JP5379550B2

JP5379550B2 - 電機子

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Publication number: JP5379550B2
Application number: JP2009102900A
Authority: JP
Inventors: 辰郎日野; 裕之秋田; 匠中上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: CN101873023A; US20100264773A1; US8013490B2; JP2010259140A; CN101873023B

Description

この発明は、回転電機やリニアモータ等に用いられる電機子に関するものである。

近年、モータを適用した各種製品に関する新技術の進展に伴い、駆動用の回転電機、リニアモータ等についても、省スペース化、高性能化の要求が高まっている。一般にコイルに流す電流を増やす場合、コイルの線径を太くする方法が考えられるが、コイルの剛性が増加するためコアに巻き付けることが困難となる。そのため、細い線径を有する線材を使用しターン数を増やしたコイルをコアに巻き付ける方法がよく用いられる。ここで２つのコイル巻線部が設けられた回転電機の電機子においては、高密度なコイル巻線を実現するために、２つのコイル巻線部の隣接領域において下層側の線材間の谷間に上層側の線材が位置するように巻線を行い、このことにより両コイル巻線部間に発生するデッドスペースを削減し、高密度巻線を実現しようとしていた。（例えば、特許文献１）

特開２００８−９２６５４（５−７頁、図２）

従来の回転電機の電機子は、リング状のヨーク部から半径方向内側に突出した複数の磁極ティースの周囲に、コイルを巻線することにより構成されている。このような磁極ティースに巻線を行う場合には自動巻線機が用いられ、この自動巻線機のコイル線材の供給部であるノズルを磁極ティース内に配置し、線材をノズル先端から繰り出しながら、ノズルをヨーク部の中心軸方向、及び半径方向に駆動させ、同時にヨーク部をヨーク部の中心軸周りに回転させることにより、各磁極ティースに巻線を行っている。前述のように下層側の線材間の谷間に上層側の線材が必ず位置するように巻線を行おうとした場合、ノズル先端部の制御を高精度に行う必要があるが、一方コイル巻線の生産性向上のためにはノズルヘッドの移動速度を上げなければならず、この場合には必ずしもノズル先端部の位置精度を十分に確保できなかった。

２つのコイル巻線部の境界面は最初に巻線を行う第１の巻線部の最終層によって決まることになるが、従来の電機子においてはノズル先端部の位置のみによって各線材の巻線位置が定まるため、前述の理由によりノズル先端部の位置精度悪化により各線材の巻線位置も不正確となる場合もあり、境界面の位置も精度よく定まらず、図面で計画したとおりの整列巻とならないため、現実には巻線の高密度化ができなくなるという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、２つのコイル巻線部の隣接領域において境界面の位置を定めることができ、コイルの整列巻を確実に行うことにより巻線の高密度化が実現される電機子を得ることを目的とする。

この発明に係る電機子は、所定の鉄心長を有し、この鉄心長の方向の端面とこの端面の間を接続する側面とを有する電機子鉄心と、前記側面と端面の周囲に線材を巻き付けて形成された第１の巻線部と、前記第１の巻線部が形成された後に、前記側面において前記第１の巻線部と隣り合う位置に、前記側面と端面の周囲に線材を巻き付けて形成された第２の巻線部と、前記端面に設けられ、前記第１および第２の巻線部の前記各線材が第１および第２の巻き付け面において巻きつけられており、前記第１および第２の巻き付け面の最近接部において前記第２の巻き付け面が前記第１の巻き付け面よりも前記端面から遠い位置に配置され前記最近接部に段差部が形成された端部構造体とを備え、前記端部構造体は、磁性体でできた部分を備えている。
また、この発明に係る電機子は、所定の鉄心長を有し、この鉄心長の方向の端面とこの端面の間を接続する側面とを有する電機子鉄心と、前記側面と端面の周囲に線材を巻き付けて形成された第１の巻線部と、前記第１の巻線部が形成された後に、前記側面において前記第１の巻線部と隣り合う位置に、前記側面と端面の周囲に線材を巻き付けて形成された第２の巻線部と、前記端面に設けられ、前記第１および第２の巻線部の前記各線材が第１および第２の巻き付け面において巻きつけられており、前記第１および第２の巻き付け面の最近接部において前記第２の巻き付け面が前記第１の巻き付け面よりも前記端面から遠い位置に配置され前記最近接部に段差部が形成された端部構造体と、前記段差部に連接され、前記第１の巻線部と第２の巻線部との間設けられた隔壁と、前記第１の巻線部に対して前記電機子鉄心の端面から遠い位置に配置され、前記隔壁を支持するブロックとを備えている。

