JP2010114998A - コイルユニットおよび電磁部品 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性確保および放電防止の観点からコイルとコアとの間隙を適正に確保しうるコイルユニットおよび電磁部品を提供する。
【解決手段】コイルユニット２０は、コイル１０と、コイル１０と一体的に成形された部分モールド部１５とを備えている。部分モールド部１５と、ティース部５１ｂとを嵌合させて、分割コア５１をコイルユニット２０に装着する。部分モールド部１５によって、コイルユニット２０と分割コア５１との隙間Ｓｐが、適正範囲に確保される。つまり、全体モールド時に、樹脂を隙間Ｓｐ全体に確実に充填させることができる。コイル１０と分割コア５１との間の空隙をなくすことができるので、放熱性が確保され、部分放電の発生が抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータや発電機，リアクトル等に配置されるコイルユニットおよび電磁部品に関する。

モータや発電機のステータ（固定子），リアクトル，トランスは、コアの周囲にコイルを巻回して構成されている。特許文献１，２のステータでは、コイルは、インシュレータを介してコアの周囲に巻回される。そして、コイルで発生する熱を放熱するために、ステータ全体を樹脂によりモールドしている。

特許文献３では、コアまたはコイルに、熱硬化性樹脂からなるインシュレータをインサート成形している。その後、コアとコイルとを組み合わせてステータを形成し、ステータ全体を樹脂によりモールドしている。
特開昭５９−２２００５０号公報 特開昭６０−３２５３４号公報 特開２００８−１６０９３８号公報

しかしながら、特許文献１，２では、コアとインシュレータとの隙間、あるいは、インシュレータとコアの隙間が狭い。そのために、全体モールドしたときに、モールド樹脂を十分隙間に充填させるのが困難である。そのために、放熱性の劣化や、部分的な放電の発生による絶縁性の劣化を招くおそれがあった。

一方、特許文献３では、インシュレータとコアまたはコイルのいずれかとの間に、必ず隙間が生じる。したがって、全体モールドしたときに、モールド樹脂をその隙間に充填させるのが困難である。そのために、特許文献１，２と同様の不具合があった。
特に、熱伝導率を高める目的でフィラーが混入された樹脂は、流動性が悪いので、上述の不具合が顕著に現れる。

本発明の目的は、放熱性確保および放電防止の観点からコイルとコアとの距離を適正に確保しうるコイルユニット、およびこれを用いた電磁部品を提供することにある。

本発明のコイルユニットは、矩形状のコアの周囲を囲む形状に巻回されたものである。コイルユニットは、相対向する各々１対の第１，第２側部と、第３，第４側部とを有する角筒状のコイルを備えている。第１側部および第２側部は、コアに主磁流を生ぜしめる部分である。そして、コイルの第３側部および第４側部に、コイルと一体的に成形された部分モールド部を設けたものである。
コアがモータやジェネレータに配置される場合には、第３，第４側部は、コイルのコイルエンド部である。
部分モールド部は、一般的には樹脂からなるが、無機絶縁物などを用いてもよい。

この構造により、部分モールド部によって、コイルがばらばらにならないように束ねられる。そして、コイルにコアを装着したときには、部分モールド部が、コイルユニット中のコイルとコアとの間に介在する。よって、コイルとコアとの距離を、モールド樹脂が充填される範囲内に保持することが容易となる。隙間にモールド樹脂が充填されると、放熱性を確保することができる。また、コアとコイルユニットとの間に空隙がないことで、部分放電の発生も抑制される。
一方、部分モールド部が存在することにより、コイルの第３，第４側部とコアとが離れてしまう。しかし、第３、第４側部は、コアに主磁流を生じさせる部分ではないので、コイルユニットの機能は、ほとんど損なわれない。

部分モールド部が、コアとコイルとの相対的な位置を定める位置決め部を有していることが好ましい。これにより、コアとコイルとの間の全ての隙間の距離を適正に確保することが可能になる。

コイルは、第１，第２側部におけるコアとの距離が所定範囲に収まるように設けられていることが好ましい。これにより、コアに主磁流を生じさせる第１，第２側部とコアとの距離を適正範囲に収めることが可能になる。
所定範囲とは、全体モールド部に樹脂が十分充填され、かつ、放熱性が確保される距離である。フィラーが添加されていない樹脂を用いると、流動性がよいので、狭い隙間でも樹脂を充填させることが容易である。しかし、放熱性を高めるには、流動性が悪くなっても、フィラーを添加して熱伝導率を大きくすることことが好ましい。また、コイルとコアとの距離が大きすぎても、放熱性が悪化する。
上記所定範囲は、たとえば、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。

