JP7329961B2

JP7329961B2 - 鉄心部材の熱処理方法、熱処理用治具

Info

Publication number: JP7329961B2
Application number: JP2019092158A
Authority: JP
Inventors: 修中崎; 泰三山本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2023-08-21
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: JP2020188601A

Description

本発明は、鉄心部材の熱処理方法、熱処理用治具に関する。

モータコアなどの鉄心部材は、一般に、電磁鋼板を所定形状に打ち抜いた後に積層し、クランプ等により固着させることで形成される。ステータコアの場合には、この鉄心部材に巻線処理を施した後にフレーム（ハウジング）に圧入することにより、モータステータとして完成する。
そのため、鉄心部材には、これらの製造過程、特に打ち抜きやフレームへの圧入により、図６（ａ）、（ｂ）に矢印で示すように、ヨークには周方向の、ティースには径方向の圧縮応力が残留する。

しかし、完成後のモータステータにおいては、ヨークには周方向の、ティースには径方向の磁場が形成される。つまり、残留した圧縮応力の方向と磁場方向とが一致する。
一般に、電磁材料は圧縮応力の方向に対して鉄損等の磁気特性が悪化することが知られている。そのため、磁気特性の改善・向上には、鉄心部材に残留した圧縮応力を低減・除去する必要がある。圧縮応力を低減する方法としては熱処理が一般的であるが、単純に熱処理を行うだけでは残留応力を一定程度低減させるに留まり、十分な磁気特性の改善には至らない。

この点、例えば特許文献１に記載の技術では、ヨークを周方向に分割するとともに複数のティースを当該ティースごとに分割した分割構造のステータコアを用いている。そして、各分割コアを方向性電磁鋼板で構成し、その磁化容易方向をヨークでは周方向に、ティースでは径方向に向けることにより、磁気特性の改善・向上を図っている。

特開２００５－５７８１６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、煩雑な分割構造の採用により、組立工程の増加や、コア結合部での磁気特性の悪化、形状精度の低下といった課題がある。

本発明は、従来に比べて簡便に、鉄心部材の磁気特性を向上させることを目的とする。

本発明に係る鉄心部材の熱処理方法は、
円筒状のヨークと、前記ヨークからその径方向内側に突出した複数のティースと、前記複数のティースの間に形成され、径方向内側が開口した複数のスロットと、有し、電磁鋼板を積層させて構成される鉄心部材の熱処理方法であって、
内筒部と、前記内筒部の外周面から径方向外側に突出した複数の突起部と、を有し、前記鉄心部材よりも線膨張係数の大きい熱処理用治具を用い、
前記内筒部を前記鉄心部材の径方向内側に挿嵌して前記ティースの内周面を覆い、前記複数の突起部を前記複数のスロット内に個別に挿嵌して、前記ティースの突出方向と直交する方向における当該ティースの両側に前記熱処理用治具の前記突起部を配置した状態で、前記鉄心部材を所定の加熱温度まで加熱するものである。

本発明に係る熱処理用治具は、
円筒状のヨークと、前記ヨークからその径方向内側に突出した複数のティースと、前記複数のティースの間に形成され、径方向内側が開口した複数のスロットと、有し、電磁鋼板を積層させて構成される鉄心部材の熱処理に用いる熱処理用治具であって、
前記鉄心部材よりも線膨張係数の大きい材料で構成され、
前記鉄心部材の径方向内側に挿嵌されて前記ティースの内周面を覆う内筒部と、
前記内筒部の外周面から径方向外側に突出され、前記複数のスロット内に個別に挿嵌されて、前記ティースの突出方向と直交する方向における当該ティースの両側に配置される複数の突起部と、を有するように構成した。

