JP7844522B2 - 導体接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、導体接合方法に関し、詳細には、第１導体と第２導体とをレーザ溶接によって接合する導体接合方法に関する。

近年、低炭素社会又は脱炭素社会の実現に向けた取り組みが活発化し、車両においてもＣＯ_２排出量の削減やエネルギー効率の改善のために、電動化技術に関する研究開発が行われている。電動車両を普及させるためには、電動機（モータ及び／又はジェネレータ）の製造コストを低減させ、エネルギー効率を改善することが重要である。

コスト低減及びエネルギー効率改善のため、電動機のステータコアに巻き付けるコイルに平角線が用いられることがある。平角線をティースに巻き付けるために、それぞれティース間のスロットに挿入された１対の平角線の先端部の被膜を剥離し、露出させた１対の平角線の導体の先端部をレーザ光照射によるレーザ溶接により接合する方法が公知である。

そのような接合方向として、特許文献１には、第１及び第２の平角線の端面にレーザビームを照射する際に、第１の平角線の端面内において、レーザビームをループ状に走査させて溶融池を形成し、第１の平角線の端面内において、レーザビームを走査させるループ状の軌跡の径を大きくしていき、溶融池を端部側面同士の突き合わせ面に到達させる接合方法が開示されている。これにより、突き合わせ面をレーザビームにより照射しない状態で、突き合わせ面の間の隙間を溶融池により充填することができ、当該隙間にレーザビームが侵入して平角線の絶縁被膜がダメージを受けることが抑制される。

特許第６３９０６７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、接合すべき第１及び第２の平角線の端面の高さが同一であり、且つ端部側面同士の突き合わせ面の隙間が小さいことが前提になっている。一方、第１及び第２の平角線は、対応するスロットに挿入された後に、端部同士を近付けるために曲げ加工されるため、両端面の高さがずれることがある。両端面の高さを揃えるためには高い加工精度が要求されるため、製造コストの上昇を招く。

本発明は、以上の背景に鑑み、２本の平角線の接合端面に高さの差があっても、低コストで確実に両平角線の導体を接合できる導体接合方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明のある態様は、第１導体（１１Ａ）と第２導体（１１Ｂ）とをレーザ溶接によって接合する導体接合方法であって、前記第１導体の端面及び前記第２導体の端面のそれぞれの内側領域（３１）にレーザ光を照射し、それぞれの端面の外周部が堤防となるように、両導体の端面に並列する１対の溶融池（３３）を形成する初期照射工程と、互いに近接する前記第１導体の端面及び前記第２導体の端面のそれぞれの接合側領域（３２）にレーザ光を照射し、１対の前記溶融池を連結する中期照射工程と、前記第１導体の端面と前記第２導体の端面とにより構成される全体端面に略円形状にレーザ光を照射し、互いに連結した１対の前記溶融池を半球状の溶融玉（３４）に形成する後期照射工程と、を備える。

この態様によれば、導体接合方法が初期照射工程と中期照射工程と後期照射工程とを備えることにより、被膜を剥離した１対の平角線の導体の先端部間に高さの差が生じていても、溶融玉を落下させることなく、適切な大きさまで成長させることができる。よって、低コストで確実に両導体を接合することが可能である。

上記の態様において、前記初期照射工程において、レーザ光をループ状にウィービングさせながら前記内側領域に照射すると良い。

この態様によれば、端面の内側領域に効率良く溶融池を形成することができる。

上記の態様において、前記第１導体の端面が前記第２導体の端面よりも高い位置にあり、前記中期照射工程において、前記第１導体の前記接合側領域に先にレーザ光を照射し、前記第１導体の前記溶融池を前記第２導体の前記溶融池に流れ込ませると良い。

