(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁被覆を備える線材の製造方法であって、
基礎絶縁被覆が設けられた線材材料の外周面の所定領域に、ポリイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、またはポリアミドイミド樹脂からなる絶縁性樹脂材料を上記基礎絶縁被覆に重ねて所定厚みで塗着した塗着層を設ける塗着層形成工程と、
プラズマ処理することによって上記塗着層の表面を硬化させる表面硬化層形成工程と、
加熱処理することによって上記塗着層の内部まで硬化させる熱硬化工程とを含む、線材の製造方法。
【請求項２】
上記線材が矩形断面を有するセグメントコイル用線材であり、
上記塗着層形成工程は、上記矩形断面の少なくとも１辺を含む側面の所定長さ範囲に上記絶縁性樹脂材料を塗着することにより行われる、請求項１に記載の線材の製造方法。
【請求項３】
上記プラズマ処理は、グロー放電による低温プラズマを用いて行われる、請求項１又は請求項２に記載の線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、線材の製造方法、線材、これを用いて形成されたコイル及びステータに関する。詳しくは、厚みが均一な絶縁被覆を備える線材の製造方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、電動機を構成するステータ等に用いるコイルは、銅等の導電性材料から形成された線材材料の外周面に、絶縁被覆を設けて形成される。従来、上記絶縁被覆は、熱硬化性樹脂材料を溶剤に溶解した液体を上記線材材料の外周面に塗着し、その後加熱処理することにより硬化させて形成されている。
【０００３】
上記線材材料の外周面に塗着されるとともに溶剤が消失した上記熱硬化性樹脂材料は、上記加熱処理により一旦軟化し、その後に硬化反応が進行して硬化させられて絶縁被覆となる。ところが、加熱処理により軟化した際に、表面張力や重力の影響が大きくなって上記熱硬化性樹脂が流動する。このため、厚みが大きい塗膜を硬化させようとすると、塗膜の厚みが一定であっても、上記厚みを維持したまま硬化させるのは困難である。したがって、均一な厚みを有する絶縁被覆を形成することができない。
【０００４】
特に、矩形状断面等を有する線材材料に所要厚みの絶縁被覆を設ける場合、図７に示すように、角部の塗着材料が隣接する辺部へ流動し、矩形断面の角部の絶縁被覆の厚みが薄くなる一方、各辺の上記角部近傍における絶縁被覆の厚みが厚くなり、矩形断面の周囲に均一な絶縁被覆を形成できないという問題がある。
【０００５】
従来、上記問題を回避するために、厚みの薄い塗着層を形成した後加熱して硬化させる工程を複数回繰り返すことにより、所要の厚みを有するとともに厚みが均一な絶縁被覆を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２８７５７６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
たとえば、近年、電動機等のコイルを用いた機器の分野においては、出力向上及び小型化が求められている。上記要請に応えるために、各コイルに大きな電流を流すとともに、大きな電圧を作用させることが考えられる。コイルは銅等の導電性を有する線材から形成される巻線を隣接して巻き回すことにより形成されるものであるため、隣接する巻線間の絶縁性を確保する必要がある。このため、コイル外周面には、絶縁被覆が所定の厚みで形成されている。
【０００８】
ところが、上述したように、一度の塗着工程において大きな厚みの絶縁被覆を形成しようとすると、均一な厚みの絶縁被覆を形成することができず、所要の絶縁性能を確保することができない。したがって、絶縁性能が高い大きな厚みを有するとともに、均一な厚みを有する絶縁被覆を形成するには、塗着工程−硬化工程の繰り返し数が多くなり、製造コストが増加するという問題が生じる。
【０００９】
また、電動機の出力向上及び小型化の要請に応えるためには、コイルの占積率を高める必要がある。占積率を高めるために、断面積の大きな線材材料をあらかじめ所要の形態に成形した複数のセグメントコイルをコアのスロットに装着し、上記スロットから延出するコイルエンド部の接続端部を溶接等することにより接続してコイルを構成する手法を採用することができる。上記セグメントコイルでは、コイル断面積を大きく設定することができるため大電流を流すことができるとともに、スロット内の占積率を大きく設定することが可能となり、電動機の出力を高めることができる。
