JP2017229147A - 積層コア及び積層コアの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機の特性を改善することができる積層コアを提供する。
【解決手段】環状のヨーク部１２、及びヨーク部から径方向内側に向かって突出する複数のティース部を含む板状の複数の単体コアが積層されて積層コア１０が構成される。複数の単体コアの各々のヨーク部に、引っ張り応力Ｆ２の一部は、周方向の引張り残留応力が残っている。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層コア及び積層コアの製造方法に関する。

回転機のステータのコアをコアケースに焼嵌めして、コアをコアケースに固定する技術が知られている。コアは、環状のヨーク部と、ヨーク部の内周から径方向内側に突出する複数のティース部とを含む。

特開２０１３−１６９０４３号公報

回転機の効率のさらなる向上を図るために、ヨーク部に発生する応力をコントロールしたコアが求められている。

本発明の目的は、回転機の特性を改善することができる積層コアを提供することである。

本発明の一観点によると、
環状のヨーク部、及び前記ヨーク部から径方向内側に向かって突出する複数のティース部を含む板状の複数の単体コアが積層された積層コアであって、
複数の前記単体コアの各々の前記ヨーク部に、周方向の引張り残留応力が残っている積層コアが提供される。

本発明の他の観点によると、
環状のヨーク部、及び前記ヨーク部から径方向内側に向かって突出する複数のティース部を含む板状の単体コアの前記ヨーク部のカシメ箇所に、前記単体コアの厚さ方向に対して傾いた方向の力を加えることによって、カシメを形成し、
複数の前記単体コアを積層して相互に固定して積層コアとする積層コアの製造方法が提供される。

ヨーク部に周方向の引張り残留応力を残留させることにより、焼嵌めによりヨーク部に発生する圧縮応力の影響を低減させることができる。
単体コアにカシメを形成する際に、単体コアの厚さ方向に対して傾いた方向の力を加えることにより、面内方向の応力を発生させることができる。特に、内周側から外周側に向かう成分を持つ力を加えると、周方向の引張り応力を発生させることができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ実施例による積層コアの平面図及び斜視図である。 図２Ａは、カシメ処理中における積層コア、及びカシメを形成するためのピンの概略断面図であり、図２Ｂは、カシメの凹部の平面図であり、図２Ｃは、カシメ前の単体コアを破線で示し、カシメ後の単体コアを実線で示す平面図である。 図３は、実施例による積層コアを用いた回転機の断面図である。 図４Ａは、シミュレーション対象のヨーク部の部分概略図であり、図４Ｂは、ヨーク部を径方向に１０個のエレメントに区分したとき、内側から２番目〜９番目のエレメントＶ１〜Ｖ８における周方向の応力のシミュレーション結果を示すグラフである。 図５は、実施例による単体コアの外周部分の変位量を強調した部分平面図である。 図６Ａは、他の実施例によるカシメ処理中における積層コア、及びカシメを形成するためのピンの概略断面図であり、図６Ｂは、カシメの凹部の平面図である。 図７Ａは、さらに他の実施例によるカシメ処理中における積層コア、及びカシメを形成するためのピンの概略断面図であり、図７Ｂは、カシメの凹部の平面図である。 図８Ａは、さらに他の実施例によるカシメ処理中における積層コア、及びカシメを形成するためのピンの概略断面図であり、図８Ｂは、カシメの凹部の平面図である。 図９Ａ〜図９Ｃは、さらに他の実施例によるカシメ用のピンの斜視図である。 図１０Ａは、さらに他の実施例による積層コアの断面図であり、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、それぞれカシメを拡大した径方向に沿う断面図及び平面図である。

図１Ａ〜図５を参照して、実施例による回転機の積層コアについて説明する。
図１Ａ及び図１Ｂに、それぞれ積層コア１０の平面図及び斜視図を示す。積層コア１０は、同一形状に型抜きされた板状の複数の単体コア１１を積層して形成される。単体コア１１には、例えば電磁鋼板が用いられる。単体コア１１は、環状のヨーク部１２、及びヨーク部１２から径方向内側に向かって突出する複数のティース部１３を含む。ヨーク部１２の外周は円周形状を有する。

