(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状コアの内周部に形成された複数のスロットと、この複数のスロットに装着される複数のセグメントコイルとを備えるステータであって、
絶縁被覆層を設けた各セグメントコイルの上記スロットから延出する各コイルエンド部の外周に、所定長さ範囲にわたって連続する半導電層を設け、
前記複数のセグメントコイルは、第１相に属する第１セグメントコイルと、前記第１相とは異なる第２相に属し、前記第１セグメントコイルに近接して配置される第２セグメントコイルとを含み、
前記第１セグメントコイルの上記半導電層と前記第２セグメントコイルの上記半導電層とを、少なくとも一点において接触するように構成した、ステータ。
【請求項２】
上記半導電層は、厚みが５μｍ以上で、表面抵抗率が、１×１０3〜１×１０9Ω／ｓｑに設定されているとともに、
近接して配置される上記セグメントコイルの各半導電層は、上記接触点を中心として、セグメントコイルの軸線に沿って両方向に、少なくともセグメントコイルの最大断面幅以上の領域において対向するように形成されている、請求項１に記載のステータ。
【請求項３】
上記半導電層は、樹脂材料に導電性粒子を配合して構成されている、請求項１又は請求項２に記載のステータ。
【請求項４】
上記半導電層は、セグメントコイルの外周部に設けられた導電性樹脂から構成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のステータ。
【請求項５】
上記半導電層は、各セグメントコイルの外周部に設けられた半導電性を有するテープ材又はチューブ材からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のステータ。
【請求項６】
各セグメントコイルの接続端部近傍には、上記半導電層が設けられていない、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のステータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載したステータに用いられるセグメントコイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ステータ及びセグメントコイルに関する。詳しくは、隣接するコイル等との間における部分放電を効果的に防止できるセグメントコイルを備えるステータに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、電動機を構成するステータは、環状のコアにコイルを設けて構成される。上記環状コアには、内側に開口する複数のスロットが所定間隔で設けられており、このスロットに上記コイルが装着される。従来のコイルは、曲折可能な巻き線を、上記スロットに巻き回すことにより設けられていた。しかしながら、上記巻き線を、内側に開口する上記スロットに傷めることなく巻き回すのは困難であり、作業性が悪いという問題があった。
【０００３】
また、曲折可能な巻き線では、導体の断面直径を大きく設定することができないため大電流を流すことができない。このため、電動機の出力を高めることは困難である。しかも、電動機の出力向上及び小型化の要請に応えるためには、コイルの占積率を高める必要があるが、上記巻き線を巻き回す構成では、占積率を向上させることも困難である。
【０００４】
上記問題を解決するため、断面積の大きなコイル材料をスロットに装着できる形態にあらかじめ成形して構成される複数のセグメントコイルを上記スロットに装着し、上記スロットから延出する接続端部を溶接等することにより接続してコイルを構成する手法を採用することができる。上記セグメントコイルの断面を上記スロットの断面形態に対応させることにより断面積を大きく設定することができるため、大電流を流すことができるとともに占積率を大きく設定することが可能となり、電動機の出力を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５４４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記セグメントコイルには、隣接するセグメントコイルとの間や、コアとの間の絶縁を行うための絶縁被覆層が設けられている。上記絶縁被覆層は、上記各部材間において部分放電が生じないように構成する必要がある。上記部分放電は、電圧差が大きくなる部分において生じやすい。たとえば、３相交流電動機のステータにセグメントコイルを採用した場合、異なる相に属するセグメントコイル間における電圧差が最も大きくなる。したがって、異なる相に属するセグメントコイルが近接あるいは接触する部分において部分放電が生じやすい。
