JP2020182306A - モータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのステータコアの機械的強度を確保しつつ、モータの出力を向上することができるモータを提供する。【解決手段】外周部分２２Ａと内周部分２２Ｂで構成される環状のヨーク２２と、ヨーク２２の内周部分２２Ｂから内側に延在したティース２３、２３、…とが形成されたステータコアと、ティース２３、２３、…に巻回されたコイル２８とを含むステータ２と、ステータ２の内側に回転自在に配置されたロータ３と、を備えたモータ１である。ステータコア２０は、軟磁性材料からなる複数のシート材２１を積層したものである。シート材２１は、積層されたシート材２１、２１同士が拘束される拘束部２６を、ヨーク２２の外周部分２２Ａに相当する第１部分２１ａに有しており、第１部分２１ａのうち少なくとも拘束部２６が、アモルファス系軟磁性材料からなり、シート材２１のうち第１部分２１ａを除く第２部分２１ｂが、ナノ結晶系軟磁性材料からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、コイルがステータコアに巻回されたステータと、ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えたモータおよびその製造方法に関する。

従来のモータや変圧器などには、コアとして、アモルファス系軟磁性材料からなる複数枚の板材を積層した積層体が利用されている。このような積層体の板材同士は、保持部材または締結部材などで拘束される（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−２３６９１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のコアは、アモルファス系軟磁性材料からなるので、飽和磁化が低く、このコアをモータに使用した場合には、モータトルクの低下を招くことがある。そこで、アモルファス系軟磁性材料を加熱することで結晶化すると、コアの飽和磁化を高めることができるが、機械的強度が低下する。このように結晶化した材料からなるシート材を、たとえば、ステータコアに積層体として適用した場合には、製造時および使用時に、積層されたシート材同士が拘束される拘束部に応力が作用し易いため、シート材が損傷するおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、モータのステータコアの機械的強度を確保しつつ、モータの出力を向上することができるモータと、これを安定して製造することができる製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係るモータは、外周部分と内周部分で構成される環状のヨークと、前記ヨークの内周部分から内側に延在したティースとが形成されたステータコアと、前記ティースに巻回されたコイルとを含むステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えたモータであって、前記ステータコアは、軟磁性材料からなる複数のシート材を積層したものであり、前記シート材は、積層された前記シート材同士が拘束される拘束部を、前記ヨークの前記外周部分に相当する第１部分に有しており、前記第１部分のうち少なくとも前記拘束部が、アモルファス系軟磁性材料からなり、前記シート材のうち前記第１部分を除く第２部分が、ナノ結晶系軟磁性材料からなることを特徴とする。

本発明では、ステータコアは、複数のシート材を積層したものである。このシート材同士が拘束される拘束部には、モータの使用時に熱応力などの応力が作用し易い。本発明では、拘束部が、ナノ結晶系軟磁性材料よりも機械的強度が高いアモルファス系軟磁性材料からなるため、たとえ拘束部に応力集中が発生したとしても、拘束部を起点とした破損を防止することができる。

一方、拘束部を有する第１部分は、ヨークの外周部分に相当し、第２部分は、第１部分を除くシート材の部分であるため、モータの使用時の磁路が形成されるヨークの内周部分とティースに相当する。本発明では、第２部分は、アモルファス系軟磁性材料に比べて飽和磁化が高いナノ結晶系軟磁性材料からなるので、モータの出力特性を向上させることができる。

ここで、第１部分のうち、拘束部がアモルファス系軟磁性材料からなれば、第１部分のその他の部分は、アモルファス系軟磁性材料またはナノ結晶系軟磁性材料のいずれであってもよい。しかしながら、より好ましい態様としては、前記第１部分が、アモルファス系軟磁性材料からなる。

この態様によれば、拘束部を有する第１部分はヨークの外周部分に相当し、この第１部分がアモルファス系軟磁性材料からなる。したがって、環状のステータコアの外側部分に強度が高い材料が配置されることになるので、ステータコアの剛性を高めることができる。

ここで、拘束部は、積層されるシート材同士が拘束される部分であるので、たとえば、この拘束部は、締結部材等で拘束されていてもよく、その拘束部の態様は特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記拘束部は、前記各シート材の一方面に凹部が形成されることにより、その他方面から突出した突出部であり、前記各シート材の前記突出部が、隣接する前記シート材の前記凹部に嵌合している。

各シート材の拘束部である突出部は、隣接するシート材の凹部に嵌合しているため、突出部は応力が集中し易い。しかしながら、この態様によれば、このような応力の集中が発生したとしても、突出部（拘束部）はナノ結晶系軟磁性材料よりも機械的強度が高いアモルファス系軟磁性材料からなるので、突出部の損傷を抑えることができる。

さらに好ましい態様としては、前記シート材の厚さは、０．０１ｍｍ以上かつ０．０５ｍｍ以下である。この態様によれば、ステータコアのシート材の厚さが、このような範囲であっても、ステータコアの機械的強度を確保することができ、さらには、ステータコアの鉄損を抑えることができる。

