JP5573395B2

JP5573395B2 - ステータの製造方法

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Publication number: JP5573395B2
Application number: JP2010136034A
Authority: JP
Inventors: 正樹斉藤; 進也清水; 進加藤
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-06-15
Also published as: WO2011158578A1; US20110302769A1; JP2012005198A

Description

本発明は、ステータコアのスロットにコイル導体を配置してなるステータの製造方法に関する。

ハイブリッド車、電気自動車等に用いる回転電機のステータを製造するに当たっては、ステータコアのスロットにおけるコイル導体の占有面積を向上させるため、このコイル導体を断面略四角形状を有する角線から形成することが行われている。この際、円環形状のステータコアにおけるスロット内に、角線からなるコイル導体を挿入することができない。そのため、１つおきのスロットの形成位置においてステータコアを分断して、複数の分割コアを形成している。
そして、スロット内に配置するときの形状に形成したコイル導体に対して、複数の分割コアを組み付けている。また、その後、複数の分割コアの外周に外周リングを焼き嵌め（外周リングを加熱し膨張させて嵌め込み）等を行って装着している。

例えば、特許文献１の回転電機の製造方法においては、ステータの内径真円度を確保するために、分割ステータコアの外周に締結部材を装着して、各分割ステータコアを径方向内方に向けて押圧して変位させることが開示されている。
また、例えば、特許文献２の電動機においては、ヨーク部分が円周方向に複数に分割された固定子コアを組み付け、この固定子コアのティース先端部に金型を設置して、固定子コアに対して周方向において均等な状態で径方向に応力を加えて、固定子を製造することが開示されている。

特開２００９−１０６１３７号公報特開２００１−２１８４２９号公報

しかしながら、角線からなるコイル導体を、ステータコアにおける複数のスロットに跨って分布巻き状態で組み付ける場合に、複数の分割コアに対して外周リングを焼き嵌めを行って装着した後には、ステータの真円度が低下してしまうことがわかった。この真円度の低下は、次の理由によるものであると考えられる。すなわち、角線を折り曲げ加工したときの寸法精度のばらつき等によって、スロットとコイル導体との間には寸法誤差が生じ、スロットに配置するコイル導体は、少なからず変形を伴うことになる。これにより、すべての分割コアをコイル導体に組み付けたときには、コイル導体の変形が戻ろうとする力によって、複数の分割コアが外周側に押されることになり、ステータの真円度が低下してしまったと考えられる。
なお、特許文献１、２においても、上記焼き嵌め後の真円度の低下を抑制する工夫はなされていない。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、複数の分割コアの外周に対して加熱した外周リングを嵌め込んだ後に、ステータの真円度が低下してしまうことを効果的に抑制することができるステータの製造方法を提供しようとするものである。

本発明は、ステータコアのスロットに配置する直線部に対して一方端と他方端とにおいて交互に渡り部を繋いで上記直線部を仮想の円周上に並べるよう折り曲げた角線からなるコイル導体に対し、上記スロットの形成位置において上記ステータコアを周方向に分断してなる複数の分割コアを組み付け、該複数の分割コアの外周に対して加熱した外周リングを嵌め込んでステータを形成するステータ形成工程と、
該ステータ形成工程の後に、上記ステータにおける上記外周リングを拘束して、該ステータの真円度を矯正した状態において、該ステータを所定の温度に加熱することにより、該ステータの真円度を向上させる矯正工程とを含むことを特徴とするステータの製造方法にある（請求項１）。

本発明において製造するステータは、角線からなるコイル導体を、ステータコアにおける複数のスロットに跨って分布巻き状態で組み付けてなるものである。
本発明のステータの製造方法においては、ステータ形成工程において、角線を折り曲げて形成したコイル導体に対して複数の分割コアを組み付け、複数の分割コアの外周に対して加熱した外周リングを嵌め込んで、ステータを形成する。そして、矯正工程において、ステータにおける外周リングを拘束してステータの真円度を矯正した状態において、ステータを所定の温度に再加熱する。
この再加熱により、スロットに配置したときのコイル導体の変形が戻ろうとする力を緩和することができ、コイル導体の変形が戻ろうとする力が残留応力として分割コアを押し広げようとすることを抑制することができる。

