JP2009254109A - ステータとそのステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機等の小型化、高出力化に適し、正弦波励磁も可能であるトロイダル巻きが容易に行える上に、透磁率の低下、即ち磁束密度の低下によるモータ出力の低下を引き起こすこともないステータとそのステータの製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】ヨーク部２とティース部３を交互に設け環状としたステータコア４と、そのステータコア４のヨーク部２の外周面に巻かれたトロイダル巻線５とより構成されるステータ１であって、ステータコア４は、圧粉磁性体より成る複数の分割コア６と、それら複数の分割コア６の間に充填され、隣り合う分割コア６同士を接合する粉末成形体７より形成されており、粉末成形体７は、軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末より成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、電気自動車等の輸送機の回転機（モータ）並びに発電機、或いはその他の産業機器用の回転機等に用いられるステータと、そのステータの製造方法に関するものである。

ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、電気自動車等の輸送機の回転機や発電機（以下、単に回転機というが、発電機も回転機と基本的に同じ構造であるため、回転機と説明するものは発電機も含む。）は、車両に搭載されるため、小型で高出力であることが求められている。

このように、回転機を小型化、高出力化するためには、巻線のコイルエンド部をステータの内部に格納できる形状とすれば良いが、そのような任意形状とするために得策であると考えられる圧粉コアを用いる技術が、特許文献１、特許文献２として提案されている。圧粉コアは鉄粉などの軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した後、その軟磁性粉末を金型に充填して圧縮成形したものであり、粉末冶金プロセスで作製されるため、三次元形状の圧粉コアでも簡単に製造できる。即ち、任意形状が比較的作製しやすく、巻線のコイルエンド部をステータの内部に格納できる形状に作製することが比較的容易である。

また、回転機のステータコアには高磁束密度や低鉄損といった高い磁気特性が要求されるが、圧粉コアの磁気特性は圧粉成形体の密度に影響され、高密度の成形体が必要となる。高密度の成形体を得るためには、圧縮成形の際に大きな荷重で圧縮することが有効であるが、ステータの寸法が大きくなるほど、大きな荷重能力を有するプレスが必要となる。しかしながら、大きな荷重能力を有するプレスは高価であると共に、成形寸法の精度を上げることが困難となるため、分割した小型の分割コアを作製した後に、分割コアを組み合わせて大きなステータコアとすることが、量産上、実用上の得策であると考えられる。このような技術が、前記した技術と同様に特許文献１、特許文献２に記載されている。

回転機は、巻線を有したステータと、回転軸に機械的に接合されたロータから成り、そのステータに巻線を巻く方法には、ステータのヨーク部に巻線をトロイダル状に巻く方法であるいわゆるトロイダル巻きと、ステータのティース部に巻く方法がある。また、ティース部に巻線を巻く方法には、巻線を巻き付けるティースを順に変えてゆきながら複数のティースにまたがり巻線を巻き付けてゆく分布巻きと、一つ一つのティースに必要巻数の巻線を施して巻線は複数のティースにはまたがらない集中巻きとがある。

回転機の高出力化には、ティース先端部での磁束密度を高くしてトルクを大きくすることが有効であり、ロータを滑らかに回転させるためには、ロータの回転周上に正弦波を作り出す励磁が有効である。即ち、ステータのティース先端部には、高磁束密度化と正弦波励磁とが求められる。

一般的に用いられている集中巻きと分布巻きを比較すると、集中巻きの方が巻線密度は高く、回転機の小型化並びに高出力化には適した巻線方法であるが、ロータの回転周上に対しては不均一に巻かれているため、正弦波励磁が難しい。一方、分布巻きは集中巻きとは異なる特徴を持ち、正弦波励磁は比較的容易であるが、逆に巻線密度を高くすることが困難であり、回転機の小型化と高出力化は構造上困難である。

