JP2017118640A - 波巻きコイルを有する電動機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】全体のコイル数が低減され、かつコイル間の渡り線の本数も低減された固定子を有する電動機、及び該電動機の製造方法の提供。
【解決手段】１つの円環状コイル６２の一部を捩ることにより、８の字形状のコイル６４を形成し、３つのスロット６６ａ、６６ｂ及び６６ｃに挿入・配置する。８の字状のコイル６４において互いに重なる２つの辺を含む第１のコイル部分６８が中央のスロット６６ｂに挿入され、他の２辺、すなわち８の字形状を構成する複数の輪の各々において第１のコイル部分６８と固定子の周方向について反対側にありかつ巻線が重なっていない第２のコイル部分７０及び７２はそれぞれ、スロット６６ｂの両側のスロット６６ａ及び６６ｃに挿入される。
【選択図】図４

Description

本発明は、８の字状の波巻きコイルを有する電動機、及びその製造方法に関する。

永久磁石を備えた電動機には、コギングトルクと呼ばれる脈動や、トルクリップルと呼ばれるトルク変動がある。従来、コギングトルクとトルクリップルを低減させることができる極数とスロット数の組み合わせとして、スロット数を極数で割った値が既約分数となる分数スロットを有する電動機が挙げられる（例えば特許文献１）。

一方、電動機の固定子に形成されたスロットにコイルを巻き付ける（挿入する）方法又は装置として、種々のものが提案されている。例えば特許文献２には、１２スロット１０極でシングルＹ結線の電動機の固定子について、絶縁部が形成された帯状の固定子コアにコイルを容易に形成することができ、かつ、異相の渡り線が接触しないようにすることを企図した技術が記載されている。

また特許文献３には、複数のコイルをインサータツールのブレードに対応させてコイルセット台に整列させることにより、全てのコイルをインサータツールに一度に配置でき、さらに、一度の作業でインサータツールのコイルをステータのスロットに挿入させることができる巻線挿入機が記載されている。

特開２００４−０２３９５０号公報 特開２０１１−０３０３０９号公報 特開２０１５−１２６６６１号公報

スロット数を極数で割った値が既約分数となる、いわゆる分数スロットの電動機では、極数とスロット数の最小公倍数を大きくするように、極数とスロット数を選定でき、また、高次の分布巻係数の値を小さくできることから、コギングトルクとトルクリップルを減少させることができる。例えば、スロット数６Ｎが、極対数Ｐの１．５倍より大きくかつ３倍以下となる電動機（１．５Ｐ＜６Ｎ≦３Ｐ）の場合、スロットピッチが１の集中巻電動機を構成することができる。この場合、隣接するスロットに１つのコイルを巻くことができるため、巻線機のノズルで固定子のティース部に直接巻きつける（いわゆる直巻を行う）ことができ、電動機の製造方法としては非常に有利である。

また、予めスロットに挿入できるように絶縁部材を成形して作成したボビンにコイルを巻きつけて、そのコイルを巻きつけたボビンごとスロットに挿入する方法もある。このような集中巻を採用することによって製造工数の削減を図ることはできるが、１つ１つのコイルを逐次的に作製していくため、工数の削減には限界がある。

一方、スロット数６Ｎが極対数Ｐの３倍より大きい分数スロットを有する電動機（６Ｎ＞３Ｐ）は、集中巻の分数スロット電動機よりもコギングとトルクリップルがさらに小さくなる傾向があるため、優れた性能を具備する。しかし、スロットに挿入する巻線のコイルピッチが１スロットより大きくなり、コイルを分布巻でしか巻くことができない。特に、スロット数を極対数で割った値が、分母が４以上の既約分数となる電動機においては、巻線の配置がより複雑になることから、スロットに挿入する巻線のコイル数が多くなり、製造工程において巻線を自動化することは困難である。さらに、コイル数の増加に伴ってコイル間を結ぶ渡り線の本数も多くなり、巻線同士が複雑に絡み合う要因にもなる。

