JP2019080429A - 回転電機、回転電機の製造方法、固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】ボビンの強度を維持しつつ鉄心の変形を抑制することができる。【解決手段】回転電機は、鉄心を覆うボビンにコイルが巻き回されて形成される複数の集中巻きコイルが円環を構成するように配される固定子を備える、鉄心の長手方向両端部において、鉄心とボビンが対向する面に円環の内周側から外周側に向かって延伸する非貫通溝を備える。【選択図】図８

Description

本発明は、回転電機、回転電機の製造方法、および固定子に関する。

近年、電動パワーステアリングなどに用いられるモータでは、コイルの太線化がトレンドとなっている。太線化によってコイルの抵抗値を低減できる効果がある一方、分割鉄心を用いた集中巻きコイルでは巻線時の張力による鉄心の変形が生じ易くなる。鉄心の変形による主な問題点は以下の二つである。一つ目は、巻線後の複数の鉄心を円環状に並べて固定子とし、これをハウジングに圧入あるいは焼きばめする際に、鉄心の変形によって固定子外周面の真円度が低くなり、圧入や焼きばめが困難となることである。二つ目は、圧入や焼きばめを行った後の固定子の内径の真円度が低くなり、固定子と回転子の間の磁界に歪みが生じることである。この磁界の歪みはコギングトルク発生の要因となる。特に電動パワーステアリング用モータの場合、ハンドリングをアシストするモータのコギングトルクは、運転者の操舵感を悪化させるものであり、コギング低減の要求は年々高まっている。
特許文献１には、ロータと、磁性鋼板を積層一体化して作製された円環状のステータコア、および該ステータコアの各ティースに巻装された集中巻コイルを有し、上記ロータを囲繞するように配設されるステータと、を備え、胴部、および該胴部の上面の長さ方向の両端に突設された一対のガイド部を有するボビンが、該胴部の長さ方向を上記ティースの径方向に一致させて、該胴部の底面を該ティースの軸方向両端面に沿わせて配置され、上記集中巻コイルが、導体線を、上記ティースの軸方向両端の上記胴部と上記一対のガイド部とにより形成される凹空間内を通って、該ティースのまわりを所定回巻回させて構成されていることを特徴とする回転電機が開示されている。

特開２０１２−２３９３４７号公報

特許文献１に記載されている発明では、ボビンの強度を維持しながら鉄心の変形を抑制することができない。

本発明の第１の態様による回転電機は、鉄心を覆うボビンにコイルが巻き回されて形成される複数の集中巻きコイルが円環を構成するように配される固定子を備える回転電機であって、前記鉄心の長手方向両端部において、前記鉄心と前記ボビンが対向する面に前記円環の内周側から外周側に向かって延伸する非貫通溝を備える。
本発明の第２の態様による回転電機の製造方法は、鉄心を覆うボビンにコイルが巻き回されて形成される複数の集中巻きコイルが円環を構成するように配される固定子を備え、前記鉄心の長手方向両端部において、前記鉄心と前記ボビンが対向する面に前記円環の内周側から外周側に向かって延伸する非貫通溝を備える回転電機の製造方法であって、前記集中巻きコイルを、前記長手方向両端部の前記非貫通溝に挿入された第１の１対の治具により前記鉄心を長手方向に圧縮しながら巻線することを含む。
本発明の第３の態様による固定子は、コイルが巻き回されたボビンに覆われる鉄心を備える固定子であって、前記鉄心の長手方向両端部において、前記鉄心と前記ボビンが対向する面に前記固定子の内周側から前記固定子の外側に向かって延伸する非貫通溝を備える。

本発明によれば、ボビンの強度を維持しつつ鉄心の変形を抑制することができる。

固定子１の外観を示す図 コイル４が巻き回された後の状態にある鉄心２を示す図 コイル４が巻き回される前の状態にある鉄心２とボビン３を分割して示す図 コイル４の巻線による鉄心２の一般的な第１の変形を示す図 コイル４の巻線による鉄心２の一般的な第２の変形を示す図 ボビン３の詳細な形状を説明する図 コイル４を巻線された状態の鉄心２の４面図および斜視図 鉄心２へのコイル４の巻線方法を示す図 非貫通溝１１の奥行き方向の延伸長さを示す図 コイル４による締め付け力が作用する主な箇所を示す図 変形例１におけるボビン３の形状を示す図 変形例２におけるボビン３の形状を示す図 変形例３におけるボビン３の形状を示す図 第４非貫通溝１１Ｄの奥行き方向の延伸長さを説明する図 第２の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図 第３の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図 第４の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図 第５の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図 第６の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図

―第１の実施の形態―
以下、図１から図１０を参照して、本発明にかかる回転電機用の固定子、およびこれを用いた回転電機の第１の実施の形態を説明する。

（固定子の概要）
図１は、本発明にかかる固定子１の外観を示す図である。ただし固定子１の特徴は細部であるため図１ではその特徴部分は図示されていない。電動モータ１００は、固定子１と不図示の回転子とを備える。固定子１は円環の形状を有し、不図示の回転子はこの円環状の固定子１の内側に配される。固定子１は複数の鉄心２を備え、それぞれの鉄心２にコイル４が集中的に巻かれる。換言すると、電動モータ１００は巻線の形態として集中巻きを採用している。コイル４が巻かれた鉄心２は、図１に示すように円環を構成するように配置される。この円環には幅があり内周よりも外周の方が長いので、鉄心２も内周よりも外周が長い。詳しくは後述する。コイル４に通電されると磁界が生じ、不図示の回転子が回転する。

