JP2018152958A - 回転電機のステータ及びその製造装置 - Google Patents

回転電機のステータ及びその製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】セグメントコイルを備えたステータにおいて、導体セグメントの接合部の絶縁性を向上することである。【解決手段】ステータ周方向に折り曲げられた導体セグメント32U1,32U2,32V1の先端部40U1,40U2,40V1が他の同相の導体セグメント32U1,32U2,32V1の先端部40U1,40U2,40V1と接合されたセグメントコイルを備えた回転電機のステータであって、導体セグメント32U1,32U2,32V1の先端部40U1,40U2,40V1は導体が露出しており、ステータ周方向に隣り合う異相の先端部40U2,40V1の先端間隔G1aは、ステータ周方向に隣り合う同相の先端部40U1,40U2の先端間隔G2aよりも大きい。【選択図】図4

Description

本発明は、回転電機のステータ及びその製造装置に関し、特に、ステータコアのスロットから突出した導体セグメントの先端を、他の同相の導体セグメントの先端と接合したステータコイルを備える回転電機のステータ及びその製造装置に関する。
回転電機のステータコアに巻装されるステータコイルとしてセグメントコイルがある。セグメントコイルは、例えば、U字状に折り曲げた平角導線によって形成された導体セグメントをステータコアのスロットに挿入して、スロットから突出した部分をステータ周方向に折り曲げて、他の導体セグメントの先端と溶接接合することによって構成される。
導体セグメントの表面は絶縁被膜で覆われているが、溶接する際には、接合される導体セグメントの先端の絶縁被膜が除去される。そして、絶縁被覆が除去された先端(導体露出部)が、TIG溶接(Tungsten Inert Gas溶接)やレーザー照射による溶接によって接合される(例えば、特許文献1参照)。
特開2014−007795号公報
近年、回転電機の小型化が図られており、セグメントコイルを備えたステータコアの径を小さくする傾向にある。ステータコアの径を小さくすると、セグメントコイルを形成する導体セグメントの接合部(先端)と、隣接する異相の導体セグメントの接合部との距離が短くなり、接合部間の絶縁性を確保することが困難になる。
特に、特許文献1に記載のステータのように、導体セグメントの直線部をなくして、導体セグメントの交差部をレーザー照射によって接合する構造のセグメントコイルの場合、導体セグメントの接合部間の沿面距離も短くなり、絶縁性の確保が困難になる。
また、導体セグメントの接合部を、絶縁樹脂で被覆することも考えられるが、溶接後に接合部を絶縁処理する工程が必要になり、被覆するための絶縁樹脂材料も必要になりコストが増加する。
そこで、本発明では、セグメントコイルを備えたステータにおいて、導体セグメントの接合部の絶縁性を向上することを目的とする。
本発明の回転電機のステータは、周方向複数個所に設けられたスロットを有するステータコアと、前記スロットのステータコア軸方向端面から突出してステータコア周方向に折り曲げられた導体セグメントの先端が他の同相の前記導体セグメントの前記先端と接合されたステータコイルと、を備えた回転電機のステータであって、前記導体セグメントの前記先端は導体が露出しており、ステータコア周方向に隣り合う異相の前記先端間隔は、ステータコア周方向に隣り合う同相の前記先端間隔よりも大きいことを特徴とする。
また、ステータコア周方向に隣り合う異相の前記導体セグメント間隔は、ステータコア周方向に隣り合う同相の前記導体セグメント間隔よりも大きいことを特徴とする。
さらに、回転電機のステータの製造装置であって、前記スロットのステータコア軸方向端面から突出した前記導体セグメントをステータコア周方向に折り曲げる冶具を有し、前記冶具は、ステータコア周方向に隣り合う同相の前記導体セグメントのうち一方の前記導体セグメントを折り曲げる第1の冶具と、他方の前記導体セグメントを折り曲げる第2の冶具とを含み、前記第1の冶具が一方の前記導体セグメントを折り曲げる際に、前記第2の冶具は、他方の前記導体セグメントの先端が一方の前記導体セグメントの先端に近接するように、他方の前記導体セグメントを折り曲げることを特徴とする。
