JP2009194999A - ステータコイルの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】たとえばクランク型コイルエンドをもつステータコイルを周方向に展開した形状に形成した後、ステータコアのスロットに収容するステータ製造方法を簡素化するための製造方法を提供すること。
【解決手段】スロットに収容されるコイル導体部分であるスロット収容導体部103の先端面105を密着させた状態で圧接などにより接合し、絶縁被覆して周方向展開コイルを作製する。これにより、コイルエンドの軸方向突出長が短い複雑な形状のコイルエンドをもつ周方向展開コイルを容易に製造することができる。
【選択図】図5

Description

本発明は、ステータコイルの製造方法に関し、好適には絶縁被覆平角線を階段状に折り曲げてなるコイルエンドを有するステータコイルの製造方法に関する。
ステータコイルを構成する導体線を大断面積の平角線により構成することは、回転電機のスロット占積率向上のために好適である。この種の平角線を用いて予めコイルエンドを成形したステータコイルをオープンスロット型や分割コア型のステータコアに収容した構造の回転電機が、たとえば特許文献1に記載されている。また、コイルエンドの軸方向突出長を短縮することは、回転電機の小型化の点で有益である。特に、径が大きく軸方向突出長が小さい回転電機において、このコイルエンドの軸方向突出長短縮効果は大きい。
特許3604326号
しかしながら、コイルエンドの軸方向突出長が短くかつ曲げにくい平角線成形コイルをステータコイルとして採用することはスロット占積率向上の点で有益であるが、各相コイルのコイルエンド導体部が複雑に絡み合う多相ステータコイルを平角線により製造し、しかもそのコイルエンド突出長を短縮することは、実際の製造においては非常に困難な曲げ作業や編み込み作業を必要とした。特に、分布巻き構造の多相ステータコイルにおいては、コイルエンド部はステータコアの径方向及び周方向において隣接する他のコイルエンド部と高密度に配置される必要があるため、各コイルエンド導体部間の空間的干渉が問題となった。特に、上記した問題は、各コイルエンド導体部を階段状に形成してきわめて高密度に組み合わせてコイルエンドの軸方向突出長を短縮するコイルエンド構造(以下、階段状コイルエンドと称する)において一層困難となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、平角線を用いた多相ステータコイルの製造工程の簡素化をその発明の目的としている。
本発明は、平角線を絶縁被覆してなる絶縁被覆導体線のコイルエンド予定部分を曲げることにより、直線状のスロット収容導体部とコイルエンド導体部とを交互に形成してなる相コイルを必要相数分だけ組み合わせて構成された多相ステータコイルを周方向に展開した形状をもつ分布巻き構造の多相の周方向展開コイルを作製し、この周方向展開コイルをステータコアのスロットに順次挿入してステータコイルを製造するステータコイル(以下、このステータコイルを、単に周方向展開型ステータコイルとも称する)の製造方法に適用される。
本発明では特に、前記スロット収容導体部の一部と一端側の前記コイルエンド導体部とからなり、前記周方向展開コイルの一部をなす第1コイルと、前記スロット収容導体部の残部と他端側の前記コイルエンド導体部とからなり、前記周方向展開コイルの残部をなす第2コイルとを予め作製した後、前記第1コイルの前記スロット収容導体部の先端と、前記第2コイルの前記スロット収容導体部の先端とを突き合わせて接合することにより前記周方向展開コイルを作製することをその特徴としている。
すなわち、この発明では、周方向展開コイルをスロット収容導体部にて分割することにより、それぞれコイルエンド導体部をもつ周方向展開コイルである第1、第2コイルを作製し、これら第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接合して周方向展開コイルを完成させるため、多相ステータコイルを完成させるために各相コイルの導体をコイルエンドで複雑に編み込む工程を簡略化でき、性能工程を簡素化できる効果を奏することができる。そのうえ、上記接合は、周方向展開形状すなわち略平面形状の第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接合すればよいため、接合作業や先端同士の位置合わせ作業が容易となるという効果も奏することができる。本発明により、分布巻き構造の周方向展開コイルを簡素な工程により実現することが可能となる。
