JP2011199921A - 電動機コイルの固定化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業環境の改善を図ることができるのはもちろんのこと、工程数の低減、装置メンテナンスの省略化、スロット内でのコイルの占積率の向上、ステータコアの軽量化および材料コストの削減を図ることができる電動機コイルの固定化方法を提供する。
【解決手段】ステータコア１のスロット２内にコイル３を設け、スロット２内周面とコイル３との間に絶縁紙４を設ける。たとえば化学気相成長法を用い、スロット２内に固着作用を有する材料の原料ガス５を供給し、コイル３どうしの間、コイル３と絶縁紙４との間、および、絶縁紙４とスロット２内周面との間に、上記材料からなる固定膜を形成する。このように固着性を有する材料をガス状態に設定して、液体状態を介さないで、その材料からなる固定膜を形成することにより、スロット２内でコイル３および絶縁紙４の固定を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステータコアのスロット内にコイルを配置し、そこに樹脂膜を形成することによりコイルを固定する電動機コイルの固定化方法に係り、特に、樹脂膜の形成技術に関する。

電動機は、中央部に孔部を有するステータコアを備え、内周部に所定の間隔をおいてスロットが形成されている。スロットには複数のコイル（励磁コイル）が配置されている。

スロット内では、機械的振動や電磁的振動等によりコイル同士が接触し、その絶縁が破壊される虞があるため、次のような手法によりコイルの固定化が行われている。たとえば、特許文献１の技術では、スロットを通じてコイルの巻線を行い、ワニス等の液体状樹脂を含浸させた後（コイル間に浸透させた後）、樹脂を硬化させることによりコイルの固着を行っている。また、たとえば特許文献２の技術では、コイル自体に自己融着樹脂層を形成し、スロットを通じてコイルの巻線を行った後、熱処理により自己融着樹脂層を硬化させて、コイルの固着を行っている。また、たとえば特許文献３の技術では、コイルをスロット内に配置した後、ステータコア全体をモールドしている。

特開２００８−４８５５５公報 特許３９０６１２４号 特開２００８−２２８４２４公報

しかしながら、特許文献１の技術では、液体状樹脂の使用には法規制溶剤が必要であるため、作業環境が劣悪となる場合が多い。また、含浸処理では、たとえばマスキング、滴下冶具取付、ワーク予熱、液体状樹脂の滴下、余滴、液体状樹脂の不要な付着部の除去、硬化冶具取付、液体状樹脂の硬化 液体状樹脂の補填、液体状樹脂の硬化、冷却、および、外観・重量検査を行う必要がある。このように含浸処理では、工程数が多く、かつ装置のメンテナンス（たとえば配管詰り等の修繕）に多大な労力を要する。

特許文献２の技術では、特許文献１の技術とは異なり、溶剤を使用しないため、作業環境が劣悪とならないが、分布巻きモータを用いる場合、コイルのスロット内への挿入時、滑り性が悪くなり、挿入が困難となる。また、コイル表面に自己融着層を形成する必要があるため、スロット内でのコイルの占積率を低下させる要因となる。

特許文献３の技術では、特許文献１の技術と同様、溶剤型の使用時、作業環境が劣悪となる場合が多い。また、ステータコア全体を樹脂モールドする必要があるため、樹脂量が多くなり、ステータコアの重量が増大し、かつ材料コストが増大する。

したがって、本発明は、作業環境の改善を図ることができるのはもちろんのこと、工程数の低減、装置メンテナンスの省略化、スロット内でのコイルの占積率の向上、ステータコアの軽量化および材料コストの削減を図ることができる電動機コイルの固定化方法を提供することを目的とする。

特許文献１では、ワニス等の液体状樹脂を用いた含浸処理を行っており、自己融着線や粉体樹脂、樹脂モールド等を用いる特許文献１，２の技術では、固体樹脂を一旦溶融させている。このように従来の電動機コイルの固定化方法では、その工程中、固着性を有する材料の液体状態を用いている。これに対して、本発明者は、固着性を有する材料をガス状態に設定して、液体状態を介さないで、その材料からなる固定膜を形成することができるとの知見を得、本発明の完成に至った。

本発明の電動機コイルの固定化方法は、ステータコアのスロット内にコイルを配置し、スロット内に、固着作用を有する材料の原料ガスを供給し、コイルおよびスロットの少なくとも一方の表面に、材料からなる固定膜を形成し、固定膜によりコイルの固定化を行なうことを特徴としている。

