JP4553931B2 - 電機子コイルと整流子片の接続方法 - Google Patents

Description

この発明は、直流モータや発電機等に使用される電機子の電機子コイルと整流子片とをヒュージング接合によって接続する、電機子コイルと整流子片の接続方法に関するものである。

直流回転電機、例えば直流モータにおいて、電機子コアに巻回される電機子コイルを、整流子を構成する複数の整流子片に接合するための接合方法として、ヒュージング（抵抗溶接の一種）により接続する技術が知られている。
図５は、一般的なヒュージング接合部の模式図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）の矢印ｂ−ｂの断面図である。整流子１１は電機子のシャフト（図示せず）の外周上に絶縁物１２を介して円筒状に配設された複数の整流子片１３から成っている。各整流子片１３同士は絶縁物１４によって絶縁されている。整流子片１３の一端部側には径方向に立ち上がるライザ部１３ａが設けられており、ライザ部１３ａには溝１３ｂが形成されている。この溝１３ｂに、電機子コイルのコイル端部１５を挿入した状態で、整流子片１３のライザ部１３ａ側に可動電極１６を、反ライザ側に固定電極１７を接続して両電極１６、１７間に通電することにより接合部を加熱してヒュージング接合する。

図６は従来のヒュージング接合による電機子コイルのコイル端部と整流子片との接続部を示す断面図であり、図５（ｂ）に相当する部分である。（ａ）は可動電極による加熱途中を示し、（ｂ）は可動電極の下面図であり、図５と同等部分は同一符号としている。
図のように、絶縁被覆した電機子コイルのコイル端部１５を整流子片１３のライザ部１３ａに設けた溝１３ｂに挿入し、上方から可動電極１６で押圧し、通電してヒュージング接合する。可動電極１６の押付部となる先端部は円筒状であり、端面は平面で側面は押付け方向と平行なストレート形状である。ヒュージングにより、溝開口部がかしめられると共に、コイル端部１５の絶縁被覆は溶融して溝１３ｂの隙間に溜まり、コイル端部１５の導体表面と溝１３ｂ内面とが接触し、導電性が確保できるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１１１３５８号公報（第４−５頁、図７，図８）

特許文献１に示すような従来の接続方法では、電機子コイルの材質を整流子片１３の材質（銅材）より導電率の低い材質（例えばアルミニウム）とした場合、接合時にコイル端部１５に電流が流れにくく、コイル端部１５と整流子片１３との接合部の温度が上昇しにくいため、良好な電気的接合が得られない場合が起こるという問題点があった。
また、可動電極１６の先端部が円筒形状のため、溶融したアルミニウムが可動電極の外周部に付着しやすいという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、電機子コイルの材質が整流子片の材質より導電率の低い場合でも、電機子コイルと整流子片とが電気的及び機械的に安定して接合できる接合方法を提供することを目的とする。

この発明に係わる電機子コイルと整流子片の接続方法は、銅又は銅合金からなる整流子片の一端部側にライザ部を設け、ライザ部に形成した溝に整流子片より導電率の低い材質からなる電機子コイルの端部を挿入し、可動電極を押圧してヒュージング接合する電機子コイルと整流子片の接続方法において、電機子コイルの端部は、絶縁被覆を剥がした裸の端部導体とし、溝は、端部導体が挿入可能な溝幅を有し、可動電極は、先端部に溝幅より大きい幅の平坦部を備え、平坦部に溝幅より小さい幅の凸部が形成されており、端部導体を溝に挿入した後、可動電極の凸部で端部導体を押圧して通電すると共に平坦部で溝の開口部の両縁部を押圧して通電し、接合するものである。

この発明の電機子コイルと整流子片の接続方法によれば、電機子コイルの端部を挿入するために整流子片のライザ部に設けた溝の溝幅を、絶縁被覆を剥がした裸の端部導体が挿入可能な寸法とし、可動電極の先端側に溝幅より大きい幅の平坦部と、その平坦部に溝幅よりも小さい幅の凸部とを備え、端部導体を溝に挿入した後、可動電極の凸部で端部導体を押圧して通電すると共に平坦部で溝の開口部の両縁部を押圧して通電し、接合するようにしたので、電機子コイルの端部導体と整流子片との接合部の接触を確実にして通電できるため、電気的及び機械的に安定して接合することができる。

