JP2017143251A - 磁性板の積層体及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】剛性確保や、締結固定時の形状安定化を可能とする磁性板の積層体を提供する。
【解決手段】磁性板の積層体３は、積層された複数の軟磁性薄帯９からなる積層部１と、積層部の積層方向の上面及び下面から積層部を挟む第１及び第２の金属板（２a,２b）と、第１及び第２の金属板と、積層部と、を貫き、第１及び第２の金属板によって積層部を締結する締結機構（４，５）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟磁性薄帯を積層した磁性板の積層体及び該磁性板の積層体を固定子として用いたモータに関する。

従来のモータ用の鉄心（固定子）の磁性板の積層体としては、純鉄や電磁鋼板が用いられている。また、より効率化を目的としたモータでは、非晶質やナノ結晶粒を有する薄帯を鉄心に用いたものもある（例えば、特許文献１参照。）。

図５は、特許文献１に記載された従来のモータの構造を示す図である。このモータに用いられた固定子鉄心は、まず、単ロール法、双ロール法等の液体急冷法により作製された非晶質合金薄帯を巻回、切断、打ち抜き、エッチング等の方法で所定の形状に加工し、次に積層等を行って形成されている。

これに対して、特許文献２では、積層材２７を接着剤が塗布された複数枚の非晶質合金薄帯２８と電磁鋼板２９とを重ね合わせ、加熱圧着して製造している。図６にアモルファス積層材２７の斜視図を示す。これにより取り扱いが容易になるとしている。

特開平６−１４５９１７号公報 特開２００７−３１１６５２号公報

しかしながら、前記図５の従来の構成では、非晶質あるいは結晶化した軟磁性薄帯を積層して鉄心等の部品を製作する際、積層体の剛性が低いため単体での取り扱いが難しかった。また、積層体を締結して固定する際に、締結部以外の拘束されていない部分は剛性が低いために空気が残り、たわんで隙間が生じる。
図７は、従来の構造による積層体の締結状態を示している。図７（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、上面図であり、（ｃ）は、拡大した側面図である。軟磁性薄帯の積層部２１がワッシャ２２を介してボルト２３で基板２４に取り付けられている。拘束されていない部分（ｃ）を拡大すると、軟磁性薄帯２５のたわみにより、軟磁性薄帯２５間に隙間２６が生じ、占積率が悪くなる。その結果、単位体積あたりの磁性体の比率が低くなり、積層体としての軟磁気特性は低下するだけでなく、形状が不安定になる。

また、図６の構成では、非晶質薄帯の層間に接着剤が入るため占積率が悪くなり、モータ効率が悪くなるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、剛性確保や、締結固定時の磁気特性の安定化を可能とする磁性板の積層体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る磁性板の積層体は、積層された複数の軟磁性薄帯からなる積層部と、
前記積層部の積層方向の上面及び下面から前記積層部を挟む第１及び第２の金属板と、
前記第１及び第２の金属板と、前記積層部と、を貫き、前記第１及び第２の金属板によって前記積層部を締結する締結機構と、
を有する。

本構成によって、剛性が高い金属板で軟磁性薄帯の積層部全体を積層方向について拘束することができる。これによって、積層体の剛性を確保し、また積層体を表面全体で押さえ込むことになるので積層部内の軟磁性薄帯のたわみも防ぎ、磁気特性を安定化させることができる。

以上のように、本発明の磁性板の積層体によれば、積層体の剛性確保や、締結固定時の磁気特性を安定化させることができる。

（ａ）は、実施の形態１に係る磁性板の積層体を用いたモータの側面図であり、（ｂ）は、上面図であり、（ｃ）は、積層部の拡大図である。 実施の形態２に係る磁性板の積層体の構成を示す側面図である。 実施の形態３に係る磁性板の積層体の構成を示す側面図である。 実施の形態４に係る磁性板の積層体の構成を示す側面図である。 特許文献１に記載された従来のモータの構造を示す図である。 特許文献２に記載された従来の磁性板の積層体を示す図である。 （ａ）は、従来の構造による積層体を用いたモータの側面図であり、（ｂ）は、上面図であり、（ｃ）は、積層部の拡大図である。

