JP2013051750A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】セグメントコイル導線を曲げ加工して構成されるコイルの曲げ加工精度を向上させることができる絶縁紙を備えた回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、複数のコイル導線１００がステータコア２８に形成されたスロット３８内に挿入されてから曲げ加工されて連結されることによってステータコア２８に巻装されるコイルと、スロット３８の内壁とコイル導線１００との間に介在されて両者を絶縁する絶縁紙５０とを備える。絶縁紙５０は、スロット３８の軸方向外側にそれぞれ突出する両端部５８，６０を有し、コイル導線１００の挿入側の一方端部５８のみにステータコア２８の軸方向端面に係合可能な折り返し部６２が形成されており、他方端部６０は１枚分の厚みの絶縁紙部分からなる。
【選択図】図８

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、磁性コアのスロットに挿入されたコイル導線と前記スロットの内壁との間に絶縁紙が介在されている回転電機に関する。

従来、回転電機のステータにおいて、ステータコアのスロット内に挿入されたコイルとステータコアとを絶縁するための絶縁紙を備えたものが知られている。

例えば、特開２００８−２８９２８４号公報（特許文献１）には、平板を積層して形成されるスタータコアと、ステータコアに設けられたスロット部に挿入されるコイルとを備えた電動機に用いられ、ステータコアとコイルとを絶縁する絶縁紙であって、絶縁紙とコイルとの間にはコイルを固着する固着材が充填されるものが開示されている。この絶縁紙は、ステータコアにおけるスロット部の内壁に沿って形成され、コイルを内周側に備える筒状の本体部と、本体部に接続され、スロット部から突出し、スロット部から離れるほどスロット部の内壁より本体部の外周側に広がるように傾斜する傾斜面とを含むことが記載されている。これにより、コイルと絶縁紙との間に固着材を充填する際に、固着材が絶縁紙とステータコアとの間に流れ込むことを抑制できる、とされている。

また、特開２００９−３８９１８号公報（特許文献２）には、ティース部を有するステータコアと、ティース部に巻回されるステータコイルと、ティース部とステータコイルとの間に設けられる絶縁紙と、ティース部の軸方向端部に設けられ、ティース部にステータコイルが巻回されることにより変形可能であるとともに絶縁紙よりも柔らかい軟質部分とを備えたステータが開示されている。これにより、ステータコイルを構成するセグメントコイル導線を曲げ加工する際にティース部とセグメントコイル導線との間に絶縁紙が挟みこまれることによる損傷を抑制することができる、と記載されている。

特開２００８−２８９２８４号公報 特開２００９−３８９１８号公報

上記特許文献２に記載されるように、複数のセグメントコイル導線をスロット内に挿入してから曲げ加工を施した後に各セグメントコイル導線の端部同士を溶接等によって接続することによりステータコイルが形成されるステータを備えた回転電機では、曲げ冶具を用いてステータコアの端部から突出したセグメントコイル導線の脚部を曲げ加工するとき、例えば特許文献１に記載されるようにスロットから突出した絶縁紙の端部が複数枚分の紙厚が重なって分厚くなると、曲げ冶具を上記脚部へ近接して配置しにくくなり曲げ加工の精度が悪くなるという問題がある。特に、軸方向端部においてステータコアの端面から突出するコイルエンド部がこのように曲げ加工された多数のセグメントコイル導線の脚部によって構成される場合、曲げ加工精度の悪化の積み重なりによってコイルエンド部の軸方向寸法が増加し、ステータが大型化することにつながる。

本発明の目的は、セグメントコイル導線を曲げ加工して構成されるコイルの曲げ加工精度を向上させることができる絶縁紙を備えた回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、複数のコイル導線が磁性コアに形成されたスロット内に挿入されてから曲げ加工されて連結されることによって前記磁性コアに巻装されるコイルと、前記スロットの内壁と前記コイル導線との間に介在されて両者を絶縁する絶縁紙とを備える回転電機であって、前記絶縁紙は、前記スロットの軸方向外側にそれぞれ突出する両端部を有し、これらの端部のうち前記スロットへの前記コイル導線の挿入側の一方端部のみに前記磁性コアの軸方向端面に係合可能な折り返し部が形成されており、前記絶縁紙の他方端部は１枚分の厚みの絶縁紙部分からなるものである。

