WO2011155430A1

WO2011155430A1 - 回転電機とその製造方法

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Publication number: WO2011155430A1
Application number: PCT/JP2011/062907
Authority: WO
Inventors: 田中　雄一郎; 孝石上
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2011-12-15
Also published as: JP2011259537A; US20130140934A1; JP5481279B2; US9369018B2; DE112011101966T5

Abstract

　コイル線の断面が矩形状である集中巻コイルを、渡り線を介して連続巻した連続巻コイルを有する固定子を備える回転電機の製造方法であって、コイル線の巻線前の分割コアを分割コア前後機構に搭載し、分割コア前後機構によって分割コアを前後させて巻線の軌道を確保して前記コイル線の巻線を行い、集中巻コイルの巻き始め線と巻き終わり線の姿勢をチャック前後機構を備えた開閉式のチャックで略９０°に保持してコイル線の面をすべて揃え、開閉式のチャックは分割コア前後機構に搭載され、分割コア前後機構を前後させるとともに、開閉式のチャックを前後および開閉させることで連続巻コイルを形成する。

Description

回転電機とその製造方法

　本発明は、モータや発電機などの回転電機およびその製造方法に関するものである。

　近年、世界的な温室効果ガスの削減，省エネルギーの取り組みとして、自動車の電動化が急速に進んでいる。車載用のモータは搭載空間に制約があり、しかも限られたバッテリ電圧で高い出力を得なければならない。このように小型高出力の要求が極めて高いため、これを達成する手段の一つとして、集中巻のモータでは、分割コアを採用して太線や角線を高密度で巻いて占積率を高める方法がある。

　一方、モータの低価格化の要求に対しては、コイルを連続巻線して、接続点数を減らして対応する例が見られる。

　このような背景のもと、特許文献１は、集中巻のモータで角線を用いた分割コアの連続巻線の実施例を開示している。特許文献１は、同相コイルを６連続巻線し、Ｙ結線でモータを構成する。

特開２００８－１０９８２９号公報

　しかしながら、特許文献１の構造では、コイルの接続点数を減らすことはできるが、コイル間をつなぐ渡り線がコイルエンド上で相互に物理的に干渉し、コイルエンドがロータ部やコアバックにはみ出し、ロータやモータケースに接触する問題があった。また、前記問題の解決のため、渡り線の長さを長くすると、コイルエンド高さが高くなるという問題があった。また、モータの性能が低下（モータの銅損大）、かつモータが大型で高価格になる問題があった。そこで、本願発明では、小型化及び低下価格化に資するとともに出力を向上させる回転電機を提供することを目的とする。

　本発明の第１の態様による、コイル線の断面が矩形状である集中巻コイルを、渡り線を介して連続巻した連続巻コイルを有する固定子を備える回転電機の製造方法は、コイル線の巻線前の分割コアを分割コア前後機構に搭載し、分割コア前後機構によって分割コアを前後させて巻線の軌道を確保してコイル線の巻線を行い、集中巻コイルの巻き始め線と巻き終わり線の姿勢をチャック前後機構を備えた開閉式のチャックで略９０°に保持してコイル線の面をすべて揃え、開閉式のチャックは分割コア前後機構に搭載され、分割コア前後機構を前後させるとともに、開閉式のチャックを前後および開閉させることで連続巻コイルを形成する。
　本発明の第２の態様は、第１の態様による回転電機の製造方法において、製造方法を用いて３組の連続巻コイルを形成し、３組の連続巻コイルのうち２組の連続巻コイルの渡り線を固定子コア内径側に異なる角度で傾け、３組の連続巻コイルを重ね合わせて環状に組み立て、３組の連続巻コイルの中性点接続部の渡り線の側面と接続端子の接続面を同じ向きにすることが好ましい。
　本発明の第３の態様による回転電機は、第１の態様による回転電機の製造方法を用いて連続巻コイルを形成し、連続巻コイルを構成する角線の面をすべて揃えた。
　本発明の第４の態様による回転電機は、第２の態様による回転電機の製造方法を用いて連続巻コイルを形成し、３組の連続巻コイルの中性点接続部の渡り線の側面と接続端子の接続面が同じ向きである。
　本発明の第５の態様による、コイル線の断面が矩形状である集中巻コイルを、渡り線を介して連続巻した連続巻コイルを有する固定子を備える回転電機において、連続巻コイルを構成する角線の面をすべて揃えた。
　本発明の第６の態様による、コイル線の断面が円状ではない集中巻コイルを、渡り線を介して巻かれた巻コイルを有する固定子を備える回転電機の製造方法において、コイル線の巻線前の分割コアを前後可動機構に搭載し、分割コアを前後可動機構によって前後運動させて巻線し、集中巻コイルの巻き始め線と巻き終わり線の姿勢を前後可動機構に設けられたチャックで保持してコイル線の面を所定の方向に揃え、前後可動機構を前後させるとともに、チャックを前後ならびに開閉させることで３組の巻コイルを形成し、３組の巻コイルのうち２組の巻コイルの渡り線を固定子コア内径側にそれぞれ異なる角度で傾け、３組の巻コイルを円状に組み立て、３組の巻コイルの中性点接続部の渡り線の側面と接続端子の接続面を同じ向きにする。

