JP2016046880A - ステータのインシュレータ及びこれを用いた回転電機用ステータ、並びに、回転電機用ステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スロット内の占積率向上およびステータの組付作業等の自由度向上を図るとともに、コイルをティースにしっかりと固定することができるインシュレータを提供する。【解決手段】ステータコアのティース９に巻装されるコイルとステータコアとを絶縁するインシュレータ７は、ティース９に組み付けられた状態で、ティース９の軸方向端面９ａ，９ｂに対向する軸方向壁部２０ａ，２０ｂと、ティース９の周方向側面９ｃ，９ｄに対向する周方向壁部２２ａ，２２ｂとを一体的に備える。そして、ティース９とコイルとの間に位置する周方向壁部２２ａ，２２ｂは、軸方向壁部２０ａ，２０ｂより薄く且つ発泡性を有する絶縁シート２４で構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、ステータのインシュレータ及びこれを用いた回転電機用ステータ、並びに、回転電機用ステータの製造方法に関する。

従来、例えば特開２０１１−１８８６７５号公報（以下、特許文献１という）には、電動機の固定子を構成する分割固定子鉄心について、軸方向両端に設けられる樹脂成形品からなるインシュレータと、分割固定子鉄心のティース側面およびヨーク側面を覆って設けられるフィルム状絶縁シートとを組み付ける構成が記載されている。ここでは、フィルム状絶縁シートは、インシュレータに突設された爪部と分割固定子鉄心との間に挟持されることで、分割固定子鉄心に組み付けられることが記載されている。

特開２０１１−１８８６７５号公報

回転電機のステータでは、ステータコアのティース間に形成されるスロット内におけるコイルの占積率を向上させることが回転電機の効率向上のために好ましい。そのため、ステータコアのティースとコイルとの間を上記特許文献１に記載されるような薄いフィルム状絶縁シートで絶縁する構成にすると、スロット内のコイル占積率を向上させるのに有利である。

しかし、特許文献１に記載される構成では、フィルム状絶縁シートをインシュレータとともに分割固定子鉄心に組み付けた後でしかコイルを巻装することができず、組付作業性等の自由度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、スロット内の占積率向上およびステータの組付作業等の自由度向上を図るとともに、コイルをティースにしっかりと固定することができるステータのインシュレータ及びこのインシュレータを用いた回転電機用ステータ、並びに、回転電機用ステータの製造方法を提供することである。

本発明の一態様であるステータのインシュレータは、ステータコアのティースに巻装されるコイルと前記ステータコアとを絶縁するインシュレータであって、前記ティースに組み付けられた状態で、前記ティースの軸方向端面に対向する軸方向壁部と、前記ティースの周方向側面に対向する周方向壁部と、を一体的に備え、前記ティースと前記コイルとの間に位置する前記周方向壁部が前記軸方向壁部より薄く且つ発泡性を有する絶縁シートで構成されるものである。

本発明に係るインシュレータにおいて、前記周方向壁部を構成する絶縁シートは、絶縁性フィルムからなる基材と、この基材の少なくともティース側表面に積層された発泡層とから構成されてもよい。

この場合、前記発泡層のティース側には接着層が積層されていてもよいし、あるいは、前記発泡層は接着層を兼ねてもよい。

また、本発明に係るインシュレータにおいて、前記ステータコアは周方向に延在するヨークとこのヨークから径方向に突出するとともに周方向に間隔をあけて設けられるティースとを備え、前記インシュレータは、前記ヨークに対向するフランジ部と、このフランジ部からステータコア径方向に延出して前記ステータコアの軸方向両端面にそれぞれ対向する２つの軸方向壁部とを一体的に有し、前記周方向壁部を構成する絶縁シートは、その軸方向両端部がステータコアの軸方向両側に位置する前記２つの軸方向壁部に接合されて構成されてもよい。

