JP2008147062A - 線材、該線材の巻線構造、分割ステータおよびステータ - Google Patents

Abstract

【課題】線材を巻いてコイルを形成する際に生じる線材のねじれを抑制し、線材の配置がずれることなく精度良く整列巻を行うことができる。
【解決手段】断面が扁平六角形状で、対向する辺が平行であると共に長さが等しく、かつ、対向する頂角を結ぶ３本の対角線のうち第１対角線と第２対角線の長さが等しく第３対角線の長さが異なる単芯線と、前記単芯線を被覆し絶縁層となることを特徴とする線材を用い、整列巻きでコイルを形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、線材、該線材の巻線構造、該巻線構造のコイルを備えた分割ステータおよび該分割ステータを円環形状に連結したステータに関し、詳しくは、線材を巻いてコイルを形成する際に生じる線材のねじれを抑制して、精度良く整列巻を行い、モータの諸特性を向上させるものである。

一般に、モータはステータとロータから構成されており、ステータ又はロータは、ロータコア又はステータコアの径方向に突設させたティース部と、ティース部に線材を巻いたコイルとを備えている。
前記コイルを形成する線材としては、通常、断面形状が円形の芯線を絶縁被覆した丸電線が用いられている。
しかし、線材として丸電線を用いると、線材をコイルとして多層に巻く際に、隣接する層間の線材に間隙が生じ、占積率が低下するという問題がある。ここで、占積率とはコイル配置空間の断面における線材面積の比率を指す。

このため、占積率を向上させる種々の提案がなされている。例えば、特開２００３−３１７５４７号公報（特許文献１）には断面形状が六角形であるマグネットワイヤが開示されている。図６（Ａ）に示すように、該マグネットワイヤ１は六角形断面の導体２と、導体２の外周を被覆する絶縁被膜３と、絶縁被膜３の外周に形成された融着被膜４とを備えている。マグネットワイヤ１をティース部に巻いてコイルを形成する際には、図６（Ｂ）に示すようにマグネットワイヤ１を千鳥格子状に配置することで、マグネットワイヤ１間の層間に間隙を無くし、占積率を向上させている。

さらに、特許文献１には図７（Ａ）（Ｂ）に示すように断面形状が矩形状の導体を具備したマグネットワイヤが開示されている。断面形状が矩形状であっても、六角形状の場合と同様に、コイルを形成する際にマグネットワイヤ１間に間隙を無くしてマグネットワイヤを巻くことができ、占積率が向上する。

特開２００３−３１７５４７号公報

コイルの成形は、長さ方向に張力を掛けながら、ティース部の周囲にコイルの軸線方向に並列に線材を巻いて、並列された層をコイルの径方向に複数列成形することで行う。
線材の断面形状が矩形状の線材の場合には、線材を巻く際に、既に巻かれている下層の線材との接触面積が大きくなる。このため、線材は断面の周方向に回転しにくいため、姿勢保持が容易となり、ねじれが生じにくい。
しかし、各層間の対向面は平面となるため、線材の巻き位置が決まらず、コイルの軸線方向に配置がずれるという問題がある。

一方、線材の断面形状が円形の丸電線や、円形に近い正六角形の場合には、線材の層間の対向面には円弧形又は断面三角形状の山部と谷部が交互に連続し、径方向に隣接する一方側の層の山部が他方側の層の谷部に嵌合するように線材を巻いていくため、線材は巻き位置が決められ、コイルの軸線方向に配置がずれることはない。
しかし、コイル用巻線を巻く際に線材が断面の周方向に回転し、ねじれが生じやすいという問題がある。
さらに、線材の断面形状が丸形または矩形状どちらの場合であっても、線材がねじれたり、配置がずれると、コイルの占積率が低下し、モータ効率や出力などモータの諸特性が低下するという問題がある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、線材を整列巻きしてコイルを形成する際に、ねじれにくいと共に配置がずれずに且つ高密度に整列巻を行うことができる線材を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、断面が扁平六角形状で、対向する辺が平行であると共に長さが等しく、かつ、対向する頂角を結ぶ３本の対角線のうち第１対角線と第２対角線の長さが等しく第３対角線の長さが異なる単芯線と、
前記単芯線を被覆した絶縁層と、
からなることを特徴とする線材を提供している。

