JP5112709B2 - コイル巻線装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、コアに対して線材を巻回するコイル巻線装置及び方法及びステータの改良に関するものである。

ブラシレスモータ等に設けられるステータは、例えば特許文献１、２に開示されているように、環状のステータコアをティース毎に分割したコアを設け、各コアに線材を巻回してコイルを形成した後、各コアを環状に連結するものがある。

このコイルの巻線は、例えば特許文献３に開示されているように、ノズルから繰り出される線材を回転するコアに巻回するスピンドル式の巻線装置が用いられる。この場合、スピンドルによってコアを連続回転駆動され、巻線が速やかに行われる。
特開２００４−３５７４９１号公報 特開２００６−０９４５９３号公報 特開２００３−１２３７６２号公報 特開２００３−２０４６５９号公報

しかしながら、図７に示すように、コア２（ボビン１４）の外鍔部４のコイル対峙面４ｂが凹状に窪んでいるものに対してスピンドル式の巻線装置を用いてコイル３を形成する場合、巻線装置のノズルが外鍔部４のコイル対峙面４ｂに干渉することを避けるために、コイル３と外鍔部４のコイル対峙面４ｂとの間に大きな間隙を空ける必要があり、コイル３は線材１５の巻き数が減るという問題点があった。

図８に示すように、コア２（ボビン１４）の外鍔部４のコイル対峙面４ｂが平面状に形成されている場合、外鍔部４の厚さが増える分だけコイル３は線材１５の巻き数が減るという問題点があった。

また、従来、例えば特許文献４に開示されているように、ノズルを三次元方向に移動するノズル移動機を備え、ノズルが凹状鍔部のコイル対峙面に干渉することなく巻線を行えるようにした巻線装置がある。

しかしながら、この巻線装置の場合、コアを回転させずにノズルを三次元方向に移動させて巻線が行われるため、コアを回転させて巻線を行うスピンドル式の巻線装置に比べて巻線時間が増えるという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ノズルが鍔部に干渉することなく線材をコアの隅に沿って巻回できるスピンドル式のコイル巻線装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明は、環状のステータコアをティース毎に分割したコアは、コイルが巻かれるティース部と、ティース部の基端部に設けられる外鍔部と、を有し、コアに対して線材を巻回するコイル巻線装置において、コアをティース部の半径方向軸回りの回転中心軸について回転駆動するコア回転機と、ノズル移動機がノズルを線材を繰り出すノズルと、このノズルを移動するノズル移動機と、を備え、ノズル移動機がノズルを回転中心軸に対して傾斜させ、かつノズルをコアのティース部に外鍔部が接続する隅に沿って移動する巻線ステップと、コア回転機がコアを回転させるとともにノズル移動機がノズルをコアの線材が掛かるティース部の角からノズルの先端部までの距離が略一定に保たれるように移動する準備ステップと、を交互に行い、線材を隅に沿って巻回することを特徴とするものとした。

本発明は、環状のステータコアをティース毎に分割したコアは、コイルが巻かれるティース部と、ティース部の基端部に設けられる外鍔部と、を有し、コアに対して線材を巻回するコイル巻線方法において、コアをティース部の半径方向軸回りの回転中心軸について回転駆動するコア回転機と、線材を繰り出すノズルと、このノズルを移動するノズル移動機と、を用い、ノズル移動機がノズルを回転中心軸に対して傾斜させ、かつノズルをコアのティース部に外鍔部が接続する隅に沿って移動する巻線ステップと、コア回転機がコアを回転させるとともにノズル移動機がノズルをコアの線材が掛かるティース部の角からノズルの先端部までの距離が略一定に保たれるように移動する準備ステップと、を交互に行い、線材を隅に沿って巻回することを特徴とするものとした。

本発明によると、ノズルを回転中心軸に対して傾斜させ、かつノズルをコアの隅に沿って移動し、線材をコアの隅に沿って巻回することにより、コアの鍔部が凹状に窪む場合にもノズルが鍔部に干渉することなく巻線が行われ、コイルと鍔部との間に大きな間隙が空くことが回避され、コイルの巻き数を増やしてステータの性能向上がはかられる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１はブラシレスモータ等に設けられるステータ１の概略構造を示す断面図である。ステータ１は、環状のヨーク９と、このヨーク９の内側に放射状に配置される複数のコア２とを備え、ヨーク９とコア２とが分離可能な構造をしている。コア２は環状のステータコアがティース毎に分割されたものである。

コア２は、コイル３が巻かれるティース部５と、ティース部５の基端部に設けられる外鍔部（鍔部）４と、ティース部５の先端部に設けられ内鍔部（鍔部）６を有し、複数枚の磁性材からなる薄板を積層して形成される。