第１の態様に係る磁性板の積層体は、積層された複数の軟磁性薄帯からなる積層部と、
前記積層部の積層方向の上面及び下面から前記積層部を挟む第１及び第２の金属板と、
前記第１及び第２の金属板と、前記積層部と、を貫き、前記第１及び第２の金属板によって前記積層部を締結する締結機構と、
を有する。

第２の態様に係る磁性板の積層体は、上記第１の態様において、前記複数の軟磁性薄帯の各軟磁性薄帯は、それぞれ互いに局部的に接すると共に、前記各軟磁性薄帯の互いに接する箇所の間には間隙を有してもよい。

第３の態様に係る磁性板の積層体は、上記第２の態様において、前記積層部に占める軟磁性薄帯の体積％である占積率は、７０％以上であって、残部は間隙であってもよい。

第４の態様に係る磁性板の積層体は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記軟磁性薄帯の厚さは、０．０１ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下であってもよい。

第５の態様に係る磁性板の積層体は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記第１及び第２の金属板は、軟磁性であってもよい。

第６の態様に係る磁性板の積層体は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記第１及び第２の金属板は、非磁性であってもよい。

第７の態様に係る磁性板の積層体は、上記第１から第６のいずれかの態様において、前記第１及び第２の金属板の板厚は、軟磁性薄帯の６倍以上であって、前記積層体の厚さの２０％以下であってもよい。

第８の態様に係る磁性板の積層体は、上記第１から第７のいずれかの態様において、前記第１及び第２の金属板は、２枚以上の複数の金属板を積層してもよい。

第９の態様に係る磁性板の積層体は、上記第１から第８のいずれかの態様において、さらに、前記積層部内に設けられた第３の金属板を有してもよい。

第１０の態様に係るモータは、回転子と、
上記第１から第９のいずれかの態様の前記磁性板の積層体からなり、前記回転子を回転可能に内部に格納する固定子と、
を備える。

以下、実施の形態に係る磁性板の積層体及びモータについて、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における磁性板の積層体を用いたモータの構成を示す図であって、具体的にはブラシレスモータについて示している。図１（ａ）は磁性板の積層体３を用いたモータの側面図であり、図１（ｂ）は上面図であり、図１（ｃ）は積層部１の拡大図である。なお、図１（ａ）において、巻き線部分の突出部は省略している。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、この磁性板の積層体３は、非晶質あるいはナノ結晶粒を含有する軟磁性金属薄帯９が積層された積層部１と、その積層方向の上下面から積層部１を挟む２枚の金属板である非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼板２ａ、２ｂと、２枚の金属板２ａ、２ｂと、積層部１と、を貫き、２枚の金属板（第１及び第２の金属板）２ａ、２ｂによって積層部１を締結する締結機構４、５と、を備える。この軟磁性金属薄帯９の積層部１では、各軟磁性金属薄帯９の間を接着剤を用いることなく積層している。この積層体３では、軟磁性金属薄帯９を積層して積層部１を形成する際に、接着剤を用いていないので、界面に接着剤が介在しないために軟磁性金属薄帯の体積分率である占積率を高めることができる。占積率が小さいと、必要な磁気特性を得るために磁性材の量を確保するための積層部１の厚さが厚くなる。その結果、積層部１に巻かれる巻線７が長くなり、巻線７の銅線に発生するジュール熱である銅損が大きくなり、モータ効率は低下する。モータ効率や積層部１の形状維持の観点から、積層部１における軟磁性金属薄帯の体積分率である占積率は、７０％以上が好ましい。
また、積層体３には、軟磁性金属薄帯及びステンレス鋼板２に４箇所設けられた締結用穴に図では見えない円筒形のカラーが入っており、ボルト４とワッシャ５からなる締結機構で金属基板６に固定されている。この円筒形のカラーによって軟磁性薄帯及びステンレス鋼板２の平面方向の位置決めと高さの規制ができる。さらに、巻線７が施されており、中央には回転子８が回転可能に設置されている。

