JP5583391B2 - 固定子積層鉄心 - Google Patents

Description

本発明は、板状材料（磁性金属板）から歩留まりよく板取りすることができ、かつ、生産性にも優れた例えばステッピングモータに使用される固定子積層鉄心に関する。

従来ステッピングモータ用の固定子積層鉄心は、回転子鉄心片と固定子鉄心片のエアギャップが非常に小さいため、両鉄心片間の打抜きカスが幅狭となって抜き途中で破断し、金型のダイ下方に落下せずに２度抜きすることがあり、さらにスクラップの引っ掛かりに起因して金型を破損するおそれがある。また、極歯を所望の形状に打抜きできない場合は、回転子鉄心片と固定子鉄心片を別々の金型で打抜かなければならず、材料歩留まりが低下し、非常にコストがかかるという問題があった。

上記問題を解決するための従来技術として、例えば特許文献１に記載のように回転子鉄心片及び固定子鉄心片の少なくとも一方の表面に板厚方向に押圧して平たく伸ばした薄肉箇所を設け、一つの金型で回転子鉄心片と固定子鉄心片の共取りを可能にしたものがあった。

特許第２９５５８０４号公報

しかしながら、特許文献１では板厚方向に押圧して金属薄板の表面を潰した薄肉箇所の体積分（溝の幅×溝の深さ）だけ金属薄板が延伸することが分かっており、薄肉箇所を形成する際は、延伸量を基準とし、それに合わせて金型（刃物）の押圧幅及び押圧深さを設定しているので、明確な設定基準がなく、鉄心片が積層されて製品となった後に、押圧形成された薄肉箇所によるトルク特性の低下や、モータの要求特性を満足できないといった問題があり、その後、刃物を作り替えて、再び金型の押圧幅及び押圧深さを設定しなければならず、非常に作業が煩雑であった。さらに延伸量を増やそうとした場合に、溝の深さを大きくすると、磁極先端が跳ね上がり、磁気特性の低下や固定子鉄心の形状が維持できないといった問題があった。また刃物を深く押圧するので、刃物強度が足らず、刃物を破損させるといったこともあった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、薄肉箇所（即ち、薄肉部）を形成して磁極片部を延伸するに際して、磁極片部の磁気的特性を悪化させることがなく、かしめ精度及び回転子鉄心片と固定子鉄心片の共取り時の寸法精度を向上する固定子積層鉄心を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る固定子積層鉄心は、回転子鉄心片が打ち抜かれた磁性金属板から、該回転子鉄心片と軸心を合わせて打ち抜いた固定子鉄心片を積層してなる固定子積層鉄心であって、
前記固定子鉄心片の磁極軸片部に、板厚方向から押圧して半径方向内側に平たく伸ばした同心状の薄肉部を設け、しかも、該薄肉部の厚みは前記磁性金属板の厚みの５０〜９５％（好ましくは６０〜９０％、より好ましくは６５〜８５％）の範囲にあり、該薄肉部の半径方向の幅は、前記磁極軸片部の半径方向長さの３０〜１００％の範囲にあって、前記磁極軸片部の必要な伸び量は、前記薄肉部を形成する溝の幅×該溝の深さ／板厚から決定されている。

ここで、薄肉部の厚みは磁性金属板の厚みの５０％未満であると、磁気的特性が悪くなり、よりトルクの大きいモータの製造が困難となる。また薄肉部の厚みは磁性金属板の厚みの９５％を超えると、薄肉部によって伸長する長さが不足し本発明の目的を達しえない。なお、この発明に係る固定子積層鉄心においては、前記薄肉部は前記磁極軸片部の半径方向外側端部から半径方向内側端部までの間に形成されている。また、磁極軸片部の角部が湾曲した形状の固定子積層鉄心の場合は、前記薄肉部は、極歯片部の半径方向外側端部からヨーク片部の半径方向内側端部までの間に形成されている。

