JP2013115965A

JP2013115965A - 回転機用ステータの製造方法および回転機用ステータ

Info

Publication number: JP2013115965A
Application number: JP2011261353A
Authority: JP
Inventors: Takaya Nagahama; 貴也長濱; Masami Naka; 正美仲; Yoshiyuki Shibata; 由之柴田; Shigeki Nagase; 茂樹長瀬; Takashi Kageyama; 孝影山
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-10
Also published as: US20130134827A1; CN103138501A; EP2600506A2

Abstract

【課題】リング状ティース部材とリング状ヨーク部材との嵌合組付けが容易であり、コギングトルクを低減することができる回転機用ステータの製造方法および回転機用ステータを提供する。
【解決手段】ティース連結部２２を加熱溶融させて非磁性化処理した後に、リング状ティース部材２の内周部を径方向外方に押圧している。これにより、ティース連結部２２を容易に塑性変形させることができ、リング状ティース部材２とリング状ヨーク部材３とを容易に嵌合組付けすることができる。また、ティース連結部２２は、加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。これにより、漏れ磁束を減少し、磁気特性の良好な回転機の製造方法を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機に用いられるステータの製造方法および回転機用ステータに関するものである。

例えば、特開平２−３０７３３９号公報（特許文献１）には、ステータをリング状のティース部材とリング状のヨーク部材とに分割し、ティースに対し巻線を配置した後にリング状ティース部材とリング状ヨーク部材とを嵌合組付けした構成の回転機が記載されている。このステータによれば、リング状ティース部材とリング状ヨーク部材とが分離されているので、ティースに対する巻線の配置を容易に行うことができる。また、複数個のティースは、互いに連結して構成されている。該ティース連結部は、所定の機械的強度を保つ幅に形成することが望ましいが、幅広になると所謂磁気パスを起こして磁束が減少し、回転機の特性を悪化させる。このため、ティース連結部の中央部付近には、磁気抵抗を増加した部分が設けられており、これにより、磁気パスを減少させることができる。

特開平２−３０７３３９号公報

特許文献１に記載の回転機用のステータでは、リング状ティース部材とリング状ヨーク部材とを嵌合組付けする必要があるが、従来よりプレス加工による加工精度では該嵌合組付けは困難であり、かかる構成の回転機の実現は容易でない。また、磁気抵抗を増加する方法として以下の方法が採られている。すなわち、レーザ照射によって結晶配向を変えて微小磁区が磁気の通る方向と直角にする方法、加工歪みを残存させる方法、急熱急冷を加える方法である。しかし、何れの方法も、磁気抵抗を増加する効果は小さく、非磁性体にはならないため漏れ磁束が残り、トルクの減少等の回転機の特徴が悪化する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、リング状ティース部材とリング状ヨーク部材との嵌合組付けが容易であり、磁気特性良好な回転機用ステータの製造方法および回転機用ステータを提供することを目的とする。

（回転機用ステータの製造方法）
（請求項１）本発明の回転機用ステータの製造方法は、前記回転機用ステータは、径方向外方に突設され巻線が配置された複数個のティース、および、隣接する前記ティースの径方向内方縁同士を連結するティース連結部を備えるリング状ティース部材と、リング状に形成され、その内周部に前記複数個のティースの嵌合が可能な複数個のティース嵌合部が設けられたリング状ヨーク部材と、を備え、前記回転機用ステータの製造方法は、前記リング状ティース部材の前記ティースに巻線を配置する巻線配置工程と、前記リング状ティース部材を前記リング状ヨーク部材に挿入し、前記ティースと前記ティース嵌合部とを位置決めする位置決め工程と、前記リング状ティース部材の内周部を径方向外方に押圧し、前記ティース連結部を塑性変形させることにより、前記ティースを前記ティース嵌合部に嵌合して前記リング状ティース部材と前記リング状ヨーク部材とを組付ける組付工程と、を備える。

