JP5901432B2 - 電機子と電機子の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、外部要因に基づく振動によるコイルの脱落、断線を防止できる電機子と電機子の製造方法に関するものである。

近年、回転電機の効率向上を目的として様々な技術開発が行われている。
電動機の電気損失を下げる方法の１つとして、固定子に巻き回された銅線が、その巻回スペースに占める割合（いわゆる占積率）を向上させることで、銅の発熱（いわゆる銅損）を抑える方法がある。

コイルを絶縁部材を介してコアに直接巻線するいわゆる直巻方式は、コイルがコアに密着巻きできずに巻き膨らんでしまうため、巻線可能領域に対して有効に巻線できない。
特に、コイルが太線になればなるほどこの傾向は顕著になって占積率を向上させる阻害要因となっている。
このような場合、コイルを一旦、別の巻枠に巻いた後、コイルの膨らみ部分を外側から矯正してからコアに挿入する。
このような組み立て工程を採用することで、巻線の占積率を向上させることが可能となる。

また、近年さらなる占積率向上策として、導体断面が長方形である平角線を使って、その短辺がコイル軸の内側になるような方向に曲げて成形するエッジワイズコイルを適用するケースが増えてきている。
エッジワイズコイルを採用する場合も同様に、別体としてエッジワイズコイルを成形してから、ティースにこれを挿入する組み立て方法で固定子を完成させている。（例えば特許文献１）

また、これらの電動機は、近年、自動車駆動用モータとして適用されている。
自動車の駆動用に適用されるモータは、使用環境が厳しく、モータに過大な振動が加えられることが想定されることから、耐振性の高い物が求められる。
特に、コイル部分は加振されることで脱落や断線が発生する懸念がある。このような懸念に対して、ティース部にコイルを挿入後、ティース先端部の鍔部を折り曲げることで位置決めする構成が開示されている。（例えば特許文献２）

特開２０１０−１３６４８６号公報 特開２０１０−９３９１８号公報

特許文献１に記載の技術では、コイルとコアを直接固定する手段がないため、コアからインシュレータおよびコイルが脱落する恐れがあった。
そこで、ワニスやモールドでコイルを固定するのであるが、組立コストが増大するという課題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、ティース部の内側先端に設けられた鍔部をコイル挿入後に固定子の周方向に折り曲げてコイルを位置決めする構成を採用している。
鍔部を有する第二部材としては、通常、鉄損の増加を防ぐために、薄板の鋼板が使用される。
薄板に設けられた鍔部は、最初は固定子の径方向に突出する板状部となっていて、これを固定子の周方向に折り曲げる、いわゆるエッジワイズ曲げ加工を行う必要がある。

鍔部の厚みと、折り曲げ部の幅のアスペクト比が大きい場合、折り曲げ加工の際に、鍔部が面外方向に変形しようとするため、所望の位置に鍔部を変形させられず、コイルの位置決めが正確にできないという課題があった。

また鍔部の面外変形を抑制するために、面外変形規制ツールを設けて鍔部をガイドしながら折り曲げる方法もあるが、鍔部がコア積層方向に対して互い違いに千鳥配置されたような構造の場合、ツールが複雑になるため、組立コストが増大するという課題があった。
さらに鍔部のアスペクト比を小さくしようとして折り曲げ部の幅を小さくすると、鍔部における面外変形は発生しにくくなるが、鍔部自体の強度が低下するためにコイルを固定する機能を十分に発揮できないという課題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、別体として予め成形したコイル体を分割鉄心のティースに装着した後、このコイルを容易にティースに固定できる電機子と電機子の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る電機子は、
ステータの円周方向に等分割され、ヨーク部およびティース部を有する分割鉄心と、
前記分割鉄心の前記ティース部の軸部の外周に配設されるコイル体とを備えた電機子において、
前記分割鉄心の、前記ステータの軸方向端面に接合される分割鉄心固定部と、
前記コイル体のコイルエンド部の、前記ステータの径方向の内側面を保持するコイル体保持部を有する固定部材を備え、
前記固定部材の、前記分割鉄心固定部と前記コイル体保持部の境界線上の両端部には、それぞれ切り欠き部を設けているものである。
また、この発明に係る電機子は、
ステータの円周方向に等分割され、ヨーク部およびティース部を有する分割鉄心と、
前記分割鉄心の前記ティース部の軸部の外周に配設されるコイル体とを備えた電機子において、
前記分割鉄心の、前記ステータの軸方向端面に接合される分割鉄心固定部と、
前記コイル体のコイルエンド部の、前記ステータの径方向の内側面を保持するコイル体保持部を有する固定部材を備え、
前記分割鉄心固定部に対して、複数の前記コイル体保持部を備えるものである。
また、この発明に係る電機子は、
ステータの円周方向に等分割され、ヨーク部およびティース部を有する分割鉄心と、
前記分割鉄心の前記ティース部の軸部の外周に配設されるコイル体とを備えた電機子において、
前記分割鉄心の、前記ステータの軸方向端面に接合される分割鉄心固定部と、
前記コイル体のコイルエンド部の、前記ステータの径方向の内側面を保持するコイル体保持部を有する固定部材を備え、
前記固定部材の、前記分割鉄心固定部と前記コイル体保持部の境界線上の両端部には、それぞれ切り欠き部を設け、
前記分割鉄心固定部に対して、複数の前記コイル体保持部を備えるものである。
また、前記電機子の製造方法は、
平面状の前記固定部材を、前記分割鉄心の、前記ステータの軸方向端面に、前記コイル体保持部が前記ティース部から前記ステータの内側に突出するように接合する、固定部材接合工程と、
前記コイル体を前記分割鉄心のティース部に装着するコイル体装着工程と、
前記固定部材の前記コイル体保持部を略直角に折り曲げて前記コイル体を前記分割鉄心に固定する固定部材折曲工程とを有するものである。

