JP2010220345A - 電動機または発電機の構成部品における樹脂層形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電動機または発電機における巻線部分の強度の増加、そして、熱や振動、衝撃で発生するクラックの防止、および異物による巻線表面の摩耗防止を図ると共に、アンモニアのような銅に対する腐食媒体の下においても耐久性の高い電動機、発電機を提供する。
【解決手段】
巻線部を有する電動機または発電機の構成部品に樹脂層を形成する方法において、構成部品の装着時に巻線部周囲に空間を有する治具に構成部品を装着する工程（Ｓ１０１）と、治具内部に液体樹脂を注入する工程（Ｓ１０３）と、治具内部を減圧する工程（Ｓ１０４）と、液体樹脂を硬化させて樹脂層を形成する工程（Ｓ１０５）を含むものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機または発電機において、その構成部品となるステータ（固定子）、あるいはロータ（回転子）の巻線部分表面に保護層としての樹脂層を形成する方法に関する。

従来、電動機または発電機における巻線の補強、そして、絶縁を目的として、巻線表面にワニスを塗布するワニス処理が行われている。

このようなワニス処理について特許文献１には、含浸硬化巻線のための含浸硬化処理において、加熱温度並びにポリウレタンワニスを吐出するノズルの先端位置を考慮することで、ポリウレタンワニスと電線間の温度差や振動で生ずるクラックを防ぐ技術について開示がみられる。

特許第３９９８６１２号

特許文献１で開示されるワニス処理は、その図４に示すように部品を制御モータで回転しながら、吐出装置のノズルからワニスを部品に装着された巻線に塗布するものである。このような従来のワニス処理においては、特に巻線を形成する電線間にワニスを十分に浸透させることが困難であり、ワニスが浸透しないことで形成された空隙では、電線が温度変化により膨張、収縮を繰り返すと共に、振動や衝撃により疲弊を起こし断線の原因となっている。

また、ワニスでは巻線表面を硬度に保護できないため、使用環境によってはモータファンから混入した異物により、保護する巻線表面が摩耗、もしくは破壊され、巻線の断線及びレアショートの原因となっている。

ところで、現在、化石燃料に代わるクリーンなエネルギー生成として、海洋の温かい表層水を熱交換器に通し、媒体を気化させた蒸気によってタービンを回し発電する海洋温度差発電が注目を集めている。この海洋温度差発電では、その媒体に低沸点のアンモニアを用いて効率的に発電を行うことが検討されている。

しかしながら、媒体の供給などで使用する各種ポンプの電動機や、タービンで使用する発電機は、銅線で形成された巻線が用いられることが一般的であり、銅に対して腐食作用を有するアンモニア中において、巻線表面が一部でも露出する電動機や発電機を使用することは、その耐久性に欠けるものとなっている。

本発明は、電動機または発電機における巻線部分の強度の増加、そして、熱や振動、衝撃で発生するクラックの防止を図ると共に、海洋温度差発電のように、アンモニアを媒体として使用する状況下においても耐久性の高い電動機、発電機を提供することを課題としている。

上記課題を解決するため請求項１に係る発明は、巻線部を有する電動機または発電機の構成部品に樹脂層を形成する方法において、構成部品の装着時に巻線部周囲に空間を有する治具に構成部品を装着する工程と、治具内部に液体樹脂を注入する工程と、治具内部を減圧する工程と、液体樹脂を硬化させ樹脂層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、電動機または発電機の構成部品は、ステータ、または、ロータとするものである。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、構成部品は、電動機または発電機における回転軸方向が鉛直方向を向くよう治具に装着されるものである。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の発明において、治具は、構成部品の樹脂層にクーリング溝を形成するための突起を有するものである。

