JP2009268308A - ステータコアとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】型内にて成形される成形体からなるステータコアに関し、その強度も高く、かつ、磁気特性にも優れたステータコアとその製造方法を提供する。
【解決手段】平面視が円環状のヨークＹと、該ヨークＹから径方向内側に突出するティースＴとを具備する、モータ用のステータコアを製造する方法であり、線状の電磁鋼線１もしくは電磁鋼線チップ１Ａにて分割コアの骨格を成す予備成形体１０，１０Ａを形成する第１の工程と、成形型内にて複数の予備成形体１０、…、１０Ａ，…が周方向に組み付けられた姿勢で、鋳鉄系磁性材料を鋳込む第２の工程と、からなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータを構成するステータコアとその製造方法に関するものである。

自動車産業においては、ハイブリッド自動車や電気自動車のさらなる走行性能の向上を目指して、駆動用モータの高出力化、軽量化、小型化への開発が日々進められている。また、家電製品メーカーにおいても、各種家電製品に内蔵されるモータのさらなる小型化、高性能化への開発に余念がない。

モータの性能を向上させるには、モータ内部で発生する各種損失を如何に低減できるかが課題である。例えば、電気入力後においては、モータを構成するコイルにおいて導体抵抗損失に起因する銅損が生じ、ロータやステータには渦電流損失やヒステリシス損失に起因する鉄損（または高周波鉄損）が生じ、これらの損失に応じてモータ効率やトルク性能が低下することとなる。この渦電流損失は磁束密度の時間変化によって齎される損失であり、ヒステリシス損失は磁束密度の大きさに起因する損失である。

ところで、モータを構成するステータコアとして、コイル形成を含めた製造効率向上の観点から、複数の分割コアからステータ（分割ステータ）を製造する方法がある。この分割ステータにおいては、分割コアのティースにコイルを形成して各分割コアを組付けて円環状のコアユニットを形成し、このコアユニットを筒体（ケーシング）に挿入し、この筒体を焼き嵌めることにより、分割ステータが製造されている。

一方、ステータコアやロータコアは、電磁鋼板を積層してなる鋼板積層体から形成されたり、樹脂コーティングされた鉄系の軟磁性粉末を加圧成形してなる圧粉成形体（圧粉磁心）から形成されている。圧粉成形体から各種コアを形成する場合には、その磁気特性として積層鋼板に比して高周波鉄損が少ないこと、加圧成形されることから形状バリエーションに臨機かつ安価に対応できること、電磁鋼板に比して材料費が廉価であること、などの利点を有している。圧粉成形体用の軟磁性金属粉末は、該金属粉末の表面に絶縁被膜を形成することで粉末の絶縁性、ひいては圧粉磁心自体の絶縁性を確保して鉄損の発生を抑止している。具体的には、鉄粉等にシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の樹脂バインダーを被覆するものであるが、加圧成形時の被膜破壊を防止して鉄粉間の絶縁性を確保するために鉄粉への樹脂添加量を多量にするなどの方策が採られている。

たとえば上記する圧粉成形体から形成されたステータコアに関する技術が特許文献１に記載されており、より具体的には、ステータコアの強度を高めるべく、圧粉成形体の内部に電磁鋼線が埋設されたステータコアが開示されている。
特開２００４−１０４８９３号公報

特許文献１に開示のステータコアをはじめとして、圧粉成形体からなる従来のステータコアでは、樹脂バインダーにて被覆された磁性粉末をその形成素材としているが、磁気特性を一層高めるためには樹脂バインダーを少なくするのが好ましい。しかし、この樹脂バインダーが少なくなると、磁性粉末同士の接着力が低下し、成形体自体の強度が低下してしまう。一方で、樹脂バインダーを多くすると、成形体の密度が低下し、上記のごとく磁気特性の低下に直結する。したがって、従来の圧粉成形体においては、その密度向上およびこれに起因する磁気特性の向上と、圧粉成形体自体の強度向上をともに満たすことが極めて困難な状況となっている。

