JP4489096B2

JP4489096B2 - 電気機器用磁性粉金属複合体コア

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Publication number: JP4489096B2
Application number: JP2007142950A
Authority: JP
Inventors: ジョン・イングクイスト; デビッド・ファーニア
Original assignee: バージェス・ノートン・マニュファクチャリング・カンパニー・インコーポレーテッド
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: KR20070116544A; KR100885763B1; CN101098087A; US20090183357A1; US20070278891A1; ES2693611T3; US7538467B2; EA200701004A1; EP1865587A2; EP1865587B1; TWI355129B; CN101098087B; EP1865587A3; JP2007325492A; EA011006B1; TW200805857A

Description

本発明は、電気機器用のコア部材、特に、電気機器用の構成組立体、最も典型的には電動モータに関する。

モータ及び発電機等の電気機器は、通常、固定子（ステータ）と称する静止部材と、一般に回転子（ロータ）と称する可動部材又は回転部材とを有する。固定子又は回転子の何れかにより発生する磁場（磁界）の相互作用によって、固定子と回転子との間に相互作用が発生する。この磁場は、通常、固定子又は回転子の一方に捲回される巻線に流れる電流により発生又は誘起される。この巻線は、通常、巻線支持体の周囲に捲回される複数のコイル（巻線組立体）を形成する。選択された鋼材料の複数の薄層により従来より形成される軟質磁性材料により、巻線支持体が通常構成される。複数の薄層は、互いに絶縁されて渦電流が低減される。

電気機器の構造では、電気機器のコア（磁心）の固定子と回転子との間のコギングトルク（脈動トルク）を低減する要求又は需要がある。コギングトルクを減少しかつ固定子と回転子との間の電磁場により効率の高い相互作用を生じるために、傾斜する（捩れ形状の）固定子又は回転子を使用することは、公知である。これにより、より効率の高いモータ又は発電機を製造することができる。しかしながら、コア部に傾斜する係合構造又は外面を有する回転子又は固定子を製造する点に問題がある。

粉末冶金法により圧密化して巻線支持体を形成する強磁性粉粒子により、薄層鋼材料製の固定子コア又は回転子コアを置換することは、公知である。強磁性粉粒子自体を互いに電気的に絶縁して得られる圧密化形成体は、薄層鉄材料積層体を使用するのと同様に、渦電流損失が低い。強磁性粉粒子により構成される圧密化金属粉を電気機器のコアに使用する例は、下記特許文献１、２及び３に開示される。
米国特許第６,９５６,３０７号公報米国特許第６,３００,７０２号公報米国特許第６,４４１,５３０号公報

従って、本発明の目的は、コア部が傾斜する端部を有しかつ電気機器に使用される改良型電気機器構成組立体を提供することである。従って、モータのコギングトルクそれ自体は、減少する。

本発明の別の目的は、圧密化された強磁性粉により構成されるコア構成組立体を備えかつ電気機器に使用される改良型固定子組立体又は改良型回転子組立体を提供することである。

本発明は、電気機器用の改良型構成組立体、より詳細には、電気モータ又は発電機に使用される改良型固定子組立体又は改良型回転子組立体を提供する。改良型構成組立体は、上片及び下片を備える。各上片は、ほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側で径方向に延伸する複数の巻線支持体と、各巻線支持体の径方向端部（縁部又は端面）の上片コア部とにより構成される。

下片は、ほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、各巻線部支持体の径方向端部の下片コア部とにより構成される。

各上片コア部は、上端部と、上端部とほぼ平行に形成された下端部と、２つの側端部とを備える。一方の側端部は、上端部に対して直角に形成され、他方の側端部は、傾斜する。上片と下片とを互いに嵌合し、上片コア部と下片コア部とを組合せて、コア部を形成する。

また、上片及び下片の各々は、鉄系磁性粉粒子により形成される。鉄系磁性粉粒子により形成される部品は、互いに絶縁される。鉄系磁性金属粉粒子は、粉末冶金法により一体の固体に圧密化成形される。

