JP2013039002A - 積層コア、積層コアの製造方法及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】積層時間を短縮して効率よく製造することのできる積層コアを提供する。
【解決手段】積層コア（１）は、積層された複数のリング状コアプレート（２）を備えている。リング状コアプレート（２）は、それぞれ方向性電磁鋼板により形成され、複数のティース（３１）が所定間隔をあけて並設された分割コア（３）を環状に複数配置した構成である。分割コア（３）は、前記方向性電磁鋼板の磁化容易方向（Ｍ）に沿った仮想中心線（Ｍ０）を有し、各ティース(３１)の共通の半径中心から、仮想中心線（Ｍ０）を挟んで左右にそれぞれ所定角度で振って規定された長さを有する。
【選択図】図２

Description

開示の実施形態は、積層コア、積層コアの製造方法及び回転電機に関する。

従来、コイルが巻回される複数のティースからなるティース部を備えたステータを複数枚、厚さ方向に積層・固定した積層コアに関し、ティース部を方向性電磁鋼板により形成するとともに、方向性電磁鋼板の磁化容易方向を径方向としたものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

かかる構成により、ティース部に無方向性電磁鋼板を用いた従来のものと較べ、鉄損を格段に低減することができるという効果を奏するとされる。

特開平７−６７２７２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、環状のステータを構成する場合、ティース部を構成するティースの数だけティースを環状に連結していかなければならないため、時間を要してしまう。したがって、かかるステータを複数積層していくとなると、積層コアの製造効率は著しく低下してしまうおそれがある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、鉄損を低減させるとともに、製造効率の向上を可能とした積層コア、積層コアの製造方法及び回転電機を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る積層コアは、積層された複数のリング状コアプレートを備えている。前記リング状コアプレートは、それぞれ方向性電磁鋼板により形成され、複数のティースが所定間隔をあけて並設された分割コアが環状に複数配置された構成である。前記分割コアは、前記方向性電磁鋼板の磁化容易方向に沿った仮想中心線を定義したときに、前記各ティースの共通の半径中心から、前記仮想中心線を挟んで左右にそれぞれ所定角度で振って規定された周長さを有する。

本願の開示する積層コア、積層コアの製造方法及び回転電機の各一態様によれば、積層コアや、同積層コアを用いた回転電機などの鉄損を低減させて電気機械の効率を高めつつ、製造効率を向上させることが可能となる。

図１は、実施形態に係る積層コアの斜視図である。 図２は、実施形態に係る積層コアの１つの層を構成するリング状コアプレートの説明図である。 図３は、積層コア製造装置の模式的説明図である。 図４Ａは、同積層コアの第１の層を示す平面図である。 図４Ｂは、同積層コアの第２の層を示す平面図である。 図５は、同積層コアの製造方法の一例を示す説明図である。 図６は、同積層コアにおける分割コアの積層態様をコア外側から見た説明図である。 図７は、同積層コアにおける分割コアの積層態様をコア内側から見た説明図である。 図８は、同積層コアの第１の層及び第２の層における各ティースの磁化容易方向を示す説明図である。 図９は、同積層コアを適用したモータを示す模式的説明図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する積層コア及び回転電機の実施形態を詳細に説明する。ただし、以下の実施形態における例示で本発明が限定されるものではない。

［積層コアの概要］
まず、実施形態に係る積層コアの概要について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施形態に係る積層コアの斜視図、図２は、実施形態に係る積層コアの１つの層を構成するリング状コアプレートの説明図である。

図１に示すように、本実施形態に係る積層コア１は、それぞれ方向性電磁鋼板により形成された複数枚のリング状コアプレート２が積層されて構成される。

リング状コアプレート２は、例えば、三相同期モータなどのモータのステータのティース部として機能するものであり（図９を参照）、複数のティース３１が所定間隔をあけて並設された分割コア３を環状に複数配置した構成を有する。

図２に示すように、本実施形態に係る分割コア３には、２つのティース３１，３１が所定間隔をあけて設けられている。そして、かかる分割コア３を環状に６つ連ねることにより、１２個のティース３１が放射状に延出するリング状コアプレート２が構成される。

