特開 2024-11223 回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024011223

(43)【公開日】2024-01-25

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 3/34 20060101AFI20240118BHJP

【ＦＩ】

H02K3/34 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022113054

(22)【出願日】2022-07-14

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】向瀬 レミ

(72)【発明者】

【氏名】石上 孝

(72)【発明者】

【氏名】山崎 慎司

【テーマコード（参考）】

5H604

【Ｆターム（参考）】

5H604AA01

5H604AA08

5H604BB01

5H604BB09

5H604BB10

5H604BB14

5H604CC01

5H604CC05

5H604CC15

5H604PB03

(57)【要約】

【課題】
固定子内で分担電圧を規則的に減少させることで、分担電圧が高い部位を容易に絶縁強化し、少ない製造工程で電線コストが安価な回転電機を提供する。
【解決手段】
スロット６０を挿通するスロット導体２４は、径方向に２Ｎ個（Ｎ：２以上の自然数）のレイヤを構成する。出力線は、径方向の最内径側または最外径側のいずれか一方側から１番目または２番目のレイヤのうちいずれか一方と接続される。中性線３１は、他方側から１番目または２番目のレイヤのうちいずれか一方と接続される。渡り導体は、他方側から２Ｎ－１番目のレイヤと２Ｎ番目のレイヤとに配置されるスロット導体２４を接続する。絶縁被膜２００は、他方側から２Ｎ－１番目および２Ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体２４における絶縁被膜２００の膜厚が最も厚く形成される。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スロット及び前記スロットに配設された複数相のコイルを有する固定子と、前記コイルに電流が流れることで回転する回転子と、を備えた回転電機であって、
前記コイルは、前記スロットの中を挿通するスロット導体と、異なるスロットを挿通する一対のスロット導体を接続する渡り導体と、当該コイルを他の装置と接続する出力線と、異相のコイルを接続する中性線と、当該コイルの外周部に設けられ当該コイルを構成する電気導体を覆う絶縁被膜と、を備え、
前記スロット導体は、Ｎを２以上の自然数とした場合に、径方向に２Ｎ個のレイヤを構成するように配置され、
前記出力線は、前記径方向の最内径側または最外径側のいずれか一方側から１番目または２番目のレイヤに配置されるスロット導体のうちいずれか一方と接続され、
前記中性線は、前記径方向の最内径側または最外径側の他方側から１番目または２番目のレイヤに配置されるスロット導体のうちいずれか一方と接続され、
前記渡り導体は、前記他方側から２Ｎ－１番目のレイヤに配置されるスロット導体と２Ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体とを接続し、
前記絶縁被膜は、前記他方側から２Ｎ－１番目および２Ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体における当該絶縁被膜の膜厚が最も厚く形成される回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機であって、
前記渡り導体は、ｎを１以上、Ｎ以下の自然数とした場合に、前記他方側から２ｎ－１番目のレイヤに配置されるスロット導体と２ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体とを接続する回転電機。

【請求項3】

請求項２に記載の回転電機であって、
前記絶縁被膜は、ｎが小さいレイヤに配置されるスロット導体ほど当該絶縁被膜の膜厚が薄く形成される回転電機。

【請求項4】

請求項３に記載の回転電機であって、
前記コイルは、各相について単一の直列回路により構成されている回転電機。

【請求項5】

請求項３に記載の回転電機であって、
前記コイルは、各相について２以上の直列回路の並列接続により構成されている回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固定子のスロットにセグメント導体を挿入して構成される回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、十分な絶縁性能を確保しながら、製造コストの増大やスロットの占積率の低下を抑制できるようにすることを目的として、下記の回転電機が開示されている。
「ステータ２が備える各導体セグメント３１が、導体で構成された導体素線３４と、その導体素線３４の周囲を被覆する絶縁被膜３５とを有するようにする。ステータが、絶縁被膜の誘電率及び膜厚の少なくとも一方が異なる２以上の導体セグメント３１ａ,３１ｂが収容されているスロット１７ａを有することと、収容している全ての導体セグメントが略同一であるスロットが２以上存在する場合において、その２以上のスロットが、収容している導体セグメントにおける絶縁被膜の誘電率及び膜厚の少なくとも一方が異なる複数のスロットを含むことの少なくとも一方を満足するようにする。」（要約参照）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－６８５６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、絶縁性が異なる導体が２種類以上存在するが、これらのスロット内における配置について言及はされていない。また、分担電圧は動力線近傍で高くなると記述されているが、動力線を除いた固定子内での分担電圧の分布については言及されていない。そのため、特許文献１の構成では分担電圧に規則性がないため、分担電圧が高い部分で絶縁性が高い導体を使用した場合、固定子の組立が煩雑になる。また、スロット内で径方向の配置が異なる導体セグメント（以下、セグメント導体）は形状が異なるが、特許文献１の場合はセグメント導体の形状ごとに異なる絶縁被膜を有する導体を用意する必要があり、製造工程が煩雑になる。