本発明によれば、従来に比べて簡便に、鉄心部材の磁気特性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る鉄心部材の斜視図である。（ａ）図１の鉄心部材に熱処理用治具を組み付けた状態の平面図であり、（ｂ）（ａ）のＡ部を拡大した図である。（ａ）熱処理用治具を組み付けるときの鉄心部材を示す図であり、（ｂ）熱処理用治具を組み付けた鉄心部材を熱処理炉に入れた状態を示す図である。熱処理後の鉄心部材に生じる残留応力の方向を説明するための図である。熱処理後の鉄心部材に生じる残留応力を解析した解析結果を示す図である。従来のステータコアにおける残留応力の方向を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［鉄心部材］
まず、本実施形態に係る鉄心部材について説明する。
図１は、本実施形態に係る鉄心部材１０の斜視図である。
この図に示すように、本実施形態に係る鉄心部材１０は、モータ用のステータコアであり、ヨーク１１と、複数のティース１２と、複数のティース１２の間に形成される複数のスロット１３とを有する。ヨーク１１は、略円筒状に形成されている。複数のティース１２は、ヨーク１１の内周部からその径方向内側に向かって突出（延出）しており、隣り合うティース１２間のスロット１３は、内径側が開口したオープンスロットとなっている。鉄心部材１０は、ヨーク１１の中心軸に沿った方向において略一様な断面形状に形成されている。
なお、以下の説明では、ヨーク１１の中心軸（円筒の中心軸）に沿った方向を「軸方向」、当該中心軸に垂直な方向を「径方向」、当該中心軸を中心とする回転方向を「周方向」という。

この鉄心部材１０は、ヨーク１１及び複数のティース１２を有する平面視形状に打ち抜いた薄板の電磁鋼板（本実施形態では無方向性電磁鋼板）を、所定の軸方向厚さに積層させた後、クランプや溶接、カシメ等により固着させた状態のものである。ただし、この鉄心部材１０の製造工程は特に限定されず、例えば打ち抜きに代えてワイヤカットを用いるなどしてもよい。

［鉄心部材の熱処理方法］
続いて、鉄心部材１０の熱処理方法について説明する。
この熱処理では、鉄心部材１０の加工歪を除去するとともに、所定の方向に引張応力を残留させて、その磁気特性（鉄損等）を改善させる。
図２（ａ）は、後述の熱処理用治具２０を組み付けた状態の鉄心部材１０の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ部を拡大した図である。図３（ａ）は、熱処理用治具２０を組み付けるときの鉄心部材１０を示す図であり、図３（ｂ）は、熱処理用治具２０を組み付けた鉄心部材１０を熱処理炉３０に入れた状態を示す図である。図４は、熱処理後の鉄心部材１０に生じる残留応力の方向を説明するための図である。図５は、この残留応力を解析した解析結果を示す図であって、（ａ）がヨーク１１についてのもの、（ｂ）がティース１２についてのものである。なお、図２では、図示の分かり易さのために、鉄心部材１０及び熱処理用治具２０にハッチングを施している。

鉄心部材１０の熱処理を開始する前に、図２（ａ）に示すように、鉄心部材１０に熱処理用治具（以下、単に「治具」という。）２０を組み付ける。
治具２０は、鉄心部材１０に所定の方向の引張応力を残留させるためのものであり、軸方向に略一様な断面形状に形成されるとともに、少なくとも鉄心部材１０よりも長い軸方向長さに形成されている。具体的に、治具２０は、内筒部２１と複数の突起部２２とを有する形状に形成されている。内筒部２１は、鉄心部材１０の内径よりも小さい外径を有する円筒状に形成されている。複数の突起部２２は、鉄心部材１０の複数のスロット１３に対応しており、内筒部２１の外周面からその径方向外側に向かって突出（延出）している。より詳しくは、複数の突起部２２は、鉄心部材１０の複数のスロット１３内に個別に挿嵌可能なように、各突起部２２がスロット１３よりもやや小さく形成されている。

内筒部２１の外周面は、図２（ｂ）に示すように、治具２０が鉄心部材１０に組み付けられた状態において、鉄心部材１０の各ティース１２の内径側先端との間に、所定の隙間Ｇを介在させている。この隙間Ｇにより、内筒部２１と各ティース１２の内径側先端とが熱処理時に接触しないようになっている。

また、治具２０は、鉄よりも線膨張係数の大きい金属材料で構成されており、本実施形態では銅で構成されている。より詳しくは、治具２０の線膨張係数は、鉄心部材１０（すなわち、その殆どを構成する電磁鋼板）の線膨張係数よりも大きければよい。

図３（ａ）に示すように、複数の突起部２２を複数のスロット１３内に個別に挿嵌しつつ内筒部２１を鉄心部材１０の内径側に挿嵌するようにして、治具２０を鉄心部材１０にその軸方向全長に亘って挿嵌させて組み付ける。これにより、鉄心部材１０の各ティース１２の周方向の両側に、治具２０の突起部２２が配置された状態となる。なお、この組み付けの際には、必要に応じて治具２０を冷却するなどしてもよい。

