JP2012090441A - 絶縁性皮膜付導線及び回転電機 - Google Patents

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【課題】絶縁性皮膜付導線の導体部の上に絶縁性皮膜部を形成する構造において、占積率を向上させることである。
【解決手段】コイル巻線50の導体部52は、基本断面形状を矩形としながら、その各辺が外側に湾曲する形状を有する断面形状を有する。具体的には、矩形形状の長辺に曲率半径R1の湾曲を付し、短辺に曲率半径R2の湾曲を付す。曲率半径R1,R2の大きさは、導体部52の角部における絶縁性皮膜部54の厚さと、各辺における絶縁性皮膜部54の厚さが同じとなるように、熱可塑性樹脂等の表面張力を考慮して設定される。換言すれば、このコイル巻線60に他のコイル巻線を積み重ねるとき、隣接する導体部の各側面の中心部分とこれに向かい合う隣接する導体部の各側面の中心部分の間の絶縁性皮膜部を挟む距離Lを最短とするようにR1,R2を設定する。
【選択図】図5

Description

本発明は、絶縁性皮膜付導線及び回転電機に係り、特に、導体部の上に絶縁性皮膜部を形成して構成されるコイル巻線用の絶縁性皮膜付導線及びこれを用いる回転電機に関する。
回転電機の固定子には、固定子巻線あるいは電機子巻線と呼ばれるコイル巻線が配置される。固定子は、周方向に沿って複数のティースと呼ばれる突出部が配置されるステータコアと、巻線部とを含んで構成される。巻線部は、ステータコアの隣接するティースの間のスロットと呼ばれる空間にコイル巻線を挿入し、ティースに所定の方式でこのコイル巻線を巻回するスロット巻線と、巻回が終るとそのスロットからステータコアの外に引き出されるコイルエンド部とを含む。
コイル巻線は、スロット内でも、コイルエンド部でも、互いに重なって配置されるので、絶縁性能の向上と積み重ねの体積的効率の向上が求められる。
例えば、特許文献1には、回転電機の固定子のスロットの中に絶縁シートと共に収容される電機子巻線の成形方法として、絶縁性皮膜が均一膜厚の断面丸形状被覆電線を圧延ローラで上下方向から押圧し、上下面を扁平化して、円弧状側面の絶縁性皮膜の膜厚よりも上下面の絶縁性皮膜の膜厚が薄い断面太鼓形状巻線とすることが開示されている。このようにすることでスロット内のデッドスペースを小さくできると述べられている。なお、上下面の絶縁性皮膜が薄くても絶縁シートで絶縁性能が確保できるとされている。
また、特許文献2には、絶縁性皮膜を用いるものではないが、絶縁テープで絶縁された磁石ワイヤとして、断面が正方形または矩形の磁石ワイヤの場合、コイルに90度に折り曲げられて巻かれる際に、塑性変形が生じ、断面形状が台形となって絶縁テープを損傷することが述べられている。ここでは、導体の断面形状を、ワイヤ厚さと等しいかまたはそれよりも大きな曲率半径の両縁部とすることで、塑性変形をしても台形形状にならないことが述べられている。
特開平6−189482号公報 特開平6−44828号公報
コイル巻線の積み重ねの体積的効率について、例えば、スロットの体積空間に対するコイル巻線の導体部の占める体積の割合である占積率で示すものとすると、占積率を上げるには、コイル巻線の断面形状を矩形とし、その矩形の平坦な辺同士を接触するようにして隣接するコイル巻線を配置することが考えられる。この場合に、矩形断面の導体部の上に絶縁性皮膜部を形成する方法として、導体部の上に絶縁ワニスを塗布しその後焼付処理する方法、あるいは熱可塑性樹脂を用いて一旦流動体化して導体部の表面を覆ってその後固化する方法等をとると、流動体の表面張力によって、必ずしも矩形形状に一様な厚さに絶縁性皮膜部が形成されないことが生じる。このように絶縁性皮膜部が一様厚さでないと、導体部をせっかく矩形形状にしても、外形が矩形形状とならないので、これを例えばスロット内に積み重ねると、隣接するコイル巻線の間、コイル巻線とスロット内壁との間に隙間ができ、占積率が低下する。
本発明の目的は、導体部の上に絶縁性皮膜部を形成する構造において、占積率を向上させることができる絶縁性皮膜付導線及びこれを用いる回転電機を提供することである。
本発明に係る絶縁性皮膜付導線は、巻線枠に順次巻線されるコイル巻線用の絶縁性皮膜付導線であって、多角形状の基本断面形状を有する導体部と、導体部の上に設けられ熱可塑性樹脂で構成される絶縁性皮膜部と、を有し、導体部は、巻線されたときの隣接する導体部の間で、導体部の各側面の中心部分とこれに向かい合う隣接する導体部の各側面の中心部分の間の絶縁性皮膜部を挟む距離が最短となるように、基本断面形状の各辺が湾曲した断面形状を有することを特徴とする。
