JP6863167B2 - 回転電機ステータ - Google Patents

Description

本開示は、回転電機ステータに係り、特に並列結線されるステータコイルを有する回転電機ステータに関する。

三相回転電機において、各相巻線について複数の巻線コイルを並列接続して用いることで、並列接続の１つの巻線コイル当りの導体断面積を並列接続の数に応じて細くできる。例えば、特許文献１では、Ｕ相巻線について、それぞれ集中巻したＵ１コイル、Ｕ２コイル、Ｕ３コイル、Ｕ４コイルの４つのコイルを並列接続して構成する例が述べられている。この場合、１つのＵ相巻線の導体断面積の１／４の導体断面積を有するＵ１コイル、Ｕ２コイル、Ｕ３コイル、Ｕ４コイルの４つのコイルを同時に接合して並列接続し、１つのＵ相巻線を形成している。

本開示に関連する技術として、特許文献２には、従来技術として、ステータコアの各々のスロット内に、複数のセグメントコイルを挿入してステータを形成することが述べられている。

特開２００３−１８９５２５号公報 特開２０１５−１３６８３１号公報

回転電機ステータの複数の巻線コイルを並列接続して１本の動力線に結線する並列結線を行うには、並列結線のための部品とその接続処理が必要となる。特に、セグメントコイルを用いて巻線コイルを形成する場合には、セグメントコイルから例えばバスバーのような中間部材を経由することになり、部品点数や溶接箇所の増加に伴うコスト増加が生じる。そこで、巻線コイルの並列結線の際のコストを抑制できる回転電機ステータが要望される。

本開示に係る回転電機ステータは、磁性体で構成され、円環状のバックヨーク、バックヨークから内周側に突き出す複数のティース、及び、隣接するティース間の空間である複数のスロットを含むステータコアと、ステータコアの所定のスロットに跨って挿入されてティースに巻回されたセグメントコイルの複数個を所定の接続方法で順次接続して形成された相コイルと、同じ相の複数の相コイルを互いに電気的に並列に接続するための金属板と、同じ相の相コイルからそれぞれ引き出された複数の動力線用のリード端子であって、ステータコアのバックヨークの外周縁よりもさらに外周側において金属板に接合された状態の複数のリード端子と、金属板にカシメにより固定された状態の相動力線と、を備え、複数のリード端子の先端部の夫々は、ステータコアの軸方向に略沿うように延在し、金属板が、互いに間隔をおいた状態で複数の先端部と合わさるように軸方向に突出する複数の突出部を有して、突出部とそれに合わさっている先端部とが、溶接され、金属板が、略軸方向に相動力線が挿通されている挿通スペースを画定している湾曲部を軸方向の突出部側とは反対側に有して、湾曲部がカシメで押し潰されている。

上記構成の回転電機ステータによれば、相動力線は金属板とカシメによって固定されるので、その部分における溶接作業等が不要になり、巻線コイルの並列結線の際のコストを抑制できる。

実施の形態に係る回転電機ステータの構成図である。 図１のＡ部である並列結線部の詳細図である。 図２の並列結線部に用いられる各要素と、各要素を組み立てた並列接続用動力線を示す図である。 比較のために、従来技術の相動力線を示す図である。 図２に対応し、図４の相動力線を用いた従来技術の並列結線処理を示す図である。

以下に図面を用いて本開示に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ステータを述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載用でなくても、ステータコイルに関して並列結線処理が行われる回転電機に用いられる回転電機ステータであればよい。以下では、ステータコイルは、三相の分布巻で巻回されるものとし、例えば、Ｕ相巻線は、２つのＵ相コイルが並列接続されてＵ相動力線に接続されるものとするが、複数の相コイルが並列接続されるものであればよい。例えば、３つ以上の相コイルを並列接続して１つの相動力線に接続するものでもよい。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ステータ１０の構成図である。以下では、特に断らない限り、回転電機ステータ１０を、ステータ１０と呼ぶ。ステータ１０は、回転電機の固定子で、ステータコア１２と、ステータコア１２に巻回されたステータコイル２０を含む円環状の部品である。ステータ１０の円環状の中心穴に、所定の径方向間隙をおいて、回転電機の回転子であるロータ（図示せず）が配置される。

