JP7329918B2 - 回転電機の固定子および回転電機の固定子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は回転電機の主に固定子とその製造方法に関する。

昨今の持続可能な社会の実現に向け、省エネルギーのため回転電機は小型・高効率化が求められており、特に自動車などの移動体向けの回転電機では、軽量・小型化が重要である。このような回転電機として、例えば、複数の永久磁石を備えた回転子と、この回転子と対向して設けられた固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻掛けられた固定子巻線とを有する永久磁石を備えた回転電機において、モータの性能に寄与しないコイルエンド部が小さい小型の固定子とすることが必要である。この製造方法として、コイルの直線導体をスロットに配置した固定子コアモジュールと、コイルエンド部を絶縁部材モールド成形したモールドエンド部を接合した構造を有するものが提案されている（特許文献１）。

特開２０１６－１７８７８３号

特許文献１の技術は、固定子コアは一つであり、そのコアの軸方向の外側でモールドエンドのコイルと嵌合している。特許文献１の図５のコイル形状から分かるように嵌合部は直線でなければならないため、この直線分だけコイルエンドが長くなってしまう。また、コアの軸方向両側でコイルが分割されているため、嵌合部が２箇所となり、コイルエンドはその分長くなる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、接続信頼性を確保しながら小型化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る回転電機の固定子は、第１セグメントコイルを収納する第１スロットを有する第１固定子コアと、第２セグメントコイルを収納する第２スロットを有する第２固定子コアと、第１固定子コアと第２固定子コアとの間に配置される絶縁部材と、を備える、回転軸を有する回転電機の固定子であって、第１固定子コアの軸方向端面は、絶縁部材を介して第２固定子コアの軸方向端面と対向し、第１セグメントコイルの端部は、第１固定子コア内に配置され、第２セグメントコイルの端部は、第２固定子コアの軸方向端面から突出して第１固定子コア内で第１セグメントコイルの端部と接続し、絶縁部材は、第１固定子コアの軸方向端面上に形成される第１絶縁部材と、第２固定子コアの軸方向端面上に形成されて第１絶縁部材と対向する第２絶縁部材と、により構成され、第１絶縁部材及び第２絶縁部材は、互いに嵌合するための嵌合部を有する。

本発明によれば、接続信頼性を確保しながら小型化を図る回転電機を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る回転電機の全体図である。 本発明の第１の実施例に係る固定子の分割鉄心の斜視図である。 本発明の第１の実施例に係る固定子の絶縁形状である。 本発明の第１の実施例に係るセグメントコイルを示す図である。 本発明の第１の実施例に係るセグメントコイルの嵌合方法を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る回転電機の固定子の結線方法を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る分割固定子の構造を示す図である。 従来の回転電機の固定子絶縁を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る回転電機の固定子における絶縁方法を示す図である。 本発明の第２の実施例係る分割固定子の構造を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る回転電機の製造方法を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る回転電機の製造方法を示す図である。 本発明の第３の実施例によるコイルの結線例を示す図である。 本発明の第３の実施例によるコイルの結線例を示す図である。 本発明の第３の実施例によるコイルの結線例を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る絶縁部材の構造を示す図である。 本発明の第２の実施例係る分割固定子の構造を示す図である。 本発明の第２の実施例係る分割固定子の構造を示す図である。

以下、本発明を実施するための例（以下においては「実施例」と表記する）を、図面を参照して説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、重複する説明は、適宜省略する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。

