JP7702082B2

JP7702082B2 - 固定子、回転電機、および固定子の製造方法

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Publication number: JP7702082B2
Application number: JP2023550637A
Authority: JP
Inventors: 正克松原; 佑将松岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2023-03-08
Filing date: 2023-03-08
Publication date: 2025-07-03
Anticipated expiration: 2043-03-08
Also published as: WO2024185062A1; JPWO2024185062A1

Description

本発明は、固定子、回転電機、および固定子の製造方法に関する。

ＥＶ（電気自動車）、ＰＥＶ（プラグイン電気自動車）などに用いられる電動機および発電機では、固定子巻線に大電流を流すことから、固定子巻線の導体として、断面積の大きな平角線（平角導体）が用いられる。そこで、平角線を含む結線ユニットが大型化し、電動機の周辺部品との干渉を招くことから、結線ユニットを電動機の近傍にコンパクトに収める技術が望まれている。

このような状況に鑑み、従来の回転電機では、平角線を、固定子巻線のコイルエンドの軸方向外方に軸方向に複数層に配置して結線ユニットのコンパクト化を図る方法が知られている。

特許第６６１０２４９号公報

ＥＶ（電気自動車）、ＰＥＶ（プラグイン電気自動車）などに用いられる電動機および発電機は、特に、耐振動性を必要とする。平角線を用いて固定子巻線の巻回を行い、耐振動性を確保するため、従来、固定子巻線をワニスで固着を行っている。

しかしながら、巻線間をワニスで固着するには、ワニスの浸透、固着にバラツキがあることから、特に、コイルエンドの信頼性が低下する可能性があった。

本発明の目的は、コイルエンドを安定して固定し、耐振動性に対する信頼性を確保できる固定子、回転電機、および固定子の製造方法を提供することである。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る固定子は、円筒状で内周面に周方向に複数の固定子スロットが形成された固定子鉄心と、互いに異なる２つの前記固定子スロットにそれぞれ一部が収容される矩形断面の直線部と前記固定子鉄心の軸方向の第１の端部の外側において２つの前記直線部を接続する矩形断面のエンド部とをそれぞれが有する複数のコイルセグメント、ならびに、前記固定子鉄心の軸方向の第２の端部の外側において、複数の前記コイルセグメントを直列に接続する複数の渡り部とを相ごとに具備する固定子巻線と、前記固定子巻線の前記第１の端部の外側の部分であるコイルエンド部において互いに径方向に隣接する径方向隣接部の少なくとも一部に介在する接着絶縁部と、を備える固定子であって、前記接着絶縁部は、発泡接着シートを配し接着したものであって、前記発泡接着シートは、面状の基材と、前記基材の両面にそれぞれ塗布された発泡接着層とを有するものであり、複数の前記直線部は、複数の前記固定子スロットのそれぞれに収納される部分が、径方向に複数の層を形成しており、前記径方向隣接部どうしは、前記接着絶縁部により互いに結合しており、前記接着絶縁部は、複数の前記層のそれぞれに対応する前記直線部のうちの前記コイルエンド部における部分の間の中の一つおきの径方向位置に配されている、ことを特徴とする。

実施形態に係る固定子を有する回転電機の例を示す縦断面図である。実施形態に係る回転電機の例を示す部分横断面図である。実施形態に係る固定子のコイルエンドを説明するための立体図である。実施形態に係る固定子のコイルエンドにおける接着絶縁部の概念的な配置を示す立体図である。実施形態に係る固定子のコイルエンドの固定に用いる発泡接着シートを示す縦断面図である。実施形態に係る固定子の製造方法の手順を示すフロー図である。実施形態に係る固定子の製造方法におけるコイルエンド保持治具の使用を説明する概念的な斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る固定子、回転電機、および固定子の製造方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、実施形態に係る固定子１００を有する回転電機１の例を示す縦断面図である。

回転電機１は、回転子１０、軸受２１、軸受ブラケット２２、フレーム２３、および固定子１００を備える。

回転子１０は、回転中心軸ＣＬの方向に延びたロータシャフト１１、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１２、回転子鉄心１２中に埋め込まれた永久磁石１３、および回転子鉄心１２の軸方向の両端に設けられて永久磁石１３の突出を防止する閉止板１４を有する。ロータシャフト１１は、軸方向の両側をそれぞれ軸受２１により回転可能に支持されている。また、それぞれの軸受２１は、軸受ブラケット２２により静止支持されている。

