JP5418471B2 - モータの絶縁構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、モータのティース部とコイルの間に絶縁部材を挿入した絶縁構造とその製造方法に関する。

従来のモータ用の固定子コイルは、板状の電磁鋼板を複数枚重ね合わせた鉄心のティース部の上側から、構造がロ字型形状で樹脂製のインシュレータをはめ込み、そのインシュレータ表面に絶縁被覆された銅線を所定回数巻回してコイルを形成した後、全体を金型に設置して、主絶縁材料である液状の熱硬化性または熱可塑性樹脂をポッティングまたは射出成形にて注入し、主絶縁材料を加熱硬化（熱硬化樹脂の場合）または冷却（熱可塑性樹脂の場合）し、固体状に相変化させた後、一体成形して作製される（例えば、特許文献１参照）。

また、インシュレータを分割してティースの両端部に配置し、コイルが巻回されるティースの側面にスロット絶縁紙で覆うことにより、ティースとコイルの絶縁距離を保つ構成が開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

国際公開第ＷＯ２００９／１０１８５２号明細書（第５／１１頁、図６） 特許第４４４９１２１号公報（第１１頁、第１図） 特開２０１０−４５８６８号公報（第１３頁、第５図）

従来のモータ用の固定子コイルは、以上のように構成されているので、例えば、特許文献１の場合においては、インシュレータをティース部の上側からはめ込むため、鉄心とインシュレータの間、及び、インシュレータとコイルの間の隙間は非常に狭く、固定子コイルの作製過程で、この隙間に液状の主絶縁材料が充填されにくいため、この隙間に空気層が存在することになる。従って、この空気層が大きな熱抵抗となり、モータ運転時にコイルで発生する熱を効率よく鉄心に逃がすことが困難などの問題点があった。

また、例えば、特許文献２や特許文献３の場合においても、ティースと絶縁紙の間、及び絶縁紙とコイルの間の隙間も非常に狭く、固定子コイルの作製過程で、この隙間に液状の主絶縁材料が充填されにくいため、この隙間に空気層が存在することになる。従って、この空気層が大きな熱抵抗となり、モータ運転時にコイルで発生する熱を効率よく鉄心に逃がすことが困難などの問題点があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、その目的は、鉄心とコイル間に絶縁材料を充填することで、鉄心とコイル間の熱抵抗を小さくし、モータ運転時にコイルで発生する熱を効率的に鉄心に伝えることが可能なモータの絶縁構造及びその製造方法を得るものである。

この発明に係るモータの絶縁構造においては、鉄心と、鉄心に立設された複数のティース部の側面に電線を巻回して構成されたコイルと、複数のティース部とコイル間の絶縁性を確保するために設けられた絶縁部と、コイルが形成された複数のティース間に充填された第１電気絶縁部材とを有するモータの絶縁構造であって、絶縁部は、鉄心とコイル間、及びティース部の側面の一部とコイル間の絶縁性確保のためにティース部に被着されるティース部の高さよりも低い高さを有するインシュレータと、インシュレータ被着時のティース部の側面露出部に塗布され、側面露出部とコイル間の絶縁性確保に必要な絶縁距離に相当する粒子直径の絶縁性充填剤を含有した第２電気絶縁部材とを備える。

