JP6575495B2 - コイルの絶縁材 - Google Patents

Description

本発明は、ステータコアとコイルの間に介装され、ステータコアに対してコイルを絶縁させる、コイルの絶縁材に関する。

回転電機のステータ（固定子）は、ステータコアと当該ステータコアのティースに組み付けられるコイルとを備える。ステータコアとコイルの導通を防ぐために両者の間には絶縁材が介装される。

特許文献１では、絶縁材にコイルの固定機能を付加している。すなわち絶縁材は、絶縁紙とこれに積層された膨張材層を備える。ステータコアに絶縁材とコイルを組み付けたステータ組立体を加熱炉等で加熱させると、膨張材層に含まれる発泡材が発泡して膨張する。この膨張圧力と、膨張材層に含まれる接着剤により、コイルがステータコアに固定される。このように、絶縁材にコイルの固定機能を持たせることで、スロット内にワニス等の接着剤を充填する工程が省略可能となり、製造時間を短縮できるというメリットがある。

特開平６−２２５４８９号公報

ところで、絶縁紙の両側、つまりコイル側とステータコア側とに膨張材層を設けると、以下に説明するように、加熱時のコイルとステータコアとの温度差に応じて、コイルの固定力（保持力）が十分に得られないおそれがある。

一般的に発泡材の発泡率には温度依存性がある。例えば図７に示すように発泡材は、発泡開始温度Ｔ０から温度上昇に伴って発泡率が増加し、ピーク温度Ｔｐ以降は発泡率が低下するような発泡特性を備える。

また、ステータコアに絶縁材とコイルを組み付けたステータ組立体を加熱炉等で加熱させた場合、コイルとステータコアとの間で温度差が生じる。すなわち、一般的にコイルと比較してステータコアは質量が大きい。またコイルが銅線で形成され、ステータコアが鋼板から形成されている場合、ステータコアは相対的に比熱が高い（温まり難い）。つまりコイルと比較してステータコアは、質量と比熱の積で表される熱容量が大きい。この結果、加熱炉にてステータ組立体をピーク温度Ｔｐまで加熱させる過程で、コイルの温度上昇と比較して、ステータコアの温度上昇に遅れが生じる。これに伴い、図８上段に示すように、コイル側膨張材層の温度上昇と比較して、ステータコア側膨張材層の温度上昇に遅れが生じる。

ステータコア側膨張材層の温度上昇の遅れに伴い、図８下段及び図９上段に示すように、発泡開始温度Ｔ０に到達するタイミングに時間差が生じる。加えてその後もコイル側膨張材層の発泡率（発泡材の反応確率）とステータコア側膨張材層の発泡率とに差が生じ、相対的に低温側のステータコア側膨張材層の発泡率が相対的に低くなる。そうなると、図９に示すように、コイル側膨張材層１０２がステータコア側膨張材層１０４に先んじてスロット１０６の隙間を埋めるように膨張し、両者の膨張率（体積増加率）が不均一となる。特にコイル側膨張材層１０２については、図９下段に示すように、設計上ステータコア側膨張材層１０４により埋められることになっている空間まで膨張することで、いわゆる過発泡（過膨張）となるおそれがある。過発泡に伴ってコイル側膨張材層１０２の空隙率が高くなる、言い換えるとコイル側膨張材層１０２が低密度に（スカスカに）なると、その分コイル側膨張材層１０２の保持力が低下し、コイル１０８の保持力が十分に得られないおそれがある。

