JP5098854B2

JP5098854B2 - ステータコイルの溶接方法

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Publication number: JP5098854B2
Application number: JP2008171503A
Authority: JP
Inventors: 幸典沢田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010011710A

Description

本発明は、回転電機のステータコイルの溶接方法に関するものである。

ステータコアのスロットに挿通された多数の略Ｕ字状のセグメント導体を順次接合して形成された略Ｕ字状のセグメント導体順次接合型ステータコイルが、例えば特許文献１及び２等で提案されている。この略Ｕ字状のセグメント導体順次接合型ステータコイルは、セグメント導体の一対の脚部を回転子の略磁極ピッチだけ互いに離れたステータコアの一対のスロットに個別に挿通し、スロットから飛び出したセグメント導体の両端部を周方向へ曲げ、各セグメント導体の両脚部の先端の接合端部をアーク溶接により順次接合して形成されている。

特許文献２に記載されているような８層のセグメント導体を有するステータコイルを製造する場合、セグメント導体の溶接すべき８個の接合端部が半径方向に整列された接合端部の列をステータコア１の一端側に多数形成する。図７はそのような接合端部の一つの列及びその周辺に配置される電極類を模式的に示したものである。８個の接合端部に内周側から１番、２番、・・・、８番と序数を付けたとき、１番２番、３番４番、５番６番、及び７番８番の接合端部がそれぞれ第１〜第４の接合ペア３３ｐ₁〜３３ｐ₄を作って溶接される。溶接は、溶接対象の接合端部の上方に配置された溶接トーチ１０４と接合端部との間に発生するアークによってなされ、溶接電流は共通電極１０３及び内押圧電極１０１又は外押圧電極１０２をとおして流れる。従来、溶接は図中の丸数字で示してある順序で内周側から外周側へ順に進むように行われている。

特開２００４−４８９４１号公報特開２００８−７９３５３号公報

しかしながら、前述したように内周側から外周側へ順に接合端部の溶接を進めると、第３の接合ペア３３ｐ_３の溶接の不良率が他に比べて高いという問題があった。また発生した溶接不良は接合端部のアースの不良が原因であって、このアースの不良は、６番の接合端部に本来接触すべき共通電極１０３が接触しないことにより生じることがわかった。

本発明は前述した課題に鑑みてなされたもので、その目的は、セグメント導体の接合端部の安定した溶接品質を確保できるステータコイルの溶接方法を提供することである。

本発明は、上記課題を達成するための技術的手段として、たとえ接合端部と共通電極との接触が不十分であったとしても接合端部がアースに確実に接続されるステータコイルの溶接方法を提供する。

請求項１に記載された本発明は、ステータコア（１）のスロット（３５）に挿通された略Ｕ字状の多数のセグメント導体（３３）を具備するステータコイル（３）の溶接方法であって、ステータコア（１）の一端側で半径方向に一列に整列されたセグメント導体（３３）の８個の接合端部（３３ｃ）からなる接合端部（３３ｃ）の列が多数列形成されたステータコイル（３）の半完成品にして、整列された８個の接合端部（３３ｃ）に内周側から１番、２番、・・・、８番と序数を付したとき、１番と２番、３番と４番、５番と６番、及び７番と８番の一対の接合端部（３３ｃ）が第１、第２、第３、及び第４の接合ペア（３３ｐ₁、３３ｐ₂、３３ｐ₃、３３ｐ₄）をそれぞれ形成し、接合端部（３３ｃ）の一の列における１番と４番、２番と３番、６番と７番、及び５番と８番の接合端部（３３ｃ）がセグメント導体（３３）によってそれぞれ互いに電気的に接続しているステータコイル（３）の半完成品の第１〜第４の接合ペア（３３ｐ₁〜３３ｐ₄）を溶接する工程を含み、溶接する工程が、１番の接合端部（３３ｃ）をアースに接続する段階と、８番の接合端部（３３ｃ）をアースに接続する段階と、第１〜第４の接合ペア（３３ｐ₁〜３３ｐ₄）をアーク溶接する段階とを含んでおり、アーク溶接する段階において、第２の接合ペア（３３ｐ₂）が第１の接合ペア（３３ｐ₁）の溶接後に溶接され、及び第３の接合ペア（３３ｐ₃）が第４の接合ペア（３３ｐ₄）の溶接後に溶接されることを特徴とするものである。

