CN102737804A - 卷绕铁心、电磁部件及其制造方法、以及电磁设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够形成低铁损、低成本的由磁性薄带构成的卷绕铁心、电磁部件及其制造方法、以及电磁设备。本发明的卷绕铁心将具有磁性的薄带沿轴向卷绕而构成，其中，在轴向端部面的所述薄带的各处形成切口部，并且切口部配置在卷绕铁心径向的随机的方向上。

Description

卷绕铁心、电磁部件及其制造方法、以及电磁设备

技术领域

本发明涉及卷绕铁心、电磁部件及其制造方法、以及电磁设备，尤其是涉及能够减少铁心整体的铁损的卷绕铁心、电磁部件及其制造方法、以及电磁设备。

背景技术

从节能、轻量化和低成本化的观点出发，在电动机、发电机、变压器等的旋转型或静止型的电磁设备中，要求非常高的效率和输出密度。其中为了提高效率，构成铁心的磁性薄带或板越薄越好，通常使用的电磁钢板的厚度从0.5mm减薄至0.1mm。而且，非晶质金属薄带成为μm级的厚度。

当减薄板或薄带的厚度时，能够减少作为铁损的一种的涡流损耗。在涡电流的大小与铁心的电阻之间存在如下的关系：电阻大的磁性材料不易流动涡电流，因此涡电流所产生的损耗低。而且，磁性材料的薄带(或板)的电阻与其长度和厚度相关。薄带越短，电阻越大。而且越薄，电阻越大。因此，为了形成为低铁损铁心，最广泛地采用将钢板的板层叠而成的铁心。

然而，对于薄的薄带，难以适用冲裁加工或层叠等加工方法。其理由是，当薄带较薄时，用于制作相同尺寸的铁心的加工次数增多，因此成本增加。而且，大部分的薄带容易受到外部应力的影响，因此在机械加工后，需要退火等后处理。而且，非常难以制造。

关于从非晶合金的薄带制造卷绕铁心的情况，在专利文献1中，使用了卷绕连续的非晶带而成的铁心。

在专利文献2中，记载了“在带状的非晶金属间夹持绝缘物”、“在定子铁心具有狭缝”、“卷绕的带状的非晶金属沿径向被切断”有利于减少涡流损耗的情况。

在专利文献3中记载了变压器用非晶铁心。记载了“将非晶质磁性合金薄带层叠规定张数，且将其分别按照所需要的长度尺寸依次切断而形成多个长度尺寸不同的单位铁心原板，将所述单位铁心原板层叠成所需要数目的阶梯状而形成1块的铁心原体组，将这些铁心原体组按块对接接合，且将所述铁心原体组的对接接合部依次错开的搭接阶梯接缝(over steplap)接合方式和阶梯接缝(step lap)接合方式进行组合·接合而形成1圈切割方式的卷绕铁心”。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2008-136348号公报

【专利文献2】日本特开2009-284578号公报

【专利文献3】日本特开2000-173831号公报

如以上所述，关于从非晶合金的薄带制造卷绕铁心的方法，已知有多种。

在此，铁心的铁损包括涡流损耗和磁滞损耗这两种。其中，磁滞损耗通过退火能够减少。相对于此，涡流损耗与涡电流流动的路线、磁场强度等要素相关，处于非晶带越长而涡流损耗越大的关系。

因此，专利文献1的卷绕非晶带而成的非晶铁心虽然容易制造，但存在涡流损耗大的问题。尤其是适用于高速旋转机械时，铁损变得非常大。

在专利文献2的减少涡流损耗的方法中，为了对连续的非晶带卷绕而成的铁心的涡电流路线进行切割而采用狭缝加工，因此需要用于防止剥离的模制。因此，铁心的制作工序需要卷绕非晶带的作业、退火成形作业、树脂模制作业及狭缝加工作业。

在专利文献2所公开的方法中，制造工序多，且没有切断非晶铁心的容易方法，铁心的制造成本高。而且，在对非晶铁心进行了模制和狭缝加工后，铁心内部作用有应力，因此磁滞损耗增加。而且，在铁心的中心残留有卷绕夹具用的孔，因此适用于电动机时的空间的利用率下降。

