JP6257470B2

JP6257470B2 - 回転電機の固定子コイルおよび回転電機の固定子コイルの製造方法

Info

Publication number: JP6257470B2
Application number: JP2014160067A
Authority: JP
Inventors: 一徳武藤; 橋本　昭; 昭橋本; 篤史坂上; 辰郎日野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-08-06
Also published as: JP2016039660A

Description

この発明は、回転電機の固定子コイルおよび回転電機の固定子コイルの製造方法に係るもので、特に固定子コイルのクランク部分の構造および回転電機の固定子コイルの製造方法に関するものである。

従来より、回転電機の固定子で複数のスロットにわたる分布巻の固定子コイル（以下コイルと称呼する）において、コイルエンド部におけるコイル同士の干渉を避けるために、コイルエンド部に径方向の段差形状を持たせるクランク部を設け、またコイルを周方向に等間隔に整列するコイル籠を形成するために、コイルを円弧形状とした構成を備えている。このような構成のコイルの製造方法として本出願の発明者等は特願２０１４−０１０１１０号（平成２６年１月２３日）において固定子巻線コイルの製造方法として出願している。前記先行技術としての特願２０１４−０１０１１０号に記載された技術は、固定子鉄心の複数のスロットに挿入される直線部と、この直線部の端部同士を連結するコイルエンド部とを有し、コイルエンド部には直線部間の中央部に、軸方向に突出して形成された膨出部と、直線部と膨出部とを連結する一対の斜辺部を備え、前記一対の斜辺部には軸心を中心とする円弧状に形成されている固定子巻線用コイルの製造方法であって、絶縁被覆された導体線に膨出部を成形する工程と、前記膨出部の中央部にクランク部を成形するクランク部成形工程と、膨出部の長さ方向の両側に斜辺部を成形する斜辺部成形工程と、斜辺部と膨出部と反対側に直線部を成形する直線部成形工程と、斜辺部を円弧形状に成形する円弧成形工程を備えた固定子巻線コイルの製造方法が記載されている（特許文献１参照）。

特願２０１４−０１０１１０号

しかしながら前記先行技術について実機製造を行い検証を加えたところ、斜辺部を円弧形状に成形する円弧成形工程において、クランク部に絶縁特性の低下が発生するケースがあり、その部分に絶縁補強手当てを必要とする場合があることが判明した。その要因としてはクランク成形工程で成形されたクランク形状が、複数のコイルについて必ずしも同一形状を保持した状態でもって円弧成形工程に移行することがないため、円弧成形金型がクランク部に無理なく当接せず、この円弧成形時に円弧成形金型によってクランク部に新たな加圧変形を与えることにより、絶縁特性の低下が発生するものである。

本願発明は上記課題を解決するためになされたものであって、円弧成形を行う際に、クランク部の絶縁特性の低下を防止した回転電機の固定子コイルおよび回転電機の固定子コイルの製造方法を提供するものである。

第１の発明は、絶縁被覆された導体線で形成された回転電機の固定子コイルにおいて、固定子鉄心のスロットに挿入される直線部と、直線部の端部同士を連結するコイルエンド部と、コイルエンド部の中央部に固定子鉄心の軸方向外側に突き出すように形成された膨出部と、直線部と膨出部とを連結する斜辺部とが設けられ、膨出部にはクランク部が形成されているとともに、斜辺部は円弧形状に成形されており、斜辺部の円弧形状にはクランク部の両側に所定の距離を有して形成された曲率小部が設けられているものである。

第２の発明は、回転電機の固定子コイルの製造方法であって、次のステップを備えるものである。
ステップ１．絶縁被覆された導体線に、所定の間隔で複数の膨出部を成形するステップ。
ステップ２．膨出部の中央にクランク部を成形するステップ。
ステップ３．膨出部の両側に斜辺部を成形するステップ。
ステップ４．斜辺部につながる直線部を成形するステップ。
ステップ５．斜辺部に、クランク部の両側に所定の距離を有して形成される曲率小部を備えた円弧形状を成形するステップ。

第１の発明に係る回転電機の固定子コイルによれば、固定子コイルの製造過程において、クランク部の絶縁特性の低下を発生させることなく、安定した絶縁特性を有する固定子コイルを提供できるという効果がある。

