(57)【要約】【課題】  ステータコイル温度上昇および高電圧印加においても固着ワニスにクラックが発生しにくい高耐電圧特性を維持可能な高信頼絶縁システムを具備した回転電機のステータ、およびこれを備えた回転電機を提供する。【解決手段】  絶縁被覆を有するコイル３と、前記コイルが配置される複数のスロット４が設けられたコア１とを備える回転電機のステータにおいて、熱硬化性樹脂５１中に熱可塑性樹脂５２が内含された複合樹脂をスロット固着ワニスに用いた回転電機のステータ。【選択図】図１
2016059090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁被覆を有するコイルと、前記コイルが配置される複数のスロットが設けられたコアとを備える回転電機のステータにおいて、
熱硬化性樹脂中に熱可塑性樹脂が内含された複合樹脂をスロット固着ワニスに用いた回転電機のステータ。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機のステータにおいて、
前記複合樹脂がマトリックス相と島状分散相で構成される複合樹脂であり、
前記マトリックス相が熱硬化性樹脂、前記島状分散相が熱可塑性樹脂である回転電機のステータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の回転電機のステータにおいて、
前記熱可塑性樹脂が、
前記熱硬化性樹脂よりも引張破断伸びが大きいか、
前記熱硬化性樹脂よりも誘電率が低いか、または、
前記熱硬化性樹脂よりも熱膨張係数が大きい、回転電機のステータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機のステータを備えた回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１ｋＶ近傍の駆動電圧で運転される高圧回転電機のステータ、およびこれを備えた回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業や生活に密着した回転電機は現代の社会を支える基盤機器である。特に地球環境保護の観点から普及しつつあるハイブリッド自動車や電気自動車においては掲載スペースの確保および軽量化による燃費向上の観点から、動力源のモータには小型・軽量化が要求される。
【０００３】
ハイブリッド自動車、電気自動車用動力モータのステータ絶縁は、ステータコア／コイル間および異相コイル間に挿入される絶縁紙（スロットライナ）とそれらの空隙を充填しコイルおよびスロットライナをコアに固定する固着ワニスで構成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
動力モータの小型化の手段としては、高駆動電圧化あるいは高コイル電流密度化が考えられるが、いずれも手段もステータ内コイル絶縁の負荷増大につながり、小型化に対応した絶縁システム設計が必須となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−９４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高電圧化に対し従来技術の延長線上で対処するには、スロットライナ厚さを増大させ、作用電圧に対応した絶縁距離を確保することになるが、この手法では、スロット内のコイル占積率低下を招きコイル電流が低下する。この点を補うには、コイル電流密度を高くする必要がありコイル温度上昇が避けられない。
【０００７】
もう一つの手法であるコイル電流密度アップでは、上述したようにコイル温度上昇を伴い、ハイブリッド自動車、電気自動車用動力モータの小型化では、コイル温度上昇が避けられない。
【０００８】
一方、従来のステータ絶縁システムに用いられる固着ワニスには、モータ運転時の温度上昇時にも固着力を低下させないために熱硬化性樹脂が用いられるが、小型化に伴うコイル温度上昇により熱硬化性樹脂の脆化が加速され、固着ワニス層にクラックが発生し絶縁信頼性が低下するという問題点が生じる。
