JP4419510B2

JP4419510B2 - モータ、電機子、または発電機

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Publication number: JP4419510B2
Application number: JP2003359570A
Authority: JP
Inventors: 博史深作; 清上辻
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005124360A; DE102004050825A1; US20050082924A1; US7256521B2

Description

本発明は、導体線が巻き付けられた電機子、並びに、その電機子を含むモータ及び発電機に係わる。

回転電機は、従来より、様々な分野において広く使用されてきている。ここで、回転電機は、モータおよび発電機を含み、特に限定されるものではないが、例えば、空調装置のコンプレッサを駆動するモータ、電気自動車（ハイブリッド車を含む）の走行用モータ、車載用の発電機等として使用されている。

回転電機は、一般に、回転磁界を発生させるための巻線（発電機の場合は、磁束の変化に応じた起電力を発生させるための巻線）を備えている。そして、従来の巻線を形成する方法としては、下記のものが知られている。
例えば、特許文献１に記載の回転電機においては、固定子（ステータ）のスロットに導体線を繰り返し巻き付けていくことにより巻線が形成されている。ただし、この固定子は複数の固定子片から構成されており、各固定子片ごとに巻線が形成された後にそれらの固定子片が結合されるようになっている。したがって、円筒状のステータコアに設けられているスロットに導体線を巻き付ける方法と比べると、巻線作業が簡単になるというメリットがある。

また、特許文献２には、インサート方式と呼ばれる技術が記載されている。インサート方式では、１本の導体線をリング状の型枠等に複数回巻き付けることにより巻線を作製しておき、そのリング状の巻線がインサータと呼ばれる装置を用いてステータコアの対応するスロットに挿入される。このインサート方式によれば、ステータコアのスロットに導体線を直接的に巻き付ける必要がないので、巻線を形成する作業が簡単になる。
特開平９−１９１５８８号公報（図１〜図２、段落００２３〜００３０）特開昭５８−３３９４５公報（１〜２ページ）

ステータコアに設けられているスロットに導体線を直接的に巻き付けることにより巻線を形成する場合（特に、円筒形状のステータコアの内周側にスロットが設けられている場合）、その巻付け作業の労力が大きくなる。なお、特許文献１に記載の方法においては、この問題は緩和される。しかし、特許文献１に記載の方法では、ステータコアの構成が複雑であり、また、巻線は集中巻きに限られるものと思われる。

特許文献２に記載のインサート方式では、インサータ自体が比較的大きな装置であり、また高価である。また、インサート方式では、特に、ステータコアが細長い円筒形状である場合は、巻線を対応するスロットに挿入することが困難になる。
本発明の目的は、モータまたは発電機の巻線を容易に形成できるようにすることである。

本発明のモータは、導体線が巻き付けられた電機子を含むモータであって、上記電機子は、複数のスロットが設けられている電機子鉄心と、両端に１組のコネクタを有するケーブル部品とを有し、上記ケーブル部品は、互いに絶縁され、それぞれほぼ同じ長さの複数の導体線を束ねることにより形成されており、上記電機子鉄心に設けられている複数のスロットに渡って挿入され、上記１組のコネクタは、上記複数の導体線が直列的に接続されるように上記複数の導体線の端部同士を電気的に接続する。

本発明によれば、複数の導体線から構成されるケーブル部品を電機子鉄心のスロットに装着し、その後、そのケーブル部品の両端を電気的に接続することにより巻線が構成される。したがって、巻線を構成する作業が簡単であり、また、高価または大規模な設備を必要としない。

さらに、本発明によれば、電機子鉄心のスロットに挿入されるべきケーブル部品を別途作製しておくことができるので、そのスロットの断面形状に略一致するように複数の導体線を整列させることが容易である。したがって、スロット内における導体線の占積率を高くすることができ、モータまたは発電機の効率を高くできる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、本発明を回転電機としての同期機に適用した場合について説明をする。ここで、実施形態の回転電機は、一般的な回転電機と同様に電機子としてのステータおよびロータを含むが、ロータの構成には特徴はない。したがって、ロータの構成についての説明は省略する。また、本発明の回転電機の製造方法において、ステータを製造する工程以外の工程は、一般的な技術または公知の技術により実現されるものとする。

図１は、実施形態の回転電機において巻線として使用されるケーブル部品を模式的に示す図である。なお、実施形態の回転電機は、モータ及び発電機を含むものとする。また、以下では、３相の回転電機であって、各相の極数がそれぞれ「６」であるケースを採り上げて説明する。

