JP2009225504A - 分割ステータコアの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを高騰させることなく、焼き嵌め処理時に作用する押圧力にてその磁気特性が低下されることのない分割ステータコアの製造方法を提供する。
【解決手段】 分割コア１０，…からなるコア体１００の直径以上の大きさの内空径を有し、かつ、コア体１００の高さ未満の内空高さを有する環状側壁２１と、該環状側壁２１の両端において径方向内側へ突出するフランジ２２と、を備えた円筒体２０を用意し、該円筒体２０を熱膨張させる第１の工程と、熱膨張した姿勢の円筒体２０の内部に円環状のコア体１００を形成する第２の工程と、円筒体２０を収縮させ、フランジ２２にてコア体１００に高さ方向の押圧力を付与して該コア体１００を締め付ける第３の工程と、からなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動機のステータコアの製造方法にかかり、特に、分割コアをその外周から締結することで形成される分割ステータコアの製造方法に関する。

電動機を構成するステータコアは、円環状のヨークからその径方向内側に突出する複数のティースを備えた形状で電磁鋼板等を打ち抜き加工し、かかる鋼板を所定高さに積層させることによって製造されるのが一般的である。かかる製造方法による場合、略円環状に打ち抜かれた後の鋼板を廃棄処分することなく、複数のティースの先端にて画成される略円環状の鋼板部分がロータ製造用に用いられている。

ところで、ステータに比してロータにおける磁束密度の変動は極めて少ないことから、ロータ製造に使用される素材鋼板は、必ずしもステータ製造に使用される素材鋼板に要求される磁気特性を備えている必要はない。しかし、既述するステータコアの製造方法によれば、材料の廃棄処分量の低減を図る観点から、ステータと同様の比較的高価な電磁鋼板等の材料を使用せざるを得ず、結果として電動機の製造コストを不要に高騰させることとなっていた。

上記する従来の課題に対し、鋼板の廃棄処分量を低減するとともにステータとロータを別素材の鋼板から効率的に製造する技術として、複数の分割ステータを周方向に繋ぎ合わせてステータコアを形成する製造技術が開発され、一般に知られるところとなっている。この製造方法によれば、例えば電磁鋼板から分割ステータ用の分割ピースを可及的に隙間なく打ち抜き加工できるため、鋼板の廃棄処分を回避するために打ち抜き加工後に残った鋼板部分をロータ用に使用する必要はなくなる。すなわち、電磁鋼板等の比較的高価な鋼板はステータ製造用に適用され、ロータ製造用の鋼板としては電磁鋼板よりも安価な軟磁性材からなる鋼板などを使用できることとなる。

また、分割コアからステータを製造する他のメリットとして、コイル成形までをも含めたステータ製造全体の歩留まりの向上を挙げることができる。これは、分割コア用ピースを積層して分割コアを製造し、各分割コアのティースまわりにコイルを形成した後に分割コアを周方向に繋いでステータを製造することができるため、既に円環状に製造されたステータコアの比較的狭い隙間（スロット）にコイルを後加工する際の製造手間を省くことができ、製造時間を格段に向上できるというものである。

ところで、分割コアからステータコアを形成する方法においては、分割コア同士の強固な接続が必須となる。かかる分割コア同士の接続ないしは拘束のために、従来は、円筒体（ケース）の内部に円環状に組み付けられたステータコアが焼き嵌め処理等されることにより、ステータが製造されている。この焼き嵌めは、分割コアの外周からその径方向に圧縮力を作用させることでおこなわれることから、分割コア（を構成する鋼板）に面内方向の圧縮応力が作用し、鋼板内での磁区の向きが乱されたり、磁壁の動きが妨げられることとなり、このことは鋼板内における磁気流れを阻害する要因となっていた。したがって、この焼き嵌め時に作用する応力に起因する鉄損増加を如何に抑止できるかが大きな課題となっていた。

上記する課題に対し、コア材に応力緩和用の貫通孔を設けておく磁石モータが特許文献１に開示されている。このモータによれば、焼き嵌め時の応力を効果的に緩和できるものの、コア材に貫通孔を設けることでステータコア等の強度低下や磁気特性が阻害されること、さらには、磁路に磁気抵抗の大きな空隙を設けることで電動機の回転性能が低下することは理解に易い。

そこで、特許文献１に開示の磁石モータの有する上記課題を解決する技術として、特許文献２に開示の電動機が発案されている。この電動機は、ケースの側壁内部に段部を設けてこれにステータコア（固定子）を載置し、固定子の上端をケースにボルト固定された平板にて押圧することで固定子をケース内に固定するものである。

