JP7433429B2 - インシュレータ、固定子、及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インシュレータ、固定子、及び回転電機に関する。

回転電機として、固定子と回転子とを備えた回転電機が知られている。固定子は、例えば、円環状の固定子鉄心と、固定子鉄心の内周面から径方向内側に向かって突出された複数のティースと、ティースに巻回されたコイルと、ティースに装着されティースとコイルとの間の絶縁を確保するためのインシュレータと、を備える。
ここで、ティースに巻回されたコイルの端末部を結線する工程として、例えば、丸菅の金属スリーブを用いる場合がある。このような場合、金属スリーブに複数のコイルの端末部を挿入し、複数のコイルの端末部が金属スリーブに挿入したままの状態で、金属スリーブを加締める。これにより、各コイルの端末部が金属スリーブを圧着され、結線される。

ところで、金属スリーブによって圧着されたコイルの形状が、例えば、丸線である場合、コイルの向きが金属スリーブに影響を及ぼすことは少ない。これに対し、例えば、コイルが平角線である場合、コイルを整列させた状態で金属スリーブを加締める必要がある。これは、平角線を用いる場合、平角線の向きによって各コイルに均一に圧力が加わらなかったり、金属スリーブによって圧着された平角線が金属スリーブから引出される方向が制限されてしまったりするからである。
しかしながら、金属スリーブの内部で平角線を整列させることが煩わしく、コイルを結線する作業の作業性が悪くなる可能性があった。

また、金属スリーブによってコイルの端末部を圧着した場合、金属スリーブが配置される箇所によっては、ティースに巻回されたコイルに金属スリーブが接触してしまう可能性がある。コイルに金属スリーブが接触する場合、コイルの被覆が剥がれ、コイルと金属スリーブとの間で短絡が生じてしまう可能性があった。コイルと金属スリーブとの間の接触や短絡を防止するために、金属スリーブを別の部材で固定することが考えられる。しかしながら、この場合では、回転電機が大型化してしまう可能性があった。

日本国特開２００５－２７８２８９号公報

本発明が解決しようとする課題は、コイルを結線する作業の作業性を向上させることができるとともに、コイルの短絡を防止でき、かつ装置の大型化を抑制できるインシュレータ、固定子、及び回転電機を提供することである。

実施形態のインシュレータは、環状の固定子鉄心の径方向における一側面から前記径方向に沿って延びるティースに装着され、前記ティースに巻回されるコイルと前記ティースとの絶縁を確保するインシュレータであって、前記ティースの周囲を覆うティース被覆部と、前記ティース被覆部の軸方向における一端に設けられ、前記コイルを収納するコイル収納部と、を有し、前記コイル収納部は、複数のコイルが束ねて結合された結合部を収納する結合部収納凹部を有し、前記結合部収納凹部は、前記コイル収納部を構成する壁部により前記ティース被覆部と隔てて設けられており、前記壁部には、前記コイル収納部側から前記ティース被覆部側へと前記コイルを導くコイル導入スリットが形成されている。

実施形態の回転電機を示す平面図。 実施形態の分割コアを示す斜視図。 実施形態のコイルを結線する方法を説明する図であって、金属スリーブを示す模式断面図である。 実施形態の圧着装置を示す斜視図。

以下、実施形態の回転電機を、図面を参照して説明する。

図１は、回転電機１を示す平面図である。
回転電機１は、円筒状の固定子２と、固定子２の径方向内側に配置され固定子２に対して回転自在に設けられた回転子３と、を備える。
以下の説明では、回転子３の回転軸線Ｃと平行な方向を単に軸方向と称し、回転子３の回転方向を単に周方向と称し、軸方向及び周方向に直交する回転子３の径方向を単に径方向と称する。

回転子３は、回転軸線Ｃ回りに回転するシャフト４と、シャフト４の外周面に嵌合された回転子鉄心５と、を備える。回転子鉄心５の径方向における中央には、軸方向に回転子鉄心５を貫通する貫通孔５ａが形成されている。この貫通孔５ａに、シャフト４が例えば、圧入により固定されている。回転子鉄心５の外周部寄りの位置には、図示しない複数のマグネットが周方向に並んで設けられている。