これらの巻き方に対し、トロイダル巻きは集中巻きに該当する巻き方でありながら分布巻きの如く正弦波励磁が可能であるという特徴を有する。しかしながら、トロイダル巻きは環状のステータコアに放射線状に巻線を施すため、ステータコアの対向する部位が巻線作業の障害となって巻線作業が非常に難しく、専用のトロイダル巻線機を使用する必要があって、生産性が非常に悪いという欠点がある。従って、工業的に量産される回転機は、一長一短はあるものの集中巻き或いは分布巻きが採用されることが殆どである。

このようなトロイダル巻きの致命的な欠点である生産効率を向上させるために、ステータコアを分割コアとすることが、特許文献３、特許文献４、特許文献５として提案されている。これら特許文献に記載されたように、ステータコアを分割コアとすることで、専用のトロイダル巻線機を使用することなく巻線が可能になるが、巻線作業の後、複数に分割して製造された分割コアを一体化する作業が必要となる。この分割コアを一体化するために、分割コア同士の接合や、カシメ、嵌め込みを行う技術が、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０として提案されている。これらの特許文献に記載された分割コアの一体化方法によれば、分割コアを一体化してステータとして使用することは可能になるが、分割コア同士をギャップがなくつなぎ合わせることは何れの技術を用いても事実上困難であり、そのつなぎ合わせのギャップにより透磁率や磁束密度といった磁気特性が低下し、ティース表面の磁束密度の低下、即ちモータの出力の低下を引き起こすこととなる。

そこで、分割コア同士の間に生じるギャップに磁性材料を挿入するという技術の提案も特許文献１１としてなされている。この技術を採用すれば分割コア同士をギャップがなくつなぎ合わせることは可能になるが、軟磁性粉末等の磁性材料を単に挿入するだけであるので、密度の低い成形体を挿入することと同じである。透磁率や磁束密度といった磁気特性の低減効果は僅かであり、透磁率の低下、即ち磁束密度の低下により、モータ出力の低下を引き起こすという問題は解消できない。また、製造上も、非常に狭い空間に軟磁性粉末等の磁性材料を充填することは困難であり、特に磁性材料を粉末とした場合、分割コア同士の間に粉末を十分に充填することはできない可能性が非常に高い。

特開２００７−７４８４７号公報 特開２００７−１３５３２４号公報 特開昭５９−７０１５５号公報 特開平１−１３８９３７号公報 特開昭５９−２２２０４８号公報 特開２００７−１９５２８１号公報 特開２００７−１０４８７９号公報 特開２００７−１８１３２３号公報 特開２００７−１６６６８１号公報 特開２００７−７４８５２号公報 特開２００７−１３５３２８号公報

トロイダル巻きでありながら巻線の生産性を高めるためには、ステータを分割することが有効であるが、その分割コアを一体化させたステータでは、分割コアの間に形成されるギャップにより、ティース先端部の磁束密度が低下することが問題となっているため、分割コア間にギャップを生じることなく、更に、電気的絶縁性を保ったまま複数の分割コアを一体化することが重要である。

本発明は、それら従来の問題を解消せんとしてなされたもので、回転機等の小型化、高出力化に適し、正弦波励磁も可能であるトロイダル巻きが容易に行える上に、透磁率の低下、即ち磁束密度の低下によるモータ出力の低下を引き起こすこともないステータとそのステータの製造方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、ヨーク部とティース部を交互に設け環状としたステータコアと、そのステータコアのヨーク部の外周面に巻かれたトロイダル巻線とより構成されるステータであって、前記ステータコアは、圧粉磁性体より成る複数の分割コアと、それら複数の分割コアの間に充填され、隣り合う分割コア同士を接合する粉末成形体より形成されており、前記粉末成形体は、軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末より成ることを特徴とするステータである。

