WO2016084184A1 - 回転電機及び回転電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

　表面に樹脂被膜層が形成されたアルミ線が巻き付けられた固定子と、固定子の内側に配置された回転自在の回転子と、を備え、アルミ線は、端末線に形成され、樹脂被膜層が剥離されてアルミ芯線が露出しているアルミ露出部を有し、固定子は、アルミ露出部と回転子を回転させる電力を供給するのに利用される電源供給線とが取り付けられ、アルミ露出部と電源供給線との電気的導通に利用される端子と、アルミ露出部の表面全体を覆うように端子上に形成され、アルミ露出部と端子とを接合する第１のはんだ層とを有するものである。

Description

回転電機及び回転電機の製造方法

　本発明は、回転電機及び回転電機の製造方法に関するものである。

　銅線はアルミ線等と比較すると価格が高いため、回転電機の固定子コイルとしてアルミ線が用いられるようになってきている。ここで、回転電機は、固定子コイルの端末線と外部電源線とを電気的に接続する銅端子が設けられている。ここで、銅端子に固定子コイルの端末線を接合する場合において、銅端子と固定子コイルの端末線との接合部に水などが浸入すると、金属間の電極電位差に起因する異種金属腐食が生じ、電極電位の低いアルミ線が腐食される。

　このため、従来、アルミ線が採用された固定子コイルと銅端子の接合をする手段としては、たとえば、アルミとの電極電位差の小さい亜鉛を含有するはんだ材を用いてはんだを接合する手段、及び水分の侵入を防ぐことで腐食を抑制する手段などが採用されている。

　たとえば、アルミ線と銅端子とを接合をする手段として、銅端子上にアルミ線を設置した状態で銅端子でアルミ線を圧着し、この圧着部を亜鉛を有するはんだではんだ付けするものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、特許文献１に記載の技術では、圧着部にシール材を設けている。特許文献１に記載の技術では、圧着部のはんだ付けをすること及び圧着部にシール材を設けることで、水などが圧着部に侵入することを防止し、アルミ線などの腐食を抑制している。

　また、亜鉛を含むはんだで銅ピンとアルミ線とを接合し、接合部のアルミ線をはんだで被覆するとともに、アルミ線のうちはんだで被覆されていない部分を樹脂で被覆する手段が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。このように、特許文献２に記載の技術では、アルミ線の一部をはんだで被覆し、アルミ線の他部を樹脂で被覆することで、水などが接合部分に侵入することを防止し、アルミ線などの腐食を抑制している。

特開２０１３－８０６８２号公報 特開２０１４－１１２５０９号公報

　アルミ線と銅端子との接合手段には、導電性を得る圧着工程と、水などの侵入を防止するはんだ付け工程及びシール材を設ける工程といったように、複数の工程を経ている。これらの工程を経ることで、アルミ線と銅端子との導電性を確保し、さらに、止水性を確保している。このように、接合部が、圧着部、はんだ付け部及びシール材などを有する態様では、回転電機の生産性が低下し、製造コストが増大してしまう。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、銅端子と端末線との接合部分の腐食をより確実に回避しながら、生産性を向上させることができる回転電機及び回転電機の製造方法を提供することを目的としている。

　本発明に係る回転電機は、表面に樹脂被膜層が形成されたアルミ線が巻き付けられた固定子と、固定子の内側に配置された回転自在の回転子と、を備え、アルミ線は、端末線に形成され、樹脂被膜層が剥離されてアルミ芯線が露出しているアルミ露出部を有し、固定子は、アルミ露出部と回転子を回転させる電力を供給するのに利用される電源供給線とが取り付けられ、アルミ露出部と電源供給線との電気的導通に利用される端子と、アルミ露出部の表面全体を覆うように端子上に形成され、アルミ露出部と端子とを接合する第１のはんだ層とを有するものである。

