JP2012249398A - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度と絶縁性を両立した回転電機およびその製造方法を提供する。
【解決手段】固定子鉄心４１２のスロット４１１とコイルの間に含浸される第１のワニス４１５と、スロット４１１の軸方向外側において、コイルのエナメル皮膜に直接に付着された第２のワニス４１６と、を有し、第１のワニス４１５は、平角線におけるコイルとワニスのせん断接着強度が第２のワニス４１６より大きい熱硬化性のワニスであり、第２のワニス４１６は、ガラス転移温度が約１０４℃以下の熱硬化性のワニスであるとともに、第２のワニス４１６のＤＭＡ法におけるガラス転移温度が第１のワニス４１５のガラス転移温度より低い回転電機。
【選択図】 図５

Description

本発明は、回転電機およびその製造方法に関する。

近年の回転電機は、その高出力化により、固定子コイルに加わる振動や固定子コイルの発熱がさらに大きくなりつつある。

固定子鉄心のスロットの固定子コイルの振動を抑えるため、高強度（高接着強度，高耐熱を含む）のワニス（例えば、エポキシワニス）を固定子鉄心と固定子コイルの間に含浸し、固着させることが知られている。しかし、固定子鉄心の外側のコイルエンド部でヒートサイクル，ヒートショックに伴うワニスの熱膨張，熱収縮によってエナメル電線の皮膜が剥離し、絶縁不良する問題が新たに発生する。

そこで接着強度が弱く、柔軟な不飽和ポリエステルワニスを使用した場合、エナメル皮膜の剥離は防止できる。しかし、固定子鉄心内のスロットと固定子コイルの間の固着力が不足し、コイルが振動してしまう。

このように回転電機の固定子コイルの強度と絶縁性を両立することが難しくなっていた。

尚、回転電機のコイルエンド部のワニス含浸の例としては、コイルエンド部にエポキシワニスを合成して作成したＣＰ処理樹脂をコーティングし、固定子鉄心内外にエポキシワニスをコーティングして、外部の媒体が固定子コイルに浸入しないような方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、固定子鉄心部にエポキシワニスを含浸し、さらにコイルエンド部に充填材を混入したエポキシワニスでモールドする方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

実開平５−０３９１７８号公報 実開昭６１−１０８０５２号公報

しかし、これらの構成では基本的に高接着強度のエポキシワニスをベースに使用しており、上記した課題、すなわち強度と絶縁性を両立することは困難である。

本発明は、上記に鑑み、強度と絶縁性を両立した回転電機およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、固定子鉄心と、固定子鉄心の周方向に等間隔に設けられたスロットと、固定子スロットに納められ、回転磁界を発生させるコイルと、を有する固定子と、固定子鉄心と所定の回転ギャップを隔てて、回転自在に設けられた回転子と、を有する回転電機であって、固定子鉄心のスロットとコイルの間に含浸される第１のワニスと、スロットの軸方向外側において、コイルのエナメル皮膜に直接に付着された第２のワニスと、を有し、第１のワニスは、平角線におけるコイルとワニスのせん断接着強度が第２のワニスより大きい熱硬化性のワニスであり、第２のワニスは、ガラス転移温度が約１０４℃以下の熱硬化性のワニスであるとともに、第２のワニスのＤＭＡ法におけるガラス転移温度が第１のワニスのガラス転移温度より低い回転電機である。

また本発明は、固定子鉄心外側において、第２のワニスの入った容器に、コイルを挿入した固定子を絶縁紙端まで浸漬させて熱硬化させた後に、固定子の反対側も絶縁紙端まで浸漬させて熱硬化させる回転電機の製造方法である。

