JP2009219235A - 分割固定子、及び分割固定子製造方法 - Google Patents

分割固定子、及び分割固定子製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 熱伝導性の高いインシュレータを備える分割固定子、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 分割固定子18のティース部11周囲に接着剤を塗布して接着剤層30を形成した状態で、下型21内にインサートし、溶融した繊維状フィラ31を含有したインシュレータ用材料25を注入し、上型22を移動してインシュレータ12を形成しているので、繊維状フィラ31をランダム方向に配置でき、インシュレータ12の熱伝導率を高くすることができる。
【選択図】 図4

Description

この発明は、製造に適したモータの分割固定子、及び分割固定子の製造方法に関するものである。
プレス加工で打ち抜いた鋼板を積層して固定子コアを構成し、巻線を組み付けた状態で樹脂を射出成形することにより、固定子コアを製造する方法が知られている。
一方、固定子コアを複数個に分割して、巻線を組み付ける分割コアも固定子コアの製造方法として知られている。分割コアの場合には、焼きバメリングで複数の分割コアを一体的に組み立てることが行われている。
分割コアに対して、樹脂をモールドして分割固定子を製造する方法が、特許文献1に記載されている。
分割コアと金型とで、分割コアのティース部周囲にインシュレータのキャビティを形成し、繊維状無機強化材を含む樹脂を注入することにより、分割コアと一体的にインシュレータを製造する技術が開示されている。
特開2006-180698号公報
しかしながら、特許文献1に開示された発明では、次のような問題があった。
すなわち、樹脂の流動方向に繊維状強化材が配向するため、インシュレータの厚み方向に積層されるように、繊維状強化材が配向され、インシュレータの厚み方向における熱伝導性が不十分となる問題があった。
特にハイブリッド自動車で使用されるモータにおいては、巻線の占有率が高く、かつ高い電圧で使用するため、インシュレータの熱伝導性が大きな問題となっていた。
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、熱伝導性の高いインシュレータを備える分割固定子、及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の分割固定子、及びその製造方法は、次の構成を有している。
(1)分割コアのティース部周囲に接着剤層を介して、インシュレータが成形されている。
また、本発明の分割固定子製造方法は、次の工程を有している。
(2)(1)に記載する分割固定子において、前記インシュレータが前記ティース部に樹脂モールド成形されていることを特徴とする。
(3)(2)に記載する分割固定子において、前記樹脂モールド材料が、材料樹脂にフィラが含有されたものであり、前記フィラの材料の熱伝導率が、前記材料樹脂の熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
(4)(3)に記載する分割固定子において、前記フィラが非球形であることを特徴とする。
(5)分割コアのティース部周囲にインシュレータを成形するときに、ティース部の周囲に接着剤を塗布した状態でインシュレータを成形する。
(6)(5)に記載する分割固定子製造方法において、前記インシュレータが前記ティース部に樹脂モールド成形されていることを特徴とする。
(7)(6)に記載する分割固定子製造方法において、前記樹脂モールド材料が、材料樹脂にフィラが含有されたものであり、前記フィラの材料の熱伝導率が、前記材料樹脂の熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
(8)(7)に記載する分割固定子製造方法において、前記フィラが非球形であることを特徴とする。
(9)(5)乃至(8)に記載する分割固定子製造方法のいずれか1つにおいて、前記接着剤が予め加熱されていることを特徴とする。
次に、上記構成を有する本発明の分割固定子、及びその製造方法の作用・効果について説明する。