複数のティース部１３の先端に対向するようにロータが配置される。ロータの中心に回転軸が配置される。ティース部１３に導線が巻き付けられることによってコイルが形成される。回転機の動作中は、ティース部１３に径方向の磁束が発生し、ヨーク部１２に周方向の磁束が発生する。

ヨーク部１２に形成された複数のカシメ１５によって、複数の単体コア１１が相互に固定されている。カシメ１５は、例えばヨーク部１２と中心を共有する仮想円周上に配置され、周方向に等間隔に分布する。図１Ａ及び図１Ｂでは１２個のカシメ１５が設けられている例を示しているが、カシメ１５の個数は１１個以下でもよいし、１３個以上でもよい。

図２Ａに、カシメ処理中における積層コア１０、及びカシメ１５を形成するためのピン２０の概略断面図を示す。図２Ａに示された断面図は、図１Ａの一点鎖線２Ａ−２Ａにおける断面図に相当する。複数の単体コア１１が積層されている。最も下の単体コア１１ａには、カシメ１５を形成すべき位置に、カシメ１５に代えて開口１６が形成されている。

最も下の単体コア１１ａの上に２層目の単体コア１１を積み重ねた状態で、カシメ用のピン２０によりカシメ１５を形成する。カシメ用のピン２０は、例えば、先端部分２０Ａが平坦な角柱状の外形を有する。その後、単体コア１１の積み重ねと、カシメ用のピン２０によるカシメ１５の形成とを繰り返す。カシメ１５は、一方の面（上面）に形成された凹部１５Ａと、他方の面（下面）に形成された凸部１５Ｂとを含む。ある単体コア１１に形成されたカシメ１５の凸部１５Ｂが、その下に隣り合う単体コア１１のカシメ１５の凹部１５Ａ内に嵌め込まれことにより、積層された単体コア１１が相互に締結されて固定される。

カシメ用のピン２０によるカシメ１５の形成時に、カシメ用のピン２０は、単体コア１１の中心から外周側に向かう成分を持つ力Ｆ１をカシメ部に加える。例えば、カシメ用のピン２０を外周側に（ピン２０の先端部分２０Ａが基部２０Ｂよりも外周側に位置するように）傾けておき、ピン２０の傾いた軸方向にピン２０を単体コア１１に対して打ち込むことにより、このような力Ｆ１を加えることができる。これにより、カシメ１５の凹部１５Ａの、径方向に沿う断面形状は左右非対称になり、最も深い位置よりも外周側の側面の勾配と内周側の側面の勾配とが異なる。ここで、勾配は、単体コア１１の上面に対する傾斜角の平均値で表してもよいし、水平距離に対する垂直距離の比率で表してもよい。図２Ａに示した例では、凹部１５Ａの最も深い位置の両側において、内周側の側面が、外周側の側面より急峻である。凹部の外周側の斜面は、カシメ用のピン２０の先端部分２０Ａの面により形成される。

図２Ｂに、カシメ１５の凹部１５Ａの平面図を示す。凹部１５Ａは、ほぼ矩形の平面形状を有する。図２Ｂにおいて、左側が単体コア１１（図１Ａ）の中心側に相当し、右側が外周側に相当する。カシメ１５の凹部１５Ａの最深部１７が、平面視における凹部１５Ａの中心１８よりも単体コア１１の内周側にずれている。

図２Ｃ、図３、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、上記実施例の効果について説明する。
図２Ｃに、カシメ前の単体コア１１の平面図を破線で示し、カシメ後の単体コア１１の平面図を実線で示す。カシメ処理時に、単体コア１１の中心から外周を向く力Ｆ１がカシメ箇所に加わる。このため、単体コア１１に、平面的に広がる方向の歪みが生ずる。すなわち、カシメ後の単体コア１１の外周は、カシメ前の単体コア１１の外周よりも外側に位置する。その結果、ヨーク部１２の周長がカシメ前よも長くなり、ヨーク部１２に周方向の引張り応力Ｆ２が発生する。

