JP7351197B2 - ステータの製造方法及びステータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータの製造方法及びステータに関する。

従来、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源には回転電機が用いられている。こうした回転電機は、複数のティース及び各ティース同士の間に形成された複数のスロットを有するステータコアと、スロット内に配置されるコイルとを有するステータを備えている。

特許文献１には、ステータコアのティースに対して被覆導体線束を巻き付けて構成されたコイルを備えるステータが開示されている。
被覆導体線束は、複数本の導体線を集合させてなる導体線束と、導体線束の外周を被覆する可撓性の絶縁被覆材とを有している。各導体線は、絶縁被覆材内において相対移動が可能とされている。これにより、被覆導体線束における導体線の延在方向に直交する断面形状を変形させることができる。

こうしたステータの製造においては、まず、各スロットにおける径方向の内側に開口する径方向開口部から、複数本の被覆導体線束を挿入する。次に、上記径方向開口部から押圧治具を挿入して、複数本の被覆導体線束を径方向の外側に向かって押圧する。これにより、各被覆導体線束がスロットの内面の形状に追従して変形するため、各被覆導体線束の外周面とスロットの内面との隙間が小さくなる。

なお、押圧治具により複数の被覆導体線束を押圧した後は、径方向開口部からの被覆導体線束の飛び出しを防止するために、径方向開口部に閉塞部材が配置される。

特開２０１２－２３５５８７号公報

ところで、特許文献１に記載のステータにおいては、径方向開口部に閉塞部材が配置されている。このため、コイルの占積率を高める上では、改善の余地がある。
本発明の目的は、コイルの占積率を高めることのできるステータの製造方法及びステータを提供することにある。

上記目的を達成するためのステータの製造方法は、環状のヨーク、及び前記ヨークから前記ヨークの径方向の内側に向かって延在するとともに前記ヨークの周方向に互いに間隔をおいて形成された複数のティースを有し、前記周方向において互いに隣り合う前記ティース同士の間に、前記径方向の内側に開口する開口部を有するスロットが形成されたステータコアと、金属製の導体、及び前記導体を被覆する被覆部材を有する導線により構成され、前記スロット内に配置されるコイルと、を備えるステータの製造方法であって、前記導線を、前記開口部を通じて前記スロット内に配置するとともに治具により前記径方向の外側に向けて押圧して前記導体を塑性変形させることで、当該導線を前記開口部に充填する充填工程を備え、前記充填工程では、前記径方向における前記スロットの最内端または前記最内端よりも内側まで前記導線を押圧する。

同方法によれば、スロットの開口部を通じてスロット内に配置された導線を、治具により径方向の外側に向けて押圧して導体を塑性変形させることで、当該導線が開口部に充填される。このとき、治具が径方向においてスロットの最内端を越えないため、導線が開口部全体に充填されやすくなる。したがって、コイルの占積率を高めることができる。

また、上記目的を達成するためのステータは、環状のヨーク、及び前記ヨークから前記ヨークの径方向の内側に向かって延在するとともに前記ヨークの周方向に互いに間隔をおいて形成された複数のティースを有し、前記周方向において互いに隣り合う前記ティース同士の間に、前記径方向の内側に開口する開口部を有するスロットが形成されたステータコアと、金属製の導体、及び前記導体を被覆する被覆部材を有する導線により構成され、前記スロット内に配置されるコイルと、を備えるステータであって、前記導線は、前記径方向における前記スロットの最外端から最内端まで充填されている。

同構成によれば、径方向におけるスロットの最外端から最内端まで導線が充填されている。したがって、コイルの占積率を高めることができる。

一実施形態におけるステータの断面図。 同実施形態におけるステータの１つのスロットを中心とした拡大断面図。 同実施形態の押圧工程を示す図であって、スロットの最外端に外側導線が挿入された状態を示す断面図。 同実施形態の押圧工程を示す図であって、スロットの最外端に挿入された外側導線が押圧された状態を示す断面図。 同実施形態の押圧工程を示す図であって、全ての外側導線が押圧された状態を示す断面図。 同実施形態の充填工程を示す図であって、開口部に内側導線が挿入された状態を示す断面図。 同実施形態の充填工程を示す図であって、内側導線が開口部に充填された状態を示す断面図。 第１変更例のステータを示す断面図。 第２変更例のステータを示す断面図。

