(57)【要約】【課題】回転電機内部の熱抵抗値を低減することができる。【解決手段】素線７ａを巻回したコイル７と、このコイル７を配設した回転電機コア５とを備えた回転電機において、コイル７と回転電機コア５との間と、素線７ａ同士の間との双方が熱伝導性絶縁樹脂１０で充填されたことを特徴とする。この構成を実現する回転電機の製造方法は、隣接する素線７ａの間を熱伝導性絶縁樹脂１０で樹脂含浸する第１の工程と、回転電機コア５とコイル７との間を熱伝導性絶縁樹脂１０で樹脂含浸する第２の工程とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素線を巻回したコイルと、このコイルを配設した回転電機コアとを備えた回転電機において、
前記コイルと前記回転電機コアとの間と、前記素線同士の間との双方が熱伝導性絶縁樹脂で充填されたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記熱伝導性絶縁樹脂は、前記コイルを形成する素線から前記回転電機コアまでにかけて伝熱経路を構成していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記回転電機コアは、内周面に形成された凹部と、内周面の両側から交互に軸方向に延在する複数の爪部とを備えた円環状の固定子コアであり、
前記コイルは、円環状に形成され、前記凹部に格納されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
前記回転電機コアは、内周面に等角度に突出した複数のスロットティースが形成された固定子コアであり、
前記コイルは、前記スロットティースの間に形成されたスロットを用いて巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項５】
前記固定子コアの内周部に回転可能な回転子を同軸に備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項６】
前記熱伝導性絶縁樹脂は、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項７】
前記熱伝導性絶縁樹脂は、アルミナ、ジルコニア、及びシリカの何れか一つ又はこれらの組み合わせからなる非磁性体粉末が混練されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項８】
素線を巻回したコイルと回転電機コアとを樹脂モールドする回転電機の製造方法であって、
隣接する前記素線の間が高熱伝導性樹脂樹脂で樹脂含浸される第１の工程と、
前記回転電機コアと前記コイルとの間が前記高熱伝導性樹脂あるいは他の高熱伝導性樹脂で樹脂含浸される第２の工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
【請求項９】
素線を巻回したコイルと回転電機コアとを樹脂モールドする回転電機の製造方法であって、
前記回転電機コアの表面に高熱伝導性樹脂が樹脂含浸される第１の工程と、
前記第１の工程で樹脂含浸された回転電機コアと前記コイルとの間、及び隣接する前記素線の間が樹脂含浸される第２の工程とを備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機コアに素線を巻回した回転電機、及びこの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機、発電機等の回転電機には高出力化・コンパクト化が求められている一方、高電圧化のため絶縁性能も要求されている。従来、これらの回転電機は次に示す方法あるいは構造で製作されてきた。例えば、特許文献１には、コイル導体に絶縁テープ又は絶縁シートを巻回した絶縁層を設け、熱硬化性樹脂を真空加圧含浸し、樹脂中から取り出して加熱硬化する工程を複数回繰り返す絶縁処理方法が開示されている。
また、特許文献２には、コイルが巻回されたステータコアを複数個円周状に配置し、同種又は異種の樹脂でモールドする回転電機のステータ構造の技術が開示されている。また、特許文献３には、環状爪磁心及び環状コイルが、非磁性体の充填材で一体となるようにモールド成形されたクローティース型回転電機が記載されている。なお、特許文献３には、環状コイルの具体的構成については記載されていない。
【特許文献１】特開昭５８−６４０１５号公報
【特許文献２】特開２００５−２６９７２１号公報