本発明の特徴は、互いに絶縁された鉄系磁性金属粉粒子により形成される傾斜するコア部を有する上片及び下片を組合せて構成される改良型構成組立体により、電気機器の性能を改善できる点にある。主に、傾斜するコア部により電気機器のコギングトルクを減少しかつ互いに絶縁された鉄系磁性金属粉粒子により上片及び下片を形成して電気機器の渦電流損失を減少することにより性能が改善される。

図１〜図４では、電気機器用の構成組立体全体を符号10で示す。構成組立体10は、最も一般的にはモータに使用される固定子又は回転子であるが、構成組立体10を発電機に使用してもよい。

構成組立体10は、中心部12を有する上片9を備える。中心部12は、通常、中心開口部を有する円筒状に形成される。中心部12は、径方向中心軸（長さ方向中心軸）13を備える。複数の巻線支持体17は、中心部12の外面から外側に径方向に延伸する。各巻線支持体17の数は、構成組立体10の大きさ及び構造に基づいて変更できるが、通常、８〜２４個である。ほぼ矩形形状の各巻線支持体17は、平行な上端部及び下端部と、中心部12の外面に隣接する内端部とを有する。各巻線支持体17は、外端部も有する。

各巻線支持体17の各外端部は、外端部に固定されるか又は外端部から突出する上片コア部14を有する。各上片コア部14は、上端部40及び下端部42を有し、上端部40と下端部42とは、通常、平行に形成される。各上片コア部14は、第１の側端部44及び第２の側端部46も備える。第１の側端部44は、通常、径方向中心軸13と平行に形成される。第２の側端部46は、通常、径方向中心軸13に対して鋭角に傾斜して形成され、第２の側端部46と径方向中心軸13との外角は、通常、５〜３０度である。

上片9の中心部12は、中心開口部及び径方向中心軸13を有するほぼ円筒状である。中心部12は、ほぼ平坦な底面26を有する。

各上片コア部14は、上片径方向中心軸13の周囲に湾曲する凸状外面16を有する。上片コア部14の湾曲形状により、凸状外面16は、上片9の外端部によりほぼ円筒状に形成される。

構成組立体10は、中心部20を有する下片29を備える。中心部20は、通常、中央開口部を有する円筒状に形成される。上片9と下片29とを組合せると、中心部20に径方向中心軸13が形成される。複数の巻線支持体27は、中心部20の外面から外側に径方向に延伸する。前記巻線支持体の数は、構成組立体10の大きさ及び構造に基づいて変更できるが、通常、８〜２４個である。ほぼ矩形形状の各巻線支持体27は、平行な上端部及び下端部と、中心部20の外面に隣接する内端部とを有する。各巻線支持体27は、外端部も有する。

各巻線支持体27の各外端部は、外端部に固定されるか又は外端部から突出する下片コア部22を有する。各下片コア部22は、上端部50及び下端部52を有し、上端部50と下端部52とは、通常、平行に形成される。各下片コア部22は、第１の側端部54及び第２の側端部56も備える。第１の側端部54は、通常、径方向中心軸13と平行に形成される。第２の側端部56は、通常、径方向中心軸13に対して鋭角に傾斜して形成され、第２の側端部56と径方向中心軸13との外角は、通常、５〜３０度である。

下片29の中心部20は、中心開口部及び径方向中心軸13を有するほぼ円筒状である。中心部20は、ほぼ平坦な頂面24を有する。

各下片コア部22は、下片径方向中心軸13の周囲に湾曲する凸状外面30を有する。下片コア部22の湾曲形状により、凸状外面30は、下片29の外端部によりほぼ円筒状に形成される。

上片9を下片29に嵌合すると、完全な構成組立体10が形成される。上片中心部12の底面26は、下片中心部20の頂面24に嵌合される。

上片9の各巻線支持体17は、下片29の巻線支持体27に隣接して嵌合される。ほぼ矩形に組合せられる巻線支持体17,27には、巻線18が捲回される。巻線18は、電気機器用の磁場を発生する絶縁被覆電線による通常の巻線である。