本発明においては、分割固定子のティース部周囲に接着剤を塗布して接着剤層を形成した状態で、固定型内にインサートし、溶融した樹脂を注入し、可動型を移動してインシュレータを形成している。インシュレータの最終厚みは300μm程度である。溶融した樹脂が、ティース部に沿って移動していくときに、接着剤に接触している部分の流動が妨げられるため、ティース部に沿った方向の垂直な方向、すなわちティース部の面に鉛直な方向に流れが生じる。また、樹脂に混入されている繊維状無機強化材等の繊維状フィラの一端が接着剤層に接触して繊維状フィラに回転力が与えられる。
ティース部の面に鉛直な方向に生じた流れ、及び繊維状フィラに与えられた回転力により、繊維状フィラが、ティース部の面に鉛直な方向に回転される。この状態で、樹脂が硬化されることにより、繊維状フィラがインシュレータの内部で、ランダムな方向に向くこととなる。
従来、接着剤層が存在しない状態で、樹脂を成形した場合には、樹脂がティース部の面に沿って流れるため、全ての繊維状フィラは、ティース部の面に沿って配置されている。
それと比較して、接着剤層が形成されている場合には、繊維状フィラがランダムな方向に配置されるため、ティース部の面に鉛直な方向における熱伝導性を高めることができる。
例えば、PPS樹脂の熱伝導率は、0.2W/m・Kであり、フィラの熱伝導率は、30W/m・Kである。フィラを50%混入させたとしても、フィラ入り樹脂の熱伝導率は、1W/m・Kになるにすぎない。
接着剤として、エポキシ系樹脂を使用した場合、その熱伝導率は、PPS樹脂と同じく、0.2W/m・Kである。例えば、30μmの厚みで接着剤層を形成すると、その分では、熱伝導率は低下する。すなわち、フィラ入り樹脂の熱伝導率1W/m・Kから、接着剤の熱伝導率0.2W/m・Kとなった分、熱伝導率が低下する。
しかし、繊維状フィラがランダム方向に配置されることから、熱伝導率が大幅に増加するため、インシュレータ全体としての熱伝導率は、従来のインシュレータと比較して、20〜30%増加する。これにより、ハイブリッド自動車用モータにおいても、コイルで発生した熱を、インシュレータを介して効率よく固定子コアに熱伝導することができる。
以下、本発明における分割固定子、及び分割固定子製造方法を具体化した一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1に、分割固定子の製造手順を示す。分割固定子コア10は、コイルが装着されるティース部11を備えている。分割固定子コア10は、プレス打ち抜きで製造された鋼板を積層して構成している。ここでは、分割固定子コア10は、18個組み合わさることにより、環状の完成した固定子コアになる構造とする。分割固定子コア10を(a)に示す。次に、分割固定子コア10のティース部11に、インシュレータ12が装着された状態を図1の(b)に示す。インシュレータ12は、ティース部11を覆う筒部12b、分割固定子コア10のティース部11が突き出した以外の内面部分を覆い、上下方向に延設されたカバー部12a、筒部12bの上下に突き出した2箇所の突起部12cを備えている。特に、インシュレータ12bの側面の厚みは、0.2〜0.3mmである。
図1の(c)に、成形済みのエッジワイズコイル13をインシュレータ12の筒部12bを介して、ティース部11に装着した図を示す。エッジワイズコイル13は、断面が平角(矩形状)のコイル線をティース部11の形状に内径を合わせて成形したものである。
エッジワイズコイル13は、カバー部12aを介して、分割固定子コア10に密着している。また、エッジワイズコイル13は、左右方向は筒部12bを介してティース部11により位置決めされている。また、上下方向は、インシュレータ12の突起部12cにより位置決めされている。これにより、エッジワイズコイル13は、分割固定子コア10に対して、定位置に位置決めされている。エッジワイズコイル13には、カバー部12a近くで上に突き出ている長端末13aと、ティース部11先端付近で上に突き出ている長端末13bが備えられている。
本実施例では、成形済みコイルとして、エッジワイズコイル13について説明するが、断面が丸形でも、角形でも、成形されて形状が確定しているものであれば、他の種類のコイルでも同じである。
図1の(d)に、樹脂モールドされた分割固定子18を示す。(c)のエッジワイズコイル13部分が樹脂モールド14されている。樹脂モールドの成形方法については、後で詳細に説明する。分割固定子18の樹脂モールド14からは、一対の長端末13a,13