固定子１００は、回転子鉄心１２の径方向外側にギャップを介して配された固定子鉄心１１０、固定子鉄心１１０に形成された固定子スロット１１１（図２）内に一部を収納され固定子ティース１１２（図２）を巻回する固定子巻線１２０を有する。

固定子１００は、径方向外側を囲むように配されたフレーム２３内に収納され、フレーム２３により静止支持されている。

固定子巻線１２０は、複数のコイルセグメント１３０と、これらを接続する複数の渡り部１２５を有する。コイルセグメント１３０および渡り部１２５には、平角導体１２１が用いられる。

ここで、コイルセグメント１３０は、互いに異なる２つの固定子スロット１１１内にそれぞれ収納される２つの直線部１３１と、固定子鉄心１１０の第１の端部１１０ａの軸方向外側でこれら２つの直線部１３１を接続する接続部１３２を有する。なお、それぞれの直線部１３１は、固定子スロット１１１内にそれぞれ収納されるとともに、直線部１３１の両端は、固定子鉄心１１０の第１の端部１１０ａおよび第２の端部１１０ｂの軸方向外側に突出している。

第２の端部１１０ｂの軸方向外側に突出しているコイルセグメント１３０の直線部１３１同士をそれぞれ渡り部１２５が接続する。

図２は、実施形態に係る回転電機１の例を示す部分横断面図である。

固定子鉄心１１０の径方向の内周面には、周方向に互いに間隔を置いて軸方向に延びた軸方向の貫通溝である複数の固定子スロット１１１が形成されている。また、周方向に互いに隣接するように固定子スロット１１１が形成されることによりそれぞれ固定子ティース１１２が形成されている。

それぞれの固定子スロット１１１には、コイルセグメント１３０の直線部１３１である断面が矩形の複数の平角導体１２１が、互いに電気的に絶縁された状態で、径方向に積層されている。すなわち、図２に示すように、それぞれの固定子スロット１１１には、径方向の外側から内側に、第１層導体１３１ａ、第２層導体１３１ｂ、第３層導体１３１ｃ、第４層導体１３１ｄ、第５層導体１３１ｅ、および第６層導体１３１ｆの順に配されている。以下では、固定子スロット１１１によらずに、直線部１３１であるこれらの平角導体１２１を、その層の順に従って、第１層導体１３１ａ、第２層導体１３１ｂ、第３層導体１３１ｃ、第４層導体１３１ｄ、第５層導体１３１ｅ、および第６層導体１３１ｆと呼ぶものとする。

図３は、実施形態に係る固定子１００のコイルエンドを説明するための立体図である。

コイルセグメント１３０は、固定子鉄心１１０の内周面に形成された固定子ティース１１２間の固定子スロット１１１に収納され、一部が固定子鉄心１１０の端部から突出した直線部１３１と、直線部１３１間を接続する接続部１３２を有する。コイルエンドは、固定子巻線１２０のうち、固定子鉄心１１０の第１の端部１１０ａからの直線部１３１の突出部分と、接続部１３２とからなる部分を言う。言い換えれば、コイルエンドとは、固定子巻線１２０のすべてのコイルセグメント１３０の第１の端部１１０ａより軸方向外側の部分である。

直線部１３１については、それぞれの固定子スロット１１１内では、図３の最も左側が第１層であり、最も右側、すなわち、内周面に近い側が第６層である。

図４は、実施形態に係る固定子１００のコイルエンド１２０ａにおける接着絶縁部１４２の概念的な配置を示す立体図である。図４は、図３で示した内容に接着絶縁部１４２をさらに加えて示したものであり、図４に示すのが本実施形態に係る固定子１００のコイルエンド１２０ａである。

接着絶縁部１４２は、実線で示す第１接着絶縁部１４２ａおよび破線で示す第２接着絶縁部１４２ｂを含む。回転中心軸ＣＬからの距離の等しい円筒状の曲面上の位置を、径方向の位置が同じ、あるいは径方向の位置というものとする。

第１接着絶縁部１４２ａは、軸方向には、コイルエンド１２０ａの軸方向の端面から見える位置に配されている。第１接着絶縁部１４２ａは、第２層と第３層の間の径方向位置、第４層と第５層の間の径方向位置、第６層と第７層の間の径方向位置、および第７層と第８層の間の径方向位置のそれぞれ、あるいはその近傍に配されている。

また、第２接着絶縁部１４２ｂは、軸方向には、コイルエンドがレーンチェンジ（層が変わる部分）している部分があり、その付近では軸方向の端面から直接見えない。第１層と第２層の間の径方向位置、第３層と第４層の間の径方向位置のそれぞれ、あるいはその近傍に配されている。