一方、インサータ方式による自動巻線機では、巻線機のノズル又はフライヤーを巻枠周りに旋回してコイルを１つ１つ作製し、作製したコイルをインサータに挿入し、インサータを固定子に徐々に挿し入れることで固定子にコイルが巻装される。この工程では、作製すべきコイルの数が多くなるとインサータに挿入する回数も多くなるので、多くの工数が必要となる。また、インサータには多数のコイルが挿入されるため、コイル間の渡り線の本数が多い場合、巻線が複雑に絡み合い、製造不良に至る場合がある。

このように、複雑な巻線配置を持つ分数スロットの電動機では、高性能である一方、コイル数が多くなり、結果として製造工数も多くなるという問題、さらに、各コイル間を結ぶ渡り線が多く、複雑に絡み合いやすいという問題があった。

そこで本発明は、全体のコイル数が低減され、かつコイル間の渡り線の本数も低減された固定子を有する電動機、及び該電動機の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、複数対の磁極を有する回転子と、前記回転子の回転軸方向に形成され、かつ周方向に配列された複数のスロットを有し、前記回転子と径方向に対向配置された固定子と、前記スロットに挿入されて前記固定子に巻装された複数の巻線と、を備えた３相交流電動機であって、前記回転子の極対数をＰとし、前記固定子の巻線を挿入するスロット数を６Ｎとするとき、スロット数６Ｎを極対数Ｐで除した値が、分母が２以上の既約分数となる関係を持ち、前記巻線は、所定の巻数で巻回されかつ８の字形状を有する複数のコイルの形態で前記スロット内に配置されており、前記８の字形状のコイルにおいて互いに重なる巻線を含む第１のコイル部分が１つのスロットに挿入され、前記８の字形状を構成する複数の輪の各々において前記第１のコイル部分と前記固定子の周方向について反対側にありかつ巻線が重なっていない第２のコイル部分が１つのスロット内に配置されており、前記８の字形状のコイルは１相あたり複数個、前記固定子の所定の位置に配置されている、３相交流電動機を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、スロット数６Ｎを極数２Ｐで除した商をＸとするとき、前記８の字形状のコイルの各々の前記第１のコイル部分及び前記第２のコイル部分は、複数のスロットにＸのスロットピッチで配置されている、３相交流電動機を提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記８の字形状のコイルの各々は、３相のそれぞれについて、渡り線にて互いに直列に接続されている、３相交流電動機を提供する。

第４の発明は、第１の発明において、前記８の字形状のコイルの各々は、前記第１のコイル部分を２つ有し、前記第２のコイル部分を２つ備える、３相交流電動機を提供する。

第５の発明は、第１の発明において、前記８の字形状のコイルの各々は、前記第１のコイル部分を２つ有し、前記第２のコイル部分を１つ備える、請求項１に記載の３相交流電動機を提供する。

第６の発明は、第１の発明において、極対数Ｐが５であり、スロット数６Ｎが１２である、３相交流電動機を提供する。

第７の発明は、第１の発明において、極対数Ｐが５であり、スロット数６Ｎが３６である、３相交流電動機を提供する。

第８の発明は、複数対の磁極を有する回転子と、前記回転子の回転軸方向に形成され、かつ周方向に配列された複数のスロットを有し、前記回転子と径方向に対向配置された固定子と、前記スロットに挿入されて前記固定子に巻装された複数の巻線と、を備えた３相交流電動機の製造方法であって、ａ．前記固定子の１つのティースを覆うように前記固定子に取り付け可能な、絶縁材料からなる複数のボビンを所定の距離だけ離隔配置する工程と、ｂ．線材で所定の巻数で前記ボビンの周りを覆うように巻回してコイルを形成する工程と、ｃ．前記線材が巻かれた複数のボビンのうち、少なくとも１つのボビンを１８０度捩ることによって８の字形状のコイルを形成する工程と、ｄ．前記８の字形状のコイルが巻かれた複数のボビンを同時に３つ以上のスロットに跨って固定子のティースに挿入する工程と、ｅ．前記工程ａからｄまでを複数回繰り返して、前記固定子において所定の巻線配置を構成する工程と、を含む、３相交流電動機の製造方法を提供する。

本発明によれば、複雑な巻線配置を持つ分数スロットの電動機において、８の字形状のコイルを採用することにより、コイル数を削減することができ、また電動機の製造工数も削減することができる。さらに、各コイル間を結ぶ渡り線の本数も削減できるので、渡り線が複雑に絡み合う可能性が大幅に低減される。