したがって、高周波鉄損が少ないこと、形状バリエーションに臨機かつ安価に対応できること、電磁鋼板に比して材料費が廉価であること、といった利点を有する成形体に関し、従来の磁性粉末からなる圧粉成形体に代わって、成形体自体の強度が高く、かつ、磁気特性にも優れた成形体からなるステータコアの開発が切望されている。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、型内にて成形される成形体からなるステータコアに関し、その強度が高く、しかも、磁気特性に優れたステータコアとその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるステータコアの製造方法は、平面視が円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、を具備する、モータ用のステータコアを製造する方法であって、線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップにて分割コアの骨格を成す予備成形体を形成する第１の工程と、成形型内にて複数の前記予備成形体が周方向に組み付けられた姿勢で、鋳鉄系磁性材料を鋳込む第２の工程と、からなるものである。

ここで、「鋳鉄系磁性材料」とは、鉄を主成分とした炭素含有の材料のことであり、その一例として鋳鉄や鋼を挙げることができ、さらには、これに添加元素である、ケイ素、ニッケル、コバルト、アルミニウム、バナジウム、ボロン（ホウ素）、タングステン、モリブデン、チタン及びリンなどを含む材料であってもよい。

また、電磁鋼線の素材は、たとえば、従来の鋼板積層体からなるコアを形成する鋼板素材を挙げることができ、電磁鋼板、冷延鋼板（ＳＰＣＣ）、熱延鋼板（ＳＰＨＣ）、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）などの鋼板素材がその一例である。また、その断面寸法（電磁鋼線の径）は、曲げ加工のし易さ、型崩れしないといった加工性の観点や、予備成形体内部への鋳鉄系磁性材料の充填性の観点などから、適宜の断面寸法が設定される。

本発明の製造方法では、まず、線状に延びた電磁鋼線を曲げ加工等して分割コアの骨格をなす予備成形体を形成する。たとえば、４つの予備成形体を周方向に組み付けて円環状のステータコアの骨格を形成する場合には、予め４つの予備成形体を用意しておく。なお、線状に延びる電磁鋼線を曲げ加工する代わりに、電磁鋼線の短冊（チップ）を敷き詰め、型崩れしない程度に固めることで分割コアの骨格を成す予備成形体を形成してもよい。いずれの形態の予備成形体であっても、電磁鋼線によって３次元的な磁気回路が形成でき、電磁鋼線の密度（量）を調整することで、所望の磁気特性を得ることができる。

次いで、円環状のステータコアの形状をなすキャビティを有する成形型（金型）を用いて、予備成形体をこのキャビティ内に順次載置して円環状に組み付け、もしくは、予め円環状に予備成形体を組み付けたものをキャビティ内に載置する。

その後、成形型を型閉めし、このキャビティ内に上記する鋳鉄系磁性材料の溶湯を鋳込んでその硬化を待ち、円環状を呈するモータ用のステータコアを製造する。

本発明の製造方法によってできるステータコアは、硬化後にその硬度が高く、密度の大きな鋳鉄系磁性材料にて高強度のコアを形成することができる。たとえば、圧粉磁心からなる従来構造のステータコアでは、その圧縮強度はせいぜい１００ＭＰａ程度であるが、鋳鉄系磁性材料にてステータコアを成形した場合には、その圧縮強度は３００ＭＰａ程度かそれ以上となることが本発明者等によって特定されている。

また、鋳鉄系磁性材料とその内部に埋設される電磁鋼線とは馴染みもよく、相互の密着性（一体性）が良好であり、この観点からもコア自体の強度向上を図ることができる。

さらに、その内部に３次元的な磁気回路を形成する線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップが埋設されていることにより、鋳鉄系磁性材料による磁気特性に該電磁鋼線による磁気特性が付加される結果、従来構造のステータコアに比して磁気特性が格段に向上された（高磁束密度な）ステータコアを形成することができる。

