JP2013247696A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁部材の軸方向の位置ずれを規制できるとともに、組み立ての容易な回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、周方向に隣り合うコイル間に介在される板状の絶縁部材３３を備えた。絶縁部材３３におけるインシュレータ１７の内側被覆部２５に当接する内側辺部４２に、径方向内側に突出する弾性変形可能な微小突起４８を形成した。そして、微小突起４８を、該微小突起４８が弾性変形することにより絶縁部材３３が軸方向からコイル間に挿入可能となるとともに、内側被覆部２５の軸方向端面に係止するように形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、ステータの各ティースにインシュレータを介して巻線を集中巻きにて巻回することによりコイルが形成された回転電機が広く知られている。一般に巻線の外周には、絶縁皮膜が施されているが、隣り合うコイル間の絶縁（特に、高電圧印加時）を確保するため、これらコイル間（スロット）に絶縁部材を介在させたものがある。

例えば特許文献１には、回転電機の軸方向視でＶ字に折り曲げられたフィルム状の絶縁部材（相間絶縁）をコイル間に介在させた回転電機が開示されている。この回転電機では、絶縁部材の軸方向両端におけるＶ字の頂点部分がインシュレータに形成された凸部にそれぞれ係止しており、通電時におけるコイルの振動等によって、絶縁部材が軸方向に位置ずれすることを規制している（特許文献１、第２図参照）。

特開２０１１−７２１２８号公報 特開２０１１−１３０５６６号公報

ところで、上記特許文献１の回転電機は、絶縁部材の軸方向両端に凸部が配置される構成であるため、該絶縁部材を軸方向から挿入しようとしても、その頂点部分が凸部に干渉してしまい絶縁部材を挿入することができない。そのため、例えば絶縁部材を各ティースの径方向内側に挿入した後に隣り合うティース先端間の隙間（スロット開口部）を介してコイル間に挿入しなければならず、その組み付けが煩雑になる。その結果、組立装置を用いて絶縁部材の組み付けを自動化することが困難になってしまう。

ここで、特許文献２には、絶縁部材を平板状に形成するとともに、該絶縁部材の軸方向一端部から径方向外側に突出する凸部を形成し、この凸部をコイルの引出線とインシュレータの軸方向一端面との間で挟み込むことにより、絶縁部材が軸方向に位置ずれすること規制した回転電機が開示されている。この回転電機では、絶縁部材をコイル間に挿入した後にその凸部をコイルの引出線によってインシュレータとの間に挟み込むことで、絶縁部材を軸方向からコイル間に挿入可能としつつ、該絶縁部材の軸方向の位置ずれを規制することが可能にはなる。しかし、この特許文献２の構成では、絶縁部材を確実に固定するために引出線を予め決められた位置に精度良く固定しなければならず、回転電機の組み付けが煩雑になってしまう。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、絶縁部材の軸方向の位置ずれを規制できるとともに、組み立ての容易な回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、放射状に延びる複数のティースが形成されたステータコアと、前記各ティースにインシュレータを介して巻線が集中巻きにて巻回されることにより形成されたコイルとを有するステータを備え、前記インシュレータは、前記ティースの周方向側面を覆う側面被覆部、前記側面被覆部の径方向内側端部から周方向に延びる内側被覆部、及び前記側面被覆部の径方向外側端部から周方向に延びる外側被覆部を有し、周方向に隣り合う前記コイル間には、板状の絶縁部材が介在された回転電機において、前記絶縁部材の前記内側被覆部に当接する内側辺部及び前記外側被覆部に当接する外側辺部の少なくとも一方には、弾性変形可能な微小突起が形成され、前記微小突起は、弾性変形することにより前記絶縁部材が前記コイル間に軸方向から挿入可能となるとともに、前記インシュレータと係合して前記絶縁部材の移動を規制するように形成されたことを要旨とする。

