JP7263890B2 - 電機子 - Google Patents

Description

本発明は、鉄心に巻回された巻線を有する電機子に関するものである。

回転電機の電機子として鉄心に巻線が巻回された構造のものがある（例えば特許文献１参照）。
特許文献１には、巻線を構成するコイル線として断面矩形状のものを用いることが提案されている。特許文献１に記載の電機子では、コイル線が鉄心のスリット内で同鉄心の径方向において直線状に並ぶ態様で巻線が配置されている。これにより、巻線全体の断面形状が矩形状になるように断面矩形状のコイル線が配置されるため、巻線の占積率が高くなる。

特開２０１６－１７４４４０号公報

ここで、巻線全体の断面が矩形以外の形状（例えば台形状など）になる場合には、単に断面矩形状のコイル線を用いるようにしても、同コイル線が配置されない空隙部分が形成されてしまい、同空隙部分が形成される分だけ巻線の占積率が低くなってしまう。上記電機子は、この点において改善の余地を残すものになっている。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、巻線の占積率を高くすることのできる電機子を提供することにある。

上記課題を解決するための電機子は、鉄心と同鉄心に巻回された巻線とを有する電機子において、前記巻線における前記鉄心を貫通して延びる部分は、断面矩形状をなす複数本の分岐線部が平行に延びる態様で並ぶ構造をなしており、前記巻線における前記鉄心の外部で延びる部分は、前記複数本の分岐線部の一部が束ねられるとともに１本のコイル線をなす態様で一体に接合された構造の接合部を有している。

上記構成によれば、巻線を構成するコイル線における鉄心を貫通して延びる部分は複数本の分岐線部に分割された分割構造にすることができ、同コイル線における鉄心の外部で延びる部分は複数本の分岐線部を１本にまとめて接合した一体構造にすることができる。これにより、同一断面のコイル線が巻回された構造の巻線と比較して、巻線における鉄心を貫通して延びる部分を構成する金属線（分岐線部）を細くすることができる。そのため、巻線全体の断面形状に合わせて、分岐線部が配置されない部分が少なくなる態様で分岐線部を配置することができる。したがって、巻線の占積率を高くすることができる。

本発明によれば、巻線の占積率を高くすることができる。

一実施形態のステータの斜視図。 ステータの磁極歯およびその周辺を拡大して示す断面図。 １本に束ねられる分岐線部の組み合わせ態様を示す略図。 ステータコイルの形成に用いられる金属線の斜視図。 ステータコアへのステータコイルの組付過程におけるコイル線の斜視図。 ステータコアにおける極磁極部とスリット配置部との関係を説明する説明図。 他の実施形態におけるステータコアへのステータコイルの組付過程におけるコイル線の斜視図。

以下、電機子の一実施形態について説明する。
図１に示すように、電機子としてのステータ１０は、鉄心としてのステータコア１１や、巻線としてのステータコイル１２を有している。なお本実施形態のステータ１０は、電動機の固定子である。

ステータコア１１は略円筒状をなしている。このステータコア１１は、詳しくは、中心孔を有する円板状の金属板が複数枚（例えば数百枚）積層された積層構造をなしている。
図１および図２に示すように、ステータコア１１には、その中心線Ｌが延びる方向（以下、中心線Ｌ方向）に貫通するスリット２０が複数設けられている。各スリット２０は、ステータコア１１の内周面において開口するとともに同ステータコア１１の径方向に延びる形状をなしている。各スリット２０の断面形状は、上記ステータコア１１の外周側ほど幅広の三段の階段状になっている。複数のスリット２０は、ステータコア１１の周囲方向において等間隔で並ぶように配置されている。

ステータコイル１２は集中巻のものであり、ステータコア１１における隣り合うスリット２０に挟まれた部分である磁極歯２１に巻回されたコイル状をなしている。詳しくは、ステータコイル１２は、磁極歯２１の周囲で環状をなすように、同磁極歯２１に複数回にわたって巻回されている。ステータコイル１２の形成材料はアルミニウムである。

ステータコイル１２における上記ステータコア１１を貫通して延びる部分は、断面矩形状をなす複数本の分岐線部３１が平行に延びるように並んだ状態になっている。これら分岐線部３１は、配置範囲の外形が上記ステータコア１１の外周側ほど幅広の三段の階段状になる態様でスリット２０内に配置されている。詳しくは、各スリット２０の内部には、ステータコア１１の内周側から順に、同ステータコア１１の周方向に４本の分岐線部３１が並ぶ第一列および第二列、５本の分岐線部３１が並ぶ第三列および第四列、６本の分岐線部３１が並ぶ第五列および第六列となるように、径方向において六列に並ぶ態様で３０本の分岐線部３１が配置されている。

本実施形態では、複数の分岐線部３１の配置範囲の外形が上記ステータコア１１のスリット２０の断面形状と略同一になっている。そして、配置範囲の外形が階段状をなす分岐線部３１が、階段状の断面形状をなすスリット２０の内部にぴったり納まるように配置されている。

