JP2013235791A - 集合導線および集合導線を加工したコイルならびにコイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな曲げ半径で曲げ加工しても精度よくコイルを成形することができる集合導線を提供する。
【解決手段】矩形断面の導体素線が互いに平行に複数本集合配置され、所定の間隔（Ｌ₁〜Ｌ₇）で導体素線同士を溶接して一体化し、ステータ１０のスロット１２に挿入される集合導線５０であって、スロット１２内に位置する部分の溶接箇所を一以下とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、集合導線の構造および集合導線を加工したコイルの構造ならびにコイルの製造方法に関する。

近年、ハイブリッド車両、電気自動車等のモータによって駆動される車両が多用されるようになってきている。これら電動車両に搭載されるモータは、小型、高出力が要求されるので、ロータに永久磁石を埋め込んだ埋込構造永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）が多く用いられている。埋込構造永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）のステータコアには、その内周壁に周方向に交互に形成された凹条部（スロット）及び凸条部が複数設けられている。そして、各スロットには、コイルを構成するエナメル線等の導体線が配置される。スロットは四角い断面であることから、円形断面の導体線をスロットに配置した場合には、スロットと導体線との間に隙間ができるため、スロットの導体線の充填率が低くなってしまい、モータの外形の大きさに対する出力が小さくなってしまうという問題があった。

また、近年、ハイブリッド車等の電気自動車用のモータは、インバータで発生させた
高周波の交流によって駆動することが多いので、表皮効果によってスロットと導体線との間に隙間ができると導体線に流れる電流が導体素線の表面付近に集中して交流抵抗が大きくなってしまうという問題があった。

そこで、スロットの内部における導体線の充填率、すなわち、スロットの所定断面積に占める導体の断面積（導体占積率）を高めると共に、表皮効果及び渦電流による交流抵抗を低くするために、矩形断面の素線を全体断面形状が矩形となるように複数本集合した集合導線を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、矩形断面の素線表面に酸化被膜等の被覆層を形成し、この被覆層の間に結着層（接着層）を設けることによって複数の矩形断面の素線を接着して全体として矩形断面の集合導線とすることが記載されている。

また、被覆層の表面に熱融着層（絶縁層）を形成し、複数の素線を全体で矩形断面となるように複数本無捩じり状態に整列させ、２００℃程度に加熱することで隣り合った素線の熱融着層を相互に融着一体させて集合導線とし、その外側にＰＴＦＥ製のチューブを被せ、３３０℃〜３４０℃に加熱することによってチューブを熱収縮させて外周被覆層を形成した集合導線が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載された集合導線は、外周被覆層を摩擦抵抗の小さい材料で構成することにより、ステータコアのスロットに集合導線を挿入する際の損傷を抑制することができる。

特開２００７−２２７２６６号公報 特開２００８−１９３８６０号公報

ところで、電動車両のモータを小型化する場合には、コイルエンドの大きさを小さくすることが大きな要因となってくる。コイルエンドを小型化するためには、導体線がステータコアのスロットから端面に出た部分で小さな曲げ半径で導体線を曲げ、コイルエンドのステータコアの端面からの突出量を小さくすることが必要となる。

ところが、特許文献１，２に記載されたように、素線同士を接着によって一体化した集合導線は、小さな曲げ半径で曲げ加工した際に曲げの外周側と内周側との曲げ半径の差或いは曲がり部分の長さの差により各素線間に大きなせん断力が働き、このせん断力により素線間の接着材が剥がれてしまい、小さな曲げ半径でコイルを精度よく成形することができないという問題があった。

そこで、本発明は、小さな曲げ半径で曲げ加工しても精度よくコイルを成形することができる集合導線を提供することを目的とする。

本発明の集合導線は、矩形断面の導体素線が互いに平行に複数本集合配置され、所定の間隔で導体素線同士を溶接して一体化し、ステータのスロットに挿入される集合導線であって、スロット内に位置する部分の溶接箇所を一以下とすること、を特徴とする。

本発明の集合導線において、溶接は、集合導線外周の全周溶接であること、としても好適であるし、集合導線は、矩形断面となるように各導体素線が一体化されており、溶接は、各導体素線の接する面同士を各導体素線の長手方向と交差する一方向に向かって溶接する一方向溶接であること、としても好適であるし、溶接は、集合導線の矩形断面の長辺方向又は短辺方向に向かう一方向溶接であること、としても好適である。