図２はコイル４が巻き回された後の状態にある鉄心２を示す図、図３はコイル４が巻き回される前の状態にある鉄心２とボビン３を分割して示す図である。以下では、図２に示す矢印Ｈの方向を高さ方向または長手方向、矢印Ｄの方向を奥行き方向、矢印Ｗの方向を幅方向と呼ぶ。なおここではＨ、Ｄ、Ｗは方向を表すにすぎず、寸法を表すものではないことを明確にするために一方の矢印を用いている。矢印Ｄで示す奥行き方向は、固定子１が形成する円環における内周側と外周側とを結ぶ方向である。なお以下では、「固定子１が形成する円環における内周側」を単に「内周側」と呼び、「固定子１が形成する円環における外周側」を単に「外周側」と呼ぶ。図２および図３において、図示左側が内周側であり図示右側が外周側である。なお図２において、各ボビン３にコイル４を巻き始める入力線および出力線は図示しないが、適切な位置に配置されている。

鉄心２は鉄系の金属で構成される。鉄心２は、鉄心２の断面形状に打ち抜かれた薄い鋼板を高さ方向に複数枚重ねて製造される。以降、各図に示される鉄心２を構成する鋼板の枚数や厚さは正確に図示したものではなく、図に示す枚数や厚さの鋼板でない場合であっても発明の本質は変わらない。鉄心２の内周側は窪んだ凹形状を有し、鉄心２の外周側は張り出した凸形状を有する。これらの凹形状および凸形状は、前述のとおり固定子１の円環状の外形に沿うものである。鉄心２は、コイル４との電気的な絶縁のために、樹脂など絶縁性の材料で成形されたボビン３で覆われる。ボビン３は図３に示すように鉄心２の長手方向の両端から挿入され、ボビン３の挿入後にコイル４が巻き回される。なおコイル４の主な素材は、銅やアルミなどである。

鉄心２へのコイル４の巻回は、たとえば鉄心２とボビン３を組み合わせたものを巻線機に固定し、電線の片方の端部をボビン３あるいはその周囲の治具に固定した状態において、鉄心２とボビン３を回転させてボビン３にコイル４を巻きつける方法をとることができる。また、電線の繰出し口であるノズルを、電線を繰出しながらボビン３の周囲を旋回させることによってコイル４を巻回してもよい。鉄心２へのコイル４の巻回の詳細、特に鉄心２の固定について後に詳しく説明する。

（巻線張力による鉄心２の変形）
図４および図５は、コイル４の巻線による鉄心２の一般的な変形を示す図である。図４は第１の変形を示す図であり、図５は第２の変形を示す図である。図４に示す第１の変形では、鉄心２の内周側が長手方向に縮み外周側が長手方向に伸びて、鉄心２は符号５で示す矢印の方向に曲がっている。この状態は、鉄心２の外周側の端面が山なりの形状を有するとも表現される。

前述のように、鉄心２は鋼板を打ち抜いた部品を長手方向に積層して形成しており、各鋼板の間には微小な隙間が存在する。この微小な隙間が、コイル４の巻線によって生じる鉄心２を締め付ける向きの力によって狭くなることによって鉄心２に曲がりが生じる。図４に示すように鉄心２の内周側の張り出し部分の厚みをｔ１、外周側の張り出し部分の厚みをｔ２とすると、固定子の電気的な性質によりｔ１よりもｔ２が大きい。そのためコイル４は、内周側においては、鉄心２の内周側端面に非常に近い位置まで巻線されるのに対し、外周側においては鉄心２の外周面の端面からコイル４の巻線位置までの距離が大きくなる。そのため鉄心２を締め付ける力が鉄心２の内周側に偏って働く。これにより、鉄心２を構成する鋼板間の隙間は、鉄心２の内周側においてより減少しやすく、図４に示すような曲がりが生じる。

図５に示す一般的な第２の変形では、鉄心２の長手方向端部に近い個所の鋼板が、コイル４の巻線される向きに向かってずれた形状となる。この変形は、コイル巻線時の張力により、鉄心２の長手方向端部に符号６で示す方向の力がかかり、この力によって鋼板の位置がずれてしまうために発生する。図４および図５に示した変形はいずれも、近年のコイル太線化のトレンドにより巻線張力が増大したことに伴って顕著化している。また、コギングトルク低減の要求の高まりから、看過できないものとなってきている。そのため本発明では以下のように鉄心２の変形を防止する。

