JP2021027733A - モータの鉄心構造体及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータフレームから鉄心部材に加わる圧縮応力を低減しつつ、モータフレーム鉄心部材とを適正に固定する。【解決手段】円筒状の鉄心部材２０と、鉄心部材２０の外周に設けられたモータフレーム３０と、鉄心部材２０とモータフレーム３０とを固定するための、塑性流動を生じた鉄心部材２０の金属材料及びモータフレーム３０の金属材料からなる接合層４０とを備えている。接合層４０が鉄心部材２０の金属材料及びモータフレーム３０の金属材料の塑性流動で形成されているので、モータフレーム３０から鉄心部材２０に加わる締め付けが回避され、鉄心部材２０の圧縮応力が低減されて、磁気特性が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータの鉄心構造体及びその形成方法に関する。

モータコアなどの鉄心部材は、電磁鋼板を所定形状に打ち抜いた後に積層し、クランプ等により固着させることで形成される。
そして、鉄心部材は、巻き線処理が施された後に、焼き嵌めでモータフレーム（ハウジング）が装着されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１８／１６７８５３号

図８は鉄心材料に複数の異なる応力を加えた場合の磁束密度−鉄損の関係を示した線図、図９は鉄心材料に複数の異なる応力を加えた場合の磁束密度−透磁率の関係を示した線図である。なお、図８及び図９において、0〜100[MPa]は引っ張り応力を加えた場合を示し、-20〜-90[MPa]は圧縮応力を加えた場合を示す。
鉄心部材に焼き嵌めでモータフレームを装着すると、鉄心部材に対して周方向に圧縮応力が発生する。図８及び図９に示すように、圧縮応力が大きくなるにつれて鉄損は大きくなり、透磁率は低下する。このように、圧縮応力は、鉄心部材の磁気特性を悪化させて、モータの効率を低下させる。
このモータの効率低下を抑制するためには、焼きばめの際には、鉄心部材に対するモータフレームの締め代を小さくすれば良いが、その場合には、モータフレームによる鉄心部材の拘束力が低下するので、モータの駆動時に鉄心部材に回転が生じるおそれがあった。

本発明は、モータフレーム鉄心部材とを適正に固定することを目的とする。

本発明に係るモータの鉄心構造体は、
円筒状の鉄心部材と、
前記鉄心部材の外周に設けられたモータフレームと、
前記鉄心部材と前記モータフレームとの境界でこれらを固定するために設けられた接合層とを備え、
前記接合層が、塑性流動を生じた前記鉄心部材の金属材料及び前記モータフレームの金属材料を有する構成とする。

本発明に係るモータの鉄心構造体の形成方法は、
円筒状の鉄心部材の外周にモータフレームを設け、
前記鉄心部材の金属材料と前記モータフレームの金属材料との境界でこれらの塑性流動により接合層を形成して前記鉄心部材と前記モータフレームとの間を接合する構成となっている。

本発明によれば、モータフレームから鉄心部材に加わる圧縮応力を低減しつつ、モータフレームと鉄心部材とを適正に固定することができる。

本実施形態に係る鉄心構造体の斜視図である。 鉄心構造体の一部を示した平面図である。 摩擦攪拌接合を行う際の鉄心構造体の平面図である。 摩擦攪拌接合の際に使用される工具の斜視図である。 鉄心部材とモータフレームの境界線に対して工具の突起部がモータフレーム側にオフセットした状態を示す平面図である。 図６（Ａ）は超音波接合を行う前の鉄心構造体の軸方向の部分断面図、図６（Ｂ）は超音波接合後の鉄心構造体の軸方向の部分断面図である。 超音波接合の接合位置を示した斜視図を示した斜視図である。 鉄心材料に複数の異なる圧縮応力を加えた場合の磁束密度−鉄損の関係を示した線図である。 鉄心材料に複数の異なる圧縮応力を加えた場合の磁束密度−透磁率の関係を示した線図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［鉄心構造体］
まず、本実施形態に係る鉄心構造体１０について説明する。
図１は本実施形態に係る鉄心構造体１０の斜視図、図２は鉄心構造体１０の一部を示した平面図である。鉄心構造体１０は、円筒状の鉄心部材２０と、鉄心部材２０の外周に設けられたモータフレーム３０と、鉄心部材２０とモータフレーム３０とを接合する接合層４０とを備えている。

