JP6060911B2

JP6060911B2 - ステータの製造方法

Info

Publication number: JP6060911B2
Application number: JP2014008747A
Authority: JP
Inventors: 浅野　光俊; 光俊浅野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: JP2015136831A

Description

本発明はステータの製造方法に関する。

近年、モータのステータを構成するコイルとしてセグメントコイルを使用したモータが広く用いられている。セグメントコイルを用いたモータでは、スロット内におけるコイルの占積率を効果的に向上させることができ、モータの小型化、高性能化、高出力化等を実現することができる。

図８は、従来技術にかかるステータを説明するための図である。図８に示すように、ステータ１０１は、複数のセグメントコイル１１０とステータコア１２０とを備える。ステータ１０１を製造する際は、図９に示すステータコア１２０のスロット１２１内に、図１０に示すセグメントコイル１１０を配置する。つまり、Ｕ字状のセグメントコイル１１０は、クランク部１１１と２つの直線部１１２とを備えており、２つの直線部１１２をステータコア１２０の各々のスロット１２１内にそれぞれ挿入することで、図８に示すステータ１０１を形成することができる。スロット１２１は、ステータコア１２０の内周面の周方向の複数箇所に放射状に形成されている。

また、特許文献１には、セグメントコイルを用いたステータに関する技術が開示されている。特許文献１に開示されているステータにおいても、ステータコアの各々のスロット内に、複数のセグメントコイルを挿入することでステータを形成している。

特開２０１２−２３１６３８号公報

図８に示した従来技術では、ステータコア１２０の各々のスロット１２１内に、複数のセグメントコイル１１０を挿入することでステータ１０１を形成している。この場合、図１１に示す断面図のように、複数のセグメントコイル１１０は、１つのスロット１２１内において、ステータコア１２０の内周側から外周側に向かって配置される。また、スロット１２１の内壁とセグメントコイル１１０との間には、絶縁性を保つための絶縁紙１２５が設けられる。

しかしながら、スロット１２１内にセグメントコイル１１０を挿入してステータ１０１を形成する場合は、スロット１２１とセグメントコイル１１０との間に、セグメントコイル１１０を組み付けるための隙間１２６、１２７（つまり、セグメントコイル１１０をスロット１２１内に挿入するための隙間）を設ける必要がある。このように、セグメントコイル１１０を組み付けるための隙間１２６、１２７をスロット１２１内に設けると、その分だけスロット１２１内におけるセグメントコイル（導体）の占積率が低下し、モータの出力が低下するという問題がある。

上記課題に鑑み本発明の目的は、モータの出力を向上させることが可能なステータの製造方法を提供することである。

本発明にかかるステータの製造方法は、ステータコアと、当該ステータコアの所定の位置に配置されたコイルと、当該コイルの外周を覆う絶縁体と、を備えるステータの製造方法であって、前記コイルを構成する第１の金属材料と前記ステータコアを構成する第２の金属材料と前記絶縁体を構成する樹脂材料のそれぞれを同一層の所定の位置に配置して固化する処理を、前記ステータの水平断面の各層毎に繰り返して、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料と前記樹脂材料とを前記ステータの高さ方向に積層する。

本発明にかかるステータの製造方法では、ステータを構成する各材料を高さ方向に積層しながらステータを形成している。このため、ステータを形成する際に、ステータコアのスロット内にセグメントコイルを挿入して配置する必要がないため、スロットとセグメントコイルとの間に、セグメントコイルを組み付けるための隙間を設ける必要がない。よって、ステータコアのスロット内においてコイルの占積率を高めることができ、モータの出力を向上させることができる。

