JP2005176531A - 電機子の巻線方法及び巻線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 各コイル間を渡る渡り線を利用してモータ性能を向上させる電機子の巻線方法及び巻線装置を提供する。
【解決手段】 電機子（１）を軸まわりに回転可能に保持する保持機構（１２）と、前記電機子の磁極（２）に線材（３）を繰り出す線材供給手段と、前記電機子を電機子の磁極の軸まわりに回転させて前記磁極に線材を巻回する回転機構（８５）と、を用い、前記線材供給手段から繰り出される線材を、１つの磁極に巻回してコイル（９０）を形成した後、隣接する磁極に巻線方向を逆にして巻回してコイルを形成し、各コイルを結ぶ渡り線（９６）を隣り合う磁極間のスロット（９１）の対角に渡した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分割した各ボビンに線材を連続して巻回する電機子の巻線方法及び巻線装置の改良に関するものである。

従来、この種の多極電機子としてモータ等に用いられるステータは、分割された各ボビンを回転させて各ボビンに線材を巻回した後、各ボビンを円環状に並べて連結し、ステータを組み立てるようになっている。これは、電機子の磁極に挿入する各相の複数のボビンに、線材を連続して巻回してコイルとし、渡り線（リード）により連結された複数の各相のコイルを電機子の磁極に挿入して電機子を完成するものであった。また、太い線材に代えて複数本の細い線材を巻回することにより、巻線の占積率（密度）を高められることが知られている。
特願２００３−１２３７６２号

しかしながら、このような従来の多極電機子の巻線方法にあっては、電機子にコイルを組み込んだ場合、渡り線（リード）がコイルエンド部に沿って這わされるため、コイルエンド部が膨らんでしまい、スペース的に大きくなってしまうとともに、このコイルエンド部は、モータ性能に寄与せず、単に抵抗となるという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、従来渡り線として、コイルエンド部に位置していた線材を、ボビン間のスロット内で、モータ性能に有効に作用する電機子軸方向の巻線部とする電機子の巻線方法及び巻線装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、電機子を軸まわりに回転可能に保持する保持機構と、電機子の磁極に線材を繰り出す線材供給手段と、電機子を電機子の磁極の軸まわりに回転させて磁極に線材を巻回する回転機構と、を用い、線材供給手段から繰り出される線材を、１つの磁極に巻回してコイルを形成した後、隣接する磁極に巻線方向を逆にして巻回してコイルを形成し、各コイルを結ぶ渡り線を隣り合う磁極間のスロットの対角に渡した。

第２の発明は、電機子の磁極に巻回する電機子の巻線装置において、電機子を軸まわりに回転可能に保持する保持機構と、磁極に線材を繰り出す線材供給手段と、電機子を電機子の磁極の軸まわりに回転させて磁極に線材を巻回する回転機構と、を備え、線材供給手段から繰り出される線材を、１つの磁極に巻回してコイルを形成した後、隣接する磁極に巻線方向を逆にして巻回してコイルを形成し、各コイルを結ぶ渡り線を隣り合う磁極間のスロットの対角に渡す構成とした。

第３の発明は、第２の発明において、前記磁極に挿入したボビンを前記磁極に沿って移動させるボビン移動機構を設け、巻線時には、ボビンを正規の挿入位置から電機子の外径側に移動させた状態で巻回し、巻線後には、ボビンを正規の挿入位置に戻す構成とした。

第４の発明は、第２の発明において、線材を磁極に案内するサイドフォーマを電機子の側面を囲むように設けた。

第５の発明は、第４の発明において、サイドフォーマは、電機子の端部より電機子の軸方向に延びる延長部を備えた。

第６の発明は、第５の発明において、延長部を、線材に接触する表面を球面状に湾曲させた。

第７の発明は、第２の発明において、線材供給機構は、複数の線材を独立して挿通させる穴を有するノズルと、このノズルに供給する各線材のテンションを独立に制御するテンション装置と、を備えた。

第１及び第２の発明によると、各コイルを結ぶ渡り線を隣り合う磁極間のスロットの対角に渡したことより、渡り線を、スロット内で、モータ出力を発生する巻線部とすることができ、モータ性能の向上が達成できる。また、コイルエンド部が膨らまず、電機子の小型化をはかれる。

