JP3659874B2 - 回転電機の固定子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機の固定子に係り、特に同期機に好適な固定子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期機などの回転電機の固定子は、一般に、図２１に示すように、円周方向に並んで配列されている歯部３ａと、これらの間に存在しているスロット３を有する固定子鉄心２を用い、スロット３内に絶縁スロットライナ３ｂ（以下、スロットライナという）を装着した上で、その内部に予め巻回成形したコイル４を挿入し、更に、同じく予め成形しておいたウェッジ３ｃを装着して作られている。また、図２２は、スロット３内を断面で示したものである。
【０００３】
一方、固定子コイル４は、図２３に示すような形状をしており、この形状とほぼ相似の形状を有する図示しない巻枠を予め作り、この巻枠にコイル４を所定回数だけ巻回形成することで作っていた。そして、該固定子コイル４は、手作業あるいは機械装置を用いて、スロット３の開口部３ｄからスロット内部へ挿入されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、コイルエンド部の長さの短縮について充分に配慮がされているとはいえず、回転電機の更なる小型化の点に問題があった。
【０００５】
この従来技術におけるコイルエンド部の長さが長くなる問題について説明すると以下の通りである。
【０００６】
固定子コイル４は、固定子の極数から定まる所定のスロット跨り（以下跨りという）を有し、コイルエンドの長さは跨りの大きさで支配される。一般に、極数が多いとコイルの跨りが小さいからコイルエンドの長さは、極数の小さなものに比べて短くなる。また、コイルを巻回するときに使用する巻枠のコイルエンド部の形状を工夫することによってある程度短く形成することができる。しかしながら、コイルエンドを大幅に短くすると、挿入済みコイルのコイルエンドに、これから挿入しようとするコイルのコイルエンドが干渉して、コイルが挿入できなくなる。そこで、コイル巻回時にはコイル挿入に支障がない長さにとどめて全てのコイル挿入が終了してから外力を使用してコイルエンドを軸方向と径方向に強制成形して短縮する方法が用いられていた。この方法によると、コイルエンドを大きな機械力で成形するために、スロットライナやコイル被覆エナメル絶縁を傷つけ、固定子の耐圧不良が発生するだけではなく、強制成形しても短縮長さに限度があり、今般のユーザの要望には遠く及ばなかった。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、固定子コイルのコイルエンド部の長さを短縮した小型の回転電機の固定子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、従来技術のようにコイルを巻回して形成するのではなくて、コイルの閉回路を構成する四辺のうち、一辺の径方向部位のみ分離して、残る三辺はＵ字形状に形成しスロットに挿入した後、反Ｕ字側開口端間を一辺の径方向部位で接続することによりコイルが閉回路としてしかも所定巻回数一巡するようにコイルを形成することにある。しかも接続を十分良好なものにするため、反Ｕ字側開口端と径方向部位言い換えると薄板棒状片を重ね合わせて接続する部分に、それぞれ薄肉端部を形成し、それぞれの薄肉端部が重なり合ったときに、該平角線コイルの板厚相当になるようにする。このため板に薄肉端部をを形成する面は、Ｕ字コイルにおいては、反Ｕ字側の片端たとえば左辺にあっては固定子内径に向う面とし、右辺端は、固定子外径に向う面とする。一方、薄板棒状片において板に薄肉端部をを形成する面は、前記コイルとは反対の面とする。このように構成すれば両者を重ね合わせた時、Ｕ字コイルの直線部二辺で薄板棒状片を挟み込むように作用して、十分堅固な接続が実現できる。このようにしてコイルを構成すると、コイルの跨り幅は、隣接スロット幅で決定されるので固定子鉄心から突出するＵ字部位の軸方向長さは、隣接スロット幅相当になる。一方、コイルの半Ｕ字側で固定子鉄心から突出する部位の軸方向長さは、薄板棒状片で接続するので軸方向には前記薄板接続片の幅相当しか占めず、しかしてコイルエンド部の長さを確実に短縮した固定子が提供できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による回転電機の固定子について、図示の実施形態により詳細に説明する。
