JP2020102981A - 回転電機のステータおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】互いに電気的に接続される第1導電部材および第2導電部材を含む回転電機のステータにおいて、周辺の部材との干渉を抑制しつつ、第1および第2導電部材の接続部の耐久性をより向上させる。【解決手段】本開示のステータは、互いに電気的に接続される第1導電部材および第2導電部材を含み、第1導電部材の端部と、第2導電部材の端部とは、隣り合わせに配置されると共に端部の端面側から溶接され、第1および第2導電部材の端部の非溶接部分には、糸材が巻き付けられている。【選択図】図6
Description
本開示は、回転電機のステータおよびその製造方法に関する。
従来、ステータコアと、当該ステータコアに巻回されたステータコイルと、ステータコアに設けられた位相リングと、ステータコイルのコイル電線端末部における心線と位相リングの位相リング電線端末部における心線とがはんだ付けあるいは圧着スリーブにより相互に接続される接続部と、電気絶縁性物質からなる多孔性材料により一側が開口したキャップ状(有底筒状)に形成された絶縁具とを含む回転電機のステータが知られている(例えば、特許文献1参照)。このステータにおいて、コイル電線端末部および位相リング電線端末部は、互いに平行に配置されると共に接続部が底部側(開口とは反対側)に位置するように絶縁具内に嵌合される。そして、絶縁具には、ワニス等の熱硬化性樹脂が塗布されると共に加熱処理が施される。
上述のような絶縁具を用いることで、コイル電線端末部の心線と位相リング電線端末部の心線との接続部を良好に絶縁することができる。しかしながら、回転電機が使用される際には様々な振動がコイル電線端末部や位相リング電線端末部に伝達され、絶縁具に熱硬化性樹脂が充分に浸透していない場合、コイル電線端末部および位相リング電線端末部が絶縁具内で振動してしまい、上記接続部の強度が低下するおそれもある。また、絶縁具を配置するためには、ある程度のスペースが要求され、当該絶縁具が周辺の部材と干渉してしまうと、コイル電線端末部および位相リング電線端末部が変形し、それにより接続部の強度が低下してしまう。
そこで、本開示は、互いに電気的に接続される第1導電部材および第2導電部材を含む回転電機のステータにおいて、周辺の部材との干渉を抑制しつつ、第1および第2導電部材の接続部の耐久性をより向上させることを主目的とする。
本開示の回転電機のステータは、互いに電気的に接続される第1導電部材および第2導電部材を含む回転電機のステータにおいて、前記第1導電部材の端部と、前記第2導電部材の端部とが、隣り合わせに配置されると共に前記端部の端面側から溶接され、前記第1および第2導電部材の前記端部の非溶接部分に糸材が巻き付けられているものである。
このように、端面側から溶接された第1および第2導電部材の端部の非溶接部分に糸材を巻き付けることで、回転電機の使用に際して第1および第2導電部材に振動が伝達されても、第1および第2導電部材の端部の非溶接部分同士が互いに離間しようとするのを抑制することができる。更に、糸材は、第1および第2導電部材の端部の位置や端部同士の溶接部の形状等に応じて周辺の部材と干渉しないように上記非溶接部分に巻き付け可能である。この結果、本開示の回転電機のステータでは、周辺の部材との干渉を抑制しつつ、第1および第2導電部材の接続部すなわち両者の溶接部の耐久性をより向上させることができる。
また、前記糸材は、樹脂で覆われてもよい。これにより、糸材と、当該糸材同士の隙間等に浸透したり、糸材の表面に保持されたりした樹脂とによって第1および第2導電部材の端部の非溶接部分をしっかりと包囲することが可能となる。
更に、前記糸材は、撚糸であってもよい。これにより、糸材自体に樹脂を浸透させることができるので、糸材および樹脂によって第1および第2導電部材の端部の非溶接部分をより強固に包囲することが可能となる。
また、前記第1導電部材は、ステータコアに組み付けられてステータコイルを形成するセグメントコイルであってもよく、前記第2導電部材は、前記回転電機のハウジングに固定される動力線であってもよい。すなわち、本開示の構成によれば、ステータコアに組み付けられるセグメントコイルの端部と、回転電機のハウジングに固定される動力線の端部との接続部すなわち溶接部の耐久性をより向上させることが可能となる。
