JP7136111B2 - コイルの製造方法、コイルの製造装置、コイルおよびモータ - Google Patents

Description

本発明は、コイルの製造方法、コイルの製造装置、コイルおよびモータに関する。

近年、モータの小型化かつ高出力化が求められている。モータの小型化および高出力化を実現するためには、モータのトルク密度を向上させる必要がある。そして、モータのトルク密度を向上させるためには、ステータのスロットにおけるコイルの占積率を高めることが有効である。占積率とは、モータのステータのスロットの断面積に対する、そのスロット内に配置されているコイルの断面積の総計の割合である。

特許文献１には、コイルの占積率を高めるために、断面形状が台形である線材（導線）を用いる点が開示されている。当該線材は、コイルの１ターン分に相当する区域ごとに断面の台形形状が異なる線材である。以下、このように寸法の異なる複数の台形断面を有する線材を「複合台形線」という。特許文献１には、このような線材を台形型に多層多列に巻いた後、ステータ表面に沿ってコイルの外形全体を彎曲させ、実質上扇形の形状とする点が開示されている。

特許第３６５２３４８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、複合台形線を多層多列に巻回したコイルを、どのように断面が実質上扇形のコイルに整形するかについては、明確に開示されていない。
そこで、本発明は、扇形形状の断面形状を有する多層多列の高占積率コイルを、容易かつ適切に製造することができる製造方法、および当該製造方法によって得られたコイルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一つの態様のコイルの製造方法は、線材を多層多 列に巻回し、断面形状が台形形状となるコイルを形成する工程と、前記コイルを、複数の分割型に囲まれた成型空間に配置する工程と、前記成型空間を狭める方向に移動させて、前記断面形状を成型する工程と、を含み、前記断面形状を成型する工程では、前記複数の分割型の少なくとも１つを移動させ、前記分割型に形成された面によって、前記断面形状を扇形形状に成型し、前記断面形状を成型する工程では、前記複数の分割型として４つの分割型を用い、前記４つの分割型がそれぞれ有する成型面によって、前記扇形形状を構成する２つの円弧と２つの直線とに対応する面をそれぞれ成型する。

また、本発明の一つの態様のコイルの製造装置は、線材が多層多列に巻回され、断面形状が台形形状となるコイルを形成するための巻き芯部を有する巻回装置と、前記巻回装置によって形成された前記コイルの断面形状を成型する成型装置と、を備え、前記成型装置は、前記巻回装置によって形成された前記コイルが、前記巻き芯部に巻回された状態で配置される成型空間を形成するよう配置された複数の分割型と、前記複数の分割型の少なくとも１つを、前記成型空間を狭める方向に移動する移動機構と、を有し、前記分割型に形成された面によって、前記コイルの断面形状を扇形形状に成型し、相対的に進退移動可能であり、Ｖ溝を対向配置した一対のＶブロックをさらに備え、前記複数の分割型は、前記一対のＶブロックの一方の前記Ｖ溝に固定された第１の分割型と、前記一対のＶブロックの他方の前記Ｖ溝に固定された第２の分割型と、前記一対のＶブロックの前記Ｖ溝の一方の面とそれぞれ摺接する第３の分割型と、前記一対のＶブロックの前記Ｖ溝の他方の面とそれぞれ摺接する第４の分割型と、により構成されている。

さらに、本発明の一つの態様のコイルは、上記のコイルの製造方法により製造され、ステータに取り付けられるコイルであって、前記ステータのスロット内における前記コイルの断面形状が扇形形状である。

また、本発明の一つの態様のモータは、所定方向に延びる中心軸を中心とするシャフトと、前記シャフトに固定されたロータと、ステータと、を備え、前記ステータは、環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突出するティースと、前記ティースに巻回されたコイルと、を有し、前記コイルは、上記のコイルである。

本発明の一つの態様によれば、扇形形状の断面形状を有する多層多列の高占積率コイルを、容易かつ適切に製造することができる。また、そのようなコイルを備えるモータは、小型化かつ高出力化が実現されたモータとすることができる。

図１は、本実施形態におけるコイルの構成例である。 図２は、コイルの断面形状を示す図である。 図３は、コイルを構成する線材の一例である。 図４は、コイルの巻回装置の一例を示す全体構成図である。 図５は、巻回装置の第１の治具の構成例である。 図６は、巻回装置の第２の治具の構成例である。 図７は、第２の治具の第１の巻き芯部を示す図である。 図８は、巻き線シーケンスを示す図である。 図９は、１層目の巻回方法を説明するための図である。 図１０は、１層目から２層目へ移行方法を説明するための図である。 図１１は、２層目の巻回方法を説明するための図である。 図１２は、コイルの別の例を示す図である。 図１３は、コイルの別の例を示す図である。 図１４は、コイルの成型装置の一例を示す全体構成図である。 図１５は、分割型の逃げ部を示す図である。 図１６は、成型前のコイルを示す図である。 図１７は、成型後のコイルを示す図である。 図１８は、コイルを固める方法を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。

図１は、本実施形態におけるコイル１０の構成例を示す斜視図である。
コイル１０は、線材（線状の導線）１１が巻き回されることによって形成されている。コイル１０は、所定方向に延びる中心軸を中心に回転するモータに用いられるステータコイルである。ここで、当該モータは、例えば自動車、電動自動車、電動アシスト機器、電動飛行機、マルチコプター等の移動体、ロボット等の産業機器、情報記録媒体を回転する情報記録再生機器、家電製品、事務機器、医療機器等の各分野の搭載対象物に搭載可能なモータとすることができる。
なお、本明細書では、便宜上、モータの中心軸の方向を上下方向として説明するが、モータの使用時における姿勢を限定するものではない。また、モータの中心軸の方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸を中心とする径方向および周方向を、単に「径方向」および「周方向」と呼ぶ。

