JP6712089B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機、特に分布巻モータのステータに配置される巻線の絶縁構造に関するものである。

従来、モータ、ジェネレータ、モータジェネレータなどの３相回転電機に用いられるステータには、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の巻線を、ステータコアに形成された複数のスロットに跨って配置する、分布巻きという方法が用いられている。このようなステータコアの製造工程では、まず各スロットにスロットセル（絶縁紙）を配置し、第１層のコイルを挿入する。そして、層間絶縁用のセパレータを配置し、第２層のコイルを挿入した後に、ウェッジにより、各コイル及び各絶縁紙を固定している。

分布巻モータでは、各相の巻線を、固定子の複数のスロットに跨って巻き付けるため、自動機で巻線を配置することが難しい。このため、分布巻モータの製造においては、巻線及び絶縁紙を各スロットに配置する工程を手作業で行っている。このため、スロットセルを配置したスロットに巻線を挿入する際に、スロットセルと巻線が擦れてスロットセルを破損させてしまうこと、また、スロットセルの位置が軸方向にずれてしまうことがあった。そこで、コイル挿入作業によるスロットセルのずれ量を考慮して、ステータコアの軸方向におけるスロットセルの長さを長くし、ステータコアの端部からのはみ出し量を多くするものが開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−２４３８４１号公報 特開２００８−２５３０６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、スロットセルとコイルとの擦れによるスロットセルの破損については考慮されていない。さらに、スロットセルの、ステータコアの端部からのはみ出し量が多いため、スロットセルの材料コストが増加していた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、スロットセルとコイルとの擦れによるスロットセルの破損を抑制し、さらに、スロットに巻線を挿入する際のスロットセルの位置ずれを防止することのできる回転電機のステータを得るものである。

本発明に係る回転電機のステータは、鋼板を積層して形成され、複数のスロットを有するステータコアと、複数のスロットのそれぞれに配置されるスロットセルと、複数のスロットのそれぞれに、スロットセルを介して配置される巻線とを有する、回転電機のステータであって、スロットセルは、繊維に方向を有する一対の絶縁紙を重ね合わせて形成され、一対の絶縁紙のうち、ステータコアと接する側の絶縁紙は、繊維の方向を鋼板の積層される方向と平行にして配置され、一対の絶縁紙のうち、巻線と接する側の絶縁紙は、繊維の方向を巻線の長手方向と垂直にして配置される。

本発明の回転電機のステータによれば、スロットセルが配置される部位に応じて、スロットセルの繊維の方向を決定することにより、スロットセルの破損を抑制し、巻線とステータコアの絶縁性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１におけるステータが配置される回転電機を示す模式図である。 図１のステータを構成するステータコアを示す図である。 図２のステータコアの形成過程を示す、部分斜視図である。 図２のステータコアに巻線を配置する過程を示す、部分斜視図である。 図２のステータコアに巻線を配置する過程を示す、部分斜視図である。 図５のステータコアを、ステータコアの内周側からみた模式図である。 図６のステータコアを、軸方向からみた模式図である。

以下、本発明の回転電機のステータの好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による回転電機のステータ２０が配置された分布巻モータ１００を示す断面図である。分布巻モータ１００は、回転自在に配置されるロータ１０と、ロータ１０の外周を取り囲むように円環状に設けられるステータ２０と、ロータ１０及びステータ２０を内部に収容するケース部材３０とを有する。

ロータ１０は、ロータ１０の回転軸方向に延設される棒状の部材であるシャフト部材１１と、シャフト部材１１の外周側に配置されるロータコア１２と、ロータコア１２に当接配置されるエンドプレート１３とを有する。

ケース部材３０は、ロータ１０及びステータ２０を保護する筒状の筐体である。ケース部材３０は、ケース部材３０の内周面でステータ２０を保持する。また、ケース部材３０は、ケース部材３０の内径端部に設置された軸受３１によりロータ１０のシャフト部材１１を保持している。