更に、前記第1導電部材は、ステータコアに組み付けられてステータコイルを形成するセグメントコイルを含んでもよく、前記第2導電部材は、バスバーを含んでもよい。すなわち、本開示の構成は、ステータコイルを形成するセグメントコイルの端部と、バスバーの端部との接続部に適用されてもよい。
また、前記第1導電部材は、前記バスバーを含んでもよく、前記第2導電部材は、前記回転電機のハウジングに固定される動力線を含んでもよい。すなわち、本開示の構成は、一方の端部がステータコイルを形成するセグメントコイルの端部に接続されるバスバーの他方の端部と、回転電機のハウジングに固定される動力線の端部との接続部に適用されてもよい。
本開示の回転電機のステータの製造方法は、互いに電気的に接続される第1導電部材および第2導電部材を含む回転電機のステータの製造方法において、前記第1導電部材の端部と、前記第2導電部材の端部とを隣り合わせに配置すると共に前記端部の端面側から溶接し、前記第1および第2導電部材の前記端部の非溶接部分に糸材を巻き付けるものである。
本開示の方法によれば、周辺の部材との干渉を抑制しつつ、第1および第2導電部材の接続部すなわち両者の溶接部の耐久性をより向上させることができる。
また、本開示の方法は、前記第1および第2導電部材の前記端部に巻き付けられた前記糸材を樹脂で覆うものであってもよい。
次に、図面を参照しながら本開示の発明を実施するための形態について説明する。
図1は、本開示の回転電機のステータ1を示す概略構成図であり、図2は、ステータ1を示す平面図である。これらの図面に示すステータ1は、図示しないロータと共に、例えば電気自動車やハイブリッド車両に走行駆動源あるいは発電機として搭載される回転電機としての三相交流電動機を構成するものである。本実施形態のステータ1は、環状のステータコア2や、複数のステータコイル3u(U相コイル)、ステータコイル3v(V相コイル)およびステータコイル3w(W相コイル)を含む。
ステータコア2は、例えばプレス加工により略円環状に形成された電磁鋼板21(図2参照)を複数積層してカシメにより積層方向に連結することにより形成される。また、ステータコア2は、ロータが配置される中心孔2oと、環状の外周部(ヨーク部)から軸心(ステータコア2の中心)に向けて径方向に延在すると共に周方向に一定の間隔をおいて隣り合う図示しない複数のティース部と、互いに隣り合うティース部の間に形成された複数のスロット(図示省略)とを含む。複数のスロットは、それぞれステータコア2の径方向に延在すると共に一定の間隔をおいて周方向に並び、中心孔2oで開口する。また、ステータコア2の各スロット内には、図示しないインシュレータ(絶縁紙)が配置される。なお、ステータコア2は、例えば強磁性粉体を加圧成形すると共に焼結させることより環状に形成されてもよい。
各ステータコイル3u,3v,3wは、ステータコア2の複数のスロット(インシュレータ内)に差し込まれる複数のセグメントコイル4を電気的に接続することにより形成される。本実施形態において、ステータコイル3u,3v,3wは、シングルスター結線(1Y結線)により結線され、引出線を含む第1コイルと、中性線を含むと共に当該第1コイルに直列に接続される第2コイルとをそれぞれ含む。
セグメントコイル4は、例えばエナメル樹脂等からなる絶縁被膜が表面に成膜された平角線(導電体)を略U字状に曲げ加工することにより形成され、それぞれ絶縁被膜が除去された先端部(導体露出部)を有する一対の脚部40(図1参照)を含む。複数のセグメントコイル4は、脚部40の長辺側の側面が互いに対向するように重ね合わされ、複数のスロットの各々から同数かつ偶数個(例えば、6−10個)の脚部40が突出するようにステータコア2に組み付けられる。各セグメントコイル4の一対の脚部40は、それぞれステータコア2の互いに異なるスロットに挿通され、各脚部40のステータコア2の端面(図1における上端面)から突出した部分には、図示しない捻り加工装置を用いた捻り加工が施される。