本発明によれば、セグメントコイルを備えたステータにおいて、導体セグメントの接合端の絶縁性を向上することができる。
回転電機のステータのコイルエンド周辺の拡大斜視図である。 ステータコアへの組み付け前の導体セグメントの概略正面図である。 各相の導体セグメントの接合部の配置関係を説明するセグメントコイルの模式図である。 図3のA部拡大図である。 導体セグメントを折り曲げる折曲装置の概略構成図である。 折曲装置の冶具の部分拡大図であり、(A)は冶具とステータコアとの配置関係を示し、(B)は(A)のB−B断面図を示す。 ステータの製造工程を説明するフローチャートである。 導体セグメントを折り曲げるときの冶具の動作説明図である。 導体セグメントを折り曲げるときの冶具の別の動作説明図である。
回転電機のステータ20の構成について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、「軸方向」、「周方向」、「径方向」とは、回転電機のステータ20の軸方向、周方向、径方向を示す。
図1に示すように、回転電機のステータ20は、ステータコア22と、ステータコイル24とを有している。ステータコア22は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されている。ステータコア22は、略円筒形のヨーク26と、ヨーク26の内周縁から径方向内側に突出する複数のティース28とを含む。複数のティース28は、周方向に等間隔に配設されており、隣接する二つのティース28の間には、ステータコイル24が配置される空間であるスロット30が形成されている。
ステータコイル24は、U相コイル、V相コイル、W相コイルを含んでいる。ステータコイル24は、セグメントコイルとして構成されており、セグメントコイルは、複数の導体セグメント32を接合することによって構成される。
図2に、ステータコア22に組み付ける前の一つの導体セグメント32を示す。図2に示すように、導体セグメント32は、絶縁樹脂で被覆された断面略矩形の平角導体を、略U字状に折り曲げ成形することによって形成されている。導体セグメント32は、ステータコア22に組み付ける前の段階では、一対の直線部50と、一対の直線部50を連結する連結部34とを有している。
導体セグメント32をステータコア22に組み付ける際、一対の直線部50は、スロット30にそれぞれ挿入される。これにより、連結部34は、ステータコア22の軸方向他端側において、複数のティース28を跨ぐように周方向に延在する。また、直線部50の先端部40は、スロット30に挿入された後は、図2において、二点鎖線で示すように、その途中で周方向に折り曲げられる。これにより、直線部50は、スロット30内において軸方向に延びる脚部36と、ステータコア22の軸方向一端側において周方向に延びる渡り部38とになる。
導体セグメント32は、上述したように絶縁樹脂で被覆されているが、直線部50の先端部40だけは絶縁樹脂が除去されている。これは、他の導体セグメント32との電気的接続を確保するためである。先端部40は溶接等により互いに接合される。この接合については後述する。
次に、導体セグメント32及び先端部40の配置について、図3、4を参照して説明する。図3は、コイルエンドにおける導体セグメント32の先端部40の配置関係を模式的に示しており、図4は図3におけるA部の拡大図である。A部拡大図では、U1相、U2相、V1相、V2相の先端部40を示している。なお、図3、4において、導体セグメント32及び先端部40には対応する各相の符号を付している。
図3に示すように、導体セグメント32は、周方向において、U1相、U2相、V1相、V2相、W1相、W2相、・・・・と繰り返し配置されている。そして、図4に示すように、周方向に隣り合う異相(例えば、U2相とV1相)の先端部40U2,40V1の先端部間隔G1aが、周方向に隣り合う同相(U1相とU2相)の先端部40U1,40U2の先端部間隔G2aよりも大きくなっている。すなわち、異相の先端部間隔G1a>同相の先端部間隔G2aの関係になっている。
