JP4398444B2 - 鉄心製造方法及び鉄心の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ等の回転電機に用いられる鉄心に関し、特に、帯状薄板を螺旋状に圧延曲げ加工しながら積層することにより製造される鉄心の製造方法及び製造装置に関する。

帯状薄板を螺旋状に圧延曲げ加工しながら積層することによってモータ、発電機等の回転電機の鉄心を製造する方法が知られている。このような製造方法では、帯状薄板の一方の縁を圧延ロールによって圧延加工することにより、螺旋状に曲げる。即ち、圧延ロールによって帯状薄板を外周縁方向に厚さが薄くなるように圧延する。

圧延曲げ加工による曲げの精度を高くするためには、圧延量を一定にする必要がある。しかしながら、圧延量を一定にしても、帯状薄板の板厚にばらつきがある場合には、加工後の帯状薄板の曲率は一定にならない。一般に、帯状薄板の板厚（ｔ）は、±３〜７％程度のばらつきがある。帯状薄板の機械的特性（硬度、引張り強度、伸び特性など）が変動しても、加工後の帯状薄板の曲率は変動する。

本願出願人と同一の出願人に係わる特開平１−１６４２４７号公報に記載された例では、圧延ロールの出口側に円弧状に配置された複数のローラを備えたガイドを設ける。圧延ロールによって帯状薄板の内周縁を圧延すると同時に、圧延ロールの出口側のローラによる曲げ力によって、帯状薄板を所定の曲率に曲げる。

また、特開２０００−２２４８１７号公報に記載された例では、１対の圧延ロールと帯状薄板が幅方向に狭まることを規制する部材を設ける。さらに、鉄心の外周部には、取付けボルト用の４つの切欠きが等間隔に設けられている。

特開平１−１６４２４７号公報 特開２０００−２２４８１７号公報

特開平１−１６４２４７号公報に記載された例では、圧延ロールの出口側に設けた円弧状に配置された複数のローラによって、加工後の帯状薄板の曲率の精度を確保する。しかしながら、帯状薄板の板厚のばらつきが大きい場合には、帯状薄板の曲率の精度を確保することが困難である。

特開２０００−２２４８１７号公報に記載された例では、帯状薄板が幅方向に狭まることを規制する部材を設けているが、帯状薄板の板厚にばらつきがある場合には、圧延ロール加工後の帯状薄板の曲率の精度を確保するのは非常に困難である。

本発明の目的は、帯状薄板を螺旋状に圧延曲げ加工しながら積層することによって回転電機の鉄心を製造する場合に、帯状薄板の板厚のばらつきがあっても、高精度にて鉄心を製造することにある。

本発明によると、鉄心は、帯状薄板を螺旋状に積層して形成されたリング状の回転電機の鉄心において、外周面上に円周方向に沿って周期的に配置された軸線方向の切欠きを有し、該切欠きの深さは、加工時に圧延される幅より小さい。

本発明によると、鉄心製造方法は、帯状薄板の板厚を測定する板厚測定ステップと、入口ガイドによって上記帯状薄板をその幅方向に位置決めをする入口ガイド位置決めステップと、該入口ガイドから出た帯状薄板を圧延ロールによって圧延曲げ加工する圧延曲げ加工ステップと、上記板厚測定ステップにて測定された帯状薄板の板厚の測定値に基づいて圧延量を調節するために上記入口ガイドの位置制御を行う位置制御ステップと、を有する。

本発明によると、鉄心製造装置は、素材の帯状薄板の板厚を測定するための板厚側定装置と、帯状薄板をその幅方向に位置決めをするための入口ガイドと、該入口ガイドから出た帯状薄板を圧延曲げ加工するための圧延ロール装置と、上記圧延ロール装置から出た帯状薄板を成形してその曲率の一定にするための拘束治具と、上記圧延ロールによって圧延曲げ加工された帯状薄板の曲率を測定する曲率測定装置を有する。板厚と曲率の少なくとも一方に基づいて、上記入口ガイド、圧延ロール装置及び拘束治具の位置制御を行う。

本発明によれば、帯状薄板を螺旋状に圧延曲げ加工しながら積層することによって回転電機の鉄心を製造する場合に、帯状薄板の板厚のばらつきがあっても、高精度の鉄心を製造することができる。

図１は、本発明により製造された回転電機の鉄心の外観を示す図である。鉄心１０は、素材である長い帯状薄板を螺旋状に圧延曲げ加工しながら積層することによって、リング状に形成される。鉄心１０の内周側には、巻線が挿入されるための複数のスロット１２と複数のティース１３が交互に形成されている。本例では、スロット１２とティース１３は、それぞれ、円周方向に沿って１０°ピッチにて、合計３６個形成されている。