本発明の電動機コイルの固定化方法では、特許文献１〜３に開示された従来技術の固定化方法とは異なり、コイルが配置されたスロット内に、コイルの固定化のための固定膜の材料をガス状で供給しているから、従来技術の固定化方法での問題の発生を防止することができる。具体的には、法規制溶剤であるワニス等の液体状樹脂を用いた含浸処理や樹脂モールドが不要であるから、作業環境の改善を図ることができる。含浸処理を行わないから、工程数の低減および装置メンテナンスの省略化を図ることができる。コイル表面に自己融着層を形成する必要がないから、スロット内でのコイルの占積率を向上させることができる。ステータコア全体への樹脂モールドが不要であるから、ステータコアの軽量化および材料コストの削減を図ることができる。

本発明の電動機コイルの固定化方法は種々の構成を用いることができる。たとえばコイルおよびステータコアの少なくとも一方の表面に放電を発生させ、その放電が発生している部位に原料ガスを流し、原料ガスをイオン化して固定膜を形成することができる。また、スロット内にコイルを有するステータコアをプラズマ中に配置し、コイルおよびステータコアの少なくとも一方に、負の高電圧パルスを印加し、コイルおよびステータコアの少なくとも一方とプラズマとの界面にシース電場を形成し、プラズマでイオン化した原料ガスをシース電場により加速し、固定膜を形成することができる。

また、材料として、カーボンを含有する材料を用い、原料ガスをイオン化することによりカーボンイオン発生させ、コイルおよびステータコアの少なくとも一方に、負の電流あるいはパルスバイアスを印加した状態に設定してカーボンイオンを堆積させ、固定膜を形成することができる。コイルおよびステータコアの少なくとも一方を真空チャンバ内に配置し、真空チャンバー内にモノマー状の原料ガスを導入して、コイルおよびステータコアの少なくとも一方の表面においてモノマーを重合させ、固定膜を形成することができる。

本発明の電動機コイルの固定化方法によれば、作業環境の改善を図ることができるのはもちろんのこと、工程数の低減、装置メンテナンスの省略化、スロット内でのコイルの占積率の向上、ステータコアの軽量化および材料コストの削減を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る電動機コイルの固定化方法が適用されるステータコアの概略構成を表す上面図である。 図１のステータコアのスロット内にコイルおよび絶縁紙を挿入し、そこに原料ガスを供給した状態を表す側断面図である。図である。 本発明の一実施形態に係るステータコアの具体例に固定膜を形成する態様を表す側断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電動機コイルの固定化方法が適用されるステータコア１の概略構成を表す上面図である。ステータコア１は、中央部に孔部１Ａを有し、内周部には、たとえばスロット２が等間隔に形成されている。

本実施形態の電動機コイルの固定化方法では、図２に示すように、ステータコア１のスロット２内にコイル３を設け、スロット２内周面とコイル３との間に絶縁紙４を設ける。次いで、たとえば化学気相成長法を用い、スロット２内に固着作用を有する材料の原料ガス５を供給し、コイル３どうしの間、コイル３と絶縁紙４との間、および、絶縁紙４とスロット２内周面との間に、上記材料からなる固定膜を形成することにより、スロット２内でコイル３および絶縁紙４の固定を行う。なお、この場合、スロット２内の必要な部位のみに固定膜を形成するようにしてもよい。また、本実施形態では、絶縁紙４を用いた形態について説明しているが、特にその形態に限定されるものではなく、絶縁紙４を用いなくてもよく、あるいは、その他部材を用いてもよい。

化学気相成長法としては、熱ＣＶＤ法や、直流プラズマＣＶＤ法等のプラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、触媒化学気相成長法法(Cat-CVD）、常圧ＣＶＤ法、真空蒸着法 、イオンプレーティング法（たとえば直流励起あるいは高周波励起）、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）、レーザーアブレーション法 、イオンビームデポジション法、プラズマイオン注入法等のイオン注入法等が挙げられる。このような化学気相成長法のなかでは以下の形態が、複雑形状の構成への適用に望ましい。

たとえば直流プラズマＣＶＤ法を用いる場合、コイル３の表面およびスロット２内周面の少なくとも一つに放電を発生させ、その放電が発生している部位に原料ガスを流し、原料ガスをイオン化して固定膜を形成する。

たとえばプラズマイオン注入法を用いる場合、ステータコア１のスロット２内にコイル３および絶縁紙４が設けられたステータコア１をプラズマ中に配置する。次いで、コイル３およびスロット２内周面の少なくとも一方に、負の高電圧パルスを印加し、コイル３およびステータコア１の少なくとも一方とプラズマとの界面にシース電場を形成する。プラズマでイオン化した原料ガスをシース電場により加速し、固定膜を形成する。

