JP2005020815A - モータの電機子コア - Google Patents

Abstract

【課題】磁性金属粉体を圧縮成形してなる電機子コアにおいて、コア積厚に伴う鉄損の増加を抑制することができるモータの電機子コアを提供する。
【解決手段】電機子コア１は、第１のコア層６と絶縁層７と第２のコア層８とを備えた分割積層構造のコアである。電機子コア１は、各コア層６，８を形成するための鉄粉と絶縁層７を形成するための絶縁粉体とを含む粉体材料を圧縮して一体成形される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁皮膜を施した磁性金属粉体を圧縮成形してなるモータの電機子コアに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動モータでは、電機子の回転により電機子コアに回転数の２乗に比例した渦電流損が発生し、高回転域になるほど鉄損が増大するため、モータ効率が悪化することが知られている。従来、その鉄損を減らすために複数枚のコアシートからなる積層コアが用いられている。すなわち、図１６に示すように、積層コア４１は、冷間圧延鋼板４２を高速クランクプレスにて打ち抜き加工してコアシート４３を形成し、そのコアシート４３を複数積層することで製造されている。この積層コア４１では、各コアシート４３の層間で絶縁されるため鉄損を低減することができるが、それぞれのコアシート４３の中では渦電流が流れてしまう。
【０００３】
また、鉄損を低減する技術としては、絶縁皮膜を施した磁性金属粉体（高抵抗皮膜付純鉄粉等）の圧縮成形によって電機子コア（粉体コア）を製造するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この粉体コアの場合、鉄粉が高抵抗皮膜で一粒一粒絶縁され、その一粒の鉄粉の中だけでしか渦電流が流れないため、鉄損をより少なくすることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６０−１２８８４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような粉体コアでは、コアの積厚により鉄損が増加してしまうといった問題がある。図１７には、粉体コアの積厚と鉄損との関係を示している。なお、同図には、粉体コアに加え、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を使用した積層コア、及び電磁鋼板（ＪＩＳ規格：５０Ａ４７０）を使用した積層コアの鉄損をその比較例として示している。粉体コアでは、コアの積厚が約４５ｍｍ以上となると、ＳＰＣＣの積層コアの鉄損よりも大きくなってしまう。従って、積厚が厚い粉体コアは、鉄損による効率低下が問題となるため、高回転用のモータには適用することが困難となっていた。因みに、電磁鋼板の積層コアでは鉄損は少ないが、電磁鋼板は高価であり材料コストが増大するといった問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、磁性金属粉体を圧縮成形してなる電機子コアにおいて、コア積厚に伴う鉄損の増加を抑制することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、絶縁皮膜を施した磁性金属粉体を圧縮成形してなるモータの電機子コアであって、２つ以上のコア層と前記各コア層との間に設けられる絶縁層とを備え、前記各コア層を形成するための磁性金属粉体と、前記絶縁層を形成するための絶縁材料とを圧縮して一体成形した。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、絶縁皮膜を施した磁性金属粉体を圧縮成形してなるモータの電機子コアであって、２つ以上のプレ圧縮体を圧縮結合させた圧縮結合体であり、仮圧縮成形にて前記各プレ圧縮体を形成した後、該各プレ圧縮体を更に圧縮成形してなる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のモータの電機子コアにおいて、前記絶縁皮膜を施した磁性金属粉体に加えて結合材として機能する結合バインダーを含めて圧縮成形した。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のモータの電機子コアにおいて、前記各プレ圧縮体は同じ材料からなる。
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載のモータの電機子コアにおいて、前記各プレ圧縮体は異なる材料からなる。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項２に記載のモータの電機子コアにおいて、前記プレ圧縮体は複数の圧縮体からなる。
請求項７に記載の発明は、請求項２に記載のモータの電機子コアにおいて、前記各プレ圧縮体を結合させるために圧縮成形する際の圧力は、前記プレ圧縮体を仮圧縮成形する際の圧力よりも大きい。
