに等しい厚みで、コアブロック４のコアバック部４ａと同一の円弧形状に作製されている。ティース２２ｂは、凹溝２０の溝深さに等しい厚みで、周方向幅がティース２２ｂの先端から根元側に向かって漸次広くなる、底面が台形の柱状体に作製され、凹溝２０に収納可能に構成されている。

実施の形態２によるコアユニット２Ａは、補助コア２２がコアブロック４の軸方向両端面に一体に固着され、ティース２２ｂがボビン１０Ａの凹溝２０内に収納されている。
なお、実施の形態２は、コアユニット２に替えてコアユニット２Ａを用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２によれば、補助コア２２がコアブロック４の軸方向両端面に一体に固着されているので、磁性材料であるコアの体積が増大し、飽和磁束密度が低くなり、鉄損を一層低減できる。

実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３に係る回転電機のステータを構成するコアユニットを示す斜視図である。

図１１において、コアユニット２Ｂは、一対のボビン１０と一対の絶縁シート１５が装着された集中巻コイル６をコアブロック４に装着した後、エポキシ樹脂などの絶縁性樹脂を用いて一体にモールド成形して、作製されている。
なお、実施の形態３は、コアユニット２に替えてコアユニット２Ｂを用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３によれば、集中巻コイル６、ボビン１０および絶縁シート１５がモールド樹脂部２３によりティース４ｂに一体化されているので、コアユニット２Ｂのハンドリングが容易となり、ステータの組立性が向上する。さらに、集中巻コイル６がモールド樹脂部２３に埋設されているので、優れた絶縁性が得られる。

なお、上記各実施の形態では、スロット数が１２のステータコアを用いるものとしているが、ステータコアのスロット数は１２に限定されない。
また、上記各実施の形態では、スロットが内径側に開口するステータコアに集中巻コイルを装着するものとしているが、スロットが外径側に開口するステータコアに集中巻コイルを装着する場合についても、同様の効果を奏する。

また、上記各実施の形態では、集中巻コイルがステータコアに装着されるものとしているが、電機子はステータに限定されず、ロータであってもよい。すなわち、集中巻コイルがロータコアに装着される場合においても、同様の効果を奏する。
また、上記各実施の形態では、平角導体線を１つのティースにエッジワイズ巻きに複数ターン巻回して構成される集中巻コイルについて説明しているが、エッジワイズコイルであれば、集中巻コイルに限定されない。例えば、平角導体線を複数のティースを跨いでエッジワイズ巻きに複数ターン巻回して構成される分布巻きコイルであってもよい。

この発明に係る回転電機の電機子は、それぞれ径方向に延在して周方向に所定のピッチで配列された複数のティースを有するコアと、絶縁被覆された平角導体線をエッジワイズ巻きに複数ターン巻回して構成された複数のエッジワイズコイルと、を備えている。上記複数のエッジワイズコイルのそれぞれは、径方向に配列された、それぞれ曲げ部により連結された直線部とコイルエンド部を有する集中巻コイルである。そして、上記直線部が、上記ティースの周方向の両側部に、上記ティースの先端から根元側に向かって、上記ティースの中心軸から漸次離間するように、径方向に配列され、上記コイルエンド部が、上記ティースの軸方向の両側に、内周側面を面一として、径方向に配列され、上記曲げ部の内周側部分における曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部が、上記ティースの先端から根元側に向かって、上記ティースの中心軸から漸次離間するように、径方向に配列されて、径方向に隣り合う上記平角導体線同士で対向しないように構成されている。

Claims (7)

1. それぞれ径方向に延在して周方向に所定のピッチで配列された複数のティースを有するコアと、絶縁被覆された平角導体線をエッジワイズ巻きに複数ターン巻回して構成された複数のエッジワイズコイルと、を備えた回転電機の電機子において、
   上記複数のエッジワイズコイルのそれぞれは、径方向に配列された、それぞれ曲げ部により連結された直線部とコイルエンド部を有し、
   上記直線部が、上記ティースの周方向の側部に、上記ティースの先端から根元側に向かって、上記ティースの中心軸から漸次離間するように、径方向に配列され、
   上記曲げ部の内周側部分における曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部が、径方向に隣り合う上記平角導体線同士で対向しないように構成されていることを特徴とする回転電機の電機子。
2. 上記ティースは、周方向幅が該ティースの先端から根元側に向かって漸次広くなる、軸方向と直交する台形断面形状に作製され、上記直線部が、上記ティースの周方向の側面に沿って、径方向に配列されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の電機子。
3. 絶縁性端板が、上記ティースの軸方向両端面上に配設され、径方向に配列された上記コイルエンド部および上記曲げ部の内周側面に接する外周面形状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の回転電機の電機子。
4. 溝方向を径方向とする凹溝が上記絶縁性端板の底面の径方向一側から他側に至るように凹設され、補助コアが上記凹溝内に収納されて上記コアの軸方向両端面に突設されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の回転電機の電機子。
5. 絶縁シートが、上記ティースの周方向の側面に沿って径方向に配列された上記直線部の列の外周を囲むように配設されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の電機子。
6. ワニスが上記エッジワイズコイルに含浸されていることを特徴とする請求項５記載の回転電機の電機子。
7. 上記エッジワイズコイルが集中巻コイルであり、上記絶縁性端板および上記絶縁シートとともに、上記ティースに一体に絶縁性樹脂でモールド成形されていることを特徴とする請求項５記載の回転電機の電機子。

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