JPH10174379A - 電機子コイルの接合方法及び溶接加工機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周方向に隣合う被接合部間の短絡や接合不良
を招くことなく十分な接合強度が得られる電機子コイル
の接合方法及び溶接加工機を提供すること。 【解決手段】 電機子コイルは、それぞれ所定形状に設
けられた下層コイル分割体４と上層コイル分割体５とか
ら成り、その下層コイル分割体４の下層コイル突出部４
ｃと上層コイル分割体５の上層コイル突出部５ｃとを電
気的に接続して形成される。被接合部である下層コイル
突出部４ｃと上層コイル突出部５ｃは、ＴＩＧ溶接機に
より溶融寸前まで予熱された後、レーザー溶接機により
レーザー照射されて接合される。ＴＩＧ溶接機とレーザ
ー溶接機の作動タイミングは、ワークＷを回転させる回
転装置の回転位置情報に同期して制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転電機の回転子
に具備される電機子コイルの接合方法、及びその接合方
法に使用される溶接加工機に関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、特願平７−３２６９８３号
にて「回転電機の回転子の製造方法」を出願した。この
先願は、所定形状に形成された複数の上層コイルと下層
コイルとをそれぞれ電機子鉄心に組み込み、両コイルの
接続部を溶接等により接合して電機子コイルを形成する
方法が記載されている。上層コイルと下層コイルは、そ
れぞれ導体を屈曲させた一体部品で形成され、組み立て
の過程で自然と両接続部が互いに重なるため、コイルの
捩じれ等の不要な変形が発生することなく、電機子鉄心
への組み込みを正確且つ容易に行うことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の先願では、両コ
イルの接続部をＴＩＧ溶接によって自動的に接合する方
法が記載されているが、ＴＩＧ溶接の特性であるエネル
ギー密度の低さから生じる溶融部の溶け込みの浅さゆえ
に（図８参照）、十分な溶融面積を確保しようとする
と、必然的に溶接による溶融金属の張り出しが拡大して
しまう。このため、溶融金属の張り出しによって周方向
に隣接する接続部同士の間隔が小さくなり、隣接するコ
イル間で短絡する可能性があった。

【０００４】また、接続部の接合方法としてレーザー溶
接を用いることも記載されているが、レーザー溶接を行
う場合には以下の点で改善の余地があった。即ち、電機
子コイルに用いられる導体としては電気抵抗の低さから
純銅あるいは純アルミニウムを用いることが一般的であ
るが、この純銅や純アルミニウムは熱伝導率が極めて大
きく、光の反射率も極めて高いという特質があるため、
レーザー溶接には不向きである。このため、純銅あるい
は純アルミニウムにレーザー溶接を適用する場合は、溶
融開始時のエネルギーを過大に照射してやる必要があ
る。その結果、接合部分からスパッターが大量に発生
し、溶接部近傍に飛散してレーザー光の照射レンズを汚
して機能が低下したり、図９に示す様に、溶融部内部に
ブローホールが発生して接続部の強度低下を招く等の課
題があった。本発明は、上記事情に基づいて成されたも
ので、その目的は、周方向に隣合う被接合部間の短絡や
接合不良を招くことなく十分な接合強度が得られる電機
子コイルの接合方法及び溶接加工機を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の手段では、電
機子コイルの被接合部（下層コイル突出部と上層コイル
突出部）を溶融寸前まで予熱した後、その予熱した部位
にレーザー光を照射して接合している。これにより、被
接合部の光の反射率および熱伝導率を極端に低減できる
ため、予熱無しの状態より遙に低い初期レーザー入力に
よってレーザー照射が可能となり、接合部分からのスパ
ッターの発生を防止でき、且つ深く安定した溶融部を得
ることができる。