　本発明に係る回転電機によれば、端末線のうちの樹脂被膜層が剥離された部分の表面全体を覆うようにはんだ付けがされているため、端末線との接合部分の腐食をより確実に回避することができる。また、このはんだ付けによって、導電性の確保及び止水性の確保の両方を実現することができ、生産性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る回転電機の断面図である。 図１に示す回転電機に被駆動機械であるプロペラファンを連結した状態の断面図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機のモールド前の固定子の斜視図である。 本実施の形態に係る回転電機のモールド前の固定子の外周側部分の拡大図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機のモールドされた後の固定子の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機の端子とアルミ線の端末線との接合部の断面図である。 端子とコイルの端末線との接合部について、塩水噴霧試験を実施した際の接合部の抵抗値変化を示すグラフである。 端末線接続部に穴を形成する代わりに溝部を形成し、アルミ露出部を第１のはんだで覆った場合の断面図である。 図８を側面から見た場合の断面図である。 融点の異なる２種類のはんだではんだ付けした場合の接合部の断面図である。

　以下、本発明に係る回転電機の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態．
　図１は、本実施の形態に係る回転電機１００の断面図である。図２は、図１に示す回転電機１００に被駆動機械であるプロペラファン１２を連結した状態の断面図である。図１及び図２を参照して回転電機１００の概要構成の一例について説明する。
　本実施の形態に係る回転電機１００は、生産性を向上させながら、銅端子と固定子コイルの端末線との接合部分の腐食をより確実に抑制することができる改良がくわえられたものである。

［回転電機１００の構成］
　回転電機１００は、ブラシレスＤＣモータである場合を一例に説明する。また、本実施の形態では、回転電機１００は、空気調和装置の室外機のプロペラファン１２を駆動する態様を例に説明する。

　回転電機１００は円筒形の固定子２を有し、内部に回転子３を収容する収容空間が形成されたモータハウジング４を備えている。モータハウジング４は、有底円筒状のケーシング５と、ケーシング５の開口側を覆うベアリングハウジング６及び板金カバー９で構成されたブラケットカバー１０とを備えている。モータハウジング４は、ケーシング５の内面に固定子２の内周面が露出するように、ケーシング５と固定子２とがモールド樹脂によって一体に成型されたものである。回転子３は、その外周面が固定子２の内周面と対向するように、固定子２の内側に配置されている。固定子２及び回転子３は、同軸上に配置されている。

　回転子３は、シャフト７が圧入によって接続されている。また、シャフト７の先端部はプロペラファン１２に連結されている。シャフト７は、一対の軸受８を介してモータハウジング４に回転自在に支持されている。一対の軸受８は、軸受保持部により保持されている。具体的には、一方の軸受８ａは、ケーシング５の底壁部に取り付けられている。また、他方の軸受８ｂは、ブラケットカバー１０に取り付けられた樹脂性のベアリングハウジング６に取り付けられている。
　ケーシング５及びベアリングハウジング６を構成しているモールド樹脂は、たとえば、不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂を採用することができる。また、回転電機１００には、回転子３の磁極位置を検知するホール素子が実装されたプリント基板１１が設けられている。プリント基板１１は、たとえばプリント基板保持器に溶着などによって固定される。なお、プリンン基板保持器は、たとえば回転子３の端面とベアリングハウジング６の間に配設されている。

［固定子２について］
　図３は、本実施の形態に係る回転電機１００のモールド前の固定子２の斜視図である。図４は、本実施の形態に係る回転電機１００のモールド前の固定子２の外周側部分の拡大図である。図３及び図４を参照して樹脂モールド前の固定子２の構成などについて説明する。

　回転電機１００の固定子２は、固定子鉄心１３と、固定子鉄心１３に嵌合されたインシュレータ１４と、インシュレータ１４に巻装されたコイル１５とを備えている。たとえば、固定子鉄心１３は、たとえば、複数の磁極片を環状に配置することで構成することができる。インシュレータ１４は、隣接するコイル１５同士の絶縁などに用いられる。コイル１５は、アルミ芯線と、アルミ芯線の表面に形成された樹脂皮膜層とを有するアルミ線である。ここで、このコイル１５は、端末線１５ａの樹脂皮膜層が剥離されてアルミ芯線が露出している。コイル１５の端末線１５ａのうち、アルミ芯線が露出している部分がアルミ露出部１６ａに対応する。アルミ露出部１６ａが、後述する端子１７に、後述する第１のはんだで接合される。なお、コイル１５は、その直径が、たとえば０．９ｍｍ以上のものが採用される。

