(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体同士が接合部で電気的に接続されている回転電機の固定子巻線であって、
前記接合部の先端部は、前記導体と前記導体より融点の低い接合部材との合金で構成された合金層による肉盛り溶接構造をなし、
前記接合部の根元部は、前記接合部材を介して前記導体同士が直接接合されている回転電機の固定子巻線。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機の固定子巻線において、
前記合金層が、前記導体同士の間に更に浸透形成されている回転電機の固定子巻線。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機の固定子巻線において、
前記合金層が、３つ以上の前記導体の接合部の先端を纏めて接合し、前記導体同士の間に更に浸透形成されている回転電機の固定子巻線。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機の固定子巻線において、
前記導体が、無酸素銅又は有酸素銅からなる回転電機の固定子巻線。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の固定子巻線において、
前記導体の断面形状は、平角形又は円形である回転電機の固定子巻線。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機の固定子巻線において、
前記固定子巻線は、導体被接合部において外部電源と接続するための導体と電気的に接続されており、
前記導体被接合部の先端と、前記外部電源と接続するための導体の先端とが、前記固定子巻線の前記導体および前記外部電源と接続するための導体より融点の低い接合部材と、前記外部電源と接続するための導体と、前記導体との合金で構成された合金層による肉盛り溶接構造をなし、
前記導体被接合部の根元と、前記外部電源と接続するための導体とが、前記接合部材を介して直接接合されている回転電機の固定子巻線。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の回転電機の固定子巻線と、
固定子コアと、を備え、
前記固定子コアの全周に渡り、前記導体が連続して巻回されて前記固定子巻線を構成している回転電機の固定子。
【請求項８】
請求項７に記載の回転電機の固定子と、
回転子と、を備えた回転電機。
【請求項９】
回転電機の固定子巻線の製造方法であって、
前記固定子巻線は、複数の導体が接合部で電気的に接続されてなるものであり、
前記複数の導体の接合部同士を加圧把持すると共に前記接合部の間を通電する工程と、
前記導体より融点の低い接合部材を前記接合部に供給しながら、アーク溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、ガス溶接、またはＭＩＧ溶接によって肉盛り溶接を行う工程とを有し、
上記２つの工程の結果、前記接合部の先端部には、前記接合部材と前記導体との合金で構成された合金層が形成され、
前記接合部の根元部は、前記接合部材を介して前記複数の導体同士が直接接合される、回転電機の固定子巻線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機の固定子巻線、これを備えた回転電機の固定子、およびこれを備えた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特開２００９−８１９８０号公報（特許文献１）がある。この公報には、「固定子巻線の製造工程を簡便にし、コイルセグメントの被接合部の接合性及び短絡防止の信頼性を高める。」と記載されている（要約参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８１９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コイルセグメント導体同士をＴＩＧ溶接により接合すると、母材を溶融させて接合するための入熱が大きくなりやすく、コイル導体表面の絶縁被膜が損傷しやすい。その対策として文献１のように、接合導体同士間に隙間を設けるための両面に融点の低い接合部材が予め施されたスペーサがインサートされ、上記スペーサをＴＩＧ溶接で溶融接合することで絶縁被膜の損傷を抑制している。この方法では、接合導体間での接合強度が不足するための合金層が必要となる。【０００５】
