JP5988840B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は回転電機の固定子に関する。

昨今の地球温暖化に対し、回転電機は小型高出力が求められている。このような回転電機として、例えば内周側に開口する多数のスロットを備えた固定子鉄心を有し、各スロットに複数の略Ｕ字形状のセグメント導体を挿入する事で占積率を向上させて冷却性能を向上させることにより高出力化を図ったものが知られている。

そして、絶縁性能向上のため、スロットライナの破れ防止のためにスロットライナにスリットを設けた車輌用交流発電機の固定子がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１７８０５７号公報

特許文献１の技術は主に空冷で低電圧（１２Ｖｄｃ）の車輌用交流発電機を対象としているためスロットライナにスリットを設けることが出来るが、電気自動車やハイブリッド電気自動車に用いられる回転電機においては、電圧が１５０〜３００Ｖｄｃ（昇圧により６００Ｖｄｃの物もある）と高く、冷却も空冷でなく、直接液体（例えば油）冷却となっているものも多い。その様な回転電機は電圧が高いため、スロットライナにスリットを設けるとスリット部分の絶縁性が低下するといった課題があった。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、前記スロットに設けられた固定子コイルとを有し、各々の前記スロットにＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体が設けられ、前記固定子コイルは、各々のセグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続されて構成され、前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列され、Ｎ列の環状列を構成し、前記軸方向一方のコイルエンドで、少なくとも一対の前記環状列の間に、絶縁部材が環状に介在する回転電機の固定子において、スロットライナの固定子端面からの飛び出し量をＨｍｍ（例えば３ｍｍ）、コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離をＬｍｍ（例えば１．５ｍｍ）としたとき、ＨとＬに
Ｈ≧Ｌ≧Ｈ／２
の関係があることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁性の優れた回転電機の固定子を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の実施例による固定子を含む回転電機装置の全体構成を示す断面図。 本発明が適用される固定子の構成を示す斜視図。 固定子コイルのセグメント導体を説明する図であり、（ａ）は一つのセグメント導体を示す図、（ｂ）はセグメント導体によるコイル形成を説明する図、（ｃ）はスロット内のセグメント導体の配置を説明する図。 Ｕ相の固定子コイルを示す斜視図。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部を示す断面斜視図。 固定子コイルの反溶接側コイルエンド部を示す断面斜視図。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部の平面図（実施例１）。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部の平面図（実施例２）。 固定子コイルの溶接側コイルエンド部の平面図（実施例３）。 固定子コイルの反溶接側コイルエンド部の平面図。 本発明による回転電機を搭載する車両の構成を示すブロック図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
なお、以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリット自動車に用いられる電動機を用いる。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。

図１は本発明による固定子を備える回転電機を示す断面図である。回転電機１０は、ハウジング５０、固定子２０、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０と、回転子１１とから構成される。

ハウジング５０の内周側には、固定子２０が固定されている。固定子２０の内周側には、回転子１１が回転可能に支持されている。ハウジング５０は、炭素鋼など鉄系材料の切削により、または、鋳鋼やアルミニウム合金の鋳造により、または、プレス加工によって円筒状に成形した、電動機の外被を構成している。ハウジング５０は、枠体或いはフレームとも称されている。

ハウジング５０の外周側には、液冷ジャケット１３０が固定されている。液冷ジャケット１３０の内周壁とハウジング５０の外周壁とで、油などの液状の冷媒ＲＦの冷媒通路１５３が構成され、この冷媒通路１５３は液漏れしないように形成されている。液冷ジャケット１３０は、軸受１４４，１４５を収納しており、軸受ブラケットとも称されている。

直接液体冷却の場合、冷媒ＲＦは、冷媒通路１５３を通り、冷媒出口１５４，１５５から固定子２０へ向けて流出し、固定子２０を冷却する。

固定子２０は、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０とによって構成されている。固定子鉄心２１は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られている。固定子コイル６０は、固定子鉄心２１の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回されている。固定子コイル６０からの発熱は、固定子鉄心２１を介して、液冷ジャケット１３０に伝熱され、液冷ジャケット１３０内を流通する冷媒ＲＦにより、放熱される。

