JP5028234B2 - 回転電機、及び固定子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のスロットを跨いで渡り導体部で連結された連続巻コイルにより形成された固定子巻線を有する回転電機、及び固定子の製造方法に関する。

固定子の巻線の形態には、磁極歯毎にコイルを集中して巻回する集中巻と、複数のスロットを跨いでコイルを巻回し、コイルエンドで異相、又は同相のコイル同士が重なり合うようにした分布巻とがある。集中巻の固定子はコイルエンドを小さくすることができ、回転電機の小型化や高効率化に有効であるが、その反面、固定子の内周に発生する回転磁界が滑らかに分布しないため、特に、５次、７次の高調波成分に起因して回転時に騒音が発生する等の欠点がある。一方、分布巻の固定子は、固定子内周の回転磁界を正弦波に近づけることができるので、集中巻よりも回転時の騒音を小さくすることができる。しかし、分布巻はコイルエンドでコイル同士の重なりが多くなるため、集中巻に比べてその体積が大きくなり、小型化や高効率化に課題がある。

また、高出力、かつ、電池で駆動されるような低電圧モータは、極めて高いレベルでの小型化及び高出力化が要求される。このような要求を達成する手段の一つとして、コイルの素線銅線に矩形断面の素線を使用して固定子スロット内のコイル占積率を高める方法がある。例えば、集中巻の固定子コイルを矩形断面の素線で構成してコイル占積率を高めた技術として特許文献１及び特許文献２などがある。このような集中巻の固定子への矩形断面の素線の適用は、コイルの形状が単純であるために比較的容易に実現することができる。

また、分布巻の固定子コイルを矩形断面の素線とした場合は、各素線の整列配置を保ちながら素線同士の誘導干渉を回避させる必要がある。素線同士の誘導干渉を回避させる手段としては同心巻の３相コイルが用いられている（例えば、特許文献３参照）。この場合、３相コイルのコイルエンドの構造はＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれが軸方向に積層して形成され、かつ、それぞれのコイルエンドが重ならないように組み立てることで、異なるコイル同士の誘導干渉を回避している。
特開２００４−８０８６０号公報（段落番号００２１〜００２７、及び図１〜図４参照） 特開２００６−２８８１２３号公報（段落番号００１４〜００２１、及び図１〜図５参照） 特開２００６−１０１６５４号公報（段落番号００１６〜００３９、及び図１〜図３参照）

しかしながら、特許文献３に開示された分布巻の固定子コイルは、コイルエンドで積層して形成された素線が互いに誘導干渉しないように各相のコイルエンド形状を変えて形成して組み込んでいるため、コイルエンドの寸法が大きくなってしまう。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、コイルエンドを小さくして小型化した回転電機、及び固定子の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の回転電機は、絶縁皮膜を有する矩形導体でコイルを構成することにより、スロット内の導体の高占積率化を図って高出力化を実現している。また、連続巻コイルで構成し、各コイルのコイルエンドが周方向に重なるようにして、固定子コアの両端のコイルエンドを小さくして小型化を実現している。さらに、渡り導体部でコイルを連結して連続巻コイルを構成することにより、導体端末の接続点数を少なくして低コスト化を実現している。

本発明によれば、コイルエンドを小さくすることができる。これにより、回転電機を高出力化、小型化、及び低コスト化することが可能となる。

以下に、本発明の回転電機を実現するための分布巻固定子の成形方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の一実施形態である回転電機の分解斜視図である。図１に示すように、本実施形態による回転電機３０は、固定子３１と、固定子３１の内周側に空隙を介して配置され、かつ回転可能に支持されている回転子４１とを備える。固定子３１と回転子４１は、回転電機３０のハウジング内に保持されているが、図ではハウジングの図示、及び亀甲形コイル２３（図８）の形成を省略している。

固定子３１は、固定子鉄心２１と、固定子巻線３４とを備えている。固定子鉄心２１は、渦電流損を低減するため、薄板の電磁鋼板をプレス成形により所定の形状とした上で、軸方向に積層したものである。固定子鉄心２１の内周部には、軸方向に連続した複数のスロットが形成されている。なお、本実施形態では４８個のスロットが形成されている。固定子巻線３４は分布巻により固定子鉄心２１に巻回されている。ここで、分布巻とは、コイルが、複数のスロットを跨いで離間した２つのスロットに収納されるように、固定子鉄心２１に巻回される巻線方式である。