ステータコア2の外周側から奇数番目(奇数層上)の脚部40は、捻り加工装置によりステータコア2の軸心周りに捻られながら周方向における一側に倒され、偶数番目(偶数層上)の脚部40は、当該捻り加工装置によりステータコア2の軸心周りに捻られながら周方向における他側に倒される。更に、各脚部40は、捻り加工装置により先端部がステータコア2の軸方向に延在するように曲げられる。そして、各脚部40の先端部は、対応する他のセグメントコイル4(脚部40)の先端部に溶接(本実施形態では、例えばTIG溶接)により電気的に接続される。これにより、複数のステータコイル3u,3v,3wがステータコア2に対して巻回され、各ステータコイル3u,3v,3wは、それぞれステータコア2の軸方向における端面から外側に突出する2つの環状のコイルエンド部3a,3bを有することになる。
また、本実施形態において、ステータコア2のスロットに挿通された多数のセグメントコイル4のうち、3本のセグメントコイル4u,4v,4wの一方の脚部40は、他のセグメントコイル4に接続(溶接)されず、図1および図2に示すように、図示しない曲げ加工装置によりステータコア2の外周に向けて折り曲げられると共に、図1中上方に向けて折り曲げられる。以下、このようにステータコア2の外周側に引き出される3本のセグメントコイル4u,4v,4wの一方の脚部40を、引出線(第1導電部材)40u,40v,40wという。引出線40uは、U相のステータコイル3uの第1コイルに含まれ、引出線40vは、V相のステータコイル3vの第1コイルに含まれ、引出線40wは、W相のステータコイル3wの第1コイルに含まれる。
ステータコイル3uの引出線40uの先端部(導体露出部)41は、ステータコア2の軸方向に延在し、図2に示すように、U相の端子5uに電気的に接続された動力線(第2導電部材)50uの先端部51(絶縁被覆が除去された導体露出部、図3参照)に溶接(本実施形態では、例えばTIG溶接)により電気的に接続される。また、ステータコイル3vの引出線40vの先端部41も、ステータコア2の軸方向に延在し、V相の端子5vに電気的に接続された動力線50vの先端部51に溶接により電気的に接続される。更に、ステータコイル3wの引出線40wの先端部41も、ステータコア2の軸方向に延在し、W相の端子5wに電気的に接続された動力線50wの先端部51に溶接により電気的に接続される。動力線50u,50v,50wは、例えば表面に絶縁被膜が成膜された丸線(導電体)により形成されており、それぞれ樹脂製の保持部材6に固定される。各動力線50u−50wの端子5u−5wは、図示しない回転電機のハウジングにステータ1が組み付けられた際に当該ハウジングに設置(固定)された図示しない端子台に固定され、電力線を介してインバータ(図示省略)に接続される。
また、ステータコア2にステータコイル3u,3v,3wが巻回された後、各ステータコイル3u,3v,3wには、直流電源から電流が印加され、それによりステータコイル3u,3v,3wが加熱される。各ステータコイル3u,3v,3wが所定温度まで加熱された後、コイルエンド部3bを上にした状態でコイルエンド部3a側に向けて熱硬化性樹脂(本実施形態では、例えばワニス)が塗布され、次いで、コイルエンド部3aを上にした状態でコイルエンド部3b側に向けて熱硬化性樹脂が塗布される。熱硬化性樹脂は、互いに隣り合うセグメントコイル4(脚部40)同士の隙間や、セグメントコイル4とインシュレータとの隙間、インシュレータとステータコア2との隙間に浸透する。熱硬化性樹脂が硬化すると、互いに隣り合うセグメントコイル4同士、互いに隣り合うセグメントコイル4およびインシュレータ、各インシュレータおよびステータコア2が強固に固定される。また、セグメントコイル4の先端部同士の接続部や引出線40u−40wと動力線50u−50wとの接続部といった導電体の露出部には、絶縁用の粉体が塗布される。ただし、導体の露出部に絶縁用の粉体を塗布する代わりに、ステータ1に対して、コイルエンド部3aを覆う環状の樹脂モールド部が形成されてもよい。
次に、図3から図6を参照しながら、ステータコイル3u,3v,3wの引出線40u,40v,40wの先端部41と、動力線50u,50v,50wの先端部51とを電気的に接続する手順について説明する。
