JP2005124363A - モータまたは発電機、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転電機の巻線を容易に形成できるようにする。
【解決手段】 ステータコアには、複数のスロット５３ａ〜５３ｒが設けられている。巻線部品１０は、導体線を型冶具に複数回巻き付けることにより作製される。巻線部品１０は、所定箇所において切断され、ステータコアの複数のスロットに渡って装着される。その後、巻線部品１０の切断面において、対応する導体線同士が接続されて巻線が構成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電機子に巻線が設けられたモータまたは発電機およびその製造方法に係わる。

回転電機は、従来より、様々な分野において広く使用されてきている。ここで、回転電機は、モータおよび発電機を含み、特に限定されるものではないが、例えば、空調装置のコンプレッサを駆動するモータ、電気自動車（ハイブリッド車を含む）の走行用モータ、車載用の発電機等として使用されている。

回転電機は、一般に、回転磁界を発生させるための巻線（発電機の場合は、磁束の変化に応じた起電力を発生させるための巻線）を備えている。そして、従来の巻線を形成する方法としては、下記のものが知られている。
例えば、特許文献１に記載の回転電機においては、固定子（ステータ）のスロットに導体線を繰り返し巻き付けていくことにより巻線が形成されている。ただし、この固定子は複数の固定子片から構成されており、各固定子片ごとに巻線が形成された後にそれらの固定子片が結合されるようになっている。したがって、円筒状のステータコアに設けられているスロットに導体線を巻き付ける方法と比べると、巻線作業が簡単になるというメリットがある。

また、特許文献２には、インサート方式と呼ばれる技術が記載されている。インサート方式では、１本の導体線をリング状の型枠等に複数回巻き付けることにより巻線を作製しておき、そのリング状の巻線がインサータと呼ばれる装置を用いてステータコアの対応するスロットに挿入される。このインサート方式によれば、ステータコアのスロットに導体線を直接的に巻き付ける必要がないので、巻線を形成する作業が簡単になる。
特開平９−１９１５８８号公報（図１〜図２、段落００２３〜００３０） 特開昭５８−３３９４５公報（１〜２ページ）

ステータコアに設けられているスロットに導体線を直接的に巻き付けることにより巻線を形成する場合（特に、円筒形状のステータコアの内周側にスロットが設けられている場合）、その巻付け作業の労力が大きくなる。なお、特許文献１に記載の方法においては、この問題は緩和される。しかし、特許文献１に記載の方法では、ステータコアの構成が複雑であり、また、巻線は集中巻きに限られるものと思われる。

特許文献２に記載のインサート方式では、インサータ自体が比較的大きな装置であり、また高価である。また、インサート方式では、特に、ステータコアが細長い円筒形状である場合は、巻線を対応するスロットに挿入することが困難になる。
本発明の目的は、モータまたは発電機の巻線を容易に形成できるようにすることである。

本発明のモータまたは発電機（あるいは、電機子）の製造方法は、導体線を型治具に繰り返し巻き付けることにより巻線部品を作製する工程、上記巻線部品を所定箇所で切断する工程、上記切断された巻線部品を電機子鉄心に設けられている複数のスロットに渡って挿入する工程、上記切断された巻線部品の切断面においてその巻線部品を構成する導体線の端部同士を電気的に接続して電機子の巻線を形成する工程、を含む。

この製造方法によれば、型治具を用いて作製した巻線部品は、所定箇所で切断されてケーブル状になる。そして、そのケーブル状の巻線部品を電機子鉄心に装着し、その後、その巻線部品の切断面において導体線の端部同士を電気的に接続することにより巻線が構成される。したがって、電機子鉄心に導体線を直接的に巻き付けることなく、巻線を形成できる。また、ケーブル状の巻線部品を引き回しながら対応するスロットに挿入していくので、インサータ方式のような大掛かりな装置を必要としない。

