JP2009159694A - 回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子コイルに摩擦攪拌プロセスを適用しても中空線がつぶれることなく素線間のろう付け表層を封止処理することにある。
【解決手段】回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線２及び中空線３からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより摩擦攪拌して封止処理するに際して、摩擦攪拌ツールのショルダーを内側ショルダー１３と外側ショルダー１４の多重構造とし、該摩擦攪拌ツールが中空線３の中空部脇通過時に多重のショルダーが接合部表層の処理部と接触した状態から外周側のショルダーを接合部表層の処理部と非接触として、処理部中心線７からショルダーの摩擦外周までの距離を中実線脇通過時に比べて減少させた状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理する。
【選択図】図４

Description

本発明は、中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより摩擦攪拌して封止処理する回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法に関する。

従来、水冷却大型発電機の固定子鉄心の溝内に挿入されるステータコイルを冷却媒体給排箱にろう付けする方法として、ろう付け品質を一定に管理するため、冷却媒体給排箱内に温度センサとファイバースコープを挿入し、温度とろう材の溶融・流出状況を監視し、ろう付温度とろう付部の加圧を制御すると同時に冷却媒体給排箱内の酸素濃度を測定・管理するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平０９−０２８０６２号公報

しかし、このろう付け方法では、図１３（ａ）に示すように多数の中実線２と中空線３からなる素線束をろう材６ａを置いた状態で冷却媒体給排箱1内に挿入すると共に、冷却媒体給排箱1の開放部に蓋５を配置した後、これら素線束と冷却媒体給排箱１及び蓋５とを同時にろう付けするようにしているため、素線束の構成上ろう材の挿入位置が限られ、しかも全てのろう付面間に置きろうできない場合が多い。このため、図１３（ｂ）に示すようにろう材６ａを設置しにくい素線間にろう材の侵入しにくい部分が発生し易くなり、ろう付部６にボイドなどの欠陥が生じる。

このような欠陥は上述したようにろう付け状態を監視し、その状態により温度や時間等のろう付け条件を制御しても、ろう付け欠陥の発生を防止できない場合が多い。

そこで、本発明者らは、かかるろう付け欠陥を防止するため、素線間の接合方法として、摩擦攪拌接合および摩擦攪拌プロセスを適用するための方法と接合装置を出願した（特願２００７−０１５１７６）。

しかし、この摩擦攪拌プロセスを本構成に用いる場合、中空線がつぶれ易いという新たな問題がある。これは中空線の中空部内につぶれ防止材を挿入して埋めておけば解決することができるが、その工程が増えるという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、中空線の中空部につぶれ防止材を埋めるという特別な工程を経ずに、固定子コイルに摩擦攪拌プロセスを適用しても中空線がつぶれることなく素線間のろう付け表層を封止処理することができる回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、次のような方法で回転電機の固定子コイルのろう付表層を封止処理するものである。

（１）本発明は、回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、前記摩擦攪拌ツールが前記中空線の中空部脇通過時にろう付け接合部表層の処理部中心線から前記摩擦攪拌ツールのショルダーの中空線側の摩擦外周までの距離を前記中実線脇通過時に比べて減少させた状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理する。

（２）本発明は、回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、前記摩擦攪拌ツールが前記中空線の中空部脇通過時にろう付け接合部表層の処理部中心線から前記摩擦攪拌ツールの中空線側のピン外周までの距離を前記中実線脇通過時に比べて減少させた状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理する。

（３）本発明は、回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所定の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、前記摩擦攪拌ツールのショルダーを多重構造とし、該摩擦攪拌ツールが前記中空線の中空部脇通過時に前記多重のショルダーがろう付け接合部表層の処理部と接触した状態から外周側のショルダーをろう付け接合部表層の処理部と非接触として、処理部中心線から前記ショルダーの摩擦外周までの距離を前記中実線脇通過時に比べて減少させた状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理する。

（４）本発明は、回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、摩擦攪拌ツールのピン回転中心をツール回転中心から移動可能な構造とし、該摩擦攪拌ツールが前記中空線の中空部脇通過時に該摩擦攪拌ツール回転中心を中実線側に移動するとともに、この移動量よりもピン回転中心の移動量を小さくした状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理する。

（５）本発明は、回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、摩擦攪拌ツールのショルダーをツール回転中心から偏心可能な構造とし、該摩擦攪拌ツールのショルダー偏心量を前記中空線の中空部脇通過時に中実線脇通過時の偏心量より小さくした状態で摩擦攪拌によりろう付接合部表層を封止処理する。

（６）本発明は、回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、摩擦攪拌ツールのピンの外径が変化可能な構造とし、該摩擦攪拌ツールのピンの外径を前記中空線の中空部脇通過時に前記中実線脇通過時のピンの外径より大きくした状態で（１）と同様に摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理する。

