JP2019161770A - 巻線製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、導体を所望の形状の巻線に安定して成形することができる巻線製造装置を提供することを目的とする。【解決手段】巻線製造装置は、線状の導体１０を長手方向に送給する導体送給部５と、導体１０を長手方向の所定位置で順次曲げ変形させて周方向に巻くように変形させる主曲げ変形部６と、導体１０を長手方向の所定位置で周方向以外の方向に曲げ変形させる副曲げ変形部７とを備え、主曲げ変形部６及び副曲げ変形部７にそれぞれ導体送給部５から導体１０を送給して順次曲げ加工を行うことで巻線に成形する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機及び発電機等の回転機器、変圧器といった電気機器に用いる巻線を製造する巻線製造装置に関する。

電動機、発電機等の回転機器では回転子又は固定子に巻線が巻装されて用いられており、また、リニアモータでは固定子または可動子に巻線が巻装されて用いられており、変圧器等の電気機器では第一次及び第二次コイルまたは第三次コイルとして巻線が巻装されて用いられている。

こうした電気機器の巻線方式には、１つの鉄心に集中して巻装する集中巻方式や、複数の鉄心に巻装する分布巻方式がある。集中巻の場合、他の相のコイルとコイルエンドにおいて交差することがないため、コイルエンドの高さを低くすることができる。しかし、コギングトルクが大きいといった課題や体積当たりの出力が分布巻と比べて小さいといったデメリットがある。一方、分布巻の場合、コギングトルクが小さく、体積当たりの出力が集中巻より大きいといったメリットがあるが、他の相のコイルとコイルエンドにおいて複数回交差する必要があり、この導体による空間干渉によりコイルエンドの高さが高くなるデメリットがある。こうした分布巻のデメリットを解決するため、コイルエンドの高さを抑えるための様々な巻線構造が提案されている。

例えば、集中巻と分布巻を組み合わせた巻線構造が提案されている。この巻線構造では、巻線となる導体を周状に巻きながら成形され、ステータコアのスロットの内部に配置するスロット内配置部と、スロットの外部に配置するコイルエンド配置部と、を備えており、コイルエンド配置部にはクランク形状のレーンチェンジ部を形成している。この巻線構造を構成する単体は、集中巻の構造になっているが、単体を組み合わせた巻線構造は分布巻の構造をしており、集中巻及び分布巻のそれぞれのメリットを備える巻線構造になっている。

特許文献１には、こうした集中巻及び分布巻のメリットを備える巻線構造で構成されるコイルを成形する巻線製造装置が記載されている。特許文献１では、矩形断面の導体を回転駆動する２つの巻型を使用して隣り合う導体間の間隔を導体幅分だけ広げた巻線を形成した後、巻型間の距離を広げて張力を加えることでスプリングバックによる膨らみを抑止しており、またレーンチェンジ部を成形する巻線形成技術が開示されている。

特許第５７８５１１７号公報

特許文献１に記載されているように、巻型を使用する巻線製造装置の場合、コイルの形状、導体の寸法等の変更に合わせて巻型を新たに製作しなければならず、製造コストが増大するといったデメリットがある。また、コイルエンド部を形成する箇所でレーンチェンジ形状の成形を行う場合には、狭い範囲でクランク形状を形成することになるため、部分的に非常に大きな応力が加わるようになり、巻線に一般的に用いられているエナメル線等の絶縁被覆された線材の場合、成形の際に絶縁破壊が起こりやすくなるといった課題がある。

