JP6680199B2 - 回転電機のステータの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、回転電機のステータの製造方法に係り、特に、加熱によって膨張する発泡層を含む絶縁紙を有する回転電機のステータの製造方法に関する。

回転電機のステータにおいて、ステータコアとステータコイルとの間の電気的絶縁性の確保のために、ステータコアのスロットには、ステータコアとコイルとの間に絶縁紙が配置される。

例えば、特許文献１の回転電機のステータにおいては、絶縁紙として、絶縁性フィルムからなる基材に、加熱によって膨張する発泡材と、接着層とを積層した発泡シートが開示されている。

特許文献２のステータコアのスロット構造として、ステータコイルと絶縁紙との間にはワニスが充填され、さらに、絶縁紙の外周とステータコアとの間が、部分的にワニスまたはエポキシ樹脂で固着されることが開示されている。

特許文献３には、複数の小孔を有する絶縁紙を用い、ステータのコイルエンド側からワニスを滴下してスロット内の絶縁紙とステータコイルとの間にワニスを充填し、そのワニスを複数の小孔を介して絶縁紙とステータコアとの間に供給することが開示されている。

特許文献４の回転電機のステータにおいては、スロットの内壁面に沿ってステータコイルとの間に一枚の絶縁紙を配置し、内周側で折返し部を重ね合わせ、スロットの内周側からウエッジ部材を挿入して折返し部を押圧する構成が開示される。絶縁紙は、基材のステータコイル側に接着層、基材のステータコア側に発泡層が配置されており、発泡層にも接着性があるので、ステータコアに固着すると述べている。また、折返し部付きの絶縁紙の変形例として、発泡層を用いずに多孔性絶縁基材または不織布を用い、これにワニスを含浸させると共に、折返し部やウエッジ部材においても隙間をなくすようにワニスを充填することが開示されている。

特開２０１６−０９６５９７号公報 特開２００７−１２９８７８号公報 特開２００７−１６６７３１号公報 特開２０１２−２３９３２２号公報

発泡層を含む絶縁紙を用いてスロット内のステータ巻線を固定する方法によれば、膨張した絶縁紙によってステータ巻線とステータコアとの間の固定力が確保されるので、固定の信頼性が高まる。実際に発泡層を含む絶縁紙をハイブリッド車両に搭載される回転電機のステータに適用し、耐熱試験や冷熱衝撃耐久試験を行うと、ステータ巻線とステータコアとの間の固定力が低下することがある。その原因を調べてみると、発泡後の絶縁紙とステータコアとの間に空隙が発生する課題があることが分かった。発生した空隙によってステータコアの表面が酸化され、結果としてステータ巻線とステータコアとの間の固定力が低下すると考えられる。そこで、発泡層を含む絶縁紙とステータコアとの間にワニスを配置すると、この課題が解決した。従来技術において発泡層を含む絶縁紙は知られているが、上記の課題は知られておらず、また、従来技術においてワニスも知られているが、上記の課題解決のためにワニスが有効であることも知られていない。これらのことから、（ステータコアの微細な凹凸）と（発泡層を含む絶縁紙）によって生じる固定力の低下という課題は、（ステータコア）と（発泡層を含む絶縁紙）と（ワニス）の組合せによって初めて解決するものである。
上記では、耐熱試験や冷熱衝撃耐久試験において見出されたが、使用環境が厳しいハイブリッド車両に搭載される回転電機では、長期間に渡る熱履歴等によって発泡後の絶縁紙とステータコアとの間に空隙が生じ得ると考えられる。そこで、長期間に渡る熱履歴において発泡後の絶縁紙とステータコアとの間の空隙発生を抑制できる回転電機のステータが要望される。

本開示に係る回転電機のステータの製造方法は、基材の両側に発泡接着層を有する発泡性の絶縁紙を、ステータコアのスロットに配置し、発泡性の絶縁紙がすでに配置されている複数のスロットの内の所定のスロットに、ステータコアの反リード側の端面側からセグメントコイルのリード部を挿入して配置し、すべてのセグメントコイルについての配置が終了後、ステータコアのリード側の端面から突き出したセグメントコイルのリード部を所定の接合方法で順次接合してリード側のコイルエンドを形成し、リード側のコイルエンド側から、スロットにおける発泡性の絶縁紙とステータコアの内壁面との間における隙間を狙って、ワニスを滴下し、すべてのスロットについてのワニスの滴下の終了後、ステータの全体を加熱装置によって所定の温度条件の下で加熱して、ワニスを硬化させ、発泡接着層について発泡後硬化させる。

