WO2013114729A1

WO2013114729A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2013114729A1
Application number: PCT/JP2012/081732
Authority: WO
Inventors: 萩原　修哉; 尾畑　功治
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-08-08
Also published as: JP5816567B2; JP2013158222A; US20150022045A1

Abstract

セグメント導体を用いる回転電機ステータの、導体接続端部の絶縁処理に関わる信頼性を向上する。回転電機を、ステータコア１１のスロット１１１にステータコイル１３が挿入され、ステータコイル１３はセグメント導体のステータコイル接続端部４１が電気的に接続されることにより構成され、ステータコア１１とステータコイル１３とが樹脂で固着されており、絶縁部材２４，２５周方向に隣接するステータコイル接続端部４１の間を縫うように配置されているように構成する。

Description

回転電機

　本発明は回転電機に関する。

　産業や生活に密着した電動機などの回転電気機械は現代の社会を支える基盤機器である。このうち比較的容量が小さく、生活に直結した末端ユース向けのモータは他の機能機器をサポートする補助パーツとしての役割になることが多く、極力小型、軽量化が求められる。特に地球環境保護を追い風として普及しつつあるハイブリッド自動車や電気自動車においては動力源のモータの小型、軽量化の要求が強い。小型化の一手段として、回転電機ステータのスロット内の導体占積率を上げて出力密度を上げる考え方がある。これを実現するために、従来行われていた連続した絶縁電線をスロットに組込む構造に変えて、導体を多数のセグメント導体に分割してスロットに組込み、その後各セグメント導体を電気的に接続してコイルを形成する構造が採られる。

特開２００５－０２０９４３号公報特開２０１０－１０４２３２号公報特開平０７－２９８５３０号公報

　セグメント導体を用いるステータにおいては、セグメント導体をステータに組込んだ後で電気的に接続することになるが、接続の際には接続部の電線の絶縁を剥離する必要があり、接続後に再度絶縁処理することになる。接続部の絶縁方法としては例えば特許文献１に記載されているような絶縁樹脂を塗布する方法がある。しかし樹脂塗布量の精度の良い管理は難しく、一般に導体の平面部には厚く塗れる一方、角部は薄くなりがちである。角部に十分な厚さの樹脂を塗布しようとすると平面部には過剰な樹脂が付着してしまう。また近年主流となってきたインバータ駆動のモータでは、インバータサージ電圧の分担率が不均等で、電源側のコイルほど高い電圧を分担する。この際、各コイルの電圧分担率に応じて絶縁皮膜の厚さを最適化するのが望ましいが、絶縁樹脂の塗布量を制御するのは難しい。そして塗付した樹脂はモータの運転中の振動や、冷却媒体の圧力で剥がれ落ち、モータにとって障害異物となる恐れがある。そして樹脂の塗付厚さが厚いほど応力の不平衡が拡大し、亀裂、剥離が発生し易くなる。

　絶縁樹脂を塗付する方法の延長構造として、セグメント導体の接続部を含むコイルエンドを広く絶縁樹脂でモールドする方法があり、一例として特許文献２に示されている。しかし樹脂の容積が大きいほど運転中の振動やヒートサイクルで亀裂が生じる懸念が増し、またコイルの放熱が悪くなる問題がある。

　絶縁樹脂の塗付に依らない方法として、特許文献３に開示されているようにシート状の絶縁部材を組込む方法がある。しかしこれらの開示例は導体接続部の絶縁構造には配慮されていない。

　本発明はセグメント巻ステータコイルの接続部の絶縁処理に関わる信頼性向上を目的とする。

　上記課題を解決するために、例えば、回転電機を、ステータコアのスロットにステータコイルが挿入され、ステータコイルはセグメント導体の接続端部が電気的に接続されることにより構成され、ステータコアとステータコイルとが樹脂で固着されており、絶縁部材が、周方向に隣接する接続端部の間を縫うように配置されているように構成すればよい。