実施形態を説明する前に、本発明に至った背景または原理について説明する。

昨今の持続可能な社会の実現に向け，省エネルギーのため回転電機は小型・高効率化が求められており，特に自動車などの移動体向けの回転電機では、軽量・小型化が重要である。このような回転電機として、例えば、複数の永久磁石を備えた回転子と、この回転子と対向して設けられた固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻掛けられた固定子巻線とを有する永久磁石を備えた回転電機において、モータの性能に寄与しないコイルエンド部が小さい小型の固定子とすることが必要である。このような回転電機の固定子として，コイルの直線導体をスロットに配置した固定子コアモジュールと、コイルエンド部を絶縁体モールド成形したモールドエンド部を接合した構造を有するものが考えられる。しかし、このような構造では、嵌合部は直線でなければならないため、この直線分だけコイルエンドが長くなってしまう。また、スロット内でコイルを接続する方法も考えられるが、このようなコイル接続は，内部で嵌合がなされているかどうかを確認する方法がないため、組立性が悪化する。また、スロット内の銅線が太く電気抵抗の小さい固定子を作る方法として、セグメントコイルを用いた固定子が考えられる。しかし、コアがたとえば１５０mm以上の軸長があると、細いコイルの直線精度が出にくく、固定子のスロット内に軸方向から挿入する際、絶縁紙の破れやずれなどが多くなり、モータ製造方法が困難になる。

本実施形態は、上記問題点に鑑みてなされたものである。

[実施例１]
本実施例を図１、図２、図３を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る回転電機の全体図である。図１に示されるように、回転電機１は、固定子２０と回転子３０からなる。固定子２０はハウジング１２に納められ、ハウジング１２の両端にエンドブラケット１１が配置され、ベアリング７１を介してシャフト７０を支えている。シャフト７０には回転子３０が取り付けられる。回転子３０は、回転子鉄心３００と磁石４とで構成される。

図２は、本発明の第１の実施例に係る固定子の分割鉄心の斜視図である。図２に示されるように、本実施例では、固定子２０が軸方向に分割され、その間にコアの突き合わせ面９に絶縁部材５が配置される構造となっている。固定子鉄心２００は、コイルが挿入されるスロット２１が設けられており、軸方向に固定子ブロック２０Ａと２０Ｂとに２分割されている。絶縁部材５が、固定子ブロック２０Ａ及び２０Ｂの突き合わせ面９に施されている。

ここで、絶縁部材５を固定子ブロック２０Ａ及び２０Ｂに施す方法として、たとえば粉体塗装や静電塗装がある。あるいは、樹脂をコアと一体成形してもよい。図３は、本発明の第１の実施例に係る固定子の絶縁形状である。一体成形は、固定子鉄心２００より少し大きくほぼ同じ形状の型の中に固定子鉄心２００を入れ、その隙間に熱可塑性樹脂を注入し、絶縁部材５を成型する方法である。これにより、固定子ブロック２０Ａ又は２０Ｂに、図３に示されるような形状の絶縁部材５を施すことができる。絶縁部材５がコアに施されていれば、固定子２０の端面とさらにスロット２１内も電気的に絶縁することができる。絶縁部材５は薄いほうが望ましく、１ｍｍ以下が望ましい。

図４は、本発明の第１の実施例に係るセグメントコイルを示す図である。固定子ブロック２０Ａ、２０Ｂには、それぞれ軸方向の反対側から図４に示されるようなＵ字型に成型されたセグメントコイル６Ａ及びセグメントコイル６Ｂが挿入される。セグメントコイル６Ａの先端は凹型に加工されており、セグメントコイル６Ｂの先端は凸型に加工されている。セグメントコイルはスロットを跨って挿入され、１つのスロットにはコイルが４から１０本程度入る。例えば、図２の固定子鉄心の場合、スロット２１は４８個あり、ここにスロットあたり４本のセグメントコイル６Ａが挿入されるとすると、セグメントコイル６Ａと６Ｂの数はそれぞれ９６ずつ必要となる。

固定子ブロック２０Ａと固定子ブロック２０Ｂには、鉄心とセグメントコイルを一体化して固定する目的で、たとえばワニスを含浸させてもよい。

図５は、本発明の第１の実施例に係るセグメントコイルの嵌合方法を示す図である。すべてのセグメントコイルは、固定子ブロック２０Ａと固定子ブロック２０Ｂの突き合わせ面９の近傍において、図５に示されるように嵌合され、電気的に接続される。