本発明によれば、強度と絶縁性を両立した回転電機およびその製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態による回転電機の側面断面図。 図１に示す回転電機の固定子の断面図。 図１に示す回転電機の回転子の断面斜視図。 重ね巻による巻線構造を有する固定子を示す斜視図。 固定子鉄心に挿入されたコイルの断面図。 固定子鉄心外側の二種類のワニスの接触部位拡大断面図。 平角線のせん断接着強度試験の説明図。 ワニスのせん断接着力強度と絶縁破壊比率の関係の説明図。 実測のエナメル皮膜の引き剥しを示す説明図。 計算のエナメル皮膜引き剥しモデルを示す説明図。 ワニスのガラス転移温度Ｔｇとエナメルの引き剥し荷重の関係の説明図。 第１のワニスと第２のワニスの構成位置における物性値の関係図。 コイルエンドの第２のワニスの浸漬，乾燥工程を示した説明図。 コイルエンドの第２のワニスの塗布工程を示した説明図。 固定子鉄心のスロット内に第１のワニスを滴下含浸する方法を示した説明図。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、第１の実施形態における誘導電動機の側面断面図を示す。回転電機の一例としてのかご型誘導電動機は、軸方向の一端側が開口した有底筒状のハウジング１と、このハウジング１の開口端を封止するカバー２を有している。ハウジング１とカバー２は、複数本、例えば６本のボルト３によって締結されている。ハウジング１の内側には水路形成部材２２が設けられおり、固定子４はその水路形成部材２２の内側に焼き嵌め等で固定されている。水路形成部材２２の図示左端のフランジはハウジング１とカバー２とに挟まれて固定されており、水路２４が水路形成部材２２とハウジング１との間に形成される。回転電機を冷却する冷却水は、ハウジング１に形成された取入口３２から水路２４に取り入れられた後、ハウジング１の排出口３４から排出される。

図２は、図１の固定子の断面図を示す。複数のスロット４１１が周方向等間隔に設けられた固定子鉄心４１２と、各スロット４１１内に挿入された３相の固定子コイル４１３とによって構成されている。固定子コイル４１３が挿入される固定子鉄心４１２には、２４個のスロット４１１が形成されている。固定子鉄心４１２は、例えば厚さ０.０５〜０.３５mmの電磁鋼板を打ち抜き加工またはエッチング加工により成形し、成形された電磁鋼板を積層して構成された積層鋼板からなり、周方向に等間隔の放射状に配置された複数のスロット４１１が形成されている。

固定子鉄心４１２の内周側には、固定子鉄心４１２と微小な隙間を介して対向するように、回転子５が回転可能に配置されている。回転子５はシャフト６に固定されており、シャフト６と一体に回転する。シャフト６は、ハウジング１およびカバー２にそれぞれ設けられた一対のボールベアリング７ａ，７ｂによって回転自在に支持されている。これらのベアリング７ａ，７ｂの内、カバー２側のベアリング７ａは、不図示の固定板によってカバー２に固定されており、ハウジング１の底部側のベアリング７ｂは、ハウジング１の底部に設けられた凹部に固定されている。

シャフト６の左端には、プーリー１２がナット１１によって取り付けられている。シャフト６のプーリー１２とベアリング７ａとの間には、スリーブ９およびスペーサ１０が設けられている。スリーブ９の外周およびプーリー１２の内周はやや円錐形状となっており、ナット１１による締め込み力によってプーリー１２とシャフト６とが強固に一体化され、これらは一体的に回転できるようになっている。固定子４に対して回転子５が回転駆動されると、プーリー１２によってシャフト６の回転力が外部に出力される。また、発電機として機能する場合には、プーリー１２からの回転力がシャフト６に入力される。

図３は、図１の回転子５の断面を示す斜視図である。

図３に示すように、かご型回転子である回転子５の回転子鉄心５１３には、回転軸方向に延びる複数の導体バー５１１が、周方向の全周に渡って等間隔で埋め込まれている。回転子鉄心５１３は磁性体からなり、回転子鉄心５１３の軸方向両端には、各導体バー５１１を短絡させる短絡環５１２がそれぞれ設けられている。なお、図３の斜視図では、回転子鉄心５１３と導体バー５１１との関係を明示するために、回転軸に垂直な面で断面した断面構造を示しており、プーリー１２側の短絡環５１２およびシャフト６は図示されていない。