引出線40u−40wと動力線50u−50wとを電気的に接続する際には、図3に示すように、それぞれステータコア2の軸方向に延在する先端部41および51を、端面が揃うように隣り合わせにして溶接電極として機能するクランプ200によりクランプする。更に、先端部41および51の端面側(図3中上側)から、図示しないタングステン電極(陽極)を含む溶接トーチ201により当該先端部41および51に不活性ガスを吹き付けながら、タングステン電極と先端部41および51との接触により発生したアークによって両者を溶融させる。これにより、先端部41および51が玉状の溶接部45を介して互いに接合され、先端部41,51の非溶接部分(溶融していない部分)41x,51xは、溶接部45よりも絶縁被膜C側で互いに対向する。
続いて、図4に示すように、引出線40uおよび動力線50u、引出線40vおよび動力線50v、並びに引出線40wおよび動力線50wのそれぞれについて、端面側から溶接された先端部41,51の非溶接部分41x,51xに糸材100を巻き付ける。本実施形態において、糸材100は、レーシング糸であり、撚糸であってもよい。糸材100の両端部は、当該糸材100が非溶接部分41x,51xの表面に接触する状態を維持することができるように互いに結び付けられるか、あるいは適所に固定される。ただし、糸材100が非溶接部分41x,51xの表面に接触する状態を維持し得るのであれば、必ずしも糸材100の両端部を結び付けたり、適所に固定したりする必要はない。また、糸材100は図示しない巻付装置により非溶接部分41x,51xに巻き付けられてもよく、手作業により非溶接部分41x,51xに巻き付けられてもよい。
引出線40uおよび動力線50u、引出線40vおよび動力線50v、並びに引出線40wおよび動力線50wの先端部41,51の非溶接部分41x,51xに糸材100を巻き付けた後、例えば各ステータコイル3u,3v,3wに直流電源から直流電流を印加して引出線40u−40wおよび動力線50u−50wを予め定められた温度まで加熱する。更に、図5に示すように、引出線40uおよび動力線50u、引出線40vおよび動力線50v、並びに引出線40wおよび動力線50wの溶接部45に対して上側に配置されたノズルから溶融した樹脂Rを滴下する。本実施形態において、樹脂Rは、エポキシ樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂といった熱硬化性樹脂である。ノズルから滴下された樹脂Rは、溶接部45や非溶接部分41x,51xの表面を伝って糸材100と非溶接部分41x,51xとの隙間や隣り合う糸材100同士の隙間に浸透すると共に、表面張力により糸材100の表面に保持される。そして、樹脂Rは、引出線40u−40wおよび動力線50u−50wに予め付与されている熱により硬化する。
これにより、引出線40uおよび動力線50u、引出線40vおよび動力線50v、並びに引出線40wおよび動力線50wの接続部において、先端部41,51の非溶接部分41x,51xは、図6に示すように、樹脂Rで覆われた(固められた)糸材100により包囲されることになる。従って、ステータ1を含む回転電機の使用に際して引出線40u−40wと動力線50u−50wに例えば車両側からの振動が伝達されても、先端部41,51の非溶接部分41x,51x同士が互いに離間しようとするのを抑制することができる。また、糸材100は、先端部41,51の位置や溶接部45の形状、溶接高さ等に応じて周辺の部材と干渉しないように非溶接部分41x,51xに巻き付け可能である。この結果、ステータ1では、周辺の部材との干渉を抑制しつつ、ステータコア2に組み付けられる引出線40u−40wと上記ハウジングに固定される動力線50u−50wとの接続部すなわち溶接部45の耐久性をより向上させることができる。
