JP2011259654A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】動力線の他端が端子台に締結されるときにコイル端子と動力線の一端との溶接部に対して作用する応力のうち、特に、溶接部の破断につながり易い応力を十分に低減することが可能な回転電機を提供することである。
【解決手段】三相モータ１０は、巻線コイル１４を含む円筒状のステータ１１と、ロータ１２と、巻線コイル１４から引き出されたコイル端子１５と、一端の接続端１８がコイル端子１５に溶接され、他端の締結部１７が端子台４０に締結された動力線１６と、コイル端子１５と接続端１８とを溶接して形成された溶接部１９とを備える。溶接部１９は、動力線１６が端子台４０に締結されるときに、溶接部１９に作用するせん断応力が引っ張り応力又は圧縮応力よりも小さくなるように、例えば、コイル端子１５と接続端１８とがステータ１１の周方向に並んで配置された状態で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、コイル端子と動力線とが溶接された三相回転電機に関する。

モータ（電動機）等の回転電機には、電源から電力を供給するための動力線が接続される。動力線は、ステータコアに巻回された巻線コイルから引き出されるコイル端子に接続することができる。例えば、動力線の一端は、溶接によりコイル端子に接続され、動力線の他端は、モータケースに取り付けられた端子台にボルトで締結される。なお、ハイブリッド車両（ＨＶ車両）等の電動車両に搭載されるモータは、通常、三相モータであって、当該三相モータでは、各相の巻線コイルからそれぞれ引き出される３つのコイル端子に、３本の対応する動力線がそれぞれ接続されている。

ここで、図６（平面図）に、ＨＶ車両に搭載される従来の三相モータの一部、特に動力線の接続構造を示す。同図に示すように、三相モータ５０は、ステータコア５３に各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対応する巻線コイル５４が巻回された円筒状のステータ５１と、ステータ５１の中心に配置されたロータ５２とを備える。そして、巻線コイル５４のコイルエンドからは、各相の巻線コイル５４に対応する角型のコイル端子５５Ｕ、５５Ｖ、５５Ｗが上方に引き出され、当該コイル端子に、対応する丸型の動力線５６Ｕ、５６Ｖ、５６Ｗの接続端５８Ｕ、５８Ｖ、５８Ｗがそれぞれ溶接（溶接部５９Ｕ、５９Ｖ、５９Ｗ）されている。なお、以下では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する各構成要素の説明において、相毎に区別する必要がない場合には、ＵＶＷの記載を省略する。

溶接部５９は、コイル端子５５と動力線５６の接続端５８とが、ステータ５１の径方向に並んで配置された状態で形成されている。なお、接続端５８は、上方に引き出されたコイル端子５５に沿うように、上方に折り曲げられている（後述の図１参照）。即ち、溶接部５９において、コイル端子５５と接続端５８とが向かい合って溶接される面（以下、溶接面とする）は、ステータ５１の周方向に沿った面であり且つ図示しないロータシャフトの軸方向に沿った面である。

また、動力線５６の他端には、例えば、図示しないモータケースに設置された端子台６０に締結される締結部５７が設けられる。動力線５６は、当該締結部５７のボルト穴に図示しないボルトがロータシャフトの軸方向に沿って挿入されることで端子台６０に締結される。なお、端子台６０は、ステータ５１の外側であって、ロータシャフトに垂直でコイルエンドに沿った面に平行な仮想平面上に設置されている。また、動力線５６により連結される各コイル端子５５の位置及び端子台６０の対応する各締結位置は、ステータ１１の径方向にほぼ沿って位置する（Ｕ相）、又はコイル端子５５を基準としてステータ１１の径方向からステータ１１の周方向右側に少しずれた位置に締結位置がある（Ｖ相、Ｗ相）。そして、動力線５６は、その大部分が当該仮想平面に対して平行に配置され、ほぼ直線状に端子台６０とコイル端子５５とをつないでいる。

