JP5691968B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のステータに関し、特にそのコイル導線の接続に係る部分の構造に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を回転電機と記す。

回転電機は、同軸に配置されて相対的に回転する二つの部材を有する。通常は、一方が固定され、他方が回転する。固定された部材（ステータ）にコイルを配置し、このコイルに電力を供給することにより回転する磁界を形成する。この磁界との相互作用により他方の部材（ロータ）が回転する。ステータに配置されるコイルは、例えば複数の部分コイルをステータに装着し、その後、この部分コイル同士を接続して形成される。接続される前の個々のコイルと、接続後のコイル全体を区別するために、以下、前者を部分コイル、後者をコイル群と記す。

下記特許文献１には、ステータのティースごとに装着された部分コイル同士を、部分コイルを構成するコイル導線とは異なる導体であるバスバーにて接続した回転電機のステータが示されている。バスバーは、複数が保持部材に収められて一体化され、バスバーモジュールが構成される。コイル導線を部分コイルから離れる方向に延設し、これに沿うようにバスバーの一部を配置し、これらの先端を溶接して、部分コイルが接続される。部分コイルから離れる方向にコイル導線およびバスバーの一部を延ばす理由として、溶接時の熱が、ステータおよび一体化されたバスバーに伝わらないようにすることが挙げられる。

特開２００９−１０６００８号公報

上記の特許文献１においては、コイル導線とバスバーの接続点（溶接部分）が、部分コイルおよびバスバーモジュールの本体から離れる方向に延びた部分の先端にある。このため、バスバーモジュールの本体が振動すると接続点に応力が集中するという問題があった。

本発明は、コイル導線とバスバーの接続点への応力集中を抑制することを目的とする。

本発明の電動機のステータは、ステータコアに装着された複数の部分コイルと、部分コイルのコイル導線同士を接続してコイル群を形成する複数のバスバーとを有する。複数のバスバーが一体化されてバスバーモジュール本体が形成され、このバスバーモジュール本体の背中合わせの二つの側面からバスバーの端部が延出する。さらに、バスバーモジュール本体は、回転電機の回転軸線方向においてコイル群に隣接して配置される。コイル導線は、その端部に、回転電機の回転軸線方向に、かつコイル群から離れる向きに延びるコイル導線延設部を有する。バスバーは、バスバーモジュール本体から延出する端部に、回転電機の回転軸線方向に、かつコイル群から離れる向きに延びるバスバー延設部を有する。コイル導線延設部とバスバー延設部は隣接配置され、これら二つの延設部の各々の端同士が溶接される。さらに、コイル導線延設部とバスバー延設部は、この溶接された部分から離れた位置において樹脂により溶着されているか、または溶接された部分から離れた位置において溶けた樹脂がバスバー延設部表面に倣って固化して密接することによりバスバーモジュールがコイル導線延設部により支えられる。

コイル導線延設部とバスバー延設部は、溶接された部分から離れた位置において、溶着に用いられる樹脂は、コイル導線を被覆している樹脂を利用することができる。

コイル導線延設部とバスバー延設部を溶着する位置、またはバスバーモジュールがコイル導線延長部により支えられる位置は、回転電機の回転軸線方向において、バスバーモジュール本体と同一の位置とすることができる。

本発明の別の態様の電動機のステータは、ステータコアに装着された複数の部分コイルと、部分コイルのコイル導線同士を接続してコイル群を形成する複数のバスバーとを有する。複数のバスバーが一体化されてバスバーモジュール本体が形成され、このバスバーモジュールからバスバーの端部が延出する。このバスバーモジュール本体はコイル群に隣接して配置される。コイル導線は、その端部に、コイル群から離れる向きに延びるコイル導線延設部を有する。バスバーは、バスバーモジュール本体から延出する端部に、当該バスバーと接続されるコイル導線延設部に沿って同じ向きに延びるバスバー延設部を有する。コイル導線延設部とバスバー延設部の各々の端同士が溶接される。さらに、コイル導線延設部とバスバー延設部は、この溶接された部分から離れた位置において相互に固定されている。

