JPWO2017098917A1 - 回転電機の電機子 - Google Patents

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Abstract

環状に形成されたバックヨーク部(11)と、バックヨーク部(11)の周方向(Z)に間隔を隔てて径方向(X)に突出して形成された複数のティース部(12)と、隣接するティース部(12)間に形成された複数のスロット(13)に配置されるコイル(14)とを備え、各スロット(13)とコイル(14)との間にて、コイル(14)を囲むように配置されシート材(5)にて形成される絶縁部(15)を有し、絶縁部(15)は、シート材(5)の端部(5A、5B)同士が重なり合う積層部(150)と、積層部(150)が軸方向(Y)の両側にそれぞれ突出して接合される接合部(160、161)とを備えている。

Description

この発明は、コイルの整列状態を保持するとともに、生産性に優れた回転電機の電機子に関するものである。
近年、電動機または発電機の回転電機においては、小型高出力、および、高効率が求められている。この種の回転電機を小型化、かつ、高出力化するに当たり、固定子の導線を鉄心に設けたスロットに高密度に挿入する方法がある。導線を高密度に挿入するためには、導線を整列した状態を保つ必要がある。そこで、整列したコイルを絶縁材で巻取り、当該整列を保持する方法(例えば、特許文献1参照)、または、整列したコイルをシートで覆う構造(例えば、特許文献2参照)が提案されてきた。また、絶縁材の積層した重なり部を内径側に設け、別部材で押さえて絶縁材を固定している回転電機(例えば、特許文献3参照)が提案されてきた。
特開2008−312313 特開2010−263764 特開2012−239322
特許文献1における従来の回転電機は、巻取りのための装置が煩雑となり、生産性が悪化するという問題点があった。また、特許文献2における従来の回転電機は、接着剤を塗布して固定すると記載されているが、接着剤の塗布方法の記載が無く、また、広範囲に接着を施す必要があるため、生産性の悪化が懸念されるという問題点があった。また、特許文献3における従来の回転電機は、スロットに挿入するまでコイルの整列を保持することができないことや、仮に重なり部を接着した時に、一度重なり部を開いてから接着剤を塗布して押さえる必要があるため、設備に接着剤が付着したり、自動化が困難であるという問題点があった。また、熱したツールを押しあてて溶着することは、コイルを傷づける可能性があり採用することができないという問題点があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、コイルの整列状態を保持するとともに、生産性に優れた回転電機の電機子を提供することを目的とする。
この発明の回転電機の電機子は、
環状のバックヨーク部と、
前記バックヨーク部の周方向に間隔を隔てて径方向に突出した複数のティース部と、
隣接する前記ティース部間の複数のスロットに配置されるコイルとを備えた回転電機の電機子において、
各前記スロットと前記コイルとの間で、前記コイルを囲むシート材で構成された絶縁部を有し、
前記絶縁部は、前記シート材の端部同士が重なり合う積層部と、前記積層部の軸方向の両側にそれぞれ突出した接合部とを備えている。
この発明の回転電機の電機子によれば、コイルの整列状態を保持するとともに、生産性に優れている。
この発明の実施の形態1の回転電機の固定子の構成を示した斜視図である。 図1に示した固定子を用いた回転電機の構成を示した側面図である。 図1に示した固定子の径方向の断面を示した横断面図である。 図1に示した絶縁部のみの構成を示した斜視図である。 図4に示した絶縁部の積層部を重ね合わせる前の状態を示した斜視図である。 図1に示した固定子におけるコイルに絶縁部を設置する設置方法を示した斜視図である。 図1に示した固定子におけるコイルに絶縁部を設置する設置方法を示した斜視図である。 図1に示した固定子におけるコイルに絶縁部を設置する設置方法を示した斜視図である。 図8に示したコイルに絶縁部を設置した状態を示した拡大斜視図である。 図9に示したコイルと絶縁部との関係を説明するための縦断面図である。 図9に示した絶縁部の接合部の接合方法を説明するための縦断面図である。 