この発明に係る電機子によると、端部構造体の第１および第２の巻き付け面の最近接部において前記第２の巻き付け面が第１の巻き付け面よりも電機子鉄心の端面から遠い位置に配置されており、第１の巻き付け面と第２の巻き付け面との間に段差部が形成されている。最初に巻線を行う第１の巻線部はこの段差部に接するように巻線が行われるため、自動巻線機のノズル先端位置の精度が多少悪化した場合であっても、電機子の端部においては第１の巻線部の境界面をこの段差部に沿って所定位置に定めることができる。

また、巻線はテンションをかけて行われるため、電機子鉄心の側面部分に巻きつけられた第１の巻線部の境界面についても、前記段差部に沿って所定位置に定めることができる。第２の巻線部は第１の巻線部の側面部分の境界面に沿って巻線を行うため、第２の巻線部についても第１の巻線部との境界面が所定位置に形成され整列巻が行える。
以上より第１の巻線部、第２の巻線部ともに当初計画どおりの整列巻が行えることになるため、巻線の高密度化を実現することができる。

本発明の実施の形態１による電機子の外形を示す図である。本発明の実施の形態１による電機子の図１におけるＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態１による電機子の図１におけるＢ−Ｂ断面図である。本発明の実施の形態１による電機子鉄心の外形を示す図である。本発明の実施の形態１による電機子鉄心の鉄心長方向の断面図である。本発明の実施の形態１による電機子鉄心の鉄心長方向と垂直な断面図である。本発明の実施の形態１による電機子の、第１の巻線部の形成を行った後における鉄心長方向の断面図である。本発明の実施の形態１による電機子の、第１の巻線部の形成を行った後における鉄心長に垂直な方向の断面図である。本発明の実施の形態１による電機子のフィルム取付を示す図である。本発明の実施の形態１による電機子のフィルム取付を示す図である。本発明の実施の形態２による電機子の鉄心長方向と垂直な断面図である。本発明の実施の形態２による電機子の外径を示す図である。本発明の実施の形態２による電機子鉄心の鉄心長方向の断面図である。本発明の実施の形態２による電機子鉄心の鉄心長方向と垂直な断面図である。本発明の実施の形態２による電機子の、第１の巻線部の形成を行った後における鉄心長方向の断面図である。本発明の実施の形態２による電機子の隔壁に作用する力を説明する図である。本発明の実施の形態２による電機子鉄心の鉄心長方向の断面図である。本発明の実施の形態３による電機子の外形を示す図である。本発明の実施の形態３による電機子の鉄心長方向の断面図である。本発明の実施の形態３による電機子の外形、及び組立方法を示す図である。本発明の実施の形態４による電機子鉄心の鉄心長方向の断面図である。本発明の実施の形態５による電機子の外形を示す図である。本発明の実施の形態５による電機子の鉄心長方向の断面図である。本発明による電機子をインナーロータ型回転電機の固定子に適用した例を示す図である。本発明による電機子をアウターロータ型回転電機の回転子に適用した例を示す図である。本発明による電機子をリニアモータの電機子に適用した例を示す図である。

実施の形態１．
図１から図１０は本発明の実施の形態１による電機子をインナーロータ型回転電機の固定子として用いた場合の構造を示す。図１はこの電機子１を回転子（図示せず）の回転軸方向から投影した外形図（図１ａ）、及びそれに垂直な方向から投影した外形図（図１ｂ）、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。電機子１は電機子鉄心２にコイルを巻線したものを円周方向に複数組み合わせることにより構成されており、図３は１つの電機子１の構成詳細を示す。

