JP7037348B2 - 鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、薄板状の鉄心片を積層して形成される鉄心の製造方法、鉄心に関する。

従来、薄板状の鉄心片を積層して形成した鉄心が知られている。このような鉄心は、例えば回転電機の固定子鉄心に用いられており、例えば特許文献１に開示されているように、その外周面には積層した鉄心片を溶接により固定するための溶接溝が形成されている。

特開２０１０－１５４５８９号公報

ところで、鉄心の外周面に溶接を施す場合、溶接ビードが鉄心の外縁から突出していると、溶接後に溶接ビードを削ったり、鉄心を固定する構造物に溶接ビードを避ける構造等が必要になったりすることから、溶接ビードが突出しないようにすることが求められる。

しかしながら、溶接ビードが突出しないように溶接溝を深く形成すると、鉄心ヨークの面積が少なくなり、鉄損によるトルクダウン等の特性面への影響が大きくなる。また、溶接溝の形状が複雑である場合には、打ち抜き時に生じた応力が残留して効率が低下するだけでなく、金型に欠け等の不具合が生じやすくなり生産性の低下を招くおそれもある。

そこで、特性が悪化することを抑制できるとともに、生産性も向上させることができる鉄心の製造方法を提供する。

実施形態の鉄心の製造方法は、薄板状の鉄心片を積層して環状に形成される鉄心の製造方法であって、鉄心片の外周面に、当該鉄心片の外縁から内側に窪んでいるとともに底部が平坦になっている複数の溶接溝を形成する工程と、鉄心片を積層する工程と、溶接溝に、積層方向に延びて形成されている溶接部位の両側において溶接溝の表面に少なくとも一部で接触し、当該溶接部位を露出させつつ、当該溶接部位の側方から溶接溝の外側となる外周面までの範囲を覆うカバー部材を配置する工程と、カバー部材を配置した状態で前記溶接部位を溶接する工程と、を含む。

実施形態による鉄心を模式的に示す図 鉄心の製造工程の流れを示す図 鉄心片を模式的に示す図 溶接溝を模式的に示す図 溶接カバーを取り付けた状態を模式的に示す図 溶接態様を模式的に示す図 溶接溝の他の形状を模式的に示す図

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態では、鉄心として、例えば車載用のモータに利用される固定子鉄心１を想定している。この固定子鉄心１は、薄板状の鉄心片２を積層することにより形成されている。この鉄心片２は、周知のように電磁鋼板をプレスにより環状に打ち抜くこと等により形成されている。

本実施形態では、鉄心片２を形成する電磁鋼板として、シリコン含有量が比較的高く、且つ、高周波特性を改善するために板厚が比較的薄い鋼板を想定している。また、電磁鋼板は、周知のようにその表面が絶縁皮膜によって覆われている。この鉄心片２を板厚方向に積層することにより、固定子鉄心１は、その内周側に図示しない巻き線を収容するスロット３と図示しない回転子を収容するための中空部４とが形成された状態で概ね環状に形成される。

本実施形態の固定子鉄心１は、鉄心片２の厚みのばらつきを吸収するために、３つの鉄心ブロック２Ａ～２Ｃが周方向に互いに回転した状態で積層されている。このとき、固定子鉄心１は、外周面に概ね１２０°間隔で均等に設けられている複数の取り付け部５が互いに重なるように積層される。

また、固定子鉄心１は、その外周面に、鉄心片２の積層方向に延びる複数の溶接溝６を有している。この溶接溝６は、固定子鉄心１の外周面に概ね６０°間隔で均等に６箇所設けられている。なお、上記した鉄心ブロック２Ａ～２Ｃの数、取り付け部５の数および溶接溝６の数は一例であり、これに限定されるものではない。

この溶接溝６には、溶接ビード７が形成されている。溶接ビード７は、詳細は後述するが、ＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接またはＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接によって形成されたものであり、鉄心片２同士つまりは固定子鉄心１の全体を固定している。また、この溶接ビード７によって固定されることで、固定子鉄心１は、所定の形状特には所定の積層高さに維持されている。なお、図１を含む図面では、説明のために、溶接溝６と溶接ビード７とを意図的に強調して示している。

