JP6540182B2

JP6540182B2 - ステータ鉄心、ステータおよび回転電機

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Publication number: JP6540182B2
Application number: JP2015083351A
Authority: JP
Inventors: 貴裕水田; 谷　良浩; 良浩谷; 敏則田中; 千代藤野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2035-04-15
Also published as: JP2019097390A; JP2016131479A; JP6798572B2

Description

この発明は、回転電機のステータ鉄心、ステータおよび回転電機に関する。

回転電機のステータ鉄心は、磁束の変化で発生する渦電流による損失を低減するために、成形された円形鋼板が積層されて構成されている。円形鋼板の成形は、順送金型プレスで行われるのが一般的である。順送金型プレスとは、複数の工程を単一型内に等ピッチで順番に配置し、鋼板を順送りすることで上下に分かれた金型でプレス成形するものである。ステータ鉄心に用いられる円形鋼板は、ステータの内径およびスロット部が打ち抜かれた後に、最終工程においてステータ外径部が抜き落とされて成形される。ステータ鉄心としては、円形鋼板が外径部で抜き落とされると同時に積層され、さらにカシメ締結されてステータ鉄心が形成されている（特許文献１参照）。

国際公開第２００６／１２０９７５号パンフレット（１５−１６頁、図１５）

最終工程において円形鋼板の外径を抜き落とす従来の方法では、抜き落としの際に円形鋼板に曲がりが生じることでステータ鉄心のコアバック部となる円形鋼板の領域に広範囲に応力が残留する。その結果、残留応力の多い円形鋼板でステータ鉄心を構成した場合、鉄損が増加するためモータ効率が低下するという問題があった。抜き落としの際に鋼板の曲がりをなくすために、逆押え金型を用いる方法もあるが、逆押えの力が小さいと残留応力低減の効果は少なく、また逆押え金型はパンチと連動する必要があるため金型が複雑かつ大型化するという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、逆押えを用いることなく、円形鋼板の外径抜き落としによる残留応力の少ない回転電機のステータ鉄心を得ることを目的とする。

この発明に係るステータ鉄心は、
コアバック部と、コアバック部の内周側から径方向の内側に延び周方向に並べられたｎ個のティースとを備えた鋼板が積層された回転電機のステータ鉄心であって、
コアバック部の外周部を形成する外径部は、鋼板の厚み方向に垂直な断面の形状が円弧状の第１外径部と鋼板の厚み方向に垂直な断面の形状が円弧状の第２外径部とで構成されており、
ｎ個のティースの内径端部および第１外径部の外径端部の鋼板の厚み方向におけるせん断面と破断面との並び順と、
第２外径部の外径端部の鋼板の厚み方向におけるせん断面と破断面との並び順とが逆であり、
第２外径部の外径端部から残留応力が分布する距離は、第１外径部の外径端部から残留応力が分布する距離よりも大きく、
第１外径部の少なくとも一つの中心角は、３６０°／ｎよりも大きく、かつ
第１外径部の中心角の総和を、第２外径部の中心角の総和よりも大きく、
回転電機のステータ鉄心は、積層された鋼板のカシメ部でカシメにより構成されており、カシメ部は、第２外径部の中心角の範囲内にあるコアバック部に設けられた
ものである。

この発明は、
ｎ個のティースの内径端部および第１外径部の外径端部の円形鋼板の厚み方向におけるせん断面と破断面との並び順と、
第２外径部の外径端部の円形鋼板の厚み方向におけるせん断面と破断面との並び順とを逆とし、
第１外径部の少なくとも一つの中心角は、３６０°／ｎよりも大きく、かつ
第１外径部の中心角の総和を、第２外径部の中心角の総和よりも大きく
したので、
逆押えを用いることなく、円形鋼板の外径抜き落としによる残留応力の少ない回転電機のステータ鉄心を得ることができる。

