JP2018186664A - 回転電機に用いられる固定子、回転電機、及び固定子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの巻崩れを抑制しつつ高占積率でコイルを巻回させ、小型かつ、高出力の回転電機を提供することである。【解決手段】回転電機の固定子は、周方向に所定の間隔で配置された放射状に突出するティース部と、前記ティース部の周りには、絶縁部材で形成されたボビンと、前記ボビンを介して前記ティース部に集中巻きによって巻回されるコイルと、を備える回転電機の固定子であって、前記ティース部の外周部を基点としてコイル口出し線が形成され、前記コイルは、前記ステータの内径側から順次折り返され、かつ当該固定子の軸方向端部にて段上がりをして巻回されることで多段のコイルを構成し、前記段上がりのうち、少なくとも偶数段の巻き終わりを構成するコイルは、次段の段上がりを構成するコイルと離間される。【選択図】図６（ｄ）

Description

本発明は、回転電機に用いられる固定子、回転電機、及び固定子の製造方法に関するものである。

本技術分野の背景技術とし、特許文献１（特開２００６-６７７７号公報）があり、この公報には、コイルを巻回するインシュレータボビンにおいて、コイルを誘導する案内溝を設けることで、コイルの巻崩れを防止して、円滑に巻回できると記載されている。

しかし、インシュレータボビンでコイルを誘導できるのは、１段目だけであり、巻回の仕様によっては、コイルが２段、３段、４段になる場合もある。段数が多くなれば、その分、コイルの巻崩れも発生しやすくなり、特許文献１のような、案内溝の効果は、もはや期待することはできない。

特に、コイルが１段目から２段目、２段目から３段目など、段上がりをする際、コイルを所定の位置に落とし込めない時に巻崩れが発生する。段上がりを、常に近接したコイル位置に落とし込む場合は、巻崩れは発生しにくいが、その分、コイルの占積率が高くできない。
コイルの占積率を高くするためには、段上がりを離れたコイル位置に落とし込む必要があり、急な角度での段上がりをする必要がある。その分、コイルの巻崩れの虞が大きくなる。

特開平２００６−６７７７号公報

本発明の課題は、コイルの巻崩れを抑制しつつ高占積率でコイルを巻回させ、小型かつ、高出力の回転電機を提供することである。

上記課題を解決する回転電機の固定子は、周方向に所定の間隔で配置された放射状に突出するティース部と、前記ティース部の周りには、絶縁部材で形成されたボビンと、前記ボビンを介して前記ティース部に集中巻きによって巻回されるコイルと、を備える回転電機の固定子であって、前記ティース部の外周部を基点としてコイル口出し線が形成され、前記コイルは、前記ステータの内径側から順次折り返され、かつ当該固定子の軸方向端部にて段上がりをして巻回されることで多段のコイルを構成し、前記段上がりのうち、少なくとも偶数段の巻き終わりを構成するコイルは、次段の段上がりを構成するコイルと離間される。

本発明によれば、巻線ノズルが干渉しない物理的なスペースの中で、コイルの巻崩れを抑制しつつ高占積率でコイルを巻回することが可能となり、小型かつ、高出力の回転電機を提供できる。

本実施形態における回転電機１００の断面図である。 シャフト２の回転軸方向から見たステータコア７の正面図である。 固定子１０１におけるインシュレータボビン８にコイル９を巻回した部分の拡大図である。 比較例として、巻線ノズル２３が干渉しない物理的なスペースの中で、最大限までコイル９を配置し、回転軸方向から見た正面図である。 本実施形態のノズル集中巻きにおけるコイル９の巻回順番の説明図である。 本実施形態に係るコイル９を１段目９ａから２段目９ｂまで巻回した図である。 本実施形態に係るコイル９が２段目９ｂから３段目９ｃに段上がりし、３段目９ｃを巻回するまでの図である。 本実施形態に係るコイル９を３段目９ｃまで巻回した図である。 本実施形態に係るコイル９を４段目９ｄまで巻回した図である。 通常のノズル集中巻きにおけるコイル９の巻回順番の説明図である。 比較例として、コイル９が１段目９ａから２段目９ｂに段上がりするまでの図である。 比較例として、コイル９が２段目９ｂを巻回するまでの図である。 比較例として、コイル９が２段目９ｂから３段目９ｃに段上がりするまでの図である。 比較例として、コイルを３段目９ｃまで巻回し、３段目９ｃから４段目９ｄに段上がりするまでの図である。

