JP2021197888A - 回転電機用の絶縁シート - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のコアに対して、コアの形状に折り曲げた状態で、コアに挿入したとしても、発泡樹脂層の一部が削れることを防止することができる回転電機用の絶縁シートを提供する。【解決手段】絶縁シート２０は、回転電機１００を構成するステータコア１０に対して、ステータコア１０の端面側から、ステータコア１０の形状に折り曲げた状態で、ステータコアに挿入される。絶縁シート２０は、絶縁基材２１と、発泡剤を含有した樹脂からなる発泡樹脂層２２と、発泡剤を含有していない樹脂からなる非発泡樹脂層２３と、絶縁シート２０の厚さ方向に積層したものであり、絶縁シート２０の少なくとも一方側の表面に、非発泡樹脂層２３が形成されている。非発泡樹脂層２３がステータコア１０（スロット１３）の壁面に面して配置されるように、絶縁シート２０が折り曲げられている。【選択図】図６

Description

本発明は、発電機やモータ等に用いる回転電機用の絶縁シートに係り、特に、ステータコアのスロット内で、コイル巻線との間に位置する回転電機用の絶縁シートに関する。

従来、この種の回転電機のステータに用いられる絶縁シートは、ステータコアのスロット内で、コイル巻線との間に位置し、ステータコアの内周面とコイル巻線とを電気的に絶縁しつつ、スロット内でコイル巻線を固定するものである（例えば、特許文献１参照）。絶縁シートの両面には、発泡樹脂層が形成されており、回転電機の回転軸方向と直交するステータコアの両端面側に、発泡樹脂で覆われていない部分を有している。また、この他にも、磁石埋め込み型のロータを製造する際には、絶縁シートは、永久磁石を覆うように折り曲げた状態で、ロータコアのスロットに挿入される。このように、回転電機を構成するロータコアまたはステータコアのいずれか一方のコアに絶縁シートが挿入される。

特開２０１８−６４４１９号公報

しかしながら、回転電機のコアに対して、ロータの回転軸と直交するコアの端面側から、コアの形状に折り曲げた状態で挿入する際に、コアの壁面または角部に発泡樹脂層が接触し、発泡樹脂層の一部が削れることがある。これにより、絶縁シートの発泡樹脂層の発泡機能が損なわれることがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、回転電機のコアに対して、コアの形状に折り曲げた状態で、コアに挿入したとしても、発泡樹脂層の一部が削れることを防止することができる回転電機用の絶縁シートを提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る回転電機用の絶縁シートは、回転電機を構成するロータコアまたはステータコアの少なくとも一方のコアに対して、ロータの回転軸と直交する前記コアの端面側から、コアの形状に折り曲げた状態で、前記コアに挿入される絶縁シートであって、前記絶縁シートは、絶縁基材と、発泡剤を含有した樹脂からなる発泡樹脂層と、発泡剤を含有していない樹脂からなる非発泡樹脂層と、を少なくとも一層ずつ前記絶縁シートの厚さ方向に積層したものであり、前記絶縁シートの少なくとも一方側の表面に、前記非発泡樹脂層が形成されており、前記非発泡樹脂層が前記コアの壁面に面して配置されるように、前記絶縁シートが折り曲げられていることを特徴とする。

本発明の回転電機用の絶縁シートによれば、絶縁シートは、ロータコアまたはステータコアの少なくとも一方のコアに配置されるため、絶縁シートの絶縁性を確保することができる。さらに、非発泡樹脂層がコアの壁面に面して配置されるように、絶縁シートが折り曲げられているので、ロータの回転軸と直交するコアの端面側から、コアの形状に折り曲げた状態で挿入する際に、絶縁シートがコアに接触したとしても、絶縁シートの発泡樹脂層および絶縁基材は、非発泡樹脂層によって保護されている。これにより、絶縁シートの挿入時に、発泡樹脂層の一部が削れることを防止することができる。さらに、絶縁シートをコア内に挿入した後には、加熱により発泡樹脂層がさらに発泡するため、絶縁シートを膨張させ、コアに形成された隙間を埋めることができる。