（特徴の概要）
本発明にかかる固定子１の特徴は、鉄心２の長手方向の両側から鉄心２を圧縮させる力を掛けた状態でコイル４を巻線して形成したことである。この効果は次の２つである。第一の効果は、鉄心２を長手方向に圧縮することにより、巻線前の段階において鉄心２の鋼板間の隙間が低減されることから、コイル４の締め付け力による鉄心２の変形量が小さくなることである。したがって、鉄心２の内周側と外周側の長手方向の長さの圧縮量の差が小さくなり、図４に示したような変形を抑制することができることである。第２の効果は、鉄心２を圧縮する力は、鉄心２の鋼板同士をより密接に接触しあう向きに働くため、鋼板間の摩擦力が大きくなることである。鋼板間の摩擦力が大きくなることにより、鉄心２の長手方向端部において鉄心２の鋼板を鉄心２の幅方向にずらす力（図５の矢印６）に抗する力が大きくなり、鉄心２の変形を抑制することができる。

（ボビン３の形状）
図６はボビン３の詳細な形状を説明する図、図７はコイル４を巻線された状態の鉄心２の４面図および斜視図である。図７の正面図３１および斜視図３４に示すように、ボビン３は２つの非貫通溝１１を備える。この非貫通溝１１は、ボビン３の内周側の端面を起点として外周側へ向かって延伸する。図７における符号３２は正面図３１における符号３６で示す位置の断面図、符号３５は左側面図、符号３３は上面図である。なお図７には背面図を描いていないが、背面、すなわち外周側には非貫通溝１１は設けられない。ただし外周側の非貫通溝１１に対応する位置には段差部８１が設けられる。段差部８１は、図４に示したように鉄心２の外周側の張り出し部の厚みｔ２が比較的厚く、ボビン３が鉄心２の外周側の張り出し部の一部しか覆わないことから形成される。段差部８１は、鉄心２の外周側の長手方向の上下端に設けられ、段差部８１を把持することで鉄心２の外周側を圧縮することができる。上面図３３に示すように、非貫通溝１１の幅ｔ１１は、ボビン３においてコイル４が巻きつけられる幅ｔ３０よりも狭い。

図６は鉄心２に一体化する前のボビン３の形状を示しており、ボビン３に非貫通溝１１が設けられ鉄心２には溝が形成されていないことがわかる。すなわちボビン３の鉄心２と対向する面にのみ、内周側の端面を起点として外周側へ向かって延伸する非貫通溝１１が設けられる。この非貫通溝１１は、鉄心２を長手方向から把握可能なようにボビン３の長手方向の上下それぞれに設けられる。

図８は、鉄心２へのコイル４の巻線方法を示す図、換言すると固定子１の製造方法を示す図である。図８に示すように、鉄心２は内周側および外周側を長手方向に圧縮された状態でコイル４が巻き回される。鉄心２の外周側の長手方向端部の両面は、ボビン３に覆われずに露出している段差部８１なので、この段差部８１を外周側加圧治具１２によって挟み込んで長手方向に圧縮する。鉄心２の内周側の長手方向両端部は、モータの磁気的損失を最小限に抑えるために鉄心２の内周面とボビン３の内周面の奥行き方向の位置を一致させており、そのままでは治具を用いることができない。本実施の形態におけるボビン３は前述のとおり非貫通溝１１を有するので、この非貫通溝１１に内周側加圧治具１３を挿入して鉄心２の内周側を長手方向に圧縮する。

このように、鉄心２の長手方向の両端部において、内周側と外周側の両方に圧縮する力を均等に掛けることができ、鉄心２の鋼板間の隙間を均等に押しつぶすことができるようになる。また鉄心２を圧縮する力は、巻線後に外周側加圧治具１２および内周側加圧治具１３を取り除いた際に、曲がりやずれが最少となるような大きさ、配分となるように調整可能である。さらにこのとき、鉄心２の外周面に巻線機に鉄心２を取り付ける外周側拘束治具１７によって姿勢を拘束し、内周側は内周側拘束治具１８を押し当てるなどして姿勢を拘束しながら巻線を行う。外周側拘束治具１７および内周側拘束治具１８は、接触する鉄心２の表面に沿うように加工されている。具体的には、外周側拘束治具１７は外周側に膨らむ鉄心２に沿うように凹みを有し、内周側拘束治具１８は凹みを有する鉄心２に沿うように鉄心２の側へ膨らみを有する。非貫通溝１１は、内周側加圧治具１３を挿入するために設けられるので、非貫通溝１１の奥行き方向の延伸長さがあまりにも短いとその目的を達成することができないが、以下のように最大の長さが規定される。

（非貫通溝の最大延伸長さ）
図９は、非貫通溝１１の奥行き方向の延伸長さを示す図である。非貫通溝１１の長さをＬ１とし、コイル４の径方向位置を規制し鉄心２の長手方向に伸びるボビン３の壁面の厚さをＬ２とし、コイル４の線径をｄとする。このとき非貫通溝１１の延伸長さＬ１は、以下の数式１の関係を満たす。
Ｌ１＜ Ｌ２＋ｄ／２ ・・・（数式１）

このように非貫通溝１１の奥行き方向の延伸長さＬ１は、Ｌ２＋ｄ／２を超えない範囲で、内周側加圧治具１３を挿入できる長さに設定される。この関係を満たす場合は、図９に示すように非貫通溝１１の最深部８２は、最も内周側に寄ったコイル４の中心よりも内周側にある。換言すると、最も内周側に寄ったコイル４の中心から図示鉛直下向きには非貫通溝１１による空洞が存在せず、十分な力に耐えることができる。以下に詳述する。