この発明の実施の形態１における回転電機の横断面図である。この発明の実施の形態１における回転電機の縦断面図である。この発明の実施の形態１における円形鋼板の打ち抜き工程の模式図である。この発明の実施の形態１における従来の円形鋼板の打ち抜き工程の模式図である。この発明の実施の形態１における鋼板の打ち抜き工程の説明図である。この発明の実施の形態１における鋼板の切断面の模式図である。この発明の実施の形態１における円形鋼板の打ち抜き工程の説明図である。この発明の実施の形態１におけるステータ鉄心の模式図である。この発明の実施の形態２における円形鋼板の打ち抜き工程の工程図である。この発明の実施の形態２におけるステータ鉄心の模式図である。この発明の実施の形態３における円形鋼板の打ち抜き工程の工程図である。この発明の実施の形態３におけるステータ鉄心の模式図である。この発明の実施の形態４における円形鋼板の打ち抜き工程の工程図である。この発明の実施の形態４におけるステータの模式図である。この発明の実施の形態５における円形鋼板の打ち抜き工程の工程図である。この発明の実施の形態５における打ち抜き領域の説明図である。この発明の実施の形態５におけるステータの模式図である。この発明の実施の形態６における鋼板の打ち抜き工程の説明図である。この発明の実施の形態６における試験片の比較表である。この発明の実施の形態６における各試験片の特性図である。この発明の実施の形態６における円形鋼板の模式図である。この発明の実施の形態６における各試験片の特性図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る回転電機を模式的に示す横断面図である。図１において、回転電機１は、円環状のステータ２と、ステータ２の内側に微小なギャップを介して配置されステータ２に対して回転可能なロータ３と、ロータ３と一体となった回転軸（シャフト）４とで構成されている。

ステータ２は、円環状のコアバック部５とこのコアバック部５から径方向の内側に延び周方向に１２個のスロット６で等間隔に区分けされたティース７とを有するステータ鉄心８、およびスロット６内に装着されたステータ巻線９で構成されている。ロータ３は、ロータ鉄心１０およびこのロータ鉄心１０に埋め込まれた８個の永久磁石１１で構成されている。

図２は、本実施の形態に係る回転電機を模式的に示す縦断面図である。ステータ鉄心８とロータ鉄心１０とは同じ高さであり、シャフト４はロータ鉄心１０より突出している。ステータ巻線９は、ステータ鉄心８のティース７に巻き回されている。また、ステータ鉄心８は、図２に示すように、円環状の円形鋼板２１が積層されて構成されている。円形鋼板２１の形状は、図１に示すステータ２の横断面形状と同じである。また、同様にロータ鉄心１０も円形鋼板が積層された構造である。

なお、本実施の形態では、ステータのスロット数を１２、ロータの極数を８としているが、特に限定するものではない。また、ロータについては、ロータ鉄心内に永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み型ロータを用いているが、ロータ鉄心の表面に磁石を貼り付けた表面磁石型ロータでもよい。また、ロータ鉄心は円形鋼板が積層された構造としたが、必ずしも積層構造である必要はない。さらには、誘導機等の磁石を用いないロータでもよい。

初めにステータ鉄心８に用いられる円形鋼板２１の加工方法について説明する。

図３は、本実施の形態におけるステータ鉄心８に用いられる円形鋼板の打ち抜き工程の模式図である。図３に示すように、鋼板３１に対して第一工程から順次第四工程までの工程によって円形鋼板が形成される。図３において、斜線部はパンチによって抜き落とされる領域を示し、太線部がせん断加工を施している部分を示している。パンチは図３の紙面の表面側から紙面の裏面側に打ち抜くとする。

第一工程では、位置決め基準であるパイロット穴３２と円形のステータの内径部３３とが打ち抜かれる。第二工程では、スロット３４が打ち抜かれる。第三工程では、円形鋼板の外周部のうち第１外径部３５となる部分が打ち抜かれる。第四工程では、円形鋼板の外周部のうち第１外径部の残りとなる第２外径部３６が打ち抜かれる。第三工程で打ち抜かれる第１外径部３５の径と、第四工程で打ち抜かれる第２外径部３６の径とは等しく設定されている。後述するように、このような工程で作製された円形鋼板においては、内径部３３の切断面におけるせん断面から破断面への向きが同じとなる切断面をもつのが第１外径部３５となり、その向きが逆となる断面をもつのが第２外径部３６となる。

本実施の形態において、第１外径部の少なくとも一つの中心角は、３６０°／ｎよりも大きく、かつ第１外径部の中心角の総和は、前記第２外径部の中心角の総和よりも大きく設定している。

図４は、本実施の形態における比較のための従来のステータ鉄心８に用いられる円形鋼板２１の打ち抜き工程の模式図である。図４に示すように、鋼板３１に対して第一工程から順次第三工程までの工程によって円形鋼板が形成される。図４における斜線部や太線部は、図３と同様である。第一工程および第二工程は、図３で示した工程と同様である。第三工程において、円形鋼板の外周部４１は一回の工程で全周が打ち抜かれる。

次に、打ち抜き加工における鋼板の変形について説明する。

図５は、プレス打ち抜き工程における鋼板の変形を説明する説明図である。図５（ａ）に示すように、鋼板５１は、ダイ５２に支えられ、鋼板５１を介してダイ５２と対向して設置される押さえ板５３で押さえつけられており、パンチ５４によって打ち抜かれる。ここで、ダイ５２の上部にあり押さえ板５３で押えられている鋼板５１の部分を鋼板部材Ａとし、パンチ５４の下方にある鋼板５１の部分を鋼板部材Ｂとする。

