JP2020061897A

JP2020061897A - 回転電機ステータの製造方法

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Publication number: JP2020061897A
Application number: JP2018193096A
Authority: JP
Inventors: 泰之平尾; Yasuyuki Hirao; 大介水島; Daisuke Mizushima; 元章新垣; Motoaki Aragaki; 洋明武田; Hiroaki Takeda; 翔安田; Sho Yasuda
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2038-10-12
Also published as: JP7060487B2

Abstract

【課題】ステータに用いられるセグメントコイルの突出部の先端の位置の精度を向上させる。【解決手段】Ｕ字状のセグメントコイル２の２つの脚部２１をステータコア１のスロット１２に挿入し、脚部２１の一部である突出部２３をスロット１２からステータコア１の軸方向に突出させる挿入工程の後に、ステータコア１毎に突出部２３の長さを測定し、突出部２３の基準線長との差分から、調整冶具４３を軸方向に移動する距離を算出し、調整冶具４３を軸方向に移動してステータコア１に近づけつつ周方向に回転させる基準軌道を補正した補正軌道を算出する補正軌道算出工程を備え、突出部２３の先端２４の軸方向及び周方向の位置を調整する先端位置決め工程において、補正軌道で調整冶具４３を動作させて突出部２３の先端２４の軸方向及び周方向の位置を調整する。【選択図】図７

Description

本発明は、回転電機ステータの製造方法、特にステータに用いられるセグメントコイルの先端の位置調整方法に関する。

回転電機のステータコアに軸方向へ貫く複数のスロットが形成され、Ｕ字状のセグメントコイルの互いに平行な２つの脚部をそれぞれ異なるスロットに下方から上方に向かって挿入すると、脚部の一部はスロットから上方に突出した突出部となる。このように脚部がスロットに挿入されたセグメントコイルの突出部の先端と、同様に脚部がスロットに挿入された他のセグメントコイルの突出部の先端とを溶接することによって、ステータを製造する方法が知られている。このようにセグメントコイルの突出部の先端同士を溶接する場合、溶接する突出部の先端の位置を合わせる必要がある。

ステータコアに向かって突出する爪部が下端に設けられた調整冶具が、ステータコアの軸方向に突出したセグメントコイルの突出部を上方から押圧してステータコアの周方向に倒すことによって突出部の先端の軸方向の位置を調整し、調整冶具がステータの周方向に回転することによって突出部の先端を爪部が周方向に押圧して周方向の位置を調整して、突出部の先端の位置決めを行う方法が特許文献１で開示されている。

特開２０１７−０８５８０６号公報

ところで、調整冶具を軸方向に下降させてステータコアに近づけつつステータコアの周方向に回転させることによって、セグメントコイルの突出部の先端の軸方向と周方向の位置を調整することができる。しかし、ステータコアの軸方向の厚さにばらつきがあり、セグメントコイルの長さに生産ロット間でばらつきがあるため、ステータコア毎に突出部の長さにばらつきが生じる。突出部の長さのばらつきが基準線長から一定の範囲内に収まっていれば、調整冶具の軌道が一定でもセグメントコイルの先端の位置を一定の位置に調整できる。しかし、突出部の長さが長すぎたり短すぎたりして、調整冶具の一定の軌道で調整できる範囲を超えると、調整冶具で調整しても突出部の先端の周方向や軸方向の位置がずれて溶接不良などの不具合が生じることがある。

そこで、本発明は、セグメントコイルの突出部の長さが基準線長と異なる場合でも、調整冶具による調整後の突出部の先端の位置の精度を向上することを目的とする。

本発明に係る回転電機ステータの製造方法は、互いに平行な２つの脚部と、２つの脚部を連結する連結部とを有するＵ字状のセグメントコイルの２つの脚部をステータコアのそれぞれ異なるスロットに挿入し、脚部の一部である突出部をスロットからステータコアの軸方向に突出させる挿入工程と、ステータコアに向かって突出する爪部が設けられた調整冶具を軸方向に移動してステータコアに近づけつつステータコアの周方向に回転することによって、突出部を軸方向に突出した状態から周方向に倒して突出部の先端の軸方向の位置を調整し、爪部が先端を押圧して先端の周方向の位置を調整する先端位置決め工程と、を含む回転電機ステータの製造方法において、挿入工程の後に、ステータコア毎に突出部の長さを測定し、突出部の基準線長との差分から、調整冶具を軸方向に移動する距離を算出し、調整冶具を軸方向に移動してステータコアに近づけつつ周方向に回転させる基準軌道を補正した補正軌道を算出する補正軌道算出工程を備え、先端位置決め工程において、補正軌道で調整冶具を動作させて突出部の先端の軸方向及び周方向の位置を調整すること、を特徴とする。