非貫通溝１１の奥行き方向の最大の延伸長さを上述したように決定した理由を説明する。まず、非貫通溝１１がボビン３を貫通していないことは、ボビン３の強度を確保し、かつボビン３の高さを必要以上に高くせずコイル４の周長や抵抗値を増大させないために必須である。仮にボビン３に設けられた溝が奥行き方向に貫通している場合は、貫通している溝の部分は空洞なので構造的に脆弱であり、コイル４の締め付け力により、長手方向から押す力や、幅方向に圧縮する向き力に耐えられず、ボビン３が割れる可能性がある。鉄心２を構成する鋼板は、主に樹脂で製作されるボビン３と比較して十分に強度が高く、内周側と外周側の端部のみを圧縮しても鋼板の強度に問題はない。そのため、貫通しない溝であれば貫通溝を開ける場合のような、コイル巻きつけ面下部の空洞は限定的にしか存在せず、非貫通溝１１を設けることによる強度低下は極めて限定的である。

図１０はコイル４による締め付け力が作用する主な箇所を示す図である。ボビン３の強度についてさらに詳述すると、ボビン３に作用する力はコイル４による締め付け力が支配的である。すなわち、コイル４の締め付け力の影響の大きな箇所に非貫通溝１１による空洞がなければ、より強度の心配の少ない構造となる。ボビン３に対して、コイル４の締め付け力が強く働く箇所は、ボビン３の最も内周側に巻かれるコイル４がボビン３と接触する箇所と、ボビン３の最も外周側に巻かれるコイル４がボビン３と接触する箇所に挟まれる領域、すなわち図１０において符号８３のハッチングで示す領域である。図９において示したように、非貫通溝１１の最深部８２は、最も内周側に寄ったコイル４の中心よりも内周側にあるので、非貫通溝１１は図１０の符号８３のハッチングで示す領域とは重複しない。そのためボビン３はコイル４による締め付け力に耐えることができる。

なおコイル４を巻線する際の製造上の都合により、ボビン３の長手方向端部の形状が、図７に示すように、内周側が高く外周側が低くなる傾斜を有する場合は、傾斜によって厚くなった部分に非貫通溝１１を設けることになる。この場合は、デッドスペースの有効な活用ともなる利点も有する。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）回転電機である電動モータ１００は、鉄心２を覆うボビン３にコイル４が巻き回されて形成される複数の集中巻きコイルが円環を構成するように配される固定子１を備える。電動モータ１００は、鉄心２の長手方向両端部において、鉄心２とボビン３が対向する面に円環の内周側から外周側に向かって延伸する非貫通溝１１を備える。そのため固定子１を製造する際に、非貫通溝１１に内周側加圧治具１３を挿入して鉄心２を長手方向に圧縮しながらボビン３にコイル４を巻線することができる。鉄心２をあらかじめ長手方向に圧縮するので、鉄心２を構成する薄い鋼板同士の隙間があらかじめ圧縮され、コイル４をボビン３に巻線することによる鋼板同士の隙間の変化が抑制される。したがって、従来であれば鋼板同士の隙間が圧縮されて余分となったコイル４の周長がコイル４が幅方向に膨らむ要因となったが、本実施の形態では余分となるコイル４が短くコイル４の幅方向への膨らみが抑制され、鉄心２の変形も抑制される。またボビン３には内周側加圧治具１３が挿入可能なように加工が施されるが、加工の影響を低減するために奥行き方向に貫通しない非貫通溝１１に留まる。そのため上述した電動モータ１００は、ボビン３の強度を維持しつつ、鉄心２の変形に起因するコギングトルクの増大を抑制することができる。

（２）非貫通溝１１はボビン３に形成される。そのため鉄心２は加工せずに形状を変化させず、発生させる磁界を従前どおりとすることができる。換言すると、本発明を適用しても磁界への悪影響を生じさせない。

（３）非貫通溝１１の延伸長さは、コイル４の径方向位置を規制し鉄心２の長手方向に伸びるボビン３の壁面の厚さＬ２と，コイル４の線径ｄの半分、すなわちｄ／２とを合わせた長さよりも短い。そのため図１０にハッチングで示すコイル４による締め付け力が作用する主な箇所は、中空である溝が存在しない中実となっており、ボビン３の強度低下を軽微にとどめることができる。

（４）鉄心２を覆うボビン３にコイル４が巻き回されて形成される複数の集中巻きコイル４が円環を構成するように配される固定子１を備え、鉄心２の長手方向両端部において、鉄心２とボビン３が対向する面に円環の内周側から外周側に向かって延伸する非貫通溝１１を備える電動モータ１００の製造方法は、以下の工程を含む。すなわち、集中巻きコイルを、長手方向両端部の非貫通溝１１に挿入された第１の１対の治具、すなわち内周側加圧治具１３により鉄心２を長手方向に圧縮しながら巻線することを含む。そのためコイル４をボビン３に巻線することによる鋼板同士の隙間の変化を抑制し、鉄心２の変形を抑制する。また非貫通溝１１は奥行き方向に貫通しない。そのためこの製造方法によれば、ボビン３の強度を維持しつつ、鉄心２の変形に起因するコギングトルクの増大を抑制した電動モータ１００を製造することができる。

