JP2020031506A - コイル構造およびコイル組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コイル端部を給排水箱にろう付け接合するにあたり、コイル素線同士の間、あるいはコイル素線と給排水箱の間におけるろう材の濡れ不足、濡れ長さ不足、ボイド発生などのろう付け不良の発生を抑制する。【解決手段】実施形態のコイル組み立て方法は、中空コイル素線を含む複数のコイル素線の端部を束ねて素線束を形成する結束ステップＳ１２と、素線束の周囲に型を装着する型装着ステップＳ１３と、第１のろう材を加熱しながら型内に供給して型内に第１のろう材を充填する第１のろう付けステップＳ１５と、第１のろう材を冷却して固化させた後に型を取り外す型取り外しステップＳ１６と、第１のろう材でろう付けされた素線束の端部に給排水箱を第２のろう材でろう付けして中空コイル素線の中空部と給排水箱の内部空間とを連通させる第２のろう付けステップＳ１８と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、コイル構造およびコイル組み立て方法に関する。

大形の発電機などの回転電機のステータコイルの構造として、ステータコイルの素線の端部を格子状に束ねて給排水箱（クリップ）にろう付け接合する構造が知られている。この場合、ステータコイルの素線の一部が中空構造であり、給排水箱を通してステータコイル素線の中空部に水を流して冷却する。

特表平９−５０６２４０号公報 特開２００６−３４０５２１号公報

本発明の実施形態は、上記構造のコイル端部を給排水箱にろう付け接合するにあたり、コイル素線同士の間、あるいはコイル素線と給排水箱の間におけるろう材の濡れ不足、濡れ長さ不足、ボイド発生などのろう付け不良の発生を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る一つのコイル組み立て方法は、少なくとも１本の中空コイル素線を含み互いに平行に延びる複数のコイル素線の端部を束ねて素線束を形成する結束ステップと、前記結束ステップで形成された前記素線束の周囲に型を装着する型装着ステップと、前記型装着ステップの後に、第１のろう材を加熱しながら前記型内に供給して前記型内に第１のろう材を充填する第１のろう付けステップと、前記第１のろう付けステップの後に、前記第１のろう材を冷却して固化させた後に前記型を取り外す型取り外しステップと、前記型取り外しステップの後に、前記第１のろう材でろう付けされた前記素線束の端部に給排水箱を第２のろう材で液密にろう付けして前記中空コイル素線の中空部と前記給排水箱の内部空間とを連通させる第２のろう付けステップと、を有する。

また、本発明の実施形態に係る一つのコイル組み立て方法は、少なくとも１本の中空コイル素線を含み互いに平行に延びる複数のコイル素線の端部を束ねて素線束を形成する結束ステップと、前記結束ステップで形成された前記素線束の周囲を囲むようにスリーブを装着するスリーブ装着ステップと、前記素線束と前記スリーブとを溶接により接合する溶接ステップと、前記溶接ステップの後に、第１のろう材を加熱しながら前記スリーブ内に供給して前記スリーブ内に第１のろう材を充填する第１のろう付けステップと、前記第１のろう付けステップの後に、前記第１のろう材でろう付けされた前記スリーブに給排水箱を第２のろう材で液密にろう付けして前記中空コイル素線の中空部と前記給排水箱の内部空間とを連通させる第２のろう付けステップと、を有する。

また、本発明の実施形態に係る一つのコイル構造は、少なくとも１本の中空コイル素線を含み互いに平行に延びる複数のコイル素線の端部を第１のろう材によって互いに結合した素線束と、前記素線束の端部に第２のろう材によって液密にろう付けされて前記中空コイル素線の中空部と連通する給排水箱と、を備えたコイル構造であって、前記第１のろう材によって互いに結合した前記素線束の前記前記第１のろう材の近傍で前記複数のコイル素線同士を接続する接着剤が充填されている。

