JP6894182B2 - 積層鉄心及びその製造方法並びに溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、積層鉄心及びその製造方法、並びに積層鉄心製造用の溶接機に関する。

積層鉄心はモーターの部品であり、所定の形状に加工された複数の鉄心片を積み重ね、これらを接合することによって形成される。モーターは積層鉄心からなる回転子（ローター）及び固定子（ステーター）を備え、固定子にコイルを巻き付ける工程、回転子にシャフトを取り付ける工程などを経て完成する。積層鉄心が採用されたモーターは、従来、冷蔵庫、エアコン、ハードディスクドライブ、電動工具等の駆動源として使用され、近年ではハイブリッドカーの駆動源としても使用されている。

積層鉄心を製造する過程において上下方向で隣り合う電磁鋼板同士を接合する手段として溶接が知られている（特許文献１参照）。溶接単独による接合、又は、溶接とカシメとの併用による接合はコスト及び作業効率性の点において優れ、従来、広く採用されている。

特実昭６１−４３７号公報

特許文献１の第２図に示されたように、積層体の厚さ方向の全体に溶接ビード（溶接部）を形成する場合、溶接の安定性を考慮して溶接開始から終了まで同じ条件で行われる。しかし、本発明者らの検討によると、積層体の厚さ方向にある程度の長さ（例えば５０ｍｍ以上）の溶接ビードを形成する場合、溶接ビードの途中に割れが発生する頻度が高くなるという問題がある（図６参照）。溶接ビードの積層体の厚さ方向中央部の応力が最も大きくなるため、溶接ビードに割れが発生すると考えられる。溶接ビードに割れが発生すると、製品寸法や機械強度等の品質を満足しないことがあり、歩留まりが低下する。溶接ビードの割れの発生は、溶接の直後に認められる場合もあるし、溶接の直後には認められないものの所定時間の経過後に認められる場合もある。したがって、溶接を実施した後、例えば４８時間経過観察を行い、製品の良否が判断される。このような経過観察の必要性は製造プロセスの効率化を妨げる一因となっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高い歩留まりと製造プロセスの効率化の両方を十分高水準に達成できる積層鉄心の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる製造方法によって製造される積層鉄心及びその製造に使用される溶接機を提供することを目的とする。

本発明の積層鉄心の製造方法は、複数の鉄心片が積み重ねられた積層体を得る積層工程と、積層体の側面において積層体の厚さ方向に延在する溶接ビードを形成する溶接工程とを含み、溶接工程において、溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの入熱量を溶接ビードの端部を形成するときの入熱量よりも多くすることを特徴とする。

上記製造方法によれば、溶接ビードの中央部の入熱量を端部の入熱量と比較して多くすることで溶接ビードに割れが発生することを十分高度に抑制できる。１回の溶接で中央部の入熱量を増やす場合には、中央部の応力に対する耐力が向上することで割れの発生を抑制し、複数回に分けて入熱量を増やす場合には、耐力向上に加え、先の溶接で生じた応力を緩和することで割れの発生を抑制する。したがって、例えば溶接を実施した後の経過観察を実施しなくてもよく、積層鉄心の製造プロセスを効率化できる。また、入熱量を多くする箇所を中央部に限定したことで、溶接時に加わる熱によって積層鉄心の性能が低下することを十分に抑えることができる。

アーク放電による溶接機（例えばＴＩＧ溶接機）のように入熱量を電流値によって調整可能な溶接機を使用する場合、溶接工程において、溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの溶接電流値を溶接ビードの端部を形成するときの溶接電流値よりも高くすることが好ましい。なお、例えばレーザー溶接機を使用する場合、溶接工程において、溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときのレーザー出力を溶接ビードの端部を形成するときのレーザー出力よりも高くすればよい。

溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの入熱量が溶接ビードの端部を形成するときの入熱量よりも多くなるように、溶接工程において、溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの溶接速度を溶接ビードの端部を形成するときの溶接速度よりも遅くしてもよい。あるいは、溶接工程は、溶接ビードを形成すべき箇所の長手方向の中央部を複数回溶接することを含んでもよい。その際、溶接ビードを形成すべき箇所全体を形成した後に中央部を再び溶接してもよいし、中央部のみを溶接した後に全体を溶接してもよい。また、複数の溶接ビードが溶接ビードを形成すべき箇所の中央部で重なるようにしてもよい。

本発明の積層鉄心は、複数の鉄心片が積み重ねられた積層体と、積層体の側面において積層体の厚さ方向に延在する溶接ビードとを備え、厚さ方向に直交する断面における溶接ビードの断面積は、溶接ビードの長手方向の中央部の断面積の方が溶接ビードの端部の断面積よりも大きいことを特徴とする。上述のとおり、この積層鉄心は溶接ビードにおける割れ発生が十分高度に抑制されるとともに、十分効率的に製造される。また、入熱量を多い箇所が中央部に限定されているため、溶接時に加わる熱による性能の低下や、積層鉄心の厚さ方向の電気的短絡が溶接ビードの断面積が大きくなって増加することによる性能の低下が十分に抑えられている。

本発明は、上記積層鉄心の製造用の溶接機を提供する。この溶接機は、溶接トーチと、溶接トーチを積層体の側面に沿って積層体の厚さ方向に移動させる移動手段と、溶接トーチから積層体の側面への入熱量を制御するための制御部とを備える。制御部は、溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの入熱量が溶接ビードの端部を形成するときの入熱量よりも多くなるように、溶接トーチから層体への入熱量を制御する。この溶接機によれば、溶接ビードにおける割れ発生が十分高度に抑制された積層鉄心を十分効率的に製造することができる。

本発明によれば、高い歩留まりと製造プロセスの効率化の両方を十分高水準に達成できる積層鉄心の製造方法が提供される。また、本発明によれば、かかる製造方法によって製造される積層鉄心及びその製造に使用される溶接機が提供される。

図１は積層鉄心からなる固定子（ステーター）の一例を示す斜視図である。 図２（ａ）は図１に示す積層鉄心の溶接ビードの深さを模式的に示す縦断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線における横断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のｃ−ｃ線における横断面図である。 図３は順送り金型を備えた積層体製造装置の一例を示す概略図である。 図４（ａ）〜（ｅ）は鉄心片を製造するための打抜きレイアウトの一例を示す模式図であり、図４（ｆ）は打抜き加工によって製造された鉄心片の一例を示す平面図である。 図５は溶接機の一例を示す概略図である。 図６は積層体の厚さ方向の全体に亘って一定の条件で溶接ビードを形成した場合の溶接割れ発生頻度を示すグラフである。 図７は実施例１〜４における溶接電流のプロファイルを示すグラフである。 図８は溶接電流と溶込面積（相対値）の関係を示すグラフである。 図９は実施例５における溶接速度（溶接トーチの移動速度）のプロファイルを示すグラフである。 図１０は溶接速度と溶込面積（相対値）の関係を示すグラフである。 図１１（ａ）〜（ｃ）は溶接工程の他の例を示す模式図である。 図１２（ａ）及び（ｂ）は溶接工程の他の例を示す模式図である。 図１３は溶接ビードの他の例を示す模式図である。 図１４は溶接ビードの他の例を示す模式図である。

図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は固定子を構成する積層鉄心Ｓの斜視図である。積層鉄心Ｓの形状は略円筒形であり、中央部に位置する開口Ｓａは回転子（不図示）を配置するためのものである。積層鉄心Ｓは略円環状のヨーク部Ｓｙと、ヨーク部Ｓｙの内周側から中心方向に延びるティース部Ｓｔとを有する。モーターの用途及び性能にもよるが、ヨーク部Ｓｙの幅（図１におけるＷ）は２〜４０ｍｍ程度である。図１に示す積層鉄心Ｓは６本のティース部Ｓｔを有する。なお、ティース部Ｓｔの本数は６本に限定されるものではない。

