JP2008148470A - 集中巻コイルおよび集中巻きコイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
解決しようとする課題は、集中巻コイルにおいて、コアスロット部の線材整列性が低下することを防止し、高占積率のコイルを実現することである。
【解決手段】
集中巻コイルは、ステータコア内に挿入されるスロット部の整列状態を維持するために、コイルエンド部の中で列移行や層移行を行う必要がある。本発明は、線材ガイド保持機構を巻線ボビン近傍に設置し、ボビンに線材を巻きつける前は線材位置のガイドを行い、巻き付け後は線材を押圧するように動作することで、コイル線の整列乱れを防止し、高占積率コイルの実現を可能とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、集中巻コイルおよび集中巻きコイルの製造方法に関する。

各種モータに使われている、コアと巻線から構成されるステータにおいて、巻線の密度を高め、高効率を追求した構造が増加している。

図１は、コア５においてボビン１に線材２を巻きつけた巻線済ボビン１０とコア５との位置関係を上面図と側面図で示したものである。上面図から判るように、最終組立状態で円環状となるコア５に密接して巻線済ボビン１０を配置するために、ボビン内周壁１−ｃに対してボビン外周壁１−ｂの円周方向の長さが大きくなっている。また側面図から判るように、巻線済ボビン１０ではコア５内に配置されたコイルスロット部１０ａとコア５から外に配置されたコイルエンド部１０ｂが存在する。このコア５内に配置されたコイルスロット部１０ａがモータ特性に大きく影響する部分であるため、図２の断面図にあるようにコイルスロット部１０ａ側の辺が長く、コイルエンド部１０ｂ側の辺が短い矩形形状をしている。

図２は、ボビン１を単体で見た場合の上面図と断面図を示したものである。線材２を巻きつけていくボビン底部１−ａの両側に線材２の脱落を防止するボビン外周壁１−ｂ，ボビン内周壁１−ｃが形成されている。断面図から判るようにボビン底部１−ａの４隅の角にはＲ部が設けられている。このＲ部の半径の大きさは、線材２の可とう性や被覆の強度によって決められている。

図３から図６を用いて、前述したボビン１に巻線する場合の課題点について説明する。図３は説明用巻線モデルを示す。ここではＡ辺，Ｃ辺をコイルスロット部、Ｂ辺，Ｄ辺をコイルエンド部、Ｄ辺側を端末線の引き出し方向とした。また説明のため、各辺の長さは同一とした。巻線方法は、図示しない線材ノズルに対してボビンが回転することとした。

図４は、ボビンの回転角度と同期して線材２の列方向への案内（線材トラバースと表現する）を一定量送った場合のｎターン目とｎ＋１ターン目の辺の位置と線材の軌跡を示す。この場合、各辺での線材軌跡の間隔が同一であることから、各辺いずれにおいても線材２同士が密着する。但し辺の入口と出口で列方向の位置が異なっており、そのスペースを確保するためには、無駄な空間を発生させる必要があった。特にＡ辺，Ｃ辺のコイルスロット部では占積率（巻線スペースに対する線材が占める総面積の比率）が低下し、モータ特性に影響を及ぼすという課題があった。

そこでこの課題を解決する方法として、図５に示す線材２の列方向への案内方法が考案されている。これは、Ａ辺からＣ辺までの間は線材トラバースを行わず、Ｄ辺に集中させて線材トラバースを行うことで、Ａ辺，Ｃ辺のコイルスロット部の占積率を向上させる方法である。

図６に、実際の巻線状態を示す。図中の点線に示すように、Ａ辺からＣ辺の線材トラバースを０にして、Ｄ辺で所定の巻線ピッチ分の線材トラバースをかける設定をした場合、実際の線材は実線に示す軌跡を描く。これは、線材２を引張りながらボビン１に巻き付けていくことと、図２の断面図にあるようにボビン底部１−ａの４隅の角にあるＲ部によって、線材２が滑りやすくなっているために、線材２には最短距離を描くように分力が働き、Ｃ辺だけ、もしくはＣ辺からＢ辺、もしくはＣ辺からＡ辺の範囲で線材の整列乱れが発生する。