本発明により、モータの出力を向上させることが可能なステータの製造方法を提供することができる。

実施の形態にかかるステータの製造方法を用いて製造されたステータを示す斜視図である。ステータ製造装置の一例を示す上面図である。ステータ製造装置の一例を示す正面図である。ステータ製造装置が備えるインクジェットヘッドの詳細を示す正面図である。実施の形態にかかるステータの製造方法を説明するための断面図である。実施の形態にかかるステータの製造方法を説明するための断面図である。実施の形態にかかるステータの製造方法を説明するための断面図である。実施の形態にかかるステータの製造方法を説明するための断面図である。実施の形態にかかるステータの製造方法を説明するための断面図である。実施の形態にかかるステータの製造方法を用いて製造されたステータのスロットの断面図である。実施の形態にかかるステータの製造方法を用いて製造されたステータのコイルエンド付近の側面図である。従来技術にかかるステータを説明するための図である。従来技術にかかるステータを構成するステータコアを示す斜視図である。従来技術にかかるステータを構成するセグメントコイルを示す斜視図である。従来技術にかかるステータのスロットの断面図である。従来技術にかかるステータのコイルエンド付近の側面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかるステータの製造方法を用いて製造されたステータを示す斜視図である。図１に示すように、ステータ１は、コイル１０とステータコア１１とを備える。コイル１０の外周には絶縁体が設けられている。

本実施の形態にかかるステータの製造方法では、コイル１０を構成する第１の金属材料とステータコア１１を構成する第２の金属材料と絶縁体を構成する樹脂材料のそれぞれを同一層の所定の位置に配置して固化する処理を、ステータ１の水平断面の各層毎に繰り返している。つまり、第１の金属材料と第２の金属材料と樹脂材料とをステータ１の高さ方向に積層することでステータ１を形成している。このように、本実施の形態では、三次元積層造形技術（所謂、３Ｄプリンタ技術）を用いてステータを作製している。

図２は、ステータ製造装置の一例を示す上面図である。図３は、ステータ製造装置の一例を示す正面図である。図２、図３に示すように、ステータ製造装置２０は、ステージ２１、インクジェットヘッド２２、駆動部２３_１、２３_２、及びレール２４を備える。インクジェットヘッド２２は、レール２４に沿ってＸ軸方向に駆動可能に構成されている。駆動部２３_１、２３_２は、レール２４をＹ軸方向およびＺ軸方向に駆動することができる。すなわち、インクジェットヘッド２２は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に駆動可能に構成されている。

図４は、インクジェットヘッド２２の詳細を示す正面図である。図４に示すように、インクジェットヘッド２２は、複数のノズル３１〜３４と、光源３５とを備える。例えば、ノズル３１〜３４は、圧電素子を用いて流体を吐出するように構成されている。

ノズル３１は、コイル１０を構成する第１の金属材料を吐出するためのノズルである。第１の金属材料は例えば粒子状であり、ノズル３１からステージ２１に向けて金属粒子３６を吐出して、所定の位置に金属粒子を配置する。そして、光源３５からレーザ光３７を照射し、金属粒子を加熱して溶融することで、金属粒子３８を固化する。コイル１０を構成する第１の金属材料には、例えば銅の金属粒子を用いることができる。また、第１の金属材料として複数の金属材料を含む合金を用いてもよい。この場合は、複数の金属材料をノズル３１から吐出するように構成する。

ノズル３２は、ステータコア１１を構成する第２の金属材料を吐出するためのノズルである。第２の金属材料は例えば粒子状であり、ノズル３２からステージ２１に向けて金属粒子を吐出して、所定の位置に金属粒子を配置する。そして、レーザ光を用いて金属粒子を加熱し溶融することで、金属粒子を固化する。ステータコア１１を構成する第２の金属材料には、例えば鉄の金属粒子を用いることができる。また、第２の金属材料として複数の金属材料を含む合金を用いてもよい。この場合は、複数の金属材料をノズル３２から吐出するように構成する。

例えば、第１および第２の金属材料を構成する微粒子を溶媒と混合し、この混合物をノズルから吐出するようにしてもよい。また、第１および第２の金属材料には、有機保護膜で外周が保護された金属粒子（ナノ粒子）を用いてもよい。有機保護膜には、例えば、脂肪酸やアミンを用いることができる。金属粒子の外周を有機保護膜で保護することで、金属粒子の粒子径を小さくした場合でも、金属粒子が自己接合することを抑制することができる。