上記構成によれば、絶縁部材は、微小突起が内側被覆部又は外側被覆部に当接して弾性変形することにより隣り合うコイル間に軸方向から挿入されるため、容易に絶縁部材をコイル間に組み付けることができるようになる。これにより、絶縁部材の組み付けを容易に自動化することができる。そして、絶縁部材は、微小突起がインシュレータと係合することにより、その軸方向の位置ずれが規制される。したがって、従来のようにコイルの引出線を予め決められた位置に精度良く固定せずともよくなり、回転電機の組み立てが容易になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機において、前記内側被覆部と前記内側辺部との各当接面及び前記外側被覆部と前記外側辺部との各当接面の少なくとも一方は、軸方向と直交する断面形状がラビリンス状に形成されたことを要旨とする。

ここで、コイルに高電圧を印加すると、巻線とステータコアとの間で絶縁破壊が発生する虞がある。この絶縁破壊に伴う電流は、多くの場合、インシュレータを貫通せずに巻線からインシュレータの表面を伝ってステータコアに流入する。したがって、上記構成のように内側被覆部と内側辺部との各当接面、及び外側被覆部と外側辺部との各当接面の少なくとも一方の断面形状をラビリンス状とすることで、巻線からインシュレータの表面を伝ってステータコアに到達するまでの距離（沿面距離）を長くすることができる。これにより、内側被覆部及び外側被覆部の径方向に沿った長さ（厚み）を増加させずに、絶縁破壊の発生を抑制することができる。

本発明によれば、絶縁部材の軸方向の位置ずれを規制できるとともに、組み立ての容易な回転電機を提供することができる。

一実施形態の回転電機の軸方向と直交する断面図。 一実施形態の展開した状態のステータを径方向内側から見た側面構造を示す模式図。 一実施形態の絶縁部材近傍の拡大断面図。 一実施形態の絶縁部材の斜視図。 一実施形態の微小突起の軸方向に沿った拡大断面図。 一実施形態の絶縁部材の製造工程を示す模式図。 別例の微小突起の軸方向に沿った拡大断面図。 別例の絶縁部材近傍の拡大断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示す回転電機１は、例えば車両に搭載され、ステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置の駆動源や、油圧を発生させる電動ポンプ装置の駆動源として用いられる。同図に示すように、回転電機１は、円筒状のケース２内に収容されたステータ３と、ステータ３の径方向内側において回転可能に支持されたロータ４とを備えている。なお、ロータ４は、回転軸５とともに一体回転するロータコア６の外周に複数（本実施形態では、１０個）のマグネット７が固着されてなる。

ステータ３は、ケース２の内周に固定された円筒状の円筒部１１と、円筒部１１から径方向内側に向って放射状に延びる複数（本実施形態では、１２個）のティース１２とからなるステータコア１３を備えている。本実施形態のステータコア１３は、その円筒部１１がティース１２毎に周方向で分割された複数の分割コア１４からなる。各分割コア１４は、上記ティース１２と、円筒部１１を形成するコアバック１５とを有している。また、各ティース１２の先端には、周方向両側に延出される延出部１６が形成されている。

図２に示すように、各分割コア１４には、一対のインシュレータ１７が軸方向の両側から装着されている。なお、各インシュレータ１７は、絶縁性を有する樹脂材料により構成されている。各インシュレータ１７は、分割コア１４の軸方向の片側端面を覆う端面被覆部２１と、端面被覆部２１の周方向の両端から軸方向に沿って延び、ティース１２の周方向両側面を覆う一対の側面被覆部２２とを有している。また、端面被覆部２１の径方向内側端部には、軸方向に沿って立設される略半円形状の内側はみ出し防止壁２３が一体に形成されるとともに、端面被覆部２１の径方向外側端部には、軸方向に沿って立設される略半円形状の外側はみ出し防止壁２４が一体に形成されている。図３に示すように、各側面被覆部２２の径方向内側端部には、周方向に延出されて延出部１６の径方向外側面を覆う内側被覆部２５が一体に形成されるとともに、各側面被覆部２２の径方向外側端部には、コアバック１５の径方向内側面を覆う外側被覆部２６が一体に形成されている。そして、図２に示すように、各内側被覆部２５の軸方向両端部は、分割コア１４の軸方向端面よりも突出し、内側はみ出し防止壁２３の周方向両端に連続するように形成されている。また、各外側被覆部２６の軸方向両端部は、同様に分割コア１４の軸方向端面よりも突出し、外側はみ出し防止壁２４の周方向両端に連続するように形成されている。