この発明に係る電機子と電機子の製造方法は、
上記のように構成されているものなので、外部からの振動を受けてもコイルが分割鉄心のティース部から脱落しない。また、コイルの固定構造として、薄板固定部材をフラットワイズ方向に曲げることができるため、折り曲げ工程を容易に、かつ固定部材の強度を保つことが可能である。

本発明の実施の形態１に係る電機子の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機のステータを示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係るコイル体の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るコイル体の分解図である。 本発明の実施の形態１に係るコイルの斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るインシュレータの斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る絶縁シートの斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る絶縁シートの重ね合わせ部分の位置の例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る分割鉄心１の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る固定部材の平面図である。 本発明の実施の形態１に係る分割鉄心１に固定部材を接合した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る固定部材を取り付けた分割鉄心に、コイル体を装着する工程を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る固定部材の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る分割鉄心に固定部材を固定する構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る固定部材の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係る電機子の斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るコイル体の一部透視斜視図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る電機子とその製造方法を図を用いて説明する。
図１は、電機子１００の斜視図である。
本明細書においては、１つの分割鉄心１にコイル体２を装着したものを電機子１００という。

図２は、電機子１００を複数環状に組み合わせてフレーム３に嵌め込んだステータ１３０の正面図である。
フレーム３は、締め代を有しておりその内側に複数の電機子１００を圧入もしくは焼きばめすることで、複数の電機子１００を固定保持している。
図３は、コイル体２の斜視図である。図１に示す電機子１００から、分割鉄心１を除いた部分である。
図４は、コイル体２の分解図である。

電機子１００は、予め導線を環状に成形したコイル２１と、このコイル２１のコイルエンド部の内側に取り付けたインシュレータ２２と、コイル２１のコイルエンド部以外の外周を覆う絶縁シート２３で構成するコイル体２の内周側に、分割鉄心１のティース部の軸部を挿入して構成されている。

次に、コイル体２を構成する各部材について順に説明する。
図５は、コイル２１の斜視図である。
以下、コイル２１の、ステータ１３０の軸方向両端部、即ち、図に示すコイル２１の短辺部分をコイルエンド部２１ａという。
また、図に示すコイル長辺部分であって、固定子のスロットに収納される部分を、スロット内収納部２１ｂという。

コイル２１の両端部は、２本の端末線２１ｃ、２１ｄとして外部に露出する。
端末線２１ｃ、２１ｄは、各電機子１００がステータ１３０の状態に組み立てられた後、３相結線される。
本実施の形態では、端末線２１ｃ、２１ｄは同一方向に突出しているが、互いに反対方向に配置されても良い。
その場合は、ステータ１３０の軸方向両端にてそれぞれ結線がなされる。
コイル２１は、表面がポリアミドイミドなどの絶縁皮膜で覆われている導体からなる。
導体の断面が長方形である平角線や丸線を巻枠等に巻回することでコイル２１を予め成形する。

図６は、インシュレータ２２の斜視図である。
インシュレータ２２は、コイル２１と分割鉄心１の間に配置される部材であって、分割鉄心１のティース部の、ステータの軸方向の両端部に相当する部分を覆う。
インシュレータ２２は、コイル２１のコイルエンド部２１ａの内周面に沿うコイル受け部２２ａと、コイル受け部２２ａの分割鉄心１のヨーク側の側面に配設される外鍔２２ｂと、外鍔２２ｂと対向するようにコイル受け部２２ａのティース先端部側に配置される内鍔２２ｃによって構成される。

