JP7020121B2

JP7020121B2 - 回転電機のステータコイルの形成方法

Info

Publication number: JP7020121B2
Application number: JP2018001881A
Authority: JP
Inventors: 昌洋西村; 雅志松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2038-01-10
Also published as: JP2019122187A

Description

本発明は、回転電機のステータコイル、特にステータコイルを構成する複数の導体セグメントの接合構造に関する。

従来、ハイブリッド自動車や電気自動車などの電動車両に搭載され、電動機や発電機として機能する回転電機が知られている。回転電機は、ステータとロータとを備える。ステータは、環状のヨーク、ヨークの内周面から径方向内方に突出した複数のティース、及び各ティースの間に形成されたスロットとを有するステータコアと、ステータコアのスロットに挿通されてステータコアのティースに巻回されたステータコイルとを備える。

ステータコイルには、導体に絶縁層が被膜された導体セグメントを複数、ステータコアのスロットに挿通し、ステータコアの端面から突出した導体セグメントのリード部の端部同士を接合することで形成されたものがある。このステータコイルは、ステータのコイルエンドに導体セグメントの接合部（コイル接合部）を複数有する。導体セグメントのリード部の端部の絶縁層は剥離されて、溶接等により電気的に接合されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５－２０１９６６号公報

コイル接合部の絶縁層の剥離面積を小さくすることにより、コイル接合部間や、コイル接合部とステータコアとの間の絶縁を確保しつつ、それらを近接して配置することが可能となるため、ステータの体格を低減することが可能となる。

一方、コイル接合部の絶縁層の剥離面積を小さくした場合には、内部導体が外気と接する面積が小さくなるため放熱性が悪化し、ステータコイルへの通電時にコイル接合部が温度上昇して高温になる。それにより、コイル接合部の絶縁層の剥離部分に絶縁樹脂（コイル接合部間の短絡防止等のための絶縁樹脂）が塗布されている場合には、その絶縁樹脂が高温になって劣化してしまう虞がある。また、コイル接合部が高温になることでコイル接合部の強度が低下し、コイル接合部が破断して通電不良に至る虞がある。

本発明の目的は、コイル接合部の絶縁層の剥離面積が小さい場合であっても、通電時にコイル接合部の温度上昇を抑制することができるステータコイルを提供することにある。

本発明の回転電機のステータコイルの形成方法は、環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向内方に突出した複数のティースと、前記各ティースの間に形成されたスロットとを有するステータコアに巻回されるステータコイルであり、導体に絶縁層が被膜された導体セグメントを複数、前記スロットに挿通し、前記ステータコアの端面から突出した前記導体セグメントのリード部の端部同士をレーザ溶接により接合することで形成される回転電機のステータコイルの形成方法であって、前記レーザ溶接される前記リード部の端部の前記絶縁層は剥離されて、前記レーザ溶接により形成される溶融池の跡に、残留ボイドが内蔵されて盛り上がり部が形成されるように、前記リード部の端部に対してレーザ光を走査して前記レーザ溶接を行う、ことを特徴とする。

本発明によれば、導体セグメントのリード部の端部同士の接合部分（コイル接合部）において、レーザ溶接により形成された溶融池の跡に残留ボイドが内蔵されて、溶融池の跡に盛り上がりを形成することができる。これにより、コイル接合部において導体セグメントの内部導体が外気と接する表面積が増加するため、ステータコイルへの通電時にコイル接合部の放熱性が向上し温度上昇を抑制することができる。

ステータコイルを形成する工程の手順を示すフローチャートである。導体セグメントをステータコアのスロットへ挿通する様子を示す図である。ステータコアの断面図である。倒し込み工程後のステータコアの側面図である。倒し込み工程後のリード側コイルエンドの斜視図である。コイル接合部の絶縁層の剥離部分を示す斜視図である。コイル接合部の溶接部を示す斜視図である。レーザ溶接の走査軌跡を示す図である。コイル接合部の断面図の一例である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

