JP2019161771A - Coil manufacturing method and electric device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機及び発電機等の回転機器、変圧器といった電気機器の巻線に使用する巻線構造及びそれを用いた電気機器に関する。 The present invention relates to a winding structure used for a winding of an electric device such as a rotating device such as an electric motor and a generator, or a transformer, and an electric device using the same.
電動機、発電機等の回転機器では回転子又は固定子に巻線が巻装されて用いられており、また、リニアモータでは固定子または可動子に巻線が巻装されて用いられており、変圧器等の電気機器では第一次及び第二次コイルまたは第三次コイルとして巻線が巻装されて用いられている。 In a rotating device such as an electric motor or a generator, a winding is wound around a rotor or a stator, and in a linear motor, a winding is wound around a stator or a mover. In electrical devices such as transformers, windings are used as primary and secondary coils or tertiary coils.
こうした電気機器の巻線方法には、1つの鉄心に集中して巻装する集中巻方式や、複数の鉄心に巻装する分布巻方式がある。集中巻の場合、他の相の巻線とコイルエンドにおいて交差することがないため、コイルエンドの高さを低くすることができる。しかし、コギングトルクが大きいといった問題や体積当たりの出力が分布巻と比べて小さいといったデメリットがある。一方、分布巻の場合、コギングトルクが小さく、体積当たりの出力が集中巻より大きいといったメリットがあるが、他の相の巻線とコイルエンドにおいて複数回交差する必要があり、この導体による空間干渉によりコイルエンドの高さが高くなるデメリットがある。こうした分布巻のデメリットを解決するため、コイルエンドの高さを抑えた様々な方法が提案されている。 As a winding method for such an electric device, there are a concentrated winding method in which the wire is wound around one iron core and a distributed winding method in which the wire is wound around a plurality of iron cores. In the case of concentrated winding, the coil end height can be reduced because the winding does not intersect with the coil ends of the other phases. However, there are a problem that the cogging torque is large and a disadvantage that the output per volume is smaller than that of the distributed winding. On the other hand, the distributed winding has the advantage that the cogging torque is small and the output per volume is larger than the concentrated winding. There is a demerit that the height of the coil end becomes higher. In order to solve the disadvantages of such distributed winding, various methods have been proposed in which the height of the coil end is suppressed.
例えば、集中巻と分布巻を組み合わせた巻線構造が提案されている。この巻線構造では、巻線となる導体を周状に巻きながら成形され、ステータコアのスロットの内部に配置するスロット内配置部と、スロットの外部に配置するコイルエンド配置部と、を備えており、コイルエンド配置部にはクランク形状のレーンチェンジ部を形成している。この巻線構造を構成する単体は、集中巻の構造になっているが、単体を組み合わせた巻線構造は分布巻の構造をしており、集中巻及び分布巻のそれぞれのメリットを備える巻線構造になっている。 For example, a winding structure combining concentrated winding and distributed winding has been proposed. This winding structure is formed by winding a conductor as a winding in a circumferential shape, and includes an in-slot arrangement portion arranged inside the slot of the stator core and a coil end arrangement portion arranged outside the slot. The coil end arrangement portion has a crank-shaped lane change portion. Although the single piece constituting this winding structure has a concentrated winding structure, the winding structure in which the single pieces are combined has a distributed winding structure, and each winding has the merits of concentrated winding and distributed winding. It has a structure.