本発明に係る回転電機では、スロットの軸方向外側にそれぞれ突出する絶縁紙の両端部のうち、一方端部に折り返し部が形成され、他方端部は１枚分の厚みの絶縁紙部分からなるものとしたので、コイル導線の脚部を曲げ冶具を用いて曲げ加工するときに曲げ冶具をコイル導線の脚部に最接近させた状態で曲げ加工を施すことができる。これにより、コイル導線の曲げ加工を精度良く行なうことができ、コイルエンド部ひいてはステータの大型化を抑制することができる。

また、本発明に係る回転電機では、絶縁紙の一方端部に形成された折返し部の先端が磁性コアの端面に係合することで、絶縁紙の軸方向位置決めを容易に行うことができ、前記折返し部が形成された側から絶縁紙内側にコイル導線を挿入する際に絶縁紙が軸方向にずれるのを効果的に抑制することができる。

本発明の一実施の形態で回転電機の軸方向断面図である。 図１に示すＡ−Ａ線におけるステータコアの断面図である。 ステータにおける１つのスロットを拡大して示す断面図である。 本実施形態における絶縁紙の斜視図である。 コイルを構成する単位である１つのセグメントコイル導線の斜視図である。 スロットに絶縁紙が挿入される様子を、ステータコアの内周側から見た状態で示す図である。 スロット内に配置された絶縁紙の内側にセグメントコイル導線が挿入される様子を、ステータコアの内周側から見た状態で示す図である。 スロット内に挿入されたセグメントコイル導線の脚部が曲げ冶具を用いて曲げ加工を施すときの様子を、ステータコアの内周側から見た状態で示す図である。 図８におけるＢ部の拡大図である。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機１０の側断面図である。図１に示すように、回転電機１０は、回転軸Ｘを中心に回転可能に設けられた回転シャフト１２に固設されたロータ１４と、このロータ１４の周囲に設けられた筒状のステータ１６とを備えている。

ロータ１４は、複数の電磁鋼板を積層して形成された円柱状のロータコア１８と、このロータコア１８の外周縁部側に形成され、回転軸Ｘ方向に延びる永久磁石挿入孔２０内に挿入された複数の永久磁石２２と、ロータコア１８を軸方向両側から挟持するエンドプレート２４とを備えている。そして、永久磁石２２は、樹脂２６によって永久磁石挿入孔２０内に固定されている。なお、ロータは、永久磁石を備えていない例えば突極形のロータであってもよい。

ステータ１６は、ロータ１４の周囲を取り囲むように略円筒状に形成されたステータコア２８と、このステータコア２８に装着されたコイル３０とを備えている。ステータコア２８は、円筒状のケース３２の内周面上に固定されている。ステータコア２８は、円環状に打ち抜き加工された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して例えばカシメ等により一体に連結されて構成される。ただし、これに限定されるものではなく、ステータコア２８は、鋼板積層体または圧粉磁心からなる複数の分割コアを円環状に配列して、上記ケース３２により一体に固定してなるものであってもよい。

図２は、図１に示すＡ−Ａ線におけるステータコア２８の断面図である。図２に示すように、ステータコア２８は、ステータコア２８の周方向に延びる環状のヨーク部３４と、このヨーク部３４の内周面からロータ１４に向けて径方向内方へ突出し、周方向に間隔をあけて設けられたティース部３６とを備えている。そして、各ティース部３６間には、ステータコア２８の径方向に延びるスロット３８が形成されている。スロット３８も、ティース部３６と同様に、周方向に間隔を置いて形成されるとともに、ステータコア２８の軸方向にわたって延びている。