ケーブル部品１０は、複数の導体線１１を束ねることにより構成されている。ここで、各導体線１１は、それぞれ絶縁被覆されている。また、各導体線１１の長さは、ケーブル部品１０がステータに装着されたときにその内周側に位置するものと外周側に位置するものとで若干異なるものの、概ね互いに同じである。さらに、各導体線１１の断面積も、実質的に互いに同じである。

各導体線１１の断面形状は、例えば「円（または、実質的に円）」または「長方形（または、実質的に長方形）」である。ここで、ケーブル部品１０は、基本的には、互いに同じ断面形状の導体線を複数本束ねることにより構成されるが、断面形状の異なる導体線が混在することを排除するものではない。なお、以下では、断面形状が円形の導体線を「丸導体線」と呼ぶことがあり、また、断面形状が長方形または略長方形の導体線を「平角導体線」と呼ぶことがある。

さらに、ケーブル部品１０の両端部には、それぞれコネクタ２１、２２が取り付けられている。なお、コネクタ２１、２２については、後で詳しく説明する。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、ケーブル部品１０の作製方法の一例を示す図である。ここでは、ケーブル部品１０の断面形状が略正方形になるように９本の丸導体線を整列させて束ねる場合の実施例を示す。

複数の導体線を束ねるための束ね冶具３０は、１組の冶具部材３１、３２から構成されている。そして、冶具部材３１には、図２（ａ）に示すように、その長手方向に伸びる溝が形成されている。ここで、この溝の断面形状は、概ね正方形である。したがって、冶具部材３１、３２が結合されると、図２（ｂ）または図２（ｃ）に示すように、その断面形状が概ね正方形であり、且つ、束ね冶具３０の長手方向に伸びる孔３３が形成される。

複数の導体線１１は、それらが互いに整列するように所定の順番で冶具部材３１の溝の中に挿入される。このとき、複数の束ね冶具３０を所定間隔ごとに配置しておき、各束ね冶具３０の溝にそれぞれ複数の導体線１１が挿入されるようにしてもよい。そして、冶具部材３１の溝に複数の導体線１１が挿入された状態で冶具部材３１、３２を結合し、ビス３４等を用いてそれらを互いに固定する。これにより、断面形状が正方形のケーブル部品１０が構成される。

図３は、図２に示したケーブル部品１０が装着される電機子鉄心としてのステータコアの一例の断面図である。ここで、このステータコア４０に設けられているスロット４１の断面形状は、概ね長方形（または、正方形）である。そして、ケーブル部品１０は、その断面形状がスロット４１の断面形状と略一致するように形成される。したがって、後で説明する手順によってケーブル部品１０がステータコア４０に対応するスロット４１に挿入されると、スロット内における導体線の占積率が高くなる。

図４は、他の形態のステータコアの分解斜視図である。ステータコア５０は、図４に示すように、内輪部材５１および外輪部材５２から構成される。ここで、内輪部材５１は、それぞれ径方向に向かって突出する複数の突起部を備えている。そして、これらの突起部間に、それぞれ、スロット５３が形成されている。他方、外輪部材５２は、略円筒形状をしており、内輪部材５１を包み込むようにして取り付けられる。

図５は、ステータコア５０を上方から見た図である。ここでは、内輪部材５１の外側に外輪部材５２が取り付けられた状態が描かれている。このように、ステータコア５０は、複数（この例では、１８個）のスロット５３を備えている。そして、各スロット５３の断面形状は、この例では、それぞれ「台形（或いは、扇形）」である。

図６は、図４〜図５に示すステータコアのスロットに装着すべきケーブル部品を作製する方法の実施例である。すなわち、ケーブル部品１０の断面形状が台形になるように９本の導体線を整列させて束ねる場合の実施例を示す。
図６（ａ）に示す束ね冶具３０は、複数の導体線１１を収容する孔３３の断面形状が台形である。したがって、孔３３の中に９本の導体線１１を整列させることにより、ケーブル部品１０の断面形状は略台形になる。すなわち、ケーブル部品１０の断面形状がスロット５３の断面形状と略一致するように複数の導体線１１が配列される。

図６（ｂ）に示す例では、導体線１１として平角導体線が使用されているが、その基本的な構成は、図６（ａ）に示す例と同じである。なお、平角導体線でケーブル部品１０を構成すると、丸導体線で構成した場合と比べて、それらを隙間なく整列させることが出来る。このため、平角導体線でケーブル部品１０を構成すると、ケーブル部品１０をステータコアのスロットに挿入したときに、スロット内における導体線の占積率がさらに高くなる。

