JP7231533B2 - ステータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステータの製造方法に関する。

ステータコアに複数のセグメントコイルを挿入し、当該複数のセグメントコイルの端部同士を接合することによってコイルを形成するステータの製造方法が知られている。
例えば特許文献１には、複数のセグメント導体のうち接合する２つの端部にそれぞれレーザ光を照射し、当該２つの端部同士を溶接する技術が開示されている。

特開２０１９－１１８１５９号公報

発明者らは、ステータの製造方法に関し、以下の課題を見出した。
溶接の良否判断のために、溶接されたセグメントコイル間に電流を印加して電位差を測定することがある。セグメントコイル間の溶接部分は、溶接されていない部分に比較して、電荷が流れやすい。そのため、セグメントコイル間の接合面積が十分に広い、すなわち溶接が良好である場合、接合面積が狭い、すなわち溶接が不良である場合に比較して、セグメントコイル間に所定の電流を印加した際における電位差が小さい。このように、溶接されたセグメントコイル間に電流を印加して電位差を測定することによって、溶接の良否を判断することができる。

しかしながら、セグメントコイル間の溶接されていない部分であっても、セグメントコイル同士が接触している部分では、電流が印加された際に電荷が流れることがある。したがって、セグメントコイル同士が接触している部分の面積が大きい場合、セグメントコイル間に電流を印加して測定された電位差が、溶接が不良であっても小さいため、電位差測定による溶接良否判断を精度良く行うことができない虞がある。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、より精度良くセグメントコイル間の電位差を測定可能なステータの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一態様は、
複数のセグメントコイルを接合したコイルを有するステータの製造方法であって、
前記複数のセグメントコイルそれぞれの端部に酸化膜を形成する工程と、
前記複数のセグメントコイルのうち、異なる２つのセグメントコイルの端部同士をレーザ溶接する工程と、
レーザ溶接された前記異なる２つのセグメントコイル間に電流を印加して電位差を測定する工程と、を備える。

本発明に係るステータの製造方法は、複数のセグメントコイルそれぞれの端部に酸化膜を形成する工程と、レーザ溶接された異なる２つのセグメントコイル間に電流を印加して電位差を測定する工程と、を備える。酸化膜が形成されているため、セグメントコイル間の溶接されていない部分には、電荷が流れにくい。そのため、セグメントコイル間の溶接が不良である場合、溶接良好の場合に比較して、電位差が大きくなる。したがって、電位差測定による溶接良否判断をより精度良く行うことができる。

本発明によれば、電位差測定による溶接良否判断をより精度良く行うことができるステータの製造方法を提供することができる。

本実施形態に係るステータの一部模式斜視図である。 図１の一点鎖線に沿う断面図である。 本実施形態に係るステータの製造方法を示すフローチャートである。 参考例１～４における接合面積と電位差との関係を示すグラフである。 実施例１及び比較例１における接合面積と電位差との関係を示すグラフである。 実施例１における接合面積と電位差との関係を示すグラフである。 比較例１における接合面積と電位差との関係を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係るステータの製造方法によって製造されるステータ（本実施形態に係るステータ）の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るステータの一部模式斜視図である。図２は、図１の一点鎖線に沿う断面図である。図１に示すように、ステータ１０は、コイル２０を備える。コイル２０は、セグメントコイル２１、２２を備える。なお、図１には、ステータ１０に加えて、プローブ１１、１２、直流電圧計１３、及び直流電源１４を図示している。

ステータ１０は、図示しないステータコアと、ステータコアに巻き付けられたコイル２０と、を備える。ステータ１０は、ロータ等と組み合わせられて、車載用モータとして好適に使用される。コイル２０は、複数のセグメントコイルの端部同士が接合されることによって形成されたコイルである。図１では、複数のセグメントコイルのうち、２つのセグメントコイル２１、２２のみを図示している。しかしながら、コイル２０は、通常３以上のセグメントコイルから形成される。以下、セグメントコイル２１、２２についてのみ説明を行うが、図１に図示されていないセグメントコイルもまた、セグメントコイル２１、２２と同様の構成であるものとする。

セグメントコイル２１、２２は、図示しないステータコアの所定位置に挿入されることによって配置されている。セグメントコイル２１、２２は、図１に示すように、隣接して配置されている。コイル２０は、セグメントコイル２１のセグメントコイル２２に近い側の端部と、セグメントコイル２２のセグメントコイル２１に近い側の端部と、を、溶接用レーザを用いて溶接することによって形成されている。セグメントコイル２１、２２は、銅製又は銅合金製である。

図２に示すように、セグメントコイル２１の端部には、少なくともセグメントコイル２２と接触する部分に、酸化膜２１ａが形成されている。セグメントコイル２２の端部には、少なくともセグメントコイル２１と接触する部分に、酸化膜２２ａが形成されている。酸化膜２１ａ、２２ａは、酸化銅を含む。セグメントコイル２１、２２の間には、接合部２３が形成されている。接合部２３は、溶接用レーザを照射した際に溶融したセグメントコイル２１、２２の母材が固化した部分である。

