JP5680159B1 - 回転電機の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】導体を捻り曲げる工程の準備工程が複雑化することなく、捻り曲げ後の各層の導体端部の突出高さを同じにすることが可能な回転電機の製造方法を提供する。【解決手段】回転電機のステータコア2のスロット2aから突出され、且つ、ステータコアの2径方向に並んで複数の層を形成するように複数のコイルエンド4dが配置され、スロット2aから突出する各コイルエンド4dの先端部4eを保持して、先端部4eを周方向に移動させながら各コイルエンド4dを捻り曲げる。コイルエンド4dの曲げの中立線が層毎に相違し、外層側のコイルエンド4dほど曲げの中立線が外側にある。【選択図】図9
Description
本発明は、回転電機の製造方法、特に、導体の端部を捻り曲げて回転電機を製造する回転電機の製造方法に関する。
従来から、ステータコアの周方向に並んで形成されたスロットから突出した導体(コイルセグメント)の端部を捻り曲げる装置が提案されている。例えば、特許文献1には、ステータコアのスロットから突出され、且つ、ステータコアの径方向に並んで複数の層を形成するように複数の導体が配置された状態で、各導体の端部を保持し、これら端部を周方向に移動させながら導体を捻り曲げる方法が記載されている。この方法では、各層の導体に対応した円環の治具(ガイド)を用いている。
導体端部を周方向に移動させると必然的に軸方向にも移動するので、導体を捩り曲げる場合、導体端部を周方向及び軸方向に移動させる必要がある。特許文献1に記載の方法では、各層の導体端部の両側面を挟み込んで保持した円環状の治具を周方向に回転させると共に、導体端部の軸方向の移動距離に対応させて円環状の治具を各層毎に独立に軸方向にも移動させている。
回転電機の磁束密度などの性能向上のため、捻り曲げ後の各層の導体端部の突出高さは同じにすることが好ましい。しかし、導体端部を周方向に同じ角度だけ移動させた場合、径方向外側の導体と内側の導体とでは、周方向の移動距離が異なるので、必然的に導体端部の軸方向の移動距離も異なる。そこで、例えば、特許文献1に記載の方法では、捻り曲げ前の導体端部の突出長さを外側の層のものほど長くして、外側の治具も内側の治具も周方向に同じ角度だけ回転させている。
このように捻り曲げ前の導体端部の突出長さを層毎に変化させるためには、素材として長さの異なる複数種の導体を用意し、且つ、これらの導体を層毎に順序良く並べてスロットに配置する必要が生じる。よって、導体を捻り曲げる工程の準備工程が複雑化し、結果として生産効率が低下するという課題が生じる。
本発明は、以上の点に鑑み、導体を捻り曲げる工程の準備工程が複雑化することなく、捻り曲げ後の各層の導体端部の突出高さを同じにすることが可能な回転電機の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、回転電機のステータコアのスロットから突出され、且つ、前記ステータコアの径方向に並んで複数の層を形成するように複数の導体が配置され、各前記導体の端部を保持して、前記端部を周方向に移動させながら前記導体を捻り曲げる工程を備えた回転電機の製造方法であって、前記導体の曲げの中立線が前記層毎に相違することを特徴とする。
本発明によれば、導体の曲げの中立線が層毎に相違するので、導体を捻り曲げる際に、各層の導体の端部を周方向に同じ角度だけ移動させた場合、各層の導体の端部の軸方向の移動距離を調整することができる。
曲げの中立線で捻り曲げた場合、外層側の導体ほど捻り曲げ後の導体端部の突出長さが長くなる。
そこで、本発明において、外層側の前記導体ほど曲げの中立線が外側にあることが好ましい。この場合、導体を捻り曲げる際に、各層の導体の端部を周方向に同じ角度だけ移動させた場合、外側の導体の端部の突出高さが短くなる程度を抑制することができる。
これにより、捻り曲げ前の各層の導体の端部の突出高さが同程度であっても、捻り曲げ後の各層の導体の端部の突出高さを同程度にすることが可能となる。よって、導体を捻り曲げる工程の準備工程が複雑化することなく、捻り曲げ後の各層の導体の端部の突出高さを同程度にすることが可能となる。
