JP6812129B2 - 電気機械用の剛体棒を伴う固定子巻線の2つの隣接する金属要素を溶接するためのレーザー溶接方法 - Google Patents

電気機械用の剛体棒を伴う固定子巻線の2つの隣接する金属要素を溶接するためのレーザー溶接方法 Download PDF

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Description

本発明は、電気機械用の剛体棒を伴う固定子巻線の2つの隣接する金属要素を溶接するためのレーザー溶接方法に関する。
特許文献1は、剛体棒を伴う固定子巻線を有する電気機械について記載している。剛体棒で作られた固定子巻線においては、一連の剛体棒が使用され、これらの剛体棒は最初に「「U字」」へと整形され、次に固定子スロット内に軸方向に挿入され、こうして、「「U字」」形棒の先端が設置される入口側と「「U字」」形棒の脚部(すなわち直線部分)が設置される出口側を画定する。ひとたび棒が固定子スロット内に挿入されたならば、出口側の脚部は曲げられ、次に脚部の自由端部は溶接を用いて互いに連結されて、固定子巻線の電気的経路を形成する。
互いの近傍に配置された2本の脚部の端部を合わせて溶接するために使用可能な溶接技術は、レーザー溶接であり、これによると、レーザービームの照準が2本の脚部の上部表面において合わせられ、前記レーザービームは、脚部を構成する金属を溶融するのに適しており、2つの上部表面間の共通縁部を通って延在する溶接線に沿って供給される。
特許文献2は、電気機械用の剛体棒(図4中に図示)を伴う固定子巻線(図1および3に図示)の2つの隣接する金属要素22および24を溶接するためのレーザー溶接方法について記載している。2つの金属要素22および24は、互いの近傍に設置され、互いに同一平面内にあるように配置され少なくとも1つの共通縁部を有するそれぞれの上部表面を有しており;この方法は、2つの金属要素22および24の上部表面において、金属要素を構成している金属を溶融させるのに適し共通縁部を跨ぐ点(すなわち2つの金属要素22および24の上部表面の境界線上)に集中するレーザービームの照準を合わせるステップを含んでいる。
欧州特許出願公開第2437378A1号 米国特許出願公開第2003159269A1号
本発明の目的は、実施が容易で廉価であると同時に効果的で効率が良く迅速である、電気機械用の剛体棒を伴う固定子巻線の2つの隣接する金属要素を溶接するためのレーザー溶接方法を提供することにある。
本発明によると、添付の特許請求の範囲に係る、電気機械用の剛体棒を伴う固定子巻線の2つの隣接する金属要素を溶接するためにレーザー溶接方法が提供される。
本発明についてここで、本発明の非限定的な実施形態を示す添付図面を参照しながら、説明する。
本発明に係る電気機械の、より一層の明確さを期して一部の部品が除去されている概略的断面図である。 図1の電気機械の固定子の、より一層の明確さを期して一部の部品が除去されている概略的斜視図である。 図2の固定子の固定子巻線の一部である「「U字」」形の剛体棒の概略的斜視図である。 図3の剛体棒の先端の2つの異なる拡大斜視図の1つである。 図3の剛体棒の先端の2つの異なる拡大斜視図の1つである。 図3の剛体棒の先端の湾曲面を強調した斜視図である。 図2の固定子の入口側の斜視図である。 固定子巻線製造中の図2の固定子の斜視図である。 図8のそれぞれの細部の2つの拡大図の1つである。 図8のそれぞれの細部の2つの拡大図の1つである。 固定子巻線の2つの異なる「「U字」」形棒の対応する脚部がいかにして「Z字」形へと折曲げられるかを示す概略図である。 固定子巻線の製造中の図2の固定子の一部のさらなる斜視図である。 固定子巻線の接続ブリッジに結合される支持要素の斜視図である。 図13の支持要素の展開斜視図である。 固定子巻線の製造中の図2の固定子の一部のさらなる斜視図の1つである。 固定子巻線の製造中の図2の固定子の一部のさらなる斜視図の1つである。 固定子巻線の製造中の図2の固定子の一部のさらなる斜視図の1つである。 固定子巻線の製造中の図2の固定子の一部のさらなる斜視図の1つである。 固定子巻線の製造中に使用される溶接ステーションの概略図である。 固定子巻線の2つの隣接する脚部の溶接に含まれるステップを示す6個の概略図の1つである。 固定子巻線の2つの隣接する脚部の溶接に含まれるステップを示す6個の概略図の1つである。 固定子巻線の2つの隣接する脚部の溶接に含まれるステップを示す6個の概略図の1つである。 固定子巻線の2つの隣接する脚部の溶接に含まれるステップを示す6個の概略図の1つである。 固定子巻線の2つの隣接する脚部の溶接に含まれるステップを示す6個の概略図の1つである。 固定子巻線の2つの隣接する脚部の溶接に含まれるステップを示す6個の概略図の1つである。
図1において、番号1は、全体として、可逆的タイプの(すなわち、電気エネルギを吸収し機械的駆動トルクを生成することにより電動モータとしてと同時に、機械的エネルギを吸収し電気エネルギを生成することにより発電機として作用することのできる)自動車業界向けの同期電気機械を示している。電気機械1は、回転中心軸3を中心にして回転するように回転式に組付けられたシャフト2と、シャフト2自体と共に回転するようにシャフト2に対しスプライン結合された永久磁石回転子4と、回転子4自体を取り囲むように回転子4を中心にして配置された円筒形管状固定子5とを含む。
固定子5は、パックの形に結びつけられた一連の積層物で構成されかつ中心孔を伴う管状形状を有する磁気コア6を含み;磁気コア6には、磁気コア6の内部側面に沿って均等に分布し3相固定子巻線8(図2に図示)を収納する36個の固定子スロットが長手方向に横断しており;明らかに、スロット7の数は異なるものであってよい(例えば48または72個の固定子スロット7)。添付図面に示された実施形態においては、3相固定子巻線8は、36個の固定子スロット7内に分布させられており、永久磁石回転子4は、6つの極を含み;その帰結として、同期電気機械1は、各極および各位相について2つのスロットを有する。
図2によると、3相固定子巻線8は、(図3、4および5により詳細に示されている)先端11によって互いに連結されている2本の脚部10を各々含む一連の「「U字」」形剛体棒9を含み;同じ棒の2本の脚部10は、固定子巻線8の2つの対応する導体を構成する。
