JP6649676B2 - 積層鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層方向に隣り合う鉄心片同士を樹脂を用いて結合した積層鉄心の製造方法に関する。

積層鉄心の製造においては、コストや製造の容易さの観点から、かしめや溶接を用いて積層方向に隣り合う鉄心片同士を接合することが一般的であるが、鉄心片間の短絡による鉄損の増加や占積率の低下等の問題がある。
そこで、積層鉄心の積層方向に連通して形成した貫通孔や凹部に樹脂を充填することにより、鉄心片同士を接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、モータのトルクや効率等を向上させることができる。
また、モータの性能を向上させるために、鉄心片を打抜く条材を薄板化するということも行われている。

特表２００３−５２９３０９号公報

しかしながら、条材を薄くすることで、条材のうねり（反り）が大きくなる傾向にあり、結果として、条材から打抜かれた鉄心片のうねり（反り）も大きくなる。そのため、図４（Ａ）に示すように、複数の鉄心片９０を樹脂９１で接合した後（モールド加圧解放後）の積層鉄心９２においては、うねりによるスプリングバック力により、接合した樹脂９１に応力が働き、図４（Ｂ）に示すように、樹脂９１が破断して樹脂割れが発生してしまうことがある。
その結果、モータの組付け不良や、駆動時の振動、騒音、破損等の問題が発生する。
その他にも、生産性の向上を目的として、条材を複数枚重ねた状態で、鉄心片を複数枚同時に打抜く方法もあるが、この場合、鉄心片のうねりが更に大きくなる傾向にあった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、鉄心片のうねりに起因する結合樹脂の割れを防止可能な積層鉄心の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る積層鉄心の製造方法は、条材から複数の鉄心片を打抜いて積層し、積層した該鉄心片の積層方向に連通する貫通孔又は凹部からなる結合部を周方向に複数形成し、該結合部に樹脂を充填して、積層方向に隣り合う前記鉄心片同士を結合する積層鉄心の製造方法において、
下式を満足するように、前記樹脂の種類、前記鉄心片の材質、及び、前記鉄心片の形状のいずれか１又は２以上を設定する。
（Ｔ×Ｓ）／η＞｛（４×Ｅ×δ×ｗ×ｔ^３）／Ｌ^３｝×ｎ
ここで、Ｔ：樹脂の強度（Ｎ／ｍｍ^２）、Ｓ：結合部の断面積（ｍｍ^２）、Ｅ：条材のヤング率（Ｎ／ｍｍ^２）、δ：鉄心片のうねり量（ｍｍ）、ｗ：鉄心片の径方向の幅（ｍｍ）、ｔ：鉄心片の板厚（ｍｍ）、ｎ：鉄心片の積層枚数、Ｌ：周方向に隣り合う結合部間の距離（ｍｍ）、η：安全率、である。
また、前記条材を複数枚重ねた状態で前記鉄心片を打抜く場合には、本発明の効果がより顕著になる。

本発明に係る積層鉄心の製造方法は、上記した式を用いるので、結合部に充填された樹脂の耐荷重と、鉄心片に発生するうねりによる反力との関係を、予め把握することができる。従って、上記した式の関係を満足することで、鉄心片のうねりに起因する樹脂割れを防止できるため、良好な品質の積層鉄心が得られる。

（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る製造方法で製造された積層鉄心の平面図、（Ｂ）は同積層鉄心を構成する鉄心片の側断面図である。 変形例に係る積層鉄心の平面図である。 本発明の他の実施の形態に係る製造方法で製造された積層鉄心の平面図である。 （Ａ）は金型で加圧して樹脂接合した積層鉄心を金型から取出し、加圧を解放したことでスプリングバックが発生した状態を示す説明図、（Ｂ）はスプリングバックの発生により樹脂割れが発生した状態を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る製造方法で製造された積層鉄心１０は、固定子積層鉄心（ステータ）であり、条材から打抜いて積層した複数の鉄心片１１のヨーク１２の積層方向に連通して形成された貫通孔（結合部の一例）１３に樹脂１４を充填して、積層方向に隣り合う鉄心片１１同士を結合させたものであり、鉄心片１１のうねり（反り）に起因する樹脂１４の割れを防止したものである。以下、詳しく説明する。

積層鉄心１０を構成する鉄心片１１は、環状の一体構造のものである。なお、鉄心片は、複数の円弧状の鉄心片部を環状に連結できる分割構造のものでもよい。
この鉄心片１１は、厚みが、例えば、０．１０〜０．５ｍｍ程度の電磁鋼板やアモルファス等からなる条材から打抜き形成されるものであるが、条材の厚みが薄いほど（０．２ｍｍ以下程度）、うねり量が大きくなる傾向にある。
また、鉄心片１１は、１枚の条材から打抜き形成されているが、条材を複数枚（例えば、２枚、更には３枚以上）重ねた状態のものから打抜いたものでもよく、この場合、更にうねり量が大きくなる傾向にある。