本発明の電磁部品は、上記コイルユニットと、コイルユニットの内方に配置されたコアとの間に、隙間を埋める全体モールド部を設けたものである。

これにより、放熱性確保および放電防止の観点からコイルとコアとの距離を適正に確保しうる電磁部品が得られる。
電磁部品には、モータやジェネレータのステータ（固定子），リアクトル，トランスなどがある。

本発明のコイルユニットまたは電磁部品によると、コイルとコアとの距離を適正に確保することができる。よって、放熱性を確保しつつ、部分放電を抑制することができる。

（実施の形態１）
−コイルユニットの構造−
図１（ａ），（ｂ）は、順に、本発明の実施の形態１に係るコイルユニット２０を示す斜視図、およびIb-Ib線における断面図である。本実施の形態のコイルニット２０は、モータのステータ（固定子）に配置されるものである。同図において、ｘ方向はロータ側方向（半径方向）であり、ｙ方向はコイルサイド方向（周方向）であり、ｚ方向はコイルエンド方向（軸方向）である。

同図に示すように、コイルユニット２０は、コアを囲む形状に巻回されたコイル１０と、部分モールド部１５とを有している。
部分モールド部１５は、コイル１０のコイルエンド部１０ａにおいて、コイル１０と一体的に成形されたものである。たとえば、モールド金型のダイキャビティの一部にコイル１０のコイルエンド部１０ａを装着し、樹脂モールドを行う。この方法は、一般に、アウトサート成形と呼ばれている。

ここで、コイル１０のコイルエンド部１０ａとは、図１（ａ）の右下に示すｘｙ面に平行な部分である。コイル１０のコイルサイド部１０ｂとは、図１（ａ）の右下に示すｘｚ面に平行な部分である。コイルサイド部１０ｂは、コアに主磁流を生じさせる第１，第２側部である。コイルエンド部１０ａは、第１，第２側部であるコイルサイド部１０ｂに交差する側部である。

本実施の形態では、コイル１０は平角線１１をエッジワイズ状に巻回したものであるが、これに限定されるものではない。本発明のコイル１０は、断面形状が円形，矩形，多角形など任意の断面形状を有するコイル線を用いることができる。
たとえば、コイル１０は、平角線１１をフラットワイズに巻回したものでもよい。また、平角線１１に代えて、丸線，角線，多角形線などを多層巻きしたものでもよい。
なお、コイル１０の両端は、コイルエンド側に突出して、外部端子１３，１４となっている。

図示されていないが、各平角線１１は、断面がほぼ矩形状の銅線と、銅線を被覆する被覆膜とを有している。皮覆膜は、ポリイミド，ポリアミドイミド，ポリエステルイミド等に代表されるイミド系樹脂からなる。

部分モールド部１５としては、不飽和ポリエステル樹脂（ＢＭＣ），ＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンスルフィド），ＬＣＰ樹脂（液晶ポリマー），エポキシ樹脂，ウレタンなどの樹脂を用いることができる。ただし、必ずしも樹脂に限定されるものではなく、無機絶縁物を用いてもよい。
特に、部分モールド部１５を構成する樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂を用いることが好ましい。不飽和ポリエステル樹脂は、トランスファー成形したときに、成形収縮率がほぼ０であるので、成形精度が高いからである。

−ステータの構造−
図２は、コイルユニット２０に、分割コア５１を装着した状態を示す斜視図である。
分割コア５１は、ヨーク部５１ａと、ヨーク部５１からロータ側に突出するティース部５１ｂとを有している。本実施の形態では、分割コア５１は、絶縁層を挟んで多数の磁性鋼板を積層した積層鋼板構造を有している。ただし、絶縁被膜を有する磁性粉末を圧縮成形して形成される，いわゆる圧粉コア構造を採用してもよい。

