JP5043465B2 - 回転機用コイルの成形装置及び成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機用コイルの成形装置及び成形方法に関し、特に小型化が要求される電動機や発電機等の回転機に用いるのに適したコイルの成形装置及び成形方法に関する。

従来、自動車等に用いられる電動機や発電機等の回転機では、限られたスペースでその設置の自由度を高めるために小型化の要求が存在する。

そのような小型化の一課題として回転機の軸方向長さの短縮があり、例えば、固定子の鉄心のスロットから突出するコイル端部をなす渡り線部の両サイドを固定する固定具と、その渡り線部の軸方向端部を押圧する可動体とを有する圧縮用治具を用い、コイルの渡り線部を軸方向に押圧圧縮することで、占積率（即ち、コイル断面積に対する導体断面積の割合）を高めて渡り線部の突出高さを減少させる技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−３６４４７０号公報（第８図）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術は、比較的簡易な圧縮用治具を用いて実行することが可能であるものの、単にコイルの渡り線部の高さを減少させることを意としたものに過ぎず、渡り線部を所望の形状（外周面、内周面及び軸方向端面の形状）及びサイズ（高さ及び内径、外径）に精度良く成形するような用途には不向きであった。従って、例えば、回転機の軸方向長さの短縮するために、コイルの軸方向に隣接する軸受けをその渡り線部に挿入した状態で設置することを考えた場合、渡り線部を軸受け形状に適合させるように精度良く成形することは困難であった。また、上記従来技術のように、コイルの渡り線部の両サイドを固定してその軸方向端部を押圧するだけの成型方法では、コイル素線の断線や成形後のスプリングバックを適切に抑制できないという課題があった。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、回転機用コイルの渡り線部の形状を回転機用コイルの軸方向に隣接する軸受け形状に適合させて、当該軸受けの少なくとも一部をコイルに挿入した状態で設置可能とすべく、渡り線部を所望の形状に精度良く成形可能とする回転機用コイルの成形装置及び成形方法を提供することを主目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、回転機用コイルの渡り線部の成形装置であって、前記回転機用コイルの中心部側を固定する固定具と、前記渡り線部の内形を成形すべくその内周側に当接する内形成形具と、前記渡り線部の外周側を押圧して外形を成形する外形押圧具と、前記渡り線部の軸端側を押圧して端部形状を成形する軸端押圧具とを備えた構成とする。この場合、内形成形具の当接、外形押圧具の押圧、軸端押圧具の押圧の順で成形工程を実施することで、簡易な手順で渡り線部を所望の形状に精度良く成形することが可能となる。

上記課題を解決するためになされた第２の発明として、前記外形押圧具が、前記回転機用コイルを外囲するように配置された複数の押圧部材を有し、当該各押圧部材を径方向に進退自在に支持する移動機構と、当該移動機構を前記回転機用コイルの軸心周りに回動自在に支持する回動機構とをさらに備えた構成とすることができる。この場合、押圧部材を回転機用コイルの周方向に等間隔で配置することで、渡り線部の外周側をより適切に押圧することが可能となる。

上記課題を解決するためになされた第３の発明として、前記複数の押圧部材が、前記渡り線部の外形の最終成形形状となる曲面に適合した曲率の押圧面を有する構成とすることができる。

上記課題を解決するためになされた第４の発明として、前記内形成形具が、前記回転機用コイルの軸方向に沿って進退自在に設けられ、前記渡り線部の内周側に進入して環状凹部を形成する構成とすることができる。

上記課題を解決するためになされた第５の発明は、回転機用コイルの渡り線部の成形方法であって、前記回転機用コイルの中心部側を固定する固定工程と、前記渡り線部の内形を成形すべくその内周側に内形成形具を当接させる内形成形工程と、前記渡り線部の外周側を外形押圧具により押圧して外形を成形する外形押圧工程と、前記渡り線部の軸端側を軸端押圧具により押圧して端部形状を成形する軸端押圧工程とを有する構成とする。

