JP2014007794A - 回転電機の導体接合方法及び回転電機のコイル - Google Patents

Abstract

【課題】セグメント導体を複数個用い、異なるセグメント導体の端部同士を接合して回転電機のコイルを形成する際に、接合される部分の肥大化を抑制する。
【解決手段】接合対象導体となる２つのセグメント導体７を、導体端部７ｔの対向面Ｐｏ同士が隣り合って対向すると共に、導体端部７ｔの先端面である接合用端面７ｐ同士が基準平面Ｐｒに沿って並ぶ状態に保持し、セグメント導体７の２つの接合用端面７ｐの双方に接触するように、板状の導電性プレート１０を設置し、導電性プレート１０が接合用端面７ｐと接触する接触面１０ｔとは反対側の面である照射面１０ｂの側から、照射面１０ｂにレーザーを照射して導電性プレート１０と２つの接合用端面７ｐのそれぞれとを溶接する。
【選択図】図５

Description

本発明は、セグメント導体を複数個用い、回転電機のコイルを形成するために、異なるセグメント導体の端部同士を接合する方法に関する。また、セグメント導体の端部同士を接合することによって形成されたコイルに関する。

回転電機にコイル用の導体線を配接する方式として、セグメント導体（セグメントコイル）と称される導体を利用したものがある。この方式では、例えば松葉形状やＵ字状に折り曲げた平角線などによって構成されたセグメント導体が、複数本、磁性体のコアに形成されたスロットに対して軸方向に挿入される。そして、セグメント導体の開放側において、重なり合う他のセグメント導体の開放端同士が接合されることによって連続したコイルが形成される。特開２００８−１５４４３３号公報（特許文献１）や特開２００４−２５３０３号公報（特許文献２）に記載されているように、セグメント導体の接合には、しばしばアーク溶接の一種であるＴＩＧ溶接（Tungsten Inert Gas溶接）が用いられる（特許文献１：第２−３、３６−３７段落、図１−２等、特許文献２：第３段落、図１等）。

ところで、一般的に、セグメント導体の表面には絶縁被膜が施されているが、溶接の際には、接合されるセグメント導体の端部の絶縁被膜が除去される（特許文献１：第６段落、特許文献２：図１等）。また、溶接の際に発生する熱は、セグメント導体を伝搬するため、直接溶接される箇所から一定範囲の絶縁被膜も除去される。溶接の際に発生する熱が高いと、熱が伝導する範囲も広くなり、絶縁被膜の溶融を防ぐために絶縁被膜を除去して裸線とする部分の長さが長くなる。裸線の部分はコアの軸方向に突出したコイルエンドを構成することになる。従って、裸線の部分が長くなると、コイルエンドも軸方向に長くなり、回転電機の小型化の妨げとなる。また、コイルを構成する導体線の総延長も長くなるため、材料コストや銅損が増加する可能性がある。

特開２００８−１５４４３３号公報 特開２００４−２５３０３号公報

上記背景に鑑みて、セグメント導体を複数個用い、異なるセグメント導体の端部同士を接合して回転電機のコイルを形成する際に、接合される部分の肥大化を抑制し、コイルを小型化することのできる技術が望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係る回転電機の導体接合方法の特徴構成は、導体の延在方向の周囲に絶縁被膜が施されたセグメント導体を複数個用い、回転電機のコイルを形成するために、異なる前記セグメント導体の端部である導体端部同士を接合する回転電機の導体接合方法であって、接合対象導体となる２つの前記セグメント導体を、前記導体端部の対向面同士が隣り合って対向すると共に、前記導体端部の先端面である接合用端面同士が基準平面に沿って並ぶ状態に保持する導体保持工程と、前記接合対象導体となる前記セグメント導体の２つの前記接合用端面の双方に接触するように、板状の導電性プレートを設置するプレート設置工程と、前記導電性プレートが前記接合用端面と接触する接触面とは反対側の面である照射面の側から、当該照射面にレーザーを照射して前記導電性プレートと２つの前記接合用端面のそれぞれとを溶接するレーザー照射工程と、を備える点にある。

レーザーを利用した溶接では、アーク溶接に比べて、セグメント導体を溶融させるためのエネルギーを狭い領域に高い密度で与えることができる。その結果、必要以上に導体が溶融し、その後凝固することによって生じる導体形状の変化を小さくすることができる。さらに、本特徴構成によれば、接合対象導体となるセグメント導体の接合用端面に接触するように設置された導電性プレートと、接合用端面とが溶接される。従って、導体の延在方向の周囲に施された絶縁被膜をほとんど除去することなく、或いは全く除去することなく、溶接を行うことができる。また、一般的な接合では、絶縁被膜を除去した導体の側面同士を溶接するので、セグメント導体の延在方向に溶接のための長さが必要となる。この溶接のための長さは、回転電機のコイルの端部（コイルエンド）の長さに影響する。つまり、セグメント導体の延在方向に沿い、互いに対向する側面同士を接合すると、その分だけコイルエンドが増大する。しかし、本特徴構成によれば、セグメント導体の延在方向に沿った先端部（接合用端面）よりも先には、導電性プレートが設置されるのみであるから、コイルエンドの小型化が可能となる。その結果、セグメント導体の材料費の軽減や、銅損の軽減が可能となる。このように、本特徴構成によれば、セグメント導体を複数個用い、異なるセグメント導体の端部同士を接合して回転電機のコイルを形成する際に、接合される部分の肥大化を抑制し、コイルを小型化することが可能となる。

