以下に図面を用いて本発明に係る実施形態について説明する。以下ではステータコアにステータコイルを分布巻きで配置する場合を説明するが、ステータコイルはステータコアに集中巻きで配置されても、波巻きで配置されてもよく、巻き方法を限定するものではない。以下ではすべての図面において、同様の要素には同一の符号を付して説明する。
図1は、回転電機ステータ10において、スロット12、13内の構成要素の配列を破断部αで示す斜視図であり、図2は、図1の回転電機ステータ10において、1相分の連結ステータコイル16uが巻装された様子を示す図である。以下、回転電機ステータ10は、単に「ステータ10」という。ステータ10は、図示しないロータと組み合わされて回転電機を形成する。回転電機は、車両に搭載され、電動モータ、または発電機、または電動モータ及び発電機の両方の機能を有するモータジェネレータとして用いられる。
ステータ10は、円環状のステータコア14と、ステータコア14の内周側に分布巻きで巻装されたu相、v相、w相の3相の連結ステータコイル16u,16v,16wとを含む。ステータコア14は、周方向に複数の等間隔位置に径方向内側へ突出して設けられる突極18(図2)と、隣り合う突極18同士の間に形成される複数の径方向の溝であるスロット12、13とを含み、電磁鋼板の積層体により形成される。ステータコア14は、磁性粉末を加圧成形することにより形成される圧粉コアにより形成されてもよい。
各相の連結ステータコイル16u,16v,16wは、図2、図3において、u相の連結ステータコイル16u分で代表して示すように、複数のステータコイル20、21を環状に連結することにより形成された前半環状部22と、別の複数のステータコイル24、25を環状に連結することにより形成された後半環状部26とを、電気的に直列に接続することにより形成される。図1、図2では、u相の前半環状部22と後半環状部26とが隣り合うスロット12、13に挿入された状態で、ステータコア14の周方向複数個所に巻装されている。連結ステータコイル16v,16wは、配置位置が周方向にずれるだけで連結ステータコイル16uと同様に形成される。
図4は、複数のステータコイル20、21を含む前半環状部22の周方向一部を示している。ステータコイル20、21のそれぞれは、後述するように複数の導体セグメント28,29,30を接合することにより形成される。複数のステータコイル20、21は、周方向に沿って図4で図示しない複数のスロットをまたいで所定の単位間隔d1だけ離れた2つのスロット12、13に挿入されるように、ステータコア14に巻装される。複数のスロット12,13は、第1スロット12及び第2スロット13を含む。
また、ステータコイル20と、ステータコイル20と隣り合う別のステータコイル21とは、同じスロット12(またはスロット13)に挿入され、その挿入時にステータコイル20を構成するI字形の脚部P1と、別のステータコイル21を構成するI字形の脚部P2とが、スロット12(またはスロット13)内で径方向に隣り合うように配置される。図2に示した後半環状部26も、前半環状部22と同様に形成される。
複数の導体セグメント28,29,30は、複数の一方側導体セグメント28、複数の第1の他方側導体セグメント29、及び複数の第2の他方側導体セグメント30とを含む。一方側導体セグメント28及び他方側導体セグメント29、30のそれぞれは、絶縁被膜が施されて断面形状が矩形の平角線である導体線を、所定形状に曲げ形成することにより構成される。図4の例では、導体セグメント28,29,30のそれぞれは、V字形の両端部に平行なI字形を連続させた形状に曲げ形成することにより構成される。導体セグメント28,29,30に平角線を用いることでスロット12、13内の導体線の占積率の向上を図れる。導体セグメントとして、導体線をU字形に形成したものを用いることもできる。
図4では一部の導体セグメント28を斜格子で示し、別の一部の導体セグメント29,30を砂地で示しているが、これは導体セグメント28,29,30の配置及び接合部の位置を分かりやすくするためであり、それぞれの導体セグメント28,29,30は同一材料により形成される。
