JP6890622B2 - 接合装置及び接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、コイル部材を接合する接合装置及び接合方法に関する。
電動機や発電機等の回転電機装置は、円筒状に形成されたステータと、ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備えている。
例えば、特許文献1のコイル溶接装置では、ステータのステータコアに設けられたスロットに、U字状のコイルセグメント(コイル部材)の脚部を挿通した後、突出した突出部分を周方向に曲げて、隣り合う突出部分の先端部同士を溶接することにより、コイルを構成している。
曲げられたコイル部材の脚部は、ステータコアの径方向内側に膨らみやすく、内側に膨らんでしまうとロータと干渉してしまう。このため、このコイル溶接装置は、径方向の最内周及び最外周のコイル部材の脚部の径方向位置を規制する回転ローラを設けている。
特開2018−82543号公報
しかしながら、特許文献1のコイル溶接装置では、回転ローラが、ステータコアの軸線方向に平行な軸線を回転中心として回転可能に取り付けられているため、コイル部材の脚部の軸方向の一部分しか位置を規制せず、位置決め精度が悪いという問題があった。また、回転ローラがステータコアの軸線方向に移動する際に、脚部の側面を摺動するように動くので、脚部に大きな負荷がかかるという課題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接合精度を確保し、コイル部材の脚部の径方向位置を規制する際の負荷を軽減することができる接合装置及び接合方法を提供することを目的とする。
本発明の接合装置は、円環状のステータコアの円周上に複数設けられたスロットに、前記ステータコアの径方向に並ぶ一対のコイル部材のそれぞれの脚部が挿入されて、前記スロットから突出した一対の前記脚部の突出部分同士を接合する接合装置であって、前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動可能に設けられ、前記一対の前記脚部の突出部分を、前記ステータコアの周方向において位置決めする位置決め部と、前記ステータコアの同心円に接する接線を回転中心として、前記位置決め部に回転可能に取り付けられ、前記ステータコアの径方向の最も内側もしくは外側に位置する前記脚部の突出部分を、前記ステータコアの径方向において規制する規制ローラと、 前記位置決め部により位置決めされ、且つ、前記規制ローラにより規制された前記一対の前記脚部の突出部分同士を接合する接合部と、を備え、前記位置決め部が前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動された場合に、前記規制ローラは、前記ステータコアの径方向の最も内側に位置する前記脚部の突出部分の該径方向の内側面又は前記ステータコアの径方向の最も外側に位置する前記脚部の突出部分の該径方向の外側面に当接して回転することを特徴とする。
本発明によれば、位置決め部がステータコアと相対的に移動した場合に、規制ローラは、最も内側もしくは外側に位置する脚部の突出部分の内側面もしくは外側面に当接して、ステータコアの同心円に接する接線を回転中心として回転することで、脚部の突出部分をステータコアの径方向において規制する。これにより、規制部材が、脚部の突出部分を摺動しながら規制する装置と比べて、脚部の突出部分にかかる負荷を軽減することができる。
また、前記位置決め部は、前記一対の前記脚部の突出部分を前記ステータコアの周方向に挟んで一対に設けられ、前記ステータコアの周方向に移動可能な一対のクランパを備え、前記一対のクランパを互いに離間させた状態で、前記位置決め部を前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動させて、前記規制ローラにより、前記ステータコアの径方向の最も内側もしくは外側に位置する前記脚部の突出部分を規制した後に、前記一対のクランパを互いに近づけて、前記一対のクランパにより前記一対の前記脚部の突出部分をクランプすることが好ましい。
