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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-07
(45)【発行日】2023-12-15
(54)【発明の名称】モータの鉄心構造体及びその形成方法
(51)【国際特許分類】
   H02K 1/00 20060101AFI20231208BHJP
   H02K 15/02 20060101ALI20231208BHJP
   B23K 20/12 20060101ALI20231208BHJP
   B23K 20/10 20060101ALI20231208BHJP
【FI】
H02K1/00 A
H02K15/02 D
B23K20/12 360
B23K20/10
【請求項の数】 7
(21)【出願番号】P 2019144982
(22)【出願日】2019-08-07
(65)【公開番号】P2021027733
(43)【公開日】2021-02-22
【審査請求日】2022-03-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100090033
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 博司
(74)【代理人】
【識別番号】100093045
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 良男
(72)【発明者】
【氏名】木下 創
(72)【発明者】
【氏名】中崎 修
【審査官】一ノ瀬 薫
(56)【参考文献】
【文献】特開2010-178589(JP,A)
【文献】特開2010-178598(JP,A)
【文献】特開2011-50151(JP,A)
【文献】特開2004-236456(JP,A)
【文献】国際公開第02/056446(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 1/00
H02K 15/02
B23K 20/12
B23K 20/10
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
円筒状の鉄心部材と、
前記鉄心部材の外周に設けられた円筒状のモータフレームと、
前記鉄心部材と前記モータフレームとの境界で全周に渡ってこれらを固定するために設けられた接合層とを備え、
前記接合層は、塑性流動を生じた前記鉄心部材の金属材料及び前記モータフレームの金属材料であるモータの鉄心構造体。
【請求項2】
前記接合層は、前記鉄心部材及び前記モータフレームの面一となる軸方向の一端面に位置すると共に、摩擦攪拌接合により塑性流動を生じた状態の前記鉄心部材の金属材料及び前記モータフレームの金属材料である請求項1に記載のモータの鉄心構造体。
【請求項3】
前記接合層は、超音波接合により塑性流動を生じた状態の前記鉄心部材の金属材料及び前記モータフレームの金属材料である請求項1に記載のモータの鉄心構造体。
【請求項4】
前記接合層は、前記鉄心部材及び前記モータフレームの少なくとも軸方向の中間部に位置する請求項3に記載のモータの鉄心構造体。
【請求項5】
円筒状の鉄心部材の外周に円筒状のモータフレームを設け、
前記鉄心部材の金属材料と前記モータフレームの金属材料との境界で全周に渡ってこれらの塑性流動により接合層を形成して前記鉄心部材と前記モータフレームとの間を接合するモータの鉄心構造体の形成方法。
【請求項6】
前記鉄心部材及び前記モータフレームの面一となる軸方向の一端面において、前記鉄心部材と前記モータフレームとを摩擦攪拌接合により塑性流動を生じさせて接合層を形成する請求項5に記載のモータの鉄心構造体の形成方法。
【請求項7】
前記鉄心部材と前記モータフレームとを超音波接合により塑性流動を生じさせて接合層を形成する請求項5に記載のモータの鉄心構造体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、モータの鉄心構造体及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
モータコアなどの鉄心部材は、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。
そして、鉄心部材は、巻き線処理が施された後に、焼き嵌めでモータフレーム(ハウジング)が装着されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第2018/167853号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
