JP4340185B2

JP4340185B2 - オルタネータ用ステータコイル

Info

Publication number: JP4340185B2
Application number: JP2004118967A
Authority: JP
Inventors: 和則鈴木; 健次浅野; 重春増渕; 洋光浅井; 昭仁小池; 洋明武田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Denso Corp
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Denso Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP2005304223A

Description

本発明は、自動車などに用いられるオルタネータ用のステータコイルに関するものである。

自動車などのオルタネータに用いられるステータコイルを構成するエナメル線として、従来、丸エナメル線が使用されてきた。この丸エナメル線を円周方向に連続的に巻回してコイル状に形成し、このコイルをステータコアの周囲のスロットに嵌合、挿入することで、ステータコイルを形成するのが一般的であった。

ところが、近年、オルタネータの小型化、軽量化、高出力化、高効率化、並びに低騒音化を目的として、より大きな断面積を確保できる平角エナメル線を用いたオルタネータが採用されてきている。

平角エナメル線を用いる場合、エナメル線を連続的に巻いて巻き数の多い長尺のコイルを形成することが難しい。このため、先ずは、巻き数の少ない短尺の小径コイルを複数形成し、これら小径コイルのエナメル線端末を溶接して繋ぎ合わせ、長尺のコイルを形成する方法が採用されている。

オルタネータ用ステータコイルのエナメル線として、導体の周りにポリエステルイミドの絶縁皮膜を形成し、そのポリエステルイミド絶縁皮膜の周りにポリアミドイミドの絶縁皮膜を設けたダブルコート線や、導体の周りにポリアミドイミドの絶縁皮膜を設けたシングルコート線が主に使用されている。また、一部では、導体の周りにポリイミドの絶縁皮膜を形成し、そのポリイミド絶縁皮膜の周りにポリアミドイミドの絶縁皮膜を設け、耐熱性と機械強度を向上させたダブルコート線なども使用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１３０７５９号公報

ところで、前述した短尺の各小径コイルのエナメル線端末を溶接する場合、ＴＩＧ溶接やヒュージングといった電気的な溶接方法を用いることが主流である。

ＴＩＧ溶接やヒュージングを行う際、各コイルの溶接部は、銅を溶解させるために、銅の融点である1084℃以上に加熱される。この熱は溶接部近傍の絶縁皮膜にも伝わるため、絶縁皮膜も急激に加熱されることとなる。

この時、前述した従来のポリエステルイミドとポリアミドイミドの絶縁皮膜とからなるダブルコート線や、ポリアミドイミド皮膜からなるシングルコート線では、溶接に伴う高温により、絶縁皮膜が熱分解してガスが生じたり、絶縁皮膜に吸湿されていた水分や絶縁皮膜の焼き付け後においても皮膜中に残留（残存）していた溶剤成分が急激に気化したりする。その結果、これらの熱分解ガスや気化ガスにより、絶縁皮膜が導体表面から押し上げられ、導体から剥離して浮き上がってしまったり（以下、皮膜浮きと表す）、ブリスタと呼ぶような発泡が生じたりする（以下、ブリスタ発生と表す）。このため、このエナメル線で構成したステータコイルを用いたオルタネータは、その信頼性が低下するおそれがあるという問題があった。

一方、これらポリエステルイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂よりも耐熱性の高いポリイミド樹脂の皮膜と、ポリアミドイミド樹脂の皮膜とからなるダブルコート線では、ポリイミド樹脂が高価なため、高価なエナメル線となってしまうという問題があった。また、導体と絶縁皮膜との密着性が悪いために、皮膜浮きが発生し易いという問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、エナメル線の端末溶接部近傍における絶縁皮膜の信頼性が高いオルタネータ用ステータコイルを提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係るオルタネータ用ステータコイルは、ステータコアのスロットに嵌合、挿入され、平角エナメル線を用いて短尺の小径コイルを複数個形成し、これら小径コイルの端末を電気的な溶接方法を用いて銅の融点以上に加熱し溶接して繋ぎ合わせた長尺のコイルからなるオルタネータ用ステータコイルにおいて、
上記小径コイルは、導体の周りに、最内絶縁層が１００重量部のポリイミド樹脂に対して０．６重量部以上のブチル化メラミン樹脂からなる密着性向上剤を混合した混合樹脂からなり、最外絶縁層がポリアミドイミド皮膜で構成される少なくとも２層の絶縁皮膜を有し、かつ、導体と最内絶縁層との密着強度が８５ｇ／ｍｍ以上である平角エナメル線を、コイル状に形成してなるものである。