この構成によれば、規制ローラにより、最も内側もしくは外側に位置する脚部の突出部分を規制した状態で、一対のクランパにより一対の脚部の突出部分をクランプすることができる。これにより、脚部の突出部分を規制していない状態で、一対のクランパにより一対の脚部の突出部分をクランプする装置と比べて、脚部の突出部分の径方向位置が大きくずれることがなく、一対の脚部の突出部分が一対のクランパ内におさまりやすいため、確実にクランプすることができる。
さらに、前記規制ローラは、前記位置決め部より軸方向下側に設けられていることが好ましい。
この構成によれば、位置決め部で一対の脚部の突出部分を位置決めする前に、規制ローラにより、最も内側もしくは外側に位置する脚部の突出部分を規制することができるため、一対の脚部の突出部分が一対のクランパ内におさまりやすく、確実にクランプすることができる。
本発明の接合方法は、円環状のステータコアの円周上に複数設けられたスロットに、前記ステータコアの径方向に並ぶ一対のコイル部材のそれぞれの脚部が挿入されて、前記スロットから突出した一対の前記脚部の突出部分同士を接合する接合方法であって、位置決め部を、前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動させて、前記一対の前記脚部の突出部分を、前記ステータコアの周方向において位置決めする第1工程と、前記位置決め部が前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動された場合に、規制ローラを、前記ステータコアの径方向の最も内側に位置する前記脚部の突出部分の該径方向の内側面又は前記ステータコアの径方向の最も外側に位置する前記脚部の突出部分の該径方向の外側面に当接して回転させることで、前記ステータコアの径方向の最も内側もしくは外側に位置する前記脚部の突出部分を、前記ステータコアの径方向において規制する第2工程と、前記第1工程で位置決めされ、且つ、前記第2工程で規制された前記一対の前記脚部の突出部分同士を接合する第3工程と、を備えることを特徴とする。
また、前記位置決め部は、前記一対の前記脚部の突出部分を前記ステータコアの周方向に挟んで一対に設けられ、前記ステータコアの周方向に移動可能な一対のクランパを備え、前記一対のクランパを互いに離間させた状態で、前記位置決め部を前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動させて、前記規制ローラにより、前記ステータコアの径方向の最も内側もしくは外側に位置する前記脚部の突出部分を規制した後に、前記一対のクランパを互いに近づけて、前記一対のクランパにより前記一対の前記脚部の突出部分をクランプすることが好ましい。
本発明の接合装置で製作された回転電機装置のステータを示す斜視図。 ステータコアとコイルセグメントとを分解して示した斜視図。 コイルセグメントの一部分の斜視図。 コイルセグメントの突出部分を示す斜視図。 コイルセグメントの突出部分(1相のコイル)を示す斜視図。 曲げ装置の保持部により第2層のコイルセグメントの突出部分を保持した状態の側面図。 曲げ装置により第2層のコイルセグメントの突出部分を曲げた状態の側面図。 曲げ装置の保持部により第1層のコイルセグメントの突出部分を保持した状態の側面図。 曲げ装置により第1層のコイルセグメントの突出部分を曲げた状態の側面図。 曲げ装置の内部構成を示すブロック図。 屈曲状態の第1層〜第8層のコイルセグメントの脚部を示す斜視図。 クランプユニットと第1層〜第8層のコイルセグメントの脚部の突出部分とを示す側面図。 クランプユニットの規制ローラで第1層のコイルセグメントの脚部の突出部分を規制した状態を示す側面図。 クランプユニットで第1層〜第8層のコイルセグメントの脚部の突出部分をクランプした状態を示す側面図。
以下では、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、回転電機装置の構造の一例について説明する。
図1に示すように、電動機や発電機等の回転電機装置は、円筒状に形成されたステータ1と、ステータ1の内側に回転自在に配置されたロータ(図示せず)とで構成される。また、ステータ1は、ステータコア2とコイル3とで構成される。
図2は、ステータコア2と、コイルセグメント4とを分解して示した図である。ステータコア2は円筒形状であり、回転軸方向に貫通する複数のスロット2aが周方向に所定の間隔を空け、複数設けられている。各スロット2aは、ステータコア2の径方向の断面形状がステータコア2の中心側から径方向に向かって放射状に延びるように形成されており、ステータコア2に形成されたスリット2bを介してステータコア2の内周面に連通している。