図6により詳細に示されている通り、各「「U字」」形棒9の先端11は、「3次元」屈曲すなわち互いに直交する2つの面AおよびB上に屈曲を有する。詳細には、各「U字」形棒9の先端11は、「U字」形棒9により画定され存在する面に対し実質的に平行であり「S字」形をした面Aをたどる屈曲を有する;さらに、各「U字」形棒9の先端11は、「U字」形棒9によって画定され存在する面に対して実質的に直交し(すなわちそれは面Aに対して実質的に直交する)「U字」形をした面Bをたどるさらなる屈曲を有する。
図6に明確に示されているように、面Aは横方向に、電気機械1の回転中心軸3を中心とする僅かに異なる半径を有する(これは、「U字」形棒9の脚部10が、より内部の位置にすなわちより小さい半径に対応して設置された固定子スロット7内に挿入され、一方「U字」形棒9のもう一方の脚部10はより外部の位置にすなわちより大きな半径に対応して設置された固定子スロット7内に挿入されるからである)円筒形表面の2つの部分で構成されている;その上、面A内で、両側に配置された円筒形表面の2つの部分は、「S字」形中央部分によって互いに中央で接合されている。図6に明確に示されているように、面Bは、「U字」形を有し、このため、対応する棒9は「U字」形状をとることになる。面Aに沿った「S字」形屈曲は、2本の脚部を異なる位置(より内部の位置およびより外部の位置)で対応する固定子スロット7内に挿入できるようにするためと同時に全ての「U字」形棒9の先端11が(図7に示されているように)互いに全く機械的に干渉することなく互いの近傍に配置できるようにするために必要な形状を対応する棒9に与える。各々の「U字」形棒において、2本の脚部10が互いに対し傾斜していること(すなわち2本の脚部10は互いに鋭角を成していること)そして各脚部10が電気機械1の回転中心軸3に「面する」ように配向されていることを指摘しておかなければならない。
上述の「U字」形棒9の構成によって、棒9を対応する固定子スロット7内に挿入する前に単一の曲げステップにおいて先端11に対応して棒9を曲げることにより固定子巻線8全体を構築することが可能である;換言すると、ひとたび「U字」形棒9が対応する固定子スロット7内に挿入された時点で、先端11がさらに曲げを受けることはない。その上、上述の「U字」形棒9の構成によると、「U字」形棒9自体を僅かに変形させるように棒を強制的に挿入することを必要にさせると考えられる(すなわち棒は力で押圧されなければならないと考えられる)「U字」形棒9間の機械的干渉をこの構成がことごとく防止することから、「U字」形棒9を対応する固定子スロット7内に極めて容易に(すなわち僅かな力で)挿入することが可能である;このようにして、固定子巻線8の製造は迅速で容易であり、とりわけ、「U字」形棒9の外部絶縁に対する損傷の危険性は全く存在しない。
その上、上述の「U字」形棒9の構成によると、先端11の長さ(ひいては総重量)を削減することが可能であり、換言すると、固定子スロット7の外側に見出される銅の数量を削減することが可能である(固定子スロット7の外側に見出される銅は、電流が固定子巻線8内を循環できるようにするために必要とされるが、それは、シャフト2に機械的トルクを送出する目的にとっては全く無用である)。換言すると、上述の「U字」形棒9の構成は、先端11の長さ(ひいては総重量)を最適化する(最小化する)ことを可能にする。
図2によると、「U字」形棒9は、「U字」形棒9の先端11が設置される入口側12および「U字」形棒9の脚部10が設置される出口側13を画定する固定子スロット7を通して挿入される。詳細には、各スロットは、互いに異なるものである4つの対応する「U字」形剛体棒9に属する4本の脚部10(すなわち固定子巻線8の4つの導体)を収容する。「U字」形棒9の脚部10の端部は互いに電気的に接続(溶接)されて、固定子巻線8の電気的経路を形成する。
図2によると、3相固定子巻線8は、3つの電力端子14を含み、これらの端子は固定子巻線8の外側との電気的インターフェースを構成し、同期電気機械1を制御する電力変換器(図示せず)に電気的に接続されている。
図2に示された好ましい(ただし非限定的な)実施形態によると、環状形状を有し電気的絶縁材料(典型的には「Nomex(登録商標)」絶縁紙)で製造された絶縁層Sが、固定子電磁コア6の出口側13から出ている脚部10の2つの外部円と2つの内部円の間に間置される。代替的には、環形状を有し電気的絶縁材料製の3つの絶縁層Sを脚部10の4つの円の間に間置することが可能であり、あるいは、環形状を有し電気的絶縁材料製の絶縁層Sが全く存在しない場合もある。
図8〜18を参照して、以下で固定子巻線8の構築方法を説明する。
最初に(以上で説明した通り)、棒9は中央で180°だけ曲げられて、「U字」形となり、図3〜6に示された形状をとる。この曲げ作業は、好ましくは、各棒9に対し単一の作業でその最終形状を付与する電子的に制御された工作機械を用いて実施される。「U字」形棒9の先端11は、同じ数のスロット(すなわち添付図面中に示された実施形態においては6個の固定子スロット7)により離隔されるような形で構成されている;換言すると、同じ「U字」形棒9の2本の脚部10間では、常に固定子スロット7で6個分がスキップされている。さらに、「U字」形棒9の脚部10は全て、同じ長さを有することができ、あるいは、異なる長さを有することもできる(すなわち、一部の「U字」形棒9の脚部10は、他の「U字」形棒9の脚部10より僅かに長いか短い);「U字」形棒9の脚部10の全てが同じ長さを有するとする解決法には、より高い銅消費が関与するが、取扱いがより簡単であり、したがって通常、生産量がより少ない場合に好まれる。
「U字」形棒9がひとたび準備完了状態となったならば(詳細には、添付図に示されている固定子巻線8内には、72個の「U字」形棒9が存在する)、各々の「U字」形棒9が対応する2つの固定子スロット7内に個別に(すなわち単独で)挿入される(すなわち、「U字」形棒9の2本の脚部10は対応する2つの固定子スロット7内に軸方向に挿入される)。換言すると、一度に1本の「U字」形棒9だけが2つの隣接していない固定子スロット7内に挿入される。好ましくは、「U字」形棒9を固定子スロット7内に挿入する前に、各々の固定子スロット7は電気的絶縁材料(典型的には「Nomex(登録商標)」絶縁紙)製の絶縁層(図示せず)で内部「コーティング」される。