そこで本発明は、上記のような従来技術に代わる導体接合方式を提案し、導体接合部の接合強度及び絶縁信頼性を高めることのできる回転電機の固定子巻線、これを備えた回転電機の固定子、およびこれを備えた回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。【０００７】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、他の導体と接合される接合部を有する導体と、前記導体より融点の低い接合部材と、を備え、前記接合部の先端部は、前記導体と前記接合部材との合金で構成された合金層をなし、前記接合部の根元部は、前記接合部材により電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、導体接合部の接合強度及び絶縁信頼性を高めることのできる回転電機の固定子巻線、これを備えた回転電機の固定子、およびこれを備えた回転電機を提供することができる。【０００９】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ハイブリッド電気自動車のブロック図を示す図。
【図２】本発明の一実施例における回転電機の断面図。
【図３】回転電機の固定子の外観図を示す図。
【図４】一つのスロットに入る巻線の概略を示す図。
【図５】固定子コアにコイルを挿入した状態を内径側から見た図。
【図６】実施例１でのアーク溶接機による接合方法を示した図。
【図７】平角導体を使用した固定子巻線導体と接合部材との接合例を示した図。（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、（ｂ）はコイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図。
【図８】実施例１を適用した実機の断面写真である。
【図９】平角導体を使用した固定子巻線導体と接合部材との第２の接合例を示した図。（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、（ｂ）はコイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図。
【図１０】丸線を使用した固定子巻線導体と接合部材との第３の接合例を示した図。（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図。
【図１１】複数の導体が纏められた線（例えば、集合線）を使用した固定子巻線導体と接合部材との第２の接合例を示した図。（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図。
【図１２】３本以上の固定子巻線導体と接合部材との接合例を示した図。（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図。
【図１３】固定子巻線導体と接合部材との第６の接合例を示した図。（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図。
【図１４】固定子巻線導体と外部電源接続導体及び、接合部材との接合例を示した図。（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【００１２】
以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリッド電気自動車用の回転電機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。
【００１３】
ここで説明する実施例は、回転電機の固定子のコイル構造に関するものである。回転電機は、大きく分けて、円筒状をなす固定子と、この固定子の内周側に所定の間隙を隔てて配置された回転子とにより構成される。
【００１４】
固定子は、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極を有するものであって、円筒状をなす固定子コアと、この固定子コアに巻かれた複数本の固定子コイルと、を有している。上記固定子コアには、固定子コイルを収容するため、軸方向に貫通するとともに周方向に配列された複数のスロットが形成されている。各固定子コイルは、各スロット内を軸方向に延在しつつ、スロットの軸方向一端より引き出された引出し線部によって、複数の磁極に対応するように、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロットに跨って延在している。各固定子コイルは各スロット内に収容配置された多数の導体をコイル導体より融点の低い接合部材を電気的に接合している。接合されたコイル導体の接合部の先端は、コイル導体と接合部材との合金層で構成され、コイル導体間接合部の根元が、接合部材により電気的に接続されていることにより構成されている。
【００１５】