分割コア５１のティース部５１ｂは、コイル１０の内方に挿入される。このとき、部分モールド部１５と、ティース部５１ｂとを嵌め合わせる。上述のように、不飽和ポリエステル樹脂は、成形収縮率がほぼ０であるので、中間ばめが可能である。これにより、コイルユニット２０と、分割コア５１との相対的な位置関係がほぼ定まる。
このとき、コイルサイド側におけるコイルユニット２０と分割コア５１との隙間Ｓｐを、所定範囲０．３ｍｍ〜１．０ｍｍに設定することが好ましい。

その後、コイルユニット２０および分割コア５１の全体がモールドされて、分割ステータが形成される。上記隙間Ｓｐの寸法を上記所定範囲内に設定しておけば、樹脂が隙間Ｓｐに十分充填され、放熱性も確保される。

図３（ａ）〜（ｃ）は、分割ステータ５０Ａが形成されるまでの工程を示す横断面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、図２に示すIII-III線に示す断面（ｘｙ面に平行な断面）における構造の変化を示している。

図３（ａ）は、コイルユニット２０の横断面図である。コイルユニット２０のコイル１０の開口３３は、分割コア５１のティース部５１ｂの外形よりも十分大きい。

図３（ｂ）は、コイル１０の開口３３にティース部５１ｂを挿入させた状態を示す横断面図である。同図に示すように、コイル１０と、ティース部５１ｂとの間には、隙間Ｓｐが存在している。

図３（ｃ）は、分割ステータ５０Ａを組み立てたときの横断面図である。本実施形態では、コイル１０とティース部５１ｂとの隙間Ｓｐに樹脂を注入して、全体モールド部３０を形成する。全体モールド部３０の樹脂としては、エポキシ樹脂，ＢＭＣ樹脂（不飽和ポリエステル樹脂），ウレタンなどが用いられる。全体モールド部３０には、絶縁フィラーが添加されていることが好ましい。無機フィラーが添加されていることにより、全体モールド部３０の熱伝導率が向上する。

図４は、分割ステータ５０Ａを環状に組み合わせたステータ５０の概略的な構造を示す断面図である。ステータ５０の内方には、永久磁石を備えたロータ（図示せず）が配置される。
なお、分割コア５０に代えて、ヨーク部で連続的につながった、環状の一体型ステータを用いてもよい。その場合には、ステータから複数のティース部がロータ側に突出する構造となる。

このステータ５０を組み立てる手順としては、以下のような手順が適している。まず、コイルユニット２０および分割コア５１を個別に準備する。次に、コイルユニット２０と分割コア５１から分割ステータ５０Ａを組み立てる（図３（ｃ）参照）。その際、ティース部５１ｂとコイル１０との間の隙間Ｓｐに樹脂を埋め込む全体モールドを行う。
上述のように形成された各分割ステータ５０Ａを環状に組み立てる。その後、ステータ５０を、図示しないリング部材等を用いて外側から囲み込んで組み付ける。

本実施の形態のコイルユニット２０によると、以下の効果が得られる。まず、部分モールド部１５によって、コイル１０がスプリングバック等によって形状が崩れるのを防ぐことができる。そして、コイル１０同士を強く密着させることができるので、占積率が向上する。

また、ステータを組み立てる際、部分モールド部１５が、コイル１０とコア（ティース部５１ｂ）との間に介在する（図３（ｂ）参照）。これにより、コイル１０とティース部５１ｂとの間の距離が適正に維持される。つまり、全体モールド部３０に、モールド樹脂を十分充填させることができる。よって、空隙をなくして、放熱性を高く維持することができる。また、空隙の存在に起因する部分放電を防止することができる。

本実施の形態では、隙間Ｓｐは所定範囲０．３ｍｍ〜０．５ｍｍに設定されているが、これに限定されるものではない。隙間Ｓｐが０．３ｍｍより小さくても、フィラーが無添加あるいは少量の樹脂を用いれば、樹脂を隙間Ｓｐに十分充填させることができる。しかし、放熱性を高めるには、流動性が悪くなっても、フィラーを添加して熱伝導率を大きくすることことが好ましい。よって、隙間Ｓｐは、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。また、隙間Ｓｐが０．５ｍｍを超えると、放熱性が悪化する。よって、隙間Ｓｐは、所定範囲０．３ｍｍ〜０．５ｍｍに設定されていることが好ましい。