本発明の実施形態に係る樹脂層形成のための各種構成を示す図。 本発明の実施形態に係る樹脂層形成の工程を示す図。 本発明の実施形態に係るステータの治具（金型）の縦断面図。 本発明の実施形態に係るステータの治具（金型）の横断面図。 本発明の実施形態に係るステータ断面図。 本発明の他の実施形態に係るステータの治具（金型）の縦断面図。 本発明の他の実施形態に係る減圧室内部の様子を示す図。 従来のロータ断面図。 本発明の実施形態に係るロータの治具（金型）の横断面図。 本発明の実施形態に係るロータ断面図。

図１は電動機または発電機の構成部品としてのステータ（固定子）に樹脂層を形成するための各種装置を示している。本発明では、液体樹脂を硬化させることで樹脂層が形成されるものであって、特に、本実施形態では、液体樹脂として２液硬化性のエポキシ液を用い、さらに熱を加えることで迅速に樹脂層を形成することとしている。なお、用いる樹脂は、このような２液硬化性のものに限られるものではなく、液体樹脂を硬化させることで樹脂層を形成する適宜タイプのものが採用できる。

本発明では、電動機または発電機の構成部品の少なくとも巻線部分を覆うように樹脂層を形成するため治具（金型）が用いられる。本実施形態における治具１０は、図に示すように下型１１、中型１２、上型１３、及び、図示しない心材を含んで構成されている。中型１２は１２ａと１２ｂ、上型１３は１３ａと１３ｂ、それぞれ２つのパーツで構成されており、ステータを内部に収容し易い構成とされている。治具１０の各構成は金属で構成され、その内部には、ステータの形状に応じた内部形状を有する収容部Ａが形成されている。収容部Ａの内部形状は、ステータを収容したときに、樹脂層を形成する部分には空間を有し、樹脂層を形成しない部分はステータと治具１０が密着する形状となっている。

ステータは、用いられる電動機または発電機の回転軸方向が鉛直（重力）方向を向くように収容部Ａに装着される。電動機または発電機の構成部品は回転軸方向に対し平行な面が、垂直な面よりも広く形成されている。そのため、収容部Ａは、構成部品の装着時、回転軸方向が鉛直方向を向くような形状とすることで、回転軸方向に対し平行な面を鉛直方
向に向けることで、当該水平な面の下面に溜まる気泡を排除することができる。治具１０と構成部品との間に気泡が残った場合には、その部分での液体樹脂が不足するヒケとなってしまう。本実施形態のステータの場合には、装着されるロータの回転軸を基準としてその装着方向が決定される。また、ロータの場合には、その回転軸方向が鉛直方向を向くように治具に装着するとよい。

治具１０の上型１３上部には、収容部Ａと貫通するエポキシ液注入口１４とリード線引出口１５が設けられる。エポキシ液注入口１４はディスペンサ３３からエポキシ液が注入される開口である。リード線引出口１５は、収容部Ａに収容するステータのリード線を引き出しておき、エポキシ液注入時にエポキシ液がリード線に付着することを防ぐために設けられる。また、このリード線引出口１５は、エポキシ液注時に収容部Ａ内部の空気を逃がす機能も有する。

本実施形態で用いるエポキシ樹脂は、液体状の主剤と硬化剤とを混ぜ合わせる２液混合タイプであって、加熱することで硬化する熱硬化タイプが用いられる。熱硬化タイプを用いることで、常温でエポキシ液が硬化することがなく、処理工程中におけるエポキシ液の取り扱い、並びに、処理工程後における各種用具のメンテナンスが簡易となる。なお、本発明では、この２液混合型、熱硬化タイプに限られるものではなく各種のエポキシ樹脂を採用することが可能である。

本実施形態では、エポキシ液を収容部Ａに注入するため、ディスペンサ３３が用いられる。このディスペンサ３３には、主剤を収容した第１圧送タンク３１と、硬化剤を収容した第２圧送タンク３２が接続されている。ディスペンサ３３は、第１圧送タンク３１の主剤と、第２圧送タンク３２の硬化剤とを適宜分量比で混合してエポキシ液を生成し、適宜圧力で下部に設けられたノズルから吐出する。なお、このディスペンサ３３では吐出するエポキシ液の温度を管理することもできる。主剤と硬化剤との混合、エポキシ液の吐出圧、並びにその温度は、図示しない制御部にて正確にコントロールすることができる。