ここで、平角エナメル線の最内絶縁層の層厚と絶縁皮膜全体の層厚との比が０．０５以上であることが好ましい。さらに、平角エナメル線の導体を、平角状のＣｕ導体又はＣｕ合金導体で構成することが好ましい。

本発明によれば、電気的信頼性が良好なオルタネータ用ステータコイルが得られるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明者らが、エナメル線の端末を溶接する際、溶接部近傍における皮膜浮きや、ブリスタ発生を抑制すべく、鋭意研究した結果、以下のことを見出した。

(1) 絶縁皮膜を構成する材料としては、耐熱性が高く、熱分解しづらいものを用いることが必要である。このような材料としては、ポリイミド（以下、ＰＩと表す）、ポリアミドイミド（以下、ＰＡＩと表す）が挙げられる。特に、最も熱負荷の大きな導体直上の最内絶縁層は、最も耐熱性に優れたＰＩ樹脂が最適である。また、最外絶縁層は、耐熱性が高く、かつ、巻線時などの加工を受けた際に傷が生じにくく、耐傷性に優れたＰＡＩ樹脂が最適である。

(2) 絶縁皮膜を構成する材料としては、導体に対する密着強度が高いものを用いることが必要である。これは、導体と絶縁皮膜との密着強度が、導体から絶縁皮膜が剥離する力（又は浮き上がる力）よりも高いと、皮膜浮きや、ブリスタ発生を抑制できるためである。

以上を踏まえ、本発明者らが、更に検討を続けた結果、ステータコイルを構成するエナメル線として、最外層となる絶縁皮膜には、巻線時などの加工を受けた際に傷が生じにくく、耐傷性に優れたＰＡＩを用い、最内層となる絶縁皮膜には、導体に対する密着強度を高く調整したＰＩを用いることで、エナメル線端末の溶接部近傍において、皮膜浮きや、ブリスタ発生を抑制することが可能になるということを見出した。

本発明の好適一実施の形態に係るオルタネータ用ステータコイルに用いる短尺の小径コイルの斜視図を図１に、図１における短尺の小径コイルの２−２線断面図を図２に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係るオルタネータ用ステータコイルは、平角エナメル線２０を加工して短尺の小径コイル１０を形成し、これらの小径コイル１０を複数個つなぎ合わせてなるものである。小径コイル１０は、例えばＵ字状を呈しており、一方の端部で内側に面した幅広面が他方の端部で外側に面するように、湾曲部１１において180°のひねりが加えられている。また、小径コイル１０の両端部１２ａ，１２ｂは外側に折り曲げられ、各折り曲げ部分の先端部が接続部１３ａ，１３ｂを形成している。隣接する２つの小径コイル１０の内、一方の小径コイル１０の接続部１３ａ（又は１３ｂ）と他方の小径コイル１０の接続部１３ｂ（又は１３ａ）とが溶接などの手段で接続される。

