JP6496229B2

JP6496229B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6496229B2
Application number: JP2015201962A
Authority: JP
Inventors: 松延　豊; 豊松延
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: JP2017077049A

Description

本発明は、回転電機に関する。

車両に搭載されて使用される電動機や発電機等の回転電機は、回転子と、複数のスロットを有する固定子コアと、各スロットに巻装された固定子コイルおよび各固定子コイルの端末部が接合される結線リングを有する固定子とを備えている。例えば、三相交流型の回転電機では、各結線リングは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相等の相巻線として固定子コアの周方向に沿って円環状に設けられ、複数の相巻線が固定子コアの径方向に配列されている。
各結線リングには、周方向に沿って所定間隔で接合部が形成され、該接合部において各固定子コイルの端末部が、例えば、ＴＩＧ溶接等の溶接により接合される（例えば、特許文献１参照）。

特許第５０１６９６９号

上記特許文献には記載されていないが、結線リングと固定子コイルとの接合において、ボイド等の発生を防ぎ、接合の信頼性を確保するために、通常、結線リングおよび固定子コイルは、共に、無酸素銅、高純度銅（６Ｎ、純度９９．９９９９％）を用いる。このような無酸素銅、高純度銅を作製するには酸素の含有量を少なくするために多くの工程が必要であり、高コストとなっており、これが回転電機のコスト上昇の一因となっている。

本発明の一態様によると、回転電機は、回転子と、ティース部を有する固定子コアと、前記ティース部に巻回され、前記固定子コアの軸方向の端面から突出される端末線を有する固定子コイルと、前記固定子コイルの前記端末線が接合される端子部を有する結線リングを有する固定子とを備え、前記固定子コイルは、前記ティース部に巻回された巻回部が絶縁皮膜により被覆され、前記結線リングおよび前記固定子コイルは、銅により形成され、前記結線リングは、酸素およびチタンを含む純度４Ｎ（９９．９９％）以下の希薄銅合金であり、前記固定子コイルは、前記チタンを含まない純度４Ｎ（９９．９９％）以下の銅である。

本発明によれば、回転電機のコストを低減することができる。

本発明の一実施形態による回転電機の構成を示す要部断面の斜視図である。図１に図示された回転電機において、結線リングと固定子コイルとを固定子に組み付けた状態を示す断面斜視図である。図１に図示された回転電機の結線リングの構成を示す分解斜視図である。図２に図示された固定子において、固定子コイルが巻回された状態を示す斜視図である。図２に図示された固定子における結線リングの端子部の構成を示す断面斜視図である。結線リングと固定子コイルの接合部の状態を示す模式図であり、（Ａ）は本発明の一実施の形態による接合状態を示し、（Ｂ）は比較例の方法による接合状態を示し、（Ｃ）は結線リングと固定子コイルに無酸素銅（６Ｎ）を用いた場合の接合状態を示す。

以下、図１〜図６を参照して、本発明の回転電機の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による回転電機の構成を示す要部断面の斜視図である。
回転電機１は、例えば、ハイブリッド電気自動車等に搭載される。なお、以下の説明において、「軸方向」は回転電機１の回転軸に沿った方向を指し、「周方向」は回転電機１の回転方向に沿った方向を指す。また、「径方向」は回転電機１の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。

図示の回転電機１は、薄型のものであり、エンジンとトランスミッションの間に配置される。回転電機１の回転子６は、シャフト７に嵌合され、クラッチ等の切換装置を介し、エンジンのクランクシャフト及びトランスミッションに連結される。固定子４は、ハウジング３に固定されている。ハウジング３は、エンジンまたはトランスミッションケースに固定される。回転子６は、固定子４に対して回転可能とされている。

回転電機１は、電力の供給を受け、エンジンを補助駆動したり、回転電機１のみでトランスミッションを介し、車両を駆動する。また、回転電機１は、車両減速時には、車両の運動エネルギーの一部を電力に回生できる。

