JP4490770B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、誘導電動機などの回転電機における固定子に係り、特に、集中巻方式の固定子に関する。

誘導電動機などの回転電機においては、固定子の冷却が大きな命題の一つであり、このため、従来から種々の提案がされているが、その一種に、電機子巻線のコイルエンド部において、コイルの間に挿入してある相間用絶縁紙をコイルエンドの端部から突出させ、突出させた部分が放熱用のフィンとして働くことで、コイルエンド部の冷却が図れるようにした固定子がある(例えば、特許文献１参照。)。

また、誘導電動機などの回転電機においては、近年、電機子巻線をコイルエンドでトラバースさせず、固定子コアの突極部に順次巻回していく巻線方式、いわゆる集中巻方式の固定子が採用されるようになり、コイルエンド部の小型化や製造工程の自動化によるコスト低減などに貢献している。
特開平１０−１２７０１３公報

上記従来技術は、集中巻方式の固定子の存在に配慮がされておらず、この巻線方式の固定子には適用できないという問題があった。

従来技術は、コイルエンド部の異相コイル間の絶縁用である相間絶縁紙をコイルエンドから突出させ、放熱フィンとして使用することを特徴としており、従って、巻線をコイルエンドでトラバースする巻線方式の固定子が前提になっている。

一方、集中巻方式の固定子の場合は、コイルエンドで異相コイルが重ならないので、相間の絶縁は不要で、もともと相間絶縁紙は必要ない。従って、従来技術は適用できないのである。

また、従来技術は、巻線の巻回数の増加と巻線素線の太線化などにより巻線のスプリングバックが大きくなると、巻線素線間に隙間やステータコアと接触しない部分が生じ、巻線にヒートスポットが生じ巻線寿命を低下させてしまうという問題がある。

また、この場合、巻線のスプリングバックによりステータコア内径側にコイルエンド部が倒れる虞れがあり、コイルエンド部の整形を行う必要があるが、巻線をトラバースさせないで突極部に順次巻回していく巻線方式では、コイルエンド部が小型であるがゆえに整形時に巻線へ大きな整形圧力を加える為、巻線素線の絶縁皮膜にダメージを与え絶縁性能を低下させてしまうという問題がある。

本発明の目的は、集中巻方式の固定子に適用して効率的な冷却が得られるようにした回転電機の固定子を提供することにある。

上記目的は、電機子巻線を固定子鉄心の突極部に順次巻回する方式の回転電機の固定子において、
前記固定子鉄心のスロット部内で一方の突極部に巻回した巻線と他方の突極部に巻回した巻線の間の空間に、前記固定子鉄心の両端から突出させた状態で挿入された板状のスペーサを備え、
前記スペーサは、前記空間に挿入されたとき前記巻線の素線に両面が良く密着するように、前記空間より厚く作られ、且つ前記空間に挿入されたとき前記スロット部内でコアバックに端面が強く当接するように、前記スロット部の深さに等しい幅の部材で構成されているようにして達成される。

このとき、前記スロット部が、その開口部の内側にウエッジ部材を備え、当該ウエッジ部材は、前記スロット部内に挿入された細条部と、この細条部の端部に形成され、前記ウエッジ部材が前記スロット部内に挿入されたとき、前記固定子鉄心の端部から突出した幅広部を備えているようにしても、上記目的を達成することができる。

ここで、本発明は、とりわけ巻線をトラバースさせないで突極部に順次巻回していく巻線方式、つまり集中巻き方式の固定子において、固定子鉄心に接触していない巻線の外周側とコイルエンドが効率良く冷却できるようにし、コイルエンドの整形をせずともステータコア内径側へのコイルエンドの倒れを防止した固定子を提供しようとするものである。

本発明によれば、隣接する極の巻線間に生じるスロット空間をスペーサで封じ放熱板とすることにより、巻線の均熱化が図れ、またコイルエンド部のステータ内径側への倒れを防止することができることから高効率化、長寿命化、回転電機としての信頼性の向上を図ることができる。

また、本発明によれば、隣接する極の巻線間に生じるスロット空間をスペーサで封じ放熱板とし、またスロット開口部の閉塞に使用するウエッジをステータコア端面より突出させ放熱板とすることにより巻線の均熱化が図れ、またコイルエンド部のステータ内径側への倒れを防止することができることから高効率化、長寿命化、信頼性の向上を図ることができる。

更に本発明によれば、コイルエンドのステータ内径側への倒れの整形作業を行う必要がなくなり、生産性の向上とコスト低減を図ることができ、またコイルエンド整形による巻線素線の絶縁皮膜へのダメージを無くすことができるので、回転電機としての信頼性の向上と長寿命化が期待できる。

以下、本発明による回転電機の固定子について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す斜視図で、図２は、図１のＡ−Ｂ線による一部断面図で、これらの図において、この実施形態に係る固定子、つまりステータは１で表わされている。そして、このステータ１は、大別して固定子鉄心、つまりステータコア２と巻線５で構成されている。

