JP2021069182A - 回転電機のステータ - Google Patents

Abstract

【課題】セグメントコイルの絶縁被覆が溶けることを抑制しつつ、セグメントコイルと連結部材との接合部の強度信頼性を向上できるステータコイルを有する回転電機のステータを提供する。【解決手段】ステータコアに巻回されるステータコイルは、導体が露出した裸電部３１を先端に備える第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂと、ステータコアの軸方向一端側からスロットに挿入される第１セグメントコイル３ａの裸電部３１が一方端から挿入されて、第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１が他方端から挿入されることによって、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを連結する筒状で導電性を有する連結部材４と、を備え、連結部材４は、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの少なくとも片方の裸電部３１と溶接により接合している。【選択図】図３

Description

本発明は、複数のスロットを有するステータコアと、ステータコアに巻回されるステータコイルとを備える回転電機のステータに関する。

ステータコアに巻回されるステータコイルが、複数のセグメントコイルと、円柱形状の貫通孔が形成された連結部材とを備え、連結部材の貫通孔の両端にそれぞれセグメントコイルの先端が嵌合されることによって連結部材がセグメントコイル同士を連結することを特徴とする回転電機のステータが、特許文献１に開示されている。

特開２０１９−１２６１５３号公報

しかし、特許文献１のようにセグメントコイルの先端を連結部材の貫通孔に圧入することによって嵌合される形態では、嵌合部の強度信頼性が低くなる場合がある。特に、回転電機の使用により嵌合部に微摺動摩耗が発生することがあるため、セグメントコイルと連結部材との接合部の強度信頼性を確保する必要がある。また、セグメントコイルと連結部材とを溶接により接合すると、セグメントコイルの絶縁被覆まで加熱されてしまい、セグメントコイルの絶縁被覆が溶けるおそれがある。

そこで、本発明は、セグメントコイルの絶縁被覆が溶けることを抑制しつつ、セグメントコイルと連結部材との接合部の強度信頼性を向上できるステータコイルを有する回転電機のステータを提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機のステータは、複数のスロットを有するステータコアと、前記ステータコアに巻回されるステータコイルと、を備える回転電機のステータであって、前記ステータコイルは、導体が露出した裸電部が先端に設けられた複数のセグメントコイルと、前記ステータコアの軸方向一端側から前記スロットに挿入される一方のセグメントコイルの前記裸電部が一方端から挿入され、他方のセグメントコイルの前記裸電部が他方端から挿入されることによって、前記一方のセグメントコイルと前記他方のセグメントコイルとを連結する筒状で導電性を有する連結部材と、を備え、前記連結部材は、前記一方のセグメントコイル及び前記他方のセグメントコイルの少なくとも片方の前記裸電部と溶接により接合していること、を特徴とする。

本発明は、連結部材に挿入されるセグメントコイルの少なくとも片方は裸電部が連結部材と溶接で接合されるため、特許文献１のように嵌合により接合する形態と比較して、セグメントコイルと連結部材との接合部の強度信頼性を向上することができる。また、連結部材はセグメントコイルの裸電部と溶接されるため、セグメントコイルの絶縁被膜が溶けることを抑制することができる。

第１の形態の回転電機のステータの分解斜視図である。 セグメントコイルの先端の裸電部を示す斜視図である。 第１の形態の回転電機のステータのセグメントコイルの連結部を示す斜視図である。 第１の形態の回転電機のステータのセグメントコイルの連結部材を示す斜視図である。 図４におけるＡ−Ａ線断面図である。 ２箇所の領域にレーザー光を照射して溶接する場合のレーザー光を照射する領域を示す図である。 第２の形態の回転電機のステータにおいて一方のセグメントコイルが連結部材に既に挿入され、他方のセグメントコイルが連結部材に挿入されようとしている状態を示す斜視図である。 第３の形態の回転電機のステータのセグメントコイルの連結部材を示す斜視図である。 第３の形態の回転電機のステータのセグメントコイルの連結部を示す斜視図である。

＜第１の形態＞
以下、図１〜図６を参照しながら、第１の形態の回転電機のステータ１０について説明する。図１に示すステータ１０は、不図示のロータと組み合わされて回転電機を構成する。ステータ１０が適用される回転電機は、電動機として用いられるものであってもよいし、発電機として用いられるものであってもよい。したがって、ステータ１０は、例えば、電気自動車やハイブリッドカーに搭載される回転電機であって、走行用動力を生成する電動機として機能すると共に、回生トルク等で発電を行う発電機としても機能する回転電機に適用されてもよい。

