JP5255996B2 - 電機子鉄心，該電機子鉄心を用いたモータ、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電機子鉄心、この電機子鉄心を用いたモータ、及びその製造方法に関する。

近年、燃料不足，環境汚染と経済の面から、高効率と低コストの回転電機が求められている。そして、この回転電機においてアモルファス金属が用いられることが考えられている。アモルファス金属は低損失，高透磁率，高強度，耐食性といった磁気特性と機械特性に優れた材料であるため、モータ鉄心としてモータの高効率化と低コスト化への応用を期待される。

通常用いられるアモルファス金属は一定な幅を有する薄く連続なリボン状になっている。リボン状アモルファス金属からコアの製造方法について、従来の技術が大きく分けて３種類の方法がある。第１の方法として、リング状に巻回して積層したものをコアとして使用する。例えば、特許文献１では、連続したアモルファス金属のリボンを巻回し、切断した後形成した磁性体をコアとして使用した例が記載されている。ここでは、巻いたコアをそのまま使用するので、電流に対してループ回路を構成している為、渦電流損が大きい。
更に、コア外側を保護するものがないので、巻線を配置することが困難であった。

又、コアとコアの間は止めるための挿すものが必要であるため、製造工程が複雑になるとの問題があった。

第２の方法としては、アモルファス金属巻回体の一部を切断してコアとして使用する。
例えば、特許文献２にはアモルファス薄体を巻回した鉄心に対して、外周を珪素鋼板等の形状維持材を保持されて、成形治具に装着されるにより成形する。この状態で、熱処理とアニール処理する。その後、珪素鋼板を外して、切断後切断面に接着材を塗布する。この方法によると、巻回した鉄心は全部切断することができないため、利用率が低いとの問題があり、また、切断するとき、錆びる可能性が大きい。そして、コアの形状と寸法も設計しずらいとの問題があった。

第３の方法としては、アモルファス金属製細片に接着剤を塗布して、複数枚のアモルファス細片を重ね合わせ、加熱圧着して製造する。例として、特許文献３ではアモルファス積層材を製造する技術を記述している。しかしながら、接着剤塗布によって、鉄心の占積率が低くなるとの問題が発生していた。

米国特許第６４０７４６６号公報 特開平５−１１４５２５号公報 特開２００７−３１１６５２号公報

アモルファス金属は省エネ，高透磁率の特徴があるため、モータの高効率化への貢献ができる。アモルファス金属は薄く，硬く，脆いため，打ち抜き，切断するなどの加工が困難であり、従来に示した技術ではモータに適応する最適な形状を作れない、製造工程が複雑になるという問題があった。

これらの問題に対して、本発明は、第１の目的として、回転電機として使用できるアモルファス鉄心を提供するものである。

また、第２の目的として、これらのアモルファス鉄心の加工方法を提供するものである。

また、第３の目的として、これらのアモルファス鉄心を用いたアキシャルギャップモータを提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は回転電機に使用される電機子鉄心において、非晶質金属箔帯を複数積層した鉄心部と、前記非晶質金属箔帯を固着する樹脂を備え、積層面に対する断面を少なくとも２面備えたことを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前記非晶質金属箔帯はアモルファス材質であることを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前記断面は前記非晶質金属箔帯の積層面に対して垂直であることを特徴とするものである。

さらに、本発明は、モータとして使用する場合の前記電機子鉄心のギャップ側樹脂部は、０.３mm〜０.５mmの厚さに構成されることを特徴とするものである。

また、上記課題を解決するために、本発明は回転電機に使用される電機子鉄心において、非晶質金属箔帯を複数積層した鉄心部と、前記非晶質金属箔帯を固着するための手段を備えたことを特徴とするものである。

また、上記課題を解決するために、本発明は回転電機に使用される電機子鉄心において、非晶質金属箔帯を複数積層し、該非晶質金属箔帯が層間で接続した鉄心部を備えたことを特徴とするものである。