【0005】

本発明の目的は、固定子内で分担電圧を規則的に減少させることで、分担電圧が高い部位を容易に絶縁強化し、少ない製造工程で電線コストが安価な回転電機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明の回転電機は、
スロット及び前記スロットに配設された複数相のコイルを有する固定子と、前記コイルに電流が流れることで回転する回転子と、を備えた回転電機であって、
前記コイルは、前記スロットの中を挿通するスロット導体と、異なるスロットを挿通する一対のスロット導体の同一側端部同士を接続してコイルエンドを構成する渡り導体と、当該コイルを他の装置と接続する出力線と、異相のコイルを接続する中性線と、当該コイルの外周部に設けられ当該コイルを構成する電気導体を覆う絶縁被膜と、を備え、
前記スロット導体は、Ｎを２以上の自然数とした場合に、径方向に２Ｎ個のレイヤを構成するように配置され、
前記出力線は、前記径方向の最内径側または最外径側のいずれか一方側から１番目または２番目のレイヤに配置されるスロット導体のうちいずれか一方と接続され、
前記中性線は、前記径方向の最内径側または最外径側の他方側から１番目または２番目のレイヤに配置されるスロット導体のうちいずれか一方と接続され、
前記渡り導体は、前記他方側から２Ｎ－１番目のレイヤに配置されるスロット導体と２Ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体とを接続し、
前記絶縁被膜は、前記他方側から２Ｎ－１番目および２Ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体における当該絶縁被膜の膜厚が最も厚く形成される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、中性線を出力線の他方側に配置することで出力線から離れているレイヤほど電圧分担率を低くすることができる。このため、分担電圧が高い部位を容易に絶縁強化して、出力線から離れているレイアで導体の絶縁被膜を薄くでき、製造工程及び電線コストを削減することができる。

【0008】

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施例に係る回転電機の外観図である。

【図2】本発明の一実施例に係る回転電機の断面図である。

【図3】本発明の一実施例に係るセグメント導体の斜視図である。

【図4】本発明の一実施例に係る図であり、固定子鉄心に挿入された複数のセグメント導体を固定子の端面に垂直な方向から見た図である。

【図5】本発明の一実施例に係る図であり、スロット導体と渡り導体との接続関係を示す概念図である。

【図6】本発明の一実施例に係る図であり、異なる層のスロット導体の接続方法を示す概念図である。

【図7】本発明の一実施例に係る図であり、コイルの接続状態を示す概念図である。

【図8】本発明の一実施例に係る図であり、固定子のスロットに収容されたコイルを示すスロットの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。各図において同様な構成には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

【0011】

＜回転電機および固定子の構造＞
図１は、本発明の一実施例に係る回転電機１の外観図である。
回転電機１は、車両用駆動モータや電動パワーステアリングやエアコンのコンプレッサ用などの補機モータに用いられる。回転電機１は、ハウジング２と、ブラケット３と、出力軸であるシャフト４と、を備え、シャフト４はブラケット３から突出している。また、シャフト４の突出側（ブラケット３の取り付け側）とは反対側に、図示していない駆動回路が配置されており、ブラケット３の取り付け側とは反対の側からは、複数のコイル口出し線５が延出している。

【0012】

図２は、本発明の一実施例に係る回転電機１の断面図である。図２は、回転電機１の内部構造の一例を示す。

【0013】

ハウジング２の内周面に固定子６が焼き嵌めや圧入により固定される。固定子６は、複数のスロット６０（溝）が円環状に配置された固定子鉄心６１と、エナメル皮膜などの絶縁被膜２００を有する複数のセグメント導体２０と、を含んで形成され、セグメント導体２０はスロット６０に挿入されている。すなわち、セグメント導体２０を含むコイル７は、コイル７を構成する電気導体を覆う絶縁被膜２００を有する。

【0014】

セグメント導体２０は、スロット６０内に配置される少なくとも一つの直線部と、固定子６のスロット６０外に配置される一対の端末部と、からなり、セグメント導体２０の端末部同士を電気的に接合してコイル７を形成している。セグメント導体２０の端末部同士の接合にはTig溶接やプラズマ溶接、レーザー溶接などを用いる。また、固定子鉄心６１は、一般的には厚さ0.1mm～0.5mm程度の電磁鋼板を打抜き、積層して構成される。

