JP5693793B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は，筒状のフレームの内周に複数個の電機子を環状に配置して固定子を構成する電動機等の回転電機に関するものである。

従来のこの種の回転電機は，特許文献１に示されるような構成となっている。すなわち，コイルが巻回された複数のポール部を環状に配置してあるステータを有する回転電機において，コイル占積率の高いステータを１種類のコイルを用いて形成するために，ステータの軸に対する垂直面で，各コイルは，ポール部に対し左右非対称の断面形状となるように巻回されている
すなわち，所定の層における巻線端部の１ターンで左右のいずれか一方を隣接する層へ移すように巻回し，または，所定の層における巻線端部の１ターンを左右で異なる位置に巻回することによりコイルの断面形状を左右非対称とする。

特許第３９８０４０２号

このような従来技術では隣り合うコイルとの間にできた隙間を埋めるように巻線を施すため，送りピッチが他のターンに比べ，大きくなる箇所が発生する。
特許文献１の実施例では送りピッチが最大になる箇所は，通常の送りピッチの２．５倍程度の送りピッチが必要となる。
送りピッチが大きくなると，巻線機のコイル中心軸方向の加速度の制限により，巻線速度が遅くなる。

この発明は，上記のような問題点を解決するため，すべてのターンで送りピッチを小さく保ち，かつ隣接磁極ティースとの干渉を防止し，コイル占積率を向上し得る固定子を備えた回転電機を提供することを目的としている。

この発明は，ヨーク部から突出して形成され長手方向の断面が矩形状の磁極ティースを有する積層鉄心を有し，前記磁極ティースに装着されたボビンに巻線用ワイヤを巻回してコイルを形成した電機子を，筒状のフレームの内周に複数個環状に配置して固定子を構成する回転電機において，前記コイルは，前記ボビンのスロット内に平行に一定の送りピッチＰで前記巻線用ワイヤを複数層巻回して形成されると共に，前記コイルの第一層目を形成する前記巻線用ワイヤが，前記積層鉄心の積層方向に垂直な面から見た前記コイルの中心軸の左右において，前記送りピッチＰの半分Ｐ／２だけずれているように構成されている。

この発明の回転電機によれば，すべてのターンで送りピッチを小さく保ち，かつ隣接磁極ティースとの干渉を防止し，コイル占積率を向上し得る固定子を得ることができ，従来にない顕著な効果を奏する。

この発明の実施の形態１における電動機の固定子を示す上面図である。 実施の形態１における電機子の組立構造を示す斜視図である。 実施の形態１における電機子を示す分解斜視図である。 実施の形態１におけるボビンを示す上面図である。 実施の形態１における巻線パターンを示す部分断面図である。 実施の形態１における巻線機に取付けた電機子を示す模式図である。 実施の形態１における巻線機での巻線方法を示した模式図である。 実施の形態１における１ターンから２ターン目への巻線を表した説明図である。 実施の形態１における巻線の第一層目を示した説明図である。 この発明の実施の形態２における巻線パターンを示す部分断面図である。 実施の形態２におけるボビンを示す上面図である。 この発明の実施の形態３におけるボビンに設けた溝を示す模式図である。 この発明の実施の形態４における巻線パターンを示す部分断面図である。 実施の形態４におけるボビンを示す斜視図である。 この発明を用いない巻線パターンを示す部分断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電動機の固定子を示す上面図である。
図１において，固定子１は円筒状の金属製フレーム２と，このフレーム内周に，円環状に並べた複数個の電機子３で構成される。
電機子３は，ヨーク部５と，ヨーク部５から突出した磁極ティース６を有した積層鉄心４と，ボビン７，８，絶縁紙９，コイル１０で構成される。
磁極ティース６は，長手方向の断面であるヨーク部５と平行な断面が矩形状になっている。

図２はコイル１０が備わる前の電機子３の斜視図を示し，図３は電機子３の積層鉄心４ボビン７，８，絶縁紙９を示す分解斜視図である。
電機子３は，図３のように積層鉄心４の積層方向から磁極ティース６の長手方向両端にボビン７，８を装着した後，ボビン７，８と積層鉄心４との間に絶縁紙９を挟み込み，その上から磁極ティース６にコイル１０を巻回して組立てられる。

ボビン７，８はポリフィニレンサルファイドやＬＣＰといった成形性のよい樹脂を素材とし，積層鉄心４とコイル１０を絶縁すると共に，コイル１０の巻枠として構成される。ボビン７，８は，図４のように線対称で造られ，それぞれＵ字形のコイル巻回部７ａ，８ａと，コイル巻回部７ａ，８ａの両側端面に垂直に設けられたフランジ７ｂ，７ｃ，８ｂ，８ｃを有し，フランジ７ｂ，７ｃ及び８ｂ，８ｃ間に形成されたスロット７ｄ，８ｄ内に，後述するようにコイル１０が巻回される。
絶縁紙９はメタ系アラミド繊維やポリフィニレンサルファイドといった絶縁材を素材とし，積層鉄心４とコイル１０との絶縁を確保する。