図１は、本発明による回転電機の固定子の一実施形態で、固定子鉄心２のスロット３に固定子コイル４が挿入された状態を示した固定子１の正面図である。
【００１０】
図２は、本発明からなる固定子１を構成する部品の組付けを鳥瞰図で示したものであり、固定子１は、固定子鉄心２と固定子鉄心２に設けた複数スロット３に所定本数の固定子コイル４を挿入するところを示している。固定子コイル４は、直線状の平角線をＵ字形状になるように予め成形して、固定子歯部３ａを挟んで隣接するスロットに直線二辺を挿入してから薄板棒状片５で前記コイル４の反Ｕ字側端面４１と反Ｕ字側端面４２間を接続することにより一巻閉回路が形成されるように構成する。
【００１１】
更に、このコイルが所定巻回数を有するように構成するため、スロット内に該コイルを所定数積重ね、薄板棒状片５で接続する際、Ｕ字コイルの片側直線端，言い換えると、反Ｕ字側からコイルを見たとき、右辺を電流の入口とすると、このコイルの外径方向真上に位置するＵ字コイルの右辺と前記コイルの左辺とを薄板棒状片５を用いて接続する。次に、全コイルを所定の接続回路に構成するために、例えば３相Ｕ，Ｖ，Ｗ相をＹ結線として中性点になる渡り線の接続も予め完了させた接続環６を薄板接続片５と接続して固定子コイルが所望の接続になるようにして固定子を構成する。
【００１２】
次に、図２の実施形態による固定子を形成する方法について、以下に詳しく説明する。
図３は、固定子コイル４の形状の一例を示す。固定子コイル４は、平角線を用い、両端面付近部位の板厚を面違いで、薄肉端部４１や薄肉端部４２のように半減させる。そして図示しない治具を用いて図４に示すようにＵ字形に成形する。
【００１３】
一方、薄板接続片５は、コイルと同様平角線を用いて、図５に示すように平面に対してほぼ板厚相当に段が付くように成形する。そして薄板接続片５も固定子コイル４と同様に両端面付近の板厚を面違いで、薄肉端部５１や薄肉端部５２のように半減させる。また、所定巻回数を形成するため図６で示すように、複数の薄板接続片群５５を構成して、該薄板接続片群５５の一部の薄板接続片に、入力用と同相コイル同志を接続するための端子５３及び薄肉端部５４を設ける。
【００１４】
図７は、固定子１をスロット３部で軸方向に切断した図を示し、スロット３に固定子コイル４を挿入した状態を説明するためのものである。固定子コイル４は、後述するスロット絶縁物７を介して固定子歯部３ａを挟むように隣接するスロット３１とスロット３２に挿入し、薄板接続片５を用いて固定子コイル４の反Ｕ字側端面４１と反Ｕ字側端面４２間を接続することにより一巻閉回路が構成される。ここで所定巻回数を形成するため、図８に示すように薄板棒状片５で接続する際、Ｕ字コイル４の片側直線端，言い換えると、反Ｕ字側からコイルを見たとき、コイル４において、右辺端４４を電流の入口とすると、このコイルの真上に位置するＵ字コイル４５の右辺端４２とコイル４４の左辺端４１とを薄板棒状片５を用いて接続する。以下同様に接続を繰り返して所定巻回数が形成されるように構成する。
【００１５】
図９は、スロット絶縁物７を説明するための説明図である。
図９に示すように、スロット絶縁物７は、エポキシ系絶縁材を用いスロット３の内周に密着して収納することが可能な断面形状で収納部屋７１及び収納部屋７２にコイルの直線部を挿入することでコイルの直線部が覆えるような筒状に成形する。絶縁が施されていない平角線を用いる場合においては、スロット内にコイルを積み重ねる際、コイル間に図示しない電気絶縁物を介して行い、所定数積み重ねた後、前記スロット絶縁物７をコイルに装着する。その状態のまま、固定子鉄心のスロットに挿入し、上述したように薄板接続片５を用いて接続する。