そこで本発明は、コイル側膨張材層とステータコア側膨張材層の温度差に伴う発泡率の差を従来よりも低減させることの可能な、コイルの絶縁材を提供することを目的とする。

本発明は、ステータコアとコイルとの間に介装され前記ステータコアに対して前記コイルを絶縁させる、コイルの絶縁材に関する。当該絶縁材は、絶縁性材料からなる絶縁シートと、前記絶縁シートの、前記介装時に前記ステータコアと対向する面に積層されたステータコア側膨張材層と、前記絶縁シートの、前記介装時に前記コイルと対向する面に積層されたコイル側膨張材層とを備える。前記ステータコア側膨張材層及び前記コイル側膨張材層には、加熱により発泡する発泡材が含まれる。前記ステータコア側膨張材層に含まれる発泡材は、温度上昇に伴う発泡率の増加特性が、前記コイル側膨張材層に含まれる発泡材の前記増加特性よりも低温側にシフトした発泡特性を備える。

本発明によれば、ステータコア側の発泡材は、コイル側の発泡材と比較して、より低い温度で発泡が開始され、またその後の発泡率の増加率も、より低温寄りにオフセットされた状態で推移する発泡特性を備える。これにより、コイルと比較してステータコアの温度上昇が鈍くなりステータコアが相対的に低温となる場合であっても、コイル側の発泡材とステータコア側の発泡材との発泡率の差を従来よりも低減可能となる。

本実施形態に係るステータを例示する分解斜視図である。 本実施形態に係る発泡材の発泡特性を例示する図である。 本実施形態に係るステータの組立工程（絶縁材挿入工程）を説明する図である。 本実施形態に係るステータの組立工程（コイル挿入工程）を説明する図である。 本実施形態に係るステータの組立工程（加熱工程）を説明する図である。 本実施形態に係る加熱工程における発泡材の発泡率の変化を説明する図である。 発泡材の発泡特性を例示する図である。 従来の加熱工程における発泡材の発泡率の変化を説明する図である。 従来の加熱工程における膨張材層の膨張過程を例示する図である。

図１に、本実施形態に係るステータ１０を例示する。ステータ１０は、例えばハイブリッド車両、電気自動車、燃料電池車両等の大型電源（バッテリ）を備える車両の駆動源となる回転電機の固定子である。ステータ１０は、ステータコア１２、コイル１４、及び絶縁材１６を備える。

ステータコア１２はコイル１４によって形成される磁束の通路（磁路）となる部材であって、例えば略円環平板形状の電磁鋼板をその中心軸（図１のＺ軸方向）に沿って複数積層させた略円筒形状の積層体から構成される。ステータコア１２の内周には、軸方向（Ｚ軸）両端を貫通し、径方向深さに切られたスロット１８が形成される。例えば図３に示すように、軸方向（Ｚ軸方向）から見たときにコ字形状となるようにスロット１８が形成される。スロット１８はステータコア１２の周方向に沿って複数形成される。

コイル１４はステータコア１２のティース２６に巻き付くように組み付けられ、図示しないインバータ等から供給される交流電流により回転磁界を生じさせる。図１に示す例では、コイル１４は複数の導体セグメント２０が連結されることで形成される。例えば三相交流のステータ１０の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相別に導体セグメント２０が連結される。

導体セグメント２０は例えば図４に例示するように導体部２０Ａとその周囲に設けられる絶縁性の被覆部２０Ｂを備える。導体部２０Ａは例えば銅を含んで構成される。また導体セグメント２０はいわゆる平角線であってよく、断面が略矩形となるように形成される。

図１に戻り、導体セグメント２０はＵ字形状であって、直線状の２本の脚部２２Ａ，２２Ｂと、これらを接続する連結部２４とを備える。コイル１４の組み付けに当たり、脚部２２Ａ，２２Ｂがステータコア１２のスロット１８に挿入される。各脚部２２Ａ，２２Ｂは異なるスロット１８，１８に挿入される。言い換えると、スロット１８，１８間のティース２６を跨ぐようにして導体セグメント２０の脚部２２Ａ，２２Ｂが各スロット１８，１８に挿入される。その後、複数の導体セグメント２０，２０，・・・のうち、同相の脚部２２Ａ，２２Ｂ同士が溶接等で接合される。