【０００７】
特に、電気自動車やハイブリッド自動車等に用いるモータには、高電圧化・小型化の要請が大きい。一方、高速スイッチング回路を備えるインバータ駆動モータにおいては、サージ性過電圧が印加されることが多い。サージ性過電圧が印加されると、異なる相に属するコイル間の電圧が非常に大きくなり、これらコイルが近接していると、これらコイル間に部分放電が生じる危険性が大きくなる。また、この種のモータには大きな電流が流れるため、部分放電が生じるとコイルの絶縁皮膜等に大きな損傷を与えることになる。
【０００８】
一方、同じ相に属するセグメントコイル間や、コアとセグメントコイルとの間の電圧差は、異なる相に属するセグメントコイル間の電圧差より小さい。
【０００９】
従来のセグメントコイルにおいては、異なる相に属するセグメントコイル間の電圧差に対応できる絶縁被覆層を、セグメントコイルの全域に設けることにより、上記部分放電を防止するように構成されていた。
【００１０】
ところが、大きな電位差に対応できる絶縁被覆層がセグメントコイルの全域に設けられているため、スロット内の占積率が低下して、モータの大型化や発熱量の増加につながるといった問題が生じる。
【００１１】
上記特許文献に記載されているように、導体素線の絶縁被膜に重ねて導電性皮膜を形成し、隣接する巻線の絶縁被覆層間の電位差を緩和するように構成した耐サージモータが提案されている。
【００１２】
ところが、上記導電性皮膜は、樹脂にカーボン等の導電性の粉体材料を混入させて形成されるため伸縮度が低く、コイル加工等において皮膜割れが生じやすい。このため、セグメントコイルにおける曲げ加工等に適用することは困難であった。
【００１３】
また、導電性皮膜をセグメントコイルの全域に設けると、端末において導体素線を露出させて接続する際に上記導電性皮膜に接触して短絡等が生じやすく、端末加工が困難であった。
【００１４】
本願発明は、上記従来の問題を解決し、コイルの断面積を大きく設定して大電流を流せるとともに部分放電を効果的に防止することができ、また占積率を高めて、モータの性能を向上させることができるステータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願の請求項１に記載した発明は、環状コアの内周部に形成された複数のスロットと、この複数のスロットに装着される複数のセグメントコイルとを備えるステータであって、絶縁被覆層を設けた各セグメントコイルの上記スロットから延出する各コイルエンド部の外周に、所定長さ範囲にわたって連続する半導電層を設け、前記複数のセグメントコイルは、第１相に属する第１セグメントコイルと、前記第１相とは異なる第２相に属し、前記第１セグメントコイルに近接して配置される第２セグメントコイルとを含み、前記第１セグメントコイルの上記半導電層と前記第２セグメントコイルの上記半導電層とを、少なくとも一点において接触するように構成したものである。
【００１６】
セグメントコイルを採用したステータにおいて、一のスロット内には、同じ相に属するコイルが装着されるため、スロット内におけるコイル間での部分放電が問題になることは少ない。一方、コイルエンド部においては、断面積が大きなコイルが複雑に配列されることになるため、異なる相に属するセグメントコイルを離間して配置することが出来ない場合が多い。したがって、異なる相に属するセグメントコイルが接触あるいは近接して配置された場合、これらセグメントコイル間で部分放電が生じる恐れが高まる。
【００１７】