図２は、実施の形態１のステータ２０を軸方向からみた図である。図２に示すように、ステータ２０は、円環状のステータコア２１と、ステータコア２１のスロット２１Ｃに挿入される巻線２２と、スロット２１Ｃ内に配設されるスロットセル２３とを有している。

ステータコア２１は、複数の鋼板を積層することにより形成されている。ステータコア２１には、内径方向に突出する複数のティース部２１Ａが形成されている。隣り合う各ティース部２１Ａの間には、空間としてのスロット２１Ｃが形成されている。

次に、実施の形態１のステータ２０の構成について、図３を用いて詳しく説明する。図３は、実施の形態１によるステータ２０を、図２に示すＡの方向から見た斜視図である。また、図３は、実施の形態１によるステータ２０の構成を、ステータ２０を形成する過程によって示している。なお、図３では、巻線２２の径を太く誇張して表している。

図３のＢ部に示すように、ステータコア２１は、複数の鋼板を積層することにより形成されている。そして、ステータコア２１には、複数のティース部２１Ａが形成されており、隣り合う各ティース部２１Ａの間には、スロット２１Ｃが形成されている。なお、ステータコア２１を形成する鋼板の積層状態は、Ｂ部の２つのティース部２１Ａにのみ示している。また、ティース部２１Ａの矢印は、鋼板の積層方向ａを示している。

各スロット２１Ｃには、スロットセル２３が配置される。図３のステータコア２１の外に示すように、スロットセル２３は、一対の絶縁紙２３Ｄと絶縁紙２３Ｕを、両面テープなどで貼り合わせて形成されている。そして、スロットセル２３は、スロット２１Ｃの形状に合わせて折り曲げられ、図３に矢印Ｃで示すように、各スロット２１Ｃに挿入される。なお、図３のステータコア２１の外に示すスロットセル２３は、絶縁紙２３Ｄと絶縁紙２３Ｕを、一部のみ重ねた状態で示しているが、スロットセル２３をスロット２１Ｃに挿入する際には、絶縁紙２３Ｄと絶縁紙２３Ｕは、重ね合わされた状態で挿入され、図３のＤに示すように、スロット２１Ｃに配置される。

ここで、紙は、パルプを一定方向に流しながら製造されるため、進行方向に繊維が揃い、「紙の流れ目」ができる。そして、紙は、この流れ目と平行な方向には、破れやすく折れやすいが、流れ目と垂直な方向には、破れにくく折れにくいという性質がある。絶縁紙も、この「紙の流れ目」を有している。以下、本明細書では、絶縁紙の、「紙の流れ目」の方向を、繊維の方向という。

スロットセル２３がスロット２１Ｃに挿入されるとき、スロットセル２３の外側を形成する絶縁紙２３Ｄの表面は、スロット２１Ｃの内壁と擦れる。このとき、ステータコア２１を形成する積層された鋼板の各端面の向きと、絶縁紙２３Ｄの繊維の方向が平行であると、絶縁紙２３Ｄが破れやすくなる。このため、実施の形態１のステータ２０では、図３のステータコア２１の外に示すように、スロットセル２３の絶縁紙２３Ｄの繊維の方向ｈが、鋼板の端面と垂直な方向、つまり、鋼板の積層方向ａと平行な方向になるように、絶縁紙２３Ｄを配置している。そして、スロットセル２３とスロット２１Ｃの内壁が擦れて、スロットセル２３が破損することを抑制している。

図３のＤのスロット２１Ｃに示すように、スロットセル２３が配置されたスロット２１Ｃには、ティース部２１Ａの内周側に形成されたスロット２１Ｃの開口から、巻線２２が挿入される。分布巻モータ１００の場合、各スロット２１Ｃに配置される巻線２２は、図３のＨのスロット２１Ｃに示すように、第１層コイル２２１と第２層コイル２２２により構成される。なお、図３では、巻線２２、第１層コイル２２１、第２層コイル２２２を、切断した状態で示している。第１層コイル２２１と第２層コイル２２２をスロット２１Ｃに配置する手順については後述する。

