JP2021044883A - 導線の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームを使用して導線同士を接合するに際し、接合に要する時間を短縮することが可能な導線の接合方法を提供する。【解決手段】導線の接合方法は、隣接する導線の端部を、レーザビームを用いて接合する方法であり、一方の導線の端部の端面内にのみ若しくは双方の導線の端面間を跨ぐように、レーザビームをループ状に複数回走査させる走査ステップを有する。上記走査ステップは、各回の走査について、走査期間中のレーザビームの走査速度を、レーザビームをループ状に走査させ始めてから一定割合又は一定時間で示される所定期間が経過する前は第１の所定速度にし、上記所定期間が経過した後は上記第１の所定速度より高速な第２の所定速度にする。【選択図】図３

Description

本発明は、導線の接合方法に関する。

モータ用のステータ（固定子）は、ステータコアと、ステータコアのスロットに装着された複数のセグメントコイルとを備えている。通常、個々のセグメントコイルは絶縁被覆された平角線である。セグメントコイルの端部同士は、溶接等により接合されている。

特許文献１には、レーザビームを隣接する平角線の端部に対して走査軌跡が重なり合うようにループ状に複数回走査することで、隣接するコイル端部同士を接合する技術が記載されている。

特開２０１８−０２０３４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、多数回にわたりレーザビームをループ状に走査しているため、平角線の接合に要する時間について改善の余地がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、その目的は、レーザビームを使用して導線同士を接合するに際し、接合に要する時間を短縮することが可能な導線の接合方法を提供することにある。

本発明の一態様に係る導線の接合方法は、隣接する導線の端部を、レーザビームを用いて接合する導線の接合方法であって、一方の導線の端部の端面内にのみ若しくは双方の導線の端面間を跨ぐように、レーザビームをループ状に複数回走査させる走査ステップを有する。前記走査ステップは、各回の走査について、走査期間中のレーザビームの走査速度を、レーザビームをループ状に走査させ始めてから一定割合又は一定時間で示される所定期間が経過する前は第１の所定速度にし、前記所定期間が経過した後は前記第１の所定速度より高速な第２の所定速度にする。

本発明の一態様に係る導線の接合方法では、各回の走査について、走査期間中のレーザビームの走査速度を、レーザビームをループ状に走査させ始めてから所定期間が経過する前は第１の所定速度にし、その後、より高速な第２の所定速度にする。本発明の一態様に係る導線の接合方法では、このような構成により、レーザビームを使用して導線同士を接合するに際し、所定期間経過前は導線への入熱量を大きくし、所定期間経過後は導線への入熱量を溶融池の保温が可能な程度に小さくすることができる。よって、本発明の一態様に係る導線の接合方法によれば、レーザビームの進行方向に占める溶融量を大きくして、レーザビームをループ状に走査させるループ回数を減らすことができ、その結果、接合に要する時間を短縮することができる。

本発明によれば、レーザビームを使用して導線同士を接合するに際し、接合に要する時間を短縮することが可能な導線の接合方法を提供することができる。

ステータの概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る導線の接合方法の一例を説明するための平面図である。 図２の接合方法における１ループ中の走査速度の変化の例を示す模式図である。 比較例に係る導線の接合方法における走査軌跡の一例を説明するための模式図である。 図４と同等の接合を行うために図２の接合方法で実行される走査軌跡の一例を説明するための模式図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

本実施形態に係る導線の接合方法（以下、本接合方法と称す）は、隣接する導線の端部を、レーザビームを用いて接合する方法である。まず、本接合方法を用いて接合されたセグメントコイルを備えるステータの構成の一例について、図１を参照しながら説明する。図１は、ステータの概略構成を示す斜視図である。

図１に示すように、モータの固定子であるステータ１は、ステータコア１０と複数のセグメントコイル２０とを有する。
ステータコア１０は、環状の電磁鋼板がステータ１の軸方向（図１におけるｚ軸方向）に積層されたものであり、全体として略円筒形状を有している。ステータコア１０の内周面には、内周側に突出すると共にステータ１の軸方向に延設されたティース１１と、隣接するティース１１間に形成された溝部であるスロット１２と、が設けられている。各スロット１２には、セグメントコイル２０が装着されている。