また、分割コア３には、方向性電磁鋼板の磁化容易方向に沿った仮想中心線が定義されている。すなわち、図示するように、分割コア３は、方向性電磁鋼板の磁化容易方向Ｍに沿った仮想中心線Ｍ０を定義した場合、各ティース３１の共通の半径中心Ｃから、仮想中心線Ｍ０を挟んで左右にそれぞれ所定角度θで振って規定された円弧長さを有する。

分割コア３の構成を、より具体的に説明する。本実施形態に係る分割コア３は、仮想中心線Ｍ０を挟んで左右にそれぞれ３０度（所定角度θ）で振った位置を左右の各端部３ａとする円弧状のティース連結体３２を備えている。すなわち、分割コア３の長さとして規定される円弧長さは、ティース連結体３２の円弧長さＬである。

また、２つのティース３１は、仮想中心線Ｍ０と左右の端部３ａとの間において、ティース連結体３２から径方向外側にそれぞれ延在している。

すなわち、本実施形態に係る分割コア３は、仮想中心線Ｍ０を挟んで左右にそれぞれ３０度振った位置を左右の端部３ａとする円弧状のティース連結体３２と、このティース連結体３２から径方向外側に延在し、仮想中心線Ｍ０に対して左右にそれぞれ１５度（θ／２）振った方向に中心線を有する２個のティース３１とを備えている。

つまり、分割コア３に形成されている２つのティース３１，３１の延出する向きは、磁化容易方向Ｍに対して１５度ずれている。したがって、本実施形態に係る分割コア３を円環状に配置してリング状コアプレート２を形成し、このリング状コアプレート２を複数積層して積層コア１を構成した場合、この積層コア１における各ティース３１の中心線も磁化容易方向Ｍに対して１５度ずれることになる。

しかし、かかる積層コア１を、例えば、モータのステータに用いる場合であっても、各ティース３１の中心線の磁化容易方向Ｍに対するずれが略２０度以内であれば、磁束の流れを効率化することは可能である。

したがって、上述の本実施形態に係る積層コア１をモータのステータに用いた場合、鉄損を格段に低減することができる。しかも、本実施形態に係る分割コア３を用いれば、方向性電磁鋼板から１つのティース３１を個別に形成するのではなく、２つのティース３１，３１を同時に形成することができるので、積層コア１の製造効率を向上させることが可能となる。

また、各ティース３１の共通の半径中心Ｃは、リング状コアプレート２の中心と同じなので、分割コア３の円弧長さ、すなわち、ティース連結体３２の円弧長さＬ（図２参照）は、リング状コアプレート２における中心角６０度の円弧長さとなる。つまり、分割コア３の長さとして規定されるティース連結体３２の円弧長さＬは、リング状コアプレート２の周長の１／６となる。

なお、各ティース連結体３２は、積層コア１をモータのステータとして用いる場合、モータのロータ外周面と対向することになるが、対向面積を確保して所定のトルクが得られるように、各ティース連結体３２の左右端部３ａはティース３１よりも外側へ突出している。

［積層コアの製造方法］
図３は積層コア製造装置を示しており、上述した積層コア１は、この積層コア製造装置４により製造される。

積層コア製造装置４は、材料送り装置４１と、金型装置４２と、制御装置４３とを備えており、方向性電磁鋼板からなる帯状部材５は、材料送り装置４１によって金型装置４２に送られる。帯状部材５の送られる方向と磁化容易方向Ｍとは同じ方向である。

制御装置４３は、材料送り装置４１及び金型装置４２の動作を制御するもので、プログラムに従って演算処理を行うＣＰＵや製造プログラムなどの各種動作プログラムを格納したＲＯＭや作業領域などを有するＲＡＭなどのメモリなどを備えている。

金型装置４２は、分割コア抜き打ち穴４２ａを備えており、この分割コア抜き打ち穴４２ａは、ティース形成部と、帯状部材５の磁化容易方向Ｍに沿った仮想中心線を有する（図２参照）。そして、リング状コアプレート２の中心に相当する位置から、仮想中心線を挟んで左右にそれぞれ３０度で振って規定された長さのティース連結体形成部とから形成されている。ティース形成部が２つのティース３１に対応し、ティース連結体形成部がティース連結体３２に対応している。

