JP6354552B2

JP6354552B2 - コイルの形成方法

Info

Publication number: JP6354552B2
Application number: JP2014244057A
Authority: JP
Inventors: 啓友河西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: JP2016111732A

Description

本発明は、平角線からなるコイルをステータのティース周りに形成するコイルの形成方法に関するものである。

モータを構成するステータのティース周りに形成されるコイルや、リアクトルのコア周りに形成されるコイルを構成する巻線には、従来一般の断面円形の丸線に代わって、コイルの占積率向上の観点から平角線が適用されるようになっている。

平角線は、断面が略矩形（矩形には長方形、正方形が含まれるものとする）、すなわち、矩形の隅角部に曲率が付されて角が取れた断面を有した銅素材の平角導体と、この平角導体の周りに形成された絶縁被膜から構成されるのが一般的である。なお、この絶縁被膜は、平角導体の周りに熱硬化性のエナメル樹脂を溶剤に溶かして数μm厚で塗布し、熱処理して塗布層を固め、この処理を複数回繰り返して形成される所望厚のエナメル被膜から一般に構成される。

この平角線が巻装されてコイルを形成する際には、その矩形断面の短辺をモータを構成するステータコアのティースに配し、長辺をコアから立ち上げた姿勢で巻装する、いわゆるエッジワイズ巻きによってコイルの形成がおこなわれる。

ところで、平角線をティース周りに巻装するに際し、平角線の絶縁被膜がティースとの接触で損傷しないようにするために、平角線とティースの側面（もしくはスロット壁面）の間にスロット絶縁紙（もしくは絶縁フィルム）等を介装させるといった措置が一般に講じられている。なお、このスロット絶縁紙は、平角線とティースの間の絶縁を図ることを主目的として配設されることは言うまでもない。

しかしながら、占積率向上が平角線を適用する主要因の一つであることから、往々にして平角線をティース周りに密に巻装しようとする結果、絶縁紙が介装されているにも関わらず、平角線がティースと干渉して損傷するといった課題は依然として存在している。

そこで、この課題を解消するべく、平角線とティースの間に絶縁紙を介装するのみならず、平角線と絶縁紙の間にわずかな隙間を確保した姿勢でコイルを形成する試みがおこなわれている。

絶縁紙の介装に加えてこの絶縁紙と平角線の間にわずかな隙間を確保した姿勢で平角線の巻装をおこなうことにより、平角線がティースと干渉して破損するといった課題は効果的に解消される。しかしながら、このような干渉防止措置を講じたために、今度は絶縁紙の厚みと絶縁紙−平角線間の隙間に起因してコイルの占積率を大きく向上させることができなくなってしまうといった新たな課題が生じてしまう。

このような種々の課題を解消するべく、特許文献１には、断面形状がＶの字状の平角導体と平角導体の周りの絶縁被膜とから構成されている平角線を用意し、この平角線をステータのティース間に形成されたスロット内に挿入し、平角線を加圧して断面形状を矩形状に変形させ、この平角線のスロット内への挿入と加圧変形を繰り返してティース周りにコイルを形成する方法が開示されている。

特許文献１に開示のコイルの形成方法によれば、スロット内への平角線の挿入から固定に亘る製造工程の間で平角線とティースが干渉するといった課題は効果的に解消され、スロット内への平角線のスムーズな挿入を実現することができる。しかしながら、Ｖの字状の平角線を加圧して断面形状を矩形状に変形させる加工方法であることから、スロットと変形後の平角線の間に少なからず隙間が生じることは否めない。

特開２０１４−３９４５５号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、平角線をステータのスロットに挿入して平角線からなるコイルをティース周りに形成する方法に関し、コイル形成時のスロットとコイルの間の隙間の発生を解消することのできるコイルの形成方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるコイルの形成方法は、平角導体と該平角導体の周囲に形成された絶縁被膜とからなる平角線であって、該絶縁被膜は平角導体の周囲に形成された熱硬化性樹脂被膜と、熱硬化性樹脂被膜の周囲に形成された熱可塑性樹脂被膜とから構成されている平角線を用意し、ヨークと該ヨークから突出するティースとティース間に形成されたスロットを備えたステータの該スロット内に前記平角線を挿入し、前記平角線を熱処理して前記熱可塑性樹脂被膜を軟化させ、軟化した熱可塑性樹脂被膜を有する該平角線をヨーク側へ押し込んで該熱可塑性樹脂被膜を変形させながら該平角線をステータに固定してコイルを形成するものである。

