JP6184239B2 - 溶接構造および電動機 - Google Patents

Description

この発明は、平板状の配電側コイルとステータ側コイルを溶接して電気的に接続した溶接構造および電動機に関するものである。

平板状の端子（いわゆる平角線）同士の電気的接続方法として、一般的にはんだ、または溶接（レーザ溶接、圧着、Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ；ＴＩＧ溶接）が用いられている。特に厚みを持った角板（例えば、幅１ｍｍ×厚み１ｍｍ以上）を電気的に接続する際には、主にレーザ溶接およびＴＩＧ溶接が用いられており（例えば、特許文献１，２参照）、溶接性の安定化が求められている。

ここで、図１１を参照してＴＩＧ溶接の概要を説明する。この図１１では電動機の配電側コイルとステータ側コイルをＴＩＧ溶接する例を示す。図１１（ａ）に示すように、平板状のステータ側コイル１００と、同じく平板状の配電側コイル１０１とを並列に配置して、両コイルの端部をＴＩＧ溶接する。図１１（ｂ），図１１（ｃ）は溶接成功時、図１１（ｄ）〜図１１（ｆ）は溶接失敗時を示すＡ矢視図である。

図１１（ｂ）のように、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１との間に隙間が無い場合、溶接機１０２で溶接することにより、図１１（ｃ）に示すように両コイルの先端部全体が溶解して溶接部１０３が形成され、溶け込み代も十分に確保できる。従って、コイル間の抵抗が小さく、良好に通電することができる。

一方、図１１（ｄ）のように、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１との間に隙間が発生した場合、ＴＩＧ溶接性が不安定となり、図１１（ｅ）に示すように片方のコイルのみ溶解した状態の片側溶接が発生したり、図１１（ｆ）に示すように溶け込み不良が発生したりする。図１１（ｅ）の片側溶接では、コイル間が接続されていないので通電できない。図１１（ｆ）の溶け込み不良では、溶け込み代が少ないため、通電部分の断面積が小さくなる。そのため、コイル間の抵抗が増加して通電不良が発生したり、局部的発熱が増加してモータ効率の低下または溶接部１０３の溶断が発生したりする。

また、電動機等の電子機器において平角銅線コイル同士を電気的に接続する際には、コイルエンド形状を少しでも短く設定し、銅損を減少させ、電力効率（電動機の場合にはモータ効率）を上げることが求められている。

特開２００８−３１１２１９号公報 特開２００６−３０２５４３号公報

上記特許文献１，２の溶接構造においては、一方のコイルを折り曲げてもう一方のコイルと平行になるよう配置しているため、折り曲げた分コイルエンドが長くなるという課題があった。また、コイル間に隙間が発生すると溶接性が不安定となる課題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コイルエンド長の短縮が可能で、且つ溶接性を改善した溶接構造、およびこの溶接構造を有する電動機を提供することを目的とする。

この発明に係る溶接構造は、一方のコイルの先端面に突設された凸部と、もう一方のコイルに設けられて凸部に組み合わさる凹部とを備え、一方のコイルともう一方のコイルとが垂直方向に組み合わさった状態、かつ、凸部と凹部とが圧入により組み合わさった状態で、凸部と凹部の当接部が溶接されているものである。

この発明に係る電動機は、ステータに装着された平板状のコイルと、当該コイルを通電する配電部の平板状のコイルとが溶接され電気的に接続された溶接構造を有するものであって、一方のコイルの先端面に突設された凸部と、もう一方のコイルに設けられて凸部に組み合わさる凹部とを備え、一方のコイルともう一方のコイルとが垂直方向に組み合わさった状態、かつ、凸部と凹部とが圧入により組み合わさった状態で、凸部と凹部の当接部が溶接されているものである。

この発明によれば、一方のコイルの凸部ともう一方のコイルの凹部を組み合わせてその当接部を溶接するようにしたので、従来のように一方のコイルを折り曲げる必要がなく、コイルエンド長の短縮が可能である。また、凸部と凹部を組み合わせることにより、コイル間に隙間が発生しにくくなり、溶接性を改善することができる。