（５）電動モータ１００の製造方法は、集中巻きコイルはさらに、鉄心２の円環の外周側への変形を拘束する外周側拘束治具１７、および鉄心２の円環の内周側への変形を拘束する内周側拘束治具１８により鉄心２を拘束しながら巻線することを含む。そのため鉄心２の変形をさらに抑制することができ、コギングトルクの増大を抑制することができる。

（６）固定子１は、コイル４が巻き回されたボビン３に覆われる鉄心２を備える。固定子１は、鉄心２の長手方向両端部において、鉄心２とボビン３が対向する面に固定子の外周側から固定子の内側に向かって延伸する非貫通溝１１を備える。そのため固定子１は、ボビン３の強度を維持しつつ、鉄心２の変形に起因するコギングトルクの増大を抑制することができる。

（第１の実施の形態の変形例１）
図１１は、変形例１におけるボビン３の形状を示す図である。上述した第１の実施の形態では、非貫通溝１１は一端に１つのみ設けられたが、一端に複数の非貫通溝が設けられてもよい。図１１に示すボビン３は、第１非貫通溝１１Ａおよび第２非貫通溝１１Ｂを備える。図１１では記載を省略しているが、長手方向の対称な位置にも同様の非貫通溝が設けられる。第１非貫通溝１１Ａおよび第２非貫通溝１１Ｂは、ボビン３の幅方向の中心線を対象軸として線対称な位置に設けられる。第１非貫通溝１１Ａおよび第２非貫通溝１１Ｂの長さ、すなわち奥行き方向の延伸長さは、第１の実施の形態と同様である。

本変形例によれば、第１の実施の形態における作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。すなわち、本変形例では第１非貫通溝１１Ａおよび第２非貫通溝１１Ｂが幅方向に並んで設けられるので、鉄心２を安定して把持することができる。

（第１の実施の形態の変形例２）
図１２は、変形例２におけるボビン３の形状を示す図である。上述した第１の実施の形態では、非貫通溝１１は幅方向の中央に設けられ幅方向の端部と連通しなかったが、幅方向の両端を結ぶように連通してもよい。図１２に示すボビン３は、第３非貫通溝１１Ｃを備える。図１２では記載を省略しているが、長手方向の対称な位置にも同様の非貫通溝が設けられる。第３非貫通溝１１Ｃは、ボビン３の幅方向に一様な形状を有し、奥行き方向に段差を形成する。第３非貫通溝１１Ｃにおける奥行き方向の延伸長さは、第１の実施の形態と同様である。

本変形例によれば、第１の実施の形態における作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。すなわち、本変形例では第３非貫通溝１１Ｃがボビン３の幅方向一杯に存在するので、鉄心２をより安定して把持することができる。

（第１の実施の形態の変形例３）
図１３は、変形例３におけるボビン３の形状を示す図である。上述した第１の実施の形態では、非貫通溝１１の長手方向は端部まで達しなかったが、長手方向の端部まで達してもよい。図１３に示す第４非貫通溝１１Ｄは、長手方向がボビン３の端部まで達している。図１３では記載を省略しているが、長手方向の対称な位置にも同様の非貫通溝が設けられる。ただし第４非貫通溝１１Ｄの奥行き方向の延伸長さは、ボビン３を奥行き方向に貫通しない長さであり、第１の実施の形態における非貫通溝１１よりも短い。以下に詳述する。

図１４は、第４非貫通溝１１Ｄの奥行き方向の延伸長さを説明する図である。図１４は第１の実施の形態における図９に追記した図であり、第４非貫通溝１１Ｄを破線で示している。すなわち図１４におけるボビン３、コイル４、寸法Ｌ１、寸法Ｌ２は図９と同一である。第４非貫通溝１１Ｄの奥行き方向の延伸長さＬ３は、第４非貫通溝１１Ｄがボビン３を奥行き方向に貫通しないように、寸法Ｌ２未満である。寸法Ｌ２とは前述のとおり、コイル４の径方向位置を規制し鉄心２の長手方向に伸びるボビン３の壁面の厚さである。第１の実施の形態において説明したように、第１の実施の形態における非貫通溝１１の奥行き方向の延伸長さＬ１はＬ２とコイル４の線径ｄの半分とを合わせた長さ未満である。すなわち、設定可能な非貫通溝１１の奥行き方向の延伸長さＬ１の最大長さをＬ１ＭＡＸ、設定可能な第４非貫通溝１１Ｄの奥行き方向の延伸長さＬ４の最大長さをＬ３ＭＡＸとおくと、これらとＬ２は以下の数式２の関係を有する。
Ｌ１ＭＡＸ＞Ｌ２＞Ｌ３ＭＡＸ ・・・（数式２）

なお仮に第４非貫通溝１１Ｄの奥行き方向の延伸長さＬ３をＬ２と等しくする場合、すなわち第４非貫通溝１１Ｄがボビン３を奥行き方向に貫通する場合は、以下の問題が生じる。すなわちボビン３が幅方向に分割され、幅方向の強度が著しく低下する。