さらには、型内成形されてできるステータコアは既に円環状に一体に成形されており、焼き嵌め処理等の工程は不要となる。

また、本発明によるステータコアの製造方法の他の実施の形態は、平面視が円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、を具備する、モータ用のステータコアを製造する方法であって、線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップにて分割コアの骨格を成す予備成形体を形成し、該予備成形体を成形型内に収容し、鋳鉄系磁性材料を鋳込んで分割コアを形成する第１の工程と、分割コアを周方向に組み付けて平面視環状のコアを形成する第２の工程と、からなるものである。

本発明の製造方法は、各分割コアを予め製造し、次いでそれらを円環状に組み付けてなる分割ステータコアの製造方法に関するものである。

この製造方法では、円環状をなす成形体を製造する方法の場合の効果に加えて、分割コアに固有の効果、すなわち、コイル形成を含めた場合の製造効率の向上を図ることができる。

さらに、本発明によるステータコアの製造方法の好ましい実施の形態は、前記線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップの配向が、前記ヨークではその円弧方向となっており、前記ティースでは前記径方向となっているものである。

この製造方法では、予備成形体を製造する過程で、そのヨーク部においては円周方向に電磁鋼線を配向させ、ティース部においてはその長手方向（径方向）に電磁鋼線を配向させるようにして予備成形体を製造するものである。

この方法によって製造された予備成形体からなるステータコアは、ステータコア内での磁束の流れ方向に電磁鋼線が配向されていることにより、より一層、磁気特性に優れたステータコアを製造することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のステータコアの製造方法とこれによってできるステータコアによれば、コア強度が高く、耐衝撃性に優れ、高耐久であって、しかも磁気特性に優れたステータコアを製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、線状の電磁鋼線が折り曲げ加工されてできる予備成形体を示した斜視図である。この予備成形体１０は、線状の電磁鋼線１を折り曲げ加工して仮想の分割コア２０の骨格をなすものである。

この電磁鋼線１は、たとえばその径が０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度の細線であり、その素材は、電磁鋼板、冷延鋼板（ＳＰＣＣ）、熱延鋼板（ＳＰＨＣ）、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）などの鋼板素材である。

また、図示のごとく、仮想分割コア２０を形成するヨークＹにおいては、その円弧方向（周方向）に沿うように電磁鋼線１が配向しており、そのティースＴにおいては、その長手方向（径方向）に沿うように電磁鋼線１が配向している。

各配向はモータ駆動時の磁気流れ方向に一致するものであり、図示のごとく電磁鋼線１を部位ごとに配向させることにより、磁気特性をより向上させることができる。また、図からも明らかなように、細径の電磁鋼線１が３次元形状をなしていることで、３次元的な磁気回路を形成することができ、このことによっても磁気特性の向上を図ることができる。

また、図２で示す予備成形体１０Ａは、電磁鋼線チップ１Ａを用いて、これをヨークＹにおいてはその円弧方向（周方向）に沿うように、ティースＴにおいてはその長手方向（径方向）に沿うようにそれぞれ配向させた姿勢で敷き詰めて形成されている。

なお、電磁鋼線チップ１Ａの素材も線状の電磁鋼線１のそれと同様、電磁鋼板等の鋼板素材を使用でき、たとえば鋼板を短冊に切断することで鋼板チップが形成される。

次に、図１で示す予備成形体１０を使用してステータコアを製造する方法の一実施例を概説する。

複数の予備成形体１０を周方向に組み付けた際に円環状を形成できる基数の予備成形体１０を用意する。

次いで、この予備成形体１０を不図示の成形型（可動型と固定型とからなり、型閉めした際に円環状のステータコアを形成するためのキャビティを有するもの）のキャビティ内に、順次載置していき、複数の予備成形体１０にて円環状の骨格を形成する。

なお、複数の予備成形体１０にて予め円環状の骨格を形成しておき、これを一度にキャビティ内に載置する方法であってもよい。

次いで、成形型を型閉めし、キャビティ内に鋳鉄系磁性材料の溶湯を鋳込む。この鋳鉄系磁性材料としては鋳鉄や鋼を使用でき、さらに、これに添加元素である、ケイ素、ニッケル、コバルト、アルミニウム、バナジウム、ボロン（ホウ素）、タングステン、モリブデン、チタン及びリンなどを含むものであってもよい。

