JP5742414B2 - ステータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のティースが形成されたステータコアと、前記ティースに集中巻で巻回されるステータコイルと、を備えたステータの製造方法に関する。

周知のとおり、モータやジェネレータなどの回転電機に用いられるステータは、複数のティースが形成されたステータコアと、前記ティースに巻回されるステータコイルと、を備える。全ティースにステータコイルが巻回された後のステータは、通常、コイルの固定などを目的として、モールドされることが多い。すなわち、ステータコイルが巻回されたステータを、特定の型に収容し、当該型に樹脂などを流し込み、ステータコイルの固定を図ることが行なわれてきた。

特開２０１０−１４８２７５号公報

しかし、かかるモールドによる固定の場合、固定に要するコストが高くなりがちで、冷却性も悪いという問題があった。すなわち、モールド固定の場合は、高額な専用の型を用意する必要があり、また、成型機コストも高い。また、全体が樹脂で覆われるモールド固定の場合、ステータコイルから生じた熱の放熱効率が悪く、また、モールド内に冷媒を流すこともできないため、冷却効率が悪い。さらに、モールド固定の場合、コイル固定に直接関係のない空間（間隙）にも樹脂が入り込み、余分な重量増加を招くという問題もあった。

なお、特許文献１には、スロット内に加熱発泡性樹脂を含んだシートを配置し、このスロット内にコイルを挿入したあと、ステータ全体を加熱してシートを発泡させる技術が開示されている。この技術によれば、ステータコイルとステータコアとの間に空隙が形成でき、両者間の静電容量を低減できる。しかし、この技術自体は、ステータコイルの固定を目的としたものではない。

つまり、従来、冷却効率の悪化やコスト増加、重量増加といった問題を防止しつつ、ステータコイルを固定し得る技術はなかった。

そこで、本発明では、ステータの特性悪化を防止しつつステータコイルを容易に固定し得るステータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のステータの製造方法は、複数のティースが形成されたステータコアと、前記ティースに集中巻で巻回されるステータコイルと、を備えたステータの製造方法であって、予め巻回成型されたステータコイルのうちスロットに収容される収容部を、加熱により接着性および膨張性を発揮する被覆シートで被覆する被覆工程と、前記被覆シートで被覆された少なくとも一つのステータコイルを前記被覆シートごとティースに挿入する挿入工程と、前記ステータコイルごとティースに挿入された被覆シートを加熱する加熱工程と、を備え、さらに、前記加熱工程の前に実施され、複数のティースのうち最後にステータコイルが挿入される最終ティースに事前成型されたステータコイルを挿入する工程であって、当該最終ティースの両側に位置するスロットに被覆シートを事前配置したうえで当該配置された被覆シートに収容部が位置するべく前記ステータコイルを前記最終ティースに挿入する工程を有する、ことを特徴とする。

他の好適な態様では、前記被覆工程において、前記被覆シートは、その両端が重なるように前記収容部に巻きつけられる。他の好適な態様では、前記被覆シートは、加熱により発泡する発泡フィラーを含有した樹脂をシート化したものである。

本発明によれば、加熱により接着性および膨張性を発揮する被覆シートで被覆したうえでステータコイルをティースに挿入した後、当該被覆シートを加熱する。そのため、ステータコイルとスロット壁面との間隙が膨張する被覆シートで埋められ、ステータコイルのガタツキが防止される。そして、その結果、ステータの特性悪化を防止しつつステータコイルを容易に固定できる。

本発明の実施形態である回転電機の概略構成図である。 ステータの製造の様子を示す図である。 ティースにステータコイルが挿入された際の要部断面図である。 図３のＡ部拡大図であり、（ａ）は加熱前の、（ｂ）は加熱後の様子を示す。 被覆シートの構成の一例を示す図である。 最終ステータコイルの挿入の様子を示す図である。 最終ステータコイルの挿入の他の様子を示す図である。 被覆シートの被覆態様の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である回転電機１０の概略構成図である。ここで説明するモータおよび／またはジェネレータである回転電機１０は、典型的には、ハイブリッド車に搭載されるが、その用途はハイブリッド車に限定されず、たとえば燃料電池車や電気自動車、他の電気機器に搭載されてもよい。

