JP7444733B2 - ステータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に設けられるステータの製造方法に関する。

電動機や発電機等の回転電機は、ステータコイルが巻き付けられたステータを備えている（特許文献１～５参照）。ステータに巻き付けられるステータコイルとして、略Ｕ字状に曲げられた複数のセグメントコイルからなるステータコイルが提案されている。

特開２０１３－９４９９号公報 特開２０１２－４４８３１号公報 特開２０１２－１７０３１１号公報 特開２０１６－８２６２４号公報 特開２０１８－１１７４０２号公報

ところで、ステータコイルを構成するセグメントコイルは、ステータコアに形成された複数のスロットに収容される。また、ステータ製造時にはスロットとセグメントコイルとの隙間にワニスが注入されており、このワニスを硬化させることでステータコアにセグメントコイルが固定されている。しかしながら、ワニスによってセグメントコイルを固定することは、ステータの固有振動数にバラツキを生じさせる要因である。すなわち、スロット内の全域にワニスを浸透させることは困難であり、ワニスによるセグメントコイルの固定箇所が一律に定まらないことから、製造される各ステータの固有振動数にはバラツキが生じていた。このように、ステータの固有振動数にバラツキが生じることは、モータ全体の設計を困難にする要因であるため、製造されるステータの固有振動数を安定させることが求められている。

本発明の目的は、製造されるステータの固有振動数を安定させることにある。

本発明のステータの製造方法は、回転電機に設けられるステータの製造方法であって、複数のスロットが形成された円筒形状の固定子コアを加熱し、前記固定子コアを膨張させるコア加熱工程と、加熱された前記固定子コアの前記スロットに、複数のセグメント導体からなる導体群を挿入するコイル挿入工程と、前記導体群が挿入された前記固定子コアを冷却し、前記スロットと前記導体群との間に締め代を与えるコア冷却工程と、を有する。

本発明によれば、導体群が挿入された固定子コアを冷却し、スロットと導体群との間に締め代を与えている。これにより、製造されるステータの固有振動数を安定させることができる。

ステータを備える回転電機の一例を示す断面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿ってステータを示す断面図である。 Ｕ相コイルを備えたステータコアを示す断面図である。 セグメントコイルの一例を示す斜視図である。 ステータを示す斜視図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、セグメントコイルの接続状況の一例を示す図である。 ステータコイルの結線状態の一例を示す図である。 ステータの製造方法の一例を示す図である。 コア加熱工程の実施状況を示す図である。 （Ａ）はコイル挿入工程の実施状況を示す部分拡大図であり、（Ｂ）はコア冷却工程の実施状況を示す部分拡大図である。 常温環境下におけるスロットとコイル群との寸法を単体で示した部分拡大図である。 常温環境下におけるスロットとこれに収容されるコイル群とを示す部分拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明では、ステータ１０を備える回転電機１１として、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される三相交流同期型のモータジェネレータを例示するが、これに限られることはなく、セグメントコイル４０が組み付けられるステータ１０を備えた回転電機であれば、如何なる回転電機であっても良い。

［回転電機構造］
図１はステータ１０を備える回転電機１１の一例を示す断面図である。図１に示すように、モータジェネレータである回転電機１１は、モータハウジング１２を有している。モータハウジング１２は、底付き円筒形状のハウジング本体１３と、ハウジング本体１３の開口端を閉じるエンドカバー１４と、を備えている。ハウジング本体１３内に固定されるステータ１０は、複数枚のケイ素鋼鈑等からなる円筒形状のステータコア（固定子コア）１５と、ステータコア１５に巻き付けられる三相のステータコイル（固定子巻線）ＳＣと、を有している。

