JP5382033B2 - 回転電機の固定子鉄心の製造方法および回転電機の固定子鉄心 - Google Patents

Description

この発明は、ヘリカル積層コアの形状を矯正する仕上げ工程を改善した回転電機の固定子鉄心の製造方法および固定子鉄心に関する。

車両用交流発電機等の回転電機の固定子鉄心（ステータコア）として、帯状鋼板の幅方向の一側を一定の間隔で矩形状に打ち抜き、スロットを列設したコアシートを、螺旋状に巻き取って積層し、積層間を接合したヘリカル固定鉄心（ヘリカル積層コア）が使用されている。ヘリカル積層コアは、螺旋状に巻き取って円筒（円環）状に積層する際に、コアシートの他側を圧延する。このため、螺旋状に積層したコアシートは、他側（コア背部）の板厚がティースがある一側の板厚より薄くなる。この結果、円筒状のヘリカル積層コアの外周側（コア背部）には、積層したコアシート間に隙間を生じる。

また、コアシートのコア背部を圧延しながら円筒形状のヘリカル積層コアを形成する際に、ヘリカル積層コアの外周および内周には各層間で多少のずれが発生したり、中心軸からの半径のばらつきが生じたりする。このため、上記の巻き取り工程の後工程として、ずれを矯正して、内外径を所定の寸法に整形する仕上げ工程が必要となる。

従来のヘリカル積層コアの製造方法を、図２に示すフローとともに説明する。
イ）帯状鋼板の一側に所定の間隔でスロットを打ち抜き、スロット間にティースを形成するとともに、他側にコア背部を有するコアシートを形成するプレス工程。
ロ）コアシートのコア背部を圧延ローラ等によって厚さ方向をテーパー状に圧延して、ティースが内径側となるように螺旋状に巻き取って円筒状に積層する積層コアの巻取り工程。
ハ）積層コアの各層間を溶接などにより接合する接合（溶接）工程。
ニ）内外径を所定の寸法に整形するしごき加工工程およびしごき加工で生じたバリを除去するバリ取り工程からなる仕上げ工程。
ホ）仕上げ工程で、しごき加工の摩擦力低減のため、加工部に塗布した油分等を取り除く洗浄工程。

従来の仕上げ工程として、特許文献１には、積層コアを加圧しながら、内径およひ外径をしごいて内外径およびスロットの形状を高精度に成形する方法が記載されている。
また、特許文献２には、周方向に複数に分割されたコイニングパンチを積層コアの外周に配置し、径方向の内側に押し付けてコイニング加工し、外周面を板面に対し垂直に矯正する技術が開示されている。
さらに、特許文献３に、円筒状に積層した積層コアの外周側に、コアシート間の隙間がが存在すると、フレームにより挟持固定した際に固定子鉄心が変形する問題が記載されている。

特開２００６−２４６５８６号公報 特開２００７−１３５３１４号公報 特開２００１−１１２１９７号公報

特許文献１に記載の固定子鉄心の製造方法では、しごき加工するための外径成形部を積層コア外周から摺動するように積層方向に移動させて、積層コアシートの外径を剪断成形するとともに、コアシートを内径方向へ移動、整列させる。これにより、内外径を所定の寸法値に整形できるが、積層コアの外周側面が摩擦力でめくれ易く、コアシート間の隙間が部分的に拡大し、雨水が侵入し易くなる。また、しごき加工で生じたバリを除去するバリ取り工程と、摩擦力を下げる目的で塗布した油等を除去するため洗浄工程が必要で、仕上げ工程に工数がかかる。

特許文献２に記載の固定子鉄心の製造方法では、特許文献１に開示された成形装置に適用されるステータ用内径形成部、スロット矢、端面押さえ部材等の採用が無く、このため、内径が規格値より小さくなる内径側オーバーラン、スロットが崩れたままのスロット不整列、およびティースの浮き上がりなどの問題が発生し易い。

引用文献３には、積層コアにおいて鉄損低減のため鋼板シートを薄くすると、コア背部の外周を圧延によって薄肉化すると、フレームで締めつけた際にコア積層方法の厚みが圧縮されフレームが歪む問題が提起されている。