図3は、コイルセグメント4の一部分の斜視図である。コイル3は、コイルセグメント4をスロット2aに一方から挿入し、スロット2aの他方(反対側)から突出した脚部4aの突出部(後述する突出部分4d)を周方向に屈曲させ、突出部の先端部を溶接することにより構成される。
コイルセグメント4は、複数本(本実施形態では4本)の断面長方形状の導体(平角線の導線)を幅の広い方の面が対向するように1列に整列させて1つの束にして略U字状に形成したものであり、一対の脚部4a,4aと、脚部4a,4aの一方端(図では上端)を連結する頭部4bとからなる。
なお、コイルセグメント4は、複数の平角線を幅方向に整列させた束であればよく、例えば、複数の平角線を幅の狭い方の面が対向するように1列に整列させたものであってもよい。
頭部4bの中央には、平角線の整列方向にS字状に湾曲するS字状部4cが形成されている。また、頭部4bは、その中央(S字状部4cの中央)から脚部4a,4aに向かって下方に傾斜している。
また、図4Aに示すように、スロット2aの他方から突出した脚部4aの突出部分4dは、後述する曲げ装置10によりステータコア2の周方向である反時計方向D1及び時計方向D2に屈曲させ、対応する突出部分4dの先端部同士を溶接する。このようにして、径方向に8層(8本)のコイルセグメント4が積層配置されたステータ1が完成する。なお、ここでは、径方向の内側から外側に向かって、第1層、第2層、・・・、第8層と呼ぶ。
本実施形態では、第1層〜第8層のコイルセグメント4は、第1層と第2層とが一対となり、第3層と第4層とが一対となり、第5層と第6層とが一対となり、第7層と第8層とが一対となる。そして、第1層〜第8層のコイルセグメント4のそれぞれの脚部4aは、ステータコア2のスロット2aに挿入される。なお、少なくとも一対のコイルセグメント4を有するものであればよい。
本実施形態のコイル3は、U相、V相、W相からなる3相コイルであり、各スロット2aに挿入されるコイルセグメント4の脚部4aは、周方向にU相、U相、V相、V相、W相、W相の順に並ぶ。
また、図4Bでは、3つの相のうちの1相のコイル(例えば、U相コイル)のみを示している。突出部分4dの溶接は接合装置20を用いて行うが、接合装置20の詳細は後述する。
次に、図5A〜図6Bを参照して、曲げ装置10を用いて、脚部4aのスロット2aから突出した部分(突出部分4dを含む)をステータコア2の周方向である反時計方向D1及び時計方向D2に屈曲させる手順について説明する。
曲げ装置10は、突出部分4dを保持する保持部11と、モータやギヤ等を備え、ステータコア2を反時計方向D1及び時計方向D2、及び軸方向に移動させるステータコア移動機構12(図7参照)を備える。なお、ステータコア移動機構12は、曲げ装置10を含む接合装置20を統括的に制御する制御装置15(図7参照)により駆動が制御される。
図5A及び図5Bに示すように、保持部11は外側方向及び内側方向に開口しており、突出部分4dの先端部を保持する。そして、保持部11により偶数層(第2層、第4層、第6層、第8層)の突出部分4dを保持した状態で、ステータコア移動機構12によりステータコア2を反時計方向D1に移動させる。これにより、保持した突出部分4d(先端部)を上方に平行な状態に維持しながら、突出部分4dを反時計方向D1に屈曲させる。
また、図6A及び図6Bに示すように、保持部11により奇数層(第1層、第3層、第5層、第7層)のコイルセグメント4の突出部分4dを保持した状態で、ステータコア移動機構12によりステータコア2を時計方向D2に移動させる。これにより、保持した突出部分4d(先端部)を上方に平行な状態に維持しながら、突出部分4dを時計方向D2に屈曲させる。なお、一対のコイルセグメント4がそれぞれ逆方向に曲げられる構成であればよく、本実施形態に限定されるものではない。
次に、屈曲させた奇数層のコイルセグメント4の突出部分4dと、屈曲させた偶数層のコイルセグメント4の突出部分4dとを位置決めして接合する接合装置20について説明する。
図4Bの接合装置20は、屈曲させた奇数層のコイルセグメント4の突出部分4dと、屈曲させた偶数層のコイルセグメント4の突出部分4dとをクランプするクランプユニット21と、クランプユニット21の下方に設けられ、第1層のコイルセグメント4の突出部分4dの径方向(内側面)の位置を規制する規制ローラ22とを備えている。なお、クランプユニット21及び規制ローラ22を複数設けるようにしてもよい。