以上の課題に対して、特許文献１に示されるように巻線ボビン外周にフォーマと呼ばれる１対の線材案内部を設置し、その間に線材を通しながら、巻線ボビンに巻きつける方法が提案されている。これは巻線ボビンの外周で、ボビン内周壁やボビン外周壁に近接するまでフォーマを接近させて、巻線ボビンへの線材位置決め精度を高めているものである。

図７は、従来から使用されている丸線用ボビンの形状を示し、巻線前のボビン１単体から３層まで巻線が実施される状況を表したスロット部の断面図である。ボビン１単体でボビン底部１−ａに線材ピッチに対応した溝が形成されている。この溝に対して線材２を巻き付けていく時に、図５に示す線材案内方法をすることで、コアスロット部に組み込まれる辺の、整列性を確保することを可能としている。これは、図６に示すような整列性を乱すずれの発生をボビン底部１−ａの溝により抑止することで実現している。１層目の巻線では、ボビン底部１−ａの溝によって生じる線材ずれ防止効果を、２層目以降では下層側の巻線された線材が同等の機能を発している。

特開２００３−２４４９０６号公報

特許文献１の方法では、ボビンの外部で線材の位置決めを行っているため前述の整列乱れが発生し、高精度という観点では課題がある。

また、前述の図７のような溝付ボビンの課題として、ボビンをプラスチック成形により製作する場合に、金型側に微細な溝を形成するために、金型費が上昇する点と、金型で溝形状，溝ピッチを規定するために、線材直径・ボビン形状を始めとする設計条件を変更する際に、金型修正費用が発生する点と、使用可能な線材が丸線に限定される点があった。

これより、本発明の目的は、ボビン金型費を上昇させることなく、線材の整列乱れを防止しモータの小型効率化に寄与する高占積率コイルを提供することである。

本発明は、線材ガイド保持機構が、ボビンに線材を巻きつける前は、線材幅に対して空隙をあけた位置で待機して線材位置のガイドを行い、巻き付け後は線材を押圧するように動作することを特徴とする。

ボビン金型費を上昇させることなく、線材の整列乱れを防止しモータの小型効率化に寄与する高占積率コイルを提供することである。

以下本発明の詳細について図面を用いながら説明する。

図８（ａ）から（ｇ）に端末線引出し側からボビンを見た図を用い、本発明の巻線方法でボビンに近接した１層目に巻線する方法を説明する。本発明の主体は、線材ガイド保持部と線材やボビンの位置関係が重要であるので、他の部分の説明は省略する。

図８（ａ）は巻線前のボビン１を示す。ボビン１は、線材２が巻かれる部分であるボビン底部１−ａ、ボビン１がコア５に位置決めされた時に外周側となり線材２の脱落を防止するボビン外周壁１−ｂ、同様にボビン１がコア５に位置決めされた時に内周側となり線材２の脱落を防止するボビン内周壁１−ｃより構成される。

図８（ｂ）は線材２の巻始め２−ａがボビン１に位置決めされた状態を示す。この場合は、ボビン底部１−ａの左側のボビン外周壁１−ｂに近接した状態で巻線を開始しているが、端末線の配置や巻線機の巻軸回転方向によって別位置から開始しても構わない。

この巻始め２−ａがボビン１に位置決めされた工程での線材ガイド保持部前方側３−ａの位置を説明する。線材ガイド保持部前方側３−ａを、ボビン１が回転する巻軸側に設置することで、ボビン１の回転と一体で回転するようになっており、巻軸とは分離された外周部側から機構部を位置決めする必要がないため、巻軸の回転速度低下が抑止できる上、巻軸が回転している間でも、後述する線材２への押圧が維持できる構造をとっている。

線材ガイド保持部前方側３−ａは、ボビン底部１−ａと対向した先端部３−ａ１と巻線時に線材２のガイドを行う線材当接部３−ａ２より構成される。線材当接部３−ａ２の表面は、線材２が巻かれる際に接触することやボビン底部１−ａに到達した後も線材２押圧のために接触することから、研磨等の仕上げにより表面粗さを小さくする処理を行うことが望ましい。