（第１の実施の形態の変形例４）
第１の実施の形態における図９では、非貫通溝１１の奥行き方向の延伸長さＬ１をボビン３の内周側の壁部の厚みＬ２を超えるように図示した。しかし非貫通溝１１の奥行き方向の延伸長さＬ１は、ボビン３の内周側の壁部の厚みＬ２未満であってもよい。

（第１の実施の形態の変形例５）
第１の実施の形態では、図７の上面図３３に示したように非貫通溝１１の幅ｔ１１はボビン３においてコイル４が巻きつけられる幅ｔ３０よりも狭いとした。しかし非貫通溝１１の幅ｔ１１は、ボビン３においてコイル４が巻きつけられる幅ｔ３０よりも広くてもよい。

（第１の実施の形態の変形例６）
第１の実施の形態では、非貫通溝１１の形状は、奥行き方向に向かって一様であるものとして図示したが、奥行き方向の位置によりその形状が変形してもよい。たとえば非貫通溝１１がテーパ状であってもよい。

（第１の実施の形態の変形例７）
図９では、ボビン３のコイル４が巻き付けられる箇所、すなわち壁部を除くボビン３の長手方向端部は、外周側ほど低くなる傾斜を有する構造として説明した。しかしボビン３の長手方向端部は傾斜がなくフラットでもよい。またボビン３の長手方向端部の形状が、さらに異なる形状であってもよい。すなわち本発明はボビン３の長手方向の端面の形状に制約されない。

（第１の実施の形態の変形例８）
上述した第１の実施の形態では、図８に示すように鉄心２の外周側と内周側の両方を長手方向に圧縮した。しかし圧縮するのは内周側だけでもよい。換言すると、外周側加圧治具１２を用いた鉄心２の外周側の長手方向の圧縮を行わなくてもよい。

（第１の実施の形態の変形例９）
上述した第１の実施の形態では、図８に示すように外周側拘束治具１７および内周側拘束治具１８を用いて鉄心２の姿勢を拘束した状態でボビン３にコイル４を巻線した。しかしボビン３にコイル４を巻線する際に外周側拘束治具１７および内周側拘束治具１８を用いて鉄心２の姿勢を拘束しなくてもよい。換言すると、ボビン３にコイル４を巻線する際には、鉄心２を長手方向に圧縮することは必須であるが、鉄心２の外周側および内周側への変形を拘束することは必須ではない。

―第２の実施の形態―
以下、図１５を参照して、本発明にかかる回転電機用の固定子、およびこれを用いた回転電機の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態では、非貫通溝を鉄心２に設ける点で第１の実施の形態と異なる。

図１５は、第２の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図である。第２の実施の形態では鉄心２に非貫通溝２１が設けられる。前述のように、鉄心２は薄い鋼板を積層して形成されるため、第２の実施の形態では鋼板のうちの所定の枚数について、積層後に非貫通溝２１となる箇所の板を切り落とした鋼板を積層する。非貫通溝２１の奥行き方向の延伸長さは、第1の実施の形態における非貫通溝１１と同様である。

第２の実施の形態では、図１５に示すように非貫通溝２１に内周側加圧治具１３を挿入して内周側を長手方向に圧縮し、段差部８１を外周側加圧治具１２によって挟み込んで長手方向に圧縮する。そしてこの状態でボビン３にコイル４が巻き回される。なお図１５では外周側拘束治具１７および内周側拘束治具１８の図示を省略しているが、第１の実施の形態と同様にこれらも用いて固定子１を製造してもよい。

上述した第２の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（７）非貫通溝２１は鉄心２に形成される。そのため設計などの都合により、ボビン３に非貫通溝を設けることが困難である場合であっても、鉄心２に非貫通溝２１を設けることでボビン３にコイル４を巻線する際に鉄心２を長手方向に圧縮できる。これによりボビン３の強度を維持しつつ、鉄心２の変形に起因するコギングトルクの増大を抑制することができる。

―第３の実施の形態―
以下、図１６を参照して、本発明にかかる回転電機用の固定子、およびこれを用いた回転電機の第３の実施の形態を説明する。第３の実施の形態では、非貫通溝１１をボビン３に設け、さらに非貫通溝２１を鉄心２の両方に設ける点で第１および第２の実施の形態と異なる。

図１６は、第３の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図である。第３の実施の形態ではボビン３に非貫通溝１１が設けられ、これと連通するように鉄心２に非貫通溝２１が設けられる。鉄心２への非貫通溝２１の形成方法は第２の実施の形態と同様である。非貫通溝２１の奥行き方向の延伸長さの上限は第１の実施の形態における非貫通溝１１との上限と同様である。本実施の形態では、非貫通溝１１と非貫通溝２１の奥行き方向の延伸長さは、同一であることが好ましいが異なっていてもよい。本実施の形態における固定子１の製造方法は第１の実施の形態と同様であり、非貫通溝１１だけでなく非貫通溝２１も利用して内周側加圧治具１３により鉄心２の内周側を長手方向に圧縮する点が第１の実施の形態と異なる。

