JP6973196B2 - モータコアの焼鈍装置及びモータコアの焼鈍方法 - Google Patents

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板を素材とするモータコアの打ち抜きやかしめ、溶接等によるひずみを除去するための焼鈍を行う焼鈍装置及び該焼鈍装置を用いたモータコアの焼鈍方法に関するものである。

モータコア（motor core）には、モータ回転軸（出力軸、出力シャフト）回りに固定されて回転する回転子（rotor；ロータ）コアと、回転子コアと同軸でモータケースに固定され、モータ使用時には回転子の外周と自身の内周との電磁力の相互作用で回転子に回転力を生じさせる固定子（stator；ステータ）コアとがあるが、両者を総称してモータコアという場合もある。
無方向性電磁鋼板から所定形状に打ち抜かれた素材を多数枚積層し、かしめやビス止め、溶接等により固着して製作されるモータコア（鉄心）は、当該鋼板の打ち抜きの際や、かしめやビス止め、溶接等による固着の際に生じるひずみにより鉄損が悪化することから、通常、このひずみを除去するために、連続式またはバッチ式の焼鈍炉により所定の時間加熱される。焼鈍炉においては、例えば電熱ヒータなどからの輻射熱及び雰囲気ガスによる伝導熱により加熱される（特許文献１の背景技術を参照）。

また近年、電熱ヒータなど輻射加熱とは異なる焼鈍方法として、例えば特許文献１〜３等に開示されるような、誘導加熱を用いた方法が知られている。なお、特許文献１〜３に開示の方法では、モータコアの全体の焼鈍だけでなく、例えば特許文献１の「固定子コアの内周部のスロット（slot；鉄心溝）周辺の部分焼鈍」においても、当該モータコアの外側に設けられた誘導コイルにより加熱している。

特開昭６２−２７２８４３号公報 特開２００３−３４２６３７号公報 特開昭５８−１０４１２５号公報

ところで近年、高い生産性が求められるハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等の駆動モータや発電機のモータコアの生産においては、焼鈍時間を短縮することが求められている。しかしながら、電熱ヒータなどを用いた輻射加熱では、加熱時間の短縮には限界がある。また、輻射加熱による短時間焼鈍では、モータコアの高さ方向や、打ち抜き時のひずみが特に大きなティース（teeth；歯）部の奥と手前とで、温度分布が一様にならないという問題がある。

また、特許文献１〜３に開示される誘導加熱によるモータコアの焼鈍装置は、焼鈍すべきひずみが主に内周側に形成された固定子コアの焼鈍の場合でも、モータコアの外側に誘導コイルを配設していること等により、加熱に時間を要するため、焼鈍の短時間化には限界があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、モータコアを構成する電磁鋼板の打ち抜きの際や、かしめやビス止め、溶接等による固着の際に生じたひずみを除去するためのモータコアの焼鈍を、短時間で行うことを目的としている。

前記の目的を達成するための本発明は、打ち抜き後の電磁鋼板を積層して形成されるモータコアを１個または複数個積層して焼鈍する装置であって、前記１個または複数個積層したモータコア（以下、複数個の場合も含め単に被焼鈍モータコアという。）の外方に当該被焼鈍モータコアと同心円状に配置され、前記被焼鈍モータコアより前記電磁鋼板の積層方向（モータコアの軸方向に一致し、以下、軸方向という。）の厚さが小さい環状の外側誘導コイル、及び、前記被焼鈍モータコアの内方に当該被焼鈍モータコアと同心円状に配置され、前記被焼鈍モータコアより前記軸方向の厚さが小さい環状の内側誘導コイルのうちのいずれか一方または双方を有し、さらに、前記外側誘導コイル及び／または前記内側誘導コイルに交流電流を印加する交流電源と、前記外側誘導コイル及び／または前記内側誘導コイルと前記被焼鈍モータコアとの前記軸方向の相対位置を変化させる移動機構と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、積層され、かしめやビス止め、溶接等により固着されてモータコア状となった打ち抜き後の電磁鋼板を、その用途に応じて、誘導加熱により加熱し、モータコア用電磁鋼板の打ち抜きの際や、かしめやビス止め、溶接等による固着の際に生じたひずみを除去するための焼鈍を、短時間で行うことができる。また、外側誘導コイル及び内側誘導コイルの軸方向の厚さが被焼鈍モータコアより小さいため、交流電源の電源容量を小さくすることができる。なお、本発明が対象とするモータコアは、固定子コア（ステータ）、回転子コア（ロータ）のいずれも含むものである。

さらに、例えば印加する交流電流の周波数を調整することで、表皮効果により渦電流の浸透深さを調整したり、外側誘導コイル及び内側誘導コイルにより発生する磁束を制御することで、加熱する部位を調整することができるので、例えばティース部（図３等参照）の奥と手前といった、輻射加熱では温度分布の制御が困難な箇所についても、最適な条件で焼鈍を行うことができる。

前記移動機構は、前記被焼鈍モータコアを軸方向に移動させてもよい。例えば、被焼鈍モータコアが軸方向を鉛直方向になるようにして水平方向の載置板に載置されるように構成される場合、この載置板を前記軸方向に移動させるようにしてもよい。

前記移動機構は、少なくとも前記被焼鈍モータコアのスロットが形成された側に対向する側の誘導コイルを軸方向に移動させてもよい。

前記外側誘導コイル及び前記内側誘導コイルの双方を有する場合、前記移動機構は、前記外側誘導コイルと、前記内側誘導コイルとを同期させて前記軸方向に移動させてもよい。

前記外側誘導コイル及び前記内側誘導コイルの双方を有する場合、前記交流電源は、前記外側誘導コイルと内側誘導コイルとで囲まれる領域内に、同方向の交流磁束を発生させるように、前記外側誘導コイル及び内側誘導コイルに交流電流を印加してもよい、