また、本発明の実施形態に係る一つのコイル構造は、少なくとも１本の中空コイル素線を含み互いに平行に延びる複数のコイル素線の端部を結束した素線束と、前記素線束の端部の外周を取り囲むように配置され前記素線束と溶接によって接合されて、前記コイル素線同士の間および前記コイル素線との間に液密に第１のろう材によって内部が充填されるように構成されたスリーブと、第２のろう材によって前記スリーブと液密にろう付けされて、前記中空コイル素線の中空部と連通する内部空間が形成された給排水箱と、を有する。

本発明の第１の実施形態に係るコイル構造を示す立面図である。 本発明の第１の実施形態に係るコイル構造の要部を示す縦断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るコイル組み立て方法の手順を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態に係るコイル構造のコイル素線の要部を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るコイル組み立て方法において、コイル素線を曲げて束ねて型内に配置した状態を示す立面図である。 図５の状態における要部拡大斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るコイル組み立て方法において、型内にコイル素線を配置し、ワイヤ状のろう材を挿入した状態を示す立断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るコイル組み立て方法において、第１のろう付けステップの後に、型を取り外し、第１のろう付け部の途中で切断した状態を示す立面図である。 本発明の第２の実施形態に係るコイル構造の要部を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るコイル組み立て方法の手順を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係るコイル組み立て方法において、コイル素線を束ねてスリーブを取り付けた状態を示す要部拡大斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係るコイル構造およびその組み立て方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るコイル構造を示す立面図である。図２は、第１の実施形態に係るコイル構造の要部を示す縦断面図である。

ここで、コイル構造は、たとえば、大形発電機のステータのコイルの端部組み立て構造である。複数のコイル素線１１、１２が互いに平行に延び、給排水箱１３に接続されている。複数のコイル素線１１、１２には、通常は中空コイル素線１１と中実コイル素線１２の両方が含まれている。ただし、少なくとも１本の中空コイル素線１１が含まれていればよく、すべてのコイル素線が中空コイル素線１１であってもよい。コイル素線１１、１２および給排水箱１３には、銅などの導電率が高い金属材料が用いられる。

コイル素線１１、１２同士は第１のろう材３５によって液密に接合されていて、コイル素線１１、１２と給排水箱１３とは第２のろう材３６によって液密に接合されている。中空コイル素線１１の中空部は給排水箱１３の内部空間１４と連通している。

コイル素線１１、１２は途中で曲げられている。

給排水箱１３には冷却配管１５が接続され、冷却配管１５は給排水箱１３の内部空間１４と連通している。これにより、冷却配管１５から供給される冷却水が給排水箱１３の内部空間１４を介して中空コイル素線１１の中空部を流通し、コイル素線１１、１２を冷却するように構成されている。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るコイル組み立て方法の手順を示すフロー図である。図４は、第１の実施形態に係るコイル構造のコイル素線の要部を示す斜視図である。図５は、第１の実施形態に係るコイル組み立て方法において、コイル素線を曲げて束ねて型内に配置した状態を示す立面図である。図６は、図５の状態における要部拡大斜視図である。図７は、第１の実施形態に係るコイル組み立て方法において、型内にコイル素線を配置し、ワイヤ状のろう材を挿入した状態を示す立断面図である。図８は、第１の実施形態に係るコイル組み立て方法において、第１のろう付けステップの後に、型を取り外し、第１のろう付け部の途中で切断した状態を示す立面図である。

ここで、図３のフロー図に沿って、第１の実施形態に係るコイル組み立て方法の手順について説明する。

まず、コイル素線１１、１２それぞれのろう付け対象部を削って、図４に示すような薄肉部２０を形成する（薄肉化ステップＳ１０）。ここで、コイル素線１１、１２のうちの薄肉部２０を除く部分を厚肉部２０ａと呼ぶ。