上記構成の回転電機のステータの製造方法によれば、（ステータコア）と（発泡接着層を有する絶縁紙）と（ワニス）の組合せを用いるので、ワニスがない場合に比較し、長期間に渡る熱履歴において発泡後の絶縁紙とステータコアとの間の空隙発生を抑制できる。

上記構成の回転電機のステータの製造方法によれば、長期間に渡る熱履歴において発泡後の絶縁紙とステータコアとの間の空隙発生を抑制できる。

実施の形態に係る回転電機のステータの製造方法によるステータの斜視図である。 実施の形態に係る回転電機のステータの製造方法に用いられる絶縁紙の構成図である。図２（ａ）は、絶縁紙の展開図であり、（ｂ）は絶縁紙の断面図である。 実施の形態に係る回転電機のステータの製造方法によるステータにおいて、１つのスロットについての径方向に垂直な断面図である。図３（ａ）は、全体図で、（ｂ）は、ステータコアの表面の微細な凹凸を示す拡大図である。 実施の形態に係る回転電機のステータの製造方法によるステータにおいて、１つのスロットについての軸方向に垂直な断面図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機として、ハイブリッド車両に搭載される回転電機を述べるが、これは、使用環境が厳しい用途の例示であって、ハイブリッド車両以外の電動車両に搭載されてもよく、場合によっては車両搭載以外の用途であっても構わない。以下では、ステータ巻線の巻回方法を分布巻として述べるが、これは説明のための例示であって、発泡性の絶縁紙を用いてステータコアに巻回されるステータ巻線であれば、それ以外の巻回方法であってもよい。例えば、集中巻であってもよい。また、ステータ巻線はセグメントコイルを用いてティースに巻回されるものを述べるが、これは分布巻に用いられる場合の例示であって、セグメントコイルを用いずに、絶縁皮膜付き導体線を用いて連続的にティースに巻回してもよい。

以下で述べる形状、寸法、ステータ巻線の巻数、材質等は、説明のための例示であって、回転電機のステータの仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機のステータ１０の構成を示す斜視図である。以下では、特に断らない限り、回転電機のステータ１０を、ステータ１０と呼ぶ。ステータ１０が用いられる回転電機は、ハイブリッド車両に搭載される回転電機である。回転電機は、ハイブリッド車両が力行するときは電動機として機能し、ハイブリッド車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型の回転電機である。回転電機は、図１に示すステータ１０と、ステータ１０の内周側に所定の間隔を隔てて配置されるロータ（図示せず）とで構成される。

ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータ巻線２０と、絶縁紙３０と、ワニス５０（後述する図３、図４参照）とを含む。図１に、軸方向と径方向と周方向とを示す。軸方向は、中心穴の中心軸ＣＬに沿った方向であり、図示されていない動力線がステータ巻線２０から引き出されるステータ１０の軸方向端面側の方向がリード側で、その反対方向が反リード側である。径方向は、軸方向に垂直な面内で中心軸ＣＬを通る放射状の方向であり、周方向は、中心軸ＣＬを中心として円周方向に沿った方向である。

ステータコア１２は、ロータが配置される中心穴を有する磁性体部品で、円環状のバックヨーク１４とバックヨーク１４から内周側に突き出す複数のティース１６とを含む。隣接するティース１６の間の空間はスロット１８である。三相同期型の回転電機の場合、ティース１６とスロット１８の数は、同じ３の倍数である。図１では、ステータ１０の一部分として、紙面の手前側の円環状部分における５つのスロット１８、向こう側の円環状部分における７つのティース１６に対応する部分を示す。

かかるステータコア１２は、バックヨーク１４とティース１６とを含み、スロット１８が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板１９を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。成形されたステータコア１２におけるスロット１８の内壁面には微細な凹凸１３がある（後述する図３（ｂ）参照）。磁性体薄板の両面には電気的な絶縁処理が施される。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。場合によっては、磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをステータコア１２としてもよい。

ステータ巻線２０は、三相の分布巻コイルで、１つの相巻線が複数のティース１６に跨って巻回されて形成される。ステータ巻線２０は、複数のセグメントコイル２２を用いてステータコア１２のティース１６に巻回される。

セグメントコイル２２は、断面が矩形形状の平角線を導体素線２４として、両端のリード部を除いて導体素線２４の周囲に絶縁皮膜２６（後述する図３、図４参照）を被覆し、所定の形状に成形した絶縁皮膜付き導体線である。導体素線２４としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等を用いることができる。絶縁皮膜２６としては、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。これに代えて、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等を用いることができる。

セグメントコイル２２は、ステータコア１２に巻回される前は、図示しないが略Ｕ字状の形状を有する。略Ｕ字状の形状のうち、真っ直ぐに延びる２つのストレート部分は、先端がリード部となるスロット内導体線部である。２つのストレート部分はリード部の反対側で互いに接続されて山形に折り曲げ成形された接続部となる。