そこで、本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、導体を所望の形状の巻線に安定して成形することができる巻線製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る巻線製造装置は、線状の導体を長手方向に送給する導体送給部と、前記導体を長手方向の所定位置で順次曲げ変形させて周方向に巻くように変形させる主曲げ変形部と、前記導体を長手方向の所定位置で周方向以外の方向に曲げ変形させる副曲げ変形部とを備え、前記主曲げ変形部及び前記副曲げ変形部にそれぞれ前記導体送給部から前記導体を送給して順次曲げ加工を行うことで巻線に成形する。さらに、前記主曲げ変形部は、曲げ変形の中心位置となる支持ピンと、前記導体の前記支持ピンよりも送給方向下流側に所定間隔を空けた位置において回転曲げ治具を前記導体に当接して前記支持ピンを中心に回動する回転曲げ部と、前記導体の前記支持ピンよりも送給方向上流側に所定間隔を空けた位置において固定曲げ治具で前記導体を挟持して固定する固定曲げ部とを備えている。さらに、前記副曲げ変形部は、前記導体を挟持する回動挟持治具及び固定挟持治具を備えており、前記回動挟持治具を前記固定挟持治具に対して両者の間に設定された回動中心を中心に平行回動動作を行うことで前記導体のクランク曲げ加工を行う。

本発明は、上記の構成を備えているので、主曲げ変形部及び副曲げ変形部を組み合わせて巻線を製造することで、主曲げ変形部により導体を周方向に巻くように曲げ変形させながら副曲げ変形部により周方向以外の方向に曲げ変形させて巻線の形状に成形することができ、巻線の形状や導体のサイズの変更に容易に対応することが可能となる。そのため、製造コストの負担を増加させることなく、導体を所望の形状の巻線に精度よく安定して成形することができる。

本発明に係る巻線製造装置に関する概略構成図である。 導体送給部の一例を示す概略構成図である。 導体送給部の別の例を示す概略構成図である。 主曲げ変形部に関する概略構成図である。 副曲げ変形部に関する概略構成図である。 巻線製造装置により製造されたコイルに関する外観斜視図である。 図６に示すコイルに関する正面図である。 図６に示すコイルの内径側コイルエンド配置部から見た側面図である。 複数のコイルを組み合せたステータ巻線に関する外観斜視図である。 ステータ巻線を取り付けるステータコアに関する外観斜視図である。 ステータコアにステータ巻線を取り付けたステータに関する外観斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る巻線製造装置に関する概略構成図である。巻線製造装置は、線状の導体１０を長手方向に送給する導体送給部５と、導体１０を長手方向の所定位置で順次曲げ変形させて周方向に巻くように変形させる主曲げ変形部６と、導体１０を長手方向の所定位置で周方向以外の方向に曲げ変形させる副曲げ変形部７とを備えている。

導体１０は、従来巻線に使用されている銅等の導電性材料を線材化し、周囲にエナメル等の絶縁性材料からなる被膜が形成されている。なお、絶縁性被膜の代わりに導体１０の周囲に絶縁性テープを巻き付けて絶縁化することもできる。導体１０の形状としては、断面形状が円形となる丸線、矩形状となる平角線といったものが挙げられるが、これ以外の形状のものを用いることもでき、特に限定されない。なお、本実施形態では、平角状の断面形状を有する導体を使用している。平角状の導体では、断面形状が長方形となるため、導体の変形方向を示す場合に長方形の短辺に沿う方向を短辺方向といい、長方形の長辺に沿う方向を長辺方向として説明する。また、導体１０の太さについても様々な太さのものを使用することが可能で、押圧により変形可能な太さであれば、導体として使用することができる。

また、導体１０を曲げ変形して得られる成形体２０は、導体１０が螺旋状に周回するように曲げ変形されて巻線として製造されるが、本実施形態では、導体１０が周回する方向を成形体２０の周方向とし、成形体２０が螺旋状に引き伸ばされる方向を軸方向として説明する。

図２は、導体送給部５の一例を示す概略構成図である。この例では、搬送ローラを用いて導体１０を長手方向に送給するようにしている。導体送給部５は、駆動ローラ５３を送給方向に複数配列したローラ駆動部５１及び駆動ローラ５１に対向配置された従動ローラ５４を送給方向に複数配列したローラ従動部５２を備えている。平角状の導体１０は、ローラ駆動部５１とローラ従動部５２との間に挟持されて、駆動ローラ５３の回転動作により導体１０を長手方向に送給する。従動ローラ５４は、駆動ローラ５３との間が接近又は離間する方向（図中の太い矢印方向）に移動可能となるように取り付けられており、導体１０の厚さや形状に応じて従動ローラ５４の位置を変更することができるようになっている。