また、本発明に係る絶縁性皮膜付導線において、絶縁性皮膜部は、熱可塑性樹脂で形成されることが好ましい。
また、本発明に係る絶縁性皮膜付導線において、導体部の各辺のそれぞれの湾曲の大きさは、導体部の多角形状の角部における熱可塑性樹脂の厚さと、各辺における熱可塑性樹脂の厚さの相違に基づいて予め設定されることが好ましい。
また、本発明に係る絶縁性皮膜付導線において、導体部は、正方形または矩形形状の基本断面形状を有することが好ましい。
また、本発明に係る回転電機は、ロータ軸に取り付けられる回転子であるロータと、ロータの外周側に設けられ、コイル巻線用の絶縁性皮膜付導線を含む固定子であるステータと、を備え、絶縁性皮膜付導線は、多角形状の基本断面形状を有する導体部と、導体部の上に設けられ熱可塑性樹脂で構成される絶縁性皮膜部と、を有し、導体部は、巻線されたときの隣接する導体部の間で、導体部の各側面の中心部分とこれに向かい合う隣接する導体部の各側面の中心部分の間の絶縁性皮膜部を挟む距離が最短となるように、基本断面形状の各辺が湾曲した断面形状を有することを特徴とする。
上記構成により、絶縁性皮膜付導線の導体部は、巻線されたときの隣接する導体部の間で、導体部の各側面の中心部分とこれに向かい合う隣接する導体部の各側面の中心部分の間の絶縁性皮膜部を挟む距離が最短となるように、基本断面形状の各辺が湾曲した断面形状を有する。これによって、例えば、導体部の上の絶縁性皮膜部が形成されるときに、表面張力等で導体部断面形状の角部で厚く、辺部で薄くなる傾向を有したとしても、導体部の湾曲断面によって、コイル巻線としては外形的にはほぼ多角形形状となって、隣接するコイル巻線、スロット内壁とコイル巻線との間に空隙が生じることを抑制できる。
絶縁性皮膜付導線において、絶縁性皮膜部は、熱可塑性樹脂で形成されるとき、流動性によって、表面張力等で導体部断面形状の角部で厚く、辺部で薄くなる傾向を有するが、導体部の湾曲断面によって、コイル巻線としては外形的にはほぼ多角形形状となって、隣接するコイル巻線、スロット内壁とコイル巻線との間に空隙が生じることを抑制できる。
また、絶縁性皮膜付導線において、導体部の各辺のそれぞれの湾曲の大きさは、導体部の多角形状の角部における熱可塑性樹脂の厚さと、各辺における熱可塑性樹脂の厚さの相違に基づいて予め設定されるので、隣接するコイル巻線、スロット内壁とコイル巻線との間に隙間が生じることを効果的に抑制できる。
また、絶縁性皮膜付導線において、導体部は、正方形または矩形形状の基本断面形状を有するので、例えば、スロット内の占積率を向上させることができる。
本発明に係る実施の形態のコイル巻線用絶縁皮膜付導線が用いられる回転電機の様子を示す図である。 図1における固定子を抜き出して示す図である。 図2におけるA部を内径側から見た様子を示す図である。 図3のS−S線に沿った断面の様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態のコイル巻線の断面形状を示す図である。 比較として、導体部が矩形形状のコイル巻線の断面形状を示す図である。
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、回転電機として、永久磁石型ロータとステータ巻線を有するステータとの組み合わせを説明するが、ロータは永久磁石型以外の形式でもよく、例えば、リラクタンス型ロータであってもよい。また、以下では、ロータコアもステータコアも電磁鋼板を積層して形成されたものを説明するが、電磁鋼板以外の材料であってもよく、例えば、粉末成形等で形成されるものであってもよい。
以下では、絶縁性皮膜部は、導体部の上に熱可塑性樹脂で形成されるものとして説明するが、熱可塑性樹脂を複数層で構成されるものとしてもよく、また、導体部と熱可塑性樹脂との間にエナメル層等の中間層を設けるものとしてもよく、熱可塑性樹脂の表面に接着層を設けるものとしてもよい。
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