固定子２は、円筒状の固定子ケース６の内周面に嵌合され、固定されている。固定子ケース６及び固定子２の軸方向は、回転軸線Ｃと一致している。固定子２は、円筒状の固定子鉄心７と、固定子鉄心７の内周面７ａから径方向内側に向かって突出形成された複数（例えば、本実施形態では２４個）のティース８と、ティース８の周囲を被覆するように装着された絶縁性のインシュレータ９と、各ティース８におけるインシュレータ９に集中巻き方式により巻回されるコイル１０と、を備える。

ここで、固定子鉄心７は、周方向に分割可能な分割コア方式が採用されている。すなわち、固定子鉄心７は、ティース８ごとに周方向に分割された複数の分割コア１１を環状に連結して構成される。本実施形態では、分割コア１１の個数は、２４個となる。

図２は、分割コア１１を示す斜視図である。
図１、図２に示すように、分割コア１１は、例えば、複数の金属板を積層したり軟磁性粉を加圧成形したりすることによって構成されている。分割コア１１は、周方向に延びる分割鉄心１２と、分割鉄心１２の周方向における中央から径方向内側に向かって突出するティース８と、を備える。
分割鉄心１２は、分割コア１１を環状に連結したときに固定子鉄心７の環状の磁路を形成する箇所である。分割鉄心１２は、軸方向に直交する断面形状が円弧状となるように形成されている。

分割鉄心１２の周方向における両端部には、連結部１３ａ，１３ｂが形成されている。図１に示すように互いに隣り合う２つの分割鉄心１２は、連結部１３ａ，１３ｂにおいて連結される。具体的には、互いに隣り合う２つの分割鉄心１２のうち一方の分割鉄心の連結部１３ａが他方の分割鉄心の連結部１３ｂに圧入されることで、２つの分割鉄心１２が連結される。２つの連結部１３ａ，１３ｂのうち、一方の連結部１３ａは、凸形状に形成されている。２つの連結部１３ａ，１３ｂのうち、他方の連結部１３ｂは、連結部１３ａを受け入れ可能な凹形状に形成されている。

ティース８は、径方向に沿って延びるティース本体１４と、鍔部１５と、を備える。鍔部１５は、ティース本体１４の径方向内側の端部に位置する。鍔部１５は、ティース本体１４と一体に成形されている。鍔部１５は、ティース本体１４の先端部における周方向両側に沿って延びる。これによって、ティース本体１４と鍔部１５と分割鉄心１２とに囲まれたスロット１６が形成されている。つまり、各分割コア１１には、ティース８を挟むようにティース８の両側に配置された一対のスロット１６が形成される。スロット１６には、コイル１０が巻回される。

インシュレータ９は、第１インシュレータ１７と、第２インシュレータ１８とによって構成されている。第１インシュレータ１７及び第２インシュレータ１８は、ティース８の軸方向において互いに分離又は結合が可能である。
第１インシュレータ１７は、ティース８の軸方向における一方方向（例えば、ティース８の上方から下方に向かう方向）に沿って移動することで、ティース８に装着される。
第２インシュレータ１８は、ティース８の軸方向における他方方向（例えば、ティース８の下方から上方に向かう方向）に沿って移動することで、ティース８に装着される。
つまり、インシュレータ９は、２つのインシュレータが軸方向に分割可能な分割構成を有する。
ティース８にインシュレータ９が装着された状態では、第１インシュレータ１７と第２インシュレータ１８とは隙間なく重なり合う。第１インシュレータ１７と第２インシュレータ１８との間からティース８が露出されることがない。

第１インシュレータ１７は、ティース本体１４の周囲を覆うティース被覆部２１と、ティース被覆部２１の径方向における外側端に一体に成形されている外壁部２４と、ティース被覆部２１の径方向内側端に一体に成形されている内壁部２５と、を備えている。
外壁部２４は、分割鉄心１２の内側面１２ａを被覆する。外壁部２４は、分割鉄心１２の軸方向における一端面から突出する外壁突出部２７を有する。外壁突出部２７の周方向における中央には、コイル導入スリット２８が形成されている。コイル導入スリット２８は、外壁部２４の径方向外側から径方向内側へとコイル１０を導く溝である。

