JP2008131758A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】上層コイル辺の温度上昇を抑え、耐熱性の高い絶縁材料を用いることなく、特性を確保することができる回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】回転電機１は、上層コイル辺３２０と下層コイル辺３２１とからなる電機子コイル３２を備えている。上層コイル辺３２０スロット収容部３２０ａは、スロット３１１内の反軸心側に収容されている。下層コイル辺３２１のスロット収容部３２１ａは、スロット３１１内の軸心側に収容されている。そのため、スロット収容部３２０ａは、スロット収容部３２１ａに比べ放熱性が悪い。しかし、スロット収容部３２０ａの断面積は、スロット収容部３２１ａより大きく設定されており、抵抗を小さくでき、発熱を抑えられる。従って、高電流あるいは長時間での使用が要求される回転電機において耐熱性の低い絶縁フィルムの使用が可能となる。あるいは温度上昇を抑えるために体格を大きくするような処方が不要となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、電機子コアと、上層コイル片及び下層コイル片により構成される電機子コイルとからなる回転電機に関する。

従来、回転電機として、例えば特開平８−１４０３２４号公報に開示されている回転電機がある。この回転電機は、電機子鉄心と、上層コイルバーと、下層コイルバーとからなるアーマチャを備えている。電機子鉄心は、薄い鋼板からなるリング状のコアプレートを積層して構成されている。電機子鉄心の外周には、径方向に長い長方形状の複数のスロットが形成されている。上層コイルバーは、上層コイル辺と、上層コイル端部とから構成されている。下層コイルバーは、下層コイル辺と、下層コイル端部とから構成されている。上層コイル辺及び下層コイル辺は、銅からなる断面矩形の直線棒状の部材である。上層コイル辺は、周囲を上層絶縁フィルムに覆われ、スロット内の反軸心側に収容されている。下層コイル辺は、上層絶縁フィルムに覆われた上層コイル辺とともに周囲を下層絶縁フィルムに覆われ、スロット内の軸心側に収容されている。
特開平８−１４０３２４号公報

前述した回転電機では、下層コイル辺とスロットの内周面との間には、下層絶縁フィルムが介在している。これに対し、上層コイル辺とスロットの内周面との間には、上層絶縁フィルムと下層絶縁フィルムとが介在している。そのため、上層コイル辺の断面積を、下層コイル辺に比べ上層絶縁フィルムの分だけ小さくしなければならない。この場合、上層コイル辺の抵抗が下層コイル辺より大きくなる。それに伴って、発熱も大きくなる。

ところで、下層コイル辺は、スロット内の軸心側に収容されている。そのため、下層コイル辺で発生した熱は、電機子鉄心からシャフトを介して回転電機の外部へ放熱される。これに対し、上層コイル辺は、下層コイル辺に比べシャフトまでの距離が遠い。また、電機子鉄心の外周側には、空隙を介して固定磁極及びヨークが配置されている。そのため、上層コイル辺で発生した熱は、下層コイル辺に比べ回転電機の外部へ放熱されにくい。つまり、上層コイル辺は、下層コイル辺に比べ発熱が大きいにも係わらず、放熱性が悪く、温度が上昇しやすい。そのため、高電流あるいは長時間での使用が要求される回転電機においては、耐熱性の高い絶縁フィルムを用いるか、性能面での必要体格以上に回転電機を大きくして温度上昇を抑える必要があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、上層コイル辺の温度上昇を抑え、耐熱性の高い絶縁材料を用いることなく、小型の回転電機を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、スロット内に収容される上層コイル片の中間部の断面積を、スロット内に収容される下層コイル片の中間部の断面積より大きくすることで、上層コイル片の温度上昇を抑え、耐熱性の高い材料を用いることなく、特性を確保できることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の回転電機は、軸心方向に延びる複数のスロットを外周に有する円柱状の電機子コアと、中間部がスロット内の反軸心側に収容される上層コイル片と、中間部がスロット内の軸心側に収容される下層コイル片とからなり、上層コイル片の端部と下層コイル片の端部とを接続することにより形成される電機子コイルとを備えた回転電機において、上層コイル片の中間部の断面積が、下層コイル片の中間部の断面積より大きいことを特徴とする。