回転子４１は、回転子鉄心４２と、永久磁石４４とを備えている。回転子鉄心４２は、薄板の電磁鋼板をプレス成形により所定の形状とした上で積層したものである。回転子鉄心４２の外周部には、回転子４１の軸方向に貫通した複数の磁石挿入穴が周方向等間隔に形成されている。本実施の形態では、８個の磁石挿入穴が形成されている。永久磁石４４は、永久磁石挿入穴のそれぞれに極性が交互になるように貼付されている。なお、永久磁石４４の間に形成されているコアは補助磁極として機能する。

図２は、固定子巻線を構成する部品である連続巻コイル巻線８（図２（ｃ））を形成するための工程の流れを示す流れ図である。図２（ａ）に示すように、まず、矩形導体のコイル素線１を巻枠４に複数回、巻回して積層された第１のコイル１−１を形成する。そして、第１のコイル１−１の終端の導体端末を矩形導体の幅が狭い方向に折り曲げ、折り曲げ部２ａを形成する。なお、コイル素線１の矩形導体は、例えば、狭い方の幅が０．６ｍｍで広い方の幅が３．６ｍｍである。

さらに、折り曲げ部２ａからそのまま直線状に巻枠４の端面に平行に渡り導体部３を導き、同じように矩形導体の幅が狭い方向に折り曲げて折り曲げ部２ｂを形成し、そのままコイル素線１を導いて巻枠４に同一方向に巻き付けて第２のコイル１−２を形成する。同様の方法によって合計８個のコイル（第１のコイル１−１から第８のコイル１−８）を形成してコイル巻線の製作が完了する（ステップＳ１００）。なお、渡り導体部３とは、折り曲げ部２ａと折り曲げ部２ｂを含めたコイルとコイルとをつなぐ導体部分である。

次に、図２（ｂ）に示すように、２本の矩形導体からなるコイル素線１で形成された導体端末５と導体端末６とのそれぞれにカッター刃７を押し込むと、カッター刃７がコイル素線１の絶縁被膜を貫通してコイル素線１の導体部分に繋がる。図２では図示されていないが、カッター刃７にはコイル通電加熱装置が接続されているため、カッター刃７に通電することにより、コイル素線１の表面の自己融着層を溶解して、コイル素線１同士を固着させる。（ステップＳ１０１）。

さらに、図２（ｃ）に示すように、フォーミングされたコイル素線１から巻枠４を取り外すと、第１のコイル１−１〜第８のコイル１−８からなる連続巻コイル巻線８が形成される（ステップＳ１０２）。

図３は、図２の工程によって形成された連続巻コイル巻線８を複数個用いて組立コイル１０を構成するための工程の流れを示す流れ図である。まず、図３（ａ）に示すように、図２の工程で組み立てられた連続巻コイル巻線８を組立機（図示せず）に位置決めして固定する（ステップＳ２００）。次に、図３（ｂ）に示すように、１個目の連続巻コイル巻線８（つまり、図３（ｂ）で一番奥側の連続巻コイル巻線８）に対して、２個目の連続巻コイル巻線８（つまり、図３（ｂ）で一番奥から２番目の連続巻コイル巻線８）を固定子鉄心２１（図８）のスロット間隔に相当するピッチ間隔で重ね合わせる。以下、同様の方法によって合計６個の連続巻コイル巻線８を重ね合わせる（ステップＳ２０１）。

次に、図３（ｃ）に示すように、重ね合わせた６個の連続巻コイル巻線８をプレス機９によって加圧成形する（ステップＳ２０２）。これにより、コイルとコイルを連結する渡り導体部３と、導体端末５，６は、すべてコイルエンド上に位置し、連続巻コイル巻線８をすべて直線上に並べることができる。次に、図３（ｄ）に示すように、プレス機９を退避させると、６個の連続巻コイル巻線８が塑性変形の方向へひねられて、直線上に並べられた組立コイル１０が得られる（ステップＳ２０３）。

図４は、図３の工程で形成された組立コイル１０を６個の連続巻コイル巻線８に分解した状態を示す図である。図４の分解した状態を示す図において、第１の連続巻コイル巻線１１は、組立コイル１０の中で図中最も右端に位置するコイル巻線である。この第１の連続巻コイル巻線１１は、図３（ａ）に示す連続巻コイル巻線８の初期形状に対して、渡り導体部３の取り出し位置１１ａは図３の組立コイル１０の最も奥側に塑性変形しているが、渡り導体部３のもう一方の取り出し位置１１ｂは図３（ａ）に示す連続巻コイル巻線８の初期の形状を維持している。