セグメントコイル２２の先端の２つのリード部の間隔距離は、予め定めた３の倍数のスロット間隔に設定される。一例として、６スロット間隔に設定される場合、セグメントコイル２２の先端の２つのリード部は、ステータコア１２で周方向に沿って６スロット間隔だけ離れた２つのスロット１８にそれぞれ挿入される。挿入は、ステータコア１２の反リード側の端面側から行われ、リード側の端面において２つのリード部が突き出す。突き出た２つのリード部は、それぞれ別のセグメントコイル２２のリード部と溶接等によって接合される。予め定めた接合順序によって各セグメントコイル２２のリード部は順次接合されて、三相のステータ巻線２０が形成される。ステータ１０のリード側の端面から突き出したステータ巻線２０の部分は、リード側のコイルエンド２８である。図示しないが、ステータ１０の反リード側の端面には、セグメントコイル２２の山形の接続部によって、反リード側のコイルエンドが形成される。

絶縁紙３０は、ティース１６とステータ巻線２０との間の電気的絶縁性を確保するために、ティース１６とステータ巻線２０との間に配置され、スロット１８の形状に合わせて折り曲げられたシートである。図２に、絶縁紙３０を示す。図２（ａ）は、絶縁紙３０を折り曲げられる前の状態に展開した展開図で、折り曲げ線３２，３４を破線で示す。折り曲げた後の絶縁紙３０は、一方側の発泡接着層４２がセグメントコイル２２側に向かい合い、他方側の発泡接着層４４がステータコア１２におけるスロット１８の内壁面に向かい合う。図２（ｂ）は、絶縁紙３０の厚さ方向の構成を示す断面図である。

絶縁紙３０は、基材４０の両側に発泡接着層４２，４４を有する発泡性の絶縁紙である。基材４０としては、耐熱性と絶縁性を有する樹脂材料をシート状に成形したものを用いる。樹脂材料としては、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、エポキシ樹脂等が用いられる。発泡接着層４２，４４は、加熱によって膨張しその後硬化する樹脂材料の層で、それ自体が接着性を有する。発泡接着層４２，４４は、所定の加熱によって膨張し、例えば、厚さが初期状態の数倍に厚くなる。樹脂材料としては、エポキシ系の発泡樹脂材料を用いることができる。

ワニス５０は、絶縁紙３０においてステータコア１２に向かい合う側の発泡接着層４４とステータコア１２との隙間に配置される電気的絶縁性の樹脂で、液体状態では低粘度で浸透性がよく、狭い隙間に毛細管現象で浸透し、加熱によって硬化する熱硬化性樹脂である。

絶縁紙３０を用いたステータ１０の製造方法の手順について、図３、図４を用いて説明する。最初に、ステータコア１２を準備する（ステータコア準備工程）。

次に、絶縁紙３０をスロット１８の内壁面に沿うように折り曲げて、各スロット１８に配置する。折り曲げは、図２の折り曲げ線３２，３４に沿って行う。必要に応じ、絶縁紙３０とスロット１８の内壁面との間に仮接着を行ってもよい（絶縁紙配置工程）。次に、セグメントコイル２２のリード部を、ステータコア１２の反リード側の端面側から、所定のスロット１８に挿入する。（セグメントコイル配置工程）。全てのセグメントコイル２２の配置が終了したら、ステータコア１２のリード側の端面から突き出した各リード部を所定の接合方法で順次接合し、ステータ巻線２０の巻回形成を行う。所定の接合方法は、三相巻線の巻回方法に従い、溶接装置等の所定の接合装置を用いて行う（接合工程）。これによって、リード側のコイルエンド２８が形成される。

次に、リード側のコイルエンド２８側から、各スロット１８における絶縁紙３０とステータコア１２の内壁面との間における隙間を狙って、ワニス５０を滴下する（ワニス滴下工程）。滴下されたワニス５０は、絶縁紙３０とステータコア１２の内壁面との間における隙間に毛細管現象によって浸み込み広がり、隙間に含浸されるので、適当な時間の経過後には、隙間全体がワニス５０で埋められる。

図３、図４は、ワニス滴下工程後のスロット１８を示す図である。図３は、１つのスロット１８の径方向に垂直な断面図であり、図４は、１つのスロット１８についての軸方向に垂直な断面図である。図４に示すように、ステータ巻線２０は、１つのスロット１８に巻数＝４で巻回される。図３は、その内の１本についての断面図である。ここでは、ステータ巻線２０として、スロット内のセグメントコイル２２を示す。ステータコア１２のスロット１８の内壁面には微細な凹凸１３がある。図３（ａ）の全体図では、微細な凹凸１３を誇張して示した。（ｂ）は拡大図である。微細な凹凸１３は、磁性体薄板１９の厚さ寸法に比べて微細な凹凸寸法である。

