JP5901846B2 - 電機子コイル及びその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、回転電機に使用される電機子コイル及びその製造方法に関するもので、特に電機子コイルの形状に関するものである。
従来、回転電機のステータ又はロータに巻装されたコイルは、その収容部であるスロットに整列的に挿通されていた。特に、スロットの形状に沿ってコイル断面を矩形あるいは台形に形成されたコイルや、さらにはスロット挿入位置により形状を異ならせた台形に形成されたコイルが開示されている。また、コイルの一方側および他方側は平行な面状に構成されている。(特許文献1の図12参照)
また、従来のコイル製造方法では、コイルの少なくともスロットに挿入される部分は予め決められた台形形状の溝を有する成形型に挿入配置し、押圧型によりプレスされて台形のコイルが成形されるものが開示されている。また、コイルの一方側および他方側は平行な面状に構成されている。(特許文献2参照)
特許第3474660号公報 特公平7−32551号公報
上述した従来の電機子コイル及びその製造方法であっても、スロット形状に沿ったコイル形状に変形することにより占積率を向上したものである。しかし、近年さらに回転電機の高出力化が要求されてきており、まだまだ占積率を向上する必要があるという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、占積率をさらに向上することができる電機子コイル及びその製造方法を提供するものである。
この発明に係わる電機子コイルは、コイル導体を挿通する台形形状を成すスロットがステータコアに複数環状に配置され、前記スロット内に整列的に複数の前記コイル導体が挿通された電機子コイルにおいて、複数の前記コイル導体の周方向幅は径方向内側ほど狭くなる略台形形状を成すとともに複数の前記コイル導体の前記スロット内における断面積は各々ほぼ同一でかつ径方向内側に配置されるほどその周方向幅は細く成形され、一方の前記コイル導体が凸形状を成すとともに他方の前記コイル導体が前記凸形状に沿った凹形状を成すように形成され、前記凸形状および前記凹形状は径方向に沿って配置されたものである。
また、この発明に係わる電機子コイルの製造方法は、電機子コイルの複数のコイル導体が巻装される径方向内側ほどその幅が狭くなる台形形状を成すスロットとほぼ同一の先細形状の溝を有する下金型に複数の前記コイル導体を配置する工程と、前記下金型の前記溝に配置された前記コイル導体を前記溝の幅より若干細い棒状先端部を有している上金型で押圧する工程と、前記上金型の前記棒状先端部により所定位置まで押圧されることにより、前記溝の先に配置された前記コイル導体ほど扁平に成形され、前記溝の開口部に近い前記コイル導体ほど扁平率が小さく成形され、前記コイル導体同士間において、一方の前記コイル導体が凸形状を成し、他方の前記コイル導体が前記凸形状に沿った凹形状を成すように成形される工程と、前記凸形状および前記凹形状に成形された前記コイル導体を前記下金型より抜き取る工程とを有するものである。
また、この発明に係わる電機子コイルの製造方法は、左端部に先端金型、右端部に奥部金型が配置される下金型と前記下金型側に傾斜部を有し押圧される上金型とを有し、前記上金型が移動し前記下金型の前記先端金型および前記奥部金型の上面と当接したとき、前記上金型と前記下金型とで作られる空間は、スロットの形状にほぼ同一でかつ前記先端金型の方向に向かって空間の幅は徐々に狭くなるように形成され、前記下金型の上に前記先端金型と前記奥部金型の間に電機子コイルの複数のコイル導体を配置する工程と、前記下金型の上に前記先端金型と前記奥部金型の間に配置された複数の前記コイル導体を前記上金型で押圧する工程と、前記上金型により前記下金型の前記先端金型および前記奥部金型の上面と当接する位置まで押圧されることにより、前記先端金型に近い前記コイル導体ほど扁平に成形され、前記奥部金型に近い前記コイル導体ほど扁平率が小さく成形され、前記コイル導体同士間において、一方の前記コイル導体が凸形状を成し、他方の前記コイル導体が前記凸形状に沿った凹形状を成すように成形される工程と、前記凸形状および前記凹形状に成形された前記コイル導体を前記下金型より取り出す工程とを有するものである。