すなわち、制御装置４３は、材料送り装置４１から帯状部材５を所定タイミングで供給させ、金型装置４２において、図示しないパンチで分割コア抜き打ち穴４２ａから分割コア３を回転受台４４へ抜き落とさせる。

こうして形成された分割コア３は、図２に示すように、帯状部材５である方向性電磁鋼板の磁化容易方向Ｍに沿った仮想中心線Ｍ０を定義したときに、各ティース３１の共通の半径中心Ｃから、仮想中心線Ｍ０を挟んで左右にそれぞれ３０度で振って規定された円弧長さＬを有することになる。

そして、抜き落とされた分割コア３を受け止めた回転受台４４を１ピッチ分（２θ：回転角度６０度）回動し、２つ目の分割コア３が抜き落とされるまで待機させる。

このようにして、抜き落とされた分割コア３を受け止めた回転受台４４を、１ピッチ分ずつ回動させ、６つの分割コア３を円環状に配置することによって１層目のリング状コアプレート２を形成する。図４Ａに積層コア１の第１の層、すなわち、１層目のリング状コアプレート２を示す。

また、図４Ｂに積層コア１の第２の層、すなわち、２層目のリング状コアプレート２を示す。図示するように、２層目以降のリング状コアプレート２を積層する際には、回転受台４４を、半ピッチ分（θ：回転角度３０度）だけ周方向にずらした状態で待機させ、２層目の最初に抜き落とされる分割コア３を受け止めさせる。

その後は、１層目同様に、回転受台４４を１ピッチ分（２θ：回転角度６０度）回動させ、２つ目以降、順次、抜き落とされる分割コア３を受け止めて２層目のリング状コアプレート２を形成する。

このようにして、リング状コアプレート２を順次、所定数積層することにより、ブロック状の積層コア１が製造される。

リング状コアプレート２は、放射状に延在する１２個の同形のティース３１を有する。本実施形態に係る製造方法では、各ティース３１を方向性電磁鋼板からなる帯状部材５から個別に１２回打ち抜くのではなく、６回の打ち抜きによって各２つのティース３１，３１を有する６つの分割コア３を得るようにしている。

このように、２つのティース３１，３１を有する６つの分割コア３によって１つのリング状コアプレート２を形成しているため、積層コア１の製造効率を大きく向上させることができる。

図５は、積層コア１の製造方法の一例を示す説明図である。各層のリング状コアプレート２は、同じ層内では、隣り合う分割コア３，３同士は連結されていない。

そこで、本実施形態に係る積層コア１の製造方法では、リング状コアプレート２を積層する際に、図５に示すように、互いに周方向に半ピッチずれて板厚方向に重なり合う分割コア３同士を、各ティース３１の略中央部に形成されているカシメ部３３同士で凹凸嵌合している。こうして、積層コア１は、積層される２枚の分割コア３，３同士が板厚方向に接続され、結果的に、積層された複数のリング状コアプレート２全体が一体化される。

上述してきたことから明らかなように、本実施形態においては、以下の工程を有する積層コア１の製造方法が実行されることになる。

（１）環状に配置することによりリング状コアプレート２を形成可能とした分割コア３を、方向性電磁鋼板からなる帯状部材５から打ち抜く打抜工程。
（２）打ち抜かれた分割コア３を受け止めるとともに、回転角度６０度の一定角度からなる１ピッチ分（２θ）だけ回転させて環状に配置する配置工程。
（３）分割コア３が環状に配置されて形成されるリング状コアプレート２を、重なり合う層同士間で、半ピッチ分（θ：回転角度３０度）だけ周方向にずらした状態で複数層に積層する積層工程。

かかる製造方法により、図６及び図７に示すように、重なり合うリング状コアプレート２，２の間では、分割コア３同士が、あたかもレンガ積みされたように半ピッチずつ周方向にずれた状態の積層コア１が構成される。なお、図６は、積層コア１における分割コア３の積層態様をコア外側から見た説明図、図７は、同分割コア３の積層態様をコア内側から見た説明図である。

