JP2023045096A - ステータ製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルとの干渉を抑制しつつ強度を確保する。【解決手段】第１のクランプ部１１及び第２のクランプ部２１は、軸方向に貫通する貫通孔１１３，２１３を備えるクランプ本体部１１０，２１０と、クランプ内径部１２０，２２０と、クランプ外径部１３０，２３０と、を有し、クランプ本体部１１０，２１０は、貫通孔１１３，２１３に対して一方向に位置して、複数の電気導体対９０を挟持する中心部１１１，２１１と、貫通孔１１３，２１３に対して他方側に位置する縁側部１１２，２１２と、を有し、軸方向から見た場合の縁側部１１２，２１２の周方向の幅は一定であり、軸方向から見た場合の中心部１１１，２１１の周方向の幅は、外径側に向かうにつれて大きく形成されており、軸方向から見た場合の貫通孔１１３，２１３の周方向の幅は、外径側に向かうにつれて小さく形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、ステータのスロットコイルの溶接時に利用されるステータ製造装置に関する。

一般に、ステータのスロットコイルを形成する際に、ステータ製造装置によって、直線状に並んでいるスロットコイルの複数の電気導体をまとめてクランプし、電気導体の端部同士を溶接することが行われている。

このような分野の技術として、特許文献１がある。この公報では、２つの電極をステータ製造装置として用いて溶接対象となるスロットコイルを挟持する際に、電極が隣接するスロットコイルと干渉することを抑制するために、一部に肉抜きを施した形状が開示されている。

特開２０２１－０８７３１６号公報

ステータ製造装置として用いる電極には、各スロットコイルを確実にクランプ状態で保つことができるだけの剛性が求められる。また、スロットコイルでは、同心円上かつ一定角度で溶接点が配される場合、内径ほど溶接点間の隙間が狭くなる。ここで、スロットコイルの位置決め機能を有する電極を用いる場合、スロットコイルにおける溶接を行う箇所と周方向に隣接しているステータコイルを電極に設けた隙間に挿し込むことができ、かつ、溶接対象であるコイルからの位置決め荷重の反力を受け止めることができることが必要となる。しかしながら、電極の剛性の確保と隙間の形成は背反するものであり、剛性を確保しつつ、必要な位置に十分な隙間が形成されている電極が望まれていた。

本発明は、ステータコイルとの干渉を抑制しつつ、ステータコイルからの反力に対する強度を確保したステータ製造装置を提供するものである。

本発明にかかるステータ製造装置は、ステータコアにおいて、円周上に連続して設けられた複数のスロットに挿入された複数の電気導体対を、第１のクランプ部と、第２のクランプ部とで挟持するステータ製造装置であって、第１のクランプ部及び第２のクランプ部は、それぞれが、軸方向に貫通する貫通孔を備えるクランプ本体部と、前記クランプ本体部を内径側でつなぐクランプ内径部と、前記クランプ本体部を外径側でつなぐクランプ外径部と、を有し、前記クランプ本体部は、前記貫通孔に対して一方向に位置して、前記複数の電気導体対を挟持する中心部と、前記貫通孔に対して他方側に位置する縁側部と、を有し、軸方向から見た場合の前記縁側部の周方向の幅は一定であり、軸方向から見た場合の前記中心部の周方向の幅は、外径側に向かうにつれて大きく形成されており、軸方向から見た場合の前記貫通孔の周方向の幅は、外径側に向かうにつれて小さく形成されている。
これにより、溶接対象に隣接するステータコイルの位置に合致する貫通孔を設けることができる。

これにより、ステータコイルとの干渉を抑制しつつ、ステータコイルからの反力に対する強度を確保したステータ製造装置を提供することができる。

ステータ製造装置が、コアに設けられた電気導体対を挟持した状態を模式的に示す部分斜視図である。 ステータ製造装置を構成している第１の電極の形状を示す斜視図である。 第１の電極の上面視及び下面視の図である。 第１の電極と第２の電極により電気導体対を挟んだ状態を示した上面視の図である。 電気導体対を溶接する流れを示した図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明に係るステータ製造装置は、ＳＣ（セグメントコンダクタ）ステータの製造において、複数の電気導体対を結線するために溶接する際に用いる治具である。以下では、ステータの径方向に沿って互いに隣接するコイル端部の対を電気導体対とする。

