JP2022018552A - 車両用回転電機のステータコイルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数個の導体セグメントのリード部の隣接する端部同士がレーザ溶接により接合されて形成される車両用回転電機のステータコイルにおいて、リード部の端部の接合面における強度不足を抑制できる構造を提供する。
【解決手段】リード部５４の互いに隣接する端部５５の接合面５８間に開先６２が形成されているため、レーザ溶接時には開先６２が埋まるまでレーザ光を照射することで、溶接後の接合面５８における溶融断面積Ｓａを確保することができる。その結果、レーザ溶接される接合面５８の溶融断面積Ｓａが不足することによる接合部６４の強度不足を抑制することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両用回転電機のステータコイルの構造およびステータコイルの製造方法に関する。

車両用回転電機のステータを構成するステータコアに複数個の導体セグメントが挿通され、ステータコアから突き出す各導体セグメントのリード部の互いに隣接する端部同士がレーザ溶接によって接合されて形成される、車両用回転電機のステータコイルが知られている。特許文献１に記載のステータコイルがそれである。特許文献１には、レーザ溶接により形成された溶融池の跡に、残留ボイドを内蔵することで、リード部の端部に形成される接合部の表面積を増加して、ステータコイルの通電時における接合部の放熱性を向上させる技術について記載されている。

特開２０１９－１２２１８７号公報

ところで、従来では、導体セグメントのリード部の端部同士が平らな面で接触した状態でレーザ溶接されるため、レーザ溶接時においてリード部の互いに隣接する端部の接合面がどの程度まで溶接されたかがわからず、接合面の溶融断面積が不足する場合には、接合面における強度不足が発生する虞がある。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、複数個の導体セグメントのリード部の隣接する端部同士がレーザ溶接により接合されて形成される車両用回転電機のステータコイルにおいて、リード部の端部の接合面における強度不足を抑制できる構造および製造方法を提供することにある。

第１発明の要旨とするところは、（ａ）ステータコアの内周部に形成されるスロットに複数個の導体セグメントが挿通され、前記ステータコアから突き出す前記導体セグメントのリード部の互いに隣接する端部同士がレーザ溶接によって接合されて形成される、車両用回転電機のステータコイルであって、（ｂ）レーザ溶接前において、前記リード部の互いに隣接する端部の接合面間に開先が形成されていることを特徴とする。

第２発明の要旨とするところは、第１発明の車両用回転電機のステータコイルにおいて、（ａ）前記開先は、前記リード部の互いに隣接する端部の少なくとも一方に形成される切欠によって形成され、（ｂ）前記切欠の面積は、前記開先が埋まった状態において、前記リード部の互いに隣接する端部の前記接合面における溶接後の溶融断面積が、予め設定されている規定値以上となる値に設定されていることを特徴とする。

第３発明の要旨とするところは、（ａ）ステータコアの内周部に形成されるスロットに複数個の導体セグメントが挿通され、前記ステータコアから突き出す前記導体セグメントのリード部の互いに隣接する端部同士がレーザ溶接によって接合されて形成される、車両用回転電機のステータコイルの製造方法であって、（ｂ）前記リード部の互いに隣接する端部の接合面間に開先が形成された状態で、前記開先が埋まるまでレーザ光を照射することで、前記端部同士を接合する工程を含むことを特徴とする。

第１発明の車両用回転電機のステータコイルによれば、リード部の互いに隣接する端部の接合面間に開先が形成されているため、レーザ溶接時には開先が埋まるまでレーザ光を照射することで、溶接後の接合面における溶融断面積を確保することができる。これより、レーザ溶接される接合面の溶融断面積が不足することによる接合面の強度不足を抑制することができる。

第２発明の車両用回転電機のステータコイルによれば、切欠の面積が、開先が埋まった状態において、リード部の互いに隣接する端部の接合面における溶接後の溶融断面積が規定値以上になる値に設定されているため、開先が埋まるまでレーザ溶接を行うことで、溶接後の溶融断面積を規定値以上とすることができる。