電機子鉄心２は、Ａ−Ａ断面において外周側が円弧形状を有するヨーク部２ａとこのヨーク部２ａから内径側に突出しているティース部２ｂを備えており（図３参照）、その鉄心長はＬである（図１ｂ参照）。コイル巻線部３はこの鉄心長方向の端面２ｃ（図１ｂ参照）とティース部２ｂの側面２ｄ（図３参照）の周囲に線材を巻きつけて構成されており、ティース部２ｂの側面２ｄにおいて互いに隣り合う位置に配置された第１の巻線部（外形側）３ａと第２の巻線部（内径側）３ｂの２つの部分を備えている。また、コイル巻線部３と電機子鉄心２との間には電気的に絶縁するためにインシュレータ４が設けられており、第１の巻線部３ａと電機子鉄心２との間に介在するものを第１のインシュレータ４ａ、第２の巻線部３ｂと電機子鉄心２との間に介在するものを第２のインシュレータ４ｂと呼び、更に第１の巻線部３ａの外径側に設けられたインシュレータ外径部４ｃと第２の巻線部３ｂの内径側に設けられたインシュレータ内径部４ｄを備える。

図４は本実施の形態において巻線を実施する前の電機子の斜視図、図５はその鉄心長方向の断面、図６は鉄心長方向と垂直な方向の断面図を各々示す。本実施の形態においては、電機子鉄心２の鉄心長（Ｌ）方向の両端面２ｃにおいて、第１のインシュレータ４ａ、第２のインシュレータ４ｂ、インシュレータ外径部４ｃ、インシュレータ内径部４ｄが端部構造体を構成している。また図５に示すように、端部においては第２のインシュレータ４ｂの方が第１のインシュレータ４ａよりも厚く、第２のインシュレータ４ｂにおける第２の巻線部３ｂの巻き付け面（第２の巻き付け面）４ｆは、第１のインシュレータ４ａにおける第１の巻線部３ａの巻き付け面（第１の巻き付け面）４ｅよりも、端面２ｃから遠い位置に配置されており、両巻き付け面の間には段差部４ｇが形成されている。

図７、図８に、第１の巻線部３ａの形成を行った後における鉄心長方向における断面図と、鉄心長に垂直な方向における断面図とを示す。溝４ｈ（図４参照）はコイル巻線部３のリード線を配置するための通路であり、コイル線材はインシュレータ外径部４ｃに形成されたこの溝４ｈより第１のインシュレータ４ａの方に導入される。図７に示すように第１の巻線部３ａはインシュレータ外径部４ｃと段差部４ｇとの間に形成された凹部内で最内層から順に整列巻されてゆくが、第２の巻線部３ｂとの境界面３ｃについては端部構造体に形成された段差部４ｇに沿ってテンションをかけて巻き上げられていくため、図８に示すようにティース部２ｂの側面２ｄにおいてもこの境界面３ｃを所定位置に定めることができる。一方、第２の巻線部３ｂは第１の巻線部３ａの境界面３ｃとインシュレータ内径部４ｃとの間に形成された凹部内において最内層から順に整列巻することができる。

以上のとおり本実施の形態に係る電機子１によると、端部構造体の第１の巻き付け面４ｅおよび第２の巻き付け面４ｆの最近接部において前記第２の巻き付け面４ｆが第１の巻き付け面４ｅよりも電機子鉄心２の端面２ｃから遠い位置に配置されており、第１の巻き付け面４ｅと第２の巻き付け面４ｆとの間に段差部４ｇが形成されている。最初に巻線を行う第１の巻線部３ａはこの段差部４ｅに接するように巻線が行われるため、自動巻線機のノズル先端位置の精度が多少悪化した場合であっても、電機子１の端部においては第１の巻線部３ａの境界面３ｃをこの段差部４ｇに沿って所定位置に定めることができる。