上述したような小型化が可能な回転電機のコイルは以下のような特徴を備えて構成される。即ち、本発明に係る回転電機のコイルの特徴構成は、導体の延在方向の周囲に絶縁被膜が施されたセグメント導体を複数個用い、異なる前記セグメント導体の端部である導体端部同士を接合することによって形成された回転電機のコイルであって、接合対象導体となる２つの前記セグメント導体を、前記導体端部の対向面同士が隣り合って対向すると共に、前記導体端部の先端面である接合用端面同士が基準平面に沿って並んだ状態において、前記接合対象導体となる前記セグメント導体の２つの前記接合用端面の双方に接触するように設置された板状の導電性プレートを有し、前記導電性プレートが前記接合用端面に接触する面とは反対側の面である照射面の側から、当該照射面に照射されたレーザーによって、前記導電性プレートと２つの前記接合用端面のそれぞれとが溶接されている点にある。

ここで、本発明に係る回転電機の導体接合方法は、前記導電性プレートが、前記基準平面に直交する方向から見て、２つの前記接合用端面の配置領域の内側に収まる大きさであると好適である。また、本発明に係る回転電機のコイルは、前記導電性プレートが、前記基準平面に直交する方向から見て、２つの前記接合用端面の配置領域の内側に収まる大きさであると好適である。アーク溶接などを用いると、セグメント導体の導体端部が大きく溶融する。溶融した導体は、液状化するために表面張力が働き、丸みを帯びやすくなる。その結果、セグメント導体の延在方向に対して直交する側方へのはみ出しが生じ易くなる。この側方へのはみ出しは、セグメント導体の導体端部間の距離を縮めることになる。導体端部間の絶縁距離を確保するために、はみ出しを考慮して導体端部の隙間を広げると、小型化に好ましくなく、磁気的性能にも影響を与える。レーザーを利用した溶接では、限られた領域に集中してエネルギーを与えることができる。従って、導電性プレートと２つのセグメント導体の接合用端面のそれぞれとを精度良く溶接することが可能である。従って、導電性プレートの大きさが、基準平面に直交する方向から見て、２つの前記接合用端面の配置領域の内側に収まる大きさであれば、セグメント導体の延在方向に対して直交する側方へのはみ出しは生じない。その結果、コイルを小型化することが可能となる。

上述したように、レーザーを利用した溶接では、限られた領域に集中してエネルギーを与えることができる。従って、導電性プレートと２つのセグメント導体の接合用端面のそれぞれとを精度良く溶接することが可能である。導電性プレートと各セグメント導体とは、複数箇所で溶接される方が、機械的強度も高くなり、電気的にもインピーダンスが低下するので好適である。従って、１つの態様として、本発明に係る回転電機の導体接合方法の前記レーザー照射工程では、前記照射面における１つの前記接合用端面に対応する領域の中の複数箇所にレーザーを照射すると好適である。

また、本発明に係る回転電機の導体接合方法の前記レーザー照射工程では、予め規定された規定照射時間に亘ってレーザーを照射する照射フェーズと、予め規定された休止時間に亘ってレーザー照射を休止する休止フェーズとを繰り返すパルス照射によってレーザーを照射すると好適である。レーザー溶接を用いた場合でも、レーザーの照射時間が長くなると与えられるエネルギー量が増えて温度上昇も大きくなる。レーザー照射工程においてパルス照射が行われると、休止期間では、既に溶融した領域（溶融領域）の熱を、溶融領域に隣接する非溶融領域に伝搬させて、溶融領域の熱を下げ、全体の温度上昇を抑制することができる。そして、次の照射フェーズでは、溶融領域、及び溶融領域に隣接して予備加熱されている非溶融領域にエネルギーが追加されることで、容易に溶融領域を拡大させることができる。つまり、全体の温度上昇を抑制しながら必要な領域を溶融させることができる。

ここで、前記パルス照射における前記規定照射時間は、レーザーの照射に伴って上昇する前記セグメント導体の温度が、前記絶縁被膜の耐軟化温度に達する時間未満に設定されていると好適である。上述したように、パルス照射を行うことによって、全体の温度上昇を抑制しながら必要な領域を溶融させることができる。この際、絶縁被膜の耐軟化温度を基準として規定照射時間が設定されると、絶縁被膜の剥離長を適切に設定することができ、コイルエンドを小型化することが可能となる。