また、糸材100を樹脂Rで覆う(固める)ことで、当該糸材100と、糸材100同士の隙間等に浸透したり、糸材100の表面に保持されたりした樹脂Rとによって先端部41,51の非溶接部分41x,51xをしっかりと包囲することが可能となる。更に、糸材100として、撚糸が採用された場合には、糸材100自体に樹脂Rを浸透させることができる。これにより、糸材100および樹脂Rによって先端部41,51の非溶接部分41x,51xをより強固に包囲することができる。なお、糸材100は、レーシング糸材以外の糸材であってもよい。また、糸材100を非溶接部分41x,51xの表面に接触する状態に継続して維持することができるのであれば、樹脂Rの塗布が省略されてもよい。更に、樹脂Rは、熱可塑性樹脂であってもよく、この場合、上述の加熱処理を省略することができる。
また、本開示のステータは、図7に示すようなダブルスター結線(2Y結線)により結線されたステータコイル3u′,3v′,3w′と、図8に示すようなバスバーモジュールBMとを含むものであってもよい。ステータコイル3u′,3v′,3w′も、それぞれ一対の脚部を有するセグメントコイル4を電気的に接続することにより形成されたものである。バスバーモジュールBMは、ステータコイル3u′,3v′,3w′の中性点を形成すると共に、当該ステータコイル3u′,3v′,3w′と動力線50u,50v,50wとを接続するものであり、図示しないステータコアの一方の端面上に配置される。
図7に示すように、ステータコイル3u′は、互いに並列に接続される第1コイルU1および第2コイルU2を含み、第1および第2コイルU1,U2は、それぞれ所定のセグメントコイルの一方の脚部により形成される引出線40uおよび中性線40nを含む。また、ステータコイル3v′は、互いに並列に接続される第1コイルV1および第2コイルV2を含み、第1および第2コイルV1,V2は、それぞれ所定のセグメントコイルの一方の脚部により形成される引出線40vおよび中性線40nを含む。更に、ステータコイル3w′は、互いに並列に接続される第1コイルW1および第2コイルW2を含み、第1および第2コイルW1,W2は、それぞれ所定のセグメントコイルの一方の脚部により形成される引出線40wおよび中性線40nを含む。
バスバーモジュールBMは、図8に示すように、U相のステータコイル3u′に対応したバスバーBuと、V相のステータコイル3v′に対応したバスバーBvと、W相のステータコイル3w′に対応したバスバーBwと、中性点を形成するバスバーBnと、樹脂等の絶縁体により形成されると共に第1および第2導電部材としてのバスバーBu,Bv,BwおよびBnを互いに接しないように保持(内蔵)するモジュール本体BBとを含むものである。
バスバーBuは、それぞれステータコイル3u′の第1または第2コイルU1,U2の引出線40uに電気的に接続される2つの端部(端子)Tuと、動力線50uの先端部51に電気的に接続される1つの端部(端子)Tpとを含む。また、バスバーBvは、それぞれステータコイル3v′の第1または第2コイルV1,V2の引出線40vに電気的に接続される2つの端部(端子)Tvと、動力線50vの先端部51に電気的に接続される1つの端部(端子)Tpとを含む。更に、バスバーBwは、それぞれステータコイル3w′の第1または第2コイルW1,W2の引出線40wに電気的に接続される2つの端部(端子)Twと、動力線50wの先端部51に電気的に接続される1つの端部(端子)Tpとを含む。また、バスバーBnは、3つの端部(端子)Tnを含み、各端部Tnには、ステータコイル3u′の第1および第2コイルU1,U2の中性線40n、ステータコイル3v′の第1および第2コイルV1,V2の中性線40n、およびステータコイル3w′の第1および第2コイルW1,W2の中性線40nの対応する何れかが電気的に接続される。図8に示すように、バスバーBu−Bnの各端部Tn,Tp,Tu,Tv,Twは、モジュール本体BBから外部に露出される。
上述のようなステータコイル3u′,3v′,3w′とバスバーモジュールBMとを含むステータでは、図9に示すように、引出線40u,40v,40wおよび中性線40nの先端部41とバスバーモジュールBMのバスバーBu,Bv,Bw,Bnの対応する端部Tu,Tv,Tw,Tnとが端面側から溶接され、先端部41の非溶接部分41xおよびそれに対応した端部Tu−Tnの非溶接部分Tux,Tvx,Twx,Tnxが樹脂Rで覆われた(固められた)糸材100により包囲される。更に、図10に示すように、バスバーモジュールBMのバスバーBu,Bv,Bwの端部Tpと対応する動力線50u,50v,50wの先端部51とが端面側から溶接され、端部Tpの非溶接部分Tpxおよびそれに対応した先端部51の非溶接部分51xが樹脂Rで覆われた(固められた)糸材100により包囲される。
