(57)【要約】【課題】ステータコアを形成する無方向性電磁鋼板について、鉄損を低下させることを目的として表面加工を施した場合の、反りや変形を小さくする。【解決手段】圧縮応力が作用する環境で使用する無方向性電磁鋼板を積層してなるステータコア５０において、無方向性電磁鋼板は、バックヨークに径方向の溝加工を施すことによって表面加工影響層を形成した加工領域と、表面加工影響層よりも外周側であって外周端縁を含む未加工領域とを有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮応力が作用する環境で使用する無方向性電磁鋼板を積層してなるステータコアにおいて、
前記無方向性電磁鋼板は、バックヨークに径方向の溝加工を施すことによって表面加工影響層を形成した加工領域と、前記表面加工影響層よりも外周側であって外周端縁を含む未加工領域とを有するステータコア。
【請求項２】
請求項１に記載のステータコアにおいて、
前記加工領域の溝は、径方向の内周側端部から外周側端部までの少なくとも一部に未加工の部分を有する不連続溝であるステータコア。
【請求項３】
請求項１または２に記載のステータコアにおいて、
前記未加工領域が、外周端縁からステータコア半径の１５％以下の距離までの領域であるステータコア。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のステータコアにおいて、
前記無方向性電磁鋼板が両面に前記加工領域を有するステータコア。
【請求項５】
請求項４に記載のステータコアにおいて、
前記無方向性電磁鋼板が、隣り合う前記無方向性電磁鋼板に設けた溝の周方向位置をずらして積層されているステータコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮応力が作用する状態で使用される電磁鋼板を積層してなるステータコアに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種電気機器の高効率化を図るうえで、電動モータ等の鉄心として使用される電磁鋼板には、低鉄損や高磁束密度等といった優れた磁気特性が求められる。
【０００３】
ところで、電動モータ等の鉄心として電磁鋼板を使用する際には、一般的には複数の無方向性電磁鋼板を積層し、この積層体にボルト締めや、かしめ等が施される。また、製造工程の合理化等の観点から、この積層体で構成されるステータ部の鉄心をモータハウジングに固定する方法として焼き嵌めが多く採用されている。このようにボルト締め、かしめ、または焼き嵌め等された状態では、鉄心に圧縮応力が発生し、特に焼き嵌めによって、ステータ部の外周部近傍には、電磁鋼板の板面に平行な圧縮応力が作用する。
【０００４】
電磁鋼板は歪みが生じると磁気特性が変化し、圧縮応力が作用する場合には鉄損が増大、つまり鉄損特性が劣化することが知られている。そこで、電磁鋼板に表面加工を施すことによって圧縮応力下における鉄損特性の劣化を抑制する試みが行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、ステータコアのバックヨークの片面または両面に溝を形成することが記載されている。また、特許文献２には、１０[ＭＰａ]以上の応力下で使用するステータコアであって、バックヨークに周方向にスリットを設け、Ｓ濃度が１０ａｔ％以下であるものが記載されている。さらに特許文献３には、無方向性電磁鋼板の少なくとも一方の面に、少なくとも一本の線状または実質的に線状とみなし得る溝を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２５２４６３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６０５７８号公報
【特許文献３】特開２０１１−２３３７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１−３の技術によれば、応力下での鉄損低減は可能になるが、一方で、表面加工によって生じる応力によって、電磁鋼板に反りやたわみ等の変形が生じ得る。
【０００８】
電磁鋼板は、同一形状に打ち抜かれた鋼板を、場合によっては数百枚積層した積層コアとして、モータに使用される。電磁鋼板は、多くの場合０．３５[ｍｍ]や０．５[ｍｍ]といった板厚であり、１枚毎の変形は軽微なものであるが、上記のように数百枚積層すると、変形の程度次第で積層体としては大きく厚さが変わり得る。
【０００９】
また、電磁鋼板を積層体として考えた場合、鋼板の変形によって厚みが増すと、積層体内部に空隙が増加することになる。このような積層体に占める鋼板の正味体積の割合（以下、占積率と称する）が低いと、コアとしては透磁率や飽和磁束密度の減少を生じ、モータとしてはトルク低下を招くこととなる。