１０極３６スロットの電動機の概略構造を示す断面図である。 １０極３６スロット２層巻の電動機の巻線配置の展開断面図である。 １０極１２スロット２層巻の電動機の巻線配置の展開断面図である。 （ａ）単純な円環形状のコイルを示す図であり、（ｂ）円環形状のコイルを捩ることにより形成された８の字状コイルを示す図であり、（ｃ）８の字状コイルを電動機の固定子のスロットに挿入した状態を示す図である。 （ａ）１０極１２スロットの３相交流電動機の巻線配置を示す展開断面図であり、（ｂ）当該巻線配置に本発明を適用した場合の一例を示す図である。 （ａ）２つのボビンを囲繞するように巻線を巻きつけた状態を示す図であり、（ｂ）一方のボビンを１８０°捩って８の字状波巻コイル６４を形成した状態を示す図であり、（ｃ）２つのボビンを固定子コアに同時に挿入する動作を示す図であり、（ｄ）８の字状波巻コイルが３つのスロットに挿入された状態を示す図である。 （ａ）１０極３６スロット２層巻の３相交流電動機の巻線配置を示す展開断面図であり、（ｂ）当該巻線配置に本発明を適用した場合の一例を示す図であり、（ｃ）スロットに８の字状コイルを挿入した状態を示す図であり、（ｄ）比較例として、スロットに従来の環状コイルを挿入した状態を示す図である。 （ａ）１０極３６スロット３層巻の３相交流電動機の巻線配置を示す展開断面図であり、（ｂ）当該巻線配置に本発明を適用した場合の一例を示す図である。 図８の巻線配置に適用可能な８の字状コイルの一構成例を示す図である。 図９の８の字状コイルの製造方法を説明する図である。 図８の巻線配置に適用可能な８の字状コイルの他の構成例を示す図である。 （ａ）図１１の８の字状コイルの製造方法において、３つの輪を有する波巻コイルを形成した状態を説明する図であり、（ｂ）３つの輪のうちの１つを折り返して、図１１の８の字状コイルを形成した状態を説明する図である。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る電動機４０の概略構造を示す径方向断面図である。図示例の電動機４０は、１０極３６スロットの３相交流電動機であり、複数対の磁極を有する回転子４２と、回転子４２の回転軸４４の方向に延び、かつ回転軸４４の周方向に配列された複数のスロット４６を有し、回転子４２と径方向に対向配置された固定子４８と、スロット４６に挿入されて固定子４８に巻装された複数の巻線（後述）とを備え、固定子４８の巻線を挿入するスロット数６Ｎ（ここでは６Ｎ＝３６）を、回転子４２の極対数Ｐ（ここではＰ＝５）で除した値が、分母が２以上の既約分数となる関係を持つ。

回転子４２は、１０個の（永久）磁石５０と、回転子コア５２と、回転子のシャフト５４とを備え、回転軸４４を中心として回転する。磁極の数Ｐは、磁石５０の数と同数の１０である。なお本発明は主として、固定子４８の固定子コア５６に形成されたスロット４６に挿入されたに巻線（コイル）に関するものであるので、以下の説明では回転子４２の説明を省略する。

図２は、１０極３６スロット２層巻、すなわち、極数が１０でかつスロット数が３６の分数スロットの電動機の各スロット４６に巻線５８を２層配置した巻線配置の展開断面図である。図２において、各スロット４６に付された数字（１〜３６）は、スロット識別番号を示す。固定子４８は本来円筒状であるが、ここでは説明を分かり易くするために、円筒状である固定子４８を直線的に展開した展開断面図として示す。

図３は、本発明が適用可能な他の例として、１０極１２スロット（分数スロット）の巻線配置の展開断面図である。図２と同様、図３においても、各スロット６０に付された数字（１〜１２）は、スロット識別番号を示す。

図２及び図３の「Ｕ」、「Ｖ」、「Ｗ」は３相交流の各相を表し、「＋」と「−」は電流の向きを示している。図２及び図３は２層巻の例を示しており、各スロットには、＋Ｕ、−Ｕ、＋Ｖ、−Ｖ、＋Ｗ、−Ｗ相の合計６相帯のいずれかが２つずつ配置される。各配置には、銅線などの電流が流れる線材が、同じ数だけ挿入されている。