図１に示すとおり、積層鉄心Ｓは、所定の形状に加工された複数の鉄心片Ｍが積み重ねられた積層体１０と、ティース部Ｓｔに形成されたカシメ２と、積層体１０の側面１０ａにおいて積層体１０の厚さ方向に延在する複数の溶接ビード１１とを備える。本実施形態においては、計３本の溶接ビード１１が積層体１０の上面から下面に亘って（積層体１０の厚さ方向の全体に亘って）形成されている。なお、ここでは、カシメ２による接合と、溶接（溶接ビード１１）による接合とを併用する場合を例示したが、溶接単独による接合であってもよい。また、溶接ビード１１の本数は３本に限定されるものではなく、積層鉄心の形状や大きさによって、必要な強度を満たすように設定すればよい。

図２（ａ）は積層鉄心Ｓの溶接ビード１１の深さを模式的に示す縦断面図である。この図に示すように、溶接ビード１１の長手方向（積層体１０の厚さ方向）の中央部１１ａにおいて、端部１１ｂ，１１ｂと比較して、積層体１０の側面１０ａから深い位置にまで溶接ビード１１が形成されている。図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線における横断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のｃ−ｃ線における横断面図である。すなわち、積層体１０の厚さ方向に直交する方向における溶接ビード１１の断面積（溶込面積）は、溶接ビード１１の長手方向の中央部１１ａの断面積の方が溶接ビードの端部１１ｂ，１１ｂの断面積よりも大きい。これは、後述のとおり、溶接工程において、溶接ビード１１の長手方向の中央部１１ａを形成するときの入熱量を溶接ビード１１の端部１１ｂ，１１ｂを形成するときの入熱量よりも多くしたことに起因するものである。

図３は積層体１０を製造するための装置の一例を示す概略図である。この図に示す積層体製造装置１００は、巻重体Ｃが装着されるアンコイラー１１０と、巻重体Ｃから引き出された帯状の鉄心材料（以下「被加工板Ｗ」という。）の送り装置１３０と、被加工板Ｗに対して打抜き加工を行う順送り金型１４０と、順送り金型１４０を動作させるプレス機械１２０とを備える。

アンコイラー１１０は、巻重体Ｃを回転自在に保持する。巻重体Ｃを構成する電磁鋼板の長さは例えば５００〜１００００ｍである。巻重体Ｃを構成する電磁鋼板の厚さは０．１〜０．５ｍｍ程度であればよく、積層鉄心Ｓのより優れた磁気的特性を達成する観点から、０．１〜０．３ｍｍ程度であってもよい。電磁鋼板（被加工板Ｗ）の幅は５０〜５００ｍｍ程度であればよい。

送り装置１３０は被加工板Ｗを上下から挟み込む一対のローラー１３０ａ，１３０ｂを有する。被加工板Ｗは、送り装置１３０を介して順送り金型１４０へと導入される。順送り金型１４０は、被加工板Ｗに対して打抜き加工、半抜き加工、必要に応じてプッシュバックなどを連続的に実施するためのものである。

図４は積層体１０を構成する鉄心片Ｍを製造するための打抜きレイアウトを示す模式図である。図４（ａ）に示す工程は被加工板Ｗにパイロット孔Ｐを形成する工程である。図４（ｂ）に示す工程はヨーク部Ｓｙの内周面とティース部Ｓｔの側面とをそれぞれ構成する計６つの開口Ｈ１を形成する工程である。図４（ｃ）に示す工程はティース部Ｓｔとなる部分にカシメ２を形成する工程である。なお、積層体１０における最下層をなす鉄心片を製造するときにはカシメ２の代わりに穿孔（不図示）が形成される。図４（ｄ）に示す工程は開口Ｓａとなる開口Ｈ２を形成する工程である。図４（ｅ）はヨーク部Ｓｙの外周面を構成する開口Ｈ３を形成する工程である。開口Ｈ３を形成することにより、図４（ｆ）に示す形状の鉄心片Ｍが得られる。複数の鉄心片Ｍが積層されることで積層体１０が得られる（積層工程）。

