(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-05
(45)【発行日】2023-12-13
(54)【発明の名称】ステータ、回転電機
(51)【国際特許分類】
H02K 3/34 20060101AFI20231206BHJP
H02K 3/18 20060101ALI20231206BHJP
【FI】
H02K3/34 C
H02K3/18 P
(21)【出願番号】P 2019164525
(22)【出願日】2019-09-10
【審査請求日】2022-07-01
(73)【特許権者】
【識別番号】513296958
【氏名又は名称】東芝産業機器システム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000567
【氏名又は名称】弁理士法人サトー
(72)【発明者】
【氏名】葛山 久巳
【審査官】三澤 哲也
(56)【参考文献】
【文献】特開2019-062681(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 3/34
H02K 3/18
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
円環状のステータ本体部と、
前記ステータ本体部の内周面から直線状に延び、相互に所定の間隔を有して配置されている複数のティース部と、
複数の前記ティース部にそれぞれ巻回されているコイルと、
前記コイルに設けられる絶縁部材と、
を備え、
前記コイルは、当該コイルに隣接する他の前記コイルに対向する面に、前記絶縁部材によって覆われていない非絶縁面を有
し、
前記絶縁部材として、
必須部と前記必須部に付加される付加部とを有する第1形態の絶縁部材と、
必須部を有し前記必須部に付加される付加部を有しない第2形態の絶縁部材と、
を備え、
前記第1形態の絶縁部材と前記第2形態の絶縁部材とが前記ステータ本体部の周方向に沿って交互に配置されているステータ。
【請求項2】
前記コイルは、前記絶縁部材によって覆われている絶縁面が前記非絶縁面よりも大きくなっている請求項1に記載のステータ。
【請求項3】
前記コイルの角部は、前記絶縁部材によって覆われている請求項1または2に記載のステータ。
【請求項4】
前記絶縁部材の一辺の長さは、前記コイルの一辺の長さよりも長い請求項1から3の何れか1項に記載のステータ。
【請求項5】
前記必須部の厚さと前記付加部の厚さが異なっている請求項1から4の何れか1項に記載のステータ。
【請求項6】
請求項1から5の何れか1項に記載のステータと、
前記ステータの内部に回転可能に設けられているロータと、
を備える回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、ステータ、および、ステータを備える回転電機に関する。
【背景技術】
【0002】
回転電機のステータに設けられる複数のコイルの間においては絶縁が必要であり、例えば特許文献1に開示されているように、それぞれのコイルに絶縁部材を挿入することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、コイルに絶縁部材を挿入することに伴い、その絶縁部材の分、隣接するティース部の間のスペース、換言すれば、スロット内のスペースが小さくなってしまい、コイルの配置の自由度が制限されてしまう。
【0005】
そこで、絶縁部材の使用量を極力抑制することができ、限られたスロット内のスペースを有効に活用することができるステータ、および、このステータを備える回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本実施形態に係るステータは、円環状のステータ本体部と、前記ステータ本体部の内周面から直線状に延び、相互に所定の間隔を有して配置されている複数のティース部と、複数の前記ティース部にそれぞれ巻回されているコイルと、前記コイルに設けられる絶縁部材と、を備え、前記コイルは、当該コイルに隣接する他の前記コイルに対向する面に、前記絶縁部材によって覆われていない非絶縁面を有し、前記絶縁部材として、必須部と前記必須部に付加される付加部とを有する第1形態の絶縁部材と、必須部を有し前記必須部に付加される付加部を有しない第2形態の絶縁部材と、を備え、前記第1形態の絶縁部材と前記第2形態の絶縁部材とが前記ステータ本体部の周方向に沿って交互に配置されている。
【0007】
本実施形態に係る回転電機は、本実施形態に係るステータと、前記ステータの内部に回転可能に設けられているロータと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】本実施形態に係る回転電機の構成例を概略的に示す断面図
【
図2】本実施形態に係る絶縁部材およびその周辺部分の構成例を概略的に示す拡大図
【
図3】本実施形態の変形例に係る絶縁部材およびその周辺部分の構成例を概略的に示す拡大図