図５（ｂ）に示すように、パンチ５４が鋼板５１に接触したあとに、パンチ５４の刃先が鋼板５１に押し込まれ鋼板５１がパンチ５４の刃先の下方に引き込まれることにより、鋼板５１の切断面の上部に「だれ」呼ばれる部分が形成される。次に図５（ｃ）に示すように、鋼板５１へパンチ５４の侵入が進むと切断面にせん断すべりが生じ、パンチ下方の鋼板部材Ｂはダイ５２側に押し込まれ、ダイ上部の鋼板部材Ａはパンチ５４の周囲に押し出されることにより、切断面にはせん断面が形成される。その後、図５（ｄ）に示すように、パンチ５４にかかる荷重がせん断荷重を超えるとパンチ５４の刃先近傍から亀裂が発生し、切断面には破断面が形成される。

図６は、本実施の形態における鋼板の切断面の模式図である。図６（ａ）は鋼板部材Ａの切断面を表し、図６（ｂ）は鋼板部材Ｂの切断面を表している。ここで、プレス打ち抜き工程における鋼板において、パンチ５４に対向する側を表、ダイ５２に対向する側を裏と定義する。図３および図４においては、紙面の表面側が表であり、図５および図６においては、上方側が表である。

鋼板部材Ａの切断面では、せん断面６１から破断面６２への方向が鋼板表面から裏面方向となるのに対し、鋼板部材Ｂの切断面では、せん断面６１から破断面６２への方向が鋼板裏面から表面方向となり、鋼板部材Ａと鋼板部材Ｂとでは切断面におけるせん断面と破断面との順番が逆になる。また、だれ６３が形成される位置も逆になる。

また、鋼板部材Ａはダイ５２に支えられており、かつ押さえ板がある状態で打ち抜かれるため、打ち抜き時に曲げ応力は発生せず残留応力も比較的小さい。これに対して、鋼板部材Ｂはダイ５２による支えがない状態で打ち抜かれるため、曲げ応力が発生し鋼板部材Ａよりも広い範囲に残留応力が分布する。鋼板部材Ａの残留応力は打ち抜き端面から板厚の半分程度の距離にまで分布するのに対し、鋼板部材Ｂの残留応力は打ち抜き端面から板厚の倍程度の距離にまで分布する。

図７は、本実施の形態に係る回転電機の円形鋼板２１のプレス打ち抜き工程の説明図である。図７（ａ）は、図３のＡ−Ａ’断面図、図７（ｂ）は、図３のＢ−Ｂ’断面図、図７（ｃ）は、図３のＣ−Ｃ’断面図である。図７において、円形鋼板２１となる鋼板部材の部分は斜線で示している。

図７（ａ）に示すように、円形鋼板２１の内径部となる端部の切断面では、せん断面から破断面への方向は鋼板表面から裏面となる（図６（ａ）参照）。図７（ｂ）に示すように、円形鋼板２１の第１外径部となる端部の切断面では、せん断面から破断面への方向は鋼板表面から裏面となる（図６（ａ）参照）。図７（ｃ）に示すように、円形鋼板２１の第２外径部となる端部の切断面では、せん断面から破断面への方向は鋼板裏面から表面となる（図６（ｂ）参照）。

この結果、内径端部および第１外径部の外径端部の円形鋼板の厚み方向におけるせん断面と破断面との並び順と、第２外径部の外径端部の円形鋼板の厚み方向におけるせん断面と破断面との並び順とが逆となる。

つまり、内径端部および第１外径部の外径端部は、図６（ａ）で示した鋼板部材Ａの切断面と同じである。図６で説明したとおり、鋼板部材Ａはダイに支えられており、かつ押さえ板がある状態で打ち抜かれるため、内径端部および第１外径部の外径端部は、打ち抜き時に曲げ応力は発生せず残留応力も比較的に小さい。一方、第２外径部の外径端部は、図６（ｂ）で示した鋼板部材Ｂの切断面と同じである。鋼板部材Ｂはダイによる支えがない状態で打ち抜かれるため、第２外径部の外径端部は曲げ応力が発生し、内径端部および第１外径部の外径端部よりも広い範囲に残留応力が分布する。

一方、図４で示した従来の円形鋼板の打ち抜き工程では、第三工程において、円形鋼板の外周部４１は一回の工程で全周が打ち抜かれているので、円形鋼板の外周端部はすべて図６（ｂ）で示した鋼板部材Ｂの切断面と同じとなる。その結果、円形鋼板の外周端部はすべて内径端部よりも広い範囲に残留応力が分布する。

