JP2021027736A - 積層構造体の製造方法及び積層構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ブロック同士の固定強度を向上し、かつ鉄損を抑制可能な積層構造体の製造方法及び積層構造体を提供する。【解決手段】複数の金属板２を積層したブロック３を複数形成するブロック形成工程と、複数のブロック３を積層し、積層方向に隣り合うブロック３同士を溶接する溶接工程と、を有する積層構造体を製造する方法であって、溶接工程では、溶接により形成される溶接部４のブロックの周方向に沿った長さが、ブロック３の積層方向に沿った長さよりも長くなるように溶接を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、積層構造体の製造方法及び積層構造体に関する。

従来、例えば電動モータ等の回転電機に用いられるステータにおいて、複数の金属板を積層した積層構造体からなるステータコアが用いられている。

積層構造体からなるステータコアは、複数の金属板を積層したブロックを複数形成すると共に、当該複数のブロックを積層し、積層方向に隣り合うブロック同士を互いに固定することで形成される。ステータコアにおけるブロック同士の固定には、溶接が一般に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４８５５１２３号公報

上述のステータコアでは、金属板の表面に絶縁被膜を設けることで、金属板間の短絡を抑制し、鉄損（渦電流損）を抑えている。しかしながら、ブロック同士を固定するために溶接を行うと、溶接部により複数の金属板が溶接部を介して短絡してしまい、鉄損が増大してしまう。

鉄損を抑制するために、溶接部のサイズ（スポット径）を小さくすることが考えられるが、この場合、ブロック同士の固定強度（捩りや剥がしに対する強度）が低下してしまう。

また、サイズの小さい溶接部を多数設けることで、ブロック同士の固定強度を向上させることが考えられるが、この場合、溶接箇所が増えるために、溶接作業に非常に手間がかかってしまい、コストも増大してしまう。

そこで、本発明は、ブロック同士の固定強度を向上し、かつ鉄損を抑制可能な積層構造体の製造方法及び積層構造体を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、複数の金属板を積層したブロックを複数形成するブロック形成工程と、複数の前記ブロックを積層し、積層方向に隣り合う前記ブロック同士を溶接する溶接工程と、を有する積層構造体を製造する方法であって、前記溶接工程では、前記溶接により形成される溶接部の前記ブロックの周方向に沿った長さが、前記ブロックの積層方向に沿った長さよりも長くなるように前記溶接を行う、積層構造体の製造方法を提供する。

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、複数の金属板を積層したブロックを複数積層し、積層方向に隣り合う前記ブロック同士を溶接した積層構造体であって、前記溶接により形成される溶接部の前記ブロックの周方向に沿った長さが、前記ブロックの積層方向に沿った長さよりも長い、積層構造体を提供する。

本発明によれば、ブロック同士の固定強度を向上し、かつ鉄損を抑制可能な積層構造体の製造方法及び積層構造体を提供できる。

本実施の形態に係るステータコアを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 （ａ）は図１（ｂ）のＡ部拡大図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。 金属板の加締めを説明する図である。 従来の溶接部を説明する図であり、（ａ）はスポット径を大きくした場合の溶接部を示す側面図、（ｂ）はそのＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）はスポット径を小さくした場合の溶接部を示す側面図、（ｄ）はそのＤ−Ｄ線断面図である。 カプス磁場によるスポット形状の制御を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はそのＥ−Ｅ線断面図である。 （ａ）は、溶接に使用する電極の一例を示す正面図であり、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は電極の他の例を示す正面図である。 溶接部の一変形例を示す側面図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る積層構造体としてのステータコアを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図２（ａ）は図１（ｂ）のＡ部拡大図、図２（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。

