JP2023069429A - 圧縮成形体、ステータ、モータ、圧縮成形体の製造方法及びステータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体粉の充填欠陥を防止しつつ、導体から磁性体粉への伝熱性が高く電流容量を増大できる圧縮成形体、ステータ、モータ、圧縮成形体の製造方法及びステータの製造方法を提供する。【解決手段】本発明の圧縮成形体は、磁性体粒子の圧粉体と金属柱とを備え、上記金属柱の少なくとも一部が上記圧粉体中に包摂され、上記圧粉体の一部の磁性体粒子が、金属柱の表面に埋没している。そして、この圧縮成形体の金属柱同士を電気的に接続してコイルを形成してスタータとすることとしたため、コイル（金属柱）から磁性体粉への伝熱性が高く電流容量を増大できる。【選択図】図７

Description

本発明は、圧縮成形体、ステータ、モータ、圧縮成形体の製造方法及びステータの製造方法に係り、更に詳細には、磁性体粉を圧縮した圧縮成形体、該圧縮成形体を有するステータ、モータ、上記圧縮成形体の製造方法及び上記ステータの製造方法に関する。

磁性体粉を、導線を螺旋状に複数回巻いたコイルと共に加圧し、一体成形した電動機のステータコアが知られている。

このステータコアは、コイルと磁性体粉とが密着し空隙が減少するので、コイルから磁性体粉への伝熱性が向上し電流容量を増大させることができる。

特許文献１には、上記ステータコアは、螺旋状に巻かれたコイルも加圧成形工程を経るため、コイルが障害物となり磁性体粉が十分に充填されない虞がある旨が記載されている。

そこで、特許文献１には、磁性体粉を加圧成形して圧縮成形体とした後、コイルを取り付け固定することが開示されている。

特開２００５－３２２８００号公報

しかしながら、特許文献１のステータコアは、磁性体粉の圧縮成形体にコイルを取り付けるため、圧縮成形体とコイルとの密着性が低く、圧縮成形体とコイルとの間に空隙が生じ易く、磁性体粉の充填欠陥等を防止するために伝熱特性を犠牲にしている。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、導体から磁性体粉への伝熱性が高く電流容量を増大できる圧縮成形体、ステータ、モータ、圧縮成形体の製造方法及びステータの製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、金属柱と共に磁性体粒子を加圧圧縮して圧縮成形体とした後、金属柱同士を電気的に接続してコイルを形成することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の圧縮成形体は、磁性体粒子の圧粉体と、金属柱とを備える。
そして、上記金属柱の少なくとも一部が上記圧粉体中に包摂され、
上記圧粉体の一部の磁性体粒子が、金属柱の表面に埋没していることを特徴とする。

また、本発明のステータは、上記圧縮成形体を備える。
そして、上記金属柱が、その端部で他の金属柱の端部と電気的に接続してコイルを形成していることを特徴とする。

さらに、本発明のモータは、上記ステータと、ロータとを備えることを特徴とする。

加えて、本発明の圧縮成形体の製造方法は、上記圧縮成形体を製造する方法である。
そして、上記金属柱を固定型内に配置する工程と、上記固定型内に磁性体粒子を充填する工程と、可動型で上記磁性体粒子を圧縮する工程と、圧縮された余剰の磁性体粒子を除去し成形する工程と、有することを特徴とする。

さらに加えて、本発明のステータの製造方法は、上記ステータを製造する方法である。
そして、上記圧縮成形体の製造方法によって圧縮成形体を作製した後、上記金属柱の端部を、他の金属柱の端部と電気的に接続してコイルを形成する工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、金属柱と共に磁性体粒子に加圧圧縮して圧縮成形体とした後、金属柱同士を電気的に接続してコイルを形成することとしたため、磁性体粒子の充填欠陥がなく、導体（金属柱）磁性体粒子との密着性が高く電流容量を増大できる圧縮成形体、ステータ、モータ、圧縮成形体の製造方法及びステータの製造方法を提供することができる。