図６は、本発明の第１の実施例に係る固定子の結線方法を示す図である。図６では、３相モータの１相分のコイルだけを示す。図６中、実線は紙面手前のセグメントコイル６Ａ、二重線は紙面奥のセグメントコイル６Ｂが示されている。たとえば、直列回路（１）は、セグメントコイル６Ａが１番スロットの２層目と４番スロットの１層目に跨って紙面手前から固定子ブロック２０Ａ差し込まれる。固定子ブロック２０Ｂの４番スロットには、紙面向こう側から差し込まれたセグメントコイル６Ｂが位置し、セグメントコイル６Ａとセグメントコイル６Ｂの一端は、固定子ブロックの突合せとともに嵌合により接続される。セグメントコイル６Ｂの他端は、７番スロットの２層目に挿入され、次のセグメントコイル６Ａのコイルと接続される。これを繰り返し固定子コアを１周することで、固定子コイルはいわゆる波巻きにより巻線が形成される。直列回路（２）から直列回路（４）も同様に巻線を形成し、４周分のコイルができる。それらを３相分作ることで固定子巻線が完成する。

図７は、本発明の第１の実施例に係る分割固定子の構造を示す図である。図７に示されるように、セグメントコイル６Ａの一端は、固定子ブロックＡの突合せ面９付近まで長さがあり、その終端部は紙面下方向から目視で確認できる程度の深さとする。コアブロック２０Ｂには、コイル６Ｂが挿入されており、セグメントコイル６Ｂの端部は、固定子ブロック２０Ｂの突合せ端面から突出している。このような構造にすることにより、セグメントコイル６Ａと６Ｂとを嵌合する前に、互いのコイルの位置を詳細に測定し、嵌合の可否を予め判断することができる。また、コアを付き合わせた後には、コイルの接続部は固定されるため嵌合が外れることはない。これにより、より信頼性の高いモータを提供することができる。

本実施例において、固定子ブロック２０Ａと２０Ｂの突合せ面９は全面的に絶縁で覆われている。これは、コアの分割面でコイルとコアの間の絶縁沿面距離を確保するためである。以下、図８を用いて、沿面距離を確保しなければならない理由を説明する。

図８は、従来の回転電機の固定子絶縁を示す図である。従来の回転電機では、固定子鉄心２００のスロットには絶縁紙５１を挿入し、その中にセグメントコイル６を収める構造となっている。この場合、コアの軸方向端面とセグメントコイル６とは、絶縁紙５１により絶縁されている。しかし、絶縁材料の表面の塵埃８が湿気などによって吸湿することにより、絶縁抵抗が低下してしまうことがある。コイルからコアへ漏れ電流が流れる状態が続くと、局部的な放電により材料の表面が劣化し、最終的には導電路（トラック）ができ、表面の絶縁破壊が起きる。これをトラッキングという。このトラッキングを避けるため、絶縁紙５１は鉄心２００よりも絶縁沿面距離５０で示すように５ｍｍ程度長くすることが一般的である。この長さが短いと、トラッキングによる絶縁劣化の原因となる。

分割した別々のコアを突き合わせて接続する工法だと、コアの突き合わせ面９の部分では、エナメル線のセグメントコイル６と鉄心２００の間の距離は絶縁紙５１の厚みしかない。通常、絶縁紙は０．５ｍｍ程度であるため、沿面距離を確保できない。そこで本実施例では、図９に示されるように、固定子２００とセグメントコイル６の間の沿面距離を確保するため、コアの表面にも絶縁を施している。これにより、セグメントコイルから固定子コアまでの沿面距離は、スロットからコア表面に絶縁を施した軸に垂直な方向の距離も含めることができる。したがって、コアとコイルと絶縁部材を、軸方向に分割した回転電機の絶縁が可能になる。

