JP7040428B2

JP7040428B2 - ステータ

Info

Publication number: JP7040428B2
Application number: JP2018226688A
Authority: JP
Inventors: 葉月瓜生
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2038-12-03
Also published as: US20200177057A1; JP2020092482A; CN111262367B; DE102019216490A1; CN111262367A; US11081938B2

Description

本発明は、ステータコアにコイルが設置された回転電機のステータに関する。

回転電機のステータでは、ステータコアのスロットにおいて、当該ステータコアとコイルとの間に機能部材を配置する場合がある。

下記特許文献１には、バイメタルを設ける構成が記載されている。回転電機の運転時には、温度上昇にともなって変形したバイメタルによってコイルがステータコアに押し付けられることで、コイルからステータコアへの熱伝導性が高められる。

下記特許文献２には、スロット内の全面に、絶縁性と高熱伝導性を備えた熱硬化性樹脂を配置する構成が記載されている。

下記特許文献３には、スロット内の全面に発泡性のシートを設けてコイルを固着させる構成が記載されている。また、特許文献３では、スロット内の一側面にのみ発泡性のシートを設けてコイルを固着させ、残る側面ではステータコアとコイルとを離間させた状態にする構成も記載されている。

下記特許文献４には、スロット内の全面に絶縁シートを設ける構成が記載されている。絶縁シートには、発泡性の熱硬化性樹脂が塗布されており、発泡により樹脂が膨張することで、コイルがステータコアに密着して保持される。樹脂の塗布量をシートの折り曲げ部で減らすことで、折り曲げ部におけるクラックの発生が防止されている。

特開２００２－２６２５００号公報特開２００３－２８４２７７号公報特開２０１０－２５９３１６号公報特開２０１８－０９８９４８号公報

上記特許文献１の構成では、コイルからの放熱性が確保されるが、バイメタルがステータコアにもコイルにも固着されていないために、モータの運転中にバイメタルが振動してしまう問題がある。振動したバイメタルは、コイルの絶縁被覆を摩耗させ、絶縁を破るおそれがある。

上記特許文献２の構成では、コイルと熱硬化性樹脂とが密着せず、コイルの安定性、及び、コイルからの熱硬化性樹脂を介した放熱性が十分とはならない懸念がある。

他方、上記特許文献３及び４のように、スロット内の全側面に発泡性の樹脂を設けた場合、コイルからの放熱が低下する。上記特許文献３では、ステータコアの一側面に発泡性のシートを設ける態様も記載されているが、他の側面ではコイルとステータコアとが離間していることから、コイルからステータコアへの熱伝導率は低くなると考えられる。

本発明の目的は、スロット内におけるコイルとステータコアとの密着性と熱伝導性を高めたステータを実現することにある。

本発明にかかるステータは、径方向に凹んだスロットが、周方向に複数設けられるステータコアと、前記スロットに設置されるコイルと、を備え、前記スロットにおける周方向側の２つの側面のうち、一方の側面には、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁性の放熱部材が設けられ、他方の側面では、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁性の発泡部材が設けられる、ことを特徴とする。

ステータは、回転電機（モータ及びジェネレータの一方または両方）において、ロータの周囲に配置される。ステータのステータコアの内周面には、径方向に凹んだ溝であるスロットが、周方向に複数設けられる。スロットには、コイルが設置される。通常、コイルは、複数のスロットをまたがって巻回されるように導線を設置することで形成される。

スロットにおける周方向側の２つの側面（凹みにおける両サイドの壁面）の一方の側面には絶縁性の放熱部材が設けられ、他方の側面には絶縁性の発泡部材が設けられる。放熱部材は、少なくとも発泡部材に比べて熱伝導性が高い部材であり、コイルの温度上昇を防ぐだけの熱伝導性を有するものが選択される。

発泡部材が固化してコイルをステータコアに固着させることにより、ステータコアはステータコア中で振動することなく、安定化する。また、発泡部材の膨張にともなって、コイルは、ステータコアの他方の側面の側に押し付けられる。このため、コイルから放熱部材を通じてステータコアに熱伝導する効率が高まることになる。

