JPWO2017195637A1 - 電機子の製造方法、回転電機の製造方法、電機子、回転電機、および電機子の製造装置 - Google Patents

電機子の製造方法、回転電機の製造方法、電機子、回転電機、および電機子の製造装置 Download PDF

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Abstract

コイルユニット(21)を複数個組み合わせてコイル籠(121)を形成するコイル組立工程と、コイル籠(121)の径方向外側もしくは径方向内側から内側コア(30)を挿入するコア挿入工程と、内側コア(30)の外周に固定部材(40)を挿入する固定部材挿入工程とを備え、コア挿入工程において、コイル籠(121)の径方向位置を電機子完成後の正規位置よりも径方向外側にずらしたコア挿入時位置に保持し、コイル籠(121)の径方向外側もしくは径方向内側から内側コア(30)を挿入し、コア挿入工程の後に、コイル籠(121)および内側コア(30)の径方向位置を径方向内側に移動させて電機子完成後の正規位置にする。

Description

この発明は、電機子の製造方法、回転電機の製造方法、電機子、回転電機、および電機子の製造装置に関し、特にスロット開口幅を狭めることができる電機子の製造方法、回転電機の製造方法、電機子、回転電機、および電機子の製造装置に関するものである。
近年、電動機や発電機等の回転電機は、小型高出力化が要求されている。この要求を解決する手段として平角導線を用いてコイルの占積率を向上した分布巻の電機子を使用することが知られている。あらかじめ成形したコイルを組み合わせてコイル籠にし、コイル籠にコアを挿入していくことで、コイルの溶接個所を低減するとともに、生産性を向上する効果があった。
しかしながら、この種の電機子においては、電機子のスロット開口幅を狭めるとコイルとコアが干渉するため、スロット開口幅を狭めることが困難であった。スロット開口幅が大きくなると、磁気抵抗が増加し、回転電機の効率が低下して、回転電機が大型化する問題があった。また、スロット開口幅が大きくなると、コイルが内周側にはみ出すのを機械的に防止することができず、接着等の固定手段により、コイルを固定する必要があった。
このような問題を解決するものとして、コア挿入後に、ティース先端部を、ティース中央部から周方向の外側であるスロット側に向けて開くことにより、スロット開口幅を狭めるものが知られている(例えば、下記の特許文献1参照)。特許文献1では、ティース先端部にスリットを設けることで、先端部の変形量を小さくして磁気特性を向上する効果があった。また、ティース先端部の周方向突起を径方向内側に突出させた状態で打ち抜き、組立後に径方向内側に突出した突起を周方向に折り曲げる従来例と比較すると、材料歩留まりを向上する効果があった。
また、下記の特許文献2では、シュー先端に周方向の突起がある分割コアを径方向内側から挿入する構造が示されている。径方向内側から挿入することで、ティース先端部の突起とコイルとの干渉を避けることができる。しかしながら、ティースのバックヨーク側では、平角状のコイルとティース部との間に周方向の隙間が生じる。そこで、この隙間に磁性粉を充填することで、磁路の面積を確保するとともに、コイルからコアへの放熱性を向上し、小型高出力化の効果があった。
特許5557058号公報 特許5352979号公報
しかしながら、前記特許文献1の回転電機の電機子においては、ティース先端部にスリットがあるため、磁気抵抗が増加して出力が低下するので、回転電機が大型化する問題があった。また、分割コア挿入後にティース先端部を塑性変形させるため、塑性変形部の磁気特性が劣化してしまう問題があった。また、鉄損改善を目的としてシリコン含有量の多い電磁鋼板を用いた場合、破断伸び量が著しく低下するので、大きく変形させることができず、十分な周方向の突出量を確保すことが困難であった。
前記特許文献2の回転電機の電機子においては、コア挿入後に磁性粉を充填する必要があり、生産性が悪化する問題があった。また、磁性粉は電磁鋼板と比較して飽和磁束密度が低いため、電磁鋼板のみでティース部を構成した場合と比較して出力が低下するので、回転電機が大型化する問題があった。また、コアを挿入する前に、コイル籠を接着剤により固着する必要があり、材料と製造に要するコストが増加する問題があった。
この発明は前記の課題を解決するためになされたもので、スロット開口幅を狭めることができ、小型で高効率かつ安価で生産性に優れる電機子の製造方法、回転電機の製造方法、電機子、回転電機、および電機子の製造装置を提供することを目的とする。
この発明に係る電機子の製造方法は、
バックヨーク部から径方向に突出するティース部と、前記ティース部の先端において周方向に延びる周方向突起部を有し、環状に配置された複数個の内側コアと、
前記ティース部間のスロットに収納されるスロット部と、各前記スロット部を繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個組み合わせたコイル籠と、
前記複数個の内側コアの外周部を固定する円環状の固定部材を備え、
前記ティース部間のスロットには、前記コイルユニットの前記スロット部が径方向に整列して配置された電機子の製造方法であって、
前記コイルユニットを複数個組み合わせて環状のコイル籠を形成するコイル組立工程と、
前記コイル籠の径方向外側もしくは径方向内側から前記内側コアを挿入するコア挿入工程と、
前記内側コアの外周に前記固定部材を挿入する固定部材挿入工程とを備え、
前記コア挿入工程において、前記コイルユニットの前記スロット部が周方向に整列した状態を保持したままで、前記コイル籠の径方向位置を前記電機子完成後の正規位置よりも径方向外側にずらしたコア挿入時位置に保持し、前記コイル籠の径方向外側もしくは径方向内側から前記内側コアを挿入し、前記コア挿入工程の後に前記コイル籠および前記内側コアの径方向位置を径方向内側もしくは径方向外側に移動させて前記電機子完成後の正規位置にするものである。
この発明に係る回転電機の製造方法は、前記電機子の製造方法で製造された電機子の内周側に、回転軸に固着された回転子を回転自在に配置するものである。
この発明に係る電機子は、
バックヨーク部から径方向に突出するティース部と、前記ティース部の先端において周方向に延びる周方向突起部を有し、環状に配置された複数個の内側コアと、
前記ティース部間のスロットに収納される少なくとも3つのスロット部と、各前記スロット部を接続部無しで繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個周方向に同じピッチで並列に組み合わせたコイル籠と、
前記複数個の内側コアの外周部を固定する円環状の固定部材を備え、
前記コイルユニットは、少なくとも前記スロット部が平角導線からなり、
前記ティース部間のスロットには、前記スロット部が径方向に整列し、均等厚さの絶縁部材を介して前記内側コアに密着して配置され、
前記ティース部の先端の周方向突起部の内周面は滑らかな円弧状または直線上に形成され、
前記コイルユニットの前記スロット部の周方向幅をX1、前記ティース部先端の前記周方向突起部間の周方向距離をX2とした場合、X1>X2であり、
前記コイルユニットの径方向の最も内側に位置する隣接するスロット部間の周方向距離をY1、前記内側コアの前記バックヨーク部の周方向幅をY3とした場合、Y3>Y1である。
この発明に係る回転電機は、前記の電機子の内周側に、回転軸に固着された回転子が回転自在に配置されている。
この発明に係る電機子の製造装置は、
バックヨーク部から径方向に突出するティース部と、前記ティース部の先端において周方向に延びる周方向突起部を有し、環状に配置された複数個の内側コアと、
前記ティース部間のスロットに収納されるスロット部と、各前記スロット部を繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個組み合わせたコイル籠と、
前記複数個の内側コアの外周部を固定する円環状の固定部材を備え、
前記ティース部間のスロットには、前記コイルユニットの前記スロット部が径方向に整列して配置された電機子の製造装置であって、
前記コイル籠の径方向位置を規制するコイル径方向位置規制部材と、前記コイル籠の軸方向位置を規制するコイル軸方向位置規制部材と、前記コイル籠の径方向外側から前記内側コアを挿入する際に、前記内側コアを挿入しようとするスロット部間の周方向距離を拡げる移動部材と、前記内側コアを径方向内側に向かって移動させるコア挿入部材と、前記内側コアの径方向内側の位置を規制するコア内側規制部材を備え、
前記移動部材は径方向外側に向かって周方向幅が大きいくさび形状となっている。
この発明の電機子の製造方法および回転電機の製造装置によれば、スロット開口幅を狭めることができ、小型で高効率かつ安価で生産性に優れる電機子および回転電機を提供することができる。