また、第２の発明に係る回転電機の固定子コイルの製造方法によれば、上記のような製造ステップを備えているので、前記第１の発明と同様の効果を奏するとともに、クランク部に接触せずにコイル成形するので、複雑な形状のクランク部形状の成形型を準備を不要とし、また周方向にかかる力が小さくなるので剛性を低くした成形型でよいという効果があり、また、従前の絶縁特性の低下現象発生時における絶縁補強作業工程が不要となり、その結果、生産性の向上、コスト低減が可能となる。また成形型の小形化や、コイルの耐久性の向上もはかれる。

実施の形態１による回転電機の斜視図である。実施の形態１によるコイルの斜視図である。実施の形態１によるコイルの正面図である。実施の形態１によるコイルの上面図である。実施の形態１によるコイルエンドの上面図である。実施の形態１によるコイル成形のフローチャートである。実施の形態１によるコイルの円弧成形までの成形過程を示す図である。実施の形態１によるコイルの膨出部成形機を示す図である。実施の形態１によるコイルのクランク部成形機を示す図である。実施の形態１によるコイルの斜辺部および直線部成形工程を示す図である。実施の形態１による円弧成形前のコイルの上面図である。実施の形態１による外側円弧成形機の正面図である。実施の形態１による外側円弧成形機の斜視図である。実施の形態１による外側円弧成形後のコイルの上面図である。実施の形態１による内側円弧成形機の正面図である。実施の形態１による内側円弧成形機の斜視図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１に実施の形態１に係る固定子１と回転子２で構成される回転電機５０を示す。固定子１は周方向に分割された固定子鉄心（以下鉄心と称呼する）１０とコイル１１で構成され、鉄心１０は複数のスロットが設けられている。尚、以下の実施の形態１、および実施の形態２において、製造中間過程におけるコイル１１は、コイル１１Ａと記している。図２、図３、図４はコイル１１の視点を変えたものを示しており、コイル１１は３つのスロットに渡り周方向に巻回され、周方向に３回巻線方向を反転するように巻回され、径方向に隣り合うコイルエンド部１２１とコイルエンド部１２５、コイルエンド部１２２とコイルエンド部１２６、コイルエンド部１２３とコイルエンド部１２７の間に隙間ｄを持つ。コイル１１は直線部１１１〜直線部１１８と周方向に隣り合う２つの直線部を接続するコイルエンド部１２１〜コイルエンド部１２７に分けられている。具体的に示すと、直線部１１１と直線部１１２をコイルエンド部１２１が接続し、直線部１１２と直線部１１３をコイルエンド部１２２が接続し、直線部１１３と直線部１１４をコイルエンド部１２３が接続し、直線部１１４と直線部１１５をコイルエンド部１２４が接続し、直線部１１５と直線部１１６をコイルエンド部１２５が接続し、直線部１１６と直線部１１７をコイルエンド部１２６が接続し、直線部１１７と直線部１１８をコイルエンド部１２７が接続する。コイルエンド部１２１、コイルエンド部１２３、コイルエンド部１２５、コイルエンド部１２７と、コイルエンド部１２２、コイルエンド部１２４、コイルエンド部１２６は直線部１１１〜直線部１１８を跨いで軸方向に略同じ位置に配置される。また、コイルエンド部１２１〜コイルエンド部１２７は斜辺部１２１Ａ〜斜辺部１２７Ａと組立時のコイル１１の干渉を避けるために設ける径方向に段差があるクランク部１２１Ｂ〜クランク部１２７Ｂに分けられる。

図２はコイル１１の斜視図を示し、直線部１１１〜直線部１１８は径方向の内径側から外径方向に順に１１１、１１２・・・１１８と昇順で番号付けしている。図３はコイル１１の正面図を示し、直線部１１２、直線部１１４、直線部１１６、直線部１１８、直線部１１３、直線部１１７、直線部１１１、直線部１１５はコイルエンド部１２１〜コイルエンド部１２７（以下これを総称してコイルエンド部１２０と称呼する）の曲率の中心から径方向に直線に並んでいる。ここで、直線部１１１、直線部１１３、直線部１１５、直線部１１７を、直線部１１２、直線部１１６と直線部１１４、直線部１１８に周方向に挟まれる真ん中の直線部と称し、直線部１１２、直線部１１６、直線部１１４、直線部１１８は外側の直線部と称する。図４はコイル１１を軸方向から見た図であり、コイルエンド部１２０のクランク部１２１Ｂ〜クランク部１２７Ｂ（以下、総称してクランク部１１０と称呼する）で径方向位置が外径側にコイル１１の径方向の隙間ｄを１つ以上、例えば隙間３ｄ移動している。図５は任意のコイルエンド部１２０を模式的に表したものであり、コイルエンド部１２０はクランク部１１０の周囲の例えば斜辺部１２１Ａに曲率が小さい曲率小部１１０Ｃが設けられている。

