JP7210128B2 - 回転電機、亀甲形コイルの製造方法および亀甲形コイルの製造装置 - Google Patents

Description

この発明は、亀甲形コイルを備えた回転電機、亀甲形コイルの製造方法および亀甲形コイルの製造装置に関する。

従来、電動機または発電機として使用される、分布巻きの回転電機であって、隣り合うコイルエンド部が当たらないように、台形形状の原形コイルから亀甲形コイルに成形された回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－２０７８４０号公報

しかしながら、成形された亀甲形コイルが層ごとに分けて成形されていないため、巻枠に原形コイルが形成された状態で、原形コイルを成形することによって、亀甲形コイルにおけるスロットに挿入される部分である直線部において亀甲形コイルが交差する。これにより、スロットにおける亀甲形コイルの占積率が低くなってしまうという課題があった。

この発明は、スロットにおける亀甲形コイルの占積率を向上させることができる回転電機、亀甲形コイルの製造方法および亀甲形コイルの製造装置を提供するものである。

この発明に係る回転電機は、電機子鉄心のスロットに電機子巻線が挿入された電機子を有する回転電機であって、電機子巻線は、コイル素線が複数回巻き回された亀甲形コイルであり、亀甲形コイルは、スロットに挿入される一対の直線部と、一対の直線部を繋ぐ一対のコイルエンド部とを有し、亀甲形コイルは、電機子鉄心の周方向に分割された複数の層を有し、互いに異なる層におけるそれぞれのコイル素線は、電機子鉄心の径方向に見た場合にスロットの内部で互いに交差しないように配置されている。

この発明に係る回転電機によれば、亀甲形コイルは、スロットに挿入される一対の直線部と、一対の直線部を繋ぐ一対のコイルエンド部とを有し、周方向に分割された複数の層を有しているので、スロットにおける亀甲形コイルの占積率を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す部分断面図である。 図１の回転電機の要部を示す平面図である。 図１の固定子巻線を示す斜視図である。 図２の１つのスロットとスロットに挿入された固定子巻線とを示す図である。 図１の固定子巻線の製造方法を示すフローチャートである。 固定子巻線を製造する製造装置を示す斜視図である。 図６のコイルエンド部櫛歯および芯棒を示す平面図である。 図７のコイルエンド部櫛歯および芯棒を示す斜視図である。 固定子巻線の参考例を示す図である。 固定子巻線を示す図である。 図６の製造装置を用いて六角形状コイルから亀甲形コイルに成形する様子を示す斜視図である。 図１の固定子鉄心および固定子巻線の要部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る製造装置を示す斜視図である。 図１３の製造装置を用いて製造された固定子巻線を示す斜視図である。 図１３のコイルエンド部櫛歯および芯棒を示す平面図である。 図１４の固定子巻線の製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の各実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は、同一または対応する部分を示している。

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部分断面図、図２は図１の回転電機の要部を示す平面図である。この発明の実施の形態１に係る回転電機１００は、有底円筒状のフレーム１１およびフレーム１１の開口部を塞ぐ端板１２を有するハウジング１と、フレーム１１の内側に嵌められた状態で固定された電機子である固定子２と、フレーム１１の底部および端板１２に設けられた一対のベアリング３と、それぞれのベアリング３に回転可能に支持された回転軸４と、回転軸４に固定され、固定子２の内側に配置された回転子５とを備えている。図２では、固定子２および回転子５の要部を軸方向から視た図を示している。

回転軸４は、回転電機１００の軸心位置に配置されている。回転子５は、回転軸４に固定された回転子鉄心５１と、回転子鉄心５１の外周面側に埋め込まれ、周方向に予め設定されたピッチで配列された複数の永久磁石５２とを有している。永久磁石５２は、回転子５の磁極を構成している。したがって、回転子５は、永久磁石型回転子となっている。