　回転電機１００の固定子２は、インシュレータ１４上の予め設定された位置に固定される端子１７を備えている。端子１７は、樹脂被膜層が剥離された端末線１５ａのアルミ露出部１６ａが接合されるとともに、回転子３を回転させる電力を供給するのに利用される電源供給線（図示省略）が接合されるものである。つまり、端子１７は、端末線１５ａと電源供給線との電気的導通に利用される部材である。なお、電源供給線は、回転電機１００を動作させる外部電源に接続されている。

　端子１７は、インシュレータ１４に接続されている基部１７Ａと、電源供給線が絡げられる電源供給線接続部１７ａと、コイル１５の端末線１５ａが絡げられる端末線接続部１７ｂとを備えている。端子１７は、電気抵抗が小さくなるように、銅材で構成されている。基部１７Ａには、インシュレータ１４に接続されている側とは反対側に電源供給線接続部１７ａが形成されている。また、基部１７Ａには、基部１７Ａの周縁部に端末線接続部１７ｂが接続されている。端末線接続部１７ｂは、基部１７Ａの周縁部の接続位置から、固定子２の径が大きくなる側に延びるように形成されている。

　電源供給線接続部１７ａには、電源供給線が挿入される穴が形成されている。具体的には、電源供給線には旗型端子が設けられており、この旗型端子を電源供給線接続部１７ａの穴に挿入し、旗型端子及び電源供給線接続部１７ａを圧接している。これにより、旗型端子と電源供給線接続部１７ａとが接続されて、電源供給線と端子１７との導通が確保される。

　固定子２は、アルミ露出部１６ａ及び端末線接続部１７ｂを接合する部位に接合部１８が形成されている。すなわち、接合部１８は、アルミ芯線が露出しているアルミ露出部１６ａと、端子１７の端末線接続部１７ｂと、アルミ露出部１６ａ及び端末線接続部１７ｂの接合をする第１のはんだ（第１のはんだ層１９）とを備えている。

［固定子２の樹脂モールドについて］
　図５は、樹脂モールドされた後の固定子２の斜視図である。固定子２は、端子１７の電源供給線接続部１７ａを除き、樹脂２１により被覆される。つまり、端子１７は、基部１７Ａ及び端末線接続部１７ｂが樹脂によって被覆され、電源供給線接続部１７ａが露出している。したがって、樹脂２１内へ水などの進入を防止することができ、接合部１８の腐食を抑制することができるようになっている。なお、冷却と過熱が繰り返される過酷な状況下においては、樹脂２１内に水分が進入してしまう場合もある。しかし、本実施の形態に係る回転電機１００は、アルミ露出部１６ａが第１のはんだで覆われた接合部１８を備えているので、水などが樹脂２１内に侵入しても、腐食してしまうことを抑制することができるようになっている。

［接合部１８について］
　図６は、本実施の形態に係る回転電機１００の端子１７とアルミ線の端末線１５ａとの接合部１８の断面図である、図６と前述の図３及び図４とを参照して接合部１８などについて説明する。
　端末線接続部１７ｂには、端末線１５ａが挿入される穴が形成されている。端末線１５ａと端子１７は、端末線接続部１７ｂの穴に端末線１５ａが挿入された状態で第１のはんだで接合される。具体的には、端子１７には、端末線１５ａが絡げられ、端末線１５ａのアルミ露出部１６ａが挿入される穴が形成され、アルミ露出部１６ａの表面全体を覆うように、穴の形成位置に第１のはんだ層１９が形成されている。

