JP2007135326A - 電機子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円周状に配列された複数のティース及びコイルからなり、優れた磁気特性と高い占積率を有する回転電機用の電機子を、複雑な装置を要せずに、巻回作業性を低下することなく製造することができる電機子の製造方法を提供する。
【解決手段】コイルを円周状に複数配列した電機子のコアを構成し、コイルサイド側の両側面に、コイルサイド境界面と略平行な面、及びコイルの各層の平均の厚みの整数倍と略等しい高さの段差を有するティース上に、電線を巻回してコイルを形成することを特徴とする電機子の製造方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転電機の電機子の製造方法に関する。より詳細には、モータや発電機のステータ等として用いられ、円周状に配列された複数のティースを有するコアと、そのティース上に巻回されたコイルから構成される電機子の製造方法に関する。

回転電機用の電機子としては、リング状のヨーク部に、リングの中心方向に突出する複数のティースを設けたコアと、このコア上に形成されたコイルからなる電機子が広く用いられている。このような電機子を用いることにより、ステータ、ロータ間のギャップ磁束密度を増加するとともに、コイル巻きを容易にすることができる。

回転電機を大型化することなく高出力を得るためには、ティース間に形成される空間（スロット）の断面積に対するコイルを形成する巻線（コイルに巻回される電線を、巻線と言うことがある。）の導体部分の断面積の総和の割合、すなわち占積率の向上が望まれるが、そのためには、コイルの形成の際に、電線を互いに密接かつ整列させて巻くとともに、スロット内のより広い領域を電線で埋めることが望まれる。

特開平９−１９１５８８号公報（特許文献１）には、分割ステータコア（分割ティース）に電線を密接かつ整列させて巻回したコイルが開示されており、スロット内のコイルを断面台形状（四角形状）とすることで、スロット内のより広い領域を電線で埋めている。ここで、各ティースは円周状に設けられるので、隣接するティースは互いに傾いて配置され、従って、隣接するコイルの中心軸も互いに傾いている。

そこで、電線を、互いに密接、整列させて、かつ隣接するコイルの領域と干渉しない最大の範囲に巻こうとすると、コイルの外層が階段状になるように巻回せざるを得ず、電線の直径に近い段差が生じ、この段差が形成するデッドスペースの分、占積率が低下する。

特開２００４−１８０３９６号公報（特許文献２）には、コイル巻きされる電線を圧延処理してその断面形状を変えることにより、前記のような段差やデッドスペースを解消し、占積率を向上させたコイルが開示されている。しかし、この方法では圧延加工により導体が加工硬化し巻回作業性が低下する等の問題があり、さらに複雑な装置が必要なため製造コストが高くなるという問題がある。
特開平９−１９１５８８号公報 特開２００４−１８０３９６号公報

本発明は、円周状に配列された複数のティース及びコイルからなり、優れた磁気特性と高い占積率を有する回転電機用の電機子を、複雑な装置を要せずに、巻回作業性を低下することなく製造できる電機子の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は検討の結果、コイルサイド側に、隣接するコイルとの境界面と略平行な側面及び段差を有し、この段差の高さがコイルの各層の厚みの整数倍であるティースを用い、このティース上に電線を互いに密接、整列させて巻回してコイルを形成すれば、コイルサイド側において、隣接するコイルとの境界面と略平行でかつ段差がないスムーズな外表面を有するコイルを、容易に、複雑な装置を要せずに形成することができることを見出した。本発明者は又、ティースがこのような側面や段差を有しても、ティースの磁気特性はほとんど影響されないことも見出した。本発明は、これらの知見に基づき完成されたものである。

本発明は、請求項１において、複数のティースを円周状に配列した電機子の製造方法であって、コイルサイド側に隣接コイルとの境界面と略平行な面及びコイルの各層の平均の厚みの整数倍と略等しい高さの段差を有するティース上、又は前記ティースを被覆するインシュレーター上に、電線を密接かつ並列して巻回してコイルを形成する工程を有することを特徴とする電機子の製造方法を提供する。

本発明により製造される電機子は、円周状に配列された複数のティースを有し、リング状のヨーク部に、リングの中心方向に突出する複数のティースが設けられている電機子である。従って、隣接するティース間や隣接するコイルの中心軸間は互いに傾いている。