線材ガイド保持部前方側３−ａの先端部３−ａ１とボビン底部１−ａとの間隔は、線材２が該間隔に入り込むことを防止することと、線材２の巻線が進行して列を成す際に線材ガイド保持部前方側３−ａも同一方向に移動するためにその移動を円滑に行うことを両立させる必要がある。実際には線材２の直径または高さをｄとした時に０.１ｄから０.５ｄの間の値を設定することで上記条件を満足させることが可能である。

また線材ガイド保持部前方側３−ａの線材当接部３−ａ２の位置は、線材２がボビン外周壁１−ｂとの間に存在していない時は、ボビン外周壁１−ｂとの間隔を示し、巻線が進行し線材２がボビン外周壁１−ｂとの間に存在している時は直前の線材２との間隔を示す。この間隔を、１.１ｄ から２ｄの間の値を設定することで、巻線時に線材２のガイドが容易となる。

図８（ｃ）は、図８（ｂ）の工程から所定角度分の巻線が進行した工程を示す。図８
（ｂ）工程で、線材ガイド保持部前方側３−ａの線材当接部３−ａ２の位置が線材２の直径ｄに対し、空隙を持っているため、線材２がボビン底部１−ａに向かって落とし込まれる時に干渉することなく巻線することが可能である。

図８（ｄ）は、図８（ｃ）の巻線が進行した工程の後での線材押圧工程を示す。線材ガイド保持部前方側３−ａの線材当接部３−ａ２を線材２に接触させ、図示しない押圧機構から発生させた押圧力を利用して、ボビン外周壁１−ｂ方向に押し当てることで、線材２をボビン外周壁１−ｂに密着させて、ボビン１内での整列性を確保する。この時の押圧力は線材の直径や柔軟性、巻線時の線材テンション等の条件から最適値を選定する。

図８（ｅ）は図８（ｄ）より巻線が進行し、線材ガイド保持部前方側３−ａの線材当接部３−ａ２の押圧を開放し、次ターンの線材２を巻きつける前の工程を示す。

この直前の線材２がボビン１に位置決めされた工程での線材ガイド保持部前方側３−ａの位置を説明する。線材ガイド保持部前方側３−ａの先端部３−ａ１とボビン底部１−ａとの間隔は、線材２が該間隔に入り込むことを防止することと、線材２の巻線が進行して列を成す際に線材ガイド保持部前方側３−ａも同一方向に移動するためにその移動を円滑に行うことを両立させる必要がある。実際には線材２の直径または高さをｄとした時に、線材ガイド保持部前方側３−ａの先端部３−ａ１とボビン底部１−ａとの間隔を０.１ｄから０.５ｄの間の値を設定することで上記条件を満足させることが可能である。

また線材ガイド保持部前方側３−ａの線材当接部３−ａ２の位置は、巻線が進行し線材２がボビン外周壁１−ｂとの間に存在している時は直前の線材２との間隔を示す。この間隔を、１.１ｄ から２ｄの間の値となるように移動させることで、巻線時に線材２のガイドが容易となる。

線材ガイド保持部前方側３−ａの線材当接部３−ａ２の押圧を開放するタイミングとして、巻線の回転角度に合わせて、ボビン底部１−ａに線材２が到達する直前に線材当接部３−ａ２の押圧を開放することで、整列状態の乱れを最小限に抑えることが可能である。

図８（ｆ）は、図８（ｅ）の工程から所定角度分の巻線が進行した工程を示す。図８
（ｅ）工程で、線材ガイド保持部前方側３−ａの線材当接部３−ａ２の間隔が線材２の直径ｄに対し、空隙を持っているため、線材２がボビン底部１−ａに向かって落とし込まれる時に干渉することなく巻線することが可能である。

図８（ｇ）は、図８（ｆ）の巻線が進行した工程の後での線材押圧工程を示す。線材ガイド保持部前方側３−ａの線材当接部３−ａ２を線材２に接触させ、図示しない押圧機構から発生させた押圧力を利用して、ボビン外周壁１−ｂ方向に押し当てることで、線材２を直前に巻線された線材２に密着させて、ボビン１内での整列性を確保する。この時の押圧力は線材の直径や柔軟性、巻線時の線材テンション等の条件から最適値を選定する。