本発明では、コイル導体より融点の低い接合部材とコイル導体との合金層及び、接合部材によるコイル導体のロウ付けにより接合されることで、コイル導体に外部から与えられる入熱の影響が最小限で済むため、絶縁強度を満足しながら、コイルの絶縁被膜剥離長さを従来よりも短くすることで低コイルエンド化を実現し、トランスミッション部等の他の機器との充分な隙間を確保することができる。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例に係る回転電機を搭載したハイブリッド電気自動車のブロック図である。車両１には、車両動力源としてのエンジン２と回転電機３とが搭載されている。なお、役割の異なる２つの回転電機を併用するようにしても良く、この場合、一方の回転電機は発電及び車両の駆動の双方を行い、他方の回転電機は車両の駆動を担う。【００１７】
エンジン２および回転電機３による回転トルクは、無段変速機や有段自動変速機等の変速機４と、ディファレンシャルギア５と、を介して車輪（駆動輪）６に伝達される。回転電機３は、エンジン２と変速機４の間、もしくは変速機４の中に搭載される。従って、回転電機３は、車両１に対するスペースの影響を最小限とするため、小型高出力が要求される。【００１８】
図２は、上記の回転電機３を簡略的に示す一部断面図であり、シャフト２０１を挟んで左側の領域を断面で示し、右側の領域を側面図として示している。回転電機３はケース７の内部に収容配置されている。ここで、図１に示すように回転電機３がエンジン２と変速機４の間に配置される構成の場合、ケース７はエンジン２のケースや変速機４のケースを利用して構成される。また、回転電機３が変速機４の中に搭載される場合には、ケース７が変速機４のケースを利用して構成される。【００１９】
回転電機３は、固定子１００と回転子２００とを備えている。回転子２００は、固定子１００の内周側に隙間１１を介して配置される。回転子２００はシャフト２０１に固定されており、このシャフト２０１と一体的に回転する。シャフト２０１の両端は軸受２０２Ａ、２０２Ｂよってケース７に回転可能に支持されている。固定子１００は、その外周側がボルト１２等を用いてケース７の内周側に固定されている。この回転電機３は、回転子２００に永久磁石を有する３相同期型の電動機であり、固定子１００に大電流（例えば３００Ａ程度）の３相交流が供給されることで電動機として作動する。【００２０】
図３は、回転電機１の固定子１００を単体で示す斜視図であり、図４は、各スロット１０５の内部を示す断面対応図である。【００２１】
図３及び図４に示すように、この固定子１００は、複数のスロット１０５が内周側に形成された固定子コア（固定子鉄心とも呼ぶ）１０１と、この固定子コア１０１に巻かれるＵ相，Ｖ相，及びＷ相に対応した３本の固定子巻線１０２と、を有している。スロット１０５は、軸方向に貫通形成されるとともに、所定の周方向ピッチで周方向に等間隔おきに配列されており、内周側には軸方向に延びるスリット１０８が開口形成されている。【００２２】
本実施例における各固定子巻線１０２は、絶縁被膜１１０を有する平角形の導体で構成され、後述するように、スロット１０５に挿入・保持される多数の導体１０６を有している。そして、同一のスロット１０５内で隣り合う導体１０６同士が、固定子コア１０１の軸方向一端側（図３の下端側）に設けられた溶接部１０４で互いに溶接されることによって、複数の導体１０６が溶接部１０４で電気的に接続された長尺な固定子巻線１０２が構成されている。これらの導体１０６は、被接合部側の一部がスロット１０５の軸方向外側に出されており、そのうち、被接合部１０４の全周の絶縁被膜が剥離されている。各スロット１０５内には絶縁紙１０３が挿入され、この絶縁紙１０３によって、導体１０６のスロット１０５内を挿通する直線部１０９と固定子コア１０１との間が絶縁されている。図４に示すように、絶縁紙１０３は、各スロット１０５内に配列される４つの導体１０６のうち、隣り合う２つの導体１０６を束ねるように設けられており、つまり各スロット１０５に２つの絶縁紙１０３が設けられている。【００２３】
各固定子巻線１０２は、スロット１０５の軸方向一端より引き出された略Ｕ字状もしくは略Ｖ字状をなす引出し線部１０７によって、所定の周方向ピッチで離間する複数のスロット１０５に跨って延在している。固定子巻線１０２同士は交差し、絶縁被膜１１０が除去された部分１１１が立ち上げられて隣り合うように配置されている。そして、複数の固定子巻線１０２によって、回転方向に極性が交互に異なるように配置された複数の磁極が生成されている。【００２４】
図４に示すように、スロット１０５に挿入される導体１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃ，１０６Ｄの４本は、同心円状の層をなすように固定子コア１０１の径方向に一列に配置されている。各スロット１０５に挿入される導体１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃ，１０６Ｄを内径方向から順に、第１層，第２層，第３層，第４層とする。つまり、導体部１０６Ａは第１層、導体部１０６Ｂは第２層、導体部１０６Ｃは第３層、導体部１０６Ｄは第４層に配置・挿入されている。【００２５】