【００１２】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、磁性金属粉体と絶縁材料とが圧縮されることにより、２つ以上のコア層と各コア層間の絶縁層とが一体成形される。このように、各コア層との間に絶縁層が設けられることで、渦電流の発生が抑制されるため、鉄損の少ない電機子コアを実現することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、圧縮成形された各プレ圧縮体の間ではミクロ的な空隙が形成されるため、その空隙により従来の積層コアにおけるコアシートの間隙と同様の作用が生じて渦電流の発生が抑制される。これによって、鉄損の少ない電機子コアを実現することができる。またこの場合、仮圧縮成形により各プレ圧縮体の圧縮比に差を生じさせることができ、電機子コアの構造に合わせた均一の強度を確保することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、磁性金属粉体に結合材として機能する結合バインダーが加えられて圧縮成形されるため、粉体間の固着力を向上させることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、各プレ圧縮体が同じ材料からなるので、各プレ圧縮体での結合面の固着力を均一に確保することができる。
請求項５に記載の発明によれば、各プレ圧縮体が異なる材料からなるので、目的に応じて材料の特性を利用した電機子コアを実現することができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明によれば、プレ圧縮体が複数の圧縮体からなるので、目的に応じて材料の特性や強度を利用した電機子コアを実現することができる。
請求項７に記載の発明によれば、各プレ圧縮体を結合させるための圧縮成形が仮圧縮成形よりも大きな圧力でなされるので、仮圧縮成形の際にプレ圧縮体に残されていた粒子間の隙間が詰まり、各プレ圧縮体を確実に結合させることができる。また、電機子コアの強度を十分に確保することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に従って説明する。
【００１８】
図１は本実施形態の電機子コア１の斜視図を示し、図２は、その電機子コア１の断面図を示す。電機子コア１は、例えば、車載用モータにおけるロータのコア（鉄心）として用いられる。
【００１９】
図１に示すように、電機子コア１は、回転軸を挿入するための中心孔２ａを有する本体部２と、該本体部２の外周から外方へ等角度間隔（４５°）で放射状に延設された複数（８個）のティース３とを備える。この電機子コア１には、各ティース３間に形成されるスロット４に電機子コイルが巻回される。
【００２０】
本実施形態の電機子コア１には、図１及び図２に示すように、厚さ方向に（図２では上下方向）に第１のコア層６と絶縁層７と第２のコア層８との３つの層が積層されている。つまり、電機子コア１は、絶縁層７によって２つに分割された分割積層構造を持ち、この構造によって電機子コア１の鉄損が低減され、モータ効率が向上される。
【００２１】
次に、本実施形態における電機子コア１の製造方法を図３〜図７に従って説明する。
電機子コア１を製造するための製造装置１１は、粉体を圧縮成形する成形機であって、ダイ１２、下パンチ１３及び上パンチ１４（図７参照）、第１及び第２フィードボックス１５，１６等を備える。この製造装置１１には、ダイ１２及び下パンチ１３によって、上方が開口したキャビティ１７が形成されている。そのキャビティ１７の中央部には、円柱状をなす成形芯１８が立設している。成形芯１８の下端（図示略）はダイ１２に対して移動不能に固定されている。なお、図示を省略しているが、キャビティ１７の内周面にはスロット形状に合わせた凸部が形成されている。また、ダイ１２上には、絶縁皮膜を施した鉄粉（磁性金属粉体）Ｘを搬送するための第１フィードボックス１５と、絶縁粉体Ｙを搬送するための第２フィードボックス１６とが、図の左右方向に移動可能に設けられている。
【００２２】
この製造装置１１によって電機子コア１を製造する際には、先ず、図３に示すように、コア体積の半分の量に相当する鉄粉Ｘを第１フィードボックス１５に充填し、所定量（コア体積と比較すると微量）の絶縁粉体Ｙを第２フィードボックス１６に充填する。
【００２３】
その後、図４に示すように、第１フィードボックス１５をキャビティ１７の真上に移動させ、第１フィードボックス１５の鉄粉Ｘをキャビティ１７に充填する。
【００２４】
次いで、図５に示すように、第２フィードボックス１６をキャビティ１７の真上に移動させ、第２フィードボックス１６の絶縁粉体Ｙをキャビティ１７に充填する。またこのとき、ダイ１２上に位置する第１フィードボックス１５にコア体積の半分の量に相当する鉄粉Ｘを充填する。
【００２５】
そして、図６に示すように、再び第１フィードボックス１５をキャビティ１７の真上に移動させ、第１フィードボックス１５の鉄粉Ｘをキャビティ１７に充填する。
【００２６】