それ故、本発明のステータの製造方法によれば、複数の分割コアの外周に対して加熱した外周リングを嵌め込んだ後に、ステータの真円度が低下してしまうことを効果的に抑制することができる。

実施例における、ステータに矯正治具を装着した状態を、ステータの軸方向から見た状態で示す断面説明図。実施例における、ステータに矯正治具を装着した状態を、ステータの側方から見た状態で示す断面説明図。実施例における、コイル導体の概略形状を示す斜視図。実施例における、コイル導体に対して分割コアを組み付ける状態を、ステータの軸方向から見た状態で示す断面説明図。実施例における、分割コア組付体に対し外周リングを焼き嵌めする前の状態を示す断面説明図。実施例における、分割コア組付体に対し外周リングを焼き嵌めした状態を示す断面説明図。実施例における、ステータを軸方向から見た状態で示す断面説明図。実施例における、ステータを側方から見た状態で示す断面説明図。実施例における、ステータにおけるコイル導体の配置状態を、ステータの軸方向から見た状態で模式的に示す断面説明図。実施例における、矯正治具を、ステータの軸方向から見た状態で示す説明図。実施例における、ステータへのワニスの滴下含浸を行う状態を示す説明図。実施例における、測定器によって測定を行う場合について、ステータに矯正治具を装着した状態を、ステータの軸方向から見た状態で示す断面説明図。実施例における、測定器によって測定を行う場合について、ステータに矯正治具を装着した状態を、ステータの側方から見た状態で示す断面説明図。実施例における、熱風送風ファンによって加熱を行う場合について、ステータに矯正治具を装着した状態を示す説明図。実施例における、誘導加熱コイルによって加熱を行う場合について、ステータに矯正治具を装着した状態を示す説明図。確認試験における、矯正工程を行う前について、各分割コアのティース部における内周面の半径の測定結果を示すグラフ。確認試験における、治具矯正後について、各分割コアのティース部における内周面の半径の測定結果を示すグラフ。確認試験における、加熱後について、各分割コアのティース部における内周面の半径の測定結果を示すグラフ。確認試験における、治具取外し後について、各分割コアのティース部における内周面の半径の測定結果を示すグラフ。

上述した本発明のステータの製造方法における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明の上記矯正工程において、上記ステータを再加熱する所定の温度は、コイル導体を構成する角線を被覆する絶縁層の耐熱温度以下とすることができる。このステータを再加熱する所定の温度は、例えば、コイル導体の温度が１００〜２００℃となるように設定することができる。

また、上記矯正工程においては、上記外周リングの外周側に配置して、該外周リングの周方向を部分的に押圧する矯正治具を用い、該矯正治具は、上記外周リングの外周側に配置する本体部と、該本体部に対する径方向位置を調整して上記分割コアを外周側から押圧する調整部とを有していることが好ましい（請求項２）。
この場合には、外周リングの焼き嵌めを行ったステータに対して、矯正治具を取り付けて調整部を調整することにより、ステータの真円度の矯正を容易に行うことができる。

また、上記本体部は、円環形状のリング部材からなり、該リング部材には、上記複数の分割コアの外周側にそれぞれ対向する位置においてネジ穴が設けてあり、上記調整部は、上記ネジ穴にそれぞれ螺合させた調整ボルトであり、該調整ボルトの先端によって、上記分割コアの外周を押圧することによって上記ステータの真円度を向上させることが好ましい（請求項３）。
この場合には、調整ボルトの締め付けによって各分割コアを押圧する力を容易に調整することができ、ステータの真円度を更に向上させることができる。

また、上記矯正工程は、上記コイル導体及び上記スロット内の空隙にワニスを含浸させるワニス含浸工程において行い、上記ステータの再加熱を行う所定の温度は、上記ワニスを硬化させる加熱温度とすることが好ましい（請求項４）。
この場合には、ワニス含浸を行う際の加熱温度を利用して、ステータの再加熱を行うことができ、矯正工程に要する時間の短縮化、及び設備の簡略化を図ることができる。