図8は鉄心材料に複数の異なる応力を加えた場合の磁束密度-鉄損の関係を示した線図、図9は鉄心材料に複数の異なる応力を加えた場合の磁束密度-透磁率の関係を示した線図である。なお、図8及び図9において、0~100[MPa]は引っ張り応力を加えた場合を示し、-20~-90[MPa]は圧縮応力を加えた場合を示す。
鉄心部材に焼き嵌めでモータフレームを装着すると、鉄心部材に対して周方向に圧縮応力が発生する。図8及び図9に示すように、圧縮応力が大きくなるにつれて鉄損は大きくなり、透磁率は低下する。このように、圧縮応力は、鉄心部材の磁気特性を悪化させて、モータの効率を低下させる。
このモータの効率低下を抑制するためには、焼きばめの際には、鉄心部材に対するモータフレームの締め代を小さくすれば良いが、その場合には、モータフレームによる鉄心部材の拘束力が低下するので、モータの駆動時に鉄心部材に回転が生じるおそれがあった。
【0005】
本発明は、モータフレーム鉄心部材とを適正に固定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係るモータの鉄心構造体は、
円筒状の鉄心部材と、
前記鉄心部材の外周に設けられた円筒状のモータフレームと、
前記鉄心部材と前記モータフレームとの境界で全周に渡ってこれらを固定するために設けられた接合層とを備え、
前記接合層が、塑性流動を生じた前記鉄心部材の金属材料及び前記モータフレームの金属材料を有する構成とする。
【0007】
本発明に係るモータの鉄心構造体の形成方法は、
円筒状の鉄心部材の外周に円筒状のモータフレームを設け、
前記鉄心部材の金属材料と前記モータフレームの金属材料との境界で全周に渡ってこれらの塑性流動により接合層を形成して前記鉄心部材と前記モータフレームとの間を接合する構成となっている。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、モータフレームから鉄心部材に加わる圧縮応力を低減しつつ、モータフレームと鉄心部材とを適正に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本実施形態に係る鉄心構造体の斜視図である。
図2】鉄心構造体の一部を示した平面図である。
図3】摩擦攪拌接合を行う際の鉄心構造体の平面図である。
図4】摩擦攪拌接合の際に使用される工具の斜視図である。
図5】鉄心部材とモータフレームの境界線に対して工具の突起部がモータフレーム側にオフセットした状態を示す平面図である。
図6図6(A)は超音波接合を行う前の鉄心構造体の軸方向の部分断面図、図6(B)は超音波接合後の鉄心構造体の軸方向の部分断面図である。
図7】超音波接合の接合位置を示した斜視図を示した斜視図である。
図8】鉄心材料に複数の異なる圧縮応力を加えた場合の磁束密度-鉄損の関係を示した線図である。
図9】鉄心材料に複数の異なる圧縮応力を加えた場合の磁束密度-透磁率の関係を示した線図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
[鉄心構造体]
まず、本実施形態に係る鉄心構造体10について説明する。
図1は本実施形態に係る鉄心構造体10の斜視図、図2は鉄心構造体10の一部を示した平面図である。鉄心構造体10は、円筒状の鉄心部材20と、鉄心部材20の外周に設けられたモータフレーム30と、鉄心部材20とモータフレーム30とを接合する接合層40とを備えている。
【0012】
モータフレーム30は、金属、例えば、アルミニウム又はその合金からなる略円筒の部材である。そして、軸方向における両端部の外周には、半径方向の外側に向かって矩形に延出された四つの延出部31が周方向に均一な間隔で形成されている。そして、これらの延出部31には、鉄心構造体10を外部に固定するため或いは当該鉄心構造体10にフランジ等の他の部材を取り付けるための貫通孔32が軸方向に貫通形成されている。
また、モータフレーム30の外周面上には、放熱フィン等の放熱構造を設けてもよい。
【0013】
鉄心部材20は、モータ用のステータコアであり、ヨーク21と、複数のティース22と、複数のティース22の間に形成される複数のスロット23とを有する。ヨーク21は、略円筒状に形成されている。複数のティース22は、ヨーク21の内周部において周方向に均一間隔で形成されると共に、ヨーク21の内周部からその径方向内側に向かって突出(延出)している。そして、隣り合うティース22間のスロット23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20は、ヨーク21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、鉄心構造体10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。
【0014】
