JP2005184887A - 固定子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量で、歩留まりが高く占積率が大きい固定子とその製造方法を提供する。
【解決手段】 製造すべき固定子の径方向に対して予め斜めに湾曲して形成された環状の絶縁部材を用意し、この絶縁部材にコイルを巻回して巻線体２０を形成し、複数の巻線体２０をその一端側を円周上に配置して円環状の巻線群４を形成し、この巻線群４の外側に、ヨーク片５ａとティース５ｂからなる分割鉄心５のティース５ｂを内向きにして配置し、ティース５ｂを巻線群４の中心に指向させて複数の巻線体２０の絶縁部材のティース挿通孔に挿入していくことにより各巻線体２０を複数のティース５ｂに跨らせ、巻線群４の外周側で互いに隣り合う分割鉄心５のヨーク片５ａを接続させて円環状にする。
【選択図】 図８

Description

この発明は、電動機や発電機等の回転電機に用いられる固定子とその製造方法に関するものである。

特許文献１には、環状の基部から多数のティースを放射状に突出させてなる内側鉄心と、複数の前記ティースに跨って巻回されたコイルと、総てのティースの外側を囲繞するように装着された環状のヨークと、を備える固定子が開示されている。この固定子は、予め巻線機で導線を巻回して形成したコイルを多数用意しておき、このコイルを内側鉄心に取り付けるにあたり、コイルの一端を前記内側鉄心のティース間のスロットの径方向内側に配置するとともに該コイルを周方向に倒すようにして所定数の前記ティースに跨らせ、同様の方法で配置した隣のコイルに順次重ねていき、最後のコイルをセットした後に、一番最初にセットしたコイルの径方向外端側を最後にセットしたコイルに重ねながらティースに跨らせ、この後、ティースの径方向外側にヨークを装着して、製造している。
特開平９−８４３０９号公報

しかしながら、前記従来の固定子では、環状の基部から多数のティースを放射状に突出させてなる内側鉄心と、環状のヨークとが必要であり、いずれも環状をなすことから歩留まりが悪く、重量も大きくなるという問題がある。
また、前述した方法でコイルを製造すると、コイルの一端をスロットの径方向内側に配置し、該コイルを周方向に倒しながら所定数のティースに跨らせていくので、ティースが挿通するコイル内側の孔を若干大きめに形成しておかなければ、所定数のティースを跨がせることができない。そのため、この方法で製造された固定子ではコイルの周長を長くせざるを得ず、導線の長さが長くなって、重量も増大する。また、コイルの占積率も小さくなる。
そこで、この発明は、軽量で、歩留まりが高く、占積率が大きい固定子とその製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、円環状のヨーク部（例えば、後述する実施例におけるヨーク部６）が周方向に複数のヨーク片（例えば、後述する実施例におけるヨーク片５ａ）に分割され、前記各ヨーク片から前記ヨーク部の径方向内側に向かって突出するティース（例えば、後述する実施例におけるティース５ｂ）が周方向に所定間隔に配置されてなる鉄心（例えば、後述する実施例における鉄心３）と、内側に前記ティースを挿通させるティース挿通孔（例えば、後述する実施例におけるティース挿通孔１３）を有し該ティース挿通孔の全周外側にコイル周回溝（例えば、後述する実施例におけるコイル周回溝１４）が形成された絶縁部材（例えば、後述する実施例における絶縁部材１０）と、前記絶縁部材のコイル周回溝に巻回されるコイル（例えば、後述する実施例におけるコイル２１）と、を備え、前記絶縁部材のコイル周回溝に前記コイルを巻回して巻線体（例えば、後述する実施例における巻線体２０）が構成され、複数の前記巻線体の一端部（例えば、後述する実施例における一端部１５）を円周上に配置して円環状の巻線群（例えば、後述する実施例における巻線群４）が構成され、前記各巻線体の絶縁部材は、前記ティース挿通孔に複数の前記ティースを挿通させるとともに、挿通させたティース群の周方向両外側に位置するスロット（例えば、後述する実施例におけるスロット７）に挿入され、径方向に対して斜めに湾曲して配置されていることを特徴とする固定子（例えば、後述する実施例における固定子１）である。
このように構成することにより、鉄心のヨーク部が複数に分割されているとともに、鉄心は独立して環状をなす部材を有していないので、鉄心の軽量化を図ることができるとともに、鉄心の歩留まりを高めることができる。
また、巻線体は絶縁部材にコイルを巻回して構成されているので、総ての巻線体についてコイルの巻線抵抗、インダクタンスを略同一にできる。さらに、コイルエンドにおいてコイルの疎密を少なくでき、かつ、鉄心の端面とコイルとの間の隙間を小さくできるので、コイルエンドの高さ或いはコイルエンドが占有するエリアの大きさを小さくでき、固定子の小型化及び軽量化を図ることができる。
さらに、複数の巻線体を円周上に配置して巻線群を形成した後、巻線群の外側から各巻線体に分割鉄心のティースを挿入することが可能となる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記絶縁部材のコイル周回溝は、径方向外側に進むにしたがって溝幅が大きくされていることを特徴とする。
このように構成することにより、巻線体の一端部を円周上に配置して円環状の巻線群を形成する際に、隣接する巻線体同士を密接させて配置することが可能となる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記巻線体の径方向最外側面によって前記巻線群の外周面が形成され、この巻線群の外周面に前記ヨーク部の内周面が当接していることを特徴とする。
このように構成することにより、固定子の外形を小さくすることが可能になる。また、巻線体で発生した熱を鉄心に伝熱させ放熱することが可能になる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記鉄心は、前記ヨーク片の略中央から前記ティースが突出する略Ｔ字形をなす分割鉄心を円周上に配列してなり、前記ティースの先端が矩形をなすことを特徴とする。
このように構成することにより、巻線群の外側から各巻線体に分割鉄心のティースを挿入するのが容易になるとともに、巻線体が脱落するのを確実に防止することができる。