なお、回転電機の動力線接続に関する技術としては、例えば、特許文献１、２に開示されるように幾つか提案されているが、後述の課題を解決できるものは存在しない。

特開２００８‐１７２８９８号公報 特開２００８‐７９４６９号公報

上記構成を備える従来の三相モータ５０において、動力線５６の他端を端子台６０に締結するときには、締結部５７のボルト穴に通されたボルトが時計回りに回される。ゆえに、当該締結作業時において、動力線５６には、締結部５７を中心とする時計回りの回転力（モーメント）が働く。

動力線５６に働く回転力は、ステータ５１の周方向に沿った溶接部５９の溶接面に対して略平行に作用するせん断応力となる（図６の溶接部５９において紙面の左側に向かう力）。また、ボルトが締結される締結部５７と溶接部５９とは、動力線５６の長さ分だけ離れているので、溶接部５９には大きなせん断応力が作用するおそれがある。そこで、動力線５６の締結作業は、溶接部５９がせん断（破談）しないように十分注意して行う必要があり、作業負荷が大きく改善策が望まれていた。

本発明の目的は、動力線の他端が端子台に締結されるときにコイル端子と動力線の一端との溶接部に対して作用する応力のうち、特に、溶接部の破断につながり易い応力を十分に低減することが可能な回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、巻線コイルを含む円筒状のステータと、巻線コイルから引き出されたコイル端子と、一端がコイル端子に溶接され、他端が端子台に締結された動力線と、コイル端子と動力線の一端とを溶接して形成された溶接部と、を備え、溶接部は、動力線の他端が端子台に締結されるときに、溶接部に作用するせん断応力が引っ張り応力又は圧縮応力よりも小さくなるようにコイル端子と動力線との配置を調整して形成されたことを特徴とする。

上記構成によれば、動力線の他端を端子台に締結するときに、溶接部に作用するせん断応力を低減することができる。即ち、発明者は、溶接部がせん断応力に弱く、引っ張り応力、圧縮応力に比較的強いことに着目して鋭意検討した。その結果、溶接部におけるコイル端子と動力線との配置を調整することで溶接部の破断につながり易いせん断応力を十分に低減できることを見出した。

また、本発明に係る回転電機において、溶接部は、コイル端子と動力線の一端とがステータの周方向に並んだ配置で形成されることが好ましい。即ち、コイル端子と動力線の一端とは、ステータの径方向に沿って且つロータシャフトの軸方向に沿った面であって、互いに向かい合った面を溶接面として溶接されている。

また、本発明に係る回転電機は、コイル端子及び動力線をそれぞれ３つ備える三相回転電機であって、各動力線の中間部で各動力線を互いに固定して、ステータの周方向への動きを拘束する固定部材を備える構成とすることができる。

また、本発明に係る回転電機において、動力線は、その中間部に、溶接部に作用する応力を緩和するバネ構造を有することが好ましい。

本発明に係る回転電機によれば、動力線の他端が端子台に締結されるときにコイル端子と動力線の一端との溶接部に対して作用する応力のうち、特に、溶接部の破断につながり易い応力、即ち、溶接面に対して略平行に作用するせん断応力を十分に低減することが可能になる。そして、本発明に係る回転電機は、動力線の締結作業の負荷軽減に寄与する。

本発明の第１実施形態である三相モータにおいて、模式的に示す正面図（下段）、平面図（上段）、及び溶接部の拡大図である。 第１実施形態の変形例を示す図であって、動力線及び動力線の接続部分を拡大して示す平面図である。 本発明の第２実施形態である三相モータを示す図であって、動力線及び動力線の接続部分を拡大して示す平面図である。 図３に示す固定部材の斜視図である。 本発明の第３実施形態である三相モータを示す図であって、動力線及び動力線の接続部分を拡大して示す平面図である。 従来の三相モータにおいて、動力線及び動力線の接続部分を拡大して示す平面図である。

図面を用いて、本発明に係る回転電機の実施形態につき、以下詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る回転電機の実施形態として、ＨＶ車両に搭載される三相モータ１０を例示して説明するが、本発明の構成は、例えば、ＨＶ車両に搭載されるジェネレータ（発電機）や車両以外の用途に使用される回転電機にも適用することができる。

