JP2022191091A - 電機子 - Google Patents

Abstract

【課題】第１導体及び第２導体の端部同士の溶接作業を容易に行うことができる電機子を提供する。【解決手段】ステータは、中心線の延びる方向に貫通する複数のスリットが設けられた鉄心と、スリットに挿入されるようにして鉄心に組み付けられた状態で互いの端部同士が溶接される第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂと、を備える。第１導体３０Ａの第１端部４０には第１嵌合部４２が形成され、第２導体３０Ｂの第２端部４１には第１嵌合部４２と嵌合可能な第２嵌合部４４が形成されている。【選択図】図１１

Description

本発明は、鉄心と当該鉄心に組み付けられた導体とを有する電機子に関する。

従来、この種の電機子として、例えば特許文献１に示す回転電機のステータが知られている。こうしたステータ（電機子）は、円筒形状のステータコア（鉄心）と、ステータコアに装着されたコイルとを有している。ステータコアには、複数のスロット（スリット）が形成されている。スロット内には、コイルを構成する複数のセグメント導体（第１導体及び第２導体）が組み付けられる。コイルは、スロット内に組み付けられた状態の互いに異なるセグメント導体の端部同士を溶接することによって形成される。

国際公開第２０１５／１４７１０５号

ところで、上述のようなステータでは、互いに異なるセグメント導体の端部同士を溶接する際に、当該端部同士の接触状態を維持するべく楔を用いている。このため、互いに異なるセグメント導体の端部同士の溶接作業が繁雑になってしまう。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する電機子は、中心線の延びる方向に貫通する複数のスリットが設けられた鉄心と、前記スリットに挿入されるようにして前記鉄心に組み付けられた状態で互いの端部同士が溶接される第１導体及び第２導体と、を備えた電機子であって、前記第１導体の端部には第１嵌合部が形成され、前記第２導体の端部には前記第１嵌合部と嵌合可能な第２嵌合部が形成されていることを要旨とする。

この構成によれば、第１嵌合部と第２嵌合部とを嵌合させることで、第１導体及び第２導体の端部同士が接触した状態を維持できる。したがって、第１導体及び第２導体の端部同士の溶接作業を容易に行うことができる。

一実施形態のステータの斜視図。 図１の断面図。 図２の要部拡大図。 導体を示す斜視図。 導体を鉄心のスリットに組み付けるときの状態を示す斜視図。 （ａ）は第１導体の第１端部の側面図、（ｂ）は（ａ）の正面図。 （ａ）は第２導体の第２端部の平面図、（ｂ）は（ａ）の正面図。 第１導体の第１端部の第１嵌合部と第２導体の第２端部の第２嵌合部とを係合させるときの状態を示す正面図。 図８の側面図。 第１導体の第１端部の第１嵌合部と第２導体の第２端部の第２嵌合部とを係合させたときの状態を示す正面図。 図１０をＡ方向から見たときの拡大図。

以下、電機子の一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態における電機子の一例としてのステータ２０は、三相電動機の固定子であって略円筒状をなしている。ステータ２０は、鉄心２１と、コイル２２とを備えている。鉄心２１は、円環状の金属板が複数枚（例えば、数百枚）積層された積層構造をなしている。

鉄心２１には、その中心線Ｌが延びる方向に貫通するスリット２３が複数（本実施形態では４８本）設けられている。各スリット２３は、鉄心２１の内周面において開口するとともに鉄心２１の径方向に延びている。つまり、各スリット２３は、鉄心２１の中心線Ｌが延びる方向の両側と鉄心２１の中心側とが開口している。

各スリット２３は、鉄心２１の中心線Ｌが延びる方向から見て鉄心２１の径方向に延びる矩形状をなしており、鉄心２１の周方向において等間隔で並ぶように配置されている。コイル２２は、鉄心２１の複数のスリット２３に挿入されるようにして鉄心２１に巻回された状態で組み付けられている。鉄心２１には、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、及びＷ相コイルに対応する三本のコイル２２が設けられている。

図２及び図３に示すように、各コイル２２は、断面視で矩形状をなしており、金属（本実施形態ではアルミニウム）によって形成されている。各コイル２２の表面には、図示しない絶縁性の被覆層が設けられている。この被覆層により、スリット２３内で鉄心２１の径方向において隣接するコイル２２同士の間と、各コイル２２と鉄心２１（スリット２３の内面）との間とが絶縁されている。

次に、上述のように構成されたステータ２０の製造方法を説明する。
図２及び図４に示すように、ステータ２０を製造する場合には、まず、複数のスリット２３が設けられた鉄心２１を用意するとともに、コイル２２を構成する複数の導体３０を形成する。導体３０は、金属製（本実施形態ではアルミニウム製）であり、断面視で矩形状をなしている。

導体３０は、平行に延びる２本の直線部３１と、これらの直線部３１の一端部同士を繋ぐように湾曲して延びる湾曲部３２とを有した略Ｕ字状をなしている。各導体３０における両端部以外の表面には、上記した図示しない絶縁性の被覆層が設けられている。すなわち、各導体３０の両端部には、上記した図示しない絶縁性の被覆層が設けられていない。