つぎに、コイル素線１１、１２それぞれを、例えば図１に示すように階段状に曲げる（曲げステップＳ１１）。

つぎに、コイル素線１１、１２を格子状に配列して結束する（結束ステップＳ１２）。後述する図７に示すように、コイル素線１１、１２それぞれの横断面形状（コイル素線の延びる方向に垂直な断面における形状）はほぼ長方形であり、結束されたコイル素線１１、１２の束全体の横断面形状はほぼ長方形である。複数のコイル素線１１、１２を束ねて互いに隣接するコイル素線１１、１２の厚肉部２０ａ同士を接触させて配列したとき、互いに隣接するコイル素線１１、１２の薄肉部２０同士の間に間隙が生じる。これにより、後述する第１のろう付けステップＳ１５で、ろう材の流動を促進して気泡の残留を抑制することができる。

つぎに、図５ないし図７に示すように、結束されたコイル素線１１、１２の外側に型２１を装着する（型装着ステップＳ１３）。型２１は、石膏やセラミックスなどの耐熱材料から構成されている。型２１は、平板状の底板２２と、底板２２の一端から立ち上がる平板状の第１の側板２３と、底板２２の他端から立ち上がる平板状の第２の側板２４とを有する。底板２２、第１の側板２３および第２の側板２４は、一体的に形成されている。なお、これらを分割して形成した後に接着して一体化してもよい。第１の側板２３と第２の側板２４で、結束されたコイル素線１１、１２全体をはさみ込む。型２１の上方は開口部が形成されて開放されている。

図６および図７に示す例では、コイル素線１１、１２それぞれの横断面形状はほぼ長方形であり、これらが水平方向に２本が平行に並び、上下方向に３段に並んでいて、全体で６本のコイル素線１１、１２が、横断面形状がほぼ長方形をなすように配列されている。ただし、このような配列に限定されるものではない。

型２１は、コイル素線１１、１２の薄肉部２０の長さ方向全体を覆い、型２１の両端部はコイル素線１１、１２の厚肉部２０ａを覆うように配置されている。

第１の側板２３は第２の側板２４よりも肉厚が大きく、第１の側板２３の内面の上端から底板２２の上面に向かってほぼ上下に延びる溝（ろう材通路）２５が形成されている。溝２５の底面２５ａは傾斜していて、底面２５ａが下方に行くほど、底板２２の上に載置されたコイル素線１１、１２に近づくように構成されている。これにより、図７に示すように、第１のろう材３５の元となるワイヤ状のろう材３０を上方から溝２５内に挿入するときに、ろう材３０を、上段および中段のコイル素線１１、１２に接触させることなく、最下段のコイル素線１１、１２に接触させることができるように構成されている。

型装着ステップＳ１３のつぎに、型２１の両端部に耐熱接着剤３１を注入する（接着剤注入ステップＳ１４）。耐熱接着剤３１は、たとえば、無機フィラーを含有する。耐熱接着剤３１は、コイル素線１１、１２同士の隙間およびコイル素線１１、１２と型２１との隙間を充填し、つぎの第１のろう付けステップＳ１５で、溶融したろう材が型２１の両端部から外側に漏洩するのを抑制するものである。

つぎに、コイル素線１１、１２を加熱し、図７に示すように、ワイヤ状のろう材３０を上方から溝２５内に挿入してろう付けを行う（第１のろう付けステップＳ１５）。コイル素線１１、１２の加熱は、たとえば、型２１の両端から外側に突出したコイル素線１１、１２の周りに電磁誘導加熱用コイル（図示せず）を配置して電磁誘導加熱を行う。前述のように、ワイヤ状のろう材３０を上方から溝２５の底面２５ａに沿って下降させ、ろう材３０の下端を最下段のコイル素線１１、１２に接触させる。

これにより、ろう材３０はコイル素線１１、１２から受ける熱によって溶融し、型２１の下部から溶融した第１のろう材３５が充填されていく。第１のろう材３５が型２１の下部から上方に向かって充填されていくので、気泡が上方に抜けやすく、気泡が残留する可能性は低い。

また、コイル素線１１、１２の薄肉部２０の存在によって、型２１内で、コイル素線１１、１２同士の間の隙間が比較的大きく、それにより、溶融した第１のろう材３５の流動が促進される。それによって、気泡が残留する可能性がさらに低くなる。