ここで，コイル１０は図５のように，ボビン７，８のスロット７ｄ，８ｄに平行に巻線用ワイヤ１３を一定の送りピッチＰで複数層巻回して形成される。
送りピッチＰはｄ≦Ｐ≦２ｄ（ただし，ｄは巻線用ワイヤ１３の直径）の範囲に設定可能であり，図５は送りピッチＰ＝ｄで巻線した状態を示している。
巻線パターンは，第一層目が積層鉄心４の積層方向に垂直な面から見たコイル１０の中心軸１０ｃを基準として，コイル左側１０ａに対しコイル右側１０ｂがＰ／２ずれている構造を有している。
ここで，第一層とはコイル１０の最内層であり，初めにヨーク部５側から固定子１の内径側に向けて巻線されるコイルのことを言う。

次にコイル１０の巻線方法について説明する。図６のように巻線機の主軸１１に積層鉄心４のヨーク部５が取り付けられる。
その後，図７のように巻線機の主軸１１を回転させながらノズル１２から繰り出される巻線用ワイヤ１３を，ボビン７，８を装着した磁極ティース６が巻き取る。

巻線はまず，巻線用ワイヤ１３をボビン７に導入した後，磁極ティース６の長辺部と平行にボビン８の方向に巻回するように行われ，巻線用ワイヤ１３が磁極ティース６の短辺部であるボビン８に巻回されるときにノズル１２を図７の矢印Ａの方向に動かし，巻線用ワイヤ１３をＰ／２だけ送る。

次に，磁極ティース６の長辺部と平行にボビン７の方向に巻線し，巻線用ワイヤ１３が磁極ティース６の短辺部であるボビン７に巻回されるときにノズル１２を図７の矢印Ａの方向に動かし，巻線用ワイヤ１３をＰ／２送り，１ターン目を巻線する(図８)。
その後，同様に２ターン，３ターンと巻き，磁極ティース６の先端まで巻線することで，第一層目を形成する（図９）。
このような巻線をすることで，積層鉄心４の積層方向に垂直な面から見たコイル１０の中心軸１０ｃの左右において，第一層目をコイル左側１０ａに対し，コイル右側１０ｂをＰ／２ずらすことができる。

ボビン７，８には，コイル左側１０ａとコイル右側１０ｂのＰ／２ずらしを安定して行うため，コイルの１ターン目が巻回される箇所に，突起７ｅ，８ｅが設けられている。
第一層目を巻き終えた後は，図７の矢印Ｂの方向に折り返し，第二層目を巻線する。第二層目以降は第一層目のワイヤにならって，俵積みになるように両端のコイルエンドで送りを繰返し，巻線する。

このように第一層目の巻線をＰ／２ずらすことで，図５のようにコイル１０の中心軸１０ｃを基準として，コイル左側１０ａとコイル右側１０ｂの巻線パターンを変えることができる。
またコイルエンド両端の送りの距離もほぼ一定で最大でも送りピッチＰの１．５倍以内に収まっている。

以上のように，この発明によれば，ヨーク部５から突出して形成され長手方向の断面が矩形状の磁極ティース６を有する積層鉄心４を有し，磁極ティース６に装着されたボビン７，８に巻線用ワイヤ１３を複数層巻回してコイル１０を形成した電機子３を，筒状のフレーム２の内周に複数個環状に配置して固定子１を構成する回転電機において，コイル１０は，ボビン７，８のスロット７ｄ，８ｄ内に平行に一定の送りピッチＰで巻線用ワイヤ１３を複数層巻回して形成されると共に，コイル１０の第一層目を形成する巻線用ワイヤ１３が，積層鉄心４の積層方向に垂直な面から見たコイル１０の中心軸１０ｃの左右において，送りピッチＰの半分Ｐ／２だけずれているように構成されている。

このような構成とすることで，図１５のようにＰ／２ずらさない巻線構造に比べ，送り量を小さく保ち，また隣接磁極ティースに巻回されたコイルとの干渉を避け，固定子の周方向に尤度ができ，巻ふくらみに対する尤度，もしくは巻線用ワイヤの線径を上げ，コイル占積率を上げることができる。
また，第一層目の巻線をコイルの中心軸の左右においてＰ／２ずらすことで，隣接磁極ティースのコイルとの干渉を防ぐことができ，そのため，巻膨らみの尤度の向上，もしくはコイル占積率を高めることができる。

また，ボビンに，コイルの中心軸の左右のいずれかにおいて，コイルの１ターン目が巻回される箇所に，送りピッチＰの約半分の大きさの突起を設けることで，１ターン目とボビンのフランジ部に半ピッチ分Ｐ／２の隙間をつくることができる。
そのため，２ターン以降の巻線によって１ターン目が押されても，半ピッチＰ／２のずれを保つことができる。

