JPWO2019073724A1 - 回転電機の固定子 - Google Patents

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Abstract

本課題は、沿面絶縁距離を確保し、絶縁信頼性を高めることである。筒体で形成され、筒体の内周側に、複数のセグメントコイルを収納するための収納空間が、筒体の軸方向に沿って形成されると共に、収納空間が筒体の内周側に互いに間隔を保って複数個形成される固定子鉄心と、環状の部材として構成され、複数のセグメントコイルを支持する複数のコイル支持部材と、を備え、各コイル支持部材は、各収納空間に連なる開口であって、セグメントコイルを挿入するための複数の貫通孔を有し、且つ固定子鉄心の軸方向両端部に分かれて配置されて、固定子鉄心の軸方向端部の内周側を覆う。

Description

本発明は、モータや発電機等の回転電機の固定子に関する。
本技術分野の背景技術として、国際公開第2015/083470号(特許文献1)がある。この公報には、「生産性と絶縁性とを両立した回転電機を提供する。」と記載されている(要約参照)。
国際公開第2015/083470号
特許文献1記載の技術を用いることで、コイル挿入の際、絶縁紙抜けや破れによる絶縁信頼性の低下や、コイル捻り成形後のコイル高さが安定しないことは解決出来る。しかし、沿面絶縁距離を確保することについては、十分配慮されていないので、絶縁信頼性を高めることが課題となる。
本発明は、沿面絶縁距離を確保し、絶縁信頼性を高めることができる回転電機の固定子を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、筒体で形成され、前記筒体の内周側に、複数のセグメントコイルを収納するための収納空間が、前記筒体の軸方向に沿って形成されると共に、前記収納空間が前記筒体の内周側に互いに間隔を保って複数個形成される固定子鉄心と、環状の部材として構成され、前記複数のセグメントコイルを支持する複数のコイル支持部材と、を備え、前記各コイル支持部材は、前記各収納空間に連なる開口であって、前記セグメントコイルを挿入するための複数の貫通孔を有し、且つ前記固定子鉄心の軸方向両端部に分かれて配置されて、前記固定子鉄心の軸方向端部の内周側を覆うことを特徴とする。
本発明によれば、沿面絶縁距離を確保し、絶縁信頼性を高めることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例1における回転電機の固定子を単体で示す斜視図である。 実施例1における固定子コアの要部断面図である。 実施例1における固定子コアにコイル支持部材を組み付ける前の状態を示す斜視図である。 実施例1における固定子コアにコイル支持部材を組み付けた後の状態を示す図であって、(a)は、上面図であり、(b)は、(a)におけるA−A線に沿う断面図である。 実施例1における固定子コアのスロット領域を説明するための概念図である。 実施例1における分割型コイル支持部材の要部斜視図であって、(a)は、上面図であり、(b)は、下面図である。 実施例2における分割型コイル支持部材の斜視図であって、(a)は、上面図であり、(b)は、下面図である。 実施例3における分割型コイル支持部材の分解斜視図ある。
以下、本発明の実施例を説明する。
以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリッド電気自動車用の回転電機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向(半径方向)を指す。「内周側」は径方向内側(内径側)を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側(外径側)を指す。
まず、実施例の概要を説明する。
ここで説明する実施例は、回転電機の固定子の絶縁部材構成に関するものである。回転電機は、大きく分けて、円筒状をなす固定子と、この固定子の内周側に所定の間隙を隔てて配置された回転子とにより構成される。
固定子は、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有するものであって、円筒状をなす固定子コアと、この固定子コアに巻かれた複数本の固定子コイルと、を有している。上記固定子コアには、固定子コイルを収容するため、軸方向に貫通するとともに周方向に配列された複数のスロットが形成されている。各固定子コイルは、各スロット内を軸方向に延在しつつ、スロットの軸方向一端より引き出された引出し線部によって、複数の磁極に対応するように、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロットに跨って延在している。
以下、図1〜8を参照して、本発明の実施例1について説明する。
図1は、本発明の実施例1における回転電機の固定子を単体で示す斜視図である。図2は、本発明の実施例1における固定子コアの要部断面図(水平断面図)であって、各スロット103の内部を示す断面対応図である。