本発明の別態様である回転電機用ステータは、周方向に延在するヨーク、および、このヨークから径方向に突出するとともに周方向に間隔をあけて設けられるティースを有するステータコアと、前記ステータコアのティースに径方向から組み付けられる前記いずれかの構成のインシュレータと、前記インシュレータを介して前記ティースの周囲に巻装されるコイルと、を備える。

本発明のさらに別態様である回転電機用ステータの製造方法は、ティースを有するステータコア、および、ティース組付け状態で前記ティースの軸方向端面に対向する軸方向壁部と前記ティースの周方向側面に対向する薄い絶縁性シートからなる発泡性の周方向壁部とを一体的に有するインシュレータを準備する準備工程と、前記インシュレータにコイルを巻回する巻回工程と、前記コイルを巻回した前記インシュレータを前記ステータコアのティースに径方向から組み付ける組付工程と、前記コイルおよび前記インシュレータが組み付けられた前記ステータコアを加熱することにより前記インシュレータの周方向壁部を発泡膨張させて前記コイルおよび前記インシュレータを前記ステータコアのティースに固定する固定工程と、を含むものである。

本発明に係るインシュレータ及びこれを用いた回転電機ステータ、並びに、回転電機用ステータの製造方法によれば、インシュレータが軸方向壁部とこれより薄い絶縁シートからなる周方向壁部とを一体的に備えるため、スロット内のコイル占積率の向上を図れるとともに、コイルをインシュレータに巻回した状態でステータコアのティースに組み付けることもできるので組付作業等の自由度を向上させることができる。

また、組付け後にステータを加熱等してインシュレータの周方向壁部を発泡させてコイルおよびティース間の隙間を埋めることで、発泡した周方向壁部の突っ張り力によってコイルをティースにしっかりと固定することができる。

本実施形態のステータを含む回転電機の軸方向と直交する方向の断面図である。 インシュレータの斜視図である。 図２におけるＢ−Ｂ断面図である。 周方向壁部が取り除かれた状態のインシュレータの斜視図である。 インシュレータの周方向側壁部を構成する絶縁シートの斜視図と一部拡大図である。 図１におけるステータの１つのティースについて、（ａ）はインシュレータの発泡前、（ｂ）は発泡後を示す拡大図である。 ステータの製造方法の手順を示すフローチャートである。 （ａ），（ｂ）はインシュレータの変形例をそれぞれ示す、図３と同様の図である。 （ａ），（ｂ）は絶縁シートの変形例をそれぞれ示す断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本実施形態のステータ２を含む回転電機１の軸方向と直交する方向の断面図である。図１において、ステータ径方向が矢印Ｒで示され、ステータ周方向が矢印Ｃで示してある。また、ステータ軸方向は、図１の紙面に垂直な方向である。

回転電機１は、略円筒状をなすステータ２と、ステータ２の径方向内側にギャップ３を介して設けられたロータ４とを備える。ロータ４は、中心に固定されたシャフト４ａを介して、回転電機１を収容するケース（図示せず）に回転可能に支持されている。図１では、永久磁石４ｂを内蔵するロータ４を示すが、永久磁石を含まないタイプのロータであってもよい。

ステータ２は、ステータコア５と、ステータコア５に巻装されたコイル６と、ステータコア５とコイル６とを絶縁するインシュレータ７とを備える。

ステータコア５は、例えば電磁鋼板を略円環状に打ち抜き加工したものを多数枚積層して、カシメ、溶接等によって一体に連結されて構成される磁性板材の積層体である。ステータコア５は、略円環状をなすヨーク８と、ヨーク８の径方向内側から突出するとともに周方向に所定間隔で形成された複数のティース９とを有する。これにより、周方向に隣接するティース９の間には、溝状のスロット１０が軸方向両側および径方向内側に開口して形成されている。また、本実施形態では、ティース９は、径方向に直交する方向の幅Ｗｔが一定に形成されている。ただし、ティースは一定幅のものに限定されるものではなく、内径側へ行くほど幅狭となる台形状等の他の形状であってもよい。