前記外側誘導コイル及び前記内側誘導コイルの双方を有する場合、前記外側誘導コイルと前記内側誘導コイルは、前記交流電源に対して直列の回路を形成するように接続されていてもよい。

前記交流電源により印加される交流電流の周波数は、１０ｋＨｚ以上であってもよい。

前記被焼鈍モータコアを内部に収容する焼鈍雰囲気調整用の隔壁と、前記隔壁の外方または内方を覆う断熱材と、をさらに有していてもよい。

前記外側誘導コイル及び／または前記内側誘導コイルにより加熱された被焼鈍モータコアの加熱部を冷却する冷却装置を有していてもよい。

前記被焼鈍モータコアと前記外側誘導コイル及び／または前記内側誘導コイルとを相対的に回転する回転駆動機構を有していてもよい。

別な観点による本発明は、上記モータコアの焼鈍装置を用いて前記被焼鈍モータコアの外周面及び／または内周面に導入されているひずみを除去するモータコアの焼鈍方法であって、前記ひずみの導入深さに応じた下記式（１）における浸透深さδとなるように決定された交流電源の周波数ｆの交流電流により、前記被焼鈍モータコアを誘導加熱し、前記被焼鈍モータコアの外周面及び／または内周面を７５０〜８５０℃になるまで昇温させることを特徴としている。
δ＝５０３×（ρ／（μ・ｆ））^１／２ …（１）
ここで、
δ：誘導加熱を生じさせる渦電流の浸透深さ（ｍ）
ρ：前記被焼鈍モータコアの体積抵抗率（１０ｎΩ・ｍ）
μ：前記被焼鈍モータコアの比透磁率
ｆ：前記交流電源により印加される交流電流の周波数（Ｈｚ）である。

前記被焼鈍モータコアの内部の温度を５００℃以下に抑えながら前記外周面及び／または内周面を７５０〜８５０℃になるまで昇温させてもよい。

本発明によれば、モータコアを構成する電磁鋼板の打ち抜きの際や、かしめやビス止め、溶接等による固着の際に生じたひずみを除去するためのモータコアの焼鈍を、短時間で行うことができる。

本発明の第１実施形態にかかる焼鈍装置の構成の概略を示す縦断面図である。 外側誘導コイル及び内側誘導コイルの間に被焼鈍モータコアを配置した状態を示す斜視図である。 モータコアを貫通孔方向から見た上面図で、周方向の一部を切り出した部分上面図である。 本発明の第１実施形態にかかる内側載置台、中間載置台及び外側載置台の説明図である。 モータコアの一部を切り出して斜めから見た説明図である。 モータコアの一部を切り出して斜めから見た説明図である。 モータコアの一部を切り出して斜めから見た説明図である。 モータコアの一部を切り出して斜めから見た説明図である。 本発明の第２実施形態にかかる焼鈍装置の構成の概略を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる焼鈍装置が備える回転駆動部の説明図である。 本発明の第３実施形態にかかる焼鈍装置の構成の概略を示す縦断面図である。 第３実施形態にかかる焼鈍装置を用いた焼鈍処理を説明するためのものであって、焼鈍装置の隔壁内の様子を示す図である。 第３実施形態にかかる焼鈍装置を用いた焼鈍処理を説明するためのものであって、焼鈍装置の隔壁内の様子を示す図である。 本発明の第４実施形態にかかる焼鈍装置の構成の概略を示す縦断面図である。 本発明の第４実施形態にかかる焼鈍装置により焼鈍された被焼鈍モータコアの部位による温度履歴の差異を示す図である。 交流電流の周波数と発熱密度及び表面からの深さの関係を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる焼鈍装置の構成の概略を示す縦断面図である。図２は、外側誘導コイル及び内側誘導コイルの間に被焼鈍モータコア（焼鈍対象のモータコアを１個または複数個軸方向にならべたモータコアの集合体をいう場合と、被焼鈍モータコアが占める領域であり、装置の説明の便宜上、その領域にあたかも被焼鈍モータコアが存在するものとして扱う場合とがある。）を配置した状態を示す概略斜視図である。図３は一般的なモータコア（固定子コア）の一部を部分上面図で模式的に示す図である。なお、モータコアには、モータ回転軸側の回転子コアとその外側の固定子コアがあり、以下の説明では主に固定子コアの焼鈍を例にして説明するが、本発明は回転子コアの焼鈍にも適用できることから両者を区別する必要はなく、両者を総称するモータコアの用語を用いている。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１の焼鈍装置１は、無方向性電磁鋼板から所定形状に打ち抜かれた素材を複数枚積層し、かしめやビス止め、溶接等により固着して製作されたモータコアＣの焼鈍を行い、打ち抜きの際や、かしめやビス止め、溶接等による固着の際に生じたひずみ（以下、「打ち抜き等によるひずみ」という場合がある。）を除去するものである。この焼鈍装置１は、加熱用誘導コイル１０と、当該加熱用誘導コイル１０の外方を囲う焼鈍雰囲気調整用の隔壁１１と、隔壁１１の外方を囲う断熱材１２を有している。

隔壁１１は、例えば下面が開口した略円筒形状の蓋部１１ａと、上面が開口した有底の容器部１１ｂを有しており、例えば水封により隔壁１１の内部を気密に維持することができる。蓋部１１ａには、隔壁１１の内部に例えば窒素などの雰囲気ガスを供給するガス供給管１３が接続されている。

容器部１１ｂには、外側誘導コイル及び内側誘導コイルと被焼鈍モータコアとの軸方向（図１のＺ方向。外側誘導コイル、内側誘導コイル、被焼鈍モータコアのいずれの軸方向も一致する。）の相対位置を変化させる移動機構の一例として、後述の内側載置台１４、中間載置台１５及び外側載置台１６が設けられている。これら載置台１４〜１６の詳細については後述するが、これら載置台１４〜１６のうち、被焼鈍モータコアＣが載置される中間載置台（以下、モータコア載置台ともいう。）１５は軸方向（図１のＺ方向）に沿って被焼鈍モータコアＣを移動可能に構成されている。