実際には、図３〜５に示すように、コア２は、樹脂製ボビン１４を備え、このボビン１４がコイル３とティース部５、外鍔部４、内鍔部６の間に介在する。ボビン１４はティース部５を覆う筒部と、外鍔部４と内鍔部６のそれぞれとコイル３の間に介在する鍔部を有する。なお、図１にてこのボビン１４の図示を省略している。

各ティース部５はステータ１の中心に対して放射状に配置される。本実施の形態にて、ティース部５は矩形の断面をしたビーム状に形成され、４つの角８を有する。なお、角８の断面形状は直角をしているが、これに限らず、例えば円弧形に面取りを施しても良い。

外鍔部４と内鍔部６はそれぞれ略一定の肉厚を持って円筒形に湾曲した板状に形成される。

内鍔部６はコイル３に対峙するコイル対峙面６ａとロータ（図示せず）の外周に対峙する内周面６ｂを有し、このコイル対峙面６ａが凸状に膨出する一方、この内周面６ｂが凹状に窪んでいる。

外鍔部４はヨーク９の内周面に接する外周面４ａと、コイル３に対峙するコイル対峙面４ｂとを有し、この外周面４ａが凸状に膨出する一方、このコイル対峙面４ｂが凹状に窪んでいる。外鍔部４の外周面４ａ、コイル対峙面４ｂはそれぞれヨーク９と同心の円筒面状に湾曲している。なお、外鍔部４の外周面４ａ、コイル対峙面４ｂ等は、このように円筒面状に形成することに限らず、例えば多角形の筒面状に形成して、平面状に曲折する形状としても良い。

コア２はティース部５の両端には外鍔部４に接続する部位に隅７ａ、７ｂを有する（図４、５等参照）。ティース部５の側面５ａに位置する対の隅７ａは直線状に延び、ティース部５の側面５ａに位置する対の隅７ｂはコイル対峙面４ｂに沿って円弧状に湾曲している。

隅７ａ、７ｂは凹状に窪む外鍔部４のコイル対峙面４ｂの内側に位置するが、後述する本発明の巻線方法によって線材１５をこの隅７ａ、７ｂにも巻回する。線材１５が隅７ａ、７ｂから外鍔部４のコイル対峙面４ｂに沿って巻回されることにより、コイル３の占積率を高められる。

図２はコア２にコイル３を形成するコイル巻線装置１０の全体図である。ここで、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸を設定し、Ｘ軸が略水平前後方向、Ｙ軸が略水平横方向、Ｚ軸が略垂直方向に延びるものとし、コイル巻線装置１０の構成を説明する。

コイル巻線装置１０は、架台１９上にコア２を回転駆動するコア回転機２０と、線材１５を繰り出すノズル４１と、このノズル４１を移動するノズル移動機４０とを備え、線材１５をコア２のティース部５に巻回してコイル３を形成するものである。

コア回転機２０は支持台２２を介してＸ軸まわりに回転可能に支持されるスピンドル２１と、スピンドル２１を回転駆動するサーボモータ２３と、スピンドル２１にコア２を取り付ける治具２４とを備える。

本実施の形態にて、コア回転機２０はスピンドル２１と同一Ｘ軸上に配置されるスピンドル３１と、このスピンドル３１を支持台３２に対してＸ軸方向に移動する往復駆動機構３３と、スピンドル２１にコア２を取り付けるための治具３４とを備え、治具３４を治具２４に対して進退させてコア２を挟持したり、離すようになっている。スピンドル３１はコア２を介してスピンドル２１と同期して回転する。

なお、コア回転機２０はこれに限らず、スピンドル２１にコア２を把持する治具（チャック）を設け、スピンドル３１等を廃止しても良い。

架台１９上に線材源１１とテンショナ１２が設けられ、この線材源１１からノズル４１に供給される線材１５に対してテンショナ１２が所定の張力を付与するようになっている。

ノズル移動機４０はノズル４１をＸ、Ｙ、Ｚ軸の三次元方向に移動するとともに、コア２の回転中心軸Ｏｘ（図３参照）に対するノズル４１の傾斜角度を変えるようになっている。

これについて詳述すると、ノズル移動機４０は、架台１９に対して往復動駆動機構４２によりＸ軸方向に移動する前後移動台４３と、この前後移動台４３に対して往復動駆動機構４４によりＺ軸方向に移動する昇降台４５と、この昇降台４５に対して往復動駆動機構４６によりＹ軸方向に移動する左右移動台４７と、この左右移動台４７に対してサーボモータ４８によりＺ軸回りに回動するノズル傾動台４９とを備え、ノズル傾動台４９にノズル４１が設けられる。ノズル傾動台４９は左右移動台４７に対してＺ軸回りに回動可能に支持される。各往復動駆動機構４２、４４、４６はサーボモータによって回転駆動されるボールネジと、このボールネジに螺合して平行移動する従動子等によって構成される。

