JP2014100040A - 回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性の優れた回転電機の固定子を提供する。
【解決手段】
複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、スロットに設けられた固定子コイルとを有し、各々のスロットにＮ本（ただし、Ｎは正の偶数）のセグメント導体２８が設けられ、固定子コイルは、各々のセグメント導体の導体端部２８Ｅに設けられた溶接部を介して、複数のセグメント導体が接続されて構成され、導体端部は、軸方向一方のコイルエンド６２で周方向に環状に配列され、Ｎ列の環状列を構成し、軸方向一方のコイルエンドで、少なくとも一対の環状列の間に、絶縁部材が環状に介在し、固定子コイルの全体が平均粒径３乃至７μｍの無機フィラを５乃至４０ｗｔ％含む樹脂６０１のみでほぼ均一に覆われるように回転電機の固定子を構成する。
【選択図】図７

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、ターン部が形成された第１コイルエンド群と先端部を接合してなる複数の接合部が配置された第２のコイルエンド群に、薄く第１樹脂部材を付着させ、第２コイルエンド群の接合部近傍のみに厚く第２樹脂部材が付着され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）。

また、接合部に用いる第２樹脂部材の材料を規定した電気機器もある（例えば、特許文献２参照）。

特許第３７７０２６３号公報 特開２０１２−９０４３３号公報

特許文献１の技術では、２種類の樹脂部材を用いる必要があり、また、第２コイルエンド群の接合部近傍のみに厚く第２樹脂部材を付着させている。絶縁設計上は、コイルエンドの樹脂部材の厚さはほぼ均一で良く、接合部近傍のみ厚くする必然性は無い。２種類の樹脂部材を用いることで、樹脂部材の付着、乾燥のため２重の生産設備が必要となり、また、接合部のみ厚くする事により絶縁耐圧上必要な樹脂部材以上に材料が必要となるといった課題があった。

特許文献２の技術は、特許文献１などで用いられている第２の樹脂部材（粉体エポキシ系ワニス）の代替となるもので、接合部に液状樹脂を用いることで粉塵を防止している。しかし、接合部のみを対象としており、また、２種類の樹脂部材を用いることが前提となっていることから、上記の課題は残されている。

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、前記固定子コイルの全体が平均粒径３乃至７μｍの無機フィラを５乃至４０ｗｔ％含む樹脂のみでほぼ均一に覆われてい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。 ワニス塗布前の回転電機における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。 ワニス塗布前の回転電機における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。 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、スロットライナー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ー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、平均粒径３〜７μｍの無機フィラ（例えば炭酸カルシウム）を５〜４０ｗｔ％含むエポキシ系樹脂６０１のみでほぼ均一に覆う。

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。

溶接側コイルエンド６２と同様に、反溶接側コイルエンド６１においても、絶縁紙が配置された後、前記固定子コイルの全体をエポキシ系樹脂６０１のみでほぼ均一に覆う。ここで、エポキシ系樹脂６０１は溶接側コイルエンド６２を覆うものと同じ材質（平均粒径３〜７μｍの無機フィラ（例えば炭酸カルシウム）を５〜４０ｗｔ％含むエポキシ系樹脂）である。

図７は溶接側コイルエンド６２の、導体端部２８Ｅ付近を拡大した図である。セグメント導体２８は、エナメル被膜などの絶縁被膜で覆われた絶縁被覆部２９Ａ（図７中で網掛けで示した部分）と、絶縁被膜が剥離され、導体部分（銅線）が露出した導体露出部２９Ｂとを有する。導体露出部２９Ｂは導体端部２８Ｅに設けられる。この導体部分の露出は溶接のために行われる。さらに、絶縁被覆部２９Ａと導体露出部２９Ｂとを含むセグメント導体２８の全体が、３〜７μｍの無機フィラ（例えば炭酸カルシウム）を５〜４０ｗｔ％含むエポキシ系樹脂６０１のみでほぼ均一に覆われている。従来技術で用いられている第２の樹脂部材を用いておらず、また厚さも均一なので、樹脂部材の付着、乾燥のため２重の生産設備が不要となり、また、絶縁耐圧上必要な樹脂部材以上の材料が不要となる効果がある。さらに、図５に示した環状の絶縁紙３００，３０１を設けることで、エポキシ系樹脂６０１にボイド等が発生し、絶縁不良となる場合の対策が可能である。