その後、図３（ｂ）に示すように、治具２０が組み付けられた状態の鉄心部材１０を熱処理炉３０内に配置して、熱処理を開始する。熱処理炉３０は公知の構成のものであり、これによる熱処理の手順も一般的なものであるため、その詳細な説明は省略する。
熱処理炉３０内を真空引き又は不活性ガスで充填した後、熱処理炉３０を動作させて鉄心部材１０を所定の加熱温度まで加熱する。この加熱温度は、鉄心部材１０に所望の引張応力を残留させる温度であれば特に限定はされないが、鉄心部材１０の歪取り焼鈍を兼ねることができる鉄心部材１０の再結晶温度以上であることが好ましい。本実施形態では、このような加熱温度として約７５０℃まで鉄心部材１０を加熱する。そして、所定時間（例えば２時間）の保持の後、鉄心部材１０を常温まで冷却する。
その後、鉄心部材１０から治具２０を取り外し、スロット１３内にコイルを巻く巻線処理の後に、鉄心部材１０を所定のフレームに嵌合などすることにより、モータステータが完成する。

このように、鉄心部材１０に治具２０を取り付けた状態でこれらを加熱することにより、より線膨張係数の大きい治具２０が鉄心部材１０を塑性変形させ、当該鉄心部材１０に残留応力を生じさせる。
具体的に、鉄心部材１０のヨーク１１は、その内径側の複数のスロット１３内に配置された治具２０の突起部２２によって、内径側から押圧される。その結果、図４に示すように、ヨーク１１の径方向には圧縮応力（破線で図示）が残留し、周方向には引張応力（実線で図示）が残留する。
一方、各ティース１２は、その周方向両側のスロット１３内に配置された治具２０の突起部２２によって、周方向の両側から押圧される。その結果、各ティース１２の径方向には引張応力（図４に実線で図示）が残留し、周方向には圧縮応力（図４に破線で図示）が残留する。
このように、ヨーク１１に周方向の引張応力が生じ、ティース１２に径方向の引張応力が生じることは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ＦＥＭ解析によっても確認することができた。このＦＥＭ解析では、治具２０を取り付けた鉄心部材１０に７５０℃の温度荷重を負荷したときの応力を確認した。

ヨーク１１に周方向の引張応力を残留させ、ティース１２に径方向の引張応力を残留させることにより、鉄心部材１０の磁気特性を改善・向上させることができる。すなわち、鉄心部材１０には、その後にスロット１３内に巻回される図示しないコイルにより、ヨーク１１には周方向の、ティース１２には径方向の磁場が形成されるところ、この磁場方向に沿った引張応力を残留させることにより、当該磁場形成時における鉄損等の磁気特性を改善・向上させることができる。

［本実施形態の技術的効果］
以上のように、本実施形態によれば、ティース１２の周方向の両側に、鉄心部材１０よりも線膨張係数の大きい治具２０（の突起部２２）が配置された状態で、鉄心部材１０が所定の加熱温度まで加熱される。
これにより、ティース１２は治具２０によって周方向の両側から押圧され、当該ティース１２の磁場方向である径方向に引張応力が残留する。したがって、煩雑な分割型のコア構造としていた従来と比べて簡便に、鉄心部材１０の磁気特性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、鉄心部材１０の再結晶温度以上の加熱温度まで加熱するので、この熱処理により、加工歪を除去する歪取り焼鈍を兼ねることができる。

また、本実施形態によれば、鉄心部材１０が、円筒状のヨーク１１と、ヨーク１１からその径方向内側に突出した複数のティース１２と、複数のティース１２の間に形成される複数のスロット１３とを有しており、この複数のスロット１３内に治具２０の複数の突起部２２が個別に挿嵌される。
そのため、治具２０を組み付けた状態で鉄心部材１０を加熱することにより、各ティース１２が治具２０の突起部２２によって周方向の両側から押圧されるとともに、ヨーク１１が治具２０の突起部２２によって内径側から押圧される。これにより、各ティース１２及びヨーク１１には、各々に生じる磁場方向と一致する径方向及び周方向に、引張応力がそれぞれ残留する。したがって、鉄心部材１０の磁気特性をより一層向上させることができる。

