WO2012090792A1

WO2012090792A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2012090792A1
Application number: PCT/JP2011/079524
Authority: WO
Inventors: 友彰貝森; 嘉己森; 高広大森; 中山　健一; 栄石田; 壮志松尾; 泰行齋藤
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-07-05
Also published as: EP2660956A1; BR112013016576A2; US20130300246A1; JP2012139075A; CN103283123A

Abstract

　回転電機は、複数のスロットを有する固定子鉄心と、端部と絶縁被膜とを有する平角線からなる複数のセグメント導体を接続して構成される固定子巻線とを備える固定子と、固定子に空隙を介して対向する回転子とを備え、セグメント導体は、絶縁被膜で覆われた被覆部と、絶縁被膜が剥離され、被覆部よりも断面積の小さい剥離部とを有し、セグメント導体と他のセグメント導体とが、それぞれの接合面の剥離部の少なくとも一部を当接させるようにスロット外で接合され、接合されるセグメント導体の少なくとも一方のセグメント導体の端部は軸方向に直線状に形成された直行部と、直行部に連続する円弧部とを有し、接合面が、直行部と円弧部、または、直行部と円弧部の直行部側の一部とから構成される。

Description

回転電機

　本発明は、回転電機、特に回転電機の固定子のセグメント導体に関する。

　車両駆動用として用いられる回転電機は小形・高出力化が求められている。回転電動機の占積率・出力向上を目的として平角線が使用されており、平角線セグメントを用いた巻線方式が用いられる。

　本巻線方式では、Ｕ字状に成形された平角線のセグメント導体が固定子鉄心に挿入され、固定子鉄心から突出したセグメント導体の直行部が周方向にそれぞれ捻られることにより異なるスロットのセグメント導体同士が接続される。このとき、Ｕ字状に成形されたセグメント導体の両端部は予めエナメル皮膜などの絶縁体が剥離されており、異なるスロットのセグメント導体と溶接等を用いて接合される。

　特許文献１では、斜行部に端部および剥離部を設けることにより、絶縁体が固定子鉄心よりの位置まで剥離されるため放熱面積が広く、かつコイルエンドの高さを低くすることを可能としている。

日本国特開２００８－１９９７５１号公報

　例えば特許文献１が開示する方法では、接合するコイルの剥離部の角部同士を揃える必要があり、また、頂点に面が無いためＴＩＧ溶接などを行った際に溶接部が偏り、高い安定性を得難いという課題がある。そこで、本発明は、コイルの接合部の安定性を向上させ、回転電機の信頼性を向上させることを目的とする。

　本発明の第１の態様によると、回転電機は、複数のスロットを有する固定子鉄心と、端部と絶縁被膜とを有する平角線からなる複数のセグメント導体を接続して構成される固定子巻線とを備える固定子と、固定子に空隙を介して対向する回転子とを備え、セグメント導体は、絶縁被膜で覆われた被覆部と、絶縁被膜が剥離され、被覆部よりも断面積の小さい剥離部とを有し、セグメント導体と他のセグメント導体とが、それぞれの接合面の剥離部の少なくとも一部を当接させるようにスロット外で接合され、接合される２つのセグメント導体のうち、少なくとも一方のセグメント導体は、端部において軸方向に直線状に形成された直行部と、直行部に連続して円弧状に形成された円弧部とを有し、接合面の前記剥離部が、直行部と円弧部、または、直行部と円弧部の直行部側の一部とから構成されている。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様による回転電機において、円弧部を有するセグメント導体が、円弧部に連続して、直行部とは異なる方向に延在するように形成された斜行部を備え、接合面の前記剥離部が、直行部と円弧部と斜行部、または、直行部と円弧部と斜行部の円弧部側の一部とから構成されていることが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第１または第２の態様による回転電機において、円弧部を有するセグメント導体と接合するセグメント導体は、溶接側コイルエンドにおいて被覆部と剥離部とが軸方向に直線状に形成されていることが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第２の態様による回転電機において、斜行部を備えるセグメント導体が渡り線であり、当該セグメント導体とは異なる２つのセグメント導体を接続していることが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第１乃至第４の態様のいずれか一つの回転電機において、接合面以外の面の剥離長さは、接合面の剥離長さよりも短いことが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第５の態様による回転電機において、剥離部は剥離部同士が対向する接合面およびそれと平行の他面に設けられていることが好ましい。