また、上記矯正工程においては、測定器を用いて上記ステータの中心から上記複数の分割コアのティース内周面までの半径を測定し、該測定を行った半径が他の分割コアに比べて大きい分割コアを内周側へ押圧して、上記ステータの真円度を向上させることが好ましい（請求項５）。
この場合には、真円度を矯正すべき分割コアを直接内周側へ押圧することができ、ステータの真円度を一層向上させることができる。

以下に、本発明のステータの製造方法に係る実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例）
本例のステータ１の製造方法においては、次のステータ形成工程及び矯正工程を行って回転電機用のステータ１を製造する。
ステータ形成工程においては、図３、図９に示すごとく、断面略四角形状の角線３０１を折曲げ加工し、ステータコア２のスロット２３に配置する直線部３１に対し一方端と他方端とにおいて交互に渡り部３２を繋いで直線部３１を仮想の円周上に並べるよう配置したコイル導体３を形成する。次いで、図４に示すごとく、このコイル導体３に対し、１つおきのスロット２３の形成位置においてステータコア２を周方向Ｃに分断してなる複数の分割コア２５を組み付ける。その後、図５、図６に示すごとく、この複数の分割コア２５の外周に対して加熱した外周リング２６を嵌め込んでステータ１を形成する。
矯正工程においては、図１、図２に示すごとく、ステータ１における外周リング２６を拘束して、ステータ１の真円度を矯正する。そして、この矯正状態において、ステータ１を所定の温度に再加熱することにより、ステータ１の真円度を向上させる。

以下に、本例のステータ１の製造方法につき、図１〜図１５を参照して詳説する。
本例のステータ１は、３相の回転電機に用いるものであり、３相の回転電機は、ステータ１の内周側にインナーロータを回転可能に配置して構成される。
図９に示すごとく、ステータコア２における複数のスロット２３には、複数の直線部３１を一方端と他方端とにおいて交互に渡り部３２によって繋いでなる波巻形状のＵ相のコイル導体３Ｕ、Ｖ相のコイル導体３Ｖ及びＷ相のコイル導体３Ｗを、複数のスロット２３に分布して配置している。また、ステータコア２には、ステータ１の周方向Ｃを巡回する複数のターンの各相のコイル導体３が配置されており、ステータコア２における各スロット２３には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちのいずれかの相のコイル導体３の直線部３１が径方向Ｒに重なって配置されている。

図３に示すごとく、本例のステータ形成工程においては、断面略四角形状の角線３０１を直線部３１と渡り部３２とが繋がる波巻形状に折り曲げ加工し、これを円筒状に丸めて各相のコイル導体３Ｕ、３Ｖ、３Ｗとする。
また、図４に示すごとく、ステータコア２を構成する各分割コア２５は、一つの中央スロット２３Ａと、この中央スロット２３Ａの両側において分断したスロット２３によって構成した一対の分断スロット２３Ｂとを有している。各分割コア２５は、１つおきのスロット２３の外周側に位置するヨーク部２１を分断して形成されており、スロット２３同士の間に位置する２つのティース部２２を有している。

図７に示すごとく、ステータコア２は、複数の分割コア２５に対し外周リング２６を嵌合して形成されている。ステータコア２には、偶数個（本例では４８個）のスロット２３が形成されており、分割コア２５は、スロット２３の数の半分の数（本例では２４個）が形成されている。各スロット２３は、周方向Ｃの一対の側壁面が互いに平行な平行スロットとして形成されている。
図７、図８に示すごとく、外周リング２６は、円筒形状の本体部２６１に対し、周方向Ｃの３箇所に取付部２６２を延長形成してなる。外周リング２６の内径は、複数の分割コア２５を組み合わせた外周面の外径と略同じ又は若干これよりも小さくしてある。
ステータコア２に配置したコイル導体３においては、直線部３１のほとんどがスロット２３内に配置され、直線部３１の残部と渡り部３２とがステータコア２の軸方向端面の外方に配置される。直線部３１の残部と渡り部３２とはステータ１のコイルエンド部３５を形成する。

