JP5121632B2 - 回転電機およびその固定子鉄心並びに固定子鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、車両用交流発電機などの回転電機、回転電機に適用される固定子鉄心および固定子鉄心の製造方法に関し、特に積層された鋼板を溶接一体化して構成される固定子鉄心の構造およびその製造方法に関するものである。

従来の車両用交流発電機における固定子鉄心は、プレス成形により所定形状に打ち抜かれたＳＰＣＣ材（冷間圧延鋼板）を所定枚数積層し、ＳＰＣＣ材の積層体の外周部をレーザ溶接して直方体の積層鉄心を作製し、積層鉄心に巻線アセンブリを装着し、巻線アッセンブリが装着された積層鉄心を丸め、丸められた積層鉄心の両端面を突き合わせ、その突き合わせ部をレーザ溶接して円筒状に作製されていた（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載のものでは、冷間圧延鋼板の表面には、絶縁被膜が被覆されていない。そのため、積層された冷間圧延鋼板間の抵抗が低下し、渦電流の発生を抑制できなかった。また、加工における磁気特性の低下を回復、改善するための焼鈍処理を施すと、冷間圧延鋼板間に焼き付け現象が生じる。そこで、交番磁界が与えられると、焼き付け箇所に渦電流が流れ、鉄損が生じてしまう。

そこで、絶縁被膜が被覆されていない冷間圧延鋼板と絶縁被膜が表裏両面に被覆された電磁鋼板とを所定の形状に打ち抜き、それぞれ交互に所定枚数積層した後、熱処理を行うようにした電気機器鉄心の製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載のものでは、冷間圧延鋼板と電磁鋼板との間が絶縁被膜により絶縁されているので、交番磁界が発生しても、渦電流の発生を抑制することができ、鉄心での発熱によるエネルギーロスを低減することができる。さらに、絶縁被膜が鋼板間に存在しているので、鋼板の積層体を再結晶温度以上で焼鈍した場合、鋼板間に焼き付け現象が生じず、磁気特性を改善できる。

しかしながら、電磁鋼板の表面に被覆された絶縁被膜には、有機物質が含まれており、鋼板の積層体をレーザ溶接する際に、有機物質の熱分解により揮発性ガスが発生する。このガスが溶接ビードに侵入し、ビードから気泡となって噴出し、溶接部にブローホールを生じ、溶接強度が低下する。この鉄心がフレームに装着される場合には、外部からの負荷はフレームにかかり、鉄心の溶接部にかかる荷重は小さい。しかし、この鉄心が車両用交流発電機に適用された場合、鉄心はフレームに装着されないので、外部からの負荷が直接鉄心にかかり、鉄心の溶接部に大きな荷重がかかる。そこで、溶接部にブローホールが生じ、溶接強度が低下していると、鉄心が破損するという問題が発生する。
さらに、冷間圧延鋼板は電磁鋼板より磁気特性（透磁率および鉄損）が劣ることから、冷間圧延鋼板を用いることにより、磁気特性が低下し、特に鉄損が大きくなるという問題が発生する。

そこで、表面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ以上の粗さを有する粗面に形成され、絶縁被膜が両面に被覆された電磁鋼板のみを積層して固定子鉄心を構成して、磁気特性を向上させ、特に鉄損を小さくするとともに、積層された電磁鋼板間にガス通路隙間を形成し、溶接時に絶縁被膜中から発生する揮発性ガスをガス通路隙間を通って溶接部周辺から逸散させ、溶接部にブローホールの発生を抑制していた（例えば、特許文献３参照）。さらに、一方の面が粗面に形成され、他方の面が平滑面に形成され、絶縁被膜が両面もしくは一方の面に被覆された電磁鋼板のみを積層して固定子鉄心を構成し、磁気特性を向上させ、特に鉄損を小さくするとともに、積層された電磁鋼板間に粗面と平滑面とによる隙間を形成し、溶接時に絶縁被膜中から発生する揮発性ガスが隙間を通って溶接部周辺から逸散させ、溶接部にブローホールの発生を抑制していた（例えば、特許文献４参照）。

特開２００２−１５９１５１号公報 特開昭６０−２２４４７号公報 特公昭４９−６７４４号公報 特開平０１−２３２７０５号公報

このように、特許文献３，４に記載のものでは、表面が粗面に形成され、かつ絶縁被膜が被覆された電磁鋼板のみを積層しているので、磁気特性を向上できるとともに、ブローホールの発生に起因する溶接強度の低下を抑制でき、溶接性を向上できる。しかしながら、特許文献３，４に記載のものでは、冷間圧延鋼板に比べて高価な電磁鋼板のみを用いているので、固定子鉄心の低価格化が図れないという課題があった。