請求項２記載の発明は、前記分割コアと前記粉末成形体は、同種の軟磁性粉末を基に形成されていることを特徴とする請求項１記載のステータである。

請求項３記載の発明は、前記ステータコアを形成する複数の分割コアは、ティース部で周方向に分割されていることを特徴とする請求項１または２記載のステータである。

請求項４記載の発明は、ヨーク部とティース部を交互に設け環状としたステータコアと、そのステータコアのヨーク部の外周面に巻かれたトロイダル巻線とより構成されるステータの製造方法であって、前記ステータコアを形成する複数の分割コアのヨーク部の外周面に、前記トロイダル巻線を巻き付けた後、それら複数の分割コアの間に、軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末をそれぞれ充填し、プレス成形により複数の分割コアを一体化することを特徴とするステータの製造方法である。

本発明の請求項１記載のステータによると、回転機等の小型化、高出力化に適し、正弦波励磁も可能であるトロイダル巻きが容易に行える上に、分割コア間に、軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末より成る粉末成形体が充填されているため、透磁率の低下、即ち磁束密度の低下によるモータ出力の低下を引き起こすこともない。

本発明の請求項２記載のステータによると、分割コアと粉末成形体が、同種の軟磁性粉末を基に形成されているため、分割コア同士を接合する粉末成形体で形成された部位も、他の主要部位を構成する分割コアと略同じ磁気特性とすることができ、ステータコアの磁気特性を均一で良好な状態とすることができる。

本発明の請求項３記載のステータによると、分割コアはティース部で分割されているため、ヨーク部へのトロイダル巻きを問題なく行えると共に、巻線作業の際にヨーク部の両側のティース部が当たりとなるため、巻線がヨーク部から離脱することなく巻線作業を容易に行える。

本発明の請求項４記載のステータの製造方法によると、回転機等の小型化、高出力化に適し、正弦波励磁も可能であるトロイダル巻きを、ステータコアに対向する部位が巻線作業の障害となることなく容易に行える上に、製造したステータの透磁率の低下、即ち磁束密度の低下によるモータ出力の低下を引き起こすこともない。また、軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末を隣り合う分割コア間に充填した状態で、プレス成形により複数の分割コアを一体化するため、分割コア間が狭まり、分割コア間にギャップを生じることなく電気的絶縁性を保ったまま複数の分割コアを一体化することができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

図１は分割コアを一体化して組み立てた後のステータを用いたモータを示し、図２はトロイダル巻線を巻く前の分割コアを、図３はトロイダル巻線を巻いた後の分割コアをそれぞれ示す。また、図４は分割コアをプレス成形により一体化してステータを製造する作業の途中の状態を示す。

図１に示すように、本発明のステータ１は、複数のヨーク部２とティース部３を交互に設け環状としたステータコア４と、そのステータコア４のヨーク部２の外周面に巻かれたトロイダル巻線５より成る。ステータコア４は、鉄粉や鉄基合金粉末等の軟磁性粉末を圧粉成形した圧粉磁性体より成る複数の分割コア６と、それら複数の分割コア６の間に充填され、隣り合う前記分割コア６同士を接合する鉄粉や鉄基合金粉末等の軟磁性粉末より成る粉末成形体７より形成されている。

分割コア６と粉末成形体７は、表面に絶縁被膜が形成された鉄粉や鉄基合金粉末等の軟磁性粉末から形成されているが、同種の鉄粉や鉄基合金粉末等の軟磁性粉末から形成され、同種の絶縁被膜が形成されていることが、ステータコア４の磁気特性を均一で良好な状態とすることができる点から好ましい。

絶縁被膜の素材としては、リン酸系化成被膜やクロム系化成被膜などの無機物や樹脂を用いることができる。樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、スチレン樹脂、アクリル樹脂、スチレン／アクリル樹脂、エステル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレンなどのオレフィン樹脂、カーボネート樹脂、ケトン樹脂、フッ化メタクリレートやフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂、ＰＥＥＫなどのエンジニアリングプラスチックまたはその変性品などを使用することができる。