上記巻線部品を作製する工程において、その巻線部品の断面形状が上記スロットの断面形状と略一致するように上記導体線が上記型治具に巻き付けられるようにしてもよい。この場合、スロット内における導体線の占積率を高くなり、モータまたは発電機の効率が高くなる。なお、この製造方法では、予め作製した巻線部品が電機子鉄心に装着されるので、そのスロットの断面形状に略一致するように複数の導体線を整列させることができる。また、上記導体線として平角導体線を使用すれば、スロット内における導体線の占積率をさらに高くできる。

また、上記製造方法において、上記切断された巻線部品は、形成されるべき上記巻線が波巻きとなるように上記複数のスロットに渡って挿入されるようにしてもよい。この方法によれば、容易に、波巻き巻線を構成できる。
さらに、上記巻線部品を作製する工程において、上記導体線は、上記スロットに挿入されるべき部分で互いに交差することがないように上記型冶具に巻き付けられるようにしてもよい。この方法によれば、導体線が整列した状態でスロットに挿入されるので、スロット内における導体線の占積率が低下することはない。

本発明のモータまたは発電機は、導体線が巻き付けられた電機子を含み、その電機子は、複数のスロットが設けられている電機子鉄心と、導体線を型治具に繰り返し巻き付けることにより作製された巻線部品、を含む。そして、上記巻線部品は所定箇所を切断された状態で上記電機子鉄心に装着された後、その切断面においてその巻線部品を構成する導体線の端部同士が電気的に接続されている。なお、この発明によるモータまたは発電機は、上述した製造方法と同様の作用により同様の効果が得られる。なお、上記モータまたは発電機において、巻線部品は、その切断面においてその巻線部品を構成する導体線の端部同士がコネクタにより電気的に接続されるようにしてもよい。

本発明によれば、予め作製した巻線部品を所定箇所で切断し、その切断された巻線部品を電機子鉄心に装着し、その後、その巻線部品の切断面において導体線の端部同士を電気的に接続することにより巻線が形成される。したがって、巻線を構成する作業が簡単であり、また、高価または大規模な設備を必要としない。

さらに、本発明によれば、電機子鉄心のスロットに挿入されるべき巻線部品を別途作製しておくことができるので、そのスロットの断面形状に略一致するように複数の導体線を整列させることができる。したがって、スロット内における導体線の占積率を高くすることができ、モータまたは発電機の効率を高くできる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、本発明を回転電機としての同期機に適用した場合について説明をする。ここで、実施形態の回転電機は、モータ及び発電機を含むものとする。また、以下では、一例として、３相の回転電機であって、各相の極数がそれぞれ「６」であるケースを採り上げて説明する。

実施形態の回転電機は、一般的な回転電機と同様に電機子としてのステータおよびロータを含むが、ロータの構成には特徴はない。よって、ロータの構成についての説明は省略する。また、本発明の回転電機の製造方法において、ステータを製造する工程以外の工程は、一般的な技術または公知の技術により実現されるものとする。

図１は、実施形態の回転電機の製造に使用される巻線部品の作製方法について説明する図である。
実施形態の巻線部品１０は、図１（ａ）に示すように、型治具２０に導体線１１を繰り返し巻き付けることにより作製される。ここで、型治具２０の形状は、特に限定されるものではないが、その外周の長さは、巻線部品１０が装着されるべき回転電機の電機子鉄心としてのステータコアの形状等により決められている。

導体線１１は、例えば銅線であり、絶縁被覆されている。また、導体線１１の断面形状は、例えば「円（または、実質的に円）」または「長方形（または、実質的に長方形）」である。なお、以下では、断面形状が円形の導体線を「丸導体線」と呼ぶことがあり、また、断面形状が長方形または略長方形の導体線を「平角導体線」と呼ぶことがある。

続いて、上述のようにして作製された巻線部品１０は、図１（ｂ）に示すように、予め決められた所定箇所で切断される。このとき、巻線部品１０を構成する導体線１１がばらばらにならないように、仮固定しておくことが望ましい。なお、以下の説明において、巻線部品１０の切断部分のことを端部１２ａ、１２ｂと呼ぶことがある。