本発明のコイルの形成方法は、平角導体の周囲に熱硬化性樹脂被膜と熱可塑性樹脂被膜が積層した二層構造の絶縁被膜が形成されてなる平角線を使用することに特徴がある。この平角線をスロットに挿入後、熱処理して最外周にある熱可塑性樹脂被膜を軟化させ、熱可塑性樹脂被膜が軟化して変形し易い状態の平角線をスロットのヨーク側に押し込むことにより（熱処理と押し込みを含めて本明細書ではホットプレスと称する）、軟化した熱可塑性樹脂被膜が変形して平角線とスロットの間に隙間なく入り込んでコイルがティース周りに固定され、ティース周りにコイルを形成するものである。

ホットプレスの際に、熱可塑性樹脂被膜は軟化するものの、平角導体周囲にある熱硬化性樹脂被膜は軟化することなく、初期の被膜厚を保持することができる。したがって、最外周の熱可塑性樹脂被膜が軟化し、所定時間が経過して硬化した際に、この熱可塑性樹脂被膜は初期の被膜厚が部位ごとに変化しても（極めて薄い被膜厚の部位も存在し得る）、熱硬化性樹脂被膜は初期の厚み（たとえば全周が均一の厚み）を有していることから、平角線とスロットの間の絶縁性や平角線と平角線の間の絶縁性は保証される。

特に、熱処理して熱可塑性樹脂被膜を軟化させ、ヨーク側に押し込んで変形させることにより、平角線とスロットの間の熱可塑性樹脂の厚みは、ティースの径方向で隣接する平角線と平角線の間の熱可塑性樹脂の厚みに比して相対的に厚くなり、このことによって平角線とスロットの間の隙間の発生を効果的に解消することができる。また、隙間が解消されることでコイル占積率を高めることができ、ティースに対する平角線の密着性が高まることでティースへのコイルの強固な固定を実現できる。さらに、熱処理によって軟化し、所定時間経過後に硬化した熱可塑性樹脂被膜によってコイルとティース、コイルとコイル同士が強固に固定されることから、エポキシ樹脂やポリエステルといった素材からなる液状ワニスを滴下し、含浸させるコイルの固定は不要となり、樹脂モールド成形にてコイルを固定する必要もないことから、加工コストや材料コストの削減にも繋がる。

なお、スロットへの平角線の挿入と平角線をホットプレスする方法の形態としては、一つのスロットに平角線が一度挿入されたらホットプレスし、これを順次繰り返す方法や、一つのスロットに平角線を複数回挿入した段階（平角線を複数回巻装した段階）でホットプレスし、さらにスロットの残りの空間に次の平角線を一度もしくは複数回挿入（巻装）してホットプレスをおこなう方法など、多様な形態がある。

以上の説明から理解できるように、本発明のコイルの形成方法によれば、平角導体の周囲に熱硬化性樹脂被膜と熱可塑性樹脂被膜が積層した二層構造の絶縁被膜が形成されてなる平角線をスロットに挿入し、ホットプレスして平角線からなるコイルを形成することにより、平角線とスロットの間に生じ得る隙間を解消することができ、高い占積率を有するコイルをティース周りに高い固定強度で形成することができる。

本発明のコイルの形成方法で使用する平角線を説明した斜視図である。本発明のコイルの形成方法の実施の形態を説明した模式図である。図２に続いてコイルの形成方法の実施の形態を説明した模式図である。図３に続いてコイルの形成方法の実施の形態を説明した模式図である。

以下、図面を参照して本発明のコイルの形成方法の実施の形態を説明する。なお、図示例は、説明を明瞭にするべく、ステータを構成する多数のティース間のスロットのうちの一つを取り上げてコイルの形成方法を説明しているが、ステータを構成する全スロットに図示例の形成方法が適用されることは勿論のことである。