図５は溶接機の一例を示す概略図であり、積層体１０の上端から溶接を行っている途中を示している。この図に示すＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接機２００は、電極棒２１０（溶接トーチ）と、不活性ガス送出装置２２０と、電極棒２１０を積層体１０の側面１０ａに沿って移動させる移動手段２３０と、電極棒２１０から積層体１０の側面１０ａへの入熱量を制御するための制御装置２４０（制御部）とを備える。積層体１０を溶接治具２５０ａ，２５０ｂで挟み込むことによって厚さ方向に圧縮力を加えた状態で、積層体１０の側面１０ａに溶接ビード１１が形成される（溶接工程）。これにより、上下方向に隣り合う鉄心片Ｍ同士がカシメ２と溶接とによって接合された積層鉄心Ｓが製造される。

ＴＩＧ溶接においては、電極棒２１０の材質としてタングステンが使用される。また、溶接箇所を大気から遮断することによって保護するため、不活性ガス送出装置２２０からの不活性ガス（アルゴン、ヘリウムなど）を溶接箇所に吹き付けながら溶接が実施される。移動手段２３０は、積層体１０の側面１０ａに沿って積層体１０の厚さ方向に延びているガイド２３１と、このガイド２３１に対してスライド自在に設けられた電極棒支持体２１１をスライドさせる駆動機構（不図示）とによって構成されている。駆動機構の具体例としては、サーボモーターなどが挙げられる。

制御装置２４０は、電極棒２１０から積層体１０の側面１０ａへの入熱量を制御するためのものである。制御装置２４０としてはコンピューターを使用することができる。従来、一連の溶接作業において、溶接電流値及び溶接速度を一定の条件としていた。この場合、図６に示すように、溶接ビードの中央部において溶接割れが発生することがあった。これに対し、図７の実施例１〜４に示すように、一連の溶接作業において、溶接電流値を途中で変更することにより、溶接ビード１１の中央部１１ａを形成するときの入熱量を溶接ビード１１の端部１１ｂ，１１ｂを形成するときの入熱量よりも多くした。このような溶接電流値の制御により、溶接割れの発生を高度に抑制することができた。その結果、溶接割れの発生は０％となった。

溶接電流値のプロファイルは図７に示すものに限定されるものではない。溶接開始時の溶接電流値、溶接電流値の最大値、溶接電流値の最大値を維持する長さ、溶接電流を上げるとき、又は、下げるときの傾き等は、積層鉄心の仕様に応じて適宜定めればよい。溶接電流値のプロファイルは図７に示すように折れ線状に限られず、曲線状であってもよい。

図８は、溶接電流と溶込面積（相対値）の関係を示すグラフである。図８の縦軸「溶込面積比率」は溶接電流１００Ａ及び溶接速度５ｍｍ／秒の条件で溶接を実施したときの溶込面積（溶接ビードの断面積）を基準としたものである。このグラフに示されたとおり、溶接電流値を上げるにしたがって、溶込面積が増大する。

図９の実施例５は、一連の溶接作業において、溶接速度（電極棒２１０の移動速度）を途中で変更することにより、溶接ビード１１の中央部１１ａを形成するときの入熱量を溶接ビード１１の端部１１ｂ，１１ｂを形成するときの入熱量よりも多くした。このような溶接速度の制御により、溶接割れの発生を高度に抑制することができた。その結果、溶接割れの発生は０％となった。

溶接速度のプロファイルは図９に示すものに限定されるものではない。溶接開始時の溶接速度、溶接速度の最小値、溶接速度の最小値を維持する長さ、溶接速度を上げ下げるとき、又は、上げるときの傾き等は、積層鉄心の仕様に応じて適宜定めればよい。溶接速度のプロファイルは図９に示すように折れ線状に限られず、曲線状であってもよい。

図１０は、溶接速度と溶込面積（相対値）の関係を示すグラフである。図１０の縦軸「溶込面積比率」は溶接電流１００Ａ及び溶接速度５ｍｍ／秒の条件で溶接を実施したときの溶込面積（溶接ビードの断面積）を基準としたものである。このグラフに示されたとおり、溶接速度を下げるにしたがって、溶込面積が増大する。