以上より、本実施例では、内部で嵌合がなされているかどうかを確認することができるため、製造の不良率を下げることができる。また、従来のモータでは、コアがたとえば１５０mm以上の軸長があると、細いコイルの直線精度が出にくく、固定子のスロット内に軸方向から挿入する際、絶縁紙の破れやずれなどが多くなり、モータ製造方法が困難になる欠点があった。本実施例では、絶縁紙を用いないため、モータの製造性が向上する。また、従来のモータでは、絶縁紙はトラッキングによる絶縁破壊を防ぐためにコアとコイルの間に5mm程度の沿面距離が必要であり、その分、コア端面から紙がはみ出ている。このセグメントコイルを曲げる際に破れるのを避けるため、この直線部分にマージンが必要で、その長さ分コイルエンドが短くできなかった。本実施例で示される回転電機の固定子では、コアの表面にも絶縁を施すことにより、セグメントコイルから固定子コアまでの沿面距離は、スロットからコア表面に絶縁を施した軸に垂直な方向の距離も含めることができるため、コイルエンドを短くすることができる。

なお、本実施例では、絶縁部材５がコア端面全面に形成されている例を示したが、沿面距離の考えから、コア端面の絶縁部材５はスロットから軸に垂直方向に一定距離以内に絶縁されていれば、同じ効果が得られる。

また、本実施例では絶縁部材５が固定子端面とスロット内で一体に成型されている例を示したが、コア端面とスロット内に別々に沿面距離が確保されていれば、固定子端面の絶縁部材５とスロット２１内の絶縁部材５が別体であっても、同様の効果が得られる。

また、図１３に示されるように分割した固定子ブロックを積重ねるときにずれないように、固定子ブロック２０Ａには一体成形の樹脂で突起５４を作っておき、固定子ブロックＢには、その突起５２を受ける凹部をつくってもよい。このような構成とすることにより、ブロックを突き合わせた後に固定子ブロックが安定するので、コアがずれてコイル接続が分断するのを避けることができる。また、スロット内のコイルの位置決めが容易になるように、射出成形時にコイルのガイド５２を作ること、または、隣のコイルとの接触を避けるために、コイル仕切り５３をつくることもできる。これにより、簡易な方法で固定子を組み立てることができる。すなわち、コイルの嵌合部付近でコアとコイルを分割しているので、コイルが短くなりコイルを軸方向から挿入しやすくなる。また、ブロックをつき合わせる直前におのおの固定子ブロックの各コイルの位置を正しく揃えることができるので嵌合が失敗しにくくなる。また、コイルの近傍のコア端面を絶縁しているので、嵌合部付近の絶縁沿面距離を確保でき、絶縁性の確保も容易である。また、予め成形されたセグメントコイルをコアに挿入するので、組立て後の曲げ作業が無く、セグメントコイルをコアの端面まで差し込むことが可能となり、コイルエンドを短くすることができる。

［実施例２］
図１０、図１４及び図１５を用いて、本発明の実施例２に係る固定子を説明する。図１３は、本発明の第２の実施例係る分割固定子の構造を示す図である。実施例１との違いは、コアが２つではなく３つ以上に分割されていることである。セグメントコイル６Ａは固定子ブロック２０Ａと固定子ブロック２０Ｂ、あるいはそれ以上の数の固定子ブロックを積重ねている。そして、コイルの嵌合部付近の突き合わせ面９は、セグメントコイル６Ｂの短部が固定子ブロック２０Ｃの軸方向端面から突出している。換言すると、固定子ブロック２０Ｂを２つの固定子ブロックに分割している。これにより、積厚の違う回転電機を製造することができ、設備の共用化などが可能である。回転電機の製品としての効果は実施例１と同様の効果を得ることができる。

また、図１０に示されるように、固定子ブロック２０Ａと２０Ｂの間に、固定子ブロック２０Ｃを配置してもよい。突き合わせ面９が２箇所になり、固定子２０Ｃに挿入するセグメントコイル６Ｃは直線形状になり、両端に嵌合部がある構造となるが、同様に固定子を組み立てられる。また、図１５に示されるように、固定子２０Ｃの内部で嵌合する構成としてもよい。この場合、セグメントコイルは、セグメントコイル６Ｂ及びセグメントコイル６Ｃの２種類となるため、２種類のセグメントコイルだけで製造ができる。この場合、固定子ブロック２０Ａ内部で嵌合させる構造としても同様の効果が得られる。