この発明によれば、ステータ側コイルと配電側コイルの溶接構造においてコイルエンド長の短縮を可能とし、且つ溶接性を改善することにより、銅損を減少させ、モータ効率を上げることができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る電動機に適用する溶接構造の例を示す斜視図である。 実施の形態１の溶接構造の理解を助けるための参考図であり、従来の溶接構造の一例を示す斜視図である。 実施の形態１の溶接構造および従来の溶接構造の側面図である。 実施の形態１の溶接構造および従来の溶接構造の側面図である。 実施の形態１の溶接構造および従来の溶接構造の側面図である。 実施の形態１の溶接構造を説明する図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は分解斜視図である。 実施の形態１の溶接構造の高さばらつき（図８（ａ））と、従来の溶接構造の高さばらつき（図８（ｂ））の一例を説明する図である。 実施の形態１の溶接構造の変形例を示す斜視図である。 実施の形態１の溶接構造の変形例を示す斜視図である。 ＴＩＧ溶接の概要を説明する図であり、図１１（ｂ），（ｃ）は溶接成功時、図１１（ｄ）〜（ｆ）は溶接失敗時の例である。

実施の形態１．
図１および図２に示す電動機１は、円筒状のハウジング２と、ハウジング２の内部に固定されたステータ部３および配電部１０（いわゆるバスバー）と、図示しないシャフトを回転させるロータ部９とを備える。

ロータ部９は、周方向外側に突出する突部を１８０度間隔に２箇所形成し、回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部９ａ，９ｂ）。ロータ部９を永久磁石で構成してもよいが、電動機１が高温に晒される場合には磁気特性が低下するので、例えば電磁鋼板を突状に打ち抜いて回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部９ａ，９ｂ）。

このロータ部９にシャフトを固着して、ロータ部９と一体にシャフトを回転させることにより、ロータ部９に発生した回転力を外部出力する。電動機１を自動車用ターボチャージャおよび電動コンプレッサ等に適用する場合、ロータ部９に固着したシャフトをタービン（いわゆるインペラ）の回転軸に連結して、電動機１によりタービンを回転駆動する。

ステータ部３は、２個のステータコア４，５と、このステータコア４，５の間に配置されたマグネット６と、６個のＵ字状のステータ側コイル７と、これらを一体化するモールド部８とから構成される。ステータコア４，５はそれぞれ、電磁鋼板を回転軸方向Ｘに積層して構成する。ステータ側コイル７は、銅板をＵ字に折り曲げた１回巻のコイルである。モールド部８は、ステータコア４，５、マグネット６およびステータ側コイル７を一体成形する樹脂部材で構成される。ステータ側コイル７は、ステータコア４，５のティースに装着された状態にモールドされ、モールド部８を回転軸方向Ｘに貫通して、折り曲げ部分がステータコア４側に、先端部分がステータコア５側に突出している。

配電部１０は、銅板の配電側コイル１１を一体成形する樹脂部材で構成され、ステータ側コイル７を貫通させるための貫通孔１０ａが形成されている。この貫通孔１０ａを貫通した回転軸方向Ｘのステータ側コイル７の先端部と、配電部１０から径方向に突出した配電側コイル１１の先端部とが溶接され電気的に接続されている。
ステータ側コイル７と配電側コイル１１の溶接構造１３を、本実施の形態１に係る溶接構造の一例として後述する。

配電側コイル１１のもう一方側の端部は、電力変換機能要素を搭載したインバータ基板１４に接続されており、インバータ基板１４が外部電源を交流電流に変換し、位置検出センサ１２から入力される位置信号に基づいて配電側コイル１１の相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相）を順次切り替えながらステータ側コイル７へ電流を流す。位置検出センサ１２は配電部１０の内側に設置され、シャフトに固定されたターゲットの位置を検出して、シャフトの回転位置を示す位置信号を出力する。

回転軸方向Ｘに着磁されたマグネット６による磁束は、マグネット６のＮ極側に配置されたステータコア４からロータ部９の突部９ａに流れ出て、ロータ部９を回転軸方向Ｘに進んでＳ極側にある突部９ｂから出て、ロータ部９のＳ極側に配置されたステータコア５へ流れ入る界磁磁束となる。このように、マグネット６の界磁起磁力がロータ部９に作用することで、マグネット６のＮ極側に対面するロータ部９の突部９ａをＮ極に着磁し、マグネット６のＳ極側に対面する突部９ｂをＳ極に着磁する。配電部１０の配電側コイル１１を経由してＵ字状のステータ側コイル７に電流が流れると、流れた電流の向きに応じてステータコア４，５の各ティースが着磁して回転磁界が生じ、トルクが発生する。ステータ側コイル７に流す電流の向きを切り替えることにより、ティースのＮＳ各極性が回転移動していき、磁気作用によりロータ部９が回転する。

