JP2011193630A - ステータコアへのコイル挿入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁破壊を惹起するコイルの損傷を効果的に防止することができるとともに、短時間でステータコアにコイルを挿入することを可能とするコイル挿入装置を提供する。
【解決手段】ステータコア４０の内歯４１に対応しステータコア４０の円周方向に沿って配置される複数のブレード２１，２２と、これらブレード２１，２２の内側に配設されるストリッパ３１とを備え、ブレード２１，２２にコイルＣを引き掛け、ストリッパ３１をブレード２１，２２の延びる方向に移動させることによりコイルＣをステータコア４０の対応するスロット４２に挿入する装置において、コイルＣが摺動するブレード２１，２２の表面に、フラーレンを含有するＤＬＣ膜を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動モータの製造過程においてステータコアのスロットにコイルを挿入する際に用いられるコイル挿入装置（インサータ）に関する。

上記電動モータの製造方法は、ステータコアへのコイルの巻き方によって、ステータコアにコイルを直接巻き付ける直巻き法と、予め巻線されたコイルをステータコアの多数のシース間のスロットに押し込んで挿入する挿入法の２種類に概ね分けられる。一般的に直巻き法は突極集中巻のモータに適用され、挿入法は分布巻のモータに適用されるが、用途や性能に応じて選択される。例えば挿入法が使用される分布巻は、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）やＥＶ（Electric Vehicle）等の電動自動車の駆動モータ等に使用されるような大型のモータに多く適用される。ＨＥＶやＥＶは、近年、生産が実用化されるとともに普及の大幅な増大が予想されるといった事情から、とりわけ挿入法は生産性の向上が求められるであろう。

その挿入法は、インサータと呼ばれる手法が現在では自動化もなされて一般化しているが、上記事情もあってインサータ技術自体、あるいは関連する周辺技術に対してさらなる高速化や高品質化のための取り組みがなされている。例えば、３相コイルの場合、通常のインサータでは１相を挿入する際に次の相のコイルをセットしておくといった手順でコイルを１相ずつ順次挿入する方法が採られていたが、３相全てをセットしてほぼ同時に挿入することができる装置が提案されている（特許文献１）。

特開２００９−５４３４号公報

ところが、インサータによりステータコアへコイルを挿入する場合には、次のような問題点があった。
（１）金属製のブレード間は狭いためコイルがブレードに擦れるが、ブレードの表面状態が劣化しているとコイルが傷付く。
（２）ブレードとコイルの摩擦、あるいはコイルとコイルの摩擦により、ブレード間でコイルが詰まるロッキングという現象が生じる場合があり、無理に挿入するとコイルの絶縁破壊やブレードの破損が生じる。ブレードは高価であるため破損は避けたいものの、ロッキングが生じると破損しやすくなる。
（３）製造時間の短縮に伴う生産性の向上を図るためにコイルの挿入速度を現状よりも上げると、ロッキングしなかった場合でもブレードとコイルの摩擦により絶縁破壊が生じるため、高速化には限度がある。
（４）従来の１相ずつの挿入の場合、ブレードを可動とすることによりブレードとコイルの摩擦を低減することができるが、上記特許文献１に記載の技術のように３相を同時に挿入する場合には可動ブレードを設けることはできない。したがってコイルとブレードの摩擦による絶縁破壊といった問題が生じやすい。
（５）挿入したコイルを中間成形や仕上げ成形する際は大きな成形荷重がコイルに付加され、特に成形型と接しているコイルは直接荷重を受けるため絶縁破壊が生じやすい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、絶縁破壊を惹起するコイルの損傷を効果的に防止することができるとともに、短時間でステータコアにコイルを挿入することを可能とするステータコアへのコイル挿入装置を提供することを目的とする。