この構成によれば、上層コイル片の温度上昇を抑え、耐熱性の高い絶縁材料を用いることなく、特性を確保することができる。上層コイル片の中間部は、スロット内の反軸心側に収容されており、下層コイル片の中間部に比べ放熱性が悪い。しかし、スロット内に収容される上層コイル片の中間部の断面積は、下層コイル片の中間部の断面積より大きい。そのため、上層コイル片の中間部の抵抗を下層コイル片の中間部より小さくすることができる。これにより、発熱を抑えることができる。従って、下層コイル片に比べ放熱性が悪くても、上層コイル片の温度上昇を抑えることができる。そのため、耐熱性の高い材料を用いることなく特性を確保することができる。

請求項２に記載の回転電機は、請求項１に記載のスタータにおいて、さらに、上層コイル片の中間部の断面形状は、下層コイル片の中間部の断面形状と異なることを特徴とする。この構成によれば、スロットの内周面の段差をなくすことができる。上層コイル片の中間部の断面積は、下層コイル片の中間部の断面積より大きい。上層コイル片の中間部と下層コイル片の中間部とを同一形状とした場合、これらを収容するスロットの内周面に段差を生ずる。上層コイル片の中間部の断面形状を下層コイル片の中間部の断面形状と異なる形状とすることで、スロットの内周面の段差をなくすことができる。

請求項３に記載の回転電機は、請求項１又は２に記載のスタータにおいて、さらに、下層コイル片の中間部、及びスロットは、軸心側が丸み付けされていることを特徴とする。この構成によれば、下層コイル片とスロットの内周面との間に配設される絶縁フィルムの破損を防止することができる。また、電機子コアの製造コストを抑えることができる。下層コイル片の中間部、及びスロットは、軸心側がともに丸み付けされており、角部がない。そのため、下層コイル片の中間部とスロットの内周面との間に配設される絶縁フィルムの破損を防止することができる。電機子コアは、一般的にプレス加工されたコアプレートを積層して構成されている。スロットの軸心側を丸み付けすることで、角部がなくなり、プレス金型の寿命を向上させることができる。そのため、電機子コアの製造コストを抑えることができる。

請求項４に記載の回転電機は、請求項１〜３のいずれかに記載のスタータにおいて、さらに、上層コイル片の中間部の断面形状は、短辺が電機子コアの径方向に直交する長方形状であることを特徴とする。この構成によれば、磁路を充分に確保することができる。上層コイル片の断面形状を長方形状とし、短辺を電機子コアの径方向に直交する方向に配置することで、隣接するスロット間に形成されるティースの幅を確保することができる。これにより、磁路を充分に確保することができる。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図６を参照して回転電機の構成について説明する。ここで、図１は、第１実施形態における回転電機の軸方向断面図である。図２は、電機子コアの平面図である。具体的には、端面側からみた平面図である。図３は、上層コイル片の側面図及び背面図である。図４は、下層コイル片の側面図及び背面図である。図５は、スロットに収容された電機子コイルの断面図である。図６は、上層コイル片と下層コイル片の配置状態を示す斜視図である。図７は、電機子コイルの収容された電機子コアの平面図である。具体的には、後方端面側からみた平面図である。

図１に示すように、回転電機１は、固定子２と、回転子３と、ブラシ装置４とから構成されている。

固定子２は、磁束を発生するとともに、回転子３及びブラシ装置４を収容する部材である。固定子２は、ケース２０と、複数の磁石２１とから構成されている。ケース２０は、磁路の一部を構成するとともに、回転子３及びブラシ装置４を収容する磁性体からなる円筒状の部材である。ケース２０の後方端部には、開口部を覆うように略円板状のエンドフレーム２２が固定されている。磁石２１は、磁束を発生する円弧板状の部材である。磁石２１は、ケース２０の内周面に、周方向に等間隔に配置され固定されている。

回転子３は、ブラシ装置４を介して供給された電流が、固定子２の発生する磁束と鎖交することで回転力を発生する部材である。回転子３は、シャフト３０と、電機子コア３１と、電機子コイル３２と、コンミテータ３３とから構成されている。

