JP6524247B2 - 回転電機の製造方法、回転電機のステータ、及びそのステータを備える回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の製造方法に関し、特にその回転電機の着磁工程に関する。

近年、電動機の効率を高めるため、ステータの１つのティースに直接コイル線を巻回する集中巻きと呼ばれる巻線方式を採用することが多くなっている。ステータの複数のティースにまたがってコイル線を巻回す分布巻きと呼ばれるものよりも、コイル線長を短くできるためコイル線抵抗による損失を減らし、電動機の効率を高めることができる。また、集中巻きを採用することにより、コイルの体積が小さくできるため電動機を小型化できるという特徴がある。

集中巻のステータを採用した電動機の回転子には一般的に永久磁石が用いられている。回転子の永久磁石の着磁方式は、ステータと回転子とを組み立てる前において回転子が永久磁石を有している組立前着磁方式と、ステータと回転子とを組み立てた後にステータに大電流を流し、その発生磁場により回転子の磁性部材に着磁をする組込着磁方式の２通りある。組込着磁方式は、組立の際にその回転子の永久磁石の磁力による影響がないため、組立前着磁方式より組立性が良いものとなっている。なお回転子の磁性部材は、まだ着磁されていない磁性材料により構成されている。

特許文献１では、集中巻のステータを採用した電動機の回転子の組込着磁として、３相Ｙ結線のステータの３相のうち２相間に着磁電源を接続し、高圧パルス電圧を印加することによって磁束を発生させて回転子の磁性部材を着磁する方法が開示されている。

特許文献２では、希土類磁石が高温で必要な飽和着磁磁場が低下することを利用し、組込着磁時に回転子の内側に熱媒を流通させ、回転子の磁性部材の温度を上げた状態で組込着磁する方法が開示されている。

特許文献３では、組込着磁をする際に、回転子の位相を変化させ２回着磁する方法が開示されている。１回の着磁では磁束密度分布が均一でないため、回転子に着磁の弱い部分が出てきてしまうが、回転子の着磁の弱い部分を補完している。

特許第３８８９５３２号公報 特開２０１３−２４０２２４号公報 特許第３６０１２８８号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、組込着磁に必要となる磁場は２Ｔ以上であり、その際にコイル線にかかる電圧は数ｋＶ程度、電流は数千Ａと大きなものとなる。これにより、組込着磁時にコイル線の絶縁被膜への負荷がかかるという課題がある。

また、特許文献２に開示されている技術では、回転子を構成する回転軸に熱媒体を通すため、熱媒体を循環させる設備が必要となり、設備が大型化するという課題がある。

また、特許文献３に開示されている技術では、２回組込着磁をすることで組込着磁に必要な磁束密度のむらを平均化しているが、着磁に必要となる最低磁束密度は、組込着時を１回実施する場合と変わらない。よって、特許文献１に開示されている技術と同様にコイル線の絶縁被膜への負荷がかかるという課題がある。

この発明は、これらの課題を解決するものであり、組込着磁時に設備を大型化することなく、コイル線表面の絶縁被膜に与えるダメージを軽減しつつ、回転子の磁性材料に従来と同様の磁力を与えられる組込着磁ができる回転電機の製造方法、回転電機のステータ、及びそのステータを備える回転電機を提供することを目的としている。

本発明に係る回転電機の製造方法は、内側に突出して設けられている複数のティースを有する円筒状のステータと、該ステータの内径部に回転可能に設けられ磁性部材を有する回転子と、を備える回転電機の製造方法であって、複数の前記ティースのそれぞれに電気的に独立した複数のコイルを集中巻きで巻回す巻回工程と、複数の前記コイルのそれぞれに着磁電圧を印加することにより前記磁性部材に着磁する着磁工程と、複数の前記コイルを、各前記コイルに電流が流れた際に生じる磁界が同一方向に生じるように電気的に接続する接続工程と、を有する。