本発明は、セグメントコイルの突出部の長さが基準線長と異なる場合でも、突出部の長さを測定し、突出部の基準線長との差分から、基準軌道を補正した補正軌道を算出し、補正軌道で調整冶具を動作させて突出部の先端の位置を調整するため、突出部の先端の位置の精度を向上させることができる。

本開示の実施形態の製造方法を示すフローチャートである。実施形態の製造方法の挿入工程によりステータコアのスロットにセグメントコイルの脚部を挿入した状態を示す側面図である。実施形態の先端位置決め工程によりセグメントコイルの突出部の先端の位置を合わせた状態を示す側面図である。実施形態の先端位置決め工程に用いるセグメントコイルの突出部の曲げ加工用装置を示す側面図である。調整部を斜め下から見た状態で一部を省略して周方向一部を示す斜視図である。図５のＡ部拡大図である。セグメントコイルの突出部の先端の位置を調整冶具で調整する方法を説明する側面図（ａ）と、爪部の下端が描く軌跡を示す図（ｂ）である。セグメントコイルの突出部の長さが基準線長の場合の調整冶具の基準軌道を算出し、基準軌道で調整冶具を動作させる方法を示すフローチャートである。調整冶具の補正軌道を算出し、補正軌道で調整冶具を動作させる方法を示すフローチャートである。調整冶具の補正軌道の一例を示す図である。セグメントコイルの突出部の先端の周方向の位置のばらつきについて、基準軌道で調整した場合と、補正軌道で調整した場合とを比較して示した図である。セグメントコイルの突出部の軸方向の高さについて、基準軌道で調整した場合と、補正軌道で調整した場合とを比較して示した図である。

以下、図面を参照しながら、実施形態の回転電機ステータの製造方法について説明する。以下に記載する軸方向、周方向、径方向は、特に断りのない限り、それぞれステータコア１の軸方向、ステータコア１の周方向、ステータコア１の径方向を示すものとする。

図１は、実施形態の回転電機ステータの製造方法を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１の挿入工程について述べる。図２（ａ）に示すように、ステータコア１は、電磁鋼板１１をステータコア１の軸方向に積層することによって構成されている。ステータコア１には軸方向に貫く複数のスロット１２が形成されている。Ｕ字状のセグメントコイル２は、互いに平行な２つの脚部２１と、２つの脚部２１を連結する連結部２２とを有する。セグメントコイル２の２つの脚部２１は、ステータコア１のそれぞれ異なるスロット１２に挿入され、脚部２１の一部である突出部２３がスロット１２からステータコア１の軸方向に突出する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ステータコア１の軸方向の厚さのばらつきや、セグメントコイル２の線長ばらつきにより、突出部２３の長さにばらつきが生じる。図２（ａ）は、ステータコア１の軸方向の厚さが厚く、セグメントコイル２の線長が短い場合であり、突出部２３の長さが短くなる。図２（ｂ）は、ステータコア１の軸方向の厚さが薄く、セグメントコイル２の線長が長い場合であり、突出部２３の長さが長くなる。

次に、図１のステップＳ３の先端位置決め工程を先に述べる。ステータコア１にコイルが巻かれたステータを完成するためには、セグメントコイル２の突出部２３の先端２４と、他のセグメントコイル２の突出部２３の先端２４とを溶接する必要がある。そのため、図３に示すように、ステータコア１の径方向に隣接する一対のセグメントコイル２の突出部２３を、ステータコア１の周方向に相互に逆向きに倒し込んで、突出部２３の先端２４の軸方向及び周方向の位置を合わせる必要がある。

そこで、図４に示す曲げ加工用装置３を用いて、突出部２３の先端２４の位置を調整する。曲げ加工用装置３は、ステータコア１を保持する保持部３１と、調整部４と、冶具駆動部３２と、制御部３３とを含んで構成される。保持部３１は、セグメントコイル２の脚部２１がスロット１２に挿入されて突出部２３が軸方向に突出した状態で、ステータコア１の下端部を掴んで保持する。調整部４は、複数のセグメントコイル２の突出部２３をステータコア１の周方向に曲げて突出部２３の先端２４の周方向及び軸方向の位置を調整する。調整部４は、保持部３１により保持されたステータコア１の上方に配置され、冶具駆動部３２を介して固定部材３４の下側に支持される。