专利文献3所公开的发明也与专利文献2同样地存在切断非晶层叠体的情况。由于非晶合金非常硬，因此当切断由非晶合金构成的块时，夹具快速消耗，切断时间长，因此成本变得非常高。

发明内容

根据以上情况，在本发明中，其目的在于提供一种能够形成低铁损、低成本的由磁性薄带构成的卷绕铁心、电磁部件及其制造方法、以及电磁设备。

为了解决上述课题，本发明的卷绕铁心将具有磁性的薄带沿轴向卷绕而构成，其中，在轴向端部面的所述薄带的各处形成有切口部，并且切口部配置在卷绕铁心径向的随机的方向上。

另外，切口部是在与所述薄带的长度方向正交的方向上形成的切断部位。

另外，轴向端部面形成为梯形。

为了解决上述课题，本发明的电磁部件，将具有磁性的薄带沿轴向卷绕而构成卷绕铁心，在该卷绕铁心的径向外周绝缘地卷绕线圈而成，其中，在卷绕铁心的轴向端部面的薄带的各处形成有切口部，并且切口部配置在铁心径向的随机的方向上。

另外，将多个梯形电磁部件以其上底部彼此和下底部彼此隔着绝缘物的方式相邻配置多个，形成环状的结构物，并将该结构物模制而构成。

另外，利用具备梯形空间的模具按压形成为圆筒状的电磁部件而形成。

另外，在利用具备梯形空间的模具按压形成为圆筒状的电磁部件而形成之后，与模具一起进行退火。

为了解决上述课题，本发明的制造方法将具有磁性的薄带沿轴向卷绕，在轴向端部面的所述薄带的各处形成切口部并且将切口部配置在径向的随机的方向上而形成卷绕铁心，沿着该卷绕铁心的周向卷绕线圈而形成电磁部件，利用具备梯形空间的模具按压形成为圆筒状的该电磁部件而成形后，与模具一起进行退火。

为了解决上述课题，本发明的电磁设备将具有磁性的薄带沿轴向卷绕，在轴向端部面的所述薄带的各处形成切口部并且将切口部配置在径向的随机的方向上而形成卷绕铁心，沿着该卷绕铁心的周向卷绕线圈而形成块体，将块体的所述轴向端部面形成为梯形，对于该梯形的块体，通过将多个梯形块体以其上底部彼此和下底部彼此隔着绝缘物的方式相邻配置多个而形成环状，并对该环状物进行模制而形成定子，在定子的中心部将旋转轴保持为能够旋转，使固定在旋转轴上且具备磁铁的转子面对定子的与旋转轴正交的面而构成。

【发明效果】

根据本发明，无需切断铁心，能够减少制作成本。关于铁心的铁损，由于能够减少涡流损耗和磁滞损耗，因此能够减少铁损。而且，卷绕铁心通常为圆筒状，但本发明提供能够形成为其他的形状的卷绕铁心。由此，能得到适用于旋转机械和静止器的所希望的铁心。

