JP3541534B2 - 回転電機の回転子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電動機などの回転電機の回転子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スタータ等の小型直流電動機の回転子は、回転軸が装着された電機子鉄心に対して、モールド成形を含む整流子製造工程、電機子コイル巻装工程、整流子組み付け工程、整流子片に電機子コイルを接合する接合工程を順番に実施して製造される。
一方、特開昭６３−１９４５４１号公報は、回転軸に嵌められたモールド樹脂筒（絶縁材）の表面に軸方向に伸びるブラシ接触部を部分的に埋め込み、且つ、モールド樹脂筒の内部に周方向に傾斜しつつ軸方向へ延伸する内側導体を埋め込み、ブラシ接触部の一端から径方向へ外側ライザ部へ延設し、この外側ライザ部と電機子鉄心との間にてこれら両者から電気絶縁しつつ内側導体の一端から径方向に内側ライザ部を延伸させてなる整流子片を開示している。このようにすれば、コイルエンドを省略することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報の整流子片は、径大なライザ部を要するので、半径に比例する整流子片の遠心力が従来より格段に増大し、それを担持するモールド樹脂筒の負担が大きく、モータを高速回転することができないという問題を内包する。また、モールド樹脂筒中に整流子片すなわちブラシ接触部及び内側導体の両方を径方向に二段に担持しなければならず、モールド樹脂筒の負担は従来の場合より一層過酷となっている。また、ブラシとの摩擦部で発生した摩擦熱を両ライザ部まで伝達する必要があるので、ブラシ接触部や内側軸方向導体部を支持するモールド樹脂筒はかなりの高温となってしまう。さらに、内側導体を周方向に斜設しなければならないので、モールド樹脂筒の軸方向長を短縮できない不具合がある。
【０００４】
上述の問題に鑑み、本発明者は、直流電動機の電機子鉄心の外周面に形成されたスロットに収容されスロットの両端開口部から両端が突出するコイル片と、このコイル片と電気的に接続され電機子鉄心の端面に沿って回転軸側へ延設される一対のコイル端部とからなる半ターンの略コ字形のコイル導体を形成し、各スロットに上記コイル導体を上下一対挿入し上側コイル導体のコイル端部の末端部を所定角離れた下側コイル導体のコイル端部の末端部に接合して電機子コイルを構成した電機子を開発した。
【０００５】
そして、本発明者は、図１０に示すように、上下コイル導体１４、１５を挿入するためのスロットを備えた電機子鉄心１２と電機子鉄心１２の中心に装着された回転軸１１とを予め一体としたロータを用意し、これに上記の上下一対のコイル導体１４、１５を挿入したのち、各上下コイル導体１４、１５の先端面１４ｄ、１５ｄを接合することにより電機子コイル１３を構成しようとした。
【０００６】
しかしながら、この技術では、回転軸１１が上下コイル導体１４、１５の接合部である先端面１４ｄ、１５ｄの近傍に存在するため、電機子鉄心１２に予め回転軸１１を装着した状態で上下コイル導体１４、１５の先端面１４ｄ、１５ｄを接合しようとすると、接合作業の作業スペースを広く取ることができない。また、この接合を、図１０に示すように溶接トーチ４７を用いた溶接で実施する場合、接合部近傍に接合部を冷却、保持する保持冷却治具３１を配設した状態で溶接作業を実施することとなる。従って、電機子鉄心１２に回転軸１１が装着されていると、接合部内側に配設されるこの保持冷却治具３１を、溶接を確実に行うために十分な形状（特に、肉厚）とすることが不可能となり、治具の強度、保持力の確保、冷却効果、寿命の各項目に関して不具合を生ずることとなる。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、上下コイル導体の接合作業性を向上する方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る回転電機の回転子の製造方法は、複数のスロット内に収納されスロットの両端から突出するコイル片と、これらコイル片の両端から径方向内側に延び、サーフェイス型の整流子を構成する一対のコイル端部とを有する上層および下層コイル導体を備えた電機子鉄心を準備し、下層コイル導体のコイル端部の径方向内端部と所定角離れた上層コイル導体のコイル端部の径方向内端部とを、サーフェイス型の整流子より径方向内側であって、しかも電機子鉄心の中心孔より径方向外側にて電気的に接合する接合工程を行って電機子コイルを形成し、その後に、電機子鉄心の中心孔に回転軸を嵌着する。
