(57)【要約】【課題】ステータコアと金属ケースとを接合するにあたり、接合部において電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることなく、ステータコアと金属ケースとの間の熱伝導性を向上すること。【解決手段】ロータの軸方向に積層された複数の電磁鋼板を備えたステータコアと、前記ステータコアが挿入される筒状の金属ケースと、を備えた回転電機において、前記ステータコアと前記金属ケースとを摩擦攪拌接合した接合部を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータの軸方向に積層された複数の電磁鋼板を備えたステータコアと、
前記ステータコアが挿入される筒状の金属ケースと、を備えた回転電機において、
前記ステータコアと前記金属ケースとを摩擦攪拌接合した接合部を備えたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記金属ケースが、
その外周面に、深さ方向が前記ロータの径方向である溝を備え、
前記接合部が前記溝の底部と前記ステータコアとを接合していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記溝を液密に覆い、冷却水通路を形成する通路形成部材を備えたことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記金属ケースの内径は、前記ステータコアが遊嵌される大きさを有し、
前記摩擦攪拌接合は、前記ステータコアが加熱されてその外周面が前記金属ケースの内周面に接触した状態で行われたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機、発電機といった回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機のステータコアは複数枚の電磁鋼板を積層して形成される。電磁鋼板の積層工程では、通常、１枚積層する毎に電磁鋼板表面の所定位置にプレスによって微小な凹部を形成する（裏面では凸部となる）、所謂、カシメにより電磁鋼板間を係合する方法が採用されることが多い。このカシメによる係合は、電磁鋼板間の位置ズレを防止する効果がある。また、電磁鋼板間をより強固に固定する方法としては、ステータコア外周面を溶接することも提案されている（特許文献１）。
【０００３】
上記のカシメ等により電磁鋼板間を係合した場合には、更に、ステータコア全体を固定する必要がある。ステータコア全体を固定する方法として、筒状の金属ケースにステータコアを圧入、焼嵌めすることが提案されている（特許文献２及び３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２２０７９０号公報
【特許文献２】特開平７−６７２９２号公報
【特許文献３】特開２００８−８６１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、筒状の金属ケースにステータコアを圧入、焼嵌めすると、ステータコアにはロータ中心方向に向かう圧縮応力が残留する。電磁鋼板の性質上、このような圧縮応力は電磁鋼板の磁気特性を悪化させる場合がある。また、回転電機の放熱性を考慮すると、圧入や焼嵌めを行った場合のように、ステータコアと金属ケースとが機械的に接触しているよりも、溶接した場合のように、冶金的に接合されている方がステータコアと金属ケースとの間の熱伝導性の点で有利である。しかし、ステータコアと金属ケースとを溶接すると、溶接部位においては電磁鋼板の溶融によって、大きな熱歪に伴う残留応力が発生して、その磁気特性が悪化する場合があり、これを回復させるためには焼鈍処理が必要となる。
【０００６】
本発明の目的は、ステータコアと金属ケースとを接合するにあたり、接合部において電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることなく、ステータコアと金属ケースとの間の熱伝導性を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、ロータの軸方向に積層された複数の電磁鋼板を備えたステータコアと、前記ステータコアが挿入される筒状の金属ケースと、を備えた回転電機において、前記ステータコアと前記金属ケースとを摩擦攪拌接合した接合部を備えたことを特徴とする回転電機が提供される。
【０００８】
摩擦攪拌接合は材料を塑性流動させて練り混ぜることで部材間を接合するので、溶接の場合のように電磁鋼板を溶融することがなく、したがって、接合部において大きな熱歪が発生しないので電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることがない。また、ステータコアと金属ケースの各部材が冶金的に接合されているので、これらが単に機械的に接触している場合よりも熱伝導性を向上でき、ひいて回転電機の冷却性能を向上できる。
【０００９】
また、本発明においては、前記金属ケースが、その外周面に、深さ方向が前記ロータの径方向である溝を備え、前記接合部が前記溝の底部と前記ステータコアとを接合していてもよい。この構成によれば、前記溝により前記金属ケースの表面積が増すことに伴って放熱性が向上でき、回転電機の冷却性能を更に向上できる。また、相対的に薄肉となる前記溝の底部を接合部とすることで、摩擦攪拌接合を、より容易にかつ確実に行うことができる。
【００１０】
また、本発明においては、前記溝を液密に覆い、冷却水通路を形成する通路形成部材を備えてもよい。この構成によれば、回転電機を水冷で冷却できる。
【００１１】