次に上記した構成の作用について説明する。
前述のように、鉄心の外縁よりも溶接ビード７が突出していると、鉄心を固定する構造物に溶接ビード７を避ける構造等が必要になること。しかし、溶接ビード７が外縁から突出しないように溶接溝６を深くすると、鉄心の量が少なくなり、鉄損が増加して効率が低下するおそれがある（後述する図４参照）。

また、溶接溝６の形状が複雑になると、打ち抜き時に生じた応力が残留して効率が低下するだけでなく、金型に欠け等の不具合が生じやすくなり生産性の低下を招くおそれもある。
そこで、本実施形態では、以下のようにして特性が悪化することを抑制しつつ、生産性も向上させている。

まず、本実施形態による鉄心の製造方法について説明する。図２に示すように、固定子鉄心１を製造する際には、まず、鉄心片２の打ち抜きが行われる（Ｓ１）。この打ち抜き工程では、金型を備えるプレス機で電磁鋼板を打ち抜くことで、所定の形状の鉄心片２が形成される。例えば、本実施形態の場合、鉄心片２は、図３に示すように、取り付け部５と溶接溝６とが外周側に形成され、スロット孔３ａと図示しない回転子を収容する中空部４とが内周側に形成された概ね円環状且つ薄板状になっている。

このとき、鉄心片２の外縁に形成される溶接溝６は、図４に実施例として示すように、鉄心片２の外縁から内側に窪んでいるとともに、底部６ａつまりは内周側が平坦な形状に形成される。また、溶接溝６は、その深さ、つまりは、鉄心片２の外縁を示す仮想線（ＣＬ１）と平坦な底部６ａとの間の距離（Ｌ１）が、形成される溶接ビード７の厚みよりも長くなるように形成されている。よりも深く形成されている。本実施形態では、距離（Ｌ１）は、溶接ビード７の厚み＋０．５ｍｍとなるように設定されている。また、溶接溝６の周方向の端部は、後述する溶接カバーの形状に合わせて滑らかな曲線状に形成されている。

ところで、図４に参考例として示すように、従来の溶接部位（以下、便宜的に従来部位１０６と称する）は、中央に形成された凸部１０７と、その両側に凸部１０７に対して相対的に窪んだ凹部１０８とを有する概ねω字状になっている。これは、従来ではＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接が採用されており、その場合、溶接を施す位置が左右にずれないようにするためには凸部１０７を設ける必要があるためである。

この従来部位１０６の構造に対して、凸部１０７から仮想線までの距離（Ｌ１）を単純に溶接ビード７が突出しない値に設定してしまうと、凸部１０７の両側に凹部１０８があることから、ハッチングにて示す領域（Ｒ１）の分だけ鉄心のヨーク面積が減ることになる。また、形状が複雑であるため、従来部位１０６を形成する際に応力が生じやすくなる。

これに対して、本実施形態の溶接溝６の場合には、鉄心片２の量を過度に減らすことなく、溶接ビード７が突出しないようにすることが可能になる。また、溶接溝６の形状が単純であることから、打ち抜き時に生じる応力を低減することが可能になるとともに、金型に欠け等の不具合が生じるおそれを低減することも可能になる。また、鉄心のヨーク面積が相対的に多いことから、溶接熱が拡散し易くなり、熱歪による鉄損の悪化が減少するとともに変形も少なくなる。

さて、打ち抜かれた鉄心片２は、互いに積層される（Ｓ２）。この積層工程では、鉄心片２を所定枚数積層して鉄心ブロック２Ａ～２Ｃとし、各ブロックを上記したように周方向に互いに１２０°回転ずらした状態で回し積みしている。その後、積層された鉄心は、打ち抜き時に生じたバリを無くすために相対的に強い力を加えるバリつぶし加圧が施され、固定子鉄心１の高さ寸法を設定するために相対的に弱い力を加える溶接加圧が行われる。

