JP2012029399A - コイルの製造方法及びコイル - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性と冷熱性を兼ね備えたボイドのないコイルを得ることができる製造方法及びコイルを提供すること。
【解決手段】導線を溶接する工程と、導線の溶接部を絶縁体で被覆する工程と、を有するコイルの製造方法であって、溶接部を絶縁体で被覆する前に、溶接部に酸素官能基を形成する工程が施される。
【選択図】なし

Description

本発明は、コイルの製造方法及びコイルに関する。

車両用交流発電機に用いられる固定子としては、複数の導体セグメントを接合することにより形成されたコイルを有するものが従来から知られている。このような固定子は、例えば、特許文献１〜２に開示されている。これらの公報に開示された固定子のコイルは、導体セグメントとしての素線の端部を溶接して波巻きしたものであり、そのコイルエンド部を樹脂で覆うことにより、各素線が支持されている。

一般の車両に搭載される車両用交流発電機には、車両が悪路を走行した際に泥水等がハウジング内に浸入するおそれがあるため、導体セグメントの端部を接合した後にこの接合部に対して絶縁処理を行う必要があるが、上述した公報に開示された電機子コイルでは、コイルエンドとなる素線端部の溶接部を支持用の樹脂で覆っているだけであり、絶縁特性について詳しい説明がなされているわけではない。また、コイルの素線の皮膜材として用いられるエンジニアリングプラスチック（エンプラ樹脂）は、一般に濡れが悪く接着しにくい樹脂であり、絶縁材を含浸させる際に接合部近傍に空隙を発生しやすい。この空隙は絶縁性能を下げるだけでなく、クラック性も低下させるため、絶縁部近傍を空隙なく覆ってこの部分の絶縁処理を行う手法が望まれている。

この問題に対して、特許文献３が開示されている。この公報には、接合部（溶接部）を有する固定子巻線（コイル）の接合部を絶縁樹脂で覆う構造とし、絶縁樹脂の特性を調節することで、絶縁樹脂の剥離を防止して接合部の良好な絶縁状態を確保している。

この公報には、コイルの接合部を覆う絶縁樹脂が、流動性のある樹脂を付着させた後に硬化させることや、粉体を付着させて（熱）硬化させることで形成されることが記載されている。

このコイルは、波の頂点に溶接部が位置するように形成されており、二つの素線が溶接部を中心に鋭角をなすように溶接されている。特に、溶接部近傍では、二つの素線がほぼ同一方向にのびた状態となっている。このような構成のコイルの溶接部を絶縁樹脂で覆うために絶縁樹脂の流体（粉体）を付着させたときに、それぞれの素線に付着した絶縁樹脂の流体同士がつながり、φ２０〜５０μｍのボイドが発生するという問題があった。特に、絶縁樹脂の粉体は、空気と同時に巻き上げて付着させており、粉体が付着しにくかった。特に、粉体を付着させる処理では、素線の湾曲のＲの低いところから付着するため、素線の間の微小な隙間部には空気が溜まりやすく、ボイドが発生しやすかった。

さらに、コイルを形成する素線は、導体（導線）をＰＢＴ、ＰＰＳなどの高絶縁樹脂で被覆しているが、これらの高絶縁樹脂に対して、絶縁樹脂の流体（粉体）は濡れが悪く、上記の状態が発生しやすかった。

加えて、溶接部を絶縁樹脂は、絶縁性の低下、冷熱性の低下を発生しやすいため、導線を構成する銅の腐食防止機能を付与することのみに留まることが多かった。

特開昭６２−２７２８３６号公報 特開昭６３−２７４３３５号公報 特開２０００−２７８９０１号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、絶縁性と冷熱性を兼ね備えたボイドのないコイルを得ることができる製造方法及びコイルを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者等は、導線に対する絶縁樹脂の流体の濡れ性に関して検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の請求項１に記載のコイルの製造方法は、導線を溶接する工程と、導線の溶接部を絶縁体で被覆する工程と、を有するコイルの製造方法であって、溶接部を絶縁体で被覆する前に、溶接部に酸素官能基を形成する工程が施されることを特徴とする。

本発明のコイルの製造方法は、溶接部を絶縁体で被覆する前に、溶接部に酸素官能基を形成する工程が施されることで、溶接部に対する絶縁体の濡れ性が高くなっている。この濡れ性の向上により、溶接部に絶縁体を均一な厚さで、ムラなく付着させることができる。この結果、本発明の製造方法により製造されたコイルは、溶接部近傍にボイドの発生が抑えられたものとなる。また、均一な厚さで絶縁体を被覆することができるため、高い絶縁性と冷却性も得られる。なお、本発明において溶接部に形成される酸素官能基とは、酸素を含有する官能基である。

