JP2010016970A - 集中巻線式ステータの製造方法、及び集中巻線式ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】製作が容易な集中巻線式ステータ及びその製造方法の提供。
【解決手段】複数の集中巻線部２２を同一の平角導体２５にて連続成形することで、コイルユニット１５を複数相分形成し、所定相のコイルユニット１５を、他相のコイルユニット１５が有する集中巻線部２２毎に一回転させ、他相のコイルユニット１５の集中巻線部２２間に所定相のコイルユニット１５の集中巻線部２２を配置する動作を繰り返し、各相のコイルユニット１５の集中巻線部２２を、ステータ１０への配列順にしたがって整列配置させ、複数相全てのコイルユニット１５を整列配置させることで、コイルユニット群５０を形成し、コイルユニット群５０が有する集中巻線部２２にステータ１０が備えるティース部１３ａを嵌装する。
【選択図】図４

Description

本発明は、集中巻線式のステータを形成する方法についての技術であり、詳しくはコイルを連続形成することでコイルエンド部分の絶縁対策や接合不良の問題を解消する技術に関する。

ハイブリッド車等に車載する駆動用のモータは、エンジンルームに搭載する関係でより小型で高出力のものの開発が求められている。そのため、より高い電流密度を実現できる平角導体コイルを形成する手法の開発が急がれている。
丸線を巻回したコイルの場合も同じではあるが、平角導体コイルを用いる場合は、コイルエンドでの結線が問題となる。

コイル毎にリード部分を形成して同じ相同士で結合する為に、コイルエンドでカシメ加工をするなり接合をするなりして、コイル同士を結合する必要がある。このコイルエンドでのカシメ又は接合は、コイル１つ辺りに２カ所必要であるので、１８個のコイルを使うと３６カ所のカシメ又は接合が必要となる。結合箇所が増えるほど、接合不良やカシメ不良などの歩留まり低下の原因と成り易い。また、カシメ工程や接合工程等の専用工程が必要となるので、その分コストもかかる。
このため、従来から端部で接合しない固定子についても検討がなされていた。

特許文献１には、回転電機の電機子コイル巻回方法が示されている。
３相星形結線される電機子コイルは、まず電機子鉄心のＵ相にコイル導線を切断することなく巻回していき、そして中性点に巻き付けた後、Ｖ相、Ｗ相にも同様にコイル導線を切断することなく巻回する。
コイル導体を切断することなく連続的に巻回することで、各相の電機子コイルの中性点側の端部及び秘中晴天側の端部のコイル導体をそれぞれ中性点側及び非中性点側に巻き付ける工程を行う回数を少なくすることができ、電機子コイルの巻回作業効率を向上させることを可能としている。

特開平８−１８２２３６号公報

しかしながら、特許文献１には、以下のような課題があると考えられる。
特許文献１の方法を、集中巻線式のステータを製造する際に適用することは困難である。集中巻線式のモータに用いるステータは、特許文献１の電動機鉄心と異なりステータの内周側に巻回しなければならない。このため、巻回するエリアが制限される上に、渡り線の交差や重複の問題がその後に絶縁対策を施す時の障害となる虞もある。
複相のモータに用いるステータを集中巻で形成する場合には、各相のコイルが渡り線部分で交差することになるため、ステータの内周側から巻回することは困難である。この事情は、ステータコアを分割式にした場合でも同じであり、渡り線部分同士が干渉しないように工夫する必要がある。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、製作が容易な集中巻線式ステータ及び集中巻線式ステータの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による集中巻線式ステータの製造方法は以下のような特徴を有する。
（１）複数の集中巻線部を同一の導線にて連続成形することでコイルユニットを形成し、所定相とする前記コイルユニットを、他相とする前記コイルユニットが有する前記集中巻線部毎に一回転させて、前記他相のコイルユニットの前記集中巻線部間に、前記所定相のコイルユニットの前記集中巻線部を配置する動作を繰り返すことで、各相の前記コイルユニットの前記集中巻線部を、ステータへの配置順序にしたがって整列配置させ、各相全ての前記コイルユニットを整列配置させることで形成されたコイルユニット群が有する前記集中巻線部に、前記ステータが備えるティース部を嵌装することを特徴とする。

