JP4735529B2

JP4735529B2 - モータの固定子

Info

Publication number: JP4735529B2
Application number: JP2006344729A
Authority: JP
Inventors: 正孝浅井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: CN101569079B; US20090302694A1; WO2008075506A2; WO2008075506A3; CN101569079A; US8063518B2; JP2008160938A; DE112007003092T5

Description

この発明は、固定子コアと導体コイルとの間にインシュレータを備えた固定子コイルを有するモータの固定子、及びその製造方法に関するものである。

従来、モータの固定子は、固定子コアに導体コイルが巻かれた固定子コイルを複数備えている。ここで、固定子コアと導体コイルとの間には、絶縁性を確保するために樹脂製のインシュレータが装着されている。そして、固定子コアにインシュレータを介して導体コイルを組み込んだ後、全体をモールド材でモールドして固定子を完成させている。モールドする目的は、導体コイルで発生する熱を外部に放熱すること、固定子内に水分等が浸入することを防止することにある。
固定子の製造方法は、導体コイルをインシュレータに挿入したものを、固定子コアに装着して、バスパー等を組み込んで、全体をモールドしている。
ここで、インシュレータと導体コイルとの隙間は、熱伝導性を高めるため、狭く設定されている。そのため、インシュレータに導体コイルを装着して、全体のモールドを行うと、その隙間にモールド材が十分に進入せずに空気層が残る問題があった。インシュレータと導体との間に空気層が形成されると、空気層は熱伝達率が悪いため熱伝導性が大きく低下し、モータの放熱が不十分となる問題がある。

それを回避するためには、全体をモールドする前に、インシュレータと導体コイルとを先にモールドしておくことも１つの手段である。
例えば、特許文献１に記載された発明では、絶縁が施されていない平角線をスロット絶縁物に挿入した状態で、エポキシ系熱硬化性樹脂を用いて一度モールドし、組み付け後、全体をエポキシ系熱硬化性樹脂で再度モールドする技術が記載されている。すなわち、導体コイルに相当する平角線を、インシュレータに相当するスロット絶縁物内に挿入し、それをスロットに装着した状態で、一度エポキシ系熱硬化性樹脂でモールドする。そして、固定子を構成する部品を組みあげた状態で、再度全体をエポキシ系熱硬化樹脂でモールドして固定子を完成させている。

一方、モールド材としては、耐クラック性を高め、熱伝導性を高めるため、フィラを高充填した熱硬化性樹脂が使用されている。
また、インシュレータの材料としては、生産性を高めるため、熱可塑性樹脂を使用している。しかし、線膨張率をコイルや固定子コア並みに下げ、熱伝導性を高めるために、フィラを高充填すると、熱可塑性樹脂の場合、流動性が低下し、また靭性も低下するため、インシュレータ自体に割れが発生する問題がある。

特許公報第3659874号公報

しかしながら、特許文献１に記載された固定子、及び固定子の製造方法には、次のような問題があった。
すなわち、インシュレータと導体コイルとの隙間にモールド材が進入するため、隙間に空気層が残る可能性は低くなったが、図１２に示すように、導体コイル１０２と固定子コア１０１との間に、一度目のモールドでインシュレータ１０４と導体コイル１０２の隙間にモールド材が進入して形成されたエポキシ樹脂モールド層１０５、インシュレータ１０４、全体モールドで形成されたエポキシ樹脂モールド層１０３という３つの層が介在し、５つの層の間に４つの界面が存在する。一般的に、界面における熱伝導率は層内におけるよりも低いことが知られている。また、熱伝導率が各層により変化し、安定した伝熱作用を実現できないため、熱伝導性をより高くすることが困難であった。
また、クラックの発生は界面における層の剥離を起因とすることが多い。そのため、界面数が多いと、耐クラック性も低下する問題がある。
近年、ハイブリッド自動車において、高トルクを出力するために小型で高圧電流を流すモータの開発が進められており、モータの高温化を防ぐために、より熱伝導性が高く、耐クラック性が高い固定子が求められているが、それを実現することが困難であった。

