JP4716130B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、温度検出素子を設置した回転電機の固定子に関する。

電動機および発電機を兼ねているか、あるいは電動機または発電機として専用に使用される回転電機では、固定子の固定子巻線に電流が流れると、巻線に熱が発生し、固定子の温度が上昇する。固定子の温度が所定温度以上に上昇すると、例えば固定子を構成する部品の一部が熱により損傷する恐れがある。
そこで、特許文献１〜３のように、例えば温度検出素子を固定子に設置し、固定子の温度を検出することが公知である。固定子の温度が上昇し、温度検出素子の検出温度が所定温度に達すると、例えば、電動機では、固定子巻線に供給する電流を遮断し、固定子の温度上昇を防止する。

しかしながら、特許文献１では、樹脂材およびブッシングを介して感熱素子に固定子のコイルの熱が伝導するので、コイルの温度変化を検出する感熱素子の応答性が低くなる。その結果、感熱素子がコイルの温度を正確に検出できないという問題がある。
また、特許文献２のように、固定子の巻線の軸方向端部側に設置した端子台に温度過昇防止装置を設置する構成では、巻線に面している側の温度過昇防止装置は巻線の温度を検出するが、巻線に面していない側の温度過昇防止装置は巻線と反対側の温度を検出するので、温度過昇防止装置は巻線の温度を正確に検出できない。また、通常、端子台は樹脂材で形成されるので、温度過昇防止装置は端子台を介して巻線の温度を検出することになる。その結果、巻線の温度変化を検出する温度過昇防止装置の応答性が低くなる。その結果、温度過昇防止装置が巻線の温度を正確に検出できないという問題がある。

また、特許文献３では、コイルの各相の中性点側の端部を電気的に接続している中性点用ターミナル近傍の絶縁基板に凹部を形成し、この凹部に挿入されたサーミスタが絶縁基板を介してコイルの中性点の温度を検出している。その結果、コイルの温度変化を検出するサーミスタの応答性が低くなり、コイルの温度を正確に検出できないという問題がある。

実開平５−２５５３号公報 特開平１０−２１０６９７号公報 特開平１１−２３４９６４号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、固定子巻線の温度を高い応答性で高精度に検出する回転電機の固定子を提供することを目的とする。

請求項１から７に記載の発明では、固定子巻線の各相の中性点を電気的に接続する中性点端子に金属製の伝熱部が設けられ、この伝熱部が温度検出素子を覆っている。この構成によると、温度検出素子を覆う伝熱部から温度検出素子に伝導する温度が周方向にばらつくことを低減できる。さらに、固定子巻線および中性点端子の温度変化は、温度検出素子を覆う金属製の伝熱部を介して温度検出素子の周囲から温度検出素子に速やかに伝導される。これにより、温度検出素子に伝導する温度がばらつくことなく、温度検出素子は、固定子巻線の温度を高い応答性で高精度に検出できる。
また、伝熱部は中性点端子と同じ金属材で形成されているので、伝熱部と中性点端子との熱伝導率が等しくなる。これにより、温度検出素子は、中性点端子および伝熱部を介して固定子巻線の温度を高精度に検出できる。

請求項２に記載の発明では、伝熱部は筒状に形成されているので、温度検出素子のほぼ全周から、固定子巻線および中性点端子の温度変化が金属製の伝熱部を介して温度検出素子に伝導する。これにより、温度検出素子が検出する温度が温度検出素子の周方向でばらつくことを防止できる。

請求項３に記載の発明では、伝熱部は中性点端子と一部材で形成されているので、伝熱部および中性点端子の組付が容易になり、固定子の組付工数を低減できる。
請求項４から６に記載の発明では、中性点端子を支持または内蔵している樹脂製の端子台を組み付けることにより、中性点端子を容易に組み付けることができる。さらに、中性点端子が端子台に支持または内蔵されているので、中性点端子と固定子巻線との接続が容易になる。
また、請求項４に記載の発明では、温度検出素子は樹脂製の端子台に形成された溝に位置決めされるので、温度検出素子の組付が容易になる。

