CN109980863A

CN109980863A - 定子的制造方法

Info

Publication number: CN109980863A
Application number: CN201811437719.6A
Authority: CN
Inventors: 吉永文隆; 芳贺一昭; 小森健祐; 小野寺清孝
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2019-07-05
Also published as: JP2019106756A; US20190181731A1

Abstract

本发明涉及定子的制造方法。本公开的目的在于，提供能够抑制线圈安装时的定子芯的破损的定子芯的制造方法。本实施方式为含有具有齿的定子芯和卷绕于上述齿的线圈的定子的制造方法，其包括：准备将多个含有非晶结构的板状的软磁材料层叠而成的、具有上述齿的层叠体的工序；将上述线圈安装于上述齿的工序；和安装上述线圈之后，将上述层叠体加热至上述软磁材料的结晶化温度以上的工序。

Description

定子的制造方法

技术领域

本公开涉及定子的制造方法。

背景技术

在汽车产业中，以混合动力汽车和电动汽车的行驶性能的进一步提高为目标，日益推进着对驱动用马达的高输出化、轻量化、小型化的开发。另外，在家用电器制造商中，也尝试了内置于各种家用电器的马达等旋转电机的进一步小型化和高性能化。

为了提高旋转电机的性能，课题在于，如何能降低在内部产生的损耗。在定子中，发生起因于涡流损耗或磁滞损耗的铁损(或高频铁损)，根据这些损耗，马达效率和扭矩性能会降低。

因此，为了提高定子的性能，使用软磁材料作为定子(铁)芯的材料。作为软磁材料，例如开发了非晶系软磁材料和纳米晶系软磁材料。这些软磁材料为具有低损耗、高电阻、高磁通密度及良励磁特性的优异材料。作为软磁材料的开发，例如专利文献1中公开有一种具有规定的组成及结构的软磁性合金薄带。

另一方面，在定子芯的制造时，制作作为定子芯前体的层叠体之后，为了降低铁损而使磁特性(饱和磁化)提高，将层叠体在规定温度下退火。更具体而言，首先，由软磁材料冲压加工定子芯用板材，层叠多个定子芯用板材，通过铆接或焊接来制作层叠体。接着，为了降低铁损以提高磁特性，将层叠体在规定温度下退火，促进软磁材料的结晶化。另外，也可以通过该退火除去压制加工时的加工应变。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-149045号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，虽然可以通过利用退火促进软磁材料的结晶化从而提高饱和磁化，但是定子芯的强度会因结晶化的促进而降低。如果定子芯的强度降低，则在后工序中将线圈安装于定子芯的齿时，容易发生定子芯(特别是齿)中的缺损、开裂或削去等破损。即，在向齿安装线圈的工序中，在线圈的卷绕作业或线圈的弯曲作业时对定子芯施加负荷，有时发生上述破损。因此，期望开发能够抑制线圈安装时的定子芯的破损的定子芯的制造方法。

因此，本公开的目的在于，提供能够抑制线圈的安装时的定子芯的破损的定子芯的制造方法。

用于解决课题的手段

以下示出本公开的一个方案。

(1)含有具有齿的定子芯和卷绕于上述齿的线圈的定子的制造方法，其包括：

准备将多个含有非晶结构的板状的软磁材料层叠而成的、具有上述齿的层叠体的工序；

将上述线圈安装于上述齿的工序；和

安装上述线圈之后，将上述层叠体加热至上述软磁材料的结晶化温度以上的工序。

(2)(1)所述的定子的制造方法，其中，通过在上述线圈中使高频电流流动而对上述层叠体进行加热。

(3)(1)或(2)所述的定子的制造方法，其中，上述软磁材料为非晶系软磁材料、或含有非晶结构的纳米晶系软磁材料。

(4)(3)所述的定子的制造方法，其中，上述软磁材料的结晶度为0％以上90％以下。

发明效果

根据本公开，可提供能够抑制线圈安装时的定子芯的破损的定子芯的制造方法。

附图说明

图1是表示能通过本实施方式制造的定子的构成例的略图。

图2是将多个定子芯用板材层叠而形成的层叠体(定子芯前体)的概略立体图。

图3是用于说明将预先卷绕了的线圈安装于齿的工序的实例的概略立体图。

图4是用于说明将U字状线圈构件安装于齿的工序的实例的概略剖面图。图4(A)是表示将分段体插入了槽的状态的概略剖面图，图4(B)是表示继图4(A)之后将引线部弯曲并相互熔敷的状态的概略剖面图。