好適な態様において、前記接合は、互いに平行に隣接する複数のスロット収容導体部に対して同時に実施される。このようにすれば、生産性すなわち作業能率を格段に向上することができる。なお、この発明では、各スロット収容導体部は、周方向展開状態において互いに平行に配列されているため、この同時接合作業のための機器の配置及び作動は非常に容易となる。
好適な態様において、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接触させ、長手方向と直角方向への変位を抑止しつつそれぞれ保持しつつ前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を圧接することにより、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を圧接する。すなわち、この態様では、各先端を所定圧力以上で互いに押しつけてそれらの先端面を圧接するため、簡素な工程で接合を実現することができる。また、この態様では、高温加熱工程を必要としないため、絶縁被膜にダメージを与えることがない。なお、水洗浄、ジェット空気流の吹きつけ、アルカリ洗浄や酸洗浄により先端面を接合前に清浄化することができる。
好適な態様において、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接触させ、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端に超音波エネルギーを与えて接合することにより、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を圧接する。このようにすれば、優れた生産性にて、各スロット収容導体部の先端を接合することができる。好適には、超音波エネルギーは、第1、第2コイルのスロット収容導体部の一方を固定し、他方にスロット収容導体部の長手方向に対して略直角に与えられる。このようにすれば、生産性を向上することができる。
好適な態様において、前記第1コイルのスロット収容導体部の先端に溝を設け、前記第2コイルのスロット収容導体部の先端を細幅に形成し、前記第2コイルのスロット収容導体部の先端を前記第1コイルのスロット収容導体部の先端に圧入することにより、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を圧接する。このようにすれば、簡素な工程により圧接(接合)を実現することができる。
好適な態様において、細幅に形成された前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端部をかしめることにより、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接合する。このようにすれば、簡素な工程により圧接(接合)を実現することができる。
好適な態様において、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接合した後、前記接合した部分を絶縁被覆する。これにより、接合部での絶縁不良を防止することができる。
好適な態様において、ステータコアの同一スロット内にて径方向に又は周方向に隣接する2つの前記スロット収容導体部の接合部分は、軸方向にずれている。これにより、接合によるスロット収容導体部の長手方向と直角方向への膨らみやその絶縁被覆によるスロット収容導体部の膨らみが径方向又は周方向に重なることにより、スロットへのスロット収容導体部の挿入作業が困難化するのを防止することができる。
好適な態様において、前記コイルエンド導体部は、前記スロット収容導体部の略長手方向へ突出する部分と、展開方向へ延在する部分とを交互に有して階段状に折り曲げられている。これにより、軸方向突出長が短いコイルエンドをもつ分布巻き構造の平角線多相ステータコイルを平易な作業により実現することができる。
本発明を各導体のコイルエンド導体部が階段状に形成された実施形態を以下に説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきではなく、その他の公知技術の組み合わせにより本発明の技術思想を実現してもよいことはもちろんである。
(ステータの説明)