本実施形態では、回転電機１は、三相４線式の交流型で、固定子４に設けられた複数の固定子コイル５がＵ相、Ｖ相、Ｗ相、中性相に対応するように配電部品１０によってスター結線されている。配電部品１０には、各相に対応する電力供給端子部１１が設けられ、この電力供給端子部１１において、バッテリーより、インバータを介して、各相の電力が、各相の端子部１１に供給される。

図２は、図１に図示された回転電機において、結線リングと固定子コイルとを固定子に組み付けた状態を示す断面斜視図である。
固定子４は、周方向に沿って配置される複数の固定子コア８を備えている。固定子コア８には、径方向内側に向かって突出したティース部１２（図４も参照）が形成されている。このティース部１２に絶縁材のボビン９を介して、めっきにより形成された絶縁皮膜５ａ（図４参照）で被覆された導線（エナメル線）が巻回され、１個の固定子コイル５が形成される。複数の固定子コイル５が円周方向に配置されている。周方向に配置された固定子コア８は、ハウジング３に圧入または、焼き嵌めすることで、円形の固定子４を形成している。なお、回転子６は、永久磁石式として例示されている。

固定子コイル５の端末は、ボビン９の鍔部分に絡げられた後、回転電機１の軸方向に立上げ、配列される。ここで、コイル端末部の絶縁皮膜５ａは、コイルの巻回始め、及び巻回終りにおいて剥離されている。また、固定子の軸方向端面に位置する固定子コイル５の巻回部の上面には、この巻回部を覆う様に配電部品１０が設けられている。配電部品１０に設けられた結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗと固定子コイル５の巻始め側の端末線２０ａが、同一相毎に結線されて、電力供給端子部１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗ（図３参照）から、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流が固定子コイル５に供給される。また、固定子コイル５の巻終り側の端末線２０ｂは、全周に渡り、中性相の結線リング１３Ｎに接続され、スター結線の中性相を構成する。配電部品１０は、各相に対応した結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗと、スター結線の中性相を構成する結線リング１３Ｎと、これらの結線リングを収容する絶縁部材１５より構成される。なお、固定子コイル５、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎは丸線を用いた構造として例示されている。

図３は、図１に図示された回転電機の結線リングの構成を示す分解斜視図である。
結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗは、円環状で、回転電機の軸方向に突出する複数の端子部１６（この例では、各結線リングに８箇所）と、径方向外側に形成される３相の電力供給端子部１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗとを有している。中性相の結線リング１３Ｎも円環状であるが、結線リング１３Ｎには、２４箇所の端子部１６が形成されている。
結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎは、銅の単線導体により形成されている。結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎには、絶縁皮膜の無い裸銅線が用いられる。結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎを構成する材料については後述する。

図２に図示されるように、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎは、ドーナッツ状の絶縁部材１５に、同芯状平面に配置される。絶縁部材１５には、各結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎに対応した溝部１８が形成されている。結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎは固定子４の内径側より結線リング１３Ｎ、１３Ｗ、１３Ｖ、１３Ｕの順に溝部１８内に設置され、配電部品１０として一体化されている。また、各結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎの端子部１６は、隣合わない様に円周方向でずらして配置されている。

図４は、図２に図示された固定子において、固定子コイルが巻回された状態を示す斜視図である。
固定子コイル５の表面には、エナメルめっき膜等の絶縁皮膜５ａが形成されている。固定子コイル５の巻始め側及び巻き終り側の端末線２０ａ、２０ｂは、先端の絶縁皮膜５ａが剥離されている。端末線２０ａ、２０ｂは、ボビン９の鍔部に絡げた後、曲げ成形し、固定子４の軸方向に立上げられている。

一方の巻終り側の端末線２０ｂは、中性相として、結線リング１３Ｎ（図２、図３参照）の端子部１６の直下に立上げ、他方の巻始め側の端末線２０ａは、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の結線となる各結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ（図２、図３参照）の端子部１６の直下に立ち上げられている。