この発明は、コイルと鉄心間に副絶縁材料が空隙なく充填されるため、コイルで発生した熱を効率よく鉄心に放熱することができ、モータ運転時の電気効率が向上する。

この発明の実施の形態１を示すモータ用の固定子コイルの断面構造図である。 この発明の実施の形態１を示すモータ用の固定子コイルの構造拡大図である。 この発明の実施の形態１を示すモータ用の固定子コイルの製造プロセスである。 この発明の実施の形態２を示すモータ用の固定子コイルの構造拡大図である。 この発明の実施の形態３を示すモータ用の固定子コイル構造に用いる絶縁糸の構成図である。 この発明の実施の形態３を示すモータ用の固定子コイルの構造拡大図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるモータ用の固定子コイルの断面構造図である。図１において、１は鉄心、２は鉄心１のティース部、２１はティース部２にはめ込む、例えば、２００μｍの厚みを有するインシュレータ、３はコイルである。インシュレータ２１は、インシュレータ２１の被着時にティース部２の側面に露出部分（側面露出部）が現れるように、ティース部２の高さよりも低い高さを有している。ティース部２の高さ及びインシュレータ２１の高さとは、鉄心１に対してティース部２が立設している時の立設方向に沿った長さである。４は第１電気絶縁部材である主絶縁材料で、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂である。また、５は第２電気絶縁部材である副絶縁材料であり、インシュレータ２１の被着時のティース部２の側面露出部の全面に塗布される。なお、インシュレータ２１と副絶縁材料５が絶縁部を構成する。

まず、板状の電磁鋼板を複数枚重ね合わせた鉄心１のティース部２に樹脂製のインシュレータ２１をはめ込む。インシュレータ２１は、鉄心１のティース部２の側面の大半を露出させた筒状部と、この筒状部の一端から外側に突出するフランジ部から成るロ字型構造となっている。インシュレータ２１をティース部２の上側からはめ込むことによるティース部２の側面露出部の露出割合として、ティース部２の高さを１とすると、露出の高さは０．９以上となるように設計する。インシュレータ２１により露出されたティース部２の側面露出部に、副絶縁材料５を介して電線を巻回し、コイル３が構成される。その後、主絶縁材料４にて一体成形し、固定子コイルを形成させる。

図２にモータ用の固定子コイルの構造を拡大した構造図を示す。図２において、３ａはコイル３を構成する、例えば、直径１ｍｍの絶縁被覆電線、５ａは充填剤、５ｂは樹脂である。副絶縁材料５は、熱硬化性の液状樹脂５ｂに、鉄心１のティース部２とコイル３の間に必要な絶縁距離に相当する粒子直径を持つ絶縁性の充填剤５ａを配合したものである。この実施の形態１では、鉄心１のティース部２とコイル３の間に必要な絶縁距離はおよそ２００μｍであるとする。

副絶縁材料５として、２００μｍの粒子直径を持つ充填剤５ａを含有させれば、鉄心１のティース部２に最も近い絶縁被覆電線３ａは、充填剤５ａの粒子直径分だけ鉄心１のティース部２より離されることとなり、この距離は２００μｍの絶縁距離に相当するため、絶縁被覆電線３ａと鉄心１のティース部２との接触が防止される。このため、鉄心１のティース部２と絶縁被覆電線３ａとの距離を鉄心１のティース部２とコイル３間の必要絶縁距離として扱うことができるため、鉄心１のティース部２の側面露出部に巻回すコイル３の占積率を大きくすることができる。また、鉄心１のティース部２とコイル３の間には、副絶縁材料５が充填されているため、鉄心１のティース部２とコイル３の間の熱抵抗を小さくすることができ、モータ運転時にコイル３で発生する熱を効率的に鉄心１のティース部２に放熱することができ、その結果、モータ運転時の電気効率が向上する。

ここで、副絶縁材料５に配合する充填剤５ａは、絶縁性を持つものであれば良い。例えば、結晶シリカ、溶融シリカ、窒化ホウ素、アルミナ、マイカ、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム、酸化亜鉛等がある。また、充填剤５ａの形状は、球状が望ましいが、鱗片状、破砕、針状等でも良い。また、充填剤５ａの粒度分布は、粒子径が均一であることが望ましいが、粒度分布を持ったものでも問題は無い。また、副絶縁材料５に配合する樹脂５ｂは、絶縁性を持つ熱硬化性樹脂であれば良く、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂等があり、主絶縁材料４に用いているマトリックス樹脂であっても良い。