回転子鉄心５１３は、厚さ０.０５〜０.３５mmの電磁鋼板を打ち抜き加工またはエッチング加工により成形し、成形された電磁鋼板を積層して構成された積層鋼板からなる。図３に示すように、回転子鉄心５１３の内周側には、軽量化のために略扇形の空洞部５１４が周方向等間隔に設けられている。回転子鉄心５１３の外周側すなわち固定子側には前述した導体バー５１１が埋め込まれており、導体バー５１１の内側の回転子ヨーク５３０に磁気回路が形成される。各導体バー５１１および短絡環５１２はアルミによって構成されており、ダイキャストによって回転子鉄心５１３に一体とされている。回転子鉄心の両端に配置された短絡環５１２は、回転子鉄心５１３から軸方向両端に突出するように設けられる。なお、図１に図示していないが、ハウジング１の底部側には、回転子５の回転を検出するための検出ロータが設けられている。回転センサ１３は、回転する検出ロータの歯を検出し、回転子５の位置や回転子５の回転速度を検知するための電気信号を出力する。

図４に固定子鉄心４１２と、をスロット４１１に納められて、固定子鉄心内から固定子鉄心へ長手方向に伸びた固定子コイル４１３を示す。固定子コイル４１３は、所定数のスロットを間に挟んだ一対のスロットに挿入されている。固定子鉄心４１２の両端面には、各スロットから外部に突出した固定子コイル４１３によってコイルエンド４１４が形成されている。各スロットの出口部近傍のコイルエンド４１４には、固定子コイル４１３が直線状に延在する直線部が設けられており、固定子鉄心４１２と固定子コイル４１３との間に絶縁紙４１９が巻き付けられている。固定子鉄心４１２と、前記固定子鉄心４１２に納められた固定子コイル４１３および絶縁紙４１９には、ギャップを隔てて回転自在に設けられた回転子５の回転振動によって、振動が発生する。この固定子鉄心４１２と固定子コイル４１３の振動防止と、固定子鉄心４１２に固定子コイル４１３を挿入した時にできる傷による電気絶縁保護のために、固着ワニスが固定子鉄心内に含浸されている。また、コイルエンド４１４の固定子コイル４１３同志の素線間の絶縁保護に、固着ワニスがコイル表面に付着されている。このコイルエンド４１４に付着されている固着ワニスは自身の接着強度が高いため、高温環境下からの温度降下時にワニスの熱収縮力で、コイルのエナメル皮膜を剥離させてしまう問題がある。

そこで、第１の実施の形態では、固定子鉄心４１２と固定子コイル４１３のスロットに第１のワニス４１５を処理し、固定子鉄心外のコイルエンド４１４に第２のワニス４１６を処理した固定子４を構成する。

以下に、第１の実施の形態における固定子４の構成を詳細に説明する。図５にスロットの出口部近傍のコイルエンド４１４の断面図を示し、図６に図５の第１のワニス４１５と第２のワニス４１６の接触部の拡大断面図を示す。前記第１のワニスは前記固定子鉄心４１２のスロット内部と、前記固定子鉄心４１２外側のコイルエンド４１４の絶縁紙端から軸方向外側に付着される前記第２のワニスをオーバーラップするように含浸されて形成される。この時、前記固定子鉄心４１２外側のコイルエンド４１４に付着されるワニスは、固定子鉄心内から絶縁紙端まで１種類、絶縁紙端から第１のワニスのオーバーラップ端まで２種類、第１のワニスと第２のワニスのオーバーラップ端からコイルエンドの末端まで１種類で形成される。

