JP4396298B2 - 回転電機の巻線の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車やトラックに搭載される車両用交流発電機等の回転電機の巻線を製造する回転電機の巻線の製造方法に関する。

近年、安全制御機器等の電気負荷の増加に伴って、車両用交流発電機にはますます発電能力の向上が求められている。このような発電能力向上の要請に応えるものとして、Ｕ字状の電気導体を規則的に並べて固定子のスロット内の電気導体を高占積率化することにより高出力化を図った回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような回転電機では、Ｕ字状の電気導体の各直線部を径方向に並べて互いに周方向反対側に捻った後に固定子鉄心の異なるスロットに挿入し、固定子鉄心の端面から突出した各直線部の先端側を周方向反対側に折り曲げ、さらに異なるスロットから突出した各直線部の先端部同士を接合することにより固定子巻線が形成されている。
特許第３１７８４６８号公報（第４−７頁、図１−１５）

ところで、Ｕ字状の電気導体を用いて形成された固定子巻線を備える従来の回転電機では、固定子鉄心の端面から突出したターン部側の各直線部を互いに周方向反対側に捻っているため、この捻られた一方の直線部に着目すると、他のスロットから突出して周方向反対側に捻られた他の複数の直線部と交差することになる。一般に、異なるスロットから突出する各直線部は異なる電位を有しており、電位差を有する２つの直線部が接近する部分ではコロナ放電が発生しやすくなるため、電気絶縁の確保が難しい。電気絶縁が不十分でコロナ放電が発生すると、電気導体の損傷や発熱の原因になる。特に、最近では高出力への対応として高電圧化の要求も高まっており、電位差の拡大に伴ってコロナ放電がさらに発生しやすくなっている。コロナ放電を防止するためには、隣接する電気導体の近接箇所に絶縁シートを介在させる手法が有効であるが、特許文献１に示した車両用交流発電機のような回転電機では、小型化・高出力化に伴う高占積率化の要請から固定子鉄心の周方向および径方向に配列された各電気導体間の隙間がほとんどなく、しかも、Ｕ字状の電気導体を捻ったときに各直線部が変形して各直線部間に形成される空間の形状が複雑になるため、電気導体間に絶縁シートを効率よく挿入することができないという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、固定子巻線を構成する電気導体間に絶縁シートを効率よく挿入することができる回転電機の巻線の製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機の巻線の製造方法は、Ｕ字状の複数の電気導体を、これらの電気導体のターン部の内側に形成される空間に帯状の絶縁シートを内包した状態で周方向に配列する配列工程と、ターン部を挟んで配置される電気導体の２つの直線部を周方向反対側に移動させることにより電気導体を変形する捻り工程と、捻り工程によって変形した電気導体の各直線部を、固定子鉄心に形成されたスロットに挿入する挿入工程と、スロットに挿入された電気導体の反ターン部側を周方向に折り曲げる折り曲げ工程と、折り曲げ工程によって折り曲げられた隣接する電気導体の端部同士を接合する接合工程とを備えている。Ｕ字状の電気導体の各直線部を周方向反対側に捻る前にターン部内側に帯状の絶縁シートが配置されるため、捻り工程によるＵ字状電気導体の変形等に関係なく電気導体間に絶縁シートを効率よく挿入することができる。

また、上述した電気導体は、捻り工程において、ターン部とこのターン部を挟んで配置されて固定子鉄心の端面から露出する２本の斜行部とを含む形状に変形され、絶縁シートは、２本の斜行部によって囲まれる領域に配置されることが望ましい。これにより、ターン部を挟んで周方向反対側に捻られた各電気導体が他の電気導体と交差する箇所での確実な電気絶縁を確保することが可能になる。

また、上述した絶縁シートは、一周以上にわたって延在することが望ましい。これにより、絶縁シートの形状を維持することが容易となるとともに、周方向に沿った全体に絶縁シートを配置することでさらに確実な電気絶縁の確保が可能になる。

また、上述した挿入工程は、捻り工程において形状が変形した複数の電気導体の相互の位置を保持して行われることが望ましい。これにより、捻り工程後に絶縁シート両側の電気導体間の隙間が減少した場合であってもこれらの間に絶縁シートを容易かつ確実に挿入することができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の回転電機の巻線の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は一実施形態の回転電機としての車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、ハウジング４、整流器５等を含んで構成されている。

