(57)【要約】【課題】コイルの占積率を低下させることなく、コイルとステータコアとの間のエアギャップの発生を効果的に解消することのできるステータおよびその製造方法とモータを提供する。【解決手段】コイル３とティースとの間には自己融着層２を少なくとも一側面に備えたスロット絶縁紙１０が該自己融着層２をコイル側に向けた姿勢で介装されており、この自己融着層２がコイル３に融着してステータが構成される。このステータが分布巻きステータの場合には、さらに自己融着層２，２を両側面に備えた相間絶縁紙２０が異相コイル間に介装され、自己融着層２，２がコイルに融着している。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えたステータコアと、ティース周りに形成されるコイルと、からなるステータにおいて、
前記コイルと前記ティースとの間には自己融着層を少なくとも一側面に備えたスロット絶縁紙が該自己融着層をコイル側に向けた姿勢で介装されており、
前記自己融着層がコイルに融着していることを特徴とするステータ。
【請求項２】
前記コイルは分布巻きされる多相コイルであり、
コイルエンドにおけるＵ相コイルとＶ相コイルの間およびＶ相コイルとＷ相コイルの間には、それぞれ自己融着層を両側面に備えた相間絶縁紙が介装されており、
前記自己融着層がコイルに融着していることを特徴とする請求項１に記載のステータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のステータと、その内部で回転するロータと、を少なくとも具備するモータ。
【請求項４】
コイルを集中巻きしてなるステータの製造方法であって、
自己融着層を少なくとも一側面に備えたスロット絶縁紙を用意する工程と、
ステータコアを製造する工程と、
前記スロット絶縁紙がその自己融着層をスロット壁面と反対側に向けられた姿勢でスロット内に配設される工程と、
各ティース周りにコイルを形成する工程と、
コイルが形成されたステータコアを加熱処理して前記スロット絶縁紙をコイルに融着させる工程と、を少なくとも具備するステータの製造方法。
【請求項５】
コイルを分布巻きしてなるステータの製造方法であって、
自己融着層を少なくとも一側面に備えたスロット絶縁紙と、自己融着層を両側面に備えた相間絶縁紙とを用意する工程と、
ステータコアを製造する工程と、
前記スロット絶縁紙がその自己融着層をスロット壁面と反対側に向けられた姿勢でスロット内に配設される工程と、
Ｕ相コイルを分布巻きして前記相間絶縁紙をコイルエンドに配設し、次いでＶ相コイルを分布巻きして別途の前記相間絶縁紙をコイルエンドに配設し、次いでＷ相コイルを分布巻きする工程と、
コイルが形成されたステータコアを加熱処理して前記スロット絶縁紙および前記相間絶縁紙をコイルに融着させる工程と、を少なくとも具備するステータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータおよびその製造方法とモータに係り、特に、絶縁紙とコイルとの間のエアギャップによって電界集中が齎され、絶縁性が低下することを防止できるステータおよびその製造方法と、該ステータを具備するモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータ（電動機）を構成するステータは、円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットとを備えた鋼板が積層されてなるステータコアから形成されており、コイルがこのスロット内に挿入されながら、ティース間に巻装されることによってステータが製造される。ここで、コイルの巻装形態には、集中巻き方式と分布巻き方式があり、集中巻き方式とはティースごとにコイルが巻装される形態であり、分布巻き方式とは複数のティースに跨ってコイルが巻装される形態である。
【０００３】
集中巻き方式によれば、ティースごとにコイルが巻装されることから、ステータコア端部からのコイルエンドの突出長を相対的に短くすることができ、したがって、電動機の小型化を図り易いという利点がある。また、スロット断面に対するコイル断面の比からなる占積率を高め易く、生産効率も高いという利点もある。一方、分布巻き方式によれば、リラクタンストルクが相対的に大きくなり、さらには、ロータ駆動時の発熱量も少ないため、電動機の出力性能（ロータの回転性能やトルク性能）が高くなる。
【０００４】