本発明の一態様においては、前記放熱部材は、絶縁シートに放熱性材料を付着させてなる部材であり、前記発泡部材は、絶縁シートに発泡性材料を付着させてなる部材である、ことを特徴とする。

本発明の一態様においては、前記スロットの内面には、前記コイルを囲む放熱性の絶縁シートが設けられており、前記放熱部材は、前記放熱性の絶縁シートであり、前記発泡部材は、前記放熱性の絶縁シートに発泡性材料を付着させてなる部材である、ことを特徴とする。

本発明によれば、スロット内において、コイルの安定性と、コイルからの放熱性とを両立させたステータが実現される。

ステータの概略的な断面構造を示す図である。図１のＡＡ面における製造工程の途中状態を示す図である。図１のＡＡ面における製造工程の最終状態を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、実施形態にかかるステータ１０の部分的な断面図である。ステータ１０は、略円筒形状に形成されており、その中心側には図示を省略したロータが設置される。図１の座標系におけるｒ軸は径方向（ロータの回転軸に垂直な方向）、θ軸は周方向（ロータの回転方向）、ｚ軸は軸方向（回転軸の方向）を示している（以降の図でも同様）。図１では、軸方向の適当な位置における切断面でステータ１０の断面構造を示している。

ステータ１０は、円筒形状に打ち抜かれた薄い電磁鋼板を軸方向に積層したステータコア１２を備えている。電磁鋼板は、電磁気学的特性が高められた鋼板の両側を絶縁処理して形成されており、軸方向の各鋼板間は絶縁された状態にある。

ステータコア１２には、内周面１２ａから径方向側に凹んだ溝形状をなす複数のスロット１４が、周方向に規則的に設けられている。スロット１４は、軸方向に全ての電磁鋼板を貫いて形成されている。

各スロット１４には、断面形状が長方形である平角導線１６が巻回されたコイル２０が設置されている。このコイル２０は、略Ｕ字に形成された複数のセグメントコイルを、ステータコア１２の軸方向の一方の面から挿入し、他方の面において溶接により接続することで、形成されたものである。ただし、コイル２０は、他にも様々な態様でスロット１４に設置することが可能である。例えば、長い導線を巻回する態様、あるいは、巻回したコイルが挿入された分割ステータコアを結合してステータ１０を形成する態様が挙げられる。

コイル２０の各平角導線１６は、樹脂等の絶縁部材１８によって被覆されている。これにより、隣接する平角導線１６同士の絶縁性が確保されている。また、平角導線１６とステータコア１２との間の絶縁性も確保されている。

スロット１４内では、ステータコア１２とコイル２０との間に、発泡シート２２と放熱シート２４が設置されている。具体的には、スロット１４における周方向側の一方の側面１４ａと、径方向側の側面（凹みの底面）１４ｂの半分程度の部位に、発泡シート２２が設けられている。そして、径方向側の側面（凹みの底面）１４ｂの残る半分と、周方向側の他方の側面１４ｃの全体に、放熱シート２４が設けられている。

発泡シート２２は、絶縁性の発泡部材の例であり、基材となる絶縁シートに、絶縁性の発泡性材料の例である発泡性の熱硬化性樹脂を浸み込ませて形成されている。絶縁シートとしては、例えば、耐熱性が高いＳｉＯ２（シリコン）繊維を織り上げたシリコンシートが用いられる。発泡性の熱硬化性樹脂は、樹脂中に分散された気体の膨張により、多孔質に形成される樹脂である。熱硬化性樹脂としては、絶縁性の耐熱性の特徴をもつものが選択される。図１に示した状態では、発泡シート２２は、スロット１４内に配置され、加熱されたことで、発泡して膨張し、固化している。