セグメントコイル２０は、断面矩形状の電線すなわち平角線である。通常、セグメントコイル２０は、純銅製であるが、アルミニウム、銅やアルミニウムを主成分とする合金等の高導電率を有する金属材料から構成してもよい。

それぞれのセグメントコイル２０は略Ｕ字形状に成形されている。図１に示すように、セグメントコイル２０の端部（コイルエンド）は、いずれもステータコア１０の上端面から突出している。接合部２５は、径方向に隣接したセグメントコイル２０の端部同士が溶接された部位である。複数の接合部２５がステータコア１０の周方向に円環状に配列されている。図１の例では、４８個の接合部２５が円環状に配列されている。また、この円環状に配列された接合部２５が径方向に４列配置されている。

次に、図２及び図３を併せて参照しながら、本実施形態に係る導線の接合方法（導線のレーザ溶接方法）について説明する。図２は、本実施形態に係る導線の接合方法の一例を説明するための平面図である。なお、当然のことながら、図２に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。図１のｚ軸方向と図２のｚ軸方向は一致している。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

図１に示したセグメントコイル２０の接合部２５は、本接合方法を用いてレーザ溶接することができる。本接合方法は、ステータに用いる平角線のコイル同士を接合するため、ステータコイル接合方法と称することもできる。なお、説明を省略するが、本接合方法に用いるレーザ溶接装置は、例えば特許文献１に記載のレーザ溶接装置などを使用することができる。例えば、レーザ溶接装置において、以下のような手順でレーザビームを照射するようにプログラムしておくことで、本接合方法が実行できる。

本接合方法では、まず、図２に示すように、接合部２５において、絶縁被膜２１ａが剥離された平角線（セグメントコイル）２０ａの端部側面２３ａと、絶縁被膜２１ｂが剥離された平角線（セグメントコイル）２０ｂの端部側面２３ｂと、を突き合わせる。

そして、本接合方法では、最終的に平角線２０ａ，２０ｂのそれぞれの端面２４ａ，２４ｂにレーザビームを照射することにより、平角線２０ａと平角線２０ｂとを溶接する。このように、本接合方法では、突き合わせ面となる端部側面２３ａ，２３ｂを接合対象面とし、端面２４ａ，２４ｂにレーザビームが照射される。

本接合方法は、このレーザビームの走査方法に特徴を有する。この特徴について、以下に説明する。なお、レーザビームを走査することは、レーザビームの照射位置を移動することを意味し、レーザビームの走査軌跡は、レーザビームの照射位置の移動による軌跡を意味する。

本接合方法は、双方の平角線２０ａ，２０ｂの端面２４ａ，２４ｂ間を跨ぐように、レーザビームをループ状に複数回走査させる走査ステップを有する。この走査ステップは、上述のように、双方の平角線２０ａ，２０ｂの端部側面２３ａ，２３ｂ同士を突き合わせた状態で実行されることができる。

上記走査ステップは、レーザビームの走査軌跡が双方の平角線２０ａ，２０ｂの端面間を跨ぐような回転径のループを描くように、レーザビームを走査させる。つまり、上記走査ステップでは、レーザビームを平角線２０ａ，２０ｂの端面２４ａ，２４ｂに対して、鉛直下向き（ｚ軸マイナス方向）に照射し、上記回転径でループ状にそのレーザビームを走査させる。

ループとは、環状ループ（閉ループ）若しくは螺旋状ループ（開ループ）であることを意味する。図２では、レーザビームの走査軌跡が楕円状のループである例を挙げている。なお、図２では、走査開始位置が存在するループは、レーザビーム進行方向の始点側のループとする。また、回転径は、ループが楕円の場合には長軸の長さに相当し、ループが円の場合には直径に相当する。

また、上記走査ステップでは、レーザビームをループ状に複数回走査させることになるが、各回における回転径は、徐々に大きくする変更や徐々に小さくする変更を行うなどにより異ならせてもよいが、同じであってもよい。ここでは、簡略化のため、図２に示すように、回転径が各回で同じ場合についてのみ例示している。