請求項５に係る発明は、製造すべき固定子（例えば、後述する実施例における固定子１）の径方向に対して予め斜めに湾曲して形成された環状の絶縁部材（例えば、後述する実施例における絶縁部材１０）を用意し、この絶縁部材にコイル（例えば、後述する実施例におけるコイル２１）を巻回して巻線体（例えば、後述する実施例における巻線体２０）を形成し、複数の前記巻線体をその一端側（例えば、後述する実施例における一端部１５）を円周上に配置して円環状の巻線群（例えば、後述する実施例における巻線群４）を形成し、この巻線群の外側に、ヨーク片（例えば、後述する実施例におけるヨーク片５ａ）とティース（例えば、後述する実施例におけるティース５ｂ）からなる分割鉄心（例えば、後述する実施例における分割鉄心５）の前記ティースを内向きにして配置し、該ティースを前記巻線群の中心に指向させて複数の巻線体の絶縁部材のティース挿通孔（例えば、後述する実施例におけるティース挿通孔１３）に挿入していくことにより各巻線体を複数の前記ティースに跨らせ、前記巻線群の外周側で互いに隣り合う前記分割鉄心の前記ヨーク片を接続させて円環状にすることを特徴とする固定子の製造方法である。
このように構成することにより、複数の巻線体を円周上に配置して巻線群を形成した後、巻線群の外側から各巻線体に分割鉄心のティースを挿入することが可能となる。また、複数のティースに跨って巻回されるコイルの長さを最短長さにすることができ、コイルの重量を低減することができる。しかも、巻線体は同一形状、同一寸法の絶縁部材にコイルを巻回して形成するので、総ての巻線体についてコイルの巻線抵抗、インダクタンスを略同一にできる。さらに、コイルの占積率を大きくすることができる。また、鉄心を分割鉄心によって構成しているので、鉄心の歩留まりを高めることができる。