第３発明の車両用回転電機のステータコイルの製造方法によれば、リード部の互いに隣接する端部の接合面間に開先が形成された状態で、その開先が埋まるまでレーザ光を照射する工程を含むため、溶接後の接合面における溶融断面積を確保することができる。これより、レーザ溶接される接合面の溶融断面積が不足することによる接合面の強度不足を抑制することができる。

本発明が適用された車両に備えられる車両用駆動装置の一部を示す断面図である。 図１のステータコアを矢印Ａ方向から見た図である。 ステータコアにステータコイルが巻き掛けられている状態で、周方向の一部を平面に展開した展開図である。 ステータの製造工程の一部を簡略的に示す図である。 ステータコアから突き出す各リード部が倒し込まれた状態を示す斜視図である。 一対のリード部の互いに隣接する端部をステータコアの周方向に沿って見た図である。 図６においてリード部の端部を矢印Ｃ方向から見た図である。 溶接後における一対のリード部の端部を示す図である。 図８において切断線Ｅで切断した断面図である。 ステータの製造工程のうちステータコアに巻き掛けられるステータコイルを製造する製造工程を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明が適用された車両に備えられる車両用駆動装置１０（以下、駆動装置１０）の一部を示す断面図である。駆動装置１０は、例えば電気自動車またはハイブリッド車両に備えられる。駆動装置１０は、非回転部材であるケース１２内において、車両の走行用駆動源として機能する車両用回転電機ＭＧ（以下、回転電機ＭＧ）を備えている。

ケース１２内には、隔壁１６によって仕切られたモータ室１８が形成され、このモータ室１８内に回転電機ＭＧが収容されている。回転電機ＭＧは、回転軸線ＣＬを中心にして回転可能に配置されている。回転電機ＭＧは、ケース１２に回転不能に固定されている円筒状のステータ２０と、ステータ２０の内周側に配置されているロータ２４と、を備えている。

ステータ２０は、円筒状のステータコア２２と、そのステータコア２２に巻き掛けられているステータコイル２８と、を備えている。ステータコイル２８は、断面が矩形の平角線の銅線が使用されている。

図２は、図１のステータコア２２を矢印Ａ方向から見た図である。ステータコア２２は、環状のヨーク３０と、ヨーク３０の内周面から径方向内側に向かって突き出す複数個のティース３２と、を備えている。ステータコア２２は、複数枚の電磁鋼板３４が積層されることにより構成されている。複数個のティース３２は、ステータコア２２の周方向で等角度間隔に配置されている。これに関連して、ステータコア２２の内周部であって、ステータコア２２の周方向で各ティース３２の間には、径方向に沿って形成された空間である複数個のスロット３５が形成される。各スロット３５には、ステータコイル２８を構成する複数個の導体セグメント４８（図４参照）が挿通される。ステータコア２２は、複数本のボルト２６によってケース１２に回転不能に固定されている。

図１に戻り、ロータ２４は、ステータコア２２の内周側に配置されているロータコア３６と、ロータコア３６の回転軸線ＣＬ方向（軸方向）でロータコア３６の両端に隣接する一対のエンドプレート３８ａ、３８ｂと、ロータコア３６および一対のエンドプレート３８ａ、３８ｂの内周側に配置されているロータシャフト４０と、を備えている。ロータコア３６は、複数枚の電磁鋼板４２が積層されて構成されている。ロータコア３６には、複数個の永久磁石４４が内蔵されている。

一対のエンドプレート３８ａ、３８ｂは、回転軸線ＣＬ方向でロータコア３６の両端を挟むようにして配置されている。一対のエンドプレート３８ａ、３８ｂは、所定の厚みを有する円板形状に形成されている。一対のエンドプレート３８ａ、３８ｂは、例えばステンレス（ＳＵＳ）等の非磁性金属板から形成されている。