図１に、円環状のステータ１０の中心軸ＣＬと、軸方向、径方向、周方向を示す。軸方向は、中心軸ＣＬに平行な方向である。径方向は、中心軸ＣＬから放射状の方向で、中心軸ＣＬ側が内周側、中心軸ＣＬから遠ざかる方向が外周側である。周方向は、中心軸ＣＬ周りの方向である。

ステータコア１２は、図示しないロータが配置される中心穴を有する磁性体部品であり、円環状のバックヨーク１４、バックヨーク１４から内周側に突き出す複数のティース１６、及び、隣接するティース１６間の空間である複数のスロット１８を含む。図１ではステータコイル２０が配置されているので、中心穴の内周壁面にのみティース１６とスロット１８とが示される。

かかるステータコア１２は、ティース１６、スロット１８を含む所定の円環状形状に成形した磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板が用いられる。磁性体薄板の積層体に代えて、一体型の磁性体コアを用いてもよい。

ステータコイル２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の分布巻巻線で、各相の巻線は、ステータコア１２の所定のスロット１８に跨って挿入されてティース１６に巻回されたセグメントコイル２２の複数個を所定の接続方法で順次接続して形成される。セグメントコイル２２は、両端部を除く導体線の周囲に絶縁皮膜を被覆し、略Ｕ字形に成形された絶縁皮膜付き導体線である。絶縁皮膜付き導体線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等が用いられる。絶縁皮膜としては、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。

セグメントコイル２２がステータコア１２に巻回されるときに、ステータコア１２の軸方向端面から突出する部分は、コイルエンドと呼ばれる。コイルエンドは、ステータコア１２の軸方向の両端面から突き出す。図１では、動力線用のリード端子が引き出される側であるリード側のコイルエンド２４が示される。反リード側のコイルエンドは、ステータコア１２の外周面に隠れて図１では図示されていない。

Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線は、それぞれ、２つの相コイルで構成される。Ｕ相巻線における２つのＵ相コイルを区別して、Ｕ１コイル、Ｕ２コイルと呼ぶ。同様に、Ｖ相巻線における２つのＶ相コイルを区別して、Ｖ１コイル、Ｖ２コイルと呼び、Ｗ相巻線における２つのＷ相コイルを区別して、Ｗ１コイル、Ｗ２コイルと呼ぶ。全部で６つの相コイルがあるので、それぞれの相コイルは、６スロット間隔で、ステータコア１２に配置される。図１に、それぞれの相コイルの配置順序として、Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２の符号を付した。

したがって、ステータコイル２０には、Ｕ１コイル、Ｕ２コイル、Ｖ１コイル、Ｖ２コイル、Ｗ１コイル、Ｗ２コイルが、予め定められた配置で、ステータコア１２のティース１６に巻回されている。ステータコイル２０のリード側のコイルエンド２４からは、これらの相コイルのそれぞれから、動力線用のリード端子が引き出される。

Ｕ相巻線を例とすると、Ｕ相巻線は、Ｕ１コイルとＵ２コイルを並列接続して形成される。なお、これとは別に、Ｕ相巻線は、Ｕ１コイルとＵ２コイルを直列接続して形成される結線方式もある。直列接続の結線方式に対し、並列接続の結線方式は、同じ電力を流すのに導体線の径を細くできる等の特徴がある。Ｕ１コイルとＵ２コイルを並列接続の結線方式でＵ相巻線を形成するには、Ｕ１コイルの一方端とＵ２コイルの一方端を接続して三相巻線としての中性点に用いる。そして、Ｕ１コイルの他方端を、Ｕ１コイルの動力線用のリード端子とし、Ｕ２コイルの他方端を、Ｕ１コイルの動力線用のリード端子とする。さらに、Ｕ１コイルの動力線用のリード端子とＵ２コイルの動力線用のリード端子とを並列接続し、Ｕ相動力線に接続する。Ｕ相動力線は、Ｖ相動力線、Ｗ相動力線と共に、回転電機を駆動する外部の駆動回路等に接続される。

