JP2004104870A

JP2004104870A - 回転電気機器の電機子及びその巻線方法

Info

Publication number: JP2004104870A
Application number: JP2002260949A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ando; 安藤　勤; Isato Ariyoshi; 有吉　勇人
Original assignee: Moric Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: US6741009B1; JP3952290B2

Abstract

【課題】先端に鍔部を備えスロット入口が狭められた磁極歯を有する電機子において、電機子を一体としたまま各磁極歯に対しスロット内部空間全体を有効にコイル形成領域として占積率を充分に高めた回転電機機器の電機子及びその巻線方法を提供する。
【解決手段】回転軸芯に対し放射方向に複数の磁極歯１０ａ，１０ｂがその根元側端部をリング状に連結され、隣接する磁極歯間にスロット３が形成され、磁極歯の先端部両側に鍔部４が突出して形成され、隣接する鍔部４間にスロット入口５が形成され、各磁極歯１０ａ，１０ｂにコイル７ａ，７ｂが巻回された回転電気機器の電機子９において、１つおきの前記磁極歯１０ａのコイル７ａは、根元部側が先端部側より又はその逆にターン数が多く巻回され膨らんで形成されている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータや発電機等の回転界磁型電気機器における電機子を構成するステータ又はロータのコイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転界磁型の電気機器（ブラシレスモータや交流発電機等）においては、磁界を形成するためのマグネットを備えたロータが、コイルを有するステータの内側または外側で回転する。このステータは、磁極歯を有する磁性材からなるステータコアに絶縁物（インシュレータ）を介してコイルを巻回して形成される。
【０００３】
例えばインナーロータ型のモータの場合、外周のステータの内側に複数の磁極歯が放射状に形成される。リング状（円筒状）に一体形成されたステータコアの各磁極歯の両側にはスロット（空間部）が形成される。各磁極歯の先端部側（ロータとの対向面側）の両側に鍔部が突出して形成される。隣接する磁極歯の鍔部間にスロット入口が開口して形成される。
【０００４】
このような形状の一体構造のステータコアの各磁極歯にコイルを形成する従来の方法を図６に示す。
【０００５】
一体形成されたステータ１の各磁極歯２間にスロット３が形成される。各磁極歯２の先端部両側に鍔部４が形成され、両鍔部４間にスロット入口５が形成される。このスロット入口５から、巻線材（エナメル線）６を通したニードル８をスロット３内部に送り込み、巻線材６を引き出しながらニードル８を磁極歯２の周囲に巻き回してループ動作させ、このニードル８をスロット３内部で奥行き方向に移動させて磁極歯２上にコイル７を形成していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のコイルの巻線方法では、スロット入口５からスロット３の奥までのニードル８の通過部分のスペースがデッドスペースとなって、この部分に巻線を施すことができず、占積率（巻線密度）を充分大きくすることができなかった。
【０００７】
一方、磁極歯のコイルエンド面を傾斜させる等により周長を徐々に変化させて巻線材がコイルエンド面を滑りやすく形成し、ニードルをスロット内部に進入させることなくスロット入口近傍で巻き回してループ動作させることにより巻線材をコイルエンド面を滑らせて根元部側（スロット奥側）に移動させる滑落方式の巻線方法が本出願人等により考えられている。
【０００８】
なお、コイルエンドとは、磁極歯両側のスロットを通して巻線材が巻回されたとき、磁極歯の両端部でスロットの外部に露出する部分のコイル、すなわち、放射状磁極歯からなる円筒状コアの両端面から露出する部分のコイルである。コイルエンド面とは、このコイルエンドが形成される磁極歯の両端面すなわち、放射状磁極歯からなるコアの回転軸方向に関し、各磁極歯の両側の端面である。
【０００９】