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、ステータおよび回転電機に係る一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1に例示する回転電機1は、ステータ100およびロータ200を備えている。ステータ100は、電磁鋼板から打ち抜かれた複数枚の鉄心材を軸方向に積層することにより構成されたものであり、全体として、ほぼ円環状をなしている。ステータ100は、ほぼ円環状に形成されたステータ本体部101の内側に複数のティース部102を備えている。複数のティース部102には、それぞれコイル104が巻回されている。
【0010】
ロータ200は、電磁鋼板から打ち抜かれた複数枚の鉄心材を軸方向に積層することにより構成されたものであり、全体として、ほぼ円柱状をなしている。ロータ200は、その中心部にシャフト201が固定されており、ステータ100の内部においてシャフト201を中心に回転可能に設けられている。また、ロータ200の外縁部には、図示しない複数の永久磁石が埋め込まれている。なお、永久磁石は、ロータ200の表面に貼り付けられていてもよい。
【0011】
次に、ステータ100の構成例について説明する。
図2に例示するように、ステータ100は、ほぼ円環状に形成されたステータ本体部101の内側に複数のティース部102を備えた構成となっている。複数のティース部102は、それぞれ、ステータ本体部101の内周面からステータ100の軸心部、換言すれば、回転電機1の軸心部に向かって直線状に延びている。また、複数のティース部102は、ステータ本体部101の周方向に沿って相互に所定の間隔を有して配置されている。これにより、ステータ本体部101の周方向において相互に隣接するティース部102の間には、所定のスペースを有するスロット103が形成されている。なお、複数のティース部102間の間隔、換言すれば、スロット103の大きさは、適宜変更して実施することができる。
【0012】
また、複数のティース部102には、それぞれコイル104が巻回されている。本実施形態では、コイル104は、各相の巻線が1相ずつ集中的に巻回される方式、いわゆる集中巻方式によりティース部102に設けられている。また、本実施形態では、コイル104を形成する巻線は、その断面形状が矩形状である巻線、いわゆる平角線と称される巻線となっている。
【0013】
そして、複数のコイル104には、所定の断面形状を有する絶縁部材、この場合、C型絶縁部材105あるいはL型絶縁部材106が備えられている。C型絶縁部材105およびL型絶縁部材106は、何れも絶縁部材の一例であり、例えばアラミド系、ナイロン系などの周知の絶縁材料により構成されている。C型絶縁部材105およびL型絶縁部材106は、その断面形状が異なっているが、絶縁性能については大きな差が無く、ほぼあるいは完全に同等の絶縁性能を有している。なお、詳しい図示は省略するが、本実施形態では、C型絶縁部材105およびL型絶縁部材106は、ステータ100の周方向に沿って交互に配置されている。
【0014】
次に、これらC型絶縁部材105およびL型絶縁部材106の構成例について説明する。なお、以下の説明では、便宜上、C型絶縁部材105が備えられる側のティース部102およびコイル104を第1ティース部102Aおよび第1コイル104Aと称し、L型絶縁部材106が備えられる側のティース部102およびコイル104を第2ティース部102Bおよび第2コイル104Bと称する。
【0015】
C型絶縁部材105は、ステータ100の軸方向に見た断面が概ねC字状をなすものであり、第1コイル104Aと第1ティース部102Aとの間に挿入される本体部105aと、第1コイル104Aの基端部側つまりロータ200とは反対側の面とステータ本体部101の内周面との間に挿入される基端側部105bと、第1コイル104Aの先端部側つまりロータ200側の面に対向する先端側部105cと、を一体的に備えている。
【0016】
本体部105aは、C型絶縁部材105の大部分を構成しており、第1コイル104Aのうち第1ティース部102Aに対向する面を覆っている。C型絶縁部材105の一辺を構成する本体部105aの長さは、当該本体部105aが対向する第1コイル104Aの一辺の長さよりも若干長くなっている。
【0017】
基端側部105bは、本体部105aの基端部から第1コイル104A側つまり第1ティース部102Aとは反対側に向かって折り返されており、第1コイル104Aのうち基端部側の面、換言すれば、ステータ本体部101の内周面に対向する面を覆っている。C型絶縁部材105の一辺を構成する基端側部105bの長さは、当該基端側部105bが対向する第1コイル104Aの一辺の長さよりも若干長くなっている。なお、第1コイル104Aとステータ本体部101の内周面との間には若干の隙間が形成されている。
【0018】