絶縁材１６は、ステータコア１２とコイル１４との間に介装され（挟まれるように設けられ）、ステータコア１２に対してコイル１４を絶縁させる。絶縁材１６は、例えばスロット１８の溝形状と同形状であってよく、スロット１８の内壁面（図３の両側面１８Ａ及び底面１８Ｂ）の全面を覆うようにスロット１８内に挿入される。

図３に例示するように、絶縁材１６は、絶縁シート１６Ａ（絶縁基材）、コイル側膨張材層１６Ｂ、及びステータコア側膨張材層１６Ｃを備える。絶縁シート１６Ａは例えばセルロース紙等の絶縁材料からなる平面シートから構成される。

コイル側膨張材層１６Ｂは、絶縁材１６がステータコア１２とコイル１４との間に介装されたときに、コイル１４（導体セグメント２０）と対向する絶縁シート１６Ａの面上に積層される。またステータコア側膨張材層１６Ｃは、絶縁材１６がステータコア１２とコイル１４との間に介装されたときに、ステータコア１２（スロット１８の内壁面）と対向する絶縁シート１６Ａの面上に積層される。

コイル側膨張材層１６Ｂ及びステータコア側膨張材層１６Ｃは、ベース材層３０と、ベース材層３０に含まれる発泡材３２とを含んで構成される。なお、コイル側膨張材層１６Ｂ及びステータコア側膨張材層１６Ｃは、例えば同一の厚さとなるように形成される。

ベース材層３０は、例えば加熱により粘着性が発現する熱可塑性樹脂を含んで構成される。例えばベース材層３０は、コイル側膨張材層１６Ｂ、ステータコア側膨張材層１６Ｃともに、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂のいずれかまたはこの混合物を含んで構成される。

発泡材３２は、ベース材層３０に分散され、加熱により発泡する。例えば発泡材３２は熱分解型発泡材であってよい。この場合において、回転電機の駆動に伴って発生する熱により熱分解反応（発泡）が生じるのを避けるために、発泡材３２の発泡開始温度（分解開始温度）は、回転電機に対して定められた上限温度より高いことが好適である。

具体的には、発泡材３２はジニトロソペンタメチレンテトラミン（ＤＰＴ）、アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）、ｐ，ｐ’−オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド（ＯＢＳＨ）、及び炭酸水素ナトリウムのいずれか一つを主成分とする発泡材であってよい。

また、ステータコア側膨張材層１６Ｃに含まれる発泡材３２Ｃ（以下適宜ステータコア側発泡材３２Ｃと呼ぶ）は、コイル側膨張材層１６Ｂに含まれる発泡材３２Ｂ（以下適宜コイル側発泡材３２Ｂと呼ぶ）よりも、温度上昇に伴う発泡率の増加特性が低温側にシフトした発泡特性を備える。

図２には、ステータコア側発泡材３２Ｃと、コイル側発泡材３２Ｂの発泡特性（発泡曲線）が例示されている。横軸は温度、縦軸は発泡率を表す。この発泡特性（発泡曲線）に示されているように、ステータコア側発泡材３２Ｃ及びコイル側発泡材３２Ｂは、発泡開始温度Ｔ０＿ｓ，Ｔ０＿ｓからピーク温度Ｔｐ＿ｓ，Ｔｐ＿ｃに向かって、温度上昇に伴って発泡率が増加し、ピーク温度通過後は発泡率が減少するという特性を備える。このうち、ピーク温度に向かって温度上昇に伴って発泡率が増加する特性（増加曲線）が増加特性であり、ピーク温度通過後に温度上昇に伴って発泡率が低下する特性（減少曲線）が減少特性である。なお、これらの特性が直線近似できる場合には、増加直線及び減少直線が増加特性及び減少特性に含まれる。