この発明の電機子および回転電機によれば、ティース部の先端に周方向突起部を有しているので、回転子と電機子の間の磁気抵抗を低下させ、回転子鉄損を低減することができる。また、コイル占積率を高めることができるので、高効率および高出力の回転電機を得ることができる。
この発明の電機子の製造装置によれば、高効率および高出力の回転電機に備える電機子を、簡単な設備により生産性良く製造することができる。
この発明の実施の形態1に係る回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機の電機子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る電機子の平面図および部分断面図である。 図3の電機子のA部の詳細断面図である。 この発明の実施の形態1に係る電機子巻線を構成するコイルユニットの正面模式図である。 図5のコイルユニットを矢印Yoの方向から見た模式図である。 図5のコイルユニットの斜視模式図である。 この発明の実施の形態1に係る電機子において、複数個のコイルユニットが電機子鉄心のスロットに配置されている状態を示す平面模式図である。 この発明の実施の形態1に係る電機子の製造方法のフローチャートを示す図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程のフローチャートを示す図である。 この発明の実施の形態1に係る固定部材挿入工程のフローチャートを示す図である。 この発明の実施の形態1に係る電機子巻線となるコイル籠を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る電機子巻線となるコイル籠の外側に内側コアを配置した斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る電機子巻線となるコイル籠に内側コアを挿入した後の斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る外側コアを挿入後の電機子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る外側コアを挿入後の電機子を示す平面断面図である。 図16の電機子のB部の詳細断面図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE1部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE2部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程に使用される移動部材を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程に使用される電機子の製造装置を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程に使用される移動部材を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程に使用される電機子の製造装置を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE3部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE4部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE5部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE6部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE7部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE8部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE9部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE10部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE11部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係るコア挿入工程を示す模式図およびE12部分拡大図である。 この発明の実施の形態1に係る固定部材挿入工程を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係る固定部材挿入工程を示す模式図である。 この発明の実施の形態1に係る固定部材挿入工程を示す模式図である。 この発明の実施の形態2に係る外側コアを挿入後の電機子を示す平面断面図である。 図43の電機子のJ部の詳細断面図である。 この発明の実施の形態2に係るコア挿入工程を説明するための模式図である。 図5のコイルユニットを矢印Yi方向から見た模式図である。 コイルユニットを電機子完成後の形状で成形していた場合に、コイルユニットを径方向外側にずらした状態で保持した様子を示す模式図である。 ターン部の周方向ピッチをあらかじめ大きくして、コイルユニットを径方向外側にずらした状態で保持した様子を示す模式図である。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1について、図に基づいて説明する。
図1はこの発明の実施の形態1に係る回転電機を示す断面図、図2は図1の回転電機の電機子を示す斜視図である。以下の説明において、回転軸方向(図1における上下方向)を軸方向、回転軸中心方向(図1における左右方向)を径方向、回転軸を中心とする回転方向を周方向と定義して説明する。
図において、回転電機100は、有底円筒状のフレーム2およびフレーム2の開口を塞ぐブラケット3を有するハウジング1と、ブラケット3に取付穴部12を介してボルト9により締結された電機子10と、フレーム2の底部およびブラケット3にベアリング4を介して回転可能に支持された回転軸6と、回転軸6に固着されて電機子10の内周側に回転可能に配置された回転子5を備えている。
回転子5は、軸心位置に挿入された回転軸6に固着された回転子鉄心7と、回転子鉄心7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8と、を備えた永久磁石型回転子である。なお、回転子5は、永久磁石式回転子に限定されず、絶縁しない回転子導体を、回転子鉄心のスロットに収納して、両側を短絡環で短絡したかご形回転子や、絶縁した導体線を回転子鉄心のスロットに装着した巻線形回転子を用いてもよい。
次に、この発明の実施の形態1に係る電機子の構成について具体的に説明する。図3はこの発明の実施の形態1に係る電機子の平面図および部分断面図、図4は図3の電機子のA部の詳細断面図を示す。
図2および図3に示すように、電機子10は、電機子鉄心11と、電機子鉄心11に装着された電機子巻線20と、電機子巻線20と電機子鉄心11を電気的に隔離する絶縁部材である絶縁紙14を備えている。ここで、本実施の形態の回転電機では、極数を8極、電機子鉄心11のスロット数を48個、電機子巻線20を三相巻線とする。すなわち、スロットは、毎極毎相当たり2個の割合で電機子鉄心11に形成されている。
図3および図4に示すように、電機子鉄心11は、外周側に配置された外側コア40と、内周側に配置された内側コア30を備える。内側コア30は、バックヨーク部129と、バックヨーク部129から径方向内側に向かって延びるティース部130と、ティース部130の先端部から周方向に延びる周方向突起部131を有する。電機子鉄心11は、複数個の内側コア30を周方向に隣り合うバックヨーク部129が接触した状態で円環状に配置し、内側コア30の外周を外側コア40により固定することで構成される。電機子鉄心11は、内側コア30のティース部130により周方向に分けられた空間であるスロット13を有し、スロット13には電機子巻線20を構成するコイルユニット21と、コイルユニット21と電機子鉄心11を電気的に絶縁する絶縁部材である絶縁紙14が収納される。なお、絶縁部材である絶縁紙14は、後述するコア挿入工程の前に、内側コア30に取り付けておく。
後述するように、ティース部130間のスロット13に収納されるコイルユニット21のスロット部S1〜S6は平角導線からなる。そして、スロット13には、スロット部S1〜S6が径方向に整列し、均等厚さの絶縁部材である絶縁紙14を介して内側コア30に密着して配置され、ティース部130の先端の周方向突起部131の内周面は滑らかな円弧状または直線上に形成されている。
電機子鉄心11の内側コア30および外側コア40は、所定枚数の電磁鋼板を積層一体化して構成される。なお、電機子鉄心11の材質は、粉体鉄心など任意の磁性材料を用いた一体型鉄心であっても良い。また、外側コア40の代わりにリング状の固定部材を用いて内側コア30を固定してもよい。なお、特許請求の範囲では、外側コア40、リング状の固定部材を、固定部材と称している。