請求項１に係る発明によれば、鉄心の軽量化により、固定子を大幅に軽量化することができる。また、鉄心の歩留まりを高めることができる。さらに、総ての巻線体についてコイルの巻線抵抗、インダクタンスを略同一にできる。さらに、コイルエンドにおいてコイルの疎密を少なくでき、かつ、鉄心の端面とコイルとの間の隙間を小さくできるので、コイルエンドの高さ或いはコイルエンドが占有するエリアの大きさを小さくでき、固定子の小型化及び軽量化を図ることができる。また、複数の巻線体を円周上に配置して巻線群を形成した後、巻線群の外側から各巻線体に分割鉄心のティースを挿入することが可能となる。
請求項２に係る発明によれば、巻線体の一端部を円周上に配置して円環状の巻線群を形成する際に、隣接する巻線体同士を密接させて配置することができ、固定子を小型化にすることができる。
請求項３に係る発明によれば、固定子の外形を小さくして小型化することができる。また、巻線体で発生した熱を鉄心に伝熱させ放熱することができるので、固定子の発熱を抑制することができる。
請求項４に係る発明によれば、巻線群の外側から各巻線体に分割鉄心のティースを挿入するのが容易になるとともに、巻線体が脱落するのを確実に防止することができる。

請求項５に係る発明によれば、複数の巻線体を円周上に配置して巻線群を形成した後、巻線群の外側から各巻線体に分割鉄心のティースを挿入し、固定子を製造することができる。また、複数のティースに跨って巻回されるコイルの長さを最短長さにすることができ、コイルの重量を低減することができる。しかも、巻線体は同一形状、同一寸法の絶縁部材にコイルを巻回して形成するので、総ての巻線体についてコイルの巻線抵抗、インダクタンスを略同一にできる。さらに、コイルの占積率を大きくすることができる。また、鉄心を分割鉄心によって構成しているので、鉄心の歩留まりを高めることができる。

以下、この発明に係る固定子とその製造方法の一実施例を図１から図１２の図面を参照して説明する。
初めに、完成品としての固定子について図１を参照して説明する。
この固定子１は、ホルダ２と、ホルダ２に装着された鉄心３と、鉄心３に取り付けられた巻線群４とを備えて構成されており、例えばブラシレスモータ等の電動機や発電機等の回転電機の固定子として用いられる。
鉄心３は同一形状、同一寸法の多数の分割鉄心５を円周上に配列してなる。各分割鉄心５は略Ｔ字形をなし、円弧状をなすヨーク片５ａの中央から径方向内側に向かってティース５ｂが突出している。分割鉄心５のヨーク片５ａは円環状に接続されてヨーク部６を形成しており、円環状に接続されたヨーク片５ａはホルダ２の筒部２ａの内側に嵌め込まれて、強固に保持されている。したがって、ティース５ｂは周方向に所定間隔に配置される。ティース５ｂの先端５ｃは矩形をなし、ティース５ｂの周方向幅は全長に亘ってほぼ同一幅になっている。
なお、ホルダ２の筒部２ａの軸線方向一端側にはフランジ部２ｂが張り出し、フランジ部２ｂの四隅に取付孔２ｃが設けられている。

巻線群４は、後述する絶縁部材１０にコイル２１を巻回してなる多数の巻線体２０を円環状に配置して構成されている。各巻線体２０は所定数（この実施例では３つ）のティース５ｂを跨いで取り付けられており、各巻線体２０の一端部は互いに隣接するティース５ｂ，５ｂの先端５ｃ，５ｃ間に配置されている。換言すると、各巻線体２０の一端部は互いに隣接するティース５ｂ，５ｂ間に形成されたスロット７における径方向内側に配置され、同一円周上に配置されている。巻線体２０の他端部は径方向外側に配置されてヨーク片５ａの内周面に当接しており、巻線体２０の一端部から他端部に進むにしたがって径方向に対して湾曲している。そして、隣接する巻線体２０同士が密接して円環状の巻線群４を形成している。
すなわち、巻線体２０の径方向最外側面によって巻線群４の外周面が形成され、この巻線群４の外周面にヨーク部６の内周面が当接している