また、接合装置20はモータやギヤ等を備えており、クランプユニット21及び規制ローラ22をステータコア2の軸線方向及び周方向に移動させるクランプユニット移動機構23と、溶接装置24とを備えている(図7参照)。クランプユニット移動機構23及び溶接装置24は、制御装置15により駆動が制御される。
クランプユニット21は、ベースシャフト25と、ベースシャフト25に取り付けられ、ステータコア2の周方向(反時計方向D1及び時計方向D2)に移動可能な第1クランパ21a及び第2クランパ21bとを備えている。また、クランプユニット21は、第1クランパ21a及び第2クランパ21bをステータコア2の周方向に移動させるクランパ移動機構26を備え、クランパ移動機構26は、制御装置15により駆動が制御される(図7参照)。
本実施形態では、第1クランパ21a及び第2クランパ21bは、第1層〜第8層のコイルセグメント4の突出部分4dの先端部を挟んで、互いに離間した離間位置(図4B参照)と、互いに近づいて突出部分4dの先端部をクランプするクランプ位置との間で移動する。
規制ローラ22は、ステータコア2の外周面に接する接線に平行な軸線L1を回転中心として、ベースシャフト25に回転可能に取り付けられている。これにより、クランプユニット移動機構23により規制ローラ22を周方向に移動させた場合に、いずれの第1層のコイルセグメント4の突出部分4dも同じように接触する。
溶接装置24は、第1層〜第8層のコイルセグメント4のうちの一対のコイルセグメント4(第1層と第2層、第3層と第4層、第5層と第6層、第7層と第8層)の突出部分4dを溶接して接合するものである。溶接装置24は周知の装置であり、その詳細は説明を省略するが、溶接トーチとガス供給機とを備え、溶接トーチは、例えば、多軸多関節型の溶接ロボットにより移動される。
電圧が印加された溶接トーチのトーチ電極が、一対のコイルセグメント4の突出部分4dに当接すると、ガス供給機を駆動して溶接トーチに不活性ガスを供給する。この状態で、トーチ電極を上昇させると、一対のコイルセグメント4の突出部分4dとトーチ電極との隙間にアークが発生し、このアークにより一対のコイルセグメント4の突出部分4dが溶融される。
さらに、トーチ電極を上昇させた後、トーチ電極への電圧印加を停止すると、アークが消滅し、一対のコイルセグメント4の突出部分4dの溶融された部分が固まり、溶接ビードが形成される。なお、一対のコイルセグメント4の突出部分4dを接合する方法は、適宜変更可能である。
次に、図8〜図9Cを参照して、接合装置20を用いて第1層〜第8層のコイルセグメント4の突出部分4dを接合する各工程について説明する。
まず、制御装置15は、ステータコア移動機構12を駆動してステータコア2を移動させ、第1層のコイルセグメント4の突出部分4dを保持部11により保持させる(図6A参照)。その後、制御装置15は、ステータコア移動機構12を駆動して、ステータコア2を図6Bに示す位置まで移動させ、保持部11により保持された第1層のコイルセグメント4の突出部分4dを時計方向D2に屈曲させる。
次に、制御装置15は、ステータコア移動機構12を駆動してステータコア2を移動させ、第2層のコイルセグメント4の突出部分4dを保持部11により保持させる(図5A参照)。その後、制御装置15は、ステータコア移動機構12を駆動して、ステータコア2を図5Bに示す位置まで移動させ、保持部11により保持された第2層のコイルセグメント4の突出部分4dを反時計方向D1に屈曲させる。これにより、図8に示すように、第2層のコイルセグメント4の突出部分4dの先端部と、第1層のコイルセグメント4の突出部分4dの先端部とが対向する。
第3層、第5層、第7層のコイルセグメント4の突出部分4dは、第1層のコイルセグメント4の突出部分4dと同様に屈曲させる。また、第4層、第6層、第8層のコイルセグメント4の突出部分は、第2層のコイルセグメント4の突出部分4dと同様に屈曲させる。これにより、図8に示すように、第1層〜第8層のコイルセグメント4の突出部分4dの先端部同士が対向する。