ところで、請求項７に記載の発明のように、セグメント導体で固定子巻線を構成する場合、固定子巻線同士の間は密集していないので、固定子巻線の間に温度検出素子を挿入しても、固定子巻線の温度を高精度に検出できない。そこで、請求項１に記載の発明の構成を採用することにより、固定子巻線の外部に温度検出素子を設置しても、温度検出素子は、固定子巻線の温度を高い応答性で高精度に検出できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による固定子を図２および図３に示す。図２および図３に示す固定子１０は、例えば車両の電動機および発電機を兼ねる回転電機に使用される。固定子１０は、径方向内側に図示しない回転子を回転自在に収容する。固定子コア１２は、所定厚さの磁性鋼板を軸方向に積層して環状に形成されており、軸方向に沿ったスロットが径方向内側の周方向に複数形成されている。

固定子巻線２０は、三相巻線であり、絶縁樹脂材でシート状に形成されたインシュレータ２４を介して固定子コア１２のスロットに装着されている。固定子巻線２０は、固定子コア１２のスロットに略Ｕ字状の銅製のセグメント導体(Segment Conductor;SC)２２を軸方向から挿入し、セグメント導体２２の開口側端部を折り曲げ、セグメント導体２２同士の折曲部を溶接等により電気的に接続して構成されている。セグメント導体２２の溶接箇所は、絶縁樹脂材１４により覆われている。このように、固定子巻線２０をセグメント導体２２で構成することにより、１本の巻線を連続して多重に巻くよりも、固定子コア１２の端部における固定子巻線２０同士の隙間が大きくなる。

また、セグメント導体２２の断面は、扁平な長方形状であるから、固定子コア１２のスロットの断面積に対して、スロットに設置されるセグメント導体２２が占める総面積の割合、つまり占積率は、断面が円形の巻線に比べて向上している。
端子台３０は、絶縁樹脂材で形成され、固定子１０の軸方向一端側のセグメント導体２２の上に配置されている。端子台３０は、三相の入力端子４０、４２、４４および中性点端子５０、５４をインサート成形し内蔵している。インサート成形に代え、端子台３０が三相の入力端子４０、４２、４４および中性点端子５０、５４を単に支持する構成でもよい。図２の点線は、端子台３０内の入力端子４０、４２、４４の形状を示している。端子台３０の軸方向端面からは、入力端子４０、４２、４４の一端、ならびに中性点端子５０、５４のそれぞれの両端の爪５１、５５（図１参照。）が突出している。中性点端子５０、５４の爪５１、５５が突出している端子台３０の軸方向端面側に、矩形の溝３２（図１参照。）が形成されている。中性点端子５０の後述する伝熱部５２は、この溝３２から突出している。尚、端子台３０に溝３２を形成しない構成を採用してもよい。

入力結線部４１、４３、４５は、入力端子４０、４２、４４の一端と固定子巻線２０の各相の一方の端部側とを、それぞれＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接により電気的に接続した部位である。中性点結線部５６、５７、５８は、中性点端子５０、５４の爪５１、５５と固定子巻線２０の各相の他方の端部側であるリード線２６、２７、２８（図１参照。リード線２８は図示せず。）とを、それぞれＴＩＧ溶接により電気的に接続した部位である。リード線２６、２７、２８は、固定子巻線２０の各相の中性点である。

図１に示すように、中性点端子５０は、固定子コア１２の周方向に延びて形成されており、長手方向の両端部に端子台３０から突出する爪５１を有している。中性点端子５０の爪５１の間には、円筒状の伝熱部５２が、爪５１と同一方向に突出し、かつ中性点端子５０の長手方向に筒状の軸を沿わせて横置きに形成されている。爪５１と伝熱部５２との位置は固定子コア１２の径方向にずれている。伝熱部５２には、長手方向に延びるスリット５３が固定子コア１２の径方向内側である爪５１側に形成されている。