72個の全ての「U字」形棒9がひとたび固定子スロット7内に挿入されたならば、磁気コア6の出口側13から出た対応する脚部10は相対的2重屈曲を介して折曲げられて、図8に示された「Z字」形状をとる。代替的には、まず、「U字」形棒9の一部(通常は半分)だけが挿入され、ひとたび「U字」形棒9のこの最初の部分が挿入された時点で、磁気コア6の出口側13から出ている対応する脚部10は、相対的2重屈曲を介して折曲げられて、「Z字」形状をとる;その後、「U字」形棒9の残りの部分(通常は残り半分)も同様に挿入され、「U字」形棒9の残りの部分がひとたび挿入された時点で、磁気コア6の出口側13から出ている対応する脚部10は、相対的2重屈曲を介して折曲げられて、「Z字」形状をとる。
好ましい実施形態によると、「U字」形棒9の脚部の折曲げ中、脚部10は全て一度に折曲げられず、群の形で折曲げられる;換言すると、「U字」形棒9の脚部10は、少なくとも2つの群に分割され、これらの群は2つの連続する作業で(すなわち同時ではなく)折曲げられる。第1群の脚部10が折曲げられている間、後の時点で折曲げられる予定の第2群の脚部10は、固定子スロット7に沿って一時的に軸方向に移動させられて、(典型的には出口側13で固定子スロット7から出ている脚部10の部分の長さがゼロまたはほぼゼロになるまで)出口側13で固定子スロット7から出ている部分の長さを削減する。このようにして、第2群に属する脚部10は、折曲げを受けている第1群の脚部10にとって障害にはならず、同時に第2群の脚部10は固定子スロット7と係合して、折曲げ中に第1群の脚部10を静止状態に保つのを助ける。第1群の脚部10がひとたび折曲げられた時点で、第2群の脚部10は軸方向で反対方向に移動させられて、その原初の位置に戻り同様に折曲げられることになる。このようにして、第1群の脚部10の折曲げは、第2群の脚部10が障害となることなく行なわれるために、より容易になる。第2群の脚部10の折曲げは、ひとたび第1群の脚部10がすでに折曲げられた時点で行なわれ、遥かに少ない軸方向空間しかとらないことから、いずれにせよより容易なものである。
磁気コアの出口側13から出ている脚部10の折曲げがひとたび完了したならば、必要な場合に限って、一部の脚部10は切断(すなわちトリミング)されて、所望の長さが付与される。
図9および10の拡大図により詳細に示されている通り、脚部10の各々の2重屈曲は、一方の方向に内部屈曲15(すなわち固定子5の磁気コア6により近位のもの)を、そして反対方向に外部屈曲16(すなわち固定子5の磁気コア6からさらに遠位のもの)を含む。一例を挙げると、各々の脚部10について、内部屈曲15は一方の方向に約60°の幅を有し、外部屈曲15は反対方向に約60°の幅を有する。各々の固定子スロット7は、相対的「Z字」形2重屈曲を介して交互に反対の方向に折曲げられた(4つの異なる対応する「U字」形棒に属する)4本の対応する脚部10を収容する。換言すると、脚部10の半分は、所与の角度で時計回り方向に折曲げられ、一方脚部10の残る半分は、同じ角度で反時計回り方向(すなわち反対方向)に折曲げられる。
図11によると、「Z字」形の2重折曲げがひとたび実施された時点で、各々の脚部10は、軸方向に配向されている(すなわち電気機械1の回転中心軸3に平行、ひいては固定子スロット7に対して平行である)初期セグメント10a、傾斜した中間セグメント10bおよび同様に軸方向に配向されている最終セグメントを有する;中間セグメント10bは、互いに平行である初期セグメント10aと最終セグメント10cの間を繋いでいる。各脚部10中、中央セグメント10bは、初期セグメント10aおよび最終セグメント10cの両方に対して同じ角度α(図示した実施形態では60°)だけ傾斜している;換言すると、直線である脚部10から出発して、脚部10は、最初に下部で角度αだけ折曲げられて、内部屈曲15を(初期セグメント10aと中間セグメント10bの間で)形成し、脚部10はその後上部で角度αだけ折曲げられて外部屈曲16を(中間セグメント10bと最終セグメント10cの間で)形成する。
各脚部10内で、「Z字」形の2重屈曲に起因して、初期セグメント10aおよび最終セグメント10cは互いに平行であり(すなわち両方共軸方向に配向している)、より高い値P1またはより低い値P2をとり得るピッチだけ互いに離隔されている(添付図面中に示された実施形態において、ピッチP1は、固定子スロット7で3個分の間在する距離に対応し、一方ピッチP2は固定子スロット7で2.5個分の間在する距離に対応する)。ピッチP1とピッチP2を区別するために、変動させられるのは折曲げ角αではなく(実際全ての脚部10は、2重屈曲を形成するために、常に同じ角度αだけ折曲げられる)、むしろ中間セグメント10bの延長である(したがって、最終セグメント10cも同じく異なる長さを有する;換言すると、より長いピッチP1を得るためには、より長い中間セグメント10bが用いられ、一方より短いピッチP2を得るためには、より短い中間セグメント10bが用いられ、その間、2重屈曲を形成するのに使用される折曲げ角αは常に不変のままに保たれている。
すでに以上で言及した通り、全ての「U字」形棒9は同数のスロットにより離隔されている、すなわち、全ての「U字」形棒9の2つの脚部10の間には、固定子スロット7で6個分のスキップが存在する;その結果として、固定子巻線8の電気的経路を形成するためには、「U字」形棒9の脚部10がその「Z字」形2重屈曲内で区別されることが必要である;図11を参照して上述した通り、「U字」形棒9の脚部10の大部分は、(固定子スロット7で3個分の間在する距離に対応する)ピッチP1を伴う標準的な「Z字」形2重屈曲を有し、一方、「U字」形棒9の脚部10の小さい部分は、(固定子スロット7で2.5個分の間在する距離に対応する)ピッチP2を伴う短縮された「Z字」形2重屈曲を有する。(固定子スロット7で2.5個分の間在する距離に対応する)ピッチP2を伴う短縮された「Z字」形2重屈曲に対する一変形形態として、(固定子スロット7で3個分の間在する距離に対応する)ピッチP1を伴う「Z字」形2重屈曲の延長バージョンを使用することが可能であるかもしれない。
