JP4708816B2 - 電動機の固定子の巻線方法と、その電動機の固定子 - Google Patents

Description

本発明は、固定子歯部に絶縁用ボビンを装着し、直接巻線を巻き付けた集中巻き方式による電動機の固定子の巻線方法とその電動機の固定子に関する。

近年、環境問題等によって低電圧で駆動される電動機を搭載した電動車両が増えてきている。このような電動機の固定子は車両搭載スペースから小型化や、省エネルギーの観点から高効率が要求されている。これらの要求に対して固定子に巻き付けられる巻線は、線径が太く、巻き回数の少ない仕様となっている。具体的には、電圧が６０Ｖ以下の場合で駆動運転領域が１５０００ｒ／ｍｉｎ以下の電動機であり、特に電動車両に搭載される電動圧縮機等は、インバータ等の駆動装置により制御される電動機が多い。

このような電動機の固定子に巻き付けられる巻線仕様は、巻き回数が少なく、線径を太くした巻線仕様や、平角線、Ｕ字型コイルを使用し製作されている。巻線の線径を単純に太くした仕様は、従来の細線を太くしたものであり何等従来の巻線方法と変わらない。

平角線の仕様は特開２００３−９４８０号公報（特許文献１参照）に記載されているように、平角線の巻き始めが邪魔にならないように平角線を案内する軌道部を絶縁用ボビンに形成し斜めに巻き付けている。図３には固定子１ｃの歯部２ｃに絶縁用ボビン４ｃを装着し平角線３ｃを巻き付けている。図３は固定子１ｃの歯部２ｃのほぼ中央部を径方向側面から解るように軸方向に縦断面した図である。絶縁用ボビン４ｃには平角線３ｃを巻くために固定子１ｃの上端部から下端部にかけて斜めに張り出した軌道部５ａ、５ｂを確保している。

また、Ｕ字型コイルの仕様は特開２００２−１５３００２号公報（特許文献２参照）に記載されているように、Ｕ字型に成形したＵ字コイルの端部を積層した固定子の歯部を挟んでスロットに挿入し、Ｕ字コイルの端部を接続したものである。図４には固定子１ｄの歯部２ｄに絶縁用ボビン４ｄを装着し、固定子１ｄの歯部２ｄを挟んでＵ字型コイル３ｄが装着され、コイル端部６ａ、６ｂを溶接等で接続している。図４は固定子１ｄの歯部２ｄのほぼ中央部を内径方向側面から解るように軸方向に縦断面した図である。

特開２００３−９４８０号公報 特開２００２−１５３００２号公報

例えば、このような低電圧の電動機に太い線径の巻線を絶縁用ボビンに巻き付ける際、巻き太りが発生する。特に固定子の歯部に直接巻線を巻き付ける集中巻き方式では、隣同士が異極であるためスロット内での巻き太りは巻線同士が接触し絶縁不良になる。また、絶縁用ボビンの角部では、巻線を絶縁用ボビンの角部に沿うように最小半径で曲げることができずにコイルエンドが大きくなってしまっている。これにより、固定子のスロット内に巻線を多く巻くことができず、コイルエンドの高さも高くなり電動機の小型化、高性能を達成することが難しくなっている。

また、巻線の線径が太いために可とう性が悪く、巻線を引っ張って巻く力（以降、巻線テンションと呼ぶ）を強くしなければならないが、あまり強くなりすぎると巻線を傷つけたり、破損したりして絶縁不良となる。また、巻線テンションを強くすることにより絶縁用ボビン自体が破損したり、引いては積層コアの変形にもつながる。従って、巻線スピードを遅くして巻線及び絶縁用ボビン、積層コアへの影響を極力低減している。

また、図３に示したように平角線３ｃの巻線を使用した場合は、線径の太い巻線を使用した場合と同様の問題が生じ、更に、平角線３ｃの巻き始めが邪魔にならないように絶縁用ボビン４ｃに樹脂の張り出しを設け平角線３ｃを案内する軌道部５ａ、５ｂを斜めに形成している。これにより巻線が全体的に斜めに巻き付けられるため本来なら巻線を巻くことができる部分にもかかわらず、巻線を巻くことができない個所が発生している。従って、固定子１ｃのスロットには思ったほど平角線３ｃを巻くことができない。