この場合、シース電場は、プラズマと部材（スロット２内周面、コイル３、絶縁紙４）との界面に形成されるシースによるものであり、シース電場により加速されるのはシース端のイオンである。原料ガスはプラズマで分解され、原料ガスのイオンは部材表面に付着し、余った原料ガスの電子は、部材表面に形成される固定膜が薄い場合、部材を通って拡散する。

たとえばイオン蒸着法を用いる場合、固定膜の材料としてカーボンを含有する材料を用い、その原料ガスをイオン化することによりカーボンイオン発生させる。コイル３およびスロット３内周面の少なくとも一方に、負の電流あるいはパルスバイアスを印加した状態に設定してカーボンイオンを叩き込んで堆積させ、固定膜を形成する。

以上の形態で用いられる固定膜の材質としては、絶縁性を有するのはもちろんのこと、コイル３どうしの固定およびコイル３と相手部材１，４の固定、相手部材１，４どうしの固定を十分に行うことができるものが好適である。材料として、金属窒化物、金属炭化物、金属炭化窒化物、非金属窒化物、非金属炭化物、および、非金属炭化窒化物のうちの少なくとも一つを用いることができる。

具体的には、材料として、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）、ＣｒＮ（窒化クロム）、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン（Diamond-Like Carbon））等の硬質炭素材料、ＢＮ（窒化ホウ素）、および、ＢＮＣ（炭窒化ホウ素）のうちの少なくとも一つを用いる。硬質炭素材は低温での形成が可能であるから、好適である。この場合、硬質炭素材料内にフラーレやＢＮ等の微小な絶縁フィラを含有させても良い。この態様では、絶縁性や部分放電性の向上を図ることができ、膜強度の向上により耐久性の向上を図ることができる。含有手法は、硬質炭素材料の原料ガスあるいはターゲットにフラーレン等の絶縁フィラーを含有させれば良い。

原料ガスとして反応性の高いモノマー状のガスを用いる場合、コイル２、絶縁紙３、および、ステータコア１を真空チャンバ内に配置し、真空チャンバ内にモノマー状の原料ガスを導入して、コイル２およびステータコア１の少なくとも一方の表面においてモノマーを重合させ、固定膜を形成する。この場合、モノマー状のガスがコイル２表面、絶縁紙３表面、スロット２内周面に接触したときに重合が行われる。原料ガスの材料としては、フッ化アルキルシラン系ポリマーやパラキシレン系ポリマー等が挙げられる。

本発明の電動機コイルの固定化方法では、コイル３が配置されたスロット２内に、コイル３の固定化のための固定膜の材料をガス状で供給しているから、従来技術の固定化方法での問題の発生を防止することができる。具体的には、法規制溶剤であるワニス等の液体状樹脂を用いた含浸処理や樹脂モールドが不要であるから、作業環境の改善を図ることができる。含浸処理を行わないから、工程数の低減および装置メンテナンスの省略化を図ることができる。コイル３表面に自己融着層を形成する必要がないから、スロット２内でのコイル３の占積率を向上させることができる。ステータコア１全体への樹脂モールドが不要であるから、ステータコア１の軽量化および材料コストの削減を図ることができる。

本発明の電動機コイルの固定化方法では、原料ガスが供給される通常の真空チャンバの代わりに、種々の構成を用いることができる。図３は、コイル３が設けられたステータコア１の具体例に固定膜を形成する態様を表す側断面図である。たとえば図３に示すように、環状のハウジング１１を密閉部材として用いることにより、ステータコア１、ステータコア１が載置される基台１２、および、ハウジング１１により密閉空間１０を形成することができる。

ハウジング１１は、たとえば天板部１１Ａ、内周壁部１１Ｂ、および、外周壁部１１Ｃを有している。天板部１１Ａは、ステータコア１の上面側に配置されるとともに、ステータコア１の上面の形状に沿って延在している。内周壁部１１Ｂおよび外周壁部１１Ｃは、天板部１１Ａの内周側および外周側の縁部から下方へ延在している。外周壁部１１Ｃの下端部は内周側に屈曲する屈曲部を有している。天板部１１には、原料ガス５を密閉空間１０に供給するための供給口１１Ｄが形成されている。ハウジング１１の設置では、内周壁部１１Ｂがステータコア１の孔部１Ａに挿入され、その下端部が基台１２の上面に当接するとともに、外周壁部１１Ｃがステータコア１の外周側に配置され、その下端部の屈曲部がステータコア１の外周面に当接する。