先端側部105cは、本体部105aの先端部から第1コイル104A側つまり第1ティース部102Aとは反対側に向かって折り返されており、第1コイル104Aのうち先端部側の面、換言すれば、ロータ200に対向する面を覆っている。C型絶縁部材105の一辺を構成する先端側部105cの長さは、当該先端側部105cが対向する第1コイル104Aの一辺の長さよりも若干長くなっている。
【0019】
また、基端側部105bは、さらに基端側折り返し部105dを一体的に備えている。基端側折り返し部105dは、基端側部105bの先端部から第1コイル104Aの先端部側、換言すれば、ステータ本体部101とは反対側であるロータ200側に向かって折り返されている。
【0020】
また、先端側部105cは、さらに先端側折り返し部105eを一体的に備えている。先端側折り返し部105eは、先端側部105cの先端部から第1コイル104Aの基端部側、換言すれば、ステータ本体部101側であるロータ200とは反対側に向かって折り返されている。
【0021】
そして、基端側折り返し部105dの先端部と先端側折り返し部105eの先端部との間は離間している。なお、基端側折り返し部105dおよび先端側折り返し部105eは、少なくとも数mm程度確保すれば十分である。これにより、第1コイル104Aの先端部側の角部および基端部側の角部を十分に覆うことができる。
【0022】
以上のように構成されるC型絶縁部材105は、第1コイル104Aのうち第1ティース部102Aに対向する面、基端部側の面、および、先端部側の面を覆った状態となっている。即ち、第1コイル104Aは、第1ティース部102Aに対向する面、基端部側の面、および、先端部側の面を、C型絶縁部材105によって覆われた絶縁面として備えている。
【0023】
また、C型絶縁部材105は、第1コイル104Aのうち第1ティース部102Aとは反対側の面の大部分を覆っていない状態となっている。即ち、第1コイル104Aは、第1ティース部102Aとは反対側の面の大部分、換言すれば、当該第1コイル104Aに隣接する第2コイル104Bに対向する面の大部分を、C型絶縁部材105によって覆われていない非絶縁面として備えている。なお、第1コイル104Aは、第1ティース部102Aとは反対側の面の全面を非絶縁面として備える構成としてもよい。
【0024】
また、第1コイル104Aは、C型絶縁部材105によって覆われている絶縁面が、C型絶縁部材105によって覆われていない非絶縁面よりも大きくなった状態となっている。また、第1コイル104Aの角部は、C型絶縁部材105によって覆われた構成となっている。この場合、第1コイル104Aは、ステータ100の軸方向に見て4つの角部を有しているが、その全ての角部がC型絶縁部材105によって覆われた構成となっている。
【0025】
L型絶縁部材106は、ステータ100の軸方向に見た断面が概ねL字状をなすものであり、第2コイル104Bと第2ティース部102Bとの間に挿入される本体部106aと、第1コイル104Aの基端部側つまりロータ200とは反対側の面とステータ本体部101の内周面との間に挿入される基端側部106bと、を一体的に備えている。即ち、L型絶縁部材106は、C型絶縁部材105の先端側部105cに相当する部分を有していない構成となっている。
【0026】
本体部106aは、L型絶縁部材106の大部分を構成しており、第2コイル104Bのうち第2ティース部102Bに対向する面を覆っている。L型絶縁部材106の一辺を構成する本体部106aの長さは、当該本体部106aが対向する第2コイル104Bの一辺の長さよりも若干長くなっている。
【0027】
基端側部106bは、本体部106aの基端部から第2コイル104B側つまり第2ティース部102Bとは反対側に向かって折り返されており、第2コイル104Bのうち基端部側の面、換言すれば、ステータ本体部101の内周面に対向する面を覆っている。L型絶縁部材106の一辺を構成する基端側部106bの長さは、当該基端側部106bが対向する第2コイル104Bの一辺の長さよりも若干長くなっている。なお、第2コイル104Bとステータ本体部101の内周面との間には若干の隙間が形成されている。
【0028】
また、L型絶縁部材106は、C型絶縁部材105の先端側部105cに相当する部分を有していない。そのため、第2コイル104Bのうち先端部側の面、換言すれば、ロータ200に対向する面は、L型絶縁部材106によって覆われることなく露出した状態となっている。
【0029】
また、基端側部106bは、さらに基端側折り返し部106dを一体的に備えている。基端側折り返し部106dは、基端側部106bの先端部から第2コイル104Bの先端部側、換言すれば、ステータ本体部101とは反対側であるロータ200側に向かって折り返されている。なお、基端側折り返し部106dは、少なくとも数mm程度確保すれば十分である。これにより、第2コイル104Bの基端部側の角部を十分に覆うことができる。
【0030】
以上のように構成されるL型絶縁部材106は、第2コイル104Bのうち第2ティース部102Bに対向する面、および、基端部側の面を覆った状態となっている。即ち、第2コイル104Bは、第2ティース部102Bに対向する面、および、基端部側の面を、L型絶縁部材106によって覆われた絶縁面として備えている。