このような状況を鑑み、本出願人は、冷間圧延鋼板および電磁鋼板の面粗度および板厚が、鉄損の個別成分であるヒステリシス損および渦電流損に与える影響に着目し、両鋼板の面粗度と板厚との関係を最適化することにより、冷間圧延鋼板を用いることに起因する鉄損の増大を抑制できるという着想に至り、本発明を発明した。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、冷間圧延鋼板と電磁鋼板とを交互に積層して構成しても、十分な溶接強度を確保しつつ、冷間圧延鋼板を用いることに起因する鉄損の低減を抑制できる安価な回転電機、回転電機の固定子鉄心および固定子鉄心の製造方法を得ることを目的とする。

この発明による回転電機の固定子鉄心は、電磁鋼板と冷間圧延鋼板とが有機系絶縁被膜を介して交互に積層して構成され、円筒状のコアバック部、該コアバック部の内周面から径方向内方に延設されて、周方向に所定のピッチで配列されたティース部、および該コアバック部と該ティース部とにより画成されて周方向に所定のピッチで配列され、それぞれ内周側に開口するスロット部を有し、上記コアバック部の外周面の積層方向の一端から他端至る溶接部が該コアバック部の外周面に複数条形成されて、積層された上記電磁鋼板と上記冷間圧延鋼板とが接合一体化されている。そして、上記電磁鋼板は、両面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ以上の面粗度に形成され、上記冷間圧延鋼板は、板厚が上記電磁鋼板より薄く作製され、かつ両面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ未満の面粗度に形成され、上記有機系絶縁被膜が上記電磁鋼板の両面に被覆されている。

この発明によれば、電磁鋼板は、両面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ以上の面粗度に形成され、冷間圧延鋼板は、板厚が電磁鋼板より薄く作製され、かつ両面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ未満の面粗度に形成され、有機系絶縁被膜が電磁鋼板の両面に被覆されている。

そこで、電磁鋼板と冷間圧延鋼板とを交互に積層した際に、隙間が有機系絶縁被膜と冷間圧延鋼板との間に確実に形成される。これにより、溶接時の有機系絶縁被膜から発生した揮発性ガスはその隙間を通って溶接部から散逸し、溶接部にブローホールの発生が抑制され、十分な溶接強度が確保される。
また、有機系絶縁被膜が電磁鋼板のみに形成されているので、絶縁被膜の量が低減し、磁性材の占積率が大きくなり、固定子の出力を向上でき、揮発性ガスの発生源が低減し、ブローホールの発生が更に抑制されるとともに、地球環境負荷となる有機物質の使用量を削減できる。

また、鉄損の個別成分である渦電流損は板厚の二乗に比例する。冷間圧延鋼板の厚みが電磁鋼板の厚みより薄くなっているので、冷間圧延鋼板における渦電流損を低減できる。一方、鉄損の個別成分であるヒステリシス損は、板厚に依存せず、結晶粒径や鋼板表面の面粗度に依存する。つまり、ヒステリシス損は、板厚が結晶粒径程度に薄くならない限り、板厚が減少しても増加しない。冷間圧延鋼板の表面は平滑面に作製されているので、冷間圧延鋼板におけるヒステリシス損の増加を抑制できる。さらに、冷間圧延鋼板の表面は平滑面に作製されているので、冷間圧延鋼板の表面に電磁鋼板と同程度の面粗度を付与した場合に比べ、冷間圧延鋼板における磁化特性（透磁率）の低下が小さい。

このように、冷間圧延鋼板の厚みを電磁鋼板の厚みより薄くし、かつ冷間圧延鋼板の表面を平滑面とすることで、電磁鋼板に比べ磁気特性が劣る冷間圧延鋼板を用いることに起因する鉄損の増加および磁化特性の低下を抑制できる。

図１はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心を示す斜視図、図２はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心を示す要部拡大断面図である。

図１および図２において、固定子鉄心１は、円筒状のコアバック部２と、それぞれコアバック部２の内周面から径方向内方に延設されて周方向に等角ピッチで配列されたティース部３と、コアバック部２とティース部３とで画成されて周方向に等角ピッチで配列され、それぞれ内周側に開口するスロット部４と、を有する。この固定子鉄心１は、２つの半円筒状の積層鉄心５，５の端面同士を突き合わせてレーザ溶接により一体化されて円筒状に作製されている。２つの積層鉄心５，５を連結する溶接部６ａは、積層鉄心５，５の各突き合わせ部７の外周面上に積層方向の一端から他端に至るように形成されている。