図３のＥのスロット２１Ｃは、第１層コイル２２１が配置された状態を示している。第１層コイル２２１をスロット２１Ｃに配置する際には、第１層コイル２２１を構成する巻線２２とスロットセル２３の絶縁紙２３Ｕとが接触して擦れる。このとき、絶縁紙２３Ｕの繊維の方向が、第１層コイル２２１を構成する巻線２２の長手方向ｂと平行であると、絶縁紙２３Ｕが破れやすい。このため、実施の形態１のステータ２０では、図３のステータコア２１の外に示すように、スロットセル２３を構成する絶縁紙２３Ｕの繊維の方向ｋが、第１層コイル２２１を構成する巻線２２の長手方向ｂと垂直になるように、絶縁紙２３Ｕを配置している。そして、スロットセル２３と第１層コイル２２１を構成する巻線２２が擦れて、スロットセル２３が破損することを抑制している。

第１層コイル２２１が配置されたスロット２１Ｃには、セパレータ２５が配置される。セパレータ２５は、スロット２１Ｃ内において、第１層コイル２２１と、第２層コイル２２２とを絶縁するものである。図３のステータコア２１の外に示すように、セパレータ２５は、一対の層間絶縁紙２５Ｄ及び２５Ｕを重ね合わせて、両面テープなどで貼り合わせることにより形成されている。そしてセパレータ２５は、図３に矢印Ｆで示すように、スロット２１Ｃに挿入され、Ｇのスロット２１Ｃに示すように、第１層コイル２２１の上に配置される。

なお、図３のステータコア２１の外に示すセパレータ２５は、層間絶縁紙２５Ｄと層間絶縁紙２５Ｕを、一部のみ重ねた状態で示しているが、セパレータ２５をスロット２１Ｃに挿入する際には、層間絶縁紙２５Ｄと層間絶縁紙２５Ｕは、重ね合わされた状態で挿入される。

第１層コイル２２１が配置されたスロット２１Ｃに、セパレータ２５を挿入する際には、セパレータ２５を構成する層間絶縁紙２５Ｄと第１層コイル２２１とが接触して擦れる。このとき、層間絶縁紙２５Ｄの繊維の方向と、第１層コイル２２１を構成する巻線２２の長手方向ｂとが平行であると、層間絶縁紙２５Ｄが破れやすい。このため、実施の形態１のステータ２０では、図３のステータコア２１の外に示すように、セパレータ２５を構成する層間絶縁紙２５Ｄの繊維の方向ｎが、第１層コイル２２１を構成する巻線２２の長手方向ｂと垂直になるように、層間絶縁紙２５Ｄを配置している。そして、セパレータ２５と第１層コイル２２１を構成する巻線２２が擦れて、セパレータ２５が破損することを抑制している。

また、セパレータ２５を構成する層間絶縁紙２５Ｕの両端部には、切込部５０が形成されている。２つの切込部５０は、スロットセル２３が、この２つの切込部５０の間に収まるように形成されている。そして、セパレータ２５をスロット２１Ｃに挿入した後、この切込部５０をスロットセル２３の端部に引っ掛ける。これにより、スロットセル２３は、セパレータ２５に固定される。

セパレータ２５が配置されたスロット２１Ｃには、図３のＨに示すように、さらに第２層コイル２２２が配置される。セパレータ２５の上に第２層コイル２２２が挿入される際には、セパレータ２５の層間絶縁紙２５Ｕと、第２層コイル２２２を構成する巻線２２とが接触して擦れる。このとき、層間絶縁紙２５Ｕの繊維の方向と、第２層コイル２２２を構成する巻線２２の長手方向ｂとが平行であると、層間絶縁紙２５Ｕが破れやすい。このため、実施の形態１のステータ２０では、図３のステータコア２１の外に示すように、セパレータ２５を構成する層間絶縁紙２５Ｕの繊維の方向ｍが、第２層コイル２２２を構成する巻線２２の長手方向ｂと垂直になるように、層間絶縁紙２５Ｕを配置している。そして、セパレータ２５と第２層コイル２２２を構成する巻線２２が擦れて、セパレータ２５が破損することを抑制している。つまり、セパレータ２５を構成する層間絶縁紙２５Ｄと層間絶縁紙２５Ｕの繊維の方向は、同じ方向となる。以上により、実施の形態１のステータ２０が形成される。