実施の形態１．
図１は実施の形態１による電機子コイルと整流子片の接合部の要部を示す断面図であり、図２は接合後の状態を示す断面図である。ヒュージング接合部の全体の模式図としては、背景技術の項で説明した図５と同等なので図示及び説明は省略する。
まず直流モータや発電機等に使用される電機子について簡単に説明する。電機子は、ロータ軸にコア及びこれに隣接して整流子が装着されている。コアには複数の放射状の磁極歯を有し、各磁極歯に電機子コイルが巻回されている。整流子は、各磁極歯に対応した複数の整流子片からなり、ロータ軸の外周に絶縁部材を介して円筒状に配設されており、電機子コイル側に鍔状をしたライザ部を有している。ライザ部には電機子コイルの端部と電気的・機械的に接続するための溝が形成されている。
個々の電機子コイルから導出された各コイル端部は、あるコイルの終端部と、それに接続される他のコイルの始端部とが１つの溝に固定されている。従って、通常１つの溝に２本のコイル端部が固定されることになる。

図１は、複数個で構成される整流子片のうちの１個の整流子片のライザ部の部分断面図であり、前述の図５（ａ）の矢印ｂ−ｂから見た断面図に対応する部分を示している。図において、整流子片１は導電性の優れた銅又は銅合金からなり、電機子コイル（全体は図示せず）は整流子片１より導電率の低い材質で構成している。本実施の形態では一例として材質をアルミニウムとした場合について説明する。
電機子コイルの端部を挿入するために、整流子片１のライザ部１ａには溝１ｂが設けられており、その溝幅は、絶縁被覆を剥がした裸のコイル導体２（以下、端部導体２と称する）を挿入可能な寸法、すなわち端部導体２の外径とほぼ同程度とする。好ましくは、端部導体２の外径より僅かに狭くし、圧入可能な寸法とするのがよい。溝深さ、複数の端部導体２（通常は２本）を重ねて挿入したときに、それがほほ隠れる程度の深さとしている。溝深さの詳細については後述する。
可動電極３の形状は、先端側、すなわち溝１ｂの開口部と対向する側に、溝１ｂの幅より大きい幅の平坦部３ａを備えており、更に、平坦部３ａには溝１ｂの幅よりも小さい幅の凸部３ｂが形成されている。

次に、ヒュージング接合の工程を説明する。
まず、電機子コイルは、溝１ｂに挿入する部分である端部の絶縁皮膜を剥離して裸にした端部導体２とする。
次いで、端部導体２を整流子片１の接続用の溝１ｂに挿入する。もし溝幅を前述のように圧入可能な寸法とした場合であれば、例えば圧入治具を用いて圧入する。
次いで、可動電極３を下降させ、先端部の凸部３ｂで端部導体２を押圧して通電し、また、平坦部３ａで溝の開口部の両縁部を押圧して通電する。なお、先に、図５で説明したように、整流子片１の反ライザ側には固定電極（図示せず）を接続しているので、可動電極３と固定電極間に通電路を形成して通電するように構成されている。

可動電極３によって加圧しながら通電することにより、端部導体２とライザ部１ａとの接触部とその近傍の周辺部の温度を上昇させて合金層を形成する。このとき、合金層が形成されやすいアルミニウムと銅の共晶温度（約５５０℃）に達するように温度を上昇させる。
同時に、可動電極３の押圧により、整流子片１の開口端の両縁部の一部を変形させ、端部導体２が外周側に飛び出さないように保持する保持部１ｄを形成する。
図２は接合後の断面図である。合金層を形成しているため、良好な電気的接合が得られ、更には整流子片１の一部を変形させて保持部１ｄを形成しているので、端部導体２を外周側から押さえ込むことができ、機械的にも良好な接合が得られる。

