JP4722589B2 - 固定子積層鉄心 - Google Patents

Description

本発明は、例えばモータあるいは発電機の固定子として使用される固定子積層鉄心に関する。

従来、固定子積層鉄心は多数枚の薄板材からなる鉄心片をプレス加工によって形成し、同時にプレス加工によって形成したかしめ部によって上下の鉄心片をかしめ結合し、所定厚の固定子積層鉄心を製造する方法や、例えば特許文献１に記載のように、かしめ結合と同時に溶接接合を併用し、各鉄心片を接合して固定子積層鉄心を製造する方法が提案されていた。また、特許文献２に記載のように、各セグメント鉄心同士を溶接することによって各鉄心片を接合する方法も提案されていた。

特開平２−１７９２４６号公報 特開２０００−２９５８００号公報

しかしながら、かしめ結合した固定子積層鉄心においては、真直度や上下面の平面度には優れるものの、かしめ結合はかしめ突起をかしめ凹部に嵌入させてかしめるので、隣接する鉄心片間に微小な隙間が生じる。この隙間は例えば鉄心にコイルを巻回した後のコイルエンド成型工程において、コイルエンドに所定の加圧力を付加して成型を行う際にスプリングと同様の働き（以下、「スプリングバック」と称す）をして加圧力を低減させるため、コイルエンドが所定の形状に成型されなかったり、仕様の寸法範囲より外れてしまう問題がある。また、かしめ結合においては、鉄心片の厚みが薄いものをかしめ結合のみで接合する場合に、かしめ深さを深くできないと結合力が弱くなり、組み立て後に鉄心片が分解する恐れがあった。この傾向は鉄心片の厚みが薄くかつ直径が大きいものほど顕著である。
一方、各鉄心片を溶接で接合した固定子積層鉄心においては、確実に各鉄心片が接合され、組み立て後に鉄心片が分解やばらける恐れがなく、また、かしめ結合よりスプリングバック量も小さい。しかしながら、溶接作業中の熱により鉄心に歪みが発生するため、かしめ結合と比較すると真直度が劣る。更に、鉄心の上下面に凹凸状のうねりを生じ、このうねりにより鉄心の上下間の高さが不均一となるため、例えばコイルエンドにレーシングを施す際にレーシング針と鉄心の上下端面とが干渉するという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、各鉄心片が十分な強度を有して接合され、しかも、発生する歪みとスプリングバックの量が使用上差し支えのない範囲で小さい固定子積層鉄心を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る固定子積層鉄心は、複数枚の同一形状の薄板材からなる鉄心片を積層して形成する固定子積層鉄心であって、上下の積層鉄心Ａ、Ｂをかしめ結合（かしめ積層ともいう）によって固定すると共に、前記上積層鉄心Ａの下部、前記上下の積層鉄心Ａ、Ｂを除く積層鉄心Ｃ、及び前記下積層鉄心Ｂの上部を溶接によって結合し、しかも、前記積層鉄心Ｃを構成する前記各鉄心片は、前記溶接によってのみ接合されている。
これによって、固定子積層鉄心の上下の積層鉄心Ａ、Ｂはかしめ結合によって接合され、この上積層鉄心Ａの下部と下積層鉄心Ｂの上部は中間の積層鉄心Ｃに溶接によって連結されているので、溶接の熱による歪みの影響が極めて小さく、かしめ結合のみで完成された鉄心と同等の真直度を得ることができる。また、鉄心の上下面のうねりもなく平面度に優れている。そして、かしめ結合のみによって接合された部分が上下の積層鉄心Ａ、Ｂの一部であり、その他の部分は溶接によって強固に連結されているので、スプリングバックの量も小さく、また、組み立て後に鉄心片がばらける（即ち、分離又は分解する）ことがない。