一方側導体セグメント28はステータ10の軸方向一方側に配置され、他方側導体セグメント29,30は軸方向他方側に配置される。一方側導体セグメント28のそれぞれは、ステータコア14の軸方向一端側から2つのスロット12、13に挿入される2本の平行なI字形の第1脚及び第2脚である一方側脚部32,33と、2本の一方側脚部32、33を連結するV字形の連結部34とを有する。
図5の拡大図で示すように、一方側脚部32(一方側脚部33も同様である)の先端面は、絶縁被膜36から露出され、径方向に見た場合にV字形の山形となる凸部38を有する。
図4に戻って、他方側導体セグメント29、30のそれぞれは、一方側導体セグメント28と同様に、ステータコア14の軸方向他端側から2つのスロット12、13に挿入される2本のI字形の第1脚及び第2脚である他方側脚部40、41と、2本の他方側脚部40、41を連結するV字形の連結部42とを有する。図5の拡大図で示すように、他方側脚部40(他方側脚部41も同様である。)の先端面は、絶縁被膜44から露出され、径方向に見た場合にV字形の谷形となる凹部46を有する。
図1の破断部であるα部で示すように、ステータコイル20,21を含む連結ステータコイル16u,16v,16wは、スロット12(またはスロット13)内で対向する複数の一方側導体セグメント28の一方側脚部32(または一方側脚部33)と複数の他方側導体セグメント29、30の他方側脚部40(または他方側脚部41)との先端同士が、スロット12(またはスロット13)内で接合され、複数の一方側脚部32,33と他方側脚部40,41とが順次接合されて形成される。
具体的には、図4、図5において、u相分で代表して示すように、複数の一方側導体セグメント28の一方側脚部32と複数の他方側導体セグメント29、30の他方側脚部40との先端とは、第1スロット12に挿入される。第1スロット12内で互いに対向する一方側脚部32と他方側脚部40との先端は、後述の結合材48により接合部55で接合される。この場合、一方側脚部32及び他方側脚部40の先端面は、凸部38と凹部46とにより形成される凹凸係合部50により係合された状態で接合される。一方側脚部32及び他方側脚部40の接合によって、I字形の脚部P1または脚部P2(図4)が形成される。また、脚部P1,P2とスロット12の内側面との間には、図示しない絶縁紙またはワニスが設けられ、脚部P1,P2とステータコア14との間の絶縁が図られる。第2スロット13内で互いに対向する一方側脚部33と他方側脚部41との先端の接合部も同様である。これによって、複数のステータコイル20を含む前半環状部22が形成される。
図4ではu相の前半環状部22を形成する場合を説明したが、図1、図2に示す後半環状部26も同様に形成される。また、前半環状部22の電源接続側とは反対側の端部に位置する1つのステータコイル20と、後半環状部26を形成し、中性点(図示せず)とは反対側の端部に位置する1つのステータコイル24とが、スロット12(またはスロット13)内で一方側脚部32と他方側脚部40との接合により接続される。この場合も、一方側脚部32及び他方側脚部40の先端面は凹凸係合部により係合された状態で接合される。中性点は、3相の連結ステータコイル16u,16v,16wの接続点である。前半環状部22の電源接続側端部に位置する1つのステータコイル20の端部には、その端部を曲げ形成し、ステータコア14の軸方向外側に導出させることにより接続端部52(図2)が設けられる。接続端部52には図示しない動力線が接続され、動力線は、電源側に設けられる図示しないインバータに接続される。
結合材48は、導電性粒子を有するもので、予め後述の図11に示すように一方側脚部32(または33)及び他方側脚部40(または41)の接合前に、一方側脚部32(または33)の先端面に塗布しておく。図5に示すように、一方側脚部32及び他方側脚部40は、それぞれの先端を互いに接触させて押し付け合う方向(矢印β、γ方向)に加圧し、加熱することにより接合される。結合材48としては、銀または銅をナノメートルレベルまで微細化した金属粒子を導電性粒子として、熱硬化性樹脂をバインダとしたペースト状結合材を用いることができる。この場合、2つの導体セグメント28,29(または30)の間での導電性を良好にした状態で互いに接続できる。結合材48は、他方側脚部40の先端面のみに塗布してもよく、一方側脚部32及び他方側脚部40の先端面の両方に塗布してもよい。結合材48として、銀または銅をナノメートルレベルまで微細化した金属粒子を主成分とした熱硬化性のペースト状の結合材を用いることもできる。
