JP6572549B2 - ステータコイル製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、電動モータなどのステータコイルの製造に関する。

電動モータなどのステータコアにコイルを巻線するための装置として、予めコイル状に巻かれた線材をステータコアのスロットに装着するインサータツールが知られている。ステータコアは両端を開口した中空の円筒形状に形成される。ステータコアは内周に等しい角度間隔で形成されたティースと、ティース間に形成され、内周面と両端面とに開口部を有するスロットと、を有している。インサータツールはティースの内周面に嵌合するティースと同数のブレードと、ブレード間の間隙内を軸方向に変位する突起部を外周に設けた円柱形状のプッシャとを備えている。ブレードの幅は、ブレード間の間隙がスロットの開口部と略等しい幅となるように予め設定される。インサータツールは、コイル状に巻かれた線材が各ティースの一端に掛け回された状態で、プッシャを軸方向に駆動してステータコアの一端の内側へと侵入させる。

これにより、プッシャの外周の突起部がブレード間の間隙内を軸方向に変位し、各ブレードに掛け回されたコイル状の線材は突起部に押されてスロット内に侵入する。突起部がステータの一端の開口部からもう一端の開口部へと変位することで、線材は各スロットの内側に順次侵入する。これにより、コイル状の線材は、スロット内に侵入した直線部とステータの両端から軸方向外側に突出するコイルエンドとからなるコイルとして各ティースに巻線された状態となる。線材を各スロットに侵入させた後、ステーアコアの中心方向を向いたスロットの開口部を塞ぐウェッジが軸方向からスロットに挿入される。

特許文献１は、複数層のコイルを同一のティースに装着する際に、層間に挟み込まれる絶縁紙を支持するための支持機構をインサータツールに設けることを提案している。

実開平５−９５１８６号公報

突起部の軸方向変位によってコイル状の線材をスロットに侵入させる構造のインサータツールにおいては、突起部は線材を軸方向に押すのみである。しかしながら、一方のコイルエンドがティースに掛け回されているため、コイル状に巻かれた線材は軸方向に変位できない。そのため、線材はスロットの中に退避することで軸方向の押圧力を逃がす。つまり、突起部は線材をスロットの内側へと押し退けながらスロット内を軸方向に移動する。この動作原理のもとでは、いったんスロットに退避した線材に対して、突起部はラジアル方向の力を及ぼすことができない。

こうしたインサータツールを用いるステータコイル製造装置においては、巻線の量を増やすと、突起部に押し退けられていったんスロット内に退避した線材が突起部の通過後に再びスロットからはみ出てしまう。そのため、スロット内に密に線材を配置することができず、ステータコイルの占積率、すなわちコイル断面積とスロット断面積との比を高くすることは難しい。

この発明は、以上の問題を解決すべくなされたもので、占積率の高いステータコイルを製造することを目的とする。

以上の目的を達成するために、この発明は、円筒形状のステータコアの内周に形成された複数のティースに、予めコイル状に巻かれた線材を装着するステータコイル製造装置に適用される。ステータコイル製造装置は、前記ティース間のスロットに前記線材を仮挿入した後、前記スロットに前記ステータコアの内周側から樹脂を注入する樹脂注入手段と、前記スロットに相当する間隙を有し、前記線材の前記スロットへの仮挿入から前記樹脂注入手段による前記スロットへの前記樹脂の注入に至る期間に前記ティースの内周に嵌合保持され、前記樹脂注入手段による前記スロットへの前記樹脂の注入を前記間隙から行なった後に撤去される内径治具と、を備え、前記内径治具は前記樹脂注入手段による前記スロットへの前記樹脂の注入完了後に回転変位し、前記樹脂が固化するまでの期間中は前記スロットを塞ぐように構成される。

線材をスロットに仮挿入した後、ラジアル方向力負荷手段がティース間のスロットに仮挿入された線材に対してラジアル方向外向きの力を及ぼす。ラジアル方向外向きの力は線材をスロット内に押し込む力として作用する。そのため、スロットからステーアコアの中心方向へはみ出した線材もスロット内に押し込まれる。この状態で樹脂注入手段がスロットに樹脂を注入する。注入された樹脂が固化することで線材はスロット内に固定的に保持される。

線材をスロット内に押し込む力を加えつつ樹脂をスロットに注入することで、より占積率の高いステータコイルを製造することが可能となる。また、線材をスロット内に確実に保持できるので、スロットの開口部を塞ぐために従来用いられていたウェッジが不要となる。

