JP2021078281A - Laminated iron core and manufacturing method thereof - Google Patents

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春山 哲也
Tetsuya Haruyama
哲也 春山
俊郎 林
Toshiro Hayashi
俊郎 林
健二 平栗
Kenji Hirakuri
健二 平栗
大地 中島
Daichi Nakajima
大地 中島
茂 安中
Shigeru Yasunaka
茂 安中
大樹 桑原
Hiroki Kuwahara
大樹 桑原
慎也 藤井
Shinya Fujii
慎也 藤井
祥和 田中
Sachikazu Tanaka
祥和 田中
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Abstract

To provide a laminated iron core capable of preventing damage to a coil.SOLUTION: A laminated iron core 20 includes a plurality of teeth 23 extending radially from an annular yoke 22, is a member in which a plurality of electromagnetic steel sheets are laminated, and includes a carbon-based hard coating formed on both end surfaces in the stacking direction. A conductor (stator coil 24) having a carbon-based hard film formed on the surface can be wound around each of the teeth 23 to form a stator. A DLC film is preferably a hydrogenated amorphous carbon (a-C: H) film that is electrically stable and has high insulating properties.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、ブラシレスモータのステータ等に使用される積層鉄心及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a laminated iron core used for a stator of a brushless motor and the like, and a method for manufacturing the same.

情報機器や産業機器などにおいては、例えば、ステータの外部にロータを配置した構造を有するアウターロータ型またはステータの内部にロータを配置した構造を有するインナーロータ型のブラシレスモータが使用されている。アウターインナーロータ型のブラシレスモータは、慣性モーメントが大きくなりやすいので、一定の回転速度を維持する用途に使用される。インナーロータ型のブラシレスモータは、慣性モーメントが小さく制御しやすいという利点がある。 In information equipment, industrial equipment, and the like, for example, an outer rotor type brushless motor having a structure in which a rotor is arranged outside the stator or an inner rotor type brushless motor having a structure in which a rotor is arranged inside the stator is used. The outer / inner rotor type brushless motor is used for the purpose of maintaining a constant rotation speed because the moment of inertia tends to be large. The inner rotor type brushless motor has the advantage that the moment of inertia is small and it is easy to control.

ブラシレスモータでは、鉄損を少なくするために、例えば特許文献2に記載されているように、透磁率の高い材料である電磁鋼板を軸方向に積層したステータコア(電機子鉄心)を使用し、高出力化を図ることが行われている。 In a brushless motor, in order to reduce iron loss, for example, as described in Patent Document 2, a stator core (armature iron core) in which electromagnetic steel sheets, which are materials having high magnetic permeability, are laminated in the axial direction is used, and the height is high. Output is being achieved.

さらに、コイルが巻回されるステータコアの絶縁性を高めてモータの小型化及び高出力化を図るために、絶縁材として炭素系硬質膜であるダイヤモンドライクカーボン(DLC)を使用することが提案されている。 Furthermore, it has been proposed to use diamond-like carbon (DLC), which is a carbon-based hard film, as an insulating material in order to improve the insulation of the stator core around which the coil is wound to reduce the size and output of the motor. ing.

特許文献1には、電磁鋼板の表面に絶縁膜を被覆し、DLC又はフラーレンの少なくとも一つからなる絶縁膜が形成された電磁鋼板に打ち抜き加工を行い、その加工後の電磁鋼板を積層することにより、電磁鋼板間に絶縁膜を形成することが記載されている。この構成により、絶縁膜を低温で形成することが可能で、大型の設備が不要となり、また絶縁膜は、炭素を主成分とするので、有害物質を含まず、環境負荷の点でも有利であるとされている。 In Patent Document 1, the surface of an electromagnetic steel sheet is coated with an insulating film, the electromagnetic steel sheet on which an insulating film made of at least one of DLC or fullerene is formed is punched, and the processed electrical steel sheet is laminated. It is described that an insulating film is formed between the electromagnetic steel sheets. With this configuration, the insulating film can be formed at a low temperature, eliminating the need for large equipment, and since the insulating film contains carbon as the main component, it does not contain harmful substances and is advantageous in terms of environmental load. It is said that.

特許文献2には、ステータコアとそのスロットに挿入されるコイルとを絶縁するモータ用絶縁材として、硬質炭素膜を使用すること、また硬質炭素膜としてDLC(膜厚が20μm以上200μm以下である水素化アモルファスカーボン)を使用することが記載されている。これにより、コイルの放熱性を向上できるとともに、コイル挿入時のエナメル被膜の傷つきを防止できるとしている。 In Patent Document 2, a hard carbon film is used as an insulating material for a motor that insulates a stator core and a coil inserted into the slot, and DLC (hydrogen having a film thickness of 20 μm or more and 200 μm or less) is used as the hard carbon film. It is described that a modified amorphous carbon) is used. As a result, the heat dissipation of the coil can be improved, and the enamel coating can be prevented from being damaged when the coil is inserted.

