JP7044019B2

JP7044019B2 - 鉄心の製造方法

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Publication number: JP7044019B2
Application number: JP2018176065A
Authority: JP
Inventors: 建太式井; 洋石倉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2022-03-30
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: CN110918738B; JP2020047831A; CN110918738A; US20200094305A1; US11298739B2

Description

本発明は、鉄心の製造方法に関する。

電動機や発電機などの回転電機に用いられる鉄心は、鉄損を低減するために、薄板状の鉄心片を積層して構成されている。このような鉄心を製造する際に、生産性を向上するために複数枚の鉄心用金属板を積層し、まとめて所定の形状に打ち抜く（すなわち、プレスする）ことが知られている。一例として、例えば下記特許文献には、パンチとダイスとを有する装置を用いて、鉄心用金属板を複数枚積層した状態で同時にプレスすることにより鉄心を製造することが開示されている。

特開２００３－１５３５０３号公報

しかし、鉄心用金属板を複数枚積層した状態で同時にプレスする際に、積層方向においてパンチに最も近い鉄心用金属板はパンチによってせん断変形するが、それ以外の鉄心用金属板はパンチ接触前に圧縮変形を受けて伸びるので、たわみが発生する。このため、パンチ側とダイス側とで鉄心用金属板の加工寸法のバラツキが生じる。そして、このような圧縮変形による鉄心用金属板の伸びは、パンチから離れるほど大きくなるので、加工寸法のバラツキも大きくなる。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、鉄心用金属板を複数枚積層した状態でプレスする際に生じる加工寸法のバラツキを低減できる鉄心の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る鉄心の製造方法は、鉄心用金属板を複数枚積層して積層体を準備する積層体準備工程と、前記積層体に温度勾配を付与し、パンチとダイスとを有する装置で前記積層体をプレスするプレス工程と、前記積層体の温度勾配を除去する温度勾配除去工程と、を含み、前記プレス工程において、前記積層体の積層方向に沿って前記パンチ側から前記ダイス側に向かって温度が高くなるように前記積層体に温度勾配を付与することを特徴としている。

本発明に係る鉄心の製造方法によれば、プレス工程において積層体の積層方向に沿ってパンチ側からダイス側に向かって温度が高くなるように積層体に温度勾配を付与するので、パンチ側からダイス側に向かって積層された鉄心用金属板を膨張させることができる。このように膨張した状態で積層体をプレスし、その後に積層体の温度勾配を除去することにより膨張した鉄心用金属板を収縮させる。その結果、鉄心用金属板を複数枚積層した状態でプレスする際に生じる加工寸法のバラツキを低減することができる。

本発明に係る鉄心の製造方法において、前記鉄心用金属板はアモルファス金属であることが好ましい。このようにすれば、製造される鉄心の鉄損を低減することができる。

また、本発明に係る鉄心の製造方法において、前記ダイスにはヒータが設けられており、前記プレス工程において、前記ヒータを用いて前記積層体に温度勾配を付与することが好ましい。このようにすれば、簡単な構造をもって積層体に温度勾配を迅速に付与することができる。

また、本発明に係る鉄心の製造方法において、温度勾配は、前記鉄心用金属板に用いられる材料の線膨張係数、及び、前記鉄心用金属板と前記ダイスの上面との接触面積に基づいて調整されることが好ましい。このようにすれば、積層体に温度勾配を付与する時間を短縮することができるので、温度勾配の付与による製造時間への影響を抑えることができる。

更に、本発明に係る鉄心の製造方法において、前記温度勾配除去工程は、前記積層体の温度を室温に戻すことが好ましい。このようにすれば、温度勾配を除去するための装置を設置する必要がないので、製造コストを抑えることができる。

本発明によれば、鉄心用金属板を複数枚積層した状態でプレスする際に生じる加工寸法のバラツキを低減することができる。

鉄心の製造に用いられるプレス機を示す分解斜視図である。鉄心の製造に用いられるプレス機を示す概略断面図である。実施形態に係る鉄心の製造方法を示すフローチャートである。鉄心の製造方法の作用効果を説明するためのイメージ図である。温度勾配を付与する方法を説明するための模式図である。温度勾配を付与する方法を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して本発明に係る鉄心の製造方法の実施形態について説明する。図面の説明において、同一の要素には同一符号を付し、その重複説明を省略する。また、以下の説明では、上下の方向及び位置は、鉄心の製造に用いられるプレス機の通常の使用状態、すなわちパンチを上側、ダイスを下側に配置させた状態を基準にする。