この発明の第１実施形態によるステータコイル製造装置の概略縦断面図である。 同じく、樹脂注入段階のステータコイル製造装置の概略縦断面図である。 線材への力の作用を説明するステータコア要部と内径治具と線材の拡大した横断面図である。 内径治具のセットから樹脂の注入、及び内径治具の撤去に至るステータコアへのコイル装着プロセスを説明するステータコアの横断面図である。 この発明の第２実施形態によるステータコイル製造装置の概略縦断面図と概略横断面図である。 この発明の第２実施形態による樹脂注入段階のステータコイル製造装置の概略縦断面図と概略横断面図である。 この発明の第３実施形態によるステータコイル製造装置の概略縦断面図である。 この発明の第４実施形態によるステータコイル製造装置の内型の回転を説明する、ステータコイル製造装置の概略横断面図である。

図１-４を参照して、この発明の第１実施形態を説明する。

図１に示すステータコイル製造装置１は電動モータなどのステータコア２へのコイルの装着を行なう装置である。

図４（ａ）を参照すると、円筒形状のステータコア２の内周には予め複数のティース３が等しい角度間隔で形成される。隣接するティース３の間にはステータコア２の中心方向及び軸方向に向かって開口するスロット４が形成される。コイルは予め所定の形状に巻いた線材５を、スロット４を利用して各ティース３に装着することで、ティース３に巻き回される。ティース３に巻き回されたコイルは、ティース３の周方向の両側のスロット４を通り、図１に示すように１８０度に屈曲するコイルエンド５Ａを、ステータコア２の軸方向の両端面からそれぞれ軸方向外側に突出する。

コイルのステータコア２への装着は、まず予めコイル状に巻回した線材５を、インサータツールを用いて各スロット４に挿入することで行なわれる。インサータツールの構成については前記特許文献１に開示されるように公知であるので説明を省略する。

インサータツールは、図４（ａ）に示すように、各ティース３の内周面に嵌合する内径治具としてのブレード６を備える。ブレード６はティース３の間のスロット４に相当する間隙６Ａをあけて配置される。

図１はコイル状に巻かれた線材５のインサータツールによる各ティース３への装着が終了した状態を示す。インサータツールの適用後は、各スロット４に挿入された線材５をスロット４内に保持する力は作用しない。そのため、インサータツールによる各スロット４への線材５の挿入をここでは仮挿入と称する。コイル状に巻かれた線材５をインサータツールが各ティース３の周方向両側のスロット４に仮挿入することで、各ティース３にコイルが巻き回された状態となる。各スロット４に仮挿入された線材５を、樹脂モールド装置７から各スロット４に注入される樹脂９で固めることで、ステータコア２へのコイルの装着が完了する。

樹脂モールド装置７は、ステータコアを保持する外型７Ａ−７Ｃと、ブレード６の内周に嵌合する円筒壁８Ａを有する内型８と、外型７Ｂに形成された注入口７Ｄと、注入口７Ｄに樹脂９を圧入するピストン１０とを備える。

ところで、以上のプロセスにおいてインサータツールによって各スロット４に仮挿入された線材５は、上述のようにインサータツールの適用後はスロット４内への保持力が失われてしまう。そのためコイルの占積率を高めるべくインサータツールが大量の線材５を高密度でスロット４に挿入すると、インサータツールが通過した後に、図３（ａ）に示すように、線材５の一部がスロット４からテータコア２の中心方向に向かってブレード６の隙間６Ａへとはみ出してしまう。この状態では線材をスロット４内に保持することができない。そこで、従来のステータコイル製造装置のもとでは線材５の量を抑えざるを得ず、結果としてステータコイルの占積率を高めることは難しかった。

この発明は、ステータコイルの占積率を高めるために、スロット４に仮挿入された前記線材に対してラジアル方向外向きの力を及ぼすラジアル方向力負荷手段を備える。この実施形態においては、樹脂モールド装置７が、ラジアル方向力負荷手段とスロットに樹脂を注入する樹脂注入手段とを兼用する。