第２の発明に係る固定子積層鉄心は、第１の発明に係る固定子積層鉄心において、前記溶接は平面視して円形の該固定子積層鉄心の周囲に形成された凹部内でなされている。これによって、固定子積層鉄心の外周を円形に保つことができ、製品組み立て時に利便がある。
第３の発明に係る固定子積層鉄心は、第１、第２の発明に係る固定子積層鉄心において、前記鉄心片の厚みは０．５ｍｍ以下で、その直径は１５０ｍｍ以上である。これによって、鉄心片の厚みが薄くその直径が大きい固定子積層鉄心においては、特に、優れた作用効果を発揮する。

第４の発明に係る固定子積層鉄心は、第１〜第３の発明に係る固定子積層鉄心において、前記上下の積層鉄心Ａ、Ｂのうち溶接されていない部分のそれぞれの高さは、この固定子積層鉄心の高さの１〜１５％の範囲にある。これによって、固定子積層鉄心の上下面の平面度を確保すると共に、かしめ結合のみによって積層される鉄心片の厚みが減るので、スプリングバックの影響が小さくてかつより強固に接合された固定子積層鉄心となる。

第５の発明に係る固定子積層鉄心は、複数枚の薄板材からなる鉄心片を積層した複数のセグメント鉄心が積み重ねられた状態で、前記各セグメント鉄心が第１の溶接部で溶接接合され、かつ該固定子積層鉄心の最上部及び最下部に位置する前記鉄心片はかしめ結合によってのみ接合された固定子積層鉄心であって、
それぞれの前記セグメント鉄心を構成する鉄心片は、該セグメント鉄心の上下部がかしめ結合され、該上下部を除く部分は第２の溶接部で溶接接合されて形成され、
しかも、前記第１の溶接部は前記各セグメント鉄心の第２の溶接部を橋渡する長さを有している。
これによって、セグメント鉄心におけるかしめ結合力が弱い大型で積層厚の大きい固定子積層鉄心であっても、強固に接合されかつスプリングバック量を小さく形成できる。

そして、前記第１の溶接部は前記各セグメント鉄心の第２の溶接部を橋渡する長さを有しているので、第１の溶接部の長さを最小にすることができ、固定子積層鉄心の入熱が減少し、より歪みの少ない固定子積層鉄心となる。

そして、第６の発明に係る固定子積層鉄心は、第５の発明に係る固定子積層鉄心において、前記各セグメント鉄心は転積されている。これによって鉄心片の厚み偏差を無くすことができると共に、各セグメント鉄心を製造した後に転積するので、金型装置内に転積機構を設ける必要がなく、製造費が安価となる。

請求項１〜６記載の固定子積層鉄心は、固定子積層鉄心の上下部を除く部分の鉄心片を溶接接合し、固定子積層鉄心の上下部の鉄心片をかしめ結合のみによって連結積層しているので固定子積層鉄心の上下面に溶接による熱歪みが著しく減少する。また、固定子積層鉄心の主要部は溶接によって接合されているので、十分な強度を有する固定子積層鉄心を製造できる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る固定子積層鉄心の平面図、（Ｂ）は同側面図、図２は本発明を適用した固定子積層鉄心と従来法を適用した固定子積層鉄心の平面度の比較を示すグラフ、図３は溶接部の逃がし量による平面度比較を示すグラフ、図４〜図６はそれぞれ本発明品、溶接品、かしめ品の押さえ荷重に対する積厚を示すグラフ、図７は本発明の第２の実施の形態に係る固定子積層鉄心の側面図、図８（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る固定子積層鉄心の平面図、（Ｂ）は同側面図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る固定子積層鉄心１０は、多数枚の同一形状の薄板材からなる鉄心片（即ち、固定子鉄心片）１１を積層して形成されたもので、この実施の形態では外側の円環状のヨーク１３の半径方向内側に１２個の磁極１４を有している。各鉄心片１１はそれぞれ複数枚の鉄心片１１が積層された３つのセグメント鉄心１５〜１７に分けられ、各セグメント鉄心１５〜１７は、互いに１２０度ずつその回転位相を変えて転積されている。この実施の形態では３つのセグメント鉄心１５〜１７を用いたが、ｎ個のセグメント鉄心を用いる場合は、一般に各セグメント鉄心は３６０度／ｎ又はこの整数倍の角度で転積される。なお、各セグメント鉄心は同一厚みで、同一金型内で転積なしでかしめ結合されている。図１（Ａ）において１８はかしめ部を示す。

