JP2011229283A - 回転電機のスロット絶縁物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の鉄心のスロット内に配置されるものにあって、鉄心の端面から突出している部分の突出長さを小さくする。
【解決手段】スロット絶縁物１５を、固定子鉄心のスロットの内面に沿って配置されるほぼＵ字状に曲げ加工された絶縁材製の絶縁シート１７と、その絶縁シート１７の上下両端部の外面側にインサート成型により一体的に設けられ、固定子鉄心の端面に係止されるＵ字形をなす合成樹脂製の係止凸部１８とから構成する。このとき、絶縁シート１７を固定子鉄心の軸方向寸法よりも若干だけ大きくし、係止凸部１８の軸方向寸法ｈを、例えば１〜２ｍｍとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の鉄心のスロット内に配置され、内面側にコイルの辺部が配置される回転電機のスロット絶縁物及びその製造方法に関する。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などの普及に伴い、小型かつ高出力の電動機の開発が進んでいる。このようなハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電動機の固定子としては、電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心のスロットの内面に、絶縁シート例えばアラミド紙と称される耐熱性合成絶縁紙からなるスロット絶縁物を配置した上で、コイルを巻装する構成のものがある。前記スロット絶縁物１として、従来より、図７に示す構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

このスロット絶縁物１は、図７（ａ）に示すように、絶縁シートを固定子鉄心２のスロット２ａの内面形状に沿うような、軸方向に見てＵ字状に整形すると共に、図７（ｂ）に示すように、固定子鉄心２の端面から軸方向両端部が突出するような長さとされている。そして、スロット絶縁物１の軸方向両端部（一方のみ図示）には、外面側にＶ字形に折返されたいわゆるカフス曲げ部３が形成されている。このカフス曲げ部３は、その先端が、固定子鉄心２の端面に接触することによって、固定子鉄心２に対するスロット絶縁物１の軸方向の位置ずれを防止すると共に、固定子鉄心２のスロット２ａのエッジに対するコイル４の素線を保護する、つまり素線がエッジに接触して傷付くこと防止する機能を果たすようになっている。

特開２０００−１２５５００号公報（図１等）

しかしながら、上記した従来のスロット絶縁物１では、軸方向両端部にカフス曲げ部３を設けているため、次のような問題点があった。即ち、カフス曲げ部３を加工する際の絶縁シートの良好な曲げ加工性を得るために、カフス曲げ部３にある程度の曲げ寸法ｋを確保しなければならない。この曲げ寸法ｋは、例えば、中型のモータで５ｍｍ程度、比較的大形のモータでは８ｍｍ程度にもなる。

そのため、スロット絶縁物１のうち、固定子鉄心２のスロット２ａから出ている部分が大きく（軸方向に長く）なり、その分、コイル４を巻装した場合のコイルエンド部４ａの長さ、ひいてはコイル４全体の長さが無駄に大きくなってしまう不具合がある。尚、カフス曲げ部３を設けたものでは、機械的な強度がさほど大きくなく、例えばコイルエンド部４ａのフォーミングを行う際に破れが発生しやすいといった事情もあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、回転電機の鉄心のスロット内に配置されるものにあって、鉄心の端面から突出している部分の突出長さを小さくすることができ、ひいてはコイルを巻装した際のコイル全体の長さを短くすることができる回転電機のスロット絶縁物及びその製造方法を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の回転電機のスロット絶縁物は、回転電機の鉄心のスロット内に配置され、内面側にコイルの辺部が配置されるものであって、スロットの内面に沿ってほぼＵ字状に曲げ加工されていると共に、軸方向の両端部が、鉄心の端面から突出する絶縁材製の絶縁シートと、この絶縁シートの両端部の前記鉄心の端面から突出する部分の外面に、インサート成型により一体化され、該鉄心の端面に係止されて軸方向の移動を規制する合成樹脂製の係止凸部とを有して構成されるところに特徴を有する（請求項１の発明）。

また、本発明の回転電機のスロット絶縁物の製造方法は、転電機の鉄心のスロット内に配置され、内面側にコイルの辺部が配置されるスロット絶縁物を製造するための方法であって、絶縁材製の絶縁シートを、鉄心の端面から突出する長さ寸法に裁断すると共に、スロットの内面に沿うほぼＵ字状に整形する工程と、裁断及び整形された絶縁シートを成形型内に収容し、該絶縁シートの両端部の前記鉄心の端面から突出する部分の外面に、インサート成型により、該鉄心の端面に係止されて軸方向の移動を規制する合成樹脂製の係止凸部を一体的に設ける工程とを実行するところに特徴を有する（請求項３の発明）。