また、周方向に隣り合う異相(例えば、U2相とV1相)の導体セグメント32U2,32V1の軸方向の導体セグメント間隔G1bが、周方向に隣り合う同相(例えば、U1相とU2相)の導体セグメント32U1,32U2の軸方向の導体セグメント間隔G2bよりも大きくなっている。すなわち、異相の導体セグメント間隔G1b>同相の導体セグメント間隔G2bの関係となっている。さらに、導体セグメント32の表面に対する直交方向の異相の導体セグメント間隔G1cも、同相の導体セグメント間隔G2cより大きくなっている。
図3に戻り、このような先端部間隔G1a,G2a及び導体セグメント間隔G1b,G1c,G2b,G2cの大小を規定する方法として、導体セグメント32U2を折り曲げる際に、導体セグメント32U2の先端部40U2が導体セグメント32U1の先端部40U1に近づくように、導体セグメント32U2の先端部40U2の位置を調整する。
すなわち、従来の導体セグメントの先端部は、等間隔(間隔P1)で配置されているが、本実施形態では、先端部40U2が先端部40U1に近づくように、つまり、同相である先端部40U2と先端部40U1との間隔を間隔P1よりも小さい間隔P2(P2<P1)となるように、導体セグメント32U2を折り曲げている。このため、異相である先端部40U2と先端部40V1との間隔は、間隔P1よりも大きい間隔P3(P3>P1)となる。また、先端部40U2を先端部40U1に接近させる距離を距離L1(=P1−P2)としている。距離L1は、導体セグメント32U2や先端部40U2の仕様に基づいて適宜設定される。この結果、間隔P3>間隔P2となって、先端部間隔G1a>先端部間隔G2aの関係となる。
また、導体セグメント32V2,32W2の先端部40V2,40W2についても同様に、導体セグメント32V2,32W2を折り曲げる際に、先端部40V2,40W2の位置を調整する。なお、先端部40U2,40V2,40W2の具体的な位置調整に関しては後述する。
次に、導体セグメント32の折り曲げ及びこの折り曲げ時の先端部40の位置調整について図5〜8を参照して説明する。図5は導体セグメント32を折り曲げ成形する折曲装置60の概略構成を示している。図5に示すように、折曲装置60は、スロット30に導体セグメント32が挿入されたステータコア22を固定するステータコア固定部62と、導体セグメント32を折り曲げる円環状の冶具64と、冶具64を回転するとともに、冶具64を軸方向に昇降する冶具保持部66と、ステータコア固定部62、冶具64及び冶具保持部66の動作を制御する制御部68とを備えている。
なお、冶具64以外の折曲装置60の構成については、公知の折曲装置(特開2006−136082号公報参照)と同様の構成であるので、その説明を省略し、ここでは導体セグメント32を折り曲げる冶具64について詳しく説明する。
図6(A)は、冶具64を側面から見たときの部分拡大図を示している。図6(A)に示すように、冶具64は、導体セグメント32U1,32V1,32W1を折り曲げる第1の冶具70と、導体セグメント32U2,32V2,32W2を折り曲げる第2の冶具72とを含む。
第1の冶具70は、導体セグメント32U1,32V1,32W1を折り曲げる突起71を有している。突起71は、導体セグメント32U1,32V1,32W1の配置位置に対応する間隔P20でそれぞれ配設されている。間隔P20は、間隔P10の2倍の間隔であり、間隔P10は、図3に示す間隔P1と同じ間隔である。また、突起71は、導体セグメント32の先端部40に当接して、導体セグメント32を周方向に倒して折り曲げる倒し面71aと、導体セグメント32を折り曲げた後に、導体セグメント32の先端部40の位置を規定する位置規定面71bとを含む。