なお本願明細書では、電流が流れる銅線等の線材又は該線材の束を「巻線」と称し、該線材を使用して閉じた輪の形状（後述する８の字形状も含む）を形成し、同一形状で連結されて束状に重なっているものを「コイル」と称する。

図４は、本発明に係る８の字状の波巻コイルの構造例を説明する図である。図４（ａ）に示すような１つの円環状コイル６２の一部を捩ることにより、図４（ｂ）に示すような８の字形状のコイル６４を形成し、図４（ｃ）に例示するように、３つのスロット６６ａ、６６ｂ及び６６ｃに挿入・配置する。より具体的には、８の字状のコイル６４において互いに重なる２つの辺（巻線）を含む第１のコイル部分６８が中央のスロット６６ｂに挿入され、他の２辺（すなわち８の字形状を構成する複数の輪の各々において第１のコイル部分６８と固定子の周方向について反対側にありかつ巻線が重なっていない第２のコイル部分）７０及び７２はそれぞれ、スロット６６ｂの両側のスロット６６ａ及び６６ｃに挿入される。

ここで、スロット数６Ｎを極数２Ｐで割った商をＸとするとき、８の字状のコイルの全てを、Ｘに等しいスロットピッチで固定子に配置することにより、図２及び図３の巻線配置は全てこの８の字状のコイルのみで巻線可能となる。なお図４（ｃ）は、スロットピッチ（Ｘ）が２の場合を例示しており、同図における矢印はコイル内の電流の流れる方向を表している。また図４（ｂ）に示すように、コイル６４の形は波巻状になることから、本願明細書ではこれを８の字状（波巻）コイルとも称する。

図５（ａ）は、１０極１２スロット単層巻の３相交流電動機の巻線配置を示す展開断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の巻線配置に本発明を適用した場合の一例を示す図である。図５（ｂ）に示すように、図４（ｂ）に示したような８の字状コイル６４が、スロット６０内にスロットピッチ１にて計６つ挿入されている。

また図６は、本発明に係る電動機の固定子の製造方法の一例を説明する図であり、具体的には、各コイル６４をスロット６０内に挿入する手順を示している。先ず図６（ａ）に示すように、絶縁材料からなる複数（図示例では２つ）のボビン７４ａ及び７４ｂを所定距離だけ離隔配置し、両ボビンを囲繞するように巻線を所定の巻数だけ巻回する。次に図６（ｂ）に示すように、一方のボビン７４（ここではボビン７４ｂ）を１８０°捩る（回転させる）ことにより、８の字状波巻コイル６４を作製する。

次に、図６（ｃ）に示すように、図６（ｂ）の状態から、２つのボビン７４ａ及び７４ｂを、両ボビンの位置関係を維持したまま固定子コア（具体的には、固定子コアの２つのティース７６ａ及び７６ｂ）に同時に挿入することにより、コイル６４を３つのスロット６６ａ、６６ｂ及び６６ｃ内に配置する。各ボビンは固定子のティースの１つを覆うように装着可能に構成されているので、図６（ａ）〜（ｃ）の操作により、図６（ｄ）に示すように、３つのスロットに跨って８の字状波巻コイル６４を挿入することができる。図６（ａ）〜（ｄ）に示した操作を複数回（本例では６回）繰り返すことにより、図５のような巻線配置の固定子が得られる。

図７（ａ）は、１０極３６スロット２層巻の３相交流電動機の巻線配置を示す展開断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の巻線配置に本発明を適用した場合の一例を示す図である。図４（ｂ）に示したような８の字状コイル６４が、スロット４６内にスロットピッチ３にて計６つ挿入されている。但し明瞭化のため、図７では、３６スロットのうちの２５スロットについてＵ相のみ表示しており、コイル６４は展開図の形で４つ示されている。

図７（ａ）に示す巻線配置は、図７（ｂ）に示すように、全て３スロットピッチのコイルで展開することができる。このとき、比較例として図７（ｄ）に示す円環状コイル６５のように、従来は、２つの円環状コイル６５が１のコイル辺を共有して３つのスロットに跨って配置されていた。そのため、この２つのコイル６５を連結する渡り線６７が必要となっていた。