次に、この固定子１の製造方法を図２から図１２にしたがって説明する。
初めに、巻線装置を用いて多数の巻線体２０を製造する。図２に示すように、巻線装置５０は、図示しない回転駆動機に連結された駆動治具５１と、駆動治具５１に対して進退動可能で回転可能な従動治具５２とを備えており、駆動治具５１には絶縁部材１０に係合可能な係合突部５３が設けられ、従動治具５２には係合突部５３および絶縁部材１０に係合可能な係合凹部５４が設けられている。係合突部５３は、完成品である固定子１における３本のティース５ｂを収容するのに丁度良い形状および寸法に形成されている。
この巻線装置５０に絶縁部材１０をセットして導線を巻回していくのであるが、セットされる絶縁部材１０には、完成品である固定子１に取り付けられた状態と同じ形態に予め形成されたものを使用する。

絶縁部材１０は、実際には図２に示すように複雑な形状をしているが、これを模式的に示したのが図１１および図１２であり、これらの図を参照して絶縁部材１０を概略的に説明する。
絶縁部材１０は、矩形環状をなす底壁部１１と、底壁部１１の両端から外方に張り出す側壁部１２とから構成されていて、底壁部１１の内側がティース挿通孔１３にされ、底壁部１１と両側の側壁部１２，１２に囲まれた部分がコイル周回溝１４にされている。つまり、ティース挿通孔１３の全周外側にコイル周回溝１４が環状に形成されている。ティース挿通孔１３は、完成品である固定子１における３本のティース５ｂがちょうど挿入可能な寸法および形状に設定されている。
絶縁部材１０は、一端部１５から他端部１６に向かって湾曲しており、また、コイル周回溝１４の幅（すなわち、両側壁部１２，１２間の寸法）Ｓは一端部１５から他端部１６に進むにしたがって徐々に大きくされている。

ここで、製造方法に戻り、図３に示すように、絶縁部材１０のティース挿通孔１３に駆動治具５１の係合突部５３を挿入して、絶縁部材１０を駆動治具５１にセットする。
その後、従動治具５２を駆動治具５１に接近させ、図４に示すように、従動治具５２の係合凹部５４に係合突部５３の先部および絶縁部材１０の一部を嵌め込み、これにより絶縁部材１０を駆動治具５１と従動治具５２とで挟み込む。
そして、従動治具５２に設けられたピン５５にコイル用導線６０の先端部を巻き付け、この導線６０を駆動治具５１と従動治具５２の間に形成された隙間を介して絶縁部材１０のコイル周回溝１４に導入し、駆動治具５１を回転駆動し、従動治具５２と協働して絶縁部材１０を回転し、図５に示すように、絶縁部材１０のコイル周回溝１４に導線６０を巻回して、コイル２１にする。
このようにして、コイル周回溝１４にコイル２１が巻回された巻線体２０を多数製造する。

次に、図６および図７に示すように、巻線体固定治具７０を用いて巻線体２０を円周上に配置し巻線群４を形成する。
ここで、巻線体固定治具７０は、円筒状をなすセットリング７１に周方向等間隔に配置された位置決めピン７２が径方向に移動可能に取り付けられて構成されている。位置決めピン７２の径方向外側の先端７２ａは三角形状をなし、セットリング７１から径方向外側に突出可能になっている。なお、位置決めピン７２は固定子１に必要な巻線体２０の数と同数に設定されている。
まず、図６に示すように、総ての位置決めピン７２の先端７２ａをセットリング７１から突出した状態にした巻線体固定治具７０の外側から、巻線体２０を絶縁部材１０の一端部１５を径方向内側にして、螺旋軌道でセットリング７１に接近させていき、一端部１５を位置決めピン７２の先端７２ａの側面に突き当てる。なお、絶縁部材１０の一端部１５が位置決めピン７２の先端７２ａの側面に突き当った状態では、一端部１５はセットリング７１の外周面から若干離間する（図７参照）。