　本発明によれば、セグメント巻ステータコイルで構成する回転電気機械のコイル接続部の絶縁処理に関わる絶縁信頼性を向上することができる。

本発明の一実施例の、回転電機の外観を示す斜視図である。本発明の一実施例の、ステータコアにセグメント導体を挿入する形態を示す斜視図である。本発明の一実施例の、ステータコアに組込んだセグメント導体の接続順序を示す断面図である。回転電機のセグメント導体の接続形態を示す展開図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に絶縁部材を組込んだ部分斜視図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に絶縁部材を組込んだ部分平面図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に絶縁部材を組込んだ斜視部分断面図である。本発明の他の実施例の、セグメント導体接続端部に絶縁部材を組込んだ部分平面図である。本発明のさらに他の実施例の、セグメント導体接続端部に絶縁部材を組込んだ部分平面図である。本発明のさらに他の実施例の、セグメント導体接続端部に絶縁部材を組込んだ部分平面図である。本発明の一実施例に用いる連続筒状絶縁部材の構成例を示す概念図である。本発明の他の実施例に用いる連続筒状絶縁部材の構成例を示す概念図である。本発明のさらに他の実施例に用いる連続筒状絶縁部材の構成例を示す概念図である。本発明のさらに他の実施例の、セグメント導体接続端部に連続筒状の絶縁部材を組込んだ部分平面図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に組込んだ絶縁部材のコイル長手方向の断面図である。本発明の他の実施例の、セグメント導体接続端部に組込んだ絶縁部材のコイル長手方向の断面図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に一体の絶縁部材を組込む構成の斜視図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に組込む複数の絶縁部材の斜視図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に組込む無端状絶縁部材の斜視図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に局所的に絶縁部材を追加配設する構成の部分平面図である。本発明の一実施例の、セグメント導体接続端部に絶縁部材を配設する構成の回転電機ステータを製作する工程図である。

　以下に図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。　
　図１はセグメント導体を用いた回転電機のステータ１の全体図である。ステータコア１１に設けられたスロット１１１にステータコイル１３を組込んである。図１の例ではステータコア１１には数十個のスロットが形成され、それぞれにステータコイル１３が組込まれている。

　図２はステータコア１１にステータコイル１３を組込む方法の例である。セグメント導体１３１は片端１３１ａが折り曲げ成型され、他端１３１ｂが直線状に解放されたセグメント導体である。このセグメント導体１３１を、開放端１３１ｂ側からステータコア１１のスロット１１１に差し込む。１つのスロット１１１には回転電機の設計仕様によって決まる本数のセグメント導体１３１が組込まれる。セグメント導体だけでは電気回路として成立しないので、ステータコア１１に組込んだ後で複数のセグメント導体を接続して回路を構成することになる。

　図３はステータコア１１の断面図である。１つのスロット１１１にセグメント導体が４段組込まれた例を示す。そして内側の２段のセグメント導体については、１３１ｂと１３７ａ，１３２ｂと１３８ａ，１３３ｂと１３９ａ，…と接続されて電気回路が形成される。接続されるセグメント導体の間隔はスロット数や直並列数で決まるので、図３で示すセグメント導体の間隔は一例である。同様に外側の２段のセグメント導体については１３１ｄと１３７ｃ，１３２ｄと１３８ｃ，１３３ｄと１３９ｃ，…と接続される。

　図４はセグメント導体の接続形態の例を示す展開図である。ステータコア１１に組込んだセグメント導体１３１の開放端１３１ｂ側を所定の形状に折り曲げ成型した後、端部を電気的に接続して回路を形成する。この際に接続端部１４が形成される。接続の方法としては、溶接、銀ロウ付け、半田付け、機械的な圧着等の方法がある。１つのステータにはこの接続端部が、（スロット数）×（１スロットのセグメント導体数）÷２（個）形成される。

　セグメント導体としては、断面形状が円形（通称丸線）や長方形（通称平角線）、およびそれらの変形や複合形状のエナメル被覆電線が用いられる。近年はスロット内の導体占積率向上を目的として、平角線の採用が進んでいる。電線の絶縁構造としてはエナメル被覆の他に薄葉シート絶縁材やテープ状絶縁材を巻き付ける構造も採られる。どの絶縁構造においても電気的に接続するためには接続部の絶縁部材を除去する必要がある。そして接続後には隣接する接続端部との短絡を防ぐために再度絶縁する必要がある。