図1は、回転電機10の構成を示す図である。回転電機10は三相同期型であって、モータケース12に出力軸であるロータ軸14が支持され、ロータ軸14に回転子であるロータ20が固定され、ロータ20の外周側に固定子であるステータ30が配置される。
ロータ20は、上記のようにロータ軸14に固定された回転子で、電磁鋼板を積層して形成されるロータコア22と、ロータコア22に埋め込み型で配置される複数の永久磁石24を含んで構成される。なお、永久磁石24は、ロータコア22に埋め込まずに、ステータ30に直接向かい合うように配置されてもよい。
ステータ30は、ロータ20に対し回転磁界を与える機能を有し、この回転磁界とロータ20の永久磁石24との電磁的協働作用によって、ロータ20に回転エネルギを与える固定子である。ステータ30は、電磁鋼板を積層して形成されるステータコア32と、ステータコアに巻回される巻線部とで構成される。
ステータコア32は、円環状の部材で、内周側に、周方向に沿って複数のティースと呼ばれる突出部が配置される。巻線部は、ステータコア32の隣接するティースの間のスロットと呼ばれる空間にコイル巻線を挿入し、ティースに所定の方式でこのコイル巻線を巻回するスロット巻線と、巻回が終るとそのスロットからステータコア32の外に引き出されるコイルエンド部とを含んで構成される。図1では、ステータコア32の内部にスロット巻線が隠れているので、コイルエンド部34のみが図示されている。
図2は、図1のステータ30の部分を抜き出して斜視図で示す図である。ここでは、ステータコア32の内周側に複数のティース36が示され、隣接するティース36の間の隙間空間であるスロット38が僅かに示され、スロット38からステータコア32の軸方向の両側に引き出されたコイル巻線がコイルエンド部34を形成する様子が示される。
図3は、図2のA部を内径側から見た様子を示す図、図4は、図3のS−S線に沿った断面の様子を示す図である。図3では、ステータコア32がティース36として示され、スロット38がその中に配置される絶縁シート40が見える様子が示される。図4に示されるように、この絶縁シートの中のコイル巻線50の部分が、スロット巻線33に相当するである。図3では、ステータコア32の上部側および下部側のコイルエンド部34のそれぞれにおいて、2つのコイル巻線50が重なりあう様子が示されている。
ステータコア32のスロット38内では、図4に示されるように、1本のコイル巻線50が順次積み重ねられて挿入される。つまり、回転電機10の三相の同じ相のコイル巻線50が隣接して積み重ねられて配置される。1本のコイル巻線50は、銅線等で構成される導体部52と、その上に、ポリアミド(PA)等の熱可塑性樹脂から構成される絶縁性皮膜部54を有する。
導体部52の材質は、銅以外の良導体金属であってもよい。絶縁性皮膜部54の材質は、ポリアミド以外のものを用いることができる。例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエステル(PE)、ポリイミド(PI)、ポリアセタール(POM)等を用いることができる。導体部52の上に絶縁性皮膜部54を形成する方法としては、熱可塑性樹脂と溶剤の混合物である絶縁ワニスを導体部52の上に塗布し、適当な焼付炉で焼付する方法を用いることができる。
導体部52は、矩形形状の基本断面形状を有し、その矩形形状の各辺が外側に湾曲した断面形状を有する。この各辺が外側に湾曲した形状は、絶縁性皮膜部54を形成するときに絶縁ワニスの表面張力によってその膜厚が角部で厚く、辺部で薄くなることを考慮して設定される。
導体部52の断面の湾曲形状の設定について、図5、図6を用いて説明する。図5は、矩形を基本断面形状としてその各辺が外側に湾曲する形状を有する導体部52に、絶縁性皮膜部54を形成したコイル巻線50の断面図である。図6は、比較のための図で、矩形断面形状を有する導体部62に絶縁性皮膜部64を形成したコイル巻線60の断面図である。
上記のように、熱可塑性樹脂を含む絶縁ワニスを導体部52,62に塗布して、絶縁性皮膜部54,64を形成する方法では、流動体である絶縁ワニスの表面張力で、導体部52,62の角部の膜厚が厚くなり、その分、隣接する角部の間の部分である辺部のところで膜厚が薄くなる。このことから、導体部62が矩形断面形状を有する図6の場合には、コイル巻線60の全体断面図としては、矩形形状ではなく、角部が張り出し、その分、各辺のところにくぼみ66,68ができる。