これにより、第２又は第３の接合ペアを溶接するときにはそれぞれ第１又は第４の接合ペアが既に溶接されており、その結果、３番と４番及び５番と６番の接合端部（３３ｃ）に共通電極（１０３）が接触していない場合であっても、３番と４番及び５番と６番の接合端部（３３ｃ）は、１番と２番及び７番と８番の接合端部（３３ｃ）をそれぞれ介してアースに接続されており、従ってそれらは安定に溶接され得る。

本発明では、アーク溶接する段階において、接合端部（３３ｃ）の一の列における異なる番号の接合ペアよりも、接合端部（３３ｃ）の他の列における同一番号を有する接合ペアを先に溶接するように溶接の順序が定められていることが好適である。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明による好適な実施形態の、略Ｕ字状のセグメント導体を具備するステータコイルの溶接方法について図面を参照しながら説明する。最初に、本発明による方法が適用されるステータコイル及びその構成要素である略Ｕ字状のセグメント導体について説明する。ただし、そのようなステータコイル及び略Ｕ字状のセグメント導体及びその製造方法は、前述した特許文献１及び特許文献２等から良く知られているので概略的に記すにとどめる。

図１は、本発明による溶接方法によって製造されたステータコイル３を含む回転電機１０の縦断面図である。図２は、略Ｕ字状のセグメント導体３３がステータコア１のスロット３５に挿入されるところを示す斜視図である。図３は、略Ｕ字状のセグメント導体３３がスロットに挿入された後の形態を示す斜視図である。図４は、ステータコア１に設けられたスロット３５内におけるセグメント導体３３の収容状態を示す部分断面図である。

図１に示される回転電機１０は、車両のエアコンの圧縮機動力発生用のモータ１０として使用されるものである。モータ１０は、ステータコア１、ロータ２、ステータコイル３、ハウジング４、及び回転軸７を含んで構成されている。ステータコア１は、ハウジング４の周壁内周面に固定されている。また、ステータコア１は、本実施形態では９６個のスロット３５を有しており、これらのスロット３５にステータコイル３が巻装されている。ロータ２は、ハウジング４に回転自在に支持された回転軸７に固定されたＩＰＭ型ロータ２であり、ステータコア１の内径側に配置されている。ステータコイル３は、三相電機子巻線であって、外部のバッテリに接続された三相インバータから給電されている。

このモータ１０は、永久磁石型三相ブラシレスＤＣモータ１０（同期モータ）であるが、モータ構造としては、公知の種々の形式に置換可能である。このような種々の形式の同期機自体は周知であるので動作原理についての説明は省略する。

ステータコイル３は、ステータコア１の一方の端面側に全体としてリング状に存在する頭部側コイルエンド部３１と、ステータコア１の他方の端面側に全体としてリング状に存在する端部側コイルエンド部３２と、スロット３５内に存在するスロット導体部とに区分される。図１において、頭部側コイルエンド部３１は、各セグメント導体３３の略Ｕ字状の頭部により構成され、端部側コイルエンド部３２は、各セグメント導体３３の後述する飛び出し端部及び接合端部により構成されている。

ステータコイル３は、図２に示す一対の略Ｕ字状のセグメント導体３３をステータコア１の一方の端面側からステータコア１の異なる二つのスロット３５に挿通し、各セグメント導体３３の飛び出し端部をスロット３５からステータコア１の他方の端面側に必要な長さだけ突出させる。次いで、図示しない専用の成形装置を使って各セグメント導体３３の飛び出し端部を周方向にほぼ電気角でπ／２だけそれぞれ捻り、図３に示されるように成形した後、各セグメント導体３３の飛び出し端部の先端の接合端部を所定の組み合わせで溶接することにより形成される。また、セグメント導体３３は、溶接部分即ち前記接合端部を除いて樹脂皮膜で被覆されている。