以上のようにハウジング１１を用いて密閉空間１０を形成した態様では、ハウジング１１内の空気を供給口１１Ｄを通じて吸引した後、ハウジング１１内に供給口１１Ｄを通じて原料ガスを導入し、固定膜の上記形成法に応じた処理を行う。この態様では、ハウジング１１を別途用いるとともにステータコア１自体の各部位を利用して密閉空間１０を形成して真空引きおよび成膜処理を行うから、バッチ処理を行う真空チャンバを用いた手法とは異なり、ライン処理が可能となる。また、真空引きを行うハウジング１１内の容積は真空チャンバのものよりも極めて小さいから、真空引きに要する時間の短縮化を図ることができる。その結果、生産性の向上を図ることができる。

以下、具体的な実施例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。実施例では、固定膜によるコイルの固定力について調べた。

本発明の試料および比較試料の作製では、市販のアミドイミドが絶縁被覆された電線（φ０．５ｍｍ）をコイルとして用い、２５８本の電線からなる束線とした。本発明の試料の作製では、直流プラズマＣＶＤ法を用い、原料ガスの材料としてアセチレンを用い、束線の各電線の表面に固定膜を形成した。この場合、出力を１ｋＷに設定し、チャンバ内の圧力を０．３Ｐａに設定し、 基板に対するバイアスを−４００Ｖに設定し、アセチレンの供給量を２５０ml/minに設定し、成膜温度を１８０℃に設定し、成膜時間を３０minに設定した。また、電線と固定膜との間にＳｉからなる中間膜を形成した。比較試料の作製では、硬化剤を含有した樹脂を束線に含浸させた後（電線間に浸透させた後）、樹脂（ワニス）を硬化させて束線の各電線の表面に固定膜を形成した。

本発明の試料および比較試料について、その下面の両端部を２点で支持して上面の中央部から荷重を加える３点曲げ強度試験を行った。その結果、本発明の試料の曲げ荷重は１０５ｋｇｆ、比較試料の曲げ荷重は１０３ｋｇｆであった。このように固着性を有する材料をガス状態に設定して、液体状態を介さないで形成した固定膜は、ワニス等の含浸処理により形成した従来技術の固定膜と同程度の強度を有することができ、本発明のコイルの固定化方法の有効性を確認した。

１…ステータコア、２…スロット、３…コイル、５…原料ガス

Claims (9)

1. ステータコアのスロット内にコイルを配置し、
   前記スロット内に、固着作用を有する材料の原料ガスを供給し、前記コイルおよび前記スロットの少なくとも一方の表面に、前記材料からなる固定膜を形成し、
   前記固定膜によりコイルの固定化を行なうことを特徴とする電動機コイルの固定化方法。
2. 前記コイルおよび前記ステータコアの少なくとも一方の前記表面に放電を発生させ、その放電が発生している部位に前記原料ガスを流し、前記原料ガスをイオン化して前記固定膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の電動機コイルの固定化方法。
3. 前記スロット内に前記コイルを有する前記ステータコアをプラズマ中に配置し、
   前記コイルおよび前記ステータコアの少なくとも一方に、負の高電圧パルスを印加し、 前記コイルおよび前記ステータコアの少なくとも一方と前記プラズマとの界面にシース電場を形成し、
   前記プラズマでイオン化した前記原料ガスを前記シース電場により加速し、前記固定膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の電動機コイルの固定化方法。
4. 前記材料として、カーボンを含有する材料を用い、
   前記原料ガスをイオン化することによりカーボンイオン発生させ、
   前記コイルおよび前記ステータコアの少なくとも一方に、負の電流あるいはパルスバイアスを印加した状態に設定して前記カーボンイオンを堆積させ、前記固定膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の電動機コイルの固定化方法。
5. 前記コイルおよび前記ステータコアの少なくとも一方を真空チャンバ内に配置し、前記真空チャンバー内にモノマー状の前記原料ガスを導入して、前記コイルおよび前記ステータコアの少なくとも一方の前記表面において前記モノマーを重合させ、前記固定膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の電動機コイルの固定化方法。
6. 前記材料として、金属窒化物、金属炭化物、金属炭化窒化物、非金属窒化物、非金属炭化物、および、非金属炭化窒化物のうちの少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動機コイルの固定化方法。
7. 前記材料として、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＤＬＣ、ＢＮ、および、ＢＮＣのうちの少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動機コイルの固定化方法。
8. 前記ＤＬＣ内にフラーレンを含有させることを特徴とする請求項７に記載の電動機コイルの固定化方法。
9. 前記原料ガスとしては、フッ化アルキルシラン系ポリマーあるいはパラキシレン系ポリマーを用いることを特徴とする請求項５に記載の電動機コイルの固定化方法。

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