その後、図７に示すように、上パンチ１４を下方に移動させ、キャビティ１７の上部に嵌め込む。さらに、上パンチ１４が所定の加圧力でキャビティ１７内の粉体（鉄粉Ｘ、絶縁粉体Ｙ）を下方に加圧し、下パンチ１３が所定の加圧力でキャビティ１７内の粉体を上方に加圧する。この加圧によって、キャビティ１７内の粉体が圧縮され、電機子コア１が成形される。
【００２７】
なお、上記の電機子コア１は２分割構造であるが、絶縁粉体Ｙの充填工程（図５参照）と鉄粉Ｘの充填工程（図６参照）の回数を増やすことで、３分割以上の電機子コアを製造してもよい。
【００２８】
図８には、電機子コアの体積と鉄損との関係を示している。なお、同図において、標準コアとは、上記電機子コア１の半分の体積（各コア層６，８と同じ体積）を持つコアであり、鉄粉Ｘを圧縮成形した一体成形コアである。
【００２９】
図８に示すように、標準コアよりも体積が２倍、６倍の一体成形コアの場合には、その鉄損はコア体積の増加に比例して大きくなる。これに対し、本実施形態のように、２つのコア層６，８を絶縁層７で分離した構造を持つ電機子コア（２分割積層コア）１は、コア体積は基準コアの２倍となるが、鉄損は標準コアと同じ値となっている。同様に、３分割積層コアの場合、コア体積が３倍となるが鉄損はほぼ同じ値に維持されている。
【００３０】
具体的に、２分割積層構造の電機子コア１では、同じ体積の一体成形コアと比較して、ほぼ１割程度の鉄損を抑制できることが確認された。また、本願発明者らは、複数枚の標準コアを重ね合わせた単純積層構造のコア（単純積層コア）を構成し、その単純積層コアの鉄損（図示略）を測定した。そして、本実施形態の分割積層構造の電機子コア１がその単純積層コアの鉄損とほぼ同一であるといった評価結果を得ることができた。
【００３１】
以上詳述したように第１実施形態は、以下の特徴を有する。
（１）電機子コア１は、キャビティ１７において鉄粉Ｘと絶縁粉体Ｙとを含む粉体材料が圧縮されることで、第１及び第２のコア層６，８と絶縁層７とが一体成形される。この場合、各コア層６，８との間に絶縁層７が形成されるので、渦電流の発生が抑制されて鉄損の少ない電機子コア１を実現することができる。また、粉体材料をキャビティ１７に投入するための材料投入口が１カ所で済むため、電機子コア１を容易に製造することができる。
【００３２】
（第２実施形態）
以下、本発明を具体化した第２実施形態を説明する。
図９には本実施形態の電機子コア３１の斜視図を示し、図１０にはその電機子コア３１の断面図を示している。すなわち、本実施形態の電機子コア３１は、第１実施形態と相違して絶縁層７を省略している。なお、電機子コア３１の形状は、第１実施形態と同じであり、中心孔２ａを有する本体部２と、複数のティース３とを備えている。この電機子コア３１は、第１及び第２のコア層６，８を構成するための２つのプレ圧縮体を圧縮結合させた圧縮結合体である。
【００３３】
次に、電機子コア３１の製造方法を図１１及び図１２に従って説明する。
図１１に示すように、製造装置１１は、先ず、キャビティ１７に鉄粉Ｘを充填し、下パンチ１３と上パンチ１４とでその鉄粉Ｘを圧縮して第１のプレ圧縮体Ｐ１を成形する。同様に、キャビティ１７に鉄粉Ｘを充填し、下パンチ１３と上パンチ１４とでその鉄粉Ｘを圧縮して第２のプレ圧縮体Ｐ２を成形する。
【００３４】
さらに、図１２に示すように、各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を、キャビティ１７内に入れ、下パンチ１３と上パンチ１４とで圧縮する。このとき、各パンチ１３，１４によって、前記プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を仮圧縮成形する際の圧力よりも大きな圧力が加えられる。この場合、仮圧縮成形の際にプレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２に残されていた粒子間の隙間が詰まり、電機子コア３１の強度が確保されるとともに、第１及び第２のプレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２が結合される。
【００３５】
以上詳述したように第２実施形態は、以下の特徴を有する。
（１）圧縮形成された各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２の間ではミクロ的な空隙が形成されるため、その空隙によって、図１６の積層コア４１におけるコアシート４３の間隙と同様に渦電流の発生が抑制される。従って、鉄損の少ない電機子コア３１を実現することができる。
【００３６】
（２）各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を結合させるための圧縮成形が仮圧縮成形よりも大きな圧力でなされるので、仮圧縮成形の際にプレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２に残されていた粒子間の隙間が詰まり、各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を確実に結合させることができる。またこの場合、電機子コア３１の強度を十分に確保することができる。
