JP2005110493A - 回転電機巻線コイルの加熱処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線コイルにワニスを含浸させて硬化させる一連の工程において、巻線コイルを短時間で均一に加熱する。
【解決手段】回転電機の巻線コイルＳｃにワニスを含浸させて硬化させる工程における回転電機巻線コイルの加熱処理方法は、予備乾燥、ゲル化及び硬化の工程において、巻線コイルに高周波電源装置１から予め制御部１４に設定した条件に従い商用電源よりも周波数の高い高周波電力を直接投入して、巻線コイルの内部からの自己発熱及び誘導加熱の併用により、巻線コイルを加熱する。巻線コイルの温度は、検出手段１５から制御部に入る情報により、高周波発生部１３の制御により調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機、発電機、電動発電機等の回転電機の製造に係り、特に、回転電機の巻線コイルを含浸ワニスの硬化により固定する技術に関する。

電動機や発電機等の回転電機の固定子等の製造工程の中には、挿入された巻線コイルの絶縁強化、耐振、耐油、耐薬品、放熱性等の向上を目的として巻線コイルにワニスを塗布して硬化させる含浸ワニス工程がある。この含浸ワニス工程には、ワニス滴下工程のほかに、その前処理及び後処理のための加熱処理工程として、図４に処理フローを示すような予備乾燥、ゲル化、硬化の工程がある。

従来の一般的加熱方法としては、図５に示すようなオーブン加熱、図６に示すような熱風循環炉等による加熱が知られている。図５に示すオーブン加熱では、ワーク（図は、巻線コイル挿入済みの固定子を示す）をオーブン内に入れてヒータ加熱された空気により加熱する方法が採られる。したがって、この方法はバッチ処理となる。また、図６に示す熱風循環炉による加熱では、炉内のトンネルをワークを通過させながら、同じくヒータ加熱された空気で加熱する方法が採られる。この方法は、オーブン加熱とは異なり、連続処理が可能となる。

ところで、従来の加熱方法には次のような問題点がある。
（１）従来の加熱方法では、ヒータを熱源として空気を温めてから、加熱された空気でワークを表面側から温める加熱が行われるため、ワークの深部に当たるコイルエンド内、スロット内を確実に温めるには長時間を要し、特にワニスを硬化させるには、３〜５時間程度にも及ぶ長い加熱時間を要する。
（２）上記のように長時間の工程となることで、生産性を上げるためには、バッチ式で一度に大量処理するのが有利であるが、バッチ処理では、設備も大型となってスぺースが広く必要となり、少量生産には不向きとなる。また、連続処理では、生産量に関係なく炉の長さが極めて長くなる。
（３）ワニス工程での品質不良が後の工程で発見された場合、同一処理された大量の製品は不良品扱いとなり、後の工程では手直しはできないので、破棄しなけらばならないため、製品ロスが多く発生する。
（４）ワニスの硬化処理は、加熱している空気の温度で管理されるが、加熱空気の温度管理では、実際にコイルにかかる温度は不明であり、ワニス硬化状態は、詳細には把握できない。

なお、回転電機のワニス含浸処理を開示する技術として、特許文献１記載の技術がある。
特開平７−３１１０８号公報

本発明は、上記のような事情に鑑み案出されたものであり、回転電機の製造における巻線コイルにワニスを含浸させて硬化させる一連の工程において、巻線コイルを短時間で均一に加熱することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、回転電機の巻線コイルにワニスを含浸させて硬化させる工程における回転電機巻線コイルの加熱処理方法において、前記巻線コイルに商用電源よりも周波数の高い高周波電力を直接投入して、巻線コイルの内部からの自己発熱及び誘導加熱の併用により、巻線コイルを加熱することを特徴とする。
なお、上記商用電源とは、電力供給業者から供給されている５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの電源又はこれに準じる電源であって、商用３相電力を発する商用３相電源を含む概念である。

上記の構成において、前記加熱処理は、巻線コイルの予備乾燥工程、巻線コイルに含浸させたワニスのゲル化工程及び硬化処理工程の少なくともいずれか１つの工程に適用される。