このほか積層コアでは無いが、特許文献3には、圧粉コアのうち巻線に対向する面の一部(巻回面)には、無機系の耐熱絶縁皮膜、例えばDLC皮膜又はセラミック皮膜を形成することが記載されている。この構成によれば、高耐熱化を図ることができ、特にDLC膜の場合は、3次元形状への成膜性が向上するとされている。 In addition to this, although it is not a laminated core, Patent Document 3 states that a part of the surface of the dust core facing the winding (winding surface) is provided with an inorganic heat-resistant insulating film, for example, a DLC film or a ceramic film. It is described to form. According to this configuration, high heat resistance can be achieved, and especially in the case of a DLC film, it is said that the film forming property into a three-dimensional shape is improved.

特開2011−193622号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-193622 特開2006−141130号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-141130 特開2007−74851号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-74851

しかし、特許文献1に記載のように積層する電磁鋼板それぞれにDLCを被覆する場合は、生産性が低下し、それに伴いコストも高くなるという問題があった。またDLCも種々の構造及び特性をもつので、モータ用コアに適用できるDLC被覆条件を選択することは容易ではなかった。 However, when DLC is coated on each of the laminated electromagnetic steel sheets as described in Patent Document 1, there is a problem that the productivity is lowered and the cost is increased accordingly. Moreover, since DLC also has various structures and characteristics, it has not been easy to select DLC coating conditions applicable to the motor core.

特許文献2に記載のように20μm以上の膜厚を保証することは、実用に供されているDLCの膜厚は0.1〜3μm程度であることから技術的に困難であるともに、生産性に悪影響を及ぼす可能性がある。 As described in Patent Document 2, it is technically difficult to guarantee a film thickness of 20 μm or more because the film thickness of DLC used in practical use is about 0.1 to 3 μm, and productivity is also high. May have an adverse effect on.

特許文献3に記載のステータコアは、圧粉コアを基体とするので、機械的強度がそれ程高いとは言えず、また製造のために大掛かりな設備を必要とし、コストが増大するという難点がある。 Since the stator core described in Patent Document 3 uses a dust core as a substrate, it cannot be said that the mechanical strength is so high, and it requires a large-scale equipment for manufacturing, which has a drawback that the cost increases.

前記課題を鑑み、本発明は、生産性を減ずることなく、摩擦係数が低減され、コイルの損傷を防止することができ、且つ、炭素系硬質皮膜による絶縁を含めた薄型化が可能な積層鉄心およびその積層鉄心の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention has a laminated iron core in which the coefficient of friction is reduced, the coil can be prevented from being damaged, and the thickness can be reduced including insulation by a carbon-based hard film without reducing the productivity. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing the laminated iron core and the laminated iron core.

本発明に係わる積層鉄心は、環状のヨークと、前記ヨークから放射状に延在する複数のティース部を備えた積層鉄心であって、
積層方向の両端面に炭素系硬質皮膜が形成されていることを特徴とする。
The laminated iron core according to the present invention is a laminated iron core provided with an annular yoke and a plurality of tooth portions extending radially from the yoke.
It is characterized in that carbon-based hard films are formed on both end faces in the stacking direction.

本発明に係わる積層鉄心は、前記ティースに、表面に炭素系硬質皮膜が形成された導線を巻回することができる。 In the laminated iron core according to the present invention, a conducting wire having a carbon-based hard film formed on its surface can be wound around the tooth.

本発明に係る積層鉄心は、前記導線が、断面視矩形とすることができる。 In the laminated iron core according to the present invention, the conducting wire may have a rectangular cross-sectional view.

本発明に係る積層鉄心の製造方法は、環状のヨークと、前記ヨークから放射状に延在する複数のティースと、を備えた積層鉄心の製造方法であって、複数の電磁鋼板を打ち抜いて前記ヨークと前記ティースが形成された加工体とする工程と、前記加工体を積み重ねてかしめて一体化させて積層体とする工程と、前記積層体の積層方向の両端面に炭素系硬質皮膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。 The method for manufacturing a laminated iron core according to the present invention is a method for manufacturing a laminated iron core including an annular yoke and a plurality of teeth extending radially from the yoke, and the yoke is punched out from a plurality of electromagnetic steel plates. A step of forming a processed body on which the teeth are formed, a step of stacking the processed bodies and crimping them to form a laminated body, and forming carbon-based hard films on both end surfaces of the laminated body in the stacking direction. It is characterized by having a process.

本発明によれば、生産性を減ずることなく、摩擦係数が低減され、コイルの損傷を防止することができ、且つ、炭素系硬質皮膜による絶縁を含めた薄型化が可能な積層鉄心およびその積層鉄心の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a laminated iron core capable of reducing the friction coefficient, preventing damage to the coil, and being thinned including insulation by a carbon-based hard film without reducing productivity, and a laminated iron core thereof. A method for manufacturing an iron core can be provided.

