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JP2019088139A - ステータおよび回転電機 - Google Patents

ステータおよび回転電機 Download PDF

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JP2019088139A
JP2019088139A JP2017215715A JP2017215715A JP2019088139A JP 2019088139 A JP2019088139 A JP 2019088139A JP 2017215715 A JP2017215715 A JP 2017215715A JP 2017215715 A JP2017215715 A JP 2017215715A JP 2019088139 A JP2019088139 A JP 2019088139A
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slot
film
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JP2017215715A
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芳永 久保田
Yoshinaga Kubota
芳永 久保田
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

【課題】従来技術と比較して部分放電特性および占積率を向上させることができるステータおよび回転電機を提供する。
【解決手段】ステータコア11に装着され、芯線50が絶縁性の皮膜により被覆された複数のセグメント導体31により構成されたコイルを備え、複数のセグメント導体31は、スロット23内に配置される一対の挿入部40と、スロット23外に配置されるコイルエンド41と、を有し、コイルエンド41は、一対の挿入部40の間に配置される接続部41aと、ステータコア11の径方向に向かって曲げられた湾曲部41bと、を有し、挿入部40を覆う挿入部皮膜51aの皮膜厚は、コイルエンド41の接続部41aを覆う接続部皮膜51bの皮膜厚よりも薄くなっており、一のセグメント導体31の挿入部40と、他のセグメント導体31の挿入部40とは、スロット23内において互いに接して配置されている。
【選択図】図4

Description

本発明は、ステータおよび回転電機に関するものである。
従来、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源として回転電機が使用されている。回転電機は、スロットを有するステータコアと、一部がスロット内に配置されてステータコアに装着されるコイルと、を有する。コイルは、芯線が絶縁性の皮膜により覆われた複数の導体により形成される(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の導体は、芯線が三層の皮膜により覆われている。特許文献1に記載の技術によれば、導体密着性や可とう性を低下させることなく、部分放電特性を向上させることができるとされている。
特開2014−203585号公報
しかしながら、上述した特許文献1に記載の導体にあっては、芯線が三層の皮膜により覆われているため、芯線が一層の皮膜で覆われた一般的な導体と比較して皮膜が厚くなる。このため、ステータコアのスロット内における芯線の占積率(以下、単に占積率という。)が低下する。したがって、従来技術にあっては、部分放電特性および占積率を向上させるという点で課題があった。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みたものであって、従来技術と比較して部分放電特性および占積率を向上させることができるステータおよび回転電機を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に記載の発明に係るステータ(後述の実施形態のステータ3)は、スロット(後述の実施形態のスロット23)が設けられたステータコア(後述の実施形態のステータコア11)に装着され、芯線(後述の実施形態の芯線50)が絶縁性の皮膜(後述の実施形態の皮膜51)により被覆された平角線を含む複数のセグメント導体(後述の実施形態のセグメント導体31)により構成されたコイル(後述の実施形態のコイル12)を備え、前記複数のセグメント導体は、前記スロット内に配置される一対の挿入部(後述