本発明によれば、中空線の中空部につぶれ防止材を埋めるという特別な工程を経ずに、固定子コイルに摩擦攪拌プロセスを適用しても中空線がつぶれることなく素線間のろう付け表層を封止処理することができる。

以下、本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法の実施形態を図面を参照して説明する。

図１（ａ），（ｂ）は本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法が適用されるろう付け後の中実線と中空線の状態を示す構成図で、（ａ）は冷却媒体給排箱上部のカバー側から見た図、（ｂ）は（ａ）図の下側から冷却媒体給排箱の内部を見た断面図である。

図１（ａ），（ｂ）において、回転電機の固定子コイル、例えば水冷式タービン発電機のステータコイルは、中実線２と中空線３を数列、数段に重ねて束にした構造のもので、これら中実線２と中空線３は、冷却媒体給排箱1内に挿入されると共に、冷却媒体給排箱1の開放部に蓋５を配置した後、冷却媒体給排箱１及び蓋５と一体的にろう付される。

ここで、中実線２と中空線３を総称して素線と呼ぶ。この素線は純銅製で、数ミリメートルの矩形で四隅が円弧状の曲面（Ｒ形状）になっている。

中空線３には、冷却水が通る中空部４の孔が開いているため、中空線３の孔内を流れる冷却水が漏れないように、これら素線間のろう付部６を封止する必要があり、また素線間は電気的に接続する必要がある。

本発明では、これらを封止・電気接続したろう付け部の冷却媒体供給箱１内のろう付表層を摩擦攪拌により封止処理するものである。

（第１の実施形態）
図２は、本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法の第１の実施形態で使用される摩擦攪拌ツールの概略構成図である。

本実施形態で使用される摩擦攪拌ツール１１は、図２に示すように支持部材１１ａに摩擦攪拌ツール本体１１ｂが取付けられ、接合装置本体１０にツール上下スライド機構１１ｃを介して上下方向にスライド移動可能に支持されている。摩擦攪拌ツール本体１１ｂは、上下方向にスライド移動可能にして先端部中央に素線間の封止部を摩擦攪拌するピン１２を有し、その上部外周には封止部表層を加熱するとともに、摩擦攪拌した封止部の材料を摩擦攪拌部に留めるための内側ショルダー１３が上下方向にスライド移動可能に、さらにその外周に同様の外側ショルダー１４をそれぞれ同軸的に設けて、ピン１２、内側ショルダー１３および外側ショルダー１４全体が回転可能にしたものである。

ここで、摩擦攪拌ツール本体１１ｂ全体の構成について述べる。

摩擦攪拌ツール本体１１ｂは、ピンホルダ１５に挿入固定されたピン１２と、その外周に内側ショルダーホルダ１６に固定された内側ショルダー１３と、さらにこの内側ショルダー１３の外周に外側ショルダーホルダ１７に固定された外側ショルダー１４とを備えている。

ピンホルダ１５の上部には、ピン１１を上下方向に移動させる上下移動機構１８が結合されている。この上下移動機構１８は、ピン上下駆動用モータ１９の出力軸に結合された図示しないねじ軸とこのねじ軸と螺合するボールナットからなり、ピン上下駆動用モータ１９の回転によりねじ軸がボールナットとの螺合により上下方向に移動可能になっている。

内側ショルダーホルダ１６は、ボールスプライン２０を介してピンホルダ１５に上下方向に移動可能に結合され、その上部に回転結合機構２３を介して結合されたショルダーホルダ上下駆動用モータ２１により上下方向に移動可能になっている。

外側ショルダーホルダ１７は、ボールスプライン２２を介して内側ショルダーホルダ１６に結合され、その上部に回転結合機構２４を介して結合された回転用モータ２５によりピン１２と内側ショルダー１３及び外側ショルダー１４が一体的に回転させることが可能になっている。また、この回転中にピンホルダ１５が上下方向に移動させることが可能である。

この場合、ピンホルダ１５と内側ショルダーホルダ１６との結合部および内側ショルダーホルダ１６と外側ショルダーホルダ１７との結合部に設けられるボールスプライン２０，２２は、ころがり案内のスプライン軸受で、軸に設けられた溝をボールがころがることで許容荷重がリニアブッシュより大きく、直線運動を行いながらトルク伝達を行うものである。

また、外側ショルダー１４は上下方向に移動しないが、ピン１２の突き出し、および内側ショルダー１３を突き出すことにより、相対的に外側ショルダー１４が上昇したのと同様の操作となる。但し、このときの被接合物に対するピン先端位置は、ピン下降分だけ下降するので、接合装置本体１０に上下動可能に支持された摩擦攪拌ツール本体１１ｂ全体をピン下降量だけ上昇させれば良い。