図示のように、隣接する下片コア部22に各上片コア部14を組合せると、構成組立体10の傾斜コア部25が形成される。

各上片コア部14の側端部44は、各下片コア部22の側端部54に隣接して配置される。下片コア部22に隣接して各上片コア部14を配置すると、組合せ傾斜コア部25が形成される。組合せ傾斜コア部25は、通常、平行に形成される上端部35及び下端部37を有する。組合せ傾斜コア部25は、同様に平行に形成される第１の側端部39と第２の側端部41も通常有するが、第１の側端部39又は第２の側端部41は、上端部35に対して５〜３０度の鋭角に形成される。よって、通常、平行四辺形の各組合せ傾斜コア部25は、隣接する組合せ傾斜コア部から離間して電気的に絶縁される。

電気モータ、発電機等の電気機器において、電気モータのコギングトルクを減少できる固定子又は回転子として組合せ傾斜コア部25を利用できる。

上片9及び下片29は、通常、圧密化された鉄系磁性粉により形成される単体構造であると理解すべきである。圧密化された鉄系磁性粉自体は、絶縁された鉄粉粒子により形成される。鉄系磁性粉は、金属粉末冶金法により金型圧密化される。圧力緩和され又は内部歪が除去される構成組立体10を製造する後の熱処理を行ってもよい。また、熱処理により、複合体の透磁率（磁気誘導の大きさと磁場の強さとの比）を上昇して磁損を減少することができる。組立後の構成組立体10内に渦電流の蓄積を抑制するように、使用する鉄系磁性粉粒子は、互いに電気的に絶縁される。

図５及び図６は、上片9を成型する金型68の詳細な断面図である。構成組立体10として上片9を示す。鉄系粉金型圧密化技術を使用して、第２の側端部46等の傾斜端部を形成することは、非常に困難である。これは、金型圧縮の方向に対して傾斜する端部を圧縮する点、金型圧縮する点及び傾斜する端部を有する圧縮部品を金型から取り出す点に困難な原因がある。

一実施の形態として図５及び図６に示す金型装置を使用する本発明の製法により、上片9及び下片29の金型圧縮を達成できる。

図５に断面を示す金型68は、全体形状がほぼ円筒状に形成される。金型68は、外端部67、上端部65、下端部63及び内端部61を有する。金型68の内端部61は、内側金型片69に隣接する。内側金型片69は、中央に形成されるほぼ円筒状の空洞部を有する。内側金型片69は、上片9の第１の側端部44及び第２の側端部46を形成する棚状端部を有する。

第１の上部充填材穿孔部62は、内側金型片69の内端部に隣接する。第２の上部充填材穿孔部60は、第１の上部充填材穿孔部62の内端部に隣接する。第３の上部充填材穿孔部71は、第２の上部充填材穿孔部60の内端部に隣接する。

同様に、第１の下部充填材穿孔部70は、内側金型片69の内端部に隣接する。第２の下部充填材穿孔部66は、第１の下部充填材穿孔部70の内端部に隣接する。第３の下部充填材穿孔部64は、第２の下部充填材穿孔部66の内端部に隣接する。

ほぼ円筒状に形成される充填材穿孔部60,62,64,66,70,71は、上片9及び金型68にほぼ円筒状の形状を形成する。

コアロッド（芯棒）65は、上片9の径方向中心軸13に沿って延伸する。コアロッド65は、第３の上部充填材穿孔部71及び第３の下部充填材穿孔部64の内端部に隣接する。

構成組立体10を製造する際に、後に上片9となる適切な鉄系磁性粉が空洞部内に充填される。一実施の形態では、前記金型装置を使用して金型が圧縮される。

上片9及び下片29を形成する鉄系磁性粉には、通常、高純度軟質磁性鉄粉が使用される。鉄粉粒子は、有機系絶縁被覆剤、無機系絶縁被覆剤又はこれらを組合せた絶縁被覆剤により被覆される。