　本発明によれば、小型化及び低下価格化に資するとともに出力を向上させる回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態である８極１２スロットのモータの各相コイルの渡り線の配置を示す模式図。図２は、本発明の一実施形態である８極１２スロットのモータの各相コイルの結線図。図３は、本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造を示す斜視図。図４は、本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造を示す斜視図。図５は、本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造を示す斜視図。図６は、本発明の一実施形態である３相分の４連続巻コイルの組立方法を示す斜視図。図７は、本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの巻き始め線を分割コアへ導入した状態を示す斜視図。図８は、本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの巻き始め線を後方に後退させて巻線軌道を確保した状態を示す斜視図。図９は、本発明の一実施形態である３相分の４連続巻コイルの中性点の接続方法を示す断面図。

　本発明の実施の形態を以下説明する。

　まず概要を述べる。本実施形態では、矩形状である角線の集中巻コイル（コイル要素）を、渡り線を介して連続して巻くため、まず、最初に分割コアを、前後させる機構に搭載し、巻線したい分割コアだけ前進して巻線の回転軌道を確保する。さらに巻線の整列性を確保するため、渡り線の角線の側面を揃える必要がある。そこで、分割コアの上部に角線を保持するためのチャック機構を搭載し、角線の姿勢を略９０°となるように保持する。角線を分割コア内の所定の場所に導いた後、このチャック機構がさらに後方に後退することで、巻線軌道が確保できる。巻線終了後、巻き終わり線をチャックして、分割コアを後退させて巻線が完了する。この動作を繰り返すことで、連続巻コイルが作製できる。この方法で１相分の連続巻コイルを３つ作製し、そのうち２相分の連続巻コイルの渡り線を固定子コア内径側に各々少しずつ倒すことで、３相分の連続巻コイルを組み立てた時の渡り線の干渉を回避する。さらに３相分の渡り線の干渉を無くした部分に、接続用端子で中性点接続を行い、回転電機を構成する。

　これにより、同相のコイル要素を角線を用いて連続巻線して１相分の連続巻コイルを作製し、３相分の連続巻コイルを重ね合わせ、接続用端子で中性点接続を行い、回転電機の固定子を構成する。本回転電機の固定子の特徴として、巻線の前後に渡り線をチャックして、角線の側面をすべて揃えることで分割コア内のコイル要素の整列性が向上し、占積率が向上する。さらに事前に２相分の連続巻コイルの渡り線を固定子コア内径側にわずかに倒すことで、３相分の連続巻コイルを組み立てた時の渡り線の干渉を回避することができる。また、３相分の渡り線の干渉を無くしたことで、接続用端子による中性点接続を容易にすることができる。この連続巻線の実現により、従来、端末線の接続に必要としていた結線板の廃止によるモータの低価格化と、接続点数の減少により接続工程の簡略化を実現できる。さらに、角線の使用によるモータの高出力化と、コイルエンド高さを低くすることで、モータの銅損の低下とモータの小型化，低価格化を同時に実現することができる。

　以下、図面を用いて詳述する。

　図１に本発明の一実施の形態によるモータの各コイル要素の渡り線の配置を模式的に表したものを示す。モータ１００は、内側に回転子２０を、外側に固定子９０を配置して構成されるインナーロータ型のモータであって、分割コアを用いた集中巻のモータである。本実施形態では、８極１２スロットのモータで、コイルの導線（コイル線）には角線を用いた場合を例に説明する。なお、以下で説明するモータ１００の構成は一例であって、本発明の内容を変更しない範囲でモータ極数及びスロット数を適宜変更できることはもちろんである。図１に示すように固定子９０は、コイル要素１０ａ～１０ｌがそれぞれ巻線された１２個の分割コアを環状に連結して構成されている。固定子９０の内側に一定のギャップを設けて回転子２０が配置されている。回転子２０の外周にはマグネットを周方向にＮ極とＳ極を交互に配置して８極の磁極が形成されている。