本発明に係るモータの製造方法は、外周部分と内周部分で構成される環状のヨークと、前記ヨークの内周部分から内側に延在したティースとが形成されたステータコアと、前記ティースに巻回されたコイルとを含むステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えたモータの製造方法であって、前記ステータコアは、軟磁性材料からなる複数のシート材を積層したものであり、前記製造方法は、アモルファス系軟磁性材料からなり、かつ、前記ステータコアの形状に応じた前記シート材を準備する工程と、準備した前記シート材に対して、前記積層する前記シート材同士が拘束される拘束部を、前記外周部分に相当する第１部分に設定し、少なくとも前記拘束部を前記アモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、前記シート材のうち前記第１部分を除く第２部分を少なくとも加熱することにより、少なくとも前記第２部分を前記アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する工程と、結晶化した前記シート材を積層し、積層した前記シート材の前記拘束部で、前記シート材同士を拘束する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明のモータの製造方法によれば、ステータコアは、複数のシート材を積層したものであり、拘束する工程において、シート材同士を拘束部で拘束する。ここで、拘束部には応力が作用し易いが、本発明では、結晶化する工程において、拘束部は、ナノ結晶系軟磁性材料よりも機械的強度が高いアモルファス系軟磁性材料に維持されている。これにより、拘束する工程において、拘束部でシート材同士を拘束しても、シート材が損傷することを防止することができる。

一方、拘束部を有する第１部分は、ヨークの外周部分に相当し、第２部分は、第１部分を除くシート材の部分であるため、モータの使用時の磁路が形成されるヨークの内周部分とティースに相当する。本発明では、結晶化する工程において、各シート材の第２部分は加熱されて、アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する。これにより、第２部分は、アモルファス系軟磁性材料に比べて飽和磁化が高いナノ結晶系軟磁性材料からなるので、モータの出力特性を向上させることができる。

ここで、結晶化する工程において、第１部分のうち、拘束部がアモルファス系軟磁性材料に維持されるのであれば、第１部分のその他の部分は、アモルファス系軟磁性材料に維持されていてもよく、ナノ結晶系軟磁性材料に結晶化していてもよい。しかしながら、より好ましい態様としては、前記結晶化する工程において、前記第１部分がアモルファス系軟磁性材料に維持されるように、前記第２部分を加熱する。

これにより、拘束部を有する第１部分はヨークの外周部分に相当し、この第１部分がアモルファス系軟磁性材料からなる。したがって、環状のステータコアの外側部分に強度が高い材料が配置されることになるので、ステータコアの剛性を高めることができる。

ここで、拘束する工程において、拘束部は締結部材等で拘束されていてもよく、シート材の拘束する方法は特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記拘束する工程において、前記積層した前記シート材に対して、前記各シート材の一方面に凹部が形成され、その他方面から前記拘束部として突出部が形成されるように、前記シート材を変形させながら、前記各シート材の前記突出部を、隣接する前記シート材の凹部に嵌合させる。

この態様によれば、各シート材に設定された拘束部は、アモルファス系軟磁性材料からなるので、各シート材の一方面に凹部が形成され、その他方面から突出部が形成されるように、各シート材に設定された拘束部を変形させたとしても、拘束部が損傷することを抑えることができる。

さらに好ましい態様としては、前記シート材を準備する工程において、前記シート材として、厚さが０．０１ｍｍ以上かつ０．０５ｍｍ以下のシート材を準備する。この態様によれば、ステータコアにシート材の厚さが０．０１ｍｍ以上かつ０．０５ｍｍ以下のシート材を用いたとしても、ステータコアの機械的強度を確保することができ、さらには、ステータコアの鉄損を抑えることができる。ここで、シート材の厚さは薄い方がステータコアの鉄損は小さいので好ましいが、厚さが０．０１ｍｍ未満のシート材は製造し難いため、シート材の製造にあたりコストと時間を多大に要する。一方、厚さが０．０５ｍｍを超えるシート材は、ステータコアの鉄損を十分に抑えることが難しい場合がある。

本発明に係るにモータによれば、ステータコアの機械的強度を高めつつ、モータの出力を向上することができる。また、本発明に係るにモータの製造方法によれば、このような特性を有したモータを容易に製造することができる。

本発明の第１実施形態に係るモータの一実施形態を示す平面図である。 図１に示すモータの１／８モデルの回転軸に直交する方向の拡大断面図である。 図１に示すステータコアの模式的斜視図である。 図３Ａに示すステータコアを構成するシート材の平面図である。 図３Ｂの拘束部の近傍の断面図である。 図１に示すロータに永久磁石を挿入する状態を示す模式的斜視図である。 本実施形態に係るモータの製造方法のフロー図である。 図５に示す結晶化工程を説明するための模式的斜視図である。 図５に示す積層・拘束工程におけるシート材の積層を説明するための模式的断面図である。 図５に示す積層・拘束工程におけるシート材同士の拘束を説明するための模式的断面図である。 本発明の第２実施形態に係るモータのステータコアの模式的斜視図である。 図８Ａに示すステータコアを構成するシート材の一部を示した平面図である。 実施例、比較例１、２および参考例の解析モデルによるモータの最大トルクの結果を示すグラフである。 アモルファス系軟磁性材料の引張強さと、ナノ結晶系軟磁性材料の引張強さを示したグラフである。 アモルファス系軟磁性材料の飽和磁束密度と、ナノ結晶系軟磁性材料の飽和磁束密度を比較するグラフである。

以下、図面を参照して本発明に係るモータの第１および第２実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
１．モータ１について
図１に示す、本実施形態に係るモータ１は、埋込磁石型モータ（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）である。モータ１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車の駆動源として用いられる。モータ１は、コイル２８が巻回されたステータ２と、ステータ２の内側に回転自在に配置されたロータ３と、を備えている。