引き続き、図５に示すように、複数の導体３０を順次にスリット２３に挿入するようにして鉄心２１に組み付ける。すなわち、導体３０の直線部３１を鉄心２１における対応するスリット２３にそれぞれ差し込む。この場合、各導体３０の一対の直線部３１を２つのスリット２３に跨がるようにして挿入する。このようにして全ての導体３０を鉄心２１に組み付ける。なお、図５は、導体３０を鉄心２１に２つ差し込んだ状態を示している。

引き続き、スリット２３における鉄心２１の内周面側の開口から直方体状の鉄製のプレス部材（図示略）をスリット２３内に挿入し、スリット２３内における全ての導体３０を当該プレス部材によって一度に加圧（プレス）する。すると、図３に示すように、鉄製のプレス部材（図示略）よりも軟らかいアルミニウム製の導体３０がスリット２３の内面に合わせて潰れるように塑性変形される。

この各導体３０の塑性変形により、各導体３０とスリット２３の内面との隙間が埋められる。このため、鉄心２１のスリット２３内での各導体３０（コイル２２）の占積率が効果的に向上される。

その後、複数の導体３０によって一本のコイル２２が形成されるように、複数の導体３０の端部同士をそれぞれ互いに近づくように曲げてからレーザー溶接によって接合する。これにより、鉄心２１にコイル２２が組み付けられる。すなわち、鉄心２１にコイル２２が組み付けられたステータ２０が製造される。

次に、上述したステータ２０の製造方法において接合される複数の導体３０の端部の構成について詳述する。ここでは、図５に示した鉄心２１のスリット２３内で互いに隣接する２つの導体３０の端部の構成について説明する。そして、これら２つの導体３０は、一方を第１導体３０Ａとするとともに他方を第２導体３０Ｂとして説明する。

図５に示すように、導体３０の両端部のうちの一方は第１端部４０とされるとともに他方は第２端部４１とされている。すなわち、第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂのそれぞれの両端部のうちの一方は第１端部４０とされるとともに他方は第２端部４１とされている。第１導体３０Ａと第２導体３０Ｂとの端部同士が接合される場合、本実施形態では第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とが接合される。

図５、図６（ａ）、及び図６（ｂ）に示すように、第１導体３０Ａの第１端部４０における鉄心２１の内周側の面には、凹凸形状をなす第１嵌合部４２が形成されている。すなわち、第１嵌合部４２は、直線部３１の幅方向Ｘから見てぎざぎざになっている。つまり、第１嵌合部４２は、直線部３１の幅方向Ｘに延びるとともに直線部３１の長手方向Ｙに並ぶ複数の第１段差面４３を有している。各第１段差面４３は、直線部３１の長手方向Ｙに延びる直線と直交している。

図５、図７（ａ）、及び図７（ｂ）に示すように、第２導体３０Ｂの第２端部４１における鉄心２１の外周側の面には、第１嵌合部４２と嵌合可能な凹凸形状をなす第２嵌合部４４が形成されている。すなわち、第２嵌合部４４は、直線部３１の長手方向Ｙから見てぎざぎざになっている。つまり、第２嵌合部４４は、直線部３１の長手方向Ｙに延びるとともに直線部３１の幅方向Ｘに並ぶ複数の第２段差面４５を有している。各第２段差面４５は、直線部３１の幅方向Ｘに延びる直線と直交している。

図８及び図９に示すように、第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４は、嵌合する際に、溶接される第１導体３０Ａの第１端部４０及び第２導体３０Ｂの第２端部４１が互いに近づく方向（図８及び図９の矢印で示す方向）へ相対移動可能となる一方で、溶接される第１導体３０Ａの第１端部４０及び第２導体３０Ｂの第２端部４１が互いに離れる方向（図８及び図９の矢印で示す方向と反対の方向）へ相対移動不能となるラチェット構造を構成している。

次に、第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂがスリット２３に挿入されるようにして鉄心２１に組み付けられた状態で第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とをレーザー溶接によって接合するときの作用について説明する。

図８及び図９に示すように、第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とをレーザー溶接によって接合する場合には、まず、次のようにする。すなわち、第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とが互いに近づくように、第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂのそれぞれの直線部３１を曲げる。

このとき、第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂのそれぞれの直線部３１を、第１導体３０Ａの第１端部４０の第１嵌合部４２と第２導体３０Ｂの第２端部４１の第２嵌合部４４とが係合するように、曲げる。すると、第１嵌合部４２と第２嵌合部４４とが徐々に噛み合いながら嵌合する。このとき、第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４は、互いに近づく方向（図８及び図９の矢印で示す方向）へ相対移動可能となる一方で、互いに離れる方向（図８及び図９の矢印で示す方向と反対の方向）へ相対移動不能となるラチェット構造を形成している。