また、前記目的を達成するために、本発明による集中巻線式ステータは以下のような特徴を有する。
（２）複数の集中巻線部が同一の導線にて連続形成されたコイルユニットを複数備え、所定相とする前記コイルユニットが他相とする前記コイルユニットの集中巻線部毎に一回転させられることにより、前記他相のコイルユニットの前記集中巻線部間に前記所定相のコイルユニットの前記集中巻線部が配置されたことを特徴とする。

（３）（２）に記載の集中巻線式ステータにおいて、
前記コイルユニットには、隣り合う前記集中巻線部を繋ぐ渡り線部を有し、前記集中巻線部の上端から前記渡り線部の下端までの長さは、前記コイルユニットを形成する導線の幅よりも長く形成されていることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明による集中巻線式ステータの製造方法により、以下のような作用、効果が得られる。
まず、（１）に記載される発明は、複数の集中巻線部を同一の導線にて連続成形することでコイルユニットを形成し、所定相とするコイルユニットを、他相とするコイルユニットが有する集中巻線部毎に一回転させて、他相のコイルユニットの集中巻線部間に、所定相のコイルユニットの集中巻線部を配置する動作を繰り返すことで、各相のコイルユニットの集中巻線部を、ステータへの配置順序にしたがって整列配置させ、各相全てのコイルユニットを整列配置させることで形成されたコイルユニット群が有する集中巻線部に、ステータが備えるティース部を嵌装するものである。

例えば３相のステータを形成する場合には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相用に３つのコイルユニットを同一の導線で連続成形する。各相に用いるコイルユニットの何れも同じ形状で良いため、量産効果が期待できる。また、生産工程において複数種類のコイルユニットを管理する必要もない。
そして、所定相とするコイルユニット、例えばＵ相とするコイルユニットを、他相とするコイルユニット、例えばＶ相とするコイルユニットの集中巻線部毎に一回転させて組み付けることで、Ｕ相コイルユニットの集中巻線部は、Ｖ相コイルユニットの集中巻線部間に配置することができる。Ｗ相のコイルユニットについても同様にして組み付ける。

他相のコイルユニットの集中巻線部毎に、所定相のコイルユニットを回転させるので、ステータに組み付けた際に各相のコイルユニットの有する渡り線部がお互いのユニットを跨ぐように配置される場合でも、組み付けが可能となる。
このように同一の導線にて連続形成されるコイルユニットを用いることで、集中巻線部と集中巻線部との間の渡り線をステータに組み付けた後で接合する必要が無くなるため、接合部分を減らすことができる。コイルエンド部分での接合は接合不良の問題と共に、接合部分での抵抗値の増大などの問題がある。しかし、相毎に連続形成されるコイルユニットを用いれば、その問題は両方とも解消しうる。
このように（１）に記載の発明により、低コストでステータを形成することができる集中巻線式ステータの製造方法の提供が可能となる。

また、このような特徴を有する本発明による集中巻線式ステータにより、以下のような作用、効果が得られる。
まず、（２）に記載される発明は、複数の集中巻線部が同一の導線にて連続形成されたコイルユニットを複数備え、所定相とするコイルユニットが他相とするコイルユニットの集中巻線部毎に一回転させられることにより、他相のコイルユニットの集中巻線部間に所定相のコイルユニットの集中巻線部が配置されているものである。

このように形成される集中巻線式ステータは、コイルユニットの接合部分が最小限に抑えられるために、接合不良が発生しにくく品質の向上が見込める。また、複数のコイルユニットを用意する必要がないため、コイルユニットの管理が容易となり、低コスト化に貢献することが可能である。

また、（３）に記載される発明は、（２）に記載の集中巻線式ステータにおいて、コイルユニットには、隣り合う集中巻線部を繋ぐ渡り線部を有し、集中巻線部の上端から渡り線部の下端までの長さは、コイルユニットを形成する導線の幅よりも長く形成されているものである。
集中巻線部の上端から渡り線部の下端までの長さを、導線の幅より長く形成されていることで、一方のコイルユニットに対して他方のコイルユニットを集中巻線部毎に一回転させながら組み付ける際に、コイルユニット同士の干渉を防止することができる。