ステータコイル１２における上記ステータコア１１の外部で延びる部分は、複数本（本実施形態では３本）の分岐線部３１が束ねられた状態で、１本のコイル線をなす態様で一体に接合された構造になっている。本実施形態では、図３に示す１０通りの組み合わせ（図３中に「Ａ」で示す３本、「Ｂ」で示す３本、・・・「Ｊ」で示す３本）で、各スリット２０内に配置される３０本の分岐線部３１のうちの３本が束ねられて一体に接合される。

ステータコア１１にステータコイル１２を組み付ける作業は以下の手順で行われる。
この作業では先ず、図４に示すように、断面矩形状で直線状に延びる金属線３０が多数（本実施形態では、３６０本）用意される。そして、この金属線３０はステータコア１１（図２参照）の各スリット２０に３０本ずつ差し込まれる。

その後、図５に一例を示すように、同一のスリット２０内に配置された３０本の金属線３０のうちの３本を束ねた状態で、それら金属線３０の両端部をプレス加工によって再成形することによって、３本の金属線３０の両端部に１本のコイル線をなす接合部３２が形成される。こうした作業が、図３に示す１０通りの組み合わせ（図３中に「Ａ」～「Ｊ」で示す３本セット）について各別に行われる。本実施形態のプレス加工は、接合部３２の先端側の部分を断面円形状にする態様であって、且つ、同接合部３２の中間部分側の部分の断面形状を、先端側に向かうに連れて、単に３本の分岐線部３１を束ねた形状から円形状に変化する形状にする態様で実行される。

本実施形態では、３本の金属線３０における延設方向（図５の上下方向）の中間部分は、プレス加工によって再成形されない部分であり、３本の金属線３０のままの状態で前記分岐線部３１としてステータコア１１のスリット２０内に配置される。一方、３本の金属線３０における延設方向（図５の上下方向）の両端部は、プレス加工によって一体に成形された接合部３２として、スリット２０の外部に配置される。

その後、各接合部３２の先端側の部分が予め定められた所定形状に曲げられるとともに、それら接合部３２の先端同士が接合（溶接）される。これにより、コイル状のステータコイル１２（図１参照）が形成される。

以下、本実施形態のステータ１０による作用について説明する。
本実施形態のステータ１０では、ステータコイル１２を構成するコイル線における同ステータコア１１を貫通して延びる部分（具体的には、分岐線部３１）が、同コイル線を３本に分割した分割構造になっている。その一方で、ステータコイル１２を構成するコイル線におけるステータコア１１の外部で延びる部分（具体的には、接合部３２）は、３本の分岐線部３１を１本のコイル線になるように束ねて接合した一体構造になっている。

そのため、同一断面のコイル線が巻回された構造のステータコイルと比較して、ステータコイル１２におけるステータコア１１を貫通して延びる各部分（具体的には、分岐線部３１）を細くすることができる。これにより、複数本の分岐線部３１の配置範囲内において同分岐線部３１の位置を細かく設定することができるようになるため、ステータコイル１２全体の断面形状に合わせて、分岐線部３１が配置されない部分が少なくなる態様で複数本の分岐線部３１を配置することができるようになる。したがって、ステータコイル１２の占積率を高くすることができる。

しかも本実施形態では、複数の分岐線部３１の配置範囲の外形が上記ステータコア１１のスリット２０の断面形状と略同一になっており、複数本の分岐線部３１がスリット２０の内部にぴったり納まるように配置されている。これにより、ステータコイル１２（詳しくは、分岐線部３１）の外面とスリット２０の内面との隙間が小さくなっており、同ステータコイル１２の占積率が高くなっている。また、こうした配置構造によって、スリット２０内におけるステータコイル１２の各部の位置ずれが抑えられている。

ここで、図６に示すように、ステータコア５０におけるステータコイルが巻回される部分（以下、極磁極５１）を通る磁力は、同極磁極５１の断面積、詳しくは各部の断面積のうちの最小値によって定まる。そのため、極磁極５１に磁力を通すうえで同極磁極５１を無駄なく利用するためには、極磁極５１の形状を径方向において同一断面で延びる形状にすることが好ましい。一方、ステータコア５０においてスリット５２を配設可能な部分（以下、スリット配置部５２Ａ）は、隣り合う上記極磁極５１に挟まれた部分になる。このスリット配置部５２Ａは、上記極磁極５１の形状を径方向において同一断面で延びる形状（図６に示す形状）にした場合には、中心線Ｌを中心とする円弧状になる。そして、電動機のトルクアップを図るためには、スリット５２の断面形状を上記スリット配置部５２Ａ内にぴったり納まる形状にするとともに、ステータコイルにおけるスリット５２を貫通する部分の占積率を高くして、同ステータコイルを構成するコイル線の巻回し量を多くすることが好ましい。