また、図４に示したようにＵ字型コイル３ｄを使用した場合は、線径が太い巻線や平角線等３ｃで発生する巻き太りや巻線テンションによる巻線及び絶縁用ボビン４ｄ、積層コア等への影響はほとんどないが、スロットに挿入する前に、コイルを事前にＵ字型に成形したり、積層した固定子１ｄの歯部２ｄを挟んで隣り合うスロットに挿入した後は、Ｕ字型コイル３ｄの端部６ａ、６ｂを溶接等で接続しなければならず、作業効率が悪くコストアップとなっている。

また、車両用の電動機と使用される場合、固定子の巻線に大電流を流すため巻線が発熱し電動機性能を悪化している。

本発明は、これに鑑みて、特に低電圧の電動機の固定子に用いる巻線を固定子のスロットに少しでも多く巻き込み高占積率化（スロットに占める巻線の割合）し電動機の小型化、高性能化を達成する。また、巻線の発熱に伴う損失や巻線への傷、破損を低減し、絶縁用ボビン及び積層コア等の破損、変形を低減して品質を向上することを目的とした、電動機の固定子の巻線方法と、その電動機の固定子であります。

電動機の固定子の歯部には絶縁用のボビンが装着され、前記絶縁用ボビンにはＮ本の多本持ち巻線が同時に集中巻きされた電動機であり、前記巻線が前記絶縁用ボビンに巻き付ける巻き付け方法において、第１の工程では前記絶縁用ボビンに集中巻きされた巻線部分の少なくとも一部分が巻線の線径の略Ｎ倍のピッチで整列巻きされており、第２の工程以降は前記絶縁用ボビンに集中巻きされた巻線部分の少なくとも一部分において多本持ち巻線が同時にＮ段の俵積みとした電動機の固定子の巻線方法と、その電動機の固定子とする。

また、前記第２の工程の巻線の巻き付け進み方向は、前記第１の工程の巻線の巻き付け進み方向とは逆方向に巻線を巻き進み、以降の工程において巻線の巻き進み方向は交互に入れ替わり行われた電動機の固定子の巻線方法と、その電動機の固定子とする。

本発明は、特に、低電圧の電動機の固定子に用いる巻線方法において線径の太い巻線や平角線、Ｕ字型コイル等を使用することなく固定子のスロットに少しでも多くの巻線を巻き高占積率化すると伴にコイルエンドを小さくすることができる。これにより電動機の小型化、高性能化を達成することができる。また、巻線の発熱に伴う損失や巻線への傷、破損を低減し、絶縁用ボビン及び積層コア等の破損、変形を低減して品質を向上することができる。

本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１の電動機の固定子１ａの歯部２ａに絶縁用ボビン４ａが装着され、絶縁用ボビン４ａの上から巻線３ａが直接巻き付けられた集中巻き方式における歯部２ａの部分横断面図である。絶縁用ボビン４ａの上から直接巻き付けられる巻線３ａは巻線機の１本のノズルからＮ本同時に引出され固定子１ａの歯部２ａに直接巻き付けられている。本実施形態における巻線機の１本のノズルからは、２本の巻線３ａが引出されており固定子１ａの歯部２ａに装着した絶縁用ボビン４ａに２本の巻線が同時に巻き付けられている。

このような低電圧の仕様での電動機の固定子の巻線方法は、線径の太い巻線や図３の平角線３ｃ等のように巻線の断面積がかなり大きいものは、巻線の可とう性が悪く巻き太りし易く、隣り合う歯部２ｃに巻かれた巻線同士がスロット内で接触し絶縁不良となったり、コイルエンドの仕上がり高さが高くなったりしたが、図１に示したように線径が細い巻線３ａ、具体的にはφ１．５以下の多本持ちの巻線３ａにすることにより取り扱いも容易となり可とう性も向上する。

また、絶縁用ボビン４ａの角部にも巻線３ａが馴染み固定子１ａの隣り合う歯部２ａに巻かれた巻線３ａ同士がスロット内で接触することがなくなる。またコイルエンドの仕上がり高さも低くすることができる。

また、細い線径であるため巻線３ａの引っ張る力、巻線テンションは線径の太い巻線や平角線３ｃ等に比べて弱くすることができ、巻線テンションによる巻線３ａや絶縁用ボビン４ａの傷、破損を低減でき、積層コアへの破損、変形も無くすことができる。また、図４のＵ字型コイル３ｄ等のようにスロットに挿入する前に、コイルを事前にＵ字型に成形したり、積層した固定子１ｄの歯部２ｄを挟んで隣り合うスロットに挿入した後、Ｕ字型コイル３ｄの端部６ａ、６ｂを接続するような作業も必要としない。