図9に示した絶縁部の接合部の他の接合方法を説明するための縦断面図である。 図8に示したコイルに絶縁部を設置し、接合部を接合した後の状態を示した斜視図である。 図13に示したコイルにバックヨーク部およびティース部を挿入する工程を示した斜視図である。 この発明の実施の形態2における固定子の径方向の断面を示した横断面図である。 図15に示した固定子の絶縁部の積層部を重ね合わせる前の状態を示した斜視図である。 この発明の実施の形態2における固定子のコイルに絶縁部を設置する設置方法を示した斜視図である。 この発明の実施の形態2における固定子のコイルに絶縁部を設置する設置方法を示した斜視図である。 図18に示したコイルと絶縁部との関係を説明するための縦断面図である。 図19に示した絶縁部の接合部の接合方法を説明するための縦断面図である。 図19に示した絶縁部の接合部の他の接合方法を説明するための縦断面図である。 この発明の実施の形態3における回転電機の電機子のコイルおよび絶縁部の製造方法を説明するための斜視図である。 この発明の実施の形態3における回転電機の電機子のコイルおよび絶縁部の製造方法を説明するための斜視図である。 この発明の実施の形態3における回転電機の電機子のコイルおよび絶縁部の製造方法を説明するための斜視図である。 この発明の実施の形態3における回転電機の電機子のコイルおよび絶縁部の製造方法を説明するための斜視図である。 図25に示した電機子のコイルおよび絶縁部の次の製造方法を説明するための平面図である。 図26に示したコイルを保持ツールで保持した状態を示した上面図である。 図27に示したコイルと絶縁部との関係を説明するための縦断面図である。 図28に示した絶縁部の接合部の接合方法を説明するための縦断面図である。 図28に示した絶縁部の接合部の他の接合方法を説明するための縦断面図である。
実施の形態1.
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図1はこの発明の実施の形態1の回転電機の固定子の構成を示した斜視図である。図2は図1に示した固定子を用いた回転電機の構成を示した側面図である。図3は図1に示した固定子の径方向の断面を示した横断面図である。図4は図1に示した絶縁部のみの構成を示した斜視図である。図5は図4に示した絶縁部の積層部を重ね合わせる前の状態を示した斜視図である。図6から図8は図1に示した固定子におけるコイルに絶縁部を設置する設置方法を示した斜視図である。図9は図8に示したコイルに絶縁部を設置した状態を示した拡大斜視図である。
図10は図9に示したコイルと絶縁部との関係を説明するための縦断面図である。図11は図9に示した絶縁部の接合部の接合方法を説明するための縦断面図である。図12は図9に示した絶縁部の接合部の他の接合方法を説明するための縦断面図である。図13は図8に示したコイルに絶縁部を設置し、接合部を接合した後の状態を示した斜視図である。図14は図13に示したコイルにバックヨーク部およびティース部を挿入する工程を示した斜視図である。
図2において、回転電機100は、電機子としての固定子101と、この固定子101の環状内に配設された回転子105とを備えている。そして、回転電機100は、有底円筒状のフレーム102と、このフレーム102の開口を塞口する端板103とを有するハウジング109内に収納されている。固定子101は、フレーム102の円筒部の内部に、嵌合状態にて固着されている。回転子105は、フレーム102の底部および端板103にベアリング104を介して回転可能に支持された回転軸106に固着されている。
回転子105は、軸心位置に挿通された回転軸106に固着された回転子鉄心107と、回転子鉄心107の外周面側に埋設されて周方向に所定のピッチで配列され、磁極を構成する永久磁石108とにて形成されている。ここでは、回転子105は永久磁石型にて示しているが、これに限られることは無く、絶縁被膜を施していない導体線をスロットに収納して、両側を短絡環で短絡したかご形の回転子や、絶縁被膜を施した導体線を回転子鉄心のスロットに装着した巻線形の回転子を用いてもよい。
図1および図3において、固定子101は、環状に形成されたバックヨーク部11と、バックヨーク部11の内周の周方向Zに、等間隔を隔てて径方向Xの内側に突出して形成された複数のティース部12と、隣接するティース部12間に形成された複数のスロット13に配置されるコイル14とを備えている。