また、内鍔２２ｃのステータ１３０の内周側には、凹状の溝２２ｄが、ステータ１３０の軸方向に設けられている。
外鍔２２ｂおよび内鍔２２ｃは、コイルエンド部２１ａがステータ１３０の外側あるいは内側に飛び出すのを規制するとともに、コイル２１と分割鉄心１の間を絶縁するものである。
インシュレータ２２は、耐熱性を有する熱可塑性樹脂又は熱硬化樹脂を使用して成形される。

図７は、絶縁シート２３の斜視図である。
絶縁シート２３は、コイル２１のスロット内収納部２１ｂの周囲を取り囲んで、コイル２１と分割鉄心１との間を電気的に絶縁する部材である。
ティース絶縁部２３ａは、ティース部１１ｂの側面とコイル２１の内周面との間に挟まれる部分である。
ヨーク絶縁部２３ｂは、コイル２１のヨーク側の側面を覆う部分である。
ティース先端絶縁部２３ｃは、コイル２１のティース先端部側を覆う部分である。
相間絶縁部２３ｄは、コイル２１の最も外側の外周面を覆い、複数の電機子１００をステータ１３０として組み立てたときに隣接するコイルとの間の相間絶縁を確保する部分である。
絶縁シート２３としては、耐熱性および絶縁性を有する材料を使用し、複数枚数重ねたシート、例えば、アラミド紙−ＰＰＳ−アラミド紙を重ねたシート等が使用される。

次に、コイル体２の組み立て手順を説明する。
コイル２１として、エッジワイズコイルを使用する場合にて説明するが、丸線にて巻回されるコイルの場合も同様である。
まず、予め巻回されたコイル２１のスロット内収納部２１ｂに絶縁シート２３を巻きつける。
絶縁シート２３は、同一形状のものを２枚使用し、それぞれコイル２１のスロット内収納部２１ｂに巻きつける。
その際、コイル２１の最も外周部分で、絶縁シート２３の相間絶縁部２３ｄを重ね合わせることにより、隣り合うコイル２１間での絶縁を確保する。
図８は、絶縁シートの重ね合わせ部分の他の例を示す図である。
絶縁シート２３を重ね合わせる位置は、図８のＡで示す分割鉄心１のヨーク部側としても良い。
Ａの部分で絶縁シート２３を重ね合わせると、隣接するコイル間（相関）で重ね合わせる場合に比べて、より幅の広い平角線をコイルに使用することができる。
これにより、コイル２１の占積率を向上させることができる。

次に、分割鉄心１の構成を説明する。
図９は、分割鉄心１の斜視図である。
分割鉄心１は、ヨーク部１１ａとティース部１１ｂからなる。
分割鉄心１は、薄板鋼板を積層することで構成されている。
薄板鋼板としては、珪素鋼板を使用することで、電機子１００の鉄損を抑えることができる。
また、各積層間の固定は、鉄心片をプレスで打ち抜く工程に連続する後工程で、カシメダボ１１ｄ、１１ｅ、１１ｆにより上下に積層する鉄心片同士をかしめることで一体として固定する。
かしめの形状については、図９では丸形状であるが、断面がＶ字形状のかしめを採用しても良い。
なお、図示はしないが、固定方法は他にも積層間を接着で固定する方法や、溶接で固定する方法もある。

次に、分割鉄心１とコイル体２を固定する固定部材とその使用方法について説明する。
図１０は、固定部材４の平面図である。
図１１は、分割鉄心１に固定部材４を接合した状態を示す図である。
固定部材４は、分割鉄心固定部４１とコイル体保持部４２とで構成される１枚の鋼板である。
分割鉄心固定部４１は、分割鉄心１を構成する鉄心片と概略同じ形状としている。
コイル体保持部４２は、分割鉄心固定部４１のティースの先端部から、ステータの内側に向かって突設されている。
また、コイル体保持部４２の根元、即ち、分割鉄心固定部４１との境界線の両端部には切り欠き部４ｋが設けられている。
この切り欠き部４ｋにより、コイル体保持部４２を折り曲げる時、切り欠き部４ｋに応力集中が生じ、固定部材４が２つの切り欠き部４ｋを結ぶ線で曲がり易くなる。
この固定部材４は、分割鉄心１の両端面に配置される。

