JP2024047192A - ステータの製造方法及びコイル捻り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セグメントコイルの突出部分を周方向に倒しながら曲げる捻り工程において、セグメントコイルの捩れを防止して、その後の溶接工程における溶接不良を防止する。【解決手段】ステータコア１０の各スロット１１に挿入され、半径方向に並べて配された断面矩形状の複数のセグメントコイル２０のうち、ステータコア１０から軸方向一方側に突出した突出部分２３を周方向に倒しながら曲げる捻り工程において、複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を半径方向から押圧した状態で、突出部分２３を曲げる。【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機のステータの製造方法及びコイル捻り装置に関する。

回転電機のステータとして、多数のＵ字形状のセグメントコイルを用いたものが公知である（例えば、下記の特許文献１参照）。この種のステータは、ステータコアに設けられたスロットに多数のセグメントコイルを挿入する挿入工程と、セグメントコイルのうち、各スロットから軸方向一方側に突出した突出部分の半径方向間隔を広げる拡張工程と、セグメントコイルの突出部分を周方向一方側あるいは他方側に曲げる捻り工程と、セグメントコイルの端部同士を溶接する溶接工程とを経て製造される。

上記の工程のうち、捻り工程では、図１３に示すように、セグメントコイル１０３のうち、ステータコア１０１のスロット１０２から突出した突出部分１０４が、周方向に倒されながら曲げられる（点線参照）。具体的には、セグメントコイル１０３の突出部分１０４の先端を捻り治具（図示省略）で掴み、この捻り治具を周方向一方側あるいは他方側に回転させながらステータコア１０１に接近させることで、突出部分１０４を周方向一方側あるいは他方側に倒しながら、突出部分１０４が曲げられる。図示例では、ステータコア１０１の端面上にカフサ１０５が配置され、このカフサ１０５との当接部を起点として、セグメントコイル１０３の突出部分１０４に曲げ部１０６が形成される。

特開２０１６－１３１４５３号公報

上記のような捻り工程において、各セグメントコイル１０３の端部を、これと溶接すべき他のセグメントコイル１０３の端部と近接して配置するためには、セグメントコイル１０３の突出部分１０４を、接線方向Ｌ１に沿って倒すのではなく、接線方向Ｌ１に対して傾斜した方向Ｌ２（図１４参照）に沿って倒す必要がある。このため、セグメントコイル１０３の突出部分１０４の基端部付近（カフサ１０５との当接部付近）に、図１４に矢印で示すような捩りモーメントが加わる。ステータコア１０１とセグメントコイル１０３との間には、ステータコア１０１のスロット１０２にセグメントコイル１０３を挿入可能とするために僅かな隙間が設けられているため、上記のような捩りモーメントが加わることで、セグメントコイル１０３が捩れるおそれがある。このようにセグメントコイル１０３が捩れると、セグメントコイル１０３の先端の位置精度が悪化するため、後工程である溶接工程において、溶接すべきセグメントコイル１０３の端部同士を十分に近接させることができず、溶接不良を招くおそれがある。

そこで、本発明は、セグメントコイルの突出部分を周方向に倒しながら曲げる捻り工程において、セグメントコイルの捩れを防止して、その後の溶接工程における溶接不良を防止することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた本発明は、ステータコアのスロットに挿入され、前記ステータコアの半径方向に並べて配された断面矩形状の複数のセグメントコイルのうち、前記ステータコアから軸方向一方側に突出した突出部分を周方向に倒しながら曲げる捻り工程において、
前記複数のセグメントコイルの突出部分を半径方向から押圧した状態で、前記突出部分を曲げることを特徴とする。

このように、複数のセグメントコイルの突出部分を半径方向から押圧することにより、断面矩形状のセグメントコイルの突出部分の側面同士が互いに押し付け合うため、各突出部分の捩れが規制される。この状態で、セグメントコイルの突出部分を周方向に倒しながら曲げることで、突出部分の基端部付近に捩りモーメントが加わった場合でも、セグメントコイルが捩れることを防止できる。

半径方向に並べて配された複数のセグメントコイルのうち、外径側に配されたセグメントコイルの突出部分は、内径側に配されたセグメントコイルの突出部分よりも長い（図４参照）。そのため、捻り工程でセグメントコイルの突出部分を曲げたとき、外径側のセグメントコイルの突出部分の基端部付近に加わる捩りモーメントは、内径側のセグメントコイルの突出部分の基端部付近に加わる捩りモーメントよりも大きくなる。従って、複数のセグメントコイルの突出部分を、ステータコアの外径側から押圧することが好ましい。これにより、捩れが生じやすい外径側のセグメントコイルの突出部分に、半径方向の押圧力が加わりやすくなるため、セグメントコイルの捩れを効果的に防止できる。