次に、本発明は、回転電機の巻線コイルにワニスを含浸させて硬化させる工程における回転電機巻線コイルの加熱処理に使用する装置において、商用３相電力を単相又は多相であって周波数を高めた高周波電力に変換して巻線コイルに投入する高周波電源装置と、巻線コイルの温度に関連する情報を取得する温度情報取得手段を備え、前記高周波電源装置は、温度情報取得手段により取得される巻線コイルの温度関連情報に基づき、巻線コイルへの投入電力を制御する制御部を有することを特徴とする。

上記の構成において、前記高周波電源装置は、加熱処理工程の内容に応じて巻線コイルへの投入電力を設定する設定手段を有するものとするのが有効である。また、前記温度情報検出手段は、巻線コイルに内蔵された温度センサで構成することが望ましい。

上記請求項１に記載の構成では、巻線コイルに上記の商用電源よりも周波数の高い高周波電力を直接投入することで、巻線コイルの内部からの自己発熱及び誘導加熱の併用によって巻線コイルを加熱することができる。したがって、この構成によれば、巻線コイルを表面からの加熱により温める方法に比べて、より均一な加熱処理がなされる。しかも、巻線コイル自身の発熱による効率の良い加熱となるため、処理時間が大幅に短縮される。また、巻線コイルを加熱する装置として、オーブン、熱風循環炉等の大型装置は必要とせず、巻線コイルへの電力供給のための高周波電源装置が必要なだけとなるので、加熱設備の小型化が可能となる。

また、請求項２に記載の発明のように、前記回転電機は三相交流モータであり、上記巻線コイルに直接投入する上記高周波電力は、三相交流電力であることが好ましい。この場合には、上記高周波電力とモータの相数が同じであるので、制御が容易になり、加熱精度の向上を図ることができる。

また、請求項３に記載の構成では、上記処理時間の短縮を生かして、巻線コイルの予備乾燥工程、巻線コイルに含浸させたワニスのゲル化工程及び硬化処理工程の少なくともいずれか１つの工程を大幅に時間短縮できる。

次に、請求項４に記載の構成では、上記のような均一加熱、高効率による短時間加熱の効果を達成可能な設備を、極めて小型の設備で実現できる。

また、請求項５に記載の発明のように、上記加熱処理装置においては、前記回転電機は三相交流モータであり、上記高周波電源装置は、三相交流電力を発するよう構成されていることが好ましい。これにより、高周波電源装置と回転電機との接続を簡単にすることができ、かつ、制御も容易にすることができる。
上記三相交流電力を発する高周波電源装置としては、例えば、インバータ電源装置がある。インバータ電源装置は、例えば、ダイオード整流器からなるコンバータ部、平滑コンデンサからなる平滑部、及びＩＧＢＴインバータからなるＩＧＢＴインバータ部を備えた構成を有しており、任意の周波数の近似正弦波電圧を出力することで、とぎれることなく電力をモータに供給することができるという特有の効果を得ることができる。

また、請求項６に記載の構成では、各工程での処理目的に応じて、最適な加熱条件での処理が可能となる。

また、請求項７に記載の構成では、回転電機の運転制御のために巻線コイルに組込まれる必須部品を温度情報の取得に利用した加熱処理が可能となる。

本発明における加熱処理は、回転電機の巻線コイルにワニスを含浸させて硬化させる工程における巻線コイルの予備乾燥工程、巻線コイルに含浸させたワニスのゲル化工程及び硬化処理工程の全てに適用するのが有効である。また、巻線コイルの温度関連情報の取得には、巻線コイルに組込まれる必須部品であるサーミスタを用いるのが望ましい。

（実施例１）
本発明を３相コイルを組込んだ固定子の製造に適用する場合を例として説明する。図１は実施例１の回転電機巻線コイルの加熱処理装置をブロックで示す。図示するように、この装置は、高周波電源装置１を主体として構成されている。高周波電源装置１は、商用の３相２００Ｖ電源２にノイズ除去用のトランス３を介して接続するものとされている。この例の高周波電源装置１は、ノイズ除去により波形の乱れのない３相電流を直流に変換する、例えばコンバータからなる整流部１１と、整流部１１で整流された脈流を平滑化する、例えばコンデンサからなる平滑部１２と、平滑化された直流を単相２０ｋＨｚ程度の高周波電流に変換する、例えばインバータからなる高周波発生部１３を備えて構成されている。この高周波発生部１３は、制御部１４により制御するものとされ、制御部１４へは温度情報と制御条件が入力されるように、例えば巻線コイルＳｃに組込まれたサーミスタを検出素子とする温度情報取得手段１５と、加熱条件の条件入力手段１６が接続されている。なお、図１において、符号Ｓは、処理対象のワークとしての回転電機の巻線コイル挿入済みの固定子を示す。