すなわち、Ｕ１コイルの動力線用のリード端子とＵ２コイルの動力線用のリード端子を、並列接続の結線方式でＵ相動力線に接続するには、２つの処理が必要となる。１つ目は［Ｕ１コイルの動力線用のリード端子とＵ２コイルの動力線用のリード端子とを並列接続する］処理であり、２つ目は、［並列接続されたものを、Ｕ相動力線に接続する］処理である。この双方の処理を併せて、並列結線処理と呼ぶ。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。

図１において、Ａ部は、Ｕ１コイルとＵ２コイルについての並列結線処理が行われた並列結線部３０である。並列結線部３０は、金属板４０と、Ｕ相動力線５０と、動力線接続部６０とを含む。

図２は、図１のＡ部の詳細図である。図３は、並列結線部３０を分解した場合の各要素を示す図である。図３（ａ）は、金属板４０と、Ｕ相動力線５０と、動力線接続部６０のそれぞれを示す図である。（ｂ）は、金属板４０と、Ｕ相動力線５０と、動力線接続部６０と組立てた状態で、まだＵ１コイルの動力線用のリード端子及びＵ２コイルの動力線用のリード端子とが接続されていない状態の並列結線用動力線３２を示す図である。

図２に示すＵ１リード端子２６は、リード側のコイルエンド２４から引き出されたＵ１コイルの他方端の動力線用のリード端子である。Ｕ２リード端子２８は、リード側のコイルエンド２４から引き出されたＵ２コイルの他方端の動力線用のリード端子である。Ｕ１リード端子２６とＵ２リード端子２８を区別するため、異なる方向に傾斜する斜線を付した。

Ｕ１リード端子２６とＵ２リード端子２８は、コイルエンド２４からステータコア１２のバックヨーク１４の外周縁部よりもさらに外周側に引き出され、そこで先端部がステータ１０の軸方向に沿って曲げられる。曲げられた先端部の位置も、ステータコア１２のバックヨーク１４の外周縁部よりもさらに外周側である。

金属板４０は、同じ相であるＵ相の２つの相コイルを互いに電気的に並列に接続するための導体板である。さらに、金属板４０は、Ｕ相動力線５０と接続される導体板でもある。

金属板４０は、Ｕ１リード端子２６とＵ２リード端子２８を個別に分離して接続できるように、先端に２つの突出部４２，４４を有する。金属板４０は、突出部４２，４４とは反対側の根元部にカシメ囲み部４６を有する。カシメ囲み部４６は、一方側に開口部を有し、金属板４０の一部を湾曲させた部分であり、この湾曲部に線材であるＵ相動力線５０を挿入し、湾曲部をカシメで押し潰すことで、Ｕ相動力線５０と金属板４０とを電気的機械的に接続することができる。金属板４０の２つの突出部４２，４４及びカシメ囲み部４６には、金属面を露出させる処理が予め行われる。例えば、皮膜を除去し、必要な洗浄が行われる。

Ｕ相動力線５０は、外部の駆動回路等に接続される電力線である。Ｕ相動力線５０は、本体ケーブル部５２と、本体ケーブル部５２の両端のカシメ挿入部５４，５６とを含む。本体ケーブル部５２は、高電圧大電力に対応する絶縁性能を有する絶縁被覆で覆われた電力ケーブルである。カシメ挿入部５４，５６は、本体ケーブル部５２の絶縁被覆が除去されて裸の導体部が露出された部分である。カシメ挿入部５４は、金属板４０のカシメ囲み部４６の湾曲部に挿入可能な外径を有する。カシメ挿入部５６は、次に述べる動力線接続部６０のカシメ囲み部６４の湾曲部に挿入可能な外径を有する。