また、複数回の走査は、図２に走査軌跡の例を示したように、端部側面２３ａ，２３ｂ同士の境界面に沿って（ｘ軸プラス方向に）、ループを平行移動させながら実行される操作とすることができる。これにより、図２で図示したように上記回転径に対して上記境界面が長い場合（突き合わせ面が長い場合）にも、対応することができる。但し、複数回の走査は、この例に限らず、例えば同じ起点又は同じ中心位置での走査であってもよい。

そして、本実施形態の主たる特徴として、上記走査ステップは、次のように走査速度を変更する。即ち、上記走査ステップは、各回の走査について、走査期間中のレーザビームの走査速度を、レーザビームをループ状に走査させ始めてから所定期間が経過する前は第１の所定速度にし、上記所定期間が経過した後は第２の所定速度にする。上記所定期間は、一定割合（そのループ内での全走査時間に対する一定の割合）で示される期間、若しくは一定時間で示される期間とする。

そして、上記第２の所定速度は、上記第１の所定速度より高速な速度とする。なお、このような照射条件を満たせば、上記第１の所定速度と上記第２の所定速度との速度比は問わない。よって、各回のループにおいて、レーザビームの走査開始から上記所定期間は走査速度を低速にし、上記所定期間が経過した後は走査速度を高速にすることになる。

より典型的な例について、図３を併せて参照しながら説明する。図３は、図２の接合方法における１ループ中の走査速度の変化の例を示す模式図である。

図２に示す各回のループでは、図３で例示するようなレーザ照射軌跡でレーザビームを照射することができる。特に、図３においてその走査速度を矢印の数で示すように、走査開始位置Ｓから速度変更位置Ｍまでは低速で、速度変更位置Ｍから走査終了位置Ｅまでは高速で、レーザビームを照射するようにしておく。なお、走査開始位置Ｓ及び走査終了位置Ｅや速度変更位置Ｍは、図３で示した位置に限ったものではない。

つまり、この例では、レーザ照射軌跡の楕円について、半円毎に照射速度を変更することになる。ここで、前半は、溶融池拡大を目的とし、速度を落として（低速で）入熱量を増やし、後半は、溶融池が乾かないように保温するだけの役割として、速度を上げ（高速にし）、時間を短縮する。

このように、本接合方法では、レーザビームを平角線２０ａ，２０ｂの端面２４ａ，２４ｂにループ状に走査させるうちの前半の工程において、走査速度を低速にすることで、導線の端面への入熱量を大きくする。また、本接合方法では、後半の工程において、走査速度を高速にすることで、導線の端面への入熱量を、溶融池を保温する程度に小さくする。各回のループにおける前半で走査する距離、後半で走査する距離は、図３で例示したようにいずれも同じ距離とすること、つまり上記所定期間がこのような条件を満たす期間であることが好ましいが、これに限ったものではない。

そして、本接合方法では、平角線への入熱量を所定期間経過前に大きく、所定期間経過後に溶融池の保温が可能な程度に小さくすることができるため、レーザビームの進行方向に占める溶融量を大きくして、ループ状に走査させるループ回数を減らすことができる。

ここで、図４及び図５を参照しながら、ループ回数を減らすことができる効果について説明する。図４は、比較例に係る導線の接合方法における走査軌跡の一例を説明するための模式図である。図５は、図４と同等の接合を行うために図２の接合方法で実行される走査軌跡の一例を説明するための模式図である。

例えば、ループ内での速度を均一としてレーザビームを照射した場合、図４で示すように、進行方向に２ｍｍ進むために１６個の楕円を描く必要があると想定する。これに対し、図３で例示したようなループ内での速度変更を行った場合、図５で示すように、進行方向に２ｍｍ進むために１２個の楕円を描くだけで済む。

このように、本接合方法では、ループ回数を減らすことができ、その結果、接合に要する時間（レーザ溶接のサイクルタイム）を短縮することができる。また、本接合方法では、サイクルタイムの短縮が可能になることから、設備投資額を低減させることができるだけでなく、コイルへの入熱時間が減り、絶縁被膜への熱ダメージを抑制することもできる。

