JP2009153291A - コイル部材，ステータおよびコイル部材の組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のコイル線を平板状に集合させて分割平角線構造を採りつつ、組立を円滑に行いうるコイル部材などを提供する。
【解決手段】 コイル巻きだしローラ１４から巻き出される４本のコイル線１１は、集合領域Ｒａで次第に集められ、集合ローラ１５で１つの平角線状に束ねられて、分割平角線１０が形成される。分割平角線１０は、４本のコイル線１１が平板状に集合して構成され、両端で各コイル線１１が互いに導通している。分割平角線１０は、ピンチローラ１６と板厚矯正ローラ１７との間の曲げ領域Ｒｂで、曲げローラ１８によって曲げられた後、巻き重ね領域Ｒｄで、分割平角線１０の仮想平板面Ｐimが重ね合わせられて、エッジワイズ形状を有するコイル部材２０が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ、リアクトル、トランスなどに用いられるコイル部材、コイル部材を備えたステータおよびコイル部材の組立方法に関する。

モータ，発電機，リアクトル，トランスなどに配置されるコイル部材は、一般には、細い銅線を多数回巻いて構成されている。たとえば、モータのステータでは、断面がほぼ円形のコイルをコアまたは分割コアのティース部に巻き付けた構造が一般的であるが、最近では、平角線と呼ばれる断面が平板状のコイルを用いた構造も提案されてきている。

たとえば、特許文献１には、平角線の平板面がコア表面にほぼ直交するように、いいかえると、平角線の端面をコアに密着させるように巻き付けた、いわゆるエッジワイズコイルの構造（特許文献１の図５参照）およびその構造を実現するための巻き付け方法や巻き付け装置が開示されている。
特開２００５−１０９４２０号公報 特開２００５−３２７８３４号公報

このようなエッジワイズコイルの構造により、大電流を流すことが可能となり、モータのトルク増大を図ることができる。また、コイルの下層から上層へ多層巻きするときの隙間をなくすことで、ステータのスロット領域の有効利用を図ることもできる。

しかしながら、コイルの渦損はコイル径の増大につれて増大するために、平角線では渦損が大きくなる。そのため、特許文献１のエッジワイズコイルを備えたモータでは、モータ損失が大きい。また、コイルをコアのコーナー部に巻き付ける際に、平角線を曲げ剛性の大きい縦方向に曲げるので、コイルの曲げが難しいという不具合もある。

特許文献２では、複数の銅線を平面形状の多心線に組み込んで、その全体をエッジワイズ形状に巻回することにより、渦損の低減と、曲げの容易化を図っている。
しかしながら、複数のコイルをエッジワイズ形状に巻回するためには、各コイルに作用する種々の応力や変形に対する対策を講じなければならないが、特許文献２の技術では、具体的な対策が講じられておらず、実際上、安定したエッジワイズ形状を有するコイル部材を組み立てることは困難である。

本発明の目的は、コイルの構造として複数のコイルを平板状に集合させた分割平角線構造を採用しつつ、組立を円滑に行いうるコイル部材，このコイル部材を備えたステータ、およびコイル部材の組立方法を提供することにある。

本発明のコイル部材は、複数のコイル線を平板状に集合させた分割平角線構造を有するととともに、複数のコイル線の途中部位を互いに固定したものである。

これにより、複数のコイル線からなる分割平角線をコアなどの磁性部材を覆う形状にするために、曲げる等の処理を行う際に、複数のコイル線が途中部位で固定されていることにより、各コイル線が互いに移動，変形するなどの不具合を抑制しうる構造が得られる。
しかも、コイル電流の周波数をｆ、コイル線幅をｄ、磁束密度振幅をBmax、コイル材料の抵抗率をρとしたとき、コイル渦損ｗは、下記式（１）
ｗ＝π^２ｆ^２ｄ^２Ｂmax^２／６ρ （１）
によって表される。そして、コイル線幅が（１／コイル線の本数）に低減されるので、コイル渦損ｗが低減される。

コイル部材が、エッジワイズ形状を有していることにより、コアのコーナー部に相当する部位を小さな曲率半径で曲げることができる。したがって、コイルとコアとの無駄な隙間を低減することができ、コイル部材が装着されるモータ，発電機，リアクトル，トランスなどの小型化を図ることができる。