次に、図４の組立コイル１０で右から２番目の第２の連続巻コイル巻線１２は、図３（ａ）に示す連続巻コイル巻線８の初期形状に対して、渡り導体部３の取り出し位置１２ａは、取り出し位置１１ａと比較してやや手前（紙の表方向）に塑性変形している。一方、渡り導体部３の取り出し位置１２ｂは、取り出し位置１１ｂと比較してやや手前（紙の表方向）に塑性変形している。

次に、図４の組立コイル１０で右から３番目の第３の連続巻コイル巻線１３、右から４番目の第４の連続巻コイル巻線１４、右から５番目の第５の連続巻コイル巻線１５、右から６番目の第６の連続巻コイル巻線１６のそれぞれについても、渡り導体部３の取り出し位置は順次手前側（紙の表方向）に塑性変形している。このように、渡り導体部３の取り出し位置１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａと、渡り導体部３の取り出し位置１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂは共に少しづつ手前の方向（紙の表方向）に変わっており、渡り導体部３の取り出し位置１６ａについては初期の形状を維持している。したがって、これら６個の連続巻コイル巻線１１〜１６を組み立てた組立コイル１０では、連続巻コイル巻線１１〜１６の整列方向に対して渡り導体部３の取り出し位置が、矩形導体の広い方の導体幅だけズレて、規則的に異なっていることが判る。

図５は、図４における連続巻コイル巻線８の分解図を一部抽出して巻線引出し部を示した図である。つまり、図５では、図４の組立コイル１０の最も右側に位置する第１の連続巻コイル巻線１１、及び最も左側に位置する第６の連続巻コイル巻線１６の巻線引出し部を示している。

図５は、組立コイル１０の最も右側の第１の連続巻コイル巻線１１と、最も左側の第６の連続巻コイル巻線１６との拡大図である。図５（ａ）において、第１の連続巻コイル巻線１１は、巻線引出し部１１Ｃを固定して、巻線引出し部１１Ｂが図の矢印の方向へ最も大きく塑性変形している。同様にして、巻線引出し部１１Ｈを固定して、巻線引出し部１１Ｆが図の矢印の方向へ少し塑性変形している。なお、巻線引出し部１１Ｂ，１１Ｄは、矩形導体の幅方向だけずれ、巻線引出し部１１Ｅ，１１Ｇは、矩形導体の幅方向だけずれ
ている。

一方、図５（ｂ）において、第６の連続巻コイル巻線１６は、巻線引出し部１６Ｆを固定して、巻線引出し部１６Ｇが図の矢印の方向へ塑性変形している。同様にして、巻線引出し部１６Ｂを固定して、巻線引出し部１６Ｃが図の矢印の方向へ塑性変形している。これにより、渡り導体部３がひねられる。

以下、最も右側の第１の連続巻コイル巻線１１と最も左側の第６の連続巻コイル巻線１６との間にある第２の連続巻コイル巻線１２、第３の連続巻コイル巻線１３、第４の連続巻コイル巻線１４、及び第５の連続巻コイル巻線１５は、それぞれ、第１の連続巻コイル巻線１１と第６の連続巻コイル巻線１６の中間の塑性変形を呈する。したがって、このような塑性変形によって、６個の連続巻コイル巻線１１〜１６を組み立てた組立コイル１０では、連続巻コイル巻線１１〜１６の整列方向に対して渡り導体部３の取り出し位置を規則的に異なるようにすることができる。

なお、本実施形態では、コイルの巻き方は順巻、コイル連続巻数は８、合計コイル数は４８の回転電機について説明したが、これに限らず、コイルの巻き方はα巻にしてもよいし、コイル連続巻数や合計コイル数は増減させてもよい。

図６は、図３の工程で形成された組立コイル１０を環状組立コイル２０に成形した図である。すなわち、図６（ａ）は、図３の工程で組み立てられた連続巻コイル巻線１１〜１６を軸方向から見た組立コイル１０の平面図である。この図は各連続巻コイル巻線１１〜１６が直線上に並べられた状態であり、図示されていないが絶縁紙２４（図８）が既に組み込まれている。組立コイル１０は、隣接するスロットに挿入される複数のコイル素線を重ねた重ね巻の形態となっている。なお、渡り導体部３は、軸方向に対して、一端が矩形導体の幅だけずれ、若干傾斜している。すなわち、図５（ａ）における１１Ｂは１１Ｃよりも矩形導体の導体幅だけ内側に引き出され、１１Ｆは１１Ｇよりも同じ導体幅だけ内側に引き出される。同様に、図５（ｂ）における１６Ｃは１６Ｂよりも矩形導体の導体幅だけ内側に引き出され、１６Ｇは１６Ｆよりも同じ導体幅だけ内側に引き出される。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）の組立コイル１０を環状に成形した環状組立コイル２０を示している。つまり、図６（ｂ）に示すように、環状組立コイル２０は組立コイル１０がスパイラル状（渦巻状）に形成されている。