図１に示すように、各ティース１２には、インシュレータ１７の上から巻線３１が集中巻にて巻回されることにより複数（本実施形態では、１２個）のコイル３２が形成されている。なお、巻線３１の外周には絶縁皮膜（図示略）が施されている。そして、周方向に隣り合って配置されたコイル３２間には、平板状に形成された絶縁部材３３が介在されており、これらコイル３２間の絶縁が確保されている。なお、絶縁部材３３は、絶縁性を有する樹脂材料により構成されている。

このように構成された回転電機１は、各コイル３２に駆動電力が供給されることにより形成される磁界と、マグネット７との間に生じる磁気的な吸引力及び反発力によりロータ４が回転軸５と一体回転する構成となっている。

次に、絶縁部材及びその支持構造について説明する。
図３に示すように、絶縁部材３３は、回転電機１の径方向内側及び外側の二箇所で周方向に隣り合って配置されたインシュレータ１７の双方に跨って当接しており、軸方向の位置ずれが規制された状態でコイル３２間に介在されている。

詳述すると、図３及び図４に示すように、絶縁部材３３は、周方向においてコイル３２に対向する本体部４１と、本体部４１の径方向内側に設けられてインシュレータ１７の内側被覆部２５に当接する内側辺部４２と、本体部４１の径方向外側に設けられて外側被覆部２６に当接する外側辺部４３とを有する略長方形板状に形成されている。図２に示すように、絶縁部材３３の軸方向に沿った長さは、ステータ３の軸方向に沿った長さよりも長く形成されており、各インシュレータ１７の内側はみ出し防止壁２３及び外側はみ出し防止壁２４よりも軸方向両側に突出している。

図３に示すように、本体部４１の周方向に沿った長さ（板厚）は、隣り合うコイル３２間の周方向の隙間よりも僅かに小さく形成されており、絶縁部材３３がコイル３２に接触しないようになっている。内側辺部４２は、本体部４１よりも回転電機１の周方向両側に突出するとともに軸方向に長い突条形状の内側ほぞ４４を有している。この内側ほぞ４４は、断面矩形状に形成されている。また、外側辺部４３は、本体部４１よりも回転電機１の周方向両側に突出するとともに軸方向に長い突条形状の外側ほぞ４５を有している。この外側ほぞ４５は、その周方向の幅（突出量）が径方向外側に向かうにつれて段階的に小さくなる階段状に形成されている。

一方、インシュレータ１７の各内側被覆部２５は、軸方向両側及び周方向の絶縁部材３３側に開口して内側ほぞ４４が嵌合する内側ほぞ穴４６を有している。詳しくは、内側ほぞ穴４６は、断面矩形状に形成されている。そして、内側ほぞ穴４６の径方向に沿った長さ（幅）は、内側ほぞ４４の径方向に沿った長さと等しく形成されるとともに、内側ほぞ穴４６の周方向に沿った長さ（深さ）は、内側ほぞ４４の周方向に突出した長さと等しく形成されており、内側ほぞ穴４６全体が内側ほぞ４４に当接している。したがって、内側被覆部２５の内側辺部４２との当接面２５ａ、及び内側辺部４２の内側被覆部２５との当接面４２ａは、それぞれ矩形状に折れ曲がっている。つまり、各当接面２５ａ，４２ａの回転電機１の軸方向と直交する断面形状は、各当接面２５ａ，４２ａ上を一方向に移動するのみでは、内側被覆部２５の径方向外側から内側へ移動できないラビリンス状とされている。