図５は固定子コアにコイルを挿入した状態を内径側から見た図である。【００２６】
固定子巻線１０２を構成する各導体１０６は、図４、図５にも示すように、断面角型コイルである。固定子巻線は無酸素銅や有酸素銅を用いている。例えば有酸素銅の場合は、酸素含有率がおよそ１０ｐｐｍ以上から１０００ｐｐｍ程である。各導体１０６は、スロット１０５内を軸方向に貫通する直線部１１０を有するとともに、スロット１０５の軸方向一端（図３の右端）から引き出される一方の引出し線部１０７がＵ字状又はＶ字状に形成されて、両端に接合部１０４を有する。【００２７】
図６に示すように、本発明の接合工程においては、ガスアーク溶接機３０１と連動して接合部材４０１を被接合部１０４に供給する接合部材供給装置３０２を稼動させ、被接合部１０４を接合する。接合の際には、固定子巻線１０２同士の被接合部１０４を被接合部把持治具３０３により加圧した後、溶接電源３０４及び電極３０５を介して固定子巻線１０２の被接合部１０４間を通電することにより、接合部材供給装置３０２により供給された接合部材４０１と固定子巻線１０２がアークにより発熱し溶融する。この時に使用する電極３０５の材料はタングステン（Ｗ）系又はモリブデン（Ｍｏ）が望ましい。【００２８】
図７及び図８に示すように、固定子巻線１０２同士の被接合部の間に、被接合部よりも融点の低い接合部材４０１が介在し、固定子巻線接合部１０４は、接合部先端が固定子巻線導体１０２と接合部材４０１の合金層４０２となるよう溶かされ、接合部根元部が接合部材４０１のロウ付けとして電気的に接合される。接合部先端の上面形状は、被接合部１０４の溶融面積が小さいため、端面の一部が角部５０１となって存在し、隣接する接合部１０４との距離を確保することができ、絶縁信頼性を向上させることができる。【００２９】
接合後の断面形状は図７（ｂ）に示すように、接合部先端が固定子巻線導体１０２と接合部材４０１の合金となる領域（合金層）４０２が略Ｔ字形状となる特徴を持つ。断面形状が略Ｔ字形状となる合金層４０２と、接合部根元部が接合部材のロウ付けとして電気的に接合されることにより、従来のアークによる接合方法から比較して、被接合部１０４に与えられる熱量を従来よりも半減させることが可能となる。【００３０】
前述の接合方式により、接合強度を満足させつつ、接合時の熱による固定子巻線外周の絶縁被膜１１０の損傷を低減するための絶縁被膜剥離長を短縮することが可能となり、コイルエンド高さを低くできる効果を得る。
【実施例２】
【００３１】
固定子巻線１０２と接合部材４０１との第２の接合例を示す。図９（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、図９（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図である。【００３２】
本実施例においても、固定子巻線１０２は、絶縁被膜１１０を有する平角形の導体で構成され、その被接合部１０４は絶縁被膜４０１が除去されている。本実施例と実施例１との相違点は、本実施例は被接合部１０４の溶融量を大きくし、合金層４０２の面積を大きくしたことで、コイル先端上面部から見た形状を円形形状としている点である。【００３３】
コイル先端形状を円形とすることで、本実施例においても、断面形状が略Ｔ字型となる合金層４０２を持つといった実施例１と同様の効果を得ながら、接合部１０４への応力集中を緩和する効果も得る。【００３４】
なお、熱源としてアークの代わりに電子ビームを用いて、接合部材４０１と固定子巻線１０２を溶融しても同様の接合ができる。さらに、レーザ溶接、プラズマ溶接、ガス溶接、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｅｒｔ  Ｇａｓ）溶接によっても同様の接合を実施することが可能である。
【実施例３】
【００３５】
図１０には固定子巻線１０２と接合部材４０１との第３の接合例を示すものである。図１０（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、図１０（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図である。【００３６】
本実施例は、固定子巻線１０２に断面形状が円形の導体同士を使用するものであり、構成する各導体の成分及び接合部材４０１の構成、接合方式、効果は前述の実施例１、２と同様である。
【実施例４】
【００３７】