また、本発明においては、前記金属ケースの内径は、前記ステータコアが遊嵌される大きさを有し、前記摩擦攪拌接合は、前記ステータコアが加熱されてその外周面が前記金属ケースの内周面に接触した状態で行われたものであってもよい。この構成によれば、前記ステータコアに引張応力を残留させることができ、電磁鋼板の磁気特性を向上できる。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べた通り、本発明によれば、ステータコアと金属ケースとを接合するにあたり、接合部において電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることなく、ステータコアと金属ケースとの間の熱伝導性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る回転電機Ａの断面図、（ｂ）は図１（ａ）の線Ｘ−Ｘに沿う回転電機Ａの断面図である。
【図２】（ａ）は電磁鋼板２３の斜視図、（ｂ）は電磁鋼板２３'の斜視図、（ｃ）は金属ケース４０の斜視図である。
【図３】（ａ）は金属ケース４０の外周面の展開図、（ｂ）は摩擦攪拌接合の説明図である。
【図４】ステータコア２０の残留応力の説明図である。
【図５】別の実施形態である金属ケース４０'の外周面の展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る回転電機Ａの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の線Ｘ−Ｘに沿う回転電機Ａの断面図である。回転電機Ａは、電動機又は発電機であって、ロータ１０と、ステータコア２０と、金属ケース４０と、通路形成部材５０と、を備える。ロータ１０は、ロータ軸１１とロータ軸の周囲に配設された複数個の永久磁石（不図示）と、を備える。以下、軸方向、周方向、径方向と言うときは、特に断らない限り、ロータ１０の軸方向、周方向、径方向を指すものとする。
【００１５】
ステータコア２０は、ロータ１０と同心円筒状のヨーク部２２と、ヨーク部２２から径方向内方に突出し、ヨーク部２２の周方向に等間隔で複数（本実施形態では８つ）設けられたティース部２１と、を備え、各ティース部２１にはコイル３０が巻き回されている。ステータコア２０は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板２３の積層体である。図２（ａ）は電磁鋼板２３の斜視図であり、ティース部２１を構成する部分とヨーク部２２を構成する部分とが一体に形成され、常温におけるその外径はＤ１である。
【００１６】
本実施形態では、周方向には１つの電磁鋼板２３を軸方向に積層してステータコア２０を形成したが、周方向に均等に分割された電磁鋼板を用いてもよい。図２（ｂ）は周方向に均等に分割された電磁鋼板の例を示す斜視図であり、電磁鋼板２３'は複数の要素２３ａ'乃至２３ｄ'を環状に配置してなる。
【００１７】
図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、金属ケース４０は例えばアルミ合金製であり、ステータコア２０が挿入される筒状体をなしている。図１（ａ）及び（ｂ）においては、ステータコア２０の軸方向の両端部が開放されているが、各端部にはロータ軸１１を軸支する端部部材（不図示）が設けられる。端部部材は金属ケース４０と別体で金属ケース４０に固定することで構成できるが、端部部材の一方は金属ケース４０と一体であってもよい。
【００１８】
図２（ｃ）は金属ケース４０の斜視図である。金属ケース４０は、常温におけるその内径がＤ２である内部空間と、複数の溝４１及び４２が形成された外周面と、を備える。溝４１及び溝４２は、いずれもその深さ方向が径方向であり、溝４１は軸方向と平行に形成され、溝４２は周方向に形成されている。本実施形態の場合、溝４１はティース部２１と同数（ここでは８つ）形成されている。図３（ａ）は金属ケース４０の外周面を周方向に展開した展開図である。溝４２は溝４１の一方端部同士又は他方端部同士と交互に連結されており、複数の溝４１及び４２で一本の通路を形成している。
【００１９】
図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、ステータコア２０と、金属ケース４０と、は接合部６０において互いに接合されている。接合部６０はステータコア２０と金属ケース４０とを摩擦攪拌接合により接合した部分である。本実施形態の場合、接合部６０は、溝４１の底部４１ａとステータコア２０の外周面とを接合しており、溝４１の長手方向に直線状に連続した状態で、周方向に複数個が形成されている。図３（ａ）において破線で囲む部分は接合部６０となる部分を示す。
【００２０】
図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、通路形成部材５０は、本実施形態の場合、金属ケース４０が挿入される円筒状をなし、金属製である。通路形成部材５０は、金属ケース４０の外周面のうち、溝４１及び４２を形成していない部分に接合され、これにより溝４１及び４２を液密に覆い、冷却水通路を形成する。金属ケース４０と通路形成部材５０との接合は、圧入、溶接が挙げられるが、本実施形態ではステータコア２０と金属ケース４０とを摩擦攪拌接合するので、金属ケース４０と通路形成部材５０との接合も摩擦攪拌接合とすることが好ましい。通路形成部材５０のうち、溝４１及び４２で形成される通路の各端部に対峙する部分には、不図示の開口が形成され、ここに配管を接続することで、溝４１及び４２並びに通路形成部材５０で囲まれた冷却水通路に冷却水を循環することができる。
【００２１】
