JP6825375B2

JP6825375B2 - 回転電機のステータの製造方法

Info

Publication number: JP6825375B2
Application number: JP2017003156A
Authority: JP
Inventors: 啓友河西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: JP2018113794A

Description

本発明は、回転電機のステータの製造方法に関し、特に、ステータコイルのコイルエンドを絶縁樹脂で被覆する回転電機のステータの製造方法に関する。

ハイブリット自動車や電気自動車等の駆動用モータとして回転電機が用いられている。回転電機はステータとロータとで構成されており、ステータは、多数の電磁鋼板を積層して構成されたステータコアと、ステータコアに巻回されたステータコイルとにより主に構成されている。

ステータコアにステータコイルを巻回させる方法として、Ｕ字状の平角型導線の複数のセグメント導体を用い、各セグメント導体をステータコアに設けられたスロットへ挿入した後、セグメント導体の脚部同士を接合するセグメントコイル巻線方式が知られている。セグメントコイル巻線方式で巻回されたステータコイルは、コイルエンドの一方側に、セグメント導体同士の接合部が配置される。そして、隣接するステータコイル同士の短絡や、ステータコイルとステータコアの短絡を防ぐために、セグメント導体同士の接合部、すなわち、接合側コイルエンドを絶縁する必要があり、いくつかの絶縁方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、液状ワニスが貯留された貯留槽に接合側コイルエンドを浸漬してワニスを熱硬化した後に、反対側の反接合側コイルエンドも同様に、液状ワニスが貯留された貯留槽に浸漬してワニスを熱硬化して、さらに、ステータコアを水平回転させて、ステータコアのスロットの外周部に液状ワニスを滴下して、この滴下したワニスを熱硬化する方法が記載されている。

特開２０１２−２４９３９８号公報

特許文献１に記載の絶縁方法では、接合側コイルエンドのセグメント導体の接合部の絶縁を十分に行うことが困難な場合がある。すなわち、接合側コイルエンドをワニスで覆っているが、ワニスが硬化する際に、ワニス表面からワニス内部に延びる空隙や、ワニス表面にボイド等が生じることがある。このため、空隙やボイド等を介して異物が浸入して、セグメント導体の接合部が短絡することがある。

また、セグメント導体の接合構成によっては、接合側コイルエンドのワニスへの浸漬が十分ではなく、セグメント導体の接合部のステータコア側の一部分が露出してしまうこともある。例えば、セグメント導体の脚部同士の接合にレーザ溶接等を用いて、ステータコア端面からのコイルエンドの突出量を抑制してコイルエンドを短縮化することが行われている。具体的には、図４（Ａ）に示すように、従来では、ステータコア１０の端面から突出するセグメント導体１３の脚部を折り曲げて交差させて、さらに立ち上がり部１００を形成し、この立ち上がり部１００を接合していた。

一方、レーザ溶接では、極小部分において溶接が可能であることから、図４（Ｂ）に示すように、セグメント導体１３の脚部の交差部１０１を接合することが可能になるので、立ち上がり部１００が不要になり、コイルエンドが短縮化される。なお、図４中、ハッチングで示す部分が接合部である。コイルエンドが短縮化されると、ステータコア１０の端面と、セグメント導体１３の接合部とが近接する。

特許文献１に記載の絶縁方法では、ステータコアの端面近傍までワニスを浸漬することが困難であるので、セグメント導体の接合部、すなわち、セグメント導体の露出部をワニスで十分に被覆することが困難になる場合がある。

また、浸漬したワニスの硬化後に、水平配置におけるステータコアのスロットの外周部にワニスを滴下しても、滴下ワニスが硬化したワニスの表面に十分に行き渡らず、硬化ワニスの表面に生じた空隙やボイドを埋めることは困難である。

そこで、本発明では、セグメント導体の脚部の接合部を絶縁樹脂で封止するとともに、絶縁樹脂表面の空隙やボイドを埋めて、コイルエンドの絶縁性を向上できる製造方法を提供することを目的とする。

