JP4641583B2

JP4641583B2 - コイル及びその製造方法

Info

Publication number: JP4641583B2
Application number: JP2000035265A
Authority: JP
Inventors: 俊郎山西; 宏樹岡田; 道徳村瀬
Original assignee: Togo Seisakusho Corp
Current assignee: Togo Seisakusho Corp
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2020-02-14
Also published as: JP2001231223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コイル及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動機あるいは発電機等の回転機は、通常、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）とを備え、さらにステータはコアとその内部に装着されるコイルとからなっている。こうした回転機の性能は、コイルの導線の密度（占積率）が高いほど高くなるため、回転機の設計上、巻回数をいかに増加させるかは重要な課題となる。
【０００３】
ところで、コイルの装着の方式として、次のような方式が知られている。すなわち、ステータが、コアバックと呼ばれる円筒状の部材と、このコアバック内に組み込まれ、ティースと呼ばれる複数の歯を外方へ放射状に有するティース部材とによって形成されているものにおいては、それぞれエレメント化された複数個のコイルを各ティースに巻装してゆき、これらを隣接するもの同士で順に接続してゆく方式である。そのようなものにあって、各ティース間とコアバックとで囲まれた空間は、隣り合うコイル同士を収容する空間（スロット）となるが、各スロットは外周側へいくにつれティース間の間隔が拡大してゆくため、ティースに嵌合させたコイルは、スロットの外周側へゆくにつれスロット内の空間の空きが大きくなり、スロット内の空間占有率が徐々に低下してゆく。したがって、このままでは、到底、占積率の向上は達成されない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、導線を丸線のまま使用するのでなく、導線を巻回時の積み上げ方向（コイルの高さ方向）から圧潰して成形することが考えられる。具体的には、スロットの外周側に行くに連れて潰し率を増すようにすれば、スロットの外周側へ行くにつれ導線の幅が増加し、このことが同時に巻回段数を増やすことにもつながるため、占積率の向上が図れる。
【０００５】
しかしながら、このような対策を施しても未だ充分とは言えない。すなわち、導線は図１９に示すように螺旋状に巻回されてゆくため、コイルＣＯ全体としての巻回段数がＮであっても、全体の巻き始めから巻き終わりまでの高さ（Ｈ）は（Ｎ＋１）段に相当する高さ寸法となってしまう。したがって、このような巻回構造は、コイルを高さ方向に制約がある収容スペース内に組み込む場合には、不都合なものとなる。
本発明は上記した事情に鑑みて開発工夫されたものであり、その目的はコイル全体の高さ寸法を小さくして占積率の向上に寄与するコイル及びその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１の発明は、金属製の導線を高さ方向に複数段、巻回してコイルを製造する方法であって、前記導線の巻回を行なうコイリング工程に先立って圧延工程がなされ、この圧延工程では、前記導線を、前記巻回の段の重なり方向に沿って段階的に厚みが増加あるいは減少させて前記導線の幅寸法が複数段階に異なるよう、各段階に対応した長さ領域毎に前記導線に対する圧潰量を異ならせる圧潰がなされ、前記コイリング工程には、巻き軸とこの巻き軸の周りを旋回する可動ローラとが備えられるとともに、この可動ローラは前記導線の幅寸法に応じて外径を異にした複数のローラ部を軸方向に積み上げた構成となっており、前記コイリング工程が実行されるときには、前記導線が前記巻き軸と前記可動ローラとの間に送られるとともに、前記可動ローラが前記巻き軸周りに旋回して前記導線を前記巻き軸周りに巻回させるようになっており、かつコイリングの間は前記可動ローラが所定タイミング毎に軸方向へ移動して前記ローラ部のうち前記導線の幅寸法毎に対応した前記ローラ部と前記巻き軸との間で前記導線の巻回が進行する結果、前記導線が前記巻き軸周りに螺旋状に巻回され、