したがって、上記のような構成の摩擦攪拌ツール１１にあっては、内側ショルダー１３および外側ショルダー１４のピン側の端面は、通常は図３（ａ）に示すように同一面上にあるが、この状態から同図（ｂ）に示すようにピン１２および内側ショルダー１３を突き出す方向にスライド移動させて外側ショルダー１４のピン側の端面が上昇したのと同じ位置にしたり、同図（ｃ）に示すように内側ショルダー１３を外側ショルダー１４のピン側の端面と同じ位置にスライド移動させたりすることが可能である。

次に上述した摩擦攪拌ツールを用いて水冷式タービン発電機のステータコイルを構成する素線間を封止・電気接続したろう付部の冷却媒体供給箱内のろう付表層を摩擦攪拌により封止処理する方法について図４を参照しながら説明する。

図４（ａ）は中空線脇の素線間を封止処理する場合を示す断面図であり、（ｂ）は中実線脇の素線間を封止処理する場合を示す断面図で、図４（ａ），（ｂ）の各々の下部は、図１（ｂ）に示すろう付部を拡大したものである。

まず、図４（ｂ）により中実線２間のろう付部を封止処理する場合について説明する。

ろう付部６の中心線７に摩擦攪拌ツール本体１１ｂの中心線を一致させ、内側ショルダー１３、外側ショルダー１４のピン側の端面を一致させた状態とする。

このような状態で、ピン１２、内側ショルダー１３および外側ショルダー１４を一体的に回転させながらピン１２を封止部に挿入し、各ショルダーの下端面で封止部周囲を加熱する。封止部が摩擦攪拌に適した温度に加熱された後、ピン１２を紙面に垂直方向に移動させて、ろう付部６を封止して行く。

この場合、ろう付部６のろうの幅はほぼ０ｍｍに近いものから１ｍｍ程度である。

したがって、このようなろう幅のろう付部６を封止処理するため、ピン１２として直径１ｍｍ×長さ１ｍｍでねじ状の加工を施したものを用いた。また、ショルダーには、内側ショルダー１３が直径２ｍｍ、外側ショルダー１４が直径２．５ｍｍのものを用いた。さらに、摩擦攪拌ツール本体１１ｂの材質としては、通常アルミニウム合金や銅材料の摩擦攪拌処理に用いられる工具鋼を使用した。

一方、ピン１２が細い（ピン径が小さい）ので、通常の銅を処理する場合の太いピン径のツールを用いた摩擦攪拌条件よりも高速回転を条件としている。摩擦攪拌の条件は、ツール回転数１０００〜５０００ｒｐｍ、ツール移動速度３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ程度である。

このように条件に幅があるのは、ピンの太さ、長さ、接合部の銅の硬さなどにより条件が変わるためである。ピンの径が小さくなるとピンの径が大きいものより周速度が小さくなるので、回転速度を大きくする必要があり、ピンの長さが長くなると接合部深さが深くなるので、移動速度は小さくなる。また、銅の硬度が大きくなると移動速度は小さくなる。

次に図４（ａ）により中空線脇の素線間を封止処理する場合を説明する。

中空線脇のろう付部を封止処理するには、ピン１２とショルダーによる加圧により、中空部４側に銅材料が変形し、処理部に空洞などの欠陥が発生し易い。これを避けるためには処理が中空線脇に近付いた時点で、ピン１２と内側ショルダー１３を下降させるとともに、摩擦攪拌ツール本体１１ｂ全体をピン下降量だけ上昇させて外側ショルダー１４を見掛け上、上昇させた位置とし、ピン１２と内側ショルダー１３で封止処理を行う。

この際、ショルダーの摩擦による加熱が減少するが、中空部４の銅材料が少ないため、封止処理を続行することができる。

中空線脇の封止処理が進み、中空線脇の処理が近付いた時点で、内側ショルダー１３、外側ショルダー１４の端面を中空線３の封止処理面と同一面とし、２個のショルダーで摩擦を行う。

この場合、図示しないが中空線脇を処理する際に、摩擦攪拌ツール本体１１ｂのピン１２の中心を図４（ａ）の中実線２側（左側）にずらして、さらに中空部４への材料の押し出しを防止しても良い。ろう付部６の幅が狭い場合は、ピンの中心を０．５ｍｍ程度ずらしても問題ないが、ろう付部６の幅が広く１ｍｍに近い場合は、ピン１２の中心をずらすとピン１２の右側が中空線３から外れてしまい、封止処理が不良になる場合があるので、ピン位置はずらさずに、上述した多重ショルダーの上下方向の移動のみによる方法の方が良い。

このように第１の実施形態によれば、ろう付部に発生し易いボイドなどの欠陥をろう付部表層で封止することができる。また、通常の摩擦攪拌処理では中空線がつぶれ易いが、本方法では中空線脇の処理時には、中空部側への押し出し力を小さくできるので、中空線のつぶれが防止でき、封止処理部の欠陥発生も抑えることができる。