したがって、接着絶縁部１４２すなわち第１接着絶縁部１４２ａおよび第２接着絶縁部１４２ｂは、いずれも、径方向に互いに隣接する平角導体１２１の間に配されている。

ここで、コイルエンド１２０ａの耐振動性が確保されていれば、接着絶縁部１４２は、全周に亘る必要はなく、周方向に部分的に配されていてもよい。また、すべての層間に配されていなくともよい。たとえば、一つおきに配されていてもよい。

接着絶縁部１４２は、後述するように、その位置にセットされた発泡接着シート１４１（図５）、温度を上げることによって、発泡、および、接着することにより形成される部分である。発泡接着シート１４１が接着絶縁部１４２となることによって、コイルエンド１２０ａの各部が互いに接着され、固定される。

図５は、実施形態に係る固定子のコイルエンドの固定に用いる発泡接着シート１４１を示す縦断面図である。

発泡接着シート１４１は、平面状の基材１４１ａと、基材１４１ａの両面にそれぞれ塗布された発泡接着層１４１ｂを有する。基材１４１ａは、たとえば高分子原料を主に使用したフィルムである。発泡接着層１４１ｂは、温度を上げることによって、発泡および接着機能を生ずる。図３で示す接着絶縁部１４２は、固定子の組立て過程において、発泡接着シート１４１が高温となることにより、発泡および接着機能を生じたものである。

図６は、実施形態に係る固定子の製造方法の手順を示すフロー図である。

まず、コイルエンド保持治具において、複数のコイルセグメント１３０および介在させる複数の発泡接着シート１４１を順次、積層する（ステップＳ０１）。

図７は、実施形態に係る固定子の製造方法におけるコイルエンド保持治具の使用を説明する概念的な斜視図である。

コイルエンド保持治具２００は、内筒２０１、外筒２０２、および内筒２０１の下端と外筒２０２の下端を接続する底部２０３を有する。すなわち、コイルエンド保持治具２００は、図７に示すように、環状の収納空間２０５を有する容器であり、内筒２０１と外筒２０２が同芯に配されている。

収納空間２０５は、固定子鉄心１１０の第１の端部１１０ａから軸方向に突出するコイルエンド１２０ａを収納可能な寸法に形成されている。

ステップＳ０１においては、たとえば、図７に示すように、コイルセグメント１３０の接続部１３２を下にして、直線部１３１が鉛直上方に向かうような向きに、それぞれのコイルセグメント１３０を、コイルエンド保持治具２００の底部２０３上に順番に設置していく。この際、必要な箇所に、発泡接着シート１４１を挟み込む。

具体的には、コイルセグメント１３０のうちのコイルセグメント１３０ａ、発泡接着シート１４１、およびコイルセグメント１３０のうちのコイルセグメント１３０ｂのように、たとえば、径方向内側について周方向に設置し、順次、径方向外側に設置範囲を広げていく。なお、それぞれのコイルセグメント１３０を安定に底部２０３に設置するために、コイルエンド保持治具２００には、それぞれのコイルセグメント１３０の受けが設けられているが、図示を省略している。

このようにして、必要に応じて発泡接着シート１４１が挟み込まれたコイルセグメント１３０の全体が、コイルエンド保持治具２００上に設置される。この結果、コイルエンド１２０ａを下側にして、それぞれのコイルセグメント１３０の直線部１３１が鉛直上方に延びた状態となる。

次に、固定子鉄心１１０を、第１の端部１１０ａを下にした状態で、上方からコイルエンド保持治具２００の方向に下ろし、連結部の各直線部を各固定子スロットに挿入させる（ステップＳ０２）。この結果、それぞれのコイルセグメント１３０の直線部１３１が、固定子鉄心１１０の第２の端部１１０ｂから突出した状態となる。

次に、固定子鉄心１１０の第２の端部１１０ｂから突出した各コイルセグメント１３０の径方向の間に、発泡接着シートを挿入する（ステップＳ０３）。

次に、固定子鉄心１１０の第２の端部１１０ｂから突出した各コイルセグメント１３０の直線部１３１を曲げ、直線部１３１同士の接続を行う（ステップＳ０４）。この結果、固定子鉄心１１０に固定子巻線１２０を巻回した状態となる。また、所定のコイルセグメント１３０の直線部１３１から中性点への接続、および、所定のコイルセグメント１３０の直線部１３１への外部端子の取り付けを行う。