図６に前述した図２〜図５のコイル１１の成形のフローチャートを示す。この図６におけるステップ（以下ＳＴと略す）１の膨出部成形は、図７（ａ）に示すように、絶縁被覆された連続した導体線２５に膨出部７Ａを形成し、次にＳＴ２において図７（ｃ）の側面図に示すようにクランク部１１０を形成する。そしてＳＴ３において図７（ｄ）に示すように斜辺部７Ｃおよび直線部７Ｄを形成する工程を経て図４、図５に示すようにＳＴ４において円弧成形を行う。

次に上記ＳＴ１〜ＳＴ４によるコイル１１を専用工具である成形装置を用いる製造方法を図に基づいて説明する。ＳＴ１の膨出部成形工程に用いられる膨出部成形機６１０を図８に示す。図８から判るように、スライド金型６１３が稼働され絶縁された導体線２５がスライド金型６１３の凹部と固定金型６１２の凸部との間に挟まれて、膨出部７Ａが等間隔で長手方向の所定位置に形成される。
ＳＴ２のクランク部成形工程に用いられるクランク部成形機４１０の斜視図を図９（ａ）に、側断面図を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）に示すように第２押え板４３３を下方に押圧すると、ばね部材４３４が圧縮されて第２支持部材４３１および第２押え板４３３が下降し、膨出部７Ａにクランク部１１０が成形される。このとき、導体線２５を保持している第１支持部材４２１および第１押え板４２３がレール４２４に案内されて、第２支持部材４３１および第２押え板４３３側に移動することで、クランク部成形時における膨出部７Ａの伸びが抑えられる。以上の成形動作が導体線２５を図９（ａ）に示すＸ方向に送りながら繰り返されることで、所要の膨出部７Ａにクランク部１１０が成形される。
ＳＴ３の斜辺部、直線部成形工程に用いられる斜辺部、直線部成形機５１０は図１０（ａ）に示すように、導体線２５の膨出部７Ａおよびその両側の部分が押し面５３０と受け面５２３との間で加圧挟持されて、図１０（ｂ）に示すように斜辺部７Ｃを膨出部７Ａの両側に形成する。次に折り曲げ用アーム５４１が回動されて斜辺部７Ｃの両側に直線部７Ｄが形成される。引き続き膨出部７Ａが基準点となって順次、前述したように直線部７Ｄ（直線部１１１〜直線部１１８）および斜辺部７Ｃ（斜辺部１２１Ａ〜斜辺部１２７Ａ）が形成されて、図１１の上面図に示すような中間直線状のコイル１１Ａが形成される。

次に本願発明の主要工程である円弧成形工程を説明する。前述した図１１の円弧成形前のコイル１１Ａのコイルエンド部１２１〜コイルエンド部１２７の斜辺部１２１Ａ〜斜辺部１２７Ａは周方向に直線形状を有している。円弧成形工程は図２で述べたクランク部１２１Ｂ〜クランク部１２７Ｂより外側の直線部１１２、直線部１１４、直線部１１６、直線部１１８側の斜辺部を円弧成形する外側円弧成形工程と、内側の直線部１１１、直線部１１３、直線部１１５、直線部１１７側の斜辺部を円弧成形する内側円弧成形工程に分けている。このような工程を採用する理由は、複数のスロットを跨ぐコイルを一度の工程で成形しようとすると、成形型が周方向に長い形状となり、成形前の軸方向から見た曲率が設けてないコイル１１Ａを型に挿入する際、コイル１１Ａを径方向に大きく開きながら挿入することとなり、コイル１１Ａに塑性変形を与えてしまうことを防止するためである。