（コイルの形成方法の実施の形態）
まず、図１を参照して、本発明のコイルの形成方法で使用する平角線１０を説明する。図示する平角線１０は、平角導体１と平角導体１の周囲に形成された絶縁被膜４とから構成されており、絶縁被膜４は、平角導体１の周囲に形成された熱硬化性樹脂被膜２と、熱硬化性樹脂被膜２の周囲に形成された熱可塑性樹脂被膜３とからなる二層構造を呈している。

平角導体１は、Cu素材の導体であり、断面形状は矩形（より詳細には隅角部が曲率を有した略矩形）を呈している。

熱硬化性樹脂被膜２はエナメル被膜であり、モータの使用環境に適合するべく、長期耐熱性200℃以上を保証できる素材として、ポリアミドイミド(PAI)やポリイミド（PI、熱硬化性ポリイミド）から形成されている。

一方、熱硬化性樹脂被膜２の外周に形成される熱可塑性樹脂被膜３は、熱硬化性樹脂被膜２との接着性が良好で高耐熱性の熱可塑性樹脂にて形成されるのがよく、たとえばエナメル樹脂からなる熱硬化性樹脂被膜２と同程度の耐熱性を有し、ステータ２０（図２等参照）を構成する電磁鋼板との接着性の良好なポリサルフォン(PSF)や液晶ポリマ(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などから形成される。

平角線１０の製作方法は、エナメル樹脂を溶剤に溶かして平角導体１の外周に数μm厚で塗布し、熱処理して塗布層を固め、この処理を複数回繰り返すことで平角導体１の周囲に熱硬化性樹脂被膜２を加工する。次いで、平角導体１の周囲に熱硬化性樹脂被膜２が形成された中間体の周囲に押出し成形等にて熱可塑性樹脂被膜３を形成することにより、平角導体１の周囲に熱硬化性樹脂被膜２と熱可塑性樹脂被膜３からなる二層構造の絶縁被膜４が形成された平角線１０が製作される。

次に、図２〜図４を参照して、平角線１０をステータのスロットに挿入してコイルを形成する方法を説明する。

ステータ２０は、略環状のヨーク２０ａと、ヨーク２０ａから径方向内側に突出する複数のティース２０ｂとから構成され、ヨーク２０ａの内側壁面と２つのティース２０ｂの壁面にて平角線１０が挿入されるスロット２０ｃが画成されている。

このスロット２０ｃにスロット絶縁紙３０を配設する。なお、モータに要求される絶縁性能等の観点から、スロット絶縁紙３０の配設を省略する場合もある。

図２で示すように、スロット２０ｃにスロット絶縁紙３０を配設したら、平角線１０を複数回挿入する（平角線１０をティース２０ｂの周りに複数回連続して巻装する）。

次に、図３で示すように、各平角線１０にホットプレス処理をおこなう。具体的には、熱可塑性樹脂被膜３が軟化する温度雰囲気下に各平角線１０を置き、熱可塑性樹脂被膜３を軟化させた状態で、スロット２０ｃのティース２０ｂ先端側からヨーク２０ａ側へ向かってプレスし、各熱可塑性樹脂被膜３を押し込む（プレス力Ｑ）。

このホットプレスにより、軟化した熱可塑性樹脂被膜３はその四方に変形し（変形量δ）、スロット絶縁紙３０との間の隙間を閉塞していく。

また、平角線１０がプレス方向に押し込まれることから、平角線１０と平角線１０の間の双方の熱可塑性樹脂被膜３の厚みは、熱可塑性樹脂被膜３とスロット絶縁紙３０の間の厚みに比して格段に薄くなる。

このように平角線１０と平角線１０の間の熱可塑性樹脂被膜３の厚みが薄くなるものの、各平角線１０は平角導体１の周囲に熱処理の際に軟化せず、変形しない熱硬化性樹脂被膜２を備えていることから、隣接する平角線１０と平角線１０の間の絶縁性は十分に保障される。

軟化してスロット絶縁紙３０との間の隙間を閉塞した熱可塑性樹脂被膜３が硬化することにより、熱可塑性樹脂被膜３はスロット絶縁紙３０に溶着し、ホットプレス後の平角線１０’がティース２０ｂに対して強固に固定される。