また、上記課題を解決するために、本発明は回転電機に使用される電機子鉄心において、非晶質金属箔帯を複数積層した鉄心部と、該積層の面の最外側には樹脂層を備えたことを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前記樹脂層の縁において、前記樹脂層は角度Ｒを備えていることを特徴とするものである。

また、上記他の課題を解決するために、本発明は回転電機に使用される電機子鉄心の製造方法において、非晶質金属箔帯を複数積層する工程と、前記積層した非晶質金属箔帯を型に納める工程と、該型の内部に樹脂を注入する工程を備えて、前記非晶質金属箔帯を前記樹脂により固着することを特徴とするものである。

さらに、本発明の電機子鉄心の製造方法は、前記非晶質金属箔帯をリング状に複数積層した後に、前記型に納めることを特徴とするものである。

さらに、本発明の電機子鉄心の製造方法は、前記非晶質金属箔帯を前記樹脂により固着する際に、固着した前記非晶質金属箔帯を覆う樹脂層に凹部を設けたことを特徴とするものである。

また、上記他の課題を解決するために、本発明は回転電機に使用される電機子鉄心において、非晶質金属箔帯をリング状に積層した鉄心部と、該鉄心部を覆う樹脂層を備え、該樹脂層に凹部を設けたことを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前記樹脂層の凹部では、前記鉄心が露出していることを特徴とするものである。

また、上記他の課題を解決するために、軸方向に延びるとともに周方向に複数設けられる固定子コアと、該固定子コアにそれぞれ巻回された巻線とを有する固定子と、前記アモルファス鉄心に対向する磁石を有する回転子を備えたアキシャルギャップモータにおいて、前記固定子コアとしてアモルファス積層したカット鉄心を用いたことを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前記磁石は略菱形状を有することを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前記磁石は前記磁石はスキュー形状を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、回転電機へ応用できる剥離防止，ギャップ面の錆びを防止したアモルファス鉄心を提供することが実現できる。

また、本発明によれば、アモルファス金属をモータへ応用する形状と寸法が変更できるカットコアの加工が可能となるため、アモルファスコアを用いたモータの性能の向上が期待できる。又、リボン状アモルファス金属からカットコアまでの加工工程が簡易，低コスト化ができるため、経済的なモータを得ることが可能となる。

また、本発明によれば、アモルファス鉄心を用いたアキシャルギャップ構造である薄形，高効率のモータを提供することが実現できる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明の一実施例について図１から図６を用いて説明する。

図１に本発明の第１実施例であるアモルファス鉄心１０２の全体図を示す。

アモルファス鉄心１０２の鉄心部１０４は、リボン状（箔帯）のアモルファス金属（非晶質金属）１１０を鉄べース（鉄基）として用いて、絶縁樹脂材（以下、レジンと称す）１１２を挟んで積層された構造になっており、リボン状のアモルファス金属１１０はレジンによりそれぞれが固着するようになっている。

また、この鉄心部１０４は上部，下部から見ると、扇形の形状になっている。

鉄心部１０４の上下方向のギャップ面１０６には０.３mm−０.５mmの非常に薄いレジンによる樹脂部１０８の層を構成することでギャップ面１０６の錆びを防止しており、鉄心部１０４の扇の要方向の面、及び外側の面にもレジンによる樹脂部１０８の層が構成され、錆びを防止している。

アモルファス鉄心１０２の周囲には後述する巻き線を配置するため、巻線とアモルファス鉄心１０２との接触部分、即ちアモルファス鉄心１０２の端部は角度Ｒの面取り構成を備えている。

以下、アモルファス鉄心１０２の製造方法を説明する。

（１）鉄心モールド成形工程
図２は鉄心をモールド成形する金型を示したものである。金型は上カバー２０２，下カバー２０４とセンタコア２４２，アウトコア２４４で構成されている。上下バー２０２，２０４は樹脂を注入するための穴２０６とギャップ面の溝を形成するための突起２０８を設ける。センタコア２４２には鉄心のテープ面の溝を形成するための突起２１０が設けられており、アウトコア２４４にもその内側には突起（図示せず）が設けられている。本実施例では、幅２度の突起２０８を２４度ごとに設けているため、凹部形状になっているモールドの溝が２２度ずつ形成されている。また、突起２０８は０から３６０度までの全周囲の範囲にすることが好ましい。穴２０６から注入するの樹脂は、量の制御ができるため、薄く均一の薄膜が形成できる。このため、鉄心部１０４のギャップ面１０６側で、０.３mm−０.５mmの非常に薄い樹脂を構成することでギャップ面１０６の錆びを防止できる。

