JP7442050B2 - コイル及びそれを備えたステータ、ロータ、モータ並びにコイルの製造方法 - Google Patents

コイル及びそれを備えたステータ、ロータ、モータ並びにコイルの製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、コイル及びそれを備えたステータ、ロータ、モータ並びにコイルの製造方法に関する。
近年、車載、産業用途でモータのさらなる小型化、効率向上が要望されている。モータの体積増加を抑制しつつ効率を向上させる手法の一つとして、平角線を巻回してなるコイルを用いて、ステータのスロット内でのコイルの占積率を向上させることが知られている。コイルの占積率を向上させることで、モータの駆動時にコイルに流れる電流に起因する損失を抑制して、モータの効率を高められる。
例えば、特許文献1には、平角線、つまり、断面が矩形状の導体の表面に絶縁被膜が施された巻線が巻回された複数のターンを備えるコイルが開示されている。このコイルは、各ターンにおいて、巻線が直線状に配置された直線部と、この直線部に繋がり巻線が湾曲して配置された湾曲部とを有している。
しかし、特許文献1に開示された従来の構成は、湾曲部において、導線の内周側と導線の外周側で引っ張られる度合いの差が大きくなりやすい。そのため、導線の内周側の曲率または厚さを大きく形成したい場合に、導線が損傷するおそれがあった。
日本国特許第5246020号公報
本開示はかかる点に鑑みてなされたものである。本開示の目的は、占積率を高めつつ、導線の損傷が抑制されたコイル及びそれを備えたステータ、ロータ、モータ並びにコイルの製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本開示に係るコイルは、断面が矩形状の導線が螺旋状に巻回され、第1方向にnターン(nは2以上の整数)積み重ねられたコイルであって、コイルのkターン(kは整数で、1≦k≦n)は、直線部と、直線部の端部から延びるコーナー部とを少なくとも有し、コーナー部の外周面には、内周側に屈曲する第1屈曲部と、外周側に屈曲する第2屈曲部とが少なくとも形成されており、第1屈曲部の曲率は、第2屈曲部の曲率と異なる。
また、本開示に係るコイルの製造方法は、第1面と第1面に対向する第2面とを有する導線を準備する線材準備工程と、導線の第1面に、導線の長手方向に沿って所定の間隔をあけて第2面に向かう第1凹部を形成するとともに、第2面における第1凹部と対向する位置の両側に第1面に向かう第2凹部及び第3凹部をそれぞれ形成する凹部形成工程と、断面が矩形状の被巻き付け部材の表面に導線の第1面を当接させ、被巻き付け部材の角部のそれぞれが第1凹部に収容されるように導線を被巻き付け部材に巻き回す巻回工程と、を少なくとも備える。
この方法によれば、コイルに第1屈曲部、第2屈曲部、第3屈曲部及び陥凹部を簡便に形成できる。
本開示のコイルによれば、コイルの導線への局所的な応力集中を抑制できる。このため、導線の損傷を抑制できる。また、本開示のコイルの製造方法によれば、コイルに第1屈曲部、第2屈曲部、第3屈曲部及び陥凹部を簡便に形成できる。
実施形態1に係るモータの模式図である。 実施形態1に係るコイルの斜視図である。 図2のIII-III線における断面図である。 コイルが装着された突極の軸方向の断面模式図である。 図4におけるニ点鎖線で囲まれた部分の拡大図である。 図5のVI-VI線における断面図である。 コイルの製造工程における線材準備工程の説明図である。 凹部形成工程の説明図である。 図7BのVIIC-VIIC線での断面模式図である。 巻回工程の説明図である。 凹部形成工程と巻回工が連続して行われる場合の工程説明図である。 変形例1に係るコイル線材の断面模式図である。 変形例1に係るコイル線材の断面模式図である。 変形例2に係るコイルの製造工程の説明図である。 変形例3に係るコイル線材の平面図である。 実施形態2に係るモータの断面模式図である。 図11AのXIB-XIB線での断面模式図である。 別のコイルが装着された突極の軸方向の断面模式図である。 また別のコイルが装着された突極の軸方向の断面模式図である。
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
(実施形態1)
[モータの構成]
図1は、実施形態1に係るモータの模式図である。なお、以降の説明において、モータ100またはステータ10の半径方向を「径方向」と、外周方向を「周方向」と、シャフト71の延びる方向(図1における紙面と垂直な方向)を「軸方向」とそれぞれ呼ぶことがある。径方向を第1方向と呼ぶことがある。径方向において、モータ100の中心側を内側と、外周側を外側と呼ぶことがある。
図1に示すように、モータ100は、ステータ10とロータ70とを有している。なお、モータ100は、これら以外の構成部品、例えば、フレーム及びシャフトを軸支する軸受等の部品を有しているが、説明の便宜上、その図示及び説明を省略する。
ステータ10は、円環状のヨーク20と、ヨーク20の内周に接続され、内周に沿って等間隔に設けられた複数の突極30と、周方向に隣り合う突極30の間にそれぞれ設けられたスロット内に収容されたコイル40とを有している。ステータ10は、ロータ70の径方向外側に、ロータ70と所定の間隔をあけて配置されている。なお、スロットとは、周方向に隣り合う突極30の間の空間をいう。
ヨーク20と突極30の各々は、例えば、ケイ素等を含有した電磁鋼板を積層後に打ち抜き加工して形成される。ヨーク20は、内周に突極30が接続された分割ヨーク21を一方向に複数並べて互いに接続した後、環状をなすように折り曲げて両端を互いに接続することで形成される。突極30の軸方向の断面形状は矩形状、つまり四角形である(図4を参照)。
後述するように、コイル40は、導線50(図3を参照)がnターン(nは2以上の整数)巻回されてなる部品である。コイル40は、インシュレータ60(図4~図6を参照)を介して複数の突極30のそれぞれに装着されて、スロット内に収容されている。突極30にコイル40を装着するにあたって、例えば、インシュレータ60が装着された突極30に巻線を巻き回すようにしてもよい。あるいは、突極30の形状に合わせて予め巻回されたコイル40を突極30の径方向外側端部から装着するようにしてもよい。この場合、コイル40が装着された状態で、突極30が分割ヨーク21に接続される。
なお、本実施形態では、コイル40に流れる電流の位相に応じて、コイル40をコイルU1~U4,V1~V4,W1~W4とそれぞれ呼ぶことがある。