図２を参照すると、樹脂モールド装置７はステータコア２の一方の端面から各スロット４内に樹脂９を注入する。樹脂９のステータコア２への注入口はラジアル方向に関して内型８の円筒壁８Ａの近傍に設けられる。ピストン１０を図の下向きに駆動することで、ピストン１０に加圧された樹脂９は図３（a）に示すように、まず間隙６Ａの線材５と円筒壁８Ａの間のスペースに侵入する。ピストン１０を図１の下向きにさらに駆動すると、間隙６Ａ内の樹脂はステータコア２の内周側から外周側に向かって各スロット４に侵入する。各スロット４への樹脂９の侵入圧力は、図３（ｂ）の矢印に示されるように線材５に対してラジアル方向外向きの力を及ぼす。この力の作用で、スロット４から間隙６Ａ内にはみ出していた線材５はスロット４内へと後退する。

このようにしてスロット４に注入された樹脂９は、図４（ｂ）に示すように、線材５をスロット４内に押し込んだ後にスロット４内で固化する。スロット４内の樹脂９が固化した後は、図４（ｃ）に示されるように、ブレード６は内型８とともにステータコア２から取り外される。

このステータコイル製造装置１によれば、インサートツールにより線材５をスロット４へ仮挿入した後に、線材５がスロット４から間隙６Ａ内にはみ出しても、はみ出した線材は樹脂９が及ぼすラジアル方向外向きの力でスロット４内に押し戻され、スロット４内で固化した樹脂９によりスロット４内に安定的に保持される。そのため、大量の線材５をスロット４に収装することが可能となり、ステータコイルの占積率を高めることができる。また、線材５をスロット４内に確実に保持できるので、スロット４の開口部を塞ぐために従来用いられていたウェッジも不要となる。

内型治具としてのブレード６は、線材５のスロット４への仮挿入から樹脂モールド装置７によるスロット４への樹脂の注入に至る期間を通じてティース３の内周に嵌合保持され、樹脂９の注入完了後に撤去される。

ブレード６が形成する隙間６Ａは、インサータツールが通過した後にスロット４からはみ出す線材５を隙間６Ａ内に留めるとともに、線材５と円筒壁８Ａの間に注入された樹脂９をスロット４へと案内するガイドとして機能する。そのため、スロット４に侵入する樹脂９はスロット４から隙間６Ａにはみ出した線材５に対してラジアル方向外向きの力を直接及ぼすことになる。これにより、スロット４から隙間６Ａへとはみ出した線材５はスロット４へ確実に押し戻される。また、ブレード６がティース３の内周に嵌合することで、スロット４に注入された樹脂９がスロット４から隙間６Ａにはみ出す量を減らすことができる。隙間６Ａにはみ出した樹脂９は必要に応じて機械加工により除去しても良い。このステータコイル製造装置１によれば、その場合も機械加工の手間を大幅に削減することができる。

図５と６を参照してこの発明の第２の実施形態を説明する。

この実施形態によるステータコイル製造装置１は、ラジアル方向力負荷手段として、ステーアコア２の回転装置を備える。回転装置として、ステータコイル製造装置１は電動モータなどの手段により回転する基台１２を備える。

インサータツールもしくは手作業で線材５をスロット４に仮挿入した後、基台１２を回転させる。基台１２とともに回転するステータコア２には遠心力が作用する。この遠心力は線材５に対してラジアル方向外向きの力を及ぼす。そのため、インサータツールによってスロット４に仮挿入された線材５が、インサータツールの使用後にスロット４から隙間６Ａへとはみ出しても、はみ出した線材５は遠心力がもたらすラジアル方向外向きの力によって再びスロット４に押し戻される。

このようにして、線材５がスロット４に押し戻された状態で、基台１２の回転を維持しつつ、図６に示すように、樹脂モールド装置７がピストン１０の駆動により樹脂９を隙間６Ａに注入する。注入された樹脂９は遠心力によりスロット４内に侵入し、その過程で線材５に対して遠心力がもたらすラジアル方向外向きの力を及ぼす。

つまり、遠心力が直接線材５に及ぼすラジアル方向外向きの力に加えて、遠心力でスロット４に侵入する樹脂９の侵入圧力が、隙間６Ａにはみ出した線材をスロット４に押し戻す力として作用する。このようにして、線材５をスロット４に保持しつつ、樹脂９の注入が完了する。