巻線体２０の巻線体固定治具７０への装着は、図６に示すように総ての巻線体２０を巻線体固定治具７０の外側に円周上に配置して、これら巻線体２０を同時に螺旋軌道で移動させていってもよいし、あるいは、巻線体２０を一つ一つ順番に螺旋軌道に移動させていってもよい。
いずれにしても、図７に示すように、固定子１に必要な数の巻線体２０を巻線体固定治具７０の周囲に装着することによって、各巻線体２０の一端側が円周上に配置され、隣接する巻線体２０同士が密接した円環状の巻線群４が形成される。
ここで、絶縁部材１０のコイル周回溝１４の幅Ｓが、径方向内側に配置される一端部１５から径方向外側に配置される他端部１６に進むにしたがって徐々に大きくされているので、隣接する巻線体２０同士を密接させて配置することができる。これにより、固定子１の小型化を図ることができる。

次に、図８に示すように、巻線体固定治具７０に装着された状態の巻線群４の径方向外側であって位置決めピン７２の先端７２ａの延長線上に、ティース５ｂを内向きにして分割鉄心５を配置し、ティース５ｂを巻線群４の中心（すなわちセットリング７１の中心）に指向させつつ、内方へと移動させていく。これにより、分割鉄心５のティース５ｂは巻線体２０の絶縁部材１０におけるティース挿通孔１３に挿入されていく。
そして、ティース５ｂの先端５ｃが位置決めピン７２の先端７２ａに突き当たったら、ティース５ｂで位置決めピン７２を押し込んでいき、分割鉄心５のヨーク片５ａの内面が巻線群４の外周面に当接したら、分割鉄心５の移動を停止する。このとき、ティース５ｂの先端５ｃはセットリング７１の外周面と面一になり、位置決めピン７２の先端７２ａがセットリング７１内に収容される。

このようにして位置決めピン７２と同数の分割鉄心５を総て巻線群４に挿入すると、図９に示すように、巻線群４を構成する総ての巻線体２０における絶縁部材１０のティース挿通孔１３に、それぞれ３本ずつティース５ｂが挿入されることとなる。換言すると、各巻線体２０は周方向に並ぶ３本のティース５ｂに跨って配置される。そして、絶縁部材１０の一端部１５と他端部１６は、前記３本のティース５ｂ群の両外側に位置するスロット７，７に挿入されることとなる。また、巻線群４の外周側において、互いに隣り合う分割鉄心５，５のヨーク片５ａ，５ａ同士が接続され、連続した円環となって鉄心３のヨーク部６が形成される。
なお、分割鉄心５の巻線群４への装着は、図８に示すように総ての分割鉄心５を巻線群４の外側に円周上に配置してこれら分割鉄心５を同時に径方向内方へ移動させていってもよいし、あるいは、分割鉄心５を一つ一つ順番に径方向内方へ移動させていってもよい。
その後、鉄心３および巻線群４から巻線体固定治具７０を取り外し（図１０参照）、鉄心３のヨーク部６をホルダ２の筒部２ａ内に嵌合して、図１に示す固定子１が完成する。

この固定子１の製造方法では、予め巻線体２０を、完成品である固定子１における形態と同じ形態に形成しており、且つ、鉄心３をＴ字形の分割鉄心５の集合体としているので、巻線体２０を円周上に配置して巻線群４を形成した後、巻線群４の外側から各巻線体２０に分割鉄心５のティース５ｂを挿入することが可能となる。特に、ティース５ｂの先端が矩形をなしているので、ティース５ｂの挿入が容易である。また、３本のティース５ｂに跨って巻回されるコイル２１の長さを最短長さにすることができ、コイル２１の重量を低減することができる。
しかも、巻線体２０は同一形状、同一寸法の絶縁部材１０にコイル２１を巻回して形成されるので、総ての巻線体２０についてコイル２１の巻線抵抗、インダクタンスを略同一にできる。さらに、コイルエンドにおいてコイル２１の疎密を少なくでき、かつ、鉄心３の端面とコイル２１との間の隙間を小さくできるので、コイルエンドの高さ或いはコイルエンドが占有するエリアの大きさを小さくでき、固定子１の小型化及び軽量化を図ることができる。