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、ステータコイル温度上昇および高電圧印加においても固着ワニスにクラックが発生しにくい高耐電圧特性を維持可能な高信頼絶縁システムを具備した回転電機のステータ、およびこれを備えた回転電機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】
【００１０】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、絶縁被覆を有するコイルと、前記コイルが配置される複数のスロットが設けられたコアとを備える回転電機のステータにおいて、熱硬化性樹脂中に熱可塑性樹脂が内含された複合樹脂をスロット固着ワニスに用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ステータコイル温度上昇に伴うスロット絶縁固着ワニスの脆化の加速やクラック発生による絶縁信頼性の低下を低減できる回転電機のステータ、およびこれを備えた回転電機を提供することが可能になる。
【００１２】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例のステータスロット内構成。
【図２】実施例、比較例で製作したステータ斜視図。
【図３】実施例の複合樹脂固着ワニスの構成模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
前述の課題について鋭意検討した結果、従来の熱硬化性樹脂単相で構成される絶縁システムでは、絶縁システムの経験温度上昇に伴い絶縁信頼性が低下し、その低下程度が固着ワニスの熱硬化性樹脂に強く影響を受けることを見出し本発明に至った。
【００１５】
本発明では、高駆動電圧化、高コイル電流密度化によるハイブリッド自動車、電気自動車駆動用等の高圧モータの小型化に対応した高信頼絶縁システム構築には固着ワニスに延性を付与することが必要であり、その手段として、熱硬化性樹脂中に熱可塑性樹脂が内含された複合樹脂を固着ワニスに用いることで、ハイブリッド自動車あるいは電気自動車用動力モータ等の高圧モータの小型化を可能にした。
【００１６】
上記複合樹脂は、海状のマトリックス相と島状分散相で構成され、マトリックス相が熱硬化性樹脂、島状分散相が熱可塑性樹脂から成ることを特徴としている。
【００１７】
複合樹脂においては、マトリックス相の熱硬化性樹脂に対し延性の劣る熱可塑性樹脂を複合した場合には、本発明の効果は得られず、本発明においては、複合樹脂中の熱可塑性樹脂には、マトリックス相の熱硬化性樹脂よりも延性が高いことが必要とある。延性の指針としては、引張破断伸びで代表でき、本発明では、マトリックス相の熱硬化性樹脂より引張破断伸びが大きい熱可塑性樹脂を用いる。
【００１８】
また本発明における複合樹脂にマトリックス相の熱硬化性樹脂よりも誘電率の低い熱可塑性樹脂を分散相とすることで、固着ワニスの誘電率が低下し、ステータスロットにおける部分放電開始電圧を高くすることができ、モータ駆動電圧の高電圧化に対応可能となる。
【００１９】
加えて、マトリックス相の熱硬化性樹脂よりも熱膨張係数が大きい熱可塑性樹脂を分散相に用いることで、モータ運転時のコイル温度上昇に伴い固着ワニス層が熱硬化性樹脂のみで形成される固着ワニスより膨らみ固着ワニス硬化時の熱収縮による空隙が少なくなる結果、コイルからコアへの熱抵抗減少、即ちコイル冷却性向上し、コイル温度上昇を防止可能となる。
【００２０】
本発明では、上記特性（引張破断伸び、誘電率、線膨張係数）中少なくとも１つの特性を満足する熱可塑性樹脂をステータスロット絶縁固着ワニス用複合樹脂として用いる。
【００２１】
以下、定格運転電圧３００Ｖｄｃ−電流４００Ａｒｍｓの３相１２極ハイブリッド自動車駆動モータの外径２４５ｍｍ、内径２００ｍｍ、スロット数７２の３５Ａ３００相当の打ち抜き電磁鋼板による積厚９４ｍｍの積層コアで構成されるステータを対象とした実施例、比較例により、本発明を説明する。
【００２２】
実施例、比較例に用いたハイブリッド自動車駆動モータのステータコアにおけるスロット横断面構成を図１に示す。スロット４内には平角エナメル絶縁線で形成されるステータコイル３が４本収納され、ステータコイル３は各々スロットライナ２で電気的に絶縁される。スロットライナ２には、断面をＢ字状に成形したスロットライナを用い、上述したように各ステータコイルを絶縁すると共にステータコイル３とステータコア１間を絶縁する。