金属柱の一例を示す斜視図である。 表面に凹部を有する金属柱が磁性体粒子の圧粉体に包摂された状態を説明する図である。 金属柱を半導体素子で繋ぎコイルを形成したステータの一例を示す図である。 金属柱を半導体素子で繋ぎコイルを形成したステータの他の一例を示す図である。 金属柱を導体で繋ぎコイルを形成したステータの一例を示す図である。 金属柱を導体で繋ぎコイルを形成したステータの他の一例を示す図である。 圧縮成形体を作製する過程を説明する図である。 凸部を有する可動型で圧縮する状態を説明する図である。 可動型の凸部が円環状に並んだ金属柱の内側を貫いて圧縮する状態を説明する図である。 可動型と固定型を上下反転させて可動型の凸部が円環状に並んだ金属柱の内側を貫いて圧縮する状態を説明する図である。

＜圧縮成形体＞
本発明の圧縮成形体は、磁性体粒子と金属柱とを有し、上記金属柱が磁性体粒子と共に圧縮成形されて、磁性体粒子の圧粉体中に上記金属柱の少なくとも一部が包摂されており、上記金属柱が磁性体粒子と共に圧縮されることで、一部の磁性体粒子が金属柱の表面に埋没している。

本発明の圧縮成形体は、磁性体粒子と共に圧縮成形される導体が金属柱であって直線状であるので、この金属柱を立てて配置することで、磁性体粒子の充填欠陥が防止される。

また、上記金属柱が磁性体粒子と共に圧縮成形されるので、金属柱の表面に磁性体粒子埋没しており、金属柱と磁性体粒子との間に空隙がなく密着している。したがって、金属柱から磁性体粉への伝熱性が高く、電動モータのステータとしたときに、電気容量が増大し高い連続出力性能を得ることができる。

上記圧縮成形体は、上記金属柱を複数有することが好ましく、これらの金属柱は、その長手方向が互いに平行かつ周期的に並んで配置されていることが好ましい。

なお、本発明において、「長手方向が平行」とは、それぞれの金属柱の長手方向が同じ方向を向いていることを意味し、金属柱が角柱である場合、隣接する角柱の面同士が平行であることを意味しない。また、「周期的」とはランダムでなく、所定のリズムで並んでいることをいう。

金属柱の長手方向が平行かつ周期的に並んでいると、金属柱の端部同士を電気的に接続することでコイルを形成することができ、電動モータのステータとして好適に使用できる。

金属柱が同じ方向を向いて円環状に配置されている圧縮成形体は、回転電動モータのステータに使用可能であり、金属柱が直線状に配置されている圧縮成形体は、リニアモータのステータに使用可能である。

上記複数の金属柱は、使用されるモータの種類にもよるが、図１に示すように、一端側がリング状の金属材で繋がっていてもよい。

上記磁性体粒子としては、従来公知の磁性体粒子を使用することができ、表面に絶縁層を有すると、モータのステータとしたときに渦電流の発生を抑制でき、鉄損を低減させることができる。

また、上記磁性体粒子は、最大比透磁率が１００を超え、飽和磁化が０．８（Ｔ：テスラ）超えていることが好ましい。このような磁性体粒子であると、モータのステータとしたときに磁気飽和を抑制することができ、モータトルクの出力が向上する。

上記磁性体粒子の体積平均粒径は、１～１００μｍであることが好ましい。磁性体粒子の粒径が大きすぎると、磁性体粒子間に空隙が生じ易くなって圧縮成形体の密度が低下し易くなる。また、磁性体粒子が小さくなりすぎると、凝集し易くなって圧縮成形体の密度に偏りが生じ易くなることがある。なお、磁性体粒子の体積平均粒径は、コールター法で測定できる。

上記金属柱としては、ステータのコイルとして従来から使用されている金属材料で形成された金属柱を使用することができる。

上記金属柱は、図２に示すように、表面に凹部を有することが好ましい。金属柱の表面に凹凸があることで表面積が増大すると共に上記磁性体粒子との緊密に噛み合うので、振動などによる磁性体粒子の圧粉体との分離が防止される。

金属柱表面の凹部の平均開口径は、上記磁性体粒子の平均粒径よりも大きければ構わないが、あまり大きくなると磁性体粒子と噛み合いが弱くなるので、磁性体粒子の平均粒径にもよるが、１００μｍ～３ｍｍであることが好ましい。

上記金属柱は、絶縁耐力が、５０ＫＶ／ｍを超える絶縁層をその表面に有することが好ましい。このような絶縁層を有することで、金属柱を確実に絶縁することができ、モータのステータとしたときに大きな電圧を印加することができ、出力を向上させることができる。