従って、上層コイル導体と下層コイル導体の各径方向内端部を電気的に接合する接合工程を行う際には、接合部分より径方向内側方向には、回転軸が存在しないため、回転軸が装着される部位に、接合部分の近傍を保持し、かつ接合時の接合部近傍の冷却のための治具を配置させることができるため、保持、冷却のための治具の寸法を大きく、またその熱容量を大きくしたものを用いることができる。
この結果、接合の作業性が向上し、接合部分を確実に接合させることができ、不良品の発生を低下させることができ、生産効率を上げることができる。
【０００９】
請求項２では、電機子鉄心の中心に、下層コイル導体を保持するとともに自転自在に配設される冷却治具を備えている。従って、接合工程において、電機子鉄心を、回転可能に保持するとき、同時に、冷却治具によって溶接予定領域の径方向内側で下層コイル導体を保持することによって、電機子鉄心の回動位置に関係なく常に下層コイル導体を保持、冷却することができるため、上下コイル導体の接続部の接合予定領域に近接して溶接機の溶接トーチの先端を近接配置しておくことで、溶接トーチにより溶接予定領域を溶接する溶接工程と、電機子鉄心を所定角度回動させる回動工程とを単純に繰り返すだけで、次々に各溶接予定領域の溶接を行うことができる。この結果、各溶接要請領域の溶接を短時間で終了することができ、生産効率が向上する。
【００１０】
請求項３では、冷却治具内に、冷却用液体を循環させるための空間を形成されているため、冷却治具の冷却効果が大幅に増大する。また、冷却治具を常に低温に維持することができるため、接合状態を均一化することができ、接合不良の発生を低減することができる。また、冷却治具の寿命を延長させることもできる。
【００１１】
請求項４に係る回転電機の回転子の製造方法は、略円柱形状の電機子鉄心の外周面に形成された複数のスロットにそれぞれ絶縁して収容されスロットの両端から突出するコイル片とコイル片の両端から電機子鉄心の軸芯に向かって所定の角度をなして延設され、サーフェイス型の整流子を構成する一対のコイル端部とからなり互いに絶縁してスロット内に配された上層コイル導体及び下層コイル導体を有し、下層コイル導体のコイル端部の径方向内端部と所定角離れた上層コイル導体のコイル端部の径方向内端部とが電気的に接続されて電機子コイルを形成する回転電機の回転子の製造方法であって、薄い鋼板から略円盤状にプレスマシンで打ち抜き加工されたプレートを複数枚積層して一体として電機子鉄心を形成し、この電機子鉄心に下層コイル導体との電気的絶縁を確保するための絶縁処理を施した後にスロット内に下層コイル導体を収容し、下層コイル導体と電気的絶縁を確保しつつ上層コイル導体をスロット内に収容し、下層コイル導体のコイル端部の径方向内端部と所定角離れた上層コイル導体のコイル端部の径方向内端部とを、サーフェイス型の整流子より径方向内側であって、しかも電機子鉄心の中心孔より径方向外側にて接合する接合工程を行って電機子コイルを形成し、その後に、電機子鉄心の中心孔に回転軸を嵌着する。
【００１２】
従って、上記請求項１と同様に、上層コイル導体と下層コイル導体の各径方向内端部を電気的に接合する接合工程を行う際には、接合部分より径方向内側方向には、回転軸が存在しない。
このため、回転軸が装着される部位に、接合部分の近傍を保持し、また接合時の接合部近傍の冷却のための治具を配置させることができるため、保持、冷却のための治具の寸法を大きく、またその熱容量を大きくしたものを用いることができる。
この結果、接合の作業性が向上し、接合部分を確実に接合させることができ、不良品の発生を低下させることができる。生産効率を上げることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
図１は、本実施例の直流電動機の回転子１を示す。
図１の回転子１において、１１は回転軸、１２は電機子鉄心、１３は上層コイル導体１４と下層コイル導体１５とからなる電機子コイル、２１、２２、２３は絶縁プレートである。