樹脂９注入後は、注入された樹脂９の固化を待って外型７Ａ−７Ｃと、内型８をステータコア２から取り外す。

以上のとおり、この実施形態によっても大量の線材５をスロット４内に保持することが可能となり、ステータコイルの占積率を高めることができる。

また、この実施形態では隙間６Ａに注入された樹脂９にも遠心力が作用するので、樹脂９の注入完了後に隙間６Ａには樹脂９がほとんど残留しない。したがって、隙間６Ａにはみ出した樹脂９の除去作業の手間を削減することができる。

図７を参照してこの発明の第３実施形態を説明する。

この実施形態によるステータコイル製造装置１は、ラジアル方向力負荷手段として、外型７Ｃを貫通して内型８の内部に導かれる高圧流体の通路１１を備える。ここでは、高圧流体として高圧空気を用いる。高圧空気は通路１１に接続されたコンプレッサから供給される。通路１１には内型８内においてラジアル方向に分岐する複数の枝通路１１Ａが接続される。複数の枝通路１１Ａはそれぞれ円筒壁８Ａに設けた開口部を備える。

以上の構成により、通路１１に供給される高圧空気は複数の枝通路１１Ａを介して円筒壁９Ａからラジアル方向外向きに高圧空気を吹き出す。吹き出した高圧空気は隙間６Ａから各スロット４に侵入し、さらにスロット４内を軸方向に流れることでステータコア２の両端面から外型７Ａ−７Ｃに囲まれた空間へと流出する。

一方、樹脂モールド装置７の外側７Ａと７Ｂの間、及び外側７Ｃと７Ｂの間には、ステータコア２の両端面からこれらの空間に流出した空気を大気中に放出する隙間が図に示すように形成される。

インサータツールもしくは手作業で線材５をスロット４に仮挿入した後、コンプレッサを運転して通路１１に高圧空気を供給する。通路１１から複数の枝通路１１Ａに分流された高圧空気は円筒壁８Ａに形成された枝通路１１Ａの開口部からラジアル方向外向きに高圧空気を吹き出す。吹き出された高圧空気は、図３（ａ）に示すブレード６の隙間６Ａから各スロット４内に侵入し、ステータコア２の両端面の開口部から流出し、外型７Ａと７Ｂの隙間及び外型７Ａと７Ｃの隙間から大気中に放出される。

高圧空気のこの流れは図３（ｂ）の矢印に示すように、隙間６Ａにはみ出していた線材５に対してラジアル方向の力を及ぼす。このラジアル方向の力により、スロット４から隙間６Ａ内にはみ出していた線材５はスロット４内に押し込められる。

このようにして、高圧空気の流れの力で線材５をスロット４内に押し込めた状態で、樹脂モールド装置７を駆動し、ピストン１０により樹脂９を注入口７Ｄから隙間６Ａへ注入する。注入された樹脂は隙間６Ａ内を図の下方へと侵入し、さらに隙間６Ａから各スロット４に侵入する。スロット４内に侵入した樹脂９はスロット４内を内周部から外周部へ向かって移動することで各スロット４に充填される。

樹脂モールド装置７によるスロット４への樹脂９の充填は枝通路１１Ａが高圧空気を噴出している状態で行なわれ、樹脂９の注入中も高圧空気の流れの力が線材５をスロット４内に保持する力として作用する。さらに、スロット４内を内周側から外周側へと移動する樹脂９により線材５は樹脂の充填が完了するまで確実にスロット４内に保持される。

この実施形態によれば、加圧機構８が高圧空気をブレード６の隙間６Ａに噴出し、スロット４から隙間６Ａにはみ出している線材５をスロット４内に押し込めるラジアル方向の力を及ぼす。そのため、線材５をスロット４内に密に配置することが可能となり、ステータコイルの占積率を高めることができる。また、線材５をスロット４内に押し込んだ状態で樹脂９の充填が行なわれるため、スロット４の内周側の開口部が樹脂９により閉塞される。そのため、従来はスロット４を塞ぐために必要であったウェッジが不要となり、インサータツールにウェッジ挿入機構を設ける必要がなくなり、その分インサータツールの構造を段純化できる。

また、枝通路１１Ａから高圧空気を吹き出しつつ樹脂９の充填を行なうため、樹脂９がスロット４から隙間６Ａ側にはみ出しにくい環境が得られる。そのため、内型８をステータコア２から取り外した後に、スロット４の外側に残留する樹脂９を除去する手間を省略ないし減らすことができる。