なお、回転子５は、永久磁石型回転子に限らない。例えば、回転子５は、回転子鉄心５１の外径側に等間隔に形成された回転子スロットに銅製のバーが挿入されたかご型回転子であってもよい。また、回転子５は、アルミダイキャストによって回転子スロットに導体を充填させ、さらに、回転子５の軸方向端面に設けられた短絡環を用いて、回転子スロットに充填された導体同士を短絡させたかご型回転子であってもよい。

また、回転子５は、回転子鉄心５１の外径側に等間隔に形成された回転子スロットに絶縁された導体線が巻き回されることによって構成される巻線型回転子であってもよい。また、回転子５は回転子鉄心５１に固定子２と同数の突極性を有し、リラクタンスの差によって発生するトルクを用いて回転子５が回転するリラクタンス型回転子であってもよい。

また、図１では両持ちの回転電機１００を示しているが、これに限らず、片持ちの回転電機であってもよい。

固定子２は、電機子鉄心である固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の内径側に等間隔に形成されたスロット２２に挿入された電子機巻線である固定子巻線２３とを有している。固定子鉄心２１には、複数のスロット２２が周方向に等間隔に並べて配置されている。それぞれのスロット２２に固定子巻線２３が挿入されている。固定子鉄心２１は、予め設定された枚数の電磁鋼板が積層されることによって作製されている。積層された電磁鋼板同士の接合は、外径側を軸方向に溶接してもよいし、積層間をカシメによって固定してもよいし、積層間に接着剤を塗布して接着固定してもよい。

次に、固定子鉄心２１に挿入される固定子巻線２３の構成について説明する。図３は図１の固定子巻線２３を示す斜視図、図４は図２の１つのスロット２２とスロット２２に挿入された固定子巻線２３とを示す図である。固定子巻線２３は、１層あたり１０個のコイル素線から構成されている。また、固定子巻線２３は、連続した１１層のコイルとなっている。固定子巻線２３は、スロット２２に挿入される一対の直線部２３１と、一対の直線部２３１のそれぞれの両端部を繋ぐ一対のコイルエンド部２３２とを有している。

この例では、一対の直線部２３１の中の一方を第１直線部２３１ａとし、他方を第２直線部２３１ｂとする。また、この例では、一対のコイルエンド部２３２の中の一方を第１コイルエンド部２３２ａとし、他方を第２コイルエンド部２３２ｂとする。

それぞれのコイルエンド部２３２は、一対の直線部２３１のそれぞれの端部から直線部２３１が延びる方向に対して傾斜する方向に延びる一対の斜辺部２３３と、隣り合う斜辺部２３３に渡って設けられ、中間部が斜辺部２３３から離れる方向に湾曲するノーズ部２３４とを有している。コイルエンド部２３２における一対の斜辺部２３３は、直線部２３１の端部から離れるにつれて先端部が互いに近づく方向に延びている。

固定子巻線２３は、亀甲形コイルとなっている。固定子２は、亀甲形コイルの形状を維持する形状維持部材であるテープ２３５をさらに有している。固定子巻線２３の亀甲形状は、テープ２３５を用いて保持されている。テープ２３５を用いて固定される各層のコイルの部分、つまり、固定子巻線２３におけるテープ２３５が取り付けられる箇所は、一対のコイルエンド部におけるそれぞれの斜辺部２３３の中で、互いに対角線上に配置された一対の斜辺部２３３のみとなっている。

テープ２３５は、絶縁材料から構成されることが望ましい。また、テープ２３５は、片面が粘着層となっているフィルム状のポリイミドでもよいし、薄いメタ系アラミド繊維でまとめた後に接着剤で固める構成であってもよい。

固定子巻線２３は、スロット２２の中において、層ごとに分かれて配置されている。したがって、固定子巻線２３のコイル素線同士が交差することがない。図４において層を区切っている線Ａは、仮想の線であり、実際には存在しない。

なお、図４における固定子巻線２３のコイル素線の整列は、一例であり、コイルエンド部を２か所のみで固定していることからも、実際には、スロット２２の内部でのコイル素線の自由度は高く、コイル素線同士の俵積みのように占積率が高くなるようになっている。実施の形態１では、１層あたりのコイル素線の個数を１０個とし、固定子巻線２３の層数を１１層としたが、スロット２２の形状に合わせて、これらの組み合わせを自由に変更してもよい。