本発明によると、鉄心１０の外周面には、一定間隔にて、軸線方向の切欠き１４が設けられている。切欠き１４は、好ましくは、ティース１３の円周方向の位置に対応して配置されている。本例では、切欠き１４は、鉄心１０の外周面に、円周方向に沿って１０°ピッチにて、合計３６個形成されている。

図２は鉄心の素材である帯状薄板の部分平面図である。図示のように、帯状薄板２０は、帯状のヨーク２１と、ヨークの一方の側に交互に形成されたスロット２２とティース２３と、ヨークの他方の側に形成された切欠き２４と、を有する。切欠き２４は、ティース２３の反対側に、ティース２３の周期と同一の周期にて、形成されている。切欠き２４の幅Ｗと深さＨについては後に図５を参照して詳細に説明する。帯状薄板は通常プレス加工によって打抜き形成される。後に説明するが、ヨーク２１の縁２１Ａが圧延加工されることによって、帯状薄板は湾曲する。

本発明によると、図２に示す帯状薄板２０を圧延曲げ加工して螺旋状に成形し、それを積層することにより鉄心が形成される。帯状薄板２０に形成された切欠き２４によって、鉄心の外周面の切欠き１４が形成される。ここでは、スロット数３６の鉄心を示したが、本発明は、それ以外のスロット数の鉄心およびスロットのない鉄心にも適用可能である。

図３は本発明による圧延曲げ装置の外観を示す図である。本例の圧延曲げ装置は、帯状薄板の板厚測定装置３１、入口ガイド３２、１対の圧延ロール３３、３４を備えた圧延ロール装置３５、拘束治具３６及び曲率測定装置３７有し、これらは、帯状薄板２０の進行方向に沿って順に配置されている。

入口ガイド３２によって、帯状薄板２０の幅方向の位置決めがなされる。従って、帯状薄板２０は、ガタが無く且つスムーズに、圧延ロール装置３５の圧延ロール３３、３４の間に供給される。

図４に示すように、圧延ロール３３、３４は先端部にテーパ部３３Ａ、３４Ａを有する。帯状薄板２０のヨーク２１の縁２１Ａは、このテーパ部３３Ａ、３４Ａによって圧延される。ヨーク２１の縁２１Ａは、先端に行くほど板厚が薄くなるように塑性変形される。それによって、ヨーク２１の縁２１Ａは延伸し、帯状薄板２０は湾曲する。

テーパ部３３Ａ、３４Ａのテーパ角度θを適当な値に設定することにより、圧延加工後の帯状薄板の所定の曲率が得られる。従って、テーパ角度θは、製品ごとに適切に設定される。

再び図３を参照する。圧延曲げ加工された帯状薄板２０は、圧延ロール３３、３４の回転によって強制的に送り出され、拘束治具３６に当接する。拘束治具３６は円弧状に配列された複数のローラを有する。帯状薄板２０は拘束治具３６のローラから受ける曲げ力によって成形される。従って、帯状薄板２０は、圧延ロール３３、３４のテーパ部３３Ａ、３４Ａによる塑性変形と拘束治具３６からの曲げ力によって、所定の曲率に曲げられる。尚、拘束治具３６には、帯状薄板をスムーズに移動させるための図示しないガイドが設けられている。本例では、拘束治具３６を設けているため、圧延曲げ加工後の帯状薄板の曲率を一定化することができる。

図５を参照して、本発明による圧延曲げ装置を使用して圧延曲げ加工を行った実験結果を説明する。鉄心は、スロット数３６個、内径φ１０８、外径φ１３９、切欠き数３６個を有する。素材の帯状薄板の板厚は０．５０ｍｍ、切欠きの幅Ｗは３．０ｍｍ、圧延ロールのテーパ角θは０．２５°、圧延量は３０μｍとした。この条件下では、圧延幅は、幾何学的には３．４４ｍｍとなるはずであるが、実際には、圧延ロールにたわみが生じ、圧延幅は３．２ｍｍであった。切欠きの深さＨとして５通り用意した。各切欠きの深さに対して、１０個のサンプルを用意し、鉄心の内径寸法のばらつきを測定した。