本実施形態におけるコイル１０は、１本の導線１１を１方向に多層多列に巻き回し、最外周に引き出し線を出す方法により形成されている。本実施形態では、コイル１０は、導線１１が２層５列（２×５＝１０ターン）に巻かれ、第１列の外周部と第２列の外周部とから導線１１の端部が引き出された構成を有する場合について説明する。
コイル１０は、モータのステータコアのスロットに収容されるスロット収容部１２と、引き出し線側のコイルエンド部１３と、引き出し線とは反対側のコイルエンド部１４とを含んで構成される。スロット収容部１２およびコイルエンド部１４の導線１１は、完全整列巻きに巻回され、導線１１の交差（乗り移り）は、コイルエンド部１３において行われている。

図２は、コイル１０をスロット収容部１２に設定された切断面Ａで切断したときの断面形状を示す図である。この図２は、コイル１０が、インナーロータ型モータに用いられた場合について示している。インナーロータ型モータは、所定方向（上下方向）に延びる中心軸を中心とするシャフトと、シャフトに固定されたロータと、ロータの径方向外側に配置されたステータと、を備える。ステータの内周面は、シャフトに固定されたロータマグネットと径方向に間隙を介して対向配置されている。
ステータは、ステータコア２０と、コイル１０と、を備える。ステータコア２０は、環状のコアバック２１と、コアバック２１から径方向内側に突出する複数のティース２２と、を備える。コイル１０は、ティース２２に巻回されている。図２において、導線１１の断面に付与した「１Ｔ」「２Ｔ」等の符号は、コイル１０の巻き順を示す。

この図２に示すように、ステータのスロット内において、コイル１０は、扇形形状（略扇形形状を含む。）の断面形状を有する。ここで、スロット内におけるコイル１０の断面形状は、ステータのコアバック２１とは中心が異なる２つの同心の円弧１０ａ、１０ｂと、当該２つの円弧の端部をそれぞれ結ぶ直線１０ｃ、１０ｄと、からなる扇形形状とすることができる。この場合、上記２つの円弧のティース２２側端部を結ぶ直線１０ｃは、ティース２２の形状に沿った直線となる。つまり、導線１１は、ティース２２の直線部分に沿って巻回される。
また、導線１１の断面形状は、列ごとに異なる。具体的には、導線１１の断面形状は、モータの径方向外側に配置される列であるほど、高さが低く、底辺の長さが長い台形形状となっている。なお、導線１１の電気抵抗値の大きさは、導線１１の断面積が一番小さい部分で決定するが、各列における導線１１の断面積は同一であるため、導線１１における電気抵抗値を一定にすることができる。

このようなコイル１０は、高占積率が実現されたコイルであり、複合台形線を断面形状が台形形状（略台形形状を含む。）となるように巻回したコイルを、断面形状が扇形形状となるように成型することにより得られる。
図３（ａ）は、複合台形線の一例を示す図である。図３（ａ）に示すように、複合台形線である導線１１は、両端部にコイルの引き出し線となる区域（引出線部）を有する。引出線部に挟まれた中央部は、コイル１０の一巻き分の長さに対応した巻対応区域が、連続してターン数分形成された区域となる。複数の巻対応区域は、それぞれ台形形状の断面を有し、当該台形形状は、巻対応区域毎に寸法が異なる。

図３（ｂ）は、巻き数１Ｔ番目および２Ｔ番目に対応する巻対応区域（台形１部）の断面形状である。図３（ｃ）は、巻き数３Ｔ番目および１０Ｔ番目に対応する巻対応区域（台形２部）の断面形状である。図３（ｄ）は、巻き数４Ｔ番目および９Ｔ番目に対応する巻対応区域（台形３部）の断面形状である。図３（ｅ）は、巻き数５Ｔ番目および８Ｔ番目に対応する巻対応区域（台形４部）の断面形状である。図３（ｆ）は、巻き数６Ｔ番目および７Ｔ番目に対応する巻対応区域（台形５部）の断面形状である。なお、図３（ｂ）～図３（ｆ）の縮尺は同一である。
このように、本実施形態において、導線１１は、５パターンの台形断面を有する線材である。

なお、引出線部の断面形状は、円形状や矩形状など任意の形状であってよい。例えば、引出線部の断面形状は、複合台形線に加工する前の素線の断面形状とすることができる。当該素線としては、例えば、直径１ｍｍ程度の丸線を用いることができる。また、導線１１の全長は、ステータのスロット形状やコイル１０のターン数等に応じて適宜設定することができる。例えば、コイル１０が、１２スロットのステータに配置される１０ターンコイルである場合、導線１１の全長は７８０ｍｍ程度とすることができる。
さらに、特に図示しないが、引出線部と台形部との間や、台形部と台形部との間など、断面形状が変化する部分には、それぞれ断面形状が徐々に変化する長さ１ｍｍ～２ｍｍ程度の接続部が設けられていてもよい。

また、複合台形線は、図３（ａ）～図３（ｆ）に示す形状に限定されない。例えば、各巻対応区域が、台形形状の断面を有する第１区域と、矩形状の断面を有する第２区域と、をそれぞれ備えていてもよい。ここで、第１区域は、コイル１０のスロット収容部１２に対応する区域であり、第２区域は、コイル１０のコイルエンド部１３、１４に対応する区域である。第２区域における矩形状は、各巻対応区域において同一形状とすることができる。
この場合、コイルエンド部１３、１４のコイル断面は矩形状となる。コイルエンド部１３、１４の断面形状を矩形状にするメリットは、コイルエンドの高さを抑えることができることと、巻回時に導線１１が傾きにくくなるためコイル形成が容易になることである。