そして、溶接加圧が行われた状態で、溶接カバーが取り付けられる（Ｓ３）。このカバー取り付け工程では、図５に示すように、溶接溝６に沿ってつまりは積層された鉄心片２の積層方向に沿って、溶接部位を露出させつつ溶接部位以外を覆うカバー部材１０が取り付けられる。このカバー部材１０は、銅材料、銅合金材料、銅メッキ材料、金メッキ材料、銀メッキ材料、錫メッキ材料、クロームメッキ材料、あるいはそれらの組み合わせ等、鉄心片２に比べて熱伝導率が相対的に高い材料か、あるいはセラミック等の非金属材料で形成されている。

また、カバー部材１０は、図６に示すように、溶接溝６の表面に少なくとも一部、図６の場合は端部が接触した状態、本実施形態では溶接溝６に向かって付勢あるいは押圧された状態で取り付けられる。このとき、カバー部材１０は、ロボットで保持して取り付けることもできるが、簡易的には、鉄心片２を上下から挟み込むように配置された上部抑え蓋１１や下部抑え蓋１２にボルト止めすること等により付勢あるいは押圧した状態とすることもできる。

このようにカバー部材１０を取り付けることにより、比較的スパッタが生じやすいＭＡＧ溶接やＭＩＧ溶接時において、溶接部位以外の溶接溝６や溶接溝６の周辺の固定子鉄心１の表面にスパッタが付着することが防止される。また、溶接溝６の底部６ａが平坦であるため、カバー部材１０の接触面を平坦な形状にできるため、カバー部材１０の製造も容易になる。ただし、カバー部材１０は、必ずしも溶接溝６の端部に接触する形状である必要はなく、底部６ａに密に接触できるものであればよい。

カバー部材１０が取り付けられると、ＭＡＧ溶接またはＭＩＧ溶接により、溶接ビード７の形成つまりは鉄心片２の溶接が行われる（Ｓ４）。この溶接工程では、鉄心側に開口した有底円筒状の本体部の中を、外部からワイヤ状に供給される電極材料である磁性部材２０が貫通する溶接トーチ２１により溶接が行われる。

磁性部材２０は、溶接に必要な量がその都度回転リール２２によって供給される。また、溶接トーチ２１は、図示しないガス供給部を有しており、本体部内にシールドガスＧが供給されるとともに、そのシールドガスＧが、本体部の開口から放出される。このシールドガスＧは、炭酸ガス単体または炭酸ガスと不活性ガスの混合物で構成されている。

このため、磁性部材２０は、その先端側つまりは鉄心片２側において、シールドガスＧに包まれた状態で溶融して溶接ビード７を形成する。つまり、本実施形態の溶接ビード７は、鉄心片２以外の磁性部材２０を含んでいるとともに、外部からワイヤ状に供給される磁性部材２０を主たる材料とし、その磁性部材２０をシールドガスＧで覆いつつ溶融することにより形成される。

従来のＴＩＧ溶接の場合、母材（ここでは、鉄心片２）自体を溶融することから、母材の溶融量が多くなり、母材への入熱量多くなり、各鉄心片２や積層された状態（以下、便宜的に鉄心と称する）における変形量が多くなっていた。そのため、端面の波打ち変形によって鉄心の直角度が狂ったり、鉄心と回転子との間のギャップが不均衡に成り易かったり、熱による影響を受ける部位が大きく鉄損が悪化したり、点付溶接したとしても母材の溶融が大きく熱変形による引けで鉄心片２間に隙間がでるといった欠点があった。