こうした絶縁被膜の中でも、その絶縁被膜をリン酸系化成被膜とすれば、絶縁被膜の電気絶縁性を特に向上させることができる。リン酸系化成被膜は、オルトリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）などの化成処理によって生成するガラス状の被膜であり、電気絶縁性に優れているからである。更にそのリン酸系化成被膜の上面にシリコーン樹脂被膜を形成して二重の被膜とすれば、高度な耐熱性を有する絶縁被膜を形成することができる。

ステータコア４を形成する複数の分割コア６は、図１の破線で示すように、ティース部３の中間で周方向に分割されており、図２に示すような湾曲した形状となっている。ヨーク部２は、湾曲した角柱状や円柱状のものであり、ティース部３は、扁平な板状のものである。尚、ヨーク部２は、必ずしも一本のヨーク部２が湾曲した形状ではなく、直線状であって、一本一本のヨーク部２が順に角度を変えながら連なっていても良いし、ティース部３の平面形状は、図１に示すような長方形のほか、等脚台形、二等辺三角形、扇形等であっても良い。また、ステータコア４の直径方向の寸法や上下方向の寸法は、ティース部３の方がヨーク部２より大きく、ティース部３がヨーク部２から上下内外に突出したような構造となっている。

尚、図１〜３に示したヨーク部２やティース部３の数は便宜上説明しやすい数を示しただけであり、図示した数以上であっても構わない。また、図１に示す８はロータであり、９は回転軸となるシャフトである。

次に、本発明のステータの製造方法について説明する。

本発明のステータ１は、前記したように、複数のヨーク部２とティース部３を交互に設け環状としたステータコア４と、そのステータコア４のヨーク部２の外周面に巻かれたトロイダル巻線５とより形成されており、ステータコア４は、圧粉磁性体より成る複数の分割コア６と、隣り合う分割コア６同士を接合する粉末成形体７より形成されている。

ステータ１を製造するにあたり、まず、図２に示すような分割コア６を、鉄粉や鉄基合金粉末等の軟磁性粉末を圧粉成形し、その後に焼結して必要数だけ製造する。その軟磁性粉末は表面に絶縁被膜を形成した粉末である。尚、この分割コア６は、環状のステータコア４を製造した後、切断して形成したものであっても良い。

次に、図３に示すように、この分割コア６のヨーク部２の外周面にトロイダル巻線５を巻き付ける。このトロイダル巻線５は、環状のステータコア４のヨーク部２ではなく、湾曲した形状の分割コア６のヨーク部２に巻き付けるため、巻線作業の障害となるものはなく極めて簡単に巻き付けることができる。環状のステータコア４に直接巻き付ける場合と比較すると、非常に作業性が良い。また、ヨーク部２にトロイダル巻線５を巻き付ける際に、ヨーク部２の両側のティース部３が当たりとなるため、トロイダル巻線５がヨーク部２から離脱することなく、巻線作業を迅速且つ確実に行うことができる。

更に、巻線作業が終了しトロイダル巻線５が施された分割コア６を集め、図１及び図４に示すように、環状に組み合わせ、プレス成形する。その手順は、まず、外型１０の内側に内型（割り型）１１を配置し、更にその内側に、巻線作業が終了した複数個の分割コア６を環状に並べる。並べられた複数個の分割コア６の間には、隙間が形成されるので、それらの隙間に鉄粉や鉄基合金粉末等の軟磁性粉末を充填する。その軟磁性粉末は表面に絶縁被膜を形成した粉末である。尚、１２は、環状に並べた複数個の分割コア６の更に内側に配置する中心型である。

最後に、上パンチ１３で、内型１１の上面を押すと、外型の内周面に形成された傾斜面上を、内型１１の外周面に形成された逆勾配の傾斜面が滑り、内型１１が縮径する。その内型１１の内周面で複数個の分割コア６は内方へ押し付けられるので、複数個の分割コア６の間の隙間が縮まり、隙間に充填された軟磁性粉末は隣り合う分割コア６で押え付けられて粉末成形体７となり、隣り合う分割コア６同士を接合する。接合された複数個の分割コア６は一体化されてステータコア４となる。上パンチ１３を元に戻し、一体化された成形体を取り出せばステータ１の製造は完了する。尚、１４は、上パンチ１３、内型１１、中心型１２とともに、分割コア６を押え付ける下パンチである。