まず、各導体のコイルエンド導体部が階段状に形成されたこの実施形態のステータコイル(以下、クランク型ステータコイルと称する)について図1〜図4を参照して説明する。図1は、クランク型ステータコイルの一本の導体をなす絶縁被覆平角線30を示す部分斜視図であり、図2は、階段状のコイルエンド部42の集合体であるクランク型コイルエンドを示す部分斜視図である。
11はステータ、12はステータコア、13はステータコア12の端面、20はステータコイルである。ステータ11は車両駆動用発電電動機に使用されるものであり、ステータ11の径方向内側には図略のロータが回転自在に収容される。このロータの外周部には、極性が周方向交互に異なる多数の磁極が永久磁石によって形成されている。ロータの外周面は、ステータ11の内周面に対して微小なエアギャップを介して対面している。ステータコア12は、所定厚さの電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。ステータコイル20は3相巻線であり、スロット14には一つの相の波巻巻線が巻装され、スロット15にもこれと同じ一つの相の波巻巻線が巻装されている。つまり、互いに隣接する2つのスロット14、15に同相のステータコイル20が巻装されいわゆる毎極毎相2スロット構成となっている。
ステータコイル20の一つの相コイル(波巻き巻線)は、絶縁被覆平角線30を屈曲加工した後、ステータコア12のオープンスロット構造スロット14又は15に収容して形成されている。オープンスロット構造の代わりに分割ステータコア構造を採用してもよいことはもちろんである。
絶縁被覆平角線30は、略方形断面の銅線にポリアミドイミド等のエナメル層を被覆を行い、更にその外側にPPS等の押出し被覆樹脂層を被覆して形成されている。絶縁皮膜の合計厚さは100μm〜170μmに設定されている。ただし、絶縁被覆平角線30の絶縁被覆構造は公知の他の方式を採用しても良い。この実施形態では、複数の絶縁被覆平角線30はスロット内にスロット深さ方向に一列に配列されているが、これに限定されることなく、スロット内に行列状に配置してもよい。また、スロット内面には通常は、絶縁紙を設けるのが通常であるが、この実施形態では、2層絶縁層を形成しているため、絶縁紙を省略している。ステータコイル20について更に説明する。ステータコイル20をなす絶縁被覆平角線30は、ステータコア12のスロット14、15内にそれぞれ収容されるスロット収容部40と、軸方向及び周方向へ延在しつつ周方向略1磁極ピッチ離れた2つのスロット収容部40の端部同士をステータコア12の軸方向両端にて接続するコイルエンド部42とを有している。
(コイルエンド部42の形状説明)
絶縁被覆平角線30のコイルエンド部42、すなわち本発明で言うコイルエンド導体部を、その周方向模式展開図である図3を参照して更に詳しく説明する。
コイルエンド部(階段状コイルエンド部とも言う)42の周方向中央部には、軸方向最外側に位置して周方向へ延在する周方向線部である頭頂部1が設けられ、コイルエンド部42は、頭頂部(周方向線部)1から両側のスロット収容部40に向けて階段状に屈曲されている。頭頂部(周方向線部)1の中央部には、径方向(厚さ方向)に絶縁被覆平角線30の略厚さ分だけ段差(厚さ方向段差とも言う)3Aが設けられている。この厚さ方向段差3Aは、コイルエンド部42の周方向一半部と他半部とを径方向に1導体線分ずらせることにより、他のコイルエンド部との重なりを可能とするための段差である。2〜4は、周方向に延在する周方向線部、6〜8は軸方向に延在する軸方向線部である。 C1〜C6は、隣り合う一つの周方向線部と一つの軸方向線部との境界部をなす角部である。C7は周方向線部4とスロット収容部40との境界部をなす角部である。コイルエンド部42は、軸方向最外側の頭頂部1から左右のスロット収容部40に向けて階段状に形成されている。なお、図3では、角部C1〜C7は直角に図示されているが、実際には隣接する他のコイルエンド部42との高密度実装が可能な範囲で所定の曲率半径で屈曲乃至湾曲されていればよい。各コイルエンド部42を組み合わせて、ステータコイルのクランク型コイルエンドが図4に示すように形成される。
(第1製造方法)
圧接法を用いた第1製造方法を図5、図6を参照して説明する。図5は、圧接工程を説明する模式部分斜視図、図6は挟持付勢部材によりコイルエンド導体部を挟持した状態を示す模式部分断面図である。
(半コイル導体の製造工程)