【００１０】
一方、上記セグメントコイルに大きな電流が流されるため、コイルエンド部において異なる相に属するセグメントコイルが近接あるいは接触して配置される場合、コイル間の電圧が大きくなって部分放電が生じやすい。占積率を低下させることなく部分放電が生じやすいコイル間の絶縁性を確保するためには、コイルエンド部の部分放電が生じやすい外周面に厚みの大きな絶縁被覆を設けるのが効果的である。ところが、上記従来の手法では、コイルの外周面の一部の領域に大きな厚みを有する絶縁被覆を形成するのは非常に困難である。
【００１１】
本願発明は、上記従来の問題を解決し、膜厚が厚くしかも均一な絶縁被覆を、少ない工程で形成できるとともに、絶縁性を確保する必要がある所要の部位に厚みが均一な絶縁被覆を設けることができる線材の製造方法及び線材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の請求項１に記載した発明は、絶縁被覆を備える線材の製造方法であって、基礎絶縁被覆が設けられた線材材料の外周面の所定領域に、ポリイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、またはポリアミドイミド樹脂からなる絶縁性樹脂材料を上記基礎絶縁被覆に重ねて所定厚みで塗着した塗着層を設ける塗着層形成工程と、プラズマ処理することによって上記塗着層の表面を硬化させる表面硬化層形成工程と、加熱処理することによって上記塗着層の内部まで硬化させる熱硬化工程とを含んで構成される。
【００１３】
本願発明では、表面硬化層形成工程において、絶縁性樹脂材料を線材材料に塗着して形成された塗着層の表面をプラズマ処理によって硬化させる。その後、加熱処理を行うことにより、塗着層の全体を硬化させて絶縁被覆が形成される。
【００１４】
上記表面硬化層を形成した後に熱硬化工程が行われるため、熱硬化工程初期において軟化あるいは溶融した上記絶縁性樹脂材料が流動するのを防止できる。このため、塗着後の表面形態を保持したまま、塗着層の全体を硬化させることができる。これにより、熱硬化工程において、塗着層の厚みが変化することを防止することが可能となり、厚みの大きな塗着層を形成した場合であっても、均一な厚みを有する塗着層を形成することができる。しかも、一度の塗着層形成工程及び熱硬化工程によって、厚みの大きな絶縁被覆を形成することが可能となり、製造工程及び製造コストを大幅に削減することが可能となる。
【００１５】
対象となる線材の種類や形態は特に限定されることはない。円形断面を有する線材のみならず、矩形断面等を有する線材の絶縁被覆を、均一な厚みで形成することが可能となる。
【００１６】
本願発明に係る絶縁被覆は、線材の外周面の全体に形成することもできるし、一部の領域に形成することもできる。本願発明を採用することにより、塗着層の表面を覆うように上記硬化層が形成され、表面形態を保持したまま塗着層の全体を硬化させることができるため、コイルの一部の領域に、厚みが大きくかつ均一な絶縁被覆層を形成することが可能となる。
【００１７】
たとえば、請求項２に記載した発明のように、上記線材が矩形断面を有するセグメントコイル用線材であり、上記塗着層形成工程を、上記矩形断面の少なくとも１辺を含む側面の所定長さ範囲に上記絶縁性樹脂材料を塗着することにより行
うことができる。
【００１８】
上記製造方法を採用することにより、コアのスロットから延出するとともに、電位差の大きなセグメントコイル同士が対接あるいは近接する部分に厚みの大きな絶縁被覆を形成し、これら部位における部分放電を効果的に防止することが可能となる。なお、上記絶縁被覆を設ける部位は、隣接して配置されるセグメントコイルに応じて、矩形断面の１辺を含む側面の所定長さ範囲に形成することもできるし、矩形断面の全周を覆う絶縁被覆を所定長さにわたって形成することもできる。
【００２０】
本願発明に係る上記表面硬化層工程を行うためのプラズマ処理は、塗着層の少なくとも表面部分の架橋反応を促進して硬化させることができるものであれば特に限定されることはない。たとえば、請求項３に記載した発明のように、上記プラズマ処理を、グロー放電による低温プラズマを用いて行うことができる。
【００２１】
低温プラズマ処理は、作用温度が低いため、耐熱性の低い樹脂に対して適用することができるとともに軟化することもほとんどないため、塗着層の表面に所要の硬化層を形成することができる。また、低温プラズマ処理を施した塗着層の表面は、有機薄膜が高度に架橋した構造を有しているため、絶縁被覆の耐熱性や耐摩耗性等の機械的特性が高まるという効果も期待できる。