この発明は上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、熱伝導性が高く、耐クラック性の高いモータの固定子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のモータの固定子、及び固定子の製造方法は、次の構成を有している。
（１）固定子コアに導体コイルが巻かれた固定子コイルを複数備えるモータの固定子であって、固定子コアまたは導体コイルに、熱硬化性樹脂をインサート成形することにより、インシュレータが一体成形されていること、複数のコイルを備える固定子が熱硬化性樹脂でモールドされていることを特徴とする。
（２）（１）に記載するモータの固定子において、前記インシュレータの材料となる熱硬化性樹脂と、前記モールドで使用する熱硬化性樹脂とが、線膨張率の同じ樹脂であることを特徴とする。
（３）（１）に記載するモータの固定子おいて、前記インシュレータの材料となる熱硬化性樹脂の熱伝導率が、前記モールドで使用する熱硬化性樹脂の熱伝導率より大きいことを特徴とする。

（４）固定子コアに導体コイルが巻かれたコイルを複数備えるモータの固定子の製造方法であって、固定子コアまたは導体コイルに、熱硬化性樹脂をインサート成形することにより、インシュレータを一体成形する工程、複数のコイルを備える固定子を熱硬化性樹脂でモールドする工程を有する。

上記構成を有する固定子、及び固定子製造方法の作用及び効果について説明する。
固定子コアに熱硬化性樹脂をインサート成形する場合、固定子コアが複数個に分割された分割コアとすると、分割コアに対してインサート成形し易い。金型のキャビティは、分割コアにインシュレータが付加されたものとされており、そのキャビティ内に分割コアをインサートして、例えば、エポキシ系の熱硬化性樹脂を射出成形する。これにより、エポキシ系熱硬化性樹脂が、加圧されながら分割コアの表面に成形される。インサート成形によれば、エポキシ系熱硬化性樹脂を加圧して射出するため、分割コアの表面にエポキシ系熱硬化性樹脂を密着させてインシュレータを分割コアと一体的に形成することができる。そのため、界面の数を１つ減少させることができ、界面に起因する熱伝導性の低下、耐クラック性の低下を防止することができる。さらに、エポキシ系熱硬化性樹脂は、接着機能を備えるため、より熱伝導を高くすることができる。

同様に、導体コイルを巻いてカセットコイルを形成し、それを固定子コアに装着する場合には、カセットコイルの固定子コアと接触する内面に、インシュレータをインサート成形する。すなわち、金型のキャビティは、カセットコイルにインシュレータが付加されたものとされており、そのキャビティ内にカセットコイルをインサートして、例えば、エポキシ系の熱硬化性樹脂を射出成形する。これにより、エポキシ系熱硬化性樹脂が、加圧されながらカセットコイルの表面に成形される。インサート成形によれば、カセットコイルの内表面にエポキシ系熱硬化性樹脂を密着させてインシュレータをカセットコイルと一体的に形成することができる。すなわち、インシュレータとカセットコイルとの間に隙間を形成することがない。そのため、全体をモールドするときに、モールド材がカセットコイルとインシュレータの間にモールド材が進入することがなく、界面の数を１つ減少させることができ、層の変化、すなわち界面に起因する熱伝導性の低下、耐クラック性の低下を防止することができる。さらに、エポキシ系熱硬化性樹脂は、接着機能を備えるため、より熱伝導を高くすることができる。

また、インシュレータの材料となる熱硬化性樹脂と、モールドで使用する熱硬化性樹脂とが、線膨張率の同じ樹脂であるので、モータの温度上昇に伴ない、界面においてインシュレータとモールドとが同じ膨張率で一緒に伸び縮みするため、界面での剥離を減少させ、耐クラック性を高めることができる。
また、インシュレータの材料となる熱硬化性樹脂の熱伝導率が、モールドで使用する熱硬化性樹脂の熱伝導率より大きくしているので、モールドをできるだけ薄くすることにより、熱伝導率の高い高価な材料の使用量を減少させ、モータの放熱特性を維持しつつ、トータルとしてコストを低減することができる。