積層鉄心５は、電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１とが電磁鋼板９の縁被膜１０を介してコアバック部２をカシメ部１２で互いに連結されて交互に積層され、さらにその外周面を積層方向の一端から他端に至るようにレーザ溶接して一体化されている。ここでは、積層された電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１とを連結する溶接部６ｂは、それぞれ積層鉄心５の積層方向の一端から他端に至るように、積層鉄心５の外周面に周方向に所定のピッチで３条形成されている。

電磁鋼板９の両面はダル仕上げ(はだを一様に粗くし、鋼板の表面を梨地状の光沢のない状態)されている。そして、例えば、エポキシ樹脂およびその変性物、フェノール樹脂およびその変性物、アクリル樹脂およびその共重合物などの有機系の絶縁被膜１０が電磁鋼板９の両面に被覆されている。また、冷間圧延鋼板１１は、例えば、ＳＰＣＣ材が用いられ、平滑面に仕上げられており、絶縁被膜は被覆されていない。ここでは、電磁鋼板９は０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ以上の面粗度の凹凸面にダル仕上げされており、冷間圧延鋼板１１は０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ未満の面粗度の平滑面に仕上げられている。また、電磁鋼板９の厚さｔ１が冷間圧延鋼板１１の厚さｔ２より厚くなっている。

このように構成された固定子鉄心１は、電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１とが絶縁被膜１０を介して交互に積層して作製されているので、電磁鋼板９のみを積層してなる鉄心に比較し、大幅な低価格化が図られる。また、電磁鋼板９の両面に絶縁被膜１０が被覆されているので、電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１との間の抵抗が大きい状態に保たれ、渦電流の発生が抑制される。

また、電磁鋼板９の両面がダル仕上げされ、冷間圧延鋼板１１の両面が平滑面に作製されているので、絶縁被膜１０が被覆された電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１との間には、面粗度の差により、隙間が確実に形成される。そこで、積層鉄心５，５の各突き合わせ部７を溶接一体化する際、および積層鉄心５の積層された電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１とを溶接一体化する際、絶縁被膜１０中から発生する揮発性ガスは、その隙間を通って溶接部６ａ，６ｂ周辺から逸散され、溶接部６ａ，６ｂにブローホールの発生が抑制される。そこで、ブローホールの発生に起因する溶接強度の低下が抑制され、固定子鉄心１を車両用交流発電機に適用しても、固定子鉄心１が破損するような事態が回避される。

また、電磁鋼板９にのみ絶縁被膜１０が形成されているので、電磁鋼板９および冷間圧延鋼板１１の両者に絶縁被膜１０を被覆した場合に比べ、揮発性ガスの発生源である絶縁被膜１０の量が低減され、溶接部６ａ，６ｂでのブローホールの発生が一層抑制される。さらに、絶縁被膜１０の量が低減される分、固定子鉄心１における磁性材の占積率が大きくなり、高出力化が図られる。さらにまた、地球環境負荷となる有機物質の使用量を低減できる。

鉄損の個別成分である渦電流損は板厚の二乗に比例する。冷間圧延鋼板１１の厚みｔ２が電磁鋼板９の厚みｔ１より薄くなっているので、冷間圧延鋼板１１における渦電流損を低減できる。また、鉄損の個別成分であるヒステリシス損は、板厚に依存せず、結晶粒径や鋼板表面の面粗度に依存する。つまり、ヒステリシス損は、板厚が結晶粒径程度に薄くならない限り、板厚が減少しても増加しない。冷間圧延鋼板１１の表面は平滑面に作製されているので、冷間圧延鋼板１１におけるヒステリシス損の増加を抑制できる。さらに、冷間圧延鋼板１１の表面は平滑面に作製されているので、冷間圧延鋼板１１の表面に電磁鋼板９と同程度の面粗度を付与した場合に比べ、冷間圧延鋼板１１における磁化特性（透磁率）の低下が小さい。