上記のコイリング工程を経て得られたコイルを、プレス型の成形面間にセットし軸線方向に沿って前記コイルの弾性限界を超えてプレス成形することにより、前記コイルにおける各段の巻き始め部から巻き終わり部までほぼ同一平面をなすようにするとともに、当該段の巻き終わり部から次の段の巻き始め部への移行部分を傾斜変形させることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の作用および効果】
請求項１の発明によれば、巻回の段の移行部を傾斜させることでつぎの段に連続させるようにしている。このように製造することで、コイル全体の高さ寸法を低く抑えることができ、したがって、占積率の向上に寄与することができる。
また、請求項１の発明では、導線の厚みが巻回の段の重なり方向に沿って増加或いは減少するように圧潰されているため、コイルを、幅方向にはゆとりがあるが高さ方向にはゆとりの少ないスペースに収納させる場合に有益である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、この実施形態においては、自動車のステアリングの操舵をアシストするためのアシスト用モータに適用されたものを例にとって説明する。しかし、この発明は種々のモータに適用することが可能であり、またモータに限らず発電機を含んだ種々の回転機にも適用できる。
【０００９】
本実施形態におけるアシスト用モータは、ステータ１と図示はしないがステータ１の中心部に組み込まれるロータとを有してなる。図１に示すステータ１はコア２とコイル成形体３とからなっており、さらに、コア２はコアバック４とティース部材５とからなっている。コアバック４はほぼ円筒状に形成され、その内周面には等角度毎にかつ全長にわたって多数のスリット７が刻設されている。ティース部材５は、このコアバック４内に同心で収容可能な円環状をなすとともに、その外周面には上記スリット７と対応して同数本のティース８が全長にわたって放射状に突出している。各ティース８の先端面には各スリット７内に適合して嵌め込み可能な幅狭の位置決め部８Ａが全長にわたって突出形成されている。そして、各ティース８がスリット７にそれぞれ嵌め込まれた状態で、ティース部材５がコアバック４内に収容されると、隣接するティース８間とコアバック４の内壁面とで囲まれた平面扇状をなす空間がスロット９になる。
【００１０】
コイル成形体３は各ティース８に嵌合された状態でティース部材５に対する組付けがなされ、その状態でティース部材５はコアバック４内に組み込まれる。これによって、コイル成形体３は当該ティース８の両側に位置するスロット９にそれぞれ半分ずつが収容される。
また、コイル成形体３は、この実施形態では導線を５段に巻回してなるコイル６（図１０参照）の内周側及び外周側のいずれをも、インサート成形によって所定形状に成形された絶縁部１０内に埋め込んでなる（図１１参照）。絶縁部１０は合成樹脂製であり、この実施形態では流動性に優れかつ耐熱性に優れるＰＰＳ（ポリフェニリンスルフィド）が使用された。コイル成形体３は、スロット９の空間形状に対応して外周側に拡開する平断面が扇形状をなすように形成され、かつその内周側の側面から外周側の側面にかけて窓孔１１が貫通して形成され、ティース８へ嵌合可能である。また、コイル成形体３の下面にはコイル６の両端６ａ、６ｂが引き出されている。各引き出されたものの端部は、コイル成形体３がコア２内に装着されたときに、隣接するもの同士が図示しない接続金具によって順次接続されるようになっている。
【００１１】
コイル成形体３内のコイル６は図１２に示すように、巻回段毎に圧潰の程度が設定され、概略的にはコア２の外周側に近づくにつれ平面状に潰される度合いが強くしてある。この実施形態では、最も内周側に位置する一段目は、導線Ｌの素材そのままで圧潰されないものとなっているが、２段目〜４段目にかけては徐々に厚みが小さく、逆に幅広になるよう徐々に強く圧潰されるようにしている。そして、４段目と５段目は同じ圧潰率としてある。なお、導線Ｌは、銅等の金属線とその表面を絶縁被覆する絶縁被膜とからなっている。
【００１２】
コイル６は、具体的には、２．２mΦの導線Ｌを加工したものであるが、コイル成形体３の一段目の厚みは２．２mmのままであり、二段目では１．６mm、三段面は１．４mm、四段目、五段目が共に１．３mmとしてある。勿論、こうした圧潰の程度は要求される性能、スロット９の形状に応じて種々変更されるべきものであり、ここに示したものは一例にしか過ぎない。