断熱材１２は、配設すればモータコアの焼鈍装置の熱効率を高めることができ好ましい。なお、断熱材１２の材質や形態等は特に限定されるものではなく、例えば公知の珪酸カルシウムやアルミナ等の無機系材料等の素材を綿状、布状、板状、発泡体状等の様々な形態に加工したものを用いることができる。また、図１では、断熱材１２の設置位置として隔壁１１の外方を囲うように配設されている例を示しているが、これに限らず、被焼鈍モータコアＣ、外側誘導コイル２０及び隔壁１１等と干渉しない位置であれば、隔壁１１の内方を覆うように配設されていてもよい。

加熱用誘導コイル１０は、例えば図２に示すように、被焼鈍モータコアＣの外方に、当該被焼鈍モータコアＣと同心円状に配置された環状の外側誘導コイル２０と、被焼鈍モータコアＣの内方に、当該被焼鈍モータコアＣと同心円状に配置された環状の内側誘導コイル２１と、を有している。なお、ここでのモータコアＣは、固定子コアであり円筒状に形成され、図３に示すように、該モータコアＣの内周部に等間隔で形成されたスロット（slot；鉄心溝）Ｃｃと、スロットＣｃ間に設けられた隔壁であるティース（teeth；歯）部Ｃａと、ティース部Ｃａの外周端を連結するバックヨーク（back yoke；後ヨーク、後継鉄）部Ｃｂとを有する。また、スロットＣｃは、モータコアＣにおける軸方向（図２のＺ方向。電磁鋼板の積層方向に一致。）の全長にわたって形成されている。

図１及び図２の説明に戻る。
外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１は共に、被焼鈍モータコアＣより軸方向の厚さが小さく形成されており、例えば、これらの厚さは被焼鈍モータコアＣの厚さの１／５である。

外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１には、交流電流を印加する交流電源３０が、例えば直列の回路を形成するように、換言すれば、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１とに印加する電流値を同じにするように接続されている。また、各外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１は、交流電流を印加することで、被焼鈍モータコアＣの軸方向（図２のＺ方向）に沿って磁束が発生するように構成されている。
交流電源３０は、例えば周波数可変に構成されており、本実施の形態では、例えば周波数１０ｋＨｚの交流電流を印加するように設定されている。なお、電源周波数可変の作用効果については後述する。

上述のように、外側誘導コイル２０、内側誘導コイル２１及び交流電源３０により被焼鈍モータコアＣの軸方向（図２のＺ方向）に沿って磁束が発生するため、被焼鈍モータコアＣに誘導電流が生じ、該誘導電流により被焼鈍モータコアＣを加熱することができる。特に、本実施の形態によれば、被焼鈍モータコアＣの外方に設けられた外側誘導コイル２０による誘導電流によって主として被焼鈍モータコアＣの外側部分を加熱し、内側誘導コイル２１による誘導電流によって主として被焼鈍モータコアＣの内側部分を加熱することで、後で図５〜図８を用いて詳述するように、被焼鈍モータコアＣの内周部と外周部の外表面の全域を、誘導加熱により浸透深さ（後述の式（１）、図１６等、参照。）に応じて加熱することができる。したがって、モータコアを構成する電磁鋼板の打ち抜きの際や、かしめやビス止め、溶接等による固着の際に生じたひずみは、モータコアの内周部と外周部の外表面の表層に局在しており、このような局在したひずみを除去するための焼鈍を、短時間で行うことができる。

なお、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１は、被焼鈍モータコアＣに比べて軸方向の厚さが薄く形成されているが、後述のように、被焼鈍モータコアＣが軸方向に移動可能であるため、すなわち、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１と被焼鈍モータコアＣとの軸方向の相対位置を変化させることが可能であるため、被焼鈍モータコアＣを軸方向全体にわたって加熱することができる。

続いて、外側誘導コイル及び内側誘導コイルと被焼鈍モータコアとの軸方向の相対位置を変化させる移動機構の一例である内側載置台１４、中間載置台１５及び外側載置台１６について、図４を用いて説明する。図４（Ａ）は、中間載置台１５による被焼鈍モータコアＣの軸方向への移動前の隔壁１１内の様子を示し、図４（Ｂ）は移動後の隔壁１１内の様子を示す。

図４の内側載置台１４、中間載置台１５及び外側載置台１６は、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１と被焼鈍モータコアＣとの軸方向の相対位置を変化させる移動機構を構成するが、本発明の移動機構はこれに限定されるものではない。

内側載置台１４は、内側誘導コイル２１が載置されるものであり、該誘導コイル２１が載置される載置板１４ａと、該載置板１４ａを支持する脚部１４ｂとを有する。

外側載置台１６は、外側誘導コイル２０が載置されるものであり、該外側誘導コイル２０が載置される載置板１６ａと、該載置板１６ａを支持する脚部１６ｂとを有する。なお、載置板１６ａにおける外側誘導コイル２０の載置面と、内側載置台１４の載置板１４ａにおける内側誘導コイル２１の載置面とは、その軸方向の高さが等しくなっている。

中間載置台１５は、被焼鈍モータコアＣが載置されるものであり、該被焼鈍モータコアＣが載置される載置板１５ａと、該載置板１５ａを支持する脚部１５ｂとを有する。内側載置台１４及び外側載置台１６の脚部１４ｂ、１６ｂの上記軸方向の長さは固定であるのに対し、中間載置台１５の脚部１５ｂは、被焼鈍モータコアＣの軸方向長さに応じて、例えば伸縮自在に構成され、その上記軸方向の長さは可変である。