図７は、本出願人提案の滑落方式の巻線方法（未公知）の説明図である。
磁極歯２のコイルエンド面２ａはこれを覆うインシュレータの根元部側が低くなるようにテーパ状に形成されている。なお、テーパ状とは、高さが傾斜して低くなる形状あるいは高さが同じでも幅が狭まる等により周長が徐々に短くなる形状をいう。不図示のニードル先端をスロット入口５の近傍でスロット３内部に挿入することなくループ動作させることにより、巻線材をコイルエンド面２ａのテーパに沿って滑落させて磁極歯２にコイル７を形成する。なお、図は各磁極歯２の片面のみのコイル７の断面を示す。
【００１０】
このような滑落方式によれば、ニードルがスロット内に挿入されないためデッドスペースが減少する。しかしながら、この場合でもスロット入口近傍で隣同士のコイルが干渉して巻線材がスロット入口から食み出る状態になることがあり、スロット内部のコイルの占積率を充分に高めることができない。
【００１１】
本発明は上記従来技術を考慮したものであって、先端に鍔部を備えスロット入口が狭められた磁極歯を有する電機子において、電機子を一体としたまま各磁極歯に対しスロット内部空間全体を有効にコイル形成領域として占積率を充分に高めた回転電機機器の電機子及びその巻線方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、回転軸芯に対し放射方向に複数の磁極歯がその根元側端部をリング状に連結され、隣接する磁極歯間にスロットが形成され、磁極歯の先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する鍔部間にスロット入口が形成され、各磁極歯にコイルが巻回された回転電気機器の電機子において、前記磁極歯のコイルは、１つおきに、根元部側が先端部側より又はその逆にターン数が多く巻回され膨らんで形成されていることを特徴とする回転電気機器の電機子を提供する。
【００１３】
この構成によれば、リング状に連結された複数の放射状の磁極歯を有する電機子において、例えばスロットの奥側が広がった磁極歯（アウターステータ）の場合、１つおきの磁極歯の根元部側のターン数を多くしてコイルを膨らませた形状にすることにより、これら１つおきの磁極歯の間の磁極歯に対しては、スロット入口部で隣のコイルと干渉することなくコイルを巻回し、かつスロット内部をその奥部分を含めて有効にコイル形成領域として使用することができ、占積率を充分に高めることができる。
【００１４】
好ましい構成例では、前記１つおきの磁極歯は、前記膨らんで形成されたコイル部分のコイルエンド部がテーパ状に形成されたことを特徴としている。
【００１５】
この構成によれば、コイルのターン数を多くして巻線材を磁極歯周囲に巻き回す場合に、巻線材がテーパ部により保持され移動しなくなるため、磁極歯上に確実にコイルを形成することができる。すなわち、例えば根元部側にターン数を多く巻回した場合、巻き付け圧力により後から巻いた巻線材が前に巻いた巻線材の間に食込んで前に巻いた巻線材を押し広げて、巻線材をスロット入口側に押しやりスロット入口からはみ出させたりあるいは鍔部を破損させるという問題が生じる。この場合、本発明では根元部側にスロット奥側に向けて下がるテーパを形成しておくことにより、コイルが根元部側から入口側に向けて移動することがなくなる。
【００１６】
別の好ましい構成例では、前記１つおきの磁極歯の間の磁極歯は、そのコイルエンド部がほぼ全体にわたってテーパ状に形成されたことを特徴としている。
【００１７】
この構成によれば、ニードルをスロットル内に挿入することなくニードル先端をスロット入口近傍でループ動作させることにより、巻線材をテーパに沿って入口から根元部に向けて滑落させて移動させることができ、磁極歯上にコイルを形成することができる。
【００１８】
本発明ではさらに、回転軸芯に対し放射方向に複数の磁極歯がその根元側端部をリング状に連結され、隣接する磁極歯間にスロットが形成され、磁極歯の先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する鍔部間にスロット入口が形成され、各磁極歯にコイルが巻回された回転電気機器の電機子の前記コイルの巻線方法であって、前記各磁極歯に対し、ニードル先端から巻線材を引き出しながら該ニードルをループ動作させて磁極歯にコイルを巻回する回転電気機器の電機子の巻線方法において、１つおきの磁極歯に対し、ニードルをスロット内で往復動作させて磁極歯全体にわたって１層又は複数層のコイルを巻回した後、該ニードルを該磁極歯の根元部側又は先端部側のほぼ一定位置でループ動作させて該根元部側又は先端部側が逆側よりターン数が多く膨らんだ形状のコイルを形成し、その後、前記１つおきの磁極歯の間の磁極歯に対し、前記ニードルをスロット内部に挿入することなくループ動作させて巻線材を磁極歯のコイルエンド部に沿って滑落させることによりコイルを巻回することを特徴とする回転電気機器の電機子の巻線方法を提供する。