このように、本実施の形態における円形鋼板は、内径端部および前第１外径部の外径端部の残留応力が、第２外径部の外径端部の残留応力より小さく、第１外径部の少なくとも一つの中心角は、３６０°／ｎよりも大きく、かつ第１外径部の中心角の総和は、第２外径部の中心角の総和よりも大きくしている。

図８は、本実施の形態に係るステータ鉄心の模式図である。ステータ鉄心８は、これまで説明した円形鋼板２１が積層されて構成されている。円形鋼板２１は、その第１外径部３５および第２外径部３６がそれぞれ重なるように積層されている。図８において、第１外径部を太線で、第２外径部を細線で示している。第１外径部の少なくとも一つの中心角αは、３６０°／ｎよりも大きく、かつ第１外径部の中心角αの総和は、第２外径部の中心角βの総和よりも大きくなっている。

このように構成されたステータ鉄心は、従来の円形鋼板の打ち抜き工程で作製された円形鋼板を用いた従来のステータ鉄心に比べてコアバック全周に残る円形鋼板の打ち抜き工程で生じる残留応力を少なくすることができる。その結果、逆押えを用いることなく、円形鋼板の外径抜き落としによる残留応力の少ない回転電機のステータ鉄心を得ることができる。

なお、本実施の形態において、円形鋼板を積層してステータ鉄心を構成する際に、円形鋼板の第１外径部および第２外径部がそれぞれ重なるように積層しているが、必ずしもそれぞれの外径部が重なる必要はない。ステータ鉄心の軸方向にスロットとティースとが形成できるのであれば、円形鋼板の第１外径部および第２外径部は積層方向に分布させてもよい。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る円形鋼板の打ち抜き工程の工程図である。図９に示すように、鋼板３１に対して第一工程から順次第五工程までの工程によって円形鋼板２１が形成される。図９において、斜線部はパンチによって抜き落とされる領域を示し、太線部がせん断加工を施している部分を示している。パンチは図９の紙面の表面側から紙面の裏面側に打ち抜くとする。

本実施の形態においては、実施の形態１の図３で示した円形鋼板２１の打ち抜き工程の第三工程と第四工程との間にカシメ穴を加工する工程を追加したものである。図９において、第一工程では、位置決め基準であるパイロット穴３２と円形のステータの内径部３３とが打ち抜かれる。第二工程では、スロット３４が打ち抜かれる。第三工程では、円形鋼板２１の外周部のうち第１外径部３５となる部分が打ち抜かれる。第四工程では、円形鋼板２１の第１外径部３５が打ち抜かれた部分のコアバック部以外のコアバック部にカシメ部となるカシメ穴３７が加工される。第五工程では、円形鋼板の外周部のうち第１外径部の残りとなる第２外径部３６が打ち抜かれる。第三工程で打ち抜かれる第１外径部３５の径と、第四工程で打ち抜かれる第２外径部３６の径とは等しく設定されている。なお、カシメ穴３７は貫通孔ではなく、円形の凹部形状である。

本実施の形態において、第１外径部の少なくとも一つの中心角αは、３６０°／ｎよりも大きく、かつ第１外径部の中心角αの総和は、前記第２外径部の中心角βの総和よりも大きく設定している。

図１０は、本実施の形態に係るステータ鉄心の模式図である。ステータ鉄心８は、これまで説明した円形鋼板２１が積層されて構成されている。円形鋼板２１は、その第１外径部３５および第２外径部３６がそれぞれ重なるように積層されている。図１０において、第１外径部を太線で、第２外径部を細線で示している。また、カシメ穴３７は、すべて第２外径部の中心角内のコアバック部５に設けられている。積層した円形鋼板２１を一体化するカシメ加工はカシメ穴３７で行われる。

このように構成された円形鋼板の打ち抜き工程で形成された円形鋼板においては、第２外径部のコアバック部５は第五工程であるステータ外径部打ち抜きによって既に残留応力が大きいので、カシメ加工による応力劣化の影響は小さい。一方、第１外径部のコアバック部は第三工程の打ち抜きによる残留応力の影響が小さいため、仮にカシメ穴３７が、第１外径部の中心角内のコアバック部に設けられている場合はカシメ加工による応力劣化の影響が大きい。

本実施の形態のように、円形鋼板２１のカシメ穴３７がすべて第２外径部の中心角内のコアバック部５に設けられているので、カシメ加工時に発生する応力劣化を第２外径部に集中させることができ、残留応力の少ない第１外径部の応力劣化を抑えることができる。

