JP2010011669A

JP2010011669A - 圧粉成形体

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Publication number: JP2010011669A
Application number: JP2008169776A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Tokoi; 博洋床井; Atsushi Otake; 敦大嶽; Kinya Kobayashi; 金也小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP4982439B2

Abstract

【課題】
成形金型を破損せずに、高密度に成形可能な圧粉成形体とそれを成形する金型。
【解決手段】
本発明の第１の観点では、筒状構造若しくはドーナツ状構造の内周側に、上側に凸の突起構造が周方向に１個、若しくは複数有している圧粉成形体であって、筒状構造の内周面と上面との連結部の曲率半径をＲとするとＲ＞他の連結部の曲率半径であることを特徴とする圧粉成形体構造を提供する。本発明の第２の観点では、筒状構造若しくはドーナツ状構造の外周側に、上側に凸の突起構造が周方向に１個、若しくは複数有している圧粉成形体であって、筒状構造の外周面と上面との連結部の曲率半径をＲとするとＲ＞他の連結部の曲率半径であることを特徴とする圧粉成形体構造を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドーナツ状又は筒状構造の内周側若しくは外周側に突起構造を有する高密度の成形体構造に関する。

複雑な三次元構造を有する圧粉成形体は、圧粉磁心材を用いたモータコアなどで使用される。例えば、モータコアでは、リング構造の内周部に、周方向に離散的に突起構造を有する三次元成形体を使用する。この成形体の密度が大きいほど、モータ出力の向上，モータトルクの向上に寄与する。特開２００７−１２４８８４号公報（特許文献１）には、磁性粉の圧縮により固定子鉄心を形成した回転電機について開示されている。

特開２００７−１２４８８４号公報

図４は、クローポール型モータの固定子として用いる圧粉成形体の例を示す図である。このような固定子は、金型を用いた圧粉成形装置により作成される。図２には、本実施の形態の圧粉成形体を成形するための圧粉成形装置構造の概略を示す。図５は図４に対応する従来の金型（下パンチ）の構造を示す。図２に示すように、下パンチは、上パンチにより圧縮された成形体（粉体）からの力を受ける。

従来の圧粉成形体構造ではとくに、下パンチの３つのコーナー５０３，５０４，５０５が重なり合う３重点付近に過大な応力集中（引張）がおこる。通常、このような状況では、下パンチの３つのコーナー５０３，５０４，５０５が重なり合う３重点付近に亀裂が生じ、金型が破損する可能性がある。この状況は材料の真密度が高いほど寿命が短くなる。図５を用いこの理由を説明する。図５において、下パンチは面５０６と面５０７，５０８，５０９に圧力を受ける。面５０６にはプレス機により印加した圧力が、面５０７，５０８，５０９には粉体が押しつぶされることによる側圧が加わる。従来構造では、これによりコーナー部５０３，５０４に強い引張応力が発生する。３重点でこの引張応力が最大となり亀裂が生じる。

従って、本願発明の課題は、上記のような金型の消耗を低減し、金型への負担の少ない圧粉成形体構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、金型への負担の少ない圧粉成形体の構造を検討した。上記課題を解決する本願発明の特徴は、環状または筒状の継鉄部と、前記継鉄部に固定され、軸方向に突出させて設けられた一または複数の爪部とを有する圧粉成形体であって、前記継鉄部の軸方向端面と前記継鉄部の内周面とで形成される第一の境界部、及び、前記継鉄部の軸方向端面と前記爪部の内周側または外周側の面で形成される第二の境界部に曲面が形成されており、前記第一の境界部に設けられた曲面の曲率半径は、前記第二の境界部に設けられた曲面の曲率半径よりも大きいことを特徴とする圧粉成形体にある。

また、本発明は、開口を有する環状または筒状の継鉄部と、前記継鉄部の内周側に設けられ、軸方向に突出した爪部と、を有する圧粉磁心であって、継鉄部の内周面と、継鉄部の軸方向端面との形成する角の曲率半径を、継鉄部の軸方向端面と爪部の外周面との形成する角の曲率半径よりも大きくすることにある。