回転子３は、界磁として作用し、シャフト６と一体になって回転しており、ランデル型ポールコア７、界磁コイル８、スリップリング９、１０、斜流ファン１１および遠心ファン１２を備えている。シャフト６は、プーリ２０に連結されており、車両に搭載された走行用のエンジン（図示せず）により回転駆動される。

ハウジング４は、フロントハウジング４ａとリアハウジング４ｂからなっており、その軸方向端面には吸入孔４１が、外周両肩部には、固定子２の第１コイルエンド群３１ａと第２コイルエンド群３１ｂのそれぞれの径方向外側に対応して冷却風の排出孔４２が設けられている。

整流器５は、固定子２から出力される交流電圧を直流に変換する整流作用を行っており、車両用交流発電機１の反プーリ側の端部に設けられている。

次に、固定子２の詳細について説明する。図２は、固定子２の部分的な断面図であり、固定子鉄心３２のスロット３５内でのセグメント導体３３の配置状態が示されている。また、図３は固定子２に装着されるセグメント導体３３の模式的形状を示す斜視図である。

固定子２は、電機子として作用し、固定子鉄心３２と、固定子鉄心３２に形成された複数のスロット３５内に配置された複数の電気導体としてのセグメント導体３３によって構成された固定子巻線３１と、固定子鉄心３２と固定子巻線３１との間を電気絶縁するインシュレータ３４とを備えている。

図２に示すように、固定子鉄心３２には、内径側に開口を有する複数のスロット３５が形成されている。本実施形態では、回転子３の磁極数に対応して、三相の固定子巻線３１を収容するために、９６個のスロット３５が、等間隔に配置されている。

固定子鉄心３２のスロット３５に装備された固定子巻線３１は、１本１本の電気導体として把握することができ、複数のスロット３５のそれぞれには、偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。また、一のスロット３５内の４本の電気導体は、固定子鉄心３２の径方向に関して内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配列されている。これらの電気導体には、絶縁被膜３７として、ポリアミドイミド等の被膜材が塗布されている。

これら電気導体が所定のパターンで接続されることにより、固定子巻線３１が形成される。なお、本実施形態では、スロット３５内の電気導体は、第１コイルエンド群３１ａ側においては、連続線を配置することにより一端が接続され、また、第２コイルエンド群３１ｂ側においては、接合によって他端が接続される。

各スロット３５内の１本の電気導体は、所定の磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の１本の他の電気導体と対をなしている。特に、コイルエンド部における複数の電気導体間の隙間を確保し、整列して配置するために、一のスロット３５内の所定の層の電気導体は、所定の磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の他の層の電気導体と対をなしている。

例えば、一のスロット内の内端層の電気導体３３１ａは、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット内の外端層の電気導体３３１ｂと対をなしている。同様に、一のスロット内の内中層の電気導体３３２ａは固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット内の外中層の電気導体３３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心３２の軸方向の一方の端部において連続線を用いることにより、ターン部３３１ｃ、３３２ｃを経由することで接続される。したがって、固定子鉄心３２の一方の端部においては、外中層の電気導体と内中層の電気導体とを接続する連続線を、外端層の電気導体と内端層の電気導体とを接続する連続線が囲むこととなる。このように、固定子鉄心３２の一方の端部においては、対をなす電気導体の接続部が、同じスロット内に収容された他の対をなす電気導体の接続部により囲まれる。外中層の電気導体と内中層の電気導体との接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体と内端層の電気導体との接続により端層コイルエンドが形成される。

一方、一のスロット３５内の内中層の電気導体３３２ａは、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の内端層の電気導体３３１ａ’とも対をなしている。同様に、一のスロット３５内の外端層の電気導体３３１ｂ’は、固定子鉄心３２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット３５内の外中層の電気導体３３２ｂと対をなしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心３２の軸方向の他方の端部において接合により接続される。

したがって、固定子鉄心３２の他方の端部においては、外端層の電気導体と外中層の電気導体とを接続する接合部と、内端層の電気導体と内中層の電気導体とを接続する接合部とが、径方向に並んでいる。外端層の電気導体と外中層の電気導体との接続、および内端層の電気導体と内中層の電気導体との接続により隣接層コイルエンドが形成される。このように固定子鉄心３２の他方の端部においては、対をなす電気導体の接続部が、重複することなく並べて配置される。