ロータシャフト４０は、円筒状に形成され、軸方向（回転軸線ＣＬ方向）の両側に配置されている一対の軸受４６ａ、４６ｂによって、回転軸線ＣＬを中心にして回転可能に支持されている。ロータシャフト４０の外周面に、ロータコア３６および一対のエンドプレート３８ａ、３８ｂが相対回転不能に固定されることで、ロータ２４が、回転軸線ＣＬを中心にして一体的に回転させられる。

図３は、ステータコア２２にステータコイル２８が巻き掛けられている状態で、ステータコア２２の周方向の一部を平面に展開した展開図である。また、図４は、ステータコア２２にステータコイル２８を構成する導体セグメント４８を挿通する工程を簡略的に示す図である。図３および図４において、紙面左右方向がステータコア２２の周方向（回転方向）に対応し、紙面上下方向が回転軸線ＣＬ方向に対応している。

図４に示すＵ字状の部材は、ステータコイル２８を構成する導体セグメント４８に対応している。導体セグメント４８は、互いに平行な一対の脚５０ａ、５０ｂと、これら一対の脚５０ａ、５０ｂを繋ぐ連結部５２とからなる。ステータコア２２に導体セグメント４８を挿通する工程では、導体セグメント４８の脚５０ａ、５０ｂ（以下、区別しない場合には脚５０と称す）の先端が、ステータコア２２に向かい合う姿勢でステータコア２２に向かって移動させられる。このとき、導体セグメント４８の一対の脚５０が、ステータコア２２の異なるスロット３５にそれぞれ挿し通され、一対の脚５０の一部がステータコア２２から突き出した状態になる。ここで、各スロット３５においてステータコア２２の周方向の間隙（隙間）の寸法が、導体セグメント４８の脚５０の幅よりも僅かに大きい寸法とされている。従って、各導体セグメント４８がステータコア２２の各スロット３５に挿し通された状態では、導体セグメント４８の各脚５０が、スロット３５の径方向に一列に並ぶようにして配置される。

次いで、図３に示すように、各導体セグメント４８の脚５０のうちステータコア２２から突き出した部位（以下、リード部５４）が、それぞれステータコア２２の周方向に沿って倒し込まれる。

ここで、ステータコア２２の各スロット３５内には、各導体セグメント４８の各脚５０が径方向で一直線に並んで配置されていることから、ステータコア２２から突き出す各リード部５４についても、ステータコア２２の径方向で一直線に並んだ状態で、ステータコア２２から突き出すこととなる。ステータコア２２の各スロット３５において径方向に並んで配置される各リード部５４は、交互に反対方向に倒し込まれる。

例えば、各スロット３５においてステータコア２２の径方向で最も外側に位置するリード部５４が、ステータコア２２の周方向で反時計回りの方向に倒し込まれると、その反時計回りの方向に倒し込まれたリード部５４に隣り合うリード部５４が、ステータコア２２の周方向で時計回りの方向に倒し込まれる。さらに、時計回り方向に倒し込まれたリード部５４に隣り合い、且つ、そのリード部５４よりもステータコア２２の径方向内側に位置するリード部５４が、ステータコア２２の周方向で反時計回りの方向に倒し込まれる。

図５は、ステータコア２２から突き出す各リード部５４が倒し込まれた状態を示す斜視図である。図５において、各リード部５４が交互に重なる方向が、ステータコア２２の径方向に対応し、各リード部５４の倒し込まれている方向が、ステータコア２２の周方向に対応している。図５に示すように、各スロット３５においてステータコア２２の径方向で隣り合うリード部５４が、交互に反対方向に倒し込まれることで、各リード部５４の端部５５同士が、対になってステータコア２２の径方向に隣接させられた状態になる。導体セグメント４８の各リード部５４のステータコア２２の径方向で互いに隣接する端部５５同士がレーザ溶接によって接合されることで、各導体セグメント４８が互いに接続されて成るステータコイル２８が形成される。