【００１３】
また、コイル６の両端は共に同一方向に引き出されており、かつ導線Ｌが巻回されている各段において、コイル６の両端６ａ，６ｂが引き出される側の縁部はそれぞれヘの字状をなして形成されている。つまり、コイル６の各段において、巻き始め部（図１０中、Ｓ２は二段目の巻き始め部を表わしている）から巻き終わり部（同じくＦ２は二段目の巻き終わり部を表している）に至るまではほほ同一平面内で巻回されているが、次の段への移行部においては上向き勾配の傾斜部Ｋ１〜Ｋ４が形成され、少なくとも当該段の素線Ｌの厚み以上の高さ分だけ持ち上げられるようになっている。これによって、コイル６の全高（ｈ）は、従来と異なり、巻回の段数以上に増加してしまうことがなく、また上下の面はそれぞれ全体として平坦面となるため、姿勢の安定化も図れる。
【００１４】
次に、コイル６の成形手順について説明する。コイル６は上記したように、丸線の導線Ｌを加工したものである。すなわち、導線Ｌはリール１２上に巻かれており、成形ラインの途中に配された一対の繰り出しローラ１３によって繰り出し可能となっている。本実施形態では、リール１２に近い箇所に導線Ｌにバックテンション（送り方向とは逆方向の引っ張り力）を作用させるためのテンションローラ１４も配されている。このようにする理由は、繰り出された導線Ｌにはリール１２による巻き癖がついているため、これを矯正して導線Ｌの直線性を確保するためである。
【００１５】
導線Ｌは、繰り出しローラ１３とテンションローラ１４との間で圧延工程を経る。圧延工程には開閉可能な上下の型１５ａ，ｂが備えられており、型閉じによって一つのコイル６に相当する長さ分を一括して成形できるよう、両型１５ａ，ｂの対向面は成形面となっている。この成形面は図４に示すように、導線Ｌの送り方向における前側（図示右側）から順に両型間の隙間寸法が増すような成形凹部１６が複数段階に形成されており、これによって巻回の各段に相当する長さ寸法の範囲が、上記した厚み寸法で圧潰されることになる。つまり、図４におけるＡに示す領域が上記したコイル６の４，５段目を、Ｂに示す領域がコイル６の３段目を、Ｃに示す領域がコイル６の２段目をそれぞれ、Ｄに示す型外の領域がコイル６の１段目をそれぞれ加工する領域として設定されている。図５はこうして加工された導線Ｌの平面図であり、図中Ａ’〜Ｄ’は前記したＡ〜Ｄの各領域で成形された部分に対応している。
なお、導線Ｌに対する加工がなされる場合に、後述するコイリング工程において巻回されるときの内周側となる縁部が長さ方向に沿ってやや薄肉に圧潰されるよう、各成形凹部１６の形状が設定されている。これについては、コイリング工程の説明において改めて説明する。
【００１６】
こうして成形がなされた導線Ｌは、コイリング工程を経るが、この実施形態ではコイリング工程の前に押さえ工程が設定されている。すなわち、圧延工程では導線Ｌの上下の面が平面をなすように圧潰される部分を含むが、これをコイリング工程で巻回する際に、導線Ｌの平面を含む面内で巻回しようとするため、導線Ｌは巻回時の内周側から外周側にかけてテーパー面をなすように変形しようとする。したがって、そのままでは平面状に積み上げて巻回できなってしまう。押さえ工程はこうしたテーパー面を形成しようとする導線Ｌの変形をコイリング工程に先立って規制しておくためのものである。
【００１７】
具体的には、図６に示すように、受け台１７とホルダー部１８とよりなる規制装置が設けられている。受け台１７の上面には、導線Ｌを通過させる溝部１７Ａが導線Ｌの送り方向に沿って刻設されている。一方、ホルダー部１８はこの溝部１７Ａを横切る方向に配され、その一端部は受け台１７に対し傾動できるよう、ヒンジによって取り付けられている。また、ホルダー部１８の他端側は駆動シリンダ１９等の押圧手段が接続されていて、導線Ｌに対する送りに支障を来さない程度で押圧方向の力を作用するようになっている。これによって、複数段階の厚み寸法をもって成形された導線Ｌがここを通過するときに、コイリング中であれば反り上がりを規制し、通常の送り動作中であれば溝部１７Ａからの浮き上がりを規制するため、常に導線Ｌの水平状態が保持される。
【００１８】
コイリング工程では、成形された導線Ｌに対し複数段（５段）の巻回がなされる。コイリング工程には、導線Ｌの送りライン側方に密着して巻き軸２０が配置されている。また、この巻き軸２０とは導線Ｌを挟んだ外側位置には可動ローラ２１が配されている。可動ローラ２１は、図７に示すように、導線Ｌに対する所定ピッチの送り毎に、巻き軸２０周りに旋回するようにしてあり、この可動ローラ２１が所定タイミングで旋回動作を行うことによって、導線Ｌは巻き軸２０周りに順次巻回されてゆく。この場合、可動ローラ２１が旋回したときの終端位置は図７に示す如く、導線ＬをＵターン状態よりもさらに内側へ過剰な曲げがなされるようにしている。これは、導線Ｌのスプリングバックを見越して導線Ｌの正しいＵターン状態が得られるようにしておくためである。