前記の集中巻と分布巻のメリットを有した巻線構造を構成する巻線構造は、産業用途として主に使用されているラジアルギャップ型モータに関するものについて先行技術文献が明示されており、従来技術として、特許文献1には前述のコイル製造方法について記載されている。具体的には、周状に巻きながら隣り合う導体間に導体幅の隙間を有して積層した楕円型の巻線を、一対のコイルエンド配置部を凸形状に成形する工程と、コイルエンド配置部にクランク形状の成形を行う工程と、スロット内配置部の位置をラジアルギャップ型モータのスロット位置に合わせて成形する工程と、コイルエンド配置部を円弧状に成形する工程と、を加えることでコイルを製造することが記載されている。特許文献2には、ラジアルギャップ型モータにおいて、特許文献1に記載のコイル形状を使用するモータが記載されている。 As for the winding structure constituting the winding structure having the merits of the concentrated winding and the distributed winding, prior art literatures are clearly disclosed regarding a radial gap type motor mainly used for industrial applications. Patent Document 1 describes the above-described coil manufacturing method. Specifically, a step of forming a pair of coil end arrangement portions into a convex shape with an elliptical winding laminated with a gap of a conductor width between adjacent conductors while winding in a circumferential shape, and coil end arrangement A step of forming a crank shape on the part, a step of forming the position of the arrangement portion in the slot in accordance with the slot position of the radial gap type motor, and a step of forming the coil end arrangement portion in an arc shape. Manufacturing a coil is described. Patent Document 2 describes a motor that uses the coil shape described in Patent Document 1 in a radial gap type motor.
上述した特許文献1や2では、ラジアルギャップ型のモータに限定しているが、モータの用途としてはアキシャルギャップ型のモータの方がトルクを大きくすることができる。また、アキシャルギャップ型モータは、外径に対し軸長が短い扁平とした方が一般的に効率は良くなるため、大トルク、扁平といった用途にはアキシャルギャップ型モータが使用される。 In Patent Documents 1 and 2 described above, the motor is limited to a radial gap type motor. However, as an application of the motor, the axial gap type motor can increase the torque. In addition, since the axial gap type motor is generally more efficient when it is flat with the shaft length shorter than the outer diameter, the axial gap type motor is used for applications such as large torque and flatness.
アキシャルギャップ型モータのコイルについて、一対のスロット内配置部のそれぞれの導体は平行ではなく、特許文献1のような周状に巻きながら積層した巻線に、コイルエンド配置部を凸形状に成形するためには複雑な構造を有し、容易にコイルを製造できない。 Regarding the coil of the axial gap type motor, the conductors of the pair of in-slot placement portions are not parallel, but the coil end placement portion is formed into a convex shape in a winding wound in a circumferential manner as in Patent Document 1. Therefore, it has a complicated structure, and the coil cannot be easily manufactured.
本発明は、こうした従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、集中巻コイルによる導体加工手間の低減と、分布巻構造によるコギングトルク低減を実現する巻線構造をアキシャルギャップ型モータに提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and its purpose is to reduce a conductor processing time by a concentrated winding coil and a winding structure that realizes a cogging torque reduction by a distributed winding structure to an axial gap type. To provide to the motor.
本発明に係るコイルは、導体を周状に巻きながら積層して成形され、ステータコアもしくはロータコアのスロットの内部に配置するスロット内配置部と、前記スロットの外部に配置するコイルエンド配置部と、を備えるコイルの製造方法において、導体を周回する方向に曲げ加工する工程(主曲げ工程)と、コイルエンド配置部にクランク形状に成形する工程(クランク曲げ工程)とを有し、導体を周回する方向に曲げ加工する工程を順次行いながらスロット内配置部とコイルエンド配置部を交互に作成しながら周状に巻き、コイルエンド配置部にクランク形状に成形する工程を逐次行いながら、隣り合う導体の間には1本の導体が通る幅の大きさの隙間を備えることを特徴とする。 A coil according to the present invention is formed by laminating conductors while being wound in a circumferential shape, and an in-slot arrangement portion arranged inside a slot of a stator core or a rotor core, and a coil end arrangement portion arranged outside the slot. In a method for manufacturing a coil, the method includes a step of bending the conductor in a direction to circulate (main bending step) and a step of forming the coil end arrangement portion into a crank shape (crank bending step), and the direction of wrapping the conductor While sequentially performing the bending process to the coil end arrangement portion, the winding in the slot shape and the coil end arrangement portion are alternately created, and the coil end arrangement portion is formed into a crank shape between the adjacent conductors. Is provided with a gap having a width that allows one conductor to pass through.