図１は、ステータ製造装置１が、ステータコア１０（以下、コア１０）に設けられた複数の対となっているステータコイル（以下、電気導体対）９０を挟持した状態を模式的に示す部分斜視図である。ここでは図１を参照して、本実施の形態に係るステータ製造装置１を用いる対象であるコア１０の構成について説明する。

図１には、一例として、コア１０の周方向に連続して設けられた複数のスロット（不図示）の一つに、電気導体対９１～９４の端部が挿入された状態を示している。ここで、電気導体対９１～９４はコア１０の径方向に等間隔に配列されている。以下、電気導体対９１～９４を纏めて、複数の電気導体対９０と呼ぶ。また、電気導体対９０は、コア１０の周方向に等間隔に配列されている。より具体的には、複数の電気導体対９０の周方向両側には複数の電気導体対９５，９６が配列され、さらに周方向に連続するように複数の電気導体対が配列されている。

なお、複数の電気導体対９０や、電気導体対９５，９６に含まれる電気導体対の数、すなわちコア１０の径方向に配列される電気導体対の数は、図１においては４対の例を示しているが、所望のステータの形状や大きさによって適宜変更される。例えば、図２、図３、図４は、３対の電気導体対を挟むステータ製造装置１を示した図となっている。

図１に示すように、本実施の形態に係るステータ製造装置１は、周方向に並んだ隣り合う複数の電気導体対９１～９４を間に挟んで配置されるものである。またステータ製造装置１は、溶接対象となる複数の電気導体対９０を、第１のクランプ部（以下、第１の電極）１１及び第２のクランプ部（以下、第２の電極）２１が挟持する治具である。すなわち、ステータ製造装置１は、溶接対象となる複数の電気導体対９０を挟持することで、溶接に適した位置に修正しつつ保持できる。

なお、各電気導体対は、例えばエナメルなどの絶縁被膜で被覆され周囲と絶縁状態となっているが、複数の電気導体対９０の端部、すなわちステータ製造装置１によって挟持される溶接対象となる部分は、導体が露出した状態である。他の電気導体対９５，９６等についても同様である。

ここで図１では、構成要素の位置関係を説明するために、コア１０の中心軸を基準とした３軸直交座標系が示されている。コア１０は、上面視において円環状であり、３軸直交座標系のうち、軸方向とはコア１０の中心軸に沿って延びる方向である。また、径方向とは、コア１０の中心軸に直交する面において、かかる中心軸から放射状に延びる方向である。周方向とは、コア１０の中心軸に直交する面において、かかる中心軸と交差する点を中心とした任意の円に接する方向である。また、図１以外においても、３軸直交座標系が示されている場合には、図１のそれぞれの軸に対応するものとする。

図１に示すように、第１の電極１１および第２の電極２１は、径方向に延びる略角柱状の金属部材である。第１の電極１１および第２の電極２１は、互いに隣接するセグメントコイルの電気導体対９０を周方向から挟み込んで位置規制する。また、第１の電極１１および第２の電極２１は、かかる電気導体対９０を挟み込んだ状態において、接触している電気導体対９０と通電可能な状態となる。なお、本実施の形態において、第１の電極１１および第２の電極２１がコイル端部を挟み込むことを、クランプする、とも称する。

次に、図２、図３、図４を参照して、ステータ製造装置１の具体的な構成について説明する。図２は、ステータ製造装置１を構成している第１の電極１１の形状を示す斜視図であり、図３は第１の電極１１の上面視及び下面視した状態を示している。さらに図４は、第１の電極１１と第２の電極２１により電気導体対９０を挟んだ状態を示した上面視の図である。

図２、図３、図４に示すように、第１の電極１１は、中心部１１１と縁側部１１２とを有するクランプ本体部１１０と、クランプ本体部１１０を内径側でつなぐクランプ内径部１２０と、クランプ本体部１１０を外径側でつなぐクランプ外径部１３０と、を有している。