本発明のステータコアへのコイル挿入装置は、ステータコアの内歯に対応し該ステータコアの円周方向に沿って配置される複数のブレードと、これら複数のブレードの内側に配設されるストリッパとを備え、前記ブレードにコイルを引き掛け、前記ストリッパを該ブレードの延びる方向に移動させることにより、該コイルを前記ステータコアの対応するスロットに挿入する装置であって、前記ブレードの表面の少なくとも前記コイルが接触する領域に、フラーレンを含有するＤＬＣ（Diamond-Like Carbon）膜が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ＤＬＣは、その材質自体の摩擦抵抗が低く、かつ硬度が高くて耐摩耗性が良好である。そしてＤＬＣに含有されるフラーレンは、当該ＤＬＣ膜の表面および内部に均一に分散した状態で、相手部材すなわちコイルが接触して摺動することによりＤＬＣ膜の摩耗量の低減および低摩擦化が期待される。これらのことから、ブレードとコイルの摩擦が大幅に低減し、ブレードに接触するコイルが傷付くおそれが回避され、結果としてコイルの絶縁破壊が防止されるとともに、短時間でステータコアにコイルを挿入することが可能となる。

本発明では、前記ＤＬＣ膜中の前記フラーレンの含有量は、０．０１〜４．０％であることを好ましい形態とする。０．０１％を下回ると、フラーレンの含有量が少ないため効果が得られるほどの低摩擦化が得られない。また、４．０％を超えると、フラーレン含有原料溶媒の溶解量以上にフラーレンを原料溶媒に含有させる必要があることから、フラーレンが溶媒中で析出して均一な原料溶媒とならないため均一な膜を形成することができず、低摩擦化が得られない。したがって、ＤＬＣ膜中のフラーレンの含有量は０．０１〜４．０％が好ましい。

また、本発明における前記フラーレンは、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８２、Ｃ_８４、Ｃ_９０、Ｃ_９４、Ｃ_９６の単体、および／またはこれら単体の混合体および／または化合物であることを好ましい形態とする。フラーレンはＣ_１００以上の高次フラーレンであっても使用することはできるが、高い摺動性を得るにはＣ_６０等の低次な小さいフラーレンがより好ましく、Ｃ_６０〜_９６が適当とされる。また、フラーレンとしては、Ｃ_６０−Ｆ_Ｘ（フッ化フラーレン）、Ｃ_６０−Ｏ_Ｘ（酸化フラーレン）、Ｃ_６０−ＯＨ_Ｘ（水酸化フラーレン）等の修飾フラーレンの単体あるいはこれらの混合体（元素記号右下のＸは係数）、さらには非修飾フラーレンとの混合体等も使用することができる。

また、本発明では、前記ＤＬＣ膜中に、カーボンナノチューブおよび／またはナノホーンの単体、および／またはこれら単体の混合体および／または化合物を含有していることを好ましい形態とする。カーボンナノチューブやナノホーン、あるいは他のカーボンナノマテリアルを含有することにより、ＤＬＣ膜の強度が向上し、よってブレードの耐久性が向上するといった効果を得ることができる。特にカーボンナノチューブの場合には、導電性が確保されるといった利点がある。

また、添加物として、ＤＬＣ膜中に水素、ハロゲン元素、ホウ素、窒素、Ｓｉ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、希土類元素等が添加されていてもよい。

また、本発明では、ＤＬＣ膜の厚さが１ｎｍ〜１００μｍであることを好ましい形態とする。これは、１ｎｍを下回ると均一な膜が形成されず良好な摺動性を得にくく、また、１００μｍを超えると基材であるブレードの絶縁性が高くなってＣＶＤ成膜時に生じる電子が滞留してブレード周辺の電位が不安定となり膜質が不均一となって摺動性が得られ難いためである。したがって、ＤＬＣ膜の厚さは１ｎｍ〜１００μｍが好ましい。また、絶縁性に関しては、コイル挿入時の絶縁検査を行う場合には、その検査を可能とするために、ＤＬＣ膜中に導電性フィラーや金属との交互膜を形成しておくことが望ましい。