外側コア40には電機子鉄心11を固定するための取付穴部12が設けられている。取付穴部12を電機子鉄心11に設けることで、焼嵌めや圧入等の固定手段で電機子鉄心11をフレームに固定する必要がないため、生産性を向上する効果がある。また、外側コア40には嵌合による圧縮応力が作用しないため、外側コア40に加わる応力を低減して、交流磁界によるヒステリシス損を低減して高効率化の効果がある。なお、取付穴部12による固定に限定せず、フレームと嵌合して固定することは当然可能である。
次に、本実施の形態の電機子巻線の構造について説明する。図5から図7は電機子巻線を構成するコイルユニット21を示している。
図5は、本実施の形態に係る電機子巻線を構成するコイルユニットの正面模式図である。図6は、図5のコイルユニットを矢印Yoの方向から見た模式図である。図7は、図5のコイルユニットの斜視模式図である。
図5から図7に示すように、本実施の形態のコイルユニット21は、接続部無しで連続している1本の導体線から構成されており、例えばエナメル樹脂で絶縁被覆された銅線あるいはアルミニウム線などから構成されている。また、本実施の形態のコイルユニット21は、断面形状が略矩形形状である1本の平角導線を屈曲して形成した、2個の亀甲部が幅方向で並ぶ形状になっている。本実施の形態では、電機子巻線20は、48個のコイルユニット21を周方向に連続的に並べることにより形成されている。
コイルユニット21は、スロット13に収納される直棒状の6個のスロット部S1〜S6を有しており、1層目となる第1スロット部S1と2層目となる第2スロット部S2と3層目となる第3スロット部S3と4層目となる第4スロット部S4と5層目となる第5スロット部S5と6層目となる第6スロット部S6を備えている。
そして、第1スロット部S1と第3スロット部S3と第5スロット部S5とは、周方向において同じ位置にある。
また、第2スロット部S2は、第1スロット部S1より、周方向一方側で1磁極ピッチに相当する6スロット角度間隔だけ離れており、第6スロット部S6は、第5スロット部S5より、周方向一方側で1磁極ピッチに相当する6スロット角度間隔だけ離れている。
また、第4スロット部S4は、第3スロット部S3より、周方向他方側で1磁極ピッチに相当する6スロット角度間隔だけ離れている。
また、コイルユニット21は、第1スロット部S1と第2スロット部S2との間、第2スロット部S2と第3スロット部S3との間、第3スロット部S3と第4スロット部S4との間、第4スロット部S4と第5スロット部S5との間、第5スロット部S5と第6スロット部S6との間の、各々を一体連結する接続部のない連続した各ターン部を有している。
第1スロット部S1と第2スロット部S2との間は、ターン部T1−1およびT2−1とで接続されている。
第2スロット部S2と第3スロット部S3との間は、ターン部T2−2およびT3−2とで接続されている。
第3スロット部S3と第4スロット部S4との間は、ターン部T3−1およびT4−1とで接続されている。
第4スロット部S4と第5スロット部S5との間は、ターン部T4−2およびT5−2とで接続されている。
第5スロット部S5と第6スロット部S6との間は、ターン部T5−1およびT6−1とで接続されている。
また、第1および第6スロット部S1およびS6から個別に突出して周方向の外側に且つ互いに逆方向へ屈曲されたターン部T1−2、T6−2を有している。ターン部T1−2、T6−2の末端部分は、溶接等の接合手段により、他のコイルユニットまたは中性点または給電部に接続される。
図8は、本実施の形態に係る電機子において、複数個のコイルユニットが電機子鉄心のスロットに配置されている状態を示す結線側コイルエンドの側の平面模式図である。なお、図8において、矢印Cdは回転電機の周方向、矢印Rdは径方向内側を示す。
図8では、電機子鉄心11において円環状に配列しているティース部130およびスロット13を、説明の都合上、展開して直線状に配列させている。また、説明の都合上、各スロット13に、図面の左から右に向けて順番に通し番号No.1〜13をつけている。
図8において、例えば、7番目(No.7)のスロットに、第1スロット部S1と第3スロット部S3と第5スロット部S5とを配置したコイルユニット21は、第2スロット部S2と第6スロット部S6とを、周方向一方側で1磁極ピッチに相当する6スロット角度間隔だけ離れている1番目(No.1)のスロットに配置しており、第4スロット部S4を、周方向他方側で1磁極ピッチに相当する6スロット角度間隔だけ離れている13番目(No.13)のスロットに配置している。
そして、7番目(No.7)のスロットには、周方向他方側にある別のコイルユニット21の、第2スロット部S2と第6スロット部S6とが配置されており、周方向一方側にある別のコイルユニット21の第4スロット部S4が配置されている。
すなわち、7番目(No.7)のスロットには、電機子鉄心11のバックヨーク部の側から開口側に向かって、第6スロット部S6→第5スロット部S5→第4スロット部S4→第3スロット部S3→第2スロット部S2→第1スロット部S1の順にスロット部が並んでいる。なお、他のスロットにおいても、同様にして各スロット部が配置されている。
なお、本実施の形態におけるコイルユニット21は、スロット部S1〜S6を6個有するもので説明したが、少なくとも3個のスロット部と各スロット部間を繋げる弾性を有するターン部が少なくとも2つ以上を含んだコイルユニットであればよく、コイルユニットを複数個周方向に同じピッチで並列に組み合わせて形成されていればよい。
このような構成のコイルユニットは、後述するように、既に成形して組み立てたコイルユニットに内側コアのティース部を挿入するため、接続部の無いターン部を電機子の軸方向片側だけに配置し、コイルをターン部と逆側から電機子のティース部に向けて軸方向に移動させて、電機子のティース部に挿入して組み立てる場合と比較すると、接続部の無いターン部をコイルに連続的に形成することができるため溶接数が低減し、生産性を向上する効果がある。
また、本実施の形態による後述する電機子の製造方法においては、このようなコイルユニットに限らず、一般に使用されるコイルユニットを使用しても良い。
次に、本実施の形態の電機子の製造方法について、図9から図15を用いて説明する。
図9は、この発明の実施の形態1に係る電機子の製造方法のフローチャートを示す図である。図10は、図9におけるコア挿入工程のフローチャートを示す図である。図11は、図9における固定部材挿入工程のフローチャートを示す図である。図12は、電機子巻線となるコイル籠を示す斜視図である。図13は、電機子巻線となるコイル籠の外周に内側コアを配置した斜視図である。図14は、電機子巻線となるコイル籠に内側コアを挿入した後の斜視図である。図15は、外側コアを挿入後の電機子を示す斜視図である。
まず、図9のフローチャートにより電機子の製造方法の概略について説明する。
ステップ1のコイル成形工程では、図5から図7に示すように、接続部がなく連続しており且つ絶縁被覆された1本の導体線を屈曲することによりコイルユニット21を形成する。なお、前記したように、コイルユニットは、スロット部は6個有するものに限らず、少なくとも3個のスロット部とスロット部間をつなぐ弾性を有するターン部を有するものであれば良い。
ここで、コイル成形工程におけるコイルユニット21の各スロット部を繋ぐターン部の周方向ピッチPについて説明する。図46は、図5のコイルユニットを矢印Yi方向から見た模式図であり、スロット部S1、ターン部T1−1、ターン部T2−1、スロット部S2を抜き出した模式図である。図46において、実線で示すコイル成形時のターン部の周方向ピッチP1は、破線で示す電機子完成後のターン部の周方向ピッチP2より大きくしておくことが望ましい。望ましいターン部の周方向ピッチPについては後述する。
次に、ステップ2のコイル組立工程では、所定個数、本実施の形態では48個のコイルユニット21を周方向に連続的に並べることにより、図12に示すような環状のコイル籠121を形成する。
次に、ステップ3のコア挿入工程では、図13から図14に示すように、コイル籠121の径方向外側から内側コア30を挿入する。ステップ3のコア挿入工程の詳細については後述する。
次に、ステップ4の固定部材挿入工程では、図15に示すように、外側コア40を軸方向から挿入することにより電機子10を得る。ステップ4の固定部材挿入工程の詳細については後述する。
図16は、本実施の形態1に係る外側コアを挿入した後の電機子を示す平面断面図であり、図17は、図16の電機子のB部の詳細断面図である。図に示すように、隣り合う内側コア30のティース部130間に形成されたスロット13に、コイルユニット21のスロット部S1〜S6が整列した状態で収納される。