の実施形態の挿入部40)と、前記スロット外に配置され、前記一対の挿入部を接続するコイルエンド(後述の実施形態のコイルエンド41)と、を有し、前記コイルエンドは、前記一対の挿入部の間に配置される接続部(後述の実施形態の接続部41a)と、前記接続部と前記挿入部との間に配置され、前記ステータコアの径方向に向かって曲げられた湾曲部(後述の実施形態の湾曲部41b)と、を有し、前記挿入部の皮膜厚は、前記コイルエンドのうち、少なくとも前記接続部の皮膜厚よりも薄くなっており、一の前記セグメント導体の前記挿入部と、他の前記セグメント導体の前記挿入部とは、前記スロット内において互いに接して配置されていることを特徴としている。
また、請求項2に記載の発明に係るステータは、一の前記セグメント導体の前記湾曲部と、他の前記セグメント導体の前記湾曲部との間には、間隙(後述の実施形態の間隙G)が設けられていることを特徴としている。
また、請求項3に記載の発明に係るステータは、一の前記セグメント導体の前記接続部と、他の前記セグメント導体の前記接続部とは、主面(後述の実施形態の主面S)が対向するように配置され、前記主面に対応した第一領域(後述の実施形態の第一領域D1)の皮膜厚は、前記第一領域以外の第二領域(後述の実施形態の第二領域D2)の皮膜厚よりも厚くなっていることを特徴としている。
また、請求項4に記載の発明に係るステータは、前記湾曲部は、前記ステータコアの径方向の外側に向かって曲げられていることを特徴としている。
また、請求項5に記載の発明に係る回転電機(後述の実施形態の電動機1)は、上述のステータを有することを特徴としている。
本発明の請求項1に記載のステータによれば、コイルエンドは、ステータコアの径方向に向かって曲げられた湾曲部を備えるので、湾曲部を備えていない場合と比較して、ステータを軸方向に薄型化することができる。
また、スロット内に配置される一対の挿入部の皮膜厚は、コイルエンドのうち少なくとも接続部の皮膜厚よりも薄くなっているので、挿入部の皮膜厚とコイルエンドのうち少なくとも接続部の皮膜厚とが同一の場合と比較して、スロット内における占積率を向上させることができる。また、部分放電の生じやすいコイルエンドの接続部の皮膜厚は、挿入部の皮膜厚よりも厚くなっているので、部分放電の発生を防止できる。したがって、本発明のステータによれば、従来技術と比較して部分放電特性および占積率を向上させることができる。これにより、本発明のステータは、銅損を低減できるとともに部分放電開始電圧を上昇させることができるので、従来技術と比較して出力の向上、または出力を従来技術と同等に維持しつつ体格を低減することができる。
本発明の請求項2に記載のステータによれば、コイルを構成する一のセグメント導体の湾曲部と、他のセグメント導体の湾曲部との間に間隙が設けられているので、コイルエンドの皮膜厚と挿入部の皮膜厚との膜厚差を吸収しつつ、スロット内に配置される一のセグメント導体の挿入部と、他のセグメント導体の挿入部とを、確実に密着させることができる。したがって、本発明のステータによれば、従来技術と比較して占積率をさらに向上させることができる。
本発明の請求項3に記載のステータによれば、一のセグメント導体の接続部と、他のセグメント導体の接続部とは、主面が対向するように配置され、主面に対応した第一領域の皮膜厚は、第一領域以外の第二領域の皮膜厚よりも厚くなっているので、部分放電の生じやすいコイルエンドにおける接続部の部分放電開始電圧を上昇させることができる。したがって、本発明のステータによれば、従来技術と比較して部分放電特性をさらに向上させることができる。
本発明の請求項4に記載のステータによれば、湾曲部は、ステータコアの径方向の外側に向かって曲げられているので、ステータコアの径方向の内側に配置されるロータとの干渉を確実に回避しつつ、デッドスペースを有効に活用したコンパクトなステータを構成することができる。
本発明の請求項5に記載の回転電機によれば、上述のステータを備えていることにより、部分放電特性および占積率を向上させることができる。これにより、本発明の回転電機は、銅損を低減できるとともに部分放電開始電圧を上昇させることができるので、従来技術と比較して出力の向上、または出力を従来技術と同等に維持しつつステータの体格を低減することができる。したがって、本発明によれば、高性能な回転電機とすることができる。
実施形態のステータを備える電動機の全体構成を示す断面図である。 ステータの一部を示す断面図である。 巻線に含まれる1つのセグメントコイルを示す斜視図である。 1つのセグメント導体を示す斜視図である。 コイルエンドの湾曲部の拡大図である。 実施形態の変形例に係るステータの説明図であって、セグメントコイルを径方向の内側から見たときの図である。 図6におけるVII−VII線に沿う断面図である。