ロータ70は、シャフト71と、軸心にシャフト71が、外周側に複数の永久磁石73がそれぞれ収容された実質的に円筒状のロータコア72と、ステータ10に対向してN極、S極がロータコア72の外周方向に沿って交互に配置された複数の永久磁石73と、を有している。なお、永久磁石73の材料、形状、及び材質については、モータ100の出力等に応じて適宜変更しうる。また、ロータコア72も、ヨーク20及び突極30と同様に、積層された電磁鋼板を加工して形成される。
コイルU1~U4,V1~V4,W1~W4はそれぞれ直列に接続されている。互いに電気角で120°の位相差を有するU,V,W相の3相の電流がそれぞれコイルU1~U4,V1~V4,W1~W4に供給されて励磁され、ステータ10に回転磁界が発生する。この回転磁界と、ロータ70に設けられた永久磁石73が発生する磁界との間で相互作用を生じてロータ70に回転トルクが発生する。シャフト71は、図示しない軸受に支持されて、シャフト71の中心を通りかつ軸方向に延びる軸線回りに回転する。
[コイルの構成]
図2は、実施形態1に係るコイル40の斜視図である。図3は、図2のIII-III線における断面図である。図4は、コイル40が装着された突極の軸方向の断面模式図である。図5は、図4におけるニ点鎖線で囲まれた部分の拡大図である。図6は、図5のVI-VI線における断面図である。なお、図4,図5は、コイル40のkターン(kは整数で、1≦k≦n)の断面を示している。説明の便宜上、図6は、コイル40が巻回された突極30の一部のみを図示している。
図2に示すように、コイル40は、導線50(図3を参照)が螺旋状に巻回される。コイル40は、所定の第1方向、この場合は径方向にnターン積み重ねられてなる部品である。コイル40は、両端に引き出し部41を有している。引き出し部41は、他のコイル40との接続に、または、モータ100の外部から導入された図示しない電線との接続に用いられる。
図3に示すように、コイル40の導線50は、導電金属からなる金属線51とその表面を被覆する絶縁被膜52とで構成される。金属線51の断面は実質的に矩形状であるが、その角部は丸められている。これは、金属線51の角部で絶縁被膜52に応力が集中して、絶縁被膜52が損傷したり、所要の強度を確保できなくなったりするのを抑制するためである。なお、絶縁被膜52は、例えば、エナメル等が用いられる。しかし、特にこれに限定されず、他の絶縁性樹脂材料を用いてもよい。金属線51の材質は、銅、銅系合金、アルミ、またはアルミ系合金等の低抵抗率の材料であるのが好ましい。また、図3に示す4つの面をそれぞれ第1面50a、第2面50b、第3面50c、第4面50dと呼ぶことがある。このうち、第1面50aはコイル40の内周面に、第2面50bは外周面にそれぞれ相当する。
コイル40の軸方向の寸法Laは15mm~100mm程度、周方向の寸法Waは4mm~90mm程度、径方向の寸法Haは10mm~150mm程度である。導線50の厚さTbは0.1mm~5mm程度、幅Wbは1mm~20mm程度である。ただし、これらの寸法は、特に限定されず、モータ100に要求される性能またはスロットのサイズ等に応じて適宜変更される。
さらに、図4,図5に示すように、コイル40のkターンは、突極30及びインシュレータ60の断面形状に対応させて四角環状である。なお、インシュレータ60は、コイル40が装着される部分において、突極30の外周面に沿った形状、つまり、角筒状となっている。インシュレータ60は、絶縁性樹脂からなる部品であり、コイル40と突極30との間を電気的に絶縁している。
コイル40のkターンは、第1直線部42a、第2直線部42b、第3直線部42c、第4直線部42dと、第1直線部42a、第2直線部42b、第3直線部42c、第4直線部42dの端部からそれぞれ延びる第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dとを有している。なお、以降の説明において、第1直線部42a、第2直線部42b、第3直線部42c、第4直線部42dを総称して直線部42と、第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dを総称してコーナー部43とそれぞれ呼ぶことがある。
第1直線部42aと第3直線部42cとは周方向に所定の間隔をあけて互いに対向して設けられている。第2直線部42bと第4直線部42dとは軸方向に所定の間隔をあけて互いに対向して設けられている。第1直線部42aと第3直線部42cとが対向する方向は、第2直線部42bと第4直線部42dとが対向する方向と実質的に直交している。なお、本願明細書において、「実質的に直交」とはモータ100を構成する部品の製造公差または組立公差を含んで直交しているという意味であり、厳密に直交していることを意味するものではない。また、「実質的に同じ」または「実質的に同一」とはモータ100を構成する部品の製造公差または組立公差を含んで同じまたは同一であるという意味であり、厳密に同じまたは同一であることを意味するものではない。
第1コーナー部43aは第1直線部42aと第4直線部42dとを接続する。第2コーナー部43bは第1直線部42aと第2直線部42bとを接続する。第3コーナー部43cは第2直線部42bと第3直線部42cとを接続する。第4コーナー部43dは第3直線部42cと第4直線部42dとを接続する。
図4に示すように、第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dの外周面の各々に、第1屈曲部44と第2屈曲部45と第3屈曲部46とが形成されている。例えば、図5に示すように、第1屈曲部44及び第3屈曲部46は、第1コーナー部43aの外周面に形成されている。第1屈曲部44及び第3屈曲部46は、内周側に屈曲している。第1屈曲部44及び第3屈曲部46は、軸方向の断面で見て凹形状である。第2屈曲部45は、第1コーナー部43aの外周面に形成されている。第2屈曲部45は、外周側に屈曲している。第2屈曲部45は、軸方向の断面で見て凸形状である。第3屈曲部46は、第2屈曲部45を挟んで第1屈曲部44と反対側に形成されている。第1屈曲部44の曲率C1と第2屈曲部45の曲率C2と第3屈曲部46の曲率C3とは互いに異なっている(図5を参照)。第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dの外周面の各々に形成された第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46も同様の形状である。