いずれの巻き線方式においても、スロット壁面とコイルとの間の絶縁性を確保する観点からそれらの間にはスロット絶縁紙が介装され、分布巻き方式の場合にはさらに、コイルエンドにおける異相コイル間の絶縁のための相間絶縁紙が介装されている。絶縁紙とコイルが形成された後に、コイルエンドからワニスをコイル内に含浸させ、ワニスの硬化によってステータコアとコイルの間および異相コイル間の絶縁が確保される。このワニスの含浸は、コイルの封止のみならず、絶縁性の確保、コイル間の隙間をワニスで満たすことでコイルからの放熱を促進するといった目的を有している。
【０００５】
ところで、コイルの占積率を高めるために巻線密度を高くするに従い、コイルエンドの異相コイル間やスロット壁面とコイルとの間にワニスが含浸し難くなり、コイルの占積率が高くなるに従ってかかる含浸困難性は一層高くなる。これを図１０，１１に基づいて説明する。図１０は、分布巻きステータのコイルエンドにおいて、Ｕ相コイルＱ１およびＶ相コイルＱ２とそれらの間に介装された相間絶縁紙Ｐ１との間にエアギャップＡが生じている状況を説明している。ここで、各コイル間にはワニスＷが含浸されている一方で、各コイルＱ１，Ｑ２と相間絶縁紙Ｐ１との間にはワニスＷが含浸されない結果、エアギャップＡが生じることになる。
【０００６】
一方、図１１は集中巻きステータおよび分布巻きステータ双方に共通するものであり、スロットＲ内に配設されたスロット絶縁紙Ｐ２とコイルＱとの間にやはりエアギャップＡが生じている状況を説明している。スロットＲ内においても、コイル間にはワニスＷが含浸されるものの、スロット壁面とコイルＱとの間には、コイルの占積率が高まるに従ってワニスが含浸し難くなり、コイルエンドと同様にエアギャップが生じ易くなる。
【０００７】
ワニスの含浸が不十分な場合には、上記する絶縁性の確保や放熱の促進といった効果が十分に得られないこととなり、ワニスが未含浸のエアギャップ部には電界集中が起きて絶縁性が厳しい部位が発生することになる。さらに、このエアギャップ部ではワニス含浸部位に比してその放熱性が顕著に低下する。
【０００８】
ところで、特許文献１には、電動機のコイル用電線にかかる技術が開示されており、具体的には、導体の表面にポリエステルからなる絶縁被膜を形成し、さらにその外側に無機充填剤を含有した融着被膜が形成されている。この融着被膜により、電線の放熱性を向上させることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１５７７２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１の電線を電動機のコイルに使用し、この融着被膜にて電線同士を融着させることで、エアギャップの発生を抑制することも可能であるが、電線がかかる構成であることから電線に占める導体部の断面が低減し、コイルの占積率が大幅に低下することになる。さらに、多重に巻装される電線をかかる構成にて製作するために製作コストが高騰することは必至であり、上記コイルとステータコアとの間のエアギャップもしくはコイルエンドの異相コイル間のエアギャップを解消する方策としては現実的でない。
【００１１】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、廉価な製作コストで、コイルの占積率を低下させることなく、コイルとステータコアとの間のエアギャップの発生を効果的に解消することのできるステータとその製造方法、及び該ステータを具備するモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明によるステータは、円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出する複数のティースと、隣接するティース間に形成されるスロットと、を備えたステータコアと、ティース周りに形成されるコイルと、からなるステータにおいて、前記コイルと前記ティースとの間には自己融着層を少なくとも一側面に備えたスロット絶縁紙が該自己融着層をコイル側に向けた姿勢で介装されており、前記自己融着層がコイルに融着していることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明のステータは、スロット絶縁紙がスロット内に配設されて、このスロット絶縁紙によって導線からなるコイルとステータコアのスロット壁面との絶縁性が確保される集中巻き形式のステータを対象としている。
【００１４】
ここで、使用されるスロット絶縁紙は、ポリエチレンテレナフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）をはじめとする絶縁性能を有するポリマー素材の紙片の少なくとも一側面に、例えば高耐熱性の樹脂素材からなる自己融着層が形成された絶縁紙が使用される。
【００１５】
この自己融着層としては、例えば、ナイロン６、ナイロン６−６、ナイロン６−１０などのポリアミド樹脂から成形することができる。