高出力化、高効率化が求められる回転電機の電機子の場合、通常、電線の絶縁被覆のみではティースと巻線間の絶縁を確保するために不十分であるので、ティースはインシュレーターで覆われる。インシュレーターは絶縁材からなり、占積率向上のためには、絶縁確保に必要な最小限の厚さが望まれる。

本発明の方法では、隣接コイルとの境界面と略平行な面をコイルサイド側に有し、かつコイルの各層の平均の厚みの整数倍と略等しい高さの段差を有するティース、又はこのティースを被覆するインシュレーター上に、電線を互いに密接かつ並列して巻回しコイルを形成することを特徴とする。ここで、隣接コイルとの境界面とは、ティースを円周状に配列して電機子を形成したときに互いに隣接するティース間に形成される空間、すなわちスロットを２等分する面である。

本発明においては、ティースのコイルサイド側に設けられた、隣接コイルとの境界面と略平行な側面上に、電線を密接かつ並列して巻回する。その結果、コイルサイド側に隣接コイルとの境界面と略平行な各層を有するコイルを、複雑な装置等を要せずに簡易に低コストで製造することができる。コイルの各層が隣接コイルとの境界面と略平行なので、コイルサイド側のコイル外周、すなわち最外層も、この境界面と略平行となり、段差のないフラットな外表面が形成される。

隣接コイルとの境界面はティースの中心軸に対し傾いているので、この境界面に略平行なティースの側面もティースの中心軸に対し傾いている。しかし、このティースは、コイルサイド側に段差を持ち、側面の傾きにより生じるティースの太さの変動をこの段差により補償して、ティースの太さの長さ方向（ヨーク部からティース先端への方向）についての変動を、一定の範囲内としている。ティースの太さの長さ方向についての変動を一定の範囲内とすることにより、ティースの優れた磁気特性が保たれる。

前記の段差は、その高さが、コイルの各層の平均の厚みの整数倍と略等しいことを特徴とする。ここで、コイルの各層の平均の厚みとは、コイルの全厚みをコイルの層の数で割った値であり、巻線が丸線（断面が円形の線）の場合は、丸線の径の約（３^０．５／２）倍(約０．８７倍)である。

段差の高さがコイルの各層の平均の厚みの整数倍と略等しいので、コイルの層をこの段差に適合することができる。すなわち、段差の部分においてもズレを生じることなく、電線を密接かつ整列して巻回することができる。その結果、多層のコイルを、層間を密接しズレを生じることなく積層することができ、又ティースやインシュレーターと巻線間に生じるデッドスペースも低減できるので、占積率が向上する。

段差の高さは、コイルの各層の平均の厚みの偶数倍と略等しい高さが好ましい。請求項２は、この好ましい態様に該当する。

段差の高さが、コイルの各層の平均の厚みの奇数倍の場合、段差の数が２以上であると、ある段差に対応する電線の巻回が、段差の位置で終了する場合が必ず生じる。その次の巻回は、次の段差の位置（＝前の段差の位置とは異なる。）又はヨーク部の壁面の位置より開始しなければならないので、巻き線の位置を移動するためのいわゆる線跳び処理が必要となる。しかし、線跳び処理を行う際には、巻回の速度を低下する必要があり、従って生産性が低下する。また、線跳び処理により巻き乱れが生じやすくなる。

一方、段差の高さが、コイルの各層の平均の厚みの偶数倍の場合、ある段差に対応する電線の巻回を、ヨーク部の壁面の位置より開始すれば、段差部で巻回が折り返され、その段差についての巻回はヨーク部の壁面の位置で終了する。従って、次の段差に対応する巻回も、線跳び処理を行うことなく、ヨーク部の壁面の位置より開始することができ、これを繰り返すことにより、段差が多い場合でも線跳び処理をせずにコイルを形成することができる。従って、線跳び処理による生産性が低下や巻き乱れの問題は生じないので好ましい。

なお、段差の高さは、小さい方がコアの磁気特性に与える影響が小さいので好ましい。すなわち、この点からは、段差の高さがコイルの各層の平均の厚みの１倍または２倍の場合が好ましく、前記の線跳び処理が不要である点をあわせて考慮すると、２倍の場合が特に好ましい。