以下、図１～図７を参照して、ステータの製造方法及びステータの一実施形態について説明する。
図１に示すように、ステータ１０は、中心孔２０ａを有する筒状のステータコア２０と、ステータコア２０の内部に配置されるコイル３０とを備えている。本実施形態のステータ１０は、三相同期型の回転電機に用いられるものであり、ロータ１００を取り囲むように設けられている。ステータコア２０は、図示しない複数の鋼板が積層されることにより構成されている。

以降において、ステータコア２０の中心孔２０ａの軸線方向を単に軸線方向と称し、中心孔２０ａの軸線を中心とする周方向を単に周方向と称し、同軸線を中心とする径方向を単に径方向と称する。

＜ステータコア２０＞
図２に示すように、ステータコア２０は、環状のヨーク２１、及びヨーク２１からヨーク２１の径方向の内側に向かって延在するとともにヨーク２１の周方向に互いに間隔をおいて形成された複数のティース２２を有している。周方向において互いに隣り合うティース２２同士の間には、径方向の内側に開口する開口部２６を有するスロット２４が形成されている。ステータコア２０は、都合４８個のスロット２４を有している。なお、各スロット２４の内面には、図示しない絶縁紙が設けられている。

各ティース２２の先端には、周方向の両側に突出した一対の突出部２３が設けられている。各ティース２２の先端面２２ａは、周方向に沿って円弧状に湾曲している。同先端面２２ａは、ロータ１００の外周面に対向している。

互いに隣り合う２つのティース２２において周方向に対向する２つの突出部２３は、当該２つのティース２２同士の間に形成されたスロット２４内に突出している。これにより、各スロット２４の開口部２６における周方向の幅は、スロット２４のうち開口部２６に対して径方向の外側に隣り合うスロット本体２５における周方向の幅よりも小さくなる。

＜コイル３０＞
図２に示すように、コイル３０は、アルミニウム合金などの金属製の導体３２と、導体３２の外周面を被覆する絶縁性の被覆部材３３とを有する導線３１により構成されている。図示は省略するが、本実施形態のコイル３０は、導線３１が略Ｕ字状に形成された複数のセグメントコイルが互いに接合することにより構成されている。より詳しくは、各セグメントコイルが所定のスロット２４に挿入されるとともに、スロット２４から突出した各セグメントコイルの端部同士が互いに接合されている。本実施形態では、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相を構成するコイル３０が、複数のティース２２に跨がって分布巻きにより巻回されている。

１つのスロット２４内において、導線３１は、周方向に３列に並ぶとともに径方向に６列に並んで配置されている。
なお、図２以降の各図面においては、１つのスロット２４内に配置されたコイル３０のみを図示し、同スロット２４に隣り合う２つのスロット２４内に配置されたコイル３０の図示を省略している。

以降において、径方向に複数並ぶ導線３１のうち、径方向の最も内側に配置されて周方向に複数並ぶ導線３１を内側導線３１ｂと称し、内側導線３１ｂよりも径方向の外側に配置される導線３１を外側導線３１ａと称する。

導線３１は、径方向におけるスロット２４の最外端から最内端、より詳しくは、スロット本体２５の最外端から開口部２６の最内端まで充填されている。各内側導線３１ｂは、当該内側導線３１ｂが配置されているスロット２４を構成する一対のティース２２の先端面２２ａと面一になる位置までスロット２４内に充填されている。