本発明の積層鉄心を備えたブラシレスモータの概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the brushless motor provided with the laminated iron core of this invention. 図1に示す積層鉄心を構成する加工体を示す図で、(a)は斜視図、(b)は正面図である。It is a figure which shows the workpiece which constitutes the laminated iron core shown in FIG. 1, (a) is a perspective view, (b) is a front view. 図1に示す積層鉄心の素材を示す図で、(a)は斜視図、(b)は側面図である。It is a figure which shows the material of the laminated iron core shown in FIG. 1, (a) is a perspective view, (b) is a side view. 図1に示す積層鉄心を示す図で、(a)は斜視図、(b)は側面図である。It is a figure which shows the laminated iron core shown in FIG. 1, (a) is a perspective view, (b) is a side view. 図1に示す積層鉄心に炭素系硬質皮膜を形成した状態を示す図で、(a)は斜視図、(b)は正面図である。It is a figure which shows the state which formed the carbon-based hard film on the laminated iron core shown in FIG. 1, (a) is a perspective view, (b) is a front view. 本発明の積層鉄心のティースの断面図である。It is sectional drawing of the tooth of the laminated iron core of this invention. 本発明の積層鉄心のティースの他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the teeth of the laminated iron core of this invention.

本発明を実施するための形態を図1〜図5を参照して説明する。本発明の積層鉄心は、例えばブラシレスモータのステータを構成する磁路形成部材として使用することができる。 A mode for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. The laminated iron core of the present invention can be used, for example, as a magnetic path forming member constituting a stator of a brushless motor.

図1に示すブラシレスモータは、ステータ2の外周側にロータ3が回転自在に設けられたアウターロータ型モータであり、図示の例では、12極9スロットタイプの3相DCモータである。ステータ2は、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された積層鉄心20と、積層鉄心のティース部23に巻回されたステータコイル24を有する。 The brushless motor shown in FIG. 1 is an outer rotor type motor in which a rotor 3 is rotatably provided on the outer peripheral side of the stator 2, and in the illustrated example, it is a 12-pole 9-slot type three-phase DC motor. The stator 2 has a laminated iron core 20 in which a plurality of electromagnetic steel sheets are laminated in the axial direction, and a stator coil 24 wound around a tooth portion 23 of the laminated iron core.

ロータ3は、強磁性体からなるヨーク31とヨーク31の内周面に固着された、表面に複数の磁極を有する永久磁石32を有する。永久磁石32は、全体が一体に形成されたリング磁石の外周面に多極着磁を施すことにより、作製することができる。これに限らず、半径方向に磁化したアークセグメント磁石を、円周方向に沿って異極性の磁極が並ぶようにヨーク31の内周面に固定することにより作製することができる。 The rotor 3 has a yoke 31 made of a ferromagnet and a permanent magnet 32 having a plurality of magnetic poles on the surface, which is fixed to the inner peripheral surface of the yoke 31. The permanent magnet 32 can be manufactured by subjecting the outer peripheral surface of the ring magnet, which is integrally formed as a whole, to multi-pole magnetization. Not limited to this, it can be manufactured by fixing an arc segment magnet magnetized in the radial direction to the inner peripheral surface of the yoke 31 so that magnetic poles of different polarities are lined up along the circumferential direction.

永久磁石32は、公知の永久磁石材料、例えば希土類ボンド磁石で形成することができるが、更に高トルク化を図るためにエネルギー積の高いNd−Fe−B系焼結磁石(ネオジム系焼結磁石)を使用することもできる。 The permanent magnet 32 can be formed of a known permanent magnet material, for example, a rare earth bond magnet, but in order to further increase the torque, an Nd-Fe-B-based sintered magnet (neodymium-based sintered magnet) having a high energy product is used. ) Can also be used.

ステータ2においては、積層鉄心31に巻回されたステータコイル24は、コントローラ(不図示)から印加される電圧の位相によって、U相、V相、W相の3相に分類される3群のコイルであり、各ティース部に1個のコイル24が巻回されたモノファイラ巻で、4個のスイッチング素子を備えた駆動回路を接続して、バイポーラ駆動(全波通電)を行うことにより、コイルの利用効率が向上し、大きなトルクを得ることができる。 In the stator 2, the stator coil 24 wound around the laminated iron core 31 is classified into three groups of U phase, V phase, and W phase according to the phase of the voltage applied from the controller (not shown). It is a coil, and it is a monofilament winding in which one coil 24 is wound around each tooth part. By connecting a drive circuit equipped with four switching elements and performing bipolar drive (full-wave energization), The utilization efficiency of the coil is improved, and a large torque can be obtained.

上記のブラシレスモータによれば、例えば3個のホール素子(不図示)によりロータ3の磁極位置を検出し、磁極位置にあった正弦波電圧を出力し、比較回路で正弦波電圧を比較し、制御回路でPWM信号を出力し、次いでインバータ回路から120°位相の異なる駆動電圧を出力して、3相コイルを適切なタイミングで励磁することで、正弦波駆動される。 According to the above brushless motor, for example, the magnetic pole position of the rotor 3 is detected by three Hall elements (not shown), the sine wave voltage at the magnetic pole position is output, and the sine wave voltage is compared by the comparison circuit. A PWM signal is output from the control circuit, then a drive voltage having a different phase of 120 ° is output from the inverter circuit, and the three-phase coil is excited at an appropriate timing to drive a sine wave.