本発明に係る固定子積層鉄心においては、前記薄肉部に半径方向から接する境界部には、該薄肉部に繋がる傾斜面又は円弧面が形成されているのが好ましい。これによって、板厚の不連続性が緩和され、磁束の流れがスムーズになる。

本発明に係る固定子積層鉄心において、前記薄肉部を形成する溝は、前記磁極軸片部の表面又は裏面又は表裏面に形成されている。磁極軸片部の表裏面に形成されている場合には、片側のみに溝が形成されている場合に比較して磁極片部の曲がりが小さくなる。

また、本発明に係る固定子積層鉄心において、前記薄肉部は平行溝によって形成されているのが好ましい。前記薄肉部を円弧溝によって形成すると、製造が比較的困難な湾曲したパンチが必要であるが、平行溝によって構成すると、パンチの製造及び保守が容易となる。

そして、本発明に係る固定子積層鉄心において、前記薄肉部は一つの前記磁極軸片部に、隣り合う境界部を設けないように連続して複数設けることも可能である。これによって、金型のレイアウト上、大型のパンチ刃物を使用することができない場合、小型のパンチ刃物によっても前記磁極軸片部に必要な延伸量を得ることができる。

本発明に係る固定子積層鉄心においては、磁性金属板に１台のプレス機でプレス加工することにより、固定子鉄心片と回転子鉄心片を同心にして打抜くことができ、固定子鉄心片の各磁極軸片部に同心状に形成される薄肉部の溝を幅方向（半径方向）に広く、薄肉部によって形成される溝の深さを浅くすることで、各磁極軸片部表面の段差が少なくなるので、磁極片部を流れる磁気的特性の低下が少なく、結果的にモータの特性低下が少なくなる。

また、薄肉部の厚さを板厚の５０〜９５％とし、薄肉部の半径方向の幅を磁極軸片部の半径方向の幅の３０〜１００％とすることによって、製品に対して使用する金型（刃物）の設定が容易になっただけでなく、延伸量を基準として金型（刃物）を設定することにより、つまり、薄肉部の厚みと半径方向の幅を適切に選択することにより、必要最低限のトルク特性の低下で済むようになり、製品後の磁気特性劣化によるモータの要求特性を満たさないといった不都合もなくなった。更には、モータの要求特性を満たさない場合における刃物を作り替えるといった金型（刃物）の再設定がなくなるので、作業が簡略化されて、作業効率が良くなる。

また、薄肉部の溝を深さ方向に大きく押圧することがなくなったので、パンチの破損や固定子鉄心片の磁極先端の跳ね上がりによる磁極片部形状を維持できないといった不都合もなくなった。
更には、薄肉部によって形成される溝を磁極軸片部の表裏面に形成することによって、薄肉部形成時に磁極片が一方側に曲がるのを防止できる。

（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係る固定子積層鉄心及び回転子鉄心の斜視図である。 （Ａ）は同固定子積層鉄心に用いる固定子鉄心片の平面図であり、（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。 固定子鉄心片の製造方法を示す工程図である。 （Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る固定子積層鉄心の固定子鉄心片の平面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ他の実施の形態に係る薄肉部を形成する溝の断面図である 各溝幅における固定子鉄心片の溝深さと磁極軸片部の伸び量並びにこの固定子鉄心片を用いたモータのトルクとの関係を示すグラフである。 溝幅の異なる固定子鉄心片の溝体積と磁束密度との関係を示すグラフである。 溝幅の異なる固定子鉄心片の溝体積と鉄損との関係を示すグラフである。 溝深さによって鉄心片の磁束の変化を示す模式図であって、（Ａ）は溝幅が狭い場合、（Ｂ）は溝幅が広い場合の説明図である。