図1及び図2に示すように、回転電機の固定子100は、複数のスロット103が内周側に形成された固定子コア(固定子鉄心とも呼ぶ)101と、この固定子コア101に巻かれるU相、V相、及びW相に対応した3本の固定子巻線(セグメントコイルとも呼ぶ)102と、各固定子巻線102を支持するコイル支持部材201と、を有している。固定子コア101は、円筒状の筒体で形成され、この筒体の内周側に、複数のスロット103が形成されている。各スロット103は、固定子コア(筒体)101の内周側に、各固定子巻線102を収納するために収納空間として、固定子コア101の軸方向に沿って貫通形成されるとともに、所定の周方向ピッチで周方向に等間隔おきに配列(形成)されている。各スロット103の内周側には、固定子コア101の軸方向に沿って延びるスリット104が開口形成されている。
本実施例における各固定子巻線102は、絶縁被膜を有するコイル導体105で構成され、後述するように、スロット103に挿入・保持される多数のコイル導体105を有している。そして、同一のスロット103内で隣り合うコイル導体105同士が、固定子コア101の軸方向一端側(図1の下端側)に設けられた溶接部106で互いに溶接される。これにより、複数のコイル導体105が溶接部106で電気的に接続された長尺な固定子巻線102が構成される。これらのコイル導体105は、被接合部側(固定子コア101の軸方向下方側)の一部が、スロット103の軸方向外側に出されており、そのうち、被接合部側に配置されるコイル導体105の全周の絶縁被膜が剥離されている。
この際、本実施例では、後述するように、コイル支持部材201が、固定子コア101の軸方向端部に配置(搭載)され、その後、固定子巻線102(コイル導体105)が、コイル支持部材201を介して固定子コア101に巻き付けられるので、被接合部側(固定子コア101の軸方向下方側)の一部が、スロット103の軸方向外側に出されても、固定子コア101と固定子巻線102(コイル導体105)間の沿面絶縁距離を確保することができる。
図3は、実施例1における固定子コアにコイル支持部材を組み付ける前の状態を示す斜視図である。図3に、固定子コア101と、固定子巻線102を支持(保持)するためのコイル支持部材201との位置関係を示す。円筒状をなす固定子コア101の軸方向両端部には、固定子巻線102を支持(保持)するための複数のコイル支持部材201が分かれて配置される。各コイル支持部材201は、全体として円環状(リング状)に形成された部材であって、固定子コア101の軸方向端部のうち少なくとも内周側の各スロット103を覆う大きさの部材で構成されている。各コイル支持部材201のうち、固定子コア101の軸方向端部との対向面の内周側には、固定子コア101との位置決めのために、スロット103内に挿入される突起部202が、複数個、周方向に沿って等間隔(1スロット分の間隔を空けて)で形成されている。また、各コイル支持部材201には、各スロット103に連なる開口であって、固定子巻線102(コイル導体105)を挿入するための貫通孔(穴)203が、複数個、周方向に沿って等間隔で形成されている。
なお、本実施例における各コイル支持部材201は、円環状(リング状)に形成された部材を周方向に複数個、例えば、4個に分割し、分割された各円弧状の部材を、互いに結合し、全体として、円環状(リング状)の部材として構成されているが、円環状に一体成型された部材を用いることもできる。分割された各円弧状の部材を用いた場合、円環状に一体成型された部材を用いたものよりも、固定子コア101とコイル支持部材201との位置精度を低くして設計することができる。一方、円環状に一体成型された部材を用いた場合、各コイル支持部材201の各貫通孔203が固定子コア101の各スロット103に重なるように、位置決め精度を高く設計する必要がある。また、各コイル支持部材201に用いる材料は、PPS樹脂で構成しているが、PETやPEEK、非導電性の金属で構成しても良い。
図4は、実施例1における固定子コアにコイル支持部材を組み付けた後の状態を示す図であって、(a)は、上面図であり、(b)は、(a)におけるA−A線に沿う断面図である。なお、(b)は、コイル支持部材201の形状が分かりやすくなるように、コイル導体105は軸方向で切断した状態を示している。図4において、各コイル支持部材201の上面には、各貫通孔(穴)203の縁に複数の凹部203A、203Bが、コイル曲げ方向X、Y(周方向)に倣うように形成されている。通常、コイル導体105を捻じる際には、スロット103内で隣接するコイル導体105を互い違いに異なる方向に曲げるため、各凹部203Aと各凹部203Bが径方向において互い違いになるように形成されている。例えば、貫通孔(穴)203の縁のうち、コイル曲げ方向Xのコイル導体105の挿入領域に対応した縁には、凹部203Aが形成され、コイル曲げ方向Yのコイル導体105の挿入領域に対応した縁には、凹部203Bが形成される。
この際、各凹部203A、203Bは、コイル導体105を保持するための面取り形状で形成されており、貫通孔(穴)203の縁から、その厚さが、周方向に沿って漸次変化するテーパ状のテーパ部、例えば、貫通孔(穴)203の縁から、その凹みが、周方向に沿って漸次浅くなるテーパ部或いは面取り形状部(溝部)として形成されている。これにより、コイル導体105をコイル曲げ方向X又はコイル曲げ方向Yに曲げる際に、コイル導体105を傷つけることなく折り曲げることができる。なお、各凹部203A、203Bの代わりに、各貫通孔(穴)203の縁にテーパ状の部材(周方向に沿って漸次その厚さが厚くなるテーパ状の部材)を配置することもできる。また、各貫通孔(穴)203の縁を単に面取り加工するだけでも良い。また、各凹部203A、203Bを、各貫通孔(穴)203の縁の両側に、周方向(径方向と交差する方向)に沿って形成することもできる。