まず、それぞれ分布巻状に周方向へ展開されたコイル導体のそれぞれ半ターン分(半コイル導体とも言う)をなす第1コイル101及び第2コイル102を多数製造する。第1コイル101及び第2コイル102は同一形状に形成され、それぞれ平角線を絶縁被覆してなる絶縁被覆導体線のコイルエンド予定部分を曲げることにより、略半分の長さの直線状のスロット収容導体部103、103と、階段状に曲げられたコイルエンド導体部104とにより構成されている。2本のスロット収容導体部103は、コイルエンド導体部104の両端から電気角π離れて平行に延在している。階段状のコイルエンドの製造自体はこの発明の要旨ではなく、この実施形態のコイルエンド導体部104は、階段状であることが必須ではないため、コイルエンド導体部104の曲げ工程の説明は省略する。
(挟持工程)
次に、第1コイル101のスロット収容導体部103の先端面105と、第2コイル102のスロット収容導体部103の先端面105とをその全面にわたって密着させる。この実施形態では、この密着は、図6に示す挟持付勢部材201、202を用いて行う。挟持付勢部材201は、垂直方向かつスロット収容導体部103の長手方向に延在する縦端面203と、水平方向かつスロット収容導体部103の長手方向に延在する横平面204とをもち、縦端面203と横平面204とは、直角に接している。挟持付勢部材202は、垂直方向かつスロット収容導体部103の長手方向に延在する縦端面205をもち、挟持付勢部材201の横平面204上を左右方向(周方向展開方向)に進退可能に配置されている。挟持付勢部材202は、図略のアクチエータにより左右方向に進退される。
なお、図5に示す第1コイル101のスロット収容導体部103を挟持するための挟持付勢部材201、202からなる第1のクランプペアと、図5に示す第2コイル102のスロット収容導体部103を挟持するための挟持付勢部材201、202からなる第2のクランプペアとが設けられている。これら2つのクランプペアの縦端面203は同一平面を構成し、これら2つのクランプペアの横平面204も同一平面を構成している。
次に、第1のクランプペアの挟持付勢部材201の横平面204上に第1コイル101のスロット収容導体部103を置き、第2のクランプペアの挟持付勢部材201の横平面204上に第2コイル102のスロット収容導体部103を置く。次に、第1クランプペアの挟持付勢部材202を左方に付勢することにより第1クランプペアの挟持付勢部材201、202により第1コイル101のスロット収容導体部103を所定圧力で挟持し、第2クランプペアの挟持付勢部材202を左方に付勢することにより第2クランプペアの挟持付勢部材201、202により第2コイル102のスロット収容導体部103を所定圧力で挟持する。すなわち、図6では、横クランプ方式を採用している。
(圧接工程)
次に、図略のアクチエータにより、第2クランプペアを第1クランプペアに向けてスロット収容導体部103の長手方向へ所定の押圧力で押圧する。この押圧力は、第1コイル101のスロット収容導体部103の先端面105と、第2コイル102のスロット収容導体部103の先端面105とが圧接されるに十分な大きさとされ、上記した挟持付勢部材201、202の挟持力は、この圧接時に挟持付勢部材201、202とスロット収容導体部103との間で滑りが生じない大きさとされる。これにより、互いに密着する先端面105、105は圧接される。
(樹脂被覆工程)
次に、スロット収容導体部103、103の先端面105近傍に樹脂液が塗布され、固化されて先端面105の周囲が電気絶縁される。
(変形態様)
挟持付勢部材201、202の異なる形状を図7、図8を参照して説明する。第1コイル101のスロット収容導体部103を挟持するための第1のクランプペア301と、第2コイル102のスロット収容導体部103を挟持するための第2のクランプペア302を用いる点、それぞれスロット収容導体部103を挟持するクランプペア301、302を圧接方向に付勢する点は、上記実施形態と同じである。
ただし、この態様では、下側の挟持付勢部材201は、図8に示すようにスロット収容導体部103の下部が収容される浅溝206をもち、上側の挟持付勢部材202は、スロット収容導体部103を上側から下方へ押しつける平坦な底面207を有している。すなわち、図6、図7では、縦クランプ方式を採用している。このようにしても、圧接を行うことができる。
(変形態様)