シャフト３０は、金属からなる略円柱状の部材である。

電機子コア３１は、磁路の一部を構成するとともに、電機子コイル３２を収容する磁性体からなる円柱状の部材である。図２に示すように、電機子コア３１は、プレス加工された磁性体からなる板状の部材を積層して構成されている。電機子コア３１には、軸心に沿って貫通孔３１０が形成されている。また、電機子コア３１の外周には、電機子コイル３２を収容する、軸心方向に延びる、径方向に長い長方形状の複数のスロット３１１が、周方向に等間隔で形成されている。さらに、スロット３１１間に形成されるティース３１２の外周面側には、スロット３１１内に収容される電機子コイル３２をスロット３１１内に固定するため、Ｖ字状の固定爪３１３が形成されている。スロット３１１内に電機子コイル３２を収容した後、固定爪３１３を軸心側に屈曲させることで電機子コイル３２をスロット３１１内に固定することができる。図１に示すように、電機子コア３１は、貫通孔３１０をシャフト３０に挿通させた状態で、シャフト３０に固定されている。

電機子コイル３２は、ブラシ装置４を介して供給された電流が流れるコイル状に形成された部材である。電機子コイル３２は、複数の上層コイル片３２０と、複数の下層コイル片３２１とから構成されている。

図３に示すように、上層コイル片３２０は、導体からなる、より具体的には銅からなる略コの字状の部材である。上層コイル片３２０は、スロット収容部３２０ａ（中間部）と、連結部３２０ｂ、３２０ｃとから構成されている。スロット収容部３２０ａは、スロット３１１内に収容される断面形状が略長方形状の棒状の部位である。スロット収容部３２０ａの断面積は、後述する下層コイル片３２１のスロット収容部３２１ａの断面積より大きく設定されている。連結部３２０ｂ、３２０ｃは、スロット収容部３２０ａの両端部から垂直方向に延在する円弧状に湾曲した板状の部位である。

図４に示すように、下層コイル片３２１は、導体からなる、より具体的には銅からなる略コの字状の部材である。下層コイル片３２１は、スロット収容部３２１ａ（中間部）と、連結部３２１ｂ、３２１ｃとから構成されている。スロット収容部３２１ａは、スロット３１１内に収容される断面形状が略正方形状の棒状の部位である。連結部３２１ｂ、３２１ｃは、スロット収容部３２１ａの両端部から垂直方向に延在する円弧状に湾曲した板状の部位である。

図５示すように、上層コイル片３２０のスロット収容部３２０ａは、外周面を上層絶縁フィルム３２２に覆われ、スロット３１１内の反軸心側に収容されている。また、断面の短辺が電機子コア３１の径方向と直交するように、長辺を径方向にして配置されている。下層コイル片３２１のスロット収容部３２１ａは、上層絶縁フィルム３２２に覆われた上層コイル片３２０のスロット収容部３２０ａとともに、外周面を下層絶縁フィルム３２３に覆われ、スロット３１１内の軸心側に収容されている。固定爪３１３は、スロット収容部３２０ａ、３２１ａをスロット３１１内に固定するため、スロット３１１の開口部を塞ぐように屈曲成形されている。

図１に示すように、下層コイル片３２１の連結部３２１ｂ、３２１ｃは、電機子コア３１の端面に沿って配置されている。連結部３２１ｂ、３２１ｃと電機子コア３１との間には、絶縁部材３２４が配設されている。上層コイル片３２０の連結部３２０ｂ、３２０ｃは、下層コイル片３２１の連結部３２１ｂ、３２１ｃの表面に沿って配置されている。連結部３２０ｂ、３２０ｃと連結部３２１ｂ、３２１ｃとの間には、絶縁部材３２５が配設されている。

図６に示すように、上層コイル片３２０の連結部３２０ｂの先端部は、異なるスロット３１１に収容された下層コイル片３２１の連結部３２１ｂの先端部に接続されている。上層コイル片３２０の連結部３２０ｃの先端部は、異なるスロット３１１に収容された別の下層コイル片３２１の連結部３２１ｃの先端部に接続される。これにより、コイル状に形成された電機子コイル３２が構成される。このとき、電機子コア３１の後方側に配置される上層コイル片３２０の連結部３２０ｂは、図７に示すように、互いに所定間隔を隔て、軸心側から遠心方向に渦巻き状に傾斜するように配置されている。また、連結部３２０ｂの表面は、シャフト３０の軸心に直交する平面となるように加工されている。これにより、連結部３２０ｂよって、電機子コイル３２に流れる電流を切替えるコンミテータ３３が構成される。