カシメ用のピン２０（図２Ａ）を単体コア１１から引き離した状態で、すなわち、積層コア１０に外力が加えられていない状態で、引張り応力Ｆ２の一部は、引張り残留応力として残る。引張り残留応力は、例えばＸ線残留応力測定装置を用いて測定することができる。なお、周方向の引張り残留応力が残っている部分には、径方向の圧縮残留応力が残っている。

図３に、実施例による積層コア１０を用いた回転機の断面図を示す。積層コア１０が円筒状のコアケース３２に焼嵌めされて固定されている。ロータ３０が、積層コア１０の内側に支持されており、ロータ３０の外周面が、ティース部１３の先端に対向する。ロータ３０の中心に回転軸３１が固定されている。積層コア１０がコアケース３２に焼嵌めされているため、ヨーク部１２に、中心に向かう力Ｆ３が加わっている。

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、ヨーク部１２を外側に向かって広げた時に発生する周方向の引張り応力の大きさのシミュレーション結果について説明する。シミュレーションには、有限要素法を適用した。

図４Ａにシミュレーション対象のヨーク部１２の部分概略図を示す。シミュレーション対象のヨーク部１２は、内径が１９０ｍｍ、外径が２１０ｍｍ、厚さが０．５ｍｍの円環状とした。ヨーク部１２のヤング率は、一般的な電磁鋼板とほぼ同等の２１０ＧＰａとした。ヨーク部１２の外周を外側に向かって５０μｍ、１００μｍ、２００μｍだけ変位させた時に、ヨーク部１２の周方向に発生する応力を求めた。

図４Ｂに、ヨーク部１２を、径方向に並ぶ１０個のエレメントに区分したとき、内側から２番目〜９番目のエレメントＶ１〜Ｖ８における周方向の応力のシミュレーション結果を示す。横軸は、ヨーク部１２の径方向の位置を表し、縦軸は周方向の応力を表す。引張り応力を正とし、圧縮応力を負とした。

丸記号、四角記号、三角記号、及び星形記号は、それぞれヨーク部１２の外周の変形量が０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍのときの応力を示す。参考のために、ヨーク部１２をコアケースに焼嵌めした状態で周方向に発生する応力を五角形記号で示す。シミュレーションで用いたコアケースは、ヨーク部１２の外径よりも３００μｍ小さい内径を有する。

ヨーク部１２の外周を外側に変位させると、周方向の引張り応力が発生することがわかる。これは、ヨーク部１２の外周を外側に変位させると、ヨーク部１２が周方向に延びるためである。変位量が大きくなるにしたがって、引張り応力も大きくなる。また、引張り応力は、内周側よりも外周側の方が大きいことがわかる。

ヨーク部１２をコアケースに焼嵌めすると、ヨーク部１２に周方向の圧縮応力が発生することがわかる。回転機の大きさや、焼嵌め時の締め代によって圧縮応力の大きさは異なるが、一般的に数ＭＰａ〜数百ＭＰａの圧縮応力が発生すると考えられる。

図４Ｂに示したように、積層コア１０にコアケース３２（図３）を焼嵌めすると、ヨーク部１２に周方向の圧縮応力が発生する。実施例においては、焼嵌め前の状態でヨーク部１２に引張り残留応力が残っているため、ヨーク部１２に発生する圧縮応力の影響を低減することができる。これにより、ヨーク部１２の磁気特性の低下を抑制することができ、回転機の効率の低下を抑制することができる。