被焼鈍モータコアＣを加熱する際は、まず、例えば、図４（Ａ）に示すように、被焼鈍モータコアＣの上記軸方向の上端部と外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１との上記軸方向の高さが一致している状態で、交流電源３０から外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１への電力供給を開始する。その後、脚部１５ｂを伸長させて、被焼鈍モータコアＣの上記軸方向の下端部が外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１に近づくように、被焼鈍モータコアＣが載置された載置板１５ａを、上記軸方向に沿って移動させる。すなわち、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１と被焼鈍モータコアＣとの上記軸方向の相対位置を変化させる。これにより、被焼鈍モータコアＣ全体が加熱されるようにする。そして、図４（Ｂ）に示すように、被焼鈍モータコアＣの下端部と外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１の下端部との上記軸方向の高さが一致するまで、載置板１５ａを移動させたところで、交流電源３０からの電力供給を停止し、被焼鈍モータコアＣの加熱が完了する。

このように、本実施形態の焼鈍装置１は、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１と被焼鈍モータコアＣとの軸方向の相対位置を変化させる移動機構を有するため、小型の誘導コイルで焼鈍することができる。言い換えると、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１として、被焼鈍モータコアより上記軸方向の厚さが小さいものを使用することができる。したがって、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１に電力を供給する交流電源３０の電源容量を小さくすることができる。例えば、外側誘導コイル及び内側誘導コイルの上記軸方向の厚さを被焼鈍モータコアと等しくしこれらの上記軸方向の位置関係を相対的に変化させない固定式の場合に１００ｋＷの電源が必要であるとする。この場合に、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１の上記軸方向の厚さを被焼鈍モータコアＣの１／５としてこれらの上記軸方向の位置関係を相対的に変化させる移動式で加熱した場合、必要な電源容量は２０ｋＷとなる。

なお、上述の例では、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１が載置された外側載置板１６ａ及び内側載置板１４ａの上記軸方向の位置を固定とし、被焼鈍モータコアＣが載置された中間載置板１５ａの上記軸方向の位置を可変としていたが、外側載置板１６ａ及び内側載置板１４ａの上記軸方向の位置を可変とし、中間載置板１５ａの上記軸方向の位置を固定としてもよい。また、外側載置板１６ａ、内側載置板１４ａ及び中間載置板１５ａの全てについて、上記軸方向の位置を可変としてもよい。外側載置板１６ａ及び内側載置板１４ａの上記軸方向の位置を可変とする場合、蓋部１１ａの上記軸方向の寸法を小さくすることができる。なお、外側載置板１６ａ及び内側載置板１４ａの上記軸方向の位置を可変とする場合、外側載置板１６ａと内側載置板１４ａとを同期させて上記軸方向に移動させることが好ましい。これにより効率的に加熱することができるからである。

次に、焼鈍装置１で被焼鈍モータコアＣの打ち抜き等によるひずみを除去するための誘導加熱を行う方法について、図５〜図８を用いて説明する。図５〜図８は、被焼鈍モータコアＣの周方向の１／９６、被焼鈍モータコアＣの軸方向（電磁鋼板積層方向）の１／５を切り出して斜めから見た図であり、スロットＣｃを挟んだティース部Ｃａのうちの片側、バックヨーク部Ｃｂを示している。また、ティース部Ｃａ側には内側誘導コイル２１を、バックヨーク部Ｃｂ側には外側誘導コイル２０を、それぞれ描図している。

外側誘導コイル２０に、高周波の電流Ｉａが、ある瞬間で例えばＹ方向の正方向に向かうように流れたときに、内側誘導コイル２１に、同じ瞬間に高周波の電流ＩｂがＹ方向の負方向に向かって流れるように、交流電源３０は加熱用誘導コイル１０に接続されている。
また、外側誘導コイル２０のアンペア巻数（アンペアターン）は、例えば１０００ＡＴ、内側誘導コイル２１のアンペア巻数は、例えば３０００ＡＴに設定されている。

そして、交流電源３０により加熱用誘導コイル１０に交流電流を印加すると、例えば図５に示すように、外側誘導コイル２０により、ある瞬間で被焼鈍モータコアＣの主にバックヨーク部Ｃｂを上から下に向かう方向（図５のＺ方向負方向）で通過する磁束Φａが発生する。また、内側誘導コイル２１により、同じ瞬間で被焼鈍モータコアＣの主にティース部Ｃａを通過するような、磁束Φａと同方向（図５のＺ方向負方向）の磁束Φｂが発生する。そうすると、磁束Φａと磁束Φｂの両方の密度が大きい被焼鈍モータコアＣ上面では、この磁束Φａと磁束Φｂとが強め合うと共に、該被焼鈍モータコアＣ上面に磁束Φａと磁束Φｂが垂直に進入する。その結果、例えば図６に示すように、被焼鈍モータコアＣの上面では、この磁束Φａと磁束Φｂとにより強め合う磁束を打ち消すべく、同じ瞬間でＹ方向に沿って互いに逆向きに、磁束Φａによる誘導電流Ｉｎ１ａと磁束Φｂによる誘導電流Ｉｎ１ｂとが流れる。また、内側誘導コイル２１による磁束Φｂにより、同じ瞬間でティース部Ｃａの表面（バックヨーク部Ｃｂの内周面を含む）では、磁束Φｂを打ち消すべくティース部Ｃａを周回するように誘導電流Ｉｎ２が流れ、さらに、外側誘導コイル２０による磁束Φａにより、バックヨーク部Ｃｂの外周面には、磁束Φａを打ち消すべく該外周面を周回するように誘導電流Ｉｎ３が流れる。