まず、図１及び図２を基に鉄心の製造に用いられるプレス機の構造を説明する。プレス機１は、プレス加工対象である積層体２に対して上側に配置されるパンチ１１と、積層体２の下側に配置されるダイス１２と、積層体２の上側に配置されるとともにダイス１２と対向する押え部１３とを有する。

パンチ１１は、例えば円柱状に形成され、図示しない昇降機構によって上下方向に移動可能とされている。すなわち、このパンチ１１は、ダイス１２に対して接近したり離間したりすることができる。

ダイス１２は、パンチ１１の形状に合わせて形成されており（ここでは円柱状）、その中央位置にはパンチ１１を挿入できるダイス穴１２１が設けられている。ダイス１２の内部には、カートリッジヒータ（図示せず）を挿入するためのヒータ穴１２２が複数（図１では、２つ）設けられている。カートリッジヒータは、ダイス１２の上面１２ａを介して該上面１２ａに載置される積層体２を加熱するための装置である。そして、積層体２を加熱する効率の向上を考慮した場合、ヒータ穴１２２はダイス１２の上面１２ａに近い位置に設けられることが好ましい。このようにカートリッジヒータを用いることで、簡単な構造で積層体２に温度勾配を迅速に付与することができる。

押え部１３は、略円板状に形成され、その中央位置には貫通穴１３１が設けられている。貫通穴１３１は、ダイス穴１２１の内径と同じ寸法を有する。この押え部１３は、ダイス１２と協働して積層体２を固定する。

一方、積層体２は、鉄心用金属板を複数枚積層することにより形成されている。本実施形態では、積層体２は、３枚の鉄心用金属板（すなわち、上側鉄心用金属板２１、中間鉄心用金属板２２及び下側鉄心用金属板２３）を上下方向に沿って積層することで形成されている。鉄心用金属板は、アモルファス金属や電磁鋼板などの金属材料によって構成されるが、鉄損の低減を考慮した場合、アモルファス金属は特に好ましい。

以下、図３を参照して鉄心の製造方法を説明する。本実施形態に係る鉄心の製造方法は、主に、積層体２を準備する積層体準備工程Ｓ１１と、積層体２に温度勾配を付与し該積層体２をプレスするプレス工程Ｓ１２と、積層体２の温度勾配を除去する温度勾配除去工程Ｓ１３とを含む。

積層体準備工程Ｓ１１では、上側鉄心用金属板２１、中間鉄心用金属板２２、下側鉄心用金属板２３をこの順に配置した状態で、接着剤等でこれらの鉄心用金属板を接合し、帯状の積層体２を準備する。そして、準備された積層体２は、例えば搬送ロールによってプレス機１に間欠搬送される。

プレス工程Ｓ１２では、積層体準備工程Ｓ１１で準備された積層体２に温度勾配を付与し、上述のプレス機１で積層体２を所定の形状にプレスする。具体的には、図１及び図２に示すように、パンチ１１とダイス１２との間に積層体２を配置し、ダイス１２のヒータ穴１２２に挿入されるカートリッジヒータを利用して積層体２に温度勾配を付与する。ここでは、積層体２の積層方向（すなわち、上下方向）に沿ってパンチ１１側からダイス１２側に向かって温度が高くなるように、積層体２に温度勾配を付与する。

このとき、積層体２を形成する上側鉄心用金属板２１、中間鉄心用金属板２２及び下側鉄心用金属板２３のうち、ダイス１２に最も近い下側鉄心用金属板２３は先に加熱され、次に中間鉄心用金属板２２が加熱される。ダイス１２に最も遠い（言い換えれば、パンチ１１に最も近い）上側鉄心用金属板２１は最後に加熱される。このため、上側鉄心用金属板２１、中間鉄心用金属板２２及び下側鉄心用金属板２３は、ダイス１２との距離の差によって温度の差が生じる。言い換えれば、積層体２の積層方向に沿って温度勾配が生じる。

