JP5481279B2 - 回転電機とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータや発電機などの回転電機に関するものである。

近年、世界的な温室効果ガスの削減，省エネルギーの取り組みとして、自動車の電動化が急速に進んでいる。車載用のモータは搭載空間に制約があり、しかも限られたバッテリ電圧で高い出力を得なければならない。小型高出力の要求が極めて高く、これを達成する手段の一つとして、集中巻のモータでは、分割コアを採用して太線や角線を高密度で巻いて占積率を高める方法がある。

一方、モータの低価格化の要求に対しては、コイルを連続巻線して、接続点数を減らして対応する例が見られる。

このような背景のもと、集中巻のモータで角線を用いた分割コアの連続巻線を開示した実施例として特許文献１がある。特許文献１は、同相コイルを６連続巻線し、Ｙ結線でモータを構成する。

特開２００８−１０９８２９号公報

しかしながら、特許文献１の構造では、接続点数を減らすことはできるが、コイル間をつなぐ渡り線がコイルエンド上で相互に物理的に干渉し、コイルエンドがロータ部やコアバックにはみ出し、ロータやモータケースに接触する問題があった。また、前記問題の解決のため、渡り線の長さを長くすると、コイルエンド高さが高くなるという問題があった。また、モータの性能が低下（モータの銅損大）、かつモータが大型で高価格になる問題があった。そこで、本願発明では、小型化及び低下価格化に資するとともに出力を向上させる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば、コイル線の断面が矩形状である集中巻コイルを、渡り線を介して連続巻した連続巻コイルを有する回転電機の固定子の製造方法において、巻線前の分割コアを前後機構に搭載し、分割コアを前後させて巻線の軌道を確保して巻線を行い、前記連続巻コイルの巻き始め線と巻き終わり線の姿勢を前後機構を伴う開閉式のチャックで略９０°に保持して角線の面をすべて揃え、前記開閉式のチャックは分割コアの前後機構に搭載し、前記分割コア前後機構と前記開閉式のチャックを前後ならびに開閉させることで連続巻コイルを形成する。

本発明によれば、小型化及び低下価格化に資するとともに出力を向上させる回転電機を提供することができる。

本発明の一実施形態である８極１２スロットのモータの各コイルの渡り線の配置を示す模式図。 本発明の一実施形態である８極１２スロットのモータの各コイルの結線図。 本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造を示す斜視図。 本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造を示す斜視図。 本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造を示す斜視図。 本発明の一実施形態である３相分の４連続巻コイルの組立方法を示す斜視図。 本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの巻き始め線を分割コアへ導入した状態を示す斜視図。 本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの巻き始め線を後方に後退させて巻線軌道を確保した状態を示す斜視図。 本発明の一実施形態である３相分の４連続巻コイルの中性点の接続方法を示す断面図。

本発明の実施の形態を以下説明する。

まず概要を述べる。本実施形態では、矩形状である角線の集中巻コイルを、渡り線を介して連続して巻くため、まず、最初に分割コアを前後させる機構に搭載し、巻線したいコアだけ前進して巻線の回転軌道を確保する。さらに巻線の整列性を確保するため、渡り線の角線の側面を揃える必要があり、これに対して分割コアの上部に角線を保持するためのチャック機構を搭載し、角線の姿勢を略９０°となるように保持する。角線を分割コア内の所定の場所に導いた後、このチャック機構がさらに後方に後退することで、巻線軌道が確保できる。巻線終了後、巻き終わり線をチャックして、分割コアを後退させて巻線が完了する。この動作を繰り返すことで、連続巻コイルが作製できる。この方法で１相分の連続巻コイルを３つ作製し、そのうち２相分の連続巻コイルの渡り線をコア内径側に各々少しずつ倒すことで、３相分の連続巻コイルを組み立てた時の渡り線の干渉を回避する。さらに３相分の渡り線の干渉を無くした部分に、接続用端子で中性点接続を行い、回転電機を構成する。