そして本実施の形態では、焼鈍の必要がない被焼鈍モータコアＣの貫通孔方向から見た上面では、誘導電流Ｉｎ１ａ、Ｉｎ１ｂが打消し合うことで、誘導加熱による発熱が極わずかに抑えられる。その一方、特に焼鈍を行う必要があるティース部Ｃａでは、浸透深さ（後述の式（１）、図１６等、参照。）に応じた表層域を誘導電流Ｉｎ２が打ち消し合うことなく一方向に流れるので、表層に局在したひずみの焼鈍が誘導加熱により所定の温度で行われる。また、同じく焼鈍を行う必要があるバックヨーク部Ｃｂの外周面でも、浸透深さに応じた表層域を誘導電流Ｉｎ３が打ち消し合うことなく流れるので、表層に局在したひずみの焼鈍を誘導加熱により所定の温度で行うことができる。

また、本実施の形態では、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１で囲まれる領域内、具体的には被焼鈍モータコアＣに対応する領域に対して、同方向の磁束Φａ、Φｂを発生させるように交流電流を印加するにあたり、外側誘導コイル２０のアンペア巻数と、内側誘導コイル２１のアンペア巻数を異なる値に設定している。したがって、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１とを交流電源３０に直列の回路を形成するように接続している場合でも、換言すれば、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１とに印加する電流値が同じであっても、各外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１から発生する磁束Φａ、Φｂの強度（磁束密度）を変化させ、それにより、誘導電流Ｉｎ１ａ、Ｉｎ１ｂが打消し合う領域を調整できる。したがって、加熱が不要な領域で誘導電流Ｉｎ１ａ、Ｉｎ１ｂが打消し合うようにアンペア巻数を設定することで、所望の領域のみを効率的に加熱し、誘導加熱にかかる消費電力を低減することができる。

なお、例えば図７に示すように、ある瞬間で内側誘導コイル２１に流れる電流Ｉｂが図５に示す向きと逆になるように交流電源３０を接続すると、被焼鈍モータコアＣに対応する領域に対して磁束Φａ、Φｂが逆方向に発生する。そうすると、図８に示すように、被焼鈍モータコアＣの貫通孔方向から見た上面では、前述の図６の場合のように磁束を打ち消す必要がないためＹ方向に沿って互いに強め合うように誘導電流Ｉｎ１ａ、Ｉｎ１ｂが流れる。その結果、例えば被焼鈍モータコアＣの上面のバックヨーク部Ｃｂにおいても不必要な誘導加熱が生じ、当該誘導加熱に伴い電力がむだに消費される。したがって、本実施の形態に係る加熱用誘導コイル１０を用いて被焼鈍モータコアＣを加熱する場合は、図５、図６に示すように、外側誘導コイル２０による磁束Φａと、内側誘導コイル２１による磁束Φｂが、被焼鈍モータコアＣに対応する領域において同方向となるようにすることが好ましい。

また、以上の実施の形態では、交流電源３０の周波数が可変であるので、例えば印加する交流電流の周波数を調整することで、表皮効果により、誘導加熱を生じさせる渦電流の浸透深さを調整できる。したがって、例えば被焼鈍モータコアＣのひずみの態様に応じて交流電源３０の周波数を調整して、最適な領域を誘導加熱することができる。交流電源３０の周波数ｆは、下記式（１）に基づいて、誘導加熱を生じさせる渦電流の浸透深さδが、焼鈍により除去すべきひずみの導入深さに応じたものとなるように、決定される。
δ＝５０３×（ρ／（μ・ｆ））^１／２ …（１）
ここで、
δ：誘導加熱を生じさせる渦電流の浸透深さ（ｍ）
ρ：前記被焼鈍モータコアの体積抵抗率（１０ｎΩ・ｍ）
μ：前記被焼鈍モータコアの比透磁率
ｆ：前記交流電源により印加される交流電流の周波数（Ｈｚ）、である。

具体的には、交流電源の周波数ｆは、例えば、誘導加熱を生じさせる渦電流の浸透深さδが、焼鈍により除去すべきひずみの導入深さと略同じになるように、決定される。上記渦電流の浸透深さδと上記ひずみの導入深さが略同じであれば、当該渦電流による加熱と、当該渦電流により加熱された部分からの伝熱により、被焼鈍モータコアＣ内に導入されたひずみを完全に除去することができる。

なお、以上の実施の形態では、交流電源３０に対して外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１とを直列の回路を形成するように接続したが、例えば外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１に対して独立した交流電源を接続してもよい。かかる場合、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１に印加する電流値を制御することで、各磁束Φａ、Φｂの強度分布を制御することができる。但し、図７に示すように、磁束Φａ、Φｂを逆方向に発生させるためには、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１に印加する交流電流の周波数及び位相を同期させる必要があるので、本実施の形態のように、交流電源３０に対して外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１とを直列の回路を形成するように接続し、各磁束Φａ、Φｂの強度分布の制御は、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１のアンペア巻数の設定により行うことが好ましい。

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態にかかる焼鈍装置の構成の概略を示す縦断面図である。図１０は、図９の焼鈍装置が備える後述の回転駆動部の説明図である。
図９の焼鈍装置１は、第１実施形態の焼鈍装置と同様の構成部材に加えて、回転駆動部４０が設けられている。

回転駆動部４０は、中間載置台１５を回転するものであり、例えば、モータ等から構成され、中間載置台１５の載置板１５ａを支持する脚部１５ｂの根元に設けられる。中間載置台１５の回転軸を被焼鈍モータコアＣの中心軸と一致させておき、回転駆動部４０で中間載置台１５を回転させることにより、被焼鈍モータコアＣをその中心軸を中心として回転させることができる。すなわち、回転駆動部４０は、被焼鈍モータコアＣを回転するものでもある。また、中間載置台１５の回転軸を被焼鈍モータコアＣの中心軸だけでなく、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１の中心軸と一致させておき、回転駆動部４０で中間載置台１５を回転させることにより、図１０に示すように、被焼鈍モータコアＣを外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１に対して回転させることができる。すなわち、回転駆動部４０は、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１と被焼鈍モータコアＣとを相対的に回転させることができる。