（請求項２）前記組付工程の前に、前記ティース連結部を加熱する加熱工程を備えるようにしてもよい。

（請求項３）前記組付工程の前に、前記リング状ティース部材の前記ティース連結部の少なくとも一部を、加熱溶融して非磁性化元素を供給することにより非磁性化する非磁性化工程を備えるようにしてもよい。

（請求項４）前記非磁性化工程は、前記非磁性化元素の配合割合を周方向に変化させて供給することにより非磁性化するようにしてもよい。

（請求項５）前記非磁性化工程は、前記ティース連結部の中央を加熱溶融させて前記非磁性化元素を攪拌することにより非磁性化するようにしてもよい。

（請求項６）前記非磁性化工程は、前記ティース連結部を少なくとも２以上に分割し、各分割領域を加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化するようにしてもよい。

（請求項７）前記組付工程の前に、前記リング状ティース部材の前記ティース連結部の少なくとも一部を、高密度に加熱することでキーホールを形成するとともに前記キーホールの周囲に溶融池を形成し、前記溶融池に非磁性化元素を配置することで非磁性化する非磁性化工程を備えるようにしてもよい。

（回転機用ステータ）
（請求項８）本発明の回転機用ステータは、径方向外方に突設され巻線が配置された複数個のティース、および、隣接する前記ティースの径方向内方縁同士を連結するティース連結部を備えるリング状ティース部材と、リング状に形成され、その内周部に前記複数個のティースの嵌合が可能な複数個のティース嵌合部が設けられたリング状ヨーク部材と、を備えた回転機用ステータであって、前記リング状ティース部材および前記リング状ヨーク部材は、前記リング状ティース部材の前記ティース連結部の少なくとも一部を、加熱溶融して非磁性化元素を供給することにより非磁性化し、前記リング状ティース部材の内周部を径方向外方に押圧し、前記ティース連結部を塑性変形させ、前記ティースを前記ティース嵌合部に嵌合することにより組付けられている。

（請求項１）リング状ティース部材の内周部を径方向外方に押圧して、ティース連結部を塑性変形させている。これにより、リング状ティース部材とリング状ヨーク部材とを容易に嵌合組付けすることができる。

（請求項２）ティース連結部を加熱しているので、ティース連結部を容易に塑性変形させることができる。

（請求項３）ティース連結部は、加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。ティース連結部においては、非磁性化元素が合金化して非磁性化が進むが、ティース連結部全体を均一に非磁性化することにはならず、ティース連結部の溶融中心から周方向の溶融端部に向かうに従って非磁性体から強磁性体へと緩やかに変化することになる。よって、回転機の回転中におけるコギングトルクを低減することができる。

（請求項４）ティース連結部は、非磁性化元素の配合割合を周方向に変化させて供給することにより非磁性化されている。これにより、ティース連結部におけるティースとの境界付近において、非磁性体から強磁性体へと緩やかに変化させることができる。

（請求項５）ティース連結部は、該ティース連結部の中央を加熱溶融させて非磁性化元素を攪拌することにより非磁性化されている。ティース連結部においては、加熱溶融の中心部においては高温なため非磁性化元素が合金化して非磁性化が進むが、加熱溶融の中心部から離間するにつれて温度が低下するため非磁性化元素が合金化し難くなる。これにより、ティース連結部におけるティースとの境界付近において、非磁性体から強磁性体へと確実に緩やかに変化させることができる。

（請求項６）ティース連結部は、少なくとも２以上に分割され、各分割領域を加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。これにより、ティース連結部におけるティースとの境界付近において、非磁性体から強磁性体へと確実に緩やかに変化させることができる。

（請求項７）リング状ティース部材のティース連結部の少なくとも一部を、高密度エネルギを照射し、加熱することで、金属蒸発圧と母材表面張力によりキーホールを形成し、キーホール周囲の溶融池に非磁性化元素を固溶合金化することで非磁性化するので、リング状ティース部材の熱変形を抑制することができる。

