WO2011142264A1 - 回転電機のステータ - Google Patents

Abstract

　回転電機のステータは、周方向に沿って配列された複数のティースを有する環状のステータコアを備える。周方向に隣り合うティース間にはスロットが形成される。スロットにはコイルが組み込まれる。コイルはスロットに挿入される挿入部を有する。複数のティースの各々はスロットに面する側面に係合凹部を有する。挿入部は一枚の絶縁シートによって被覆される。絶縁シートは係合凹部に係合する係合部を有する。

Description

回転電機のステータ

　本発明は、環状をなすステータコアにティースが複数配列されるとともに、複数のコイルが複数のティース間のスロットに組み込まれている回転電機のステータに関する。

　電動機又は発電機として用いられる回転電機のステータでは、ステータコアのスロットにコイルが挿入されることでステータコアにコイルが組み付けられている。コイルの組み付け後は、コイルが回転子（ロータ）と干渉することを規制すべく、スロット内に挿入されたコイルがステータコアの半径方向内側に向けて移動することを規制するための構造が必要となる。例えば、ステータコアから突設されたティースにおいて、スロットの開口部付近となる先端部の両側面に、ステータコアの軸方向に延びる溝を設け、その溝に沿ってスロット楔を挿入することで、スロットの開口部を閉塞する。

　ところが、ティースの先端部に溝を設けると、ティース先端部の断面積を小さくしてしまい、ティースを通過する磁束の流れが妨げられるとともにティース先端部での磁気飽和がすぐに大きくなって回転電機のトルクが低下してしまう。そこで、ティースの先端部に溝を設けることなく、ステータコアの半径方向内側へ向けたコイルの移動を規制する構造として、例えば、特許文献１に開示の技術が挙げられる。

　図９に示すように、特許文献１のステータ９０において、ステータコア９１にはティース９２が複数配列される。ティース９２の各々はスロット９３に面する側面を有し、同側面は係合凹部９２ａを備える。また、コイル９４は、スロット９３内に挿入されるコイル辺部９４ａを有する。コイル辺部９４ａは、係合凹部９２ａに対応する位置に弾性凸部９５ａを備える。この弾性凸部９５ａは、コイル９４とステータコア９１とを絶縁するために、コイル辺部９４ａに巻き付けられた絶縁シート９５の一部によって形成されている。すなわち、弾性凸部９５ａは、絶縁シート９５の一部を係合凹部９２ａへ向かって突出させるように折り曲げて形成されている。そして、コイル辺部９４ａがスロット９３内に挿入された状態では、弾性凸部９５ａが係合凹部９２ａに係合するため、溝形成によるトルク低下を招くことなく、コイル９４のステータコア９１の半径方向内側に向けた移動が規制される。

特開２００７－２７４８０９号公報

　ところが、特許文献１において、弾性凸部９５ａはコイル辺部９４ａに巻き付けられる絶縁シート９５の一部によって形成されている。そして、絶縁シート９５は、弾性凸部９５ａが係合凹部９２ａに向けて突出するようにするため、第１絶縁シート９５１と第２絶縁シート９５２とを組み合わせて形成されている。よって、特許文献１においては、コイル辺部９４ａとステータコア９１との間での沿面距離を確保するために、第１絶縁シート９５１と第２絶縁シート９５２とを２箇所で重なり合わせる必要がある。そのため、沿面距離を確保しつつコイルの移動を規制するために絶縁シート９５の使用量が多くなってしまうという問題がある。

　本発明の目的は、沿面距離確保のための絶縁シートの使用量を減らしつつスタータコアの半径方向内側へ向けたコイルの移動を規制することができる回転電機のステータを提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る回転電機のステータは、周方向に沿って配列された複数のティースを有する環状のステータコアを備える。周方向に隣り合うティース間にはスロットが形成される。前記スロットにはコイルが組み込まれる。前記コイルは前記スロットに挿入される挿入部を有する。前記複数のティースの各々は前記スロットに面する側面に係合凹部を有する。前記挿入部は一枚の絶縁シートによって被覆される。前記絶縁シートは前記係合凹部に係合する係合部を有する。