第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dの各々に形成された第2屈曲部45の内周面には、第2屈曲部45の外周面に向かう陥凹部47が形成されている。軸方向の断面で見て、突極30の4つの角部は、インシュレータ60を介して、第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dに形成された陥凹部47にそれぞれ収容されている。
図5に示すように、第2屈曲部45と陥凹部47との間の線幅Wcが、直線部42の線幅Wbの90%以上となるようにコイル40のkターンが構成されている。
図6に示すように、コイル40の第1コーナー部43aにおいて、kターンの内周側の厚さTbiと外周側の厚さTboは実質的に等しくなっている。図示しないが、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dにおいても、kターンの内周側の厚さTbiと外周側の厚さTboは実質的に等しくなっている。
図2~図4から明らかなように、コイル40は導線50が短辺である第1面50a及び第2面50bで曲げられた、いわゆるエッジワイズ巻きのコイルである。
[コイルの製造方法]
図7Aは、コイルの製造工程における線材準備工程の説明図である。図7Bは、凹部形成工程の説明図である。図7Cは、図7BのVIIC-VIIC線での断面模式図である。図7Dは、巻回工程の説明図である。図7Eは、凹部形成工程と巻回工程とが連続して行われる場合の工程説明図である。
まず、図7Aに示すように、コイル線材80を用意する(線材準備工程)。コイル線材80は、螺旋状に巻回される前の導線50である。コイル線材80は、図3に示す断面構造、つまり、実質的な矩形状の断面を有している。また、図7A~図7Eに示す第1面80a、第2面80b、第3面80c、第4面80dは、図3に示す第1面50a、第2面50b、第3面50c、第4面50dにそれぞれ対応している。
次に、図7Bに示すように、凹部形成用第1治具91にコイル線材80の一側面である第1面80aが対向するようにコイル線材80をセットする。凹部形成用第2治具92に第1面80aと対向するコイル線材80の第2面80bが対向するようにコイル線材80をセットする。なお、第1面80a及び第2面80bの幅は図3に示す導線50の厚さTbに実質的に等しくなっている。第3面80c及び第4面80dの幅は図3に示す導線50の幅Wbに実質的に等しくなっている。凹部形成用第1治具91と凹部形成用第2治具92とは互いに位置決めされて、コイル線材80を挟み込むように配置されている。
コイル線材80の第3面80cと第4面80dに押え板93を当接させて、コイル線材80を挟み込んで固定する。この状態で、コイル線材80の第1面80aに凹部形成用第1治具91を、第2面80bに凹部形成用第2治具92をそれぞれ当接させて押圧する。図7Bに示すように、凹部形成用第1治具91には第1突起91aが設けられている。凹部形成用第2治具92には第2突起92a及び第3突起92bが設けられている。凹部形成用第1治具91と凹部形成用第2治具92とでコイル線材80を挟み込んで押圧することで、コイル線材80の第1面80aに第1突起91aの形状に対応して第2面80bに向かう第1凹部81が形成される。第2面80bに第2突起92aの形状に対応して第1面80aに向かう第2凹部82及び第3突起92bの形状に対応して第1面80aに向かう第3凹部83がそれぞれ形成される(凹部形成工程)。
第4面80dに直交する方向から見て、第2凹部82と第3凹部83は、第1凹部81を挟んでその両側に形成される。また、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83が同時に形成されることで、第2凹部82と第3凹部83との間に位置するコイル線材80の第1面80a側が持ち上がり、第1凸部84が形成される。図7Cに示すように、コイル線材80の第1面80a側を押え板93で挟み込むことで、コイル線材80が変形して第2面80b側において膨らむ。言い換えると、コイル線材80のうち、押え板93で挟み込まれた部分、つまり、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83が形成される部分が第2面80b側で増肉される。
また、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83が形成されると、押え板93と凹部形成用第1治具91と凹部形成用第2治具92とをコイル線材80から離間させて、所定の距離だけコイル線材80をその長手方向に送り込んで、再び、凹部形成工程を実行する。このような工程を繰り返すことで、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83及び第1凸部84がコイル線材80の長手方向に沿って所定の間隔をあけて複数形成される。
図7Dに示すように、突極30に装着されたインシュレータ60の表面にコイル線材80の第1面80aを、第2面80bにおける第3凹部83の近傍にガイド94をそれぞれ当接させて、コイル線材80を挟み込んで固定する。このとき、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83及び第1凸部84には、突極30やガイド94がかからないようにする。この状態で、第2面80bにおける第2凹部82の近傍に曲げ加工用治具95を当接させて、コイル線材80を押圧し、コイル線材80をインシュレータ60の表面に巻き回す(巻回工程)。このとき、インシュレータ60の角部が第1凹部81に収容されるようにする。コイル線材80がインシュレータ60の表面に巻き回されることで、インシュレータ60の角部において、コイル線材80が引き延ばされて前述のコーナー部43が形成される。具体的には、第1凹部81が変形して図2~図5に示す陥凹部47となり、第2凹部82及び第3凹部83がそれぞれ変形して図2~図5に示す第1屈曲部44及び第3屈曲部46となる。また、第1凸部84が変形して第2屈曲部45となる。また、インシュレータ60の角部に当接しない部分が前述の直線部42となる。また、コイル線材80のうち、凹部形成工程で押え板93に挟み込まれた部分、言い換えると、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83が形成される予定の部分は、巻回工程において第2面80b側に引き延ばされる。これにより、巻回工程終了時点で、コイル40のkターンにおいて、第1面80a側の厚さと第2面80b側の厚さ、つまり、図6に示す内周側の厚さTbiと外周側の厚さTboが実質的に等しくなる。