（請求項５）本発明の回転機用ステータによれば、上述した回転機用ステータの製造方法における効果と同様の効果を奏する。

回転機用ステータの平面図である。回転機用ステータのリング状ティース部材の平面図である。回転機用ステータのリング状ヨーク部材の平面図である。ステータの接続部を非磁性化するための第１の加熱溶融方法を示す図である。ステータの接続部を非磁性化するための第２の加熱溶融方法を示す図である。永久磁石との非接触部を非磁性するための第３の加熱溶融方法を示す模式断面図である。永久磁石との非接触部を非磁性するための第３の加熱溶融方法を示す模式斜視図である。ステータの製造方法を説明するためのフローチャートである。ステータの接続部における溶融中心から溶融部端にかけての透磁率の変化を示す図である。

（１．回転機用ステータの構成）
回転機に用いられるステータとして、インナーロータモータのステータについて、図１〜図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、「径方向」および「軸方向」とは、ステータの径方向および軸方向を指す。

図１〜図３に示すように、ステータ１は、リング状のティース部材２と、リング状のヨーク部材３と、巻線９（図１参照）とを備えて構成される。

リング状ティース部材２は、例えば電磁鋼板でなる薄板リング状の強磁性板４が複数枚積層されて構成されている。リング状ティース部材２には、複数個（本例では、１２個）の略Ｔ字状のティース２１が、Ｔ字の脚部が径方向外方を向いて等角度間隔で突設されている。隣接するティース２１の径方向内方縁同士は、ティース連結部２２によりそれぞれ接続されている。各ティース２１には、巻線９が配置されている。

リング状ヨーク部材３は、リング状ティース部材２と同材質の電磁鋼板でなる薄板リング状の強磁性板５が複数枚積層されて構成されている。リング状ヨーク部材３の内周部には、リング状ティース部材２の１２個のティース２１の嵌合が可能な１２個のティース嵌合部３１が設けられている。

ステータ１は、リング状のティース部材２とリング状のヨーク部材３とに分割されており、詳細は後述するが、リング状ティース部材２の内周部を径方向外方に押圧し、ティース連結部２２を塑性変形させ、各ティース２１を各ティース嵌合部３１に嵌合することにより組付けられる。

リング状ティース部材２におけるティース２１間のティース連結部２２は、加熱溶融しながら非磁性化元素（マンガンまたはニッケル等）を供給することにより非磁性化されている。そして、ティース連結部２２とティース２１との境界、すなわち非磁性相と強磁性相との境界では、透磁率が緩やかに変化するように、非磁性化元素の配合割合を変化させて供給することにより非磁性化されている。

例えば、図４に示すように、ティース連結部２２の外周部における周方向中央にレーザＬを照射してティース連結部２２の内周部における周方向中央を加熱溶融させ、供給した非磁性化元素２３を図示矢印のように攪拌することにより非磁性化する。また、図５に示すように、ティース連結部２２を周方向に３つに分割し、各分割領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃにレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３を照射し、各分割領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃを加熱溶融しながら中央の分割領域２２ｂには非磁性化元素２３を多めに供給し、両側の分割領域２２ａ，２２ｃには非磁性化元素２３を少なめに供給することにより非磁性化する。なお、分割領域は、３つに限定されるものではなく、少なくとも２つ以上に分割すればよい。

また、ティース連結部２２は、高密度に加熱することでキーホールを形成するとともに、キーホールの周囲に溶融池を形成し、溶融池に非磁性化元素を配置することにより非磁性化するようにしてもよい。ここで、ティース連結部２２の非磁性化処理について図６および図７を参照して説明する。非磁性化処理は、キーホール形成工程および元素配置工程で構成される。キーホール形成工程は、ティース連結部２２に対し、ティース連結部２２の内周部（リング状ティース部材２の内周部）側からレーザＬを照射してキーホール６を形成する工程である。キーホール６とは、レーザＬの照射によって、レーザＬが照射されるティース連結部２２の内周部から外周部に亘って貫通して形成される円孔を意味する。そして、キーホール６形成時には蒸発金属が発生し、キーホール６の周囲には金属蒸発圧と母材表面張力により溶融池７が形成される。