本発明のコイルは、矩形断面の導体素線が互いに平行に複数本集合配置され、所定の間隔で導体素線同士を溶接して一体化した集合導線を曲げ加工し、ステータのスロットに挿入されるコイルであって、スロット内に位置する部分の溶接箇所が一以下であること、を特徴とする。

本発明のコイルにおいて、溶接は、集合導線外周の全周溶接であること、としても好適であるし、集合導線は、矩形断面となるように各導体素線が一体化されており、溶接は、各導体素線の接する面同士を各導体素線の長手方向と交差する一方向に向かって溶接する一方向溶接であること、としても好適であるし、溶接は、集合導線の矩形断面の長辺方向又は短辺方向に向かう一方向溶接であること、としても好適である。

本発明のコイルの製造方法は、ステータのスロットに挿入されるコイルの製造方法であって、矩形断面の導体素線を互いに平行に複数本集合配置するステップと、所定の間隔で導体素線同士を溶接して一体化した集合導線とするステップと、コイルの形状に曲げ加工するステップと、を含み、スロット内に位置する部分の溶接箇所を一以下とすること、を特徴とする。

本発明のコイルの製造方法において、溶接するステップは、集合導線外周を全周溶接すること、としても好適であるし、集合導線とするステップは、矩形断面となるように各導体素線を一体化し、溶接するステップは、各導体素線の接する面同士を各導体素線の長手方向と交差する一方向に向かって一方向溶接を行うこと、としても好適であるし、溶接するステップは、集合導線の矩形断面の長辺方向又は短辺方向に向かう一方向溶接を行うこと、としても好適である。

本発明は、小さな曲げ半径で曲げ加工しても精度よくコイルを成形することができる集合導線を提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における集合導線或いはコイルを組み込んだステータの平面図である。 本発明の実施形態における集合導線或いはコイルを組み込んだステータの側面図である。 本発明の実施形態における集合導線の製造工程を示す説明図である。 本発明の実施形態における集合導線の溶接を示す説明図である。 本発明の実施形態における集合導線をセグメントコイルに曲げ加工する工程を示す説明図である。 図５に示すＡ部の拡大図である。 図６に示すＢ−Ｂ断面図である。 スロットの中に配置された導体素線の電流の流れを示す説明図である。 本発明の他の実施形態における集合導線の製造工程を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における集合導線の溶接を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における集合導線の製造工程を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における集合導線の溶接を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明の集合導線、コイル、について説明する前に、本発明の実施形態の集合導線或いはコイルを組み込んだステータについて説明する。

図１に示すように、モータ１００のステータ１０は、薄い電磁鋼板を積層したステータコア１１と、ステータコア１１のその内周壁１５に形成されたスロット１２と、各スロット１２の間のティース１３とが周方向に向かって交互に複数設けられている。そして、各スロット１２には、ステータコイルを構成する四角断面の複数のセグメントコイル２０が一列に整列して配置されている。

図２に示すように各セグメントコイル２０は、略Ｕ字型に折り曲げ成形された後、Ｕ字型の開放端側からステータコア１１の厚さ方向（モータの軸方向）に向かってスロット１２に挿入される。図２に示した実施形態では、略Ｕ字型のセグメントコイル２０は、図２の下側に図中の矢印６０で示すように上方向に向かって挿入される。後で説明するように、セグメントコイル２０は、図２に符号２１ａから２１ｋ及びスロット１２内の位置２１ｍ，２１ｎで示す部位にて各導体素線が互いに分離しないように、溶接接続されている。

図２に示すように、スロット１２に挿入されたセグメントコイル２０のステータコア１１の端面からモータの軸方向（図２の矢印６０の方向）に突出した直線状の部分は、図２に一点鎖線で示されるような形状に曲げ成形された後、隣接する各セグメントコイル２０の各先端が互いに溶接固定されてコイルエンドを形成する。

以上のように、ステータ１０へのセグメントコイル２０の取り付け、コイルエンドの成形が行われるので、ステータ１０の軸方向（図２の矢印６０の方向）の高さ寸法を小さくする場合には、セグメントコイル２０の下部の曲げ部２２或いは、セグメントコイル２０をスロット１２に挿入した後に曲げ加工する上側の曲げ部３２の曲げ半径を小さくすることが必要となってくる。次に、曲げ部２２，３２を小さな曲げ半径で加工しても精度よくコイルの成形を行うことができる本発明の集合導線について図３から図７を参照して説明する。