この鉄心部材20は、ヨーク21及び複数のティース22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20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。
なお、各ティース22には巻き線処理が施されてコイルが形成されるが、ここではコイルの図示は省略する。
【0015】
接合層40は、鉄心部材20とモータフレーム30との境界において、摩擦攪拌接合による塑性流動を生じた鉄心部材20の金属材料である鉄合金及びモータフレーム30の金属材料であるアルミ合金から形成されている。なお、摩擦攪拌接合については後述する。
【0016】
[鉄心構造体の形成方法(1)]
続いて、鉄心構造体10の形成方法について説明する。
鉄心構造体10の形成の際には、まず、モータフレーム30の内側に鉄心部材20を中間ばめ又は締まりばめで嵌め込みを行う。具体的には、モータフレーム30を加熱して焼きばめにより鉄心部材20に装着を行う。なお、締まりばめの際には、締め代は極力強小さい値とする。これにより、モータフレーム30により鉄心部材20の圧縮応力を小さくする。
【0017】
そして、鉄心部材20の金属材料とモータフレーム30の金属材料とに、塑性流動を生じさせて鉄心部材20とモータフレーム30との間を接合する。鉄心部材20の金属材料とモータフレーム30の金属材料との塑性流動は、摩擦攪拌接合により生じさせる。
【0018】
図3は摩擦攪拌接合を行う際の鉄心構造体10の平面図、図4は摩擦攪拌接合の際に使用される工具100の斜視図である。
摩擦攪拌接合とは、鉄心部材20とモータフレーム30の境界において、工具100の回転と回転軸方向への押し付け力により摩擦熱を発生させて鉄心部材20の金属材料とモータフレーム30の金属材料とを軟化させるとともに、工具100の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで鉄心部材20及びモータフレーム30を一体化させる接合法である。
上記摩擦攪拌接合により、ろう付けや接着等の場合と異なり、接合層40は、主に、鉄心部材20の金属材料とモータフレーム30の金属材料のみから構成される。
【0019】
工具100は、略円筒状であって、その円形の先端面101の中心には突起部102が設けられている。接合の際には、軟化した鉄心部材20及びモータフレーム30の境界に突起部102を貫入させて突起部102の周囲の先端面101を押し当てた状態で鉄心部材20及びモータフレーム30を塑性流動により練り混ぜて接合層40が形成される。
【0020】
鉄心部材20及びモータフレーム30の軸方向の一端面は、面一となっており、図3に示すように、接合層40は、面一となっている一端面上に形成される。
摩擦攪拌接合の際には、モータフレーム30の延出部31に形成された貫通孔32がスタートポイント及びエンドポイントとして利用される。即ち、摩擦攪拌接合の開始時に、いずれかの貫通孔32に工具100の突起部102が遊挿され、回転状態の工具100の先端面101にモータフレーム30の一端面を圧接させながら接合を開始する。そして、貫通孔32から鉄心部材20とモータフレーム30の境界に向かい、境界に沿って一周し、再び、スタートポイントの貫通孔32に戻る経路で工具100が相対移動して摩擦攪拌接合が行われる。
【0021】
また、図5に示すように、鉄心部材20とモータフレーム30の境界に沿って相対的に工具100が周回移動する際には、鉄心部材20とモータフレーム30の境界線に対して、工具100の突起部102が、形成材料が低融点となるモータフレーム30側にオフセットした状態で摩擦攪拌接合が行われる。
これにより、鉄心部材20及びモータフレーム30における温度上昇を抑制し、それぞれの金属材料の溶融を極力回避し、塑性流動が生じた状態で接合が行われる。
【0022】
[鉄心構造体の形成方法(2)]
また、鉄心部材20とモータフレーム30の接合は摩擦攪拌接合ではなく超音波接合を選択することもできる。
鉄心構造体10の形成の際に、モータフレーム30の内側に鉄心部材20を中間ばめ又は締まりばめで嵌め込みを行う点は前述した摩擦攪拌接合の場合と同じである。
【0023】
図6は超音波接合を行う際の鉄心構造体10の軸方向の部分断面図、図7は超音波接合の接合位置を示した斜視図である。
超音波接合とは、鉄心部材20及びモータフレーム30に超音波振動子により超音波振動を印加して(図6(A))、鉄心部材20及びモータフレーム30の境界面が互いに擦れ合うことで露出した清浄な金属面を加圧による塑性流動により固相状態で接合する接合法である(図6(B))。図6(B)の符号Sは接合箇所を示している。
上記超音波接合の場合も、ろう付けや接着等の場合と異なり、接合層40は、主に、鉄心部材20の金属材料とモータフレーム30の金属材料のみから構成される。
【0024】