なお、本実施形態ではステータコア５は、環状の磁性板材積層体として一体に形成されているものとして説明するが、ヨーク８がティース９の両側で周方向に所定間隔に分断された分割コアからなってもよい。この場合、分割コアは、略円弧状のヨークとティースとで平面視が略Ｔ字状をなす。このような分割コアを環状に配列し、その外周側に円筒状ケースを焼嵌め、圧入等によって外装することにより一体に連結されステータコアが構成されてもよい。また、ステータコア５は、磁性粉末を樹脂コーティングしたものを成形型で圧縮成形した圧粉磁心として形成されてもよい。

コイル６は、例えば絶縁皮膜を有する銅線等の導線をインシュレータ７の周囲に巻回して形成されている。本実施形態ではコイル６は、各ティース９に集中巻方式でそれぞれ巻装されている。図１（および図６）では、コイル６を構成する導線の断面が円形であるものとして示すが、これに限定されるものではなく、平角等の他の断面形状であってもよい。

インシュレータ７は、ステータコア５とコイル６とを電気的に絶縁する機能を有する。また、本実施形態ではインシュレータ７は、コイル６をステータコア５に固定する機能も有する。

図２は、インシュレータ７の斜視図である。図３は、図２におけるＢ−Ｂ断面図である。また、図４は、周方向壁部が取り除かれた状態のインシュレータ７の斜視図である。さらに、図５は、インシュレータ７の周方向側壁部を構成する絶縁シートの斜視図と一部拡大図である。図２から図４において、ステータ軸方向が矢印Ａで示されている。

図２に示すように、インシュレータ７は、ステータコア５のティース９に組み付けられた状態で、径方向内側に位置する長方形枠状の内径側フランジ部１２と、径方向外側に位置するとともに内径側フランジ部１２よりも大きい長方形枠状の外径側フランジ部１４と、内径側フランジ部１２および外径側フランジ部１４の間に連結される筒状の本体部１６とを一体的に備える。内径側フランジ部１２および外径側フランジ部１４は、本体部１６の径方向両側端部から径方向と直交する外方向に延出している。

インシュレータ７の本体部１６は、内部に直方体状の空間１８を有する。この空間１８は、ステータコア５のティース９を収容できる形状および寸法に形成されている。また、インシュレータ７の本体部１６は、図３に示すように、インシュレータ７が内部の空間１８にティース９を収容した状態に組み付けられたとき、ティース９の軸方向端面９ａ，９ｂにそれぞれ対向する軸方向壁部２０ａ，２０ｂと、ティース９の周方向側面９ｃ，９ｄにそれぞれ対向する周方向壁部２２ａ，２２ｂとを一体的に有している。

インシュレータ７の本体部１６を構成する軸方向壁部２０ａ，２０ｂは、径方向（矢印Ｒ）両側において内径側フランジ部１２および外径側フランジ部１４に連結されている。インシュレータ７を構成する内径側および外径側フランジ部１２，１４と軸方向壁部２０ａ，２０ｂとは、例えば、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等の絶縁性樹脂で射出成形することによって一体に成形されている。また、外径側フランジ部１４には、インシュレータ７を径方向内側からティース９に挿入するための開口部１５が形成されている。

これに対し、インシュレータ７の本体部１６を構成する周方向壁部２２ａ，２２ｂは、絶縁シート２４によって構成されている。絶縁シート２４は、図５に示すように、例えばポリエチレンナフタレート等の樹脂製の絶縁フィルムからなる基材２４ａと、基材２４ａの両側表面にそれぞれ積層された発泡層２４ｂと、発泡層２４ｂの上にそれぞれ積層された接着層２４ｃとを含んで構成される。

絶縁シート２４を構成する発泡層２４ｂは、所定温度に加熱されることによって発泡（膨張）する特性（発泡性）を有する。発泡層２４ｂには、公知または周知の発泡材（例えばエポキシ系発泡樹脂材等）を用いることができる。また、絶縁シート２４を構成する接着層２４ｃは、例えば不飽和ポリエステル系樹脂材料等からなる接着剤を用いて形成することができる。また、接着層２４ｃは、加熱により接着性を発現する感熱接着剤を用いて形成するのが好適である。これにより、常温下で絶縁シート２４を扱いやすくなり、インシュレータ７の製造が容易となる利点がある。