【特許文献３】特願２００６−２００２１１明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、回転電機は巻回されたコイルが通電により発熱し、発生した熱はエナメル被覆、モールド樹脂、スロット絶縁物などを介してステータコアを伝導し、コアの表面において熱伝達により放熱されるようになっている。絶縁性能確保を目的としてコイルと回転電機コアとの間には絶縁シートやボビンなどのスロット絶縁物が配置されるが、絶縁シート(スロット絶縁、絶縁フィルム、ライナーなどとも呼ばれる)は、例えば、ポリアミドイミドペーパで作られ、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ程度と低いため放熱上のネックとなっている。また、スロット絶縁物と樹脂(又は、コイルやコア)との間には接触熱抵抗が存在し、これもコイルの温度上昇の大きな要因となっている。
また、特許文献１の技術は絶縁テープ又は絶縁シートを設けているので、樹脂の含浸経路が遮られることになり含浸不良が発生することがある。すなわち、発熱のため通電電流が制限され、高出力・コンパクト化が難しいのが現状である。また、絶縁テープの巻回作業は、巻回によるリードタイムがかかるという欠点がある。
【０００４】
そこで、本発明は、回転電機内部の熱抵抗値を低減することができる回転電機、及びこの製造方法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】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明は、素線を巻回したコイルと、このコイルを配設した回転電機コアとを備えた回転電機において、前記コイルと前記回転電機コアとの間と、前記素線同士の間の間との双方が熱伝導性絶縁樹脂で充填されたことを特徴とする。また、この構成を実現する回転電機の製造方法は、素線を巻回したコイルと回転電機コアとを樹脂モールドする回転電機の製造方法であって、隣接する前記素線の間を熱伝導性絶縁樹脂で樹脂含浸する第１の工程と、前記回転電機コアと前記コイルとの間を前記熱伝導性絶縁樹脂あるいは他の熱伝導性絶縁樹脂で樹脂含浸する第２の工程とを備えることを特徴とする。
【０００６】
これによれば、コイルと回転電機コアとの間と、隣接する素線間との双方が熱伝導性絶縁樹脂で充填されるので、素線と回転子コアとの間の熱抵抗が低減する。これにより、回転電機の温度が低下する。また、コイルと回転電機コアとの間が熱伝導性絶縁樹脂で充填されることにより、必要な絶縁特性が得られ、高電圧化が可能になる。言い換えれば、低電流化が可能になり、コイルの発熱量が低減する。したがって、回転電機の出力を最高温度を制限したときの出力密度が向上する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、回転電機内部の熱抵抗値を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態である３相のクローポール型回転電機の全体構成図である。３相クローポール型回転電機は、小型化・高トルク化、及び効率の向上を実現するため、ステータコアが３次元爪磁極構造となっている。
図１において、回転電機１００は、軸方向に連結された３段のステータ６（６Ｕ，６Ｖ，６Ｗ）とロータ１とを備え、ロータ１は、シャフト２と、シャフト２を嵌挿したロータコア３と、ロータコア３の外周表面に配設した偶数個のロータ磁石４とを備え、ステータ６は、ステータコア（回転電機コア）５とコイル７とを備えている。なお、図１及びその他の図において、同一符号は同一の構成要素を示している。
【０００９】
図２は、ステータ６の構造を示した斜視図である。一相分のステータ６は、噛み合わせられて構成された２つのステータコア５，５と、爪部５Ａ，５Ｂの外周側にステータコア５を対向させて形成された凹部に保持された環状のコイル７とを備え、これらが樹脂でモールドされる。ステータコア５は、磁性粉を軸方向に圧縮成形して形成され、断面の縁部がＬ字状に形成された環状継鉄部５Ｃと、この環状継鉄部の内径部両側から交互に突出し、円周上に等間隔に配置され軸方向に延在する複数の爪部５Ａ，５Ｂとを備え、爪部５Ａ，５Ｂを互いに噛み合わすことができる。なお、噛み合わせによるステータコア５の境界Ｓが図１に示されている。なお、ステータコア５を対向させて形成された凹部は、噛み合わされて、ステータ６の内周面に形成される。
【００１０】
ステータ６のコイル７に電流を流すと、ステータコア５の環状継鉄部５Ｃと、爪部５Ａと、爪部５Ａ，５Ｂの間に形成された周方向の空隙と、爪部５Ｂとの間で磁路が形成され、爪部５Ａ，５Ｂが異なる極性に磁化される。ここで、コイル７に流す電流が三相交流電流であれば、爪部５Ａ，５Ｂの磁力、及び極性が時間的に変化して、ステータ６の内部に回転磁界が形成される。この回転磁界とロータ１（図１）との位置関係により、吸引力あるいは反発力がロータ磁石４（図１）に働き、ロータ１が回転する。
【００１１】