コイルユニット同士が干渉すると、組み付ける際に導線の周りに設けられた絶縁部材を剥離してしまう虞がある。最終的にはコイルエンドの絶縁に樹脂やワニスを用いるが、より確実に絶縁性を確保するためには導線からの絶縁部材の剥離は望ましくない。本発明では、一方のコイルユニットを他方のコイルユニットに対して回転させるように組み付けるため、コイルユニット同士の干渉を避ける必要がある。
このため、集中巻線部の上端から渡り線部の下端までの長さを、導線の幅より長く形成することで、このような問題を解決した集中巻線式ステータを提供することが可能となる。

まず、本発明の実施形態について説明する。
図１に、樹脂成形前のステータの斜視図を示す。図２に、コイルエンドを樹脂成形したステータの斜視図を示す。
ステータ１０は、モータに用いられる固定子であり、アウターリング１２と分割型のステータコア１３と、集中巻線部２２と、を有する。
ステータコア１３は、プレスなどで形成した電磁鋼板を積層した積層鋼板であり、分割型であるため、略扇形の形状をしている。ステータコア１３の内周側にはティース部１３ａを備えており、隣り合うティース部１３ａの間がスロット部１３ｂを形成する。
ステータコア１３は、本実施形態では図１に示すように１８個用意される。そして、環状に組み立てられた後にアウターリング１２が外周面に焼きバメされてステータ１０を構成する。

図３（ａ）に、ステータコア１３の斜視図を示す。図３（ｂ）に、ステータコア１３にインシュレータを差し込んだ様子を示す。また、図３（ｃ）にステータコア１３に集中巻線部２２を挿入する様子を示す。
ステータコア１３のティース部１３ａには、まずインシュレータ１１が差し込まれ、その後、集中巻線部２２が差し込まれる。インシュレータ１１には、図３（ｂ）に示されるように集中巻線部２２とステータコア１３に挟まれる底部１１ａと、ティース部１３ａの外周に沿って形成される環状部１１ｂと、環状部１１ｂの２辺に設けられる位置決め用突起１１ｃを備えている。インシュレータ１１の材質は絶縁性の素材で、熱伝導率が高いものが望ましく、フィラーを混入した樹脂が用いられることが多い。

図４に、コイルユニット１５の正面図を示す。
コイルユニット１５は、図４に示すようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の何れも同じ形状としている。コイルユニット１５は、平角導体２５を巻回することで形成されている。ここで、Ｕ相に用いるコイルユニット１５をＵ相コイルユニット２０、Ｖ相に用いるコイルユニット１５をＶ相コイルユニット３０、Ｗ相に用いるコイルユニット１５をＷ相コイルユニット４０と称する。
単にコイルユニット１５と証する場合は、Ｕ相コイルユニット２０、Ｖ相コイルユニット３０、Ｗ相コイルユニット４０の何れか一つ、或いは全てを指すものとする。

平角導体２５は長方形断面の銅材であり、その周囲には絶縁被覆が施されている。絶縁被覆はイミドアミド等の絶縁性が高く比較的柔軟性のある部材が考えられる。エナメルなどを用いても良い。
Ｕ相コイルユニット２０は、集中巻線部２２と、渡り線部２１、そして、集中巻線部２２と渡り線部２１とを接続する立ち上げ部２３を備えるものとする。
立ち上げ部２３は、集中巻線部２２の上端と渡り線部２１の下端までの部分であり、その長さは、平角導体２５の幅よりも長く設定されている。
集中巻線部２２は十数ターン分が平角導体２５をエッジワイズ曲げ加工することによって形成されたコイルであり、断面が略台形形状になるように巻回されている。