本実施形態では、ステータコア側発泡材３２Ｃの発泡特性を、コイル側発泡材３２Ｂの発泡特性よりも低温側にシフトさせている。例えば増加特性、ピーク温度、及び減少特性を含めた全体の発泡特性について、ステータコア側発泡材３２Ｃは、コイル側発泡材３２Ｂの発泡率分布よりも低温側にシフトされた発泡特性を備える。例えば増加特性を低温側にシフトさせたことで、ステータコア側発泡材３２Ｃの発泡開始温度Ｔ０＿ｓが、コイル側発泡材３２Ｂの発泡開始温度Ｔ０＿ｃ未満となる。

このシフト幅は、例えばコイル１４とステータコア１２の加熱時の温度差に基づいて定められ、例えば両者の最大温度差＝シフト幅とする。または加熱開始から目標温度Ｔｐ＿ｔに到達するまでの、コイル１４とステータコア１２の温度差の平均値＝シフト幅とする。要するに、コイル１４とステータコア１２の加熱時に生じる温度差を、発泡材３２Ｂ，３２Ｃの発泡特性によって補償させる。

ステータコア側発泡材３２Ｃ及びコイル側発泡材３２Ｂにこのような発泡特性の差異を与えるには、例えば上述した発泡材の主成分を適宜異ならせればよい。また、発泡材の主成分が同一であっても、添加剤の種類や配合を変更することで発泡特性が変化することが従来から知られており、そのような添加剤の差異によって、ステータコア側発泡材３２Ｃとコイル側発泡材３２Ｂとの間で発泡特性の差異を持たせるようにしてもよい。

なお、一般的に、発泡材の発泡率ピーク温度は一点ではなく、幅を持った温度帯であることが知られている。そこで、ステータコア側発泡材３２Ｃの発泡率ピーク温度帯と、コイル側発泡材３２Ｂの発泡率ピーク温度帯とが一部重複するように、両発泡体の発泡特性を持たせるようにしてもよい。後述するように、加熱の目標温度を、両者の発泡率ピーク温度帯が重複し発泡率が等しい温度Ｔｐ＿ｔに設定することで、膨張行程に掛かる時間を短縮可能となる。

図３〜図５には、本実施形態に係るステータの組立工程が例示されている。図３〜図５ともに、ステータコア１２の一つのスロット１８の周辺拡大図が示されている。なお図３〜図５は、図１のＺ軸に平行な視線からステータコア１２を見た平面図である。

まず、ステータコア１２のスロット１８内に絶縁材１６が挿入される。次に、図４に示すように、絶縁材１６によって囲まれたコ字状の空間に導体セグメント２０（正確にはその脚部２２Ａ，２２Ｂ）が挿入される。なお、図４ではその後の膨張行程を分かり易く図示するために、意図的にスロット１８内に空隙を図示している。

ステータコア１２の全スロット１８に導体セグメント２０を所定本数挿入した後、同相の導体セグメント２０同士が溶接等により接合され、コイル１４が形成される。接合部は絶縁処理される。さらにその後、ステータコア１２にコイル１４及び絶縁材１６が組み付けられたステータ組立体は、図５に示すように、加熱炉に格納される等により加熱される。加熱炉に代えて、誘導加熱やコイル１４への通電加熱を用いてもよい。加熱目標温度は例えばステータコア側発泡材３２Ｃのピーク温度帯とコイル側発泡材３２Ｂのピーク温度帯とが重複し、両者の発泡率が等しい温度Ｔｐ＿ｔであってよい。

上述したように、ステータコア１２とコイル１４の熱容量差に起因して、コイル１４の温度上昇と比較してステータコア１２の温度上昇に遅れが生じ、両者の間に温度差が生じる。これに伴い図６上段に示すようにコイル側膨張材層１６Ｂ及びステータコア側膨張材層１６Ｃの間に温度差が生じる。

しかしながら、本実施形態に係るステータコア側発泡材３２Ｃは、コイル側発泡材３２Ｂよりも発泡特性が低温側にシフトされ、また好適にはステータコア１２とコイル１４の温度差に基づいてそのシフト幅が定められているため、ステータコア１２とコイル１４との間に温度差が生じても、図６下段に示すように、両発泡材の発泡率はおおよそ等しく増加する。