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
(実施形態)
図1は、実施形態のステータを備える電動機の全体構成を示す断面図である。
実施形態に係る電動機1(請求項の「回転電機」に相当。)は、ケース2と、ステータ3と、ロータ4と、出力シャフト5と、を備える。
本実施形態の電動機1は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車のような車両に搭載される走行用モータである。ただし、本実施形態の構成は、上記例に限られず、車両に搭載される発電用モータ等のその他の用途のモータにも適用可能である。また、本実施形態の構成は、車両に搭載される以外の回転電機であって、発電機を含むいわゆる回転電機全般に適用可能である。
ケース2は、例えばステータ3およびロータ4を収容する筒状に形成されている。
ステータ3は、環状に形成されて、例えばケース2の内周面に取り付けられている。ステータ3は、ステータコア11と、ステータコア11に取り付けられたコイル12とを有し、ロータ4に対して回転磁界を作用させる。
ロータ4は、例えば、ロータコアと、ロータコアに取り付けられた磁石とを有し、ステータ3の内側で回転駆動される。
出力シャフト5は、ロータ4に接続されて、ロータ4の回転を駆動力として出力する。
なお、以下の説明では、出力シャフト5の軸線Cに沿う方向を単に軸方向といい、軸線Cに直交する方向を径方向といい、軸線C周りの方向を周方向という場合がある。
図2は、ステータの一部を示す断面図である。
図2に示すように、ステータ3は、ステータコア11と、コイル12とを備える。なお、ステータ3には、スロット23内において樹脂層や例えばワニス等の充填固着物がさらに備えられる場合があるが、本願においては説明の便宜上、図示および説明を省略する。
ステータコア11は、ロータ4を囲む環状に形成されている。ステータコア11は、例えば周方向に分割された複数のピースが互いに連結されることで形成される分割型ステータコアでもよく、複数枚の電磁鋼板が軸方向に積層されることで形成される積層型ステータコアでもよい。
ステータコア11は、環状のヨーク部21と、複数のティース部22と、複数のスロット23とを有する。複数のティース部22は、ヨーク部21からステータコア11の径方向の内側に向けて突出している。各スロット23は、ステータコア11の周方向において互いに隣り合う2つのティース部22の間に形成されている。各スロット23は、ステータコア11の軸方向にステータコア11を貫通している。
各スロット23は、コイル12に面する内面23iを有する。なお、本願における「面する」とは、直接に面する場合に限られず、他の部材(例えば樹脂層やワニス等の充填固着物)を介在させて面する場合も含む。
図2に示すように、各スロット23の内面23iは、一対の側面23a,23bと、底面23cと、一対の先端部端面23d,23eとを有する。一対の側面23a,23bは、互いに異なるティース部22によって形成され、ステータコア11の周方向に互いに離れている。一対の側面23a,23bは、互いに略平行となっている。底面23cは、一対の側面23a,23bにおける径方向の外側の端部同士を接続している。一対の先端部端面23d,23eは、一対の側面23a,23bにおける径方向の内側の端部から互いに近づくように延びている。
本実施形態のスロット23は、径方向の内側が開放されたオープンスロットとなっており、一対のティース部22の先端部の間に形成されたスリット24を有する。スリット24は、ステータコア11の径方向でスロット23に連通している。スリット24の周方向の幅は、スロット23の周方向の幅(すなわち、一対の側面23a,23bの離間距離)よりも狭くなっている。
コイル12は、ステータコア11のスロット23に収容されて、ステータコア11に装着されている。コイル12は、U相、V相およびW相からなる三相コイルである。本実施形態のコイル12は、互いに連結されて使用される複数のセグメントコイル30によって形成されている。
図3は、巻線に含まれる1つのセグメントコイルを示す斜視図である。
図3に示すように、1つのセグメントコイル30は、複数(例えば4つ)のセグメント導体31を有する。セグメント導体31の芯線50は例えば平角線である。セグメント導体31の断面形状は、長方形に形成されている。なお、コイル12に関して本願における「断面」または「断面形状」とは、ステータコア11の軸方向に略直交する平面に沿う断面または断面形状を意味する。