さらに、本発明において、捻り曲げ後の各層の前記導体の端部の突出高さが同じであることが好ましい。
そして、捻り曲げ前の各層の前記導体の端部の突出高さが同じであることが好ましい。
これらの場合、捻り曲げ前の各層の導体の端部の突出高さが同じであっても、捻り曲げ後の各層の導体の端部の突出高さを同じにすることが可能となる。よって、導体を捻り曲げる工程の準備工程が複雑化することなく、捻り曲げ後の各層の導体の端部の突出高さを同じにすることが可能となる。そして、捻り曲げ後の各層の導体端部の突出高さは同じであるので、回転電機の磁束密度などの性能が向上する。
まず、図1から図3を参照して、本発明の回転電機の製造方法を用いて製造される回転電機の構造の一例について説明する。
電動機や発電機などの回転電機は、円筒状に形成されたステータ1、及び、ステータ1の内側に回転自在に配置されたロータ(図示省略)から構成される。
ステータ1は、ステータコア2と、コイル3とから構成される。ステータコア2は、円筒形状であり、回転軸方向に貫通する複数のスロット2aが周方向に間隔を存して複数設けられている。各スロット2aは、ステータコア2の径方向断面形状がステータコア2の中心側から径方向に向かって放射状に延びるように形成されており、ステータコア2に形成されたスリット2bを介してステータコア2の内周面に連通している。尚、スリット2bは設けなくてもよい。
コイル3は、図2に示すコイルセグメント4をスロット2aに一方から挿入し、スロット2aの他方から突出した突出部分を周方向に捩り曲げて接合することにより構成される。コイルセグメント4は、複数本、実施形態では4本の断面長方形状の導体(平角線の導線)を幅の広い方の面が対向するように1列に整列させて1つの束にしてU字状に形成したものであり、一対の脚部4a,4aと、両脚部4a,4aの一方端(図では上端)を連結する頭部4bとからなる。
尚、コイルセグメント4は、複数の平角線を幅方向に整列させた束であればよく、例えば、複数の平角線を幅の狭い方の面が対向するように1列に整列させたものであってもよい。
頭部4bの中央には、平角線の整列方向にS字状に湾曲するS字状部4cが形成されている。又、頭部4bは、その中央(S字状部4cの中央)から両脚部4a,4aに向かって下方に傾斜している。コイルセグメント4の脚部4aは、対応するスロット2aに一方から挿入されている。スロット2aの他方からは、コイルセグメント4の脚部4aが突出している。
このスロット2aの他方から突出した脚部4aの突出部分4dは、図3(a)に示すようにステータ1の周方向に捩り曲げられ、対応する突出部分4dの先端部4e同士がTIG溶接などで接合されている。尚、本実施形態のコイル3は、U相、V相、W相からなる3相コイルであり、各スロット2aに挿入されるコイルセグメント4の脚部4aは、周方向に、U相、U相、V相、V相、W相、W相の順に並ぶ。図3(b)では、3つの相のうちの1相のコイル(例えば、U相コイル)のみを示している。
次に、コイルセグメント4の製造方法について説明する。
まず、複数、実施形態では4本の平角線を幅の広い方の面が互いに対向するように1列に並べて、1束の平角線束を作る。次に、平角線束の中央部をS字状に折り曲げて、S字状部4cを形成する。次に、ステータコア2の周方向に沿うように平角線束を曲げる必要がある。これは、スロット2aは周方向に間隔を存して配置されているためである。
次に、平角線束を、その中央(S字状部4cの中央)から下方に向かって傾斜するように湾曲させる。次に、平角線束の両端部を下方に折り曲げて脚部4a,4aを形成する。このようにして、図2に示すコイルセグメント4が成形される。
上述のようにして成形されたコイルセグメント4は、スロット2a(図3(a)参照)の位置に対応させて周方向に一部が重ね合わさるように整列され、脚部4aがステータコア2のスロット2aに挿入される。脚部4aはスロット2aの下方に予め設定された長さだけ突出するように設計されている。