本発明の実施の形態である固定子、及び固定子製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。第１の実施例である分割コア３にインシュレータ４をインサート成形する場合について説明する。図１にインサート成形に使用する金型の平面断面図を（ａ）に示し、ＡＡ断面図を（ｂ）に示す。断面図であるが、金型であるので斜線を省略して記載している。
金型は、上型１と下型２とで構成されている。上型１と下型２とで形成されるキャビティは、分割コア３にインシュレータ４が付加された空間とされており、そのキャビティ内に分割コア３をキャビティ内に装着して、例えば、エポキシ系の熱硬化性樹脂をキャビティ内に射出成形する。これにより、エポキシ系熱硬化性樹脂が、加圧されながら分割コアの表面にインシュレータ４として成形される。インサート成形によれば、分割コアの表面にエポキシ系熱硬化性樹脂を密着させてインシュレータ４を分割コア３と一体的に形成することができる。特に、エポキシ系熱硬化性樹脂は、接着性が高いので、インシュレータ４が分割コア３の表面に密着接着するので、インシュレータ４と分割コア３の表面との間に隙間が全くできない。

使用する樹脂について説明する。エポキシ系熱硬化性樹脂であり、フィラを充填している。フィラとしては、アルミナ、シリカ等の高熱伝導フィラ、溶融シリカ等の低線膨張フィラ、ミルドファイバ等の強化フィラ、エストマ成分等の低応力化剤を混合して使用している。フィラの充填率は、６０〜８０ｖｏｌ％である。最終的に、樹脂の線膨張係数をコイルや固定子コアの線膨張係数に近づけるために、１０〜２０ｐｐｍ／℃となるように調整している。
できあがったインシュレータ４が一体的に形成されたインシュレータ付分割コア６を、図２に示す。（ａ）がカセットコイル５を組み込む前であり、（ｂ）がカセットコイル５を組み込んだ後である。インシュレータ４の厚さは、数百ミクロンであるが、図では強調して厚く記載している。
（ａ）に示すように、分割コア３のカセットコイル５と接触する部分、すなわち、カセットコイル５の中空部が装着される凸部、凸部の周辺の内周面については、かなりの部分がインシュレータ４により覆われている。
（ｂ）に示すように、カセットコイル５と分割コア３との全ての間に、インシュレータ４が存在して、導体コイルの絶縁性を高めている。

図３に、８個のカセットコイル７が装着されたインシュレータ付分割コア６を焼きばめリング７により、組み付けて固定子組立として組み上げた状態を示す。すなわち、焼きばめリング７を加熱して膨張させた状態で、インシュレータ付分割コア６をセットし、焼きばめリング７を冷却することにより、焼きばめリング７が収縮して、８個のインシュレータ付分割コア６を一体化して固定子組立が組みあがる。固定子組立を金型に入れて、熱硬化性樹脂を注入してモールド８を形成することにより、図４に示すような固定子が完成する。
ここで、モールド８に使用する樹脂は、エポキシ系熱硬化性樹脂であり、インシュレータをインサート成形で製造するときと、同じ線膨張率を有するものを使用している。
インシュレータ４の材料と、モールド８で使用する材料とを、同じエポキシ系熱硬化樹脂として、フィラ充填後の線膨張係数が同じとなるように調整しているので、インシュレータ４とモールド８とが、モータの温度上昇に伴ない同じ量だけ膨張するため、インシュレータ４とモールド８の界面で、剥離が発生する可能性を低くして、耐クラック性を向上させることができる。
さらに、インシュレータ４の材料となる熱硬化性樹脂の熱伝導率を、モールド８で使用する熱硬化性樹脂の熱伝導率より大きくすれば、インシュレータ４の放熱性をより高めることができる。