次に、ステータ側コイル７と配電側コイル１１の溶接構造１３を説明する。ここでは、図２（ａ）の溶接構造１３ａと、図２（ｂ）の溶接構造１３ｂを例示する。この図２は、ステータ側コイル７および配電側コイル１１のうち、配電部１０から突出した先端部分（以下、コイルエンド部）を拡大した斜視図である。

図２（ａ）に例示する溶接構造１３ａでは、ステータ側コイル７の先端部に凸部７ａが設けられ、もう一方の配電側コイル１１の先端部には凸部７ａと組み合わさる凹部１１ａが設けられている。このステータ側コイル７と配電側コイル１１を垂直方向に組み合わせて、凸部７ａを凹部１１ａに挿入（または、圧入）した状態で凸部７ａと凹部１１ａの当接部を溶接（例えば、ＴＩＧ溶接）する。
圧入の詳細は後述する。

図２（ｂ）に例示する溶接構造１３ｂでは、ステータ側コイル７の先端部に凹部７ｂが設けられ、もう一方の配電側コイル１１の先端部には凹部７ｂと組み合わさる凸部１１ｂが設けられている。このステータ側コイル７と配電側コイル１１を垂直方向に組み合わせて、凸部１１ｂを凹部７ｂに挿入（または、圧入）した状態で溶接（例えば、ＴＩＧ溶接）する。

本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂは、コイル先端部を凹凸形状にしたことで当接部が複数存在するので、溶接可能な箇所も複数存在する。図２（ａ）および図２（ｂ）では、溶接箇所として溶接部１５ａ，１５ｂ，１５ｃを○、△、□で図示している。ただし、これら全ての溶接部１５ａ〜１５ｃを溶接する必要はなく、溶接部１５ａ〜１５ｃのうちのいずれかを選択的に溶接してもよい。従って、例えば溶接構造１３ａ，１３ｂの周辺に他部品が密集する構造の場合に、溶接部を選定可能となり、溶接の自由度が増す。

一方、図３に示す従来の溶接構造１０４では、配電側コイル１０１を折り曲げて曲げ部１０１ａを設け、曲げ部１０１ａの先端側をステータ側コイル１００の先端部分と平行に隙間無く接触させ、先端部同士の高さを合わせて、溶接部１０３ａまたは溶接部１０３ｂを溶接するので、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂに比べて溶接の自由度が低い。また、配電側コイル１０１とステータ側コイル１００を隙間無く接触させるために通常は両コイルの位置決めを実施するが、ばらつきが発生してゼロクリアランスに成りにくいため、溶接条件の条件出しを実施して、ある程度の溶接抵抗増加を見越し設計する必要があった。

また、従来の溶接構造１０４に比べて、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂではコイルエンド部の長さを短縮することができる。
ここで、図４に、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂおよび従来の溶接構造１０４の側面図を示す。ステータ側コイル７，１００と配電側コイル１１，１０１の厚みＴは等しいものとする。また、図４においてコイルエンド部は、ステータ側コイル７，１００が配電部１０から突出した部分を指し、ステータ側コイル７の先端面を基準面にしてコイルエンド部の高さを比較する。本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂに比べて、従来の溶接構造１０４のコイルエンド部はステータ側コイル１００と配電側コイル１０１の当接に必要な距離Ｌおよび配電側コイル１０１の曲げ部１０１ａの長さＲだけ長くなる。

図４ではステータ側コイル７，１００の高さ方向の長さを図示したが、配電側コイル１１，１０１の水平方向の長さについても同様に、配電側コイル１０１に曲げ部１０１ａを設けた分だけ長くなる。

さらに、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂでは、コイルエンド部の長さ短縮に伴い、コイルエンド部を筐体に収納する必要がある場合（例えば、製品として防水、防塵、防錆のために筐体に収納する必要がある場合）に筐体サイズを小さく設計することが可能になる。
ここで、図５に、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂおよび従来の溶接構造１０４の側面図を示す。本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂとその筐体１６の必要クリアランスＬ１、および従来の溶接構造１０４とその筐体１０５の必要クリアランスＬ１を同じにした場合、従来の溶接構造１０４の筐体１０５に比べて溶接構造１３ａ，１３ｂの筐体１６を長さＬ２だけ短縮できる。