スロット2aの下方から突出した脚部4aの直線状の突出部分4dは、捩り曲げ装置10を用いて周方向に捩り曲げられる。捩り曲げられた突出部分4dの直線状の先端部4eは、隣接する先端部4eとTIG溶接などで接合される。このようにして、径方向に8層(8本)のコイルセグメント4が積層配置されたステータ1が完成する。ここでは、径方向外側から内側に向かって、1層、2層、・・・、8層の順に並んでいる。
尚、捻り曲げ後の直線状の突出部分4dの長さは、各層で同一となっている。ここで、同一とは、完全に同一であることを要せず、回転電機の磁束密度の性能等に悪影響が及ばない程度に相違していてもよく、例えば、0.1mm以下、或いは0.3mm以下の範囲で相違していてもよい。
以下、図5から図9を参照して、捻り曲げ装置10について説明する。
捻り曲げ装置10は、スロット2aから突出したコイルセグメント4の突出部分(以下、コイルエンドという)4dを捩り曲げる装置である。
尚、捻り曲げ前の直線状の突出部分、即ちコイルエンド4dの長さは、各層で同一となっている。ここで、同一とは、完全に同一であることを要せず、ある程度相違していてもよく、例えば、0.1mm以下、或いは0.3mm以下の範囲で相違していてもよい。
捻り曲げ装置10は、支持体11、2個の回転体12,13、回転駆動手段14、各層のコイルエンド4dに対応する保持治具15−1〜15−4,16−1〜16−4(以下、合わせて、単に「保持治具15,16」ともいう)、2本の連結棒17,18、固定棒19、及びステータコア保持体21を備えている。
支持体11は、その上端部が、天井などに固定されている。
2個の回転体12,13は、支持体11に対して、それぞれ回転可能に構成されている。ここでは、それぞれベアリングを介して、支持体11に対して内側回転体12を回転自在に、この内側回転体12に対して外側回転体13を回転自在に設けている。
回転駆動手段14は、内側回転体12と外側回転体13を互いに反対向きの周方向に回転させる。ここでは、回転駆動手段14は、内側回転体12を時計周りに、外側回転体13を反時計周りに回転させる。回転駆動手段14は、電動モータであり、ギア列を介して、内側回転体12及び外側回転体13を回転させる。
保持治具15,16は、複数の奇数層、ここでは1層、3層、5層、7層のコイルエンド4dにそれぞれ対応する4個の奇数層用保持治具15−1〜15−4と、複数の偶数層、ここでは2層、4層、6層、8層のコイルエンド4eにそれぞれ対応する4個の偶数層用保持治具16−1〜16−4とから構成されている。各保持治具15,16は、それぞれ段差を有する円筒形状であり、層順に同心状に配置されている。
奇数層用連結棒17は、外側回転体13に固定され、4個の奇数層用保持治具15−1〜15−4を連結している。具体的には、奇数層用保持治具15−1〜15−4の上部を延長した先端部に外側回転体13の軸方向を長手方向とする長円形状の貫通孔が形成されており、これら全ての貫通孔を1本の奇数層用連結棒17が挿通している。これにより、外側回転体13の回転に伴い、4個の奇数層用保持治具15−1〜15−4は軸方向にそれぞれ独立して移動自在に、且つ同時に同じ角度だけ回転する。
奇数層用保持治具15−1〜15−4の貫通孔が形成された先端部は、隣接する偶数層用保持治具16−1〜16−4の先端より上方に位置しており、奇数層用連結棒17は偶数層用保持治具16−1〜16−4と干渉しない。
偶数層用連結棒18は、内側回転体12に固定され、4個の偶数層用保持治具16−1〜16−4を連結している。偶数層用連結棒18は、奇数層用連結棒17と同様に、偶数層用保持治具16−1〜16−4のそれぞれの上端部に形成された長円形状の貫通孔を挿通している。これにより、内側回転体12の回転に伴い、4個の偶数層用保持治具16−1〜16−4は上下方向にそれぞれ独立して移動自在に、且つ同時に同じ角度だけ回転する。