上記部分放電は、コイル表面に蓄積される静電気による電位差が引き金となって生じる場合が多い。本願発明では、セグメントコイルの上記スロットから延出する上記コイルエンド部の外周に、所定長さ範囲にわたって連続する半導電層が設けられている。また、上記コイルエンド部において、近接して配置されるとともに異なる相に属するセグメントコイルの上記半導電層を少なくとも１点において接触させるように構成している。接触点近傍の極小隙間において、通常は電界強度が上昇する部分であっても、表面に上記半導電層を設けることにより、コイル表面の電荷が分散されて、電界強度が低下させられる。電界強度が低下すると、上記半導電層を設けていない場合における部分放電開始電圧を上回る電圧が生じても、部分放電の発生が抑制されることになる。すなわち、異なる相に属するセグメントコイルが隣接して配置されても、これらセグメントコイル間において、電荷の蓄積による電位差が大きくなることはなく、これら部位において部分放電が生じるのを効果的に防止することができる。
【００１８】
すなわち、本願発明では、異なる相に属するセグメントコイルに設けた上記半導電層を、少なくとも１点において接触するように構成することにより、これらセグメントコイル間の部分放電を効果的に防止することができる。少なくとも１点において接触するように構成されていれば、上記接触点の接触形態は限定されることはない。たとえば、点接触のみならず、線接触や面接触であってもよい。また、上記半導電層は、厚みを薄く設定しても効果を発揮させることができる。このため、絶縁被覆層を厚くする従来の手法にくらべて、ステータの重量を小さくすることが可能になるとともに、製造コストを低減させることができる。
【００１９】
上記半導電層は、近接して配置されるとともに、部分放電が生じる恐れのある長さ範囲にわたって連続するように設ければ足りる。このため、コイルの曲げ加工後に、上記半導電層を部分放電が生じやすい部分に設けることが可能となり、導電性を付与するフィラーの配合量が多くなっても皮膜割れ層が生じることはない。さらに、本願発明では、スロットから延出するコイルエンド部に上記半導電層を設けているため、スロット内のコイルの太さが増加することがなく、占積率が低下することもない。
【００２０】
さらに、上記半導電層は、異なる相に属するセグメントコイルが近接して配置される部分のみに設ければ効果を発揮させることができる。したがって、セグメントコイルの端末まで設ける必要がないため、半導電層を剥離する端末加工が必要になることもない。
【００２１】
請求項２に記載した発明のように、上記半導電を、厚みが５μｍ以上で、表面抵抗率が、１×１０3〜１×１０9Ω／ｓｑに設定するとともに、近接して配置される上記セグメントコイルの各半導電層を、上記接触点を中心として、セグメントコイルの軸線に沿って両方向に、少なくともセグメントコイルの最大断面幅以上の領域において対向するように形成するのが望ましい。
【００２２】
半導電層の厚みが５μｍ未満の場合、近接するセグメントコイル間の電位差を十分に低減することができない。このため、半導電層の厚みを５μｍ以上に設定するのが好ましい。また、近接するセグメントコイル間の所要の電位差低減効果を確保するため、半導電層の表面抵抗率を、１×１０3〜１×１０9Ω／ｓｑに設定するのが好ましい。上記構成を採用することにより、１台のステータの中で、印加電圧の高くなる入力側コイルの表面抵抗率が低下させられ、上記半導電層の対向領域における部分放電開始電圧を、１０００Ｖ以上に設定することが可能となる。
【００２３】
上記半導電層を設ける範囲は、部分放電を効果的に防止できる範囲であれば足りる。たとえば、接触点を中心としてセグメントコイルの軸線に沿う両方向に、少なくとも上記セグメントコイルの最大断面幅以上の領域に設けることにより効果を期待できる。上記構成により、微小隙間を介して対向するセグメントコイル間の電位差が大きくなるのを防止し、これら隙間における部分放電を効果的に防止することができる。
【００２４】
なお、半導電層を２００ｍｍ以上の領域に連続して設ける場合は、すべての接触点から１００ｍｍ以内の領域において、半導電層を対向させるように構成するのが望ましい。すなわち、２つの接触点が存在する場合は、これら接触点間の距離を２００ｍｍ以内に設定することにより、これら領域において近接するセグメントコイル間の部分放電を確実に防止することができる。
【００２５】