また、固定部材４には、図９に示す分割鉄心１のカシメダボ１１ｄ、１１ｅ、１１ｆと接合可能な位置にカシメダボ４ｄ、４ｅ、４ｆが設けられている。
固定部材４は、これらのカシメダボを互いにかしめて分割鉄心１に固定される。（固定部材接合工程）
固定部材４の材質は、例えば、分割鉄心１の材料と同じであっても良いし、ＳＰＣＣなどを用いても良い。
分割鉄心１と同じ材料であれば、プレス金型で固定部材４のコイル体保持部４２の周囲を打ち抜く工程を加え、プレス内部で分割鉄心１の製造時に同時に固定部材４を製造でき、分割鉄心１と一体的に製造して取り出すことが可能である。
これにより、鉄心の占積率も向上しトルク向上に寄与する。

図１２は、固定部材４を取り付けた分割鉄心１にコイル体２を装着する工程（コイル体装着工程）を示す図である。
図１２（ａ）のように、分割鉄心１のティース部１１ｂをコイル体２の内周面に沿って先端側から嵌め込む。
このとき、インシュレータ２２と固定部材４が平面で接触する。
ティース部１１ｂを完全に嵌め込んだら、固定部材４のコイル体保持部４２を図１２（ｂ）に示すように、ステータ１３０の軸方向に、それぞれコイル体２の外周側に直角に（Ｌ字型に）折り曲げて塑性変形させる。（固定部材折曲工程）

コイル体保持部４２は、インシュレータ２２の内鍔２２ｃの外壁の溝２２ｄ内に、外壁と段差無く図１２（ｃ）に示すように収納されて、コイル体２を分割鉄心１に固定する。
このように、コイル体保持部４２は、インシュレータ２２の外周面内に段差無く収まって、ステータ１３０の内側に飛び出さないように配設されるのが良い。
これにより、ステータ１３０の内側に配設される図示しないロータを組み込む方向に制約がなくなり、軸方向の両側から回転電機の組み立てが可能となる。

固定部材４と分割鉄心１とを固定する工程を、分割鉄心１の製造工程とは別に設けて、後で２つの部材を一体化しても良い。
この場合、固定方法としては、接着あるいは溶接、その他の方法を用いる。
図１３は、固定部材４の他の例である固定部材４４を示す図である。
固定部材４４には、貫通長穴４４ｇを設けている。
図１４は、この固定部材４４を分割鉄心１に固定する構造を示している。
固定部材４４の貫通長穴４４ｇの位置に対応する分割鉄心１の端面には、留まり長穴１ｇを設けている。
２つの長穴の位置を合わせて、留めピン５を圧入して固定部材４４を分割鉄心１に固定する。
このような固定方法を採用するとことで、珪素を含む硬い電磁鋼板と比較して柔らかく加工性の良いＳＰＣＣなどを分割鉄心及び固定部材の材料として使用することができる。
これにより、電機子１００の組立性が向上する。

図１５は、固定部材４の他の例である固定部材４５を示す図である。
図に示すようにコイル体保持部をコイル体保持部４２ａ、４２ｂに分割する構成を採用する。
コイル体保持部を二又にすることで、インシュレータ２２の内鍔２２ｃの中心からオフセットした位置で、コイル体２を押さえることができる。
これにより、ティース部１１ｂに対するコイル体２の傾きを小さくできる。
また、コイル体保持部４２ａ、４２ｂの１つ当たりの曲げ力を小さくすることができるため、電機子１００の組立を容易にすることができる。

本発明の実施の形態１に係る電機子１００によれば、外部からの振動等によるコイル体２の分割鉄心１からの脱落を防止することが可能である。
また、固定部材４が、固定する対象であるコイル体２の内周側で、分割鉄心１とコイル体２の間に挟まれているので、固定部材４自体が脱落することもない。
また、コイル体２の固定構造として、薄板の固定部材４をフラットワイズ方向に曲げることができるため、折り曲げ工程を容易にでき、精度良く、強度を保って折り曲げることができる。
このように、材料を減量化した、耐久性、省エネルギー性、分解性、分別性、生産性の高い電機子を提供できる。
なお、本実施の形態では、分割鉄心１を積層構造であるものとして説明したが、単体の分割鉄心であっても同一の効果を得ることができる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２に係る電機子とその製造方法を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図１６は、電機子２００の斜視図である。
図１７は、コイル２１の周囲を絶縁性の樹脂でモールドして一体化したコイル体２０２の一部透視図である。

モールドされたコイル体２０２の内側に、固定部材４を接合した分割鉄心１のティース部１１ｂを挿入し、固定部材４のコイル体保持部４２を軸方向に折り曲げて塑性変形させる。
その他は、実施の形態１と同様である。
樹脂としては、熱伝導率を向上させるためにアルミナなどのフィラーを入れた熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂を使用する。

