JP2018160955A - 回転電機用コイル、および回転電機用コイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線の固定に要するエネルギー消費量を削減するとともに、熱劣化を抑制することができる回転電機用コイル、および回転電機用コイルの製造方法を提供する。【解決手段】コア部材（ステータコア１１）の周囲を囲む筒形状を有するインシュレータ１２と、インシュレータ１２の外周に筒状に巻回される巻線１４と、を備える回転電機用コイルＣに対して、巻線１４の表面には、熱硬化樹脂からなる融着層１４ｃを具備し、巻線１４をインシュレータ１２に巻回した後に、巻線１４に通電して、通電によるジュール熱によって、融着層１４ｃを硬化し、隣接する巻線１４同士を固定する。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機のステータ等を構成するコイルに関する。

回転電機では、コイルを構成する巻線が、運用中に振動等で緩んだり、位置がずれたりしないように、巻回状態で巻線を固定することが行われている。
たとえば、特許文献１には、熱硬化樹脂が塗膜された巻線を巻回し、コイルを形成した後に、コイルを加熱し、熱硬化樹脂（架橋前駆体樹脂）を融解、熱硬化させて、巻線を固定している。

特開２００４-２４２４１４号公報

ところで、特許文献１では、巻線が巻回されたステータを電気加熱炉に投入し、コイルを加熱して熱硬化樹脂を熱硬化する手法が示されている。
このような加熱方法の場合、ステータコア等の巻線以外の構成も加熱しなければならないために、加熱に要するエネルギー消費量が、必要以上に大きくなるという問題がある。
また、加熱炉による加熱では、ステータの内部が設定温度に到達するまでに時間が掛かるため、ステータの表面が炉内の高温環境下に、より長い時間晒され、熱劣化が促進されてしまうという問題がある。

本発明は、前述の点に鑑みてなされたものであり、巻線の固定に要するエネルギー消費量を削減するとともに、熱劣化を抑制することができる回転電機用コイル、および回転電機用コイルの製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る回転電機用コイルは、コア部材の周囲を囲む筒形状を有するインシュレータと、該インシュレータの外周に筒状に巻回される巻線と、を備え、該巻線は、熱硬化樹脂からなる融着層を表面に具備し、該インシュレータに巻回した後に、通電によるジュール熱によって、該融着層が硬化し、隣接する該巻線同士が固定されたことを特徴とする。

本発明によれば、巻線の固定に要するエネルギー消費量を削減するとともに、熱劣化を抑制することができる回転電機用コイル、および回転電機用コイルの製造方法を提供することができる。

一実施形態に係る構造体を示す分解斜視図である。 一実施形態に係るステータセグメントを示す分解斜視図である。 一実施形態に係るステータセグメントを示す正面図である。 一実施形態に係る巻線の軸線方向に沿った断面図である。 一実施形態に係る回転電機用コイルを示し、（ａ）は巻線の巻始め、（ｂ）は巻線の巻終わり、（ｃ）は（ｂ）のVc-Vc線に沿った断面図である。 図３のVI部を示す要部拡大図で、（ａ）は巻線を幅狭溝に挿入する様子を示し、（ｂ）は巻線が幅広溝内に収まった様子を示す。 （ａ）は図６（ａ）のVIIa-VIIaに沿った断面図で、巻線を幅狭溝に挿入する様子を示し、（ｂ）は図６（ｂ）のVIIｂ-VIIｂに沿った断面図で、巻線が幅広溝内に収まった様子を示す。 通電加熱時の加熱パターンを示すグラフである。 第１の別態様に係る回転電機用コイルを示し、（ａ）は巻線の巻始め、（ｂ）は巻線の巻終わり、（ｃ）は（ｂ）のIXc-IXc線に沿った断面図である。 第２の別態様に係る回転電機用コイルを示し、（ａ）は巻線の巻始め、（ｂ）は巻線の巻終わり、（ｃ）は（ｂ）のXc-Xc線に沿った断面図である。

本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、本実施形態に係る回転電機用コイルを備えた構造体１０２を示す分解斜視図である。回転電機１０１は、三相交流型とされ、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載され、外部から電力が供給された場合には、走行用モータとして機能し、回生制動時には、発電機として機能する。
なお、本実施形態の回転電機用コイルＣは、車両用の回転電機１０１に限らず、固定式のモータやその他用途のモータ、および発電機にも適用が可能である。
また、説明中の上下は、図示における上下を示すものであり、回転電機１０１を車両に組付けた状態での上下を示すものではない。