なお、このとき、接着剤３１の存在によって、溶融したろう材が型２１の外側に流出するのが抑制される。

つぎに、加熱を止めて、第１のろう材３５が放熱して固化した後に、型２１を取り外す（型取り外しステップＳ１６）。

つぎに、図８に示すように、第１のろう付けステップＳ１５でろう付けされたろう付け部３３を、コイル素線１１、１２の方向に垂直な平面で切断する（切断ステップＳ１７）。

つぎに、切断ステップＳ１７で切断した部分を覆うように給排水箱１３を取り付けて、コイル素線１１、１２の束と給排水箱１３とを第２のろう材３６でろう付けする（第２のろう付けステップＳ１８）。第２のろう付けステップＳ１８で使用する第２のろう材３６の固相線温度は、第１のろう付けステップＳ１５で使用する第１のろう材３５の固相線温度よりも低いものとする。第２のろう付けステップＳ１８での加熱温度を第１のろう材の固相線温度よりも低く抑えることにより、第２のろう付けステップＳ１８のさいに、第１のろう材３５が溶融または軟化するのを避けることができる。

第２のろう付けステップＳ１８の後に、図１に示すように、給排水箱１３に冷却配管１５をろう付けなどにより接続する。なお、給排水箱１３と冷却配管１５との接続は、第２のろう付けステップＳ１８の前に行ってもよい。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、コイル端部を給排水箱１３にろう付け接合するにあたり、コイル素線１１、１２同士の間、あるいはコイル素線１１、１２と給排水箱１３の間におけるろう材の濡れ不足、濡れ長さ不足、ボイド発生などのろう付け不良の発生を抑制することができる。

［第２の実施形態］
図９は、本発明の第２の実施形態に係るコイル構造の要部を示す縦断面図である。

この第２の実施形態に係るコイル構造では、コイル素線１１、１２の束の周りを囲むようにスリーブ４０が配置されて、スリーブ４０が給排水箱１３に取り付けられている。スリーブ４０には、銅などの導電率の高い金属材料が用いられる。コイル素線１１、１２とスリーブ４０とは第１のろう材によって液密にろう付けされており、スリーブ４０と給排水箱１３とは第２のろう材によって液密にろう付けされている。スリーブ４０の構成については、図１１を参照して後述する。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

図１０は、第２の実施形態に係るコイル組み立て方法の手順を示すフロー図である。図１１は、第２の実施形態に係るコイル組み立て方法において、コイル素線を束ねてスリーブを取り付けた状態を示す要部拡大斜視図である。

ここで、図１０のフロー図に沿って、第２の実施形態に係るコイル組み立て方法の手順について説明する。

薄肉化ステップＳ１０、曲げステップＳ１１および結束ステップＳ１２は、第１の実施形態と同様である。

結束ステップＳ１２の後に、図１１に示すように、結束されたコイル素線１１、１２の外側にスリーブ４０を装着する（スリーブ装着ステップＳ２３）。スリーブ４０は第１の実施形態における型２１に代わるものであるが、スリーブ４０を外すというステップはない。スリーブ４０の構造は、第１の実施形態における型２１の構造とほぼ同様であって、図１１に示すように、底板４２と第１の側板４３と第２の側板４４とを有し、上部は開口部が形成されて開放されている。第１の側板４３には、溝（ろう材通路）４５が形成されている。

コイル素線１１、１２の束を第１の側板４３と第２の側板４４ではさみ込む。第１の側板４３および第２の側板４４の両端部の上部に、コイル素線１１、１２の束の上端から第１の側板４３と第２の側板４４の上端高さまで上下に延びる端部板５０、５１が配置されている。コイル素線１１、１２の束の上方に、第１の側板４３、第２の側板４４および端部板５０、５１によって囲まれた上部開放のろう材溜まり空間５２が形成される。端部板５０、５１には、銅などの導電率の高い材料が用いられる。