ここで、本明細書における「面一」とは、厳密に面一の場合のみでなく、本実施形態における作用効果を奏する範囲内で概ね面一であるものも含む。すなわち、製造公差等によって内側導線３１ｂがティース２２の先端面２２ａから僅かに径方向の内側や外側に位置しているものも含む。

次に、ステータ１０の製造方法について説明する。
図３に示すように、まず、３つの外側導線３１ａを径方向におけるスロット本体２５の最外端に周方向に並べて配置する。このとき、各外側導線３１ａは、軸線方向に沿ってスロット本体２５に挿入されて配置される。なお、本実施形態では、軸線方向に直交する断面形状が長円状をなす導線３１が用いられる。

次に、各外側導線３１ａを押圧するための治具４０を軸線方向に沿ってスロット本体２５に挿入する。
ここで、治具４０は、スロット本体２５における軸線方向の全体にわたって延びている。また、治具４０の周方向における幅は、スロット本体２５の周方向における幅と略同一である。

図４に示すように、次に、各外側導線３１ａを治具４０により径方向の外側に向けて押圧することで、スロット本体２５の内面に沿って外側導線３１ａの導体３２を塑性変形させる（押圧工程）。このとき、治具４０により各外側導線３１ａは周方向の全体にわたって一括して押圧される。これにより、各外側導線３１ａは、スロット本体２５の内面に沿うことで、軸線方向に直交する断面形状が略矩形状になるように変形する。

図５に示すように、上述した押圧工程を繰り返すことで、各外側導線３１ａをスロット本体２５内において径方向に５列に並べて配置する。
図６に示すように、次に、３つの内側導線３１ｂを径方向の内側から開口部２６を通じてスロット２４内に挿入して、これらが周方向に並ぶように配置する。本実施形態では、治具４０とは別の治具５０により各内側導線３１ｂをスロット２４内に配置する。

ここで、治具５０は、内側導線３１ｂを押圧する押圧部５１と、押圧部５１をスロット２４内に向けて案内する案内部５２とを備えている。押圧部５１の押圧面は、ティース２２の先端面２２ａに沿って湾曲している。案内部５２は、押圧部５１を径方向に沿って進退させるための溝５３を有している。案内部５２は、ティース２２の先端面２２ａに当接している。押圧部５１の周方向における幅と、溝５３の周方向における幅とは、スロット２４の開口部２６の周方向における幅と略同一である。

上述した内側導線３１ｂのスロット２４内への配置においては、各内側導線３１ｂを案内部５２の溝５３内に配置するとともに押圧部５１により各内側導線３１ｂを径方向の外側に向けて押圧する。これにより、各内側導線３１ｂを溝５３に沿って変位させてスロット２４内に配置する。このとき、各内側導線３１ｂは、各外側導線３１ａのうち径方向の最も内側に位置する外側導線３１ａに当接する位置まで押圧される。この状態において、各内側導線３１ｂは、開口部２６内とスロット本体２５内の最内端との双方に配置されている。

図７に示すように、次に、押圧部５１により各内側導線３１ｂを径方向の外側に向けて押圧して導体３２を塑性変形させることで、各内側導線３１ｂを開口部２６に充填する（充填工程）。充填工程において、各内側導線３１ｂは、各外側導線３１ａに当接しているため、径方向の外側に向かう変形が規制されている。この状態で押圧部５１により各内側導線３１ｂを押圧することで、各内側導線３１ｂは、周方向の両側に広がるように変形する。これにより、各内側導線３１ｂによって開口部２６とスロット本体２５の最内端との双方が充填される。

なお、充填工程では、押圧部５１により径方向におけるスロット２４の最内端、より詳しくは、開口部２６の最内端まで各内側導線３１ｂを押圧する。すなわち、押圧部５１における各内側導線３１ｂを押圧する押圧範囲が開口部２６を構成する一対のティース２２の先端面２２ａを超えない。