さらに、複数の電気導体は、ほぼ矩形断面（平角断面）をもった一定の太さの電気導体を所定形状に成形したＵ字状のセグメント導体により提供される。図３に示すように、内端層の電気導体と外端層の電気導体とが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる大セグメント３３１により提供される。また、内中層の電気導体と外中層の電気導体とが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる小セグメント３３２により提供される。

大セグメント３３１と小セグメント３３２のそれぞれは、基本となるセグメント導体３３を形成する。そして、セグメント導体３３を規則的にスロット３５に配置して、固定子鉄心３２の周りを２周するコイルが形成される。

ところで、第１コイルエンド群３１ａを構成する内中層の電気導体３３２ａと外中層の電気導体３３２ｂに着目すると、ターン部３３２ｃを挟んで配置されるこれらの電気導体３３２ａ、３３２ｂの各斜行部が互いに周方向反対側に傾斜している。このため、一方の電気導体３３２ａの斜行部は、他のスロット３５から突出する他の電気導体３３２ｂの斜行部と交差している。本実施形態では、ターン部３３２ｃの内側に形成される空間に円環状の絶縁シート３６が挿入されている。この絶縁シート３６は、帯状の絶縁シートが一周以上にわたって延在するような形状を有している。

車両用交流発電機１の発電時には、異なるスロット３５に収容された各電気導体は異なる電位を有している。これらの各電気導体が互いに交差する場合に、この交差箇所における各電気導体の隣接間距離が小さく、電位差が大きいと、コロナ放電を発生して絶縁不良に至るおそれがある。しかし、本実施形態の車両用交流発電機１では、一のスロット３５から突出する内中層の電気導体３３２ａの斜行部と他のスロット３５から突出する外中層の電気導体３３２ｂの斜行部との間に絶縁シート３６が挿入されているため、交差箇所において隣接する電気導体間でのコロナ放電の発生を防止することができる。

次に、固定子巻線３１の製造工程を説明する。

（配列工程）セグメント導体３３は、小セグメント３３２のターン部３３２ｃを大セグメント３３１のターン部３３１ｃが囲むように揃えられた状態で、これらのターン部３３２ｃ、３３１ｃの内側に形成される空間に円環状の絶縁シート３６を内包するように、それぞれの直線部がターン部側捻り治具に挿入される。

（捻り工程）次に、それぞれのターン部３３２ｃ、３３１ｃを挟んで配置された各直線部を異なる方向にターン部側捻り治具を回転させることにより、小セグメント３３２および大セグメント３３１が同時に捻られる。

図４は、セグメント導体３３のターン部側捻り治具の断面図である。また、図５はターン部側捻り治具の要部を示す斜視図、図６はその部分拡大図である。

図４に示すように、ターン部側捻り治具１００は、内側捻り部１１１および外側捻り部１１２と、これら内側捻り部１１１、外側捻り部１１２をそれぞれ回転駆動する回転駆動機構１１３、１１４と、コントローラ１１５、セグメント押さえ部１１６およびセグメント押し上げ治具１１７、昇降駆動機構１１８等を備えている。

内側捻り部１１１には、大セグメント３３１および小セグメント３３２の各直線部３３１ａ、３３２ａが挿入されて保持されるセグメント挿入穴１２１、１２２が径方向に隣接して設けられている。このセグメント挿入穴１２１、１２２は、固定子２のスロット３５の数に対応した数だけ等間隔で周方向に並べて形成されている。すなわち、本実施形態では、等間隔で周方向に並べられた複数のセグメント挿入穴１２１、１２２が同心円上に形成されている。外側捻り部１１２についても同様であり、等間隔で周方向に並べられた複数のセグメント挿入穴１３１、１３２が同心円上に形成されている。この結果、内側捻り部１１１と外側捻り部１１２には、内側から４個のセグメント挿入穴１２１、１２２、１３１、１３２が並んで形成される。

図５および図６に示すように、内側捻り部１１１と外側捻り部１１２のそれぞれの一方の軸方向端面であってそれらの境界に沿って円環状の絶縁シート３６を配置した後に、重ねられた各組の大セグメント３３１と小セグメント３３２とが内側捻り部１１１および外側捻り部１１２のセグメント挿入穴１２１、１２２、１３１、１３２に周方向に並べてセットされる。