【０００６】請求項２の手段では、被接合部を予熱する
手段としてＴＩＧ溶接を用いている。この場合、ＴＩＧ
溶接に必要とするイナートガス（アルゴン等）雰囲気中
にてレーザー照射が可能となるため、レーザーによる溶
融部も大気雰囲気中で溶融されるより清浄な組織が得ら
れ、接合部の機械強度が向上する。また、予熱手段とし
てＴＩＧ溶接を用いることで安価な溶接電源を利用する
ことが可能となり、且つ制御も容易である。

【０００７】請求項３の手段では、下層コイル分割体及
び上層コイル分割体が、純度の高い銅またはアルミニウ
ム等の光の反射率の高い材料で形成されている。この様
な光の反射率の高い材料はレーザー溶接に不向きである
が、予め接合部を予熱してからレーザー照射することに
より、純度の高い銅またはアルミニウムといった材質で
も安定した溶接が可能となる。

【０００８】請求項４の手段では、電機子コイルの接合
方法に用いる溶接加工機として、被接合部を溶融寸前ま
で予熱するＴＩＧ溶接機と、予熱された部位にレーザー
光を照射して接合するレーザー溶接機と、下層コイル分
割体及び上層コイル分割体が組み込まれた電機子鉄心を
回転させる回転装置と、ＴＩＧ溶接機の作動とレーザー
溶接機の作動とを電機子鉄心の回転位置に同期させて制
御する制御装置とを備えている。これにより、レーザー
光を照射する際に被接合部を極めて正確に所定の位置
（ここではレーザー光の照射位置）に制御できる。ま
た、レーザー光の照射前にＴＩＧ溶接にて被接合部を浅
く溶融させることにより、被接合部の光の反射率および
熱伝導率を極端に低減できる。このため、ＴＩＧ溶接開
始後に所定のタイミングでレーザー光を照射してやれ
ば、初期の照射エネルギーを低くできるため、スパッタ
ーの発生を防止でき、ひいてはブローホールの発生も防
止できる。その結果、被接合部に正確に高エネルギー密
度のレーザー照射が可能となるため、溶け込みも深くで
き極めて強度な接合部を得ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の電機子コイルの接
合方法及び溶接加工機を図面に基づいて説明する。本実
施例の回転子１は、例えばエンジンを始動するスタータ
のアーマチャであり、図４に示す様に、回転軸２、電機
子鉄心３、電機子コイル（後述する）等より構成され、
電機子コイルの一部を整流子として使用している。電機
子鉄心３は、プレスマシンで円板状に打ち抜き加工され
た薄い鋼板を複数枚積層して、回転軸２の外周に形成さ
れたセレーション２ａに嵌合して固定されている。電機
子鉄心３の外周部には、電機子コイルを具備するための
スロット３ａが所定数（例えば２５個）設けられてい
る。

【００１０】電機子コイルは、それぞれスロット３ａの
数と同数の下層コイル分割体４と上層コイル分割体５か
ら成る。その下層コイル分割体４及び上層コイル分割体
５は、電気抵抗の低い純銅あるいは純アルミニウムを材
料として、それぞれ以下に述べる所定の形状に成形され
ている。

【００１１】下層コイル分割体４は、スロット３ａ内に
配される下側絶縁体（図示しない）を介してスロット３
ａ内の内周側に挿入される下層コイル片４ａと、この下
層コイル片４ａの両端からそれぞれ電機子鉄心３の軸方
向端面と略平行に内周側へ伸び、且つ回転軸２と直交す
る平面上で下層コイル片４ａと回転軸２とを結ぶ直線に
対して所定の傾きを有して設けられた下層コイル端部４
ｂと、この下層コイル端部４ｂの内周端から軸方向へ突
出する下層コイル突出部４ｃから成る。上層コイル分割
体５は、下層コイル片４ａとの間に上側絶縁体（図示し
ない）を介してスロット３ａ内の外周側に挿入される上
層コイル片５ａと、この上層コイル片５ａの両端からそ
れぞれ電機子鉄心３の軸方向端面と略平行に内周側へ伸
び、且つ回転軸２と直交する平面上で上層コイル片５ａ
と回転軸２とを結ぶ直線に対して所定の傾きを有して設
けられた上層コイル端部５ｂと、この上層コイル端部５
ｂの内周端から軸方向へ突出する上層コイル突出部５ｃ
から成る。