再び、図２を参照する。
配電部品１０において、絶縁部材１５には、固定子コイル５の端末線２０ａ、２０ｂを挿入する孔１７が設けられている。固定子コイル５の端末線２０ａ、２０ｂは、絶縁部材１５の孔１７に挿入され、さらに、各結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗの端子部１６と接続される。端子部１６には突起部２１が形成されている。固定子コイル５の端末線２０ａ、２０ｂは、突起部２１において、ＴＩＧ溶接等の溶接により対応する結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎに接合される。接合構造の詳細は後述する。

本実施形態では、絶縁部材１５には、結線リング１３Ｎに対し２４個、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗに対し各８個の孔が設けられている。
また、絶縁部材１５の溝部１８には、結線リングの端子部１６に対応する部分に、端子部１６の接合時の熱影響を避けるための逃げ１９が設けられている。

図５は、図２に図示された固定子における結線リングの端子部の構成を示す断面斜視図である。
図５を参照して、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗの各端子部１６と固定子コイル５の端末線２０ａ、および結線リング１３Ｎと固定子コイル５の端末線２０ｂとの接合構造について説明する。
なお、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗの各端子部１６と固定子コイル５の端末線２０ａ、および結線リング１３Ｎと固定子コイル５の端末線２０ｂとの接合構造は同様である。このため、以下の説明では、適宜、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎを代表して結線リング１３とし、端末線２０ａ、２０ｂを代表して端末線２０とする。
結線リング１３の端子部１６は突起部２１、溝２２、貫通孔２３を備えている。突起部２１は、回転電機１、すなわち、固定子４の軸方向における結線リング１３の一面上に円筒状に突出して形成されている。溝２２は、結線リング１３の突起部２１が設けられた一面と反対側に設けられている。貫通孔２３は、溝２２の底面から突起部２１の端面２１ａまで、結線リング１３を貫通して形成されている。端末線２０は、結線リング１３の溝２２側から貫通孔２３内に挿入され、その端面２６が突起部２１の端面２１ａとほぼ面一になる位置に配置される。
この状態で、結線リング１３の突起部２１と固定子コイル５の端末線２０とがＴＩＧ溶接等の溶接により接合され、結線リング１３の突起部２１の端面２１ａ上と固定子コイル５の端末線２０の端面２６上に接合部２４が形成される。

結線リング１３の端子部１６は、塑性加工により形成される。つまり、溝２２の成形と同時に突起部２１が成形され、突起部２１のほぼ中心に固定子コイル５の端末線２０を挿入する貫通孔２３が成形される。塑性加工により、溝２２と同時に突起部２１を成形することで、溝２２の空間と突起部２１の体積をほぼ同等とすることができ、突起部２１の成形も容易となる。また、塑性加工により、溝２２と同時に突起部２１を成形することで、突起部２１の貫通孔２３の空間を除いた体積は、貫通孔２３に挿入される固定子コイルの端末線２０の先端の体積とほぼ同等とすることができる。このため、溶融時の熱バランスにより、ＴＩＧ溶接等の溶接による接合が安定する。

固定子コイル５の端末線２０を貫通孔２３に挿入後、結線リング１３の突起部２１を外周よりかしめることで、結線リング１３の端末線２０が結線リング１３の突起部２１に固定される。

結線リング１３と固定子コイル５とを接合した後、結線リング１３の端子部１６と固定子コイル５の端末線２０との接合部２４を含み、絶縁部材１５上に配置された結線リング１３を絶縁樹脂で被覆する。これにより、各結線リング間の絶縁品質が更に向上する。

本実施形態では、絶縁部材１５には、各結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎが配置される溝部１８が形成されており、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎに対する沿面距離が確保される。このため、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎとして、絶縁皮膜の無い裸銅線を用いることができる。