積層方向に隣り合う鉄心片１１同士は、貫通孔１３に樹脂１４を充填して結合しているが、図２に示すように、積層鉄心１５の径方向外側に積層方向に連通して形成された凹部（結合部の一例）１６を周方向に複数設け、各凹部１６に樹脂１４を充填して結合することもできる。なお、樹脂を充填する凹部は、積層鉄心の径方向内側に形成することもできる。
また、鉄心片同士の結合は、上記した貫通孔１３、径方向外側の凹部１６、及び、径方向内側の凹部のいずれか２以上を組み合わせて行うこともできる。更に、樹脂による結合に、かしめ及び溶接のいずれか一方又は双方による結合を併用することもできる。

貫通孔１３は、断面円形となって、積層鉄心１０の周方向に等ピッチに複数（ここでは、８個）形成されている。なお、貫通孔の形状は、断面円形に限定されるものではなく、例えば、断面楕円形や断面多角形等にすることもできる。
この貫通孔１３の個数は、磁極部１７の個数と同一となっているが、磁極部１７の個数より少ない個数の貫通孔１３を周方向に等間隔に設けてもよく、また、磁極部１７の整数倍としてもよい。
また、貫通孔１３の断面積は、磁束の流れへの影響（鉄心効率の低下）を考慮すれば、小さい方がよく、例えば、１０ｍｍ^２以下程度がよいが、貫通孔１３の形状を磁束の流れへの影響が少ない形状に変更すれば、その限りではない。

貫通孔１３に充填する樹脂１４には、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）を使用しているが、熱可塑性樹脂を使用することもできる。
なお、これらの樹脂にフィラー（充填材）を添加して強度を高めた（耐久性を持たせた）樹脂を使用することもできる。

上記した積層鉄心１０は、下式を満足している。
（Ｔ×Ｓ）／η＞｛（４×Ｅ×δ×ｗ×ｔ^３）／Ｌ^３｝×ｎ ・・・（１）
ここで、Ｔ：樹脂の強度（Ｎ／ｍｍ^２＝ＭＰａ）、Ｓ：結合部の断面積（ｍｍ^２）、Ｅ：条材のヤング率（Ｎ／ｍｍ^２＝ＭＰａ）、δ：鉄心片のうねり量（ｍｍ）、ｗ：鉄心片の径方向（ヨーク）の幅（ｍｍ）、ｔ：鉄心片の板厚（ｍｍ）、ｎ：鉄心片の積層枚数、Ｌ：周方向に隣り合う結合部間の距離（ｍｍ）、η：安全率、である。

（１）式において左辺中の「（Ｔ×Ｓ）」は、樹脂の耐荷重を示しており、これを安全率ηで徐すことにより、鉄心片にうねりが発生しても、樹脂の割れを安定に防止できる樹脂の耐荷重Ｆを設定できる。従って、安全率ηは、１超であればよく、例えば、２〜３の範囲で設定するのがよい。
また、（１）式において右辺は、うねりによる鉄心片の反力Ｗであり、うねり量δが発生するのに必要な力から算出できる式である。なお、この式は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すモデルを用いた断面二次モーメントの計算式より得られる。

従って、（１）式のように、左辺を右辺より大きく（Ｆ＞Ｗ）することで、樹脂割れのない積層鉄心１０を得ることができる。
なお、（１）においては、上記した理由から、左辺が右辺より大きければよいため、左辺の上限値については特に規定していない。しかし、貫通孔の断面積が大きいほど磁束の流れに悪影響を及ぼすことや、樹脂の強度を高めるほど特殊な樹脂を使用しなければならなくなる（製造コストの増加を招く）ことから、左辺「（Ｔ×Ｓ）／η」を右辺「｛（４×Ｅ×δ×ｗ×ｔ^３）／Ｌ^３｝×ｎ」の３倍以下、更には２倍以下とするのがよい。

以上の記載では、積層鉄心が、内径側に回転子積層鉄心が配置されるインナーロータタイプの電動機の固定子積層鉄心（ステータ）である場合について説明したが、図３に示すような積層鉄心１８、即ち、リラクタンスモータの回転子積層鉄心（ロータ）でもよい。この場合も、上記したステータと同様、周方向に隣り合う貫通孔（結合部の一例）１９間の距離Ｌ１（ｍｍ）とヨークの幅ｗ１（ｍｍ）を用いて算出することができる。
同様に、アウターロータタイプの電動機のステータやロータへも適用できる。
これらの積層鉄心も、積層した隣り合う鉄心片同士が積層方向に連通して形成された結合部、即ち、貫通孔、径方向外側の凹部、及び、径方向内側の凹部のいずれか１又は２以上で結合され、更には、この樹脂による結合に、かしめ及び溶接のいずれか一方又は双方が併用されて結合されたものである。