上記説明では、2本のスロット収容導体部103、103を圧接して1本のスロット収容導体部103とする状態を説明したが、周方向へ展開された複数ペアのスロット収容導体部103、103を同時に圧接することができること、及び、この一斉圧接において、一部の挟持付勢部材を共通化できることは当業者であれば容易に理解できることであり、説明を省略する。4ペアのスロット収容導体部103、103を縦クランプ方式で同時に圧接する態様を図9に模式図示する。
(第2製造方法)
超音波接合法を用いた第2製造方法を図10を参照して説明する。第1のクランプペア301を構成する挟持付勢部材201、202は、第1コイル101のスロット収容導体部103を挟持し、第2のクランプペア302を構成する挟持付勢部材201、202は、第2コイル102のスロット収容導体部103を挟持する点、並びに、互いに対面する2つのスロット収容導体部103の先端面105を当接させる点は、既述した第2製造方法と同じである。
この製造方法では、第1のクランプペア301により第1コイル101のスロット収容導体部103を固定した状態にて、第2コイル102のスロット収容導体部103を挟持して第2のクランプペア302を構成する挟持付勢部材201、202を超音波振動子により上下方向を振動させる。このようにすると、互いに位置合わせされて当接する2本のスロット収容導体部103の先端面105、105が摩擦熱により加熱されて高温となり、密着する。超音波エネルギーを与える時間は非常に短いため、その熱が先端面105から離れた位置のスロット収容導体部被覆樹脂を熱劣化させることはない。なお、この超音波エネルギーの付与は、2本のスロット収容導体部103の先端面を互いに押しつけつつ行うことが好適である。また、超音波振動を横方向すなわち周方向展開方向に与えても良い。
(第3製造方法)
圧接法の変形態様である第3製造方法を図11を参照して説明する。この製造方法は、既述した圧接法を採用するに際して、一方のスロット収容導体部103の先端部にV溝を設け、他方のスロット収容導体部103の先端部を先細形状とした点にその特徴がある。他方のスロット収容導体部103の先細先端部111は平坦斜面112、113を有しており、一方のスロット収容導体部103のV溝114は、平坦斜面112、113が形成する鋭角θ度よりも僅かに小さい角度を有している。第2のクランプペア302を構成する挟持付勢部材201、202を第1のクランプペア301を構成する。挟持付勢部材201、202に向けてスロット収容導体部103の長手方向に押しつけると、平坦斜面112、113とV溝114の表面との間に塑性変形が生じ、両者は少ない押圧力で圧接されることができる。
(第4製造方法)
圧接法の変形態様である第4製造方法を図12を参照して説明する。この製造方法は、既述した圧接法を採用するに際して、一方のスロット収容導体部103の先端部に斜面121を設け、他方のスロット収容導体部103の先端部に斜面122を設けた点にその特徴がある。ただし、この製造方法では、装置の簡素化のために、第1コイル101のスロット収容導体部103と第2コイル102のスロット収容導体部103とは共通の挟持付勢部材401、402により挟持、位置合わせされる。
斜面121、122を当接させた状態にて、挟持付勢部材201を固定し、挟持付勢部材202を下方に押圧することにより、互いに当接する斜面121、122は圧接又はかしめられる。
(変形態様)
なお、上記実施形態では、スロット収容導体部103の長手方向中央部にて接合を行ったが、同一スロットの径方向又は周方向に隣接する2つのスロット収容導体部103の接合部分を、軸方向にずらすことが好適である。これにより、接合によるスロット収容導体部の長手方向と直角方向への膨らみやその絶縁被覆によるスロット収容導体部の膨らみが径方向又は周方向に重なることにより、スロットへのスロット収容導体部の挿入作業が困難化するのを防止することができる。
階段状のコイルエンド導体部を有する1本のコイル導体を示す模式部分斜視図である。 図1に示すコイル導体を組み合わせてステータコアに挿入してなるステータコイルのクランク型コイルエンドを模式部分斜視図である。 一本のコイルエンド導体部の周方向模式展開図である。 図3nコイルエンド導体部104を組み合わせたクランク型コイルエンドの周方向展開状態を示す部分周方向展開平面図である。 圧接法の原理を示す模式斜視図である。 図5に示す圧接法で用いる挟持付勢部材によるスロット収容導体部を挟持状態を示す縦断面図である。 縦方向に挟持する変形態様を示す模式部分縦断面図である。 図7で用いる挟持付勢部材によるスロット収容導体部を挟持状態を示す縦断面図である。 同時に複数本のスロット収容導体部を圧接する状態を示す模式平面図である。 超音波接合法を説明する模式部分側面図である。 圧接法の変形態様を説明する模式部分側面図である。 圧接法の変形態様を説明する模式部分側面図である。