（ａ）は本発明の実施形態に係るステータを示す平断面図。（ｂ）は図１（ａ）のスロット及びコイルを示す部分拡大平断面図。 図１（ａ）のステータを示す斜視図。 図１（ａ）のコイルを示す斜視図。 図１（ａ）のステータコアとコイルとを示す分解斜視図。 係合部の別例を示す部分拡大平断面図。 係合部の別例を示す部分拡大平断面図。 係合凹部及び係合部の別例を示す部分拡大平断面図。 係合凹部及び係合部の別例を示す部分拡大平断面図。 背景技術を示す部分拡大平断面図。

　以下、本発明を具体化した一実施形態を図１（ａ）～図４にしたがって説明する。

　図１（ａ）及び図２に示すように、回転電機Ｍは、ステータ１０と、このステータ１０内に配設されるとともにステータ１０内で回転するロータ１５とを備える。ステータ１０は、環状のステータコア１１を備えるとともに、ステータコア１１の内周には複数のティース１３が周方向に沿って配列されるようにして形成されている。また、ステータ１０には、ステータコア１１の周方向に隣り合うティース１３の間にスロット１２が形成されている。そして、ステータ１０は、複数のスロット１２に組み込まれた複数のコイル３０を備えている。

　ステータコア１１は、磁性体（鋼板）製の複数枚のコア板を積層して構成されている。ステータコア１１の内周面には、ティース１３がステータコア１１の半径方向に沿ってステータコア１１の内周面からステータコア１１の中心軸Ｐに向けて延びるように形成されている。なお、図４に示すように、ステータコア１１において、中心軸Ｐの延びる方向をステータコア１１の軸方向とする。

　また、図１（ｂ）に示すように、ティース１３は、基端（ステータコア１１の内周面付近の部位）から先端に向かうに従い徐々に細くなるように形成された平面形状を有している。そして、隣り合うティース１３の間には、ステータコア１１の半径方向に沿って細長に延びるスロット１２が形成されている。

　ステータコア１１の周方向において、スロット１２を挟んで隣り合う一対のティース１３のうちの一方のティース１３は、スロット１２に面する一側面を有している。一側面には、ティース１３の厚み方向へ凹む係合凹部１３ａが形成されている。係合凹部１３ａは、ティース１３の基端側（スロット１２の奥側）に形成されている。ここで、ステータコア１１のスロット１２奥部に沿って仮想円Ｃ（ステータコア１１の内周面）が延びている。仮想円Ｃからステータコア１１の半径方向に沿ったティース１３の先端までの長さＬにおいて、係合凹部１３ａはティース１３の長さＬの中間位置ＬＨよりもティース１３の基端寄り（スロット１２の奥側）の位置に形成されている。さらに、係合凹部１３ａは、ステータコア１１の軸方向全体に亘って延びるように形成されている。

　そして、スロット１２は、ティース１３の先端から基端に向けて一定の開口幅を有するとともに、ティース１３の基端寄りの位置に係合凹部１３ａによって広げられた開口幅を有している。なお、スロット１２の開口幅とは、ステータコア１１の半径方向に対し直交する方向（つまり、ステータコア１１の周方向）におけるスロット１２の開口長さである。また、ティース１３の厚さ（ステータコア１１の半径方向に対し直交する方向、つまり、ステータコア１１の周方向における長さ）に関して、係合凹部１３ａが形成された部位の厚さＴ１は、ティース１３の先端面での厚さＴ２より厚くなっている。

　次に、コイル３０について説明する。

　図３及び図４に示すように、コイル３０は、断面が長方形の均一な幅のコイル線（平角線）を所定の形状に巻回して形成される。コイル線は絶縁被覆されている。コイル３０は、２つのスロット１２内に挿入される一対の挿入部３１（第１挿入部及び第２挿入部）と、両挿入部３１の第１端に連続する第１コイルエンド部３２と、両挿入部３１の第２端に連続する第２コイルエンド部３３とを有する。図１（ｂ）に示すように、両挿入部３１は、スロット１２内に挿入可能となるように断面矩形状に整列巻きされて形成されている。また、図３に示すように、第１コイルエンド部３２は、第１起立部３２ａと第１渡り部３２ｂとを備えている。第１起立部３２ａは、両挿入部３１からステータコア１１の半径方向に沿ってステータコア１１の半径方向外側となる方に向けて延びる。第１渡り部３２ｂは、両第１起立部３２ａ同士を繋ぐようにステータコア１１の周方向に沿って弧状に延びる。