ステータ２は、ステータコア２０とコイル２８とを含む。ステータコア２０には、円環状のヨーク（バックヨーク）２２と、ヨーク２２の内側に（具体的にはロータ３側に）延在した複数のティース２３、２３、…とが形成されている。

ヨーク２２は、環状の外周部分（外周ヨーク部）２２Ａと、外周部分２２Ａの内側を周回するように形成された環状の内周部分（内周ヨーク部）２２Ｂとで構成されている。ティース２３は、ヨーク２２の内周部分２２Ｂから内側に（具体的には、ロータ３の回転軸方向に）延在している。複数のティース２３は、ヨーク２２の周方向に沿って等間隔に形成されている。隣り合うティース２３、２３同士の間には、スロット２４が形成されている。各ティース２３にはコイル２８が巻回されており、スロット２４にはコイル２８の巻線が配置されている。

コイル２８は、集中巻または分布巻などによりステータ２の内周側に配置されている。コイル２８に電流が通電されると、ロータ３を回転させるための磁界が生成される。なお、ヨーク２２の内周部分２２Ｂは、この磁界の磁路が形成される部分であり、ヨーク２２の外周部分２２Ａは、この磁路が形成されていない部分であることがより好ましい。

ステータコア２０は、軟磁性材料からなる複数のシート材２１、２１…を積層したものである。本実施形態では、軟磁性材料は、ナノ結晶系軟磁性材料と、アモルファス系軟磁性材料のいずれかである。後述するシート材２１、２１、…は、アモルファス系軟磁性材料を出発材料とし、これをシート材２１の一部に残して、ナノ結晶系軟磁性材料に結晶化したシート材である。各シート材２１の厚さは、特に限定されるものではないが、０．０１ｍｍ以上かつ０．０５ｍｍ以下であることが好ましく、このようなシート材２１は、金属箔から成形されることが好ましい。シート材２１の厚さは薄い方が、ステータコア２０の鉄損が小さいので好ましい。しかしながら、厚さが０．０１ｍｍ未満のシート材２１は製造し難いため、シート材２１の製造にあたりコストと時間を多大に要する。一方、厚さが０．０５ｍｍを超えるシート材２１は、ステータコア２０の鉄損を十分に抑えることが難しい場合がある。

前記したように、ステータ２は、円環状に形成されたステータコア２０を備えている。図３Ａ、図３Ｂに示すように、ステータコア２０を構成する複数のシート材２１、２１、…は、例えばステータコア２０の中心軸に対して中心角が１２０度となる位置で３つに分割されている。したがって、分割された、３つの扇状のシート材２１、２１…をつなげることで円環状となる。

本実施形態では、ステータコア２０は、複数の扇状のシート材２１、２１、…を積層した複数の積層体２０Ａ（２０Ｂ）により構成されている。積層体２０Ａ、２０Ａ（２０Ｂ、２０Ｂ）同士を円環状となるように配置した状態で積層体同士が相互に固定されている。

本実施形態では、ステータコア２０は、３つの積層体２０Ａによる円環状部分と、３つの積層体２０Ｂによる円環状部分とを、２段に積み重ねることで構成されている。しかしながら、それ以上の段数であってもよく、これに限定されるものではない。また、本実施形態では、シート材２１は、ステータコア２０の中心軸に対して、中心角１２０度ごとに３つに分割されていたが、これらの分割される分割数は、特に限定されるものではなく、２つ、または、４つ以上に分割されていてもよい。また、シート材２１が、後述する第２実施形態の如く、ステータコア２０の形状に応じた１つシート材を積層した積層体であってもよい。

本実施形態では、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、各シート材２１は、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとで構成されている。第１部分２１ａは、ヨーク２２の外周部分２２Ａに相当する部分である。第２部分２１ｂは、第１部分２１ａ以外の部分であり、具体的には、ヨーク２２の内周部分２２Ｂとティース２３、２３、…に相当する部分である。

本実施形態では、図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、各シート材２１は、積層されたシート材２１、２１同士が拘束される拘束部２６を第１部分２１ａに有している。具体的には、本実施形態では、拘束部２６は突出部２６Ａであり、後述するかしめにより形成された部分である。突出部２６Ａは、積層したシート材２１、２１…の一部を変形させることにより、シート材２１、２１同士を固定する部分である。

本実施形態では、突出部２６Ａは、各シート材２１の一方面２１ｃに凹部２６ａが形成されることにより、シート材２１の他方面２１ｄから突出している。各シート材２１の突出部２６Ａは、他方面２１ｄ側において隣接するシート材２１の凹部２６ａに嵌合している。これにより、隣接するシート材２１、２１同士が拘束される。

なお、本実施形態では、その一例として、積層した３枚のシート材２１に拘束部２６を設け、拘束したシート材２１の積層体をさらに積層することにより、積層体２０Ａ、２０Ｂを構成する。しかしながら、拘束部２６で拘束することができるのであれば、積層するシート材２１の枚数は、特に限定されるものではない。

本実施形態では、シート材２１のうち、第１部分２１ａがアモルファス系軟磁性材料からなり、第２部分２１ｂがナノ結晶系軟磁性材料からなる。したがって、本実施形態では、拘束部２６である突出部２６Ａは、アモルファス系軟磁性材料からなる。また、第１部分２１ａがアモルファス系軟磁性材料であることから、ヨーク２２の外周部分２２Ａの軟磁性材料は、アモルファス系軟磁性材料である。一方、第２部分２１ｂがナノ結晶系軟磁性材料であることから、ヨーク２２の内周部分２２Ｂとティース２３、２３、…の軟磁性材料は、ナノ結晶系軟磁性材料である。これらの詳細な材料特性については、後述する。

