JP6324015B2 - 回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば電動機や発電機などの回転電機の製造方法に関し、特に、電機子コイルを構成する導体線の形状に関するものである。

近年、電動機や発電機などの回転電機において、低速大トルクから高速低回転まで、幅広い動作範囲を運転することが求められている。広い動作範囲を確保するためには、大トル領域では、電機子コイルに大電流を流し、高速領域では、電機子コイルに高い周波数の電流を流すことになる。しかしながら、高い周波数の電流を電機子コイルに流す場合、電流密度が導体の表面で高く、表面から離れると低くなるという表皮効果により、電流が導体の表面に集中し、導体の交流抵抗が高くなるという問題があった。

このような状況を鑑み、複数の導体線を中空導体管内に収納し、導体線同士および導体線と中空導体管とを絶縁被膜を介して一体化して、表皮効果による影響を低減した従来の多芯電線が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１４６４７３号公報

従来の多芯電線では、絶縁被膜が導体線を構成する導体同士の間および導体線を構成する導体と中空導体管との間に配設されているので、占積率が低下する。そこで、大電流を従来の多芯電線に流した場合、導体が過度に発熱し、絶縁被膜が劣化するという課題があった。
また、従来の多芯電線では、複数本の導体線を束ねて中空導体管に収納し、複数本の導体線が収納された中空導体管を引き抜き加工などにより所望の外径形状に成形しているので、取り扱いが煩雑で、生産性が低下するという課題もあった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、１本の導体に絶縁被膜を被覆して作製される導体線の導体形状を工夫し、表皮効果による抵抗の増大を抑制しつつ占積率を高めて、導体の過度な発熱に起因する絶縁被膜の劣化を抑えることができるとともに、高い生産性が得られる回転電機の製造方法を得ることを目的とする。

この発明による回転電機の製造方法は、断面が矩形である導体の少なくとも１側面に、膜厚が角部から中央部に向かって漸次厚くなるように絶縁被膜を被覆する工程と、上記導体の少なくとも１側面を、上記絶縁被膜を介して凹面にプレス成形する工程を含む。

この発明によれば、導体線が１本の導体に絶縁被膜を被覆して形成されている。そこで、導体線を複数本の導体の束により構成することに起因する煩雑な製造工程が不要となり、導体線の生産性が高められる。また、導体線を複数本の導体の束により構成することにおける導体間の絶縁被膜が不要となり、導体線における導体の占積率が高められ、導体の低抵抗化が図られるので、導体の過度な発熱に起因する絶縁被膜の劣化が抑えられる。さらに、導体の矩形断面の少なくとも１辺で構成される側面が凹面に形成されているので、矩形断面の４辺で構成される４つの側面が平坦面に形成される導体に比べて、導体の表層の面積が増大し、表皮効果による抵抗の増加を抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す片側断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機における電機子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機における電機子を内径側から見た要部平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 図４のＡ部拡大図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機における導体線の効果を説明する断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される導体線の第１の製造方法を説明する断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される導体線の第２の製造方法を説明する断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機に適用される導体線を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機に適用される導体線の製造方法を説明する断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機に適用される導体線を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機における導体線がスロットに収納されている状態を示す断面図である。

以下、本発明による回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機を示す片側断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機における電機子を示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機における電機子を内径側から見た要部平面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図、図５は図４のＡ部拡大図、図６はこの発明の実施の形態１に係る回転電機における導体線の効果を説明する断面図である。

図１において、回転電機１００は、有底円筒状のフレーム２およびフレーム２の開口を塞口する端板３を有するハウジング１と、フレーム２の円筒部に内嵌状態に固着された電機子１０と、フレーム２の底部および端板３にベアリング４を介して回転可能に支持された回転軸６に固着されて、電機子１０の内周側に回転可能に配設された回転子５と、を備えている。

回転子５は、軸心位置に挿通された回転軸６に固着された回転子鉄心７と、回転子鉄心７の外周面側に埋設されて周方向に等ピッチで配列され、磁極を構成する永久磁石８と、を備えた永久磁石型回転子である。なお、回転子５は、永久磁石式回転子に限定されず、絶縁しない回転子導体を、回転子鉄心のスロットに収納して、両側を短絡環で短絡したかご形回転子や、絶縁した導体線を回転子鉄心のスロットに装着した巻線形回転子を用いてもよい。

