JP4583798B2 - 回転電機のコイル、回転電機およびコイルの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、エッジワイズ型の回転電機のコイル、エッジワイズ型のコイルを備える回転電機およびそのコイルの製造方法に関する。

従来、平板導体の帯に対して曲げやすい厚み方向ではなく、曲げにくい幅方向に曲げを施すエッジワイズ型のコイルが知られている。エッジワイズ型のコイルは、縦巻きコイルと呼ばれることもある。エッジワイズ型コイルは、丸線ではなく平角線を使用するので、占積率が向上し、抵抗値が低いという特徴がある。また多層に巻かれることがないので、巻線の内外温度差が少なく放熱性もよいという特徴もある。

たとえば、このようなエッジワイズ型コイルをロータに用いたモータが特開平１０−４２５０２号公報（特許文献１）に開示されている。
特開平１０−４２５０２号公報 特開平１１−９８７４４号公報

平板導体の帯を幅方向に曲げると、外周部分は伸び、逆に内周部分には圧縮応力が働く。かかる圧縮応力により内周部分は膨らむ傾向がある。エッジワイズ型コイルに用いる平角線は、通常エナメル等により絶縁被覆が表面に施されている。この絶縁被覆は、加工時等において力が加えられることにより膨らんだ表面部分が変形し厚さ等にむらが生ずる。

従来の、同じ位置で整列して曲げが施されたコイルの構造では、曲げによる内周の膨らみ部分が巻線の積層方向に重なってしまい、コイルの線間の絶縁低下が発生するおそれがある。

このため、特開平１０−４２５０２号公報（特許文献１）では、巻回されたコイルの線間に絶縁部材が配置されている。しかしながらこのような絶縁部材を設置することにより、さらにコイルが積層方向に膨らんでしまいサイズが大きくなるという問題があった。

また、放熱効果を得るために、特開平１０−４２５０２号公報では、素線の形状に切り欠きを設けるなどして加工しているが、放熱効果を得るために素線に加工することはコストアップになり、かつ、コイルの電気抵抗が増大するためモータの電磁気特性が悪化してしまうという問題点があった。

この発明は、モータの電磁気特性を損なうことなくサイズを小さくしつつ信頼性が向上され、さらに好ましくは放熱効果が高められた回転電機のコイル、そのコイルを備えた回転電機およびそのコイルの製造方法を提供することである。

この発明は、要約すると、絶縁被覆された平板導体の帯を前記帯の幅方向に曲げを施すエッジワイズ型の回転電機のコイルであって、曲げが施された、コイルエンド部を構成する第１の曲げ部と、第１の曲げ部のコイル積層方向隣に配置された、コイルエンド部を構成する第２の曲げ部とを含み、第１の曲げ部と第２の曲げ部の内側部分の位置が、コイルエンド部のみについて平板導体の平面方向に相互にずれるように配置されているとともに、前記各内側部分において曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部分が隣接する平板導体同士で対向しないようにした。

この発明の他の局面に従う絶縁被覆された平板導体の帯を帯の幅方向に曲げを施すエッジワイズ型の回転電機のコイルは、各々が一巻きであり、順番に配列された複数の巻線部を含み、複数の巻線部のうちの奇数番目の巻線部と偶数番目の巻き線部は、前記コイルのコイルエンド部のみについて曲げ位置が異なっているとともに、前記奇数番目の巻線部の内側部分および前記偶数番目の巻線の各内側部分において曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部分が隣接する平板導体同士で対向しないようにした。

好ましくは、複数の巻線部のうちの奇数番目の巻線部と偶数番目の巻き線部は、少なくとも一部が外周の位置が異なる。

好ましくは、各巻線部は、四角形の形状であり、曲げが施された４箇所のコーナー部を有する。

より好ましくは、四角形の四辺のうち、各巻線部の対応する所定の一辺同士は、コイルエンド部を形成し、コイルエンド部を被覆する樹脂モールドをさらに備える。

好ましくは、平板導体の帯は、予め絶縁材料で被覆されている。

この発明のさらに他の局面に従うと、回転電機であって上記いずれかの回転電機のコイルを備える。

この発明のさらに他の局面に従うと、絶縁被覆された平板導体の帯を帯の幅方向に曲げを施すエッジワイズ型のコイルの製造方法であって、隣接する複数の分割部を有する曲げ型のうちの分割部のいくつかを組合せたものに沿って平板導体の帯を巻く第１のステップと、複数の分割部のいずれか１つ、または第１のステップの組合せとは異なる組合せによって分割部を組合せたものに沿って平板導体の帯を巻く第２のステップとを備え、前記第１のステップで用いられる曲げ型と前記第２のステップで用いられる曲げ型とは、前記コイルのコイルエンド部対向方向の長さまたは端部位置が異なるが、前記コイルエンド部対向方向と直交する方向の幅が一定であり、前記第１のステップで巻かれる平板導体と前記第２のステップで巻かれる平板導体の各内側部分において曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部分が隣接する平板導体同士で対向しないように前記平板導体が巻かれる。

