JP2007135397A - 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、かつ応力集中による断層ズレ、絶縁皮膜の損傷、ティースの磁気特性の低下等の問題を生じることなく製造できる電機子の製造方法を提供する。
【解決手段】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に電線を密接かつ並列してコイルを形成する工程を有し、コイルを形成する工程において、前記コイルサイド側の外周面が隣接コイルとの境界面を超えるコイルを形成後、前記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ティース方向に加圧することを特徴とする電機子の製造方法。
【選択図】 図４

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が増加するとともに、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。

電線を、隣接するコイルの領域と干渉しない最大の範囲を越えるまで巻回した後、コイルサイド側を加圧して、その範囲内に圧縮し占積率を向上する方法も考えられる。しかしこの方法では、階段状のコイルが加圧されるので、応力集中による断層ズレが生じ、電線同士の擦れ合いによる絶縁皮膜の損傷等の問題が生じる。さらには、応力集中によるコアの破壊や残存歪みが生じて、磁気特性が悪化する場合もある。
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、かつ応力集中による断層ズレ、絶縁皮膜の損傷、ティースの磁気特性の低下等の問題を生じ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るとともに、このコイルを形成する工程において、隣接コイルとの境界面を越えるまで電線を巻回し、その後コイル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、かつ占積率の向上が達成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。さらに、前記のスムーズな外表面を圧縮する場合は、応力集中による断層ズレや、絶縁皮膜の損傷又はコアの破壊や残存歪みによる磁気特性の悪化が小さいことも見出した。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コイルを形成する工程を有し、
前記コイルを形成する工程を、複数のティースがそれぞれ分離された状態で行い、
前記コイルを形成する工程において、前記コイルサイド側の外周面が隣接コイルとの境界面を超えるコイルを形成後、前記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ティース方向に加圧し、
その後、ティースを円周状に組立て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、コイルサイド側に、隣接コイルとの境界面と略平行な側面を有し、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が用いられる。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、隣接コイルとの境界面と略平行なティースの側面上（又はその側面を被覆するインシュレータ上）に、電線を密接かつ並列して巻回してコイルを形成する。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、前記のように、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。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の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。

本発明は、さらに、ティース又は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コイルを形成する工程において、前記コイルサイド側の外周面が、隣接コイルとの境界面を超えるコイルを形成後、前記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。加圧により、コイルの最外層が隣接コイルとの境界面内となるので、隣接コイルとの干渉は生じなくなる。又、加圧により、巻線間の間隙が減少し占積率が向上する。

加圧は、例えば、コイルのコイルサイド側の外周面（最外層）を、フラットなプレス治具等を用いて加圧する方法により行われる。加圧される面、すなわちコイルの外周面のコイルサイド側は、段差のないフラットな面であるので、従来技術の問題であった、応力集中による断層ズレや絶縁皮膜の損傷やティースの磁気特性の低下等は抑えられる。

本発明の製造方法においては、この加圧を可能にするために、電機子のコアを構成する複数のティースはそれぞれに分離可能であり、分離された状態で、前記のようなコイル巻き及び加圧が行われる。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。そしてコイル巻き及び加圧後、個々のティースやコイルを有する部材が組立てられて電機子が形成される。

前記の加圧の大きさは、巻線間の空隙がほとんど解消する程度が好ましく、巻線が丸線（断面が円形の電線）の場合は、この程度の加圧により断面が多角形状に塑性変形する。請求項２はこの好ましい態様に該当し、巻回される電線が円形の断面を有し、加圧を、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電機子の製造方法である。

さらに大きな加圧を行うと、絶縁被覆の破壊、コアの破壊や残存歪みによる磁気特性の低下等を生じやすくなる場合がある。一方、加圧が前記の程度より小さい場合は、占積率の向上が不十分である。

又、加圧前のコイル外周面の位置、すなわち加圧前のコイルの外周面（コイルサイド側）が隣接コイルとの境界面を越える程度は、巻線間の空隙がほとんど解消する程度の加圧を行ったときに、コイルの外周面（コイルサイド側）と隣接コイルの外周面の間が、隣接コイル間の絶縁（相間絶縁）を確保するため必要最低限の隙間を残して近接する程度が好ましい。このように、加圧前のコイル外周面の位置及び加圧の大きさを調整することにより、最も高い占積率が得られる。

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、巻回の作業性を低下することなく製造することができる。又、コイル断層ズレの発生が少なく、絶縁皮膜の損傷、ティースの磁気特性の低下等の問題も抑制されている。

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、隣接コイルとの境界面６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、先ず、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、その外周面のコイルサイド側が、隣接コイルとの境界面を越えるコイルが形成される。図３は、このようにして電線（巻線１２）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。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がコイルと接する面）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。

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、耐熱性を有する点ではこの例で用いられているポリイミド樹脂が好ましいが、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１２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。最外層、すなわちコイルのコイルサイド側外周面３６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。

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。

図３に示されるように、コイルのコイルサイド側外周面３６は、隣接コイルとの境界面６の外側にある。そこで、この外周面が隣接コイルとの境界面６内となるまで、コイルサイド側外周面３６が加圧される。図４は、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り、コイルサイド側外周面３６が、フラットなプレス治具１７を用いて、図中の矢印の方向に加圧する工程を示している。

図５は、図３で示されるコイルの加圧後を示し、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。加圧後のコイルサイド側外周面３６は、隣接コイルとの境界面６内ではあるが、ほとんど重なる位置にある。コイルサイド側外周面３６がこの位置となるまで加圧することにより、隣接コイルとの干渉を避けることができるとともに、高い占積率が得られる。

又、巻線１２の断面形状は、図５に示されるように、インシュレーター１１と接する部分やコイルサイド側外周面３６の部分以外は、多角形（６角形）となっており、加圧前には各巻線１２間にあった間隙がほとんど解消している。その結果、さらに占積率が向上している。

図６は、本発明の製造方法の他の例であって、電線が巻回された後のコイルを、フラットなプレス治具１７を用いて図中の矢印の方向に加圧する工程を示し、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６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３〜５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３〜６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。

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。

なお、図３や図６で示される例では、ティース２１の断面積が、その長さ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を形成することが好ましい。このような段差及び傾斜面をコイルエンド側に形成することにより、ティース２１の形状が、その磁気特性に与える影響をより小さくすることができる。

このティースは複雑な形状を有するが、このようなティースは、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。

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、モータ等の電機子、特に小型で高出力が求められる電機子として好適に用いられる。

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を示す模式断面図である。 本発明の一製造工程における電機子の部分の例を示す断面図である。 本発明の一製造工程における電機子の部分の例を示す断面図である。 本発明の一製造工程における電機子の部分の例を示す断面図である。 本発明の一製造工程におけ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
１７ フラットなプレス治具
３６ コイルサイド側外周面
２３ ティースの側面
２４ 段差

Claims (2)

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コイルを形成する工程を有し、
   前記コイルを形成する工程を、複数のティースがそれぞれ分離された状態で行い、
   前記コイルを形成する工程において、前記コイルサイド側の外周面が隣接コイルとの境界面を超えるコイルを形成後、前記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ティース方向に加圧し、
   その後、ティースを円周状に組立てることを特徴とする電機子の製造方法。
2. 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１に記載の電機子の製造方法。

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