本発明に係るコイルが備えられたステータの斜視図 コイルを構成する相コイルの斜視図 コイルを構成する基本セグメント導体の斜視図 セグメント導体の接合方法の一例を示すフローチャート セグメント導体の接合方法の一例を模式的に示す説明図 アーク溶接とレーザー溶接との比較図 パルス照射と導体の温度との関係を示す波形図 導電性プレートの他の例を示す上面図 導電性プレートの他の例を示す上面図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る回転電機のコイル３を、図１に示すようなインナーロータ型の回転電機のステータ１に適用した場合を例として説明する。この回転電機は多相交流回転電機（ここでは３相交流回転電機）である。コイル３は、１相が図２に示すような形態の相コイル３１を、複数相分（ここではＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相分）備えて構成されている。コイル３が備える各相の相コイル３１は同様の構成を有しているため、以下、各相の相コイル３１を特に区別することなく説明する。以下の説明では、図１に示すステータ１の円筒状のコア基準面２１の軸心を基準として矢印“Ｌ”に沿った方向を「軸方向」、矢印“Ｃ”に沿った方向を「周方向」、矢印“Ｒ”に沿った方向を「径方向」と称して説明する。

コイルを構成するための導体線の巻き方には、波巻きや重ね巻きがあるが、本実施形態では重ね巻きを例示する。例えば、図２に示すように、各相コイル３１は、重ね巻き部３２と周方向接続部５とを有する重ね巻きセット６を複数備えて構成されている。重ね巻き部３２は、同軸上に導体が複数回巻き回されて構成されている部分を指し、周方向接続部５は、少なくとも一端が重ね巻き部３２に接続されている導体により構成されている部分を指す。そして、本実施形態では、１つの重ね巻きセット６は、周方向に沿って一定ピッチ（重ね巻き部配設ピッチ）で配置された複数（ここでは４つ）の重ね巻き部３２と、当該重ね巻き部３２の間を接続する周方向接続部５とにより構成されている。

具体的には、相コイル３１は、周方向に互いにずらして配置された、第１重ね巻きセット６１と、第２重ね巻きセット６２と、第３重ね巻きセット６３と、第４重ね巻きセット６４とを備えている。本実施形態では、第１重ね巻きセット６１、第２重ね巻きセット６２、第３重ね巻きセット６３、及び第４重ね巻きセット６４は、全て同一の形状である。重ね巻きセット６の端部には、電源に接続される動力線や中性点等に当該端部を接続するための周方向接続部５や、同相の異なる重ね巻きセット６に当該端部を接続するための周方向接続部５が接続される。

具体的には、図１及び図２に示すように、第１重ね巻きセット６１の一方の端部には、当該端部を動力線に接続するための第１周方向接続部５１が接続され、第１重ね巻きセット６１の他方の端部には、当該他方の端部と第２重ね巻きセット６２の一方の端部とを接続するための第２周方向接続部５２が接続されている。また、第４重ね巻きセット６４の一方の端部には、当該一方の端部と第３重ね巻きセット６３の一方の端部とを接続するための第３周方向接続部５３が接続され、第４重ね巻きセット６４の他方の端部には、当該他方の端部を中性点に接続するための第４周方向接続部５４が接続されている。また、第２重ね巻きセット６２において、第２周方向接続部５２が接続される一方の端部とは反対側の他方の端部は、第３重ね巻きセット６３において、第３周方向接続部５３が接続される一方の端部とは反対側の他方の端部と、接続部材９０により接続されている。即ち、本実施形態に示す例では、第１重ね巻きセット６１、第２重ね巻きセット６２、第３重ね巻きセット６３、及び第４重ね巻きセット６４が、動力線から中性点に向かって記載の順に直列に接続されている。上記のように構成された相コイル３１を３つ備えるコイル３は、図１に示すように、ステータ１が備えるステータコア２に、全体として重ね巻きで巻装される。

本実施形態では、重ね巻き部３２を含む重ね巻きセット６の全体が、複数のセグメント導体７を接合して構成されている。そして、セグメント導体７には、重ね巻き部３２を構成する基本セグメント導体７ａと、周方向接続部５を構成する異形セグメント導体とが含まれる。尚、接続部材９０も広義のセグメント導体７に含まれる。ここでは、セグメント導体７を代表して、最も多く用いられる基本セグメント導体７ａの基本構成について図３を参照して説明する。

セグメント導体７は、相コイル３１を複数に分割したものに相当する導体であり、複数のセグメント導体７の端部同士を接合することにより相コイル３１が構成される。図３に示すように、セグメント導体７は、通電方向にほぼ等価な延在方向に直交する断面の形状が矩形状、より詳しくは角部を円弧状とした矩形状の線状導体（平角線）である。また、セグメント導体７は、屈曲部を除いて、基本的に、延在方向の位置にかかわらず同じ断面形状である。この線状導体は、例えば銅やアルミニウム等の金属製であり、線状導体の表面（特に延在方向の周囲）は、例えばエナメルやポリイミド等の樹脂からなる絶縁皮膜により被覆されている。