この発明によれば、スロット内のコイル断面形状を凹凸形状によりコイル同士の密着度を上げ、占積率を向上したので、その結果高出力化の回転電機の電機子コイルを提供することができるものである。
この発明の実施の形態1に係わる電機子コイルにおけるコイル挿入状態を示す一部断面図である。 この発明の実施の形態2に係わる電機子コイルにおけるコイル成形装置によるコイル成形工程図である。 この発明の実施の形態3に係わる電機子コイルにおけるコイル成形装置によるコイル成形工程図である。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図1に基づいて説明する。図1は回転電機をモータとし、かつ電機子としてステータを使用した場合について記載したものであるが、ロータを使用した場合にも適用できる。図1はこの発明の実施の形態1に係わる電機子コイルにおけるコイル挿入状態を示す一部断面図である。
ステータは薄鋼板が複数積層されて構成されたステータコア1により円筒形状を成し、径方向内側に向かってティース2が多数配置されている。これらのティース2同士の間にスロット3が形成されている。これらスロット3に第1コイル導体4a,第2コイル導体4b,第3コイル導体4c,第4コイル導体4d、あるいは第1コイル導体4e,第2コイル導体4f,第3コイル導体4g,第4コイル導体4hがそれぞれ挿通されて電機子コイル4が構成されている。
スロット3に挿通された電機子コイル4は例えば4本のコイル導体で構成されるものとして説明する。ステータの巻線を構成する電機子コイル4は、松葉状セグメントコイルであっても、連続線を規則正しく波状に形成したものであってもよい。その電機子コイル4にはティース2から出て別のティース2へ入る渡り部(図示せず)と、スロット3に挿入される直線のスロット挿入部に大別される。特に、スロット挿入部は、電機子コイル4を流れた電流をティース2を介してロータ(図示せず)の磁極との反発、引き合いによりロータを回転させる重要な役目を担っている。つまり、効率のよいモータを設計する場合、電機子コイル4に関しては銅損低減が有効であり、そのためには占積率を向上させることが重要な要素である。ここで占積率は、スロット断面積に対する電機子コイル4の断面積の割合を称している。
電機子コイル4は複数巻装され、かつ薄鋼板で複数積層されて構成されたステータコア1のスロット3に挿入されるため、周囲のステータコア1との絶縁を確保するために被覆で覆われている。そのため、電機子コイル4の各コイル導体の断面を長方形、台形等の多角形に成形することは可能であるが、それらには角部があり、角部の被覆は通常直線部分よりも薄くなり、ピンホールも発生しやすく実使用には耐えられない場合もある。そのため角部を丸くした四角形が使用されることが多い。
一方、ステータは円筒形であり、内径は必ず外径よりも短く、内径の周囲も外径の周囲より短くなる。スロット3は内径側幅と外径側幅がほぼ等しいものや、図1に示したように内径幅<外径幅となっているものが存在する。内径幅と外径幅が等しいものでは、ティース2の先端側幅<根元幅とならざるをえない。ティース2に通る磁束はティース2の最も狭い幅で制限されてしまい、根元の余りに大きな幅は磁束を通す意味では不必要となる。そのためティース2の幅をほとんど変化させない場合、必然的にスロット3の幅が内径ほど狭くなってしまう。
このような内径側先細りのスロット3に電機子コイル4の第1コイル導体4a,第2コイル導体4b,第3コイル導体4c,第4コイル導体4d、あるいは第1コイル導体4e,第2コイル導体4f,第3コイル導体4g,第4コイル導体4hを挿入する場合、占積率を向上させるためにはスロット3の内側形状に沿ったコイル断面とすることが有効である。また、電機子コイル4に電流を適切に流すことを考慮すると、その断面積は同一の方が便利である。これらを踏まえると、電機子コイル4を内径側ほど四角形の内でも台形状に扁平率を大きくしてゆくことが有効である。