つぎに、ロータ３について、図１、図２、および図４を参照して説明する。ロータ３は、ロータコア３０と、ロータコア３０の中央に形成された軸孔３１に挿通される回転シャフト４と、ロータコア３０に形成された複数の貫通孔３２Ａに埋設された複数の磁石５（５Ｌ、５Ｍ、５Ｒ）と、を備えている。回転シャフト４は、金属製であり、ロータコア３０の軸孔３１に挿通された状態で、かしめ等によりロータコア３０に固定されている。なお、図１および図２では、符号５は記していないが、本明細書では、５Ｌ、５Ｍ、５Ｒの各磁石を総称して、磁石５と表現する。

各磁石５は、板状の永久磁石である。図１および図４に示すように、磁石５は、ロータ３の回転方向（図１に示す矢印方向）に沿って配置されている。具体的には、図２に示すように、ロータ３の回転方向に沿って４５度毎に、左磁石５Ｌ、中磁石５Ｍ、および右磁石５Ｒとからなる磁石組１０が配置されている。各磁石５は、左磁石５Ｌ、中磁石５Ｍおよび右磁石５Ｒのいずれかに該当する。また、中磁石５Ｍの両側に配置された左磁石５Ｌと右磁石５Ｒとは、磁石５に対して、説明の便宜上、図示した位置を示すものである。したがって、中磁石５Ｍに対して、一方側および他方側に、磁石５が配置されていればよい。

磁石組１０のうち、中磁石５Ｍのステータ２に隣接する側がＮ極、その反対側がＳ極である。左磁石５Ｌおよび右磁石５Ｒは、中磁石５Ｍと隣接する磁極との間で極性が互いに逆になるようにそれぞれ配置されている。すなわち、左磁石５Ｌは、中磁石５ＭのＮ極よりもＳ極に近いため、その中磁石５Ｍに隣接する側がＮ極になっている。同様に、右磁石５Ｒは、中磁石５ＭのＮ極よりもＳ極に近いため、その中磁石５Ｍに隣接する側もＮ極になっている。

ロータコア３０には、複数の貫通孔３２Ａ、３２Ｂが設けられている。磁石５は、貫通孔（磁石スロット）３２Ａの内部に嵌め込まれ、貫通孔３２Ａには、樹脂１１が充填されている。樹脂１１としては、成形性と耐熱性に優れた熱硬化性樹脂が用いられる。熱硬化性樹脂としては、たとえばエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等を用いることができる。なお、磁石５には、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。

本実施形態では、ロータコア３０は、軟磁性材料からなる複数のシート材３０ａが、ロータ３の回転軸方向に沿って積層されたものである。シート材３０ａを構成する軟磁性材料は、後述するナノ結晶系軟磁性材料であることが好ましく、その場合のシート材３０ａの厚みは、０．０１ｍｍ以上かつ０．０５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、ロータコア３０は、シート材３０ａの代わりに、電磁鋼板を積層したものであってもよい。

ロータコア３０を構成するシート材３０ａの間には、耐熱性樹脂などの接着層を配置してもよく、積層状態を維持することができるのであれば、接着層を配置しなくてもよい。耐熱性樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂を用いることができ、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、またはアクリル系樹脂などが挙げられる。

ここで、ステータコア２０のシート材２１を構成するアモルファス系軟磁性材料およびナノ結晶系軟磁性材料について説明する。アモルファス系軟磁性材料およびナノ結晶系軟磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の磁性金属と、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の非磁性金属とから構成されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

アモルファス系軟磁性材料またはナノ結晶系軟磁性材料の代表的な材料として、例えば、ＦｅＣｏ系合金（例えばＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（例えばＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）、ＦｅＡｌ系合金又はＦｅＳｉ系合金（例えばＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＴａ系合金（例えばＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）またはＦｅＺｒ系合金（例えばＦｅＺｒＮなど）を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。Ｆｅ系合金の場合にはＦｅは８０ａｔ％以上含まれることが好ましい。

また、アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料の他の材料として、例えば、Ｃｏと、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ及びＹのうち少なくとも１種とを含有するＣｏ合金を用いることができる。Ｃｏ合金中Ｃｏは８０ａｔ％以上含まれることが好ましい。このようなＣｏ合金は、製膜した場合にアモルファスとなり易く、結晶磁気異方性、結晶欠陥及び粒界が少ないため、非常に優れた軟磁性を示す。好適なアモルファス系軟磁性材料としては、例えばＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＮｂ、及びＣｏＺｒＴａ系合金などを挙げることができる。

本明細書でいうアモルファス系軟磁性材料は、主構造としてアモルファス構造を有する軟磁性材料である。アモルファス構造の場合には、Ｘ線回折パターンには明瞭なピークは見られず、ブロードなハローパターンのみが観測される。一方、アモルファス構造に熱処理を加えることでナノ結晶構造を形成することができるが、ナノ結晶構造を有するナノ結晶系軟磁性材料では、結晶面の格子間隔に対応する位置に回折ピークが観測される。その回折ピークの幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて結晶子径を算出することができる。