【００２２】
上記グロー放電による低温プラズマ処理は、周波数１〜１３．５６ＭＨｚ、圧力１０〜１００Ｐａ、出力１０〜１００Ｗ、ガス流量５〜１００ｍｌ／ｍｉｎ、時間１０〜１００秒で実施することができる。さらに、周波数１０〜１３．５６ＭＨｚ、圧力３０〜５０Ｐａ、出力４０〜６０Ｗ、ガス流量１０〜３０ｍｌ／ｍｉｎ、時間３０〜６０秒で実施するのがより好ましい。
【００２９】
本願発明に係る線材を用いて種々のコイルを形成できる。また、上記コイルを、モータ用ステータのみならず、発電用ステータ等の種々のステータに適用することができる。
【発明の効果】
【００３０】
厚みが大きく、かつ均一な厚みの絶縁被覆を備える線材を安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本願発明に係る線材から形成されたコイルを装着したステータの一例を示す部分斜視図である。
【図２】図１に示すコイルの要部の正面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図３の要部の拡大断面図である。
【図５】図２に示すコイルの断面における絶縁被覆層の各部の厚み、及び平均厚みとの差を示す図である。
【図６】本願発明の第２の実施形態に係るコイルの断面を示す図である。
【図７】従来の手法によって形成したコイル断面の特徴を模式的に示す断面図である。
【図８】従来の手法によって形成したコイル断面における絶縁被覆の各部の厚み、及び平均厚みとの差を示す図であり、図５に相当する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。なお、本実施形態は、本願発明を、矩形断面を有する線材に適用し、この線材を用いてセグメントコイルを形成したものである。
【００３３】
図１は、本願発明に係るセグメントコイル１を環状コア３に装着して構成されるステータ２の要部の斜視図である。
【００３４】
上記環状コア３は磁性材料から形成された厚肉環状構造を備えており、内周部に軸方向に貫通するとともに内周面に開口するスロット４が所定間隔で形成されている。なお、図１では、理解を容易にするため、スロット４の一部にセグメントコイル１の一部を装着した状態を示している。
【００３５】
上記スロット４は、セグメントコイル１の幅にほぼ対応して形成されており、たとえば、図２に示すような形成を備えるセグメントコイル１の直線部１ｂを上記スロット４に収容することにより、複数のセグメントコイル１がコア３に装着される。
【００３６】
上記コア３を構成する材料は特に限定されることはない。たとえば、磁性粉体を圧粉成形して形成されたコアや、磁性鋼板を積層して形成されるコアを採用することができる。
【００３７】
たとえば、３相誘導電動機においては、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相にグループ分けされたそれぞれ複数のセグメントコイルが、上記スロット４に所定間隔で組み付けられる。
【００３８】
図２に示すように、各セグメントコイル１は、上記スロット４に収容される一対の直線部１ｂと、上記スロット４の軸方向両端部から延出させられるとともに山形形状を備える一対のコイルエンド部１ａ，１ｃとを備えて構成される。一方のコイルエンド部１ｃには、絶縁被覆を除去することにより、同相のセグメントコイルとの接続を行うための接続部５ａ，５ｂが設けられている。なお、ステータの半径方向最内側と最外側に配置されるセグメントコイルのコイルエンド部１ｃは、異なるスロットに収容された同相のセグメントコイルに接続されるため、図２に示す形態とは異なる所要のパターンで曲折されるとともに、隣接するセグメントコイルとの接続を行う接続部が設けられている。
【００３９】
本実施形態に係るセグメントコイル１は、銅等の導電性金属から形成されるとともに矩形断面を有する線材材料９を、所要の形態に曲げ加工することにより形成される。上記接続部５ａ，５ｂを除く外周の全域には、基礎絶縁被覆１０が形成されている。上記基礎絶縁被覆１０によって、スロット４内で隣接する同相のセグメントコイルや環状コア３との間の絶縁性を確保できるように構成されている。上記基礎絶縁被覆１０は、厚みが５μｍ〜２５μｍのポリイミド樹脂から形成されている。上記基礎絶縁被覆１０は、既知の従来手法によって形成されているとともに、上記基礎絶縁被覆１０を形成した後に、曲げ加工が施されている。