ステータコイルＳＣには、バスバーユニット２０が接続されている。このバスバーユニット２０は、ステータコイルＳＣが備える３つの動力点Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗに接続される３つの動力バスバー２１，２２，２３と、ステータコイルＳＣが備える３つの中性点Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗを互いに接続する中性バスバー２４と、これらのバスバー２１～２４を保持する絶縁部材２５と、を有している。また、動力バスバー２１～２３の端部はモータハウジング１２から外部に突出しており、それぞれの動力バスバー２１～２３にはインバータ２６から延びる電力ケーブル２７が接続されている。

また、ステータコア１５の中央には、円柱形状のロータ３０が回転自在に収容されている。このロータ３０は、複数枚のケイ素鋼鈑等からなる円筒形状のロータコア３１と、ロータコア３１に埋め込まれる複数の永久磁石３２と、ロータコア３１の中央に固定されるロータシャフト３３と、を有している。ロータシャフト３３の一端部は、ハウジング本体１３に設けられる軸受３４によって支持されており、ロータシャフト３３の他端部は、エンドカバー１４に設けられる軸受３５によって支持されている。

［ステータ構造］
図２は図１のＡ－Ａ線に沿ってステータ１０を示す断面図であり、図３はＵ相の相巻線（以下、Ｕ相コイルＣｕと記載する。）を備えたステータコア１５を示す断面図である。また、図４はセグメントコイル４０の一例を示す斜視図である。後述するように、ステータコイルＳＣは、Ｕ相コイルＣｕの他に、Ｖ相の相巻線（以下、Ｖ相コイルＣｖと記載する。）、およびＷ相の相巻線（以下、Ｗ相コイルＣｗと記載する。）によって構成されている。また、図示するＵ相コイルＣｕ、Ｖ相コイルＣｖおよびＷ相コイルＣｗは、互いに同一のコイル構造を有するとともに、互いに位相を１２０°ずらしてステータコア１５に巻き付けられている。

図２に示すように、円筒形状のステータコア１５の内周部には、周方向に所定間隔を空けて複数のスロットＳ１～Ｓ４８が形成されている。各スロットＳ１～Ｓ４８にはセグメントコイル（セグメント導体）４０が収容されており、複数のセグメントコイル４０を互いに接続することでステータコイルＳＣが構成されている。図２および図３に示すように、Ｕ相コイルＣｕを構成するセグメントコイル４０はスロットＳ１，Ｓ２，Ｓ７Ｓ８・・に収容されており、Ｖ相コイルＣｖを構成するセグメントコイル４０はスロットＳ３，Ｓ４，Ｓ９，Ｓ１０・・に収容されており、Ｗ相コイルＣｗを構成するセグメントコイル４０はスロットＳ５，Ｓ６，Ｓ１１，Ｓ１２・・に収容されている。

図４に示すように、略Ｕ字状に曲げられるセグメントコイル４０は、何れかのスロット（例えばスロットＳ１）に収容されるコイルサイド４１と、所定のコイルピッチで他のスロット（例えばスロットＳ７）に収容されるコイルサイド４２と、を有している。また、セグメントコイル４０は、一対のコイルサイド４１，４２を互いに連結するエンド部４３と、一対のコイルサイド４１，４２のそれぞれから延びる接合端部４４，４５と、を有している。なお、セグメントコイル４０は銅等の導電材料からなる平角線によって構成されており、接合端部４４，４５の先端を除いてセグメントコイル４０にはエナメルや樹脂被膜等の絶縁被膜が設けられている。また、セグメントコイル４０に設けられるエンド部４３は、図４に示す折り曲げ形状に限られることはなく、ステータコア１５に対する組み付け位置に応じて様々な形状に折り曲げられている。

ここで、図５はステータ１０を示す斜視図であり、図６（Ａ）および（Ｂ）はセグメントコイル４０の接続状況の一例を示す図である。図２および図５に示すように、ステータコア１５の各スロットＳ１～Ｓ４８には、複数のセグメントコイル４０が組み付けられている。また、図５および図６に示すように、ステータコア１５にセグメントコイル４０が組み付けられると、セグメントコイル４０の接合端部４４，４５は、ステータコア１５の一端面（端面）５０から動力線側に突出して配置され、セグメントコイル４０のエンド部４３はステータコア１５の他端面５１から反動力線側に突出して配置される。