上記課題を解決するためになされた第６の発明として、前記外形押圧具が、前記回転機用コイルを外囲するように配置された複数の押圧部材を有し、前記外形押圧工程が、前記各押圧部材を径方向に移動させて前記渡り線部の外周側を押圧する工程と、前記複数の押圧部材を前記回転機用コイルの軸心周りに回動させて前記渡り線部に対する押圧位置を変更する工程とを含む構成とすることができる。この場合、渡り線部を押圧する工程と渡り線部に対する押圧位置を変更する工程とを繰り返し実行することで、成形時のコイル素線の断線や成形後のスプリングバックを適切に抑制しつつ、渡り線部をより精度良く成形することが可能となる。

上記課題を解決するためになされた第７の発明として、前記内形成形具が、前記回転機用コイルの軸方向に沿って進退自在に設けられ、前記内形成形工程が、前記渡り線部の内周側に進入して環状凹部を形成する工程を含む構成とすることができる。

上記第１の発明及び第５の発明によれば、回転機用コイルの渡り線部を所望の形状に精度良く成形可能となり、その結果、回転機用コイルの渡り線部の形状を回転機用コイルの軸方向に隣接する軸受け形状に適合させて、当該軸受けの少なくとも一部をコイルに挿入した状態で設置することが可能となる。また、上記第２の発明及び第６の発明によれば、外形押圧具により、渡り線部に対する押圧位置を変更しながらその外周側を適切に押圧することができるので、成形時のコイル素線の断線や成形後のスプリングバックを抑制しつつ、渡り線部をより精度良く成形可能となる。また、上記第３の発明によれば、簡易な構成により、渡り線部の外形を所望の外周面形状に精度良く成形可能となる。また、上記第４の発明及び第７の発明によれば、環状凹部を回転機用コイルの軸方向に隣接する軸受けの外形に適合させて形成することで、渡り線部内に軸受けの収納スペースを容易に形成して軸受けを適切に設置することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る回転機用コイルの成形装置により成形されたコイルを備えたポンプ装置の断面図であり、図２は、コイルの拡大図である。

このポンプ装置１は、ＦＣＶ（燃料電池車）に搭載されて燃料ガス等の供給に用いられるモータ一体型のポンプであり、特に、軸方向長さを短縮した小型で高回転対応の装置として設計されたものである。ポンプ装置１は、フランジ部２で分割されたモータケース３及びポンプケース４からなる筐体内に、永久磁石ロータ５及びインペラ６を取り付けた軸７と、その軸７を回転自在に支持する軸受け８，９と、永久磁石ロータ５を取り囲むように配置されたステータ１０とを備えている。

軸受け８，９は、フォイル式流体軸受けであり、軸７に取り付けられたジャーナル部１１，１２とその外周面を囲むように同軸に設けたフォイル部材（図示せず） との間に加圧された流体膜が形成される構成となっている。

ステータ１０は、鉄心１５と、この鉄心１５に複数のコイル素線を束ねて撚り合わせたリッツ線を巻回したコイル（回転機用コイル）１６とを有している。コイル１６は、略円筒状をなし、鉄心１５から突出した両端部の渡り線部１７，１８の内形（環状凹部）がそれぞれ軸受け８，９の外形に適合するように成形されている。

図２に示すように、コイル１６の一方側に位置する渡り線部１７は、その形状が、渡り線部１７の内周側に位置する内面２１、渡り線部１７の外周側に位置する外面２２、及び渡り線部１７の軸端側に位置する端面２３により画定される。内面２１は、軸受け８を収納するための環状凹部を画定する周面３１及び環状面３２と、その環状面３２の内周縁に連なり渡り線部１７の基部側に延びる周面３３とからなる。また、端面２３は、渡り線部１７の先端側に位置する環状面３４と、その環状面３４の内周縁に連なり、渡り線部１７を概ねテーパ状に画定するテーパ面３５とからなる。このテーパ面３５は、軸受け８を環状凹部へガイドする役割を果たし、軸受け８の渡り線部１７への収納をより容易に行うことを可能とする。

