(57)【要約】【課題】  高電圧の回転電機に必要な絶縁の信頼性を維持したままで、巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機を提供する。【解決手段】  極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピースに、それぞれ電線を巻装して巻線を形成した複数の固定子分割体を、所定数環状に接合した固定子を有する回転電機であって、固定子ピースの少なくとも電線が巻装される面に、膜厚Dに対する表面の最大凹凸高さ率αが６０％以下の絶縁被覆を有する。【選択図】  図２
2012095484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピースに、それぞれ電線を巻装して巻線を形成した複数の固定子分割体を、所定数環状に接合した固定子を有する回転電機であって、上記固定子ピースの少なくとも上記電線が巻装される面に、膜厚Dに対する表面の最大凹凸高さ率αが６０％以下の絶縁被覆を有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
絶縁被覆のボイド含有率βは、２％以下であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
絶縁被覆の膜厚Dは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
【請求項４】
絶縁被覆は、固定子ピースの端面を覆うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機。
【請求項５】
絶縁被覆は、隣接する電線の対向する凹凸表面と空隙なく密接することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機。
【請求項６】
絶縁被覆は、固定子ピースに電線を巻装する時に生じる外力により変形可能な絶縁材料にて形成されていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
【請求項７】
絶縁被覆は、少なくとも、固定子ピースの電線が巻装される面と密接する第１の絶縁被覆と、上記電線と対向する第２の絶縁被覆とを有する多層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固定子ピースに電線を巻装した固定子分割体を所定数環状に接合した固定子を有する回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転電機においては、積層電磁鋼板からなる固定子ピースに一体成形したインシュレータにて対地絶縁層を設け、この対地絶縁層上にエナメル被覆された電線を巻装して固定子分割体を作成し、これを所定数接合することで環状の固定子を構成している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、別の従来の回転電機においては、板状部材を積層して構成された鉄心の表面に粉体塗装または電着塗装にて絶縁層を形成して、巻線を巻回している（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３３３８８号公報
【特許文献２】特開平９−１２１４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の回転電機の固定子では、固定子ピースと巻線との対地絶縁を一体成形したインシュレータにて確保しているため、インシュレータの厚み分、巻線が可能な空間が狭くなり、巻線の占積率が制限されるという問題があった。また、別の従来の回転電機では、粉体塗装または電着塗装にて鉄心に薄い絶縁被覆を形成できるが、近年の回転電機の高電圧化に対応可能なほど十分な耐電圧性能が確保できず、適用可能な範囲が低電圧の小形モータに限定されるという問題があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであって、高電圧の回転電機に必要な絶縁の信頼性を維持したままで、巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機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】
【０００７】