また、第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46及び陥凹部47が形成されると、ガイド94と曲げ加工用治具95とをコイル線材80から離間させて、所定の距離だけコイル線材80をその長手方向に送り込んで、再び、巻回工程を実行する。例えば、この工程を4回繰り返すことで、コイル40のkターンの第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dが形成される。さらに一連の工程を繰り返すことで、最終的に螺旋状に巻回されてnターン積み重ねられたコイル40が形成される。
また、図7Eに示すように、凹部形成用第1治具91と凹部形成用第2治具92と押え板93とガイド94と曲げ加工用治具95とをコイル線材80の長手方向に沿って所定の位置に配置し、コイル線材80を長手方向に連続的に送り込みつつ、前述の凹部形成工程と巻回工程とを繰り返し実行してコイル40を形成するようにしてもよい。
なお、図示しないが、1つのコイル40が1つの突極30に巻き回されると、その都度、コイル線材80からコイル40が切り離される。ただし、突極30に対してコイル40を後から装着するような場合には、1本のコイル線材80に複数のコイル40を形成した後に、個別に、あるいは複数個のコイル40を1つの単位として分割するようにしてもよい。なお、この場合、コイル線材80は、突極30の形状に対応した断面が矩形状の別の部材に巻き回され、巻回工程終了後に別の部材から取り外される。
なお、以降の説明において、突極30あるいはインシュレータ60が装着された突極30及び前述の別の部材を総称して「被巻き付け部材」と呼ぶことがある。
[効果等]
以上説明したように、本実施形態に係るコイル40は、断面が実質的に矩形状の導線50が螺旋状に巻回され、径方向(第1方向)にnターン積み重ねられてなる。コイル40のkターンは、直線部42と、直線部42の端部から延びるコーナー部43とを少なくとも有している。
コーナー部43の外周面には、内周側に屈曲する第1屈曲部44と、外周側に屈曲する第2屈曲部45と、第2屈曲部45を挟んで第1屈曲部44と反対側に、内周側に屈曲する第3屈曲部46が少なくとも形成されている。第1屈曲部44の曲率C1と第2屈曲部45の曲率C2と第3屈曲部46の曲率C3とは互いに異なる。
コイル40をこのように構成することで、断面が実質的に矩形状の被巻き付け部材にコイル40が巻回されるときに、コーナー部43の外周側に加わる応力が第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46で分散される。このため、導線50の損傷を抑制できる。
コイル40が巻回されるステータ10の突極30は、断面が矩形の角柱状をなしている場合がある。突極30の外周面に沿ってコイル40を装着するにあたって、その角部に当接する部分において、コイル40を構成する導線50に応力が集中し、絶縁被膜52が損傷したり、所要の強度を確保できなくなったりするおそれがあった。突極30にインシュレータ60が装着される場合も、突極30の形状に対応してインシュレータ60が角筒状となっているため、その角部において同様に、コイル40の絶縁性が低下するおそれがあった。
本実施形態によれば、絶縁被膜52に局所的な応力が集中して、絶縁被膜52の強度が低下するのを抑制できる。このことにより、コイル40の絶縁性を確保できる。
また、第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46において、それぞれの曲率C1、C2、C3が互いに異なる。このため、第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46において、応力が加わる度合いがそれぞれ異なる。したがって、応力の分散効果をより高めることができる。また、断面が実質的に矩形状の、いわゆる平角線の導線50を巻回してコイル40を構成している。このため、コイル40がステータ10の突極30に装着された場合、スロット内で占積率を高められる。
なお、第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46のうち少なくとも2つで互いに曲率が異なるようにしてもよい。このようにしても、第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46で応力が分散され、導線50の損傷を抑制でき、絶縁被膜52の強度、ひいてはコイル40の絶縁性が低下するのを抑制できる。
コイル40の第2屈曲部45の内周面には、外周側に向かう陥凹部47が形成されている。
コイル40をこのように構成することで、コイル40が被巻き付け部材に巻回されるときに、被巻き付け部材の角部が陥凹部47に収容される。このことにより、例えば、突極30の角部にコイル40の導線50が当接し、導線50の損傷を抑制できる。また、絶縁被膜52に局所的な応力が集中して、絶縁被膜52の強度、ひいてはコイル40の絶縁性が低下するのを抑制できる。また、角部を有する突極30または突極30に装着されたインシュレータ60の外周面に沿って巻線を巻き回すことが可能となる。したがって、コイル40の小型化が図れる。
第2屈曲部45と陥凹部47との間の線幅Wcは、直線部42の線幅Wbの90%以上であることが好ましい。
コイル40をこのように構成することで、コイル40の抵抗が局所的に上昇するのを抑制できる。よって、コイル40に電流を流したときの発熱を抑えられる。このことにより、例えば、モータ100の駆動時にコイル40に流れる電流に起因する損失を抑制して、モータ100の効率を高められる。
また、コイル40のコーナー部43において、kターンの径方向の厚さが外周側と内周側とで実質的に等しくなっている。つまり、図6に示すように、内周側の厚さTbiと外周側の厚さTboが実質的に等しくなっている。
コイル40をこのように構成することで、コイル40がステータ10の突極30に装着された場合、スロット内での占積率、ひいてはモータ100の効率を高められる。
また、導線50は、螺旋状に巻回された金属線51と金属線51を被覆する絶縁被膜52とを有していることが好ましい。