集中巻線部２２は、短辺と長辺よりなりステータコア１３のティース部１３ａに挿入された際に、外周側となる方の短辺が長くなるように巻回されている。これは、ステータコア１３のティース部１３ａが略台形形状に形成されているためである。
集中巻線部２２から引き出される渡り線部２１及び立ち上げ部２３は、集中巻線部２２同士を接続する。立ち上げ部２３は、集中巻線部２２がステータコア１３に組み付けられた際の外周側に１カ所と、内周側に１カ所対角に位置するように配置される。集中巻線部２２の外周側の立ち上げ部２３は、渡り線部２１によって隣の集中巻線部２２の内周側の立ち上げ部２３と接続される。
隣り合う集中巻線部２２の間には、２つの集中巻線部２２が挿入可能な隙間が設けられている。

このようなコイルユニット１５は、Ｕ相コイルユニット２０、Ｖ相コイルユニット３０、Ｗ相コイルユニット４０のいずれも同一形状で同様に形成されている。したがって、同一工程でコイルユニット１５を形成した後に、必要な数だけＵ相コイルユニット２０、Ｖ相コイルユニット３０、又はＷ相コイルユニット４０として分ければよい。
コイルユニット１５は一続きの平角導体２５で形成されているので、ステータ１０として組み付けられる場合には、コイルユニット１５の両端部分に設けられた立ち上げ部２３部分がステータ１０に設けられる端子１４に接続されることとなる。

次に、ステータ１０の製造手順について説明する。
まず、図４に示すようなコイルユニット１５を、平角導体２５を巻回して形成する。コイルユニット１５は、連続して平角導体２５をエッジワイズ曲げ加工することで、集中巻線部２２が渡り線部２１により接続されている状態を一続きの平角導体２５によって形成する。前述したように、Ｕ相コイルユニット２０、Ｖ相コイルユニット３０、Ｗ相コイルユニット４０の何れにしても形に差異はないため、コイルユニット１５を量産することで、Ｕ相コイルユニット２０、Ｖ相コイルユニット３０、及びＷ相コイルユニット４０を作ることができる。

図５、図６、図７、図８、図９に、Ｕ相コイルユニット２０とＶ相コイルユニット３０を組み付ける手順を示す。
図５に、Ｕ相コイルユニット２０にＶ相コイルユニット３０を組み付けている途中のステップの斜視図を示す。これを第１ステップとする。図６は第２ステップであり、図７は第３ステップであり、図８は第４ステップであり、図９は第５ステップである。なお、Ｕ相コイルユニット２０を固定側とし、Ｖ相コイルユニット３０を回転側としており、表現の都合により各コイルユニット１５の集中巻線部２２は３つしか描かれていない。

まず、図４に示すようにＵ相コイルユニット２０を固定側とし、Ｖ相コイルユニット３０を回転側とする。図４では、区別のために回転側となるＶ相コイルユニット３０にドットハッチングを施しているが、同じコイルユニット１５を用いている。また、説明の都合で、既にＶ相コイルユニット３０を集中巻線部２２毎に２回転させた状態となっている。
Ｕ相コイルユニット２０に対して、Ｖ相コイルユニット３０を図５に示すように、前進させながら回転させる。

つまり、Ｖ相コイルユニット３０をＵ相コイルユニット２０に対して螺旋状に９０度回転させる感じとなる。更に図７、図８、図９に示すように前進しながら９０度ずつ回転させることで、Ｖ相コイルユニット３０はＵ相コイルユニット２０に対して螺旋状に１回転する。
こうすることで、Ｕ相コイルユニット２０の集中巻線部２２に対してＶ相コイルユニット３０の集中巻線部２２は１ピッチ分進む。図９では、Ｕ相コイルユニット２０のそれぞれの集中巻線部２２に対して、Ｖ相コイルユニット３０のそれぞれの集中巻線部２２が隣に並んでいる様子が分かる。実際にはコイルユニット１５は６つの集中巻線部２２を有するので、６回転させればＵ相コイルユニット２０とＶ相コイルユニット３０が重なることとなる。