図１及び図２に示すように、ステータコア１は、円筒状の基体部１１と、基体部１１の内周面から径方向内方に突出した複数のティース部１２と、基体部１１から径方向外方に突出した複数の被固定部１３と、を一体に有している。図示の例では、ステータコア１が４８個のティース部１２と、４個の被固定部１３と、を有している。４つの被固定部１３は、基体部１１の周方向に等間隔に形成されており、各被固定部１３には、ステータコア１をハウジングに固定するためのボルトを挿通させるボルト挿通穴１３ａがそれぞれ形成されている。このステータコア１の各ティース部１２に、図略の磁気コイルがそれぞれ巻回されることで、ステータが構成される。

図示していないが、ステータコア１の各ティース部１２に磁気コイルを巻回したステータ内に、中心部にシャフトが挿通され、複数の永久磁石を保持したロータを設けることで、回転電機が構成される。回転電機は、駆動力を発生するモータとして、あるいはシャフトの回転力を電気エネルギーに変換する発電機として、もしくはその両方の機能を有するモータジェネレータとして、例えば電気自動車や所謂ハイブリッド車両に搭載される。

本実施の形態に係る積層構造体としてのステータコア１は、複数の薄板状の金属板（ステータプレート）２を積層したブロック３を複数積層し、積層方向に隣り合うブロック３同士を溶接して構成される。図示の例では、ステータコア１は、６個のブロック３を積層して構成されている。

金属板２としては、表裏面に絶縁層（絶縁被膜）２１が施されたケイ素鋼板等の電磁鋼板を用いるとよい。鉄損のうち渦電流損は、磁束の変化で発生した誘導電流による発熱の損失であり、渦電流が流れる部材の厚さの２乗に比例することが知られている。よって、多数の薄い金属板２を絶縁層２１を介して積層することで、全体として渦電流損を抑制することが可能になる。金属板２の厚さは、例えば０．２５ｍｍである。

図３に示すように、所定枚数（例えば４０枚程度）の金属板２を積層し、加締めによって金属板２を板厚方向に相互に連結し一体化することで、ブロック３が構成されている。本実施の形態では、ブロック３の最下部に位置する金属板２に貫通孔２０が形成されており、その上側に位置する金属板２の加締めによって形成された凸部２２が貫通孔２０に嵌入している。また、金属板２が加締められることにより凸部２２の上方に凹部２３が形成され、この凹部２３に、さらにその上側に位置する金属板２の凸部２２が嵌入している。このような加締め方法は、ダボ加締めと称される。ただし、金属板２の連結手段としては、ダボ加締めに限らず、例えばＶ突起カシメでもよい。なお、図３では、絶縁層２１を省略して示している。

複数のブロック３は、金属板２の積層方向と同じ方向に積層され、積層方向に隣り合うブロック３同士が溶接され固定される。ステータコア１は、その外周面に、径方向内方に凹む被溶接部１４を有し、この被溶接部１４において、積層方向に隣り合うブロック３同士の溶接が行われる。図示の例では、周方向に隣り合う被固定部１３の間にそれぞれ１か所、合計４箇所の被溶接部１４が設けられている。ただし、これに限らず、例えば、周方向に隣り合う被固定部１３の間にそれぞれ２か所、合計８箇所の被溶接部１４が設けられていてもよい。以下、溶接が施された部分を溶接部４と呼称する。

ところで、例えば、図４（ａ）．（ｂ）に示すように、溶接時のスポット径を大きくして比較的大きい溶接部４を形成した場合、ブロック３間に入り込む溶接部４が大きくなり、ねじりや剥がしに対するブロック３同士の固定強度が高くなるものの、溶接部４により電気的に短絡される金属板２の枚数が多くなり、これにより鉄損（渦電流損）が大きくなってしまう。

他方、例えば、図４（ｃ），（ｄ）に示すように、溶接時のスポット径を小さくして比較的小さい溶接部４を形成した場合、溶接部４により電気的に短絡される金属板２の枚数が少なくなり鉄損（渦電流損）が抑制されるものの、ブロック３間に入り込む溶接部４が小さくなり、ねじりや剥がしに対するブロック３同士の固定強度が低くなってしまう。小さい溶接部４を周方向に多数形成することも考えられるが、この場合、プレス型を変更して多数の被溶接部１４を設ける必要があり、また溶接に手間と時間がかかってしまう。