図３は、ステータ１６における１つのスロット３８を拡大して示す断面図である。図４は、スロット３８内に配置される絶縁紙５０の斜視図である。スロット３８は、ステータコア２８の内周面に向けて開口している。このスロット３８の径方向内方側の開口部４０は、周方向に隣り合うティース部３６の径方向内方側の端面によって規定されている。

ここで、ティース部３６は、ヨーク部３４の内周面からステータコア２８の径方向に向けて突出する本体部４２と、この本体部４２の径方向内方側端部に形成され、ステータコア２８の周方向に張り出した張出部４４，４５とを備えている。これにより、径方向内方側の開口部４０は、両側の張出部４４，４５間に規定され、開口部４０よりも径方向外側のスロット３８の幅ｗよりも狭く形成されている。なお、本実施形態では、スロット３８は、開口部４０を除いて、周方向の幅ｗが径方向にわたって一定に形成されている。

スロット３８の内表面は、最も径方向外方側に位置する内周面３８１と、この内周面３８１に連設して、ティース部３６の本体部４２の側面によって規定された側壁面３８２と、側壁面３８２と周方向に対向する側壁面３８３と、径方向内方側において側壁面３８２に連設された前壁面３８４と、径方向内方側において側壁面３８３に連設された前壁面３８５とを備えている。ここで、前壁面３８４は張出部４４の背面によって規定されており、前壁面３８５は張出部４５の背面によって規定されている。

このように形成されたスロット３８には、スロット３８の内表面に沿って配設された絶縁紙５０が挿入されている。絶縁紙５０は、図３および図４に示すように、１枚の絶縁シートが略コ字状に折り曲げ加工されて形成されている。絶縁シートには、例えば樹脂製のシートまたはフィルムを好適に用いられるが、ステータコア２８とコイル３０との電気絶縁性を確保でき且つ折り曲げ加工が容易な可撓性を有していれば例えば不織布等の他の薄い材料が用いられてもよい。また、絶縁紙５０は、一層構造のものに限定されず、基材層上に接着層等が積層された複数層構造のものであってもよい。

絶縁紙５０は、側壁面３８２に沿って延びる側面絶縁部５２と、側壁面３８３に沿って延びる側面絶縁部５４と、側面絶縁部５２および側面絶縁部５４の各端部を径方向外方側において接続する外周絶縁部５６とを有する。ここで、絶縁紙５０において、側面絶縁部５２，５４の長手方向（すなわち径方向）の長さは、スロット３８の側壁面３８２，３８３とほぼ同じ径方向長さに形成されている。これにより、側面絶縁部５２，５４の各内周側端部は、開口部４０に臨んで開いた状態で対向している。

このように絶縁紙５０が挿入されたスロット３８内には、コイル３０が挿入されている。コイル３０は、絶縁紙５０によってステータコア２８と絶縁された状態で配置されている。コイル３０は、断面が略四角形をなす角線からなるコイル素線６８によって構成され、１つのスロット３８内で複数（本実施形態では１０本）のコイル素線６８が一列に並んで配置されている。このように角線をスロット３８にほぼ隙間なく配列することで、スロット３８内に占めるコイル素線の体積比である占積率が高くなり、回転電機１０の出力効率が向上する。

本実施形態のコイル素線６８には、長方形状断面の平角線が用いられるが、略正方形状断面を有する角線が用いられてもよいし、あるいは、円形断面の導線が用いられてもよい。また、コイル素線６８の周方向の幅は、スロット幅ｗから側面絶縁部５２，５４の厚みを減じた値よりも若干小さく設定されている。すなわち、スロット３８に配置された絶縁紙５０内にコイル素線６８が軸方向から挿入されるときに、コイル素線６８が絶縁紙５０の内面とできるだけ接触しないようにして挿入可能にするためである。さらに、最内周部に位置するコイル素線６８の径方向内方の側面とティース部３６の径方向内方側の端面との間に予め定められた距離ｄが確保されるようにするのが好ましい。これにより、ロータ１４からコイル３０への鎖交磁束量を減少させてコイル銅渦損の発生を抑制することができ、回転電機１０の出力効率を向上させることができる。