詳細は後述するが、セグメントコイル30の各セグメント導体31は、芯線50の外面が絶縁性の皮膜51で被覆されている。
各セグメント導体31は、一対の挿入部40と、コイルエンド41と、一対の連結部42A,42Bとを有する。一対の挿入部40は、例えば不図示の絶縁紙に覆われた状態で互いに異なるスロット23に分けて収容される。複数のスロット23に分かれて収容される複数のセグメントコイル30は、ステータコア11の周方向において、U相、U相、V相、V相、W相、W相、U相、U相・・・の順に配列されている。
コイルエンド41は、スロット23の外部に配置されるとともに、一対の挿入部40を接続しており、接続部41aと、湾曲部41bと、を有している。
接続部41aは、一対の挿入部40の間に配置されている。接続部41aは、軸方向から見て、径方向の外側に向かって膨出するように形成されている。
湾曲部41bは、接続部41aと一対の挿入部40との間に、それぞれ配置されている。それぞれの湾曲部41bは、互いに近づくように、かつ、ステータコア11の径方向の外側に向かって曲げられている。
連結部42A,42Bは、挿入部40に対してコイルエンド41とは反対側に位置するとともに、スロット23の外部に配置されている。一方の連結部42Aは、別のセグメントコイル30の連結部42BとTIG溶接やレーザ溶接等で接合される。他方の連結部42Bは、さらに別のセグメントコイル30の連結部42AとTIG溶接やレーザ溶接等で接合される。これにより、複数のセグメントコイル30は、順次連結されている。なお、接合された各連結部42A,42Bには、例えば紛体絶縁による塗装が施される。これにより、連結部42A,42Bの絶縁が確保される。
セグメントコイル30は、ステータコア11の軸方向に沿って、ステータコア11の外部からスロット23に挿入される。具体的には、セグメントコイル30は、連結部42A,42Bが挿入部40に沿った直線状態で、スロット23に挿入される。セグメントコイル30は、挿入部40がスロット23に挿入された後、挿入部40に対して連結部42A,42Bが曲げられることにより、他のセグメントコイル30と連結可能となっている。
図4は、1つのセグメント導体を示す斜視図である。なお、図4においては、説明を分かりやすくするために、セグメントコイル30を構成する複数のセグメント導体のうち、1つのセグメント導体31を図示しており、他のセグメント導体の図示は省略している。また、後述するセグメント導体31の皮膜51の膜厚差については、誇張して図示している。なお、図4において、図示が省略された他のセグメント導体と、図示された1つのセグメント導体31とは、基本的な構成が同一である。
図4に示すように、セグメント導体31は、芯線50が絶縁性の皮膜51により覆われている。皮膜51は、例えばエナメル層である。
皮膜51は、挿入部40を覆う挿入部皮膜51aと、コイルエンド41のうち接続部41aを覆う接続部皮膜51bと、コイルエンド41のうち湾曲部41bを覆う湾曲部皮膜51cと、を有する。
挿入部40を覆う挿入部皮膜51aは、挿入部40の全体にわたって略均一の膜厚となっている。
接続部41aを覆う接続部皮膜51bは、接続部41aの全体にわたって略均一の膜厚となっている。
湾曲部41bを覆う湾曲部皮膜51cは、湾曲部41bの全体にわたって略均一の膜厚となっている。
ここで、挿入部40を覆う挿入部皮膜51aの皮膜厚をd1とし、コイルエンド41の接続部41aを覆う接続部皮膜51bの皮膜厚をd2としたとき、
d1<d2・・・(1)
を満足するように設定されている。すなわち、挿入部40を覆う挿入部皮膜51aの皮膜厚d1は、コイルエンド41の接続部41aを覆う接続部皮膜51bの皮膜厚d2よりも薄くなるように設定されている。
なお、本実施形態においては、コイルエンド41の湾曲部41bを覆う湾曲部皮膜51cの膜厚は、挿入部40を覆う挿入部皮膜51aの膜厚と略同一となっている。
図5は、コイルエンドの湾曲部の拡大図である。なお、図5においては、ステータコア11を二点鎖線で図示している。また、図5における紙面表裏方向が径方向となっており、湾曲部41bが曲げられている方向(図5における左側)がステータコアの径方向の外側となっている。