図5では、一方側脚部32及び他方側脚部40の先端を凹凸係合部50により係合した状態で接合しているが、接合部の形状はこの例に限定するものではなく、各脚部32,40の先端を単なる平坦面とし、平坦面で互いに接合することもできる。
上記ではu相の連結ステータコイル16uの場合を説明したが、v相、w相の連結ステータコイル16v,16wも同様に形成される。各相の連結ステータコイル16u,16v,16wの後半環状部26の中性点側端部に位置する3つのステータコイル24の端部は、ステータコア14の軸方向外側で互いに接続される。なお、各相の連結ステータコイル16u,16v,16wのそれぞれは、複数のステータコイルを環状に連結した1つの環状部のみにより形成されてもよい。
このようにスロット12内で導体セグメント28,29,30が接合されることによって、後で詳しく説明するように、導体セグメント28,29,30の接合強度の信頼性を向上できる。さらに、連結ステータコイル16u,16v,16wのうち、ステータコア14の軸方向外側に設けられるコイルエンド54(図1)に接合部を設ける場合に比べてコイルエンド54の体格を小さくできる。
図6は、図1のB−B断面図である。スロット12内で径方向に隣り合う導体セグメント28,29,30の先端の接合部55は、軸方向について異なる位置に設けられる。これによって、後で詳しく説明するように、スロット12内の導体線の占有率を小さくすることなく、絶縁距離を大きくできるので信頼性向上を図れる。
図7は、ステータ10の製造方法を示すフローチャートである。まず、ステップS10(以下、ステップSは単にSという。)において、複数のスロット12を有するステータコア14と、複数の一方側導体セグメント28及び他方側導体セグメント29、30とを準備する準備ステップを行う。この場合、後述する図9に示すように、周方向に1つおきに配置されるステータコイル20を形成する一方側導体セグメント28の一方側脚部32、33は、他方側導体セグメント29、30の他方側脚部40、41よりも長くする。
また、後述する図10に示すように、別のステータコイル21を形成する一方側導体セグメント28の一方側脚部32、33は、他方側導体セグメント29、30の他方側脚部40、41よりも短くする。これによって、図6に示したように、隣り合うステータコイル20,21の導体セグメント28,29,30が同じスロット12、13に径方向に交互に配置される場合に、径方向に隣り合う導体セグメント28,29,30の接合部55の位置を、スロット12、13内で軸方向に異ならせることができる。
また、準備ステップ(S10)では、図11に示すように、一方側導体セグメント28の先端面に、ペースト状の結合材48を予め塗布する。
次に、ステータコア14の軸方向一端E1側から、複数の一方側導体セグメント28に形成された一方側脚部32、33のスロット12、13への挿入と、ステータコア14の軸方向他端E2側から、複数の他方側導体セグメント29、30に形成された他方側脚部40、41のスロット12、13への挿入とを行う挿入ステップを行う(S12)。
この場合、図8から図10に示すように、ステータコア14の軸方向一端E1側(図8から図10の上端側)から連結ステータコイル16uを形成するすべての一方側導体セグメント28の一方側脚部32、33を複数のスロット12、13に同時に挿入してもよい。また、ステータコア14の軸方向他端E2側(図8から図10の下端側)から連結ステータコイル16uを形成するすべての他方側導体セグメント29、30の他方側脚部40、41を複数のスロット12、13に同時に挿入してもよい。一方側脚部32、33のスロット12、13内への挿入開始と、他方側脚部40、41のスロット12、13内への挿入開始とは同時に行なってもよいが、時間的に前後してもよい。