図１１には固定子巻線１０２と接合部材４０１との第４の接合例を示すものである。図１１（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、図１１（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図である。【００３８】
本実施例は、固定子巻線１０２に複数の導体が纏められた、例えば集合線を使用するものであり、構成する各導体の成分及び接合部材４０１の構成、接合方式は実施例１乃至３と同様である。本実施例と実施例１乃至３との相違点は、被接合部が複数に跨るため、接合後の断面形状に略くし歯形状の合金層４０３を持つ点である。合金層４０３をくし歯形状とすることで、被接合部同士の接触面積を大きくし、充分な接合強度を確保する効果を得られる。
【実施例５】
【００３９】
図１２に固定子巻線１０２と接合部材４０１との第５の接合例を示す。図１２（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、図１２（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図である。【００４０】
図１２では断面が平角形の導体を使用しているが、被接合部となる固定子巻線１０２の断面形状については平角形、円形等の限定は無く、多角形形状でも良い。【００４１】
本実施例と実施例１乃至３との相違点は、固定子外径方向に複数配置された固定子巻線１０２を３本以上接合する点である。構成する各導体の成分及び接合部材４０１の構成、接合方式は実施例４と同様である。【００４２】
本実施例により、被接合導体が３本以上の場合でも同時に接合することが可能となり、接合強度を低下させること無く、接合作業点数の削減につなげる事ができる。
【実施例６】
【００４３】
図１３は固定子巻線１０２と接合部材４０１との第６の接合例を示すものである。図１３（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、図１３（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図である。【００４４】
図１３では被接合部となる固定子巻線１０２の一方の断面形状が平角形、もう一方の断面形状が円形の導体を使用しているが、２つ以上の被接合部の形状の組合せに限定は無く、例えば、平角形、円形、多角形でも良い。構成する各導体の成分及び接合部材４０１の構成、接合方式は実施例１乃至３と同様である。【００４５】
本実施例により、被接合導体同士の断面形状が異なる場合でも略Ｔ字型の合金層４０２とロウ付による接合面積を確保することで接合強度を向上させながら、電気抵抗の改善効果を得ることができる。
【実施例７】
【００４６】
図１４は固定子巻線１０２と接合部材４０１との第７の接合例を示すものである。図１４（ａ）は接合箇所をコイル端面側からみた上面図であり、図１４（ｂ）は、コイルの接合箇所を軸方向で切断した断面図である。本実施例は、固定子巻線１０２と平板状の外部電源接続用導体６０１（たとえば銅端子）を使用するものであり、構成する各導体の成分及び接合部材４０１の構成、接合方式及び効果は略Ｔ字型の合金層４０２を持つという点で、実施例６と同様である。【００４７】
以上説明したごとく、本発明によれば、回転電機の固定子巻線をなす導体の接合部において、導体の母材に与える外部からの熱量を最小限に抑えつつ、導体同士を充分な接合強度をもって接合できる。また、外部からの入熱によるコイルセグメントの絶縁被膜損傷を低減できるため、コイルエンドの低背化や、電気抵抗を改善できる。【００４８】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１：車両
２：エンジン
３：回転電機
４：変速機
５：ディファレンシャルギア
６：車輪
７：ケース
１００：固定子
１０１：固定子コア
１０２：導体
１０３：絶縁紙
１０４：導体溶接部
１０５：スロット
１０６ａ〜ｄ：巻線導体部
１０７：Ｕ字またはＶ字に成形された導体引き出し部
１０８：スロットに設けたスリット部
１０９：スロット内の導体直線部
１１０：導体の絶縁被膜部
１１１：導体の絶縁被膜剥離部
２００：回転子
２０１：シャフト
２０２Ａ、２０２Ｂ：軸受
３０１：ガスアーク溶接機
３０２：接合部材供給装置
３０３：被接合部把持治具 
３０４：溶接電源
３０５：溶接電極
４０１：接合部材
４０２：接合部材と導体との略Ｔ字型の合金層
４０３：接合部材と導体との略くし歯状の合金層
５０１：溶接後の導体角部
６０１：平板状の外部電源接続用導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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