このように各相のコイルに選択的に通電し、また通電電流の向きを変えることで、2相間(例えばU相とV相)に通電すると、発生した磁束の強さに応じて、一方の相における積層コア20の先端部分にN極が、他方の相の積層鉄心20の先端部分にS極が夫々形成される。すなわちU相からV相へ通電するとU相はN極に、W相はS極に励磁される。続いてU相はN極に、W相はS極に励磁される。そしてW相からU相に通電すると、W相はN極に、U相はS極に励磁される。 By selectively energizing the coils of each phase and changing the direction of the energizing current in this way, when energizing between two phases (for example, U phase and V phase), one of them depends on the strength of the generated magnetic flux. An N pole is formed at the tip of the laminated core 20 in the phase, and an S pole is formed at the tip of the laminated iron core 20 in the other phase. That is, when the U phase is energized from the V phase, the U phase is excited to the N pole and the W phase is excited to the S pole. Subsequently, the U phase is excited to the N pole and the W phase is excited to the S pole. When the W phase is energized to the U phase, the W phase is excited to the N pole and the U phase is excited to the S pole.

このように隣り合うスロットに存在する2相のコイルが順に励磁されて、隣接する2相間を磁束が通り、それが順に隣の相へ移って励磁状態を切り替えることで、積層鉄心20と永久磁石32の磁極とが吸引・反発し、モータに回転トルクが発生する。 In this way, the two-phase coils existing in the adjacent slots are excited in order, the magnetic flux passes between the two adjacent phases, and the magnetic flux moves to the adjacent phases in order to switch the excited state, whereby the laminated iron core 20 and the permanent magnet The 32 magnetic poles are attracted and repelled, and a rotational torque is generated in the motor.

ブラシレスモータでは、磁極数とスロット数の最小公倍数がコギングトルクの周波数(山数)となるので、12極9スロットの構成では、2極3スロットや4極6スロットの構成に比べて、その最小公倍数は大きな値となるため、コギングの振幅は相殺される(分散される)ことから、コギングトルクが抑制され、滑らかに回転することができる。 In a brushless motor, the least common multiple of the number of magnetic poles and the number of slots is the frequency (number of peaks) of the cogging torque, so the 12-pole 9-slot configuration is the minimum compared to the 2-pole 3-slot or 4-pole 6-slot configuration. Since the common multiple is a large value, the cogging amplitude is canceled (distributed), so that the cogging torque is suppressed and the rotation can be performed smoothly.

なお、磁極数とスロット数の関係は、モータのサイズ、出力、コストを考慮して、定められる。全体形状や磁極形状により適宜変更される。磁極数とスロット数の関係は、例えば、8極9スロット、10極9スロット、16極9スロット、又は10極12スロットなどとしても良い。 The relationship between the number of magnetic poles and the number of slots is determined in consideration of the size, output, and cost of the motor. It is changed as appropriate depending on the overall shape and magnetic pole shape. The relationship between the number of magnetic poles and the number of slots may be, for example, 8 poles 9 slots, 10 poles 9 slots, 16 poles 9 slots, or 10 poles 12 slots.

積層鉄心20の構成及び製造方法を図2〜図7により説明する。積層鉄心20は、所定厚さの複数の電磁鋼板(例えばリン酸塩又はクロム酸塩と樹脂を含む水溶液を塗布後、加熱して絶縁皮膜を形成する)を準備し、図2に示すように、各電磁鋼板をプレスにより打ち抜いて、ヨーク22とそこから放射状に伸びる複数のティース23を有する加工体21を作製する。電磁鋼板としては、例えば厚さ0.35mm、0.5mmといった無方向性電磁鋼板(NO)を使用することができる。 The configuration and manufacturing method of the laminated iron core 20 will be described with reference to FIGS. 2 to 7. For the laminated iron core 20, a plurality of electromagnetic steel sheets having a predetermined thickness (for example, after applying an aqueous solution containing a phosphate or a chromium salt and a resin) are prepared and heated to form an insulating film), as shown in FIG. Each electromagnetic steel sheet is punched out by a press to produce a workpiece 21 having a yoke 22 and a plurality of teeth 23 extending radially from the yoke 22. As the electrical steel sheet, for example, non-oriented electrical steel sheet (NO) having a thickness of 0.35 mm or 0.5 mm can be used.

複数の加工体21は、図3に示すように厚さ方向にかしめて一体化されて積層鉄心20の素材が作成される。次いで図4及び図5に示すように、積層鉄心20の表面に、炭素系硬質皮膜(例えばDLC膜)が形成されて積層鉄心20が得られる。DLC膜は、図5にハッチングで示すように積層鉄心の積層方向の両端面に形成されている。すなわち図5に示す積層鉄心は、図6に示すようにティース23の両端面にDLC膜220が形成されている。 As shown in FIG. 3, the plurality of workpieces 21 are crimped in the thickness direction and integrated to form a material for the laminated iron core 20. Next, as shown in FIGS. 4 and 5, a carbon-based hard film (for example, a DLC film) is formed on the surface of the laminated iron core 20 to obtain the laminated iron core 20. The DLC film is formed on both end faces of the laminated iron core in the laminating direction as shown by hatching in FIG. That is, in the laminated iron core shown in FIG. 5, DLC films 220 are formed on both end surfaces of the teeth 23 as shown in FIG.

