JP2019140839A - 回転電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のコイル線と中性線を溶接する場合において、絶縁皮膜の損傷の防止または抑制を図る。【解決手段】コイル線２０の絶縁被覆された被覆部２０ａの端部は、絶縁被覆が剥離された被覆剥離部２０ｂである。配置工程では、被覆剥離部２０ｂに設定された接続箇所と、中性線１８の端子１８ｃに設定された接続箇所とを接触させて配置する。そして、溶接工程では、この接触部分に対して、被覆部２０ａに近い側を始点２６ａとし、被覆部２０ａに遠い側を終点２６ｂとして、レーザ溶接機２４のレーザ照射を行い、レーザ溶接する。 これによりコイル線２０と中性線１８とが電気的に接続された回転電機が製造される。【選択図】図２

Description

本発明は、コイル線と中性線とが溶接される回転電機の製造方法に関する。

回転電機（モータあるいはジェネレータ）では、コイル線をＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接によって接続する場合がある。具体的には、複数のセグメントコイル線を接続してコイル線を形成する場合に、セグメントコイル線間をＴＩＧ溶接する例が挙げられる。また、多相交流の回転電機において、中性点連結に用いる中性線を、各相のコイル線と溶接する例も知られている。

下記特許文献１には、ＴＩＧ溶接により加えられる大きな熱量によってコイル線の絶縁被覆が損傷することを防止するため、絶縁被覆の剥離部を大きくとる必要があるとの記載がなされている。

下記特許文献２には、セグメントコイル線の端部同士をＴＩＧ溶接によって結合することが記載されている。

特開２０１２−１３９０７５号公報 特開２０１２−２５７３９１号公報

コイル線と中性線の溶接を行う場合には、溶接時の熱によってコイル線が高温化し、絶縁皮膜が損傷することが考えられる。

本発明の目的は、回転電機のコイル線と中性線を溶接する場合において、絶縁皮膜の損傷の防止または抑制を図ることにある。

本発明の一態様にかかる回転電機の製造方法は、絶縁被覆されたコイル線の端部の被覆剥離部に設定された接続箇所と、中性線に設定された接続箇所とを接触させて配置する配置工程と、前記コイル線の前記接続箇所と前記中性線の前記接続箇所の接触部分に対し、前記絶縁被覆に近い側を始点とし、前記絶縁被覆に遠い側を終点として、レーザ照射を行って、レーザ溶接する溶接工程と、を含み、これにより前記コイル線と前記中性線とが電気的に接続された回転電機を製造するものである。

溶接工程では、接触部分の全範囲を溶接してもよいが、接触部分の一部のみを溶接してもよい。すなわち、レーザ溶接の始点は、接触部分における絶縁被覆に近い端部であり、また、レーザ溶接の終点は、接触部分における絶縁被覆から遠い端部である。

レーザ照射の始点と終点を定めるためには、コイル線の接続箇所から絶縁被覆までの距離が一定ではなく、接続箇所内の位置に応じて変化する必要がある。コイル線における絶縁被覆と被覆剥離部との境界が、線長方向にほぼ直交するように設けられる場合には、コイル線における接続箇所を、コイル線の線長方向を含む面（コイル線の被覆剥離部における側面、斜め切断面、曲面的切断面など）に設定することで、始点と終点を定めることが可能となる。絶縁被覆と被覆剥離部との境界が、線長方向に直交していない（例えば、線長に対して斜めに形成されている）場合には、コイル線の線長方向に直交する面（コイル線の被覆剥離部先端の直交断面など）に接続箇所を設定したときにも、始点と終点を定めることが可能となる。

本発明によれば、絶縁被覆に近い側では、遠い側に比べて、溶接による投入される熱量を相対的に小さくすることができるため、絶縁被覆の損傷を防止または抑制することが可能となる。