また、本発明は、環状または筒状の継鉄部と、前記継鉄部に固定され、軸方向に突出させて設けられた一または複数の爪部とを有する圧粉磁心であって、前記継鉄部の軸方向端面と前記継鉄部の内周面とで形成される第一の境界部に曲面が形成されており、前記第一の境界部に設けられた曲面の曲率半径は、前記継鉄部の環または筒形状の厚みの５０％以上とすることにある。

上記のような構造の圧粉成形体とすることで、圧粉成形を行う際の金型への応力集中を低減することができる。その結果、高密度（真密度の９４％以上）に成形する場合に、成形用の金型を破損させにくくすることができる。また、成形体の高密度化が実現される。

以下、さらに発明の詳細を説明する。

プレス機による圧粉成形を活用し、複雑な３次元構造の成形体を成形することが可能である。モータは、固定子（ステーター），回転子（ローター）から構成され、これらを圧粉成形により製造することができる。複雑な３次元成形体としては、リング構造の継鉄部の内周部に、周方向に離散的に突起構造よりなる爪部を設けた３次元成形体があり、圧粉磁心材を使ったモータコアで使われる。

モータでは、圧粉成形体の密度が大きいほど、モータ出力や、モータトルクを大きくすることができる。成形体密度はプレス圧力が大きいほど大きい。成形体が圧粉鉄心の場合、真密度の９４％未満下で、密度は圧力とともに増加する。しかし、９４％以上で、増加傾向が小さくなり、密度が飽和する傾向にある。このため、真密度９４％以上とするのは、大きなプレス圧力が必要である。

圧粉成形によって筒状の成形体を製造する場合、該成形体の内周形状を形作るコア金型、成形体に上下から押圧力を加える上下パンチ、成形体の外周形状を形作るダイが用いられる。大きなプレス圧力を用いて圧粉成形し、成形体形状を成形する際には、成形体に凹凸を設けると、突起構造の付け根に相当する金型のコーナー部に応力が集中する。このコーナー部に、金型材の破壊強度以上の応力が加わると、コーナー部の引っ張り応力により亀裂が生じ、比較的早期に、金型が破損する場合がある。このため、高いプレス圧力での高密度成形を実現するためには、金型の応力集中を抑制するための成形体構造を設計する必要がある。

そこで、圧粉成形に係り、ドーナツ状又は筒状構造の継鉄部の内周側若しくは外周側に突起構造を有する成形体を、成形用金型を破損せずに高密度に成形するための圧粉成形体構造を検討し、成形体のコーナー部の曲率半径を所定値以上に拡大し、応力集中を抑制した。具体的には、筒状構造若しくはドーナツ状構造の内周側に、上側に凸の突起構造が周方向に１個、若しくは複数有している圧粉成形体であって、異なる面間の境界面の曲率半径をＲとするとき、内周面と上面における境界面の曲率半径Ｒが最大であることを特徴とする圧粉成形体構造とした。

ただし、突起構造の付け根部分は３方向のコーナーが交差する複雑な形状となっている。各コーナーの曲率半径を同一比率で拡大すると、モータコアの特性低下につながる場合がある。たとえば、リング構造の上面（突起構造の凸方向）と突起構造の外周側側面との連結部の曲率半径を増大すると、コイルの巻ける断面積が減少する。これに伴い、モータの出力トルクが低下する。従って、最も重要となるコーナー部の曲率半径を見出し、他のコーナー部の曲率半径との相対的関係を規定することで、効率的に応力集中を抑制できる圧粉成形体構造を見出した。

具体的には、ドーナツ状又は円筒状構造の継鉄部の内周側に、突起構造を周方向に有する圧粉成形体であり、筒状構造の内周面と上面との連結部の曲率半径をＲとするとＲ＞他の連結部の曲率半径Ｒ′であることを特徴とする。本発明の第２の観点では、ドーナツ状又は円筒状構造の継鉄部の外周側に、突起構造を周方向に有する圧粉成形体であり、筒状構造の内周面と上面との連結部の曲率半径をＲとするとＲ＞他の連結部の曲率半径Ｒ′であることを特徴とする。このような構造とすることにより、成形用金型のコーナー部への応力集中を効率的に抑制することができる。