つぎに、電機子１０の構成について具体的に図２から図５を参照しつつ説明する。

電機子１０は、図２および図３に示されるように、電機子鉄心１１と、電機子鉄心１１に装着された電機子コイル１３と、電機子鉄心１１のスロット１１ｃに装着されるスロットセル１２と、を備えている。スロットセル１２は、例えばポリイミドフィルムをメタ系アラミド繊維で挟み込んで作製された長方形のシートを曲げ成形してコ字状に形成され、スロット１１ｃ内に挿入され、電機子鉄心１１と電機子コイル１３を電気的に隔離する。

電機子鉄心１１は、薄い電磁鋼板を積層一体化して作製され、円環状のコアバック１１ａと、それぞれコアバック１１ａの内周壁面から径方向内方に突出して、周方向に等角ピッチで配列された複数のティース１１ｂと、コアバック１１ａと隣り合うティース１１ｂにより形成されるスロット１１ｃと、を備えている。ティース１１ｂは、周方向幅が径方向内方に向って漸次狭くなる先細り形状に形成されており、電機子鉄心１１の軸心と直交するスロット１１ｃの断面が長方形となっている。

導体線１４は、銅やアルミで作製された１本の導体１５と、導体１５に被覆された絶縁被膜１６と、を備える。電機子コイル１３は、それぞれ、１本の導体線１４をスロット１１ｃに通して電機子鉄心１１に巻かれた複数の巻線を備える。導体線１４は、スロット１１ｃに収納されるスロット挿入部１４ａと、異なるスロット１１ｃに収納されたスロット挿入部１４ａ間を電機子鉄心１１の軸方向外側で連結するコイルエンド部１４ｂと、を備える。そして、図４に示されるように、スロットセル１２がスロット１１ｃ内に収納され、８本のスロット挿入部１４ａが、矩形断面の長辺の長さ方向を周方向に向けて、互いに接して径方向に１列に並んでスロットセル１２内に収納される。なお、図示していないが、ワニス等の樹脂がスロット１１ｃ内に含浸され、スロット挿入部１４ａおよびスロットセル１２が電機子鉄心１１に固定されている。

導体線１４（スロット挿入部１４ａ）は、図５に示されるように、４辺を直線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形の断面形状に形成されている。また、導体１５は、４辺を内側に窪んだ凹曲線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形の断面形状に形成されている。そして、導体１５の矩形断面の長辺が、導体線１４の矩形断面の長辺に相対する。絶縁被膜１６の外輪郭が導体線１４の矩形断面の外輪郭となる。なお、図５では、スロット挿入部１４ａの断面形状を示しているが、コイルエンド部１４ｂも、スロット挿入部１４ａと同じ断面形状に形成されている。ここで、断面形状とは、導体線１４の長さ方向と直交する断面形状である。矩形とは、各辺が直線で構成される長方形のみならず、各辺が凹曲面や凸曲面で構成される略長方形を含み、さらに角が丸みを帯びた略長方形も含む。

この実施の形態１によれば、導体１５は、矩形断面の各辺で構成される側面が凹面となっているので、図６に点線で示される、矩形断面の各辺で構成される側面が平坦面となっている導体１７に対し、導体１５の表層の面積が増大する。これにより、導体１５は、導体１７に比べ、表皮効果による抵抗の増加を抑制することができる。そこで、大電流を流した際に、導体１５の過度の温度上昇が抑えられ、絶縁被膜１６の劣化を防止することができる。

導体線１４が、絶縁被膜１６を１本の導体１５に被覆して作製されているので、特許文献１のように複数本の導体間に絶縁被膜を設ける必要がなく、導体線１４における導体１５の占める割合（占積率）が大きくなり、導体１５の低抵抗化が図られる。そこで、大電流を流した際に、導体１５の過度の温度上昇が抑えられ、絶縁被膜１６の劣化を防止することができる。また、導体線１４の作製が容易となり、低コスト化が図られる。