コイル導入スリット２８は、径方向及び周方向に交差するように軸方向から見て斜めに延びて形成されている。外壁突出部２７の外側面２７ａには、コイル押え壁２９が形成されている。コイル押え壁２９は、外壁部２４の径方向外側で引き回されるコイル１０（渡り線）を収納する。コイル押え壁２９は、底壁部２９ａと側壁部２９ｂとを備える。底壁部２９ａは、外壁突出部２７の根元（外壁部２４における分割鉄心１２の軸方向における一端面に近い位置）から径方向外側に向かって突出する。側壁部２９ｂは、底壁部２９ａの径方向における外側端から外壁突出部２７と平行に立ち上がる。

これら底壁部２９ａ及び側壁部２９ｂと、外壁突出部２７とにより、コイル１０の渡り線部を収納する渡り線収納部３０（コイル収納部の一例）が形成される。渡り線収納部３０を構成する外壁突出部２７の外側面２７ａの一部には、スリーブ収納凹部３１（結合部収納凹部の一例）が形成されている。スリーブ収納凹部３１は、コイル導入スリット２８を避けるように配置されている。スリーブ収納凹部３１は、軸方向から見て四角形状に形成されている。スリーブ収納凹部３１は、後述する金属スリーブ７０を収納する。

内壁部２５は、ティース８を構成する鍔部１５の内側面（径方向外側の面）を被覆する。内壁部２５は、鍔部１５の軸方向における一端面から突出する内壁突出部３２を有する。鍔部１５から突出する内壁突出部３２の突出高さと、分割鉄心１２から突出する外壁突出部２７の突出高さとは、ほぼ同一である。

第２インシュレータ１８は、ティース本体１４の周囲を覆うティース被覆部４１と、ティース被覆部４１の径方向における外側端に一体に成形されている外壁部４４と、ティース被覆部４１の径方向における内側端に一体に成形されている内壁部４５と、を備えている。

外壁部４４は、分割鉄心１２の内側面１２ａを被覆する。外壁部４４は、分割鉄心１２の軸方向における他端面から突出する外壁突出部４７を有する。外壁突出部４７の周方向における中央には、コイル引出スリット４８が形成されている。コイル引出スリット４８を介してインシュレータ９に巻回されたコイル１０が引き出される。

外壁突出部４７の外側面４７ａには、コイルガイド部４９が形成されている。コイルガイド部４９は、外壁部４４の径方向外側で引き回されるコイル１０（渡り線）を収納する。コイルガイド部４９は、周方向に沿う複数（例えば、本実施形態では３個）のガイド溝４９ａを有する。３個のガイド溝４９ａは、径方向に並んで配置されている。３個のガイド溝４９ａの各々は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する。Ｕ相のガイド溝４９ａには、Ｕ相のコイル１０が収納される。Ｖ相のガイド溝４９ａには、Ｖ相のコイル１０が収納される。Ｗ相のガイド溝４９ａには、Ｗ相のコイル１０が収納される。

内壁部４５は、ティース８を構成する鍔部１５の内側面（径方向外側の面）を被覆する。内壁部４５は、鍔部１５の軸方向における端面から突出する内壁突出部５２を有する。鍔部１５から突出する内壁突出部５２の突出高さは、分割鉄心１２から突出する外壁突出部４７の突出高さよりも低い。

このような構成のもと、ティース８の軸方向における両端に第１インシュレータ１７と第２インシュレータ１８とが装着される。第１インシュレータ１７及び第２インシュレータ１８を構成する、ティース被覆部２１，４１と、外壁部２４，４４、及び内壁部２５，４５とによって、巻回コイル収容凹部６０が形成される。この巻回コイル収容凹部６０に収納されるように、各ティース８に装着されたインシュレータ９にコイル１０が集中巻き方式により巻回される。