本明細書でいうナノ結晶系軟磁性材料では、ナノ結晶とは、Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径が１μｍ未満のものをいう。本実施形態において、ナノ結晶の結晶子径（Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径）は、好ましくは１００ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以下である。また、ナノ結晶の結晶子径は、好ましくは５ｎｍ以上である。ナノ結晶の結晶子径がこのような大きさであることで、磁気特性の向上が見られる。なお、従来の電磁鋼板の結晶子径は、μｍオーダーであり、一般的には、５０μｍ以上である。

ここで、後述する図１０Ａの結果からも明らかなように、アモルファス系軟磁性材料の引張強さは、ナノ結晶系軟磁性材料のものよりも高い。さらに、アモルファス系軟磁性材料の飽和磁束密度は、ナノ結晶系軟磁性材料のものよりも低い。このような点から、本実施形態に係るモータ１は以下の効果を奏する。

本実施形態によれば、ステータコア２０は、複数のシート材２１、２１、…を積層したものである。このシート材２１、２１同士が拘束される拘束部２６には、モータ１の使用時に熱応力などの応力が作用し易い。特に、本実施形態では、拘束部２６を、突出部２６Ａとすることにより、突出部２６Ａには応力がさらに集中し易い。しかしながら、本実施形態では、拘束部２６（突出部２６Ａ）が、ナノ結晶系軟磁性材料よりも機械的強度が高いアモルファス系軟磁性材料からなるため、拘束部２６（突出部２６Ａ）に応力集中が発生したとしても、拘束部２６（突出部２６Ａ）を起点とした破損を防止することができる。

特に、本実施形態では、突出部２６Ａを有する第１部分２１ａはヨーク２２の外周部分２２Ａに相当し、この第１部分２１ａがアモルファス系軟磁性材料からなる。したがって、環状のステータコア２０の外側の部分に機械的強度が高い材料が配置されることになるので、ステータコア２０の剛性を高めることができる。

なお、本実施形態では、拘束部２６（突出部２６Ａ）を含む第１部分２１ａの全体が、アモルファス系軟磁性材料であったが、たとえば、拘束部２６（突出部２６Ａ）のみが、アモルファス系軟磁性材料であってもよい。この場合には、拘束部２６（突出部２６Ａ）を除く第１部分２１ａと、第２部分２１ｂがナノ結晶系軟磁性材料からなる。

第２部分２１ｂは、第１部分２１ａを除くシート材２１の部分であるため、モータ１の使用時の磁路が形成されるヨーク２２の内周部分２２Ｂとティース２３、２３、…に相当する。第２部分２１ｂは、アモルファス系軟磁性材料に比べて飽和磁化が高いナノ結晶系軟磁性材料からなるので、モータ１の出力特性を向上させることができる。さらに、ロータコア３０を、ナノ結晶系軟磁性材料からなる複数のシート材３０ａを積層した積層体とすれば、モータ１の出力特性をさらに向上させることができる。

２．モータ１の製造方法について
以下に図５のフロー図を参照しながら、モータ１の製造方法（具体的には、ステータコア２０の製造方法）を説明する。

２−１．シート材準備工程Ｓ１について
まず、ステータ２のステータコア２０を構成するシート材２１を準備する。シート材２１は、アモルファス系軟磁性材料からなる。シート材２１は、ロータ３の回転軸と直交する断面において、ステータコア２０の形状に応じた形状を有している。本実施形態では、シート材２１は、扇形状である。

アモルファス系軟磁性材料は、例えば、上に示した組成となるように配合された金属原料を高周波溶解炉などにより高温で溶融して均一な溶湯とし、これを急冷して得ることができる。急冷速度は、材料にもよるが、例えば約１０^６℃／ｓｅｃであり、結晶化する前に、アモルファス構造を得ることができれば、その急冷速度は特に限定されない。本実施形態では、シート材２１は、回転する冷却ロールに金属原料の溶湯を吹きつけることでアモルファス系軟磁性材料からなる帯状の金属箔を製造し、これを、ステータコア２０の形状に応じた形状（シート材２１の形状）に打ち抜き成形することにより得ることができる。このように、溶湯を急冷することにより、材料が結晶化する前に、アモルファス構造の軟磁性材料を得ることができる。シート材２１の厚みは、例えば０．０１ｍｍ以上かつ０．０５ｍｍ以下であることが好ましい。

２−２．結晶化工程Ｓ２について
この工程では、準備したシート材２１を熱処理することでシート材２１の材料を結晶化する。まず、本実施形態では、シート材２１に対して、積層するシート材同士２１、２１が拘束される拘束部２６を、ヨーク２２の外周部分２２Ａに相当する第１部分２１ａに設定する。なお、この時点では、設定された拘束部２６は、突出部２６Ａとして変形しておらず、本実施形態では、第１部分２１ａの全体を設定することにより、各拘束部２６が設定されることになる。

次に、設定した拘束部２６を含む第１部分２１ａを、アモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、シート材２１の第２部分２１ｂ（第１部分２１ａを除く部分）を加熱する。これにより、第２部分２１ｂをアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する（変質させる）。すなわち、この工程では、第１部分２１ａの軟磁性材料は、アモルファス構造のままに維持し、第２部分２１ｂの軟磁性材料のアモルファス構造を、加熱によりナノ結晶構造に変化させる。

具体的には、図６に示すように、加熱装置７の一対の金型７１、７２に準備したシート材２１を挟み込むことにより、シート材２１を部分的に加熱する。本実施形態では、一対の金型７１、７２は、シート材２１の第２部分２１ｂに接触して、第２部分２１ｂを加熱するヒータを備えた加熱ブロック７１ａ、７２ａと、シート材２１の第１部分２１ａに接触して、第１部分２１ａを冷却する冷媒が流れる冷却ブロック７１ｂ、７２ｂを備えている。なお、第１部分２１ａが、第２部分２１ｂを加熱する熱により、結晶化しなければ、金型７１、７２の構成は特に限定されるものではない。