図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ステータコア１５の一端面５０から突出する接合端部４４，４５は、他のセグメントコイル４０の接合端部４４，４５に接触するように曲げられて導体接合部６０になる。そして、個々の導体接合部６０をＴＩＧ溶接等によって溶接することにより、導体接合部６０を介して複数のセグメントコイル４０は互いに接続される。つまり、複数のセグメントコイル４０によってＵ相コイルＣｕが構成され、複数のセグメントコイル４０によってＶ相コイルＣｖが構成され、複数のセグメントコイル４０によってＷ相コイルＣｗが構成される。なお、溶接加工が施された接合端部４４，４５には、導体を覆うように樹脂被膜等を形成する絶縁処理が施される。

図７はステータコイルＳＣの結線状態の一例を示す図である。図７に示すように、ステータコイルＳＣは、Ｕ相コイルＣｕ、Ｖ相コイルＣｖおよびＷ相コイルＣｗによって構成されている。Ｕ相コイルＣｕは、互いに直列接続される複数のセグメントコイル４０によって構成される。このＵ相コイルＣｕの一端部は動力点Ｐｕとなっており、Ｕ相コイルＣｕの他端部は中性点Ｎｕとなっている。また、Ｖ相コイルＣｖは、互いに直列接続される複数のセグメントコイル４０によって構成される。このＶ相コイルＣｖの一端部は動力点Ｐｖとなっており、Ｖ相コイルＣｖの他端部は中性点Ｎｖとなっている。さらに、Ｗ相コイルＣｗは、互いに直列接続される複数のセグメントコイル４０によって構成される。このＷ相コイルＣｗの一端部は動力点Ｐｗとなっており、Ｗ相コイルＣｗの他端部は中性点Ｎｗとなっている。そして、Ｕ相コイルＣｕの中性点Ｎｕ、Ｖ相コイルＣｖの中性点ＮｖおよびＷ相コイルＣｗの中性点Ｎｗは互いに接続されており、各相コイルＣｕ，Ｃｖ，ＣｗによってステータコイルＳＣが構成される。

［製造方法］
続いて、本発明の一実施の形態であるステータ１０の製造方法について説明する。図８はステータ１０の製造方法の一例を示す図であり、図９はコア加熱工程Ｓ１００の実施状況を示す図である。また、図１０（Ａ）はコイル挿入工程Ｓ１１０の実施状況を示す部分拡大図であり、図１０（Ｂ）はコア冷却工程Ｓ１２０の実施状況を示す部分拡大図である。

図８に示すように、ステータ１０の製造工程として、ステータコア１５を加熱して膨張させるコア加熱工程Ｓ１００と、膨張させたステータコア１５にセグメントコイル４０を挿入するコイル挿入工程Ｓ１１０と、セグメントコイル４０が挿入されたステータコア１５を冷却するコア冷却工程Ｓ１２０と、が設定されている。なお、以下の説明では、ステータコア１５に形成される複数のスロットＳ１～Ｓ４８を、共通の符号「ＳＬ」を付したスロットＳＬとして記載する。

図９に示すように、コア加熱工程Ｓ１００においては、インナコイル６１およびアウタコイル６２を備えた高周波加熱装置６３を使用することにより、電磁誘導加熱によってステータコア１５が加熱される。高周波加熱装置６３は、ステータコア１５の内周面１５ｉに対向するインナコイル６１と、ステータコア１５の外周面１５ｏに対向するアウタコイル６２と、交流電流を生成する高周波インバータ６４と、を有している。高周波インバータ６４からインナコイル６１およびアウタコイル６２の双方に交流電流を供給することにより、ステータコア１５に生じる渦電流によってステータコア１５が加熱される。このように、高周波加熱装置６３によってステータコア１５を加熱することにより、矢印αで示すように、ステータコア１５を径方向に膨張させることができ、ステータコア１５のスロットＳＬを拡張することができる。また、ステータコア１５が内周面１５ｉと外周面１５ｏとの双方から加熱されるため、ステータコア１５を全体的に膨張させることができ、スロットＳＬの局所的な変形を防止することができる。