＜第１実施形態＞
図１及び図２を参酌して、第１実施形態である三相モータ１０を説明する。

図１の正面図（下段）及び平面図（上段）に示すように、三相モータ１０は、図示しないモータケース内に、円筒状のステータ１１と、ステータ１１の中心に配置されたロータ１２とを備えている。ステータ１１は、複数の電磁鋼板を積層して形成されたステータコア１３と、ステータコア１３に巻回されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する巻線コイル１４とを有する。巻線コイル１４のコイルエンドには、各相の巻線コイル１４に対応するコイル端子１５がそれぞれ引き出され、それぞれ対応する動力線１６に溶接されている。

コイル端子１５は、巻線コイル１４を構成する巻線の端部であって、上記のように、動力線１６に溶接される部分である。コイル端子１５は、平面図に示すように、端面（及び断面）が矩形状の角型であって、巻線コイル１４の外縁部分から引き出されている。また、コイル端子１５Ｕは、正面図に示すように、ロータシャフト４１の軸方向に沿って上方に引き出されている。なお、正面図では、ロータシャフト４１の向こう側に位置するコイル端子１５Ｕのみを示しているが、コイル端子１５Ｖ、１５Ｗも同様の形態を有する。

動力線１６は、巻線コイル１４に電力を供給するためのケーブルであって、上記のように、コイル端子１５に溶接されている。即ち、動力線１６は、例えば、図示しないモータケースに設置される端子台４０を介して、図示しないインバータに接続される。また、動力線１６は、平面図に示すように、端面（及び断面）が円形状の丸型ケーブルである。動力線１６は、その一端がコイル端子１５に溶接される接続端１８であり、他端には、端子台４０に締結される締結部１７が設けられている。なお、図１に示す例では、動力線１６は、緩やかに折れ曲がった部分が１箇所又は２箇所存在するが、概ね直線状に、対応するコイル端子１５と端子台４０の対応する締結位置との間をつないでいる。

動力線１６の締結部１７は、端子台４０の対応する締結位置に締結される部分であって、図示しないボルトが通されるボルト穴を有する。締結部１７を締結するボルトは、ロータシャフト４１の軸方向に沿ってボルト穴に挿入される。なお、端子台４０は、ステータ１１の外側であって、ロータシャフト４１に垂直でコイルエンドに沿った平面に平行な仮想平面上に設置されている。また、動力線１６の接続端１８を除く部分は、当該仮想平面上に配置され、上下方向に対する折れ曲がりのない形状を有する。

動力線１６Ｕの接続端１８Ｕ（接続端１８Ｖ、１８Ｗについても同様）は、コイル端子１５Ｕに溶接される部分であって、正面図に示すように、コイル端子１５Ｕに沿うように上方に折り曲げられている。即ち、端子台４０からコイル端子１５Ｕに向かって略直線状に伸びた動力線１６Ｕは、接続端１８Ｕ又はその手前で上方に向かって折り曲げられることで、コイル端子１５Ｕに沿った形状とされ、コイル端子１５Ｕとの十分な接合面積を確保している。

なお、図１に示す例では、動力線１６により連結される各コイル端子１５及び端子台４０の対応する各締結位置は、ステータ１１の径方向に概ね沿った位置関係を有している。具体的には、コイル端子１５Ｕと端子台４０の対応する締結位置とは、ステータ１１の径方向にほぼ沿って位置し、コイル端子１５Ｖ、１５Ｗと端子台４０の対応する各締結位置については、コイル端子１５Ｖ、１５Ｗを基準としてステータ１１の径方向からステータ１１の周方向右側に少しずれた位置に締結位置がある。即ち、各コイル端子１５からステータ１１の径方向に沿って端子台４０を見たときに、端子台４０は当該径方向に沿った正面又はやや右側に位置する。そして、動力線１６は、ほぼ直線状にコイル端子１５と端子台４０とをつないでいる。