ところで、回転駆動部を有しない第１実施形態では、外側誘導コイル２０の巻き方によっては、該コイル２０が発生させる磁束が、外側誘導コイル２０の周方向すなわち被焼鈍モータコアＣの周方向で不均一となる場合がある。その場合、上記磁束により被焼鈍モータコアＣ内に生じる誘導電流が当該被焼鈍モータコアＣの周方向で不均一となり、その結果、上記誘導電流により加熱された被焼鈍モータコアＣには周方向に温度差が発生する。内側誘導コイル２１についても同様である。
本実施形態のように回転駆動部４０を設け、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１と被焼鈍モータコアＣとを相対的に回転させることにより、上述の周方向の温度差が生じるのを防ぐことができる。

なお、回転駆動部４０による回転速度は、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１による加熱時間の間に少なくとも１回転するような速度であり、好ましくは上記加熱時間の間に１０回転するような速度である。

（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態にかかる焼鈍装置の構成の概略を示す縦断面図である。
図１１の焼鈍装置１は、第１実施形態の焼鈍装置と同様の構成部材に加えて、冷却装置５０が隔壁１１内に設けられている。

冷却装置５０は、加熱用誘導コイル１０により加熱された被焼鈍モータコアＣを冷却するものである。本例では、冷却装置５０は、被焼鈍モータコアＣの軸方向に沿って加熱用誘導コイル１０に連なるように設けられており、加熱用誘導コイル１０より鉛直方向下方に位置する。
冷却装置５０は、被焼鈍モータコアＣを外側から冷却する外側冷却装置５１と、被焼鈍モータコアＣを内側から冷却する内側冷却装置５２とを有する。
冷却装置５０の冷却媒体は、被焼鈍モータコアＣに錆が生じるのを防ぐため、窒素ガス等の不活性ガスや水素ガス等の還元性ガスが用いられる。

また、本実施形態の焼鈍装置１では、隔壁１１内を低酸素雰囲気とするために、ガス供給管１３を介して例えば窒素ガス等の雰囲気ガスが当該隔壁１１内に供給される。なお、図示は省略するが、隔壁１１の蓋部１１ａには、隔壁１１内の圧力が所定の範囲内に収まるように排気管が接続されている。

続いて、本実施形態の焼鈍装置１を用いた被焼鈍モータコアＣの焼鈍処理について、図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、中間載置台１５による被焼鈍モータコアＣの軸方向への移動前の隔壁１１内の様子を示し、図１３は移動後の隔壁１１内の様子を示す。

被焼鈍モータコアＣを焼鈍する際は、例えば、図１２に示すように、被焼鈍モータコアＣの上記軸方向の下端部と加熱用誘導コイル１０とが対向する状態で、交流電源３０から加熱用誘導コイル１０への電力供給を開始し、被焼鈍モータコアＣの加熱を開始する。その際、冷却装置５０からの冷却媒体の噴出、具体的には、外側冷却装置５１から内側へ向けた冷却媒体の噴出、及び、内側冷却装置５２から外側へ向けた冷却媒体の噴出も開始させる。その後、脚部１５ｂを縮めさせて、被焼鈍モータコアＣの上記軸方向の上端部が加熱用誘導コイル１０に近づくように、被焼鈍モータコアＣが載置された載置板１５ａを、上記軸方向に沿って移動させる。これにより、被焼鈍モータコアＣ全体が加熱されるようにすると共に、被焼鈍モータコアＣにおける加熱用誘導コイル１０で加熱された部分が冷却装置５０により冷却されるようにする。そして、図１３に示すように、被焼鈍モータコアＣの上端部と冷却装置５０とが対向する位置まで、載置板１５ａを移動させたところで、交流電源３０からの電力供給及び冷却装置５０からの冷却媒体の噴出を停止し、被焼鈍モータコアＣの焼鈍が完了する。

モータコアの焼鈍では、モータコアを加熱した後、所定温度まで冷却する必要がある。本実施形態では、上述のように、加熱用誘導コイル１０に加えて冷却装置５０が設けられているため、上記所定温度までの冷却を含めた被焼鈍モータコアＣの焼鈍に要する時間を大幅に短縮することができる。
また、本実施形態では、冷却装置５０が、被焼鈍モータコアＣの軸方向すなわち被焼鈍モータコアＣの移動方向に沿って加熱用誘導コイル１０に連なるように設けられているため、冷却装置５０による冷却を、加熱用誘導コイル１０による加熱に続けて行うことができる。したがって、加熱用誘導コイル１０と冷却装置５０との間の距離、及び、加熱用誘導コイル１０と冷却装置５０との間での被焼鈍モータコアＣの移動距離を小さくできるので、焼鈍装置１のサイズを大型化させずに短時間で焼鈍を完了させることができる。

なお、冷却装置５０は、加熱用誘導コイル１０を基準とした所定の位置、例えば、加熱用誘導コイル１０からモータコア１個分離れた位置に設けられる。具体的には、例えば、加熱用誘導コイル１０により加熱領域の下端から冷却装置５０による冷却領域の上端までの距離Ｌ（図１１参照）が、１つの被焼鈍モータコアＣの軸方向の長さ以上となるような位置に、冷却装置５０は設けられる。
このような位置に冷却装置５０を設けることにより、加熱用誘導コイル１０による加熱が冷却装置５０による冷却により阻害されるのを防ぐことができる。

以上の例では、冷却装置５０は、外側冷却装置５１及び内側冷却装置５２の両方を有していたが、これら装置５１、５２のうちの一方を有していてもよい。

なお、以上の例では、冷却媒体の噴出開始タイミングは、被焼鈍モータコアＣの加熱開始時であったが、被焼鈍モータコアＣが冷却装置５０による冷却領域に差し掛かった時に、冷却媒体の噴出を開始してもよい。
また、以上の例では、交流電源３０からの電力供給の停止タイミングは、冷却装置５０による冷却を停止する時であったが、被焼鈍モータコアＣが加熱用誘導コイル１０による加熱領域から外れた時に、上記電力供給を停止してもよい。