ここでは説明の便宜上、極数を8極とし、固定子101のスロット13の数を48個、コイル14を三相巻線の例を示している。すなわち、スロット13は、毎極毎相当たり2個の割合で固定子101に形成されている。固定子101は、磁極を構成するティース部12間によって区切られ、コイル14が挿入されるスロット13を形成することとなる。そして、バックヨーク部11は各ティース部12を磁気的に接続する。バックヨーク部11(各ティース部12も含む)は、周方向Zに24個に分割された、分割鉄心110にて形成されている。
コイル14は、12本の絶縁被膜を施した導体線をつづら折りするように編みこんだ波巻コイルにて形成されている。コイル14は、この波巻コイルを内層と外層との二つを同心状に配置して構成される。コイル14は、スロット13に挿入される直線状の部分が径方向Xに一列に並び、スロット13に挿入され、スロット13内ではコイル14を構成する導体線が一列に整列した状態(図3参照)となる。
そして、各スロット13とコイル14との間には、コイル14を囲むように配置され1枚のシート材5にて形成される絶縁部15を備えている。絶縁部15を形成するシート材5としては、例えば、ポリフィニレンサルファイドやポリエチレンテレフタレートなどの絶縁樹脂材、または、アラミド(全芳香族ポリアミド)ポリマにて形成される絶縁紙などの利用が考えられる。
図4および図5に示したように、絶縁部15は、シート材5の軸方向Yに延在する端部15A、15B同士が重なり合う積層部150と、積層部150がスロット13から軸方向Yの両側、すなわち上下にてそれぞれ突出して接合される接合部160、161とを備えている。図5は、絶縁部15の積層部150が、端部15A、15Bを重なり合う前の状態を示したものである。
絶縁部15の厚みは、コイル14に印加する電圧に応じて必要な絶縁距離を確保できる厚みを有している。図3に示したように、絶縁部15は、スロット13の最外の径方向Xの位置に、シート材5が2枚重なる積層部150が形成され、必要な沿面距離を確保している。接合部160、161は、スロット13とは異なる方向、ここでは径方向Xの外側に屈折されている。
次に上記のように構成された実施の形態1の回転電機の固定子の製造方法について説明する。まず、図6に示したように、コイル14が形成される。そして、コイル14の直線状の整列した部分(以下、”直線状の部分”と称す)、すなわち、後にスロット13に挿入される箇所に、シート材5の絶縁部15の両端部15A、15Bを広げた(離した)状態にして、径方向Xの内側方向から挿入して被せる。
次に、図7に示したように、絶縁部15の両端部15A、15Bを軸方向Yにおいて重なり合うようにして、図8、図9、および図10に示したように、積層部150を形成し、絶縁部15はコイル14の直線状の部分を囲むように形成する。次に、図11に示したように、シート材5の絶縁材料の融解温度まで達した融着ツール51を、接合部160、161の軸方向Yの上下から押し当てる。そして、接合部160、161を溶着して融解接合にて形成する。そして、コイル14の直線状の部分が絶縁部15にて保持される。また、別の接合方法としては、図12に示したように、ノズル52から接着剤60を接合部160、161の間に塗布して接着接合にて形成する。
このように、スロット13から軸方向Yにおいて突出した位置関係を有する接合部160、161にて接合を行っているため、融着ツール51を容易に設置することができる、また、接合範囲を限定して接着材を塗布することができる。接合部160、161を融解接合にて形成する場合には、融着ツール51で熱と圧力をかけることで、融着による固定が可能となるため、生産性が良くなる。
そして、図13に示したように、コイル14の全ての直線状の部分に、絶縁部15を取り付ける。そしてこのような接合部160、161にて接合することで、絶縁部15がコイル14の直線状の部分の整列状態を保持することができる。次に、図14に示したように、絶縁部15が設置されたコイル14に径方向Xの外側から分割鉄心110を挿入して、絶縁部15がスロット13内に配置されるように形成し、固定子101を形成する。