bが外部に突き出ている。樹脂モールドされた分割固定子18の断面図を図3に示す。この断面図は、エッジワイズコイル13と樹脂モールド14との位置関係を示すものである。
分割固定子コア10にインシュレータ12を介して、エッジワイズコイル13が装着され、エッジワイズコイル13のコイル部分を囲む部分にのみ樹脂モールド14が形成されている。図3は、分割固定子コア10の上にバスバー17を保持する樹脂製のバスバーホルダ16が取り付けられている状態を示している。バスバー17に対して、長端末13a,13bが曲げられて、接続される。
図2に、分割固定子18を18個組み合わせた固定子19を示す。
18個の分割固定子18が環状に組み合わされ、外側に加熱され、膨張して内径が大きくなっている外筒15が嵌め込まれる。その後、常温に冷却されることにより、外筒15の内径が縮小して、18個の分割固定子18が締りバメされ、一体化され固定子19となる。いわゆる外筒の焼きバメである。
次の工程において、図示していないが、分割固定子18の長端末13aは、左側に2つの分割固定子を越えた3つ目の分割固定子18の長端末13bと、バスバーホルダ16内のバスバー17により接続される。このように、18個の長端末は、順次バスバーホルダ16内のバスバー17により接続され、U,V,W相の3つのモータコイルを構成される。
次に、分割固定子18を製造するための本発明の分割固定子製造方法について説明する。図4に、インシュレータを成形するための成形金型の構造を示す。断面図であるが、見やすいようにハッチングを省略している。
図4に示すように、分割固定子コア10が、下型21に4方向で保持され、2面、3面、あるいは4面のスライドコアで固定するものの内、この図では、一対の下型スライドコア21a,21bに挟まれて固定される。
分割固定子コア10のティース部11の表面には、接着剤層30が形成されている。接着剤としては、エポキシ系樹脂の水性プライマを使用している。接着剤層の厚みは、30μm以下である。接着剤の熱伝導率は、0.1〜0.2W/m・Kである。
その状態で、上型22が下降する。上型22は、ガイド型22aによりガイドされ上下方向にスライド移動する上型スライドコア22bを備えている。下型21と上型22との間には、退避可能な注入装置24が保持されている。
次に、インシュレータ成形工程を説明する。
(1)下型スライドコア21a,21bが左右に開いた状態で、接着剤層30が形成された分割固定子コア10が置かれ、下型スライドコア21a,21bが内側に閉じて分割固定子コア10を左右から位置決め保持する。ここで、分割固定子コア10は、接着剤層の温度が150℃程度になる程度まで事前に加熱されている。
(2)上型22が、開いた状態で注入装置24がティース部11の周りを1周することにより、インシュレータ用材料25であるフィラ入りPPS樹脂をキャビティK1内に必要量注入する。図4は、インシュレータ用材料25を注入した状態を示している。注入が終了すると、注入装置24は、退避する。
PPS樹脂は、耐熱性、耐薬品性が液晶ポリエステル樹脂(LCP樹脂)より優れているので、本実施例では、PPSを使用している。フィラとしては、ガラス繊維等の繊維状フィラ、ウィスカ、タルク等の板状フィラを使用している。フィラの含有率は、10〜70重量%としている。
(3)上型22が下降して、先ず上型スライドコア22bがティース部11の先端と当接する。この状態で、分割固定子コア10、下型21a,21b、ガイド型22a及び上型スライドコア22bにより、キャビティK1が構成されている。
(4)その後、ガイド型22aがさらに下降して、インシュレータ12を形成するためのキャビティKを形成する。これにより、インシュレータ用材料25は、図1の(b)のインシュレータ12の形状に成形される。
(5)インシュレータ用材料25が固化するのを待って、上型22が上昇する。
ここで、フィラ入り樹脂であるインシュレータ材料25の流れ方について説明する。図8に接着剤層が存在しない場合である従来例による結果を示す。図8は、成形されたインシュレータ12を切断し、その切断面を超深度カラー3D形状測定顕微鏡(KEYENCE社製、型式VK−9500)で撮影した顕微鏡写真に基づいて作成した図である。樹脂は、PPS樹脂である。23℃、常圧、倍率500倍である。樹脂32の中に繊維状フィラ31が多数点在している。図の上辺がティース部11の表面と接触する面側であり、下辺が上型のガイド型22aの内面と接触している面側である。インシュレータ材料25は、左辺から右辺に流れる。写真の縦の長さは、約200μmである。ガイド面22aの内面からティース部11の表面までの距離は、約300μmであり、写真は、ガイド22aの内面とティース部11の表面の中間位置付近を撮影したものである。