セグメント導体３３はその略Ｕ字状の頭部の大きさの違う２種類のものをペアにしてスロット３５に挿入される。今後、サイズを区別して呼ぶ必要があるとき、参照符号に添え字１又は２が付され、大きいセグメント導体３３を大セグメント導体３３₁、小さいセグメント導体３３を小セグメント導体３３₂と呼ぶ。また、大セグメント導体３３₁と小セグメント導体とのペアをセグメント導体セットＳと呼び、前記セグメント導体セットＳは、図１に示されるように、内周側に配置されたものの参照符号がＳ１及び外周側に配置されたものの参照符号がＳ２と付番される。

次に、大セグメント導体３３₁及び小セグメント導体３３₂とからなるセグメント導体セットＳについて図２及び図３を参照してより詳しく説明する。
大小のセグメント導体３３₁、３３₂は、矩形断面を有する線材あるいは板材から形成されており、ほぼＵ字状のターン部としての頭部３３ｂ₁、３３ｂ₂と、この頭部の両端から直線的に延びて異なるスロット３５に収容される一対のスロット導体部３３ａ_L1、３３ａ_R1及び３３ａ_L2、３３ａ_R2をそれぞれ備えている。ここで前記参照符号の添え字のＬとＲは、一対のスロット導体部３３ａのうち図２の左側のスロット３５_L又は右側のスロット３５_Rに挿入されるものであることを表している。各セグメント導体３３₁及び３３₂はスロットに挿入された後、図示しない成形機によって図３に示されるように成形されることにより、両スロット導体部から半径方向かつ図の上方へ延びる一対の飛び出し端部３３ｄ_L1，３３ｄ_R1及び３３ｄ_L2，３３ｄ_R2と、前記一対の飛び出し端部の先端にそれぞれ形成された接合端部３３ｃ_L1、３３ｃ_R1及び３３ｃ_L2、３３ｃ_R2とを有する。

図３に示されるように、大セグメント導体３３₁の二つのスロット導体部３３ａ_L1と３３ａ_R1は異なるスロット３５にそれぞれ収容され、小セグメント導体３３₂の二つのスロット導体部３３ａ_L2と３３ａ_R2は大セグメント導体３３₁のスロット導体部３３ａ_L1及びスロット導体部３３ａ_R1とそれぞれ同じスロットに収容される。

図３では、実線で示された大小のセグメント導体３３₁，３３₂と共に別の大小のセグメント導体３３₁´、３３₂´の各部分が破線で示されており、別のセグメント導体３３₁´、３３₂´の各部分は、実線で示されたセグメント導体と同様の参照符号にダッシュ「´」を付加された参照符号を有している。

図３では、スロットは図示されないが、最内周側のスロット導体部３３ａ_L1と中内層のスロット導体部３３ａ_L2がステータコア１の一のスロット３５_Lに収容される場合、同じ大セグメント導体３３₁及び小セグメント導体３３₂の最外層のスロット導体部３３ａ_R1と中外層のスロット導体部３３ａ_R2は、この一のスロット３５_Lから所定奇数磁極ピッチＴ離れた他のスロット３５_Rに収容されている。また、小セグメント導体３３₂の頭部３３ｂ₂は大セグメント導体３３₁の頭部３３ｂ₁に囲まれるようにして配置されている。

ステータコア１の各スロット３５におけるセグメント導体３３のスロット導体部の配置の状態を図４を用いて説明する。本実施形態の場合、各スロット３５には半径方向に一列に８本のスロット導体部３３ａが収容されており、スロット導体部３３ａは内周側から３３ａ_L1、３３ａ_L2、３３ａ_R2´、３３ａ_R1´の順で４本が収容され、さらに同様の４本のセットがその外側に収容されている。本明細書では説明のために、このようにスロット３５に収容されたスロット導体部３３ａに対して内周側から１番、２番、．．．８番の序数を付すこととする。