次に、作用について説明する。
電機子コイルの端部を、絶縁被覆を剥離して裸の端部導体２とし、この端部導体２を溝１ｂに挿入したことにより、端部導体２と整流子片１の溝１ｂの内面とが接触し、接合作業における通電時に電流が流れやすくなるため、電機子コイルの材料が、銅材からなる整流子片１より導電率の低いアルミニウムの場合でも、速やかに温度上昇させることができる。
また、可動電極３の先端側の形状を、溝１ｂの幅より大きい幅を持つ平坦部３ａと、平坦部３ａに形成した溝１ｂの幅よりも小さい幅の凸部３ｂとで構成したので、凸部３ｂを端部導体２の上部に接触させて押圧できると共に、平坦部３ａをライザ外周面１ｃに接触させて押圧することができ、各接触部に効率よく確実に電流を流すことができるので、温度むらを少なくして速やかに共晶温度に温度上昇させることができる。

ここで、溝１ｂの深さと端部導体２の関係について説明する。
複数の端部導体２を重ねて挿入したときに、重ねた導体高さ（Ｈ）と溝１ｂの深さ（Ｄ）の関係は、Ｈ＝Ｄか、僅かにＨ＜Ｄの場合、又は僅かにＨ＞Ｄの場合の、いずれであっても良い。
好ましくは、端部導体２を溝１ｂに挿入するとき、端部導体２の上面がライザ外周面１ｃより僅かに内側になるまで挿入できるような関係にしておくことが望ましい。但し、これは必ずしも挿入前の導体積み上げ高さを溝の深さより低くしておくことを意味しない。電機子コイルの材質をアルミニウムとした場合、銅材である整流子片１より柔らかいので、挿入したとき溝１ｂの内部で幾分かは塑性変形されるため、結果的に挿入後の高さと深さの関係がＨ＜Ｄとなるように溝の深さを設定しておけばよい。
こうすることで、端部導体２と溝１ｂの内面との接触が増し、導通を確実にしてより早く温度上昇させることができる。また、先に説明した、溝幅を圧入可能な寸法とした場合と組み合わせれば、更に接触面積を増加させる効果が大きい。

また、上記の関係（挿入後Ｈ＜Ｄ）に加えて、ライザ外周面１ｃ（すなわち溝の開口端面）と挿入した端部導体２の上面との差よりも、可動電極３に設けた凸部３ｂの高さ寸法の方を大きくしておくことが望ましい。
こうすることで、通電開始時は端部導体２のみが可動電極３の凸部３ｂに接触して加圧され、加熱されて端部導体２が変形させられた後、端部導体２と整流子片１の両者の接触面積が大きくなり、電流は端部導体２→端部導体２と整流子片１の接触面→整流子片１と流れる大きな流れにより、接触面の発熱と接合が得られやすくなる。
なお、導体高さや溝深さ、凸部の高さに係わらず、まず可動電極３の凸部３ｂを端部導体２に当接させて加圧した状態から通電を開始するようにすれば、上記と同様の効果を得ることができる。

上に説明したいずれの場合でも、接合動作の途中の過程において、本実施の形態では、可動電極３の凸部３ｂで端部導体２を押圧して通電し、平坦部３ａで溝１ｂの開口部の両縁部を押圧して通電する工程を含むのが特徴である。

溝寸法の一例として、例えば、エンジンのスタータモータに使用されるようなモータであれば、電機子コイルの端部導体２の外径は2ｍｍ、溝１ｂの寸法は、幅が1.8ｍｍ、深さが3.5ｍｍ程度である。
この程度の大きさのモータの場合であれば、可動電極３の先端側に設ける凸部３ｂは、高さを0.3〜0.8ｍｍ程度とするのが望ましい。0.3ｍｍより小さいと、挿入後の状態では、可動電極３が端部導体２より先に整流子片１に接触する可能性が増加し、溶接強度が不安定となる。また、0.8ｍｍより大きくなると可動電極３の製造時のコストアップとなり、更に可動電極３自身の強度に問題が出てくる虞がある。