前記のように、断面扁平六角形状の単芯線は、その第１対角線と第２対角線の長さと第３対角線の長さを相違させているので、断面形状が一方向または一方向に対して直交方向に長い扁平六角形状となる。
前記芯線を被覆する絶縁層は、芯線の表面を略均一な厚さで被覆するため、絶縁被覆された状態で断面扁平六角形状の線材となる。
この断面形状が扁平六角形状の線材を用いることにより、断面が円状または正六角形状の線材と比べて、線材が回転しにくく周方向の制御がしやすくなり、姿勢保持が容易となってねじれが生じにくくなる。
なお、本発明の断面扁平六角形の芯線は、その各頂角にアールがついている場合も含むものであり、同様に、絶縁層で被覆された状態においても、その各頂角にアールがついている場合を含むものである。

本発明の線材は、コイル用の巻線として好適に用いられる。
コイルを形成する際には、線材をティース部の周囲にコイルの軸線方向に並列に巻き、この並列された層をコイルの径方向に複数列形成している。
本発明の線材は断面形状が扁平六角形状であるので、コイルの層間の対向面には断面三角形状の山部と谷部が交互に連続し、径方向に隣接する一方側の層の山部が他方側の層の谷部に嵌合するように線材を巻いていくため、線材は巻き位置が決められ、コイルの軸線方向への配置のずれを防ぐことができる。また、ねじれが生じにくく、線材の配置のずれを防ぐことができるので、精度良く整列巻きを行うことができる。

前記断面扁平六角形状の単芯線は、前記第３対角線をコイルの中心軸線に対して直交方向とし、該第３対角線で結ばれる対向する前記頂角が１２０度を超えると共に１８０度未満とされ、該第３対角線が前記第１対角線および第２対角線よりも短い扁平六角線とすることが好ましい。
該構成とすると、線材が、既に巻かれた下層の線材と当接する面積が多くなるため、線材が回転しにくくねじれが生じにくくなる。
また、頂角を１８０度未満で１２０度を越える角度としているのは、１８０度以上では断面を六角形状とすることができず、１２０度以下では、第３対角線と、第１対角線および第２対角線の長さの差が小さくなるため、特許文献１に示した断面正六角形の線材または丸電線に近い形状となり、線材が回転してねじれが生じやすくなることに因る。頂角は約１５０度程度が好ましい。

また、前記第３対角線で結ばれる頂角が６０度を越えると共に１８０度未満とされ、前記第３対角線が前記第１対角線および第２対角線よりも長い断面扁平六角形状であってもよい。
頂角を１８０度未満で６０度を越える角度としているのは、１８０度以上では断面を六角形状とすることができず、６０度以下では、頂角が鋭くなりすぎて線材を整列巻きしにくくなることに因る。頂角は約８０度が好ましい。

具体的には、第３対角線の長さ：前記第３対角線と前記単芯線の中心位置で直交する直交線の長さが、６：１〜１：６、前記第３対角線の長さが０．３ｍｍ〜６ｍｍ、前記直交線の長さが０．３ｍｍ〜６ｍｍ、単芯線の断面積が０．１ｍｍ^２〜６ｍｍ^２であることが好ましい。

前記第３対角線の長さ：前記第３対角線と前記単芯線の中心位置で直交する直交線の長さが８：７〜７：８以下であると、特許文献１に示した断面正六角形の線材または丸電線に近い形状となり、線材が断面周方向に回転してねじれが発生しやすくなる。
また、第３対角線の長さ：前記第３対角線と前記単芯線の中心位置で直交する直交線の長さが１：６もしくは６：１以上であると、線材は一方向または一方向に対して直交方向に長くなりすぎる。コイルを形成する際には、線材をティース部の鍔部からバックヨーク部まで一層目を形成し、バックヨーク部側に達すると、一層目の外周側に整列巻きして鍔部側へと巻き付け二層目を形成する。前記のように一方向または一方向に対して直交方向に長くなりすぎると、一層目の終わりから二層目を巻き付けるときに、線材に生じるよじれが大きくなり、間隙が発生して占積率低下の原因となる。

また、前記単芯線の第３対角線の長さを０．３ｍｍ未満、もしくは直交線の長さを０．３ｍｍ未満とし、単芯線の断面積が０．１ｍｍ^２未満にすると、単芯線に流すことのできる電流容量が小さくなり必要とする電流が流せなくなると共に、単芯線の電気抵抗が大きくなり発熱しやすくなる。前記単芯線の第３対角線の長さを６ｍｍより長く、もしくは直交線の長さを６ｍｍより長くし、単芯線の断面積が６ｍｍ^２より広くすると、単芯線に渦電流が流れ損失が大きくなる。