本発明によれば、スロットの内面に沿うほぼＵ字状に整形された絶縁シートの両端部の外面側に、従来のカフス曲げ部に代えて係止凸部が設けられる。このとき、係止凸部は、合成樹脂の成形品であるため、カフス曲げ部を設ける場合と比較して、突出方向（軸方向）の寸法を小さくすることができ、突出方向寸法が小さくても、スロット内における軸方向のずれ防止や、鉄心のエッジにコイルの素線が接触しないように保護するといった必要な機能を果たすことができる。

この結果、本発明によれば、鉄心の端面から突出している部分の突出長さを小さくすることができ、コイルを巻装した際のコイル全体の長さを短くすることができる。ひいては、回転電機としての軽量化や効率の向上を図ることが期待できる。また、係止凸部は、カフス曲げ部を設ける場合に比べ、寸法ばらつきが小さく、機械的な強度も得られる。インサート成型を用いているため、例えば別途に成型された係止凸部を、絶縁シートに接着するといった場合に比べて、生産性が高く、安価に製造することができる。

本発明の回転電機のスロット絶縁物においては、前記係止凸部を、前記スロットの周縁部に沿う方向に複数個に分割された形態で設ける構成としても良い（請求項２の発明）。これによれば、スロット絶縁物のＵ字状の湾曲形状に関して、フレキシブル性が高くなるので、鉄心のスロットに対する挿入作業性の向上を図ることができ、また、複数種類のスロット形状に共用することができる等の利点を得ることができる。

尚、本発明においては、特に限定されるものではないが、上記絶縁シートとしては、例えば、米国デュポン(Du Pont )社のノーメックス（Nomex ；登録商標）等のアラミド紙
（耐熱性合成絶縁紙）、ポリイミドフィルム、ポリエーテル・エーテルケトン（ＰＥＥＫ）フィルム、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）フィルム、上記アラミド紙とＰＰＳフィルム或いはポリエステルフィルムとの積層品、合成樹脂を含浸したメタ系アラミド紙等、回転電機に要求される絶縁性や耐熱性、機械的特性などに応じて、様々な材質のものを採用することができる。

上記係止凸部を構成する合成樹脂としても、例えばＰＰＳ樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）共重合樹脂、ポリアミド系樹脂、ＰＥＴ樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリアセタール樹脂など、射出成型（インサート成型）が可能なものであれば、要求される絶縁性や耐熱性等に応じて様々な材質のものを採用することができ、更には、ガラスフィラー等を添加することも可能である。

本発明の回転電機のスロット絶縁物及びその製造方法によれば、回転電機の鉄心のスロット内に配置されるものにあって、絶縁シートの両端部に、合成樹脂製の係止凸部をインサート成型により一体的に設けるようにしたので、鉄心の端面から突出している部分の突出長さを小さくすることができ、ひいてはコイルを巻装した際のコイル全体の長さを短くすることができるという優れた効果を奏する。

本発明の第１の実施形態を示すもので、スロット絶縁物の斜視図 固定子鉄心のスロット部分の斜視図 １個のスロット部分の縦断面図 １個のスロット部分の横断平面図 スロット絶縁物の製造工程を説明するための図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 従来例を示すスロット絶縁物の要部の斜視図（ａ）及び１つのスロット部分の縦断面図（ｂ）

以下、本発明を、例えばハイブリッド車や電気自動車に用いられるモータの固定子に適用した第１の実施形態について、図１ないし図５を参照しながら説明する。まず、図２〜図４を参照して、回転電機たるモータの固定子１１の概略構成について述べる。図２〜図４に一部を示すように、この固定子１１は、固定子鉄心１２にコイル１３を巻装して構成される。

前記固定子鉄心１２は、内部に図示しない回転子が配置される中空部を有したほぼ円筒状をなすと共に、その内周部にコイル１３が収容される複数個（例えば２４個、３６個、４８個等）の半開型のスロット１４を有して構成される。詳しく図示はしないが、この固定子鉄心１２は、例えば電磁鋼板をリング状に打抜いた鉄心片を、軸方向（図で上下方向）に多数枚積層し、かしめ固着して構成される。そして、前記スロット１４の内周面に、後述するスロット絶縁物１５が配置された状態で、コイル１３が巻装される。