本発明によれば、回転電機のステータの一つのティースに複数のコイルが並列に巻かれている状態で組込着磁を行うため、必要な最大電圧が並列に巻いたコイルの数だけ少なくなり、コイル線の絶縁皮膜への負荷を軽減できる。また、組込着磁の際に、回転子を高温にする必要がないため、組込着磁の設備を大型化する必要がない回転電機の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機のステータの斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の回転軸に垂直な断面におけるステータ及び回転子の構造の説明図である。 図１のステータから分割コアを抜き出したものである。 図３の分割コアの断面を表した図である。 図４の分割コアにおいて、コイルのそれぞれのターン数を変更した例である。 本発明の実施の形態２に係る回転電機のステータの分割コアの斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る回転電機のステータの分割コアの斜視図である。 図７のロウ付け部の断面を表した図である。 本発明の実施の形態４に係る回転電機のステータの分割コアの斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。符号に添え字（例えば「１０ａ」の「ａ」）が付されている場合、添え字が付されていない符号については、その添え字が付されたもの全体を指すものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機のステータ１０の斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の回転軸５２に垂直な断面におけるステータ１０及び回転子５０の構造の説明図である。図３は、図１のステータ１０から分割コア２０を抜き出したものである。ステータ１０は、複数の分割コア２０を円形に配置して構成されている。ステータ１０は、例えば電動機等の回転電機の筐体の内側に予め固定される。図２に示されるように、ステータ１０の内径側、ティース２３が円形に並べられている内側に所定の空隙を隔てて、着磁されていない磁性部材５１を有する回転子５０が挿入されている。回転子５０は、回転電機の筐体内部において、回転軸５２が軸受等に支持されることにより、回転可能な状態で保持される。なお、回転電機の筐体及び軸受は図示省略されている。

（巻回工程）
複数ある分割コア２０は、それぞれティース２３がステータ１０の内径側に突出させて設けられている。ティース２３には、複数のコイル４０が巻回されている。図１〜図３では、説明を簡単にするために、２本のコイル４０（４０ａ、４０ｂ）が巻回されており、それぞれのコイル４０（４０ａ、４０ｂ）は、それぞれコイル線が１ターンだけ巻回されたものが示されている。また、それぞれのコイル４０（４０ａ、４０ｂ）の巻方向は、同一方向である。始端部４１ａは、コイル４０ａの巻き始めの時の部分を示し、終端部４２ａはコイル４０ａの巻き終わりの部分を示す。同じように、始端部４１ｂは、コイル４０ｂの巻き始めの時の部分を示し、終端部４２ｂは、コイル４０ｂの巻き終わりの部分を示す。ステータ１０が回転電機内に固定され、回転子５０の磁性部材５１に着磁する工程を経る前においては、コイル４０ａとコイル４０ｂとは、それぞれ電気的に独立している。なお、巻回工程は、実施の形態１において説明されている、電気的に独立した２本のコイル４０ａ及びコイル４０ｂをそれぞれ１ターンだけ巻回された構成のものを製造する工程に限定されるものでは無い。２本以上のコイル４０が１つのティース２３に巻回されていても良いし、各コイル４０が１ターン以上巻回されていても良い。

（着磁工程）
集中巻のステータ１０を採用した回転電機の回転子５０には永久磁石が用いられる。回転子５０の永久磁石の着磁方式は、ステータ１０と回転子５０とを組み立てる前に磁性部材５１に着磁する組立前着磁方式がある。また、ステータ１０と回転子５０とを組み立てた後にステータ１０に高電圧を印加し、その発生磁場により磁性部材５１に着磁し、永久磁石を得る組込着磁方式がある。組込着磁方式は、組み立ての際にその回転子５０の磁性部材５１が磁力を有しておらず、磁力の作業への影響がないため、組立前着磁方式より組立性が良いものとなっている。実施の形態１に係る回転電機においては、組込着磁方式を採用している。

図４は、図３の分割コア２０の断面を表した図である。図３の分割コア２０の長手方向に垂直な面で断面を取ると図４に示されるように表される。組込着磁は、ティース２３に巻回された複数の電気的に独立なコイル４０を、着磁電源に電気的に並列接続した状態で電圧の印加を行う。つまり、コイル４０ａとコイル４０ｂとは、始端部４１ａ、４１ｂを着磁電源の２つの電極のうち一方の電極に接続し、終端部４２ａ、４２ｂを他方の電極に接続し、高圧の直流電圧を印加する。これにより、コイル４０ａとコイル４０ｂとに同じ方向の磁界が生じ、その磁界により回転子５０の磁性部材５１が着磁される。