第３の発明によると、ボビンをサイドフォーマを越えて磁極の外径方向に位置させて、ボビンに巻回することができる。これにより、巻線の巻乱れを防ぎ、整列状態で巻回することでき、線材の占積率を向上できる。また、巻線後に正規の挿入位置に戻すことにより、後に巻回されたボビン側の線材が下に押し下げられるため、先に巻回されたコイルと後に巻回されたコイルとの間に渡っている渡り線が引っ張られ、渡り線のたるみを防止できる。

第４の発明によると、線材を磁極まわりに整列させて略台形状に巻回することができる。

第５の発明によると、線材がサイドフォーマの端部に引っかかり、線材に緩みが生じるのを防ぐことができる。

第６の発明によると、線材が延長部に接触しても、線材を痛めることなく磁極まわりに巻回できる。

第７の発明によると、各線材が均一な張力を持って磁極に巻回されるため、線材間に空隙が生じるのを抑え、巻線の占積率を高めてモータ性能を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

まず、図６を用い、電機子であるステータ１の説明をする。

ステータ１はインナロータ式の３相交流モータを構成する多極電機子であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の磁極２を５個づつ有し、合計１５個の磁極２が内側に向いて円環状に並んでいる。各磁極２は互いに分割されたボビン９と、このボビン９に線材３を巻回して形成されたコイル９０とによって構成される。互いに分離した状態で各ボビン９にコイル９０を巻回した後、各ボビン９を円環状に並べて連結し、ステータ１を組み立てるようになっている。

ボビン９は線材３が巻回される巻芯部３７と、この巻芯部３７を挟むようにして拡がる外径側つば部３８と内径側つば部３９を有する。ボビン９に巻回される線材３の巻き数は、内径側つば部３９から外径側つば部３８へと次第に多くなり、ボビン９に巻回されるコイル９０の断面は略台形になる。これにより、各ボビン９に巻回されたコイル９０どうしがつくるスロット９１の間隙を小さくして、線材３の占積率（密度）を高めるようになっている。

なお、ステータ１の磁極２の数はこれに限らず、いくつでもよい。

図１は本発明による巻線装置の一実施形態を示す。

この巻線装置５０を説明するにあたって、図１中に示すように、互いに直交するＸ、Ｙの２軸を設定し、Ｘ軸が略水平横方向、Ｙ軸が略垂直方向を示すものと規定する。

巻線装置５０は、ステータ１をステータ１の軸方向であるＸ軸のまわりに回転可能に保持する保持機構１２を備える。

保持機構１２は、ステータ１の中空部に嵌合することにより、ステータ１をそのまわりに固定する固定冶具８を備える。固定冶具８は、架台４に略直立して固設された支持フレーム７によってＸ軸まわりに回転可能に支持される。固定冶具８には、固定冶具８を回転させるモータ１０が設けられる。このモータ１０を駆動してステータ１を所定角度づつ回転させ、線材３を巻回しようとする磁極２の位置決めを行う。

巻線装置５０は、巻線を行うボビン９を磁極２に沿って外径方向（放射方向）に移動させるボビン移動機構８０を備える。

ボビン移動機構８０は、架台４に略直立して固設されたフレーム１４に設けられる。

ボビン移動機構８０は、上面が傾斜したくさび形の挿入板１８を備える。挿入板１８は、アクチュエータ１９によってＸ軸方向に駆動される。巻線時には、挿入板１８は、ボビン９の内径側つば部３９の下に挿入され、ボビン９を磁極２に沿って外径側に移動させる。巻線終了時には、挿入板１８は、内径側つば部３９の下から引き抜かれ、ボビン９は基の位置に戻る。挿入板１８の挿入深さを変えることにより、ボビン９の移動量を調整することができる。

巻線装置５０は、線材３がボビン９の外径側つば部３８からはみ出して巻回されそうになる線材３をボビン９の巻芯部３７に案内するセンタフォーマ１６を備える。

センタフォーマ１６は、基部５に略直立して固設されたフレーム３５にＹ軸まわりに回転可能に取り付けられる。

センタフォーマ１６は、アクチュエータ１５によってＹ軸方向に駆動される。巻線時には、磁極２に挿入されたボビン９を、センタフォーマ１６によって上から押さえつけ、ボビン９を挿入板１８とセンタフォーマ１６とで挟み込んで所定の位置で固定する。巻線終了時には、センタフォーマ１６はボビン９から離れ、ステータ１がＸ軸まわりに回転できるようにする。