そして、突起２０８によって、凹部形状になっているモールドの溝を切断部分として、アモルファス巻鉄心１２０の表面を露出した構造の電機子鉄心が構成できる。

金型としては円形状や、略円形状にすることが好ましい、リボン状アモルファス金属１１０の接着方法としては接着剤，溶接などの接着方法も適用できる。

図３のようなアモルファス巻鉄心１２０を金型に入れて、閉めさせ、穴２０６から樹脂を注入する。その後、真空含浸をさせ、図４に示したようにリボン状アモルファス巻鉄心１２０と金型との隙間に樹脂を多量に含浸させることで、アモルファスの樹脂付鉄心部１２２の溝１３０を切断した際、機械強度を確保することを実現できる。

（２）切断工程
図５は樹脂付鉄心部１２２の切断工程を示すものである。冷却用の水中で鉄心面が露出する溝１３０から切断する。樹脂付鉄心部１２２と鉄心面が露出する鉄心部の溝１３０は、切断時に応力緩和することができ、積層コアが散ることが防止できる。また、この方法であれば、特許文献２が記述している切断前の加熱は必要では無くなる。更に、溝１３０の設定によって、好ましいカットコアの形状と寸法が製造できる。アモルファス鉄心１０２の周囲には巻き線を配置するため、巻線１６０とアモルファス鉄心１０２との接触部分は角度Ｒの面取り構成を備えている。

図６は、実施例１のアモルファス鉄心１０２コアを用いたアキシャルギャップモータを示したものである。本実施例のアモルファスコアを用いたモータは複数の固定子のアモルファス鉄心１０２と固定子の巻線１６０を有する固定子３０４と略菱形のフェライトの磁石３１０を有する回転子３０２，３０４で構成される。二つの回転子３０２，３０４は固定子３０４を挟む構造になっており、この実施例のモータでは固定子が９極、磁石が６極の構成になっているが、電機子の極数と、磁石局数はこれ以外の組み合わせも可能である。また、場合によってはこの実施例での回転子を固定側に、固定子側を回転するよう設定することも可能である。

図７にフェライトの磁石３１０とアモルファス鉄心１０２及び、巻線１６０の詳細な形状を示す。図７は図６のモータを上部から見た形状を示している。コギングトルクを低減するため、磁石３１０は円周方向と半径方向に所定角度のスキューを設けている。そして、磁石３１０の磁極は回転方向を規定した場合に、その進行方向にＮ極、逆方向にＳ極が配置されている。また、巻線１６０はモータの軸に対して垂直な面に沿って、アモルファス鉄心１０２に巻き回されている。尚、本実施例のモータは流れる電流を制御することで、両方向に回転させることが可能である。

また、磁石３１０の形状としては、図７に示す磁石３１０の部材形状としては、中心線に対してθ１：２５°、また、それぞれ部材頂点の角度として、θ２：６５°，θ３：１１５°，θ４：１０９°，θ５：７１°の角度を有している。

そして、これらのモータのモータの巻線１６０は電力変換器（図示せず）に接続され、この電力変換機から電力が供給，制御されることでモータは求める回転数で回転制御されるようになっている。

図８は本発明の磁石を略菱形のスキュー形状にしたモータの実施例のコギングトルクの波形を示したものである。また、図９は回転子として、従来の全周磁石を用いた場合のモータのコギングトルクの波形を示したものである。

この実験結果から、従来のコギングトルクの波形に対して、本発明のモータの実施例のコギングトルクは小さくなっている。これは、本実施例で示したように、固定子３０４（アモルファス鉄心１０２，巻線１６０）の形状に対して、磁石３１０を略菱形のスキュー形状にすることで、コギングトルクを抑えられることを示している。