なお、スロット内における導体線の占積率が高くなると、当業者によく知られているように、回転電機の効率が高くなる。
次に、図１および図７を参照しながら、ケーブル部品１０をステータコアに装着する手順を説明する。なお、以下の説明では、図４〜図５に示したステータコア５０にケーブル部品１０が装着されるものとする。

図７は、ステータコアの対応するスロットにケーブル部品１０が挿入された状態を描いた図である。ここで、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）は、それぞれ、斜視図、ステータコアの上側に配置されるケーブル部品を模式的に描いた図、ステータコアの下側に配置されるケーブル部品を模式的に描いた図である。なお、ここでは、図面を見やすくするために、外輪部材５２は省略されている。また、３相の回転電機を実現するためには、ステータコアに対して３個のケーブル部品１０を装着する必要があるが、ここでは、ケーブル部品１０を１個だけ描いている。

図７においては、図４〜図５に示すステータコアが使用されており、ケーブル部品１０は、ステータコア５０の外周側から対応するスロットに挿入される。なお、特には図示しないが、図３に示す形態の場合は、ケーブル部品１０はステータコアの内周側から対応するスロットに挿入される。

上述のようにして作製されたケーブル部品１０は、３スロット間隔で対応する６個のスロットに挿入される。具体的には、ケーブル部品１０は、ステータコア５０に設けられている１８個のスロット１３ａ〜１３ｒの中のスロット１３ａ、１３ｐ、１３ｍ、１３ｊ、１３ｇ、１３ｄに順番に挿入されていく。このとき、図７に示す例では、ケーブル部品１０の一方の端部（コネクタ２１が取り付けられている側の端部）は、スロット５３ａの上端から引き出されており、ケーブル部品１０の他方の端部（コネクタ２２が取り付けられている側の端部）は、スロット５３ｄの上端から引き出されている。また、ケーブル部品１０は、下記の経路で波巻きを形成するように引き回される。
コネクタ２１→スロット５３ａの上端→スロット５３ａ→スロット５３ａの下端→スロット５３ｐの下端→スロット５３ｐ→スロット５３ｐの上端→スロット５３ｍの上端→スロット５３ｍ→スロット５３ｍの下端→スロット５３ｊの下端→スロット５３ｊ→スロット５３ｊの上端→スロット５３ｇの上端→スロット５３ｇ→スロット５３ｇの下端→スロット５３ｄの下端→スロット５３ｄ→スロット５３ｄの上端→コネクタ２２
続いて、ステータコア５０に装着されたケーブル部品１０の両端を互いに接続することにより巻線を形成する。以下、図８を参照しながら、巻線を形成する方法について説明する。なお、図８に示す例では、９本の導体線１１ａ〜１１ｉを束ねることによりケーブル部品１０が構成されているものとする。

ケーブル部品１０の一方の端部には、コネクタ２１が取り付けられている。そして、ケーブル部品１０を構成する９本の導体線１１ａ〜１１ｉのうち、導体線１１ａ〜１１ｈの先端部がそれぞれコネクタ２１の端子２１ａ〜２１ｈに接続されている。また、導体線１１ｉの先端部は、コネクタ２１に接続されることなく、外部に引き出されるようになっている。

ケーブル部品１０の他方の端部には、コネクタ２２が取り付けられている。そして、ケーブル部品１０を構成する９本の導体線１１ａ〜１１ｉのうち、導体線１１ｂ〜１１ｉの先端部がそれぞれコネクタ２２の端子２２ｂ〜２２ｉに接続されている。また、導体線１１ａの先端部は、コネクタ２２に接続されることなく、外部に引き出されるようになっている。

コネクタ２１、２２は、コネクタ２３を介して互いに接続される。ここで、コネクタ２３は、コネクタ２１の端子２１ａ〜２１ｈを、それぞれ、コネクタ２２の端子２２ｂ〜２２ｉに電気的に接続するように構成されている。したがって、コネクタ２３を介してコネクタ２１とコネクタ２２とを接続すれば、９本の導体線１１ａ〜１１ｉが電気的に直列に接続され、１本の導体線が形成されることになる。