次に、本実施形態におけるコイル１０の製造方法について具体的に説明する。
コイル１０は、導線１１を多層多列に巻回し、断面形状が台形形状となるコイル１０Ａを形成する巻回装置と、巻回装置によって形成されたコイル１０Ａの断面形状を扇形形状に成型する成型装置と、によって製造される。

図４は、扇形成型前のコイル１０Ａを形成するための巻回装置１００の構成を示す図である。
巻回装置１００は、第１の治具１１０と、第２の治具１２０と、第３の治具１３０と、を備える。第１の治具１１０は、図５に示すように、本体部１１１と、第１の巻き芯部１１２と、第２の巻き芯部１１３と、を備える。図５における上下方向は、図４のＹ方向に対応している。

本体部１１１には、導線１１における巻き始め端部が配置される凹部１１４が設けられている。第１の巻き芯部１１２は、コイル１０Ａの第１列を最外周から最内周まで順に螺旋状に巻回するための階段状のステップ部である。第２の巻き芯部１１３は、コイル１０Ａの第２列以降の各層を巻回するための部材である。Ｙ方向から見た第２の巻き芯部１１３の外形は、コイル１０が巻回されるティース２２の径方向から見た形状と同等に形成されている。
本実施形態では、コイル１０Ａは、２層コイルである。そのため、第１の巻き芯部１１２は、第２の巻き芯部１１３よりも１段外形の大きいステップ部により構成される。
第２の巻き芯部１１３は、例えば金属により構成されており、本体部１１１に対して着脱可能に構成されている。

コイル１０Ａを形成する際には、導線１１は、図５の矢印で示すように、まず本体部１１１の凹部１１４から第１の巻き芯部１１２に巻き付けられ、続いて第２の巻き芯部１１３に巻き付けられる。これにより、コイル１０Ａの第１列が形成される。その後、導線１１は、そのまま第２の巻き芯部１１３に螺旋状に巻き付けられる。これにより、コイル１０Ａの第２列以降の最内周が形成される。つまり、ここまでの工程で、コイル１０Ａの１Ｔ番目から６Ｔ番目までの巻き線を形成することができる。
また、本体部１１１および第１の巻き芯部１１２における第２の巻き芯部１１３側の面（図５では上面）は、渦巻状でかつ周方向に沿って傾斜した面を構成している。そのため、導線１１を容易かつ適切に螺旋状に巻回することが可能となる。

第２の治具１２０は、図６に示すように、本体部１２１に、第１の治具１１０の第２の巻き芯部１１３と嵌合可能な貫通孔１２２が形成された構成を有する。ここで、図６における上下方向は、図４のＹ方向に対応している。本体部１２１には、Ｙ方向に対して直交する方向にねじ孔１２３が設けられている。第２の治具１２０は、第２の巻き芯部１１３に嵌合された状態で、ねじ孔１２３に挿入されるねじ（不図示）によって、第２の巻き芯部１１３にねじ止め可能である。
また、本体部１２１のＹ方向における一方の端面（図６では上面）には、貫通孔１２２近傍に凸部１２４が設けられている。第２の治具１２０は、図７に示すように、凸部１２４が設けられた端面を、第１の治具１１０の本体部１１１に対向させる向きで、第２の巻き芯部１１３に嵌合され、ねじ止めされる。

第１の治具１１０および第２の治具１２０は、図４に示すように、第３の治具１３０に対してＺ方向の一方の側（図４では上側）に配置されている。これら第１の治具１１０および第２の治具１２０は、Ｙ方向の軸を中心とした回転と、Ｙ方向（回転軸方向）の往復移動とが可能に構成されている。また、第１の治具１１０および第２の治具１２０は、Ｘ方向の往復移動が可能に構成されていてもよい。第１の治具１１０および第２の治具１２０の上記の回転および移動は、不図示の回転移動機構により行われる。

第３の治具１３０は、第１の治具１１０および第２の治具１２０の所定の巻回位置に導線１１を供給する線材供給機構である。第３の治具１３０は、導線１１を押し曲げるための受け部１３１と、導線１１を第１の治具１１０の所定の巻回位置に案内するためのガイド部１３２と、導線１１に張力を与えるための保持部１３３と、を備える。受け部１３１およびガイド部１３２は、Ｘ方向に沿って延在している。
ただし、第３の治具１３０の構成は、上記に限定されるものではない。例えば、導線１１が比較的太い場合には、導線１１を押し当てることで曲げやすくなるため、受け部１３１を設けることが望ましい。また、導線１１が比較的細い場合には、導線１１に張力を与えた状態で巻くことができるため、保持部１３３を設けることが望ましい。

図８は、巻き線シーケンスを示す図である。
まず、巻回装置１００は、導線１１を第１の治具１１０の凹部１１４に配置し、第１の治具１１０および第２の治具１２０をＹ方向の軸を中心に回転させ、１Ｔ番目を２Ｔ番目よりも一段低い位置から巻き始める。このとき、巻回装置１００は、導線１１を第１の治具１１０の第１の巻き芯部１１２に巻く。これにより、図９に示すように、巻き始めとなる導線１１ａは、コイル外周部に出される。
そして、２Ｔ番目から６Ｔ番目までは、巻回装置１００は、第１の治具１１０および第２の治具１２０を回転させながらＹ方向に移動し、導線１１を、第１の治具１１０の第２の巻き芯部１１３に螺旋状に巻き付けていく。これにより、図１０に示すように、２Ｔ番目の巻き線１１ｂから６Ｔ番目の巻き線１１ｃが形成される。

