JP2006006015A - ステータコア - Google Patents

Abstract

【課題】 渦電流損の発生を抑止することのできるステータコアを提供する。
【解決手段】 本発明の圧粉磁心からなるステータコア２は、環状に延在するヨーク部１１と、複数のティース部６と、コイル７とを備えるステータコアである。複数のティース部６の各々は、ヨーク部１１からヨーク部１１の半径方向に突出する本体部１３と、本体部１３の先端に形成された鍔部１４とを有している。コイル７は本体部１３の各々に巻き付けられている。鍔部１４の少なくとも一部の領域３０は、本体部１３を形成している材料の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率材料よりなっている。
【選択図】 図２

Description

本発明はステータコアに関し、より特定的には、軟磁性粉末を加圧成形して作製された圧粉磁心からなるステータコアに関する。

従来、電動機のステータコアなどとして用いられる磁心を、軟磁性粉末を加圧成形することによって作製することが知られている。この場合、複数枚の電磁鋼板を重ね合わせて作製する場合と比較して、高透磁率を容易に得ることができる。また、複雑な形状であっても一体的に成形することができる。

このように、軟磁性粉末を加圧成形したステータコアの従来の製造方法が、たとえば特開２００４−４０８７１号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１の製造方法では、磁性粉体と絶縁部材との複合材料を用いて、ステータコアをその周方向に沿って分割した形態の複数のコアピースが成形される。次に、複数のコアピースの各々にコイルが巻き回され、複数のコアピースの各々が互いに接合され、ステータコアが製造される。このようにして製造されたステータコアでは、均一な複合材料によって全体が形成されている。
特開２００４−４０８７１号公報

従来のステータコアにおいては、ステータコアに巻かれたコイルの内部で渦電流損が発生するという問題があった。これについて以下に説明する。

図１０は、コイル内部での渦電流損の発生を説明するための電動機の平面図である。

図１０を参照して、電動機１０１は、ステータコア１０４と、ステータコア１０４の内径側に収容されたローターコア１０５とを備えている。ステータコア１０４は、環状のヨーク部１０２と、環状のヨーク部１０２から内径側に突出した複数のティース部１０３とを有している。複数のティース部１０３の各々は、本体部１１１と、本体部１１１の先端に形成された幅の広い部分である鍔部１１２とを有している。ヨーク部１０２と、互いに隣り合う２つのティース部１０３とに囲まれた領域には、スロット部１０７が規定されている。複数の本体部１１１の各々には、コイル１０６が集中巻きされている。ローターコア１０５の周縁には、鍔部１１２と対向するように永久磁石１１３が等間隔で配置されている。

コイル１０６に正弦波の交流電流が導入されると、電動機１０１の内部に磁束が流れ、所定の環状経路をたどる磁力線１０８が形成される。具体的には、磁束は、ヨーク部１０２から所定のティース部１０３へ流れ、ティース部１０３の鍔部１１２から出て隣接するティース部１０３の鍔部１１２へ入り、隣接するティース部１０３の本体部１１１を流れて再びヨーク部１０２へ戻る。磁力線１０８から永久磁石１１３は反発力および引力を受け、この反発力および引力によってローターコア１０５が回転する。

ローターコア１０５が回転する際に、たとえばＮ極の永久磁石１１３から発生した磁束Ｂ３が２つの鍔部１１２の隙間Ｗを通過するタイミングが存在する。このとき、磁束Ｂ３は、隙間Ｗからスロット部１０７へ侵入してコイル１０６を通過する。これにより、コイル１０６付近の磁界が変化し、コイル１０６内部に誘導電流が流れ、渦電流損が発生する。

また、従来のステータコア１０４においては、磁力線１０８の磁束の一部が所定の環状経路から外れて鍔部１１２から漏れ、漏れ磁束Ｂ１およびＢ２が発生する場合がある。このうち漏れ磁束Ｂ１は、鍔部１１２の先端からスロット部１０７へ漏れ、コイル１０６を通過する。これにより、コイル１０６付近の磁界が変化し、コイル１０６内部に誘導電流が流れ、渦電流損が発生する。

ここで、コイル１０６内部での渦電流損の発生をある程度抑止できる方法として、鍔部１１２からのコイル１０６の距離ｄを大きくして、永久磁石１１３および鍔部１１２からコイル１０６を遠ざける方法も考えられる。しかし、この方法では、スロット部１０７におけるコイル１０６の占積率が小さくなるので、ステータコアの性能が低下してしまう。

したがって、本発明の目的は、渦電流損の発生を抑止することのできるステータコアを提供することである。

本発明の圧粉磁心からなるステータコアは、環状に延在するヨーク部と、複数のティース部と、コイルとを備えるステータコアである。複数のティース部の各々は、ヨーク部からヨーク部の半径方向に突出する本体部と、本体部の先端に形成された鍔部とを有している。コイルは本体部の各々に巻き付けられている。鍔部の少なくとも一部は、本体部を形成している材料の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率材料よりなっている。