次に、この発明の固定子コイルの製造方法について説明する。図３は、この発明の実施の形態１を示すモータ用の固定子コイルの製造プロセスである。図３において、７は加熱プレス治具である。製造方法は以下の工程より構成される。まず、板状の電磁鋼板を複数枚重ね合わせた鉄心１のティース部２に樹脂製のインシュレータ２１をはめ込む（図３（ａ））。次に、熱硬化性液状樹脂５ｂに充填剤５ａを配合した副絶縁材料５を鉄心１のティース部２の４面ある側面露出部に塗布する（図３（ｂ））。次に、副絶縁材料５を塗布した４面に加熱プレス治具７を押し当て、鉄心１のティース部２の４面に塗布した副絶縁材料５を半硬化状態とさせる（図３（ｃ））。次に、半硬化状態の副絶縁材料５の外周部に、絶縁被覆電線３ａを所定回数巻回し、コイル３を形成する（図３（ｄ））。最後に、主絶縁材料４にて一体成形し、固定子コイルを形成させる。

ここで、図３（ｃ）の製造プロセスで実施した半硬化状態について説明する。通常、熱硬化性樹脂は、硬化前は液状状態であるが適切な温度と時間を与えると、架橋反応が進みゲル化を経て最終的に三次元の網目構造を形成し固体状態となる。半硬化状態とは、硬化前の液状状態と完全に固体となる前の中間状態のことである。この発明の目的は、鉄心１のティース部２とコイル３の間に副絶縁材料５を隙間無く充填することにある。図３（ｄ）の製造プロセスの状態から最終プロセスに至る主絶縁材料４にて一体成形する工程では、液状の主絶縁材料４を金型内にて加熱硬化させるが、この加熱硬化の工程にて、半硬化状態の副絶縁材料５も一旦溶融し、鉄心１のティース部２とコイル３の間に隙間無く充填され、主絶縁材料４の硬化と同時に副絶縁材料５も完全硬化する。

実施の形態２．
実施の形態１では、例えば、２００μｍの粒子径を持つ充填剤５ａを含有している副絶縁材料５を用いて、鉄心１のティース部２と絶縁被覆電線３ａとの距離を、鉄心１のティース部２とコイル３間の必要絶縁距離として扱う構成について説明したが、図４に示すように、副絶縁材料５を絶縁性の繊維で作製した絶縁布に塗布し、テープ状としたものを鉄心１のティース部２の側面露出部に巻きつける構成にしても良い。図４において、５ｃは絶縁性の繊維で作製した絶縁布で、例えば、５０μｍの厚みを有する不織布またはクロスである。鉄心１のティース部２とコイル３間の必要絶縁距離を２００μｍとすると、鉄心１のティース部２と絶縁被覆電線３ａとの距離は、絶縁布５ｃの厚み５０μｍに充填剤５ａの直径２００μｍが加算された距離２５０μｍとなり、絶縁被覆電線３ａと、鉄心１のティース部２との接触が防止される。

この実施の形態２のように、副絶縁材料５をテープ状とすることにより、工作性が格段に向上し、生産性を向上させることができる。なお、製造方法は実施の形態１で説明した製造プロセスと同様の製造方法である。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３について、図５と図６を用いて説明する。図５において、６は第３電気絶縁部材である絶縁糸、６ａは、例えば、直径１００μｍを有する絶縁された心線である。図５に示すように、心線６ａの外周部には副絶縁材料５に使用した樹脂５ｂがコーティングされており、この構成をもって絶縁糸６としている。コーティングの厚みは、例えば、５０μｍであり、この結果、絶縁糸６の直径は、およそ２００μｍである。この絶縁糸６を、鉄心１のティース部２の側面露出部に巻回す。コーティングされた樹脂５ｂは、絶縁糸６を巻きつけた後、加熱プレス治具７にて加熱することで半硬化状態となり、その結果、心線６ａが鉄心１のティース部２の側面露出部に巻回され、その間を樹脂５ｂが半硬化状態で充填された状態になった後、一体成形する際に樹脂５ｂが一旦溶融し、隙間無く充填される。従って、絶縁糸６を、例えば、図６に示すように巻きつけることで、絶縁被覆電線３ａが鉄心１のティース部２に接触することを防止できる。