また、このように構成されたステータ鉄心は、実施の形態１と同様に、従来の円形鋼板の打ち抜き工程で作製された円形鋼板を用いた従来のステータ鉄心に比べてコアバック全周に残る円形鋼板の打ち抜き工程で生じる残留応力を少なくすることができる。その結果、逆押えを用いることなく、円形鋼板の外径抜き落としによる残留応力の少ない回転電機のステータ鉄心を得ることができる。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る円形鋼板の打ち抜き工程の工程図である。図１１に示すように、鋼板３１に対して第一工程から順次第四工程までの工程によって円形鋼板２１が形成される。図１１において、斜線部はパンチによって抜き落とされる領域を示し、太線部がせん断加工を施している部分を示している。パンチは図１１の紙面の表面側から紙面の裏面側に打ち抜くとする。

本実施の形態においては、実施の形態１の図３で示した円形鋼板２１の打ち抜き工程と同様であるが、第三工程において円形鋼板２１の外周部のうち第１外径部３５の打ち抜き領域を回転非対称に設定したものである。それ以外の工程は、実施の形態１と同様である。このようにすることで、第１外径部の中心角αおよび第２外径部の中心角βの少なくとも一つは、他の第１外径部の中心角および他の第２外径部の中心角と異なるものとなる。

図１２は、本実施の形態に係るステータ鉄心の模式図である。ステータ鉄心８は、これまで説明した円形鋼板２１が積層されて構成されている。円形鋼板２１は、その第１外径部３５および第２外径部３６がそれぞれ重なるように積層されている。図１２において、第１外径部を太線で、第２外径部を細線で示している。本実施の形態のステータ鉄心８では、第１外径部の中心角αおよび第２外径部の中心角βの少なくとも一つは、他の第１外径部の中心角および他の第２外径部の中心角と異なっている。

通常、回転電機のステータのスロット数をＱ、ロータの極数をＰとした時に、ステータの磁気抵抗に｜Ｐ±Ｑ｜次の回転対称性が生じた場合に、１回転当たりの脈動の数が極数と同一となるコギングトルク成分が発生する。例えば、円形鋼板の圧延方向と圧延直交方向の磁気特性の違い、打ち抜き時の工作誤差およびフレームに圧入する際の締め付け応力の分布等によって磁気抵抗の回転対称性が生じ、その回転対称性のステータの周方向における空間分布が｜Ｐ±Ｑ｜次となった時に前述のコギングトルク成分が発生する。

本実施の形態のように、ステータ鉄心の第１外径部の中心角αおよび第２外径部の中心角βの少なくとも一つを、他の第１外径部の中心角および他の第２外径部の中心角と異なるように構成することで、ステータのコアバック部の応力劣化の回転対称性がなくなり、前述のコギングトルク成分の発生を抑制することができる。

なお、ステータの磁気抵抗に回転対称性が残る場合でも、回転対称性のステータの周方向における空間分布が｜Ｐ±Ｑ｜次でなければよい。

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係る円形鋼板の打ち抜き工程の工程図である。図１３に示すように、鋼板３１に対して第一工程から順次第四工程までの工程によって円形鋼板２１が形成される。図１３において、斜線部はパンチによって抜き落とされる領域を示し、太線部がせん断加工を施している部分を示している。パンチは図１３の紙面の表面側から紙面の裏面側に打ち抜くとする。

本実施の形態においては、実施の形態１の図３で示した円形鋼板２１の打ち抜き工程と同様であるが、第三工程で打ち抜かれる第１外径部３５の径よりも、第四工程で打ち抜かれる第２外径部３６の径が大きく設定されている。このようにすることで、第１外径部の外径よりも第２外径部の外径が大きくなる。

図１４は、本実施の形態に係るステータの模式図である。本実施の形態におけるステータ７１は、ステータ鉄心８の外周部をフレーム７２で固定したものである。フレーム７２は、内部に円筒状の空洞が形成されており、この空洞部にステータ８が締め付けられて固定されている。

ステータ鉄心８は、これまで説明した円形鋼板２１が積層されて構成されている。円形鋼板２１は、その第１外径部３５および第２外径部３６がそれぞれ重なるように積層されている。図１４において、第１外径部を太線で、第２外径部を細線で示している。第１外径部の少なくとも一つの中心角αは、３６０°／ｎよりも大きく、かつ第１外径部の中心角αの総和は、第２外径部の中心角βの総和よりも大きくなっている。また、第２外径部の外径は、第１外径部の外径よりも大きく設定されている。したがって、ステータ鉄心８とフレーム７２とは、ステータ鉄心８の第２外径部がフレーム７２の内周部と接触して固定されている。ステータ鉄心８の第１外径部とフレーム７２の空洞部との間は空隙となる。

