JP6852639B2

JP6852639B2 - ステータ

Info

Publication number: JP6852639B2
Application number: JP2017198665A
Authority: JP
Inventors: 雅志松本; 航平渡邉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: JP2019075854A

Description

本発明は、コイルエンドを絶縁樹脂で被覆するステータに関する。

回転電機のステータは、ステータコアに設けられたティースに巻回された複数相のステータコイルを有し、これに所定の電流を供給することで回転磁界を形成して、ロータを回転させる。ステータコイルには、セグメントコイルを用いる場合が多く、この場合、セグメントコイルをティース間のスロットに挿入した後、折り曲げて他のセグメントコイルと接続（通常溶接）して各相コイルを形成する。ステータコイルは、３相の場合が多く、各相のステータコイルの接続部分は、ステータコアから突出したコイルエンドを形成する。

セグメントコイルの接続部分は、導体が露出しており、問題となる短絡を防止するために、コイルエンド部を絶縁する必要がある。

特許文献１では、コイルエンド部分のステータコイルについて、絶縁皮膜を形成して、短絡を防止している。

特開２０１２−０２９３５５号公報

ここで、車両駆動用の回転電機は大出力であり、駆動によって発熱することが避けられず、冷却する必要がある。通常、冷媒をロータおよびステータに供給して冷却する。特に、ステータについては、発熱するステータコイルに冷媒を接触させることが好適であり、コイルエンドに向けて冷媒を噴射して冷却する場合が多い。

しかしながら、冷媒をコイルエンド全体に行き渡らせることは困難であり、より効果的な冷却が求められている。

なお、冷媒としては、通常ＡＴＦ（Automatic transmission fluid）が用いられる。

本発明に係るステータは、複数相のステータコイルの中の、ステータコアの軸方向端部から突出するコイルエンドの先端側をステータコアの軸方向端部と所定の間隙をあけて環状の絶縁樹脂により被覆し、絶縁樹脂とステータコア間のコイルエンドに向けて冷媒を供給し、冷媒が供給される部分に対応する周方向位置における絶縁樹脂の軸方向端部には、径方向外側に向いて突出しコイルエンドに当たって飛び跳ねた冷媒をステータコア側に案内する案内部が設けられ、この案内部は径方向外側に向かって徐々にステータコア側に近づくように傾斜する案内面を有する。

また、絶縁樹脂は、環状であり、冷媒が供給される部分に対応した周方向位置に径方向外側に向いて突出する案内部を有し、この案内部が径方向外側に向かって徐々にステータコア側に近づくように傾斜する案内面を有することが好適である。

本発明は、案内面を利用して、冷媒によるコイルエンドの冷却をより効果的に行うことができる。

ステータのコイルエンドの一例を示した図である。実施形態に係るステータのコイルエンドおよび絶縁樹脂を示す径方向の模式断面図である。実施形態に係るステータの絶縁樹脂を軸方向から見た模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

＜ステータの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機のステータ１の部分斜視図である。なお、図１では、コイル、出力線等の構造や配置が分かり易いように、絶縁樹脂の図示は省略している。また、以下の図面および実施形態の説明で、Ｒ方向は、ステータ１の径方向を示し、θ方向は、ステータ１の周方向を示し、Ｚ方向は、ステータ１の軸方向を示す。

ステータ１は、ステータコア１１と、平角線を含むステータコイル１５とを備える。ステータコア１１は、環状の磁性体部品であり、例えば、複数の珪素鋼鈑（電磁鋼鈑）が積層されて構成されるが、樹脂バインダと磁性材粉末を加圧成形することにより構成されてもよい。ステータコア１１は、環状で外周側に位置する環状のヨーク１２と、ヨーク１２から内方に伸びる複数のティース１６を有する。複数のティース１６は、θ方向に互いに一定間隔をおいて配設され、各ティース１６は、ヨーク１２からＲ方向内方側に所定距離突出する。各ティース１６の先端は、円筒状のロータの外周面に対し所定間隙をおいて位置し、全体としてロータ外周面を取り囲む円筒を形成する。ステータコイル１５は、ティースに螺旋状に巻回されたＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイル２０,２１,２２を備える。Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のコイル２０,２１,２２のそれぞれは、隣接するティース１６間の空間であるスロット１７に挿通され、ティース１６に巻回される。

Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のコイル２０,２１,２２のそれぞれは、複数のセグメントコイル２０ａ,２１ａ,２２ａの端部を順次接続することで直列に接続されている。各セグメントコイル２０ａ,２１ａ,２２ａは、複数の略Ｕ字状のセグメント導体でありその端部が隣接するセグメント導体の端部と溶接される。溶接を行う際には、径方向に重なる複数のセグメント導体が螺旋を構成するように、Ｕ字状のセグメント導体の２つの脚部の先端側を曲げ加工し、異なるセグメント導体の脚部の先端部同士を溶接する。各セグメントコイル２０ａ,２１ａ,２２ａは、複数のティース１６に跨るように複数のティース１６に巻回され、ステータコイル１５は、複数のティース１６に分布巻きされる。