尚、前記各スロット１４の内周側の開口部には、コイル１３が巻装された後に、絶縁材製のくさび１６（図２、図４参照）が挿入される。図示はしないが、前記コイル１３の層間には、層間絶縁シートが配置される。また、前記コイル１３のうち、固定子鉄心１２のスロット１４から外に出ているコイルエンド部１３ａは、図示しない縛り糸で縛られた上で整形（レーシング）される。更には、コイル１３に対し、絶縁ワニスの滴下含浸処理等が行われる。

さて、本実施形態に係るスロット絶縁物１５について、図１及び図５も参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係るスロット絶縁物１５は、前記スロット１４の内面に沿って配置される絶縁材製の絶縁シート１７と、その絶縁シート１７の両端部（図で上下両端部）の外面側にインサート成型により一体的に設けられ、固定子鉄心１２の端面（スロット１４の周囲部）に係止されるＵ字形（馬蹄形）をなす合成樹脂製の係止凸部１８，１８とを有して構成される。

前記絶縁シート１７は、図５（ａ），（ｂ）にも示すように、四角形状に裁断されたものを、前記スロット１４の内面形状に沿うほぼＵ字状に曲げ加工してなり、このとき、軸方向（図で上下方向）の寸法は、固定子鉄心１２の軸方向寸法よりも若干だけ大きく構成されている。つまり、絶縁シート１７は、前記スロット１４内に配置された際に、その上下両端部が、固定子鉄心１２の端面から若干量（例えば１〜２ｍｍ程度）だけ突出する寸法とされている。この絶縁シート１７としては、当然高い絶縁性が要求されるだけでなく、高い熱的な耐久性、およびコイル１３で発生する熱を固定子鉄心１２に逃がす伝熱性が要求され、更に、できるだけ薄いことが好ましい。

本実施形態では、絶縁シート１７として、例えば、厚さ５ｍｉｌのアラミド紙と、厚さ５０μｍのＰＰＳフィルムとを、接着剤を使用せずに直接熱接合により貼合せたものを採用している。この場合、絶縁シート１７の外面側がＰＰＳフィルム面とされる。それ以外にも、アラミド紙とポリエステル（ＰＥＴ，ＰＥＮ，ＰＢＴ等）フィルムとを直接熱接合により貼合せたもの、耐熱性絶縁紙単体、耐熱性合成樹脂フィルム単体、合成樹脂を含浸したメタ系アラミド紙等、回転電機に要求される絶縁性や耐熱性、機械的特性などに応じて、様々な材質のものを採用することができる。

前記係止凸部１８は、断面がほぼ正方形状をなし、軸方向に見てＵ字形状をなすように構成されている。このとき、係止凸部１８の上下方向寸法ｈ（図１、図３参照）は、例えば１〜２ｍｍとされている。この係止凸部１８を構成する合成樹脂材料としては、高い絶縁性や耐熱性などを有すると共に、インサート成型に適する（可能な）ものが選定され、本実施形態では、例えばＰＰＳ樹脂が採用される。それ以外にも、射出成型（インサート成型）が可能なものであれば、要求される絶縁性や耐熱性等に応じて様々な材質のものを採用することができ、更には、樹脂材料中にガラスフィラー等の添加材を添加することも可能である。

図５（ａ）〜（ｄ）は、上記したスロット絶縁物１５の製造工程を順に示している。即ち、図５（ａ）に示すように、絶縁シート１７は、まず、所定寸法の四角形状に裁断され、次いで、図５（ｂ）に示すように、裁断された絶縁シート１７を、前記スロット１４の内面形状に沿ったＵ字状に曲げ加工（整形）する工程が実行される。この曲げ加工は、例えば、図示しない治具（型）を用いて行われる。