次に、固定子２の製造方法について説明する。図５は図１の固定子巻線２３の製造方法を示すフローチャートである。固定子巻線２３の製造方法は、導体線を巻き回すことによって、複数層の平面形状の六角形状コイルを重ねた状態で形成する巻線工程Ｓ１０１と、巻線工程Ｓ１０１を経て造られた六角形状コイルを広げ、固定子巻線２３の形状にする成形工程Ｓ１０２と、成形した固定子巻線２３の斜辺部２３３を、テープ２３５を用いて固定する固定工程Ｓ１０３とを備えている。

図６は固定子巻線２３を製造する製造装置を示す斜視図である。亀甲形コイルの製造装置である製造装置６は、コイル素線を層ごとに分けるための、コイルエンド部櫛歯６１および直線部櫛歯６２を備えている。コイルエンド部櫛歯６１には、コイル素線におけるコイルエンド部２３２となる部分が配置される。直線部櫛歯６２には、コイル素線における直線部２３１となる部分が配置される。

また、製造装置６は、六角形状コイルにおける一方の直線部２３１と他方の直線部２３１とを、直線部櫛歯６２を直線部２３１に対して垂直の方向に相追移動させて、六角形状コイルから亀甲形コイルに成形する成形機構と、六角形状コイルにおける一方の直線部２３１と他方の直線部２３１とを、直線部２３１に対して垂直の方向に相追移動させる時に、コイルエンド部櫛歯６１を六角形状コイルの内側に引き寄せる引寄機構とを備えている。

また、製造装置６は、コイル素線の位置が幅方向にずれないようにコイル素線を誘導するコイル素線誘導溝６３と、コイルエンド部櫛歯６１を固定し、亀甲形コイルの成形時に亀甲形コイルの径方向の寸法を変えるための芯棒６４と、コイルエンド部櫛歯６１、直線部櫛歯６２および芯棒６４を支持する巻枠プレート６５と、巻枠プレート６５を回すモータ６６とを備えている。コイルエンド部櫛歯６１、直線部櫛歯６２、芯棒６４および巻枠プレート６５から巻枠６７が構成されている。

この例では、図６に示すように、芯棒６４に対して平行な方向をＸ方向とし、巻枠プレート６５に対して平行な方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれに対して垂直な方向をＺ方向とする。直線部櫛歯６２は、コイル素線がＺ方向について飛び出さないように、Ｚ方向の寸法が大きく設定されている。なお、製造装置６は、直線部櫛歯６２のＺ方向の寸法を小さくして、さらに、直線部櫛歯６２をＺ方向外側から塞ぐ蓋を備えてもよい。

モータ６６は、図６の矢印Ｂの方向の回転力を出力し、巻枠６７を矢印Ｂの方向に回転させる。

コイルエンド部櫛歯６１には、コイルエンド部２３２が設けられる。直線部櫛歯６２は、４か所に設けられている。直線部櫛歯６２には、一方の直線部２３１における両端部分であるコイルエンド部２３２側の部分と、他方の直線部２３１における両端部分であるコイルエンド部２３２側の部分とが設けられる。

図７は図６のコイルエンド部櫛歯６１および芯棒６４を示す平面図、図８は図７のコイルエンド部櫛歯６１および芯棒６４を示す斜視図である。コイルエンド部櫛歯６１の数は、固定子巻線２３の層数に１を加えた数となっている。コイルエンド部櫛歯６１のピッチは、芯棒６４に設けられたワッシャ６８の厚さ方向の寸法で決められる。