次に、巻回装置１００は、１層目（１段目）の巻き線から２層目（２段目）の巻き線に移行する。このとき、巻回装置１００は、１段目の最終ターンである６Ｔ番目の巻き線１１ｃの直上に重ねて２段目の開始ターンである７Ｔ番目の巻き線を巻き始める。つまり、コイル１０Ａの軸方向端部において巻線方向が反転し、６Ｔ番目から７Ｔ番目へ移行するコイルエンド部１１ｄは、５Ｔ番目から６Ｔ番目へ移行するコイルエンド部と交差する。この導線１１の乗り移りにより、層間に間隙１１ｅが形成される。
そこで、本実施形態では、巻回装置１００は、上記間隙１１ｅに、第２の治具１２０に設けられた凸部１２４を挿入させて導線１１を巻回する。こうして、１段目の巻き線から２段目の巻き線にスムーズに移行させるようにする。このように、間隙１１ｅに凸部１２４を挿入して巻回することで、導線１１が当該間隙１１ｅに落ち込んでずれてしまうことを抑制し、適切に導線１１を巻き付けることができる。

２段目においては、図１１に示すように、７Ｔ番目の巻き線１１ｆは、６Ｔ番目の巻き線１１ｃの直上に位置するように巻回される。その後は、巻回装置１００は、８Ｔ番目から１０Ｔ番目まで、第１の治具１１０および第２の治具１２０を回転させながらＹ方向に移動し、１段目の巻き線（５Ｔ番目から３Ｔ番目）の直上にそれぞれ巻き付けていく。このように、巻回装置１００は、第１の治具１１０および第２の治具１２０を回転させながらＹ方向に往復移動させることで、１本の導線１１を１方向に多層多列に巻回する。
これにより、図８に示すように、断面形状が台形形状のコイル１０Ａ（扇形成型前のコイル）が形成される。このコイル１０Ａは、第１列の最外周から巻き始めの導線１１ａが引き出され、第２列の最外周から巻き終わりの導線１１ｇが引き出された構成となる。

なお、本実施形態では、１０ターン（２層５列）のコイル１０Ａを形成する場合について説明したが、ターン数は上記に限定されるものではない。例えば、図１２に示すように、１５ターン（３層５列）のコイル１０Ｂを形成することもできる。また、図１３に示すように、１２ターン（３層４列）のコイル１０Ｃを形成することもできる。
さらに、３層コイルを形成する場合、図１３に示すように、中央部に巻きスペーサ１４１および１４２を挿入するようにしてもよい。この場合、巻きスペーサ１４１には、第１の治具１１０の第１の巻き芯部１１２と同様に、階段状のステップ部を設ける。また、巻きスペーサ１４２には、第２の治具１２０の凸部１２４と同様に、導線１１を１段目から２段目にスムーズに移行させるためのステップ部（凸部）を設ける。

次に、巻回装置１００によって形成されたコイル１０Ａの断面形状を扇形形状に成型する成型装置について説明する。
図１４は、コイル１０Ａを成型するための成型装置２００の構成を示す図である。なお、この図１４は、台形断面のコイル１０Ａが扇形断面のコイル１０に成型された状態を示している。
成型装置２００は、相対的に進退移動可能な一対のＶブロック２０１、２０２と、複数（本実施形態では、４つ）の分割型２０３ａ～２０３ｄと、を備える。一対のＶブロック２０１、２０２は、Ｖ溝２０１ａ、２０２ａを対向させて配置されている。また、４つの分割型２０３ａ～２０３ｄは、成型前のコイル１０Ａが、巻き芯部１１３に巻回された状態で配置される成型空間を形成するよう配置されている。

４つの分割型２０３ａ～２０３ｄのうち、第１の分割型２０３ａは、Ｖブロック２０１の一方のＶ溝２０１ａに固定され、第２の分割型２０３ｂは、Ｖブロック２０２の他方のＶ溝２０２ａに固定されている。また、第３の分割型２０３ｃは、Ｖ溝２０１ａ、２０２ａの一方の面とそれぞれ摺接し、第４の分割型２０３ｄは、Ｖ溝２０１ａ、２０２ａの他方の面とそれぞれ摺接している。

Ｖブロック２０１、２０２は、ボルト止め治具２２１によって互いに接近する方向にプレス荷重がかけられ、スペーサ２２２を介して固定される。スペーサ２２２は、Ｖブロック２０１、２０２の接近方向への移動を規制し、４つの分割型同士が互いに接触しないようにするための規制部材である。
スペーサ２２２は、Ｖブロック２０１および２０２の間に配置される平板部材であり、Ｖブロック２０１および２０２のいずれか一方に固定されている。Ｖブロック２０１および２０２が互いに接近する方向に移動し、Ｖブロック２０１および２０２の他方がスペーサ２２２に当接することで、両者の接近方向への移動が規制される。

第１の分割型２０３ａおよび第２の分割型２０３ｂは、コイル１０の断面形状となる扇形形状を構成する円弧に対応する面（円弧面）を成型する成型面をそれぞれ有する。また、第３の分割型２０３ｃおよび第４の分割型２０３ｄは、コイル１０の断面形状となる扇形形状を構成する直線に対応する面（平面）を成型する成型面をそれぞれ有する。