また、本実施形態によれば、治具２０が、鉄心部材１０の内径側に挿嵌される内筒部２１を有し、複数の突起部２２が内筒部２１の外周面からその径方向外側に突出している。
そのため、内筒部２１により複数の突起部２２を内径側で支持して、当該複数の突起部２２を径方向外側に好適に加熱延伸させることができる。

また、本実施形態によれば、治具２０の内筒部２１の外周面と、鉄心部材１０の各ティース１２の内径側先端との間に、所定の隙間Ｇが介在している。
これにより、鉄心部材１０の加熱時に、複数の突起部２２を支持する内筒部２１がティース１２を径方向に押圧してしまうことを避けることができる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、上記実施形態では、治具２０の形状が、内筒部２１から複数の突起部２２が突出した形状であることとした。しかし、治具２０は、鉄心部材１０の複数のスロット１３内に個別に挿嵌される複数の突起部２２と、これを支持する部分とを有していればよい。したがって、例えば鉄心部材１０がクローズドスロットの場合などには、治具２０は、内筒部２１に代えて、複数の突起部２２を軸方向の少なくとも一方の端部で支持する部分を有するものであってもよい。
さらに、治具２０の形状（特に突起部２２の形状）は、加熱温度や、鉄心部材１０及び治具２０の線膨張係数、所望の残留応力等に応じて適宜設定・調整することとしてよい。

また、上記実施形態では、鉄心部材１０が一体のステータコアであることとしたが、本発明に係る鉄心部材は、ヨークとティースが一体の部分を有していればよく、その他の部分が分割された分割型のコアであってもよい。この分割型のコアとする場合などには、鉄心部材を構成する電磁鋼板に、無方向性電磁鋼板でなく、方向性電磁鋼板を用いてもよい。ただし、方向性電磁鋼板の適用は、治具２０による押圧が結晶方位を崩すおそれがある点や、無方向性電磁鋼板よりも高コスト化する点で、好ましくない。

また、本発明に係る鉄心部材は、第１の部分と、第１の部分から突出した第２の部分とを有し、電磁鋼板を積層させて構成されているものであれば、特に限定されない。したがって、本発明に係る鉄心部材は、モータ用のステータコアでなくともよく、例えば、ロータコアや、Ｅ型のトランス用のコア、リニアモータ用のコア等であってもよい。
その他、上記実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０鉄心部材
１１ヨーク
１２ティース
１３スロット
２０熱処理用治具
２１内筒部
２２突起部
３０熱処理炉
Ｇ隙間

Claims

円筒状のヨークと、前記ヨークからその径方向内側に突出した複数のティースと、前記複数のティースの間に形成され、径方向内側が開口した複数のスロットと、有し、電磁鋼板を積層させて構成される鉄心部材の熱処理方法であって、
内筒部と、前記内筒部の外周面から径方向外側に突出した複数の突起部と、を有し、前記鉄心部材よりも線膨張係数の大きい熱処理用治具を用い、
前記内筒部を前記鉄心部材の径方向内側に挿嵌して前記ティースの内周面を覆い、前記複数の突起部を前記複数のスロット内に個別に挿嵌して、前記ティースの突出方向と直交する方向における当該ティースの両側に前記熱処理用治具の前記突起部を配置した状態で、前記鉄心部材を所定の加熱温度まで加熱する、
鉄心部材の熱処理方法。
前記加熱温度は、前記鉄心部材の再結晶温度以上の温度である、
請求項１に記載の鉄心部材の熱処理方法。
前記内筒部の外周面と、前記鉄心部材の各ティースの内径側先端との間に、所定の隙間が介在している、
請求項１に記載の鉄心部材の熱処理方法。
前記電磁鋼板は無方向性電磁鋼板である、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の鉄心部材の熱処理方法。
円筒状のヨークと、前記ヨークからその径方向内側に突出した複数のティースと、前記複数のティースの間に形成され、径方向内側が開口した複数のスロットと、有し、電磁鋼板を積層させて構成される鉄心部材の熱処理に用いる熱処理用治具であって、
前記鉄心部材よりも線膨張係数の大きい材料で構成され、
前記鉄心部材の径方向内側に挿嵌されて前記ティースの内周面を覆う内筒部と、
前記内筒部の外周面から径方向外側に突出され、前記複数のスロット内に個別に挿嵌されて、前記ティースの突出方向と直交する方向における当該ティースの両側に配置される複数の突起部と、を有する、
熱処理用治具。