JP2019054693A - 固定子の製造方法、回転電機の製造方法、固定子、回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】太いコイルを用いる場合でも固定子の変形を抑制できる。【解決手段】複数のスロットが円周上に設けられる固定子鉄心と、複数のスロットのそれぞれに挿入されるセグメント導体と、複数のスロットのそれぞれにおいてセグメント導体同士を溶接して構成される固定子コイルとを備える固定子の製造方法であって、セグメント導体同士を溶接する順番は、円周上の少なくとも一か所で不連続である。【選択図】図６

Description

本発明は、固定子の製造方法、回転電機の製造方法、固定子、および回転電機に関する。

昨今の地球温暖化に関連して、回転電機は小型高出力が求められている。このような回転電機として、たとえば内周側に開口する多数のスロットを備える固定子鉄心を有し、各スロットに複数の略Ｕ字形状のセグメント導体を挿入する事で占積率を向上させて性能を向上させたものが知られている。
特許文献１には、コアの異なる各スロットにそれぞれ挿通された多数の導体セグメントの端部を一対ずつ溶融接合して接合端部を形成することにより巻線を構成する導体セグメント接合型の回転電機の製造方法において、前記接合端部は、前記導体セグメント対の端部の溶融部を前記コアの周方向一方側に付勢しつつ固化することにより、前記接合端部を周方向一方側に偏って膨設された形状に形成することを特徴とする導体セグメント接合型の回転電機の製造方法が開示されている。

特許第３７６９９９０号

特許文献１に記載されている発明では、太いコイルを用いる場合に固定子の変形を抑制できない。

本発明の第１の態様による固定子の製造方法は、複数のスロットが円周上に設けられる固定子鉄心と、前記複数のスロットのそれぞれに挿入されるセグメント導体と、前記複数のスロットのそれぞれにおいて前記セグメント導体同士を溶接して構成される固定子コイルとを備える固定子の製造方法であって、前記セグメント導体同士を溶接する順番は、前記円周上の少なくとも一か所で不連続である。
本発明の第２の態様による回転電機の製造方法は、固定子を備える回転電機の製造方法であって、前記固定子は、複数のスロットが円周上に設けられる固定子鉄心と、前記複数のスロットのそれぞれに挿入されるセグメント導体と、前記複数のスロットのそれぞれにおいて前記セグメント導体同士を溶接して構成される固定子コイルとを備え、前記セグメント導体同士を溶接する順番は、前記円周上の少なくとも一か所で不連続である。
本発明の第３の態様による固定子は、上述する固定子の製造方法によって製造される。
本発明の第４の態様による回転電機は、上述する回転電機の製造方法によって製造される。

本発明によれば、太いコイルを用いる場合でも固定子の変形を抑制できる。

回転電機１０を搭載する車両５００の構成図 回転電機１０の断面図 固定子２０の外観図 固定子コイル６０の巻線方法を示す図。図４（ａ）はセグメント導体２８を示す図、図４（ｂ）はセグメント導体２８同士の接続を示す図、図４（ｃ）はスロット２１Ｓに４本のセグメント導体２８が挿入された例を示す図 一相分のコイル４０を示す図 本実施の形態における溶接の順番を示す図 比較例における溶接の順番を示す図 本実施の形態および比較例において溶接部２８Ｅの固定子コイル６０の中心からの距離を示す概念図

―実施の形態―
以下、図１〜図８を参照して、本発明にかかる回転電機の実施の形態を説明する。

（全体構成）
図１は、本発明にかかる回転電機１０を搭載する車両５００の構成図である。車両５００は、ハイブリッド自動車であり、エンジン５０１、回転電機１０、変速機５０２、前輪５０３、後輪５０４、電力変換装置５０５、およびバッテリ５０６を備える。エンジン５０１および回転電機１０が発生する動力は、変速機５０２により変速され、前輪５０３に伝達される。後輪５０４は、後輪５０４側に配置された回転電機１０と後輪５０４が機械的に接続されて、動力が伝達される。回転電機１０は、車両５００の走行状態に応じて、駆動力の発生と、車両５００の減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生とを切り換える。