このように構成された回転子３は、図１に示すように、電機子コア３１の外周面を、磁石２１の内周面と所定間隔を隔てて対向させた状態で、軸受３００、３０１を介して、回転可能に支持されている。

ブラシ装置４は、回転子３に電流を供給する装置である。ブラシ装置４は、ブラシ４０、４１と、ブラシホルダ４２、４３と、スプリング４４、４５とから構成されている。ブラシ４０、４１は、外部からの電流をコンミテータ３３を介して電機子コイル３２に供給する部材である。ブラシ４０、４１は、導電性を有する、例えばカーボンからなる直方体状の部材である。ブラシホルダ４２、４３は、ブラシ４０、４１をシャフト３０の軸心方向に往復動可能に支持する絶縁性を有する樹脂からなる有底角筒状の部材である。ブラシホルダ４２、４３は、開口部を前方に向けた状態でエンドフレーム２２の内側表面に固定されている。スプリング４４、４５は、ブラシホルダ４２、４３によって支持されたブラシ４０、４１を前方側に押圧する部材である。スプリング４４、４５は、一端部をブラシホルダ４２、４３の底部に当接させるとともに、他端部をブラシ４０、４１の後方側端面に当接させた状態でブラシホルダ４２、４３内に収容されている。ブラシ４０、４１は、ブラシホルダ４２、４３内に軸心方向に往復動可能に収容された状態で、スプリング４４、４５によって前方側に押圧され、コンミテータ３３に当接している。

次に、図１及び図５を参照して具体的動作について説明する。図１において、ブラシ４０、４１に電圧が印加されると、コンミテータ３３を介して電機子コイル３２に電流が流れる。電機子コイル３２に流れる電流が磁石２１の発生する磁束と鎖交することで回転力が発生し、回転子３が回転する。このとき、上層コイル辺３２０及び下層コイル辺３２１には同じ大きさの電流が流れる。ところで、前述したように、上層コイル辺３２０のスロット収容部３２０ａは、下層コイル辺３２１のスロット収容部３２１ａに比べ放熱性が悪い。しかし、図５に示すように、スロット収容部３２０ａの断面積はスロット収容部３２１ａより大きく設定されており、抵抗を小さくでき、発熱を抑えられる。従って、上層絶縁フィルム３２２及び下層絶縁フィルム３２３に耐熱性の高い材料を用いる必要がない。また、電流や通電時間を制限する必要もない。そのため、特性を確保することができる。最後に、具体的効果について説明する。第１実施形態によれば、上層コイル片３２０の温度上昇を抑え、耐熱性の高い絶縁材料を用いることなく、特性を確保することができる。

また、第１実施形態によれば、上層コイル片３２０のスロット収容部３２０ａの断面形状を、下層コイル片３２１のスロット収容部３２１ａと異なる長方形状とすることで、スロット３１１の内周面の段差をなくすことができる。

さらに、第１実施形態によれば、上層コイル片３２０のスロット収容部３２０ａの断面形状を長方形状とし、短辺が電機子コア３１の径方向に直行するように配置することで、ティース３１２の幅を確保することができる。そのため、磁路を充分に確保することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の回転電機について説明する。第２実施形態の回転電機は、第１実施形態の回転電機に対して、上層コイル片、下層コイル片、及びこれらを収容するスロットの形状を変更したものである。

まず、図８を参照して回転電機の構成について説明する。ここで、図８は、第２実施形態におけるスロットに収容された電機子コイルの断面図である。ここでは、第１実施形態の回転電機との相違部分である上層コイル片、下層コイル片及びスロットの形状についてのみ説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前述した実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。