図１２に多段の型で構成される外側円弧成形機３１にコイル１１Ａをセットした状態を示す。また図１３は外側円弧成形機３１の斜視図を示す。図１２においてコイル１１Ａの周方向両側のコイルエンド部１２０を円弧成形する構成を有し、外側ベース３００の上部に最下段の外側成形第１型３１１、２段目の外側成形第２型３１２、最上段の外側成形第３型３１３が垂直方向に重ねられ、その間にコイル１１Ａが挿入される構成である。これら３段よりなる多段形の成形型は軸方向に一体の型であり、それぞれの型は周方向端部を除いて軸方向に平行な曲面が設けられている。このことによりコイル１１Ａの挿入が引っ掛かりなく行うことができる。一方、軸方向に２分割する構成を採用すると、コイルエンド部１２０を個別に成形できるため成形の自由度が増す。それぞれの型に設けられた内側重複部３１５が膨出部７Ａを支持することによってコイル１１Ａを位置決めの上支持する。また外側円弧成形位置決め装置３１４は、直線部１１１、直線部１１３、直線部１１５、直線部１１７を周方向に規制することで、クランク部１１０により近い位置で成形するような型の構造を採用でき、また、型と周方向の距離を所定の値に保つと同時に、径方向にコイル１１Ａが動くことができるような図示省略した隙間が設けられている。このような構成によれば、コイル１１Ａと型の軸を軸方向に平行にし、周方向の位置を決めることで、単純な構造の型でクランク部１１０を避けた成形ができ、コイル１１Ａが径方向に自由に動ける隙間があることで、型にコイル１１Ａを挿入するために、コイル１１Ａを径方向に開く際、コイル１１Ａがねじれることを防ぐことができる。

次に図１２による、外側円弧成形機３１の詳細構造およびこの外側円弧成形機３１によって成形されたコイルエンド部１２０の詳細を前述した図５に基づいて説明する。図５に示すようにクランク部１１０より左側または右側の部分のコイル形状すなわち外側円弧部分に相当するものが、上記外側円弧成形機３１によって成形される。図５のクランク部１１０の両側（図１２では片側のみ）にほぼ直線上の曲率小部１１０Ｃを設けるために図１２に示すようにクランク部１１０に成形型が直接接触しないよう、所定の距離Ｓを有するように成形型が構成されている。すなわち、コイルエンド部１２０の各クランク部１１０とは、図５に記載の曲率小部１１０Ｃを形成可能なように所定の距離Ｓを確保した構成を有し、外側成形第１型３１１は型幅Ｗ_１を外側成形第３型３１３は型幅Ｗ_２を、前記所定の距離Ｓを有するような型幅Ｗ_１、Ｗ_２をもって構成されており、中段部位に相当する外側成形第２型３１２は切欠き部３１２Ｃを設けて所定の距離Ｓを生成している。図１４に外側円弧成形後のコイル１１Ａを示すこのようなコイル１１Ａのクランク部１１０は、成形型に接触することがなく成形され、クランク部１１０の絶縁特性の低下を防ぐ。

図１５によるコイル１１Ａの内側の直線部側の斜辺部を円弧成形する多段の型で構成される内側円弧成形機３２の詳細構造およびこの内側円弧成形機３２によって成形されたコイルエンド部１２０について説明する。図１５において、内側ベース３２０上の最下段に内側成形第１型３２１。２段目であって中段部位に相当する内側成形第２型３２２、３段目に内側成形第３型３２３、最上段に内側成形第４型３２４が垂直方向に重ねられ、その間に図１４に示したコイル１１Ａが挿入される構成である。それぞれの型には外側重複部３２５を取り付けて、これによってコイル１１Ａの外側部分を支持している。図１５に示すようにこの内側円弧成形機３２も図１２で示した外側円弧成形機３１と同様にコイルエンド部１２０の各クランク部１１０とは、図５に記載の曲率小部１１０Ｃを形成可能なように所定の距離Ｓを確保した構成を有し、内側成形第１型３２１はＷ_１の型幅を、内側成形第３型３２３、内側成形第４型３２４はＷ_２の型幅をもった構成であり、前記中段部位に相当する内側成形第２型３２２は切欠き部３２２Ｃを設けて所定の距離Ｓを生成している。