図17において、X1はスロット部S1〜S6の周方向幅、X2は隣り合う周方向突起部131間の周方向距離、Y1は径方向の最も内側に位置する隣接するスロット部S1〜S1間の周方向距離、Y2は径方向の最も外側に位置する隣接するスロット部S6〜S6間の周方向距離、Y3は内側コア30のバックヨーク部129の周方向幅、Y4は周方向突起部131の周方向幅を示している。
図17に示すように、径方向の最も内側に位置する隣接するスロット部S1〜S1間の周方向距離Y1に対して、内側コア30のティース部先端の周方向突起部131の周方向幅Y4が大きいため、単純に内側コア30をコイルユニット21に対して径方向に挿入すると周方向突起部131がスロット部S1〜S6と干渉するため、電機子を組み立てることができない。
そこで、本実施の形態では下記に説明する電機子の製造方法により電機子を組み立てる。
まず、図18から図23の模式図に基づいて、本実施の形態のコア挿入工程の原理を説明する。
図18は、コア挿入工程における寸法関係を示す模式図である。図において、電機子完成後(図15の状態)のコイルユニット21のスロット部S1〜S6の径方向位置21A(正規位置21A)に対して、コア挿入時のコイルユニット21のスロット部S1〜S6の径方向位置21B(コア挿入時位置21B)を、径方向外側にずらし、コア挿入時にはコア挿入時位置21Bでコイルユニット21を保持する。ここで、正規位置21Aのスロット部S1の内周部と回転電機の中心との距離をR1、正規位置21Aからコア挿入時位置21Bに径方向外側にずらした量を径方向移動量Zと定義する。この場合、周方向に隣接する径方向最も内側にある隣接するスロット部S1〜S1間の周方向距離はY1からY1aに増加する。このときの増加量はスロット数をMとして次式(1)で表わされる。
Y1a−Y1=2×π×Z/M・・・(1)
この場合、上記説明した図46に示すように、あらかじめコイルユニット21のターン部の周方向ピッチP1を、電機子完成後のターン部の周方向ピッチP2より大きくしておくことが望ましい。具体的には、電機子完成後におけるターン部の周方向ピッチの中心角度をΦ(度)とすると、上記径方向にZずらした状態でターン部の周方向ピッチの中心角度がほぼ同じ角度Φとなるようにコイルユニット21を成形する。上記角度Φは極数をN1とすると次式で表される。
Φ=360/(2×N1)
そして、電機子完成後に対するコイルユニット成形時のターン部の周長の増加量をD1とすると、この増加量D1を次式の右辺とほぼ同じくする。
D1=2×π×Z×Φ/360
コイルユニットを電機子完成後の形状で成形していた場合、図47に示すように、コイルユニットを電機子完成後の形状よりも径方向外側にずらした状態で保持すると、スロット部が径方向に一直線上に整列しない。そのため、ターン部を弾性変形または塑性変形することにより、強制的にスロット部を径方向に整列させる必要がある。一方、コイルユニット成形時において、ターン部の周長の増加量をD1としてターン部の周方向ピッチをあらかじめ大きくすることにより、図48に示すように、コイルユニットを電機子完成後の形状よりも径方向外側にずらした状態で保持しても、スロット部が径方向に一直線に整列しているため、コア30の挿入が容易となり生産性が向上する効果がある。また、ターン部を変形させる必要がないため、絶縁性が向上するという効果がある。
次に、コア挿入時の内側コア30の径方向位置について、電機子完成後の軸中心から内側コア30の外周面までの距離をR2、内側コア30の挿入時に電機子完成後の位置から径方向外側にずらした量を径方向移動量Zとすると、内側コア30を周方向に等ピッチに並べた場合に、周方向に隣接する内側コア30のバックヨーク部129間の距離G1は次式(2)で表わされる。
G1=2×π×Z/M・・・(2)
次に、図19に示すように、内側コア30をコイル籠121に挿入するためにコイルユニット21のスロット部S1〜S6および内側コア30を周方向にずらす。図19において、説明の便宜上、10個の内側コア30を図示左から右に向かって内側コアC1〜C10とし、同一スロットに収納されるスロット部S1〜S6を図示左から右に向かってスロット部SL1〜SL11と定義して説明する。
図19において、内側コアC4および内側コアC10をコイル籠121に挿入することを想定する。なお、内側コアC1〜C3、C5〜C9はすでに挿入されているものとする。この場合、内側コアC1に向かって矢印で示す周方向(図示左方向)に内側コアC2、C3およびスロット部SL2、SL3、SL4を寄せる。また、内側コアC7に向かって矢印で示す周方向(図示右方向)に内側コアC5、C6およびスロット部SL5、SL6、SL7を寄せる。また、内側コアC7に向かって矢印で示す周方向(図示左方向)に内側コアC8、C9およびスロット部SL8、SL9、SL10を寄せる。なお、内側コアC10の図示右側の内側コアおよびスロット部も同様に寄せる。
このとき、内側コアC2は図18で示す距離G1だけ周方向(図示左方向)に移動することができる。内側コアC3は距離(2×G1)だけ周方向(図示左方向)に移動することができる。内側コアC6は距離G1だけ周方向(図示右方向)に移動することができる。内側コアC5は距離(2×G1)だけ周方向(図示右方向)に移動することができる。内側コアC8は距離G1だけ周方向(図示左方向)に移動することができる。内側コアC9は距離(2×G1)だけ周方向(図示左方向)に移動することができる。
また、コイルユニット21のスロット部SL2とスロット部SL8に注目すると、スロット部SL2とSL8はターン部により繋がれているため、同じ方向に動かすことができる。同様に、スロット部SL3とスロット部SL9、スロット部SL4とスロット部SL10も、それぞれターン部により繋がれているため、同じ方向に動かすことができる。ここで、図20に示すように周方向に隣接するターン部の間に隙間G2を設けておくことが望ましい。隙間G2を設けることで、コイルユニット21のスロット部S1〜S6を変形させることなく周方向に動かすことができる。コイルユニット21のスロット部S1〜S6を変形させることなく組立可能となることで、コイル被膜損傷のリスクを低減し、信頼性を向上する効果がある。
図19において、内側コアC4の挿入を想定した場合、スロット部SL4とスロット部SL5の径方向の最も内側の周方向距離Y1bは内側コアC4の周方向突起部131の周方向幅Y4よりも大きく設定する必要がある。このとき、内側コアC4はスロット部SL4およびSL5に干渉することなく径方向に挿入することができる。ここで、内側コアC2、C3、C5、C6およびスロット部SL2〜SL7を周方向に動かす前のスロット部SL4、SL5間の周方向距離Y1a(図18参照)と、周方向に動かした後のスロット部SL4、SL5間の周方向距離Y1bは、次式(3)で表わされる。
Y1b−Y1a=2×G1・・・(3)
次に、図21に示すように、内側コアC4をコイルユニット21のスロット部SL4とSL5の間に挿入した後、図19で周方向に寄せた内側コアC2、C3、C5、C6、C8、C9およびスロット部SL1〜SL11を均等に戻し、図9のステップ3のコア挿入工程が完了する。
次に、図22および図23に示すように、内側コアC1〜C10およびスロット部SL1〜SL11を径方向内側に寄せる。このとき、各スロット部SL1〜SL11を繋ぐターン部の周方向ピッチPがP1からP2に小さくなる。そして、ターン部が軸方向に変形することで各スロット部SL1〜SL11の径方向位置が内側に移動する。
上記で説明したように、コイルユニット21の成形後のターン部の周方向ピッチP1が、電機子完成後のターン部の周方向ピッチP2より広く形成されていることが好ましい。
そうすると、コア挿入工程時に、コイルユニット21を必要以上に規制する必要がないため、コイルユニット21を規制するのに必要な力を低減することができ、コイルユニット21を規制する製造装置を安価にするとともに、製造装置とコイルユニット21の接触により生じるコイル被膜損傷のリスクを低減して信頼性が向上する効果がある。
また、電機子完成後にスロット部の周方向ピッチが狭くなるので、ターン部には周方向ピッチが広がる方向に弾性力が作用し、スロット部は径方向外側に押しつけられる。そのため、コイルユニット21から内側コア30への熱抵抗が低減され放熱性が向上する効果がある。また、コイルユニット21が安定して径方向外側に片寄せされるため、回転子5から発生する磁束がコイルユニット21を通る量が減少し、コイルユニット21の渦電流損を抑制して回転電機の高効率化を達成できる効果がある。
次に、内側コア30を径方向内側に寄せた後、外側コア40を軸方向に挿入することで、図9のステップ4の固定部材挿入工程が完了し、電機子10を得ることができる。
ここで、前述の、スロット部SL4とスロット部SL5の径方向の最も内側の周方向距離Y1bが内側コアC4の周方向突起部131の周方向幅Y4より大きくなる条件を導出する。図17に示す、径方向の最も内側に位置する隣接するスロット部間の周方向距離Y1と、周方向突起部131の周方向幅Y4から、内側コア30を挿入することが可能な寸法は次式(4)で表わされる。