図３は、上記方法にて成形されたステータコア１００を示したものである。ステータコア１００は成形と同時に図示形状に一体となっており、その内部には複数の予備成形体１０がその周方向に埋設されている。

また、図１で示す予備成形体１０を使用してステータコアを製造する方法の他の実施例を説明する。

まず、分割コア２０の形状をなすキャビティを有する成形型に予備成形体１０を収容し、鋳鉄系磁性材料の溶湯を鋳込んで分割コア２０を成形する。この方法にて所定数の分割コア２０を予め成形しておく。

次いで、各分割コア２０，…を周方向に組み付けることにより、図４で示す分割ステータコア１００Ａが形成される。

形成された分割ステータコア１００Ａは、その外周にて不図示の筒体にて焼き嵌め処理されて一体化される。

上記する製造方法にて製造されたステータコア１００，１００Ａは、そのコア材料が高強度の鋳鉄系磁性材料からなるものであり、たとえば、３００ＭＰａ程度かそれ以上の圧縮強度を有するステータコアとなる。このことは、ステータコア、ひいてはこれを具備するモータの耐衝撃性と耐久性の双方を向上させることに繋がるものである。

さらに、その内部に磁気流れに沿う方向に配向した電磁鋼線が埋設されていることにより、鋳鉄系磁性材料による磁気特性に加えて、該電磁鋼線によって磁気特性がさらに向上され、高磁束密度のステータコアとなる。

このように、高強度、高耐久で磁気特性に優れたステータコアを具備するモータは、近似その生産が盛んであって、かつ車載機器に高耐久性と高性能を要求しているハイブリッド車や電気自動車の駆動用モータに好適である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。たとえば、上記するステータコアと同様の製造方法により、たとえば、ロータの円周方向に延び、かつロータの高さ方向に螺旋状に延びる電磁鋼線を鋳鉄系磁性材料の内部に埋設してなるロータを製造することもできる。

線状の電磁鋼線が折り曲げ加工されてできる予備成形体を示した斜視図である。 電磁鋼線チップでできる予備成形体を示した斜視図である。 図１で示す予備成形体からなるステータコアの一実施の形態を示した斜視図である。 図１で示す予備成形体からなるステータコアの他の実施の形態を示した斜視図である。

符号の説明

１…線状の電磁鋼線、１Ａ…電磁鋼線チップ、１０，１０Ａ…予備成形体、２０…分割コア、１００…ステータコア、１００Ａ…分割ステータコア、Ｔ…ティース、Ｙ…ヨーク

Claims (6)

1. 平面視が円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、を具備する、モータ用のステータコアを製造する方法であって、
   線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップにて分割コアの骨格を成す予備成形体を形成する第１の工程と、
   成形型内にて複数の前記予備成形体が周方向に組み付けられた姿勢で、鋳鉄系磁性材料を鋳込む第２の工程と、からなる、ステータコアの製造方法。
2. 平面視が円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、を具備する、モータ用のステータコアを製造する方法であって、
   線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップにて分割コアの骨格を成す予備成形体を形成し、該予備成形体を成形型内に収容し、鋳鉄系磁性材料を鋳込んで分割コアを形成する第１の工程と、
   分割コアを周方向に組み付けて平面視が略円環状のコアを形成する第２の工程と、からなる、ステータコアの製造方法。
3. 前記線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップの配向を、前記ヨークではその円弧方向とし、前記ティースでは前記径方向とする、請求項１または２に記載のステータコアの製造方法。
4. 平面視が円環状のヨークと、該ヨークから径方向内側に突出するティースと、を具備する、モータ用のステータコアであって、
   前記ステータコアは、線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップが鋳鉄系磁性材料内に埋設されてなる、ステータコア。
5. 線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップが鋳鉄系磁性材料内に埋設されてなる分割コアが、周方向に組み付けられて形成されている、ステータコア。
6. 前記線状の電磁鋼線もしくは電磁鋼線チップの配向が、前記ヨークではその円弧方向となっており、前記ティースでは前記径方向となっている、請求項４または５に記載のステータコア。

Images