図３は、本実施形態に係るステータの製造方法を示すフローチャートである。図３に示すように、本実施形態に係るステータの製造方法は、少なくとも、酸化膜を形成する工程（ステップＳ１）、レーザ溶接する工程（ステップＳ３）、及び電位差を計測する工程（ステップＳ４）を備え、さらに、セグメントコイルを挿入する工程（ステップＳ２）等の種々の工程を備えていてもよいものとする。

本実施形態に係るステータの製造方法では、まず、セグメントコイル２１、２２に酸化膜２１ａ、２２ａを形成する工程（ステップＳ１）を行う。ステップＳ１において酸化膜２１ａ、２２ａを形成する方法としては、例えば、レーザ照射、加熱炉における熱処理、及び薬液処理が挙げられるが、母材の変形抑制の観点及び薬液処理に要するコスト抑制の観点から、レーザ照射が好ましい。レーザ照射によって酸化膜２１ａ、２２ａを形成する際には、セグメントコイル２１、２２の端部それぞれに酸化用レーザを照射する。酸化用レーザを照射すると、セグメントコイル２１、２２の表面に金属プラズマが発生する。酸化用レーザの照射が終了すると、当該金属プラズマは、セグメントコイル２１、２２の表面に析出し、その際に酸化膜２１ａ、２２ａを形成する。

ステータを製造する際には、通常、セグメントコイル同士をレーザ溶接する前に、当該セグメントコイルの端部に洗浄用レーザを照射することによって洗浄する工程を行う。洗浄用レーザは、上述の酸化用レーザに比較して、出力が弱いレーザである。本実施形態に係るステータの製造方法では、ステップＳ１において酸化用レーザを照射しているため、酸化膜２１ａ、２２ａを形成すると同時にセグメントコイル２１、２２の端部を洗浄することができる。このように、本実施形態に係るステータの製造方法では、通常行われる洗浄する工程において、洗浄用レーザに代えて酸化用レーザを照射することによってステップＳ１を実行することができる。したがって、酸化膜２１ａ、２２ａを形成するために新たに工程を増やす必要がない。

次いで、図示しないステータコアの所定位置にセグメントコイル２１、２２を挿入する工程（ステップＳ２）を行う。図示しないステータコアの所定位置には、孔が設けられている。ステップＳ２では、ステップＳ１において酸化膜２１ａ、２２ａが形成されたセグメントコイル２１、２２を、ステータコアの所定位置に設けられた孔に挿入する。ステップＳ２の後に、セグメントコイル２１、２２の形状を調整する工程を適宜行ってもよい。セグメントコイル２１、２２の形状を調整する工程では、ステータコアの所定位置に挿入されたセグメントコイル２１、２２の端部を変形させて所望の形状とする。

次に、セグメントコイル２１、２２の端部同士をレーザ溶接する工程（ステップＳ３）を行う。ステップＳ３では、ステップＳ２においてステータコアの所定位置に挿入されたセグメントコイル２１、２２の端部に溶接用レーザを照射する。セグメントコイル２１、２２は、溶接用レーザが照射された部分が溶融する。溶融した部分は、レーザ照射後に冷却固化し、接合部２３となる。本実施形態に係るステータの製造方法では、このように、セグメントコイル２１、２２をレーザ溶接することによって、コイル２０を形成する。

次に、セグメントコイル２１、２２間に電流を印加して電位差を計測する工程（ステップＳ４）を行う。ステップＳ４では、直流電源１４を用いてセグメントコイル２１、２２間に所定の直流電流を印加する。具体的には、図１に示すように、直流電源１４の一方の端をセグメントコイル２１に接続し、他方の端をセグメントコイル２２に接続することによって、直流電流を印加する。直流電圧計１３は、プローブ１１、１２間の電圧を計測する。プローブ１１は、セグメントコイル２１に当てられている。プローブ１２は、セグメントコイル２２に当てられている。したがって、直流電圧計１３は、直流電源１４が所定の電流を印加した際におけるセグメントコイル２１、２２間の電位差を計測することができる。

図２に示す矢印は、電荷の流れを示す。酸化膜２１ａ、２２ａは、銅の酸化物を含んでいるため、セグメントコイル２１、２２の母材に比較して、電荷が流れにくい。したがって、酸化膜２１ａ、２２ａを形成することによって、図２に示すように、接合部２３が形成されていないがセグメントコイル２１、２２が接触している部分に流れる電荷を抑制している。換言すると、酸化膜２１ａ、２２ａを形成することによって、接合部２３を通らない電荷の量を抑制している。

ここで、酸化膜２１ａと酸化膜２２ａとが接する面で接合部２３を切断した際における切断面の面積を接合面積とする。接合面積が広い場合、接合面積が狭い場合に比較して、電荷が接合部２３を流れやすいため、セグメントコイル２１、２２間の電位差は小さくなる。したがって、ステップＳ４において計測した電位差が所定以下の値であれば、接合部２３の接合面積が十分であると判定することができる。ここで、接合面積あたりの電位差の傾きをゲインとする。本実施形態では、接合部２３を通らない電荷の量が抑制されているため、酸化膜２１ａ、２２ａを形成しない場合に比較して、接合面積が小さくなると電位差が大きくなりやすい。換言すると、酸化膜２１ａ、２２ａを形成することによって、酸化膜２１ａ、２２ａを形成しない場合に比較して、ゲインを大きくすることができる。ゲインが大きく場合、ゲインが小さい場合に比較して、測定誤差の影響を抑えることができるため、精度良く電位差を計測することができる。このように、本実施形態では、電位差測定による溶接良否判断をより精度良く行うことができる。