図３は、複数の四角断面の銅素線５１を集合して一体化して集合導線５０とする工程を示している。まず、図３（ａ）に示すように、四角断面の銅素線５１を準備し、図３（ｂ）に示すように、この銅素線５１の外表面に絶縁皮膜５２を形成する。絶縁皮膜５２は、銅素線５１よりも電気抵抗の高いものであればよく、酸化銅がよく用いられる。酸化銅を絶縁皮膜５２として用いる場合には、銅素線５１の表面を単に酸化させるか、空気中に保管し、四角断面の銅素線５１の表面に酸化銅の絶縁皮膜５２が形成された状態の銅素線５１を用いる。以後の説明では、表面に絶縁皮膜５２を有する銅素線５１を「導体素線」と定義し、符号２５ａから２５ｄ，２６ａから２６ｄによって表すこととする。

そして図３（ｃ）に示すように、８本の導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄを４本ずつ２段に束ねて、長方形断面に一体化する。各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの整列は、例えば、長方形の断面開口を備えるダイス等の中に８本の導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄを揃えて通すことによって導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの表面同士を互いに密着させることによって行う。そして、ダイスから出た図３（ｃ）に示すような長方形断面に一体化された導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄが互いに分離しないように、ダイスから出た直後に図４に示すように、所定の間隔で各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄ同士を順次スポット溶接していく。スポット溶接５４は、レーザ溶接、抵抗溶接などで、図４に示すように、各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの接する面同士を各導体素線の長手方向と交差する一方向に向かって溶接する一方向溶接である。より具体的には、スポット溶接５４は、一列に並んだ各導体素線２５ａ〜２５ｄと一列に並んだ各導体素線２６ａ〜２６ｄとのあわせ面を集合導線５０の矩形断面の長辺方向に向かって（図４では上方向から下方向に向かって）溶接する一方向溶接となっている。図３（ｄ）に示すように、このスポット溶接５４は、一回の溶接で各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄ全てを一体に溶接固定することができる。このように、ダイスから出た直後に所定の間隔で順次スポット溶接を行うことにより、特許文献１，２に記載された従来技術のように、各導体素線同士を接着することなく各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄが分離しない集合導線５０とすることができる。そして、スポット溶接５４の終わった後、図３（ｅ）に示すように、集合導線５０の表面に電着によって樹脂層５５を形成する。樹脂層５５は、集合導線５０の表面の摩擦係数を低減してスロット１２への挿入を容易にするとともに、製造中、加工中に導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの分離を抑制する。

図５に示す集合導線５０は、曲げ加工を行う前の直線形状となっている。図５の符号２１ａ〜２１ｎは図４を参照して説明したスポット溶接５４を行う位置である。位置２１ａ，２１ｊは集合導線５０の端部であり、各位置２１ｂ〜２１ｉ，２１ｋ，２１ｍ，２１ｎは、各端部の位置２１ａ，２１ｊの間に所定の間隔をあけて配置された溶接位置である。各位置２１ｂ〜２１ｉ，２１ｋは、図５に示すように集合導線５０を曲げ加工する際の曲げ部２２の両端あるいは、一方の端または、曲げ加工したセグメントコイル２０をスロット２１に挿入した際にスロット１２の中に配置される位置２１ｍ，２１ｎに設けられている。この場合、所定の間隔は、曲げ部２２の端と次の曲げ部２２の端との長さ（Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₆，Ｌ₇）、あるいは、曲げ部２２の両端の間隔Ｌ₅、あるいは、曲げ部２２の端部と図２に示すステータコア１１の厚さの半分の長さ（Ｌ₃，Ｌ₄）のように加工形状によって決まってくる。

図５の位置２１ｄ、２１ｅ（所定の間隔Ｌ₅）は、図５のＡ部の拡大図である図６に示すように、その間に曲げ加工用の治具７０（丸棒）を当てて、略９０度に角度の集合導線５０を曲げ加工してセグメントコイル２０への成形を行う曲げ部２２を含んでいる。図６に示すように、曲げ部２２の端の位置２１ｄと曲げ部２２の反対側の端の位置２１ｅとは図３（ｄ）、図４を参照して説明したように、各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄが溶接固定されている部位である。この曲げ部２２を図６に示すように、小さな曲げ半径で曲げ加工すると、図７に示すように、曲げ部２２の内周側（治具７０の中心線７１側）の導体素線２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂは曲げ加工により加わる圧縮力によって図７に示す距離ｄだけ外側に膨らむように変形し、逆に曲げ部２２の外周側の導体素線２５ｃ，２５ｄ，２６ｃ，２６ｄは曲げ加工により加わる引っ張り力で厚さが薄くなるように変形する。このように、曲げ部２２の両端の位置２１ｃ，２１ｄで各導体素線２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂがスポット溶接５４によって固定されているので、曲げ加工の際の内周側の導体素線２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂと外周側の導体素線２５ｃ，２５ｄ，２６ｃ，２６ｄの各断面形状が変形することによって曲げ変形のエネルギあるいは力を吸収し、各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの間に働くせん断力が小さくなる。このため、小さな曲げ半径で一体化した集合導線５０を曲げ加工した場合でも、各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄが互いに分離せず、セグメントコイル２０を精度よく曲げ加工することができるという効果を奏する。２１ｆ，２１ｇ（所定の間隔Ｌ₅）についても同様である。また、セグメントコイル２０とする場合の曲げ加工角度があまり大きくない場合には、たとえば、位置２１ｋ（位置２１ｅ、位置２１ｆとの間の所定の間隔Ｌ₆，Ｌ₇）のように曲げ部２２の一方の端部のみにスポット溶接５４を行って曲げ加工の際に各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄが互いに分離することを抑制することができる。