導体線１４のスロット挿入部１４ａが矩形断面に形成されている。そこで、スロット挿入部１４ａをスロット１１ｃに径方向に重ねて収納しやすくなり、導体線１４の装着性が高められ、電機子１０の生産性が高められる。また、スロット挿入部１４ａをスロット１１ｃに隙間無く収納でき、スロット１１ｃにおける導体１５の占める割合（占積率）が大きくなるので、大電流を導体線１４に流すことができ、大トルクの回転電機１００を実現できる。

つぎに、導体線１４の製造方法について説明する。図７はこの発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される導体線の第１の製造方法を説明する断面図であり、図７の（ａ）は絶縁被覆前の状態を示し、図７の（ｂ）は絶縁被覆後の状態を示している。図８はこの発明の実施の形態１に係る回転電機に適用される導体線の第２の製造方法を説明する断面図であり、図８の（ａ）はプレス成形前の状態を示し、図８の（ｂ）はプレス成形後の状態を示している。

第１の製造方法では、図７の（ａ）に示されるように、４辺を内側に窪んだ凹曲線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形断面の導体１５を押し出し加工や引き抜き加工などにより作製する。ついで、導体１５にエナメルワニスを焼付けて、絶縁被膜１６で導体１５を被覆した導体線１４を作製する。この導体線１４は、図７の（ｂ）に示されるように、４辺を直線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形断面に形成されている。なお、エナメルワニスの焼付けに替えて、例えば粉体塗装により粉末塗料を導体１５に付着させ、加熱して、絶縁被膜１６を導体１５に形成してもよい。

第２の製造方法では、図８の（ａ）に示されるように、４辺を直線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形断面の導体１７を押し出し加工や引き抜き加工などにより作製し、その後、エナメルワニスを焼付けて、絶縁被膜１６Ａで導体１７を被覆した導体線１８を作製する。この絶縁被膜１６Ａは、導体１７の各側面上に、膜厚が角部から中央部に向かって漸次厚くなるように被覆されている。ついで、導体線１８の４側面に、側面と直交する方向からプレスなどにより金型８０を押し当てる。これにより、図８の（ｂ）に示されるように、導体１７は、各側面が角部から中央部に向かって漸次内側に窪んだ凹曲面となった導体１５に塑性変形される。このように作製された導体線１４は、４辺を直線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形断面に形成されている。

実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２に係る回転電機に適用される導体線を示す断面図、図１０はこの発明の実施の形態２に係る回転電機に適用される導体線の製造方法を説明する断面図である。

図９において、導体線２０は、相対する２長辺を直線、相対する２短辺を内側に窪んだ凹曲線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形断面に形成された導体２１と、導体２１を覆うように被覆され、４辺を直線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形の外輪郭に形成された絶縁被膜２２と、を備える。
なお、実施の形態２は、導体線１４に替えて導体線２０を用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２では、導体２１は、矩形断面の相対する２短辺で構成される側面が凹面となっているので、矩形断面の各辺で構成される側面が平坦面となっている導体１７に対し、導体２１の表層の面積が増大する。また、導体線２０が、絶縁被膜２２を１本の導体２１に被覆して作製されている。さらに、導体線２０が矩形断面に形成されている。したがって、実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

つぎに、導体線２０の製造方法について説明する。
まず、４辺を直線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形断面の導体１７を押し出し加工や引き抜き加工などにより作製し、その後、エナメルワニスを焼付けて、絶縁被膜１６Ｂで導体１７を被覆した導体線１９を作製する。この絶縁被膜１６Ｂは、図１０に示されるように、導体１７の一方の相対する２側面上に均一な厚みに、かつ他方の相対する２側面上に、膜厚が角部から中央部に向かって漸次厚くなるように、被覆されている。ついで、金型（図示せず）を導体線１９の一方の相対する２側面に接するように配置する。ついで、図１０に示されるように、導体線１９の他方の相対する２側面に、その側面と直交する方向からプレスなどにより金型８０を押し当てる。これにより、導体１７は、他方の相対する２側面が角部から中央部に向かって漸次内側に窪んだ凹曲面となった導体２１に塑性変形され、図９に示される導体線２０が作製される。

導体線２０は、相対する２側面のみが凹面となっているので、上記実施の形態１に比べて、簡易な設備で導体線２０を製造することができる。

実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３に係る回転電機に適用される導体線を示す断面図、図１２はこの発明の実施の形態３に係る回転電機における導体線がスロットに収納されている状態を示す断面図である。