図１に示すように、ステータ１０は、ステータコア１と、ステータコア１に巻回されるステータコイルとを備える。ステータコイルは、複数のセグメントコイル３を連結して構成される。ステータコア１は、略円環形状のヨーク１１と、ヨーク１１の内周面から径方向内側に突出する複数のティース１２によって構成される。周方向に隣接するティース１２の間にはステータコイルの一部が収容される空間であるスロット１３が形成されている。ステータコア１は、複数の電磁鋼板を回転電機の軸方向に積層して作成される積層鋼板であってもよい。

ステータコイルは、ステータコア１のティース１２に巻回される。ステータコイルの結線態様及び巻回態様は、回転電機の使用に応じて、適宜、選択されればよい。例えば、ステータコイルは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のコイルをスター結線又はデルタ結線した構成でもよい。また、ステータコイルは、分布巻で巻回されてもよいし、集中巻で巻回されてもよい。

図１に示すように、セグメントコイル３には、ステータコア１の軸方向一端側からスロット１３に挿入される略Ｕ字状の第１セグメントコイル３ａと、ステータコア１の軸方向他端側からスロット１３に挿入される略Ｕ字状の第２セグメントコイル３ｂとが含まれる。第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂは、いずれも断面形状が略矩形の角線であり、図２に示すように、後述する裸電部３１を除いて表面が絶縁被膜３２で覆われている。なお、実際のステータ１０は多数のセグメントコイル３を有しているが、図１では、見易くするために、１つの第２セグメントコイル３ｂと、第２セグメントコイル３ｂの両端にそれぞれ連結する２つの第１セグメントコイル３ａのみを図示している。

図２に示すように、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの先端には、導体が露出した裸電部３１がそれぞれ設けられている。図３は、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを連結する連結部５を示す斜視図である。図３に示すように、ステータコイルは、第１セグメントコイル３ａと、第２セグメントコイル３ｂと、第１セグメントコイル３ａの裸電部３１が一方端から挿入されて第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１が他方端から挿入されることによって第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを連結する筒状で導電性を有する連結部材４とを備える。

連結部材４は、Ｒ加工されたＲ部４１が４隅に設けられた略長方形の平板をプレス加工で折り曲げて、図４及び図５に示すように、外形が略直方体の形状で軸方向に貫通する略直方体の形状の貫通孔が形成された筒状の形状としたものである。このように連結部材４は平板を折り曲げて形成されるため、切れ目４２を有する筒状の形状となっている。導電材料からなる連結部材４は、外壁面４３は絶縁被膜４５で覆われているものの、内壁面４４は絶縁被膜で覆われておらず導体が露出している。

第２セグメントコイル３ｂを連結部材４に挿入する際には、複数の第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を複数の連結部材４に一括で挿入する。このように複数の第２セグメントコイル３ｂを一括で複数の連結部材４に挿入する場合、一括で挿入される複数の第２セグメントコイル３ｂの長さに個体差がある。このような個体差を吸収するため、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを連結する連結部５では、図２に示すように、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを直に接触させず距離ｄを開いた状態となるように裸電部３１を連結部材４に挿入する。もちろん、一部の連結部５では、距離ｄ＝０、すなわち第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとが直に接触してもよい。

このように第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを直に接触した或いは距離を開いた状態となるように第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を連結部材４に挿入した状態で、図３に示すように、一点鎖線で囲まれた領域ａ１にレーザー光を照射して第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１に連結部材４を溶接する。このように溶接することにより、連結部材４の切れ目４２が接合して、連結部材４は切れ目４２がない筒状の形状となる。また、連結部材４に４箇所のＲ部４１が設けられており、２つのＲ部４１の間で第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１の一部が露出しており、露出した裸電部３１までレーザー光を照射するため、第１セグメントコイル３ａの裸電部３１と連結部材４とが溶接され、第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１と連結部材４とが溶接される。

なお、溶接するためのレーザー光は、図３に示す一点鎖線で囲まれた領域ａ１全体に照射するのではなく、図６に示す一点鎖線で囲まれた領域ａ２及び領域ａ３の２箇所に照射することによって、第１セグメントコイル３ａの裸電部３１と連結部材４とを溶接し、第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１と連結部材４とを溶接してもよい。

上記のように溶接により連結部材４を介して第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとが連結された後、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを連結する連結部５はステータコア１の内径側からスロット１３の内部に挿入される。その結果、第１セグメントコイル３ａがステータコア１の軸方向一端側からスロット１３に挿入された状態となり、第２セグメントコイル３ｂがステータコア１の軸方向他端側からスロット１３に挿入された状態となる。