セグメント導体７は、ステータコア２への取り付け時において、ティース２３の間に形成されたスロット２２内に配置される一対の導体辺部７１と、当該一対の導体辺部７１の間をステータコア２の軸方向に沿った外側で接続する導体渡り部７２と、導体渡り部７２とは軸方向の反対側において一対の導体辺部７１のそれぞれから延びてステータコア２から軸方向に突出する突出部７３とを備えている。突出部７３における開放端である２つの先端部７４は、ステータコア２への取り付け時において、その延在方向が軸方向と平行となり、径方向に沿って互いに並列するように形成されている。本実施形態では、接合対象導体となる一対のセグメント導体７の、互いに径方向に隣接する先端部７４同士が径方向に接合される。

重ね巻き部３２は、一対のスロット２２のそれぞれに複数の導体辺部７１が配置されて当該一対のスロット２２間に複数回巻回されて構成されている。本実施形態では、重ね巻き部３２は、スロット２２に対して軸方向に挿入可能な複数の基本セグメント導体７ａを用いて、当該基本セグメント導体７ａのステータコア２から軸方向に突出する突出部７３の先端部７４同士を接合して構成されている。尚、基本セグメント導体７ａは、重ね巻き部３２を一周毎に複数に分割したものに相当する導体ということができる。図２に示すように、重ね巻き部３２は、周方向両側の導体辺部７１のそれぞれが互いに同じスロット２２に配置された４つの基本セグメント導体７ａを用いて形成されている。そして、径方向に隣接する基本セグメント導体７ａの先端部７４同士が順次接合されることで、重ね巻き部３２が形成される。本実施形態では、４つの基本セグメント導体７ａにより一対のスロット２２間を４回巻回する重ね巻き部３２が構成される。

以上、代表して基本セグメント導体７ａの構成及び基本セグメント導体７ａを用いて構成される重ね巻き部３２について説明した。セグメント導体７を構成する周方向接続部５や、接続部材９０についても、基本セグメント導体７ａと同様に、ステータコア２への取り付け時において、その延在方向が軸方向と平行となり、径方向に沿って基本セグメント導体７ａの先端部７４に並列するように形成された先端部が形成されている。基本セグメント導体７ａと周方向接続部５とが接合される際には、基本セグメント導体７ａの先端部７４と、周方向接続部５の先端部とが接合される。また、基本セグメント導体７ａと接続部材９０とが接合される際には、基本セグメント導体７ａの先端部７４と、接続部材９０の先端部とが接合される。

以下、基本セグメント導体７ａ同士、或いは、基本セグメント導体７ａと周方向接続部５、或いは、基本セグメント導体７ａと接続部材９０との接合方法について説明する。尚、この方法は、絶縁被膜７ｈが施されたセグメント導体７を複数個用いて、回転電機のコイル３を形成するために、異なるセグメント導体７の端部である導体端部７ｔ同士を接合する方法であり、セグメント導体７の形状は上述した形態に限定されるものではない。また、当然ながら、このような重ね巻き用のセグメント導体に限らず、波巻き用のセグメント導体同士を接合する場合にも適用可能である。

この接合方法は、図４に示すように、大きく３つの工程を有する。第１の工程は、導体保持工程＃１０である。導体保持工程＃１０では、図５に示すように、接合対象導体となる２つのセグメント導体７が、導体端部７ｔの対向面Ｐｏ同士が隣り合って対向すると共に、導体端部７ｔの先端面である接合用端面７ｐ同士が基準平面Ｐｒに沿って並ぶ状態に保持される。導体保持工程＃１０においては、図５に模式的に示すようなクランプ治具１００によってセグメント導体７が保持される。尚、セグメント導体７は、導体の延在方向の周囲に絶縁被膜７ｈが施された導体であり、ここでは、接合用端面７ｐは導体の母材が露出しているものとする。本実施形態では、接合用端面７ｐに絶縁被膜７ｈが施されていないので、溶接に先だってセグメント導体７の絶縁被膜７ｈを除去する工程は設けていない。しかし、必要に応じて、接合用端面７ｐから所定の剥離長の領域の絶縁被膜７ｈが除去されることを妨げるものではない。

第２の工程は、接合対象導体となるセグメント導体７の２つの接合用端面７ｐの双方に接触するように、板状の導電性プレート１０を設置するプレート設置工程＃１５である。この導電性プレート１０は、セグメント導体７と同一の材料により構成されていると好適である。導電性プレート１０が接触する接合用端面７ｐは、凹凸が少なく均一な平面であることが好ましいが、凹凸があり不均一な面であることを妨げるものではない。後述するように、導電性プレート１０と２つの接合用端面７ｐのそれぞれとは、レーザーを用いて溶接される。溶接の際に、導電性プレート１０とセグメント導体７とは溶接領域において混ざり合うため、接合用端面７ｐと導電性プレート１０の接触面１０ｔとの間の隙間（凹凸により生じる隙間）は解消される。