巻線時には、センタフォーマ１６の下面３６はボビン９と接触するが、この下面３６は角がまるめられ、線材３がセンタフォーマ１６の下面３６に接触したときでも、線材３が角にこすれて痛まないようになっている。

巻線装置５０は、線材３をボビン９の巻芯部３７に案内するサイドフォーマ１７を備える。サイドフォーマ１７は、ステータ１の側面を囲むようにして架台４の上に設けられる。 従来のサイドフォーマは、Ｘ軸方向に短かったため、ボビン９に巻回される線材３が各サイドフォーマの端部に引っかかることがあった。本実施形態では、各サイドフォーマ１７は、図５で示すように、ステータ１の両端部よりステータ１の軸方向の外側に延びる延長部７０を備えた。これにより、ボビン９に巻回される線材３が各サイドフォーマ１６の延長部７０に引っかかるのを防ぐことができ、線材に緩みが生じるのを防ぐことができる。

各サイドフォーマ１７の延長部７０は、線材３に接触する表面が球面状に湾曲して形成される。これにより、各サイドフォーマ１７の延長部７０に接触する線材３を傷つけないようにすることができる。

サイドフォーマ１７を設けることにより、線材３を磁極２まわりに整列させて略台形状に巻回することができる。

保持機構１２、ボビン移動機構８０、およびサイドフォーマ１７を載せた架台４は、回転機構８５によって巻線装置５０の基部５の上に、Ｙ軸まわりに回転可能に設けられる。架台４は、基部５に内蔵されたモータ６によって回転され、これによって、ステータ１は磁極２まわりに回転し、磁極２のボビン９まわりに線材３を巻きつけていく。

この場合、モータ６の軸芯とセンタフォーマ１６の軸芯とが一致し、架台４がＹ軸まわりに回転したときにボビン９が回転中心となる。

巻線装置５０は、ボビン９に線材３を供給する線材供給手段を備える。

この線材供給手段は、線材３をステータ１のボビン９に向かって繰り出すノズル機構２５を備える。

ノズル機構２５は、基部５の上に略直立して設けられたノズルフレーム１１によって支持される。

ノズル機構２５は、基部５に対してサーボモータ２０によりＹ軸方向に移動するノズルスリーブ２３を備え、このノズルスリーブ２３によってノズル２１が支持される。サーボモータ２０はボールネジ２２を回転駆動し、このボールネジ２２に螺合するノズルスリーブ２３をボールネジ２２の軸方向に平行移動させるようになっている。

図４に詳細に示すように、ノズル２１は円柱形に形成され、各線材３が挿通する複数のノズル穴４１がその軸方向に貫通して形成される。各ノズル穴４１は所定の間隔をもって開口している。各線材３は中空のノズルスリーブ２３内を通ってノズル２１の各ノズル穴４１へと送られる。

保持機構１２に装着されたステータ１のボビン９がＹ軸まわりに回転することにより、ノズル２１から繰り出される複数本の線材３が束となってボビン９に巻回される。

なお、図示したノズル２１から繰り出される線材３の本数は、便宜上実際よりも少なくしてあるが、実際には例えば１０数本を超える本数となる。

線材供給手段は、ノズル２１に供給する各線材３毎を独立して張力を調節するテンション装置６０を備える。

テンション装置６０において、線材源６２からの線材３は、テンション付加用のプーリ６３に巻回された後、テンションバー６４先端のガイドプーリ６５に案内され、ガイドローラ６６を介してノズル２１へと送られる。

また、テンションバー６４は支点を中心に回動可能となっており、線材３の張力の変動はこのテンションバー６４の回動により吸収される。

テンションバー６４の回動角度は図示しないポテンショメータによりフィードバックされ、図示しないコントローラ及びアクチュエータを介してテンションバー６４に与えるトルクを制御し、テンションバー６４の角度が目標位置に戻るように調整する。これにより、線材３にかかる慣性負荷が少なく、線材３の張力が過渡的に変化することをスムーズに吸収することができる。

なお、このテンション装置６０の詳細な構造については、特開２０００−１２８４３３号公報に開示されている。

また、テンション装置６０はこれに限らず、特開平６−２５５８８４号公報に開示されているように、プーリ６３の回転を電磁ブレーキにより制動し、この制動力により線材３には所定の張力が付与される構造としても良い。