Y4−Y1≦Y1b−Y1=3×2×π×Z/M・・・(4)
ここで式(4)を径方向移動量Zについて整理すると次式(5)のようになる。
M×(Y4−Y1)/(6×π)≦Z・・・(5)
各コイルユニット21の径方向移動量Zが、式(5)を満たすときに内側コア30が挿入可能となる。一方で、各コイルユニット21を径方向のみ広げた場合で各コイルユニット21の周方向移動を伴わない場合に内側コア30を挿入することができる寸法は次式(6)となる。
Z≦M×(Y4−Y1)/(2×π)・・・(6)
上記式(6)の条件では、各コイルユニット21を径方向のみ広げることにより、内側コア30を挿入することが可能である。この場合、各コイルユニット21の周方向移動を伴わないので、全ての内側コア30を各スロット部間に同時に挿入することができ、生産性が向上する効果がある。
一方で、式(6)の条件では径方向移動量Zが式(5)と比較して3倍以上必要となる。したがって、各コイルユニット21の径方向移動量Zを次式(7)とすることが望ましい。
M×(Y4−Y1)/(6×π)≦Z<M×(Y4−Y1)/(2×π)・・・(7)
各コイルユニット21の径方向移動量Zが式(7)の範囲を満たすようにすることにより、各コイルユニット21を径方向のみ移動させて内側コア30を挿入する場合と比較して、各コイルユニット21の径方向移動量を最大で3分の1にすることができるため、コア挿入後に内側コア30および各コイルユニット21を径方向内側に寄せる際にターン部の軸方向の変形量を小さくすることができるため、コイルエンドを小型化する効果がある。また、ターン部の変形量が小さいことで、コイル被膜損傷のリスクを低減し、絶縁に対する信頼性を向上する効果がある。
図9におけるコア挿入工程(ステップ3)の具体的な手順を、図10のフローチャート並びに図24から図35の模式図を用いて説明する。
最初に、図10の第一コア挿入部のスロット部を周方向に寄せる工程(ステップ11)について説明する。
まず、図24(a)に示すように、電機子鉄心11に収納されるコイル籠の正規の径方向位置から径方向外側に径方向移動量Zだけずらして組み立てたコイル籠121を用意する。そして、このコイル籠121の径方向外側に、これから挿入しようとする内側コア30を配置する。これから挿入しようとする内側コア30は、図19に示す内側コアC4と、内側コアC4から周方向に1磁極ピッチずつ離れている複数個の内側コア30(内側コアC10、・・・)である。つまり、本実施の形態では、内側コアC4を含め周方向に1磁極ピッチずつ離れた合計8個の内側コア30を同時にスロット部間に挿入する。
ここでは、図24(a)のE1部分拡大図である図24(b)に示すように、内側コア30として図19に示す内側コアC4を、スロット部SL4とSL5の間に挿入する場合について説明する。なお、内側コアC4から周方向に1磁極ピッチずつ離れている複数個の内側コア30(内側コアC10、・・・)の挿入動作も、内側コアC4の挿入動作と同様である。
次に、図25(a)および図25(a)のE2部分拡大図である図25(b)に示すように、内側コア30(C4)の挿入予定位置のスロット部SL4およびSL5をそれぞれ周方向の離反する方向に移動する。
この場合、図26に示すように、コア挿入予定部であるスロット部SL4とSL5の間に、径方向外側から移動部材310を挿入することにより、スロット部SL4およびSL5をそれぞれ周方向の離反する方向に移動させる。この移動部材310は、径方向外側に向かって周方向幅が大きいくさび形状となっている。
図27は、コア挿入工程に用いられる電機子の製造装置を示す図であり、図26のF方向から視た模式断面図である。図27において、くさび状の移動部材310は、内側コア30(C4)の軸方向両端部に配置され、内側コア30(C4)を挿入する前にスロット部SL4とSL6の間に挿入する。くさび状の移動部材310を挿入して、スロット部SL4とSL5を周方向の離反する方向に移動させることにより、内側コア30(C4)を挿入するスペースを確実に確保することができる。
図27の電機子の製造装置には、コイル籠121の径方向位置を規制するために、コイルユニット21のターン部の径方向内側および径方向外側を規制するコイル内側規制部材311およびコイル外側規制部材312が備えられている。なお、このコイル内側規制部材311およびコイル外側規制部材312は、特許請求の範囲ではコイル径方向位置規制部材と称している。また、内側コア30(C4)を径方向内側に向かって移動させるコア挿入部材314と、内側コア30(C4)の径方向内側の位置を規制するコア内側規制部材313が備えられている。さらに、コイル籠121の軸方向位置を規制するコイル軸方向位置規制部材315が備えられている。
次に、図10の第一コア挿入部に内側コアを径方向に挿入する工程(ステップ12)について説明する。
図28はくさび状の移動部材を用いて内側コアを挿入した状態を示す模式図であり、図29は図28のF方向から視たコア挿入工程に用いられる電機子の製造装置の模式断面図である。
図28および図29に示すように、スロット部SL4とSL5の間にくさび状の移動部材310を挿入した状態で、内側コア30(C4)をコア挿入部材314により径方向内側に移動させてスロット部SL4とSL5の間に挿入する。そして、内側コア30(C4)をコア内側規制部材313まで挿入することで内側コア30(C4)の挿入工程が完了する。このとき、スロット部SL4、SL5の径方向位置を規制するために、コイルユニット21のターン部をコイル内側規制部材311およびコイル外側規制部材312により規制することが望ましい。このようなコイル規制状態で内側コア30(C4)を径方向に挿入することによりスロット部SL4、SL5と内側コア30(C4)の径方向の相対位置を確実に保持することができ、ティース部先端の周方向突起部131を確実に最も内周側のスロット部S1より径方向内側の位置まで挿入することができる。そのため、内側コア30(C4)の挿入に対する確実性が増して、生産性を向上する効果がある。
図30(a)および図30(a)のE3部分拡大図である図30(b)は、くさび状の移動部材310をスロット部SL4とSL5の間に挿入した状態で、内側コア30(C4)のスロット部SL4とSL5の間への挿入が完了した状態を示す図であり、図31(a)および図31(a)のE4部分拡大図である図31(b)は、内側コア30(C4)の挿入が完了した後に、くさび状の移動部材310をスロット部SL4とSL5の間から抜き出した状態を示す図である。図31(a)および(b)に示すように、くさび状の移動部材310をスロット部SL4とSL5の間から抜き出すと、スロット部SL4およびSL5は内側コア30(C4)に向かって周方向に移動し、各スロット部は元の周方向位置に戻り、それぞれ等ピッチに配置される。この時点で、図10の第一コア挿入部に内側コアを挿入する工程(ステップ12)が完了する。
次に、図10の第二コア挿入部のスロット部を周方向に寄せる工程(ステップ21)について説明する。
図32(a)および図32(a)のE5部分拡大図である図32(b)に示すように、コイル籠121の径方向外側に、これから挿入しようとする内側コア30を配置する。これから挿入しようとする内側コア30は、図19に示す内側コアC3と、内側コアC3から周方向に1磁極ピッチずつ離れている複数個の内側コア30(内側コアC9、・・・)である。
次に、図33(a)および図33(a)のE6部分拡大図である図33(b)に示すように、内側コア30(C3)の挿入予定位置のスロット部SL3およびSL4をそれぞれ周方向の離反する方向に移動する。
この場合、図26と同様に、コア挿入予定部であるスロット部SL3とSL4の間に、径方向外側からくさび状の移動部材310を挿入することにより、スロット部SL3およびSL4をそれぞれ周方向の離反する方向に移動させる。
次に、図10の第二コア挿入部に内側コアを径方向に挿入する工程(ステップ22)について説明する。
図34(a)および図34(a)のE7部分拡大図である図34(b)に示すように、スロット部SL3とSL4の間にくさび状の移動部材310を挿入した状態で、内側コア30(C3)をコア挿入部材314により径方向内側に移動させてスロット部SL3とSL4の間に挿入する。
図35(a)および図35(a)のE8部分拡大図である図35(b)に示すように、内側コア30(C3)の挿入が完了した後に、くさび状の移動部材310をスロット部SL3とSL4の間から抜き出すと、スロット部SL3およびSL4は内側コア30(C3)に向かって周方向に移動し、各スロット部は元の周方向位置に戻り、それぞれ等ピッチに配置される。この時点で、図10の第二コア挿入部に内側コアを挿入する工程(ステップ22)が完了する。
これらのコア挿入工程を繰り返すことで、図10のコア挿入工程の最終ステップ(ステップN1、ステップN2)に至る。
図10の第Nコア挿入部のスロット部を周方向に寄せる工程(ステップN1)について説明する。なお、本実施の形態では、N=6である。