【００１２】なお、下層コイル端部４ｂと電機子鉄心３
の軸方向端面との間は、回転軸２に嵌合するリング状の
絶縁板６（図４参照）によって絶縁され、下層コイル端
部４ｂと上層コイル端部５ｂとの間は、下層コイル突出
部４ｃの外周に配されるリング状の絶縁板７（図４参
照）によって絶縁されている。この電機子コイルは、下
層コイル片４ａ及び上層コイル片５ａが互いに異なるス
ロット３ａに挿入された下層コイル分割体４と上層コイ
ル分割体５とを下層コイル突出部４ｃと上層コイル突出
部５ｃとで接合して形成される（図５参照）。その被接
合部である下層コイル突出部４ｃと上層コイル突出部５
ｃとの接合方法は、以下に説明する溶接加工機８を用い
て行われる。

【００１３】溶接加工機８は、図１及び図２に示す様
に、ワークＷ（回転子１）を保持するワーク保持具９
と、このワーク保持具９を介してワークＷを所定の回転
速度及び回転角度で回転させることのできる回転装置１
０と、ワークＷの被接合部４ｃ、５ｃを予熱するための
ＴＩＧ溶接機１１と、予熱された被接合部４ｃ、５ｃに
レーザー光を照射するレーザー溶接機１２と、回転装置
１０の作動とＴＩＧ溶接機１１及びレーザー溶接機１２
の作動タイミングとを制御する制御装置１３とから構成
される。ワーク保持具９は、電機子コイルの被接合部４
ｃ、５ｃを接地（アース）するためのアース用治具１４
を具備し、このアース用治具１４の先端面が被接合部４
ｃ、５ｃの近傍（具体的には上層コイル分割体５の上層
コイル端部５ｂ）に電気的に接触している。回転装置１
０は、図には示さないが、回転力を発生するサーボモー
タ等の駆動源と、この駆動源の作動を制御する制御手段
とから構成される。あるいは、一般のモータとエンコー
ダとの組み合わせにより構成しても良い。

【００１４】ＴＩＧ溶接機１１は、広く知られた一般的
な構成であり、図には示さないが、溶接電源（ＡＣorＤ
Ｃ）、高周波発生装置、不活性ガス（イナートガス）発
生装置、及び溶接トーチ１５から構成される。なお、溶
接棒は本加工の特性上必要ではない。なお、本実施例で
の溶接条件は以下の通りである。 電流値：１０〜５０Ａ ガス流量：５〜２０Ｌ／ｍｉｎ程度 被接合面に対する溶接トーチ１５の位置Ｔ：±１．０ｍ
ｍ程度の範囲（図３参照） レーザー光の照射位置Ｒとのオフセット量：０〜１．０
ｍｍ程度の範囲（図３参照）

【００１５】レーザー溶接機１２は、図には示さない
が、溶接電源、ガス発生装置、及び出力部１６等から構
成される。レーザーの種類は、ＹＡＧ、ＣＯ₂ 、ＳＬＡ
Ｂレーザー等が好ましい。例えば、ＹＡＧレーザーの場
合の加工条件は以下の通りである。 レーザーパルス幅：２〜１０ｍｓ レーザー入力電圧：３００〜６００Ｖ デフォーカス±２ｍｍ程度の範囲 レーザー光の照射位置Ｒ：被接合部の略中央部（図３参
照）

