JP6330670B2 - ステータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に使用されるステータの製造方法に関する。

特許文献１には、回転電機に使用されるステータの製造方法が記載されている。特許文献１に記載の製造方法では、まず、一対の直線部と連結部によりＵ字形状に構成されたセグメントコイルがステータコアのスロット内に挿入される。その後、連結部と反対側の直線部の先端部が円周方向に捻られ、他のセグメントコイルの円周方向に捻られた直線部と溶接で接合される。

特許文献１の捻り工程では、反時計回り方向に捻られた先端部と時計回り方向に捻られた先端部とが、間隙を介して円周方向に隣り合うように捻り成形されている。溶接工程では、一対のアース電極により、反時計回り方向に捻られた先端部と時計回り方向に捻られた先端部とが互いに近接するように挟持され、先端部間の間隙が小さくなるようセグメントコイルを弾性変形させて、互いに接触し合った状態にして溶接する。また、特許文献２では、内周側コイルエンド部と外周側コイルエンド部とが対向するように円環状の半径方向に折り曲げ、折り曲げ端面を当接して溶接している。

特開２０１２−２５７３９１号公報 特開２０１１−２１７５１０号公報

特許文献１では、溶接されるセグメントコイルのペアを円周方向に配置して、アース電極で挟持し、コイルを弾性変形させて接触させる。このように、セグメントコイルを円周方向に配置すると、モータが大きくなるという問題がある。また、セグメントコイルを弾性変形させた状態で溶接すると、残留応力により溶接部に負荷がかかる。

本発明は、上記のような問題点を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、溶接部への負荷を軽減させることが可能なステータの製造方法を提供することである。

実施の形態に係るステータの製造方法は、環状のステータコアの周上に設けられた複数のスロットに、連結部により連結された一対の直線部を備える複数のセグメントコイルを挿入し、第１周に位置する第１セグメントコイルを一方向に、前記第１周の径方向の外側に隣接する第２周に位置する第２セグメントコイルを前記一方向と反対方向に捻じり、前記第１セグメントコイルの第１先端部と前記第２セグメントコイルの第２先端部とが径方向に隣接するように並べ、前記第１先端部に径方向内側から治具を当接させ、前記第２先端部の方向に変形させた後、前記第２先端部に径方向外側から前記治具を当接させ、前記第１先端部の方向に変形させ、前記第１先端部と前記第２先端部とを互いに接触させ、前記第１先端部と前記第２先端部とが接触した状態で溶接する。

本発明によれば、溶接部への負荷を軽減させることが可能なステータの製造方法を提供することが可能となる。

実施の形態に係り、ステータコアのスロットにセグメントコイルが挿入された状態を示す斜視図である。 図１に示すステータの一部を上面から見た図である。 図１に示すステータのセグメントコイルが捻じり成形される前の状態を周方向から見た図である。 図１に示すステータのセグメントコイルに捻じり円環を装着した状態を径方向から見た図である。 図１に示すステータのセグメントコイルに捻じり円環を装着した状態を周方向から見た図である。 実施の形態に係り、図１のセグメントコイルが捻り成形された後の状態を示す斜視図である。 図６に示すステータの一部を上面から見た図である。 捻り成形後のセグメントコイルを径方向から見た図である。 実施の形態に係り、図６の捻り成形後のセグメントコイルの位置の矯正工程を説明する図である。 実施の形態に係り、図６の捻り成形後のセグメントコイルの位置の矯正工程を説明する図である。 実施の形態に係り、図６の捻り成形後のセグメントコイルの位置の矯正工程を説明する図である。 実施の形態に係り、図６の捻り成形後のセグメントコイルの位置の矯正工程を説明する図である。 特許文献１に記載のステータの製造方法を説明する図である。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する構成要素には同じ符号を付している。なお、各図における寸法関係は実際の寸法関係を反映するものではない。

図１〜図１２は、実施の形態に係るステータの製造方法を説明するための図である。実施の形態に係るステータの製造方法は、（１）ステータコアのスロットにセグメントコイルを挿入する挿入工程、（２）スロットに挿入されたセグメントコイルを円周方向に捻じる捻り工程、（３）後の工程で溶接される異なるセグメントコイルの先端部同士の位置を矯正する矯正工程、（４）矯正工程を経て、セグメントコイルの先端部同士が接触した状態で溶接を行う溶接工程、を含む。

