JP2009254001A - コイル及びこのコイルを備える分割ステータ - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流による損失を減じることができるとともに、巻線加工が容易であり、さらに、ステータ等に解する積組み付けを容易に行うことができるコイルを提供する。
【解決手段】コイル１は、入れ子状に積層して組み付けられた複数の筒状コイル部材６，７，８，９を備えるとともに、上記各筒状コイル部材は、コイル軸に直交する方向の少なくとも一の断面幅がテーパ状に変化する内部空間１２，１３，１４，１５を備えて形成されている。
【選択図】図２

Description

本願発明は、コイル及びこのコイルを備える分割ステータに関する。詳しくは、電動機のステータ等に好適なコイル、及び分割ステータに関する。

一般に、電動機は、高出力・高効率のみならず、小型軽量化が求められる。このため、種々の改良、開発が行われている。

電動機においては、磁性材料から形成されたステータのコアに、導体からなる巻線を巻き回してコイルが形成されるが、高い出力でより小型化を実現するために、上記巻線の占積率を極限まで向上させることが求められる。また、磁力を高めて大きな出力を得るためには、上記巻線には大きな電流を流す必要がある。上記占積率を高めるとともに大電流を流すために、長方形断面を有する平角巻線が採用されることが多い。特に、上記平角巻線を、その短辺をコイル軸に向けて巻き回して形成されるエッジワイズコイルは、丸線に比べて占積率を高めるとともに巻数を確保できるばかりでなく、成形したコイルをコアのティース部に挿入して組み付ける、いわゆるカセット方式を採用できるため、組み付け工程を削減することも可能となる。

一方、上記エッジワイズコイルは、巻線の断面が長方形状をしているため導体幅が広く、しかも、短辺がコイルの軸に向けて巻き回されるため大きな渦電流が発生しやすい。このため、損失が大きいという問題がある。また、コイル成形を成形する場合、曲げ方向の導体幅が広いため、曲げ加工が難しいという問題もある。上記エッジワイズコイルの不都合を回避するため、導体幅の小さい銅線を複数本並列して巻き回し、これらを電気的に並列接続することにより渦電流の低減を図り、また、加工を容易に行うことができるコイルが提供されている。
実開平６−２９１１７

上記特許文献１に記載されているコイルは、絶縁層で被覆された細線の導体を一平面内で平行に接合した多本平行線がその幅方向に巻き回されて構成されている。

上記特許文献１に記載されているコイルでは、断面円形の巻線を採用しているため、隣接する巻線間に隙間が生じて、占積率を高めることができない。しかも、巻線を円環状に巻き回してコイルを形成しているため、環状に配列される分割ステータに採用した場合、隣接するステータ間に大きな隙間が生じてしまい、電動機の効率を高めることが困難である。

さらに、組み合わされる複数の巻線の位置決めが困難であるとともに、断面円形の細線を複数巻き回しているため、各巻線が変形しやすい。このため、各巻線を位置決めするとともに保形性を確保するため、各巻線を接着固定する接着工程が必要となる。

本願発明は、上記従来の問題を解決し、渦電流による損失を減じることができるとともに、巻線加工が容易であり、さらに保形性が高く、ステータ等に対する組み付けを容易に行うことができるコイルを提供することを課題とする。

本願発明に係るコイルは、入れ子状に積層して組み付けられた複数の筒状コイル部材を備えるとともに、上記各筒状コイル部材は、コイル軸に直交する方向の少なくとも一の断面幅がテーパ状に変化する内部空間を備えて形成されている。

本願発明では、複数の筒状コイル部材が入れ子状に組み付けられる。したがって、各筒状コイル部材のコイル軸に直交する方向の少なくとも一の断面幅をテーパ状に形成することにより、これらテーパ面を介して各筒状コイル部材を位置決めして組み付けることができる。したがって、各筒状コイル部材を、精度高く、かつ容易に組み付けることが可能となる。