本発明では、これに限らず図7に示すように積層鉄心のティース23の角部にDLC膜を形成してもよい。本発明においては、各電磁鋼板は表面が絶縁処理されているので、積層された電磁鋼板間で渦電流が流れることが防止される。板状の素材では、渦電流は厚さの2乗に比例するので、このように積層構造とすることにより、渦電流損失を抑えることができるので、鉄損が軽減される。しかもコイルが巻回されるティース23の表面には、DLC膜が形成されているので、コイルの損傷を防止することができる。 In the present invention, the present invention is not limited to this, and a DLC film may be formed at the corners of the teeth 23 of the laminated iron core as shown in FIG. In the present invention, since the surface of each electrical steel sheet is insulated, eddy currents are prevented from flowing between the laminated electrical steel sheets. In a plate-shaped material, the eddy current is proportional to the square of the thickness. Therefore, by forming the laminated structure in this way, the eddy current loss can be suppressed, and the iron loss is reduced. Moreover, since a DLC film is formed on the surface of the teeth 23 around which the coil is wound, damage to the coil can be prevented.

DLC膜の厚さは、0.2〜1μmの範囲にあることが好ましい。これは、十分な絶縁性を確保するためには、0.2μm以上が必要であり、1μmを超えると成膜時間が大幅に増大し、実用性に欠けるためである。 The thickness of the DLC film is preferably in the range of 0.2 to 1 μm. This is because 0.2 μm or more is required to ensure sufficient insulating properties, and if it exceeds 1 μm, the film forming time is significantly increased, which is not practical.

本発明において、上記の積層鉄心20のティース23に巻回されるコイルとしては、丸線または角線を使用することができるが、占積率を向上するために、スリット加工により切断された超極細スリット線(スリット平角線又はスリット真四角線)を使用することができる。通常のコイルは導線の表面に絶縁処理を施したエナメル線であるが、本発明では超極細スリット線の表面にDLC膜を形成した角線を使用することができる。この角線を使用することにより、線幅が細く、絶縁耐電圧、耐摩耗性に優れたコイルを得ることができ、通常のエナメル銅線に比べて巻線占積率を大幅に向上させることができる。 In the present invention, a round wire or a square wire can be used as the coil wound around the teeth 23 of the laminated iron core 20, but in order to improve the space factor, the coil is cut by slitting. An extra-fine slit wire (slit flat wire or slit square wire) can be used. A normal coil is an enamel wire in which the surface of a conducting wire is insulated, but in the present invention, a square wire having a DLC film formed on the surface of an ultrafine slit wire can be used. By using this square wire, it is possible to obtain a coil with a narrow wire width and excellent insulation withstand voltage and wear resistance, and the winding space factor can be significantly improved compared to ordinary enamel copper wire. Can be done.

上述したように本発明においては、摩擦係数が低くかつ耐摩耗性に優れた絶縁皮膜として、ダイヤモンドライクカーボン(Diamond-Like Carbon)からなる炭素系硬質皮膜(DLC膜)を使用する。このDLC膜は、sp結合(ダイヤモンド化学結合)とsp結合(グラファイト化学結合)の両者を炭素原子の骨格構造としたアモルファス構造を有する炭素膜である。 As described above, in the present invention, a carbon-based hard film (DLC film) made of diamond-like carbon is used as an insulating film having a low coefficient of friction and excellent wear resistance. This DLC film is a carbon film having an amorphous structure in which both sp 3 bonds (diamond chemical bonds) and sp 2 bonds (graphite chemical bonds) are skeleton structures of carbon atoms.

DLC膜は、高硬度(Hv1000以上)、低摩擦係数(約0.1以下)、高絶縁性(10〜1014Ω・cm)、高化学安定性、高ガスバリア性などの特徴を有するもので、表面が平坦で室温から500°C程度の比較的低温で成膜できることから、従来から切削工具、自動車部品、光学部品などに適用されている。DLC膜の機械的特性、電気的特性などは、組成、構造、製造プロセスによって変化する。 DLC film, high hardness (Hv 1000 or higher), low coefficient of friction (about 0.1 or less), high insulation (10 4 ~10 14 Ω · cm ), high chemical stability, those having characteristics such as high gas barrier properties Since the surface is flat and a film can be formed at a relatively low temperature of about 500 ° C. from room temperature, it has been conventionally applied to cutting tools, automobile parts, optical parts and the like. The mechanical properties, electrical properties, etc. of the DLC film vary depending on the composition, structure, manufacturing process, and the like.

DLC膜中のダイヤモンド構造(sp結合)の比率(sp/sp+sp)は、10〜90%であり、さらに水素を0〜50atm.%含むので、広範囲の物性を有するもので、概ね4つのノンドープDLC膜{テトラへドラル・アモルファスカーボン(以下「ta−C」という)、水素化テトラへドラル・アモルファスカーボン(以下「ta−C:H」という)、アモルファスカーボン(以下「a−C」という)、水素化アモルファスカーボン(以下「a−C:H」という))に分類されている。 The ratio of the diamond structure (sp 3 bond) in the DLC film (sp 3 / sp 3 + sp 2 ) is 10 to 90%, and further contains 0 to 50 atm.% Of hydrogen, so that it has a wide range of physical properties. Approximately four non-doped DLC films {tetrahedral amorphous carbon (hereinafter referred to as "ta-C"), tetrahedral hydride amorphous carbon (hereinafter referred to as "ta-C: H"), amorphous carbon (hereinafter referred to as "a-"). It is classified into "C") and hydrogenated amorphous carbon (hereinafter referred to as "a-C: H").