図36(a)および図36(a)のE9部分拡大図である図36(b)に示すように、コイル籠121の径方向外側に、これから挿入しようとする内側コア30を配置する。これから挿入しようとする内側コア30は、内側コアC47と、内側コアC47から周方向に1磁極ピッチずつ離れている複数個の内側コア30(内側コアC5、・・・)である。
次に、図37(a)および図37(a)のE10部分拡大図である図37(b)に示すように、内側コア30(C47)の挿入予定位置のスロット部SL47およびSL48をそれぞれ周方向の離反する方向に移動する。
この場合、図26と同様に、コア挿入予定部であるスロット部SL47とSL48の間に、径方向外側からくさび状の移動部材310を挿入することにより、スロット部SL47およびSL48をそれぞれ周方向の離反する方向に移動させる。
次に、図10の第Nコア挿入部に内側コアを径方向に挿入する工程(ステップN2)について説明する。
図38(a)および図38(a)のE11部分拡大図である図38(b)に示すように、スロット部SL47とSL48の間にくさび状の移動部材310を挿入した状態で、内側コア30(C47)をコア挿入部材314により径方向内側に移動させてスロット部SL47とSL48の間に挿入する。
図39(a)および図39(a)のE12部分拡大図である図39(b)に示すように、内側コア30(C47)の挿入が完了した後に、くさび状の移動部材310をスロット部SL47とSL48の間から抜き出すと、スロット部SL47およびSL48は内側コア30(C47)に向かって周方向に移動し、各スロット部は元の周方向位置に戻り、それぞれ等ピッチに配置される。この時点で、図10の第Nコア挿入部に内側コアを挿入する工程(ステップN2)が完了する。
最後に、図11に示す固定部材挿入工程(ステップ4)について説明する。
ステップ41では、図40に示すように、内側コア30の外周を縮径部材316により径方向内側に押してコイル籠121を縮径する。なお、ここで縮径とは、コイル籠121の径を縮めることを意味する。前述したようにコイル籠121は、正規の径方向位置から径方向外側に径方向移動量Zだけずらして組み立てられているので、このコイル籠121を径方向内側に径方向移動量Zだけ縮径すると正規の径方向位置になる。このとき、コイル籠121に挿入した各内側コア30もそれぞれのバックヨーク部129同士が密着して、正規の径方向位置となる。
ステップ42では、図41に示すように、内側コア30の外周を縮径部材316により径方向内側に押した状態で、内側コア30の軸方向一端側から外側コア40の一部を挿入する。
ステップ43では、図42に示すように、内側コア30の外周から縮径部材316を径方向外側へ退避させる。
ステップ44では、図42に示すように、内側コア30の外周に外側コア40を軸方向に挿入することで、固定部材挿入工程(ステップ4)が終了する。
以上のように説明した本実施の形態の製造工程を経ることにより、本実施の形態の電機子10を製造することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、コイルユニットを複数個組み合わせて環状のコイル籠を形成するコイル組立工程と、コイル籠の径方向外側から内側コアを挿入するコア挿入工程と、内側コアの外周に固定部材を挿入する固定部材挿入工程とを備え、コア挿入工程において、コイル籠の径方向位置を電機子完成後の正規位置よりも径方向外側にずらしたコア挿入時位置に保持し、コイル籠の径方向外側から内側コアを挿入し、コア挿入工程の後に、コイル籠および内側コアの径方向位置を径方向内側に移動させて電機子完成後の正規位置にしたので、ティース部の先端に周方向突起部を有する内側コアをコイル籠と干渉することなく径方向外側から挿入することができるため、小型で高効率かつ安価で生産性に優れる回転電機を提供することができる。
すなわち、本実施の形態によれば、バックヨーク部から径方向に突出するティース部と、ティース部の先端において周方向に延びる周方向突起部を有し、環状に配置された複数個の内側コアと、ティース部間のスロットに収納される少なくとも3つのスロット部と、各スロット部を接続部無しで繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個周方向に同じピッチで並列に組み合わせたコイル籠と、複数個の内側コアの外周部を固定する円環状の固定部材を備え、コイルユニットは、少なくともスロット部が平角導線からなり、ティース部間のスロットには、スロット部が径方向に整列し、均等厚さの絶縁部材を介して内側コアに密着して配置され、ティース部の先端の周方向突起部の内周面は滑らかな円弧状または直線上に形成されている電機子を提供することができる。
このようにティース部の先端に周方向突起部を有することで、回転子と電機子との磁気抵抗を低下し、高出力の回転電機を提供できる効果がある。また、周方向突起部により回転子鉄損を低減し、高効率化の効果がある。また、従来例と比較するとティース部先端部にスリットがないので、スリットによる磁気抵抗の増加がなく、高出力化の効果がある。さらに、従来例と比較すると、ティース部先端部を塑性変形させることがないので、磁気特性の劣化がなく、高効率と高出力化の効果がある。
また、従来のように予め寸法が規定されたスロットにコイルを挿入する場合はクリアランスを取る必要があるが、本実施の形態の電機子の製造方法では、コイルユニットのスロット部を拡げた状態から内側コアを挿入するのでクリアランスは不要である。さらに、コイルユニットを縮径させることにより、コイル同士およびコイルと内側コアが押しつけられてコイル間およびコイルと内側コアとの間に隙間が生じない。そのため、きわめて高いコイル占積率を有する回転電機を得ることができる。
さらに、従来からのストレート状のティース部をコイル籠の径方向内側から挿入する場合と比較して、周方向の隙間がないのでコイル籠から電機子コアへの熱抵抗を低減し、放熱性を向上する効果がある。
また、コア挿入後はティース部の先端部の周方向突起部により、コイルユニットが電機子の径方向内側に飛び出すことがないので、接着等の固定手段によらず、機械的に確実にコイルユニットの径方向内側へのはみだしを防止する効果がある。また、ティース部先端部の突起部を径方向内側に突出させた状態で打ち抜き、組立後に径方向内側に突出した突起を周方向に折り曲げる従来例と比較すると、材料歩留まりを向上する効果がある。
また、既に成形して組み立てたコイルユニットにティース部を挿入するため、接続部のないターン部を軸方向片側だけに設け、コイルをターン部と逆側から固定子に向けて軸方向に移動させて、固定子に挿入して組み立てる場合と比較すると、接続部のないターン部をコイルユニットに連続的に構成することができるため溶接数が低減し、生産性を向上する効果がある。
また、コア挿入工程において、コイル籠の径方向外側から内側コアを挿入する際に、内側コアを挿入しようとするスロット部間の周方向距離を拡げることにより、コイル籠の径方向位置を電機子完成後の正規位置よりも必要以上に径方向外側にずらす必要がなくなり、ターン部の変形量を小さくすることができる。また、ターン部の周方向ピッチが小さくなることで、コイルエンドを小型化する効果がある。
さらに、コア挿入工程において、コイル籠に既に挿入した内側コアを電機子完成後の正規の周方向位置からずらした状態で、挿入されていない内側コアを径方向外側からスロット部間に挿入することにより、既に組み立てた内側コアと干渉することなく、径方向外側から挿入することができるため、生産性を向上する効果がある。
また、コア挿入工程において、コイル籠の径方向位置をコア挿入時位置に規制し、既に挿入された内側コアの径方向位置を規制した状態で、挿入されていない内側コアを径方向外側から挿入することにより、コア挿入工程の確実性および信頼性を向上する効果がある。
また、コイル籠を構成するコイルユニットの成形後のターン部の周方向ピッチが、電機子完成後のターン部の周方向ピッチより広く形成することにより、コア挿入工程時にコイルユニットを必要以上に規制する必要がないため、コイルユニットを規制するのに必要な力を低減することができ、コイルユニットの接触により生じるコイル被膜損傷のリスクを低減して信頼性が向上する効果がある。また、電機子完成後にスロット部の周方向ピッチが狭くなるので、ターン部には周方向ピッチが広がる方向に弾性力が作用し、スロット部は径方向外側に押しつけられる。そのため、コイルユニットから内側コアへの熱抵抗が低減され放熱性が向上する効果がある。さらに、コイルユニットが安定して径方向外側に片寄せされるため、回転子から発生する磁束がコイルユニットを通る量が減少し、コイルユニットの渦電流損を抑制して回転電機の高効率化を達成できる効果がある。
また、コア挿入工程の前に、コイルユニットと内側コアを絶縁する絶縁部材を内側コアに取り付けておくことにより、内側コアと別に絶縁部材を供給する必要が無いので、生産性を向上する効果がある。