具体的には、時刻ｔ０にてコイル側膨張材層１６Ｂが発泡開始温度Ｔ０＿ｃに到達し、ステータコア側膨張材層１６Ｃも発泡開始温度Ｔ０＿ｓに到達する。これにより両者が同時に発泡開始となる。その後、コイル側発泡材３２Ｂとステータコア側発泡材３２Ｃの発泡率がおおよそ均一に増加することで、コイル側膨張材層１６Ｂとステータコア側膨張材層１６Ｃはスロット１８内の空隙をおおよそ等しいペースで埋めるように膨張する。また各膨張材層１６Ｂ，１６Ｃのベース材層３０は熱により粘着性を発現し、スロット１８の内面（内壁）やコイル１４表面（正確には、コイル１４の被覆部２０Ｂ）に粘着する。

スロット１８内の空隙が埋められ、内部の膨張圧が所定圧まで高まると、発泡反応が生じても体積を膨張させる行き先が無くなる（詰まる）ので膨張率は頭打ちになる。つまり、発泡膨張による各膨張材層１６Ｂ，１６Ｃの密度低下が抑制される。

上述したように、コイル側膨張材層１６Ｂ及びステータコア側膨張材層１６Ｃの一方を過膨張させると密度が低下して保持力の低下に繋がるおそれがあるが、本実施形態ではコイル１４及びステータコア１２の温度上昇の差異に基づく温度差を、コイル側発泡材３２Ｂ及びステータコア側発泡材３２Ｃの発泡特性によって補償している。これにより、ステータ組立体の加熱時にコイル側発泡材３２Ｂとステータコア側発泡材３２Ｃの発泡率を等しく増加させることが可能となり、コイル側膨張材層１６Ｂ及びステータコア側膨張材層１６Ｃの膨張体積を等しくできる。このように、コイル側膨張材層１６Ｂ及びステータコア側膨張材層１６Ｃを設計上の膨張率（倍率）とすることが可能となり、過膨張を抑制することで保持力の低下が抑制される。

なお、上述の実施形態では、コイル側膨張材層１６Ｂ及びステータコア側膨張材層１６Ｃにそれぞれ異なる発泡材３２Ｂ，３２Ｃを含有させていたが、これに加えて、ステータコア側膨張材層１６Ｃに、ステータコア側発泡材３２Ｃとコイル側発泡材３２Ｂの混合材を含有（分散）させてもよい。このようにすることで、例えば加熱目標温度をコイル側発泡材３２Ｂのピーク温度Ｔｐ＿ｃに設定しても、コイル側膨張材層１６Ｂ及びステータコア側膨張材層１６Ｃの膨張率を均一化できる。

１０ ステータ、１２ ステータコア、１４ コイル、１６ 絶縁材、１６Ａ 絶縁シート、１６Ｂ コイル側膨張材層、１６Ｃ ステータコア側膨張材層、１８ スロット、２０ 導体セグメント、３０ ベース材層、３２Ｂ コイル側発泡材、３２Ｃ ステータコア側発泡材。

Claims (1)

1. ステータコアとコイルとの間に介装され前記ステータコアに対して前記コイルを絶縁させる、コイルの絶縁材であって、
   絶縁性材料からなる絶縁シートと、
   前記絶縁シートの、前記介装時に前記ステータコアと対向する面に積層された、ステータコア側膨張材層と、
   前記絶縁シートの、前記介装時に前記コイルと対向する面に積層された、コイル側膨張材層と、
   を備え、
   前記ステータコア側膨張材層及び前記コイル側膨張材層には、加熱により発泡する発泡材が含まれ、
   前記ステータコア側膨張材層に含まれる発泡材は、温度上昇に伴う発泡率の増加特性が、前記コイル側膨張材層に含まれる発泡材の前記増加特性よりも低温側にシフトした発泡特性を備える、
   ことを特徴とする、コイルの絶縁材。