好ましくは、複数の分割部は、第１〜第３の分割部であり、第２のステップは、第２の分割部に沿って平板導体の帯を巻き、第１のステップは、第１〜第３の分割部を一体として用いて第１〜第３の分割部に沿って平板導体の帯を巻く。

本発明によれば、コイル積層方向の膨らみが低減され寸法が小さいエッジワイズ型コイルを実現することができる。

また、コイル線間の絶縁低下が防止され信頼性が向上する。

さらに、放熱効果が向上し、コイルの温度上昇を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明のコイルが適用される回転電機の構造を示す図である。

図１を参照して、回転電機１の回転軸に垂直な断面を説明する。回転電機１は、回転軸であるシャフト４と、シャフト４に結合されるロータ３と、図示しないケースに固定されるステータ２とを含む。

ステータ２はたとえば電磁鋼板が積層されて形成されている。ステータ２には１２ヵ所の突起部５が設けられる。ステータ２の突起部５にはコイル１０が巻回されている。

ステータ２の内部の空洞にはロータ３が収容されている。ロータ３はたとえば電磁鋼板が積層されて形成され、この電磁鋼板に設けられた８個の空洞に永久磁石７が配置されている。

コイル１０に三相交流が加えられることにより、コイル１０と永久磁石７との間に生ずる力によってロータ３はシャフト４の中心を回転軸として回転する。

なお、回転電機１はモータである場合を説明したが、ロータが外力によって回転されることによってステータのコイルに電気を発生させるジェネレータであってもよい。また、図１では、ステータにコイルが配置されているが、ロータ側にコイルが配置される場合であってもよい。

図２は、図１におけるコイル１０とステータ２との関係を説明するための図である。

図２を参照して、ステータ２は、たとえば電磁鋼板が積層されて形成される。この電磁鋼板には突起が設けられている。電磁鋼板の突起が集積されて形成された、ほぼ直方体の形状の突起部５に対して予め巻回されていたコイル１０が嵌め込まれる。

コイル１０が嵌め込まれた後に樹脂モールドによってコイルと電磁鋼板とが固定される場合や、コイル１０を嵌め込んだ後に突起部５の先端に抜け防止のリングを嵌め込むことによってコイル１０と電磁鋼板とが固定される場合がある。

図３は、コイル１０の形状を詳しく説明するための図である。

図４は、図３におけるＡ方向から見た場合のコイルの側面図である。

図５は、図３におけるＢ方向から見た場合のコイル１０の側面図である。

図３〜図５を参照して、コイル１０は、平板導体の帯を帯の幅方向に曲げを施したエッジワイズ型のコイルであり各ターンは四角形の形状である。なお、本明細書においては、図３に示すようにコーナー部分がある曲率で曲げられており厳密には角を有していない場合であっても、全体として四角形と判断できる場合には四角形と呼ぶことにする。各ターンは、平板導体の平板部分にほぼ直交するコイル積層方向に積層される。

図３においてコイル１０は、端部１４を起点として一番上に位置する一巻きに対して、その下に位置する一巻きは、内周が四角形の短辺部分が内側に来ている。そして、さらにその下の一巻きは再び短辺部分が元の位置になっている。

その結果コイルエンド部１１は端点が端部１４側から数えて奇数番目が外側にせり出し偶数番目が内側に入り込むような形状となっている。この部分は空気や冷却用のオイルが通過することによって熱の放散効果が大きいフィン状の形状となっている。

そして、各ターンにおける曲げ部分の内側部分１２は隣接する巻線間でずれるようになっている。このずれは、図４で示すようにＡ方向から見ると、径が大きいターンと径が小さいターンとが交互に積層されたように見える。また、図５で示すようにＢ方向から見ると、同じ径のターンが上下に交互にずれて積層されたように見える。

図６は、本発明の曲げ部の内側部分１２のずれを説明するための図である。

図６（ｂ）を参照して、従来のように隣接する巻線において外周が揃うように曲げ位置を揃えると、コイルエンド部において曲げ部内側の膨らみ１１２は隣接する巻線同士で対向してしまうので隣接する巻線間の距離を密着させることができなくなる。