上蓋１３は、収容部Ａ内の空気を効率よく除去するための部材であって、エポキシ液の注入後、治具１０上部に嵌合される。上蓋１３には吸引口２２が設けられており、この吸引口２２には図示しない真空ポンプが接続される。

以上、液体樹脂としてエポキシ液を用いた場合における樹脂層形成のための各種構成について説明したが、次に、図２を用いて樹脂形成方法の詳細な工程について説明を行う。

Ｓ１０１では、下型１１にステータを設置し、中型１２、上型１３を積み重ね、収容部Ａ内にステータを収容する。その際、収容部Ａにはステータ内側におけるエポキシ樹脂層の形成範囲を決める心材も一緒に収容される。また、ステータに付属するリード線は予めリード線引出口１５から引き出される。Ｓ１０２では、ステータを収容した治具１０を60℃にて予備加熱し、注入されるエポキシ液が馴染みやすくしておく。Ｓ１０３ではディスペンサ３３において、予備加熱した温度と同じ60℃に暖められたエポキシ液がエポキシ液注入口１４から収容部Ａに注入される。

エポキシ液の注入後、治具１０上部に上蓋２１を設置し、吸引口２２から真空ポンプにて収容部Ａ内を減圧する。このように、ステータ及びエポキシ液を収容した収容部Ａの減圧を行うことで、エポキシ液内に残る気泡を取り除くことが可能となる。エポキシ液内に気泡を残したまま硬化させてしまうと、ステータの部材間、あるいは、ステータ部材と治具１０の間に空隙が形成される。特に、巻線部分に空隙が形成されると熱、振動、衝撃などにより断線の原因となる。また、巻線部分が露出してしまうとアンモニアなどの媒体下で使用する際には腐食の原因となる。本実施形態では、収容部Ａ内を減圧することで、注
入されたエポキシ液内に残る気泡を除去し、エポキシ樹脂層に空隙が形成されることを防止するものである。

真空ポンプによる減圧終了後、エポキシ液内の気泡が除去されることで、注入したエポキシ液が不足してしまう場合がある。その場合には、ディスペンサ３３からさらなるエポキシ液が注入され不足した分が充填される。エポキシ液の充填後、再度、減圧処理を行って充填したエポキシ液から気泡を取り除くこととしてもよいし、所望の液量に達するまでエポキシ液の充填と減圧を繰り返し行うこととしてもよい。

減圧処理による気泡の除去が終了すると、Ｓ１０５にてエポキシ液を硬化させる。本実施形態は、熱硬化タイプのエポキシ樹脂を採用するため加熱による硬化が行われる。具体的には、恒温槽などで治具１０を30分間、90℃に保つことで行われる。この加熱時間、加熱温度は使用するエポキシ樹脂の種類によって適宜に選択される。加熱によるエポキシ液の硬化終了後、Ｓ１０６にて治具１０を60℃まで冷却し、Ｓ１０７にて治具内部のステータが取り出され、一連のエポキシ樹脂層形成の処理工程は終了する。

図３は、図１で説明したステータ用の治具１０、並びに、その上蓋２１の鉛直方向における断面図を示したものである。治具１０内には心材１６が配置されており、ステータの内側において不必要な部分にエポキシ液が付着することを防止する。