上記説明においては、一連の溶接作業において溶接電流値及び溶接速度の少なくとも一方を変更する場合を例示したが、一連の溶接作業において連続的に実施する複数回の溶接によって溶接ビード１１を形成してもよい。溶接ビードを形成すべき箇所全体を形成した後に中央部を再び溶接したり、中央部のみを溶接した後に全体を溶接したりすることで、中央部の入熱量を多くすることができる。また、図１１は一連の溶接作業において３回の溶接によって一本の溶接ビード１２を形成する場合を示す模式図である。図１１（ａ）は積層体１０の一方の端部から中央部にまで溶接ビード１２ａを形成する工程を示す。図１１（ｂ）は積層体１０の他方の端部から中央部にまで溶接ビード１２ｂを形成することによって、一つながりの溶接ビード１２ｃを形成する工程を示す。図１１（ｃ）は積層体１０の一つながりの溶接ビード１２ｃの中央部に溶接ビード１２ｄを形成することによって、溶接ビード１２を形成する工程を示す。なお、溶接ビード１２ａ，１２ｂは、積層体１０の中央部から端部に向けてそれぞれ形成してもよい。図１１に示す工程を経ることによっても、溶接ビード１２の長手方向の中央部を形成するときの入熱量を溶接ビードの端部を形成するときの入熱量よりも多くすることができる。

図１２は一連の溶接作業において２回の溶接によって一本の溶接ビード１３を形成する場合を示す模式図である。図１２（ａ）は積層体１０の一方の端部から中央部を過ぎて他方の端部に至らない位置にまで溶接ビード１３ａを形成する工程を示す。図１２（ｂ）は積層体１０の他方の端部から中央部を過ぎて上記一方の端部に至らない位置にまで溶接ビード１３ｂを形成することによって、溶接ビード１３を形成する工程を示す。溶接ビード１３の中央部は２回（溶接ビード１３ａ及び溶接ビード１３ｂ）によって形成されている。

図１２に示す工程を経ることによっても、溶接ビード１３の長手方向の中央部を形成するときの入熱量を溶接ビードの端部を形成するときの入熱量よりも多くすることができる。なお、溶接ビード１３ａ，１３ｂは、積層体１０の一方の端部寄りの位置から他方の端部に向けてそれぞれ形成してもよい。また、溶接ビード１３ａ、１３ｂを２つの溶接トーチを用いて同時形成してもよい。その際は、同じ位置を同時に溶接しないように２つの溶接トーチの動きを設定する。

上記実施形態によれば、溶接ビード１１，１２，１３の中央部の入熱量を端部の入熱量と比較して多くすることで溶接ビード１１，１２，１３に割れが発生することを十分高度に抑制できる。したがって、例えば溶接を実施した後の経過観察を実施しなくてもよく、積層鉄心Ｓの製造プロセスを効率化できる。また、入熱量を多くする箇所を中央部に限定したことで、溶接時に加わる熱による積層鉄心Ｓの性能低下を十分に抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、カシメ２によって接合された積層体１０の厚さ方向の全体に亘って一つながりの溶接ビードを形成する場合を例示したが、図１３に示すように溶接ビード１４（例えば長さ５〜２０ｍｍ程度）が断続的に複数形成されていてもよい。この場合、各々の溶接ビード１４において、中央部の入熱量を多くすることで、溶接ビード１４の割れを防止することができる。

図１３に示す積層体２０は複数のブロック２０ａ，２０ａ・・・によって構成されている。ブロック２０ａを構成する複数の鉄心片はカシメによって互いに接合されている。このため、溶接ビード１４が積層体２０の全体に亘って一つながりになっていなくても鉄心片がバラバラになることはない。一方、ブロック２０ａ同士は溶接ビード１４によって接合されている。複数のブロック２０ａ，２０ａ・・・で構成された積層体２０はブロック２０ａを転積することで、被加工板Ｗの板厚偏差の影響を抑制できるという利点がある。