図8に示した通り、短縮された「Z字」形2重屈曲を有する「U字」形棒9の脚部10は、固定子巻線8全体の約4分の1の延長を有し同様に電力端子14を収容する固定子巻線8の相互接続部域17内に集中している。
「U字」形棒9の脚部10がひとたび折曲げられると、「U字」形棒9の脚部10の上端部は(以下でより詳細に説明するレーザー溶接を用いて)互いに電気的に接続されて、固定子巻線8の電気的経路を形成する。
固定子巻線8の相互接続部域17に対して、一部の脚部10は、より長い(より延長された)端子端部10cを有して、以下で説明する通り固定子巻線8の電気的接続の一部を形成する。
図12に示されている通り、各位相に対応する固定子巻線8の部分の中に固定子巻線8の電気的経路を形成できるようにするために、隣接しない脚部10(したがって互いに直接溶接され得ない脚部)の少なくとも1つの対の端部は、接続ブリッジ18を用いて互いに電気的に接続されている。図12に示されている通り、添付図面に描かれた固定子巻線8内で、各位相は2つの対応する接続ブリッジ18を含み、したがって、固定子巻線全体では合計6個の接続ブリッジ18を有する。好ましい実施形態によると、各接続ブリッジ18は、電気機械1の回転中心軸3に直交して配置される平担なプレートで構成され、それぞれの脚部10の端部を係合する2つの相対する座部19を有している。ひとたび脚部10の端部が対応する接続ブリッジ18に結合された時点で、各脚部10の端部は、(以下でさらに詳述される)レーザー技術を用いて、対応する接続ブリッジ18に溶接される。
図12、13および14に示された好ましい実施形態によると、各々の接続ブリッジ18は、座部19を含み、この座部の各々は「U字」形で、対応する脚部10の端部を受取り収容するのに適している。各座部19は、当初、対応する脚部10の断面よりも大きい断面を有し、こうして、脚部10自体は、一定のクリアランスを伴って座部19内に挿入され得る;換言すると、各座部19は、一定のクリアランスを伴って脚部10を収容し、したがって脚部10の端部を容易に挿入できるようにするため、当初は対応する脚部10よりも大きい。ひとたび、脚部10の端部が接続ブリッジ18の対応する座部19内に挿入された時点で、座部19は、可塑変形によって収縮させられて、脚部10の周りで緊密になる(すなわち脚部10にしっかりと接着する);詳細には、座部19は、好適なグリッパを用いて脚部10に向かって変形されて、脚部10自体と密に接触した状態となる(同様に一定の圧力を脚部10自体に加える)。
このようにして一方では、脚部10の端部を対応する座部19に容易に挿入することが可能となり、他方では、脚部10の端部と対応する座部19の間にいかなる間隙も無くしっかりした機械的結合を確保して、後に脚部10の端部と対応する座部19とが互いに適切に溶接されることを保証することができる。換言すると、各々の接続ブリッジ18の座部19が当初対応する脚部10よりも大きいという事実によって、固定子巻線8に対する接続ブリッジ18の結合は単純かつ急速であることが分かる(したがってそれを容易に自動化することができる);その上、各接続ブリッジ18の座部19が可塑的に変形されて対応する脚部10の周りで緊密になるという事実によって、接続ブリッジ18と対応する脚部10の間に最適な(機械的、ひいては電気的)接触を得ることが可能である。
座部19を対応する脚部10の端部の周りで容易に変形させることができるように、接続ブリッジ18は、実質的に恒常な断面を有する中央本体と、中央本体から突出し中央本体自体に直交する一連の付属物で構成されている;各座部19は、後方側面が中央本体により画定され、互いに向き合って配置された1対の付属物により側方が画定されている。好ましくは、各座部19内で、一方の付属物は直線であり(すなわちその平面図内で直線の形状を有する)、他方の付属物は「L字」形である(すなわち、その平面図で「L字」形である);このようにして、「L字」形付属物は、2つの側面で、対応する脚部10の端部を取り巻くことができる。最初に(すなわち、対応する脚部10の端部が挿入される前に)、一方の付属物(添付図面に示された実施形態では、直線付属物)が、中央本体と直角(すなわち90°の角度)を成し、他方の付属物(添付図面に示された実施形態では、「L字」形付属物)は、当初、中央本体と鈍角(すなわち90°よりも大きい角度)を成す;各座部19の変形には、本質的に(ただし排他的にではなく)、中央本体と当初は鈍角を成す付属物が関与する。換言すると、中央本体と当初は鈍角を成す付属物は、変形が発生する前にそれが、中央本体と当初は直角を成すもう1つの付属物に比べて対応する脚部10の端部から僅かに遠くに離れていることを理由として、より広い変形余裕を有する。
2つの脚部10の2つの隣接する端部間の電気的接続は、通常、6個の固定子スロット7で互いから離隔されている2つの脚部10間で(すなわち、スロット3個分に等しいピッチP1を有する標準的な「Z字」形2重屈曲を用いて得られる固定子スロット7で6個分のスキップを伴って)確立される;さらに、固定子の磁気コア6がフル回転する毎に、固定子巻線8の電気的経路をたどるように、(スロットで2.5個分に等しいピッチP2を有する短縮された「Z字」形2重屈曲を用いて得られる)固定子スロット7で5個分のスキップ、あるいは(接続ブリッジ18を用いて得られる)固定子スロット7で7個分のスキップが存在して、固定子巻線8の電気的経路をたどらなければならない。
図12〜15に示された好ましい実施形態によると、接続ブリッジ18を収納し接続ブリッジ18の下に配置された絶縁支持体20が提供されている。好ましい実施形態によると、絶縁支持体20は電気的絶縁性のプラスチック材料で作られている。絶縁支持体20は、円弧として整形されたベース21を含み、このベースは、その下に配置された脚部10の端部に接して存在する下部表面と、上に接続ブリッジ18が載置されている上部表面とを有する。絶縁支持体20のベース21は、複数の貫通孔22を有し、絶縁支持体20内を通過して接続ブリッジ18に連結されるかまたは接続ブリッジ18の上に配置されるさらなる要素(以下で説明)に連結されなければならない一部の脚部10が、この貫通孔内に挿入される。