偶数層用保持治具16−1〜16−4の貫通孔が形成された先端部は、隣接する奇数層用保持治具15−1〜15−4の先端より上方に位置しており、偶数層用連結棒18は奇数層用保持治具15−1〜15−4と干渉しない。尚、保持治具15,16には、長円状の貫通孔の代わりに、軸方向を長手方向として上端部が開放された長円状の切り欠きを形成してもよい。
各保持治具15,16は、図6に示すように、その下端面に、コイルエンド4dの先端部4eが挿入されて保持される保持部15a,16aが形成されている。保持部15a,16aは、スロット2aと同数、周方向に並んで、穿設されている。
尚、保持治具15,16の下端面は、コイルエンド4dの長さに合わせて、面一に位置している。このように、保持部15a,16aに挿入されるコイルエンド4dの先端部4eの突出長さは同じである。
各保持部15a,16aは、コイルセグメント4の矩形状断面に合わせて、矩形状断面を有する。
ただし、保持治具15,16の進行方向側の保持部15a,16aの入り口部分は、テーパ部31を有している。これにより、保持部15a,16aの入り口部分が拡大されコイルエンド4dの先端部4eが入り易くなっている。
一方、保持治具15,16の進行方向側と反対側の保持部15a,16aの入り口部分は、軸方向と平行、即ち垂直な面32となっている。これにより、保持部15a,16aの入り口部分の面32の下端側の角部と曲げ後のコイルエンド4dの内側曲げ部分、即ち先端部4eの内側角部が当接して、いわば食い込んだ状態となり、保持治具15,16がコイルエンド4dを把持する把持力は大きくなる。
そして、保持部15a,16aの奥部は、断面が拡大している。これにより、保持部15a,16aの中間部の奥端が反力の支持点となり、保持部15a,16aに挿入されたコイルエンド4dが飛び出すことが防止されると共に、保持治具15,16がコイルエンド4dを把持する把持力が大きくなる。
以上のように、保持治具15,16がコイルエンド4dを把持する把持力が大きいので、保持治具15,16はコイルエンド4dに対して、引張力又は圧縮力を与えることが可能となる。
尚、テーパ部31は、図6では直線状であるが、曲線状であってもよい。また、保持治具15,16の進行方向側の保持部15a,16aの入り口部分に、垂直面が存在し、その奥方にテーパ部を設けてもよい。
さらに、各保持治具15,16には、その外周面に、それぞれ異なる図7に示すような形状の貫通孔15b,16bが形成されている。貫通孔15b,16bは、周方向に向かって漸次軸方向に向かって伸びている。そして、これら貫通孔15b,16bを挿通する丸棒からなる固定棒19が支持体11に固定されている。
各保持治具15,16に形成される貫通孔15b,16bのプロファイルは、当該保持治具15,16によって捻り曲げられるコイルエンド4dの形状に応じて定められる。
具体的には、例えば、図8に示すように、捻り曲げの曲げ中立線(中立面)がコイルエンド4dの幅方向の中心線(中心面)となるような捻り曲げの経過に沿って、捻り曲げ前(直線状)、捻り曲げ途中、捻り曲げ後のそれぞれのコイルエンド4dを作図して、コイルエンド4dの先端部4eの移動軌跡Lを求める。
そして、図9(a)を参照して、このようにして求めた移動軌跡Lに対して、外側の層に位置するコイルエンド4dの場合には、捻り曲げの中立線がコイルエンド4dの幅方向の中心線よりも外側に位置するように修正する。尚、外側の層に位置するコイルエンド4dほど、捻り曲げの中立線が外側に位置するように修正する。
そして、この修正した捻り曲げの中立線に沿ってコイルエンド4dが捻り曲げられるように、図7を参照して、固定棒19が移動する外形を作図して、貫通孔15b,16bの外形を定めればよい。具体的には、コイルエンド4dを捻り曲げる際に、コイルエンド4dの先端部4eに保持治具15,16が引張力を与えながらコイルエンド4dを捻り曲げる引張曲げとなるように、貫通孔15b,16bの外形を定める。
一方、図9(b)を参照して、内側の層に位置するコイルエンド4dの場合には、移動軌跡Lを捻り曲げの中立線がコイルエンド4dの幅方向の中心線よりも内側に位置するように修正する。尚、内側の層に位置するコイルエンド4dほど、捻り曲げの中立線が内側に位置するように修正する。また、中間の層に位置するコイルエンド4dの場合、捻り曲げの中立線を修正しなくもよい。