これにより、回転電機の使用に際して引出線40u−40w、中性線40n、バスバーモジュールMおよび動力線50u−50wに例えば車両側からの振動が伝達されても、非溶接部分41xとそれに対応した非溶接部分Tux−Tnxとが互いに離間したり、非溶接部分Tpxとそれに対応した非溶接部分51xとが互いに離間したりするのを抑制することができる。更に、糸材100は、先端部41,51やバスバーモジュールBMの端部Tu−Tn,Tpの位置や溶接部45の形状、溶接高さ等に応じて周辺の部材と干渉しないように非溶接部分41x,Tux−Tnx,51xに巻き付け可能である。この結果、周辺の部材との干渉を抑制しつつ、ステータコイル3u′,3v′,3w′とバスバーモジュールBMとの接続部やバスバーモジュールBMと動力線50u−50wとの接続部すなわち溶接部45の耐久性をより向上させることができる。
なお、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。
本開示の発明は、回転電機のステータの製造分野において利用可能である。
1 ステータ、2 ステータコア、2o 中心孔、21 電磁鋼板、3a,3b コイルエンド部、3u,3u′,3v,3v′,3w,3w′ ステータコイル、4,4u,4v,4w セグメントコイル,5u,5v,5w 端子、6 保持部材、40 脚部,40n 中性線、40u,40v,40w 引出線、41,51 先端部、41x,51x,Tnx,Tux,Tvx,Twx,Tpx 非溶接部分、45 溶接部、50u,50v,50w 動力線、100 糸材、200 クランプ、201 溶接トーチ、BB モジュール本体、BM バスバーモジュール、Bn,Bu,Bv,Bw バスバー、C 絶縁被膜、R 樹脂、Tn,Tu,Tv,Tw,Tp 端部、U1、V1,W1 第1コイル、U2,V2,W2 第2コイル。
Claims (8)
- 互いに電気的に接続される第1導電部材および第2導電部材を含む回転電機のステータにおいて、
前記第1導電部材の端部と、前記第2導電部材の端部とは、隣り合わせに配置されると共に前記端部の端面側から溶接され、前記第1および第2導電部材の前記端部の非溶接部分には、糸材が巻き付けられている回転電機のステータ。 - 請求項1に記載の回転電機のステータにおいて、前記糸材は、樹脂で覆われている回転電機のステータ。
- 請求項2に記載の回転電機のステータにおいて、前記糸材は、撚糸である回転電機のステータ。
- 請求項1から3の何れか一項に記載の回転電機のステータにおいて、
前記第1導電部材は、ステータコアに組み付けられてステータコイルを形成するセグメントコイルであり、前記第2導電部材は、前記回転電機のハウジングに固定される動力線である回転電機のステータ。 - 請求項1から3の何れか一項に記載の回転電機のステータにおいて、
前記第1導電部材は、ステータコアに組み付けられてステータコイルを形成するセグメントコイルを含み、前記第2導電部材は、バスバーを含む回転電機のステータ。 - 請求項5に記載の回転電機のステータにおいて、
前記第1導電部材は、前記バスバーを含み、前記第2導電部材は、前記回転電機のハウジングに固定される動力線を含む回転電機のステータ。 - 互いに電気的に接続される第1導電部材および第2導電部材を含む回転電機のステータの製造方法において、
前記第1導電部材の端部と、前記第2導電部材の端部とを隣り合わせに配置すると共に前記端部の端面側から溶接し、
前記第1および第2導電部材の前記端部の非溶接部分に糸材を巻き付ける回転電機のステータの製造方法。 - 請求項7に記載の回転電機のステータの製造方法において、
前記第1および第2導電部材の前記端部に巻き付けられた前記糸材を樹脂で覆う回転電機のステータの製造方法。
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