　また、コイル３０において、第２コイルエンド部３３は、挿入部３１からステータコア１１の半径方向内側となる方に向けて延びる第２起立部３３ａを備えるとともに、両第２起立部３３ａ同士を繋ぐようにステータコア１１の周方向に沿って延びる第２渡り部３３ｂを備えている。そして、第２渡り部３３ｂにおいて、ステータコア１１の半径方向に沿った積層厚さは、スロット１２の幅方向に沿った積層厚さと同じになっている。

　図１（ｂ）及び図３に示すように、コイル３０において、両挿入部３１の周面３１ａ（絶縁被覆領域）には絶縁シート２０が接着剤を用いて巻き付けられている。絶縁シート２０は、電気的絶縁性を有するとともに、所要の剛性を有する絶縁紙により形成されている。実施形態では、絶縁シート２０に剛性を持たせるため、絶縁紙の厚みを所定の厚みに設定している。

　絶縁シート２０は、一枚の矩形状をなす絶縁紙を挿入部３１の周面３１ａを包囲するように折り曲げながら挿入部３１に巻き付けて設けられている。また、絶縁シート２０は、挿入部３１を巻き付ける方向において相対向する第１端部２０ａと第２端部２０ｂとを有する。絶縁シート２０は、第１端部２０ａと第２端部２０ｂとが挿入部３１の周面３１ａ上で互いに重なり合うように折り曲げられている。そして、第１端部２０ａは、その端縁が挿入部３１の角部近傍に位置するように挿入部３１の周面３１ａに直接重ねられている。一方、第２端部２０ｂは、第１端部２０ａの端縁が位置する角部から折り曲げられた後、第１端部２０ａ上に重なり合うように折り曲げられ、第２端部２０ｂの端縁は第１端部２０ａ上で自由端となっている。そして、第２端部２０ｂは、ステータコア１１の軸方向において、挿入部３１の長さ全体に亘る長さを有している。本実施形態では、絶縁シート２０における第２端部２０ｂによって、ティース１３の係合凹部１３ａに係合する係合部２３が形成されている。すなわち、係合部２３は、絶縁シート２０の第２端部２０ｂを、ステータコア１１の半径方向における外側から内側に向けて延びるように成形することによって形成されている。

　また、第１端部２０ａと第２端部２０ｂとが重なり合う長さは、挿入部３１とスロット１２（ステータコア１１）との間の、絶縁シート２０の表面に沿った最短距離である沿面距離を確保できる長さに設定されている。さらに、第２端部２０ｂと第１端部２０ａとの間には硬化材料としてのワニス２１が充填され、このワニス２１により第２端部２０ｂが変形不能に硬化されている。

　そして、図４に示すように、上記構成のコイル３０は、挿入部３１の長さ方向に沿ってステータコア１１に向けて移動させ、第２コイルエンド部３３から第１挿入部３１を所定のスロット１２に挿入するとともに、第２挿入部３１を所定のスロット１２からｎ個離れたスロット１２に挿入することで、ステータコア１１に組み込まれる。このとき、第２コイルエンド部３３の両第２起立部３３ａは、スロット１２の開口からステータコア１１内に向けて突出しているとともに、第２渡り部３３ｂはステータコア１１の内周面より内側において延びている。そして、コイル３０は、第１コイルエンド部３２の第１渡り部３２ｂが、ステータコア１１の端面から必要な空間距離を確保した状態でステータコア１１に保持される。