　アルミ露出部１６ａと端末線接続部１７ｂは、亜鉛（Ｚｎ）と銀（Ａｇ）の含有量がそれぞれ質量％で０．１％未満、銅（Ｃｕ）の含有量が質量％で１．０％未満の第１のはんだによって被覆されている。すなわち、接合部１８は、アルミ露出部１６ａ及び端末線接続部１７ｂの接合をする第１のはんだで構成された第１のはんだ層１９を備えている。接合部１８では、アルミ露出部１６ａの表面全体が被覆されているので、止水性が保たれ、アルミ露出部１６ａの腐食が抑制される。

［回転電機１００の製造方法について］
　ここで、回転電機１００の製造方法について説明する。回転電機１００の製造方法では、巻付工程、剥離工程、絡げ工程、フラックス塗布工程、接合工程及びはんだ層被覆工程を備えている。
　巻付工程では、樹脂被膜で被覆されたアルミ線（コイル１５）を固定子２に巻き付ける工程である。巻付工程の後に剥離工程を実施する。剥離工程では、アルミ線（コイル１５）の端末線１５ａの樹脂被膜を剥離し、アルミ芯線を露出する。剥離工程の後に絡げ工程を実施する。絡げ工程では、端末線１５ａを銅材の端子１７に絡げ、端子１７に取り付ける。

　絡げ工程の後に、フラックス塗布工程を実施する。フラックス塗布工程では、端末線１５ａ及び端子１７にフラックスを塗布する工程である。フラックス塗布工程を実施することにより、第１のはんだの表面張力を低下させはんだ付けをしやすくしたり、アルミ露出部１６ａ及び端子１７の表面の汚れを除去したり、アルミ露出部１６ａ及び端子１７の表面の表面を覆ってはんだ付け中に酸化してしまうことを抑制したりすることができる。

　フラックス塗布工程の後に、接合工程を実施する。接合工程では、質量％で０．１％未満の亜鉛、及び質量％で０．１％未満の銀を含有した第１のはんだで、端末線１５ａのアルミ露出部１６ａの表面全体を覆うように、アルミ露出部１６ａと端子１７とを接合する工程である。接合工程では、アルミ露出部１６ａの表面全体を覆うように第１のはんだ層１９を形成する工程であり、コイル１５と外部電源線との導通を図ること、及び、アルミ露出部１６ａに水が浸入することを抑制することの両方を実現している。つまり、接合工程だけで、導通及び止水を実現でき、回転電機１００の製造にあたり、より生産性を向上させることができるようになっている。

　なお、接合工程では、超音波はんだ付け工法を用いて端末線１５ａのアルミ露出部１６ａと端子１７とを接合することもできる。超音波はんだ付け工法では、たとえば、はんだごてを超音波振動させて半田付けを実施するため、フラックスを用いなくてもアルミ露出部１６ａ及び端子１７の汚れなどを除去することができる。したがって、接合工程において、超音波はんだ付け工法を採用する場合には、フラックス塗布工程を省くことができる。このため、回転電機１００の製造にあたり、より生産性を向上させることができる。

［接合部１８の抵抗値変化試験］
　図７は、端子１７とコイル１５の端末線１５ａとの接合部１８について、塩水噴霧試験を実施した際の接合部１８の抵抗値変化を示すグラフである。Ａｌとの電極電位差が大きい銀含有はんだを用いた場合には、はんだに覆われていない非被覆部が生じると速やかにアルミ芯線が腐食され、接触抵抗が大きく上昇する。
　本実施の形態のように、銀を含有しないＳｎ－Ｃｕ系はんだである第１のはんだを用いることで、腐食進行が抑えられ、接合部１８の抵抗値の増加は抑制される。このため、回転電機１００の製造方法において、製造工程のバラツキによりアルミ芯線が第１のはんだに覆われない非被覆部が仮に生じた場合であっても、腐食が進行しにくい接合部１８を形成することができる。