本発明の方法により製造される電機子を構成する複数のティースは、好ましくは、互いに分離可能であり、それぞれのティースを有する部材に分離された状態で前記のようなコイル巻きを行い、コイル巻き後、コイル巻きがされた個々のティースを円周状に組立てて電機子を形成する。分離された状態でコイル巻きを行うことにより、コイル巻きを容易に行うことができる。請求項３は、この好ましい態様に該当する。

本発明は、円周状に配列された複数のティース及びコイルを有する回転電機に用いられる電機子の製造方法であるが、本発明の方法によれば、優れた磁気特性と高い占積率を有する電機子を、複雑な装置を要せずに、巻回作業性を低下することなく製造することができる。また、コイルのコイルサイド側の外周面をフラットで段差のない面とすることができる

このようにして得られた電機子は、優れた磁気特性と高い占積率を有するので、モータのステータ等として好適に用いられる。

次に発明を実施するための最良の形態を、図を用いてより具体的に説明するが、本発明の範囲は、この形態に限定されるものではない。

図１は、本発明により製造される電機子の１磁極となるティース及びコイルを有する部材Ａを示す模式断面図である。図中のａ、ａ’は、コイルサイド側である。１は、磁極のコアであり、コア１は、ティース部２、ヨーク部３、及び鍔部４よりなる。コイル５は、ティース部２上に、絶縁被覆を有する電線を巻回して形成される。コア１のコイルが形成される面は、巻線間との絶縁を確保するためにポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）からなるインシュレーター１１で被覆されている。なお、図１および下記の図２中では、ティース部２に形成される段差の図示も省略している。

図２は、本発明により製造され、複数の部材Ａを組立てて得られる電機子Ｂの一部分を示し、部材Ａの配列方向に平行な面で切った模式断面図である。複数の部材Ａは円周状に組立てられ互いに固定されて、リング状の電機子Ｂが形成されている。占積率を向上するためには、隣接コイル間のコイルサイド側の間隙は、可能な限り小さいことが好ましいので、隣接する部材Ａ間は、コイル５のコイルサイド側が互いにほぼ接するように配列されている。

従って、図２より明らかなように、部材Ａのコイルサイド側外周面（コイル５のコイルサイド側外周面）は、隣接コイルとの境界面６とほぼ接している。一方、部材Ａは円周状に配列されるので、コイルサイド側外周面（すなわち隣接コイルとの境界面６）は、ティース中心軸７に対して傾いている。ティースの数がＮの場合、コイルサイド側外周面とティース中心軸７との間の角度は、１８０／Ｎ（度）となる。

本発明においては、特定の形状のティース上又はこのティースを被覆するインシュレーター上に、電線を密接かつ並列して巻回して、コイルが形成される。図３は、この電線が巻回された後のコイルの一例を示し、ティースの配列方向に平行な面で切った部分断面図である。図３が示す部分は、図１又は図２のｂ部に相当し、図中のａはコイルサイド側である。

図３中の、２１はティースであり、ティース２１の外周面（及びヨーク部３、鍔部４のコイルと接する面）は、巻線１２とコア１との絶縁のため、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）からなるインシュレーター１１により覆われている。そして、コイルを形成する巻線１２は、インシュレーター１１上に巻回されている。巻線１２は、丸線（断面が円形の電線）であり、断面円形の銅線の上にポリイミド樹脂の絶縁被覆を施したものであるが、絶縁被覆の図示は省略されている。１４はコイルの各層の方向である。

巻線としては、丸線の他に平角線等の多角形線も用いることができる。又、複数の巻線を同時に巻回する多本線でもよい。平角線等の多角形線を用いる場合は、丸線を用いる場合よりも高い占積率が得られる。絶縁被覆は、この例で用いられているポリイミド樹脂が耐熱性を有する点では好ましいが、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂等、絶縁性の優れた他の材料も用いることができる。

インシュレーターの材料としては、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）以外にも、ポリエチレン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などが用いられる。インシュレーター１１には、巻線の整列巻きを容易にするように案内溝（図示されていない。）が設けられていてもよい。