次に、図５（ｃ）に示すように、曲げ加工された絶縁シート１７に対して、係止凸部１８をインサート成型により一体的に設ける工程が実行される。この工程では、一部のみ図示するように、固定型１９と、この固定型１９に対し上下動する可動型２０とを備える成型装置が用いられる。このとき、前記固定型１９の上面（型面）には、スロット絶縁物１５の外面側の外形形状に応じた断面Ｕ字型の凹部１９ａが設けられている。詳しく図示はしないが、この凹部１９ａは、両端部に係止凸部１８に対応した段差部（一段深くなった部分）を有している。一方、前記可動型２０の下面（型面）には、スロット絶縁物１５の内面側形状に応じた断面Ｕ字型の凸部２０ａが設けられている。

インサート成型を行うにあたっては、前記固定型１９の凹部１９ａ内に、裁断及び整形された絶縁シート１７を収容し、可動型２０の型締めを行う。この型締め状態では、絶縁シート１７は凹部１９ａと凸部２０ａとの間で密着状に挟まれて保持されると共に、絶縁シート１７の両端部の外面側に、係止凸部１８に対応したキャビティ１９ｂが構成される。そして、前記キャビティ１９ｂ内に、溶融したＰＰＳ樹脂を注入し、冷却・硬化させることにより、図５（ｄ）に示すように、絶縁シート１７の両端部に係止凸部１８を一体的に有したスロット絶縁物１５が得られるのである。

上記のように構成されたスロット絶縁物１５は、固定子鉄心１２の各スロット１４内に配置される。このとき、スロット絶縁物１５の絶縁シート１７がスロット１４の内面に沿うように配置されると共に、図２に一部示すように、係止凸部１８が、固定子鉄心１２の端面（スロット１４の周囲部分）に係止された形態となる。係止凸部１８が固定子鉄心１２の上下両端面で係止されていることにより、スロット絶縁物１５の軸方向のずれが防止される。この場合、両端の係止凸部１８はインサート成型により得られるため、絶縁シートを曲げ加工していた従来のカウス曲げ部３に比べて、位置精度、寸法精度が高くなり、スロット１４に対するスロット絶縁物１５のがたつきを確実に防止することができる。

この状態で、固定子鉄心１２にコイル１３が巻装されるのであるが、コイル１３は、所定の２つのスロット１４間に跨るループをなすように巻装される。このとき、コイル１３の辺部がスロット１４内（絶縁シート１７の内面側）に配置され、固定子鉄心１２のスロット１４から外に出ているコイルエンド部１３ａは、図２、図３に上側のものを代表させて示すように、係止凸部１８の上端縁部から湾曲しながら別のスロット１４に向うように延びている。

ここで、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、従来のスロット絶縁物１では、高さ寸法ｋが比較的大きい（例えば５ｍｍ）カフス曲げ部３を有していたため、スロット絶縁物１の固定子鉄心２の端面からの突出量が大きくなってコイルエンド部４ａの長さ寸法が比較的大きくなっていた。これに対し、本実施形態では、図２、図３に示すように、係止凸部１８の高さ寸法ｈ、つまり固定子鉄心１２の端面からの突出寸法を、それに比べて十分に小さくできる（１〜２ｍｍ）ので、その分、コイルエンド部１３ａの長さ寸法を小さくすることができるのである。

尚、上記スロット絶縁物１５の固定子鉄心１２のスロット１４に対する挿入の作業や、コイル１３の巻装（巻回）作業は、例えば自動機によって自動で行われるのであるが、スロット絶縁物１５を、スロット１４の形状（Ｕ字型）に十分に合わせ込めるため、それらの作業を良好に行うことができる。また、係止凸部１８により、固定子鉄心１２のエッジにコイル１３の素線が接触しないように保護する機能が得られることは勿論である。樹脂成型品である係止凸部１８は、カフス曲げ部３に比べて機械的な強度が高いので、コイル１３の高圧フォーミング時にも破損などが生ずることもない。

このような本実施形態のスロット絶縁物１５によれば、固定子鉄心１２のスロット１４の内面に沿うほぼＵ字状に整形された絶縁シート１７の両端部の外面側に、インサート成型により係止凸部１８，１８を一体に設けるようにした。これにより、必要な機能を果たしながらも、カフス曲げ部３を設けたものと比較して、固定子鉄心１２の端面から突出している部分の突出長さ（寸法ｈ）を十分に小さくすることができ、コイル１３を巻装した際のコイル１３全体の長さを短くすることができる。