このように構成されたステータにおいては、ステータ鉄心８がフレーム７２に締め付けられて固定される際に、残留応力の多い第２外径部で締め付けられ、残留応力の少ない第１外径部では締め付けられない。つまり、締め付け加工による応力は第２外径部のみにかかることになり、第１外径部は締め付け加工による応力劣化の影響を受けないので、残留応力の少ない部分の締め付け加工による応力劣化を防ぐことができる。

その結果、フレームを備えたステータにおいて、ステータ作製時の締め付け加工による応力劣化は残留応力の多い第２外径部に集中させることができ、残留応力の少ない第１外径部の応力劣化を回避できるので、このステータを用いた回転電機の効率が向上する。

また、このように構成されたステータは、実施の形態１と同様に、従来の円形鋼板の打ち抜き工程で作製された円形鋼板を用いた従来のステータに比べてコアバック全周に残る円形鋼板の打ち抜き工程で生じる残留応力を少なくすることができる。その結果、逆押えを用いることなく、円形鋼板の外径抜き落としによる残留応力の少ない回転電機のステータを得ることができる。

なお、本実施の形態において、円形鋼板を積層してステータ鉄心を構成する際に、円形鋼板の第１外径部および第２外径部がそれぞれ重なるように積層しているが、必ずしもそれぞれの外径部が重なる必要はない。ステータ鉄心の軸方向にスロットとティースとが形成できるのであれば、円形鋼板の第１外径部および第２外径部は積層方向に分布してもよい。第２外径部が積層方向に分布している場合、ステータ鉄心がフレームに締め付けられて固定される際に、フレームの空洞部と接触する第２外径部が積層方向に分布することになるので、ステータ鉄心の締め付け加工による応力劣化部分を軸方向に分散させることができる。

実施の形態５．
図１５は、実施の形態４に係る円形鋼板の打ち抜き工程の工程図である。図１５に示すように、鋼板３１に対して第一工程から順次第四工程までの工程によって円形鋼板２１が形成される。図１５において、斜線部はパンチによって抜き落とされる領域を示し、太線部がせん断加工を施している部分を示している。パンチは図１５の紙面の表面側から紙面の裏面側に打ち抜くとする。

本実施の形態においては、実施の形態１の図３で示した円形鋼板２１の打ち抜き工程と同様であるが、第三工程で打ち抜かれる第１外径部３５の径よりも、第四工程で打ち抜かれる第２外径部３６の径が大きく設定されている。このようにすることで、第１外径部の外径よりも第２外径部の外径が大きくなる。また、第三工程にける第１外径部の外径を打ち抜く領域において、その打ち抜き領域の内径側の中心角に対して外径側の中心角が小さく設定されている。

図１６は、第三工程における第１外径部の打ち抜き領域を示した説明図である。図１６において、斜線部が打ち抜き領域７５であるが、この打ち抜き領域７５の内径側の中心角γに対して、外径側の中心角δが小さく設定されている。また、この第三工程の後の第四工程では、第２外径部３６の径が第１外径部３５の径よりも大きく設定されている。このような工程で得られた円形鋼板２１では、第１外径部の中心角αと第２外径部の中心角βとの総和が３６０°を超えることになる。

図１７は、本実施の形態に係るステータの模式図である。本実施の形態におけるステータ７１は、ステータ鉄心８の外周部をフレーム７２で固定したものである。フレーム７２は、内部に円筒状の空洞が形成されており、この空洞部にステータ８が締め付けられて固定されている。

ステータ鉄心８は、これまで説明した円形鋼板２１が積層されて構成されている。円形鋼板２１は、その第１外径部３５および第２外径部３６がそれぞれ重なるように積層されている。図１７において、第１外径部を太線で、第２外径部を細線で示している。第１外径部の少なくとも一つの中心角αは、３６０°／ｎよりも大きく、かつ第１外径部の中心角αの総和は、第２外径部の中心角βの総和よりも大きくなっている。また、第２外径部の外径は、第１外径部の外径よりも大きく設定されている。したがって、ステータ鉄心８とフレーム７２とは、ステータ鉄心８の第２外径部がフレーム７２の内周部と接触して固定されている。ステータ鉄心８の第１外径部とフレーム７２の空洞部との間は空隙となる。さらには、第２外径部の外周部分は、第１外径部の外周部分の外側にはみ出るように伸びており、実施の形態４の図１４に示したステータに比べて、第２外径部とフレームとの接触面積が拡大している。