【００２３】
ステータコイルには短辺２．４ｍｍ、長辺３．３ｍｍ、コーナー面取り半径０．５ｍｍの平角導体上に厚さ０．０５ｍｍのポリアミドイミド絶縁層が被覆された平角エナメル絶縁線を用いた。
【００２４】
スロットライナには、公称厚さ０．１８ｍｍのアラミド紙／ＰＥＴ／アラミド紙の３層積層絶縁紙を用いた。スロットライナの各層間は、ウレタン系接着剤により接着されている。スロットライナ長は１００ｍｍとし、コアスロット両端面から３ｍｍスロットライナをはみ出させ、ステータコアとセグメントコイル間の沿面放電を防止する構成とした。
【００２５】
スロットは、平角コイルを密に収納させるために、幅一定の略矩形形状とし、その幅、平行部深さを、それぞれ４．１８ｍｍ、１２．２ｍｍとした。
【００２６】
ステータは、ステータスロット内にスロットライナを装着後に概略Ｕ字形に平角エナメル絶縁線を成形加工したセグメントコイルを挿入して組み立てられ、組立作業性を考慮してステータコア／スロットライナ、スロットライナ／ステータコイル間には、上記した各部材の寸法関係からわかるように空隙が存在する。
【００２７】
この空隙の消失、およびスロットライナ、ステータコイルをスロットに固定するために固着ワニスが空隙に充填される。
【００２８】
組立後のステータ斜視図を図２に示す。ステータ４１は、上述したように平角線セグメント巻線方式で製作される。図２は、ハウジング４４嵌合後のステータ４１の斜視図を示したものである。セグメントコイル４２接続のためにスロットライナ挿入時に直状であったセグメントコイル接続部が所定形状に曲げ加工された段階の状態を示している。
【００２９】
セグメントコイル溶接前には、溶接部側のステータコイル各層間に層間絶縁紙を挟み込み、ステータコイル間絶縁を確保した。層間絶縁紙には、スロットライナと同じ絶縁紙を２枚重ねで用いた。
【００３０】
セグメントコイル端部の溶接接合後、セグメントコイルの鞍部が上面となるようにステータを反転させ、ステータコアのスロット上端部から固着ワニスをスロット内に流し込み、所定の温度にステータを昇温、保持し固着ワニスを硬化させ、スロットライナ、ステータコイルをスロットに固定させ本発明の実施例、比較例のステータを製作した。
【００３１】
固着ワニス充填では、未充填空隙が残存しないように十分な量を流し込み、スロット下端から固着ワニスが流れ落ちることを基準に目視管理しながら作業した。
【００３２】
上記のステータ製作方法を共通条件として、夫々分散相の異なる複合樹脂およびそれらを用いたステータを試作した。
【００３３】
表１に、実施例、比較例の複合樹脂中の分散相に用いた熱可塑性樹脂を示す。比較例１は、分散相を含まない従来のエポキシ系熱硬化性樹脂であり、２液混合タイプで混合後の粘度が０．９ｍＰａ・ｓ、硬化条件が１５０℃×１時間、ガラス転移温度が１２５℃のエポキシ系樹脂である。実施例１〜３および比較例２では、比較例１のエポキシ系樹脂にそれぞれの熱可塑性樹脂を複合した。
【００３４】
実施例１〜３および比較例２の複合樹脂における熱可塑性樹脂分散相の複合割合は、全て１５％（重量％）一定とした。実施例１〜３および比較例２の複合樹脂に用いる熱可塑性樹脂には、表１の初期特性を有するバルク熱可塑性樹脂を液体窒素中で機械的に粉砕、篩い分けして得られた１０μｍ以下の微細樹脂粉末を用いた。
【００３５】
複合樹脂は、混合後にロータリーポンプで減圧、脱気し、硬化時にボイドが形成されるのを防止した上で、上記したようにスロット端部からスポイトを用いて滴下、流しこんだ。比較例１の熱硬化性樹脂単一相の固着ワニスも、複合樹脂と同様に減圧、脱気した。
【００３６】
固着ワニスの滴下、流し込みは、ステータを約７０℃に予熱させて行い、固着ワニスのスロット内流動、空隙充填性をアップさせた。全スロットへの固着ワニス滴下後、ステータを加熱炉に投入し、大気中で１５０℃×１時間加熱することで固着ワニスを硬化させ、実施例、比較例のステータを製作した。固着ワニス硬化処理では、実体温度モニター用の熱電対を各ステータ内面の軸方向中央に位置する任意のコアティースに取付け（１点）温度管理し、実体温度が１５０℃に達してから１時間炉内保持後に、固着ワニスが硬化したステータを炉から取り出し空冷した。