実施例では、ステータの磁気特性を評価する試験を行った。試料１は、分割コアから作製したものではなく、基の環状のステータコアにトロイダル巻線を直接施したステータとした。試料２は、環状のステータコアを２分割した分割コアにトロイダル巻線を施し、分割コアの間には、その分割コアと同様に軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末を充填し、プレス成形してステータとした。試料３は、環状のステータコアを２分割した分割コアにトロイダル巻線を施し、分割コアの間には、その分割コアと同様に軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末を挿入し、更にエポキシ樹脂を流し込み、プレス成形してステータとした。試料２と試料３では、分割コア間に充填（挿入）した粉末の密度が異なる。

ステータコア（分割コア）の作製には、神戸製鋼所製の純鉄粉「アトメル３００ＮＨ」を使用した。絶縁被膜を形成するため、まず、Ｈ_２Ｏ：１リットルあたり、Ｈ_２ＰＯ_４：１９３ｇ、ＭｇＯ：３１ｇ、Ｈ_３ＢＯ_３：３０ｇを含む混合液からなる絶縁処理液を準備する。この絶縁処理液を前記鉄粉：２００ｇに対して１０ｃｃ混合し、大気中にて２００℃で３０分間乾燥させて絶縁処理を施した。この絶縁処理した鉄粉に対し、カネボウ製のフェノール樹脂「Ｓ−８９９」を０．３質量％添加し、Ｖ型ミキサーで３０分間混合した。

成形は、外径４５ｍｍ、内径３３ｍｍの環状金型を用いて行った。室温下で型潤滑成形を行い、各試料毎に、６００ＭＰａ、８００ＭＰａ、１０００ＭＰａの３通りの成形圧をかけ、それぞれ３種の密度の成形体を作製した。その後、大気中にて２３０℃で１０分間熱処理を行い、樹脂を硬化させた。

試料２、試料３については、ワイヤーカットでギャップ１箇所について１ｍｍとなるようにして、成形体を切断した。分割コアの間には、上記した成分と同じ成分の粉末を（試料３については更にエポキシ樹脂も）充填し、それぞれ分割コア作製時と同じ成形圧をかけプレス成形により分割コアを一体化した。更に、大気中にて２３０℃で１０分間の熱処理を行い、樹脂を硬化させた。

測定は、理研電子製の直流磁気測定装置「ｍｏｄｅｌ−５０」を用いて行い、一次巻線数：２００回、二次巻線数：２０回、最大励磁磁場：１００Ｏｅで、各成形体の最大透磁率を測定した。その測定結果を表１と図５に示す。

分割コアとせず、単に環状のステータコアにトロイダル巻線を施してステータを基準例とすると、その基準例に相当する試料１の最大透磁率の測定結果は、成形圧を６００ＭＰａとした場合（基準例１）で２７０、成形圧を８００ＭＰａとした場合（基準例２）で３２０、成形圧を１０００ＭＰａとした場合（基準例３）で３７０であった。尚、表１には、試料１についても成形圧力と成形体密度を分割コアの欄に示しているが、試料１については分割コアを作製しないので、表１に示す数値は、それぞれステータコアの成形圧力と成形体密度である。