結晶化工程Ｓ２では、加熱ブロック７１ａ、７２ａが第２部分２１ｂに接触し、第２部分２１ｂが加熱されるため、第２部分２１ｂのアモルファス系軟磁性材料を、第２部分２１ｂをナノ結晶系軟磁性材料に結晶化することができる。一方、第１部分２１ａは、冷却ブロック７１ｂ、７２ｂに接触しているので、第１部分２１ａは、加熱ブロック７１ａ、７２ａによる加熱の影響を受け難く、第１部分２１ａのアモルファス系軟磁性材料の結晶化が抑えられ、アモルファス系軟磁性材料に維持することができる。

シート材２１の第２部分２１ｂの熱処理の条件は、その材料を結晶化できる条件であれば、特に制限されるものではなく、金属原料の組成や発現させたい磁気特性などを考慮して適宜選択される。したがって、加熱部による熱処理の温度は、特に限定するものではないが、例えば、シート材２１の軟磁性材料の結晶化温度よりも高い温度である。これにより、アモルファス系軟磁性材料の熱処理により、アモルファス系軟磁性材料をナノ結晶系軟磁性材料に変化させることができる。熱処理は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。

結晶化温度は、結晶化が生じる温度である。結晶化の際には発熱反応が起きるため、結晶化温度は、結晶化に伴って発熱する温度を測定することで決定することができる。例えば、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を用い、所定の加熱速度（例えば０．６７Ｋｓ^−１）の条件下で結晶化温度を測定することができる。アモルファス系軟磁性材料の結晶化温度は、材質によって異なるが、例えば、３００〜５００℃である。また、同様に、ナノ結晶系軟磁性材料の結晶化温度も、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により測定することができる。ナノ結晶系軟磁性材料では、既に結晶が生じているが、結晶化温度以上に加熱することによりさらなる結晶化が生じる。ナノ結晶系軟磁性材料の結晶化温度は、材質によって異なるが、例えば、３００〜５００℃である。

なお、第１部分２１ａは、結晶化工程Ｓ２後に、アモルファス系軟磁性材料に維持されていればよく、たとえば、第２部分２１ｂが加熱される際の第１部分２１ａの温度は、０℃〜２００℃、好ましくは、２０℃〜１５０℃である。したがって、本実施形態では、結晶化工程Ｓ２において、第１部分２１ａは、冷却ブロック７１ｂ、７２ｂにより冷却されるが、たとえば、一対の金型に第１部分２１ａに接触しない逃がし部（凹部）を設けて、第１部分２１ａが加熱ブロック７１ａ、７２ａで直接的に加熱されることを防止してもよい。

この工程における、加熱温度は、アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料への結晶化温度以上であれば特に制限されるものではないが、例えば、３５０℃以上であり、好ましくは４００℃以上である。加熱温度を４００℃以上とすることにより、効率的に結晶化を進めることができる。また、加熱温度は、例えば、６００℃以下であり、好ましくは５２０℃以下である。加熱温度を５２０℃以下とすることにより、過度の結晶化を防ぎ易くなり、副生成物（例えば、Ｆｅ_２Ｂなど）の発生を抑制することができる。

熱処理工程における加熱時間は、特に制限されるものではないが、好ましくは１秒以上１０分以下であり、より好ましくは１秒以上５分以下である。

２−３．積層・拘束工程Ｓ３について
次に、積層・拘束工程Ｓ３を行う。この工程では、図７Ａに示すように、結晶化工程Ｓ２後のシート材２１を、シート材２１の厚さ方向に積層する。次に、図７Ｂに示すように、シート材２１に拘束部２６として突出部２６Ａをかしめにより成形し、シート材２１、２１同士を固定する。具体的には、図７Ａに示すように凹部８１ａが形成された受台８１に、積層した複数のシート材２１、２１、…を載置する。次に、図７Ｂに示すように、受台８１に向かってピン８２を移動し、シート材２１、２１、…を押圧する。

この押圧により、積層したシート材２１、２１、…に対して、各シート材２１の一方面２１ｃに凹部２６ａが形成され、その他方面２１ｄから突出部２６Ａが形成されるように、シート材２１、２１を変形させる。この変位により、各シート材２１、２１の突出部２６Ａを、隣接するシート材２１の凹部２６ａに嵌合させる。このようにして、突出部２６Ａにより、積層したシート材２１が拘束される。複数のシート材２１、２１、…を突出部２６Ａで固定した積層体を複数作製し、これらの積層体を上述のかしめ又は樹脂などを介してさらに積層しつつ固定することにより、図３Ａに示す積層体２０Ａ、２０Ｂを作製する。積層体２０Ａ、２０Ｂを図３Ａに示すように配置し、これらを相互に樹脂などで固定することにより、ステータコア２０を得ることができる。ステータコア２０を作製した後、巻線工程Ｓ４において、コイル２８をティース２３に巻回し、ステータ２を得ることができる。

なお、本実施形態では、突出部２６Ａにより、シート材同士２１、２１を拘束したが、シート材同士２１、２１の間に樹脂を配置して、シート材同士２１、２１を拘束してもよい。この場合には、シート材のうち、樹脂と接触しているシート材２１の第１部分２１ａが拘束部となる。