図４及び図５に示すように、調整部４は、ステータコア１の中心軸の延長線上に位置する軸Ｏ１を中心に配置されて円筒部を有する支持部４１と、支持部４１の内側に配置された複数の調整冶具４２〜４７及び複数のセパレータ４８とを含んで構成される。図５は、調整部４を斜め下から見た斜視図で、複数の調整冶具４２〜４７及び複数のセパレータ４８を記載し、支持部４１の記載を省略している。図６は、図５の一点鎖線で囲われた部分Ａを拡大して示した図である。

図５及び図６に示すように、複数の調整冶具４２〜４７は、互いに直径が異なる円筒状であり、中心軸を一致させて径方向に並ぶように配置される。複数のセパレータ４８は、互いに直径が異なる円筒状であり、径方向に隣り合う調整冶具４２〜４７の間に配置される。調整冶具４２〜４７のそれぞれのステータコア１側端である下端の周方向等間隔の複数位置には、ステータコア１に向かって突出する爪部４９が設けられている。セパレータ４８のステータコア１側端である下端は、調整冶具４２〜４７の爪部４９の下端よりも下側に突出している。調整冶具４２〜４７の径方向の厚さは、セパレータ４８の厚さより大きい。各調整冶具４２〜４７は、その調整冶具４２〜４７の径方向内側に隣接するセパレータ４８と一体となって、冶具駆動部３２によって、軸方向に移動し周方向に回転する。

冶具駆動部３２は、調整部４で突出部２３を曲げて先端２４の位置を調整する際に、調整冶具４２〜４７を軸方向に移動させてステータコア１に近づけ周方向に回転させる。冶具駆動部３２は、径方向に隣り合う２つの調整冶具を互いに逆方向に回転させる。つまり、調整部４で突出部２３を曲げて先端２４の位置を調整する際に、調整冶具４２、調整冶具４４及び調整冶具４６は、図４の上方から見て時計回りに回転し、調整冶具４３、調整冶具４５及び調整冶具４７は、図４の上方から見て反時計回りに回転する。このように、調整冶具４２と調整冶具４３を逆方向に回転することにより、図３に示すように、ステータコア１の径方向に隣接する一対のセグメントコイル２の突出部２３を、ステータコア１の周方向に相互に逆向きに倒すことができる。同様に、調整冶具４４と調整冶具４５を逆方向に回転することにより、径方向に隣接する一対の突出部２３を逆向きに倒し、調整冶具４６と調整冶具４７を逆方向に回転することにより、径方向に隣接する一対の突出部２３を逆向きに倒すことができる。

冶具駆動部３２は軸方向移動用のモータと周方向回転用のモータを備え、これらのモータを制御部３３は制御する。制御部３３は、演算処理部であるＣＰＵと、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶部とを有する。ＣＰＵは、記憶部に予め記憶されたプログラムを実行する機能を有する。

ここでは、調整冶具４２〜４７のうち、調整冶具４３の動作について以下に説明する。冶具駆動部３２が調整冶具４３を、ステータコア１の軸方向に移動してステータコア１に近づきつつステータコア１の周方向に回転させることによって、図７（ａ）に示すように、ステータコア１から上方へ突出した突出部２３の先端２４の軸方向及び周方向の位置を調整する。調整冶具４３の軌道を説明するため、調整冶具４３の動作により爪部４９の下端が描く軌跡が図７（ｂ）に記載されている。この軌跡は、図７（ｂ）に示すように、第１軌道α１、第２軌道α２及び第３軌道α３で構成される。第１軌道α１で、調整冶具４３をステータコア１に近づけつつステータコア１の周方向に回転することによって、突出部２３を周方向に倒す。次に、第２軌道α２で、調整冶具４３をステータコア１の周方向に回転させて、先端２４を爪部４９に引っ掛ける。次に、第３軌道α３で、調整冶具４３をステータコア１に近づけつつステータコア１の周方向に回転することによって、突出部２３の先端２４を押し込んで、最終的な先端２４の位置を決める。

既に述べたように、ステータコア１の軸方向の厚さのばらつきや、セグメントコイル２の線長ばらつきにより、突出部２３の長さにばらつきが生じる。突出部２３の長さが基準線長の場合には、図８に示すフローチャートにて算出した基準軌道で調整冶具４２〜４７を動作させる。基準軌道を算出するには、まず、ステップＳ１１で、長さが基準線長である突出部２３の軌跡をＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄｄｅｓｉｇｎ）で作成する。次に、ステップＳ１２で、基準線長である突出部２３の先端２４の軌跡に合わせて、ＣＡＤ上で調整冶具４２〜４７の爪部４９を配置する。次に、ステップＳ１３で、爪部４９の配置に合わせた調整冶具４２〜４７の軌跡を近似式に置き換える。以上のステップＳ１１からステップＳ１３までの作業により、基準軌道が算出される。そして、ステップＳ１４で、ステップＳ１３で算出した近似式をプログラムで使用して、制御部３３に冶具駆動部３２を動作させることにより、調整冶具４２〜４７は基準軌道で動作する。