上述した第３の実施の形態によれば、設計などの都合により、ボビン３および鉄心２のそれぞれだけでは、内周側加圧治具１３を挿入するための高さが確保された非貫通溝を設けることができない場合でも以下の効果が得られる。すなわち、ボビン３の強度を維持しつつ、鉄心２の変形に起因するコギングトルクの増大を抑制することができる。

―第４の実施の形態―
以下、図１７を参照して、本発明にかかる回転電機用の固定子、およびこれを用いた回転電機の第４の実施の形態を説明する。第４の実施の形態では、鉄心２を内周側から外周側に向かって貫く貫通溝２２を設ける点が、第１の実施の形態と異なる。

図１７は、第４の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図である。第４の実施の形態では鉄心２に貫通溝２２が設けられる。鉄心２への貫通溝２２の形成は、第２の実施の形態における切り落としの形状を変化させることで対応可能である。本実施の形態における固定子１の製造方法は第２の実施の形態と同様であり、非貫通溝２１の代わりに貫通溝２２に内周側加圧治具１３を挿入する点が第２の実施の形態と異なる。本実施の形態では、第２の実施の形態において用いることができる全ての内周側加圧治具１３を用いることができる。さらに本実施の形態では、貫通溝２２が鉄心２の内周側から外周側まで貫通しているので、外周側加圧治具１２と内周側加圧治具１３を一体部品とすることや、内周側加圧治具１３の端部を外周側で把持することによって、貫通溝２２を内周側から外周側にかけて一様に圧縮することもできる。

なおボビン３は樹脂などによって形成されるため、強度確保の観点からボビン３に貫通溝を設けることは困難である。鉄心２は積層される鋼板によって形成されるので貫通溝２２を設けても強度を確保することができる。ただし、鉄心２を構成する鋼板を鋼板に設けられた凹凸、いわゆるダボによって締結する場合は、貫通溝２２によって分断された鋼板は、分断されたそれぞれの側が鉄心２として締結される必要があり、貫通溝２２がない場合に比べて必要なダボの数は増加する。

上述した第４の実施の形態によれば、たとえば鉄心２が非常に小型であり、非貫通溝だけでは十分な加圧面積を確保できない場合でも次の作用効果が得られる。すなわち、鉄心２に貫通溝２２を設けることで、ボビン３の強度を維持しつつ、鉄心２の変形に起因するコギングトルクの増大を抑制することができる。

―第５の実施の形態―
以下、図１８を参照して、本発明にかかる回転電機用の固定子、およびこれを用いた回転電機の第５の実施の形態を説明する。第５の実施の形態では、ボビン３の内周側から外周側に向かって延伸する非貫通溝１１に加え、ボビン３の外周側から内周側に向かって延伸する外周側非貫通溝２３を備える点が第１の実施の形態と異なる。

図１８は、第５の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図である。本実施の形態では、ボビン３の奥行き方向の外周側の端面の位置は、鉄心２の外周側の端面の位置と等しい。換言すると第５の実施の形態におけるボビン３の奥行き方向の幅は、第１の実施の形態と比べて拡張されている。またボビン３は、外周側端面から内周側に向かって延伸する外周側非貫通溝２３を有する。

第５の実施の形態では、図１８に示すように非貫通溝２１に内周側加圧治具１３を挿入して内周側を長手方向に圧縮し、外周側非貫通溝２３に外周側加圧治具１２Ａを挿入して内周側を長手方向に圧縮する。なお外周側加圧治具１２Ａは、内周側加圧治具１３と同様に溝へ挿入可能な段部を備える。そしてこの状態でボビン３にコイル４を巻き回す。なお図１８では外周側拘束治具１７および内周側拘束治具１８の図示を省略しているが、第１の実施の形態と同様にこれらも用いて固定子１を製造してもよい。

本実施の形態では、ボビン３が鉄心２の端部の内周側から外周側にかけて広く分布する。そのため、コイル４による締め付け力が、ボビン３を伝わってより一様に鉄心２に作用して鉄心２の変形を抑制する効果が高まる。また、外周側加圧治具１２Ａおよび内周側加圧治具１３を取り外し後には、鉄心２は圧縮から解放されて、ばねのように伸びようとする。そのため鉄心２の長手方向の長さは一定量長くなるが、本実施の形態では外周側の端部までボビン３によって覆われているので、内周側と外周側の高さの変化量の差が小さくなる。

上述した第５の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（８）電動モータ１００は、鉄心２の長手方向端部において、鉄心２とボビン３が対向する面に円環の外周側から内周側に向かって延伸する外周側非貫通溝２３を備える。そのためボビン３が鉄心２の端部の内周側から外周側にかけて広く分布する場合でも、ボビン３の強度を維持しつつ、鉄心２の変形に起因するコギングトルクの増大を抑制することができる。

（９）電動モータ１００の固定子１を構成する集中巻きコイルは、鉄心２の長手方向端部において、鉄心２とボビン３が対向する面に円環の外周側から内周側に向かって延伸する外周側非貫通溝２３を備える。そしてボビン３にコイル４を巻線する際には、非貫通溝１１に内周側加圧治具１３を挿入して圧縮するだけでなく、長手方向両端部の外周側非貫通溝２３に挿入された第２の１対の治具、すなわち外周側加圧治具１２により、さらに鉄心２を長手方向に圧縮しながら巻線する。