比較例として絶縁シートを用いた構造について説明する。図３（ａ）に示すようにトロイダル状のコイル７は、外周面に絶縁シート９（絶縁テープ）が隙間を生じないように幅方向に１／２ほど重なるように巻回されており、ステータ６は、絶縁シート９で被覆されたコイル７がステータコア５の凹部（図２）に組み込まれ、その後、高熱伝導性樹脂１０（例えば、不飽和ポリエステル）によりモールドが施されて樹脂モールドされる。ここで、絶縁シート９の隙間が生じないように巻回されているため、コイル７と高熱伝導性樹脂１０とは接触せず、素線７ａ間に空隙が形成されている。これに対して、図３（ｂ）に示す本実施形態においては、この絶縁シート９を用いない構造であるため、隣接する素線７ａ同士の間、及びコイル７の素線７ａの表面からステータコア５に至るまで高熱伝導性樹脂１０により連続した熱伝導経路を設けることが可能となる。なお、高熱伝導性樹脂１０は、アルミナ、ジルコニア、及びシリカの何れか一つ又はこれらの組み合わせの非磁性体粉末がフィラーとして混練されて熱伝導性が高められている。
【００１２】
次に、本実施形態における回転電機１００（図１）のコイル７を製作するための方法を説明する。
まず、製造方法を示す図４のＳＰ１において、巻線機等によって、直線状の素線７ａ（図３（ｂ））がボビンなどに巻回され、ソレノイド状のコイル７が形成される。このコイル形成は、コイル７が型崩れしないように自己融着線を用いて通電加熱するなどの方法を用いるとよい。コイル７の素線は、丸線でも平角銅線でもよく、形状の指定はない。コイル７の素線の直径は、０．３〜０．８ｍｍとした。そして、ＳＰ２において、コイル７の外形から絶縁距離分を確保するためのコイル用金型２０（図５）にコイル７を配置し、高熱伝導性樹脂１０による一次含浸処理（例えば、真空加圧含浸）を行う。ＳＰ３において、モールド金型１３（図７）にコイル７及びステータコア５を配置し、ＳＰ４において、高熱伝導性樹脂１０（あるいは、他の高熱伝導性樹脂）による二次含浸処理を行う。以下、一次含浸処理、及び二次含浸処理について詳細に説明する。
【００１３】
図５は、コイル用金型２０の断面図と、その部分拡大図である。樹脂含浸のとき、コイル７に正確に高熱伝導性樹脂１０による絶縁層を形成するため、位置決めピン１１などを用い、絶縁距離ｄを保ってコイル７の素線７ａを固定する。また、ピン１１を用いずに、ピンと同様の凹凸を予め設けた金型を用いることにより絶縁層を形成してもよい。
なお、コイル７の製造誤差を考慮して、コイル用金型２０を設計することが好ましい。
【００１４】
比較例のモールド方式の回転電機においては絶縁シート９やステータコア５ごとに樹脂含浸するので、それらが樹脂含浸時の障害物となり、コイル７の素線の隙間まで樹脂が含浸されないことが多々ある。これにより、比較例のモールド方式の回転電機は、ボイドや剥離が生じ易くなり放熱特性及び絶縁特性が低下する。
この点、本実施形態のように、含浸過程を２段階とし、コイル７のみを樹脂含浸する一次含浸によって、ステータコア５の構造に依存することなく、熱伝導性樹脂１０はコイル７の素線７ａの隙間まで含浸され、ボイドを低減することが可能となる。また、絶縁シート９などを巻回する作業が必要ないためリードタイムが減少し、量産することも可能である。
【００１５】
但し、回転電機１００の口出し部など電界強度が高く高絶縁性が求められる部分には、絶縁シート９を部分的に巻回し必要分の絶縁距離を確保することが好ましい。なお、絶縁シートでなくガラスクロステープなどの絶縁テープを用いてもよい。
【００１６】
このようにして高熱伝導性樹脂１０による絶縁層が隣接する素線７ａ間及び外周表面に形成されたコイル７を図６に示す。同図に示したように、位置決めピン１１などによる空隙８が残ったままである。これ以外の部分において、コイル７が絶縁層から露出していないか目視で確認する。高熱伝導性樹脂によるバリなどは取り除く。
【００１７】
次に、一次含浸工程にて製作した高熱伝導性樹脂１０が含浸されたコイル７をステータコア５，５に収納する。
図７は、モールド金型（回転電機全体を対象としてモールドされるように設計した金型であり、二次金型と呼ぶ）の断面図である。モールド金型１３は、射出成形、トランスファー成形などの方法を用いてモールドする金型であり、モールド樹脂を注入するゲート１５を備えたモールド上部金型１４と、円筒状のセンターコア１７を同軸状に設けたモールド下部金型１６と、樹脂射出シリンダ１８と、樹脂射出プランジャ１９とを備えている。
【００１８】
ステータ６をこのモールド金型１３（二次金型）にセットして、熱可塑性、熱硬化性などの高熱伝導性樹脂（モールド樹脂）１０を樹脂射出シリンダ１８に充填し、樹脂射出プランジャ１９を圧入する。これによりモールド樹脂がゲート１５を介して対向する２つのステータコア５と、コイル７との隙間とに充填され、絶縁性能が保たれる。このとき、位置決めピン１１による空隙８（図６）をモールド金型１３のゲート１５に向けるなどすると、空隙８にモールド樹脂が充填されやすくなる。