また、コイル１６の他方側に位置する渡り線部１８は、渡り線部１７の内面２１、外面２２及び端面２３とそれぞれ同様の形状を有する内面４１、外面４２、及び端面４３を有している。ここで、渡り線部１７及び１８の形状は、必ずしも同一である必要はなく、それぞれ収納される軸受けの形状や周囲部材の配置等に応じて変更することができる。

このように、成形した渡り線部１７，１８内に軸受け８，９（ここでは、その一部）を挿入した状態で設置して軸方向長さの短縮を図ることで、ポンプ装置１の設置の自由度を向上させることが可能となり、さらに、高速回転時の共振を抑制することができるという利点もある。

次に、上記コイル１６の渡り線部１７，１８を成形するための成形装置について説明する。

図３は、本発明に係る回転機用コイルの成形装置の主要部を示す縦断面図であり、図４は、外形押圧具の構成を示す図である。

図３に示すように、成形装置５１は、支持台５２に取り付けられた下側支柱５３と、その下側支柱５３に連結された上側支柱５４との間に、コイルを巻回してなるステータ１０を固定し、上側及び下側にそれぞれ配置した成形機構５５，５６によって渡り線部１７，１８を成形する構成となっている。

下側支柱５３は、本体部６１及びより小径の先端部６２を有し、また、上側支柱５４は、本体部６３及びより小径の先端部６４を有し、それぞれの先端部６２，６４の外径を鉄心１５の内径に適合させることで、コイル１６の中心部側を固定する固定具として機能する。上側支柱５４の中心には固定軸６５が貫通しており、その先端が下側支柱５３の先端部６２に設けられた位置決め穴６２ａに挿入されることで、それぞれの先端部６２，６４が互いに対向する配置で支柱５３,５４の軸心が一致するように位置決めされる。このとき、固定軸６５の上端は、上方に位置する支持アーム６６により支持される。

上方の成形機構５５は、コイル１６の渡り線部１７の内形を成形すべくその内周側に当接する内形成形具７１と、渡り線部１７の外周側を押圧して外形を成形する外形押圧具７２と、渡り線部１７の軸端側を押圧して端部形状を成形する軸端押圧具７３とを備える。

内形成形具７１は、上側支柱５４の本体部６３を外囲する略筒状の部材からなり、その本体部６３の外周面上を滑動することでコイル１６の軸方向に進退自在に設けられている。また、軸端押圧具７３は、内形成形具７１を外囲する略筒状の部材からなり、その内形成形具７１の外周面上を滑動することでコイル１６の軸方向に進退自在に設けられている。

外形押圧具７２は、図４に示すように、コイル１６の渡り線部１７を外囲するようにその周方向に等間隔（コイル１６の軸心を中心に６０°間隔）に配置された同一構成の６つの押圧部材８１を有している。各押圧部材８１には、それらを径方向に進退自在に支持する移動機構が設けられており、この移動機構は、押圧部材８１を保持する保持部材８２と、その保持部材に連結された軸部材８３をコイル１６の径方向に進退自在にガイドするガイド部材８４とから構成される。ここで、軸部材８３は、ガイド部材８４が取り付けられた縦板９４の挿通穴９４ａを介してガイド穴８５に挿入されている。また、ガイド穴８５は、その中間部で小径化されて段差部８５ａが設けられており、軸部材８３がコイル１６の軸心方向に移動する場合に、ガイド穴８５の段差部８５ａに軸部材８３の大径部８３ａが当接してその移動が規制される。押圧部材８１の渡り線部１７側への移動は、軸部材８３の大径部８３ａの端面を図示しない押出機構で押すことにより実現される。