また、固定子１は、分割鉄心５のティース５ｂの先端側に従来の固定子の鉄心が有していたような環状部材を有していないので、鉄心３の軽量化を図ることができる。また、鉄心３が環状の部材を有しておらず、鉄心３を多数の分割鉄心５で構成したので、鉄心３の歩留まりを高めることができる。
巻線群４の外周面が鉄心３のヨーク部６の内周面に当接しているので、固定子１の外形を小さくして小型にすることができる。また、巻線体２０で発生した熱を鉄心３に伝熱させ放熱することができるので、固定子１の発熱を抑制することができる。
また、Ｔ字形の分割鉄心５のヨーク片５ａが巻線体２０の外周面に当接しているので、巻線体２０の脱落を確実に防止することもできる。
そして、コイル２１の軽量化、鉄心３の軽量化、固定子１の小型化が相俟って、固定子１を大幅に軽量化することができる。

なお、前述した実施例では、巻線体２０における絶縁部材１０のティース挿通孔１３に挿入するティース５ｂの数を３つにしているが、挿入されるティース５ｂの数は任意に設定可能である。

この発明に係る固定子の一実施例における正面図である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その１）である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その２）である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その３）である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その４）である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その５）である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その６）である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その７）である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その８）である。 この発明に係る固定子の製造方法を説明するための図（その９）である。 この発明に係る固定子における絶縁部材の外観斜視図である。 図１１のＡ方向から見た絶縁部材の正面図である。

符号の説明

１ 固定子
３ 鉄心
４ 巻線群
５ 分割鉄心
５ａ ヨーク片
５ｂ ティース
５ｃ 先端
６ ヨーク部
７ スロット
１０ 絶縁部材
１３ ティース挿通孔
１４ コイル周回溝
１５ 一端部
２０ 巻線体
２１ コイル

Claims (5)

1. 円環状のヨーク部が周方向に複数のヨーク片に分割され、前記各ヨーク片から前記ヨーク部の径方向内側に向かって突出するティースが周方向に所定間隔に配置されてなる鉄心と、
   内側に前記ティースを挿通させるティース挿通孔を有し該ティース挿通孔の全周外側にコイル周回溝が形成された絶縁部材と、
   前記絶縁部材のコイル周回溝に巻回されるコイルと、
   を備え、前記絶縁部材のコイル周回溝に前記コイルを巻回して巻線体が構成され、複数の前記巻線体の一端部を円周上に配置して円環状の巻線群が構成され、
   前記各巻線体の絶縁部材は、前記ティース挿通孔に複数の前記ティースを挿通させるとともに、挿通させたティース群の周方向両外側に位置するスロットに挿入され、径方向に対して斜めに湾曲して配置されていることを特徴とする固定子。
2. 前記絶縁部材のコイル周回溝は、径方向外側に進むにしたがって溝幅が大きくされていることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
3. 前記巻線体の径方向最外側面によって前記巻線群の外周面が形成され、この巻線群の外周面に前記ヨーク部の内周面が当接していることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
4. 前記鉄心は、前記ヨーク片の略中央から前記ティースが突出する略Ｔ字形をなす分割鉄心を円周上に配列してなり、前記ティースの先端が矩形をなすことを特徴とする請求項１に記載の固定子。
5. 製造すべき固定子の径方向に対して予め斜めに湾曲して形成された環状の絶縁部材を用意し、この絶縁部材にコイルを巻回して巻線体を形成し、複数の前記巻線体をその一端側を円周上に配置して円環状の巻線群を形成し、この巻線群の外側に、ヨーク片とティースからなる分割鉄心の前記ティースを内向きにして配置し、該ティースを前記巻線群の中心に指向させて複数の巻線体の絶縁部材のティース挿通孔に挿入していくことにより各巻線体を複数の前記ティースに跨らせ、前記巻線群の外周側で互いに隣り合う前記分割鉄心の前記ヨーク片を接続させて円環状にすることを特徴とする固定子の製造方法。
   

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