複数のコイル線の途中部位を固定する構造としては、溶接，ろう接，カシメ，接着および結束から選ばれる１つの処理によって形成された構造がある。
また、分割平角線が樹脂によってモールドされていることにより、コイル部材をカセットコイルとして利用することが可能になる。

上述のコイル部材をコアに装着したステータは、損失の小さなモータ，発電機，リアクトル，トランスなどの部品として、高い利便性を発揮する。ステータは、分割ステータであってもよい。

本発明のコイル部材の組立方法では、複数のコイル線を平板状に集合させて、分割平角線を形成した後、複数のコイル線の少なくとも１つの途中部位を互いに固定する。この固定のための処理は、分割平角線を曲げる前に行なってもよいし、曲げてから行なってもよい。その後、分割平角線を巻回してコイル部材を形成する。

この方法により、分割平角線を巻回等する際に、複数のコイル線がばらばらになることがないので、組立が容易に行われることになる。特に、エッジワイズ形状のコイル部材を形成する際には、複数のコイル線からなる分割平角線の形状が崩れやすいが、一部が固定されていることにより、安定したエッジワイズコイル構造を実現することができる。

複数のコイル線の一部を固定する処理としては、溶接，ろう接，カシメ，接着，結束などがあり、いずれを用いてもよい。

本発明のコイル部材，その組立方法またはステータによると、複数のコイル線を平角線形状に集合させた分割平角線構造を採用しても、安定した分割平角線の形状を維持しつつ、組立を円滑に行なうことができる。

−コイルの組立工程−
図１は、本発明の実施形態に係るコイル部材の組立方法を示す斜視図である。
同図に示すように、本実施形態の組立装置は、４つの個別巻きだし部１４ａ〜１４ｄが設けられたコイル巻きだしローラ１４と、集合ローラ１５と、ピンチローラ１６と、板厚矯正ローラ１７と、曲げローラ１８とを備えている。コイル巻きだしローラ１４の個別巻きだし部１４ａ〜１４ｄは、互いに独立して回転する構造となっている。

コイル巻きだしローラ１４の個別巻きだし部１４ａ〜１４ｄから巻き出される４本のコイル線１１は、集合領域Ｒａで次第に集められ、集合ローラ１５で１つの平角線状に束ねられて、２つの仮想平板面Ｐim（包絡面）を有する分割平角線１０が形成される。図１の左下図に拡大詳示するように、分割平角線１０は、４本のコイル線１１が平板状に集合して構成され、両端で各コイル線１１が互いに導通していることで、実質的には１本の平角線として機能する。各コイル線１１は、断面がほぼ矩形状の銅線１２と、銅線１２を被覆する，ポリイミド，ポリアミドイミド，ポリエステルイミド等に代表されるイミド系樹脂からなる被覆膜１３とを有している。銅線１２の断面寸法は、短辺が約０．９５ｍｍで長辺が約１．２０ｍｍであり、被覆膜１３の厚みは約０．０３ｍｍである。
図示されていないが、集合ローラ１５からピンチローラ１６に向かう領域には、分割平角線１０を仮想平板面Ｐimおよび両端面に沿って挟持するガイド部材が設けられており、ガイド部材がとぎれた領域で固定処理が行われる。

ピンチローラ１６の軸方向と板厚矯正ローラ１７の軸方向とは、互いにほぼ直交する関係にあり、分割平角線１０は、ピンチローラ１６と板厚矯正ローラ１７との間の曲げ領域Ｒｂで、曲げローラ１８によってほぼ直角に曲げられる。図示されていないが、ピンチローラ１６から曲げローラ１８を経て板厚矯正ローラ１７に至る領域には、分割平角線１０を仮想平板面Ｐimおよび両端面に沿って挟持するガイド部材が設けられており、分割平角線１０は、仮想平板面Ｐimが曲げローラ１８のローラ面にほぼ直交する（交差する）方向に、つまりエッジワイズ形状に曲げられる。

また、４つのコイル線１１の少なくとも１つの途中部位（固定部Ｒｃ）は、固定領域（Ｒｃ１またはＲｃ２）において、相対移動しないように固定される。後述するように、固定方法としては、溶接，ろう接，カシメ，接着，結束などがある。