図示しないコントローラは、コア回転機２０とノズル移動機４０の作動を制御し、線材１５をコア２のティース部５に自動的に巻回してコイル３を形成する。

これについて詳述すると、コイル巻線装置１０は、線材１５を外鍔部４のコイル対峙面４ｂ（隅７ａ、７ｂ）に沿って巻回する隅巻線工程と、線材１５を外鍔部４のコイル対峙面４ｂ（隅７ａ、７ｂ）から離れた部位に巻回する主巻線工程とを行い、線材１５を隅７ａ、７ｂから外鍔部４のコイル対峙面４ｂとティース部５と内鍔部６のコイル対峙面６ａのそれぞれに沿って巻回する。

隅巻線工程において、コア回転機２０がコア２を断続的に回転駆動する一方、図３の（ａ）に示すようにノズル移動機４０がノズル４１を回転中心軸Ｏｘに対して所定角度θだけ傾斜させ、かつノズル４１をコア２の隅７ａ、７ｂに沿って移動し、ノズル４１から繰り出される線材１５を外鍔部４のコイル対峙面４ｂ（隅７ａ、７ｂ）に沿って巻回する。

以下、図５の（ａ）〜（ｅ）に示す隅巻線工程における巻線動作について説明する。

・図５の（ａ）に示すように、ノズル４１を回転中心軸Ｏｘに対して傾斜させて凹状に窪む外鍔部４のコイル対峙面４ｂの内側に差し込み、コア回転機２０はスピンドル２１の回転を止め、ノズル移動機４０がノズル４１を図中矢印で示すようにコイル対峙面４ｂとティース部５の側面５ａ間の隅７ａに沿って移動する。これにより、ノズル４１から繰り出される線材１５が外鍔部４の隅７ａ（コイル対峙面４ｂ）に沿って巻回される。

このとき、コア回転機２０はコア２をそのティース部側面５ａがＺ軸方向に延び、そのティース部端面５ｂがＸ軸方向とＹ軸方向に延びる位置に保持している。

そして、ノズル移動機４０はノズル４１の先端部を凹状に窪む外鍔部４のコイル対峙面４ｂとティース部５の側面５ａ間の隅７ａに沿ってＺ軸方向に移動する。

なお、線材１５の先端部は治具２４に設けられたピン２５（図１参照）に予め絡げられている。

・図５の（ｂ）に示すように、コア回転機２０がコア２を図中矢印で示すように９０度だけ回転させるとともに、ノズル移動機４０がノズル４１の先端部を線材１５が掛かるティース部５の角８に追従するように移動し、ノズル４１の先端部が線材１５が掛かるティース部５の側面５ａの延長方向に配置される。

このとき、線材１５が掛かるティース部５の角８からノズル４１の先端部までの距離が略一定に保たれ、ノズル４１からコア２へと延びる線材１５が弛むことがなく、線材１５が角８に掛かる位置がズレることを防止する。

・図５の（ｃ）に示すように、コア回転機２０がスピンドル２１の回転を止め、ノズル移動機４０がノズル４１を図中矢印で示すようにコイル対峙面４ｂとティース部５の端面５ｂ間の隅７ｂに沿って移動する。

このとき、コア回転機２０がコア２をそのティース部５の端面５ｂがＺ軸方向に延びる横転位置に保持している。

そして、ノズル移動機４０はノズル４１の先端部を凹状に窪む外鍔部４のコイル対峙面４ｂとティース部５の端面５ｂ間の隅７ｂに沿って移動する。

・図５の（ｄ）に示すように、コア回転機２０がコア２を図中矢印で示すように９０度だけ回転させるとともに、ノズル移動機４０がノズル４１の先端部を線材１５が掛かるティース部５の角８に追従するように移動し、ノズル４１の先端部が線材１５が掛かるティース部５の端面５ｂの延長方向に配置される。

このとき、線材１５が掛かるティース部５の角８からノズル４１の先端部までの距離が略一定に保たれ、ノズル４１からコア２へと延びる線材１５が弛むことがなく、線材１５が角８に掛かる位置がズレることを防止する。