この後も図８（ｅ）から図８（ｇ）の動作を繰り返し、巻線を進行させる。

図９に、１層目の巻線が進行し、１層目の最終ターンをボビン底部１−ａに落とし込む直前の状態の上面図及び側面図を示す。この後、１層目の最終ターンをボビン底部１−ａに落とし込む時には、線材ガイド保持部前方側３−ａを線材２の通過経路から退避させて、直前までに巻かれた線材２とボビン内周壁１−ｃの間に、１層目の最終ターンの線材２を位置決めする。

線材２をボビン外周壁１−ｂ方向に各ターン毎に押圧することで、１層目の最終ターン用のスペースを確保しているが、線材２の直径ばらつきやボビン外周壁１−ｂとボビン内周壁１−ｃの間隔の製作ばらつきによってスペースが狭くなり、線材２がボビン底部１−ａに到達しない場合は、線材ガイド保持部前方側３−ａを図１０（ａ）の位置まで押し込むことで、先端部３−ａ１で線材２を押し、ボビン底部１−ａに到達させることが可能である。この場合には先端部３−ａ１の表面も、線材当接部３−ａ２の表面と同様に、研磨等の仕上げにより表面粗さを小さくする処理を実施しておくことが望ましい。

ここでは、線材がボビンの外周に巻かれ横一列に並んだ列の合計幅と、ボビン底部の幅が概ね同じになった時に生じる現象と対応機能を説明した。

従来の巻線方法では、線材間の隙間を充分に制御できず、巻線時のばらつきを考慮し、線材がボビンの外周に巻かれ横一列に並んだ列の合計幅と、ボビン底部の幅との隙間が線材幅１本以上の設定とした場合において、巻線が良好で線材間の隙間が小さい時は巻線数が１ターン多くなり、巻線が不良で線材間の隙間が大きい時は、その上層となる巻線でも不安定となることがあった。このような状況は占積率を高める上でも不利であった。

本発明のように巻線１ターン毎に、線材を押圧させて線材間を密着させることで、線材がボビンの外周に巻かれ横一列に並んだ列の合計幅と、ボビン底部の幅との隙間が線材幅１本未満である設計緒元を選定することができ、設計時の高占積率を意図した通りに実現することが可能である。

２層目の巻線方法では、図１０（ｂ）に示す通り１層目で用いた線材ガイド保持部前方側３−ａと前後対称である線材ガイド保持部後方側３−ｂを用いることと、巻線の方向がボビン内周壁１−ｃからボビン外周壁１−ｂに向かう反転方向であることを除けば、図８（ａ）から（ｇ）で説明した１層目と同様な方法で巻線することが可能である。

図１１に、２層目の巻線が進行し、２層目の最終ターンをボビン底部１−ａ方向にある１層目に落とし込む直前の状態の上面図及び側面図を示す。この後、２層目の最終ターンを１層目上に落とし込む時には、線材ガイド保持部後方側３−ｂを線材２の通過経路から退避させて、直前までに巻かれた線材２とボビン外周壁１−ｂの間に２層目の最終ターンの線材２を位置決めする。

線材２をボビン内周壁１−ｃ方向に各ターン毎に押圧することで２層目の最終ターン用のスペースを確保しているが、線材２の直径ばらつきやボビン外周壁１−ｂとボビン内周壁１−ｃの間隔の製作ばらつきによってスペースが狭くなり、線材２が１層目に到達しない場合は、線材ガイド保持部後方側３−ｂを図１０（ｂ）の位置まで押し込むことで、先端部３−ｂ１で線材２を押し、１層目に到達させることが可能である。この場合には先端部３−ｂ１の表面も、線材当接部３−ｂ２の表面と同様に、研磨等の仕上げにより表面粗さを小さくする処理を実施しておくことが望ましい。

この後のｎ層目の巻線方法としては、奇数層では１層目と同様に線材ガイド保持部前方側３−ａを利用し、巻線の方向がボビン外周壁１−ｂからボビン内周壁１−ｃに進行させ、偶数層では２層目と同様に線材ガイド保持部後方側３−ｂを利用し、巻線の方向がボビン内周壁１−ｃからボビン外周壁１−ｂに進行させることで対応が可能である。

また、ここでは１対の線材ガイド保持部前方側３−ａと線材ガイド保持部後方側３−ｂをコイルスロット部の片側だけ設置しているが、線材の柔軟さや巻付けテンションの大小によって発生する整列乱れの程度により、線材ガイド保持部設置済のコイルスロット部反対側にも設置することで、整列乱れ抑止効果を高めることが可能である。