回転電機１０は、ロータ１１と、ステータ２０とに大別される。

ロータ１１は、回転軸となる回転シャフト１４と、当該回転シャフト１４に固着されたロータコア１２と、を有する。ロータコア１２は、鉄または鉄合金などからなる電磁鋼板を軸方向に積層した積層鋼板やダストコアで構成された略円柱状部材で、その周縁近傍には、複数の永久磁石１６が等間隔に埋め込まれている。このロータコア１２の中心に挿通された回転シャフト１４は、軸受部（図示せず）を介して回転電機１０のケース（図示せず）に回転可能に取り付けられており、回転電機１０の駆動時、ロータ１１とともに回転する。

ステータ２０は、リング状のステータコア２２とステータコイル２３とを有する。ステータコア２２は、積層鋼板やダストコアなどから構成される。ステータコア２２の内周面上には複数のティース２４および該ティース２４間に形成される凹部としてのスロット２６が形成されている。各スロット２６は、ステータコア２２の内周側に開口するように設けられる。

３つの巻線相であるＵ相、Ｖ相およびＷ相を含むステータコイル２３は、スロット２６に嵌り合うようにティース２４に巻き付けられる。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相は、集中巻、すなわち、各相のコイルそれぞれが互いに異なる１つのティース２４に巻回される態様で巻回される。

ここで、従来では、このティース２４に巻回されたステータコイル２３を固定するために、当該ステータコイル２３に対して樹脂モールドを施していた。モールドに用いられた樹脂が、ステータコイル２３とステータコア２２との隙間を埋めた状態で固化することで、ステータコイル２３の動きが規制され、固定される。

しかしながら、かかる技術の場合、駆動時に発熱するステータコイル２３全体が樹脂で覆われるため、冷却性が悪いという問題がある。また、モールドのために専用の型を用意したり、モールド成型機を使用したりする必要があり、コストの増加や、手間の増加を招いていた。さらに、モールド固定の場合、コイル固定と直接関係のない空間（間隙）にも樹脂が入り込み残存するため、余分な重量増となっていた。

本実施形態では、かかる問題に鑑み、ステータ２０の特性悪化を防止しつつステータコイル２３を容易に固定し得る方法でステータ２０を製造する。以下、これについて詳説する。

図２は、本実施形態におけるステータ２０の製造の流れを示す図である。既述したとおり、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、巻線を事前に、ティース２４の形状に応じて、略ロ字状に巻回成形したステータコイル２３を用いる。なお、図２では、平型巻線を用いた場合を例示しているが、当然、断面円形の丸型巻線を用いてもよい。このステータコイル２３は、ティース２４に挿入した際、ステータコア２２の上端面および下端面から突出する一対のコイルエンド部３２と、この二つのコイルエンド部３２の両端をそれぞれ接続する収容部３０と、に大別される。収容部３０は、ステータコイル２３をティース２４に挿入した際に、スロット２６内に収容される部位で、ほぼ直線状に延びる。

通常は、この事前成形されたステータコイル２３を、ティース２４に挿入するが、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、ティース２４に挿入する前に、ステータコイル２３の収容部３０に、被覆シート３６を巻き付けておく。

この被覆シート３６は、後に詳説するが、少なくとも、加熱により膨張する加熱膨張性および加熱により互いに接着する加熱接着性を備えたシートである。かかる加熱膨張性および加熱接着性を備えたシートは、例えば、シートの基材として、加熱により接着性を発揮する樹脂、例えば、エポキシ樹脂などの内部に、液化炭酸ガスなどが封入された膨張フィラーを混入し、シート化することで得られる。

本実施形態では、かかる被覆シート３６で、収容部３０を被覆したうえで、この被覆シート３６ごと、ステータコイル２３をティース２４に挿入する（図２（ｃ）参照）。その結果、各ステータコイル２３の側面と、スロット２６の壁面との間には、被覆シート３６が介在することになる。ただし、この作業は、常温で行なわれるため、被覆シート３６は、当然、膨張前の状態である。

全てのティース２４に、被覆シート３６で被覆されたステータコイル２３を挿入すれば、続いて、ステータ２０全体を加熱する。この加熱により、被覆シート３６が膨張するとともに接着され、固定される。これについて、図３、図４を参照して詳説する。