図４は、図３における治具１０のＢ−Ｂ'間の断面図を示している。治具１０の外枠と
心材１６との間に収容部Ａが形成されることが見てとれる。

図５は、図３の治具１０を用いてエポキシ樹脂層が形成されたステータの断面図であって、図４と同じＢ−Ｂ'間における断面図である。このステータは、金属製のステータコ
ア４１と、ステータコア４１の内側に銅線（丸印が断面を示す）の束で形成された巻線４２を含んで構成される。図４の治具１０の断面図との比較にて分かるように、ステータが治具１０、心材１６と接触しない場所（空間）にエポキシ樹脂層４３は形成される。本実施形態では、少なくともステータの巻線４２を覆うようにエポキシ樹脂層４３を形成している。特に、エポキシ液の注入時に減圧処理による気泡除去を行うため、ステータと治具１０の間の空間や、ステータの構成部品間に隙間無くエポキシ液を充填することが可能となる。特に、図５に示すように、従来の方法では困難であった巻線４２における銅線間の空隙を除去することが可能となり、銅線間の空隙による断線を防止することが可能となる。

図６は、他の実施形態に係るステータ用の治具の鉛直方向断面図を示したものである。図１の実施形態では、治具１０上部に設けたエポキシ液注入口１４からエポキシ液を注入するのに対し、本実施形態では、治具１０の側方に設けられた注入パイプ１７からエポキシ液が注入される。このような治具１０によれば、エポキシ液の注入と吸引口２２からの減圧処理を同時に実行することも可能となり、作業工程にかかる時間を短縮することが可能となる。

図７は、他の実施形態に係るエポキシ樹脂層形成のための構成を示した図であって、前述の実施形態が治具１０毎に減圧を行っていたのに対し、本実施形態では減圧室２３にて減圧を行う点で異なったものとなっている。減圧室２３には、真空ポンプ２５を備える吸引路２４が設けられ、減圧室２３内部を低圧にすることが可能である。このような構成によれば、図示するように減圧室２３内部において、複数の治具１０をまとめて減圧することが可能となり量産に適したものとなる。また、減圧室２３に恒温槽としての機能を設けたり、マニピュレータなどによる部品の自動搬送機能を設けることで、更なる効率化を図ることができ、無人下での自動作業も可能となる。なお、各治具１０に図６で説明した注
入パイプ１７を設けることとしてもよい。

以上、電動機または発電機の構成部品としてステータ（固定子）を例にとり、本発明の実施形態に係るエポキシ樹脂層形成方法を説明したが、次に、構成部品としてロータに対してのエポキシ樹脂形成について図８〜図１０を用いて説明する。

図８は、従来のワニス塗布処理によるロータの断面図を示したものである。同図はロータの回転軸に垂直な面における断面図（半分）である。金属製のロータコア５０は、周囲に放射状に広がる複数のブレード５１を有して形成される。各ブレード５１間には巻線５２が巻回される。各巻線５２の外周には、高速で回転することで働く遠心力にて巻線５２が飛び出すのを押さえるマイラシートなどの絶縁紙５３が挿入されている。また、ロータコア５０と巻線５２とが接触することで巻線５２が損傷することを防止するため、ロータコア５０と巻線５２の接触面にも絶縁紙を挟んだり、巻線５２が巻回されるブレード５１内面にコーティングを施すことが行われる場合もある。従来のワニス塗布工程では、このようなロータの構成のもと、ロータの両軸端部において露出する巻線５２部分からワニスを塗布し、巻線５２内部に浸透させることとしていた。

しかしながら、このようなワニスの塗布方法では、巻線５２内部まで空隙無く十分にワニスを浸透させることはできず、巻線５２表面においてもワニスが塗布されない箇所が生じ、巻線５２が外気や混入した異物に触れやすい状態となっていた。また、巻線５２の固定状態も不安定であり、ロータコア５０との摩擦により傷つきやすくなっていた。このようなワニス塗布状態は、巻線５２は断線が生じやすく、また、媒体にアンモニアを用いる海洋温度差発電などに使用した場合には腐食が生じやすく、耐久性の面において問題がある。また、このワニス塗布方法では、絶縁紙を設けたり、ブレード５１内面のコーティングを行う必要があるため、コストの増大、並びに、工程の複雑化を伴うものであった。