このように、冷間圧延鋼板１１の厚みｔ２を電磁鋼板９の厚みｔ１より薄くし、電磁鋼板９の表面を粗面とし、冷間圧延鋼板１１の表面を平滑面とすることで、冷間圧延鋼板１１の厚みｔ２を電磁鋼板９の厚みｔ１より厚くし、電磁鋼板９の表面を平滑面とし、冷間圧延鋼板１１の表面を粗面とした場合に比べ、電磁鋼板９に比べ磁気特性が劣る冷間圧延鋼板１１を用いることに起因する渦電流損の増加、鉄損の増加、さらには磁化特性の低下を抑制できる。そこで、本固定子鉄心１を車両用交流発電機に搭載した場合、高速運転時における高周波損失を抑制できる。

このように、本発明によれば、電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１との磁気特性と発電機仕様とのバランスを考慮した設計が可能となる。さらに、電磁鋼板９に比べ、磁気特性が劣るが、素材コストの安い冷間圧延鋼板１１の使用が可能となり、固定子鉄心１の低価格化が図られる。

ここで、例えば、「鉄と鋼」（Vol.66(8), p.240, 1980）に記載されているように、電磁鋼板の面粗度を０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ以上とすることで、ブローホールのない良好な溶接性が確保される。また、例えば、電磁鋼板の面粗度が大きくなるほど、磁束密度などの磁気特性が低下することから、電磁鋼板の面粗度の上限は要求される固定子鉄心の性能との兼ね合いで決定される。

つぎに、固定子鉄心１の製造方法について図３〜図１１を参照しつつ説明する。なお、図３はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における磁性片の打ち抜き工程を説明する図、図４はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における積層材を示す平面図、図５はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における積層材を示す要部断面図、図６はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における磁性片を示す平面図、図７はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における磁性片を示す要部断面図、図８はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法におけるレーザ溶接前の積層体を示す斜視図、図９はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法におけるレーザ溶接後の積層体を示す斜視図、図１０はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における積層鉄心を示す斜視図、図１１はこの発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における固定子巻線が巻装された固定子鉄心を示す斜視図である。

まず、０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ以上の面粗度にダル仕上げされた板厚０．５ｍｍの電磁鋼材２１の両面に有機系絶縁性樹脂からなる絶縁被膜２２が被覆された第１帯状鋼材２０が巻き付けられた巻き付けドラム３０と、０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ未満の面粗度の平滑面に仕上げられた板厚０．３５ｍｍの冷間圧延鋼材からなる第２帯状鋼材２３が巻き付けられた巻き付けドラム３１と、が用意される。

そして、図３に示されるように、巻き付けドラム３０，３１のそれぞれから繰り出された第１帯状鋼材２０と第２帯状鋼材２３とが、例えば、ナイロン６、ナイロン６６などの熱可塑性樹脂からなる撚り糸２４が塗布されて重ねられ、加圧ローラ３２に通され、誘導加熱炉３３内に導入される。撚り糸２４は誘導加熱炉３３内で例えば２００℃に加熱されて溶融される。ついで、重ねられた第１および第２帯状鋼材２０，２３が冷却ローラ３４に通されて、プレス加工機３５に送られる。ここで、溶融された撚り糸２４が冷却ローラ３４により押し潰されるとともに、冷却されて固化する。これにより、重ねられた第１および第２帯状鋼材２０，２３は、図５に示されるように、密接状態に接着一体化された積層材２５となる。ここで、撚り糸２４は、例えば図５に示されるように、パイロット穴２６のプレス打ち抜き位置と磁性片１３のプレス打ち抜き位置との間などの、プレス打ち抜き領域を避けて塗布される。

プレス加工機３５では、図４に示されるように、パイロット穴２６が積層材２５の幅方向両側に、長さ方向に所定のピッチで打ち抜かれ（Ｓ１）、ついで、パイロット穴２６を基準としてカシメ部１２が凹設される（Ｓ２）。ついで、スロット部４ａが打ち抜かれ（Ｓ３）、磁性片１３の長さ方向の両端部の領域１６が打ち抜かれ（Ｓ４）、さらに磁性片１３の長方向の両側部の領域１７が打ち抜かれる（Ｓ５）。これにより、磁性片１３が積層材２５から打ち抜かれる。磁性片１３が打ち抜かれた積層材２５は、図３に示されるように、誘導加熱炉３６内に導入され、固化している撚り糸２４が溶融される。ついで、第１帯状鋼材２０と第２帯状鋼材２３とが分離され、それぞれ巻き付けドラム３７，３８に巻き取られ、残材のリサイクルに供される。