また、導電性プレート１０は、基準平面Ｐｒに直交する方向から見て、２つの接合用端面７ｐの配置領域の内側に収まる大きさである。尚、配置領域とは、対向面Ｐｏを除いた２つの接合用端面７ｐの外縁をつないで構成される閉領域であり、２つの接合用端面７ｐが占める領域と、それらに挟まれた領域（セグメント導体７同士の間に隙間が生じている場合の当該隙間に対応する領域）とを合わせた領域である。例えば配置領域は、図６、図８及び図９に示す符号“Ｓ”に対応する領域である。図５及び図６に示す導電性プレート１０は、配置領域Ｓとほぼ同じ大きさを有して、配置領域Ｓに一致するように配置されている。

第３の工程は、導電性プレート１０が接合用端面７ｐと接触する接触面１０ｔとは反対側の面である照射面１０ｂの側から、当該照射面１０ｂにレーザーを照射して導電性プレート１０と２つの接合用端面７ｐのそれぞれとを溶接するレーザー照射工程＃２０である。図５に例示するように、レーザー照射工程＃２０は、一方のセグメント導体７の接合用端面７ｐと導電性プレート１０とを溶接するためのレーザー照射を行う工程と、他方のセグメント導体７の接合用端面７ｐと導電性プレートとを溶接するためのレーザー照射を行う工程との少なくとも２回実施される。尚、図５では、照射面１０ｂ或いは基準平面Ｐｒに対してレーザーの光軸がほぼ直角となるような照射角度でレーザーが照射される例を示しているが、直角に対して傾いた角度（例えば２〜３［°］）でレーザーが照射されてもよい。

また、レーザー照射工程＃２０において照射されるレーザーの焦点は、導電性プレート１０の照射面１０ｂ上に設定されていると好適である。溶融した導体にエネルギー密度の高いレーザーが照射されることになり、良好な溶接が実現できる。但し、レーザーの焦点も、照射角度と同様に、柔軟に設定されることを妨げるものではない。焦点は、少なくとも、導電性プレート１０の照射面１０ｂよりもセグメント導体７の側（図５における下方）であればよい。後述するように、本実施形態のレーザー溶接では、対象物の内部から溶融が進行する。従って、焦点が照射面１０ｂよりも図示下方に設定されると、先に溶融した部分にエネルギー密度の高いレーザーが照射されることになるので、良好な溶接が実現できる。

尚、レーザーを利用した溶接では、後述するように、限られた領域に集中してエネルギーを与えることが可能である。従って、導電性プレート１０と２つのセグメント導体７の接合用端面７ｐのそれぞれとを精度良く溶接することが可能である。そして、導電性プレート１０と各セグメント導体７とは、複数箇所で溶接されると、機械的強度も高くなり、電気的にもインピーダンスが低下するので好適である。従って、レーザー照射工程＃２０では、照射面１０ｂにおいて１つの接合用端面７ｐに対応する領域の中の複数箇所にレーザーを照射すると好適である。図６には、１つの接合用端面７ｐに対応する領域Ｈの６箇所にレーザーを照射する例を示している。当然ながら、機械的、電気的に充分な溶接が可能であれば、１つの接合用端面７ｐに対応する領域Ｈにそれぞれ１箇所ずつレーザーが照射される構成であってもよい。

ところで、レーザーの照射角度が照射面１０ｂや基準平面Ｐｒに対して直角であることには限定されないと上述した。照射面１０ｂにおいて１つの接合用端面７ｐに対応する領域の中の複数箇所にレーザーが照射される場合、当該複数箇所のそれぞれに対する照射角度が異なっていてもよい。例えば、接合用端面７ｐの外縁近くに設定された接合箇所では、レーザーの光軸が外縁側から内側へ向くような照射角度でレーザーが照射されると好適である。セグメント導体７の延在方向に沿った側面に溶融領域が達することを抑制し、機械的にも電気的にも強固な溶接が実現できる。一方、接合用端面７ｐの中央部に設定された接合箇所では、セグメント導体７の延在方向に沿って真っ直ぐに溶融領域が成長することが望ましい。従って、当該接合箇所では、セグメント導体７の延在方向に沿う方向、例えば、照射面１０ｂや基準平面Ｐｒに対して直角に近い照射角度でレーザーが照射されると好適である。