このように、複数の線材３を独立して挿通させる穴を有するノズル２１と、このノズル２１に供給する各線材３のテンションを独立に制御するテンション装置６０と、を用いることにより、１本の太い線材に代えて複数本の細い線材３を均一な張力でボビン９に巻回して、線材３の占積率を高めてモータの性能向上を図ることができる。

巻線装置５０は以上のように構成され、この装置を用いてボビン９に線材３が次の手順で巻回される。

ステータ１の磁極２にボビン９を装着する。

ステータ１の中空部に巻線装置５０の固定冶具８をはめ込んでステータ１を固定する。

ステータ１を所定角度だけ回転させて、最初に巻回する磁極２をセンタフォーマ１６の略真下に位置させる。

ボビン移動機構８０のアクチュエータ１９を伸張させて、挿入板１８をボビン９の内径側つば部３９の下に挿入し、ボビン９がサイドフォーマ１７を超えてセンタフォーマ１６側に突出する位置まで移動させる。このとき、ボビン９の内径側つば部３９はサイドフォーマ１７の先端よりも少し下の位置となる。

アクチュエータ１５を伸張させて、センタフォーマ１６をＹ軸方向に移動してボビン９に上から押し付け、ボビン９を挿入板１８とセンタフォーマ１６との間で挟み込んで固定する。

ノズル２１から延びる各線材３の端部をステータ１側に保持する。

架台４をＹ軸まわりの反時計回りＹｃｃｗに回転させ、ボビン９にノズル２１から繰り出される複数本の線材３が束となって巻回されるのに連動してノズル２１をＹ軸方向に上から下に移動させ、図２の（ａ）、（ｂ）で示すように、ボビン９のまわりに線材３を台形状に巻回していく。

巻線の最後に、図２の（ｃ）で示すように、線材３をサイドフォーマ１７の先端に接触させながら巻回して線材３を巻落とす。

ボビン９の巻線が終了したら、挿入板１８を引き抜きながら、図２の（ｄ）で示すように、センタフォーマ１６を下方に押し下げ、ボビン９を磁極２の正規の位置まで挿入する。

ボビン９を正規の位置にセットしたら、アクチュエータ１５を収縮させ、センタフォーマ１６をボビン９から離す。

次に、固定冶具８をＸ軸に対して反時計回りＸｃｃｗに所定角度だけ回転させ、隣接する磁極２がセンタフォーマ１６の略真下にくるようにステータ１を回転させる。

この磁極２のボビン９も上述したように巻線を行うが、図３に示すように、今度はモータ６の回転方向を反対にして架台４を逆まわりに回転させて、巻線方向を逆にしてボビン９に巻回していく。

そうすると、図３で示すように、先に巻回した磁極２のコイル９０と後に巻回した磁極３のコイル９０を結ぶ渡り線９６は、磁極２間のスロット９１の対角に渡る。

以上の手順を繰り返して、正まわりと逆まわりを交互に行いながらステータ１の全ての磁極２のボビン２に巻回する。

以上のような手順で巻線を行うことにより、以下の作用・効果がある。

ノズル２１から繰り出される線材３を、１つのボビン９に巻回してコイル９０を形成した後、隣接する磁極２のボビン９に巻線方向を逆にして巻回してコイル９０を形成し、コイル９０間を結ぶ渡り線９６を磁極２間のスロット９１の対角に渡すことにより、渡り線９６を、スロット内で、モータ出力を発生する巻線部とすることができ、モータ性能の向上が達成できる。また、コイルエンド部が膨らまず、電機子１の小型化をはかれる。

磁極２に挿入したボビン９を磁極２に沿って移動させ、巻線時には、ボビン９を正規の挿入位置からステータ１の外径側に移動させた状態で巻回し、巻線後には、ボビン９を正規の挿入位置に戻すことにより、ボビン９をサイドフォーマ１７を越えて磁極２の外径方向に位置させて、ボビン９に巻回することができる。これにより、巻線の巻乱れを防ぎ、整列状態で巻回することでき、線材の占積率を向上できる。また、巻線後に正規の挿入位置に戻すことにより、後に巻回されたボビン９側の線材３が下に押し下げられるため、先に巻回されたコイル９０と後に巻回されたコイル９０との間に渡っている渡り線９６が引っ張られ、渡り線９６のたるみを防止できる。