つまり、有機保護膜で外周が保護された金属粒子を用いた場合は、溶媒中で金属粒子が安定して存在することができる。そして、金属粒子を溶媒と共にノズルから吐出した後、溶媒が蒸発して有機保護膜が分解し、金属粒子の表面エネルギーによって金属粒子同士が結合する。このため、金属粒子の焼結温度を通常のバルクの焼結温度よりも低くすることができ、レーザ光３７の照射時間を短くすることができる。なお、この場合、金属粒子の粒子径を小さくするほど金属粒子の融点が低下しレーザ光の照射時間も短くなる。

ノズル３３は、絶縁体を構成する樹脂材料を吐出するためのノズルである。樹脂材料には、例えば液化した光硬化性樹脂を用いることができる。この場合は、ノズル３３から光硬化性樹脂を吐出して、所定の位置に光硬化性樹脂を配置する。そして、所定の位置に配置された光硬化性樹脂に光（紫外線）を照射して光硬化性樹脂を固化する。なお、光（紫外線）の光源は、光源３５と同一としてもよく、また光源３５とは別に設けてもよい。

また、ノズル３３の上流側に加熱用のヒータを設け、樹脂材料をヒータで加熱して溶融し、溶融した樹脂材料をノズル３３から吐出して、溶融した樹脂材料を所定の位置に配置してもよい。この場合は、溶融した樹脂材料が所定の位置に配置された後に冷却されて固化する。

三次元積層造形技術では、一層毎に各々の構成材料を積層することで、三次元の構造体を形成している。その際、三次元積層造形技術の方式によっては、空間が配置される部分（ブランクの部分）に、支持部材（サポート材）を積層する必要がある場合もある。例えばインクジェット方式の場合は、積層される材料を支持するための支持部材を用いる必要がある。

この場合は、ノズル３４から支持部材を吐出する。支持部材には、ステータを形成した後に除去可能な材料を用いる。例えば、支持部材に光硬化ワックスを用いてもよい。光硬化ワックスを用いる場合は、ノズル３４から光硬化ワックスを吐出して、所定の位置に光硬化ワックスを配置する。そして、所定の位置に配置された光硬化ワックスに光（紫外線）を照射して光硬化ワックスを固化する。なお、光（紫外線）の光源は、光源３５と同一としてもよく、また光源３５とは別に設けてもよい。その後、ステータを形成した後、水（ウォータージェット等）を用いて光硬化ワックスを除去する。

次に、本実施の形態にかかるステータの製造方法について、図５Ａ〜図５Ｅを用いて説明する。以下では、図１に示すステータ１を、下側から上側に積層して形成する場合について説明する。なお、以下では、一例として、図１に示すステータ１の下側のコイル１０付近を形成する場合について説明する。つまり、図５Ａ〜図５Ｅはコイル１０付近における断面図（ステータ１の一部の断面図）である。

まず、前処理として、作製するステータの三次元データを準備する。次に、三次元データを、ステータの水平断面（ＸＹ平面）の各層毎に分割する。つまり、各材料を積層方向（Ｚ軸方向）に積層してステータを作製する際に、各層におけるＸＹ平面のどの位置にどの材料を配置するかを決定する。

上記処理が終了した後、図５Ａに示すように、ステージ２１上のステータ１を形成する領域に支持部材４１を形成する。このとき、インクジェットヘッド２２は、レール２４に沿ってＸ軸方向に移動し、更に駆動部２３_１、２３_２はレール２４をＹ軸方向に移動する。これにより、インクジェットヘッド２２は、ＸＹ平面の任意の位置に移動することができる。支持部材４１は、ステータ１を形成した後に、ステータ１をステージ２１から分離しやすくするために設けている。

その後、次の層を形成するために、駆動部２３_１、２３_２はレール２４をＺ軸方向（上側）に移動させる。そして、図５Ｂに示すように、コイルの外周を覆う絶縁体に対応する箇所に樹脂材料４２を形成し、空間に対応する箇所に支持部材４１を形成する。更に、図５Ｃに示すように、コイルに対応する箇所に第１の金属材料４３を形成し、コイルの外周を覆う絶縁体に対応する箇所に樹脂材料４２を形成し、空間に対応する箇所に支持部材４１を形成する。このような処理を繰り返すことで、図５Ｄに示すような、支持部材４１、コイル１０の外周を覆う絶縁体に対応した樹脂材料４２、コイル１０に対応した第１の金属材料４３が積層された構造体を作製することができる。