また、挿入された電機子コイル4は複数のコイル導体で構成されており、各コイル導体を1本ずつ所定の異なる形状に成形することは工程上面倒であり、成形コストも高くなるので、複数本まとめて所定の形状に成形する方が得策である。さらに、電機子コイル4の各コイル導体同士の間隔はできる限り狭く、密着させた方が空間的に有利である。さらには、電機子コイル4の各コイル導体同士で放熱性を同一とする効果もある。そこで、一方の電機子コイル4のコイル導体を径方向一端を凸形状とし、これと密着する他方の電機子コイル4のコイル導体の径方向他端を凸形状に沿った凹形状にすることにより、より電機子コイル4の各コイル導体同士の密着性をアップし、引いては占積率を向上させるものである。
また、電機子コイル4の各コイル導体の断面積はすべて略同一であるので、スロット3の内径側に位置する電機子コイル4の例えば第1コイル導体4aが外径側に位置する電機子コイル4の第2コイル導体4bよりも扁平率は大きい。そのため扁平率の大きい、つまり内径側の電機子コイル4の第1コイル導体4aの一端がより凸形状が大きくする方が、成形上有利である。図1では内径側の電機子コイル4の第1コイル導体4aの外径側を凸形状とし、その外層側の電機子コイル4の第2コイル導体4bの内径側をその凸形状に沿った凹形状としている。同様に、電機子コイル4の第3コイル導体4c、第4コイル導体4dも凸形状、凹形状の大きさの違いはあるが凸形状と凹形状に成形している。なお、スロット3の内側を接する側面はスロット3の形状に沿った内径側先細直線である。さらにその直線部と凸形状部、凹形状部は丸みを有して結ばれている。
また、電機子コイル4のコイル導体4e〜4hは、電機子コイル4のコイル導体4a〜4dと比較し凸形状の向きが逆方向である例を示したものである。ステータ全体で同一凸形状方向であってもよいし、例えば相毎に変えてもよい。ただし、同一スロット3内で凸形状方向を変えることは占積率からみて得ではない。また、スロット3に4本以上の電機子コイル4のコイル導体が挿入されている場合、電機子コイル4の対、又はコイル巻線から例えば2本ずつの対である場合、2本ずつを成形することが考えられ、そのため1層と2層、3層と4層は凹凸形状として成形し、2層と3層間は凹凸形状とせず、ほぼ直線的にするものであってもよい。
さらに、電機子コイル4のコイル導体間を成形するにあたって、凹凸形状のみでなく、S字、又は波状とし他方のコイルはそのS字、又は波に沿った逆S字、又は逆波状としてもよい。スロット3から延出した電機子コイル4については、無理に上記のような成形する必要はないが、スロット3の端部より延出した一部は上記のような成形を行うことで電機子コイル4の巻線のための渡り開始、又はスロット3へコイル挿通の位置きめとなったり、スロット端エッジ部との干渉防止となる。
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2を図2基づいて説明する。ここでは、上述した実施の形態1における電機子コイルの成形方法について説明する。図2はこの発明の実施の形態2に係わる電機子コイルにおけるコイル成形装置によるコイル成形工程図である。
図2は上金型10と下金型11による成形装置を示し、下金型11は、深いほどその幅が狭くなる溝13を有している。この溝13の形状は、電機子コイル4の各コイル導体を挿入するスロット3の形状とほぼ同一となっている。特に、図2(b)のL1で示した位置の溝形状はスロット形状と同一とする必要がある。その他の場所は占積率向上に直接関与しないので、溝13全体をロート形状する必要はなく、電機子コイル4のコイル導体が配置できる程度の幅を有した平行直線であってもよい。そのため、図2(b)のL2までロート状にしてその上部は直線とした場合を示している。これにより、図中、下金型11の上側開口部より第1コイル導体素線4a1、第2コイル導体素線4b1、第3コイル導体素線4c1、第4コイル導体素線4d1を順次配置しても図中左右に大きく中心がずれて積層されることが少なくなる。