なお、上記の説明では、電機子コイルの材質はアルミニウムとしたが、アルミ合金でも良く、またその他に整流子片より導電率の低い材質からなる材料全般に適用して同様の効果を得ることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、電機子コイルの端部導体を挿入するために整流子片のライザ部に設けた溝の溝幅を、絶縁被覆を剥がした裸の端部導体が挿入可能な寸法とし、可動電極は、先端側に溝の幅より大きい平坦部を備え、平坦部に溝の幅よりも小さい幅の凸部を設けて構成し、端部導体を溝に挿入した後、可動電極の凸部で端部導体を押圧して通電すると共に平坦部で溝の開口部の両縁部を押圧して通電し、接合するようにしたので、電機子コイルの端部導体と整流子片との接合部の接触を確実にして通電できるため、電気的及び機械的に安定して接合することができる。

また、電機子コイルの材質をアルミニウム又はアルミニウム合金とした場合、接合時に電流が流れにくい端部導体に効率よく電流を流せるので、端部導体と整流子片との接合部の温度を効率よく上昇させることができ、良好な電気的接合が得られる。

また、凸部の高さを0.3〜0.8ｍｍとしたので、２ｍｍ前後の溝幅を有する整流子片の場合、可動電極の製造コストをアップすることなく、凸部で端部導体を押圧可能な構成にでき、電気的及び機械的に安定した接合部を得られる。

また、端部導体を溝に挿入するとき、端部導体の上面がライザ部の外周面より内側になるまで挿入しておくようにしたので、端部導体と溝の内面との接触が増し、導通を確実にしてより早く温度上昇させることができる。

また、可動電極は、凸部の高さ寸法を、ライザ部の外周面と挿入した端部導体の上面との差より大きくしたので、通電開始時は端部導体のみが凸部に接触して加圧され、加熱されて端部導体が変形させられた後、端部導体と整流子片との接触面積が大きくなるので、接触面の発熱と接合が得られやすくなる。

更にまた、可動電極の凸部を端部導体に当接させて加圧した状態から通電を開始するようにしたので、まず端部導体を加熱して変形させた後、端部導体と整流子片とを大きな接触面積で接触させられるので、上記同様に接触面の発熱と接合が得られやすくなる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２による電機子コイルと整流子片の接合部を示す要部の断面図である。ヒュージング接合部の全体の模式図としては、背景技術の項で説明した図５と同等なので図示及び説明を省略する。また、実施の形態１の図１と同等部分は同一符号を付し、説明は省略する。以下、相違点を中心に説明する。

実施の形態１との相違点は、可動電極の先端側の形状である。
図３に示すように、可動電極４の先端側の形状は、先端側（溝１ｂの開口部との対向側）に、溝１ｂの幅より大きい平坦部４ａを備え、平坦部４ａに溝１ｂの幅よりも小さい幅の凸部４ｂが形成されているのは実施の形態１の図１と同様であるが、本実施の形態の可動電極４は、凸部４ｂの側面、及び、平坦部４ａの外周に続く側面が先端側に向かって細くなるテーパ形状に形成されたテーパ部４ｃ，４ｄとなっている。

図４に、電極の先端側の形状のいくつかの具体例を部分側面図とその底面図で示す。（ａ）は図３の可動電極４であり、凸部４ｂと平坦部４ａが共に円形である。この場合の凸部４ｂ及び平坦部４ａの幅とは、それぞれの直径である。
（ｂ）の可動電極５は、凸部５ｂが対向する２つの直線面を有する形状で、平坦部５ａは円形である。
（Ｃ）の可動電極６は、凸部６ｂと平坦部６ａが共に矩形である。（なお、（ｂ）（ｃ）でも、断面形状は図３と同じである。）
いずれも、凸部の側面と平坦部の側面とがテーパ形状に形成されたテーパ部４ｃ，５ｃ，６ｃ及び４ｄ，５ｄ，６ｄとなっている。
ヒュージング接合の工程は実施の形態１と同様なので、説明は省略する。