または、筐体１６，１０５を同寸法で設計する場合、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂではコイルエンド部の長さ短縮に伴い、溶接構造１３ａ，１３ｂと筐体１６の必要クリアランスを大きく確保することができる。
ここで、図６に、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂおよび従来の溶接構造１０４の側面図を示す。筐体１６，１０５を同じサイズとした場合、従来の溶接構造１０４とその筐体１０５の必要クリアランスＬ４に比べて、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂとその筐体１６の必要クリアランスＬ３を大きく確保することができる。さらに、電動機１等のようにステータ側コイル７，１００および配電側コイル１１，１０１に通電する場合これらコイルが発熱体となるが、必要クリアランスＬ３の距離を確保して設計できるため、筐体１６の受熱影響を低減可能となり、筐体製品仕様を下げてコスト低減が可能となる。従って、従来の溶接構造１０４ではアルミ製の筐体１０５を用いるところ、本実施の形態１の溶接構造１３ａ，１３ｂでは樹脂製の筐体１６を用いることができる。

ところで、従来例の溶接構造１０４では、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１が隙間無く接するように位置決めするが、設置のばらつきおよび部品製造のばらつきによりコイル同士をゼロクリアランスにすることは困難であった。そのため、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１の先端部をネジで締結したり、クリップで挟持したりして、機械的に接触させていた。

また、従来例の溶接構造１０４では、ステータ側コイル１００と配電側コイル１０１の位置決め時に、高さばらつきを制御する必要があった。そのため、溶接用の冶具を使用してステータ側コイル１００と配電側コイル１０１の位置決めを実施したり、ステータ部３および配電部１０等の成形時に金型の所定位置にステータ側コイル１００と配電側コイル１０１を設置することで位置決めを実施したりしていた。

これに対し、本実施の形態１の溶接構造１３ａでは、図７（ａ）の平面図に示すように、凸部７ａと凹部１１ａを圧入寸法とすることで、ステータ側コイル７と配電側コイル１１をゼロクリアランスにでき、溶接部１５ｂの溶接性が向上する。
また、図７（ｂ）の分解斜視図に示すように、凸部７ａと凹部１１ａを組み合わせたときに当たり面７ｃ，１１ｃが相互に突き当たるので、高さ方向の位置決めができる。同様に、凸部７ａと凹部１１ａを組み合わせたときに当たり面７ｄ，１１ｄが相互に突き当たるので、水平方向の位置決めができる。

ここで、図８（ａ）に本実施の形態１の溶接構造１３ａの高さばらつき、図８（ｂ）に従来の溶接構造１０４の高さばらつきの一例を示す。
本実施の形態１の溶接構造１３ａにおいて溶接部１５ｂを溶接する場合、高さばらつきは図８（ａ）に示すように配電側コイル１１の母材厚みばらつきと、プレス加工によりステータ側コイル７の凸部７ａを形成する際の製品ばらつきの合計になる。
一方、従来の溶接構造１０４において溶接部１０３ｂ（図３に示す）を溶接する場合、高さばらつきは図８（ｂ）に示すように配電側コイル１０１の曲げ部１０１ａを形成する際の製品ばらつきと、溶接時に配電側コイル１０１を保持する冶具に起因した設置ばらつきと、プレス加工によりステータ側コイル１００を形成する際の製品ばらつきと、溶接時にステータ側コイル１００を保持する冶具に起因した設置ばらつきの合計になる。
図８（ａ）および図８（ｂ）より、本実施の形態１の溶接構造１３ａでは、従来の溶接構造１０４に比べて高さばらつきを軽減でき、溶接性が向上する。

ここでは、溶接構造１３ａについて説明したが、溶接構造１３ｂの高さばらつきも同程度に軽減でき、溶接性が向上する。

以上より、実施の形態１によれば、電動機１は、一方のステータ側コイル７の先端面に突設された凸部７ａと、もう一方の配電側コイル１１に設けられて凸部７ａに組み合わさる凹部１１ａとを備えて、凸部７ａと凹部１１ａの当接部が溶接された溶接構造１３ａを有する構成にした。あるいは、一方の配電側コイル１１の先端面に突設された凸部１１ｂと、もう一方のステータ側コイル７に設けられて凸部１１ｂに組み合わさる凹部７ｂとを備えて、凸部１１ｂと凹部７ｂの当接部が溶接された溶接構造１３ｂを有する構成にしてもよい。いずれの構成の場合にも、コイルエンド部の長さを短縮することができ、銅損を減少させ、モータ効率を上げることができる。また、凸部と凹部を組み合わせることにより、コイル間に隙間が発生しにくくなり、溶接性を改善することができる。