本発明のステータコアによれば、ローターコアの磁石から出た磁束は鍔部で吸収されるので、鍔部の間から磁束が侵入しにくくなる。これにより、ローターコアの磁石から出た磁束に起因する渦電流損を抑止することができる。また、鍔部の透磁率と空気の透磁率との差が大きくなるので、鍔部に発生した磁束は空気中へ漏れにくくなる。これにより、鍔部から漏れた磁束に起因するコイル内部の渦電流損を抑止することができる。

本発明の圧粉磁心からなるステータコアにおいて好ましくは、鍔部の少なくとも一部を形成する高透磁率材料は、Ｆｅ（鉄）を主成分とし、Ｎｉ（ニッケル）もしくはＳｉ（シリコン）を含んでいる。

これらの材料はいずれも高透磁率であるため、圧粉磁心の渦電流損を一層抑止することができる。

なお、本明細書中において「Ｆｅを主成分とする」とは、全体に占めるＦｅの割合が５０質量％以上であることを意味している。

本発明のステータコアによれば、ローターコアの磁石から出た磁束は鍔部で吸収されるので、鍔部の間から磁束が侵入しにくくなる。これにより、ローターコアの磁石から出た磁束に起因する渦電流損を抑止することができる。また、鍔部の透磁率と空気の透磁率との差が大きくなるので、鍔部に発生した磁束は空気中へ漏れにくくなる。これにより、鍔部から漏れた磁束に起因するコイル内部の渦電流損を抑止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるステータコアを用いた電動機を示す上面図である。図２は、図１の要部拡大図である。なお、以下の説明における「外周側」、「内周側」、「周方向」、「径方向」の語句は、それぞれ「ステータコアの外周側」、「ステータコアの内周側」、「ステータコアの周方向」、および「ステータコアの径方向」を意味している。

図１を参照して、電動機１は、圧粉磁心からなる環状のステータコア２と、ステータコア２の内周側に配置された円柱状のローターコア３とを備える。ローターコア３は、中心部に回転軸４を有する。ローターコア３が回転軸４を中心に回転することによって、電動機１から回転運動が出力される。ローターコア３の周縁には、所定の角度ごとに永久磁石５が埋め込まれている。

ステータコア２は、環状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から内周側に突出する複数のティース部６と、複数のティース部６の各々に巻き付けられたコイル７とを備えている。ヨーク部１１の内周側の壁面には、複数のティース部６の各々が形成されている。複数のティース部６は、互いに間隔を隔てて所定の角度ごとに設けられている。

複数のティース部６の各々は、鍔部１４と、本体部１３とを有している。ティース部６の本体部１３は、ヨーク部１１から径方向に帯状に延在している。鍔部１４は、本体部１３よりも内周側に形成されている。鍔部１４は、たとえば弧の平面形状を有しており、本体部１３と比べて、周方向に沿った長さが長くなって形成されている。

本実施の形態においては、鍔部１４における周方向に延びた部分の外周側の領域３０が、本体部１３を形成している材料の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率材料よりなっている。

なお、ヨーク部１１と、互いに隣り合う２つのティース部６とに囲まれた空間には、スロット部８が規定されている。スロット部８は、ローターコア３に向い合う内周側で開口している。コイル７は、本体部１３に巻き付けられており、ヨーク部１１と鍔部１４とに挟まれるように配置されている。これにより、コイル７はティース部６に対する位置が固定されている。コイル７の一部は、スロット部８の空間を占めている。

図３は、図２中のコイルを示す断面図である。図３を参照して、コイル７は、絶縁被膜２２によって覆われた螺旋状に延びる導線２１によって形成されている。導線２１は、ティース部６の表面から離れる方向に多層に巻かれている。導線２１は、たとえば銅から形成されており、その直径は、０．３ｍｍから３ｍｍ程度である。絶縁被膜２２は、たとえば一般的なエナメル（琺瑯）から形成されており、その厚みは３０μｍ程度である。

図４は、図２のステータコアの表面を拡大して示した模式図である。図４を参照して、ステータコア２を構成する複数の軟磁性粒子４０は、金属磁性粒子１０と、金属磁性粒子１０の表面を取り囲む絶縁被膜２０とを備えている。複数の軟磁性粒子４０の各々は、軟磁性粒子４０が有する凹凸の噛み合わせによって接合されている。本実施の形態において、本体部１３を構成する金属磁性粒子１０はたとえばＦｅよりなっており、領域３０を構成する金属磁性粒子１０はたとえばＦｅ−Ｎｉ系合金やＦｅ−Ｓｉ系合金よりなっている。Ｆｅは、Ｆｅ−Ｎｉ系合金やＦｅ−Ｓｉ系合金に比べて飽和磁束密度の高い材料である。具体的には、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の飽和磁束密度が約１．５（Ｔ）であり、Ｆｅ−Ｓｉ系合金の飽和磁束密度が約１．９（Ｔ）であるのに対して、Ｆｅの飽和磁束密度は約２．０（Ｔ）である。一方、Ｆｅ−Ｎｉ系合金やＦｅ−Ｓｉ系合金は、Ｆｅに比べて高透磁率の材料である。

