JP2005117826A - 回転電機用巻線、回転電機及び磁界発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程が簡単であり、且つ、効率の高い回転電機を提供する。
【解決手段】図１において、巻線１１は、平角形状と丸形状の断面が交互に形成された導体線が複数本束ねられて１つのループが形成されている。コイルエンド部１２は断面が丸形状に形成され、ステータコアのスロットに挿入される部分１３は断面が平角形状に形成されている。さらに、スロットに挿入される部分１３は、スロットの形状に合わせて平角形状の導体線が径（ステータコアの中心軸に向かう方向）及び周方向（それと直交する方向）に整列巻されて複数本束ねられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機、発電機等の回転電機用巻線と平角形状の巻線を用いた回転電機及び磁界発生装置に関する。

交流モータや直流モータのロータあるいはステータは、コアとそのコアに巻かれた巻線で構成されている。
ロータコアまたはステータコアに巻線を形成する方法として、所定の形状に巻回された巻線をインサータを用いてロータコアまたはステータコアのスロットに１本づつ挿入して巻線を形成する分布巻と呼ばれる方法がある。他の巻線方法として、コアの１つのティースに巻線を巻回する集中巻と呼ばれる方法がある。

何れの巻線方法においても、スロットの面積に対する巻線の断面積の比を示す占積率を向上させることが求められている。
スロット内の占積率を向上するためには断面が平角状の平角線を用いることが有効である。そのため、Ｕ字状の形状をした平角線のセグメントコイルをスロットに挿入し、そのセグメントコイルを溶接してステータの巻線を形成することが行われる。例えば、特許文献１には、ステータコアの各スロットに松葉状導体（セグメントコイル）を挿入して巻線を形成する構造の回転電機について記載されている。

しかしながら、セグメントコイルを用いる方法は、セグメントコイルの末端を溶接する必要があるので、抵抗が増大することと、作業工程が多くなることにより製造コストが高くなるという問題がある。また、セグメントコイルは、スロットの径方向に一列に挿入する必要があるので所望のターン数を得るためにはスロット数が多くなることと、スロットと巻線との間に入れる絶縁紙の量が増えモータの効率が低下するという問題点もある。

そこで、平角線をスロットに巻き付けてステータコイルを形成する方法も考えられているが、平角線を用いるとスロットの外部に出るコイルエンド部で平角線を曲げることが難しいという問題がある。
そのような問題を解決するために、特許文献２には、平角線のエンド部を円形形状にして平角線を曲げやすくすることが記載されている。

特許文献４には、コイルをスロットの数とモータの相数に対応した回数折り曲げ、スロットに挿入できるようにすることが記載されている。
特許文献３，４に記載の製造方法では、まず、導体線を複数回リング状に巻く。続いて、モータの極数に応じてリング状の導体線に凹凸を設ける。そして、この導体線が、モータのステータコアに設けられているスロットに挿入される。このように、これらの特許文献に記載の製造方法では、予め所定の形状に成型された巻線が用意され、その巻線がステータコアのスロットに挿入されるようになっている。このため、ステータコアのスロットに導体線を巻き付けていく方法に比べて作業効率がよい。
特開２００１−３７１３２号公報（図７） 特開昭６１−２４０８３２号公報（図１、図５） 特開平１０−１４１４９号公報（図４） 特開２００２−２０９３５８号公報（図６）

しかしながら、特許文献２には、導体線の断面の一部を円形形状にすることは記載されているが、電機子のスロットには平角線が径方向に一列に挿入されている。従って、特許文献２の巻線方法で、ターン数を増やすためにはスロット数を増やす必要がある、また、スロットに挿入した導体線の末端を電気的に接続する必要があるのでモータ組立時の作業性も悪い。

ところで、回転電機は、上述のように、その製造工程が簡単であることが望ましいが、それに加えて、回転電機の効率が高いことも要求される。ここで、回転電機の効率は、巻線を構成する導体線がより密着して巻かれているほど高くなる。すなわち、巻線を収容するスロット内における導体線の占積率が高いほど、回転電機の効率が高くなる。なお、スロット内における導体線の占積率とは、「スロットの断面積」と「そのスロット内に収容されている複数の導体線の各断面積の和」との比率をいうものとする。

上述の工程（予め所定形状に形成された巻線をステータコアのスロットに挿入する工程）を含む製造方法で製造される従来の回転電機は、スロット内における導体線の占積率が高いとはいえなかった。すなわち、従来は、製造工程を簡単にすることとと、スロット内における導体線の占積率を上げて回転電機の効率を向上させることとを両立させることは難しかった。