ta-C:H,a−C:Hは,例えばプラズマCVD法(DCプラズマCVD、RFプラズマCVD等)により製造され、意図的に、水素を含有させた膜であり、通常10atm.%以上の水素が含まれる。a−Cタイプは、sp3結合が20%を超え、50%未満で、Hが5atm.%以下である。ta-C,a−Cは、例えばPVD法(スパッタ法、アークイオンプレーティング法、レーザ蒸着法等)により成膜される。ta−C膜は、膜厚0.1〜0.5μmで使用され、他のDLC膜は、膜厚1〜3μmで使用されることが多い。 ta-C: H, a-C: H is a film produced by, for example, a plasma CVD method (DC plasma CVD, RF plasma CVD, etc.) and intentionally containing hydrogen, and is usually 10 atm. Contains% or more hydrogen. The a-C type has an sp3 bond of more than 20%, less than 50%, and an H of 5 atm. % Or less. The ta-C and a-C are formed by, for example, a PVD method (sputtering method, arc ion plating method, laser vapor deposition method, etc.). The ta-C film is often used with a film thickness of 0.1 to 0.5 μm, and other DLC films are often used with a film thickness of 1 to 3 μm.

DLC膜のsp/sp比と成膜過程で取り込まれる水素含有量は、DLC膜の重要な構造因子であり、水素含有量は成膜法により15〜50atm.%の範囲で変化する。
DLC膜中の水素含有率が増加すると、単位体積中の炭素骨格の結合が減るので、DLC膜は柔らかくなり、しかもCH基は伝導性がないので、電気伝導度が低下する、さらに結合解離エネルギーが小さいため、耐熱性が低下する。水素含有率は、薄膜中の水素を高精度で検出する手法として知られているERDA(弾性反跳検出分析)で検出できる。
The sp 2 / sp 3 ratio of the DLC film and the hydrogen content taken in during the film formation process are important structural factors of the DLC film, and the hydrogen content is 15 to 50 atm. It changes in the range of%.
When the hydrogen content in the DLC film increases, the bonds of the carbon skeleton in the unit volume decrease, so that the DLC film becomes soft, and since the CH group is not conductive, the electrical conductivity decreases, and the bond dissociation energy further decreases. Is small, so the heat resistance is reduced. The hydrogen content can be detected by ERDA (elastic recoil detection analysis), which is known as a method for detecting hydrogen in a thin film with high accuracy.

sp2結合をもっている炭素原子の存在比率が大きい場合は、柔らかく電気伝導度の大きい膜となるので、本発明では、sp3結合をもっている炭素原子の存在比率が大きくなるような成膜条件を選定することが必要である。sp2/sp3比は、例えばUVラマン分光法、NEXAFS(吸収端近傍X線吸収微細構造法)により、分析することができる。 When the abundance ratio of carbon atoms having sp2 bonds is large, the film is soft and has high electrical conductivity. Therefore, in the present invention, the film forming conditions are selected so that the abundance ratio of carbon atoms having sp3 bonds is large. is required. The sp2 / sp3 ratio can be analyzed by, for example, UV Raman spectroscopy or NEXAFS (X-ray absorption fine structure near the absorption edge).

本発明では、優れた耐摩耗性と絶縁性を利用してモータ用部品である積層鉄心の保護膜として利用するために、DLC膜として電気的に安定である水素化アモルファスカーボン(a−C:H)を使用することが好ましい。 In the present invention, hydrogenated amorphous carbon (a-C:) which is electrically stable as a DLC film in order to be used as a protective film for a laminated iron core which is a component for a motor by utilizing excellent wear resistance and insulating properties. It is preferable to use H).

a−C:Hは、真空容器中で、化学気相法(CVD法)により製造することができる。すなわちメタン(CH)、アセチレン(C)、エチレン(C)などの炭化水素系気体からイオンプロセスにより成膜される。例えばこの気体原料に放電(直流、高周波イオン源、電子線レーザ)などでエネルギーを付与して炭素を含む正イオンを生成し、このイオンを電界で加速して、陰極基板上に供給することにより、基板の表面にDLC膜が生成される。具体的には、洗浄した基板を基板保持部材に搭載し、基板保持部材をヒータが内蔵された真空チャンバー内にセットして、真空排気、加熱、ボンバード(Arイオンにより基材表面をエッチングしてクリーニングすること)、(中間層形成)、DLC膜形成、冷却・排気の手順で行われる。 a-C: H can be produced by a chemical vapor deposition method (CVD method) in a vacuum vessel. That is, a film is formed from a hydrocarbon-based gas such as methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), and ethylene (C 2 H 4) by an ionic process. For example, by applying energy to this gas raw material by electric discharge (DC, high-frequency ion source, electron beam laser) to generate positive ions containing carbon, this ion is accelerated by an electric field and supplied onto the cathode substrate. , A DLC film is formed on the surface of the substrate. Specifically, the cleaned substrate is mounted on the substrate holding member, the substrate holding member is set in a vacuum chamber with a built-in heater, and vacuum exhaust, heating, and bombard (the surface of the substrate is etched by Ar ions). Cleaning), (intermediate layer formation), DLC film formation, cooling / exhaust procedure.