小径コイル１０を構成する平角エナメル線２０は、図２に示すように、平角導体２１の周りに少なくとも２層（図２中では２層）の絶縁層２３，２４で構成される絶縁皮膜を有するものである。より具体的には、絶縁皮膜は、平角導体２１の直上に設けられ、平角導体２１に対する密着強度を40g/mm以上、好ましくは75g/mm以上、より好ましくは85g/mm以上に調整したＰＩ樹脂の皮膜で構成される内層（最内絶縁層）２３と、ＰＡＩ樹脂の皮膜で構成される外層（最外絶縁層）２４とで構成される。内層２３及び外層２４は一体に（又はほぼ一体に）形成される。また、内層２３と外層２４との密着性（一体性）を更に向上すべく、内層２３と外層２４との間に密着性向上層（図示せず）を設けてもよい。

ここで、平角エナメル線２０においては、平角導体２１と絶縁皮膜（内層２３）との密着強度がより強い（高い）方が好ましい。これは、平角導体２１と内層２３との密着強度がより高い方が、ブリスタ発生を抑制する効果が大きくなるからである。しかし、平角導体２１の周りに、ＰＩ樹脂単体からなる絶縁皮膜を形成した場合、40g/mm以上の密着強度を確保することは困難である。そこで、平角導体２１と内層２３との密着強度を40g/mm以上に向上させるべく、平角導体２１直上の内層２３を構成するＰＩ樹脂の絶縁塗料中に、密着性向上剤と呼ばれる添加剤が添加、混合される。平角導体２１と内層２３との密着強度を40g/mm以上としたのは、密着強度が40g/mm未満だと、絶縁皮膜の皮膜浮きや、ブリスタ発生を抑制する効果が小さくなるためである。

密着性向上剤としては、平角導体２１と内層２３との密着強度を向上させる作用を奏するものであれば特に限定するものではなく、例えば、
ブチル化メラミン樹脂等のメラミン樹脂類、
トリアルキルアミン等のアミン類、
メルカプトベンズイミダゾールなどのメルカプタン類、
ポリカルボジイミド樹脂類、
などが挙げられる。また、２種類以上の密着性向上剤を併用して添加するようにしてもよい。

絶縁塗料のＰＩ樹脂分に対する密着性向上剤の添加割合は、密着性向上効果が十分に得られ、かつ、絶縁塗料の安定性、内層２３の線膨張係数、平角エナメル線２０の可とう性などの特性に悪影響を及ぼさない範囲であれば、特に規定するものではない。例えば、密着性向上剤としてブチル化メラミン樹脂を用いる場合、ＰＩ樹脂分100重量部に対して、少なくとも0.1重量部、好ましくは0.3重量部以上、より好ましくは0.6重量部以上添加すればよい。

また、内層２３の層厚と絶縁皮膜全体（内層２３＋外層２４）の層厚との比は、特に規定するものではないが、0.05以上、好ましくは0.10以上、より好ましくは0.15以上とされる。この場合、内層２３の層厚と絶縁皮膜全体の層厚との比が0.05より小さくなると、例えば、内層２３の層厚が２μｍより薄くなると、皮膜浮きや、ブリスタ発生を抑制する効果が小さくなるためである。

本実施の形態で言う内層２３を構成するＰＩ樹脂と密着性向上剤との混合樹脂は、平角導体２１と絶縁皮膜（内層２３）との密着強度が40g/mm以上の絶縁フィルムを作製可能なものである。また、混合樹脂は、層厚が約２μｍの極薄の絶縁フィルムを作製可能であるものがより好ましい。この混合樹脂の絶縁塗料を平角導体２１に塗布、焼き付けしてなる絶縁皮膜が内層２３である。

本実施の形態で言うＰＩ樹脂の絶縁塗料は、通常塗料の状態ではポリアミド酸溶液になっており、本溶液を導体に塗布した後、ダイスで絞って塗布厚を均一にし、その後、焼付炉にて焼成することによりポリアミド酸が閉環してＰＩ樹脂絶縁皮膜となる。ＰＩ樹脂絶縁塗料としては、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンとを極性溶媒中で反応させて得られた塗料が最も一般的であり、ＰＩの化学構造については特に規定するものではない。