図２には、圧粉成形体を成形するための圧粉成形装置構造例の概略を示す。図２の左側は圧粉成形体の突起構造部での装置断面を、右側は突起構造がない部分での装置断面を示す。金型は圧粉成形体の最内周部を成形するためのコアロッド２０１と、コアロッド２０１の外周部の下パンチ２０２，最外周のダイ２０３、さらに上パンチ２０４から形成される。

ダイ２０３とコアロッド２０１，下パンチ２０２，上パンチ２０４の間に圧粉材２０５を流し込み、上パンチ２０４に圧力を加えて成形体を成形する。ここで、上記成形体の連結部１０３を成形する下パンチの概略図を図３（ａ）に示す。図３（ｂ）には、下パンチの一部を拡大して示す。下パンチは、筒状構造３０１の内周側に段差構造３０２を有する。下パンチにおいて成形体の連結部１０３に対応する位置が３０３となる。金型は成形体形状に基づいた形状とし、３０３は成形体のＲに対応した曲率半径となる。また、金型には成形体の密度を材料の真密度の９４％以上とする様、圧力を加えている。

通常、このような状況では、下パンチの３つのコーナー（３０３，３０４，３０５）が重なり合う３重点付近に応力がかかり、また、材料の真密度が高いほど応力は大きい。

突起構造部は、環の内周部に設けるほか、上・下部に設ける、外周部に設けることが可能である。

本発明の第１の実施例を、図１〜図５を用いて説明する。

図１（ａ）は圧粉成形体の構成図を示した斜視図である。図１（ｂ）には、図１（ａ）における突起構造部を拡大して示す。本実施の形態の圧粉成形体は、筒状構造１０１の内周側に、上側に凸の突起構造１０２を周方向に３個有しており、筒状構造１０１の内周面と筒状構造１０１の上面との連結部１０３の曲率半径をＲとするとＲ＞他の連結部の曲率半径となっている。

本実施の形態では、図１（ｂ）に示すようにコーナー１０３の曲率半径を増大することのみで応力集中の抑制が可能となる。本実施の形態では、応力集中の主因となるコーナー１０３の曲率半径を他の曲率半径より大きく設定しているため効率的に応力集中を抑制できる。

本発明の第２の実施例を、図６〜図９を用いて説明する。

図６（ａ）は圧粉成形体の形状を示す斜視図である。図６（ｂ）には、図６（ａ）における突起構造部分を拡大して示す。

本実施の形態の圧粉成形体は、筒状構造６０１の内周側に、上側に凸の突起構造６０２を周方向に１２個有しており、筒状構造６０１の内周面と筒状構造６０１の上面との連結部６０３の曲率半径をＲとするとＲ＞他の連結部の曲率半径となっている。

図７には、本実施の形態の圧粉成形体を成形するための圧粉成形装置構造の概略を示す。図７の左側は圧粉成形体の突起構造部での装置断面を、右側は突起構造がない部分での装置断面を示す。金型は圧粉成形体の最内周部を成形するためのコアロッド７０１と、コアロッド７０１の外周部の下第二パンチ７０３，下第一パンチさらに最外周のダイ７０４，上パンチ７０５から形成される。ダイ７０４とコアロッド７０１，下第一パンチ７０２，下第二パンチ７０３，上パンチ７０５の間に圧粉材７０６を流し込み、上パンチ１００４に圧力を加えて成形体を成形する。ここで、上記成形体の連結部９０３を成形する下第二パンチの一部を拡大して図８に示す。下第二パンチは、筒状構造８０１の内周側に突起構造８０２を有する。下第二パンチにおいて成形体の連結部６０３に対応する位置が８０３となる。金型は成形体形状に基づいた形状とし、８０３は成形体のＲに対応した曲率半径となる。

ここでは鉄の圧粉磁心を利用し、成形体の密度が７.４５ｇ／cm³、あるいは７.５５ｇ／cm³，７.６５ｇ／cm³以上となる様、圧力を加えている。通常、このような状況では、下パンチの３つのコーナー（８０３，８０４，８０５）が重なり合う３重点付近に亀裂が生じ、金型が破損する可能性がある。この状況は材料の真密度が高いほど寿命が短くなる。しかし、連結部６０３の曲率半径を増大することで破損を抑制できる。