ブレードの表面にＤＬＣ膜を形成する方法は特に限定されず、一般周知の方法、すなわち、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ、触媒化学気相成長法（Ｃａｔ−ＣＶＤ）、常圧ＣＶＤ、真空蒸着法、イオンプレーティング（直流励起、高周波励起）、スパッタ法（２極スパッタ、マグネトロンスパッタ、ＥＣＲスパッタ）、レーザアブレーション法、イオンビームデポジション、イオン注入法などが挙げられる。なお、これら中では低温での３次元成膜が可能なプラズマＣＶＤや常圧ＣＶＤが好ましいとされる。ＤＬＣ膜中へのフラーレンの混入は、例えば原料ガスまたはターゲットにフラーレンを含有させるなどの方法が採られる。

本発明のコイル挿入装置によれば、ブレードの表面の少なくともコイルが接触する領域にフラーレンを含有するＤＬＣ膜が形成されているため、絶縁破壊を惹起するコイルの損傷を効果的に防止することができるとともに、短時間でステータコアにコイルを挿入することができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態のコイル挿入装置でステータコアに挿入される複数の並列線コイルを示す斜視図である。 一実施形態のコイル挿入装置を示す側面図である。 一実施形態のコイル挿入装置にステータコアおよびコイルがセットされた状態を示す斜視図である。 一実施形態のコイル挿入装置でステータコアにコイルが挿入されている状態を示す斜視図である。 １つの相のコイルが挿入されたステータコアを示す斜視図である。 ステータコアに挿入されたコイルのコイルエンドが成形された状態を示す斜視図である。

以下、図面を参照してモータのステータコアにコイルを挿入してステータを製造する一実施形態のコイル挿入装置を説明する。モータのステータは、概ね、絶縁被覆導線等のワイヤを巻いてなる並列線コイルを製造する巻線工程、複数のコイルをステータコアのスロットに押し込んで挿入するコイル挿入工程、ステータコアに挿入されたコイルのコイルエンドを成形するコイルエンド成形工程を経て得られる。

永久磁石同期モータ等のモータにおいては、３ｎ（ｎ＝１，２，３，…）個のステータが１２０°間隔に配置され、１２０°ずつ位相差のあるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流を流すことにより回転磁界が発生する。したがって、回転子の磁極（Ｎ極またはＳ極）当たりのステータコアに形成されるスロット数は３ｎ個になる。コイルはステータコアに対してＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルの３種類が挿入される。図１は、複数の並列線コイル（以下、コイルと略称）Ｃが、図２〜図４に示す一実施形態のコイル挿入装置１０にセット可能に配置された状態を示している。

コイル挿入装置１０は、図２および図３に示すように、ベース部１１と、ベース部１１と一体的な導電体からなる支持枠１２内に配され、該支持枠１２に固定された上下方向に延びる固定ブレード２１と、固定ブレード２１と平行で上下方向に移動可能な可動ブレード２２と、可動ブレード２２と一体的に上下方向に移動するストリッパ３１と、ストリッパ３１を上下方向に移動させるアクチュエータ３２と、ストリッパ３１にかかる荷重を計測する荷重計３３と、ベース部１１の下部に配され、アクチュエータ３２の変位量を検出することでストリッパ３１の変位量を検出する変位計３４とを備えている。

固定ブレード２１は可動ブレード２２の両側に１つずつ隣接して配されており、３本１組とされている。これらブレード２１，２２はステータコア４０の内歯４１の内周側に対応して配置されるものであって、複数組がステータコア４０の円周方向に等間隔をおいて円筒状をなすように配列されている。ストリッパ３１は円筒状に配列された各ブレード２１，２２の内側にこれらブレード２１，２２の内面に摺動しながら上下方向に移動可能なように配設されている。