図２は、実施形態のステータコアの分解斜視図である。ステータコア５０は、図２に示すように、内輪部材５１および外輪部材５２から構成される。ここで、内輪部材５１は、それぞれ径方向に向かって突出する複数の突起部を備えている。そして、これらの突起部間に、それぞれ、スロット５３が形成されている。他方、外輪部材５２は、略円筒形状をしており、内輪部材５１を包み込むようにして取り付けられる。

図３は、ステータコア５０を上方から見た図である。ここでは、内輪部材５１の外側に外輪部材５２が取り付けられた状態が描かれている。このように、ステータコア５０は、複数（この例では、１８個）のスロット５３を備えている。そして、各スロット５３の断面形状は、この例では、それぞれ「台形（或いは、扇形）」である。

次に、図１に示すようにして作製した巻線部品をステータコアに装着する手順を説明する。なお、以下の説明では、図２〜図３に示したステータコア５０に巻線部品１０が装着されるものとする。
図４は、ステータコア５０の対応するスロットに巻線部品１０が挿入された状態を描いた図である。ここで、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、それぞれ、斜視図、ステータコアの上側に配置される巻線部品を模式的に描いた図、ステータコアの下側に配置される巻線部品を模式的に描いた図である。なお、ここでは、図面を見やすくするために、外輪部材５２は省略されている。また、３相の回転電機を実現するためには、ステータコア５０に対して３個の巻線部品１０を装着する必要があるが、ここでは、巻線部品１０を１個だけ描いている。

上述のようにして作製された巻線部品１０は、３スロット間隔で対応する６個のスロットに挿入される。具体的には、巻線部品１０は、ステータコア５０に設けられている１８個のスロット１３ａ〜１３ｒの中のスロット１３ａ、１３ｐ、１３ｍ、１３ｊ、１３ｇ、１３ｄに順番に挿入されていく。このとき、図４に示す例では、巻線部品１０の一方の端部１２ａは、スロット５３ｍの上端から引き出されており、巻線部品１０の他方の端部１２ｂは、スロット５３ｐの上端から引き出されている。また、巻線部品１０は、この実施例では、下記の経路で波巻きを形成するように引き回される。
巻線部品１０の端部１２ａ→スロット５３ｍの上端→スロット５３ｍ→スロット５３ｍの下端→スロット５３ｊの下端→スロット５３ｊ→スロット５３ｊの上端→スロット５３ｇの上端→スロット５３ｇ→スロット５３ｇの下端→スロット５３ｄの下端→スロット５３ｄ→スロット５３ｄの上端→スロット５３ａの上端→スロット５３ａ→スロット５３ａの下端→スロット５３ｐの下端→スロット５３ｐ→スロット５３ｐの上端→巻線部品１０の端部１２ｂ
図５は、巻線部品１０がステータコア５０の対応するスロットに挿入された状態を模式的に示す図である。このように、巻線部品１０は、複数のスロット５３ｍ、５３ｊ、５３ｇ、５３ｄ、５３ａ、５３ｐを渡るようにして波状に引き回される。

図６は、巻線部品１０の断面形状を示す図である。ここでは、ステータコア５０のスロットの断面形状が「台形（図２〜図３参照）」である場合の巻線部品１０の断面形状が描かれている。また、導体線１１は、平角導体線である。
巻線部品１０は、型冶具２０の外周に導体線１１を繰り返し巻き付けることにより形成される。図６に示す例では、導体線１１が２４ターン巻き付けられている。このとき、導体線１１は、巻線部品１０の断面形状がステータコア５０に設けられている各スロット５３の断面形状と略一致するように巻き付けられる。また、導体線１１は、巻線部品１０の断面内で所定の順番で整列するように巻き付けられる。なお、図６において付されている符号「１」〜「２４」は、導体線１１が並べられる順番を表している。

図７（ａ）は、他の形態のステータコアを示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すステータコアのスロットに挿入される巻線部品の断面形状を示す図である。なお、図２に示す形態では、巻線部品１０がステータコア５０の外周側から対応するスロットに挿入されるが、図７（ａ）に示す形態では、巻線部品１０はステータコアの内周側から対応するスロットに挿入される。