これに対して、本実施形態で採用するＭＡＧ溶接またはＭＩＧ溶接の場合、電極部材となる磁性部材２０が溶融することから、鉄心片２の溶融量はＴＩＧ溶接に比べて少なくなり、鉄心片２への入熱量がＴＩＧ溶接に比べて少なくなることから、ＴＩＧ溶接よりも熱による鉄心の変形を抑制することが可能となる。その結果、端面の波打ち変形による鉄心の直角度の狂いや、鉄心と回転子との間のギャップが不均衡になる可能性や、熱による影響による鉄損の悪化等をＴＩＧ溶接よりも抑制することが可能になる。

また、溶接ビード７が鉄心片２の性質や材質に因らないため、例えば０．２ｍｍ以下の薄板材の鉄心片２にも対応することも可能になる。鉄心片２を薄板化すると、同じ積層高さであれば積層する枚数が増加することから鋼材に対する絶縁材料の割合が相対的に高くなり、ＴＩＧ溶接では溶接ビード７中に絶縁材料つまりは溶接部としてみた場合の不純物が相対的に多く含まれるようになる。

これに対して、ＭＡＧ溶接またはＭＩＧ溶接の場合には、溶接ビード７は主として外部から供給される磁性部材２０によって形成されていることから、鉄心片２の薄板状化による絶縁材料の増加による影響を受けにくいためである。このような理由により、本実施形態では、鉄心片２を溶接するためにＭＡＧ溶接またはＭＩＧ溶接を採用している。また、ＭＡＧ溶接またはＭＩＧ溶接の溶接速度は一般的にＴＩＧ溶接よりも早いため、ＭＡＧ溶接またはＭＩＧ溶接を採用することにより、鉄損の増加を防ぐことのみならず、作業効率の改善にも大きく寄与することが可能になる。

１箇所の溶接が終わると、未溶接部位があるかどうかを判定する（Ｓ５）。そして、未溶接部位があれば（Ｓ５：ＹＥＳ）、溶接トーチ２１を移動させてみ溶接部位を溶接する（Ｓ６）。なお、カバー部材１０をその都度取り付ける場合には、ステップＳ６の後、ステップＳ３に移行しても良い。一方、全ての箇所の溶接が終わった場合には（Ｓ５：ＮＯ）、溶接した鉄心片２を次工程に移送する。なお、本実施形態では、対向する２箇所を同時に溶接することで、３回の溶接工程を繰り返している。このような製造工程を経て固定子鉄心１が製造される。

以上説明した実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
鉄心の製造方法では、鉄心片２の外周面に、当該鉄心片２の外縁から内側に窪んでいるとともに底部６ａが平坦になっている複数の溶接溝６を形成する工程と、鉄心片２を積層する工程と、積層した鉄心片２の溶接溝６を溶接する工程と、を含む。

この場合、溶接溝６の深さは溶接ビード７の厚み＋例えば０．５ｍｍ程度で十分であるため、鉄心のヨーク面積を過度に減らすことがないことから鉄損を抑制でき、固定子鉄心１の特性ひいてはモータ等の回転電機の特性が悪化することを抑制できる。また、鉄心のヨーク面積が過度に減らないことから、溶接熱が拡散し易くなり、熱歪による鉄損の悪化が減少するとともに変形も少なくなる。

また、溶接溝６の形状を単純化することができるため、打抜きによる応力が減少され、特性への影響をさらに低減することができる。また、打抜きによる応力が減少することから、溶接溝６の変形が少なくなることから溶接性を向上させることができるとともに、金型のカケ等の損傷のおそれを低減することができることから生産性や量産性をも向上させることができる。したがって、特性の悪化の抑制と生産性や量産性の向上とを両立させることができる。

鉄心の製造方法では、積層した鉄心片２を溶接する際、磁性部材２０を外部から供給し、磁性部材２０を炭酸ガス単体または炭酸ガスと不活性ガスの混合物で構成されるシールドガスＧで覆いつつ溶融させ、溶接溝６に鉄心片２以外の磁性部材２０を含む溶接ビード７を形成するＭＡＧ溶接またはＭＩＧ溶接により鉄心片２を固定する。