ここで、押圧部材８１は、渡り線部１７の外形の最終成形形状となる曲面に適合した曲率の押圧面８１ａを有している。押圧面８１ａの渡り線部１７に対する接触方向は、押圧部材８１を保持部材８２に設けたボルト８６を中心に回動させることで調整可能となっている。成形の最終工程では、図４に示すように、各押圧部材８１の押圧面８１ａが周方向に連なり、渡り線部１７の外形の最終成形形状を画定することになる。なお、押圧面８１ａには、ナイロン等の樹脂が貼付されており、これにより、成形時にコイル素線の断線等を抑制することができる。配置される押圧部材８１の数及び押圧面８１ａの形状等は適宜変更可能である。

また、成形機構５５は、押圧部材８１の回動機構として、そのガイド部材８４が取り付けられた回動体９１を有している。この回動体９１は、上下の環状板９２，９３の間を縦板９４で連結した構成を有しており、環状板９２の内周縁部９２ａが、上側支柱５４のフランジ部９５に支持された回動支持体９６の側方の環状溝９６ａと係合することで、固定軸６５を中心に回動可能となっている。オペレータは、押圧部材８１が渡り線部１７の外周面に接触していない状態で、ハンドル９７を操作して回動体９１を回動させることができる。

内形成形具７１の上方には、回動支持体９６を貫通するように設けられた雌ねじ部材１０１と螺合する押出ボルト１０２が設けられており、この押出ボルト１０２は、上側支柱５４のフランジ部９５の挿通孔９５ａを貫通し、その先端が内形成形具７１の上面に当接可能となっている。雌ねじ部材１０１は上側支柱５４のフランジ部９５に固定されており、押出ボルト１０２の締め付けにより内形成形具７１の上面が押圧され、これにより内形成形具７１を渡り線部１７の内周側に進入させることができる。

また、軸端押圧具７３の上方には、回動支持体９６を貫通するように設けられた雌ねじ部材１０５と螺合する押出ボルト１０６が設けられており、この押出ボルト１０６は、上側支柱５４のフランジ部９５の挿通孔９５ａ及び内形成形具７１のフランジ部１０７の挿通孔１０７ａを貫通し、その先端が軸端押圧具７３の上面に当接可能となっている。雌ねじ部材１０５は上側支柱５４のフランジ部９５に固定されており、押出ボルト１０６の締め付けにより軸端押圧具７３の上面が押圧され、これにより渡り線部１７の端部を押圧することがきる。

なお、図示しないが、押出ボルト１０２，１０６は、内形成形具７１及び軸端押圧具７３の上面に当接可能なように周方向に等間隔に複数配置されている。また、内形成形具７１及び軸端押圧具７３の進退移動の範囲は、図示しない規制ピンによって規制される。さらに、内形成形具７１及び軸端押圧具７３が渡り線部１７と接触する面には、外形押圧具７２の押圧面８１ａと同様に、ナイロン等の樹脂が貼付されている。

一方、下方の成形機構５６については、上方の成形機構５６と同様の構成要素に同一の符号を付して詳細な説明を省略する。ここで、成形機構５５とは異なり、成形機構５６の軸端押圧具７３には、コイル１６から延出するリード線１３を収容可能な複数の縦溝７３ｂが設けてあり、これにより、コイル１６のリード線１３が押圧部材８１の押圧面８１ａと軸端押圧具７３の外周面との間に挟まれて、渡り線部１８の外周面の押圧が阻害されるという問題を回避できる。

次に、上記構成の成形装置５１を用いてコイル１６の渡り線部１７，１８を成形する方法について説明する。

図５は、回転機用コイルの渡り線部の成形工程を示す模式図である。ここで、図５（ａ）は、コイル１６を固定する工程（固定工程）、図５（ｂ）は、渡り線部１７の内形を成形すべくその内周側に内形成形具７１を当接させる工程（内形成形工程）、図５（ｃ）は、渡り線部１７の外周側を外形押圧具７２により押圧して外形を成形する工程（外形押圧工程）、図５（ｄ）は、渡り線部１７の軸端側を軸端押圧具７３により押圧して端部形状を成形する工程（軸端押圧工程）をそれぞれ示す。ここでは、渡り線部１７の成形工程のみを示すが、渡り線部１８についても概ね同様に成形可能である。