図７は、図６で形成された環状組立コイル２０とこれを組み込む固定子鉄心２１を示す図である。なお、図７では、固定子鉄心２１のスロットは４８個で形成されている。環状組立コイル２０を分布巻として固定子鉄心２１に巻回するためには、環状組立コイル２０の各コイルを亀甲形に変形してスロットを跨ぐように挿入する必要がある。

図８は、図６の環状組立コイル２０のうちの１つのコイルを引き曲げて、固定子鉄心２１に挿入した図である。すなわち、図８は、図６の環状組立コイル２０の各コイルを亀甲形に変形して固定子鉄心２１のスロット２１ａにコイルを挿入する状態を示す概念図であり、図８（ａ）はコイル２２を亀甲形コイル２３に変形する状態を示し、図８（ｂ）は固定子鉄心２１のスロット２１ａに亀甲形コイル２３を挿入する状態を示している。図８（ａ）に示すように、環状組立コイル２０の中の一つのコイルを代表してコイル２２とする。コイル２２には絶縁紙２４が巻かれている。固定子鉄心２１の外周側に位置するコイル２２の導体を左側へ、内周側に位置するコイル２２の導体を右側へ引き曲げて図のような亀甲形コイル２３を形成する。

このようにして形成された亀甲形コイル２３を固定子鉄心２１のスロット２１ａに挿入すると、各スロット２１ａにおける導体の位置関係は図６（ｂ）のように、複数（５個）のスロットを跨ぐ分布巻となる。また、外周側から内周側に右回りに巻回されている。また、隣接する連続巻コイル巻線８が、隣接するスロットに挿入され、重ね巻が実現される。このとき、コイル２２の引き曲げ作業は全コイルについて一括して行うため、コイルエンド上の渡り導体部３は固定子鉄心２１の周方向に重なったまま、その位置関係を維持することができるため、コイルエンドの軸方向長さを短くすることができる。

なお、本実施形態では、コイル２２の引き曲げ方を固定子鉄心２１の外周側に位置する導体を左側、内周側に位置する導体を右側としたが、固定子鉄心２１の外周側に位置する導体を右側へ、内周側に位置する導体を左側へ引き曲げて固定子鉄心２１に組み込んで、左回りに巻回してもよい。この場合もモータの固定子として成立し、コイルエンドも小さくすることができる。

図９は、本発明の第１実施形態において、固定子鉄心２１に固定子巻線を施す工程を示すフローチャートである。すなわち、回転子４１と、固定子鉄心２１の内周部において軸方向に延びる複数のスロット内に固定子巻線（が施された固定子とを備える回転電機の製造方法において、まず、複数本の矩形導体のコイル素線を巻枠４に複数回巻回する。すなわち、巻枠４によって渡り導体部３を介して接続する複数のコイル（連続巻コイル巻線）を形成する（ステップＳ１）。

次に、コイル巻線の導体端末を通電する。これにより、コイル素線１を導通固着させる（ステップＳ２）。その後、巻枠４を外して複数のコイルを連続巻コイルとして形成する（ステップＳ３）。このようにして形成された複数の連続巻コイルをスロット間隔に相当するピッチ間隔で重ね合わせて加圧成形する。これにより、複数の連続巻コイルが重ね合わされて、組立コイル１０が形成される（ステップＳ４）。次に、組立コイル１０の側面をプレス機９により加圧して加圧成形する（ステップＳ５）。次に、加圧された組立コイル１０を渦巻状にして環状組立コイル２０を形成する（ステップＳ６）。そして、環状組立コイルの各コイル２２を亀甲形コイル２３に変形して固定子鉄心２１（固定子）のスロット２１ａに挿入する（ステップＳ７）。これによって、コイルエンドの回転軸方向の長さを短くすることができるので、回転電機３０の回転時の軸振動を小さくすることができる。このため、高速回転しても軸振動が小さくなって安定した運転を行うことができる。

《第２実施形態》
上記の第１実施形態では、渡り導体部３において矩形導体の幅が狭い方向に折り曲げて、折り曲げ部をあらかじめ作製した。これは、矩形導体の縦横の幅が大きく異なる場合は組立性の向上に有効である。しかし、矩形導体が正方形、もしくはそれに近い場合は、必ずしも矩形導体の幅が狭い方向に折り曲げる必要はない。第２実施形態では矩形導体の折り曲げ形状を限定しない形態とする。