図9、図10では、複数の導体セグメント28,29,30の先端部の位置を分かりやすくするために、図8の中央部のステータコイル20を形成するものと、両側のステータコイル21を形成するものとで分けて示している。挿入ステップ(S12)では、前半環状部22及び後半環状部26において、隣り合うステータコイル20,21のI字形の脚部P1,P2(図4、図6)が同じスロット12(またはスロット13)内で径方向に交互に配置されるように、スロット12、13に一方側脚部32、33及び他方側脚部40、41を挿入する。
次に、S14において、図11に示すように、スロット12、13内で一方側脚部32、33と他方側脚部40、41との先端をさらに近づけ、図5に示すように互いに先端を突き当てた状態で軸方向両側から矢印β、γ方向に加圧し、さらに加熱する。これによって、複数の一方側脚部32、33及び他方側脚部40、41の先端を同時に接合する接合ステップを行う。この加熱によって、結合材48が硬化される。加熱はステータコア14の周囲に配置される図示しないヒータにより行う。加熱の際、導体セグメント28,29,30は図示しない治具により保持する。
図8では、u相の連結ステータコイル16uの前半環状部22を形成する場合を示しているが、これは例示である。S12の挿入ステップにおいて、連結ステータコイル16uの形成時に、前半環状部22及び後半環状部26を形成するすべての一方側導体セグメント28の一方側脚部32、33の先端を複数のスロット12、13に同時に挿入し、前半環状部22及び後半環状部26を形成するすべての他方側導体セグメント29、30の他方側脚部40、41の先端を複数のスロット12、13に同時に挿入してもよい。
また、S12の挿入ステップにおいて、各相の連結ステータコイル16u、16v、16wを形成する一方側導体セグメント28のすべての一方側脚部32、33の先端を複数のスロット12、13に同時に挿入し、各相の連結ステータコイル16u、16v、16wを形成する他方側導体セグメント29、30のすべての他方側脚部40、41の先端を複数のスロット12、13に同時に挿入してもよい。
また、S14の接合ステップにおいて、前半環状部22及び後半環状部26を形成するすべての導体セグメント28,29,30の一方側脚部32、33及び他方側脚部40、41の先端を加圧及び加熱により、同時に接合してもよい。また、各相の連結ステータコイル16u、16v、16wを形成するすべての導体セグメント28,29,30の一方側脚部32、33及び他方側脚部40、41の先端を、同時に接合してもよい。
上記のステータ10及びその製造方法によれば、導体セグメント28,29,30の接合部55がスロット12、13内に設けられるので、接合部がコイルエンドに配置される場合と異なり、製造時に意図せずに周囲の治具または部品が接合部55に衝突することを防止できる。このため、接合部55に外部から力が加わることが生じにくい。また、スロット12、13の内部は、コイルエンド54に比べて使用時に振動、電磁力及び温度変化の影響が及びにくい。したがって、接合部55に発生する応力を小さくできるので、接合部55の強度の信頼性を向上でき、接合部55での損傷を効果的に防止できる。これによって、連結ステータコイル16u、16v、16wの耐久性の向上を図れる。さらに、コイルエンド54に接合部を設ける場合と異なり、導体線の接合強度を高くするために広い接合面積を設ける必要がないので、コイルエンド54の体格を小さくできる。
一方、本発明と異なり、コイルエンドに接合部を設ける場合には、ステータコイルとの干渉を避けて接合作業用の空間を確保するために、コイルエンドで導体線を複雑に曲げ加工した後に、接合部を形成する必要がある。本実施形態ではスロット12、13に導体セグメント28,29,30を挿入後に導体セグメント28,29,30に曲げ加工を行う部位はないか、または少ない。このため、製造工程を簡略化できるので生産性向上及び製造コストの低減を図れ、さらに導体セグメント28,29,30の絶縁被膜36,44の損傷を効果的に防止できる。