芳香族テトラカルボン酸二無水物として代表的なものは、
ピロメリット酸二無水物、
ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物等がある。

芳香族ジアミンとして代表的なものは、
4,4'−ジアミノジフェニルメタン、
4,4'−ジアミノジフェニルエーテル等がある。

市販のＰＩ樹脂絶縁塗料としては、デュポン社製のPyre ML、東レ社製のトレニース＃3000等が挙げられる。

一方、本実施の形態で言うＰＡＩ樹脂の絶縁塗料としては、トリメリット酸無水物と4,4'−ジフェニルメタンジイソシアネートとを極性溶媒中で加熱反応させて得られた塗料が最も一般的であり、ＰＡＩの化学構造については特に規定するものではない。

市販のＰＡＩ樹脂絶縁塗料としては、日立化成工業社製のHI-404やHI-406等が挙げられる。

平角導体２１の構成材としては、平角エナメル線導体として慣用的に用いられているものであれば全て適用可能であり、特に限定するものではないが、Ｃｕ又はＣｕ合金が好ましい。また、平角導体２１の断面積（サイズ）についても、特に限定するものではなく、平角エナメル線導体として慣用的に用いられているものであれば全て適用可能である。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係るオルタネータ用ステータコイルに用いる短尺の小径コイル１０を構成する平角エナメル線２０は、絶縁皮膜として、ＰＩ樹脂で構成され、平角導体２１に対する密着強度を75g/mm以上に調整した内層２３と、ＰＡＩ皮膜で構成される外層２４とを有している。これによって、絶縁皮膜は、平角導体２１に対する密着強度が高く、耐熱性が高く、熱分解しづらいものとなり、かつ、高温時の熱変形が小さくなる。その結果、平角エナメル線２０の端末を溶接して繋ぎ合わせる際、溶接に伴う高温により絶縁皮膜が熱分解してガスが生じたり、絶縁皮膜に吸湿されていた水分や絶縁皮膜の焼き付け後においても皮膜中に残留（残存）していた溶剤成分が急激に気化したりしても、溶接部近傍の絶縁皮膜における皮膜浮きや、ブリスタ発生を抑制することができる。

よって、平角エナメル線２０を用いて短尺の小径コイル１０を複数個形成し、これら小径コイル１０のエナメル線端末を溶接して繋ぎ合わせてなる長尺のコイル、すなわちオルタネータ用ステータコイルで構成されるオルタネータでは、高い電気的信頼性が得られる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

(実施例１)
ポリイミドａ（トレニース＃3000，東レ社製；以下、ＰＩａと表す）塗料の樹脂分100重量部に対して密着性向上剤Ａ（ブチル化メラミン樹脂）を1重量部添加し、絶縁塗料を得た。

この絶縁塗料を、導体寸法が1.4×2.2ｍｍ、Ｒ部面取り半径が0.5ｍｍの平角形状の銅導体上に塗布した後、熱風循環式堅型焼付炉により焼き付けを行い、皮膜厚さが10μｍの内層絶縁皮膜を設けた。この内層絶縁皮膜の周りに、ポリアミドイミド（HI-404，日立化成工業社製；以下、ＰＡＩと表す）塗料単体を塗布した後、焼き付けを行い、皮膜厚さが30μｍの外層絶縁皮膜を設けた。これによって、絶縁皮膜全体の厚さが40μｍの２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(実施例２)
ＰＩａ塗料の代わりにポリイミドｂ（Pyre ML，デュポン社製；以下、ＰＩｂと表す）塗料を用いる以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(実施例３)
酸成分としてピロメリット酸二無水物、ジアミン成分として4,4'−ジアミノジフェニルメタン及び4,4'−ジアミノジフェニルエーテルを、モル比で２対１対１となるように溶媒（2-メチルピロリドン）中に溶解した。この溶液を攪拌し、反応させることによりポリイミドｃ（以下、ＰＩｃと表す）塗料を作製した。