ところで、レーザー溶接に用いられるレーザーの照射方法には、シングルモードと称される照射モードと、マルチモードと称される照射モードとがある。シングルモードと称される照射モードは、１つの励起光で増幅されたレーザー光を用いるモードである。シングルモードでは、エネルギー分布がガウス分布となり、レーザー光の径を小さくすることができ、エネルギー密度も大きくすることができる。これに対して、マルチモードと称される照射モードでは、複数の励起光で増幅されたレーザー光が用いられる。マルチモードのエネルギー分布は、等脚台径を上底及び下底の中点を通る直線を回転軸として回転させたようなトップハット型の分布となる。このため、出力を大きくすることができるが、レーザー光の径は大きく（太く）なる。本実施形態では、導電性プレート１０を貫通して、セグメント導体７の接合用端面７ｐと導電性プレート１０とを接合するので、エネルギーを狭い領域に高い密度で与えることが好ましい。従って、照射モードとしてはシングルモードが採用される。

シングルモードによって、レーザーが導電性プレート１０に照射されると、導電性プレート１０或いはセグメント導体７の母材が気化し、母材の内部から溶融が始まる。さらにレーザー照射を続けると、母材の内部から溶融領域が次第に拡大していく。シングルモードでは、母材の内部から溶融し、細く深い領域に溶融が拡大するので、導電性プレート１０とセグメント導体７とを串刺しするように接合する用途に好適である。

一方、マルチモードでは、母材の表面から溶融し、広く浅い領域で溶融することになる。その結果、導電性プレート１０とセグメント導体７とは串刺しするように接合されず、溶融した導電性プレート１０がセグメント導体７の接合用端面７ｐを含む導体端部７ｔを覆うようにして接合される可能性がある。このため、溶接されたセグメント導体７の導体端部７ｔが肥大化する可能性があるので、本実施形態では照射モードとしてシングルモードが採用される。

また、発明者らの実験によれば、シングルモードでは、レーザーの焦点距離が長くなっても、高いエネルギー密度を維持できることが確認されている。このため、レーザーヘッド２００を接合対象導体から離すことが可能となり、溶接の際のワークディスタンスを確保し易くなるので、生産性が向上する。尚、当然ながらレーザーの出力が大きいほど、導電性プレート１０及びセグメント導体７は早く溶融する。そして、導電性プレート１０及びセグメント導体７の母材が液体状態となることによって、反射が少なくなりレーザーのエネルギーの吸収率も高くなる。従って、レーザーの出力は、例えば２０００［Ｗ］以上に設定されると好適である。また、好適な態様として、レーザーの波長は０．３〜１．１［μｍ］、焦点の径は１０〜２００［μｍ］であるとよい。

図６は、従来のアーク放電による溶接（ＴＩＧ溶接）と、本実施形態のレーザー溶接とを比較する図である。アーク放電よる溶接では、導体端部７ｔの先端から予め規定された剥離長Ｌｐ（Ｌｐ２）の領域の絶縁被膜７ｈが除去された裸導体端部７ｎ同士が接合される。即ち、接合対象導体となる２つのセグメント導体７は、裸導体端部７ｎの対向面同士が隣り合って対向すると共に、裸導体端部７ｎの先端同士が基準平面Ｐｒに沿って並ぶ状態で溶接される。ＴＩＧ溶接を行う場合には、このように、絶縁被膜７ｈを剥離する必要があるが、導電性プレート１０を用いてレーザー溶接を行う場合には、絶縁被膜７ｈを剥離する必要はない。或いは、導体端部７ｔの先端からごく僅かな剥離長Ｌｐの範囲の絶縁被膜７ｈを剥離すれば充分である。

図６の中段及び下段には、溶接後のセグメント導体７を模式的に示している。ＴＩＧ溶接を行った場合には、アークＡＫがセグメント導体７の先端部の比較的に広い範囲に印加され、当該先端部が全体的に溶融し、表面張力により先端部が丸みを帯びて凝固する。このため、基準平面Ｐｒに直交する方向（上面）から見た接合後の導体端部７ｔの先端の外縁が、接合前の２つの導体端部７ｔの先端の配置領域Ｓからはみ出してしまう。つまり、溶接前の導体端部７ｔの先端の輪郭線に対して、溶接後の輪郭線は部分的にはみ出した形状となる。このため、ＴＩＧ溶接の場合には、隣接する接合対象導体の間の距離“Ｃｐ”をこのはみ出し量“Ｍｓ”の分だけ多くして、絶縁距離を確保できるようにする必要がある。

これに対して、導電性プレート１０を用いたレーザー溶接の場合には、はみ出し量“Ｍｓ”を考慮する必要はないから、隣接する接合対象導体の間の距離“Ｃｐ”は相対的に短くなる。従って、導電性プレート１０を用いたレーザー溶接を行う場合には、ＴＩＧ溶接を行う場合に比べて、コイル３を小型化することができる。導電性プレート１０は、基準平面Ｐｒに直交する方向から見て、２つの接合用端面７ｐの配置領域Ｓの内側に収まる大きさである。従って、本実施形態の接合方法を用いて形成されたコイル３は、基準平面Ｐｒに直交する方向から見て、接合前の２つの導体端部７ｔの先端の配置領域Ｓの内側に、接合後の導体端部７ｔの先端の外縁が収まることになる。即ち、配置領域Ｓに対応する２つの導体端部７ｔの先端の外縁が接合の前後で変化しない。