モータフレーム３０は、金属、例えば、アルミニウム又はその合金からなる略円筒の部材である。そして、軸方向における両端部の外周には、半径方向の外側に向かって矩形に延出された四つの延出部３１が周方向に均一な間隔で形成されている。そして、これらの延出部３１には、鉄心構造体１０を外部に固定するため或いは当該鉄心構造体１０にフランジ等の他の部材を取り付けるための貫通孔３２が軸方向に貫通形成されている。
また、モータフレーム３０の外周面上には、放熱フィン等の放熱構造を設けてもよい。

鉄心部材２０は、モータ用のステータコアであり、ヨーク２１と、複数のティース２２と、複数のティース２２の間に形成される複数のスロット２３とを有する。ヨーク２１は、略円筒状に形成されている。複数のティース２２は、ヨーク２１の内周部において周方向に均一間隔で形成されると共に、ヨーク２１の内周部からその径方向内側に向かって突出（延出）している。そして、隣り合うティース２２間のスロット２３は、内径側が開口したオープンスロットとなっている。鉄心部材２０は、ヨーク２１の中心軸に沿った方向において略一様な断面形状に形成されている。
なお、以下の説明では、鉄心構造体１０の中心軸（円筒の中心軸）に沿った方向を「軸方向」、当該中心軸に垂直な方向を「径方向」、当該中心軸を中心とする回転方向を「周方向」という。

この鉄心部材２０は、ヨーク２１及び複数のティース２２を有する平面視形状に打ち抜いた薄板の電磁鋼板（本実施形態では無方向性電磁鋼板）を、所定の軸方向厚さに積層させた後、クランプや溶接、カシメ等により固着させた状態のものである。ただし、この鉄心部材２０の製造工程は特に限定されず、例えば打ち抜きに代えてワイヤカットを用いるなどしてもよい。
なお、各ティース２２には巻き線処理が施されてコイルが形成されるが、ここではコイルの図示は省略する。

接合層４０は、鉄心部材２０とモータフレーム３０との境界において、摩擦攪拌接合による塑性流動を生じた鉄心部材２０の金属材料である鉄合金及びモータフレーム３０の金属材料であるアルミ合金から形成されている。なお、摩擦攪拌接合については後述する。

［鉄心構造体の形成方法(1)］
続いて、鉄心構造体１０の形成方法について説明する。
鉄心構造体１０の形成の際には、まず、モータフレーム３０の内側に鉄心部材２０を中間ばめ又は締まりばめで嵌め込みを行う。具体的には、モータフレーム３０を加熱して焼きばめにより鉄心部材２０に装着を行う。なお、締まりばめの際には、締め代は極力強小さい値とする。これにより、モータフレーム３０により鉄心部材２０の圧縮応力を小さくする。

そして、鉄心部材２０の金属材料とモータフレーム３０の金属材料とに、塑性流動を生じさせて鉄心部材２０とモータフレーム３０との間を接合する。鉄心部材２０の金属材料とモータフレーム３０の金属材料との塑性流動は、摩擦攪拌接合により生じさせる。

図３は摩擦攪拌接合を行う際の鉄心構造体１０の平面図、図４は摩擦攪拌接合の際に使用される工具１００の斜視図である。
摩擦攪拌接合とは、鉄心部材２０とモータフレーム３０の境界において、工具１００の回転と回転軸方向への押し付け力により摩擦熱を発生させて鉄心部材２０の金属材料とモータフレーム３０の金属材料とを軟化させるとともに、工具１００の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで鉄心部材２０及びモータフレーム３０を一体化させる接合法である。
上記摩擦攪拌接合により、ろう付けや接着等の場合と異なり、接合層４０は、主に、鉄心部材２０の金属材料とモータフレーム３０の金属材料のみから構成される。

工具１００は、略円筒状であって、その円形の先端面１０１の中心には突起部１０２が設けられている。接合の際には、軟化した鉄心部材２０及びモータフレーム３０の境界に突起部１０２を貫入させて突起部１０２の周囲の先端面１０１を押し当てた状態で鉄心部材２０及びモータフレーム３０を塑性流動により練り混ぜて接合層４０が形成される。