なお、隙間Ｓｐに十分樹脂が充填されていても、隙間Ｓｐが小さいと樹脂を介して部分放電が生じるおそれがある。一般的には、コアとコイルユニットとの間の距離が、０．１ｍｍよりも小さいと、部分放電が生じやすい。
ただし、部分放電を防ぐための絶縁距離は、コイルとコアとの電圧や、両者間に配置される部材の誘電率によって異なる。したがって、本発明における所定範囲の下限値は、ステータの構造によって定まる絶縁距離であることが好ましい。本実施の形態では、所定範囲の下限値が０．３ｍｍであるので、樹脂を介した部分放電も抑制することができる。

部分モールド部１５ａにより、コイル１０のコイルエンド部１０ａとティース部５１ｂとの間隔は広くなる。しかし、コイルエンド部１０ａにおける発熱量は小さいので、放熱性にはほとんど影響がない。つまり、コイルサイド部におけるコイル１０とティース部５１ｂとの間隔が適正であれば、発熱を有効に放出することができる。

（実施の形態１の変形例）
図５は、実施の形態１の変形例に係るコイルユニット２０に、分割コア５１を装着した状態を示す斜視図である。同図において、図１，図２に示す部材と同じ部材は、同じ符号を付して、説明を省略する。

本変形例のコイルユニット２０において、部分モールド部１５の上下２カ所には、係合凸部１５ａが設けられている。一方、分割コア５１のティース部５１ｂのコイルエンド部には、係合凸部１５ａに係合する係合溝５１ｃが形成されている。係合凸部１５ａおよび係合溝５１ｃは、モータの軸方向（ｘ方向）に沿って形成されている。係合凸部１５ａおよび係合溝５１ｃは、コイルユニット２０と分割コア５１との周方向（ｙ方向）における相対的な位置決めを行位置決め部として機能する。
なお、位置決め部の構造は、必ずしもこの構造に限定されるものではなく、周知慣用の係合構造を採用することができる。

この係合凸部１５ａおよび係合溝５１ｃにより、コイルサイド側におけるコイル１０とティース部５１ｂとの隙間Ｓｐが規定される。よって、隙間Ｓｐを確実に上記所定範囲に設定することができ、実施の形態１の効果をより確実に得ることができる。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２に係るリアクトル装置の一部を分解して示す斜視図である。図７は、実施の形態２に係るリアクトル装置７０の概略構成を示す斜視図である。
リアクトル装置７０は、リアクトル６０（電磁部品）をケース７１に収納して構成されている。リアクトル６０は、コア６１と、コア６１の周囲を環状に取り巻くコイルユニット６２とを有している。

コア６１は、高透磁率材料ともいわれる軟磁性材料または電磁鋼板を主成分として構成され、平面形状がほぼトラック形をしている。また、図示しないが、コア６１は、セラミックス，ガラス，ガラスエポキシ等の非磁性かつ絶縁性材料からなるギャップスペーサを挟んで連結された複数の部分コアを有している。図６には明示されていないが、コア６１は、トラックの直線部に相当する部分と、コーナー部に相当する半円部とに区画される。

コイルユニット６２は、コア６１の２つの直線部分を囲む環状部６２ａ（コイル部分）と、接続部６２ｂと、端子６２ｃとを有している。コイルユニット６２のコイル線は、ほぼ全体が絶縁性膜で覆われており、端子６２ｃのみが絶縁性膜から露出している。通電時には、一方の端子６２ｃから、環状部６２ｂおよび接続部６２ｂを経て、他方の端子６２ｃに交流電流が流れる。

また、コイルユニット６２の環状部６２ａの相対向する１対の側部には、それぞれ部分モールド部６５が設けられている。部分モール部６５が設けられている側部は、実施の形態１におけるコイル１０のコイルエンド部１０ａ（第３，第４側部）に相当する。コア６１に主磁流を生じさせる側部は、トラック状コア６１の内側面，外側面にそれぞれ接する第１，第２側部である。第３、第４側部は、第１，第２側部に交差している。
ただし、下方の部分モールド部６５は、図６において、見えない位置に設けられている。部分モールド部６５は、コイルユニット６２の環状部６２ａと一体的に成形されたものである。部分モールド部６５の材料としては、実施の形態１における部分モールド部１５と同様の樹脂を採用することができる。

組立時には、コア６１の直線部の周囲にコイルユニット６２を装着する。このとき、部分モールド部６５とコア６１の直線部とが嵌合し合う。その後、リアクトル６０を中ケース６６に収納した後、中ケース６６およびリアクトル６０をケース７１に収納する。