図３は、導体送給部５の別の例を示す概略構成図である。この例では、搬送ベルトを用いて導体１０を長手方向に送給するようにしている。導体送給部５は、無端状の駆動ベルト５８を送給方向に搬送されるように搬送ローラに巻架したベルト駆動部５５及び駆動ベルト５８に対向配置された無端状の従動ベルト５９を送給方向に搬送されるように搬送ローラに巻架したベルト従動部５６を備えている。平角状の導体１０は、ベルト駆動部５５とベルト従動部５６との間に挟持されて、ベルト駆動部５５の駆動ローラ５７の回転動作により駆動ベルト５８を送給方向に移動させて導体１０を長手方向に送給する。ベルト従動部５６は、ベルト駆動部５５との間が接近又は離間する方向（図中の太い矢印方向）に移動可能となるように取り付けられており、導体１０の厚さや形状に応じてベルト従動部５６の位置を変更することができるようになっている。

図２及び図３に示す導体送給部は、いずれを用いてもよいが、送給時の導体１０の滑りを防止するために、導体１０と接触する部分にはゴム等の摩擦係数の高い素材を取り付けることが好ましい。

主曲げ変形部６は、導体送給部５により長手方向に送給された導体１０に対して長手方向の所定位置で曲げ加工を行い、螺旋状に周回するように変形させる。図４は、主曲げ変形部６に関する概略構成図である。主曲げ変形部６は、曲げ変形の中心位置となる支持ピン６１と、導体１０の支持ピン６１よりも送給方向下流側に所定間隔を空けた位置において回転曲げ治具６４を導体１０に当接して支持ピン６１を中心に回動する回転曲げ部６２と、導体１０の支持ピン６１よりも送給方向上流側に所定間隔を空けた位置において固定曲げ治具６５及び６６で導体１０を挟持して固定する固定曲げ部６３とで構成されている。この例では、回転曲げ部６２及び固定曲げ部６３により公知の３点曲げ機構と同じ原理により曲げ加工を行うようになっており、回転曲げ部６２の曲げ加工時において固定曲げ治具６５及び６６で導体１０を挟持して固定することで、導体１０が膨らむように変形することを防止している。

図４では、点線で示すように、導体１０を長辺方向に曲げ変形するようになっており、支持ピン６１は、導体１０の曲げ加工時において内径側となり、回転曲げ部６２及び固定曲げ部６３は、導体１０の曲げ加工時において外径側となる。そして、導体１０の長手方向の所定位置を支持ピン６１に一致するまで送給して曲げ変形することで精度よく加工を行うことができる。

支持ピン６１は着脱可能に取り付けられており、導体１０の厚さや形状に応じて交換することができるようになっている。また、回転曲げ治具６４並びに固定曲げ治具６５及び６６についても、導体１０の厚さや形状に応じて設定位置を変更できるように構成されている。

また、回転曲げ部６２及び固定曲げ部６３には、必要時応じて導体１０の捻れ防止のために導体１０を短辺方向に圧接する機構を付加することが好ましい。

副曲げ変形部７は、導体１０を長手方向の所定位置で周方向以外の方向に曲げ変形させる。図５は、副曲げ変形部７に関する概略構成図である。この例では、導体１０の長手方向の所定位置において導体１０の短辺方向にクランク曲げ加工を行う。そのため、主曲げ変形部６において導体１０の長辺方向の曲げ変形により成形体２０の周方向の変形を行うことから、副曲げ変形部７では、成形体２０の軸方向の変形を行うようになっている。

副曲げ変形部７は、導体１０を短辺方向に挟持する機構を一対備えており、一方の機構の回動挟持治具７２を他方の固定挟持治具７１に対して両者の間に設定された回動中心Ｏを中心に平行回動動作を行うことで、導体１０のクランク曲げ加工位置がずれることなく所定の加工量まで加工することができる。回動挟持治具７２を平行回動させる機構としては、公知の平行リンク機構を用いることができる。回動挟持治具７２の回動量を変更することで導体１０のクランク曲げ加工量を制御することが可能となるため、主曲げ変形部６による導体１０の曲げ加工時における短辺方向の膨らみ量が変動しても、精度よくクランク曲げ加工を行うことができる。