本実施形態に係るコイルの製造方法は、第1面80aと第1面80aに対向する第2面80bとを有するコイル線材80(導線50)を準備する線材準備工程と、コイル線材80の第1面80aに、コイル線材80の長手方向に沿って所定の間隔をあけて第2面80bに向かう第1凹部81を形成するとともに、第2面80bにおける第1凹部81と対向する位置の両側に第1面80aに向かう第2凹部82及び第3凹部83をそれぞれ形成する凹部形成工程と、断面が矩形状の被巻き付け部材の表面にコイル線材80の第1面80aを当接させ、被巻き付け部材の角部のそれぞれが第1凹部81に収容されるようにコイル線材80を被巻き付け部材に巻き回す巻回工程と、を少なくとも備えている。
この製造方法によれば、コイル40に前述の第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46及び陥凹部47を簡便に形成できる。
本実施形態に係るステータ10は、モータ100のステータ10であって、環状のヨーク20と、ヨーク20の内周に接続された複数の突極30と、複数の突極30のそれぞれに装着されたコイル40と、を少なくとも備えている。
ステータ10をこのように構成することで、突極30とコイル40との間の絶縁性が低下するのを抑制できる。また、スロット内での占積率、ひいてはモータ100の効率を高められる。
第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dの各々に形成された第2屈曲部45の内周面には外周面に向かう陥凹部47が形成されている。突極30の4つの角部は第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dに形成された陥凹部47にそれぞれ収容されている。
ステータ10をこのように構成することで、コイル40の導線50が損傷するのを抑制できる。また、突極30の角部でコイル40の絶縁被膜52に局所的な応力が集中して、突極30とコイル40との間の絶縁性が低下するのを抑制できる。また、突極30または突極30に装着されたインシュレータ60の外周面に沿って巻線を巻き回すことが可能となる。したがって、コイル40、ひいてはモータ100の小型化が図れる。
本実施形態に係るモータ100は、ステータ10と、径方向内側にステータ10と所定の間隔をあけて配置されたロータ70と、を少なくとも備えている。
本実施形態によれば、コイル40の導線50が損傷するのを抑制できる。さらに、突極30とコイル40との間の絶縁性が低下するのを抑制できる。このことにより、モータ100の信頼性を担保できる。また、スロット内での占積率、ひいてはモータ100の効率を高められる。
<変形例1>
図8A及び図8Bは、変形例1に係るコイル線材の断面模式図である。図8Aは、コイルの直線部に相当する部分の断面を示している。図8Bは、コーナー部に相当する部分の断面を示している。なお、図8において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。図8A及び図8Bは、実施形態1に示す線材準備工程終了時点での断面を示している。従って、図8Bは、第1~第3凹部が形成される予定の部分の断面を示しているとも言える。
図8Aに示すように、コイル40の直線部42に相当する部分の断面は、図3に示す断面と同様である。一方、図8Bに示すように、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83が形成される予定の部分では、第2面80b側の厚さTbよりも第1面80a側の厚さTcが薄くなっている。
実施形態1では、コイル線材80を押え板93で挟み込むことにより、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83が形成される予定の部分が第2面80b側で増肉されるようにしている。このことにより、コイル線材80が巻回されたときに、コイル40のコーナー部43での厚さが内周側と外周側とで実質的に等しくなる。
しかし、コイル線材80の厚さまたは硬度によっては、押え板93で挟み込んでもコイル線材80が十分に変形されず、第2面80b側で増肉できない場合がある。このような場合、巻回工程終了時点で、コイル40のコーナー部43において、内周側が外周側よりも薄くなってしまい、コイル40の占積率を十分に高めることが難しくなることがある。
一方、本変形例によれば、コイル線材80の一部、つまり、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83が形成される予定の部分において、コイル40の内周面に相当する第1面80a側を予め減肉しておくことで、巻回工程において、当該部分の第2面80b側が引き延ばされる。最終的に、コイル40のコーナー部43において、第1面80a側の厚さと第2面80b側の厚さ、つまり、内周側の厚さTbiと外周側の厚さTboが実質的に等しくなるようにできる。このことにより、コイル40がステータ10の突極30に装着された場合、スロット内での占積率、ひいてはモータ100の効率を高められる。
なお、図8A及び図8Bに示すコイル線材80は、金属材料を引き延ばして金属線51を形成する工程において、所定の治具を用いて金属線51を成形することで容易に得ることができる。これ以外に、導線50における第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83が形成される予定の部分の第1面80a側をプレス加工したり切削加工したりして薄くすることもできる。
<変形例2>
図9は、変形例2に係るコイルの製造工程の説明図である。なお、図9において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
コイル線材80に陥凹部47に相当する第1凹部81を形成するにあたって、第1凹部81をコイル線材80の幅方向の軸、言い換えると、コイル線材80の長手方向と実質的に直交しかつ第1凹部81の底部を通る軸AAに関して対称となるように形成した場合、巻回工程で、第1凹部81の近傍でコイル線材80が引き延ばされる。これにより、最終的に形成される陥凹部47が非対称な形状となることがある。このような場合、突極30の角部と陥凹部47とが強く当接しないように、第1凹部81と突極30を含む被巻き付け部材とのギャップに裕度を持たせる必要がある。
しかし、このことにより、例えば、コーナー部43において、第2屈曲部45と陥凹部47との間の線幅Wcが狭くなってしまい、コイル40の抵抗が大きくなる場合があった。