絶縁支持体20は、複数の位置づけ要素23を含み、これらの要素は、ベース21の下部表面から下向きに突出し(図12に示されている通り)下に配置された脚部10の端部の間で利用可能な間隙内にインターロックされて、絶縁支持体20の正しい位置づけを保証すると同時に絶縁支持体20を下側にある固定子巻線8の部分に対し機械的に束縛する。添付図面に示された好ましい実施形態においては、位置づけ要素23は、ベース21に直交して配置されている。絶縁支持体20は、複数の支柱24を含み、これらの支柱は、ベース21の上部表面から上向きに(すなわち位置づけ要素23との関係において反対側から反対方向に)突出し、絶縁支持体20の上方に配置された(以下で説明する)さらなる要素のための機械的支持を提供している。添付図面に示されている好ましい実施形態では、支柱24は、絶縁支持体20の内縁部上および外縁部上の両方で円周方向に配置されている。
絶縁支持体20の内側には、座部25(図14に図示)が存在し、この座部は各々、いかなる実質的なクリアランスも無く正しい位置に対応する接続ブリッジ18を収容し機械的に係止するのに適している。各座部25は、ベース21の上部表面から上向きに突出し対応する接続ブリッジ18の縁部に対応して配置される拘束要素26で構成されている;拘束要素26の少なくとも一部分は、拘束要素26自体の弾性変形の後対応する接続ブリッジ18の上部表面上に載置される1つの歯27を有する。換言すると、各接続ブリッジ18は、拘束要素26の少なくとも一部の弾性変形を決定するように、対応する座部25内に強制的に挿入される;したがって、対応する座部25から接続ブリッジ18を引き抜くためには、拘束要素26の少なくとも一部を弾性的に変形させることが必要である。
絶縁支持体20を使用することによって、固定子巻線8に対する接続ブリッジ18の結合は著しく容易になる;詳細には、固定子巻線8から遠隔して絶縁支持体20の対応する座面25内に接続ブリッジ18を予備組立てし(かつインターロック式に係止し)、ひいては単一の作業で絶縁支持体20を全ての接続ブリッジ18と共に固定子巻線8に結合することが可能である。さらに、絶縁支持体20は、固定子巻線8の製造中に(すなわち、接続ブリッジ18の座部19が対応する脚部10の端部の周りに締付けられる前そして接続ブリッジ18が対応する脚部10の端部に溶接される前に)接続ブリッジ18を所望の位置にしっかりと保つことができるようにする。
図15によると、固定子巻線8の星形中心(star centre)を形成するそれぞれの脚部10の3つの端部は、接続ブリッジ28を用いて互いに電気的に接続されており、この接続ブリッジは電気機械1の中心回転軸3に直交して配置された平担なプレートで作られ、それぞれの脚部10の端部と係合する3つの座部を有している。接続ブリッジ28は、上述の接続ブリッジ20と類似しており、したがって、対応する脚部10の端部がひとたび内部に挿入された時点で可塑変形させられるそれぞれの座部を含む。図15に示されている通り、添付図面に示された固定子巻線8は、(以下でさらに詳述するように)それ自体互いに並列に接続されている2つの星形結線を含む。2つの接続ブリッジ28は、6つの接続ブリッジ18の上方に配置されている。添付図面に示された好ましい実施形態によると、接続ブリッジ28を収納し、接続ブリッジ28の下に配置されかつ絶縁支持体20に類似している絶縁支持体29が具備されている。
詳細には、絶縁支持体29は、下部側で絶縁支持体20の支柱24の上部に載置されている。絶縁支持体29と絶縁支持体20の間の唯一の実質的差異は(座部25の形状および配置は明らかに別として)、絶縁支持体29が、下にある絶縁支持体20の支柱24上に載置されているため位置づけ要素23を有していないという点にある。それ以外では、絶縁支持体29は、絶縁支持体20のように貫通孔が貫通しているベースを含み、絶縁支持体20のように支柱を含み、拘束要素の具備された座部を有し、これらの座部は念のため絶縁支持体20のように歯を有していてよい。
図16によると、電力端子14を有し接続ブリッジ28の上方に配置されかつ電気機械1の中心回転軸3に直交して配置された平担なプレートで作られた接続ブリッジ30が具備されており、この接続ブリッジは、それぞれの脚部10の端部と係合する2つの座部を有している。接続ブリッジ30は、上述の接続ブリッジ20に類似しており、したがって、対応する脚部10の端部がひとたび内部に挿入された時点で可塑変形させられるそれぞれの座部を含む。添付図面に示された好ましい実施形態によると、接続ブリッジ30を収納し、接続ブリッジ30の下に配置され、絶縁支持体20および29と類似している絶縁支持体31が具備されている。詳細には、絶縁支持体31は、下部側で絶縁支持体29の支柱の上部に載置されている。絶縁支持体31と絶縁支持体20の間の唯一の実質的差異は(座部25の形状および配置は明らかに別として)、絶縁支持体31が、下にある絶縁支持体29の支柱上に載置されているため位置づけ要素23を有していないという点にある。それ以外に、絶縁支持体31は、絶縁支持体20のように貫通孔が貫通しているベースを含み、絶縁支持体20のように支柱を含み、拘束要素の具備された座部を有し、これらの座部は念のため絶縁支持体20のように歯を有していてよい。
図17によると、電力端子14を有し接続ブリッジ30の上方に配置されかつ電気機械1の中心回転軸3に直交して配置された平担なプレートで作られた接続ブリッジ32が具備されており、この接続ブリッジは、それぞれの脚部10の端部と係合する2つの座部を有している。接続ブリッジ32は、上述の接続ブリッジ20に類似しており、したがって、対応する脚部10の端部がひとたび内部に挿入された時点で可塑変形させられるそれぞれの座部を含む。添付図面に示された好ましい実施形態によると、接続ブリッジ32を収納し、接続ブリッジ32の下に配置され、絶縁支持体29および31と類似している絶縁支持体33が具備されている。詳細には、絶縁支持体33は、下部側で絶縁支持体31の支柱の上部に載置されている。絶縁支持体33と絶縁支持体20の間の唯一の実質的差異は(座部25の形状および配置は明らかに別として)、絶縁支持体33が、下にある絶縁支持体31の支柱上に載置されているため位置づけ要素23を有していないという点にある。それ以外では、絶縁支持体33は、絶縁支持体20のように貫通孔が貫通しているベースを含み、絶縁支持体20のように支柱を含み、拘束要素の具備された座部を有し、これらの座部は念のため絶縁支持体20のように歯を有していてよい。