図１６に内側円弧成形機３２を斜視図で示す。図１５で示した多段の型が直線部１１１〜直線部１１８を跨いで２つ配置され、それぞれコイルエンド部１２１、コイルエンド部１２３、コイルエンド部１２５、コイルエンド部１２７とコイルエンド部１２２、コイルエンド部１２４、コイルエンド部１２６を成形する。このような構成によれば前述した外側円弧成形機３１も同様に、多段の型に構成することで、７つのコイルエンド部１２１〜コイルエンド部１２７を各々成形するときの力の総和よりも、多段の型で成形するときの力のほうが小さい力で成形可能になる。さらに、一度に成形できることから、コイル１１Ａの成形時間を短縮することができる。また、コイルエンド部１２０の周方向外側は径方向に規制されてないが、外側重複部３２５で、コイルエンド部１２１とコイルエンド部１２５間、コイルエンド部１２３とコイルエンド部１２７間、コイルエンド部１２２とコイルエンド部１２６間の径方向距離および外側の直線部の径方向間隔を調整できるため、コイル組立方法に合った間隔にすることで組立が容易になる。内側円弧成形位置決め装置３２６はコイル１１Ａの真ん中直線部を周方向に規制し、型と内側円弧成形位置決め装置３２６の周方向の距離も規制し、径方向には自由に動けるように板状のもので挟む構造である。自由に動ける範囲は規制されていてもよい。このような構成によれば、コイル１１Ａと型の軸方向を平行に合わせ、周方向の位置を決めることで、単純な構造の型でクランク部１１０を避けた成形ができ、コイル１１Ａが径方向に自由に動ける隙間があることで、型にコイル１１Ａを挿入するためにコイル１１Ａを径方向に開く際に、コイル１１Ａがねじれ、塑性変形することを防ぐもしくは低減できる。さらには前述したように、クランク部１１０の絶縁特性の低下を防止できるという効果がある。

実施の形態２．
次に実施の形態２について説明する。コイル１１は図１に示す鉄心１０のスロットに挿入されるが、このスロットは固定子１の軸心に対して中心に向かうように設けられている。従ってコイル１１の直線部１１１〜直線部１１８は上記軸心に対して軸心に向かうように角度をもって成形されておればコイル１１をスロットに挿入時に、余分なストレスを与えない。この実施の形態２では前記実施の形態１の外側円弧成形機３１に図示省略した直線部の角度形成部材を設けたものである。ここにおける直線部の角度とは、コイル１１が跨ぐスロット間角度のことであり、例えば図２のコイル１１では直線部１１１と直線部１１２が軸心に向かう角度である。このことによりコイル１１と鉄心１０のスロットとの相対的な進入角度を合わせることになり、コイル１１Ａの挿入時の作業性が向上するとともに、コイル１１Ａに余分なストレスを与えず絶縁特性の低下を防止することができるという効果がある。

尚、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、７Ａ膨出部、７Ｄ，１１１〜１１８直線部、
７Ｃ，１２１Ａ〜１２７Ａ斜辺部、１１，１１Ａコイル、３１外側円弧成形機、
３２内側円弧成形機、１１０，１２１Ｂ〜１２７Ｂクランク部、
１１０Ｃ曲率小部、１２０，１２１〜１２７コイルエンド部、
３１４外側円弧成形位置決め装置、５０回転電機、Ｓ所定の距離。

Claims

絶縁被覆された導体線で形成された回転電機の固定子コイルにおいて、固定子鉄心のスロットに挿入される直線部と、前記直線部の端部同士を連結するコイルエンド部と、前記コイルエンド部の中央部に前記固定子鉄心の軸方向外側に突き出すように形成された膨出部と、前記直線部と前記膨出部とを連結する斜辺部とが設けられ、前記膨出部にはクランク部が形成されているとともに、前記斜辺部は円弧形状に成形されており、前記斜辺部の円弧形状には前記クランク部の両側に所定の距離を有して形成された曲率小部が設けられていることを特徴とする回転電機の固定子コイル。
前記直線部は、前記スロットに添うよう前記固定子鉄心の軸心に向かう角度を有して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子コイル。
請求項１に記載の回転電機の固定子コイルの製造方法であって、次のステップを備える。
ステップ１．絶縁被覆された導体線に、所定の間隔で複数の膨出部を成形するステップ。
ステップ２．前記膨出部の中央にクランク部を成形するステップ。
ステップ３．前記膨出部の両側に斜辺部を成形するステップ。
ステップ４．前記斜辺部につながる直線部を成形するステップ。
ステップ５．前記斜辺部に、前記クランク部の両側に所定の距離を有して形成される曲率小部を備えた円弧形状を成形するステップ。
前記ステップ５における円弧形状の成形は、多段の成形型で構成された円弧成形機を用いてなされるものであり、前記成形型が、前記膨出部に設けられた前記クランク部に接触しない型幅を有するとともに、中段部位に相当する前記成形型には前記クランク部に接触しないよう切欠き部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機の固定子コイルの製造方法。
前記ステップ５における円弧形状の成形は、外側円弧成形工程につづく、内側円弧成形工程とによってなされるものであり、前記外側円弧成形工程では、外側円弧成形機に設けられた内側重複部によって、前記膨出部を支持することによって位置決めされて行われることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転電機の固定子コイルの製造方法。