上述したように、結線リング１３の端子部１６と固定子コイル５の端末線２０とはＴＩＧ溶接等の溶接により接合される。結線リング１３および固定子コイル５は、銅により形成されている。接合部２４のボイド等の発生を抑制して接合部２４の信頼性を確保するため、結線リング１３および固定子コイル５は、共に、純度６Ｎ（９９．９９９９％）レベルの無酸素銅、高純度銅を用いる必要がある。純度６Ｎレベルの無酸素銅、高純度銅を得るには、酸素等の不純物を低減するため、多数の工程が必要であり、高コストとなる。従って、純度６Ｎレベルの無酸素銅、高純度銅からなる結線リング１３および固定子コイル５を用いることは、回転電機１のコストを上昇させる要因となる。

そこで、本実施形態では、結線リング１３にチタンを含む純度５Ｎ（９９．９９９％）以下、望ましくは純度４Ｎ（９９．９９％）以下の希薄銅合金を用い、固定子コイル５に純度５Ｎ以下、望ましくは純度４Ｎ以下の通常の銅を用いた。結線リング１３の希薄銅合金は、一例として、２〜１２ｍａｓｓｐｐｍの硫黄と、２〜３０ｍａｓｓｐｐｍの酸素と、４〜５５ｍａｓｓｐｐｍのチタンを含み、残部が銅からなる。この希薄銅合金は、銅純度が４Ｎもしくは５Ｎであるが、接合の信頼性が高く、かつ、無酸素銅、高純度銅より安価である。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、結線リング１３の端子部１６と固定子コイル５の端末線２０との接合状態を示す模式図である。図６（Ａ）は、本発明の実施例、すなわち、結線リング１３を、チタンを含む純度４Ｎの銅により形成し、固定子コイル５、すなわち、端末線２０を通常の純度４Ｎの銅により形成したものである。図６（Ｂ）は、結線リング１３および固定子コイル５を、共に、通常の純度４Ｎの銅により形成した比較例である。図６（Ｃ）は、結線リング１３および固定子コイル５を、共に、純度６Ｎの高純度銅により形成した従来品である。各図に図示される黒い斑点がボイドである。

図６（Ａ）に図示される本発明の実施例には、１〜２のボイドはみられるが、その数量、大きさおよび発生領域の広さは、いずれも、図６（Ｂ）に示される純度４Ｎの銅同士を接合した比較例に比し、遥かに小さい。図６（Ｂ）に示す比較例では、純度４Ｎの銅は酸素を含んでいるため、溶接により、酸素Ｏ2が析出し、多数の大きいボイドが広い範囲に亘り発生する。これに対し、本発明の実施例では、結線リング１３にチタンが含有されているため、比較例と同量程度の酸素を含有しているが、溶接を行っても、酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）、二酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ2）が生成され、ボイドの発生が抑制される。このチタン含有によるボイド発生の抑制効果は、チタンが結線リング１３のみに含有され、固定子コイル５には含有されていない場合でも得られることが確認された。

図６（Ｃ）の高純度銅（６Ｎ）同士の接合では、ボイドの発生は殆どみられない。これに比すと、本発明の実施例におけるボイド発生の抑制は、わずかに及ばない。しかし、接合の信頼性には影響しないことが確認された。

固定子コイル５を、結線リング１３と同じ材料、つまり、チタンを含む希薄銅合金により形成してもよい。しかし、固定子コイル５は、端末線２０を除き、エナメルめっき膜等の絶縁皮膜５ａを施して絶縁を図る必要があるが、チタンを含む希薄銅合金は、強固な不働態皮膜を形成するため、エナメル等の絶縁皮膜５ａをめっきにより形成するのは困難である。前処理により、不働態皮膜の再生成を防いでめっきする方法もあるが、高コスト化する。
このため、実質的にチタンを含有しない通常の純度４Ｎの銅により形成することとした。通常の純度４Ｎの銅の作製は、チタンが所定量含有される希薄銅合金を作製する場合に比し、製造コストが安価になるという利点もある。