このように構成されたステータ７１においては、ステータ鉄心８がフレーム７２に締め付けられて固定される際に、残留応力の多い第２外径部で締め付けられ、残留応力の少ない第１外径部では締め付けられない。つまり、締め付け加工による応力は第２外径部のみにかかることになり、第１外径部は締め付け加工による応力劣化の影響を受けないので、残留応力の少ない部分の締め付け加工による応力劣化を防ぐことができる。

さらには、第２外径部とフレーム７２との接触面積が拡大するので、ステータ鉄心およびステータ巻線から発生する熱を効率よくフレーム側に逃がすことができ、回転電機をさらに高出力にすることができる。

実施の形態６．
実施の形態１で説明した円形鋼板の製造方法において、図６（ａ）に示した鋼板部材Ａはダイに支えられており、かつ押さえ板がある状態で打ち抜かれるため、打ち抜き時に曲げ応力は発生せず残留応力も比較的小さい。これに対して、鋼板部材Ｂはダイによる支えがない状態で打ち抜かれるため、曲げ応力が発生し鋼板部材Ａよりも広い範囲に残留応力が分布する。実施の形態６においては、鋼板部材Ａの破断面における磁気劣化領域をさらに検討した結果、プレス打ち抜き工程において、磁気劣化領域をさらに抑制する条件を見出したものである。

図１８は、実施の形態６におけるプレス打ち抜き工程における鋼板の変形を説明する説明図である。図１８（ａ）に示すように、鋼板５１は、ダイ５２に支えられ、鋼板５１を介してダイ５２と対向して設置される押さえ板５３で押さえつけられており、パンチ５４によって打ち抜かれる。図１８（ｄ）に示すように、パンチ５４にかかる荷重がせん断荷重を超えるとパンチ５４の刃先ならびダイ５２の刃先近傍から鋼板５１に亀裂（図示せず）が発生し、パンチ５４が更に押し込まれると鋼板の上下で発生した亀裂がつながり打ち抜き加工が終了する。

ここで、打ち抜き工程において、機械の動作ばらつきなどを考慮してパンチ５４がダイ５２と接触することを確実に避けるために、図１８（ａ）に示すように、ダイ５２の端部とパンチ５４との間には、ギャップ５５が設定されている。一般的にこのギャップは、プレス加工する鋼板の厚みに関係して設定されており、ギャップを鋼板の厚みで除した比をクリアランスと称している。クリアランスの値により切断面の状態や金型刃先の寿命が変わることはよく知られており、その値は電磁鋼板（珪素鋼板）では厚みの７〜１１％に設定されるのが一般的である。したがって、鋼板の厚みにクリアランスを乗ずることでギャップが設定される。

回転電機の円形鋼板としては、一般的に電磁鋼板が用いられるが、電磁鋼板の打ち抜き加工でのクリアランスと磁気特性の関係を定量的に検討した例は見当たらない。本実施の形態では、鋼板の板厚や加工形状およびクリアランスの関係から磁気特性劣化の少ない加工条件を見出したものである。

板厚０．２０ｍｍおよびと０．３５ｍｍの電磁鋼板において、試料長さ２００ｍｍ、幅６ｍｍおよび１０ｍｍの短冊状の試料片を用意した。これらの試料片の長手方向は電磁鋼板の圧延方向と一致させている。試料片の幅方向の端部をクリアランスを変えて打ち抜き加工して、板幅、板厚およびクリアランスの異なる試料を作製した。これらの試料を単板磁気試験器にて１．５Ｔ、５０Ｈｚの励磁条件で鉄損を測定し、無歪み試験片（打ち抜き加工せず）の鉄損値を基準としてその値からの変化率を測定した。

図１９は、本実施の形態における試験片の条件を示した比較表である。試験片の板厚は０．２ｍｍおよび０．３５ｍｍであり、それぞれの板厚において試験片の幅は６ｍｍおよび１０ｍｍである。これらの試験片を用いてクリアランス３、５、７および９％で打ち抜き加工を行った。図１９の比較表中の数字は、板厚とクリアランスとから決まるギャップを示している。

図２０は、図１９に示した各試験片における鉄損の変化率を示した特性図である。図２０において、横軸は各試験片の磁路幅と板厚との比であり、縦軸は鉄損の変化率である。ここで磁路幅とは、回転電機の分野で用いられる用語であり、磁束が通過する鋼板の幅を意味する。本実施の形態では、打ち抜き加工される際の切断面に垂直な方向の試験片の幅を意味し、本実施の形態の試験片ではその幅（６ｍｍ、１０ｍｍ）とする。図２１は、実施の形態１で説明したステータ鉄心となる円形鋼板の模式図である。図２１において、実際の回転電機においては、第１外径部３５の切断面に対するコアバック部の幅５６ａが磁路幅であり、スロット６の切断面に対するティースの幅５６ｂが磁路幅となる。

