JP2022148598A - ステータおよびステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータの製造効率を向上させる技術を提供する。【解決手段】複数のティース部７を有するステータ４と、ティース部７の間に設けられコイル９が収容されるスロット８と、を有するステータ４の製造方法であって、スロット８にコイル９を収容するライナー部材２０（コイル収容部材）を配置するコイル収容部材配置工程Ｓ１２と、ライナー部材２０にコイル９を収容するコイル収容工程Ｓ１４とを有し、ライナー部材２０は樹脂組成物で構成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、ステータおよびステータの製造方法に関する。

モータ（発動機）や発電機のような回転電機において、ステータを効率よく冷却するために、ステータの外周に配置される円筒状のケースに冷却用ジャケット構造を配置し、ステータからケースへと熱を逃がす構造が従来から提案されている（従来技術）。
例えば、特許文献１では、ステータのティース部に集中巻きしたコイルを、ティース部間のスロットに収容した回転電機において、スロットの内部空間に軸方向に延びる複数のパイプを並列配置し、かつこれらパイプの隙間及びパイプと前記コイルとの隙間に樹脂材料を充填して、ステータ内周側に向けて開口するスロットを閉塞する樹脂層を形成し、パイプ内に冷媒を流すようにした技術が開示されている。

特許４４９６７１０号公報

特許文献１に開示のように、スロットにコイルを収容してから樹脂材料を充填する製造プロセスを採用した場合、成形不良が生じた場合、部品損失量が大きくなってしまい製造効率の点で改善が求められていた。また、別な観点では、コイルをスロットに配置する際に、コイルがステータ（ティース）に接触してしまい、これによって不良が発生してしまう虞があった。

本発明はこのような状況に鑑みなされたものであって、ステータの製造効率を向上させる技術を提供することを目的としている。

本発明によれば、
複数のティース部を有するステータコアと、前記ティース部の間に設けられコイルが収容されるスロットと、を有するステータの製造方法であって、
前記スロットに前記コイルを収容するコイル収容部材を配置するコイル収容部材配置工程と、
前記コイル収容部材に前記コイルを収容するコイル収容工程と、
を有し、
前記コイル収容部材は、樹脂組成物で構成されている、ステータの製造方法が提供される。
本発明によれば、上述のステータの製造方法により製造されたステータが提供される。

本発明によれば、ステータの製造効率を向上させる技術を提供することができる。

第１の実施形態に係るモータの回転軸方向と垂直な方向の縦断面図である。 第１の実施形態に係るモータの回転軸方向の縦断面図である。 第１の実施形態に係るスロット周辺を拡大して示した図である。 第１の実施形態に係る図３の構成要素を分解して示した図である。 第１の実施形態に係るステータの製造プロセスを示すチャート図である。 第２の実施形態に係るスロット周辺を拡大して示した図である。 第３の実施形態に係るスロット周辺を拡大して示した図である。 第４の実施形態に係るライナー部材ユニットを示した図である。

＜＜第１の実施形態＞＞
＜概要＞
本実施形態では、回転電機（電動機、発電機または電動機／発電機の両用機）として電動機（モータ）に適用した例を説明する。図１はモータ１００の回転軸方向と垂直な方向の縦断面図である。図２はモータ１００の回転軸方向の縦断面図である。図３は、図１のスロット周辺を拡大して示した図である。図４は、図３の構成要素を分解して示した図である。

本実施形態の概要は次の通りである。モータ１００において、コイル９をティース部７間のスロット８に収容するときに、スロット８の内部空間に予め別部品として用意されたライナー部材２０を配置し、ついで、ライナー部材２０にコイル９を収容する。さらに必要に応じて、前記スロット８に樹脂組成物を充填し、またコイル９の端部（ステータコア４１から出ている部分）を樹脂組成物で覆う。ライナー部材２０は樹脂材料で構成され、また、コイル９を冷却する冷却水路１０が設けられた水路部２６を有する。これによって、ステータ４のコイル９を効率良く冷却する。また、予め樹脂材料で構成されたライナー部材２０をスロット８に収容することで、成形不良時の損失を最小限に留める。さらに、ステータ４を製造する際に昇温する回数を削減できる。
以下具体的に説明する。