図18によると、電力端子14を有し接続ブリッジ32の上方に配置されかつ電気機械1の中心回転軸3に直交して配置された平担なプレートで作られた接続ブリッジ34が具備されており、この接続ブリッジは、それぞれの脚部10の端部と係合する2つの座部を有している。接続ブリッジ34は、上述の接続ブリッジ20に類似しており、したがって、対応する脚部10の端部がひとたび内部に挿入された時点で可塑変形させられるそれぞれの座部を含む。添付図面に示された好ましい実施形態によると、接続ブリッジ34を収納し、接続ブリッジ34の下に配置され、絶縁支持体20、29、31および33と類似している絶縁支持体35が具備されている。詳細には、絶縁支持体35は、下部側で絶縁支持体33の支柱の上部に載置されている。絶縁支持体35と絶縁支持体20の間の唯一の実質的差異は(座部25の形状および配置は明らかに別として)、絶縁支持体35が、下にある絶縁支持体33の支柱上に載置されているため位置づけ要素23を有していないという点にある。それ以外に、絶縁支持体35は、絶縁支持体20のように貫通孔が貫通しているベースを含み、絶縁支持体20のように支柱を含み、拘束要素の具備された座部を有し、これらの座部は念のため絶縁支持体20のように歯を有していてよい。
接続ブリッジ30、32および34のため、各々の電力端子14は、固定子巻線8の星形結線のそれぞれの端子を構成し対応する支持要素31、33および35を超えて突出する2本の脚部10の端部に電気的に接続されている。このようにして、接続ブリッジ30、32および34は、固定子巻線8の2つの星形結線間で並列の接続を確立する。
添付図面に示された実施形態においては、5つの接続ブリッジ18、28、30、32および34が使用され、これらの接続ブリッジは互いの上に配置されている(すなわち互いの上に重層されている);他の完全に等価の実施形態によると、異なる数の(例えば4つまたは6つ)の接続ブリッジを使用することが可能である。
図19〜25を参照すると、以下では、固定子巻線8内部の溶接の方法、すなわち、「U字」形棒9の脚部10が互いにまたは接続ブリッジ18、28、30、32および34に連結される方法について説明する。図19〜25は、2本の隣接する脚部10の端部間の溶接作業を示しているが、脚部10と対応する接続ブリッジ18、28、30、32または34との間の溶接作業も類似の要領で実施される。
図19を参照すると、溶接作業は、銅すなわち固定子巻線8を構成する金属を溶融するのに適したレーザービーム38を生成し発出するように設計された発光装置37を含む溶接ステーション36内で実施される。溶接ステーション36は同様に、合わせて溶接すべき要素(図19に示された実施形態中の「U字」形棒9の脚部10)のデジタル画像を捕捉するように設計されているビデオカメラ39も含んでいる。好ましい実施形態によると、溶接ステーション36は、合わせて溶接すべき要素(図19に示された実施形態中の「U字」形棒9の脚部10)を照明するのに適した照明装置40を含む;好ましくは、照明装置40は、環状形状を有し、ビデオカメラ39のレンズの周りに配置され、LEDマトリクスを用いて(溶接作業中、溶接すべき要素の映像の最適化を可能にする)赤色光を発出するのに適している。
図19に示されている好ましい実施形態によると、互いに溶接すべき脚部10に対し機械的に結合されて脚部10を互いに押圧しひいては脚部10自体を互いに密に接触した状態に配置して最適な電気的接続を確立する一助となるようにする圧縮装置41が具備されている。圧縮装置41は、脚部10群の相対する側に配置され互いに機械的に連結されて間に脚部10を締付ける2つのジョー42を含んでいる。
図20〜25は、2つの隣接する脚部10の端部が溶接ステーション36内でいかに溶接されるかを示している;互いに溶接されるべき2つの金属要素、すなわち2本の脚部10は、互いの近傍に配置され、互いに同一平面上に配置され少なくとも1つの共通の縁部44を有するそれぞれの上部表面43を有する。
最初に、図20によると、互いに溶接されるべき2つの隣接する脚部10は、圧縮装置41のジョー42によって互いに向かって押圧される。図20は、互いに溶接すべき2本の脚部10のみを示し、ジョー42は、両方の脚部10に対して直接押圧されているが、通常、ジョー42は、図19に示されている通り、4本の脚部10の一群を圧縮する。図21に示されている通り、圧縮装置41のジョー42の作用を通して、2本の脚部10は密に接触し、こうして、共通の縁部44に対応して2本の脚部10間に望ましくない間隙が存在する場合、それを除去する。
その後、図22に示されている通り、ビデオカメラ39は、両方の脚部10の2つの上部表面43のデジタル画像を捕捉する。次に、制御ユニットがデジタル画像を解析して、2つの上部表面43の外縁部の位置(図22中点線で強調されている)を決定すると共に、2つの上部表面43の外縁部のコーナーの位置を決定する。2つの上部表面43の外縁部のコーナーの位置を使用することによって、制御ユニットは、(図22中に点線十字形で表示されている)2つの上部表面43の中心(すなわち共通重心)の位置を決定する。上部表面43の外縁部および2つの上部表面43の中心は、制御ユニットがレーザービーム38の位置を制御するため(すなわちレーザービーム38が上部表面43を打撃する場所を制御するため)に使用する幾何学的基準を構成している。
両方の脚部10の2つの上部表面43のデジタル画像の解析から得た幾何学的基準を使用することにより、そして図23に示されている通り、制御ユニットは、発光装置37を制御して、2つの脚部10の上部表面43において、銅(すなわち脚部10を構成する金属)を溶融するのに適し、溶接線45に沿って供給されるレーザービーム38の照準を合わせるが、ここでこの溶接線は、共通縁部44に直交しかつ共通縁部44自体を通って延在する。好ましい実施形態によると、溶接線45の位置は、2つの上部表面43の中心の位置に基づいて決定され、一方、溶接線45の配向は、2つの上部表面43の外縁部に基づいて決定される(詳細には、レーザービーム38の生成は、レーザービーム38が共通縁部44に直交する2つの上部表面43の外縁部に対して平行となるような形で制御される)。2つの脚部10の上部表面43上に溶接線45を描くレーザービーム38は、脚部10を構成する金属の一部を溶融させ、こうして、溶接線45の両側に置かれる溶融金属浴46の形成を決定する。