上片9及び下片29は、接着剤又はエポキシ樹脂を使用して互いに接着される。巻線18により上片9と下片29とを互いに十分に保持する構造を構成組立体10に設けることもできる。

本発明は、電気機器用のコア部材、特に、電気機器用の構成組立体、最も典型的には電動モータに適用できる。

本発明の実施の形態による構成組立体の斜視図本発明の実施の形態による構成組立体の断面図個々の構成組立体に分離して示す構成組立体の斜視図本発明の実施の形態による構成組立体の斜視図本発明による金型圧密化装置の実施の形態の断面図本発明による金型圧密化装置の実施の形態の詳細な断面図

符号の説明

(9)・・上片、 (10)・・構成組立体、 (12,20)・・中心部、 (13)・・径方向中心軸、 (14)・・上片コア部、 (16,30)・・凸状外面、 (17,27)・・巻線支持体、 (22)・・下片コア部、 (25)・・傾斜コア部、 (29)・・下片、 (35,40,50)・・上端部、 (37,42,52)・・下端部、 (39,44,54)・・第１の側端部、 (41,46,56)・・第２の側端部、 (60)・・第２の充填材穿孔部、 (62)・・第１の充填材穿孔部、 (65)・・コアロッド、 (68)・・金型、 (69)・・内側金型片、