なお、ここでは、積層体２を加熱するための時間を特に設けずに、プレスに必要とされる停留時間を利用して温度勾配を付与することが好ましい。例えば、プレスに必要とされる停留時間を変えない前提で、鉄心用金属板に用いられる材料の線膨張係数、鉄心用金属板とダイス１２の上面１２ａとの接触面積等に基づき、カートリッジヒータの種類や配置数を調整することにより上述の温度勾配の付与を実現する。このようにすれば、温度勾配の付与による製造時間への影響を抑えることができる。

温度勾配除去工程Ｓ１３では、例えばプレス済みの積層体２を室温環境に放置し、空冷することにより積層体２に付与された温度勾配を除去する。すなわち、ここでの「温度勾配除去」とは、積層体２の温度を室温に戻すことを意味する。このようにすれば、温度勾配を除去するための装置を設置する必要がないので、製造コストを抑えることができる。

以下、図４を参照して本実施形態に係る鉄心の製造方法の作用効果を説明する。積層体準備工程Ｓ１１では、上側鉄心用金属板２１、中間鉄心用金属板２２及び下側鉄心用金属板２３は、互いに寸法のバラツキがない状態で積層されている（図４（ａ）参照）。

プレス工程Ｓ１２では、積層体２の積層方向に沿ってパンチ１１側からダイス１２側に向かって温度が高くなるように積層体２に温度勾配を付与するので、パンチ１１側からダイス１２側に向かって積層された各鉄心用金属板がそれぞれ熱膨張し、熱膨張量は温度によってそれぞれ異なる。上述したように、積層体２を形成する上側鉄心用金属板２１、中間鉄心用金属板２２及び下側鉄心用金属板２３のうち、ダイス１２に最も近い下側鉄心用金属板２３は最も温度が高いので、その熱膨張量が最も大きい。距離がダイス１２から離れるほど温度が徐々に低くなるので、中間鉄心用金属板２２、上側鉄心用金属板２１の順で熱膨張量が小さくなる（図４（ｂ）参照）。

そして、このように各鉄心用金属板が膨張した状態で積層体２をプレスすると、上側鉄心用金属板２１と中間鉄心用金属板２２と下側鉄心用金属板２３とで加工寸法のバラツキが生じる（図４（ｃ）参照）。

温度勾配除去工程Ｓ１３では、積層体２の温度勾配を除去することにより膨張した各鉄心用金属板が熱収縮する。このとき、上側鉄心用金属板２１、中間鉄心用金属板２２、下側鉄心用金属板２３の順で熱収縮量が大きくなる。これによって、上側鉄心用金属板２１と中間鉄心用金属板２２と下側鉄心用金属板２３とで生じた加工寸法のバラツキが小さくなったり、なくなったりする（図４（ｄ）参照）。その結果、本実施形態に係る鉄心の製造方法によれば、鉄心用金属板を複数枚積層した状態でプレスする際に生じる加工寸法のバラツキを低減することができる。

なお、本願発明者らは、上側鉄心用金属板２１、中間鉄心用金属板２２及び下側鉄心用金属板２３としてアモルファス金属（厚さ２．５μｍ、線膨張係数が４．３×１０^－６／度）を用い、これらの鉄心用金属板を積層してなる積層体２についてプレス機１でφ１７０ｍｍの円形穴を打ち抜く条件で、温度勾配を付与しない場合と温度勾配を付与する場合との温度解析をそれぞれ行った。なお、温度解析は、積層体２をダイス１２の上面１２ａに載置して０．０１秒経過後に行われた。

温度解析の結果、温度勾配を付与しない場合は、上側鉄心用金属板２１と下側鉄心用金属板２３とで０．０２ｍｍの寸法差（言い換えれば、寸法のバラツキ）が生じた。この寸法差（０．０２ｍｍ）をなくすために、上側鉄心用金属板２１の温度よりも下側鉄心用金属板２３の温度が約３０℃高くなるように積層体２に温度勾配を付与すれば良いことが分かった。その際の温度解析結果として、ダイス１２が７０℃、押え部１３が２０℃（室温）、上側鉄心用金属板２１が２０．２℃、中間鉄心用金属板２２が２５．０℃、下側鉄心用金属板２３が５０．８℃であった。

本実施形態では、積層体２に温度勾配を付与する方法として、ダイス１２の内部に挿入されるカートリッジヒータを用いて行う例を挙げて説明したが、カートリッジヒータに代えて温調機を用いても良く、また、図５及び図６に示す方法を用いても良い。