また図４に示すように、第２の電極２１は、中心部２１１と縁側部２１２とを有するクランプ本体部２１０と、クランプ本体部２１０を内径側でつなぐクランプ内径部２２０と、クランプ本体部２１０を外径側でつなぐクランプ外径部２３０と、を有している。

クランプ本体部１１０およびクランプ本体部２１０は、中心部１１１及び中心部２１１により電気導体対９０を挟み込み、電気導体対９０の位置を規制する。

ここで、第１の電極１１と第２の電極２１は互いに同様の構成を有し、互いにクランプ本体部１１０，２１０に設けられた中心部１１１，２１１が周方向に対向する。したがって以下では、第１の電極１１について詳細な構成について説明し、第２の電極２１の構成については説明を省略することがある。

図２、図３、図４に示すように、第１の電極１１のクランプ本体部１１０は、径方向に沿って延伸している中心部１１１と、縁側部１１２と、上面視において中心部１１１と縁側部１１２の間に配される貫通孔１１３と、を備える。ここで図４に示すように、ステータ製造装置１において、第１の電極１１に設けられたクランプ本体部１１０の中心部１１１と、第２の電極２１に設けられたクランプ本体部２１０の中心部２１１と、が周方向において互いに近接して配されている。なお図２、図３、図４に示すように、周方向において、この第１の電極１１と第２の電極２１が近接する方向を閉じ方向側とし、逆方向を開き方向側とする。

第１の電極１１のクランプ本体部１１０の中心部１１１の閉じ方向側には、電気導体対９０に当接する当接部１１４が形成されている。具体的には、この当接部１１４は、中心部１１１における閉じ方向側において、径方向における所定の間隔ごとに、周方向に凹んで形成された箇所である。

また同様に、第２の電極２１のクランプ本体部２１０の中心部２１１の閉じ方向側には、電気導体対９０に当接する当接部２１４が形成されている。具体的には、この当接部２１４は、中心部２１１における閉じ方向側において、径方向における所定の間隔ごとに、周方向に凹んで形成された箇所である。

図３に示すように、中心部１１１及び中心部２１１では、それぞれの当接部１１４，２１４の凹みに、電気導体対９０を構成している一対のコイルを挟み込むとともに、この一対のコイルの端部側面に接触し、コイル端部をガタツキなく位置規制する。

言い換えると、中心部１１１，２１１の当接部１１４，２１４は、周方向においてオフセットした位置で径方向に沿って延びる箇所と、径方向に沿って延びる面から閉じ方向側に向かって突出する部分とを有している。中心部１１１，２１１は、これらの構成により形成される面により電気導体対９０を構成しているコイルの側面を囲むようにして位置規制する。

さらに図２に示すように、中心部１１１の周方向の幅は、内径側ほど短く、外径側ほど大きく形成されている。より具体的には、軸方向からの視点において、中心部１１１は、当接部１１４が形成されている側である閉じ方向側の辺は、径方向に対して略平行に形成されている。一方で、中心部１１１の開き方向側における辺は、内径側ほど閉じ方向側に設けられ、外径側ほど開き方向側であるように形成されている。

貫通孔１１３は、中心部１１１において径方向に長く形成された、軸方向に貫通する孔である。また、貫通孔１１３は、軸方向からの視点における周方向の幅が、内径側ほど長く、外径側ほど短く形成されている。

ここで図２に示すように、軸方向からの視点において、貫通孔１１３の閉じ方向側を形成する辺１１３ａは、中心部１１１の開き方向側を形成している辺と、共通の箇所である。したがって、中心部１１１の開き方向側における辺が、外径側ほど開き方向側であるように傾斜して形成されていることから、貫通孔１１３の閉じ方向側を形成する辺１１３ａもまた、外径側ほど開き方向側であるように傾斜して形成されている。

なお、この貫通孔１１３の閉じ方向側を形成している辺１１３ａの傾きは、軸方向側の視点において、コア１０において放射状に設けられた電気導体対の放射の角度と、合致するように形成されている。