次に、導体セグメント４８のリード部５４の端部５５同士を接合するレーザ溶接による接合方法（すなわちステータコイル２８の製造方法）について説明する。図６および図７は、互いに溶接される一対のリード部５４の端部５５の形状を説明する図である。図６および図７は、一対のリード部５４の端部５５が溶接される前の形状を示している。図６において、一対のリード部５４を区別するため、図６において紙面右側に位置するリード部５４には符号５４ａを付し、図６において紙面左側に位置するリード部５４には符号５４ｂを付した。また、リード部５４ａの端部５５には符号５５ａを付し、リード部５４ｂの端部５５には符号５５ｂを付した。また、図６のリード部５４ａが、図７の紙面右側に位置するリード部５４ａに対応し、図６のリード部５４ｂが、図７の紙面左側に位置するリード部５４ｂに対応している。

図６は、一対のリード部５４の端部５５をステータコア２２の周方向に沿って見た図であり、図７において切断線Ｄで切断した場合の図に対応している。図６において紙面左右方向が、ステータコア２２の径方向に対応している。各リード部５４ａ、５４ｂは、それぞれ絶縁体５６によって被覆されている。また、リード部５４ａの端部５５ａが、絶縁体５６から露出するとともに、リード部５４ｂの端部５５ｂが、絶縁体５６から露出している。従って、リード部５４ａの端部５５ａおよびリード部５４ｂの端部５５ｂは、それぞれ銅線から構成される。

リード部５４ａの端部５５ａおよびリード部５４ｂの端部５５ｂの互いに隣接する部位が、レーザ溶接によって接合される。レーザ溶接では、リード部５４ａの端部５５ａとリード部５４ｂの端部５５ｂとの互いに隣接する接合面５８（合わせ面）に向かって、図示しないレーザ発振器からのレーザ光を照射し、レーザ光からのエネルギを熱源として互いの端部５５を溶接する。

レーザ溶接では、接合面５８の深部まで溶接できることが知られている。しかしながら、端部５５ａおよび端部５５ｂの接合部６４（図８参照）の外観と、接合面５８間で実際に溶接される面積である溶融断面積Ｓａ（図９参照）との間に相関がなく、溶融断面積Ｓａが予め設定されている規定値α以上になったかを判断するには、破壊試験による検査が必要になっていた。これに対して、互いに隣接する端部５５ａおよび端部５５ｂの接合面５８間に、開先６２が形成されている。開先６２は、互いに隣接する端部５５ａと端部５５ｂとの間の接合面５８間に形成される溝状の空間に対応している。開先６２は、リード部５４ａの端部５５ａに形成されるテーパ状の切欠６０によって形成される。すなわち、リード部５４ａの端部５５ａにテーパ状の切欠６０が形成されることで、隣接する端部５５ａと端部５５ｂとの接合面５８間に溝状の開先６２が形成される。切欠６０は、例えば切断加工によって形成される。

接合面５８間に開先６２が形成されることで、レーザ溶接によって端部５５ａおよび端部５５ｂの接合面５８に向かってレーザ光が照射されると、開先６２の底から溶融池が生成される。さらに、レーザ溶接において開先６２が埋まるまでレーザ光が照射されることで、接合面５８において互いに接合される面積に相当する溶融断面積Ｓａが確保される。

図７は、図６においてリード部５４ａの先端部を矢印Ｃ方向から見た図である。なお、図７において、リード部５４ａに接合されるリード部５４ｂを二点鎖線（想像線）で示した。図７のリード部５４ａの端部５５ａにおいて斜線の施されている部位が切欠６０に対応している。この斜線が施されている切欠６０の面積Ｓｂは、レーザ溶接によって開先６２が埋まった状態において、一対のリード部５４ａ、５４ｂの互いに隣接する端部５５ａ、５５ｂの接合面５８における溶接後の溶融断面積Ｓａが、予め設定されている規定値α以上となる値に設定されている。また、前記規定値αは、溶接後のリード部５４ａの端部５５ａとリード部５４ｂの端部５５ｂとの間の接合面５８間で破断することのない強度が確保される値に設定されている。