次に、分布巻モータ１００に、巻線２２を配置する手順について、図４及び図５を用いて説明する。図４及び図５は、図３と同様に、ステータコア２１を、図２のＡの方向からみた図である。なお、図４及び図５では、ステータコア２１に配置される巻線２２の径を、部分的に誇張して太くしている。

分布巻モータ１００のステータコア２１に巻線２２を配置する場合、まず、図４に示すような、巻線２２を複数回巻き回した型巻コイル２２Ａを複数形成する。そして、１つの型巻コイル２２Ａの一方の巻線２２ａを、Ｊのスロット２１Ｃに挿入して、第１層コイル２２１を形成する。このとき巻線２２ａの束は、巻線２２を数本ずつに分けて、スロット２１Ｃに挿入する。Ｊのスロット２１Ｃに、１つの型巻コイル２２Ａの一方の巻線２２ａを全て挿入し終えたら、他の型巻コイル２２Ａの一方の巻線２２ａを、隣のＫのスロット２１Ｃに挿入する。Ｋのスロット２１Ｃに、他の型巻コイル２２Ａの一方の巻線２２ａを全て挿入し終えたら、さらに他の型巻コイル２２Ａの一方の巻線２２ａを、隣のＬのスロット２１Ｃに挿入する。このようにして、複数の型巻コイル２２Ａの一方の巻線２２ａを、ステータコア２１の全てのスロット２１Ｃに挿入し、全てのスロット２１Ｃに、第１層コイル２２１を配置する。

次に、図５に示すように、各スロット２１Ｃに配置した第１層コイル２２１の上に、それぞれセパレータ２５を配置する。そして、型巻コイル２２Ａの他方の巻線２２ｂを、一方の巻線２２ａを配置したＪのスロット２１Ｃの２つ隣のＬのスロット２１Ｃに挿入し、第２層コイル２２２を形成する。同様に、他の全ての型巻コイル２２Ａの他方の巻線２２ｂをスロット２１Ｃに挿入して、ステータコア２１への巻線２２の配置が完了する。

図６は、型巻コイル２２Ａをスロット２１Ｃに配置した後の状態を、図５のＭの方向から見た図である。また、図７は、図６をＮの方向から見た図である。なお、図６及び図７では、一つの型巻コイル２２Ａにより形成された第１層コイル２２１と第２層コイル２２２のみを示し、他の第１層コイル２２１及び第２層コイル２２２の図示を省略している。

図６及び図７に示すように、第１層コイル２２１及び第２層コイル２２２が配置されたスロット２１Ｃの外周側の開口部には、第２層コイル２２２の飛び出しを防止するウェッジ２６が挿入されている。また、スロット２１Ｃの外部に露出する、第１層コイル２２１及び第２層コイル２２２のコイルエンド部２２Ｅには、異なる相のコイルエンド部２２Ｅとの間を絶縁する相間絶縁紙６０が配置される。以上により、ステータ２０が完成する。

このように、実施の形態１による回転電機のステータ２０は、ステータコア２１に形成された複数のスロット２１Ｃに、それぞれ、絶縁紙２３Ｕと絶縁紙２３Ｄからなるスロットセル２３を配置している。そして、ステータコア２１と接触する絶縁紙２３Ｄの繊維の方向が、ステータコア２１を形成する鋼板の積層方向と平行になるように、絶縁紙２３Ｄを配置している。さらに、巻線２２と接触する絶縁紙２３Ｕの繊維の方向が、巻線２２の長手方向と垂直になるように、絶縁紙２３Ｕを配置している。
これにより、スロットセル２３を構成する一方の絶縁紙２３Ｄが、ステータコア２１と擦れて破損することを抑制するとともに、スロットセル２３を構成する他方の絶縁紙２３Ｕが、巻線２２と擦れて破損することを抑制することができる。よって、スロットセル２３の耐久性を向上させるとともに、巻線２２とステータコア２１間の絶縁を安定して維持することができる。