図２０から、同じクリアランスで比較すると磁路幅と板厚との比が小さいほど鉄損の変化率が大きく、同じ磁路幅と板厚との比で比較するとクリアランスが大きいほど鉄損の変化率が大きいことがわかる。

図２２は、各試験片における鉄損の変化率を示した特性図である。図２２において、横軸は各試験片のクリアランスであり、縦軸は鉄損の変化率である。図２２から、磁路幅と板厚との比が２８．６、３０、５０ではクリアランスの変化に対して鉄損の変化率にほとんど差はないが、磁路幅と板厚との比が１７．１４ではクリアランスが小さくなるにしたがって鉄損が小さくなることが分かる。したがって、磁路幅と板厚との比が２５未満の場合は、クリアランスの設定が重要となることが分かる。

磁路幅と板厚との比が１７．１４の場合（２５未満の場合）、クリアランスが５％と７％との間で鉄損の変化率の差は約４％である。鉄損の変化率の差が４％あると回転電機でのモータ効率は約０．１％低下し、損失として無視できなくなる。本実施の形態では、鉄損の変化率の差を２％以下に抑えるためにはクリアランスの上限は６％とする必要があることを見出した。また、クリアランスの下限は、金型刃先の摩耗を考慮しクリアランス３％とすることが望ましい。

したがって、図２１に示すステータ鉄心となる円形鋼板の打ち抜き加工において、スリット６や第１外径部３５の打ち抜き工程において、磁路幅と板厚と比が２５未満の場合、パンチとダイとの間のクリアランスを板厚の３〜６％に設定することで打ち抜き加工に伴う磁気特性の低下を最小化することができる。

この条件は、実施の形態１〜５で説明した円形鋼板の製造方法において適用することができる。

１回転電機、２ステータ、３ロータ、４回転軸（シャフト）
５コアバック部、６スロット、７ティース、８ステータ鉄心
９ステータ巻線、１０ロータ鉄心、１１永久磁石、２１円形鋼板
３１鋼板、３２パイロット穴、３３内径部、３４スロット
３５第１外径部、３６第２外径部、３７カシメ穴、４１外周部
５１鋼板、５２ダイ、５３押さえ板、５４パンチ
５５ギャップ、５６ａコアバック部の幅、５６ｂティースの幅
６１せん断面、６２破断面、６３だれ
７１ステータ、７２フレーム、７５打ち抜き領域

Claims

コアバック部と、前記コアバック部の内周側から径方向の内側に延び周方向に並べられたｎ個のティースとを備えた鋼板が積層された回転電機のステータ鉄心であって、
前記コアバック部の外周部を形成する外径部は、前記鋼板の厚み方向に垂直な断面の形状が円弧状の第１外径部と前記鋼板の厚み方向に垂直な断面の形状が円弧状の第２外径部とで構成されており、
前記ｎ個のティースの内径端部および前記第１外径部の外径端部の前記鋼板の厚み方向におけるせん断面と破断面との並び順と、
前記第２外径部の外径端部の前記鋼板の厚み方向におけるせん断面と破断面との並び順とが逆であり、
前記第２外径部の外径端部から残留応力が分布する距離は、前記第１外径部の外径端部から残留応力が分布する距離よりも大きく、
前記第１外径部の少なくとも一つの中心角は、３６０°／ｎよりも大きく、かつ
前記第１外径部の中心角の総和は、前記第２外径部の中心角の総和よりも大きく、
前記回転電機のステータ鉄心は、積層された前記鋼板のカシメ部でカシメにより構成されており、
前記カシメ部は、前記第２外径部の中心角の範囲内にある前記コアバック部に設けられた
回転電機のステータ鉄心。
前記第１外径部のそれぞれの中心角は、３６０°／ｎよりも大きい
請求項１に記載の回転電機のステータ鉄心。
前記第１外径部の中心角および前記第２外径部の中心角の少なくとも一つは、他の前記第１外径部の中心角および他の前記第２外径部の中心角と異なる
請求項１または２に記載の回転電機のステータ鉄心。
請求項１から３のいずれか１項に記載のステータ鉄心および
このステータ鉄心のティースに巻き回されたコイルを備えたステータと、
このステータのティースの内径側に対向して配置され前記ステータに対して回転するロータと
を備えた回転電機。
請求項１から３のいずれか１項に記載のステータ鉄心と、
このステータ鉄心の外周部で前記ステータ鉄心を固定するフレームと
を備えたステータ。
請求項５に記載のステータと、
このステータのティースの内径側に対向して配置され前記ステータに対して回転するロータと
を備えた回転電機。