本実施形態の作用について説明する。
充填工程においては、開口部２６を通じてスロット２４内に配置された内側導線３１ｂを、治具５０により径方向の外側に向けて押圧して導体３２を塑性変形させることで、内側導線３１ｂが開口部２６に充填される。このとき、治具５０が径方向においてスロット２４の最内端を越えないため、内側導線３１ｂが開口部２６全体に充填されやすくなる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）ステータ１０の製造方法は、内側導線３１ｂを、開口部２６を通じてスロット２４内に配置するとともに治具５０により径方向の外側に向けて押圧して導体３２を塑性変形させることで、内側導線３１ｂを開口部２６に充填する充填工程を備える。充填工程では、径方向におけるスロット２４の最内端まで内側導線３１ｂを押圧するようにした。

こうした方法によれば、上述した作用を奏することから、コイル３０の占積率を高めることができる。
（２）押圧工程では、充填工程に先立ち、外側導線３１ａを治具４０により径方向の外側に向けて押圧することでスロット２４の内面に沿って外側導線３１ａの導体３２を塑性変形させるようにした。

こうした方法によれば、内側導線３１ｂよりも径方向の外側に配置される外側導線３１ａを治具４０により径方向の外側に向けて押圧することで、外側導線３１ａの導体３２がスロット２４の内面に沿う形状に塑性変形される。これにより、外側導線３１ａとスロット２４との隙間が小さくなる。したがって、コイル３０の占積率をより高めることができる。

（３）押圧工程では、治具４０により外側導線３１ａを周方向の全体にわたって押圧するようにした。
こうした方法によれば、治具４０により外側導線３１ａが周方向の全体にわたって押圧される。このため、外側導線３１ａがスロット２４内において周方向の全体にわたって均一に押圧されることで、外側導線３１ａの導体３２がスロット本体２５内において均一に塑性変形しやすくなる。これにより、スロット２４内に外側導線３１ａを緻密に配置することができる。したがって、コイル３０の占積率をより一層高めることができる。

（４）導線３１は、スロット２４内において周方向に複数並んで配置される。充填工程では、周方向に複数並ぶ内側導線３１ｂを一括して押圧するようにした。
回転電機においては、ステータ１０の内周側でロータ１００が回転することにより、ロータ１００からティース２２に向かって磁束が流入する。こうした磁束の一部がコイル３０に流入した場合、コイル３０の内部には、当該磁束の流入に伴う磁束変化によって渦電流が生じるおそれがある。こうした渦電流を低減させるための手段としては、導線３１をスロット２４内において周方向に複数並ぶように配置し、各導線３１の断面積を小さくすることが有効である。

上記方法によれば、導線３１がスロット２４内において周方向に複数並んで配置されるため、コイル３０に渦電流が生じることを抑制できる。
また、上記方法によれば、充填工程では、スロット２４内において周方向に複数並ぶ内側導線３１ｂを一括して押圧するため、周方向に複数並ぶ内側導線３１ｂを開口部２６に容易に充填することができる。

（５）充填工程では、内側導線３１ｂを開口部２６とスロット本体２５との双方に充填するようにした。
こうした方法によれば、充填工程では、内側導線３１ｂがスロット２４の開口部２６とスロット本体２５との双方に充填される。

ここで、スロット２４の開口部２６における周方向の幅は、スロット本体２５における周方向の幅よりも小さい。このため、充填工程においては、押圧された内側導線３１ｂのうち開口部２６を通過してスロット本体２５に到達した部分が周方向に広がるように変形することで、内側導線３１ｂとスロット本体２５との隙間が小さくなる。こうして充填された内側導線３１ｂのうちスロット本体２５内に位置する部分の周方向の幅は、開口部２６内に位置する部分の周方向の幅よりも大きくなる。これにより、開口部２６を通じて各導線３１が脱離することを抑制できる。

特に、内側導線３１ｂが周方向に３列以上に並んで配置される場合には、周方向の両側に位置する２つの内側導線３１ｂが、ティース２２の突出部２３に係止される。一方、これら２つの内側導線３１ｂの間に位置する内側導線３１ｂは、当該２つの内側導線３１ｂに係止される。したがって、各内側導線３１ｂ同士が互いに係止されるため、開口部２６を通じて各導線３１が脱離することを抑制できる。