【００１６】
次に、図１０は、接続環６の構成を説明するための図である。
本発明による実施の形態からなる接続環６は、３相のＹ結線で構成したもので説明する。先ず、Ｕ相６１，Ｖ相６２，Ｗ相６３は図１１に示すような形状に形成し、中性線６４は図１２に示すように形成して、図１３に示すように組付け構成する。そして、図示しない型に組付け、エポキシ樹脂６５を用いて一体成形して接続環７を構成する。その外観図を図１０に示す。この接続環６を、図１４に示すように固定子コイルの薄板接続片側に接続して固定子を所望の接続に構成する。
【００１７】
次に、固定子鉄心について説明する。固定子鉄心は図１５に示すような形状で、本発明による実施形態の特徴は、スロット３の開口３ｄの幅が、コイル線径に依存されないで回転電機の性能上有利な最小幅に形成できることである。従来は、該開口３ｄからコイルをスロット内に導いていたので性能上よりは製作上の制限から開口幅が決められていたが本発明の実施形態によれば、開口３ｄからコイルを挿入する必要はないので、製作上の制限は受けず、したがって回転電機の性能上最適寸法を採用することができ、性能向上の効果が得られる。
【００１８】
本発明による実施形態は、以上のように構成したので、目的をよく達成できる。なんとなれば、固定子コイル４のコイルエンド４３０は、図７で明らかなようにコイルが挿入されるスロット間の周方向間隔，言い換えると、１スロットピッチに相当する直径から形成される半円となるので軸方向長さとしては従来技術に比べると充分短縮される。他端のコイルエンド４３１は、固定子コイル４の両端４１と４２を薄板棒状片５で直線状に接続するため、軸方向長さとしては最短となる。しかして、コイルエンドの短い固定子を提供することができる。本発明によれば従来技術のように外力を用いて強制成形することがないのでコイルやスロット絶縁物を損傷するおそれがないため、絶縁不良のない性能の良好な固定子が提供できる。
【００１９】
電気的絶縁耐力を更に向上するために、固定子コイル４をスロット絶縁物７に挿入した状態で、エポキシ系熱硬化性樹脂でモールドする実施形態は大変有効である。そして薄板棒状片群５５も同様にモールドし、コイルと所定の接続を行い、最後に接続環６を接続した時点で再度全体をモールドする実施形態も同じく有効に作用する。
【００２０】
また、図１６に示すように、固定子鉄心歯部３ａを外径に近い部位３３ａを広く、内径に近い部位３４ａを狭くなるように形成すると歯部の歯幅が平均すると広がったことになり磁束密度が低下して鉄損が減少する効果を得る。
【００２１】
図１７は、歯幅は変えないでコイルの幅を広げた実施形態を示す。この方法によればコイル断面積が増加するのでコイルの電流密度が低下し銅損が減少して効率が向上する効果が得られる。
【００２２】
図１８は、固定子１全体を熱硬化性のエポキシ樹脂６５でモールドした状態を仮想線で示したものである。図１９に示すように特にスロット３内におけるコイル以外の空間がエポキシ樹脂６５で充填するようにモールドを施す。しかも、図２０に示すように固定子１を回転電機のフレーム８に装着した際、固定子コイル４のコイルエンド４３０及びコイルエンド４３１を覆うモールド材が前記フレーム８の内周に接するようにモールド形成する。このように形成すると、コイル４に電流が流れて発生したジュール熱は、スロット内に充填されたモールド材に伝導されて更にコイルエンドを覆ったモールド材に伝導されフレームへと伝わる。今回転電機が水冷で構成されていると、フレームには冷却水路８８があるので発生した熱はよく冷却される。本発明は、以上のように構成したので目的をよく達成することができる。
【００２３】
図２４は、固定コイル４の形状の他の例を示している。なお、固定子鉄心の図示は省略している。