図8に示すように、多数ある繊維状フィラ31の全てが、ほぼ上辺と平行に配置されていることがわかる。すなわち、図9に示すように、インシュレータ材料25が左辺から右辺に矢印Aに示すように平行に流れるため、その流れの中で繊維状フィラ31は、流れに対して最も抵抗の少ない位置に配置されている。
次に、本発明の実施例によるフィラ入り樹脂であるインシュレータ材料25の流れについて説明する。
図5に本発明の実施例での結果を示す。図5は、成形されたインシュレータ12を切断し、その切断面を超深度カラー3D形状測定顕微鏡(KEYENCE社製、型式VK−9500)で撮影した顕微鏡写真に基づいて作成した図である。樹脂は、PPS樹脂である。23℃、常圧、倍率500倍である。樹脂32の中に繊維状フィラ31が多数点在している。図の上辺がティース部11の表面と接触する面側であり、下辺が上型のガイド型22aの内面と接触している面側である。インシュレータ材料25は、左辺から右辺に流れる。写真の縦の長さは、約200μmである。ガイド面22aの内面からティース部11の表面までの距離は、約300μmであり、写真は、ガイド22aの内面とティース部11の表面の中間位置付近を撮影したものである。
る。図5に示すように、多数ある繊維状フィラ31の全てが、ランダムな方向を向いて配置されていることがわかる。
その理由について説明する。図6に示すように、接着剤層30側におけるインシュレータ材料25の流れA3は、ガイド型22a側の流れA2と比較して、接着剤層付近での流れが極めて悪くなっている。このような流れの強さの偏在により、図中矢印Bで示すように、速い流れA2から遅い流れA3の方向への横の流れが発生する。これにより、繊維状フィラ31は、流れに対して横向きの力を受けて、回転するため、繊維状フィラ31の方向がランダムとなると考えられる。
また、図7に示すように、接着剤層30に先端が衝突した繊維状フィラ31aは、衝突した端部を中心として回転する。また、次に流れてきた繊維状フィラ31b、31c等が玉突き衝突して、繊維状フィラ31の方向が変化してランダムとなることも考えられる。
ここで、分割固定子コア10は、接着剤層30の温度が150℃程度になる程度まで事前に加熱されているので、接着剤が活性化されており、接着性能が高くなっているので、繊維状フィラ31の方向をより変化させることができる。
図5において、上辺であり分割固定子コア10のティース部11と接触する面から、下辺でありエッジワイズコイル13が接触する面にかけて、一点鎖線で示す繊維状フィラ31による熱パスCが形成されている。繊維状フィラ31の熱伝導率は、30W/m・Kである場合、PPS樹脂32の熱伝導率0.2W/m・Kの150倍である。したがって、繊維状フィラ31による熱パスCができれば、全体の熱伝導率が向上すると考えられる。
実際の計測結果を図10に示す。縦軸がインシュレータ12の熱伝導率である。Lが従来例である図8に示す構造を有する場合のインシュレータ12の熱伝導率である。本グラフでは、その熱伝導率を100としている。
Mが本実施例である図5に示す構造を有する場合のインシュレータ12の熱伝導率である。Lと比較して、20〜30%程度、熱伝導率が向上している。
次に、樹脂モールドを成形する成形金型構造について説明する。図11に示すように、下型21、下型スライドコア21a,21bの構造は、図4と全く同じである。また、上型のガイド型26aの構造も、図4と全く同じである。ガイド型26aによりガイドされ上下方向にスライド移動する上型スライドコア26bの、キャビティを形成する下側の面の構造が図4とは相違している。下型21と上型26との間には、退避可能な注入装置27が保持されている。
樹脂モールド工程においては、キャビティK2内にエッジワイズコイル13がインサートされた状態で成形を行うため、エッジワイズコイル13の長端末13a,13bのシールを行っている。
次に、樹脂モールド成形工程を説明する。
(1)下型スライドコア21a,21bが左右に開いた状態で、インシュレータ12が成形された分割固定子コア10が置かれ、下型スライドコア21a,21bが内側に閉じて分割固定子コア10を左右から保持する。ここで、分割固定子コア10は、事前に加熱されている。この状態で、成形済みのエッジワイズコイル13がインサートされる。