鉄心部材２０及びモータフレーム３０の軸方向の一端面は、面一となっており、図３に示すように、接合層４０は、面一となっている一端面上に形成される。
摩擦攪拌接合の際には、モータフレーム３０の延出部３１に形成された貫通孔３２がスタートポイント及びエンドポイントとして利用される。即ち、摩擦攪拌接合の開始時に、いずれかの貫通孔３２に工具１００の突起部１０２が遊挿され、回転状態の工具１００の先端面１０１にモータフレーム３０の一端面を圧接させながら接合を開始する。そして、貫通孔３２から鉄心部材２０とモータフレーム３０の境界に向かい、境界に沿って一周し、再び、スタートポイントの貫通孔３２に戻る経路で工具１００が相対移動して摩擦攪拌接合が行われる。

また、図５に示すように、鉄心部材２０とモータフレーム３０の境界に沿って相対的に工具１００が周回移動する際には、鉄心部材２０とモータフレーム３０の境界線に対して、工具１００の突起部１０２が、形成材料が低融点となるモータフレーム３０側にオフセットした状態で摩擦攪拌接合が行われる。
これにより、鉄心部材２０及びモータフレーム３０における温度上昇を抑制し、それぞれの金属材料の溶融を極力回避し、塑性流動が生じた状態で接合が行われる。

［鉄心構造体の形成方法(2)］
また、鉄心部材２０とモータフレーム３０の接合は摩擦攪拌接合ではなく超音波接合を選択することもできる。
鉄心構造体１０の形成の際に、モータフレーム３０の内側に鉄心部材２０を中間ばめ又は締まりばめで嵌め込みを行う点は前述した摩擦攪拌接合の場合と同じである。

図６は超音波接合を行う際の鉄心構造体１０の軸方向の部分断面図、図７は超音波接合の接合位置を示した斜視図である。
超音波接合とは、鉄心部材２０及びモータフレーム３０に超音波振動子により超音波振動を印加して（図６（Ａ））、鉄心部材２０及びモータフレーム３０の境界面が互いに擦れ合うことで露出した清浄な金属面を加圧による塑性流動により固相状態で接合する接合法である（図６（Ｂ））。図６（Ｂ）の符号Ｓは接合箇所を示している。
上記超音波接合の場合も、ろう付けや接着等の場合と異なり、接合層４０は、主に、鉄心部材２０の金属材料とモータフレーム３０の金属材料のみから構成される。

上記超音波接合では、超音波振動子の超音波振動を増幅させるホーン１１０の先端部を、モータフレーム３０の外周面に押し当てた状態で、鉄心部材２０及びモータフレーム３０の境界面に超音波振動を印加して接合が行われる。
図７に示すように、モータフレーム３０の外周面に対して、少なくとも、軸方向の中間位置を一周するように接合を行う。

［本実施形態の技術的効果］
以上のように、本実施形態によれば、鉄心部材２０とモータフレーム３０とを、塑性流動を生じた鉄心部材２０の金属材料及びモータフレーム３０の金属材料を有する接合層４０で接合しているので、鉄心部材２０に対するモータフレーム３０による締め代を小さくしても相互間の接合強度を十分に確保することが可能である。従って、鉄心構造体１０をモータに組み込んだ場合に、モータフレーム３０に対する鉄心部材２０の回転の発生を効果的に低減することが可能となる。
そして、モータフレーム３０による締め代を小さく出来るので、鉄心部材２０に生じる圧縮応力を低減することが可能となり、鉄損を小さくし、透磁率を高めて、鉄心部材２０の磁気特性を向上させることが可能となる。これにより、鉄心構造体１０を使用するモータの効率を向上させることが可能となる。
なお、接合層４０の形成の際には、鉄心部材２０とモータフレーム３０が相互に一時的に保持できれば良いので、これらを仮止めできる他の方法を利用しても良く、締まりばめや中間ばめのように締め付けを生じる固定方法を利用しなくとも良い。その場合、鉄心部材２０に生じる圧縮応力をさらに低減することができる。

また、接合層４０は、鉄心部材２０の金属材料及びモータフレーム３０の金属材料の塑性流動によりこれらを接合するので、これらが溶融せず、溶接による材料の変成や接着による異質材料の介入が生じないので、鉄心部材２０とモータフレーム３０の導電性を高く維持することができ、鉄心部材２０の磁気特性を高く維持することが可能となる。また、同様の理由により、鉄心部材２０とモータフレーム３０伝熱性を高く維持することができ、放熱性を向上させることが可能となる。