　本発明によれば、セグメント導体間の接合の安定性を向上させ、回転電機の信頼性を向上させることができる。

回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図。図１における回転電機の断面図。図２における固定子および回転子の断面図。図２における固定子の斜視図。平角線の端部剥離方法を示す図。剥離形状を示す図。従来の剥離形状を示す図。片方のコイルが捻り形成されていない場合の剥離形状を示す図。中性線と渡り線との接合を示す図。

　本発明の実施形態について、本発明による回転電機をハイブリッド自動車に適用した場合を例に説明する。

［実施例１］
　図１に示すように、ハイブリッド自動車の車両１００には、エンジン１２０と、第１，第２の回転電機２００，２０２と、高電圧のバッテリ１８０とが搭載されている。

　バッテリ１８０は、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの２次電池で構成され、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。バッテリ１８０は、回転電機２００，２０２による駆動力が必要な場合には回転電機２００，２０２に直流電力を供給する。回生走行時には回転電機２００，２０２から直流電力がバッテリ１８０に供給される。バッテリ１８０と回転電機２００，２０２との間の直流電力の授受は、電力変換装置６００を介して行われる。

　また、図示していないが、車両には低電圧電力（例えば、１４ボルト系電力）を供給するバッテリが搭載されている。

　エンジン１２０および回転電機２００，２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。

　回転電機２００，２０２は略同様に構成されているので、以下、代表して回転電機２００を中心に説明する。

　図２に示すように、回転電機２００はハウジング２１２と、ハウジング２１２の内部に保持された固定子２３０とを有する。固定子２３０は固定子鉄心２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子鉄心２３２の内側には、回転子２５０が空隙２２２を介して回転可能に保持されている。回転子２５０は、回転子鉄心２５２と、永久磁石２５４と、非磁性体のあて板２２６とを備えている。回転子鉄心２５２は円柱状のシャフト（回転軸体）２１８に固定されている。なお、この回転軸に沿う方向を「軸方向」、回転軸を中心とする回転方向を「周方向」、回転軸から周囲への放射方向（例えば図３において回転軸から永久磁石２５４へ向かう方向）を「径方向」と称する。

　ハウジング２１２は、軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有しており、シャフト２１８はこれらの軸受２１６により回転自在に保持されている。シャフト２１８には、回転子２５０の極の位置や回転速度を検出するレゾルバ２２４が設けられている。

　図３は、図２のＡ－Ａ断面である。図３では、ハウジング２１２，固定子巻線２３８の記載を省略している。図３において、固定子鉄心２３２の内周側には、多数のスロット２４とティース２３６とが全周に渡って均等に配置されている。スロット２４内にはスロット絶縁（図示省略）が設けられ、固定子巻線２３８を構成するｕ相～ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施例では、固定子巻線２３８の巻き方として分布巻を採用している。

　なお、図３では、スロットおよびティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のティースとスロットにのみ符号を付した。

　分布巻とは、複数のスロット２４を跨いで離間した２つのスロットに相巻線が収納されるように、相巻線が固定子鉄心２３２に巻かれる巻線方式である。本実施例では、巻線方式として分布巻を採用しているので、形成される磁束分布は正弦波状に近く、リラクタンストルクを得やすい。そのため、弱め界磁制御やリラクタンストルクを活用して、低回転速度だけでなく高回転速度までの広い回転数範囲についての制御が可能であり、電気自動車などのモータ特性を得るのに適している。

　回転子鉄心２５２には、矩形の穴２５３が穿設されており、穴２５３には永久磁石２５４ａ，２５４ｂ（以下、代表して２５４）が埋め込まれ接着剤などで固定されている。穴２５３の周方向の幅は、永久磁石２５４の周方向の幅よりも大きく設定されている。穴２５３の周方向の両端部には、永久磁石２５４の周方向の両端部と対向する位置に磁気的空隙２５６が形成されている。磁気的空隙２５６は接着剤を埋め込んでも良いし、成型樹脂で永久磁石２５４と一体に固めても良い。永久磁石２５４は回転子２５０の界磁極として作用する。

　永久磁石２５４の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、永久磁石２５４ａの固定子側の面がＮ極、軸側の面がＳ極であったとすれば、隣の永久磁石２５４ｂの固定子側の面はＳ極、軸側の面はＮ極となっている。そして、これらの永久磁石２５４ａ，２５４ｂが周方向に交互に配置されている。本実施例では、各永久磁石２５４は等間隔に８個配置されており、回転子２５０は８極になっている。