この実施形態では流体として高圧空気を用いているが、流体は高圧空気に限定されない、例えば、流体として絶縁性樹脂のワニスを用いることも可能である。噴出したワニスがスロット４内で固化して線材５の保持を行なう。したがって、ワニスを噴出する複数のラジアル方向の枝通路１１Ａが樹脂モールド装置７を兼用することができ、ステータコイル製造装置の構成を簡略化することが可能となる。

また、ラジアル方向力負荷手段として、円筒壁８Ａからラジアル方向外向きに吹き出す高圧流体が線材５をスロット４内に押し戻すため、樹脂モールド装置７は第１の実施形態と同じである必要はなく、スロット４に樹脂９を注入する機能を有する限り、いかなる形式であっても良い。

図８を参照して、この発明の第４実施形態を説明する。

この実施形態は第１―第３の実施形態のいずれかと組み合わされる実施形態である。ステータコイル製造装置１は、内径治具としてのブレード６を回転変位させる電動モータなどの回転変位手段を備える。回転変位手段として、人力によりブレード６を回転させることも可能である。

このステータコイル製造装置１は、第１―第３の実施形態で説明したいずれかのラジアル方向力負荷手段と樹脂注入手段により、スロット４に樹脂９を充填した後、樹脂９が固化する前にブレード６を図８（Ｂ）の矢印に示すように回転変位させ、ブレード６をスロット４のラジアル方向内向きの開口部に対峙させる。この操作により、樹脂９が固化するまで、線材５がスロット４から外側にはみ出すのを阻止することができる。また、固化する前の樹脂９がスロット４から外側にはみ出すのも阻止することができ。ブレード６を撤去した後に、スロット４からはみ出した樹脂９を除去する作業が不要となる。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、以上の各実施形態では、コイル状に巻回した線材５を、インサータツールを用いてスロットに仮挿入しているが、この発明は線材５のスロット４への仮挿入手段には限定されない。例えば、線材５を手作業でスロット４に仮挿入する場合にも、この発明によるステータコイル製造装置は適用可能である。

１ ステータコイル製造装置
２ ステーアコア
３ ティース
４ スロット
５ 線材
６ ブレード
７ 樹脂モールド装置
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 外型
７Ｄ 注入口
８ 内型
８Ａ 円筒壁
９ 樹脂
１０ ピストン
１１ 通路
１１Ａ 枝通路
１２ 基台

Claims (5)

1. 円筒形状のステータコアの内周に形成された複数のティースに、予めコイル状に巻かれた線材を装着するステータコイル製造装置において、
   前記ティース間のスロットに前記線材を仮挿入した後、前記スロットに前記ステータコアの内周側から樹脂を注入する樹脂注入手段と、
   前記スロットに相当する間隙を有し、前記線材の前記スロットへの仮挿入から前記樹脂注入手段による前記スロットへの前記樹脂の注入に至る期間に前記ティースの内周に嵌合保持され、前記樹脂注入手段による前記スロットへの前記樹脂の注入を前記間隙から行なった後に撤去される内径治具と、を備え、前記内径治具は前記樹脂注入手段による前記スロットへの前記樹脂の注入完了後に回転変位し、前記樹脂が固化するまでの期間中は前記スロットを塞ぐように構成される、ことを特徴とするステータコイル製造装置。
2. 前記ステータコアを回転させて前記線材に遠心力を及ぼす回転手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項１のステータコイル製造装置。
3. 前記ステータコアの内周側から外周側に向けて流体を噴出する加圧機構をさらに備える、ことを特徴とする請求項１のステータコイル製造装置。
4. 前記流体は絶縁性樹脂で構成される、ことを特徴とする請求項３のステータコイル製造装置。
5. 円筒形状のステータコアの内周に形成された複数のティースに、予めコイル状に巻かれた線材を装着するステータコイル製造方法において、
   前記ティース間のスロットに、前記線材を仮挿入した後、前記スロットに前記ステータコアの内周側から樹脂を注入するとともに、
   前記スロットに相当する間隙を有する内径治具を、前記線材の前記スロットへの仮挿入から前記スロットへの前記樹脂の注入に至る期間に前記ティースの内周に嵌合保持し、前記スロットへの前記樹脂の注入を前記間隙から行なった後に前記内径治具を撤去するとともに、前記樹脂注入手段による前記スロットへの前記樹脂の注入完了後に前記内径治具を回転変位させ、前記樹脂が固化するまでの期間中は前記スロットを塞ぐことを特徴とするステータコイル製造方法。

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