この発明に係る回転電機においては、極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピースに、それぞれ電線を巻装して巻線を形成した複数の固定子分割体を、所定数環状に接合した固定子を有する回転電機であって、固定子ピースの少なくとも電線が巻装される面に、膜厚Dに対する表面の最大凹凸高さ率αが６０％以下の絶縁被覆を有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明は、高電圧の回転電機に必要な絶縁の信頼性を維持したままで、固定子の巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る回転電機の一部を分解して概略を示した斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る回転電機の固定子の部分断面を示した斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る固定子分割体の構成を説明するための斜視図である。
【図４】図３（ｃ）の断面Ｓ１を示す断面図である。
【図５】図３（ｃ）の断面Ｓ２を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る絶縁被覆の絶縁耐圧と最大凹凸高さ率αとの関係を説明するための説明図である。
【図７】図５の拡大範囲Ａ１を示す拡大図であり、絶縁被覆の膜厚Dと最大凹凸高さRｙとの関係を説明するための説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係る絶縁被覆の絶縁耐圧とボイド含有率βとの関係を説明するための説明図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る絶縁被覆の絶縁耐圧と膜厚Dとの関係を説明するための説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係る絶縁被覆を設けた固定子ピースを示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係る固定子分割体における図３（ｃ）の断面Ｓ１に相当する部分の断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態４に係る固定子分割体における図３（ｃ）の断面Ｓ１に相当する部分の断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態４に係る固定子分割体における図３（ｂ）の断面Ｓ３に相当する部分の断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態４に係る固定子分割体の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機１の一部を分解して概略を示した斜視図である。図１において、固定子２は回転子３を取り囲むように筐体４に保持されている。回転子３は回転軸５と一体に構成され、回転軸５は軸受６にて回動自在に保持されている。
【００１１】
図２は、この発明の実施の形態１に係る回転電機１の固定子２の部分断面を示した斜視図である。同図では、極歯単位で円周方向に分割され電磁鋼板を積層した固定子ピース７に、それぞれ電線８を巻装して巻線９が形成された複数の固定子分割体１０を、所定数環状に接合した固定子２を示しており、固定子分割体１０の内部構造が分かるように部分断面をとっている。なお、隣り合う固定子分割体１０の巻線９はそれぞれ異なる相となるので、相間の絶縁を確保するため絶縁板１１が挿入されている。
【００１２】
図３は、この発明の実施の形態１に係る固定子分割体１０の構成を説明するための斜視図である。図３（ａ）に示すように、固定子分割体１０を構成する固定子ピース７は、略Ｔ状に打ち抜いた電磁鋼板を積み上げることにより作られており、巻き溝１２を有している。図３（ｂ）に示すように、この巻き溝１２は、絶縁層となる絶縁被覆１３にて覆われている。図３（ｃ）に示すように、この絶縁被覆１３に覆われた巻き溝１２に電線８を巻装して巻線９が形成され、固定子分割体１０が構成されている。なお、絶縁被覆１３は、固定子ピース７と巻線９との絶縁を確保すると共に、張力をかけて巻装される電線８の破損防止の役割を担っているが、一般に固定子ピース７は対地電位となるので、絶縁被覆１３は巻線９と対地の絶縁を担うことになる。
【００１３】
図４は、図３（ｃ）の断面Ｓ１を図中の白塗り矢印の方向から見た断面図である。同図において、電線８は、導線８ａに電線用被覆８ｂ、例えばエナメル被覆を施した被覆電線であり、固定子ピース７の中心軸側から順次巻装されて固定子分割体１０が作成される。
【００１４】
図５は、図３（ｃ）の断面Ｓ２を図中の黒塗り矢印の方向から見た断面図である。薄い電磁鋼板を積層して作られた固定子ピース７の巻き溝１２を構成する面には、電磁鋼板を積層することで生じる凹凸を有する積層面１２ａと、端部に位置する電磁鋼板の平坦な主面１２ｂとがある。このうち積層面１２ａの絶縁耐圧は、上記凹凸による電界集中により平坦な主面１２ｂよりも低下する。固定子ピース７に巻装された電線８の内、巻き溝１２を構成する面１２ａ、１２ｂと対向する電線８に対しては、通常の運転状態で印加される電圧のみならずサージなどの高電圧で地絡しないように絶縁設計を行う必要がある。特に電磁鋼板の積層面１２ａでは、上述の電界集中の影響を考慮した絶縁設計が必要となる。また、電線用被覆８ｂには、製造時の不具合や、巻装時の外力の剥離、亀裂などによりピンホールが生じる可能性があるので、絶縁被覆１３には十分な絶縁性能を持たすことが好ましい。