副曲げ変形部７は、主曲げ変形部６よりも導体１０の送給方向下流側に配置されており、固定挟持治具７１及び回動挟持治具７２は、図示せぬ位置決め機構により導体１０の長手方向の所定位置に対応して位置決めされる。具体的には、導体送給部５により導体１０を送給して支持ピン６１よりも導体１０を突出させた状態として、クランク曲げ加工位置に導体１０の長手方向の所定位置を設定した後固定挟持治具７１及び回動挟持治具７２を位置決めすることで、精度よく加工位置に固定挟持治具７１及び回動挟持治具７２を位置決めすることができる。

また、導体１０の厚さや形状に応じて、固定挟持治具７１及び回動挟持治具７２に取り付けるスペーサを交換することで、固定挟持治具７１及び回動挟持治具７２の挟持スペースの間隔を変更するように構成されている。

副曲げ変形部７は、上述した導体１０の短辺方向へのクランク曲げ加工以外に、長辺方向や短辺方向から傾斜した方向へのクランク曲げ加工を行うようにしてもよく、成形体の設計形状に応じて精度よく曲げ加工を行うことができる。

巻線製造装置は、図示せぬ制御部により、導体送給部５、主曲げ変形部６及び副曲げ変形部７を動作制御することで、導体１０への大きな損傷もなく所望の形状の成形体２０を得ることができる。すなわち、導体送給部５では、搬送ローラ又は搬送ベルトを用いて導体を送給することで導体に損傷を与えることなく送給動作を行うことができ、主曲げ変形部６及び副曲げ変形部７では、曲げ加工に用いる治具が導体に当接した状態でずれることなく安定した加工動作を行うことで、導体に損傷をほとんど与えることなく加工動作を行うことが可能となる。

図６は、巻線製造装置により製造されたコイルに関する外観斜視図である。コイル１は、アキシャルギャップ型モータに用いるコイルである。図７は、コイル１の正面図であり、図８は、コイル１の内径側コイルエンド配置部から見た側面図である。コイル１は、平角状の導体１０を上述した巻線製造装置により曲げ加工して得られる。導体１０は、導電性の高い銅やアルミニウム等の金属を矩形断面の線材として成形したものである。導体１０の表面はエナメル等の絶縁被覆材で覆われている。

導体１０を用いて巻線製造装置によりエッジワイズ曲げ加工及びフラットワイズ曲げ加工を行うことでコイル１を製造する。ここで、「エッジワイズ曲げ加工」とは、導体１０の矩形断面における短辺側の一方の面を内径面とし他方の面を外径面として、導体１０を長辺方向に曲げ加工することである。また、「フラットワイズ曲げ加工」とは、導体１０の矩形断面における長辺側の一方の面を内径面とし他方の面を外径面として、導体１０を短辺方向に曲げ加工することである。

図６から図８に示すように、コイル１は、導体１０を周方向に巻きながら曲げ変形されて長辺側の表面が互いに対向するように螺旋状に成形されるものであり、軸方向に所定の間隔ｈを空けて導体１０が配列されている。間隔ｈは、別のコイルの導体１０が挿入可能なサイズに設定されており、導体１０の厚さ（短辺方向の幅）分よりわずかに広くなっている。

図９は、複数のコイル１を組み合せたステータ巻線２に関する外観斜視図であり、図１０は、ステータ巻線２を取り付けるステータコア３に関する外観斜視図であり、図１１は、ステータコア３にステータ巻線２を取り付けたステータ４に関する外観斜視図である。ステータ巻線２は、複数のコイル１を互いに重なり合うように導体１０を間隔ｈに挿入して構成されている。また、ステータコア３には、複数のティース３１がステータヨーク３３上に円形状に等間隔で配列されており、ティース３１の上端にはティース鍔３２が取り付けられている。