さらに、実施の形態１による回転電機のステータ２０によれば、セパレータ２５に切込部５０を形成して、スロットセル２３をセパレータ２５に固定している。これにより、巻線２２をスロット２１Ｃに挿入する際に、スロットセル２３がずれることを抑制できる。よって、スロットセル２３の軸方向の幅を、位置ずれを考慮した長めの寸法にする必要がなく、スロットセル２３の材料コストを削減することができる。

なお、実施の形態１のステータ２０では、セパレータ２５を構成する層間絶縁紙２５Ｕの切込部５０を、層間絶縁紙２５Ｕの両端部に形成していたが、切込部５０を形成する位置は、これに限るものではない。例えば切込部５０は、層間絶縁紙２５Ｕの両端部ではなく、巻線２２が挿入される際に、スロットセル２３の移動を阻止することが可能な、一方の端部にのみ形成してもよい。さらに、切込部５０は、層間絶縁紙２５Ｄに形成してもよいし、層間絶縁紙２５Ｄと層間絶縁紙２５Ｕの両方に形成してもよい。

また、実施の形態１によるステータ２０では、スロット２１Ｃに配置される巻線２２を、第１層コイル２２１と第２層コイル２２２の２層としたが、巻線２２の構成は、これに限るものではない。例えばスロット２１Ｃに配置される巻線２２の層は、３層以上であってもよい。

１０ ロータ、１１ シャフト部材、１２ ロータコア、１３ エンドプレート、２０ ステータ、２１ ステータコア、２１Ａ ティース部、２１Ｃ スロット、２２，２２ａ，２２ｂ 巻線、２２Ａ 型巻コイル、２２Ｅ コイルエンド部、２２１ 第１層コイル、２２２ 第２層コイル、２３ スロットセル、２３Ｄ，２３Ｕ 絶縁紙、２５ セパレータ、２５Ｄ，２５Ｕ 層間絶縁紙、２６ ウェッジ、５０ 切込部、６０ 相間絶縁紙、１００ 分布巻モータ。

Claims (3)

1. 鋼板を積層して形成され、複数のスロットを有するステータコアと、
   前記複数のスロットのそれぞれに配置されるスロットセルと、
   前記複数のスロットのそれぞれに、前記スロットセルを介して配置される巻線とを有する、回転電機のステータであって、
   前記スロットセルは、繊維に方向を有する一対のスロット絶縁紙を重ね合わせて形成されており、
   前記一対のスロット絶縁紙のうち、前記ステータコアと接する側のスロット絶縁紙は、前記繊維の方向を前記鋼板の積層される方向と平行にして配置され、
   前記一対のスロット絶縁紙のうち、前記巻線と接する側のスロット絶縁紙は、前記繊維の方向を前記巻線の長手方向と垂直にして配置される、
   回転電機のステータ。
2. 前記巻線は、前記スロットの底面側に配置される第１層コイルと、前記第１層コイルに積層される第２層コイルとからなり、
   前記第１層コイルと前記第２層コイルの間には、セパレータが配置され、
   前記セパレータは、繊維に方向を有する一対の層間絶縁紙を重ね合わせて形成されており、
   前記一対の層間絶縁紙は、それぞれの前記繊維の方向を前記巻線の長手方向と垂直にして配置される、
   請求項１に記載の回転電機のステータ。
3. 前記一対の層間絶縁紙のうち少なくとも一方の層間絶縁紙は、前記スロットセルの端部に係合する切込み部を有する、
   請求項２に記載の回転電機のステータ。

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