JP2005261117A - 回転電機 - Google Patents

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Akiyoshi Shimizu
明義 清水
Toshio Mihata
敏夫 御幡
Hitoshi Sasaki
仁志 佐々木
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Abstract

【課題】コイル占積率を向上させるとともに、渡り線を短く設定しても、コイルが形成されたボビンをティースに組み付ける際の組付性のよい回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、放射状の9つのティース14を備えるステータコア12と、外周に複数の導線からなる導線群20をまとめて巻回したコイル18と、ティース14に嵌合される絶縁性のボビン16とを備える。コイル18のうち、凸形コイルであるコイル18bは、ステータコア12の軸に対する垂直面で、ステータコア12からみた周方向に向かって断面形状が略円弧凸状に成形された凸形部22を有する。コイル18のうち凹形コイルであるコイル18a、18cは、周方向に向かって断面形状が略円弧凹状に成形された凹形部26を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、モータや発電機等の回転電機に関し、特に、ステータコアの複数のティースに対して、ボビンに巻回したコイルを組み込むことにより構成されるステータを有する回転電機に関する。
回転電機のステータには、ステータコアの複数のティースに対して、ボビンに巻回したコイルを挿入することにより構成されるものがある。この種のステータを有する回転電機では、ティースの外側の開口部から導線を直接的に巻回してコイルを形成しているものが多い。近時、回転電機に対しては、小型化及び高効率化を目的としてティース間のスロット内におけるコイル占積率を高めるための開発がなされている。コイル占積率を高めるためには、コイルをティースに集中巻きする方式が適していることが知られている。
また、隣り合うコイルが互いに異なる断面形状とし、且つ左右非対称の断面形状として、無駄な空間を低減してコイル占積率を高める回転電機が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この回転電機では、コイル占積率を向上させることができるとともに、コイルの種類が1種類で足り、好適である。
一方、複数本の導線をまとめて巻回して形成されたコイルを有する回転電機が知られている。この種の回転電機では導線を細径化してコイルの占積率を高めることができるとともに、電流が複数本の導線に分流されることから、大電流の通電が可能である。
特開2003−333783号公報
ところで、複数本の導線をまとめて巻回してコイルを形成する場合において、隣り合うコイルをそれぞれ個別に形成するとその渡り線の結線作業に多大な工数を要するため、隣接する同相のコイルには複数の導線を連続して巻回している。
このように、隣接するコイル間の渡り線が連続して巻回されている場合には、各コイルの位置及び向きが渡り線により互いに拘束され、ボビンをステータコアのティースに挿入する際にコイル同士が干渉するおそれがある。コイル同士の干渉を回避するためには、導線の巻回数を少なくしてコイルを小さくする必要があるが、この場合、コイル占積率が低下することとなる。また、各コイル同士が拘束されないように渡り線を充分に長く設定すると、コイルをティースに挿入した後に該渡り線が余分に長くなり、回転電機の回転の障害となるとともに、電気抵抗が大きくなる。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ステータコアの複数のティースに対して、ボビンに巻回したコイルを組み込むことにより構成される回転電機において、コイル占積率を向上させることができるとともに、コイルが形成されたボビンをティースに組み付ける際の組付性のよい回転電機を提供することを目的とする。
本発明に係る回転電機は、放射状の複数のティースを備えるステータコアと、前記ティースに挿入され、絶縁性のボビンの外周に複数の導線からなる導線群が巻回されたコイルと、を備える回転電機において、前記コイルは、前記ステータコアの軸に対する垂直面で、前記ステータコアからみた周方向に向かって、断面形状が略円弧凸状に成形された凸形部を備える凸形コイルと、前記凸形コイルに隣接し、前記周方向に向かって断面形状が略円弧凹状に成形された凹形部を備える凹形コイルとを有し、隣接する前記凸形コイルと前記凹形コイルの少なくとも1組は、前記導線群が連続して巻回された組コイルを構成することを特徴とする。