本例のステータ形成工程においては、図５に示すごとく、３相のコイル導体３の全体に対してすべての分割コア２５を組み付けて分割コア組付体１１を形成した後には、この分割コア組付体１１に対して外周リング２６の焼き嵌めを行うために、焼き嵌め装置４を用いる。焼き嵌め装置４は、外周リング２６を保持するリング保持部４１と、リング保持部４１において外周リング２６を加熱するヒータ４２と、分割コア組付体１１を保持するコア保持部４３と、コア保持部４３とリング保持部４１とを相対移動させる移動手段４４とを備えている。

コア保持部４３は、分割コア組付体１１の内周側を保持する内周側保持部４３１と、分割コア組付体１１の外周側を保持する外周側保持部４３２とを有している。本例のリング保持部４１は、ベース４５に固定してあり、移動手段４４は、コア保持部４３を移動させるよう構成してある。移動手段４４は、内周側保持部４３１を固定すると共に外周側保持部４３２をクッション４３３を介して固定した移動ベース４４１と、この移動ベース４４１の移動をガイドするポスト４４２とを備えて構成されている。移動ベース４４１は、図示しない動力源又は手動の駆動源によって移動させるよう構成されている。

そして、図６に示すごとく、ヒータ４２によって外周リング２６を加熱し、移動手段４４によって、リング保持部４１に保持する外周リング２６に対して、コア保持部４３に保持する分割コア組付体１１を移動させることにより、分割コア組付体１１に対して、加熱して内径が膨張した外周リング２６を嵌め込む。その後、外周リング２６が冷やされてその内径が縮小することによって、複数の分割コア２５と外周リング２６とが一体化され、ステータ１が形成される。

本例の矯正工程においては、図１０に示すごとく、外周リング２６の外周側に配置して、外周リング２６の周方向Ｃを部分的に押圧する矯正治具５を用いる。矯正治具５は、外周リング２６の外周側に配置する円環形状のリング部材からなる本体部５１と、本体部５１に対する径方向Ｒの位置を調整して分割コア２５を外周側から押圧する調整部５２とを有している。本体部５１には、複数の分割コア２５の外周側にそれぞれ対向する位置にネジ穴５１１が設けてある。本例の調整部５２は、ネジ穴５１１に螺合させた調整ボルト５２である。

矯正治具５は、図１、図２に示すごとく、本体部５１における各調整ボルト５２の締付けを行い、各調整ボルト５２の先端５２１によって、各分割コア２５の外周を押圧することによってステータ１の真円度を向上させる。具体的には、外周リング２６の焼き嵌めを行ったステータ１に対して、矯正治具５を取り付けて調整部５２を調整する。そして、調整ボルト５２によって各分割コア２５を直接内周側へ押圧することにより、波巻形状に成形したコイル導体３の変形が元の形状に戻ろうとする力が分割コア２５に作用して、分割コア２５を外周側へ押し出すことを抑えることができる。これにより、ステータ１の真円度の矯正を容易に行うことができる。

また、矯正工程は、コイル導体３及びスロット２３内の空隙にワニスを含浸させるワニス含浸工程において行う。
ワニス含浸工程においては、図１１に示すごとく、ワニス含浸装置６を用い、ステータ１のコイルエンド部３５に絶縁樹脂材料からなるワニスＷを滴下し、このワニスＷを、コイル導体３に生じる表面張力によってスロット２３内に含浸させる。ワニス含浸装置６は、ステータ１の軸方向Ｄを水平方向に向けて保持する回転装置６１、ワニスＷを滴下させるノズル６２、ワニスＷの滴下を行う環境を真空状態にする真空槽（図示略）等を備えている。

本例においては、上記ステータ形成工程を行った後には、ワニス含浸工程を行うと同時に矯正工程を行う。すなわち、図５、図６に示すごとく、分割コア組付体１１に外周リング２６を焼き嵌めした後には、図１、図２に示すごとく、ステータ１における外周リング２６の外周に矯正治具５を装着する。このとき、各調整ボルト５２が各分割コア２５の外周に対向するように矯正治具５を装着し、調整ボルト５２の締付けを行う。そして、ステータ１における外周リング２６を外周側から拘束し、ステータ１の真円度を矯正する。