図５の縦軸は鉄心の内径（ｍｍ）、横軸は切欠きの深さＨ（ｍｍ）である。図５の曲線の縦線は鉄心の内径寸法の変動の幅を示す。

図示のように、切欠きの深さＨが０．５ｍｍから１．６ｍｍまでは、鉄心の内径寸法の変動幅は５０μｍ程度であったが、切欠きの深さＨが１．６ｍｍより大きくなると、鉄心の内径寸法の変動幅は大きくなる。切欠きの深さＨが２．５ｍｍを超えると帯状薄板表面に波打ち現象が現れ、平面度が悪化する。平面度が悪化すると、図１に示した積層鉄心の場合、鉄心の厚さ寸法の精度が悪化し、鉄心の性能が低下する要因となりうる。

また、切欠きの深さＨが圧延幅３．２ｍｍを超えると、切欠きのうち、圧延ロールによる加工が施されない部分が生ずる。従って、拘束治具を用いても、曲率の精度が著しく悪化した。従って、切欠きの深さは、圧延幅よりも小であることが必要であり、さらに、曲率の精度を向上するためには、圧延幅の１/２以下とすることが重要であることが判明した。

上述の実験結果は、帯状薄板２０の板厚を一定であると仮定したものである。実際には、帯状薄板の板厚は、一般的には、±３〜７％程度のばらつきを有する。帯状薄板２０の板厚が０．５ｍｍの場合、±０．０１５〜０．０３５ｍｍの寸法偏差が存在する。従って、板厚寸法は、０．４６５〜０．５３５ｍｍの範囲内を変動する。例えば、帯状薄板２０の板厚が０．５ｍｍの時、圧延量が３０μｍとなるように、圧延ロール３３、３４の位置を設定する。板厚が最小（０．４６５ｍｍ）の場合、圧延量は０となり、圧延曲げ加工ができない。また、板厚が最大（０．５３５ｍｍ）の場合、圧延量は６５μｍとなり、圧延量が大きすぎるため、曲率が小となる。

尚、帯状薄板の機械的特性（硬度、引張り強度、伸び特性など）が変化しても、圧延量が変化し、圧延曲げ加工後の帯状薄板の曲率が変化する。

図６は、本発明による圧延曲げ装置を使用して圧延曲げ加工を行った他の実験結果を示す。本例では、圧延量と曲率の関係を調べた。縦軸は鉄心の外径ｍｍ、横軸は圧延量μｍである。本実験によれば、圧延量が１μｍ変動すると、鉄心の内径は３ｍｍ変動する。このことから、圧延量を一定に保つことが、鉄心の寸法精度を向上には重要であることが分かる。

圧延量を一定にするために、圧延ロール３３、３４による加工応力を測定し、それが一定となるように、圧延ロール３３、３４の位置制御を行う方法がある。しかしながら、本例では、帯状薄板が切欠き２４を有するため、帯状薄板と圧延ロール３３、３４の間の接触面積が断続的に変化する。従って、圧延ロールによる加工応力は断続的に変動し、位置制御を正確に行うことは困難である。一般に、圧延量の調整と曲率の安定化は非常に困難である。

再び図３を参照する。本例の圧延曲げ装置によると、入口ガイド３２の位置制御によって、圧延量を調節し、それにより加工後の帯状薄板２０の曲率を調節する。入口ガイド３２を矢印Ａ方向に、即ち、圧延ロール３３、３４の軸線に平行に移動させることにより、圧延量を調節する。また、圧延ロール装置３５の位置制御によって、圧延量を調節し、それにより加工後の帯状薄板２０の曲率を調節する。２つの圧延ロール３３、３４間の間隔を変化させることによって、圧延量を調節する。２つの圧延ロール３３、３４間の間隔を変化させるために、例えば、圧延ロール３３、３４の一方を矢印Ｂ方向に移動させてよい。更に、拘束治具３６の位置制御によって曲率を調節する。拘束治具３６を矢印Ｃ方向に、即ち、帯状薄板２０の幅方向に移動させることにより、加工後の帯状薄板２０の曲率を微調整する。

図７を参照して説明する。板厚測定装置３１によって素材である帯状薄板２０の板厚が測定される。曲率測定装置３７によって圧延曲げ加工後の帯状薄板２０の曲率が測定される。測定された板厚及び曲率は、演算装置３８に供給される。演算装置３８は、入力した板厚及び曲率に基づいて、入口ガイド３２、圧延ロール装置３５及び拘束治具３６へ供給する位置制御情報を演算する。位置制御情報の演算には、実験データが使用されてよい。入口ガイド３２、圧延ロール装置３５及び拘束治具３６は、演算装置３８から供給された位置制御情報に基づいて、位置制御を行う。