言い換えると、図１に示すように、コア１０には、電気導体対９０と、周方向における両側に隣接する電気導体対９５，９６が、それぞれ径方向に連続して配されている。ここで電気導体対９５，９６は、それぞれ内径側では電気導体対９０に近接し、外径側では電気導体対９０から離れるように放射状に傾斜して配されている。ここで、第１の電極１１の貫通孔１１３はこの電気導体対９５の傾斜に合致する形状であることから、第１の電極１１と第２の電極２１で電気導体対９０を挟持した際に、電気導体対９５は、閉じ方向側の隙間が少ない状態で貫通孔１１３に挿入される。

一方で、軸方向からの視点における上面視において、貫通孔１１３において開き方向側を形成する辺１１３ｂは、径方向に略平行に形成されている。これは上面視において、後述する縁側部１１２の閉じ方向側を形成する辺と同一である。

縁側部１１２は、径方向に沿って延伸しており、軸方向からの視点において周方向側の幅が一定の長さで形成されている。また、縁側部１１２の閉じ方向側における辺、及び、開き方向側における辺は、径方向に対して略平行であるように配されている。

クランプ内径部１２０は、クランプ本体部１１０より内径側に配され、所定の径方向の長さ及び所定の軸方向の厚みを有する。また、クランプ内径部１２０は、クランプ本体部１１０の中心部１１１の内径側の端部と、縁側部１１２の内径側の端部が、それぞれ繋がっている。

クランプ外径部１３０は、クランプ本体部１１０より外径側に配され、所定の径方向の長さ及び所定の軸方向の厚みを有する。また、クランプ外径部１３０は、クランプ本体部１１０の中心部１１１の内径側の端部と、縁側部１１２の内径側の端部が、それぞれ繋がっている。

言い換えると、径方向内側に配されたクランプ内径部１２０と、径方向外側に配されたクランプ外径部１３０と、の間に、クランプ本体部１１０の中心部１１１と、縁側部１１２の夫々が架設されている。

なお典型的には、中心部１１１及び縁側部１１２は、クランプ内径部１２０及びクランプ外径部１３０に比べて、軸方向に薄く形成されている。さらに、中心部１１１はコア１０に近接するように、軸方向における下方に配されており、縁側部１１２はコア１０から離れるように、軸方向における上方に配されている。

ここで、縁側部１１２は、その上面がクランプ内径部１２０及びクランプ外径部１３０の夫々の上面より高い位置となるように屈曲した形状である。ここで縁側部１１２は、軸方向において縁側部１１２をコア１０から離すように配することができるとともに、縁側部１１２には、電気導体対９５を配することができる空間１１５が設けられた状態となる。これにより、縁側部１１２では下方の空間１１５には、挟持する対象である電気導体対９０に隣接する電気導体対９５を配することができ、縁側部１１２と電気導体対９５の干渉の発生を抑制できる。

なお、この縁側部１１２に設けられた空間１１５は、貫通孔１１３と連続する空間である。また、第２の電極２１における空間２１５と貫通孔２１３も同様に連続する空間である。すなわち、これらの空間には、それぞれ電気導体対９５，９６を配することができる。

また図２に示すように、縁側部１１２は、クランプ内径部１２０及びクランプ外径部１３０に比べて、周方向における開き方向側に屈曲した形状であってもよい。言い換えると、縁側部１１２とクランプ内径部１２０との接続箇所、及び縁側部１１２とクランプ外径部１３０との接続箇所が、上面視において開き方向側に屈曲して接続するような形状とすることができる。これにより、縁側部１１２では、周方向の幅を広く設けることが可能となり、第１の電極１１の剛性を向上させることができる。

次に、ステータ製造装置１を使用して、電気導体対９０をクランプして溶接する工程について説明する。

図５（ａ）～図５（ｃ）は、電気導体対９０を溶接する流れを示した図である。なお図５（ａ）～図５（ｃ）では、電気導体対９０の上方に溶接装置３００の一部である溶接トーチが配置された状態が示されている。

ここで図５（ａ）は、複数のセグメントコイルがスロットの下側から挿入されたコア１０の一部分を、斜め上方から観察した状態である。図５（ａ）～図５（ｃ）に示したコア１０には、上側に突出する複数の電気導体対が示されている。複数の電気導体対は、コア１０の中心軸から放射状に配置されている。一例として、電気導体対９０及び電気導体対９５，９６は、軸方向からの視点において放射状となるように配されている。