図３に示すように、ベース部１１の上面の支持枠１２の周囲には、ブレード２１，２２と平行な上下方向に延びる複数の支柱１３が立設されている。これら支柱１３の上端部には、ステータコア４０を上から押さえて上方への移動を規制する押さえ板１４が設けられている。また、ステータコア４０の内側には、各ブレード２１，２２の倒れを防止するアライメントゲージ１５が上方から被せる状態で配設される。

このコイル挿入装置１０によってステータコア４０にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のコイルを挿入するには、以下の要領で１相ずつ挿入される。まず、図３に示すように、固定ブレード２１および可動ブレード２２に複数のコイルＣをセットするとともに、アライメントゲージ１５を配設したステータコア４０を複数のコイルＣに対向して配置し、押さえ板１４でステータコア４０の上面の周縁部を押さえる状態とする。コイルＣは、その内側に、間隔をおいて隣り合う２本の固定ブレード２１が配され、その固定ブレード２１と可動ブレード２２との間の隙間に挿入されて引き掛けられた状態にセットされる。

次いで、図４に示すように、アクチュエータ３２が作動することによりストリッパ３１および可動ブレード２２を上昇させる。すると、コイルＣは各ブレード２１，２２を摺動しながらこれらブレード２１，２２にガイドされて、ステータコア４０の内周側から内歯４１間のスロット４２内に挿入される。

スロット４２に挿入されたコイルＣは、図５に示すように、ステータコア４０の両端面からはみ出しており、それらはみ出し端部であるコイルエンドＣ１は、コイルＣの内周側のスロット４２を塞ぐ状態となっていて次に挿入する他の相のコイルを挿入するのに妨げとなる。そこで、図示せぬコイルエンド成形装置によって図６に示すようにコイルエンドＣ１をステータコア４０の外周側に拡張するように折り曲げる中間成形工程が行われ、コイルＣの内側のスロット４２に他の相のコイルが挿入可能とされる。

続いて、上記と同様の要領で、他の２相のコイルがステータコア４０の空いているスロット４２に順次挿入されてそれらコイルのコイルエンドが成形され、ステータコア４０に３相のコイルが挿入されてなるステータが製造される。

さて、本実施形態のコイル挿入装置１０においては、各ブレード２１，２２の表面には、前述したフラーレンを含有するＤＬＣ膜が形成されている。このため、ブレード２１，２２とコイルＣの摩擦が大幅に低減し、ブレード２１，２２に接触するコイルＣが傷付くおそれが回避され、結果としてコイルＣの絶縁破壊が防止される。また、低摩擦によってステータコア４０へのコイルＣの挿入を高速化することができ、短時間での挿入が可能となって生産性の向上が図られる。さらにブレード２１，２２の表面はＤＬＣ膜によって硬度が高く耐摩耗性が良好であるため、長寿命化するといった利点もある。

なお、上記一実施形態のコイル挿入装置１０は、３相のコイルを１相ずつ挿入するものであるが、本発明では３相のコイルを同時に挿入する形式のものにも適用できることは言うまでもない。また、本発明を応用して、コイルＣに摺動するストリッパ３１やカフスガイド、コイルエンドＣ１の成形装置におけるコイルＣへの摺動パーツ等の表面に、本発明のフラーレン含有ＤＬＣ膜を形成して低摩擦化を図ることも可能である。

次に、本発明の効果を実証する実施例を説明する。
以下のようにしてブレードに相当する供試体（実施例１〜７、比較例１）を作製してコイルの素材であるワイヤと摺動させ、供試体に対するワイヤの滑り性を示す動摩擦係数と、摺動後のワイヤの絶縁性を調べた。ワイヤは市販のアミドイミド被覆されたφ０．５ｍｍのものを用いた。