次に、本実施例の固定子の作用及び効果について説明する。図１１に、本実施例の固定子の部分構造を表す断面図を示す。
薄板鋼板が積層された分割コア３の表面に、インシュレータ４が一体的に密着して接着接合されている。すなわち、積層された薄板鋼板の重ねあわせにより生じる隙間まで、インシュレータ４が進入して、インシュレータ４が形成されている。インシュレータ４が、分割コア３に密着して接着結合しているので、モールド８がインシュレータ４と分割コア３との間に進入することがない。そのため、分割コア３、インシュレータ４、モールド８、カセットコイル５の４つの層ができており、界面は３つとなる。図１２の従来の構造と比較して、界面を１つ減少させることができている。
界面を１つ減少させることにより、界面で発生する剥離を起因とするクラックの発生を減少させることができる。また、界面が少なく、インシュレータ４が分割コア３に密着しているため、図１２の場合と比較して、熱伝導性を高めることができる。

以上詳細に説明したように、本実施例の固定子によれば、固定子コアを構成する分割コア３に、熱硬化性樹脂をインサート成形することにより、インシュレータ４が一体成形されていること、複数のカセットコイル５を備える固定子を熱硬化性樹脂でモールドすることを採用しているので、界面の数を１つ減少させることができ、界面に起因する熱伝導性の低下、耐クラック性の低下を防止することができる。さらに、エポキシ系熱硬化性樹脂は、接着機能を備えるため、より熱伝導を高くすることができる。
また、インシュレータ４の材料となる熱硬化性樹脂と、モールド８で使用する熱硬化性樹脂とが、高熱伝導性の同じ樹脂であるので、線膨張率が同じで、界面においてモータの温度上昇に伴ない、インシュレータ４とモールド８とが一緒に伸び縮みするため、界面での剥離を減少させ、耐クラック性を高めることができる。

また、インシュレータ４の材料となる熱硬化性樹脂の熱伝導率を、モールドで使用する熱硬化性樹脂の熱伝導率より大きくすれば、インシュレータ４の放熱性をより高めることができる。すなわち、分割コア３とインシュレータ４とが、密着し接着して一体化しているので、熱伝導性が高いため、カセットコイル５で発生した熱をより効率的に分割コア３に伝導することができる。
一方、熱伝導性を高めるためには、マトリックスの熱伝導率やフィラの熱伝導率を高めなければならないが、いずれの対策も高価であり、コストアップする問題がある。モールド８は、コイルエンドで多量に使用されているに対し、インシュレータは、数百ミクロンの厚みであり、使用量は圧倒的に少量である。従って、インシュレータ４の熱伝導性を高めても、ほとんどコストを上げることがない。

次に、第２の実施例について説明する。
図５に、カセットコイル５にインシュレータ４をインサート成形するための金型の平面断面図を（ａ）に示す。（ａ）のＡＡ断面図を（ｂ）に示し、ＢＢ断面図を（ｃ）に示す。（ｂ）、（ｃ）は、断面図であるが、斜線を省略している。金型は、上型１１と下型１２とで構成されている。上型１１と下型１２とで形成されるキャビティは、カセットコイル５の巻線部の内側表面にインシュレータ４が付加された空間とされており、そのキャビティ内にカセットコイル５の巻線部をインサートして、例えば、エポキシ系の熱硬化性樹脂を射出成形する。
カセットコイル５の導体コイルは平角状のものをエッヂワイズでらせん状に巻いたものである。インシュレータ４は、カセットコイル５の内側の角部の４箇所に形成される。すなわち、インシュレータ４はカセットコイル５の内面全周にわたって連続的に形成されていない。インシュレータ４を連続的に形成できないのは、カセットコイル５を外側で位置決めすることが難しく、カセットコイル５の内側で位置決めするため、インシュレータ５を分断して、その分断した位置でカセットコイル５を位置決めしているからである。
すなわち、（ｃ）に示すように、ＢＢ断面の位置でカセットコイル５の重ねられた導体コイルが４面全てで金型により位置決めされている。これにより、ＡＡ断面におけるインシュレータ４を形成すべき空間が位置決めされ、その部分にエポキシ系熱硬化性樹脂を射出成形することにより、インシュレータ４がカセットコイル５の内周面に、密着して接着結合される。