【００１５】
絶縁被覆１３は、樹脂を主成分とした絶縁材料、例えば、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）など、熱硬化性もしくは熱可塑性の樹脂を、適切な条件で粉体塗装または電着塗装を用いて形成した絶縁膜である。この絶縁被覆１３の形成は、電線８を巻装して固定子分割体１０を作成する工程の前に、電線８が巻装される固定子ピース表面におこなわれるので、環境の制約を受けず塗布処理ができ、塗布条件を最適化することでピンホールが無く且つボイドの含有を抑制した安定な膜質が得られる。
【００１６】
以下、エポキシを用いて粉体塗装にて絶縁被覆１３を形成する場合の一例について、さらに具体的に説明するが、本発明は以下の形態に限定されるものではない。
【００１７】
粉体塗装に用いる粉体塗料は、エポキシ樹脂、硬化剤および所望により用いられる硬化促進剤、充填剤、顔料、タレ防止材、レベリング材などの成分から構成される。エポキシ樹脂組成物に用いられるエポキシ樹脂としては、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型又はクレゾールノボラック型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのものは単独もしくは２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００１８】
また、エポキシ樹脂組成物に用いられる硬化剤としては、エポキシ樹脂組成物に従来から用いられている硬化剤、例えば酸無水物、イミダゾール類、フェノール系化合物、アミド類等が挙げられる。中でもイミダゾール類が保存安定性と反応性とのバランスに優れるので好ましい。
【００１９】
エポキシ樹脂と硬化剤との配合割合は質量比で１００：０．５〜１００：７程度の範囲である。この範囲よりエポキシ樹脂の割合が多いと、例えば、２００℃、３０分加熱しても粉体塗料が十分に硬化せず、絶縁層としての塗膜の特性が悪くなることがあり、この範囲よりエポキシ樹脂の割合が少ないと、保存安定性が低下するうえ、硬化が速くなり過ぎるため、絶縁被覆１３の表面の平滑性が低下することがある。
【００２０】
このようなエポキシ組成物の粉体塗料を、予熱により温度調整した固定子ピース７に、流動浸漬法もしくは摩擦帯式電静スプレー法にて２〜５回程度の塗布した後、付着した塗膜を赤外線ヒータなどで約１６５℃まで昇温して溶融させる。続いて約１５０℃の熱風循環路にて１時間程度硬化させることで所望の厚さの絶縁被覆１３が得られる。このときの溶融具合と硬化のタイミングによって、絶縁被覆１３の表面の平滑性に係る凹凸高さが生じることがあるが、一方でこれを抑制することもできる。
【００２１】
図６は、この発明の実施の形態１に係る絶縁被覆１３の絶縁耐圧と絶縁被覆１３の表面の最大凹凸高さ率αとの関係を説明するための説明図である。
【００２２】
ここで図６のグラフの横軸となる最大凹凸高さ率αについて、図７を用いて説明する。図７は、図５の拡大範囲Ａ１を拡大した図であり、固定子ピース７の積層面１２ａは、打ち抜き成形時に変形した電磁鋼板を積層しているため凹凸を有している。図７に示すように、絶縁被覆１３表面の最大凹凸高さＲｙは、絶縁被覆１３の膜厚Ｄと最小膜厚Ｄｍｉｎとの差である。最大凹凸高さ率αは、この最大凹凸高さＲｙと膜厚Ｄとを用いて、α＝（Ｒｙ／Ｄ）×１００にてあらわされる。
【００２３】
図６のグラフの縦軸である絶縁耐力Ｖα／Ｖα＝６０は、図７の構造を解析用にモデル化して電界解析シミュレーションを用いて求めたものであり、積層面１２ａに膜厚Ｄ＝１００μｍ且つボイドがない絶縁被覆１３が形成されている場合を想定し、最大凹凸高さ率αが６０％の場合の絶縁耐圧Ｖα＝６０に対する、各最大凹凸高さ率αでの絶縁耐圧Ｖαの比率を示している。図６では、最大凹凸高さ率αがそれぞれ４０％、５０％、６０％、７０％、９０％の場合についてプロットしている。
【００２４】
なお、前記各条件の絶縁耐圧Ｖαの値は、前記シミュレーションで求めた最大電界値が絶縁破壊電界値を越える電圧値とした。
【００２５】
図６から、最大凹凸高さ率αが６０％よりも大きくなると、絶縁耐圧が急に低下することが分かる。つまり、最大凹凸高さ率αを６０％以下に抑制することで、絶縁被覆１３の表面の凹凸による絶縁耐圧の低下を防ぐことができ、絶縁の信頼性が向上するといえる。また、絶縁耐圧の信頼性を一定とすると、絶縁被覆１３の膜厚Dを薄くできるので、その分、巻線をおこなえる空間が増え、固定子の巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機を得られるという効果がある。