まず、図５（ａ）に示すように、上側支柱５４の先端部６４を鉄心１５に挿入し、コイル１６の中心側を固定する。図示しないが、このとき鉄心１５は、下側支柱５３の先端部６２が上側支柱５４の先端部６４と対向する配置で挿入された状態にある。

このようにコイル１６を固定した状態で、次に、図５（ｂ）に示すように、内形成形具７１を下降させて渡り線部１７の内周側に進入させる。このとき内形成形具７１の先端側に位置する外周面７１ａにより、渡り線部１７の内周側を外方に押圧して環状凹部の周面３１を規制する一方、その端面７１ｂにより、渡り線部１７の軸端側の一部を下方に押圧して環状凹部の環状面３２を成形する。

続いて、図５（ｃ）に示すように、外形押圧具７２の各押圧部材８１を、渡り線部１７の外周側に当接させ、その外周面をコイル１６の軸心方向に押圧する。これにより、渡り線部１７の外形が成形される。このとき、内形側の環状凹部の周面３１が内形成形具７１の外周面７１ａに押し付けられて成形され、また、環状凹部に連なる周面３３が、上側支柱５４の本体部６３の外周面６３ａに押し付けられて成形されることになる。

その後、内形成形具７１及び外形押圧具７２を渡り線部１７，１８に当接させたままの状態で、図５（ｄ）に示すように、軸端押圧具７３を下降させて渡り線部１７の軸端側を下方に押圧する。このとき軸端押圧具７３の先端部に位置する端面７３ａの形状に従って、渡り線部１７の先端側に位置する環状面３４及びその環状面３４に連なるテーパ面３５がそれぞれ成形される。

なお、成形した渡り線部１７は、図６に想像線１７’で示すように、成形後に多少のスプリングバックが生じる場合があるので、予め目的とする形状よりも小さな形状で成形するとよい。また、成形後の渡り線部１７を熱硬化性の樹脂フィルム等で被覆することで成形後の形状を比較的安定に保持することが可能となる。

図７〜図９は、図５（ｃ）に示した外形押圧工程の詳細を示す模式図である。ここで、図７は、コイル１６の成形開始前に各押圧部材８１が待機位置にある状態、図８は、各押圧部材８１が押圧位置にある状態（１回目の押圧時）、図９は、その押圧後に待機位置に戻した各押圧部材８１を回動させた状態をそれぞれ示す。

まず、各押圧部材８１が図７に示す待機位置から図８に示す押圧位置に移動して渡り線部１７を押圧する際には、渡り線部１７の外径は、各押圧面８１ａが周方向に連なることで形成される円（即ち、渡り線部１７の最終成形形状の外径）よりも大きいので、渡り線部１７の外周面には、各押圧面８１ａに押圧されない非押圧部２０１が生じる。この非押圧部２０１は、占積率が他の部位よりも低く、その周辺は押圧面８１ａに押圧された部位よりも外方に突出した状態となる。

そこで、図９に示すように、押圧後の各押圧部材８１を回動（ここでは、コイル１６の軸心を中心にθだけ回動）させて押圧位置し、次回の押圧を実行する。これにより、次回の押圧で前回の非押圧部２０１を押圧することが可能となる。このように押圧位置を変更しながら押圧を繰り返し実行して、渡り線部１７の外形を目的とする最終成形形状に近づけることで、成形時のコイル素線の断線や成形後のスプリングバックを適切に抑制しつつ、渡り線部１７の占積率の均一化（例えば、６０％程度）を図ることが可能となる。

本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、本発明に係る成形装置で成形したコイルは、上述のポンプ装置だけでなく同様のコイルを備えた種々の回転機に用いることができる。また、成形の対象となるコイルは、少なくとも上述のような渡り線部を有する構成であればよく、鉄心の構成やコイルの巻回方法は適宜変更可能である。