本発明の課題は、製造工程が簡単であり、且つ効率の高い回転電機及びその製造方法を提供することである。

本発明の回転電機用巻線は、導体線に丸形状と平角形状の断面を交互に形成し、ステータコアの複数のスロットの径方向及び周方向に複数本の平角形状の導体線を同時に挿入できるように平角形状の導体線を束ねてループを形成し、該ループ状の導体線のスロットの外部に露出する部分の断面を丸形状にした。

この発明によれば、スロットの外部に露出する部分の導体線の断面を丸形形状にすることにより、径及び周方向に複数の平角形状の導体線を束ねてループ状にした巻線を形成することができる。これにより、ループ状にした巻線をスロットに簡単に挿入することができる。また、導体線を束ねて巻線を形成することでスロットに同時に複数本の導体線を挿入することができるのでインサータ等の装置が不要となる。インサータを使用しないことでコイルエンド部のふくらみが少なくなり、コイルエンド部を含めた外形寸法を小さくできる。これにより回転電機を小型化することができる。また、コイルエンド部の巻線の量が減るので回転電機の効率を向上できる。さらに、スロットの外部に露出する巻線のコイルエンド部の導体線の断面を丸形状にすることで、コイルエンド部の整形を容易に行うことができる。

また、スロットの径及び周方向に平角形状の複数の導体線を配置できるので、ターン数を確保するためにスロット数を増やす必要が無くなる。
上記の発明において、前記巻線は、ステータコアの中心軸に向かうスロットの径方向とそれと直交する周方向に複数本の平角形状の導体線を同時に挿入できるように導体線を束ねてループを形成し、ステータコアの複数のスロットに束ねた導体線が挿入できるように複数の方向に凸形状となるようにループを形成する。

このように構成することで、例えば、３相交流磁界を生成する場合に、１つの相に対応する複数のスロットに同時に径方向及び周方向に平角形状の複数本の導体線を挿入することができるので、三相交流回転電機のステータ巻線を形成する作業が簡単になる。
上記の発明において、前記巻線を複数のスロットに挿入できるように複数の方向に凸形状となるループを形成し、断面が丸形状の部分で巻線を曲げてスロットに挿入できるように立体的な形状にプリフォームする。

このように巻線をステータコアのスロットに挿入できる形状に予め形成することで、インサータ等の装置を使用せずに巻線をスロットに挿入することができる。

本発明によれば、スロットの外部に露出する部分の導体線の断面を丸形形状にすることにより、径及び周方向に複数の平角形状の導体線を束ねてループ状にした巻線を形成することができる。これにより、巻線をスロットに簡単に挿入することができる。また、１つのスロット内に多くの導体線を挿入できるので、ターン数を増やすためにスロット数を増やす必要がない。また、複数の平角形状の導体線をスロットに同時に挿入することができるので、インサータ等の装置が不要となり、巻線をスロットに挿入する作業も簡単になる。インサータを使用しないことにより、コイルエンド部のふくらみを少なくできる。これにより、コイルエンド部を含む外形寸法を小さくできるので回転電機を小型化でき、回転電機の効率も向上できる。さらに、スロットの外部に露出する巻線のコイルエンド部に丸形状の導体線を使用することで、コイルエンド部の形を自由に整えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態のモータ用巻線１１の外観図であり、図２は、図１の巻線１１を３相交流モータの１つの相の巻線を構成するように立体的にプリフォームした場合の外観図である。
図１及び図２において、巻線１１は、平角形状と丸形状の断面が交互に形成された１本（または複数本）の導体線が束ねられて１つのループが形成されている。巻線１１は、例えば、３方向に凸の形状に形成され、直線部分がステータコアのスロットに挿入される部分１３であり、曲げられた凸の先端部と元の部分がスロットの外部に露出するコイルエンド部１２である。

コイルエンド部１２は断面が丸形状に形成され、スロットに挿入される部分１３は断面が平角形状に形成されている。さらに、スロットに挿入される部分１３は、スロットの形状に合わせて平角形状の導体線が縦（径）方向（ステータコアの中心軸に向かう方向）及び横（周）方向（それと直交する方向）に整列巻されて複数本束ねられている。

図１のＡ−Ａ断面に示すように、スロットの径方向（図１の正面から見て垂直方向）の最外周側に位置する最も幅の広い位置に挿入される導体線は、９本の平角形状の導体線の断面の長手方向がスロットの径方向と一致するように整列巻され、最外周と最内周の中間の位置に挿入される導体線は、８本の平角形状の導体線が同様に整列巻され、スロットの最内周側に位置する最も幅の狭い位置に挿入される導体線は、７本の平角形状の導体線が同様に整列巻されて全体として１つのループを形成している。なお、図１のＡ−Ａ断面の数字は、丸形状と平角形状の断面を有する導体線を巻き付けたときの何ターン目かを示している。