【００１９】
この構成によれば、最初にニードルをスロット内に挿入して１つおきの磁極歯にコイルを形成し、このとき例えば磁極歯の根元部側でニードルを巻き回してターン数を多くしてコイルを膨らませる。その後、ニードルをスロットから引き出して、隣の磁極歯に対しスロット入口近傍でループ動作させることにより、滑落方式でコイルを形成することができる。これにより、スロット内全体をスペース的に充分利用してコイルを形成でき、占積率を高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態による電機子の巻線方法の説明図である。図２は、図１のＡ−Ａ部およびＢ−Ｂ部の磁極歯のインシュレータの例を示す断面図である。
【００２１】
ステータ９（インシュレータを装着された状態）は、リング状に連結された放射状の複数の磁極歯１０ａ，１０ｂを有する。磁極歯１０ａは、コア（不図示）に例えば図２（Ａ）に示す形状のインシュレータ１２を被せたものである。インシュレータ１２は、コイルエンド面に出るボビン部１２ａとスロット内に差込まれる差込み片１２ｂとからなる。ボビン部１２ａの両端には、コイルを受けるスロット入口側の前片１２ｃとスロット奥側の後片１２ｄが形成される。１つおきの磁極歯１０ａにおいては、ボビン部１２ａの後部側（根元部側）にテーパ部１２ｅが形成される。
【００２２】
１つおきの磁極歯１０ａの間の磁極歯１０ｂは例えば図２（Ｂ）に示す形状のインシュレータ１２を被せたものである。磁極歯１０ｂのボビン部１２ａは、ほぼ全体にわたってテーパ部１２ｅが形成される。磁極歯１０ａ，１０ｂのテーパ部１２ｅの断面形状は、略半円あるいは部分円形状その他滑らかな曲面形状である。あるいは略矩形断面形状でその断面積を後方に向って徐々に小さくした形状（すなわち、周長を徐々に短くした形状）であってもよい。
【００２３】
このようなインシュレータ１２はリング状に一体成型され、コアの上下両面側からスロットに差込まれてコアを覆う。
【００２４】
ステータ９に巻線してコイルを形成する場合、まず、図１（Ａ）に示すように、１つおきの磁極歯１０ａにコイル７ａを形成する。この場合には、前述の図６で説明したように、ニードル８をスロット入口５からスロット３内に挿入させて磁極歯１０ａ回りにループ動作させながら１ターンごとにニードルを順次磁極歯１０ａに沿って移動させて巻線材を磁極歯１０ａ周囲に巻き回す。２〜３層のコイルを整列させて形成した後、ニードルを磁極歯１０ａの根元部側でループ動作させて根元部側のターン数が多くなるように巻き回す。これにより、根元部側が膨らんだコイル７ａが形成される。このとき、磁極歯１０ａの先端部側（スロット入口側）ではスロット入口５のほぼ全体が開口している状態とする。
【００２５】
次に、図１（Ｂ）に示すように、磁極歯１０ａに隣接する磁極歯（１つおきの磁極歯１０ａの間の磁極歯）１０ｂに対し、ニードルをスロット内に挿入することなくスロット入口５の近傍でループ動作させることにより、滑落方式で磁極歯１０ｂのテーパ部１２ｅ（図２（Ｂ））に沿って巻線材を滑らせて巻回する。これにより、磁極歯１０ｂに、図１（Ｂ）の斜線で示すように、コイル７ｂが形成される。滑落方式では、後述のように、巻線材はスロットの奥側から巻回されるため、スロット３の奥が詰まってくれば、巻線材は滑落しないで入口側に巻回されスロット内がすべてコイル形成領域となる。
【００２６】
図３、図４及び図５は、上記本発明のステータにコイルを形成するための巻線装置の滑落方式の巻線動作を示す説明図である。図３は、ステータを上面から見た図、図４は磁極歯を内周面側から見た図、図５はステータの中心を通る断面図を示す。
【００２７】