図１０は磁石の詳細な形状、図１１はアモルファス鉄心の詳細な形状を示したものである。

本発明の実施例のモータにおいて、磁石３１０のスキュー形状としては、磁石３１０の円周辺長Ｌ１，アモルファス鉄心１０２の円周辺長Ｌ２とした場合に、Ｌ２／Ｌ１の関係として０.４〜０.５３の範囲にすることでコギングトルクを低く抑えることを実現している。

上述した実施例ではリボン状のアモルファス金属を主にレジンにより固着した構成を示したが、この固着方法以外にリボン状のアモルファス金属を接着剤や、溶接などの接着方法を用いて層間で接続することで、全体としてアモルファス鉄心を構成することも可能である。

そして、上述した実施例ではアモルファスカットコアを使用しているため、渦電流損が少なく、効率が高いモータを提供することを実現している。また、フェライト磁石を利用することを可能にしているのでモータのコストを低減することを実現している。

本発明のアモルファス鉄心は小型，高効率，低騒音を目的としたブラシレスモータに応用することができる。また、本発明のアモルファス鉄心を用いたアキシャルギャップ構造であるモータは薄形，高効率のファンシステム等の一般的なモータシステムに応用することが可能である。

本発明の一実施例に関わるアモルファス電機子鉄心を示す。 本発明の一実施例に関わるアモルファス鉄心モールド成形装置を示す。 本発明の一実施例に関わるアモルファス鉄心モールドを示す。 本発明の一実施例に関わるリング状アモルファス鉄心を示す。 本発明の一実施例に関わるアモルファスカットコアを示す。 本発明の一実施例に関わるアモルファス鉄心を用いたアキシャルギャップモータを示す。 本発明の一実施例に関わるアキシャルギャップモータの磁石と固定子コア位置関係を示す。 本発明の一実施例に関わるアキシャルギャップモータのコギングトルク波形を示す。 本発明の従来技術のコギングトルク波形を示す。 本発明の一実施例の磁石の詳細な形状を示す。 本発明の一実施例のアモルファス鉄心の詳細な形状を示す。

符号の説明

１０２ アモルファス鉄心
１０４ 鉄心部
１０６ ギャップ面
１０８ 樹脂部
１１０ アモルファス金属
１１２ 絶縁樹脂材

Claims (5)

1. 回転電機に使用される電機子鉄心において、
   樹脂膜に覆われて固着された非晶質金属箔帯の巻鉄心を、複数の扇状に切断して鉄心部とし、
   前記鉄心部は、前記巻鉄心の径方向に非晶質金属箔帯が絶縁樹脂材を挟んで複数積層し、
   積層面に対する断面の２面以外は前記樹脂膜で覆われ、
   前記非晶質金属箔帯はFe基アモルファス金属であることを特徴とする電機子鉄心。
2. 請求項１に記載された電機子鉄心であって、
   前記断面は、前記非晶質金属箔帯の積層面に対して垂直であることを特徴とする電機子鉄心。
3. 請求項１に記載された電機子鉄心であって、
   モータとして使用する場合の前記電機子鉄心のギャップ側樹脂部は、0.3ｍｍ〜0.5ｍｍの厚さに構成され、前記樹脂膜に設けられた溝を切断の基準としたことを特徴とする電機子鉄心。
4. 回転電機に使用される電機子鉄心の製造方法において、
   非晶質金属箔帯の巻鉄心を型に納める工程と、
   該型の内部に樹脂を注入して前記巻鉄心を樹脂膜で覆う工程と、
   前記樹脂膜付巻鉄心を複数の扇状に切断する工程と、を備え、
   前記巻鉄心の径方向に非晶質金属箔帯が絶縁樹脂材を挟んで複数積層し、
   積層面に対する断面の２面以外は、前記樹脂膜で覆われた電機子鉄心とすることを特徴とする電機子鉄心の製造方法。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電機子鉄心を固定子コアとしたことを特徴とするアキシャルギャップ型のモータ。

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