【0015】

固定子６の内側には回転子鉄心（可動子鉄心）８１が挿入され、回転子鉄心８１とシャフト４とが一体となって回転子（可動子）８を構成し、ベアリング９で支持される。なお、回転子８として、外周部に希土類やフェライトなどの永久磁石１０を表面に貼り付ける「表面磁石型」のほか、永久磁石１０を可動子鉄心の溝に埋め込んだ「埋め込み磁石型」や、籠形導体を組み込んだ誘導型などを用いることができる。

【0016】

そして、３つの入力端子１１に、位相の異なる電圧（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）をそれぞれ加えることで、入力端子１１と電気的に繋がった固定子６のコイル７に電流が流れ、電気エネルギーが機械エネルギーに変換されて、回転子（可動子）８が回転する。

【0017】

なお、１２，１３はコイル７のコイルエンドであり、回転子鉄心８１の一端側、すなわちシャフト４の突出側（ブラケット３の取り付け側）のコイルエンドを１２とし、その反対側のコイルエンドを１３とする。

【0018】

＜セグメント導体の形状＞
図３は、本発明の一実施例に係るセグメント導体２０の斜視図である。図３は、固定子６に挿入される前のセグメント導体２０を示す。

【0019】

セグメント導体２０は、図示上部の頭部２１を中心とした略対称な形状を有する。セグメント導体２０は、さらに、図示左右１組の傾斜部２２と、１組の屈曲部２３と、固定子６のスロット６０に挿入される１組のスロット導体２４とを備える。頭部２１は１組の直線部２４の間に配置される。傾斜部２２は、固定子６の端面に対して０度より大きく９０度未満の角度を有し、傾斜部２２、屈曲部２３およびスロット導体２４の中で最も頭部２１の近く位置する。スロット導体２４は直線の形状を有し、屈曲部２３を介して傾斜部２２に接続される。ここで、頭部２１、傾斜部２２および屈曲部２３を含む部分、ならびに他のセグメント導体２０と接合される端末部を、それぞれ渡り導体２５と呼称する。すなわち、渡り導体２５はスロット外において一対のスロット導体２４を接続し、コイルエンドを形成する。

【0020】

図４は、本発明の一実施例に係る図であり、固定子鉄心６１に挿入された複数のセグメント導体を固定子６の端面に垂直な方向から見た図である。図４は、固定子鉄心６１に挿入された状態のセグメント導体２０を示す。

【0021】

固定子鉄心６１は、外周部に円環状のヨーク６１ａを有すると共に、ヨーク６１ａから径方向内側に向かって突出するティース６２を有し、隣り合う２つのティース６２の間にスロット６０が形成される。セグメント導体２０は、スロット導体２４がスロット６０に挿入され、渡り導体２５がスロット６０の外側に位置するように固定子鉄心６１に組み付けられる。

【0022】

セグメント導体２０の頭部２１はクランク形状を有し、頭部２１は１組の傾斜部２２がそれぞれ固定子６の半径方向に屈曲する屈曲位置Ｐ１と屈曲位置Ｐ２との間に位置する。

【0023】

＜本実施例における固定子構造の特徴＞
スロット６０内で径方向の同じ位置に配置されたスロット導体２４の集合をレイヤと称し、Ｎを２以上の自然数としたとき、本実施例の固定子６は２Ｎ個のレイヤを有する。また、ｎを１以上、Ｎ以下の自然数とし、固定子の最内径のレイヤを１番目のレイヤとした時、２ｎ番目のレイヤ内のスロット導体２４は渡り導体２５によって２ｎ－１番目のレイヤ内のスロット導体２４と接続される。

【0024】

図５は、本発明の一実施例に係る図であり、スロット導体２４と渡り導体２５との接続関係を示す概念図である。図５において、（ａ）はコイルを正面から見た図であり、（ｂ）はコイルを上面から見た図である。

【0025】

図５に示すように、２ｎ番目のレイヤに配置されたスロット導体２４ａと２ｎ－１番目のレイヤに配置されたスロット導体２４とは、それぞれ交互に、反溶接側の渡り導体２５ａと溶接側の渡り導体２５ｂとで接続されている。ここで、任意の１以上、Ｎ以下の自然数ｎについて、２ｎ番目と２ｎ－１番目のレイヤの集合をｎ層目と呼称する。