［実施例３］
図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施例に係る回転電機の製造方法を示す図である。固定子ブロック２０Ｂを共通に、固定子ブロック２０Ａと２０Ｄを入れ替えることで、トルクや電圧仕様の異なる別の回転電機の固定子が製造できる。回転電機は、口出し線や異形コイル６３を変えることで、結線を変えることができる。例えば、図１２(ａ)、（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、図１２（ａ）はデルタ結線、図１２（ｂ）はスター結線、図１２（ｃ）は並列接続である。このような結線を変えることでモータの電圧・電流の仕様を変えることができる。また、軸方向の積厚を変えることで異なるトルク仕様のモータにすることができる。このような方法でより多くの多品種展開する回転電機を、少ない設備で作ることもできる。

１…回転電機、４…磁石、５…絶縁部材、６…セグメントコイル、８…塵埃、９…コアの突き合わせ面、１１…エンドブラケット、１２…ハウジング、２０…固定子、２０Ａ…固定子ブロックＡ、２０Ｂ…固定子ブロックＢ、２０Ｃ…固定子ブロックＣ、２１…スロット、３０…回転子、５０…絶縁沿面距離、５１…絶縁紙、５２…コイルガイド、５３…コイル仕切り、５４…突起、６１…亘り線、６２…口出し線、６３…異形コイル、７０…シャフト、７１…ベアリング、２００…固定子鉄心、３００…回転子鉄心

Claims (13)