回転子１１は、回転子鉄心１２と、回転軸１３とから構成されている。回転子鉄心１２は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られている。回転軸１３は、回転子鉄心１２の中心に固定されている。回転軸１３は、液冷ジャケット１３０に取り付けられた軸受１４４，１４５により回転自在に保持されており、固定子２０内の所定の位置で、固定子２０に対向した位置で回転する。また、回転子１１には、永久磁石１８と、エンドリング（図示せず）が設けられている。

回転電機の組立は、予め、固定子２０をハウジング５０の内側に挿入してハウジング５０の内周壁に取付けておき、その後、固定子２０内に回転子１１を挿入する。次に、回転軸１３に軸受１４４，１４５が嵌合するようにして液冷ジャケット１３０に組み付ける。

図２を用いて、本実施例による回転電機１０に用いる固定子２０の要部の詳細構成について説明する。固定子２０は、固定子鉄心２１と、前記固定子鉄心の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回された固定子コイル６０とから構成されている。固定子コイル６０は、断面が略矩形形状の導体（本実施例では銅線）を使用しスロット内の占積率を向上させ、回転電機の効率が向上する。

固定子鉄心２１には、内径側に開口するスロット１５が周方向に例えば７２個形成されている。そして、スロットライナ３０２が各スロット１５に配設され、固定子鉄心２１と固定子コイル６０との電気的絶縁を確実にしている。

前記スロットライナ３０２は、銅線を包装するようにＢ字形状や、Ｓ字形状に成形されている。

図３を用いて、固定子コイル６０の巻線方法について簡単に説明する。断面が略矩形のエナメル等で絶縁された銅線を、図３（ａ）の様な、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃを折り返し点とする様な、略Ｕ字形状のセグメント導体２８に成型する。このとき、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃは略Ｕ字形状において導体の向きを折り返す形状であればよい。すなわち、図３のような、径方向から見たときに反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃと反溶接側反溶接側コイルエンドの導体斜行部２８Ｆとが略三角形をなすような形状に限らない。例えば、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃの一部において、導体が固定子鉄心２１の端面と略平行になるような形状（径方向から見たとき反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃと反溶接側コイルエンドの導体斜行部２８Ｆとが略台形をなすような形状）であっても良い。

そのセグメント導体２８を、軸方向からをステータスロットに差し込む。所定のスロット離れたところに差し込まれた別のセグメント導体２８と導体端部２８Ｅにおいて（例えば溶接等により）図３（ｂ）の様に接続する。このとき、セグメント導体２８には、スロットに挿入される部位である導体直線部２８Ｓと、接続相手のセグメント導体の導体端部２８Ｅへ向かって傾斜する部位である導体斜行部２８Ｄとが形成される。スロット内には２、４、６・・・（２の倍数）本のセグメント導体が挿入される。図３（ｃ）は１スロットに４本のセグメント導体が挿入された例であるが、断面が略矩形の導体のため、スロット内の占積率を向上させることが出来、回転電機の効率が向上する。

図４は、図３（ｂ）の接続作業をセグメント導体が環状となるまで繰り返し、一相分（例としてＵ相）のコイル４０を形成したときの図である。一相分のコイル４０は導体端部２８Ｅが軸方向一方に集まるように構成され、導体端部２８Ｅの集まる溶接側コイルエンド６２と、反溶接側コイルエンド６１とを形成する。一相分のコイル４０には、一端に各相のターミナル（図４の例ではＵ相のターミナル４２Ｕ）、他端に中性線４１が形成される。

図５を用いて、回転電機１０に用いる固定子２０の溶接部（溶接側コイルエンド６２）の詳細構成について説明する。固定子２０は、固定子鉄心２１と、前記固定子鉄心の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回された固定子コイル６０とから構成されている。固定子コイル６０は、断面が略矩形形状のコイルを使用しスロット内の占積率を向上させ、回転電機の効率が向上する。コイル間の絶縁のため、絶縁紙３００が環状に配置される。溶接部間の絶縁のため、絶縁紙３０１が環状に配置される。

絶縁紙が配置された後、前記固定子コイルの全体を樹脂部材で覆って絶縁を強化する。もしくは、固定子コイルの全体又は一部に第１の樹脂部材（例えばポリエステルやエポキシ液体ワニス）を滴下し、硬化させる。溶接部の絶縁の強化のため、溶接部近傍には第２の樹脂部材（例えばエポキシ系粉体ワニス）で覆っても良い。