また、巻線はテンションをかけて行われるため、電機子鉄心２の側面部分２ｄに巻きつけられた第１の巻線部３ａの境界面３ｃについても、前記段差部４ｇに沿って所定位置に定めることができる。第２の巻線部３ｂは第１の巻線部３ａの側面部分の境界面３ｃに沿って巻線を行うため、第２の巻線部３ｂについても第１の巻線部３ａとの境界面が所定位置に形成され整列巻が行える。
以上より第１の巻線部３ａ、第２の巻線部３ｂともに当初計画どおりの整列巻が行えることになるため、巻線の高密度化を実現することができる。

さらに、図９、１０に示すように第１の巻線部３ａと第２の巻線部３ｂとの間、及びコイル巻線部３とインシュレータ４との間にフィルム５を介装させてもよい。このことにより第１の巻線部３ａと第２の巻線部３ｂとの間、及びコイル巻線部３と電機子鉄心２との間の絶縁性を更に向上させることが可能となる。

実施の形態２．
図１１には本発明の実施の形態２による電機子１の鉄心長に垂直な方向における断面図を、図１２には本実施の形態において巻線を実施する前の電機子の斜視図、図１３は図１２の鉄心長方向の断面、図１４は図１２の鉄心長方向と垂直な方向の断面図を各々示す。実施の形態１との相違点は、第１の巻線部３ａと第２の巻線部３ｂとの間に端部構造体の段差部４ｇに連接された隔壁４ｉを設けた点である。その他の点については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

本実施の形態に係る電機子１によると、図１５に示すように端部構造体の第１の巻き付け面４ｅおよび第２の巻き付け面４ｆの最近接部において前記第２の巻き付け面４ｆが第１の巻き付け面４ｅよりも電機子鉄心２の端面２ｃから遠い位置に配置されており、端部構造体は第１の巻き付け面４ｅと第２の巻き付け面４ｆの間に段差部４ｇが形成されているため、少なくとも端部においては最初に巻線を行う第１の巻線部３ａはこの段差部４ｇに接するように整列巻を行うことができる。

更に、電機子鉄心２の側面２ｄ部分においては、第１の巻線部３ａと第２の巻線部３ｂとの間に段差部４ｇに連接する隔壁４ｉも備えている。従って、巻線時に第１の巻線部３ａにかけるテンションが十分でなく、電機子鉄心２の側面２ｄ部分において境界面３ｃが所定位置に形成できなかった場合であっても、隔壁４ｉとインシュレータ内径部４ｄとの間に形成された凹部内において第２の巻線部３ｂについては最内層から順に整列巻が行えるため巻線の高密度化を実現することができるという利点を有する。

巻線を整列巻する場合には上層の線材は下層の線材の谷間に配置されるため、巻線時に加えられるテンションにより上層の線材が下層の線材の間に割り込もうとし、このためターン間を広げようとする力が作用する。本実施の形態のような端部構造体を備えず隔壁４ｉのみを有する場合には、第１の巻線部３ａが形成された時点において図１６（ａ）に示すように隔壁４ｉのみにこの力が作用することにより薄肉に成形された隔壁４ｉが大きく曲げられて変形し、整列巻が困難となる場合もあった。本実施形態の場合には図１６（ｂ）に示すように隔壁４ｉに作用する力は端部構造体に形成された段差４ｇによって受けることができ、隔壁４ｉが変形することもなく確実に整列巻が行えるという利点もある。

また、下層の線材の谷間に上層の線材が配置するように巻線を行う整列巻においては、各凹部におけるインシュレータ外径部４ｃと隔壁４ｉとの間、及びインシュレータ内径部４ｄと隔壁４ｉとの間の間隔は線材の径を考慮して２層分がちょうど収まる寸法に決定されることが多い。図１１に示すように最下層側の巻き始めのターンを例えばインシュレータ外径部４ｃに接するようにすると、最下層の巻き終りのターンと隔壁４ｉとの間には必ず隙間が生じることになる。この隙間を埋めるように隔壁４ｉの付根部に隅肉部４ｊ（図１４参照）を設けることにより隔壁４ｉの強度を更に高めることができ、変形を抑えることができると同時に、隔壁４ｉの更に薄くすることができるためコイル巻線の更なる高密度化を行うことができる。