また、特許文献1に記載された従来構造では、導体セグメントをステータコアの片側からスロットに挿入した後、ステータコアの反対側から突出させる必要があるので、その後にステータコアの反対側からスロットに別の導体セグメントを挿入する作業の作業性に改善の余地がある。実施形態では、ステータコア14の両側から導体セグメント28,29,30を挿入後に挿入側と反対側から突出させる必要がないので、複数本の導体セグメント28,29,30を複数のスロット12、13に同時に挿入する作業の作業性が向上する。
また、導体セグメント28,29,30の曲げ加工を施した部分に接合部55を形成する必要がないので、導体セグメント28,29,30の接合位置が安定して、位置ずれを接合部55で吸収する必要はないか、またはその必要はほとんどない。このため、連結ステータコイル16u、16v、16wにおいて、接合部55付近の残留応力が小さくなるので、接合強度をより高くできる。
また、スロット12、13内で径方向に隣り合う導体セグメント28,29,30の先端の絶縁被膜36,44から露出される接合部55は、軸方向について異なる位置に設けられるので、スロット12、13内の導体線の接合部を軸方向について同じ位置に設ける場合と異なり、複数の接合部55の間に絶縁紙のような絶縁構造を設ける必要がない。このため、スロット12、13内での導体線の占有率を小さくすることなく、絶縁距離を大きくできるので信頼性向上を図れる。
また、一方側脚部32、33及び他方側脚部40、41の先端を凹凸係合部50により係合した状態で接合しているので、接合前に互いの先端を突き合わせることが容易であり、しかもその後の先端の位置ずれを防止できる。このため、ステータコイルの製造作業性の向上を図れる。
図12は、2つの導体セグメント28,29を接合する方法の別例を示している。図12に示す別例では、(a)に示すように、一方側導体セグメント28の先端の周方向(図12の左右方向)両端部のみに結合材として樹脂製の接着剤56を塗布し、矢印β、γ方向に導体セグメント28,29を加圧する。これによって、(b)に示すように、導体セグメント28,29の外側に接着剤56をはみ出させ、その接着剤56で外側から2つの導体セグメント28,29を接合している。このような別例でも、2つの導体セグメント28,29の間での導電性を良好にした状態で互いに接続できる。2つの導体セグメント28,30の接合の場合も同様である。接着剤56の代わりに結合材としてろう材を用いることもできる。
図13は、複数の導体セグメント28,29,30の接合部55の別例を示している図6に対応する図である。ステータコイルをステータ10の周方向に見た場合に、一方側導体セグメント28の一方側脚部32の先端面にV字形となる凸部60が形成され、他方側導体セグメント29,30の他方側脚部40の先端面にV字形となる凹部62が形成される。この場合、凸部60と凹部62とにより形成される凹凸係合部により、一方側脚部32及び他方側脚部40の先端が互いに係合した状態で接合部55で接合される。
また、図14に示すように、連結ステータコイルのステータコイル58と、ステータコイル58と隣り合う図示しない別のステータコイルとが同じスロット12、13に挿入されない場合に、スロット12、13内で径方向に隣り合う導体セグメント28,29,30の接合部55が軸方向に異なる位置に設けられる構成としてもよい。
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施できるのは勿論である。例えば、同じスロット12,13内で径方向に隣り合う接合部55を軸方向の同じ位置に設けることもできる。また、上記では一方側導体セグメント28及び他方側導体セグメント29、30のI字形の脚部の先端を結合材により接合する場合を説明したが、結合材を用いずに互いに対向する脚部の先端に押し付け合う方向に所定値以上の大きい荷重を付与することにより脚部の先端を溶着で接合してもよい。また、一方側導体セグメント28及び他方側導体セグメント29、30のI字形の脚部の先端を突き合わせてステータコイルを仮組み付けした状態で、所定値以上の大きい電流を流すことで脚部の先端を溶着で接合してもよい。また、導体セグメントを形成する導体線として、平角線に代えて断面が円形または楕円形のものを用いてもよい。