これにより、同相のコイルを、角線を用いて連続巻線し、３相分の連続巻コイルを重ね合わせ、接続用端子で中性点接続を行い、回転電機の固定子を構成する。本回転電機の固定子の特徴として、巻線の前後に渡り線をチャックして、角線の側面をすべて揃えることで分割コア内のコイルの整列性が向上し、占積率が向上する。さらに事前に２相分の連続巻コイルの渡り線をコア内径側にわずかに倒すことで、３相分の連続巻コイルを組み立てた時の渡り線の干渉を回避することができる。また、３相分の渡り線の干渉を無くしたことで、接続用端子による中性点接続を容易にすることができる。この連続巻線の実現により、従来、端末線の接続に必要としていた結線板の廃止によるモータの低価格化と、接続点数の減少により接続工程の簡略化を実現できる。さらに、角線の使用によるモータの高出力化と、コイルエンド高さを低くすることで、モータの銅損の低下とモータの小型化，低価格化を同時に実現することができる。

以下、図面を用いて詳述する。

図１に本発明のモータの各コイルの渡り線の配置を模式的に表したものを示す。モータ１００は、内側に回転子２０を、外側に固定子９０から構成されるインナーロータ型の分割コアを用いた集中巻のモータである。本実施形態では、８極１２スロットのモータで、コイルの導線には角線を用いた場合を例に説明する。なお、以下で説明するモータ１００の構成は一例であって、本発明の内容を変更しない範囲でモータ極数及びスロット数を適宜変更できることはもちろんである。図１に示すように固定子９０は、１２個のコイル１０ａ〜１０ｌを環状に連結して構成し、その内側に一定のギャップを設けて回転子２０が配置されている。回転子２０の外周にはマグネットを周方向にＮ極とＳ極を交互に配置して８極の磁極が形成されている。

図１において、Ｕ相の４個のコイル１０ａ，１０ｄ，１０ｇ，１０ｊは渡り線を介して連続巻線され、コイル１０ａ，１０ｄの巻回方向は同一方向であり、コイル１０ｇ，１０ｊの巻回方向は逆である。Ｖ相の４個のコイル１０ｂ，１０ｅ，１０ｈ，１０ｋと、Ｗ相の４個のコイル１０ｃ，１０ｆ，１０ｉ，１０ｌも連続巻線の巻回方向は上記と同じ構成である。従って、上記のようにモータ１００を構成すれば、Ｕ相の４連続巻コイル，Ｖ相の４連続巻コイル，Ｗ相の４連続巻コイルの中性点は、４連続巻コイルの中間部の同一箇所に接続用端子３０を配置することができる。

ここで、Ｗ相の４連続巻コイルに対し、Ｖ相の４連続巻コイルの渡り線をコア内径側にわずかに傾斜させ、さらにＵ相の４連続巻コイルの渡り線をＶ相に対し、わずかに傾斜させることで、渡り線の相互の干渉が無くなり、ロータ部やコアバックにコイルエンドがはみ出すことを回避することができる。

図２は、本発明のモータ１００の固定子９０の結線図を示す。

Ｕ相のコイル１０Ｕは、入力線１５Ｕ１，コイル１０ａ，渡り線１５Ｕ２，コイル１０ｄ，渡り線１５Ｕ３，コイル１０ｇ，渡り線１５Ｕ４，コイル１０ｊ，入力線１５Ｕ５を連結して構成する。コイル１０ａ，１０ｄの巻回方向は同一方向であり、コイル１０ｇ，１０ｊの巻回方向は逆である。Ｖ相のコイル１０Ｖ，Ｗ相のコイル１０Ｗの巻回方向は上記と同じ構成である。つまり本発明のモータ１００は、２直２並列のＹ結線で構成されている。ここでＵ相のコイル１０Ｕ，Ｖ相のコイル１０Ｖ，Ｗ相のコイル１０Ｗの中間部はそれぞれ渡り線１５Ｕ３，１５Ｖ３，１５Ｗ３であり、これらを接続用端子３０で中性点接続することにより、固定子２０として機能する。

図３に本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造をＷ相のコイル１０Ｗを一例に説明する。図３に示すようにＷ相のコイル１０Ｗは、４個のコイル１０ｃ，１０ｆ，１０ｉ，１０ｌを横に並べて配置し、各コイルは渡り線１５Ｗ２，１５Ｗ３，１５Ｗ４を介して連続巻線されている。ここで端末線である１５Ｗ１と１５Ｗ５が入力線となる。ここで本連続巻コイルの特徴としては、後述する巻線方式によって、渡り線を含めた連続巻コイルを構成する角線の側面をすべて揃えたことである。この結果、分割コア内のコイルの整列性が向上し、占積率が向上する。Ｖ相のコイル１０Ｖ，Ｕ相のコイル１０Ｕも基本となるコイル形状は上記と同様の構造である。