本発明の回転電機のステータの製造方法は、周方向に複数のスロットを有する円環状のステータコアと、前記スロットに挿入されたＵ字形状のセグメント導体の脚部同士が接合されて前記ステータコアに巻装されたステータコイルとを備え、前記セグメント導体の接合部が絶縁樹脂で覆われている回転電機のステータの製造方法であって、前記ステータコイルの接合側コイルエンドが鉛直方向の下方に位置するように、前記ステータコアを配置する工程と、前記接合側コイルエンドの前記接合部を液状の絶縁樹脂が貯留された円環状の貯留槽に浸漬する工程と、前記接合部を浸漬した絶縁樹脂を硬化する工程と、液状の絶縁樹脂を前記ステータコイルの上方から前記スロットに滴下して、前記接合部を覆うように、硬化した絶縁樹脂の表面に堆積させる工程と、堆積した絶縁樹脂を硬化する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、セグメント導体の脚部の接合部を絶縁樹脂で封止するとともに、絶縁樹脂表面の空隙やボイドを埋めて、コイルエンドの絶縁性を向上することができる。

ステータの概略構成図である。ステータの製造工程を示すブロック図である。ステータのコイルエンドに絶縁処理を施す工程を示す工程図であり、（Ａ）はコイルエンドを液状のワニスに浸漬する工程を示し、（Ｂ）は液状のワニスを加熱硬化する工程を示し、（Ｃ）は加熱硬化したワニスを金型から取り外す工程を示し、（Ｄ）はステータの上方から液状のワニスを滴下する工程を示し、（Ｅ）は滴下したワニスを硬化してコイルエンドを２層のワニスで封止する工程を示す。コイルエンドを構成するセグメント導体の接合部の模式図であり、（Ａ）はセグメント導体の立ち上がり部を接合する場合を示し、（Ｂ）はセグメント導体の交差部を接合する場合を示す。

本実施形態におけるステータ１は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車等に搭載される回転電機に用いられるものである。ステータ１は、円環状のステータコア１０と、ステータコア１０に巻装されたステータコイル１１と、ステータコイル１１の接合側コイルエンド１１ａを覆うワニス（絶縁樹脂）１２とを備えている。

ステータコア１０は、円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板をステータ軸方向に積層して溶接やかしめ等により一体に連結して構成されている。ステータコア１０の内周面には、周方向に複数のティース及び複数のスロットが設けられている。ステータコア１０のティースには、ステータコイル１１を構成する複数のセグメント導体１３が巻回されている。

セグメント導体１３はＵ字形状の平角型導線であり、表面がエナメル等の絶縁材料で被覆されている。セグメント導体１３は、ステータコア１０のスロットに挿入された後、スロットから突出するセグメント導体１３の脚部同士が接合されることでステータコア１０に巻回されるステータコイル１１を形成する。

セグメント導体１３の脚部は、図４（Ｂ）に示すように、セグメント導体１３の脚部を折り曲げた交差部１０１（接合部）をレーザ溶接により接合している。このため、図４（Ａ）に示す、従来の接合のための立ち上がり部１００が不要になり、ステータコア１０の端面からの突出量を低減できる。その結果、コイルエンドが短縮化されてステータ１を小型化することができる。なお、図１において、接合部側のコイルエンドを接合側コイルエンド１１ａという。また、接合側コイルエンド１１ａと反対側のコイルエンドを反接合側コイルエンド１１ｂという。

セグメント導体１３の交差部１０１は、溶接時に絶縁材料による被覆が剥離されて導線が露出する。セグメント導体１３の交差部１０１は、ステータコア１０や他のセグメント導体１３との接触を防止するために絶縁される必要がある。また、セグメント導体１３は、外力等の影響により変形しないよう固定される必要がある。