ステータ製造装置１は、溶接の対象となる電気導体対９０を選択する。そして、ステータ製造装置１は、コア１０の軸方向における上方向から、対象となる電気導体対９０に向けて下降し、溶接の対象となる４組の電気導体対９０を同時に挟み込む。すなわち図５（ｂ）に示した状態となる。なお、図５（ｂ）の太線矢印は、これらのステータ製造装置１が下降動作した後に電気導体対９０を挟み込む、閉じ方向の動作を示している。

ここで図４に示すように、第１の電極１１および第２の電極２１は、互いの中心部１１１，２１１が近接し、当接部１１４，２１４の凹みに、電気導体対９０を挟み込むように動作する。ここで典型的には、第１の電極１１は固定側の電極であり、第２の電極２１は可動側の電極であって、第２の電極２１が第１の電極１１に近接するように動作することによって、電気導体対９０を挟み込む。これにより、第１の電極１１および第２の電極２１は、電気導体対の位置を規制することができる。

典型的には、電気導体対９０の軸方向における上方の端部は、中心部１１１，２１１より上方に位置している。また、電気導体対９０に対して周方向に隣接して配されている電気導体対９５，９６も、電気導体対９０と同様に中心部１１１，２１１より上方に突出している。

ここで図３及び図４に示すように、第１の電極１１及び第２の電極２１では、中心部１１１，２１１の周方向における幅が外径側に向かうにつれて大きく、貫通孔１１３，２１３の周方向における幅が外径側に向かうにつれて小さくなるように傾斜している。言い換えると、ステータ製造装置１は、中心部１１１，２１１の当接部１１４，２１４において電気導体対９０がクランプされた場合に、貫通孔１１３，２１３は、電気導体対９５，９６の放射状の配置に合致するように形成されている。

したがって図４に示すように、第１の電極１１では、軸方向からの視点において、貫通孔１１３の夫々の閉じ方向側の辺１１３ａと、電気導体対９５の放射状の配置が略平行の状態で、電気導体対９５が貫通孔１１３及び空間１１５に挿入された状態となる。第２の電極２１における貫通孔２１３と、電気導体対９６についても同様である。

さらにこのとき、電気導体対９５，９６の上方側の端面は、縁側部１１２及び縁側部２１２よりも下方の空間１１５，２１５に位置している。言い換えると、図３に示すように、軸方向からの視点において、電気導体対９５，９６の一部が貫通孔１１３，２１３に挿入され、電気導体対９５，９６の残りの箇所は、縁側部１１２，２１２の下方の空間１１５，２１５に配されていることから、電気導体対９５，９６がステータ製造装置１と接触することが抑制される。

次に、ステータ製造装置１が溶接の対象となる電気導体対９０を挟み込んだ状態において、溶接装置３００が電気導体対９０の上方から下降を始める。なお図５（ｂ）では、電気導体対９０の上方に、溶接装置３００の一部である溶接トーチが配置された状態が示されている。ここで、溶接装置３００はＴＩＧ溶接（TIG=Tungsten Inert Gas）またはアーク溶接と称される溶接を行う装置である。

溶接装置３００は、電気導体対９０に接近するとともに高温のアークを発生させることにより、一対のコイルの端部である電気導体対９０を互いに溶融して接合する。図５（ｃ）は、溶接装置３００が、電気導体対９０のうち、最も外周側に位置する電気導体対９１に向かって下降した状態を示している。なお図５（ｃ）の太線矢印は、溶接装置３００の移動を示している。

溶接装置３００は、１組の電気導体対の溶接が終わると、順次、径方向に移動して、他の電気導体対を溶接する。このようにして径方向に配置された４組の電気導体対９０の溶接が終わると、溶接装置３００およびステータ製造装置１は、上昇し、他の電気導体対９５などに対して同様の行程を繰り返す。

なお例えば、溶接装置３００では、ガス吐出口と、電極棒と、を有している。ガス吐出口は、電極棒の周りに設けられた開口部であり、溶接トーチの内部から不活性ガスを吐出する。不活性ガスはシールドガスとも称されるものであり、不活性ガスは空気中で活性化しにくい気体を含み、例えばアルゴンガスである。