（ａ）は、本実施形態に係る回転電機用の絶縁シートの一実施形態とコイル巻線を挿入したステータの要部斜視図、（ｂ）は（ａ）のコイル巻線を示す模式図である。 図１に示すステータのステータコアの要部斜視図である。 図２に示すステータコアの要部拡大斜視図である。 図２のステータコアに絶縁シートを挿入する工程を示す要部斜視図である。 （ａ）は、図４に示す絶縁シートの拡大した斜視図、（ｂ）は、（ａ）の変形例に係る絶縁シートの拡大した斜視図である。 本実施形態に係る絶縁シートの積層構造を示す要部断面図である。 （ａ）は図５（ａ）に示す絶縁シートをスロット内に配置した平面図、（ｂ）は（ａ）の絶縁シートを加熱発泡した後の平面図である。 図６の変形例に係る絶縁シートの積層構造を示す要部断面図である。 図６の別の変形例に係る絶縁シートの積層構造を示す要部断面図である。 第２実施形態に係る回転電機用の絶縁シートの一実施形態と磁石を挿入したロータの要部斜視図である。 （ａ）は永久磁石と、永久磁石を覆う絶縁シートの展開図、（ｂ）は絶縁シートで覆った永久磁石をロータのスロット内に挿入する状態の斜視図である。 第２実施形態に係る絶縁シートの積層構造を示す要部断面図である。

以下、本発明に係る回転電機用の絶縁シートの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。第１実施形態では、絶縁シートをステータに適用した一例を説明し、第２実施形態では、絶縁シートをロータに適用した一例を説明する。

〔第１実施形態〕
なお、図１〜３において、回転軸方向Ｚは、ステータコアの環状中心孔の中心軸に沿う方向であり、第２実施形態のロータにおいては、ロータの中心軸（回転電機の回転軸）に相当する。また、径方向Ｒは、回転軸方向Ｚに垂直な面内で中心軸を通る放射状の方向であり、中心軸側に向かう方向が内周側であり、反対側が外周側であり、周方向θは中心軸を中心として円周方向に沿った方向である。

図１〜３において、モータや発電機等の回転電機１００を構成するステータ１は、ステータコア１０を備えており、ステータコア１０は円環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１の内周面からヨーク部の内径側に延在する複数のティース１２、１２…と、を備えている。そして、隣接する複数のティース間の空間が複数のスロット１３、１３…となっている。ステータ１は、複数のティース１２、１２…と、各ティース１２に巻回され各スロット１３内に配置されるコイル巻線１５、１５…と、各スロット１３の内壁面と各コイル巻線１５との間に位置する絶縁シート２０、２０…と、を備えている。なお、ティース１２とスロット１３の数は同数であり、図ではその一部を略示している。

ステータコア１０の複数のティース１２、１２…は、ヨーク部１１から径方向Ｒに沿ってヨーク部の中心に向かって延在している。ヨーク部１１は、周方向θに沿って円環状に形成されている。複数のティース１２、１２…の内周側の面は湾曲面で形成され、湾曲面で囲まれた内周空間は、第２実施形態で説明するロータ３が配置される空間である。

ステータコア１０は、円環状の磁性体薄板を所定枚数で回転電機の回転軸方向Ｚに沿って積層された積層体であり、磁性体薄板の両面には電気的な絶縁処理が施され、磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板などが用いられる。ステータコア１０は、前記のように磁性体薄板を積層したものに限らず、磁性粉末を一体化成形したものを用いてもよい。

各スロット１３は、図３に示すように、径方向Ｒに沿って対向する側壁面１３ａ、１３ａは平行面で形成され、内周側の間隔と外周側の間隔が同じに形成されている。これに対して、各ティース１２は、外周側の周方向θの肉厚が大きく、内周側のθ方向の肉厚が小さく、内周側に向けて先細に形成されている。そして、各ティース１２の内周側の端部には、各スロット１３のスロット幅を縮めるように周方向θに沿って対向して突出部１３ｂ、１３ｂが形成され、突出部１３ｂ、１３ｂ間がステータコア１０の内周側の開口部１４となっている。

コイル巻線１５、１５…は、複数のティース１２、１２…に巻回され、複数のスロット１３、１３…内に配置されている。図１（ｂ）に示すように、コイル巻線１５は、ステータコア１０の両端面側に巻回部１５ａでティース１２を巻回するようになっている。コイル巻線１５は、三相の分布巻コイルの場合、１つの相巻線が複数のスロット１３に跨ってティース１２に巻回されて形成される。コイル巻線１５は、平角導線を各ティース１２に巻回して形成され、コイル巻線１５には隣接するティース１２を飛ばして、例えば２つ先のティースに分布巻で結線するようになっており、例えばｕ相、ｖ相、ｗ層の３相のコイルで形成されている。