【0031】
また、L型絶縁部材106は、第2コイル104Bのうち第2ティース部102Bとは反対側の面の大部分、および、先端部側の面を覆っていない状態となっている。即ち、第2コイル104Bは、第2ティース部102Bとは反対側の面の大部分、換言すれば、当該第2コイル104Bに隣接する第1コイル104Aに対向する面の大部分、および、先端部側の面を、L型絶縁部材106によって覆われていない非絶縁面として備えている。なお、第2コイル104Bは、第2ティース部102Bとは反対側の面の全面を非絶縁面として備える構成としてもよい。
【0032】
また、第2コイル104Bは、L型絶縁部材106によって覆われている絶縁面が、L型絶縁部材106によって覆われていない非絶縁面よりも大きくなった状態となっている。また、第2コイル104Bの角部は、L型絶縁部材106によって覆われた構成となっている。この場合、第2コイル104Bは、ステータ100の軸方向に見て4つの角部を有しているが、そのうちの基端部側の3つの角部がL型絶縁部材106によって覆われた構成となっている。
【0033】
なお、L型絶縁部材106がC型絶縁部材105の先端側部105cに相当する部分を有していない構成となっている理由は、次の通りである。即ち、L型絶縁部材106が設けられる第2コイル104Bに隣接する第1コイル104Aは、先端部側の第2コイル104B側の角部がC型絶縁部材105の先端側部105cおよび先端側折り返し部105eによって覆われた状態となっている。そのため、仮に第1コイル104Aと第2コイル104Bが近接したとしても、これら第1コイル104Aと第2コイル104Bとが直接的に接触してしまうことをC型絶縁部材105によって阻止することができる。このように、L型絶縁部材106にC型絶縁部材105の先端側部105cに相当する部分を設けなくとも、第1コイル104Aと第2コイル104Bとの直接的な接触を防止することができる。よって、本実施形態では、L型絶縁部材106は、C型絶縁部材105の先端側部105cに相当する部分を有しない構成となっている。
【0034】
また、C型絶縁部材105の構成とL型絶縁部材106の構成とを比較すると、両者の相違は、先端側部105cおよび先端側折り返し部105eに相当する部分の有無となっている。即ち、隣接する2つのコイル104のうちの一方のコイル104にC型絶縁部材105を取り付けることで、他方のコイル104に取り付ける絶縁部材については、先端側部105cおよび先端側折り返し部105eに相当する部分を不要とすることができる。
【0035】
以上のように構成されるC型絶縁部材105およびL型絶縁部材106によれば、各部を次のように定義することができる。即ち、C型絶縁部材105のうち少なくとも本体部105aおよび基端側部105bは、隣接するコイル104に取り付けられる絶縁部材の型がC型絶縁部材105およびL型絶縁部材106の何れの型であるのかに関わらず必須となる必須部の一例として定義することができる。また、C型絶縁部材105のうち少なくとも先端側部105cは、隣接するコイル104に取り付けられる絶縁部材の型が特定の型、この場合、C型絶縁部材105である場合には不要とすることができるものであり、必須部ではなく、必須部に付加される付加部の一例として定義することができる。
【0036】
なお、C型絶縁部材105のうち基端側折り返し部105dおよび先端側折り返し部105eは、C型絶縁部材105に任意に設けることができる構成要素である。つまり、C型絶縁部材105は、基端側折り返し部105dおよび先端側折り返し部105eを備えない構成としてもよい。従って、基端側折り返し部105dおよび先端側折り返し部105eも、必須部ではなく、付加部の一例として定義することができる。
【0037】
また、L型絶縁部材106のうち少なくとも本体部106aおよび基端側部106bは、隣接するコイル104に取り付けられる絶縁部材の型がC型絶縁部材105およびL型絶縁部材106の何れの型であるのかに関わらず必須となる必須部の一例として定義することができる。なお、L型絶縁部材106のうち基端側折り返し部106dは、L型絶縁部材106に任意に設けることができる構成要素である。つまり、L型絶縁部材106は、基端側折り返し部106dを備えない構成としてもよい。従って、基端側折り返し部106dは、必須部ではなく、付加部の一例として定義することができる。
【0038】
以上に例示した本実施形態によれば、第1コイル104Aは、当該第1コイル104Aに隣接する第2コイル104Bに対向する面に、C型絶縁部材105によって覆われていない非絶縁面を有している。また、第2コイル104Bは、当該第2コイル104Bに隣接する第1コイル104Aに対向する面に、L型絶縁部材106によって覆われていない非絶縁面を有している。このように、一のコイル104が当該一のコイル104に隣接する他のコイル104に対向する面に絶縁部材105,106によって覆われていない非絶縁面を有するように構成することで、絶縁部材105,106の使用量を極力抑制することができる。また、このように絶縁部材105,106の使用量を必要最小限に抑制することで、限られたスロット103内のスペースを有効に活用することができる。よって、例えば、コイル104を大きく形成するといったことが可能となる。