そして、曲げられた分割平角線１０は、巻き重ね領域Ｒｄで、仮想平板面Ｐim同士が重ね合わせられ、折りたたんだ状態で樹脂によりモールドされる。これにより、後述するコア（ティース部）の周囲を覆う形状を有するコイル部材２０が形成される。これにより、分割平角線１０を１本の平角線と見たときに、いわゆるエッジワイズコイル形状が形成されることになる。なお、図示されていないが、組立装置には、コイル部材２０を回転させる機構が装備されている。

図２は、本実施の形態におけるコイル部材２０を分割コア５１にセットする工程を示す斜視図である。図２では、分割平角線１０を１本の平角線として表示しているが、上述のように４本のコイル線を集合させた構造を有している。図１に示す工程で完成されたコイル部材２０の各コイル線１１は、２つの端子２１，２２の部分で導通している。
固定処理が行われた固定部Ｒｃは、コイル部材２０のコイルエンド部に、ターン毎に上下を入れ換えて形成されている。これは、固定処理で導通している部分が重なることで、短絡が生じるのを避けるためである。

分割コア５１は、ヨーク部５１ａと、ティース部５１ｂとを有している。本実施形態では、圧粉コア構造を採用しているが、積層鋼板を用いてもよい。圧粉構造の場合は、ヨーク部5１ａに、図2に示す破線部分を上下に設けてもよい。
図２に示す破線は、コイル部材２０の分割平角線１０をモールドしている樹脂の外形を示している。モールド樹脂には、分割コア５１のヨーク部５１ａの上面および下面に嵌合する部分が設けられている。そして、モールド樹脂をティース部５１ｂに嵌め込み、さらにヨーク部５１ａの上下面を挟むことにより、コイル部材２０がティース部５１ｂを囲むように取り付けられる。

図３は、本実施の形態におけるモータのステータ５０の概略的な構造を示す断面図である。図３において、見やすくするために、モールド樹脂の表示は省略されている。図３に示すように、ステータ５０は、複数の分割コア５１を環状に組み合わせた後、図示しないリング部材等を用いて外側から囲み込んで組み付けられる。本実施形態では、コアとして分割コア５１を集合させたものを用いているが、コアが分割されずに一体化されたものであってもよい。

ステータ５０の内方には、永久磁石を設けたロータ（図示せず）が配置される。分割コア５１は、ヨーク部５１ａと、ヨーク部５１ａからロータ側に突出したティース部５１ｂとを有し、本実施の形態では、絶縁被膜を有する磁性粉末を圧縮成形して形成されている。ただし、多数の珪素鋼板を樹脂絶縁層を挟んで積層したものであってもよい。

そして、分割コア５１のティース部５１ｂには、樹脂モールドされたコイル部材２０がセットされている。なお、コイル部材２０が樹脂モールドされていることで、ティース部５１ｂを被覆するインシュレータは不要となっている。

−固定処理−
次に、分割平角線１０の各コイル線１１の固定構造を形成する処理について説明する。
図４は、レーザ溶接による固定構造の形成処理を示す図である。この場合、分割平角線１０の各コイル線１１の被覆膜１３を残したままで、レーザ４０を照射すると、被覆膜１３の一部が削除され、コイル線１１の銅線１２同士が接合される。レーザ４０としては、ＹＡＧレーザが適しているが、ＣＯ_２レーザ等を用いてもよい。

図５は、ＴＩＧ溶接による固定構造の形成処理を示す図である。この処理を行う場合には、予め、分割平角線１０の各コイル線１１の被覆膜１３を削除して、各銅線１２の表面を露出させておく。そして、不活性ガス雰囲気中で、タングステン棒４１から銅線１２にアークを発生させることにより、銅線１２同士を接合する。
なお、溶接には、上述のレーザ溶接やＴＩＧ溶接の他、ＭＩＧ溶接，炭素アーク溶接などのアーク溶接や、電子ビーム溶接、プラズマアーク溶接、抵抗溶接などがあり、いずれを用いてもよい。