【００１６】
本発明のステータも、コイル形成後に該コイル内にワニスを含浸させるものであるが、自己融着層を加熱処理して融解させることで、コイル用の導線とスロット絶縁紙との間に生じるワニスが未含浸なエアギャップ部に融解した自己融着層が表面張力によって含浸していき、このエアギャップ部を埋め尽くすことになる。最後にステータをクーリングすることで融着層が固まり、コイルと絶縁紙との間にエアギャップのないステータを製造することができる。また、絶縁紙に自己融着層を設ける構成とすることで、コイルの占積率を低下させることはなく、さらには、導線に自己融着層を形成する場合に比してその製作コストは格段に安価なものとなる。
【００１７】
また、本発明によるステータの他の実施の形態において、前記コイルは分布巻きされる多相コイルであり、コイルエンドにおけるＵ相コイルとＶ相コイルの間およびＶ相コイルとＷ相コイルの間には、それぞれ自己融着層を両側面に備えた相間絶縁紙が介装されており、前記自己融着層がコイルに融着していることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明のステータは、Ｕ相コイルとＶ相コイル、およびＷ相コイルを具備する分布巻き形式のステータを対象としており、この分布巻きステータの場合には、上記スロット絶縁紙のほかに、コイルエンドにおける異相コイル間の絶縁を図るための相間絶縁紙が介装されている。
【００１９】
そこで、Ｕ相コイルとＶ相コイルの間およびＶ相コイルとＷ相コイルの間に介装させる相間絶縁紙として、上記ポリマー素材の紙片の両側面に自己融着層を備えた相間絶縁紙を使用する。この相間絶縁紙の自己融着層も上記する高耐熱性の樹脂素材から成形でき、加熱処理することで各相コイルと相間絶縁紙の間に生じるエアギャップを該自己融着層で埋め尽くすことができる。
【００２０】
上記する集中巻き形式のステータまたは分布巻き形式のステータを具備するモータ（電動機）を製作することで、高い放熱性と、高い絶縁安全性を備えたモータを得ることができる。この絶縁安全性とは、電界集中の発生が解消されることで絶縁的に厳しい部位の発生を防止できる結果、モータの絶縁破壊の発生確率が低くなることを意味している。また、電界集中部位が生じないことで、より高い電界をコイルに印加することができるようになり、絶縁性を確保しながらより大きなモータ出力の実現を図ることができる。かかる高性能モータは、ハイブリッド自動車用の次世代型ＳＲモータ等への適用は勿論のこと、各種家電製品や模型遊具等に使用されるモータなど、その用途は多岐に亘る。
【００２１】
また、本発明によるステータの製造方法は、コイルを集中巻きしてなるステータの製造方法であって、自己融着層を少なくとも一側面に備えたスロット絶縁紙を用意する工程と、ステータコアを製造する工程と、前記スロット絶縁紙がその自己融着層をスロット壁面と反対側に向けられた姿勢でスロット内に配設される工程と、各ティース周りにコイルを形成する工程と、コイルが形成されたステータコアを加熱処理して前記スロット絶縁紙をコイルに融着させる工程と、を少なくとも具備するものである。
【００２２】
上記製造方法は、コイル形成後にコイルエンドからワニスを含浸させ、その後に加熱処理を施すものであるが、ワニス含浸に先行して加熱処理を施し、自己融着層を融解させる方法であってもよいし、ワニス含浸後の加熱処理段階で自己融着層を融解させる方法であってもよい。なお、この加熱処理は、通電加熱、炉加熱のいずれの方法であってもよく、自己融着層の融点以上でステータコアを熱劣化させない温度雰囲気にて実行されることが望ましい。
【００２３】
さらに、本発明によるステータの製造方法は、コイルを分布巻きしてなるステータの製造方法であって、自己融着層を少なくとも一側面に備えたスロット絶縁紙と、自己融着層を両側面に備えた相間絶縁紙とを用意する工程と、ステータコアを製造する工程と、前記スロット絶縁紙がその自己融着層をスロット壁面と反対側に向けられた姿勢でスロット内に配設される工程と、Ｕ相コイルを分布巻きして前記相間絶縁紙をコイルエンドに配設し、次いでＶ相コイルを分布巻きして別途の前記相間絶縁紙をコイルエンドに配設し、次いでＷ相コイルを分布巻きする工程と、コイルが形成されたステータコアを加熱処理して前記スロット絶縁紙および前記相間絶縁紙をコイルに融着させる工程と、を少なくとも具備するものである。
【００２４】
分布巻きコイルの場合には、コイルエンドをレーシングし、その後にワニス含浸処理をおこなうものであるが、このレーシングに先行して加熱処理をおこなって自己融着層を融解させる方法であってもよいし、ワニス含浸処理後の加熱処理段階で自己融着層を融解させる方法であってもよい。