次に、ステータコイル３の溶接が施される接合端部３３ｃについて、図５及び図６を参照して説明する。図５は、ステータコアの一端側で溶接のために整列された接合端部３３ｃと、溶接のために配置された内押圧電極１０１と、外押圧電極１０２と、串状の共通電極１０３を模式的に示すステータコイル３と電極の部分平面図である。図６は、一列の接合端部３３ｃと各電極を模式的に示すステータコイル３と電極の部分縦断面図である。

図５に示されるように接合端部３３ｃは８個が一列に整列される。８個の接合端部３３ｃに内周側から１番、２番、・・・、８番と序数を付したとき、８個の接合端部３３ｃは、隣接する奇数番と偶数番のものが余りを作らないようにペアにされて互いに溶接される。本明細書では、溶接されるそのような接合端部３３ｃのペアを接合ペア３３ｐと呼ぶこととする。具体的には、１番２番、３番４番、５番６番、及び７番８番の接合端部３３ｃが第１〜第４の接合ペア３３ｐ₁〜３３ｐ₄をそれぞれ作っている。

また、図６に示されるように、２番と３番の接合端部３３ｃは一つの小セグメント導体３３₂の一対の接合端部３３ｃ_L2と３３ｃ_R2からそれぞれなるものであり、同様に６番と７番の接合端部３３ｃは他の一つの小セグメント導体３３₂の一対の接合端部３３ｃ_L2と３３ｃ_R2からそれぞれなるものである。一方、１番と４番の接合端部３３ｃは互いに異なる大セグメント導体３３１の接合端部３３ｃ_L1と３３ｃ_R1からなるものであり、同様に５番と８番の接合端部３３ｃも互いに異なる大セグメント導体３３１の接合端部３３ｃ_L1と３３ｃ_R1からなるものである。但し、１番と４番、及び５番と８番の接合端部３３ｃは図示されない他のセグメント導体を介してそれぞれ互いに電気的に接続している。

本実施形態では、溶接はアーク溶接により行われるため、内押圧電極１０１、外押圧電極１０２、共通電極１０３、及び溶接トーチ１０４が用いられる。内押圧電極１０１及び外押圧電極１０２は１番及び８番の接合端部３３ｃにそれぞれ接触して１番及び８番の接合端部３３ｃを半径方向に押圧することができる。

共通電極１０３は、内周側に先細のテーパの付いた串状の平面形状を有しており、隣接する２列の接合端部３３ｃの列の間に配置され、２列の各接合端部３３ｃの側面に接触するように形成されている。

溶接は、溶接対象となる接合ペア３３ｐの軸方向上方に所定の空間をあけて配置された溶接トーチ１０４と接合ペア３３ｐとの間に発生するアークによってなされ、溶接電流は接合端部３３ｃから共通電極１０３に流れるだけでなく、内押圧電極１０１及び外押圧電極１０２にも流れる。

また、ステータコイル３が巻装されたステータコア１及び各電極は図示しない回転移動装置に連結されて一体に回転し且つ所定の角度位置で停止されることが可能であり、また溶接トーチ１０４は図示しない移動アームに連結されて半径方向に移動し所定の半径方向位置で停止されることが可能である。したがって本実施形態では、ステータコイル側の回転と溶接トーチ１０４の半径方向の移動を組み合わせることにより、溶接トーチ１０４の接合ペア３３ｐに対する位置決めが行われる。

本実施形態の溶接方法では、溶接順序は図６の丸数字で示されるように、第１の接合ペア３３ｐ₁の溶接の後に第２の接合ペア３３ｐ₂が溶接され、第４の接合ペア３３ｐ₄の溶接の後に第３の接合ペア３３ｐ₃が溶接される。さらに本実施形態では、接合端部３３ｃの一つの列内における異なる番号の接合ペアよりも、接合端部３３ｃの他の列における同一番号を有する接合ペアが先に溶接される。