なお、硬ろう付け，軟ろう付けなどのろう接によって固定する場合にも、図５に示す構造において、破線に示すように、銅線１２の形状が残存している点を除けば、ＴＩＧ溶接による固定構造の形成処理を行なった構造に似た構造となる。

図６は、塑性加工の一種であるカシメによる固定構造の形成処理を示す図である。この処理を行う場合には、予め、分割平角線１０の各コイル線１１の被覆膜１３を削除して、銅線１２の表面を露出させておく。そして、分割平角線１０の両端面からポンチ４２ａ，４２ｂによる教圧力を印加することにより、各銅線１２を塑性変形させて、各銅線１２同士を溶着・固定する。このとき、ポンチ４２ａ，４２ｂ間に電流を流して抵抗溶接を行なってもよい。その場合には、各銅線１２同士が確実に導通する。

図７は、結束による固定構造の形成処理を示す図である。この処理を行う場合は、分割平角線１０のコイル線１１の被覆膜１３は残しておく。そして、結束機を用いて、分割平角線１０の周囲を樹脂製のバンド３１で結束することにより、各コイル線１１を縛って固定する。

図８は、接着による固定構造の形成処理を示す図である。この処理を行う場合は、分割平角線１０のコイル線１１の被覆膜１３は残しておく。そして、ノズル３５から接着剤３３を、分割平角線１０の各コイル線１１の境界領域に塗布することで、固定構造の形成処理を行う。

なお、上記各処理において、特に溶接、ろう接，カシメなど、銅線１２を露出させる処理を行う場合は、隣接する積層部同士が短絡するのを防ぐために、分割平角線１０を重ねてゆくターン毎に、固定箇所をずらせることが好ましい。
また、銅線１２を露出させる場合は、コイルサイド部は避けて、コイルエンド部で固定することが好ましい。
したがって、たとえば、図１に示すように、ターン毎にコイルエンド部の上下位置を交互に変えて、コイルエンド部で固定構造の形成処理を行うことが好ましい。

本実施形態のコイル部材またはその組立方法によると、複数のコイル線１１を集合させた分割平角線１０を採用しつつ、複数のコイル線１１を途中部位で互いに固定する固定構造を設けたので、分割平角線１０の曲げや巻回を行う際にも、各コイル線１１が互いに移動したり，変形するなどによって、分割平角線の形状が崩れるのを抑制することができる。
しかも、コイル電流の周波数をｆ、コイル線幅をｄ、磁束密度振幅をBmax、コイル材料の抵抗率をρとしたとき、コイル渦損ｗは、下記式（１）
ｗ＝π^２ｆ^２ｄ^２Ｂmax^２／６ρ （１）
によって表される。

例として、短辺が０．９５ｍｍで長辺が４．７９ｍｍの断面寸法を有する平角線と、これを４分割して、各コイル線１１の短辺が０．９５ｍｍで長辺が１．２０ｍｍの断面寸法を有する本実施形態の分割平角線１０とを比較する。従来の平角線のコイル渦損ｗを１００とすると、本実施形態のコイル渦損ｗは２５となる。すなわち、コイル渦損ｗを１／４まで低減することができる。
なお、従来の平角線のコイル渦損ｗを１００とすると、２分割した分割平角線のコイル渦損ｗは５０となり、３分割した分割平角線のコイル渦損ｗは３３となる。

また、上述の断面寸法の場合、平角線６０のアスペクト比（長辺／短辺）は５．２であり、本実施形態の各コイル線１１のアスペクト比は１．３となる。このアスペクト比の低減により、コイル線１１の線引き加工も容易となるので、製造コストの低減を図ることができる。

特に、エッジワイズコイル構造を採用した場合には、さらに、以下の効果を発揮することができる。
図９（ａ），（ｂ）は、順に、本発明の分割平角線１０を有するコイル部材２０をティース部５１ｂに取り付けた場合の断面図、および従来の平角線６１を有するコイル部材６０をティース部５１ｂに取り付けた場合の断面図である。

本実施形態の分割平角線１０の場合、コイル曲げの曲率半径ｒ１を、従来の平角線６１のコイル曲げの曲率半径ｒ４よりも小さくできることから、分割コア５１ｂと分割平角線１０とのコイルエンド側の隙間Sｐ１は、分割コア５１ｂと平角線６１とのコイルエンド側の隙間Ｓｐ２よりも低減することができる。その結果、コア５０の軸方向寸法（モータ軸長）を低減することができ、小型化を図ることができる。
また、コイル長も短くできるので、銅線材料の削減により、製造コストも低減することができる。