図７に平角線のせん断接着強度試験についての説明図を示し、図８にワニスのせん断接着力強度と、絶縁破壊比率の関係の説明図を示す。第１のワニス４１５は、固定子鉄心４１２のスロットと固定子コイル４１３間における高接着強度の材料が望まれる。この第１のワニス４１５に適切な材料の物性について説明する。第１のワニス４１５のせん断接着強度は、図７のように４本の平角線を組み合わせて、第１のワニス４１５を含浸、乾燥させて１つの試料とし、この試料の引張り破断力を測定している。図８の絶縁破壊比率は、１００mm×１００mm×１３mmの固定子鉄心を模擬したモデルに平角線を挿入し、この模擬モデルでヒートサイクル試験を行い、電圧１２００Ｖを１０分間耐電して絶縁破壊したコイルの比率を示す。第１のワニス４１５にストラッカ法で測定したワニス初期固着強度４０Ｎ／mm²以上のワニスを使った場合のコイル累積破壊比率は０％である。ところが４０Ｎ／mm²未満のワニスとして、例えば３０Ｎ／mm²のワニスを使った場合には累積破壊比率が５０％以下になるため、第１のワニスには不適切である。以上のようにワニスの初期固着力が４０Ｎ／mm²以上のワニスとしてはエポキシワニスなどがある。

図９にエナメル皮膜の引き剥し測定図、図１０にエナメル皮膜引き剥し力の計算結果を示す。図１１にワニスのガラス転移温度Ｔｇとエナメルの引き剥し荷重の関係の説明図を示す。図５の固定子鉄心４１２の外側のコイルエンド４１４に付着させる第２のワニス４１６は、コイルエンド４１４のエナメル皮膜が剥離しない程度の熱収縮力の低い材料が望まれる。この第２のワニス４１６に適切な材料の物性について説明する。固定子コイル単体の引き剥し強度は、図９のようにＡＩＷ平角線（３.２３mm×２.４７mm）を用いて、エナメル皮膜の径方向に幅１.５mmの切り込みを入れて、軸方向へのエナメル皮膜の引き剥し強度を測定している。図１０のワニスの熱解析で求めた引き剥し荷重は、径方向に幅１.５mmの寸法とし、エポキシワニスの物性値（線膨張係数５.１×１０^-5／℃，弾性率３０００ＭＰａ，ガラス転移温度Ｔｇ１２５℃）を用いて計算している。実測のエナメル皮膜の引き剥し強度は図１１のように平均値１.４Ｎで、エナメル皮膜等の有機材料の繰り返し疲労限界強度が約１／１０まで低下することから、エポキシワニスの疲労限界強度は約０.１４Ｎと考えられる。一方、ワニスの熱解析から求めた引き剥し荷重は０.１６Ｎで、疲労限界強度０.１４Ｎに達すると剥離が生じてしまう。エポキシの熱解析の引き剥し荷重と、疲労限界強度の比と、エポキシワニスの簡易熱応力σ（線膨張係数α５.１×１０^-5／℃×弾性率Ｅ３０００ＭＰａ×ガラス転移温度Ｔｇ１２５℃）から、ワニスの疲労限界熱応力σ′を求めると、約１３ＭＰａとなる。この疲労限界熱応力σ′のガラス転移温度Ｔｇ′は、エポキシワニスと不飽和ポリエステルワニスなどの線膨張係数α′と弾性率Ｅ′の物性値に差がない場合には、第２のワニス４１６に必要な最大のガラス転移Ｔｇ′の値約１０４℃が求められる。ガラス転移温度Ｔｇ１０４℃以下の適切な材料としては、一般的にガラス転移温度が４０〜１０５℃である不飽和ポリエステルワニスが適切である。

図１２に以上の検討から得た第１のワニス４１５と第２のワニス４１６に求められる特性と、その選定基準を示す。第１のワニス４１５は、平角線におけるコイルとワニスのせん断接着強度が、固定子鉄心４１２外側に付着される第２のワニスより大きい熱硬化性のワニスを用いて、前記第２のワニスのＤＭＡ法におけるガラス転移温度Ｔｇが前記第１のワニスのガラス転移温度Ｔｇより低い熱硬化性のワニスを用いて形成できる。例えば、前記第１のワニス４１５は高分子材料のエポキシワニス、前記第２のワニス４１６に不飽和ポリエステルワニスを使うなど、異なる２種類の高分子材料を用いると良い。第１のワニス４１５と第２のワニス４１６に同じ高分子材料を使う場合では、第１のワニス４１５と第２のワニス４１６に同じ高分子材料のエポキシワニスを用いて、前記第２のワニス４１６のみに柔軟鎖を持つポリマー材料のゴムなどを添加させて、ガラス転移温度Ｔｇを下げて組み合わせても良い。