また、摩擦攪拌ツール本体を交換することなく中実線部と中空線部を連続して処理できるので、処理時間が短縮できると共に、ツールを交換して処理した場合に発生する処理始端・終端の穴の発生も防止できる。

なお、上記第１の実施形態では、ピン１２、内側ショルダー１３および外側ショルダー１４の３層構造の摩擦攪拌ツール本体を使用したが、２層構造又は４層構造以上の多層構造ショルダーの摩擦攪拌ツール本体を使用する場合においても前述同様にろう付部表層部の封止処理を行うことができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法の第２の実施形態で使用される摩擦攪拌ツールの概略構成図である。

本実施形態で使用される摩擦攪拌ツール３１は、図５に示すように支持フレーム３１ａに摩擦攪拌ツール本体３１ｂとその駆動部を備えたピン機構部４２が取付けられ、接合装置本体３０にツール上下スライド機構３１ｃを介して上下方向にスライド移動可能に支持されている。

摩擦攪拌ツール本体３１ｂは、上下方向および左右方向にスライド移動可能にして先端部中央に素線間の封止部を摩擦攪拌するピン３２を有し、その上部外周にはピン３２を遊挿し得る孔が設けられ、封止部表層を加熱するとともに、摩擦攪拌した封止部の材料を摩擦攪拌部に留めるためのショルダー３３を回転可能にしたものである。

ここで、摩擦攪拌ツール本体３１ｂとその駆動部の概略構成について述べる。

摩擦攪拌ツール本体３１ｂは、ピンホルダ３４に挿入固定されたピン３２と、その外周にピンホルダ３４を遊挿し得る孔を有するショルダーホルダ３５に固定されたショルダー３３を備えている。

ピンホルダ３４の上部には、ピン３２を上下方向に移動させるピン上下移動機構３６が結合されている。このピン上下移動機構３６は、ピン上下駆動用モータ３７の出力軸に結合された図示しないねじ軸とこのねじ軸と螺合するボールナットからなり、ピン上下駆動用モータ３７の回転によりねじ軸がボールナットとの螺合により上下方向に移動可能になっている。

また、ピンホルダ３４の長手方向の中途にはボールスプライン３８を介してピンホルダガイド３９が設けられ、このピンホルダガイド３９に回転結合機構４０を介してピン回転用モータ４１により回転可能に結合されている。

これらピンホルダ３４、ピン上下移動機構３６、ピン上下駆動用モータ３７、ボールスプライン３８、ピンホルダガイド３９、回転結合機構４０及びピン回転用モータ４１は、ピン機構部４２を構成している。

一方、ピンホルダガイド３９の下部位置に対応させてスライド４３が水平に配置され、スライド用モータ４４によりピン機構部４２を図示左右に移動可能になっている。したがって、このピン機構部４２がスライド４３上をスライド用モータ４４で図示左右に移動することで、ピンホルダ３４がショルダーホルダ３４との間に存する隙間を図示左右に移動し、ピン３２の回転中心の移動が可能である。

また、ショルダーホルダ３５には、ピン回転用モータ４１と同期して運転される回転用モータ４５が回転結合機構４６を介して結合され、ショルダー３３が回転可能になっている。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に中空部側への押し出し力を抑えることを目的としているが、摩擦攪拌ツールとして移動可能ピン３２を持つ摩擦攪拌ツールを用いて水冷式タービン発電機のステータコイルの端部を封止・電気接続したろう付け部の冷却媒体供給箱１内のろう付表層を摩擦攪拌により封止処理することを特徴としている。

ここで、偏心ピンを用いた摩擦攪拌ツールは、例えば特開２００２−１４４０５３にも開示されているように公知のものであり、偏心ピンを回転させると元のピンの直径より大きい部分を摩擦攪拌することができる。

公知例での偏心ピンは、ピンをツール回転中心から偏心させるがピンの回転中心はツールおよびショルダーの回転中心と同一であり、ピンが回転中心から偏心して回転するためピンの回転領域がピンの直径より増加するもので、その目的は、この効果を利用した摩擦攪拌領域の拡大である。これに対し本実施形態では、ピンをツール回転中心から移動させるとともにピン回転中心もピン中心に一致させて移動させるものである。このためツールおよびショルダーの回転中心とは別の移動した位置でピンは回転し、ピン回転領域は増加せずピンの断面積と同一のままである。また移動ピンの回転中心の移動量を変化可能にしている。このように、摩擦攪拌領域の拡大を目的とはしておらず、公知例のものとは異なっている。