この態様によれば、端面が高い方の第１導体の溶融池を端面が低い方の第２導体の前記溶融池に流れ込ませることにより、溶融池が両導体の隙間に流れ込むことが抑制される。

上記の態様において、前記後期照射工程において、平面視で前記溶融玉によって前記第１導体及び前記第２導体が見えなくなるようにレーザ光を前記溶融玉に照射すると良い。

この態様によれば、両導体の断面よりも大きな溶融玉によって両導体を確実に溶接することができる。

以上の態様によれば、２本の平角線の接合端面に高さの差があっても、低コストで確実に両導体を接合できる導体接合方法を提供することができる。

実施形態に係る回転電機の製造途中のステータの断面図 曲げ加工後の１対の平角線の斜視図 平角線の接合の様子を模式的に示す図 実施形態に係る接合方法の説明図 平角線の端面の説明図 初期照射工程の第１変形例の照射軌跡を示す図 初期照射工程の第２変形例の照射軌跡を示す図 中期工程の変形例の照射軌跡を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る回転電機の製造途中のステータ１の断面図である。本発明に係る導体接合方法は、図１に示す回転電機を製造する際に実施される。回転電機は、ステータ１と、ステータ１の内側に回転可能に配置される図示しないロータとを備える。ステータ１は、ステータコア２とコイル３とを含んで構成される。ステータコア２は、軸線２Ｘに沿って延びる円筒形状をなしており、この軸線２Ｘはロータの回転軸に一致する。即ち、ロータはステータコア２の軸線２Ｘ周りに回転可能に設けられる。

ステータコア２は、軸線方向（図１における上下方向）に延在する複数のティース４を径方向の内側に備えている。ティース４は先端が基端側よりも幅広のＴ字形状をしており、周方向に等間隔に設けられている。互いに隣接するティース４間には、ステータコア２を軸線方向に貫通する複数のスロット５が周方向に等間隔に形成される。また、ステータコア２の内周面には、互いに隣接するティース４の先端によって複数のスリット６が形成されている。スリット６はスロット５の周方向の幅よりも小さい幅を有する。各スロット５は、ステータコア２の内周面に形成されたスリット６から拡幅しつつ径方向外側に放射状に延びている。ただし、スリット６は必須ではない。

コイル３は、複数のセグメントコイル７をレーザ溶接により接合することで得られる。セグメントコイル７は、複数のコイル要素（導電線）を束ねて略Ｕ字状に成形することで得られる。コイル要素には断面形状が矩形である平角線８が使用されている。平角線８は、例えば銅等の導体からなる線状の導体部１１（図２）と、導体部１１を被覆する絶縁体からなる被膜１２（図２）とを備える。複数のセグメントコイル７は、周方向に重ねながら円環状に整列させた状態で、ステータコア２の軸線２Ｘに沿ってスロット５に挿通される。

図２は、曲げ加工後の１対の平角線８の斜視図である。なお、図２は、図１に示されるステータコア２を軸線方向に反転させ、ステータコア２の下側から突出する平角線８の部分を示している。図２に示すように、ステータコア２のスロット５から突出する各平角線８の両端部は被膜１２を剥離され、導体部１１を露出させている。平角線８は、スロット５に挿入された後、対応する他の平角線８に接合されるべく、端部を周方向に曲げ加工される。曲げ加工により、スロット５から突出する平角線８の部分は、ステータコア２の軸線２Ｘに対して周方向に傾斜した傾斜部１３と、傾斜部１３の端部からステータコア２の軸線２Ｘと平行に延び、端部をなす平行部１４とを有する。

曲げ加工によって互いに近接配置された１対の平角線８の端部は、互いに平行に且つ近接して配置される。ただし、曲げ加工後に平角線８にスプリングバックが生じること等に起因して、平角線８の端部は所望の位置から周方向にずれることがある。このままでは、接合すべき２本の平角線８の端部同士が離れてしまい、両平角線８を接合することができない。そのため、両平角線８は、１対のクランプ本体１５を有するクランプ治具１６によって挟み込まれ、端部同士を近接させた状態で接合される。クランプ治具１６には、例えば、本出願人による特許第６４８３０７９号公報及び特許第６６８０８６７号公報に記載されたものや、これに類似する構成を有するものを用いることができる。

クランプ治具１６を用いることにより、１対の平角線８の端部は、周方向に整合して配置され、且つステータコア２の径方向に対峙するように互いに近接して配置される。ただし、１対の平角線８の端部は、平行部１４の下部や傾斜部１３に被膜１２が設けられていることから、導体部１１の間に僅かな隙間ｇ（図３）を有する。１対の平角線８の端面は、同じ高さ（ステータコア２の端面からステータコア２の軸線２Ｘに沿った距離）に配置されることが好ましい。しかしながら、クランプ治具１６は導体部１１の高さ方向の位置を調整することはできないため、１対の平角線８の端面は、若干の差Δｈ（図３）をもって異なる高さに配置されることとなる。このように配置された両平角線８の端部は、後述する導体接合方法を用いて接合されることによって確実に接合される。