（コイル４０ａとコイル４０ｂとの接続工程）
その後、分割コア２０のコイル４０ａ及びコイル４０ｂの電気的な接続を行う。図３に示されている１つの分割コア２０において、ステータ１０の内径側にあるコイル４０ａとステータ１０の外径側にあるコイル４０ｂとの電気的な接続は、直列に接続される。すなわち、外径側のコイル４０ｂの終端部４２ｂと内径側のコイル４０ａの始端部４１ａとが接続され、１つのコイル４０としてコイル４０内を流れる電流がステータ１０の外径側から内径側へ向けて一方向に流れるように接続される。つまり、コイル４０ａとコイル４０ｂとが接続された状態でコイル４０に電流が流れると、コイル４０ａ、コイル４０ｂにそれぞれ同じ回転方向の電流が流れ、同一方向の磁界が生じるように接続される。なお、ステータ１０を構成する各分割コア２０は、それぞれが同じ構造である。

（効果）
上記で説明したように、組込着磁をする際には、分割コア２０に巻き回されている電気的に独立した複数のコイル４０ａ及びコイル４０ｂを並列に接続し、直流電圧を印加する。よって、組込着磁に必要な電圧は、組込着磁時に電気的に独立したコイル数だけ分割することができるため、１つあたりのコイル４０にかかる電圧は、コイル数が分割されるほど低くてすみ、ひいてはコイル４０のコイル線の絶縁被膜への負荷を軽減することができる。

図５は、図４の分割コア２０において、コイル４０のそれぞれのターン数を変更した例である。実施の形態１では一例として電気的に独立した２本のコイル４０ａ及びコイル４０ｂをそれぞれ１ターンだけ巻回された構成を示したが、コイル４０の本数、それぞれのコイル４０のターン数は、これに限定されない。例えば図４のように電気的に独立した２本のコイル４０ａとコイル４０ｂとをそれぞれ５２ターンずつ巻き回した構成も可能である。図４において、コイル４０ａはハッチングを施して表してある。

実施の形態２．
実施の形態２においては、実施の形態１に対し、それぞれの分割コア２０における複数のコイル４０同士の接続の方法を変更したものである。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図６は、本発明の実施の形態２に係る回転電機のステータ１０の分割コア２０の斜視図である。組込着磁を実施した後において、分割コア２０に巻き回してある複数のコイル４０ａとコイル４０ｂとの電気的な接続を圧着により行うものである。コイル４０ａとコイル４０ｂとのコイル線の圧着については、例えば、「ＪＩＳ Ｃ ２８０６」に規定されている銅線用裸圧着スリーブといった、筒型の突合せ用スリーブ３０を用いる。突合せ用スリーブ３０の内部にコイル４０ａの始端部４１ａとコイル４０ｂの終端部４２ｂとを挿入し、その状態で圧着して電気的な接続を行う。筒型の突合せ用スリーブ３０により圧着を行うことにより、簡易な工程で電気的な接続ができ、回転電機の生産性が高くなる。

実施の形態３．
実施の形態３も、実施の形態１に対し、それぞれの分割コア２０における複数のコイル４０同士の接続の方法を変更したものである。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図７は、本発明の実施の形態３に係る回転電機のステータ１０の分割コア２０の斜視図である。組込着磁を実施した後において、分割コア２０に巻き回してある複数のコイル４０ａとコイル４０ｂとの電気的な接続をロウ６０を用いてロウ付けにより行うものである。コイル４０ａとコイル４０ｂとのコイル線を図６のように接した状態にし、コイル線の周りにロウ６０を付着させて電気的な接続を行う。