図４に本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造をＶ相のコイル１０Ｖを示す。Ｗ相のコイル１０Ｗとの違いは各コイルの渡り線１５Ｖ２，１５Ｖ３，１５Ｖ４と入力線１５Ｖ５がコアの内径側に角度φ１でわずかに傾斜していることである。

図５に本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造をＵ相のコイル１０Ｕを示す。Ｗ相のコイル１０Ｗとの違いは各コイルの渡り線１５Ｕ２，１５Ｕ３，１５Ｕ４と入力線１５Ｕ５が、φ１よりもさらに大きい角度φ２でわずかにコアの内径側に傾斜していることである。

図６に本発明の一実施形態である３相分の４連続巻コイルを重ね合わせた構造を示す。Ｗ相のコイル１０Ｗ，Ｖ相のコイル１０Ｖ，Ｕ相のコイル１０Ｕの順に、コイルを横に並べた状態で重ね合わせる。この状態ではじめて３相分のコイルの中性点を接続するための空間、すなわち中性点接続部４０が形成される。さらにＶ相のコイルとＵ相のコイルの渡り線をそれぞれ角度φ１とφ２に傾斜させたことで、渡り線の相互の干渉が無くなり、コイルエンドはロータ部やコアバックにはみ出すことはない。

また、渡り線の相互の干渉が無くなることで、コアは一直線状に並ぶことができ、組立が容易となる。さらに、渡り線の高さもほぼ一定の高さに揃えることができ、コイルエンド高さを低くすることが可能である。ここで、中性点接続部４０にはクラッド材などの接続用端子３０を挿入して、電極をあてがいヒュージング接続すれば、モータ１００の結線が実現できる。さらにこの横に展開されたコイルを環状に組み立てることにより、固定子２０を形成することができる。

なお、ここでは、中性点接続部４０において接続用端子３０を用いて３相の渡り線を接続したが、中性点接続部４０において接続できればよく、接続用端子３０を用いずに３相の渡り線の一部のエナメル皮膜のみを事前にレーザで除去しておき、剥き出しになった銅の部分を突き合わせて、ＴＩＧ溶接や超音波接合などを用いて接続するようにしてもよい。これによれば、接続用端子３０の廃止によるモータの低価格化を実現できる。

図７と図８に本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの巻線方法を示す。図７に示すように４個の分割コア１１を横に一列に並べた状態で、分割コア前後機構５０に搭載する。ここでは２コア目の巻線を例にして説明する。ここで角線を供給するノズル６０は図示していないが回転機構の先端部であり、さらにこの回転機構は３軸の直交ロボットに搭載されており、巻線だけでなく渡り線の形成を可能にしている。１コア目の巻線終了後、開閉式のチャック５２で角線を略９０°の姿勢で保持したままチャックし、開閉式のチャック５２を後方に後退させる。その後、分割コア前後機構５０でコイル１０ｃを後方に後退させる。

次に巻線したい２コア目の分割コア１１を分割コア前後機構５０で前進させる。このとき、開閉式のチャック５１も開いた状態で前進させ、これをガイドにしてノズル６０を下に下げながら角線を分割コア１１内に導く。ノズル６０が所定の位置にきたら、開閉式のチャック５１を閉じて、角線の姿勢を略９０°にして固定する。ここで開閉チャック５１，５２は、分割コア前後機構５０の上に設置され、単独での前後動作と開閉動作を可能にする機構を有するものである。

次に、図８に示すように開閉式のチャック５１を後方に後退させ、ノズル６０による巻線の軌道を確保する。このようにして常に巻き始め線と、巻き終わり線の角線の姿勢を略９０°に保持できれば、分割コア内の角線の姿勢も維持され、角線の整列性を確保でき、占積率も向上する。巻線終了後は、開閉式のチャック５２を開いた状態で前進させ、これに巻き終わり線をからげて、チャックし、２コア目の巻線が完了する。以降、上記で説明した動作を４回繰り返すことで１相分の４連続巻コイルが作製できる。ここではノズルを回転させる方式で説明したが、ノズルを固定し、ワーク側（図７と図８で説明したノズル６０を除く機構全体）を回転させても同様の４連続巻コイルを形成できるのはもちろんである。