以下、図１ないし図８を用いて実施例を説明する。まず、本発明の一例としての回転電機の概略構成について述べる。

図１は、本実施形態における回転電機１００の断面図である。

回転電機１００は、有底の円筒形状をしているハウジング１の内周に固定子１０１が圧入等で固定される。回転子１０２は、固定子１０１の内径側には、空隙を介して、ベアリング１５により、継承支持される。

回転子１０２は、シャフト２と、シャフト２に圧入等で固定されたロータコア３と、を備えている。また、ロータコア３の外周面には、マグネット４と、マグネット４の軸方向の位置決めをする端板５と、マグネット４を外部からの衝撃等から保護及び回転による遠心力でマグネット４が飛散するのを防止する為の円筒状の保護カバー６と、が設けられる。

固定子１０１は、プレスで打ち抜かれた磁性鋼板の薄板を複数枚積層した円環状のステータコア７と、このステータコア７にナイロン等で成形されかつ絶縁機能を有するインシュレータボビン８と、インシュレータボビン８に巻回されているコイル９と、から構成されている。

端子台１０は、コイル９を外部との電源に接続するための複数のバスバー１１を樹脂モールド成形したもので、ハウジング１の内部に挿入される。複数のバスバー１１は、コイル９の口出し線１２と電気的に接続する為の接続部１３を形成しており、ヒュージング等により、複数のバスバー１１とコイル９を電気的に接続する。また、端子台１０には、コネクタハウジング１４も一体成形されており、コネクタハウジング１４の突出部を除くと、円盤状の形状である。

回転子１０２のシャフト２には、二つのベアリング１５の内輪側が固定され、回転可能に支持されている。ベアリング１５の外輪は、ハウジング１とカバー１６のベアリング箱１７にそれぞれ収納される。カバー１６側のベアリング１５の外輪端部は、カバー１６にボルト１８でねじ止めされたプレート１９によって押さえつけ、固定されており、回転子１０２の軸方向の移動を規制した構成になっている。

図２は、シャフト２の回転軸方向から見たステータコア７の正面図である。

ステータコア７は、圧入等で固定される固定部７ａと、ステータコア７の内径側にある所定の間隔で複数突出しているティース７ｂと、で構成されている。図２に示されるステータコア７は一例であり、１２個のティース７ｂからなる１２スロットステータコアである。

ティース７ｂは、内径側にティース先端部７ｃを形成し、内径側に向かうに従って、広がりを持った形状になっている。また、隣り合うティース先端部７ｃ間距離の開口幅２０を有している。

図３は、固定子１０１におけるインシュレータボビン８にコイル９を巻回した部分の拡大図である。

ステータコア７の周りには、ステータコア７とコイル９を絶縁する為のインシュレータボビン８が構成される。インシュレータボビン８は、ナイロン等の樹脂で、ステータコア７をインサートした樹脂モールド成型等で形成させる。

インシュレータボビン８は、ティース８ａと、ティース８ａのコイル９が巻回される巻回部８ｂと、を形成する。巻回部８ｂの内外径側には、それぞれコイル９が、巻回部８ｂから飛び出さない為の、巻回壁部８ｃが形成されている。外径側の巻回壁部８ｃの一部には、コイル９の巻始め口出し線１２ａを逃がす為の溝部８ｄを形成している。また、巻回部８ｂを除く、外径側には、側壁８ｅを形成している。

コイル９は、ティース８ａの外径側を起点として、巻線ノズル２３でティース８ａを周回し、外径側より内径側に移動しながら巻回され、順次段上がり部を形成しながら、複数の段で構成したコイルとなる。

次に、コイル９の配置について、４段で構成した例を基に以下説明する。

図４は、巻線ノズル２３が干渉しない物理的なスペースの中で、最大限までコイル９を配置し、回転軸方向から見た正面図である。

コイル９は、ティース８ａ側から、１段目９ａから４段目９ｄの４段で構成される。また、各段のコイル９の巻回数は、１段目×５巻き、２段目×５巻き、３段目×４巻き、４段目×１巻きの合計１５巻きの構成になっている。

コイル９の段数と巻回数は、要求される回転電機１００の特性や、ノズル幅２３ａによって決まる。ノズル幅２３ａは、コイル９の線径から、コイル９を巻回する為に必要な巻線ノズルの強度によって決まる。