また、永久磁石を有するインナーロータやステッピングモータのロータについても、前記した（１）式は適用可能であり、その他にも、回転軸方向に回転子と固定子が並ぶアキシャルギャップモータへの適用も可能である。これらの場合、上記した積層鉄心を構成する鉄心片の径方向（ヨーク）の幅ｗ、ｗ１に該当する明確な部分はないが、例えば、周方向に隣り合う結合部間の距離Ｌ、Ｌ１の２０％以上８０％以下等、鉄心片の形状（コアデザイン）に基づいて幅ｗ、ｗ１に相当する値を用いればよい。

続いて、本発明の一実施の形態に係る積層鉄心の製造方法について、図１（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら説明する。
まず、前記した（１）式を満足するように、樹脂１４の種類、鉄心片１１の材質、及び、鉄心片１１の形状（コアデザイン）のいずれか１又は２以上を設定する。この設定作業は、製品要求仕様や実績値に基づき、例えば、コンピュータ（演算手段）を用いて行う。
以下、上記した設定条件について説明する。

樹脂１４の種類とは、強度Ｔの異なる樹脂を意味しており、この強度Ｔは、例えば、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の種類を選定すること、また、これらに添加するフィラー等の種類、形状、量を調整することで、種々調整できる。
また、鉄心片１１の材質とは、条材（鉄心片）のヤング率Ｅや鉄心片のうねり量δを意味しており、例えば、条材（電磁鋼板等）の品質（母材や皮膜の化学成分や熱処理等の製造条件）や加工条件（打抜き方法や焼鈍の有無等）を選定することで、種々調整できる。
そして、鉄心片１１の形状とは、結合部の断面積Ｓ、鉄心片の径方向の幅ｗ、鉄心片の板厚ｔ、鉄心片の積層枚数ｎ、周方向に隣り合う結合部間の距離（以下、結合部間距離ともいう）Ｌを意味しており、例えば、製品要求仕様等に基づき、種々調整できる。

なお、前記した（１）式を満足するように、樹脂１４の種類、鉄心片１１の材質、及び、鉄心片１１の形状（コアデザイン）のいずれか１又は２以上を設定するに際しては、この各設定条件に含まれる上記した各諸条件のうち、いずれか１又は２以上を調整すればよい。

上記した設定条件に基づき、以下に示す方法で、積層鉄心１０を製造する。
まず、厚みが、例えば、０．１０〜０．５ｍｍ程度（更には、０．２ｍｍ以下）の電磁鋼板からなる条材から、複数の鉄心片１１を打抜いて積層する。なお、鉄心片１１の打抜きは、１枚の条材から行っているが、条材を複数枚（例えば、２枚、更には３枚以上）重ねた状態のものから、複数の鉄心片を同時に打抜いてもよい。
そして、積層した鉄心片１１の積層方法に形成された貫通孔１３に樹脂１４を充填した後、更に硬化させて、積層方向に隣り合う鉄心片１１同士を結合する。なお、図２に示す積層鉄心１５では、積層鉄心１５の外周面に堰を設け、凹部１６内に樹脂１４を充填した後、これを硬化させる（径方向内側の凹部も同様）。

なお、回転子積層鉄心についても、上記した固定子積層鉄心と同様の方法により、製造できる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
使用した製品（固定子積層鉄心）の概略仕様は、以下の通りである。
・外径：φ２２３ｍｍ
・貫通孔間の距離Ｌ：５０ｍｍ
・ヨークの幅ｗ：３０ｍｍ
・積層鉄心の積層厚み：５０ｍｍ
・条材のヤング率Ｅ：１８０ＧＰａ（１８００００Ｎ／ｍｍ^２）

この積層鉄心において、安全率ηを２とし、鉄心片の板厚ｔ、同時に打抜いた鉄心片の枚数（同時打抜き枚数）、各貫通孔の断面積Ｓ、樹脂の強度Ｔの各種条件を変更して、樹脂の耐荷重Ｆと鉄心片の反力Ｗを算出し、樹脂割れが発生したか否かについて調査した。
上記した各種条件及び結果を、表１に示す。

まず、１枚の条材から打抜き形成した複数の鉄心片を積層し、積層鉄心を製造した場合について説明する（同時打抜き枚数：１）。
表１の実施例１に示すように、鉄心片の板厚ｔが０．３０ｍｍの場合、板厚ｔが比較的厚いため、うねり量δが小さかった（０．１０ｍｍ）。このため、樹脂の耐荷重Ｆは鉄心片の反力Ｗよりも大きくなり（Ｆ＝１００＞Ｗ＝７８）、樹脂割れを無くすことができた。