図３は、ティース２４にステータコア２２が挿入された状態での、ステータ２０の一部横断面図である。また、図４は、図３におけるＡ部拡大図であり、（ａ）は加熱前の、（ｂ）は加熱後の様子を示している。

通常、ステータコイル２３は、スロット２６形状に対応した形状に成型されるが、ステータコイル２３の側面形状を、スロット２６の壁面形状に完全に対応させることは不可能である。また、そもそも、ステータコイル２３をティース２４に挿入するためには、ステータコイル２３とティース２４との間に適度なクリアランスが必要となる。そのため、通常、ティース２４に挿入されたステータコイル２３と、スロット２６壁面との間には、図４（ａ）に示すように、ある程度の間隙３８が生じざるを得ない。この間隙３８をそのまま放置すると、ステータコイル２３がスロット内でがたつき、固定されないという問題をまねく。かかるガタツキは、回転電機１０の駆動振動に伴い、騒音や巻線の損傷といった、さらなる問題を招く。かかる問題を避けるために、従来は、樹脂モールドによるコイル固定を図っていたが、その場合には、既述したように、重量やコストの増加、冷却性悪化といった別の問題を招いていた。

一方、本実施形態では、ステータコイル２３の収容部３０を、被覆シート３６で被覆した状態で、ステータコイル２３をティース２４に挿入する。その結果、図４（ａ）に示すように、挿入されたステータコイル２３と、スロット２６壁面との間に被覆シート３６が介在する。ただし、このコイル挿入作業は常温で行なわれるため、挿入時点において、被覆シート３６は薄く、ステータコイル２３とスロット２６壁面との間には間隙が生じている。

しかし、その後、ステータ２０全体を加熱すると、加熱膨張性を有する被覆シート３６は、膨張する。そして、図４（ｂ）に示すように、ステータコイル２３とスロット２６壁面の間に形成された間隙３８の形状に応じて膨張し、当該間隙３８を埋める。その結果、挿入されたステータコイル２３のガタツキが規制され、ステータコイル２３が固定されることになる。

また、加熱により溶融・接着した後に硬化することで、被覆シート３６がステータコイル２３の周囲において接着されることになる。その結果、被覆シート３６の剥がれ等が確実に防止され、ひいては、ステータコイル２３のガタツキも防止される。また、被覆シート３６を事前に被覆することにより、接着処理を容易化できるという利点もある。

ここで、かかる特性を有する被覆シート３６の構成は特に限定されないが、例えば、図５（ａ）に示すような二層構造のシートを用いることができる。この被覆シート３６は、絶縁性能を有する絶縁層５０と、接着性能を有する接着層５２と、を備えている。絶縁層５０は、例えば、イミド変性ポリエステル樹脂などの絶縁性樹脂を基材５４とし、その内部に、流動性抑止（ベタツキ防止）のための添加剤５６（例えばタルクなど）や、流動性促進用添加剤５８（例えば炭酸カルシウムなど）、膨張フィラー６０（例えばコアシェル型アクリルなど）を含んでいる。ここで、流動性抑止用添加剤５６を添加するのは、基材５４となるイミド変性ポリエステル樹脂が、ラジカル重合で架橋するため、触媒が入った段階で液状でＡステージ状態であり、Ｂステージ化が困難なためである。また、同時にステータコイル２３に適度に密着するためには、適度な流動性も得ることが必要となる。そのため、本実施形態では、流動性抑止用添加剤５６に加え、流動性促進用添加剤５８も添加している。

接着層５２は、加熱された際に、接着性を発揮する層で、基材６２であるコア接合用樹脂（例えばアミン硬化型ゴム分散エポキシ樹脂）に、膨張フィラー６０（例えばコアシェル型アクリルなど）を混入したものである。

絶縁層５０および接着層５２の両方に混入された膨張フィラー６０は、液化炭酸ガスなどの膨張体を含んでおり、加熱により５倍以上に体積膨張する。そして、膨張フィラー６０は、体積膨張時の誘電率は１．４以下となり、熱硬化後の被覆シート３６の低誘電率化を促進する。