（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

上記実施の形態では、コア５０を多数の分割コア５１に分割した構造を採用したが、コア５０が一体でもよいし、複数の分割コア５１が一体化されたものであってもよい。

上記実施の形態では、各コイル線１１の断面形状をほぼ矩形状としたが、円形やその他の形状であってもよい。

本発明のコイル部材、その組立方法およびステータは、産業用モータ、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車，ロボットなどに配置されるモータ（リニアモータを含む）、発電機、リアクトル、トランスなどに利用することができる。

本発明の実施形態に係るステータの組立方法のうちコイルの組立工程を示す斜視図である。 実施の形態におけるコイル部材を分割コアにセットする工程を示す斜視図である。 実施の形態におけるステータの概略的な構造を示す断面図である。 レーザ溶接による固定処理を示す図である。 ＴＩＧ溶接による固定処理を示す図である。 塑性加工の一種であるカシメによる固定処理を示す図である。 結束による固定処理を示す図である。 接着による固定処理を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、順に、本発明のコイル部材をティース部に取り付けた場合の断面図、および従来のコイル部材をティース部に取り付けた場合の断面図である。

符号の説明

１０ 分割平角線
１１ コイル線
１２ 銅線
１３ 被覆膜
１４ コイル巻きだしローラ
１４ａ〜１４ｄ 個別巻きだし部
１５ 集合ローラ
１６ ピンチローラ
１７ 板厚矯正ローラ
１８ 曲げローラ
２０ コイル部材
２１，２２ 端子
３１ バンド
３３ 接着剤
３５ ノズル
４０ レーザ
４１ タングステン棒
４２ａ，４２ｂ ポンチ
５０ コア
５１ 分割コア
５１ａ ヨーク部
５１ｂ ティース部
Ｐim 仮想平板面
Ｒａ 集合領域
Ｒｂ 曲げ領域
Ｒｃ１，Ｒｃ２ 固定領域
Ｒｄ 巻き重ね領域

Claims (10)

1. 複数のコイル線を絶縁膜を挟んで平板状に集合させてなる分割平角線が巻回されたコイル部材であって、
   前記分割平角線の少なくとも１つの途中部位で、前記複数のコイル線同士を互いに固定する固定構造を備えている、コイル部材。
2. 請求項１記載のコイル部材において、
   前記分割平角線は、エッジワイズ形状に巻回されている、コイル部材。
3. 請求項１または２記載のコイル部材において、
   前記分割平角線の前記途中部位は、溶接，ろう接，カシメ，接着および結束から選ばれる１つの処理によって固定されている、コイル部材。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のコイル部材において、
   前記分割平角線の途中部位は、コイルエンド部である、コイル部材。
5. 請求項1〜4のうちいずれか１つに記載のコイル部材において、
   前記分割平角線の途中部位は、相隣接しない複数の部位である、コイル部材。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載のコイル部材において、
   前記分割平角線が樹脂によってモールドされている、コイル部材。
7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載のコイル部材と、
   前記コイル部材が装着されるコアと、
   を備えたステータ。
8. 複数のコイル線を絶縁膜を挟んで平板状に集合させて、分割平角線を形成する工程（ａ）と、
   前記分割平角線の少なくとも１つの途中部位で、前記複数のコイル線同士を互いに固定する工程（ｂ）と、
   前記工程（ｂ）の前または後に、前記分割平角線の所定部位を曲げる工程（ｃ）と、
   前記分割平角線を環状に巻回してコイル部材を形成する工程（ｄ）と、
   を含むコイル部材の組立方法。
9. 請求項８記載のコイル部材の組立方法において、
   前記工程（ｃ），（ｄ）では、前記分割平角線をエッジワイズ形状に曲げて巻回する、コイル部材の組立方法。
10. 請求項８または９記載のコイル部材の組立方法において、
    前記工程（ｂ）では、溶接，ろう接，カシメ，接着および結束から選ばれる１つの処理を行う、コイル部材の組立方法。

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