図６を用いて、固定子２０の反溶接部（反溶接側コイルエンド６１）の詳細構成について説明する。固定子２０は、固定子鉄心２１と、前記固定子鉄心の内周部に多数個設けられているスロット１５に巻回された固定子コイル６０とから構成されている。固定子コイル６０は、断面が略矩形形状のコイルを使用することでスロット内の占積率を向上させ、回転電機の効率が向上させている。コイル間の絶縁のため、絶縁紙３０１が環状に配置される。

図７は溶接側コイルエンド６２のスロットライナ３０２の固定子端面からの飛び出し量Ｈとコイル曲げ始め部の固定子端面からの距離Ｌについて示している。固定子端面と固定子コイル６０との間の絶縁のため、スロットライナ３０２は固定子端面からある程度飛び出させることが望ましい。図において、距離Ｌが短いほどコイルエンドを短く出来、固定子を小型化できるが、Ｌが短いと、スロットライナ端部が変形し、大きく広がる部位３０２Ｗが形成される。この部位の変形量が、絶縁紙の延び量の範囲内であれば、絶縁は維持されるが、許容値を超えると絶縁紙が破ける。

発明者らは、スロットライナの固定子端面からの飛び出し量をＨｍｍ、コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離をＬｍｍとしたとき、ＨとＬに
Ｈ≧Ｌ≧Ｈ／２、好ましくはＨ≧Ｌ≧Ｈ×（２／３）
の関係があれば、コイルエンドの高さを小さくしつつ、絶縁紙の破れを防止できることを見出した。

図７はＨが３ｍｍ、Ｌが１．５ｍｍでの例であるが、この値が絶縁紙に破れが生じない限界値であり、例えば、Ｌが１．０ｍｍでは、破れが生じることを確認している。本構成であれば、コイルをスロットのほぼ中央に配置できるので、コイルがスロットの片方に寄る事により発生するスロットエッジによる絶縁破壊の懸念も軽減できる。

図８は溶接側コイルエンド６２のスロットライナ３０２の固定子端面からの飛び出し量Ｈが３ｍｍ、コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離Ｌが２ｍｍでの実施例について示している。コイル、絶縁紙の製作誤差や、コイルの組み立て誤差等を考慮すると、１．５ｍｍでは破れが生じる可能性があるので、この値が実際の製造上は理想的な値である。

図９は溶接側コイルエンド６２のスロットライナ３０２の固定子端面からの飛び出し量Ｈが３ｍｍ、コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離Ｌが３ｍｍでの実施例について示している。この値以上であれば、絶縁紙に破れが発生する可能性は無いが、コイルエンドが大きくなるので、Ｌを３ｍｍより長くする絶縁性能上の必要は無い。

図１０は反溶接側コイルエンド６１のスロットライナ３０２の固定子端面からの飛び出し量Ｈとコイル曲げ始め部の固定子端面からの距離Ｌについて示している。反溶接側においても溶接側と同様の関係が有り、距離Ｌが短いほどコイルエンドを短く出来、固定子を小型化できるが、Ｌが短いと、スロットライナ端部が変形し、大きく広がる部位３０２Ｗが形成される。この部位の変形量が、絶縁紙の延び量の範囲内であれば、絶縁は維持されるが、許容値を超えると絶縁紙が破ける。図１０はＨが３ｍｍ、Ｌが２ｍｍでの例である。

図１０を用いて説明した如く、ＨとＬとの関係を
Ｈ≧Ｌ≧Ｈ×（２／３）
となるように設定すると、Ｈ≧Ｌ≧Ｈ／２の場合に比べてさらにコイルエンドの高さを小さくすることができる。

本構成により、前記スロットライナに破れが生じないため、電気自動車やハイブリッド電気自動車に求められる絶縁性を満足した回転電機を得られるものとなる。

以上においては、永久磁石式の回転電機において説明を行ったが、本発明の特徴は固定子のコイルエンド溶接部に関するものであるため、回転子は永久磁石式でなく、インダクション式や、シンクロナスリラクタンス、爪磁極式等にも適用可能である。また、巻線方式においては波巻方式であるが、同様の特徴を持つ巻線方式であれば、適用可能である。次に、内転型で説明を行っているが、外転型でも同様に適用可能である。