つぎに、第１の実施の形態による回転電機の製造方法について説明する。図１３に第２のワニスの浸漬コート方法の説明図を示す。図１３のように第２のワニス４１６は、第２のワニス４１６の入った容器にコイルを挿入した固定子４の接続側のコイルを絶縁紙端まで浸漬させて熱硬化させた後に、固定子４の反接続側のコイルも絶縁紙端まで浸漬させて熱硬化させて、第２のワニス４１６を形成することができる。図１４に第２のワニス４１６の表面塗布方法の説明図を示す。図１４のようにコイルエンド４１４の絶縁紙端から軸方向外側へ向かって、刷毛を用いて、コイルエンド４１４の両側のコイルの表面に塗布させて熱硬化させて、第２のワニス４１６を形成することもできる。

図１５に第１のワニスの含浸方法の説明図を示す。この第２のワニス４１６を形成した後に、固定子４を余熱し、図１５のように固定子４を軸に対し水平に回転させて、固定子鉄心４１２のスロット４１１の開口部へ第１のワニス４１５を滴下含浸させて熱硬化する。このような製造方法によって第１のワニス４１５と第２のワニスを有する固定子４を形成することができる。この時、前記固定子鉄心４１２と、固定子鉄心外側のコイルエンド４１４に処理されるワニスは、前記固定子鉄心内から軸方向外側の絶縁紙端まで１種類、絶縁紙端からある距離まで２種類、ワニス２種類の終端からコイルエンドの末端のターン部まで１種類で形成される。

以上説明した実施の形態においては、以下のような作用効果を奏することができる。回転電機は、固定子鉄心４１２に形成された複数のスロット４１１に、固定子コイル４１３を装着した固定子４と、固定子４の内側に回転可能に設けられた回転子５とを備えている。固定子鉄心４１２の複数のスロット４１１と固定子コイル４の間には、平角線における固定子鉄心４１２のスロット４１１と固定子コイル４１３のせん断接着強度が、エポキシワニス並みの強度を持つ第１のワニス４１５が形成されている。この第１のワニス４１５によって、回転電機運転時のコイル振動によるクラックを防止できる。一方、固定子鉄心外側の固定子コイル４１３では第２のワニス４１６が形成されている。この第２のワニスのガラス転移温度Ｔｇが、第１のワニス４１５よりも低く、ガラス転移温度Ｔｇ１０４℃以下であるため、温度下降時のワニスの熱収縮を緩和できて、エナメル皮膜剥離を防止することができる。第１のワニス４１５と第２のワニス４１６を形成することで、耐振動性と耐ヒートサイクル性の回転電機を製作することが可能になる。

このように、上記実施形態によれば、固定子鉄心のスロットでは高接着強度のワニスを含浸することにより、回転電機の振動によるクラック発生を防止でき、かつ固定子鉄心外のコイルエンドでは熱収縮性の低い柔軟なワニスを塗布することにより、コイルエンド部のエナメル電線の被膜剥離を防止できるようになり、これらの二種類のワニスの相乗効果で回転電機の絶縁寿命を延命し信頼性を向上できる。その結果、耐ヒートサイクル性と耐ヒートショック性に優れた回転電機を提供できる。

なお、上記実施形態は、ハイブリッド自動車や電気自動車等、高出力化により回転電機の固定子コイルに加わる振動や、固定子コイルの発熱が厳しいアプリケーションに好適である。

また、上記では回転電機の実施例としてかご型誘導電動機を示したが、これに限られることなく、同期式回転電機（磁石モータ）やルンデル型オルタネータ，リラクタンスモータなど、あらゆる回転電機に適用可能である。