また、ケーブル部品１０は、図７を参照しながら説明したように、ステータコア５０に設けられている所定の複数のスロットに渡って装着されている。したがって、ケーブル部品１０の両端を適切に電気的に接続することにより導体線１１ａ〜１１ｉが直列的に接続された１本の長い導体線を形成すれば、ステータコア５０の複数のスロットに巻き付けられた巻線が構成されることになる。このとき、この実施例では、ケーブル部品１０が９本の導体線１１から構成されているので、９ターンの波巻き巻線が構成されることになる。

さらに、他の２個のケーブル部品もステータコア５０に装着され、同様の方法で巻線が構成される。そして、このようにしてケーブル部品１０（すなわち、巻線）がステータコア５０の内輪部材５１に装着された後、外輪部材５２がその内輪部材５１を包み込むようにして取り付けられる。これにより、回転電機のステータが構成される。

このように、実施形態の回転電機の製造方法においては、複数の導体線１１を束ねることにより得られるケーブル部品１０をステータコアのスロットに装着し、その後、そのケーブル部品１０の両端をコネクタを用いて電気的に接続することにより、巻線が構成される。このとき、ケーブル部品１０を対応するスロットに装着する作業は、導体線を直接的に巻き付ける作業と比べて簡単である。また、実施形態の製造方法においては、インサート方式のように高価な装置を必要としない。

さらに、実施形態の製造方法においては、予め作製したケーブル部品１０がステータコアのスロットに装着されるので、そのスロットの断面形状に略一致するように複数の導体線１１を整列させることが容易である。したがって、スロット内における導体線の占積率を高くすることができ、回転電機の効率を高くすることができる。

なお、上述の実施例では、ケーブル部品１０の端部にコネクタ２１、２２が取り付けられており、コネクタ２３を用いてコネクタ２１、２２間が接続される構成であるが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、図９（ａ）または図９（ｂ）に示すような構成であってもよい。

図９（ａ）に示す例では、ケーブル部品１０の両端には、コネクタ２１、２４が取り付けられている。ここで、コネクタ２４は、コネクタ２２およびコネクタ２３を一体成型したものである。したがって、コネクタ２１とコネクタ２４とを接続することにより、巻線が形成される。

図９（ｂ）に示す例では、接続部品２５を用いてケーブル部品１０の両端が互いに接続される。ここで、接続部品２５は、コネクタ２６、２７、および変換ケーブル２８から構成されており、図８に示したコネクタ２３と同様の役割を果たす。したがって、接続部品２５を用いてコネクタ２１、２２間が接続されると、巻線が形成される。

また、ケーブル部品１０をステータコアのスロットに挿入する前に、そのケーブル部品１０に対して絶縁処理を施すようにしてもよい。ここで、絶縁処理は、特に限定されるものではないが、例えば、ケーブル部品１０がステータコアに装着されるときにスロット内に収容される部分を絶縁紙、絶縁フィルム、樹脂材料等で覆う処理である。そして、このような手順を導入すれば、ステータコアのスロットに予め絶縁紙等を挿入しておく必要はなく、絶縁処理が施されたケーブル部品１０を対応するスロットに挿入するだけで、巻線とステータコアとの間の絶縁が確保される。また、このような絶縁処理を施しておくことにより、ケーブル部品１０をステータコアに装着する際に、そのケーブル部品１０を構成する複数の導体線１１の整列が崩れにくくなる。

さらに、上述の実施例では、ステータコアに設けられているスロットがオープンスロットであるが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、図１０（ａ）に示すようなクローズスロットを有するステータコアにも適用可能である。ここで、「オープンスロット」とは、ステータコアの外周方向にスロットが開口している形態（図４参照）、或いはステータコアの内周方向にスロットが開口している形態（図３参照）のことをいう。一方、「クローズスロット」は、ステータコアの外周方向または内周方向にスロットが開口しておらず、導体線を通すための貫通孔により実現される。そして、本発明をクローズスロットに適用する場合には、まず、図１０（ｂ）に示すように、対応する複数のクローズスロットを順番に貫通していくようにしてケーブル部品１０がステータコアに装着される。その後、ケーブル部品１０の両端にコネクタが取り付けられ、それら１組のコネクタが互いに接続される。

なお、ステータコアに設けられているスロットがセミクローズスロット（ステータコアの外周方向または内周方向に向かってスロットが開口しているが、そのスロットの開口幅が、スロット内の周方向の幅よりも狭いスロット）である場合も、クローズスロットの場合と同様に本発明が適用される。

さらに、回転電機は、３相に限定されるものではなく、各相の極数も「６」に限定されるものではない。例えば、各相の極数が「４」である場合は、ケーブル部品１０は４スロットに渡って引き回され、各相の極数が「８」である場合は、ケーブル部品１０は８スロットに渡って引き回される。