次に、前述した溶接方法のより具体的な手順の一例を示す。なお、接合端部３３ｃの列数はＮであるとする。
最初に、内押圧電極１０１を１番の接合端部３３ｃに、外押圧電極１０２を８番の接合端部３３ｃに、及び共通電極１０３を１番〜８番の接合端部３３ｃに接触させる。
接合端部３３ｃの第１の列における第１の接合ペア３３ｐ₁の溶接を行う。
次に、前記第１の列に隣接する第２の列から第Ｎの列における第１の接合ペア３３ｐ₁の溶接を同様に行う。
次に、第１の列における第２の接合ペア３３ｐ₂の溶接を行う。
次に、第２の列から第Ｎの列における第２の接合ペア３３ｐ₂の溶接を同様に行う。
次に、第１の列における第４の接合ペア３３ｐ₄の溶接を行う。
次に、第２の列から第Ｎの列における第４の接合ペア３３ｐ₄の溶接を同様に行う。
次に、第１の列における第３の接合ペア３３ｐ₃の溶接を行う。
次に、第２の列から第Ｎの列における第３の接合ペア３３ｐ₃の溶接を同様に行い、一つのステータコイルにおける接合ペア３３ｐの溶接が完了する。

本発明の実施形態において溶接の順序を前述したように規定している理由を５番と６番の接合端部３３ｃからなる第３の接合ペア３３ｐ₃を例に以下に説明する。
５番の接合端部３３ｃは、それに共通電極１０３が接触していない場合であっても、８番の接合端部３３ｃに電気的に接続しているので８番の接合端部３３ｃを介して外押圧電極１０２に電気的に接続しており、一方６番の接合端部３３ｃは、それに共通電極１０３が接触していない場合であっても、同一のセグメント導体の７番の接合端部３３ｃに電気的に接続し、そして、第３の接合ペア３３ｐ₃を溶接するときに第４の接合ペア３３ｐ₄が既に溶接されていることにより、６番の接合端部３３ｃも、７番の接合端部３３ｃと、７番の接合端部３３ｃに既に溶接された８番の接合端部３３ｃとを介して外押圧電極１０２に電気的に接続されるためである。

（その他の実施形態）
前述の実施形態の溶接方法では、第１の接合ペア３３ｐ₁を最初に溶接したが、最初に第４の接合ペア３３ｐ₄を溶接し、次に第３の接合ペア３３ｐ₃、第１の接合ペア３３ｐ₁、及び第２の接合ペア３３ｐ₂という順序で溶接を進めてもよい。

本発明による方法によって製造されたステータコイルを含む回転電機の縦断面図である。ステータコアのスロットに挿入される略Ｕ字状のセグメント導体を示す斜視図である。スロットに挿入されて成形された略Ｕ字状のセグメント導体を示す斜視図である。スロット内におけるセグメント導体の収容状態を示す部分断面図である。ステータコイル及び電極の模式的な部分平面図である。ステータコイル及び電極の模式的な部分縦断面図である。ステータコイル及び電極の模式的な部分縦断面図である。