次に、平角線８の導体部１１の端部同士をレーザ溶接する具体的な方法の一実施形態について説明する。図３は、平角線８の接合の様子を模式的に示す図である。本実施形態に係る導体接合方法は、１対の平角線８が導体部１１の端面を上に向けて近接配置された状態で、図３に示すレーザ溶接装置２０を用いて行われる。具体的には、レーザ溶接装置２０によって１対の平角線８の端面（導体部１１の端面）にレーザ光２１を照射するレーザ溶接により、１対の導体部１１が互いに接合される。導体接合方法は、初期照射工程と、中期照射工程と、接合工程と、後期照射工程とを有する。

レーザ溶接装置２０は、例えば１００μｍ以下の波長のレーザビームを発振可能な高集光性を有するレーザ発振器２２と、レーザ発振器２２が発振したレーザ光２１を、例えば５００ｍｍ／秒以上で走査可能なガルバノスキャニング型のレーザヘッド２３とを備える。レーザ光２１の種類は限定されるものではなく、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ及び半導体励起レーザ等であって良い。図示例では、レーザ溶接装置２０は１つのレーザ発振器２２と１つのレーザヘッド２３とを備え、１対の平角線８の端面に順にレーザ光２１を照射する。他の実施形態では、レーザ溶接装置２０が２つのレーザ発振器２２と２つのレーザヘッド２３とを備え、１対の平角線８の端面に同時にレーザ光２１を照射しても良い。

図４は、実施形態に係る接合方法の説明図である。図４には、（Ａ）照射前、（Ｂ）初期照射工程、（Ｃ）中期照射工程及び（Ｄ）後期照射工程のそれぞれについて、側面図、平面図及び平面画像が示されている。導体接合方法は、初期照射工程、中期照射工程、後期照射工程の順に行われる。以下、順に説明する。なお、図４における各照射工程の平面図には、レーザ光２１の軌跡が示されている。

図４（Ａ）に示すように、照射前において、平角線８の端部において１対の導体部１１は、概ね被膜１２の厚さの２倍に相当する隙間ｇを空けて、且つ上端面の高さが異なる状態で、互いに近接して配置されている。以下、図中の右側の平角線８の導体部１１を第１導体部１１Ａと称し、左側の平角線８の導体部１１を第２導体部１１Ｂと称する。両者を区別しない場合には、単に導体部１１又は両導体部１１等ということがある。第１導体部１１Ａの端面は第２導体部１１Ｂの端面よりも高い位置にある。

ここで、図５を参照して、平角線８の導体部１１の端面について説明する。図５は、平角線８の導体部１１の端面の説明図である。図示するように、平角線８の導体部１１は平面視で略矩形をしている。各導体部１１の端面のうち内側の領域（想像線で囲まれた領域）を、本明細書では内側領域３１という。内側領域３１は、端面の外縁に至っていなければ良い。導体部１１の端面の面積に占める内側領域３１の割合は、限定されるものではないが、例えば、３０％～７０％であって良い。

各導体部１１の端面のうち、接合されるべき他の導体部１１側の領域（想像線で区画されたハッチングを付した領域）を、本明細書では接合側領域３２という。接合側領域３２は、接合されるべき他の導体部１１と相反する側の領域を含んでいなければ良い。導体部１１の端面の面積に占める接合側領域３２の割合は、限定されるものではないが、例えば、２０％～６０％であって良い。また、接合側領域３２は、内側領域３１と重なる部分を有していても良く、内側領域３１と重なる部分を有してしなくても良い。

図４（Ｂ）に示すように、初期照射工程においては、レーザ光２１が両導体部１１の端面の内側領域３１（図５参照）に照射される。レーザ溶接装置２０は、例えば、第１導体部１１Ａの端面の内側領域３１にレーザ光２１を照射し、その後、第２導体部１１Ｂの端面の内側領域３１にレーザ光２１を照射する。図４（Ｂ）に示す例では、レーザ溶接装置２０は、各導体部１１の端面の内側領域３１に異なる大きさの円を連続して渦巻きを描くようにレーザ光２１を照射する。レーザ溶接装置２０は、第１導体部１１Ａの端面と第２導体部１１Ｂの端面とに１回ずつレーザ光２１を照射しても良く、２回又は３回ずつレーザ光２１を照射しても良い。