また、インシュレータ１７の各外側被覆部２６は、軸方向両側、周方向の絶縁部材３３側及び径方向内側に開口して外側ほぞ４５が嵌合する外側ほぞ穴４７を有している。詳しくは、外側ほぞ穴４７は、断面階段状に形成されている。そして、外側ほぞ穴４７の周方向に沿った長さは、径方向外側に向かうにつれて外側ほぞ４５の形状と対応して段階的に短くなるように形成されており、外側ほぞ穴４７全体が外側ほぞ４５に当接している。したがって、外側被覆部２６の外側辺部４３との当接面２６ａ、及び外側辺部４３の外側被覆部２６との当接面４３ａは、それぞれ階段状に折れ曲がっている。つまり、各当接面２６ａ，４３ａの回転電機１の軸方向と直交する断面形状は、各当接面２６ａ，４３ａ上を一方向に移動するのみでは、外側被覆部２６の径方向内側から外側へ移動できないラビリンス状とされている。

そして、図２及び図４に示すように、内側辺部４２（内側ほぞ４４を含む）の径方向内側面には、径方向内側に僅かに突出した複数（本実施形態では、２つ）の微小突起４８が軸方向に間隔を空けて一体に形成されている。各微小突起４８は、樹脂材料からなる絶縁部材３３の一部をなすことで弾性変形可能となっている。そして、微小突起４８の突出量は、微小突起４８がインシュレータ１７の内側被覆部２５によって径方向に圧縮されることにより絶縁部材３３がコイル３２間に軸方向から挿入可能となるように形成されている。また、各微小突起４８は、回転電機１の周方向に延びる直線状に形成されている。そして、図４及び図５に示すように、各微小突起４８は、その突出量が軸方向に沿って徐々に変化するように形成されている。なお、本実施形態では、各微小突起４８は、突出量の最も大きい位置よりも軸方向中央側の突出量変化が、軸方向端部側の突出量変化よりも急峻になるように形成されている。

図２に示すように、これら微小突起４８間の間隔は、分割コア１４（ステータコア１３）に軸方向一端側から装着されたインシュレータ１７の内側被覆部２５の軸方向端面と、同分割コア１４に軸方向他端側から装着されたインシュレータ１７の内側被覆部２５の軸方向端面との間の間隔と略等しく形成されている。したがって、絶縁部材３３は、微小突起４８が各インシュレータ１７の内側被覆部２５の軸方向端面に係止することで、軸方向の位置ずれが規制されている。

なお、図６に示すように、絶縁部材３３は、一対の金型５１，５２内に溶融樹脂を注入する射出成形により形成される。具体的には、金型５１には、軸方向視で絶縁部材３３の中央から周方向一端側部分と対応する形状の空洞部５３が形成されるとともに、金型５２には、絶縁部材３３の中央から周方向他端部分と対応する形状の空洞部５３が形成されている。そして、絶縁部材３３は、空洞部５３，５４内に溶融樹脂を注入した後、金型５１を一方向に移動させて取り出すことにより形成される。つまり、絶縁部材３３は、別途スライド型を用いることなく、一対の金型５１，５２のみで形成される形状となっている。

次に、本実施形態の絶縁部材の組み付けについて説明する。
絶縁部材３３は、インシュレータ１７を介してコイル３２が巻装された分割コア１４を円環状に配置することにより形成されたステータ３に対して、微小突起４８を内側被覆部２５によって径方向に圧縮させることにより、該ステータ３の軸方向から隣り合うコイル３２間に挿入される。そして、絶縁部材３３は、微小突起４８が内側被覆部２５の軸方向端面に係止することにより、その軸方向の位置ずれが規制された状態で隣り合うコイル３２間に介在されるようになっている。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）絶縁部材３３は、微小突起４８を径方向に圧縮させることにより、絶縁部材３３を隣り合うコイル３２間に軸方向から挿入可能となるため、容易に絶縁部材３３をコイル３２間に組み付けることができ、絶縁部材３３の組み付けを容易に自動化することが可能になる。また、微小突起４８が内側被覆部２５の軸方向端面に係止することで、絶縁部材３３の軸方向の位置ずれが規制されるため、従来のようにコイルの引出線を予め決められた位置に精度良く固定せずともよくなり、回転電機１の組み立てが容易になる。