上記の捻り工程では、半径方向に並べて配された複数のセグメントコイルの突出部分のうち、なるべく基端部側（ステータコア側）を半径方向に押圧することが好ましい。例えば、ステータコアの軸方向一方側に、突出部分に当接して曲げ起点を形成するカフサが設けられる場合、複数のセグメントコイルの突出部分のうち、カフサの軸方向領域に配された部分を半径方向から押圧することが好ましい。

上記の製造方法は、ステータコアの各スロットに挿入され、前記ステータコアの半径方向に並べて配された断面矩形状の複数のセグメントコイルのうち、前記ステータコアから軸方向一方側に突出した突出部分を周方向に倒しながら曲げる捻り治具と、
前記複数のセグメントコイルの突出部分を半径方向から押圧する押圧治具とを有するコイル捻り装置を用いて実現することができる。

以上のように、本発明によれば、セグメントコイルの突出部分を周方向に倒しながら曲げる捻り工程において、突出部分の基端部付近における捩れを防止することができる。これにより、セグメントコイルの端部の位置の精度が高められるため、その後の溶接工程における溶接不良を防止することができる。

スロットにセグメントコイルが挿入されたステータコアを軸方向から見た平面図である。 図１のステータコアを外径側から見た側面図である。 （Ａ）はセグメントコイルの正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）図のＰ－Ｐ線における断面図である。 拡張工程後のセグメントコイル及びステータコアの軸方向断面図である。 コイル捻り装置にセットしたセグメントコイル及びステータコアを外径側から見た側面図である。 図５のVI－VI線における矢視断面図である。 図６のVII－VII線における矢視断面図である。 捻り工程を施した状態のセグメントコイル及びステータコアを外径側から見た側面図である。 図６のIX－IX線における矢視断面図である。 捻り工程が完了した状態のセグメントコイル及びステータコアを外径側から見た側面図である。 他の実施形態に係るセグメントコイル及びステータコアの平面図である。 さらに他の実施形態に係るセグメントコイル及びステータコアの平面図である。 従来の捻り工程を示す図であり、図１４のＦ－Ｆ線における矢視断面図である。 従来の捻り工程を示す図であり、図１３のＥ－Ｅ線における矢視断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態の回転電機（モータ）のステータは、（１）コイル挿入工程、（２）拡張工程、（３）捻り工程、（４）溶接工程を経て製造される。尚、本明細書において、軸方向、周方向、及び半径方向は、それぞれステータコア１０の軸方向、周方向、及び半径方向を意味する。

（１）コイル挿入工程
コイル挿入工程では、図１及び図２に示すように、ステータコア１０に設けられた複数のスロット１１に複数のセグメントコイル２０を挿入する。ステータコア１０は、例えば、円環状の電磁鋼板を複数枚積層することにより、あるいは、磁性粉末の圧粉体を焼成することにより全体として略円筒状に形成される。ステータコア１０は、円筒部１２と、円筒部１２の周方向等間隔の複数箇所から内径向きに突出した複数のティース１３とを有し、隣接するティース１３の周方向間にスロット１１が設けられる。ティース１３の内径端には、周方向両側に突出する突出部１３ａが設けられる。スロット１１の内径端（ティース１３の突出部１３ａ間）の周方向幅はセグメントコイル２０の周方向幅よりも小さく、それ以外の領域（突出部１３ａよりも外径側の領域）のスロット１１の周方向幅はセグメントコイル２０の周方向幅よりも僅かに大きい。これにより、セグメントコイル２０がスロット１１に挿入可能とされると共に、各スロット１１に挿入された複数のセグメントコイル２０がティース１３の突出部１３ａで内径側から保持され、スロット１１から内径側への抜けが規制される。

セグメントコイル２０は、図３に示すように、横断面（セグメントコイル２０の延在方向と直交する断面）が矩形状をなした平角線であり、導線２０ａおよびその周囲を被覆する絶縁皮膜２０ｂからなる。導線２０ａは例えば銅で形成され、絶縁被膜２０ｂは例えばエナメルで形成される。セグメントコイル２０は、一対の直線状の脚部２１と、一対の脚部２１の端部同士を繋ぐ連結部２２とからなるＵ字状を成している。セグメントコイル２０の端部、すなわち、一対の脚部２１の自由端２１ａ（連結部２２と反対側の端部）は、絶縁皮膜２０ｂが剥がされて導線２０ａが露出している。