【0026】

図６は、本発明の一実施例に係る図であり、異なる層のスロット導体の接続方法を示す概念図である。図６は任意の１以上、Ｎ－１以下の自然数ｎについて、ｎ層目とｎ＋１層目のスロット導体２４の接続方法を示す。図６（ａ）と図６（ｂ）はｎ層目の内径側のレイヤとｎ＋１層目の内径側のレイヤを接続した例を示し、図６（ｃ）はｎ層目の外径側のレイヤとｎ＋１層目の外径側のレイヤを接続した例を示す。

【0027】

ｎ層目の内径側レイヤとｎ＋１層目の内径側を接続する方法として、図６（a）に示す渡り導体２５と捻りの向きが逆である逆捻りセグメント導体２６を用いる方法、または図６（ｂ）に示すジャンパー線２７を用いる方法がある。また、ｎ層目の外径側のレイヤとｎ＋１層目の外径側のレイヤを接続する場合、図６（ｃ）に示す径方法に導体３つ分離れたスロット導体を接続するジャンパー線２８を用いる必要がある。

【0028】

図７は、本発明の一実施例に係る図であり、コイル７の接続状態を示す概念図である。
コイル７は単一、または並列接続された複数の直列回路によって構成されている。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの相について、直列回路の一端側は入力端子１１と接続される出力線３０であり、他端側は異相のスロット導体２４を接続し、電位ゼロの中性線３１である。図７では、各相について２つの直列回路が並列接続されている例を示しているが、単一の直列回路であっても良く、２以上の直列回路、例えば４つの直列回路の並列接続であっても良い。

【0029】

本実施形態において、出力線３０はすべて固定子６の径方向の最内径側又は最外径側のいずれか一方の層に配置されたスロット導体２４と入力端子１１を接続し、中性線３１は、出力線３０から径方向に最も離れた層に配置されたスロット導体２４を異相のスロット導体２４と接続している。すなわち、出力線３０は最内径側又は最外径側のいずれか一方側から１番目と２番目のレイヤに配置されるスロット導体２４のうちいずれか一方と入力端子１１とを接続し、中性線３１は他方側から１番目と２番目のレイヤに配置されるスロット導体２４のいずれかを異相のスロット導体２４と接続している。

【0030】

表１はＮを２以上の自然数とした時、Ｎ個の層を有する固定子６の各相が１つの直列回路、および２つの並列接続された直列回路で構成された時の出力線３０、中性線３１および層間の接続方法をまとめた表である。

【0031】

【表1】

【0032】

表１に示すように、出力線３０はすべての直列回路で固定子６の内径側から１層目、又はＮ層目に配置されている。また、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相ではｎ層目の外径側とｎ＋１層目の内径側が接続され、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相ではｎ層目の内径側とｎ＋１層目の外径側が接続されている。

【0033】

図８は、本発明の一実施例に係る図であり、固定子６のスロット６０に収容されたコイル７を示すスロット６０の断面図である。
図８に示す固定子６のスロット６０には、複数層のスロット導体２４が図示されている。図８（ａ）は、出力線３０が固定子６の最内径側の層に配置されたスロット導体２４と入力端子１１とを接続し、スロット６０内に層間を接続する捻り導体２６、ジャンパー線２７、ジャンパー線２８のいずれも含まない時のスロットの断面図の一例である。

【0034】

また、図８（ｂ）は、出力線３０が固定子６の最外径側の層に配置されたスロット導体２４と入力端子１１とを接続し、スロット内に捻り導体２６、ジャンパー線２７、ジャンパー線２８のいずれも含まない時のスロット６０の断面図の一例である。

【0035】

同じ層内において、スロット導体２４の絶縁被膜２００の厚さは同じであり、出力線３０と接続されているスロット導体２４を含む層から離れている層ほど絶縁被膜２００は薄い。なお、捻り導体２６、ジャンパー線２７、またはジャンパー線２８によって異なる層と接続されたスロット導体２４は同じ層に配置された他のスロット導体２４と絶縁被膜２００の厚さが異なっていても良い。

【0036】

本実施例では、出力線３０と接続されているスロット導体２４を含む層における絶縁被膜２００の厚さとそれ以外の層における絶縁被膜２００の厚さとを異なる大きさにして、絶縁被膜２００の厚さが２種類となるようにセグメント導体２０を構成することもできる。これに対して、出力線３０と接続されているスロット導体２４を含む層における絶縁被膜２００の厚さを最大にして、この層から離れるに従って、絶縁被膜２００の厚さを漸減させる構成を採用することによって、スロット６０内におけるスロット導体２４の占積率を向上することができる。