また、前記作成されたコイルを複数個組み合わせて構成され、その構成方法は、前記コイルを、コイルにおける巻装方向に対して垂直な方向から、コイルの螺旋状の導体間に別の相のコイルの螺旋状の導体を挿入して複数回組み合わせたアキシャルギャップ型モータを構成することを特徴とする。 Further, the coil is constructed by combining a plurality of the created coils, and the method of constructing the coil is a coil of another phase between the spiral conductors of the coil from the direction perpendicular to the winding direction of the coil. It is characterized in that an axial gap type motor is formed by inserting a plurality of helical conductors and combining them multiple times.
本発明に係るコイル製造方法およびそれを用いた電気機器は、集中巻と分布巻のそれぞれメリットであるコギングトルクの少ない、コイルエンドの小型化を可能とするものである。 The coil manufacturing method and electrical equipment using the coil manufacturing method according to the present invention can reduce the size of the coil end with less cogging torque, which is the merit of concentrated winding and distributed winding.
ここでは、まず、最終的に製造されるコイルの構造および当該コイルの製造方法、その後、コイルの組立方法と組み立てたコイルを組み込んだモータについて説明する。 Here, the structure of the coil finally manufactured and the manufacturing method of the coil will be described, and then the coil assembly method and the motor incorporating the assembled coil will be described.
〔コイルの構造〕
まず、最終的に製造されるコイル1の構造について説明する。図1はコイル1の外観斜視図であり、図2はコイル1の正面図であり、図3はコイル1の内径側コイルエンド配置部から見た側面図である。コイル1は、平角導体10からなるものである。ここで、平角導体10は、導電性の高い銅やアルミニウム等の金属を矩形断面のワイヤとして形成したものであり、その周囲はエナメル等の絶縁被覆材で覆われている。そして、この平角導体10に対してエッジワイズ曲げ加工やフラットワイズ曲げ加工を行って、コイル1を製造する。ここで、「エッジワイズ曲げ加工」とは、平角導体10の矩形断面における短辺側の一方の面を内径面とし他方の面を外径面として、平角導体10を長辺方向に曲げ加工することである。また、「フラットワイズ曲げ加工」とは、平角導体10の矩形断面における長辺側の一方の面を内径面とし他方の面を外径面として、当該平角導体10を短辺方向に曲げ加工することである。
[Coil structure]
First, the structure of the coil 1 finally manufactured will be described. 1 is an external perspective view of the coil 1, FIG. 2 is a front view of the coil 1, and FIG. 3 is a side view of the coil 1 as viewed from the inner diameter side coil end arrangement portion. The coil 1 is composed of a flat conductor 10. Here, the flat conductor 10 is formed by forming a highly conductive metal such as copper or aluminum as a wire having a rectangular cross section, and the periphery thereof is covered with an insulating coating material such as enamel. Then, the coil 1 is manufactured by performing edgewise bending or flatwise bending on the flat conductor 10. Here, the “edgewise bending process” is a process in which the rectangular conductor 10 is bent in the long side direction with one surface on the short side in the rectangular cross section of the rectangular conductor 10 as the inner diameter surface and the other surface as the outer diameter surface. That is. The “flatwise bending process” is a process in which one side on the long side of the rectangular cross section of the flat conductor 10 is an inner diameter surface and the other surface is an outer diameter surface, and the flat conductor 10 is bent in the short side direction. That is.
図1から図3に示すように、コイル1は、平角導体10を周状に巻きながら積層して成形されるものである。本実施形態では、平角導体10が周回する方向をコイル1の周回方向とし、コイル1が螺旋状に引き伸ばされる方向を軸方向として説明する。このコイル1は、長辺側の面が互いに対向するように螺旋状に成形されており、軸方向に間隔hを空けて平角導体10が配列されている。この間隔hは、別のコイルの平角導体10が挿入可能なサイズに設定されており、平角導体10の厚さ(短辺方向の幅)分よりわずかに広くなっている。 As shown in FIGS. 1 to 3, the coil 1 is formed by laminating a flat conductor 10 while winding it around. In the present embodiment, the direction in which the rectangular conductor 10 circulates is referred to as the circulation direction of the coil 1, and the direction in which the coil 1 is extended spirally is described as the axial direction. The coil 1 is formed in a spiral shape so that the long side surfaces face each other, and the rectangular conductors 10 are arranged with an interval h in the axial direction. The interval h is set to a size that allows insertion of the flat conductor 10 of another coil, and is slightly larger than the thickness (width in the short side direction) of the flat conductor 10.