下口金型12の上部先端部12aは、スロット開口部の形状に類似していることが望ましいが、略直線でもよい。上金型10は溝13の幅と同様な形状の押圧体10aを有し、その押圧体10aの先端部は溝13の幅より若干細い棒状先端部10bを有している。また、上金型10の棒状先端部10bの形状はスロット3の奥部の形状に類似している。このような上金型10と下金型11を有した成形装置において、まず、溝13に第1コイル導体素線4a1、第2コイル導体素線4b1、第3コイル導体素線4c1、第4コイル導体素線4d1を順次配置する。図2では丸線コイルを4本同時に成形する場合を示しているが、これに限ったものではなく、コイル導体素線の断面形状に無関係で、かつコイル本数は複数であればその本数にこだわらない。
最下部の第1コイル導体素線4a1の外周の一部が溝13の内壁に接して止まり、その上に第2コイル導体素線4b1、第3コイル導体素線4c1、第4コイル導体素線4d1が順々に並ぶ。この状態が成形開始前の状態であり、図2(a)で示す状態である。続いて、上金型10の押圧体10aが下金型11の上側開口部より溝13内に降りてくる。そして、さらに上金型10の押圧体10aが降りてきて各コイル導体素線を押圧力F1により押圧することにより、最下部に位置する第1コイル導体素線4a1から溝幅に沿って次第に変形してゆく。各コイル導体素線同士の間には何も存在しないため、扁平率の大きなコイル導体素線ほど細長く、つまり凸形状に変形され、次のコイル導体素線はその影響で凹形状になり他方は凸形状になり、これを次々のコイル導体素線で繰り返される。
図2(b)は、上金型10が下口金型12で制限され、電機子コイル4の第1コイル導体4a、第2コイル導体4b、第3コイル導体4c、第4コイル導体4dが成形された状態を示している。その後、上金型10を元の位置へ戻し、下口金型12が図中上方向に移動し、電機子コイル4の第1コイル導体4a、第2コイル導体4b、第3コイル導体4c、第4コイル導体4dを押し上げ、電機子コイル4の各コイル導体を下金型11から取り出すことで成形工程が終了する。その後は成形された電機子コイル4の第1コイル導体4a、第2コイル導体4b、第3コイル導体4c、第4コイル導体4dをステータのステータコア1に形成されたスロット3に順次に挿入することになる。
以上のように、先細の溝13に配置した電機子コイル4の第1コイル導体素線4a1、第2コイル導体素線4b1、第3コイル導体素線4c1、第4コイル導体素線4d1を押圧し、扁平率の高い電機子コイル4のコイル導体素線から順に変形させると同時に、電機子コイル4のコイル導体素線同士でその変形を受け渡すように押圧することにより、電機子コイル4のコイル導体の一方が凸形状となり、次の電機子コイル4のコイル導体の他方がその凸形状に合致した凹形状に変形される。これにより、ステータのステータコア1に形成されたスロット3に電機子コイル4の第1コイル導体4a、第2コイル導体4b、第3コイル導体4c、第4コイル導体4dを挿通した場合、電機子コイル4のコイル導体同士の密着性を高めることとなり、占積率を向上させることができる。
上金型10の棒状先端部10bが電機子コイル4の第1コイル導体素線4a1、第2コイル導体素線4b1、第3コイル導体素線4c1、第4コイル導体素線4d1を押し続けるため、圧力集中が可能であり、平面状の上下金型を押し付ける場合と比較して、押圧力は小さくてすむことになり金型の規模も小型化が可能である。なお、電機子コイル4の第1コイル導体素線4a1、第2コイル導体素線4b1、第3コイル導体素線4c1、第4コイル導体素線4d1を一旦熱して変形しやすくする、丸線よりも台形に近い断面を有する電機子コイル4の第1コイル導体素線4a1、第2コイル導体素線4b1、第3コイル導体素線4c1、第4コイル導体素線4d1を使用する等、成形の容易性のため改良することは可能である。さらに、電機子コイル4の第1コイル導体4a、第2コイル導体4b、第3コイル導体4c、第4コイル導体4dは、松葉状セグメントコイルのようにスロットに挿入後に巻線を形成するタイプであっても、又は連続線を巻回してコイル巻線形状をなしたものであってもよい。