一方、本変形例では、凹部形成工程において、第1凹部81をコイル線材80の幅方向の軸AAに関して非対称となるように形成することで、巻回工程の終了時点で、第1凹部81と被巻き付け部材との角部とのギャップが小さくなるようにしている。
本変形例によれば、第1凹部81に対応するコイル40の陥凹部47のサイズを小さくできる。このため、コイル40のコーナー部43において、前述の線幅Wcが減少して、コイル40の抵抗が局所的に上昇するのを抑制できる。このことにより、モータ100の駆動時にコイル40に流れる電流に起因する損失を抑制して、モータ100の効率を高められる。また、陥凹部47のサイズを小さくできる。したがって、コイル40の小型化が図れる。
<変形例3>
図10は、変形例3に係るコイル線材の平面図である。具体的には、図10は、凹部形成工程終了時点でのコイル線材を示す。なお、図10において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
実施形態1に示したように、凹部形成工程において、第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83及び第1凸部84が形成される。第2凹部82の底部と第3凹部83の底部との距離A及び第3凹部83の底部と第1凸部84の頂部とのコイル線材80の線幅方向に沿った距離Bは、コイル線材80(導線50)が巻回されてなるコイル40のコーナー部43のサイズに対応している。
一方、コイル線材80の線幅が広くなると、最終的に形成されるコイル40の第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46での応力分散効果を低下させないように、距離A,Bもそれぞれ変化させる必要がある。具体的には、図10に示すように、コイル線材の線幅が2倍になると、距離A,Bもそれぞれ約2倍となるように第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83及び第1凸部84を形成する。ただし、コイル線材80の線幅に正比例して距離A,Bを変化させなくてもよい。コイル線材80の線幅が広くなるのに応じて、距離A及び距離Bがそれぞれ長くなるように第1凹部81、第2凹部82、第3凹部83及び第1凸部84を形成するようにすればよい。
(実施形態2)
図11Aは、実施形態2に係るモータの断面模式図である。図11Bは、図11AのXIB-XIB線での断面模式図である。図11A,図11Bに示すように、モータ300は、フレーム110と、エンドプレート120と、軸受210,220と、ロータ130と、ステータ190と、ブラシ180とを備えている。なお、実施形態1と同様に、モータ300の半径方向を「径方向」と、外周方向を「周方向」と、シャフト140の延びる方向を「軸方向」とそれぞれ呼ぶ。径方向において、モータ300の中心側を径方向内側と、外周側を径方向外側と呼ぶ。
フレーム110は、上部に開口を有する有底半筒状の金属部材である。エンドプレート120は、樹脂材料を成形してなる板状部材である。エンドプレート120は、実質的に円板状の基部121と、基部121の中心に設けられた貫通孔122と、基部121の内側面に形成されたブラシ保持部123と、基部121の外側面に形成された軸受保持部124とを有している。
エンドプレート120は、フレーム110に開口を覆うように配設されている。フレーム110とエンドプレート120とで区画される空間にロータ130が収容されている。また、シャフト140はエンドプレート120の貫通孔122に挿通されてエンドプレート120からフレーム110の外側に突出しており、軸受210,220によって回転自在に支持されている。
ロータ130は、シャフト140と、電機子150と、整流子160と、インシュレータ170とを有している。電機子150は、電機子コア151と、複数の突極152と、電機子巻線(コイル)153とを有している。電機子コア151の軸心に設けられた貫通孔(図示せず)にシャフト140が圧入されることで、電機子150がシャフト140の外周面に取り付け固定されている。
電機子コア151には径方向外側に突出する複数の突極152が周方向に所定の間隔をあけて配設されている。複数の突極152のそれぞれに絶縁性樹脂からなるインシュレータ170を介して電機子巻線153が装着されている。整流子160には電機子コア151から引き出された電機子巻線153が接続されている(図示せず)。電機子コア151及び突極152は、積層された複数の電磁鋼板を打ち抜き加工して形成される。電機子コア151及び突極152は、電機子巻線153で発生した磁束が通過する磁路を構成している。シャフト140はロータ130の軸心に設けられる。シャフト140は、電機子コア151及び整流子160の中心を貫通してこれらに連結されている。
図示しないが、突極152の軸方向断面は実質的に矩形状である。突極152に装着されるインシュレータ170も突極152の外形に応じて角筒状となっている。
突極152のそれぞれに装着された電機子巻線153は、図2~図6に示すコイル40と同様の形状を有している。つまり、電機子巻線153は、断面が実質的に矩形状の導線50が螺旋状に巻回され、径方向(第1方向)にnターン積み重ねられたコイル40である。コイル40のkターンは、直線部42と、直線部42の端部から延びるコーナー部43とを少なくとも有している。
コーナー部43の外周面には、内周側に屈曲する第1屈曲部44と、外周側に屈曲する第2屈曲部45と、第2屈曲部45を挟んで第1屈曲部44と反対側に、内周側に屈曲する第3屈曲部46が形成されている。第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46のうち少なくとも2つで互いに曲率が異なっている。
また、第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dの各々に形成された第2屈曲部45の内周面には、外周面に向かう陥凹部47が形成されている。突極152の4つの角部は、第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dに形成された陥凹部47にそれぞれ収容されている。
整流子160は、軸方向に沿って電機子150と所定の間隔をあけてシャフト140の外周面に取り付け固定されている。