このように、コア加熱工程Ｓ１００を経てスロットＳＬが拡張されると、図１０（Ａ）に示すように、コイル挿入工程Ｓ１１０に進み、拡張されたスロットＳＬに対してコイル群（導体群）７０が挿入される。ここで、スロットＳＬに挿入されるコイル群７０は、１つのスロットＳＬに挿入される８本のセグメントコイル４０と、これらのセグメントコイル４０を包む絶縁シート７１と、によって構成されている。このコイル挿入工程Ｓ１１０においては、コア加熱工程Ｓ１００を経てスロットＳＬが拡張されるため、スロットＳＬに対してコイル群７０を簡単に挿入することができる。なお、スロットＳＬとセグメントコイル４０との間に挟まれる絶縁シート７１として、例えば、アラミド紙を使用しても良く、アラミド紙とポリエステルフィルム等とを組み合わせたシートを使用しても良い。また、絶縁シート７１は、インシュレータとも呼ばれている。

続いて、コイル挿入工程Ｓ１１０を経てスロットＳＬにコイル群７０が挿入されると、図１０（Ｂ）に示すように、コア冷却工程Ｓ１２０に進み、挿入されたコイル群７０と共にステータコア１５が冷却される。このように、ステータコア１５を冷却して収縮させることにより、矢印βで示すように、ステータコア１５の径方向と周方向との双方に、スロットＳＬを収縮させることができる。これにより、スロットＳＬによってコイル群７０を締めることができ、ステータコア１５に対してコイル群７０を固定することができる。なお、コア冷却工程Ｓ１２０においては、常温雰囲気下にステータコア１５を放置しても良く、冷却風によってステータコア１５を積極的に冷却しても良い。

ここで、図１１は常温環境下におけるスロットＳＬとコイル群７０との寸法を単体で示した部分拡大図である。なお、図１１に示した径方向および周方向は、ステータコア１５の径方向および周方向である。また、図１２は常温環境下におけるスロットＳＬとこれに収容されるコイル群７０とを示す部分拡大図である。図１１に示すように、ステータコア１５に溝として形成されるスロットＳＬは、互いに平行に配置される一対のスロット側面７２，７３と、一対のスロット側面７２，７３に対して垂直に配置されるスロット底面７４と、ステータコア１５の内周面１５ｉに開口するスロット開口部７５と、を有している。また、スロット開口部７５には、コイル群７０をスロットＳＬ内に保持する保持爪部７６，７７が形成されている。さらに、スロットＳＬ内に収容されるコイル群７０は、互いに隣接する８本のセグメントコイル４０と、これらのコイル４０を包む絶縁シート７１と、によって構成されている。

図１１に示すように、常温環境下において、スロットＳＬの径方向寸法、つまりスロット底面７４から保持爪部７６，７７までの長さ寸法Ｒ１は、コイル群７０の径方向寸法、つまりコイル群７０における径方向の一端から他端までの長さ寸法Ｒ２よりも小さく設計されている。すなわち、コア冷却工程Ｓ１２０を経てステータコア１５を収縮させることにより、スロットＳＬとコイル群７０との間には、ステータコア１５の径方向に締め代Δｒが与えられる。また、常温環境下において、スロットＳＬの周方向寸法、つまり一方のスロット側面７２から他方のスロット側面７３までの長さ寸法Ｃ１は、コイル群７０の径方向寸法、つまりコイル群７０における周方向の一端から他端までの長さ寸法Ｃ２よりも小さく設計されている。すなわち、コア冷却工程Ｓ１２０を経てステータコア１５を収縮させることにより、スロットＳＬとコイル群７０との間には、ステータコア１５の周方向に締め代Δｃが与えられる。