図１（Ａ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る固定子積層鉄心１０は、ステッピングモータのステータに使用されるもので、環状のヨーク部１１の内側に複数の磁極部１２が設けられている。磁極部１２はヨーク部１１に一端が一体的に連結されて捲線を行う磁極軸部１３と、磁極軸部１３の半径方向内側に設けられた極歯部１４とを有し、各極歯部１４の半径方向内側には複数の小歯１５が設けられている。

固定子積層鉄心１０は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す複数枚の固定子鉄心片１７を周知のかしめ部１６を介してかしめ積層して形成されたものである。固定子鉄心片１７の形状は平面視した固定子積層鉄心１０の形状と同一であり、周囲にヨーク片部１８、その内側に複数の磁極片部１９を備えている。磁極片部１９は積層された磁極軸部１３を構成する磁極軸片部２０と、磁極軸片部２０の半径方向内側に形成される極歯片部２１とを有し、極歯片部２１の内側には小歯片２２が形成されている。なお、磁極軸片部２０は、周方向の幅が同一となったストレート状、又は、周方向の幅が同一となって、磁極軸片部２０の角部に沿って湾曲している。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、磁極片部１９の磁極軸片部２０の半径方向外側端部から半径方向内側端部までの間には、厚み方向に押圧して半径方向内側に平たく伸ばして形成された薄肉部２４がそれぞれ形成されている。薄肉部２４の表側には、断面矩形の溝２５が形成されている。薄肉部２４の厚みａは、板厚ｔ（この実施の形態では０．１〜１ｍｍ）の５０〜９５％となって、半径方向の幅ｃは、磁極軸片部２０の半径方向の幅（長さ）ｄの３０〜１００％となっている。溝２５の深さｂは板厚ｔの例えば、５〜５０％となっている。そして、この実施の形態においては、溝２５（即ち、薄肉部２４）は、固定子鉄心片１７の中心Ｏを中心とする円弧状となっている。

かしめ部１６は半抜きかしめであってもよいし、Ｖ字かしめであってもよい。かしめ部１６はヨーク片部１８に設けられ、更に必要に応じて、薄肉部２４を除く磁極軸片部２０の径方向内側に設けてもよい。

図１（Ｂ）にこの固定子積層鉄心１０と対となる回転子鉄心２８が示されているが、回転子鉄心２８は中央に軸孔２９が、周囲に多数の歯３０が形成されている。この歯３０の先端部は、固定子積層鉄心１０の小歯１５の先端とは僅少の隙間を有して回転子鉄心２８が固定子積層鉄心１０内を回転できる構造（即ち、電動機）となっている。

続いて、図３を参照しながら、固定子鉄心片１７を含む固定子積層鉄心１０の製造方法について説明する。
図３に示すように、この固定子積層鉄心の製造方法を適用する固定子積層鉄心の製造装置は、ステーションＡ〜Ｉを有し、ステーションＡでは、厚みが例えば０．１〜１ｍｍ程度の長尺の磁性金属板３２にパイロット孔３３を形成する。ステーションＢでは、４つのパイロット孔３３で位置決めされた磁性金属板３２に軸孔２９を形成する。

ステーションＣでは、軸孔２９の周囲にかしめ部３５を形成し、ステーションＤでは回転子鉄心片３６を外形抜きし、金型内で積層し、回転子鉄心２８を製造する。ステーションＥでは、固定子鉄心片１７の各磁極片部１９の輪郭を形成するスロット３７を打ち抜く。そして、ステーションＦでは、各磁極片部１９を構成する磁極軸片部２０の一部に押圧（コイニング）を行い、薄肉部２４を形成する。この実施の形態では薄肉部２４はそれぞれ円弧状となって、全体として同一円上（即ち、同心状）にあるが、薄肉部を直線状として全体を同心状に配置してもよい。なお、回転子鉄心片３６と固定子鉄心片１７は同心上に形成される。