上記絶縁層は、例えば、エナメル、ポリアミドイミド、ポリテトラフルオロエチレン、二酸化ケイ素、アルミナなどの絶縁材により形成することができる。

＜ステータ＞
本発明のステータは、上記本発明の圧縮成形体から余剰の磁性体粒子の圧粉体を除去し、金属柱の端部を他の金属柱の端部と電気的に接続してコイルを形成したものである。

上記ステータは、ロータなどと組み合わせて、例えば、ラジアル型モータ、アキシャル型モータ、リニアモータなどの電動モータのステータとして使用される。

コイルを形成する金属柱と他の金属柱とを接続方法について説明する。

図３に示すステータは、磁性体粒子の圧粉体と、該圧粉体の内周面側に所定の角度ごとに包摂された金属柱が、その長手方向が平行になるように並んで配置されている。なお、図３では、ステータの１／４の部分について金属柱を示し、繰り返しであるので他の部分を省略している。

上記金属柱の上端は、リング状の磁性体粒子の圧粉体の上面から露出しており、隣接する金属柱同士がスイッチング機能を有する半導体素子で接続され、金属柱の下端はリング状の金属材によって各金属柱が電気的に接続されている。

このようなステータは、半導体素子がオンになることで、複数の金属柱間を電流が周回して磁束を作り出す。そして、規則的にスイッチを切り替えることで回転磁界を形成させることができ、電動モータの制御性を向上させることができる。

また、上記のように、金属柱の下端をリング状の金属材で接続するだけでなく、図４に示すように、金属柱の下端も上端と同様に、金属柱の上端と共にスイッチング機能を有する半導体素子で接続することができる。これにより、電動モータの制御性をさらに向上させることができる。
なお、図４では、ステータの１／４の部分について金属柱を示し、繰り返しであるので他の部分を省略している。

また、金属柱同士は、導体で接続することもできる。
図５に示すステータは、複数の金属柱が２列に密着して並んで纏った金属柱群を成しており、この金属柱群が所定角度ごとに、その長手方向が平行になるように並んで配置されている。

そして、図５に示すように、上面側では金属柱が属する金属柱群と隣接する金属群の最も近い金属柱それぞれ接続され、下面側では上記最も近い金属柱の隣の金属柱とそれぞれ接続されて、２列に並んだ金属群の１列と隣接する他の金属群の１列とで集中巻コイルを形成している。このようなステータはトルク向上を図ることができる。

また、図６に示すステータは、上面側では金属柱が属する金属柱群から２つ以上離れた金属柱群の最も近い金属柱とそれぞれ接続され、下面側では２つ以上離れた金属群の上記最も近い金属柱の隣の金属柱とそれぞれ接続されて、２列に並んだ金属群の１列と２つ以上離れた金属群の他の金属群の１列とで分布巻コイルを形成している。

このように、分布巻コイルを形成することでステータが作り出す磁界の空間分布を正弦波状に近づけることができ、トルクの脈動を低減することができる。

なお、図６では、金属柱間を繋ぐ導体が重なるので、一部の導線のみを示しているが、実際には金属柱が順次１つずつずれて繋がり、各金属柱群の金属柱も同様に２列に並んだ金属群の１列と２つ以上離れた金属群の他の金属群の１列とで分布巻コイルを形成している。

＜圧縮成形体の製造方法＞
本発明の圧縮成形体の製造方法は、上記本発明の圧縮成形体を製造する方法である。
本発明の圧縮成形体を製造する方法は、金型で上記金属柱と上記磁性体粒子とを一緒に圧縮して一体化した後、所望の形状に成形して圧縮成形体を製造する。

具体的には、図７に示すように、上記金属柱を金型内に配置する工程と、上記金型内に磁性体粒子を充填する工程と、上記磁性体粒子を圧縮する工程と、圧縮された余剰の磁性体粒子を除去し成形する工程と、を有する。

上記配置する工程は、箱型をした固定型内に上記金属柱を立てて配置する工程であり、固定型に設けた位置決めの凹部に金属柱をはめ込んで立ててもよい。また、金属柱を配置する前に、磁性体粒子をある程度入れておき、この磁性体粒子に金属柱を挿し込んで立ててもよい。さらに、複数の金属柱が繋がって自立性のある複数の金属柱を立てて配置してもよい。