積層体３の形状は製品に応じて異なるが、図１（ａ）〜（ｃ）は、冷蔵庫やエアコンに使用されるハーメチックモータ用で、最大外径は８０ｍｍ、高さ３０ｍｍの場合を示している。軟磁性薄帯（軟磁性金属薄帯）の厚さは０．０３ｍｍ、ステンレス鋼板２の厚さは３ｍｍである。積層体３の上下に設けられたステンレス鋼板２を除いた積層部１の厚さは２４ｍｍである。ここに、例えば、厚さ０．０３ｍｍの軟磁性薄帯をボルト４で締結することにより６８０枚積層した場合には、積層部１に占める軟磁性薄帯の体積分率である占積率は８５％である。締結時に薄帯にかかる負荷を小さくしたい場合では、占積率は７５％以上であった。ステンレス鋼板２は、積層方向に垂直な方向について、軟磁性薄帯の積層部１よりもやや広めであってもよい。これにより巻線７を積層部１から間隔を空けて巻きつけることができるので、軟磁性薄帯を保護できる。軟磁性薄帯の厚さ範囲は、実用的には０．０１ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下であってもよい。さらに、０．０１ｍｍ以上、０．０６ｍｍ以下であってもよい。ステンレス鋼板２ａ、２ｂの板厚は、軟磁性薄帯の１０倍以上あれば単体のたわみ量が３桁以下になるので十分である。しかし、過剰に厚いと、巻線７が施される積層体３における積層部１の比率が小さくなる。その結果、磁性材の量が減り、巻線７が長くなって銅損だけが大きくなり、モータ効率が低下する。ステンレス鋼板２ａ、２ｂの厚さを、最大でも積層体３の厚さの２０％以下とすることで、積層体３に占める積層部１の比率が６０％以上となり、モータ効率の点から好ましい。

図１（ｃ）の積層部１の拡大図に示すように、この積層部１では、各軟磁性薄帯９同士の間、あるいは軟磁性薄帯９とステンレス鋼板２との間には、軟磁性薄帯９の板厚偏差、あるいは積層時に層間に入った空気により隙間（間隙）１０が存在する。ステンレス鋼板２で積層部１を積層方向に圧縮しているので、図７で述べたような、たわみによる隙間の発生原因は解決されている。一方、軟磁性薄帯９の製作は、溶融状態の原材料合金を回転するドラム状の冷却装置に落下させることで、連続した非晶質薄帯として得られる。この非晶質薄帯は、製作状態の変動に起因して、幅方向や走行方向において０．５μｍ以上の板厚偏差を有している。また、板厚偏差以下の大きさであるが、凝固に伴う凹凸の表面荒れや微小な空隙も存在する。ナノ結晶粒を生じさせるためには、非晶質薄帯を熱処理するが、この処理の後には熱ひずみに起因した微小なシワなども発生する。したがって、非晶質薄帯やナノ結晶粒を含む薄帯を積層すると、層間に隙間１０が生じる。非晶質薄帯の幅方向に起因する板厚偏差を軽減するには、軟磁性薄帯９の形状を中央部に対して回転対称とし、軟磁性薄帯９の向きを回転させて積層することで、特定方向に積層厚さの差を軽減できる。また、軟磁性薄帯９の表面には非晶質薄帯であれナノ結晶粒を含む薄帯であれ酸化層が存在する。各軟磁性薄帯９の間には、接着剤はなく、これらの隙間１０や酸化層が存在する。このため、軟磁性薄帯９を直接積層して局部的には相互に接することがあっても、大きな磁気特性の低下を起こさずに、接着剤を介する場合よりも占積率を高めることができ、モータを効率的に駆動させることができる。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る磁性板の積層体３ａの構成図である。図２に示すように、実施の形態２に係る磁性板の積層体３ａは、実施の形態１と対比すると、積層部１を挟む金属板として、電磁鋼板１１ａ、１１ｂを用いた点で相違する。電磁鋼板１１ａ、１１ｂとしては、例えば金属薄帯と同じく軟磁性材料である珪素鋼を用いることができる。また、電磁鋼板１１ａ、１１ｂは、その板厚が０．１５〜０．５ｍｍの範囲のものを用いることができる。また、電磁鋼板１１ａ、１１ｂの厚さは、積層部１を構成する軟磁性薄帯９の厚さよりも厚いことが好ましい。普及的な板厚の薄い組合せは、電磁鋼板が０．１５ｍｍ、薄帯が０．０２５ｍｍなので、板厚の比は６倍以上である。この軟磁性の電磁鋼板１１ａ、１１ｂを第１及び第２の金属板として用いることによって、この磁性板の積層体３ａを用いたモータの磁気特性損失は、図１の場合に比べ、小さくすることができる。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３に係る磁性板の積層体３ｂの構成図である。図３に示すように、実施の形態３に係る磁性板の積層体３ｂは、実施の形態１及び実施の形態２に係る磁性板の積層体と対比すると、積層部１の上下に電磁鋼板１１ａ、１１ｂを各２枚設けた点で相違する。電磁鋼板１１ａ、１１ｂは、うず電流損失を小さくするため板厚は薄いものが多いので、２枚以上の複数の電磁鋼板１１ａ、１１ｂを設けることで、板厚が厚い場合と同様に剛性を一層高めることができる。剛性を確保するには、複数の電磁鋼板の少なくとも一部が接合されていることが望ましく、層間面が接合されているとなお好ましい。接合方法は、接着、溶接やカシメなどのいずれの方法であってもよい。
また、複数の電磁鋼板１１ａ、１１ｂの一部を非磁性の金属板に置き換えても良い。