図３に示すように、次のステーションＧでは、ヨーク片部１８及び必要な場合には、磁極軸片部２０の径方向内側にかしめ部１６を形成する。
ステーションＨでは、磁極片部１９の内側に極歯片部２１を打ち抜き形成する。この場合、磁極片部１９は半径方向内側に延伸しているので、より半径方向内側に小歯片２２を有する極歯片部２１を形成できる。ステーションＩで外形抜きを行って、固定子鉄心片１７を金型内でかしめ積層し、固定子積層鉄心１０が製造される。

続いて、図４（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係る固定子積層鉄心に使用する固定子鉄心片４０について説明する。なお、固定子鉄心片１７と同一の構成要素は同一の番号を使用して詳しい説明を省略し、更に製造方法については同一の工程を得るので省略する。

図４（Ａ）に示すように、固定子鉄心片４０は環状のヨーク片部１８の内側に磁極片部４１を有し、磁極片部４１は磁極軸片部４２と極歯片部２１とを有している。磁極軸片部４２には同心状に薄肉部４３を有してその表面には溝４４が形成されている。この溝４４の側壁は平行（即ち、平行溝）となって、曲刃ではなく製造の容易な直線状の刃（パンチ）が使用できるようになっている。

第１の実施の形態と同様、薄肉部４３の厚みａ１は、板厚ｔ１（この実施の形態では０．１〜１ｍｍ）の５０〜９５％となって、半径方向の幅ｃ１は、磁極軸片部４２の半径方向の幅（長さ）ｄ１の３０〜１００％となっている。このように、この実施の形態においては、薄肉部４３の厚みを大きくし、即ち、溝４４の深さｂ１を浅くして、溝幅ｃ１を広く取ることによって、磁極軸片部４２の磁気抵抗を増やすことのないようにして、高効率の固定子積層鉄心を製造するようにしている。

前記した第１、第２の実施の形態においては、薄肉部２４、４３を形成する溝２５、４４の側壁（即ち、薄肉部に半径方向から接する境界部）は底面に対して直角であったが、図５（Ａ）に示すように傾斜面４５、４６とすることも可能であり、図５（Ｂ）に示すように円弧面４７、４８（断面が円弧の面をいう）とすることもできる。この場合、半径方向外側又は内側の一方のみを傾斜面又は円弧面とすることもできる。
なお、以上の実施の形態においては、薄肉部を形成する溝を、磁極軸片部の表側に形成する場合についてのみ説明したが、磁極軸片部の裏面又は表裏面に形成する場合も本発明は適用される。また、薄肉部を１つの磁極軸片部に複数（例えば、連続して）設けることもできる。

続いて、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
図６は、板厚０．５ｍｍ、磁極軸片部の長さが２ｍｍのステッピングモータを用いて磁極軸片部の半径方向の長さの３０％、６５％、１００％に溝（薄肉部）を形成した溝の深さと磁極軸片部の伸び量との関係を下側（（１）〜（３））に、同じ磁極軸片部の溝の伸び量とトルク（モータにそのまま使用した場合のトルク）との関係を上側（（４）〜（６））に示した図面である。

この実施例１において、１つの金型で回転子鉄心片と固定子鉄心片の共取りを可能にするには、薄肉部形成によって磁極軸片部が０．３０ｍｍ以上伸びることが必要である。従って、伸び量＝溝幅×溝深さ／板厚の関係が大凡成立するので、磁極軸片部の長さに対する薄肉部の幅が３０％の場合、磁極軸片部の伸び量を確保するためには、深い溝を必要とし、溝の深さが０．２５ｍｍとなる。溝の深さが０．２５ｍｍの場合、薄肉部の幅を磁極軸片部の長さの３０％にして、使用可能な条件をぎりぎり満足することができる。

一方、薄肉部の幅が磁極軸片部の長さの６５％の場合は、０．３０ｍｍの伸びを形成するには、溝の深さは０．１３ｍｍとなり、この場合のモータは必要なトルクを得られることになる。なお、磁極軸片部の長さの１００％とする場合には、溝深さは０．０８ｍｍとなり、この場合のモータトルクは必要なトルクを満足している。