前述したように、コア冷却工程Ｓ１２０を経てステータコア１５を収縮させることにより、スロットＳＬとコイル群７０との間には、ステータコア１５の径方向と周方向との双方に締め代Δｒ，Δｃが与えられるため、ステータコア１５に対してコイル群７０を密着させることができる。つまり、図１２に符号Ａ１～Ａ５で示すように、コイル群７０の周囲に対し、スロット底面７４、スロット側面７２，７３および保持爪部７６，７７を密着させることができ、スロットＳＬのほぼ全域に渡ってコイル群７０を固定することができる。このように、ステータコア１５に対するコイル群７０の固定箇所をスロットＳＬのほぼ全域に設定することができるため、後述するように、ステータ１０の固有振動数のバラツキを抑制することができる。

また、図８に示すように、ステータ１０の製造工程として、コア冷却工程Ｓ１２０の後には、セグメントコイル４０の接合端部を曲げるコイル曲げ工程Ｓ１３０が設けられている。コイル曲げ工程Ｓ１３０においては、図５および図６（Ｂ）に示すように、ステータコア１５の一端面５０から突出するセグメントコイル４０の接合端部４４，４５が曲げられ、セグメントコイル４０の接合端部（端部）４４，４５によって複数の導体接合部６０が形成される。さらに、図８に示すように、ステータ１０の製造工程として、コイル曲げ工程Ｓ１３０の後には、導体接合部６０をＴＩＧ溶接等によって溶接するコイル溶接工程Ｓ１４０が設けられている。このコイル溶接工程Ｓ１４０によって各導体接合部６０を個々に溶接することにより、図７に示すように、複数のセグメントコイル４０によってステータコイルＳＣが形成される。

これまで説明したように、コア加熱工程Ｓ１００においてステータコア１５を膨張させ、コイル挿入工程Ｓ１１０においてスロットＳＬにコイル群７０を挿入し、コア冷却工程Ｓ１２０においてステータコア１５を収縮させることにより、スロットＳＬとコイル群７０との間に締め代Δｒ，Δｃが与えられる。これにより、ステータコア１５に対してコイル群７０を密着させることができ、スロットＳＬのほぼ全域に渡ってコイル群７０を固定することができる。つまり、製造ラインにおいてステータ１０を大量生産する場合であっても、コイル群７０つまりステータコイルＳＣの振動モードを安定させることができるため、製造された各ステータ１０の固有振動数を安定させることができる。このように、各ステータ１０の固有振動数のバラツキを抑えることができるため、モータ全体の設計自由度を高めることができる。また、ステータ１０の固有振動数のバラツキ幅が縮小されるため、回転電機１１の共振を回避しつつインバータ２６のキャリア周波数を下げることができる。これにより、インバータ２６の効率を高めることができ、回転電機１１のエネルギー効率を高めることができる。なお、回転電機１１の駆動に伴ってモータ温度が上昇した場合であっても、図１２に示すように、スロットＳＬとコイル群７０とが互いに密着する状態が保持されることはいうまでもない。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、スロットＳＬとコイル群７０との間に締め代Δｒ，Δｃが設定されているが、これに限られることはない。例えば、スロットＳＬとコイル群７０との間に、ステータコア１５の径方向の締め代Δｒだけを設定しても良く、ステータコア１５の周方向の締め代Δｃだけを設定しても良い。つまり、コア冷却工程Ｓ１２０を経て、スロットＳＬとコイル群７０との間には、ステータコア１５の周方向と径方向との少なくとも何れか一方に締め代が与えられていれば良い。