複数の金属柱を配置形状としては、製造する圧縮成形体にもよるが、円環状に立てて配置することが好ましい。

上記充填する工程は、上記金属柱を配置した固定型内に磁性体粒子を充填する工程であり、金属柱の上端よりも上まで磁性体粒子を充填して金属柱を埋没させる。このとき、磁性体粒子が密実に充填されるように、振動を加えることもできる。

上記圧縮する工程は、可動型を移動させて金属柱と共に磁性体粒子を加圧圧縮して磁性体粒子の圧粉体中に金属柱を包摂させる。

これにより、磁性体粒子間の接触が緊密となって、磁性体粒子表面の凹凸部が相互の摩擦や押合いにより噛み合って、磁性体粒子同士がしっかりと接触した圧粉体となり、金属柱と接する磁性体粒子が金属柱の表面に埋没して金属柱と磁性体粒子とが一体化する。

金属柱と磁性体粒子とを圧縮する圧力は、圧縮成形体の大きさや磁性体粒子の粒径などにもよるが、１００～１５００ＭＰａであることが好ましい。

また、圧縮する工程では、磁性体粒子を圧縮しながら加熱することができる。加熱しながら圧縮することで、磁性体粒子の圧粉体の密度を向上させることができる。

複数の金属柱を円環状に立てて配置した場合は、図８に示すように、先端がテーパ形の凸部を有する可動型を用い、この凸部を上記円環状の内側に挿入し、円環状の内側からも磁性体粒子を圧縮することが好ましい。円環状の内側からも磁性体粒子を圧縮することで、磁性体粒子の圧粉体の密度を均一化することができる。

先端がテーパ形をした凸部の先端のなす角度が４５°以下であると、固定型に充填した磁性体粒子を徐々に押しのけ、テーパ形の凸部が滑らかに入り込むため、磁性体粒子の圧粉体の密度が均一化する。

また、上記先端がテーパ形の凸部は、図９に示すように、円環状に配置された金属柱の内側を貫くことが好ましい。凸部が金属柱の内側を貫くことで、金属柱の内側から上下方向に均一に磁性粒子を圧縮するので、さらに磁性体粒子の圧粉体の密度が均一化する。

このような圧縮方法は、スライド可能な部分を有する固定型を用いることで行うことができる。

具体的には、上記凸部の先端部分を収容する凹部を固定型に設け、この凹部を塞ぐ部分をスライド可能にすることで、磁性体粒子を充填する際には、磁性体粒子が上記凹部に入り込むことが防止される。そして、磁性体粒子を圧縮する際、上記凸部の先端が固定型凹部に達したら、凹部を塞いでいた部分をスライドさせて開き、凸部の先端を凹部内に侵入させる。

また、上記圧縮する工程は、図１０に示すように、上記固定型と上記可動型とを上下反転させる処理を含むことができる。

上記のように凸部が金属柱の内側を貫いても、可動型の移動方向によって金属柱の上下方向で密度の差が生じる場合は、固定型と可動型とを上下反転させ、可動型を下から上に押し上げることで、上側の密度が高い圧縮成形体を作製できる。

圧縮成形体は密度が高い部分の伝熱性が高くなるので、作製するモータに要求される伝熱性に応じて、上側又は下側の密度が高い圧縮成形体を得ることができる。

また、上記成形する工程は、圧縮された余剰の磁性体粒子の圧粉体を除去し、所望の形状に成形する工程である。

本発明の圧縮成形体は、金属柱の端部同士を繋いでコイルを形成したステータとするので、金属柱の端部が露出している必要があり、金属柱の端部を覆っている磁性体粒子の圧粉体を除去すると共に、必要に応じて、円環状に配置された金属柱の内側の磁性体粒子の圧粉体を除去し、モータの軸が通る部分を形成する。

＜ステータの製造方法＞
本発明のステータの製造方法は、上記本発明の圧縮成形体の製造方法で作製した圧縮成形体の金属柱の端部を他の金属柱の端部と電気的に接続してコイルを形成し、ステータを製造する方法である。

金属柱の端部同士を接続する方法としては、金属柱の材料と同種の材料の導体を金属柱の端部間に配置し、上記導体と金属柱とを溶接することで行うことができる。

１ ステータ（圧縮成形体）
２ 磁性体粒子
３ 金属柱
３１ 凹部
３２ リング状金属材
４ 半導体素子
５ 導体
６ａ 金型（固定型）
６ｂ 金型（可動型）
６１ 凸部
６２ スライド部