・図５の（ｅ）に示すように、コア回転機２０がスピンドル２１の回転を止め、ノズル移動機４０がノズル４１を図中矢印で示すようにティース部５のまわりを移動する。

このとき、コア回転機２０がコア２をそのティース部５の側面５ａがＺ軸方向に延びる直立位置に保持している。

そして、ノズル移動機４０はノズル４１の先端部を凹状に窪む外鍔部４のコイル対峙面４ｂとティース部５の側面５ａ間の隅７ａにてＺ軸方向に移動する。

隅巻線工程において、図５の（ａ）、（ｃ）、（ｅ）に示す動作が、コア回転機２０がコア２の回転を止めるとともにノズル移動機４０がノズル４１をコア２の隅７ａ、７ｂに沿って移動する巻線ステップで行われるものであり、図５の（ｂ）、（ｄ）に示す動作がコア回転機２０がコア２を回転させるとともにノズル移動機４０がノズル４１をコア２の線材１５が掛かる部位に追従するように移動する準備ステップで行われるものであり、巻線ステップと準備ステップとを交互に行うことによって線材１５がティース部５の隅７ａ、７ｂに沿って巻回される。

図３の（ａ），（ｂ）に示す実施形態は、ノズル４１を湾曲した隅７ｂに沿った曲線の軌跡をもって移動することによって、線材９と湾曲したコイル対峙面４ｂ間の隙間をほとんどなくしている。

図４の（ａ），（ｂ）に示す実施形態は、ノズル４１を湾曲した隅７ｂに沿った直線の軌跡をもって移動することによって、線材９と湾曲したコイル対峙面４ｂ間に断面半月形の隙間を形成している。

こうして隅巻線工程が行われた後、続いて主巻線工程が行われる。この主巻線工程において、コア回転機２０がコア２を連続的に回転駆動する一方、図３の（ｂ）に示すようにノズル移動機４０がノズル４１を回転中心軸Ｏｘに対して略直交させ、かつノズル４１を図中矢印で示すように回転中心軸Ｏｘに沿って移動させ、ノズル４１から繰り出される線材１５を外鍔部４のコイル対峙面４ｂ（隅７ａ、７ｂ）から離れた部位に巻回する。これにより、線材１５がティース部５に沿って整列して巻回される。

なお、内鍔部６のコイル対峙面６ａは凸状に膨出する形状をしているため、ノズル４１を回転中心軸Ｏｘに対して略直交させてもノズル４１が内鍔部６のコイル対峙面６ａに干渉することがなく、線材１５が内鍔部６のコイル対峙面６ａとティース部５の間の隅に沿って巻回される。

この主巻線工程では、コア回転機２０がコア２を連続的に回転駆動するとともに、ノズル移動機４０がノズル４１を移動する動きがＸ軸方向の移動のみと単純になるため、線材１５をコア２に巻回する巻線速度を隅巻線工程に比べて大幅に高められる。

主巻線工程と隅巻線工程は適宜切り換えて行われ、線材１５が外鍔部４のコイル対峙面４ｂとティース部５と内鍔部６のコイル対峙面６ａのそれぞれに沿って所定数だけ巻回されることにより、コイル３が所定の形状に形成される。

コイル３の巻線を終えたら、ノズル４１から繰り出される線材１５をピン２５に絡げ、図示しないカッタによりピン２５の手前で線材１５を切断して、コア２をスピンドル２１の治具２４と治具３４の間から取り外し、次に巻線を行う別のコア２をスピンドル２１の治具２４と治具３４の間に取り付け、上述した巻線動作を繰り返して行う。

図６に示すコイル３は、上述した巻線動作によって形成されたものであり、凹状に窪む外鍔部４のコイル対峙面４ｂの間に大きな間隙が空くことがない。

図７に示すコイル３は、従来のスピンドル式の巻線装置によって巻回したものであり、コイル３と外鍔部４のコイル対峙面４ｂとの間に大きな間隙が空いている。

図８に示すコイル３は、従来のスピンドル式の巻線装置によって巻回したものであり、コア２（ボビン１４）の外鍔部４のコイル対峙面４ｂが平面状に形成されているが、外鍔部４の厚さが増える分だけコイル３は線材１５の巻き数が減る。