(2)上型26が、開いた状態で注入装置27がティース部11の周りを1周することにより、樹脂モールド材料28をキャビティK2内に必要量注入する。図11は、樹脂モールド材料28を注入した状態を示している。注入が終了すると、注入装置27は、退避する。
(3)上型26が下降して、上型スライドコア26bがティース部11の先端と当接する。この状態で、分割固定子コア10、下型21c、21d、ガイド型26a、及び上型スライドコア26bにより、キャビティK2が構成されている。
(4)その後、ガイド型26aがさらに下降して、樹脂モールド14を形成するためのキャビティK2を形成する。キャビティK2は、エッジワイズコイル13を含むものであり、キャビティK1と比較して、大きなキャビティである。樹脂モールド材料28をキャビティK2内に注入することにより、樹脂モールド材料28は、図1の(d)の樹脂モールド14の形状に成形される。
(5)が固化するのを待って、上型26が上昇する。
以上詳細に説明したように、本実施例の分割固定子18によれば、分割固定子18のティース部11周囲に接着剤を塗布して接着剤層30を形成した状態で、下型21内にインサートし、溶融したインシュレータ用材料25を注入し、上型22を移動してインシュレータ12を形成している。インシュレータ12の最終厚みは200〜300μm程度である。溶融した樹脂が、ティース部11に沿って移動していくときに、接着剤層30に接触している部分の流動が妨げられるため、ティース部11に沿った方向に対して垂直な方向、すなわちティース部11の面に鉛直な方向に流れが生じる。また、インシュレータ材料25に混入されている繊維状無機強化材等の繊維状フィラ31の一端が接着剤層30に接触して繊維状フィラ31に回転力が与えられる。
ティース部11の面に鉛直な方向に生じた流れ、及び繊維状フィラ31に与えられた回転力により、繊維状フィラ31が、ティース部11の面に鉛直な方向に回転される。この状態で、インシュレータ用材料25が硬化されることにより、繊維状フィラ31が成形されたインシュレータ12の内部で、ランダムな方向に向くこととなる。
ここで、分割固定子コア10は、接着剤層30の温度が150℃程度になる程度まで事前に加熱されているので、接着剤が活性化されており、接着性能が高くなっているので、繊維状フィラ31の方向をより変化させることができ、インシュレータ12の熱伝導率をより高くすることができる。
従来例のように、接着剤層30が存在しない状態で、インシュレータ材料25を成形した場合には、インシュレータ材料25がティース部11の面に沿って流れるため、全ての繊維状フィラ30は、図8に示すように、ティース部11の面に平行に配置されている。
それと比較して、接着剤層30が形成されている場合には、図5に示すように、繊維状フィラ31がランダムな方向に配置されるため、ティース部11の面に鉛直な方向における熱伝導性を高めることができる。
例えば、PPS樹脂の熱伝導率は、0.2W/m・Kであり、繊維状フィラ31の熱伝導率は、30W/m・Kである。インシュレータ材料25中に繊維状フィラ31を50%混入させたとしても、フィラ入り樹脂の熱伝導率は、1W/m・Kになるにすぎない。
接着剤として、エポキシ系樹脂を使用した場合、その熱伝導率は、PPS樹脂と同じく、0.2W/m・Kである。例えば、30μmの厚みで接着剤層30を形成すると、その分では、熱伝導率は低下する。すなわち、フィラ入り樹脂の熱伝導率1W/m・Kから、接着剤の熱伝導率0.2W/m・Kとなった分、熱伝導率が低下する。
しかし、繊維状フィラ31がランダム方向に配置されることから、図5に示すように、熱パスCが形成されるため、熱伝導率が大幅に増加し、インシュレータ12全体としての熱伝導率は、図10に示すように、従来のインシュレータ12と比較して、20〜30%増加する。これにより、ハイブリッド自動車用モータにおいても、コイルで発生した熱を、インシュレータ12を介して効率よく分割固定子コア10に熱伝導することができる。
本実施例では、接着剤層30の厚みを30μm採っているが、接着剤層30を均一に形成できるならば、もっと薄くすることにより、全体の熱伝達率を向上させることができる。
なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。
例えば、本実施例では、接着剤として、エポキシ系水性プライマを使用したが、PPS樹脂の流動を妨げるだけの粘性があるもの、また繊維状フィラ30の先端が引っかかって回転力が与えられるレベルの粘性があれば、他の接着剤を用いても良い。
また、本実施例では、熱可塑性樹脂であるPPS樹脂を使用したが、熱硬化性樹脂を使用した射出成形にも適用することができる。
また、本実施例では、繊維状フィラ30について説明したが、板状のフィラを用いる場合でも、同様の効果を得ることができる。
また、本実施例では、非球形状フィラとして、繊維状フィラ31について説明したが、フィラは、棒状、長円断面形状等でも良い。
また、1つのエッジワイズコイル13を有する分割固定子10について説明したが、2つのティース部11を備える分割固定子コアに、2つのエッジワイズコイル13を各々装着して、全体を樹脂モールドしても良い。また、3つのティース部11を備える分割固定子コアに、3つのエッジワイズコイル13を各々装着して、全体を樹脂モールドしても良い。
また、実施例の説明でも記載したが、本実施例では、エッジワイズコイルについて説明
したが、コイル巻線の断面が丸や正方形等であっても、コイルとして成形されておれば、本発明が適用できることは、明解である。
分割固定子18の製造手順を示す図面である。 分割固定子18を18個組み合わせ、外筒15により焼きバメされた固定子19を示す図である。 分割固定子18の断面図である。 インシュレータを成形するための成形金型の構造を示す図である。 本発明により成形したインシュレータ12の断面の顕微鏡写真に基づく図である。 本発明のインシュレータ材料25の流れを示す模式図である。 本発明のインシュレータ材料25の流れを示す第2模式図である。 従来例により成形したインシュレータ12の断面の顕微鏡写真に基づく図である。 従来例のインシュレータ材料25の流れを示す模式図である。 熱伝導率に関するデータを示す図である。 樹脂モールドを成形するための成形金型の構造を示す図である。
符号の説明
10 分割固定子コア
11 ティース部
12 インシュレータ
13 エッジワイズコイル
15 外筒
18 分割固定子
21 下型
21a,21b 下型スライドコア
22 インシュレータ成形用の上型
22a ガイド型
22b インシュレータ用上型スライドコア
25 インシュレータ材料
26 樹脂モールド成型用の上型
26a ガイド型
26b 樹脂モールド用上型スライドコア
30 接着剤層
31 繊維状フィラ

Claims (9)

  1. 分割コアのティース部周囲に接着剤層を介して、インシュレータが成形されていることを特徴とする分割固定子。
  2. 請求項1に記載する分割固定子において、
    前記インシュレータが前記ティース部に樹脂モールド成形されていることを特徴とする分割固定子。
  3. 請求項2に記載する分割固定子において、
    前記樹脂モールド材料が、材料樹脂にフィラが含有されたものであり、
    前記フィラの材料の熱伝導率が、前記材料樹脂の熱伝導率よりも高いことを特徴とする分割固定子。
  4. 請求項3に記載する分割固定子において、
    前記フィラが非球形であることを特徴とする分割固定子。
  5. 分割コアのティース部周囲にインシュレータを成形するときに、
    前記ティース部の周囲に接着剤を塗布した状態で前記インシュレータを成形することを特徴とする分割固定子製造方法。
  6. 請求項5に記載する分割固定子製造方法において、
    前記インシュレータが前記ティース部に樹脂モールド成形されていることを特徴とする分割固定子製造方法。
  7. 請求項6に記載する分割固定子製造方法において、
    前記樹脂モールド材料が、材料樹脂にフィラが含有されたものであり、
    前記フィラの材料の熱伝導率が、前記材料樹脂の熱伝導率よりも高いことを特徴とする分割固定子製造方法。
  8. 請求項7に記載する分割固定子製造方法において、
    前記フィラが非球形であることを特徴とする分割固定子製造方法。
  9. 請求項5乃至請求項8に記載する分割固定子製造方法のいずれか1つにおいて、
    前記接着剤が予め加熱されていることを特徴とする分割固定子製造方法。
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