固定子コイル４は、図４において説明した形状と同様に、直線状の平角線をＵ字形状となるように予め成形して形成する。そして、このコイルを固定子鉄心のスロットに複数挿入する際、最初のコイルの挿入時、固定子鉄心の一端側から固定子歯部を挟んで隣接するスロットに、Ｕ字形状のコイルの直線部の二辺を挿入し、次のコイル挿入時、固定子鉄心の他端側から固定子歯部を挟んで隣接するスロットに、Ｕ字形状のコイルの直線部の二辺を挿入する。以下、同様にして、固定子鉄心の一端側からと他端側から交互に，すなわち、コイルの挿入方向が交互になるように、コイルを挿入する手順を繰り返す。そして、複数のコイルの挿入後、薄板棒状片５を用いて、固定子鉄心の両端部に突出しているコイルの反Ｕ字側の両端間を接続することにより、所定巻回数の固定子コイルを形成する。
【００２４】
このとき、図２５に示すように、一巻きコイルの出力端４１と、別の一巻きコイルの入力端４２を、薄板棒状片５によって接続する。また、コイルの出力端４４と、別の一巻きコイルの入力端４３を、薄板棒状片５によって接続する。
【００２５】
以上のように構成することにより、薄板棒状片と反Ｕ字側直線二辺端の接続部にあって、コイルの右辺若しくは左辺における接続部上下間の間隔は、コイルの板厚に相当する間隔を確保することができる。この間隔は、図８に示した接続部の上下間の間隔よりも広くなるため、溶接のビード等による電気的な短絡が生じにくくなるものである。したがって、ビードの大きさの制御や、熱変形の抑制を考慮した特別な溶接手段を必要とすることなく、安価な溶接手段で溶接することが可能となる。
【００２６】
また、コイルエンド形状が、Ｕ字と直線の二形状を有するコイルを、交互に挿入するので、固定子鉄心端から突出する両側のコイルエンド形状は、ほぼ同じ形状であることから、漏れ磁束によるコイルエンドリアクタンスの違いがなくなり、この固定子を用いる回転電機の性能が安定化するものである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、固定子コイルのコイルエンド部の長さを大幅に短縮できるので抵抗やリアクタンスが小さく、銅量が減り小型軽量で絶縁低下の少ない性能の良好な回転電機の固定子を確実に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転電機の固定子の一実施形態を示す正面図である。
【図２】本発明による固定子の一実施形態を説明するための鳥瞰図である。
【図３】本発明による固定子コイルの一実施形態を説明するための説明図である。
【図４】本発明による固定子コイルの一実施形態を説明するための説明図である。
【図５】本発明による薄板棒状片を説明するための説明図である。
【図６】本発明による薄板棒状片を説明するための説明図である。
【図７】本発明による固定子コイルがスロットに挿入された状態を説明するための部分断面図である。
【図８】本発明による固定子コイルと薄板接続片の接続を説明するための説明図である。
【図９】本発明による固定子コイルのスロット絶縁物を説明するための説明図である。
【図１０】本発明による接続環の一実施形態を説明するための説明図である。
【図１１】本発明による接続環の一実施形態を説明するための説明図である。
【図１２】本発明による接続環の一実施形態を説明するための説明図である。
【図１３】本発明による接続環の一実施形態を説明するための説明図である。
【図１４】本発明による接続環と薄板棒状片との接続状態の一実施形態を説明するための説明図である。
【図１５】本発明による固定子鉄心の一実施形態を説明するための説明図である。
【図１６】他の実施形態からなる固定子を説明するための説明図である。
【図１７】他の実施形態からなる固定子を説明するための説明図である。
【図１８】モールドした固定子を説明するための説明図である。
【図１９】モールドしたスロット近傍を説明するための説明図である。
【図２０】モールドした固定子をフレームに装着したことを示す説明図である。
【図２１】従来技術の固定子を説明するための説明図である。
【図２２】従来技術の固定子を説明するための説明図である。
【図２３】従来技術の固定子コイルを説明するための説明図である。
【図２４】本発明による固定子コイルの他の形態を説明するための説明図である。
【図２５】本発明による固定子コイルの他の実施形態を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１…固定子