金属磁性粒子１０の平均粒径は、５μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。金属磁性粒子１０の平均粒径を５μｍ以上にした場合、金属が酸化されにくいため、ステータコア２の磁気的特性を向上させることができる。また、金属磁性粒子１０の平均粒径を３００μｍ以下にした場合、後に説明する加圧成形工程において軟磁性粉末（複数の軟磁性粒子４０の集合体）の圧縮性が低下するということがない。これにより、加圧成形工程によって得られた成形体の密度を大きくすることができる。

なお、ここで言う平均粒径とは、ふるい法によって測定した粒径のヒストグラム中、粒径の小さいほうからの質量の和が総質量の５０％に達する粒子の粒径、つまり５０％粒径Ｄをいう。

絶縁被膜２０は、金属磁性粒子１０をリン酸処理することによって形成されている。また好ましくは、絶縁被膜２０は、酸化物を含有する。この酸化物を含有する絶縁被膜としては、リンと鉄とを含むリン酸鉄の他、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムなどの酸化物絶縁体を使用することができる。

絶縁被膜２０は、金属磁性粒子１０間の絶縁層として機能する。金属磁性粒子１０を絶縁被膜２０で覆うことによって、軟磁性粉末の電気抵抗率ρを大きくすることができる。これにより、金属磁性粒子１０間に渦電流が流れるのを抑制し、渦電流に起因する鉄損を低減させることができる。

絶縁被膜２０の厚みは、０．００５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。絶縁被膜２０の厚みを０．００５μｍ以上とすることによって、渦電流によるエネルギー損失を効果的に抑制することができる。また、絶縁被膜２０の厚みを２０μｍ以下とすることによって、軟磁性粉末に占める絶縁被膜２０の割合が大きくなりすぎることがない。このため、ステータコア２の磁束密度が著しく低下することを防止できる。

続いて、本実施の形態のステータコア２によって得られる効果について説明する。

図５は、本発明の実施の形態１におけるステータコアの効果を説明するための電動機の平面図である。

図５を参照して、本実施の形態のステータコア２は、領域３０が、本体部１３を形成している材料の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率材料よりなっている。このため、たとえばＮ極の永久磁石５から発生した磁束Ｂ４は、領域３０で吸収される。これにより、永久磁石５から発生した磁束が隙間Ｗからスロット部８へ侵入しにくくなり、コイル７を通過しにくくなる。これによりコイル７内部に渦電流損が発生することを抑止できる。また、領域３０と空気との透磁率の差が大きくなるので、鍔部１４からコイル７の方向へ漏れ磁束が発生しにくくなる。これにより、コイル７内部の渦電流損を抑止することができる。

このように、本実施の形態のステータコア２においては、本体部１３を飽和磁束密度の高い材料で形成しつつ、鍔部１４の一部のみを高透磁率材料で形成するので、ステータコアの性能を低下させることなく渦電流損を低下することができる。また、渦電流損の発生を抑止するために鍔部１４からのコイル７の距離ｄを大きくする必要がないので、スロット部８におけるコイル７の占積率を大きくすることができ、ステータコアの性能を向上することができる。

また、本実施の形態のステータコア２においては、領域３０を形成する高透磁率材料がＦｅを主成分とし、ＮｉもしくはＳｉを含んでいる。これにより、ステータコアの渦電流損を一層抑止することができる。

次に本実施の形態におけるステータコア２の製造方法を説明する。

まず、たとえばＦｅとＦｅ−Ｎｉ系合金との２種類の金属磁性粒子を準備し、その金属磁性粒子に熱処理を行なう。熱処理は、たとえば、１００℃以上１０００℃以下の温度で、１時間以上行なう。その後、金属磁性粒子の表面に絶縁被膜を形成し、透磁率の異なる２種類の軟磁性粉末を作製する。

次に、得られた軟磁性粉末を金型に入れ、たとえば、７００ＭＰａから１５００ＭＰａまでの圧力で軟磁性粉末を加圧成形する。図６は、本発明の実施の形態１における加圧成形工程に用いられる金型装置を示す斜視図である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。図６および図７を参照して、部分的に透磁率が異なる成形体を形成する方法について説明する。なお、図６においては、上パンチおよび下パンチを図示していない。