各セグメントコイル２０の一対の脚部２１はそれぞれ異なるスロット１１に挿入される。各スロット１１には、複数のセグメントコイル２０の脚部２１が半径方向に並べて配される。本実施形態では、各スロット１１に脚部２１が８本ずつ挿入される（図１参照）。図２に示すように、各セグメントコイル２０の脚部２１の端部２１ａ（導線２０ａが露出した部分）を含む領域は、ステータコア１０のスロット１１から軸方向一方側（図中上方）に突出している。以下、各セグメントコイル２０の脚部２１のうち、ステータコア１０のスロット１１から軸方向一方側（端部２１ａ側）に突出した部分を「突出部分２３」という。

（２）拡張工程
拡張工程では、半径方向で並べて配された複数のセグメントコイル２０の突出部分２３の半径方向間に、拡張ブレード（図示省略）を上方から押し込むことにより隙間を形成する。本実施形態では、図４に示すように、内径側から２番目と３番目の突出部分２３の間、同４番目と５番目の突出部分２３の間、及び、同６番目と７番目の突出部分２３の間にそれぞれ拡張ブレードを押し込み、これらの間にそれぞれ半径方向の隙間Ｇ１～Ｇ３を形成している。

（３）捻り工程
捻り工程では、各セグメントコイル２０の突出部分２３を、周方向一方側あるいは他方側に倒しながら曲げる。図１を援用して説明すると、各スロット１１の突出部分２３のうち、内径側から奇数番目の突出部分２３を周方向一方側に倒し（矢印Ｂ１参照）、内径側から偶数番目の突出部分２３を周方向他方側に倒す（矢印Ｂ２参照）。すなわち、半径方向に隣接するセグメントコイル２０の突出部分２３を周方向逆向きに倒す。

捻り工程で使用するコイル捻り装置は、図５に示すように、ステータコア１０の軸方向一方側（図中上方）に配された複数の捻り治具３１と、ステータコア１０の軸方向他方側（図中下方）に配された台３２とを有する。

複数の捻り治具３１は、それぞれステータコア１０と同軸の円筒状を成し、半径方向で互いに重ねた状態で配される。捻り治具３１は、１つのスロット１１に挿入されるセグメントコイル２０の脚部２１と同じ数（本実施形態では８個）設けられる。各捻り治具３１は、各スロット１１内で同じ半径方向位置に配されたセグメントコイル２０の脚部２１を繋ぐ円筒と同径である。すなわち、最も小径の捻り治具３１は、各スロット１１内の最も内径側の脚部２１を繋ぐ円筒と同径であり、その外径側に隣接する捻り治具３１は、各スロット１１内の内径側から２番目の脚部２１を繋ぐ円筒と同径である（その他の捻り治具３１も同様）。捻り治具３１には、セグメントコイル２０の端部２１ａを保持する保持部が設けられる。本実施形態では、捻り治具３１の軸方向他方側（図中下側）の端部に、スロット１１と同数の凹部３１ａが設けられ、これらの凹部３１ａが保持部として機能する。捻り治具３１は、ステータコア１０の軸心周りに回転可能であり、且つ、ステータコア１０に対する接近および離反移動（軸方向の往復動）が可能である。

台３２は、セグメントコイル２０のうち、ステータコア１０のスロット１１から軸方向他方側に突出した連結部２２に、軸方向他方側（図中下側）から当接する。これにより、セグメントコイル２０のステータコア１０に対する軸方向他方側への移動が規制される。

本実施形態では、ステータコア１０の軸方向一方側にカフサ３３が設けられる。カフサ３３は、例えば、ステータコア１０の軸方向一方側の端面に接した状態で配置される。カフサ３３は、スロット１１と同数の複数の曲げ起点部３３ａを有する。各曲げ起点部３３ａは、半径方向に延びる柱状を成し、スロット１１から軸方向一方側に突出したセグメントコイル２０の突出部分２３の周方向間に配される。本実施形態のカフサ３３は、捻り工程のみで使用される治具であり、曲げ起点部３３ａが、セグメントコイル２０の突出部分２３の周方向間に外径側から抜き差し可能とされる。捻り工程の後、カフサ３３はステータコア１０から取り外される。

上記のコイル捻り装置には、本発明の特徴的構成である押圧治具３４が設けられる。押圧治具３４は、各スロット１１から軸方向一方側に突出したセグメントコイル２０の突出部分２３の外径側に配される。押圧治具３４は、スロット１１と同数だけ設けられ、それぞれ図示しない駆動手段により半径方向に往復動される。