すなわち、図６に示す本発明のコイル３は、図７、図８に示す従来のコイル３に比べて線材１５の巻き数を増やしてステータ１の性能向上がはかられる。

以上のように、外鍔部４のコイル対峙面４ｂとの間に隅７ａ、７ｂを有するコア２に対して線材１５を巻回するコイル巻線装置１０、またはコイル巻線方法において、コア２を回転中心軸Ｏｘについて回転駆動するコア回転機２０と、線材１５を繰り出すノズル４１と、このノズル４１を移動するノズル移動機４０とを備え、またはこれらを用い、コア回転機２０がコア２を断続的に回転駆動する一方、ノズル移動機４０がノズル４１を回転中心軸Ｏｘに対して傾斜させ、かつノズル４１をコア２の隅７ａ、７ｂに沿って移動し、線材１５をコア２の隅７ａ、７ｂ（外鍔部４のコイル対峙面４ｂ）に沿って巻回するため、外鍔部４のコイル対峙面４ｂが凹状に窪む場合にもノズル４１が外鍔部４に干渉することなく巻線が行われ、コイル３と外鍔部４のコイル対峙面４ｂとの間に大きな間隙が空くことが回避され、コイル３の巻き数を増やしてステータ１の性能向上がはかられる。

また、隅巻線工程において、コア回転機２０がコア２の回転を止めるとともにノズル移動機４０がノズル４１をコア２の隅７ａ、７ｂに沿って移動する巻線ステップと、コア回転機２０がコア２を回転させるとともにノズル移動機４０がノズル４１をコア２の線材１５が掛かる部位に追従するように移動する準備ステップとを交互に行うため、ノズル４１からコア２へと延びる線材１５が弛んでコイル対峙面４ｂから離れることがなく、線材９を隅７ａ、７ｂに沿って円滑に巻回することができる。

また、隅巻線工程と主巻線工程が適宜切り換えられるため、コイル３を形成する巻線時間を短縮して生産性を高められる。

本実施の形態では、隅巻線工程の巻線ステップにおいて、線材１５の巻回時にコア回転機２０がスピンドル２１の回転を止める構成としたが、これに限らず、線材１５の巻回時にもスピンドル２１をゆっくり回転させた状態でノズル移動機４０がノズル４１をコア２の隅７ａ、７ｂに沿って移動し、ノズル４１から繰り出される線材１５をコア２の隅７ａ、７ｂ（外鍔部４のコイル対峙面４ｂ）に沿って巻回するようにしても良い。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の実施の形態を示すステータの概略構造を示す断面図。 同じくコイル巻線装置の斜視図。 同じく巻線動作を示す平面図。 同じく巻線動作を示す平面図。 同じく巻線動作を示す斜視図。 同じくコアの断面図。 従来例を示すコアの断面図。 従来例を示すコアの断面図。

符号の説明

１ ステータ
２ コア
５ ティース部
４ 外鍔部
４ｂ コイル対峙面
６ 内鍔部
４ａ コイル対峙面
７ａ、７ｂ 隅
１０ コイル巻線装置
１５ 線材
２０ コア回転機
４０ ノズル移動機
４１ ノズル

Claims (2)

1. 環状のステータコアをティース毎に分割したコアは、
   コイルが巻かれるティース部と、
   前記ティース部の基端部に設けられる外鍔部と、を有し、
   前記コアに対して線材を巻回するコイル巻線装置において、
   前記コアを前記ティース部の半径方向軸回りの回転中心軸について回転駆動するコア回転機と、
   前記線材を繰り出すノズルと、
   このノズルを移動するノズル移動機と、を備え、
   前記ノズル移動機が前記ノズルを前記回転中心軸に対して傾斜させ、かつ前記ノズルを前記コアの前記ティース部に前記外鍔部が接続する隅に沿って移動する巻線ステップと、
   前記コア回転機が前記コアを回転させるとともに前記ノズル移動機が前記ノズルを前記コアの前記線材が掛かる前記ティース部の角から前記ノズルの先端部までの距離が略一定に保たれるように移動する準備ステップと、を交互に行い、
   前記線材を前記隅に沿って巻回することを特徴することを特徴とするコイル巻線装置。
2. 環状のステータコアをティース毎に分割したコアは、
   コイルが巻かれるティース部と、
   前記ティース部の基端部に設けられる外鍔部と、を有し、
   前記コアに対して線材を巻回するコイル巻線方法において、
   前記コアを前記ティース部の半径方向軸回りの回転中心軸について回転駆動するコア回転機と、
   前記線材を繰り出すノズルと、
   このノズルを移動するノズル移動機と、を用い、
   前記ノズル移動機が前記ノズルを前記回転中心軸に対して傾斜させ、かつ前記ノズルを前記コアの前記ティース部に前記外鍔部が接続する隅に沿って移動する巻線ステップと、
   前記コア回転機が前記コアを回転させるとともに前記ノズル移動機が前記ノズルを前記コアの前記線材が掛かる前記ティース部の角から前記ノズルの先端部までの距離が略一定に保たれるように移動する準備ステップと、を交互に行い、
   前記線材を前記隅に沿って巻回することを特徴することを特徴とするコイル巻線方法。

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