【００３７】
（３）電機子コア３１における第１のコア層６と第２のコア層とは、同一形状（厚さ方向に重ね合わせた形状が同じ）である。そのため、製造装置１１における同一のキャビティ１７で各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を圧縮成形することができ、実用上好ましいものとなる。
【００３８】
最後に、第１実施形態と第２実施形態とを比較する。第２実施形態の電機子コア３１では、予め２つのプレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を磁性金属粉体の圧縮成形により製造する必要があるため、成形時間や金型費用が増大してしまう。これに対して、第１実施形態の電機子コア１は１回の圧縮成形で製造することができるため、成形時間や金型費用等が抑制される。つまり、第１実施形態の電機子コア１は、第２実施形態の電機子コア３１を製造する場合と比較して、成形時間や金型費用等が抑制されるので、製造コストを低減することができる。なお、具体的なコスト見積もりとしては、３割程度のコスト低減が可能である。
【００３９】
なお、上記以外に次の形態にて具体化できる。
・上記各実施形態において、絶縁皮膜を施した鉄粉Ｘに結合材として機能する結合バインダーを含めて圧縮成形してもよい。この場合、鉄粉Ｘの固着力を向上できる。また、結合バインダーにより鉄粉Ｘの絶縁皮膜が保護されるため、渦電流損の抑制も可能となる。
【００４０】
・第１実施形態において、絶縁層７を形成する絶縁材料として絶縁粉体Ｙを用いたが、樹脂からなる絶縁シートを用いてもよい。また、第２実施形態において、第１のプレ圧縮体Ｐ１と第２のプレ圧縮体Ｐ２との間に絶縁シートを配置した状態で圧縮成形し、電機子コアを製造してもよい。
【００４１】
・第２実施形態において、第１のプレ圧縮体Ｐ１と第２のプレ圧縮体Ｐ２とが同一形状であり同じキャビティ１７で成形されていたが、これに限定されるものではない。第１のプレ圧縮体Ｐ１と第２のプレ圧縮体Ｐ２との形状が異なる場合、それらを別々のキャビティ（金型）で圧縮成形してもよい。また、各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を仮圧縮成形する際の圧力を異ならせて、各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２の圧縮比に差を生じさせてもよい。この場合、電機子コアの構造に合わせた均一の強度を確保することができる。
【００４２】
また、電機子コア３１の各コア層６，８（プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２）は、同じ材料（鉄粉Ｘ）を用いて成形するものであるが、それぞれ異なる材料を用いて成形してもよい。ここで、各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を同じ材料で成形する場合、各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２での結合面の固着力を均一に確保することができる。また、各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２を異なる材料で成形する場合、目的に応じて材料の特性を利用した電機子コア３１を実現することができる。
【００４３】
・第２実施形態では、２つのプレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２によって圧縮成形される２層（第１及び第２のコア層６，８）の電機子コア３１に具体化するものであるが、３つ以上のプレ圧縮体を圧縮結合させた多層の電機子コアに具体化してもよい。その具体例として、図１３には、第１〜第５のコア層３３ａ〜３３ｅを有する５層の電機子コア３３を示している。この電機子コア３３は、５つのプレ圧縮体を更に圧縮成形して製造される。この電機子コア３３においても、各コア層３３ａ〜３３ｅで同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。
【００４４】
・図１４に示すプレ圧縮体Ｐ１０を２つ用いて、図１５に示す電機子コア３５を圧縮成形してもよい。詳しくは、図１４のプレ圧縮体Ｐ１０は３つの圧縮体を圧縮結合させた圧縮結合体であり、図１５の電機子コア３５は、２つのプレ圧縮体Ｐ１０を更に圧縮結合させた圧縮結合体である。プレ圧縮体Ｐ１０には第１〜第３のコア層３６〜３８が形成されている。第２のコア層３７の下部に形成されている第１のコア層３６の材料は、その第２のコア層３７よりも荒い粒子の鉄粉であり、第２のコア層３７の上部に形成されている第３のコア層３８の材料は、第２のコア層３７よりも細かい粒子の鉄粉である。
【００４５】