次に、固定子鉄心１１０に固定子巻線１２０を巻回した固定子１００を加熱する（ステップＳ０５）。ここで、加熱は、発泡接着シート１４１が発泡し、かつ接着機能が生ずる温度であって、かつ、できる限り低い温度で行う。これにより、発泡接着シート１４１以外の各絶縁部材（図示しない）への影響が生じないようにする。この結果、発泡接着シート１４１の発泡接着層１４１ｂが発泡し接着絶縁部１４２となる。このようにして、互いに一部同士が隣接する２つのコイルセグメント１３０どうしが、基材１４１ａを介して互いに接着するとともに、基材１４１ａにより互いに電気的に絶縁された状態となる。

次に、その他の部材の取り付けを行う（ステップＳ０６）。

以上の手順によれば、任意の箇所に発泡接着シート１４１を設置することができる。

なお、以上の実施形態において、固定子スロット１１１内の直線部１３１の平角導体１２１については、固定子スロット１１１に挿入する前に、スロット絶縁紙１４５を直線部１３１の平角導体１２１に貼付等することにより、絶縁部を形成する。この際、スロット絶縁紙１４５が、単なる絶縁紙である場合はスロット絶縁紙１４５と巻線の間にはワニスが配される。一方、スロット絶縁紙１４５が、発泡接着シート１４１製のスロット絶縁紙１４５ａである場合、ワニスは不要であり、従来用いていたワニスの消費量をさらに低減することができる。

以上、説明した実施形態によれば、コイルエンドを安定して固定し、耐振動性に対する信頼性を確保できる固定子、回転電機、および固定子の製造方法を提供することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、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。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、１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１３…永久磁石、１４…閉止板、２１…軸受、２２…軸受ブラケット、２３…フレーム、１００…固定子、１１０…固定子鉄心、１１０ａ…第１の端部、１１０ｂ…第２の端部、１１１…固定子スロット、１１２…固定子ティース、１２０…固定子巻線、１２０ａ…コイルエンド、１２１…平角導体、１２５…渡り部、１３０、１３０ａ、１３０ｂ…コイルセグメント、１３１…直線部、１３１ａ…第１層導体、１３１ｂ…第２層導体、１３１ｃ…第３層導体、１３１ｄ…第４層導体、１３１ｅ…第５層導体、１３１ｆ…第６層導体、１３２…接続部、１４１…発泡接着シート、１４１ａ…基材、１４１ｂ…発泡接着部、１４２…接着絶縁部、１４２ａ…第１接着絶縁部、１４２ｂ…第２接着絶縁部、１４５…スロット絶縁紙、２００…コイルエンド保持治具、２０１…内筒、２０２…外筒、２０３…底部、２０５…収納空間

Claims

円筒状で内周面に周方向に複数の固定子スロットが形成された固定子鉄心と、
互いに異なる２つの前記固定子スロットにそれぞれ一部が収容される矩形断面の直線部と前記固定子鉄心の軸方向の第１の端部の外側において２つの前記直線部を接続する矩形断面の接続部とをそれぞれが有する複数のコイルセグメント、ならびに、前記固定子鉄心の軸方向の第２の端部の外側において、複数の前記コイルセグメントを直列に接続する複数の渡り部とを相ごとに具備する固定子巻線と、前記固定子巻線の前記第１の端部の外側の部分であるコイルエンド部において互いに径方向に隣接する径方向隣接部の少なくとも一部に介在する接着絶縁部と、
を備える固定子であって、
前記接着絶縁部は、発泡接着シートを配し接着したものであって、
前記発泡接着シートは、面状の基材と、前記基材の両面にそれぞれ塗布された発泡接着層とを有するものであり、
複数の前記直線部は、複数の前記固定子スロットのそれぞれに収納される部分が、径方向に複数の層を形成しており、
前記径方向隣接部どうしは、前記接着絶縁部により互いに結合しており、
前記接着絶縁部は、複数の前記層のそれぞれに対応する前記直線部のうちの前記コイルエンド部における部分の間の中の一つおきの径方向位置に配されている、
ことを特徴とする固定子。
複数の前記固定子スロットにおいて、用いられるスロット絶縁紙は、単なる絶縁紙あるいは前記発泡接着シートのスロット絶縁紙であり、単なる絶縁紙の場合は絶縁紙と前記固定子巻線の間にはワニスが配され、前記発泡接着シートのスロット絶縁紙の場合、当該スロット絶縁紙と前記固定子巻線の間にはワニスは無い、
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子。