ティース２１のコイルサイド側は、隣接コイルとの境界面６と略平行な側面２３、及びコイルの各層の平均の厚みと略等しい高さの段差２４からなる。段差２４は、好ましくは、ティース２１の外周面と中心軸７間の距離ｃが、ティース２１の長さ方向（図中のｄの方向）において、段差の高さ以上の変動をせず、ティース２１の磁気特性に大きな影響を与えないように配置される。

図３に示されるように、このような側面２３及び段差２４を有するティース２１を覆うインシュレーター１１上に、電線を互いに密接かつ並列して巻回することにより、隣接コイルとの境界面６と略平行なコイルの各層を形成することができる。図３より明らかなように、最外層、すなわちコイルのコイルサイド側外周面１６は、隣接コイルとの境界面６と略平行で、フラットな面となり段差等を有しない。又、コイルのコイルサイド側外周面１６は、境界面６内ではあるが、ほとんど重なる位置にある。

なお、側面２３及び段差２４は、図３に示されるように曲面部により連結されていてもよい。電線として丸線を用いる場合は、側面２３と段差２４の連結部に曲面部を有することにより、電線の巻回を容易にし、占積率を向上することができる。

このようにしてコイルを形成した後、このコイルを有する部材Ａの複数が、図２に示すように円周状に配列されて、互いに固定され、リング状の電機子が得られる。部材Ａ間を互いに固定する方法としては、隣接する部材Ａ間を固定具で固着する方法、部材Ａのヨーク部３や鍔部４に設けられている鉤により互いに固定する方法、リング状の部材上に部材Ａを固定させる方法等が挙げられるが、これらは図示されていない。

図３で示される例では、ティース２１の断面積が、その長さ方向（図中のｄの方向）について変動しないように、ティース２１のコイルエンド側に、コイルサイド側とは逆転した段差及び傾斜面が形成されている（図４）。ティース２１形状が、その磁気特性に与える影響をより小さくするためには、ティース２１の断面積の、長さ方向（図中のｄの方向）における変動をより小さくすることが好ましく、この例はこの好ましい場合に該当する。

図４は、図３の例の部材の中央を、ティースの配列面に垂直な面で切った断面図である。図中のｈ、ｈ’はコイルエンド側を表わす。図４より明らかなように、ティース２１は、段差３１、３１’及び傾斜面３２、３２’を有し、このティース２１を覆うインシュレーター１１上に巻線１２が巻回されている点ではコイルサイド側と同じである。

ここでティース２１の傾斜面３２とヨーク部３との境界部ｍ２、傾斜面３２の段差３１との境界部ｎ２、ｏ２、及び傾斜面３２と鍔部４との境界部ｐ２の位置は、それぞれ図３中のｍ１、ｎ１、ｏ1及びｐ１の位置に対応する。

すなわち、図４におけるティース２１の断面の幅の大きい部分及び小さい部分は、それぞれ、図３における断面の幅の小さい部分及び大きい部分に対応し、ティース２１の断面積が、その長さ方向（図中のｄの方向）においての変動しないように、コイルエンド側の段差３１、３１’及び傾斜面３２、３２’が形成されている。

ティース２１は、このような複雑な形状を有するが、これは圧粉ティースとすることにより容易に形成可能であるので、圧粉ティースが好ましく採用される。ただし、珪素鋼板を積層させたティースとしても形成可能である。

なお、占積率はコイルサイド側の問題であるので、コイルエンド側については、デッドスペースや巻線間の間隙の解消の要請は、コイルサイド側よりは緩やかである。又コイルサイド側の巻き膨れを防ぐため、インシュレーター（絶縁部材）によりコイルサイド側と同じ段形状を形成する方が好ましい。