図５に示す方法は、積層体２を搬送する途中で積層体２に温度勾配を付与する方法である。具体的には、プレス機１の上流側に上下一対の上流側搬送ロール３、プレス機１の下流側に上下一対の下流側搬送ロール４がそれぞれ配置されている。なお、ここでのプレス機１は、カートリッジヒータを有さないものである。

上流側搬送ロール３は、図中矢印に示す方向に回転し、帯状の積層体２を挟み込み、プレス機１に向けて搬送する。一方、下流側搬送ロール４は、図中矢印に示す方向に回転し、プレス済みの積層体２を挟み込み、次の工程に送り出す。これらの搬送ロールは、例えばステンレス等の金属によって形成されている。

また、上流側搬送ロール３とプレス機１との間には、上側鉄心用金属板２１に冷風を吹き付ける冷風吹付部５と、下側鉄心用金属板２３に温風を吹き付ける温風吹付部６とがそれぞれ配置されている。すなわち、ここでは、積層体２を搬送しながら、パンチ１１側に位置する上側鉄心用金属板２１に冷風吹付部５で冷風を吹き付け、ダイス１２側に位置する下側鉄心用金属板２３に温風吹付部６で熱風を吹き付けることにより、パンチ１１側からダイス１２側に向かって温度が高くなるように積層体２に温度勾配の付与を行う。好ましくは、上側鉄心用金属板２１よりも下側鉄心用金属板２３の温度を約３０℃高くする。

図６に示す方法は、積層体２を搬送する途中に積層体２に温度勾配を付与する方法である。具体的には、上下一対の上流側搬送ロール３のうち、上側に配置された上側ロール３ａに冷却装置（図示せず）、下側に配置された下側ロール３ｂに加熱装置（図示せず）がそれぞれ内蔵されている。すなわち、ここでは、積層体２を搬送しながら、上側ロール３ａを介して上側鉄心用金属板２１に低温、下側ロール３ｂを介して下側鉄心用金属板２３に高温をそれぞれ付与することにより、パンチ１１側からダイス１２側に向かって温度が高くなるように積層体２に温度勾配の付与を行う。好ましくは、上側鉄心用金属板２１よりも下側鉄心用金属板２３の温度を約３０℃高くする。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

例えば、上述の実施形態において積層体が３枚の鉄心用金属板を積層してなる例を説明したが、積層枚数は３枚に限定されず、必要に応じて適宜増減しても良い。また、上述の実施形態において、パンチ１１、ダイス１２及び押え部１３を有するプレス機１を用いる例を挙げて説明したが、パンチ及びダイスを有する金型を用いても良い。また、上述の実施形態において、パンチ及びダイスは円柱状に形成される例を説明したが、円柱状に限定されず、鉄心の形状に合わせて形成することができる。

１プレス機
２積層体
３上流側搬送ロール
３ａ上側ロール
３ｂ下側ロール
４下流側搬送ロール
５冷風吹付部
６温風吹付部
１１パンチ
１２ダイス
１３押え部
２１上側鉄心用金属板
２２中間鉄心用金属板
２３下側鉄心用金属板
１２１ダイス穴
１２２ヒータ穴
１３１貫通穴

Claims

鉄心用金属板を複数枚積層して積層体を準備する積層体準備工程と、
前記積層体に温度勾配を付与し、パンチとダイスとを有する装置で前記積層体をプレスするプレス工程と、
前記積層体の温度勾配を除去する温度勾配除去工程と、
を含み、
前記プレス工程において、前記積層体の積層方向に沿って前記パンチ側から前記ダイス側に向かって温度が高くなるように前記積層体に温度勾配を付与することを特徴とする鉄心の製造方法。
前記鉄心用金属板はアモルファス金属である請求項１に記載の鉄心の製造方法。
前記ダイスにはヒータが設けられており、
前記プレス工程において、前記ヒータを用いて前記積層体に温度勾配を付与する請求項１又は２に記載の鉄心の製造方法。
温度勾配は、前記鉄心用金属板に用いられる材料の線膨張係数、及び、前記鉄心用金属板と前記ダイスの上面との接触面積に基づいて調整される請求項１～３のいずれか一項に記載の鉄心の製造方法。
前記温度勾配除去工程は、前記積層体の温度を室温に戻す請求項１～４のいずれか一項に記載の鉄心の製造方法。