図５に、実施例による単体コア１１の外周部分の変位量を強調した部分平面図を示す。カシメ前の外周を破線で示し、カシメ後の外周を実線で示す。カシメ時に、カシメ１５が配置された位置に外周に向かう力が印加される。このため、カシメ１５が配置された位置に対応する外周部分の変位量Ｄ１が、隣り合うカシメ１５の中間地点に対応する外周部分の変位量Ｄ２より大きくなる。従って、単体コア１１の中心から、カシメ１５が設けられている箇所に対応する外周部分までの距離が、隣り合うカシメ１５の中間地点に対応する外周部分までの距離より長くなる。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、他の実施例による積層コアの製造方法について説明する。以下、図１Ａ〜図３に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図６Ａに、本実施例におけるカシメ処理中の積層コア１０、及びカシメ１５を形成するためのピン２０の概略断面図を示す。本実施例では、カシメ用のピン２０の、単体コア１１の厚さ方向からの傾斜が、図２Ａに示した実施例の場合の傾斜よりも大きい。図２Ａに示した実施例では、厚さ方向を基準とする傾斜角が４５°よりも小さかったが、図６Ａに示す実施例では、傾斜角が４５°より大きい。

カシメ用のピン２０の先端部分２０Ａの面によって、凹部１５Ａの外周側の斜面が形成される。このため、凹部１５Ａの外周側の斜面の傾斜角が４５°より大きくなり、内周側の斜面の傾斜角が４５°より小さくなる。

図６Ｂに、凹部１５Ａの平面図を示す。凹部１５Ａは、ほぼ矩形の平面形状を有する。図６Ｂにおいて、左側が単体コア１１（図１Ａ）の中心側に相当し、右側が外周側に相当する。カシメ１５の凹部１５Ａの最深部１７が、平面視における凹部の中心１８よりも単体コア１１の外周側にずれている。

次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、さらに他の実施例による積層コアの製造方法について説明する。以下、図１Ａ〜図３に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図７Ａに、本実施例におけるカシメ処理中の積層コア１０、及びカシメ１５を形成するためのピン２０の概略断面図を示す。図１Ａ〜図３に示した実施例では、カシメ用のピン２０（図２Ａ）の先端部分２０Ａが、ピン２０の軸方向に対して垂直な平坦面であった。図７Ａに示す実施例では、カシメ用のピン２０の先端部分２０Ａが、径方向に平行な断面内においてＶ字形状を有する。すなわち、カシメ用のピン２０の先端部分２０Ａは、内周側の斜面と外周側の斜面とを含む。このカシメ用のピン２０が、図２Ａの実施例と同様に、単体コア１１に対して斜めに力を加える。本実施例では、凹部１５Ａの外周側の斜面が内周側の斜面より急峻になる。

図７Ｂに、凹部１５Ａの平面図を示す。図７Ｂにおいて、左側が単体コア１１（図１Ａ）の中心側に相当し、右側が外周側に相当する。カシメ１５の凹部１５Ａの最深部１７が、平面視における凹部１５Ａの中心１８よりも単体コア１１の外周側にずれている。

次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、さらに他の実施例による積層コアの製造方法について説明する。以下、図１Ａ〜図３に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図８Ａに、本実施例におけるカシメ処理中の積層コア１０、及びカシメ１５を形成するためのピン２０の概略断面図を示す。図１Ａ〜図３に示した実施例では、カシメ用のピン２０（図２Ａ）の先端部分２０Ａが、軸方向に対して垂直な平坦面であった。図８Ａに示した実施例では、カシメ用のピン２０の先端部分２０Ａが片刃状の形状を有する。片刃の斜面が外周側を向き、ピン２０の内周側の側面は、ピン２０の先端までまっすぐ伸びる。

カシメ用のピン２０が、単体コア１１に対して垂直方向に打ち込まれる。このとき、ピン２０の先端部分２０Ａの外周側を向く斜面が、凹部１５Ａの外周側の側面に、外周側を向く力を加える。このため、図１Ａ〜図３に示した実施例と同様の効果が得られる。凹部１５Ａの外周側の側面は、ピン２０の先端部分２０Ａの片刃の斜面に対応して傾斜した面になり、内周側の側面は、ピン２０の内周側のまっすぐ伸びる側面に対応して、単体コア１１の上面に対してほぼ垂直に切り立った面になる。