（１）挿入工程
図１を参照して、挿入工程について説明する。図１は、ステータコア１１のスロット１２にセグメントコイル１４が挿入された状態を示す斜視図である。図１に示すように、環状のステータコア１１には、周方向に所定の間隔でスロット１２が形成されている。スロット１２間には、ティース１３が設けられている。スロット１２には、セグメントコイル１４の直線部１４ａがそれぞれ挿入されている。直線部１４ａ間には、絶縁用の相間紙１５が配置されている。なお、本発明は、相間紙１５を設けない場合にも適用可能である。

なお、セグメントコイル１４としては、特許文献１に記載されたように、一対の直線部１４ａが連結部（不図示）により連結されたものを用いることができる。セグメントコイル１４の表面は絶縁用のエナメルにより被覆されている。直線部１４ａの連結部とは反対側の先端部１４ｂはエナメルにより被覆されておらず、導線が露出している。複数のセグメントコイル１４の一部が互いに重ね合わされ、円環状に組み合わされた状態で、ステータコア１１の複数のスロット１２に挿入される。

図１に示す例では、ステータコア１１には、４８箇所のスロット１２が設けられている。各スロット１２には、１０本の直線部１４ａが挿入されている。図２に、図１に示すステータ１０の一部を上面から見た図を示す。図２に示すように、１０本の直線部１４ａは、径方向に整列するように配置されている。

詳細には、実施の形態に係るステータは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相誘導モータのステータである。図２において、Ｕ１がＵ相第１コイル、Ｕ２がＵ相第２コイル、Ｖ１がＶ相第１コイル、Ｖ２がＶ相第２コイル、Ｗ１がＷ相第１コイル、Ｗ２がＷ相第２コイルに対応する。

内周側から外周側に１０本のセグメントコイル１４が重ねられ、一方の直線部１４ａ群がＵ１で示す１つのスロット１２に挿入され、他方の直線部１４ａ群が当該スロット１２から反時計回りに６つ目のＵ１で示す他のスロット１２に挿入される。なお、図２においては示していないが、Ｕ相第２コイルＵ２、Ｖ相第１コイルＶ１、Ｖ相第２コイルＶ２、Ｗ相第１コイルＷ１、Ｗ相第２コイルＷ２についても同様である。

重ねて挿入される１０本のセグメントコイル１４が、Ｕ相第１コイルＵ１、Ｕ相第２コイルＵ２、Ｖ相第１コイルＶ１、Ｖ相第２コイルＶ２、Ｗ相第１コイルＷ１、Ｗ相第２コイルＷ２それぞれの一部を構成するセグメントコイル群となる。

また、Ｕ相第１コイルＵ１、Ｕ相第２コイルＵ２、Ｖ相第１コイルＶ１、Ｖ相第２コイルＶ２、Ｗ相第１コイルＷ１、Ｗ相第２コイルＷ２は、それぞれ４つのセグメントコイル群により構成される。ステータコア１１に設けられた４８箇所のスロット１２には、Ｕ相第１コイルＵ１、Ｕ相第２コイルＵ２、Ｖ相第１コイルＶ１、Ｖ相第２コイルＶ２、Ｗ相第１コイルＷ１、Ｗ相第２コイルＷ２の順番で、セグメントコイル群の一方の直線部１４ａ群がそれぞれ挿入される。

Ｕ相の分布巻コイルを形成するためには、Ｕ相第１コイルＵ１、Ｕ相第２コイルＵ２を構成するそれぞれ４つのセグメントコイル群を接続し、さらに、Ｕ相第１コイルＵ１とＵ相第２コイルＵ２とを接続する必要がある。同様に、Ｖ相の分布巻コイル、Ｖ相第１コイルＶ１、Ｖ相第２コイルＶ２を構成するそれぞれ４つのセグメントコイル群を接続し、さらに、Ｖ相第１コイルＵ１とＶ相第２コイルＵ２とを接続する必要がある。また、Ｗ相の分布巻コイルをそれぞれ形成するためには、Ｗ相第１コイルＷ１、Ｗ相第２コイルＷ２を構成するそれぞれ４つのセグメントコイル群を接続し、さらに、Ｗ相第１コイルＷ１とＷ相第２コイルＷ２とを接続する必要がある。