次いで、図１１に示すごとく、矯正治具５を装着したステータ１をワニス含浸装置６の回転装置６１に保持し、コイルエンド部３５の上方にノズル６２を対向配置する。そして、真空槽内をワニス含浸を行う際のワニスＷが硬化する温度に加熱し、このワニスＷを硬化させる加熱温度を、ステータ１の再加熱を行う所定の温度として、ステータ１の真円度の矯正を行う。これにより、ワニス含浸を行う際の加熱温度を利用して、ステータ１の再加熱を行うことができ、矯正工程に要する時間の短縮化、及び設備の簡略化を図ることができる。
なお、ワニス含浸工程におけるステータ１の加熱は、誘導加熱、熱風による加熱、コイル導体３に通電を行うことによる加熱等の種々の加熱方法によって行うことができる。

ところで、角線３０１を折り曲げ加工したときの寸法精度のばらつき等によって、スロット２３とコイル導体３との間には寸法誤差が生じ、スロット２３に配置するコイル導体３は、少なからず変形を伴うことになる。これにより、すべての分割コア２５をコイル導体３に組み付けたときには、コイル導体３の変形が戻ろうとする力によって、複数の分割コア２５が外周側に押されることになる。そして、各分割コア２５を外周側へ押そうとする力が不均一となったときには、ステータ１の真円度が低下することになる。

これに対し、本例のステータ１の製造方法においては、ワニス含浸工程（矯正工程）において、矯正治具５によってステータ１の真円度を矯正した状態でステータ１を所定の温度に再加熱する。この再加熱により、スロット２３に配置したときのコイル導体３の変形が戻ろうとする力を緩和することができ、コイル導体３の変形が戻ろうとする力が残留応力として分割コア２５を押し広げようとすることを抑制することができる。

それ故、本例のステータ１の製造方法によれば、複数の分割コア２５の外周に対して加熱した外周リング２６を嵌め込んだ後に、ステータ１の真円度が低下してしまうことを効果的に抑制することができる。

なお、ステータ１の真円度の低下を抑制する方法として、外周リング２６の厚みを増加させること、あるいは、ステータコア２のスロット２３におけるコイル導体３の占積率を下げることが考えられる。しかし、これらの方法によると、ステータ１によって構成した回転電機の性能が低下してしまうおそれがあり、妥当でない。これに対し、上述した矯正工程によるステータ１の真円度の矯正を行うことにより、回転電機の性能低下を防止することができる。

また、上記矯正工程においては、図１２、図１３に示すごとく、測定器７を用いてステータ１の中心から複数の分割コア２５のティース部２２における内周面２２１までの半径を測定し、この測定を行った半径が他の分割コア２５に比べて大きい分割コア２５を調整ボルト５２によって内周側へ押圧することができる。また、測定器７による分割コア２５の半径の測定は、調整ボルト５２の締付けを行った後も行い、測定器７によって示す各分割コア２５の半径が、一定の誤差の範囲内に収まるようにすることができる。これにより、ステータ１の真円度を実際に測定しながらフィードバックして調整することができ、より確実にステータ１の真円度を向上させることができる。

また、上記矯正工程におけるステータ１の再加熱は、上記ワニス含浸工程において行う以外にも、矯正治具５により矯正したステータ１を熱風で加熱して行うこともできる。この熱風による加熱は、図１４に示すごとく、加熱炉８１内にステータ１を配置し、加熱炉８１に設けた熱風送風ファン８２によってステータ１を加熱して行うことができる。
また、上記矯正工程におけるステータ１の再加熱は、図１５に示すごとく、ステータ１の内周側に配置した誘導加熱コイル８３によってステータ１を誘導加熱して行うこともできる。
また、図示は省略するが、熱風による加熱及び誘導加熱を行う際には、コイル導体３に通電を行ってステータ１を加熱することもできる。