次に、図９Ａ〜図９Ｃを参照して、他の実施例による積層コアの製造方法で用いられるカシメ用のピン２０の形状及び姿勢について説明する。図９Ａ〜図９Ｃにおいて、図の右側が単体コア１１（図１Ａ）の外周側に相当する。

図９Ａに示す例では、一般的な直方体状のカシメ用のピン２０の中心軸が単体コア１１（図１Ａ）に対して斜めに配置される。このピン２０を単体コア１１に対して垂直に打ち込んだとき、内周側に向かう力Ｆｉよりも外周側に向かう力Ｆｏの方が大きくなるように、ピン２０の中心軸の傾斜角が設定されている。

図９Ｂに示す例では、カシメ用のピン２０の先端部分２０Ａの形状が、周方向に沿って見たとき左右非対称になっている。具体的には、ピン２０の先端部分がＶ字状にされており、外周側を向く斜面が内周側を向く面より大きい。また、外周側を向く斜面の傾斜が、内周側を向く斜面の傾斜より緩やかである。この構成により、ピン２０を単体コア１１に対して垂直に打ち込んだとき、内周側に向かう力Ｆｉよりも外周側に向かう力Ｆｏの方が大きくなる。

図９Ｃに示すように、図９Ｂに示したピン２０の尖った先端部分２０Ａを面取りしてもよい。

次に、図１０Ａ〜図１０Ｃを参照して、さらに他の実施例について説明する。以下、図１Ａ〜図３に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図１０Ａに、本実施例による積層コア１０の断面図を示す。複数の単体コア１１が積み重ねられている。図２Ａ、図６Ａ、図７Ａ、及び図８Ａに示した例では、カシメ１５の凹部１５Ａの断面がほぼＶ字状であった。すなわち、凹部１５Ａの斜面はほぼ平面であった。

図１０Ａに示した例では、カシメ１５の凹部１５Ａの斜面が曲面で構成されている。カシメ用のピン２０の先端形状、ピン２０の打ち込みの深さ等によっては、図１０Ａに示したように、凹部１５Ａの斜面が曲面で構成される場合もある。

図１０Ｂ及び図１０Ｃに、それぞれカシメ１５を拡大した径方向に沿う断面図及び平面図を示す。図１０Ｂ及び図１０Ｃにおいて、左側が単体コア１１の中心側に対応し、右側が単体コア１１の外周側に対応する。カシメ１５の凹部１５Ａの径方向に関する寸法をＬで表す。凹部１５Ａが形成されている表面を凹部１５Ａ内に延長した仮想平面４０と、凹部１５Ａの内面とで囲まれた部分（図１０Ｂにおいてドット模様を付した部分）の幾何学的形状の重心の位置をＣで表す。

重心の位置Ｃは、平面視においてカシメ１５の凹部１５Ａの径方向に関する中心Ｃ１よりも単体コア１１の外周側にずれている。この形状は、例えば図６Ａ、図７Ａに実施例に対応する。なお、重心の位置Ｃは、平面視においてカシメ１５の凹部１５Ａの径方向に関する中心Ｃ１よりも単体コア１１の内周側にずれる場合もある。内周側にずれる例は、例えば図２Ａ、図８Ａの実施例に対応する。いずれの場合も、凹部１５Ａの断面形状が左右対称ではない。

上記実施例では、単体コア１１（図２Ａ）を１枚積み重ねる毎にカシメ１５を形成したが、複数枚の単体コア１１を積み重ねる毎に１回のカシメ処理を行ってもよい。

また、上記実施例では、単体コア１１（図２Ａ）を積み重ねた状態でカシメ１５を形成したが、積み重ね前に１枚の単体コア１１ごとにカシメ１５を形成してもよい。この場合には、カシメ１５を形成した後、単体コア１１を積み重ねてプレスすることにより、積層コア１０が形成される。プレスすることにより、カシメ１５の凸部をその下の単体コア１１のカシメ１５の凹部に嵌め込んで、積層された単体コア１１を締結して固定することができる。