【００３７】
ステータ製作とは別に実施例１〜３および比較例２の混合、減圧脱気した複合樹脂のみを１５０℃×１時間で硬化させ、その組織を硬化後の樹脂を研磨して観察した。観察される複合樹脂構造の模式図を図３に示す。いずれの複合樹脂も、熱硬化性樹脂で形成されるマトリクス相５１中に分散相５２として熱可塑性樹脂が均等に島状分散していることが確認できた。
【００３８】
【表１】
2016059090.tif 000003
【００３９】
表１の複合樹脂を適用して製作したステータの評価結果を表２に示す。ここでは、製作した実施例、比較例のステータをコイル温度上昇を模擬した条件で熱劣化させ、その部分放電開始電圧、１．２ｋＶ課電での絶縁破壊までの課電時間測定し、絶縁信頼性を比較評価した。また、ステータコイルを約２００℃に昇温後の１０分放冷後のコイル温度を測定することでコイル冷却性を評価した。
【００４０】
熱劣化は、２２０℃×１，２５０時間の熱処理を適用した。熱劣化後の部分放電開始電圧および絶縁破壊試験は、ステータコイルとハウジング間を対象とし、試作ステータのＵ，Ｖ、Ｗ相コイルを直列接続させて実施した。
【００４１】
部分放電開始電圧の定義は、電荷量の立ち上がり電圧を部分放電開始電圧とし、絶縁破壊試験では、絶縁破壊検出電流を１０ｍＡとした。
【００４２】
コイル冷却性評価では、絶縁信頼性評価と同様に試作ステータのＵ，Ｖ、Ｗ相コイルを直列接続し、直流電源により直流電流を通電加熱し、ステータコイルのみを急速加熱させた。ステータコイル温度は、ステータ内面の軸方向中央の任意のスロット開口部に取り付け測定した。
【００４３】
【表２】
2016059090.tif 000004
【００４４】
表２の評価結果を見ると、分散相熱可塑性樹脂の初期引張破断伸びに対応して、良好な部分放電開始電圧および絶縁破壊特性を示した。比較例２のＰＰＳ複合樹脂の絶縁破壊時間は、１．２ｋＶ到達前に絶縁破壊が発生し、熱硬化性樹脂のみを固着ワニスとした比較例１よりも絶縁信頼性が低下する結果となった。これは、引張破断伸びがマトリックス相のエポキシ系熱硬化性樹脂よりも低いＰＰＳを複合したことで、熱劣化における固着ワニスの脆化がより加速されたためと考えることができる。
【００４５】
実施例１〜３では、１．２ｋＶ課電での絶縁破壊時間は、いずれも１６８時間（７日間）以上となっており、この点に関する優劣判断ができていないが、部分放電開始電圧を比較すると誘電率の低いＰＴＦＥの複合樹脂を固着ワニスに用いた実施例２が他の実施例に比較して高い値が得られていることがわかる。コイル冷却性を比較すると、実施例２は速やかにコイルが冷却されることを示しており、線膨張係数の高いＰＴＦＥを複合した効果が如実に表れている。
【００４６】
以上の実施例、比較例から、本発明の効果が理解できる。すなわち、本発明によれば、ステータコイル温度上昇に伴うスロット絶縁固着ワニスの脆化加速、クラック発生により絶縁信頼性の低下を防止でき、ハイブリッド自動車、電気自動車動力モータとしてより小型化されたステータおよびそれを用いた回転電機を提供することが可能になる。本発明は、１ｋＶ近傍の駆動電圧で運転される高圧回転電機に特に好適である。
【００４７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１      ステータコア
２      スロットライナ
３      ステータコイル
４      スロット
４１    ステータ
４２    セグメントコイル
４３    ステータコア
４４    ハウジング
５１    複合樹脂のマトリックス相
５２    複合樹脂の分散相
【図１】
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【図２】
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【図３】
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