捻り工程では、まず、セグメントコイル２０が挿入されたステータコア１０をコイル捻り装置にセットする。具体的には、図５に示すように、各セグメントコイル２０の端部２１ａを捻り治具３１の凹部３１ａに嵌合させると共に、各セグメントコイル２０の連結部２２を台３２で軸方向他方側から支持する。

その後、図６に矢印Ｄで示すように、押圧治具３４を内径側に移動させることにより、半径方向に並べて配された複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を外径側から押圧する。図７に示すように、各スロット１１に挿入された複数のセグメントコイル２０は、ステータコア１０のティース１３の内径端に設けられた突出部１３ａで内径側から保持される。以上により、各スロット１１に挿入された複数のセグメントコイル２０が、押圧治具３４とティース１３の突出部１３ａとで半径方向両側から押圧される。すなわち、複数のセグメントコイル２０のうち、スロット１１から突出した突出部分２３が押圧治具３４で外径側から押圧され、スロット１１内に配された部分がティース１３の突出部１３ａで内径側から押圧される。

こうして、各スロット１１から突出した複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を押圧治具３４で外径側から押圧した状態で、捻り治具３１を駆動して突出部分２３を曲げる。具体的に、内径側から奇数番目の捻り治具３１を、ステータコア１０の中心軸回りに周方向一方側に回転させながら（図８の矢印Ｃ１参照）、捻り治具３１をステータコア１０に対して接近移動させる（図８の矢印Ｃ２参照）。これに伴い、当該捻り治具３１に端部２１ａが保持された各セグメントコイル２０の突出部分２３が周方向一方側に倒され、突出部分２３の基端部付近に、カフサ３３の曲げ起点部３３ａとの当接部を起点とした曲げ部Ｑが形成される（図９参照）。これと同時に、内径側から偶数番目の捻り治具３１を、周方向他方側に回転させながらステータコア１０に対して接近移動させることにより、当該捻り治具３１に端部２１ａが保持された各セグメントコイル２０の突出部分２３が周方向他方側に倒され、突出部分２３の基端部付近に、カフサ３３の曲げ起点部３３ａとの当接部を起点とした曲げ部が形成される（図示省略）。

このとき、セグメントコイル２０が捻り治具３１で軸方向他方側（図中下側）に押し込まれるが（図８の矢印Ｃ２参照）、セグメントコイル２０の連結部２２が台３２で軸方向他方側から支持されているため（図５参照）、セグメントコイル２０のステータコア１０に対する軸方向の位置ずれが防止される。

ところで、各セグメントコイル２０の端部２１ａを、これと溶接すべき他のセグメントコイル２０の端部２１ａと近接して配置するためには、セグメントコイル２０の突出部分２３を、接線方向に沿って倒すのではなく、接線方向Ｌ１に対して傾斜した方向Ｌ２（図１４参照）に沿って倒し、突出部分２３の自由端２１ａと基端部（カフサ３３との当接部付近）とを略同一円周上に配する必要がある。このため、各セグメントコイル２０の突出部分２３の基端部付近に、突出部分２３を自身の軸心周りに回転させようとする捩りモーメントが作用する（図１４の矢印参照）。特に、各スロット１１の外径側に設けられたセグメントコイル２０の突出部分２３は、内径側に設けられたセグメントコイル２０の突出部分２３よりも長く、且つ、拡張工程により外径側に変位しているため（図４参照）、基端部付近に加わる捩りモーメントが大きくなる。本実施形態では、図６に示すように、半径方向に並べて配された複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を、押圧治具３４で半径方向から押圧することで、断面矩形状のセグメントコイル２０の突出部分２３の側面同士が半径方向で互いに押し付け合うため、上記の捩りモーメントによる各突出部分２３の捩れが規制される。

このとき、セグメントコイル２０の突出部分２３は、押圧治具３４で外径側から押圧される一方で、内径側からは直接押圧されず、突出部分２３よりも下方部分（スロット１１内に配された部分）がティース１３の突出部１３ａで内径側から保持される（図７参照）。この場合、複数のセグメントコイル２０の突出部分２３が、押圧治具３４の押圧力で内径側に逃げて若干湾曲するため、特に内径側に配された突出部分２３に押圧治具３４の押圧力が伝わりにくい。上述のように、外径側に配された突出部分２３は、長さが長く、且つ、拡張工程により外径側に変位されているため、捩り工程で加わる捩りモーメントが内径側に配された突出部分２３よりも大きい。従って、上記のように複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を押圧治具３４で外径側から押圧することで、相対的に大きな捩りモーメントが加わる外径側に配された突出部分２３に押圧治具３４の押圧力が伝わりやすくなるため、セグメントコイル２０の捩れを効果的に防止できる。