両方の脚部10の2つの上部表面43のデジタル画像の解析から得た幾何学的基準を使用することにより、そして図24に示されている通り、制御ユニットは、発光装置37を制御して、2つの脚部10の上部表面43において、銅(すなわち脚部10を構成する金属)を溶融するのに適し、溶接線47に沿って供給されるレーザービーム38の照準を合わせるが、ここでこの溶接線は、共通縁部44に直交しかつ共通縁部44を通って延在し、線45に平行でかつこの線45から離隔され、線45の長さよりも短い長さを有する。好ましい実施形態によると、溶接線47の位置は、2つの上部表面43の中心の位置に基づいて決定され、一方、溶接線47の配向は、2つの上部表面43の外縁部に基づいて決定される(詳細には、レーザービーム38の生成は、レーザービーム38が共通縁部44に直交する2つの上部表面43の外縁部に対して平行となるような形で制御される)。2つの脚部10の上部表面43上に溶接線47を描くレーザービーム38は、脚部10を構成する金属の一部を溶融させ、こうして、溶接線47の両側に置かれ、先に生成された溶融金属浴46と融合する(こうして単一の溶融金属浴を形成する)溶融金属浴48の形成を決定する。
たとえより短い溶接線47が存在しても、溶融金属浴48は溶融金属浴46と実質的に同じ体積を有することから、溶接線47が溶接線45よりも短いという事実により溶接の平衡をうまく保つことが可能となる;事実、溶接線47は、2つの脚部10の上部表面43が先の溶接線45によりすでに加熱された時点で実施され、したがって、たとえより小さい全体的熱量しか送出しないにせよ、実質的に等しい量の金属を溶融させる。(2本の溶接線45および47の長さに違いを付けることで得られる)2つの溶融金属浴46および48間の正しい平衡化のおかげで、2つの脚部10の上部表面43の外側に溶融金属のばりが形成される危険性無く大きい溶接(したがって機械的に頑強で電気的抵抗の低い溶接)を実施することが可能である;前記溶融金属ばりは、固定子巻線8の内部に望ましくない潜在的に破壊性の短絡をひき起こし得ることから、非常に危険である。
図示していない本発明のさらなる実施形態によると、一部の場合において、共通縁部44に直交し、共通縁部44自体を通って延在し、溶接線47に対し平行でかつこの溶接線47から離隔され、かつ溶接線47の長さよりも短い長さを有するさらなる(第3の)溶接線を使用することも可能である。
好ましい実施形態によると、溶接線45および47は、相互にセンタリングされていない。詳細には、溶接線45は共通縁部44により対称的に分割されており、一方溶接線47は共通縁部44により非対称的に分割されている;このようにして、2つの脚部10の上部表面43の外側に溶融金属ばりが形成される危険性をさらに低減することができる。添付図面に示された実施形態において、各溶接線45および47は、脚部10上に配置された出発点から他の脚部10上に配置された到着点まで延在し、2本の溶接線45および47の出発点は、共通縁部44から同じ距離のところに配置されており、2本の溶接線45および47の到着点は、共通縁部44から異なる距離のところに配置されている。
上述のことから、2本の溶接線45および47を生成するレーザービーム38が、単一の発光装置37により(急速に)連続して生成されることは明白である。
図25に示されている通り、溶融金属浴46および48がひとたび充分に冷却された時点で、圧縮装置41のジョー42は脚部10から結合解除され、こうして溶接作業を終了させる。溶接が実施されている間、圧縮装置41のジョー42は、2本の脚部10を、共通縁部44に直交する押圧方向に沿って互いに向かって押圧する(かつこれらを押圧状態に保つ)。前記押圧は、レーザービーム38の発光開始前に生成され、通常、溶融金属浴46および48が少なくとも部分的に冷却されるまで保たれる。
好ましい実施形態によると、圧縮装置41の2つのジョー42は、環状の形状を有し、溶接の開始前に固定子巻線8上に組付けられ、溶接プロセスの終了時点で固定子巻線8から取外される。内部ジョー42が、固定子巻線8の内側で、最も内部の脚部10と直接接触した状態で配置され、外部ジョー42が、固定子巻線8の外側で最も外部の脚部10と直接接触した状態で配置されて、最も外部の脚部10を最も内部の脚部10に向かっておよびその逆に押圧する。
2つの隣接する脚部10の端部を溶接するためのレーザー溶接の実施方法について、図19〜25を参照しながら説明してきたが、1本の脚部10を対応する接続ブリッジ18、28、30、32または34に溶接するためにも、類似の方法が使用される;上述のレーザー溶接実施方法を参照すると、圧縮装置の使用は提供されていないが、これは、接続ブリッジ18、28、30、32または34の座部19が予め可塑変形されて、それらが対応する脚部10の端部の周りで緊密に置かれるようになっているからである。
上述のレーザー溶接実施方法は、溶接プロセスを効果的にする(すなわち、機械的に頑強で電気的抵抗の低い、長持ちする溶接を結果としてもたらすプロセス)、効率良くする(すなわち加工時間が非常に短い)、そして単純にする(すなわち、特別な措置を全く採用せずに容易に自動化でき精確に実施できる)ことを可能にすることから、数多くの利点を有する。上述のレーザー溶接実施方法は、上部表面43に対応する脚部10の最終端部の予備剥離(すなわち外部絶縁層の除去)を必要としない;換言すると、上述の通りにレーザー溶接を実施するために、上部表面43に対応する脚部10の最終端部を剥離させる(すなわちその外部絶縁層を除去する)必要がない。
添付図面に示されている電気機械1は、永久磁石回転子を伴う同期電気機械であるが、明らかに、電気機械は任意の他のタイプ(例えば非同期、したがって回転子内に永久磁石の無いタイプ)のものであってよい。

Claims (12)

  1. 電気機械(1)用の剛体棒(9)を伴う固定子巻線(8)の隣接する2つの金属要素(10;18;28;30;32;34)を溶接するためのレーザー溶接方法であって、