上記の構成からなる加熱処理装置の高周波電源装置１の高周波電流の出力側を、適宜の治具に設置したワークＳの３相巻線コイルＳｃに接続し、Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の巻線の順に電力を投入すると、ワークＳは、巻線コイルＳｃの内部からの自己発熱及び誘導加熱により自身で内部から発熱する。本例では、この発熱を利用して巻線コイルＳｃの加熱処理を行う。次に示す図２は、各工程での処理内容と、コイル温度の関係を、横軸を時間、縦軸を巻線コイル温度で表す温度チャートである。このチャートは、一般的な加熱処理工程の手順に従うもので、当初の巻線コイルの残留ストレス及び水分の除去のための予備乾燥、予備乾燥により温度上昇した巻線コイルをワニスの含浸に適した温度にするための冷却、適温でのワニスの滴下、滴下したワニスのゲル化のための加熱及び温度保持、硬化のための加熱（２００°Ｃ程度）の継続及び最後の常温に戻すための冷却の各工程を示す。これらの工程のうち、本例による加熱処理は、当初の予備乾燥のための加熱、ゲル化のための加熱及び硬化のための加熱に適用されている。これらの処理は、サーミスタ１５が取得する温度をモニタしながら制御部１４に設定された温度チャートに沿うように、制御部１４から高周波発生部１３に信号を伝達させて、高周波発生部１３から電流又は時間制御された電力を出力させる操作として行われる。そして、ワークＳに電力を所定時間通電して加熱する。

上記の処理内容から明らかなように、本実施例による加熱処理は、高周波電源装置１とワークＳの結線のみにより実行されるため、特にワークＳを取り囲む装置を要することなく行われる。したがって、加熱処理位置にワニス滴下のための装置を配置して、従来のオーブンや熱風循環炉による加熱処理のように、ワニスの滴下のためのステージ替えをなくし、予備乾燥から硬化までの全ての処理を１ステージで実施することも可能である。

以上詳述したように、この実施例によれば、巻線コイルＳｃに高周波電力を直接投入することで、巻線コイルＳｃの内部からの自己発熱及び誘導加熱の併用によって、予備乾燥、ゲル化、硬化処理を短時間（０．５〜１時間程度）で加熱処理できる。また、巻線コイルＳｃを加熱する装置として、オーブン、熱風循環炉等の大型装置は必要とせず、高周波電源装置１のみの使用で装置を小型化できる。更に、万一、不良品が発生した場合でも、処理時間が短いことで、処理結果も短時間で分かるため、早期に不良品を発見でき、ロスを最小限に抑えることができる。しかも、巻線コイルＳｃに組込まれているサーミスタ１５を用いて、温度関連情報としての巻線コイル温度自体あるいは温度により変化する抵抗をモニタして温度制御することで、ワニス硬化を確実に行うことができ、品質が安定する。

なお、温度関連情報の取得手段は、サーミスタに限るものではなく、非接触温度計、熱電対、サーモトレサー等でも代用できる。また、高周波電力を投入すると、誘導加熱によりワークＳを支持している冶具（ワークとしての固定子を内径側で支持する内径チャック、ワークを適宜回転させながら支持する回転台等が想定される）の材質に鉄等の磁性体を使用すると、治具が高温となって、巻線コイルＳｃに冶具温度が伝達されて、温度のばらつきを生じてしまう。このため、冶具の材質には、導伝率の高いアルミニウム、銅及びセラミック等の材質のものを使用して、冶具の発熱を抑えることが望ましい。そうすることで、コイル温度のバラッキを発生させずに済む。

（実施例２）
本例は、実施例１における高周波電源装置１の構成を変更した例である。
すなわち、図３に示すごとく、本例の高周波電源装置１は、商用の３相２００Ｖ電源２に接続されるインバータ電源１０１と、このインバータ電源１０１を制御する制御部１０４と、インバータ電源１０１とワークＳとを接続する端子接続部１０２とを有している。制御部１０４には、周波数、電圧等の条件を設定するための操作部１０６が接続されている。さらに、制御部１０４には、温度情報取得手段としてのサーミスタ１５に繋がった温度検出部１０５が接続されている。