例えば、図１に矢印で示すように、Ｕ相第１コイルＵ１の内周側から奇数番目（１、３、５、７、９番目）に位置する直線部１４ａを時計回りに、内周側から偶数番目（２、４、６、８、１０番目）に位置する直線部１４ａを反時計回りに捻じり成形する。そして、内周側から２つずつのペアを近づけて溶接接合する。具体的には、例えば、図２において、左側のＵ相第１コイルＵ１の内周側から１０番目の先端部１４ｂと右側のＵ相第１コイルＵ１の内周側から９番目の先端部１４ｂとを溶接接合する。同様に、他のセグメントコイル１４についても接合することにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の分布巻コイルを形成することができる。

なお、各スロット１２に挿入される１０本のセグメントコイル１４は、それぞれ同一の形状ではなく、異なる形状であってもよい。図３は、図１に示す直線部１４ａが捻じり成形される前の状態の一部を周方向から見た図である。例えば、図３に示すように、外周側の直線部１４ａほどステータコア１１から突出している部分の長さが長く形成されている。このように、外周側の直線部１４ａほど突出している部分を長く形成することにより、直線部１４ａを捻り成形した後の隣り合う先端部１４ｂの高さを略同一とすることができる。

また、捻じり成形の加工性を向上させるために、セグメントコイル１４を、外周側の直線部１４ａほど外周側にシフトした形状としている。また、後の溶接工程において接合される先端部１４ｂのペア間の距離が短くなるように、外周側から内周側に向かって２つずつ、先端部１４ｂ同士の距離が狭くなっている。ただし、図面の簡略化のため、以下の図面においては、各セグメントコイル１４を同一の形状として図示している。次に、セグメントコイル１４の捻り工程について説明する。

（２）捻り工程
セグメントコイル１４の挿入工程を経た後の、セグメントコイル１４の捻り工程について、図４〜図８を参照して説明する。図４は、図１に示すステータのセグメントコイル１４に捻じり円環２０を装着した状態を径方向から見た図であり、図５は、周方向から見た図である。図５に示すように、捻じり円環２０は、同心円状に配置された直径の異なる１０個の円環２０１〜２１０を備えている。図５に示す例では、円環２０１が最内周に位置しており、円環２１０が最外周に位置している。１つのスロット１２内に挿入された１０本の直線部１４ａは、それぞれ異なる円環２０１〜２１０に係合される。

図４では、捻じり円環２０に先端部１４ｂが係合された状態を示している。図４に示すように、捻じり円環２０には、一円周上に配置されたセグメントコイル１４の直線部１４ａの本数に対応した円環溝２１が設けられている。実施の形態では、捻じり円環２０には、４８箇所の円環溝２１が形成されている。先端部１４ｂは、捻じり円環２０の円環溝２１にそれぞれ係合される。

内周側から奇数番目の円環２０１、２０３、２０５、２０７、２０９は時計回りに、内周側から偶数番目の円環２０２、２０４、２０６、２０８、２１０は反時計回りに回転する。これにより、スロット１２から突出している直線部１４ａを捻り成形することができる。

図６は、図１のセグメントコイルの直線部が捻り成形された後の状態を示す斜視図である。図６に示すように、捻り成形後は、内周側から奇数番目の直線部１４ａは時計回りに捻られ、偶数番目の直線部１４ａは反時計回りに捻られている。

図７は、図６に示すステータの一部を上面から見た図である。図８は捻り成形後のセグメントコイルの状態を径方向から見た図である。図７に示すように、捻じり成形後は後に接合されるペアの先端部１４ｂが径方向に隣接するように並んでいる。また、径方向に並ぶ先端部１４ｂ間には隙間が形成されている。