積層材２５から打ち抜かれた磁性片１３は、図６および図７に示されるように、同一形状に打ち抜かれた絶縁被膜１０（絶縁被膜２２）が被覆された第１磁性片である電磁鋼板９と第２磁性片である冷間圧延鋼板１１との対がカシメ部１２により一体に固着されて構成されている。電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１とは、固定子鉄心１の周方向の全周長さの半分の長さを有する矩形をなし、ティース部３ａがコアバック部２ａの幅方向の一側から突設されてコアバック部２ａの長さ方向に所定のピッチで配列されている。そして、スロット部４ａがコアバック部２ａとティース部３ａとにより画成されている。

そして、コアバック部２ａ、ティース部３ａ、およびスロット部４ａを重ねて、かつカシメ部１２により互いに固着されて所定枚数の磁性片１３を積層して、図８に示されるように、直方体の積層体１４が作製される。このとき、コアバック部２ａ、ティース部３ａ、およびスロット部４ａが積層方向に連なって、それぞれコアバック部２、ティース部３、およびスロット部４が構成される。ついで、積層体１４のコアバック部２の外周面を積層方向の一端から他端に至るようにレーザ溶接して、積層された電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１とを連結一体化する。これにより、積層方向の一端から他端に至る３条の溶接部６ｂが、図９に示されるように、積層体１４のコアバック部２の外周面に形成される。

ついで、直方体の積層体１４に半円状の丸め加工を施し、図１０に示されるように、２つの半円筒状の積層鉄心５を作製する。そして、２つの積層鉄心５の端面同士を突き合わせ、突き合わせ部７の外周面上を積層方向の一端から他端に至るようにレーザ溶接して、突き合わされた積層鉄心５，５を連結一体化し、固定子鉄心１が作製される。これにより、積層方向の一端から他端に至る溶接部６ａが、固定子鉄心１の突き合わせ部７の外周面に形成される。ここで、積層鉄心５，５は、図示していないが、固定子巻線１５が装着された状態で突き合わされ、レーザ溶接にて連結一体化される。これにより、図１１に示されるように、固定子鉄心１が作製されると同時に、固定子巻線１５が固定子鉄心１に巻装される。そして、固定子巻線１５に所定の結線処理が施されて、固定子が作製される。

このように作製された固定子は、図示していないが、車両用交流発電機のハウジング内に回転自在に配設された回転子を囲繞するように該ハウジングに組み込まれる。そして、回転子が回転駆動されると、回転磁界が固定子の固定子巻線１５に与えられ、起電力が固定子巻線１５に発生する。

この発明によれば、第１帯状鋼材２０と第２帯状鋼材２３とを撚り糸２４を用いて接着、一体化してなる積層材２５を打ち抜いて磁性片１３を作製しているので、プレス成形時の第１帯状鋼材２０と第２帯状鋼材２３との間の位置ずれが抑えられ、加工精度の向上が図られるとともに、磁性片１３を構成する電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１とが同時に打ち抜かれ、生産性が高められる。所定枚数の磁性片１３を積層した直方体の積層体１４は，電磁鋼板９と冷間圧延鋼板１１が交互に積層され，かつ電磁鋼板９の板厚は冷間圧延鋼板１１より厚くしている。このため，板厚が薄い冷間圧延鋼板１１のみで直方体の積層体１４を構成する場合より磁性片１３の剛性が高く，半円状の丸め加工を施す際の積層方向への変形が抑えられ，形状精度の良い半円筒状の積層鉄心５が作製できる。

撚り糸２４が磁性片１３の打ち抜き領域を避けて配設されているので、撚り糸２４は磁性片１３には存在しない。そこで、撚り糸２４の塗布が、レーザ溶接時にガスを発生して接合強度を低下させるような事態を招くことはない。また、撚り糸２４の塗布が、後述する焼鈍処理時にガスを発生して電磁鋼板９および冷間圧延鋼板１１を酸化して磁気特性を劣化させるような事態を招くこともない。
また、撚り糸２４がパイロット穴２６、磁性片１３などのプレス抜き打ち領域を避けて配設されているので、金型の摩耗を低減することができる。

磁性片１３が打ち抜かれた後、積層材２５を誘導加熱炉３６に通して固化されている撚り糸２４を溶融して第１帯状鋼材２０と第２帯状鋼材２３と分離しているので、残材の分別リサイクルが容易となる。
このように、プレス加工機３５の前後に誘導加熱炉３３，３６を配置するだけで、第１帯状鋼材２０と第２帯状鋼材２３との一体化と分離とを容易に行うことができる。そして、汎用の設備をそのまま利用することが可能であり、少ない設備投資で本製造工程を構築することが可能である。