また、別の形態として、図５（ｂ）に示すような三層構成のシートを被覆シート３６として採用してもよい。このシートは、上述した絶縁層５０・接着層５２の間に、さらに、中間層６４を有している。このシートにおける絶縁層５０および接着層５２の構成は、図５（ａ）の場合と同じである。一方、中間層６４は、耐熱性と低誘電率を併せもったフィルム、例えば、耐熱フィルム（例えばポリエーテルニトリル、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマーなど）やアラミド紙、ＬＣＰ紙などで構成される固体絶縁層である。この中間層６４は、樹脂流動性が高い場合に必要となる最低限の固体絶縁性能を確保するために設けられる。

なお、ここで説明した構成は一例であり、加熱膨張性と加熱接着性、より望ましくは、さらに絶縁性を備えたシートであれば、ここで例示した構成以外のシートであってもよい。

また、これまでの説明では、ステータコイル２３全てを被覆シート３６で被覆したうえでティース２４に挿入する場合を例示した。しかし、最後に挿入されるステータコイル（最終ステータコイル２３Ｌについては、図６に示すように、事前に被覆するのではなく、スロット２６内に被覆シート３６を事前配置しておき、この事前配置された被覆シート３６内に最終ステータコイル２３Ｌを挿入するようにしてもよい。

かかる構成とする理由について図７を参照して説明する。図７（ａ）に示すように、ティース２４およびスロット２６が、外径側にいくほど幅広の略台形状の場合、当該ティース２４に挿入されるステータコイル２３も、外径側にいくほど幅広の略台形状となっている。別の見方をすると、二つの収容部３０は、外径側ほど間隔が広い略ハ字状に並ぶことになる。

かかるステータコイル２３を、最終ティース２４Ｌ（ステータコイル２３が最後に挿入されるティース２４）に挿入する場合には、次のような問題がある。図７（ａ）に示すように、最終ティース２４Ｌに最終ステータコイル２３Ｌを挿入する段階において、当該最終ティース２４Ｌの両側のティース２４Ｍには、既に、他のステータコイル２３Ｍが挿入されている。換言すれば、最終ティース２４Ｌの両側に位置するスロット２６、すなわち、最終ステータコイル２３Ｌが収容されるべきスロット２６の略半分は、他のステータコイル２３Ｍで占められていることになる。

その結果、最終ティース２４Ｌの両側スロット２６における開口間の幅が、最終ステータコイル２３Ｌの外径側（先に挿入される側）の幅よりも狭くなり、最終ステータコイル２３Ｌをそのまま挿入することが困難という問題が生じる。

かかる問題を避けるために、従来では、図７（ｂ）に示すように、最終ステータコイル２３Ｌの二つの収容部３０Ｌに、当該二つの収容部３０Ｌが前後に離れる方向の力を加え、ステータコイル２３Ｌ全体の幅が細くなるように変形させていた。そして、この変形させた状態で、最終ティース２４への挿入を図っていた。

しかしながら、上述した実施形態のように、事前に、収容部３０に被覆シート３６を被覆した場合、被覆シート３６によって最終ステータコイル２３Ｌの変形が阻害されたり、最終ステータコイル２３Ｌの変形に追従できない被覆シート３６が破損したりするなどの問題があった。

こうした問題を避けるために、最終ステータコイル２３Ｌについては、被覆シート３６で事前被覆するのではなく、スロット２６に被覆シート３６を事前配置することが望ましい。かかる構成とすることで、最終ステータコイル２３Ｌを挿入する際に、当該最終ステータコイル２３Ｌを容易に変形させることができ、スロット２６に容易に挿入することができる。また、被覆シート３６を事前にスロット２６内に配置しておくことにより、最終ステータコイル２３Ｌと、スロット２６壁面との間にも、加熱膨張性や接着性、絶縁性を備えた被覆シート３６を介在させることができ、最終ステータコイル２３も確実に固定できる。