各セグメント鉄心１５〜１７はそれぞれ鉄心片１１の打ち抜き時に金型内でかしめ結合されていると共に、固定子積層鉄心１０の上下部を除く各鉄心片１１は、円形の周囲に設けられた凹部の一例である円弧状の切欠き１９内で溶接されて接合されている。なお、溶接による各鉄心片１１の接合は、上側のセグメント鉄心１５（即ち、最上部に位置するセグメント鉄心）の上部２１を除く部分、中央のセグメント鉄心１６の全部、及び下側のセグメント鉄心１７（最下部に位置するセグメント鉄心）の下部２２を除く部分が、切欠き１９内で行われた溶接によって接合されることにより行なわれている。

この場合の溶接としては、ＴＩＧ溶接で行うのがよいが、レーザー溶接又は電子ビーム溶接等を用いてもよい。なお、２３は切欠き１９内の溶接部を示す。ここで、切欠き１９を多数設けて溶接部２３の箇所を増やすと、固定子積層鉄心１０の強度は向上するが、固定子積層鉄心１０により多くの歪みが発生する可能性がある。従って、磁極１４の数をｍとした場合のその整数分の１とし、しかも、ヨーク１３に対して均等に配置するのがよい。
この実施の形態においては、各セグメント鉄心１５〜１７はそれぞれかしめ結合されているが、セグメント鉄心１５〜１７同士はかしめ結合ではなくて、溶接によって固定され、一体化されている。
なお、この実施の形態では、固定子積層鉄心１０の上部２１及び下部２２の高さａ、ｂはそれぞれ７ｍｍであり、固定子積層鉄心１０の全体高さは１００ｍｍであったが、上部２１及び下部２２の高さａ、ｂはそれぞれ固定子積層鉄心１０の全体高さ（ａ＋ｂ＋ｃ）の約１〜１５％の範囲が好ましい。

図２は、同一サイズの固定子積層鉄心をかしめ結合、溶接接合、及び第１の実施の形態による方法（本発明）によって製造した固定子積層鉄心の平面度（定盤の上においてその高さのばらつきを測定した）の比較をしたものであるが、本発明の固定子積層鉄心１０において平面度が最小となっている。これは、コア周囲等分布数箇所を同一条件で溶接することで、溶接部の寸法が安定したことと、かしめ結合のみで接合されている領域が減少したことにより発生するスプリングバック量も減少するため、かしめ結合のみによって製造された固定子積層鉄心より、更に平面度が改善されている。
なお、固定子積層鉄心１０において、位置合わせをして載置されたセグメント鉄心１５〜１７を均等加圧した状態で、周囲の切欠き１９に対して同時に溶接するのが最も好ましい。

図３は溶接部の逃がし量（即ち、固定子積層鉄心１０の上部及び下部２１、２２の高さａ、ｂ）と平面度の関係を示したものであるが、逃がし量を多くとると平面度が向上する事が分かる。従って、鉄心片１１のかしめ結合による力をＦとした場合、上下部２１、２２のかしめ結合して接合される鉄心片１１の一枚の重量をｗ、鉄心片１１の厚みをｔとすると、
Ｆ＞ｋ・ｗ・ａ／ｔ（ａはｂとも置き換える。ｋは安全率で通常は３〜５程度が好ましい）
を満足するように上部２１、下部２２に配置される鉄心片１１の高さを決めるのがよい。
図４〜図６はそれぞれ第１の実施の形態による固定子積層鉄心（本発明品）、溶接接合による固定子積層鉄心（溶接品）、及びかしめ積層（かしめ品）による固定子積層鉄心の押さえ荷重に対するスプリングバック量を示しており、荷重をかけた際のスプリングバックの量が、本発明品は溶接品と同等の品質を有していることになる。