（代替例）
次に、本実施形態における代替例について説明する。
本接合方法について、第１及び第２の平角線が絶縁被覆されたものであり、第１及び第２の平角線において絶縁被膜がそれぞれ剥離された端部側面同士を突き合わせ、第１及び第２の平角線の端面にレーザビームを照射することを前提として説明した。しかしながら、接合対象面（つまり突き合わせ面）は、上記端部側面に限ったものではない。

また、平角線の形状、ループの形状等は例示したものに限らない。例えば、ループの形状は楕円状、円形状に限らず、矩形状のループであってもよい。但し、ループの形状が楕円状や円状である方が、角部を有する矩形状である場合に比べて、常にレーザビームを滑らかに走査させることができるため、スパッタの発生を抑制することができる。また、ループの移動軌跡も例示したものに限ったものではない。

また、本接合方法における走査ステップとして、双方の導線の端面間を跨ぐようにレーザビームをループ状に複数回走査させるステップを例に挙げた。但し、本接合方法は、この例に限らず、例えば、特許文献１に記載された様々な走査方法などを適用することもできる。ここで言う特許文献１に記載された走査ステップとは、一方の導線の端部の端面内にのみレーザビームをループ状に複数回走査させるステップであってもよい。その場合でも、このステップにおいて各ループ内で途中から走査速度が速くなるように走査速度を変更すればよい。

また、本接合方法による接合の対象となる導線は平角線に限ったものではなく、断面が例えば円形などの他の形状の導線であってもよい。また、本接合方法で接合の対象となる隣接するセグメントコイルは、重ね合わせられたものとなるが、互いに隣接していればよい。また、本接合方法は、例示したステータのセグメントコイルに限らず、様々なコイルについて、コイル間の接合に用いることができる。無論、ステータの構成も図示したものに限ったものではない。なお、本接合方法を用いて製造されるステータは、自動車のモータに限らず、様々なモータに使用されることができる。

以上に、本実施形態について説明したが、上記実施形態は、以下の特徴を有する。
即ち、上記実施形態に係る導線の接合方法は、隣接する導線の端部を、レーザビームを用いて接合する方法であり、一方の導線の端部の端面内にのみ若しくは双方の導線の端面間を跨ぐように、レーザビームをループ状に複数回走査させる走査ステップを有する。上記走査ステップは、各回の走査について、走査期間中のレーザビームの走査速度を、レーザビームをループ状に走査させ始めてから一定割合又は一定時間で示される所定期間が経過する前は第１の所定速度にし、上記所定期間が経過した後は上記第１の所定速度より高速な第２の所定速度にする。

上記の接合方法では、所定期間経過前は導線への入熱量を大きくし、所定期間経過後は導線への入熱量を溶融池の保温が可能な程度に小さくすることができる。よって、上記の接合方法によれば、レーザビームの進行方向に占める溶融量を大きくして、レーザビームをループ状に走査させるループ回数を減らすことができ、その結果、接合に要する時間を短縮することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ ステータ
１０ ステータコア
１１ ティース
１２ スロット
２０ セグメントコイル
２０ａ、２０ｂ 平角線
２１ａ、２１ｂ 絶縁被膜
２２ａ、２２ｂ 導体部
２３ａ、２３ｂ 端部側面
２４ａ、２４ｂ 端面
２５ 接合部

Claims (1)

1. 隣接する導線の端部を、レーザビームを用いて接合する導線の接合方法であって、
   一方の導線の端部の端面内にのみ若しくは双方の導線の端面間を跨ぐように、レーザビームをループ状に複数回走査させる走査ステップを有し、
   前記走査ステップは、各回の走査について、走査期間中のレーザビームの走査速度を、レーザビームをループ状に走査させ始めてから一定割合又は一定時間で示される所定期間が経過する前は第１の所定速度にし、前記所定期間が経過した後は前記第１の所定速度より高速な第２の所定速度にする、
   導線の接合方法。

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