なお、詳細に図示はしないが、巻回がなされた導線Ｌが次回の巻回がなされる部分と干渉しないよう、上方へ誘導するような斜面をもったガイド手段が適宜配されている。
【００１９】
コイリング工程においては、幅寸法が複数段に異なる導線Ｌを巻回させる関係で、可動ローラ２１は、図９に示すように、外径の異なるローラ部２１ａ〜２１ｄが高さ方向に複数段（４段）積み上げられた構成となっているとともに、可動ローラ２１は巻回段の導線Ｌの幅寸法に対応して所定タイミング毎に軸方向に沿って移動可能となっている。各ローラ部には、導線Ｌの縁部を嵌め入れて導線Ｌの送りと巻回動作を案内する案内溝２２が形成されている（必要に応じて巻き軸２０の周面にも設けられる）。そして、各ローラとの巻き軸２０の案内溝２２間の間隔は、前記した導線Ｌに設定された複数段の幅寸法に対応した寸法となっている。
【００２０】
圧延工程では、圧延加工がされた導線Ｌのうちコイル６の内周側に位置する縁部はやや薄肉にしてあることは既に述べた（図８（Ａ）におけるＴ１＞Ｔ２）。これは、コイリングがなされる場合に導線Ｌは、可動ローラ２１によって巻き軸２０の周面に強く圧縮され、その場合には内周縁部Ｌ１が潰れ、このままでは導線Ｌの厚みが幅方向に不均一となってしまうため、この潰れ分を考慮して予め内周側縁部を薄肉にしておくわけである。こうすることで、導線Ｌが巻き軸２０に押し付けられて通過して行く過程で、導線Ｌの内周縁部に潰れが生じ、コイリング後に全幅の厚みの均一化がもたらされる。
【００２１】
上記のようにして導線Ｌに対する所定回数の巻回がなされたら、導線Ｌは巻き軸２０の手前に配置された一対のカッター２３によって切断がなされ（カッティング工程）。これによって、導線Ｌはコイル６となって取り出される。
【００２２】
取り出されたコイル６は、次工程であるプレス工程へ移送される。プレス工程には、上下一対のプレス型３０，３１が備えられている。上下のプレス型３０，３１の対向面（成形面）には、それぞれ成形用の凹凸部３０ａ，３１ａが形成されている。図１３に示すように、上側のプレス型３０の成形面には成形凸部３０ａが形成され、下側のプレス型３１の成形面には成形凸部３０ａに適合する成形凹部３１ａが形成されている。但し、成形凹部３１ａ及び成形凸部３０ａは、両成形面のうち前記した傾斜部Ｋ１〜Ｋ４（コイルの各段において次の段への移行部）の成形に係る箇所にのみ形成されている。
【００２３】
コイリング、カッティング工程を経て得られたコイル６は、まず下側のプレス型に位置決めされた状態でセットされ（図１３参照）、その後、上側のプレス型３０が閉じられるが、この過程で、成形凸部３０ａはコイル６の最上段における傾斜部対応箇所を押し込む。図１４はコイル６に対する成形途上を示している。さらに、上側プレス型３０が下降すると、コイル６の各段における上記傾斜部対応箇所を一括して押し込み、最下段の部分を下側プレス型３１の成形凹部３１ａ内に落ち込んで押し付ける。これによって、各傾斜部対応箇所は弾性限界を越えて変形するが、上側プレス型３０の上昇によってプレス状態から解放されると、一定のスプリングバックが生じる。その結果、塑性変形した各傾斜部対応箇所は曲げ量が減じ、巻回の各段における傾斜部を除く他の範囲がほぼ面一をなす状態にまで復元する。つまり、上下の成形凹部３１ａあるいは成形凸部３０ａの深さあるいは突出高さは、上記したスプリングバックによる戻りにほぼ相当する量に等しく設定されているわけである。
【００２４】
コイル６は、続いてインサート成形用金型（図示しない）に仕掛けられ、型閉じされた状態でキャビティ内に溶融樹脂（ＰＰＳ樹脂）が射出され、型開きした後には前述した所定形状のコイル成形体３が得られる。
【００２５】
以上のように、本実施形態ではコイルの各段において次の段への移行部分に傾斜部を設けることで、同一段ではほぼ同一面をなすように巻回させることができる。したがって、従来の単に螺旋巻きしているものと比較してコイル６の全高を低くすることができる。これによって径方向への寸法が強く制約されるスロット９内に収容されるコイル成形体３にとって、コイル６の低背化は極めて有効であり、占積率の向上と共にモータの小型化に寄与することができる。