断面幅がテーパ状に変化する形状は特に限定されることはない。たとえば、請求項２に記載した発明のように、上記各筒状コイル部材を、角錐台状又は円錐台状の内部空間を備えるように構成することができる。内側に配置される各筒状コイル部材は、これの外側の筒状コイル部材の内周面に位置決め積層されて組み付けられる。特に、角錐台状の内部空間を備える筒状コイル部材を構成して、電動機の分割ステータのコアに組み付けた場合、分割ステータ間のデッドスペースを最小限に抑えることが可能となる。

さらに、上記テーパ面を介して各筒状コイル部材を位置決め積層できるため、各筒状コイル部材の巻線が変位あるいは変形しにくく、コイルの保形性が高まる。したがって、各筒状コイル部材を接着等することなく、組み付けることも可能となる。

上記筒状コイル部材を構成する巻線の断面形態は特に限定されることはないが、請求項３に記載した発明のように、長方形断面を備える巻線を採用するのが好ましい。長方形断面を備える巻線は、巻き回し加工の後の保形性が高く、組み付け時の変形等を防止することが可能となる。

また、上記長方形断面を採用した場合、請求項４に記載した発明のように、各巻線の短幅面をコイル軸に向けて巻き回すことにより筒状コイル部材を形成することができる。この場合、各コイル部材が、平角線をエッジワイズ巻きして構成されることになる。

一方、請求項５に記載した発明のように、各巻線の長幅面をコイル軸に向けて巻き回すことにより、各筒状コイル部材を形成することができる。この場合、各筒状コイル部材が、平角線をフラットワイズ巻きした形態で構成されることになる。

上記複数の筒状コイル部材の接続形態は特に限定されることはない。請求項６に記載した発明のように、上記複数の筒状コイル部材を並列接続することができる。

たとえば、エッジワイズ巻きされた従来の長方形断面を有する巻線の上記断面を、コイルの半径方向に分割するようにして上記各筒状コイル部材を構成し、各筒状コイル部材の各端子を一体的に接続することにより、平角巻線をエッジワイズ巻きたコイルと同等の特性を備え、しかも、渦電流の発生が少ないコイルを構成することが可能となる。

また、請求項７に記載した発明のように、上記複数の筒状コイル部材を、直列接続してコイルを構成することもできる。

請求項５に記載した発明のように、長方形断面の巻線の長幅面をコイル軸に向けて巻き回すと、各巻線のコイル直径方向の断面幅が小さくなるため渦電流の発生を抑制することができる。一方、各筒状コイルの巻き数が少なくなるという問題があるが、積層された上記複数の筒状コイル部材を直列接続することにより巻き数を確保することが可能となり、上記不都合を解消できる。

また、長方形断面を有する巻線を複数段フラットワイズ巻きして構成されるコイルでは、巻き返し部分の加工が難しく、隙間が生じて占積率が低下する場合が多かった。本願発明では、コイルの半径方向に積層される各筒状コイル部材を別々に形成できるため、巻き回し部分での占積率を高めることが可能となる。また、巻き回し方向が異なる筒状コイル部材を交互に組み付けて構成すると、各筒状コイル部材の接続端子を同一部位から延出させることも可能となり、各筒状コイル部材の直列接続を容易に行うことも可能となる。

請求項８に記載した発明は、外側に組み付けられる筒状コイル部材の巻線の断面積を、内側に組み付けられる筒状コイル部材の巻線の断面積より大きく設定したものである。

コイルにおける磁力線発生の効率を向上させるには、各巻線に流れる電流の大きさを同じにするのが好ましい。一方、本願発明では、外側に配置される筒状コイル部材の巻き径が大きくなるため、巻線の長さも長くなり、その分抵抗も大きくなる。上記構成を採用することにより、各コイル部材に流れる電流の大きさを一定にすることが可能となり、渦電流や漏れ磁束の発生を防止して、コイルの効率を高めることができる。

請求項９に記載された発明は、上記複数の筒状コイル部材が樹脂によってモールドされているものである。

複数の筒状コイル部材の組み付け体を樹脂モールドすることにより、各筒状コイル部材が分離することはなくなり、ステータのコア等に対する組み付けを容易に行うことができる。また、上記モールド樹脂に、熱伝導性の高いものを採用することにより、放熱性を高めることができる。