このように、凸形部を備える凸形コイルに対して凹形部を備える凹形コイルが隣接した位置に配置されることにより、凹形部の窪みを凸形部が補填してコイル占積率を向上させることができる。また、組コイルにおける凸形コイルと凹形コイルとの渡り線に対する結線作業が不要であり、作業工数が低減される。さらに、凸形コイルの凸形部と前記凹形コイルの凹形部は、略円弧状に形成されていることから、ティースへの挿入時に干渉することがなく組み付けやすく、しかも渡り線を短く設定することができる。
この場合、前記凸形部は前記凹形部よりも前記導線群の巻数が多いと、凸形部及び凹形部の面同士が整合する適正な形状に成形しやすい。
前記凸形部及び前記凹形部の断面形状はプレスによって、簡便且つ適正に成形することができる。
前記凸形部及び前記凹形部は所定の接着剤により形状が固定されていると、コイルをティースに挿入する際、コイルの導線群がばらけることがなく、組み付けやすい。
本発明に係る回転電機によれば、凸形部を備える凸形コイルに対して凹形部を備える凹形コイルが隣接した位置に配置されコイル占積率が向上する。また、凸形部及び凹形部は略円弧形状であって、ティースに対して凸形コイル及び凹形コイルを挿入する際に干渉することがなく、組み付けやすい。特に、渡り線を短く設定する場合において、凸形コイルと凹形コイルとをティースに同時に挿入する際も相互干渉が回避される。
さらに、凸形部及び凹形部を所定の接着剤により固定しておくことにより、コイルをティースに挿入する際、コイルの導線群がばらけることがなく、組み付けやすい。
以下、本発明に係る回転電機について実施の形態を挙げ、添付の図1〜図11を参照しながら説明する。
図1に示すように、本実施の形態に係る回転電機で用いられるステータ10は、リング状のヨーク11と、該ヨーク11の内径側に設けられたステータコア12と、該ステータコア12の放射状の9つのティース14に対してそれぞれ絶縁樹脂のボビン16を介して挿入されるコイル18とを有する。ステータ10は、所定のロータと組み合わせて、モータや発電機等の回転電機を構成する。
該コイル18は、複数(例えば、30本)の導線からなる導線群20(図7参照)がまとめて巻回されており、断面形状が周方向に向かってゆるい略円弧凸状に成形された凸形部22を備える凸形コイルと、断面形状がゆるい略円弧凹状に窪むように成形された凹形部26を備える凹形コイルとに区分される。なお、ここでいう周方向とはステータコア12からみた周方向である。また、後述するように、凸形部22及び凹形部26の断面形状はプレス成型されたものであり、接着剤により形状が固定されている。
図2に示すように、ステータ10は、連続する3つのティース14がそれぞれU相、V相及びW相を形成する三相型である。U相のうち両端のコイルU1及びコイルU3は導線群20が所定の正方向に巻回され、中央のコイルU2は逆方向に巻回される。同様に、V相のうち両端のコイルV1及びコイルV3は導線群20が正方向に巻回され、中央のコイルV2は逆方向に巻回され、W相のうち両端のコイルW1及びコイルW3は導線群20が正方向に巻回され、中央のコイルW2は逆方向に巻回される。
また、コイルU1、V1及びW1は、図2の時計方向の面から導線群20が巻回され始めて、時計方向の面に5回、反時計方向の面に4回ずつ(つまり4回半ずつ)導線群20が巻回されている。コイルU2、V2及びW2は、時計方向側の面から導線群20が巻回され始めて、6回巻回されている。コイルU3、V3及びV3は、反時計方向の面から導線群20が巻回され始めて、時計方向の面に4回、反時計方向の面に5回ずつ(つまり4回半ずつ)導線群20が巻回されている。コイルU1、V1及びW1の巻終わり部とコイルU2、V2及びW2の巻き始め部は渡り線60によって連続的につながっており、コイルU2、V2及びW2の巻終わり部とコイルU3、V3及びV3の巻き始め部は渡り線60によってそれぞれ連続的につながっている。
図3に示すように、ボビン16は、ティース14が挿入される四角孔17aと、ステータコア12からみて内径側の内壁部17bと、外径側の外壁部17cとを有する。外壁部17cにおける端部には導線群20を案内するための導線案内溝17dが設けられている。四角孔17aを構成する部分の外周部は導線群20が巻回される巻回部17eとなっている。
外壁部17cは内壁部17bよりも大きく、隣りあうティース14に挿入されたボビン16は、外壁部17c同士及び内壁部17b同士が近接する(図1参照)。これにより、各ティース14間の空間(つまり、スロット部)における導線群20の占積率を高くすることができる。
次に、ボビン16にコイル18を形成するための第1の工程で使用する第1治具30は、6つのボビン16が嵌合される四角支柱31と、該四角支柱31において各ボビン16の間に設けられる4つの薄いスペーサ34及び該スペーサ34よりも厚い中間プレート36と、四角支柱31の下部に設けられた受けブロック38と、6つのボビン16を押さえつける押さえブロック40とを有する。