上記超音波接合では、超音波振動子の超音波振動を増幅させるホーン110の先端部を、モータフレーム30の外周面に押し当てた状態で、鉄心部材20及びモータフレーム30の境界面に超音波振動を印加して接合が行われる。
図7に示すように、モータフレーム30の外周面に対して、少なくとも、軸方向の中間位置を一周するように接合を行う。
【0025】
[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、鉄心部材20とモータフレーム30とを、塑性流動を生じた鉄心部材20の金属材料及びモータフレーム30の金属材料を有する接合層40で接合しているので、鉄心部材20に対するモータフレーム30による締め代を小さくしても相互間の接合強度を十分に確保することが可能である。従って、鉄心構造体10をモータに組み込んだ場合に、モータフレーム30に対する鉄心部材20の回転の発生を効果的に低減することが可能となる。
そして、モータフレーム30による締め代を小さく出来るので、鉄心部材20に生じる圧縮応力を低減することが可能となり、鉄損を小さくし、透磁率を高めて、鉄心部材20の磁気特性を向上させることが可能となる。これにより、鉄心構造体10を使用するモータの効率を向上させることが可能となる。
なお、接合層40の形成の際には、鉄心部材20とモータフレーム30が相互に一時的に保持できれば良いので、これらを仮止めできる他の方法を利用しても良く、締まりばめや中間ばめのように締め付けを生じる固定方法を利用しなくとも良い。その場合、鉄心部材20に生じる圧縮応力をさらに低減することができる。
【0026】
また、接合層40は、鉄心部材20の金属材料及びモータフレーム30の金属材料の塑性流動によりこれらを接合するので、これらが溶融せず、溶接による材料の変成や接着による異質材料の介入が生じないので、鉄心部材20とモータフレーム30の導電性を高く維持することができ、鉄心部材20の磁気特性を高く維持することが可能となる。また、同様の理由により、鉄心部材20とモータフレーム30伝熱性を高く維持することができ、放熱性を向上させることが可能となる。
【0027】
特に、接合層40は、摩擦攪拌接合により形成した場合には、少なくとも工具100の突起部102の深度までは塑性流動を生じた接合層40を形成するので、信頼性の高い接合を行うことが可能である。
また、接合層40が鉄心部材20及びモータフレーム30の軸方向の端部に位置するので、その形成作業時間の短縮、作業の容易化を図ることが可能となる。
【0028】
また、接合層40を、超音波接合により形成した場合には、鉄心部材20及びモータフレーム30の境界となる周面の広範囲に渡って容易に接合層40を形成することができ、高い接合強度を容易に得ることが可能となる。また、広範囲に接合層40を形成することにより、磁気特性や放熱性について部材の場所による偏りを低減することが可能となる。
また、接合層40を鉄心部材20及びモータフレーム30の少なくとも軸方向の中間部に設けた場合、鉄心構造体10をモータに組み込んだ場合に、モータフレーム30と鉄心部材20の間でトルクが生じ易い軸方向中間部を保持することができるので、モータフレーム30に対する鉄心部材20の回転を効果的に抑制することが可能となる。
【0029】
[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、摩擦攪拌接合による接合層40を、鉄心部材20及びモータフレーム30の軸方向の一端面側に形成しているが、両方の端面に形成しても良い。
また、上記実施形態では、超音波接合による接合層40を、モータフレーム30の外周面における軸方向の中間部にホーン110を当接させて形成しているが、鉄心部材20の内周面にホーン110を押し当てて接合層40を形成してもよい。
また、超音波接合による接合層40を、鉄心部材20及びモータフレーム30の軸方向の中間部に形成しているが、軸方向の中間部以外又は中間部を含んで、軸方向の他の複数位置又は軸方向の全域において接合層40を形成しても良い。
【0030】
また、上記実施形態では、鉄心部材20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、ティース、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。
【0031】
また、上記実施形態では、モータフレーム30をアルミニウム又はアルミ合金とし、鉄心部材20と異種金属接合を行っているが、モータフレーム30も鋼材として、塑性流動による接合層40で接合しても良い。
【符号の説明】
【0032】
10 鉄心構造体
20 鉄心部材
21 ヨーク
22 ティース
23 スロット
30 モータフレーム
31 延出部
32 貫通孔
40 接合層
100 工具
101 先端面
102 突起部
110 ホーン
S 接合箇所
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9