【発明の効果】
【００２５】
以上の説明から理解できるように、本発明のステータと該ステータを具備するモータによれば、低コストでかつコイルの占積率を低下させることなく、コイルと絶縁紙との間のエアギャップの発生を解消することができ、放熱性と絶縁性に優れたステータおよびモータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のスロット絶縁紙の一実施の形態の斜視図であり、図２は本発明の相間絶縁紙の一実施の形態の斜視図である。図３ａはスロット絶縁紙の自己融着層が融解する前の状況を示した断面図であり、図３ｂはスロット絶縁紙の自己融着層が融解している状況を示した断面図である。図４は本発明の分布巻きステータの斜視図であり、図５は図４のＶ部の拡大図であり、図６は図５のコイルエンド内部の断面図である。図７は図４のＶＩＩ部の拡大図であり、図８は図７のスロット内部の断面図である。図９は、電界集中の有無に関するシミュレーション解析結果画像を模擬した図であり、図９ａは従来の絶縁紙を使用したケースに関する結果であり、図９ｂは本発明の絶縁紙を使用したケースに関する結果である。なお、絶縁紙の形状は図示する実施の形態に限定されるものでないことは勿論のことであり、少なくとも紙片とその一側面または両側面に自己融着層を備えた絶縁紙であればその形状は任意である。
【００２７】
図１は、スロット絶縁紙の一実施の形態を示したものである。このスロット絶縁紙１０は、ポリエチレンテレナフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）をはじめとする絶縁性能を有するポリマー素材の紙片１と、その一側面において、ナイロン６、ナイロン６−６、ナイロン６−１０などのポリアミド樹脂をはじめとする高耐熱性の樹脂素材からなる自己融着層２が固着されて形成される。
【００２８】
このスロット絶縁紙１０は、不図示のステータのスロット内に自己融着層２をスロット壁面と反対側（コイル側）に向けた姿勢で配設される。
【００２９】
一方、図２は、相間絶縁紙の一実施の形態を示したものである。この相間絶縁紙２０は、スロット絶縁紙１０と同素材の紙片１と、その両側面に上記素材の自己融着層２，２を固着したものであり、分布巻きステータのＵ相コイルとＶ相コイルの間およびＶ相コイルとＷ相コイルの間に介装される。
【００３０】
図３は、スロット絶縁紙１０を高温雰囲気下に置くことで、その自己融着層２が融解してコイル３（銅素材の導線３１とその外周のエナメル被膜３２から構成される）とスロット絶縁紙１０とが融着することを模擬したものであり、図３ａは自己融着層２の融解前の状況を示しており、図３ｂは自己融着層２が融解している状況を示している（図３ｂの矢印方向に自己融着層２が溶け出す）。溶け出して粘性が低下した自己融着層２は、紙片１とコイルの間を表面張力にて浸透していくこと、スロット絶縁紙１０がステータコアの高さ方向に亘って配設されていることから、融解した自己融着層２の未含浸部位の生じる可能性は極めて低い。
【００３１】
この自己融着層２の融解、すなわち、熱処理工程はワニス含浸処理工程の前後いずれであってもよい。
【００３２】
図４は、上記するスロット絶縁紙１０がスロット内に配設され、相間絶縁紙２０がコイルエンド４３のＵ相コイルとＶ相コイルの間およびＶ相コイルとＷ相コイルの間に配設され、加熱処理を経てそれぞれの自己融着層２がコイルと融着している分布巻きステータ１００を示している。
【００３３】
図５はコイルエンドの拡大図であり、図６はその内部の拡大断面図である。図６を図１０と比較して説明すると、図１０にて生じていたエアギャップＡに相間絶縁紙２０の融解した自己融着層２が含浸することで、Ｕ相コイル３ＡおよびＶ相コイル３Ｂと紙片１との間にエアギャップは存在しない。なお、導線３Ａ，…、３Ｂ，…間にはワニス５が含浸されている。したがって、コイル間およびコイルと絶縁紙間にエアギャップは存在せず、相間絶縁性の高いステータが形成されている。
【００３４】
一方、図７はスロット内の拡大図であり、図８はその内部の拡大断面図である。図８を図１１と比較して説明すると、図１１に生じていたエアギャップＡにスロット絶縁紙１０の融解した自己融着層２が含浸し、図８に示すようにコイル３と紙片１との間にエアギャップは存在しない。また、導線３，３間にはコイルエンドと同様にワニス５が含浸しており、したがってステータコアとコイルとの間の高い絶縁性が確保されている。
【００３５】