符号の説明

１ステータコア
３ステータコイル
３３セグメント導体
３３ｃ接合端部
３３ｐ接合ペア
１０１内押圧電極
１０２外押圧電極
１０３共通電極
１０４溶接トーチ

Claims

ステータコア（１）のスロット（３５）に挿通された略Ｕ字状の多数のセグメント導体（３３）を具備するステータコイル（３）の溶接方法であって、
前記ステータコア（１）の一端側で半径方向に一列に整列された前記セグメント導体（３３）の８個の接合端部（３３ｃ）からなる接合端部（３３ｃ）の列が多数列形成されたステータコイル（３）の半完成品にして、前記整列された８個の接合端部（３３ｃ）に内周側から１番、２番、・・・、８番と序数を付したとき、１番と２番、３番と４番、５番と６番、及び７番と８番の一対の接合端部（３３ｃ）が第１、第２、第３、及び第４の接合ペア（３３ｐ₁、３３ｐ₂、３３ｐ₃、３３ｐ₄）をそれぞれ形成し、前記接合端部（３３ｃ）の一の列における前記１番と４番、２番と３番、６番と７番、及び５番と８番の接合端部（３３ｃ）がセグメント導体（３３）によってそれぞれ互いに電気的に接続しているステータコイル（３）の半完成品の前記第１〜第４の接合ペア（３３ｐ₁〜３３ｐ₄）を溶接する工程を含み、
前記溶接する工程が、前記１番の接合端部（３３ｃ）をアースに接続する段階と、前記８番の接合端部（３３ｃ）をアースに接続する段階と、前記第１〜第４の接合ペア（３３ｐ₁〜３３ｐ₄）をアーク溶接する段階とを含んでおり、
前記アーク溶接する段階において、前記第２の接合ペア（３３ｐ₂）が前記第１の接合ペア（３３ｐ₁）の溶接後に溶接され、及び前記第３の接合ペア（３３ｐ₃）が前記第４の接合ペア（３３ｐ₄）の溶接後に溶接されることを特徴とする、ステータコイル（３）の溶接方法。
前記アーク溶接する段階において、前記接合端部（３３ｃ）の一の列における異なる番号の前記接合ペア（３３ｐ）よりも、前記接合端部（３３ｃ）の他の列における同一番号を有する接合ペア（３３ｐ）を先に溶接するように溶接の順序が定められていることを特徴とする、請求項１に記載のステータコイル（３）の溶接方法。
前記１番の接合端部（３３ｃ）をアースに接続する前記段階において、前記１番の接合端部（３３ｃ）に接触するとともに前記１番の接合端部（３３ｃ）を半径方向に押圧する内押圧電極が用いられ、
前記８番の接合端部（３３ｃ）をアースに接続する前記段階において、前記８番の接合端部（３３ｃ）に接触するとともに前記８番の接合端部（３３ｃ）を半径方向に押圧する外押圧電極が用いられることを特徴とする、請求項１又は２に記載のステータコイル（３）の溶接方法。
ステータコア（１）のスロット（３５）に挿通された略Ｕ字状の多数のセグメント導体（３３）を具備するステータコイル（３）を製造する方法であって、
前記ステータコア（１）の一端側で半径方向に一列に整列された前記セグメント導体（３３）の８個の接合端部（３３ｃ）からなる接合端部（３３ｃ）の列が多数列形成されたステータコイル（３）の半完成品にして、前記整列された８個の接合端部（３３ｃ）に内周側から１番、２番、・・・、８番と序数を付したとき、１番と２番、３番と４番、５番と６番、及び７番と８番の一対の接合端部（３３ｃ）が第１、第２、第３、及び第４の接合ペア（３３ｐ₁、３３ｐ₂、３３ｐ₃、３３ｐ₄）をそれぞれ形成し、前記接合端部（３３ｃ）の一の列における前記１番と４番、２番と３番、６番と７番、及び５番と８番の接合端部（３３ｃ）がセグメント導体（３３）によってそれぞれ互いに電気的に接続しているステータコイル（３）の半完成品を準備する工程と、
前記第１〜第４の接合ペア（３３ｐ₁〜３３ｐ₄）を溶接する工程とを含む、ステータコイル（３）を製造する方法において、
前記溶接する工程が、前記１番の接合端部（３３ｃ）をアースに接続する段階と、前記８番の接合端部（３３ｃ）をアースに接続する段階と、前記第１〜第４の接合ペア（３３ｐ₁〜３３ｐ₄）をアーク溶接する段階とを含んでおり、
前記アーク溶接する段階において、前記第２の接合ペア（３３ｐ₂）が前記第１の接合ペア（３３ｐ₁）の溶接後に溶接され、及び前記第３の接合ペア（３３ｐ₃）が前記第４の接合ペア（３３ｐ₄）の溶接後に溶接されることを特徴とする、ステータコイル（３）を製造する方法。