第２の発明として、前記断面扁平六角形状の線材を用いた線材の巻線構造であって、
整列巻きされていることを特徴とする線材の巻線構造を提供している。
前記線材は、形成されるコイルの軸線方向に並列させると共に、該並列させた層がコイルの径方向に複数層形成され、
前記軸線方向に並列する各層の線材は、前記コイルの軸線方向と直交する辺が隣接し、前記層間の対向面には線材の頂角が空間をあけて配置され、該頂角からなる山部と、その間の谷部とが交互に連続され、
前記径方向に隣接する一方側の層の前記山部が他方側の層の谷部に嵌合されて、整列巻きされている。

前記断面扁平六角形状の線材をコイルの軸線方向に並列に配置して一層とし、該並列させた層をコイル軸線方向と直交方向に複数層形成したコイルには、層間の対向面に頂角からなる山部と、その間の谷部とが交互に連続して現れる。隣接する層の線材の山部が、谷部と内嵌するように整列巻きすることで、線材の間に間隙ができず、占積率を高めることができる。

第３の発明として、円環状に連結されてステータを構成する分割ステータであって、
径方向に延在するティース部の外周端にバックヨーク部、内周端に鍔部が設けられ、これらティース部とバックヨーク部と鍔部に囲まれたコイル収容用のスロット部が周方向に対称に設けられている分割ステータコアと、
前記スロット部内に積層状態で収容されるコイルを備え、
前記コイルとして前記断面扁平六角形状の線材が用いられ、該線材は整列巻きされていることを特徴とする分割ステータを提供している。

前記構成によれば、分割ステータは前記断面扁平六角形状の線材を整列巻きしたコイルを備えているので、分割ステータのコイルの占積率を向上させることができる。

第４の発明として、前記した分割ステータを複数個備え、これら分割ステータが円環形状に連結されていることを特徴とするステータを提供している。
前記構成によれば、占積率が向上した分割ステータを複数個円環形状に連結してステータとしているので、モータの高効率化、高出力化を図ることができる。
なお、モータのステータに変えて、ロータに線材を収容するスロット部を設け、該スロット部に前記線材を整列巻してもよい。

前述したように、本発明の線材は断面扁平六角形状としていることにより、線材が回転しにくく、周方向の制御がしやすくなり、かつ、ねじれが生じにくくなるため、精度良く整列巻きしたコイルを形成することができる。
さらに、本発明の断面扁平六角形状とした線材を整列巻きしてコイルとした場合、層間を埋めながら高密度に巻回できるため、線材の占積率を高めることができる。その結果、該コイルを備えたモータの諸特性を高めることができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）に本発明の第１実施形態の線材１１を示す。
線材１１は断面形状が扁平六角形状の単芯線１２と、単芯線１２を絶縁被覆するエナメル層１３とからなる。

単芯線１２は、断面扁平六角形状で、対向する第１組の辺１１ａと１１ｂ、第２組の辺１１ｃと１１ｄ、第３組の辺１１ｅと１１ｆは、各組の辺が互いに平行であると共に同一長さであり、かつ、前記第１組、第２組の辺１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは同一長さＬ１で、第３組の辺１１ｅと１１ｆの長さはＬ２で、Ｌ１＞Ｌ２としている。
また、前記長さの等しい隣接する２辺１１ａと１１ｃの交点に形成される頂点α１と、１１ｂと１１ｄの交点に形成される頂角α２が対向し、その頂点を結ぶ線を第３対角線ｙ、隣接する２辺１１ｃと１１ｆの交点に形成される頂点α３と、１１ｄと１１ｅの交点に形成される頂角α４が対向し、その頂点を結ぶ線を第１対角線ｕ、隣接する２辺１１ｆと１１ｂの交点に形成される頂点α５と、１１ｅと１１ａの交点に形成される頂角α６が対向し、その頂点を結ぶ線を第２対角線ｖとしている。第１対角線ｕと第２対角線ｖの長さＬ５−１は同一長さとし、第３対角線ｙの長さＬ３−１と、第１対角線ｕおよび第２対角線ｖの長さＬ５−１を異ならせ、Ｌ３−１＜Ｌ５−１としている。
本実施形態では、第３対角線ｙの長さＬ３−１を１．５ｍｍ、単芯線１２の中心点Ｑで第３対角線ｙと直交する直交線ｘの長さＬ４−１を２ｍｍとし、Ｌ３−１：Ｌ４−１は３：４としている。
また、断面積を約２．１ｍｍ^２とし、前記頂角α１、α２は１５０度としている。
エナメル層１３は外形が単芯線１２と相似の扁平六角形としており、単芯線１２に均一の厚さに被覆している。エナメル層１３の厚さは３０〜５０μｍである。