【００１０】
そこで、本発明では、モータ効率改善のため、表面加工による変形を抑制した電磁鋼板を積層したステータコア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】
【００１１】
本発明のステータコアは、圧縮応力が作用する環境で使用する無方向性電磁鋼板を積層してなるステータコアである。そして、無方向性電磁鋼板は、バックヨークに径方向の溝加工を施すことによって表面加工影響層を形成した加工領域と、表面加工影響層よりも外周側であって外周端縁を含む未加工領域とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、外周端縁を含む未加工領域を設けることによって無方向性電磁鋼板の強度が向上するので、表面加工による反りや変形を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（Ａ）は全面を加工領域とする試験片を示す図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の溝部分の拡大図である。
【図２】未加工領域を有する試験片を示す図である。
【図３】試験片についての平坦度の計測結果を示す図である。
【図４】鉄損評価に用いる継鉄型鉄損評価装置を示す図である。
【図５】本実施形態のステータコアの一例を示す図である。
【図６】本実施形態のステータコアの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
本発明をするにあたり、発明者らは、表面加工を施した電磁鋼板の平坦度を計測した。
【００１６】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２は、試験片１の一例を示す図である。
【００１７】
試験片１は、短冊形の電磁鋼板の単板を用いた。具体的には、板厚０．３５［ｍｍ］、のＪＩＳ３５Ａ３００相当の電磁鋼板を、圧延方向を長手方向として１８０［ｍｍ］×３０［ｍｍ］に切り出し、切り出した鋼板の片面に表面加工を施した。
【００１８】
施した表面加工はロールフォーミング加工であり、これにより溝状の凹み（以下、溝２１という）を付与した。ここでは、０．５［ｍｍ］ピッチの１０本の溝加工が可能な超硬製工具を作製し、これを用いて１パス加工する毎に横方向へ１０［ｍｍ］ずらして加工を施した。図１（Ａ）に示すように加工範囲が全面にわたるものと、図２に示すように両端に未加工領域を残すもの、さらに、表面加工を試験片１の片面にだけ施したものと、両面に施したものを用意した。
【００１９】
また、予め調査した荷重と溝深さの相関に基づいて荷重を制御して、５[μｍ]、１０[μｍ]、２０[μｍ]の３種類の溝深さで加工した。なお、前記相関を調査するための溝深さは、三次元形状測定器を用いて測定した。
【００２０】
すなわち、加工領域は、片面が全面加工されたもの、両面が全面加工されたもの、片面が未加工領域を残して加工されたもの、両面が未加工領域を残して加工されたもの、の４パターン、溝深さは、５[μｍ]、１０[μｍ]、２０[μｍ]の３パターンである。
【００２１】
ここで、平坦度について説明する。
【００２２】
平坦度は、試験片１をおいた定盤を基準面とする急峻度λとして求めた。急峻度λは、試験片１の波打ち状態を観察し、各波における波の高さＨと波長Ｌとの比であり、式（１）のように表わすことができる。
【００２３】
λ＝（Ｈ/Ｌ）×１００（％）      ・・・（１）
【００２４】
なお、波が一つの場合は、試験片１の両端部間の長さを波長Ｌとみなし、定盤に対する高さを波の高さＨとみなした。
【００２５】
図３は、上述した試験片１についての平坦度の計測結果を示す図である。縦軸は平坦度、横軸は加工時の荷重であり、加工領域のパターン毎に３種類の溝深さについて測定した。
【００２６】
図中の破線Ａ１は片面のみ全面加工を施したもの、実線Ａ２は片面に未加工領域を残した加工を施したもの、破線Ｂ１は両面に全面加工を施したもの、実線Ｂ２は両面に未加工領域を残した加工を施したものを示している。
【００２７】
この測定結果から、加工領域が片面の場合と両面の場合のいずれも、端部に未加工領域を残した方が平坦度は低くなることがわかった。また、片面にのみ加工するよりも、両面に加工する方が平坦度は小さくなることがわかった。
【００２８】
平坦度を測定した後、鉄損評価を行なった。
【００２９】
図４は本実施形態の鉄損評価に用いる継鉄型鉄損評価装置１０を示す図である。
【００３０】
試験片１を固定するステージ１１が励磁コイル１２内に配置され、励磁コイル１２の軸方向の両端を接続するように継鉄１３が配置される。そして、継鉄１３の励磁コイル１２との接続部よりさらに外側には、試験片１を固定するための固定クランプ１５及び可動クランプ１６が配置される。可動クランプ１６にはロードセル１７が接続されている。なお、励磁コイル１２の軸方向長さは試験片１の長手方向長さよりも短い。