動力線接続部６０は、本体板部６２と、本体板部６２の一方側端部に設けられるカシメ囲み部６４と、他方側端部に設けられる接続リング部６６とを含む。カシメ囲み部６４は、金属板４０のカシメ囲み部４６と同様に、一方側に開口部を有し、本体板部６２の一方側端部を湾曲させた部分である。この湾曲部に線材であるＵ相動力線５０を挿入し、湾曲部をカシメで押し潰すことで、Ｕ相動力線５０と動力線接続部６０とを電気的機械的に接続することができる。接続リング部６６は、外部の駆動回路におけるＵ相接続端子が挿入され、Ｕ相接続端子がおねじ部を有している場合にはナット等を用いて、駆動回路に電気的機械的に接続される接続端部である。動力線接続部６０のカシメ囲み部６４及び接続リング部６６には、金属面を露出させる処理が予め行われる。例えば、皮膜を除去し、必要な洗浄が行われる。

図３（ｂ）に示す並列結線用動力線３２は、金属板４０と、Ｕ相動力線５０と、動力線接続部６０とを組立て、２箇所のカシメ部７０，７２におけるカシメ処理によって一体化した部品である。カシメ処理による一体化は、以下のように行われる。Ｕ相動力線５０のカシメ挿入部５４を金属板４０のカシメ囲み部４６に挿入し、その状態で、カシメ囲み部４６を適当なカシメ治具で押し潰し、カシメ部７０を形成する。同様に、Ｕ相動力線５０のカシメ挿入部５６を動力線接続部６０のカシメ囲み部６４に挿入し、その状態で、カシメ囲み部６４を適当なカシメ治具で押し潰し、カシメ部７２を形成する。このようにして、３部品が一体化し、Ｕ１リード端子２６を接続するための突出部４２とＵ２リード端子２８を接続するための突出部４４とを有する並列結線用動力線３２が形成される。

図２に戻って、Ｕ１リード端子２６と、Ｕ２リード端子２８とを、並列接続の結線方式でＵ相動力線５０に接続するには以下のようにする。並列結線用動力線３２の突出部４２をＵ１リード端子２６の先端部と合わせる。同様に、並列結線用動力線３２の突出部４４をＵ２リード端子２８の先端部と合わせる。そして、適当な溶接設備を用いて、並列結線用動力線３２の突出部４２とＵ１リード端子２６の先端部とを溶接箇所７４で溶接し、並列結線用動力線３２の突出部４４とＵ２リード端子２８の先端部とを溶接箇所７６で溶接する。これによって、Ｕ１リード端子２６とＵ２リード端子２８とは、並列接続された状態で、並列結線用動力線３２と電気的機械的に結線される。

上記構成によれば、予めカシメ処理によって金属板４０とＵ相動力線５０と動力線接続部６０とを一体化した並列結線用動力線３２を準備しておくことができる。これにより、並列結線用動力線３２の１部品と、溶接箇所７４，７６の２箇所の溶接処理とによって、並列結線処理を行うことができる。

また、Ｕ１リード端子２６とＵ２リード端子２８の先端部の位置は、ステータコア１２のバックヨーク１４の外周縁部よりもさらに外周側である。したがって、２箇所の溶接箇所７４，７６はいずれもステータコア１２のバックヨーク１４の外周縁部よりもさらに外周側となるので、ステータコア１２の内周側の溶接に比較して、溶接処理を容易に行うことができる。

図４、図５は、従来技術による並列結線処理を示す図である。ここでは、図２、図３に対応させて、Ｕ１リード端子２６と、Ｕ２リード端子２８とを、並列接続の結線方式で、従来技術で用いられるＵ相動力線８０に接続する並列結線処理を示す。