これにより、従来のＴＩＧ溶接とは異なり溶接溝６に凸部１０７を設ける必要がなくなることから、鉄心のヨーク面積を減らす事が無く、鉄損による特性の悪化を抑制することができる。また、熱による鉄心の変形を抑制することが可能となり、端面の波打ち変形による固定子鉄心１の直角度の狂いや、鉄心と回転子との間のギャップが不均衡になる可能性等を抑制することができる。さらに、溶接部位の形状に左右されないため、平面への溶接でも溶接蛇行すなわち溶接ビード７がぶれることを防止できる。

また、溶接ビード７が鉄心片２の性質や材質に因らないため、例えば０．２ｍｍ以下の薄板材の鉄心片２にも対応することができる。すなわち、鉄心片２を薄板化すると鋼材に対する絶縁材料の割合が相対的に高くなり、例えばＴＩＧ溶接のように鉄心片２を溶融させる場合には溶接ビード７中に不純物としての絶縁材料が含まれることになるのに対して、鉄心片２位牌の磁性部材２０を含ませることによって、鉄心片２の薄板状化による絶縁材料の増加の影響を受けにくくすることができる。これにより、溶接ビード７の強度の低下等を招くおそれが少なくなり、設計通りの強度を得ることができるようになる。

鉄心の製造方法では、溶接溝６は、周方向における端部がカバー部材１０の形状に合わせて形成されている。これにより、カバー部材１０を密に溶接溝６の表面に接触させることができ、溶接時にスパッタが生じても、スパッタが溶接溝６や周辺の鉄心の表面に付着することを防止できる。また、スパッタの付着を防止できることから、後工程での清掃作業等の負荷を低減することができる。

また、実施形態の固定子鉄心１は、薄板状の鉄心片２を積層して環状に形成された鉄心であって、外縁から内側に窪んでいるとともに底部６ａが平坦になっている複数の溶接溝６が形成されている鉄心片２と、鉄心片２の溶接溝６に当該鉄心片２以外の磁性部材２０を含んだ状態で形成され、積層された鉄心片２を固定する溶接ビード７と、を備える。このような固定子鉄心１によれば、上記した製造方法と同様に、特性の悪化の抑制と生産性や量産性の向上とを両立させることができる。

実施形態では溶接溝６の端部を曲面に形成する例を示したが、溶接溝６の端部は、図７に示すように直線状に形成することもできる。これにより、図４に示した曲線状のものよりも領域（Ｒ２）だけ鉄心のヨーク面積を増やすことができ、特性を改善することができる。この場合、カバー部材１０の形状を直線状にすることもできる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は固定子鉄心（鉄心）、２は鉄心片、６は溶接溝、６ａは底部、７は溶接ビード、１０はカバー部材、２０は磁性部材、Ｇはシールドガスを示す。

Claims (3)

1. 薄板状の鉄心片を積層して環状に形成される鉄心の製造方法であって、
   前記鉄心片の外周面に、当該鉄心片の外縁から内側に窪んでいるとともに底部が平坦になっている複数の溶接溝を形成する工程と、
   前記鉄心片を積層する工程と、
   前記溶接溝に、積層方向に延びて形成されている溶接部位の両側において前記溶接溝の表面に少なくとも一部で接触し、当該溶接部位を露出させつつ、当該溶接部位の側方から前記溶接溝の外側となる外周面までの範囲を覆うカバー部材を配置する工程と、
   前記カバー部材を配置した状態で前記溶接部位を溶接する工程と、
   を含む鉄心の製造方法。
2. 積層した前記鉄心片を溶接する際、磁性部材を外部から供給し、前記磁性部材を炭酸ガス単体または炭酸ガスと不活性ガスの混合物で構成されるシールドガスで覆いつつ溶融させ、前記溶接溝に前記鉄心片以外の磁性部材を含む溶接ビードを形成する請求項１記載の鉄心の製造方法。
3. 前記溶接溝は、周方向における端部が、前記カバー部材の接触面の形状に合わせて形成されている請求項１または２記載の鉄心の製造方法。
   

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