(57)【要約】【課題】圧縮応力下で使用されるステータコアの製造方法であって、ステータコアを形成する電磁鋼板にモータの効率改善のための表面加工を施し、かつ表面加工による変形を抑制する製造方法を提供する。【解決手段】表面加工を施すことによってバックヨーク２に加工影響層を生じさせた無方向性電磁鋼板を積層してステータコアを形成する。ただし、表面加工は無方向性電磁鋼板の外周部に少なくとも一つの凹部４を形成した後、又は無方向性電磁鋼板の外周側の所定範囲内に少なくとも一つの貫通孔５を形成した後に施す。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バックヨークに加工影響層が生じる表面加工を施した無方向性電磁鋼板を積層してなる、圧縮応力下で使用されるステータコアの製造方法において、
前記表面加工が、前記無方向性電磁鋼板の外周部に少なくとも一つの凹部を形成した後、又は前記無方向性電磁鋼板の外周部から径方向に所定距離ずれた位置に少なくとも一つの貫通孔を形成した後、に施されることを特徴とするステータコアの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のステータコアの製造方法において、
前記表面加工は、前記凹部又は前記貫通孔の径方向位置と少なくとも一部が重複する範囲に施されることを特徴とするステータコアの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のステータコアの製造方法において、
前記表面加工は前記無方向性電磁鋼板の塑性変形を伴う工法による加工であることを特徴とするステータコアの製造方法。
【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の製造方法にて製造したステータコアをモータケースに収容したモータにおいて、
前記凹部が前記ステータコアを前記モータケースに固定するためのキー溝として機能し、作動時の回転トルクによって前記バックヨークに周方向の応力が発生することを特徴とするモータ。
【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環境で使用されるステータコアに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モータを使用する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要求される。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、これにボルト締めや、かしめ等を施すことで一個の積層体とする。また、製造工程の合理化等の観点から、鉄心をモータケースに固定する方法として焼き嵌めが採用されることが多い。上記のようにボルト締め、かしめ、又は焼き嵌め等がされた状態では、鉄心の外周部近傍には電磁鋼板の表面に平行かつ鉄心の周方向に沿った圧縮応力が作用する。
【０００３】
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、特許文献１では、圧縮応力下における鉄損特性の劣化を抑制するために、電磁鋼板に表面加工を施すことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１６０５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記文献のように電磁鋼板に表面加工を施すことで、圧縮応力下での鉄損を低減することができるが、表面加工時に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る。電磁鋼板の板厚は多くの場合０．５ｍｍ程度なので、一枚毎の変形は軽微である。しかし、同一形状に打ち抜かれた電磁鋼板を数百枚積層してステータコアを形成する場合もあり、そのような場合には一枚毎の変形は軽微であってもステータコア全体の寸法に大きな影響を与えることとなる。
【０００６】
ステータコア全体として考えると、変形した電磁鋼板を積層することで、変形していない電磁鋼板を同枚数積層した場合に比べて厚さが増大する。これは積層体内部に空隙が増加することを意味する。すなわち、ステータコア全体の体積に対する電磁鋼板の正味体積の割合を占積率とすると、電磁鋼板が変形することで占積率が低下することになる。占積率が低下すると、ステータコアとしては透磁率の低下や飽和磁束密度の低下を招き、モータとしてもトルクの低下を招く。
【０００７】
そこで本発明では、モータの効率改善のためにステータコアを形成する電磁鋼板に表面加工を施し、かつ、表面加工による変形を抑制し得るステータコアの製造方法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】