図８は、図７のロウ付け部の断面を表した図である。図７におけるロウ６０の部分で、始端部４１ａ及び終端部４２ｂのコイル線の中心軸に略垂直な断面を取ると図８の様に表される。ロウ６０の形状はロウ６０の消費を抑えるため、図８のようにコイル線の表面を覆う形にすることが望ましい。組込着磁後にコイル４０ａの始端部４１ａとコイル４０ｂの終端部４２ｂとをロウ６０を用い電気的な接続を行うことにより、回転電機を構成する部品数が少なくでき、直接材料費を安くできるという効果がある。例えばステータ１０が圧縮機に組み込まれる場合は、圧縮機内の温度が最大で１３０℃まで上がるため、ロウ６０は、それ以上の融点を持ち、また安価である、例えば合金組成がＳｎ９６．５％−Ａｇ３％−Ｃｕ０．５％の鉛フリーはんだといった材料を用いると良い。

実施の形態４．
実施の形態４も、実施の形態１に対し、それぞれの分割コア２０における複数のコイル４０同士の接続の方法を変更したものである。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図９は、本発明の実施の形態４に係る回転電機のステータ１０の分割コア２０の斜視図である。組込着磁を実施した後において、分割コア２０に巻き回してある複数のコイル４０ａとコイル４０ｂとの電気的な接続を、スイッチ７０の切替により行うものである。組込着磁前にコイル４０ａの始端部４１ａとコイル４０ｂの終端部４２ｂとをスイッチ７０につないでおく。そして、スイッチ７０は、スライド部７１をスライドさせることにより、コイル４０ａ及びコイル４０ｂが電気的に独立している状態と電気的に直列に接続されている状態とを切り替えられるようにされている。このようにしておくことで、組込着磁時にはコイル４０ａとコイル４０ｂとが電気的に独立にされており、また組込着磁後はスイッチ７０の切り替えでコイル４０ａとコイル４０ｂとが電気的に直列に接続されている状態をワンタッチで切り替えることができる。この構成により、組込着磁後において、分割コア２０のコイル４０の電気的な接続を短時間で行うことができるという効果がある。スイッチ７０は、例えば、スライド部７１をずらすことにより、２つの接点間の接続、非接続を切り替えることができるスライドスイッチ等を用いると良い。

（発明の効果）
（１）本発明に係る回転電機の製造方法は、内側に突出して設けられている複数のティース２３を有する円筒状のステータ１０と、ステータ１０の内径部に回転可能に設けられ磁性部材５１を有する回転子５０と、を備える回転電機の製造方法であって、複数のティース２３のそれぞれに複数のコイル４０を集中巻きで巻回す巻回工程と、複数のコイル４０のそれぞれに着磁電圧を印加することにより磁性部材５１に着磁する着磁工程と、複数のコイル４０を、各コイル４０に電流が流れた際に生じる磁界が同一方向に生じるように電気的に接続する接続工程と、を有する。
このように構成することにより、例えば、回転電機のステータ１０の一つのティース２３に並列に巻回されたコイル４０ａ及びコイル４０ｂのそれぞれに並列に電圧をかけて組込着磁を行うことができる。よって、着磁に必要な最大電圧は、並列に巻いたコイル４０の数だけ少なくなる。よって、各コイル４０にかけた電圧による各コイル４０のコイル線の絶縁皮膜への負荷を軽減できる。ひいては、回転電機の信頼性を向上できる。また、組込着磁の際に、従来と同じ設備で組込着磁が可能であり、設備の大型化の必要がない。

（２）上記（１）の回転電機の製造方法において、接続工程は、複数のコイル４０の接続を圧着により行う。このように構成することにより、簡易な工程で電気的な接続ができ、回転電機の生産性が高くなる。

（３）上記（１）の回転電機の製造方法において、接続工程は、複数のコイル４０の接続をロウ付けにより行う。このように構成することにより、回転電機を構成する部品数が少なくでき、直接材料費を安くできるという効果がある。

（４）上記（１）の回転電機の製造方法において、接続工程は、複数のコイル４０の接続を、電気的に接続されている状態と電気的に接続されていない状態とを切り替えることができるスイッチ７０により行う。このように構成することにより、組込着磁後において、分割コア２０のコイル４０の電気的な接続を短時間で行うことができるという効果がある。