図３で示すように、スロット２０ｃに平角線１０を複数回挿入し、ホットプレスにてヨーク２０ａ側に押し込むことにより、スロット２０ｃには空間ができる。

図４で示すように、形成された空間にさらに平角線１０を挿入し、同様にホットプレスして熱可塑性樹脂被膜３を軟化させ、変形させて平角線１０とスロット絶縁紙３０の間の隙間を埋めながら平角線１０をティース２０ｂに固定することにより、複数のホットプレス後の平角線１０’にて構成されたコイル４０が形成される。ティース２０ｂの周りにコイル４０が形成されたら、スロット２０ｃの出口端にウェッジ紙５０を配設することにより、ステータ２０に対するコイル４０の組み付けが完了する。

図示するコイルの形成方法によれば、平角導体１の周囲に熱硬化性樹脂被膜２と熱可塑性樹脂被膜３が積層した二層構造の絶縁被膜４が形成されてなる平角線１０をスロット２０ｃに挿入し、ホットプレスしてコイル４０を形成することにより、ホットプレス後の平角線１０’とスロット２０ｃの間に生じ得る隙間を解消することができ、高い占積率を有するコイル４０をティース２０ｂの周りに高い固定強度で形成することができる。

（実施例）
本発明者等は本発明の形成方法を用いて実際にティース周りに平角線からなるコイルを形成し、その効果を確認した。

使用する平角線は、寸法が2.0mm×3.0mmの矩形断面の平角導体の周囲に、長期耐熱性200℃以上を有するPI樹脂を焼付けて50μm厚の熱硬化性樹脂被膜を形成し、PEEKを押出し成形（押出し時の樹脂温度は350〜400℃）して熱硬化性樹脂被膜の周囲に100μm厚の熱可塑性樹脂被膜を形成して平角線を製作した。

製作された平角線をスロットに挿入し、350℃の高温雰囲気下で熱可塑性樹脂被膜を軟化させ、プレス圧10〜30MPaで熱硬化性樹脂被膜を変形させないようにして平角線をスロットのヨーク側へ押し込んでコイルを形成した。

ティースにコイルが形成された実施品に対し、コイルのせん断固着力を確認するべく、電磁鋼板からなるティースと平角線の間にせん断力を付与していき、そのせん断強度を測定した。実験の結果、5MPa以上のせん断強度がティース−平角線間にあることが確認できた。なお、このせん断力は、従来のワニスによる接着力以上のせん断力（固着力）である。

このように、本発明のコイルの形成方法によれば、エポキシ樹脂やポリエステルといった素材からなる液状ワニスを滴下し、含浸させる必要もなく、また、樹脂モールド成形にてコイルを固定する必要もなく、これらを適用した際の固定強度以上の強度でティースに対してコイルを固定することが可能になる。しかも、これらのワニスや樹脂モールド成形を必要としないことから、加工コストや材料コストを大幅に低減することができる。

また、コイル形成に際し、平角導体の周囲にある熱硬化性樹脂被膜が初期の厚みを変化させることなく平角導体の周囲に存在していることから、隣接するコイル間の絶縁性、およびティースとコイル間の絶縁性に関してはいずれも高い絶縁性が保証される。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…平角導体、２…熱硬化性樹脂被膜、３…熱可塑性樹脂被膜、４…絶縁被膜、１０…平角線、１０’…平角線（ホットプレス後の平角線）、２０…ステータ、２０ａ…ヨーク、２０ｂ…ティース、２０ｃ…スロット、３０…スロット絶縁紙、４０…コイル、５０…ウェッジ紙

Claims

平角導体と該平角導体の周囲に形成された絶縁被膜とからなる平角線であって、該絶縁被膜は平角導体の周囲に形成された熱硬化性樹脂被膜と、熱硬化性樹脂被膜の周囲に形成された熱可塑性樹脂被膜とから構成されている平角線を用意し、
ヨークと該ヨークから突出するティースとティース間に形成されたスロットを備えたステータの該スロット内に前記平角線を挿入し、
前記平角線を熱処理して前記熱可塑性樹脂被膜を軟化させ、軟化した熱可塑性樹脂被膜を有する該平角線をヨーク側へ押し込んで該熱可塑性樹脂被膜を変形させながら該平角線をステータに固定してコイルを形成する、コイルの形成方法。