なお、特許文献１に記載されているように、最終ステータコイル２３Ｌだけでなく、全てのステータコイル２３について、被覆シート３６をスロット２６に事前配置することも考えられる。しかし、この特許文献１記載の技術では、一つのスロット２６に一つの被覆シート３６を配置している。そのため、同一スロット２６に収容される二つのステータコイル２３の間（例えば、図７における収容部３０Ｌと収容部３０Ｍの間など）に被覆シート３６が介在しないことになる。この場合、同一スロット２６に挿入される二つのステータコイル２３同士が擦れあい、電気的に接触するなどの問題を確実に防止することができないという問題がある。一方、本実施形態のように、最終ステータコイル２３Ｌについてのみ、被覆シート３６をスロット２６に事前配置することにより、同一スロット２６に挿入される二つのステータコイル間に被覆シート３６を介在させることができ、結果として、両ステータコイル２３の電気的接触を防止できる。

また、ステータコイル２３を被覆シート３６で事前被覆する場合において、その被覆形態は、特に限定されず、種々の被覆形態が採用できる。例えば、図８に示すように、少なくとも、被覆シート３６の両端が重複するように被覆してもよい。また、その際、図８（ａ）に示すように、被覆シート３６の重複部分が、スロット２６の開口側に位置するように被覆してもよい。この場合、ステータコイル２３とスロット２６壁面との間に介在する被覆シート３６の厚みを均一に保つことができる。また、図８（ｂ）に示すように、被覆シート３６の重複部分が、スロット２６の壁面に接触するように被覆してもよい。この場合、加熱による固着後、重複部分が何らかの理由によりめくれて、被覆シート３６がはがれるといった問題を確実に防止できる。また、こうした被覆形態を採用する場合には、被覆シート３６をステータコイル２３に巻きつけた段階で、当該被覆シート３６を仮接着しておいてもよい。仮接着しておくことで、ステータコイル２３の挿入作業をより簡易化できる。また、さらに、別の形態として、比較的剛性の高い被覆シート３６を予め断面略Ｕ字状のＵ字ブロックのような形状に形成しておき、このＵ字状の被覆シート３６の間にステータコイル２３を挿入するようにしてもよい。これらのいずれの形態を採用するかは、必要とするステータ２０の特性や、使用する被覆シート３６の特性に応じて適宜、決定すればよい。

いずれにしても、少なくとも一つのステータコイル２３について、事前に被覆シート３６で被覆した後、当該被覆シート３６ごと、ステータコイル２３をティース２４に挿入し、その後、ステータ２０全体を加熱することで、ステータ２０の特性劣化を招くことなく、ステータコイル２３を簡易に固定することができる。

１０ 回転電機、１１ ロータ、１２ ロータコア、１４ 回転シャフト、１６ 永久磁石、２０ ステータ、２２ ステータコア、２３ ステータコイル、２４ ティース、２６ スロット、３０ 収容部、３２ コイルエンド部、３６ 被覆シート、３８ 間隙、５０ 絶縁層、５２ 接着層、６４ 中間層。

Claims (3)

1. 複数のティースが形成されたステータコアと、前記ティースに集中巻で巻回されるステータコイルと、を備えたステータの製造方法であって、
   予め巻回成型されたステータコイルのうちスロットに収容される収容部を、加熱により接着性および膨張性を発揮する被覆シートで被覆する被覆工程と、
   前記被覆シートで被覆された少なくとも一つのステータコイルを前記被覆シートごとティースに挿入する挿入工程と、
   前記ステータコイルごとティースに挿入された被覆シートを加熱する加熱工程と、
   を備え、さらに、前記加熱工程の前に実施され、複数のティースのうち最後にステータコイルが挿入される最終ティースに事前成型されたステータコイルを挿入する工程であって、当該最終ティースの両側に位置するスロットに被覆シートを事前配置したうえで当該配置された被覆シートに収容部が位置するべく前記ステータコイルを前記最終ティースに挿入する工程を有する、
   ことを特徴とするステータの製造方法。
2. 請求項１に記載のステータの製造方法であって、さらに、
   前記被覆工程において、前記被覆シートは、その両端が重なるように前記収容部に巻きつけられる、ことを特徴とするステータの製造方法。
3. 請求項１または２に記載のステータの製造方法であって、
   前記被覆シートは、加熱により発泡する発泡フィラーを含有した樹脂をシート化したものである、ことを特徴とするステータの製造方法。

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