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3を図3基づいて説明する。図3はこの発明の実施の形態3に係わる電機子コイルにおけるコイル成形装置によるコイル成形工程図である。
この発明の実施の形態3におけるコイル成形装置は、4個の金型部位により構成されている。例えば、下金型14と、下金型14に載置されスロット先端部に類似した形状の先端金型15と、下金型14に載置されスロット奥部に類似した奥部金型16と、上金型17とにより構成されている。なお、上金型17は図中右方向に向かって傾いた斜面部17aを有し、上金型17の斜面部17aが先端金型15、奥部金型16の上面と接するまで押圧力F2により押圧できるようになっている。先端金型15、奥部金型16は下金型14と一体であってもよい。
以上のような各金型でコイル成形装置が構成され、図3(a)に示すように、上金型17が上部方向にセットされた状態が初期状態である。この状態で、先端金型15、奥部金型16の間に電機子コイル5の第1コイル導体素線5a1、第2コイル導体素線5b1、第3コイル導体素線5c1、第4コイル導体素線5d1をセットする。この実施の形態3では四角形断面コイルを使用しているが、丸線、楕円断面コイルであってもよい。電機子コイル5の第1コイル導体素線5a1、第2コイル導体素線5b1、第3コイル導体素線5c1、第4コイル導体素線5d1のセットはできればそれぞれ若干の隙間を有してセットした方が望ましい。ただし、成形途中に各コイル導体素線が変形されている内に他のコイル導体素線を図中左方向へ押し進めるため、その隙間は適当でよい。
電機子コイル5の第1コイル導体素線5a1、第2コイル導体素線5b1、第3コイル導体素線5c1、第4コイル導体素線5d1がセットされた後、上金型17が降りてきて押圧が開始される。この押圧は上金型17の斜面部17aにより図中右端の第1コイル導体素線5a1から順々に第2コイル導体素線5b1、第3コイル導体素線5c1、第4コイル導体素線5d1へと押圧される。最後に左端の第4コイル導体素線5d1まで押圧され、上金型17の斜面部17aは先端金型15、奥部金型16の上面に当接した時点で押圧終了となる。つまり、上金型17と下金型14とで作られる空間はスロット空間とほぼ同一となるように各々の金型形状が決まっている。そのため、押圧された各コイル導体素線は、結果的にスロット形状に沿った成形がなされたことになる。
また、成形順序は右側のコイル導体素線から順々に押圧され変形されてゆくので、右端のコイル導体素線の左側面が最も凸形状となり、その凸形状を受けて次のコイル導体素線の右側面は凹形状になり、左側面は凸形状と変形が順に進んでゆく。このようにコイル導体素線の両サイドから面で押圧されると、その凸形状の状態は正確には一部凸形状で一部凹形状の波状となる。この凹凸の波状を次のコイルで逆波の凹凸となる。また、扁平率が右側のコイル導体素線ほど大きいのでその凹凸状態も右側のコイル導体素線ほど大きくなる。
以上のように、上金型17と下金型14によるコイル導体素線の上下面からの押圧成形によって図3(b)に示すように電機子コイル5の第1コイル導体5a、第2コイル導体5b、第3コイル導体5c、第4コイル導体5dが成形され、コイル導体間同士は凹凸状態に成形されて、ステータコア1に形成されたスロット3に電機子コイル5の第1コイル導体5a、第2コイル導体5b、第3コイル導体5c、第4コイル導体5dを挿入した場合、コイル導体間の密着度が増し、その結果占積率が向上するものである。なお、電機子コイル5の第1コイル導体素線5a1、第2コイル導体素線5b1、第3コイル導体素線5c1、第4コイル導体素線5d1は成形しやすいように前もって過熱処理をしていてもよい。
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 ステータコア、2 ティース、3 スロット、4 電機子コイル、
4a 第1コイル導体、4b 第2コイル導体、4c 第3コイル導体、