　図１（ｂ）に示すように、コイル３０がステータコア１１に組み込まれた状態では、係合部２３（第２端部２０ｂ）が、ステータコア１１の半径方向の外側から内側に向けて延びている。そして、その係合部２３の先端（第２端部２０ｂの先端）が係合凹部１３ａの内面に当接することで、係合部２３が係合凹部１３ａに係合している。この係合により、ステータコア１１の半径方向内側へ向けたコイル３０の移動が規制される。

　また、絶縁シート２０は、ステータコア１１の軸方向に対し直交する面に沿った断面において、スロット１２内におけるステータコア１１の軸方向のいずれの位置でも連続しており、絶縁シート２０が、スロット１２内で第１端部２０ａの先端と第２端部２０ｂの先端とを結ぶ経路になっている。また、上記断面では、絶縁シート２０は係合部２３が形成された部位のみが沿面距離確保のために二重に形成されるとともに、それ以外の部位は一重に形成されている。

　上記実施形態によれば、以下のような利点を得ることができる。

 
　（１）ステータコア１１の各ティース１３において、スロット１２に面する側面には係合凹部１３ａが形成されている。また、コイル３０には絶縁シート２０が巻き付けられ、この絶縁シート２０には係合部２３（第２端部２０ｂ）が設けられている。コイル３０がステータコア１１に組み込まれた状態では、絶縁シート２０の係合部２３がティース１３の係合凹部１３ａに係合する。そして、係合部２３の係合凹部１３ａに対する係合により、ステータコア１１の半径方向内側へ向けたコイル３０の移動を規制することができる。また、絶縁シート２０は、一枚の絶縁紙のみを使用してコイル３０に設けられており、さらに、ステータコア１１の軸方向に対し直交する面に沿った絶縁シート２０の断面は、スロット１２内におけるステータコア１１の軸方向のいずれの位置でも連続している。加えて、絶縁シート２０の第１端部２０ａと第２端部２０ｂとを重ねることで、コイル３０とステータコア１１との間での沿面距離を確保している。よって、本実施形態のステータ１０においては、２枚の絶縁シートを使用していた背景技術と比べると、沿面距離確保のための絶縁シート２０の使用量を減らしつつ、ステータコア１１の半径方向内側へ向けたコイル３０の移動を規制することができる。

　（２）絶縁シート２０を巻き付ける方向において対向する第１端部２０ａと第２端部２０ｂとを重ね、二重にすることで絶縁シート２０に係合部２３（第２端部２０ｂ）が形成されている。よって、コイル３０の挿入部３１に巻き付けられた絶縁シート２０において、その巻き付ける方向の１箇所だけに開かれた部位が存在する。したがって、２枚の絶縁シートを使用した背景技術のように、絶縁シート２０を巻き付ける方向で２箇所に開かれた部位が存在する場合と比べると、絶縁シート２０による絶縁機能を高めることができる。

　（３）スロット１２を形成する隣り合うティース１３の互いに対向する対向部位のうちの一方のみに係合凹部１３ａが形成されている。よって、絶縁シート２０にも係合部２３（第２端部２０ｂ）を１箇所だけ設ければよい。ここで、スロット１２を形成する隣り合うティース１３それぞれに係合凹部１３ａを形成し、絶縁シート２０にも両係合凹部１３ａに係合するように係合部２３を２箇所設けると、各係合部２３での沿面距離を確保するために絶縁シート２０の使用量が多くなる。したがって、係合凹部１３ａ及び係合部２３それぞれを２箇所ずつとする場合と比べると、本実施形態のように、係合凹部１３ａ及び係合部２３を１箇所とする場合は、絶縁シート２０の使用量を減らすことができる。

　（４）係合部２３は、絶縁シート２０の第２端部２０ｂを、ステータコア１１の半径方向における外側から内側に向けて延びるように成形することによって形成されている。このため、コイル３０と共に係合部２３がステータコア１１の半径方向内側に向けて移動しようとしたとき、係合部２３（第２端部２０ｂ）の移動先に係合凹部１３ａの内面が位置している。よって、コイル３０がステータコア１１の半径方向内側に向けて移動しようとしても、絶縁シート２０の係合部２３、すなわち第２端部２０ｂの先端を係合凹部１３ａの内面に当接させることができ、ステータコア１１の半径方向内側へ向けたコイル３０の移動を規制することができる。