この発明の目的は、ヘリカル積層コア内外径の各寸法を所定の形状に矯正する仕上げ工程において、コイニング加工により適正に整形できる回転電機の固定子鉄心の製造方法の提供にある。
この仕上げ工程の採用により、積層シート間の隙間の発生、内径側オーバーラン、スロット不整列、ティースの浮きなどの問題が有効に防止でき、フレームで締めつけた際のフレームが歪むなどの問題が解消できる。

この発明の回転電機の固定子鉄心の製造方法は、仕上げ工程は、押さえ手段でヘリカル積層コアの端面を軸方向に加圧しながら、周方向に分割されヘリカル積層コア外周に配列されたコイニングパンチを半径方向中心側に同時に移動させ、ヘリカル積層コアの外周面を押圧させるコイニング加工により、ヘリカル積層コアの内側に配置された内径ポールに当接するまで、コア背部およびティースをともに変形させ、ヘリカル積層コアの外周部の板厚を増大させるとともに、ヘリカル積層コアの内外径寸法を同時に成形させることを特徴とする。

この仕上げ工程において、帯状鋼板の他側を圧延することで板厚に対し減少しているコア背部は、コイニングパンチの押圧作用で各シート外周面が座屈変形し、板厚が増大してコアシート間の隙間を埋め実質的隙間が減少する。
また、ヘリカル積層コアの内側に配置された内径ポールに当接するまで、コア背部およびティースをともに変形させるので、一工程で、ティースの内周面がコイニングパンチと同軸となり、ヘリカル積層コアの内外径を真円かつ同心に整形させることができる。

請求項２に記載の発明では、径方向の座屈変形量は、円周方向におけるティース位置に比べ、スロット位置の方が小さく、内径縮小量は、円周方向におけるティース位置に比べ、スロット位置の方が大きいことを特徴とする。
これは、座屈変形に代えて、内径側への単純曲げにより、コア外周全体を縮径させるようにコイニング前の円周長さを設定することで、円周上のスロット領域において、コア内径方向に単純曲げを起こすために生じ、円弧状のコア背部はより直線状になってくる。これにより、コイニング押圧荷重を減らし、加工エネルギを低減させる。これは、座屈変形よりも単純曲げの方が応力が小さい場合に有効であり、コア背部の幅が小さいほど曲げによる加工荷重の低減効果が大きい。また、スロット内奥部側面の径ピッチも内径側へ矯正させることができ、導体との無駄な隙間を無くし、磁気損失を減らすことができる。引用文献２におけるスロット矢を適用する場合も、スロット矢とコア背部内周側面との隙間がある場合には、上記と同様の作用が生じ得る。なお、ここではコア背部の単純曲げ作用を、コア全体の圧縮変形とする。

請求項３に記載の発明では、固定子鉄心の外周近傍の各シートにおける座屈変形後の板厚は、コアシートの板厚より薄いことを特徴とする。
これは、座屈変形後の板厚が、座屈変形しない部分の板厚より厚くなると、各積層シート間の内周側に隙間ができ、内径側からの水の侵入により錆が生じるため、これを防止することによる。

以上の製造方法で製造された固定子鉄心では、コイニングパンチはヘリカル積層コアの外周面を積層方向（軸方向）に変位しないので、積層シートの外周がコイニングパンチとの摩擦力により積層方向に曲げられることが無く、めくれ変形が防止できる。また、摩擦低減のための潤滑油の使用を廃止できるため、油洗浄等により余分な資材の使用およびエネルギーの消費を低減できる。また、押さえ部によりヘリカル積層コアに軸方向の圧力を付与しながらコイニング加工するため、各シートの浮き上がりを確実に防止しながら、コアシートの整列を果たすことができる。この結果、コアシート外周の薄肉部が座屈、板厚方向に膨張突出することで、積層間の実質的隙間を減少させる。これにより、コアシート外周のめくれ防止と相まって、雨水の侵入を防ぎかつ内外形の寸法を所定の形状に整形できる。

回転電機の固定子の斜視図および要部拡大図である。 製造工程のフローチャートである。 仕上げ加工の装置の正面断面図および平面断面図である。 仕上げ加工の装置の正面断面図および平面断面図である。 仕上げ加工の説明図である。