溶接部１９は、コイル端子１５と動力線１６の接続端１８とを溶接することで形成される部分である。溶接部１９は、コイル端子１５と接続端１８とが、ステータ１１の周方向に並んで配置された状態で互いに溶接されることにより形成されている。即ち、溶接部１９において、コイル端子１５と接続端１８との溶接面は、ステータ１１の径方向に沿った面であり且つロータシャフト４１の軸方向に沿った面である。なお、溶接部１９において、矩形断面を有するコイル端子１５の長辺がステータ１１の径方向に沿っている。このように、溶接部１９は、図６に示す従来の三相モータ５０の溶接部５９と比較すると、溶接面が９０°（略９０°）回転した構成になっている。

溶接部１９は、動力線１６の締結部１７が端子台４０に締結されるときに、溶接部１９の溶接面に作用するせん断応力が同時に作用する引っ張り応力又は圧縮応力よりも小さくなるように、コイル端子１５と動力線１６の接続端１８との配置を調整して形成される。図１に示す例では、溶接部１９は、コイル端子１５と接続端１８とがステータ１１の周方向に並んで配置された状態で形成されることが好ましく、当該配置により、後述するように、溶接部１９の溶接面に作用するせん断応力を低減することができる。

溶接部１９の形成には、一般的な溶接方法を適用することができる。コイル端子１５の長辺をステータ１１の径方向に沿った向きに調整する方法としては、巻線コイル１４の巻き方を制御して向きを調整する方法、コイル端子１５を適切な角度にねじり加工して向きを調整する方法等が挙げられる。そして、向きが調整されたコイル端子１５のステータ１１の径方向に沿った面に接続端１８を接触した状態で溶接することで、上記溶接面を有する溶接部１９が形成される。

なお、図１に示す例では、各溶接部１９において、ステータ１１の周方向に対するコイル端子１５と接続端１８との配置が異なっている。即ち、溶接部１９Ｕ、１９Ｖについては、ステータ１１の周方向左側に接続端１８Ｕ、１８Ｖが、右側にコイル端子１５Ｕ、１５Ｖがそれぞれ配置されている。一方、溶接部１９Ｗについては、ステータ１１の周方向左側にコイル端子１５Ｗが、右側に接続端１８Ｗが配置されている。

上記構成を備える三相モータ１０の作用について、動力線１６の締結部１７を端子台４０に締結する作業を通して説明する。

上記のように、動力線１６の締結作業では、図示しないボルトを締結部１７のボルト穴にロータシャフト４１の軸方向に沿って挿入し、時計回りに回して締め付ける。そして、時計回りにボルトを締め付けると、動力線１６には、締結部１７を中心として時計回りの回転力（モーメント）が働く。当該締結作業は、コイル端子１５と動力線１６とが溶接された後に行われるので、溶接部１９の溶接面にも動力線１６に働く回転力によって応力が作用する。

動力線１６に働く回転力は、ステータ１１の周方向に対して垂直（略垂直）に形成された溶接部１９の溶接面に対して、主に引っ張り応力又は圧縮応力として作用する。具体的に、溶接部１９には、主に平面図の左側に向かう力が働くから、溶接部１９Ｕ、１９Ｖの溶接面については、動力線１６Ｕ、１６Ｖがコイル端子１５Ｕ、１５Ｖの溶接面に略垂直な方向に引っ張られる引っ張り応力が作用する。一方、溶接部１９Ｗの溶接面については、動力線１６Ｗがコイル端子１５Ｗの溶接面に略垂直な方向に押し付けられる圧縮応力が作用する。

以上のように、上記構成を備える三相モータ１０は、動力線１６の締結部１７が端子台４０に締結されるときに、溶接部１９の溶接面に作用するせん断応力が同時に作用する引っ張り応力又は圧縮応力よりも大幅に小さくなる。即ち、三相モータ１０は、溶接部１９の破断につながり易いせん断応力を十分に低減して、動力線１６の締結作業の負荷軽減に寄与する。