＜モータ１００の基本構造＞
モータ１００は、ケース１と、ケース１の内部に収容されたロータ２とステータ４とコイル９とを備える。

＜ケース１＞
ケース１は、円筒部１ａと、この円筒部１ａの軸方向両端を閉塞する側板部１ｂ、１ｃとを有して構成される。ケース１の材料として、例えば、アルミニウム合金（鋳物鋳造品）や樹脂材料、それらを組み合わせたものを用いることができる。側板部１ｂ、１ｃには、スロット８（ライナー部材２０）内の冷却水路１０と外部の冷却流路とを連結部材１２を介して連結する外部接続流路１７が設けられている。

＜ロータ２＞
ロータ２は、ケース１の内部に収容されている。ロータ２の中心には出力軸として回転軸３が取り付けられている。回転軸３の両端がそれぞれベアリング３ａを介して側板部１ｂ、１ｃに支持されている。これによって、ロータ２は回転軸３を中心に回転自在となっている。

ロータ２には永久磁石５が内装されている。具体的には、図２に示すように、複数（ここでは８個）の永久磁石５が同一円周上に等間隔で配置されている。このとき、隣合う永久磁石５の磁極は互いに異なるように設置されている。

円筒部１ａの内周には円筒型のステータ４が、ロータ２の外周を取り囲むように配置され固定されている。ステータ４の内周面とロータ２の外周面との間には微少な間隙（エアギャップ）が設けられている。

＜ステータ４＞
ステータ４は、ステータコア４１と、コイル９と、ライナー部材２０とを備える。
ステータコア４１は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層し密着固定して設けられている。ステータコア４１は、環状に設けられたヨーク部６と、ヨーク部６からロータ２側（径内方向）に向かって延出する複数のティース部７とが設けられている。複数のティース部７は周方向に等間隔に配列されて設けられている。ここでは、図１に示すように、２４個のティース部７が設けられている。各ティース部７の間にスロット８が設けられている。

コイル９には平角線が用いられ、ティース部７を跨いで離間した二つのスロット８に収納されるようにして巻かれている。ここでは、スロット８に配置されたライナー部材２０にコイル９が分布巻きで収容されている。コイル９の表面にはエナメル被覆が設けられている。

＜ティース部７＞
ティース部７は上述したロータ２の永久磁石５と対応して設けられ、各コイル９を順次励磁していくことにより、これに対応した永久磁石５との吸引、反発によりロータ２が回転する。

ティース部７は、外周側の周方向の幅が大きく、内周側の幅が小さく、内周側に向けて先細に形成されている。ティース部７の内周側の端部には、スロット８の幅を縮めるように周方向に沿って対向するティース部先端７１が形成されている。

＜スロット８＞
スロット８は、隣接するティース部７間の空間であって、図３に示すように、半径方向に沿って対向するティース部７の壁面７２が平行面となるように設けられている。ティース部先端７１間がスロット８の内周側開口となっている。スロット８にはライナー部材２０が配置されてコイル９が収容されている。

＜ライナー部材２０＞
ライナー部材２０は、樹脂材料で構成された長尺状の部材であって、スロット８の外周側の壁面７３および側面の壁面７２に当接するように、上面視で矩形形状に設けられている。ライナー部材２０の長さ方向の端部は、ステータコア４１の両端（すなわちスロット８の両端）から所定長だけ外側に出ている。

ライナー部材２０の厚みは、最も薄い領域（ティース部７の壁面７２とコイル収容部２８のライナー内面２３との間）で、例えば０．３ｍｍ程度である。

このライナー部材２０は、例えば押し出し成形によって予め別部材として製造され、モータ１００の製造時にスロット８に配置される。

ライナー部材２０は、内周側の水路部２６と外周側のコイル保護部２７とを一体に設けて構成されている。水路部２６には、両端を貫通する断面円形の貫通孔が設けられており、この貫通孔が冷却水が流れる冷却水路１０として機能する。コイル保護部２７には、両端を貫通する断面矩形の貫通孔が設けられており、この貫通孔がコイル９を収容するコイル収容部２８として機能する。

＜水路部２６＞
水路部２６の冷却水路１０は、コイル保護部２７に収容されるコイル９に隣接して設けられており、効率的にコイル９を冷却することができる。ライナー部材２０がステータコア４１の端部から所定長外側に延びているので、スロット８の内部だけでなく外部（すなわちコイル端）でもコイル９を効果的に冷却できる。

＜コイル保護部２７＞
コイル保護部２７は、コイル収容部２８を有している。複数（図示では４つ）のコイル９が径方向に並んで収容される。コイル９を収容する際には、隣接するコイル９は若干離間して配置されてコイル９相互で絶縁が確保される。そのため、コイル収容部２８のライナー内面２３ｂに、コイル９を適正な位置とするための位置決め部（突起等）が設けられてもよい。