また、実施の形態１によれば、ステータ側コイル７および配電側コイル１１は、凸部７ａと凹部１１ａが組み合わさるときに互いに突き当たる当たり面７ｃ，７ｄ，１１ｃ，１１ｄを備え、当該当たり面７ｃ，１１ｃおよび７ｄ，１１ｄが突き当たることによりステータ側コイル７と配電側コイル１１の位置決めがなされる構成にした。このため、ステータ側コイル７と配電側コイル１１の高さばらつきを軽減でき、溶接性が向上する。

また、実施の形態１によれば、凸部７ａと凹部１１ａ（または、凹部７ｂと凸部１１ｂ）を圧入により組み合わせる構成にしたので、凸部７ａと凹部１１ａ（または、凹部７ｂと凸部１１ｂ）の当接部がゼロクリアランスになり、溶接性が向上する。

なお、ステータ側コイル７と配電側コイル１１の凹凸部形状は図２（ａ）および図２（ｂ）の構成に限定されるものではない。例えば図９のように、ステータ側コイル７に凸部７ｅと凹部７ｆの段部を形成し、配電側コイル１１に凹部１１ｅと凸部１１ｆの段部を形成して、これら段部を互い違いに組み合わせる構成が可能である。また例えば図１０のように、ステータ側コイル７の先端面に凸部７ｇを形成し、配電側コイル１１には凸部７ｇを貫通させる貫通穴１１ｇを形成して、凸部７ｇと貫通穴１１ｇを組み合わせる構成も可能である。この貫通穴１１ｇは実質的な凹部である。

また、実施の形態１では、ステータ側コイル７と配電側コイル１１を垂直方向に組み合わせる例を説明したが、厳密に垂直方向である必要はなく、斜め方向に組み合わせることも可能である。

また、実施の形態１では溶接構造を電動機に適用した例を説明したが、電動機以外の電子機器に適用することも可能である。

上記以外にも、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 電動機、２ ハウジング、３ ステータ部、４，５ ステータコア、６ マグネット、７ ステータ側コイル、７ａ，７ｅ，７ｇ 凸部、７ｂ，７ｆ 凹部、７ｃ，７ｄ 当たり面、８ モールド部、９ ロータ部、９ａ，９ｂ 突極、１０ 配電部、１１ 配電側コイル、１１ａ，１１ｅ 凹部、１１ｂ，１１ｆ 凸部、１１ｃ，１１ｄ 当たり面、１１ｇ 貫通穴（凹部）、１２ 位置検出センサ、１３，１３ａ，１３ｂ 溶接構造、１４ インバータ基板、１５ａ〜１５ｃ 溶接部、１６ 筐体、１００ ステータ側コイル、１０１ 配電側コイル、１０１ａ 曲げ部、１０３，１０３ａ，１０３ｂ 溶接部、１０４ 溶接構造、１０５ 筐体。

Claims (3)

1. 平板状のコイル同士が溶接され電気的に接続された溶接構造において、
   一方の前記コイルの先端面に突設された凸部と、
   もう一方の前記コイルに設けられて前記凸部に組み合わさる凹部とを備え、
   一方の前記コイルともう一方の前記コイルとが垂直方向に組み合わさった状態、かつ、前記凸部と前記凹部とが圧入により組み合わさった状態で、前記凸部と前記凹部の当接部が溶接されていることを特徴とする溶接構造。
2. 前記コイル同士は、前記凸部と前記凹部が組み合わさるときに互いに突き当たる当たり面を備え、当該当たり面が突き当たることにより前記コイル同士が位置決めされることを特徴とする請求項１記載の溶接構造。
3. ステータに装着された平板状のコイルと、当該コイルを通電する配電部の平板状のコイルとが溶接され電気的に接続された溶接構造を有する電動機において、
   一方の前記コイルの先端面に突設された凸部と、
   もう一方の前記コイルに設けられて前記凸部に組み合わさる凹部とを備え、
   一方の前記コイルともう一方の前記コイルとが垂直方向に組み合わさった状態、かつ、前記凸部と前記凹部とが圧入により組み合わさった状態で、前記凸部と前記凹部の当接部が溶接されていることを特徴とする電動機。

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