　回転子鉄心２５２の内周面には所定間隔でキー２５５が突設されている。一方、シャフト２１８の外周面にはキー溝２６１が凹設されている。キー２５５がキー溝２６１にすきま嵌めで嵌合され、回転子２５０からシャフト２１８に回転トルクが伝達される。

　永久磁石２５４を磁化した後に回転子鉄心２５２に埋め込んでも良い。または、磁化する前の永久磁石２５４を回転子鉄心２５２に挿入し、挿入後に強力な磁界を与えて磁化しても良い。磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石であり、回転子２５０に永久磁石２５４を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石２５４の固定時に回転子鉄心２５２との間に強力な吸引力が生じ、この吸引力が作業の妨げとなる。また強力な吸引力により、永久磁石２５４に鉄粉などのごみが付着する恐れがある。そのため、永久磁石２５４を回転子鉄心２５２に挿入した後に磁化する方が、回転電機の生産性が向上する。

　なお、以上の説明では回転電機２００，２０２の両者が第１の実施例によるものとしたが、一方の回転電機２００または２０２のみを第１の実施例とし、他方については、その他の構成を採用してもよい。

　図４では図２，図３で示した固定子２３０の斜視図である。固定子巻線２３８は平角線であり、本実施例の平角線には予め型などを用いてＵ字部（ターン部）２４０が成形され、スロット絶縁２３５を備えた固定子鉄心２３２に軸方向から挿入される。このとき、複数のスロット２４を跨いで離間した２つのスロットに２つの直線部のそれぞれが挿入される。なお、図４では溶接側コイルエンド群２３９（ｂ）は捻り成形した後の図であり、口出し線および中性線は図示せず省略した。

　上記の実施例は一例であり、その他別の方法がある。例えば、平角線が単純なＵ字状に成形された後、片側の直線部を基準として他方の直線部が周方向に所定の間隔に広げられて捻り成形が行われる。成形後、上記と同様に固定子鉄心２３２に軸方向から直線部がスロット２４に挿入される。この場合、固定子巻線２３８のＵ字部２４０は型で成形されず、捻りによって成形される。

　上記何れの方法も挿入後、固定子鉄心２３２の両端にコイルエンド群２３９（ａ），（ｂ）が形成され、コイルエンド群２３９（ａ）はＵ字部２４０（ターン部）、コイルエンド群２３９（ｂ）は溶接側であり直線状となる。本実施例では、コイルエンド群２３９（ｂ）を周方向にそれぞれ捻ることにより図４に示すコイルエンド群２３９（ｂ）を形成する。この際、コイル端部２４１は軸方向に略直線状となるように成形される。

　コイル端部２４１は、両端部の絶縁皮膜が剥離された剥離部２４２を有する。両端部の絶縁皮膜は、コイル端部２４１が固定子鉄心２３２に挿入される前に予め剥離される。本実施例では剥離の方法として、図５に示すように刃を用いた型で絶縁皮膜を剥離しているが、カッターなどその他の剥離方法でも構わない。ただし、確実に絶縁皮膜を剥離するため、絶縁皮膜は剥離部を含めて剥離することとする。剥離長さとしてはどの剥離方法を用いた場合でも、コイル端部２４１の直行部２４４よりも長くする。

　本実施例である図５においては、剥離時に位置を固定するガイド２７０にＵ字に成形した平角線２７３、または成形前の平角線２７３を通す。ガイド２７０の先には上型２７１と下型２７２が設けられており、上型２７１を下方向にプレスすることにより、平角線２７３の剥離部を含め絶縁皮膜が除去され、剥離部２４２が形成される。この場合、剥離部は絶縁皮膜を備えた被覆部よりも細くなる。

　図６はコイルエンド群２３９（ｂ）で接合される１組のコイルの、捻り成形後の状態を示したものである。各コイルの端部に剥離部２４２が設けられている。

　剥離部２４２は、接合部２４３と直行部２４４とに加え、絶縁皮膜が剥離された円弧部２４５（ａ）または絶縁皮膜が剥離された円弧部２４５（ａ）の一部で構成されている。接合部２４３は、ＴＩＧ溶接などにより接合相手のセグメント導体の接合部２４３と接合される。このとき、２つのセグメント導体は、平角線の４つの面のうち、接合相手と向かい合う面（接合面）の剥離部の少なくとも一部を当接させるように接合される。