巻線１１のプリフォームの方法としては、プリフォームしたい巻線１１の断面形状に合わせた断面形状を有するプリフォーム用治具に導体線を巻き付けることにより行う。丸形状の断面の部分がコイルエンド部１２の位置に来るようにプリフォーム用治具に巻き付け、図１のＡ−Ａ断面の右端側の１ターン目から３ターン目の平角形状の導体線を順に巻き付ける。次ぎに、３ターン目の平角形状の導体線の上に４ターン目の平角形状の導体線を重ねて巻き付け、２ターン目の平角形状の導体線の上に５ターン目の平角形状の導体線を重ねて巻き付け、１ターン目の平角形状の導体線の上に６ターン目の平角形状の導体線を重ねて巻き付ける。上記の巻線作業を繰り返して、図１のＡ−Ａ断面に示すような順序で平角形状の導体線を重ねて巻き付ける。

ここで、図３を参照して丸導体線に平角形状と丸形状の断面を交互に形成する工程について説明する。
図３（ａ）に示すように、丸導体線２１をローラ２２及び２３の間に通し、コイルエンド部１２に相当する長さを丸導体線２１のまま送り出した後、丸導体線２１をローラ２２及び２３で押しつぶして断面が平角形状となるように変形させながら、スロットに挿入される部分１３に相当する長さを送り出す。その後、ローラ２２及び２３の圧力を取り除き、コイルエンド部１２に相当する長さを丸導体線２１のまま送り出す。この作業を繰り返して図１の巻線１１用の導体線を作る。

図３（ｂ）は、丸導体線２１に、上記のようにして丸形状と平角形状の断面を交互に形成した場合を示している。この丸導体線２１をループ状に束ねて上述した巻線１１を形成する。
次に、図１のループ状の巻線１１を、図４に示す外周が開放されたステータコア３０に挿入する場合について説明する。

ステータは、複数のスロット３２を有するステータコア３０と、そのステータコア３０の外側にはめ込まれる外周リング３１とからなる。
最初に、図１の平面状の巻線１１をコイルエンド部１２で立体的に折り曲げ、図４のステータコア３０の形状に合わせてプリフォームする。このとき、コイルエンド部１２の導体線の断面が丸形状となっているので、コイルエンド部１２を比較的自由に曲げることができる。

図１の平面状の巻線１１をコイルエンド部１２で立体的に曲げると、図２に示すようにスロットに挿入される部分１３が、スロット３２（図４）に挿入される複数の平角形状の導体線で構成され、上下のコイルエンド部１２が、丸形状の断面を有する導体線で構成される。

図２に示すような立体的な形状に巻線１１をプリフォームしたなら、その巻線１１をステータコア３０の外側からスロット３２に挿入する。１つの相、例えばＵ相の巻線１１挿入した後、順にＶ相、Ｗ相の巻線１１を立体的にプリフォームしてステータコア３０の該当するスロット３２に挿入する。このとき、巻線１１の上下のコイルエンド部１２の導体線の断面が丸形状であるので、各相の巻線１１のコイルエンド部１２の形状を手作業で変えながら巻線１１をスロット３２に挿入することができる。

３相分の巻線１１を挿入したなら、ステータコア３０の外側に外周リング３１をはめ込みステータを完成させる。
図５は、実施の形態の巻線１１をステータコアのスロットに挿入した状態を示している。図５に示すように、ループ状に導体線を束ねた巻線１１をスロット３２に挿入することで、スロット３２の最も幅の広い部分には、９本の平角形状の導体線が挿入され、その下側の２段目には８本の平角形状の導体線が挿入され、幅が最も狭い部分には、７本の平角形状の導体線が同時に挿入される。このように、スロット３２に平角形状の導体線を複数本周方向（図５の正面から見て水平方向）に同時に挿入することができるので、１つのスロット３２内に多数の導体線を挿入することができる。

上述した実施の形態によれば、平角形状の導体線を複数束ねてループを形成して巻線１１を構成し、その巻線１１をステータコア３０の形状に合わせて立体的にプリフォームし、そのプリフォームした巻線１１をステータコア３０のスロット３２に挿入することができる。これにより、スロット３２への巻線１１の挿入作業が非常に簡単になり、スロット３２に導体線を１本づつ挿入するインサータ等の装置が不要となる。また、インサータが不要となるので、インサータを使用する場合に必要となるコイルエンド部１２のふくらみが少なくなり、コイルエンド部１２を含むステータ巻線の外形寸法を小さくできる。これにより、モータの小型化を実現できる。また、コイルエンド部の巻線を減らすことができるのでモータの効率を改善できる。