【０００８】
本発明のある態様によれば、バックヨークに加工影響層が生じる表面加工を施した無方向性電磁鋼板を積層してなる、圧縮応力下で使用されるステータコアの製造方法が提供される。このステータコアの製造方法では、表面加工が、無方向性電磁鋼板の外周部に少なくとも一つの凹部を形成した後、又は無方向性電磁鋼板の外周側の所定範囲内に少なくとも一つの貫通孔を形成した後に施される。
【発明の効果】
【０００９】
上記態様によれば、無方向性電磁鋼板の外周部に少なくとも一つの凹部を形成した後、又は無方向性電磁鋼板の外周側の所定範囲内に少なくとも一つの貫通孔を形成した後に表面加工を施すので、表面加工時に発生する伸びが凹部または貫通孔により吸収される。その結果、表面加工による変形が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、無方向性電磁鋼板から打ち抜いた状態のコア単板を示す図である。
【図２】図２は、コア単板に凹部を設けた状態を示す図である。
【図３】図３は、コア単板に貫通孔を設けた状態を示す図である。
【図４】図４は、表面加工領域を示す図である。
【図５】図５は、表面加工により形成した溝のプロフィル図である。
【図６】図６は、凹部をキー溝として利用してステータコアを固定した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、電動モータのステータコアＳを形成するためのコア単板１を、電動モータのロータ回転軸方向から見た状態を示す図である。なお、コア単板１は電動モータの回転軸を中心とした環状部材であるが、図１ではその略１／４を示す。
【００１３】
コア単板１は、市販の板厚０．３５［ｍｍ］のモータ用電磁鋼板を、プレス機等を用いて、円環状のバックヨーク２と、バックヨーク２からロータ回転軸方向に突出し、かつ円周方向に等間隔で並ぶ複数のティース３とからなるステータコア形状に打ち抜いたものである。
【００１４】
本実施形態のコア単板１の外径は１８０［ｍｍ］、内径は１００［ｍｍ］である。なお、外径とは、バックヨーク２の外周部の直径であり、内径とは各ティースの先端部を結んだ円の直径である。
【００１５】
コア単板１を、以下に説明する加工を施した後、ロータ回転軸方向（板厚方向）に複数枚積層することで電動モータ用のステータコアＳを形成する。ステータコアＳはモータケース１０の内側に焼き嵌め等により固定される。すなわち、ステータコアＳは圧縮応力が作用する環境下で使用される。
【００１６】
次に、コア単板１に施す加工について説明する。
【００１７】
本実施形態では、圧縮応力が作用する環境下での鉄損の増大を抑制するため、コア単板１に加工影響層が生じるような表面加工を施す。ただし、表面加工により生じる応力によってコア単板１に反りやたわみ等の変形が生じると、積層体であるステータコアＳの占積率が低下し、電動モータのトルク低下を招くこととなる。そこで、コア単板１には、表面加工が施される前に、表面加工による変形を抑制するための加工（以下、前加工ともいう）が施される。以下に前加工の例を２つ挙げるが、これらに限定されるものではなく、表面加工によって生じる応力によるコア単板１の反りやたわみを抑制できるものであればよい。
【００１８】
図２は、前加工の第１の例を示す図である。
【００１９】
第１の例では、コア単板１の外周部に、図２に示すような板厚方向に延びる溝状の凹部４を設ける加工を施す。凹部４の断面形状は、周方向長さが７［ｍｍ］、ロータ回転軸方向長さが３［ｍｍ］の矩形である。凹部４は、１箇所だけでなく、ロータ回転軸まわりに１８０［°］間隔で２箇所以上設けてもよい。
【００２０】
なお、凹部４は、プレス加工によって外周部の一部を切り落とすことで設けてもよいし、切削加工によって外周部の一部に切り込みを入れることで設けてもよい。ただし、加工後のコア単板１に曲げや歪み等の変形が生じないようにする必要がある。
【００２１】
図３は、前加工の第２の例を示す図である。
【００２２】
第２の例では、コア単板１の外周側の所定範囲に凹部４の断面形状と同様の矩形の貫通孔５を、周方向に所定間隔で複数設ける。本例では、貫通孔５を外周側の辺がコア単板１の外周部から内側に１［ｍｍ］ずれた位置にくるように、ロータ回転軸まわりに３０［°］毎に設ける。
【００２３】
第１の例及び第２の例のいずれも、加工後のコア単板１の平坦度がゼロ、つまり反りやたわみがないことを確認してから、次工程である表面加工に移行する。
【００２４】
次に、表面加工について説明する。
【００２５】