図５に示すように、集合導線５０の位置２１ａ，２１ｂ，２１ｃ（所定の間隔Ｌ₁，Ｌ₂）にもスポット溶接５４が行われる。位置２１ａ，２１ｂは、図２に示すように、スロット１２にＵ字型に成形したセグメントコイル２０を挿入した後に曲げ加工を行う曲げ部３２の両端の位置である。また、位置２１ｃは、ステータコア１１の表面から曲げ部３２を挟んで反対側の曲げ部端に相当する位置となっている。セグメントコイル２０の曲げ加工を行う場合、スロット１２に差し込まれている部分は、スロット１２によって固定されているのでスポット溶接５４の必要がないので、曲げ部３２のスロット１２側の端部にはスポット溶接は行われていない。図５に示した位置２１ｊ，２１ｉ，２１ｈについては、先に説明した位置２１ａ，２１ｂ，２１ｃと同様である。

また、図５に示すように、集合導線５０の位置２１ｍ，２１ｎにもスポット溶接５４が行われる。位置２１ｍ，２１ｎは、スロット１２にセグメントコイル２０を挿入する際にスロット１２の中に入る位置であるが、この位置にスポット溶接５４を行うことにより、スポット溶接５４の最大間隔が狭くなり、セグメントコイル２０のハンドリング、スロット１２への挿入の際に導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄが分離することを効果的に抑制することができる。しかし、図８（ａ）に示すように、スロット１２の中に入る集合導線５０に複数のスポット溶接５４を行ってしまうと、図８（ｂ）に示すように、スポット溶接５４の間に電気回路が構成され、磁束の変動によって循環電流が流れ、循環電流損失が発生してしまう。このため、スロット１２の中に入るスポット溶接５４を行う場合には、図８（ｃ）に示すように、一箇所のみとすることが必要である。この場合、図８（ｄ）に示すように循環電流は発生せず、循環電流損失も発生しない。

以上説明したように、本実施形態では、導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄを一体化した直後に所定の間隔でスポット溶接５４を行って集合導線５０とするので、導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの間に接着層を設ける必要がなく、簡便な方法で集合導線５０を成形することができる。また、本実施形態では、セグメントコイル２０をスロット１２に挿入した際に各スロット１２の中に１つずつ位置する位置２１ｍ，２１ｎにスポット溶接５４を行っているので、循環電流の発生を抑制しつつ導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの分離を効果的に抑制することができる。さらに、本実施形態では、セグメントコイル２０に曲げ加工する際の曲げ部２２の端となる位置、あるいは、スロット１２にセグメントコイル２０を挿入した後に曲げ加工する際の曲げ部３２の端となる位置にスポット溶接５４を行うことによって、セグメントコイル２０の精度のよい成形およびコイルエンドの精度のよい成形を行うことができる。また、集合導線５０の外面に樹脂層５５を形成することによって、加工後のハンドリングの際に集合導線５０の各導体素線が互いに分離することを効果的に抑制することができるという効果を奏する。

次に、図９、図１０を参照して本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図８を参照して説明した部分と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。先に説明した実施形態では、各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの溶接は、図４に示すような一方向のスポット溶接５４とすることとして説明したが、溶接の方法はこれに限らず、図９、図１０に示すように集合導線５０の外周の全周を溶接する全周溶接であってもよい。図９に示す全周溶接５６は、８本の各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄが一体化された長方形断面の外周を溶接するようにしたもので、その断面は図１０（ａ）に示すように、８本の各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄの外表面部分を周状に溶接したものであり、その効果は、先に図４を参照して説明したスポット溶接５４と同様である。