　図１において、Ｕ相の４個のコイル要素１０ａ，１０ｄ，１０ｇ，１０ｊは渡り線を介して連続巻線されている。コイル要素１０ａ，１０ｄの巻回方向は同一方向であり、コイル要素１０ｇ，１０ｊの巻回方向は逆である。Ｖ相の４個のコイル要素１０ｂ，１０ｅ，１０ｈ，１０ｋと、Ｗ相の４個のコイル要素１０ｃ，１０ｆ，１０ｉ，１０ｌも連続巻線の巻回方向は上記と同じ構成である。従って、上記のようにモータ１００を構成すれば、Ｕ相の４連続巻コイル，Ｖ相の４連続巻コイル，Ｗ相の４連続巻コイルの中性点は、４連続巻コイルの中間部の同一箇所となり、この部分に接続用端子３０を配置することができる。

　ここで、Ｗ相の４連続巻コイルに対し、Ｖ相の４連続巻コイルの渡り線を固定子コア内径側にわずかに傾斜させ、さらにＵ相の４連続巻コイルの渡り線をＶ相に対し、わずかに傾斜させている。これにより、渡り線の相互の干渉が無くなり、ロータ部やコアバックにコイルエンドがはみ出すことを回避することができる。

　図２は、本発明のモータ１００の固定子９０の結線図を示す。

　Ｕ相のコイル１０Ｕは、入力線１５Ｕ１，コイル要素１０ａ，渡り線１５Ｕ２，コイル要素１０ｄ，渡り線１５Ｕ３，コイル要素１０ｇ，渡り線１５Ｕ４，コイル要素１０ｊ，入力線１５Ｕ５を連結して構成する。コイル要素１０ａ，１０ｄの巻回方向は同一方向であり、コイル要素１０ｇ，１０ｊの巻回方向は逆である。Ｖ相のコイル１０Ｖ，Ｗ相のコイル１０Ｗの巻回方向は上記と同じ構成である。つまり本発明のモータ１００は、２直２並列のＹ結線で構成されている。ここでＵ相のコイル１０Ｕ，Ｖ相のコイル１０Ｖ，Ｗ相のコイル１０Ｗの中間部はそれぞれ渡り線１５Ｕ３，１５Ｖ３，１５Ｗ３であり、これらを接続用端子３０で中性点接続することにより、固定子２０として機能する。

　図３を参照して、本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの構造をＷ相のコイル１０Ｗを一例に説明する。図３に示すようにＷ相のコイル１０Ｗは、４個の分割コアにそれぞれ巻線されたコイル要素１０ｃ，１０ｆ，１０ｉ，１０ｌを横に並べて配置し、各コイル要素は渡り線１５Ｗ２，１５Ｗ３，１５Ｗ４を介して連続巻線されている。ここで端末線である１５Ｗ１と１５Ｗ５が入力線となる。ここで本連続巻コイルの特徴としては、後述する巻線方式によって、渡り線を含めた連続巻コイルを構成する角線の側面をすべて揃えたことである。この結果、分割コア内のコイル要素の整列性が向上し、占積率が向上する。Ｖ相のコイル１０Ｖ，Ｕ相のコイル１０Ｕも基本となるコイル形状は上記と同様の構造である。

　図４に、Ｖ相のコイル１０Ｖを示す。Ｖ相のコイル１０ＶとＷ相のコイル１０Ｗとの違いは、Ｖ相のコイル１０Ｖの各コイル要素の渡り線１５Ｖ２，１５Ｖ３，１５Ｖ４と入力線１５Ｖ５が固定子コアの内径側に角度φ１でわずかに傾斜していることである。

　図５に、Ｕ相のコイル１０Ｕを示す。Ｕ相のコイル１０ＵとＷ相のコイル１０Ｗとの違いは、Ｕ相のコイル１０Ｕの各コイル要素の渡り線１５Ｕ２，１５Ｕ３，１５Ｕ４と入力線１５Ｕ５が、φ１よりもさらに大きい角度φ２でわずかに固定子コアの内径側に傾斜していることである。