Claims

上片と下片とを備え、
上片は、径方向中心軸を有するほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、上片の径方向中心軸に沿うほぼ湾曲する凸状外面を有する各巻線支持体の径方向端部の上片コア部とを備え、
下片は、径方向中心軸を有するほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、下片の径方向中心軸に沿うほぼ湾曲する凸状外面を有する各巻線支持体の径方向端部の下片コア部とを備え、
各上片コア部は、上端部と、上端部とほぼ平行に形成された下端部と、２つの側端部とを備え、
一方の側端部は、上端部に対して直角に形成され、他方の側端部は、傾斜し、
上片と下片とを互いに嵌合し、上片コア部と下片コア部とを組合せて、コア部を形成することを特徴とする電気機器の回転子又は固定子に使用する組立体。
上片と下片とを備え、
上片は、径方向中心軸を有するほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、上片の径方向中心軸に沿うほぼ湾曲する凸状外面を有する各巻線支持体の径方向端部の上片コア部とを備え、
下片は、径方向中心軸を有するほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、下片の径方向中心軸に沿うほぼ湾曲する凸状外面を有する各巻線支持体の径方向端部の下片コア部とを備え、
各下片コア部は、上端部と、上端部とほぼ平行に形成された下端部と、２つの側端部とを備え、
一方の側端部は、上端部に対して直角に形成され、他方の側端部は、傾斜し、
上片と下片とを互いに嵌合し、上片コア部と下片コア部とを組合せて、コア部を形成することを特徴とする電気機器の回転子又は固定子に使用する組立体。
各上片コア部は、上端部と、下端部と、２つの側端部とを備え、
上端部と下端部とは、互いにほぼ平行に形成され、
２つの側端部は、平行に形成されない請求項１又は２に記載の組立体。
各下片コア部は、上端部と、下端部と、２つの側端部とを備え、
上端部と下端部とは、互いにほぼ平行に形成され、
２つの側端部は、平行に形成されない請求項１又は２に記載の組立体。
各上片コア部は、ほぼ台形形状を有する外端部を備える請求項１又は２に記載の組立体。
各下片コア部は、ほぼ台形形状を有する外端部を備える請求項１又は２に記載の組立体。
上片コア部及び下片コア部は、組合されたときに、ほぼ平行四辺形を形成する外端部を有する組合せコア部を形成する請求項１又は２に記載の組立体。
上片コア部は、組合されたときに、互いに平行にかつ組立体の上片の径方向中心軸に対して直角に形成される上端部及び下端部を有する組合せコア部を形成する請求項１又は２に記載の組立体。
上片コア部及び下片コア部は、組合されたときに、互いに平行にかつ組立体の上片の径方向中心軸に対して直角な上端部及び下端部を有する共に、互いにほぼ平行にかつ組立体の上片の径方向中心軸に対してそれぞれ鋭角に形成された第１の側端部及び第２の側端部を有する組合せコア部を形成する請求項１又は２に記載の組立体。
鉄系磁性金属粉粒子により上片を形成した請求項１又は２に記載の組立体。
圧密化された鉄系磁性金属粉粒子により上片を形成した単体構造である請求項１又は２に記載の組立体。
鉄系磁性金属粉粒子により下片を形成した請求項１又は２に記載の組立体。
圧密化された鉄系磁性金属粉粒子により下片を形成した単体構造である請求項１又は２に記載の組立体。
径方向中心軸を有するほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、上片の径方向中心軸に沿うほぼ湾曲する凸状外面を有する各巻線支持体の径方向端部の上片コア部とを備える上片を準備する過程と、
径方向中心軸を有するほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、下片の径方向中心軸に沿うほぼ湾曲する凸状外面を有する各巻線支持体の径方向端部の下片コア部とを備える下片を準備する過程と、
上片と下片とを互いに嵌合し、上片コア部と下片コア部とを組合せて、コア部を形成する過程とを含み、
各上片コア部は、上端部と、上端部とほぼ平行に形成された下端部と、２つの側端部とを備え、
一方の側端部は、上端部に対して直角に形成され、他方の側端部は、傾斜することを特徴とする電気機器用の構成組立体を組立てる方法。
径方向中心軸を有するほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、上片の径方向中心軸に沿うほぼ湾曲する凸状外面を有する各巻線支持体の径方向端部の上片コア部とを備える上片を準備する過程と、
径方向中心軸を有するほぼ円筒状の中心部と、中心部から外側に径方向に延伸する複数の巻線支持体と、下片の径方向中心軸に沿うほぼ湾曲する凸状外面を有する各巻線支持体の径方向端部の下片コア部とを備える下片を準備する過程と、
上片と下片とを互いに嵌合し、上片コア部と下片コア部とを組合せて、コア部を形成する過程とを含み、
各下片コア部は、上端部と、上端部とほぼ平行に形成された下端部と、２つの側端部とを備え、
一方の側端部は、上端部に対して直角に形成され、他方の側端部は、傾斜することを特徴とする電気機器用の構成組立体を組立てる方法。
各上片コア部は、上端部、下端部及び２つの側端部を備え、
上端部と下端部とは、互いにほぼ平行に形成され、
２つの側端部は、平行に形成されない請求項１４又は１５に記載の方法。
各下片コア部は、上端部、下端部及び２つの側端部を備え、
上端部と下端部とは、互いにほぼ平行に形成され、
２つの側端部は、平行に形成されない請求項１４又は１５に記載の方法。
各上片コア部は、ほぼ台形形状を有する外端部を備える請求項１４又は１５に記載の方法。
各下片コア部は、ほぼ台形形状を有する外端部を備える請求項１４又は１５に記載の方法。
上片コア部と下片コア部とは、組合されたときに、ほぼ平行四辺形を形成する外端部を有する組合せコア部を形成する請求項１４又は１５に記載の方法。
上片コア部は、組合されたときに、互いに平行にかつ組立体の上片の径方向中心軸に対して直角に形成される上端部及び下端部を有する組合せコア部を形成する請求項１４又は１５に記載の方法。
上片コア部及び下片コア部は、組合されたときに、互いに平行にかつ組立体の上片の径方向中心軸に対して直角な上端部及び下端部を有する共に、互いにほぼ平行にかつ組立体の上片の径方向中心軸に対してそれぞれ鋭角に形成された第１の側端部及び第２の側端部を有する組合せコア部を形成する請求項１４又は１５に記載の方法。
鉄系磁性金属粉粒子により上片を形成する請求項１４又は１５に記載の方法。