JP6513219B2 - 回転電機の電機子 - Google Patents

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、前記シート材の重なり合わない部分とを有し、前記積層部のみがそれぞれの前記端部の軸方向の両側において前記シート材の重なり合わない部分よりそれぞれ突出し、積層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。

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、前記シート材の重なり合わない部分とを有し、前記積層部のみがそれぞれの前記端部の軸方向の両側において前記シート材の重なり合わない部分よりそれぞれ突出し、積層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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