　図５は本発明による接続端部１４の絶縁構造の一例を示す、ステータ１のセグメント導体接続側の端部を拡大した斜視図である。ステータコア１１に設けたスロット１１１に絶縁部材によるスロットライナ１１２を介してセグメント導体１３１が組込まれている。図示するのはセグメント導体として平角線を用いた例であるが、丸線でも同様である。そしてセグメント導体１３１の端部は他のセグメント導体と接続され、接続端部１４１が形成されている。接続端部はステータ１の周方向に連続して、１４２，１４３，…と連続して形成され、１周して１４ｎとなるが、ｎはスロット数である。またこの実施例は１つのスロット１１１に４段のセグメント導体が配置された例を示しており、径方向にもう１列の接続端部１５１，１５２，…，１５ｎが形成されている。そして隣接する各接続端部間には連続した絶縁部材２４および２５が配置されている。

　図６は、図５のVI方向から見た、接続端部と絶縁部材の位置関係を平面的に示している。本実施例では１つのスロットに４段のセグメント導体を組込んでいるため、接続端部は周方向に並んだ１４１，１４２，…，１４ｎの列と、１５１，１５２，…１５ｎの列の、同軸状に２列が形成される。そして絶縁部材２４と２５を、周方向に隣接する接続端部間に交互に折り込む形態に配置している。ここで径方向に隣接する接続端部１４１と１５１，１４２と１５２，…，１４ｎと１５ｎの間には絶縁部材２４または２５のどちらかが存在するように配置することで、径方向に隣接する全ての接続端部間にも絶縁部材を配置している。すなわち、絶縁部材２４又は２５が周方向に隣接する接続端部間に配置され、その絶縁部材が周方向に連続しており、絶縁部材２４又は２５の表面（一方の面）と背面（もう一方の面）とが隣接する溶接接続端部に交互に接触する構成である。これは、例えば、絶縁部材２４の表面（ステータ１の径方向外側）が接続端部１４１に接触し、絶縁部材２４の背面（ステータ１の径方向内側）が、接続端部１４１に隣接する接続端部１４２あるいは接続端部１４ｎに接触する構成である。

　ここで用いる絶縁部材２４，２５としては、繊維質不織紙、繊維質織込テープ、高分子樹脂フィルム、無機粒子集成材、およびそれらの複合材を用いることができる。さらに単体の上記各材料又は上記複合材を樹脂含浸した成型絶縁材を用いることもできる。

　隣接するセグメント導体接続端部間は、本来は所定の絶縁距離を確保するように設計するが、製造上のばらつきで絶縁距離が不足する場合がある。また運転中の振動でも絶縁性を損なう距離に近づく場合があり得る。このような場合に、以上に説明した本実施例によれば、隣接するセグメント導体接続端部間に絶縁部材が配置されるので、接続端部相互間の絶縁距離が不足しても絶縁破壊するのを防ぐことができる。

　また、絶縁部材２４，２５として高分子フィルム、あるいは高分子フィルムを含む複合材のように弾性を有する材料を用いることで、構造体の信頼性を高めることもできる。すなわち弾性を有する材料を弾性変形範囲内で変形して折り込むことで、屈曲部が真っ直ぐに戻ろうとする力で接続端部を押しつけることになるので、絶縁部材が脱落するのを防ぐことができる。

　接続端部に絶縁部材を組込んだ後、両者を樹脂で固着することで絶縁部材の脱落をより確実に防ぐことができる。樹脂による固着はコアとコイルを樹脂で固着する工程と同時に行うことが可能である。固着に用いる樹脂としてはエポキシワニスや不飽和ポリエステルワニスのような熱硬化性樹脂を用いることができる。また溶剤揮発型の樹脂を利用することができる。樹脂を塗布する方法としては滴下含浸法や浸漬含浸法、あるいは吹き付けや刷毛塗り等の方法がある。