ワニス５０は、コイルエンド２８側から滴下される。滴下されたワニス５０は、ステータコア１２のスロット１８の内壁面と他方側の発泡接着層４４との間の隙間に浸み込み、ステータコア１２のスロット１８の内壁面における微細な凹凸１３を覆いながら、毛細管現象によって隙間全体を埋める。全部のスロット１８についてのワニス５０の滴下が終了すると、ステータ１０の全体が加熱装置によって所定の温度条件の下で加熱される。これによって、発泡接着層４２，４４は膨張し、ワニス５０は硬化する。発泡接着層４２，４４も熱硬化性であるので、発泡後、硬化する（発泡硬化工程）。その後、適当な時間をおいて冷却され、ステータ１０が得られる。発泡接着層４２，４４は、冷却後において再加熱しても膨張しない。

上記工程によって、ステータコア１２のスロット１８の内壁面とセグメントコイル２２との間は、発泡接着層４２，４４の膨張によってほとんどの隙間がなくなり、所定の固定力が得られる。ワニス５０は発泡接着層４２，４４の膨張によってもともとの隙間から押し出されるが、ステータコア１２のスロット１８の内壁面と発泡接着層４４との間が微細な凹凸１３を含めて完全に埋められ、ワニス５０の固化によって固定される。これによって、（ステータコア１２の微細な凹凸１３）と（発泡層を含む絶縁紙３０）によって生じる固定力の低下という課題は、（ステータコア１２）と（発泡層を含む絶縁紙３０）と（ワニス５０）の組合せによって解決できる。

本実施の形態に係る回転電機のステータの製造方法によるステータ１０は、ステータコア１２と、ステータ巻線２０と、絶縁紙３０と、ワニス５０とを備える。ステータコア１２は、円環状のバックヨーク１４、バックヨーク１４から内周側に突き出す複数のティース１６、及び、隣接するティース１６間の空間である複数のスロット１８を含む。ステータ巻線２０は、ステータコア１２のティース１６に巻回される。絶縁紙３０は、ティース１６とステータ巻線２０との間に配置され、基材４０の両面に発泡接着層４２，４４を有する。ワニス５０は、絶縁紙３０のステータコア１２に向い合う側の発泡接着層４４とステータコア１２との間の隙間に配置される。

上記構成により、ステータコア１２のスロット１８の内壁面とセグメントコイル２２との間は、発泡接着層４２，４４の膨張によってほとんどの隙間がなくなり、ワニス５０によって微細な凹凸１３も完全に埋められ、ワニス５０の固化によって固定される。これによって、ワニス５０がない場合に比較し、長期間に渡る熱履歴において、発泡後の絶縁紙３０とステータコア１２との間の空隙発生を抑制できる。一例を挙げると、長期間に渡る熱履歴を模擬した耐熱試験や冷熱衝撃耐久試験の後でも、発泡後の絶縁紙３０とステータコア１２との間の空隙発生が抑制され、これらの試験を行っても、発泡後の絶縁紙３０とステータコア１２との間の固定力が低下しない。

１０ （回転電機の）ステータ、１２ ステータコア、１３ 微細な凹凸、１４ バックヨーク、１６ ティース、１８ スロット、１９ 磁性体薄板、２０ ステータ巻線、２２ セグメントコイル、２４ 導体素線、２６ 絶縁皮膜、２８ コイルエンド、３０ 絶縁紙、３２，３４ 折り曲げ線、４０ 基材、４２，４４ 発泡接着層、５０ ワニス。

Claims (1)

1. 基材の両側に発泡接着層を有する発泡性の絶縁紙を、ステータコアのスロットに配置し、
   前記発泡性の絶縁紙がすでに配置されている複数の前記スロットの内の所定の前記スロットに、前記ステータコアの反リード側の端面側からセグメントコイルのリード部を挿入して配置し、
   すべての前記セグメントコイルについての配置が終了後、前記ステータコアのリード側の端面から突き出した前記セグメントコイルの前記リード部を所定の接合方法で順次接合して前記リード側のコイルエンドを形成し、
   前記リード側のコイルエンド側から、前記スロットにおける前記発泡性の絶縁紙と前記ステータコアの内壁面との間における隙間を狙って、ワニスを滴下し、
   すべての前記スロットについての前記ワニスの滴下の終了後、ステータの全体を加熱装置によって所定の温度条件の下で加熱して、前記ワニスを硬化させ、前記発泡接着層について発泡後硬化させる、回転電機のステータの製造方法。

Images