図７（ａ）に示すステータコアは、そのスロットの断面形状は、概ね長方形である。そして、この場合、巻線部品１０の断面形状は、略長方形に作製される。すなわち、この場合も、導体線は、巻線部品の断面形状がステータコアに設けられている各スロットの断面形状と略一致するように巻き付けられる。

このように、実施形態の回転電機においては、巻線部品１０の断面形状がステータコアのスロットの断面形状に略一致するように導体線１１が巻き付けられる。そして、その巻線部品１０が対応するスロットに挿入される。したがって、各スロット内における導体線１１の占積率が高くなる。これにより、回転電機の効率が高くなる。また、導体線として平角導体線を使用すれば、丸導体線を使用する場合と比べて、スロット内における導体線の占積率をさらに高くすることができる。

ところで、導体線１１を型冶具２０に繰り返し巻き付ける場合、導体線同士が交差することがある。例えば、図８（ａ）〜図８（ｂ）に示す例では、第４ターン目の導体線が第３ターン目の導体線に乗り上げるようにして交差している。そして、このような交差は、導体線の整列を乱すことになる。即ち、導体線同士が交差する箇所では、巻線部品１０の断面形状が予め決められている所定の形状（上述の例では、「台形」又は「長方形」）から崩れてしまい、ステータコアのスロットに挿入できなくなってしまう。

このため、実施形態の製造方法では、巻線部品１０を作製する工程において、導体線１１は、ステータコアのスロットに挿入されるべき部分で互いに交差しないように型冶具２０に巻き付けられる。例えば、図５に示す例では、破線で囲まれた部分では導体線１１が互いに交差しないように巻線部品１０が作製される。したがって、ステータコアのスロットに挿入される部分では、導体線１１の整列が乱れることはなく、巻線部品１０の断面形状はそのスロットの断面形状に略一致している。

続いて、ステータコア５０に装着された巻線部品１０の端部１２ａ、１２ｂを互いに接続することにより巻線を形成する。以下、図９を参照しながら、巻線部品１０の端部１２ａ、１２ｂを互いに接続する方法について説明する。なお、ここでは、図９（ａ）に示すように、導体線１１が型冶具２０にＮ回巻き付けられて巻線部品１０が形成されているものとする。また、第１ターン目〜第Ｎターン目の導体線のことを、導体線１１−１〜１１−Ｎと呼ぶことにする。

巻線部品１０は、上述したように、所定箇所で切断される。即ち、導体線１１−１〜１１−Ｎは、図９（ｂ）に示すように、それぞれ切断される。ここで、「所定箇所」は、ステータコアのスロットに挿入されるべき部分以外の部分である。なお、以下では、巻線部品１０の端部１２ａ側の導体線を導体線１１−１ａ〜１１−Ｎａと呼び、巻線部品１０の端部１２ｂ側の導体線を導体線１１−１ｂ〜１１−Ｎｂと呼ぶことにする。

所定箇所が切断された巻線部品１０は、図４に示すようにしてステータコア５０に装着される。その後、巻線部品１０の切断面（端部１２ａ、１２ｂ）において、対応する導体線の端部同士を電気的に接続する。具体的には、図９（ｃ）に示すように、切断された各導体線１１−１〜１１−Ｎをそれぞれ切断前の状態に修復するように、導体線１１−１ａ〜１１−Ｎａの各先端部と導体線１１−１ｂ〜１１−Ｎｂの各先端部とをそれぞれ電気的に接続する。

この結果、巻線部品１０は、ステータコアに装着された巻線となる。ここで、巻線部品１０は、この実施例では、ステータコア５０の複数のスロットに渡って波状に挿入されている。したがって、巻線部品１０により波巻き巻線が形成されることになる。
導体線１１の先端部同士を電気的に接続する方法は、特に限定されるものではなく、様々な手法で実現可能である。例えば、導体線１１の先端部同士を、半田付け、各種溶接（レーザ溶接、抵抗溶接、アーク溶接を含む）により接続するようにしてもよい。また、図１０（ａ）に示すように、接続すべき１組の導体線の一方の先端部を雄型形状、他方の先端部を雌型形状に加工しておき、それらを勘合した状態で圧着するようにしてもよい。