第2の冶具72は、第1の冶具70よりも径が小さい円環形状であり、第1の冶具70の内側に配設されている。図6(B)に示すように、第1の冶具70の内周面と第2の冶具72の外周面とは摺動可能に接している。また、第2の冶具72は、第1の冶具70に類似した形状である。第2の冶具72の突起73は、導体セグメント32U2,32V2,32W2の配置位置に対応して配設されている。配設間隔は、突起71と同じであり、間隔P20でそれぞれ配設されている。間隔P20は、間隔P10の2倍の間隔であり、間隔P10は、図3に示す間隔P1と同じ間隔である。このため、突起71,73は、図3に示す間隔P1と同じ間隔P10で配設されている。
第1の冶具70及び第2の冶具72を保持する冶具保持部66は、第1の冶具70及び第2の冶具72をそれぞれ回転駆動するアクチュエータを備えており、第1の冶具70及び第2の冶具72を個別に回転駆動する。これらアクチュエータは、制御部68によって制御され、例えば、第1の冶具70の回転後に第2の冶具72を逆回転することや、第1の冶具70の回転中に第2の冶具72の回転を停止することも可能である。なお、第1の冶具70及び第2の冶具72の動作の詳細については後述する。
次に、ステータ20の製造工程について図7を参照して説明する。ステータ20を製造する製造装置は、導体セグメント32をステータコア22に挿入する挿入装置と、スロット30から突出する導体セグメント32を折り曲げる折曲装置60と、折り曲げられた導体セグメント32の先端部40を接合する溶接装置とを含んでいる。そして、図7に示すように、ステータ20の製造は、ステータコア22のスロット30に導体セグメント32を挿入する挿入工程(ステップS10)と、挿入工程に続いて、スロット30から突出する導体セグメント32を折り曲げる折曲工程(ステップS20)と、この折り曲げられた導体セグメント32の先端部40を接合する接合工程(ステップS30)とを行う。
ステップS10では、図2に示す導体セグメント32を軸方向一端側からステータコア22のスロット30に挿入する。全てのスロット30に導体セグメント32を挿入した後、このステータコア22を折曲装置60に搬入する。
ステップS20では、折曲装置60に搬入されたステータコア22を、ステータコア固定部62で固定する。ステータコア22の固定後、冶具64を下降させて、第1の冶具70の突起71及び第2の冶具72の突起73を、対応する導体セグメント32の先端部40にそれぞれ当接する。この状態から、第1の冶具70及び第2の冶具72を下降させるとともに、回転して導体セグメント32を倒し込んで折り曲げ成形する。
この折り曲げ動作について図8を参照して説明する。図8は、導体セグメント32U1と、この導体セグメント32U1に隣り合う導体セグメント32U2の折り曲げ動作を示している。図8に示すように、突起71が導体セグメント32U1の先端部40U1に当接した位置H1aから、突起71を下降及び回転することにより、突起71が位置H1a、位置H2a、位置H3aに移動し、突起71の倒し面71aが先端部40U1を押圧して導体セグメント32U1を押し倒す(折り曲げる)。そして、突起71が位置H4aに移動したとき先端部40U1は倒し面71aから外れて位置規定面71bに当接する。さらに、突起71が位置H4aから位置H5aに移動すると、先端部40U1の周方向の位置が突起71の位置規定面71bによって規定される。なお、突起71が位置H1aから位置H5aまで移動したときの移動軌跡を符号K1で示す。また、この移動軌跡K1を抜き出して示した特性図も示す。
一方、図8において、突起73は、突起71の下降及び回転に連動して、突起71と同様に、導体セグメント32U2を押し倒す(折り曲げる)。すなわち、突起73は、位置H1bから位置H5bまでは突起71と同様に動作する。突起73は、突起71の動作終了後、位置H5bから位置H6bに逆回転する。逆回転角度は、距離L1に相当する角度である。距離L1は、図3に示す距離L1と同じ距離である。すなわち、先端部40U2を距離L1だけ押し戻して、先端部40U2の位置を調整する。先端部40U2は、距離L1押し戻されることによって、先端部40U1に接近する。また、突起73が位置H1bから位置H6bまで移動したときの移動軌跡を符号K2で示し、この移動軌跡K2を抜き出して示した特性図も示す。