　図６に、本発明の一実施形態である３相分の４連続巻コイルを重ね合わせた構造を示す。Ｗ相のコイル１０Ｗ，Ｖ相のコイル１０Ｖ，Ｕ相のコイル１０Ｕの順に、コイルを横に並べた状態で重ね合わせる。この状態ではじめて３相分のコイルの中性点を接続するための空間、すなわち中性点接続部４０が形成される。Ｖ相のコイル１０ＶとＵ相のコイル１０Ｕの渡り線をそれぞれ角度φ１とφ２で傾斜させたことで、渡り線の相互の干渉が無くなり、コイルエンドはロータ部やコアバックにはみ出すことはない。

　渡り線の相互の干渉が無くなることで、複数の分割コアを一直線状に並べることができ、組立が容易となる。さらに、渡り線の高さもほぼ一定の高さに揃えることができ、コイルエンド高さを低くすることが可能である。ここで、中性点接続部４０にはクラッド材などの接続用端子３０を挿入して、電極をあてがいヒュージング接続すれば、モータ１００の結線が実現できる。このように横に展開された３相分の４連続巻コイルを、図６に矢印で示すように環状に組み立てることにより、固定子９０を形成することができる。

　なお、ここでは、中性点接続部４０において接続用端子３０を用いて３相の渡り線を接続したが、中性点接続部４０において接続できれば、接続方法はこれには限定されない。例えば、接続用端子３０を用いずに、３相の渡り線の一部のエナメル皮膜のみを事前にレーザで除去しておき、剥き出しになった渡り線の銅の部分を突き合わせて、ＴＩＧ溶接や超音波接合などを用いて接続するようにしてもよい。これによれば、接続用端子３０の廃止によるモータの低価格化を実現できる。

　図７と図８に、本発明の一実施形態である１相分の４連続巻コイルの巻線方法を示す。図７に示すように４個の分割コア１１を横に一列に並べた状態で、分割コア前後機構５０に搭載する。ここでは、図中、左から２番目の分割コア１１の巻線を例にして説明する。ここで、角線を供給するノズル６０は不図示の回転機構の先端部に設けられている。この回転機構は３軸の直交ロボットに搭載されており、巻線だけでなく渡り線の形成を可能にしている。以下の説明においては、不図示の回転機構に近づく方向を前方、回転機構から離れる方向を後方とする。１番目の分割コアの巻線終了後、開閉式のチャック５２で、１番目の分割コアに巻線されたコイル要素１０ｃの巻き終わり線の角線を略９０°の姿勢で保持したままチャックし、開閉式のチャック５２を後方に後退させる。その後、分割コア前後機構５０でコイル要素１０ｃを後方に後退させる。ここで、巻き終わり線の角線の略９０°の姿勢とは、巻き終わり線の断面の中心線の軌跡が、渡り線の中心線に対し、略９０°の関係にあることを意味する（図３～５参照）。

　次に巻線したい２番目の分割コア１１を分割コア前後機構５０で前進させる。このとき、開閉式のチャック５１も開いた状態で前進させ、これをガイドにしてノズル６０を矢印で示すように下に下げながら角線を分割コア１１内に導く。ノズル６０が所定の位置にきたら、開閉式のチャック５１を閉じて、巻き始め線の角線の姿勢を略９０°にして固定する。ここで、巻き始め線の角線の略９０°の姿勢とは、巻き始め線の断面の中心線の軌跡が、渡り線の中心線に対し、略９０°の関係にあることを意味する（図３～５参照）。ここで開閉チャック５１，５２は、分割コア前後機構５０の上に設置され、開閉チャック５１，５２単独での前後動作と開閉動作を可能にするチャック駆動機構を有するものである。

　次に、図８に示すように開閉式のチャック５１を後方に後退させ、ノズル６０による巻線の軌道を確保する。このようにして常に巻き始め線と、巻き終わり線の角線の姿勢を略９０°に保持できれば、分割コア内の角線の姿勢も維持され、角線の整列性を確保でき、占積率も向上する。巻線終了後は、開閉式のチャック５２を開いた状態で前進させ、これに巻き終わり線をからげて、チャックし、２番目の分割コアの巻線が完了する。以降、上記で説明した動作を４回繰り返すことで１相分の４連続巻コイルが作製できる。ここではノズル６０を回転させる方式で説明したが、ノズル６０を固定し、ワーク側（図７と図８で説明したノズル６０を除く機構全体）を回転させても同様の４連続巻コイルを形成できるのはもちろんである。