全てのセグメント挿入穴１２１、１２２、１３１、１３２に大セグメント３３１と小セグメント３３２が挿入された後、環状のセグメント押さえ部１１６を上方から降下させて、大セグメント３３１のターン部３３１ｃに当接する。これにより、捻り工程において大セグメント３３１と小セグメント３３２とがセグメント挿入穴１２１、１２２、１３１、１３２から浮き上がることを防止することができる。また、各組の大セグメント３３１のターン部３３１ｃと小セグメント３３２のターン部３３２ｃが当接するセグメント押さえ部１１６には、これらのターン部３３１ｃ、３３２ｃを周方向両側から拘束する拘束部１２０が設けられており、捻り工程においてターン部３３１ｃ、３３２ｃの周方向位置がずれることを防止している。

（挿入工程）捻り工程によって捻られた後の小セグメント３３２と大セグメント３３１が、これらのターン部３３２ｃ、３３１ｃの内側に内包された絶縁シート３６を保持した状態を維持しながら、固定子鉄心３２の軸方向端面の一方側から挿入される。その際、大セグメント３３１の一方の電気導体３３１ａは固定子鉄心３２の一のスロット３５の内端層に、小セグメント３３２の一方の電気導体３３２ａは一のスロット３５の内中層に、そして、大セグメント３３１の他方の電気導体３３１ｂは固定子鉄心３２の一のスロット３５から時計方向に１磁極ピッチ離れた他のスロット３５の外端層に、小セグメント３３２の他方の電気導体３３２ｂも他のスロット３５の外中層に挿入される。

図７は、挿入工程の概略を示す図である。図７に示すように、大セグメント３３１と小セグメント３３２とが揃えられた状態で、かつ、それぞれのターン部３３２ｃ、３３１ｃの内側に形成された空間に絶縁シート３６を内包した状態で、異なる２つのスロット３５に挿入される。その結果、図２に示すように一のスロット３５には内端層側から、上述した電気導体として直線部３３１ａ、３３２ａ、３３２ｂ’、３３１ｂ’が一列に配置される。ここで、直線部３３２ｂ’、３３１ｂ’は、１磁極ピッチずれた他のスロット３５内の電気導体と対をなしている大小のセグメントの直線部である。

なお、図７では、ターン部３３２ｃ、３３１ｃが重ねられた一組の小セグメント３３２と大セグメント３３１のみを図示したが、この挿入工程では、固定子鉄心３２に形成された全てのスロット３５に対して同時に小セグメント３３２および大セグメント３３１が挿入される。例えば、全てのターン部３３２ｃ、３３１ｃが周方向両側面から拘束されて各セグメント導体３３が絶縁シート３６を保持した状態を維持しながらターン部側捻り治具１００から同時に取り出され、固定子鉄心３２の各スロット３５に挿入される。絶縁シート３６の保持は、上述した捻り工程において小セグメント３３２のターン部３３２ｃを挟んで配置される２本の斜行部間の径方向隙間が減少して絶縁シート３６が径方向両側から加圧されている場合にはその加圧力を利用して行えばよい。あるいは、絶縁シート３６を周方向の数箇所で直接把持して保持するようにしてもよい。

（折り曲げ工程）挿入工程が終了した後、第２コイルエンド群３１ｂにおいて、端層側に位置している直線部３３１ａ、３３１ｂは、大セグメント３３１が開く方向に接合部３３１ｄ、３３１ｅが半磁極ピッチ分捻られて折り曲げられる。そして、中層に位置している直線部３３２ａ、３３２ｂは、小セグメント３３２が閉じる方向に接合部３３２ｄ、３３２ｅが半磁極ピッチ分捻られて折り曲げられる。その結果、第２コイルエンド群３１ｂにおいては、径方向に隣接する電気導体は周方向の逆向きに傾斜する。以上の構成を、全てのスロット３５のセグメント導体３３について繰り返す。