この点、本実施形態では、図２に示すように、各スリット２０の断面形状と、同一のスリット２０に配置される３０本の分岐線部３１の配置範囲の外形とが共に、上記ステータコア１１の外周側ほど幅広の三段の階段状になっている。そのため、各スリット２０の断面形状と分岐線部３１の配置範囲の外形とを、電動機のトルクアップを図るうえで有効な形状、すなわち中心線Ｌを中心とする円弧状（図６参照）に近い形状にすることができる。しかも本実施形態では、複数本の分岐線部３１がスリット２０の内部にぴったり納まるように配置されているため、ステータコイル１２の占積率を高くすることができる。このように本実施形態のステータ１０によれば、電動機のトルクアップを図るうえでステータコア１１各部のスペースを効率よく利用する態様で、ステータコア１１の各部に磁極歯２１やスリット２０を配置することができる。

本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られる。
（１）ステータコイル１２を構成するコイル線における同ステータコア１１を貫通して延びる部分は、同コイル線を３本に分割した分割構造になっている。また、ステータコイル１２を構成するコイル線におけるステータコア１１の外部で延びる部分は、３本の分岐線部３１を１本のコイル線になるように束ねて接合した一体構造になっている。そのため、ステータコイル１２の占積率を高くすることができる。

（２）接合部３２の先端側の部分は、断面円形状になっている。そのため、接合部の先端側の部分が複雑な構造である場合と比較して、ステータコア１１へのステータコイル１２の組み付けに際してコイル線における接合部３２を曲げる曲げ加工や、コイル線における接合部３２同士を接合する接合加工を容易に行うことができる。

（３）複数本の分岐線部３１を、配置範囲の外形が外周側ほど幅広の階段状になる態様で配置した。そのため、電動機のトルクアップを図るうえで、ステータコア１１各部のスペースを効率よく利用する態様で、ステータコア１１の各部に磁極歯２１およびステータコイル１２を配置することができる。

（４）複数の分岐線部３１の配置範囲の外形を上記ステータコア１１のスリット２０の断面形状と略同一にするとともに、複数本の分岐線部３１をスリット２０の内部にぴったり納まるように配置した。そのため、ステータコイル１２の占積率を高くすることができる。

（５）３本の分岐線部３１を束ねた状態でプレス成形するといった簡単な作業で、３本の分岐線部３１を一体に接合した部分である接合部３２を形成することができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・図７に示すように、ステータコイルの接合部６２における先端側の部分の断面形状を矩形状にしてもよい。こうした構成によれば、接合部６２の先端側の部分を単純な断面形状にすることができるため、ステータコア１１へのステータコイルの組み付けに際して、コイル線における接合部６２を曲げる曲げ加工や、コイル線における接合部６２同士を接合する接合加工を容易に行うことができる。その他、接合部の先端側の部分の断面形状としては、楕円形状やＬ字状など、任意の形状を採用することができる。

・ステータコイルの結合部を、金属線をプレス成形して一体に接合する手法ではなく、溶接によって一体に接合する手法で形成してもよい。
・ステータコア１１のスリット２０を、断面円弧形状で中心線Ｌ方向に延設したり、断面台形状で中心線Ｌ方向に延設したりしてもよい。

・ステータコイル１２のコイル線の配置範囲の外形は任意に変更可能である。要は、ステータコアのスリットの形状に合わせて、同スリット内にステータコイル１２のコイル線（分岐線部３１）を配置するようにすればよい。

・ステータコイル１２の形成材料として、「銅」を採用することができる。
・上記実施形態にかかる電機子は、分布巻のステータコイルを有するステータにも適用することができる。その他、ブラシモータの回転子（ロータ）にも、上記実施形態にかかる電機子は適用可能である。

１０…ステータ、１１…ステータコア、１２…ステータコイル、２０…スリット、２１…磁極歯、３０…金属線、３１…分岐線部、３２，６２…接合部、５０…ステータコア、５１…極磁極、５２…スリット、５２Ａ…スリット配置部。

Claims (5)

1. 鉄心と同鉄心に巻回された巻線とを有する電機子において、
   前記巻線における前記鉄心を貫通して延びる部分は、断面矩形状をなす複数本の分岐線部が平行に延びる態様で並ぶ構造をなしており、
   前記巻線における前記鉄心の外部で延びる部分は、前記複数本の分岐線部の一部が束ねられるとともに１本のコイル線をなす態様で一体に接合された構造の接合部を有しており、
   前記接合部の一部は、断面円形状をなしている
   ことを特徴とする電機子。
2. 前記分岐線部は、配置範囲の外形が前記鉄心の外周側ほど幅広の階段状になる態様で配置されている
   請求項１に記載の電機子。
3. 前記鉄心は、前記外周側ほど幅広の階段状をなす断面形状で前記鉄心の中心線の延びる方向において同鉄心を貫通するスリットを有し、
   前記巻線は、一部分が前記スリットを貫通する態様で前記鉄心に巻回されている
   請求項２に記載の電機子。
4. 前記接合部は、前記分岐線部の一部が束ねられた状態でプレス成形されて一体に接合されている
   請求項１～３のいずれか一項に記載の電機子。
5. 前記巻線の形成材料はアルミニウムである
   請求項１～４のいずれか一項に記載の電機子。

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