回転電機は、ステータコイルが巻装されたステータコアを有するステータと、ステータの内周側に設けられたロータとを備える。回転電機は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などの電動車両に搭載されて電動機および発電機として使われる。

本実施形態に係る回転電機のステータコイルは、多数のＵ字状の導体セグメントをステータコアのスロットに挿通し、それらのリード部の端部を順次接合することで形成される。導体セグメントは、平角導線であり、導電率の高い銅等の金属（導体）の周囲に絶縁層が被膜されて構成されている。絶縁層は、絶縁性の高いエナメル等の樹脂が用いられている。

ここで、本実施形態に係る回転電機のステータコイルの形成方法について説明する。図１は、ステータコイルを形成する工程の流れを示すフローチャートである。

図１に示すように、まず、Ｓ１００で、多数の導体セグメントをステータコアのスロットに挿通する（挿通工程）。図２は、Ｕ字状の導体セグメント１０をステータコア２８のスロットへ挿通する様子を示す図である。図３は、ステータコア２８の断面図である。図３に示すように、ステータコア２８は、環状のヨーク３４と、ヨーク３４の内周面から径方向内方に突出し周方向に間隔において配置された複数のティース３６と、各ティース３６の間に形成されたスロット３８とを有する。ステータコア２８は電磁鋼板を積層することで形成されている。ステータコア２８の予め定められた２つのスロット３８に、導体セグメント１０の２つの脚１２ａ，１２ｂ（図２参照）を、図２のようにステータコア２８の軸方向下側から挿通する。これを多数の導体セグメント１０について行う。

次に、図１のＳ１０２で、導体セグメント１０をスロットに挿通することで、ステータコア２８の端面から突出した部分であるリード部を、ステータコア２８の周方向に倒し込む（倒し込み工程）。図４は、倒し込み工程後のステータコア２８の側面図であり、リード部１４が周方向に倒し込まれた状態が示されている。ステータコア２８の上側端面から突出した導体セグメントの脚の部分（リード部１４）がリード側コイルエンドを構成する。図５は、倒し込み工程後のリード側コイルエンドの斜視図である。図５に示すように、倒し込み工程では、最外周にある導体セグメントのリード部１４を周方向かつ反時計方向に倒し込み、それらの径方向内方に隣接する導体セグメントのリード部１４を周方向かつ時計方向に倒し込み、さらにそれらの径方向内方に隣接する導体セグメントのリード部１４を周方向かつ反時計方向に倒し込むといったように、交互に方向を変えながら倒し込む。これにより、図５に示すように、接合される２つの導体セグメントのリード部１４の端部同士が径方向で接して並び、以降説明するように、それらを接合することでステータコイル２０が形成される。

図１に戻り、Ｓ１０４で、ステータコア２８の径方向に接して並ぶ対応する導体セグメントのリード部１４の端部同士をレーザ溶接により接合する（接合工程）。これは、導体セグメントのリード部１４の端部と、他の導体セグメントのリード部１４の端部とを接合するものである。図６は、接合される２つの導体セグメントのリード部の端部１６ａ，１６ｂを示す斜視図であり、絶縁層５４が剥離されている部分（導体５２が露出している部分）が斜線で示されている。図６に示するように、リード部の端部１６ａ，１６ｂの絶縁層５４が剥離されて導体５２が露出している。すなわち、リード部の端部１６ａ，１６ｂの上面、下面、端面及び２つの側面の絶縁層５４が剥離されて導体５２が露出している。

図７には、レーザ溶接装置４０によりレーザ光４２が照射される溶接部４３が示されている。図７に示すように、溶接部４３の位置は、導体５２が露出した２つのリード部の端部１６ａ，１６ｂの上面であり、それらが接する部分とその近傍である。レーザ光４２を溶接部４３に照射して溶接することで、導体セグメントのリード部の端部１６ａ，１６ｂ同士が接合される。以下、リード部の端部１６ａ，１６ｂ同士の接合部分を、コイル接合部１８と言う。