　（５）絶縁シート２０において、第１端部２０ａと第２端部２０ｂとの間にワニス２１が充填され、このワニス２１により係合部２３（第２端部２０ｂ）が変形不能に硬化されている。よって、係合凹部１３ａ内で係合部２３が変形して、係合凹部１３ａに対する係合部２３の係合が解除されてしまうことを防止することができる。

　（６）コイル３０は、その挿入部３１を長さ方向（軸方向）へ移動させることによってステータコア１１に組み込まれている。このため、ワニス２１により硬化された係合部２３（第２端部２０ｂ）を、ステータコア１１の軸方向の端面からそのまま係合凹部１３ａに挿入し、係合させることができる。よって、例えば、コイル３０をステータコア１１の半径方向内側から外側へ向けて移動させることによってスロット１２に挿入部３１を組み込む場合のように、係合部２３がステータコア１１に接触して折り返されてしまったり、係合凹部１３ａに係合不能な状態に変形してしまうことを防止することができる。

　（７）ステータコア１１の半径方向内側に向けたコイル３０の移動を規制するため、本実施形態では、絶縁シート２０に係合部２３（第２端部２０ｂ）を設けるとともに、ティース１３に係合凹部１３ａを形成している。そして、係合凹部１３ａは、ステータコア１１の半径方向に沿ったティース１３の長さＬにおいて、その長さＬの中間位置ＬＨよりもティース１３の基端寄りの箇所に形成されているため、ティース１３先端部の断面積が小さくなることがなく、ティース１３を通過する磁束の流れが妨げられることがない。したがって、ステータコア１１の半径方向内側に向けたコイル３０の移動を規制するために、ティース１３に係合凹部１３ａを形成しつつも、その形成位置を設定することにより回転電機Ｍのトルクが低下することを回避することができる。

　（８）絶縁シート２０は、一枚の絶縁紙のみを使用して各挿入部３１に設けられており、絶縁シート２０の折り曲げにより係合部２３（第２端部２０ｂ）を形成している。よって、２枚の絶縁シートを組み付けて挿入部を包囲しつつ、沿面距離を確保するために２枚の絶縁シートの重ね合わせ量を調節する必要がある場合と比べると、絶縁シート２０を挿入部３１に巻き付けてコイル３０を形成する作業を簡単に行うことができる。

　（９）挿入部３１の周面３１ａを被覆するように絶縁シート２０を巻き付けながら折り曲げる。その巻き付け方向において互いに対向する絶縁シート２０の第１端部２０ａと第２端部２０ｂのうち、一方の第２端部２０ｂによって係合部２３が形成されている。すなわち、挿入部３１を被覆するために絶縁シート２０を折り曲げると同時に係合部２３が形成されており、係合部２３を簡単に形成することができる。

　なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

　図５に示すように、第２端部２０ｂと第１端部２０ａとの間にワニス２１を充填しなくてもよい。

　実施形態では、絶縁シート２０を挿入部３１に巻き付ける方向において相対向する第１端部２０ａと第２端部２０ｂとが挿入部３１の周面３１ａ上で互いに重なり合うように絶縁シート２０を折り曲げ、第１端部２０ａ上の第２端部２０ｂにより係合部２３を形成したが、以下のように変更してもよい。図６に示すように、第２端部２０ｂを挿入部３１の角部から折り曲げ、挿入部３１の周面３１ａ上に直接重ねる一方で、第１端部２０ａを第２端部２０ｂ上に重ねた後、さらに、第１端部２０ａを折り返し、その折り返した部位により係合凹部１３ａに係合する係合部２０ｃを形成してもよい。