［変形例１］
　図８は、端末線接続部１７ｂに穴を形成する代わりに溝部１７ｂ１を形成し、アルミ露出部１６ａを第１のはんだで覆った場合の断面図である。図９は、図８を側面から見た場合の断面図である。
　アルミ露出部１６ａのうち被覆されない部分が、より生じないようにするため、端末線接続部１７ｂにアルミ露出部１６ａを設置する溝部１７ｂ１を設けてもよい。これにより、端子１７の端末線接続部１７ｂにアルミ露出部１６ａを絡げる穴を形成しなくても、溝部１７ｂ１内にアルミ露出部１６ａを絡げることができる。そして、溝部１７ｂ１にアルミ露出部１６ａが絡げられた状態で第１のはんだではんだ付けを実施する。このとき、図８及び図９に示すように、溝部１７ｂ１に第１のはんだが充填されるように第１のはんだではんだ付けを実施する。はんだ付けする作業者は、溝部１７ｂ１が形成されているため、容易に第１のはんだを溝部１７ｂ１に充填することができる。そして、溝部１７ｂ１に第１のはんだが充填されることで、アルミ露出部１６ａの表面全体を覆われ、より確実にアルミ露出部１６ａの腐食を抑制することができる。

［変形例２］
　図１０は、融点の異なる２種類のはんだではんだ付けした場合の接合部１８の断面図である。また、第１のはんだを用いてはんだ付けした後、第１のはんだより低融点の第２のはんだを用いてさらにはんだ付けしてもよい。変形例２では、図１０に示すように、固定子２の接合部１８は、第１のはんだ層１９の表面上に形成され、第１のはんだ層１９よりも融点が低い第２のはんだ層２０をさらに有している。

　ここで、回転電機１００の製造方法については、はんだ層被覆工程をさらに備えていてもよい。つまり、接合工程の後に、第１のはんだが固化して形成された第１のはんだ層１９を覆うように、第１のはんだよりも融点が低い第２のはんだではんだ付けを実施し、接合部１８に第２のはんだ層２０を形成してもよい。

［本実施の形態に係る回転電機１００の有する効果］
　回転電機１００は、冷却と加熱が繰り返される過酷な状況下で使用される場合もある。たとえば、回転電機１００を空気調和装置の室外機に搭載される送風機に適用した場合が考えられる。室外機には、凝縮器又は蒸発器として機能する熱交換器が設置され、また、設置位置によっては雨水などが侵入してくる場合もある。このような状況下では、固定子２の樹脂モールド内部へ水分が進入してくる場合がある。

　本実施の形態に係る回転電機１００は、接合部１８のアルミ露出部１６ａの表面全体が、第１のはんだに覆われているため、樹脂モールド内部へ水分が侵入してきたとしても、腐食をより確実に抑制することができる。また、第１のはんだのはんだ付けによって、接合部１８における導電性の確保及び止水性の確保の両方を実現することができ、回転電機１００の生産性を向上させることができる。

　本実施の形態に係る回転電機１００は、第１のはんだに覆われていない部分が生じたとしても、アルミニウムとの電位差の大きい銀の含有率が小さい第１のはんだで端子１７の接合をするため、腐食速度を抑えることができる。

　本実施の形態に係る回転電機１００は、接合部１８の接合に用いる第１のはんだが、Ａｌとの電極電位差が比較的小さいＳｎを多く含み、銅の含有量が質量％で１％未満のＳｎ－Ｃｕ系はんだであるため、腐食速度をさらに抑えることができる。

　本実施の形態に係る回転電機１００は、はんだ自体の耐食性が小さくならないように、亜鉛の含有率が小さい第１のはんだで接合部１８を接合しているため、腐食をより確実に抑制することができる。

　本実施の形態に係る回転電機１００は、端子１７とアルミ露出部１６ａとのはんだ付け行程だけで、端子１７とアルミ露出部１６ａとの導電性及び接合部１８の止水性を得ることができ、生産生が向上している。