更に、図５Ｅに示すように、コイル１０の外周を覆う絶縁体に対応する箇所に樹脂材料４２を形成し、コイル１０に対応する箇所に第１の金属材料４３を形成し、スタータコア１１に対応する箇所に第２の金属材料４４を形成する。以降、同様の処理を繰り返して、ステータ１の最上部までステータを構成する材料を積層する。その後、形成したステータ１をステージ２１から分離し、支持部材４１を除去することで、図１に示すようなステータ１を形成することができる。

なお、上記で説明した各材料を積層する処理は、積層した第１および第２の金属材料の凝固界面に酸化被膜が形成されることを抑制するために、真空または不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。

図６は、本実施の形態にかかるステータの製造方法を用いて製造されたステータのスロットの断面図である。図６に示すように、複数のコイル１０は、スロット１２内において、絶縁体１３を介してステータコア１１の内周側から外周側に向かって放射状に配列されている。また、スロット１２内の内壁とコイル１０との間には絶縁体１３が配置されている。本実施の形態にかかるステータの製造方法では、ステータコア１１のスロット１２内がこのような構成となるように、第１の金属材料と第２の金属材料と樹脂材料のそれぞれを配置している。なお、図６では、図面を簡略化するために、スロット１２内に３つのコイル１０を配置した場合を示すが、実際には、更に多くのコイル１０がスロット１２内に配置されている（図１１も同様である）。

このように、本実施の形態では、コイル１０を構成する第１の金属材料４３とステータコア１１を構成する第２の金属材料４４と絶縁体を構成する樹脂材料４２のそれぞれを同一層の所定の位置に配置して固化する処理を、ステータ１の水平断面の各層毎に繰り返している。つまり、第１の金属材料４３と第２の金属材料４４と樹脂材料４２とをステータ１の高さ方向に積層することでステータ１を形成している。このため、ステータ１を形成する際に、ステータコア１１のスロット１２内にコイルを挿入して配置する必要がないため、スロット１２とコイルとの間に、コイルを組み付けるための隙間を設ける必要がない。

よって、図６に示すスロット１２の断面図に示すように、ステータコア１１のスロット１２内において、コイル１０の占積率を高めることができる。つまり、コイル１０、コイル１０の外周を覆う絶縁体１３、及びステータコア１１を一体で形成することができるので、スロット１２内におけるコイル１０の占積率を高めることができる。

また、図１１に示した従来技術にかかるステータでは、セグメントコイルを製造する際に、平角導体の角部に塗布される絶縁皮膜の厚さを均一にするために湾曲部１１５を設けていた。このため、湾曲部１１５を形成した分だけスロット１２１内におけるセグメントコイル（導体）の占積率が低下していた。また、セグメントコイル１１０とステータコア１２０との間の絶縁性を保つために、セグメントコイル１１０とステータコア１２０との間に絶縁紙１２５を設けていた。このため、絶縁紙１２５を設けた分だけスロット１２１内におけるセグメントコイル（導体）の占積率が低下していた。

これに対して、本実施の形態にかかるステータの製造方法を用いた場合は、図６に示すように、コイル１０の外周を覆う絶縁体１３をコイル１０の外周に沿って形成することができるので、コイル１０の角部に湾曲部を形成する必要がない。更に、コイル１０の外周を覆う絶縁体１３を所望の厚さにすることができるので、コイルとステータコアとの間に絶縁紙を設ける必要がない。よって、スロット１２内におけるコイル１０の占積率を高めることができる。すなわち、コイル１０間の絶縁性、及びコイル１０とステータコア１１との間の絶縁性を保つことができる厚さの絶縁体１３をスロット１２内に形成すればよく、それ以外のスロット内の領域についてはコイル１０を形成することができる。よって、スロット１２内においてコイル１０が占める領域を最大限まで大きくすることができるので、スロット１２内におけるコイル１０の占積率を高めることができる。

また、図１２に示すように、従来技術では、スロット１２１内にセグメントコイル１１０を挿入した後、セグメントコイルの直線部１１２を所定の方向に曲げ加工し、直線部１１２の端部１１５同士を互いに溶接等を用いて電気的に接続している。このため、ステータ１０１のコイルエンドの高さｈ２が高くなり、ステータ１０１が大型化するという問題がある。