上記半導電層を構成する材料は特に限定されることはない。請求項３に記載した発明のように、上記半導電層を、樹脂材料に導電性粒子を配合して構成することができる。たとえば、ポリアミドイミド樹脂等の熱硬化性樹脂に、カーボン粉体を１０％〜４０％配合して上記機能を有する半導電層を構成する樹脂材料を得ることができる。通常、カーボン粉体等のフィラーの配合量が増加すると、上記樹脂材料の破断伸び量は低下する。このため、部分放電防止効果の高い半導電層を、コアに巻き回される従来のコイルに適用するのは困難であった。本願発明では、上記半導電層は、曲げ加工がなされたセグメントコイルに後加工によって形成できるため、半導電層の破断伸び量が問題となることはない。
【００２６】
請求項４に記載した発明のように、上記半導電層を、セグメントコイルの外周部に設けられた導電性樹脂から構成することができる。
【００２７】
また、請求項５に記載した発明のように、上記半導電層を、各セグメントコイルの外周部に設けられた半導電性を有するテープ材又はチューブ材からなるようにできる。
【００２８】
例えば、半導電性を有するカプトン粘着テープ（米国デュポン社の登録商標）、アラミド不織布（ニッカン工業株式会社、＃５１８３、６５μｍ）等のテープ材を採用できる。また、ＰＦＡやＦＥＰ等のフッ素系樹脂に導電材料を配合した熱収縮チューブを採用することができる。
【００２９】
請求項６に記載した発明のように、各セグメントコイルの接続端部近傍には、上記半導電層が設けられていないように構成するのが好ましい。すなわち、各セグメントコイルの接続端部と、上記半導電層とは離間させて形成される。半導電層を介して電流が漏洩して損失が増加するからである。たとえば、上記接続端部近傍に、絶縁被覆層のみ形成されている領域を設けることにより、各セグメントコイルの接続端部と、上記半導電層とを離間させて設けることができる。
【発明の効果】
【００３０】
セグメントコイルを用いて形成したステータにおいて、占積率を低下させることなく、部分放電を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】セグメントコイルをコアに組み付けた状態を示す要部の斜視図である。
【図２】セグメントコイルの一例を示す正面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】部分放電開始電圧と表面抵抗率との関係を示す図である。
【図５】コイルに設けた半導電層を接触させた状態を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。
【００３３】
図１は、セグメントコイル４，５をコア２に装着したステータ１の要部斜視図である。また、図２は、セグメントコイル４，５の一形態を示す正面図である。本実施形態は、３相交流電動機のステータ１に本願発明を適用したものである。
【００３４】
上記コア２は磁性材料から形成された厚肉環状構造を備えており、内周部に軸方向に貫通するとともに内周面に開口するスロット３が所定間隔で形成されている。上記スロット３は、セグメントコイル４，５の幅にほぼ対応して形成されており、セグメントコイル４，５の直線部を上記スロット３に収容することにより、セグメントコイル４，５がコア２に組み付けられる。
【００３５】
上記コア２を構成する材料は特に限定されることはない。たとえば、磁性粉体を圧粉成形して形成されたコアや、磁性鋼板を積層して形成されるコアを採用することができる。
【００３６】
たとえば、３相誘導電動機においては、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相にグループ分けされたそれぞれ複数のセグメントコイルが、上記スロットに所定間隔で組み付けられる。以下、異なる相に属するセグメントコイル４，５について説明する。
【００３７】
図２に示すように、上記セグメントコイル４，５は、上記スロット３に収容される一対の直線部４ｂ，５ｂと、上記スロットの軸方向両端部から延出させられるとともに山形形状を備える一対のコイルエンド部４ａ，４ｃ及び５ａ，５ｃとを備えて形成されている。一方の上記コイルエンド部４ａ，５ａは、所定のスロットに収容された一対の直線部４ｂ，５ｂをそれぞれ掛け渡し状に接続するように設けられている。他方のコイルエンド部４ｃ，５ｃの端部には、他のスロットに収容されたセグメントコイルとの接続を行うための接続部４ｄ，５ｄが設けられている。なお、上記他方のコイルエンド部４ｃ，５ｃの形態は、セグメントコイルの接続パターンに応じて複数の形態が準備される。