このように、分割コア３がレンガ積みの態様となるようにリング状コアプレート２を積層しているため、各分割コア３の厚みにばらつきがあったとしても、これらが互い違いに積層されることでそのばらつきが結果的に吸収され、積層コア１としての厚み精度が向上する。

また、図８は、積層コア１の第１の層及び第２の層における各ティース３１の磁化容易方向を示す説明図であり、点線の矢印Ｍ１は第１の層のティース３１における磁化容易方向を、実線の矢印Ｍ２は第２の層におけるティース３１の磁化容易方向を示している。

図示するように、第１の層のティース３１の磁化容易方向Ｍ１と第２層のティース３１の磁化容易方向Ｍ２とでは、その方向が互いにクロスするように異なっている。すなわち、第１の層のティース３１と第２の層のティース３１とでは、磁化容易方向が半径方向に対して互いに逆向きに１５度ずれている。

つまり、重なり合う第１の層のティース３１と第２の層のティース３１とで、互いの磁化容易方向のずれを、層間で打ち消し合うことになる。したがって、複数のティース３１が積層されているティース部分においては、磁化容易方向が半径方向に平準化されることが期待できる。

［積層コアを適用したモータ］
次に、上述してきた積層コア１を、回転電機としての三相同期モータ（以下、単に「モータ１０」とする）のステータに適用した場合について説明する。図９は、積層コア１を適用した回転電機としてのモータ１０を示す模式的説明図である。

図示するように、モータ１０は、周方向に回転する円筒状のロータ６と、空隙を介してロータ６の外周側に設けられ、ロータ６を回転させる磁界を発生させるステータ１１とを備えるとともに、これらロータ６とステータ１１とを収納するケース１２を備えている。

ロータ６は、その外周面に９０度間隔で４箇所の突極６１を形成するとともに、かかる４箇所の突極６１間にそれぞれ永久磁石７を設けている。また、ロータ６の中心にはケース１２に軸支された回転軸６０を嵌挿している。

ステータ１１は、上述してきた積層コア１（図１を参照）、すなわち、方向性電磁鋼板により形成された複数の分割コア３が環状に配置されたリング状コアプレート２を複数積層した積層コア１が適用された内コアと、この内コアの外側に連接された筒状の外コア３４とから構成されている。

そして、分割コア３は、方向性電磁鋼板の磁化容易方向Ｍに沿った仮想中心線Ｍ０を定義したときに、各ティース３１の共通の半径中心Ｃから、仮想中心線Ｍ０を挟んで左右にそれぞれ３０度（所定角度θ）で振って規定された円弧長さＬを有する構成である。また、各ティース３１には、ステータコイル８がそれぞれ巻回されている。

このように、本実施形態においては、ステータ１１を、１２個のティース３１が形成された積層コア１からなる内コアの外側に外コア３４を設けた構成としているため、放射状形状の内コアの外側からステータコイル８を巻装することができる。したがって、巻線占積率を高くすることができ、モータ特性を向上させることが可能となる。

上記構成により、ステータ１１のステータコイル８に電流を流すことによってステータ１１の内側に回転磁界が発生し、かかる回転磁界とロータ６の永久磁石７が発生する磁界との相互作用によりロータ６が回転するとともに、このロータ６の回転に伴って回転軸６０が回転してモータ１０として機能する。

このように、本実施形態に係るモータ１０では、ステータ１１における鉄損を低減させて電気機械としての効率を高めることができるとともに、ステータ１１として、２つのティース３１，３１を有する分割コア３を円環状に配置したリング状コアプレート２を複数枚積層して構成しているため、製造効率を向上させることも可能となる。

ところで、外コア３４は、薄板からなるリング状の外コアプレートを複数枚積層して構成することができる。本実施形態では、外コアプレートは、リング状に一体形成したものを、カシメ部３５で連結して構成している。しかし、かかる構成に限らず、例えば、方向性電磁鋼板から複数の分割コアを形成し、磁化容易方向が周方向になるように、これら複数の分割コアを円環状に連結して構成することもできる。