以下、上記実施形態について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載は本発明の趣旨を限定するものではない。

接合面積が４ｍｍ^２以上５ｍｍ^２以下である場合に接合が良好であると判断されるセグメントコイル２１、２２を使用して、電位差計測に適した酸化膜２１ａ、２２ａを形成するための条件検討を行った。

＜酸化膜厚の検討＞
［参考例１～４］
参考例１では、平均膜厚が１００ｎｍである酸化膜２１ａ、２２ａが形成されるようにセグメントコイル２１、２２に酸化用レーザを照射した。そして、接合面積が、２．５ｍｍ^２、３．０ｍｍ^２、３．５ｍｍ^２、４．０ｍｍ^２、４．５ｍｍ^２となるようにセグメントコイル２１、２２に接合用レーザを照射し、これをそれぞれサンプルとした。参考例２では、平均膜厚を１０００ｎｍとして酸化膜２１ａ、２２ａを形成した点以外は参考例１と同様にしてサンプルを準備した。参考例３では、平均膜厚を１０ｎｍとして酸化膜２１ａ、２２ａを形成した点以外は参考例１と同様にしてサンプルを準備した。参考例４では、酸化膜２１ａ、２２ａを形成しなかった点以外は参考例１と同様にしてサンプルを準備した。

参考例１～４において準備した各サンプルに直流電源１４を接続して電流を印加し、電位差をそれぞれ計測した。結果を図４に示す。ここで、接合面積あたりの電位差の傾きをゲインとする。図４に示すように、参考例４は、参考例１～３に比較して、ゲインが小さかった。このことから、酸化膜２１ａ、２２ａを形成することによって、ゲインを大きくできることが確認された。電位差計測を行うためには、接合面積が２．５ｍｍ^２以上３．５ｍｍ^２以下である場合におけるゲインが、４０μＶ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。図４に示すように、参考例１～２では、接合面積が２．５ｍｍ^２以上３．５ｍｍ^２以下である場合におけるゲインが約４０μＶ／ｍｍ^２である。したがって、酸化膜２１ａ、２２ａの平均膜厚は、必要ゲイン確保の観点から、１００ｎｍ以上であることが好ましいと考えられる。

＜電位差計測による接合良否判断＞
［実施例１、比較例１］
実施例１では、照射ピッチが２９μｍである酸化用レーザをセグメントコイル２１、２２に照射した。そして、セグメントコイル２１、２２に接合用レーザを照射し、これをサンプルとした。比較例１では、酸化膜２１ａ、２２ａを形成しなかった点以外は実施例１と同様にしてサンプルを準備した。

実施例１及び比較例１において準備した各サンプルに直流電源１４を接続して電流を印加し、電位差をそれぞれ計測した。さらに、各サンプルの接合面積を計測した。結果を図５に示す。図５に示すように、接合面積が２．５ｍｍ^２以上３．５ｍｍ^２以下である場合におけるゲインが、実施例１では約６０μＶ／ｍｍ^２であり、比較例１では約２０μＶ／ｍｍ^２であった。

図６に、実施例１において計測した各サンプルの電位差の９９％信頼区間を示す。接合面積が３ｍｍ^２である場合における電位差の９９％信頼区間の下限を良品閾値とする。図６に示すように、実施例１では、計測された電位差が良品閾値以下であるサンプルは、接合面積が全て４ｍｍ^２以上であった。このように、実施例１では、電位差を計測することによって、接合良否の判断を実施可能であることが確認された。図７に、比較例１において計測した各サンプルの電位差の９９％信頼区間を示す。図７に示すように、比較例１では、計測された電位差が良品閾値以上であるサンプルであっても、接合面積が４ｍｍ^２以上であるものが存在した。つまり、比較例１では、電位差の計測による接合良否の判断を行うことができなかった。

以上で説明した本実施の形態に係る発明により、電位差測定による溶接良否判断をより精度良く行うことができるステータの製造方法を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ ステータ
１１、１２ プローブ
１３ 直流電圧計
１４ 直流電源
２０ コイル
２１、２２ セグメントコイル
２１ａ、２２ａ 酸化膜
２３ 接合部

Claims (1)

1. 複数のセグメントコイルを接合したコイルを有するステータの製造方法であって、
   前記複数のセグメントコイルそれぞれの端部に酸化膜を形成する工程と、
   前記複数のセグメントコイルのうち、異なる２つのセグメントコイルの端部同士をレーザ溶接する工程と、
   レーザ溶接された前記異なる２つのセグメントコイル間に電流を印加して電位差を測定する工程と、を備える、
   ステータの製造方法。

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