これに対し、環状のステータコアを２分割した分割コアにトロイダル巻線を施し、分割コアの間に、その分割コアと同じ構成の粉末を充填してステータとした試料２の最大透磁率の測定結果は、成形圧を６００ＭＰａとした場合（実施例１）で２６０、成形圧を８００ＭＰａとした場合（実施例２）で３１５、成形圧を１０００ＭＰａとした場合（実施例３）で３６５であった。最大透磁率の測定結果を、試料１の該当する従来例と対比した場合、成形圧を６００ＭＰａとした場合で２７０（基準例１）に対し２６５（実施例１）、成形圧を８００ＭＰａとした場合で３２０（基準例２）に対し３１５（実施例２）、成形圧を１０００ＭＰａとした場合で３７０（基準例３）に対し３６５（実施例３）と、分割コアを接合したことによる最大透磁率の低下は殆どない。これは、図５の試料１と試料２のグラフが殆ど重なっていることからも明らかである。

対照的に、環状のステータコアを２分割した分割コアにトロイダル巻線を施し、分割コアの間に、その分割コアと同じ構成の粉末に加えてエポキシ樹脂を充填した試料３の最大透磁率の測定結果は、成形圧を６００ＭＰａとした場合（比較例１）で１５０、成形圧を８００ＭＰａとした場合（比較例２）で１８０、成形圧を１０００ＭＰａとした場合（比較例３）で２１０であった。試料１の該当する比較例と対比した場合、成形圧を６００ＭＰａとした場合で２７０（基準例１）に対し１５０（比較例１）、成形圧を８００ＭＰａとした場合で３２０（基準例２）に対し１８０（比較例２）、成形圧を１０００ＭＰａとした場合で３７０（基準例３）に対し３６５（比較例３）と、分割コアの接合にエポキシ樹脂を用いたことで最大透磁率が大幅に低下した。これは、図５の試料３のグラフが試料１と試料２のグラフと比べて下方に位置することでも明らかである。

以上の試験結果から、環状のステータコアを分割した分割コアにトロイダル巻線を施し、分割コアの間に、軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末を充填して接合することで、分割コアとせずに基の環状のステータコアにトロイダル巻線を施した場合と略同等の最大透磁率を確保できることが確認できた。しかも、分割コアからステータを形成することで、トロイダル巻きは何の支障もなく容易に行うことができる。

本発明の一実施形態を示すもので、分割コアを一体化して組み立てた後のステータを用いたモータを示す平面図である。 同実施形態を示すもので、トロイダル巻線を巻く前の分割コアを示す斜視図である。 同実施形態を示すもので、トロイダル巻線を巻いた後の分割コアを示す斜視図である。 同実施形態を示すもので、分割コアをプレス成形により一体化してステータを製造する作業の途中の状態を示す縦断面斜視図である。 様々な仕様で製造したステータの最大透磁率を示すグラフ図である。

符号の説明

１…ステータ
２…ヨーク部
３…ティース部
４…ステータコア
５…トロイダル巻線
６…分割コア
７…粉末成形体

Claims (4)

1. ヨーク部とティース部を交互に設け環状としたステータコアと、そのステータコアのヨーク部の外周面に巻かれたトロイダル巻線とより構成されるステータであって、
   前記ステータコアは、圧粉磁性体より成る複数の分割コアと、それら複数の分割コアの間に充填され、隣り合う分割コア同士を接合する粉末成形体より形成されており、
   前記粉末成形体は、軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末より成ることを特徴とするステータ。
2. 前記分割コアと前記粉末成形体は、同種の軟磁性粉末を基に形成されていることを特徴とする請求項１記載のステータ。
3. 前記ステータコアを形成する複数の分割コアは、ティース部で周方向に分割されていることを特徴とする請求項１または２記載のステータ。
4. ヨーク部とティース部を交互に設け環状としたステータコアと、そのステータコアのヨーク部の外周面に巻かれたトロイダル巻線とより構成されるステータの製造方法であって、
   前記ステータコアを形成する複数の分割コアのヨーク部の外周面に、前記トロイダル巻線を巻き付けた後、
   それら複数の分割コアの間に、軟磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成した粉末をそれぞれ充填し、プレス成形により複数の分割コアを一体化することを特徴とするステータの製造方法。

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