請求項２に記載の本発明のコイルの製造方法は、酸素官能基を形成する工程は、プラズマ処理，ＵＶ処理，コロナ処理の少なくとも一つの処理を施す工程であることを特徴とする。

請求項２に記載の製造方法によると、酸素官能基を形成する工程がプラズマ処理，ＵＶ処理，コロナ処理の少なくとも一つの処理を施す工程よりなることで、溶接部に均一な酸素官能基を形成することができる。なお、これらの処理のうち、酸素官能基を形成する工程は、プラズマ処理であることがより好ましい。

また、酸素官能基を形成する工程で施される処理において、形成される酸素官能基の酸素源としては、酸素ガスを用いることが好ましく、より好ましくは空気中の酸素である。

請求項３に記載の本発明のコイルの製造方法は、絶縁体は、液体エポキシ系、ポリエステル系、アクリル系、シリコーン系、粉体エポキシ系のいずれかの樹脂であることを特徴とする。

請求項３に記載の製造方法によると、溶接部を被覆する絶縁体がこれらの樹脂から選ばれることで、溶接部に絶縁体を均一な厚さで、ムラなく付着させることができる。なお、本発明のコイルを回転電機に使用したときに、使用状況によってはコイルが２００℃以上になる場合があり、絶縁体の耐熱温度は２００℃以上であることが好ましく、このような温度が加わったときに絶縁体を形成する樹脂が酸化（変質）してしまう場合には、酸化防止材等の添加剤を添加してもよい。

請求項４に記載の本発明のコイルの製造方法は、コイルは、溶接部以外の部位が、エンジニアリングプラスチック材料よりなる皮膜材に覆われていることを特徴とする。

請求項４に記載の製造方法によると、コイルの溶接部以外の部分が皮膜材で被覆されており、溶接部以外の部分の絶縁性が確保される。

請求項５に記載の本発明の製造方法は、エンジニアリングプラスチック材料（以下、エンプラ材料）は、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＰＳＵ（ポリフェニールサルフォン）、ポリアミドイミド、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）のいずれかであることを特徴とする。

請求項５に記載の製造方法によると、エンプラ材料が、これらの樹脂より選ばれることで、コイルの溶接部以外の部分の絶縁性が確保される。

請求項６に記載の本発明の製造方法は、溶接部は、銅よりなる導線を溶接してなり、絶縁体は、溶接部及び溶接部の近傍で溶接時の熱の影響を受けた部位の皮膜材を同時に被覆することを特徴とする。

請求項６に記載の製造方法によると、溶接部を被覆する絶縁体が、溶接部だけでなく皮膜材を被覆している。絶縁体が被覆する皮膜材の部分は、導線を溶接したときの熱の影響を受けて劣化している。本発明では、この劣化した部分も絶縁体で被覆することで、皮膜材の剥離が抑えられる。

また、本発明のコイルは、請求項１〜６のいずれかに記載のコイルの製造方法を施してなることを特徴とする。

すなわち、本発明の請求項７に記載のコイルは、上記の製造方法を施してなるコイルであり、上記のそれぞれの効果を発揮する。

本発明のコイルは、溶接部がボイドのない絶縁体で被覆されたことで、絶縁体の剥離が抑えられたものとなっている。そして、絶縁体が確実に溶接部の絶縁性を確保できることから、使用環境が過酷な用途にも使用できる。すなわち、本発明のコイルは、回転電機の固定子に用いられることが好ましく、車両用の回転電機（及びその固定子）に用いられることがより好ましい。

回転電機及びその固定子は、その構成が限定されるものではなく、従来公知の回転電機及びその固定子と同様の構成とすることができる。たとえば、回転電機の固定子は、複数のスロットを持つ固定子コアと、この固定子コアのスロットに嵌装された複数のセグメント導体の端部を互いに接合して溶接部が形成され、この溶接部を絶縁体で被覆してなるコイルと、を有する構成とすることができる。

実施例のコイルの導体セグメントを示した図である。 実施例のコイルの製造におけるプラズマ処理の様子を示した図である。 実施例のコイルの製造におけるプラズマ処理の様子を示した図である。 実施例のコイルの製造においてプラズマ処理される溶接部近傍を示した図である。 比較例のコイルの溶接部近傍を示した図である。 実施例のコイルの溶接部近傍を示した図である。 冷熱試験後の比較例のコイルの溶接部近傍を示した図である。 実施例のコイルを用いた回転電機の構成を示した図である。