　２　固定子、３　回転子、４　モータハウジング、５　ケーシング、６　ベアリングハウジング、７　シャフト、８　軸受、８ａ　軸受、８ｂ　軸受、９　板金カバー、１０　ブラケットカバー、１１　プリント基板、１２　プロペラファン、１３　固定子鉄心、１４　インシュレータ、１５　コイル、１５ａ　端末線、１６ａ　アルミ露出部、１７　端子、１７Ａ　基部、１７ａ　電源供給線接続部、１７ｂ　端末線接続部、１７ｂ１　溝部、１８　接合部、１９　第１のはんだ層、２０　第２のはんだ層、１００　回転電機。

Claims (11)

1. 　表面に樹脂被膜層が形成されたアルミ線が巻き付けられた固定子と、
   　前記固定子の内側に配置された回転自在の回転子と、
   　を備え、
   　前記アルミ線は、
   　端末線に形成され、前記樹脂被膜層が剥離されてアルミ芯線が露出しているアルミ露出部を有し、
   　前記固定子は、
   　前記アルミ露出部と前記回転子を回転させる電力を供給するのに利用される電源供給線とが取り付けられ、前記アルミ露出部と前記電源供給線との電気的導通に利用される端子と、
   　前記アルミ露出部の表面全体を覆うように前記端子上に形成され、前記アルミ露出部と前記端子とを接合する第１のはんだ層とを有する
   　回転電機。
2. 　前記第１のはんだ層の表面上に形成され、前記第１のはんだ層よりも融点が低い第２のはんだ層をさらに有する
   　請求項１に記載の回転電機。
3. 　前記端子には、
   　前記アルミ露出部が絡げられ、前記アルミ露出部が挿入される穴が形成され、
   　前記アルミ露出部の表面全体を覆うように、前記穴の形成位置に前記第１のはんだ層が形成されている
   　請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 　前記端子には、
   　前記アルミ露出部が絡げられ、前記アルミ露出部が設置される溝部が形成され、
   　前記アルミ露出部の表面全体を覆うように、前記溝部に前記第１のはんだ層を構成するはんだが充填されている
   　請求項１又は２に記載の回転電機。
5. 　前記端子は、
   　銅材で構成され、
   　前記第１のはんだ層は、
   　質量％で０．１％未満の亜鉛、及び質量％で０．１％未満の銀を含有したはんだで構成されている
   　請求項１～４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 　前記第１のはんだ層は、
   　質量％で０．１％未満の銅を含有したＳｎ－Ｃｕ系はんだで構成されている
   　請求項５に記載の回転電機。
7. 　前記アルミ線は、
   　直径が０．９ｍｍ以上である
   　請求項１～６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 　回転子を回転させる電力を供給するのに利用される電源供給線が取り付けられる銅端子が設けられた固定子を備えた回転電機の製造方法であって、
   　樹脂被膜で被覆されたアルミ線を前記固定子に巻き付ける巻付工程と、
   　前記アルミ線の端末線の前記樹脂被膜を剥離し、アルミ芯線を露出する剥離工程と、
   　前記端末線を前記銅端子に絡げる絡げ工程と、
   　質量％で０．１％未満の亜鉛、及び質量％で０．１％未満の銀を含有した第１のはんだで、前記端末線の前記アルミ芯線の表面全体を覆うように、前記端末線と前記銅端子とを接合する接合工程と、
   　を備えた
   　回転電機の製造方法。
9. 　前記絡げ工程と前記接合工程との間に実施され、前記端末線及び前記銅端子にフラックスを塗布する塗布工程をさらに備えた
   　請求項８に記載の回転電機の製造方法。
10. 　前記接合工程では、
    　超音波はんだ付け工法を用いて前記端末線と前記銅端子とを接合する
    　請求項８に記載の回転電機の製造方法。
11. 　前記第１のはんだが固化して形成されたはんだ層を覆うように、前記第１のはんだよりも融点が低い第２のはんだではんだ付けをするはんだ層被覆工程をさらに備えた
    　請求項８～１０のいずれか一項に記載の回転電機の製造方法。

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