請求項１０に記載した発明は、上記コイル内周部に所定厚さの被覆層を設けたものである。

電動機等の分割ステータ等においては、コイルとこのコイルが巻き回されるティース部との間に絶縁性のインシュレータが介挿される。上記構成を採用することにより、上記被覆層に上記インシュレータの機能を持たすことできる。したがって、インシュレータが不要となり、部品点数及び組み付け工数を削減することも可能となる。

請求項１１に記載した発明は、請求項１から請求項１０に記載されたコイルと、上記コイルの内部空間にティース部が挿入されたコアとを備える分割ステータに係るものである。

上記電動機の種類及び上記コア等の形態は特に限定されることはない。上記コアは、積層鋼板で形成されたものや、圧粉形成されたもの等を採用することができる。また、隣接するコア間の隙間を少なくして電動機の効率を高めるため、断面矩形状のコアを備える分割ステータを採用するのが好ましい。

請求項１２に記載した発明は、上記ティース部と上記コイル内周面との間に介挿されたインシュレータを備えて、上記分割ステータを構成したものである。

上記インシュレータの形態は特に限定されることはい。なお、本願発明では、複数の上記筒状コイル部材を保持できるとともに、これら筒状コイル部材を一体的にティースに装着できる形態を採用するのが望ましい。

本願発明によって、渦電流による損失を減じることができるとともに、巻線加工が容易であり、さらに、ステータのコア等に対する組み付けを容易に行うことができるコイルを提供することができる。

以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。

図１は、本願発明に係るコイルの一例を示す全体斜視図である。また、図２は、上記コイル１の分解斜視図である。

コイル１は、断面長方形状の巻線２，３，４，５を各々巻き回して形成される４つの略矩形状の筒状コイル部材６，７，８，９を入れ子状に組み付けて形成される。

図３に示すように、上記各筒状コイル部材６，７，８，９は、対向する一対のコイル内周面１０ａ，１０ａが、コイル軸Ｘに対して各々角度Ａで傾斜するテーパ状となるように、角錐台形状の内部空間１２，１３，１４，１５を開けて、各巻線２，３，４，５が巻き回された形態を備えている。また、各筒状コイル部材６，７，８，９は、外側に配置される筒状コイル部材を構成する巻線の内周面に、内側に配置される筒状コイル部材を構成する巻線の外周面が隙間なく対接して積層される寸法となるように、上記各巻線２，３，４，５を巻き回して形成されている。

上記各巻線２，３，４，５として、図３に示すように、略長方形状の断面を備える銅線が採用されているとともに、各巻線には、図示しない絶縁被覆が施されている。

図３に示すように、本実施形態では、積層される各筒状コイル部材６，７，８，９のテーパ状の各コイル内周面１０ａと、これに挿入される筒状コイル部材の外周面１１ａとが対接させられて組み付けられる。しかも、本実施形態では、上記各筒状コイル部材６，７，８，９が、全体として矩形筒状に形成されている。このため、各筒状コイル部材６，７，８，９を、精度高く位置決めして、かつ、容易に組み付けることができる。

また、対接させられる上記テーパ状のコイル内周面１０ａ及びコイル外周面１１ａを介して各筒状コイル部材６，７，８，９を位置決め積層できるため、組み付け後に各筒状コイル部材６，７，８，９の各巻線２，３，４，５が変位あるいは変形しにくい。しかも、本実施形態では、断面長方形状の巻線を採用しているため、コイル自体の保形性も高い。したがって、各筒状コイル部材６，７，８，９を接着等することなく組み付けて、コイル１を形成することが可能となる。

図４及び図５に、本実施形態に係る上記コイル１を用いて、電動機の分割ステータを構成した一例を示す。

上記分割ステータ２０は、ステータの外周側に配置されるヨーク部２１と、内周側に配置される断面矩形状のティース部２２を設けたコア２３と、上記ティース部２２の外周に巻き回されるコイル１と、上記ティース部２２の外周部と上記コイル１の内周部との間に介挿される樹脂製インシュレータ２４とを備えて構成されている。

図５から明らかなように、本実施形態では、上記インシュレータ２４及び上記コイル１を、上記ティース部２２に嵌め込むだけで、分割ステータ２０を形成することができる。このため、ステータの組み付け作業を容易に行うことができるばかりでなく、組み付け工数を削減することができる。