構造体１０２は、図１に示すように、回転電機１０１をロータ（図示せず）側と、ステータ１０４側と、に分けた場合のステータ１０４側を構成している。
構造体１０２は、ステータ１０４と、ステータホルダ１０５と、ケース１０６と、を備えている。
ステータ１０４は、略円筒形状を備え、筒内にロータ（図示せず）が配置される。なお、ステータ１０４の詳細については後述する。
ステータホルダ１０５は、略円筒形状を備え、筒内にステータ１０４を保持する。
ケース１０６は、略円筒形状を備え、筒内にステータ１０４を保持したステータホルダ１０５を保持する。また、ケース１０６は、ステータ１０４の筒内に配置されるロータ（図示せず）を回転可能に軸支する。

次に、改めてステータ１０４について説明する。
ステータ１０４は、図１に示すように、略扇形状を有する複数のステータセグメント１０からなり、これらステータセグメント１０が環状に配置されている。環状に配置された複数のステータセグメント１０は、ステータホルダ１０５の筒内に挿嵌されることで、一体に保持される。これによって、複数のステータセグメント１０を一部品のステータ１０４として取り扱いを可能にしている。
また、ステータセグメント１０は、図２に示すように、ステータコア１１と、インシュレータ１２と、コイル本体１３と、を備えている。
なお、回転電機用コイルＣは、インシュレータ１２と、コイル本体１３と、で構成されている。

ステータコア（コア部材）１１は、図２に示すように、略Ｔ字状に打ち抜かれた薄板状の磁性鋼板１１ａを積層することで構成されている。また、ステータコア１１は、Ｔ字形状の横辺を構成するヨーク１１ｂと、Ｔ字形状の縦辺を構成するティース１１ｃと、に設定されている。

インシュレータ１２は、絶縁性を有する樹脂材で形成されている。また、インシュレータ１２は、ステータ１０４の軸線方向に沿って２つに分割が可能な略角筒形状を備え、筒内にステータコア１１のティース１１ｃが挟み込まれる。
なお、インシュレータ１２は、巻回筒部１２ａ、内径側顎部１２ｂ、外径側顎部１２ｃ、仕切り壁部１２ｄ、および集配線収容部１２ｅを備えている。

巻回筒部１２ａは、インシュレータ１２の角筒形状を主に構成し、ティース２３ｂの周囲を隙間無く囲むように形成されている。
内径側顎部１２ｂは、巻回筒部１２ａの内径側端部（図２における上方の端部）に、フランジ状に立設されている。
外径側顎部１２ｃは、巻回筒部１２ａの外径側端部（図２における下方の端部）に、フランジ状に立設されている。
このような内径側顎部１２ｂと、巻回筒部１２ａと、外径側顎部１２ｃとで、断面矩形形状の巻回溝１２ｆが形成されている。そして、この巻回溝１２ｆ内に、コイル本体１３を構成する巻線１４が巻回される。つまり、巻回溝１２ｆ内にコイル本体１３が収容される。

仕切り壁部１２ｄは、図３における外径側顎部１２ｃの正面部分で構成され、集配線収容部１２ｅと巻回溝１２ｆとを仕切っている。
また、仕切り壁部１２ｄには、端末固定部１２ｈが形成されている。

端末固定部１２ｈは、巻回後の巻線１４が、融着固定前に、弛んだり、ほどけたりしないように、引出線１３ａ（巻線１４におけるコイル本体１３の巻始めと巻終わり）と係合しつつ、収容する。
また、端末固定部１２ｈは、図２、図３に示すように、仕切り壁部１２ｄを貫通し、集配線収容部１２ｅと巻回溝１２ｆとを連通する切欠溝で構成されている。
なお、端末固定部１２ｈは、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、幅狭溝１２ｈ１と、幅広溝１２ｈ２とで、略Ｔ字形状を呈している。
幅狭溝１２ｈ１は、その幅が、後述する巻線１４の幅狭面１４ｎの幅寸法と同様に設定されている。
幅広溝１２ｈ２は、その幅が、巻線１４の幅広面１４ｗの幅寸法と同様に設定されている。