コイル導線延設部とバスバー延設部は、溶接された部分から離れた位置において、樹脂により溶着することにより相互に固定されるようにできる。また、この樹脂はコイル導線を被覆している樹脂を利用することができる。

コイル導線延設部とバスバー延設部を相互に固定する位置は、コイル導線延設部の延びる方向において、バスバーモジュール本体と同一の位置とすることができる。

コイル導線延設部とバスバー延設部を溶接した位置から離れた位置において、コイル導線延設部とバスバー延設部を溶着または相互に固定することにより、溶接部分に応力が集中することを抑制できる。

回転電機のステータを示す斜視図である。 バスバーモジュールがステータに装着された状態を示す図である。 バスバーモジュールを単体で示す斜視図である。 バスバーモジュールの、図３のＡ−Ａ線における断面図である。 バスバーを収める区画３８を説明するための図である。 バスバーの形状およびバスバーモジュール内での配置を示す図である。 コイル導線端延部とバスバー端延部の接続の態様を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、回転電機のステータ１０の外観を示す斜視図である。ステータ１０は、概形が円環または円筒状のステータコア１２を有し、ステータコア１２の内周には、磁極となるティース１４が周方向に配列されている。ティース１４にコイル導線１６が巻かれるようにしてステータコアにコイル群１８が装着されている。この実施形態では、所定の形状に成形された複数のコイル導線１６を、ティース１４の間の空間であるスロット内に挿入し、コイル導線１６同士を溶接して、所定数の部分コイルを形成している。そして、部分コイルのコイル導線１６の端を後述するバスバーを介して接続してコイル群１８が形成される。

ステータ１０は、円環または円筒状のステータコア１２にコイル群１８が装着された状態でも円環または円筒形状を有している。以下、ステータ等の形状について、円環および円筒を簡単のために円環と記す。円環形状のステータ１０の内側に、ロータ（不図示）が配置される。コイル群１８に電力を供給することにより、ステータ１０の円環の内側の空間に回転磁界が形成され、この磁界との相互作用によりロータが回転する。このロータの回転の軸線が、回転電機の回転軸線であり、この軸線はステータ１０の円環の中心軸線と一致する。以降の説明において、この回転電機の回転軸線、すなわちステータ１０の円環の中心軸線の延びる方向を回転軸線方向と記す。

図１に示すようにコイル導線の端が、コイル群１８から図１中で上方、つまり回転軸線方向に突出している。このコイル群１８から延びるコイル導線の端部をコイル導線端延部２０と記す。ステータ１０においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相ごとに部分コイルが２組設けられ、それぞれの部分コイルの端であるコイル導線端延部２０が計１２本となっている。コイル導線端延部２０は、相ごとに、また中性点側の端同士が電気的に接続される。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのコイル導線端延部２０の１本ずつに、三相交流電力を供給するための動力線２２が接続されている。動力線２２は、回転電機で発電をした場合、この発電された電力を外部に送出する機能も有する。

図２および図３は、相ごとにコイル導線１６同士を接続するための複数のバスバーを一体化したバスバーモジュール２６を示す図である。図２はステータ１０に装着された状態を示す図、図３はバスバーモジュール２６の単体の状態を示す概略図である。

バスバーモジュール２６は、回転軸線方向において、ステータ１０の側部、特にコイル群１８に隣接して配置される。バスバーモジュール２６は、ステータ１０の円環形状に沿って円弧形状に延びるバスバーモジュール本体２８と、この本体２８から突出し、コイル導線端延部２０と接続される端子３０を有する。バスバーモジュール本体２８内には、この本体２８の円弧に沿って延びる複数のバスバーが配置されており、このバスバーの端部がバスバーモジュール本体２８から突出して端子３０を形成している。この端子３０をバスバー端延部３０と記す。バスバー端延部３０は、バスバーモジュール本体２８の側面、つまりバスバーモジュール本体２８の長手方向に対し、交差する方向を向く面より突出する。ステータ１０においては、背中合わせの側面、特にバスバーモジュール本体２８の円弧形状の外周側の側面と内周側の側面とに突出する。