上記の捻り工程では、各スロット１１に配された複数のセグメントコイル２０の突出部分２３のうち、なるべく基端部側（ステータコア１０に近い領域）を押圧治具３４で押圧することが好ましい。本実施形態では、複数のセグメントコイル２０の突出部分２３のうち、カフサ３３の軸方向領域に配された部分を押圧治具３４で押圧している。図示例では、突出部分２３のうち、押圧治具３４による押圧領域の全域がカフサ３３の軸方向領域内に配されている。尚、これに限らず、押圧治具３４による押圧領域が、カフサ３３の軸方向領域から軸方向一方側（図中上側）にはみ出してもよい。

上記のように複数のセグメントコイル２０の突出部分２３が曲げられた後、カフサ３３の曲げ起点部３３ａを外径側に後退させて、カフサ３３をステータコア１０から取り外す。以上により、図１０に示すように、周方向一方側に捻られたセグメントコイル２０の突出部分２３の端部２１ａと、周方向他方側に捻られた他のセグメントコイル２０の突出部分２３の端部２１ａとが、半径方向で隣接した位置に配される。

（４）溶接工程
溶接工程では、半径方向に隣接したセグメントコイル２０の端部２１ａをアーク溶接（例えばＴｉｇ溶接）により溶接する。これにより、電気的に接続された複数のセグメントコイル２０からなるＵ相コイル、Ｖ相コイル、及びＷ相コイルがそれぞれ形成される。

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。

上記の実施形態では、各スロット１１から突出した複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を外径側のみから押圧治具３４で押圧した場合を示したが、これに限らず、半径方向に並べて配された複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を外径側及び内径側から押圧してもよい。例えば図１１に示すように、各スロット１１に配された複数のセグメントコイル２０の突出部分２３の外径側及び内径側に、半径方向に接近・離反可能な押圧治具３４、３５を設け、これらの押圧治具３４、３５で複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を半径方向両側から挟持加圧する。これにより、セグメントコイル２０の捩れをより確実に防止できる。この場合、両押圧治具３４、３５は半径方向で対向して配することが好ましい。また、両押圧治具３４、３５をそれぞれ半径方向に移動可能としてもよいし、一方の押圧治具（例えば外径側の押圧治具３４）を半径方向の移動可能とし、他方の押圧治具（例えば内径側の押圧治具３５）を半径方向で固定してもよい。

また、各スロット１１に配された複数のセグメントコイル２０の突出部分２３を内径側のみから押圧治具で押圧してもよい。この場合、半径方向に並べて配された複数のセグメントコイル２０の突出部分２３の内径側に、半径方向に移動可能な押圧治具が設けられる。

以上の実施形態では、捩り工程の終了後、カフサ３３をステータコア１０から取り外す場合を示したが、これに限らず、カフサ３３をステータコア１０に取り付けたままその後の工程を行ってもよい。この場合、カフサ３３は、例えば図１２に示すように、複数の曲げ起点部３３ａと、複数の曲げ起点部３３ａの内径端同士を連結する小径リング部３３ｂと、複数の曲げ起点部３３ａの外径端同士を連結する大径リング部３３ｃとを一体に有することができる。

１０ ステータコア
１１ スロット
１２ 円筒部
１３ ティース
２０ セグメントコイル
２１ 脚部
２２ 連結部
２３ 突出部分
３１ 捻り治具
３２ 台
３３ カフサ
３４ 押圧治具

Claims (4)

1. ステータコアの各スロットに挿入され、前記ステータコアの半径方向に並べて配された断面矩形状の複数のセグメントコイルのうち、前記ステータコアから軸方向一方側に突出した突出部分を周方向に倒しながら曲げる捻り工程において、
   前記複数のセグメントコイルの突出部分を半径方向から押圧した状態で、前記突出部分を曲げることを特徴とするステータの製造方法。
2. 前記複数のセグメントコイルの突出部分を、前記ステータコアの外径側から押圧した状態で、前記突出部分を曲げる請求項１に記載のステータの製造方法。
3. 前記ステータコアの軸方向一方側に、前記突出部分に当接して曲げ起点を形成するカフサが設けられ、
   前記複数のセグメントコイルの突出部分のうち、前記カフサの軸方向領域に配された部分を半径方向から押圧する請求項１又は２に記載のステータの製造方法。
4. ステータコアの各スロットに挿入され、前記ステータコアの半径方向に並べて配された断面矩形状の複数のセグメントコイルのうち、前記ステータコアから軸方向一方側に突出した突出部分を周方向に倒しながら曲げる捻り治具と、
   前記複数のセグメントコイルの突出部分を半径方向から押圧する押圧治具とを有するコイル捻り装置。

Images