図5は、実施例1における固定子コアのスロット領域を説明するための概念図であって、コイル支持部材に構成される突起部が配置される固定子コアのスロット領域を示す。図5において、固定子コア101に設けられたスロット103の、固定子コア101の表面における大きさ(面積)は、コイル導体105の幅W1より大きく形成され、指定の数のコイル導体105、例えば、4本のコイル導体105を収納可能な大きさの第1空間S1と、第1空間S1と連通する第2空間S2とに分けることができる。この際、第2空間S2は、4本のコイル導体105がスロット103に挿入された後のデッドスペース(隙間)であって、コイル支持部材201の突起部202が挿入される空間となる。第2空間S2にコイル支持部材201の突起部202が挿入されることで、固定子コア101におけるコイル支持部材201の位置決めが可能になると共に、コイル支持部材201が固定子コア101の表面から動くのを防止することが可能になる。この構成により、固定子コア101のスロット103におけるコイル導体105の占める割合である占積率を低下させることなく、固定子コア101とコイル支持部材201との位置決め精度を確保することができる。また、スロット103は、第1空間S1が、コイル導体105の幅W1より大きく形成されているので、コイル導体105として、指定の太さのものを用いることができる。
図6は、実施例1における分割型コイル支持部材の要部斜視図であって、(a)は、上面図であり、(b)は、下面図である。分割型コイル支持部材201Aは、円環状(リング状)に形成されたコイル支持部材201を周方向に、4分割して得られた、円弧状の部材として構成される。分割型コイル支持部材201Aを、周方向に4個組み合わせることで、円環状のコイル支持部材201が構成される。分割型コイル支持部材201Aには、各スロット103に連なる開口であって、固定子巻線102(コイル導体105)を挿入するための貫通孔(穴)203が、複数個、周方向に沿って等間隔で形成されている。また、分割型コイル支持部材201Aの下面(固定子コア101の軸方向端部との対向面)には、固定子コア101との位置決めのために、スロット103の第2空間S2内に挿入される突起部202が、複数個、周方向に沿って等間隔(1スロット分の間隔を空けて)で形成されている。実施例1における突起部202は、1スロット分の間隔を空けて配置される構成であるが、全てのスロット103に対応する部位に突起部202を設けても良い。分割型コイル支持部材201Aの外周側上面には、コイル導体105を捻り成形する際にかかる応力を緩和するための環状のリブ204が、周方向に沿って形成されている。
本実施例によれば、固定子コア101と固定子巻線102(コイル導体105)間の沿面絶縁距離を確保することができると共に、コイル導体105を傷つけることなく折り曲げることができ、絶縁信頼性を高めることができる。また、固定子コア101とコイル支持部材201との位置決め精度を高めることができる。さらに、複数の突起部202が、周方向に沿って1スロット分の間隔を空けて形成されているので、スロット103の第2空間S2内に突起部202を挿入して、コイル支持部材201と固定子コア101とを組み付ける際に、両者の位置決が、全ての貫通孔(穴)203の縁に突起部202を形成したものよりも容易となる。
図7は、実施例2における分割型コイル支持部材の斜視図であって、(a)は、上面図であり、(b)は、下面図である。実施例2は、分割型コイル支持部材201Aの代わりに、分割型コイル支持部材201Bを用いたものであり、他の構成は、実施例1と同様であり、それらの説明は省略する。
分割型コイル支持部材201Bは、円環状(リング状)に形成されたコイル支持部材201を周方向に、4分割して得られた、円弧状の部材として構成される。分割型コイル支持部材201Bを、周方向に4個組み合わせることで、円環状のコイル支持部材201が構成される。分割型コイル支持部材201Bには、各スロット103に連なる開口であって、固定子巻線102(コイル導体105)を挿入するための貫通孔(穴)203が、複数個、周方向に沿って等間隔で形成されている。また、分割型コイル支持部材201Bの下面(固定子コア101の軸方向端部との対向面)には、固定子コア101との位置決めのために、スロット103の第2空間S2内に挿入される突起部202が、1個形成されている。即ち、単一の貫通孔(穴)203の縁にのみ突起部202が形成されている。
本実施例によれば、単一の貫通孔(穴)203の縁にのみ突起部202が形成されているので、スロット103の第2空間S2内に突起部202を挿入して、コイル支持部材201と固定子コア101とを組み付ける際に、両者の位置決が、実施例1よりも容易となる。
図8は、実施例3における分割型コイル支持部材の分解斜視図ある。実施例3は、分割型コイル支持部材201Aの代わりに、分割型コイル支持部材201C、Dを組み合わせて用いたものであり、他の構成は、実施例1と同様であり、それらの説明は省略する。