【００１６】制御装置１３は、ＴＩＧ溶接機１１の作動
を開始した後、各被接合部４ｃ、５ｃ毎にレーザー光を
照射できる様に、ワークＷの回転位置に同期させてレー
ザー溶接機１２を作動させる。この制御装置１３による
ＴＩＧ溶接機１１とレーザー溶接機１２との作動タイミ
ングの一例を図６に示す。この場合、ＴＩＧ溶接機１１
は、溶接開始から終了まで連続してアークを発生し、レ
ーザー溶接機１２は、被接合部４ｃ、５ｃ毎に間欠的に
レーザー光を照射する。

【００１７】次に、溶接加工機８による被接合部４ｃ、
５ｃの溶接方法について説明する。まず、ワーク保持具
９によりワークＷを所定の位置に保持する。この時、ア
ース用治具１４の先端面を電機子コイルの被接合部４
ｃ、５ｃの近傍に電気的に接触させた状態で保持する
（図１参照）。続いて、回転装置１０によりワークＷを
回転させるとともに、制御装置１３の指示によりＴＩＧ
溶接機１１を作動させてワークＷの被接合部４ｃ、５ｃ
を溶融寸前まで予熱する。なお、ＴＩＧ溶接機１１の溶
接トーチ１５は、図３に示す様に、レーザー光の照射位
置Ｒに対してワークＷの回転方向前方へ所定のオフセッ
ト量（レーザー光の照射位置Ｒからの先行位置）と、径
方向外側へ所定のずらし量の位置Ｔに待機している。

【００１８】つぎに、制御装置１３の指示によりレーザ
ー溶接機１２を回転装置１０の回転位置情報に同期させ
て作動させ、ワークＷの被接合部４ｃ、５ｃにレーザー
光を照射する。これにより、溶融寸前まで予熱された被
接合部４ｃ、５ｃの略中央部に正確にレーザー光を照射
できる。各被接合部４ｃ、５ｃを順次レーザー照射した
後、制御装置１３の指示によりＴＩＧ溶接機１１の作動
を停止する。なお、ワークＷは、回転装置１０により所
定の回転角度（電機子鉄心３の周方向に隣り合うスロッ
ト３ａ間のピッチに相当）と速度で回転されている。

【００１９】（本実施例の効果）本実施例によれば、電
機子コイルの被接合部４ｃ、５ｃにレーザー光を照射す
る前に、ＴＩＧ溶接機１１により被接合部４ｃ、５ｃを
溶融寸前まで予熱することにより、被接合部４ｃ、５ｃ
表面の光の反射率及び熱伝導率を大幅に低減できる。こ
のため、電機子コイル（下層コイル分割体４及び上層コ
イル分割体５）の材料として光の反射率の高い銅または
アルミニウム等を用いても、被接合部４ｃ、５ｃを予熱
無しでレーザー照射する場合より遙に低い初期レーザー
入力によってレーザー照射が可能となる。この結果、接
合部分からのスパッターの発生を防止できるため、図７
に示す様に、ブローホールの発生もなく被接合部４ｃ、
５ｃの深部まで確実に溶融した状態が得られ、極めて強
度に接合することができる。これに対し、ＴＩＧ溶接の
みで被接合部４ｃ、５ｃを接合した場合は、図８に示す
様に、溶融部の溶け込みが浅く、深部まで溶融が進行し
ていない。また、レーザー溶接のみで被接合部４ｃ、５
ｃを接合した場合は、図９に示す様に、溶融部の深部に
スパッターによるブローホールが発生している。

【００２０】本実施例では、被接合部４ｃ、５ｃを予熱
する手段としてＴＩＧ溶接機１１を用いているため、Ｔ
ＩＧ溶接に必要とするイナートガス（アルゴン等）雰囲
気中にてレーザー照射が可能となる。これにより、レー
ザーによる溶融部も大気雰囲気中で溶融されるより清浄
な組織が得られ、接合部の機械強度が向上する。また、
予熱手段としてＴＩＧ溶接機１１を用いることで安価な
溶接電源を利用することが可能となり、且つ制御も容易
である。なお、本実施例の溶接方法によれば、ＴＩＧ溶
接による溶融金属の張り出しが無いため、周方向に隣り
合う被接合部４ｃ、５ｃ同士の短絡も防止できることは
言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】電機子コイルの接合方法を示す断面図である。