これに対し本実施形態では、図７（ｃ）に示すように、２つのコイル６５を１つの８の字状の波巻コイル６４に置換することができ、また単相あたり、８の字状の連結コイルは６個であり、３相分合計で１８個あれば足りる。従って本実施形態では、従来の複雑なコイル配置とは異なり、同一形状のコイルユニットを複数個用意するだけで、全ての巻線配置が構成できるため、電動機（固定子）の製造が容易になるというメリットがある。また本実施形態では、各コイル間では各相を渡り線で互いに直列に接続する一方、図７（ｄ）に示すような渡り線６７は不要になるため、渡り線の本数を従来よりも減らすことができ、渡り線同士が絡まり難くなるというメリットも得られる。

図８（ａ）は、本発明の応用例として、１０極３６スロット３相巻の巻線配置を示す展開断面図である。本応用例では、このような巻線配置を、Ｕ相のみに関する巻線配置を示す図８（ｂ）のように、後述する２種類の８の字状波巻コイル７８、８４で構成する。

図９は、図８において４つのスロットに亘って、スロット数３６を極数１０で除したときの商である３のスロットピッチで配置されている波巻コイル７８の一構成例を示す図であり、図１０は、コイル７８の製造方法を説明する図である。コイル７８は、図６を参照して説明したようなボビンを３つ使用して作製することができる。すなわち、所定距離だけ離隔配置された３つのボビンを囲繞するように巻線を所定の巻数だけ巻きつけ、ボビンを１８０°捩る操作を２回（例えば、左右のボビンをそれぞれ１回ずつ）行うことにより、図１０に示すように、互いに重なる２つの辺（巻線）を含む第１のコイル部分８０を２つ備え、さらに、８の字形状を構成する複数の輪の各々において第１のコイル部分８０と固定子の周方向について反対側にありかつ巻線が重なっていない第２のコイル部分８２を２つ備えた、コイル７８が形成される。

そして図６（ｃ）と同様に、３つのボビンを、それらの位置関係を維持したまま固定子コアに同時に挿入することにより、コイル７８（の第１のコイル部分８０及び第２のコイル部分８２）は、４つのスロット（図９の例ではスロット番号が２０、２３、２６及び２９の４つのスロット）内に配置される。

図１１は、図８において３つのスロットに亘って、スロット数３６を極数１０で除したときの商である３のスロットピッチで配置されている波巻コイル８４の一構成例を示す図であり、図１２は、コイル８４の製造方法を説明する図である。先ず、図１２（ａ）に示すように、図１０と同様の方法で３つのループを有するコイル７８を作製し、さらにコイル７８の３つのループのうちの１つ（図示例では右端のループ）を中央のループに重ねるように（図１２（ａ）の破線に沿って）折り返すことにより、図１２（ｂ）に示すような８の字形状の波巻コイル８４が得られる。具体的には、コイル８４は、互いに重なる２つの辺（巻線）を含む第１のコイル部分８６を２つ備え、さらに、８の字形状を構成する複数の輪の各々において第１のコイル部分８６と固定子の周方向について反対側にありかつ巻線が重なっていない第２のコイル部分８８を１つ備える。このように構成されたコイル８４（の第１のコイル部分８６及び第２のコイル部分８８）は、３つのスロット（図１１の例ではスロット番号が２７、３０及び３３の３つのスロット）内に配置することができる。

なお図９又は図１０に示したコイル７８は３つのループ（輪）を有しているが、このように３つ以上のループを実質一続きの巻線で形成しているコイルや、図１１又は図１２に示したコイル８４のように、３つ以上のループのうちの少なくとも１つを他のループに重なるように折り返すことによって実質的なループ数が元の数より少なくなっているコイルも、８の字形状を含むものであるので、本願明細書における８の字状波巻コイルに含まれるものとする。

図８に示す巻線配置では、上述のように２種類のコイル７８及び８４を使用するが、図１２（ａ）からもわかるように、コイル７８及び８４は同一寸法の巻線から作製することができる。従ってコイル７８及び８４の製造工程は、図１２（ａ）に示す工程を除き共通しているので、固定子の製造工数の削減を図ることができる。