【００４０】
上記形態のステータ２においては、コイルエンド部１ａ，１ｃにおいて異なる相に属するコイルと接触あるいは近接させられる。このため、これら部分のコイル間において部分放電が生じやすい。
【００４１】
本実施形態では、上記部分放電が生じやすい領域に、付加絶縁被覆１１を形成している。図３に示すように、上記付加絶縁被覆１１は、上記基礎絶縁被覆１０に重ねるようにして厚みの大きな絶縁性樹脂からなる絶縁被覆を設けて構成されている。
【００４２】
上記付加絶縁被覆１１は、次のようにして形成される。
【００４３】
上記基礎絶縁被覆１０が形成され、所定形態に曲げ加工されたセグメントコイル用線材のコイルエンド部１ａ，１ｃの所定部位に、絶縁性樹脂材料を塗着した塗着層１１ａが形成される。本実施形態に係るセグメントコイル１では、上記基礎絶縁被覆１０に重ねて８０μｍ〜１００μｍの厚みの塗着層１１ａが所定長さにわたって形成される。
【００４４】
上記絶縁性樹脂材料として、種々の熱硬化性樹脂を採用することができる。たとえば、基礎絶縁被覆１０と同じポリイミド樹脂を採用することができる。また、付加絶縁被覆１１には曲げ加工が施されないため、破断伸び率が小さい安価な絶縁性樹脂材料を採用することができる。たとえば、上記ポリイミド樹脂の他に、ポリエステルイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を採用することができる。
【００４５】
本実施形態では、上記絶縁性樹脂材料を溶剤に溶かして上記塗着層を形成できる粘度等に調整したワニスを、上記基礎絶縁被覆の上に重ね塗りして上記塗着層１１ａを形成する塗着層形成工程が行われる。上記塗着層形成工程は、種々の手法によって行うことができる。たとえば、付加絶縁被覆１１を形成しない領域に、テープ材料等によってマスキングを施しておき、マスキングを施していない表面領域に上記ワニスを塗着することができる。
【００４６】
次に、上記塗着層１１ａを設けたセグメントコイル１に、プラズマ処理を施す。本実施形態に係るプラズマ処理は、グロー放電によって得られる低温プラズマを利用し、ＨｅガスやＡｒガスを用いて行われる。たとえば、周波数１３．５６ＭＨｚ、圧力４０Ｐａ、出力５０Ｗ、ガス流量２０ｍｌ／ｍｉｎ、時間４０秒で実施することができる。
【００４７】
本実施形態では、上述したように、ＨｅやＡｒのガス環境下において、プラズマ処理を行うように構成したが、Ｏ2ガスやＮ2ガス環境下でプラズマ処理を行うこともできる。Ｏ2ガスやＮ2ガス環境下でプラズマ処理を行うことにより、表面に親水性や接着性を付加することが可能となる。表面に親水性や接着性をもたせることにより、たとえば、コイルエンド部を樹脂材料中に埋め込む場合等に、樹脂材料等との接着性を向上させることができる。
【００４８】
上記塗着層１１ａにプラズマ処理を施すと、図４に示すように、上記塗着層１１ａの少なくとも表面部分の架橋反応が促進されて表面硬化層１２ａが形成される。上記プラズマ処理は、低温で処理が行われるため、上記塗着層１１ａが軟化あるいは溶融することもなく、塗着層１１ａの表面形態を保持した状態で表面部分が硬化させられる。上記プラズマ処理によって形成される表面硬化層１２ａの厚みは特に限定されることはなく、次に説明する熱硬化工程において塗着層の内部が軟化した場合にも表面形態を保持できる厚みで形成されていればよい。たとえば、５０μｍ〜１５０μｍの厚みの表面硬化層を設けることができる。
【００４９】
次に、上記プラズマ処理を施したセグメントコイル１を所定温度で加熱処理することにより、上記塗着層１１ａの内部まで硬化させる熱硬化工程が行われる。
【００５０】
上記熱硬化工程は、採用した熱硬化性樹脂材料や塗着層１１ａの厚みに応じて、加熱温度及び加熱時間が設定される。本実施形態では、セグメントコイルの全体を２５０℃の温度で０．５時間加熱することにより、上記熱硬化工程が行われる。上記熱硬化工程を行うことにより、内部硬化層１２ｂが形成される。
【００５１】
本実施形態では、所定形状にあらかじめ切断して曲げ加工が施された線材を用いてセグメントコイル１を構成しているため、セグメントコイル１の全体を加熱炉に投入して均一に加熱することができる。このため、塗着層１１ａを確実に硬化させることができる。
【００５２】