このため、第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂのそれぞれの直線部３１のスプリングバックによって第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４が互いに離れる方向（図８及び図９の矢印で示す方向と反対の方向）へ相対移動することが規制される。したがって、第１嵌合部４２と第２嵌合部４４とが円滑に噛み合いながら凹凸嵌合する。このとき、第１嵌合部４２の複数の第１段差面４３と第２嵌合部４４の複数の第２段差面４５とは、それぞれ接触する。

そして、図１０及び図１１に示すように、第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４が完全に噛み合って凹凸嵌合した状態では、この状態が維持されるとともに第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂのそれぞれの直線部３１同士のなす角度Ｂが直角になる。このとき、第１嵌合部４２と第２嵌合部４４との凹凸嵌合により、第１嵌合部４２と第２嵌合部４４との間にレーザーが通過可能な直線状の隙間ができないようにされつつ第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４の位置決めがなされる。

その後、図１０のＣ方向からレーザーを第１嵌合部４２と第２嵌合部４４との凹凸嵌合部分に照射することで、第１嵌合部４２と第２嵌合部４４とが精度よくレーザー溶接される。すなわち、第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とがレーザー溶接によって接合される。このとき、第１嵌合部４２と第２嵌合部４４との間には、レーザーが通過可能な隙間が存在しないので、レーザーが第１嵌合部４２と第２嵌合部４４との間を抜けて意図しない位置に照射されることはない。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）ステータ２０は、中心線Ｌの延びる方向に貫通する複数のスリット２３が設けられた鉄心２１と、スリット２３に挿入されるようにして鉄心２１に組み付けられた状態で互いの端部同士が溶接される第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂとを備える。第１導体３０Ａの第１端部４０には第１嵌合部４２が形成され、第２導体３０Ｂの第２端部４１には第１嵌合部４２と嵌合可能な第２嵌合部４４が形成されている。

この構成によれば、第１嵌合部４２と第２嵌合部４４とを嵌合させることで、第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とが接触した状態を維持できる。したがって、第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１との溶接作業を容易に行うことができる。

（２）ステータ２０において、第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４は、共に凹凸形状をなしており、嵌合する際に、溶接される第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とが互いに近づく方向へ相対移動可能となる一方で、溶接される第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とが互いに離れる方向へ相対移動不能となるラチェット構造を構成している。

この構成によれば、第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とを互いに近づくように曲げて第１嵌合部４２と第２嵌合部４４とを嵌合させる。この際に、スプリングバックによって第１嵌合部４２と第２嵌合部４４との嵌合状態が解除されて第１導体３０Ａの第１端部４０と第２導体３０Ｂの第２端部４１とが離れることを抑制できる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４は、必ずしも凹凸形状をなしている必要はない。
・第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４は、必ずしも上述したラチェット構造を構成している必要はない。

・第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４のうちの一方を一つの凸部によって構成するとともに他方を上記凸部と嵌合可能な一つの凹部によって構成してもよい。
・第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４は、互いに嵌合した際に、これらが対向する方向において離れる方向へ相対移動することを抑制するべく互いに係合する係合部をそれぞれ備えていてもよい。

・第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４が完全に噛み合って凹凸嵌合した状態において、第１導体３０Ａ及び第２導体３０Ｂのそれぞれの直線部３１同士のなす角度Ｂは、鈍角であってもよいし、鋭角であってもよい。この場合、第１嵌合部４２及び第２嵌合部４４は、互いに噛み合って嵌合するように、それぞれの向きが角度Ｂに応じて変更される。

・上記実施形態にかかる電機子は、三相電動機に限らず、単相電動機にも適用可能である。また上記実施形態にかかる電機子は、ブラシ式の電動機の回転子（ロータ）にも適用することができる。その他、発電機の電機子にも、上記実施形態にかかる電機子は適用可能である。

２０…電機子の一例としてのステータ
２１…鉄心
２２…コイル
２３…スリット
３０…導体
３０Ａ…第１導体
３０Ｂ…第２導体
３１…直線部
３２…湾曲部
４０…第１端部
４１…第２端部
４２…第１嵌合部
４３…第１段差面
４４…第２嵌合部
４５…第２段差面
Ｂ…角度
Ｌ…中心線
Ｘ…幅方向
Ｙ…長手方向

Claims (2)

1. 中心線の延びる方向に貫通する複数のスリットが設けられた鉄心と、
   前記スリットに挿入されるようにして前記鉄心に組み付けられた状態で互いの端部同士が溶接される第１導体及び第２導体と、
   を備えた電機子であって、
   前記第１導体の端部には第１嵌合部が形成され、前記第２導体の端部には前記第１嵌合部と嵌合可能な第２嵌合部が形成されていることを特徴とする電機子。
2. 前記第１嵌合部及び前記第２嵌合部は、共に凹凸形状をなしており、嵌合する際に、溶接される前記第１導体及び前記第２導体の端部同士が互いに近づく方向へ相対移動可能となる一方で、溶接される前記第１導体及び前記第２導体の端部同士が互いに離れる方向へ相対移動不能となるラチェット構造を構成していることを特徴とする請求項１に記載の電機子。

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