比較例１は、鉄心片の板厚ｔを実施例１よりも薄く（０．２０ｍｍ）した場合の結果である。
このように、板厚ｔを薄くすることで、うねり量δが実施例１よりも大きくなった（０．４０ｍｍ）。このため、樹脂の耐荷重Ｆは鉄心片の反力Ｗよりも小さくなり（Ｆ＝１００＜Ｗ＝１３８）、樹脂割れが発生した。

実施例２は、比較例１の条件において、樹脂の種類を変更（樹脂強度：大）した場合の結果である。
このように、樹脂の種類を変更し、樹脂の強度Ｔを比較例１よりも大きくすることで（１００Ｎ／ｍｍ^２）、樹脂の耐荷重Ｆが鉄心片の反力Ｗよりも大きくなり（Ｆ＝２００＞Ｗ＝１３８）、樹脂割れを無くすことができた。

また、実施例３は、比較例１の条件において、貫通孔の断面積を大きくした場合の結果である。
このように、貫通孔の断面積を比較例１よりも大きくすることで（６ｍｍ^２）、樹脂の耐荷重Ｆが鉄心片の反力Ｗよりも大きくなり（Ｆ＝１５０＞Ｗ＝１３８）、樹脂割れを無くすことができた。

続いて、条材を２枚重ねた状態のものから打抜き形成した鉄心片を複数積層し、積層鉄心を製造した場合について説明する（同時打抜き枚数：２）。
比較例２は、実施例３の条件において、同時打抜き枚数を２枚に増やした場合の結果である。
このように、同時打抜き枚数を増やすことで、うねり量δが実施例３よりも大きくなった（０．５０ｍｍ）。このため、樹脂の耐荷重Ｆは鉄心片の反力Ｗよりも小さくなり（Ｆ＝１５０＜Ｗ＝１７３）、樹脂割れが発生した。

実施例４は、比較例２の条件において、樹脂の種類を変更（樹脂強度：大）した場合の結果である。
このように、樹脂の種類を変更し、樹脂の強度Ｔを比較例２よりも大きくすることで（１００Ｎ／ｍｍ^２）、樹脂の耐荷重Ｆが鉄心片の反力Ｗよりも大きくなり（Ｆ＝３００＞Ｗ＝１７３）、樹脂割れを無くすことができた。

また、実施例５は、比較例２の条件において、貫通孔の断面積を大きくした場合の結果である。
このように、貫通孔の断面積を比較例２よりも大きくすることで（８ｍｍ^２）、樹脂の耐荷重Ｆが鉄心片の反力Ｗよりも大きくなり（Ｆ＝２００＞Ｗ＝１７３）、樹脂割れを無くすことができた。

以上の結果から、本発明の積層鉄心の製造方法を用いることで、鉄心片のうねりに起因する結合樹脂の割れを防止できることを確認できた。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の積層鉄心の製造方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。

１０：積層鉄心、１１：鉄心片、１２：ヨーク、１３：貫通孔（結合部）、１４：樹脂、１５：積層鉄心、１６：凹部（結合部）、１７：磁極部、１８：積層鉄心、１９：貫通孔（結合部）

Claims (2)

1. 条材から複数の鉄心片を打抜いて積層し、積層した該鉄心片の積層方向に連通する貫通孔又は凹部からなる結合部を周方向に複数形成し、該結合部に樹脂を充填して、積層方向に隣り合う前記鉄心片同士を結合する積層鉄心の製造方法において、
   下式を満足するように、前記樹脂の種類、前記鉄心片の材質、及び、前記鉄心片の形状のいずれか１又は２以上を設定することを特徴とする積層鉄心の製造方法。
   （Ｔ×Ｓ）／η＞｛（４×Ｅ×δ×ｗ×ｔ^３）／Ｌ^３｝×ｎ
   ここで、Ｔ：樹脂の強度（Ｎ／ｍｍ^２）、Ｓ：結合部の断面積（ｍｍ^２）、Ｅ：条材のヤング率（Ｎ／ｍｍ^２）、δ：鉄心片のうねり量（ｍｍ）、ｗ：鉄心片の径方向の幅（ｍｍ）、ｔ：鉄心片の板厚（ｍｍ）、ｎ：鉄心片の積層枚数、Ｌ：周方向に隣り合う結合部間の距離（ｍｍ）、η：安全率、である。
2. 請求項１記載の積層鉄心の製造方法において、前記条材を複数枚重ねた状態で前記鉄心片を打抜くことを特徴とする積層鉄心の製造方法。

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