またこの曲げ部内部の膨らみ部分は曲げ加工時の荷重により表面のエナメルなどの絶縁被膜が変形によって他の部分よりも厚みにむらが生ずる場合があるので、同じ位置でこの膨らみ部分が対向することは巻線間の耐圧が低くなってしまうおそれがある。

これに対し、図６（ａ）で示すように、本発明のエッジワイズ型コイルは、コイルエンド部において曲げ部の内側部分１２が隣接する巻線相互で重ならないように曲げが行なわれている。図６（ａ）の一番左側の巻線の曲げ部の内側部分に対し、左から二番目の巻線の曲げ部の内側部分は図上で下にずれている。また、図６（ａ）の左から二番目の巻線の内側部分に対し、左から三番目の巻線の曲げ部の内側部分は図上で上にずれている。図６（ａ）の上下方向は、平板導体の平面に沿う方向である。つまり、隣接する曲げ部は、平板導体の平面方向に相互にずれるように配置されている。

図７は、図６（ａ）に示したコイルエンド部の断面図である。この断面は、図３におけるＶＩＩ−ＶＩＩ断面を示した断面図である。

図６（ａ）、図６（ｂ）を比較すればわかるように、図６（ａ）の場合は曲げ位置がずらされていることにより、その分巻線同士をより密着させることが可能となり、全体として余分な膨らみΔＴ分だけコイルの厚さを薄くすることができる。また、曲げ加工時の応力によって変形した絶縁部分が対向していないので、図６（ｂ）に示した場合よりも隣接巻線相互の耐圧を向上させることができる。

図８は、本発明のコイルを製造するために用いる型２０を示した図である。

図８を参照して、型２０は、平板導体の帯を巻付けてエッジワイズ型のコイルを形成するためのものであり、分割部２１，２２および２３に分割可能である。

分割部２１、２２および２３はベースから突出する突起であり、図３の端部１４から開始される一巻きを巻く場合には分割部２１、２２および２３がベースから突出した状態となっている。この一体となった分割部２１，２２および２３に対して平板導体の帯が１周分巻回される。

続く１周を巻くときには分割部２１、２３はベースの内部に引込み分割部２２のみがベースから突出している状態となる。この状態でさらに１周コイルが巻回される。

続いて再び分割部２１，２３が平板導体の帯の厚さ分ベースから突出した状態となり一体となった分割部２１，２２および２３の外周を１周コイルが巻回される。

このようなステップを繰返すことにより、ベースから上にむけてコイルが巻き上がっていき、図３〜図５で示したようなエッジワイズ型コイルが製造される。

なお、分割部２１，２２を用いてコイルを１周巻回する工程と分割部２２および２３を用いてコイルを１周巻回する工程とを交互に繰返すことによってエッジワイズ型コイルを製造してもよい。

［実施の形態２］
図９は、実施の形態２において用いられるエッジワイズ型コイルの構造を示す図である。

図９を参照して、ステータの突起部５の周囲に巻回されたエッジワイズ型コイルのコイルエンド部１１は樹脂モールド３０で被覆される。コイルの形状については、実施の形態１と同様であるので説明は繰返さない。

樹脂モールド３０が施される場合であってもエッジワイズ型コイルの外周部が隣接する巻線で互い違いになっていることにより樹脂との接触面積が大きくなり樹脂への放熱が促進されコイルの温度上昇を抑制することかできる。

たとえばコイルの温度をＴ１，樹脂モールド３０の温度をＴ２、樹脂モールド３０に接触する空気または冷却オイルの温度をＴ３とする。コイルに通電されることによってコイルの抵抗成分によりコイルが発熱する。コイルが熱源であるためＴ１＞Ｔ２＞Ｔ３の関係が常に成り立つといえる。

したがって、コイルより温度が低い樹脂モールド３０に対するコイルの接触面積が大きいほどやはり放熱効果がよい。したがって、実施の形態１で説明したエッジワイズ型コイルを樹脂モールドした場合であってもコイルの温度上昇を抑制することができる。

以上説明したように、本発明ではエッジワイズ型コイルをコイルエンド部において段差をつけて巻いている。これにより曲げ部の膨らみが対向しないのでコイル積層方向の膨らみを低減できコイル全体の厚みを薄くすることができる。また、曲げ部における絶縁被覆の変形部分が対向しないので、線間の絶縁低下を防止することができる。また、コイルエンド部分の表面積が増えるので、放熱効果を向上することができる。さらに、絶縁や放熱のために別部品や追加加工を必要としないため低コストで放熱効果や絶縁向上効果が実現できる。