图5是表示将绝缘体14配置于齿间的槽的形态的概略立体图。

图6是表示实施例1中使用的非晶板的抗拉强度、实施例2中使用的纳米晶板(结晶度90％)的抗拉强度、及比较例中使用的纳米晶板(结晶度100％)的抗拉强度的坐标图。

附图标记说明

10 定子芯

10a 层叠体(定子芯前体)

11 轭

12 齿

13 槽

14 绝缘体

20 线圈

30 分段体

30a 引线部

30b 槽内导线部

30c 反引线部

30d 熔敷部

100 定子

具体实施方式

本实施方式涉及含有具有齿的定子芯和卷绕于上述齿的线圈的定子的制造方法，其包括：准备将多个含有非晶结构的板状的软磁材料层叠而成的、具有上述齿的层叠体的工序；将上述线圈安装于上述齿的工序；和安装上述线圈之后，将上述层叠体加热至上述软磁材料的结晶化温度以上的工序。

在本实施方式中，在将线圈安装于齿之后将层叠体加热至规定温度以上，使饱和磁化提高。因此，在线圈安装时，不产生加热导致的强度降低，因此，能抑制定子芯的破损。

以下，对本实施方式详细地进行说明。

本实施方式涉及定子的制造方法，该定子含有具有齿的定子芯和卷绕于上述齿的线圈。图1中示出表示定子的构成例的略图。图1是从轴线方向观察旋转电机的定子100的略图，为了说明，省略一部分构成。定子100作为整体具有圆环形状。以下，将该圆环的中心轴线记作“轴线”。该轴线在图1中在与其纸面正交的方向延伸。在定子100的内侧配置转子(未图示)。

定子100含有定子芯10和线圈20。定子芯10具有圆环形状的轭11和从轭11向内周延伸的多个齿12。图1中，为了清楚地表示齿12，省略线圈20的一部分。齿12沿轭11的内周在周向上空出间隔地配置。邻接的齿12之间的空间称为槽13。线圈20由卷绕于齿12的导线形成。在该定子100中，作为实例，采用导线集中于一个线圈而卷绕的集中绕组。也可以采用线圈在空出了规定数的间隔的2个齿12上将线圈缠绕的分布绕组。

定子100可用于旋转电机。定子100与未图示的转子一起例如可以在用作电动汽车或混合动力汽车的行驶驱动源或发电机的3相交流电动机中使用。

(1)准备工序

在本实施方式中，作为定子芯前体，准备将多个含有非晶结构的板状的软磁材料(也称为定子芯用板材。)层叠而成的具有齿的层叠体。图2表示层叠多个定子芯用板材1a而形成的层叠体10a的概略立体图。层叠体10a可以将多个定子芯用板材1a在轴线方向层叠而形成。

作为用于定子芯用板材的软磁材料，可列举例如由选自Fe、Co及Ni中的至少1种磁性金属和选自B、C、P、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及W中的至少1种非磁性金属构成的材料，但并不限于这些。作为软磁材料的代表性材料，可列举例如：FeCo系合金(例如FeCo、FeCoV等)、FeNi系合金(例如FeNi、FeNiMo、FeNiCr、FeNiSi等)、FeAl系合金或FeSi系合金(例如FeAl、FeAlSi、FeAlSiCr、FeAlSiTiRu、FeAlO等)、FeTa系合金(例如FeTa、FeTaC、FeTaN等)及FeZr系合金(例如FeZrN等)、FeB系合金(FeB、FeBSi等)，但并不限于这些。另外，作为软磁材料的其它材料，例如可使用含有Zr、Hf、Nb、Ta、Ti及Y中的至少1种和Co的Co合金。Co合金中优选含有80at％以上的Co。

软磁材料含有非晶结构。作为含有非晶结构的软磁材料，优选为非晶系软磁材料、或含有非晶结构的纳米晶系软磁材料。非晶系软磁材料为具有非晶结构作为主结构的软磁材料。在非晶结构的情况下，在X射线衍射图案中看不到清晰的峰，仅观测到宽化的晕样图案(halo pattern)。另一方面，可以通过对非晶结构施加热处理而形成纳米晶结构。本实施方式中，不使用完全仅由纳米晶结构构成的纳米晶系软磁材料，使用在至少一部分中残留非晶结构的纳米晶系软磁性。予以说明，在具有纳米晶结构的纳米晶系软磁材料中，在对应于晶面的晶格间距的位置上观测到衍射峰。可以由该衍射峰的宽度使用Scherrer公式算出微晶粒径。通常，纳米晶是指由X射线衍射的衍射峰的半宽度利用Scherrer公式算出的微晶粒径低于1μm的晶体。在本实施方式中，纳米晶的微晶粒径(由X射线衍射的衍射峰的半宽度利用Scherrer公式算出的微晶粒径)优选为100nm以下，更优选为50nm以下。另外，纳米晶的微晶粒径优选为5nm以上。纳米晶的微晶粒径为这样的大小时，软磁特性提高，因此优选。