続いて、図７を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係る固定子積層鉄心２５を示すが、第１の実施の形態に係る固定子積層鉄心１０と同一の構成要素については同一の符号を付して説明する。
この固定子積層鉄心２５は上下の積層鉄心Ａ、Ｂが、かしめ積層された積層鉄心からなって、上下の積層鉄心Ａ、Ｂを除く中間部の積層鉄心Ｃと、上積層鉄心Ａの下部２６と、下積層鉄心Ｂの上部２７とが溶接によって接合されている。この溶接は、固定子積層鉄心２５の円周部に均等形成された切欠き１９内で行われている。この実施の形態においても２３は溶接部を示し、ＴＩＧ、レーザービーム溶接、又は電子ビーム溶接等によって行われて、切欠き１９内から溶接部２３が突出しないようになっている。

なお、中間部の積層鉄心Ｃは、各鉄心片１１をかしめ結合（又は接着材接合）するのが好ましいが、最終的には溶接によって連結されるので、各鉄心片１１がかしめ等によって連結されない構造であってもよい。また、積層鉄心Ｃを更に複数に区分して、区分されたそれぞれの積層鉄心の鉄心片を予めかしめ結合するのがよい。
これによって、鉄心片１１の主要部は溶接接合され、その上下にある鉄心片１１のみがかしめ結合されて溶接接合はされていないので、第１の実施の形態に係る固定子積層鉄心１０と同様の平面度、及び押さえ荷重に対する小さいスプリングバック量を有することになる。また、鉄心片１１の主要部が溶接接合であるので、搬送中に鉄心片が剥離する等の弊害が極めて少なく、取扱が容易である。
ここで、鉄心片１１の厚みは、例えば０．２〜０．５ｍｍ程度で、その直径は例えば１５０〜５００ｍｍ程度である。
更には、この固定子積層鉄心２５においては、上下の積層鉄心Ａ、Ｂのうち溶接されていない部分のそれぞれの高さは、この固定子積層鉄心２５の高さの１〜１５％（より好ましくは、３〜１０％）の範囲にあるのがよい。

続いて、本発明の第３の実施の形態に係る固定子積層鉄心３０について説明する。
この固定子積層鉄心３０は、複数のセグメント鉄心３１〜３３を転積させて積み重ね、周囲に均等配置された円弧状の切欠き３４内で第１の溶接部３５によって溶接接合されて一体化している。そして、この固定子積層鉄心３０の最上部３６に位置する鉄心片１１及び最下部３７に位置する鉄心片１１はかしめ結合されて、この固定子積層鉄心３０の上下面の鉄心片１１に溶接による歪みが発生するのを防止している。即ち、固定子積層鉄心３０の上下面の平面度を維持させている。なお、最上部３６の高さａ、最下部３７の高さｂ、及び中間部の高さｃは、第１の実施の形態に係る固定子積層鉄心１０と同じである。

各セグメント鉄心３１〜３３の鉄心片１１は、各セグメント鉄心３１〜３３の上下部を除いて、周囲に均等配置された円弧状の切欠き３８内での第２の溶接部３９によって連結されている。そして、各セグメント鉄心３１〜３３の上下部に位置する鉄心片１１は、前記した実施の形態と同様に、かしめ接合によって接合されている。なお、各セグメント鉄心３１〜３３の全部の鉄心片１１を予めかしめ結合によって固定し、次に上下部を除いて第２の溶接部３９によって接合することが好ましい。
この固定子積層鉄心３０によって、セグメント鉄心におけるかしめ結合力が弱いより大型でより積層厚の大きい固定子積層鉄心を強固に接合でき、しかも上下面の平面度を維持しながら製造できる。