これは、セグメントコイル１４を回転させて捻り曲げるため、外周側に向かって直線部１４ａが倒れるためである。また、セグメントコイル１４の外周側には、当該セグメントコイル１４の位置を規制するバックアップがない。また、図３において説明したように、捻じり成形の加工性を向上させるために、セグメントコイル１４の外周側の直線部１４ａほど外周側へのシフト量が大きい。このため、外周側の直線部１４ａは、さらに外側に倒れやすい。

なお、内周側の直線部１４ａは、その外周側に他の直線部１４ａが存在しているため、外周側の直線部１４ａと比較すると外周側へ倒れにくい。このため、後の溶接工程で溶接されるペアの先端部１４ｂ同士が離れてしまう。このように、ペアの先端部１４ｂ同士が離れているため、溶接電極でクランプすることができず、溶接を行うことができないという問題がある。

このような、捻じり成形後に溶接工程の要求する先端部１４ｂの位置精度を確保できないという問題を解決するために、実施の形態では、溶接工程の前に、捻り成形後のセグメントコイルの位置の矯正工程を設けている。次に、矯正工程について説明する。

（３）矯正工程
捻り工程経た後の、セグメントコイル１４の先端部１４ｂの位置を矯正する矯正工程について、図９〜図１２を参照して説明する。図９〜図１２は、図６の捻り成形後のセグメントコイル１４の先端部１４ｂの位置を矯正する工程を説明する図である。図９に矢印で示すように、径方向に隣接する溶接される２つの先端部１４ｂ同士が接触するように、先端部１４ｂの位置が矯正される。

図１０に示すように、先端部１４ｂの位置の矯正には、矯正治具３０が用いられる。矯正治具３０には、先端部１４ｂに当接する型３１が設けられている。図１１に示すように、実施の形態では、まず、隣接するペアの先端部１４ｂのうち、内周側に配置された先端部１４ｂに内周側から型３１を当接させ、内周側に配置された先端部１４ｂを外周側に配置された先端部１４ｂの方向に塑性変形させる。

次に、型３１を移動させ、隣接するペアの先端部１４ｂのうち、外周側に配置された先端部１４ｂに外周側から型３１を当接させ、外周側に配置された先端部１４ｂを内周側に配置された先端部１４ｂの方向に塑性変形させる。これにより、ペアの先端部１４ｂ同士を接触させることができる。なお、矯正治具３０については、１つの治具で先端部１４ｂを内側から外側へ、また、外側から内側へ塑性変形させて矯正するようにしてもよいし、内側から外側へ塑性変形させるための治具と外側から内側へ塑性変形させるための治具をそれぞれ別に設けてそれぞれで矯正するようにしても良い。

図１２では、スロット１２に挿入される１０本の直線部１４ａを考える。図１２に示すように、１０本の直線部１４ａは、５つのペアに分けられる。最初に、これらの５つのペアの最外周に配置されるペアにおいて、内周側に位置する先端部１４ｂの位置が型３１により外周方向に矯正される（矢印１）。その後、最外周のペアよりの一つ内側のペアにおいて、内周側に位置する先端部１４ｂの位置が型３１により外周方向に矯正される（矢印２）。以降同様に、図１２に示す矢印３、４、５の順番で、最内周のペアまで内周側の先端部１４ｂの位置が矯正される。

次に、５つのペアの最内周に配置されるペアにおいて、外周側に位置する先端部１４ｂの位置が型３１により内周方向に矯正される（矢印６）。その後、最内周のペアよりの一つ外側のペアにおいて、外周側に位置する先端部１４ｂの位置が型３１により内周方向に矯正される（矢印７）。以降同様に、図１２に示す矢印８、９、１０の順番で、最外周のペアまで外周側の先端部１４ｂの位置が矯正される。これにより、後の溶接工程で要求される先端部１４ｂの位置精度を確保することができる。

また、図１２に示した順番で、先端部１４ｂの位置を矯正することで、型３１の挿入時に先端部１４ｂ間に隙間ができ、セグメントコイル１４と型３１との干渉を回避することが可能となる。