なお、上記実施の形態では、磁性片を固定子鉄心の周方向の全周長さの半分の長さに作製するものとしているが、磁性片の長さは、固定子鉄心の周方向の全周長さの半分の長さに限定されるものではなく、例えば固定子鉄心の周方向の全周長さと等しい長さでもよい。この場合、所定枚数の磁性片を積層して作製された積層体に固定子巻線を装着し、固定子巻線が装着された積層体を円状に丸め加工することになり、丸め加工工程および突き合わせ部の溶接工程が１回ですみ、生産工程の簡素化が図られる。

また、上記実施の形態では、第１帯状鋼材と第２帯状鋼材とを積層、一体化したものから磁性片を打ち抜き、磁性片を積層するものとしているが、第１帯状鋼材から電磁鋼板を打ち抜き、同様に第２帯状鋼材から冷間圧延鋼板を打ち抜き、打ち抜かれた電磁鋼板と冷間圧延鋼板とを交互に積層するようにしてもよい。

つぎに、電磁鋼板の磁気異方性について検討する。
電磁鋼板は、そのグレードが上がるにつれ、圧延方向に対する鋼板面内での磁気特性差（圧延方向に対する磁気異方性）が生じる。発電機における固定子鉄心は、ティース部とティース部間のコアバック部の部位とが、鋼板の圧延方向（Ｌ方向）と圧延方向に直交する方向（Ｃ方向）とで構成される。そして、両方向の磁気特性の差異が小さいほど（等方性材料ほど）、固定子鉄心全周での磁気的バランスが良く、性能の向上につながる。

ここで、ＪＩＳ ５０Ｈ２９０，５０Ａ４７０，５０Ａ６００，５０Ａ１３００の４種類の電磁鋼板（板厚：０．５ｍｍ）を用意し、ＪＩＳ Ｃ２５５０のエプスタイン試験を用いて各電磁鋼板のＬ方向とＣ方向との最大比透磁率比を測定した結果を図１２に示す。なお、図１２にて、縦軸は、Ｃ方向に対するＬ方向の比透磁率比で定義した電磁鋼板の面内での磁気異方性度とし、横軸は、鋼板中に含まれる珪素（Ｓｉ）とアルミ（Ａｌ）との総含有量（重量％）とした。なお、ＳｉとＡｌとの総含有量は電磁鋼板のグレードを表し、電磁鋼板のグレードが上がるほど総含有量が増える。そして、ＪＩＳ ５０Ａ１３００の電磁鋼板のＳｉとＡｌとの総含有量は０．１重量％程度である。

図１２から、ＳｉとＡｌとの総含有量が１．５重量％を超えると、Ｌ方向に対する磁気異方性が急激に大きくなることがわかる。従って、固定子鉄心材として要求される磁気異方性を小さくするという観点から、ＳｉとＡｌとの総含有量を１．５重量％以下に抑えることが好ましい。また、ＳｉとＡｌとの総含有量が１．５重量％を超えると、電磁鋼板の降伏点や延びなどの機械特性値が冷間圧延鋼板の機械特性値に対して大きく乖離し、積層体の丸め加工性が低下する。
これらのことから、本固定子鉄心には、ＳｉとＡｌとの総含有量が１．５重量％以下のグレードの電磁鋼板を用いることが好ましい。

つぎに、冷間圧延鋼板の焼鈍効果について検討する。
ここで、冷間圧延鋼板のみを所定枚積層して２つの直方体の積層体を作製し、各直方体の積層体に半円状の丸め加工を施して２つの半円筒状の積層鉄心を作製し、２つの積層鉄心を突き合わせて一体化して円筒状の未焼鈍固定子鉄心を用意した。また、冷間圧延鋼板のみを所定枚積層して２つの直方体の積層体を作製し、各直方体の積層体に焼鈍処理（例えば、６００℃）を施し、焼鈍処理が施された各直方体の積層体に半円状の丸め加工を施して２つの半円筒状の積層鉄心を作製し、２つの積層鉄心を突き合わせて一体化して円筒状の第１固定子鉄心を用意した。さらに、冷間圧延鋼板のみを所定枚積層して２つの直方体の積層体を作製し、各直方体の積層体に半丸め加工を施して２つの半円筒状の積層鉄心を作製し、各積層鉄心に焼鈍処理（例えば、６００℃）を施し、焼鈍処理が施された２つの積層鉄心を突き合わせて一体化して円筒状の第２固定子鉄心を用意した。