さらに、動力線２２と溶接等により接続される接続板３２を保持する保持部３４がバスバーモジュール本体２８から突出して設けられている（図３参照）。接続板３２は、相数と同じく３個が設けられている。バスバーモジュール本体２８の径方向の寸法、すなわち幅は、コイル群１８の径方向の幅以下であり、保持部３４を含むバスバーモジュール２６全体の幅もステータコア１２の幅の中に収まっている。

ステータ１０のコイル群１８は、相ごとに二つの部分コイルをバスバーで接続して形成される。二つの部分コイルの各々のコイル導線の一方の端がバスバーと接続され、一方の部分コイルの残りのコイル導線の端が中性点に、他方の部分コイルの残りのコイル導線の端が動力線に接続される。

図３を用いてより具体的に説明する。バスバー端延部３０は、Ｕ相のコイル導線に接続されるものが符号３０U1，３０U2、Ｖ相のコイル導線に接続されるものが符号３０V1，３０V2、Ｗ相のコイル導線に接続されるものが符号３０W1，３０W2、各相のコイル導線の中性点側の端に接続される端子が符号３０N1，３０N2，３０N3で示されている。Ｕ相の二つの部分コイルの一方は、この部分コイルのコイル導線の一端がバスバー端延部３０U1に接続され、他端が中性点側のバスバー端延部３０N1に接続される。もう一つの部分コイルのコイル導線の一端がバスバー端延部３０U2に接続され、他端が接続板３２に接続される。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。

バスバーモジュールの外周側には、接続板３２を保持する保持部３４が設けられている。接続板３２に、コイル導線１６のひとつの端が接続される。接続板３２は、例えば、略Ｊ字形であって、Ｊ字の短い方の辺の部分を周方向外側に向けて保持されている。この短辺に動力線２２が接続され、長辺には、各相のコイル導線１６の残りの１本が接続される。

図４は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相と、中性点とに対応する４本のバスバー３６が並行して配置される位置におけるバスバーモジュール２６の断面図、例えば図３のＡ−Ａ線で示す断面図である。４本のバスバー３６は、上下に２層、左右に２列の２×２の配置で配列されている。なお、この明細書においては、上下方向を回転電機の回転軸線方向とし、ステータに近い側を下、遠い側を上として説明する。また、左右方向は、回転軸線に直交する方向、すなわち回転電機の径方向とし、左を回転電機における内側、右を外側として説明する。これらの方向については、説明の便宜上導入したものであり、実際の装置の配置における方向および向きとは関連しない。また、４本のバスバー３６を区別する必要がある場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相，中性点のバスバーにそれぞれ３６U ，３６V ，３６W ，３６N の符号を付して説明する。図示されるように、Ｕ相バスバー３６U が下層左列に、Ｖ相バスバー３６V が上層右列に、Ｗ相バスバー３６W が上層左列に、中性点のバスバー３６N が下層右列に配置される。さらに、２×２の配置の４つの領域のそれぞれを区画３８と記して説明する。図５に示すように、４つの区画を上層左列を区画３８-1、上層右列を区画３８-2、下層左列を区画３８-3、下層左列を区画３８-4と記す。

バスバーモジュール２６は、バスバー３６同士を絶縁し、かつバスバー３６を覆って外部と絶縁するために絶縁部材４０を含む。絶縁部材４０は、例えば樹脂成形品であり、モールド成形によりバスバー３６U ，３６V ，３６W ，３６N を一体化している。図においては、絶縁部材４０は一体に示されているが、成形の都合により二つまたはそれ以上の部分に分割されてもよい。例えば、絶縁部材４０の「田」の字形の中央の十字の部分を先ず成形し、この十字型の部品に対しバスバーを配置して、これらをさらに樹脂モールドするようにできる。