滑り性の試験は表面性状測定器（新東科学社製：ＨＥＩＤＥＮ １４ＤＲ）により試験荷重：５００ｋｇｆ、摺動速度：１．５ｍｍ／ｓｅｃ、摺動距離：３０ｍｍ、温度：室温といった条件のもと、対線２本で行った。そして、滑り性試験の後、絶縁抵抗計（ＨＩＯＫＩ社製：３４５４−１０）により５００Ｖ印可の条件で絶縁性の有無を確認し、膜の安定性を評価した。測定結果を表１に示す。なお、表１の動摩擦係数は比較例１の結果を基準（＝１）とした数値を示している。

［実施例１］
バフ研磨された１０ｍｍ角の金型用鋼材の表面にＳｉ下地層をスパッタ法で形成し、次いでＳｉ下地層の表面に厚さ約１μｍのＤＬＣ膜をプラズマＣＶＤにより形成して供試体を得た。プラズマＣＶＤによるＤＬＣ膜の形成は、ＤＬＣ形成原料溶媒をミスト化し、ワーク表面で励起されたプラズマ中に導入することで生成した原料ガスを用いた。

［実施例２〜７］
実施例１と同様にして、上記鋼材の表面に厚さ約１μｍのフラーレン含有ＤＬＣ膜を形成した。ＤＬＣ中のフラーレンの含有量を０．０１％、０．１％、０．５％、１％、２％、４％と変え、実施例２〜７とした。プラズマＣＶＤによるフラーレン含有ＤＬＣ膜の形成は、Ｃ６０を溶解させたＤＬＣ形成原料溶媒をミスト化し、ワーク表面で励起されたプラズマ中に導入することで生成した原料ガスを用いた。フラーレン含有量の調整は、表２に示すように、フラーレンの溶媒への溶解度により溶媒種、溶媒混合割合を変更することにより行った。なお、マトリックスとなるＤＬＣ膜の形成能を高める目的で、溶媒はトルエンまたはトルエンを含有するものとした。

［比較例１］
１０ｍｍ角の金型用鋼材の表面をバフ研磨して供試体を得た。

表１によれば、実施例１〜７の動摩擦係数は比較例１よりも大幅に小さく、ＤＬＣ膜またはフラーレン含有ＤＬＣ膜が表面に形成された鋼材に対するワイヤは低摩擦で高い摺動性（滑りやすさ）を有することが判る。したがって、コイル挿入装置のブレードとして好適であることが確かめられた。

１０…コイル挿入装置
２１…固定ブレード
２２…可動ブレード
３１…ストリッパ
４０…ステータコア
４１…内歯
４２…スロット
Ｃ…コイル
Ｃ１…コイルエンド

Claims (5)

1. ステータコアの内歯に対応し該ステータコアの円周方向に沿って配置される複数のブレードと、
   これら複数のブレードの内側に配設されるストリッパとを備え、
   前記ブレードにコイルを引き掛け、前記ストリッパを該ブレードの延びる方向に移動させることにより、該コイルを前記ステータコアの対応するスロットに挿入する装置であって、
   前記ブレードの表面の少なくとも前記コイルが接触する領域に、フラーレンを含有するＤＬＣ膜が形成されている
   ことを特徴とするステータコアへのコイル挿入装置。
2. 前記ＤＬＣ膜中の前記フラーレンの含有量は、０．０１〜４．０％であることを特徴とする請求項１に記載のステータコアへのコイル挿入装置。
3. 前記フラーレンは、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８２、Ｃ_８４、Ｃ_９０、Ｃ_９４、Ｃ_９６の単体、および／またはこれら単体の混合体および／または化合物であることを特徴とする請求項１または２に記載のステータコアへのコイル挿入装置。
4. 前記ＤＬＣ膜中に、カーボンナノチューブおよび／またはナノホーンの単体、および／またはこれら単体の混合体および／または化合物を含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のステータコアへのコイル挿入装置。
5. 前記ＤＬＣ膜中の厚さが、１ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のステータコアへのコイル挿入装置。

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