そこで、本実施の形態に係るステータコア１では、溶接により形成される溶接部４のブロック３の周方向（以下、単に周方向という）に沿った長さｗを、ブロック３の積層方向（以下、単に積層方向という）に沿った長さｈよりも長くした。より具体的には、本実施の形態では、溶接部４は、楕円形状とされ、その短軸方向がブロック３の積層方向と一致するように形成される。

溶接部４の積層方向における長さｈを短くすることで、溶接部４により電気的に短絡される金属板２の枚数が少なくなり鉄損（渦電流損）が抑制される。さらに、溶接部４の周方向における長さｗを長くすることで、ブロック３間に入り込む溶接部４が大きくなり、ねじりや剥がしに対するブロック３同士の固定強度が高くなる。つまり、本実施の形態によれば、鉄損（渦電流損）の抑制と、ブロック３同士の固定強度の向上を両立することが可能になる。本実施の形態では、溶接箇所を増やす必要もないため、従来のプレス型をそのまま使用でき、溶接にかかる手間や時間も抑えることができる。

（ステータコア１の製造方法）
本実施の形態に係る積層構造体としてのステータコア１の製造方法は、複数の金属板２を積層したブロック３を複数形成するブロック形成工程と、複数のブロック３を積層し、積層方向に隣り合うブロック３同士を溶接する溶接工程と、を有している。

ブロック形成工程では、プレス加工により打ち抜いて形成された金属板２を所定枚数積層し、積層した金属板２を加締め固定することで、ブロック３を形成する。

溶接工程では、まず、ブロック形成工程で得た複数のブロック３を積層するが、ブロック３を同じ向きで重ねると製造公差等の影響により傾きが発生するおそれがあるため、ブロック３毎に所定の回転ピッチ（例えば９０度）で回転させつつ積層（転積）を行う。

その後、積層方向に隣り合うブロック３同士を溶接する。この際、溶接により形成される溶接部４の周方向に沿った長さｗが、積層方向に沿った長さｈよりも長くなるように溶接を行う。具体的には、溶接工程では、積層方向に隣り合うブロック３同士をＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接によりスポット溶接するようにされ、スポット溶接における溶接アークのスポット形状を楕円形状にする。

スポット形状を楕円形状とする方法として、例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すように、カプス型磁場により溶接アークの形状を制御する方法がある。この方法では、電極５１を中心として周方向に等間隔に４つの磁石５２を配置し、周方向において隣り合う磁石５２において、電極５１側の磁極を互いに異ならせる。溶接アークによる電磁場では、図５（ｂ）において破線矢印で示すように、反時計回りに磁場が発生する。ここで、４つの磁石５２を配置すると、磁石５２による磁場（実線矢印）とアークによる磁場が同じ方向となる位置（図５（ｂ）における電極５１の上下の位置）では合成磁場（白抜き矢印）が大きくなり、磁石５２による磁場（実線矢印）とアークによる磁場が反対方向となる位置（図５（ｂ）における電極５１の左右の位置）では合成磁場（白抜き矢印）が小さくなる。合成磁場が大きいほどアーク柱中心に向かう電磁ピンチ力が大きくなることから、合成磁場が小さい位置ではアークが拡がり、合成磁場が大きい位置ではアークが狭くなる。これにより、溶接アークのスポット形状を楕円形状にすることができる。

また、スポット形状を楕円形状とする他の方法として、図６（ａ），（ｂ）に示すように、電極５１の形状を工夫する方法が挙げられる。図６（ａ）は電極５１の正面図、図６（ｂ）は電極５１の側面図である。一般に、電極５１の先端角度が大きいほど（鈍角であるほど）、アークが一点に集中しやすく、先端角度が小さいほど（鋭角であるほど）、アークが拡がりやすいことが知られている。電極５１の正面視での先端角度θを大きくし、電極５１の側面視での先端角度φを小さくすることで、スポット形状を楕円形状とすることができる。なお、図６（ｃ）に示すように、複数の突起５１ａを有する電極５１を用いることでも、スポット形状を楕円形状とすることが可能である。