図９は、本実施形態におけるロータの治具６０の断面図である。図８で説明したロータと同じ切断面での図となっている。治具６０の外枠６１と心材６３との間にはロータを収容するための収容部Ｃが形成される。ロータは外枠６１、心材６３と一部分で密着することで正確に位置決めされて収容される。また、収容部Ｂは、エポキシ樹脂層を形成する部分には空間を残して形成されている。外枠６２の内側には複数の突起６２が形成されている。この突起６２、図８で説明したブレード５１間に巻線５２を冷却するための溝（クーリング溝という）を形成するために設けられたものである。

このロータのための治具６０を用い、これまでに説明したステータと同様の作業工程で作成されたロータの断面図を図１０に示す。なお、この作業工程において、ロータはその回転軸方向が鉛直方向を向くように治具６０に対して装着される。ロータコア５０、巻線５２の構成については図８のものと同様である。ステータと同様の作業工程で、巻線５２の周囲にはエポキシ樹脂層５５が形成される。この作業工程では、エポキシ液注入後の減圧処理により巻線５２内部の気泡を除去することで、空隙のないエポキシ樹脂層５５を形成することができ、温度変化や振動などによる断線、並びに、巻線５２の表面が外気に触れることを排除することが可能となり、信頼性、絶縁性の高いロータを提供することが可能となる。また、巻線５２はエポキシ樹脂層５５によって、しっかりと固定されるため従来必要とされていた絶縁紙５３も不要となる。

このエポキシ樹脂層５５には、治具６０の突起部６２により形成されたクーリング溝５４が形成される。このクーリング溝５４は、ロータがステータ内で回転する際に、ロータ側の巻線５２、そして、ステータ内部を空冷するための溝である。エポキシ樹脂層５５を形成した後に、エポキシ樹脂層５５を削ることで形成することも可能ではあるが、本実施形態のように治具６０に設けられた突起６２にて形成することで、クーリング溝５４形成
のための作業工程を削減できる。また、エポキシ樹脂層５５の削りかすが残った場合には故障の原因となるがその心配もない。さらに、本発明のエポキシ樹脂層形成方法では減圧処理を行うことで、この突起６２周囲に残る気泡を除去することができ、ヒケの無いクーリング溝５４が形成される。なお、このクーリング溝５４についてロータに設けた場合について説明したが、必要であればステータ側のエポキシ樹脂層４３に設けてもよい。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…治具（金型）、１１…下型、１２ａ、ｂ…中型（２分割）、１３ａ、ｂ…上型（２分割）、１４…エポキシ液注入口、１５…リード線引出口、１６…心材、１７…注入パイプ、２１…上蓋、２２…吸引口、２３…減圧室、２４…吸引路、２５…真空ポンプ、３１…第１圧送タンク、３２…第２圧送タンク、３３…ディスペンサ、４１…ステータコア、４２…巻線、４３…エポキシ樹脂層、５０…ロータコア、５１…ブレード、５２…巻線、５３…絶縁紙、５４…クーリング溝、５５…エポキシ樹脂層、６０…治具（金型）、６１…外枠、６２…突起、６３…心材

Claims (4)

1. 巻線部を有する電動機または発電機の構成部品に樹脂層を形成する方法において、
   構成部品の装着時に巻線部周囲に空間を有する治具に構成部品を装着する工程と、
   治具内部に液体樹脂を注入する工程と、
   治具内部を減圧する工程と、
   液体樹脂を硬化させて樹脂層を形成する工程を含む
   電動機または発電機の構成部品における樹脂層形成方法。
2. 構成部品は、ステータ、または、ロータである
   請求項１に記載の電動機または発電機の構成部品における樹脂層形成方法。
3. 構成部品は、電動機または発電機における回転軸方向が鉛直方向となるよう治具に装着される
   請求項１または請求項２に記載の電動機または発電機の構成部品における樹脂層形成方法。
4. 治具は、構成部品の樹脂層にクーリング溝を形成するための突起を有する
   請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の電動機または発電機の構成部品における樹脂層形成方法。

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