（６）コイル３０を構成する導線３１は、径方向におけるスロット２４の最外端から最内端まで充填されている。
こうした構成によれば、径方向におけるスロット２４の最外端から最内端まで導線３１が充填されている。したがって、コイル３０の占積率を高めることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
なお、以下の図８及び図９にそれぞれ示す第１変更例および第２変更例において、上記実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すとともに、上記実施形態に対応する構成については、上記実施形態の符号にそれぞれ「１００」、「２００」を加算した符号を付すことにより、重複した説明を省略する。

・図８に示すように、導線１３１をスロット２４内に周方向に２列に並べて配置することもできる。また、こうした導線をスロット２４内に周方向に４列以上に並べて配置することもできる。これらの場合であっても、上記効果（４）を奏することができる。

・図９に示すように、導線２３１をスロット２４内に径方向にのみ複数並べて配置することもできる。
・ティース２２は突出部２３を有するものでなくてもよい。この場合、スロット本体２５と開口部２６との周方向における幅が同一、すなわち、スロット２４の周方向における幅が径方向の全体にわたって同一となる。これにより、上記スロット２４の幅と略同一の幅を有する治具を、開口部２６を通じてスロット２４内に挿入することができる。したがって、押圧工程及び充填工程において同一の治具を用いることができる。

・押圧工程において、径方向に外側導線３１ａを複数並べて配置するとともに、これら外側導線３１ａを治具４０により径方向の外側に向けて一括して押圧することもできる。
・押圧工程において、治具４０とは別の治具を開口部２６を通じてスロット２４内に挿入し、外側導線３１ａを押圧するようにしてもよい。なお、同治具の周方向における幅は、開口部２６の周方向における幅と略同一であることが好ましい。また、これに加えて、本実施形態の治具４０により外側導線３１ａを更に押圧するようにしてもよい。

・本実施形態の押圧工程では、各外側導線３１ａを軸線方向に沿ってスロット本体２５に挿入して配置するようにしたが、各外側導線３１ａを径方向の内側から開口部２６を通じてスロット本体２５に挿入して配置してもよい。

・充填工程において開口部２６を通じてスロット２４内に各内側導線３１ｂを配置する際に、本実施形態のように治具５０により各内側導線３１ｂを押圧することで配置してもよいし、作業者の手指により各内側導線３１ｂを押圧することで配置してもよい。

・充填工程では、開口部２６のみを内側導線３１ｂにより充填するようにしてもよい。この場合、スロット本体２５の全体に外側導線３１ａが配置されていることが好ましい。
・本実施形態の充填工程では、径方向におけるスロット２４の最内端まで各内側導線３１ｂを押圧するようにしたが、径方向におけるスロット２４の最内端よりも内側まで各内側導線３１ｂを押圧するようにしてもよい。この場合、各内側導線３１ｂは、ステータコア２０とロータ１００との隙間において、ティース２２の先端面２２ａから径方向の内側に突出する。

・本実施形態では、コイル３０として、セグメントコイルにより構成されるものを例示したが、連続した導線３１を巻回して形成されるコイルを採用することもできる。
・集中巻きにより巻回されたコイルを有するステータに対しても本発明を適用することができる。

・導線３１として、治具４０，５０により押圧される前の軸線方向に直交する断面形状が矩形状をなす角線を採用することもできる。
・導体３２は、例えば銅合金などのアルミニウム合金以外の金属からなるものであってもよい。