なお、上記では、動力線１６の他端が端子台４０に締結されるときに、溶接部１９Ｕ、１９Ｖの溶接面については、主に引っ張り応力が作用するものとして説明したが、溶接部１９Ｕ、１９Ｖを含む全ての溶接部１９について、主に圧縮応力が作用する構成とすることもできる。

図２に示すように、各溶接部１９において、動力線１６の接続端１８は、ステータ１１の径方向に沿ったコイル端子１５の２つの面のうち、ステータ１１の周方向右側に位置する面に対向して配置されている。図２に示す例では、コイル端子１５Ｕ、１５Ｖに対して端子台４０は、ステータ１１の周方向左側に位置し、コイル端子１５Ｗに対して端子台４０は、略ステータ１１の径方向に沿って位置し、より詳しくは、ステータ１１の周方向のやや右側に位置する。

動力線１６Ｕ、１６Ｖは、それぞれコイル端子１５Ｕ、１５Ｖの上記ステータ１１の周方向右側に位置する面に接続端１８Ｕ、１８Ｖが接触するように折り曲げられている。より具体的に、動力線１６Ｕ、１６Ｖは、接続端１８Ｕ、１８Ｖの手前でステータ１１の径方向に沿うように折り曲げられて、コイル端子１５、１５Ｖに引っ掛けられるフックを有するように加工されている。

即ち、図２に示す例において、各溶接部１９は、動力線１６の締結部１７が端子台４０に締結されるときに動力線１６に時計回りの回転力が働くと、各動力線１６の接続端１８が対応する各コイル端子１５に押し付けられるような配置で形成されている。ゆえに、各溶接部１９の溶接面には、主に圧縮応力が作用することになる。

＜第２実施形態＞
図３及び図４を参酌して、第２実施形態である三相モータ２０を説明する。

図３に示すように、三相モータ２０は、動力線２１の形状が動力線１６と相違し（当該相違に伴い溶接部１９の形態も相違する）、また、三相モータ１０にはない固定部材２２を備える。その他の構成については、三相モータ１０（特に図２に示す形態）と同様である。なお、以下では、三相モータ１０と同一の構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する（実施形態３についても同様）。

動力線２１は、その中間部が大きく折れ曲がった形状を有している。当該折り曲げ部は、溶接部１９に作用する応力を緩和する後述のバネ部としても機能する。即ち、動力線２１の折り曲げ部は、動力線２１の長さにたわみを付与し、たわんだ部分が動力線２１に作用する応力により伸縮することで当該応力を緩和する。また、折り曲げ部は、後述のように固定部材２２の保持に利用される。

固定部材２２は、各動力線２１の中間部に取り付けられる部材であって、各動力線２１を互いに固定して、ステータ１１の周方向への動きを拘束する部材である。図３及び図４に示すように、固定部材２２は、例えば、ステータ１１の周方向に沿って湾曲した棒形状を有し、各動力線１６を通す３つの貫通孔２３が形成された部材である。例えば、固定部材２２は、動力線１６がコイル端子１５に溶接される前に、貫通孔２３に接続端１８側から動力線１６を通して取り付けることができる。

また、固定部材２２は、ステータ１１等に固定されることなく、各動力線２１の中間部に形成された折り曲げ部を利用して各動力線２１の中間部に保持されている。具体的には、固定部材２２を各動力線２１に取り付けたときに、固定部材２２のステータ１１の径方向の外側に、少なくとも１つの動力線２１（２１Ｕ）の折り曲げ部が存在し、固定部材２２のステータ１１の径方向の内側に、少なくとも１つの動力線２１（２１Ｖ、２１Ｗ）の折り曲げ部が存在する。図３に示すように、当該折り曲げ部を動力線２１に形成することで、動力線２１の一部が固定部材２２のステータ１１の径方向の外側及び内側に位置する面に当接、或いは応力が作用したときに当接する形態となる。