あるいは、図１０（ｂ）に示すように、１組のコネクタを用いて複数組の導体線を一括して接続するようにしてもよい。また、図１０（ｃ）に示すように、１個のコネクタを用いて複数組の導体線を一括して接続するようにしてもよい。
なお、実施形態の製造方法においては、図９（ａ）〜図９（ｃ）を参照しながら説明したように、切断された導体線がそれぞれ元の状態に修復されるように各導体線の先端部同士が接続される。また、巻線部品１０の切断面において、その巻線部品１０を構成する導体線は、図６または図７（ｂ）に示したように、所定のパターンで整列している。このため、各導体線の先端部同士を接続するためのコネクタは、その内部で導電経路が交差するような複雑な構成ではなく、同じ位置に配置されている導体線同士を互いに接続するだけの単純な構成により実現できるので（図１０（ｃ）参照）、コネクタ自体の小型化を図ることができる。したがって、回転電機自体の小型化にも寄与する。

さらに、他の２個の巻線部品がステータコア５０に装着され、同様の方法で巻線が構成される。そして、このようにして巻線部品１０（すなわち、巻線）がステータコア５０の内輪部材５１に装着された後、外輪部材５２がその内輪部材５１を包み込むようにして取り付けられる。これにより、回転電機のステータが構成される。

このように、実施形態の回転電機の製造方法においては、型冶具２０に導体線１１を繰り返し巻き付けることにより巻線部品１０を作製し、その巻線部品１０の所定箇所を切断してステータコアに装着し、その後、その切断面において導体線の先端部同士を電気的に接続することにより巻線が構成される。このとき、巻線部品１０を対応するステータコアに装着する作業は、ステータコアに導体線を直接的に巻き付ける作業と比べて簡単である。また、実施形態の製造方法においては、インサート方式のように高価または大規模な装置を必要としない。

さらに、実施形態の製造方法においては、予め作製した巻線部品１０がステータコアのスロットに挿入されるので、そのスロットの断面形状に略一致するように複数の導体線１１を整列させることが容易である。したがって、スロット内における導体線の占積率を高くすることができ、回転電機の効率を高くすることができる。

なお、実施形態の製造方法において、巻線部品１０をステータコアのスロットに挿入する前に、その巻線部品１０に対して絶縁処理を施すようにしてもよい。ここで、絶縁処理は、特に限定されるものではないが、例えば、巻線部品１０がステータコアに装着されるときにスロット内に収容される部分を絶縁紙、絶縁フィルム、樹脂材料等で覆う処理である。そして、このような手順を導入すれば、ステータコアのスロットに予め絶縁紙等を挿入しておく必要はなく、絶縁処理が施された巻線部品１０を対応するスロットに挿入するだけで、巻線とステータコアとの間の絶縁が確保される。また、このような絶縁処理を施しておくことにより、巻線部品１０をステータコアに装着する際に、導体線の整列が崩れにくくなる。

また、上述の実施例では、ステータコアに設けられているスロットがオープンスロットであるが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、図１１（ａ）に示すようなクローズスロットを有するステータコアにも適用可能である。ここで、「オープンスロット」とは、ステータコアの外周方向にスロットが開口している形態（図２参照）、或いはステータコアの内周方向にスロットが開口している形態（図７（ａ）参照）のことをいう。一方、「クローズスロット」は、ステータコアの外周方向または内周方向にスロットが開口しておらず、導体線を通すための貫通孔により実現される。そして、本発明をクローズスロットに適用する場合には、まず、図１１（ｂ）に示すように、対応する複数のクローズスロットを順番に貫通していくようにして巻線部品１０がステータコアに装着され、その後、巻線部品１０の切断部分の端部同士が電気的に接続される。

なお、ステータコアに設けられているスロットがセミクローズスロット（ステータコアの外周方向または内周方向に向かってスロットが開口しているが、そのスロットの開口幅が、スロット内の周方向の幅よりも狭いスロット）である場合も、クローズスロットの場合と同様に本発明が適用される。

さらに、回転電機は、３相に限定されるものではなく、各相の極数も「６」に限定されるものではない。例えば、各相の極数が「４」である場合は、巻線部品１０は４スロットに渡って引き回され、各相の極数が「８」である場合は、巻線部品１０は８スロットに渡って引き回される。