1. 第１セグメントコイルを収納する第１スロットを有する第１固定子コアと、
   第２セグメントコイルを収納する第２スロットを有する第２固定子コアと、
   前記第１固定子コアと前記第２固定子コアとの間に配置される絶縁部材と、を備える、回転軸を有する回転電機の固定子であって、
   前記第１固定子コアの軸方向端面は、前記絶縁部材を介して前記第２固定子コアの軸方向端面と対向し、
   前記第１セグメントコイルの端部は、前記第１固定子コア内に配置され、
   前記第２セグメントコイルの端部は、前記第２固定子コアの軸方向端面から突出して前記第１固定子コア内で前記第１セグメントコイルの端部と接続し、
   前記絶縁部材は、前記第１固定子コアの軸方向端面上に形成される第１絶縁部材と、前記第２固定子コアの軸方向端面上に形成されて前記第１絶縁部材と対向する第２絶縁部材と、により構成され、
   前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材は、互いに嵌合するための嵌合部を有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であって、
   前記第２固定子コアは、第３固定子コアと、当該第３固定子コアを介して前記第１固定子コアの軸方向端面と対向する第４固定子コアとに分割され、
   前記第３固定子コアと前記第４固定子コアとの間に配置される別の絶縁部材をさらに備える回転電機の固定子。
3. 第１セグメントコイルを収納する第１スロットを有する第１固定子コアと、
   第２セグメントコイルを収納する第２スロットを有する第２固定子コアと、
   第３セグメントコイルを収納する第３スロットを有し、前記第１固定子コアと前記第２固定子コアの間に配置される第３固定子コアと、
   前記第１固定子コア及び前記第３固定子コア間並びに前記第２固定子コア及び前記第３固定子コア間にそれぞれ配置される絶縁部材と、を備える、回転軸を有する回転電機の固定子であって、
   前記回転軸の軸方向における前記第３固定子コアの両端面は、前記第２固定子コア及び前記第１固定子コアの軸方向端面とそれぞれ対向し、
   前記第１セグメントコイルの端部は、前記第１固定子コア又は前記第３固定子コア内で前記第３セグメントコイルの一端と接続し、
   前記第２セグメントコイルの端部は、前記第２固定子コア又は前記第３固定子コア内で前記第３セグメントコイルの他端と接続し、
   前記絶縁部材は、前記第１固定子コアの軸方向端面上に形成される第１絶縁部材と、前記第２固定子コアの軸方向端面上に形成される第２絶縁部材と、前記第３固定子コアの一方の軸方向端面上に形成されて前記第１絶縁部材と対向する第３絶縁部材と、前記第３固定子コアの他方の軸方向端面上に形成されて前記第２絶縁部材と対向する第４絶縁部材と、により構成され、
   前記第１絶縁部材及び前記第３絶縁部材並びに前記第２絶縁部材及び前記第４絶縁部材は、互いに嵌合するための嵌合部をそれぞれ有する回転電機の固定子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の回転電機の固定子であって、
   前記第１固定子コアの軸方向における前記第１絶縁部材が形成された端面とは反対側の端面と、前記第２固定子コアの軸方向における前記第２絶縁部材が形成された端面とは反対側の端面とにそれぞれ配置される別の絶縁部材をさらに備える回転電機の固定子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の回転電機の固定子であって、
   前記絶縁部材は、前記第１固定子コア又は前記第２固定子コアの軸方向端面を覆うように形成される回転電機の固定子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の回転電機の固定子であって、
   前記絶縁部材は、前記第１スロットまたは前記第２スロットを形成する面に沿って形成されるスロット絶縁部を有する回転電機の固定子。
7. 請求項６に記載の回転電機の固定子であって、
   前記絶縁部材は、前記第１固定子コアの端面に接する部分と前記スロット絶縁部とが一体的に形成される回転電機の固定子。
8. 請求項６又は７に記載の回転電機の固定子であって、
   前記絶縁部材は、前記スロット絶縁部のうち径方向に沿った面に前記第１セグメントコイルをガイドするためのガイド部を有し、
   前記ガイド部は、周方向へ突出する回転電機の固定子。
9. 請求項６乃至８のいずれか１つに記載の回転電機の固定子であって、
   前記絶縁部材は、前記スロット絶縁部のうち径方向に沿った面に前記第１セグメントコイル又は前記第２セグメントコイルと、他のセグメントコイルと、を仕切るための仕切り部を有する回転電機の固定子。
10. 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の回転電機の固定子であって、
    前記絶縁部材は、粉体塗装あるいは静電塗装によってコアに塗布される回転電機の固定子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の回転電機の固定子と、
    回転子と、を備える回転電機。
12. 第１固定子コアの軸方向端面の一部に絶縁部材を形成し、他面から第１セグメントコイルを挿入して第１の固定子ブロックを形成する第１工程と、
    第２固定子コアの軸方向端面の一部に絶縁部材を形成し、他面から第２セグメントコイルを挿入して第２の固定子ブロックを形成する第２工程と、
    前記第１の固定子ブロックと前記第２の固定子ブロックの前記絶縁部材が形成されている端面同士を突合せ、前記第１セグメントコイルと前記第２セグメントコイルを嵌合する第３工程と、を有する回転電機の固定子の製造方法。
13. 第１固定子コアの軸方向端面の一部に絶縁部材を形成し、他面から第１セグメントコイルを挿入して第１の固定子ブロックを形成する第１工程と、
    第２固定子コアの軸方向端面の一部に絶縁部材を形成し、他面から第２セグメントコイルを挿入して第２の固定子ブロックを形成する第２工程と、
    第３固定子コアの軸方向の面の一部に絶縁部材を形成し、直線形状の第３セグメントコイルを挿入して第３の固定子ブロックを形成する第３工程と、
    前記第１の固定子ブロックの前記絶縁部材が形成されている端面と前記第３の固定子ブロックの端面を突合せ、前記第１セグメントコイルと前記第３セグメントコイルを嵌合する第４工程と、
    前記第２の固定子ブロックの前記絶縁部材が形成されている端面と前記第３の固定子ブロックの端面を突合せ、前記第２セグメントコイルと前記第３セグメントコイルを嵌合する第５工程と、を有する回転電機の固定子の製造方法。

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