次に、作用について説明する。
電機子コイルをアルミニウムもしくはアルミニウム合金とした場合、融点が低く、接合に必要な共晶温度付近まで温度を上げると端部導体２の一部が溝１ｂからはみ出すことが多く、可動電極４〜６に付着しやすくなる。可動電極の凸部の側面と平坦部の側面とをテーパ形状のテーパ部とすることにより、加熱終了後に可動電極４〜６を上昇させるとき、テーパ部４ｃ〜６ｃ，４ｄ〜６ｄへの溶融物の付着を抑えることができ、生産性を阻害することが少ない。

以上のように、本実施の形態によれば、可動電極は、凸部の側面及び平坦部の側面を、先端側に向かって細くなるテーパ形状に形成したので、加熱終了後に可動電極の側面部への溶融物の付着を抑えることができるため、実施の形態１の効果に加えて、効率よく接続作業を行うことができる。

この発明の実施の形態１による電機子コイルと整流子片の接合部の要部の断面図である。 実施の形態１によるヒュージング接合後の接続部の断面図である。 この発明の実施の形態２による電機子コイルと整流子片の接合部の要部の断面図である。 実施の形態２によるヒュージング接合に使用する可動電極を例示した部分側面図とその底面図であるである。 ヒュージング接合部の模式図である。 従来の電機子コイルと整流子片の接合部を示す要部の断面図である。

符号の説明

１ 整流子片 １ａ ライザ部
１ｂ 溝 １ｃ ライザ外周面
１ｄ 保持部 ２ （電機子コイルの）端部導体
３，４，５，６ 可動電極 ３ａ，４ａ，５ａ，６ａ 平坦部
３ｂ，４ｂ，５ｂ，６ｂ 凸部 ４ｃ，５ｃ，６ｃ テーパ部
４ｄ，５ｄ，６ｄ テーパ部。

Claims (7)

1. 銅又は銅合金からなる整流子片の一端部側にライザ部を設け、前記ライザ部に形成した溝に前記整流子片より導電率の低い材質からなる電機子コイルの端部を挿入し、可動電極を押圧してヒュージング接合する電機子コイルと整流子片の接続方法において、
   前記電機子コイルの端部は、絶縁被覆を剥がした裸の端部導体とし、
   前記溝は、前記端部導体が挿入可能な溝幅を有し、
   前記可動電極は、先端側に前記溝幅より大きい幅の平坦部を備え、前記平坦部に前記溝幅より小さい幅の凸部が形成されており、
   前記端部導体を前記溝に挿入した後、前記可動電極の前記凸部で前記端部導体を押圧して通電すると共に前記平坦部で前記溝の開口部の両縁部を押圧して通電し、接合することを特徴とする電機子コイルと整流子片の接続方法。
2. 請求項１記載の電機子コイルと整流子片の接続方法において、前記電機子コイルの材質がアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする電機子コイルと整流子片の接続方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の電機子コイルと整流子片の接続方法において、前記凸部の高さが０．３〜０．８ｍｍであることを特徴とする電機子コイルと整流子片の接続方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電機子コイルと整流子片の接続方法において、前記端部導体を前記溝に挿入するとき、前記端部導体の上面が前記ライザ部の外周面より内側になるまで挿入しておくことを特徴とする電機子コイルと整流子片の接続方法。
5. 請求項４記載の電機子コイルと整流子片の接続方法において、前記可動電極は、前記凸部の高さ寸法が、前記ライザ部の外周面と挿入した前記端部導体の上面との差より大きいことを特徴とする電機子コイルと整流子片の接続方法。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電機子コイルと整流子片の接続方法において、前記可動電極の前記凸部を前記端部導体に当接させて加圧した状態から通電を開始することを特徴とする電機子コイルと整流子片の接続方法。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電機子コイルと整流子片の接続方法において、前記可動電極は、前記凸部の側面及び前記平坦部の側面が、前記先端側に向かって細くなるテーパ形状に形成されていることを特徴とする電機子コイルと整流子片の接続方法。

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