また、上述したように、ＴＩＧ溶接を行った場合には、セグメント導体７の先端部が全体的に溶融し、表面張力により先端部が丸みを帯びて凝固する。従って、溶接後のセグメント導体７の導体端部７ｔは、図６の下段の側面図に示すように、その延在方向に沿って基準平面Ｐｒよりも延伸量“Ｍｕ”だけ延伸する場合がある。このため、セグメント導体７は、導体端部７ｔにおいて、延伸量“Ｍｕ”だけ長くなる可能性がある。さらに、上述したように、ＴＩＧ溶接の場合には、溶接に伴って上昇するセグメント導体７の温度が、絶縁被膜７ｈの耐軟化温度に達することが無いような長さである耐軟化距離Ｄｈに応じて絶縁被膜７ｈの剥離長Ｌｐ（Ｌｐ２）が設定されている。本実施形態では、導電性プレート１０を用いたレーザー溶接の場合には、この剥離長Ｌｐは設定されていないから耐軟化距離Ｄｈは剥離長Ｌｐに相当する“ΔＤｈ”だけ短くなる。

但し、導電性プレート１０の厚み（例えば約１［ｍｍ］）があるため、導電性プレート１０を用いたレーザー溶接の場合には、セグメント導体７は、導体端部７ｔにおいてプレートの厚み分突出するから、実質的に導体端部７ｔの長さは、ＴＩＧ溶接の場合に比べて“ΔＤｈ”よりも短い“ＴＬ１”だけ短くなる。尚、上述したように、レーザー溶接の場合には、延伸量“Ｍｕ”も生じないので、溶接後の導体端部７ｔの長さは、ＴＩＧ溶接を行った場合に比べて“ＴＬ２＝ＴＬ１＋Ｍｕ”だけ短くなる。導体端部７ｔの長さは、コイルエンドの長さに影響するので、導電性プレート１０を用いたレーザー溶接を用いた場合には、ＴＩＧ溶接を用いる場合に比べてコイルエンドが短くなり、コイル３を小型化することができる。

ところで、ＴＩＧ溶接に比べてセグメント導体７の温度上昇が少ないレーザー溶接を用いた場合でも、レーザーの照射時間が長くなるとエネルギー量が増えて温度上昇も大きくなる。そこで、温度上昇を抑制しながら、必要な領域を溶融させるために、レーザー照射工程＃２０においてパルス照射が行われると好適である。具体的には、図７に例示するように、予め規定された規定照射時間に亘ってレーザーを照射する照射フェーズＰＥと、予め規定された休止時間に亘ってレーザー照射を休止する休止フェーズＰＰとを繰り返すパルス照射によってレーザーが照射される。規定照射時間は、レーザーの照射を継続しても、裸導体端部７ｎと絶縁被膜７ｈとの境界部分におけるセグメント導体７の温度（被膜先端温度）が、絶縁被膜７ｈが溶融しないような温度に留まる時間に設定されると好適である。尚、絶縁被膜７ｈが溶融しないような温度とは、絶縁被膜７ｈが完全に溶融する温度ではなく、絶縁被膜７ｈが軟化して外観が変化する耐軟化温度であると好適である。

図７に示す例では、３回の照射フェーズＰＥが設けられている。複数回の照射フェーズＰＥを通して、セグメント導体７を溶融させる必要があるので、照射フェーズＰＥの後の休止フェーズＰＰでは、当然ながら照射フェーズＰＥの開始前の温度までは減少しない。従って、各照射フェーズＰＥの規定照射時間が同一であれば、後で実行される照射フェーズＰＥにおける被膜先端温度の方が高くなる。つまり、図７における第１照射フェーズＰＥ１よりも第２照射フェーズＰＥ２の方が被膜先端温度が高くなり、第２照射フェーズＰＥ２よりも第３照射フェーズＰＥ３の方が被膜先端温度が高くなる。従って、規定照射時間は、最終の照射フェーズＰＥ（図７に例示する形態では第３照射フェーズＰＥ３）において、被膜先端運度が、絶縁被膜７ｈの融点或いは耐軟化温度に達しない範囲の時間に設定されると好適である。

尚、図７では、３回の照射フェーズＰＥが設定されているが、各照射フェーズＰＥにおける規定照射時間は同一であってもよいし、別個の値であってもよい。同様に、２回の休止フェーズＰＰにおける各休止時間も同一であってもよいし、別個の値であってもよい。また、規定照射時間と休止時間とが同一の長さであってもよいし、異なる長さであってもよい。また、当然ながら、照射フェーズＰＥの回数も３回に限定されるものではなく、例えば５回実施されてもよい。また、温度上昇が絶縁被膜７ｈの耐軟化温度の範囲内であれば、パルス照射が実施されず、１回の照射によって溶接が実施されてもよい。

