JP6104123B2 - 電気機器のコイル製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、一般産業用及び民生用モータや、発電機等の電気機器のコイル製造方法に関するものである。

従来、モータや発電機等の電気機器の鉄心に導線を巻き回してなる固定子コイルや回転子コイルなどにおいて、絶縁性能の向上に加え、導線間の空隙を充填し鉄心への熱伝達を向上させコイルの放熱性を向上させる目的でワニス含浸処理が行なわれている。
この様なワニス含浸方法として、コイルを熱硬化性樹脂のワニス中に浸漬してワニスを浸透させる浸漬含浸法や、コイルへワニスを滴下して含浸させる滴下含浸法、或いはコイルを真空容器内に収容し、容器内を減圧した状態でワニス中に浸漬もしくはコイルへワニスを滴下して含浸させる真空含浸法などがある。
特に滴下含浸法は、必要部分に必要な量だけのワニスを含浸させることができ、材料歩留まりの観点から優れた含浸方法である。一方、浸漬含浸法や真空含浸法は、ワニスの表面張力による毛細管現象に加え、ワニスの静水圧がかかることによりコイル中へのワニス浸透が促進されるのに対し、前記滴下含浸法では主として毛細管現象のみによりワニスがコイル中へ浸透するため、前記浸漬含浸法や真空含浸法に比較してワニスの浸透性が低く、コイルの導線間の空隙の残留により、絶縁性能低下や放熱性能低下が起こる場合がある。
この改善のため、コイルへワニスを滴下しているときに、固定子を振動子で加振して、コイル中の空気層を除去しワニスの浸透を促進する方法（例えば、特許文献１）や滴下時に固定子をコアの中心軸を水平に対し５°〜２０°傾けて保持し、傾斜上部のコイル端にワニスを滴下して、ワニスの自重により浸透を促進する方法（例えば、特許文献２）などが提案されている。

特開平６−３２７２０３号公報 特開平９−６６２５８号公報

しかしながら上記特許文献１に示されたワニス含浸方法によれば、ワニス滴下中に固定子を加振しコイル中の空気層を除去するため空隙の残留の可能性は低くなるが、振動はワニスの表面張力に影響を与えるわけではないので浸透速度の増大は見込めず、一旦コイル中の空気層が抜けてもワニスが浸透しきる前に再びコイル中に空気が入り込み、空隙が残留するという問題点がある。また特許文献２のワニス含浸方法によれば、自重によりワニスの浸透速度が増大するためワニスの浸透は促進されるが、空気層除去の効果はないためやはり空隙が残留するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、絶縁性、放熱性に優れた電気機器のコイルを提供すること、および確実に空気層を除去し且つ、ワニスの浸透速度を増大させることができる電気機器のコイル製造方法を提供することを目的としている。

この発明に係る電気機器のコイルの製造方法は、
鉄心に丸線の導線を列方向に整列巻線して第１層を形成するとともに、同時に前記第１層の導線間に形成される隙間に複数本の素繊維よりなる繊維束を巻線するステップ１、
前記第１層の巻線上に前記ステップ１と同様にして、順次第２層の導線および前記繊維束を巻線し所要の巻数を有するコイルを形成するステップ２、
前記コイルにワニスを滴下し、前記素繊維間および前記導線間に毛細管現象によって前記ワニスを浸透させるステップ３、
前記コイルを加熱し、前記ワニスを硬化させるステップ４を備え、
巻線する前の前記繊維束の直径は、前記第１層の導線の頂部と、前記第２層の互いに隣り合う導線が接する側部までの高さより大きいことを特徴とする。

この発明に係る電気機器のコイル製造方法は、上記のような製造ステップを備えているので、導線間の空気層が除去され、素繊維間および導線間にワニスを毛細管現象によって浸透を促進させているので、絶縁特性や放熱特性の向上したコイルを製造可能となる。

実施の形態１によるコイルの巻線方法を示す模式図である。 実施の形態１による巻線後のコイルとその断面を示す図である。 実施の形態１によるコイルの導線の隙間を示す断面拡大図である。 実施の形態１による巻線後のコイル状態を示す断面拡大図である。 実施の形態１によるワニス含浸工程を示す模式図である。 実施の形態１によるワニス滴下含浸後のコイル状態を示す断面拡大図である。 実施の形態１による他のコイルの巻線方法例を示す模式図である。 実施の形態１による他のコイルの巻線方法例を示す模式図である。 コイルの放熱特性を評価するための装置構成を示す模式図である。

実施の形態１．
以下、この発明による電気機器のコイルについて図面に基づいて説明する。
図１は実施の形態１におけるコイル５０の巻線方法を示す模式図である。電磁鋼板等を積層して形成された鉄心１に、エナメル線やポリエステルイミド銅線などからなる所要の直径ｄを有する導線２を巻き回す巻線用ノズル２１と、天然繊維、合成繊維またはガラス繊維等の無機繊維からなる繊維束３を巻き回す繊維束用ノズル３１を、回転中心が同じになるよう旋回軸５に把持し、鉄心１の周囲を旋回させることにより、後述する図２（ｂ）、図３に示す導線２間の隙間Ｓに図４に示すように繊維束３が充填されたコイルを形成する。