回転電機１０の駆動および発電動作は、車両５００の運転状況にあわせて、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置５０５により制御される。回転電機１０の駆動に必要な電力は、電力変換装置５０５を介してバッテリ５０６から供給される。また、回転電機１０が発電動作を行う場合は、電力変換装置５０５を介してバッテリ５０６に電気エネルギーが充電される。以下、回転電機１０の構成および製造方法を説明する。

（定義）
本実施の形態では、回転電機１０の回転軸に沿った方向を「軸方向」と呼び、回転電機１０の回転方向に沿った方向を「周方向」と呼ぶ。また回転電機１０の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を「径方向」と呼ぶ。回転電機１０の径方向内側（内径側）を「内周側」と呼び、その逆方向である径方向外側（外径側）を「外周側」と呼ぶ。

（回転電機１０の構成）
図２は回転電機１０の断面図である。回転電機１０は、ハウジング５０と、固定子２０と、回転子１１とを備える。固定子２０は、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０とを備える。ハウジング５０の内周側には、固定子２０が固定される。固定子２０の内周側には、回転子１１が回転可能に支持される。ハウジング５０は、炭素鋼など鉄系材料の切削により、または、鋳鋼やアルミニウム合金の鋳造により、または、プレス加工によって円筒状に成形される。ハウジング５０は、回転電機１０の外被を構成する。ハウジング５０は、枠体またはフレームとも称される。

ハウジング５０の外周側には、液冷ジャケット１３０が固定される。液冷ジャケット１３０の内周壁とハウジング５０の外周壁とで、油などの液状の冷媒ＲＦの冷媒通路１５３が構成され、この冷媒通路１５３は液漏れしないように形成される。液冷ジャケット１３０は、軸受１４４，１４５を収納しており、液冷ジャケット１３０は軸受ブラケットとも称される。なお直接液体冷却の場合は、冷媒ＲＦは冷媒通路１５３を通り、冷媒出口１５４，１５５から固定子２０へ向けて流出し、固定子２０を冷却する。冷媒ＲＦは、冷媒貯蔵空間１５０に貯蔵される。

固定子２０は、固定子鉄心２１と、固定子コイル６０とから構成される。固定子鉄心２１は、珪素鋼板の薄板を積層したものである。固定子コイル６０は、固定子鉄心２１の内周部に多数個設けられているスロット２１Ｓに巻回され、ワニス等で固定される。固定子コイル６０からの発熱は固定子鉄心２１を介して液冷ジャケット１３０に伝熱され、液冷ジャケット１３０内を流通する冷媒ＲＦにより放熱される。

回転子１１は、回転子鉄心１２と、回転軸１３とから構成される。回転子鉄心１２は、珪素鋼板の薄板を積層したものである。回転軸１３は、回転子鉄心１２の中心に固定される。回転軸１３は、液冷ジャケット１３０に取り付けられた軸受１４４，１４５により回転自在に保持され、固定子２０内の所定の位置で、固定子２０に対向した位置で回転する。また回転子１１には、永久磁石１８と不図示のエンドリングとが設けられる。

回転電機１０の組立は、予め、固定子２０をハウジング５０の内側に挿入してハウジング５０の内周壁に取付けておき、その後、固定子２０内に回転子１１を挿入する。次に、回転軸１３に軸受１４４，１４５が嵌合するようにして液冷ジャケット１３０に組み付ける。符号６１および６２については後述する。

（固定子２０）
図３は、固定子２０の外観図である。以下では固定子２０の構成を説明する。固定子鉄心２１には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の固定子巻線４０が分布巻きで捲回される。固定子鉄心２１の内周には、その中心軸に平行に延在する例えば７２個のスロット２１Ｓが、周方向に等間隔に形成される。すなわちＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の固定子巻線４０は、絶縁紙２００で絶縁されつつスロット２１Ｓ内に挿入される。固定子巻線４０には、断面が略矩形形状の導体、たとえば銅線が使用される。固定子巻線４０の断面は、たとえば短辺と長辺がそれぞれ２ｍｍと３ｍｍの略矩形形状であり容易には変形されない。固定子巻線４０の断面が略矩形形状なので、スロット２１Ｓ内の占積率が向上され、回転電機１０の効率が向上する。