（第４実施形態）
図１４は、本発明の第４実施形態にかかる焼鈍装置の構成の概略を示す縦断面図である。
以上の第１〜第３実施形態の焼鈍装置では、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１の両方を有していた。
それに対し、図１４に示すように、本実施形態にかかる焼鈍装置１は、加熱用誘導コイル１０として内側誘導コイル２１のみを有し、この内側誘導コイル２１により被焼鈍モータコアＣの内周部の表層のみを加熱し、当該内周部のひずみのみを焼鈍する。内側誘導コイル２１に供給する交流電源３０の周波数は、焼鈍により除去すべきひずみの深さとの関係で、前述の式（１）を満たすものが選択される。また、交流電源３０が内側誘導コイル２１に印加する交流電流は、被焼鈍モータコアＣの内部の温度を５００℃以下に抑えながら、ひずみが生じている部分（以下、ひずみ導入部）すなわち加工面を７５０℃〜８５０まで加熱することが可能なものが選択される。

被焼鈍モータコアＣがその内周部にスロットが形成された固定子コアである場合、当該内周部のみを焼鈍すれば良い場合がある。そのような場合、本実施形態のように内側誘導コイル２１のみを設け当該内側誘導コイル２１による誘導加熱で焼鈍することで、第１〜第３実施形態のように内側誘導コイル２１および外側誘導コイル２０の両方を設ける場合に比べて装置コストを削減することができる。また、上述のように被焼鈍モータコアの内周部のみを焼鈍すればよい場合において、本実施形態のように内側誘導コイル２１のみを有する焼鈍装置１で焼鈍することで、特許文献１〜３のように被焼鈍モータコアの外側に設けられた誘導コイルにより当該被焼鈍モータコアの内周部のひずみを焼鈍する場合に比べて、少ない電力で且つ短時間で焼鈍を行うことができる。なぜならば、特許文献１〜３の誘導加熱装置では誘導コイルを被焼鈍モータコアの外側に設けているため、内周部のひずみ導入部のみならずバックヨーク部等のひずみ導入部以外も加熱されるのに対して、本実施形態では、被焼鈍コイルの内側に誘導コイルを設置し、誘導電流の浸透深さを非常に小さくすることで、ひずみ導入部のみを狙って加熱できるからである。

図１５は、本実施形態にかかる焼鈍装置１により被焼鈍モータコアＣを加熱したとき、具体的には、内側誘導コイル２１と被焼鈍モータコアＣの位置関係は変えずに、交流電源３０から交流電流を３分間内側誘導コイル２１に供給して被焼鈍モータコアＣを加熱し、その後、冷却装置５０による冷却は行わずに被焼鈍モータコアＣを自然冷却させたときの温度履歴を示す図である。図１５の横軸は時間、縦軸は温度を示す。
本実施形態にかかる焼鈍装置１によれば、被焼鈍モータコアＣのひずみ導入部である内周部を３分という非常に短い時間で７５０〜８５０℃まで昇温できる。また、昇温の際、被焼鈍モータコアＣのコア内部は５００℃以下に維持されているので、すなわち、焼鈍の際に被焼鈍モータコアＣ全体に与えられる熱量が抑えられているため、冷却装置５０による冷却を行わずとも、約８分という非常に短い時間で２００℃まで冷却することができる。冷却装置５０を用いればより短時間で冷却することができる。

なお、本実施形態では、焼鈍装置１の加熱用誘導コイル１０が内側誘導コイル２１のみを有していたが、被焼鈍モータコアＣがその外周部にスロットが形成される回転子コアである場合は、加熱用誘導コイル１０が外側誘導コイル２０のみを有していてもよい。つまり、本実施形態の焼鈍装置１は、被焼鈍モータコアＣの内側と外側のうち、スロットが形成されている側に、誘導コイルを有する。
本実施形態でも、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１のいずれか一方のコイルとして、小型の誘導コイルを使用することができ、したがって、上記いずれか一方に電力を供給する交流電源の電源容量を小さくすることができる。

また、本実施形態では、冷却装置５０が内側冷却装置５２のみを有しており、前述のように、加熱用誘導コイル１０が外側誘導コイル２０のみを有する場合は、冷却装置５０も外側冷却装置５１のみを有していてもよい。このように、冷却装置５０として、外側冷却装置５１及び内側冷却装置５２のうち、加熱用誘導コイル１０を有している側と同じ側のものを有していてもよい。

本発明の実施例として、本発明の第１実施形態に係る焼鈍装置１を用いて被焼鈍モータコアＣを誘導加熱した場合の発熱密度についてシミュレーションを行った。被焼鈍モータコアＣの外径は２１０ｍｍ、内径は１３４ｍｍとし、１個のモータコアを被焼鈍モータコアＣとし、その軸方向の厚さは５２ｍｍとした。なお、被焼鈍モータコアＣを構成する電磁鋼板の厚みは０．３５ｍｍである。また、被焼鈍モータコアＣの体積抵抗率は面内で５．２ｅ^−７Ω・ｍ、軸方向は無限大とした。加熱用誘導コイル１０として、外側誘導コイル２０は内径２２０ｍｍ、直径方向の厚み１０ｍｍ、上記軸方向の厚みを１０ｍｍとした。内側誘導コイル２１は、内径１１４ｍｍ、直径方向の厚み１０ｍｍ、上記軸方向の厚みを１０ｍｍとした。また、外側誘導コイル２０及び内側誘導コイル２１の上記軸方向の中心位置と、被焼鈍モータコアＣの上記軸方向の中心位置とを一致させた。そして、外側誘導コイル２０と内側誘導コイル２１に交流電流を印加する交流電源３０の周波数を１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚに変化させて、被焼鈍モータコアＣの上記軸方向の中心位置について、図１６に示すデータを得た。図１６の横軸は、表面からの深さであり、縦軸は発熱密度である。