したがって、上記のような構成の摩擦攪拌ツール３１ｂにあっては、通常は図６（ａ）に示すようにピン３２の中心線４７がショルダー３３の孔中心線４８に一致した移動量０の位置で、ピン３２をショルダー３３の端面に接触させた状態で一体的に回転させるが、この状態からピン３２の回転中心を移動させるときは、同図（ｂ）に示すようにピン３２を僅かに下降させ、ピン３２とショルダー３３との摩擦を少なくして水平方向に移動させ、さらにピン３２の回転中心を移動させた後は直ぐにピンホルダ３４を上昇させて同図（ｃ）に示すようにピン３２をショルダー３３の端面に近接させることで、ピン３２の回転中心を移動させた状態でショルダー３３と異なる回転中心で回転させることが可能である。

次に上述した摩擦攪拌ツール３１を用いて水冷式タービン発電機のステータコイルを構成する素線間を封止・電気接続したろう付部の冷却媒体供給箱内のろう付表層を摩擦攪拌により封止処理する方法について図７を参照しながら説明する。

摩擦攪拌ツール本体３１ｂの移動可能ピン３２には、直径０．７ｍｍ×１ｍｍのものを用いた。また、ショルダー３３の直径は２．５ｍｍとした。

中実線部分を処理する場合は、図７（ｂ）に示すようにろう付部中心線４７とツール中心線４８とを一致させる。

これに対して、中空線脇のろう付部６を処理する場合は、図７（ａ）に示すように中空部４側へのつぶれを防止するため、ツール中心線４８をろう付部の中心線４７より中実線２側に移動させる。この場合、ろう付部６の幅が０．４ｍｍであるとすると、ツールの移動量が０．１５ｍｍ以上になるとピンがろう付部と中空線境界から外れてしまう。

しかし、ピン３２を中空線３側に移動させることでろう付部からのこのピンの外れを防止できる。

いま、ツールの移動量が０．２ｍｍとすると、ピン３２の右端はろう層の右端から０．０５ｍｍ左側に外れているので、ピン３２の中空線３側への移動量を０．２ｍｍとすればピン３２の右端を中空線３側に０．１５ｍｍ入り込ませることができる。実際にはピンの長さ、ろう付部６の幅などに応じて、つぶれを防止するための移動量を決め、それに応じてピン３２の移動量を設計すればよい。

このように第２の実施形態によれば、摩擦攪拌ツール本体３１ｂのピン３２をツール中心線から移動可能としたので、ツールを中空線側から避けるために移動させても、ツールが処理部のろう付部から外れることを防止できる。また、中空線以外の処理部では移動量を０とすることで、処理幅を小さく抑えることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態で使用される摩擦攪拌ツールは、第２の実施形態とほぼ同様の構成であるが、ここで図５と異なる部分の構成について図８を用いて述べると次の通りである。

第２の実施形態では、ピン機構部４２全体をスライド用モータ４４によりスライド４３上を水平移動させてピン３２を移動させるようにしたが、第３の実施形態では、ショルダー３３、ショルダーホルダ３５、ショルダーホルダ用ベアリング３５ｂ、ショルダー偏心回転用ベアリング３５ｃから構成されるショルダー機構部側にスライド４３及びスライド用モータ４４を設け、ショルダー機構部全体をスライド用モータ４４によりスライド上を水平方向に移動可能な構成とすることで、摩擦攪拌ツール本体の中心線に対してショルダー３３の中心線を平行移動させて偏心させるようにした摩擦攪拌ツールを用いるものである。

図９（ａ）に示すように、ショルダー３３を偏心させていない場合は、ショルダーホルダ用ベアリング３５ｂ部分が回転し、ショルダー３３はピン３２と同一の回転中心で回転する。図９（ｂ）のようにショルダー３３を偏心させ、ショルダー偏心回転用ベアリング３５ｃの中心をピン３２の中心と一致させた場合は、ショルダー３３はショルダー偏心回転用ベアリング３５ｃの回転によって偏心回転するため、その軌跡はショルダー３３の断面より大きくなる。ショルダー機構部には回転機構がないが、ピン３２とショルダー３３の接触部は摩擦の大きいクラッチ機能を有しており、（ａ）（ｂ）どちらの場合もピン３２の回転力によりショルダー３３も回転できるようになっている。

したがって、上記のような構成の摩擦攪拌ツールにあっては、通常は図１０（ａ）に示すようにピン３２の中心線４７がショルダー３３の孔中心線４８に一致した偏心量０の位置で、ピン３２をショルダー３３の端面に接触させた状態で一体的に回転させるが、この状態からショルダー３３を偏心させるときは、同図（ｂ）に示すようにピン３２を僅かに下降させた状態で、ショルダー３３をピン３２の中心線４７に対してショルダー３３の孔中心線４８を偏心させた位置に水平方向に移動させ、さらにショルダー３３を偏心移動させた後は直ぐにピンホルダ３４を上昇させて同図（ｃ）に示すようにピン３２をショルダー３３の端面に接触させることで、ショルダー３３を偏心させた状態で一体的に回転させることが可能である。この偏心させた状態で摩擦攪拌ツール本体を回転させた場合、ショルダー３３の可動範囲が図示点線で示す範囲まで広げることができる。