本発明においては、例えばプラズマCVD法によりDLC膜を形成することが好ましく、その場合のDLC膜の成膜条件の一例は次の通りである。
基板電圧:300〜600V、真空度:0.1〜0.2Pa、Ar流量:20〜50sccm、CH流量:50〜150sccm、成膜時間:10〜120min.
In the present invention, for example, it is preferable to form a DLC film by a plasma CVD method, and an example of the film forming conditions for the DLC film in that case is as follows.
Substrate voltage: 300 to 600 V, vacuum degree: 0.1 to 0.2 Pa, Ar flow rate: 20 to 50 sccm, CH 4 flow rate: 50 to 150 sccm, film formation time: 10 to 120 min.

(実施例1)
無方向性電磁鋼板(リン酸塩と樹脂を含む水溶液を塗布後、加熱して絶縁皮膜を形成、厚さ0.5mm)をプレスにより打ち抜いて8枚の加工体(図2参照)を作成し、これらを厚さ方向にかしめて積層鉄心の素材(図3参照)を作成し、次いで、この素材を次のように処理して、表面にDLC膜を有する積層鉄心(図5参照)を作成した。
(Example 1)
Non-oriented electrical steel sheets (applied with an aqueous solution containing phosphate and resin, heated to form an insulating film, thickness 0.5 mm) are punched out with a press to create eight workpieces (see Fig. 2). , These are crimped in the thickness direction to prepare a material for the laminated iron core (see FIG. 3), and then this material is processed as follows to prepare a laminated iron core having a DLC film on the surface (see FIG. 5). did.

上記の素材をアセトンにより超音波洗浄した後、プラズマCVD法で、厚さ1μmのDLC膜(a−C:H)を形成した。 After ultrasonic cleaning of the above material with acetone, a DLC film (a-C: H) having a thickness of 1 μm was formed by a plasma CVD method.

上記の絶縁膜(DLC膜)について、次のように評価を行った。
(A)絶縁性評価
本発明にて作製したDLC膜について、二点プローブ法を用いて絶縁破壊電圧を測定した。各測定では、鋼板の絶縁膜表面を測定対象とした。電圧印加前に、沿面放電を防止するために絶縁膜表面を、エタノールを含んだ綿棒により洗浄を行った。一定の割合で電圧を印加していき、絶縁破壊が生じる電圧を求め、評価した。
(B)摺動性評価
積層鉄心および絶縁電線は高速に巻回する際、絶縁電線に傷および損傷が生じ、短絡・切断などの不具合が生じる恐れがある。そのため、積層鉄心および電線表面の絶縁膜にも機械的摺動性が要求される。作製したDLC膜の摩擦係数をボールオンディスク試験により評価した。ボールオンディスク試験機を用いて、相手材をφ6のSUJ2ボールを用いて、絶縁膜の摩擦係数を求めた。
(C)耐熱性評価
電気機器内部では高性能化に伴い発熱量が大きくなっている。電気機器の発生させる高温は絶縁材料の絶縁性能に影響を与える場合がある。そのため、作製したDLC膜を約200°C一定下の恒温槽中で168時間留置を行い、そのときの電磁鋼板の絶縁膜表面の絶縁性の低下の度合いを求め、それに基づき耐熱性の判断を行った。168時間留置後おいても絶縁性の低下が全く観察されなかったものを(○)、絶縁性が30%低下したものを(△)、また、絶縁性が50%低下したものを(×)として評価した。
(D)耐薬品性評価
電気機器の使用雰囲気を考慮すると、絶縁皮膜はバッテリーからの液漏れなどによる酸やアルカリ溶液と接触することが考えられるため、耐薬品も併せ持つことが要求される。作製したDLC膜の耐薬品性については、絶縁膜を強酸(硫酸)および強アルカリ(水酸化ナトリウム)溶液に1日浸漬し、その後の絶縁膜の膜硬度の低下の程度を求め、それに基づき判断を行った。浸漬後おいても膜硬度の低下が全く観察されなかったものを(○)、膜硬度が30%低下したものを(△)、また、膜硬度が50%低下したものを(×)として評価した。
The above insulating film (DLC film) was evaluated as follows.
(A) Evaluation of Insulation The dielectric breakdown voltage of the DLC film produced in the present invention was measured using a two-point probe method. In each measurement, the surface of the insulating film of the steel sheet was used as the measurement target. Before applying the voltage, the surface of the insulating film was washed with a cotton swab containing ethanol to prevent creeping discharge. A voltage was applied at a constant rate to determine and evaluate the voltage at which dielectric breakdown occurs.
(B) Slidability evaluation When the laminated iron core and the insulated wire are wound at high speed, the insulated wire may be scratched or damaged, and problems such as short circuit or cutting may occur. Therefore, mechanical slidability is also required for the laminated iron core and the insulating film on the surface of the electric wire. The coefficient of friction of the prepared DLC film was evaluated by a ball-on-disc test. Using a ball-on-disc tester, the coefficient of friction of the insulating film was determined using SUJ2 balls of φ6 as the mating material.
(C) Heat resistance evaluation The amount of heat generated inside electrical equipment is increasing as the performance increases. The high temperature generated by electrical equipment may affect the insulation performance of the insulating material. Therefore, the produced DLC film is left in a constant temperature bath at a constant temperature of about 200 ° C. for 168 hours, the degree of deterioration of the insulating film surface of the electrical steel sheet at that time is determined, and the heat resistance is judged based on the determination. went. No decrease in insulation was observed even after 168 hours of indwelling (○), 30% decrease in insulation (Δ), and 50% decrease in insulation (×). Evaluated as.
(D) Chemical resistance evaluation Considering the atmosphere in which electrical equipment is used, the insulating film may come into contact with acid or alkaline solutions due to liquid leakage from the battery, so it is required to have chemical resistance as well. The chemical resistance of the prepared DLC film is judged based on the degree of decrease in film hardness of the insulating film after immersing the insulating film in a strong acid (sulfuric acid) and strong alkali (sodium hydroxide) solution for one day. Was done. Those in which no decrease in film hardness was observed even after immersion (○), those in which the film hardness decreased by 30% (Δ), and those in which the film hardness decreased by 50% were evaluated as (×). did.