　直行部２４４は軸方向に延在する。円弧部２４５（ａ）は、直行部２４４と被覆部である斜行部２４６（ｂ）を接続する。また、円弧部２４５（ａ）は直行部２４４と、絶縁皮膜が剥離された斜行部２４６（ａ）とを接続するように構成されても良い。この場合、剥離部２４２は、接合部２４３，直行部２４４，円弧部２４５（ａ）および絶縁皮膜が剥離された斜行部２４６（ａ）で構成される。斜行部２４６（ａ），斜行部２４６（ｂ）は直行部２４４とは異なる方向に延在し、円弧部２４５（ａ）とスロット２４から軸方向へ突出した突出部とを接続する。剥離部２４２の長さは主に前記剥離工程にて決定される。ここでいう剥離部２４２の長さは、接合部２４３から被覆部までの線長方向（コイルに沿う方向）の長さである。

　コイルの接合を行う際は剥離部２４２同士を接触させた方が接合部２４３の安定性や信頼性を確保しやすいため、剥離部２４２同士を極力近づける若しくは接触させる必要がある。例えば、図７に示すように直行部２４４のみの絶縁皮膜を剥離した場合、剥離部２４２は絶縁皮膜を備えた被覆部２４７よりも細くなる。これにより、被覆部２４７の一部である円弧部２４５（ｂ）同士が干渉するため、接合部２４３には隙間２４８が生じる。したがって、剥離部２４２同士を接触させることは難しく、変形させて接触、或いは剥離部同士を近づける必要がある。この状態で接合した場合、接合部２４３には大きな残留応力が生じることから信頼性が低下してしまう。平角線が太い場合には変形しづらいため近づけることも困難となる。

　上記の問題点に加え、ＴＩＧ溶接などでは溶接時の熱量が非常に大きいため、剥離距離が短い場合は絶縁皮膜が損傷してしまう可能性がある。この損傷を避けるには剥離距離を十分にとる必要があるため、直行部２４４の線長方向長さが長くなり、コイルエンドの高さも高くなってしまう。

　図６に示す本実施例の剥離形状では、上記で示した干渉部である円弧部２４５（ｂ）の絶縁皮膜が剥離されることにより、接合部２４３に隙間を生じることなく剥離部２４２同士の密着が可能となる。これにより、接合の安定性および信頼性の向上を図ることができる。また、円弧部の絶縁皮膜まで剥離されることから線長方向に十分な剥離長さが確保されやすくなる。この結果、溶接による絶縁皮膜の損傷を防ぐことができ、かつ、直行部２４４を短くすることができることからコイルエンドが低くなる。さらに、剥離部２４２同士が向かい合う面に対して隣接する面（垂直な側面）は干渉に対して無関係であるため、剥離距離を短くすることができ、絶縁性の向上も図れる。

　図６の剥離部２４２では、剥離部同士が向かい合う面とそれと平行な面、また剥離部２４２同士が向かい合う面に対して垂直な側面の剥離形状をそれぞれ同じとしていたが、干渉を避けるためには剥離部同士が向かい合う面のみ本実施例の剥離形状を適用しても良い。この場合、他面の剥離形状は接合方法にもよるが、接合時に絶縁皮膜を損傷しない程度に剥離されていれば良い。

　以上の説明ではそれぞれ同じピッチだけ捻られたコイルについて述べたが、コイルによって異なるピッチのコイル同士にも本発明は適用可能である。また、片方は捻り成形されたコイル、もう一方は捻り成形がされていない直線状のコイルでも適用可能である。この場合は図８に示すように、捻り成形されている方のコイルについて本実施例の剥離形状を適用する。この場合、図８の紙面奥側のセグメント導体、すなわち、溶接側のコイルエンド群２３９（ｂ）において直線状に形成され、円弧部２４５（ａ）を有さないセグメント導体の剥離部２４２は、接合時に絶縁被膜を損傷しない程度に剥離されていれば良い。

［実施例２］
　本発明の別の実施例について説明する。

　図９は中性線間を略同径の平角線を用いて接続している図である。図示の接続は図４のコイルエンド群２３９（ａ），（ｂ）どちらにも設けることが可能である。

　図９に示す例では、中性線２８０と、異なるスロットから突出する同様の中性線とを接続するために、固定子巻線２３８と同様の平角線が渡り線２８１として接続される。この場合、渡り線２８１の端部の剥離形状は前記実施例１で示した通り、直行部２４４，直行部２４４と渡り部２８２を接続する円弧部２４５（ａ）、或いは円弧部２４５（ａ）の一部まで絶縁皮膜が剥離された剥離部２４２を有する。なお、剥離部２４２は渡り部２８２の一部まで含まれていても良い。