図5に示すように、上述したセグメント導体31は、スロット23内に複数並んで配置されることによりコイル12を構成する。このとき、複数並んで配置されたセグメント導体31の湾曲部41bの曲げRは、径方向の外側から径方向の内側(図5における左側から右側)に向かって、大きくなるように形成されている。すなわち、複数並んで配置されたセグメント導体31の湾曲部41bの曲げRは、径方向の最も外側に位置するセグメント導体31が最も小さく、径方向の最も内側に位置するセグメント導体31が最も大きくなるように形成されている。
ここで、湾曲部皮膜51cの膜厚は、挿入部皮膜51aの膜厚と略同一となっており、かつ接続部皮膜51bよりも薄くなっている。このため、セグメント導体31が複数並んで配置されることにより形成されたコイル12において、隣り合う一のセグメント導体31の湾曲部41bと、他のセグメント導体31の湾曲部41bとの間には、間隙Gが設けられる。
コイル12を構成する一のセグメント導体31の湾曲部41bと、他のセグメント導体31の湾曲部41bとの間に間隙Gを設けることにより、接続部皮膜51bの皮膜厚とコイルエンド41における挿入部皮膜51aの皮膜厚との膜厚差を吸収しつつ、スロット23内に配置される一のセグメント導体31の挿入部40と他のセグメント導体31の挿入部40とが確実に密着する。これにより、スロット23内に配置される一のセグメント導体31の占積率は、従来技術と比較してさらに向上する。
上述の実施形態のステータ3によれば、コイルエンド41は、ステータコア11の径方向に向かって曲げられた湾曲部41bを備えるので、湾曲部41bを備えていない場合と比較して、ステータ3を軸方向に薄型化することができる。
また、スロット23内に配置される一対の挿入部40を覆う挿入部皮膜51aの皮膜厚d1は、コイルエンド41の接続部41aを覆う接続部皮膜51bの皮膜厚d2よりも薄くなっているので、挿入部皮膜51aの皮膜厚d1と接続部皮膜51bの皮膜厚d2とが同一の場合と比較して、スロット23内における占積率を向上させることができる。また、部分放電の生じやすいコイルエンド41の接続部41aを覆う接続部皮膜51bの皮膜厚d2は、挿入部皮膜51aの皮膜厚d1よりも厚くなっているので、部分放電の発生を防止できる。したがって、本実施形態のステータ3によれば、従来技術と比較して部分放電特性および占積率を向上させることができる。これにより、本実施形態のステータ3は、銅損を低減できるとともに部分放電開始電圧を上昇させることができるので、従来技術と比較して出力の向上、または出力を従来技術と同等に維持しつつ体格を低減することができる。
また、本実施形態のステータ3によれば、コイル12を構成する一のセグメント導体31の湾曲部41bと、他のセグメント導体31の湾曲部41bとの間に間隙Gが設けられているので、コイルエンド41における接続部皮膜51bの皮膜厚d2と挿入部皮膜51aの皮膜厚d1との膜厚差を吸収しつつ、スロット23内に配置される一のセグメント導体31の挿入部40と他のセグメント導体31の挿入部40とを確実に密着させることができる。したがって、本実施形態のステータ3によれば、従来技術と比較して占積率をさらに向上させることができる。
また、本実施形態のステータ3によれば、湾曲部41bは、ステータコア11の径方向の外側に向かって曲げられているので、ステータコア11の径方向の内側に配置されるロータ4との干渉を確実に回避しつつ、デッドスペースを有効に活用したコンパクトなステータ3を構成することができる。
また、本実施形態の電動機1によれば、上述のステータ3を備えていることにより、部分放電特性および占積率を向上させることができる。これにより、本実施形態の電動機1は、銅損を低減できるとともに部分放電開始電圧を上昇させることができるので、従来技術と比較して出力の向上、または出力を従来技術と同等に維持しつつステータ3の体格を低減することができる。したがって、本実施形態によれば、高性能な電動機1とすることができる。
(実施形態の変形例)
図6は、実施形態の変形例に係るステータの説明図であって、セグメントコイルを径方向の内側から見たときの図である。なお、図6においては、分かりやすくするために、2本のセグメント導体31を図示しており、残りのセグメント導体31については図示を省略している。
図7は、図6におけるVII−VII線に沿う断面図である。
上述の実施形態のステータ3では、接続部41aを覆う接続部皮膜51bは、接続部41aの全体にわたって略均一の膜厚となっていた。
これに対して、図6および図7に示す実施形態の変形例のステータのように、接続部41aを覆う接続部皮膜51bは、所定の第一領域D1において他の第二領域D2よりも厚くなるように構成されていてもよい。以下、詳細を説明する。
図6および図7に示すように、実施形態の変形例に係るステータのセグメントコイル30は、一のセグメント導体31の接続部41aと、他のセグメント導体31の接続部41aとは、互いに主面Sが対向するように配置されている。