（２）内側被覆部２５と内側辺部４２との各当接面２５ａ，４２ａ、及び外側被覆部２６と外側辺部４３との各当接面２６ａ，４３ａの断面形状をラビリンス状に形成した。
ここで、コイル３２に高電圧を印加すると、巻線３１とステータコア１３との間で絶縁破壊が発生する虞がある。この絶縁破壊に伴う電流は、多くの場合、インシュレータ１７を貫通せずに巻線３１からインシュレータ１７の表面を伝ってステータコア１３に流入する。したがって、本実施形態のように各当接面２５ａ，４２ａの断面形状をラビリンス状とすることで、これら各当接面２５ａ，４２ａの断面形状を直線状とする場合に比べ、巻線３１から内側被覆部２５の表面を伝ってティース１２の延出部１６に到達するまでの距離（沿面距離）を長くすることができる。同様に、各当接面２６ａ，４３ａの断面形状をラビリンス状とすることで、巻線３１から外側被覆部２６の表面を伝ってコアバック１５に到達するまでの沿面距離を長くすることができる。これにより、内側被覆部２５及び外側被覆部２６の径方向に沿った長さ（厚み）を増加させずに、絶縁破壊の発生を抑制することができる。

（３）微小突起４８を、その突出量が軸方向に沿って徐々に変化するように形成したため、絶縁部材３３を軸方向からコイル３２間に挿入する際に、容易に微小突起４８を圧縮させることができる。そして、各微小突起４８を、突出量の最も大きい位置よりも軸方向中央側の突出量変化が、軸方向端部側の突出量変化よりも急峻になるように形成したため、絶縁部材３３を容易に軸方向からコイル３２間に挿入可能としつつ、軸方向の位置ずれを好適に規制することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記実施形態では、微小突起４８を回転電機１の周方向に延びる直線状に形成したが、例えば半球状でもよく、微小突起４８の形状は適宜変更可能である。また、微小突起４８を突出量の最も大きい位置よりも絶縁部材３３の中央側の突出量変化が、両端側の突出量変化よりも急峻となるように形成したが、例えば図７に示すように、微小突起４８を、突出量の最も大きい位置を中心として対称な形状としてもよい。さらに、微小突起４８を、その突出量が軸方向に沿って階段状に変化するような形状としてもよい。

・上記実施形態では、微小突起４８を内側被覆部２５の軸方向端面に係止させることにより絶縁部材３３の軸方向の位置ずれを規制した。しかし、これに限らず、微小突起４８を内側被覆部２５の当接面２５ａと対向する位置に形成し、微小突起４８を当接面２５ａに圧接（摩擦係合）させることにより、絶縁部材３３の軸方向の位置ずれを規制してもよい。

・上記実施形態では、絶縁部材３３の内側辺部４２に微小突起４８を形成したが、外側辺部４３に微小突起を形成し、この微小突起を外側被覆部２６の軸方向端面に係止させる、又は当接面２６ａに圧接させることにより、絶縁部材３３の軸方向の位置ずれを規制してもよい。

・上記実施形態において、微小突起４８を内側辺部４２又は外側辺部４３の周方向端面に形成し、絶縁部材３３をコイル３２に挿入する際に、微小突起４８が周方向に圧縮されるようにしてもよい。

・上記実施形態において、例えば図８に示すように、インシュレータ１７の周方向一方側の内側被覆部２５及び外側被覆部２６にのみ内側ほぞ穴４６及び外側ほぞ穴４７を形成し、絶縁部材３３の内側辺部４２及び外側辺部４３に周方向他方側に突出する内側ほぞ４４及び外側ほぞ４５を形成してもよい。