例えば、Ｖブロック２０２を固定し、ボルト止め治具２２１によってＶブロック２０１の上方からプレス荷重を印加すると、Ｖブロック２０１に固定された第１の分割型２０３ａは、図１４における下方向に動き、コイル１０Ａの上面を押す。また、Ｖブロック２０２に固定された第２の分割型２０３ｂは、コイル１０Ａの下面を押す。このとき、第３の分割型２０３ｃは、Ｖ溝２０１ａ、２０２ａを摺動し、コイル１０Ａの左側面を押す方向に動く。また、第４の分割型２０３ｄも同様に、コイル１０Ａの右側面を押す方向に動く。
このように、１方向からのプレス荷重により、４つの分割型２０３ａ～２０３ｄを４方向からコイル１０Ａに当てることができる。そのため、１工程で台形断面のコイル１０Ａを扇形断面のコイル１０に成型することができる。

また、第１の分割型２０３ａおよび第２の分割型２０３ｂの成型面は、それぞれコイル１０Ａにおける導線１１が完全整列巻きに巻回された領域、すなわちスロット収容部１２およびコイルエンド部１４と接触するよう構成されているものとする。
上述したように、コイル１０Ａの引き出し線側のコイルエンド部１３は、導線１１が整列巻きにならない。そのため、このコイルエンド部１３に上下左右から圧力をかけると、各導線１１に均等に圧力がかからず、導線１１の一部が他の導線１１にめり込み、絶縁不良を起こす懸念がある。

そこで、本実施形態では、図１５に示すように、第１の分割型２０３ａおよび第２の分割型２０３ｂにおけるコイル１０Ａと対向する面に、逃げ部２１１および２１２を設ける。そして、点線で示す完全整列巻きされたコイル領域２１３のみに上下左右から均等な圧力をかけ、当該領域２１３を扇形に成型するようにする。このように、完全整列巻きとならない領域を避けて分割型による成型加工を行う。これにより、上述したような導線１１のめり込みに起因する絶縁不良の発生を回避することができる。

次に、扇形成型工程のプロセスについて説明する。
巻回装置１００によりコイル１０Ａを形成した後、コイル１０Ａを巻き芯部１１３から抜き取ると、コイル１０Ａがばらけるおそれがある。そのため、巻回後は、図１６に示すように、コイル１０Ａを巻き芯部１１３に巻かれた状態で巻回装置１００から取り外し、成型装置２００にセットする。なお、図１６では、成型装置２００の主要部材のみを示している。
第１の分割型２０３ａおよび第２の分割型２０３ｂには、それぞれ巻き芯部１１３の端部が嵌合可能な貫通孔２０４ａおよび２０４ｂが形成されている。巻き芯部１１３に巻かれた状態のコイル１０Ａは、巻き芯部１１３の両端部がそれぞれ貫通孔２０４ａ、２０４ｂに嵌合されることで、成型装置２００に形成された成型空間に配置される。

コイル１０Ａが成型空間に配置されると、上述したように、ボルト止め治具２２１を用いて一対のＶブロック２０１、２０２が接近する方向に荷重をかけ、４つの分割型２０３ａ～２０３ｄを成型空間が狭まる方向に移動する。ボルト止め治具２２１は、図１５に示すように、Ｖブロック２０１、２０２および分割型２０３ａ～２０３ｄの外部に配置されたボルトを備え、当該ボルトを締めることでＶブロック２０１、２０２に対して上記荷重をかけることができる。これにより、図１４に示すように、断面形状が扇形形状に成型されたコイル１０が形成される。なお、ボルトの本数や配置位置は、適宜設定可能である。

その後、扇形に成型されたコイル１０がばらけてしまうことを防止するために、コイル１０を固めるための固定工程を行う。コイル１０を固める方法としては、自己融着線と呼ばれるエナメル線を用い、熱をかけてコイル線同士を融着する方法を用いることができる。このコイル１０を固める工程では、図１４に示すようにボルト止め治具２２１によりＶブロック２０１、２０２を固定したまま、コイル１０に熱をかける。このように、本実施形態では、成型後、コイル１０を固めるために熱をかける。そのため、プレス機ではなくボルト止め治具２２１を用いて荷重をかけるようにしている。
コイル１０を固めた後は、ボルト止め治具２２１によるプレス荷重を解除し、図１７に示すように、巻き芯部１１３ごとコイル１０を取り出す。

なお、コイル１０を固める方法は、上記に限定されるものではない。上述した自己融着線を用いる方法では、自己融着線の融着層の厚さの分だけ占積率が落ちるため、接着剤によりコイル１０を固めるようにしてもよい。この場合、巻回工程において、図１８の点線で示すコイル内部領域にシリコーン接着剤１５を少量塗布しておき、扇形成型工程において扇形に成型した後に、上記のシリコーン接着剤１５を硬化させるようにする。巻回工程では、７Ｔ番目の巻き線を形成した後、１段目の巻き線の外周面にシリコーン接着剤を塗布すればよい。これにより、更に占積率を上げることができる。

以上のように、本実施形態では、巻回工程、扇形成型工程および固定工程を経て、複合台形線を用いた断面扇形のコイル１０が製造される。巻回工程では、導線１１を多層多列に巻回し、断面形状が台形形状となるコイル１０Ａを形成する。扇形成型工程では、コイル１０Ａを複数の分割型に囲まれた成型空間に配置し、１方向からプレス荷重を印加して、複数の分割型の少なくとも１つを、成型空間を狭める方向に移動させて、コイル１０Ａの断面形状を扇形形状に成型する。このように、本実施形態では、複数の分割型を用いた成型加工によって、扇形形状の断面形状を有する高占積率コイルを製造することができる。