集配線収容部１２ｅは、図３に示すように、ステータセグメント１０の正面部分における巻回筒部１２ａの径方向外側（図３における上方）に位置し、仕切り壁部１２ｄを内側壁とした矩形断面の溝形状を備えている。

また、集配線収容部１２ｅは、ステータセグメント１０を環状に組んだ状態（ステータ１０４の状態）で、仕切り壁部１２ｄを内側壁として環状に繋がる溝を構成する。そして、集配線収容部１２ｅは、３相の相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）毎に設けられる集配線（図示せず）、および中性線（図示せず）が収容される。
集配線、および中性線は、各コイル本体１３の引出線１３ａを相毎にまとめるとともに、回転電機１０１の外部に設けられる電力回路（図示せず）と、各コイル本体１３と、を電気的に接続する。

コイル本体１３は、図２、図３に示すように、ステータセグメント１０毎に巻線１４がティース１１ｃの周囲に巻回された所謂集中巻きコイルで構成されている。また、コイル本体１３の引出線１３ａは、巻始め側と、巻終わり側とが、ともに集配線収容部１２ｅ（径方向外側）に引出され、端末固定部１２ｈに固定される。
なお、コイル本体１３を構成する巻線１４は、長方形断面を有する平角線で構成されている。

コイル本体１３を構成する巻線１４は、図２に示すように、断面略長方形形状を有する銅材からなる平角線で構成されている。そして、図４に示すように、芯線１４ａには、その表面に絶縁被膜としてのエナメル層１４ｂが成膜されている。さらに、エナメル層１４ｂの外側には、融着層１４ｃが成膜されている。つまり、巻線１４は、エナメル線に融着層１４ｃが成膜されている。

融着層１４ｃは、約１５０℃以上で融解、硬化するエポキシ樹脂からなる熱硬化樹脂で構成されている。
なお、本実施形態の回転電機１０１は、設置される車両が一般的な走行状態では、１３５℃程度まで上昇し、過酷な走行状態では、約１６０℃に達する。
つまり、融着層１４ｃは、回転電機１０１が運用中に達する最高温度よりも低い温度で融解、硬化する熱硬化樹脂で構成されている。
また、融着層１４ｃは、コイル本体１３の巻始めと巻終わりを含め、巻線１４全体に成膜されている。つまり、融着層１４ｃの融解、硬化によって、コイル本体１３の巻始めと巻終わりを含め、巻線１４全体が固定される。

次に、構造体１０２の組立て手順を説明する。
まず、ステータセグメント１０毎にコイル本体１３を形成する（巻線工程）。本工程では、まず、所定枚数の磁性鋼板１１ａを積層してステータコア１１を形成し、ステータコア１１にインシュレータ１２を組付ける（図２参照）。
次に、インシュレータ１２の巻回溝１２ｆに巻線１４を巻回し、コイル本体１３を形成する。巻線１４を巻回する際に、巻線１４の幅広面１４ｗが、巻回筒部１２ａの外周面に面するように、上方から下方に向かって巻回していく（図５（ａ）、（ｂ）参照）。

また、巻線１４が巻回溝１２ｆの下端に到達したら、上方へ巻き返していく。そして、巻回溝１２ｆ内を上下に何度か往復し、設定された長さの巻線１４を巻回したところで、巻回を終了する。
次に、引出線１３ａの巻始め部分と巻終わり部分を端末固定部１２ｈに係合、収容する。収容する際に、まず、巻線１４の幅狭面１４ｎが端末固定部１２ｈに面するように巻線１４をひねる。そして、ひねった巻線１４を幅狭溝１２ｈ１から幅広溝１２ｈ２内に挿入する。さらに、幅広溝１２ｈ２内の巻線１４をひねり戻して、引出線１３ａを端末固定部１２ｈに係合させる（図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、（ｂ）参照）。
以上で、巻線１４の弛みが防止され、巻線工程が完了する。

次に、図１に示すように、ステータセグメント１０を円環状に仮組みし、ステータホルダ１０５に挿嵌可能な形態にする（コイル固定工程）。
次に、ステータセグメント１０をステータホルダ１０５の筒内に挿嵌する（ホルダ圧入工程）。さらに、本工程で、ステータセグメント１０をステータホルダ１０５ごとケース１０６に組込む。
次に、引出線１３ａ、集配線（図示せず）、および端子（図示せず）を３相の各相、中性線毎に結線する（端末処理工程）。
次に、巻線１４に対して、通電を行い、通電により発生するジュール熱によって、加熱を行い（通電加熱）、融着層１４ｃを融解、硬化させ、巻線１４を固定する（加熱工程）。また、通電加熱によって、巻線１４同士が固着するとともに、融着層１４ｃが幅広溝１２ｈ２内で融着、硬化し、巻線１４が幅広溝１２ｈ２内に固定される。