【００２６】
なお、このような特性は、後述するように、絶縁被覆１３のボイド率βが２％以下、且つ膜厚Ｄが５０μｍ以上１５０μｍ以下であれば、ボイド含有率βや膜厚Ｄには依存しないので、好ましくは、これらの条件を満たすように絶縁設計すれば一層の効果が得られる。
【００２７】
図８のグラフは、この発明の実施の形態１に係る絶縁被覆１３の絶縁耐圧とボイド含有率βとの関係を説明するための実験結果を示している。グラフの縦軸である絶縁耐力Ｖβ／Ｖβ＝０は、最大凹凸高さ率αが６０％以下、膜厚D＝１００μｍ、且つボイドがない場合の絶縁被覆１３の絶縁耐圧Ｖβ＝０に対する、各ボイド含有率βでの絶縁耐圧Ｖβの比率を示している。図８では、ボイド含有率βがそれぞれ１％、２％、３％、４％の場合についてプロットしている。なお、前記各条件の絶縁耐圧Ｖβの値は実験により求めた。
【００２８】
図８から、ボイド含有率βが２％よりも大きくなると絶縁耐圧が急に低下することが分かる。つまり、ボイド含有率βを２％以下に抑制することにより、ボイドがない絶縁被覆に相当する絶縁耐圧を得ることができ、絶縁の信頼性が向上するといえる。また、絶縁耐圧の信頼性を一定とすると、絶縁被覆１３の膜厚Dを薄くできるので、その分、巻線をおこなえる空間が増え、固定子の巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機を得られるという効果がある。
【００２９】
なお、このような特性は、最大凹凸高さ率αが６０％以下であれば凹凸の影響を受けないので、好ましくは、これらの条件を満たすように絶縁設計すれば一層の効果が得られる。
【００３０】
図９は、この発明の実施の形態１に係る絶縁被覆１３の絶縁耐圧と膜厚Dとの関係を説明するための実験結果を示している。グラフの横軸は絶縁被覆１３の膜厚Ｄであり、縦軸のＶD／ＶD＝１５０は、最大凹凸高さ率αが６０％以下、絶縁被覆１３にボイドがなく、且つ膜厚D＝１５０μｍ場合の絶縁耐圧ＶD=１５０に対する、各膜厚Dでの絶縁耐力ＶDの比率を示している。なお、前記各条件の絶縁耐圧ＶDの値は実験により求めた。
【００３１】
図９から、領域Ｄ１（５０μｍ未満）では、前記巻き溝１２の表面の凸凹による電界集中が原因で絶縁耐圧が急激に下がることがわかる。領域Ｄ２（５０μｍ以上１５０μｍ以下）では、上記凹凸による電界集中も抑制され、且つ絶縁被覆１３にボイドも発生しにくくなることから、絶縁被覆１３の厚さ分に相当した絶縁耐圧が得られることになる。領域Ｄ３（１５０μｍ超）では、絶縁被覆１３の厚さを増やすと、製造時に絶縁被覆１３内部に気泡ボイドが出来やすくなることに起因して、絶縁被覆１３の厚さ増加に対応する絶縁耐圧の向上の効果が阻害される。つまり、領域Ｄ１では絶縁耐力が不足する可能性が高く、領域Ｄ３では絶縁耐力に寄与せずに巻き溝１２の空間を狭くする絶縁被覆１３の厚さ部分が生じることを示している。
【００３２】
よって、絶縁被覆１３の膜厚Dが５０μｍ以上１５０μｍ以下となるように絶縁設計をすれば、単位膜厚あたりの絶縁性能を高くでき、その分、巻線に利用できる空間を得ることが出来る。このようにして、高電圧の回転電機に必要な絶縁の信頼性を維持したままで薄くした膜厚Dは、従来の回転電機の固定子のようにインシュレータを用いる場合と比較して１／５〜１／２の厚さになる。したがって、絶縁被覆１３の厚さを５０μｍ以上１５０μｍ以下にすることで、高電圧の回転電機に必要な絶縁の信頼性を維持したままで巻線占積率を向上させることが可能となる。
【００３３】
なお、上述の、最大凹凸高さ率αが６０％以下、ボイド含有率βが２％以下、且つ絶縁被覆１３の膜厚Dが５０μｍ以上１５０μｍ以下となる、全ての条件を満たす絶縁設計をおこなえば、高電圧の回転電機に必要な絶縁の信頼性を維持したままで固定子の巻線の占積率を向上させた高効率の回転電機を得ることができるという効果を、最も顕著に得ることができるのはいうまでもない。
【００３４】
実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２に係る絶縁被覆１３を設けた固定子ピース７を示す斜視図である。実施の形態１では、固定子ピース７の巻き溝１２を構成する面のみに絶縁被覆１３を設けたが、図１０に示すように、固定子２の端となる固定子ピース７の端面１４に絶縁被覆１３を設けても良い。なお、その他の構成に関しては、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００３５】
このように固定子ピース７の端面１４に絶縁被覆１３を設けることで、最外層の巻線９の端に位置する電線８と固定子ピース７との絶縁を強化することができる。これにより、巻線９を巻き溝１２の溝深さの全てを使って巻装できるようになるので、その分、巻線の占積率を向上させることができる。
【００３６】