図８は、溶接後におけるリード部５４ａの端部５５ａおよびリード部５４ｂの端部５５ｂの接合部６４を示す図であり、その接合部６４をステータコア２２の径方向外側から見た図である。図８において、斜線が施された部位が、端部５５ａと端部５５ｂとの接合部６４に対応している。接合部６４が平坦または盛り上がった形状になると、開先６２が埋まったと判断される。

図９は、図８の接合部６４を切断線Ｅで切断した断面図である。図９において、破線が切欠６０の底との境界線に対応し、斜線が施されている部位がレーザ溶接による溶融断面積Ｓａに対応している。図９に示すように、開先６２が埋まるまでレーザ光が照射されると、少なくても破線で示す切欠６０の底よりも深い部位まで溶接され、その結果、溶融断面積Ｓａが規定値α以上になる。

このように、リード部５４ａの端部５５ａとリード部５４ｂの端部５５ｂとの接合面５８間に形成される開先６２が埋まるまでレーザ溶接を施すことで、接合面５８の溶融断面積Ｓａが規定値α以上になり、端部５５ａと端部５５ｂとの接合部６４での強度を確保することができる。また、接合面５８での溶融断面積Ｓａが規定値α以上になったかは、開先６２が埋まるまで溶接されたかを外観検査することで判断される。すなわち、破壊検査を行うことなく、接合面５８での溶融断面積Ｓａが規定値α以上であるかを判断することができる。

図１０は、ステータ２０の製造工程のうちステータコア２２に巻き掛けられるステータコイル２８を製造する製造工程を説明するフローチャートである。図１０のフローチャートのステップＳＴ１～ＳＴ５の各工程が、本発明におけるステータコイル２８の製造方法に対応している。

先ず、ステップＳＴ１では、ステータコア２２の各スロット３５に複数個のＵ字状の導体セグメント４８を脚５０側から挿し通す挿通工程を実行する。

次いで、ステップＳＴ２では、ステータコア２２から突き出した導体セグメント４８のリード部５４をステータコア２２の周方向に倒し込む倒し込み工程を実行する。このとき、ステータコア２２のスロット３５内において径方向で隣り合うリード部５４が交互に異なる方向に倒し込まれる。

次いで、ステップＳＴ３では、ステータコア２２の径方向に隣接するリード部５４の端部５５の接合面５８間に向かってレーザ光を照射することで、一対のリード部５４の端部５５同士をレーザ溶接によって接合する接合工程を実行する。このとき、溶接前のリード部５４の端部５５の接合面５８間には、それぞれ開先６２が形成されており、その開先６２が埋まるまでレーザ光が照射される。

次いで、ステップＳＴ４では、各リード部５４の接合部６４が、開先６２が埋まるまで溶接されたかを検査する検査工程を実行する。検査工程では、例えばカメラに映し出される各接合部６４が画像解析によって解析され、各接合部６４の開先６２が埋まったか、すなわち各接合部６４が平坦または盛り上がった形状になったかが検査される。

次いで、ステップＳＴ５では、各リード部５４の端部５５に絶縁樹脂を塗布する塗布工程を実行する。このように、ステータコイル２８の製造工程において、導体セグメント４８においてレーザ溶接されるリード部５４の端部５５の溶接面５８間に開先６２が形成された状態で、開先６２が埋まるまでレーザ光を照射し、リード部５４の端部５５同士を接合することで、破壊検査を実施することなく、接合面５８での溶融断面積Ｓａを規定値α以上にすることができる。