　渡り線２８１にも前記剥離部２４２を設けた。この結果、中性線２８０の剥離部２４２の長さを十分に設ければ、被覆部２４７同士が干渉することがなく、剥離部２４２同士を密着させることが可能となる。

　このように、中性線２８０同士の接続に渡り線２８１を用い、剥離部２４２に接合部２４３を設けてＴＩＧ溶接などで接合することにより、安定性，信頼性の高い接続が可能となる。

　なお、本実施形態においても剥離部２４２は、剥離部同士が向かい合う面とそれと平行な面、また剥離部２４２同士が向かい合う面に対して垂直な側面の剥離形状をそれぞれ同じとしていたが、干渉を避けるためには剥離部同士が向かい合う面のみ本実施例の剥離形状を適用しても良い。この場合、他面の剥離形状は接合方法にもよるが、接合時に絶縁皮膜を損傷しない程度に剥離されていれば良い。

　以上の説明ではそれぞれ中性線同士の接続を例にとったが、異なるスロットから突出したコイル同士を接続するために略同径の平角線を用いる場合に適用できる。また、本実施例では中性線２８０は直線状として図示していたが、中性線２８０の形状は何ら限定しない。

　上記のように構成することにより、第２の実施例も第１の実施例と同様に導体接合部の安定性を向上させることができる。さらに、本実施例では中性線の接続信頼性を向上させ、中性線の接続部分での破断を抑えることができる。中性線が破断した場合、回転電機自体が動作不能になることも起こり得るが、本実施例では中性線の破断を抑制して回転電機の信頼性を大幅に向上させることができる。

　各実施例による回転電機は、高出力・小型化が可能な平角線を用いることから、例えば、電気自動車の走行用モータとして好適である。また、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド自動車にも適用できる。

　以上、車両駆動用のモータを例に説明したが、本発明は、車両駆動用に限らず種々のモータにも適用することができる。さらに、モータに限らず、発電機などの種々の回転電機に適用が可能である。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではない。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１０年第２９１５４９号（２０１０年１２月２８日出願）

Claims

　　複数のスロットを有する固定子鉄心と、端部と絶縁被膜とを有する平角線からなる複数のセグメント導体を接続して構成される固定子巻線とを備える固定子と、
　前記固定子に空隙を介して対向する回転子とを備え、
　前記セグメント導体は、前記絶縁被膜で覆われた被覆部と、前記絶縁被膜が剥離され、前記被覆部よりも断面積の小さい剥離部とを有し、
　前記セグメント導体と他のセグメント導体とが、それぞれの接合面の前記剥離部の少なくとも一部を当接させるようにスロット外で接合され、
　接合される２つの前記セグメント導体のうち、少なくとも一方の前記セグメント導体は、端部において軸方向に直線状に形成された直行部と、前記直行部に連続して円弧状に形成された円弧部とを有し、
　前記接合面の前記剥離部が、前記直行部と前記円弧部、または、前記直行部と前記円弧部の前記直行部側の一部とから構成されている回転電機。
　請求項１に記載の回転電機において、
　前記円弧部を有する前記セグメント導体が、前記円弧部に連続して、前記直行部とは異なる方向に延在するように形成された斜行部を備え、
　前記接合面の前記剥離部が、前記直行部と前記円弧部と前記斜行部、または、前記直行部と前記円弧部と前記斜行部の前記円弧部側の一部とから構成されている回転電機。
　請求項１または２に記載の回転電機において、
　前記円弧部を有する前記セグメント導体と接合するセグメント導体は、溶接側コイルエンドにおいて前記被覆部と前記剥離部とが軸方向に直線状に形成されている回転電機。
　請求項２に記載の回転電機において、
　前記斜行部を備える前記セグメント導体が渡り線であり、当該セグメント導体とは異なる２つのセグメント導体を接続している回転電機。
　請求項１乃至４のいずれか一つに記載の回転電機において、
　前記接合面以外の面の剥離長さは、前記接合面の剥離長さよりも短い回転電機。
　請求項５に記載の回転電機において、
　前記剥離部は剥離部同士が対向する接合面およびそれと平行の他面に設けられている回転電機。