２…固定子鉄心
３，３１，３２…スロット
３ａ…固定子鉄心歯部
３ｂ…スロットライナ
３ｃ…ウェッジ
３ｄ…開口
４…固定子コイル
５…薄板棒状片
６…接続環
７…スロット絶縁物
８…フレーム
４１，４２…固定子コイル端面
５１，５２…薄板棒状片端面
５３，５４…端子
５５…薄板棒状片群
６１，６２，６３，６４…Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相，中性線
６５…モールド材
７１，７２…収納部屋
８８…水路
４３０，４３１…コイルエンド

Claims (6)

1. 固定子コイルが、固定子鉄心の複数スロットに装着されている回転電機の固定子において、
   直線状の平角線をＵ字形状になるように予め成形して、固定子歯部を挟んで隣接するスロットに直線二辺を挿入してから薄板棒状片で前記コイルの反Ｕ字側両端間を接続することにより一巻閉回路になるように形成するコイルにあって、前記コイルを複数挿入して、前記のように反Ｕ字側両端間を接続することにより所定巻回数を形成する固定子コイルにあって、
   該反Ｕ字側端面と前記薄板棒状片を重ね合わせて接続する部分に、それぞれ薄肉端部を形成し、それぞれの薄肉端部が重なり合ったときに、該平角線コイルの板厚相当になるようにし、コイル片端の一方にあっては固定子内径に向う面に前記薄肉端部を形成し、他方端は固定子外径に向う面に前記薄肉端部を形成するように予めコイルを形成し、一方、薄板棒状片は、前記コイルとは反対の面に前記薄肉端部を形成して、両者を重ね合わせた時、Ｕ字コイルの直線部二辺で薄板棒状片を挟み込むようにして接続して構成したことを特徴とする回転電機の固定子。
2. 請求項１記載の回転電機の固定子において、
   絶縁が施されていない平角線を用いて、固定子鉄心の径方向に平角線間に電気絶縁物を介在して複数積み重ね、エポキシ系絶縁材からなりスロット内周に密着して収納することが可能な断面形状に成形し筒状に形成したコイル収納材を、前記積層した固定子コイルの反Ｕ字側からコイルの直線部まで挿入し、ついでこの状態において、エポキシ系熱硬化性樹脂でモールドし、薄板棒状片も所定数積み重ねた状態で、同様にモールドを行い、前記コイルと前記薄板棒状片を重ね合わせ接続したことにより所定巻回数を形成したことを特徴とする回転電機の固定子。
3. 請求項１記載の回転電機の固定子において、
   固定子鉄心とコイル及び接続環を所定の構成にした後、固定子全体を熱硬化性のエポキシ樹脂でモールドし、特にスロット内におけるコイル以外の空間がエポキシ樹脂で充填するようにしかも固定子を回転電機のフレームに装着した際、固定子コイルのコイルエンドを覆うモールド材が前記フレームの内周に接するように形成したことを特徴とする回転電機の固定子。
4. 請求項１記載の回転電機の固定子において、
   固定子鉄心歯部において外径に近い部位を広く、内径に近い部位を狭くなるように形成した固定子鉄心を用いて構成したことを特徴とする回転電機の固定子。
5. 請求項１記載の回転電機の固定子において、
   スロット内に挿入されるコイルの幅が固定子内径側から固定子外径側に向って広くなるようなコイルで構成したことを特徴とする回転電機の固定子。
6. 請求項１記載の回転電機の固定子において、
   直線状の平角線をＵ字形状となるように予め成形したコイルをスロット内に複数挿入する際、最初のコイルの挿入時、固定子鉄心の一端側から固定子歯部を挟んで隣接するスロットに、前記Ｕ字形状のコイルの直線部の二辺を挿入し、次のコイル挿入時、固定子鉄心の他端側から固定子歯部を挟んで隣接するスロットに、前記Ｕ字形状のコイルの直線部の二辺を挿入するように、固定子鉄心の一端側からと他端側から交互にコイルを挿入し、複数のコイルの挿入後、薄板棒状片を用いて、前記コイルの反Ｕ字側の両端間を接続することにより、所定巻回数の固定子コイルを形成することを特徴とする回転電機の固定子。

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