附图说明

图1是表示圆筒状卷绕铁心作为本发明的铁心的一例的图。

图2是说明切断部位前后的接合处理的图。

图3是说明切断部位前后的接合处理的图。

图4是表示取代切断而设有切口部的例子的图。

图5是表示圆筒状卷绕铁心的制造方法的一例的图。

图6是表示圆筒状卷绕铁心的制造方法的另一例的图。

图7是表示卷绕铁心的薄带长度与涡流损耗系数的关系的实测值的图。

图8是表示梯形卷绕铁心作为本发明的铁心的一例的图。

图9是表示用于成形梯形卷绕铁心的夹具的一例的图。

图10是表示两个模具通过嵌合而对置时的侧面的图。

图11是表示长方形作为卷绕铁心的形状的一例的图。

图12是表示电动机的定子的1块体部分的图。

图13是表示9块体的定子的图。

图14是表示10极转子的图。

图15是表示2转子1定子的轴向间隙电动机的图。

符号说明：

100：卷绕铁心

101：磁性薄带1

102：磁性薄带2

104：切口

105：磁性薄带母体

106：切割器

107：卷框

108：卷绕铁心

109：卷绕铁心

111：梯形卷绕铁心

112：对位用销

113：螺纹孔

114：卷绕铁心载置用空间

115：长方形铁心

116：线圈

117：磁铁

118：转子磁轭

119：轴

120：电动机壳体

121：轴承

123：树脂模制

具体实施方式

以下，使用附图，说明本发明的铁心及使用了该铁心的电磁设备的实施例。

【实施例1】

在实施例1中，说明圆筒状卷绕铁心作为铁心的一例。

图1表示实施例1所涉及的圆筒状卷绕铁心的立体图(图1左)和主视图(图1右)。如图1所示，实施例1的涡旋圆筒状铁心100不是从其卷绕起始到卷绕结束一直连续，而在多部位被切断。而且，其特征在于，切断部位(100a、100b、100c)不在径向的相同场所，而随机配置。

关于切断部位(100a、100b、100c)前后的接合，可以是图2至图4中的任一图。例如在图2的例子中，在切断部位100a，内周侧的磁性构件(例如磁性薄带101)与外周侧的磁性构件(例如磁性薄带102)相邻，为非搭接方式。通过将切断部位(100a、100b、100c)随机配置，能避免以非搭接方式接合的铁心仅在铁心的一部位突出的情况。

需要说明的是，在非搭接方式的情况下，内周侧的磁性构件(例如磁性薄带101)与外周侧的磁性构件(例如磁性薄带102)之间的距离不会成为问题。也可以设置在离开了半周左右的位置。后面，利用图6说明该例子。

在图3的例子中，在切断部位100a，内周侧的磁性构件(例如磁性薄带101)与外周侧的磁性构件(例如磁性薄带102)重叠，为搭接方式。关于以搭接方式接合的铁心，若假设切断集中于径向的一部位，则在适用于旋转机械时，磁阻增加或发生泄漏磁通。在此，通过在径向上随机配置切口，能够减少泄漏磁通。而且，卷绕铁心的切断的薄带的长度无需形成为同一长度。也可以形成为长度不同的薄带的组合。还可以由完全分离的薄带构成为卷绕铁心。

在图2、图3的实施例中，将带状的磁性构件在与长度方向正交的方向上的适当的部位处切断，但在本发明的其他的实施例中，无需切断而分成两部分(完全切断)。如图4所示，也可以由设有切口部104的磁性薄带构成。即，也可以在带状的磁性构件的长度方向的端部的适当的部位设置切口部104。

图2至图4的切断均在带状的磁性构件的长度方向的端部的适当的部位设有切口部104，图2、图3可以说是切口部104到达另一端部而成为切断的形状的情况。

图5表示本实施例的圆筒状卷绕铁心的制造方法的一例。首先，准备长条的磁性薄带母材105。将其卷绕成滚筒状。另一方面，设置卷绕机(未图示)，将长条的磁性薄带母材105的一端(卷绕起始端)固定于卷绕机的卷框107，利用卷绕机卷绕规定长度，通过切割器106切断。切断后的磁性薄带的端部(卷绕结束端)由粘接材料或焊接等粘接手段固定在卷绕于卷框107的铁心上。在此，利用粘接手段固定卷绕于卷框107的铁心是为了防止散开，可以适用各种临时固定手段。

接下来，在卷绕的铁心的规定位置再次固定磁性薄带母材105的卷绕起始端，再次卷绕，以规定长度切断，并固定卷绕结束端。上述的工序在成为必要的外径之前反复进行多次，由此能够得到所希望尺寸的卷绕铁心。需要说明的是，在卷绕的铁心的规定位置再次固定磁性薄带母材105的卷绕起始端时，以切断部位(100a、100b、100c)不在径向的相同场所的方式进行定位。

图6表示本实施例的圆筒状卷绕铁心的制造方法的另一例。在该例子中，首先由规定长度的磁性薄带制造卷绕铁心108。同样地由磁性薄带制造卷绕铁心109。卷绕铁心108的外径为卷绕铁心109的内径以上。分别独立地构成的卷绕铁心以将小径的卷绕铁心内装于大径的卷绕铁心的内部的方式组合，构成卷绕铁心。本制造方法的特征在于，大径卷绕铁心的内径等于或大于小径卷绕铁心的外径。根据用途，也可以在卷绕铁心间设置粘接机构。