前述のコイル７ｂをステータ９の磁極歯１０ａ，１０ｂ上に巻回するための巻線装置（全体の構成は不図示）は、図５に示すように、巻線材６を供給するパイプ状のニードル８を有する。このニードル８はヘッド（ニードル保持部材）３７に取付けられる。巻線材６は、巻線ロール３８から巻出されて供給され、ヘッド３７内の挿通孔３９内を通り、コイル巻回動作に伴いニードル８の先端から引出される（矢印Ｒ）。この巻線材６の先端は、不図示のクランプ手段により、コイルを巻回する磁極歯の根元側に設けた引出し支点位置（ステータ９の外周側、図の×印で示すクランプ位置）で固定支持されて巻線動作中保持される。
【００２８】
ステータ９は、薄板の積層体からなるステータコア１３の上下にインシュレータ１２を装着したものである。
【００２９】
ヘッド３７は、その軸Ｃ方向にステータ９の内周を矢印Ｑのように往復移動可能であり、ステータ９の軸方向長さに応じて、ニードル８が下側のインシュレータ１２の前片１２ｃより下側となる下端位置（図５実線）と、ニードル８が上側のインシュレータ１２の前片１２ｃより上側となる上端位置（図５一点鎖線）間を往復動作する。このヘッド３７は、さらにその軸Ｃ廻りに矢印Ｐのように回転可能であり、ニードル８がステータ９の上下外側（スロット３の開口面より外側）に出た上記上端位置および下端位置で、図３のＷで示すように、各磁極歯の幅の分だけ回転動作して左右方向に移動する。
【００３０】
ニードル８は、コイル巻回動作中、スロット３の奥行き方向（磁極歯を正面から見て前後方向）に関しては一定位置に保持されて移動しない。このニードル８の先端は、各スロット入口５の近傍に保持される。
【００３１】
コイルの巻回動作は、図４に示すように、各磁極歯１０ｂの周りを、ニードル８が矢印Ｐ，Ｑのように周って巻線材６を巻き回すものである。すなわち、ニードル８の先端は、Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈ→Ｅのように、上下方向および左右方向の移動ストロークからなる矩形の１ループの移動軌跡を形成してコイル１ターン分の巻回動作を行う。先端部が×印部で固定された巻線材６は、ループ動作に伴い、テーパ部１２ｅ上を滑落して奥側（磁極歯の根元部側）から順番に巻き回される。
【００３２】
すなわち、巻線材６は、テーパ部１２ｅの巻き始め側（高い側）の一定位置で巻き回される。巻線材６の先端がテーパ部１２ｅの低い側（ステータ９の外周側）の外部にクランプされているため、ニードル８の巻き回し動作に伴い巻線材６が順次ニードル先端から引出され、磁極歯上のテーパ部１２ｅ上に巻回される。テーパ部１２ｅ上に巻かれた巻線は、このテーパ面の外周側（低い側）と内周側（高い側）との間で張力を受けるため、傾斜面に沿った張力の分力および後から巻かれる巻線による押圧力によって、傾斜面に沿って滑落する。これにより、順次巻線がテーパ面上に押出されて１層目のコイルが形成される。
【００３３】
２層目は、巻線材６を根元部側（低い側）に戻して適当な位置に係止させ、再び根元部側から巻き回す。
【００３４】
なお、ニードル８を複数本設けて同時に複数ヵ所でコイル形成動作を行うように構成してもよい。例えば、３本のニードルを１２０°の間隔で放射状に配設して３つの磁極歯に対し同時にコイルを巻き回してもよい。
【００３５】
ニードルをスロット内に挿入させないでコイルを巻回する方法として、この滑落方式と併用して、あるいはこれとは別に、投げ縄方式を用いてもよい。この投げ縄方式の場合、ニードル先端の１ループの移動軌跡の長さは、コイル１ターン分の長さより長くなるようにたるみをもって巻線材６がニードル先端から引出される。巻線材６の引出し支点（×印）を前述のように、スロット３の奥側端部よりさらに外側に固定し、たるみをもった状態で巻線材６をある程度の速度で巻き回すことにより、巻線材６が投げ縄作用で引出し支点方向に移動し、磁極歯上にコイルが巻回される。
【００３６】
この場合、コイルを磁極歯の奥側から巻回させるために、たるみ量がターンごとに連続的に又は段階的に小さくなるようにニードルを移動させて磁極歯の手前側に順次巻線材を巻回させる。
【００３７】