(比較例)
比較のために、従来から絶縁膜として使用されているエポキシ樹脂で被覆した積層鉄心を作製した以外は実施例1と同様の積層鉄心を作成し、実施例1と同様の条件で、絶縁膜を評価した。
(Comparison example)
For comparison, a laminated iron core similar to that of Example 1 was prepared except that a laminated iron core coated with an epoxy resin conventionally used as an insulating film was produced, and an insulating film was formed under the same conditions as in Example 1. evaluated.

実施例1および比較例の評価結果を下記の表1に示す。表1には、絶縁膜の膜厚を合わせて示している。 The evaluation results of Example 1 and Comparative Example are shown in Table 1 below. Table 1 also shows the film thickness of the insulating film.

Figure 2021078281
Figure 2021078281

表1から、本発明により、従来の絶縁膜と対比すると、膜厚を約1/150倍に低減することができるとともに、絶縁破壊電圧を約8倍向上、摺動性を約35%低減できることがわかる。以上のことから、モータの小型が可能であることは言うまでもない。また、耐熱性および耐薬品性においてDLC膜は優れており、より過酷な使用環境でも適用することが可能である。 From Table 1, according to the present invention, the film thickness can be reduced by about 1/150 times, the dielectric breakdown voltage can be improved by about 8 times, and the slidability can be reduced by about 35% as compared with the conventional insulating film. I understand. From the above, it goes without saying that the motor can be made smaller. In addition, the DLC film is excellent in heat resistance and chemical resistance, and can be applied even in a harsher usage environment.

また、本説明ではリングとティースからなる形状を有する積層鉄心で説明したが、リングが無く、ティースのみで構成される長方形上の加工体からなる積層鉄心であっても同様の効果を発揮する。 Further, in this description, a laminated iron core having a shape composed of a ring and a tooth has been described, but the same effect can be obtained even with a laminated iron core composed of a rectangular processed body having no ring and consisting only of the teeth.

1:ブラシレスモータ、
2:ステータ、
20:積層鉄心、21:加工体(電磁鋼板)、22:ヨーク、23:ティース、24:ステータコイル、210:端面、220:DLC膜
3:ロータ、31:ヨーク、32:永久磁石
1: Brushless motor,
2: stator,
20: Laminated iron core, 21: Work piece (electromagnetic steel plate), 22: Yoke, 23: Teeth, 24: Stator coil, 210: End face, 220: DLC film 3: Rotor, 31: Yoke, 32: Permanent magnet

Claims (4)

環状のヨークと、前記ヨークから放射状に延在する複数のティースとを、備えた積層鉄心であって、
積層方向の両端面に炭素系硬質皮膜が形成されている、ことを特徴とする積層鉄心。
A laminated iron core including an annular yoke and a plurality of teeth extending radially from the yoke.
A laminated iron core characterized in that carbon-based hard films are formed on both end faces in the lamination direction.
前記ティースに、表面に炭素系硬質皮膜が形成された導線が巻回されていることを特徴とする請求項1に記載の積層鉄心。 The laminated iron core according to claim 1, wherein a conducting wire having a carbon-based hard film formed on its surface is wound around the tooth. 前記導線が、断面視矩形であることを特徴とする請求項2に記載の積層鉄心。 The laminated iron core according to claim 2, wherein the conducting wire has a rectangular cross-sectional view. 環状のヨークと、前記ヨークから放射状に延在する複数のティースと、を備えた積層鉄心の製造方法であって、
複数の電磁鋼板を打ち抜いて前記ヨークと前記ティースが形成された加工体とする工程と、前記加工体を積み重ねてかしめて一体化させて積層体とする工程と、前記積層体の積層方向の両端面に炭素系硬質皮膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする積層鉄心の製造方法。
A method for manufacturing a laminated iron core including an annular yoke and a plurality of teeth extending radially from the yoke.
A step of punching out a plurality of electromagnetic steel plates to form a workpiece in which the yoke and the teeth are formed, a step of stacking the workpieces and crimping them to form a laminate, and both ends of the laminate in the lamination direction. A method for manufacturing a laminated iron core, which comprises a step of forming a carbon-based hard film on a surface.
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