図１２は、本発明による巻線方法を行うことで、図７における課題を解消したボビンを示し、巻線前のボビン単体から３層まで巻線が実施される状況を表したスロット部の断面図である。ボビン底部１−ａに溝を設置しないことで、溝に起因する費用上昇を抑止することが可能となり、線材直径・ボビン形状を始めとする設計条件を変更も容易となるために設計の自由度が向上する。

図１２では、２層目，３層目の線材の位置を１層目の直上としている。占積率の観点でみた場合には、図７のように下層の線材と線材の間の直上に次層を配置したほうが良いが、従来の巻線方法では実現困難だが本発明であれば成立可能な形状として示した。

図１３は、本発明を用いたその他の実施例として、図１２において丸線であった線材２を角線とした場合の、巻線前のボビン単体から３層まで巻線が実施される状況を表したスロット部の断面図である。角線では丸線の線材間に発生する空隙を大幅に削減することが可能で、高い占積率が要求されるモータで採用されている形態である。図７において丸線の外形に適応させた案内溝を考えた場合、角線の外形に適応させるには、ボビン底部１−ａに案内溝を設けない構造となる。このようにボビン底部１−ａに案内溝を設けないで線材２の整列性を確保するには本発明で提案する巻線方法が必要となる。

図１４は、本発明を用いたその他の実施例として、層別の巻線列数が異なる場合の１層から４層まで巻線が実施される状況を表したスロット部の断面図である。ボビン単体は、図１２，図１３と同様なボビン底部１−ａに溝を設けない構造であるため、説明図を省略した。

この形態は図１の上面図で示すように、隣り合った巻線済ボビン１０の線材２の空隙を減らすことで占積率向上を目指したものである。特にボビン外周壁１−ｂに近い側の巻線列数を増やすことで対応している。

ここでの巻線方法は、１層目，２層目はボビン内周壁１−ｃとボビン外周壁１−ｂの間隔に最大可能ターン数を巻線し、３層目では、折り返しの位置を変えて、４層目では巻線開始列を変更して対応する。これも本発明の巻線方法である線材２のガイドと巻線後の保持によって実現可能である。

図１５は、本発明を用いたその他の実施例として、端末線の引き出し位置を表した巻線済ボビンのコイルエンド面から見た斜視図である。

従来の巻線方法では、線材２を直接保持していないため、端末線を引回す間に線材の緩みが発生し易いことから、コア５平面の対称軸から見て巻終り側の半面に、巻終り２−ｂを位置させることが困難であった。端末線の配置設計から、巻終り側の半面に位置させたい場合には、一旦巻始め半面に引回して線材の緩みを抑えてから、ボビンの端末線係止位置を巻終り側の半面にする方法がとられていた。

本発明によれば、線材２を直接保持し、端末線を引回す間も確実に押圧することで線材の緩みを防止するため、巻終りの立上げ位置を、端末線が引き出されるコイルエンド面から見てコア平面対称軸の巻終り側半面に位置させ、同じ巻終り線のボビンの端末線係止位置をコイルエンド面から見て巻終り側の半面に位置させることが可能となり、端末線の配置設計に対し制約がなくなり設計自由度が増す利点がある。

以上のように、本発明を適用する集中巻コイルは、ステータコア内に挿入されるスロット部の整列状態を維持するために、コイルエンド部で列の移行又は層の移行を行うことができる。また、本発明は、線材ガイド保持機構を巻線ボビン近傍に設置し、ボビンに線材を巻きつける前は、線材幅に対して空隙をあけた位置で待機して線材位置のガイドを行い、巻き付け後は線材を押圧するように動作することで、コイル線の整列乱れを防止し、モータの小型高効率化に寄与する高占積率コイルの実現を可能とすることができる。また、本発明は、線材ガイド保持部により、ボビンの内側で線材の位置決めを行うことができるということより、コイル線の整列乱れを防止し高精度に巻き線できるため、モータの小型高効率化に寄与する高占積率コイルの実現を可能とすることができる。なお、内側とは、ボビン内周壁やボビン外周壁のボビン中心方向の内側である。