更に、図１７に示すように第２のインシュレータ４ｂの厚みをティース部２ｂの先端に向けて薄くなるように、即ち第１の巻き付け面４ｅと第２の巻き付け面４ｆの最近接部から遠ざかるにつれて第２の巻き付け面４ｆが電機子鉄心２の端面２ｃに近づくように勾配を設けることにより、端部構造体における段差部４ｇを形成することも可能である。このような形状の端部構造体であっても段差部４ｇが形成されるため前述と同様な高密度な巻線が実現されることに加えて、図１３に示すものと比べて第２の巻線部３ｂのコイル長さを短くし、コイル抵抗を小さくすることができるため、第２の巻線部３ｂの銅損を低減し、高効率な電機子１を得ることができるという利点がある。

実施の形態３．
本実施の形態は図１８、１９に示すように、実施の形態２の電機子に対して端部にブロック６を追加したものであり、それ以外の構成については実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。ブロック６は嵌め合い部６ａと溝６ｂを有し、第２の巻線部３ｂを形成する前に、図１８において図中上側のブロック６は第１の巻線部３ａの上側、図中下側のブロック６は第１の巻線部３ａの下側、即ち第一の巻線部３ａに対して電機子鉄心２の端面２ｃから遠い位置に配置され、電機子１端部の所定位置に嵌め合い部６ａが収まるように挿入される。第２の巻線部３ｂのリード線はブロック６に設けられた溝６ｂを通して導入され、巻線完了後の線材も別の溝６ｂを通して引き出すことができる。

図１８、１９においてはブロック６をインシュレータ４と別部品としたが、図２０に示すように隔壁４ｉの一部と薄肉で連結しておき、この薄肉部を回転中心としてブロック６を回転させることにより所定位置に収めるようにすることも可能である。このようにブロック６を隔壁４ｉと一体化することにより部品点数の削減、並びに製造コストの低減を図ることができる。

以上のとおり本実施の形態に係る電機子１によると、実施の形態２に係る電機子１が奏する効果に加えて、ブロック６を挿入することで第２の巻線部３ｂを形成する際に、端部において隔壁４ｉを背面側（第１の巻線部３ａ側）から支持することができるので、第２の巻線部３ｂ形成時の隔壁４ｉの変形を抑え、確実に整列巻が行えるようになり、更に高密度なコイル巻線が実現できるという効果がある。
また、このブロック６及びインシュレータ４には第２のコイル巻線部３ｂのリード線を配置するための通路である溝６ｂが形成されていることにより、第１の巻線部３ａと第２の巻線部３ｂとの間は隔壁４ｉ及びブロック６により完全に隔てることができるため、事故時等両巻線部間に高い電圧差が生じた場合であっても巻線部間の短絡の危険性を低減することができ、電機子１の信頼性を向上することができる。

実施の形態４．
本実施の形態に係る電機子１の断面図を図２１に示すが、本実施の形態における端部構造体は磁性体７でできた部分を備えることを特徴としている。一般的に電機子鉄心の端部２ｃからは漏れ磁場が発生し、この漏れ磁束は磁気抵抗の高い空気中を流れることになるため無用な起磁力を消費する原因となると同時に、漏れ磁場によって周囲の電気機器に電磁ノイズ等の悪影響を与えるという問題があった。

本実施の形態に係る電機子１によると電機子鉄心２の端部構造体の一部として磁性体７を用いているため、このような漏れ磁場の通る経路の磁気抵抗を低減でき、消費起磁力、即ち巻線部に通電する電流を低減できるため高効率な電機子１とすることに加えて、この磁性体７がフィールドクランプとして機能するため漏れ磁場を低減でき、周囲の電気機器に対する悪影響も低減できるという効果がある。