＜ライナー部材２０の材料＞
ライナー部材２０は、樹脂材料の硬化物によって構成される。ライナー部材２０に用いられる樹脂材料は、熱伝導性の良い樹脂材料であることが望ましく、１種類の樹脂または部材毎に複数種の樹脂の組み合わせとすることができる。例えば、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂からなる群より選択される１種または２種の熱硬化性樹脂を用いることができる。

フェノール樹脂としては、例えばフェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールＡノボラック樹脂等のノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂等が挙げられる。

エポキシ樹脂としては、一分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば特に分子量や構造は限定されるものではない。
エポキシ樹脂としては、例えばフェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のノボラック型エポキシ樹脂；ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂；Ｎ，Ｎ－ジグリシジルアニリン、Ｎ，Ｎ－ジグリシジルトルイジン、ジアミノジフェニルメタン型グリシジルアミン、アミノフェノール型グリシジルアミンのような芳香族グリシジルアミン型エポキシ樹脂；ハイドロキノン型エポキシ樹脂；ビフェニル型エポキシ樹脂；スチルベン型エポキシ樹脂；トリフェノールメタン型エポキシ樹脂；トリフェノールプロパン型エポキシ樹脂；アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂；トリアジン核含有エポキシ樹脂；ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂；ナフトール型エポキシ樹脂；ナフタレン型エポキシ樹脂；ナフチレンエーテル型エポキシ樹脂；フェニレンおよび／またはビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂、フェニレンおよび／またはビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル型エポキシ樹脂等のアラルキル型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂、またはビニルシクロヘキセンジオキシド、ジシクロペンタジエンオキシド、アリサイクリックジエポキシ－アジペイド等の脂環式エポキシ等の脂肪族エポキシ樹脂が挙げられる。これらは単独でも２種以上混合して使用しても良い。
エポキシ樹脂を含む場合、芳香族環にグリシジルエーテル構造あるいはグリシジルアミン構造が結合した構造を含むものが、耐熱性、機械特性、および耐湿性の観点から好ましい。

硬化剤は、熱硬化性樹脂に好ましい態様として含まれるエポキシ樹脂が選択される場合に、三次元架橋させるために用いられるものである。硬化剤としては、特に限定されないが、例えばフェノール樹脂を用いることができる。このようなフェノール樹脂系硬化剤は、一分子内にフェノール性水酸基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造を特に限定するものではない。
フェノール樹脂系硬化剤としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂等のノボラック型樹脂；トリフェノールメタン型フェノール樹脂等の多官能型フェノール樹脂；テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等の変性フェノール樹脂；フェニレン骨格及び／又はビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂、フェニレン及び／又はビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル樹脂等のアラルキル型樹脂；ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ等のビスフェノール化合物、ナフテン酸コバルト等のナフテン酸金属塩等が挙げられる。これらは、１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。

無機充填剤としては、ケース材に用いられる樹脂組成物の技術分野で一般的に用いられる無機充填剤（フィラーや強化繊維）を使用することができる。無機充填剤としては、例えば溶融破砕シリカ及び溶融球状シリカ等の溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、カオリン、タルク、クレイ、マイカ、ロックウール、ウォラストナイト、ガラスパウダー、ガラスフレーク、ガラスビーズ、ガラスファイバー、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、カーボンブラック、グラファイト、二酸化チタン、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウム、セルロース、アラミド、木材、フェノール樹脂成形材料やエポキシ樹脂成形材料の硬化物を粉砕した粉砕粉等が挙げられる。この中でも、溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶シリカ等のシリカが好ましく、溶融球状シリカがより好ましい。また、この中でも、炭酸カルシウムがコストの面で好ましい。無機充填剤としては、一種で使用しても良いし、または二種以上を併用してもよい。

＜樹脂組成物の物性＞
ライナー部材２０を構成する樹脂材料の硬化物の物性は例えば以下の通りである。
樹脂材料の硬化物の熱伝導率Ｋ１は１～１０Ｗ／ｍ・Ｋである。熱伝導率Ｋ１の下限は、好ましくは２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、より好ましくは３Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。熱伝導率Ｋ１の上限は、特に限定しないが、現実的な値として１０Ｗ／ｍ・Ｋである。

樹脂材料の硬化物のガラス転移温度Ｔｇ１が１５０℃以上である。
ガラス転移温度Ｔｇ１を上記範囲とすることで、モータ１００の耐熱性能を向上させ、高い出力を実現できる。