上記実施例では、単体コア１１のカシメ時に、単体コア１１のヨーク部１２に周方向の引張応力を発生させたが、カシメとは異なる他の処理によって引張り応力を発生させることも可能である。例えば、単体コア１１の外周部を挟んで外方に向けて引っ張ってもよいし、ヨーク部１２の内周側の縁に、外周側に向かう力を印加してもよい。

上記実施例では、単体コア１１（図１Ａ）にカシメ１５を形成するときに、内周側から外周側を向く成分を持つ力Ｆ１（図２Ａ、図２Ｃ）を単体コア１１に加えた。円盤状または円環状の電磁鋼板に、外周側から内周側を向く成分を持つ力を印加してカシメを形成することにより、上記実施例とは残留応力の分布が異なる電磁鋼板の積層体を作製することができる。電磁鋼板の用途に応じて好ましい残留応力が残るように、カシメ処理時の力の向きを調整することが好ましい。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 積層コア
１１ 単体コア
１１ａ 最も下の単体コア
１２ ヨーク部
１３ ティース部
１５ カシメ
１５Ａ 凹部
１５Ｂ 凸部
１６ 開口
１７ 凹部の最深部
１８ 平面視における凹部の中心
２０ ピン
２０Ａ ピンの先端部分
２０Ｂ ピンの基部
３０ ロータ
３１ 回転軸
３２ コアケース
４０ 仮想平面

Claims (9)

1. 環状のヨーク部、及び前記ヨーク部から径方向内側に向かって突出する複数のティース部を含む板状の複数の単体コアが積層された積層コアであって、
   複数の前記単体コアの各々の前記ヨーク部に、周方向の引張り残留応力が残っている積層コア。
2. 前記単体コアの各々のカシメ部の上面に凹部、下面に凸部が形成されており、前記凸部が、下側に隣り合う前記単体コアの前記凹部内に嵌め込まれており、
   前記凹部の径方向の断面形状が左右非対称である請求項１に記載の積層コア。
3. 環状のヨーク部、及び前記ヨーク部から径方向内側に向かって突出する複数のティース部を含む板状の複数の単体コアが積層されてカシメられている積層コアであって、
   カシメ部の上面に凹部が形成され、下面に凸部が形成されており、前記単体コアの外周側の、前記凹部の側面が傾斜しており、内周側の、前記凹部の側面は前記外周側の側面とは異なる勾配を有するか、または前記単体コアの上面に対して垂直である積層コア。
4. 環状のヨーク部、及び前記ヨーク部から径方向内側に向かって突出する複数のティース部を含む板状の単体コアの前記ヨーク部のカシメ部に、前記単体コアの厚さ方向に対して傾いた方向の力を加えることによって、カシメを形成し、
   複数の前記単体コアを積層して相互に固定して積層コアとする積層コアの製造方法。
5. 前記単体コアの厚さ方向に対して傾いた方向の力は、前記単体コアに対して内周側から外周側を向く成分を持つように傾いている請求項４に記載の積層コアの製造方法。
6. 前記カシメの形成において、先端部分が基部よりも前記単体コアの外周側に位置するように傾いたカシメ用のピンを用い、前記ピンを前記単体コアに対して、前記ピンの基部から先端部分に向かう斜め方向に打ち込む請求項４または５に記載の積層コアの製造方法。
7. カシメ用のピンの先端部分が、前記単体コアの周方向に沿って見たとき左右非対称の形状を有する請求項４または５に記載の積層コアの製造方法。
8. 前記カシメの形成は、前記単体コアを積層した状態で行う請求項４乃至７のいずれか１項に記載の積層コアの製造方法。
9. カシメの形成は、前記単体コアのそれぞれに対して行い、カシメが形成された前記単体コアを積層することにより積層コアとする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の積層コアの製造方法。