突起71の移動軌跡K1と突起73の移動軌跡K2とを比較すると明らかなように、突起73は、突起71の動作終了後に、突起71とは独立して逆回転している。この逆回転により、先端部40U2は、図3に示すように、距離L1だけ押し戻されて先端部40U1に接近する。この結果、図4に示すように、同相である先端部40U1と先端部40U2との間隔が狭まるとともに、異相である先端部40U2と先端部40V1との間隔が拡がって、先端部間隔G1a>先端部間隔G2aの関係となる。
また、導体セグメント32U1の先端部40U1に接合される他の同相の導体セグメント32U1は、他の冶具64によって周方向において逆向きに折り曲げられて、同相の導体セグメント32の先端部40同士は互いに当接する位置に配置される。他の導体セグメント32V1,32V2,32W1,32W2についても同様に折り曲げ成形される。
ステップS30では、同相の導体セグメント32U1の先端部40U1が互いに接触する部分にレーザーを照射して当該部分を溶接する。レーザー溶接は、局所的に加熱できるため、先端部が密集していても所望の先端部40U1のみを溶接することができる。この結果、複数の導体セグメント32U1を電気的に接続することができる。そして、全ての導体セグメント32の先端部40を溶接することにより、ステータコイル24が完成する。
このように、周方向及び軸方向において、同相の先端部40の間隔を狭めるとともに、異相の先端部40の間隔を拡げることができる。また、異相の先端部40の沿面距離も大きくすることができる。例えば、図4に示すように、異相である先端部40U2と先端部40V1との周方向及び軸方向の間隔(異相間隔)を、同相である先端部40U1と先端部40U2との間隔(同相間隔)よりも大きくすることができる。このため、電位差が大きい異相間で先端部40の絶縁性を向上することができる。その結果、先端部40を絶縁樹脂で覆う必要がなく、先端部40の絶縁処理工程が不要になり、コストの増加を抑制することができる。
また、先端部40と同様に、周方向及び軸方向において、同相の導体セグメント32の間隔を狭めるとともに、異相の導体セグメント32の間隔を拡げることができる。このため、異相の導体セグメント32の間の絶縁性を向上することができる。また、導体セグメント32を覆う絶縁樹脂の被膜を薄くすることも可能であり、絶縁樹脂の使用量を低減することができる。
また、導体セグメント32の直線部50を折り曲げたときに交差する先端部40をレーザー溶接しているので、ステータ20の軸方向の長さを短くすることができる。その結果、先端部40や導体セグメント32の絶縁性を確保した上でステータ20の小型化にも対応することができる。
さらに、冶具64を使用した折曲装置60による導体セグメント32の折り曲げ成形によって、同相の先端部40の間隔が小さく、異相の先端部40の間隔が大きいセグメントコイルを同一工程で製造することができる。このため、製造効率、製造コストを抑制しつつ、先端部40の絶縁性を向上したステータ20を製造することができる。
次に、導体セグメント32の別の折り曲げ動作について図9を参照して説明する。図9は、図8と同様に、導体セグメント32U1とこの導体セグメント32U1に隣り合う導体セグメント32U2の折り曲げ動作を示している。図9において、導体セグメント32U1の曲げ動作は、図8に示す導体セグメント32U1の曲げ動作と同じであるので、その説明を省略する。図9では突起73による導体セグメント32U2の曲げ動作について説明する。
図9において、突起73は、突起71の下降及び回転に連動して、突起71と同様に、導体セグメント32U2を押し倒す(折り曲げる)。この折り曲げ動作において、位置H1cから位置H4cまでは、図8に示す位置H1bから位置H4bまでの動作と同じである。
突起73は、位置H4cにおいて、回転動作を停止してその位置H4cに留まる。下降動作は継続して行われるので、突起73は、位置H4cから位置H5cに軸方向に沿って移動する。位置H4cでは、先端部40U2が突起73の位置規定面73bに当接しているので、先端部40U2は、突起73とともに位置H5cに移動する。