４ 固定子
５ 回転子
４１１ スロット
４１２ 固定子鉄心
４１３ 固定子コイル
４１４ コイルエンド
４１５ 第１のワニス
４１６ 第２のワニス

Claims (11)

1. 固定子鉄心と、前記固定子鉄心の周方向に等間隔に設けられたスロットと、前記固定子スロットに納められ、回転磁界を発生させるコイルと、を有する固定子と、前記固定子鉄心と所定の回転ギャップを隔てて、回転自在に設けられた回転子と、を有する回転電機であって、
   前記固定子鉄心の前記スロットと前記コイルの間に含浸される第１のワニスと、前記スロットの軸方向外側において、前記コイルのエナメル皮膜に直接に付着された第２のワニスと、を有し、
   前記第１のワニスは、平角線におけるコイルとワニスのせん断接着強度が前記第２のワニスより大きい熱硬化性のワニスであり、
   前記第２のワニスは、ガラス転移温度が約１０４℃以下の熱硬化性のワニスであるとともに、前記第２のワニスのＤＭＡ法におけるガラス転移温度が前記第１のワニスのガラス転移温度より低い回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記第１のワニスと前記第２のワニスの接触部位は、径方向に二つの層をなす回転電機。
3. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記固定子鉄心の外側のコイルエンドに付着されるワニスは、固定子鉄心内から絶縁紙端まで一種類、絶縁紙端から前記第１のワニスと前記第２のワニスの積層部終端まで二種類、前記第１のワニスと前記第２のワニスの積層部終端からコイルエンドの末端まで一種類で構成した回転電機。
4. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記第２のワニスは、前記第１のワニスよりも先に前記スロットの軸方向外側のコイルに付着されたワニスである回転電機。
5. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記第１のワニスは前記第２のワニスと異なる種類の高分子成分のワニスである回転電機。
6. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記第１のワニスはエポキシワニスで処理されている回転電機。
7. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記第２のワニスは不飽和ポリエステルワニスである回転電機。
8. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記第２のワニスは前記第１のワニスと同じ種類の高分子成分のワニスであり、前記第２のワニスに柔軟鎖を持つポリマーを添加させ、前記第２のワニスのガラス転移温度を低下させた回転電機。
9. 固定子鉄心と、前記固定子鉄心の周方向に等間隔に設けられたスロットと、前記固定子スロットに納められ、回転磁界を発生させるコイルと、を有する固定子と、前記固定子鉄心と所定の回転ギャップを隔てて、回転自在に設けられた回転子と、を有し、前記固定子鉄心の前記スロットと前記コイルの間に含浸される第１のワニスと、前記スロットの軸方向外側において、前記コイルのエナメル皮膜に直接に付着された第２のワニスと、を有し、前記第１のワニスは、平角線におけるコイルとワニスのせん断接着強度が前記第２のワニスより大きい熱硬化性のワニスであり、前記第２のワニスは、ガラス転移温度Ｔｇが約１０４℃以下の熱硬化性のワニスであるとともに、前記第２のワニスのＤＭＡ法におけるガラス転移温度が前記第１のワニスのガラス転移温度より低い回転電機の製造方法であって、
   前記固定子鉄心外側において、前記第２のワニスの入った容器に、前記コイルを挿入した前記固定子を絶縁紙端まで浸漬させて熱硬化させた後に、前記固定子の反対側も絶縁紙端まで浸漬させて熱硬化させる回転電機の製造方法。
10. 請求項９に記載の回転電機の製造方法であって、
    前記固定子鉄心外側において、前記第２のワニスは、前記固定子鉄心外側の絶縁紙端から軸方向外側へ向かって、刷毛を用いて、前記コイルの表面に付着させて熱硬化させる回転電機の製造方法。
11. 請求項９に記載の回転電機の製造方法であって、
    前記第１のワニスは、前記第２のワニスを付着した前記固定子を軸に対し水平に回転させて、前記固定子鉄心の前記スロットの開口部へ前記第１のワニスを滴下含浸させて熱硬化させる回転電機の製造方法。

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