在该图6的左及中央的图示中，卷绕铁心108、109均处于右卷的位置。相对于此，在该图右的重叠的图中，卷绕铁心109在左卷的位置重叠。在本发明中，只要有切断部分即可，卷绕铁心108、109的卷绕方向可以任意。而且，在该图右的重叠的图中，大径的卷绕铁心109的卷绕起始位置109S和小径的卷绕铁心108的卷绕结束位置108E比图2更加分离，但在本发明中，它们之间的距离的远近不会成为问题。

铁心的制造方法并不局限于上述的方法，只要具备本发明的铁心的特征，就可以使用各种方法。而且，以上说明了铁心的截面形状具有圆形的情况，但未必非得是圆形。可以具有长方形、梯形、圆角三角形等任意的所希望的形状。

在本发明中，在卷绕方向的随机的位置设置切断部的情况非常重要。而且，构成铁心的磁性薄带并未限定为一种。也可以由多种磁性薄带构成一个铁心。

优选对本实施例中制造的卷绕铁心进行某种程度的退火。通过进行退火，能够将积存于卷绕铁心中的应力释放，从而能够减少磁滞损耗。

根据本实施例，

(1)能够提供一种低铁损卷绕铁心。在将卷绕铁心适用于旋转机械时，能够在切断部位将涡电流流动的循环(回路)切断，能够减少涡流损耗。在图7中表示将非晶合金的带状的薄带切断而构成的卷绕铁心的薄带长度(横轴)与涡流损耗系数(纵轴)的关系的实测值。可知构成卷绕铁心的薄带的长度越短而涡流损耗越低。需要说明的是，在图1、图2、图3、图6中，薄带的长度是切断面之间的长度方向距离，在图4中相当于切口部之间的距离。

(2)能够提供磁特性良好的铁心。根据本实施例，卷绕铁心的内部的切断部位未集中于一个部位，因此能够减少泄漏磁通。

(3)能够提供低成本的卷绕铁心。未切断成薄带的块，而能够减少加工成本。

(4)能够提供制造简单的卷绕铁心。根据本实施例，未切断成卷绕铁心，因此不需要薄带层间粘接、模制等剥离对策手段。而且，层间不需要粘接材料，因此铁心的占空系数也能够提高。

【实施例2】

在实施例2中，基于图8～图11，说明制造梯形卷绕铁心的情况。图8是第二实施例的梯形卷绕铁心的立体图和主视图。将图8的梯形卷绕铁心与图1的圆筒状卷绕铁心相比，仅是截面形状是梯形还是圆形的区别，在切口111a设置在任意的方向上这一意义上相同。

图9表示用于成形图8的梯形卷绕铁心的夹具的一例。成形夹具由两个模具20a、20b构成。在图9中，为了容易理解，而图示了能看见两个模具20a、20b的对置面20a1、20b1的位置。在对置面20a1、20b1设有铁心载置空间114a、114b、对位用销112、对位用孔113。而且，两个模具20a、20b在外力P的作用下移动，对位用销112与对位用孔113嵌合，对置面20a1、20b1彼此对置。

图10是表示两个模具20a、20b通过嵌合而对置时的侧面20a2、20b2的图，可知由于分别形成于两个模具20a、20b的铁心载置空间114a、114b，而在嵌合时构成梯形的空间。

另外，从以上的说明能够想起，若在图9的嵌合开始前的状态下，将图1所示的一个圆筒状卷绕铁心100以卷绕面为近前的方式配置在铁心载置空间114a、114b，然后利用外力P使对置面20a1、20b1成为嵌合状态，则能得到图8那样的梯形卷绕铁心111。

另外，若对嵌合时的铁心载置空间的模具形状进行改变，则能够得到梯形以外的截面形状的卷绕铁心。图11表示长方形作为卷绕铁心的形状的一例。这种情况下，切断部位也是形成在截面的任意方向上。