なお、図１では、回転電機のステータに本発明のエッジワイズ型コイルを適用した例を示したが、ロータ側に適用してもよい。また、図３ではエッジワイズ型コイルは回転電機に適用するのに好適な四角い形状のものを例に挙げて説明したが、他の用途に用いる場合などまたは回転電機に用いる場合であっても、四角以外の形状たとえば全体的に丸い形状であってもよい。

また、図３〜図５に例示したのは、１本の平板導体が巻回されたエッジワイズ型コイルであったが、電動機に分割した複数のコイルをコイル積層方向に配置する場合において、曲げ部がずれるように配置しても良い。さらに、複数本の平板導体、例えば２本の平板導体を重ねた状態で巻回するようなコイルであっても本発明は適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のコイルが適用される回転電機の構造を示す図である。 図１におけるコイル１０とステータ２との関係を説明するための図である。 コイル１０の形状を詳しく説明するための図である。 図３におけるＡ方向から見た場合のコイルの側面図である。 図３におけるＢ方向から見た場合のコイル１０の側面図である。 本発明の曲げ部の内側部分１２のずれを説明するための図である。 図６（ａ）に示したコイルエンド部の断面図である。 本発明のコイルを製造するために用いる型２０を示した図である。 実施の形態２において用いられるエッジワイズ型コイルの構造を示す図である。

符号の説明

１ 回転電機、２ ステータ、３ ロータ、４ シャフト、５ 突起部、７ 永久磁石、１０ コイル、１１ コイルエンド部、１２ 内側部分、１３，１４ 端部、２０ 型、２１〜２３ 分割部、３０ 樹脂モールド。

Claims (8)

1. 絶縁被覆された平板導体の帯を前記帯の幅方向に曲げを施すエッジワイズ型のコイルであって、
   前記曲げが施された、コイルエンド部を構成する第１の曲げ部と、
   前記第１の曲げ部のコイル積層方向隣に配置された、コイルエンド部を構成する第２の曲げ部とを含み、
   前記第１の曲げ部と前記第２の曲げ部の内側部分の位置が、コイルエンド部のみについて前記平板導体の平面方向に相互にずれるように配置されているとともに、前記各内側部分において曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部分が隣接する平板導体同士で対向しないようにした、回転電機のコイル。
2. 絶縁被覆された平板導体の帯を前記帯の幅方向に曲げを施すエッジワイズ型のコイルであって、
   各々が一巻きであり、順番に配列された複数の巻線部を含み、
   前記複数の巻線部のうちの奇数番目の巻線部と偶数番目の巻線部は、前記コイルのコイルエンド部のみについて曲げ位置が異なっているとともに、前記奇数番目の巻線部の内側部分および前記偶数番目の巻線の各内側部分において曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部分が隣接する平板導体同士で対向しないようにした、回転電機のコイル。
3. 前記複数の巻線部のうちの奇数番目の巻線部と偶数番目の巻き線部は、少なくとも一部が外周の位置が異なる、請求項２に記載の回転電機のコイル。
4. 各前記巻線部は、四角形の形状であり、曲げが施された４箇所のコーナー部を有する、請求項２〜３のいずれか１項に記載の回転電機のコイル。
5. 前記四角形の四辺のうち、各前記巻線部の対応する所定の一辺同士は、コイルエンド部を形成し、
   前記コイルエンド部を被覆する樹脂モールドをさらに備える、請求項４に記載の回転電機のコイル。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機のコイルを備える回転電機。
7. 絶縁被覆された平板導体の帯を前記帯の幅方向に曲げを施すエッジワイズ型のコイルの製造方法であって、
   隣接する複数の分割部を有する曲げ型のうちの分割部のいくつかを組合せたものに沿って前記平板導体の帯を巻く第１のステップと、
   前記複数の分割部のいずれか１つ、または前記第１のステップの組合せとは異なる組合せによって前記分割部を組合せたものに沿って前記平板導体の帯を巻く第２のステップとを備え、
   前記第１のステップで用いられる曲げ型と前記第２のステップで用いられる曲げ型とは、前記コイルのコイルエンド部対向方向の長さまたは端部位置が異なるが、前記コイルエンド部対向方向と直交する方向の幅が一定であり、前記第１のステップで巻かれる平板導体と前記第２のステップで巻かれる平板導体の各内側部分において曲げによる圧縮応力によって生じる膨らみ部分が隣接する平板導体同士で対向しないように前記平板導体が巻かれることを特徴とする、
   コイルの製造方法。
8. 前記複数の分割部は、第１〜第３の分割部であり、
   前記第２のステップは、前記第２の分割部に沿って平板導体の帯を巻き、
   第１のステップは、前記第１〜第３の分割部を一体として用いて前記第１〜第３の分割部に沿って平板導体の帯を巻く、請求項７に記載のコイルの製造方法。

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