また、図３に示す上記コイル１の内周面１０ａのテーパ角度Ａは、上記分割ステータ２０の分割数に対応する角度に設定されている。このため、上記分割ステータ２０を環状に組み付けた場合、隣接する各分割ステータ間の隙間を最小限に抑えることが可能となり、ステータの性能を高めることができる。なお、上記テーパ角度Ａは、上記分割ステータの分割数に対応して設定すればよく、本実施形態では、約１０°（両側テーパの合計２０°）に設定されている。

本実施形態に係る上記分割ステータ２０においては、径方向に配置される４つの筒状コイル部材６，７，８，９のヨーク側から延出する端子部２ａ，３ａ，４ａ，５ａと、ティース部側に延出する端子部２ｂ，３ｂ，４ｂ，５ｂとを、各々短絡させることにより、上記径方向に配置された４つの筒状コイル部材６，７，８，９を並列接続している。これにより、断面長方形状の太線平角コイルをエッジワイズ巻きしたと同様の機能を発揮するように構成している。

上記構成を採用することにより、従来の長方形断面の太線平角コイルをエッジワイズ巻きした場合に問題であった渦電流の発生を抑制することが可能となり、コイルの性能を向上させることができる。しかも、上記各巻線２，３，４，５に長方形断面の銅線を採用するとともに、これら巻線２，３，４，５が隙間なく対接するように構成しているため、コイルの占積率が低下することもない。

さらに、上記実施形態においては、外側に配置される筒状コイル部材の巻線の長さが、内側に配置される筒状コイル部材の巻線の長さに対して、コイル巻径が大きくなる分だけ長くなる。このため、外側に配置される筒状コイル部材の抵抗が大きくなって、コイルの効率を低下させる恐れがある。上記不都合を回避するため、外側に組み付けられる筒状コイル部材の巻線の断面積を、内側に組み付けられる筒状コイル部材の各巻線の断面積より大きく設定することができる。

図６に、本願発明に係るコイル及び分割ステータの第２の実施形態を示す。

第２の実施形態では、図１に示すコイル１の全体を樹脂モールドすることにより、コイル成形体３１を形成している。なお、図示はしないが、樹脂は、上記各筒状コイル部材間及び隣接する巻線間に隙間なく充填されている。

上記モールド樹脂は特に限定されることはなく、種々の樹脂を採用することができる。たとえば、エポキシ樹脂等に、熱伝導性を高めるためのアルミナ粉等を混練したものを採用することができる。また、上記コイル成形体３１の製造方法も特に限定されることはなく、上記コイル１をインサートした射出成形法を採用することができる。

上記第２の実施形態では、上記コイル３１の内周側に、図４に示すインシュレータに対応する絶縁被覆層３２が一体成形されるとともに、内部空間３３がコア２３のティース部２２の形態に対応して形成されている。

図６から明らかなように、コイル１を樹脂モールドして形成される上記コイル成形体３１を採用することにより、インシュレータを介挿することなく、上記コイル成形体３１をティース部２２に嵌合させるだけで、上記分割ステータ３０を組み立てることが可能となる。したがって、組み付け工程をさらに容易化することが可能となる。また、組み付けする際の部品点数を削減することもできる。

さらに、上記ティース部２２の外面と上記コイル１の内周面との隙間を小さくすることも可能となり、放熱性の高い分割ステータ３０を形成することができる。

図７及び図８に本願発明の第３の実施形態を示す。

第３の実施形態では、巻線５２，５３，５４，５５の巻方向が異なる筒状コイル部材５６，５７，５８，５９を、入れ子状に交互に組み付けることにより、コイル５１を形成している。

上記巻線５２，５３，５４，５５として、図８に示すように、従来用いられている長方形断面を備える平角線が採用されており、これら巻線の長幅面をコイル軸Ｘに向けて、上記第１の実施形態と同様の手法で巻き回すことにより、コイル５１が形成される。