実施の形態２．
図１０は，この発明の実施の形態２における巻線パターンを示す部分断面図で，図１１は，実施の形態２におけるボビンを示す上面図である。
実施の形態２においては，ボビン７，８のコイル巻回部７ａ，８ａにそれぞれ巻線用ワイヤ１３をガイドする溝７ｆ，８ｆが備えられている。
この溝７ｆ，８ｆはコイル１０の中心軸１０ｃを基準とし，左側の溝に対して右側の溝がＰ／２だけずれるように形成されている。
なお，磁極ティース６の両端に取り付けられるボビン７，８は線対称形状となる（図１１）。

このようにボビン７，８に溝７ｆ，８ｆを設けることで，巻線用ワイヤ１３をより安定に半ピッチＰ／２ずらした巻線が可能となる。
また，送りピッチＰを巻線用ワイヤ１３の線径以上にすることで，隣接磁極ティースのコイルとの隙間を更に広げることができ，巻膨らみの尤度の向上，もしくはコイル占積率を高めることができる。

実施の形態３．
図１２にこの発明の実施の形態３におけるボビン７，８のコイル巻回部の模式断面図を示す。この実施の形態において，ボビン７，８の溝７ｆ，８ｆはＶ字形を有している。
溝７ｆ，８ｆをこのようなＶ字形にすることで，安定して巻線用ワイヤ１３をボビン７，８の所定の位置に巻線することができるため，より安定に巻線することができる。

実施の形態４．
図１３は，この発明の実施の形態４における巻線パターンを示すもので，磁極ティース６がその長手方向側面にヨーク部５に向かって広がるテーパ部６ａをもつ構造に対応する例を示している。
このようにテーパ部６ａを持つ磁極ティース６への巻線の場合，幾何学的に前後のターンの巻線用ワイヤ１３が干渉するため，巻線を安定に行う場合は巻線用ワイヤ１３の間隔をあける必要がある。
そのため，送りピッチＰは巻線用ワイヤ１３の線径よりも大きくなる。図１３はＰ＝ｄ・√3 （ｄは巻線用ワイヤ１３の直径）の配置を示している。
この場合、例えば巻線用ワイヤ１３の線径ｄが2.5mmであれば、送りピッチＰは4.33mmとなり、コイル占積率は従来の値38.9%に対し45.9％にアップする。

また，この場合，ボビン７，８は，磁極ティース６のテーパ部６ａに対応する形状を有すると共に，少なくとも一方のボビン７には図１４に示すようにヨーク部側のフランジ７ｂに巻線用ワイヤが導入される開口部７ｇを形成している。
巻線用ワイヤはボビン７に設けたフランジの開口部７ｇから，二層目以降のワイヤと干渉しないように導入される。
このような巻線に対しても，図１４のように第一層目のコイルを左右でＰ／２ずらすことで，隣り合うコイル同士の間で隙間ができ，実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお，この発明は，その発明の範囲内において，各実施の形態を自由に組み合わせたり，各実施の形態を適宜，変形，省略することが可能である。

１ 固定子
２ フレーム
３ 電機子
４ 積層鉄心
５ ヨーク部
６ 磁極ティース
６ａ テーパ部
７，８ ボビン
７ａ，８ａ コイル巻回部
７ｂ，８ｂ フランジ
７ｃ，８ｃ フランジ
７ｄ，８ｄ スロット
７ｅ，８ｅ 突起
７ｆ，８ｆ 溝
７ｇ 開口部
９ 絶縁紙
１０ コイル
１０ａ コイル左側
１０ｂ コイル右側
１０ｃ 中心軸
１１ 巻線機の主軸
１２ ノズル
１３ 巻線用ワイヤ

Claims (6)

1. ヨーク部から突出して形成され長手方向の断面が矩形状の磁極ティースを有する積層鉄心を有し，前記磁極ティースに装着されたボビンに巻線用ワイヤを巻回してコイルを形成した電機子を，筒状のフレームの内周に複数個環状に配置して固定子を構成する回転電機において，
   前記コイルは，前記ボビンのスロット内に平行に一定の送りピッチＰで前記巻線用ワイヤを複数層巻回して形成されると共に，
   前記コイルの第一層目を形成する前記巻線用ワイヤが，前記積層鉄心の積層方向に垂直な面から見た前記コイルの中心軸の左右において，前記送りピッチＰの半分Ｐ／２だけずれていることを特徴とする回転電機。
2. 前記ボビンは，前記磁極ティースの長手方向両端に装着され，前記コイルの中心軸の左右のいずれかにおいて，前記コイルの１ターン目が巻回される箇所に，前記送りピッチＰの約半分の大きさの突起を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ボビンは，前記巻線用ワイヤをガイドする溝を有し，前記溝が前記コイルの中心軸の左右において，前記送りピッチＰの約半分ずれていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記ボビンの溝の形状はV字形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の回転電機。
5. 前記磁極ティースは，長手方向側面に前記ヨーク部に向かって広がるテーパ部を有し，前記送りピッチＰは前記巻線用ワイヤの線径より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の回転電機。
6. 前記ボビンは，前記テーパ部に対応する形状を有すると共に，前記ヨーク部側のフランジに前記巻線用ワイヤが導入される開口部を形成されていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
   

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