次に、制御装置15は、クランプユニット移動機構23を駆動して、図9Aに示すように、クランプユニット21を、屈曲させた第1層〜第8層のコイルセグメント4の突出部分4dの先端部の上に移動させる。このとき、制御装置15は、第1クランパ21a及び第2クランパ21bを離間位置とする。
その後、制御装置15は、クランプユニット移動機構23を駆動して、クランプユニット21を図9Bに示す位置まで下方に移動させる。この移動時、規制ローラ22は、第1層のコイルセグメント4の突出部分4dの径方向(内側面)に当接して回転しながら移動する(第2工程)。これにより、第1層のコイルセグメント4の突出部分4dの径方向の位置が規制される。
本実施形態の規制ローラ22は、第1層のコイルセグメント4の突出部分4dの径方向(内側面)に当接して回転することで、突出部分4dの径方向の位置を規制するので、コイルセグメント4の突出部分4dの径方向位置を規制する際の負荷を軽減することができる。
その後、制御装置15は、クランパ移動機構26を駆動して、図9Cに示すように、第1クランパ21a及び第2クランパ21bをクランプ位置まで移動させる。これにより、第1層〜第8層のコイルセグメント4の突出部分4dの先端部が、第1クランパ21a及び第2クランパ21bによりクランプされ、周方向の位置が位置決めされる(第1工程)。このとき、規制ローラ22により、第1層のコイルセグメント4の突出部分4dの径方向の位置が規制されているので、確実に、第1層〜第8層のコイルセグメント4の突出部分4dの先端部を、第1クランパ21a及び第2クランパ21bによりクランプすることができる。
次に、制御装置15は、溶接装置24を駆動して、第1層〜第8層のコイルセグメント4のうちの一対のコイルセグメント4(第1層と第2層、第3層と第4層、第5層と第6層、第7層と第8層)の突出部分4dの先端部同士を溶接して接合する(第3工程)。これにより、第1層〜第8層のコイルセグメント4が製作することができる。
突出部分4dの先端部同士を接合した後、制御装置15は、第1クランパ21a及び第2クランパ21bを離間位置(図9B参照)まで移動させ、さらに、クランプユニット21を図9Aに示す位置まで上方に移動させる。以上の工程は、他の第1層〜第8層のコイルセグメント4の突出部分に対しても行われる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、クランプユニット21は、ステータコア2の周方向に移動可能な第1クランパ21a及び第2クランパ21bを備えているが、第1クランパ21a及び第2クランパ21bがクランプ位置(図9C参照)に位置する状態で一体化されたものでもよい。
また、上記実施形態では、規制ローラ22をクランプユニット21の下方に設けているが、規制ローラ22をクランプユニット21の上方に設けるようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、クランプユニット21をステータコア2の軸線方向に移動させているが、クランプユニット21とステータコア2との少なくとも一方を、ステータコア2の軸線方向に移動させればよい。
また、上記実施形態では、ステータコア2の周方向に屈曲させたコイルセグメント4の突出部分4dを位置決め及び規制しているが、本発明は、屈曲させていないコイル部材の突出部分を位置決め及び規制するものにも実施可能である。
さらに、上記実施形態では、規制ローラ22は、ステータコア2の径方向の最も内側に位置する第1層のコイルセグメント4の突出部分4dの径方向(内側面)に当接して回転することで、突出部分4dの径方向の位置を規制しているが、規制ローラ22は、ステータコア2の径方向の最も外側に位置する第8層のコイルセグメント4の突出部分4dの径方向(外側面)に当接して回転することで、突出部分4dの径方向の位置を規制するようにしてもよい。この場合にも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
1…ステータ、2…ステータコア、2a…スロット、2b…スリット、3…コイル、4…コイルセグメント(コイル部材)、4a…脚部、4b…頭部、4d…突出部分、10…曲げ装置、11…保持部、12…ステータコア移動機構、15…制御装置、20…接合装置、21…クランプユニット(位置決め部)、21a…第1クランパ、21b…第2クランパ、22…規制ローラ、23…クランプユニット移動機構、24…溶接装置(接合部)、25…ベースシャフト、26…クランパ移動機構