上記のように第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１が連結部材４に挿入されて連結部材４の内壁面４４に接触した状態で溶接されることによって、連結部材４を介して第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとが電気的に接続され、連結部材４はステータコイルの電流経路の一部として機能する。

第１の形態の回転電機のステータ１０は、既に述べたように、連結部材４に挿入される第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂが裸電部３１で連結部材４と溶接で接合されるため、特許文献１のように嵌合のみにより第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂが連結部材４に接合する形態と比較して、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂと連結部材４との接合部の強度信頼性を向上することができる。そして、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂは裸電部３１で連結部材４と溶接されるため、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの絶縁被膜３２が溶けることを抑制することができる。

また、第１の形態の回転電機のステータ１０では、平板をプレス加工で折り曲げて連結部材４を製作するため、製造コストを低減することができる。

＜第２の形態＞
次に、図２及び図７を参照しながら、第２の形態の回転電機のステータについて説明する。第２の形態の回転電機のステータは、第１の形態の回転電機のステータ１０と比較すると、第１セグメントコイル３ａが連結部材４に溶接される点は共通するが、第２セグメントコイル３ｂが連結部材４と溶接されず、嵌合により連結部材４に接合される点のみが異なり、その他は第１の形態の回転電機のステータ１０と全く同じである。そのため、第１の形態の回転電機のステータ１０と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

図７に示すように、第１セグメントコイル３ａの裸電部３１を連結部材４の一方端から挿入した状態で、一点鎖線で囲まれた領域ａ４にレーザー光を照射して第１セグメントコイル３ａの裸電部３１に連結部材４を溶接する。このように溶接することにより、連結部材４の切れ目４２が接合して、連結部材４は切れ目４２がない筒状の形状となる。また、２つのＲ部４１の間で第１セグメントコイル３ａの裸電部３１の一部が露出しており、露出した裸電部３１までレーザー光を照射するため、第１セグメントコイル３ａの裸電部３１と連結部材４とが溶接される。そして、このように溶接により第１セグメントコイル３ａが連結部材４に接合された後、連結部材４及び第１セグメントコイル３ａは、ステータコア１の軸方向一端側からスロット１３に挿入される。

このように連結部材４及び第１セグメントコイル３ａがステータコア１の軸方向一端側からスロット１３に挿入された状態で、第２セグメントコイル３ｂをステータコア１の軸方向他端側からスロット１３に挿入する。そして、ステータコア１のスロット１３の内部で、図７に示すように、第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を連結部材４に圧入する。このように第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１が連結部材４に圧入されることにより、連結部材４が第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を嵌合固定する。

第２セグメントコイル３ｂを連結部材４に圧入する際には、複数の第２セグメントコイル３ｂを例えば樹脂モールド等により一体化した状態で、複数の第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を複数の連結部材４に一括で圧入する。このように複数の第２セグメントコイル３ｂを一括で複数の連結部材４に圧入する場合、一体化された複数の第２セグメントコイル３ｂの長さに個体差がある。このような個体差を吸収するため、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを連結する連結部５では、図２に示すように、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを直に接触させず距離を開いた状態となるように第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を連結部材４に圧入する。もちろん、一部の連結部５では、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとが直に接触してもよい。そのため、第２の形態の回転電機のステータも、第１の形態の回転電機のステータ１０と同様に、連結部材４の内部で第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとは直に接触した或いは距離を開いた状態で、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂは連結部材４を介して連結される。

このように第１セグメントコイル３ａの裸電部３１が連結部材４に挿入されて連結部材４の内壁面４４に接触した状態で溶接され、第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１が連結部材４に嵌合固定されることによって、連結部材４を介して第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとが電気的に接続され、連結部材４はステータコイルの電流経路の一部として機能する。

第２の形態の回転電機のステータは、既に述べたように、連結部材４に挿入される第１セグメントコイル３ａが裸電部３１で連結部材４と溶接で接合されるため、特許文献１のように嵌合のみにより第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂが連結部材４に接合する形態と比較して、第１セグメントコイル３ａと連結部材４との接合部の強度信頼性を向上することができる。そして、第１セグメントコイル３ａは裸電部３１で連結部材４と溶接されるため、第１セグメントコイル３ａの絶縁被膜３２が溶けることを抑制することができる。

また、既に述べたように第１の形態の回転電機のステータ１０は、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂを連結部材４に溶接した後に連結部５をステータコア１の内径側からスロット１３内に入れており、スロット１３内で第１セグメントコイル３ａ又は第２セグメントコイル３ｂを連結部材４に接合することはできない。しかし、第２の形態の回転電機のステータでは、第１セグメントコイル３ａを連結部材４に溶接した後に、スロット１３内で第２セグメントコイル３ｂを連結部材４に接合することができる。