このように、コイル14が絶縁部15にて整列され、固定された状態で、分割鉄心110のティース部12間のスロット13に挿入することができる。このため、コイル14の直線状の部分が安定してスロット13に挿入される。よって、ティース部12とコイル14との擦れによる、絶縁部15の劣化を防ぐことができ、生産性がよく、絶縁品質の高い回転電機100を得ることができる。
上記のように構成された実施の形態1の回転電機の電機子によれば、スロットとコイルとの間で絶縁を確保するための絶縁部は、各スロット内において、コイルを囲むように配置し、端部同士が重なり合う積層部において、スロットから軸方向の両側にそれぞれ突出する接合部にて接合するように構成しているため、スロット内から外部に形成され、シート材が重ね合わさった接合部での接合が可能となり、この接合部の形成が容易となり、スロット内のコイルの整列状態を確保したまま、保持することができるとともに、生産性が向上する。
また、接合部が、スロットとは異なる方向に屈折されているので、スロットに挿入されるコイルに阻害されること無く接合部の接合工程が行い易く、かつ、コイルに影響を与えること無く接合部を配置することが可能となる。
尚、本実施の形態においては、接合部を径方向に設け、当該接合部をスロットと異なる方向である径方向に屈折させる例を示したが、これに限られることはなく、コイルに影響が生じないように、接合部を周方向に設け、当該接合部を周方向に屈折させ接合工程を行うことも可能で有る。このように接合部を径方向または周方向に屈折させることにより、接合工程が行い易くなる。
また、上記においては、接合工程を経た後も、接合部を径方向または周方向に屈折した状態のまま構成する例を示したが、これに限られることはなく、例えば、接合工程にて接合部を接合した後に、当該接合部を軸方向に戻す、すなわち、積層部から軸方向に延在する方向に接合部を構成してもよい。
また、接合部は、融解接合にて形成されているため、接合部を容易に形成することが可能となり、かつ、確実な接合箇所を形成することが可能となる。
また、接合部は、接着接合にて形成されているため、シート材の材質の利用可能性を広げることができる。
実施の形態2.
図15はこの発明の実施の形態2における固定子の径方向の断面を示した横断面図である。図16は図15に示した絶縁部の積層部を重ね合わせる前の状態を示した斜視図である。図17から図18はこの発明の実施の形態2における固定子のコイルに絶縁部を設置する工程を示した斜視図である。図19は図18に示したコイルと絶縁部との関係を説明するための縦断面図である。図20は図19に示した絶縁部の接合部の接合方法を説明するための縦断面図である。図21は図19に示した絶縁部の接合部の他の接合方法を説明するための縦断面図である。
図15および図16において、上記実施の形態1と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態2においては、絶縁部15は、軸方向Yに分割された2枚のシート材5A、5Bから形成されている。よって、絶縁部15は、軸方向Yに延在する端部15A、15Bに加えて、端部15C、15Dを有する。そして、絶縁部15には、端部15A、15B同士が重なり合う積層部150と、端部15C、15d同士が重なり合う積層部151との、2箇所の積層部150、151が形成される。
そして、積層部150には、接合部160、161が、積層部151には、接合部162、163がそれぞれ形成されている。接合部162、163は、積層部151がスロット13から軸方向Yの両側、すなわち上下にてそれぞれ突出して接合され形成されている。接合部162、163は、スロット13とは異なる方向、ここでは径方向Xの内側に屈折されている。そして、図15に示したように、絶縁部15は、スロット13の最外の径方向Xの位置にシート材5A、5Bが2枚重なる積層部150を、さらに、スロット13の最内の径方向Xの位置に、シート材5A、5Bが2枚重なる積層部151を形成し、必要な沿面距離を確保している。
次に上記のように構成された実施の形態2の回転電機の固定子の製造方法について説明する。まず、上記実施の形態1と同様に、図17に示したように、コイル14が形成される。そして、コイル14の直線状の部分、すなわち、後にスロット13に挿入される箇所に、絶縁部15のシート材5A、5Bの両端部15A、15B同士、両端部15C、15D同士を離した状態にして、径方向Xの内側または外側方向から挿入して被せる。