図５に示すように、絶縁紙５０は、ステータコア２８よりも長い軸方向長さを有しており、スロット３８内に軸方向から挿入および配置されたときステータコア２８の軸方向端面から外側へそれぞれ突出することとなる２つの端部５８，６０を有している。絶縁紙５０の一方の端部５８には、折り返し部６２が形成されている。これに対し、絶縁紙５０の他方の端部には、折り返し部が形成されておらず、１枚分の厚みの絶縁紙部分からなっている。絶縁紙５０の折り返し部６２は、絶縁シートの端部を一定幅で折り曲げて形成されており、スロット３８に挿入配置されたときに先端６３がステータコア２８の軸方向端面に係合することによって絶縁紙５０の軸方向位置を正確に決める機能を有する。

図４において、絶縁紙５０の一方端部５８の軸方向長さＬｕが折り返し部６２の長さにほぼ相当する。また、絶縁紙５０においてスロット３８内に配置されるスロット内部分の軸方向長さＬｓが、ステータコア２８の軸方向長さに相当する。さらに、絶縁紙５０の他方端部６０の長さＬｕは、一方端部５８の長さＬｔと同じであってもよいし、あるいは、長さＬｔよりも短く形成されてもよい。このように他方端部６０の長さを比較的短くすることにより、絶縁紙５０の使用量を低減でき、コスト削減を図れる。

本実施形態に係る回転電機１０は、三相交流電力が供給されており、コイル３０は、Ｕ相コイルと、Ｖ相コイルと、Ｗ相コイルとを備えている。これらの三相コイルは、例えば、周方向に４８個並んで形成されているスロット３８において、それぞれ１６個のスロット３８に各相コイルが収容されている。この場合、周方向に沿って各スロット３８内にＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを順次に配置してもよいし、あるいは、隣接する２つずつのスロット３８内に同相コイルを挿入して周方向に順次に各相コイルを配置してもよい。

図５は、コイル３０を構成するコイル素線６８の単位となるセグメントコイル導線１００を示す斜視図である。セグメントコイル導線１００は、断面矩形状の平角線を略Ｕ字形に曲げて形成されており、互いに平行に延びた２本の脚部１０２，１０４と、各脚部１０２，１０４の基端部に連続する連続部１０６とを備えている。脚部１０２，１０４の先端部は、それぞれ、絶縁被覆が除去されることによって例えば銅製の芯材１０８が露出している。上記各脚部１０２，１０４の中間部分１０２ａ，１０４ａがスロット３８内に配置されるコイル素線６８を構成する。

このような形状のセグメントコイル導線１００の脚部１０２，１０４が周方向に離間した２つのスロット３８内に挿入されている絶縁紙５０の内側にステータコア２８の軸方向一端側から挿入される。そして、複数のセグメントコイル導線１００が同じようにして２つのスロット３８に順次に挿入されて径方向に配列されることにより、スロット３８内にコイル素線６８が整列して挿入された状態とされる。このとき、各脚部１０２，１０４の先端部分は、ステータコア２８の軸方向他端面から突出している。

そして、セグメントコイル導線１００の脚部１０２，１０４の先端部分は、ステータコア２８の軸方向他端側において、図５中に破線１１０で示すように外側へ曲げられて周方向に隣接する同相コイルの別のセグメントコイル導線１００の脚部１０２または１０４と芯材１０８同士が溶接されて接続されるか、又は、図５中に一点鎖線１１２で示すように内側へ曲げられて径方向の内方および外方にそれぞれ隣接する別のセグメントコイル導線１００の脚部１０２または１０４と芯材１０８同士が溶接されて接続されるか、又は、一方の脚部１０２が外側へ曲げられる一方で他方の脚部１０４が内側へ曲げられて周方向または径方向に隣接する別のセグメントコイル導線１００と芯材１０８同士が溶接されて接続される。