ＰＩａ塗料の代わりにＰＩｃ塗料を用いる以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(実施例４)
内層絶縁皮膜の厚さが5μｍ、外層絶縁皮膜の厚さが35μｍである以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(実施例５)
内層絶縁皮膜の厚さが2μｍ、外層絶縁皮膜の厚さが38μｍである以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(参考例６)
ＰＩａ塗料の樹脂分100重量部に対する密着性向上剤Ａの配合割合を0.5重量部とする以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(参考例７)
ＰＩａ塗料の樹脂分100重量部に対する密着性向上剤Ａの配合割合を0.2重量部とする以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(実施例８)
密着性向上剤Ａの代わりに密着性向上剤Ｂ（メルカプトベンズイミダゾール）を用いる以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(比較例１)
内層絶縁皮膜を構成する絶縁塗料中に密着性向上剤Ａを全く添加しない、つまり内層絶縁皮膜の樹脂分をＰＩａ単体で構成する以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

(比較例２)
内層絶縁皮膜を構成する絶縁塗料として、実施例１のＰＡＩ塗料の樹脂分100重量部に対して密着性向上剤Ａを1重量部添加した塗料を用いる以外は、実施例１と同様にして、２層耐熱平角エナメル線を作製した。

実施例１〜５，８、参考例６，７、及び比較例１，２の各平角エナメル線について、導体と絶縁皮膜（内層）との密着強度を求めた。

導体と絶縁皮膜との密着強度測定は以下の方法で行った。先ず、各平角エナメル線を製造した後、各平角エナメル線から約5ｃｍの長さの試料片をそれぞれ切り取った。その後、各試料片の上面又は下面（幅が広い方の面のいずれか一方）の絶縁皮膜に、カッターなどを用いて、試料片の長手方向に延びる切り込みを１ｍｍ間隔で２本形成した。この切り込み間における絶縁皮膜の長手方向端部を、ピンセットなどを用いて導体から剥離させ、つかみ代を形成した。その後、各試料片を治具に固定すると共に、つかみ代をチャックで挟み、テンシロン万能試験機を用いて導体から絶縁皮膜を更に引き剥がした。この時、絶縁皮膜を１ｍｍ長さで剥がす時の剥離強度（密着強度）を測定した。

また、実施例１〜５，８、参考例６，７、及び比較例１，２の各平角エナメル線について、ＴＩＧ溶接後の外観評価を行った。

ＴＩＧ溶接後の外観評価は以下の方法で行った。先ず、各平角エナメル線を製造した後、評価時の環境によるばらつきを考慮して、各平角エナメル線を40℃−95％ＲＨの恒温恒湿槽内に30分間放置した。その後、恒温恒湿槽から各平角エナメル線を取り出して10分以内に、各平角エナメル線から約5ｃｍの長さの試料片をそれぞれ切り取り、各試料片の一方の端末から4.5ｍｍの長さに亘って絶縁皮膜を剥離した。各試料片の一方の端末の端部から2.5ｍｍの所を、断面寸法が1.5ｍｍ×2.0ｍｍのクロム銅製アース棒で挟み込み、また、各試料片の一方の端末の端部から1.25ｍｍの所に、溶接トーチの先端位置を合わせ、ＴＩＧ溶接機により通電を行った。通電条件は、通電電流40Ａ、通電時間0.5秒とした。

外観の評価は、通電後の各試料片における通電部近傍の表面を目視で観察し、皮膜浮きやブリスタ発生がほとんど見られないものを良、皮膜浮きの試料片長手方向の長さが4ｍｍ未満で、発泡（ブリスタ）の径が1ｍｍ未満、かつ、その数が５個以下と少数のものをほぼ良、これ以上の皮膜浮きやブリスタ発生が見られるものを不良とした。

導体と絶縁皮膜との密着強度、及びＴＩＧ溶接後の外観評価結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜５，８及び参考例６，７の各平角エナメル線は、絶縁皮膜の内層を、ＰＩ樹脂と密着性向上剤とで構成している。