次に、図18および図19に示したように、絶縁部15のシート材5A、5Bの両端部15A、15Bおよび両端部15C、15Dを、周方向Zから相対移動させて、軸方向Yにおいて重なり合うようにし、積層部150、151を形成して、絶縁部15をコイル14の直線状の部分を囲むように形成する。次に、図20に示したように、シート材5A、5Bの絶縁材料の融解温度まで達した融着ツール51を、接合部160、161、162、163の軸方向Yの上下から押し当てる。そして、接合部160、161、162、163を溶着して融解接合にて形成する。そして、コイル14の直線状の部分が絶縁部15にて保持される。また、別の接合方法としては、図21に示したように、ノズル52から接着剤60を接合部160、161、162、163の間に塗布して接着接合にて形成する。
このように、スロット13から軸方向Yにおいて突出した位置関係を有する接合部160、161、162、163にて接合を行っているため、融着ツール51を容易に設置することができる、また、接合範囲を限定して接着材を塗布することができる。接合部160、161、162、163を融解接合にて形成する場合には、融着ツール51で熱と圧力をかけることで、融着による固定が可能となり、生産性が良くなる。そして、以下、上記実施の形態1と同様の工程を経て、固定子101を形成する。
上記のように構成された実施の形態2の回転電機の電機子は、上記実施の形態1と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、絶縁部は、軸方向に分割された2枚のシート材から形成され、積層部が2箇所に、そして、接合部が2箇所の積層部にそれぞれ形成されているので、上記実施の形態1と比較すると、絶縁部を変形させること無くコイルに設置することができる。このように、絶縁部のコイルへの設置の対応の自由度が増し、設置が行い易くなる。そのため、複雑な組立工程が無く、自動化が行い易く、生産性が向上する。
実施の形態3.
図22から図25はこの発明の実施の形態3における回転電機の電機子のコイルおよび絶縁部の製造方法を説明するための斜視図である。図26は図25に示した電機子のコイルおよび絶縁部の次の製造方法を説明するための平面図である。図27は図26に示したコイルを保持ツールで保持した状態を示した上面図である。図28は図27に示したコイルと絶縁部との関係を説明するための縦断面図である。図29は図28に示した絶縁部の接合部の接合方法を説明するための縦断面図である。図30は図28に示した絶縁部の接合部の他の接合方法を説明するための縦断面図である。
図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態3においては、コイル14を、絶縁被膜を施した導体線を複数回同軸状に巻線し形成したリングコイルを用いた例について説明する。他の構成については、上記実施の形態2と同様であるためその説明を省略する。図22において、巻枠6は、コイル14を形成するためのものである。巻枠6は、紙面上左右2箇所の直線部61と、紙面上上下2箇所にエンド部62と、1箇所の導入溝63と、8箇所の固定溝64とがそれぞれ形成されている。
直線部61は、コイル14のスロット13に挿入される直線状の部分を形成するための部分であり、巻枠6に2箇所形成される。すなわち、2箇所のスロット13にそれぞれ挿入されるコイル14の2箇所の直線状の部分が作成されるものである。エンド部62は、コイル14を鉄心に設置した時に、鉄心の軸方向の上下端部でスロット13に挿入される導体線同士を電気的に接合するコイルエンド部を形成するための部分である。導入溝63は、導体線の巻初めを導入するための部分である。固定溝64は、絶縁部15を形成するいずれか一方のシート材5A、5Bの接合部160、161、162、163を巻枠6に固定支持するために、各直線部61の軸方向Yの上下にそれぞれ形成された部分である。
次に、上記のように構成された実施の形態3の回転電機の電機子の製造方法について説明する。まず、図22に示したように、巻枠6の各固定溝64に、絶縁部15のシート材5A、5Bの接合部160、161、162、163をそれぞれ挿入する。すると、図23に示すように、巻枠6に絶縁部15のシート材5A、5Bがそれぞれ固定支持される。次に、図24に示したように、導入溝63から絶縁被膜で覆われた導体線を導入し、導体線を巻回す、若しくは、巻枠6を回転させ、導体線を巻枠6に巻取り、コイル14を作成する。