回転電機１００の小型化や高出力を図る為には、コイル９を可能な限り多く巻回し、占積率を上げる必要がある。

まず、通常のノズル集中巻きした場合において、図７及び図８を用いて説明する。なお、図７及び図８に図示したコイル９内のコイル番号は、コイル９を巻回する順番を示す。

まず、図７は、通常のノズル集中巻きにおけるコイル９の巻回順番の説明図である。コイル９は、コイル番号１からコイル番号１５の順に１５回巻回される。

巻始めである巻始め口出し線１２ａは、巻回部８ｂ外径側のコイル番号１から巻回される。巻終わりである巻終わり口出し線１２ｂは、次のティース８ａに渡る為、もしくは、図１のバスバー１１と接続する為に、巻回部８ｂ外径側のコイル番号１５に配置される。

図７のように、通常のノズル集中巻きをした場合では、コイル９を最後まで巻回することが困難である。その理由について、図８（ａ）ないし図８（ｄ）で、巻回の順を追って説明する。

図８（ａ）は、コイル９が１段目９ａから２段目９ｂに段上がりするまでの図である。

コイル９の１段目９ａは、巻回部８ｂの外径側から内径側に向かって、コイル番号１からコイル番号５まで巻回される。次に、コイル番号５は、１段目９ａから２段目９ｂの段上がり部２１ａを形成する。段上がり部２１ａは、近接されたコイル番号５と巻回壁部８ｃ間のコイル番号６に落とし込まれ、折り返して２段目９ｂを、今度は巻回部８ｂの内径側から外径側向かって巻回される。

次に、図８（ｂ）は、コイル９が２段目９ｂを巻回するまでの図である。

２段目９ｂは、コイル番号６からコイル番号１０まで巻回される。ここで、コイル番号９からコイル番号１０を巻回する際、コイル番号１の上を通過するが、巻始め口出し線１２ａは、インシュレータボビン８の溝部８ｄによって、干渉を回避している。

次に、図８（ｃ）は、コイル９が２段目９ｂから３段目９ｃに段上がりするまでの図である。

コイル番号１０は、２段目９ｂから３段目９ｃの段上がり部２１ｂを形成する。段上がり部２１ｂは、近接されたコイル番号１０と巻回壁部８ｃ間のコイル番号１１に落とし込まれ、折り返して３段目９ｃを、巻回部８ｂを外径側から内径側に向かって巻回される。

但し、段上がり部２１ｂを形成する際、巻初めの口出し部１２ａと干渉する干渉部２２により、巻崩れの虞が発生する。

図８（ｂ）のコイル番号１０と同様に、インシュレータボビン８の溝部８ｄで回避することも可能だが、その為には、溝部８ｄの溝奥行きを広く設定(コイルの１本分以上)する必要があり、インシュレータボビン８の構造上、レイアウト上できない場合がある。仮に、溝部８ｄの奥行きを確保できた場合であっても、巻回時、巻初め口出し線１２ａが溝部８ｄの奥まで落とし込めず、結果、巻崩れの虞がある。また、段上がり部２１ｂが巻崩れることで、続く３段目９ｃ全体の巻崩れにも繋がることになる。

最後に、図８（ｄ）は、コイルを３段目９ｃまで巻回し、３段目９ｃから４段目９ｄに段上がりするまでの図である。

３段目９ｃは、コイル番号１１からコイル番号１４まで巻回される。コイル番号１４は、３段目９ｃから４段目９ｄの段上がり部２１ｃを形成する。段上がり部２１ｃは、近接されたコイル番号１３とコイル番号１４間ではなく、コイル番号１３から、コイル２個分離れたコイル番号１１とコイル番号１２間のコイル番号１５に落とし込む必要があり、段上がり部２１ｃは、急な角度θ２で巻回しなければならない。

また、巻線ノズル２３は、インシュレータボビン８の側壁８ｅがある為、奥まで入れることができず、移動範囲に制限がでてしまう。

その為、図８の（ｄ）の点線部Ｂにおいて、段上がり部２１ｃをコイル番号１５に落とし込む際、コイル番号１３の方向（図８の（ｄ）の崩れ方向２４)に巻崩れが発生する。

結果、コイル９を巻回していく過程で、巻崩れ部のコイル９と巻線ノズル２３が干渉し、巻回することができない虞がある。これは、図８の（ｃ）で先に述べた３段目９ｃの巻崩れ発生によって、４段目９ｄの巻崩れ発生は、より可能性が高くなる。