四角支柱31は受けブロック38に固定された状態で上方に延在しており、ボビン16の四角孔17aと断面同形状である。四角支柱31に嵌合される6つのボビン16のうち、下から1番目、3番目、4番目及び6番目のものは外壁部17cが下方となるように配置され、2番目及び5番目のものは内壁部17bが下方となるように配置される。6つのボビン16のうち、下から3番目と4番目の間には中間プレート36が設けられ、これ以外の各ボビン16の相互間にはスペーサ34が設けられる。
スペーサ34の一端には導線案内溝34aが設けられており、該導線案内溝34aと、各ボビン16の導線案内溝17dは全て同方向(以下、矢印A1方向と呼び、反対側を矢印A2方向と呼ぶ)に向くように配置される。押さえブロック38は一番上のボビン16を押圧して、各ボビン16、各スペーサ34及び中間プレート36の間に隙間が生じないようにする。また、四角支柱31の上面にはねじ穴31aが設けられており、押さえブロック40の上部から連通孔を介してねじ42をねじ穴31aに螺合させることによりボビン16を確実に固定することができる。矢印A2方向側における受けブロック38及び押さえブロック40の側面には、導線群20の両端部を係合するための係合部38a及び40aが設けられている。また、矢印A2方向側における受けブロック38及び中間プレート36の側面上端部には、導線案内溝38b及び導線案内溝36aが設けられている。
図4に示すように、ボビン16にコイル18を形成するための第2の工程で使用する第2治具32aは、プレート44上に6つのプレス用突起46a、46b、46c、46d、46e及び46fが設けられた治具である。各プレス用突起46a〜46fは、この順に並行に設けられており、横幅がボビン16の巻回部17e(図3参照)と同幅で縦方向に長尺な形状である。プレス用突起46a〜46cの各間及びプレス用突起46d〜46fの各間は、前記スペーサ34、内壁部17b及び外壁部17cの総厚みと等しく、プレス用突起46cとプレス用突起46dとの間は、前記中間プレート36、内壁部17b及び外壁部17cの総厚みと等しい。
また、各プレス用突起46a〜46fの高さは、前記スペーサ34及び中間プレート36の端面からボビン16に形成された各コイル18の表面までの高さに略等しく、各コイル18の断面形状(又は巻き形状)を適正に成形することができる。具体的には、プレス用突起46a、46c、46d及び46fは同形状であり、矢印B方向(プレス用突起46fの方向)に向かって高くなるように傾斜し、断面形状がゆるい略円弧凸状となっている。プレス用突起46bと46eは同形状であり、矢印B方向に向かって低くなるように傾斜し、断面形状がゆるい略円弧凹状となっている。各プレス用突起46a〜46fの傾斜面における各最高部と、各最低部はそれぞれ高さが等しい。なお、各プレス用突起46a〜46fの両方の端部48a、48bは、それ以外の中央部50よりも僅かに高くなっており、端部48aの中央寄りの部分には、プレート44の裏面に連通する接着剤充填孔52が設けられている。該接着剤充填孔52は、端部48aから中央部50に連通している。
プレート44の裏面における接着剤充填孔52は、3つのプレス用突起46a〜46cに設けられた一群と、3つのプレス用突起46c〜46fに設けられた一群毎にまとまっている。
なお、この第2治具32aは第2治具32b(図6参照)と一対で用いられるが、該第2治具32bは、第2治具32aと対称な形状であることから、対応する部分には同符号を付してその詳細な説明を省略する。
次に、第1治具30及び第2治具32a、32bを用いて、ステータ10を製造する手順について説明する。
最初の第1の工程では、先ず、前述のとおり第1治具30に6つのボビン16を組み付ける。便宜上、これらのボビン16を下から順にボビン16a、16b、16c、16d、16e及び16fとも呼ぶ。また、各ボビン16a〜16fに巻回するコイル18をコイル18a、18b、18c、18d、18e及び18fとも呼ぶ。
次いで、導線群20の端部を受けブロック38の係合部38aに係合した後に、ボビン16a〜16fの順に導線群20を巻回する。
図5に示すように、ボビン16aに対しては、一端が係合部38aに係合された導線群20を導線案内溝38bを介して右側面(矢印A1方向からみた場合)に導入し、導線群20を上方からみて時計方向に4回半巻回する。従って、ボビン16aの左側面には導線群20が4回巻回され、右側面には5回巻回される。
この後、導線群20を導線案内溝34aを通してボビン16bの巻回部17e(図3参照)に導き、該ボビン16bに対して、時計方向に6回巻回する。従って、ボビン16bの左右両側面には導線群20が6回ずつ巻回される。