爪５１は、セグメント導体２２と同じ材質の銅の板材をプレスにより打ち抜いた後、折り曲げ加工により形成される。また、伝熱部５２は、巻加工により円筒状に形成される。爪５１および伝熱部５２を有する中性点端子５０は、一部材で形成されている。中性点端子５４は、中性点端子５０と同様に両端部に端子台３０から突出する爪５５を有しているが、円筒状の伝熱部５２は設けていない。

中性点端子５０の一方の爪５１は中性点結線部５６において、三相の固定子巻線２０のうち一相の巻線のリード線２６と電気的に接続し、中性点端子５０の他方の爪５１と中性点端子５４の一方の爪５５とは、中性点結線部５７において三相の固定子巻線２０のうち一相の巻線のリード線２７と電気的に接続し、中性点端子５４の他方の爪５５は中性点結線部５８において、三相の固定子巻線２０のうち残りの一相の巻線のリード線２８と電気的に接続している。つまり、中性点端子５０と中性点端子５４とはリード線２７を介して電気的に接続している。

温度検出素子としてのサーミスタ６０は、中性点端子５０の伝熱部５２内に挿入されるとともに、端子台３０の溝３２に嵌合されている。サーミスタ６０のセンサ部６２は、伝熱部５２に覆われている位置に設置されている。また、サーミスタ６０は、長手方向の一端側を伝熱部５２に挿入され、長手方向の他端側を端子台３０から溝３２の上方覆うように鉤状に形成された爪３４に押さえられている。このように、端子台３０の溝３２によりサーミスタ６０が位置決めされるので、サーミスタ６０の組み付けが容易であり、かつ組付後のサーミスタ６０の位置ずれを防止できる。伝熱部５２に挿入され、溝３２に嵌合したサーミスタ６０は、絶縁粉体を溶融した絶縁樹脂材３６で覆われている。

電動機または発電機のいずれに使用される場合にも、固定子巻線２０に電流が流れることにより、固定子巻線２０から熱が発生する。中性点端子５０と中性点端子５４とは、互いに電気的に接続し、三相の固定子巻線２０の中性点と電気的に接続しているので、中性点端子５０、５４の温度は、固定子巻線２０の温度変化に追随し殆ど時間遅れなく変化する。そして、サーミスタ６０は、中性点端子５０の伝熱部５２にほぼ全周を覆われているので、固定子巻線２０の温度変化は、中性点端子５０を介して殆ど時間遅れなくサーミスタ６０に伝導する。

これにより、サーミスタ６０は、固定子巻線２０の温度を高い応答性で高精度に検出できる。つまり、サーミスタ６０が検出する温度と、固定子巻線２０の温度とは時間遅れなくほぼ等しい。
また、円筒状の伝熱部５２がサーミスタ６０の周囲を覆っているので、サーミスタ６０に伝導する温度が周方向でばらつかない。これにより、固定子巻線２０の温度を高精度に検出できる。

ここで、固定子巻線２０の温度、つまり回転電機の温度が上昇し所定温度に達すると固定子巻線２０の電流の流れを遮断し回転電機の温度上昇を防止する制御を行う場合、固定子巻線２０の温度を検出する応答性が低いと、検出した温度よりも実際の固定子巻線２０の温度の方が高いことがある。このように温度検出の応答性が低いと、固定子巻線２０の温度が電流を遮断すべき遮断温度に達していない場合にも、回転電機の動作補償のために、温度検出素子が検出した固定子巻線２０の温度が上昇し遮断温度よりも低い温度に達したときに、固定子巻線２０の電流の流れを遮断する制御を行う必要がある。その結果、実際には、固定子巻線２０の電流を遮断する必要がない場合にも、固定子巻線２０の電流を遮断し、回転電機の作動を停止させることになる。