尚、巻線機の１本のノズルから引出されたＮ本の巻線が、規則性のない状態で絶縁用ボビン４ａに巻かれた場合、先の線径の太い巻線や平角線３ｃ等と同様の問題が発生する。本発明の図１の実施形態では、２本の巻線３ａに規則性を持たせて絶縁用ボビン４ａに巻き付けている。

図１の２本の巻線３ａは例えば、φ０．９〜φ１．５の２本持ちの場合であり、２本の巻線３ａが絶縁用ボビン４ａの１段目に隙間無く納まる巻線方法である。
固定子１ａの歯部２ａに装着した絶縁用ボビン４ａの１段目は、第１の工程として２本を平行にして整列に巻き付けている。従って、巻線３ａは２本同時に巻き付けており巻き付けピッチは線径の略２倍の間隔をおいて巻き付けている。

具体的に図１で説明すると、第1の工程として１ターン目の巻線（１、１'）から４ターン目の巻線（４、４'）まで巻き付けピッチが線径の略２倍の間隔をおいて巻線３ａが整列に巻き付けられている。絶縁用ボビン４ａで囲まれたスロットの固定子１ａの外径側から内径側に向い１段目として初回の１ターン目の巻線（１、１'）から順次整列に巻き付け４ターン目の巻線(４、４')まで巻き付けている。

次に１段目の上に第２の工程として、第１の工程の巻線（１〜４、１'〜４'）の巻き付け進み方向とは逆方向に２段目、３段目の巻線（５〜１１、５'〜１１'、１２）を巻き進む。第２の工程では２本持ちの内の１本の巻線（５〜１１）を1段目に整列巻きされた巻線（１〜４、１'〜４'）の上に順次配置し、１段目の巻線と巻線との間の隙間に位置するように巻き付けられている。２本持ちの内の他の１本の巻線（５'〜１１'、１２）は３段目として巻き付けられ、２段目の巻線と巻線との間の隙間に位置するように２段目に巻き付けた巻線（５〜１１）と同時に３段目が巻き付けられている。従って、３段目の巻線（５'〜１１'、１２）は２段目の巻線（５〜１１）と同時に巻き付けられ２段目の巻線（５〜１１）とは若干の角度を持って斜めに俵積みされ巻き付けられている。

また、巻き付け進み方向は、２段目の１ターン目の巻線（５）と３段目の１ターン目の巻線（５'）は若干の角度を持たせ斜めに俵積みとなるように絶縁用ボビン４ａの固定子１ａの内径側から外径側に向い巻き付けている。２本持ちの内の１本の巻線（５〜１１）は、２段目の１ターン目の巻線（５）から７ターン目の巻線（１１）まで、２本持ちの内の他の１本の巻線（５'〜１１'）は、３段目の１ターン目の巻線（５'）から７ターン目の巻線（１１'）まで巻き付けられている。尚、３段目の７ターン目の隣には２段目の巻線の続きである巻線（１２）が巻き付けられている。

更に４段目も５段目は、２段目、３段目に巻き付けられた巻線（５〜１１）、（５'〜１１'、１２）の巻き付け進み方向とは逆方向に４段目、５段目の巻線（１２'〜１８'）、（１３〜１９、１９'）を巻き進む。（１段目の巻線（１〜４、１'〜４'）の巻き付け進み方向と同じ）。但し、４段目、５段目の巻き始めの１ターン目の巻線（１２、１２'）は、２本持ちの内の１本の巻線（１２）が、３段目の最終ターンである７ターン目の巻線（１１'）の隣の隙間に巻き込まれている。従って、４段目の最初の１ターン目は巻線（１２'）となり以降巻線（１８'）まで巻かれ、３段目に巻かれた巻線（１２）の次のターンの巻線（１３）は５段目の最初の１ターン目の巻線（１３）として巻かれる。

これにより、２段目、３段目に巻かれた巻線（５〜１１）、（５'〜１１'、１２）と同様に、巻線と巻線との間の隙間に位置するように４段目の巻線（１２'〜１８'）が巻き付けられ、同時に５段目の巻線（１３〜１９、１９'）が巻き付けられている。尚、２段目、３段目に巻き付けた巻線の斜めに俵積みされた巻線（５〜１１）、（５'〜１１'、１２）とは、俵積みされる２本の巻線間の距離が若干広く積まれることになるが見かけ上は同じに見える。その後は、５段目の最終ターンの巻線（１９、１９'）には２本が同時に巻き込まれることになり以降６段目からは２段目〜５段目の巻線方法が繰り返されることになる。