絶縁紙２００が各スロット２１Ｓに配設され、固定子鉄心２１と固定子コイル６０との電気的絶縁を確実にしている。絶縁紙２００は、銅線を包装するようにＢ字形状や、Ｓ字形状に成形される。なお、図３に示す回転電機１００は例えば三相交流を二系統備えた２Ｙモータであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線が計６個設けられる。図３に示すように、固定子コイル６０における一方のコイルエンド６１には、ＵＶＷ三相それぞれ二系統の入出力用コイル導体４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗが各相２系統の６つのコイル巻き初め端部から６本引き出されている。また、各相２系統の６つのコイル巻き終わり端部から中性点結線用導体４１（図５参照）が６本引き出されている。

（固定子コイル６０の巻線方法）
図４は、固定子コイル６０の巻線方法を示す図である。なお前述のとおり回転電機１０は三相の固定子巻線が設けられているが、図４においては、理解を容易にするために、一相の一系統のみの固定子巻線４０を示し、固定子鉄心２１や絶縁紙２００を省略して示している。

固定子コイル６０の巻線方法は、まず、断面が略矩形の銅線を図４（ａ）に示す略Ｕ字形状のセグメント導体２８に成型し、そのセグメント導体２８の先端部２８Ｅを軸方向からスロット２１Ｓに挿入する。セグメント導体２８はスロット２１Ｓよりも長いので、挿入した先端部２８Ｅはスロット２１Ｓを貫通する。次に先端部２８Ｅ付近を捻る捻り加工を行い、図４（ｂ）に示すように導体斜行部２８Ｄを形成する。なお実際には捻り加工を施すと図３に示すような形状となるが、図４（ｂ）では捻りの影響を排除して図示している。導体斜行部２８Ｄの形成が完了すると、所定の数だけ離れたスロット２１Ｓに挿入された他のセグメント導体２８と導体端部２８Ｅにおいて溶接により接続する。なお図４（ｂ）では図示の都合により隣接するスロット２１Ｓに挿入されたセグメント導体２８同士を溶接しているように図示しているが、実際には所定のセグメント数だけ離れているセグメント導体２８同士が溶接される。

溶接が完了すると、セグメント導体２８には、スロット２１Ｓに挿入されている部位である導体直線部２８Ｓと、接続相手のセグメント導体の導体端部２８Ｅへ向かって傾斜する部位である導体斜行部２８Ｄと、屈曲部２８Ｋとが形成される。Ｎを正の整数とすると、それぞれのスロット２１Ｓには２Ｎ本のセグメント導体２８が挿入される。図４（ｃ）は、Ｎが２の場合、すなわち１つのスロット２１Ｓに、２８Ｒ１〜２８Ｒ４の４本のセグメント導体２８が挿入された例を示す図である。セグメント導体２８は断面が略矩形の導体のため、スロット内の占積率を向上させることができ、回転電機１０の効率が向上する。

図５は、図４（ｂ）の接続作業をセグメント導体２８が環状となるまで繰り返し、一相分、たとえばＵ相の固定子コイル６０を形成した図である。一相分の固定子コイル６０は導体端部２８Ｅが軸方向のある一方に集まるように構成され、導体端部２８Ｅの集まる溶接側コイルエンド６２と、反溶接側コイルエンド６１とを形成する。セグメント導体２８は両端の溶接部２８Ｅが隣接するセグメント導体２８に溶接されると、環状である固定子コイル６０の一部、すなわち円弧を形成する。しかしセグメント導体２８の形状が所定の円弧形状とは異なる場合や、溶接された際の隣接するセグメント導体２８との位置や姿勢の関係が理想的な状態と異なる場合は、溶接されたセグメント導体２８には残留応力が生じる。さらにセグメント導体２８には、溶接による温度変化などを原因とする残留応力が生じる。

仮に固定子巻線４０が細く剛性が弱ければ、残留応力を受けたセグメント導体２８が局所的に変形し、セグメント導体２８自体の位置ずれは生じにくい。しかし本実施の形態における固定子コイル６０は断面が大きく剛性が高いので、残留応力が生じても局所的な変形は起こりにくく残留応力によりセグメント導体２８の位置がずれる。この位置のずれが溶接により接続された隣接するセグメント導体２８に影響し、特段の工夫を行わない場合は位置のずれが累積してしまう。そのため本実施の形態では、後述するように溶接の順番を工夫してこの問題を解決している。