このため、接合側コイルエンド１１ａは、ワニス１２によって覆われる。ワニス１２は、接合側コイルエンド１１ａの外側を覆うワニス１２ａと、ワニス１２ａの内側面に接して形成されたワニス１２ｂとの２層構成である。なお、ワニス１２ａ，１２ｂの詳しい構成については後述する。

次に、図２において接合側コイルエンド１１ａをワニス１２で覆う工程について説明する。まず、ステップＳ１０のステータ配置工程では、図３（Ａ）に示すように、ステータコイル１１が巻装されたステータコア１０の位置を調整する。すなわち、接合側コイルエンド１１ａが鉛直方向の下方に位置するようにステータコア１０を配置する。

さらに、接合側コイルエンド１１ａがその下方にある貯留槽としての受け皿２０に対向するようにステータコア１０の位置を調整する。受け皿２０は、ステータコイル１１と同様の径を有する円環状の金型であり、接合側コイルエンド１１ａを収容する深さを備えている。また、受け皿２０には液状のワニス１２が貯留されている。

ステップＳ１１のコイルエンド浸漬工程では、図３（Ａ）の矢印で示すように、ステータコア１０を下降させる。そして、図３（Ｂ）に示すように、接合側コイルエンド１１ａを受け皿２０の液状のワニス１２ａに浸漬する。

接合側コイルエンド１１ａを液状のワニス１２ａに浸漬する深さについて説明する。ステータコア１０の端面がワニス１２ａに接触するまで、接合側コイルエンド１１ａを液状のワニス１２ａに浸漬させて、ワニス１２ａを硬化すると、接合側コイルエンド１１ａの全体がワニス１２ａに覆われる。接合側コイルエンド１１ａの全体がワニス１２ａに覆われた状態では、ステータ１の使用時に接合側コイルエンド１１ａの冷却が困難になり、接合側コイルエンド１１ａの冷却性能が低下する。このため、ステータコア１０の端面がワニス１２ａに接触しないように、接合側コイルエンド１１ａの先端部（セグメント導体１３の交差部１０１）のみをワニス１２ａに浸漬する。

また、このコイルエンド浸漬工程は、大気圧の環境下で行い、接合側コイルエンド１１ａの各セグメント導体１３の隙間を、例えば１ｍｍ以下として毛細管現象を利用することが好ましい。

ステップＳ１２の受け皿加熱工程では、図３（Ｂ）において受け皿２０を図示しない加熱装置によって加熱する。受け皿２０を加熱することによって、受け皿２０内の液状のワニス１２ａが硬化する。なお、受け皿２０を加熱するのではなく、ステータコイル１１を加熱して、ワニス１２ａを硬化させてもよい。

ステップＳ１３の受け皿取外工程では、図３（Ｃ）の矢印で示すように、ステータコア１０を上昇して、ステータコア１０を受け皿２０から取り外す。ワニス１２ａは硬化しているので、ワニス１２ａが接合側コイルエンド１１ａに一体化した状態となっている。

ステップＳ１４のワニス滴下工程では、図３（Ｄ）に示すように、反接合側コイルエンド１１ｂの上方に配置されたワニス供給装置２１から液状のワニス１２ｂをステータコア１０のスロットに滴下する。この液状のワニス１２ｂは、ステータコア１０のスロット、詳しくは、スロット内における、セグメント導体１３とスロット内周面との隙間を通り、接合側コイルエンド１１ａに到達する。なお、このとき、反接合側コイルエンド１１ｂとステータコア１０の端面との間に装着される図示しない部品カフサにより、滴下されたワニス１２ｂを積極的にスロット内に案内することが好ましい。

接合側コイルエンド１１ａに到達した液状のワニス１２ｂは、セグメント導体１３を伝わり、硬化したワニス１２ａのステータコア１０側の表面１２ａ１に到達する。そして、液状のワニス１２ｂは、硬化したワニス１２ａの表面１２ａ１に生じた空隙やボイドに浸入して空隙やボイドを埋める。