図６は、バスバー３６U ，３６V ，３６W ，３６N の個々の形状を示す図である。図６（ａ）は、上層、すなわち区画３８-1，３８-2が属する層を示し、図６（ｂ）は、下層、すなわち区画３８-3，３８-4が属する層を示している。個々のバスバー３６U ，３６V ，３６W ，３６N は板状部材を概略円弧形状にしたものであり、板面は、円弧が形成する平面内に位置している。そして、円弧の両端または両端と中間位置にバスバー端延部３０が設けられている。Ｕ相のバスバー３６U は、下層の左側の区画３８-3に配置される。Ｖ相のバスバー３６V は、上側の層に配置され、端子３０V1から、左側の区画３８-1を横切り、右側の区画３８-2を通って、再び左側の区画３８-1を横切り端子３０V2に達する。Ｗ相のバスバー３６W は、端子３０W1から、区画３８-1に沿って延び、端子３０U2の位置を過ぎた位置で、上層から下層に移り、区画３８-3を通って端子３０W2まで達している。中性点のバスバー３６は、下側、右側の区画３８-4を通って延びる。このように、４本のバスバー３６は、バスバーモジュール本体２８内で２本ずつ上下２層に重ねて、かつ左右に並列に配置されている。

図７は、コイル導線端延部２０とバスバー端延部３０の接続の様子を示す図である。簡略のために、バスバーモジュール本体２８内のバスバー３６は１本のみ示されている。バスバーモジュール本体２８は、概略的に、長方形断面を有する円弧形状であり（図３参照）、図７は円弧の延びる方向に直交する断面を示している。図７に係る説明においても上、下、左、右の意味は、図４，５の場合と同様である。図７中下方にコイル群１８が位置する。バスバー３６は、バスバーモジュール本体２８の側面から左向きに、または右向きに突出し、その後上方に向けて曲がる。この上方に向けて延びる部分がバスバー端延部３０である。また、図７における上下方向は、回転電機の回転軸線の延びる方向であり、よってバスバー端延部３０は、回転軸線方向に延びている。また、前記のように、図７においてバスバーモジュール本体２８の下方には、コイル群１８が配置されており、よって、バスバー端延部３０はコイル群１８から離れる方向に延びている。

バスバーモジュール本体２８の左右のバスバー３６は、それぞれ同一方向、すなわち回転軸線方向またはコイル群１８から離れる方向に延びる。この結果、バスバーモジュール２６は、その長手方向から見たときにＵ字形を呈する。

コイル導線端延部２０も、図７において上方、つまり回転軸線方向に延び、接続されるバスバー端延部３０に沿って隣接して配置される。また、バスバー端延部３０と同様、コイル群１８から離れる方向に延びている。コイル導線端延部２０は、被覆４２がない素線部分４４が先端に設けられる。素線部分４４に対して被覆された部分を被覆部分４６と記す。

コイル導線端延部２０とバスバー端延部３０の先端同士が溶接されて接続される。図中、符号４８で示す溶接部は、コイル導線端延部２０およびバスバー端延部３０と境界をもって接しているように描かれているが、実際には、各部材が溶けて融合し、明確な境界は現れない。バスバーモジュール２６はＵ字形状を有し、このＵ字の両端において、コイル導線端延部２０に接続され、支持される。溶接部４８のみにて支持される場合、外部からの加振により、Ｕ字の底に位置するバスバーモジュール本体２８が振動すると、溶接部４８に応力が集中する。バスバーモジュール本体２８の振幅、特にコイル導線端延部２０に対する振幅を低減させることにより、溶接部４８への応力集中を抑制することができる。

ステータ１０においては、溶接部４８から離れた位置において、コイル導線端延部２０とバスバー端延部３０を互いに固定し、バスバーモジュール本体２８の振幅を抑制している。コイル導線端延部２０とバスバー端延部３０を固定している部分を固定部５０と記す。固定は、樹脂により溶着することにより実現されてよい。コイル導線端延部２０とバスバー端延部３０の間に樹脂材料を配置し、これを一旦溶かした後、固化させてコイル導線端延部２０とバスバー端延部３０を固定する。樹脂が一旦溶けることにより、相手側の部材の表面に倣って固化し、密接した状態となる。溶融過程を経た後、密着状態となっているため、単に接触している場合に比べて実質的な接触面積が広く、接触面が一旦剥がれたとしても、より接触面を広く維持することができ、効果的にバスバモジュールを支えることができる。固定の場所または支える場所は、溶接部４８から間隔をあけた、離れた位置とすることができ、溶接部４８と固定部５０の間ではコイル導線端延部２０とバスバー端延部３０を固定または密着しないようにできる。固定等の位置は、特に、図７中の上下方向において、バスバーモジュール本体２８と同じ位置（同じ高さ）、つまりバスバーモジュール本体２８の側方の位置とすることができる。また、回転軸線方向においても、またコイル導線端延部２０が延びる方向においても、バスバーモジュール本体２８と同じ位置とすることができる。