位置H4c及び位置H5cは、周方向において位置H5aから距離L1だけ手前の位置であり、この距離L1は、図3に示す距離L1と同じ距離である。すなわち、先端部40U2を先端部40U1から距離L1だけ手前の位置に留めている。このため、先端部40U2は先端部40U1に接近することになる。また、突起73が位置H1cから位置H5cまで移動したときの移動軌跡を符号K3で示し、この移動軌跡K3を抜き出して示した特性図も示す。
突起71の移動軌跡K1と突起73の移動軌跡K3とを比較すると明らかなように、突起73は、回転途中で、回転を停止することにより周方向の移動が停止されて、その位置に留まっている。突起73が留まることにより、先端部40U2は、先端部40U1から距離L1だけ手前の位置に留まって、図3に示すように、先端部40U1に接近する。この結果、図4に示すように、同相である先端部40U1と先端部40U2との間隔が狭まるとともに、異相である先端部40U2と先端部40V1との間隔が拡がって、先端部間隔G1a>先端部間隔G2aの関係となる。
このような導体セグメント32の折り曲げ動作によっても、周方向及び軸方向において、同相の先端部40の間隔を狭めるとともに、異相の先端部40の間隔を拡げることができる。例えば、図4に示すように、先端部40U2と先端部40V1との周方向及び軸方向の間隔(異相間隔)を、先端部40U1と先端部40U2との間隔(同相間隔)よりも大きくすることができる。
なお、導体セグメント32を折り曲げたときに交差する交差部を溶接接合した構成について説明したが、導体セグメント32を交差部から軸方向に延ばした直線部を溶接接合した構成に本発明の構成を適用することも可能である。
20 ステータ、22 ステータコア、24 ステータコイル、26 ヨーク、28 ティース、30 スロット、32,32U1,32U2,32V1,32V2,32W1,32W2 導体セグメント、34 連結部、36 脚部、38 渡り部、40,40U1,40U2,40V1,40V2,40W2 先端部、50 直線部、60 折曲装置、62 ステータコア固定部、64 冶具、66 冶具保持部、68 制御部、70 第1の冶具、71,73 突起、71a,73a 倒し面、71b,73b 位置規定面、72 第2の冶具、G1a,G2a 先端部間隔、G1b,G1c,G2b,G2c 導体セグメント間隔。

Claims (3)

  1. 周方向複数個所に設けられたスロットを有するステータコアと、
    前記スロットのステータコア軸方向端面から突出してステータコア周方向に折り曲げられた導体セグメントの先端が他の同相の前記導体セグメントの前記先端と接合されたステータコイルと、
    を備えた回転電機のステータであって、
    前記導体セグメントの前記先端は導体が露出しており、
    ステータコア周方向に隣り合う異相の前記先端間隔は、ステータコア周方向に隣り合う同相の前記先端間隔よりも大きいことを特徴とする回転電機のステータ。
  2. 請求項1に記載の回転電機のステータであって、
    ステータコア周方向に隣り合う異相の前記導体セグメント間隔は、ステータコア周方向に隣り合う同相の前記導体セグメント間隔よりも大きいことを特徴とする回転電機のステータ。
  3. 請求項1または2に記載の回転電機のステータの製造装置であって、
    前記スロットのステータコア軸方向端面から突出した前記導体セグメントをステータコア周方向に折り曲げる冶具を有し、
    前記冶具は、ステータコア周方向に隣り合う同相の前記導体セグメントのうち一方の前記導体セグメントを折り曲げる第1の冶具と、他方の前記導体セグメントを折り曲げる第2の冶具とを含み、
    前記第1の冶具が一方の前記導体セグメントを折り曲げる際に、前記第2の冶具は、他方の前記導体セグメントの先端が一方の前記導体セグメントの先端に近接するように、他方の前記導体セグメントを折り曲げることを特徴とする回転電機のステータの製造装置。
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