各相のコイル２０,２１,２２において、その一端は、例えばクランク形に曲げられて、出力線となり、各相の出力線は、電源側の図示しない動力線に電気的に接続される。図１では、Ｕ相コイル２０を、θ方向に沿った斜線で示し、Ｖ相コイル２１を、Ｒ方向に沿った斜線で示し、Ｗ相コイル２２を、間隔が狭い（細かい）斜線で示している。図１には、Ｕ相コイル２０の一端の出力線２０Ｕと、Ｗ相コイル２２の一端の出力線２２Ｗが図示されている。また、Ｕ相コイル２０の他端２０ｂ、Ｖ相コイル２１の他端２１ｂ、およびＷ相コイル２２の他端２２ｂは、中性線３０によって電気的に接続されており、三相のコイル２０,２１,２２は、中性線３０を用いた電気的な接続でＹ結線される。この例では、中性線３０は、ステータコア１１のＺ方向一方側の外方に配設される。

ステータ１の内周側には、ステータ１に対して間隔をおいて図示しないロータが配設される。ステータ１とロータの中心は略一致する。ロータは、回転軸の周囲に固定される環状の磁性体部品であり、例えば、複数の円環状の珪素鋼鈑（電磁鋼鈑）が積層されて構成される。例えば、ロータには、複数の永久磁石がθ方向に互いに間隔をおいた状態で埋め込まれる。

ステータ１を含む回転電機は、モータおよびジェネレータのいずれとして機能してもよい。回転電機をモータとして使用する場合には、例えば、バッテリからの直流電流がインバータを介して三相交流電流に変換された後、三相交流電流が、各相の出力線２０Ｕ,２２Ｗを介してＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイル２０,２１,２２に供給される。これによって、ティース１６が磁化されて磁極となり、磁極の位置がステータ１のθ方向に沿って移動する回転磁界が生じる。そして、ロータがその回転磁界に基づいて回動し、回転動力が生成される。

他方、回転電機をジェネレータとして使用し、発電する際には、ロータが、外部からの動力によって回動し、これによってＵ，Ｖ，Ｗの三相のコイル２０,２１,２２には交流の誘導電流が発生し、これをインバータで直流電力に変換してバッテリに供給する。

＜絶縁樹脂の構成＞
図２は、図１のＡ-Ａ線断面図の一部の模式図であり、絶縁樹脂６０を含むステータ１のＲ方向の一部模式断面図である。なお、図３は、要部のみを示した模式図であって、各種部材の正確な断面を示すものではない。

図２に示すように、ステータ１は、絶縁樹脂６０を備える。絶縁樹脂６０は、ステータコイル１５においてＺ方向一方側に位置するコイルエンド７０のＺ方向の一方側を覆うように配設される。また、絶縁樹脂６０は、ステータコア１１のＺ方向一方側の端面１１ａに対してＺ方向に間隔をおいて配設される。すなわち、本実施形態においては、Ｕ字状のセグメントコイル２０ａ，２１ａ，２２ａの脚部を折り曲げてその先端部分を溶接して螺旋状の三相のコイル２０，２１，２２を構成する。セグメントコイル２０ａ，２１ａ，２２ａは、基本的に絶縁皮膜で覆われているが、その先端部分は溶接によって接合されているため、絶縁皮膜がない。そこで、この接合部分が他の接合部分と接触することで短絡するおそれがある。絶縁樹脂６０によって接合部の存在するコイルエンド７０の部分を覆うことで、接合部同士を隔離絶縁する。

そして、ステータコア１１の端面１１ａに対し間隔をおくことで、絶縁皮膜を有するコイルエンド７０のステータコア１１側の部分を露出しておく。これによって、この部分のコイルエンド露出部７２に冷媒を直接接触させて冷却することができる。

すなわち、コイルエンド露出部７２の上方には、冷媒供給部５０が設けられており、ここから冷媒（ＡＴＦ）が噴出される。そして、噴出されたＡＴＦが露出しているコイルエンド露出部７２に供給されて、コイルエンド露出部７２が冷却される。

なお、図２においては、コイル２０のコイルエンド露出部７２によって、間隙が閉塞されているように示してあるが、セグメントコイルの脚部は、所定の間隙をあけて配設されるため、コイルエンド露出部７２の径方向外側から内側に向けて冷媒が通過でき、また下方のコイルエンド露出部７２にも冷媒が供給される。