線材１１の作製方法について説明する。
まず、線状または棒状体の母線をダイスにより伸線加工して単芯線１２とする。ダイスの断面形状を入口部は円状または矩形状とし、出口部を扁平六角形とすることで、単芯線１２の断面形状を扁平六角形としている。
次に、単芯線１２にエナメル被覆を行う。該単芯線１２を塗布槽に浸してワニスを塗布した後、エナメルダイスでワニスの塗布量を調節し、焼付炉で溶剤を蒸発させる。該作業を複数回繰り返してエナメル層１３を成長させ、所望のエナメル層１３の厚さとしている。

図２に示すように、前記線材１１を整列巻きして、多層のコイルを形成している。
詳細には、円筒体からなるボビン１５の軸線方向Ｚ１→Ｚ２に１列目を巻き付けた後に、折り返してＺ２−Ｚ１へと２列目を巻き、この往復を第３列目、第４列目…と整列巻きして多層のコイル２１を形成している。
巻き付け時において、第３対角線ｙをコイルの軸線方向Ｚに対して直交方向とし、横長さは断面扁平六角形状として用いている。線材１１は、軸線方向に隣接する辺１１ｅと１１ｆとを当接させて巻き付け、各列の外周面には、各線材の頂角α１の凸部１０ｂと、隣接する線材１１の辺１１ｃと１１ａの間の凹部１０ａを交互に存在させている。内周面には、各線材の頂角α２の凸部１０ｂと、隣接する線材１１の辺１１ｂと１１ｄの間に凹部１０ａを存在させている。
整列巻きは、内層の１列目の線材１１−１の外面側の凹部１０ａに外層の２列目の線材１１−２の凸部１０ｂが嵌合していく。
これを繰り返して、各層間に隙間がない状態で高密度に線材１１を巻き付けている。

図３は本発明の第２実施形態の線材１１を示す。
単芯線１２は、中心点Ｑを挟んで対向する頂点β１とβ２を結ぶ第３対角線ｙの長さＬ３−２が第２対角線ｕ及び第３対角線ｖの長さＬ５−２より長い断面扁平六角形状としている。
また、単芯線１２の第３対角線ｙの長さＬ３−２を２ｍｍ、前記中心点Ｑを通って前記第３対角線ｙと直交する直交線ｘの長さＬ４−２を１ｍｍとし、Ｌ３−２：Ｌ４−２＝２：１としている。
また、単芯線１２の断面積は約１．８ｍｍ^２とし、前記頂角β１、β２は８０度としている。
単芯線１２が前記のように縦長な扁平六角形状としても、線材１１は回転しにくく断面周方向の制御がしやすくなり、姿勢保持が容易となってねじれが生じにくくなる。
第２実施形態の縦方向を大とした扁平六角線を用いると、前記図２に示すコイルとした場合に軸線方向に高密度に巻回できる。
なお、他の構成および作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

図４および図５は、モータ１００の分割ステータ２０のコイル２１として前記第１実施形態の扁平六角線の線材１１を用いた第３実施形態を示す。
モータ１００はロータ２２と、ロータの外周に所定のギャップをあけて配置するステータ２０を備え、ステータ２０は中心点Ｐ１を中心に複数個の分割ステータコア２３を円環形状に連結して構成している。

分割ステータコア２３は、径方向に延在するティース部２３ａと、ティース部２３ａの外周端に設けられているバックヨーク部２３ｂと、ティース部２３ａの内周端に設けられている鍔部２３ｃを備えており、ティース部２３ａとバックヨーク部２３ｂと鍔部２３ｃに囲まれたコイル２１収容用のスロット部２４を設けている。

第１実施形態の扁平六角線の線材１１を、図５（Ａ）に示すように、ティース部２３ａに被覆した絶縁樹脂層（図示せず）に鍔部２３ａ側よりバックヨーク部２３ｂへと巻き付けて一層目を形成し、バックヨーク部２３ｂ側に達すると、一層目の外周側に整列巻きして鍔部２３ａ側へと巻き付け、二層目を形成している。