符号の説明
11 ステータ
12 ステータコア
14 スロット
15 スロット
20 ステータコイル
30 絶縁被覆平角線
40 スロット収容部
42 コイルエンド部
42 各コイルエンド部
101、102 コイル
103 スロット収容導体部
104 コイルエンド導体部
105 先端面
111 先細先端部
112、113 平坦斜面
114 V溝
121 斜面
122 斜面
201 挟持付勢部材
202 挟持付勢部材
203 縦端面
204 横平面
205 縦端面
206 浅溝
207 底面
301、302 クランプペア
401、402 挟持付勢部材

Claims (9)

  1. 平角線を絶縁被覆してなる絶縁被覆導体線をのコイルエンド予定部分を曲げることにより、直線状のスロット収容導体部とコイルエンド導体部とを交互に形成してなる相コイルを必要相数分だけ組み合わせて構成された多相ステータコイルを周方向に展開した形状をもつ分布巻き構造の多相の周方向展開コイルを作製し、この周方向展開コイルをステータコアのスロットに順次挿入してステータコイルを製造するステータコイル製造方法において、
    前記スロット収容導体部の一部と一端側の前記コイルエンド導体部とからなり、前記周方向展開コイルの一部をなす第1コイルと、前記スロット収容導体部の残部と他端側の前記コイルエンド導体部とからなり、前記周方向展開コイルの残部をなす第2コイルとを予め作製した後、前記第1コイルの前記スロット収容導体部の先端と、前記第2コイルの前記スロット収容導体部の先端とを突き合わせて接合することにより前記周方向展開コイルを作製することを特徴とするステータコイル製造方法。
  2. 前記接合は、互いに平行に隣接する複数のスロット収容導体部に対して同時に実施される請求項1記載のステータコイルの製造方法。
  3. 前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接触させ、長手方向と直角方向への変位を抑止しつつそれぞれ保持しつつ前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を圧接することにより、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を圧接する請求項1記載のステータコイルの製造方法。
  4. 前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接触させ、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端に超音波エネルギーを与えて接合することにより、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接合する請求項1記載のステータコイルの製造方法。
  5. 前記第1コイルのスロット収容導体部の先端に溝を設け、前記第2コイルのスロット収容導体部の先端を細幅に形成し、前記第2コイルのスロット収容導体部の先端を前記第1コイルのスロット収容導体部の先端に圧入することにより、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接合する請求項1記載のステータコイルの製造方法。
  6. 細幅に形成された前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端部をかしめることにより、前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接合する請求項1記載のステータコイルの製造方法。
  7. 前記第1、第2コイルのスロット収容導体部の先端を接合した後、前記接合した部分を絶縁被覆する請求項1記載のステータコイルの製造方法。
  8. ステータコアの同一スロット内にて径方向に又は周方向に隣接する2つの前記スロット収容導体部の接合部分は、軸方向にずれている請求項1記載のステータコイルの製造方法。
  9. 前記コイルエンド導体部は、前記スロット収容導体部の略長手方向へ突出する部分と、展開方向へ延在する部分とを交互に有して階段状に折り曲げられているステータコイルの製造方法。
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