（接合工程）そして、第２コイルエンド群３１ｂにおいて、外端層の接合部３３１ｅと外中層の接合部３３２ｅ、並びに内中層の接合部３３２ｄと内端層の接合部３３１ｄとが、溶接、超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等の手段によって電気的導通を得るように接合される。図８は、接合工程終了後の固定子２の反ターン部側の部分的な斜視図である。また、図９は接合工程終了後の固定子２のターン部側の部分的な側面図である。

このように、本実施形態の車両用交流発電機では、Ｕ字状のセグメント導体３３（電気導体）の各直線部を周方向反対側に捻る前にターン部内側に帯状の絶縁シート３６が配置されるため、捻り工程によるセグメント導体３３の変形等に関係なく電気導体間に絶縁シート３６を効率よく挿入することができる。特に、セグメント導体３３は、捻り工程において、ターン部とこのターン部を挟んで配置されて固定子鉄心３２の端面から露出する２本の斜行部とを含む形状に変形され、絶縁シート３６は、２本の斜行部によって囲まれる領域に配置されるため、ターン部を挟んで周方向反対側に捻られた各電気導体が他の電気導体と交差する箇所での確実な電気絶縁を確保することが可能になる。

また、上述した絶縁シート３６は、一周以上にわたって延在して円環形状を形成しているため、絶縁シート３６の形状を維持することが容易となるとともに、周方向に沿った全体に絶縁シート３６を配置することでさらに確実な電気絶縁の確保が可能になる。

また、挿入工程は、捻り工程において形状が変形した複数の電気導体の相互の位置を保持して行われるため、捻り工程後に絶縁シート３６の両側の電気導体間の隙間が減少した場合であってもこれらの間に絶縁シート３６を容易かつ確実に挿入することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、帯状の絶縁シート３６が一周以上にわたって延在するように円環状に形成されているが、一周未満の絶縁シート３６を用いて部分的に電気導体の絶縁を行うようにしてもよい。例えば、耐電圧に余裕のない箇所について部分的に絶縁シートを装備し、それ以外の箇所については絶縁シートを装備しないようにしてもよい。

一実施形態の回転電機としての車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。 固定子の部分的な断面図である。 固定子に装着されるセグメント導体の模式的形状を示す斜視図である。 セグメント導体のターン部側捻り治具の断面図である。 ターン部側捻り治具の要部を示す斜視図である。 ターン部側捻り治具の要部を示す部分拡大図である。 挿入工程の概略を示す図である。 接合工程終了後の固定子の反ターン部側の部分的な斜視図である。 接合工程終了後の固定子のターン部側の部分的な側面図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 固定子
３ 回転子
４ ハウジング
５ 整流器
３２ 固定子鉄心
３３ セグメント導体
３５ スロット
３６ 絶縁シート
１００ ターン部側捻り治具
１１１ 内側捻り部
１１２ 外側捻り部
１１３、１１４ 回転駆動機構
１１５ コントローラ
１１６ セグメント押さえ部
１１７ セグメント押し上げ治具
１１８ 昇降駆動機構

Claims (4)

1. Ｕ字状の複数の電気導体を、これらの電気導体のターン部の内側に形成される空間に帯状の絶縁シートを内包した状態で周方向に配列する配列工程と、
   前記ターン部を挟んで配置される前記電気導体の２つの直線部を周方向反対側に移動させることにより前記電気導体を変形する捻り工程と、
   前記捻り工程によって変形した前記電気導体の各直線部を、固定子鉄心に形成されたスロットに挿入する挿入工程と、
   前記スロットに挿入された前記電気導体の反ターン部側を周方向に折り曲げる折り曲げ工程と、
   前記折り曲げ工程によって折り曲げられた隣接する前記電気導体の端部同士を接合する接合工程と、
   を備えることを特徴とする回転電機の巻線の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記電気導体は、前記捻り工程において、前記ターン部とこのターン部を挟んで配置されて前記固定子鉄心の端面から露出する２本の斜行部とを含む形状に変形され、
   前記絶縁シートは、前記２本の斜行部によって囲まれる領域に配置されることを特徴とする回転電機の巻線の製造方法。
3. 請求項１または２において、
   前記絶縁シートは、一周以上にわたって延在することを特徴とする回転電機の巻線の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記挿入工程は、前記捻り工程において形状が変形した前記複数の電気導体の相互の位置を保持して行われることを特徴とする回転電機の巻線の製造方法。

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