できあがったインシュレータ４が一体的に形成されたインシュレータ付カセットコイル５を、図６に示す。（ａ）が固定子コア１３に組み込む前の平面図であり、（ｂ）が側面図である。
図７に、インシュレータ付カセットコイル９が固定子コア１３に組み込まれた状態を示す。（ａ）が平面図であり、（ｂ）が側面図である。
図７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、カセットコイル５の固定子コア１３と接触する部分、すなわち、固定子コアの凸部が装着されるカセットコア５の内周面、カセットコイル５の固定子コア１３と接触する側の端面については、かなりの部分がインシュレータ４により覆われている。このように、カセットコイル５と固定子コア１３との全ての間に、インシュレータ４が存在して、導体コイルの絶縁性を高めている。

図８に、８個のインシュレータ付カセットコイル９が固定子コア１３に装着されて固定子として組み上げた状態を示す。これを金型に入れて、熱硬化性樹脂をモールドすることにより、図９に示すような固定子が完成する。
ここで、モールドに使用する樹脂は、エポキシ系熱硬化性樹脂であり、インシュレータをインサート成形で製造するときと、同じ線膨張率を有するものを使用している。
インシュレータ４の材料と、モールド８で使用する材料とを、同じエポキシ系熱硬化樹脂として、フィラ充填後の線膨張係数が同じとなるように調整しているので、インシュレータ４とモールド８とが、モータの温度上昇に伴ない、同じ量だけ膨張するため、インシュレータ４とモールド８の界面で、剥離が発生する可能性を低くして、耐クラック性を向上させることができる。
さらに、インシュレータ４の材料となる熱硬化性樹脂の熱伝導率を、モールドで使用する熱硬化性樹脂の熱伝導率より大きくすれば、インシュレータ４の放熱性をより高めることができる。すなわち、熱発生源であるカセットコイル５とインシュレータ４とが、密着し接着して一体化しているので、熱伝導性が高いため、カセットコイル５で発生した熱をより効率的にモールド８に伝導することができる。

次に、本実施例の固定子の作用及び効果について説明する。図１０に、本実施例の固定子の部分構造を表す断面図を示す。
薄板鋼板が積層されたカセットコイル５の表面に、インシュレータ４が一体的に密着して接着接合されている。すなわち、導体コイルの重ねあわせにより生じる隙間まで、エポキシ系熱硬化性樹脂が進入して、インシュレータ４が形成されている。インシュレータ４が、カセットコイル５に密着して接着結合しているので、モールド８がインシュレータ４とカセットコイル５との間に進入することがない。そのため、カセットコイル５、インシュレータ４、モールド８、固定子コア１３の４つの層ができており、界面は３つとなる。図１２の従来の構造と比較して、界面を１つ減少させることができている。
界面を１つ減少させることにより、界面で発生する剥離を起因とするクラックの発生を減少させることができる。また、界面が少なく、インシュレータ４がカセットコイル５に密着しているため、図１２の場合と比較して、熱伝導性を高めることができる。

以上詳細に説明したように、第２の実施例の固定子によれば、導体コイルであるカセットコイル５に、熱硬化性樹脂をインサート成形することにより、インシュレータ４が一体成形されていること、複数のカセットコイル５を備える固定子を熱硬化性樹脂でモールドすることを採用しているので、界面の数を１つ減少させることができ、界面に起因する熱伝導性の低下、耐クラック性の低下を防止することができる。さらに、エポキシ系熱硬化性樹脂は、接着機能を備えるため、より熱伝導を高くすることができる。
また、インシュレータ４の材料となる熱硬化性樹脂と、モールドで使用する熱硬化性樹脂とが、線膨張率の同じ樹脂であるので、界面において一緒に伸び縮みするため、界面での剥離を減少させ、耐クラック性を高めることができる。