一般に、レーザ溶接の終点付近には、溶接ビードの盛り上がりが形成される。この盛り上がりによって、終点付近では、溶接断面積が大きくなり、溶接強度が周囲よりも強くなることが期待できる。溶接に先立ってコイル線と中性線の少なくとも一方をクランプ等で変形して両者を接触させる場合には、溶接後に変形の反力にともなう残留応力が溶接端に集中することが考えられる。このような場合には、絶縁被覆に遠い側の溶接端における残留応力が、絶縁被覆に近い側の溶接端における残留応力よりも大きくなるように設定すれば、溶接ビードの盛り上がりによって、溶接個所の破断を防止または抑制する効果を高めることができる。

レーザ溶接では、ＴＩＧ溶接のように溶接用の電極を溶接個所に当接する必要がなく、溶接個所の体格を小さくすることが可能となる。

本実施形態にかかる回転電機のステータの概略構成を示す斜視図である。 本実施形態にかかるレーザ溶接を説明する斜視図である。 レーザ溶接に先立って、中性線とコイル線を配置する工程を説明する図である。 レーザ溶接後における、中性線とコイル線の状態を説明する図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、本実施形態にかかる回転電機のステータ１０の概略構成を示した斜視図である。ステータ１０は、回転電機である永久磁石型３相交流モータを構成する部品であり、ステータコア１２と、コイル１４を含んでいる。

ステータコア１２は、円盤形状に打ち抜いた電磁鋼板を積層することで、円筒形状に形成されており、図示を省略したロータの周囲にロータと同軸配置される。ステータコア１２の外周側には、ステータコア１２をモータケースに取り付けるための孔部１２ａが形成されている。また、ステータコア１２の内周側には、回転軸方向に延びる複数のスロット（溝）が形成されている。

コイル１４は、図１では詳細を省略して図示しているが、スロットにコイル線を巻回して配置されており、供給されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電力に対応した３相の回路からなる。コイル線は、絶縁被覆されたＵ字形状の複数のセグメントコイル線をスロットに挿入し、絶縁被覆が剥離された端部を回路設計に従って溶接等により接続することで形成されている。このため、コイル１４は、ステータコア１２よりも軸方向の上下に飛び出したコイルエンド１４ａ、１４ｂを有している。

上側のコイルエンド１４ａには、電力供給線１６が接続されている。電力供給線１６は、Ｕ相線１６ａ、Ｖ相線１６ｂ、Ｗ相線１６ｃからなる。電力供給線１６の一端はコイル１４の各相に対応したコイル線に溶接によって接続され、他端は図示を省略したインバータに接続されている。

上側のコイルエンド１４ａには、さらに、中性線１８が接続されている。中性線１８には、３つの突起状の端子１８ａ、１８ｂ、１８ｃが設けられており、これらをコイル１４の所定のコイル線と連結することで、コイル１４の３相の回路が中性点連結される。

ここで、永久磁石式３相交流モータの動作について簡単に説明する。永久磁石式３相交流モータでは、インバータから３相の交流電力が、電力供給線１６を通じてコイル１４の３相の回路に供給される。コイル１４では、巻回されたコイル線に電流が流れることで、強い磁界が形成される。形成される磁界は、３相交流の時間変化にともなって周方向に回転移動する回転磁界となる。

ステータ１０の内側に配置されるロータは、回転軸であるシャフトと、シャフトとともに回転するロータコアを含んでいる。ロータコアには、複数の永久磁石が配置されて複数の磁極が形成されている。この磁極がステータ１０に形成された回転磁界と相互作用することでロータが回転する。生成されたトルクは、シャフトを通じて外部に取り出される。

続いて、図２〜図４を参照して、中性線１８と、コイル１４を形成するコイル線２０とをレーザ溶接する工程について説明する。図２は、レーザ溶接の様子を示す斜視図である。また、図３はレーザ溶接に先立つ準備状況、図４はレーザ溶接後の状況を示している。

図２に示すように、中性線１８は比較的断面積が大きい（太い）平角線であり、銅などの導体によって形成されている。中性線１８の先端域には、コイル１４側に向かう端子１８ｃが設けられている。中性線１８の表面は絶縁被覆されていない。