次に、図１のステップＳ２の補正軌道算出工程について述べる。既に述べたように、ステータコア１毎に突出部２３の長さにばらつきが生じる。突出部２３の長さによって、突出部２３を周方向に倒して先端２４の位置を調整する際の突出部２３の軌跡は異なる。突出部２３の長さが基準線長よりも短すぎると、基準軌道で調整冶具４２〜４７を動作させても、突出部２３の倒し方が不足した状態で先端２４を押し込もうとして周方向に十分に押し込めず、調整冶具４２〜４７で調整後の先端２４の位置が周方向にずれる場合がある。また、突出部２３の長さが基準線長よりも長すぎると、基準軌道で調整冶具４２〜４７を動作させても、突出部２３の先端２４付近の屈曲により、溶接する２本のセグメントコイル２の先端２４の高さに段差が生じる場合がある。このように先端２４の周方向の位置にずれが生じた状態や、軸方向に段差が生じた状態で、セグメントコイル２の先端２４同士を溶接すると、溶接不良が生じることがある。

そこで、図１のステップＳ１の挿入工程の後に、ステータコア１毎に突出部２３の長さを測定し、基準線長との差分から、調整冶具４２〜４７を軸方向に移動する距離を算出し、調整冶具４２〜４７を軸方向に移動してステータコア１に近づけつつ周方向に回転させる基準軌道を補正した補正軌道を算出し、図１のステップＳ３の先端位置決め工程において補正軌道で調整冶具４２〜４７を動作させて、先端２４の軸方向及び周方向の位置を調整する。

補正軌道は、図９に示すフローチャートのステップＳ２１からＳ２４までの作業により算出される。補正軌道を算出するには、初めにステップＳ２１で、突出部２３の線長を測定する。次に、ステップＳ２２で、突出部２３の基準線長との差分を計算する。同一のステータコア１でもスロット１２毎に突出部２３の長さにばらつきが生じうるため、例えば、全てのスロット１２の突出部２３の線長を測定し、平均値を突出部２３の線長として、基準線長との差分を計算する。突出部２３の線長測定については、スロット１２毎に全ての突出部２３の線長を測定せず、一部のスロット１２について複数の突出部２３の線長を測定して、平均値を突出部２３の線長として基準線長との差分を計算しても良い。

次に、ステップＳ２３で、補正軌道のＸ座標及びＹ座標を、基準軌道のコイル倒れ角度θ毎に三角関数を用いて計算する。Ｘ座標とは爪部４９の周方向の移動距離であり、Ｙ座標とは調整冶具４２〜４７の軸方向の移動距離である。コイル倒れ角度θとは、セグメントコイル２の突出部２３の先端部が傾いた角度である。コイル倒れ角度θは、突出部２３が上方に向かって立っている状態を９０度として、突出部２３の先端部が完全に水平に倒れた状態を０度とする。基準線長との差分をＬ、補正軌道のＹ座標をＹ、基準軌道のＹ座標をＹｓ、円周率をπとすると、補正軌道のＹ座標は、例えば、以下の式１で算出する。

Ｙ=Ｙｓ＋Ｌ×ｓｉｎ（θ／１８０×π）・・・（式１）

同様に、補正軌道のＸ座標をＸ、基準軌道のＸ座標をＸｓとすると、補正軌道のＸ座標は、例えば、以下の式２で算出する。

Ｘ=Ｘｓ＋Ｌ×ｃｏｓ（θ／１８０×π）・・・（式２）

式１及び式２において差分Ｌは、基準線長よりも長い場合は正の値として、基準線長よりも短い場合は負の値として、計算する。

次に、ステップＳ２３で基準軌道のコイル倒れ角度θ毎に計算した補正軌道のＸ座標及びＹ座標に基づいて、次のステップＳ２４で、近似式に置き換えて、補正軌道を算出する。以上のステップＳ２１からステップＳ２４までの作業により、補正軌道が算出される。