【００１４】
電機子鉄心（コア）１２は、薄い鋼板から略円盤状にプレスマシンで打ち抜き加工されたプレートを複数枚積層し、打ち出し等によって一体としてある。
電機子鉄心１２の外周には、図２に示すように、電機子コイル１３を収容するための多数のスロット１２ａが軸方向に形成され、各スロット１２ａの両側には、スロット１２ａの開口を防ぎ、電機子コイル１３を固定するための突起１２ｂが同じく軸方向に設けられている。スロット１２ａの中心側と外周側には、電機子コイル１３の下層コイル導体１５と上層コイル導体１４がそれぞれ収容される。
【００１５】
各コイル導体１４、１５は、図３（ａ）に示すように、おおよそ厚さが１ｍｍより厚い銅板をプレス打ち抜きによって得られた展開体１３Ａを、図３（ｂ）に示すように、末端部１３ｃをコイル端部１３ｂに対して約９０°折り曲げ加工し、さらに、コイル端部１３ｂをコイル片部１３ａに対して逆向きに約９０°それぞれ折り曲げ加工して図３（ｃ）に示すように、略コ字状に形成したものである。
展開体１３Ａにおいて、コイル端部１３ｂは、コイル片部１３ａの両端からコイル片部１３ａに対して角度θｂをなして設けられ、末端部１３ｃは、コイル端部１３ｂに対して角度θｃを成して設けられている。
【００１６】
これによって、コイル片部１３ａは、両端が露出してスロット１２ａ内に配され、コイル端部１３ｂは、その両端から電機子鉄心１２の軸心へ向かって所定の角度θｂをなして延設されて、図４に示すように、電機子鉄心１２の軸心に対してそれぞれ角度θｂだけずれた方向を指向したサーフェイス型の整流子を構成する。なお、各角度θｂは、上層コイル導体１４と下層コイル導体１５においてそれぞれ別途設定されている。
【００１７】
以下、回転子１の電機子コイル１３の組み付け工程を図５に基づいて説明する。なお、図５では、多数のスロット１２ａのうち１スロットについてのみを図示してあり、他のスロットおよび電機子コイル１３については図示を省略してある。
【００１８】
電機子鉄心１２と下層コイル導体１５との絶縁を確保するために、電機子鉄心１２の軸方向の両端部に絶縁プレート２１を装着し、各スロット１２ａにスロット数と同数の絶縁用のスロットインシュ１７を装着する。この絶縁工程は樹脂などを用いた粉体塗装などによって実施してもよい。
次に、各スロット１２ａのスロットインシュ１７の上層にスロット数と同数の略コ字状の下層コイル導体１５を装着する。
【００１９】
次に、上下コイル導体１４、１５間の絶縁を確保するために、絶縁プレート２２を電機子鉄心１２の両端の下層コイル導体１５のコイル端部１５ｂの表面に装着し、各スロット１２ａ内の下層コイル導体１５の上層にスロット数と同数の絶縁用のスロットインシュ１８を装着する。
次に、スロット１２ａ内のスロットインシュ１８の上層にスロット数と同数の略コ字状の上層コイル導体１４を装着する。
この結果、上層コイル導体１４の末端部１４ｃ及びコイル端部１４ｂの末端部１４ｃ近傍は、所定数だけずれた下層コイル導体１５の末端部１５ｃ及びコイル端部１５ｂの末端部１５ｃ近傍と重なることになる。
【００２０】
次に、上下コイル導体１４、１５の末端部１４ｃ、１５ｃの先端面１４ｄ、１５ｄの接合を行う。
この接合工程のためのＴＩＧ溶接装置１００を図６に示す。
図６において、４０はベース、４１はモータ、４２は減速機、４３はワーク下側保持具でワークを回転駆動させる。４４はワーク上側保持具でワークを保持しながら、ワーク下側保持具４３の回転に追従する。
【００２１】
４５はアースを兼ねた上導体冷却治具で、先端面１４ｄ、１５ｄの近傍まで上導体冷却治具４５で覆うことによって先端面１４ｄ、１５ｄ以外の末端部１４ｃ、１５ｃの溶融を防止する作用がある。
４６は下導体冷却治具で下層コイル導体１５の末端部１５ｃの内側に配置され、下層コイル導体１５の末端部１５ｃを外周側へ押し拡げることで、上下コイル導体１４、１５の末端部１４ｃ、１５ｃの隙間を無くし、被溶接箇所を保持し、また、接合部である先端面１４ｄ、１５ｄ以外の末端部１４ｃ、１５ｃの溶融を防止する作用も合わせ持つ。
【００２２】
４７はタングステン電極、冷却水循環路、シールドガスノズルから構成される溶接トーチであって、ベース４０に保持され、先端部の位置、姿勢等は可変となっており、接合部の形状、回転速度、アーク出力等により適宜調整される。