なお、一般的な工程では、その後、全体モールド（ポッティング）を行なって、ケース７１全体の空隙を樹脂によって満たす。このとき、リアクトル６０のうち端子６２ｃおよびこれに近接する部分を除くほぼ全体は樹脂中に封止される。そして、コイルユニット６２の環状部６２ａとコア６１との隙間にも、樹脂が充填される。

本実施の形態１によっても、部分モールド部６５を設けたことにより、実施の形態１と同様の効果を発揮することができる。
すなわち、部分モールド部６５によって、コイルがスプリングバック等によって形状が崩れるのを防ぐことができる。また、部分モールド部６５が、コイルとコア６１との間に介在することにより、コイルとコア６１との間の距離が適正に維持される。つまり、全体モールド時に、コイルとコア６１との間に樹脂を十分充填させることができる。よって、空隙をなくして、放熱性を高く維持することができる。また、空隙の存在に起因する部分放電を防止することができる。

本実施の形態においても、実施の形態１の変形例と同様に、部分モールド部６５およびコア６１に、位置決め部を設けることができる。たとえば、互いに係合する係合凸部と係合溝とを形成することができる。

（その他の実施の形態）
上記実施の形態１では、コアの構造として、ヨーク部５１ａからティース部５１ｂが突出している突極構造を採用した。しかし、ステータにおけるコア構造は、斯かる実施の形態に限定されるものではなく、他の構造を採用することができる。

上記実施の形態１，２では、コイルユニットを回転モータや、リアクトルの一部として使用した例について説明した。しかし、本発明のコイルユニットは、リニアモータ、発電機、トランスなどにも用いることができる。すなわち、本発明の電磁部品は、コイルとコアとを有する装置一般に適用することができる。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のコイルユニットおよび電磁部品は、リニアモータ、発電機、リアクトル、トランスなどに用いることができる。これらの装置は、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車，ロボットや、各種産業機器に配置される。

（ａ），（ｂ）は、順に、本発明の実施の形態１に係るコイルユニットを示す斜視図、およびIb-Ib線における断面図である。 実施の形態１に係るコイルユニットに、分割コアを装着した状態を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、分割ステータが形成されるまでの工程を示す横断面図である。 分割ステータを環状に組み合わせたステータの概略的な構造を示す断面図である。 実施の形態１の変形例に係るコイルユニットに、分割コアを装着した状態を示す斜視図である。 実施の形態２に係るリアクトル装置の一部を分解して示す斜視図である。 実施の形態２に係るリアクトル装置の概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

Ｓｐ 隙間
１０ コイル
１０ａ コイルエンド部
１０ｂ コイルサイド部
１１ 平角線
１３，１４ 端子
１５ 部分モールド部
１５ａ 係合凸部
２０ コイルユニット
２１，２２ 端子
３０ 全体モールド部
３３ 開口部
５０ ステータ
５０Ａ 分割ステータ
５１ 分割コア
５１ａ ヨーク部
５１ｂ ティース部
５１ｃ 係合溝
６０ リアクトル
６１ コア
６２ コイルユニット
６２ａ 環状部（コイル）
６２ｂ 接続部
６２ｃ 端子
６５ 部分モールド部
６６ 中ケース
７０ リアクトル装置
７１ ケース

Claims (4)

1. 矩形状のコアの周囲を囲む形状に巻回され、コアに主磁流を生ぜしめる第１側部およびこれに対向する第２側部と、第１，第２側部と交差する第３側部およびこれに対向する第４側部とを有する角筒状のコイルと、
   前記コイルの第３側部および第４側部に設けられ、コイルと一体的に成形された部分モールド部と、
   を備えているコイルユニット。
2. 請求項１記載のコイルユニットにおいて、
   前記部分モールド部は、前記コアとコイルとの相対的な位置を定める位置決め部を有している、コイルユニット。
3. 請求項１または２記載のコイルユニットにおいて、
   前記コイルは、前記第１側部および第２側部におけるコアとの距離が所定範囲に収まるように設けられている、コイルユニット。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のコイルユニットと、
   前記コイルユニットの内方に配置されたコアと、
   少なくとも前記コイルユニットとコアとの隙間を埋める樹脂からなる全体モールド部と、
   を備えている電磁部品。

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