本実施形態の表面加工は、プレス機と金型とを用いてコア単板１のバックヨーク２に溝状の凹部（以下、「溝」という）を設ける型成形加工である。すなわち、プレス機の固定台に取り付けた下側の金型とプレス機の可動台に取り付けた上側の金型との間にコア単板１を挿入し、１００［ｔ］のプレス荷重で可動台を固定台に押し付ける。溝の深さは、可動台の下死点位置により定まるので、上側の金型と下側の金型との間に金属板で形成したスペーサを挿入して下死点位置を設定することで深さを調整する。具体的には、板厚１００［μｍ］のスチール箔帯を用いて、挿入するスチール箔帯の枚数と溝深さとの関係を予め調べ、溝深さが１０［μｍ］となるようにスチール箔帯の枚数を調整する。
【００２６】
上記方法によって、コア単板１の直径１６２−１６８［ｍｍ］の範囲と、直径１７０−１７８［ｍｍ］の範囲とに、それぞれ全周にわたってロータ回転軸まわりに４［°］間隔で、径方向長さ３［ｍｍ］の溝６と径方向長さ４［ｍｍ］の溝７とを形成する。
【００２７】
なお、溝を形成するために上側又は下側の金型に設置する刃先の形状は、それぞれ高さ０．２［ｍｍ］、先端角度３０［°］の三角形とする。
【００２８】
また、金型及びコア単板１の公差範囲のバラツキによる加工品の寸法バラツキを抑制するため、プレス機へのコア単板１の挿入方向を、常にコア単板１の圧延方向と一致させる。圧延方向が明確になるように、ステータコア形状に打ち抜く前の電磁鋼板に圧延方向を示すケガキ線を引いてもよい。
【００２９】
図４は、溝６及び溝７を設けた領域（表面加工領域）と、凹部４及び貫通孔５との位置関係を示す図である。図４に示すように、凹部４及び貫通孔５の径方向の位置は、いずれも表面加工領域と重複する。
【００３０】
なお、図４には凹部４及び貫通孔５の両方が示されているが、これはコア単板１に凹部４及び貫通孔５の両方が設けられていることを意味するものではなく、単に凹部４及び貫通孔５の径方向位置を示しているにすぎない。
【００３１】
次に、コア単板１の平坦度と表面加工により形成した溝の断面深さ（断面溝深さともいう）とについて説明する。
【００３２】
平坦度は、表面加工後のコア単板１を定盤に置き、コア単板１と定盤との隙間の最大値を隙間ゲージ又は変位計にて計測した値である。
【００３３】
断面溝深さは、圧延方向をゼロ時方向としてゼロ時から９０［°］毎に４箇所計測した。具体的には、三鷹光器株式会社製の非接触三次元測定機にて、測定ピッチ1［μｍ］、オフセット５の設定で５［ｍｍ］走査して形状プロファイルを計測し、各溝から抽出した５−９箇所の溝深さの平均値を溝深さとする。
【００３４】
図５に形状プロファイルの例を示す。図５の縦軸は断面溝深さ［μｍ］、横軸は計測開始点からの距離［ｍｍ］である。
【００３５】
溝加工によって加工部周辺の表面が盛り上るため、隣り合う加工溝の間の平坦部をゼロ点として、各溝形状の下点までの深さを図から読み取る。したがって、用いた電磁鋼板の表面粗さや形状により、ゼロ点の位置を設定する際にバラつきが生じることが予想される。しかし、図５によれば平坦部の凹凸はおおよそ２［μｍ］前後であるため、目視によって中心に合わせた場合でも、深さの誤差は１［μｍ］以下になると推定される。
【００３６】
表１は平坦度の計測結果を示している。計測したのは、凹部４を１箇所設けたもの（ケースＡ）と、凹部４を１８０［°］間隔で２箇所に設けたもの（ケースＢ）と、貫通孔５を３０［°］間隔で１２箇所設けたもの（ケースＣ）と、凹部４も貫通孔５も備えない比較例４つである。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示すように、凹部４又は貫通孔５を設けたものの平坦度が１．４−２．３［ｍｍ］であるのに対し、凹部４及び貫通孔５を設けないものの平坦度は３．５−４．０［ｍｍ］となっており、凹部４又は貫通孔５の有無により平坦度に顕著な差が認められる。
【００３９】
表２は、溝深さの計測結果を示している。計測したのは、凹部４を１８０［°］間隔で２箇所設けたもの（ケースＡ）と、貫通孔５を３０［°］間隔で１２箇所設けたもの（ケースＢ、Ｃ）と、凹部４も貫通孔５も備えない比較例２つである。表中の「最大差」は、計測値の最大値と最小値との差であり、これは断面溝深さのバラツキの指標値として用いることができる。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２に示すように、凹部４又は貫通孔５を設けたものの最大差が１．５−３．１［μｍ］であるのに対し、凹部４及び貫通孔５を設けないものの最大差は７．０［μｍ］、８．５［μｍ］となっており、凹部４又は貫通孔５の有無により、断面溝深さのバラツキが低減されていることがわかる。
【００４２】
次に、コア単板１を積層して形成したステータコアＳを用いた誘導モータの、表面加工の有無による効率の変化について説明する。
【００４３】