このとき、ステータコア２は、内周に複数の突極部７とスロット８を持つようにしてリング状に打ち抜かれた電磁鋼板を所定枚数積層し、略円筒形になるように形成したものである。

そして、このステータコア２の各スロット８の中に、その内壁面を覆うようにして絶縁紙３を設け、スロット８の中で、絶縁紙３の上から絶縁銅線の巻線素線４を所定の回数、突極部７に直接巻回し、これによりステータコア２の端部で巻線素線４をトラバースさせずに巻線５を形成させている。

この結果、巻線５は、各突極部７の端面だけでコイルエンド１０を形成し、各突極部７毎に集中した形になるので、これが集中巻方式と呼ばれる所以であると考えられるが、この結果、各スロット８の中では２組の巻線５が周方向に隣接して位置し、間に放射状になった空間が存在することになる。

そこで、この実施形態では、この隣接した２組の巻線５、つまり突極部７の一方に巻回した巻線５と、突極部７の他方に巻回した巻線５の間の空間にスペーサ６を挿入し、放熱部材として機能するようにしたものである。

そして、このため、スペーサ６として、ステータコア２の軸方向の寸法より所定の寸法だけ長くした矩形の板状の部材を用い、これによりスペーサ６が２組の巻線５の間に挿入されたとき、両端がステータコア２の両端面から所定の長さにわたって突出し、放熱面を形成するようにしてある。

また、このとき、このスペーサ６となる板材には、２組の巻線５の間に存在する空間よりわずかに厚く、スロット８の深さ(径方向の寸法)にほぼ等しい幅の部材を用い、これにより、巻線５の間に挿入したとき、各巻線５を構成している巻線素線４に両面が良く密着し、且つスロット絶縁紙３を介してコアバック９に端面が強く当接するようにしてある。

この結果、巻線５の熱がスペーサ６からステータコア２に良く伝達されるようになるので、巻線５とステータコア２の温度差を小さくでき、巻線５の温度上昇を抑えることができるようになる。

ここで、この実施形態による冷却効果を確認するため、このステータ１を備えた電動機について、コイルエンド１０の温度上昇値を測定してみたところ、スペーサ６の材質にもよるが、或る測定結果によれば、一般の電動機と比較して温度上昇が約８１％に低減できることが判った。

このときのスペーサ６の材質は、Ｌ−ＭＥＲと称されている一種のプラスチックであるが、このときの測定結果は、更に熱伝導性の高い材料を用いれば、より一層の温度上昇の低減が得られるであろうことを予想させるものであり、従って、スペーサ６として、例えば表面に絶縁層を設けた銅板などを用いてやれば更に高い放熱性が得られ、更に温度上昇が低減できることが判る。

ところで、上記実施形態の場合、巻線素線４は、一定の張力をかけながら突極部７に巻回される。従って、巻回数が多くなると巻線素線４の曲げによるスプリングバックが大きくなり、コイルエンド１０がステータコア２の内径側に倒れるという現象が見られる。

このとき、この実施形態におけるスペーサ６は、その幅方向がステータコア２の中心から放射状に配置されることになっているので、相互間の寸法は外形側から内径側に向かって狭くなっていて、これらの間にコイルエンド１０が位置することになっている。

この結果、巻線５を形成した後、巻線素線４のスプリングバックにより、コイルエンド１０がステータ１の内径側に倒れようとした場合、それがスペーサ６により防止されることになり、従って、この実施形態によれは、コイルエンド１０が変形するのを抑えることができる。

また、この結果、コイルエンド１０の整形が不要になることから、コイルエンドの整形による巻線素線４の絶縁皮膜へのダメージを無くすことができ、従って、この実施形態によれば、回転電機としての信頼性が向上され、長寿命化が期待できる。

更に、この結果、整形時の圧力による巻線素線４の変形が防止できるので、巻線素線４の変形による抵抗値の変化が抑えられ、従って、この実施形態によれば、巻線５の温度の不均一化が防止でき、これによっても回転電機としての信頼性が向上され、長寿命化が期待できる。

しかも、この結果、整形時の応力による巻線素線４の間の滑りによる摩擦が防止できるので、絶縁破壊などの事態の発生が未然に防止され、従って、この実施形態によれば、生産性の向上やコスト低減を図ることができる。

次に、図３は、本発明の第２の実施の形態を示したもので、図４は、図３のＣ−Ｄ線に沿う断面図を示したものである。そして、上記した第１の実施の形態と共通する部分には同一の符号を付している。

従って、これら図３と図４においても、ステータ１とステータコア２、スロット絶縁紙３、巻線素線４、巻線５、それにスペーサ６は、図１と図２で説明した第１の実施形態と同じであり、異なっているのは、スロット８の開口部１１の内側にウエッジ２１が挿入されている点にある。

ここで、このウエッジ２１は、図５に示されているように、所定の長さの細条部の一方の端部に幅広部を設けたもので、例えばスペーサ６と同じく、Ｌ−ＭＥＲと称されている一種のプラスチックで作られている。