また、図２に示す巻線方法は、２本の巻線３ｂが絶縁用ボビン４ｂの１段目に隙間無く納まるが、最終ターンにおいて２本持ちの内の１本の巻線３ｂが上段に巻かれる場合の巻線方法を示している。
固定子１ｂの歯部２ｂに装着した絶縁用ボビン４ｂの１段目は、第１の工程として２本を平行にして整列に巻き付けている。巻線３ｂは２本同時に巻き付けているため、巻線３ｂの巻き付けピッチは線径の略２倍の間隔をおいて巻き付けている。

具体的に図２で説明する。第1の工程として１ターン目の巻線（１、１'）から４ターン目の巻線（４、４'）まで巻き付けピッチが線径の略２倍の間隔をおいて巻線３ｂが整列に巻き付けられている。絶縁用ボビン４ｂで囲まれたスロットの固定子１ｂの外径側から内径側に向い１段目として初回の１ターン目の巻線（１、１'）から順次整列に巻き付け５ターン目の巻線(５、５')まで巻き付けている。但し、５ターン目の巻線（５）は、絶縁用ボビン４ｂの１段目に納めることができないため上段に移行している。

次に１段目の上に第２の工程として、第１の工程の巻線（１〜５、１'〜５'）の巻き付け進み方向とは逆方向に２段目、３段目の巻線（５〜１２、６'〜１３'、１３）を巻き進む。第２の工程では２本持ちの内の１本の巻線（５〜１２）を1段目に整列巻きされた巻線の上に順次配置し、１段目の巻線と巻線との間の隙間に位置するように巻き付けられている。２本持ちの内の他の１本の巻線（６'〜１３'、１３）は３段目として巻き付けられ、２段目の巻線と巻線との間の隙間に位置するように２段目に巻き付けた巻線（５〜１２）と同時に３段目が巻き付けられている。従って、３段目の巻線（６'〜１３'、１３）は２段目の巻線（５〜１２）と同時に巻き付けられるが、２段目の巻線とは若干の角度を持って斜めに俵積し巻き付けることになる。尚、図１は絶縁用ボビンに隙間無く巻線を配置することができたが、図２では２本持ちの内の１本の巻線（５）は絶縁用ボビン４ｂの１段目に納めることができないため上段に移行している。

図２では２段目の１ターン目の巻線（５）は、先の上段に移行した巻線であり、この１ターン目の巻線（５）の隣の隙間に２本持ちの内の１本の巻線（５）の２ターン目以降の巻線（６）〜８ターン目の巻線（１２）まで巻き付けられ、３段目の１ターン目の巻線（６'）〜８ターン目の巻線（１３、１３'）まで２段目と３段目とは若干の角度を持たせ斜めに俵積みとなるように絶縁用ボビン４ｂの内径から外径に向い巻き付けている。尚、３段目の最終ターンには２本の巻線（１３、１３'）が同時に巻き込まれることになる。

更に４段目、５段目は、２段目、３段目に巻き付けられた巻線（５〜１２、６'〜１３'、１３）の巻き付け進み方向とは逆方向に４段目、５段目の巻線（１４、１４'〜２０'、１５〜２１、２１'、２２'）を巻き進む（１段目の巻線（１〜４、１'〜５'）の巻き付け進み方向と同じ）。但し、４段目の巻き始めの１ターン目の巻線（１４）は、２本持ちの内の他方の巻き始めの巻線（１４'）も同時に巻き込むことになり、4段目の１ターン目に巻線（１４）、（１４'）が巻き込まれることになる。４段目、５段目が同時に巻かれるのは４段目の２ターン目の巻線（１５'）と５段目の１ターン目の巻線（１５）からである。４段目は７ターン目の巻線（２０'）まで巻かれる。５段目の７ターン目は巻線（２１）と巻線（２１'）とが同時に巻き込まれる。また、巻線（２１'）の隣の隙間に８ターン目の巻線（２２'）を巻き込んでいるが、２本持ちの内の他方の巻線（２２）は絶縁用ボビン４ｂの５段目に納めることができないため上段に移行している。

従って、４段目の最初の１ターン目の巻線は(１４)、(１４')が同時に巻き込まれ、５段目に巻かれた巻線（２０）の次のターン（２１）及び（２１'）も５段目に巻かれ、更に、２本持ちの内の１本の巻線（２２'）も５段目の最終ターンの８ターン目に巻かれる。２本持ちの内の他の１本の巻線（２２）は６段目に巻かれる。尚、２段目、３段目の斜めに俵積みされた巻線（５〜１２、６'〜１３'、１３）とは、２本の巻線間の俵積みされる距離が若干広く積まれることになるが、見かけ上は同じに見える。