コイル線２０は、コイル１４を形成する平角線であり、銅などの導体によって形成されている。図示した例では、コイル線２０は中性線１８に比べて断面積が小さい（細い）。コイル線２０の大部分は、表面がエナメル被覆などによって絶縁被覆された被覆部２０ａであるが、その先端部は絶縁被覆が剥離された被覆剥離部２０ｂとなっている。

図３は、溶接に先立って、中性線１８をステータ１０に配置する工程を示している。ここでは、中性線１８の端子１８ｃの先端に設定された接続箇所１８ｃ１を、コイル線２０の先端の被覆剥離部２０ｂにおける側面に設定された接続箇所２０ｂ１に接触させようとしている。図示した例では、中性線１８を単にセットした状態では、中性線１８の接続箇所１８ｃ１と、コイル線２０の接続箇所２０ｂ１とが離間して配置されるように設計されている。具体的には、コイル線２０は中性線１８の端子１８ｃに対して若干斜めに配置されており、コイル線２０の接続箇所２０ｂ１と中性線１８の接続箇所１８ｃ１との隙間は、被覆部２０ａに近い側の隙間２８ａに比べて被覆部２０ａに遠い側の隙間２８ｂが大きくなるように設定されている。

溶接にあたっては、中性線１８とコイル線２０をクランプで挟み込み、接続箇所１８ｃ１と接続箇所２０ｂ１とを接触させる。図示した例では、中性線１８の方がコイル線２０よりも太く作られているため、クランプで押圧された場合には、主としてコイル線２０が変形する。図３における矢印２２は、クランプによってコイル線２０に与えられる力を模式的に示したものである。この力によって、コイル線２０は中性線１８の側に弾性変形し、接続箇所２０ｂ１と接続箇所１８ｃ１が密着する。

レーザ溶接は、図２に示すように、接続箇所２０ｂ１と接続箇所１８ｃ１の接触部分に対し、レーザ溶接機２４によってレーザ照射することで行われる。レーザ溶接機２４は、発振したレーザを溶接個所に照射する装置である。使用するレーザは特に限定されず、例えば、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザなどを用いることができる。また、レーザ照射にあたっては、例えば、光ファイバを利用したレーザの転送や、集光レンズを利用した集光などが行われる。

レーザ溶接機２４によるレーザの照射は、接続箇所のうち被覆部２０ａに近い始点２６ａ付近から開始し、被覆部２０ａに遠い終点２６ｂで終了する。通常の設定では、レーザ照射中は、レーザの強さは実質的に一定となるように維持され、また、照射箇所の移動速度も実質的に等速に保たれる。

レーザが照射された部位では、レーザのエネルギを吸収して、急速に加熱され、溶融が起こる。始点２６ａ付近では、与えられる熱量が少ないため、表面付近が浅く溶融するだけであるが、レーザを移動する過程では、それ以前に投入された熱によって照射部位が高温化し、条件次第では既に溶融が開始された状態になるため、次第に深い範囲まで溶融が起こる。この結果、中性線１８の接続箇所１８ｃ１近傍の部材とコイル線２０の接続箇所２０ｂ１の近傍の部材が、比較的深くまで溶融して混合することになる。そして、レーザ照射の終了後に、溶融部分が冷却すると、中性線１８とコイル線２０とが一体的に凝固して、溶接か完成する。

図３に示した例では、溶接の痕跡である溶接ビード２６が、始点２６ａから終点２６ｂ付近にまで延びている。溶接ビード２６は、始点２６ａ付近では、加えられた熱量が小さいことを反映して幅狭になっているが、始点２６ａから離れるにつれて幅を広げている。また、溶接ビード２６の表面は、始点２６ａから終点２６ｂ近くまでは、溶融した部材の動きを反映してある程度凹凸した形状となっている。そして、終点２６ｂの付近では、他に比べて、溶接ビード２６が盛り上がっている。これは、レーザ溶接では、レーザ照射の移動にともなって溶融した部材の一部がレーザ照射の方向に運ばれる傾向があるためである。この結果、終点２６ｂ付近では、運ばれた溶融部材が凝固することで、周囲に比べて多くの溶融部材が集まって盛り上がった「溶接ビードの盛り上がり」が形成されることになる。