長幅面をコイル軸Ｘに向けて各巻線５２，５３，５４，５５を巻き回しているため、各筒状コイル部材５６，５７，５８，５９の巻線の巻き数は非常に少なくなる。一方、本実施形態では、図８に示すように、各筒状コイル部材が直列接続されるように、各端子が接続される。すなわち、図８に示すように、ティース部先端側から延出する側の端子５５ｂと５４ｂ、及び５２ｂと５３ｂとが各々接続されるとともに、ヨーク側に延出する端子５３ａと５４ａとが接続される。この接続により、各筒状コイル部材５６，５７，５８，５９は直列接続され、ヨーク側から延出する端子５２ａ，５５ａから電流を流して、一本の巻線を巻き回したコイルと同様に機能させることができる。

本実施形態では、従来形態の平角線をフラットワイズ巻きしているにもかかわらず、複数の筒状コイル部材５６，５７，５８，５９を組み合わせることにより、巻線の巻数を確保することが可能となる。

また、上記各筒状コイル部材５６，５７，５８，５９は、各々別途に形成することができるため、デッドスペースを最小限に抑えた形態に各巻線５２，５３，５４，５５を巻き回すことも可能となる。

さらに、本実施形態では、巻線５１，５２，５３，５４の巻方向が異なる筒状コイル部材５６，５７，５８，５９を交互に組み付けてコイル５１を形成しているため、各々の巻線端子が延出する部分においてこれらを接続し、各筒状コイル部材５６，５７，５８，５９を直列接続することができる。このため、ステータにおける配線の取り回しを容易に行うことも可能となる。

なお、上記図８に示す筒状コイル部材５６，５７，５８，５９の端子の延出形態及び接続形態はあくまで実施形態であり、種々の延出形態及び接続形態を採用することができる。たとえば、端子を折り曲げて延出することなく、溶接等によって各コイルを接続することができる。

本願発明は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上記説明した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本願発明係るコイルによって、渦電流による損失を減じることができるとともに、容易に巻線加工を行い、さらに、ステータ等に対する組み付けを容易化することができる。

本願発明に係るコイルの全体斜視図である。 図１に示すコイルの分解斜視図である。 図１における III−III 線に沿う断面図である。 図１に示すコイルを採用した分割ステータの全体斜視図である。 図１に示すコイルを採用した分割ステータの組立工程を示す断面図である。 本願発明の第２の実施形態に係るコイル及び分割ステータの組立工程を示す断面図である。 本願発明の第３の実施形態に係るコイルの組立工程を示す側面図である。 図７に示すコイルの組立後の側面図である。

符号の説明

１ コイル
６ 筒状コイル部材
７ 筒状コイル部材
８ 筒状コイル部材
９ 筒状コイル部材
１２ 内部空間
１３ 内部空間
１４ 内部空間
１５ 内部空間

Claims (12)

1. 入れ子状に積層して組み付けられた複数の筒状コイル部材を備えるとともに、
   上記各筒状コイル部材は、コイル軸に直交する方向の少なくとも一の断面幅がテーパ状に変化する内部空間を備えて形成されている、コイル。
2. 上記内部空間が、角錐台状又は円錐台状の空間である、請求項１に記載のコイル。
3. 各筒状コイル部材を構成する各巻線は長方形断面を備える、請求項１又は請求項２のいずれかに記載のコイル。
4. 上記各巻線は、短幅面をコイル軸に向けて巻き回されている、請求項３に記載のコイル。
5. 上記各巻線は、長幅面をコイル軸に向けて巻き回されている、請求項３に記載のコイル。
6. 上記複数の筒状コイル部材が並列接続されている、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のコイル。
7. 上記複数の筒状コイル部材が直列接続されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のコイル。
8. 外側に組み付けられる筒状コイル部材の巻線の断面積が、内側に組み付けられる筒状コイル部材の巻線の断面積より大きく設定されている、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のコイル。
9. 上記複数の筒状コイル部材が樹脂によってモールドされている、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のコイル。
10. 上記コイル内周部に所定厚さの被覆層を備える、請求項９に記載のコイル。
11. 請求項１から請求項１０に記載されたコイルと、
    上記コイルの内部空間にティース部が挿入されたコアとを備える、分割ステータ。
12. 上記ティース部と上記コイル内周面との間に介挿されたインシュレータを備える、請求項１１に記載の分割ステータ。

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