ティース８に装着されたインシュレータ９にコイル１０を巻回する工程を具体的に説明する。
コイル１０が最初に第１インシュレータ１７に巻回される（巻き始め）。ティース８に対するコイル１０の巻回が終了した後、コイル１０の巻き終わり端は、第２インシュレータ１８から引き出される。コイル１０は、断面形状が長方形であるいわゆる平角線である。このような平角線のコイル１０は、長手方向が径方向に沿うように、かつ短手方向が周方向に沿うように隙間なく整列されて巻回される。

各ティース８に巻回され、各分割コア１１の軸方向における両端から引き出されたコイル１０の端末部は、それぞれ結線される。本実施形態では、回転電機１は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルで構成され、コイル１０は、スター結線（Ｙ結線）される。例えば、第１インシュレータ１７のコイル導入スリット２８を介して引き出されたコイル１０の端末部１０ａ（図２参照、巻き始め端）は、中性点として結線される。第２インシュレータ１８のコイル引出スリット４８を介して引き出されたコイル１０の端末部１０ｂ（図２参照、巻き終わり端）は、同相のコイルが互いに結線されており、対応する相の図示しない端子に接続される。

図示しない端子に結線されるコイル１０の端末部１０ｂ（巻き終わり端）と、中性点として結線されるコイル１０の端末部１０ａ（巻き始め端）とが、固定子鉄心７の軸方向における両側に別々に配置される。中性点として結線されるコイル１０の端末部１０ａは、例えば、３本を一束として金属スリーブ７０（図２参照）によって圧着される。この状態でコイル１０の端末部１０ａは、第１インシュレータ１７の渡り線収納部３０に収納されて引き回される。金属スリーブ７０は、第１インシュレータ１７のスリーブ収納凹部３１に収納される。

一方、図示しない端子に結線されるコイル１０の端末部１０ｂは、第２インシュレータ１８の各ガイド溝４９ａに収納される。すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル１０がＵ相、Ｖ相、Ｗ相のガイド溝４９ａに各々収納されて引き回される。
図示しない各端子を介して所望のコイル１０に電力が供給されることにより、固定子２に所望の鎖交磁束が形成される。この鎖交磁束と回転子３の図示しないマグネットとの間で磁気的な吸引力や反発力が生じ、回転子３が回転される。
また、回転電機１を発電機として用いる場合、外力等により回転子３が回転させられることにより、回転子３の図示しないマグネットと固定子２のコイル１０との間に磁気的な吸引力や反発力が生じ、鎖交磁束が形成される。これにより、図示しない各端子に電力が生じる。

ここで、図２から図４に基づいて、金属スリーブ７０を用いた、中性点となるコイル１０の端末部１０ａを結線する方法について詳述する。
図３は、金属スリーブ７０を用いたコイル１０の端末部１０ａを結線する方法を説明する図である。図３において、ＰＡＲＴ（ａ）から（ｃ）の各々は、工程を示す。
図３（ａ）に示すように、圧着する前の金属スリーブ７０は、丸菅状である。つまり、金属スリーブ７０の軸方向から見て、円形形状を有する金属スリーブ７０を準備する。

図３（ｂ）に示すように、丸菅状の金属スリーブ７０の両側を、金属スリーブ７０の軸心Ｃｓを挟むように押圧する（図３（ｂ）における符号Ｐ参照）。これによって、金属スリーブ７０を軸心Ｃｓ方向から見て楕円形状に変形させる（スリーブ加工工程）。つまり、軸方向から見て金属スリーブ７０が非円形形状を有するように金属スリーブ７０を加工し、変形した金属スリーブ７０を得る。変形後（加工後）の金属スリーブを「変形スリーブ」又は「変形した金属スリーブ」と称してもよい。