図２（ａ）は鉄心１に巻線されたコイル５０を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’断面であって、コイル５０の導線２のみを示し、繊維束３の図示は省略した図である。図２（ｂ）に示すように導線２は図示省略された鉄心１に対して列方向Ｌに所定の回数が整列状に巻線されているとともに、層方向Ｎについても、前記列方向Ｌに整列配置された導線２上に所定の層数、図２（ｂ）では３層分巻線されており、導線２間には隙間Ｓが形成されている。その隙間Ｓの拡大図を図３に示す。図３に示す例では隙間Ｓは１層目の導線２ａの頂部Ｔと、２層目の互に隣り合う導線２ｂが接する側部Ｗまでの高さｈを有し、ほぼ３角形状に形成される。繊維束３は図４に示すように複数本の素繊維３ａによって構成されており、この繊維束３の直径は、図３に示す導線２間の隙間Ｓの高さｈより太いものを選定するのが好適である。このようにすることで、巻線時に導線２にかかる張力により繊維束３がつぶれ、導線２間の隙間Ｓを埋めるように素繊維３ａが配置される。
上記で得られたコイルを図２のＡ−Ａ’断面を拡大して図４に示す。導線２間の隙間Ｓを埋めるように素繊維３ａが充填されているのがわかる。

このようにして得られたコイル５０を水分除去及び巻線中に生じた導線２の皮膜の応力緩和のため、１００℃以上に加熱したのち、図５に示す通りワニス滴下ノズル４１を通して例えばエポキシ系のワニス４を滴下してコイル５０中に浸透させる。
図６にワニス４の滴下後のコイル５０の拡大断面図を示す。繊維束３を形成する素繊維３ａの隙間にワニス４が浸透し、繊維束３とワニス４からなる層が形成されている。
その後、ワニス４の硬化温度に設定された熱風乾燥炉中で加熱して硬化させると含浸処理されたコイル５０が得られる。このように、この実施の形態１によるコイル５０は、列方向Ｌに整列配置された複数の導線２間およびこの列方向Ｌの上層および下層に整列配置された複数の導線２間に形成される隙間Ｓに繊維束３が充填されているとともに、繊維束３を構成する素繊維３ａ間にワニス４を毛細管現象により浸透させているので、毛細管現象によりワニス４が浸透し、導線２間の隙間Ｓや、コイル５０と鉄心１との隙間Ｓの空気層を確実に除去し、鉄心１への熱伝達性およびコイル５０の放熱性を向上させることができ、さらにはコイル５０の小型化、軽量化が可能となりまた、ワニス４使用量の歩留りが向上するという効果がある。
尚、毛細管現象による浸透圧Ｐは下式に従うことが知られている。
Ｐ＝２×Ｔ×ｃｏｓθ／Ｓ
Ｐ：浸透圧、Ｔ：表面張力、θ：接触角、Ｓ：浸透隙間
上式より、浸透隙間Ｓの狭い繊維束３を充填することにより、浸透圧が増大し、ワニス４の浸透が促進されることがわかり、この実施の形態１の有効性が示される。

（実施例）
次にこの実施の形態１による効果を実施例を参照しながら述べる。
図１の方法に従い鉄心１に直径１．０５ｍｍの導線２と、太さ０．６ｍｍのアクリル樹脂繊維束３を巻き回しコイル５０を形成した。このとき導線２間の隙間Ｓの高さｈは０．３８ｍｍである。その後、水分除去及び巻線中に生じた導線２の皮膜の応力緩和のため、１００℃以上に加熱したのち、図５に示す方法にてワニス４をコイル５０中に浸透させ、ワニス４の硬化温度に設定された熱風乾燥炉中で加熱しワニス４を硬化させ、含浸処理されたコイル５０を得た。

（比較例）
鉄心１に直径１．０５ｍｍの導線２のみを巻き回したのち、水分除去及び巻線中に生じた導線２の皮膜の応力緩和のため、１００℃以上に加熱したのち、ワニス４を滴下しコイル５０中にワニス４を浸透させ、その後、ワニス４の硬化温度に設定された熱風乾燥炉中で加熱しワニス４を硬化させ、含浸処理されたコイル５０を得た。