図１１を用いて、本実施例による回転電機１０を搭載する車両の構成について説明する。図１１は、四輪駆動を前提としたハイブリッド自動車のパワートレインである。前輪側の主動力として、エンジンと回転電機１０を有する。エンジンと回転電機１０の発生する動力は、変速機により変速され、前輪側駆動輪に動力を伝えられる。また、後輪の駆動においては、後輪側に配置された回転電機１０と後輪側駆動輪を機械的に接続され、動力が伝達される。

回転電機１０は、エンジンの始動を行い、また、車両の走行状態に応じて、駆動力の発生と、車両減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生を切り換える。回転電機１０の駆動，発電動作は、車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置により制御される。回転電機１０の駆動に必要な電力は、電力変換装置を介してバッテリから供給される。また、回転電機１０が発電動作のときは、電力変換装置を介してバッテリに電気エネルギーが充電される。

ここで、前輪側の動力源である回転電機１０は、エンジンと変速機の間に配置されており、図１〜図１０にて説明した構成を有するものである。後輪側の駆動力源である回転電機１０としては、同様のものを用いることもできるし、他の一般的な構成の回転電機を用いることもできる。なお、四輪駆動式以外のハイブリッド方式においても勿論適用可能である。

以上で説明したように、本発明によれば、小型高出力であるにも関わらず、絶縁性が優れた回転電機の固定子を提供することができる。

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。

１０ 回転電機
１１ 回転子
１２ 回転子鉄心
１３ 回転軸
１５ スロット
１８ 永久磁石
２０ 固定子
２１ 固定子鉄心
２８Ａ セグメント導体
２８Ｂ セグメント導体
２８Ｃ 反溶接側コイルエンド頂点
２８Ｄ 導体斜行部
２８Ｅ 導体端部
２８Ｆ 導体斜行部
２８Ｓ 導体直線部
５０ ハウジング
６０ 固定子コイル
６１ 反溶接側コイルエンド
６２ 溶接側コイルエンド
１３０ 液冷ジャケット
１４４ 軸受
１４５ 軸受
１５０ 冷媒（油）貯蔵空間
１５３ 冷媒通路
１５４ 冷媒出口
１５５ 冷媒出口
３００ 環状絶縁紙
３０１ 環状絶縁紙
３０２ スロットライナ
３０２Ｗ スロットライナ変形部位
４００ 冷却液通路
４０１ 冷却液溜まり
ＲＦ 冷媒
Ｈ スロットライナの固定子端面からの飛び出し量
Ｌ コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離

Claims (5)

1. 複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、
   前記スロットに設けられた固定子コイルとを有し、
   各々の前記スロットにＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体が設けられ、
   前記固定子コイルは、各々のセグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続されて構成され、
   前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列され、Ｎ列の環状列を構成し、
   前記軸方向一方のコイルエンドで、少なくとも一対の前記環状列の間に、絶縁部材が環状に介在する回転電機の固定子において、
   スロットライナの固定子端面からの飛び出し量をＨｍｍ、コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離をＬｍｍとしたとき、ＨとＬに
   Ｈ≧Ｌ≧Ｈ／２
   の関係があることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子において、
   溶接側のコイルエンドもしくは反溶接側のコイルエンドにおいて、
   スロットライナの固定子端面からの飛び出し量をＨｍｍ、コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離をＬｍｍとしたとき、ＨとＬに
   Ｈ≧Ｌ≧Ｈ／２
   の関係があることを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項２に記載の回転電機の固定子において、
   溶接側のコイルエンドもしくは反溶接側のコイルエンドにおいて、
   スロットライナの固定子端面からの飛び出し量をＨｍｍ、コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離をＬｍｍとしたとき、ＨとＬに
   Ｈ≧Ｌ≧Ｈ×（２／３）
   の関係があることを特徴とする回転電機の固定子。
4. 請求項２又は３に記載の回転電機の固定子において、
   溶接側のコイルエンドもしくは反溶接側のコイルエンドにおいて、
   スロットライナの固定子端面からの飛び出し量を約３ｍｍ、コイル曲げ始め部の固定子端面からの距離を約２ｍｍとしたことを特徴とする回転電機の固定子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の回転電機の固定子を備えた回転電機。