さらに、接合側コイルエンド１１ａの先端部（セグメント導体１３の交差部１０１）が覆われるまで、液状のワニス１２ｂを滴下する（図３（Ｅ）参照）。すなわち、硬化したワニス１２ａの表面１２ａ１が液状のワニス１２ｂで覆われるまで液状のワニス１２ｂを滴下して、硬化したワニス１２ａの表面１２ａ１の上にワニス層を形成する（図３（Ｅ）参照）。

ステップＳ１５の加熱工程では、図３（Ｅ）に示すように、ステータコア１０及びステータコイル１１を加熱して、硬化したワニス１２ａの表面１２ａ１に堆積してワニス層となった液状のワニス１２ｂを硬化する。液状のワニス１２ｂが硬化することによって、ワニス１２ａ，１２ｂの２層のワニス１２が形成される。

このように、接合側コイルエンド１１ａを、接合側コイルエンド１１ａの先端側を覆うワニス１２ａと、このワニス１２ａの表面１２ａ１を覆うワニス１２ｂとを含むワニス１２で封止している。このため、ワニス１２ａで覆うことができなかったセグメント導体１３の交差部１０１があったとしても、すなわち、ワニス１２ａの表面１２ａ１から部分的に突出するセグメント導体１３の交差部１０１があっても、このワニス１２ａから露出するセグメント導体１３の交差部１０１はワニス１２ｂで覆われる。その結果、セグメント導体１３の交差部１０１の絶縁性を向上することができる。

また、ワニス１２ａの硬化時に、ワニス１２ａの表面１２ａ１に空隙やボイドが生じたとしても、これら空隙やボイドはワニス１２ｂで埋められる。その結果、空隙やボイドに異物が浸入して、セグメント導体１３の接合部の短絡を防止することができ、接合部の絶縁性を確保することができる。

また、接合側コイルエンド１１ａを、円環形状のワニス１２ａで一体的に固定しているので、接合側コイルエンド１１ａに外力や振動が作用しても、接合側コイルエンド１１ａのセグメント導体１３の変形を抑制することができる。

さらに、セグメント導体１３の交差部１０１（接合部）のみをワニス１２によって封止しているので、セグメント導体１３のステータコア１０の端面とワニス１２との間は露出している（ワニス１２によって封止されていない）。このため、この部分によって接合側コイルエンド１１ａを冷却することができ、冷却性能を確保することができる。

なお、上述の実施形態では、図４（Ｂ）に示すセグメント導体１３の交差部１０１を接合するステータコイル１１について説明したが、本発明は、図４（Ａ）に示すセグメント導体１３の立ち上がり部１００を接合するステータコイルにも適用することが可能である。

１ステータ、１０ステータコア、１１ステータコイル、１１ａ接合側コイルエンド、１１ｂ反接合側コイルエンド、１２，１２ａ，１２ｂワニス、１２ａ１表面、１３セグメント導体、２０受け皿、２１ワニス供給装置、１００立ち上がり部、１０１交差部。

Claims

周方向に複数のスロットを有する円環状のステータコアと、前記スロットに挿入されたＵ字形状のセグメント導体の脚部同士が接合されて前記ステータコアに巻装されたステータコイルとを備え、前記セグメント導体の接合部が絶縁樹脂で覆われている回転電機のステータの製造方法であって、
前記ステータコイルの接合側コイルエンドが鉛直方向の下方に位置するように、前記ステータコアを配置する工程と、
前記接合側コイルエンドの前記接合部を液状の絶縁樹脂が貯留された円環状の貯留槽に浸漬する工程と、
前記接合部を浸漬した絶縁樹脂を硬化する工程と、
液状の絶縁樹脂を前記ステータコイルの上方から前記スロットに滴下して、前記接合部を覆うように、硬化した絶縁樹脂の表面に堆積させる工程と、
堆積した絶縁樹脂を硬化する工程と、
を有することを特徴とする回転電機のステータの製造方法。