樹脂材料の硬化物を、１７５℃で４時間加熱処理したサンプルに対して、動的粘弾性測定機を用いて、測定温度：－５０℃～２００℃、昇温速度：５℃／分、荷重：８００ｇｆ、周波数：１０Ｈｚ、３点曲げモードの条件で測定した、２５℃における貯蔵弾性率が、２０ＧＰａ以上７０ＧＰａ以下である。
貯蔵弾性率の下限は、好ましくは３０ＧＰａ以上、より好ましくは４０ＧＰａ以上である。貯蔵弾性率の上限は、好ましくは６０ＧＰａ以下、より好ましくは５０ＧＰａ以下である。貯蔵弾性率を上記の範囲とすることで、モータ１００の耐熱性能を向上させ、高い出力を実現できる。

＜ステータ４の製造方法＞
図５にステータ４の製造方法のフローを示す。
複数の電磁鋼板を軸方向に積層し密着固定させたステータコア４１を用意する（ステータコア準備工程Ｓ１０）。
ついで、ステータコア４１のスロット８に、コイル９を収容するライナー部材２０（コイル収容部材）を配置する（コイル収容部材配置工程Ｓ１２）。
スロット８にライナー部材２０が適正位置に配置されると、ライナー部材２０にコイル９を収容する（コイル収容工程Ｓ１４）。
全てのコイル９の収容後、スロット８に樹脂組成物を充填し硬化させるとともにコイル端部を樹脂組成物で覆う（樹脂充填工程Ｓ１６）。すなわち、スロット８とライナー部材２０との間の隙間や、ティース部先端７１間の領域、コイル収容部２８内のコイル９との隙間に、樹脂組成物が充填される。樹脂組成物としては、ライナー部材２０の材料として例示したものを用いることができる。このとき、ライナー部材２０との密着性や隙間に充填する際の流動性を考慮して材料が選択される。

＜＜第２の実施形態＞＞
図６は、本実施形態のステータ４の一部拡大図であって、第１の実施形態の図４に対応した分解図である。以下では、第１の実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態では、第１の実施形態と異なり、ライナー部材２０が複数部材から構成されている。すなわち、ライナー部材２０は、冷却水路１０を有する水路部２６と、コイル収容部２８を有するコイル保護部２７が異なる長尺管状の部材として構成されている。これによって、水路部２６とコイル収容部２８とがそれぞれシンプルな構成となり、それらの製造が容易となる。

＜＜第３の実施形態＞＞
図７は、本実施形態のステータ４の一部拡大図であって、第１の実施形態の図４や第２の実施形態の図６対応した分解図である。以下では、第１及び第２の実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態では、第２の実施形態と異なり、ライナー部材２０のコイル保護部２７が複数部材から構成されている。すなわち、水路部２６は、第２の実施形態と同様の長尺管状の部材として設けられている。コイル保護部２７が、３つの板状の異なる部材２７ａ～２７ｃとし構成されている。より具体的には、コイル保護部２７は、スロット８のティース部７側の両壁面７２にそれぞれ当接して配置される長尺板状の部材７２ａ、７２ｂと、スロット８のヨーク部６側の壁面７３に当接して配置される長尺状の部材２７ｃと、を有する。このような構成とすることで、部材２７ａ～２７ｃをインジェクション成形、トランスファー成形、コンプレッション成形によりにより製造することができ、コイル保護部２７の部品製造工程をシンプルにすることができる。

＜＜第４の実施形態＞＞
図８は、本実施形態のライナー部材ユニット１２０を示した図である。以下では、第１の実施形態と異なる点について説明する。

ライナー部材ユニット１２０は、複数のライナー部材２０が連結された部材として構成されており、連結した状態で複数のスロット８に収容される。ここでは、ライナー部材ユニット１２０は、３つのライナー部材２０と、それらの一方の端部で３つのライナー部材２０を一体に連結するライナー連結部１２１とを有する。３つのライナー部材２０は、ライナー連結部１２１に連結された状態で、連続する３つのスロット８のそれぞれにライナー部材２０が嵌め込むことができるようになっている。これによって、ライナー部材２０をスロット８に収容する際の工数を低減できる。