加熱工程における加熱パターンは、図８に示すように、時間当たりの温度上昇の割合（昇温勾配）所定の昇温勾配を辿り、設定された設定硬化温度（本実施形態では１５０℃）で一定とする。そして、このような加熱パターンとなるように、通電する電力量を制御する。
通電加熱を開始し、巻線１４の温度が、設定硬化温度（１５０℃）に達すると、融着層１４ｃは融解を始める。
そして、巻線１４を設定硬化温度に維持すると、融解した融着層１４ｃは、架橋反応によって、融解状態から次第に硬化する。
さらに、巻線１４を設定硬化温度に維持すると、融着層１４ｃは、硬化する際に、周囲に隣接する巻線１４の融着層１４ｃと一体化し、巻線１４が固定される。
なお、熱硬化樹脂は、全てが融解してから硬化するのではなく、融解したところから硬化が進行していくため、通電加熱時に巻線１４が弛むことはない。

なお、設定硬化温度は、採用された熱硬化性樹脂に応じて設定される。
また、本実施形態では、通電加熱によるコイル本体１３の熱劣化を抑制するために、時間当たりの温度上昇の割合（昇温勾配）を、設定硬化温度の高低に関わらず一定としている。このため、設定硬化温度が低いほど、通電加熱開始から設定硬化温度に到達するまでの時間が短縮される。これによって、熱劣化を抑制しつつ、巻線１４の固定に要するエネルギー消費量を削減することができる。

これに対して、融着層１４ｃに、熱可塑性樹脂を採用する場合、２００℃程度で融解、軟化する樹脂を選定しなければならない。
これは、過酷な走行状態では、コイル本体１３の温度が１６０℃に達するため、これよりも低い温度で融解する熱可塑性樹脂では、運用中に融着層が融解し、巻線が弛むおそれがあるためである。
しかしながら、コイル本体１３は、加熱することによって、熱劣化が促進されるため、組み立て工程の中で、運用中に達する温度よりも高い温度まで加熱することは避けることが望ましい。
つまり、融着層１４ｃには、より低い温度で融着、硬化する素材であることが求められる。なお、図８には、通電時間の比較に、１００℃で融解、硬化する熱硬化性樹脂を参考例として記載している。

次に、本実施形態に係る回転電機用コイルＣの作用効果について説明する。
本実施形態では、巻線１４を固定する際に、巻線への通電により発生するジュール熱によって、熱硬化樹脂からなる融着層１４ｃを融解、硬化している。
このような手法を用いることで、融着層１４ｃを備える巻線１４のみを加熱することができる。これによって、加熱炉（図示せず）を用いてステータ全体を加熱する従来の手法よりもエネルギー消費量を削減することができる。
また、融着層１４ｃが直接加熱されるため、融着層１４ｃを硬化するための加熱時間を短縮し、コイル本体１３の熱劣化を抑制することができる。

また、本実施形態で採用されたエポキシ樹脂は、常温でべた付くことなく固化しているため、巻線１４を巻回する際の妨げになることはない。そして、融着層１４ｃは均一な厚さで成膜、固化されているため、隙間無く整然と巻回することができる。これによって、通電加熱時に、熱が周囲に逃げ難くなり、融解、硬化をより効率的に行うことができる。
また、融着層１４ｃは均一な厚さで成膜、固化されているため、融解、硬化によって、均一な固定力で巻線１４を固定することができる（図５（ｂ）、（ｃ）参照）。

本実施形態では、巻始め部分と、巻終わり部分を含め、巻線１４全体に融着層１４ｃが成膜されている。これによって、巻線１４の弛みを防止するとともに、位置がずれやすい巻始め部分と、巻終わり部分を確実に固定することができる。
なお、端末固定部１２ｈに、融着層１４ｃと同様の熱硬化樹脂を付加（追加）して、通電加熱時に、融解、硬化させ、引出線１３ａをより強固に固定することも可能である。