【００１９】
絶縁シート９（図３）などの絶縁物をコイル７に被装する特許文献１又は特許文献２の技術は、その表裏面に接触熱抵抗が発生する。しかしながら、本実施形態のような絶縁シートレス構造においては、一次絶縁層の表面にのみ接触熱抵抗が発生するため温度上昇を低減することができる。
【００２０】
図８は、樹脂熱伝導率と出力密度との関係を示した図である。回転電機１００の出力密度が５Ｗ／ｃｍ３となるためには、樹脂熱伝導率を１Ｗ／ｍＫ以上とする必要がある。本実施形態では、一次含浸及び二次含浸において含浸した樹脂は、樹脂熱伝導率が５Ｗ／ｍＫのものを用いた。これにより、回転電機１００の温度上昇低減率を２３％とすることができた。また、一次含浸と二次含浸とに用いる樹脂は異なってもよい。例えば、一次含浸にはスパイラルフローが良好な樹脂を適用することによりコイル間に樹脂を充填しやすくし、二次含浸には熱伝導性を重視した樹脂を適用することも可能である。以上をもってステータ６が完成し、比較例に比べ出力密度を１０％向上することができる。
【００２１】
本実施形態の回転電機１００によれば、コイル７とステータコア５との間と、隣接する素線７ａ間との双方が熱伝導性絶縁樹脂１０で充填され、コイル７の内部からステータコア５に至るまで連続した高熱伝導性樹脂の伝熱経路が設けられるので、素線７ａとステータコア５との間の熱抵抗値が低減する。これにより、回転電機１００の温度が低下する。また、コイル７とステータコア５との間が絶縁性が高い高熱伝導性樹脂１０で充填されることにより、必要な絶縁特性が得られ、高電圧化が可能になる。
【００２２】
（第２実施形態）
第１実施形態では、トロイダル状のコイル７を用いたクローポール型回転電機について説明したが、第２実施形態では、分布巻きコイルを用いたオープンスロット型の同期機について説明する。
【００２３】
この同期機（回転電機）は、バッテリから供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ装置によって駆動され、高出力化や弱め界磁制御の点で有利である。この同期機においては、高出力化を図るためには回転電機内部の高熱伝導化がキー技術となる。
【００２４】
図９は、第２実施形態の回転電機１１０の回転軸方向断面図である。図９に示すように、第２実施形態の回転電機１１０は、ステータ２１と、ステータ２１の内周側に空隙を介して配置され、かつ回転可能に支持されているロータ１とを備えている。ステータ２１とロータ１は、回転電機のハウジング２２内に保持されている。
【００２５】
ステータ２１は、ステータコア２３と、ステータコイル２４とを備えている。ステータコア２３は、薄板の鋼板をプレス成形により所定の形状とした上で、積層したものである。ステータコア２３の内周部には、ステータコア２３の内周表面側が開口し、軸方向に連続した複数のスロットが形成されている。このスロットは、周方向に隣接するティースコア２３ａ（図１０）間に形成された溝状の空間部である。本実施形態では４８個のスロットが形成されている。ステータコイル２４は、分布巻きによってステータコア２３のティースコア２３ａに巻回されている。ここで、分布巻きとは、ステータコイル２４が、複数のスロットを跨いで（或いは、挟んで）離間した２つのスロットに収納されるように、ステータコア２３に巻回されるコイル方式である。
【００２６】
通常、ステータコイル２４をステータコア２３に巻回する前に図示しない絶縁シート２５を予め折り込んでスロットに挿入する。本実施形態ではこの絶縁シート２５の代替品としてガラスクロステープを用いる。
【００２７】
ステータコイル２４は、コイル導体を積層しながら連続的に巻回したＵ相ステータコイルと、Ｖ相ステータコイル、Ｗ相ステータコイルとを備えている。ステータコイル２４は、図示しない自動コイル機を用いて、図示しない巻き枠に所定の順序で予め巻回され、その後、図示しない自動挿入機を用いて、ステータコア２３のスロットの開口部からスロット内に挿入されて、ステータコア２３に巻回される。ステータコイル２４は、Ｕ相ステータコイル，Ｖ相ステータコイル，Ｗ相ステータコイルの順に、スロット内に挿入される。ステータコイル２４のコイル端部は、スロットから軸方向両方向に突出してステータコア２３の軸方向両端面に配置される。
【００２８】
ロータ１は、ロータコア３と、ロータ磁石４と、シャフト２８とを備えている。ロータコア２６は、薄板の鋼板をプレス成形により所定の形状とした上で積層し、シャフト２８に固定したものである。ロータコア３の外周部には、ロータ１の軸方向に貫通したの磁石挿入孔が周方向に等間隔で形成されている。磁石挿入孔のそれぞれにはロータ磁石４が挿入され、固定されている。シャフト２８は、ハウジング２２の両側にそれぞれ固定されたエンドブラケット２９Ｆ，２９Ｒに、軸受３０Ｆ，３０Ｒによって回転可能に支承されている。