次に、図１１、図１２を参照して本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図８を参照して説明した部分と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態では、先に図１から図８を参照して説明した実施形態においては、図４に示すように、集合導線５０の矩形断面の長辺方向に向かって一方向溶接したものを、短辺方向に向かって一方向溶接するようにしたものである。本実施形態の場合、図５に示す一つの溶接位置（２１ａ〜２１ｎ）において図１２に示すように、スポット溶接５７を３回することが必要となるが、一方向溶接の深さが浅く、簡単に溶接固定を行うことができる。本実施形態の効果は、先に説明した実施形態と同様である。

また、以上説明した実施形態では、集合導線５０を成形してセグメントコイル２０とする場合について、説明したが、本発明の集合導線５０は、セグメントコイル２０に用いられるのみでなく、たとえば、波型のコイルの成形に用いることとしてもよい。この場合は、波形コイルの曲げ部の形状に合わせて各導体素線２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６の所定間隔の位置をスポット溶接５４，５７，全周溶接５６によって固定するようにすればよい。

１０ ステータ、１１ ステータコア、１２ スロット、１３ ティース、１５ 内周壁、２０ セグメントコイル、２１ａ〜２１ｋ 位置、２２，３２ 曲げ部、２５ａ〜２５ｄ，２６ａ〜２６ｄ 導体素線、５０ 集合導線、５１ 銅素線、５２ 絶縁皮膜、５４，５７ スポット溶接、５５ 樹脂層、５６ 全周溶接、６０ 矢印、７０ 治具、７１ 中心線、１００ モータ。

Claims (12)

1. 矩形断面の導体素線が互いに平行に複数本集合配置され、
   所定の間隔で導体素線同士を溶接して一体化し、ステータのスロットに挿入される集合導線であって、
   スロット内に位置する部分の溶接箇所を一以下とすること、
   を特徴とする集合導線。
2. 請求項１に記載の集合導線であって、
   溶接は、集合導線外周の全周溶接であること、
   を特徴とする集合導線。
3. 請求項１に記載の集合導線であって、
   集合導線は、矩形断面となるように各導体素線が一体化されており、
   溶接は、各導体素線の接する面同士を各導体素線の長手方向と交差する一方向に向かって溶接する一方向溶接であること、
   を特徴とする集合導線。
4. 請求項３に記載の集合導線であって、
   溶接は、集合導線の矩形断面の長辺方向又は短辺方向に向かう一方向溶接であること、
   を特徴とする集合導線。
5. 矩形断面の導体素線が互いに平行に複数本集合配置され、
   所定の間隔で導体素線同士を溶接して一体化した集合導線を曲げ加工し、ステータのスロットに挿入されるコイルであって、
   スロット内に位置する部分の溶接箇所が一以下であること、
   を特徴とするコイル。
6. 請求項５に記載のコイルであって、
   溶接は、集合導線外周の全周溶接であること、
   を特徴とするコイル。
7. 請求項５に記載のコイルであって、
   集合導線は、矩形断面となるように各導体素線が一体化されており、
   溶接は、各導体素線の接する面同士を各導体素線の長手方向と交差する一方向に向かって溶接する一方向溶接であること、
   を特徴とするコイル。
8. 請求項７に記載のコイルであって、
   溶接は、集合導線の矩形断面の長辺方向又は短辺方向に向かう一方向溶接であること、
   を特徴とするコイル。
9. ステータのスロットに挿入されるコイルの製造方法であって、
   矩形断面の導体素線を互いに平行に複数本集合配置するステップと、
   所定の間隔で導体素線同士を溶接して一体化した集合導線とするステップと、
   コイルの形状に曲げ加工するステップと、
   を含み、
   スロット内に位置する部分の溶接箇所を一以下とすること、
   を特徴とするコイルの製造方法。
10. 請求項９に記載のコイルの製造方法であって、
    溶接するステップは、集合導線外周を全周溶接すること、
    を特徴とするコイルの製造方法。
11. 請求項９に記載のコイルの製造方法であって、
    集合導線とするステップは、矩形断面となるように各導体素線を一体化し、
    溶接するステップは、各導体素線の接する面同士を各導体素線の長手方向と交差する一方向に向かって一方向溶接を行うこと、
    を特徴とするコイルの製造方法。
12. 請求項１１に記載のコイルの製造方法であって、
    溶接するステップは、集合導線の矩形断面の長辺方向又は短辺方向に向かう一方向溶接を行うこと、
    を特徴とするコイルの製造方法。

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