＜案内部の構成＞
図２に示すように、絶縁樹脂６０の上方端部はＲ方向において外側、Ｚ方向でステータコア１１に向いて膨出する案内部６２を有する。そして、この案内部６２のステータコア１１に向いた面は、ＡＴＦの案内面６４となっている。絶縁樹脂としては、シリコーン樹脂や、エポキシ樹脂などを採用するとよい。

図３には、絶縁樹脂６０をＺ軸方向から見た図が示されている。このように、円環状の絶縁樹脂６０の径方向の上部に当たる位置に、円弧状の案内部６２が延出形成されている。案内部６２は、絶縁樹脂６０から庇状に伸び、断面はくさび状である。なお、図３において、ステータコア１１は、便宜的に破線で示してある

また、この例では、冷媒供給部５０が円弧状のパイプから形成されており、パイプの下面に噴出口が設けられている。なお、回転電機の下部には、冷媒溜まりが設けられ、ここに溜まった冷媒がポンプなどによって冷媒供給部５０や他の適宜箇所に循環される。また、冷媒供給部５０は、コイルエンド露出部７２に対し冷媒を供給できれば、どのようなものでも構わない。例えば、直線状でもよいし、１点から広範囲に噴射する形式でもよい。

案内面６４は、ＡＴＦが供給されるコイルエンド露出部７２の上方を覆うように位置する。従って、コイルエンド露出部７２によって飛び散ったＡＴＦが案内面６４に衝突する。そして、跳ね返ったＡＴＦは、もう一度コイルエンド露出部７２に向けて落下し、案内面６４に付着したＡＴＦは案内面６４を伝って下方に移動する。案内面６４の下方の絶縁樹脂６０の内面を下降するが、ここからは各相コイルのコイルエンド露出部７２がステータコア１１に向けて突出しており、案内面６４を伝ったＡＴＦもコイルエンド露出部７２に供給される。

このように、本実施形態によれば、コイルエンド露出部７２の表面から跳ね上がり、コイルエンド露出部７２の冷却に使えなかったＡＴＦを効果的に回収して、コイルエンド露出部７２の冷却に用いることができ、冷却効率を上昇することができる。

＜コイル線の構成＞
図２に示すように、コイル線９０,９１,９２は、Ｚ方向で３層構造を有する。例えば、この断面においては、Ｚ方向の最内方に位置するコイル線９２は、Ｕ相コイル２０に含まれる。コイル線９２においてＺ方向内方側に位置する部分９２ａは、Ｕ相コイル２０に含まれるセグメント導体の脚部においてスロット１７（図１参照）から略Ｚ方向に延在する部分を表す。また、コイル線９２においてＺ方向外方側に位置する部分９２ｂは、曲げ加工が施されて図３の紙面に垂直な方向（θ方向）に曲げられた部分を表す。また、Ｚ方向で中間層を構成するコイル線９１は、Ｖ相コイル２１に含まれる。なお、各相コイル２０，２１，２２と中性線３０の接続部、各相出力線と電力線との接続部も絶縁樹脂６０によって覆われることで絶縁されることが好適である。

１ステータ、１１ステータコア、１２ヨーク、１５ステータコイル、１６ティース、１７スロット、２０Ｕ相コイル、２０ａ，２１ａ，２２ａセグメントコイル、２１Ｖ相コイル、２２Ｗ相コイル、３０中性線、５０冷媒供給部、６０絶縁樹脂、６２案内部、６４案内面、７０コイルエンド、７２コイルエンド露出部、９０、９１，９２コイル線。

Claims

複数相のステータコイルの中の、ステータコアの軸方向端部から突出するコイルエンドの先端側をステータコアの軸方向端部と所定の間隙をあけて環状の絶縁樹脂により被覆し、
絶縁樹脂とステータコア間のコイルエンドに向けて冷媒を供給し、
冷媒が供給される部分に対応する周方向位置における絶縁樹脂の軸方向端部には、径方向外側に向いて突出しコイルエンドに当たって飛び跳ねた冷媒をステータコア側に案内する案内部が設けられ、この案内部は径方向外側に向かって徐々にステータコア側に近づくように傾斜する案内面を有する、
ステータ。
請求項１に記載のステータであって、
案内部は、絶縁樹脂の上方端部はステータコアに向いて膨出する、
ステータ。
請求項１に記載のステータであって、
案内部は、絶縁樹脂の径方向の上部に当たる位置に、円弧状に延出形成されている、
ステータ。
請求項１に記載のステータであって、
案内部は、絶縁樹脂から庇状に伸び、断面はくさび状である、
ステータ。
請求項１に記載のステータであって、
案内面は、冷媒が供給されるコイルエンド露出部の上方を覆うように位置する、
ステータ。