上述のように、本実施例によれば、リード部５４の互いに隣接する端部５５の接合面５８間に開先６２が形成されているため、レーザ溶接時には開先６２が埋まるまでレーザ光を照射することで、溶接後の接合面５８における溶融断面積Ｓａを確保することができる。これより、レーザ溶接される接合面５８の溶融断面積Ｓａが不足することによる接合部６４の強度不足を抑制することができる。また、切欠６０の面積Ｓｂが、開先６２が埋まった状態において、リード部５４の互いに隣接する端部５５の接合面５８における溶接後の溶融断面積Ｓａが規定値α以上になる値に設定されているため、開先６２が埋まるまでレーザ溶接を行うことで、溶接後の溶融断面積Ｓａを規定値α以上とすることができる。

また、本実施例によれば、ステータコイル２８の製造に際して、リード部５４の互いに隣接する端部５５の接合面５８間に開先６２が形成された状態で、その開先６２が埋まるまでレーザ光を照射する工程を含むため、溶接後の接合面５８における溶融断面積Ｓａを確保することができる。これより、レーザ溶接される接合面５８の溶融断面積Ｓａが不足することによる接合面５８の強度不足を抑制することができる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

例えば、前述の実施例では、一対のリード部５４ａ、５４ｂのうちリード部５４ａの端部５５ａに切欠６０が形成されることで、接合面５８間に開先６２が形成されるものであったが、リード部５４ｂの端部５５ｂに切欠が形成されることで接合面５８間に開先が形成されるものであってもよく、リード部５４ａの端部５５ａおよびリード部５４ｂの端部５５ｂの両方に切欠が形成されることで接合面５８間に開先が形成されるものであっても構わない。

また、前述の実施例では、リード部５４ａの端部５５ａにテーパ状の切欠６０が形成されることで、一対のリード部５４ａ、５４ｂの接合面５８間に開先６２が形成されるものであったが、切欠６０の形状は必ずしもテーパ状に限定されない。例えば、切欠が段付状に形成されることで、開先が凹状に形成されるものであっても構わない。要は、一対のリード部５４ａ、５４ｂの接合面５８間に開先（空間）が形成される形状であれば、切欠の形状を適宜変更することができる。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

２２：ステータコア
２８：ステータコイル
３５：スロット
４８：導体セグメント
５４、５４ａ、５４ｂ：リード部
５５、５５ａ、５５ｂ：端部
５８：接合面
６２：開先
ＭＧ：車両用回転電機
Ｓａ：溶融断面積
Ｓｂ：切欠の面積
α：規定値

Claims (3)

1. ステータコアの内周部に形成されるスロットに複数個の導体セグメントが挿通され、前記ステータコアから突き出す前記導体セグメントのリード部の互いに隣接する端部同士がレーザ溶接によって接合されて形成される、車両用回転電機のステータコイルであって、
   レーザ溶接前において、前記リード部の互いに隣接する端部の接合面間に開先が形成されている
   ことを特徴とする車両用回転電機のステータコイル。
2. 前記開先は、前記リード部の互いに隣接する端部の少なくとも一方に形成される切欠によって形成され、
   前記切欠の面積は、前記開先が埋まった状態において、前記リード部の互いに隣接する端部の前記接合面における溶接後の溶融断面積が、予め設定されている規定値以上となる値に設定されている
   ことを特徴とする請求項１の車両用回転電機のステータコイル。
3. ステータコアの内周部に形成されるスロットに複数個の導体セグメントが挿通され、前記ステータコアから突き出す前記導体セグメントのリード部の互いに隣接する端部同士がレーザ溶接によって接合されて形成される、車両用回転電機のステータコイルの製造方法であって、
   前記リード部の互いに隣接する端部の接合面間に開先が形成された状態で、前記開先が埋まるまでレーザ光を照射することで、前記端部同士を接合する工程を含む
   ことを特徴とする車両用回転電機のステータコイルの製造方法。

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