導線の外周に自己融着層を形成する場合に比して、絶縁紙の一側面もしくは両側面に自己融着層を形成するスロット絶縁紙１０や相間絶縁紙２０を使用する場合は、コイルの占積率が低下することがない。また、絶縁紙とコイルとの間に生じ得るエアギャップを解消するに際し、想定されるエアギャップ断面を満たす量の自己融着層を絶縁紙の側面に形成しておくことで、かかるエアギャップをより確実に解消することができる。したがって、本発明のスロット絶縁紙および相間絶縁紙が適用されたステータを製造することで、コイルの占積率を低下させることなく、絶縁性能と放熱性能に優れたステータを得ることが可能となる。
【００３６】
[電界集中の有無に関するシミュレーション解析結果]
本発明者等は、本発明の絶縁紙を使用して絶縁紙（の紙片）とコイル導線とが融着した場合と、従来の絶縁紙を使用した場合とで電界集中の有無をシミュレーション解析した。その解析結果を示した画像を図９に模擬しており、図９ａは従来の絶縁紙を使用した場合を、図９ｂは自己融着層を有する本発明の絶縁紙を使用した場合を示している。
【００３７】
図９ａにおいて、Ｍ１は自己融着層のない従来の絶縁紙モデルであり、その両サイドにコイルモデルＭ２，Ｍ３が絶縁紙モデルＭ１と間隔（エアギャップ）を置いて配設されている。解析に際しての入力条件として、電位差を６５０Ｖ，導線径を０．８５ｍｍ、エナメル幅を０．０３５ｍｍ、絶縁紙の厚みを０．１２５ｍｍ、比誘電率に関し、自己融着層を３、エアを１、コイルを０、エナメルおよび絶縁紙を４とした。
【００３８】
解析の結果、エアギャップ領域（Ｖ１，Ｖ２領域）で７〜９．５×１０６（Ｖ／ｍ）の電界分布となっており、Ｖ３領域，Ｖ４領域とエアギャップから離れるに従って電圧が低くなっていく。すなわち、このエアギャップにて電界集中が生じていると特定できる。
【００３９】
それに対し、自己融着層を介してコイルと絶縁紙（の紙片）とが融着している場合には（ここで、自己融着層を有する絶縁紙モデルはＭ１’である）、図９ｂに示すように、図９ａにてエアギャップが生じていた領域（図９ｂにおけるＶ３領域）における電界分布が５×１０６（Ｖ／ｍ）であり、その外側のＶ４領域の電界分布（３×１０６（Ｖ／ｍ））と同程度の電界レベルである。本解析結果より、自己融着層にて紙片とコイルとが融着し、エアギャップが存在しない場合には電界集中が生じないと特定することができる。なお、図９ａにおけるＶ３、Ｖ４領域の電界レベルは図９ｂのそれと同じである。
【００４０】
上記解析結果より、自己融着層を介して絶縁紙の紙片とコイルが融着し、エアギャップが解消されることで効果的に電界集中の発生を防止できることが判明した。
【００４１】
図示を省略するが、上記ステータ１００を具備するモータは、高耐久性能、高出力性能が要求されるハイブリッド自動車や電気自動車用の駆動モータに特に好適である。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のスロット絶縁紙の一実施の形態の斜視図である。
【図２】本発明の相間絶縁紙の一実施の形態の斜視図である。
【図３】（ａ）はスロット絶縁紙の自己融着層が融解する前の状況を示した断面図であり、（ｂ）はスロット絶縁紙の自己融着層が融解している状況を示した断面図である。
【図４】本発明の分布巻きステータの斜視図である。
【図５】図４のＶ部の拡大図である。
【図６】図５のコイルエンド内部の断面図である。
【図７】図４のＶＩＩ部の拡大図である。
【図８】図７のスロット内部の断面図である。
【図９】電界集中の有無に関するシミュレーション解析結果画像の模式図であり、（ａ）は従来の絶縁紙を使用したケースに関する結果であり、（ｂ）は本発明の絶縁紙を使用したケースに関する結果である。
【図１０】従来の分布巻きステータのコイルエンドにおけるＵ相コイルおよびＶ相コイルとその間に介装された相間絶縁紙を示した断面図である。
【図１１】従来のステータのスロット内におけるスロット壁面とスロット絶縁紙とを示した断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…紙片、２…自己融着層、３，３Ａ，３Ｂ…導線、３１…導線、３２…エナメル被膜、４…ステータコア、４１…ティース、４２…スロット、４３…コイルエンド、５…ワニス、１０…スロット絶縁紙、２０…相間絶縁紙、１００…分布巻きステータ
【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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【図９】
2008271661.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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