上記インバータ電源１０１は、商用電源よりも周波数の高い（例えば２０ｋＨｚ）三相交流電力を発するように構成されており、実施例１のような単相電力を供給する場合と異なり、インバータ電源１０１の外部でスイッチングすることなく直接的にＵＶＷ相の巻線コイルＳｃにそれぞれ接続される。

インバータ電源１０１の構成は、コンバータ回路とインバータ回路を内蔵したものであり、インバータ回路としていわゆるパワートランジスタであるＩＧＢＴを採用している。そして、このようなインバータ電源１０１を用いることにより、実施例１の場合よりも高周波電源装置１を小型化することができると共に、設備コストの低減を図ることができる。また、出力電圧を１２０°位相の高速スイッチングで出力することができ、回転電気の各相間に均一に電圧を印加することができる。そして、これにより、各相間の切り替え時の通電ロスとなるデッドタイムがなくなり、各相のコイルを均等に温度上昇させることができる。

また、本例では、上記のごとく、三相交流電力を巻線コイル全てに同時に直接投入できる。そのため、実施例１の場合よりも加熱効率を高めることができ、投入電力の低減、処理時間の短縮等を図ることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。

本発明は、一般的な多相回転電機の固定子又は回転子に広く適用可能なものであり、例えば、３相の誘導電動機や発電機における、３相コイルの加熱に適用可能なものである。

実施例１の加熱処理装置を示すブロック図である。 実施例１の各処理の温度チャートである。 実施例２の加熱処理装置を示すブロック図である。 一般的含浸ワニス工程の説明図である。 従来のオーブン加熱処理を概念的に示す模式図である。 従来の熱風循環炉による加熱処理を概念的に示す模式図である。

符号の説明

Ｓｃ 巻線コイル
１ 高周波電源装置
１４ 制御部
１５ 温度センサ（温度情報取得手段）
１６ 設定手段

Claims (7)

1. 回転電機の巻線コイルにワニスを含浸させて硬化させる工程における回転電機巻線コイルの加熱処理方法において、
   前記巻線コイルに商用電源よりも周波数の高い高周波電力を直接投入して、巻線コイルの内部からの自己発熱及び誘導加熱の併用により、巻線コイルを加熱することを特徴とする回転電機巻線コイルの加熱処理方法。
2. 請求項１において、前記回転電機は三相交流モータであり、上記巻線コイルに直接投入する上記高周波電力は、三相交流電力であることを特徴とする回転電機巻線コイルの加熱処理方法。
3. 請求項１又は２において、前記加熱処理は、巻線コイルの予備乾燥工程、巻線コイルに含浸させたワニスのゲル化工程及び硬化処理工程の少なくともいずれか１つの工程に適用されることを特徴とする回転電機巻線コイルの加熱処理方法。
4. 回転電機の巻線コイルにワニスを含浸させて硬化させる工程における回転電機巻線コイルの加熱処理に使用する装置において、
   商用３相電力を単相又は多相であって周波数を高めた高周波電力に変換して巻線コイルに投入する高周波電源装置と、巻線コイルの温度に関連する情報を取得する温度情報取得手段を備え、前記高周波電源装置は、温度情報取得手段により取得される巻線コイルの温度関連情報に基づき、巻線コイルへの投入電力を制御する制御部を有することを特徴とする回転電機巻線コイルの加熱処理装置。
5. 請求項４において、前記回転電機は三相交流モータであり、上記高周波電源装置は、三相交流電力を発するよう構成されていることを特徴とする回転電機巻線コイルの加熱処理装置。
6. 請求項４又は５において、前記高周波電源装置は、加熱処理工程の内容に応じて巻線コイルへの投入電力を設定する設定手段を有することを特徴とする回転電機巻線コイルの加熱処理装置。
7. 請求項４〜６のいずれか１項において、前記温度情報取得手段は、巻線コイルに内蔵された温度センサで構成されることを特徴とする回転電機巻線コイルの加熱処理装置。

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