また、巻回工程では、１本の導線１１を１方向に多層多列に巻回し、引き出し線を最外周に配置するようにする。このとき、導線１１の交差（乗り移り）は、引き出し線側のコイルエンド部１３において行うようにし、少なくともスロット収容部１２は完全整列巻きとする。
この巻回工程において使用する巻回装置１００は、巻き芯部を構成する第１の治具１１０および第２の治具１２０を回転させながら回転軸方向に往復移動させる回転移動機構と、巻き芯部の所定の巻回位置に導線１１を供給する線材供給機構と、を備える。また、第１の治具１１０は、導線１１における巻き始め端部が配置される凹部１１４と、コイル１０Ａの第１列を最外周から最内周まで順に巻回するための階段状の第１の巻き芯部１１２と、コイル１０Ａの第２列以降の各層を巻回するための第２の巻き芯部１１３と、を備える。

つまり、巻回装置１００は、まずコイル１０Ａの第１列を形成する。次に、巻回装置１００は、第２列以降の最内周の層（第１層）を形成する。このとき、巻回装置１００は、第１の治具１１０および第２の治具１２０を回転させながら回転軸方向に移動させ、第２列以降の第１層を第２の巻き芯部１１３に螺旋状に巻き付けていく。そして、巻回装置１００は、巻線位置がコイル１０Ａの軸方向端部に対応する位置に到達すると、第１の治具１１０および第２の治具１２０の回転軸方向の移動を反転させ、第２列以降の第２層を第２の巻き芯部１１３に螺旋状に巻き付けていく。その後は、第２列以降の最外周の層が形成されるまで、上記の操作を繰り返す。

このような構成により、巻回装置１００は、１工程で、巻き始め部と巻き終わり部とをコイルの外周部に引き出したシリアル巻のコイル１０Ａを形成することができる。
また、巻回装置１００は、コイル１０Ａの軸方向端部に対応する位置に、コイル１０Ａの層間に生じ得る間隙１１ｅに挿入可能な凸部１２４を備える。そして、巻回装置１００は、コイル１０Ａの軸方向端部において、上記間隙１１ｅに凸部１２４を挿入させて導線１１を巻回するようにする。したがって、１層目の巻き線から２層目の巻き線にスムーズに移行させることができ、適切に巻線方向を反転させることができる。

さらに、扇形成型工程では、４つの分割型２０３ａ～２０３ｄがそれぞれ有する成型面によって、コイル１０の断面形状となる扇形形状を構成する２つの円弧と２つの直線とに対応する面をそれぞれ成型する。したがって、コイル１０の被成型面は、段差のない精度の良い面となる。
また、この扇形成型工程では、コイル１０Ａに対して、巻き芯部１１３と４つの分割型２０３ａ～２０３ｄとによって均等な圧力をかけることができる。例えば、巻き芯と上下の分割型のみによりコイルを成型しようとした場合、多層多列のコイル成型を適切に行うことはできず、多層１列か１層多列のコイル成型にしか対応することができない。本実施形態では、巻き芯部１１３と４つの分割型２０３ａ～２０３ｄとを用いることで、多層多列のコイル成型を適切に行うことができる。

扇形成型工程において使用する成型装置２００は、一対のＶブロック２０１、２０２と、４つの分割型２０３ａ～２０３ｄと、４つの分割型２０３ａ～２０３ｄを、成型空間を狭める方向に移動する移動機構としてのボルト止め治具２２１と、を備える。ここで、第１の分割型２０３ａは、Ｖブロック２０１のＶ溝２０１ａに固定され、第２の分割型２０３ｂは、Ｖブロック２０２のＶ溝２０２ａに固定されている。また、第３の分割型２０３ｃは、Ｖ溝２０１ａ、２０２ａの一方の面とそれぞれ摺接し、第４の分割型２０３ｄは、Ｖ溝２０１ａ、２０２ａの他方の面とそれぞれ摺接している。

このような構成により、Ｖブロック２０１、２０２が互いに接近させる方向に移動された場合、Ｖブロック２０１、２０２の移動に連動して、４つの分割型２０３ａ～２０３ｄを、成型空間を狭める方向に移動させることができる。つまり、１方向からのプレス荷重によって、コイル１０Ａに対して４方向からそれぞれ４つの分割型２０３ａ～２０３ｄを当てることができる。そのため、１工程で断面扇形のコイル１０を適切に成型することができる。また、Ｖブロック２０１、２０２のＶ溝２０１ａ、２０２ａを基準面として４つの分割型２０３ａ～２０３ｄを配置することができるので、精度良くコイル１０を成型することができる。

さらに、第１の分割型２０３ａおよび第２の分割型２０３ｂは、コイル１０Ａと対向する面に、それぞれコイル１０Ａと接触しない逃げ部２１１および２１２を有する。そして、第１の分割型２０３ａおよび第２の分割型２０３ｂの成型面は、コイル１０Ａにおける導線１１が完全整列巻きに巻回された領域と接触するようになっている。
つまり、成型装置２００は、コイル１０Ａの完全整列巻きした部分を断面台形から断面扇形に成型する。本実施形態では、引き出し線側のコイルエンド部１３が完全整列巻きとならない領域であるため、成型装置２００は、当該コイルエンド部１３を避けて分割型による成型加工を行う。これにより、コイルエンド部１３におけるコイル線のめり込みを回避し、絶縁不良の発生といった不具合を回避することができる。

また、成型装置２００は、一対のＶブロック２０１、２０２の接近方向への移動を規制する規制部材であるスペーサ２２２を備え、一対のＶブロック２０１、２０２が所定距離よりも近づかないように規制することもできる。これにより、成型空間を狭める方向に移動された分割型同士が接触しないようにすることができる。成型空間を狭める方向に移動された分割型間の最接近距離は、例えば５０μｍである。
その結果、分割型同士の対向する面における公差を緩和することができる。また、分割型同士の意図しない接触に起因して、他の分割型間に不所望な間隙が形成されてしまうことを抑制することができるので、精度良く所望の形状を有するコイルを成型することができる。