元素配置工程は、キーホール６周囲の溶融池７に非磁性化元素８１を配置する工程である。非磁性化元素８１（非磁性化元素であるマンガンまたはニッケル等）により形成されたワイヤ８をティース連結部２２の内周部のレーザＬ照射位置周辺に配置する。そして、ティース連結部２２の内周部に対するレーザＬ照射位置を相対移動させ、レーザＬ照射位置に合わせてワイヤ８も相対移動させる。レーザＬ照射位置が相対移動すると、前照射位置のキーホール６は、溶融したティース連結部２２により埋められる。なお、溶融池７の周囲には熱影響を受けた熱影響部Ａが形成される。

ワイヤ８は、溶融池７に当接して溶融し、溶融したワイヤ８（すなわち、非磁性化元素８１）は、溶融池７内に混入し拡散する。溶融池７では、対流（図６矢印参照）が発生しやすいので、非磁性化元素８１は、ティース連結部２２の半径方向に拡散し、ティース連結部２２の外周部から内周部にまで供給される。これにより、ティース連結部２２は、合金化して非磁性体に変化する。

なお、溶接の技術分野において、キーホールとは、レーザ溶接、電子ビーム溶接、およびアーク溶接等の溶接中に生じる深く狭い穴のことである。複数の部材を溶接する際に、一方の部材にキーホールを形成することで、当該一方の部材と他方の部材とを溶接する。詳細には、一方の部材の表面にレーザなどの熱源を当てた場合に、当該一方の部材にキーホールを形成することで、当該一方の部材の裏面側と他方の部材の表面側とを溶接する。一方、非磁性化処理で形成するキーホール６は、複数層を溶接するためのキーホール溶接とは異なり、一層のティース連結部２２に対してキーホール６を形成し、ティース連結部２２の厚みに関わらず、ティース連結部２２の外周部から内周部まで均一に磁性改質するものである。このように、溶接の技術分野は、磁性改質の技術分野と全く異なっている。

（２．回転機用ステータの製造方法）
ステータ１の製造方法について図８のフローチャートを参照して説明する。図８に示すように、例えば電磁鋼板をプレス装置にセットし、強磁性板４，５の形状にそれぞれ打抜く（ステップＳ１）。打抜かれた各強磁性板４，５は、金型内に落下して収納される。そして、所定枚数の強磁性板４，５が打抜かれて金型内に積層されたら（ステップＳ２）、積層された複数枚の強磁性板４，５をそれぞれ軸方向にプレスし、強磁性板４，５にプレス成形されたカシメ（図略）により固定してリング状ティース部材２およびリング状ヨーク部材３をそれぞれ作製する（ステップＳ３）。

リング状ティース部材２のティース２１に巻線を配置したら（ステップＳ４、本発明の「巻線配置工程」に相当する）、リング状ティース部材２をリング状ヨーク部材３に挿入し、ティース２１の先端がティース嵌合部３１の開口と一致するように位置決めする（ステップＳ５、本発明の「位置決め工程」に相当する）。そして、ティース連結部２２に、例えばレーザを照射して加熱溶融しながらマンガンを配合割合を変化させて供給し、該ティース連結部２２を非磁性化する（ステップＳ６、本発明の「加熱工程」および「非磁性化工程」に相当する）。このときのティース連結部２２の温度は、例えば１６００°Ｃに達している。