特開２００２−１３６０１３号公報 特開２００５−３０４１０６号公報

特許文献２に開示の電動機によれば、押圧力によって固定子に作用する応力を少なくできるとともに、固定子に応力緩和用の貫通孔も存在しないことから電動機の回転性能が低減されることもない。しかし、ケースの内部に固定子載置用の段部を形成したり、固定子載置後に平板を介してケースにボルト固定するなど、製造手間がかかるとともに部品点数も多く、電動機の製造コストの高騰は否めない。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、周方向に組み付けられた分割コアを締結して分割ステータコアを製造する方法にかかり、簡易な製造方法、特に簡易な締結方法にて、しかも、締結時に作用する押圧力にてコア材の鉄損が増加されることのない、分割ステータコアの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による分割ステータコアの製造方法は、分割コアを周方向に組み付けてなる円環状のコア体をその外周から円筒体にて締め付けることにより、電動機の分割ステータコアを製造する方法であって、前記コア体の直径以上の大きさの内空径を有し、かつ、前記コア体の高さ未満の内空高さを有する環状側壁と、該環状側壁の両端において径方向内側へ突出するフランジと、を備えた前記円筒体を用意し、該円筒体を熱膨張させる第１の工程と、熱膨張した姿勢の前記円筒体の内部に前記円環状のコア体を形成する第２の工程と、前記円筒体を収縮させ、前記フランジにて前記コア体に高さ方向の押圧力を付与して該コア体を締め付ける第３の工程と、からなるものである。

本発明は周方向に複数に分割された分割コアを周方向に組付けて平面視円環状のコア体を形成し、その外周部を円筒体（ケース）にて焼き嵌めることによって分割ステータコアを製造する製造方法に関するものである。

各分割コアは、例えば電磁鋼板からなる鋼板積層体であって、円弧状のヨークと該ヨークから円弧中心方向に突出するとともに間隔を置いて配設された複数のティースまたは単数のティースとからなる分割ピースを、所定高さに積層することによって構成される。なお、軟磁性金属粉末を成形型内にて同様の形状に加圧成形してなる圧粉磁心から成形されてもよいが、本発明の製造方法によれば、鋼板積層体から分割コアが形成されたコア体に特に大きな効果が奏される。

各分割コアは、熱膨張した姿勢の円筒体内に随時収容され、該円筒体内で周方向に組み付けられて円環状のコア体が形成される。

ここで、コア体を囲繞する円筒体は、コア体の直径以上の大きさの内空径を有し、コア体の高さ未満の内空高さを有する環状側壁と、該環状側壁の両端において径方向内側へ突出するフランジと、がたとえば一体に成形された部材である。

この円筒体が熱膨張されることで、該円筒体は高さ方向および径方向に膨張し、この状態でその内部に円環状のコア体が組み付けられた後に、円筒体が自然に、もしくは人為的にクーリングされて収縮することにより、コア体に押圧力を付与して焼き嵌めがおこなわれる。

円筒体の内空径はコア体の直径よりも大きいことから、この円筒体が収縮した際にコア体（を構成する鋼板）に円筒体から面内方向への押圧力（圧縮力）は作用しない。その一方で、円筒体の内空高さ（両端のフランジ間の距離）はコア体の高さよりも低いことから、円筒体が収縮した際には両フランジからコア体に高さ方向の押圧力（圧縮力）が作用する。

本発明者等によれば、コア体を構成する鋼板に面内方向へ圧縮応力が作用することで該鋼板の磁気特性が低下する一方で、鋼板に対して垂直方向に圧縮応力が作用しても該鋼板の磁気特性の低下が殆ど認められないことが特定されている。

上記する本発明の製造方法によれば、分割コアからなる円環状のコア体を円筒体にて焼き嵌め処理するに際し、該コア体の高さ方向にのみ押圧力を作用させるだけの処理にて、コア体を強固に焼き嵌め処理できるとともに、従来の焼き嵌め処理の際に生じていたコア体の磁気特性の低下を効果的に抑止することができる。

また、本発明による分割ステータコアの製造方法の他の実施の形態は、前記コア体の端部もしくは前記フランジの一方に突起が設けられ、他方の該突起に対応する位置に凹溝が設けられており、少なくとも前記円筒体が収縮した際に前記凹溝に前記突起が嵌め合いされるものである。なお、コア体に形成される突起もしくは凹溝は、該コア体の両端に設けられる形態以外にも、上下いずれか一端にのみ設けられる形態であってもよく、この場合には対応する一方のフランジに凹溝もしくは突起が設けられることになる。

たとえばコア体を構成する各分割コアの両端に一組の凹溝を設けておき、円筒体を構成するフランジの内側面（コア体側の面）の各凹溝に対応する位置に該凹溝に係合する突起を設けておくことにより、熱膨張した姿勢の円筒体内に分割コアを位置決めする際に対応する凹溝と突起を係合していくことができ、加工効率性を高めることができる。