なお、型３１の移動量は、先端部１４ｂのスプリングバックを考慮して、先端部１４ｂが径方向に塑性変形して、ペアとなる先端部１４ｂ同士が接触するように決定されている。このように、ペアの先端部１４ｂ同士が接触した状態で、次の溶接工程が行われる。

（４）溶接工程
溶接工程では、ペアの先端部１４ｂ同士が接触した状態で、ＴＩＧ溶接が行われる。図示しない溶接電源から給電可能な一対の電極により、接触しているペアの先端部１４ｂを挟持して溶接が行われる。

図１３は、特許文献１に記載のステータの製造方法を説明する図である。図１３に示すように、特許文献１では、一対の電極４０により、間隙を介して円周方向に並ぶペアの先端部１４ｂを互いに近接する向きに挟持して、間隙が小さくなるように弾性変形させて、互いに接触しあった状態で溶接している。このように、先端部１４ｂが弾性変形した状態で溶接すると、残留応力により溶接部に負荷がかかる。また、先端部１４ｂが円周方向に並んでいるため、モータの大きさが大きくなる。

これに対し、実施の形態では、ペアの先端部１４ｂはそれぞれ塑性変形して接触した状態となっている。このように、ペアの先端部１４ｂが塑性変形して接触した状態で溶接を行うことにより、溶接部への残留応力による負荷を軽減することが可能となる。また、上述の通り、先端部１４ｂは径方向に隣接するように配置される。これにより、モータの小型化を実現できる。

以上説明したように、実施の形態では、異なるセグメントコイルの先端部同士を径方向に隣接するように配置し、それぞれ塑性変形させて、先端部同士が接触した状態で溶接する。このため、モータのサイズを小さくすることが可能となる。また、溶接部への負荷を軽減することが可能となる。

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。実施の形態では、先端部１４ｂをＴＩＧ溶接で接合しているが、他の溶接方法を採用することもできる。また、実施の形態では、同心巻きコイルを有するステータについて説明したが、波巻きコイルを有するコイルにも応用できる。

１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ スロット
１３ ティース
１４ セグメントコイル
１４ａ 直線部
１４ｂ 先端部
１５ 相間紙
２０ 捻じり円環
２１ 円環溝
２０１〜２１０ 円環
３０ 矯正治具
３１ 型
４０ 電極
Ｕ１ Ｕ相第１コイル
Ｕ２ Ｕ相第２コイル
Ｖ１ Ｖ相第１コイル
Ｖ２ Ｖ相第２コイル
Ｗ１ Ｗ相第１コイル
Ｗ２ Ｗ相第２コイル

Claims (1)

1. 環状のステータコアの周上に設けられた複数のスロットに、連結部により連結された一対の直線部を備える複数のセグメントコイルを挿入し、
   第１周に位置する第１セグメントコイルを一方向に、前記第１周の径方向の外側に隣接する第２周に位置する第２セグメントコイルを前記一方向と反対方向に捻じり、前記第１セグメントコイルの第１先端部と前記第２セグメントコイルの第２先端部とが径方向に隣接するように並ぶ第１ペアを形成し、
   前記第１周の径方向の内側において、第３周に位置する第３セグメントコイルを前記一方向に、前記第３周の径方向の外側に隣接する第４周に位置する第４セグメントコイルを前記一方向と反対方向に捻じり、前記第３セグメントコイルの第３先端部と前記第４セグメントコイルの第４先端部とが径方向に隣接するように並ぶ、前記第１ペアの径方向の内側に位置する第２ペアを形成し、
   前記第１先端部に径方向内側から治具を当接させ、前記第２先端部の方向に変形させた後に、前記第３先端部に径方向内側から治具を当接させ、前記第４先端部の方向に変形させ、
   その後、前記第４先端部に径方向外側から前記治具を当接させ、前記第３先端部の方向に変形させた後に、前記第２先端部に径方向外側から前記治具を当接させ、前記第１先端部の方向に変形させ、
   前記第１先端部と前記第２先端部、及び前記第３先端部と前記第４先端部を互いに接触させ、
   前記第１先端部と前記第２先端部、及び前記第３先端部と前記第４先端部がそれぞれ接触した状態で溶接する、
   ステータの製造方法。

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