図２を再び参照すると、インシュレータ７の本体部１６の周方向壁部２２ａ，２２ｂは、上記のような絶縁シート２４を適当な大きさに形成し、軸方向の両端部を軸方向壁部２０ａ，２０ｂにそれぞれ折り曲げた状態で一体的に接合して形成されている。このように周方向壁部２２ａ，２２ｂを構成する絶縁シート２４は、上記のようにフランジ部１２，１４および軸方向壁部２０ａ，２０ｂを成形する際に予め成形型内に絶縁シート２４を配置してインサート成形することによって、軸方向壁部２０ａ，２０ｂに一体的に接合することができる。あるいは、絶縁シート２４は、その表面にある接着層または別の接着剤等によって軸方向壁部２０ａ，２０ｂに接着されてもよい。

図３を参照すると、インシュレータ７の周方向壁部２２ａ，２２ｂを構成する絶縁シート２４は、後述する加熱発泡前の状態では、軸方向壁部２０ａ，２０ｂよりも薄く形成されている。これにより、インシュレータ７の本体部１６の周方向壁部２２ａ，２２ｂを軸方向壁部２０ａ，２０ｂと同時に同じ樹脂材料で一体成形する場合に比べて、スロット１０（図１参照）内においてコイル６が占める体積比率である占積率を向上させることができ、その結果、回転電機の効率を向上させることができる。

図６（ａ），（ｂ）は、図１に示す回転電機１におけるステータ２の１つのティース９を拡大して示す図である。本実施形態では、上述したように、ティース９は径方向に直交する方向の幅Ｗｔが一定に形成されている。これに対し、スロット１０に面するヨーク８は、径方向幅が一定幅に形成されておらず、ティース９の根元部に対応する位置において径方向幅が最も広く、スロット１０の周方向中央位置において径方向幅が最も狭くなるように形成されている。このように形成されるヨーク８のスロット１０に対向する壁面（すなわちスロット１０の外径側壁面）は、インシュレータ７がティース９に組み付けられたとき外径側フランジ部１４が密接する平面状に構成されている。

また、図６（ａ）に示すように、コイル６が本体部１６に巻回されているインシュレータ７が径方向内側からティース９に嵌装されたとき、本体部１６の周方向壁部２２ａ，２２ｂとティース９との間に組付けの余裕代としての隙間Ｓが形成されることになる。

ステータコア５の各ティース９にコイル６およびインシュレータ７がそれぞれ組み付けられた後、ステータ２を所定温度に加熱する。そうすると、図６（ｂ）に示すように、インシュレータ７の周方向壁部２２ａ，２２ｂを構成する絶縁シート２４の発泡層２４ｂが発泡して膨張する。これにより、組付時にインシュレータ７とティース９との間に形成されていた隙間Ｓが埋められる。同時に、周方向壁部２２ａ，２２ｂはコイル６側にも膨張するので、コイル６を構成する導線間の凹部に食い込むようにして周方向壁部２２ａ，２２ｂとコイル６との間の隙間も埋められる。そのため、絶縁シート２４の膨張による突っ張り力によって周方向壁部２２ａ，２２ｂがティース９を周方向両側から押圧した状態になる。その結果、インシュレータ７およびコイル６は、ティース９にがたつきなく安定して固定される。

また、周方向壁部２２ａ，２２ｂは、発泡の際の加熱により、絶縁シート２４の両側表面を構成する接着層２４ｃが粘着性を発現して、ティース９の周方向側面およびコイル６に接着される。これにより、コイル６およびインシュレータ７がティース９に対して強固に固定されることになる。