以下に、絶縁シート２０、２０…について以下に説明する。絶縁シート２０、２０…は、複数のスロット１３、１３…の内周面とコイル巻線１５、１５…との間に位置し、ステータコア１０とコイル巻線１５との間を電気的に絶縁するシート材である。

具体的には、図４に示すように、絶縁シート２０は、ステータコア１０のスロット１３の形状に折り曲げた状態で、ステータコア１０に対して、ロータの回転軸方向Ｚと直交するステータコア１０の端面１０ａ側から、ステータコア１０のスロット１３に挿入される。図５（ａ）に示すように、絶縁シート２０は、矩形状のシートを、回転軸方向Ｚの方向に沿った折り曲げ線Ｌで、コイル巻線１５、１５を包むようにロの字状に折り曲げた形状であってもよい。さらに、図５（ｂ）に示すように、絶縁シート２０は、矩形状のシートを、回転軸方向Ｚの方向に沿った折り曲げ線Ｌで、１つのスロット１３を形成する側壁面１３ａに沿うようにコの字状に折り曲げた形状であってもよい。

図６に示すように、絶縁シート２０は、絶縁基材２１と、発泡剤を含有した樹脂からなる発泡樹脂層２２と、発泡剤を含有していない樹脂からなる非発泡樹脂層２３と、を少なくとも一層ずつ絶縁シート２０の厚さ方向に積層したものである。本実施形態では、絶縁シート２０の一方側の表面に、非発泡樹脂層２３が形成され、その他方の表面に、発泡樹脂層２２が形成されている。本実施形態では、絶縁シート２０は、非発泡樹脂層２３がステータコア１０のスロット１３の側壁面（壁面）１３ａに面して配置されるように、絶縁シート２０が折り曲げられている。したがって、絶縁シート２０は、発泡樹脂層２２が、コイル巻線１５に面して配置されるように折り曲げられることになる。

絶縁シート２０を形成する絶縁基材２１としては、たとえば厚さが数１０μｍ程度の電気的に絶縁性を有した基材である。絶縁基材２１の材料としては、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、耐熱アミラド、などを挙げることができる。絶縁基材２１には、セルロース、アラミド繊維、ポリフェニレンサルファイド樹脂など不織布層が補強層として、さらに設けられていてもよい。

発泡樹脂層２２は、接着性を有し、加熱により発泡する層であり、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の未硬化の熱硬化性樹脂に発泡剤を含有した層である。本実施形態では、発泡樹脂層２２は、絶縁基材２１の片側の表面全体に形成されているが、たとえば、加熱により発泡することから、スロット１３から発泡樹脂がはみ出すことを抑えるべく、絶縁基材２１の周縁に沿って、発泡樹脂層２２を設けなくてもよい。

発泡樹脂層２２は、発泡剤を含有しており、加熱されることで膨張し、ステータコア１０のスロット１３とコイル巻線１５とのクリアランスに充填され、コイル巻線１５をステータコア１０に固定する機能を有する。発泡樹脂層２２は、加熱によって膨張し、その後に硬化するものが用いられ、例えば加熱によって厚さが数倍になるものが好ましい。発泡剤は、発泡ビーズの形態では発泡樹脂層２２に含まれていてもよい。

発泡樹脂層２２は、加熱されて膨張し、スロット１３とコイル巻線１５との間の隙間を塞ぐため、振動等が加わっても、ステータコア１０に対するコイル巻線１５の振動を防止し、回転電機の故障等を回避することができる。

非発泡樹脂層２３は、接着性を有した層であり、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の未硬化の熱硬化性樹脂が好ましく、発泡剤を含有していない。したがって、非発泡樹脂層２３は、加熱により発泡せず、硬化する。

発泡樹脂層２２と非発泡樹脂層２３は、たとえば、ロール状に巻かれた絶縁基材２１の表面に、塗布により形成してもよい。また、この他にも、たとえば、発泡樹脂層２２または非発泡樹脂層２３が形成された離形シートを絶縁基材２１に貼り合わせてもよい。

本実施形態の回転電機１００（ステータ１）用の絶縁シート２０の使用方法について以下に説明する。本実施形態では、ステータコア１０のスロット１３にコイル巻線１５の導線を挿入し、ティース１２にコイル巻線１５を巻回してステータ１を作製する。

本実施形態では、まず、絶縁シート２０を、図５（ａ）または図５（ｂ）に示す形状に折り曲げる。ここで、折り曲げられた状態の絶縁シート２０の外側の層（最外層）は、折り曲げ時に最大の引張応力が作用するところ、この層には、非発泡樹脂層２３を配置したので、発泡樹脂層２２に比べて、絶縁シート２０の強度低下を抑えることができる。