そして、このウエッジ２１の細条部の幅は、スロット開口部１１の幅より所定寸法だけ大きくしてあり、スロット８内に挿入され、スロット開口部１１の内側とスペーサ６の間に挿入されたとき、スロット開口部１１の内側に係合して抜け出すことがないようにしてある。

また、このウエッジ２１の細条部は、その長さがステータコア２の長さの半分にほぼ等しいか、又は若干、短くなるようにしてあり、これにより２個のウエッジ２１を夫々ステータコア２の両端からスロット８の中に挿入したとき、夫々の細条部の先端がほぼステータコア２の長さ方向の中央まで達するようになっている。

そして、この結果、ウエッジ２１をスロット８の中に挿入した後は、その広幅部がステータコア２の両端から外側に突出した状態になり、これによりウエッジ２１が放熱板として機能するようになる。

ここで、上記したように、巻線素線４は、一定の張力をかけ突極部７に巻回されるので、巻回数が多くなると巻線素線４の曲げによるスプリングバックが大きくなって、スロット開口部１１の内側に強く当接するという現象が現われる。

しかし、この実施形態では、ウエッジ２１の細条部があるので、巻線素線４がスロット開口部１１から外部に出ようとするのが抑えられ、巻線５が変形する虞れが無い。なお、このため、ウエッジ２１の細条部は、予め巻線５のスプリングバックによる応力に耐えられる厚みにしてある。

しかも、この結果、巻線素線４がより一層ウエッジ２１に密着するので、巻線５からウエッジ２１に対する熱伝達が高くなり、ウエッジ２１による放熱作用が向上され、且つ、巻線５がウエッジ２１に密着されることにより電磁振動や機械振動が抑えられるので、振動による巻線素線４の絶縁破壊を防止することができる。

ここで、図６は、ステータ１を回転電機として組み立てた場合の断面図で、ステータ１はハウジング３０に挿入され、支持されている。そして、ステータ１の中には回転子３１が挿入され、ベアリング３２により回転自在に支持されている。このため、ベアリング３２はハウジング３０の端部に取付けられているエンドブラケット３３により支持されている。

この場合、巻線５に電流が流れて発生した熱は、巻線５からステータコア２を介してハウジング３０に伝達され、ハウジング３０から外部の大気中に放散されるが、このとき、巻線５とコイルエンド１０から発生した熱はスペーサ６とウエッジ２１にも伝達され、これらスペーサ６とウエッジ２１のステータコア２端面よりも突出した部分から空気中に放出されることになる。

ここで、既に説明したように、集中巻方式のステータは、巻線をトラバースさせて突極部に順次巻回していく巻線方式と比較して、コイルエンド部が小型になるという特徴を持っている。

しかし、この集中巻き方式のステータの場合、スロット内にある巻線は全ての部分でステータコアに接触しているのではなく、外周部はステータコアに接触しない。このため、巻線がスロット内でステータコアに接触している内周側に比較して、外周側では温度が高くなってしまう。

このとき、回転電機では、温度が最も高くなるところを基準にして冷却構造を設計をしなければならないので、これが従来技術では製造コストの増加の原因になっている。

しかして、上記した実施形態によれば、スペーサ６が設けられているので、巻線５の温度がスロット８内で均一化されるので、従来技術のように、製造コストが増加する虞れがない。

本発明による回転電機の固定子の第１の実施形態を示す斜視図である。 本発明による回転電機の固定子の第１の実施形態を示す要部断面図である。 本発明による回転電機の固定子の第２の実施形態を示す斜視図である。 本発明による回転電機の固定子の第２の実施形態を示す要部断面図である。 本発明による回転電機の固定子の第２の実施形態におけるウエッジの説明図である。 本発明による回転電機の固定子の第２の実施形態が適用された回転電機の一例を示す断面図である。

符号の説明

１：ステータ(固定子)
２：ステータコア(固定子鉄心)
３：スロット絶縁紙
４：巻線素線
５：巻線
６：スペーサ
７：突極部(歯部)
８：スロット(溝部)
９：コアバック
１０：コイルエンド
１１：スロット開口部
２１：ウエッジ
３０：ハウジング
３１：回転子
３２：ベアリング
３３：エンドブラケット

Claims (2)

1. 電機子巻線を固定子鉄心の突極部に順次巻回する方式の回転電機の固定子において、
   前記固定子鉄心のスロット部内で一方の突極部に巻回した巻線と他方の突極部に巻回した巻線の間の空間に、前記固定子鉄心の両端から突出させた状態で挿入された板状のスペーサを備え、
   前記スペーサは、前記空間に挿入されたとき前記巻線の素線に両面が良く密着するように、前記空間より厚く作られ、且つ前記空間に挿入されたとき前記スロット部内でコアバックに端面が強く当接するように、前記スロット部の深さに等しい幅の部材で構成されていることを特徴と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において、
   前記スロット部が、その開口部の内側にウエッジ部材を備え、
   当該ウエッジ部材は、前記スロット部内に挿入された細条部と、この細条部の端部に形成され、前記ウエッジ部材が前記スロット部内に挿入されたとき、前記固定子鉄心の端部から突出した幅広部を備えていることを特徴とする回転電機の固定子。

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