また、並べられた複数のコイルエンド部櫛歯６１における直線部櫛歯６２側の面は、上方から視た場合に、固定子巻線２３の層分だけコイルエンド部櫛歯６１の隣り合う方向に対して斜めに形成されている。これは、巻枠６７の構成を簡略化するためである。図９に示すように、円弧の中心をＣの１点とすると、内径側と外径側とで固定子巻線２３の円弧の径が変化し、コイルエンド部櫛歯６１の厚さを層ごとに１枚ずつ変える必要がある。一方、図１０に示すように、層ごとに円弧の中心を設定することで、内径側と外径側とで固定子巻線２３の円弧の径が一定となり、コイルエンド部櫛歯６１の厚さ方向の寸法を一定にすることができる。並べられた複数のコイルエンド部櫛歯６１における直線部櫛歯６２側の面は、上方から視た場合に、複数のコイルエンド部櫛歯６１の中で円弧の中心に近い側が、円弧の中心から遠い側よりも直線部櫛歯６２から離れて配置されている。

それぞれのコイルエンド部櫛歯６１の形状は、コの字形状となっており、芯棒６４を挟むようにして、芯棒６４に取り付けられる。それぞれのコイルエンド部櫛歯６１には、芯棒６４の径方向に垂直な直線に沿って離れて設けられた一対の突起部６１１が形成されている。コイルエンド部櫛歯６１を芯棒６４に取り付ける場合には、ワッシャ６８と同じ厚さの区切りをもつクランプで一対の突起部６１１を挟み、ワッシャ６８にコイルエンド部櫛歯６１を取り付ける。その後、芯棒６４の軸方向に離れて配置された一対のナット６９を芯棒６４に締め付けることによって、コイルエンド部櫛歯６１をワッシャ６８に固定する。コイルエンド部櫛歯６１を芯棒６４から取り外す場合には、ワッシャ６８と同じ厚さの区切りをもつクランプで一対の突起部６１１を挟み、ナット６９を緩ませて、隣り合うコイルエンド部櫛歯６１の間の隙間が大きく変わらないようにコイルエンド部櫛歯６１を芯棒６４から取り外す。

次に、製造装置６の機構について説明する。図１１は図６の製造装置を用いて六角形状コイルから亀甲形コイルに成形する様子を示す斜視図である。巻枠プレート６５は、Ｘ方向について正方向および負方向にそれぞれ１つずつ左側プレート６５Ｌおよび図示しない右側プレートを有している。左側プレート６５ＬはＸ方向に相追移動できる機構となっている。ここで、相追移動とは、六角形状コイルにおける一方の直線部２３１を固定して、他方の直線部２３１をＸ方向に移動させてもよいし、一方の直線部２３１を固定せずに相対的に他方の直線部２３１を移動させてもよい。製造装置６は、相追移動と同時に、コイルエンド部櫛歯６１が六角形状コイルの内側に引き寄せられる引寄機構を有している。

巻線工程Ｓ１０１において、コイルエンド部櫛歯６１と直線部櫛歯６２とを含む六角形状の巻枠６７に対して、コイル素線誘導溝６３にアルミニウム、銅などの導体線の外周面にエナメル層の絶縁被膜が付いたコイル素線を通し、一方のコイルエンド部櫛歯６１、一方の直線部櫛歯６２におけるＺ方向一方部、他方の直線部櫛歯６２におけるＺ方向一方部、他方のコイルエンド部櫛歯６１、他方の直線部櫛歯６２におけるＺ方向他方部、一方の直線部櫛歯６２におけるＺ方向他方部、コイルエンド部櫛歯６１の順にコイル素線を巻き回して、平面状の六角形状の巻線中間体２４を造る。巻線中間体２４が六角形状コイルである。この時、コイルエンド部櫛歯６１および直線部櫛歯６２のそれぞれにおける歯と歯との間の溝は、コイル素線が１本だけ入る隙間となっている。したがって、コイルエンド部櫛歯６１および直線部櫛歯６２のそれぞれの溝に一列に整列して並んだコイルが、溝の数だけ並べて形成される。

成形工程Ｓ１０２において、六角形状コイルの一方の直線部２３１と他方の直線部２３１とを直線部２３１に対して垂直の方向に相追移動させる。この時、製造装置６の構成によって、コイルエンド部櫛歯６１が六角形状コイルの内側に引き寄せられることで、亀甲形コイルである固定子巻線２３が成形される。固定子巻線２３の成形が完了した後、固定工程Ｓ１０３において、固定子巻線２３の斜辺部２３３にテープ２３５を巻き付けて、固定子巻線２３を固定し、固定子巻線２３が完成する。