また、コイル籠は、各スロット部が周方向に所定スロット角度離れた位置に収容されるコイルユニットを周方向に連続的に並べて形成され、コア挿入工程において、内側コアを所定スロット角度と同じピッチ毎の径方向外側に複数組配置し、複数組の内側コアをコイル籠に同時に挿入することにより、製造設備のタクトタイムを短縮することができ、生産性を向上する効果がある。
また、周方向突起部の周方向幅をY4、スロット部の径方向および周方向位置が電機子完成後の正規位置に配置された状態で、径方向の最も内側に位置する隣接するスロット部間の周方向距離をY1、スロットの数をMとした場合に、コア挿入工程におけるスロット部の電機子完成後の正規の径方向位置からの径方向移動量Zを「Z<M×(Y4−Y1)/(2×π)」とすることにより、スロット部の周方向位置を変化させずに径方向に広げることだけで干渉なく内側コアを径方向に挿入する場合と比較して、ターン部の変形量を小さくすることができるため、絶縁に対する信頼性を向上することができる。また、ターン部の周方向ピッチが小さくなることで、ターン部が軸方向に大きくなることを防止し、コイルエンドを小型化する効果がある。
また、「M×(Y4−Y1)/(6×π)≦Z」とすることにより、スロット部を径方向および周方向に動かすことで、コア挿入時にコイルユニットを変形させることなく組立可能なため、絶縁に対する信頼性を向上する効果がある。
また、コア挿入工程の前のコイル籠を構成するコイルユニットは、周方向に隣接するターン部に隙間を有することにより、コイルユニットを変形させることなくコイルユニットを周方向に移動させることができるため、コイル被膜が損傷するリスクが低減し、信頼性を向上する効果がある。
また、本実施の形態の電機子において、コイルユニットのスロット部の周方向幅をX1、ティース部先端の周方向突起部間の周方向距離をX2とした場合、X1>X2とすることにより、コイルユニットが径方向内側にはみ出すことを確実に防止することができる。
また、コイルユニットの径方向の最も内側に位置する隣接するスロット部間の周方向距離をY1、内側コアのバックヨーク部の周方向幅をY3とした場合、Y3>Y1とすることにより、固定部材挿入工程において、コイルユニットが径方向外側にはみ出すことを確実に防止することができる。
また、本実施の形態の電機子の製造装置は、コイル籠の径方向位置を規制するコイル径方向位置規制部材と、コイル籠の軸方向位置を規制するコイル軸方向位置規制部材と、コイル籠の径方向外側から内側コアを挿入する際に、内側コアを挿入しようとするスロット部間の周方向距離を拡げる移動部材と、内側コアを径方向内側に向かって移動させるコア挿入部材と、内側コアの径方向内側の位置を規制するコア内側規制部材を備えているので、コア挿入工程における内側コアの挿入を簡単な設備で確実に実施することができる。
また、移動部材は径方向外側に向かって周方向幅が大きいくさび形状となっているので、移動部材を径方向内側に移動するだけで、内側コアを挿入しようとするスロット部間の周方向距離を拡げることができ、簡単かつ安価な設備で電機子を製造することができる。
また、内側コアの外周を径方向内側に押してコイル籠を縮径する縮径部材を備えることにより、内側コアの外周に固定部材を挿入することができ、簡単かつ安価な設備で電機子を製造することができる。
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2について、図43〜図45に基づいて説明する。なお、実施の形態2については、実施の形態1と異なる点のみ説明する。
図43はこの発明の実施の形態2の外側コアを挿入後の電機子を示し、実施の形態1の図16に相当する平面断面図を示す。図44は図43の電機子のJ部の詳細断面図であり、実施の形態1の図17に相当する。図45はこの発明の実施の形態2に係るコア挿入工程を説明するための模式図であり、実施の形態1における図19に相当する。
図43に示すように、外側コア1040の内周側に内側コア1030が配置されており、図44に示すように外側コア1040の溝部1050に内側コア1030の嵌合部1132が嵌合して固定されている。このとき、内側コア1030のティース部1130の先端の周方向突起1131の周方向幅Y4は、電機子完成後のスロット部間の最も狭くなった部分の周方向隙間Y1よりも大きい。なお、周方向突起1131を設けることで、実施の形態1と同様の効果がある。また、図44において、1013はスロット、1014は絶縁部材を示し、S1〜S6は実施の形態1と同様のコイルユニット21のスロット部を示している。
また、内側コア1030のバックヨーク側の周方向で最も幅の広い部分の幅Y3は、電機子完成後のスロット部間の最も狭くなった部分の周方向隙間Y1よりも大きい。このような構成とすることで、幅Y3を周方向隙間Y1以下とした場合と比較して、コイルの占積率を向上し、回転電機の高出力化の効果がある。また、ティース部1130の側面とコイルの間の隙間を小さくできるので、コイルから内側コア1030への熱抵抗を低減して放熱性を向上することで、高出力化の効果がある。
この発明の実施の形態2では、図45に示すように、内側コア1030を、実施の形態1と同様のコイルユニット21から構成されたコイル籠121に対して、その内周側から外周側に向けて挿入する。この場合の内側コア1030の挿入手順と、スロット部S1〜S6と内側コア1030の干渉を避ける方法は、内側コア1030を「外周側から内周側へ挿入する」ことを「内周側から外周側へ挿入する」ことに置き換えれば、実施の形態1と同様である。なお、図45において、説明の便宜上、同一スロットに収納されるスロット部S1〜S6を図示左から右に向かってスロット部SL1〜SL11として表している。
スロット部と内側コア1030の干渉を避ける方法は、具体的には、式(6)における周方向突起部131の幅Y4を、図44における内側コア1030のバックヨーク側の周方向で最も幅の広い部分の幅Y3に置き換えることで、径方向の移動のみでコアを挿入可能な条件が導出される。すなわち、式(6)のY4にY3に置き換えると、式(8)となる。
Z≦M×(Y3−Y1)/(2×π)・・・(8)
上記式(8)の条件で内側コア1030を内周側から外周側へ挿入することが可能である。周方向への移動がないことで、全ての内側コア1030を同時に挿入することができ、生産性を向上する効果がある。
また、式(7)における周方向突起の幅Y4を、図44における内側コア1030のバックヨーク側の周方向で最も幅の広い部分の幅Y3に置き換えることで、径方向に加えて周方向に移動を伴ってコアを挿入可能な条件が導出される。すなわち、式(7)のY4をY3に置き換えると、式(9)となる。
M×(Y3−Y1)/(6×π)≦Z<M×(Y3−Y1)/(2×π)・・(9)
上記式(9)の条件で内側コア1030を内周側から外周側へ向かって挿入することができる。各コイルユニット21を径方向にのみ移動させて内側コア1030を挿入する場合と比較して、各コイルユニット21の径方向の移動量を最大で3分の1にすることができるため、コア挿入後に内側コア1030および各コイルユニット21を径方向内側に寄せる際にターン部の軸方向の変形量を小さくすることができる。その結果、コイルエンドを小型化する効果がある。また、ターン部の変形量が小さいことで、コイル被膜損傷のリスクを低減し、絶縁に対する信頼性を向上する効果がある。
なお、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。
この発明に係る電機子は、
バックヨーク部から径方向に突出するティース部と、前記ティース部の先端において周方向に延びる周方向突起部を有し、環状に配置された複数個の内側コアと、
前記ティース部間のスロットに収納される少なくとも3つのスロット部と、各前記スロット部を接続部無しで繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個周方向に同じピッチで並列に組み合わせたコイル籠と、
前記複数個の内側コアの外周部を固定する円環状の固定部材を備え、
前記コイルユニットは、断面形状が略矩形形状である1本の平角導線を屈曲して形成され
前記ティース部間のスロットには、前記スロット部が径方向に整列し、均等厚さの絶縁部材を介して前記内側コアに密着して配置され、
前記ティース部の先端の周方向突起部の内周面は滑らかな円弧状または直線上に形成され、
前記コイルユニットの前記スロット部の周方向幅をX1、前記ティース部先端の前記周方向突起部間の周方向距離をX2とした場合、X1>X2であり、
前記コイルユニットの径方向の最も内側に位置する隣接するスロット部間の周方向距離をY1、前記内側コアの前記バックヨーク部の周方向幅をY3とした場合、Y3>Y1である。

Claims (18)

  1. バックヨーク部から径方向に突出するティース部と、前記ティース部の先端において周方向に延びる周方向突起部を有し、環状に配置された複数個の内側コアと、