図８は反溶接側コイルエンド６１の、反溶接側コイルエンド頂点２８Ｃ付近を拡大した図である。反溶接側コイルエンド６１では、セグメント導体２８の全周に渡って絶縁被覆部２９Ａが形成されている。さらに、絶縁被覆部２９Ａを覆うように、セグメント導体２８は平均粒径３〜７μｍの無機フィラ（例えば炭酸カルシウム）を５〜４０ｗｔ％含むエポキシ系樹脂６０１のみでほぼ均一に覆われている。従来技術で用いられている第２の樹脂部材を用いておらず、また厚さも均一なので、樹脂部材の付着、乾燥のため２重の生産設備が不要となり、また、絶縁耐圧上必要な樹脂部材以上の材料が不要となる効果がある。さらに、図６に示した環状の絶縁紙３０１を設けることで、エポキシ系樹脂６０１にボイド等が発生し、絶縁不良となる場合の対策が可能である。

本構成により、前記固定子コイルの全体を、平均粒径３〜７μｍの無機フィラ（例えば炭酸カルシウム）を５〜４０ｗｔ％含むエポキシ系樹脂６０１のみでほぼ均一に覆い、固定子コイルの溶接部を第２の樹脂部材が覆っており、かつ、絶縁強化のための環状絶縁樹脂３００、３０１を配置する事により、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。

上記において、絶縁被膜を形成するために用いる樹脂は、耐熱性の観点から、エポキシ樹脂とした。エポキシ樹脂は、樹脂を溶剤に希釈した溶剤型、及び溶剤による希釈を行っていない無溶剤型のいずれも使用可能であるが、硬化時に、溶剤の揮発による膨れが生じない無溶剤型エポキシ樹脂がより好ましい。

無溶剤型エポキシ樹脂は、酸無水物硬化エポキシ樹脂、ジシアンジアミド硬化エポキシ樹脂、イミダゾール等の触媒による単独硬化エポキシ樹脂など、特に限定されるものではないが、硬化温度がより低温である点および入手が容易な点から、酸無水物硬化型エポキシ樹脂がより好ましい。

無溶剤型酸無水物硬化エポキシ樹脂の例としては、日立化成工業株式会社製ＫＥ−５７３Ｄ、京セラケミカル株式会社製ＴＶＢ２６４３、ソマール株式会社製Ｋ−８８４１、Ｅ−５３０等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。

添加する無機フィラは、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、タルク、炭酸カルシウムなど、特に限定されないが、安価である点から、炭酸カルシウムが好ましい。また、無機フィラは、樹脂に対する濡れ性向上の観点から、カルボン酸、シランカップリング剤などで表面処理されていることが望ましい。

無機フィラの粒径は、入手が容易である点、絶縁被膜形成に好ましい粘度を容易に得られる点、安価である点などから、平均粒径３〜７μｍが好ましい。

無機フィラとしての炭酸カルシウムの例としては、白石カルシウム株式会社製ホワイトン（登録商標）Ｂ、竹原化学工業株式会社製サンライトＳＬ−１００、ホワイトシールＷＳ−Ｋなどが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。無機フィラの添加量は、全体に薄く、均一に覆うことより５〜４０ｗｔ％が好ましいが、更に好ましい値を探索したところ２０〜３５ｗｔ％であることが分かった。

なお、エポキシ系樹脂６０１はほぼ均一に覆われることが望ましいが、絶縁紙３００、３０１との境界面やコイルの複雑な形状部位は不均一に付着する場合もある。ここで言うほぼ均一とは、従来技術（例えば特許文献１など）の様に意図的に厚くするものでは無いとの意味で用いている。

また、エポキシ系樹脂６０１のみでほぼ均一に覆われているとの説明における「のみ」は、エナメル被膜などの予め導体に形成されている絶縁被膜の存在を除外するものではない。ここで言う「のみ」とは、セグメント導体２８の成形後の絶縁強化のために付与される絶縁樹脂がエポキシ系樹脂６０１だけであり、従来技術における第２の樹脂部材を用いないという意味で用いている。

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絶縁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９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９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８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、冷却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 スロットライナー
４００ 冷却液通路
４０１ 冷却液溜まり
６０１ 樹脂部材
ＲＦ 冷媒

Claims (3)

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、
   前記固定子コイルの全体が平均粒径３乃至７μｍの無機フィラを５乃至４０ｗｔ％含む樹脂のみでほぼ均一に覆われてい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、
   前記樹脂が前記無機フィラを２０乃至３５ｗｔ％含むことを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機の固定子を備えた回転電機。