（溶接の順番）
図６は本実施の形態における溶接の順番を示す図である。図６は７２個のスロット２１Ｓを有するコイル４０の平面図に相当する。図６における丸囲みの数字は溶接を実行する順番を示す。図６における丸囲みの数字の脇に記載した序数は、図示上部を１番とし時計回りにそれぞれのスロット２１Ｓに割り当てたスロット番号である。以下ではスロット番号を固定子コイル６０の円周上の位置とも呼ぶ。ただしここでは、スロット番号１番から溶接を開始し、溶接の順番は対角とする。具体的には図６に示すように、本実施の形態ではスロット番号１番、スロット番号３７番、スロット番号１９番、スロット番号５５番、スロット番号１０番・・という順番で溶接を行う。

すなわち溶接を行う位置は、溶接位置が可能な限り全周にわたって均等に分布するように決定される。これにより、図６に示すように全ての溶接個所において次の溶接個所とスロット２１Ｓが隣接しない。換言すると、ある溶接個所と次の溶接個所は少なくとも２つのスロット２１Ｓ以上離れる。なお図６では図示の都合により１０番目〜７１番目の溶接個所を省略しているが、溶接を行うスロット番号を改めて最初から記載すると以下のとおりである。ただしここでは序数の数字部分のみを記載する。

１，３７，１９，５５，１０，４６，２８，６４，５，４１，２３，５９，１４，５０，３２，６８，３，３９，２１，５７，１２，４８，３０，６６，７，４３，２５，６１，１６，５２，３４，７０，２，３８，２０，５６，１１，４７，２９，６５，８，４４，２６，６２，１７，５３，３５，７１，４，４０，２２，５８，１３，４９，３１，６７，６，４２，２４，６０，１５，５１，３３，６９，９，４５，２７，６３，１８，５４，３６，７２

また上記の数字の列から明らかなように、セグメント導体２８同士を溶接する順番は、円周上の全てで不連続である。なおこの溶接の順番は、フランジのボルトの締め付け順番、いわゆる「回し締め」の順番として知られている。上述した順番で溶接することにより、固定子コイル６０を構成するそれぞれのセグメント導体２８に生じた残留応力が累積することを回避し、固定子コイル６０の変形を低減することができる。

（比較例）
図７は比較例における溶接の順番を示す図である。作業効率の観点から連続して溶接を行うことが一般的なので、この比較例では固定子コイル６０の円周を順番に溶接する。すなわち図１に示すように、比較例ではスロット番号と溶接の順番とが一致する。換言すると、ある溶接個所に隣接するスロット２１Ｓが次の溶接個所である。

（効果）
図８は、本実施の形態および比較例において、それぞれの溶接部２８Ｅの固定子コイル６０の中心からの距離を示す概念図である。図８の横軸はスロット番号を示し、図８の縦軸は溶接部２８Ｅの固定子コイル６０の中心からの距離を示す。図８では、丸のプロットが本実施の形態を示し、三角のプロットが比較例を示す。スロット番号１番では、本実施の形態および比較例に固定子コイル６０の中心からの距離に差はない。比較例では、隣接するセグメント導体２８同士が順番に溶接されるので、位置のずれが累積する。そのため比較例ではスロット番号７２番目とスロット番号１番の距離の差は大きく、固定子コイル６０が大きなゆがみを有する。一方で本実施の形態によれば、対角線に溶接を行うので位置のずれが累積しにくく、固定子コイル６０の全周にわたって回転軸からの距離が変動しにくい。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）複数のスロット２１Ｓが円周上に設けられる固定子鉄心２１と、複数のスロット２１Ｓのそれぞれに挿入されるセグメント導体２８と、複数のスロット２１Ｓのそれぞれにおいてセグメント導体２８同士を溶接して構成される固定子コイル６０とを備える固定子２０の製造方法は、セグメント導体２８同士を溶接する順番は、円周上の少なくとも一か所で不連続である。上述した比較例のように、セグメント導体２８同士を溶接する順番が円周上ですべて連続である場合は、位置のずれが累積して固定子コイル６０が大きな歪を有する。しかし少なくとも一か所でセグメント導体２８同士を溶接する順番を不連続にすることでずれの累積を低減して、太い固定子巻線４０を用いる場合でも固定子２０の変形を抑制することができる。このようにこの固定子２０の製造方法によれば、断面が大きい矩形の固定子巻線４０を用いる小型高出力の固定子２０であって、溶接部の信頼性が優れた固定子を製造できる。