ティース連結部２２の非磁性化が完了し、ティース連結部２２の温度が、例えば５００〜７００°Ｃ以上の所定温度以上であるか所定温度以下であるかを判断し（ステップＳ７，Ｓ８）、所定温度以下であるときはブリッジ部２２をレーザ照射して加熱する（ステップＳ９）。ブリッジ部２２の温度が、所定温度になったら、リング状ティース部材２の内周部を径方向外方に押圧し、ティース連結部２２を塑性変形させる温間成形を行う（ステップＳ１０）。そして、ティース２１をティース嵌合部３１に嵌合し、リング状ティース部材２とリング状ヨーク部材３とを組付ける（ステップＳ１１、ステップＳ７〜Ｓ１１が本発明の「組付工程」に相当する）。以上により、ステータ１が完成する。

なお、上述の「加熱工程」および「非磁性化工程」を行わず、リング状ティース部材２の内周部を径方向外方に押圧し、ティース連結部２２を塑性変形させて、ティース２１をティース嵌合部３１に嵌合し、リング状ティース部材２とリング状ヨーク部材３とを組付けるようにしてもよい。また、「非磁性化工程」を行わず、「加熱工程」のみを行い、リング状ティース部材２の内周部を径方向外方に押圧し、ティース連結部２２を塑性変形させて、ティース２１をティース嵌合部３１に嵌合し、リング状ティース部材２とリング状ヨーク部材３とを組付けるようにしてもよい。

（３．回転機用ロータの作用効果）
ステータ１は、リング状ティース部材２とリング状ヨーク部材３とに分割されている。これにより、リング状ティース部材２に形成されているティース２１に対し巻線の配置を容易に行うことができる。また、リング状ティース部材２の内周部を径方向外方に押圧して、ティース連結部２２を塑性変形させている。これにより、リング状ティース部材２とリング状ヨーク部材３とを容易に嵌合組付けすることができる。

また、ティース連結部２２を加熱しているので、ティース連結部２２を容易に塑性変形させることができる。また、ティース連結部２２は、加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。ティース連結部２２においては、非磁性化元素が合金化して非磁性化が進むが、ティース連結部２２全体を均一に非磁性化することにはならず、図９に示すように、ティース連結部２２の溶融中心から周方向の溶融端部に向かうに従って非磁性体から強磁性体へと緩やかに変化することになる。よって、回転機の回転中におけるコギングトルクを低減することができる。

また、ティース連結部２２は、非磁性化元素の配合割合を周方向に変化させて供給することにより非磁性化されている。詳細には、ティース連結部２２は、該ティース連結部２２の中央を加熱溶融させて非磁性化元素を攪拌することにより非磁性化されている。ティース連結部２２においては、加熱溶融の中心部においては高温なため非磁性化元素が合金化して非磁性化が進むが、加熱溶融の中心部から離間するにつれて温度が低下するため非磁性化元素が合金化し難くなる。これにより、ティース連結部２２におけるティース２１との境界付近において、非磁性体から強磁性体へと確実に緩やかに変化させることができる。また、ティース連結部２２は、３つに分割され、各分割領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃを加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化されている。これにより、ティース連結部２２におけるティース２１との境界付近において、非磁性体から強磁性体へと確実に緩やかに変化させることができる。また、リング状ティース部材２のティース連結部２２の少なくとも一部を、高密度エネルギを照射し、加熱することで、金属蒸発圧と母材表面張力によりキーホール６を形成し、キーホール６周囲の溶融池７に非磁性化元素８１を固溶合金化することで非磁性化するので、リング状ティース部材２の熱変形を抑制することができる。

（４．変形例）
上述の実施形態では、非磁性化元素８１により形成されたワイヤ８をティース連結部２２の内周部のレーザＬ照射位置周辺に配置し、キーホール６周囲に形成される溶融池７に非磁性化元素８１を供給して非磁性化処理するようにしたが、以下の方法により非磁性化処理するようにしてもよい。すなわち、ティース連結部２２の内周部に非磁性化元素８１のペレットを配置し、プレス加工により非磁性化元素８１のペレットをティース連結部２２の内周部に打込み、該非磁性化元素８１のペレットにレーザ２を照射して非磁性化処理するようにしてもよい。また、ティース連結部２２の内周部に非磁性化元素８１の粉末や粗粒あるいは薄膜を配置し、該非磁性化元素８１の粉末にレーザ２を照射して非磁性化処理するようにしてもよい。また、ティース連結部２２の溶融にレーザＬを用いたが、高密度エネルギを照射可能な手段であればよく、例えば電子ビームでもよい。