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係る固定子分割体１０における図３（ｃ）の断面Ｓ１に相当する部分の断面図である。実施の形態１では、樹脂を主成分とした絶縁材料、例えば、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ＰＰＳなどの絶縁被覆１３によって固定子ピース７の巻き溝１２を構成する面を覆うようにしたが、図１１に示すように、絶縁被覆１３として直鎖の長い分子構造をもつ低弾性エポキシや低弾性ポリイミド、低弾性ポリアミド、ポリエステル、もしくはシリコーンゴム、ウレタンなどの固定子ピース７に電線８を巻装する時に生じる外力により変形可能な絶縁材料を用いて、固定子ピース７の絶縁被覆１３と、それに隣接する電線８の対向する凹凸表面と空隙なく密接させるように構成しても良い。なお、その他の構成に関しては、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００３７】
このように固定子ピース７の絶縁被覆１３と、それに隣接する電線８の対向する凹凸表面と空隙なく密接させるように構成することで、絶縁被覆表面の凹凸を抑制することができ、この凹凸に起因した絶縁性能の低下を防げる。さらに、変形可能な絶縁材料を用いることで、変位吸収作用や応力緩和作用がより発揮され、巻線工程などの製造時に生じるクラックなどの絶縁欠陥の発生を抑制することができる。これらにより、絶縁信頼性が一層向上する。
【００３８】
実施の形態４．
図１２は、この発明の実施の形態４に係る固定子分割体における図３（ｃ）の断面Ｓ１に相当する部分の断面図である。実施の形態１では、１層の絶縁被覆１３によって固定子ピース７の巻き溝１２を構成する面を覆うようにしたが、図１２に示すように、固定子ピース７の電線８が巻装される面に密接する第１の絶縁被覆１３ａの上に、電線８と対向する第２の絶縁被覆１３ｂを設けてもよい。なお、その他の構成に関しては、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００３９】
図１３は、第１および第２の絶縁被覆１３ａ、１３ｂを設けた場合の図３（ｂ）の断面Ｓ３に相当する部分の断面図を示しており、巻き溝１２のコーナー部１５の曲率半径を増大させることができるので、特に巻き溝１２内側の第１層目の巻線９への応力を緩和できる。これにより、巻線工程など製造時に生じる電線８の電線用被覆８ｂへのクラックなどの絶縁欠陥の発生を抑制することができ、絶縁信頼性が一層向上する。
【００４０】
なお、この実施の形態では、第１および第２の絶縁被覆１３ａ、１３ｂにて２層の絶縁被覆１３を形成するようにしたが、各層の絶縁被覆は従来のインシュレータに比べて非常に薄く形成することができるので、３層以上の多層としても良い。
【００４１】
また、図１４は、この発明の実施の形態４に係る固定子分割体の変形例を示す断面図である。同図のように、多層の絶縁被覆１３を、樹脂を主成分とした絶縁材料、例えば、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ＰＰＳなどから成る第１の絶被覆１３ａと、外力により変形可能な絶縁材料、例えば、直鎖の長い分子構造をもつ低弾性エポキシや低弾性ポリイミド、低弾性ポリアミド、ポリエステル、もしくはシリコーンゴム、ウレタンなどから成る第２の絶縁被覆１３ｂとで、２層に構成しても良い。
【００４２】
なお、上述では、絶縁被覆１３の形成方法として粉体塗装および電着塗装などを示したが、これに限るものでなく、静電引力を用いたスプレー拭きつけ、および流動浸漬など適宜用いることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  回転電機、２  固定子、３  回転子、４  筐体、５  回転軸、６  軸受、７  固定子ピース、８  電線、８ａ  導線、８ｂ  電線用被覆、９  巻線、１０  固定子分割体、１１  絶縁板、１２  巻き溝、１２ａ  積層面、１２ｂ  主面、１３  絶縁被覆、１３ａ  第１の絶縁被覆、１３ｂ  第２の絶縁被覆、１４  端面、１５  コーナー部。
【図１】
2012095484.tif 000003
【図２】
2012095484.tif 000004
【図３】
2012095484.tif 000005
【図４】
2012095484.tif 000006
【図５】
2012095484.tif 000007
【図６】
2012095484.tif 000008
【図７】
2012095484.tif 000009
【図８】
2012095484.tif 000010
【図９】
2012095484.tif 000011
【図１０】
2012095484.tif 000012
【図１１】
2012095484.tif 000013
【図１２】
2012095484.tif 000014
【図１３】
2012095484.tif 000015
【図１４】
2012095484.tif 000016