コイル1は、スロット内配置部11およびコイルエンド配置部12が形成されている。スロット内配置部11は、コイル1をステータコア3(図10参照)に配置するときにティース31(図10参照)間(スロットという)に配置される部分である。このスロット内配置部11では、図1や図2に示すように、平角導体10は直線形状に成形されている。 The coil 1 has an in-slot placement portion 11 and a coil end placement portion 12 formed therein. The in-slot arrangement portion 11 is a portion arranged between the teeth 31 (see FIG. 10) (referred to as a slot) when the coil 1 is arranged in the stator core 3 (see FIG. 10). In this in-slot arrangement portion 11, as shown in FIGS. 1 and 2, the flat conductor 10 is formed in a linear shape.
コイルエンド配置部12は、コイル1をステータコア3(図10参照)に配置する場合にスロットの外部に配置される部分である。このコイルエンド配置部12は、図1から図3に示すように、レーンチェンジ部13を備えている。こうした形状のレーンチェンジ部13を備えることで、ステータ4のコイルエンドの小型化を可能とする。 The coil end arrangement | positioning part 12 is a part arrange | positioned outside a slot, when arrange | positioning the coil 1 in the stator core 3 (refer FIG. 10). This coil end arrangement | positioning part 12 is provided with the lane change part 13, as shown in FIGS. By providing the lane change portion 13 having such a shape, the coil end of the stator 4 can be reduced in size.
図1から図3のコイル1には、渡り線が記載されていないが、渡り線も同時に成形加工しても良い。 Although the connecting wire is not described in the coil 1 of FIGS. 1 to 3, the connecting wire may be formed at the same time.
〔コイルの製造方法〕
前述コイル1の製造方法は、コイル1の周回方向にエッジワイズ曲げ加工、もしくはフラットワイズ曲げ加工である主曲げ工程を繰り返し行い、逐次コイルエンド配置部においてはクランク曲げ加工を行う。コイル1に必要な巻数に応じてこれを繰り返し行い、コイル1を製造する。
[Coil manufacturing method]
In the method of manufacturing the coil 1, the main bending process, which is edgewise bending or flatwise bending, is repeated in the circumferential direction of the coil 1, and the crank bending is sequentially performed at the coil end arrangement portion. This is repeated according to the number of turns necessary for the coil 1 to manufacture the coil 1.
主曲げ工程は、コイル製造において周回方向に沿って順次行われ、ある時点の主曲げ工程前(図4参照)の状態において、平角導体10の主曲げ加工予定部15の曲げ加工が行われ、図5のように主曲げ加工部16は周回方向に曲げ加工される。 The main bending process is sequentially performed along the circumferential direction in coil manufacturing, and the bending process of the main bending process scheduled portion 15 of the rectangular conductor 10 is performed before the main bending process at a certain time (see FIG. 4). As shown in FIG. 5, the main bending portion 16 is bent in the circumferential direction.
なお、周回方向以外の方向に平角導体10が捻れるとスロットへの収まりが悪くなるため、主曲げ加工が行われる際には、平角導体10を拘束しながら曲げ加工するのが望ましい。 In addition, when the flat conductor 10 is twisted in a direction other than the winding direction, the fit into the slot is deteriorated. Therefore, when the main bending process is performed, it is desirable to perform the bending process while restraining the flat conductor 10.