初期照射工程におけるレーザ光２１の照射により、図４（Ｂ）の側面図に示すように、第１導体部１１Ａの端部及び第２導体部１１Ｂの端部は、内側領域３１において溶融し、外側領域において溶融しない。つまり、各導体部１１の外側領域が堤防となり、内側領域３１に溶融池３３が形成される。このようにして両導体部１１の端面に並列する１対の溶融池３３が形成される。

図６は、初期照射工程の第１変形例の照射軌跡を示す図である。図６には、レーザ光２１の軌跡の始点が丸で示され、軌跡の方向が矢印で示されている。図６に示すように、レーザ溶接装置２０は、各導体部１１の端面の内側領域３１に同じ大きさの円をずらしながら連続して描くようにレーザ光２１を照射しても良い。このようにレーザ溶接装置２０がレーザ光２１をループ状にウィービングさせながら内側領域３１に照射することにより、端面の内側領域３１に効率良く溶融池３３を形成することができる。

図７は初期照射工程の第２変形例の照射軌跡を示している。図７に示すように、レーザ溶接装置２０は、各導体部１１の端面の内側領域３１に同じ大きさの円を一方向にずらしながら連続して描き、更に同じ大きさの円を他方向にずらしながら連続して描くようにレーザ光２１を照射しても良い。このようにレーザ溶接装置２０がレーザ光２１を内側領域３１に照射することによっても、端面の内側領域３１に効率良く溶融池３３を形成することができる。

次に、図４（Ｃ）に示すように、中期照射工程においては、レーザ光２１が両導体部１１の端面の接合側領域３２（図５参照）に照射される。第１導体部１１Ａの接合側領域３２は、第１導体部１１Ａの端面の外周部のうち第２導体部１１Ｂ側の部分である。第２導体部１１Ｂの接合側領域３２は、第２導体部１１Ｂの端面の外周部のうち第１導体部１１Ａ側の部分である。レーザ溶接装置２０は、例えば、第１導体部１１Ａの端面の接合側領域３２にレーザ光２１を照射し、その後、第２導体部１１Ｂの端面の接合側領域３２にレーザ光２１を照射する。

図４（Ｃ）に示す例では、レーザ溶接装置２０は、各導体部１１の端面の接合側領域３２に長円を描くようにレーザ光２１を照射する。長円は１重であっても良い、２重や３重であっても良い。また、レーザ溶接装置２０は、第１導体部１１Ａの端面と第２導体部１１Ｂの端面とに１回ずつレーザ光２１を照射しても良い、２回又は３回ずつレーザ光２１を照射しても良い。

中期照射工程におけるレーザ光２１の照射により、第１導体部１１Ａの第２導体部１１Ｂ側の堤防部及び第２導体部１１Ｂの第１導体部１１Ａ側の堤防部は溶融する。これにより、１対の溶融池３３が連結されて１つの大きな溶融池３３になる。

図８は中期照射工程の変形例の照射軌跡を示している。図８に示すように、レーザ溶接装置２０は、各導体部１１の端面の接合側領域３２に同じ大きさの円をずらしながら連続して描くようにレーザ光２１を照射しても良い。このようにレーザ溶接装置２０がレーザ光２１をループ状にウィービングさせながら接合側領域３２に照射することにより、端面の接合側領域３２の堤防部を効率良く溶融させることができる。

図３に示すように本実施形態では、レーザ溶接装置２０は、端面の高さが高い第１導体部１１Ａの端面に先にレーザ光２１を照射する。これにより、図４（Ｃ）に示すように、第１導体部１１Ａの堤防が先に溶融し、第１導体部１１Ａの溶融池３３が第２導体部１１Ｂの溶融池３３に流れ込む。このように中期照射工程において、端面が高い方の第１導体部１１Ａの溶融池３３を端面が低い方の第２導体部１１Ｂの溶融池３３に流れ込ませることにより、溶融池３３が導体部１１間の隙間ｇに流れ込むことが抑制される。

図４（Ｄ）に示すように、後期照射工程において、レーザ溶接装置２０は、第１導体部１１Ａの端面と第２導体部１１Ｂの端面とにより構成される全体端面に略円形状にレーザ光２１を照射し、互いに連結した１対の溶融池３３を半球状の溶融玉３４に形成する。溶融球が冷却されて凝固することにより、第１導体部１１Ａと第２導体部１１Ｂとが互いに接合される。