非晶系软磁材料例如可以通过将以成为所期望的组成的方式配合的金属原料利用高频熔解炉等在高温下熔融而制成均匀的金属溶液，将其进行急冷而得到。或者，可以通过对旋转的冷却辊喷吹金属原料的金属溶液而得到薄的板状(也称为薄带状)的非晶系软磁材料。另外，纳米晶系软磁材料可以通过对非晶系软磁材料进一步施加适当的热处理来制作。热处理的条件没有特别限制，考虑金属原料的组成、要显现的磁特性等而适当选择。热处理的温度例如为比使用的软磁材料的结晶化温度高的温度。另外，也可以在非晶系软磁材料中使纳米晶析出，使规定的磁特性提高。热处理优选在非活性气体气氛下进行。

在本实施方式中，软磁材料的结晶度优选为0％以上90％以下。结晶度为90％以下时，在材料中充分地存在非晶结构，因此，软磁材料的强度比较高。因此，通过使用结晶度为90％以下的软磁材料，能更有效地抑制线圈安装工序中的层叠体的破损。另外，从硬度的观点出发，软磁材料的结晶度更优选为80％以下，进一步优选为70％以下。

在此，在本说明书中，软磁材料的结晶度为由用差示扫描量热计(DSC)测定的结晶化的发热量(J/g)利用以下的式(1)所算出的值。

结晶度(％)＝([J_A]－[J_B])/[J_A]×100 式(1)

式(1)中，J_A为相当于作为测定对象的软磁材料的非晶系软磁材料的结晶化发热量，J_B为作为测定对象的软磁材料的结晶化发热量。

在作为测定对象的软磁材料为非晶系软磁材料时，“相当于作为测定对象的软磁材料的非晶系软磁材料”是指该作为测定对象的软磁材料的非晶系软磁材料其自身。因此，[J_A]和[J_B]成为相同的值，结晶度成为0。

在作为测定对象的软磁材料为纳米晶系软磁材料时，“相当于作为测定对象的软磁材料的非晶系软磁材料”通过取得相当于作为测定对象的软磁材料的纳米晶系软磁材料的非晶系软磁材料而准备。由于将非晶系软磁材料进行加热而制作纳米晶系软磁材料，因此，该加热前的非晶系软磁材料成为相当于作为测定对象的软磁材料的纳米晶系软磁材料的非晶系软磁材料，只要是本领域技术人员，就可以容易得到。另外，相当于纳米晶系软磁材料的非晶系软磁材料也可以通过将该纳米晶系软磁材料在高温下加热并熔融之后进行急冷而得到。

在结晶度为0％的情况下，为纳米晶没有析出的状态，认为材料整体为非晶结构。另一方面，在结晶度为100％的情况下，为在整个材料中析出纳米晶的状态，认为是不含有非晶结构的状态。予以说明，为了优化饱和磁化，通常进行加热处理至材料的结晶度达到100％。

软磁材料的抗拉强度优选为1600MN/m²以上，更优选为1700MN/m²以上，进一步优选为1800MN/m²以上。

定子芯用板材的表面优选用绝缘膜包覆。作为绝缘膜，可列举SiO₂等的氧化膜。利用该绝缘膜，可以降低起因于涡(电)流的损耗。

定子芯用板材的厚度例如为5～50μm，优选为5～35μm。

在定子芯用板材之间可以配置耐热性树脂等的粘接层，也可以不配置。作为耐热性树脂，例如可以使用热固性树脂，作为热固性树脂，可列举例如环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂或丙烯酸树脂等。