また、図１４に示すように並行して延びている複数本の溶接ビード１５，１６を断続的に多列に形成し、これらの端部をオーバーラップさせることで、積層体３０の全体を接合できるようにしてもよい。

上記実施形態においては、一枚の被加工板Ｗから鉄心片を打ち抜く場合を例示したが、複数の被加工板Ｗを重ね合せて鉄心を打ち抜くようにしてもよい。この場合、複数の被加工板Ｗを併用する場合、種類、厚さ及び／又は幅が異なるものを組み合わせて使用してもよい。更に、一つの被加工板Ｗから回転子用の鉄心片と固定子用の鉄心片の両方を打ち抜いてもよい。

上記実施形態においては、ＴＩＧ溶接によって溶接工程を実施する場合を例示したが、ＴＩＧ溶接以外のアーク溶接やレーザー溶接によって溶接工程を実施してもよい。

１０，２０，３０…積層体、１０ａ…側面、１１，１２，１３，１４，１５，１６…溶接ビード、１１ａ…溶接ビードの中央部、１１ｂ…溶接ビードの端部、２００…溶接機、２１０…電極棒（溶接トーチ）、２３０…移動手段、２３１…ガイド、２４０…制御装置（制御部）、Ｍ…鉄心片、Ｓ…積層鉄心。

Claims (5)

1. 複数の鉄心片が積み重ねられた積層体を得る積層工程と、
   前記積層体の側面において前記積層体の厚さ方向に延在する溶接ビードを形成する溶接工程と、
   を含み、
   前記溶接工程において、前記溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの溶接電流値を前記溶接ビードの端部を形成するときの溶接電流値よりも高くし、前記溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの入熱量を前記溶接ビードの端部を形成するときの入熱量よりも多くする、積層鉄心の製造方法。
2. 複数の鉄心片が積み重ねられた積層体を得る積層工程と、
   前記積層体の側面において前記積層体の厚さ方向に延在する溶接ビードを形成する溶接工程と、
   を含み、
   前記溶接工程において、前記溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの溶接速度を前記溶接ビードの端部を形成するときの溶接速度よりも遅くし、前記溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの入熱量を前記溶接ビードの端部を形成するときの入熱量よりも多くする、積層鉄心の製造方法。
3. 複数の鉄心片が積み重ねられた積層体と、
   前記積層体の側面において前記積層体の厚さ方向に延在する溶接ビードと、
   を備え、
   前記厚さ方向に直交する断面における前記溶接ビードの断面積は、前記溶接ビードの長手方向の中央部の断面積の方が前記溶接ビードの端部の断面積よりも大きく、且つ、前記溶接ビードの長手方向の中央部に位置する最大断面部分から前記溶接ビードの端部に位置する最小断面部分に向かうにつれて徐々に小さくなっている、積層鉄心。
4. 複数の鉄心片が積み重ねられた積層体と、
   前記積層体の側面において前記積層体の厚さ方向に延在する溶接ビードと、
   を備え、
   前記厚さ方向に直交する断面における前記溶接ビードの断面積は、前記溶接ビードの長手方向の中央部の断面積の方が前記溶接ビードの端部の断面積よりも大きく、且つ、前記溶接ビードの長手方向の中央部に位置する最大断面部分から前記溶接ビードの端部に向かうにつれて徐々に小さくなり、前記端部に至る前に最小断面となり、そこから前記端部に至るまで最小断面が続いている、積層鉄心。
5. 請求項３又は４に記載の積層鉄心の製造用の溶接機であって、
   溶接トーチと、
   前記溶接トーチを前記積層体の前記側面に沿って前記積層体の厚さ方向に移動させる移動手段と、
   前記溶接トーチから前記側面への入熱量を制御するための制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記溶接ビードの長手方向の中央部を形成するときの入熱量が前記溶接ビードの端部を形成するときの入熱量よりも多くなるように、前記溶接トーチから前記積層体への入熱量を制御する溶接機。

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