この発明を実施するための形態を図に示す実施例とともに説明する。

図１は、ヘリカル積層コア１を示し、帯状鋼板の幅方向の一側を所定のピッチで矩形状に打ち抜いたスロット２により、スロット２、２間にティース３を形成したコアシート４を、螺旋状に巻き取り、円筒状ないし円環状に積層し、外周を軸方向に円周方向の複数箇所に溶接５を施してコアシート４間を接合した構造を有する。このヘリカル積層コア１は、螺旋状に巻き取り円筒（円環）状に積層する際に、コアシート４の他側（コア背部）を断面がテーパー状となるように圧延する。このため、コア背部の板厚ｔ１がティース３がある一側の板厚ｔ２よりテーパー状に薄くなるとともに、コア背部の外周方向の周長が延びて円環状に成形される。この結果、円筒状のヘリカル積層コア１のコア背部（外周側）には、積層したコアシート４、４間に隙間を生じる。

また、ヘリカル積層コア１は、コアシート４のコア背部を圧延しながら円筒形状のヘリカル積層コア１を形成する際に、ヘリカル積層コア１の外周および内周には、各層間で中心軸からの半径の多少のずれが発生する。このため、ヘリカル積層コア１には、上記巻き取り、溶接工程の後工程として、ずれを矯正して、内外径を所定の寸法に整形する仕上げ工程が必要となる。

図２は、ヘリカル積層コア１の製造工程を示すフローチャーチである。
イ）帯状鋼板の一側に所定の間隔でスロットを打ち抜きスロット間にティースを形成するとともに、他側にコア背部を有するコアシートを形成するプレス工程。
ロ）コアシートをスロット（ティース）が内径側となるように螺旋状に巻回して円筒状に積層する積層コアの巻取り工程。
ハ）積層コアの各層間を溶接などにより接合する接合（溶接）工程。
ニ）積層コアの積層のずれを矯正するとともに、内外寸法を所定の形状に矯正する仕上げ工程。

この発明では、仕上げ工程として、図３に示すコイニング装置５によりコイニング加工を行っている。コイニング装置５は、基台５１、基台５１に設置された円柱状の内径成形部（内径ポール）５２、内径成形部５２の外側に分割して同軸心を有して環状に設置されるとともに、外周上部に円錐面状の楔面５３が設けられた分割型（コイニングパンチ）５４、分割型５４の上方に同心的に配され、内周下部に円錐面５５が設けられた拘束リング５６、拘束リング５６の昇降手段（図示せず）、および基台５１の上方に設けたワークの押さえ部５８からなる。

ヘリカル積層コア１を、内径成形部５２と分割型５４との環状空間に挿入して基台５１にセットする。
押さえ部５８を降下させて基台５１と押さえ部５８との間にヘリカル積層コア１を所定の圧力で加圧する。
拘束リング５６を昇降手段により降下させ、拘束リング５６の円錐面５５を円錐面状の楔面５３に押圧させ、分割型５４を中心方向に変位させる。

実際の加工は、図４に示すように、押さえ手段５８でヘリカル積層コア１の端面を軸方向に加圧しながら、周方向に分割されヘリカル積層コア１の周りに配列されたコイニングパンチ５４を径方向中心側に同時に移動させ、ヘリカル積層コア１の外周面を押圧させる。分割型（コイニングパンチ）５４により、ヘリカル積層コア１の外周部は押圧されて、塑性変形するとともに、ヘリカル積層コア１は全体が中心方向に圧縮変形しコイニング加工がなされる。

このコイニング加工は、各コアシートの全ティース３の内周側端面が、内側に配置された内径ポール５２に当接するまでコア背部および全ティース３ともに変形させる。このヘリカル積層コア１の内外径を同時に整形させるコイニング加工により、ヘリカル積層コア１は外径、内径ともに縮小し、全ティース３の内周端面が内径ポール５２に当接して均一な円筒面上に整形される。すなわち、ヘリカル積層コア１は全体が内径ポール５２およびコイニングパンチ５４と同軸となり、積層コアの各コアシート間のずれを矯正するとともに、積層コア１の内外径の各寸法を所定の形状に矯正する仕上げがなされる。