さらに、上述の実施例では、本発明が回転電機（特に、その電機子）に適用されているが、本発明は、リニアモータや誘導機（特に、それらの電機子）にも適用可能である。なお、電機子は、電機子鉄心および巻線から構成されており、起電力を生じ、主電流を通すための部分である。そして、本発明は、回転電機、リニアモータ、誘導機に使用される電機子に広く適用される。

実施形態の回転電機の製造に使用される巻線部品の作製方法を説明する図である。 実施形態のステータコアの分解斜視図である。 図２に示すステータコアを上方から見た図である。 ステータコアのスロットに巻線部品を挿入した状態を示す図である。 巻線部品がステータコアの対応するスロットに挿入された状態を模式的に示す図である。 巻線部品の断面形状を示す図である。 （ａ）は、他の形態のステータコアを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すステータコアのスロットに挿入される巻線部品の断面形状を示す図である。 巻線部品を作製する際に導体線が互いに交差する様子を示す図である。 巻線部品の切断／接続を説明する図である。 導体線の先端部同士を接続する方法を説明する図である。 本発明をクローズスロットのステータに適用した場合の実施例である。

符号の説明

１０ 巻線部品
１１ 導体線
１２ａ、１２ｂ 巻線部品の端部
２０ 型治具
５０ ステータコア
５１ 内輪部材
５２ 外輪部材
５３（５３ａ〜５３ｒ） スロット

Claims (10)

1. 導体線を型治具に繰り返し巻き付けることにより巻線部品を作製する工程、
   上記巻線部品を所定箇所で切断する工程、
   上記切断された巻線部品を電機子鉄心に設けられている複数のスロットに渡って挿入する工程、
   上記切断された巻線部品の切断面においてその巻線部品を構成する導体線の端部同士を電気的に接続して電機子の巻線を形成する工程、
   を含むモータまたは発電機の製造方法。
2. 当該モータまたは発電機が回転電機であることを特徴とする請求項１に記載のモータまたは発電機の製造方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   上記巻線部品を作製する工程において、その巻線部品の断面形状が上記スロットの断面形状と略一致するように上記導体線が上記型治具に巻き付けられる
   ことを特徴とするモータまたは発電機の製造方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   上記導体線は平角導体線である
   ことを特徴とするモータまたは発電機の製造方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   上記切断された巻線部品は、形成されるべき上記巻線が波巻きとなるように上記複数のスロットに渡って挿入される
   ことを特徴とするモータまたは発電機の製造方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   上記巻線部品を作製する工程において、上記導体線は、上記スロットに挿入されるべき部分で互いに交差することがないように上記型冶具に巻き付けられる
   ことを特徴とするモータまたは発電機の製造方法。
7. 導体線を型治具に繰り返し巻き付けることにより巻線部品を作製する工程、
   上記巻線部品を所定箇所で切断する工程、
   上記切断された巻線部品を電機子鉄心に設けられている複数のスロットに渡って挿入する工程、
   上記切断された巻線部品の切断面においてその巻線部品を構成する導体線の端部同士を電気的に接続して巻線を形成する工程、
   を含む電機子の製造方法。
8. 導体線が巻き付けられた電機子を含むモータまたは発電機であって、
   上記電機子は、
   複数のスロットが設けられている電機子鉄心と、
   導体線を型治具に繰り返し巻き付けることにより作製された巻線部品、
   を含み、
   上記巻線部品は所定箇所を切断された状態で上記電機子鉄心に装着された後、その切断面においてその巻線部品を構成する導体線の端部同士が電気的に接続されている
   ことを特徴とするモータまたは発電機。
9. 当該モータまたは発電機が回転電機であることを特徴とする請求項８に記載のモータまたは発電機。
10. 請求項８に記載のモータまたは発電機であって、
    上記巻線部品は、その切断面においてその巻線部品を構成する導体線の端部同士がコネクタにより電気的に接続されている
    ことを特徴とするモータまたは発電機。
    
    
    

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