図７は、上述した回転電機用ステータ２の製造方法の手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１０において、ステータコア５とインシュレータ７とを準備する。ステータコア５およびインシュレータ７の構成は上述した通りである。

次に、ステップＳ１２において、インシュレータ７にコイル６を巻回する。

続いて、ステップＳ１４において、コイル６が巻回されたインシュレータ７をステータコア５のティース９に径方向内側から嵌装して組み付ける。

そして、ステップＳ１６において、コイル６およびインシュレータ７が組み付けられたステータコア５を加熱する。これにより、インシュレータ７の周方向壁部２２ａ，２２ｂが発泡膨張して、コイル６およびインシュレータ７がステータコア５のティース９に固定される。

なお、ステータコア５の各ティース９に固定されたコイル６同士を電気的に接続する結線工程は、ステップＳ１６の後に行ってもよいし、ステップＳ１４とＳ１６の間に行ってもよい。

上述したように本実施形態の回転電機用ステータ２によれば、インシュレータ７が軸方向壁部２０ａ，２０ｂとこれより薄い絶縁シート２４からなる周方向壁部２２ａ，２２ｂとを一体的に備えるため、コイル巻装時にスロット１０内のコイル占積率の向上を図れるとともに、コイル６をインシュレータ７に巻回した状態でステータコア５のティース９に組み付けることもできるので組付作業等の自由度を向上させることができる。

また、コイル６を巻回したインシュレータ７を組み付けた後にステータ２を加熱してインシュレータ７の周方向壁部２２ａ，２２ｂを発泡させて、コイル６とティース９との間の隙間を埋めることで、発泡した周方向壁部２２ａ，２２ｂの突っ張り力によってコイル６をティース９に強固に固定することができる。

図８（ａ），（ｂ）はインシュレータの変形例をそれぞれ示す、図３と同様の図である。図８（ａ）を参照すると、インシュレータ７Ａの本体部１６Ａは、内径側フランジ部１２および外径側フランジ部１４間を連結する４つの柱部２８を含む。このインシュレータ７Ａでは、本体部１６Ａの軸方向壁部２０ａ，２０ｂが周方向に並んだ２つの柱部２８によってそれぞれ構成され、各柱部２８の厚みは上記において図３を参照したものと同等に設定されている。そして、軸方向壁部２０ａ，２０ｂの一部が上記２つの柱部２８の間に張り渡された発泡性の絶縁シート２４で構成されている。このようにすることで、ステータ２においてコイル６の軸方向端部であるコイルエンド部とティース９の軸方向端面との間も発泡した絶縁シート２４によって押圧および接着されるので、ステータコア５に対するコイル６およびインシュレータ７の固定状態をより強固にすることができる。

図８（ｂ）を参照すると、インシュレータ７Ｂでは、本体部１６Ｂを構成する軸方向壁部２０ａ，２０ｂの周方向両端からスロット１０内へ延びる延出部２１が形成されている。そして、本体部１６Ｂの周方向壁部２２ａ，２２ｂを構成する絶縁シート２４は、スロット１０の軸方向長さより短く形成されて、上記延出部２１に張り渡されている。すなわち、インシュレータ７Ｂでは、本体部１６Ｂの周方向壁部２２ａ，２２ｂの全体ではなくその一部が絶縁シート２４によって構成されている。このようすれば、絶縁シート２４の使用量を低減できる利点がある。

図５の実施形態では、上述のように、絶縁シート２４は、絶縁フィルムからなる基材２４ａの両面に発泡層２４ｂをそれぞれ設け、各発泡層２４ｂの表面に接着層２４ｃをそれぞれ設けた例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図９（ａ）に示す絶縁シート２５のように、基材２５ａのティース側の表面だけに発泡層２５ｂおよび接着層２５ｃを積層形成してもよい。これによっても絶縁シート２５の発泡による突っ張り力がコイル６に作用するため、コイル６およびインシュレータ７をティース９にしっかりと固定することができる。