発明者らによる実験によれば、シングルモードで以下のようにレーザー照射を行って、導電性プレート１０とセグメント導体７とが良好に接合されることが確認されている。即ち、レーザーの出力が２５００［Ｗ］、焦点の直径が４２［μｍ］、規定照射時間が１０［ｍｓ］、休止時間が９０［ｍｓ］、照射フェーズＰＥの回数が５回の場合に、良好に接合されることが確認されている。

ところで、導電性プレート１０は、基準平面Ｐｒに直交する方向から見て、２つの接合用端面７ｐの配置領域Ｓの内側に収まる大きさであり、配置領域Ｓの内側に配置されれば、上述したように配置領域Ｓとほぼ合同である必要はない。例えば図８に示すように、導電性プレート１０は、配置領域Ｓよりも小さく、配置領域Ｓの相似形であってもよい。また、導電性プレート１０は、配置領域Ｓの相似形である必要もなく、例えば図９に示すように、楕円形であってもよい。尚、これらの例に示すように、配置領域Ｓよりも小さい導電性プレート１０が利用される場合には、導電性プレート１０の縁端部と接合用端面７ｐとが溶接されてもよい。

本発明は、セグメント導体を複数個用い、異なるセグメント導体の端部同士を接合して、回転電機のコイルを形成するために利用することができる。

３ ：コイル
５ ：周方向接続部（セグメント導体）
７ ：セグメント導体
７ａ ：基本セグメント導体（セグメント導体）
７ｈ ：絶縁被膜
７ｐ ：接合用端面
７ｔ ：導体端部
１０ ：導電性プレート
１０ｂ ：照射面
１０ｔ ：接触面
９０ ：接続部材（セグメント導体）
Ｈ ：照射面における１つの接合用端面に対応する領域
ＰＥ ：照射フェーズ
ＰＰ ：休止フェーズ
Ｐｏ ：対向面
Ｐｒ ：基準平面
Ｓ ：２つの接合用端面の配置領域
＃１０ ：導体保持工程
＃１５ ：プレート設置工程
＃２０ ：レーザー照射工程

Claims (7)

1. 導体の延在方向の周囲に絶縁被膜が施されたセグメント導体を複数個用い、回転電機のコイルを形成するために、異なる前記セグメント導体の端部である導体端部同士を接合する回転電機の導体接合方法であって、
   接合対象導体となる２つの前記セグメント導体を、前記導体端部の対向面同士が隣り合って対向すると共に、前記導体端部の先端面である接合用端面同士が基準平面に沿って並ぶ状態に保持する導体保持工程と、
   前記接合対象導体となる前記セグメント導体の２つの前記接合用端面の双方に接触するように、板状の導電性プレートを設置するプレート設置工程と、
   前記導電性プレートが前記接合用端面と接触する接触面とは反対側の面である照射面の側から、当該照射面にレーザーを照射して前記導電性プレートと２つの前記接合用端面のそれぞれとを溶接するレーザー照射工程と、
   を備える回転電機の導体接合方法。
2. 前記導電性プレートは、前記基準平面に直交する方向から見て、２つの前記接合用端面の配置領域の内側に収まる大きさである請求項１に記載の回転電機の導体接合方法。
3. 前記レーザー照射工程では、前記照射面における１つの前記接合用端面に対応する領域の中の複数箇所にレーザーを照射する請求項１又は２に記載の回転電機の導体接合方法。
4. 前記レーザー照射工程では、予め規定された規定照射時間に亘ってレーザーを照射する照射フェーズと、予め規定された休止時間に亘ってレーザー照射を休止する休止フェーズとを繰り返すパルス照射によってレーザーを照射する請求項１から３の何れか一項に記載の回転電機の導体接合方法。
5. 前記規定照射時間は、レーザーの照射に伴って上昇する前記セグメント導体の温度が、前記絶縁被膜の耐軟化温度に達する時間未満に設定されている請求項４に記載の回転電機の導体接合方法。
6. 導体の延在方向の周囲に絶縁被膜が施されたセグメント導体を複数個用い、異なる前記セグメント導体の端部である導体端部同士を接合することによって形成された回転電機のコイルであって、
   接合対象導体となる２つの前記セグメント導体を、前記導体端部の対向面同士が隣り合って対向すると共に、前記導体端部の先端面である接合用端面同士が基準平面に沿って並んだ状態において、前記接合対象導体となる前記セグメント導体の２つの前記接合用端面の双方に接触するように設置された板状の導電性プレートを有し、
   前記導電性プレートが前記接合用端面に接触する面とは反対側の面である照射面の側から、当該照射面に照射されたレーザーによって、前記導電性プレートと２つの前記接合用端面のそれぞれとが溶接されている回転電機のコイル。
7. 前記導電性プレートは、前記基準平面に直交する方向から見て、２つの前記接合用端面の配置領域の内側に収まる大きさである請求項６に記載の回転電機のコイル。

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