次に、図３（ｃ）に示すように、楕円形状に変形した金属スリーブ７０に、コイル１０の端末部１０ａを挿入する（コイル挿入工程）。
上述したスリーブ加工工程では、所定の本数（例えば、本実施形態では３本）のコイル１０が金属スリーブ７０の内部において横並びに整列されるように、金属スリーブ７０を楕円形状に変形させている。このため、コイル挿入工程では、金属スリーブ７０にコイル１０の端末部１０ａを挿入させることによって、コイル１０の端末部１０ａが横並びに整列される。例えば、本実施形態では、コイル１０は平角線であるため、コイル１０の断面視において、コイル１０は、長手方向と短手方向とを有する。図３（ｃ）に示すように、変形した金属スリーブ７０においては３本のコイル１０は、コイル１０の長手方向に沿って横並びで整列される。

次に、変形した金属スリーブ７０に３本のコイルを挿入した後に、金属スリーブ７０を加締めることによって、変形した金属スリーブ７０と各コイル１０の端末部１０ａとを接合する（加締め工程）。

図４は、加締め工程を行うための圧着装置８０を示す斜視図である。
図４に示すように、圧着装置８０は、固定電極８１と、固定電極８１に対して接近、離間する可動電極８２と、を備えている。このような圧着装置８０の固定電極８１上に、コイル１０の端末部１０ａが挿入された金属スリーブ７０を配置する。このとき、固定電極８１に対して可動電極８２が離間されている。この後、固定電極８１に可動電極８２を接近させて金属スリーブ７０を加圧する。この際、各電極８１，８２に通電を行う。

例えば、金属スリーブ７０によって３本のコイル１０を接合させる場合、金属スリーブ７０への加圧条件及び各電極８１，８２への通電条件は、例えば、以下の通りである。
・金属スリーブ７０に加わる加圧力：３０００［Ｎ］
・各電極８１，８２への通電方法：ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御（パルス通電制御）
・通電電流：１０［ｋＡ］
・通電サイクル：８回
・通電立ち上げ時間：５０［ｍｓ］
・通電時間：６００［ｍｓ］

圧着装置８０を用い、上記条件で金属スリーブ７０に通電加圧を行う。したがって、金属スリーブ７０が加締められ、この金属スリーブ７０とコイル１０とが確実に接合される。これにより、コイル１０の端末部１０ａの金属スリーブ７０を用いた結線工程が完了する。加締められた金属スリーブ７０の形状は、平板状となる。この状態の金属スリーブ７０が、図２に示すように第１インシュレータ１７のスリーブ収納凹部３１に収納される。スリーブ収納凹部３１は、加締められた金属スリーブ７０の形状に対応するように、軸方向から見て四角形状に形成されている。
なお、スリーブ加工工程においては、圧着装置８０の各電極８１，８２に通電を行わない状態で、電極８１，８２にプレス加工が施されてもよい。プレス加工の条件としては、特に限定されず、公知のプレス加工条件が用いられる。

このように上述の実施形態では、コイル１０の端末部１０ａを結線するにあたって、金属スリーブ７０を用いることにより、コイル１０の結線を容易に行うことができる。
また、上述のコイル１０を結線する方法では、スリーブ加工工程と、コイル挿入工程と、加締め工程と、を有する。このため、コイル挿入工程において、金属スリーブ７０にコイル１０の端末部１０ａを挿入させることによってコイル１０の端末部１０ａを容易に横並びに整列させることができる。よって、コイル１０を結線する作業の作業性を向上できる。

また、加締め工程において、金属スリーブ７０に、パルス通電制御による通電加熱を行っている。このため、金属スリーブ７０とコイル１０とが確実に接合され、金属スリーブ７０からコイル１０が引き抜けてしまったり、コイル１０が焼損してしまったりすることを防止できる。