―第６の実施の形態―
以下、図１９を参照して、本発明にかかる回転電機用の固定子、およびこれを用いた回転電機の第６の実施の形態を説明する。第６の実施の形態では、ボビン３および鉄心２に非貫通溝を設けない点で第１の実施の形態と異なる。

図１９は、第６の実施の形態における固定子１の製造方法を示す図である。本実施の形態では、鉄心２の外周側の長手方向端面を挟むように設置した外周側加圧治具１２によって鉄心２を長手方向に圧縮しながら巻線を行う。なお本実施の形態では、鉄心２の外周側を圧縮する力が強い場合には、鉄心２の内周側に図４に示す符号５と逆向きに曲げる力が発生してしまうため、コイル４の締め付け力を加味した圧縮力の設定が必要となる。本実施の形態は、ボビン３や鉄心２の都合によって非貫通溝が設けられない場合や、巻線設備の都合によって鉄心２の内周側に加圧治具や加圧機構を設けられない場合に有効である。

上述した各実施の形態の中には、鉄心２を巻線機に取り付ける治具や、巻線中に鉄心２の内周側を抑える治具の説明および図示がないものがあるが、これらの治具の要否や形状、設置場所が適切に検討されればよい。また、内周側加圧治具１３が内周側抑えを兼ねる構造であってもよい。

上述した各実施の形態および変形例では、ボビン３は、あらかじめ成形し、鉄心２の両端から挿入する方法を例に挙げたが、鉄心２をモールドするように成形してもよいし、分割されずに一体であってもよい。ボビン３の材質は、一例として樹脂を挙げたが、鉄心２とコイル４の間に必要なだけの電気的な絶縁を提供できればよく、材質は問わない。またボビン３の構造は、主にコイル４の巻き付け面となる箇所について記述したが、巻き付け面の周囲に、コイル４の位置ずれを防止するための土手や、巻回位置を規制するための構造物を設けてもよく、そのような場合でも本発明の本質は不変である。

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…固定子
２…鉄心
３…ボビン
４…コイル
１１…非貫通溝
１１Ｂ…第２非貫通溝
１１Ｃ…第３非貫通溝
１２…外周側加圧治具
１３…内周側加圧治具
１７…外周側拘束治具
１８…内周側拘束治具
２１…非貫通溝
２２…貫通溝
２３…外周側非貫通溝
８１…段差部
１００…電動モータ

Claims (10)

1. 鉄心を覆うボビンにコイルが巻き回されて形成される複数の集中巻きコイルが円環を構成するように配される固定子を備える回転電機であって、
   前記鉄心の長手方向両端部において、前記鉄心と前記ボビンが対向する面に前記円環の内周側から外周側に向かって延伸する非貫通溝を備える回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記非貫通溝は前記ボビンに形成される回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記非貫通溝は複数形成される回転電機。
4. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記非貫通溝は前記鉄心に形成される回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記非貫通溝の前記延伸の長さは、前記コイルの径方向位置を規制し前記鉄心の長手方向に伸びる前記ボビンの壁面の厚さと，前記コイルの線径の半分とを合わせた長さよりも短い回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記鉄心の長手方向端部において、前記鉄心と前記ボビンが対向する面に前記円環の外周側から内周側に向かって延伸する外周側非貫通溝をさらに備える回転電機。
7. 鉄心を覆うボビンにコイルが巻き回されて形成される複数の集中巻きコイルが円環を構成するように配される固定子を備え、前記鉄心の長手方向両端部において、前記鉄心と前記ボビンが対向する面に前記円環の内周側から外周側に向かって延伸する非貫通溝を備える回転電機の製造方法であって、
   前記集中巻きコイルを、前記長手方向両端部の前記非貫通溝に挿入された第１の１対の治具により前記鉄心を長手方向に圧縮しながら巻線することを含む回転電機の製造方法。
8. 請求項７に記載の回転電機の製造方法において、
   前記集中巻きコイルは、前記鉄心の長手方向端部において、前記鉄心と前記ボビンが対向する面に前記円環の外周側から内周側に向かって延伸する外周側非貫通溝をさらに備え、
   前記集中巻きコイルを、前記長手方向両端部の前記外周側非貫通溝に挿入された第２の１対の治具により、さらに前記鉄心を長手方向に圧縮しながら巻線することを含む回転電機の製造方法。
9. 請求項７に記載の回転電機の製造方法において、
   前記集中巻きコイルはさらに、前記鉄心の前記円環の外周側への変形を拘束する外周拘束治具、および前記鉄心の前記円環の内周側への変形を拘束する内周拘束治具により前記鉄心を拘束しながら巻線することを含む回転電機の製造方法。
10. コイルが巻き回されたボビンに覆われる鉄心を備える固定子であって、
    前記鉄心の長手方向両端部において、前記鉄心と前記ボビンが対向する面に前記固定子の内周側から前記固定子の外側に向かって延伸する非貫通溝を備える固定子。
    

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