また、本実施形態では、巻回工程から扇形成型工程への移行に際し、巻回工程後、巻回装置１００からコイル１０Ａを巻き芯部１１３ごと外して成型装置２００にセットし、扇形成型工程を行う。このように、巻き芯部１１３を独立部品として、巻回工程と扇形成型工程の両方で使用する。これにより、巻き芯からコイル１０Ａを抜かずに扇形成型工程に移行できるため、コイル１０Ａがばらけてしまうことを防止することができる。
さらに、巻き芯部１１３は、金属により構成された部品とするため、例えば巻き芯部を３Ｄ樹脂造形により作製した場合のように、導線１１を巻回した際に巻き芯部に導線１１が食い込んで抜けなくなるといった問題を回避することができる。

（変形例）
上記実施形態においては、巻回装置１００は、第１の治具１１０および第２の治具１２０をＹ方向の軸を中心に回転させて導線１１を巻回する、所謂軸回し方式を用いる場合について説明した。しかしながら、導線１１の巻回方法は上記に限定されるものではなく、例えば、導線１１の保持側である第３の治具１３０側を回転させて導線１１を巻回する、所謂フライヤー方式を用いてもよい。

また、成型装置２００において、第１の分割型２０３ａは、一方のＶブロック２０１と一体形成されていてもよい。同様に、第２の分割型２０３ｂは、他方のＶブロック２０２と一体形成されていてもよい。この場合、例えば温度変化等の影響により両者のずれが生じることを防止することができる。そのため、精度良く所望の形状を有するコイル１０を成型することができる。

さらに、成型装置２００は、第３の分割型２０３ｃおよび第４の分割型２０３ｄを、それぞれ成型空間を拡げる方向に付勢する付勢部材をさらに備えていてもよい。例えば、第３の分割型２０３ｃおよび第４の分割型２０３ｄを、それぞれ図１４の左右方向に対応する方向にスライド移動可能なスライダーに固定し、当該スライダーに上記付勢部材の一端を固定するようにしてもよい。この場合、付勢部材の他端は、Ｖブロック２０１および２０２のいずれか一方、もしくは、Ｖブロック２０１および２０２のいずれか一方と連結された他の部材に固定することができる。
このような構成により、一対のＶブロック２０１、２０２が互いに離間する方向に移動した場合、Ｖブロック２０１、２０２の移動に連動して、第３の分割型２０３ｃおよび第４の分割型２０３ｄを付勢部材によって互いに離間する方向へ移動させることができる。そのため、成型後のコイル１０の取り出しが容易となる。

また、成型装置２００は、複数の分割型２０３ａ～２０３ｄのうち、少なくとも２つ以上の移動する移動対象金型において、当該移動対象金型のそれぞれを、異なる速度で成型空間を狭める方向に移動させる構成であってもよい。つまり、成型装置２００は、分割型の成型面をコイル１０Ａに当接させるタイミングがそれぞれ異なるように構成されていてもよい。
例えば、第３の分割型２０３ｃおよび第４の分割型２０３ｄを、それぞれ図１４の左右方向に対応する方向にスライド移動可能なスライダーに固定する。そして、Ｖブロック２０１を図１４の下方向に対応する方向へ移動した際、上記スライダーに設けられたカム面と、Ｖブロック２０１もしくはＶブロック２０１に連結された他の部材に設けられたカム面とを係合させ、第３の分割型２０３ｃおよび第４の分割型２０３ｄが互いに接近するよう上記スライダーを移動させるようにする。このとき、カム面の傾斜角を適宜設定することで、Ｖブロック２０１の移動速度（第１の分割型２０３ａの移動速度）と、第３の分割型２０３ｃおよび第４の分割型２０３ｄの移動速度とを異なる速度とすることができる。
このように、分割型の成型面をコイル１０Ａに当接させるタイミングを調整することで、精度良く所望の形状を有するコイル１０を成型することができる。

また、上記実施形態においては、成型装置２００は、一対のＶブロックと４つの分割型とを備える場合について説明したが、成型装置２００の構成は上記に限定されるものではない。成型装置２００は、巻回装置１００によって形成されたコイル１０Ａが、巻き芯部１１３に巻回された状態で配置される成型空間を形成するよう配置された複数の分割型と、複数の分割型の少なくとも１つを、成型空間を狭める方向に移動する移動機構と、を備えていればよい。
例えば、成型装置２００は、相対的に進退移動可能な一対の分割型を備え、当該一対の分割型の少なくとも一方が、複数の部品に分解可能に構成されていてもよい。つまり、成型装置２００は、コイル１０の断面形状を所望の形状に成型することができ、かつ成型加工後のコイル１０を、分割型から容易に取り外すことができる構成であればよい。

１０…コイル、１０Ａ…コイル（成型前）、１１…線材（導線）、２０…ステータコア、２１…コアバック、２２…ティース、１００…巻回装置、１１０…第１の治具、１１２…第１の巻き芯部、１１３…第２の巻き芯部、１１４…凹部、１２０…第２の治具、１２４…凸部、１３０…第３の治具、２００…成型装置、２０１…Ｖブロック、２０２…Ｖブロック、２０３ａ～２０３ｄ…分割型、２２１…ボルト止め治具、２２２…スペーサ

Claims (18)