４８は溶接トーチ４７の先端から放出されるアークであり、その熱エネルギによって先端面１４ｄ、１５ｄが溶融、結合される。
【００２３】
１０１は溶接コントローラでアーク４８のオン・オフ、アーク４８の出力制御を行う。１０２はコンピュータ又はシーケンサで溶接機全体の制御、ワークの脱着、ワークの回転とアークの制御のシーケンス制御を行う。１０３はモータ制御ユニットでモータ４１のオン・オフ、モータ速度を制御する。１０４はシールドガス供給装置で溶接状態を安定させるためのシールドガスを供給する。１０５は高周波発生装置で溶接に必要な高周波を発生させる。１０６は冷却水供給装置で溶接トーチ４７内部の冷却水を循環させる。１１０は電源装置である。
【００２４】
以上の構成からなるＴＩＧ溶接装置１００による接合工程は、図７に示すように、次のように行われる。
上層コイル導体１４及び下層コイル導体１５等がスロット１２ａ内に装着されたワークを、ワーク下側保持具４３内に保持し、さらに上導体冷却治具４５及び下導体冷却治具４６をワークに保持接触させて、上層コイル導体１４と下層コイル導体１５の各末端部１４ｃ、１５ｃを概ね接触させる。
ワークを上導体冷却治具４５、下導体冷却治具４６及びワーク下側保持具４３とともに一体に、減速機４２を介してモータ４１によって所定の回転速度で駆動させて、末端部１４ｃ、１５ｃの先端面１４ｄ、１５ｄにてＴＩＧ（タングステン、イナート、ガス）溶接により連続溶接する。
【００２５】
このように、先端面１４ｄ、１５ｄの接合工程では、回転軸１１は電機子鉄心１２に装着されていないため、下導体冷却治具４６の形状及び寸法が、回転軸１１に規制されることがなく、形状の選択の自由度が増す。このため、下導体冷却治具４６自体の容積を大きくすることができ、それによって、冷却効果を増加させることができる。
【００２６】
上下コイル導体１４、１５の両端に関して、上記の接合作業を施した後、突起１２ｂを図２の破線のように加締めて、各コイル導体１４、１５を電機子鉄心１２に固定して、その後、必要に応じて、絶縁部材２３および補強部材２４等を装着して、図８に示すような電機子コイル１３が収納された電機子鉄心１２を完成し、さらに、電機子鉄心１２の中心孔１２ｂに回転軸１１を圧入装着して図１に示すような回転子１を製造する。
【００２７】
図９に本発明の他の実施例を示す。
この実施例では、下導体冷却治具４６に冷却液体を通過させるための液通路４６ａを形成してある。この液通路４６ａは、下導体冷却治具４６の強度を確保できる範囲内で任意の形状を設定することができる。
図９（ａ）では、単純な空洞を形成した液通路４６ａを示しているが、図９（ｂ）、図９（ｃ）では、冷却液体の流入側と流出側とが明確に設定できるような通路となっており、液通路４６ａ内を円滑に通過できるようになっている。
【００２８】
上記第１実施例においては、上層コイル導体１４および下層コイル導体１５をなす電機子コイル１３を、コイル片部１３ａ、コイル端部１３ｂ、末端部１３ｃを一体に形成しているが、コイル片部１３ａ、コイル端部１３ｂを溶接等で電気的に接続してもよい。
また、第１実施例においては、電機子コイル１３は、それぞれコイル片部１３ａ、コイル端部１３ｂ、末端部１３ｃを形成した後に、電機子鉄心１２のスロット１２ａに挿入しているが、電機子鉄心１２のスロット１２ａに直線状のコイルを挿入し、コイル挿入後、端部を折り曲げて、コイル端部１３ｂ、末端部１３ｃを形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により製造された直流電動機の回転子を示す軸方向断面図である。
【図２】本発明による製造過程における電機子鉄心の形状を示す部分平面図である。
【図３】本発明の製造方法において使用されるコイル導体を示し、（ａ）はコイル導体の展開体を示す展開図、（ｂ）はコイル導体の成形過程図、（ｃ）はコイル導体の成形完了斜視図である。
【図４】本発明による製造過程における電機子鉄心とコイル導体のコイル端部との関係を示す電機子鉄心の平面図である。
【図５】本発明の製造方法を説明するための電機子鉄心とコイル導体その他の組み付け図である。