そして、この修正した捻り曲げの中立線に沿ってコイルエンド4dが捻り曲げられるように、図7を参照して、固定棒19が移動する外形を作図して、貫通孔15b,16bの外形を定めればよい。具体的には、コイルエンド4dを捻り曲げる際に、コイルエンド4dの先端部4eに保持治具15,16が圧縮力を与えながらコイルエンド4dを捻り曲げる圧縮曲げとなるように、貫通孔15b,16bの外形を定める。
さらに、貫通孔15b,16bの外形は、図9(a)及び図9(b)を参照して、捻り曲げ後の各層のコイルエンド4dの先端部4eの突出高さが同一になるように定めることが好ましい。このように定めれば、回転電機の磁束密度などの性能が向上する。
尚、引張曲げか圧縮曲げかによって、コイルエンド4dの先端部4eの高さは僅かしか変化しない。しかし、例えば、コイルエンド4dの幅が2mm程度、各層のコイルエンド4dの高さ変化の総計が4mm程度、ステータコア2の外径が300mm程度であれば、各層のコイルエンド4dの高さ変化を吸収することができる。
各保持治具15,16は、それぞれ、回転体12,13が回転すると、固定棒19に対して貫通孔15b,16bの内面が摺動することにより、それぞれの貫通孔15b,16bのプロファイルに倣った分だけ下降する。
最内側の保持治具15−1は、その内周面が、支持体11の外周面で径方向内方への移動が規制されている。このように、支持体11の外周面は、保持治具15,16の内側をガイドするガイド部として機能する。
また、最外側の保持治具16−4は、その外周面が、支持体11及び固定棒19に固定された円環状のガイド体22の内周面で径方向外方への移動が規制されている。このように、ガイド体22は、保持治具15,16の外側をガイドするガイド部として機能する。
ステータコア保持体21は、スロット2aにコイルセグメント4の脚部4aが挿入されたステータコア2を保持する。そして、ステータコア保持体21は、図示しない昇降手段によって、支持体11に対して上下動可能に構成されている。
以下、捻り曲げ装置10を用いてコイルエンド4dを捻り曲げる方法について説明する。
まず、スロット2aにコイルセグメント4の脚部4aが挿入されたステータコア2を、ステータコア保持体21に保持する。
次に、前記昇降手段によってステータコア保持体21を上昇させ、各コイルセグメント4の先端部4eを、それぞれ保持治具15,16の保持部15a,16aに挿入する。これにより、各コイルセグメント4の先端部4eが保持部15a,16aに保持される。保持部15a,16aに挿入される先端部4eの長さは、層の違いに拘らず一定である。
次に、回転駆動手段14によって、内側回転体12と外側回転体13を互いに反対向きの周方向に同時に回転させる。ここでは、内側回転体12を時計周りに、外側回転体13を反時計周りに回転させる。尚、内側回転体12と外側回転体13とを、順次回転させてもよい。
外側回転体13の反時計周りの回転に伴い、4個の奇数層用保持治具15−1〜15−4は反時計周りに同じ角度だけ回転しながら、各貫通孔15bのプロファイルに倣って、各保持治具15−1〜15−4は軸方向(下方向)に移動する。これにより、各保持治具15−1〜15−4の保持部15aに保持されたコイルエンド4dは、各貫通孔15bのプロファイルに倣って、反時計周りに曲げられながら下方に捻られる。
また、内側回転体12の時計周りの回転に伴い、4個の偶数層用保持治具16−1〜16−4は時計周りに同じ角度だけ回転しながら、各貫通孔16bのプロファイルに倣って、各保持治具16−1〜16−4は軸方向(下方向)に移動する。これにより、各保持治具15−1〜15−4の保持部15aに保持されたコイルエンド4dは、各貫通孔16bのプロファイルに倣って、時計周りに曲げられながら下方に捻られる。
このように、各保持治具15,16の外周面にそれぞれ異なる形状の貫通孔15b,16bが形成され、これら貫通孔15b,16bに固定棒19が挿通されている。これにより、回転駆動手段14で回転体12,13を回転させたとき、各保持治具15,16は周方向に回転すると共に、それぞれの貫通孔15b,16bのプロファイルに倣って下方にも移動する。