コアに配置された集中巻コイルを示す図である。 集中巻コイルに使用されるボビン形状を示す図である。 巻線課題を説明するためのモデル図である。 巻線課題を説明するための巻線図である。 巻線課題を解消するための巻線図である。 巻線課題の発生を示す説明図である。 集中巻コイルに使用される従来ボビン形状を示す図である。 本発明の巻線方法を示した説明図である。（実施例１） 本発明の巻線方法を示した説明図である。（実施例１） 本発明の巻線方法を示した説明図である。（実施例１） 本発明の巻線方法を示した説明図である。（実施例１） 本発明の巻線方法を示した説明図である。（実施例１） 本発明のその他の実施例を示した説明図である。（実施例２） 本発明のその他の実施例を示した説明図である。（実施例３） 本発明のその他の実施例を示した説明図である。（実施例４）

符号の説明

１ ボビン
１−ａ ボビン底部
１−ｂ ボビン外周壁
１−ｃ ボビン内周壁
２ 線材
２−ａ 巻始め
２−ｂ 巻終り
３−ａ 線材ガイド保持部前方側
３−ａ１，３−ｂ１ 先端部
３−ａ２，３−ｂ２ 線材当接部
３−ｂ 線材ガイド保持部後方側
５ コア
１０ 巻線済ボビン
１０ａ コイルスロット部
１０ｂ コイルエンド部

Claims (16)

1. 線材がボビンの外周に巻かれた集中巻コイルにおいて、列の移行をボビンのコイルエンド部側の辺でのみ行われた構成であり、かつ、ボビン底部に案内溝を設けないことを特徴とする集中巻コイル。
2. 請求項１において、
   層の移行をボビンのコイルエンド部側の辺でのみ行われた構成であることを特徴とする集中巻コイル。
3. 請求項１に記載の集中巻きコイルを有する回転電機。
4. 請求項１において、
   前記線材は、丸線電線又は角線電線であることを特徴とする集中巻コイル。
5. 請求項１において、
   線材がボビンの外周に巻かれ横一列に並んだ列の合計幅と、ボビン底部の幅との隙間が線材幅１本未満であることを特徴とする集中巻コイル。
6. 請求項１において、
   層毎の列数が異なることを特徴とする集中巻コイル。
7. 請求項１において、
   前記辺は、ボビンのコイルエンド部側の一辺であることを特徴とする集中巻コイル。
8. 請求項１において、
   前記線材の巻終りの立上げ位置を、端末線が引き出されるコイルエンド面から見てコア平面対称軸の巻終り側半面に位置させ、かつ、同じ巻終り線のボビンの端末線係止位置をコイルエンド面から見て巻終り側の半面に位置させることを特徴とする集中巻コイル。
9. 請求項１において、
   ２層目以降の線材の位置を１層目の直上としていることを特徴とする集中巻コイル。
10. 線材をボビンの外周に巻きつける集中巻きコイルの製造方法において、
    ボビンに線材を巻きつけるステップと、
    線材ガイド保持部により、ボビン内周壁方向又はボビン外周壁方向に前記線材を押圧するステップとを有することを特徴とする集中巻きコイルの製造方法。
11. 請求項１０において、
    前記ボビンに線材を巻きつけるステップ時は、前記線材ガイド保持部は、線材と離れた位置に待機していることを特徴とする集中巻きコイルの製造方法。
12. 請求項１０において、
    線材ガイド保持機構が線材上部から、線材をボビン底部方向に押圧するステップを有することを特徴とする集中巻きコイルの製造方法。
13. 請求項９において、
    前記線材は、丸線電線又は角線電線であることを特徴とする集中巻きコイルの製造方法。
14. 線材をボビンの外周に巻きつける集中巻きコイルの製造方法において、
    線材ガイド保持部により、ボビンの内側で線材の位置決めを行うことを特徴とする集中巻きコイルの製造方法。
15. 請求項１４において、
    前記線材は、丸線電線又は角線電線であることを特徴とする集中巻きコイルの製造方法。
16. 請求項１４において、
    前記内側とは、ボビン内周壁やボビン外周壁のボビン中心方向の内側であることを特徴とする集中巻きコイルの製造方法。

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