Claims (18)

1. 磁性体粒子の圧粉体と、金属柱とを備える圧縮成形体であって、
   上記金属柱の少なくとも一部が上記圧粉体中に包摂され、
   上記圧粉体の一部の磁性体粒子が、金属柱の表面に埋没していることを特徴とする圧縮成形体。
2. 上記磁性体粒子が、その表面に絶縁層を有し、最大比透磁率が１００を超え、飽和磁化が０．８（Ｔ）超えていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮成形体。
3. 上記磁性体粒子の体積平均粒径が１～１００μｍであり、
   上記金属柱が表面に凹部を有し、上記凹部の平均開口径が上記磁性体粒子の平均粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮成形体。
4. 上記金属柱が、その表面に絶縁層を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の圧縮成形体。
5. 上記金属柱の絶縁層の絶縁耐力が、５０ＫＶ／ｍを超えることを特徴とする請求項４に記載の圧縮成形体。
6. 上記金属柱を複数有し、
   各金属柱は、その長手方向が互いに平行かつ周期的に並んで配置されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか１つの項に記載の圧縮成形体。
7. 上記金属柱が、円環状に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の圧縮成形体。
8. 上記請求項６又は７に記載の圧縮成形体を備え、
   上記金属柱が、その端部で他の金属柱の端部と電気的に接続してコイルを形成していることを特徴とするステータ。
9. 上記金属柱が、スイッチング機能を有する半導体素子により他の金属柱と接続していることを特徴とする請求項８に記載のステータ。
10. 上記金属柱を複数纏めた金属柱群が複数並んで配置され、
    上記金属柱が、その金属柱が属する金属群と隣接する金属柱群の他の金属柱と接続していることを特徴とする請求項８に記載のステータ。
11. 上記金属柱を複数纏めた金属柱群が複数並んで配置され、
    上記金属柱が、その金属柱が属する金属群から２つ以上離れた金属柱群の他の金属柱と接続していることを特徴とする請求項８に記載のステータ。
12. 上記請求項８～１１のいずれか１つの項に記載のステータと、ロータとを備えることを特徴とする電動モータ。
13. 上記請求項１～７のいずれか１つの項に記載の圧縮成形体を製造する方法であって、
    上記金属柱を金型内に配置する工程と、
    上記金型内に磁性体粒子を充填する工程と、
    上記磁性体粒子を圧縮する工程と、
    圧縮された余剰の磁性体粒子を除去し成形する工程と、を有することを特徴とする圧縮成形体の製造方法。
14. 上記圧縮する工程が、上記磁性体粒子を圧縮しながら加熱する処理を含むことを特徴とする請求項１３に記載の圧縮成形体の製造方法。
15. 上記金型が固定型と可動型とを有し、
    上記配置する工程が、複数の上記金属柱を上記固定型内に円環状に立てて配置する処理を含み、
    上記可動型が、先端がテーパ形をした凸部を有し、その先端のなす角が４５°以下であり、
    上記圧縮する工程が、上記凸部を上記円環状の内側に挿入して上記磁性体粒子を圧縮する処理を含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の圧縮成形体の製造方法。
16. 上記固定型が、スライド可能部分を有し、
    上記圧縮する工程が、上記可動型の凸部が上記円環状に配置された上記複数の金属柱の内側を貫き、上記スライド可能部分が広がり上記凸部の先端が上記固定型内に侵入して、上記磁性体粒子を圧縮する処理を含むことを特徴とする請求項１５に記載の圧縮成形体の製造方法。
17. 上記圧縮する工程が、上記固定型と上記可動型とを上下反転させる処理を含み、
    上記可動型が、下方から上記磁性体粒子を圧縮することを特徴とする請求項１６に記載の圧縮成形体の製造方法。
18. 上記請求項８～１１のいずれか１つの項に記載のステータを製造する方法であって、
    上記請求項１３～１７のいずれか１つの項に記載の圧縮成形体の製造方法によって圧縮成形体を作製した後、
    上記金属柱の端部を、他の金属柱の端部と電気的に接続してコイルを形成する工程を有することを特徴とするステータの製造方法。

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