4d 第4コイル導体、5 電機子コイル、5a 第1コイル導体、
5b 第2コイル導体、5c 第3コイル導体、5d 第4コイル導体、
10 上金型、11 下金型、12 下口金型、13 溝、14 下金型、
15 先端金型、16 奥部金型、17 上金型。

Claims (8)

  1. コイル導体を挿通する台形形状を成すスロットがステータコアに複数環状に配置され、前記スロット内に整列的に複数の前記コイル導体が挿通された電機子コイルにおいて、複数の前記コイル導体の周方向幅は径方向内側ほど狭くなる略台形形状を成すとともに複数の前記コイル導体の前記スロット内における断面積は各々ほぼ同一でかつ径方向内側に配置されるほどその周方向幅は細く成形され、一方の前記コイル導体が凸形状を成すとともに他方の前記コイル導体が前記凸形状に沿った凹形状を成すように形成され、前記凸形状および前記凹形状は径方向に沿って配置されたことを特徴とする電機子コイル。
  2. 前記コイル導体の本数は3本以上であって、前記コイル導体同士間の凸形状は、径方向内側の前記コイル導体同士間ほど凸形状の飛び出し量が多いことを特徴とする請求項1記載の電機子コイル。
  3. 前記コイル導体同士間の凸形状は、径方向内側に向いて凸形状を成すことを特徴とする請求項1記載の電機子コイル。
  4. 前記コイル導体同士間の凸形状は、径方向外側に向いて凸形状を成すことを特徴とする請求項1記載の電機子コイル。
  5. 前記コイル導体同士間の凸形状の向きは、前記スロットにより異なる方向を成すことを特徴とする請求項1記載の電機子コイル。
  6. 前記コイル導体は多相巻線を成し、前記コイル導体同士間の凸形状の向きは、少なくとも同一相巻線の前記コイル導体は同一方向を成すことを特徴とする請求項1記載の電機子コイル。
  7. 電機子コイルの複数のコイル導体が巻装される径方向内側ほどその幅が狭くなる台形形状を成すスロットとほぼ同一の先細形状の溝を有する下金型に複数の前記コイル導体を配置する工程と、前記下金型の前記溝に配置された前記コイル導体を前記溝の幅より若干細い棒状先端部を有している上金型で押圧する工程と、前記上金型の前記棒状先端部により所定位置まで押圧されることにより、前記溝の先に配置された前記コイル導体ほど扁平に成形され、前記溝の開口部に近い前記コイル導体ほど扁平率が小さく成形され、前記コイル導体同士間において、一方の前記コイル導体が凸形状を成し、他方の前記コイル導体が前記凸形状に沿った凹形状を成すように成形される工程と、前記凸形状および前記凹形状に成形され、前記凸形状および前記凹形状は径方向に沿って配置された前記コイル導体を前記下金型より抜き取る工程とを有することを特徴とする電機子コイルの製造方法。
  8. 左端部に先端金型、右端部に奥部金型が配置される下金型と前記下金型側に傾斜部を有し押圧される上金型とを有し、前記上金型が移動し前記下金型の前記先端金型および前記奥部金型の上面と当接したとき、前記上金型と前記下金型とで作られる空間は、台形形状を成すスロットの形状にほぼ同一でかつ前記先端金型の方向に向かって空間の幅は徐々に狭くなるように形成され、前記下金型の上に前記先端金型と前記奥部金型の間に電機子コイルの複数のコイル導体を配置する工程と、前記下金型の上に前記先端金型と前記奥部金型の間に配置された複数の前記コイル導体を前記上金型で押圧する工程と、前記上金型により前記下金型の前記先端金型および前記奥部金型の上面と当接する位置まで押圧されることにより、前記先端金型に近い前記コイル導体ほど扁平に成形され、前記奥部金型に近い前記コイル導体ほど扁平率が小さく成形され、前記コイル導体同士間において、一方の前記コイル導体が凸形状を成し、他方の前記コイル導体が前記凸形状に沿った凹形状を成すように成形される工程と、前記凸形状および前記凹形状に成形され、前記凸形状および前記凹形状は径方向に沿って配置された前記コイル導体を前記下金型より取り出す工程とを有することを特徴とする電機子コイルの製造方法。
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