電極棒は、例えばタングステンを主成分とする棒である。電極棒は、電流が流れることにより、高温のアークを発生する。溶接装置は、溶接の対象となる電気導体対に接近したときに、電極棒に電流を流すとともに、吐出口から不活性ガスを吐出する。これにより、電極棒は不活性ガスに覆われた状態で高温のアークを発生させ、電極棒に近接する電気導体対が溶融させることができる。

このように、ステータ製造装置１では、溶接対象となる電気導体対９０を固定し、電気導体対９０の先端部の溶接を実行することができる。

このとき特に、ステータ製造装置１では、軸方向からの視点において、中心部１１１，２１１では貫通孔１１３，２１３と、架設されている縁側部１１２，２１２の下方の空間１１５，２１５に隣接する電気導体対９５，９６が配された状態となる。これにより、ステータ製造装置１は、隣接する電気導体対９５，９６との接触を回避する空間を確保することができる。

さらに、ステータ製造装置１では、貫通孔１１３，２１３が、外径側ほど幅が広くなるように設けられているとともに、縁側部１１２，２１２が径方向に架設された状態で周方向に一定の幅で形成されている。すなわち、貫通孔１１３，２１３は、内径側ほど狭くなるが、外径側は広くできることから位置決め荷重に対して有利となる。これにより、ステータ製造装置１では、第１の電極１１及び第２の電極２１の夫々の剛性を向上させることができる。

さらに、ステータ製造装置１では、貫通孔１１３，２１３を設けつつ、中心部１１１，２１１や縁側部１１２，２１２の表面積を広くすることができるため、熱容量を下げ、かつ、冷却性を向上させることができる。

ここで、ステータ製造装置１は、溶接対象である電気導体対９０を挟み込みために、第１の電極１１の中心部１１１を電気導体対９０と電気導体対９５の間、第２の電極２１の中心部２１１を電気導体対９０と電気導体対９５の間に差し込む必要がある。一方で、ステータ製造装置１では、貫通孔１１３，２１３は外径側ほど幅が広い形状であって、軸方向からの視点において放射状に配された電気導体対９５，９６の位置に合致する形状で形成されている。そのため、貫通孔１１３，２１３をこのような形状で設けたステータ製造装置１では、電気導体対間に差し込む際の容易性への影響は少ない。

なお、本発明は上記実施の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。すなわち上記の記載は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされており、当業者であれば、実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

１ ステータ製造装置
１０ ステータコア
１１ 第１の電極（第１のクランプ部）
２１ 第２の電極（第２のクランプ部）
９０ 電気導体対
９１～９４ 電気導体対
９５，９６ 電気導体対
１１０，２１０ クランプ本体部
１１１，２１１ 中心部
１１２，２１２ 縁側部
１１３，２１３ 貫通孔
１１３ａ 辺
１１３ｂ 辺
１１４，２１４ 当接部
１１５，２１５ 空間
１２０，２２０ クランプ内径部
１３０，２３０ クランプ外径部
３００ 溶接装置

Claims (1)

1. ステータコアにおいて、円周上に連続して設けられた複数のスロットに挿入された複数の電気導体対を、第１のクランプ部と、第２のクランプ部と、で挟持するステータ製造装置であって、
   第１のクランプ部及び第２のクランプ部は、それぞれが、
   軸方向に貫通する貫通孔を備えるクランプ本体部と、
   前記クランプ本体部を内径側でつなぐクランプ内径部と、
   前記クランプ本体部を外径側でつなぐクランプ外径部と、を有し、
   前記クランプ本体部は、
   前記貫通孔に対して一方向に位置して、前記複数の電気導体対を挟持する中心部と、
   前記貫通孔に対して他方側に位置する縁側部と、を有し、
   軸方向から見た場合の前記縁側部の周方向の幅は一定であり、
   軸方向から見た場合の前記中心部の周方向の幅は、外径側に向かうにつれて大きく形成されており、
   軸方向から見た場合の前記貫通孔の周方向の幅は、外径側に向かうにつれて小さく形成されている、
   ステータ製造装置。

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