层叠体中，各定子芯用板材可以通过铆接或焊接而一体地固定。例如，可以在设于各定子芯用板材的贯通孔中插通螺栓而一体地固定。

(2)安装工序

接着，将线圈安装于层叠体的齿。

线圈的卷绕方法可以是将1个相的绕组卷绕于1个齿的集中绕组，也可以是跨越多个齿而卷绕1个相的绕组的分布绕组。

例如，在集中绕组线圈的情况下，可以以对应于层叠体的各齿而卷绕了绕组的单元线圈(也称为盒式线圈)的形式预先准备。图3是表示将预先卷绕成的线圈20嵌入于齿12的工序的概略立体图。图3中，为了简化，部分地摹写作为定子芯前体的层叠体10a。图3中，线圈20由扁平线形成，通过将在铜原材料的扁平导线的周围形成有绝缘被膜的材料进行扁绕绕组(edgewise-winding)而形成。该线圈20(盒式线圈)在箭头X的方向移动并以嵌入齿12的方式安装。

另外，作为线圈，如图4所示，也已知有将对平角导体侧面弯曲加工成了大致U字状的分段体30用作线圈构件。图4是用于说明将U字状的线圈构件安装于齿的工序的实例的概略立体图。通常，分段体30由3个部分构成，具有：插入于层叠体的槽的槽内导线部30b、在定子的引线侧从层叠体10a的端面突出的引线部30a、和相对于该引线部30a位于层叠体的相反侧的反引线部30c。图4(A)是表示将分段体30插入了槽的状态的概略剖面图，图4(B)是表示继图4(A)之后将引线部30a弯曲并相互熔敷的状态的概略剖面图。如图4(A)及(B)所示，在线圈的安装时，如图4(A)所示，在设置有绝缘体(未图示)的层叠体10a的槽中以在径向层叠了多个分段体30的状态插入。然后，如图4(B)所示，在将分段体30插入了槽的状态下，将引线部30a弯曲并使邻接的分段体的引线部彼此相互熔敷，由此形成全部的分段体30成为连续的状态的1个线圈。图4(B)中，附图标记30d表示分段体的引线部中的熔敷部。

如上所述，在线圈的安装工序中，需要线圈的嵌入作业或弯曲作业。在该线圈安装工序中，使用结晶化通过用于提高饱和磁化的加热处理(退火)而得到促进的软磁材料时，软磁材料的强度因结晶化的促进而降低，因此，在层叠体(特别是齿)中容易产生破损。例如，图4(B)中，在符号Y的部分使引线部30a弯曲时，对层叠体的角部施加负荷，有时产生破损。而在本实施方式中，在没有实施用于提高饱和磁化的加热处理的状态、即软磁材料的强度没有降低的状态下进行线圈的安装，因此，层叠体的破损被抑制。

在安装线圈之前，如图5所示，可以将绝缘体14配置于齿间的槽中。可利用绝缘体提高线圈和层叠体10a(或定子芯10)之间的绝缘性。

(3)加热工序

安装线圈之后，将层叠体加热至软磁材料的结晶化温度以上。通过将层叠体加热至软磁材料的结晶化温度以上，可以促进结晶化，提高饱和磁化。结晶化的促进包含晶体的生成及晶体的生长。另外，通过该加热，也可以除去压制加工时的加工应变。

本实施方式中，在对层叠体进行加热以使饱和磁化提高之前安装线圈。因此，能够在加热前的强度高的状态(即没有发生加热导致的强度降低的状态)下安装线圈。其结果，难以发生层叠体的破损。

将层叠体加热至软磁材料的结晶化温度以上的方法没有特别限制，例如可以使用加热炉。另外，作为加热方法，优选通过在线圈中使高频电流流动来进行加热的方法。通过在线圈中使高频电流流动，层叠体被高频感应加热。由此，可以容易地加热层叠体，另外，可以选择性地感应加热层叠体。具体而言，将线圈的端部与高频电流的电源连接，在线圈中使高频电流通电。由此，线圈可以作为感应加热线圈起作用，感应加热层叠体。

结晶化温度为发生结晶化的温度。另外，通过设为结晶化温度以上，结晶化被促进，饱和磁化提高。由于在结晶化时发生放热反应，因此，结晶化温度可以通过测定伴随结晶化而发热的温度来确定。例如，可以使用差示扫描量热计(DSC)，在规定的加热速度(例如0.67Ks^-1)的条件下测定结晶化温度。软磁材料的结晶化温度因材质而异，例如为330～430℃。

进行加热，使得层叠体的温度成为软磁材料的结晶化温度以上。只要加热温度(加热时的层叠体的温度)为结晶化温度以上就没有特别限制，例如为330℃以上，优选为400℃以上。通过将加热温度设为400℃以上，可以有效地促进结晶化。另外，优选进行加热，使得层叠体的温度成为低于软磁材料的副产物生成的温度。加热温度过高时，有时不期望的副产物(例如Fe₂B等)会在芯材中产生。这样的副产物的产生例如可以使用差示扫描量热计(DSC)或XRD来确认。因此，加热温度优选为550℃以下，更优选为520℃以下，进一步优选为500℃以下。通过将热处理温度设为550℃以下，容易防止过度的结晶化，可以抑制副产物的产生。