また、本実施形態に係るロータ６は、ロータプレートを複数枚積層して構成したものとしている。なお、ロータプレートとしては、例えば、無方向性電磁鋼板を打ち抜いて成形することができる。

上述した実施形態の変形例や、さらなる効果などは当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細及び代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、本発明の実施態様は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

例えば、回転電機をモータ１０として説明したが、モータ１０のみならず発電機とすることもできる。発電機とした場合、ロータ６にロータコイルを巻装しておき、モータ１０とは逆の動作をさせることになる。すなわち、回転軸６０の回転に伴ってロータ６が回転し、このロータ６のロータコイルに電流が発生するのである。

１ 積層コア
２ リング状コアプレート
３ 分割コア
３ａ 端部
４ 積層コア製造装置
５ 帯状部材
６ ロータ
１０ モータ
３１ ティース
３２ ティース連結体
４１ 材料送り装置
４２ 金型装置
４３ 制御装置
Ｍ 磁化容易方向
Ｍ０ 仮想中心線

Claims (7)

1. 積層された複数のリング状コアプレートを備え、
   前記リング状コアプレートは、
   それぞれ方向性電磁鋼板により形成され、複数のティースが所定間隔をあけて並設された分割コアが環状に複数配置された構成であり、
   前記分割コアは、
   前記方向性電磁鋼板の磁化容易方向に沿った仮想中心線を定義したときに、前記各ティースの共通の半径中心から、前記仮想中心線を挟んで左右にそれぞれ所定角度で振って規定された長さを有すること
   を特徴とする積層コア。
2. 前記分割コアは、
   前記仮想中心線を挟んで左右にそれぞれ所定角度で振った位置を左右の端部とする円弧状のティース連結体を備え、
   前記ティースは、前記ティース連結体から径方向外側に延在していること
   を特徴とする請求項１に記載の積層コア。
3. 前記分割コアは、
   前記仮想中心線と前記左右の端部との間に前記ティースをそれぞれ設けたこと
   を特徴とする請求項２に記載の積層コア。
4. 前記分割コアは、
   前記仮想中心線を挟んで左右にそれぞれ３０度振った位置を左右の端部とする円弧状のティース連結体と、
   このティース連結体から径方向外側に延在し、前記仮想中心線に対して左右にそれぞれ１５度振った方向に中心線を有する２個のティースと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の積層コア。
5. 積層された前記リング状コアプレートは、
   重なり合う各層同士間で、前記長さの半分だけ周方向にずらした状態で連結されて積層されていること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の積層コア。
6. 所定間隔をあけて複数のティースが並設され、環状に配置することによりリング状コアプレートを形成可能とした分割コアを、方向性電磁鋼板からなる帯状部材から打ち抜く打抜工程と、
   打ち抜かれた前記分割コアを受け止めるとともに、一定角度からなる１ピッチ分だけ回転させて環状に配置する配置工程と、
   前記分割コアが環状に配置されて形成されるリング状コアプレートを、重なり合う層同士間で、半ピッチ分だけ周方向にずらした状態で複数層に積層する積層工程と、
   を有し、
   前記分割コアは、
   前記方向性電磁鋼板の磁化容易方向に沿った仮想中心線を定義したときに、前記各ティースの共通の半径中心から、前記仮想中心線を挟んで左右にそれぞれ所定角度で振って規定された長さを有すること
   を特徴とする積層コアの製造方法。
7. 周方向に回転する円筒状のロータと、
   空隙を介して前記ロータの外周側に設けられ、前記ロータを回転させる磁界を発生させるステータと、
   を備え、
   前記ステータは、方向性電磁鋼板により形成された複数の分割コアが環状に配置されたリング状コアプレートを複数積層した積層コアを備え、
   前記分割コアは、
   前記方向性電磁鋼板の磁化容易方向に沿った仮想中心線を定義したときに、前記各ティースの共通の半径中心から、前記仮想中心線を挟んで左右にそれぞれ所定角度で振って規定された長さを有すること
   を特徴とする回転電機。

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