実施の形態５．
図２２は本実施の形態において巻線を実施する前の電機子の斜視図、図２３は巻線完了後の鉄心長方向の断面図を示す。実施の形態１から４においては、第１の巻線部３ａがティース部２ｂの外径側、第２の巻線部３ｂが内径側に各々形成されていたが、本実施の形態ではそれらが逆になっており、第１の巻線部３ａがティース部の内径側、第２の巻線部３ｂが外径側に形成されている点が異なっている。従って外径側に設けられた第２のインシュレータ４ｂの厚みの方が、内径側に設けられた第１のインシュレータ４ａよりも厚くなっている。

コイルの巻線は、これまでと同様に最初第１の巻線部３ａが形成されるが、インシュレータ外径部４ｃと第２のインシュレータ４ｂに連続して溝４ｋが形成されており、第１の巻線部３ａのリード線はこの溝４ｋから導入される。第１の巻線部３ａの形成後に第２の巻線部３ｂが形成されるが、第２の巻線部は第２のインシュレータ４ｂの上面に巻きつけられるため、溝４ｋから導入される第１の巻線部のリード線と接触することがない。

以上のとおり本実施の形態に係る電機子１によると、実施の形態２に示した効果に加えて、第１の巻線部と第２の巻線部が接触することはないため、巻線の整列を更に容易なものとすると同時に、絶縁に対する信頼性を向上させることができる。
また、本実施の形態においても第２のインシュレータ４ｂの厚みをティース部２ｂの付根部分に向けて薄くなるように勾配を設けたり（図１７参照）、隔壁４ｋの付根部に隅肉部４ｊを設けたり（図１４参照）することも可能であり、各々の構成に対応する効果を奏することができる。

尚、以上においては、本発明に係る電機子１を図２４に示すようないわゆるインナーロータ型の固定子に適用した場合を取り上げて説明を行ってきたが、図２５に示すようなアウターロータ型の固定子としても適用可能である。また、本発明に係る電機子１は、回転電機として、電動機、発電機の区別なく適用できることは言うまでもない。
更に、本発明に係る電機子１は図２６に示すようなリニアモータの電機子１としても適用可能である。

１電機子
２電機子鉄心
２ｃ端面
２ｄ側面
３ａ第１の巻線部
３ｂ第２の巻線部
４ｅ第１の巻き付け面
４ｆ第２の巻き付け面
４ｇ段差部
４ｈ、４ｋ溝
４ｉ隔壁
６ブロック
７磁性体

Claims

所定の鉄心長を有し、この鉄心長の方向の端面とこの端面の間を接続する側面とを有する電機子鉄心と、前記側面と端面の周囲に線材を巻き付けて形成された第１の巻線部と、前記第１の巻線部が形成された後に、前記側面において前記第１の巻線部と隣り合う位置に、前記側面と端面の周囲に線材を巻き付けて形成された第２の巻線部と、前記端面に設けられ、前記第１および第２の巻線部の前記各線材が第１および第２の巻き付け面において巻きつけられており、前記第１および第２の巻き付け面の最近接部において前記第２の巻き付け面が前記第１の巻き付け面よりも前記端面から遠い位置に配置され前記最近接部に段差部が形成された端部構造体とを備え、前記端部構造体は、磁性体でできた部分を備えたことを特徴とする電機子。
所定の鉄心長を有し、この鉄心長の方向の端面とこの端面の間を接続する側面とを有する電機子鉄心と、前記側面と端面の周囲に線材を巻き付けて形成された第１の巻線部と、前記第１の巻線部が形成された後に、前記側面において前記第１の巻線部と隣り合う位置に、前記側面と端面の周囲に線材を巻き付けて形成された第２の巻線部と、前記端面に設けられ、前記第１および第２の巻線部の前記各線材が第１および第２の巻き付け面において巻きつけられており、前記第１および第２の巻き付け面の最近接部において前記第２の巻き付け面が前記第１の巻き付け面よりも前記端面から遠い位置に配置され前記最近接部に段差部が形成された端部構造体と、前記段差部に連接され、前記第１の巻線部と第２の巻線部との間設けられた隔壁と、前記第１の巻線部に対して前記電機子鉄心の端面から遠い位置に配置され、前記隔壁を支持するブロックとを備えたことを特徴とする電機子。