Claims (5)

  1. 円環状のステータコアの円周上に複数設けられたスロットに、前記ステータコアの径方向に並ぶ一対のコイル部材のそれぞれの脚部が挿入されて、前記スロットから突出した一対の前記脚部の突出部分同士を接合する接合装置であって、
    前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動可能に設けられ、前記一対の前記脚部の突出部分を、前記ステータコアの周方向において位置決めする位置決め部と、
    前記ステータコアの同心円に接する接線を回転中心として、前記位置決め部に回転可能に取り付けられ、前記ステータコアの径方向の最も内側もしくは外側に位置する前記脚部の突出部分を、前記ステータコアの径方向において規制する規制ローラと、
    前記位置決め部により位置決めされ、且つ、前記規制ローラにより規制された前記一対の前記脚部の突出部分同士を接合する接合部と、
    を備え、
    前記位置決め部が前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動された場合に、前記規制ローラは、前記ステータコアの径方向の最も内側に位置する前記脚部の突出部分の該径方向の内側面又は前記ステータコアの径方向の最も外側に位置する前記脚部の突出部分の該径方向の外側面に当接して回転することを特徴とする接合装置。
  2. 請求項1に記載の接合装置において、
    前記位置決め部は、前記一対の前記脚部の突出部分を前記ステータコアの周方向に挟んで一対に設けられ、前記ステータコアの周方向に移動可能な一対のクランパを備え、
    前記一対のクランパを互いに離間させた状態で、前記位置決め部を前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動させて、前記規制ローラにより、前記ステータコアの径方向の最も内側もしくは外側に位置する前記脚部の突出部分を規制した後に、前記一対のクランパを互いに近づけて、前記一対のクランパにより前記一対の前記脚部の突出部分をクランプすることを特徴とする接合装置。
  3. 請求項1又は2に記載の接合装置において、
    前記規制ローラは、前記位置決め部より軸方向下側に設けられていることを特徴とする接合装置。
  4. 円環状のステータコアの円周上に複数設けられたスロットに、前記ステータコアの径方向に並ぶ一対のコイル部材のそれぞれの脚部が挿入されて、前記スロットから突出した一対の前記脚部の突出部分同士を接合する接合方法であって、
    位置決め部を、前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動させて、前記一対の前記脚部の突出部分を、前記ステータコアの周方向において位置決めする第1工程と、
    前記位置決め部が前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動された場合に、規制ローラを、前記ステータコアの径方向の最も内側に位置する前記脚部の突出部分の該径方向の内側面又は前記ステータコアの径方向の最も外側に位置する前記脚部の突出部分の該径方向の外側面に当接して回転させることで、前記ステータコアの径方向の最も内側もしくは外側に位置する前記脚部の突出部分を、前記ステータコアの径方向において規制する第2工程と、
    前記第1工程で位置決めされ、且つ、前記第2工程で規制された前記一対の前記脚部の突出部分同士を接合する第3工程と、
    を備えることを特徴とする接合方法。
  5. 請求項4に記載の接合方法において、
    前記位置決め部は、前記一対の前記脚部の突出部分を前記ステータコアの周方向に挟んで一対に設けられ、前記ステータコアの周方向に移動可能な一対のクランパを備え、
    前記一対のクランパを互いに離間させた状態で、前記位置決め部を前記ステータコアの軸線方向に前記ステータコアと相対的に移動させて、前記規制ローラにより、前記ステータコアの径方向の最も内側もしくは外側に位置する前記脚部の突出部分を規制した後に、前記一対のクランパを互いに近づけて、前記一対のクランパにより前記一対の前記脚部の突出部分をクランプすることを特徴とする接合方法。
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