この第３の実施の形態に係る固定子積層鉄心３０においては、第１の溶接部３５は、固定子積層鉄心３０の最上部３６及び最下部３７を除く部分について形成されているが、各セクメント鉄心３１〜３３の連結部分で第２の溶接部３９によって連結されていない鉄心片１１を主体として第１の溶接部を形成することもできる。この場合、第１の溶接部と第２の溶接部のラップ代（橋渡の長さ）はできるだけ小さいのが好ましい。これによって、固定子積層鉄心に与える溶接入熱を最小にすることができる。この場合、第１、第２の溶接部は同一の切欠き内に形成してもよい。

前記した第１、第３の実施の形態においては、固定子積層鉄心１０、３０は３つのセグメント鉄心１５〜１７、３１〜３３に分けられていたが、更に多数のセグメント鉄心に分けることもできる。
また、前記実施の形態においては、具体的に数字を用いて説明したが、本発明はこれらの数字に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での数値変更をすることは可能である。

（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る固定子積層鉄心の平面図、（Ｂ）は同側面図である。 本発明を適用した固定子積層鉄心と従来法を適用した固定子積層鉄心の平面度の比較を示すグラフである。 溶接部の逃がし量による平面度比較を示すグラフである。 本発明品の押さえ荷重に対する積厚を示すグラフである。 溶接品の押さえ荷重に対する積厚を示すグラフである。 かしめ品の押さえ荷重に対する積厚を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る固定子積層鉄心の側面図である。 （Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る固定子積層鉄心の平面図、（Ｂ）は同側面図である。

１０：固定子積層鉄心、１１：鉄心片、１３：ヨーク、１４：磁極、１５〜１７：セグメント鉄心、１８：かしめ部、１９：切欠き、２１：上部、２２：下部、２３：溶接部、２５：固定子積層鉄心、２６：下部、２７：上部、３０：固定子積層鉄心、３１〜３３：セグメント鉄心、３４：切欠き、３５：第１の溶接部、３６：最上部、３７：最下部、３８：切欠き、３９：第２の溶接部、Ａ：上積層鉄心、Ｂ：下積層鉄心、Ｃ：積層鉄心

Claims (6)

1. 複数枚の同一形状の薄板材からなる鉄心片を積層して形成する固定子積層鉄心であって、上下の積層鉄心Ａ、Ｂをかしめ結合によって固定すると共に、前記上積層鉄心Ａの下部、前記上下の積層鉄心Ａ、Ｂを除く積層鉄心Ｃ、及び前記下積層鉄心Ｂの上部を溶接によって結合し、しかも、前記積層鉄心Ｃを構成する前記各鉄心片は、前記溶接によってのみ接合されていることを特徴とする固定子積層鉄心。
2. 請求項１記載の固定子積層鉄心において、前記溶接は平面視して円形の該固定子積層鉄心の周囲に形成された複数の凹部内でなされていることを特徴とする固定子積層鉄心。
3. 請求項１又は２記載の固定子積層鉄心において、前記鉄心片の厚みは０．５ｍｍ以下で、その直径は１５０ｍｍ以上であることを特徴とする固定子積層鉄心。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固定子積層鉄心において、前記上下の積層鉄心Ａ、Ｂのうち溶接されていない部分のそれぞれの高さは、この固定子積層鉄心の高さの１〜１５％の範囲にあることを特徴とする固定子積層鉄心。
5. 複数枚の薄板材からなる鉄心片を積層した複数のセグメント鉄心が積み重ねられた状態で、前記各セグメント鉄心が第１の溶接部で溶接接合され、かつ該固定子積層鉄心の最上部及び最下部に位置する前記鉄心片はかしめ結合によってのみ接合された固定子積層鉄心であって、
   それぞれの前記セグメント鉄心を構成する鉄心片は、該セグメント鉄心の上下部がかしめ結合され、該上下部を除く部分は第２の溶接部で溶接接合されて形成され、
   しかも、前記第１の溶接部は前記各セグメント鉄心の第２の溶接部を橋渡する長さを有していることを特徴とする固定子積層鉄心。
6. 請求項５記載の固定子積層鉄心において、前記各セグメント鉄心は転積されていることを特徴とする固定子積層鉄心。

Images