そして、ステップＳ２５で、ステップＳ２４で算出した近似式をプログラムで使用して、制御部３３に冶具駆動部３２を動作させることにより、調整冶具４２〜４７は補正軌道で動作する。

図９のステップＳ２１からステップＳ２４までの作業により算出した補正軌道の一例を図１０に示す。図１のステップＳ３の先端位置決め工程において、補正軌道で調整冶具４２〜４７を動作させて突出部２３の先端２４の軸方向及び周方向の位置を調整することによって、突出部２３の長さが基準線長と異なる場合でも、突出部２３の先端２４の軸方向及び周方向の位置の精度を向上させることができる。

図１１は、突出部２３の長さが基準線長よりも短い場合に、調整冶具４３を動作させた後の突出部２３の先端２４の周方向の位置のスロット１２毎のばらつきを示した図である。補正軌道で先端２４の位置を調整した場合のばらつき幅Ｗ１の方が、基準軌道で調整した場合のばらつき幅Ｗ２よりも約３５パーセント小さくなっている。

図１２は、突出部２３の長さが基準線長よりも長い場合に、調整冶具４３を動作させた後の突出部２３の軸方向の高さについて、基準軌道で調整した場合と、補正軌道で調整した場合とを比較して示した図である。補正軌道で調整した場合が実線のグラフで、基準軌道で調整した場合が破線のグラフである。基準軌道で調整した場合は、溶接範囲Ｒ１内で軸方向の高さが０．５ｍｍ未満となり溶接不良が生じうる。しかし、補正軌道で調整した場合は、溶接範囲Ｒ１内で軸方向の高さが、溶接不良が生じない０．５ｍｍ以上となる。

以上に説明した図１のステップＳ１の挿入工程、ステップＳ２の補正軌道算出工程、ステップＳ３の先端位置決め工程により、図３に示すように、ステータコア１の径方向に隣接する一対のセグメントコイル２の突出部２３を、ステータコア１の周方向に相互に逆向きに倒し込んで、突出部２３の先端２４の軸方向及び周方向の位置を合わせることができる。その後、図１のステップＳ４の溶接工程で、軸方向及び周方向の位置を合わせた径方向に隣接するセグメントコイル２の突出部２３の先端２４同士を溶接する。この溶接工程により、ステータコア１にコイルが巻かれたステータが完成する。

本開示の回転電機ステータの製造方法は、上述した形態に限定されず、本開示の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。例えば、上述した形態の補正軌道を算出する計算式は一例であり、式１や式２とは異なる計算式で補正軌道を算出しても良い。また、突出部２３はスロット１２から下方に向かって突出し、突出部２３を倒す際に調整冶具４２〜４７を下方から上方に向かってステータコア１に近づけても良い。また、調整冶具の数は６個とは異なる数であっても良い。また、爪部４９がステータコア１の周方向に突出部２３の先端２４を押圧できれば、爪部４９の形状は他の形状であっても良い。

１ステータコア、２セグメントコイル、３曲げ加工用装置、４調整部、１１電磁鋼板、１２スロット、２１脚部、２２連結部、２３突出部、２４先端、３１保持部、３２冶具駆動部、３３制御部、３４固定部材、４１支持部、４２〜４７調整冶具、４８セパレータ、４９爪部。

Claims

互いに平行な２つの脚部と、前記２つの脚部を連結する連結部とを有するＵ字状のセグメントコイルの前記２つの脚部をステータコアのそれぞれ異なるスロットに挿入し、前記脚部の一部である突出部を前記スロットから前記ステータコアの軸方向に突出させる挿入工程と、
前記ステータコアに向かって突出する爪部が設けられた調整冶具を前記軸方向に移動して前記ステータコアに近づけつつ前記ステータコアの周方向に回転することによって、前記突出部を前記軸方向に突出した状態から前記周方向に倒して前記突出部の先端の前記軸方向の位置を調整し、前記爪部が前記先端を押圧して前記先端の前記周方向の位置を調整する先端位置決め工程と、
を含む回転電機ステータの製造方法において、
前記挿入工程の後に、前記ステータコア毎に前記突出部の長さを測定し、前記突出部の基準線長との差分から、前記調整冶具を前記軸方向に移動する距離を算出し、前記調整冶具を前記軸方向に移動して前記ステータコアに近づけつつ前記周方向に回転させる基準軌道を補正した補正軌道を算出する補正軌道算出工程を備え、
前記先端位置決め工程において、前記補正軌道で前記調整冶具を動作させて前記突出部の前記先端の前記軸方向及び前記周方向の位置を調整すること、を特徴とする回転電機ステータの製造方法。