【0039】
また、本実施形態によれば、コイル104は、絶縁部材105,106によって覆われている絶縁面が非絶縁面よりも大きくなっている。この構成によれば、非絶縁面を形成して絶縁部材105,106の使用量を抑制しつつも、絶縁面を十分に確保することができ、コイル104の絶縁が不十分になってしまうことを回避することができる。即ち、本実施形態は、単に絶縁部材105,106の使用量を抑制しようとするものではなく、コイル104の絶縁性能を維持しつつ絶縁部材105,106の使用量を極力抑えるようにした実施形態である。
【0040】
また、本実施形態によれば、コイル104の角部は、絶縁部材105,106によって覆われている。この構成によれば、隣接するコイル104の角部が直接的に接触してしまうことを阻止することができ、コイル104の絶縁を一層確実に行うことができる。
【0041】
また、本実施形態によれば、絶縁部材105,106の一辺の長さは、対応するコイル104の一辺の長さよりも長くなっている。この構成によれば、コイル104の絶縁すべき箇所を絶縁部材105,106によって確実に覆うことができ、コイル104の絶縁を一層確実に行うことができる。
【0042】
なお、本実施形態は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の拡張や変更を行うことができる。例えば、
図3に例示するように、C型絶縁部材105は、必須部の一例である少なくとも本体部105aおよび基端側部105bの厚さと、付加部の一例である先端側部105c、基端側折り返し部105dおよび先端側折り返し部105eの厚さとを異ならせた構成としてもよい。この場合、本体部105aおよび基端側部105bの厚さは、先端側部105c、基端側折り返し部105dおよび先端側折り返し部105eの厚さよりも厚くなっている。また、L型絶縁部材106は、必須部の一例である少なくとも本体部106aおよび基端側部106bの厚さと、付加部の一例である基端側折り返し部106dの厚さとを異ならせた構成としてもよい。この場合、本体部106aおよび基端側部106bの厚さは、基端側折り返し部106dの厚さよりも厚くなっている。
【0043】
このように、絶縁部材105,106のうち必須では無い部分の厚さを薄くすることにより、絶縁材料の使用量を一層抑制することができる。また、絶縁部材105,106のうち必須では無い部分の厚さを薄くすることで、絶縁材料の使用量を抑制しつつも、絶縁部材105,106の絶縁性能の低下を最小限に抑えることができる。
【0044】
また、コイル104を形成する巻線は、いわゆる平角線に限られるものではなく、例えば、断面形状が丸形状である巻線などであってもよい。なお、平角線によれば、巻線を整然と巻回することができ、形成されるコイル104の形状や寸法を高精度で調整することができる。そのため、隣接するコイル104の間の距離を高精度で調整することができ、ひいては、絶縁材料の削減量を高精度で調整することができる。
【0045】
また、絶縁部材の形状は、断面C型や断面L型に限られるものではなく、コイル104の絶縁を確保しつつ絶縁材料の使用量を抑制できることが可能な形状であれば、種々の形状を適用することができる。
【0046】
また、本実施形態では、C型絶縁部材105およびL型絶縁部材106をステータ100の周方向に沿って交互に配置する構成例を示したが、これに限られるものではない。そのため、ステータ100は、例えば、全ての絶縁部材をC型絶縁部材105としてもよいし、全ての絶縁部材をL型絶縁部材106としてもよい。また、ステータ100は、数個のC型絶縁部材105を連続して配置し、続いて、数個のL型絶縁部材105を連続して配置する構成としてもよい。また、ステータ100は、C型絶縁部材105およびL型絶縁部材106を混在させる場合には、C型絶縁部材105の数とL型絶縁部材106の数とを同じとしてもよいし、異ならせてもよい。
【0047】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。本実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【0048】
図面中、1は回転電機、100はステータ、101はステータ本体部、102はティース部、104はコイル、105はC型絶縁部材(絶縁部材)、106はL型絶縁部材(絶縁部材)、105a,106aは本体部(必須部)、105b,106bは基端側部(必須部)、105cは先端側部(付加部)、105d,106dは基端側折り返し部(付加部)、105eは先端側折り返し部(付加部)、200はロータを示す。