放熱シート２４は、絶縁性の放熱部材の例であり、基材となる絶縁シートに、絶縁性の放熱性材料の例である放熱性樹脂を浸み込ませて形成された部材である。絶縁シートとしては、例えば、発泡シート２２と同様に、シリコンシートが用いられる。また、放熱性樹脂としては、例えば、熱伝導性が高い金属やセラミクスなどをフィラーとして含有させた熱硬化性樹脂が用いられる。図１に示した状態では、放熱シート２４はスロット１４内に配置され、加熱されたことで、固化している。放熱シート２４内のフィラーは、一般に、樹脂の表面には現れない傾向にあり、樹脂の表面に現れた場合にもフィラーは小片であるため、放熱シート２４は全体として絶縁性を有する。

次に、図２及び図３も参照して、ステータ１０の製造方法について説明する。図２と図３は、図１のＡＡ面における部分的な断面図である。図２は、ステータ１０の製造過程における途中状態を示しており、図３は、ステータ１０の製造過程の最終状態を示している。

ここでは、共通の絶縁シートを用いて、発泡シート２２と放熱シート２４が形成される態様について説明する。まず、絶縁シートの一部に対し、発泡性の熱硬化性樹脂が塗布される。樹脂を絶縁シートに浸み込ませることで、必要な量の樹脂が絶縁シートに保持される。これにより、途中状態における発泡シート２２が形成される。次に、絶縁シートにおける発泡性樹脂を塗布した隣の領域に、放熱性の熱硬化性樹脂が塗布される。これにより、途中状態における放熱シート２４が形成される。

図２に示すように、電磁鋼板が積層されたステータコア１２には、形成されたスロット１４内に、途中状態の発泡シート２２及び放熱シート２４が設置される。発泡シート２２は、ステータコア１２における周方向側の一方の側面１４ａに接触するように配置され、放熱シート２４は他方の側面１４ｃに接触するように配置されている。

スロット１４には、図２に示したように、絶縁部材１８で被覆された平角導線１６をＵ字型に折り曲げたセグメントコイルが軸方向に挿入される。この段階では、発泡シート２２は発泡していないため、絶縁部材１８で被覆された平角導線１６の周囲には若干の隙間２６があり、スムーズに挿入することができる。そして、絶縁部材１８が剥離されたセグメントコイルの先端同士が溶接され、巻回されたコイル２０が形成される。

続いて、ステータ１０が加熱される。加熱は、例えば、コイル２０に通電をしてジュール熱を発生させることにより行われてもよいし、別途用意した熱源を利用して行われてもよい。加熱によって、発泡シート２２では、内部に気泡が形成され、膨張する。

この結果、図３に示すように、絶縁部材１８で被覆された平角導線１６は、発泡シート２２に押されて、放熱シート２４に押し付けられる。さらに、加熱を続けることで、発泡シート２２と放熱シート２４では熱硬化性樹脂が熱硬化する。詳細には、発泡シート２２の熱硬化性樹脂は、膨張の結果として、スロット１４の側面１４ａ及び絶縁部材１８と押し合った状態でこれらと接着する。また、放熱シート２４の樹脂は、コイル２０からの押圧力を受けることで、スロット１４の側面１４ｃ及び絶縁部材１８と押し合った状態で、これらと接着する。こうして、コイル２０は、スロット１４内に確実に固定されるとともに、放熱シート２４との密着性も確保される。

回転電機が運転される状態では、コイル２０は、平角導線１６に流れる電流によって加熱され、温度を高める。この場合、発泡シート２２は、断熱性が高いため、コイル２０からの熱をあまり伝達することができない。しかし、放熱シート２４では、フィラーの効果によって大きな熱伝導が起こる。このため、コイル２０からの熱は、放熱シート２４を通じて、速やかにステータコア１２に伝導される。こうして、コイル２０の温度上昇が抑制されることになる。

以上の説明では、発泡シート２２と放熱シート２４は、共通の絶縁シートにそれぞれの樹脂を塗布して形成するものとした。しかし、別々の絶縁シートを用いて形成するようにしてもよい。また、基材となる絶縁シートを用いることなく、例えば、ステータコア１２の側面１４ａに発泡性の熱硬化性樹脂を塗布または充填する態様、あるいは、側面１４ｃに放熱性の熱硬化性樹脂を塗布または充填する態様を採用することも可能である。