次に、図４で示したコイル９の配置において、本実施形態に関わるノズル集中巻きした実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。なお、図５、６図のコイル９内のコイル番号は、コイル９を巻回する順番を示す。

図５は、本実施形態のノズル集中巻きにおけるコイル９の巻回順番の説明図である。コイル９はコイル番号１からコイル番号１５の順に１５回巻回される。

巻始めである巻始め口出し線１２ａは、巻回部８ｂ外径側のコイル番号１から巻回される。巻終わりである巻終わり口出し線１２ｂは、次のティース８ａに渡る為、もしくは、図１のバスバー１１と接続する為に巻回部８ｂ外径側のコイル番号１５に配置される。

本実施形態では、コイル番号１１からコイル番号１４の巻回順を工夫することで、コイル９の巻崩れがなく、また高占積率に巻回できることで、信頼性のある小型かつ高出力の回転電機１００を提供できる。

次に本実施形態について、図６（ａ）ないし図６（ｄ）で、具体的に巻回の順を追って説明する。

図６（ａ）は、本実施形態に係るコイル９が１段目９ａから２段目９ｂまで巻回した図である。１段目９ａ及び２段目９ｂまでは、先に図８（ａ）及び図８（ｂ）で述べた通常のノズル集中巻きと同様である為、説明は省略する。

次に図６（ｂ）は、本実施形態に係るコイル９が２段目９ｂから、３段目９ｃに段上がりし、３段目９ｃを巻回するまでの図である。コイル番号１０は、２段目９ｂから３段目９ｃの段上がり部２１ｂを形成する。段上がり部２１ｂは、折り返して、近接されたコイル番号９とコイル番号１０間からコイル９が１個分離れた、コイル番号９とコイル番号８間のコイル番号１１に落とし込まれ、３段目９ｃをコイル番号１２まで巻回される。この時点で、巻回部８ｂの外径側には、コイル９が巻回されていない、コイルスペース２５が形成される。

また、図６（ｂ）の点線部Ａにおいて、段上がり部２１ｂを、近接されたコイル９から離れた位置に配置することで、段上がり部２１ｂと巻初めの口出し線１２ａの干渉を回避することができる。

次に、図６（ｃ）は、本実施形態に係るコイル９を３段目９ｃまで巻回した図である。

コイル９の３段目９ｃは、コイル番号１２まで巻回した後に、折り返して、図６（ｂ）のコイルスペース２５内のコイル番号１３に落とし込まれ、コイル番号１４まで巻回される。この際、コイル番号１１は、コイル番号１３を落とし込む際の巻崩れを物理的に防止できる壁としての効果もある。

最後に、図６（ｄ）は、本実施形態に係るコイル９を４段目９ｄまで巻回した図である。

コイル番号１４は、３段目９ｃから４段目９ｄの段上がり部２１ｃを形成する。段上がり部２１ｃは、図８の（ｄ）の急な角度θ２に対して、緩やか角度θ１で巻回が可能となり、近接されたコイル番号１３とコイル番号１４間のコイル番号１５に落とし込まれ、巻回される。

このように、図６（ｂ）及び図６（ｃ）の２段目９ｂから３段目９ｃに段上がりをする際、近接されたコイル９から離れた位置に段上がり部２１ｂを形成することで、３段目９ｃから４段目９ｄの段上がり部２１ｃを、図６（ｄ）のコイル番号１５の位置に落とし込むことが可能になる。結果、コイル９の巻崩れを防止できる。