この溶接ビード２６の盛り上がりは、レーザ照射の条件によらず、終点２６ｂ付近で一般的にみられる現象である。すなわち、溶接が十分に適切に行われる範囲で、レーザ照射の移動速度を速くする操作、遅くする操作、非等速にする操作などを行っても、通常は、溶接ビード２６の盛り上がりが形成される。また、例えば、終点付近で、相対的に長い時間レーザ照射を行うなど、終点２６ｂ付近の照射量を変化させても、一般に、溶接ビード２６の盛り上がりが形成される。

図４に示すように、溶接の終了後には、クランプが取り除かれる。図４における矢印３０は、クランプを除去した状態で、コイル線２０に作用する残留応力を特徴的に示したものである。図示した残留応力は、コイル線２０の先端付近において、コイル線２０を図３に示した変形前の状態に戻すように作用している。すなわち、コイル線２０を弾性変形したことによる反力に起因して、残留応力が発生している。残留応力が強い場合、溶接の強度が低いと、溶接個所の破断が起きるおそれがある。しかし、図４に示した例では、コイル線２０の先端付近は、溶接ビード２６の終点２６ｂに形成された溶接ビード２６の盛り上がりによって溶接断面積が大きくなっており、溶接強度が高まっている。このため、残留応力によって、溶接個所が破断される可能性を防止あるいは抑制することができている。

以上に説明したように、レーザ照射は、コイル線２０の接続箇所２０ｂ１における被覆部２０ａに近い部位を始点２６ａとし、遠い部位を終点２６ｂとして行った。そして、始点２６ａ付近に与えられた熱量は、終点２６ｂ付近に与えられた熱量に比べて少なく抑えられた。これにより、被覆部２０ａに熱伝導する熱量も少なく、被覆部２０ａの温度上昇が抑えられ、被覆部２０ａの損傷を防止ないしは抑制することができている。被覆部２０ａは、高温化によって、被覆した部材の溶融、変形、あるいは変質などが懸念されるためである。また、被覆部２０ａを、接続箇所２０ｂ１に比較的近いところまで維持すること、言い換えれば、被覆剥離部２０ｂを小さくすることが可能となっている。

以上の説明では、中性線１８には絶縁被覆がなされていない場合について説明を行った。しかし、中性線１８は、接続箇所１８ｃ１付近を除いて、絶縁被覆されていてもよい。中性線１８の絶縁被覆の損傷を防ぐ必要がある場合には、溶接ビード２６の盛り上がり部位から絶縁被覆部までの距離を十分にとるように絶縁剥離の大きさを決めるなどすればよい。

１０ ステータ、１２ ステータコア、１２ａ 孔部、１４ コイル、１４ａ、１４ｂ コイルエンド、１６ 電力供給線、１６ａ Ｕ相線、１６ｂ Ｖ相線、１６ｃ Ｗ相線、１８ 中性線、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 端子、１８ｃ１、２０ｂ１ 接続箇所、２０ コイル線、２０ａ 被覆部、２０ｂ 被覆剥離部、２２、３０ 矢印、２４ レーザ溶接機、２６ 溶接ビード、２６ａ 始点、２６ｂ 終点、２８ａ、２８ｂ 隙間。

Claims (1)

1. 絶縁被覆されたコイル線の端部の被覆剥離部に設定された接続箇所と、中性線に設定された接続箇所とを接触させて配置する配置工程と、
   前記コイル線の前記接続箇所と前記中性線の前記接続箇所の接触部分に対し、前記絶縁被覆に近い側を始点とし、前記絶縁被覆に遠い側を終点として、レーザ照射を行って、レーザ溶接する溶接工程と、
   を含み、
   これにより前記コイル線と前記中性線とが電気的に接続された回転電機を製造することを特徴とする回転電機の製造方法。