このとき図５（Ｂ）に示すように、一層目の線材１１の外周に形成される断面三角形状の凹部１０ａに、二層目の線材１１の内周の凸部１０ｂが内嵌するように巻き付けて整列巻きを行う。このような巻線構造で三層目、四層目と線材１１を整列巻きし、コイル２１を形成する。形成されたコイル２１はスロット部２４内に積層状態で収容されることになる。

前記のように、扁平六角線とした線材１１を用いてコイル２１を形成することで、線材１１が回転しにくく周方向の制御がしやすくなり、ねじれが生じにくくなると共に精度よく整列巻きを行うことができる。整列巻を精度良く行うことで、コイル２１の占積率が向上し、モータ１００の諸特性を向上させることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の特許請求の範囲内の種々の形態が含まれるものである。

（Ａ）は本発明である線材の第１実施形態を示す断面図、（Ｂ）は斜視図である。 第１実施形態の線材の巻線構造を示す断面図である。 （Ａ）は線材の第２実施形態を示す断面図、（Ｂ）は斜視図である。 本発明の線材を用いたコイルを備えたステータを組み込んだモータの斜視図である。 （Ａ）は分割ステータコアのスロット部に線材を巻線している斜視図、（Ｂ）はコイルが巻かれた分割ステータコアの断面図である。 従来例を示す図である。 従来例を示す図である。

符号の説明

１１ 線材
１２ 単芯線
１３ エナメル層
２１ コイル
２０ ステータ
２２ ロータ
２３ 分割ステータコア
２３ａ ティース部
２３ｂ バックヨーク部
２３ｃ 鍔部
２４ スロット部

Claims (10)

1. 断面が扁平六角形状で、対向する辺が平行であると共に長さが等しく、かつ、対向する頂角を結ぶ３本の対角線のうち第１対角線と第２対角線の長さが等しく第３対角線の長さが異なる単芯線と、
   前記単芯線を被覆した絶縁層と、
   からなることを特徴とする線材。
2. 前記絶縁層が均一厚さのエナメル層で形成されている請求項１に記載の線材。
3. 前記第３対角線の長さ：前記第３対角線と前記単芯線の中心位置で直交する直交線の長さが６：１〜１：６、前記第３対角線の長さが０．３ｍｍ〜６ｍｍ、前記直交線の長さが０．３ｍｍ〜６ｍｍ、単芯線の断面積が０．１ｍｍ^２〜６ｍｍ^２とされている請求項１または請求項２に記載の線材。
4. 前記第３対角線で結ばれる頂角が１２０度を越えると共に１８０度未満とされ、前記第３対角線が前記第１対角線および第２対角線よりも短い断面扁平六角形状とされている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の線材。
5. 前記第３対角線で結ばれる頂角が６０度を越えると共に１８０度未満とされ、前記第３対角線が前記第１対角線および第２対角線よりも長い断面扁平六角形状とされている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の線材。
6. 整列巻きのコイル用の線材とされ、整列巻き状態で、層間の隙間が埋まる断面扁平六角形とされていることを特徴とする線材。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の線材を用いた巻線構造であって、
   整列巻きされていることを特徴とする線材の巻線構造。
8. 前記線材は、形成されるコイルの軸線方向に並列させると共に、該並列させた層がコイルの径方向に複数層形成され、
   前記軸線方向に並列する各層の線材は、前記コイルの軸線方向と直交する辺が隣接対向され、前記層間の対向面には線材の頂角が空間をあけて配置され、該頂角からなる山部と、その間の谷部とが交互に連続され、
   前記径方向に隣接する一方側の層の前記山部が他方側の層の谷部に嵌合されている請求項７に記載の巻線構造。
9. 円環状に配置されてステータを構成する分割ステータであって、
   ステータ径方向に延在するティース部の外周端にバックヨーク部、内周端に鍔部が設けられ、これらティース部とバックヨーク部と鍔部に囲まれたコイル収容用のスロット部が周方向に対称に設けられている分割ステータコアと、
   前記スロット部内に積層状態で収容されるコイルを備え、
   前記コイルは請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の線材が整列巻きされていることを特徴とする分割ステータ。
10. 請求項９に記載の分割ステータを複数個備え、これら分割ステータが円環形状に連結配置されていることを特徴とするステータ。

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