さらに、溶着用の樹脂としてコイル導線端延部２０の被覆４２の樹脂を利用することができる。コイル導線の被覆樹脂は、一般的にはエナメル樹脂である。図７に示すように、被覆部分４６を、コイル導線端延部２０とバスバー端延部３０が並行して延びる部分の一部に、例えばバスバーモジュール本体２８の側方の部分に係るように配置する。そして、コイル導線端延部２０とバスバー端延部３０を溶接する際の熱を利用して被覆樹脂を溶かし、溶着を行うようにできる。また、樹脂は、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチックを採用することもできる。

また、樹脂とより安定的に結合するために、バスバー端延部３０の表面に凹凸や穴を形成してもよい。

１０ ステータ、１２ ステータコア、１６ コイル導線、１８ コイル群、２０ コイル導線端延部、２６ バスバーモジュール、２８ バスバーモジュール本体、３０ バスバー端延部、３６ バスバー、４２ 被覆、４８ 溶接部、５０ 固定部。

Claims (6)

1. 回転電機のステータであって、
   ステータコアに装着された複数の部分コイルと、
   部分コイルのコイル導線同士を接続してコイル群を形成する複数のバスバーと、
   を有し、
   複数のバスバーは一体化されてバスバーモジュール本体を形成し、このバスバーモジュール本体の背中合わせの二つの側面からバスバーの端部が延出し、さらにバスバーモジュール本体は回転電機の回転軸線方向においてコイル群に隣接して配置され、
   コイル導線は、その端部に、前記回転軸線方向に、かつコイル群から離れる向きに延びるコイル導線延設部を有し、
   バスバーは、バスバーモジュール本体から延出する端部に、前記回転軸線方向に、かつコイル群から離れる向きに延びるバスバー延設部を有し、
   接続されるコイル導線延設部とバスバー延設部は隣接配置され、コイル導線延設部とバスバー延設部の各々の端同士が溶接され、
   さらに、コイル導線延設部とバスバー延設部は、溶接された部分から離れた位置において樹脂により溶着されている、または溶接された部分から離れた位置において溶けた樹脂がバスバー延設部表面に倣って固化して密接することによりバスバーモジュールがコイル導線延設部により支えられる、
   回転電機のステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のステータであって、
   コイル導線延設部とバスバー延設部の前記樹脂は、コイル導線を被覆している樹脂によるものである、
   回転電機のステータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機のステータであって、
   前記溶着の位置、またはバスバーモジュールがコイル導線延設部により支えられる位置は、前記回転軸線方向において、前記バスバーモジュール本体と同一位置である、
   回転電機のステータ。
4. 回転電機のステータであって、
   ステータコアに装着された複数の部分コイルと、
   部分コイルのコイル導線同士を接続してコイル群を形成する複数のバスバーと、
   を有し、
   複数のバスバーは一体化されてバスバーモジュール本体を形成し、このバスバーモジュール本体からバスバーの端部が延出し、さらにバスバーモジュール本体はコイル群に隣接して配置され、
   コイル導線は、その端部に、コイル群から離れる向きに延びるコイル導線延設部を有し、
   バスバーは、バスバーモジュール本体から延出する端部に、当該バスバーと接続される前記コイル導線延設部に沿って同じ向きに延びるバスバー延設部を有し、
   コイル導線延設部とバスバー延設部の各々の端同士が溶接され、
   さらに、コイル導線延設部とバスバー延設部は、溶接された部分から離れた位置において相互に固定されている、
   回転電機のステータ。
5. 請求項４に記載の回転電機のステータであって、
   コイル導線延設部とバスバー延設部の前記固定は、コイル導線を被覆している樹脂による溶着によりなされる、
   回転電機のステータ。
6. 請求項４または５に記載の回転電機のステータであって、
   前記固定する位置は、前記コイル導線延設部の延びる方向において、バスバーモジュール本体と同一位置である、
   回転電機のステータ。

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