同様にして、Ｕ相コイルユニット２０とＶ相コイルユニット３０が重ねられた状態のユニットを固定側とし、Ｗ相コイルユニット４０を回転させることで、Ｕ相コイルユニット２０及びＶ相コイルユニット３０に対してＷ相コイルユニット４０を組み付けることが可能となる。
こうして、Ｕ相コイルユニット２０、Ｖ相コイルユニット３０、及びＷ相コイルユニット４０の集中巻線部２２が、順番に整列することになる。そして、Ｕ相コイルユニット２０、Ｖ相コイルユニット３０、及びＷ相コイルユニット４０が１つのコイルユニット群５０を形成する。

このように形成されたコイルユニット群５０を円環状に曲げ、コイルユニット群５０の有する集中巻線部２２にステータコア１３のティース部１３ａを挿入する。
そして、円環状に曲げられたコイルユニット群５０の外側となるステータコア１３の外周部に加熱したアウターリング１２を配置し、冷却することで焼きバメする。
こうして、ステータコア１３を円環状に固定し、ステータ１０のコイルエンドには端子１４を接合する。そして、最終的にステータ１０のコイルエンドを樹脂成形することで、図２に示すようなステータ１０が形成される。

本実施形態は上記に説明した構成であるので、以下に説明するような作用効果を示す。
本実施形態の効果としては、まずステータの生産効率を向上させることが出来る点が挙げられる。
本実施形態は、複数の集中巻線部２２を同一の平角導体２５にて連続成形することで、コイルユニット１５を複数相分形成し、所定相のコイルユニット１５を、他相のコイルユニット１５が有する集中巻線部２２毎に一回転させ、他相のコイルユニット１５の集中巻線部２２間に所定相のコイルユニット１５の集中巻線部２２を配置する動作を繰り返し、各相のコイルユニット１５の集中巻線部２２を、ステータ１０への配列順にしたがって整列配置させ、複数相全てのコイルユニット１５を整列配置させることで、コイルユニット群５０を形成し、コイルユニット群５０が有する集中巻線部２２にステータ１０が備えるティース部１３ａを嵌装するものである。

ステータ１０を形成する場合に、コイルはステータコア１３に挿入する単位で形成するのが一般的である。これは、ステータコア１３の内周側にコイルを挿入する必要があるため、作業性を向上させる意味ではメリットがあるからである。ただし、コイルの端部を渡り線と接合する必要が出てくるため、接合不良などを起こす虞がある。本実施形態のように集中巻線部２２が１８カ所あれば、接合部分は３６カ所となる。
しかし、一続きの平角導体２５で形成したコイルユニット１５を組み合わせて形成されたコイルユニット群５０をステータ１０に用いることで、６カ所接合するだけで済む。したがって接合箇所は６分の１に減らすことができ、接合不良のリスクを低減することが可能となる。

それとともに、ステータ１０の製造において、集中巻線部２２の端部を接合するための専用の接合工程を必要とせず、渡り線部２１を別途用意する必要がないため、ラインでの部品点数の削減や接合工程の削減が可能であるといったメリットが得られる。
そして、Ｕ相コイルユニット２０、Ｖ相コイルユニット３０、及びＷ相コイルユニット４０に同一形状のコイルユニット１５を用いることができるので、部品を管理するコストの低減にも効果がある。
すなわち、ステータ１０の生産効率の向上を図ることが可能となる。

また、コイルユニット１５には、隣り合う集中巻線部２２を繋ぐ渡り線部２１を有し、集中巻線部２２の上端から渡り線部２１の下端までの立ち上げ部２３の長さは、コイルユニット１５を形成する導線の幅よりも長く形成されているので、コイルユニット１５同士を組み付けるときに干渉する虞を低減することが可能となる。
コイルユニット群５０の組み付けに関しては、図５乃至図９に示すように、Ｕ相コイルユニット２０を固定側として、Ｖ相コイルユニット３０を回転させながら組み付けることとなる。これは、コイルユニット群５０として組み付けられたときに、図９に示すようにＵ相コイルユニット２０とＶ相コイルユニット３０の渡り線部２１が平行に並ぶことになるためである。これは、Ｗ相コイルユニット４０との間でも同じ関係となるが、集中巻線部２２を介してＵ相コイルユニット２０乃至Ｗ相コイルユニット４０が交差する位置関係になるためである。