このようにしてスロット３８に配置されたセグメントコイル導線１００が順次に電気接続されることによりＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルが構成される。そして、各相コイルの一端部が回転電機１０の三相交流電力の入力端子にそれぞれ接続され、各相コイルの他端部が中性点において共通接続される。

次に、図６〜図９を参照して、ステータコア２８に対する絶縁紙５０の挿入配置、ならびに、セグメントコイル導線１００の挿入および曲げ加工について説明する。

図６は、スロット３８に絶縁紙５０が挿入される様子を、ステータコア２８の内周側から見た状態で示す図である。図７は、スロット３８内に配置された絶縁紙５０の内側にセグメントコイル導線１００が挿入される様子を、ステータコア２８の内周側から見た状態で示す図である。図８は、スロット３８内に挿入されたセグメントコイル導線１００の脚部１０２が曲げ冶具７０を用いて曲げ加工を施すときの様子を、ステータコア２８の内周側から見た状態で示す図である。図９は、図８におけるＢ部の拡大図である。なお、図６〜９において、スロット３８内を見易くするためにティース部３６の張出部４４，４５の図示が省略されている。

図６（図７〜９も同様）において、ステータコア２８は、軸方向が上下方向に沿って配置されている。この状態で、絶縁紙５０がステータコア２８の下側からスロット３８に挿入される。このとき、絶縁紙５０は、折り返し部６２が設けられていない側の他方端部６０からスロット３８の軸方向開口部から挿入される。

そして、図７に示すように、絶縁紙５０がスロット３８に挿入されると、絶縁紙５０の一方端部５８に設けられた折り返し部６２の先端６３がティース部３６の下端面、すなわちステータコア２８の下端面に当接する。これにより、絶縁紙５０のステータコア２８に対する軸方向位置が正確に位置決めされる。このとき、絶縁紙５０の他方端部６０は、ステータコア２８の上端面から所定長さだけ突出した状態となっている。このようにして絶縁紙５０のスロット３８内への挿入および配置が終了する。

続いて、セグメントコイル導線１００の脚部１０２，１０４（ここでは一方の脚部１０２のみ図示）が、スロット３８に配置された絶縁紙５０の内側に下方から軸方向に沿って上方へと挿入される。このとき、セグメントコイル導線１００のステータコア２８に対する軸方向位置は、図示しない位置決め用の冶具または装置によって正確に決められる。あるいは、セグメントコイル導線１００の連続部１０６が絶縁紙５０の一方端部５８に当接することによってステータコア２８に対するセグメントコイル導線１００の軸方向位置が決められてもよい。

セグメントコイル導線１００の挿入時に脚部１０２が絶縁紙５０の内面に接触することがあっても、絶縁紙５０の折り返し部６２がステータコア２８の下端面に係合していることにより、絶縁紙５０の軸方向位置がずれるのを効果的に抑制することができる。

セグメントコイル導線１００の脚部１０２の絶縁紙５０内側への挿入および配置が完了すると、次に、図８に示すように、ステータコア２８の上端面から突出した脚部１０２，１０４の先端部に曲げ加工を施す。このとき、ステータコア２８の上端面の上に曲げ冶具７０が載置される。曲げ冶具７０は、上面に略円弧状の湾曲面を有するとともに、径方向に沿ってスロット３８以上の所定長さを有している。

上記のような曲げ冶具７０を用いてセグメントコイル導線１００の脚部１０２を曲げ加工するとき、曲げ冶具７０は、セグメントコイル導線１００の脚部１０２の先端部にできるだけ近接した状態に配置して、脚部１０２の先端を矢印Ｃ方向に曲げるのが好ましい。