よって、回転駆動手段14で回転体12,13を介して保持治具15,16を回転させることによって、外側の層に位置するコイルエンド4dは、その先端部4eを保持治具15,16で引っ張られながら捻り曲げられて、捻り曲げの中立線がコイルエンド4dの幅方向の中心線よりも内側に位置する。一方、内側の層に位置するコイルエンド4dは、その先端部4eを保持治具15,16で圧縮されながら捻り曲げられて、捻り曲げの中立線がコイルエンド4dの幅方向の中心線よりも外側に位置する。
これにより、捻り曲げ後の各層のコイルエンド4dの先端部4eの突出高さは同一となる。
保持治具15,16が回転するとき、図6を参照して、進行方向側の保持部15a,16aの内壁面33は反力を受ける。この反力は、コイルセグメント4の支点Aから離間するほど支点Aに作用するモーメントが大きくなるので、入り口部にテーパ部31を有していても、反力の減少には然程影響しない。
一方、進行方向側と反対側の保持部15a,16aの入り口部は垂直な面32となっているので、コイルエンド4dの先端部4eの根元部を捻り曲げの起点することができる。また、保持部15a,16aの中間部は、その断面が先端部4eの断面と略同一であり、且つ、ある程度の長さを有しているので、保持部15a,16a内で先端部4eは斜行しないので、先端部4eを直線形状とすることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、奇数層のコイルセグメント4と偶数層のコイルセグメント4とをそれぞれ同時に捻り曲げる場合について説明した。しかし、これに限定されず、例えば上記特許文献1に開示されているように、各層のコイルセグメント4を独立に捻り曲げてもよい。
また、貫通孔15b,16bのプロファイルによって、コイルエンド4dの先端部4eに引張力又は圧縮力を与えながら捻り曲げる場合について説明した。しかし、これに限定されず、コイルエンド4dの先端部4eに引張力又は圧縮力を与える機構を、独立して別個に設けてもよい。
1…ステータ、 2…ステータコア、 2a…スロット、 2b…スリット、 3…コイル、 4…コイルセグメント(導体)、 4a…脚部、 4b…頭部、 4d…突出部分、コイルエンド、 4e…先端部(端部)、 10…捻り曲げ装置、 11…支持体、 12…回転体、内側回転体、 13…回転体、外側回転体、 14…回転駆動手段、 15,15−1〜15−4…保持治具、奇数層用保持治具、 16,16−1〜16−4…保持治具、偶数層用保持治具、 15a,16a…保持部、 15b,16b…貫通孔、 17…連結棒、奇数層用連結棒、 18…連結棒、偶数層用連結棒、 19…固定棒、 21…ステータコア保持体、 22…ガイド体、 31…テーパ部、 32…垂直な面、 33…内壁面。
Claims (4)
- 回転電機のステータコアのスロットから突出され、且つ、前記ステータコアの径方向に並んで複数の層を形成するように複数の導体が配置され、各前記導体の端部を保持して、前記端部を周方向に移動させながら前記導体を捻り曲げる工程を備えた回転電機の製造方法であって、
前記導体の曲げの中立線が前記層毎に相違することを特徴とする回転電機の製造方法。 - 外層側の前記導体ほど曲げの中立線が外側にあることを特徴とする請求項1に記載の回転電機の製造方法。
- 捻り曲げ後の各層の前記導体の端部の突出高さが同じであることを特徴とする請求項1又は2に記載の回転電機の製造方法。
- 捻り曲げ前の各層の前記導体の端部の突出高さが同じであることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の回転電機の製造方法。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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