図１２は図１の固定子鉄心２１および固定子巻線２３の要部を示す斜視図である。固定子巻線２３が完成した後、固定子鉄心２１のスロット２２に固定子巻線２３を挿入する。固定子巻線２３をスロット２２に挿入する時、図に示すように、固定子鉄心２１と固定子巻線２３とを絶縁するためにスロットセル２５を固定子巻線２３の直線部２３１に巻き付ける。

固定子巻線２３をスロット２２に挿入する時、固定子巻線２３は斜辺部２３３でのみ固定されているため、スロット２２の開口幅Ｃに合わせて固定子巻線２３の直線部２３１を細くすることができ、固定子巻線２３をスロット２２に挿入することができる。

固定子巻線２３をスロット２２に順次挿入し、最後に挿入された固定子巻線２３と、最初に挿入した固定子巻線２３の下側に挿入させるため、最初に挿入した固定子巻線２３を変形させて、最後の固定子巻線２３を挿入する一般的に上げコイルと呼ばれる方法によって、固定子２が完成する。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る回転電機１００によれば、亀甲形コイルは、周方向に分割された複数の層を有しているので、層ごとに分けられた亀甲形コイルは、スロット２２の内部でコイル素線が交差しない。その結果、スロット２２におけるコイル素線の占積率が向上され、かつ、コイル素線同士の接触によるコイル素線の断面変形が低減され、コイル素線の断線および絶縁不良を低減させることができる。

また、互いに対角線上に配置された一対の斜辺部２３３がテープ２３５を用いて固定されるので、固定子巻線２３における２か所のみが固定される。これにより、作業工程を削減することができ、固定子巻線２３におけるスロット２２に挿入される部分の形状の自由度が増大し、固定子巻線２３の挿入が容易となる。その結果、占積率を向上させることができる。

また、この発明の実施の形態１に係る亀甲形コイルの製造方法によれば、コイル素線を層ごとに分けるためのコイルエンド部櫛歯６１および直線部櫛歯６２を含む六角形状の巻枠６７にコイル素線を巻き回す巻線工程と、六角形状コイルにおける一方の直線部２３１と他方の直線部２３１とを直線部２３１に対して垂直な方向に相追移動させると同時に、コイルエンド部櫛歯６１が六角形状コイルの内側に引き寄せられる成形工程とを備えているので、層ごとに分けられた亀甲形コイルは、スロット２２の内部でコイル素線が交差しない。その結果、スロット２２におけるコイル素線の占積率が向上され、かつ、コイル素線同士の接触によるコイル素線の断面変形が低減され、コイル素線の断線および絶縁不良を低減させることができる。

また、この亀甲形コイルの製造方法は、亀甲形コイルにおける斜辺部２３３を固定する固定工程を備えているので、固定子巻線２３におけるスロット２２に挿入される部分の形状の自由度が増大し、固定子巻線２３の挿入が容易となる。その結果、占積率を向上させることができる。

また、この発明の実施の形態１に係る亀甲形コイルの製造装置６によれば、亀甲形コイルを層ごとに分けるためのコイルエンド部櫛歯６１および直線部櫛歯６２と、直線部櫛歯６２を六角形状コイルの一方の直線部２３１に対して垂直な方向に相追移動させて、六角形状コイルから亀甲形コイルに成形する成形機構と、直線部櫛歯６２を相追移動させる時に、コイルエンド部櫛歯６１を六角形状コイルの内側に引き寄せる引寄機構とを備えているので、スロット２２におけるコイル素線の占積率が向上され、かつ、コイル素線同士の接触によるコイル素線の断面変形が低減され、コイル素線の断線および絶縁不良を低減させることができる亀甲形コイルを製造することができる。