    2つの金属要素(10;18;28;30;32;34)が互いの近傍に配置され、かつ互いに同一平面上にあるように配置され少なくとも1つの共通の縁部(44)を有するそれぞれの上部表面(43)を有しており;
    前記溶接方法が、
    2つの金属要素(10;18;28;30;32;34)の上部表面(43)において、金属要素(10;18;28;30;32;34)を構成している金属を溶融させるのに適しかつ、共通縁部(44)に対し直交し共通縁部(44)を通って延在する直線状の第1の溶接線(45)に沿って供給される第1のレーザービーム(38)の照準を合わせるステップと、
    つの金属要素(10;18;28;30;32;34)の上部表面(43)において、金属要素(10;18;28;30;32;34))を構成している金属を溶融させるのに適しかつ、共通縁部(44)に対し直交し、共通縁部(44)を通って延在し、第1の溶接線(45)に対し平行でそれから離隔され、第1の溶接線(45)の長さよりも小さい長さを有する直線状の第2の溶接線(47)に沿って供給される第2のレーザービーム(38)の照準を合わせるステップと、
    を含み、
    第1の溶接線(45)が共通縁部(44)によって対称的に分割されており;
    第2の溶接線(47)が共通縁部(44)によって非対称的に分割されている、
    溶接方法。
  2. さらに、
    2つの金属要素(10;18;28;30;32;34)の上部表面(43)において、金属要素(10;18;28;30;32;34)を構成している金属を溶融させるのに適しかつ、共通縁部(44)に対し直交し、共通縁部(44)を通って延在し、第2の溶接線(47)に対し平行でそれから離隔され、第2の溶接線(47)の長さよりも小さい長さを有する第3の溶接線に沿って供給される第3のレーザービーム(38)の照準を合わせるステップを含む、
    ことを特徴とする請求項1に記載の溶接方法。
  3. 第1の溶接線(45)、および第2の溶接線(47)が相互にセンタリングされていない、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の溶接方法。
  4. 各溶接線(45、47)が、一方の金属要素(10;18;28;30;32;34)上に配置された出発点から他方の金属要素(10;18;28;30;32;34)上に配置された到着点まで延在し;
    2本の溶接線(45、47)の出発点が、共通縁部(44)から同じ距離のところに配置されており;
    2本の溶接線(45、47)の到着点が、共通縁部(44)から異なる距離のところに配置されている、
    ことを特徴とする請求項1、2、または3に記載の溶接方法。
  5. レーザービーム(38)が単一の発光装置(37)により連続して生成される、
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の溶接方法。
  6. さらに、第1のレーザービーム(38)を生成する前に、共通縁部(44)に直交する押圧方向に沿って2つの金属要素(10;18;28;30;32;34)を互いに向かって押圧し、かつこれらを押圧状態に保つ、ステップを含む、
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の溶接方法。
  7. さらに、
    溶融金属の少なくとも部分的な冷却がレーザービーム(38)の作用後に達成されるまで、2つの金属要素(10;18;28;30;32;34)を互いに向かって押圧された状態に保つステップを含む、
    ことを特徴とする請求項6に記載の溶接方法。
  8. 互いに機械的に連結され、溶接開始前に固定子巻線(8)上に組付けられかつ溶接プロセスの終了後に固定子巻線(8)から除去される2つのジョー(42)を用いて、2つの金属要素(10;18;28;30;32;34)が互いに向かって押圧される、
    ことを特徴とする請求項6または7に記載の溶接方法。
  9. 各ジョー(42)が環状形状を有する、ことを特徴とする請求項8に記載の溶接方法。
  10. 固定子巻線(8)が複数の位相を有し、「U字」形棒(9)の先端(11)が設置される入口側(12)と「U字」形棒(9)の脚部(10)が設置される出口側(13)とを画定する固定子スロット(7)を通して挿入される「U字」形の一連の剛体棒(9)を含んでおり;
    磁気コア(6)の出口側から出てくる「U字」形棒(9)の脚部(10)が、各々一方の方向の内部屈曲(15)および反対方向の外部屈曲(16)を含む、相対的2重屈曲を介して折曲げられ;
    「U字」形棒(9)の脚部(10)の端部が、レーザー溶接を用いて互いに対し電気的に接続されて、固定子巻線(8)の電気的経路を形成しており;
    固定子巻線(8)の内側には、最も内部の脚部(10)と直接接触した状態で内部ジョー(42)が配置され;
    最も外部の脚部(10)を最も内部の脚部(10)に向かって押圧するためまたはその逆のために、最も外部の脚部(10)と直接接触した状態で、固定子巻線(8)の外側に外部ジョー(42)が配置されている、
    ことを特徴とする請求項8または9に記載の溶接方法。
  11. さらに、
    両方の金属要素(10;18;28;30;32;34)の2つの上部表面(43)のデジタル画像を捕捉するステップと;
    デジタル画像を解析して、2つの上部表面(43)の外縁部の位置を決定するステップと;
    レーザービーム(38)が共通縁部(44)に直交する2つの上部表面(43)の外縁部に対し平行となるようにレーザービーム(38)の生成を制御するステップと;
    を含む、ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の溶接方法。
  12. さらに、
    デジタル画像を解析して、2つの上部表面(43)の外縁部のコーナーの位置を決定するステップと;
    コーナーの位置を用いて、2つの上部表面(43)の中心の位置を決定するステップと;
    2つの上部表面(43)の中心の位置を用いてレーザービーム(38)の位置を確立するステップと;
    を含む、ことを特徴とする請求項11に記載の溶接方法。
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