【００３８】
上記セグメントコイル４，５は、上記接続部４ｄ，５ｄを除く外周面の全域に、約１５μｍの厚みの絶縁被覆層９が形成されており、隣接するセグメントコイルやコアとの間の絶縁性を確保できるように構成されている。
【００３９】
図３に、本願発明の第１の実施形態に係るセグメントコイル４，５の断面を示す。
【００４０】
図３に示すように、本実施形態に係るセグメントコイル４，５は、矩形断面を備える導電性のコイル材料８の外周表面に絶縁被覆層９を設けて構成される。
【００４１】
さらに、本実施形態では、絶縁被覆層９を設けた各セグメントコイル４，５の上記スロット３から延出するコイルエンド部４ａ，５ａ，４ｃ，５ｃの外周部に半導電層６を設けるとともに、近接して配置されるとともに異なる相に属するセグメントコイル４，５の上記半導電層６，６を、少なくとも１点Ｐにおいて接触するように構成している。
【００４２】
図５に示すように、上記半導電層６は、上記接触点を中心として、セグメントコイルの軸線に沿って両方向に、少なくともセグメントコイルの最大断面幅以上の領域に設けられる。たとえば、矩形断面を有するコイルを採用した場合、上記接触点を中心として、矩形断面の対角線長さ以上の領域に、上記半導電層６を設けるのが好ましい。また、本本実施形態では、セグメントコイルの最大断面幅以上で、かつ１００ｍｍ以下の範囲に、上記半導電層６を設けている。上記半導電層６の厚みは特に限定されることはなく、たとえば、５〜１００μｍの厚みで形成することができる。
【００４３】
また、図４に示すように、半導電層６は、表面抵抗率が、１×１０3〜１×１０9Ω／ｓｑに設定されるとともに、ＰＦＡやＦＥＰ等のフッ素系樹脂に導電材料を配合した熱収縮チューブを、上記接触点Ｐを中心として２００ｍｍの範囲に装着して構成されている。また、半導電性を有するカプトン粘着テープ（米国デュポン社の登録商標）、アラミド不織布（ニッカン工業株式会社、＃５１８３、６５μｍ）等のテープ材を採用できる。
【００４４】
上記半導電層６は、図４に示すように、１×１０3〜１×１０9Ω／ｓｑの表面抵抗を備えるため、部分放電開始電圧を１０００Ｖ以上に高めることができる。本実施形態では、上記接触点Ｐの前後１００ｍｍの範囲において、各セグメントコイル４，５の半導電層６，６が対向させられているとともに、これら半導電層６，６間の部分放電開始電圧が１０００Ｖ以上となるように設定している。このため、接触点Ｐの近傍における部分放電防止効果を得ることができるように構成している。
【００４５】
なお、半導電層を２００ｍｍ以上の領域に設ける場合は、確実な効果を得るために、２００ｍｍごとに接触点Ｐを設定するのが好ましい。上記のように半導電層６を設定することにより、これら領域において近接するセグメントコイル４，５間の部分放電開始電圧を１０００Ｖ以上に高めることができる。
【００４６】
上記半導電層６は、従来の部分放電を防止するために設けられる絶縁被覆層に比べて非常に薄く設定することができる。このため、ステータの重量やコストを増加させることなく、部分放電を効果的に防止することができる。
【００４７】
上述した実施形態は、電動機の異なる相に属するセグメントコイル４，５あるいは２４，２５について説明したが、実際は３つの相に属するセグメントコイルが各スロットに装着され、異なる相に属するこれらセグメントコイル間の各構造に上述した実施形態が適用される。
【００４８】
本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
セグメントコイルを採用したステータの占積率を低下させることなく、コイル間の部分放電を効果的に防止できる。
【符号の説明】
【００５０】
１    ステータ
２    環状コア
３    スロット
４    セグメントコイル
４ａ  コイルエンド部
４ｃ  コイルエンド部
５    セグメントコイル
５ａ  コイルエンド部
５ｃ  コイルエンド部
６    半導電層
９    絶縁被覆層
Ｐ    接触点
【図１】
0005890698.tif 000002
【図２】
0005890698.tif 000003
【図３】
0005890698.tif 000004
【図４】
0005890698.tif 000005
【図５】
0005890698.tif 000006