図４は、従来技術で用いられるＵ相動力線８０である。図３と比較すると、従来技術のＵ相動力線８０は、金属板４０を用いないので、図３の本体ケーブル部５２に対応する本体ケーブル部８２と、その一方端で本体ケーブル部８２の絶縁被覆が除去された先端部８４とを有する。本体ケーブル部８２の他方端は、図２で述べたのと同じ動力線接続部６０がカシメ処理によって接続される。

図５は、図２に対応する図で、コイルエンド２４から、Ｕ１リード端子２６とＵ２リード端子２８とが引き出される。これらが並列接続される相手のＵ相動力線８０は、１つの先端部８４のみを有するので、中間部材としてのバスバー８６が用いられる。バスバー８６は、３つの突出部を有し、それぞれ、Ｕ１リード端子２６の先端部、Ｕ２リード端子２８の先端部、Ｕ相動力線８０の先端部８４に向かい合う位置に配置される。従来技術では、バスバー８６の３箇所の先端部のそれぞれと、Ｕ１リード端子２６の先端部、Ｕ２リード端子２８の先端部、Ｕ相動力線８０の先端部８４とを向かい合わせて、溶接箇所９０，９２，９４とする。そして、適当な溶接設備を用いて、この３箇所を順次溶接する。これによって、Ｕ１リード端子２６とＵ２リード端子２８とは、並列接続された状態で、Ｕ相動力線８０と電気的機械的に結線される。従来技術によれば、Ｕ相動力線８０、バスバー８６の２部品と、溶接箇所９０，９２，９４の３箇所の溶接処理によって、並列結線処理を行うことができる。

これに対し、図２で述べた構成によれば、並列結線用動力線３２の１部品と、溶接箇所７４，７６の２箇所の溶接処理によって、並列結線処理を行うことができる。したがって、図２の構成によれば、従来技術に比べ、部品点数も削減でき、溶接箇所も削減できる。これによって、並列結線処理に要するコストを抑制できる。

１０ （回転電機）ステータ、１２ ステータコア、１４ バックヨーク、１６ ティース、１８ スロット、２０ ステータコイル、２２ セグメントコイル、２４ コイルエンド、２６ Ｕ１リード端子、２８ Ｕ２リード端子、３０ 並列結線部（Ａ部）、３２ 並列結線用動力線、４０ 金属板、４２，４４ 突出部、４６，６４ カシメ囲み部、５０ Ｕ相動力線、５２ 本体ケーブル部、５４，５６ カシメ挿入部、６０ 動力線接続部、６２ 本体板部、６６ 接続リング部、７０，７２ カシメ部、７４，７６，９０，９２，９４ 溶接箇所、８０ （従来技術の）Ｕ相動力線、８２ 本体ケーブル部、８４ 先端部、８６ バスバー。

Claims (1)

1. 磁性体で構成され、円環状のバックヨーク、前記バックヨークから内周側に突き出す複数のティース、及び、隣接する前記ティース間の空間である複数のスロットを含むステータコアと、
   前記ステータコアの所定の前記スロットに跨って挿入されて前記ティースに巻回されたセグメントコイルの複数個を所定の接続方法で順次接続して形成された相コイルと、
   同じ相の複数の前記相コイルを互いに電気的に並列に接続するための金属板と、
   同じ相の前記相コイルからそれぞれ引き出された複数の動力線用のリード端子であって、前記ステータコアの前記バックヨークの外周縁よりもさらに外周側において前記金属板に接合された状態の複数のリード端子と、
   前記金属板にカシメにより固定された状態の相動力線と、
   を備え、
   前記複数のリード端子の先端部の夫々は、前記ステータコアの軸方向に略沿うように延在し、
   前記金属板が、互いに間隔をおいた状態で複数の前記先端部と合わさるように前記軸方向に突出する複数の突出部を有して、前記突出部とそれに合わさっている前記先端部とが、溶接され、
   前記金属板が、略前記軸方向に前記相動力線が挿通されている挿通スペースを画定している湾曲部を前記軸方向の前記突出部側とは反対側に有して、前記湾曲部が前記カシメで押し潰されている、回転電機ステータ。

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