1. 線材を多層多列に巻回し、断面形状が台形形状となるコイルを形成する工程と、
   前記コイルを、複数の分割型に囲まれた成型空間に配置する工程と、
   前記成型空間を狭める方向に移動させて、前記断面形状を成型する工程と、を含み、
   前記断面形状を成型する工程では、
   前記複数の分割型の少なくとも１つを移動させ、
   前記分割型に形成された面によって、前記断面形状を扇形形状に成型し、
   前記断面形状を成型する工程では、
   前記複数の分割型として４つの分割型を用い、
   前記４つの分割型がそれぞれ有する成型面によって、前記扇形形状を構成する２つの円弧と２つの直線とに対応する面をそれぞれ成型することを特徴とする、
   コイルの製造方法。
2. 前記コイルを形成する工程では、
   １本の前記線材を多層多列に巻回することを特徴とする請求項１に記載のコイルの製造方法。
3. 前記コイルを形成する工程では、
   前記１本の線材を１方向に多層多列に巻回し、引き出し線を最外周に配置することを特徴とする請求項２に記載のコイルの製造方法。
4. 前記断面形状を成型する工程では、
   前記コイルにおける前記線材が完全整列巻きに巻回された領域の断面形状を、前記扇形形状に成型することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のコイルの製造方法。
5. 前記断面形状を成型する工程では、
   １方向からプレス荷重を印加し、前記成型空間を狭める方向に前記複数の分割型の少なくとも１つを移動させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のコイルの製造方法。
6. 前記断面形状を成型する工程では、
   前記分割型のうち少なくとも２つ以上の移動する移動対象金型において、当該移動対象金型のそれぞれを、異なる速度で前記成型空間を狭める方向に移動させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のコイルの製造方法。
7. 線材が多層多列に巻回され、断面形状が台形形状となるコイルを形成するための巻き芯部を有する巻回装置と、
   前記巻回装置によって形成された前記コイルの断面形状を成型する成型装置と、を備え、
   前記成型装置は、
   前記巻回装置によって形成された前記コイルが、前記巻き芯部に巻回された状態で配置される成型空間を形成するよう配置された複数の分割型と、
   前記複数の分割型の少なくとも１つを、前記成型空間を狭める方向に移動する移動機構と、を有し、
   前記分割型に形成された面によって、前記コイルの断面形状を扇形形状に成型し、
   相対的に進退移動可能であり、Ｖ溝を対向配置した一対のＶブロックをさらに備え、
   前記複数の分割型は、
   前記一対のＶブロックの一方の前記Ｖ溝に固定された第１の分割型と、
   前記一対のＶブロックの他方の前記Ｖ溝に固定された第２の分割型と、
   前記一対のＶブロックの前記Ｖ溝の一方の面とそれぞれ摺接する第３の分割型と、
   前記一対のＶブロックの前記Ｖ溝の他方の面とそれぞれ摺接する第４の分割型と、により構成されていることを特徴とする
   コイルの製造装置。
8. 前記一対のＶブロックの一方と前記第１の分割型とが一体形成され、
   前記一対のＶブロックの他方と前記第２の分割型とが一体形成されていることを特徴とする請求項７に記載のコイルの製造装置。
9. 前記第１の分割型および前記第２の分割型は、前記扇形形状を構成する円弧に対応する円弧面を成型する成型面をそれぞれ有し、
   前記成型面は、前記コイルにおける前記線材が完全整列巻きに巻回された領域と接触することを特徴とする請求項７または８に記載のコイルの製造装置。
10. 前記成型装置は、
    前記第３の分割型および前記第４の分割型を、それぞれ前記成型空間を拡げる方向に付勢する付勢部材をさらに備えることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載のコイルの製造装置。
11. 前記成型装置は、
    前記一対のＶブロックの接近方向への移動を規制する規制部材をさらに備えることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載のコイルの製造装置。
12. 前記複数の分割型は、相対的に進退移動可能な一対の分割型であり、
    前記一対の分割型の少なくとも一方は、複数の部品に分解可能に構成されていることを特徴とする請求項７に記載のコイルの製造装置。
13. 前記巻回装置は、
    前記巻き芯部を回転させながら回転軸方向に往復移動させる回転移動機構と、
    前記巻き芯部の所定の巻回位置に前記線材を供給する線材供給機構と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項７から１２のいずれか１項に記載のコイルの製造装置。
14. 前記巻き芯部は、
    前記線材における巻き始め端部が配置される凹部と、
    前記コイルの第１列を最外周から最内周まで順に巻回するための階段状の第１の巻き芯部と、
    第２列以降の各層を巻回するための第２の巻き芯部と、を備えることを特徴とする請求項１３に記載のコイルの製造装置。
15. 前記巻き芯部は、前記コイルの軸方向端部に対応する位置に、前記コイルの層間に生じ
    得る間隙に挿入可能な凸部をさらに備えることを特徴とする請求項１３または１４に記載のコイルの製造装置。
16. 請求項１から６のいずれか１項に記載のコイルの製造方法により製造され、ステータに取り付けられるコイルであって、
    前記ステータのスロット内における前記コイルの断面形状が扇形形状であることを特徴とするコイル。
17. 前記スロット内における前記コイルの断面形状が、
    前記ステータのコアバックとは中心が異なる２つの同心の円弧と、当該２つの円弧の端部をそれぞれ結ぶ直線と、からなる扇形形状であり、
    上記２つの円弧のティース側端部を結ぶ直線が、ティースの形状に沿った直線であることを特徴とする請求項１６に記載のコイル。
18. 所定方向に延びる中心軸を中心とするシャフトと、
    前記シャフトに固定されたロータと、
    ステータと、を備え、
    前記ステータは、
    環状のコアバックと、
    前記コアバックから径方向に突出するティースと、
    前記ティースに巻回されたコイルと、
    を有し、
    前記コイルは、請求項１６または１７に記載のコイルであることを特徴とするモータ。
    

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