次に上述した摩擦攪拌ツール３１を用いて水冷式タービン発電機のステータコイルを構成する素線間を封止・電気接続したろう付部の冷却媒体供給箱内のろう付表層を摩擦攪拌により封止処理する方法について図１１を参照しながら説明する。

図１１（ａ）は上記摩擦攪拌ツールを用いて中空線脇の素線間を封止処理する場合を示す断面図であり、（ｂ）は中実線脇の素線間を封止処理する場合を示す断面図で、図１１（ａ），（ｂ）の各々の下部は、図１（ｂ）に示すろう付部を拡大したものである。

図１１（ａ）は、中空線脇のろう付部の処理であるが、この場合でも中空部４側に中空線３が押し出されないように、ピン３２の直径を０．６ｍｍ、ショルダー３３の直径を２ｍｍと第１及び第２の実施形態よりも小さくしている。このため、図１１（ａ）に示すように中空線３脇を処理しても中空部４へのつぶれが小さい。

これに対して図１１（ｂ）に示すように中実線２部分のろう付部を処理する場合は、摩擦発熱を大きくするためにショルダーの摩擦面積を大きくした方が良い。このため、ショルダー３３を水平方向に移動させてショルダー３３の孔中心線４８をツール中心線４７から偏心させて図示点線で示す位置まで摩擦範囲を広げる。

このように第３の実施形態によれば、中空線のろう付部を処理するのに適したより小型のツールを用いているので、中空部をつぶし難くなる。また、より摩擦発熱が必要な中実線部分の処理時にはショルダーを偏心させて摩擦面積を広げることができるので、中空部に合せた小型のツールであるにも拘わらず中実線部分も十分に摩擦して封止処理することができる。このため、ツールを交換することなくつぶれ易い中空線部分と中実線部分を封止処理することができる。

（第４の実施形態）
図１２は、本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法の第４の実施形態で使用される摩擦攪拌ツールの概略構成図である。

本実施形態で使用される摩擦攪拌ツール５１は、図１２に示すように支持部材５１ａにピンの直径が変化可能な摩擦攪拌ツール本体５１ｂが取付けられ、接合装置本体５０にツール上下スライド機構５１ｃを介して上下方向にスライド移動可能に支持されている。

この摩擦攪拌ツール本体５１ｂは、先端部中央に素線間の封止部を摩擦攪拌するピン５２、このピン５２の外周には封止部表層を加熱したり、封止部を摩擦攪拌したりするための上下可動ピン５３が上下方向にスライド移動可能に、さらにその外周にショルダー５４をそれぞれ同軸的に設けて、ピン５２、上下可動ピン５３およびショルダー５４全体を回転可能にしたものである。

ここで、摩擦攪拌ツール本体５１ｂ全体の構成について述べる。

摩擦攪拌ツール本体５１ｂは、ピンホルダ５５に挿入固定されたピン５２と、その外周に可動ピンホルダ５６に固定された上下可動ピン５３と、さらにこの上下可動ピン５３の外周にショルダーホルダ５７に固定されたショルダー５４とを備えている。

ピンホルダ５５の上部には、ピン５２を上下方向に移動させる上下移動機構５８が結合されている。この上下移動機構５８は、ピン上下駆動用モータ５９の回転によりねじ軸がボールナットとの螺合により上下方向に移動可能になっている。

可動ピンホルダ５６は、ボールスプライン６０を介してピンホルダ５５に上下方向に移動可能に結合され、その上部に回転結合機構６３を介して結合されたピンホルダ上下駆動用モータ６４により上下方向に移動可能になっている。

ショルダーホルダ５７は、ボールスプライン６５を介して上下ピンホルダ５６に結合され、その上部に回転結合機構６６を介して結合された回転用モータ６７によりピン５２と上下可動ピン５３及びショルダー５４が一体的に回転可能になっている。また、この回転中にピンホルダ５５及び可動ピンホルダ５６が上下方向に移動させることが可能である。

この場合、ショルダー５４は上下方向に移動しないが、ピン５２の突き出し、および上下可動ピン５３を突き出すことにより、相対的にショルダー５４が上昇したのと同様の操作となる。但し、このときの被接合物に対するピン先端位置は、ピン下降分だけ下降するので、接合装置本体５０に上下動可能に支持された摩擦攪拌ツール本体５１ｂ全体をピン下降量だけ上昇させれば良い。

したがって、上記のような構成の摩擦攪拌ツール５１にあっては、図１３（ａ）に示すように上下可動ピン５３をショルダー５４のピン側の端面と同一面上に上昇させることで、ピン径はピン５２の径であるのに対し、同図（ｂ）に示すように上下可動ピン５３をピン５２の先端と同一面上に下降させることでピン径はピン５２を軸とする上下可動ピン５３の径となり、ピンの直径を変化させることが可能である。