溶接アークのスポット形状を楕円形状として各ブロック３間を溶接することで、本実施の形態に係る積層構造体としてのステータコア１が得られる。

（変形例）
本実施の形態では、楕円形状の溶接部４を形成する場合について説明したが、溶接部４の形状は厳密に楕円形状であることは必須ではなく、多少の変形やゆがみ等は許容される。また、溶接部４の形状は楕円形状でなくてもよく、例えば長円形状（角丸長方形状）、あるいは長方形状等であってもよい。さらに、例えば図７に示すように、溶接部４は、ブロック３の周方向において複数の小径の円が連結された形状となっていてもよい。例えば、図６（ｃ）に示した複数の突起５１ａを有する電極５１を用い、突起５１ａ間の距離等を適宜調整することで、図７に示すような溶接部４が得られる。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態では、溶接工程において、溶接により形成される溶接部４のブロック３の周方向に沿った長さが、ブロック３の積層方向に沿った長さよりも長くなるように溶接を行っている。これにより、溶接部４により電気的に短絡される金属板２の枚数を少なくして鉄損（渦電流損）を抑制し、かつ、ブロック３間に入り込む溶接部４を大きくして、ねじりや剥がしに対するブロック３同士の固定強度を高くすることが可能になる。つまり、本実施の形態によれば、ブロック３同士の固定強度を向上し、かつ鉄損を抑制することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、積層構造体がステータコア１である場合を説明したが、本発明はロータにも適用可能である。すなわち、ロータが、複数の金属板を積層したブロックを複数積層し、積層方向に隣り合う前記ブロック同士を溶接して構成される場合に、溶接により形成される溶接部のブロックの周方向に沿った長さを、ブロックの積層方向に沿った長さよりも長くしてもよい。

また、上記実施の形態では、ＴＩＧ溶接により溶接を行ったが、これに限らず、例えばレーザ溶接により溶接を行うことも可能である。この場合、適宜な光学系を用いて焦点形状を楕円形状等に制御したり、あるいは溶接位置を周方向にずらしながら複数回溶接を行ったりすることで、溶接部４のブロック３の周方向に沿った長さを、ブロック３の積層方向に沿った長さよりも長くするとよい。

１…ステータコア（積層構造体）、１１…基体部、１２…ティース部、１３…被固定部、１３ａ…ボルト挿通穴、１４…被溶接部、２…金属板、２０…貫通孔、２１…絶縁層、２２…凸部、２３…凹部、３…ブロック、４…溶接部、５１…電極、５１ａ…突起、５２…磁石

Claims (4)

1. 複数の金属板を積層したブロックを複数形成するブロック形成工程と、
   複数の前記ブロックを積層し、積層方向に隣り合う前記ブロック同士を溶接する溶接工程と、を有する積層構造体を製造する方法であって、
   前記溶接工程では、前記溶接により形成される溶接部の前記ブロックの周方向に沿った長さが、前記ブロックの積層方向に沿った長さよりも長くなるように前記溶接を行う、
   積層構造体の製造方法。
2. 前記溶接工程では、積層方向に隣り合う前記ブロック同士をスポット溶接するようにされ、
   前記スポット溶接では、溶接アークのスポット形状を楕円形状とする、
   請求項１に記載の積層構造体の製造方法。
3. 前記積層構造体が、回転電機に用いられるステータコアである、
   請求項１または２に記載の積層構造体の製造方法。
4. 複数の金属板を積層したブロックを複数積層し、積層方向に隣り合う前記ブロック同士を溶接した積層構造体であって、
   前記溶接により形成される溶接部の前記ブロックの周方向に沿った長さが、前記ブロックの積層方向に沿った長さよりも長い、
   積層構造体。

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