本実施形態では、融着層１４ｃを構成する熱硬化樹脂として、回転電機１０１が運用中に達する最高温度よりも低い温度で融解、硬化するものが採用されている。これによって、通電加熱時間をさらに短縮することができる。
また、過度に加熱する必要がないため、コイル本体１３の熱劣化を抑制することができる。

なお、本実施形態の回転電機用コイルＣは、コア部材としてのステータコア１１に巻回され、ステータ１０４の一部を構成しているが、これに限定されるものではない。たとえば、ロータ（図示せず）に回転電機用コイルを巻回し、ステータに永久磁石を配置する構成とする回転電機に採用することも可能である。このような構成とすることで、本実施形態と同様の作用効果が得られるとともに、運用時におけるロータの回転が安定し、騒音や振動を抑制することができる。

また、本実施形態では、融着層１４ｃを構成する熱硬化樹脂として、常温で固化し、所定の温度（約１５０℃）で融解、硬化するエポキシ樹脂を採用しているが、このような融着層１４ｃに限定されるものではない。
たとえば、融着層の成膜後、熱硬化樹脂が固化する前の柔らかい状態で、通電加熱し、硬化する手法を採用することも可能である。そして、このような手法でも本実施形態と同様の作用効果が得られる。

次に、回転電機用コイルの第１の別態様について、図面を参照しながら説明する。前述の回転電機用コイルＣと同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、本態様の回転電機用コイルＣＡと前述の第１実施形態の回転電機用コイルＣとで大きく異なる構成は、巻線１４Ａの断面形状である。
本態様の巻線１４Ａは、断面が略円形の丸線で構成されている。巻線１４Ａが丸線で構成されているため、巻線１４Ａを巻回溝１２ｆに巻回する際に、巻線１４Ａの向きを厳密に揃える必要がない。
これによって、前述の実施形態で得られる作用効果に加え、巻回工程が簡素化され、製造コストを削減することができる。

次に、回転電機用コイルの第２の別態様について、図面を参照しながら説明する。前述の回転電機用コイルＣと同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、本態様の回転電機用コイルＣＢと前述の第１実施形態の回転電機用コイルＣとで大きく異なる構成は、巻線１４Ａの断面形状と、巻回筒部１２ａＢの形状である。
本態様の巻線１４Ａは、第１の別態様と同様に、断面が略円形の丸線で構成されている。
また、本態様では、インシュレータ１２の外筒面を構成する巻回筒部１２ａＢが、筒状に巻回されたコイル本体１３の内筒面に倣った形状を備えている。つまり、巻回筒部１２ａＢの外筒面には、半円溝が螺旋状に形成されている。

これによって、前述の実施形態、および第１の別態様で得られる作用効果に加え、巻回途中、および巻回後から通電加熱までの間における巻線１４の弛みやズレを抑制することができる。

Ｃ 回転電機用コイル
１１ コア部材（ステータコア）
１２ インシュレータ
１４ 巻線
１４ｃ 融着層
１０１ 回転電機

Claims (5)

1. コア部材の周囲を囲む筒形状を有するインシュレータと、
   該インシュレータの外周に筒状に巻回される巻線と、
   を備え、
   該巻線は、
   熱硬化樹脂からなる融着層を表面に具備し、
   該インシュレータに巻回した後に、通電によるジュール熱によって、該融着層が硬化し、隣接する該巻線同士が固定された
   ことを特徴とする回転電機用コイル。
2. 前記巻線は、
   前記インシュレータに対する巻始め部分となる部位と、巻終わり部分となる部位の少なくともどちらか一方に、前記融着層を具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用コイル。
3. 前記インシュレータの外筒面が
   前記筒状に巻回された巻線の内筒面に倣った形状を備える
   ことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の回転電機用コイル。
4. 前記融着層は、
   回転電機が運用中に達する最高温度よりも低い温度で硬化する熱硬化樹脂からなる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転電機用コイル。
5. コア部材の周囲を囲む筒形状を有するインシュレータと、
   熱硬化樹脂からなる融着層を表面に具備し、該インシュレータの外周に筒状に巻回される巻線と、
   を備える回転電機用コイルの製造方法において、
   該巻線を該インシュレータに巻回する工程の後に、通電によるジュール熱によって、該融着層を硬化し、隣接する該巻線同士を固定する工程を備える
   ことを特徴とする回転電機用コイルの製造方法。

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