以下、回転電機用コイルを製造して本発明を具体的に説明する。

（コイルの製造）
まず、コイルを形成するための導体セグメント２を準備する。

導体セグメント２は、棒状あるいは板状の導線２０（本実施例においては銅線）と、銅線２０を被覆する皮膜材２１（本実施例においては、ＰＰＳ，エナメル樹脂）と、から構成される。また、導体セグメント２は、図１に示したように、両端部２７，２７において導線２０が露出するように、皮膜材２１が形成されている。また、導体セグメント２は、図１に示したように、ターン部２５が二つのスロット収容部２６を接続するように折り返された略Ｕ字状に成形されている。

次に、二つの導体セグメント２を溶接して接合する。

導体セグメント２の導線２０のスロット収容部２６より端部２７の部分を、略Ｕ字状が開く方向でありかつ略Ｕ字状の深さ方向（スロット収容部２６ののびる方向）に対して傾斜した方向にのびるように湾曲させる。このとき、導線２０が露出した端部２７は、略Ｕ字状の深さ方向（スロット収容部２６ののびる方向）に平行な方向に伸びるように成形した。

成形後の二つの導体セグメント２を、接合したときに略Ｗ字状をなすように配置し、重なり合ったそれぞれの端部２７，２７をＴＩＧ溶接で溶接した。この溶接により接合された部分が、溶接部２８となった。なお、ふたつの端部２７，２７の溶接は、本実施例ではＴＩＧ溶接で行われたが、二つの端部を溶接できる方法であれば特に限定されるものではない。

次に、溶接部２８の表面に酸素官能基を形成した。

溶接部２８にプラズマ処理を施して、酸素官能基を形成した。プラズマ処理は、図２に示したように、大気中で溶接部２８に向けて、プラズマアークを吹き付けることで行われた。プラズマ処理は、プラズマ処理装置（松下電工Ｍ＆Ｖ製、商品名：プラズマコーティング）を用い、ズルの移動速度が２０ｍｍ／ｓｅｃで、０．５秒間プラズマアークを照射することで行われた。

プラズマ処理が施された溶接部２８の表面を分析したところ、酸素官能基として−ＳＯ_４基が形成されていることが確認できた。なお、プラズマ処理におけるノズルの位置が溶接部２８に近いほど、より多くの酸素官能基が形成された。

その後、溶接部２８に、絶縁体を被覆した。

絶縁体の被覆は、まず、エポキシ樹脂の原料粉末（平均粒径：１８０μｍ）を空気とともに吹き付ける。粉末が溶接部２８に完全に付着したら、２００℃に加熱して熱硬化させる。これにより、溶接部２８が絶縁体（エポキシ樹脂）で被覆された。

なお、絶縁体は、溶接部２８，導線２０の端部２７だけでなく、皮膜材２１の端部２７側であって溶接時の熱の影響を受けた部位も被覆している。

以上の工程を施して、所定数の導体セグメント２を接合して、本実施例のコイルが製造された。

（評価）
実施例のコイルの評価として、溶接部２８に絶縁体の皮膜を形成した後及び冷熱試験後のボイドの有無を目視で確認するとともに、冷熱試験を施した後の皮膜の接着強度を測定した。評価結果は、表１に合わせて示した。

なお、評価される各コイル（実施例１〜３，比較例１〜２）のそれぞれは、表１に示した条件で製造されたコイルである。

評価としての冷熱試験は、製造されたコイルを−４０℃に３０分保持した後に１６０℃で３０分間保持することを１０００サイクル繰り返した後、絶縁体の剥離の有無を確認することで行われた。

皮膜の接着強度の測定は、同条件にて作成したシングルラップのせん断テストピースを冷熱耐久前後に室温で変位速度５ｍｍ／ｍｉｎでの破壊強度とした。

合わせて、皮膜の接触角を測定し、表１に測定結果を合わせて示した。

具体的には、実施例１のコイルは、上記の製造工程において、皮膜材２１がエナメル樹脂よりなり、プラズマ処理においてプラズマアークが吹き出すトーチの吹き出し口と溶接部２８の間隔（図３に示した概略図内のＧＡＰ）が５．０ｍｍで製造されたコイルである。

実施例２のコイルは、上記の製造工程において、皮膜材２１がＰＰＳよりなり、プラズマ処理においてプラズマアークが吹き出すトーチの吹き出し口と溶接部２８の間隔が５．０ｍｍで製造されたコイルである。

実施例３のコイルは、上記の製造工程において、皮膜材２１がＰＰＳよりなり、プラズマ処理においてプラズマアークが吹き出すトーチの吹き出し口と溶接部２８の間隔が１０．０ｍｍで製造されたコイルである。