このようにして、折り曲げた状態の絶縁シート２０を、スロット１３の内部空間に回転軸方向Ｚに沿って挿入する。絶縁シート２０は、非発泡樹脂層２３がステータコア１０のスロット１３を形成する側壁面１３ａに面して配置されるように、折り曲げられている。これにより、ロータの回転軸と直交するステータコア１０の端面側から、ステータコア１０の形状に折り曲げた状態で挿入する際に、絶縁シート２０がステータコア１０に接触したとしても、絶縁シート２０の発泡樹脂層２２は、ステータコア１０により削り取られること無く、非発泡樹脂層２３によって保護されている。

このようにして、スロット１３の内部空間に、スロット１３の形状に折り曲げた状態の絶縁シート２０で、ステータコア１０との絶縁を確保し、ティース１２にコイル巻線１５を巻回する。このあと、絶縁シート２０を加熱すると、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、発泡樹脂層２２は膨張する。発泡樹脂層２２は、削り取られずに、スロット１３内に配置されるため、加熱により発泡樹脂層２２を安定して発泡させることができる。この結果、絶縁シート２０を膨張させ、スロット１３とコイル巻線１５との間の隙間を塞ぐことができる。このような結果、振動等が加わっても、ステータコア１０に対するコイル巻線１５の振動を防止し、回転電機の故障等を回避することができる。さらに、発泡樹脂層２２はコイル巻線１５に接着され、非発泡樹脂層２３は、スロット１３の側壁面１３ａに接着される。

本実施形態では、図６に示すように、絶縁シート２０は、その一方の面に、発泡樹脂層２２が形成され、その他方の面に、非発泡樹脂層２３が形成されるように、絶縁基材２１に、発泡樹脂層２２と非発泡樹脂層２３を積層した。しかしながら、図８および図９に示すように、絶縁シート２０の両面に、非発泡樹脂層２３、２３を形成し、これらの内部に、絶縁基材２１および発泡樹脂層２２を設けてもよい。

たとえば、図８では、絶縁シート２０の両面に、非発泡樹脂層２３、２３を形成し、非発泡樹脂層２３、２３に挟み込まれるように、両面に絶縁基材２１、２１を形成した発泡樹脂層２２が積層されている。図９では、発泡樹脂層２２の一方側にのみ、絶縁基材２１が設けられており、絶縁基材２１の表面に、発泡樹脂および非発泡樹脂を順に塗布する（塗り分ける）ことにより、絶縁基材２１の一方側の表面に、発泡樹脂層２２、非発泡樹脂層２３を順次積層することができる。

図８および図９に示すように、絶縁シート２０の両面に、非発泡樹脂層２３、２３を形成することにより、絶縁シート２０の非発泡樹脂層２３が、ステータコア１０およびコイル巻線１５により削り取られることなく、発泡樹脂層２２を安定して発泡させることができる。

〔第２実施形態〕
図１０および図１１に示すＩＰＭモータ（回転電機）１００を構成するロータ３（以下、ロータ３という）は、回転電機のロータであり、複数の円形の電磁鋼板などの鋼板３０ａ、３０ａ…が積層され、これらがかしめ等で連結固定されることでロータコア３０が形成されている。ロータコア３０の軸中心には平面視で円形の回転シャフト用スロット３１が貫通して開設され、このスロット３１に回転シャフト３２が挿入され配設されている。ロータコア３０の外周部には、回転シャフト３２の軸方向に沿って永久磁石３４用のスロット３３、３３…が貫通して開設され、各スロット３３には、永久磁石３４が挿入されている。各永久磁石３４は絶縁シート２０で覆われた状態で、スロット３３内に埋設されている。

本実施形態では、各スロット３３は平面視で矩形であり、隣接する２つのスロット３３、３３が平面視で略Ｖ字状に開設され、平面視で矩形の２つの永久磁石３４、３４が挿入されて１つの磁極を構成している。ロータコア３０には、全体で１６個のスロット３３、３３…に、１６個の永久磁石３４、３４…が挿入されて、合わせて８つの磁極がロータコア３０の外周部に形成されている。

永久磁石３４としては、希土類金属を含有する磁石が用いられている。希土類磁石としては、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石等の永久磁石を用いることが好ましい。なお、永久磁石３４は希土類金属を含有する磁石に限られるものでなく、フェライト磁石、アルニコ磁石等、適宜の磁石を用いてもよい。