これによって、実施例１〜５，８の各平角エナメル線の、導体と絶縁皮膜との密着強度はいずれも規定範囲（75g/mm以上）を満足していた。また、これらの各平角エナメル線と比較例１の平角エナメル線とを比較することで、密着性向上剤の添加により、密着強度が高くなることが確認できた。

また、実施例１〜５，８の各平角エナメル線は、導体と絶縁皮膜との密着強度が75g/mm以上と非常に良好であった。さらに、実施例１〜４の各平角エナメル線は、ＴＩＧ溶接後の外観が良好であった。よって、密着性向上剤としてブチル化メラミン樹脂を用い、その配合量が０．５重量部よりも多い実施例１〜５の各平角エナメル線が、密着強度及びＴＩＧ溶接後の外観が共に非常に良好であり、より好ましい。このことから、導体と絶縁皮膜との密着強度は85g/mm以上がより好ましい。

これらの結果、実施例１〜５，８の各平角エナメル線は、その溶接部近傍における密着強度が十分に高く、耐熱性が十分であるため、ＴＩＧ溶接後の外観は良好又はほぼ良好であった。よって、実施例１〜５，８の各平角エナメル線を用いたオルタネータ用ステータコイルで構成したオルタネータは、高い電気的信頼性が得られた。

これに対して、密着性向上剤を混合させることなく、ＰＩａ単体で絶縁皮膜の内層を構成した比較例１の平角エナメル線は、密着強度が35g/mmと規定範囲未満であった。その結果、比較例１の平角エナメル線の絶縁皮膜は、密着強度が不足しているため、溶接時に皮膜浮きや、ブリスタが発生してしまい、ＴＩＧ溶接後の外観は不良であった。

また、内層のベース樹脂をＰＩ樹脂ではなく、ＰＡＩ樹脂に密着性向上剤を添加した比較例２の平角エナメル線は、密着強度は56g/mmと規定範囲未満であり、ＰＩ樹脂よりも耐熱性の劣るＰＡＩ樹脂を用いているため、耐熱性が不足しており、溶接時に皮膜浮きや、ブリスタが発生してしまい、ＴＩＧ溶接後の外観は不良であった。

よって、比較例１，２の各平角エナメル線を用いたオルタネータ用ステータコイルで構成したオルタネータは、電気的信頼性があまり良好でなかった。

本発明の好適一実施の形態に係るオルタネータ用ステータコイルに用いる短尺の小径コイルの斜視図である。図１における短尺の小径コイルの２−２線断面図である。

符号の説明

１０小径コイル
２０平角エナメル線
２１平角導体
２３内層（最内絶縁層）
２４外層（最外絶縁層）

Claims

ステータコアのスロットに嵌合、挿入され、平角エナメル線を用いて短尺の小径コイルを複数個形成し、これら小径コイルの端末を電気的な溶接方法を用いて銅の融点以上に加熱し溶接して繋ぎ合わせた長尺のコイルからなるオルタネータ用ステータコイルにおいて、
上記小径コイルは、導体の周りに、最内絶縁層が１００重量部のポリイミド樹脂に対して０．６重量部以上のブチル化メラミン樹脂からなる密着性向上剤を混合した混合樹脂からなり、最外絶縁層がポリアミドイミド皮膜で構成される少なくとも２層の絶縁皮膜を有し、かつ、導体と最内絶縁層との密着強度が８５ｇ／ｍｍ以上である平角エナメル線を、コイル状に形成してなることを特徴とするオルタネータ用ステータコイル。
上記平角エナメル線の最内絶縁層の層厚と上記絶縁皮膜全体の層厚との比が０．０５以上である請求項１記載のオルタネータ用ステータコイル。
上記平角エナメル線の導体を、平角状のＣｕ導体又はＣｕ合金導体で構成した請求項１又は２記載のオルタネータ用ステータコイル。