本例によると、入口ガイド３２の位置制御、圧延ロール装置３５の位置制御、及び、拘束治具３６の位置制御の３つの位置制御より適当に選択して組み合わせてよいが、少なくとも、入口ガイド３２の位置制御、又は、拘束治具３６の位置制御が含まれる。例えば、入口ガイド３２の位置制御のみによって圧延量を調節してもよいが、入口ガイド３２の位置制御と圧延ロール装置３５の位置制御を組み合わせてもよい。２つ又は３つの位置制御を組み合わせる場合には、適当な比率が設定される。演算装置３８は、入口ガイド３２、圧延ロール装置３５及び拘束治具３６によって分担される位置制御量の比の最適値を演算する。

入口ガイド３２の位置制御の例を説明する。２つの圧延ロール３３、３４のテーパ部３３Ａ、３４Ａによって形成されるはさみ角（テーパ角度θの２倍）を０．５°とする。入口ガイド３２を圧延ロ−ル３３、３４の先端側に０．１ｍｍ平行移動させると、帯状薄板２０は、圧延ロ−ル３３、３４の先端部側に移動する。それによって、圧延量を、０．８μｍ減少させることができる。逆に、入口ガイド３２を圧延ロ−ル３３、３４の根元側に平行移動させると、圧延量を増加させることができる。入口ガイド３２を０．１ｍｍ単位で位置制御を行うことは十分容易である。入口ガイド３２の位置制御によって、圧延量の微調整が可能である。

好ましくは、圧延ロール装置３５の位置制御と入口ガイド３２の位置制御を組み合わせる。圧延ロール装置３５の位置制御によって圧延量の調節の大部分を行い、入口ガイド３２の位置制御によって圧延量の微調節を行う。それによって、高精度の圧延量の調整が可能となる。

例えば、帯状薄板２０の板厚が０．５ｍｍとして圧延ロール３３、３４の位置が設定されている場合に、板厚が０．５３ｍｍの帯状薄板が挿入されたと仮定する。圧延量を３０μｍ増加させなければならない。先ず、圧延ロール３３、３４の位置制御により圧延量を２８μｍ程度変化させる。更に、入口ガイド３２を圧延ロール３３、３４の先端側に０．２５ｍｍ移動させることによって、圧延量を２μｍ程度増加させる。

素材の帯状薄板の板厚の変動に基づいて圧延量を正確に制御しても、素材の機械的な性質の変動等の様々な要因によって、加工後の帯状薄板の曲率が変動する。本例では、更に、曲率測定装置３７によって測定された曲率がフィードバックされる。演算装置３８は曲率の測定値と設計値の間の偏差を求める。この偏差によって、上述の、圧延ロール装置３５の位置制御と入口ガイド３２の位置制御を修正する。例えば、偏差が正の場合、即ち、曲率が設計値より大きい場合には、圧延量が小さくなるように、圧延ロール装置３５の位置制御と入口ガイド３２の位置制御を修正する。逆に、偏差が負の場合、即ち、曲率が設計値より小さい場合には、圧延量が大きくなるように、圧延ロール装置３５の位置制御と入口ガイド３２の位置制御を修正する。この場合も、圧延量の修正値が小さい場合には、入口ガイド３２の位置制御のみを修正してよい。圧延量の修正値が大きい場合には、圧延ロール装置３５の位置制御の修正と入口ガイド３２の位置制御の修正を組み合わせる。こうして本例によると、曲率測定装置３７の出力を圧延ロール装置３５及び入口ガイド３２にフィードバックすることによって、極めて高精度の鉄心を製造することができる。

本発明によると、更に、拘束治具３６によって、加工後の帯状薄板の曲率が微調整される。拘束治具３６の位置制御によると、圧延量を変化させることなく、加工後の帯状薄板の曲率が微調整される。

図８は、本発明による装置及び方法によって製造された鉄心を自動車用交流発電機に用いた例を示す。鉄心１０は、フロントブラケット７１とリヤブラケット７２の間に取り付けられ固定される。本発明の鉄心１０は寸法精度が良好であり、発電効率の高い自動車用交流発電機７３を得ることができた。なお本発明では、従来、螺旋状の積層鉄心の素材として使用が困難とされていた、極薄板（０．５ｍｍ未満）の鋼鈑、または珪素鋼鈑を使用することができる。これらの極薄板の鉄心によって、自動車用交流発電機７３において、従来にない高効率化が図れる。

本発明により製造された鉄心の外観を示す斜視図である。 素材である帯状薄板の部分平面図である。 本発明による圧延曲げ装置の外観を示す斜視図である。 圧延ロールによる帯状薄板の圧延状態を示す図である。 切欠きの深さＨ寸法と圧延曲げ後の内径寸法の関係を示す図である。 圧延量と曲率の関係を示す図である。 本発明による圧延曲げ装置における位置制御を説明するための説明図である。 本発明により製造された鉄心を使用した自動車用交流発電機の断面図である。