＜第３の形態＞
次に、図２、図８及び図９を参照しながら、第３の形態の回転電機のステータについて説明する。第３の形態の回転電機のステータは、第１の形態の回転電機のステータ１０と比較すると、連結部材４ａの形状と溶接箇所のみが異なり、その他は第１の形態の回転電機のステータ１０と全く同じである。そのため、第１の形態の回転電機のステータ１０と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

図８に示すように、連結部材４ａは、外形が直方体の形状で、軸方向に貫通する直方体の形状の貫通孔が形成された筒状となっている。連結部材４ａは、第１の形態の回転電機のステータ１０の連結部材４とは異なり、切れ目４２を有さず、Ｒ部４１も形成されていない。導電材料から成る連結部材４ａは、外壁面４３は絶縁被膜４５で覆われているものの、内壁面４４は絶縁被膜で覆われておらず導体が露出している。

第１セグメントコイル３ａの裸電部３１を連結部材４ａの一方端から挿入して、第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を連結部材４ａの他方端から挿入する。第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを連結する連結部５ａでは、図９に示すように、第１セグメントコイル３ａの裸電部３１の一部と第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１の一部とが連結部材４ａの外に露出した状態となるように、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を連結部材４ａに挿入する。このように第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を連結部材４ａに挿入した状態では、連結部材４ａの内部で、図２に示すように、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとは直に接触せず距離を開いた状態となる。もちろん、一部の連結部５ａでは、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとが直に接触してもよい。

このように第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１を連結部材４ａに挿入した状態で、図９に示すように、一点鎖線で囲まれた領域ａ５にレーザー光を照射して第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１と連結部材４ａとが溶接される。そして、同様に第１セグメントコイル３ａの裸電部３１と連結部材４ａとの境界となる領域にレーザー光を照射して第１セグメントコイル３ａの裸電部３１と連結部材４ａとが溶接される。

そして、このように連結部材４ａを介して第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとが連結された後、第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとを連結する連結部５ａはステータコア１の内径側からスロット１３の内部に挿入される。その結果、第１セグメントコイル３ａがステータコア１の軸方向一端側からスロット１３に挿入された状態となり、第２セグメントコイル３ｂがステータコア１の軸方向他端側からスロット１３に挿入された状態となる。

上記のように第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの裸電部３１が連結部材４に挿入されて連結部材４の内壁面４４に接触した状態で溶接されることによって、連結部材４を介して第１セグメントコイル３ａと第２セグメントコイル３ｂとが電気的に接続され、連結部材４ａはステータコイルの電流経路の一部として機能する。

第３の形態の回転電機のステータは、既に述べたように、連結部材４に挿入される第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂが裸電部３１で連結部材４と溶接で接合されるため、特許文献１のように嵌合のみにより第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂが連結部材４に接合する形態と比較して、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂと連結部材４との接合部の強度信頼性を向上することができる。そして、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂは裸電部３１で連結部材４と溶接されるため、第１セグメントコイル３ａ及び第２セグメントコイル３ｂの絶縁被膜３２が溶けることを抑制することができる。

＜実施形態の補足＞
本開示の回転電機のステータは、上述した形態に限定されず、本開示の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。例えば、上述の形態では、レーザー溶接によってセグメントコイルと連結部材とを溶接しているが、アーク溶接など他の溶接方法を用いて溶接してもよい。

１ ステータコア、３ セグメントコイル、３ａ 第１セグメントコイル、３ｂ 第２セグメントコイル、４、４ａ 連結部材、５、５ａ 連結部、１０ ステータ、１１ ヨーク、１２ ティース、１３ スロット、３１ 裸電部、３２、４５ 絶縁被覆、４１ Ｒ部、４２ 切れ目、４３ 外壁面、４４ 内壁面。

Claims (1)

1. 複数のスロットを有するステータコアと、前記ステータコアに巻回されるステータコイルと、を備える回転電機のステータであって、
   前記ステータコイルは、
   導体が露出した裸電部が先端に設けられた複数のセグメントコイルと、
   前記ステータコアの軸方向一端側から前記スロットに挿入される一方のセグメントコイルの前記裸電部が一方端から挿入され、他方のセグメントコイルの前記裸電部が他方端から挿入されることによって、前記一方のセグメントコイルと前記他方のセグメントコイルとを連結する筒状で導電性を有する連結部材と、
   を備え、
   前記連結部材は、前記一方のセグメントコイル及び前記他方のセグメントコイルの少なくとも片方の前記裸電部と溶接により接合していること、を特徴とする回転電機のステータ。
   

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