分割型コイル支持部材201C、Dは、円環状(リング状)に形成されたコイル支持部材201を周方向に、4分割して得られた、円弧状の部材を、径方向において2分割して得られた部材として構成される。分割型コイル支持部材201Cと分割型コイル支持部材Dとを組み合わせ、組み合わされた分割型コイル支持部材201Cと分割型コイル支持部材Dを、周方向に4個組み合わせることで、円環状のコイル支持部材201が構成される。
分割型コイル支持部材201Cは、固定子コア101の外周側(外径側)に配置される部材であって、分割型コイル支持部材201Cの内周側(内径側)には、各スロット103に連なる開口であって、固定子巻線102(コイル導体105)を挿入するための切欠き203Cが、複数個、周方向に沿って等間隔で形成されている。各切欠き203Cの縁には、複数の凹部203A、203Bが形成されている。分割型コイル支持部材201Dは、固定子コア101の内周側(内径側)に配置される部材であって、分割型コイル支持部材201Dの外周側には、各スロット103に連なる開口であって、固定子巻線102(コイル導体105)を挿入するための切欠き203Dが、複数個、周方向に沿って等間隔で形成されている。分割型コイル支持部材201Dの下面(固定子コア101の軸方向端部との対向面)には、固定子コア101との位置決めのために、スロット103の第2空間S2内に挿入される突起部202が、複数個、周方向に沿って等間隔(1スロット分の間隔を空けて)で形成されている。
この際、スロット103を、スリット104を有するセミクローズスロットとして形成する代わりに、スリット104を有しないオープンスロット(スロット幅が均一のスロット)として形成することで、コイル導体105を径方向(横方向)からオープンスロットに挿入することが可能になる。なお、分割型コイル支持部材201Cと分割型コイル支持部材Dとを組み合わせることで、各切欠き203Cと各切欠き203Dが、それぞれ貫通孔(穴)203として機能する。
本実施例によれば、コイル支持部材201が、その径方向において、外径側に配置される分割型コイル支持部材201Cと内径側に配置される分割型コイル支持部材201Dに2分割されるので、波巻、連続巻といった巻線方法にも適用することが可能となる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記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限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
100 固定子、101 固定子コア、102 固定子巻線、103 スロット、104 スリット、105 コイル導体、106 溶接部、201 コイル支持部材、201A、201B、201C、201D 分割型コイル支持部材、202 突起部、203 貫通孔、203A、203B 凹部、203C、203D 切欠き、204 リブ

Claims (7)

  1. 筒体で形成され、前記筒体の内周側に、複数のセグメントコイルを収納するための収納空間が、前記筒体の軸方向に沿って形成されると共に、前記収納空間が前記筒体の内周側に互いに間隔を保って複数個形成される固定子鉄心と、
    環状の部材として構成され、前記複数のセグメントコイルを支持する複数のコイル支持部材と、を備え、
    前記各コイル支持部材は、
    前記各収納空間に連なる開口であって、前記セグメントコイルを挿入するための複数の貫通孔を有し、且つ前記固定子鉄心の軸方向両端部に分かれて配置されて、前記固定子鉄心の軸方向端部の内周側を覆うことを特徴とする回転電機の固定子。
  2. 前記各収納空間は、
    前記セグメントコイルを指定の数のセグメントコイルを挿入可能な大きさの第1空間と、前記第1空間と連通する空間であって、前記指定の数のセグメントコイルが前記第1空間に挿入された後の間隙となる第2空間とから構成され、
    前記各コイル支持部材は、
    前記固定子鉄心の軸方向端部との対向面に、前記第2空間のうちいずれかの第2空間に挿入可能な突起部を有することを特徴とする請求項1に記載の回転電機の固定子。
  3. 前記各コイル支持部材における前記各貫通孔の縁には、前記各コイル支持部材の周方向沿って漸次厚さが変化するテーパ部が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の回転電機の固定子。
  4. 前記各コイル支持部材には、前記突起部が、前記第2空間のうち一部の第2空間に対応して形成されていることを特徴とする請求項2に記載の回転電機の固定子。
  5. 前記各コイル支持部材の外周側上面には、環状のリブが周方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
  6. 前記各コイル支持部材は、
    その径方向において複数個に分割可能に構成されていることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
  7. 前記各コイル支持部材は、
    その周方向に沿って複数個に分割可能に構成され、前記分割された各分割型コイル支持部材には、前記突起部が、前記第2空間のうち一部の第2空間に対応して形成されていることを特徴とする請求項2に記載の回転電機の固定子。
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