　本発明の他の実施例を図７に、図７のVIII方向の平面視図を図８に示す。この実施例では周方向に隣接する接続端部の絶縁部材２４，２５に加えて第３の絶縁部材２６を配置している。第３の絶縁部材２６は径方向に隣接する接続端部の間に配置される。本実施例によれば周方向に隣接する接続端部１４ｉと１４ｊ間、あるいは１５ｉと１５ｊ間の距離に比べて、径方向に隣接する接続端部１４ｉと１５ｉ間、あるいは１５ｊと１５ｊ間の距離の方が小さい場合に、径方向に隣接する接続端部間の絶縁性能を増強する効果を得ることができる。絶縁部材２４，２５はセグメント導体１３１の屈曲部１３１ｒ付近までしか配置できないのに対して、絶縁部材２６はスロットライナ１１２と接触する深さまで配置することができる。

　図９に本発明の他の実施例の平面図を示す。この実施例では、接続端部間の絶縁部材２４，２５，２６に加えて、第４、第５の絶縁部材２７，２８を配置している。この実施例によれば接続端部１４ｉおよび１５ｉは周囲を絶縁部材で囲まれるので、外部の導電性部材との接触による短絡を防ぐことができ、絶縁信頼性が一層向上する。ここで言う導電性部材とは電線片、金属切粉、炭化した有機物等、回転電機近傍には本来存在しないが、何らかの事情で回転電機内部に混入した異物である。

　図１０に本発明の他の実施例の平面図を示す。接続端部１４ｉ，１５ｉに連続袋状絶縁部材２９を組込んでいる。本構成によれば接続端部の周囲を絶縁部材で包囲しているので、外部の導電性部材との接触による短絡を防ぐことができる。図１０では第３の絶縁部材２６を配置した例を示しているが、これを省略することもできる。

　図１１に連続袋状絶縁部材２９の構成の一例を示す。この構成例では、幅方向の約１／２に相対する方向の切り込みを入れた薄葉絶縁部材３０ａおよび３０ｂを組合せて連続袋状絶縁部材２９を構成している。

　図１２は連続袋状絶縁部材２９の他の構成例である。この構成例では、波形に折り込んだ薄葉絶縁部材３０ｃの両側に平状の薄葉絶縁部材３０ｄを貼り付けて連続袋状絶縁部材２９を構成している。

　図１３に連続袋状絶縁部材２９のさらに他の構成例を示す。この構成例では、複数の筒状絶縁部材３０ｅを連続接着して、連続袋状絶縁部材２９を構成している。図示した筒状絶縁部材３０ｅは略角型筒状であるが、円形、あるいは６角形等の多角形でも良い。

　図１１～図１３の実施例に用いる絶縁部材は繊維質不織紙や高分子フィルム、およびそれらの複合材料であることが好ましい。

　図１４に本発明の他の実施例を示す。コイルの接続端部１４ｉ，１５ｉを囲む絶縁部材としてハニカム形絶縁部材３１を用いた例である。ハニカム形絶縁部材は軸方向の剛性が高く、圧縮力に対して変形や破壊の懸念を軽減することができる。本実施例においては、ハニカムの孔の位置に対応するように接続端部１４ｉと１５ｉを周方向に半ピッチ分変位している。

　図１５に本発明の他の実施例を示す。図１５は回転電機ステータ１のコイル長手方向の断面図であり、図８のXV－XV′方向の視図である。ステータコア１１には図示していないスロットにステータコイル１３が組込まれ、接続端部１４ｉ，１５ｉが形成されている。そして、接続端部には絶縁部材２４，２５，２６が取付けられている。本実施例においてはステータコア１１の端部から接続端部１４ｉ，１５ｉまでの距離Ａと、ステータコア１１の端部から絶縁部材２４，２５までの距離Ｂの関係が、Ａ＜Ｂとなっている。すなわち、絶縁部材２４，２５の軸方向一方の端面が、前記接続端部より軸方向外側に突き出している。ステータの周囲にはハウジング等のグランド電位の構造物が配置されるので、このように構成することによりコイル端部とそれらの構造物との間の絶縁破壊を防ぐことができる。