金型装置３１は、軟磁性粉末が投入される加圧空間３２ａを規定するダイ３２および下パンチ３３と、ダイ３２の上方に並んで配置されたシュー３５ａ〜３５ｃおよび上パンチ３６とを備える。ダイ３２には、ダイ３２を所定の温度に加熱するためのバンドヒータ３４が設けられている。

まず、Ｆｅの金属磁性粒子を含む軟磁性粉末３８をシュー３５ｂにセットし、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の金属磁性粒子を含む軟磁性粉末３７をシュー３５ａ，３５ｃにセットする。バンドヒータ３４に通電しダイ３２を加熱した後、シュー３５ａ〜３５ｃにセットされた軟磁性粉末３７，３８の各々を加圧空間３２ａに投入する。すると、加圧空間３２ａの両端部の領域３０が形成される領域にＦｅ−Ｎｉ系合金よりなる軟磁性粉末３７が配置され、加圧空間３２ａの中央部の鍔部１４が形成される領域にＦｅよりなる軟磁性粉末３８が配置される。

次に、上パンチ３６を下方に移動させ、加圧空間３２ａに充填された軟磁性粉末を加圧成形する。なお、加圧成形する雰囲気は、不活性ガス雰囲気または減圧雰囲気とすることが好ましい。この場合、大気中の酸素によって混合粉末が酸化されるのを抑制できる。

以上に説明した方法を応用することによって、領域３０を鍔部１４に形成することができる。なお、金型を加熱せず室温での成形においても、粒径分布の異なるステータコア２を作製することが可能である。

次に、加圧成形によって得られたステータコア２を、たとえば４００℃以上の温度で１時間、熱処理する。これにより、加圧成形時にステータコア２の内部に発生した歪および転位を取り除くことができる。以上の工程によって、本実施の形態におけるステータコア２が完成する。

なお、本実施の形態においては、図６および図７に示す金型装置３１を用いて領域３０を形成する場合について示したが、本発明はこのような製造方法に限定されるものではなく、領域３０の形成方法については任意である。

（実施の形態２）
図２に示すように、実施の形態１においては、鍔部１４における周方向に延びた部分の外周側の領域が高透磁率材料よりなっている場合について示した。しかし、本発明はこのような場合の他、図８に示すように、鍔部１４における周方向に延びた部分の周方向の端部の領域３０が、本体部１３を形成している材料の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率材料よりなっていてもよい。また、図９に示すように、鍔部１４全体の領域３０が、本体部１３を形成している材料の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率材料よりなっていてもよい。図８または図９に示すステータコア２の構造であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、図８および図９に示すステータコア２の構造は、図１〜図４に示す実施の形態１のステータコア２の構造とほぼ同様であるので、その説明を省略する。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の実施の形態１におけるステータコアを用いた電動機を示す上面図である。 図１の要部拡大図である。 図２中のコイルを示す断面図である。 図２のステータコアの表面を拡大して示した模式図である。 本発明の実施の形態１におけるステータコアの効果を説明するための電動機の平面図である。 本発明の実施の形態１における加圧成形工程に用いられる金型装置を示す斜視図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態１におけるステータコアを用いた電動機を示す上面図である。 本発明の実施の形態１におけるステータコアを用いた他の電動機を示す上面図である。 コイル内部での渦電流損の発生を説明するための電動機の平面図である。

符号の説明

１，１０１ 電動機、２，１０４ ステータコア、３，１０５ ローターコア、４ 回転軸、５，１１３ 永久磁石、６，１０３ ティース部、７，１０６ コイル、８，１０７ スロット部、１０ 金属磁性粒子、１１，１０２ ヨーク部、１３，１１１ 本体部、１４，１１２ 鍔部、２０，２２ 絶縁被膜、２１ 導線、３０ 高透磁率材料の形成領域、３１ 金型装置、３２ ダイ、３２ａ 加圧空間、３３ 下パンチ、３４ バンドヒータ、３５ａ〜３５ｃ シュー、３６ 上パンチ、３７，３８ 軟磁性粉末、４０ 軟磁性粒子、１０８ 磁力線。

Claims (2)

1. 環状に延在するヨーク部と、
   前記ヨーク部から前記ヨーク部の半径方向に突出する本体部と、前記本体部の先端に形成された鍔部とを有する複数のティース部と、
   前記本体部の各々に巻き付けられたコイルとを備えるステータコアであって、
   前記鍔部の少なくとも一部は、前記本体部を形成している材料の透磁率よりも高い透磁率を有する高透磁率材料よりなっている、圧粉磁心からなるステータコア。
2. 前記高透磁率材料はＦｅを主成分とし、ＮｉもしくはＳｉを含んでいる、請求項１に記載の圧粉磁心からなるステータコア。

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