そして、圧縮成形により各プレ圧縮体Ｐ１０の第１のコア層３６を結合させて図１５の電機子コア３５が製造されている。つまり、電機子コア３５では、荒い粒子の第１のコア層３６が中央部に形成され、細かい粒子の第３のコア層３８が上下の端部に形成されている。この場合、各プレ圧縮体Ｐ１０の結合強度を向上させることができる。また、この電機子コア３５では、細かい粒子の第３のコア層３８が上下の端面を形成するので、その外観を向上させることができる。このように、電機子コア３５では、プレ圧縮体Ｐ１０を複数の圧縮体から構成している。この構成により、目的に応じて材料の特性や強度を利用した電機子コア３５を実現することができる。
【００４６】
・各プレ圧縮体Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１０の結合部分は平面であるが、その結合部分に段差部を設けて、結合面積を増大させてもよい。このようにすると、プレ圧縮体間の固着力を向上させることができる。
【００４７】
・電機子コアは、図１に示す電機子コア１の形状（本体部２、ティース３の形状）に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
上記実施形態から把握できる技術的思想を記載する。
【００４８】
（イ）前記絶縁材料は、絶縁粉体、或いは絶縁シートであることを特徴とする請求項１に記載のモータの電機子コア。絶縁材料が絶縁粉体である場合には、絶縁粉体を磁性金属粉体と共通の材料投入口から金型内に投入できる。また、絶縁材料が絶縁シートである場合には、絶縁層を均一に形成することができる。
【００４９】
（ロ）中央に位置するコア層の形成材料は、そのコア層の外側に設けられるコア層よりも荒い粒子の材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータの電機子コア。この構成によれば、中央に位置するコア層を確実に結合できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、磁性金属粉体を圧縮成形してなる電機子コアにおいて、コア積厚に伴う鉄損の増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の電機子コアを示す斜視図。
【図２】電機子コアの断面図。
【図３】電機子コアの製造方法を説明するための説明図。
【図４】電機子コアの製造方法を説明するための説明図。
【図５】電機子コアの製造方法を説明するための説明図。
【図６】電機子コアの製造方法を説明するための説明図。
【図７】電機子コアの製造方法を説明するための説明図。
【図８】コア体積と鉄損との関係を示す説明図。
【図９】第２実施形態の電機子コアを示す斜視図。
【図１０】第２実施形態の電機子コアを示す断面図。
【図１１】電機子コアの製造方法を説明するための説明図。
【図１２】電機子コアの製造方法を説明するための説明図。
【図１３】別例の電機子コアを示す断面図。
【図１４】別例のプレ圧縮体を示す断面図。
【図１５】別例の電機子コアを示す断面図。
【図１６】従来の積層コアを説明するための説明図。
【図１７】粉体コアの積厚と鉄損との関係を示説明図。
【符号の説明】
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１０…プレ圧縮体、Ｘ…磁性金属粉体としての鉄粉、Ｙ…絶縁材料としての絶縁粉体、１、３１，３３，３５…電機子コア、６，８，３３ａ〜３３ｅ，３６，３７，３８…コア層、７…絶縁層。

Claims (7)

1. 絶縁皮膜を施した磁性金属粉体を圧縮成形してなるモータの電機子コアであって、
   ２つ以上のコア層と前記各コア層との間に設けられる絶縁層とを備え、前記各コア層を形成するための磁性金属粉体と、前記絶縁層を形成するための絶縁材料とを圧縮して一体成形したことを特徴とするモータの電機子コア。
2. 絶縁皮膜を施した磁性金属粉体を圧縮成形してなるモータの電機子コアであって、
   ２つ以上のプレ圧縮体を圧縮結合させた圧縮結合体であり、仮圧縮成形にて前記各プレ圧縮体を形成した後、該各プレ圧縮体を更に圧縮成形してなることを特徴とするモータの電機子コア。
3. 前記絶縁皮膜を施した磁性金属粉体に加えて結合材として機能する結合バインダーを含めて圧縮成形したことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータの電機子コア。
4. 前記各プレ圧縮体は同じ材料からなることを特徴とする請求項２に記載のモータの電機子コア。
5. 前記各プレ圧縮体は異なる材料からなることを特徴とする請求項２に記載のモータの電機子コア。
6. 前記プレ圧縮体は複数の圧縮体からなることを特徴とする請求項２に記載のモータの電機子コア。
7. 前記各プレ圧縮体を結合させるために圧縮成形する際の圧力は、前記プレ圧縮体を仮圧縮成形する際の圧力よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のモータの電機子コア。

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