しかし、スロット３８から突出した絶縁紙５０の上端部に折り曲げ部が形成されていると、その分、複数枚分の絶縁紙厚みが重なって分厚くなるために曲げ冶具７０を上記脚部１０２へ近接して配置しにくくなり曲げ加工の精度が悪くなる。特に、軸方向端部においてステータコア２８の上端面から突出するコイルエンド部がこのように曲げ加工された多数のセグメントコイル導線１００の脚部１０２，１０４によって構成される場合、曲げ加工精度の悪化の積み重なりによってコイルエンド部の軸方向寸法が増加し、ステータ１６が大型化することにつながる。

これに対し、本実施形態では、ステータコア２８の上端面から突出した絶縁紙５０の他方端部６０は、１枚分の厚みの絶縁紙部分からなるものとしてある。したがって、図９に示すように、１枚分の絶縁紙部分からなる他方端部６０を挟んだ状態で曲げ冶具７０を脚部１０２に最接近させた状態で配置することができる。これにより、セグメントコイル導線１００の脚部１０２，１０４の曲げ位置および曲げ形状を正確に規定することが可能になって精度良く曲げ加工することができ、コイル３０のコイルエンド部ひいてはステータ１６の大型化を抑制することができる。なお、セグメントコイル導線１００の曲げ加工においては、脚部１０２，１０４に捻りも加えながら曲げ加工を施してもよい。

また、径方向内方側が閉じた筒状の絶縁紙を用いた場合にはセグメントコイル導線１００の脚部１０２，１０４の曲げ加工に伴う引っ張り力が作用することによって絶縁紙の径方向内方側部分が破損するおそれがあるが、本実施形態における絶縁紙５０は、径方向内方側が開放されているためセグメントコイル導線１００の曲げ加工時に側面絶縁部５２，５４が破損することがなく、コイル３０に対する絶縁性能を維持および確保することができる。

上記のようにしてスロット３８に配置された全てのセグメントコイル導線１００の脚部１０２，１０４について曲げ加工が施された後、脚部１０２，１０４の先端に露出した芯材１０８同士が溶接されてコイル３０が形成される。これにより、ステータコア２８に対するコイル３０の巻装が完了する。

なお、本発明に係る回転電気は、上記実施形態で説明した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項およびその均等な範囲内において種々の変形や改良がなされてもよいことは勿論である。
例えば、上記においてはコイルが巻装される磁性コアがステータコアである例について説明したが、磁性コアであるロータコアにコイルが巻装される場合にも本発明は適用可能である。

１０ 回転電機、１２ 回転シャフト、１４ ロータ、１６ ステータ、１８ ロータコア、２０ 永久磁石挿入孔、２２ 永久磁石、２４ エンドプレート、２６ 樹脂、２８ ステータコア、３０ コイル、３２ ケース、３４ ヨーク部、３６ ティース部、３８ スロット、４０ 開口部、４２ 本体部、４４，４５ 張出部、５０ 絶縁紙、５２，５４ 側面絶縁部、５６ 外周絶縁部、５８ 一方端部、６０ 他方端部、６２ 折り返し部、６３ 先端、６８ コイル素線、７０ 曲げ冶具、１００ セグメントコイル導線、１０２，１０４ 脚部、１０２ａ，１０４ａ 中間部分、１０６ 連続部、１０８ 芯材、３８１ 内周面、３８２，３８３ 側壁面、３８４，３８５ 前壁面、ｄ 距離、ｗ スロット幅、Ｘ 回転軸。

Claims (1)

1. 複数のコイル導線が磁性コアに形成されたスロット内に挿入されてから曲げ加工されて連結されることによって前記磁性コアに巻装されるコイルと、前記スロットの内壁と前記コイル導線との間に介在されて両者を絶縁する絶縁紙とを備える回転電機であって、
   前記絶縁紙は、前記スロットの軸方向外側にそれぞれ突出する両端部を有し、これらの端部のうち前記スロットへの前記コイル導線の挿入側の一方端部のみに前記磁性コアの軸方向端面に係合可能な折り返し部が形成されており、前記絶縁紙の他方端部は１枚分の厚みの絶縁紙部分からなる、回転電機。

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