次に、コイル14を巻き終わると、図25に示したように、絶縁部15のシート材5A、5Bをコイル14側に残して、巻枠6をコイル14から外す。次に、絶縁部15の他方のシート材5B、5Aの両端部15B、15Aおよび両端部15D、15Cを相対移動させて、軸方向Yにおいて重なり合うようにし、積層部150、151を形成して、絶縁部15をコイル14の直線状の部分を囲むように形成する(図26)。
次に、この状態では接合部160、161、162、163がまだ接合されていないため、図27および図28に示したように、コイル14の整列を保持するため保持ツール70を設置し、仮保持する。次に、上記実施の形態2と同様に、図29に示したように、シート材5A、5Bの絶縁材料の融解温度まで達した融着ツール51を、接合部160、161、162、163の軸方向Yの上下から押し当てる。そして、接合部160、161、162、163を溶着して融解接合にて形成する。そして、コイル14の直線状の部分が絶縁部15にて保持される。
また、別の接合方法としては、図30に示したように、ノズル52から接着剤60を接合部160、161、162、163の間に塗布して接着接合にて形成する。そして、保持ツール70を取り外す。この時点では、接合部160、161、162、163が接合されているため、コイル14の直線状の部分はその形状を絶縁部15により保持することができる。以下、上記各実施の形態と同様の工程を経て、固定子101を形成する。
上記のように構成された実施の形態3の回転電機の電機子は、コイルの形状が異なる場合であっても、上記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。
また、巻枠に予め分割したシート材を固定するため、シート材がコイルを邪魔することなく巻線作業を可能となり、生産性が向上する。
上記各実施の形態においては、周方向に分割された分割鉄心にて構成する例を示しているが、本実施の形態3においては、周方向に分割されていない一つの鉄心のスロットに、本実施の形態3にて説明したコイルを挿入して形成することも可能で有る。
尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
この発明の回転電機の電機子は、
環状のバックヨーク部と、
前記バックヨーク部の周方向に間隔を隔てて径方向に突出した複数のティース部と、
隣接する前記ティース部間の複数のスロットに配置されるコイルとを備えた回転電機の電機子において、
各前記スロットと前記コイルとの間で、前記コイルを囲むシート材で構成された絶縁部を有し、
前記絶縁部は、前記シート材の端部同士が重なり合う積層部と、前記積層部のそれぞれの前記端部の軸方向の両側にそれぞれ突出し、積層した接合部とを備えている。

Claims (5)

  1. 環状のバックヨーク部と、
    前記バックヨーク部の周方向に間隔を隔てて径方向に突出した複数のティース部と、
    隣接する前記ティース部間の複数のスロットに配置されるコイルとを備えた回転電機の電機子において、
    各前記スロットと前記コイルとの間で、前記コイルを囲むシート材で構成された絶縁部を有し、
    前記絶縁部は、前記シート材の端部同士が重なり合う積層部と、前記積層部の軸方向の両側にそれぞれ突出した接合部とを備えている回転電機の電機子。
  2. 前記接合部は、周方向または径方向に屈折されている請求項1に記載の回転電機の電機子。
  3. 前記絶縁部は、分割された2枚のシート材から形成され、
    前記積層部は、2箇所に形成され、
    前記接合部は、2箇所の前記積層部にそれぞれ形成される請求項1または請求項2に記載の回転電機の電機子。
  4. 前記接合部は、融解接合にて形成されている請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転電機の電機子。
  5. 前記接合部は、接着接合にて形成されている請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転電機の電機子。
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