図９（ａ）には、本実施の形態の圧粉成形体を３Ｄモータコアとして利用する際の一例を示す。突起構造を向い合わせ、リング状のコイルを挟み込む。このときのモータコア断面を図９（ｂ）に示す。従来、３つのコーナーの曲率半径を同じ比率で増大すると、コイルの巻ける断面積が縮小し、モータ出力トルクが減少した。しかし、本実施の形態では、連結部６０３の曲率半径のみを増大するため、モータ出力トルクの減少がない。

本発明の第３の実施例について説明する。

図１０（ａ）は圧粉成形体の構成図を示した斜視図である。図１３（ｂ）には、図１３（ａ）における突起構造部を拡大して示す。本実施の形態の圧粉成形体は、筒状構造１００１の外周側に、上側に凸の突起構造１００２を周方向に３個有しており、筒状構造１００１の外周面と筒状構造１００１の上面との連結部の曲率半径をＲとするとＲ＞他の連結部の曲率半径となっている。

図１１には、本実施の形態の圧粉成形体を成形するための圧粉成形装置構造の概略を示す。図１１の左側は圧粉成形体の突起構造部での装置断面を、右側は突起構造がない部分での装置断面を示す。金型は圧粉成形体の最内周部を成形するためのコアロッド１１０１と、コアロッド１１０１の外周部の下第二パンチ１１０３，下第一パンチ１１０２さらに最外周のダイ１１０４，上パンチ１１０５から形成される。ダイ１１０４とコアロッド１１０１，下第一パンチ１１０２，下第二パンチ１１０３，上パンチ１１０５の間に圧粉材１１０６を流し込み、上パンチ１１０５に圧力を加えて成形体を成形する。ここで、上記成形体の連結部１００３を成形する下第二パンチの概略図を図１２（ａ）に示す。図１２（ｂ）には、下第二パンチの一部を拡大して示す。下第二パンチは、筒状構造１２０１の内周側に段差構造１２０２を有する。下第二パンチにおいて成形体の連結部１００３に対応する位置が１２０３となる。金型は成形体形状に基づいた形状とし、１２０３は成形体のＲに対応した曲率半径となる。

ここでは鉄の圧粉磁心を利用し、成形体の密度が７.４５ｇ／cm³、あるいは７.５５ｇ／cm³，７.６５ｇ／cm³以上となる様、圧力を加えている。通常、このような状況では、下パンチの３つのコーナー（１２０３，１２０４，１２０５）が重なり合う３重点付近に亀裂が生じ、金型が破損する可能性がある。この状況は材料の真密度が高いほど寿命が短くなる。しかし、連結部１２０３の曲率半径を増大することで破損を抑制できる。

（ａ）圧粉成形体（内周に突起）構造、（ｂ）拡大図。圧粉成形装置構造。（ａ）下パンチ構造、（ｂ）凸部拡大図。モータの固定子として用いる圧粉成形体例。従来の下パンチ構造。（ａ）圧粉成形体（内周に突起）構造、（ｂ）拡大図。圧粉成形装置構造。下第二パンチ構造。（ａ）３Ｄモータ構造、（ｂ）３Ｄモータコア断面図。（ａ）圧粉成形体（外周に突起）構造、（ｂ）拡大図。圧粉成形装置構造。（ａ）下第二パンチ構造、（ｂ）凸部拡大図。

符号の説明

１０１，３０１，６０１，８０１，１００１，１２０１筒状構造
１０２，６０２，８０２，１００２突起構造
１０３，６０３，８０３，１００３連結部
２０１，７０１コアロッド
２０２下パンチ
２０３，７０４，１１０４ダイ
２０４，７０５，１１０５上パンチ
２０５，７０６，１１０６圧粉材
３０２，１２０２段差構造
３０３，１２０３連結部対応位置
３０４，３０５，５０３，５０４，５０５，６０４，６０５，８０４，８０５，１２０４，１２０５コーナー
５０６，５０７面
７０２，１１０２下第一パンチ
７０３，１１０３下第二パンチ
９０１圧粉成形体
９０２コイル
１１０１段付きコアロッド