ステータ190は、フレーム110と、周方向に所定の間隔でフレーム110の内周面に配設された複数の永久磁石191とで構成されている。周方向に隣り合う永久磁石191は、互いに極性が異なるように配設されている。フレーム110は、永久磁石191と磁気回路を構成するヨークとしても機能する。
ブラシ180は、黒鉛等のカーボンブラシ材に固体潤滑剤を含ませて構成されている。ブラシ180は、エンドプレート120の内側面に設けられたブラシ保持部123内に保持される。ブラシ180は、ブラシバネ(図示せず)によって整流子160へと押圧されている。
以上のように構成されたモータ300の動作について説明する。
エンドプレート120に設けられた電線引出口(図示せず)から引き出された電線(図示せず)を介して外部からモータ300に電力が供給される。これにより、電機子電流がブラシ180及び整流子160を介して電機子巻線153に流れる。ステータ190の永久磁石191で発生した磁界と、電機子巻線153を流れる電機子電流により発生する磁界との間で相互作用が生じてロータ130に回転トルクが発生する。シャフト140が軸受210,220に支持されて、ロータ130は、シャフト140の軸心を通り、軸方向に延びる軸線回りに回転する。シャフト140の回転に応じて、ブラシ180と整流子160とは接触と離間とを周期的に繰り返し、この周期に対応して電機子巻線153を流れる電機子電流の向きが変更される。このことにより、シャフト140は時計回り方向または反時計回り方向に連続して回転可能となる。
以上説明したように、本実施形態に係るロータ130は、モータ300のロータ130であって、所定の軸線回りに回転可能に設けられたシャフト140と、シャフト140の外周側に設けられ、モータ300の半径方向に延びる複数の突極152と、複数の突極152のそれぞれに装着された電機子巻線(コイル)153と、を少なくとも備えている。
ロータ130をこのように構成することで、電機子巻線(コイル)153を構成する導線50(図3を参照)が損傷するのを抑制できる。また、ロータ130の突極152と電機子巻線(コイル)153との間の絶縁性が低下するのを抑制できる。また、ロータ130内での電機子巻線(コイル)153の占積率、ひいてはモータ300の効率を高められる。
また、突極152の4つの角部が、電機子巻線(コイル)153の第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dに形成された陥凹部47にそれぞれ収容される。これにより、突極152の角部で電機子巻線(コイル)153の絶縁被膜52に局所的な応力が集中して、突極152と電機子巻線(コイル)153との間の絶縁性が低下するのを抑制できる。また、突極152または突極152に装着されたインシュレータ170の外周面に沿って導線50を巻き回すことが可能となる。したがって、コイル153、ひいてはロータ130の小型化が図れる。
本実施形態に係るモータ300は、ロータ130と、ロータ130の半径方向外側にロータ130と所定の間隔をあけて配置されたステータ190と、を少なくとも備えている。
本実施形態によれば、突極152とコイル153との間の絶縁性が低下するのを抑制でき、モータ300の信頼性を担保できる。また、ロータ130内でのコイル153の占積率、ひいてはモータ300の効率を高められる。
(その他の実施形態)
上記いくつかの実施形態に開示した構成要素を組み合わせて新たな実施形態とすることもできる。例えば、コイル線材80(導線50)に変形例2に示す第1凹部81を形成してから螺旋状に巻き回して、実施形態2に示す電機子巻線(コイル)153を形成するようにしてもよい。
なお、コイル40は、実施形態1に示すように、絶縁被膜52が表面に形成された金属線51が巻回された構成以外であってもよい。例えば、コイル40は、金属線51が巻回された後に絶縁被膜52が形成された導線50によって構成されていてもよい。また、金属線51が巻回されながら絶縁被膜52を形成された導線によって構成されていてもよい。また、コイル40に含まれる金属線51同士の短絡が抑制された状態であれば、絶縁被膜52を省略して導線50を金属線51としてもよい。この場合、金属線51を巻き回すことでコイル40が構成される。
実施形態2に示すコイル153においても同様に、金属線51が巻回された後、また巻回されながら、絶縁被膜52が形成された導線50によって構成されていてもよい。また、絶縁被膜52を省略して導線50が金属線51であってもよい。
インシュレータ60またはインシュレータ170の代わりに絶縁紙を用いてもよい。この場合は、突極30または突極152の角部とコイル40またはコイル153との距離が近くなる。また、コイル40またはコイル153に加わる角部からの応力が大きくなる。従って、ステータ190またはロータ130に本開示のコイル40またはコイル153を適用することで、これらを構成する導線50が損傷するのを抑制できる。また、突極30または突極152とコイル40またはコイル153との間の絶縁性が低下するのを確実に抑制できる。したがって、モータ100またはモータ300の信頼性を担保できる。また、絶縁紙を用いることで、角筒状のインシュレータ60またはインシュレータ170を用いる場合に比べて、ステータ190及びロータ130の少なくともひとつに設けられたスロットの容積を大きくできる。このため、コイル40またはコイル153の占積率、ひいてはモータ100または300の効率を高められる。
図12Aは、別のコイルが装着された突極の軸方向の断面模式図である。図12Bは、また別のコイルが装着された突極の軸方向の断面模式図である。実施形態1において、コイル40のコーナー部43に第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46を設けるようにした。しかし、図12Aに示すように、第3屈曲部46を省略するようにしてもよい。または、図12Bに示すように、第1屈曲部44を省略するようにしてもよい。つまり、コイル40のコーナー部43、言い換えると、第1コーナー部43a、第2コーナー部43b、第3コーナー部43c、第4コーナー部43dの外周面には、内周側に屈曲する第1屈曲部44または第3屈曲部46と、外周側に屈曲する第2屈曲部45とが少なくとも形成されており、第1屈曲部44の曲率C1が第2屈曲部45の曲率C2と異なっているか、あるいは、第3屈曲部46の曲率C3が第2屈曲部45の曲率C2と異なっていればよい。
このようにしても、コーナー部43の外周側において、各屈曲部で応力が分散されるため、実施形態1と同様の効果を奏することができる。