【図２】溶接加工機の構成を示す模式図である。

【図３】レーザー照射位置と溶接トーチの先端位置を示
す被接合部の平面図である。

【図４】回転子の半断面図である。

【図５】上層コイル分割体と下層コイル分割体との接合
状態を示す斜視図である。

【図６】ＴＩＧ溶接機とレーザー溶接機との作動タイミ
ングを示す図である。

【図７】被接合部の接合状態を示す断面図である。

【図８】ＴＩＧ溶接による被接合部の接合状態を示す断
面図である。

【図９】レーザー溶接による被接合部の接合状態を示す
断面図である。

【符号の説明】 ２ 回転軸（電機子回転軸） ３ 電機子鉄心 ３ａ スロット ４ 下層コイル分割体 ４ａ 下層コイル片 ４ｂ 下層コイル端部 ４ｃ 下層コイル突出部（被接合部） ５ 上層コイル分割体 ５ａ 上層コイル片 ５ｂ 上層コイル端部 ５ｃ 上層コイル突出部（被接合部） ８ 溶接加工機 １０ 回転装置 １１ ＴＩＧ溶接機 １２ レーザー溶接機 １３ 制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 漆崎 守 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 加藤 剛 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電機子鉄心に形成されたスロット内の内周
   側に挿入される下層コイル片、この下層コイル片の両端
   からそれぞれ前記電機子鉄心の軸方向端面と略平行に内
   周側へ伸び、且つ電機子回転軸と直交する平面上で前記
   下層コイル片と前記電機子回転軸とを結ぶ直線に対して
   所定の傾きを有して設けられた下層コイル端部、及びこ
   の下層コイル端部の内周端から軸方向へ突出する下層コ
   イル突出部から成る下層コイル分割体と、 前記スロット内の外周側に挿入される上層コイル片、こ
   の上層コイル片の両端からそれぞれ前記電機子鉄心の軸
   方向端面と略平行に内周側へ伸び、且つ前記電機子回転
   軸と直交する平面上で前記上層コイル片と前記電機子回
   転軸とを結ぶ直線に対して所定の傾きを有して設けられ
   た上層コイル端部、及びこの上層コイル端部の内周端か
   ら軸方向へ突出する上層コイル突出部から成る上層コイ
   ル分割体とを有し、 前記下層コイル片及び前記上層コイル片が互いに異なる
   前記スロットに挿入された前記下層コイル分割体と前記
   上層コイル分割体とを溶接により接合する接合方法であ
   って、 被接合部となる前記下層コイル突出部と前記上層コイル
   突出部とを溶融寸前まで予熱した後、その予熱した部位
   にレーザー光を照射して接合することを特徴とする電機
   子コイルの接合方法。
2. 【請求項２】前記下層コイル突出部と前記上層コイル突
   出部とを予熱する手段としてＴＩＧ溶接を用いることを
   特徴とする請求項１記載の電機子コイルの接合方法。
3. 【請求項３】前記下層コイル分割体及び前記上層コイル
   分割体は、純度の高い銅またはアルミニウム等の光の反
   射率の高い材料で形成されていることを特徴とする請求
   項１または２記載の電機子コイルの接合方法。
4. 【請求項４】請求項１に記載した電機子コイルの接合方
   法に用いる溶接加工機であって、 前記被接合部を溶融寸前まで予熱するＴＩＧ溶接機と、 予熱された部位にレーザー光を照射して接合するレーザ
   ー溶接機と、 前記下層コイル分割体及び前記上層コイル分割体が組み
   込まれた前記電機子鉄心を回転させる回転装置と、 前記ＴＩＧ溶接機の作動と前記レーザー溶接機の作動と
   を前記電機子鉄心の回転位置に同期させて制御する制御
   装置とを備えたことを特徴とする溶接加工機。