上記構成を備える三相モータ２０は、各動力線２１を互いに固定する固定部材２２を備えるので、動力線１６の締結部１７が端子台４０に締結されるときに、１つの動力線２１に働く回転力を他の動力線２１を利用して分散することができる。ゆえに、三相モータ２０によれば、溶接部１９に作用するせん断応力等も分散される。なお、三相モータ２０の構成において、例えば、図２に示すように、動力線２１（２１Ｕ、２１Ｗ）の接続端１８を、ステータ１１の径方向に沿ったコイル端子１５の２つの面のうち、ステータ１１の周方向右側に位置する面に対向配置する形態を適用することも好ましい。

＜第３実施形態＞
図５を参酌して、第３実施形態である三相モータ３０を説明する。

図５に示すように、三相モータ３０は、動力線３１の形状が動力線２１と異なり、且つ固定部材２２を有していない以外は、三相モータ２０とほぼ同様である。三相モータ３０において、動力線３１は、その中間部に、溶接部１９に作用する応力を緩和するバネ部３２を有する。

バネ部３２は、動力線３１に応力が作用したときに、動力線３１の長さの伸縮を可能にして、当該応力を緩和する機能を有する部分である。即ち、バネ部３２は、動力線３１の中間部が急峻な角度で折り曲げられる、或いは折り返されて動力線３１の長さをたわませることにより形成される。また、バネ部３２としては、動力線３１の締結時に作用する応力を緩和するために、ロータシャフト４１の軸方向に垂直な仮想平面に沿った方向、例えば、動力線３１が回転しようとする方向に折り曲げられて形成されることが好ましい。

さらに、バネ部３２は、折り曲げ角度、即ち、折り曲げられた頂点部において当該頂点部を挟んで動力線３１同士がなす内角が、９０°未満の鋭角となるように形成されていることがより好ましい。また、バネ部３２は、ステータ１１の上下方向に対して折り曲げられて形成されてもよく、例えば、コイルバネのような形態とすることもできる。

上記構成を備える三相モータ３０は、例えば、各動力線３１の中間部が鋭角に折り曲げられて形成されるバネ部３２を備えるので、動力線１６の締結部１７が端子台４０に締結されるときに、動力線３１に作用する応力を緩和することができる。なお、三相モータ３０の構成において、例えば、図２に示すように、動力線３１（３１Ｕ、３１Ｗ）の接続端１８を、ステータ１１の径方向に沿ったコイル端子１５の２つの面のうち、ステータ１１の周方向右側に位置する面に対向配置する形態を適用することも好ましい。

なお、上記では、コイル端子を角型、動力線を丸型として説明したが、コイル端子が丸型又は動力線が角型であってもよい。また、本発明は、その他の構成要素についても、上記各実施形態に限定解釈されるものではない。

１０、２０、３０ 三相モータ、１１ ステータ、１２ ロータ、１３ ステータコア、１４ 巻線コイル、１５ コイル端子、１６、２１、３１ 動力線、１７ 締結部、１８ 接続端、１９ 溶接部、２２ 固定部材、２３ 貫通孔、３２ バネ構造、４０ 端子台、４１ ロータシャフト。

Claims (4)

1. 巻線コイルを含む円筒状のステータと、
   巻線コイルから引き出されたコイル端子と、
   一端がコイル端子に溶接され、他端が端子台に締結された動力線と、
   コイル端子と動力線の一端とを溶接して形成された溶接部と、
   を備え、
   溶接部は、動力線の他端が端子台に締結されるときに、溶接部に作用するせん断応力が引っ張り応力又は圧縮応力よりも小さくなるようにコイル端子と動力線との配置を調整して形成されたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   溶接部は、コイル端子と動力線の一端とがステータの周方向に並んで配置された状態で形成されたことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   コイル端子及び動力線をそれぞれ３つ備える三相回転電機であり、
   各動力線の中間部で各動力線を互いに固定して、ステータの周方向への動きを拘束する固定部材を備えることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１又は２に記載の回転電機において、
   動力線は、その中間部に、溶接部に作用する応力を緩和するバネ構造を有することを特徴とする回転電機。

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