図１６に示すように、交流電源３０の周波数を高くするほど、表皮効果により表面から深い領域における発熱密度が低下していることが確認できる。したがってこの結果から、交流電源３０の周波数を適宜調整することで、誘導加熱により加熱する深さを設定できることが分かる。なお、電磁鋼板の打ち抜きにより発生するひずみの深さは、一般に電磁鋼板の板厚の半分程度であるので、例えば電磁鋼板の板厚が０．３５ｍｍ程度である場合、交流電源３０の周波数は、概ね１０ｋＨｚ以上に設定すればよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、モータコアを構成する電磁鋼板の打ち抜きの際に生じたひずみや、打ち抜かれた複数の電磁鋼板を積層した状態でかしめやビス止め、溶接等により固着してモータコアを形成する際に生じたひずみを除去するために、モータコアを焼鈍する際に有用である。

１ 焼鈍装置
１０ 加熱用誘導コイル
１１ 焼鈍雰囲気調整用の隔壁
１１ａ 蓋部
１１ｂ 有底の容器部
１２ 断熱材
１３ ガス供給管
１４ 内側載置台
１４ａ （内側）載置板
１４ｂ 脚部
１５ 中間載置台（モータコア載置台）
１５ａ （中間）載置板
１５ｂ 脚部
１６ 外側載置台
１６ａ （外側）載置板
１６ｂ 脚部
２０ 外側誘導コイル
２１ 内側誘導コイル
３０ 交流電源
Ｃ モータコア（被焼鈍モータコア）
Ｃａ ティース部
Ｃｂ バックヨーク部
Ｃｃ スロット
４０ 回転駆動部
５０ 冷却装置

Claims (12)

1. 打ち抜き後の電磁鋼板を積層して形成されるモータコアを１個または複数個積層して焼鈍する装置であって、
   前記１個または複数個積層したモータコア（以下、複数個の場合も含め単に被焼鈍モータコアという。）の外方に当該被焼鈍モータコアと同心円状に配置され、前記被焼鈍モータコアより前記電磁鋼板の積層方向（モータコアの軸方向に一致し、以下、軸方向という。）の厚さが小さい環状の外側誘導コイル、及び、前記被焼鈍モータコアの内方に当該被焼鈍モータコアと同心円状に配置され、前記被焼鈍モータコアより前記軸方向の厚さが小さい環状の内側誘導コイルのうちのいずれか一方または双方を有し、さらに、
   前記外側誘導コイル及び／または前記内側誘導コイルに交流電流を印加する交流電源と、
   前記外側誘導コイル及び／または前記内側誘導コイルと前記被焼鈍モータコアとの前記軸方向の相対位置を変化させる移動機構と、を有することを特徴とする、モータコアの焼鈍装置。
2. 前記移動機構は、前記被焼鈍モータコアを前記軸方向に移動させることを特徴とする、請求項１に記載のモータコアの焼鈍装置。
3. 前記移動機構は、少なくとも前記被焼鈍モータコアのスロットが形成された側に対向する側の誘導コイルを前記軸方向に移動させることを特徴とする、請求項１または２に記載のモータコアの焼鈍装置。
4. 前記外側誘導コイル及び前記内側誘導コイルの双方を有し、
   前記移動機構は、前記外側誘導コイルと、前記内側誘導コイルとを同期させて前記軸方向に移動させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータコアの焼鈍装置。
5. 前記外側誘導コイル及び前記内側誘導コイルの双方を有し、
   前記交流電源は、前記外側誘導コイルと前記内側誘導コイルとで囲まれる領域内に、同方向の交流磁束を発生させるように、前記外側誘導コイル及び前記内側誘導コイルに交流電流を印加することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータコアの焼鈍装置。
6. 前記外側誘導コイル及び前記内側誘導コイルの双方を有し、
   前記外側誘導コイルと前記内側誘導コイルは、前記交流電源に対して直列の回路を形成するように接続されていることを特徴とする、請求項５に記載のモータコアの焼鈍装置。
7. 前記交流電源により印加される交流電流の周波数は、１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータコアの焼鈍装置。
8. 前記被焼鈍モータコアを内部に収容する焼鈍雰囲気調整用の隔壁と、
   前記隔壁の外方または内方を覆う断熱材と、をさらに有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のモータコアの焼鈍装置。
9. 前記外側誘導コイル及び／または内側誘導コイルにより加熱された被焼鈍モータコアの加熱部を冷却する冷却装置を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のモータコアの焼鈍装置。
10. 前記被焼鈍モータコアと、前記外側誘導コイル及び／または前記内側誘導コイルとを相対的に回転する回転駆動機構を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のモータコアの焼鈍装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のモータコアの焼鈍装置を用いて前記被焼鈍モータコアの外周面及び／または内周面に導入されているひずみを除去するモータコアの焼鈍方法であって、
    前記ひずみの導入深さに応じた下記式（１）における浸透深さδとなるように決定された交流電源の周波数ｆの交流電流により、前記被焼鈍モータコアを誘導加熱し、
    前記被焼鈍モータコアの外周面及び／または内周面を７５０〜８５０℃になるまで昇温させることを特徴とする、モータコアの焼鈍方法。
    δ＝５０３×（ρ／（μ・ｆ））^１／２ …（１）
    ここで、
    δ：誘導加熱を生じさせる渦電流の浸透深さ（ｍ）
    ρ：前記被焼鈍モータコアの体積抵抗率（１０ｎΩ・ｍ）
    μ：前記被焼鈍モータコアの比透磁率
    ｆ：前記交流電源により印加される交流電流の周波数（Ｈｚ）
12. 前記被焼鈍モータコアの内部の温度を５００℃以下に抑えながら前記外周面及び／または内周面を７５０〜８５０℃になるまで昇温させることを特徴とする、請求項１１に記載のモータコアの焼鈍方法。

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