また、凹溝と突起が係合していることにより、焼き嵌め処理後のたとえば電動機駆動時にコア体と円筒体との間で相対的なずれが生じる危険性を無くすることができ、より強固なコア体と円筒体との組み付け加工を実現できる。

上記する本発明の製造方法によって製造された分割ステータコアを具備するステータを備えた電動機は、インナーロータ型のあらゆる形態の電動機をその対象としており、例えば、シンクロナスリラクタンスモータやインダクションモータ、ブラシレスモータ、ＩＰＭモータなど、電動機一般を包含するものである。

この電動機は、その構成部材であるステータコアを構成する分割コアの磁気特性が焼き嵌め処理の際に劣化していないことから、鉄損増加が抑止され、その回転性能、トルク性能に優れたものとなる。また、ステータコアが分割コアから構成されることで製造歩留まりの向上、および鋼板材料の廃棄処分量の低減とそれに起因する製造コストの低減、さらには、コア体と円筒体同士の接続強度が十分に確保されることによる耐久性の向上を実現できる。

以上の説明から理解できるように、本発明の分割ステータコアの製造方法によれば、焼き嵌め用の円筒体と複数の分割コアからなるコア体相互の寸法を調整し、従来の焼き嵌め処理方法と同様の方法によって分割ステータコアを製造するものであり、製造コストを高騰させることなく、焼き嵌め処理時に作用する押圧力にてその磁気特性が低下されることのない分割ステータコアを製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の製造方法によって製造されたステータとロータとからなる電動機を示した斜視図であり、図２は分割コアの一実施の形態と円筒体の一実施の形態を分解した縦断面図である。図３は円筒体を熱膨張した姿勢の円筒体内に分割コアからなるコア体を組み付けた状態を示す縦断面図であり、図４は図３に続き、円筒体が収縮して焼き嵌めされた状態のステータコアを示す縦断面図である。

図１は、本発明の製造方法によって製造された分割ステータコアとロータとからなる電動機を模式的に示した図である。この電動機は、周方向に複数に分割された分割コア１０，…が円筒体２０内で組み付けられて円環状のコア体１００を成し、円筒体２０を焼き嵌め処理することでコア体１００と円筒体２０が一体に形成されてステータコアを成し、このステータコアの内部に円柱状のロータ３０が配設されてインナーロータ型の電動機が形成されるものである。なお、図示例では、各ティース外周に形成されるコイルの図示が省略されている。

各分割コア１０は、円弧状のヨークと該ヨークから径方向に突出する一つのティースとからなる形状に切断加工された電磁鋼板が所定高さに積層され、溶接等にて一体に形成されたものである。

次に、図２〜４に基づいてステータコアの製造方法を概説する。

既述する方法にて磁極数に応じた所定数の分割コア１０，…を製造し、さらに、アルミやその合金などの非導電性の適宜素材からなる円筒体２０を用意する。

円筒体２０は、環状側壁２１とその両端で径方向に突出する一組のリング状のフランジ２２，２２とが一体に成形されたものであり、その中央開口２３から各分割コア１０、…を順次挿入し、円筒体２０の内部で円環状のコア体１００が組み付けられるものである。

ここで、円筒体２０の内空高さはｈ１、内空径はφ１であり、分割コア１０（コア体１００）の高さはｈ２であって、ｈ１＜ｈ２の関係に設定されている。

円筒体２０内に分割コア１０を挿入するに際し、まず、円筒体２０を高温雰囲気下にて熱膨張させ、図３で示すように、径方向および高さ方向に全体寸法を拡大させておく（Ｘ１方向およびＹ１方向）。

熱膨張した姿勢の円筒体２０内に、不図示のコイルがティース外周に形成された各分割コア１０，…を順次挿入して円周方向に組み付け、円環状のコア体１００を形成する。

ここで、形成されたコア体１００の高さは分割コア１０と同様にｈ２であり、その直径はφ２である。

この円環状のコア体１００の直径：φ２は図２で示す常温時（もしくは収縮時）の円筒体２０の内空径：φ１よりも小さく設定されている（φ２＜φ１）。

円筒体２０内にコア体１００が形成された後に、円筒体２０を自然冷却もしくはファン等で人為的に冷却することにより、図４で示すように、熱膨張していた円筒体２０が収縮して（Ｘ２方向およびＹ２方向）円筒体２０によるコア体１００の焼き嵌め処理がおこなわれる。