本発明に係る回転機用コイルの成形装置及び成形方法は、回転機用コイルの渡り線部の形状を回転機用コイルの軸方向に隣接する軸受け形状に適合させて、当該軸受けの少なくとも一部をコイルに挿入した状態で設置可能とすべく、渡り線部を所望の形状に精度良く成形可能とするので、特に小型化が要求される電動機や発電機等の回転機に用いるのに適したコイルの成形装置及び成形方法として有用である。

本発明に係る成形装置で成形されたコイルを備えたポンプ装置の断面図 図１のコイルの拡大図 本発明に係る回転機用コイルの成形装置の主要部を示す断面図 外形押圧具の構成を示す図 回転機用コイルの渡り線部の成形工程を示す模式図 コイルの最終成形形状を示す図 外形押圧工程の詳細を示す模式図 外形押圧工程の詳細を示す模式図 外形押圧工程の詳細を示す模式図

符号の説明

１ ポンプ装置
８，９ 軸受け
１０ ステータ
１５ 鉄心
１６ コイル
１７，１８ 渡り線部
５１ コイル成形装置
５３ 下側支柱
５４ 上側支柱
７１ 内形成形具
７２ 外形押圧具
７３ 軸端押圧具
８１ 押圧部材
８２ 保持部材
８３ 軸部材
８４ ガイド部材
９１ 回転体
９６ 回転支持体

Claims (5)

1. 回転機用コイルの渡り線部の成形装置であって、
   前記回転機用コイルが巻回された鉄心の中心部側を固定する支柱と、
   前記渡り線部の内形を成形すべくその内周側に当接する内形成形具と、
   前記渡り線部の外周側を押圧して外形を成形する外形押圧具と、
   前記渡り線部の軸端側を押圧して端部形状を成形する軸端押圧具と
   を備え、
   前記外形押圧具が、前記回転機用コイルを外囲するように配置された複数の押圧部材を有し、
   前記各押圧部材を径方向に進退自在に支持する移動機構と、当該移動機構を前記支柱の軸心周りに回動自在に支持する回動機構とをさらに備えたことを特徴とする回転機用コイルの成形装置。
2. 前記複数の押圧部材が、前記渡り線部の外形の最終成形形状となる曲面に適合した曲率の押圧面を有することを特徴とする請求項１に記載の回転機用コイルの成形装置。
3. 前記内形成形具が、前記回転機用コイルの軸方向に沿って進退自在に設けられ、前記渡り線部の内周側に進入して環状凹部を形成することを特徴とする請求項１に記載の回転機用コイルの成形装置。
4. 回転機用コイルの渡り線部の成形方法であって、
   前記回転機用コイルが巻回された鉄心の中心部側を支柱に固定する固定工程と、
   前記渡り線部の内形を成形すべくその内周側に内形成形具を当接させる内形成形工程と、
   前記渡り線部の外周側を外形押圧具により押圧して外形を成形する外形押圧工程と、
   前記渡り線部の軸端側を軸端押圧具により押圧して端部形状を成形する軸端押圧工程とを有し、
   前記外形押圧具が、前記回転機用コイルを外囲するように配置された複数の押圧部材を有し、
   前記外形押圧工程において、前記各押圧部材を径方向に移動させて前記渡り線部の外周側を押圧する工程と、前記複数の押圧部材が前記渡り線部の外周面に接触していない状態で、当該複数の押圧部材を前記支柱の軸心周りに回動させて前記渡り線部に対する押圧位置を変更する工程とを繰り返すことを特徴とする回転機用コイルの成形方法。
5. 前記内形成形具が、前記回転機用コイルの軸方向に沿って進退自在に設けられ、前記内形成形工程が、前記渡り線部の内周側に進入して環状凹部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の回転機用コイルの成形方法。

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