第二实施例的卷绕铁心与第一实施例的圆筒状卷绕铁心通用的部分很多，因此以下省略通用部分的详细说明，重点说明不同部分。

在本实施例中，使用由实施例1构成的圆筒状铁心，成形出具有其他形状的铁心。首先，对成形用夹具进行说明。为了提高成形精度，成形夹具主体(模具)由至少分离成两部分的夹具构成。在成形夹具的中心设有所希望铁心的形状的空间(铁心载置空间114a、114b)。在成形时，为了高精度地对合夹具的位置，而设有利用夹具进行对位的销等对合机构。成形夹具的材料优选强度高的材料。

本实施例的卷绕铁心的制造方法中，

(a)通过实施例1构成圆筒状铁心，

(b)构成的圆筒状铁心在成形夹具中配置在规定位置，模具20a、20b进行对位，并同时从外部施力，如图10所示，使模具20a、20b合并。外部的力包括使用设置于模具20a、20b的螺纹孔115的由螺钉紧固的力或通过冲压机紧固的力。

(c)施加外力而形成的铁心优选在收纳于模具20a、20b的状态下，在退火炉中进行某种程度的退火。由此，能够消除因外部应力而积存的应力，从而能够提高铁心的磁特性。而且，通过退火，铁心从模具20a、20b脱落后，即使没有特别的其他的固定机构，也能够维持铁心形状。通过以上的固定，能够得到图8所示的梯形铁心。

通过上述方法形成的图8的梯形卷绕铁心111的特征在于设有角度R。而且，特征在于铁心的中心的孔小于变形前的卷绕铁心。

在上述方法中说明了梯形铁心，但其他的形状的铁心也可以通过同样的方法形成。图11表示长方形的卷绕铁心的例子。

根据本实施例，起到以下的效果。

(1)能够提供成形度自由的卷绕铁心。并不局限于圆筒状卷绕铁心，通过模具20a、20b的形状，能够成形出具有各种形状的卷绕铁心。

(2)能够提供低铁损的卷绕铁心。构成卷绕铁心的磁性薄带被切断，因此能够减少涡流损耗。而且，由于对卷绕铁心实施退火，因此能够减少磁滞损耗。因此，能够减少铁损。

(3)能够提供高占空系数的卷绕铁心。在磁性薄带的各层之间未设置粘接材料或树脂等，因此能够提高铁心的占空系数。而且，经由模具20a、20b，利用外部力再成形出形状时，被切断的薄带能够向间隙移动，能够消除铁心的间隙，占空系数升高。

(4)能够提高铁心的磁特性。根据本实施例，在铁心的中心部能够压扁孔，能够减少泄漏磁通，因此能够提高铁心的磁特性。

【实施例3】

在本实施例中，使用图12～15，说明适用了在实施例2中得到的梯形卷绕铁心的旋转机械的一例。在本实施例中，说明了轴向间隙电动机，但也可以适用于其他的类型的电动机、例如径向间隙电动机或环形电动机等。

图12表示电动机的定子的1块体(スロツト)部分。在此，在由切断的薄带构成的实施例2的梯形卷绕铁心111的外周配置线圈116，作为定子的1块体部分。这种情况下，梯形卷绕铁心111与线圈116之间被绝缘。需要说明的是，说明了铁心的截面形状为梯形的例子，但这不是必须的。另一方面，可以是圆形、长方形、圆角的三角形等任意的所希望的形状。带角的铁心为了避免破坏外周的线圈的绝缘层而优选带有角度R。

图13表示9块体的定子。铁心111和线圈116沿周向等间隔地配置。而且，在块体与块体之间夹有绝缘物(未图示)。定子整体通过树脂模制来固定。图13是对分别为图12的梯形的块体，将多个梯形块体以其上底部彼此和下底部彼此隔着绝缘物的方式相邻配置多个，形成环状的结构物，对其进行模制而构成的定子。

需要说明的是，图12的电动机的定子的1块体部分或图13的多个块体的定子从最终产品来看均是中间构件，所以在本说明书中将它们汇总作为电磁部件处理。

图14表示10极转子。磁铁117在转子磁轭118的表面等间隔地配置10个。磁铁117可以是其他的磁性材料，根据情况的不同，也可以是电磁铁。而且，磁铁117的形状可以是任意的适当的形状。转子磁轭118由铁基体的材料或其他的磁性材料构成。为了减少转子磁轭的铁损、主要减少涡流损耗，优选实施例1所示的由薄带构成的涡旋状卷绕铁心。