（５）また、本発明に係る回転電機のステータは、円筒状で、内径側に突出して設けられている複数のティース２３を有する、回転電機のステータ１０であって、複数のティース２３のそれぞれは、電気的に独立した複数のコイル４０が集中巻で巻回されている。
このように構成することにより、回転電機のステータ１０の一つのティース２３に並列に巻回されたコイル４０ａ及びコイル４０ｂのそれぞれに並列に電圧をかけることができる。よって、上記（１）〜（４）に係る回転電機の製造方法における着磁工程が実現でき、各コイル４０にかけた電圧よる各コイル４０のコイル線の絶縁皮膜への負荷を軽減できる。また、ひいては、回転電機の信頼性を向上できる。また、組込着磁の際に、従来と同じ設備で着磁工程が可能であり、設備の大型化の必要がない。

（６）上記（５）の回転電機のステータ１０は、複数のコイル４０は、各コイル４０に電流が流れた際に生じる磁界が同一方向に生じるように、複数のコイル４０の接続は、電気的に接続されている状態と電気的に接続されていない状態とを切り替えることができるスイッチ７０により行われる。このように構成することにより、上記（５）と同様な効果を得つつ、組込着磁後において、分割コア２０の複数のコイル４０の電気的な接続を短時間で行うことができる。

（７）本発明に係る回転電機は、上記（６）の回転電機のステータ１０を備える。このように構成することにより、各コイル４０にかけた電圧よる各コイル４０のコイル線の絶縁皮膜への負荷を軽減しつつ、従来と同等な磁力を有する回転子を備える回転電機が提供できる。また、組込着磁の際に、従来と同じ設備で組込着磁が可能であり、設備の大型化の必要がなく回転電機が製造できる。また、分割コア２０の複数のコイル４０の電気的な接続を短時間で行うことができ、回転電機の製造にかかる時間を短縮できる。

１０ ステータ、２０ 分割コア、２３ ティース、３０ 突合せ用スリーブ、４０ コイル、４０ａ コイル、４０ｂ コイル、４１ａ 始端部、４１ｂ 始端部、４２ａ 終端部、４２ｂ 終端部、５０ 回転子、５１ 磁性部材、５２ 回転軸、６０ ロウ、７０ スイッチ、７１ スライド部。

Claims (8)

1. 内側に突出して設けられている複数のティースを有する円筒状のステータと、該ステータの内径部に回転可能に設けられ磁性部材を有する回転子と、を備える回転電機の製造方法であって、
   複数の前記ティースのそれぞれに電気的に独立した複数のコイルを集中巻きで巻回す巻回工程と、
   複数の前記コイルのそれぞれに着磁電圧を印加することにより前記磁性部材に着磁する着磁工程と、
   複数の前記コイルを、各前記コイルに電流が流れた際に生じる磁界が同一方向に生じるように電気的に接続する接続工程と、を有する、回転電機の製造方法。
2. 前記着磁工程は、
   複数の前記コイルを並列に着磁電源に接続し、着磁電圧を印加する、請求項１に記載の回転電機の製造方法。
3. 前記接続工程は、
   前記ティースに巻き付けられている複数の前記コイルを直列に接続する、請求項１又は２に記載の回転電機の製造方法。
4. 前記接続工程は、
   前記複数のコイルの接続を圧着により行う、請求項１に記載の回転電機の製造方法。
5. 前記接続工程は、
   前記複数のコイルの接続をロウ付けにより行う、請求項１に記載の回転電機の製造方法。
6. 前記接続工程は、
   前記複数のコイルの接続を、電気的に接続されている状態と電気的に接続されていない状態とを切り替えることができるスイッチにより行う、請求項１に記載の回転電機の製造方法。
7. 円筒状で、内径側に突出して設けられている複数のティースを有する、回転電機のステータであって、
   複数の前記ティースのそれぞれは、
   電気的に独立した複数のコイルが巻回されており、
   複数の前記コイルは、
   電流が流れた際に生じる磁界が同一方向に生じるように直列に接続され、
   複数の前記コイルの接続は、
   電気的に接続されている状態と電気的に接続されていない状態を切り替えることができるスイッチにより行われる、回転電機のステータ。
8. 請求項７に記載の回転電機のステータを備える、回転電機。

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