また、以上の説明では、スロット１４における径方向側の側面１４ｂには、発泡シート２２と放熱シート２４の境界が位置するものとした。しかし、側面１４ｂには、特段部材を設けないようにしてもよいし、あるいは、樹脂が塗布されていない絶縁シートを設けるようにしてもよい。側面１４ｂの全面に発泡シート２２を設けて、発泡によるコイル２０の圧縮力を高めることも可能である。また、側面１４ｂの全面に放熱シート２４を設けて、コイル２０からの放熱性を向上させてもよい。

発泡シート２２は、スロット１４の側面１４ａの全面に設けられることで、コイル２０の固着性向上と、コイル２０を押圧する力の向上を図ることができる。しかし、十分な固着性と押圧力を確保できるのであれば、発泡シート２２は側面１４ａの一部にのみ設けるようにしてもよい。また、放熱シート２４は、スロット１４の側面１４ｃの全面に設けられることで、コイル２０からの放熱性向上を図ることができる。しかし、十分な放熱性が確保できるのであれば、放熱シート２４は側面１４ｃの一部にのみ設けるようにしてもよい。

発泡シート２２と放熱シート２４（あるいは基材を用いない発泡部材と放熱部材）は、コイル２０と一体化した形でコイル２０と同時にスロット１４内に設けるようにしてもよい。また、コイル２０を設置した後に、発泡シート２２に代えて基材を持たない発泡性の熱硬化性樹脂を充填し、放熱シート２４に代えて基材を持たない放熱性の熱硬化性樹脂を充填するなど製造方法を変更することも可能である。

さらに、別の実施形態として、放熱性の絶縁シートを用いる態様が挙げられる。十分な放熱性を確保できる放熱性絶縁シートを利用できる場合、この放熱性絶縁シートを、直接、放熱シート２４として利用することが可能である。また、この放熱性絶縁シートを、発泡シート２２の基材として用いることも可能である。

したがって、放熱性絶縁シートの一部に発泡性の熱硬化性樹脂のみを塗布し、放熱性の熱硬化性樹脂を塗布する過程を省略した上で、図１～図３に示した実施態様を実現することが可能となる。放熱性絶縁シートの例としては、熱伝導率が高いシリコンシート、アクリル等の樹脂を用いたシートなどが挙げられる。前述のように、樹脂の中に熱伝導性が高いフィラーを含有したものであってもよい。一枚の放熱性絶縁シートを用いて、スロット１４の側面１４ａ、１４ｂ、１４ｃを覆うためには、柔軟性を備えたシートである方が製造の容易化を図ることができる。しかし、放熱性絶縁シートに柔軟性がない場合であっても、切り込みを入れて折り曲げるなどすれば、利用可能になると考えられる。

１０ステータ、１２ステータコア、１２ａ内周面、１４スロット、１４ａ側面、１４ｂ側面、１４ｃ側面、１６平角導線、１８絶縁部材、２０コイル、２２発泡シート、２４放熱シート、２６隙間。

Claims

径方向に凹んだスロットが、周方向に複数設けられるステータコアと、
前記スロットに設置されるコイルと、
を備え、
前記スロットにおける周方向側の２つの側面のうち、一方の側面には、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁性の放熱部材が設けられ、他方の側面では、前記ステータコアと前記コイルとの間に絶縁性の発泡部材が設けられる、ことを特徴とするステータ。
請求項１に記載のステータにおいて、
前記放熱部材は、絶縁シートに放熱性材料を付着させてなる部材であり、
前記発泡部材は、絶縁シートに発泡性材料を付着させてなる部材である、ことを特徴とするステータ。
請求項１に記載のステータにおいて、
前記スロットの内面には、前記コイルを囲む放熱性の絶縁シートが設けられており、
前記放熱部材は、前記放熱性の絶縁シートであり、
前記発泡部材は、前記放熱性の絶縁シートに発泡性材料を付着させてなる部材である、ことを特徴とするステータ。