(確認試験)
本確認試験においては、上記ステータ１に対して上記矯正工程を行った効果を確認する試験を行った。
具体的には、ステータ１における各分割コア２５を矯正治具５で矯正する前（矯正工程を行う前）、ステータ１における各分割コア２５を矯正治具５で矯正した後（治具矯正後）、ステータ１における各分割コア２５を矯正治具５で矯正し、所定の温度に再加熱した後（加熱後）、ステータ１における各分割コア２５を矯正治具５で矯正すると共に所定の温度に再加熱し、矯正治具５を取り外した後（治具取外し後）の各段階において、測定器によりステータ１のティース部２２における内周面２２１の半径を測定した。

上記矯正工程を行う前の測定結果を図１６に、上記治具矯正後の測定結果を図１７に、上記加熱後の測定結果を図１８に、上記治具取外し後の測定結果を図１９に示す。
各図は、ティース部２２の内周面２２１の半径が６６ｍｍである場合をグラフ円の中心Ｏとし、ティース部２２の内周面２２１の半径が６７．８ｍｍである場合をグラフ円の外形Ｇとして示す。また、放射状に伸びるラインＨは、スロット２３の形成位置を示す。

図１６に示すごとく、矯正工程を行う前のステータ１における各ティース部２２の内周面２２１の半径Ｆには、大きなばらつきがあることがわかる。これに対し、図１７、図１８に示すごとく、治具矯正後及び加熱後においては、各ティース部２２の内周面２２１の半径Ｆのばらつきを大幅に矯正することができる。また、図１９に示すごとく、矯正治具５を取り外した後においても、矯正・加熱による各ティース部２２の内周面２２１の半径Ｆの矯正効果が維持されていることがわかる。このように、上記矯正治具５を用いた矯正工程を行うことにより、複数の分割コア２５の外周に対して加熱した外周リング２６を嵌め込んだ後に、ステータ１の真円度が低下してしまうことを効果的に抑制できることがわかった。

１ステータ
２ステータコア
２１ヨーク部
２２ティース部
２２１内周面
２３スロット
２５分割コア
２６外周リング
３コイル導体
３０１角線
３１直線部
３２渡り部
４焼き嵌め装置
５矯正治具
５１本体部
５２調整部（調整ボルト）

Claims

ステータコアのスロットに配置する直線部に対して一方端と他方端とにおいて交互に渡り部を繋いで上記直線部を仮想の円周上に並べるよう折り曲げた角線からなるコイル導体に対し、上記スロットの形成位置において上記ステータコアを周方向に分断してなる複数の分割コアを組み付け、該複数の分割コアの外周に対して加熱した外周リングを嵌め込んでステータを形成するステータ形成工程と、
該ステータ形成工程の後に、上記ステータにおける上記外周リングを拘束して、該ステータの真円度を矯正した状態において、該ステータを所定の温度に加熱することにより、該ステータの真円度を向上させる矯正工程とを含むことを特徴とするステータの製造方法。
請求項１に記載のステータの製造方法において、上記矯正工程においては、上記外周リングの外周側に配置して、該外周リングの周方向を部分的に押圧する矯正治具を用い、該矯正治具は、上記外周リングの外周側に配置する本体部と、該本体部に対する径方向位置を調整して上記分割コアを外周側から押圧する調整部とを有していることを特徴とするステータの製造方法。
請求項２に記載のステータの製造方法において、上記本体部は、円環形状のリング部材からなり、該リング部材には、上記複数の分割コアの外周側にそれぞれ対向する位置においてネジ穴が設けてあり、
上記調整部は、上記ネジ穴にそれぞれ螺合させた調整ボルトであり、
該調整ボルトの先端によって、上記分割コアの外周を押圧することによって上記ステータの真円度を向上させることを特徴とするステータの製造方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のステータの製造方法において、上記矯正工程は、上記コイル導体及び上記スロット内の空隙にワニスを含浸させるワニス含浸工程において行い、
上記ステータの再加熱を行う所定の温度は、上記ワニスを硬化させる加熱温度とすることを特徴とするステータの製造方法。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のステータの製造方法において、上記矯正工程においては、測定器を用いて上記ステータの中心から上記複数の分割コアのティース内周面までの半径を測定し、該測定を行った半径が他の分割コアに比べて大きい分割コアを内周側へ押圧して、上記ステータの真円度を向上させることを特徴とするステータの製造方法。