本実施例にすることで、巻線ノズルが干渉しない物理的なスペースの中で、最大限コイルを巻回することが可能となり、小型かつ、高出力な回転電機を提供できる。

１…ハウジング、２…シャフト、３…ロータコア、４…マグネット、５…端板、６…保護カバー、７…ステータコア、７ａ…固定部、７ｂ…ティース、７ｃ…ティース先端部、８…インシュレータボビン、８ａ…ティース、８ｂ…巻回部、８ｃ…巻回壁部、８ｄ…溝部、８ｅ…側壁、９…コイル、９ａ…１段目、９ｂ…２段目、９ｃ…３段目、９ｄ…４段目、１０…端子台、１１…バスバー、１２…口出し線、１２ａ…巻始めの口出し部、１２ｂ…巻終わりの口出し部、１３…接続部、１４…コネクタハウジング、１５…ベアリング、１６…カバー、１７…ベアリング箱、１８…ボルト、１９…プレート、２０…開口幅、２１ａ…１段目から２段目の段上がり部、２１ｂ…２段目から３段目の段上がり部、２１ｃ…３段目から４段目の段上がり部、２２…干渉部、２３…巻線ノズル、２３ａ…ノズル幅、２４…崩れ方向、２５…コイルスペース、１００…回転電機、１０１…固定子、１０２…回転子、θ１…緩やかな角度、θ２…急な角度

Claims (11)

1. 周方向に所定の間隔で配置された放射状に突出するティース部と、
   前記ティース部の周りには、絶縁部材で形成されたボビンと、
   前記ボビンを介して前記ティース部に集中巻きによって巻回されるコイルと、を備える回転電機の固定子であって、
   前記ティース部の外周部を基点としてコイル口出し線が形成され、
   前記コイルは、前記ステータの内径側から順次折り返され、かつ当該固定子の軸方向端部にて段上がりをして巻回されることで多段のコイルを構成し、
   前記段上がりのうち、少なくとも偶数段の巻き終わりを構成するコイルは、次段の段上がりを構成するコイルと離間される回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
   前記段上がりのうち、前記偶数段の巻き終わりを構成するコイルは、次段の段上がりを構成するコイルと離間すると共に、前記次段の段上がりは、前記固定子の軸方向端部において、当該偶数段の巻き終わりを構成するコイルと交差する回転電機の固定子。
3. 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
   前記段上がりのうち、前記偶数段の巻き終わりを構成するコイルは、次段の段上がりを構成するコイルと離間すると共に、前記コイルの口出し線と前記次段の段上がりとの間に空隙を形成する回転電機の固定子。
4. 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
   前記段上がりのうち、前記偶数段の巻き終わりを構成するコイルは、次段の段上がりを構成するコイルと離間すると共に、前記ティース部の外径側に空隙を形成する回転電機の固定子。
5. 請求項３に記載の回転電機の固定子であって、
   前記空隙に、前記コイルが落とし込まれるように巻回される回転電機の固定子。
6. 請求項１ないし５に記載のいずれかの固定子を備える回転電機であって、
   前記固定子と空隙を介して対向する回転子を備える回転電機。
7. 周方向に所定の間隔で配置された放射状に突出するティース部と、前記ティース部の周りには、絶縁部材で形成されたボビンと、前記ボビンを介して前記ティース部に集中巻きによって巻回されるコイルと、を備える回転電機の固定子の製造方法であって、
   前記ティース部の外周部を基点としてコイル口出し線が形成させる第１工程と、
   前記コイルを前記ステータの内径側から順次折り返し、かつ当該固定子の軸方向端部にて段上がりをして巻回して多段のコイルを構成する第２工程と、
   前記段上がりのうち、少なくとも偶数段の巻き終わりを構成するコイルを次段の段上がりを構成するコイルと離間させる第３工程と、を備える回転電機の固定子の製造方法。
8. 請求項７に記載の回転電機の固定子の製造方法であって、
   前記第３工程は、前記段上がりのうち、前記偶数段の巻き終わりを構成するコイルを次段の段上がりを構成するコイルと離間させると共に、前記次段の段上がりは、前記固定子の軸方向端部において、当該偶数段の巻き終わりを構成するコイルと交差させる回転電機の固定子の製造方法。
9. 請求項７に記載の回転電機の固定子の製造方法であって、
   前記第３工程は、前記段上がりのうち、前記偶数段の巻き終わりを構成するコイルを次段の段上がりを構成するコイルと離間させると共に、前記コイルの口出し線と前記次段の段上がりとの間に空隙を形成させる回転電機の固定子の製造方法。
10. 請求項７に記載の回転電機の固定子の製造方法であって、
    前記第３工程は、前記段上がりのうち、前記偶数段の巻き終わりを構成するコイルを次段の段上がりを構成するコイルと離間させると共に、前記ティース部の外径側に空隙を形成させる回転電機の固定子の製造方法。
11. 請求項９に記載の回転電機の固定子の製造方法であって、
    前記空隙に、前記コイルが落とし込まれるように巻回される回転電機の固定子の製造方法。

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