以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

＜モータ１００の特徴・機能のまとめ＞
本実施形態のモータ１００の特徴についてスロット８の構造に着目して纏めて説明する。
（１）複数のティース部７を有するステータコア４１と、ティース部７の間に設けられコイル９が収容されるスロット８と、を有するステータ４の製造方法であって、
スロット８にコイル９を収容するライナー部材２０（コイル収容部材）を配置するコイル収容部材配置工程Ｓ１２と、
前記ライナー部材２０に前記コイル９を収容するコイル収容工程Ｓ１４と、
を有し、
ライナー部材２０は樹脂組成物で構成されている。
予め樹脂材料で構成されたライナー部材２０をスロット８に収容することで、成形不良時の損失を最小限に留めることができる。すなわち、ステータ４全体の不良とならずライナー部材２０のみの不良となり、製造時の無駄を抑制できる。また、製造する際にステータ４等の部材が昇温する回数を削減できる。また、コイル９をスロット８に収容する際に、ティース部７やヨーク部６の壁面がライナー部材２０で覆われているため、コイル９が損傷することがない。
（２）ライナー部材２０は、コイル９を冷却する冷却水路１０が設けられた水路部２６を有する。
コイル９からライナー部材２０の水路部２６まで、樹脂材料が充填された状態で隙間無く構成されているため、コイル９の熱を効率的に水路部２６へ伝達できる。
（３）ライナー部材２０は、複数のパーツからなる。これによって、ライナー部材２０のそれぞれのパーツを簡単な形状とすることができ、パーツ製造時の歩留まりを向上させることができる。また、各パーツの設計の自由度が向上する。
（４）ライナー部材２０は、水路部２６と、コイル９の周囲を覆って収容するコイル保護部２７とを有し、水路部２６とコイル保護部２７とが異なるパーツで構成されている。
これによって、水路部２６やコイル保護部２７が設計変更に柔軟に対応することができる。また、異なる仕様のモータ１００においても、あらかじめ用意された複数種類の水路部２６やコイル保護部２７を組み合わせて所望の仕様に対応するといったこともできる。
（５）ライナー部材２０は、水路部２６と、コイル９の周囲を覆って収容するコイル保護部２７とを有し、水路部２６とコイル保護部２７とは一体に成形されている。
これによって、部品点数の抑制と、ライナー部材２０をスロット８に配置する際の工数増加を抑制できる。
（６）複数のライナー部材２０が連結され、複数のスロット８に収容されるライナー部材ユニット１２０として設けられている。
これによって、部品点数の抑制と、ライナー部材２０をスロット８に配置する際の工数増加を抑制できる。
（７）スロット８に樹脂組成物を充填する樹脂充填工程Ｓ１６を更に有する。
これによって、スロット８内の樹脂の充填状態を高めることが出来、コイル９の熱を効率的に冷却水路１０に伝えることができる。また、各構成の固定状態を良好に維持することができ、振動や騒音等を抑制できる。
（８）上記の製造方法により製造されたステータ４。

１００ モータ
１ ケース
２ ロータ
４ ステータ
５ 永久磁石
６ ヨーク部
７ ティース部
８ スロット
９ コイル
１０ 冷却水路
２０ ライナー部材
２３ ライナー内面
２５ 水路部
２７ コイル保護部
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ 部材
２８ コイル収容部
４１ ステータコア
７２、７３ 壁面
１２０ ライナー部材ユニット

Claims (8)

1. 複数のティース部を有するステータコアと、前記ティース部の間に設けられコイルが収容されるスロットと、を有するステータの製造方法であって、
   前記スロットに前記コイルを収容するコイル収容部材を配置するコイル収容部材配置工程と、
   前記コイル収容部材に前記コイルを収容するコイル収容工程と、
   を有し、
   前記コイル収容部材は、樹脂組成物で構成されている、ステータの製造方法。
2. 前記コイル収容部材は、前記コイルを冷却する冷却水路が設けられた水路部を有する、請求項１に記載のステータの製造方法。
3. 前記コイル収容部材は、複数のパーツからなる、請求項２に記載のステータの製造方法。
4. 前記コイル収容部材は、前記水路部と、前記コイルの周囲を覆って収容するコイル保護部とを有し、前記水路部と前記コイル保護部とが異なるパーツで構成されている、請求項３に記載のステータの製造方法。
5. 前記コイル収容部材は、前記水路部と、前記コイルの周囲を覆って収容するコイル保護部とを有し、前記水路部と前記コイル保護部とは一体に成形されている、請求項２に記載のステータの製造方法。
6. 複数の前記コイル収容部材が連結され、複数のスロットに収容されるユニットとして設けられている、請求項１から５までのいずれか１項に記載のステータの製造方法。
7. 前記スロットに樹脂組成物を充填する樹脂充填工程を更に有する、請求項１から６までのいずれか１項に記載のステータの製造方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載のステータの製造方法により製造されたステータ。

Images