次に上述した摩擦攪拌ツール５１を用いて水冷式タービン発電機のステータコイルを構成する素線間を封止・電気接続したろう付部の冷却媒体供給箱内のろう付表層を摩擦攪拌により封止処理する方法について図１４を参照しながら説明する。

図１４（ａ）は、上記摩擦攪拌ツールを用いて中空線脇の素線間を封止処理する場合を示す断面図であり、（ｂ）は中実線脇の素線間を封止処理する場合を示す断面図で、図１４（ａ），（ｂ）の各々の下部は、図１（ｂ）に示すろう付部を拡大したものである。

図１４（ｂ）に示すように中実線２部分のろう付部を処理する場合は、ピンの回転抵抗を小さくして処理に負担が掛からないように上下可動ピン５３を上昇させてショルダーとして機能させ、ピン５２のみとしてピン直径を小さくしておく。

この状態で中実線脇の素線間を封止処理すれば、上下可動ピン５３及びショルダー５４により摩擦面積が大きくなるので、封止処理に必要な摩擦発熱量が多くなり、ピン５２のみで十分な摩擦攪拌により封止処理を行うことができる。

一方、上記のように上下可動ピン５３を上昇させた状態で、ピン５２により中空線３部分を封止処理すると、ショルダーの加圧で中空線３がつぶれ易いことから、図１３（ａ）に示すようにツールの中心線６８をろう付部の中心線６９より中実線２側に移動させる。これにより、ショルダー５４の摩擦部分は中空線３よりも中実線２側に移るので、中空線３のつぶれは少なくなる。

しかし、この状態では第２の実施形態と同様にピン５２の処理領域は中空線３とろう付部６との境界からろう付部６から外れ易くなる。そこで、上下可動ピン５３を下降させ、ピン５２の先端と同一面として、ピンの直径を増加させる。

このようにすれば、図１４（ａ）に示すように上下可動ピン５３は中空線３の外周部に掛かった状態になり、素線間の封止処理を良好に行うことができる。

このような第４の実施形態においても、前述した第１乃至第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
ろう付部には、図１に示すようにろう層の幅が大きい部分と小さい部分が混在している。また、図１（ｂ）では、横方向の線間は隙間がないように見えるが、実際は僅かな隙間にろう材が浸入しており、この幅にもばらつきがある。また、中実線２と中空線３は共に四隅が円弧状の曲面となっているため、この部分はろう材の占める領域が大きい。

そこで、第５の実施形態では、図８に示すような摩擦攪拌ツールと同様でピン機構側が偏心するツールを用いて、ろう層幅が広い部分ではピン摩擦攪拌領域を大きくしたり、図１２及び図１３に示すような摩擦攪拌ツールを用いて、ピン直径を大きくして、ろう層の幅よりピンの処理幅を広くする。中実線部分の場合は、さらに摩擦発熱量を大きくするためにショルダー偏心量も大きくする。

このようにピン偏心、あるいはピン直径の変化、ショルダー偏心が可能な摩擦攪拌ツールを用いることで、種々のろう付幅が混在し、中空部も混在するろう付部表面の封止処理をツール交換なしで実施することができ、また、中空部のつぶれも防止できる。

本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法が適用されるろう付け後の中実線と中空線の状態を示す構成図。 本発明の第１の実施形態で使用される摩擦攪拌ツールの概略構成図。 同摩擦攪拌ツールにおいて、ピン、内側ショルダー及び外側ショルダーの動作プロセスを説明するための図。 本発明の第１の実施形態において、摩擦攪拌によりろう付後の固定子コイルを封止処理する方法を説明するための断面図。 本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法の第２の実施形態で使用される摩擦攪拌ツールの概略構成図。 同摩擦攪拌ツールにおいて、ピン及びショルダーの動作状態を説明するための図。 本発明の第２の実施形態において、摩擦攪拌によりろう付後の固定子コイルを封止処理する方法を説明するための断面図。 本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法の第３の実施形態で使用される摩擦攪拌ツールの概略構成図。 本発明の第３の実施形態において、ショルダー偏心の有無によるショルダーの摩擦軌跡を説明するための断面図。 本発明の第３の実施形態で使用される同摩擦攪拌ツールにおいて、ピン及びショルダーの動作プロセスを説明するための図。 本発明の第３の実施形態において、摩擦攪拌によりろう付後の固定子コイルを封止処理する方法を説明するための断面図。 本発明による回転電機の固定子コイルの封止方法の第４の実施形態で使用される摩擦攪拌ツールの概略構成図。 同摩擦攪拌ツールにおいて、ピン、上下可動ピン及びショルダーの動作プロセスを説明するための図。 本発明の第４の実施形態において、摩擦攪拌によりろう付後の固定子コイルを封止処理する方法を説明するための断面図。 従来の回転電機の固定子コイルにおいて、ろう付け後の中実線と中空線の状態を示す構成図。