また、実施形態2に示すコイル153においても、図12Aまたは図12Bに示すのと同様の構成とすることで、実施形態2と同様の効果を奏することは言うまでもない。
また、第1屈曲部44、第2屈曲部45、第3屈曲部46の各々は、一様な曲率を有していなくてもよい。例えば、第1屈曲部44において異なる曲率を有する部分が複数箇所形成されていてもよい。
また、本開示のコイル40またはコイル153が適用可能なモータは、実施形態1または実施形態2に示すモータ100またはモータ300に限定されない。例えば、アウターロータタイプのブラシレスモータに本開示のコイルを適用するようにしてもよい。その場合、モータの軸心に配置されたステータに複数の突極が設けられ、複数の突極のそれぞれに本開示のコイルが装着される。
この場合も、ステータの突極とコイルとの間の絶縁性が低下するのを抑制できる。よって、モータの信頼性を担保できる。また、ステータにおけるコイルの占積率が高められる。よって、モータの効率を向上できる。
本開示のコイルは、ステータまたはロータ内での占積率を高めつつ、その絶縁性が確保される。このため、例えば、車載用途または産業用途で用いられるモータに適用する上で有用である。
10 ステータ
20 ヨーク
30 突極
40 コイル
41 引き出し部
42 直線部
42a 第1直線部
42b 第2直線部
42c 第3直線部
42d 第4直線部
43 コーナー部
43a 第1コーナー部
43b 第2コーナー部
43c 第3コーナー部
43d 第4コーナー部
44 第1屈曲部
45 第2屈曲部
46 第3屈曲部
47 陥凹部
50 導線
50a 第1面
50b 第2面
50c 第3面
50d 第4面
51 金属線
52 絶縁被膜
60 インシュレータ
70 ロータ
71 シャフト
72 ロータコア
73 永久磁石
80 コイル線材(導線50)
80a 第1面
80b 第2面
80c 第3面
80d 第4面
81 第1凹部
82 第2凹部
83 第3凹部
84 第1凸部
91 凹部形成用第1治具
92 凹部形成用第2治具
93 押え板
94 ガイド
95 曲げ加工用治具
100 モータ
110 フレーム
120 エンドプレート
130 ロータ
140 シャフト
150 電機子
151 電機子コア
152 突極
153 電機子巻線(コイル)
160 整流子
170 インシュレータ
180 ブラシ
190 ステータ
191 永久磁石
210,220 軸受
300 モータ

Claims (14)

  1. 断面が矩形状の導線が螺旋状に巻回され、第1方向にnターン(nは2以上の整数)積み重ねられたコイルであって、
    前記コイルのkターン(kは整数で、1≦k≦n)は、直線部と、前記直線部の端部から延びるコーナー部とを少なくとも有し、
    前記コーナー部の外周面には、内周側に屈曲する第1屈曲部と、外周側に屈曲する第2屈曲部とが少なくとも形成されており、
    前記第1屈曲部の曲率は、前記第2屈曲部の曲率と異なるコイル。
  2. 前記第2屈曲部の内周面には、外周側に向かう陥凹部が形成されている請求項1に記載のコイル。
  3. 前記第2屈曲部と前記陥凹部との間の線幅は、前記直線部の線幅の90%以上である請求項2に記載のコイル。
  4. 前記コーナー部の外周面には、前記第2屈曲部を挟んで前記第1屈曲部と反対側に、内周側に屈曲する第3屈曲部がさらに形成されており、
    前記第1屈曲部、前記第2屈曲部、前記第3屈曲部のうち少なくとも2つは互いに曲率が異なる請求項1~3のいずれか1項に記載のコイル。
  5. 前記コーナー部は、前記第1方向の厚さが外周側と内周側とで等しい請求項1~4のいずれか1項に記載のコイル。
  6. 前記導線は、螺旋状に巻回された金属線と前記金属線を被覆する絶縁被膜とを有している請求項1~5のいずれか1項に記載のコイル。
  7. モータのステータであって、
    環状のヨークと、
    前記ヨークの内周に接続された複数の突極と、
    前記複数の突極のそれぞれに装着された請求項1~6のいずれか1項に記載のコイルと、を少なくとも備えたステータ。
  8. 請求項7に記載のステータと、
    前記ステータの半径方向内側に前記ステータと所定の間隔をあけて配置されたロータと、を少なくとも備えたモータ。
  9. モータのロータであって、
    所定の軸線回りに回転可能に設けられたシャフトと、
    前記シャフトの外周側に設けられ、前記モータの半径方向に延びる複数の突極と、
    前記複数の突極のそれぞれに装着された請求項1~6のいずれか1項に記載のコイルと、を少なくとも備えたロータ。
  10. 請求項9に記載のロータと、
    前記ロータの半径方向外側に前記ロータと所定の間隔をあけて配置されたステータと、
    を少なくとも備えたモータ。
  11. 第1面と前記第1面に対向する第2面とを有する導線を準備する線材準備工程と、
    前記導線の前記第1面に、前記導線の長手方向に沿って所定の間隔をあけて前記第2面に向かう第1凹部を形成するとともに、前記第2面における前記第1凹部と対向する位置の両側に前記第1面に向かう第2凹部及び第3凹部をそれぞれ形成する凹部形成工程と、
    断面が矩形状の被巻き付け部材の表面に前記導線の前記第1面を当接させ、前記被巻き付け部材の角部のそれぞれが前記第1凹部に収容されるように前記導線を前記被巻き付け部材に巻き回す巻回工程と、を少なくとも備えたコイルの製造方法。
  12. 前記線材準備工程で準備された前記導線は、前記第1凹部、前記第2凹部、及び前記第3凹部が形成される予定の部分において、前記第2面側よりも前記1面側が薄い請求項11に記載のコイルの製造方法。
  13. 前記凹部形成工程において、前記第1凹部を前記導線の長手方向と直交しかつ前記第1凹部の底部を通る軸に関して非対称となるように形成することで、前記巻回工程の終了時点で、前記第1凹部と前記被巻き付け部材との角部とのギャップが小さくなるようにする請求項11または12に記載のコイルの製造方法。
  14. 前記凹部形成工程において、前記導線の前記第2面の前記第1凹部に対向する部分に第1凸部を形成し、
    前記導線の線幅Wが広くなるのに応じて、前記第2凹部の底部と前記第3凹部の底部との距離A及び前記第3凹部の底部と前記第1凸部の頂部との前記導線の線幅方向に沿った距離Bが、それぞれ長くなるように前記第1凹部、前記第2凹部、前記第3凹部を形成する請求項11~13のいずれか1項に記載のコイルの製造方法。
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