コイル１には、スロット内配置部１１及びコイルエンド配置部１２が形成されている。スロット内配置部１１は、コイル１をステータコア３（図１０参照）に配置する場合にティース３１（図１０参照）間（スロットという）に配置される部分である。スロット内配置部１１では、図６及び図７に示すように、導体１０は直線形状に成形されている。

コイルエンド配置部１２は、コイル１をステータコア３（図１０参照）に配置する場合にスロットの外部に配置される部分である。このコイルエンド配置部１２は、図６から図８に示すように、導体１０の厚さ分とほぼ同じ間隔で段差状に形成されたレーンチェンジ部１３を備えている。こうした形状のレーンチェンジ部１３を備えることで、ステータ４のコイルエンドの小型化を可能とする。

こうしたコイル１を巻線製造装置により製造する場合、導体送給部５により導体１０を送給して支持ピン６１に対応して曲げ加工位置を設定し、主曲げ変形部６においてエッジワイズ曲げ加工を行って周方向に巻きながら曲げ変形するように加工する。レーンチェンジ部１３を形成する場合には、副曲げ変形部７のクランク曲げ加工位置に対応してレーンチェンジ部１３の形成位置を設定するように導体送給部５により導体１０を送給し、固定挟持治具７１及び回動挟持治具７２を導体１０を挟持するように位置決めした後クランク曲げ加工によりフラットワイズ曲げ加工を行う。こうした曲げ加工をコイル１に必要な巻数に応じて繰り返し行うことでコイル１を製造することができる。

以上説明したように、主曲げ変形部６及び副曲げ変形部７にそれぞれ導体送給部５から導体１０を送給して順次曲げ加工を行うことで、導体１０に損傷をほとんど与えることなく精度よく巻線に成形加工することが可能となる。

１・・・コイル、２・・・ステータ巻線（組み合わせたコイル）、３・・・ステータコア、４・・・ステータ、５・・・導体送給部、６・・・主曲げ変形部、７・・・副曲げ変形部、１０・・・導体、１１・・・スロット内配置部、１２・・・コイルエンド配置部、１３・・・レーンチェンジ部、３１・・・ティース、３２・・・ティース鍔、３３・・・ステータヨーク、５１・・・ローラ駆動部、５２・・・ローラ従動部、５３・・・駆動用ローラ、５４・・・従動用ローラ、５５・・・ベルト駆動部、５６・・・ベルト従動部、５７・・・駆動用ローラ、５８・・・搬送ベルト、５９・・・搬送ベルト、６１・・・支持ピン、６２・・・回転曲げ部、６３・・・固定曲げ部、６４・・・回転曲げ治具、６５・・・固定曲げ治具、６６・・・固定曲げ治具、７１・・・固定挟持治具、７２・・・回動挟持治具

Claims (3)

1. 線状の導体を長手方向に送給する導体送給部と、前記導体を長手方向の所定位置で順次曲げ変形させて周方向に巻くように変形させる主曲げ変形部と、前記導体を長手方向の所定位置で周方向以外の方向に曲げ変形させる副曲げ変形部とを備え、前記主曲げ変形部及び前記副曲げ変形部にそれぞれ前記導体送給部から前記導体を送給して順次曲げ加工を行うことで巻線に成形する巻線製造装置。
2. 前記主曲げ変形部は、曲げ変形の中心位置となる支持ピンと、前記導体の前記支持ピンよりも送給方向下流側に所定間隔を空けた位置において回転曲げ治具を前記導体に当接して前記支持ピンを中心に回動する回転曲げ部と、前記導体の前記支持ピンよりも送給方向上流側に所定間隔を空けた位置において固定曲げ治具で前記導体を挟持して固定する固定曲げ部とを備えている請求項１に記載の巻線製造装置。
3. 前記副曲げ変形部は、前記導体を挟持する回動挟持治具及び固定挟持治具を備えており、前記回動挟持治具を前記固定挟持治具に対して両者の間に設定された回動中心を中心に平行回動動作を行うことで前記導体のクランク曲げ加工を行う請求項１又は２に記載の巻線製造装置。

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