後期照射工程において、レーザ溶接装置２０は、平面視で溶融玉３４によって第１導体部１１Ａ及び第２導体部１１Ｂが見えなくなるようにレーザ光２１を溶融玉３４に照射する。これにより、両導体部１１の断面よりも大きな溶融玉３４によって両導体部１１が確実に溶接される。

このように本実施形態の導体接合方法は、初期照射工程と中期照射工程と後期照射工程とを備える。これにより、被膜１２を剥離した１対の平角線８の両導体部１１の先端部間に隙間ｇ及び高さの差Δｈが生じていても、溶融玉３４を落下させることなく、適切な大きさまで成長させる可能である。よって、低コストで確実に両導体部１１を接合することが可能である。

以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、初期照射工程及び中期照射工程において、レーザ溶接装置２０が第１導体部１１Ａの端面にレーザ光２１を照射した後に第２導体部１１Ｂの端面にレーザ光２１を照射している。他の実施形態では、初期照射工程及び中期照射工程の少なくとも一方において、レーザ溶接装置２０が第２導体部１１Ｂの端面に先にレーザ光２１を照射しても良い。或いは、レーザ溶接装置２０が２つのレーザヘッド２３を備え、第１導体部１１Ａの端面及び第２導体部１１Ｂの端面に同時にレーザ光２１を照射しても良い。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、素材等、また、各手順の具体的手法や数値、軌跡の形状等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更することができる。また、上記実施形態及びその変形例の構成の一部又は全部を互いに組み合わせても良い。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１ ：ステータ
２ ：ステータコア
２Ｘ ：軸線
３ ：コイル
４ ：ティース
５ ：スロット
６ ：スリット
７ ：セグメントコイル
８ ：平角線（コイル要素、導電線の一例）
１１ ：導体部（導体）
１１Ａ ：第１導体部
１１Ｂ ：第２導体部
１２ ：被膜
１３ ：傾斜部
１４ ：平行部
２０ ：レーザ溶接装置
２１ ：レーザ光
２２ ：レーザ発振器
２３ ：レーザヘッド
３１ ：内側領域
３２ ：接合側領域
３３ ：溶融池
３４ ：溶融玉
ｇ ：隙間

Claims (3)

1. 第１導体と第２導体とをレーザ溶接によって接合する導体接合方法であって、
   前記第１導体の端面及び前記第２導体の端面のそれぞれの内側領域にレーザ光を照射し、それぞれの端面の外周部が堤防となるように、両導体の端面に並列する１対の溶融池を形成する初期照射工程と、
   互いに近接する前記第１導体の端面及び前記第２導体の端面のそれぞれの接合側領域にレーザ光を照射し、１対の前記溶融池を連結する中期照射工程と、
   前記第１導体の端面と前記第２導体の端面とにより構成される全体端面に略円形状にレーザ光を照射し、互いに連結した１対の前記溶融池を半球状の溶融玉に形成する後期照射工程と、を備え、
   前記初期照射工程において、レーザ光をループ状にウィービングさせながら前記内側領域に照射する、導体接合方法。
2. 第１導体と第２導体とをレーザ溶接によって接合する導体接合方法であって、
   前記第１導体の端面及び前記第２導体の端面のそれぞれの内側領域にレーザ光を照射し、それぞれの端面の外周部が堤防となるように、両導体の端面に並列する１対の溶融池を形成する初期照射工程と、
   互いに近接する前記第１導体の端面及び前記第２導体の端面のそれぞれの接合側領域にレーザ光を照射し、１対の前記溶融池を連結する中期照射工程と、
   前記第１導体の端面と前記第２導体の端面とにより構成される全体端面に略円形状にレーザ光を照射し、互いに連結した１対の前記溶融池を半球状の溶融玉に形成する後期照射工程と、を備え、
   前記第１導体の端面が前記第２導体の端面よりも高い位置にあり、前記中期照射工程において、前記第１導体の前記接合側領域に先にレーザ光を照射し、前記第１導体の前記溶融池を前記第２導体の前記溶融池に流れ込ませる、導体接合方法。
3. 前記後期照射工程において、平面視で前記溶融玉によって前記第１導体及び前記第２導体が見えなくなるようにレーザ光を前記溶融玉に照射する、請求項１又は２に記載の導体接合方法。