本実施形態では、レーザ溶接により、リード部の端部１６ａ，１６ｂ同士が接合されると共に、溶接部４３に盛り上がりを形成する。これは、レーザ溶接中に発生する金属蒸気によりボイドを溶接部４３内に生成する（残留させる）ことで盛り上がりを形成する。換言すれば、溶融池の跡（溶接ビード）に残留ボイドが内蔵されるようにレーザ溶接を行うことで、溶融池の跡に盛り上がりを形成する。発明者の検討によると、レーザ出力を２．０ｋＷ以上、レーザスポット径を７５μｍ、レーザ走査速度（照射速度）を１．０ｍ／ｓ以下（好ましくは０．５ｍ／ｓ程度）にし、図８に示す走査軌跡４４のように螺旋状にレーザ光４２を走査してレーザ溶接を行うことにより、溶融池に比較的大きなキーホールが形成され、溶融池が凝固した際には、溶融池の跡に残留ボイドが内蔵されて盛り上がることがわかっている。

図９は、レーザ溶接による接合工程後のコイル接合部１８の断面図の一例であり、残留ボイド４８が誇張して大きめに描かれている。図９に示すように、レーザ溶接により形成された溶融池の跡４６に残留ボイド４８が内蔵されることで、盛り上がり（盛り上がり部５０）が形成される。

図１に戻り、Ｓ１０４の後はＳ１０６で、コイル接合部１８に絶縁樹脂を塗布する（塗布工程）。これは、コイル接合部１８間、或いは、コイル接合部１８とステータコア２８やケースとの間が、誤って短絡してしまうことを防止するために、コイル接合部１８に絶縁樹脂を塗布するものである。

以上説明した図１のフローによって、ステータコイルが形成されることになる。次に、本実施形態のステータコイルの作用効果について説明する。

以上説明した本実施形態のステータコイルは、導体セグメントのリード部の端部１６ａ，１６ｂ同士の接合部分（コイル接合部１８）において、レーザ溶接により形成された溶融池の跡４６に残留ボイド４８が内蔵されて、盛り上がり（盛り上がり部５０）が形成されている。これにより、導体セグメントのリード部の端部１６ａ，１６ｂの絶縁層５４の剥離面積、すなわち、コイル接合部１８の絶縁層５４の剥離面積が小さい場合であっても、導体セグメントの内部導体（導体５２）の外気と接する表面積（絶縁層５４で覆われていない表面積）を増やすことができるため、ステータコイルへの通電時にコイル接合部１８の放熱性が向上し温度上昇を抑制することができる。よって、コイル接合部１８の周囲に塗布された絶縁樹脂が高温になり劣化してしまうことを抑制することができる。また、コイル接合部１８が高温になることで強度が低下し、コイル接合部１８が破断してしまうことを抑制することができる。

１０導体セグメント、１２ａ，１２ｂ脚、１４，１４ａ，１４ｂリード部、１６ａ，１６ｂリード部の端部、１８コイル接合部、２０ステータコイル、２８ステータコア、３４ヨーク、３６ティース、３８スロット、４０レーザ溶接装置、４２レーザ光、４３溶接部、４４走査軌跡、４６溶融池の跡、４８ボイド（残留ボイド）、５０盛り上がり部、５２導体、５４絶縁層。

Claims

環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向内方に突出した複数のティースと、前記各ティースの間に形成されたスロットとを有するステータコアに巻回されるステータコイルであり、
導体に絶縁層が被膜された導体セグメントを複数、前記スロットに挿通し、前記ステータコアの端面から突出した前記導体セグメントのリード部の端部同士をレーザ溶接により接合することで形成される回転電機のステータコイルの形成方法であって、
前記レーザ溶接される前記リード部の端部の前記絶縁層は剥離されて、
前記レーザ溶接により形成される溶融池の跡に、残留ボイドが内蔵されて盛り上がり部が形成されるように、前記リード部の端部に対してレーザ光を走査して前記レーザ溶接を行う、
回転電機のステータコイルの形成方法。