本発明の一実施形態である回転電機の構成を示す分解斜視図である。 連続巻コイル巻線を形成するための工程の流れを示す流れ図である。 連続巻コイル巻線を複数個用いて組立コイルを構成するための工程の流れを示す流れ図である。 組立コイルを６個の連続巻コイル巻線に分解した状態を示す図である。 連続巻コイル巻線の分解図を一部抽出して巻線引出し部を示した図である。 組立コイルを環状組立コイルに成形した図である。 環状組立コイルとこれを組み込む固定子鉄心を示す図である。 環状組立コイルのうちの１つのコイルを引き曲げて、固定子鉄心のスロットに挿入した図である。 固定子に固定子巻線を施す工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１ コイル素線
１−１〜１−８ 第１のコイル〜第８のコイル
２ａ，２ｂ 折り曲げ部
３ 渡り導体部
４ 巻枠
５，６ 導体端末
７ カッター刃
８ 連続巻コイル巻線
９ プレス機
１０ 組立コイル
１１〜１６ 第１の連続巻コイル巻線〜第６の連続巻コイル巻線
１１ａ〜１６ａ、１１ｂ〜１６ｂ 渡り導体部の取り出し位置
（１１Ａ〜１６Ａ）〜（１１Ｈ〜１６Ｈ） 巻線引出し部
２０ 環状組立コイル
２１ 固定子鉄心
２１ａ スロット
２２ コイル
２３ 亀甲形コイル
２４ 絶縁紙
３０ 回転電機
３１ 固定子
３４ 固定子巻線
４１ 回転子
４２ 回転子鉄心
４４ 永久磁石

Claims (7)

1. 固定子鉄心の内周部において軸方向に延びる複数のスロット内に固定子巻線が施された固定子と、この固定子の内部で回転可能な回転子とを備える回転電機において、
   複数の前記固定子巻線は、矩形導体のコイル素線を複数回巻回し、渡り導体部を介して形成された同一形状のコイル巻線を複数個形成し、前記複数個のコイル巻線を連続巻コイルとして形成し、複数個の前記連続巻コイルをスロット間隔に相当するピッチ間隔で重ね合わせて加圧成形し、前記加圧成形した組立コイルをほぼ渦巻状にして環状組立コイルを形成し、前記形成された環状組立コイルの各コイルを亀甲形コイルに変形し、変形された亀甲形コイルを前記固定子鉄心のスロットに挿入することにより、前記複数のスロットを跨ぐ渡り導体部で連結された矩形導体からなる連続巻コイルにより構成され、前記渡り導体部の端部の位置が前記固定子の周方向に異なっていることを特徴とする回転電機。
2. 複数の前記渡り導体部は、略同一形状であり、かつ、等間隔に前記固定子の周方向に重なって配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記渡り導体部は、前記矩形導体の幅が狭い方向に折り曲げ成形されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記固定子巻線の巻線方式は重ね巻であり、
   前記端部の位置は、前記スロットの間隔で周方向にずれていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
5. 固定子鉄心の内周部において軸方向に延びる複数のスロット内に固定子巻線が施された固定子の製造方法において、
   矩形導体のコイル素線を巻枠に複数回巻回することにより、渡り導体部を介して接続される複数のコイル巻線を複数個形成する第１の工程と、
   前記巻枠を取り外して前記複数のコイル巻線を連続巻コイルとして、略同一形状の複数個の連続巻コイルを形成する第２の工程と、
   前記略同一形状の複数個の連続巻コイルをスロット間隔に相当するピッチ間隔で重ね合わせて加圧成形することにより、前記連続巻コイル毎の渡り導体部の端部の位置が前記固定子の周方向に異なっている組立コイルを形成する第３の工程と、
   を含むことを特徴とする回転電機用の固定子の製造方法。
6. 前記加圧成形した組立コイルをほぼ渦巻状にして環状組立コイルを形成する第４の工程と、
   前記環状組立コイルの各コイルを亀甲形コイルに変形して前記固定子鉄心のスロットに挿入する第５の工程と
   をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の回転電機用の固定子の製造方法。
7. 前記第２の工程と前記第３の工程との間に、前記複数個のコイル巻線のそれぞれの導体端末において前記コイル素線を導通固着させる第６の工程を備えたことを特徴とする請求項６に記載の回転電機用の固定子の製造方法。

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