本実施形態の製造方法では、ステータコア２０は、複数のシート材２１、２１を積層したものであり、積層・拘束工程Ｓ３において、シート材２１、２１同士を拘束部２６（突出部２６Ａ）で拘束した。ここで、拘束部２６には応力が作用し易いが、結晶化工程Ｓ４において、拘束部２６は、ナノ結晶系軟磁性材料よりも機械的強度が高いアモルファス系軟磁性材料に維持されている。

これにより、拘束工程Ｓ３において、拘束部２６でシート材２１、２１同士を拘束しても、シート材２１が損傷することを防止することができる。特に、本実施形態では、拘束部２６として突出部２６Ａが形成されるように、シート材２１を変形したとしても、突出部２６Ａが損傷することを抑えることができる。これに加えて、ヨーク２２の外周部分２２Ａに相当する第１部分２１ａがアモルファス系軟磁性材料からなるので、環状のステータコア２０の外周部分２２Ａの機械的強度を高めることができる。これにより、ステータコア２０の剛性を高めることができる。

一方、上述したように、第２部分２１ｂは、モータ１の使用時の磁路が形成されるヨーク２２の内周部分２２Ｂとティース２３、２３、…に相当する。本実施形態では、結晶化工程Ｓ２において、各シート材２１の第２部分２１ｂは加熱されて、アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する。これにより、第２部分２１ｂは、アモルファス系軟磁性材料に比べて飽和磁化が高いナノ結晶系軟磁性材料からなるので、コイルＣで発生した磁束がティース２３に向かって流れ易い。この結果、モータ１の出力特性を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
つぎに、本発明の第２実施形態に係るモータを、図８Ａおよび８Ｂを参照して説明する。この実施形態のモータは、ステータコア２０およびシート材２１の形状と、拘束部２６が前記した実施形態とは異なる。したがって、上述した実施形態に対して、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して説明を省略する。

ステータ２を構成するステータコア２０のヨーク２２の外周部分２２Ａには、ステータコア２０をハウジング（図示せず）等に取付けるための取付孔４２が形成された取付部２２Ｃが設けられている。ステータコア２は、シート材２１を積層したものである。本実施形態に係るシート材２１は、第１実施形態とは異なり分割されたものではなく、ステータコア２０の形状に応じた円環状の形状である。なお、図８Ｂは、シート材２１の一部を示した平面図である。本実施形態では、シート材２１の拘束部２６Ｂは、取付部２２Ｃに相当する。

図８Ａに示すように、本実施形態では、雄ネジ部材４５ａと雌ネジ部材４５ｂとで構成される締結具４５により、積層した複数のシート材２１、２１、…同士を拘束する。具体的には、積層した複数のシート材２１、２１、…に対して、図８Ａに示すように、ボルトなどの雄ネジ部材４５ａを取付孔４２に挿通し、雄ネジ部材４５ａの頭部と、雄ネジ部材４５ａの軸部に螺着したナットなどの雌ネジ部材４５ｂとで、積層した複数のシート材２１、２１、…を挟み込む。なお、図８Ａでは、積層されたシート材２１、２１、…の１つの箇所のみを、締結具４５で拘束しているが、他の箇所の一部またはすべてを拘束してもよい。このようにして、シート材２１、２１同士が、拘束部２６Ｂで拘束される。本実施形態では、積層したシート材２１、２１同士を締結具４５により拘束したが、たとえば、クリップなどの保持部材により、積層した複数のシート材２１、２１同士を拘束してもよい。

第１実施形態と同様に、拘束部２６Ｂは、ヨーク２２の外周部分２２Ａに相当する第１部分２１ａに設けられている。拘束部２６Ｂは、上述した如く、締結具４５によりシート材２１、２１同士が拘束される部分である。本実施形態では、第１部分２１ａのうち、拘束部２６Ｂがアモルファス系軟磁性材料からなり、第１部分２１ａのうち拘束部２６Ｂ以外の部分と第２部分２１ｂは、ナノ結晶系軟磁性材料である。これにより、拘束部２６Ｂが、ナノ結晶系軟磁性材料よりも機械的強度が高いアモルファス系軟磁性材料からなるので、締結具４５により応力が作用し易い取付部２２Ｃの機械的強度を高めることができる。

本実施形態では、拘束部２６Ｂのみをアモルファス系軟磁性材料にしたが、たとえば、第１部分２１ａをアモルファス系軟磁性材料にしてもよい。これにより、ステータコア２０の外周部分がアモルファス系軟磁性材料で構成されるので、ステータコア２０の剛性を高めることができる。

なお、本実施形態のステータコア２０を製造する際には、第１実施形態と同じようにして、アモルファス系軟磁性材料からなるシート材を準備し、結晶化工程において、拘束部２６Ｂ以外の部分を部分的に加熱し、ナノ結晶系軟磁性材料に結晶化すればよい。結晶化工程後のシート材を積層し、これらを拘束部２６Ｂで固定することにより、ステータコアを製造することができる。

以下に、本発明に係るモータの実施例と、比較例１、２および参考例のモータのトルク（最大トルク）を解析した。

［実施例］
図２に示す解析モデルを作製した。表１に示すように、ステータコアのうち、ヨークの外周部分（第１部分）に、アモルファス系軟磁性材料の物性値を付与し、ヨークの内周部分およびティース（第２部分）に、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与した。ロータコアは、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与した。なお、解析モデルに使用するアモルファス系軟磁性材料およびナノ結晶系軟磁性材料の物性値は、予め測定した物性値である。図１１Ａは、アモルファス系軟磁性材料およびナノ結晶系軟磁性材料の引張強さであり、図１１Ｂは、アモルファス系軟磁性材料およびナノ結晶系軟磁性材料の飽和磁束密度である。