【図６】本発明の製造方法においてコイル導体の先端面の接合を行うための溶接装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の製造方法における溶接装置によるコイル導体の先端面の接合を説明するための部分構成図である。
【図８】本発明の製造方法における溶接装置によるコイル導体の先端面の接合を完了した電機子鉄心を示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施例によるコイル導体の接合を説明するための溶接装置及び電機子鉄心を示す部分構成図である。
【図１０】本発明前の開発における製造方法によるコイル導体の接合を説明するための溶接装置及び電機子鉄心を示す部分構成図である。
【符号の説明】
１ 回転子（回転電機の回転子）
１１ 回転軸
１２ 電機子鉄心
１２ａ スロット
１３ 電機子コイル
１３ａ コイル片
１３ｂ コイル端部
１３ｃ 末端部（径方向内端部）
１４ 上層コイル導体
１５ 下層コイル導体
４６ 下導体冷却治具
４６ａ 液通路（空間）
４７ 溶接トーチ
１００ ＴＩＧ溶接層（溶接機）

Claims (4)

1. 複数のスロット内に収納され前記スロットの両端から突出するコイル片と、これらコイル片の両端から径方向内側に延び、サーフェイス型の整流子を構成する一対のコイル端部とを有する上層および下層コイル導体を備えた電機子鉄心を準備し、
   前記下層コイル導体のコイル端部の径方向内端部と所定角離れた前記上層コイル導体のコイル端部の径方向内端部とを、前記サーフェイス型の整流子より径方向内側であって、しかも前記電機子鉄心の中心孔より径方向外側にて電気的に接合する接合工程を行って前記電機子コイルを形成し、
   その後に、前記電機子鉄心の中心孔に前記回転軸を嵌着することを特徴とする回転電機の回転子の製造方法。
2. 前記電機子鉄心の中心に、前記下層コイル導体のコイル端部の径方向内端部を保持するとともに自転自在に配設される冷却治具を備え、
   前記下層コイル導体の前記径方向内端部と前記上層コイル導体の前記径方向内端部との前記接合工程は、
   前記電機子鉄心を回転可能に保持し、前記上下コイル導体の接続部の接合予定領域に近接して溶接機の溶接トーチの先端を近接配置し、
   その後、前記溶接トーチに近接する前記上下コイル導体を接地しつ前記溶接トーチにより前記溶接予定領域を溶接する溶接工程と、
   前記溶接終了後、前記電機子鉄心を所定角度回動させる回動工程とを実施し、
   その後、前記溶接工程及び前記回動工程を順次実施する工程であることを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子の製造方法。
3. 前記冷却治具内に、冷却用液体を循環させるための空間を形成したことを特徴とする請求項２記載の回転電機の回転子の製造方法。
4. 略円柱形状の電機子鉄心の外周面に形成された複数のスロットにそれぞれ絶縁して収容され前記スロットの両端から突出するコイル片と前記コイル片の両端から前記電機子鉄心の軸芯に向かって所定の角度をなして延設され、サーフェイス型の整流子を構成する一対のコイル端部とからなり互いに絶縁して前記スロット内に配された上層コイル導体及び下層コイル導体を有し、
   前記下層コイル導体のコイル端部の径方向内端部と所定角離れた前記上層コイル導体のコイル端部の径方向内端部とが電気的に接続されて電機子コイルを形成する回転電機の回転子の製造方法であって、
   薄い鋼板から略円盤状にプレスマシンで打ち抜き加工されたプレートを複数枚積層して一体として前記電機子鉄心を形成し、
   この電機子鉄心に前記下層コイル導体との電気的絶縁を確保するための絶縁処理を施した後に前記スロット内に前記下層コイル導体を収容し、
   前記下層コイル導体と電気的絶縁を確保しつつ前記上層コイル導体を前記スロット内に収容し、
   前記下層コイル導体のコイル端部の径方向内端部と所定角離れた前記上層コイル導体のコイル端部の径方向内端部とを、前記サーフェイス型の整流子より径方向内側であって、しかも前記電機子鉄心の中心孔より径方向外側にて接合する接合工程を行って前記電機子コイルを形成し、
   その後に、前記電機子鉄心の中心孔に回転軸を嵌着することを特徴とする回転電機の回転子の製造方法。

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