符号の説明

１０…鉄心、１２…鉄心のスロット、１３…鉄心のティース、１４…鉄心の切欠き、２０…帯状薄板、２１…帯状薄板のヨーク、２２…帯状薄板のスロット、２３…帯状薄板のティース、２４…帯状薄板の切欠き、３１…板厚測定装置、３２…入口ガイド、３３、３４…圧延ロール、３５…圧延ロール装置、３６…拘束治具、３７…曲率測定装置、３８…演算装置

Claims (10)

1. 帯状薄板の板厚を測定する板厚測定ステップと、入口ガイドによって上記帯状薄板をその幅方向に位置決めをする入口ガイド位置決めステップと、該入口ガイドから出た帯状薄板を圧延ロールによって圧延曲げ加工する圧延曲げ加工ステップと、上記板厚測定ステップにて測定された帯状薄板の板厚の測定値に基づいて圧延量を調節するために上記入口ガイドの位置制御を行う位置制御ステップと、圧延曲げ加工された帯状薄板の曲率を測定する曲率測定ステップと、を有し、
   上記位置制御ステップでは、上記帯状薄板の板厚の測定値と上記帯状薄板の曲率の測定値に基づいて圧延量を調節し、
   前記加工ステップでは、テーパ部を有する前記圧延ロールによって前記帯状薄板を螺旋状に圧延曲げ加工して積層する
   ことを特徴とする鉄心製造方法。
2. 請求項１記載の鉄心製造方法において、上記位置制御ステップは、圧延量を調節するために上記入口ガイドの位置制御と上記圧延ロールの位置制御を行うことを特徴とする鉄心製造方法。
3. 請求項２記載の鉄心製造方法において、上記位置制御ステップは、上記圧延ロールの位置制御によって圧延量の大部分を調節し、上記入口ガイドの位置調節によって圧延量の微調節を行うことを特徴とする鉄心製造方法。
4. 請求項１記載の鉄心製造方法において、更に拘束治具によって上記圧延曲げ加工された帯状薄板を成形する拘束治具成形ステップと、を有することを特徴とする鉄心製造方法。
5. 請求項４記載の鉄心製造方法において、上記帯状薄板の板厚の測定値と上記帯状薄板の曲率の測定値によって、上記入口ガイド、上記圧延ロール及び上記拘束治具の少なくとも１つの位置制御を行うことを特徴とする鉄心製造方法。
6. 更に、請求項１記載の鉄心製造方法において、上記帯状薄板の縁には周期的に設けられた切欠きが形成されていることを特徴とする鉄心製造方法。
7. 素材の帯状薄板の板厚を測定するための板厚測定装置と、帯状薄板をその幅方向に位置決めをするための入口ガイドと、該入口ガイドから出た帯状薄板を圧延曲げ加工するための圧延ロール装置と、上記圧延ロールによって圧延曲げ加工された帯状薄板の曲率を測定する曲率測定装置と、を有し、
   上記板厚測定装置によって測定された板厚と上記曲率測定装置によって測定された曲率に基づいて、上記入口ガイド、又は、上記圧延ロール装置及び上記入口ガイドの位置制御を行い、
   前記圧延ロール装置の圧延ロールはテーパ部を有し、前記圧延ロール装置は前記帯状薄板を螺旋状に圧延曲げ加工して積層する
   ことを特徴とする鉄心製造装置。
8. 請求項７記載の鉄心製造装置において、上記圧延ロール装置から出た帯状薄板を成形してその曲率の一定にするための拘束治具が設けられていることを特徴とする鉄心の製造装置。
9. 請求項８記載の鉄心製造装置において、上記板厚測定装置によって測定された板厚と上記曲率測定装置によって測定された拘束治具後の帯状薄板の曲率の少なくとも一方に基づいて、上記入口ガイド、上記圧延ロール装置及び上記拘束治具の位置制御のうちの少なくとも一つの位置制御を行うことを特徴とする鉄心の製造装置。
10. 請求項９記載の鉄心製造装置において、上記板厚測定装置によって測定された板厚と上記曲率測定装置によって測定された曲率の少なくとも一方に基づいて、上記入口ガイドの位置制御、上記圧延ロール装置の位置制御及び上記拘束治具の位置制御より選択された少なくとも二つの位置制御を最適な比率によって行うことを特徴とする鉄心の製造装置。

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