さらに、上述の実施例では、本発明が回転電機（特に、その電機子）に適用されているが、本発明は、リニアモータや誘導機（特に、それらの電機子）にも適用可能である。なお、電機子は、電機子鉄心および巻線から構成されており、起電力を生じ、主電流を通すための部分である。そして、本発明は、回転電機、リニアモータ、誘導機に使用される電機子に広く適用される。

実施形態の回転電機において巻線として使用されるケーブル部品を模式的に示す図である。ケーブル部品の作製方法を示す図である。図２に示したケーブル部品が装着されるステータコアの一例の断面図である。他の形態のステータコアの分解斜視図である。図４に示すステータコアを上方から見た図である。図４〜図５に示すステータコアのスロットに装着すべきケーブル部品を作製する方法の実施例である。ステータコアのスロットにケーブル部品を挿入した状態を示す図である。ケーブル部品から巻線を形成する方法を説明する図である。ケーブル部品の端部の接続方法の他の例を示す図である。本発明をクローズスロットのステータに適用した場合の実施例である。

符号の説明

１０ケーブル部品
１１（１１ａ〜１１ｉ）導体線
２１〜２４コネクタ
２５接続部品
２６、２７コネクタ
２８変換ケーブル
３０束ね冶具
３１、３２冶具部材
３３孔
４０、５０ステータコア
４１スロット
５１内輪部材
５２外輪部材
５３（５３ａ〜５３ｒ）スロット

Claims

導体線が巻き付けられた電機子を含むモータであって、
上記電機子は、
複数のスロットが設けられている電機子鉄心と、
両端に１組のコネクタを有するケーブル部品と、
を有し、
上記ケーブル部品は、互いに絶縁され、それぞれほぼ同じ長さの複数の導体線を束ねることにより形成されており、上記電機子鉄心に設けられている複数のスロットに渡って挿入され、
上記１組のコネクタは、上記複数の導体線が直列的に接続されるように上記複数の導体線の端部同士を電気的に接続する
ことを特徴とするモータ。
請求項１に記載のモータであって、
当該モータは、回転電機である
ことを特徴とするモータ。
請求項１に記載のモータであって、
上記ケーブル部品の断面形状が上記スロットの断面形状と略一致するように上記複数の導体線が配列されている
ことを特徴とするモータ。
請求項１に記載のモータであって、
上記複数の導体線は、それぞれ平角導体線である
ことを特徴とするモータ。
複数のスロットが設けられている電機子鉄心と、
両端に１組のコネクタを有するケーブル部品と、
を有し、
上記ケーブル部品は、互いに絶縁され、それぞれほぼ同じ長さの複数の導体線を束ねることにより形成されており、上記電機子鉄心に設けられている複数のスロットに渡って挿入され、
上記１組のコネクタは、上記複数の導体線が直列的に接続されるように上記複数の導体線の端部同士を電気的に接続する
ことを特徴とする電機子。
導体線が巻き付けられた電機子を含む発電機であって、
上記電機子は、
複数のスロットが設けられている電機子鉄心と、
両端に１組のコネクタを有するケーブル部品と、
を有し、
上記ケーブル部品は、互いに絶縁され、それぞれの長さがほぼ同じ長さの複数の導体線を束ねることにより形成されており、上記電機子鉄心に設けられる複数のスロットに渡って挿入され、
上記１組のコネクタは、上記複数の導体線が直列的に接続されるように上記複数の導体線の端部同士を電気的に接続する
ことを特徴とする発電機。
請求項１に記載のモータであって、
上記各スロットは、その外周方向又は内周方向に開口部を有し、
上記開口部は、上記スロットの内周側又は外周側から挿入される上記ケーブル部品が通る大きさである
ことを特徴とするモータ。
請求項５に記載の電機子であって、
上記各スロットは、その外周方向又は内周方向に開口部を有し、
上記開口部は、上記スロットの内周側又は外周側から挿入される上記ケーブル部品が通る大きさである
ことを特徴とする電機子。
請求項６に記載の発電機であって、
上記各スロットは、その外周方向又は内周方向に開口部を有し、
上記開口部は、上記スロットの内周側又は外周側から挿入される上記ケーブル部品が通る大きさである
ことを特徴とする発電機。
請求項３に記載のモータであって、
上記各スロットの断面形状は、台形である
ことを特徴とするモータ。