そして、未焼鈍、第１および第２固定子鉄心のそれぞれに測定用の巻線を巻装し、コアバック部のヒステリシス損を測定した結果を図１３に示す。図１３にて、縦軸は、未焼鈍固定子鉄心のヒステリシス損に対する第１および第２固定子鉄心におけるヒステリシス損の変化率とし、横軸は、磁束密度とした。

図１３から、第２固定子鉄心では、ヒステリシス損が未焼鈍固定子鉄心に対して６０％程度低減できることがわかる。この効果は、丸め加工などの影響が焼鈍処理により消失したことに起因するものと推考される。また、第１固定子鉄心についても、ヒステリシス損が未焼鈍固定子鉄心に対して３０％程度低減できることがわかる。これにより、焼鈍処理を丸め加工前に施した固定子鉄心においても、焼鈍処理の効果が残存していることが確認された。

このように、冷間圧延鋼板は、再結晶温度以上（例えば、６００℃以上）で熱処理（焼鈍処理）を施すことで、加工歪みや加工変形した結晶粒が回復するとともに、元々微細な結晶粒が再成長して大粒径化する。これにより、冷間圧延鋼板の磁気特性、特に磁化特性とヒステリシス損の向上が図られたものと推考される。このことから、電磁鋼板に、再結晶温度以上（例えば、６００℃以上）で熱処理（焼鈍処理）を施してもよい。これにより、電磁鋼板においても、加工歪みや加工変形した結晶粒が回復するとともに、元々微細な結晶粒が再成長して大粒径化し、電磁鋼板の磁気特性、特に磁化特性とヒステリシス損の向上が図られる。

これらのことから、固定子鉄心の製造過程において、丸め加工前の積層体、或いは丸め加工後の積層鉄心に焼鈍処理を行うことが好ましい。これにより、積層された冷間圧延鋼板と電磁鋼板とが同時に熱処理され、冷間圧延鋼板と電磁鋼板との間の磁気特性差が小さくなる効果が得られる。

なお、上記実施の形態では、車両用交流発電機の固定子鉄心について説明しているが、この発明は、車両用交流発電機に限らず、車両用電動機や車両用発電電動機などの回転電機の固定子鉄心に適用してもよいし、車両用以外の回転電機の固定子鉄心に適用してもよい。

また、上記実施の形態では、第１帯状鋼材と第２帯状鋼材とを積層一体化したものから矩形の磁性片を打ち抜き、その磁性片を積層し積層された磁性片を溶接、一体化して直方体の積層体を作製し、直方体の積層体を丸め加工して円弧状の積層鉄心を作製し、円弧状の積層鉄心の端面同士を突き合わせ、その突き合わせ部を溶接して円筒状の固定子鉄心を作製するものとしているが、第１帯状鋼材と第２帯状鋼材とを積層一体化したものから長尺の磁性片を打ち抜き、磁性片を螺旋状に巻回し、巻回された磁性片を溶接、一体化して円筒状の固定子鉄心を作製してもよい。

さらに、上記実施の形態では、第１帯状鋼材と第２帯状鋼材とを積層一体化したものから矩形の磁性片を打ち抜き、磁性片を積層し積層された磁性片を溶接、一体化して直方体の積層体を作製し、直方体の積層体を丸め加工して円弧状の積層鉄心を作製し、円弧状の積層鉄心の端面同士を突き合わせ、その突き合わせ部を溶接して円筒状の固定子鉄心を作製するものとしているが、第１帯状鋼材と第２帯状鋼材とを積層一体化したものから円弧状の磁性片を打ち抜き、円弧状の磁性片を積層し積層された磁性片を溶接、一体化して円弧状の積層鉄心を作製し、円弧状の積層鉄心の端面同士を突き合わせ、その突き合わせ部を溶接して円筒状の固定子鉄心を作製してもよく、円状の磁性片を打ち抜き、円状の磁性片を積層し積層された磁性片を溶接、一体化して円筒状の固定子鉄心を作製してもよい。

この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心を示す斜視図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心を示す要部拡大断面図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における磁性片の打ち抜き工程を説明する図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における積層材を示す平面図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における積層材を示す要部断面図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における磁性片を示す平面図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における磁性片を示す要部断面図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法におけるレーザ溶接前の積層体を示す斜視図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法におけるレーザ溶接後の積層体を示す斜視図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における積層鉄心を示す斜視図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心の製造方法における固定子巻線が巻装された固定子鉄心を示す斜視図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心における電磁鋼板中の（Ｓｉ＋Ａｌ）含有量と磁気異方性度との関係を示す図である。 この発明の一実施の形態に係る車両用交流発電機の固定子鉄心における鉄心の磁束密度とヒステリシス損の変化率との関係を示す図である。