つぎに、コイル素線１１、１２同士、および、コイル素線１１、１２とスリーブ４０との間を溶接によって接合する（溶接ステップＳ２４）。この溶接ステップＳ２４は第１の実施形態の接着剤注入ステップＳ１４に代わるものである。溶接ステップＳ２４において、溶接部５５によって隙間が埋められるので、その後の第１のろう付けステップＳ１５で第１のろう材がスリーブ４０の外側に流出するのが抑制される。

つぎに、第１の実施形態と同様に第１のろう付けステップＳ１５を行う。ただし、この第２の実施形態では、第１のろう付けステップＳ１５の終わりに近づいたときにろう材溜まり空間５２に第１のろう材が溜められ、スリーブ４０の上部開口部が第１のろう材で塞がれる。

この第２の実施形態では、第１の実施形態の型取り外しステップＳ１６に相当するステップはなく、第１のろう付けステップＳ１５のつぎに、第１の実施形態と同様の切断ステップＳ１７を行い、そのつぎに第２のろう付けステップＳ１８を行う。ただし、第２のろう付けステップＳ１８では、スリーブ４０と給排水箱１３とを第２のろう材によってろう付けする。

この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、型を外すステップが不要となるので、省力化を図ることができる。

［他の実施形態］
上記実施形態の説明では、第１のろう材と第２のろう材は異なるものとしたが、第１のろう材と第２のろう材とを同じとすることも可能である。

また、上記実施形態の説明では、型２１またはスリーブ４０に、ワイヤ状のろう材を供給するためのろう材通路としての溝２５を設けるものとした。ろう材通路としては溝２５である必要はなく、型２１またはスリーブ４０に、溝２５に代えて貫通孔（図示せず）を設けてもよい。なお、溝や貫通孔などのろ材通路を設けることは必須ではない。

また、あらかじめ適当な長さのコイル素線１１、１２を用いれば、切断ステップＳ１７は不要である。

なお、薄肉化ステップＳ１０と曲げステップＳ１１の順序は逆にすることもできる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…中空コイル素線（コイル素線）、 １２…中実コイル素線（コイル素線）、 １３…給排水箱、 １４…内部空間、 １５…冷却配管、 ２０…薄肉部、 ２０ａ…厚肉部、 ２１…型、 ２２…底板、 ２３…第１の側板、 ２４…第２の側板、 ２５…溝（ろう材通路）、 ２５ａ…底面、 ３０…ろう材、 ３１…耐熱接着剤、 ３３…ろう付け部、 ３５…第１のろう材、 ３６…第２のろう材、 ４０…スリーブ、 ４２…底板、 ４３…第１の側板、 ４４…第２の側板、 ４５…溝（ろう材通路）、 ５０、５１…端部板、 ５２…ろう材溜まり空間、 ５５…溶接部

Claims (14)