　図９は、本発明の一実施形態である３相分の４連続巻コイルの中性点の接続方法を説明するための断面図である。図９に示すように３相分コイルの渡り線１５Ｗ３，１５Ｖ３，１５Ｕ３はその高さと角線の側面がほぼ揃っているものの(図６参照)、各角線の姿勢は完全に一定ではない。ここでは一例として、ヒュージング接続における接続用端子と渡り線との十分な接触面積を確保するための方法を以下、説明する。まず、渡り線１５Ｗ３，１５Ｖ３，１５Ｕ３を接続用端子３０内に挿入する。次に、押し当てブロック７０を接続用端子３０の内部に挿入し、渡り線１５Ｗ３，１５Ｖ３，１５Ｕ３を接続用端子３０に押し付ける。これで角線同士が接触した状態となる。次に接続用端子３０の上下から電極７１，７２を押し当て、通電する。この通電により、接続用端子３０が発熱し、角線表面のエナメルが溶解する。この熱と、電極７１，７２の加圧力により、エナメルが接続用端子３０の外部に押し出され、３本の角線の導体部と接続用端子３０の接続面（内壁面）が接合する。この方法によれば、３本の角線の導体部の側面と接続用端子３０の接続面とが同じ向きとなり、モータの通電に十分な接触面積を確保することが可能となる。

　なお、上記実施例では、四角形状（正方形又は長方形）の角線を想定したが、厳密に四角形状である必要はなく、設計仕様に合わせて微調整は可能である。例えば、コイルを形成する導線の形状として、四角形の角が若干面取りされている形状（略八角形）などでもよい。また、断面が円形ではない別の形状の導線を用いてもよい。複数のコイル要素を渡線を介して接続し、各相の巻コイルを構成してもよい。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１０年第１２９５２５号（２０１０年６月７日出願）

Claims

　コイル線の断面が矩形状である集中巻コイルを、渡り線を介して連続巻した連続巻コイルを有する固定子を備える回転電機の製造方法であって、
　前記コイル線の巻線前の分割コアを分割コア前後機構に搭載し、
　前記分割コア前後機構によって前記分割コアを前後させて巻線の軌道を確保して前記コイル線の巻線を行い、
　前記集中巻コイルの巻き始め線と巻き終わり線の姿勢をチャック前後機構を備えた開閉式のチャックで略９０°に保持して前記コイル線の面をすべて揃え、
　前記開閉式のチャックは前記分割コア前後機構に搭載され、
　前記分割コア前後機構を前後させるとともに、前記開閉式のチャックを前後および開閉させることで前記連続巻コイルを形成する回転電機の製造方法。
　請求項１に記載の回転電機の製造方法において、
　前記製造方法を用いて３組の連続巻コイルを形成し、
　前記３組の連続巻コイルのうち２組の連続巻コイルの渡り線を固定子コア内径側に異なる角度で傾け、３組の前記連続巻コイルを重ね合わせて環状に組み立て、３組の前記連続巻コイルの中性点接続部の渡り線の側面と接続端子の接続面を同じ向きにする回転電機の製造方法。
　請求項１に記載の回転電機の製造方法を用いて前記連続巻コイルを形成し、前記連続巻コイルを構成する角線の面をすべて揃えた回転電機。
　請求項２に記載の回転電機の製造方法を用いて前記連続巻コイルを形成し、３組の前記連続巻コイルの中性点接続部の渡り線の側面と接続端子の接続面が同じ向きである回転電機。
　コイル線の断面が矩形状である集中巻コイルを、渡り線を介して連続巻した連続巻コイルを有する固定子を備える回転電機において、
　前記連続巻コイルを構成する角線の面をすべて揃えた回転電機。
　コイル線の断面が円状ではない集中巻コイルを、渡り線を介して巻かれた巻コイルを有する固定子を備える回転電機の製造方法において、
　前記コイル線の巻線前の分割コアを前後可動機構に搭載し、
　前記分割コアを前記前後可動機構によって前後運動させて巻線し、
　前記集中巻コイルの巻き始め線と巻き終わり線の姿勢を前記前後可動機構に設けられたチャックで保持して前記コイル線の面を所定の方向に揃え、前記前後可動機構を前後させるとともに、前記チャックを前後ならびに開閉させることで３組の巻コイルを形成し、
　前記３組の巻コイルのうち２組の巻コイルの渡り線を固定子コア内径側にそれぞれ異なる角度で傾け、３組の前記巻コイルを円状に組み立て、３組の前記巻コイルの中性点接続部の渡り線の側面と接続端子の接続面を同じ向きにする回転電機の製造方法。