符号の説明

１ 固定子鉄心、２ コアバック部、３ ティース部、４ スロット部、５ 積層鉄心、６ａ，６ｂ 溶接部、７ 突き合わせ部、９ 電磁鋼板（第１磁性片）、１０ 絶縁被膜、１１ 冷間圧延鋼板（第２磁性片）、１３ 磁性片、１４ 積層体、１５ 固定子巻線、２０ 第１帯状鋼材、２１ 電磁鋼材、２２ 絶縁被膜、２３ 第２帯状鋼材、２４ 撚り糸（熱可塑性樹脂）、２５ 積層材。

Claims (7)

1. 電磁鋼板と冷間圧延鋼板とが有機系絶縁被膜を介して交互に積層して構成され、円筒状のコアバック部、該コアバック部の内周面から径方向内方に延設されて、周方向に所定のピッチで配列されたティース部、および該コアバック部と該ティース部とにより画成されて周方向に所定のピッチで配列され、それぞれ内周側に開口するスロット部を有し、上記コアバック部の外周面の積層方向の一端から他端至る溶接部が該コアバック部の外周面に複数条形成されて、積層された上記電磁鋼板と上記冷間圧延鋼板とが接合一体化されている回転電機の固定子鉄心であって、
   上記電磁鋼板は、両面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ以上の面粗度に形成され、
   上記冷間圧延鋼板は、板厚が上記電磁鋼板より薄く作製され、かつ両面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ未満の面粗度に形成され、
   上記有機系絶縁被膜が上記電磁鋼板の両面に被覆されていることを特徴とする回転電機の固定子鉄心。
2. 積層された上記電磁鋼板と上記冷間圧延鋼板との端面同士の突き合わせ部を有し、
   上記溶接部の少なくとも１条が、上記コアバック部の上記突き合わせ部の外周面上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の固定子鉄心。
3. 上記電磁鋼板のＳｉとＡｌとの総含有率が１．５重量％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転電機の固定子鉄心。
4. 両面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ以上の面粗度に形成された電磁鋼材の両面に有機系絶縁被膜を被覆してなる第１帯状鋼材から、コアバック部、ティース部、およびスロット部が形成された矩形の第１磁性片を打ち抜く第１打ち抜き工程と、
   両面が０．５μｍＨｒ・ｍ・ｓ未満の面粗度に形成された冷間圧延鋼材からなる第２帯状鋼材から上記第１磁性片と同形状の第２磁性片を打ち抜く第２打ち抜き工程と、
   上記第１磁性片と上記第２磁性片とを交互に積層して直方体の積層体を作製する鋼板積層工程と、
   上記直方体の積層体の側面を積層方向の一端から他端に至るように溶接する工程と、
   溶接された上記直方体の積層体を丸め加工して円弧状、または円状の筒状の積層鉄心を作製する工程と、
   上記積層鉄心の端面同士を突き合わせ、その突き合わせ部の外周面を積層方向の一端から他端に至るように溶接する工程と、を有する回転電機の固定子鉄心の製造方法。
5. 上記第１および第２打ち抜き工程は、
   上記第１帯状鋼材と上記第２帯状鋼材との間に、上記第１磁性片および上記第２磁性片の打ち抜き領域を外して熱可塑性樹脂を配置し、その後該熱可塑性樹脂を溶融、固化して該第１帯状鋼材と該第２帯状鋼材とを積層、一体化する工程と、
   一体化された上記第１帯状鋼材と上記第２帯状鋼材とから上記第１磁性片と上記第２磁性片との対を打ち抜く打ち抜き工程と、から構成され、
   上記鋼板積層工程では、打ち抜かれた上記第１磁性片と上記第２磁性片との対を積層して上記直方体の積層体を作製することを特徴とする請求項４記載の回転電機の固定子鉄心の製造方法。
6. 溶接された上記直方体の積層体、又は丸め加工された上記積層鉄心を、上記電磁鋼材および上記冷間圧延鋼材の再結晶温度を超える温度で熱処理をする焼鈍工程を更に備えていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の回転電機の固定子鉄心の製造方法。
7. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の上記固定子鉄心、および該固定子鉄心に巻装された固定子巻線を有する固定子と、
   上記固定子の内径側に回転自在に配設された回転子と、を備えたことを特徴とする回転電機。

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