この焼き嵌め姿勢において、コア体１００の高さは円筒体２０の内空高さよりも高く、その直径は円筒体２０の内空径よりも小さく設定されていることより、コア体１００には円筒体２０のフランジ２２，２２より高さ方向の押圧力Ｐが作用する。その一方で、コア体１００の側面と環状側壁２１の内面との間には空隙Ｇが形成され、コア体１００の径方向には環状側壁２１からの押圧力が作用しない。

なお、常温時におけるコア体１００と環状側壁２１の内空径とが同一であってもよく（φ１＝φ２で空隙Ｇが形成されない）、この場合でも、収縮後の円筒体２０からコア体１００にその径方向に押圧力が作用することはない。

焼き嵌め処理後のコア体を構成する各電磁鋼板にその径方向（面内方向）に押圧力が作用しないことより、従来の焼き嵌め処理の際に面内方向に押圧力が作用して電磁鋼板の磁気特性が劣化し、鉄損が増加していたという課題が効果的に解消される。

しかも、コア体１００と円筒体２０とは高さ方向の押圧力Ｐにて強固に焼き嵌めされていることより、分割ステータコアを構成するコア体１００と円筒体２０の一体性（接続強度）は十分に担保される。

図５は、使用する分割コアと円筒体の他の実施の形態を示している。コア体を形成する各分割コア１０Ａには、その両端にたとえば一組の凹溝１１が形成されており、円筒体２０Ａを構成するフランジ２２の内側面（コア体側の面）の各凹溝１１に対応する位置に、該凹溝１１に係合する突起２４，…が設けてある。

熱膨張した姿勢の円筒体２０Ａ内に各分割コア１０Ａ、…を位置決めする際に、対応する凹溝１１と突起２４を係合していくことで分割コア１０の組み付け効率性を高めることができる。なお、この凹溝１１の孔長さは極めて短くてよく、凹溝１１を形成することでコア体１００の磁気特性が阻害されない程度でよい。

この凹溝１１と突起２４が係合した姿勢で円筒体２０Ａが収縮して焼き嵌めされることにより、高さ方向のみの押圧力にてコア体と円筒体２０Ａとが一体となる分割ステータコアにおいて、該コア体と円筒体２０Ａとの位置ずれ等の発生を抑止でき、より高い接続強度の分割ステータコアを得ることができる。

上記する本発明の分割ステータコアの製造方法は、コア体と円筒体双方の寸法を調整するだけの簡易な構成にて、従来の焼き嵌め処理加工とその方法は何等変わるものではないことから、製造コストを高騰させることなく、磁気特性に優れた分割ステータコアを製造することができるものである。

上記する分割ステータコアを備えた電動機は、それを構成する電磁鋼板の磁気特性が阻害されていないことより、焼き嵌め処理に起因する鉄損の増加が抑止され、その回転性能やトルク性能を向上させることが可能となる。かかる高性能な電動機は、近時その生産が拡大しており、その駆動用電動機の高性能化を急務の課題としている電気自動車やハイブリッド車等への適用に特に好適である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の製造方法によって製造されたステータとロータとからなる電動機を示した斜視図。 分割コアの一実施の形態と円筒体の一実施の形態を分解した縦断面図である。 円筒体を熱膨張した姿勢の円筒体内に分割コアからなるコア体を組み付けた状態を示す縦断面図である。 図３に続き、円筒体が収縮して焼き嵌めされた状態のステータコアを示す縦断面図である。 分割コアの他の実施の形態と円筒体の他の実施の形態を分解した縦断面図である。

符号の説明

１０，１０Ａ…分割コア、１１…凹溝、２０…円筒体、２１…環状側壁、２２…フランジ、２３…中央開口、２４…突起、３０…ロータ、１００…コア体

Claims (2)

1. 分割コアを周方向に組み付けてなる円環状のコア体をその外周から円筒体にて締め付けることにより、電動機の分割ステータコアを製造する方法であって、
   前記コア体の直径以上の大きさの内空径を有し、かつ、前記コア体の高さ未満の内空高さを有する環状側壁と、該環状側壁の両端において径方向内側へ突出するフランジと、を備えた前記円筒体を用意し、該円筒体を熱膨張させる第１の工程と、
   熱膨張した姿勢の前記円筒体の内部に前記円環状のコア体を形成する第２の工程と、
   前記円筒体を収縮させ、前記フランジにて前記コア体に高さ方向の押圧力を付与して該コア体を締め付ける第３の工程と、からなる分割ステータコアの製造方法。
2. 前記コア体の端部もしくは前記フランジの一方に突起が設けられ、他方の該突起に対応する位置に凹溝が設けられており、少なくとも前記円筒体が収縮した際に前記凹溝に前記突起が嵌め合いされる、請求項１に記載の分割ステータコアの製造方法。

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