さらに、導線群20を導線案内溝17d及び導線案内溝34aを通してボビン16cの巻回部17e(図3参照)に導き、該ボビン16cに対して、時計方向に4回半巻回する。ボビン16cの左側面には導線群20が5回巻回され、右側面には4回巻回される。
次いで、ボビン16cに巻回した導線群20を中間プレート36の周囲を2回巻回した後、導線案内溝36aを介してボビン16dの右側面に導入する。以後、ボビン16d、ボビン16e及びボビン16fに対して、それぞれボビン16a、ボビン16b及びボビン16cと同様に導線群20を巻回する。巻回し終わった導線群20の端部は、押さえブロック40の係合部40aに係合する。第1の工程では導線群20が連続的に巻回され、この際、導線群20の電気的な結線作業が不要であることはもちろんである。
なお、第1の工程における導線群20の巻回作業は人手により、又は所定の導線導出ノズルを有する巻回機により行われる。
次に、ボビン16にコイル18を形成するための第2の工程を行う。
図6に示すように、第2の工程ではコイル18a〜18fが形成された6つのボビン16a〜16fを第1治具30に取り付けたまま、各コイル18a〜18fの両側面(ステータコア10に組み付けられたときの周方向の両面)に対して第2治具32a及び32bの各プレス用突起46a〜46fを当接し押圧する。これにより、第2治具32a及び32bの各プレス用突起46aは、コイル18aを両側から押圧して、該コイル18aをゆるやかな略円弧凹形に成形する。同様に、ボビン16c、16d、16fに巻回されたコイル18c、18d及び18f(換言すれば、導線群20が4回半巻回されたコイル)に対してはプレス用突起46c、46d及び46fが両側から押圧されて、これらのコイル18c、18d及び18fを略円弧凹形に成形する。これによりコイル18a、18c、18d及び18fは、凹形コイルとなる。
一方、ボビン16b及び16eに巻回されたコイル18b及び18e(換言すれば、導線群20が6回巻回されたコイル)に対しては、プレス用突起46b及び46eが両側から押圧され、該コイル18b及び18eはゆるやかな略円弧凸形に成形され、凸形コイルとなる。また、各コイル18は、外壁部17c側よりも内壁部17b側の方向が細くなるように成形される。凸形部22は凹形部26よりも導線群20の巻数が多いため、凹形部26の窪みを凸形部22が補填するような適正な形状に成形しやすい。
なお、凸形部22及び凹形部26の曲率半径は、例えば、R22.5±0.15とすると、ティース14に挿入する際に凸形部22と凹形部26が干渉することがなく、しかも挿入しやすい。
次に、第2治具32a及び32bにより各コイル18を押圧したまま、加熱して溶融状態となった接着剤(例えば、ポリアミド系接着剤又はエチレン・酢酸ビニル共重合体(EVA)系接着剤)を接着剤充填孔52から注入して、各プレス用突起46a〜46fの中央部50(図4参照)に充填する。
接着剤充填孔52は3つずつまとめられていることから、片面に2回ずつ、計4回の充填を行えばよい。また、接着剤を充填する際には接着剤が流れ込みやすいように第1治具30及び第2治具32a,32bを6つのボビン16と共に向きを変えてもよい。
充填された接着剤は、端部48a及び48bによりせき止められ、両端部からの漏出が防止される。中央部50に充填された接着剤は自然冷却又は強制冷却により固化し、各コイル18の凸形部22及び凹形部26の形状が固定される。
次に、第2治具32a及び32bを各ボビン16a〜16fから離間させるとともに、第1治具30を分解し、各ボビン16a〜16fを取り出す。この後、ボビン16cとボビン16dとの間の導線群20を切り離し、ステータ10のU相、V相及びW相の三相のうち二相分の3連コイル62が得られる。
図7に示すように、取り出されたボビン16a〜16fの各コイル18の凸形部22及び凹形部26は、接着剤によって緩やかな略円弧凸形状及び略円弧凹形状に巻き形状が固定されており、また、各コイル18間の渡り線60は短く設定されている。
ところで、第2の工程を行う前の状態では、各コイル18a〜18fにおける矢印A1方向及び矢印A2方向の端部で、導線群20が内壁部17b側又は外壁部17c側の一方に寄りやすい傾向がある。本実施の形態では、導線群20が4回半巻回されたコイル18cは、第2の工程においてプレス用突起46cにより押圧されることにより、図8に示すように、導線群20が内壁部17b及び外壁部17cの双方向に分散されて、凹形部26が適正に形成される。コイル18a、18d、18fについても同様である。