図７は、幅が３０ｍｍ、長さが４８ｍｍ、厚みが０．５ｍｍの電磁鋼板の単板を用いて、５０００Ａ／ｍで５０Ｈｚの磁界をかけた場合、溝の幅（即ち、薄肉部の幅）が１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍの場合の磁束密度（Ｔ）と溝の体積（溝の幅×溝深さ×単板の幅）との関係を示すグラフで、単板の伸びに比例する溝体積が一定であっても、溝幅が大きい程、磁束密度の低下が小さくなるので、トルクの低下が少ないことになる。

図８は、１Ｔ、５０Ｈｚにおける鉄損と溝体積の関係を調べたものであるが、溝の体積が同一であっても、溝の幅が小さい程鉄損が増加することを示している。

また、図９は、溝深さによる鉄心片の磁束の変化を示す模式図である。図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、溝の体積が同一の電磁鋼板の単板を用いて磁界解析を行った結果、溝の幅が小さく、溝の深さが大きいほど、磁束密度が大きい箇所が存在し、鉄損が増加することになり、さらに磁気抵抗が極端に大きくなる箇所が存在するので、トルク特性が低下することを示している。

従って、以上の実施例から、同一溝の体積では、溝幅（即ち、薄肉部の半径方向の幅、溝幅）が広い程、なおかつ、溝の深さが浅い程、磁気的特性のよい固定子鉄心片を得ることができることになる。

１０：固定子積層鉄心、１１：ヨーク部、１２：磁極部、１３：磁極軸部、１４：極歯部、１５：小歯、１６：かしめ部、１７：固定子鉄心片、１８：ヨーク片部、１９：磁極片部、２０：磁極軸片部、２１：極歯片部、２２：小歯片、２４：薄肉部、２５：溝、２８：回転子鉄心、２９：軸孔、３０：歯、３２：磁性金属板、３３：パイロット孔、３５：かしめ部、３６：回転子鉄心片、３７：スロット、４０：固定子鉄心片、４１：磁極片部、４２：磁極軸片部、４３：薄肉部、４４：溝、４５、４６：傾斜面、４７、４８：円弧面

Claims (6)

1. 回転子鉄心片が打ち抜かれた磁性金属板から、該回転子鉄心片と軸心を合わせて打ち抜いた固定子鉄心片を積層してなる固定子積層鉄心であって、
   前記固定子鉄心片の磁極軸片部に、板厚方向から押圧して半径方向内側に平たく伸ばした同心状の薄肉部を設け、しかも、該薄肉部の厚みは前記磁性金属板の厚みの５０〜９５％の範囲にあり、該薄肉部の半径方向の幅は、前記磁極軸片部の半径方向長さの３０〜１００％の範囲にあって、前記磁極軸片部の必要な伸び量は、前記薄肉部を形成する溝の幅×該溝の深さ／板厚から決定されていることを特徴とする固定子積層鉄心。
2. 請求項１記載の固定子積層鉄心において、前記薄肉部は前記磁極軸片部の半径方向外側端部から半径方向内側端部までの間に形成されていることを特徴とする固定子積層鉄心。
3. 請求項１又は２記載の固定子積層鉄心において、前記薄肉部に半径方向から接する境界部には、該薄肉部に繋がる傾斜面又は円弧面が形成されていることを特徴とする固定子積層鉄心。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載の固定子積層鉄心において、前記薄肉部を形成する溝は、前記磁極軸片部の表面又は裏面又は表裏面に形成されていることを特徴とする固定子積層鉄心。
5. 請求項１〜４のいずれか１記載の固定子積層鉄心において、前記薄肉部は平行溝によって形成されていることを特徴とする固定子積層鉄心。
6. 請求項１〜５のいずれか１記載の固定子積層鉄心において、前記薄肉部は一つの前記磁極軸片部に複数設けられていることを特徴とする固定子積層鉄心。

Images