［比較例１］
実施例と同様に解析モデルを作製した。実施例と相違する点は、表１に示すように、ステータコアの全体に、アモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した点である。したがって、ヨークの外周部分（第１部分）、ヨークの内周部分およびティース（第２部分）に、アモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した。また、ロータコアに、アモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した点も相違する。

［比較例２］
実施例と同様に解析モデルを作製した。実施例と相違する点は、表１に示すように、ステータコアの全体に、アモルファス系軟磁性材料の物性値を付与した点である。

［参考例］
実施例と同様に解析モデルを作製した。実施例と相違する点は、表１に示すように、ステータコアの全体に、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与した点である。したがって、ヨークの外周部分（第１部分）、ヨークの内周部分およびティース（第２部分）に、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与した。ロータコアは、ナノ結晶系軟磁性材料の物性値を付与した。

実施例、比較例１、２および参考例の解析モデルを用いて、モータのトルク（最大トルク）を演算した。この結果を図９に示す。実施例のモータの最大トルクは、比較例１および２のものよりも大きく、参考例のものと同程度であった。

この結果から、実施例では、ステータコアの第２部分を、アモルファス系軟磁性材料よりも飽和磁化が高いナノ結晶系軟磁性材料にしたことにより、モータのトルクが、比較例１および２のものよりも大きく、参考例のものと同程度になったと考えられる。

さらに、実施例では、第１部分を、ナノ結晶系軟磁性材料よりも機械的強度が高いアモルファス系軟磁性材料にしたので、この第１部分でシート材同士を拘束してシート材を積層すれば、参考例に比べて、耐久性が高いモータを得ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

実施例では、ロータコアがアモルファス系軟磁性材料またはナノ結晶系軟磁性材料からなる例を示したが、これに限られるものでなく、電磁鋼板等の磁性材料で形成したものを用いてもよい。また、ロータは、埋込磁石型モータに限られるものでなく、直接着磁されたロータでもよい。

１：モータ（磁石埋込型モータ）、２：ステータ、３：ロータ、５：磁石、２０：ステータコア、３０：ロータコア、２１：シート材、２１ａ：第１部分、２１ｂ：第２部分、２２：ヨーク、２２Ａ：外周部分、２２Ｂ：内周部分、２３：ティース、２４：スロット、２６：拘束部、２６Ａ：突出部（拘束部）、２６Ｂ：拘束部、２８：コイル

Claims (8)

1. 外周部分と内周部分で構成される環状のヨークと、前記ヨークの内周部分から内側に延在したティースとが形成されたステータコアと、前記ティースに巻回されたコイルとを含むステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えたモータであって、
   前記ステータコアは、軟磁性材料からなる複数のシート材を積層したものであり、
   前記シート材は、積層された前記シート材同士が拘束される拘束部を、前記ヨークの前記外周部分に相当する第１部分に有しており、
   前記第１部分のうち少なくとも前記拘束部が、アモルファス系軟磁性材料からなり、
   前記シート材のうち前記第１部分を除く第２部分が、ナノ結晶系軟磁性材料からなることを特徴とするモータ。
2. 前記第１部分が、アモルファス系軟磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記拘束部は、前記各シート材の一方面に凹部が形成されることにより、その他方面から突出した突出部であり、前記各シート材の前記突出部が、隣接する前記シート材の前記凹部に嵌合していることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記シート材の厚さは、０．０１ｍｍ以上かつ０．０５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ。
5. 外周部分と内周部分で構成される環状のヨークと、前記ヨークの内周部分から内側に延在したティースとが形成されたステータコアと、前記ティースに巻回されたコイルとを含むステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備えたモータの製造方法であって、
   前記ステータコアは、軟磁性材料からなる複数のシート材を積層したものであり、
   前記製造方法は、アモルファス系軟磁性材料からなり、かつ、前記ステータコアの形状に応じた前記シート材を準備する工程と、
   準備した前記シート材に対して、前記積層する前記シート材同士が拘束される拘束部を、前記ヨークの前記外周部分に相当する第１部分に設定し、少なくとも前記拘束部をアモルファス系軟磁性材料に維持しつつ、前記シート材のうち前記第１部分を除く第２部分を少なくとも加熱することにより、少なくとも前記第２部分をアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する工程と、
   結晶化した前記シート材を積層し、積層した前記シート材の前記拘束部で、前記シート材同士を拘束する工程と、を含むことを特徴とするモータの製造方法。
6. 前記結晶化する工程において、前記第１部分がアモルファス系軟磁性材料に維持されるように、前記第２部分を加熱することを特徴とする請求項５に記載のモータの製造方法。
7. 前記拘束する工程において、前記積層した前記シート材に対して、前記各シート材の一方面に凹部が形成され、その他方面から前記拘束部として突出部が形成されるように、前記シート材を変形させながら、前記各シート材の前記突出部を、隣接する前記シート材の凹部に嵌合させることを特徴とする請求項５または６に記載のモータの製造方法。
8. 前記シート材を準備する工程において、前記シート材として、厚さが０．０１ｍｍ以上かつ０．０５ｍｍ以下のシート材を準備することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のモータの製造方法。