前述の説明では、スロットＳＬとコイル群７０との間に締め代を設定することにより、ステータコア１５に対してステータコイルＳＣを強固に固定しているが、更にステータコイルＳＣに対して樹脂や有機溶剤からなるワニスを浸透させて硬化させても良い。このように、ステータコイルＳＣにワニスを浸透させる場合には、コア冷却工程Ｓ１２０の後にワニス浸透工程を設定しても良く、コイル曲げ工程Ｓ１３０の後にワニス浸透工程を設定しても良く、コイル溶接工程Ｓ１４０の後にワニス浸透工程を設定しても良い。

前述の説明では、コア加熱工程Ｓ１００において、ステータコア１５を内周面１５ｉと外周面１５ｏとの双方から加熱しているが、これに限られることはない。例えば、ステータコア１５を内周面１５ｉ側からだけ加熱しても良く、ステータコア１５を外周面１５ｏ側からだけ加熱しても良い。さらに、前述の説明では、コア加熱工程Ｓ１００においては、高周波加熱装置６３によってステータコア１５を加熱しているが、これに限られることはなく、例えば、電気炉を用いてステータコア１５を加熱しても良い。また、ステータコア１５のスロットＳＬに対してセグメントコイル４０を容易に挿入するため、ステータコア１５を加熱して膨張させる際に、併せてセグメントコイル４０を冷却して収縮させても良い。

前述の説明では、複数のセグメントコイル４０を直列接続することで各相コイルＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗを構成しているが、これに限られることはなく、複数のセグメントコイル４０を並列接続することによって各相コイルＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗを構成しても良い。また、図示する例では、１つのスロットＳＬに対して８つのセグメントコイル４０を挿入しているが、これに限られることはない。例えば、１つのスロットＳＬに対して８つを上回るセグメントコイル４０を挿入しても良く、１つのスロットＳＬに対して８つを下回るセグメントコイル４０を挿入しても良い。また、前述の説明では、スロット数が４８のステータコア１５を用いているが、これに限られることはなく、他のスロット数のステータコアを用いても良い。

１０ ステータ
１１ 回転電機
１５ ステータコア（固定子コア）
１５ｉ 内周面
１５ｏ 外周面
４０ セグメントコイル（セグメント導体）
４４，４５ 接合端部（端部）
５０ 一端面（端面）
６０ 導体接合部
７０ コイル群（導体群）
７１ 絶縁シート
ＳＣ ステータコイル（固定子巻線）
Ｓ１～Ｓ４８ スロット
ＳＬ スロット
Ｓ１００ コア加熱工程
Ｓ１１０ コイル挿入工程
Ｓ１２０ コア冷却工程
Δｒ 締め代
Δｃ 締め代

Claims (5)

1. 回転電機に設けられるステータの製造方法であって、
   複数のスロットが形成された円筒形状の固定子コアを加熱し、前記固定子コアを膨張させるコア加熱工程と、
   加熱された前記固定子コアの前記スロットに、複数のセグメント導体からなる導体群を挿入するコイル挿入工程と、
   前記導体群が挿入された前記固定子コアを冷却し、前記スロットと前記導体群との間に締め代を与えるコア冷却工程と、
   を有する、ステータの製造方法。
2. 請求項１に記載のステータの製造方法において、
   前記コア冷却工程を経て、前記スロットと前記導体群との間には、前記固定子コアの周方向と径方向との少なくとも何れか一方に締め代が与えられる、
   ステータの製造方法。
3. 請求項１または２に記載のステータの製造方法において、
   前記導体群は、前記セグメント導体および絶縁シートからなる、
   ステータの製造方法。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載のステータの製造方法において、
   前記コア加熱工程では、前記固定子コアが内周面と外周面との双方から加熱される、
   ステータの製造方法。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載のステータの製造方法において、
   前記コア冷却工程を行った後に、前記固定子コアの端面から突出する前記セグメント導体の端部を曲げ、前記複数のセグメント導体の端部からなる複数の導体接合部を形成するコイル曲げ工程と、
   前記複数の導体接合部を個々に溶接し、前記複数のセグメント導体によって固定子巻線を形成するコイル溶接工程と、
   を有する、ステータの製造方法。

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