　図１６に本発明の他の実施例を示す。ステータコイル１３の接続端部１４ｉ，１５ｉを囲む絶縁部材２４，２５の端部に絶縁部材３２を設けた実施例である。本構成によれば接続端部の周囲を閉鎖空間とできるので、外部の導電性異物が接続端部に接触するのを防ぐことができ、絶縁信頼性を向上できる効果がある。図１６では図１５に示す実施例の変形例として示しているが、絶縁部材３２は上記実施例のいずれにおいても設置可能である。ここで用いる絶縁部材３２としては絶縁パテ状詰め物を用いることができる。また繊維質絶縁片や高分子フィルム片を配置し、樹脂で固定する方法も有効である。

　以下にコイルの接続端部に絶縁部材を取付ける方法の一例を説明する。図１７において、ステータコイル接続端部４１は図５～図１０、図１４～図１６において１４１～１４ｎ，１５１～１５ｎ，１４ｉ，１５ｉで示した接続端部を総じて示すものであり、絶縁部材４２は図５～図１５において２４，２５，２６，２７，２８，２９，３１で示した絶縁部材を総じて示すものである。図１７では連続体の絶縁部材４２を接続端部の全周に組込む例を示している。従来行われていた、接続端部毎に個別に絶縁部材を取り付けたり、樹脂を塗布したりする方法では、その後の製造工程や、回転電機としての運転中に絶縁部材やワニスが小片として脱落する懸念があった。これに対して、これまで説明した本発明の実施例によれば、絶縁部材４２が単一部品であることから小片が脱落する懸念が小さくなり、機械の故障の確率が減り、信頼性が増す。

　図１８は、接続端部に組込む絶縁部材を複数個で構成した例を示している。図１８では、一例として３個の絶縁部材４２ａ，４２ｂ，４２ｃで構成している。寸法の大きな回転電機においては、単一の絶縁部材を全周に組込もうとすると絶縁部材の寸法も大きくなり、組立時の取り回しが悪く、絶縁部材に損傷を与える懸念が生じる。本例のように適切な寸法に分割することで、作業性と信頼性の向上が図れる。なお、複数の絶縁部材の接続部はオーバーラップすることが必要である。

　図１９は無端状に構成した絶縁部材４２ｄを示している。この構成では、接続端部に絶縁部材を組込む際に絶縁部材の接続部をオーバーラップさせる必要が無いため、組立作業の機械化が容易になる。無端状の絶縁部材４２ｄは絶縁テープを所定の長さに切断、両端を接着して構成することができる。また図１１～図１３に示した連続筒状の絶縁部材２９、３１で容易に構成できる。さらに絶縁樹脂の成型体としても実現可能である。

　近年の回転電機はインバータで駆動されることが多くなっており、かつインバータのスイッチング損失を低減するために、スイッチング速度が速くなり、電圧の立ち上がり速度が速くなっている。この時にはインバータサージと呼ばれる急峻な立ち上がり電圧が発生する。そして電圧の伝搬遅れのために直列に巻かれたコイルの電圧分担が過渡的に不平衡になり、電源側に近いコイルほど高いインバータサージ電圧が現れる。この結果、高い電圧を分担するコイルと隣接するコイルの電位差が増大するため、コイルの接続端部においても絶縁を補強する必要が出てくる。従来行われていた、接続端部に樹脂を塗布する構造では部分的な絶縁耐力の補強は困難であった。

　図２０は、本発明の応用により部分的に絶縁耐力を補強した例を示す。本実施例では、接続端部１４ｊが高電位となる場合を示す。この場合、１４ｊと隣接する接続端部１４ｉ，１５ｉ，１５ｊ，１４ｋ，１５ｋとの間の絶縁耐力を補強する必要がある。そこで本実施例では、絶縁部材２４，２５に加えて、追加の絶縁部材３２を局所的に配置している。ここで、追加の絶縁部材３２は絶縁部材２４に沿って、絶縁部材２４の厚みを部分的に増すように配置されている。言い換えれば、絶縁耐力を補強したい部分（例えば、高電位となる接続端部と、その接続端部と周方向及び径方向に隣接する接続端部との間）に絶縁部材３２が配置される。この結果、高電位となる接続端部と隣接する接続端部間の絶縁耐力を向上でき、信頼性の高い回転電機を得ることができる。