（実施の形態４）
図４は、実施の形態４に係る磁性板の積層体３ｃの構成図である。図４に示すように、実施の形態４に係る磁性板の積層体３ｃは、実施の形態１及び実施の形態２に係る磁性板の積層体と対比すると、積層部１の上下面の第１及び第２の金属板１１ａ、１１ｂだけでなく、積層部１内にも第３の電磁鋼板１１ｃを設けている点で相違する。このように積層部１内に電磁鋼板１１ｃを設けた構造により、積層体３ｃの剛性はより一層高くなる。

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。

本発明に係る磁性板の積層体によれば、鉄心の剛性確保及び締結固定時の形状安定化が可能となる。そこで、本発明に係る磁性板の積層体は、モータの固定子として有用である。さらに、本発明に係る磁性板の積層体は、モータ以外にトランス等の磁気応用した電子部品の用途にも適用できる。

１ 積層部
２ａ、２ｂ オーステナイト系ステンレス鋼板
３ 積層体
４ ボルト
５ ワッシャ
６ 金属基板
７ 巻線
８ 回転子
９ 軟磁性金属薄帯
１０ 間隙（隙間）
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 電磁鋼板
２１ 積層部
２２ ワッシャ
２３ ボルト
２４ 基板
２５ 軟磁性薄帯
２６ 隙間

Claims (10)

1. 積層された複数の軟磁性薄帯からなる積層部と、
   前記積層部の積層方向の上面及び下面から前記積層部を挟む第１及び第２の金属板と、
   前記第１及び第２の金属板と、前記積層部と、を貫き、前記第１及び第２の金属板によって前記積層部を締結する締結機構と、
   を有する、磁性板の積層体。
2. 前記複数の軟磁性薄帯の各軟磁性薄帯は、それぞれ互いに局部的に接すると共に、前記各軟磁性薄帯の互いに接する箇所の間には間隙を有することを特徴とする請求項１に記載の磁性板の積層体。
3. 前記積層部に占める軟磁性薄帯の体積％である占積率は、７０％以上であって、残部は間隙である、請求項２に記載の磁性板の積層体。
4. 前記軟磁性薄帯の厚さは、０．０１ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の磁性板の積層体。
5. 前記第１及び第２の金属板は、軟磁性であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性板の積層体。
6. 前記第１及び第２の金属板は、非磁性であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性板の積層体。
7. 前記第１及び第２の金属板の板厚は、軟磁性薄帯の６倍以上であって、前記積層体の厚さの２０％以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の磁性板の積層体。
8. 前記第１及び第２の金属板は、２枚以上の複数の金属板を積層することを特徴とする請求項７に記載の磁性板の積層体。
9. さらに、前記積層部内に設けられた第３の金属板を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の磁性板の積層体。
10. 回転子と、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の磁性板の積層体からなり、前記回転子を回転可能に内部に格納する固定子と、
    を備えたモータ。

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