図１１において、導体線２３は、一方の相対する２長辺を外側に突き出る凸曲線、他方の相対する２短辺を内側に窪んだ凹曲線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形断面に形成された導体２４と、導体２４を覆うように被覆され、一方の相対する２長辺を外側に突き出る凸曲線、他方の相対する２短辺を直線、かつ４隅を外側に突き出る凸曲線とする矩形の外輪郭に形成された絶縁被膜２５と、を備える。
なお、実施の形態３は、導体線１４に替えて導体線２３を用いている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３では、導体２４は、矩形断面の相対する２辺で構成される側面が凹面となっているので、矩形断面の各辺で構成される側面が平坦面となっている導体１７に対し、導体線２３の表層の面積が増大する。また、導体線２３が、絶縁被膜２５を１本の導体２４に被覆して作製されている。さらに、導体線２３が矩形断面に形成されている。したがって、実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

ここで、上記実施の形態２では、金型を導体線１９の相対する２長辺で構成される２側面に接するように配置して、導体線１９の相対する２短辺で構成される２側面に、その側面と直交する方向からプレスなどにより金型８０を押し当てている。この実施の形態３では、導体線１９の相対する２長辺で構成される２側面に接するように配置させる金型を取り外し、導体線１９の相対する２短辺で構成される２側面に、その側面と直交する方向からプレスなどにより金型８０を押し当てる。これにより、拘束されていない導体線１９の相対する２側面が、角部から中央部に向かって漸次外側に突き出る凸面に成形され、導体線２３が作製される。

この実施の形態３では、この導体線２３を用いて作製された電機子コイルが電機子鉄心に装着される。導体線２３は、導体２４の矩形断面の長辺で構成される側面が凸面に形成され、導体２４の矩形断面の短辺で構成される側面が凹面に形成されている。そして、図１２に示されるように、８本のスロット挿入部２３ａが、矩形断面の長辺の長さ方向を周方向に一致させて、互いに接して径方向に１列に並んで、スロット１１ｃに装着されたスロットセル１２内に収納されている。

この実施の形態３によれば、８本のスロット挿入部２３ａが、矩形断面の長辺で構成される側面（凸面）同士を互いに接して径方向に１列に並んで、スロットセル１２内に収納されている。そこで、隙間Ｓが、図１２に示されるように、径方向に隣り合うスロット挿入部２３ａの側面（凸面）間に形成されるので、ワニスのスロット１１ｃ内への含浸が容易となり、生産性が向上される。また、スロット１１ｃ内へのワニス含浸量が多くなるので、電機子コイルが電機子鉄心１１に強固に固定され、振動などに起因する絶縁被膜２５の損傷発生を抑制できる。

また、８本のスロット挿入部２３ａの矩形断面の短辺で構成される側面（平坦面）がスロットセル１２を介してスロット１１ｃの内周面に接している。そこで、導体線２３での発熱はスロットセル１２およびスロット１１ｃの内壁面を介して電機子鉄心１１に伝達されるので、導体線２３の過度の温度上昇が抑制される。

なお、上記各実施の形態では、導体線の長さ方向の全域において、導体の矩形断面の４辺または相対する２辺で構成される側面が凹面に形成されているが、導体線の長さ方向の少なくとも１部において、導体の矩形断面の少なくとも１辺で構成される側面が凹面に形成されていればよい。また、導体線のスロット挿入部のみ、導体の矩形断面の少なくとも１辺で構成される側面が凹面に形成されていてもよい。

１０ 電機子、１１ 電機子鉄心、１１ｃ スロット、１３ 電機子コイル、１４ 導体線、１４ａ スロット挿入部、１５ 導体、１６ 絶縁被膜、２０ 導体線、２１ 導体、２２ 絶縁被膜、２３ 導体線、２４ 導体、２５ 絶縁被膜。

Claims (1)

1. 断面が矩形である導体の少なくとも１側面に、膜厚が角部から中央部に向かって漸次厚くなるように絶縁被膜を被覆する工程と、
   上記導体の少なくとも１側面を、上記絶縁被膜を介して凹面にプレス成形する工程を含むことを特徴とする回転電機の製造方法。

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