次に、回転電機Ａの製造手順の例について説明する。回転電機Ａは、例えば、ステータコア２０の作成、ステータコア２０と金属ケース４０との摩擦攪拌接合、金属ケース４０と通路形成部材５０との接合、コイル３０の組み付け、ロータ１０の組み付け、という手順で製造できる。
【００２２】
ステータコア２０と金属ケース４０との摩擦攪拌接合の例について説明する。図３（ｂ）は摩擦攪拌接合の説明図であり、ステータコア２０と金属ケース４０との摩擦攪拌接合方法の一例を示す。同図の例では、工具７０を金属ケース４０の外周側から溝４１の底部４１ａに工具７０を回転させながら押し当て、溝４１の長手方向に移動させている。工具７０は円柱状の本体部分７１と、本端部分７１から突起した円柱状の突起部分７２と、を備える。金属ケース４０をアルミ合金製とし、底部４１ａの厚みを６ｍｍとした場合、工具７０としては、例えば、ＳＫＤ６１からなり、本体部分７１の直径が２０ｍｍ、突起部分７２の直径が５ｍｍ、突出長さが５ｍｍのものを利用できる。この場合、工具７０の回転数は例えば８００ｒｐｍ、移動速度は例えば２００ｍｍ／ｍｉｎ、底部４１ａの表面からの押し込み深さは５．５ｍｍとすることができる。
【００２３】
ここで、常温における金属ケース４０の内径Ｄ２は、常温におけるステータコア２０の外径Ｄ１よりも大きくしてステータコア２０が遊嵌される大きさを有することが好ましい。この遊嵌される大きさ（外径Ｄ１と内径Ｄ２との寸法差）は、例えば１００μｍ〜２００μｍが好ましい。この場合、両者の摩擦攪拌接合の際に、ステータコア２０が金属ケース４０に挿入された状態で、ステータコア２０を加熱して外径Ｄ１が内径Ｄ２に略一致するように、つまり、ステータコア２０の外周面が金属ケース４０の内周面に全体的に接触するように膨張させる。そして、この状態で、ステータコア２０と金属ケース４０との摩擦攪拌接合を行う。
【００２４】
このようにして摩擦攪拌接合を行うと、ステータコア２０が常温に戻ったとき、ステータコア２０の収縮が接合部６０を介して金属ケース４０によって妨げられ、ステータコア２０に内部応力が残留する。図４はステータコア２０の残留応力の説明図である。ステータコア２０には接合部６０において矢印ｄ１で示すように径方向外方の応力が作用し、ステータコア２０を拡径させる応力が常時作用する。この結果、ヨーク部２２には、矢印ｄ２で示すように周方向の引張応力が作用し、この力の方向は磁束が流れる方向と平行であることから、電磁鋼板２３の磁気特性を向上できる。
【００２５】
係る構成からなる回転電機Ａでは、ステータコア２０と金属ケース４０とを接合するにあたり、接合部６０において電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることなく、ステータコア２０と金属ケース４０との間の熱伝導性を向上することができる。つまり、摩擦攪拌接合は金属ケース４０を塑性流動させて練り混ぜ、その際、ステータコア２０を構成する電磁鋼板２３の表面に存在する酸化層が除去され、接合に有利な表面を露出させて両部材間を接合するので、溶接の場合のように電磁鋼板をその径方向深くまで溶融することがなく、したがって、接合部６０において電磁鋼板２３の磁気特性を大きく悪化させることがない。また、ステータコア２０と金属ケース４０の各部材が冶金的に接合されているので、これらが単に機械的に接触している場合よりも熱伝導性を向上でき、ひいて回転電機Ａの冷却性能を向上できる。ステータコア２０と金属ケース４０との接合は、摩擦攪拌接合による接合のみが望ましいが、他の接合方式との併用であってもよい。
【００２６】
また、溝４１及び４２を形成したので、金属ケース４０の放熱性が向上でき、回転電機Ａの冷却性能を更に向上できる。また、相対的に薄肉となる溝４１の底部４１ａを接合部６０とすることで、摩擦攪拌接合を、より容易にかつ確実に行うことができ、加えて、金属ケース４０全体が薄肉とならずに、厚肉の部位が存することで、その剛性の確保が要求される場合に好適である。
【００２７】
更に、軸方向と平行な方向の溝４１の底部４１ａに接合部６０を形成したことで、積層された複数の電磁鋼板２３のうちの多数を金属ケース４０と接合することができ、特に、図４に示したように引張応力を残留させる構成の場合に有利である。なお、本実施形態では接合部６０をティース部２１に対応するヨーク部２２の外周面部に設けているが、各ティース部２１間のヨーク部２２の外周面部に設けてもよい。
【００２８】
また、通路形成部材５０を設けて冷却水通路を形成したことで、回転電機Ａを水冷で冷却できる。尤も、通路形成部材５０を設けずに、空冷としてもよく、更に、冷却性能が大きく要求されない場合には溝４１、４２を設けない構成も採用可能である。
【００２９】
なお、本実施形態では、溝４１、４２によって金属ケース４０の外周面に、全体としてジグザグ状の溝を形成したが、溝の形状はこれに限られず、種々の形状のものを採用でき、例えば、螺旋状に形成してもよい。図５は、金属ケース４０に代わる金属ケース４０'の外周面の展開図であり、螺旋状の溝４３を形成したものである。ここで、図面上の端部４３ａ、４３ａ及び端部４３ｂ、４３ｂは実際には連続しており、溝４３は一本の溝である。また、破線で囲む部分は接合部６０となる部分の例を示し、同図の例では、溝４３の底部において、溝４３に沿って螺旋状に接合部６０を形成している。
【符号の説明】
【００３０】
Ａ  回転電機
１０  ロータ
２０  ステータコア
２３  電磁鋼板
４０、４０’  金属ケース
６０  接合部
【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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