また、スロット３２の周方向（スロットの幅方向）に平角形状の導体線を複数本同時に挿入することができるので、従来の径方向に一列に平角線を配置する方法に比べて１つのスロット内により多くの導体線を挿入することができる。これにより、必要なターン数を確保するためにスロット数を増やす必要がなくなる。また、コイルセグメントを溶接する方法に比べて巻線１１の抵抗値を小さくできる。

さらに、束ねた巻線１１のコイルエンド部１２の導体線の断面が丸形状であるので、コイルエンド部１２の形を容易に修正できる。
本発明は、上述した実施の形態に限らず、以下のように構成しても良い。
実施の形態は、３相交流モータの巻線に適用した場合について説明したが、これに限らずステータコイルが必要なものであれば、直流モータ、交流発電機、あるいは、磁界を発生する装置等にも適用できる。

また、巻線１１の形状は、図１及び図２に示した３方向に凸の形状に限らず、使用するステータコアの形状に合わせて、例えば、４スロットに挿入できるように２方向に凸の形状にしても良いし、その他任意の形状にすることができる。
また、実施の形態は、ステータコアと外周リングからなるステータに適用した場合について説明したが、一体構造のステータにも本発明は適用できる。

なお、巻線１１の外部に露出する部分の内で巻線１１が曲げられる部分のみを丸形状にし、他の部分を平角形状にしても良い。

巻線の外観図である。 巻線を立体的にプリフォームした状態を示す図である。 図３（ａ）は、丸導体線を変形させる作業工程を示す図であり、図３（ｂ）は、丸形状と平角形状の断面を有する導体線を示す図である。 図４（ａ）は、ステータコア、図４（ｂ）は、外周リングを示す図である。 スロットに挿入された巻線を示す図である。

符号の説明

１１ 巻線
１２ コイルエンド部
１３ スロットに挿入される部分
３０ ステータコア
３１ 外周リング
３２ スロット

Claims (8)

1. 導体線に丸形状と平角形状の断面を交互に形成し、ステータコアの複数のスロットの径方向及び周方向に複数本の平角形状の導体線を同時に挿入できるように導体線を束ねてループを形成し、該ループ状の導体線のスロットの外部に露出する部分の断面を丸形状にした回転電機用巻線。
2. 前記巻線は、ステータコアの中心軸に向かうスロットの径方向とそれと直交する周方向に複数本の平角形状の導体線を同時に挿入できるように導体線を束ね、ステータコアの複数のスロットに束ねた導体線が挿入できるように複数の方向に凸形状となるループを形成した請求項１記載の回転電機用巻線。
3. 前記巻線を複数のスロットに挿入できるように複数の方向に凸形状となるループを形成し、断面が丸形状の部分で巻線を曲げて巻線をスロットに挿入できるように立体的な形状にプリフォームした請求項１記載の回転電機用巻線。
4. 前記巻線は３相交流の１つの相の磁界を生成する巻線であり、３相分の巻線を対応するスロットに挿入して三相交流電機のステータ巻線を形成する請求項２記載の回転電機用巻線。
5. 導体線に丸形状と平角形状の断面を交互に形成し、ステータコアの複数のスロットの径及び周方向に複数本の平角形状の導体線を同時に挿入できるように導体線を束ねてループを形成し、該ループ状の導体線のスロットの外部に露出する部分の断面を丸形状にした巻線を用いた回転電機。
6. 前記巻線は、ステータコアの中心軸に向かうスロットの径方向とそれと直交する周方向に複数本の平角形状の導体線を同時に挿入できるように導体線を束ね、少なくともステータコアの複数のスロットに束ねた導体線が挿入できるように複数の方向に凸形状となるループを形成した請求項５記載の回転電機。
7. 前記巻線を複数のスロットに挿入できるように複数の方向に凸形状となるループを形成し、断面が丸形状の部分で巻線を曲げて巻線をスロットに挿入できるように立体的な形状にプリフォームした請求項５記載の回転電機。
8. 導体線に丸形状と平角形状の断面を交互に形成し、ステータコアの複数のスロットの縦及び横方向に複数本の平角形状の導体線を同時に挿入できるように導体線を束ねてループを形成し、該ループ状の導体線のスロットの外部に露出する部分の断面を丸形状にした巻線を用いた磁界発生装置。
   
   

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