符号の説明

１…冷却媒体給排箱、２…中実線、３…中空線、４…中空部、５…蓋、６ａ…ろう材、６…ろう付部、１０，３０…接合装置本体、１１，３１…摩擦攪拌ツール、１１ａ…支持部材、１１ｂ，３１ｂ…摩擦攪拌ツール本体、１１ｃ，３１ｃ…上下スライド機構、１２，３２…ピン、１３…内側ショルダー、１４…外側ショルダー、１５，３４…ピンホルダ、１６…内側ショルダーホルダ、１７…外側ショルダーホルダ、１８…上下移動機構、１９，３７…ピン上下駆動用モータ、２０，２２，３８…ボールスプライン、２１…ショルダーホルダ上下駆動用モータ、２３，２４，４０…回転結合機構、２５…回転用モータ、３３…ショルダー、３５…ショルダーホルダ、３５ｂ…ショルダーホルダ用ベアリング、３５ｃ…ショルダー偏心回転用ベアリング、３６…ピン上下移動機構、３７…ピン上下駆動用モータ、３９…ピンホルダガイド、４１…ピン回転用モータ、４２…ピン機構部、４３…スライド、４４…スライド用モータ、５１…摩擦攪拌ツール、５１ｂ…摩擦攪拌ツール本体、５２…ピン、５３…上下可動ピン、５４…ショルダー、５５…ピンホルダ、５６…可動ピンホルダ、５７…ショルダーホルダ、５８…上下移動機構、５９…ピン上下駆動用モータ、６０，６５…ボールスプライン、６３…回転結合機構、６４…ピンホルダ上下駆動用モータ、６６…回転結合機構、６７…回転用モータ

Claims (10)

1. 回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、
   前記摩擦攪拌ツールが前記中空線の中空部脇通過時にろう付け接合部表層の処理部中心線から前記摩擦攪拌ツールのショルダーによる中空線側の摩擦外周までの距離を中実線脇通過時に比べて減少させた状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理することを特徴とする回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
2. 回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、
   前記摩擦攪拌ツールが前記中空線の中空部脇通過時にろう付け接合部表層の処理部中心線から前記摩擦攪拌ツールの中空線側のピン外周までの距離を前記中実線脇通過時に比べて減少させた状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理することを特徴とする回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
3. 回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、
   前記摩擦攪拌ツールのショルダーを多重構造とし、
   該摩擦攪拌ツールが前記中空線の中空部脇通過時に前記多重のショルダーがろう付け接合部表層の処理部と接触した状態から外周側のショルダーをろう付け接合部表層の処理部と非接触として、処理部中心線から前記ショルダーの摩擦外周までの距離を前記中実線脇通過時に比べて減少させた状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理することを特徴とする回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
4. 請求項３記載の回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法において、
   ろう付け接合部表層の処理部の幅に応じて前記摩擦攪拌ツールの多重構造のショルダーとろう付け接合部表層の処理部との接触面積を変化させることを特徴とする回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
5. 回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、
   摩擦攪拌ツールのピン回転中心をツール回転中心から移動可能な構造とし、
   該摩擦攪拌ツールが前記中空線の中空部脇通過時に該摩擦攪拌ツール回転中心を中実線側に移動するとともに、この移動量よりもピン回転中心の移動量を小さくした状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理することを特徴とする回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
6. 請求項５記載の回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法において、
   ろう付け接合部表層の処理部ろう層の幅に応じて前記摩擦攪拌ツールのピン回転中心の移動量を変化させることを特徴とする回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
7. 回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、
   摩擦攪拌ツールのショルダーをツール回転中心から偏心可能な構造とし、
   該摩擦攪拌ツールのショルダー偏心量を前記中空線の中空部脇通過時に中実線脇通過時の偏心量より小さくした状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理することを特徴とする回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
8. 請求項７記載の回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法において、
   ろう付け接合部表層の処理部ろう層の幅に応じて前記摩擦攪拌ツールのショルダーのツール回転中心からの偏心量を変化させることを特徴とする回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
9. 回転電機の固定子鉄心の溝内に複数の中実線及び中空線からなる素線を束にして挿入される固定子コイルの素線束の端部と冷却媒体給排箱とをろう付け接合した後、その接合部表層を摩擦攪拌ツールにより所望の経路で摩擦攪拌して封止処理するに際して、
   摩擦攪拌ツールのピンの外径が変化可能な構造とし、
   該摩擦攪拌ツールのピンの外径を前記中空線の中空部脇通過時に前記中実線脇通過時のピンの外径より大きくした状態で摩擦攪拌してろう付接合部表層を封止処理することを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子コイルの摩擦攪拌封止方法。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかの摩擦攪拌封止方法により封止処理されたことを特徴とする回転電機の固定子コイル。

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