このため、立ち上げ部２３の立ちを平角導体２５の幅より高くしておくことで、コイルユニット１５同士の干渉を防ぐことができ、組み付けやすくできる。
渡り線部２１同士の干渉は、表面に施工された絶縁被覆の剥離や、渡り線部２１の変形を招くなど、望ましくない結果をうむ虞がある。
このため、立ち上げ部２３を長く設定し、組み付け性を向上させることは、ステータ１０を自動化ラインで組み付ける為には重要なポイントとなる。
なお、立ち上げ部２３を長くすることで、ステータ１０のコイルエンドが長くなってしまうとも考えられるが、この点に関しては、最終的に渡り線部２１をステータコア１３側に倒せば良く、コイルエンド部が長くなることはない。

以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
例えば、本実施形態ではコイルユニット１５は平角導体を巻回したコイルを接続したものであるが、丸線を巻回したコイルに用いても良い。集中巻線型のコイルであればメリットはあると考えられる。
また、本実施形態中で示している材質は、あくまで例示であるため適宜変更する事を妨げない。

本実施形態の、樹脂成形前のステータの斜視図である。 本実施形態の、コイルエンドを樹脂成形した際のステータの斜視図である。 （ａ）本実施形態の、ステータコアの斜視図である。（ｂ）本実施形態の、ステータコアにインシュレータを差し込んだ様子を示す斜視図である。（ｃ）本実施形態の、ステータコアに集中巻線部を挿入する様子を示す斜視図である。 本実施形態の、コイルユニットの正面図である。 本実施形態の、Ｕ相コイルユニットにＶ相コイルユニットを組み付けている様子を示す第１ステップの斜視図である。 本実施形態の、Ｕ相コイルユニットにＶ相コイルユニットを組み付けている様子を示す第２ステップの斜視図である。 本実施形態の、Ｕ相コイルユニットにＶ相コイルユニットを組み付けている様子を示す第３ステップの斜視図である。 本実施形態の、Ｕ相コイルユニットにＶ相コイルユニットを組み付けている様子を示す第４ステップの斜視図である。 本実施形態の、Ｕ相コイルユニットにＶ相コイルユニットを組み付けている様子を示す第５ステップの斜視図である。

符号の説明

１０ ステータ
１２ アウターリング
１３ ステータコア
１３ａ ティース部
１３ｂ スロット部
１４ 端子
１５ コイルユニット
２０ Ｕ相コイルユニット
２１ 渡り線部
２２ 集中巻線部
２３ 立ち上げ部
２５ 平角導体
３０ Ｖ相コイルユニット
４０ Ｗ相コイルユニット
５０ コイルユニット群

Claims (3)

1. 複数の集中巻線部を同一の導線にて連続成形することでコイルユニットを形成し、
   所定相とする前記コイルユニットを、他相とする前記コイルユニットが有する前記集中巻線部毎に一回転させて、前記他相のコイルユニットの前記集中巻線部間に、前記所定相のコイルユニットの前記集中巻線部を配置する動作を繰り返すことで、各相の前記コイルユニットの前記集中巻線部を、ステータへの配置順序にしたがって整列配置させ、
   各相全ての前記コイルユニットを整列配置させることで形成されたコイルユニット群が有する前記集中巻線部に、前記ステータが備えるティース部を嵌装することを特徴とする集中巻線式ステータの製造方法。
2. 複数の集中巻線部が同一の導線にて連続形成されたコイルユニットを複数備え、
   所定相とする前記コイルユニットが他相とする前記コイルユニットの集中巻線部毎に一回転させられることにより、前記他相のコイルユニットの前記集中巻線部間に前記所定相のコイルユニットの前記集中巻線部が配置されたことを特徴とする集中巻線式ステータ。
3. 請求項２に記載の集中巻線式ステータにおいて、
   前記コイルユニットには、隣り合う前記集中巻線部を繋ぐ渡り線部を有し、
   前記集中巻線部の上端から前記渡り線部の下端までの長さは、前記コイルユニットを形成する導線の幅よりも長く形成されていることを特徴とする集中巻線式ステータ。
   

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