これに対し、本実施形態では、サーミスタ６０が高い応答性で高精度に固定子巻線２０の温度を検出するので、サーミスタ６０の検出温度が上昇し固定子巻線２０の遮断温度、または遮断温度よりも低い遮断温度近傍に達するまで、固定子巻線２０の電流を遮断する必要がない。つまり、固定子巻線２０に流れる電流を遮断すると判定するサーミスタ６０の検出温度を、遮断温度に極力近づけることができる。これにより、回転電機の作動を停止する回数が減り、回転電機の作動時間を延ばすことができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４に示す。尚、第１実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第２実施形態では、サーミスタ６０を覆う中性点端子７０の伝熱部７２は、サーミスタ６０の挿入方向に向けて内周面７３の内径が小さくなる円錐台状に形成されている。サーミスタ６０を伝熱部７２内に挿入すると、伝熱部７２の先端側の内周面７３にサーミスタ６０が押し付けられ、伝熱部７２の内周面７３とサーミスタ６０とが確実に接触する。これにより、固定子巻線２０から中性点端子７０を介してサーミスタ６０の伝導する熱の伝導性が向上する。その結果、サーミスタ６０は高い応答性で高精度に固定子巻線２０の温度を検出できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図５に示す。尚、既述の実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第３実施形態では、固定子巻線２０の各相の中性点であるリード線２６、２７、２８の先端にサーミスタ６０を設置し、断面Ｕ字状の銅製のスリーブ８０の開口側とリード線２６、２７、２８とを溶接している。この構成により、中性点端子としてのスリーブ８０は、リード線２６、２７、２８を電気的に接続するとともに、サーミスタ６０のセンサ部６２の周囲を覆っている。つまり、スリーブ８０は、固定子巻線２０の中性点を電気的に接続する中性点端子と、サーミスタ６０の周囲を覆う伝熱部とを兼ねている。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図６に示す。尚、既述の実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第４実施形態では、中性点端子としてのスリーブ９０は、結線部９２と伝熱部９３とを有する。結線部９２は、固定子巻線２０の各相の中性点であるリード線２６、２７、２８と溶接により電気的に接続し、リード線２６、２７、２８を電気的に接続している。伝熱部９３は、円筒状に形成されており、サーミスタ６０のセンサ部６２の周囲を覆っている。

（他の実施形態）
上記実施形態では、電動機および発電機を兼ねている回転電機の固定子について説明した。これに対し、電動機または発電機のいずれかの専用の回転電機の固定子として上記実施形態の固定子を適用してもよい。
また、温度検出素子を覆う伝熱部は中性点端子と別部材でもよい。例えば、別部材である中性点端子と伝熱部とを溶接等で結合し一体に形成してもよい。伝熱部と中性点端子とを別部材にする場合、伝熱部は中性点端子と異なる金属材で形成されてもよい。

このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

（Ａ）第１実施形態のサーミスタを含む断面図、（Ｂ）は中性点端子を示す斜視図。 第１実施形態の固定子を示す斜視図。 固定子をサーミスタを含む直径位置で切断した断面図。 第２実施形態のサーミスタを含む断面図。 （Ａ）は第３実施形態のサーミスタを含む断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 （Ａ）は第４実施形態のサーミスタを含む断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。

符号の説明

１０：固定子、１２：固定子コア、２０：固定子巻線、２２：セグメント導体、２６、２７、２８：リード線（中性点）、３０：端子台、３２：溝、５０、５４、７０：中性点端子、５２、７２：伝熱部、６０：サーミスタ（温度検出端子）、６２：センサ部、８０、９０：スリーブ（中性点端子、伝熱部）、９３：伝熱部

Claims (7)

1. 径方向内側に回転子を回転自在に収容する回転電機の固定子において、
   固定子コアと、
   前記固定子コアに設置された固定子巻線と、
   前記固定子巻線の各相の中性点を電気的に接続する中性点端子と、
   温度検出素子と、
   前記中性点端子と同じ金属材で形成されており、前記中性点端子に設けられ、前記温度検出素子を覆う金属製の伝熱部と、
   を備えることを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記伝熱部は筒状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 前記伝熱部は前記中性点端子と一部材で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記中性点端子を支持する樹脂製の端子台をさらに備え、前記端子台は前記温度検出素子を位置決めする溝を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
5. 前記伝熱部を設けた前記中性点端子を内蔵する樹脂製の端子台をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。
6. 前記端子台は固定子の軸方向一端側に配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の回転電機の固定子。
7. 前記固定子巻線はセグメント導体で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機の固定子。

Images