コイニング加工により、図５の（ａ）に示す如く、コアシートの断面はコア背部において、座屈変形により、外周先端部の幅ａ材料が中心側に移動して板厚の増大がなされる。同時に、圧縮変形により、内外径の寸法は縮小する。
同断面における外周側の端面は、破線で示す加工前の位置から実線で示す加工後の位置まで距離ａだけ縮小する。幅ａの台形部分ｄの材料が、中心側に移動して、板厚方向の三角形部分ｅに流れ、加工後の板厚をＴまで増大する。
また、内周側の端面の半径方向位置ｒは、圧縮変形により破線で示す加工前の位置から実線で示す加工後の位置まで距離ｂだけ縮小する。

図５の（ｂ）は、コア背部の周方向に於けるスロット２の位置およびティース３の位置の座屈量（外径縮小量）ａ、内径縮小量（ｒ方向移動量）ｂ、および座屈後の変形板厚ｔの加工後の特徴を示す表である。
ティース位置においては、スロット位置に比較して、座屈量ａは大きくｒ方向移動量ｂは小さい。これはスロット位置は、圧縮による抗力が小さく中心側に変形し易いため、座屈変形に加えて圧縮変形も促進することに起因する。
コア背部の座屈による変形後の板厚ｔは、各層の板厚（ティース部の板厚）Ｔより小さく設定する。これは、板厚ｔ＞Ｔとすると、コイニング加工後のヘリカル積層コアにおいて、内周側に各層間の隙間が生じ、雨水などの侵入で錆が発生する不具合を防止するためである。コア内周の半径は、コイニングによりティース位置、スロット位置ともに、コア内周側面が内径成形部５２の外周面に当接されるため、同一半径にそろえることができる。

この発明の回転電機の固定子鉄心は、仕上げ工程をコイニング加工で行うことにより、ヘリカル積層コアの外周隙間の低減、内外径の調整が少ない工程ででき、生産性に優れる。

１ ヘリカル積層コア
２ スロット
３ ティース
４ コアシート
５ 溶接

Claims (4)

1. 帯状鋼板の幅方向の一側に所定の間隔でスロットを打ち抜きスロット間にティースを形成するとともに、他側にコア背部を備えたコアシートを形成するプレス工程、
   前記コアシートを前記スロット（ティース）が内径側となるように螺旋状に巻き取って円筒状に積層するヘリカル積層コアの巻き取り工程、
   前記ヘリカル積層コアの各層間を接合する接合工程、
   前記ヘリカル積層コアの積層のずれを矯正するとともに、内外径寸法を所定の形状に矯正する仕上げ工程からなる回転電機の固定子鉄心の製造方法において、
   前記仕上げ工程は、押さえ手段で前記ヘリカル積層コアの端面を押さえながら、
   周方向に分割され前記ヘリカル積層コア外周に配列されたコイニングパンチを半径方向中心側に同時に移動させ、前記ヘリカル積層コアの前記各コア背部の外周側端面を押圧させるコイニング加工により、前記コア背部を座屈変形させるとともに、
   前記ティースの内径側端面が前記コイニングパンチと同軸となり、前記コイニングパンチの内径側に配置された内径ポールに当接するまで、前記コア背部および前記ティースをともに変形させ、前記ヘリカル積層コアの内外径を整形させることを特徴とする回転電機の固定子鉄心の製造方法。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子鉄心の製造方法において、前記コイニング加工による前記各コア背部の径方向の座屈変形量は、円周方向におけるティース位置にくらべ、スロット位置の方が小さく、内径縮小量は、円周方向におけるティース位置にくらべ、スロット位置の方が大きいことを特徴とする回転電機の固定子鉄心の製造方法。
   
3. 請求項１に記載の回転電機の固定子鉄心の製造方法において、前記コイニング加工後の前記ヘリカル積層コアの各コアシートにおける外周近傍の座屈後の板厚は、該コアシートの板厚より薄いことを特徴とする回転電機の固定子鉄心の製造方法。
4. 請求項１〜３にいずれか１に記載の回転電機の固定子鉄心の製造方法により製造した回転電機の固定子鉄心。

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