１０…ステータ
２０…ステータコア
２０ａ…中心孔
２１…ヨーク
２２…ティース
２２ａ…先端面
２３…突出部
２４…スロット
２５…スロット本体
２６…開口部
３０…コイル
３１…導線
３１ａ…外側導線
３１ｂ…内側導線
３２…導体
３３…被覆部材
４０…治具
５０…治具
５１…押圧部
５２…案内部
５３…溝
１００…ロータ
１１０…ステータ
１３１…導線
１３１ａ…外側導線
１３１ｂ…内側導線
２１０…ステータ
２３１…導線
２３１ａ…外側導線
２３１ｂ…内側導線

Claims (5)

1. 環状のヨーク、及び前記ヨークから前記ヨークの径方向の内側に向かって延在するとともに前記ヨークの周方向に互いに間隔をおいて形成された複数のティースを有し、前記周方向において互いに隣り合う前記ティース同士の間に、前記径方向の内側に開口する開口部を有するスロットが形成されたステータコアと、金属製の導体、及び前記導体を被覆する被覆部材を有する導線により構成され、前記スロット内に配置されるコイルと、を備えるステータの製造方法であって、
   前記ティースの前記径方向における先端には、前記周方向の両側に突出した一対の突出部が設けられており、
   前記スロットは、互いに隣り合う一対の前記ティースにおいて前記周方向に対向する２つの前記突出部の突端面同士の間に形成された前記開口部と、前記開口部に対して前記径方向の外側に隣り合うスロット本体と、を有しており、
   前記開口部における前記周方向の幅は、前記スロット本体における前記周方向の幅よりも小さくされており、
   前記導線を、前記開口部を通じて前記スロット内に配置するとともに治具により前記径方向の外側に向けて押圧して前記導体を塑性変形させることで、当該導線を前記開口部に充填する充填工程を備え、
   前記充填工程では、前記治具が前記開口部を形成する一対の前記ティースの前記径方向における先端面を前記径方向において超えないように前記導線を押圧し、同一の前記導線を前記スロット本体の内面と前記突端面との双方に接触させた状態で前記突出部に係止させる、
   ステータの製造方法。
2. 前記導線は、前記スロット内において前記径方向に複数並んで配置されるものであり、
   前記充填工程に先立ち、前記径方向に複数並ぶ前記導線のうち前記開口部に充填される内側導線よりも前記径方向の外側に配置される外側導線を治具により前記径方向の外側に向けて押圧することで前記スロットの内面に沿って前記外側導線の前記導体を塑性変形させる押圧工程を備える、
   請求項１に記載のステータの製造方法。
3. 前記押圧工程では、治具により前記外側導線を前記周方向の全体にわたって押圧する、
   請求項２に記載のステータの製造方法。
4. 前記導線は、前記スロット内において前記周方向に複数並んで配置されるものであり、
   前記充填工程では、前記周方向に複数並ぶ前記導線を一括して押圧する、
   請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のステータの製造方法。
5. 環状のヨーク、及び前記ヨークから前記ヨークの径方向の内側に向かって延在するとともに前記ヨークの周方向に互いに間隔をおいて形成された複数のティースを有し、前記周方向において互いに隣り合う前記ティース同士の間に、前記径方向の内側に開口する開口部を有するスロットが形成されたステータコアと、金属製の導体、及び前記導体を被覆する被覆部材を有する導線により構成され、前記スロット内に配置されるコイルと、を備えるステータであって、
   前記ティースの前記径方向における先端には、前記周方向の両側に突出した一対の突出部が設けられており、
   前記スロットは、互いに隣り合う一対の前記ティースにおいて前記周方向に対向する２つの前記突出部の突端面同士の間に形成された前記開口部と、前記開口部に対して前記径方向の外側に隣り合うスロット本体と、を有しており、
   前記開口部における前記周方向の幅は、前記スロット本体における前記周方向の幅よりも小さくされており、
   前記導線は、前記径方向における前記スロットの最外端から前記開口部を形成する一対の前記ティースの前記径方向における先端面と面一になる位置まで充填されており、
   同一の前記導線が前記スロット本体の内面と前記突端面との双方に接触した状態で前記突出部に係止している、
   ステータ。