図９に本発明の一実施形態である３相分の４連続巻コイルの中性点の接続方法を断面図で示す。図９に示すように３相分コイルの渡り線１５Ｗ３，１５Ｖ３，１５Ｕ３はその高さと角線の側面がほぼ揃っているものの角線の姿勢は完全に一定ではない。ここでは一例としてヒュージング接続における接続用端子と渡り線との十分な接触面積を確保するための方法を以下、説明する。まず、渡り線１５Ｗ３，１５Ｖ３，１５Ｕ３に接続用端子３０を挿入する。次に、押し当てブロック７０を接続用端子３０の内部に挿入し、渡り線１５Ｗ３，１５Ｖ３，１５Ｕ３を接続用端子３０に押し付ける。これで電線同士が接触した状態となる。次に接続用端子３０の上下から電極７１，７２を押し当て、通電する。この通電により、接続用端子が発熱し、電線表面のエナメルが溶解する。この熱と、電極の加圧力により、エナメルが端子の外部に押し出され、３本の角線の導体部と端子が接合する。この方法によれば３本の角線の導体部の側面と接続用端子の接続面と同じ向きとなり、モータの通電に十分な接触面積を確保することが可能となる。

なお、上記実施例では、四角形状（正方形又は長方形）の角線を想定したが、厳密に四角形状である必要はなく、設計仕様に合わせて微調整は可能である。例えば、四角形の角が若干面取りされている形状（略八角形）などでもよい。

１０ａ〜１０ｌ コイル
１０Ｕ，１０Ｕａ，１０Ｕｂ，１０Ｕｃ Ｕ相のコイル
１０Ｖ，１０Ｖａ，１０Ｖｂ，１０Ｖｃ Ｖ相のコイル
１０Ｗ，１０Ｗａ，１０Ｗｂ，１０Ｗｃ Ｗ相のコイル
１１ 分割コア
１５Ｕ１，１５Ｕ５，１５Ｖ１，１５Ｖ５，１５Ｗ１，１５Ｗ５ 入力線
１５Ｕ２，１５Ｕ３，１５Ｕ４，１５Ｖ２，１５Ｖ３，１５Ｖ４，１５Ｗ２，１５Ｗ３，１５Ｗ４ 渡り線
２０ 回転子
３０ 接続用端子
４０ 中性点接続部
５０ 分割コア前後機構
５１，５２ 開閉式のチャック
６０ ノズル
７０ 押し当てブロック
７１，７２ 電極
９０ 固定子
１００ モータ

Claims (3)

1. コイル線の断面が矩形状である集中巻コイルを、渡り線を介して連続巻した連続巻コイ
   ルを有する回転電機の固定子の製造方法において、
   巻線前の分割コアを前後機構に搭載し、分割コアを前後させて巻線の軌道を確保して巻
   線を行い、前記連続巻コイルの巻き始め線と巻き終わり線の姿勢を前後機構を伴う開閉式
   のチャックで略９０°に保持して角線の面をすべて揃え、前記開閉式のチャックは分割コ
   アの前後機構に搭載し、前記分割コア前後機構と前記開閉式のチャックを前後ならびに開
   閉させることで連続巻コイルを形成することを特徴とする回転電機の製造方法。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子の製造方法により、３組の連続巻コイルを形成し、
   前記３組の連続巻コイルのうち２組の連続巻コイルの渡り線をコア内径側に異なる角度で
   傾け、３組の前記連続巻コイルを重ね合わせて環状に組み立て、３組の前記連続巻コイル
   の中性点接続部の渡り線の側面と接続端子の接続面が同じ向きになることを特徴とする回
   転電機の製造方法。
3. コイル線の断面が円状ではない集中巻コイルを、渡り線を介して巻かれた巻コイルを有
   する回転電機の分割コアの製造方法において、
   巻線前の分割コアを前後可動の機構に搭載し、分割コアを前後運動させて巻線し、前記
   巻コイルの巻き始め線と巻き終わり線の姿勢を前記機構に設けられたチャックで保持して
   角線の面を所定の方向に揃え、前記前後可動の機構と前記開チャックを前後ならびに開閉
   させることで３組の巻コイルを形成し、前記３組の巻コイルのうち２組の巻コイルの渡り
   線をコア内径側にそれぞれ異なる角度で傾け、３組の前記巻コイルを円状に組み立て、３
   組の前記巻コイルの中性点接続部の渡り線の側面と接続端子の接続面が同じ向きになるこ
   とを特徴とする回転電機の製造方法。

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