    前記ティース部間のスロットに収納されるスロット部と、各前記スロット部を繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個組み合わせたコイル籠と、
    前記複数個の内側コアの外周部を固定する円環状の固定部材を備え、
    前記ティース部間のスロットには、前記コイルユニットの前記スロット部が径方向に整列して配置された電機子の製造方法であって、
    前記コイルユニットを複数個組み合わせて環状のコイル籠を形成するコイル組立工程と、
    前記コイル籠の径方向外側もしくは径方向内側から前記内側コアを挿入するコア挿入工程と、
    前記内側コアの外周に前記固定部材を挿入する固定部材挿入工程とを備え、
    前記コア挿入工程において、前記コイルユニットの前記スロット部が周方向に整列した状態を保持したままで、前記コイル籠の径方向位置を前記電機子完成後の正規位置よりも径方向外側にずらしたコア挿入時位置に保持し、前記コイル籠の径方向外側もしくは径方向内側から前記内側コアを挿入し、前記コア挿入工程の後に前記コイル籠および前記内側コアの径方向位置を径方向内側もしくは径方向外側に移動させて前記電機子完成後の正規位置にする電機子の製造方法。
  2. 前記コイル籠は、前記ティース部間のスロットに収納される少なくとも3つのスロット部と、各前記スロット部を接続部無しで繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個周方向に同じピッチで並列に組み合わせて形成されている請求項1に記載の電機子の製造方法。
  3. 前記コア挿入工程において、前記コイル籠の径方向外側もしくは径方向内側から前記内側コアを挿入する際に、前記内側コアを挿入しようとする前記スロット部間の周方向距離を拡げる請求項1または請求項2に記載の電機子の製造方法。
  4. 前記コア挿入工程において、前記コイル籠に既に挿入した前記内側コアを前記電機子完成後の正規の周方向位置からずらした状態で、挿入されていない前記内側コアを径方向外側もしくは径方向内側から前記スロット部間に挿入する請求項3に記載の電機子の製造方法。
  5. 前記コア挿入工程において、前記コイル籠の径方向位置をコア挿入時位置に規制し、既に挿入された前記内側コアの径方向位置を規制した状態で、挿入されていない前記内側コアを径方向外側もしくは径方向内側から挿入する請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電機子の製造方法。
  6. 前記コイル籠を構成する前記コイルユニットの成形後の前記ターン部の周方向ピッチが、電機子完成後の前記ターン部の周方向ピッチより広く形成されている請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電機子の製造方法。
  7. 前記コア挿入工程における前記スロット部の電機子完成後の正規の径方向位置からの径方向移動量をZとし、電機子完成後の前記ターン部の周方向ピッチの中心角度をΦとした場合、前記コイルユニットの成形後の前記ターン部の周長の増加量D1を、2×π×Z×Φ/360とほぼ等しくする請求項6に記載の電機子の製造方法。
  8. 前記コア挿入工程の前に、前記コイルユニットと前記内側コアを絶縁する絶縁部材を前記内側コアに取り付けておく請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電機子の製造方法。
  9. 前記コイル籠は、各前記スロット部が周方向に所定スロット角度離れた位置に収容される前記コイルユニットを周方向に連続的に並べて形成され、前記コア挿入工程において、前記内側コアを前記所定スロット角度と同じピッチ毎の径方向外側もしくは径方向内側に複数組配置し、複数組の前記内側コアを前記コイル籠に同時に挿入する請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電機子の製造方法。
  10. 前記コア挿入工程において、前記コイル籠の径方向外側から前記内側コアを挿入する場合、前記周方向突起部の周方向幅をY4、前記スロット部の径方向および周方向位置が電機子完成後の正規位置に配置された状態で、径方向の最も内側に位置する隣接する前記スロット部間の周方向距離をY1、前記スロットの数をMとした場合に、前記スロット部の電機子完成後の正規の径方向位置からの径方向移動量Zを、
    M×(Y4−Y1)/(6×π)≦Z<M×(Y4−Y1)/(2×π)
    の範囲とする請求項3から請求項9のいずれか1項に記載の電機子の製造方法。
  11. 前記コア挿入工程において、前記コイル籠の径方向内側から前記内側コアを挿入する場合、前記内側コアのバックヨーク側の周方向で最も幅の広い部分の幅をY3、前記スロット部の径方向および周方向位置が電機子完成後の正規位置に配置された状態で、径方向の最も内側に位置する隣接する前記スロット部間の周方向距離をY1、前記スロットの数をMとした場合に、前記スロット部の電機子完成後の正規の径方向位置からの径方向移動量Zを、
    M×(Y3−Y1)/(6×π)≦Z<M×(Y3−Y1)/(2×π)
    の範囲とする請求項3から請求項9のいずれか1項に記載の電機子の製造方法。
  12. 前記コア挿入工程の前の前記コイル籠を構成するコイルユニットは、周方向に隣接する前記ターン部に隙間を有する請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電機子の製造方法。
  13. 前記固定部材挿入工程において、前記内側コアの外周を縮径部材により径方向内側に押した状態で、前記内側コアの軸方向一端側から前記固定部材の一部を挿入し、前記内側コアの外周から前記縮径部材を退避させて、前記内側コアの外周に前記固定部材の全部を挿入する請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の電機子の製造方法。
  14. 請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の電機子の製造方法で製造された電機子の内周側に、回転軸に固着された回転子を回転自在に配置する回転電機の製造方法。
  15. バックヨーク部から径方向に突出するティース部と、前記ティース部の先端において周方向に延びる周方向突起部を有し、環状に配置された複数個の内側コアと、
    前記ティース部間のスロットに収納される少なくとも3つのスロット部と、各前記スロット部を接続部無しで繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個周方向に同じピッチで並列に組み合わせたコイル籠と、
    前記複数個の内側コアの外周部を固定する円環状の固定部材を備え、
    前記コイルユニットは、少なくとも前記スロット部が平角導線からなり、
    前記ティース部間のスロットには、前記スロット部が径方向に整列し、均等厚さの絶縁部材を介して前記内側コアに密着して配置され、
    前記ティース部の先端の周方向突起部の内周面は滑らかな円弧状または直線上に形成され、
    前記コイルユニットの前記スロット部の周方向幅をX1、前記ティース部の先端の前記周方向突起部の間の周方向距離をX2とした場合、X1>X2であり、
    前記コイルユニットの径方向の最も内側に位置する隣接するスロット部間の周方向距離をY1、前記内側コアの前記バックヨーク部の周方向幅をY3とした場合、Y3>Y1である電機子。
  16. 請求項15に記載の電機子の内周側に、回転軸に固着された回転子が回転自在に配置されている回転電機。
  17. バックヨーク部から径方向に突出するティース部と、前記ティース部の先端において周方向に延びる周方向突起部を有し、環状に配置された複数個の内側コアと、
    前記ティース部間のスロットに収納されるスロット部と、各前記スロット部を繋ぐターン部を有するコイルユニットを複数個組み合わせたコイル籠と、
    前記複数個の内側コアの外周部を固定する円環状の固定部材を備え、
    前記ティース部間のスロットには、前記コイルユニットの前記スロット部が径方向に整列して配置された電機子の製造装置であって、
    前記コイル籠の径方向位置を規制するコイル径方向位置規制部材と、前記コイル籠の軸方向位置を規制するコイル軸方向位置規制部材と、前記コイル籠の径方向外側から前記内側コアを挿入する際に、前記内側コアを挿入しようとするスロット部間の周方向距離を拡げる移動部材と、前記内側コアを径方向内側に向かって移動させるコア挿入部材と、前記内側コアの径方向内側の位置を規制するコア内側規制部材を備え、
    前記移動部材は径方向外側に向かって周方向幅が大きいくさび形状となっている電機子の製造装置。
  18. 前記内側コアの外周を径方向内側に押して前記コイル籠を縮径する縮径部材を備えた請求項17に記載の電機子の製造装置。
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