これにより、５段目の最終ターンは巻線（２２'）と６段目の最初のターンの巻線（２２）となり巻き込まれることになる。以降、６段目の２ターン目からは２段目〜５段目の巻線方法が繰り返されることになる。

本実施例では、巻線機の１本のノズルから引出される巻線の持ち数が２本持ちであるが、更に多本持ちの場合にも同様に、第１の工程の1段目において絶縁用ボビンに巻かれた集中巻きの巻線部分の少なくとも一部分が巻線の線径の略Ｎ倍のピッチで整列巻きとし、第２の工程以降は絶縁用ボビンに集中巻きされた巻線部分の少なくとも一部分において多本持ち巻線が同時にＮ段の俵積みとすることにより、低電圧の電動機の固定子に用いる巻線方法において線径が太い線径の巻線や平角線、Ｕ字型コイル等を使用することなく固定子のスロットに少しでも多くの巻線を巻き高占積率化すると伴にコイルエンドを小さくすることができる。電動機の小型化、高性能化を達成することができる。また、巻線の発熱に伴う損失や巻線への傷、破損を低減し、絶縁用ボビン及び積層コア等の破損、変形を低減し品質を向上することができる。

また、低電圧の電動機の固定子として製作される電動機の多くは、巻線の巻き回数が少なく、太い線径の巻線や平角線、Ｕ字型コイル等で製作された電動機においては、要求特性に対してターン数や巻線の線径を細かく変更して対応することが難しい。本発明のように細い線径の巻線を複数本、同時に巻き付けている巻線方法では、ターン数や巻線の線径を細かく調整することが可能であるため容易に電動機の要求性能を満たすことができる。尚、本実施例では、巻線機のノズルを１本としたが、複数本のノズルを用いても良い。特に、巻線機のノズルを１本にする場合は、巻線機の難しい制御を必要とせず容易に巻線を巻くことができる。また、巻線機の部品点数も低減することができる。

本発明による電動機の固定子の巻線方法によるスロットの部分横断面図。 本発明による電動機の固定子の別の巻線方法によるスロットの部分横断面図。 従来における平角線の巻線方法によるスロットの部分縦断面図。 従来におけるＵ字型コイルの巻線方法によるスロットの部分縦断面図。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ・・・固定子、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ・・・歯部、３ａ，３ｂ，１〜３０，１'〜３０'・・・巻線、３ｃ・・・平角線、３ｄ・・・Ｕ字型コイル、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…絶縁用ボビン、５ａ，５ｂ・・・軌道部の張り出し、６ａ，６ｂ・・・端部。

Claims (4)

1. 電動機の固定子の歯部には絶縁用のボビンが装着され、前記絶縁用ボビンにはＮ本の多本持ち巻線が同時に集中巻きされた電動機であり、前記巻線を前記絶縁用ボビンに巻き付ける巻き付け方法において、第１の工程では前記絶縁用ボビンに集中巻きされた巻線部分の少なくとも一部分が巻線の線径の略Ｎ倍のピッチで整列巻きされており、第２の工程以降は前記絶縁用ボビンに集中巻きされた巻線部分の少なくとも一部分において多本持ち巻線が同時にＮ段の俵積みとしたことを特徴とする電動機の固定子の巻線方法。
2. 前記第２の工程の巻線の巻き付け進み方向は、前記第１の工程の巻線の巻き付け進み方向とは逆方向に巻線を巻き進み、以降の工程において巻線の巻き進み方向は交互に入れ替わり行われることを特徴とする請求項１項記載の電動機の固定子の巻線方法。
3. 電動機の固定子の歯部には絶縁用のボビンが装着され、前記絶縁用ボビンにはＮ本の多本持ち巻線が同時に集中巻きされた電動機であり、前記巻線を前記絶縁用ボビンに巻き付ける巻き付け方法において、第１の工程では前記絶縁用ボビンに集中巻きされた巻線部分の少なくとも一部分が巻線の線径の略Ｎ倍のピッチで整列巻きされており、第２の工程以降は前記絶縁用ボビンに集中巻きされた巻線部分の少なくとも一部分において多本持ち巻線が同時にＮ段の俵積みとしたことを特徴とする電動機の固定子。
4. 前記第２の工程の巻線の巻き付け進み方向は、前記第１の工程の巻線の巻き付け進み方向とは逆方向に巻線を巻き進み、以降の工程において巻線の巻き進み方向は交互に入れ替わり行われることを特徴とする請求項３項記載の電動機の固定子。

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