誘導モータは、ステータコアＳを炊き嵌めによってモータケース１０に固定したもの（焼き嵌めパターン）と、モータケース１０の外側からネジ止めすることで固定するパターン（キー溝固定パターン）とを用意した。キー溝固定パターンは、図６に示すように、凹部４をキー溝として利用し、モータケース１０に開けたネジ孔１１と凹部４とを位置合わせした状態でモータケース１０の外側からネジ１２を挿入して固定したものである。なお、図６では、ネジ孔１１及びネジ１２のネジ山は省略している。
【００４４】
さらに、比較の為に、両パターンともに表面加工を施していないコア単板１を使用したものも用意した。
【００４５】
表３は、上述した４種類の誘導モータの、１１５［Ｈｚ］の電周波数で回転させた場合の効率をまとめたものである。ここでいう「効率」とは、投入した電力に対する、得られたモータトルクの割合である。なお、効率はモータ出力が２００［Ｗ］の場合及び４００［Ｗ］の場合について算出した。
【００４６】
【表３】
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【００４７】
表３に示すように、焼き嵌めパターンもキー溝固定パターンも、表面加工を施した場合の方が、表面加工を施さない場合よりも効率が高いという結果が得られた。
【００４８】
明らかにステータコアＳに圧縮応力が作用する焼き嵌めパターンだけでなく、キー溝固定パターンでも表面加工による効率改善が認められるのは、ステータコアＳに回転トルクが作用した場合にネジ１２によって回転が防止されることで、ステータコアＳに圧縮応力が発生するためと考えられる。
【００４９】
上記のように、本実施形態の前加工及び表面加工を施す技術は、ステータコアＳをモータケース１０に固定する方法が焼き嵌めパターン又はキー溝固定パターンのいずれの種類の電動モータであっても、鉄損増大を抑制する効果があることがわかる。
【００５０】
以上説明した本実施形態の作用効果についてまとめる。
【００５１】
（１）本実施形態は、バックヨーク２に加工影響層が生じる表面加工を施した無方向性電磁鋼板を積層してなるステータコアＳであって、圧縮応力下で使用されるもの製造方法である。そして、表面加工は、無方向性電磁鋼板の外周部に少なくとも一つの凹部４を形成した後、又は無方向性電磁鋼板の外周部から径方向内側に所定距離ずれた位置に少なくとも一つの貫通孔５を形成した後に施される。前処理としてコア単板１に設けた凹部４又は貫通孔５によって表面加工により発生する伸びが吸収されて、表面加工によるたわみが抑制される。その結果、積層した場合に占積率の高いステータコアＳを得ることができる。
【００５２】
そして、上記のようなスタータコアＳを焼き嵌めによりモータケース１０に固定して電動モータを形成すれば、モータ出力密度の低下を回避しつつ、焼き嵌めにより発生する圧縮応力によるモータ効率の低下も抑制できる。すなわち、表面加工によって鉄損増大を抑制して、電気自動車やハイブリッド車両等に用いる電動モータの高効率化を図ることができる。
【００５３】
（２）表面加工は、凹部４又は貫通孔５の径方向位置と少なくとも一部が重複する範囲に施される。凹部４等が表面加工時に発生する伸びを吸収する効果は、凹部４等と表面加工領域との距離が近い方が大きいので、上記のように表面加工領域を凹部４等の径方向位置と重複させることで、表面加工によるコア単板１のたわみを抑制する効果がより大きくなる。
【００５４】
（３）表面加工は、無方向性電磁鋼板の塑性変形を伴う工法による加工、例えば、プレス機を用いた型成形技術によって、径方向に延びる溝６、７をバックヨーク２の全周にわたって一定間隔で形成するものである。これにより、バックヨーク２には表面加工影響層が形成されて、圧縮応力下で使用される場合の鉄損増大を抑制することができる。
【００５５】
（４）凹部４がステータコアＳをモータケース１０に固定するためのキー溝として機能し、作動時の回転トルクによってキー溝に周方向の応力が発生する構成でも、ステータコアＳに圧縮応力が作用する。したがって、本実施形態の前処理及び表面処理を施すことで、ステータコアＳを焼き嵌めでモータケース１０に固定する構成と同様に、表面加工による鉄損増大を抑制し、電動モータの高効率化を図ることができる。
【００５６】
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】
【００５７】
１    コア単板
２    バックヨーク
３    ティース
４    凹部
５    貫通孔
６、７  溝
１０  モータケース
１１  ネジ孔
１２  ネジ
【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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