【００３１】
励磁コイル１２内には、ステージ１１と対向するように座屈防止板１４が配置される。この座屈防止板１４は、励磁コイル１２の両端に配置された空気圧シリンダ１８によってステージ１１方向に可動し、試験片１をステージ１１に押圧する。これにより試験片１に圧縮荷重をかけた際に試験片１が座屈することを防止できる。押圧は２００ｋｇｆとしたが、押圧の有無は鉄損に影響を与えないことを確認した。
【００３２】
上記のような構成の継鉄型鉄損評価装置１０による鉄損評価方法について説明する。
【００３３】
試験片１を両端が励磁コイル１２から突出するようにステージ１１上にセットし、試験片１の一方の端部は固定クランプ１５により、他方の端部は可動クランプ１６により固定する。さらに座屈防止板１４により試験片１をステージ１１方向に押圧する。
【００３４】
そして、ロードセル１７により圧縮荷重をかけることによって試験片１に圧縮応力を発生させた状態で、励磁コイル１２に交番電流を流して試験片１の磁化特性を測定する。ここでは、試験片１の長手方向に３０[ＭＰａ]の圧縮応力が作用した状態で、磁束密度１．０[Ｔ]、周波数０．５[ｋＨｚ]で交番磁化させて測定を行った。
【００３５】
表１は、平坦度測定と鉄損評価の結果をまとめたものである。
【００３６】
【表１】
2014155368.tif 000003
【００３７】
これらの結果から、表面加工によって鉄損の低減は可能であるが、平坦度には差が生じることがわかる。そして、未加工領域が存在し、さらに両面加工を施すことで表面加工による鉄損低減効果を損なうことなく、平坦度が改善されることがわかる。
【００３８】
なお、発明者らが行った他の試験によれば、ロールフォーミング加工に代えてプレス加工により溝２１を形成した場合は鉄損低減効果が得られるが、エッチングにより溝２１を形成した場合は鉄損低減が得られないことがわかっている。つまり、機械的な加工により溝２１を形成した場合は鉄損低減効果が得られるが、化学的な加工により溝２１を形成しても鉄損低減効果は得られない。この結果から、鉄損低減効果は、溝２１を有することに起因するのではなく、溝２１を形成する際に生じた格子歪みに基づく加工影響層の有無に起因することがわかる。
【００３９】
次に、未加工領域、平坦度、及び鉄損の相関について調査した。加工荷重は５００[Ｎ]で一定として、未加工領域を端部から適宜変化させた。なお、未加工領域は両端とも同じ幅で残留させた。
【００４０】
表２は上記の相関についてまとめたものである。未加工領域については、試験片の幅に対する未加工領域の幅の割合で示している。
【００４１】
【表２】
2014155368.tif 000004
【００４２】
この結果から、未加工領域の幅が試験片１の幅の１５％以下であれば、鉄損低減効果を得つつ、鋼板の反りや変形を抑制できることがわかる。
【００４３】
次に、上述した試験結果を踏まえて表面加工を施した、本実施形態のステータコア５０について説明する。
【００４４】
図５は、本実施形態のステータコア５０の一例を示す図である。ここでは、ステータコア５０のスロット５６が形成された領域（図中の破線より内周側）をティース部５４、それより外周側（図中の破線より外周側）をバックヨーク５２とする。
【００４５】
溝２１は、ステータコア５０のバックヨーク５２に、全周にわたって０．５°ピッチで並ぶ。なお、溝２１の径方向長さは１２[ｍｍ]、周方向長さは１５[μｍ]、深さは１０[μｍ]である。
【００４６】
また、溝２１はステータコア５０の外周には到達しておらず、溝２１よりも外周側（図中の一点鎖線より外周側）が未加工領域となっている。未加工領域は、試験片での評価に基づき、ステータコア５０の外周から、ステータコア５０の半径の１５％以下の距離までの領域とする。すなわち、ステータコア５０の外周から一点鎖線までの径方向距離は、ステータコア５０の半径の１５％以下である。
【００４７】
なお、溝２１を設けるのはバックヨーク５２であり、ティース部５４は未加工領域となるので、図２の試験片１と同様に、溝２１の両側に未加工領域を有することとなる。
【００４８】
図６は、本実施形態のステータコア５０の他の例を示す図である。図６の溝２１は、溝２１の内周側端部から外周側端部までの間に未加工の部分（以下、不連続部分という）を有する不連続溝である。ここでは、不連続部分の径方向長さを０．２[ｍｍ]とする。溝２１のその他の寸法、ピッチについては図５と同様である。
【００４９】
なお、実際のステータコアでは全周にわたって溝２１を形成したが、図５、６では溝２１は一部の領域についてのみ示し、他の領域については省略している。
【００５０】