１：ステータ、２：リング状ティース部材、３：リング状ヨーク部材
４，５：強磁性板、９：巻線
２１：ティース、２２：ティース連結部
３１：ティース嵌合部

Claims

回転機用ステータの製造方法であって、
前記回転機用ステータは、
径方向外方に突設され巻線が配置された複数個のティース、および、隣接する前記ティースの径方向内方縁同士を連結するティース連結部を備えるリング状ティース部材と、
リング状に形成され、その内周部に前記複数個のティースの嵌合が可能な複数個のティース嵌合部が設けられたリング状ヨーク部材と、
を備え、
前記回転機用ステータの製造方法は、
前記リング状ティース部材の前記ティースに巻線を配置する巻線配置工程と、
前記リング状ティース部材を前記リング状ヨーク部材に挿入し、前記ティースと前記ティース嵌合部とを位置決めする位置決め工程と、
前記リング状ティース部材の内周部を径方向外方に押圧し、前記ティース連結部を塑性変形させることにより、前記ティースを前記ティース嵌合部に嵌合して前記リング状ティース部材と前記リング状ヨーク部材とを組付ける組付工程と、を備えたことを特徴とする回転機用ステータの製造方法。
請求項１において、
前記組付工程の前に、前記ティース連結部を加熱する加熱工程を備えたことを特徴とする回転機用ステータの製造方法。
請求項１において、
前記組付工程の前に、前記リング状ティース部材の前記ティース連結部の少なくとも一部を、加熱溶融して非磁性化元素を供給することにより非磁性化する非磁性化工程を備えたことを特徴とする回転機用ステータの製造方法。
請求項３において、
前記非磁性化工程は、前記非磁性化元素の配合割合を周方向に変化させて供給することにより非磁性化することを特徴とする回転機用ステータの製造方法。
請求項３において、
前記非磁性化工程は、前記ティース連結部の中央を加熱溶融させて前記非磁性化元素を攪拌することにより非磁性化することを特徴とする回転機用ステータの製造方法。
請求項３において、
前記非磁性化工程は、前記ティース連結部を少なくとも２以上に分割し、各分割領域を加熱溶融しながら非磁性化元素を供給することにより非磁性化することを特徴とする回転機用ステータの製造方法。
請求項２〜５の何れか一項において、
前記組付工程の前に、前記リング状ティース部材の前記ティース連結部の少なくとも一部を、高密度に加熱することでキーホールを形成するとともに前記キーホールの周囲に溶融池を形成し、前記溶融池に非磁性化元素を配置することで非磁性化する非磁性化工程を備えたことを特徴とする回転機用ステータの製造方法。
径方向外方に突設され巻線が配置された複数個のティース、および、隣接する前記ティースの径方向内方縁同士を連結するティース連結部を備えるリング状ティース部材と、
リング状に形成され、その内周部に前記複数個のティースの嵌合が可能な複数個のティース嵌合部が設けられたリング状ヨーク部材と、
を備えた回転機用ステータであって、
前記リング状ティース部材および前記リング状ヨーク部材は、前記リング状ティース部材の前記ティース連結部の少なくとも一部を、加熱溶融して非磁性化元素を供給することにより非磁性化し、前記リング状ティース部材の内周部を径方向外方に押圧し、前記ティース連結部を塑性変形させ、前記ティースを前記ティース嵌合部に嵌合することにより組付けられていることを特徴とする回転機用ステータ。