なお上述の実施形態ではいずれも、１つのコイルにおいて８の字を構成するループ間には渡り線を設ける必要がないので、従来よりも少ない渡り線で電動機の固定子を構成することができる。但し、８の字形状のコイルの各々は、３相のそれぞれについて、渡り線にて互いに直列に接続されており、８の字形状のコイルは１相あたり複数個、固定子の所定の位置に配置される。

４０ ３相交流電動機
４２ 回転子
４４ 回転軸
４６、６０、６６ａ、６６ｂ、６６ｃ スロット
４８ 固定子
５０ 磁石
６２ 円環状コイル
６４、７８、８４ ８の字状（波巻）コイル
６７ 渡り線
６８、８０、８６ 第１のコイル部分
７０、７２、８２、８８ 第２のコイル部分
７４ａ、７４ｂ ボビン
７６ａ、７６ｂ ティース

Claims (8)

1. 複数対の磁極を有する回転子と、
   前記回転子の回転軸方向に形成され、かつ周方向に配列された複数のスロットを有し、前記回転子と径方向に対向配置された固定子と、
   前記スロットに挿入されて前記固定子に巻装された複数の巻線と、を備えた３相交流電動機であって、
   前記回転子の極対数をＰとし、前記固定子の巻線を挿入するスロット数を６Ｎとするとき、スロット数６Ｎを極対数Ｐで除した値が、分母が２以上の既約分数となる関係を持ち、
   前記巻線は、所定の巻数で巻回されかつ８の字形状を有する複数のコイルの形態で前記スロット内に配置されており、前記８の字形状のコイルにおいて互いに重なる巻線を含む第１のコイル部分が１つのスロットに挿入され、前記８の字形状を構成する複数の輪の各々において前記第１のコイル部分と前記固定子の周方向について反対側にありかつ巻線が重なっていない第２のコイル部分が１つのスロット内に配置されており、前記８の字形状のコイルは１相あたり複数個、前記固定子の所定の位置に配置されている、３相交流電動機。
2. スロット数６Ｎを極数２Ｐで除した商をＸとするとき、前記８の字形状のコイルの各々の前記第１のコイル部分及び前記第２のコイル部分は、複数のスロットにＸのスロットピッチで配置されている、請求項１に記載の３相交流電動機。
3. 前記８の字形状のコイルの各々は、３相のそれぞれについて、渡り線にて互いに直列に接続されている、請求項１に記載の３相交流電動機。
4. 前記８の字形状のコイルの各々は、前記第１のコイル部分を２つ有し、前記第２のコイル部分を２つ備える、請求項１に記載の３相交流電動機。
5. 前記８の字形状のコイルの各々は、前記第１のコイル部分を２つ有し、前記第２のコイル部分を１つ備える、請求項１に記載の３相交流電動機。
6. 極対数Ｐが５であり、スロット数６Ｎが１２である、請求項１に記載の３相交流電動機。
7. 極対数Ｐが５であり、スロット数６Ｎが３６である、請求項１に記載の３相交流電動機。
8. 複数対の磁極を有する回転子と、
   前記回転子の回転軸方向に形成され、かつ周方向に配列された複数のスロットを有し、前記回転子と径方向に対向配置された固定子と、
   前記スロットに挿入されて前記固定子に巻装された複数の巻線と、を備えた３相交流電動機の製造方法であって、
   ａ．前記固定子の１つのティースを覆うように前記固定子に取り付け可能な、絶縁材料からなる複数のボビンを所定の距離だけ離隔配置する工程と、
   ｂ．線材で所定の巻数で前記ボビンの周りを覆うように巻回してコイルを形成する工程と、
   ｃ．前記線材が巻かれた複数のボビンのうち、少なくとも１つのボビンを１８０度捩ることによって８の字形状のコイルを形成する工程と、
   ｄ．前記８の字形状のコイルが巻かれた複数のボビンを同時に３つ以上のスロットに跨って固定子のティースに挿入する工程と、
   ｅ．前記工程ａからｄまでを複数回繰り返して、前記固定子において所定の巻線配置を構成する工程と、
   を含む、３相交流電動機の製造方法。

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