本実施形態では、上記表面硬化層１２ａを形成した後に上記熱硬化工程が行われるため、熱硬化工程初期において軟化あるいは溶融した絶縁性樹脂材料が流動するのを防止できる。このため、塗着層形成後の表面形態を保持したまま、塗着層１１ａの全体を硬化させることができる。これにより、熱硬化工程において、塗着層１１ａの厚みが変化することを防止することが可能となり、厚みの大きな塗着層１１ａを形成した場合であっても、均一な厚みを有する付加絶縁被覆１１を形成することができる。しかも、一度の塗着層形成工程及び熱硬化工程によって、厚みの大きな付加絶縁被覆１１を形成することが可能となり、製造工程及び製造コストを大幅に削減することが可能となる。
【００５３】
また、低温プラズマ処理は、作用温度が低いため、耐熱性の低い樹脂に対して適用することができるとともに軟化することもほとんどないため、塗着層の表面に所要の硬化層を形成することができる。しかも、低温プラズマ処理を施した塗着層の表面は、プラズマ処理に加えて加熱処理も施されるため、有機薄膜が高度に架橋された構造を有している。このため、重合度、硬度、密度等が大きな表面硬化層が形成され、付加絶縁被覆表面の耐熱性や耐摩耗性等の機械的特性が高まるという効果も期待できる。
【００５４】
図５に、本願発明に係る上記コイル製造方法によって形成されたコイル１における付加絶縁被覆１１の各部の厚み、及び付加絶縁被覆１１の平均厚みに対する各部の厚みの差違を示す。図５に示す実施形態では、絶縁被覆の平均厚みが０．０９６ｍｍであるのに対して、角部(2)(6)(10)(14)の各部の厚みの差違は、−０．００６ｍｍ（平均厚みに対して−６．２％）から＋０．００５ｍｍ（平均厚みに対して＋５．２％）となっている。
【００５５】
図７は、従来の手法で形成されたコイルにおける付加絶縁被覆２１１の厚みの各部変化を模式的に示した図である。また、図８は、従来の手法で形成された付加絶縁被覆２１１の各部の厚み、及び付加絶縁被覆２１１の平均厚みに対する各部の厚みの差違を示すものであり、図５に対応する図である。従来の手法では、付加絶縁被覆２１１の平均厚みが０．０８９ｍｍであるのに対して、角部(2)(6)(10)(14)の各部の厚みの差違は、−０．０１６ｍｍ（平均厚みに対して−１８％）から−０．０１２ｍｍ（平均厚みに対して−１３％）となっている。したがって、本願発明に係る製造方法によって形成されたセグメントコイル１の付加絶縁被覆１１は、従来の手法によって形成された付加絶縁被覆２１１の厚みに比べて、均一性が非常に高い。このため、本願発明に係る製造方法によって、信頼性の高い絶縁被覆を形成することができる。
【００５６】
上述した実施形態においては、付加絶縁被覆１１をセグメントコイル１の所定長さ範囲において、基礎絶縁被覆１０の全周に重ねるようにして設けたが、上記矩形断面の少なくとも１辺を含む側面の所定長さ範囲に上記絶縁被覆層を形成することができる。たとえば、図６に示すように、矩形断面の１辺を含む側面にのみ上記付加絶縁被覆１１１を形成することができる。この場合においても、上記プラズマ処理による表面硬化層形成工程を行うことにより、絶縁性樹脂材料から形成された塗着層１１１ａの表面を硬化させてから熱硬化工程を行うことができるため、第１の実施形態と同様に、厚みが均一な付加絶縁被覆１１１を形成することができる。
【００５７】
また、上述した実施形態では、基礎絶縁被覆１０の上に重ねて上記付加絶縁被覆１１を設けたが、上記基礎絶縁被覆１０が設けられていない線材材料に直接厚みの大きな絶縁被覆層を形成することもできる。
【００５８】
さらに、本実施形態においては、本願発明を、矩形断面を有する線材から形成されセグメントコイルに適用したが、線材の断面形態やコイル形態は特に限定されることはなく、たとえば、連続した円形断面を備える線材から形成されたコイルに本願発明に係る絶縁被覆を形成することができる。また、コイル用線材のみならず、種々の用途に用いられる絶縁被覆線材に本願発明を適用できる。
【００５９】
本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
膜厚が厚くしかも均一な絶縁被覆を、少ない工程で形成できるとともに、絶縁性を確保する必要がある所要の部位に厚みが均一な絶縁被覆を設けることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１    セグメントコイル（線材）
２    ステータ
９    線材材料
１１ａ  塗着層
１２ａ  表面硬化層
１２ｂ  内部硬化層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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