特に、接合層４０は、摩擦攪拌接合により形成した場合には、少なくとも工具１００の突起部１０２の深度までは塑性流動を生じた接合層４０を形成するので、信頼性の高い接合を行うことが可能である。
また、接合層４０が鉄心部材２０及びモータフレーム３０の軸方向の端部に位置するので、その形成作業時間の短縮、作業の容易化を図ることが可能となる。

また、接合層４０を、超音波接合により形成した場合には、鉄心部材２０及びモータフレーム３０の境界となる周面の広範囲に渡って容易に接合層４０を形成することができ、高い接合強度を容易に得ることが可能となる。また、広範囲に接合層４０を形成することにより、磁気特性や放熱性について部材の場所による偏りを低減することが可能となる。
また、接合層４０を鉄心部材２０及びモータフレーム３０の少なくとも軸方向の中間部に設けた場合、鉄心構造体１０をモータに組み込んだ場合に、モータフレーム３０と鉄心部材２０の間でトルクが生じ易い軸方向中間部を保持することができるので、モータフレーム３０に対する鉄心部材２０の回転を効果的に抑制することが可能となる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、上記実施形態では、摩擦攪拌接合による接合層４０を、鉄心部材２０及びモータフレーム３０の軸方向の一端面側に形成しているが、両方の端面に形成しても良い。
また、上記実施形態では、超音波接合による接合層４０を、モータフレーム３０の外周面における軸方向の中間部にホーン１１０を当接させて形成しているが、鉄心部材２０の内周面にホーン１１０を押し当てて接合層４０を形成してもよい。
また、超音波接合による接合層４０を、鉄心部材２０及びモータフレーム３０の軸方向の中間部に形成しているが、軸方向の中間部以外又は中間部を含んで、軸方向の他の複数位置又は軸方向の全域において接合層４０を形成しても良い。

また、上記実施形態では、鉄心部材２０が一体のステータコアであることとしたが、本発明に係る鉄心部材は、ヨーク、ティース、その他の部分が分割された分割型のコアであってもよい。この分割型のコアとする場合などには、鉄心部材を構成する電磁鋼板に、無方向性電磁鋼板でなく、方向性電磁鋼板を用いてもよい。

また、上記実施形態では、モータフレーム３０をアルミニウム又はアルミ合金とし、鉄心部材２０と異種金属接合を行っているが、モータフレーム３０も鋼材として、塑性流動による接合層４０で接合しても良い。

１０ 鉄心構造体
２０ 鉄心部材
２１ ヨーク
２２ ティース
２３ スロット
３０ モータフレーム
３１ 延出部
３２ 貫通孔
４０ 接合層
１００ 工具
１０１ 先端面
１０２ 突起部
１１０ ホーン
Ｓ 接合箇所

Claims (8)

1. 円筒状の鉄心部材と、
   前記鉄心部材の外周に設けられたモータフレームと、
   前記鉄心部材と前記モータフレームとの境界でこれらを固定するために設けられた接合層とを備え、
   前記接合層は、塑性流動を生じた前記鉄心部材の金属材料及び前記モータフレームの金属材料であるモータの鉄心構造体。
2. 前記接合層は、摩擦攪拌接合により塑性流動を生じた状態の前記鉄心部材の金属材料及び前記モータフレームの金属材料である請求項１に記載のモータの鉄心構造体。
3. 前記接合層は、前記鉄心部材及び前記モータフレームの軸方向の端部に位置する請求項２に記載のモータの鉄心構造体。
4. 前記接合層は、超音波接合により塑性流動を生じた状態の前記鉄心部材の金属材料及び前記モータフレームの金属材料である請求項１に記載のモータの鉄心構造体。
5. 前記接合層は、前記鉄心部材及び前記モータフレームの少なくとも軸方向の中間部に位置する請求項４に記載のモータの鉄心構造体。
6. 円筒状の鉄心部材の外周にモータフレームを設け、
   前記鉄心部材の金属材料と前記モータフレームの金属材料との境界でこれらの塑性流動により接合層を形成して前記鉄心部材と前記モータフレームとの間を接合するモータの鉄心構造体の形成方法。
7. 前記鉄心部材と前記モータフレームとを摩擦攪拌接合により塑性流動を生じさせて接合層を形成する請求項６に記載のモータの鉄心構造体の形成方法。
8. 前記鉄心部材と前記モータフレームとを超音波接合により塑性流動を生じさせて接合層を形成する請求項６に記載のモータの鉄心構造体の形成方法。

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