本発明の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）結線リング１３の端子部１６と固定子コイル５の端末線２０とが溶接により接合された固定子４において、結線リング１３を、固定子コイル５よりもチタンが多く含有された銅により形成し、固定子コイル５を、純度５Ｎ（９９．９９９％）以下の銅により形成した。これにより、結線リング１３および固定子コイル５の低コスト化を図り、かつ、接合の信頼性を確保することができる。

（２）固定子コイル５を、通常の純度４Ｎの銅により形成すると共に、エナメルめっき膜で被覆した。このため、固定子コイル５を能率的に作製することが可能であり、かつ、チタンを含有する銅により形成された結線リング１３と溶接しても接合時の信頼性を確保することができる。

（３）固定子コイル５の銅の純度を、４Ｎ（９９．９９％）以下とすることにより、より低コスト化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎとして、絶縁皮膜の無い裸銅線を用いた構造として例示した。しかし、結線リング１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎとして、めっきを施した銅配線を用いてもよい。

上記実施形態では、三相４線式のスター結線式の回転電機１として例示した。しかし、本発明は、中性相を有していないが、デルタ結線式の三相交流型の回転電機に適用することができる。また、本発明は、三相６線式の回転電機に適用することができる。さらに、本発明は、三相よりも多い相数（例えば６相）に適用することができる。

結線リング１３、固定子コイル５は、丸線として例示したが、共に角線でもよいし、丸線と角線等の組み合わせとしてもよい。また、銅線を変形させることにより、１つの結線リング１３に丸線や角線を混在させるようにしてもよい。同様に、１つの固定子コイル５に丸線や角線を混在させるようにしてもよい。丸線については、真円である必要はなく、楕円でも構わない。角線についても四角形である必要はなく、四角形以外の多角形でも構わない。

上記実施形態では、回転子６が永久磁石式の回転電機１として例示した。しかし、本発明は、回転子６は永久磁石式でなく、インダクション式や、シンクロナスリラクタンス、爪磁極式等にも適用可能である。また、内転型で説明を行っているが、外転型やリニアモータ、アキシャルギャップ型にも適用可能である。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１回転電機
４固定子
５固定子コイル
６回転子
８固定子コア
１１、１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗ電力供給端子部
１２ティース部
１３、１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ、１３Ｎ結線リング
１６端子部
２０、２０ａ、２０ｂ端末線
２１突起部
２１ａ端面
２２溝
２３貫通孔

Claims

回転子と、
ティース部を有する固定子コアと、前記ティース部に巻回され、前記固定子コアの軸方向の端面から突出される端末線を有する固定子コイルと、前記固定子コイルの前記端末線が接合される端子部を有する結線リングを有する固定子とを備え、
前記固定子コイルは、前記ティース部に巻回された巻回部が絶縁皮膜により被覆され、
前記結線リングおよび前記固定子コイルは、銅により形成され、
前記結線リングは、酸素およびチタンを含む純度４Ｎ（９９．９９％）以下の希薄銅合金であり、前記固定子コイルは、前記チタンを含まない純度４Ｎ（９９．９９％）以下の銅である回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記固定子コイルを被覆する前記絶縁皮膜は、エナメルめっき膜である回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記結線リングは、２〜１２ｍａｓｓｐｐｍの硫黄と、２〜３０ｍａｓｓｐｐｍの酸素と、４〜５５ｍａｓｓｐｐｍのチタンを含み、残部が銅からなる回転電機。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記結線リングの前記端子部は、前記結線リングにおける前記固定子の軸方向の一面上に突出する突起部と、前記結線リングの前記突起部と反対側に設けられた溝と、前記溝から前記突起部の端面まで貫通する貫通孔を有し、
前記固定子コイルの前記端末線は、前記結線リングの前記端子部の前記貫通孔内に配置されて前記突起部に接合されている回転電機。
請求項４に記載の回転電機において、
前記固定子コイルの前記端末線と前記結線リングの前記端子部とは、溶接により接合されている回転電機。