　図７に示すように、スロット１２を形成する隣り合うティース１３のうち、両方のティース１３においてスロット１２に面する側面それぞれに係合凹部１３ａを形成してもよい。この場合、絶縁シート２０には両係合凹部１３ａに係合するように係合部２０ｄが２箇所形成される。図７に示すように、係合部２０ｄは、係合凹部１３ａに対向する部位を四角形状をなすように折り曲げて形成されている。このように構成すると、係合凹部１３ａと係合部２０ｄとの係合箇所が２箇所形成されるため、係合箇所が１箇所の場合と比べると、ステータコア１１の半径方向内側へ向けたコイル３０の移動をより確実に規制することができる。

　図８に示すように、スロット１２を形成する隣り合うティース１３のうち、両方のティース１３においてスロット１２に面する側面それぞれに係合凹部１３ａを形成してもよい。この場合、絶縁シート２０には両係合凹部１３ａに係合するように係合部２０ｅが２箇所形成される。図８に示すように、係合部２０ｅは、係合凹部１３ａに対向する部位を三角形状をなすように折り曲げて形成されている。また、第１端部２０ａと第２端部２０ｂとは、スロット１２に面するステータコア１１の内周面と対向する位置で互いに重なり合わされている。

　実施形態では、係合部２３（第２端部２０ｂ）を、絶縁シート２０における挿入部３１に沿った長さ全体に亘るように形成したが、係合部２３（第２端部２０）を、絶縁シート２０における挿入部３１に沿った長さ全体の一部となるように、絶縁シート２０の一部を切り起こして形成してもよい。この場合、係合凹部１３ａは、ステータコア１１の軸方向全体に亘って延びるように形成されていてもよいし、切り起こした係合部２３が係合可能となるように、ステータコア１１の軸方向の一部に形成されていてもよい。

　片面に樹脂が塗布された絶縁シート２０をコイル３０に巻き、熱で硬化させて、コイル３０と絶縁シート２０とを一体化してもよい。

　絶縁シート２０をコイル３０に巻き付けた後、接着剤でなくワニスで固めてコイル３０と絶縁シート２０とを一体化してもよい。

　絶縁シート２０を両面テープでコイル３０に貼り付けて一体化してもよい。

　接着剤等により絶縁シート２０をコイル３０に固定することには限定されず、絶縁シート２０をコイル３０に巻き付けるだけであってもよい。

　絶縁シート２０は絶縁紙に限定されず、シート状のものであって絶縁被覆領域に応じた外形形状に予め形成することが可能である物であれば適宜変更してもよい。

Claims (7)

1. 　周方向に沿って配列された複数のティースを有し、周方向に隣り合うティース間にスロットが形成された環状のステータコアと、
   　前記スロットに組み込まれるコイルであって、前記スロットに挿入される挿入部を有する、前記コイルと、
   を備え、
   　前記複数のティースの各々は前記スロットに面する側面に係合凹部を有し、
   　前記挿入部は一枚の絶縁シートによって被覆されるとともに、前記絶縁シートは前記係合凹部に係合する係合部を有する、回転電機のステータ。
2. 　前記絶縁シートは前記挿入部の周囲に巻き付けられ、前記絶縁シートは、前記ステータコアの軸方向に対し直交する面に沿った断面において、前記スロット内における前記軸方向のいずれの位置でも連続している請求項１に記載の回転電機のステータ。
3. 　前記係合凹部は、前記スロットを形成する隣り合うティースの互いに対向する対向部位のうちの一方に形成されるとともに、前記絶縁シートは１つの係合部を有する請求項１又は請求項２に記載の回転電機のステータ。
4. 　前記係合部は、前記絶縁シートの端部を、前記ステータコアの半径方向における外側から内側に向けて延びるように成形することで形成される請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の回転電機のステータ。
5. 　前記係合凹部は、前記スロットを形成する隣り合うティースの互いに対向する対向部位の両方に形成されるとともに、前記絶縁シートは２つの係合部を有する請求項１又は請求項２に記載の回転電機のステータ。
6. 　前記係合部は、前記絶縁シートを折り曲げて形成されている請求項１～請求項５のうちいずれか一項に記載の回転電機のステータ。
7. 　前記係合部は、絶縁シートの一部を折り曲げた状態で硬化材料により硬化させることによって形成される請求項１～請求項６のうちいずれか一項に記載の回転電機のステータ。

Images