また、導線群20が6回巻回されたコイル18bは、第2の工程においてプレス用突起46bにより押圧されることにより、図9に示すように、導線群20が内壁部17bと外壁部17cとの間の中央部に適度に寄せられて、凸形形状が適正に形成される。コイル18eについても同様である。図8及び図9では、接着剤を省略して図示している。
なお、上述した第1の工程及び第2の工程は複数回行い、コイル18a〜18c、又はコイル18d〜18fからなるU相、V相及びW相の各相分の3連コイル62を所定数用意する。
次に、図10に示すように、3連コイル62における渡り線60を適当にねじり、各ボビン16が並行である状態を保ったまま各内壁部17bが同方向を向くように変形する。これにより、ボビン16a及び16cにおける導線群20が4回巻かれた面が内向きとなり、導線群20が5回巻かれた面が外向きとなる。
次に、図11に示すように、一相分の3連コイル62の各コイル18をステータコア12のティース14にそれぞれ挿入する。ティース14に挿入された3連コイル62は、例えば、U相として用いる場合、各コイル18a、18b及び18cは前記コイルU1、U2及びU3(図2参照)に相当することとなる。
この際、渡り線60が短いことから、各コイル18は相互に拘束されているためにティース14に対して同時に挿入する。このとき、ボビン16a及びボビン16cの内側は凹形部26となっており、対向するボビン16bの両側はそれぞれ凸形部22となっていることから、該凹形部26と凸形部22とは相互干渉することなく、組み付けやすい。また、凹形部26の凹部を凸形部22が適正に補填して隙間が狭くなることからコイル占積率が高く、ステータ10及び該ステータ10が組み込まれた回転電機の小型化及び高出力化を図ることができる。
さらに、凸形部22及び凹形部26は接着剤により固定されていることから、コイル18をティース14に挿入する際、コイル18を構成する導線群20がばらけることがなく、組み付けやすい。
渡り線60は短いことから、該渡り線60が回転電機の回転時の障害となることがなく、しかも電気抵抗が小さい。
一相分の3連コイル62をティース14に挿入した後、他の二相分の3連コイル62についても同様の手順によりティース14に挿入する。この後、ステータコア12に対して前記ヨーク11を装着するとともに、各相の端子処理を行いステータ10が得られ、該ステータ10を所定のロータと組み合わせることにより回転電機が得られる。
本発明に係る回転電機は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
本実施の形態に係る回転電機のステータの断面図である。 ステータの結線図である。 第1治具及び該第1治具に取り付けられる6つのボビンの分解斜視図である。 第2治具の斜視図である。 第1治具を用いて6つのボビンに対してコイルを巻回した状態を示す正面図である。 コイルを第2治具により成形する状態を示す正面図である。 3連コイルの斜視図である。 ボビンに形成された凹形コイルの側面図である。 ボビンに形成された凸形コイルの側面図である。 3連コイルを変形した状態を示す図である。 3連コイルをティースに挿入する状態の説明図である。
符号の説明
10…ステータ 12…ステータコア
14…ティース 16、16a〜16f…ボビン
18、18a〜18f…コイル 20…導線群
22…凸形部 26…凹形部
30…第1治具 32a、32b…第2治具
44…プレート 46a〜46f…プレス用突起
48a、48b…端部 50…中央部
52…接着剤充填孔 60…渡り線
62…3連コイル

Claims (4)

  1. 放射状の複数のティースを備えるステータコアと、
    前記ティースに挿入され、絶縁性のボビンの外周に複数の導線からなる導線群が巻回されたコイルと、
    を備える回転電機において、
    前記コイルは、前記ステータコアの軸に対する垂直面で、前記ステータコアからみた周方向に向かって、断面形状が略円弧凸状に成形された凸形部を備える凸形コイルと、
    前記凸形コイルに隣接し、前記周方向に向かって断面形状が略円弧凹状に成形された凹形部を備える凹形コイルと、
    を有し、
    隣接する前記凸形コイルと前記凹形コイルの少なくとも1組は、前記導線群が連続して巻回された組コイルを構成することを特徴とする回転電機。
  2. 請求項1記載の回転電機において、
    前記凸形部は前記凹形部よりも前記導線群の巻数が多いことを特徴とする回転電機。
  3. 請求項1記載の回転電機において、
    前記凸形部及び前記凹形部の断面形状はプレスによって成型されたものであることを特徴とする回転電機。
  4. 請求項1記載の回転電機において、
    前記凸形部及び前記凹形部は所定の接着剤により形状が固定されていることを特徴とする回転電機。

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