【００２６】
さらに、本実施形態では圧延、コイリング、カッティングの各工程を経てコイル６に至るまで、導線Ｌを連続体のままで加工することができる。したがって、工程間の移し替えの手間もなく、効率よくコイル６及びコイル成形体３を製造することができる。また、コイル６をそれぞれセグメント化した成形体としたため、コイル６単体でティース８へ装着する場合に比較して取付けが円滑であり、コイル６を損傷させてしまうこともない。さらに、このように成形体としたことによって放熱性にも優れたものとなる。
【００２７】
図１６はコイル成形体３の他の実施形態を示すものである。この実施形態におけるコイル成形体３は絶縁部１０の外面および窓孔１１の内面に、それぞれ幅方向に沿って、つまりティース８への嵌め込み方向に沿って複数の凹凸部２４ａ，ｂ，２７ａ，ｂが形成されている。絶縁部１０の外面に設けられた凹凸部２４ａ，ｂは、図１７に示すように、左右の側面で配列の位相がずれており、コイル成形体３がティース８へ装着された場合に、隣接するコイル成形体３同士で噛み合うようになっている。こうするとこで、コイル成形体３の装着が案内されるとともに、相互の噛み合いによってコイル成形体３の位置ずれも規制できる。また、窓孔１１に設けた凹凸部２４ａ，ｂはティース８に対する接触面積を減らすことで、嵌合抵抗を減少させて装着の円滑性を確保できるようにしている。
【００２８】
図１８は圧延工程の他の実施形態を示すものである。前記した実施形態では、導線Ｌの圧延をプレス型によって行なったが、図示のような一対の圧延ローラ２５によって行うことも可能である。その場合、圧延ローラ２５の周面には、コイル６の巻回の段に対応した幅及び深さの異なる成形溝２６が連続して形成されている。なお、圧延ローラ２５は複数対設け、圧延工程を多段に行うようにすることもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステータの分解斜視図
【図２】コアの平断面図
【図３】コイルの製造工程を示す説明図
【図４】圧延工程を示す正断面図
【図５】圧延された後の導線を示す平面図
【図６】押さえ治具を示す断面図
【図７】コイリング工程の概要を示す平断面図
【図８】（ａ）はコイルが巻き軸に圧接される前の状況を示す断面図、（ｂ）は圧接後の状況を示す断面図
【図９】可動ローラを示す斜視図
【図１０】コイルを引き出し端部側から見た正面図
【図１１】コイル成形体を示す斜視図
【図１２】コイル成形体の平断面図
【図１３】コイルをプレス型にセットした状態を示す断面図
【図１４】成形途上を示す断面図
【図１５】上下のプレス型が閉じられた状態を示す断面図
【図１６】他の実施形態におけるコイル成形体を示す斜視図
【図１７】同じくティース部材への装着状態を示す正断面図
【図１８】圧延工程の他の形態を示す斜視図
【図１９】従来のコイルを示す断面図
【符号の説明】
１…ステータ
２…コア
３…コイル成形体
５…ティース部材
６…コイル
８…ティース
１５ａ，ｂ…型
Ｌ…導線

Claims

金属製の導線を高さ方向に複数段、巻回してコイルを製造する方法であって、
前記導線の巻回を行なうコイリング工程に先立って圧延工程がなされ、この圧延工程では、前記導線を、前記巻回の段の重なり方向に沿って段階的に厚みが増加あるいは減少させて前記導線の幅寸法が複数段階に異なるよう、各段階に対応した長さ領域毎に前記導線に対する圧潰量を異ならせる圧潰がなされ、
前記コイリング工程には、巻き軸とこの巻き軸の周りを旋回する可動ローラとが備えられるとともに、この可動ローラは前記導線の幅寸法に応じて外径を異にした複数のローラ部を軸方向に積み上げた構成となっており、
前記コイリング工程が実行されるときには、前記導線が前記巻き軸と前記可動ローラとの間に送られるとともに、前記可動ローラが前記巻き軸周りに旋回して前記導線を前記巻き軸周りに巻回させるようになっており、かつコイリングの間は前記可動ローラが所定タイミング毎に軸方向へ移動して前記ローラ部のうち前記導線の幅寸法毎に対応した前記ローラ部と前記巻き軸との間で前記導線の巻回が進行する結果、前記導線が前記巻き軸周りに螺旋状に巻回され、
上記のコイリング工程を経て得られたコイルを、プレス型の成形面間にセットし軸線方向に沿って前記コイルの弾性限界を超えてプレス成形することにより、前記コイルにおける各段の巻き始め部から巻き終わり部までほぼ同一平面をなすようにするとともに、当該段の巻き終わり部から次の段の巻き始め部への移行部分を傾斜変形させることを特徴とするコイルの製造方法。