このコイル巻線60に他のコイル巻線を積み重ねると、この張り出した角部同士で接触することになる。図6で、張り出した角部の外側を結ぶ包絡線を破線で示したが、この包絡線で囲まれた矩形形状が、コイル巻線60の占有断面積に相当する。図6では、くぼみ66,68の部分が包絡線形状との間の隙間となって、占積率は、くぼみ66,68の分、低い値となる。
図5では、図6で説明した絶縁ワニスの流動性と表面張力を考慮し、導体部52の基本断面形状を矩形としながら、その各辺が外側に湾曲する形状を有するものとしている。具体的には、矩形形状の長辺に曲率半径R1の湾曲を付し、短辺に曲率半径R2の湾曲を付す。曲率半径R1,R2の大きさは、導体部52の角部における絶縁性皮膜部54の厚さと、各辺における絶縁性皮膜部の厚さが同じとなるように、絶縁ワニスの表面張力を考慮して設定される。
このように曲率半径R1,R2の大きさを設定することで、コイル巻線50の断面における外形の包絡線で囲まれる矩形形状と、コイル巻線50の外形との間にくぼみ56,58による隙間がほとんど生じないようにできる。換言すれば、このコイル巻線60に他のコイル巻線を積み重ねるとき、隣接する導体部との間で、導体部の各側面の中心部分とこれに向かい合う隣接する導体部の各側面の中心部分の間の絶縁性皮膜部を挟む距離Lを最短とするように、曲率半径R1,R2の大きさが設定される。これによって、例えばスロット38にコイル巻線50を積み重ねて挿入したときに、図6で説明したコイル巻線60に比べて、占積率が格段に向上する。
なお、上記では、導体部52の基本断面形状を矩形として説明したが、基本断面形状が多角形の場合でも、その角部と各辺部の間で同様の膜厚差が生じるので、各辺を外側に湾曲させた断面形状とすることがよい。また、上記において、絶縁ワニスを用いて絶縁性皮膜部を形成するものとして説明したが、その他の形成方法であっても、熱可塑性樹脂、あるいはこれを含む混合物が流動性を有している場合にも、同様に、各辺を外側に湾曲させた断面形状とすることができる。
本発明に係る絶縁性皮膜付導線は、回転電機の固定子巻線等に利用できる。
10 回転電機、12 モータケース、14 ロータ軸、20 ロータ、22 ロータコア、24 永久磁石、30 ステータ、32 ステータコア、33 スロット巻線、34 コイルエンド部、36 ティース、38 スロット、40 絶縁シート、50,60 コイル巻線、52 導体部、52,62 導体部、54,64 絶縁性皮膜部、56,58 くぼみ。

Claims (5)

  1. 巻線枠に順次巻線されるコイル巻線用の絶縁性皮膜付導線であって、
    多角形状の基本断面形状を有する導体部と、
    導体部の上に設けられ熱可塑性樹脂で構成される絶縁性皮膜部と、
    を有し、
    導体部は、巻線されたときの隣接する導体部の間で、導体部の各側面の中心部分とこれに向かい合う隣接する導体部の各側面の中心部分の間の絶縁性皮膜部を挟む距離が最短となるように、基本断面形状の各辺が湾曲した断面形状を有することを特徴とする絶縁性皮膜付導線。
  2. 請求項1に記載の絶縁性皮膜付導線において、
    絶縁性皮膜部は、熱可塑性樹脂で形成されることを特徴とする絶縁性皮膜付導線。
  3. 請求項2に記載の絶縁性皮膜付導線において、
    導体部の各辺のそれぞれの湾曲の大きさは、導体部の多角形状の角部における絶縁性皮膜部の厚さと、各辺における絶縁性皮膜部の厚さの相違に基づいて予め設定されることを特徴とする絶縁性皮膜付導線。
  4. 請求項3に記載の絶縁性皮膜付導線において、
    導体部は、正方形または矩形形状の基本断面形状を有することを特徴とする絶縁性皮膜付導線。
  5. ロータ軸に取り付けられる回転子であるロータと、
    ロータの外周側に設けられ、コイル巻線用の絶縁性皮膜付導線を含む固定子であるステータと、
    を備え、
    絶縁性皮膜付導線は、
    多角形状の基本断面形状を有する導体部と、
    導体部の上に設けられ熱可塑性樹脂で構成される絶縁性皮膜部と、
    を有し、
    導体部は、巻線されたときの隣接する導体部の間で、導体部の各側面の中心部分とこれに向かい合う隣接する導体部の各側面の中心部分の間の絶縁性皮膜部を挟む距離が最短となるように、基本断面形状の各辺が湾曲した断面形状を有することを特徴とする回転電機。
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