・上記実施形態では、内側ほぞ４４及び内側ほぞ穴４６を断面矩形状とし、内側被覆部２５と内側辺部４２との各当接面２５ａ，４２ａをそれぞれ矩形状に折れ曲がるように形成した。しかし、これに限らず、内側ほぞ４４及び内側ほぞ穴４６を、例えば階段状や円弧状に形成してもよく、その断面形状は適宜設定可能である。そして、このように内側ほぞ４４及び内側ほぞ穴４６の形状を変更することで、内側ほぞ４４及び内側ほぞ穴４６に作用する応力によってインシュレータ１７や絶縁部材３３が損傷することを防止可能である。また、各当接面２５ａ，４２ａの断面形状がラビリンス状とならないように、内側ほぞ４４及び内側ほぞ穴４６を形成してもよい。なお、内側ほぞ穴４６全体が内側ほぞ４４に接触しなくてもよいことはいうまでもない。同様に、外側ほぞ４５及び外側ほぞ穴４７（外側被覆部２６と外側辺部４３との各当接面２６ａ，４３ａ）の断面形状は、適宜設定可能である。

・上記実施形態において、絶縁部材３３を射出成形する際にスライド型等が必要な形状としてもよい。
・上記実施形態では、複数の分割コア１４を円環状に配置してなるステータコア１３を用いたが、これに限らず、ティース１２毎に分割されていない一体のステータコアや、円筒部１１から各ティース１２が分割されたステータコアを用いてもよい。

・上記実施形態では、本発明をステータ３の径方向内側にロータ４が配置されるインナロータ型の回転電機に適用したが、ステータ３の径方向外側にロータ４が配置されるアウタロータ型の回転電機に適用してもよい。また、回転電機１を電動パワーステアリング装置等の駆動源に限らず、他の装置の駆動源として用いてもよく、また、発電機として用いてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）請求項１又は２に記載の回転電機において、前記微小突起は、該微小突起の突出量が軸方向に沿って徐々に変化するように形成されたことを特徴とする回転電機。上記構成によれば、絶縁部材を軸方向からコイル間に挿入する際に、微小突起を容易に圧縮させることができる。

（ロ）上記（イ）の回転電機において、前記微小突起は、前記内側被覆部又は前記外側被覆部の軸方向端面に係止するように形成されるとともに、該微小突起の最も突出量の大きい位置よりも軸方向中央側の突出量変化が軸方向端部側の突出量変化よりも急峻となるように形成されたことを特徴とする回転電機。上記構成によれば、絶縁部材を容易に軸方向からコイル間に挿入可能としつつ、軸方向の位置ずれを好適に規制することができる。

１…回転電機、３…ステータ、１２…ティース、１３…ステータコア、１７…インシュレータ、２２…側面被覆部、２５…内側被覆部、２５ａ，２６ａ，４２ａ，４３ａ…当接面、２６…外側被覆部、３１…巻線、３２…コイル、３３…絶縁部材、４１…本体部、４２…内側辺部、４３…外側辺部、４４…内側ほぞ、４５…外側ほぞ、４６…内側ほぞ穴、４７…外側ほぞ穴、４８…微小突起。

Claims (2)

1. 放射状に延びる複数のティースが形成されたステータコアと、前記各ティースにインシュレータを介して巻線が集中巻きにて巻回されることにより形成されたコイルとを有するステータを備え、
   前記インシュレータは、前記ティースの周方向側面を覆う側面被覆部、前記側面被覆部の径方向内側端部から周方向に延びる内側被覆部、及び前記側面被覆部の径方向外側端部から周方向に延びる外側被覆部を有し、周方向に隣り合う前記コイル間には、板状の絶縁部材が介在された回転電機において、
   前記絶縁部材の前記内側被覆部に当接する内側辺部及び前記外側被覆部に当接する外側辺部の少なくとも一方には、弾性変形可能な微小突起が形成され、
   前記微小突起は、弾性変形することにより前記絶縁部材が前記コイル間に軸方向から挿入可能となるとともに、前記インシュレータと係合して前記絶縁部材の移動を規制するように形成されたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記内側被覆部と前記内側辺部との各当接面及び前記外側被覆部と前記外側辺部との各当接面の少なくとも一方は、軸方向と直交する断面形状がラビリンス状に形成されたことを特徴とする回転電機。