図１１（ａ）に示すように、永久磁石３４には、折り曲げ線Ｌで絶縁シート２０を折り曲げることにより、絶縁シート２０が被覆されている。絶縁シート２０は、図１２に示すように、絶縁基材２１と、発泡剤を含有した樹脂からなる発泡樹脂層２２と、発泡剤を含有していない樹脂からなる非発泡樹脂層２３と、を絶縁シート２０の厚さ方向に積層したシートであり、第１実施形態に係る絶縁シート２０の各層と同じ材料からなってもよく、絶縁基材２１が絶縁性の不織布からなってもよい。

本実施形態では、絶縁シート２０の一方側の表面に、非発泡樹脂層２３が形成されており、その他方側の表面に、発泡樹脂層２２が形成されている。非発泡樹脂層２３がロータコア３０の壁面（すなわち、スロット３３の壁面）に面して配置されるように、絶縁シート２０が折り曲げられている。したがって、絶縁シート２０の発泡樹脂層２２が、永久磁石３４に面して配置されている。

本実施形態の回転電機１００のロータ３用の絶縁シート２０の使用方法について以下に説明する。本実施形態では、ロータコア３０のスロット３３に、絶縁シート２０が被覆された永久磁石３４を挿入することで、ロータ３を作製する。

本実施形態では、まず、絶縁シート２０を、図１１（ａ）に示す永久磁石２４の形状に折り曲げる。ここで、折り曲げられた状態の絶縁シート２０の外側の層（最外層）は、折り曲げ時に最大の引張応力が作用するところ、この層には、非発泡樹脂層２３を配置したので、発泡樹脂層２２に比べて、絶縁シート２０の強度低下を抑えることができる。

図１１（ｂ）に示すように、円筒状のロータコア３０の端面側から折り曲げた状態の絶縁シート２０を永久磁石３４と共に、スロット３３の内部空間に挿入する。絶縁シート２０は、非発泡樹脂層２３がロータコア３０のスロット３３を形成する壁面に面して配置されるように、折り曲げられている。これにより、ロータコア３０の端面側から、ロータコア３０の形状に折り曲げた状態で挿入する際に、絶縁シート２０がロータコア３０に接触したとしても、絶縁シート２０の発泡樹脂層２２は、ロータコア３０により削り取られること無く、非発泡樹脂層２３によって保護されている。

このあと、絶縁シート２０を加熱すると、発泡樹脂層２２は膨張する。発泡樹脂層２２は非発泡樹脂層２３によって保護され、削り取られずに、スロット３３内に配置されるため、加熱により発泡樹脂層２２を安定して発泡させることができる。この結果、絶縁シート２０を膨張させ、スロット３３と永久磁石３４との間の隙間を塞ぐことができる。このような結果、ロータコア３０に対して永久磁石３４を安定して配置することができる。

本実施形態では、図１２に示すように、絶縁シート２０は、その一方の面に、発泡樹脂層２２が形成され、その他方の面に、非発泡樹脂層２３が形成されるように、絶縁基材２１に、発泡樹脂層２２と非発泡樹脂層２３を積層した。しかしながら、図８および図９に示すように、絶縁シート２０の両面に、非発泡樹脂層２３、２３を形成し、これらの内部に、絶縁基材２１および発泡樹脂層２２を設けてもよい。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：ステータ、３：ロータ、１０：ステータコア（コア）、１１：ヨーク部、１２：ティース、１３：スロット、１４：ステータコアの開口部、１５：コイル巻線、２０：絶縁シート、２１：絶縁基材、２２：発泡樹脂層、２３：非発泡樹脂層、３０：ロータコア（コア）、１００：回転電機

Claims (1)

1. 回転電機を構成するロータコアまたはステータコアの少なくとも一方のコアに対して、ロータの回転軸と直交する前記コアの端面側から、コアの形状に折り曲げた状態で、前記コアに挿入される絶縁シートであって、
   前記絶縁シートは、絶縁基材と、発泡剤を含有した樹脂からなる発泡樹脂層と、発泡剤を含有していない樹脂からなる非発泡樹脂層と、を少なくとも一層ずつ前記絶縁シートの厚さ方向に積層したものであり、
   前記絶縁シートの少なくとも一方側の表面に、前記非発泡樹脂層が形成されており、
   前記非発泡樹脂層が前記コアの壁面に面して配置されるように、前記絶縁シートが折り曲げられていることを特徴とする回転電機用の絶縁シート。

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