また、インシュレータ４の材料となる熱硬化性樹脂の熱伝導率を、モールドで使用する熱硬化性樹脂の熱伝導率より大きくすれば、インシュレータ４の放熱性をより高めることができる。すなわち、熱発生源であるカセットコイル５とインシュレータ４とが、密着し接着して一体化しているので、熱伝導性が高いため、カセットコイル５で発生した熱をより効率的に分割コア３に伝導することができる。
一方、熱伝導性を高めるためには、マトリックスの熱伝導率やフィラの熱伝導率を高めなければならないが、いずれの対策も高価であり、コストアップする問題がある。モールド８は、コイルエンドで多量に使用されているに対し、インシュレータは、数百ミクロンの厚みであり、使用量は圧倒的に少量である。従って、インシュレータ４の熱伝導性を高めても、ほとんどコストを上げることがない。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
例えば、本実施例では、分割コア３を焼きばめリング７を用いて、分割コア３を一体化しているが、ボルト等による機械的な締結により分割コア３の外周を締めて固定しても良い。

第１実施例の分割コア３にインシュレータ４をインサート成形するための金型を示す図である。インシュレータ付分割コア６を示す図である。モールド前の固定子の組立図である。モールドした後の固定子の図である。第２実施例のカセットコイル５にインシュレータ４をインサート成形するための金型を示す図である。インシュレータ付カセットコイルを示す図である。インシュレータ付カセットコイルを固定子コア１３に組み込んだ図である。モールド前の固定子の組立図である。モールドした後の固定子の図である。第２実施例の層構成を示す図である。第１実施例の層構成を示す図である。従来の層構成を示す図である。

符号の説明

１１１上型
２１２下型
３分割コア
４インシュレータ
５カセットコイル
６インシュレータ付分割コア
７焼きばめリング
８モールド
９インシュレータ付カセットコイル
１３固定子コア

Claims

固定子コアに導体コイルが巻かれた固定子コイルを複数備えるモータの固定子において、
前記固定子コアに、熱硬化性樹脂をインサート成形することにより、インシュレータが一体成形されていること、
前記複数のコイルを備える固定子が熱硬化性樹脂でモールドされていること、
前記固定子コアと前記固定子コイルとの間には、前記固定子コアの、固定子軸心方向の両端面をつなぐ面形状の面状界面として、前記固定子コアと前記インシュレータとの面状界面、前記インシュレータと前記モールドとの面状界面、及び前記モールドと前記固定子コイルとの面状界面のみが、面状界面として存在すること、
を特徴とするモータの固定子。
固定子コアに導体コイルが巻かれた固定子コイルを複数備えるモータの固定子において、
前記導体コイルに、熱硬化性樹脂をインサート成形することにより、インシュレータが一体成形されていること、
前記複数のコイルを備える固定子が熱硬化性樹脂でモールドされていること、
前記固定子コアと前記固定子コイルとの間には、前記固定子コアの、固定子軸心方向の両端面をつなぐ面形状の面状界面として、前記固定子コアと前記モールドとの面状界面、前記モールドと前記インシュレータとの面状界面、及び前記インシュレータと前記固定子コイルとの面状界面のみが、面状界面として存在すること、
を特徴とするモータの固定子。
請求項１または請求項２に記載するモータの固定子において、
前記インシュレータの材料となる熱硬化性樹脂と、前記モールドで使用する熱硬化性樹脂とが、線膨張率の同じ樹脂であることを特徴とするモータの固定子。
請求項１または請求項２に記載するモータの固定子おいて、
前記インシュレータの材料となる熱硬化性樹脂の熱伝導率が、前記モールドで使用する熱硬化性樹脂の熱伝導率より大きいことを特徴とするモータの固定子。