次に、実施例、比較例で得られたコイル５０の絶縁性能、巻線の放熱性能の評価を行なった。絶縁性能については、代表値としてコイル５０と鉄心１間の誘電正接の値を測定した。測定条件はＡＣ２５００Ｖ、６０Ｈｚとし、総研電気株式会社製ｔａｎδ測定機ＤＡＣ−ＡＳＭ−７で測定した。放熱特性について、図９に測定系の装置構成を示す。鉄心１にヒートシンク８を取り付けた状態で、コイル５０に交流電源６よりＡＣ１００Ｖ、６０Ｈｚの電圧を印加し抵抗計７で初期及び１時間通電後のコイル５０の抵抗測定を行ない、ＪＩＳ−Ｃ４２０３より下式に従って巻線の温度上昇を求めた。
θ＝θ２−θα＝（Ｒ２／Ｒ１−１）×（２３５＋θ１）＋（θ１−θα）［℃］
θ：コイル５０の温度上昇値、θ１：初期抵抗測定時のコイル５０の温度、
θ２：試験後のコイル５０の温度、 θα：試験後の室温、
Ｒ１：初期抵抗、 Ｒ２：試験後の抵抗

表１に各測定結果をまとめる。

誘電正接については、比較例が５．２％であるのに対し、実施例では１．６％と小さい値である。これは、実施例においては、隙間Ｓにワニス４が充分充填されているのに対し、比較例においては、ワニス４の浸透量が少なく、導線２間に空隙が生じて、コイル５０と鉄心１間のモレ電流の増大があることを示している。
また、温度上昇についても、比較例が６３．２℃であるのに対し、実施例では４８．３℃と温度上昇が少ない。これは、実施例では隙間Ｓに充分ワニス４が充填され、コイル５０で発生したジュール熱を鉄心１に効率良く熱伝達できているのに対し、比較例においては、導線２間に空隙があり、コイル５０から鉄心１への熱伝達を阻害していることを示している。

以上の結果より、実施の形態１に基づく実施例において、鉄心１へ導線２を巻き回しコイル５０を形成する工程において、同時にアクリル樹脂の繊維束３を巻き回し、その後、ワニス４を滴下し繊維束３に浸透させることで、導線２の隙間Ｓにワニス４を充分に充填でき、絶縁性能、巻線の放熱性能に優れたコイル５０が得られたことがわかる。

前記実施の形態１では繊維束３を構成する素繊維３ａとして、天然繊維、合成樹脂繊維またはガラス繊維等の無機繊維を用いることを示したが、これに限定されるものではなく他の繊維であってもよい。さらにワニス４としては、エポキシ系ワニス以外のアクリル系ワニス、不飽和ポリエステル系ワニス等のいずれであってもよい。
また導線２に丸線を用いる例を示したが、四隅に面取りあるいは曲率が設けられた平角導線を用いてもよい。

実施の形態２．
尚、前述した実施の形態１の図１では導線２を巻き回す巻線用ノズル２１と、繊維束３を巻き回す繊維束用ノズル３１が近接して把持された例を示したが、回転中心が同じになるという要件さえ満たされれば良いため特に近接して把持される必要はなく、例えば図７に示すように、前記巻線用ノズル２１と繊維束用ノズル３１の２本が対向するように配置してもよい。

実施の形態３．
また、実施の形態１では、１本の導線２を巻き回す巻線用ノズル２１に対し、繊維束用ノズル３１が１本の例を示したが、例えば図８に示すように、繊維束用ノズル３１を２本以上複数本配置してもよい。この場合各繊維束用ノズル３１により巻き回される繊維束３を構成する素繊維３ａは、同一素材のものに限られず、例えば、合成繊維とガラス繊維のように異なる素材のものを組み合わせてもよい。

尚、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 鉄心、２，２ａ，２ｂ 導線、３ 繊維束、３ａ 素繊維、４ ワニス、
５０ コイル、Ｓ 隙間。

Claims (4)

1. 鉄心に丸線の導線を列方向に整列巻線して第１層を形成するとともに、同時に前記第１層の導線間に形成される隙間に複数本の素繊維よりなる繊維束を巻線するステップ１、
   前記第１層の巻線上に前記ステップ１と同様にして、順次第２層の導線および前記繊維束を巻線し所要の巻数を有するコイルを形成するステップ２、
   前記コイルにワニスを滴下し、前記素繊維間および前記導線間に毛細管現象によって前記ワニスを浸透させるステップ３、
   前記コイルを加熱し、前記ワニスを硬化させるステップ４を備え、
   巻線する前の前記繊維束の直径は、前記第１層の導線の頂部と、前記第２層の互いに隣り合う導線が接する側部までの高さより大きいことを特徴とする電気機器のコイル製造方法。
2. 前記素繊維は無機繊維、合成繊維または天然繊維のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電気機器のコイル製造方法。
3. 前記繊維束は、前記無機繊維と前記合成繊維、または、前記無機繊維と前記天然繊維、あるいは、前記合成繊維と前記天然繊維のいずれか２種類の前記素繊維を組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電気機器のコイル製造方法。
4. 前記ワニスは、エポキシ系ワニス、アクリル系ワニス、不飽和ポリエステル系ワニスのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電気機器のコイル製造方法。

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