各ボビン９への最終巻回で、線材３をサイドフォーマ１７の先端に接触させてボビン９に巻き落とすことにより、巻線形状を内径側と比べて外径側が大きい略台形状にすることが容易となり、隣り合うコイル９０の間隙を小さくし、コイル９０の占積率が向上する。

また、ノズル２１を回動させることなく各線材３を各ボビン９に巻回するので、各線材３が捻れることなく整列して巻回され、コイル９０の占積率を高めることができる。

なお、本実施形態では電機子としてステータ１を用いて説明したが、これに限らず、ロータを用いても良い。

本発明を、構造的と方法的特徴に関してある程度特定的な言葉で説明したが、本明細書に開示した手段は本発明を実施する好ましい形態を含むものであり、本発明はこれら図示し記載された特定の特徴に制限されないことを理解されたい。したがって、本発明は、均等の原則に従って適切に解釈される特許請求の範囲に記載された範囲内におけるいかなる形態または変更についても含むものである。

本発明は、モータ、ジェネレータのロータ、ステータとなる電機子の巻線方法及び巻線装置に適用可能である。

本発明による巻線装置の一実施形態を示す概略構成図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は本実施形態による巻線方法を説明する図である。 本実施形態による巻線方法を説明する図である。 本実施形態による巻線装置のノズル部分の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本実施形態のサイドフォーマを説明する図である。 ステータの断面図である。

符号の説明

１ ステータ
２ 磁極
３ 線材
４ 架台
５ 基部
６ モータ
７ 支持フレーム
８ 固定冶具
９ ボビン
１０ モータ
１１、１４、３５ フレーム
１２ 保持機構
１５、１９ アクチュエータ
１６ センタフォーマ
１７ サイドフォーマ
１８ 挿入板
２１ ノズル
２５ ノズル機構
６０ テンション装置
７０ センタフォーマの延長部
８０ ボビン移動機構

Claims (7)

1. 電機子を軸まわりに回転可能に保持する保持機構と、前記電機子の磁極に線材を繰り出す線材供給手段と、前記電機子を電機子の磁極の軸まわりに回転させて前記磁極に線材を巻回する回転機構と、を用い、前記線材供給手段から繰り出される線材を、１つの磁極に巻回してコイルを形成した後、隣接する磁極に巻線方向を逆にして巻回してコイルを形成し、各コイルを結ぶ渡り線を隣り合う磁極間のスロットの対角に渡したことを特徴とする電機子の巻線方法。
2. 電機子の磁極に巻回する電機子の巻線装置において、
   前記電機子を軸まわりに回転可能に保持する保持機構と、
   前記磁極に線材を繰り出す線材供給手段と、
   前記電機子を電機子の磁極の軸まわりに回転させて前記磁極に線材を巻回する回転機構と、を備え、
   前記線材供給手段から繰り出される線材を、１つの磁極に巻回してコイルを形成した後、隣接する磁極に巻線方向を逆にして巻回してコイルを形成し、各コイルを結ぶ渡り線を隣り合う磁極間のスロットの対角に渡す構成とした、
   ことを特徴とする電機子の巻線装置。
3. 前記磁極に挿入したボビンを前記磁極に沿って移動させるボビン移動機構を設け、巻線時には、ボビンを正規の挿入位置から電機子の外径側に移動させた状態で巻回し、巻線後には、ボビンを正規の挿入位置に戻す構成としたことを特徴とする請求項２に記載の電機子の巻線装置。
4. 前記線材を磁極に案内するサイドフォーマを前記電機子の側面を囲むように設けたことを特徴とする請求項２に記載の電機子の巻線装置。
5. 前記サイドフォーマは、前記電機子の端部より電機子の軸方向に延びる延長部を備えたことを特徴とする請求項４の電機子の巻線装置。
6. 前記延長部を、線材に接触する表面を球面状に湾曲させたことを特徴とする請求項５に記載の電機子の巻線装置。
7. 前記線材供給機構は、複数の線材を独立して挿通させる穴を有するノズルと、このノズルに供給する各線材のテンションを独立に制御するテンション装置と、を備えたことを特徴とする請求項２の電機子の巻線装置。
   

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