クランク曲げ工程は、主曲げ工程が周回方向に沿って順次行われる途中に、コイルエンド配置部において逐次行われる工程である。ある時点のクランク曲げ工程前(図6参照)の状態において、平角導体10のクランク曲げ加工予定部17のクランク曲げ加工が行われ、図7のようにクランク曲げ加工部18はクランク曲げ加工される。クランク曲げ加工によって、平角導体10の軸方向に隣り合う平角導体10の間隔hは、別のコイルの平角導体10の厚さ分よりわずかに広くなっている。 The crank bending process is a process that is sequentially performed in the coil end placement portion while the main bending process is sequentially performed along the circumferential direction. In a state before the crank bending process at a certain point (see FIG. 6), the crank bending process of the crank bending process scheduled part 17 of the flat conductor 10 is performed, and the crank bending process part 18 is crank bent as shown in FIG. . Due to the crank bending process, the interval h between the flat conductors 10 adjacent to each other in the axial direction of the flat conductor 10 is slightly wider than the thickness of the flat conductor 10 of another coil.
〔モータ〕
モータにコイル1を使用する場合、図8のように複数個のコイル1を組み合わせて使用する。具体的には、軸方向に隣り合う平角導体10の間に平角導体10の厚さ分よりわずかに広がった間隔hがあるので、その間隔hに別のコイル1の平角導体10を図8矢印の方向に挿入し通過させる。これを繰り返し、複数個重ねていくと、コイル1のスロット内配置部11の平角導体10の隙間に、別のコイル1のスロット配置部11の平角導体10が収まる。
〔motor〕
When the coil 1 is used for the motor, a plurality of coils 1 are used in combination as shown in FIG. Specifically, since there is an interval h slightly wider than the thickness of the rectangular conductor 10 between the rectangular conductors 10 adjacent in the axial direction, the rectangular conductor 10 of another coil 1 is connected to the interval h in FIG. Insert it in the direction of. When this is repeated and a plurality of layers are stacked, the rectangular conductor 10 of the slot arrangement portion 11 of another coil 1 is accommodated in the gap between the flat conductors 10 of the in-slot arrangement portion 11 of the coil 1.
このようにコイル1を組み上げていくと、ステータ巻線2ができる。図9はアキシャルギャップ型モータのステータ巻線である。コイル1を36個用意することでステータ巻線2を形成することが可能である。 When the coil 1 is assembled in this way, the stator winding 2 is formed. FIG. 9 shows a stator winding of an axial gap type motor. The stator winding 2 can be formed by preparing 36 coils 1.
ステータ巻線2はステータコア3と組み合わせると、アキシャルギャップ型モータのステータ4となる。 When combined with the stator core 3, the stator winding 2 becomes a stator 4 of an axial gap type motor.
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。 It should be noted that the above-described embodiment is merely an example and does not limit the present invention in any way, and various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the invention.
1 コイル
2 ステータ巻線(組み合わせたコイル)
3 ステータコア
4 ステータ
10 平角導体
11 スロット内配置部
12 コイルエンド配置部
13 レーンチェンジ部
14 コイルエンド配置部(レーンチェンジ部以外)
15 主曲げ加工予定部
16 主曲げ加工部
17 クランク曲げ加工予定部
18 クランク曲げ加工部
31 ステータコア(ティース)
32 ティース鍔
33 ステータヨーク
h 隙間
1 Coil 2 Stator winding (combined coil)
3 Stator Core 4 Stator 10 Flat Rectangular Conductor 11 In-Slot Arrangement Part 12 Coil End Arrangement Part 13 Lane Change Part 14 Coil End Arrangement Part (Excluding Lane Change Part)
15 Main bending process part 16 Main bending process part 17 Crank bending process part 18 Crank bending process part 31 Stator core (teeth)
32 Teeth 鍔 33 Stator yoke h Clearance
Claims (2)
The coil is configured by combining a plurality of coils according to claim 1, wherein the coil is arranged in a phase different from the direction perpendicular to the winding direction of the coil between coils of the coil. An axial gap type motor characterized in that a plurality of helical conductors are inserted and combined.
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