必要最低限の巻回数として、図６では絶縁被覆電線３ａを鉄心１のティース部２に２回巻回しているが、この２回の巻回数の理由は、絶縁糸６を鉄心１のティース部２に１回だけ巻く場合では、絶縁被覆電線３ａが鉄心１のティース部２に直に触れてしまう、すなわち、短絡の可能性があるためであり、短絡を防止するために、２回の巻回数を必要最低限の巻回数としている。この時、鉄心１のティース部２とコイル３に一番近い面の間の最低限必要な絶縁距離をＬ、例えば、２００μｍとすると、図６に示す２回巻回している場合の心線６ａに求められる必要な直径はＬ／２、例えば、１００μｍとなる。従って、絶縁糸６を用いることで、鉄心１のティース部２と絶縁被覆電線３ａとの距離を鉄心１のティース部２とコイル３の間の必要絶縁距離として扱うことができるため、鉄心１のティース部２の側面露出部に巻回すコイル３の占積率を大きくすることができる。

この実施の形態３のように、副絶縁材料５を糸状にしたことにより工作が容易に行えるため、生産性を向上させることができる。なお、製造方法は実施の形態１で説明した製造プロセスと同様の製造方法である。

１ 鉄心、２ ティース部、２１ インシュレータ、３ コイル、３ａ 絶縁被覆電線、４ 主絶縁材料、５ 副絶縁材料、５ａ 充填剤、５ｂ 樹脂、５ｃ 絶縁布、６ 絶縁糸、６ａ 心線、７ 加熱プレス治具。

Claims (8)