【００２９】
以下、本実施形態の特徴である絶縁シートレスのための二段含浸方法について説明する。図１０はステータ２１の径方向断面を示したものである。図１０（ａ）の比較構造においては、コイル７とステータコア２３との間に絶縁シート３２を配置している。図１０（ｂ）の本実施形態では、絶縁シート３２が存在せず、コイルからステータコア２３にかけて高熱伝導性樹脂３４による連続した経路が形成される。ステータコア２３は、環状のヨークコア２３ｂと、これから径方向に突出し、周方向に等間隔で配置された複数のティースコア２３ａとを備えており、ティースコア２３ａとヨークコア２３ｂとは一体に形成されている。効能については、第１実施形態とほぼ同様であり以下に製作方法を加えて述べる。
【００３０】
回転電機１１０のようなオープンスロット型モータにおいては、織り込んだ絶縁シート３２をスロットティース３３に挿入したのちにコイルを巻回する。この場合、以下の方法により絶縁性を確保する。
【００３１】
第１実施形態のように、コイルの外周表面に絶縁層を設けるのではなく、ステータコアの方に絶縁層を設ける。具体的には、スロットティース外形から絶縁距離分を確保するための一次含浸金型にステータコア２３を設置し、樹脂含浸を施す。その後、第１実施形態と同じ要領で二次金型により固定子全体をモールドする。これにより、特許文献１と同様に、本実施形態は、回転電機の低熱抵抗化、接触熱抵抗及び含浸不良低減をすることができる。
以上により、コイルとステータコアの間に高熱伝導性樹脂による連続した経路を設けることができ、回転電機の出力密度を向上させることが可能となる。
【００３２】
（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、固定子（ステータ）に配設されたコイル７とステータコア５との間に樹脂モールドしたが、コイルを巻回した回転子（ロータ）に樹脂モールドすることもできる。すなわち、特許請求の範囲の回転子コアには、ステータコア及びロータコアが含まれる。
（２）前記第２実施形態は、同期機に用いたが、誘導機にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態であるクローポール型モータの全体構成図である。
【図２】ステータの分解斜視図である。
【図３】比較構造、及び本発明の第１実施形態によるステータの断面図である。
【図４】ステータ樹脂含浸工程を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態によるコイル用金型の構造図である。
【図６】本発明の第１実施形態による高熱伝導性樹脂を施したコイルの断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態によるモールド金型の断面図である。
【図８】回転電機の出力密度と樹脂熱伝導率との関係を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態によるオープンスロット式回転電機の断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による回転電機のステータ断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ロータ
２  シャフト
３  ロータコア
４  ロータ磁石
５  ステータコア（回転電機コア）
５Ａ，５Ｂ  爪部
５Ｃ  環状継鉄部
６，６Ｕ，６Ｖ，６Ｗ  ステータ
７  コイル
７ａ  素線
８  空隙
９  絶縁シート
１０  高熱伝導性樹脂（熱伝導性絶縁樹脂）
１３  モールド金型
１４  モールド上部金型
１５  ゲート
１６  モールド下部金型
１７  センターコア
１８  樹脂射出シリンダ
１９  樹脂射出プランジャ
２０  コイル用金型
２２  ハウジング
２１  ステータ
２３  ステータコア
２３ａ  ティースコア
２３ｂ  ヨークコア
２４  ステータコイル
２９Ｒ，２９Ｆ  エンドブラケット
３０Ｒ，３０Ｆ  軸受
３２  絶縁シート
３３  スロットティース
１００，１１０  回転電機
【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】
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【図１０】
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