巻線材６にたるみをもたせる方法としては、▲１▼上下方向の移動ストロークを延ばす方法、▲２▼左右方向（回転方向）の移動ストロークを延ばす方法、▲３▼ニードルがスロット開口面より外側に出た位置（図のＥ，Ｆ，ＧまたはＨ）でニードルを前後方向にストロークさせる方法、およびこれらを適宜組合せた方法がある。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、リング状に連結された複数の放射状の磁極歯を有する電機子において、例えばスロットの奥側が広がった磁極歯（アウターステータ）の場合、ニードルをスロット内に挿入して１つおきの磁極歯の根元部側のターン数を多くしてコイルを膨らませた形状に形成し、これら１つおきの磁極歯の間の磁極歯に対しては、ニードルをスロット内に挿入しないで入口近傍でループ動作させて、スロット入口部で隣のコイルと干渉することなくコイルを巻回でき、スロット内部をその奥部分を含めて有効にコイル形成領域として使用することができ、占積率を充分に高めることができる。
【００３９】
この場合、前記１つおきの磁極歯について、前記膨らんで形成されたコイル部分のコイルエンド部をテーパ状に形成した構成によれば、コイルのターン数を多くして巻線材を磁極歯周囲に巻き回す場合に、巻線材がテーパ部により保持され移動しなくなるため、磁極歯上に確実にコイルを形成することができる。
【００４０】
また、前記１つおきの磁極歯の間の磁極歯は、そのコイルエンド部がほぼ全体にわたってテーパ状に形成された構成によれば、ニードルをスロットル内に挿入することなくニードル先端をスロット入口近傍でループ動作させることにより、巻線材をテーパに沿って入口から根元部に向けて滑落させて移動させることができ、磁極歯上にコイルを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の巻線方法説明図。
【図２】図１の実施形態のインシュレータの形状説明図。
【図３】ステータ平面図での滑落方式の巻線方法の説明図。
【図４】ステータ内面図での滑落方式の巻線方法の説明図。
【図５】ステータ縦断面図での滑落方式の巻線方法の説明図。
【図６】ニードルをスロット内に挿入する巻線方法の説明図。
【図７】滑落方式のコイル説明図。
【符号の説明】
１：ステータ、２：磁極歯、２ａ：コイルエンド面、３：スロット、
４：鍔部、５：スロット入口、６：巻線材、７，７ａ，７ｂ：コイル、
８：ニードル、９：ステータ、１０ａ，１０ｂ：磁極歯、
１２：インシュレータ、１２ａ：ボビン部、１２ｂ：差込み片、
１２ｃ：前片、１２ｄ：後片、１２ｅ：テーパ部、１３：ステータコア、
３７：ヘッド、３８：巻線ロール、３９：挿通孔。

Claims

回転軸芯に対し放射方向に複数の磁極歯がその根元側端部をリング状に連結され、隣接する磁極歯間にスロットが形成され、磁極歯の先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する鍔部間にスロット入口が形成され、各磁極歯にコイルが巻回された回転電気機器の電機子において、
前記磁極歯のコイルは、１つおきに、根元部側が先端部側より又はその逆にターン数が多く巻回され膨らんで形成されていることを特徴とする回転電気機器の電機子。
前記１つおきの磁極歯は、前記膨らんで形成されたコイル部分のコイルエンド部がテーパ状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電気機器の電機子。
前記１つおきの磁極歯の間の磁極歯は、そのコイルエンド部がほぼ全体にわたってテーパ状に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電気機器の電機子。
回転軸芯に対し放射方向に複数の磁極歯がその根元側端部をリング状に連結され、隣接する磁極歯間にスロットが形成され、磁極歯の先端部両側に鍔部が突出して形成され、隣接する鍔部間にスロット入口が形成され、各磁極歯にコイルが巻回された回転電気機器の電機子の前記コイルの巻線方法であって、
前記各磁極歯に対し、ニードル先端から巻線材を引き出しながら該ニードルをループ動作させて磁極歯にコイルを巻回する回転電気機器の電機子の巻線方法において、
１つおきの磁極歯に対し、ニードルをスロット内で往復動作させて磁極歯全体にわたって１層又は複数層のコイルを巻回した後、該ニードルを該磁極歯の根元部側又は先端部側のほぼ一定位置でループ動作させて該根元部側又は先端部側が逆側よりターン数が多く膨らんだ形状のコイルを形成し、
その後、前記１つおきの磁極歯の間の磁極歯に対し、前記ニードルをスロット内部に挿入することなくループ動作させて巻線材を磁極歯のコイルエンド部に沿って滑落させることによりコイルを巻回することを特徴とする回転電気機器の電機子の巻線方法。