また、図９（ｂ）に示される絶縁シート２６のように、基材２６ａのティース側の表面に、発泡性と接着性とを兼ね備えた発泡接着層２６ｄを積層形成してもよい。この場合、基材２６ａのコイル側の表面にも発泡接着層２６ｄを積層形成してもよい。

なお、本発明は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。

１ 回転電機、２ ステータ、３ ギャップ、４ ロータ、４ａ シャフト、４ｂ 永久磁石、５ ステータコア、６ コイル、７，７Ａ，７Ｂ インシュレータ、８ ヨーク、９ ティース、９ａ，９ｂ 軸方向端面、９ｃ，９ｄ 周方向側面、１０ スロット、１２ 内径側フランジ部、１４ 外径側フランジ部、１５ 開口部、１６，１６Ａ，１６Ｂ 本体部、１８ （本体部内の）空間、２０ａ，２０ｂ 軸方向壁部、２１ 延出部、２２ａ，２２ｂ 周方向壁部、２４，２５，２６ 絶縁シート、２４ａ，２５ａ，２６ａ 基材、２４ｂ，２５ｂ 発泡層、２４ｃ，２５ｃ 接着層、２６ｄ 発泡接着層、２８ 柱部、Ａ 軸方向、Ｃ 周方向、Ｒ 径方向、Ｓ 隙間、Ｗｔ （ティースの）幅。

Claims (7)

1. ステータコアのティースに巻装されるコイルと前記ステータコアとを絶縁するインシュレータであって、
   前記ティースに組み付けられた状態で、前記ティースの軸方向端面に対向する軸方向壁部と、前記ティースの周方向側面に対向する周方向壁部と、を一体的に備え、
   前記ティースと前記コイルとの間に位置する前記周方向壁部が前記軸方向壁部より薄く且つ発泡性を有する絶縁シートで構成される、
   インシュレータ。
2. 請求項１に記載のインシュレータにおいて、
   前記周方向壁部を構成する絶縁シートは、絶縁性フィルムからなる基材と、この基材の少なくともティース側表面に積層された発泡層とから構成される、インシュレータ。
3. 請求項２に記載のインシュレータにおいて、
   前記発泡層のティース側には接着層が積層されている、インシュレータ。
4. 請求項２に記載のインシュレータにおいて、
   前記発泡層は接着層を兼ねる、インシュレータ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のインシュレータにおいて、
   前記ステータコアは周方向に延在するヨークと、このヨークから径方向に突出するとともに周方向に間隔をあけて設けられるティースとを備え、
   前記インシュレータは、前記ヨークに対向するフランジ部と、このフランジ部からステータコア径方向に延出して前記ステータコアの軸方向両端面にそれぞれ対向する２つの軸方向壁部とを一体的に有し、
   前記周方向壁部を構成する絶縁シートは、その軸方向両端部がステータコアの軸方向両側に位置する前記２つの軸方向壁部に接合されて構成される、インシュレータ。
6. 周方向に延在するヨーク、および、このヨークから径方向に突出するとともに周方向に間隔をあけて設けられるティースを有するステータコアと、
   前記ステータコアのティースに径方向から組み付けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載のインシュレータと、
   前記インシュレータを介して前記ティースの周囲に巻装されるコイルと、を備える、回転電機用ステータ。
7. ティースを有するステータコア、および、ティース組付け状態で前記ティースの軸方向端面に対向する軸方向壁部と前記ティースの周方向側面に対向する薄い絶縁性シートからなる発泡性の周方向壁部とを一体的に有するインシュレータを準備する準備工程と、
   前記インシュレータにコイルを巻回する巻回工程と、
   前記コイルを巻回した前記インシュレータを前記ステータコアのティースに径方向から組み付ける組付工程と、
   前記コイルおよび前記インシュレータが組み付けられた前記ステータコアを加熱することにより前記インシュレータの周方向壁部を発泡膨張させて前記コイルおよび前記インシュレータを前記ステータコアのティースに固定する固定工程と、を含む、
   回転電機用ステータの製造方法。

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