【0037】

＜作用効果＞
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。

【0038】

固定子６における分担電圧は、入力端子１１の近傍において最も高く、入力端子１１から離れ、中性線３１に近くなるほど小さくなる。そのため、出力線３０をすべて固定子６の最内径側または最外径側のいずれか一方に配置されたスロット導体２４と接続し、中性線３１を他方側に配置されたスロット導体２４と接続することで、出力線３０から離れている層ほど分担電圧を小さくすることができる。したがって、出力線３０から離れている層ほど絶縁被膜２００を薄くすることができる。

【0039】

表２に２層のスロット導体２４を有する本実施形態における固定子６と、比較例として各相での出力線３０の接続位置と中性線３１の接続位置とを直列回路ごとに逆にした場合の層ごとの電圧分担率の最大値を示す。

【0040】

【表2】

【0041】

本実施例において、２層目で電圧分担率の最大値は１層目より低いため、２層目で絶縁被膜２００を１層目より薄く設定できる。一方、比較例では１層目と２層目の電圧分担率の最大値は同等であるため、層単位で絶縁被膜２００を薄くすることはできない。

【0042】

また、本実施例において、層単位で絶縁被膜２００の厚さを決定しているため、層ごとに同じ絶縁被膜２００を有するセグメント導体２０を使用でき、セグメント導体の選別など煩雑な工程は不要になる。また、層間を接続する導体を除き各層で１種類のセグメント導体のみ使用するため、使用するセグメントコイルの種類を削減できる。

【0043】

なお、本実施例ではＵ字型のセグメント導体を使用した例を示したが、他の形状の導体、例えばＬ字状の導体でも適用可能である。

【0044】

以上で説明した本実施例の回転電機１は、以下の特徴を有する。
（１）スロット６０及びスロット６０に配設された複数相のコイル７を有する固定子６と、コイル７に電流が流れることで回転する回転子８と、を備えた回転電機１であって、
コイル７は、スロット６０の中を挿通するスロット導体２４と、異なるスロット６０を挿通する一対のスロット導体２４の同一側端部同士を接続してコイルエンドを構成する渡り導体２５と、コイル７を他の装置と接続する出力線３０と、異相のコイル７を接続する中性線３１と、コイル７の外周部に設けられコイル７を構成する電気導体を覆う絶縁被膜２００と、を備え、
スロット導体２４は、Ｎを２以上の自然数とした場合に、径方向に２Ｎ個のレイヤを構成するように配置され、
出力線３０は、径方向の最内径側または最外径側のいずれか一方側から１番目または２番目のレイヤに配置されるスロット導体２４のうちいずれか一方と接続され、
中性線３１は、径方向の最内径側または最外径側の他方側から１番目または２番目のレイヤに配置されるスロット導体２４のうちいずれか一方と接続され、
渡り導体２５は、前記他方側から２Ｎ－１番目のレイヤに配置されるスロット導体２４と２Ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体２４とを接続し、
絶縁被膜２００は、前記他方側から２Ｎ－１番目および２Ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体２４における絶縁被膜２００の膜厚が最も厚く形成される。

【0045】

（２）渡り導体２５は、ｎを１以上、Ｎ以下の自然数とした場合に、前記他方側から２ｎ－１番目のレイヤに配置されるスロット導体２４と２ｎ番目のレイヤに配置されるスロット導体２４とを接続するようにするとよい。

【0046】

（３）絶縁被膜２００は、ｎが小さいレイヤに配置されるスロット導体２４ほど絶縁被膜２００の膜厚が薄く形成されるようにするとよい。

【0047】

（４）コイル７は、各相について単一の直列回路により構成されてもよい。

【0048】

（５）コイル７は、各相について２以上の直列回路の並列接続により構成されてもよい。

【0049】

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0050】

１…回転電機、２…ハウジング、３…ブラケット、４…シャフト、５…口出し線、６…固定子、７…コイル、８…回転子（可動子）、９…ベアリング、１０…永久磁石、１１…入力端子、１２，１３…コイルエンド、２０…セグメント導体、２１…頭部、２２…傾斜部、２３…屈曲部、２４…スロット導体、２５…渡り導体、２６…逆捻り導体、２７…ジャンパー線、２８…ジャンパー線、３０…出力線、３１…中性線、６０…スロット、６１…固定子鉄心、８１…回転子鉄心、６２…ティース、２００…絶縁被膜。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】