上記の図５、図６の表面加工を片面に施したものと両面に施したものを用意した。
【００５１】
また、比較の為に、図５の溝２１を外周まで伸ばした未加工領域のないステータコアも、片面のみ加工したもの、両面加工したものの２種類用意した。
【００５２】
表３は上記６種類のステータコアを定盤の設置し、定盤とステータコアの隙間の最大値を隙間ゲージにより計測した結果である。なお、隙間の測定には変位計を用いてもよい。
【００５３】
【表３】
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【００５４】
この結果から、試験片での評価と同様に、未加工領域を設けた方が加工よる反りや変形が小さいことがわかる。また、片面加工よりも両面加工の方がより小さいこともわかる。
【００５５】
さらに、未加工領域を設けた場合どうしを比較すると、連続溝よりも不連続溝の方が加工による反りや変形が小さいことがわかる。
【００５６】
なお、不連続溝は図６に示した形態に限られず、例えば、隣り合う溝２１の不連続部分の径方向位置がずれていて、ステータコア５０全体でみると不連続部分が千鳥状に配置されている形態であっても同様の効果が得られる。
【００５７】
ところで、表面加工前の無方向性電磁鋼板は絶縁塗膜により覆われているが、表面加工時によって溝２１の部分は絶縁塗膜が損傷する。このため、無方向性電磁鋼板を積層する際に、隣り合う無方向性電磁鋼板の互いに対向する面の溝２１の周方向位置が重なると、絶縁不良により鉄損増加を招く場合がある。また、機械的な加工により溝２１を形成すると、極僅かではあるものの溝２１の周辺が盛り上がり、板厚が増す。このため、隣り合う無方向性電磁鋼板の互いに対向する面の溝２１の周方向位置が重なると、盛り上がった部分が重なることとなり、占積率の低下を招くこととなる。
【００５８】
そこで、隣り合う無方向性電磁鋼板の互いに対向する面の溝２１の周方向位置をずらして積層することで、絶縁不良による鉄損増加を防止する。
【００５９】
本実施形態の作用、効果についてまとめると、以下のようになる。
【００６０】
圧縮応力下で使用する無方向性電磁鋼板を積層してなるステータコア５０は、バックヨーク５２に溝２１を形成することによって表面加工影響層を形成した加工領域と、表面加工影響層よりも外周側であって外周端縁を含む未加工領域とを有する。これにより、表面加工による反りや変形を抑制して積層時の占積率を高めることができる。
【００６１】
溝２１が、径方向の内周側端部から外周側端部までの少なくとも一部に未加工の部分を有する不連続溝であれば、未加工の領域が分散することとなり、鉄損低下効果を得つつ、より効果的に表面加工による反りや変形を抑制することができる。また、未加工領域が分散することで、連続した溝２１を設ける場合に比べて無方向性電磁鋼板の強度を高めることができる。
【００６２】
未加工領域が、外周端縁からステータコア半径の１５％以下の距離までの領域であれば、表面加工による反りや変形を抑制し、かつ、鉄損低減効果を損なうことがない。
【００６３】
両面に表面加工影響層を形成すると、片面にのみ形成した場合に比べて、表面加工による反りや変形を抑制する効果が大きくなるので、占積率を高めることができる。
【００６４】
隣り合う無方向性電磁鋼板の互いに対向する面の溝２１の周方向位置をずらして積層することで、絶縁不良による鉄損増加を防止し、かつ、占積率の低下を防止することができる。
【００６５】
ステータコアが上述したような無方向性電磁鋼板の積層体であれば、占積率の低下によるモータ出力密度の低下という問題を回避しつつ、安価な焼き嵌めによるモータ施工を可能とする表面加工による鉄損増大の抑制を実現することができる。その結果、電動車やハイブリッド車における電動モータの効率向上を図ることができる。
【００６６】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６７】
１    試験片
２    長穴
３    列
１０  継鉄型鉄損評価装置
１１  ステージ
１２  励磁コイル
１３  継鉄
１４  座屈防止版
１５  固定クランプ
１６  可動クランプ
１７  ロードセル
１８  空気圧シリンダ
２１  溝
５０  ステータコア
５２  バックヨーク
５４  ティース部
５６  スロット
【図１】
2014155368.tif 000006
【図２】
2014155368.tif 000007
【図３】
2014155368.tif 000008
【図４】
2014155368.tif 000009
【図５】
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【図６】
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