本発明の実施の形態２に係る電機子２００によれば、実施の形態１で述べた効果と同様の効果を得ることができる。
また、モールドによりコイル２１の放熱性を向上させることができる。
更に、コイル体２０２は全体としてモールドされているので変形しない。
これにより、固定部材４のコイル体保持部４２を折り曲げるときに、コイル体２０２が長手方向に延びることがなく、絶縁シートを使用する場合に比べて、両者の密着性が向上し、放熱性も向上できる。

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。

１００，２００ 電機子、１３０ ステータ、１ 分割鉄心、１ｇ 留まり長穴、
１１ａ ヨーク部、１１ｂ ティース部、１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ カシメダボ、
２，２０２ コイル体、２１ コイル、２１ａ コイルエンド部、
２１ｂ スロット内収納部、２１ｃ 端末線、２２ インシュレータ、
２２ａ コイル受け部、２２ｂ 外鍔、２２ｃ 内鍔、２２ｄ 溝、２３ 絶縁シート、２３ａ ティース絶縁部、２３ｂ ヨーク絶縁部、２３ｃ ティース先端絶縁部、
２３ｄ 相間絶縁部、３ フレーム、４，４４，４５ 固定部材、
４１ 分割鉄心固定部、４２，４２ａ，４２ｂ コイル体保持部、４４ｇ 貫通長穴、
４ｄ，４ｅ，４ｆ カシメダボ、４ｋ 切り欠き部、５ 留めピン。

Claims (10)

1. ステータの円周方向に等分割され、ヨーク部およびティース部を有する分割鉄心と、
   前記分割鉄心の前記ティース部の軸部の外周に配設されるコイル体とを備えた電機子において、
   前記分割鉄心の、前記ステータの軸方向端面に接合される分割鉄心固定部と、
   前記コイル体のコイルエンド部の、前記ステータの径方向の内側面を保持するコイル体保持部を有する固定部材を備え、
   前記固定部材の、前記分割鉄心固定部と前記コイル体保持部の境界線上の両端部には、それぞれ切り欠き部を設けている電機子。
2. ステータの円周方向に等分割され、ヨーク部およびティース部を有する分割鉄心と、
   前記分割鉄心の前記ティース部の軸部の外周に配設されるコイル体とを備えた電機子において、
   前記分割鉄心の、前記ステータの軸方向端面に接合される分割鉄心固定部と、
   前記コイル体のコイルエンド部の、前記ステータの径方向の内側面を保持するコイル体保持部を有する固定部材を備え、
   前記分割鉄心固定部に対して、複数の前記コイル体保持部を備える電機子。
3. ステータの円周方向に等分割され、ヨーク部およびティース部を有する分割鉄心と、
   前記分割鉄心の前記ティース部の軸部の外周に配設されるコイル体とを備えた電機子において、
   前記分割鉄心の、前記ステータの軸方向端面に接合される分割鉄心固定部と、
   前記コイル体のコイルエンド部の、前記ステータの径方向の内側面を保持するコイル体保持部を有する固定部材を備え、
   前記固定部材の、前記分割鉄心固定部と前記コイル体保持部の境界線上の両端部には、それぞれ切り欠き部を設け、
   前記分割鉄心固定部に対して、複数の前記コイル体保持部を備える電機子。
4. 前記固定部材は、前記分割鉄心固定部と前記コイル体保持部とからなるＬ字状の板である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電機子。
5. 前記コイル体は、コイルと前記分割鉄心を絶縁する絶縁部材を備えた請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電機子。
6. 前記絶縁部材の側面には、前記コイル体保持部を嵌め込む溝部を備えた請求項５に記載の電機子。
7. 前記絶縁部材は、前記分割鉄心の前記ティース部の、前記ステータの軸方向両端面を覆うインシュレータと前記コイルのスロット内収納部を覆う絶縁シートとを備えた請求項５又は請求項６に記載の電機子。
8. 前記コイルは、前記絶縁部材である絶縁性樹脂で周囲がモールドされている請求項５又は請求項６に記載の電機子。
9. 前記コイルは、エッジワイズコイルである請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の電機子。
10. 平面状の前記固定部材を、前記分割鉄心の、前記ステータの軸方向端面に、前記コイル体保持部が前記ティース部から前記ステータの内側に突出するように接合する、固定部材接合工程と、
    前記コイル体を前記分割鉄心のティース部に装着するコイル体装着工程と、
    前記固定部材の前記コイル体保持部を略直角に折り曲げて前記コイル体を前記分割鉄心に固定する固定部材折曲工程とを有する請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の電機子の製造方法。

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