图15表示2转子1定子的轴向间隙电动机。在轴向间隙电动机中，在电动机壳体120内具备两组图14所图示的转子130，在转子130之间隔着气隙夹有图13所图示的定子140。需要说明的是，转子130与轴119被固定，定子140固定于壳体120。而且轴119通过轴承121由定子140保持为能够旋转。而且转子磁轭成为按压轴承的内圈的结构。

另外，定子140如图13那样构成，配置在图15的位置。即，观察构成9块体的定子140的各块体时，呈现图12的形状，转子130的磁铁117隔着气隙面向图12的卷绕铁心111的上下面。而且，图13的定子140如符号123所示被树脂模制。

因此，转子130侧的磁铁117和定子140侧的定子铁心141以对置的方式设置。因此，从转子130产生的磁通Φ与定子铁心141的卷绕铁心111的层叠方向143垂直，在磁性薄带的面内未流动涡电流。

其结果是，关于在磁性薄带的某厚度的面内流动的涡电流，通过使用设有切口的卷绕铁心，能够缩短涡电流循环，因此能够减少铁心整体的铁损。

Claims (11)

1.一种卷绕铁心，将具有磁性的薄带沿轴向卷绕而构成，其特征在于，

在轴向端部面的所述薄带的各处形成有切口部，并且切口部配置在卷绕铁心径向的随机的方向上。

2.根据权利要求1所述的卷绕铁心，其特征在于，

所述切口部是在与所述薄带的长度方向正交的方向上形成的切断部位。

3.根据权利要求2所述的卷绕铁心，其特征在于，

所述轴向端部面形成为梯形。

4.一种电磁部件，将具有磁性的薄带沿轴向卷绕而构成卷绕铁心，在该卷绕铁心的径向外周绝缘地卷绕线圈而成，其特征在于，

在所述卷绕铁心的轴向端部面的所述薄带的各处形成有切口部，并且切口部配置在铁心径向的随机的方向上。

5.根据权利要求4所述的电磁部件，其特征在于，

所述切口部是在与所述薄带的长度方向正交的方向上形成的切断部位。

6.根据权利要求5所述的电磁部件，其特征在于，

所述轴向端部面形成为梯形。

7.根据权利要求6所述的电磁部件，其特征在于，

所述电磁部件是将多个梯形电磁部件以其上底部彼此和下底部彼此隔着绝缘物的方式相邻配置多个，形成环状的结构物，并将该结构物模制而构成的。

8.根据权利要求7所述的电磁部件，其特征在于，

所述梯形电磁部件是利用具备梯形空间的模具按压形成为圆筒状的电磁部件而形成的。

9.根据权利要求8所述的电磁部件，其特征在于，

所述梯形电磁部件在利用具备梯形空间的模具按压形成为圆筒状的电磁部件而形成之后，与模具一起进行退火。

10.一种电磁部件的制造方法，其特征在于，

将具有磁性的薄带沿轴向卷绕，在轴向端部面的所述薄带的各处形成切口部并且将切口部配置在径向的随机的方向上而形成卷绕铁心，沿着该卷绕铁心的周向卷绕线圈而形成电磁部件，利用具备梯形空间的模具按压形成为圆筒状的该电磁部件而成形后，与模具一起进行退火。

11.一种电磁设备，其特征在于，

将具有磁性的薄带沿轴向卷绕，在轴向端部面的所述薄带的各处形成切口部并且将切口部配置在径向的随机的方向上而形成卷绕铁心，沿着该卷绕铁心的周向卷绕线圈而形成块体，将块体的所述轴向端部面形成为梯形，对于该梯形的块体，通过将多个梯形块体以其上底部彼此和下底部彼此隔着绝缘物的方式相邻配置多个而形成环状，并对该环状物进行模制而形成定子，在定子的中心部将旋转轴保持为能够旋转，使固定在旋转轴上且具备磁铁的转子面对定子的与旋转轴正交的面而构成。

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