ここで、図7に示すように、主面Sに対応した第一領域D1の皮膜厚をt1とし、第一領域D1以外の第二領域D2の皮膜厚をt2としたとき、
t1>t2・・・(2)
を満足するように設定されている。すなわち、主面Sに対応した第一領域D1の皮膜厚t1は、第一領域D1以外の第二領域D2の皮膜厚t2よりも厚くなっている。
実施形態の変形例によれば、一のセグメント導体31の接続部41aと、他のセグメント導体31の接続部41aとは、主面Sが対向するように配置され、主面Sに対応した第一領域D1の皮膜厚t1は、第一領域D1以外の第二領域D2の皮膜厚t2よりも厚くなっているので、部分放電の生じやすいコイルエンド41における接続部41aの部分放電開始電圧を上昇させることができる。したがって、実施形態の変形例によれば、従来技術と比較して部分放電特性をさらに向上させることができる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態および実施形態の変形例に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
上述の実施形態および実施形態の変形例では、1つのスロット23内に8つのセグメント導体31が配置されていたが、1つのスロット23内に配置されるセグメント導体31の数は限定されない。
上述の実施形態および実施形態の変形例では、コイルエンド41の湾曲部41bを覆う湾曲部皮膜51cの膜厚と、挿入部40を覆う挿入部皮膜51aの膜厚とが略同一となっており、接続部皮膜51bと湾曲部皮膜51cとの接続部分に段差を有していた(図5参照)。これに対して、例えば、挿入部40から接続部41aに向かって、湾曲部皮膜51cの膜厚を漸次厚くすることにより、湾曲部皮膜51cと接続部皮膜51bとを滑らかに接続してもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
1 電動機(回転機械)
3 ステータ
11 ステータコア
12 コイル
23 スロット
31 セグメント導体
40 挿入部
41 コイルエンド
41a 接続部
41b 湾曲部
50 芯線
51 皮膜
d1 挿入部の皮膜厚
d2 接続部の皮膜厚
D1 第一領域
D2 第二領域
t1 第一領域の皮膜厚
t2 第二領域の皮膜厚
G 間隙
S 主面

Claims (5)

  1. スロットが設けられたステータコアに装着され、芯線が絶縁性の皮膜により被覆された平角線を含む複数のセグメント導体により構成されたコイルを備え、
    前記複数のセグメント導体は、
    前記スロット内に配置される一対の挿入部と、
    前記スロット外に配置され、前記一対の挿入部を接続するコイルエンドと、
    を有し、
    前記コイルエンドは、前記一対の挿入部の間に配置される接続部と、前記接続部と前記挿入部との間に配置され、前記ステータコアの径方向に向かって曲げられた湾曲部と、を有し、
    前記挿入部の皮膜厚は、前記コイルエンドのうち、少なくとも前記接続部の皮膜厚よりも薄くなっており、
    一の前記セグメント導体の前記挿入部と、他の前記セグメント導体の前記挿入部とは、前記スロット内において互いに接して配置されていることを特徴とするステータ。
  2. 一の前記セグメント導体の前記湾曲部と、他の前記セグメント導体の前記湾曲部との間には、間隙が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のステータ。
  3. 一の前記セグメント導体の前記接続部と、他の前記セグメント導体の前記接続部とは、主面が対向するように配置され、
    前記主面に対応した第一領域の皮膜厚は、前記第一領域以外の第二領域の皮膜厚よりも厚くなっていることを特徴とする請求項1または2に記載のステータ。
  4. 前記湾曲部は、前記ステータコアの径方向の外側に向かって曲げられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のステータ。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載のステータを有することを特徴とする回転電機。
JP2017215715A 2017-11-08 2017-11-08 ステータおよび回転電機 Pending JP2019088139A (ja)

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