また、この亀甲形コイルの製造装置６は、層ごとに分けて巻き回した六角形状コイルを巻枠６７から外すことなく、層ごとに分けたまま亀甲形コイルに成形することができる。これにより、コイル素線同士が交差することなく、亀甲形コイルが成形されるため、スロット２２の内部でコイル素線が交差せず、スロット２２におけるコイル素線の占積率が向上され、かつ、コイル素線の断面変形を低減させることができる。

実施の形態２．
図１３はこの発明の実施の形態２に係る製造装置を示す斜視図、図１４は図１３の製造装置を用いて製造された固定子巻線２３を示す斜視図、図１５は図１３のコイルエンド部櫛歯６１および芯棒６４を示す平面図である。実施の形態２では、実施の形態１と比較して、亀甲形コイルの製造装置である製造装置６の構造が３連続巻きを行う構造となっているが、必要に応じて、連続巻きの数を変更してもよい。

図１６は図１４の固定子巻線２３の製造方法を示すフローチャートである。実施の形態２における基本的な製造方法は、実施の形態１と同様である。実施の形態２における実施の形態１と異なる点は、１１層分の１巻線目のコイル素線を巻き回す巻線工程Ｓ２０１の後、２巻線目に入るためにＸ方向に巻枠６７を移動させ、コイル素線を巻き回す巻線工程Ｓ２０２と、３巻線目のコイル素線を巻き回す巻線工程Ｓ２０３とを行う点である。これによって、３連続巻きの六角形状コイルが完成する。この六角形状コイルを実施の形態１と同様に、成形工程Ｓ２０４と、固定工程Ｓ２０５とを行うことによって、３連続巻きの固定子巻線２３が完成する。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る亀甲形コイルの製造方法によれば、複数の巻線工程を備えているので、連続巻きの亀甲形コイルを製造することができる。

１ ハウジング、２ 固定子、３ ベアリング、４ 回転軸、５ 回転子、６ 製造装置、１１ フレーム、１２ 端板、２１ 固定子鉄心、２２ スロット、２３ 固定子巻線、２４ 巻線中間体、２５ スロットセル、５１ 回転子鉄心、５２ 永久磁石、６１ コイルエンド部櫛歯、６２ 直線部櫛歯、６３ コイル素線誘導溝、６４ 芯棒、６５ 巻枠プレート、６６ モータ、６７ 巻枠、６８ ワッシャ、６９ ナット、１００ 回転電機、２３１ 直線部、２３１ａ 第１直線部、２３１ｂ 第２直線部、２３２ コイルエンド部、２３２ａ 第１コイルエンド部、２３２ｂ 第２コイルエンド部、２３３ 斜辺部、２３４ ノーズ部、２３５ テープ。

Claims (3)

1. コイル素線が巻き回された平面形状の六角形状コイルから立体形状の亀甲形コイルを成形する亀甲形コイルの製造方法であって、
   前記コイル素線を層ごとに分けるためのコイルエンド部櫛歯および直線部櫛歯を含む六角形状の巻枠にコイル素線を巻き回す巻線工程と、
   前記六角形状コイルの一対の直線部における一方の前記直線部と他方の前記直線部とを前記直線部に対して垂直な方向に相追移動させると同時に、前記コイルエンド部櫛歯を前記六角形状コイルの内側に引き寄せる成形工程と
   を備えた亀甲形コイルの製造方法。
2. 前記亀甲形コイルにおける斜辺部を固定する固定工程をさらに備えた請求項１に記載の亀甲形コイルの製造方法。
3. コイル素線が巻き回された平面形状の六角形状コイルから立体形状の亀甲形コイルに成形する亀甲形コイルの製造装置であって、
   前記コイル素線を層ごとに分けるためのコイルエンド部櫛歯および直線部櫛歯と、
   前記直線部櫛歯を、前記六角形状コイルの一対の直線部に対して垂直な方向に相追移動させて、前記六角形状コイルから前記亀甲形コイルに成形する成形機構と、
   前記直線部櫛歯を相追移動させる時に、前記コイルエンド部櫛歯を前記六角形状コイルの内側に引き寄せる引寄機構と
   を備えている亀甲形コイルの製造装置。

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