　以上説明した各実施例は、例えば、絶縁部材４２（又は４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）が、周方向に隣接する各接続端部の間を縫うように配置されているという点で共通している。ここで、接続端部の間を縫うように、とは、例えば図１のように周方向に隣接する接続端部の間、あるいは図１４のように周方向及び径方向に隣接する接続端部の間に、周方向に連続して隣接する接続端部を少なくとも３つ以上絶縁可能な長さの絶縁部材４２（又は４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）が配置されている様を指す。

　図２１は、以上に実施例を説明した回転電機ステータ１を製作する工程の一例を示す。ステップ２０１では磁性材料からステータコア１１を製作する。ステータコア１１は磁性鋼板を型抜きして積層したり、磁性粉体を成型したりして形成する。ステップ２０２では絶縁紙、高分子フィルム、あるいはそれらの積層体を切出し、成型してスロットライナ１１２を形成する。ステップ２０３でステータコア１１にスロットライナ１１２を組込む。スロットライナ１１２はここで成型しながらステータコア１１に組込む方法も可能である。

　ステップ２０４ではセグメント導体１３１を製作する。セグメント導体１３１は、銅やアルミのエナメル被覆線を所定寸法に切出し、成型し、端部の皮膜を剥離して形成することができる。また銅やアルミの裸線で構成することもできる。このセグメント導体１３１から構成されるコイルをステップ２０５でステータコア１１に組込む。ステップ２０６ではコイルの接続側を所定の形状に折り曲げ成型する。ステップ２０７ではコイルの端部を接続して電気回路を構成する。接続方法としては溶接、銀ロウ付け、半田付け、圧着等が用いられる。

　ステップ２０８で絶縁紙や高分子フィルム、又は両者の複合体等で構成した絶縁部材４２（又は４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）を製作しておき、ステップ２０９で接続端部に組込む。そしてステップ２１０にて、ステータコア１１、スロットライナ１１２、ステータコイル接続端部４１、絶縁部材４２（又は４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）にわたってワニスを含浸する。ワニスとしてはエポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が適当である。含浸方法としては、滴下法や浸漬法が適当であり、浸漬法の一環としての真空含浸法を用いる場合もある。

　ステップ２１１にて全体を加熱硬化してステータコア１１、スロットライナ１１２、ステータコイル接続端部４１、絶縁部材４２（又は４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）を固着することで回転電機ステータ１となる。従来はステータコア、スロットライナ、ステータコイルをワニスで加熱硬化するのと前後して、ステータコイル接続端部には別の絶縁樹脂を塗布して別途加熱硬化するという２重の硬化工程を採用していたが、本実施例によればステータコイル接続端部の絶縁部材を含めて硬化工程が１回で終了できる利点がある。

１　ステータ
１１　ステータコア
１４　接続端部
２４，２５，２６，２７，２８，２９，３１，３２，４２　絶縁部材
４１　ステータコイル接続端部
１３１　セグメント導体

Claims

　ステータコアのスロットにステータコイルが挿入され、
　前記ステータコイルはセグメント導体の接続端部が電気的に接続されることにより構成され、
　前記ステータコアと前記ステータコイルとが樹脂で固着されている回転電機において、　絶縁部材が、周方向に隣接する前記接続端部の間を縫うように配置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、
　前記絶縁部材の表面と背面とが隣接する溶接接続端部に交互に接触している回転電機。
　請求項１に記載の回転電機において、
　径方向に隣接する前記接続端部の間に第２の絶縁部材が配置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、
　前記絶縁部材に沿って、局所的に第２の絶縁部材が配置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、
　前記接続部材が、連続する筒状に形成されている回転電機。
　請求項１乃至５のいずれか一に記載の回転電機において、
　前記絶縁部材の軸方向一方の端面が、前記接続端部より軸方向外側に突き出している回転電機。