なお図４（ｂ）に示したように導体端部２８Ｅはスロット２１Ｓの外部に存在するため溶接はスロット２１Ｓの内部では行われない。しかしいずれの導体端部２８Ｅの溶接を行うかは、セグメント導体２８が挿入されているスロット２１Ｓを基準として決定することができる。そのため本実施の形態における溶接は、複数のスロット２１Ｓのそれぞれにおいてセグメント導体２８同士を溶接している、と表現することができる。

（２）セグメント導体２８同士を溶接する順番は、円周上の全てで不連続である。そのためセグメント導体２８の位置ずれの累積を排除し、固定子２０の変形を抑制することができる。

（３）セグメント導体２８同士を溶接する順番は、円周上のセグメント導体２８同士の溶接位置が全周にわたって均等に分布するように決定される。そのため固定子２０の変形をさらに抑制することができる。

（４）固定子２０は、上述した固定子２０の製造方法によって製造される。そのため固定子２０の変形が抑制される。

（５）回転電機１０は、上述した固定子２０の製造方法によって製造される固定子２０を備える。そのため固定子２０の変形が抑制されており、固定子２０への回転子１１の挿入が容易である。

（変形例１）
上述した実施の形態において図６に示した溶接の順番は、円周上のセグメント導体２８同士の溶接位置が全周にわたって均等に分布するように決定された。しかし溶接位置の分布の均等性は考慮せず、単に円周上の全てで溶接の順番が不連続となるように決定してもよい。さらに、円周上の全てで不連続であることは必須の条件ではなく、円周上の少なくとも一か所でセグメント導体２８同士を溶接する順番が不連続であればよい。

（変形例２）
上述した実施の形態では、図５に示すように溶接部２８Ｅはコイル導体４２Ｕとは軸方向で反対側にのみ存在している。しかし、溶接部２８Ｅがコイル導体４２Ｕと軸方向で同じ側にのみ存在してもよいし、溶接部２８Ｅが軸方向の両側に分布してもよい。

（変形例３）
回転電機１０は、車両５００に１つのみ備えられてもよい。また回転電機１０は、内燃機関を備えない電気自動車に備えられてもよい。さらに回転電機１０は、自動車以外に備えられてもよい。

上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０…回転電機
１１…回転子
２０…固定子
２１…固定子鉄心
２８…セグメント導体
４０…固定子巻線
４０…コイル
４１…中性点結線用導体
４２Ｕ…入出力用コイル導体
４２Ｕ…コイル導体
５０…ハウジング
６０…固定子コイル
１００…回転電機

Claims (6)

1. 複数のスロットが円周上に設けられる固定子鉄心と、
   前記複数のスロットのそれぞれに挿入されるセグメント導体と、
   前記複数のスロットのそれぞれにおいて前記セグメント導体同士を溶接して構成される固定子コイルとを備える固定子の製造方法であって、
   前記セグメント導体同士を溶接する順番は、前記円周上の少なくとも一か所で不連続である固定子の製造方法。
2. 請求項１に記載の固定子の製造方法において、
   前記セグメント導体同士を溶接する順番は、前記円周上の全てで不連続である固定子の製造方法。
3. 請求項２に記載の固定子の製造方法において、
   前記セグメント導体同士を溶接する順番は、前記円周上の前記セグメント導体同士の溶接位置が全周にわたって均等に分布するように決定される固定子の製造方法。
4. 固定子を備える回転電機の製造方法であって、
   前記固定子は、
   複数のスロットが円周上に設けられる固定子鉄心と、
   前記複数のスロットのそれぞれに挿入されるセグメント導体と、
   前記複数のスロットのそれぞれにおいて前記セグメント導体同士を溶接して構成される固定子コイルとを備え、
   前記セグメント導体同士を溶接する順番は、前記円周上の少なくとも一か所で不連続である回転電機の製造方法。
5. 請求項１に記載の固定子の製造方法によって製造された固定子。
6. 請求項４に記載の回転電機の製造方法によって製造された回転電機。
   

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