Claims

開口を有する環状または筒状の継鉄部と、前記継鉄部の内周側に設けられ、前記継鉄部の軸方向に突出した爪部と、を有する圧粉磁心であって、前記継鉄部の内周面と、前記継鉄部の軸方向端面との形成する角の曲率半径が、
前記継鉄部の軸方向端面と前記爪部の外周側の面との形成する角の曲率半径よりも大きいことを特徴とする圧粉磁心。
開口を有する環状または筒状の継鉄部と、前記継鉄部の内周側に設けられ、軸方向に突出した爪部と、を有する圧粉磁心であって、前記継鉄部の内周面と、前記継鉄部の軸方向端面との形成する角の曲率半径は前記継鉄部の継鉄部の軸方向の厚さの５０〜１００％の大きさであることを特徴とする圧粉磁心。
請求項１または２に記載された圧粉磁心であって、
前記圧粉磁心は圧粉成形体により構成されており、前記成形体の密度は、前記成形体を構成する物質の真密度の９４％以上であることを特徴とする圧粉磁心。
請求項１または２に記載された圧粉磁心であって、
前記爪部は前記継鉄部より内周側に突出する基部と、前記基部の先端に設けられ、軸方向に突出する端部とを有することを特徴とする圧粉磁心。
環状または筒状の継鉄部と、前記継鉄部に固定され、軸方向に突出させて前記継鉄部の内周側に設けられた一または複数の爪部とを有する圧粉成形体であって、前記継鉄部の軸方向端面と前記継鉄部の内周面とで形成される第一の境界部、及び、前記継鉄部の軸方向端面と前記爪部の内周側または外周側の面で形成される第二の境界部に曲面が形成されており、前記第一の境界部に設けられた曲面の曲率半径は、前記第二の境界部に設けられた曲面の曲率半径よりも大きいことを特徴とする圧粉成形体。
環状または筒状の継鉄部と、前記継鉄部に固定され、軸方向に突出させて設けられた一または複数の爪部とを有する圧粉成形体であって、前記継鉄部の軸方向端面と前記継鉄部の内周面とで形成される第一の境界部に曲面が形成されており、前記第一の境界部に設けられた曲面の曲率半径は、前記継鉄部の環または筒形状の厚みの５０％以上であることを特徴とする圧粉成形体。
請求項５または６に記載された圧粉成形体であって、前記爪部は、前記継鉄部の内周面上，外周面上，軸方向端面上のいずれかに形成されていることを特徴とする圧粉成形体。
請求項５または６に記載された圧粉成形体であって、
前記成形体の密度は、前記成形体を構成する物質の真密度の９４％以上であることを特徴とするモータ用の固定子。
環状または筒状の継鉄部と、前記継鉄部に固定され、軸方向に突出させて設けられた一または複数の爪部とを有する圧粉成形体を製造するための圧粉成形装置であって、
前記成形体の継鉄部の開口を形成するコア金型と、前記成形体に押圧力を加える上下一対のパンチと、前記成形体の外周形状を形成するダイとを有し、前記コア金型は、前記開口部に爪部を形成するための凹部を有し、前記上下一対のパンチの少なくとも一方は前記コア金型に接する内周側パンチと前記ダイに接する外周側パンチより形成されており、前記内周側パンチは、筒状部と、爪部を形成するための突起構造を有し、前記内周側パンチの筒状部の上面と前記突起部との形成する境界面の曲率半径が、前記筒状部の上面と前記筒状部の内周面とで形成する境界面の曲率半径よりも大きいことを特徴とする圧粉成形装置。
請求項９に記載された圧粉成形装置であって、
前記コア金型は外周側に複数かつ離散された段差構造を有し、
前記下パンチは、少なくとも二つの下パンチよりなり、前記下パンチの少なくとも一方が前記コア金型に接する内周部に段差構造を有することを特徴とする圧粉成形装置。
請求項９または１０に記載された圧粉成形装置を用いる圧粉成形体の製造方法であって、
前記コア金型の外周部に上及び下パンチを取り付け、前記パンチの外周部にダイを取り付け、前記ダイ，コア，パンチの間に粉体を配置し、前記上パンチに圧力を加えることを特徴とする圧粉成形体の製造方法。