図５は、本発明の方法により、電線が巻回された後のコイルの他の例を示し、ティースの配列方向に平行な面で切った部分断面図である。図中の部分は、同一の機能を有する部分については、図３と同じ符号で表している。図３の例では、インシュレーターの体積が大きいので、その分占積率の低下をまねいている。またヨークの磁路面積は、隣接するヨーク同士が接する面積が最も小さく磁束飽和しやすい。これに対し、図５の例では、この部分の面積を、図３の例に示すような従来のヨークに比べて大きくしているので、磁束飽和を抑えることができる。なお、前記の点以外では、図３に示された例と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図３〜５においては、図示や説明を容易にするために、通常使用されるモータ等の場合に比べて巻線の数が非常に少ない場合を示している。また、段差の高さが、コイルの各層の平均厚みと略等しい場合を示しているが、前記のように、段差の高さは、コイルの各層の平均厚みの（１以外の）整数倍と略等しくてもよく、特に偶数倍が好ましい。

図６は、電線が巻回された後のコイルを示し、ティースの配列方向に平行な面で切った部分断面図であるが、段差の高さが、コイルの各層の平均厚みの２倍と略等しい例を示す。図６が示す部分は、図１又は図２のｂ部に相当し、図中のａはコイルサイド側である。

図３の例、すなわち段差の高さが、コイルの各層の平均厚みの１倍と略等しい場合は、電線をｕ１から巻き始め、ヨーク部３の壁面の位置ｕ２で折り返し、次の段差の位置ｕ３まで巻回した後は、ｕ４又はｕ５の位置から巻回を行わなければならず、ｕ３からｕ４又はｕ５の位置への移動を要するための線跳び処理が必要となる。このように、段差の数が１より大きい場合は、線跳び処理により生産性が低下する問題があり、また線跳び処理をすることにより、巻き乱れが生じる可能性も大きくなる。この問題は、段差の高さがコイルの各層の平均厚みの（１以外の）奇数倍と略等しい場合も同様である。

一方、図６の例、すなわち段差の高さが、コイルの各層の平均厚みの２倍と略等しい場合は、電線をヨーク部３の壁面側のｗ１から巻き始めると、段差の位置のｗ２で折り返してｗ１の位置に戻って来る。そして、その次の段差に対応する巻回も、同様に、ｗ１から段差の位置のｗ３で折り返してｗ１の位置に戻るように行うことができ、従って線跳び処理が不要であり、線跳び処理による生産性が低下や巻き乱れの問題は生じない。段差の高さが、コイルの各層の平均厚みの（２以外の）偶数倍と略等しい場合も同様であり、線跳び処理が不要である。

本発明により製造される電機子を形成する部材を示す模式断面図である。 本発明により製造される電機子の一部分を示す模式断面図である。 本発明により製造される電機子の部分の例を示す断面図である。 本発明により製造される電機子の部分の例を示す断面図である。 本発明により製造される電機子の部分の例を示す断面図である。 本発明により製造される電機子の部分の例を示す断面図である。

符号の説明

１ 磁極のコア
２、２１ ティース部
３ ヨーク部
４ 鍔部
５ コイル
６ 隣接コイルとの境界面
７ 中心軸
１１ インシュレーター
１２ 巻線
１４ コイルの各層の方向
１６ コイルサイド側外周面
２３ ティースの側面
２４ 段差
３１、３１’ 段差
３２、３２’ 傾斜面

Claims (5)

1. 複数のティースを円周状に配列した電機子の製造方法であって、
   コイルサイド側に、隣接コイルとの境界面と略平行な面及びコイルの各層の平均の厚みの整数倍と略等しい高さの段差、を有するティース上、又は前記ティースを被覆するインシュレーター上に、
   電線を密接かつ並列して巻回してコイルを形成する工程を有することを特徴とする電機子の製造方法。
2. 前記段差の高さが、コイルの各層の平均の厚みの偶数倍と略等しいことを特徴とする請求項１に記載の電機子の製造方法。
3. 複数のティースがそれぞれ分離された状態で、前記コイルを形成する工程を行い、その後、ティースを円周状に組立てることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電機子の製造方法。
4. 前記コイルを形成する工程において、
   コイルサイド側の外周面が、隣接コイルとの境界面を越えるコイルを形成後、
   コイルサイド側の外周面が、隣接コイルとの境界面内となるまで、この外周面をティース方向に加圧することを特徴とする請求項３に記載の電機子の製造方法。
5. 前記電線が、円形の断面を有し、前記加圧を、前記電線の断面が多角形状に塑性変形するまで行うことを特徴とする請求項４に記載の電機子の製造方法。
   

Images