図８に示すように、電機子コア３４の外周には、軸心側が丸み付けされた径方向に長い半長円形状の複数のスロット３４０が、周方向に等間隔で形成されている。また、スロット３４０の間に形成されるティース３４１の外周面側には、固定爪３４２が形成されている。上層コイル片３５０のスロット収容部３５０ａの断面形状は、略正方形状である。スロット収容部３５０ａの断面積は、下層コイル片３５１のスロット収容部３５１ａの断面積より大きく設定されている。これに対し、下層コイル片３５１のスロット収容部３５１ａの断面形状は、一方が丸み付けされた半長円形状である。上層コイル片３５０のスロット収容部３５０ａは、外周面を上層絶縁フィルム３５２に覆われ、スロット３４０内の反軸心側に収容されている。下層コイル片３５１のスロット収容部３５１ａは、上層絶縁フィルム３５２に覆われた上層コイル片３５０のスロット収容部３５０ａとともに、外周面を下層絶縁フィルム３５３に覆われ、丸み付けされた面を軸心側に向けた状態で、スロット３４０内の軸心側に収容されている。固定爪３４２は、スロット３４０の開口部を塞ぐように屈曲成形されている。

動作については、第１実施形態の回転電機１と同じであるため説明を省略する。

最後に、効果について説明する。第２実施形態によれば、下層コイル片３５１のスロット収容部３５１ａとスロット３４０の内周面との間に配設される下層絶縁フィルム３５３の破損を防止することができる。また、電機子コア３４の製造コストを抑えることができる。下層コイル片３５１のスロット収容部３５１ａ、及びスロット３４０は、軸心側がともに丸み付けされており、角部がない。そのため、スロット収容部３５１ａとスロット３４０の内周面との間に配設される下層絶縁フィルム３５３の破損を防止することができる。電機子コア３４は、プレス加工された磁性体からなる板状の部材を積層して構成されている。スロット３４０の軸心側を丸み付けすることで、角部がなくなり、プレス金型の寿命を向上させることができる。そのため、電機子コア３４の製造コストを抑えることができる。

第１実施形態における回転電機の軸方向断面図である。 電機コアの平面図である。 上層コイル片の側面図及び背面図である。 下層コイル片の側面図及び背面図である。 スロットに収容された電機子コイルの断面図である。 上層コイル片と下層コイル片の配置状態を示す斜視図である。 電機子コイルの収容された電機子コアの平面図である。 第２実施形態におけるスロットに収容された電機子コイルの断面図である。

符号の説明

１・・・回転電機、２・・・固定子、２０・・・ケース、２１・・・磁石、２２・・・エンドフレーム、３・・・回転子、３０・・・シャフト、３００、３０１・・・軸受、３１、３４・・・電機子コア、３１０・・・貫通孔、３１１、３４０・・・スロット、３１２、３４１・・・ティース、３１３、３４２・・・固定爪、３２、・・・電機子コイル、３２０、３５０・・・上層コイル片、３２０ａ、３５０ａ・・・スロット収容部（中間部）、３２０ｂ、３２０ｃ・・・連結部、３２１、３５１・・・下層コイル片、３２１ａ、３５１ａ・・・スロット収容部（中間部）、３２１ｂ、３２１ｃ・・・連結部、３２２、３５２・・・上層絶縁フィルム、３２３、３５３・・・下層絶縁フィルム、３２４、３２５・・・絶縁部材、３３・・・コンミテータ、４・・・ブラシ装置、４０、４１・・・ブラシ、４２、４３・・・ブラシホルダ、４４、４５・・・スプリング

Claims (4)

1. 軸心方向に延びる複数のスロットを外周に有する円柱状の電機子コアと、中間部が該スロット内の反軸心側に収容される上層コイル片と、中間部が該スロット内の軸心側に収容される下層コイル片とからなり、該上層コイル片の端部と該下層コイル片の端部とを接続することにより形成される電機子コイルとを備えた回転電機において、
   該上層コイル片の該中間部の断面積が、該下層コイル片の該中間部の断面積より大きいことを特徴とする回転電機。
2. 前記上層コイル片の前記中間部の断面形状は、前記下層コイル片の前記中間部の断面形状と異なることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記下層コイル片の前記中間部、及び前記スロットは、軸心側が丸み付け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。
4. 前記上層コイル片の前記中間部の断面形状は、短辺が前記電機子コアの径方向に直交する長方形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機。

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