加热处理优选进行至上述的结晶度成为100％。结晶度为100％的情况下，可以有效地提高饱和磁化。另外，加热处理优选进行至饱和磁化成为最大。饱和磁化的最大值因软磁材料而异。对于饱和磁化的最大值和为了达到最大值所需的热量，只要是本领域技术人员，就可以预先通过实验等来确认。

通过以上的加热工序，将层叠体以具有所期望的磁特性、即所期望的饱和磁化的方式进行加热处理，形成定子芯。

得到的定子除上述的工序以外，也可以包含其它工序。例如，用于固定的螺栓的前端部可以螺合于形成在未图示的外壳的螺孔中。由此，可以将定子固定于外壳。

实施例

(实施例1)

准备非晶板(厚度：25μm、结晶化温度：391℃、结晶度：0％、抗拉强度：1861MN/m²)，将该非晶板用压模进行冲压，制作定子芯用板材。予以说明，由于使用的定子芯用板材为非晶系软磁材料，因此，结晶度为0％。予以说明，结晶化温度通过使用差示扫描量热计(DSC)、在加热速度0.67Ks^-1的条件下测定放热反应开始温度来鉴定。

接着，将多个定子芯用板材层叠，用螺栓紧固，制作层叠体。另外，在层叠体的槽中插入绝缘体。

接着，将图4所示的多个分段体以层叠了的状态插入槽内，将引线部弯曲，将邻接的引线部相互熔敷，将线圈安装于齿上。

接着，将线圈的端部与高频电源连接，使高频电流在线圈中通电。由此，利用高频感应加热将层叠体在475℃下加热3秒。通过该加热处理，使饱和磁化提高至最大。

本实施例中，没有线圈安装时的破损，得到了通过加热处理使饱和磁化提高了的定子。

(实施例2)

准备纳米晶板(厚度：25μm、结晶度：90％、抗拉强度：1820MN/m²)，将该纳米晶板用压模冲压成定子芯用板材。

予以说明，结晶度由用差示扫描量热计(DSC)测定的结晶化引起的发热量(J/g)、利用上述式(1)算出。作为“相当于作为测定对象的软磁材料的非晶系软磁材料”，使用纳米晶板的加热处理(用于产生纳米晶的加热处理)前的非晶板(即实施例1中使用的非晶板)。

使用该定子芯用板材且在430℃下加热3秒，除此之外，与实施例1同样地制造了定子。

(比较例)

准备纳米晶板(厚度：25μm、结晶度：100％、抗拉强度：1530MN/m²)，将该纳米晶板用压模冲压成定子芯用板材。

予以说明，结晶度由用差示扫描量热计(DSC)测定的结晶化引起的发热量(J/g)、利用上述式(1)算出。作为“相当于作为测定对象的软磁材料的非晶系软磁材料”，使用纳米晶板的加热处理(用于产生纳米晶的加热处理)前的非晶板(即，实施例1中使用的非晶板)。可知：该纳米晶板完全地结晶化，不含有非晶结构。

但是，在将引线部弯曲时，对层叠体施加负荷，产生了破损。

予以说明，图6中示出实施例1中使用的非晶板的抗拉强度、实施例2中使用的纳米晶板(结晶度90％)的抗拉强度及比较例中使用的纳米晶板(结晶度100％)的抗拉强度。由该数据可知：在结晶度为0～90％的情况下，强度高，在结晶度为100％的情况下，强度降低。

以上，使用附图详述了本发明的实施方式，但具体的构成不受该实施方式限定，即使存在不脱离本发明的要旨的范围中的设计改变等，这些也包含在本发明中。

Claims

1.含有具有齿的定子芯和卷绕于上述齿的线圈的定子的制造方法，其包括：

将上述线圈安装于上述齿的工序；和

2.权利要求1所述的定子的制造方法，其中，通过在上述线圈中使高频电流流动而对上述层叠体进行加热。

3.权利要求1或2所述的定子的制造方法，其中，上述软磁材料为非晶系软磁材料、或含有非晶结构的纳米晶系软磁材料。

4.权利要求3所述的定子的制造方法，其中，上述软磁材料的结晶度为0％以上90％以下。