これに対して、本実施の形態にかかるステータの製造方法を用いた場合は、各材料を高さ方向に積層しながらステータ１を形成している。よって、図７に示すように、コイル１０を構成する第１の金属材料を積層する際に、コイルエンド（図７のｈ１の部分）において各コイル１０を電気的に接続することができる。よって、従来技術のように、ステータ１を形成した後に、コイルを曲げ加工して溶接する必要がない。このため、ステータ１のコイルエンドの高さｈ１を、従来（図１２のｈ２）よりも低くすることができる。したがって、ステータのコイルエンドを小型化することができる。

なお、上記では、三次元積層造形技術のうちインクジェット方式を用いてステータを形成した場合について説明した。しかし、本実施の形態にかかるステータの製造方法では、インクジェット方式以外の三次元積層造形技術を用いてステータを形成してもよい。また、インクジェット方式と他の方式の三次元積層造形技術とを組み合わせて使用してもよい。例えば、金属部分（コイル及びステータコア）の製造にはインクジェット方式を用い、樹脂部分（絶縁体）の製造には熱溶解積層法（ＦＤＭ法）を用いてもよい。熱溶解積層法は、熱可塑性樹脂を高温で溶かして積層させることで立体構造体を形成する三次元積層造形技術である。

また、図２、図３に示したステータ製造装置では、ステージ２１を固定し、インクジェットヘッド２２を駆動するように構成した。しかし、例えば、インクジェットヘッド２２を固定し、ステージ２１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に駆動するように構成してもよい。この場合は、各材料が積層されるにつれて、ステージ２１が下方向へと移動することになる。

また、上記ではコイル１０を構成する第１の金属材料とステータコア１１を構成する第２の金属材料とが異なる場合について説明したが、第１の金属材料と第２の金属材料は同一の材料であってもよい。この場合は、使用する金属材料の種類を少なくすることができ、製造コストを低減することができる。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ステータ
１０コイル
１１ステータコア
２０ステータ製造装置
２１ステージ
２２インクジェットヘッド
２３_１、２３_２駆動部
２４レール
３１、３２、３３、３４ノズル
３５光源
３７レーザ光
４１支持部材
４２樹脂材料
４３第１の金属材料
４４第２の金属材料

Claims

ステータコアと、当該ステータコアの所定の位置に配置されたコイルと、当該コイルの外周を覆う絶縁体と、を備えるステータの製造方法であって、
前記コイルを構成する第１の金属材料と前記ステータコアを構成する第２の金属材料と前記絶縁体を構成する樹脂材料のそれぞれを同一層の所定の位置に配置して固化する処理を、前記ステータの水平断面の各層毎に繰り返して、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料と前記樹脂材料とを前記ステータの高さ方向に積層する、
ステータの製造方法。
前記ステータコアのスロット内において、複数のコイルが前記絶縁体を介して前記ステータコアの内周側から外周側に向かって放射状に配列され、且つ前記スロット内の内壁と前記コイルとの間に前記絶縁体が配置されるように、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料と前記樹脂材料のそれぞれを配置する、請求項１に記載のステータの製造方法。
前記複数のコイルは、前記第１の金属材料を積層する際にコイルエンドにおいて互いに電気的に接続される、請求項１または２に記載のステータの製造方法。
前記第１及び第２の金属材料は有機保護膜で外周が保護された金属粒子である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のステータの製造方法。
レーザ光を用いて加熱することで前記第１及び第２の金属材料を固化する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステータの製造方法。
前記樹脂材料を加熱して溶融し、当該溶融した樹脂材料を所定の位置に配置した後に冷却して固化する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステータの製造方法。
前記樹脂材料は光硬化性樹脂であり、当該光硬化性樹脂を配置した後に光を照射して前記光硬化性樹脂を固化する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステータの製造方法。
更に、前記積層されたステータコアとコイルと絶縁体とを支持するための支持部材を、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料と前記樹脂材料と同一層に配置し、
前記ステータを形成した後に前記支持部材を除去する、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のステータの製造方法。