比較例１のコイルは、プラズマ処理が施されないこと以外は、実施例１と同様にして製造されたコイルである。

比較例２のコイルは、プラズマ処理が施されないこと以外は、実施例２，３と同様にして製造されたコイルである。

なお、上記の各コイルは、溶接部２８を介して溶接された二つの端部２７，２７の間隔は、図４に示したように、約２０μｍで製造された。

表１に示したように、比較例１〜２のコイルは、図５に示したように、絶縁体がつながってボイドが形成されていることが確認できた。これに対し、実施例１〜３のコイルは、図６に示したように、溶接部２８の近傍での絶縁体の皮膜厚さが略均一であり、ボイドも確認できなかった。

また、冷熱試験の各コイルを確認したところ、比較例１〜２のコイルは、図７に示したように、絶縁体がつながっている部分にクラックの発生が確認された。また、比較例１〜２のコイルは、絶縁体が皮膜材２１を被覆している部分に、剥離が確認された。これに対し、実施例１〜３のコイルは、溶接部２８の近傍での絶縁体の皮膜にクラックや剥離の発生が確認できなかった。

さらに、表１に示したように、絶縁体の皮膜の接着強度を測定したところ、実施例のコイルは、同様な比較例のコイルに比べて、大きな接着強度を有していることが分かった。つまり、実施例のように酸素官能基を形成する工程を有することで、剥離しにくい絶縁体の皮膜を形成できることが確認できた。

この絶縁体の皮膜の強度は、絶縁体の皮膜が皮膜材２１の表面に対する接触角であり、接触角が小さいほど、大きな強度となることが確認できた。

上記したように、各実施例のコイルは、溶接部２８の近傍にボイドの発生が抑えられた状態で絶縁体の皮膜を形成できた。そして、形成された皮膜は、耐剥離性に優れたものとなっており、高い絶縁性と冷却性も得られた。ここで、形成された絶縁体の皮膜は、強度及び耐剥離性に優れたものであり、溶接部２８の表面に薄く形成できる。この結果、冷却性（放熱性）の低下が抑えられた。

上記したように、本実施例の製造方法によると、溶接部の表面に優れた効果を発揮できる絶縁体の皮膜が形成できた。

（回転電機の固定子及び回転電機）
上記した実施例のコイルは、回転電機の固定子及び回転電機に用いることができる。

回転電機１は、図８に示したように、略有底筒状の一対のハウジング部材が開口部同士で接合されてなるハウジングと、ハウジングに軸受けを介して回転自在に支承される回転軸に固定された回転子と、ハウジングの内部で回転子を包囲する位置でハウジングに固定された固定子と、を備えている。

回転子は、永久磁石により周方向に交互に異なる磁極を固定子の内周側と向き合う外周側に複数形成している。

固定子は、上記した各実施例のコイルと、複数のスロットを持つとともに、このスロットにスロット収容部が収容された状態でコイルが嵌装した固定子コアと、を備えている。なお、固定子コアとコイルとの間には、絶縁紙を配してもよい。

回転電機の固定子は、上記した各実施例のコイルと、複数のスロットを持つとともに、このスロットにスロット収容部が収容された状態でコイルが嵌装した固定子コアと、を有する構成とすることができる。

上記した回転電機の固定子及び回転電機は、上記した各実施例のコイルを用いており、上記の効果を発揮する。

１：回転電機
２：導体セグメント
２０：導線 ２１：皮膜材
２５：ターン部 ２６：スロット収容部
２７：端部 ２８：溶接部

Claims (7)

1. 導線を溶接する工程と、
   該導線の溶接部を絶縁体で被覆する工程と、
   を有するコイルの製造方法であって、
   該溶接部を該絶縁体で被覆する前に、該溶接部に酸素官能基を形成する工程が施されることを特徴とするコイルの製造方法。
2. 前記酸素官能基を形成する工程は、プラズマ処理，ＵＶ処理，コロナ処理の少なくとも一つの処理を施す工程である請求項１に記載のコイルの製造方法。
3. 前記絶縁体は、液体エポキシ系、ポリエステル系、アクリル系、シリコーン系、粉体エポキシ系のいずれかの樹脂である請求項１〜２のいずれかに記載のコイルの製造方法。
4. 前記コイルは、前記溶接部以外の部位が、エンジニアリングプラスチック材料よりなる皮膜材に覆われている請求項１〜３のいずれかに記載のコイルの製造方法。
5. 前記エンジニアリングプラスチック材料は、ＰＰＳ、ＰＰＳＵ、ポリアミドイミド、ＰＢＴ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰのいずれかである請求項４に記載のコイルの製造方法。
6. 前記溶接部は、銅よりなる前記導線を溶接してなり、
   前記絶縁体は、該溶接部及び該溶接部の近傍で溶接時の熱の影響を受けた部位の前記皮膜材を同時に被覆する請求項４〜５のいずれかに記載のコイルの製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のコイルの製造方法を施してなることを特徴とするコイル。

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