また、上述の実施形態では、ティース８を被覆する第１インシュレータ１７に、渡り線収納部３０を形成している。さらに、渡り線収納部３０を構成する外壁突出部２７の外側面２７ａの一部に、スリーブ収納凹部３１を形成している。このスリーブ収納凹部３１に、コイル１０を結線した金属スリーブ７０を収納している。このため、金属スリーブ７０の位置を容易に安定させることができる。また、渡り線収納部３０のスペースを有効的に活用して金属スリーブ７０を配置することができる。このため、固定子２が無駄に大型化してしまうことを防止できる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、コイル１０を結線する方法として、スリーブ加工工程と、コイル挿入工程と、加締め工程と、を有する。このため、コイル挿入工程において、金属スリーブ７０にコイル１０の端末部１０ａを挿入させることによってコイル１０の端末部１０ａを容易に横並びに整列させることができる。よって、コイル１０を結線する作業の作業性を向上できる。

なお、上述の実施形態では、固定子２（固定子鉄心７）が分割コア１１を環状に連結して構成される場合について説明した。分割コア１１の個数が２４個である場合について説明した。しかしながら、実施形態は、この構成に限られない。固定子２（固定子鉄心７）は、周方向に分割可能な分割コア方式が採用されていなくてもよい。

上述の実施形態では、例えば、３本のコイル１０の端末部１０ａを、金属スリーブ７０を用いて結線する場合について説明した。しかしながら、実施形態は、この構成に限られない。コイル１０の本数は、任意に決定することができる。すなわち、コイル１０の本数は、４本以上でもよい。金属スリーブ７０の大きさは、結線させるコイル１０の本数に応じて変更すればよい。また、スリーブ加工工程では、金属スリーブ７０を軸心Ｃｓ方向から見て楕円形状に変形させなくてもよく、コイル１０の整列させる配置に応じて金属スリーブ７０を変形させればよい。変形前の金属スリーブ７０の形状は、軸方向から見て円形形状である。変形した金属スリーブ７０形状は、円形形状以外の形状（異形状）であればよい。

上述の実施形態では、コイル１０の端末部１０ａ（中性点）を、金属スリーブ７０を用いて結線した場合について説明した。しかしながら、実施形態は、この構成に限られない。コイル１０の端末部１０ｂを図示しない端子と接合する場合にも、上述のコイル１０を結線する方法を採用することが可能である。

上述の実施形態では、インシュレータ９（第１インシュレータ１７）にスリーブ収納凹部３１を形成し、このスリーブ収納凹部３１にコイル１０を結線した金属スリーブ７０を収納した場合について説明した。しかしながら、実施形態は、この構成に限られない。金属スリーブ７０に代わって、コイル１０の端末部１０ａを結線する部材を用いてもよい。また、直接溶接等によりコイル１０の端末部１０ａを結線してもよい。これらの場合においても、スリーブ収納凹部３１は、コイル１０の結線箇所を収納可能に形成されていればよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…回転電機、２…固定子、３…回転子、７…固定子鉄心、８…ティース、９…インシュレータ、１０…コイル、１７…第１インシュレータ、１８…第２インシュレータ、２１，４１…ティース被覆部、３０…渡り線収納部（コイル収納部）、３１…スリーブ収納凹部（結合部収納凹部）、７０…金属スリーブ、８０…圧着装置

Claims (4)

1. 環状の固定子鉄心の径方向における一側面から前記径方向に沿って延びるティースに装着され、前記ティースに巻回されるコイルと前記ティースとの絶縁を確保するインシュレータであって、
   前記ティースの周囲を覆うティース被覆部と、
   前記ティース被覆部の軸方向における一端に設けられ、前記コイルを収納するコイル収納部と、を有し、
   前記コイル収納部は、複数のコイルが束ねて結合された結合部を収納する結合部収納凹部を有し、
   前記結合部収納凹部は、前記コイル収納部を構成する壁部により前記ティース被覆部と隔てて設けられており、
   前記壁部には、前記コイル収納部側から前記ティース被覆部側へと前記コイルを導くコイル導入スリットが形成されている、
   インシュレータ。
2. 前記結合部は、金属スリーブを有する、
   請求項１に記載のインシュレータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のインシュレータと、
   前記インシュレータが装着される前記ティースと、
   前記ティースと一体化された前記固定子鉄心と、
   を備える、
   固定子。
4. 請求項３に記載の固定子と、
   前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子と、
   を備える、
   回転電機。

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