1. 少なくとも１本の中空コイル素線を含み互いに平行に延びる複数のコイル素線の端部を束ねて素線束を形成する結束ステップと、
   前記結束ステップで形成された前記素線束の周囲に型を装着する型装着ステップと、
   前記型装着ステップの後に、第１のろう材を加熱しながら前記型内に供給して前記型内に第１のろう材を充填する第１のろう付けステップと、
   前記第１のろう付けステップの後に、前記第１のろう材を冷却して固化させた後に前記型を取り外す型取り外しステップと、
   前記型取り外しステップの後に、前記第１のろう材でろう付けされた前記素線束の端部に給排水箱を第２のろう材で液密にろう付けして前記中空コイル素線の中空部と前記給排水箱の内部空間とを連通させる第２のろう付けステップと、
   を有するコイル組み立て方法。
2. 前記型装着ステップの後で前記第１のろう付けステップの前に、前記素線束と前記型とを接着剤により接着する接着ステップをさらに有する請求項１に記載のコイル組み立て方法。
3. 前記型には、上部に開いた開口部と、その開口部から下方に向かって延びるろう材通路とが形成されており、
   前記第１のろう付けステップで、前記開口部の上方から前記ろう材通路を通して前記型内に前記第１のろう材を挿入して前記第１のろう材の先端を前記素線束の上部に接触させずに前記素線束の下部に接触させるようにして前記第１のろう材を供給する、
   請求項１または請求項２に記載のコイル組み立て方法。
4. 前記ろう材通路は、前記第１のろう材が前記開口部から下方に向かって徐々に前記素線束に近づくように傾斜している請求項３に記載のコイル組み立て方法。
5. 前記結束ステップの前に、前記複数のコイル素線の少なくとも一部に対して、前記型装着ステップで前記型内に入る長さ方向の一部分に薄肉部を形成する薄肉化ステップをさらに有する、
   請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のコイル組み立て方法。
6. 少なくとも１本の中空コイル素線を含み互いに平行に延びる複数のコイル素線の端部を束ねて素線束を形成する結束ステップと、
   前記結束ステップで形成された前記素線束の周囲を囲むようにスリーブを装着するスリーブ装着ステップと、
   前記素線束と前記スリーブとを溶接により接合する溶接ステップと、
   前記溶接ステップの後に、第１のろう材を加熱しながら前記スリーブ内に供給して前記スリーブ内に第１のろう材を充填する第１のろう付けステップと、
   前記第１のろう付けステップの後に、前記第１のろう材でろう付けされた前記スリーブに給排水箱を第２のろう材で液密にろう付けして前記中空コイル素線の中空部と前記給排水箱の内部空間とを連通させる第２のろう付けステップと、
   を有するコイル組み立て方法。
7. 前記スリーブには、上部に開いた開口部と、その開口部から下方に向かって延びるろう材通路とが形成されており、
   前記第１のろう付けステップで、前記開口部の上方から前記ろう材通路を通して前記スリーブ内に前記第１のろう材を挿入して前記第１のろう材の先端を前記素線束の上部に接触させずに前記素線束の下部に接触させるようにして前記第１のろう材を供給する、
   請求項６に記載のコイル組み立て方法。
8. 前記ろう材通路は、前記第１のろう材が前記開口部から下方に向かって徐々に前記素線束に近づくように傾斜している請求項７に記載のコイル組み立て方法。
9. 前記結束ステップの前に、前記複数のコイル素線の少なくとも一部に対して、前記スリーブ装着ステップで前記スリーブ内に入る長さ方向の一部分に薄肉部を形成する薄肉化ステップをさらに有する、
   請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載のコイル組み立て方法。
10. 前記第１のろう材の固相線温度が前記第２のろう材の固相線温度よりも高い請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載のコイル組み立て方法。
11. 少なくとも１本の中空コイル素線を含み互いに平行に延びる複数のコイル素線の端部を第１のろう材によって互いに結合した素線束と、
    前記素線束の端部に第２のろう材によって液密にろう付けされて前記中空コイル素線の中空部と連通する給排水箱と、
    を備えたコイル構造であって、
    前記第１のろう材によって互いに結合した前記素線束の前記前記第１のろう材の近傍で前記複数のコイル素線同士を接続する接着剤が充填されているコイル構造。
12. 少なくとも１本の中空コイル素線を含み互いに平行に延びる複数のコイル素線の端部を結束した素線束と、
    前記素線束の端部の外周を取り囲むように配置され前記素線束と溶接によって接合されて、前記コイル素線同士の間および前記コイル素線との間に液密に第１のろう材によって内部が充填されるように構成されたスリーブと、
    第２のろう材によって前記スリーブと液密にろう付けされて、前記中空コイル素線の中空部と連通する内部空間が形成された給排水箱と、
    を有するコイル構造。
13. 前記複数のコイル素線の少なくとも一部において、前記第１のろう材によって互いに結合される薄肉部が形成されている請求項１１または請求項１２に記載のコイル構造。
14. 前記第１のろう材の固相線温度が前記第２のろう材の固相線温度よりも高い請求項１１ないし請求項１３のいずれか一項に記載のコイル構造。

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