1. 鉄心と、該鉄心に立設された複数のティース部の側面に電線を巻回して構成されたコイルと、複数の前記ティース部と前記コイル間の絶縁性を確保するために設けられた絶縁部と、前記コイルが形成された複数の前記ティース間に充填された第１電気絶縁部材と、を有するモータの絶縁構造であって、
   前記絶縁部は、
   前記鉄心と前記コイル間、及び前記ティース部の側面の一部と前記コイル間の絶縁性確保のために前記ティース部に被着される前記ティース部の高さよりも低い高さを有するインシュレータと、
   前記インシュレータ被着時の前記ティース部の側面露出部に塗布され、該側面露出部と前記コイル間の絶縁性確保に必要な絶縁距離に相当する粒子直径の絶縁性充填剤を含有した第２電気絶縁部材と、
   を備えたことを特徴とするモータの絶縁構造。
2. 前記絶縁部は、
   前記インシュレータと、
   前記側面露出部に巻きつけられ、前記第２電気絶縁部材を塗布した絶縁布と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータの絶縁構造。
3. 鉄心と、該鉄心に立設された複数のティース部の側面に電線を巻回して構成されたコイルと、複数の前記ティース部と前記コイル間の絶縁性を確保するために設けられた絶縁部と、前記コイルが形成された複数の前記ティース間に充填された第１電気絶縁部材と、を有するモータの絶縁構造であって、
   前記絶縁部は、
   前記鉄心と前記コイル間、及び前記ティース部の側面の一部と前記コイル間の絶縁性確保のために前記ティース部に被着される前記ティース部の高さよりも低い高さを有するインシュレータと、
   前記インシュレータ被着時の前記ティース部の側面露出部に巻回され、該側面露出部と前記コイル間の絶縁性確保に必要な絶縁距離に相当する線直径を有する絶縁糸と、該絶縁糸の表面にコーティングされた絶縁樹脂で構成された第３電気絶縁部材と、
   を備えたことを特徴とするモータの絶縁構造。
4. 前記インシュレータは、前記側面露出部を前記ティース部の側面に形成するための筒状部と、該筒状部の一端から外側に突出するフランジ部から成る構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のモータの絶縁構造。
5. 鉄心と、該鉄心に立設された複数のティース部の側面に電線を巻回して構成されたコイルと、複数の前記ティース部と前記コイル間の絶縁性を確保するために設けられた絶縁部と、前記コイルが形成された複数の前記ティース間に充填された第１電気絶縁部材と、を有するモータの絶縁構造の製造方法であって、
   前記鉄心と前記コイル間、及び前記ティース部の側面の一部と前記コイル間の絶縁性確保のために、前記ティース部の高さよりも低い高さを有するインシュレータを前記ティース部に被着させる第１工程と、
   前記インシュレータ被着時の前記ティース部の側面露出部と前記コイル間の絶縁性確保に必要な絶縁距離に相当する粒子直径の絶縁性充填剤を含有した第２電気絶縁部材を、前記側面露出部に塗布する第２工程と、
   前記第２電気絶縁部材の外周部に前記コイルを形成する第３工程と、
   複数の前記ティース間に前記第１電気絶縁部材を充填した後、硬化させて一体成形する第４工程と、
   から成ることを特徴とするモータの絶縁構造の製造方法。
6. 鉄心と、該鉄心に立設された複数のティース部の側面の大半に電線を巻回して構成されたコイルと、複数の前記ティース部と前記コイル間の絶縁性を確保するために設けられた絶縁部と、前記コイルが形成された複数の前記ティース間に充填された第１電気絶縁部材と、を有するモータの絶縁構造の製造方法であって、
   前記鉄心と前記コイル間、及び前記ティース部の側面の一部と前記コイル間の絶縁性確保のために、前記ティース部の高さよりも低い高さを有するインシュレータを前記ティース部に被着させる第１工程と、
   前記インシュレータ被着時の前記ティース部の側面露出部と前記コイル間の絶縁性確保に必要な絶縁距離に相当する粒子直径を有する絶縁性の充填剤を含有した第２電気絶縁部材を塗布した絶縁布を、前記側面露出部に巻きつける第２工程と、
   前記第２電気絶縁部材の外周部に前記コイルを形成する第３工程と、
   複数の前記ティース間に前記第１電気絶縁部材を充填した後、硬化させて一体成形する第４工程と、
   から成ることを特徴とするモータの絶縁構造の製造方法。
7. 鉄心と、該鉄心に立設された複数のティース部の側面の大半に電線を巻回して構成されたコイルと、複数の前記ティース部と前記コイル間の絶縁性を確保するために設けられた絶縁部と、前記コイルが形成された複数の前記ティース間に充填された第１電気絶縁部材と、を有するモータの絶縁構造の製造方法であって、
   前記絶縁部の製造方法は、
   前記鉄心と前記コイル間、及び前記ティース部の側面の一部と前記コイル間の絶縁性確保のために、前記ティース部の高さよりも低い高さを有するインシュレータを前記ティース部に被着させる第１工程と、
   前記インシュレータ被着時の前記ティース部の側面露出部と前記コイル間の絶縁性確保に必要な絶縁距離に相当する線直径を有する絶縁糸と、該絶縁糸の表面にコーティングされた絶縁樹脂で構成された第３電気絶縁部材を、前記側面露出部に巻回す第２工程と、
   前記第３電気絶縁部材の外周部に前記コイルを形成する第３工程と、
   複数の前記ティース間に前記第１電気絶縁部材を充填した後、硬化させて一体成形する第４工程と、
   から成ることを特徴とするモータの絶縁構造の製造方法。
8. 前記第２工程後に、
   前記第２電気絶縁部材あるいは前記第３電気絶縁部材を半硬化状態とさせる工程を追加したことを特徴する請求項５乃至請求項７のいずれかに記載のモータの絶縁構造の製造方法。

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