ちなみに、固定子鉄心１２の端面からスロット絶縁物１５の突出長さの短縮によって、コイル１３の素線の長さが１箇所で仮に１ｍｍだけ短縮されたとすると、１個のスロット１４に素線の５０回の巻回がなされ且つスロット１４の数が２４極であるとすると、全体で、コイル１３の長さを、１ｍｍ×５０（本）×２４（極）×２（上下両端）＝２４００ｍｍも短くすることができる。

この結果、本実施形態では、固定子１１のコイル１３の小型化、軽量化を図ることができ、また、コイル１３が短くなるとその分発熱も小さくなるので、モータとしての効率の向上も図ることができるものである。また、上記スロット絶縁物１５を製造する（係止凸部１８を設ける）にあたって、インサート成型を用いているので、例えば別途に成型された係止凸部を、絶縁シートに接着するといった場合に比べて、寸法精度に優れ、生産性が高く、安価に製造することができるといった利点も得ることができる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係るスロット絶縁物２１を示している。このスロット絶縁物２１が、上記第１の実施形態のスロット絶縁物１５と異なる点は、係止凸部２２を、前記スロット１４の周縁部に沿う方向に複数個この場合３つに分割した形態で設けたところにある。

即ち、このスロット絶縁物２１も、ほぼＵ字状に曲げ加工（整形）された絶縁シート１７の図で上下両端部に、固定子鉄心１２の端面に係止される合成樹脂製の係止凸部２２を、インサート成型により一体に設けるようにしている。このとき、係止凸部２２は、Ｕ字状の絶縁シート１７に対し、両側の直線部分と、それらの中間の円弧状湾曲部分との、３つに分割された形態で設けられている。

このような構成のスロット絶縁物２１によれば、必要な機能を果たしながらも、カフス曲げ部３を設けたものと比較して、固定子鉄心１２の端面から突出している係止凸部２２部分の突出長さ（寸法ｈ）を十分に小さくすることができ、コイル１３を巻装した際のコイル１３全体の長さを短くすることができる。そして、スロット絶縁物２１のＵ字状の湾曲形状に関して、フレキシブル性が高くなるので、固定子鉄心１２のスロット１４に対する挿入作業性の向上を図ることができ、また、複数種類のスロット１４の形状に共用することができる等の利点も得ることができる。

尚、上記第２の実施形態では、係止凸部２２を３つに分割するようにしたが、２個や４個以上に分割しても良い。また、上記したように、絶縁シート１７や係止凸部１８、２２の材質としても、各種材料を採用することができ、これに加えて、鉄心にスロットを設ける個数やスロットの形状などについても様々な変更が可能である。その他、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、例えばモータに限らず発電機にも適用することができる等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

図面中、１２は固定子鉄心、１３はコイル、１４はスロット、１５，２１はスロット絶縁物、１７は絶縁シート、１８，２２は係止凸部、１９は固定型、１９ｂはキャビティ、２０は可動型を示す。

Claims (3)

1. 回転電機の鉄心のスロット内に配置され、内面側にコイルの辺部が配置されるスロット絶縁物であって、
   前記スロットの内面に沿ってほぼＵ字状に曲げ加工されていると共に、軸方向の両端部が、前記鉄心の端面から突出する絶縁材製の絶縁シートと、
   この絶縁シートの両端部の前記鉄心の端面から突出する部分の外面に、インサート成型により一体化され、該鉄心の端面に係止されて軸方向の移動を規制する合成樹脂製の係止凸部とを有して構成されることを特徴とする回転電機のスロット絶縁物。
2. 前記係止凸部は、前記スロットの周縁部に沿う方向に複数個に分割された形態で設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転電機のスロット絶縁物。
3. 回転電機の鉄心のスロット内に配置され、内面側にコイルの辺部が配置されるスロット絶縁物を製造するための方法であって、
   絶縁材製の絶縁シートを、前記鉄心の端面から突出する長さ寸法に裁断すると共に、前記スロットの内面に沿うほぼＵ字状に整形する工程と、
   裁断及び整形された前記絶縁シートを成形型内に収容し、該絶縁シートの両端部の前記鉄心の端面から突出する部分の外面に、インサート成型により、該鉄心の端面に係止されて軸方向の移動を規制する合成樹脂製の係止凸部を一体的に設ける工程とを実行することを特徴とする回転電機のスロット絶縁物の製造方法。

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