JP5311397B2

JP5311397B2 - モーター用圧粉磁心およびその製造方法

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Publication number: JP5311397B2
Application number: JP2009112083A
Authority: JP
Inventors: 純二浜名; 直昭丸山; 慶行佐藤
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2009-05-01
Filing date: 2009-05-01
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-05-01
Also published as: JP2010263042A

Description

本発明は、鉄損を低減させたモーター用の圧粉磁心およびこのモーター用圧粉磁心の製造方法に関する。

高周波域や高回転速度域で用いられるモーターにおいては、その鉄損に伴う発熱によって効率の低下が問題となる。この鉄損は、周波数に比例するヒステリシス損と、周波数の二乗に比例する渦電流損とを含んでいるので、高周波域や高回転速度域でのモーターの鉄損を低減させるためには、磁心を構成する材料の固有抵抗を高めることが有効である。このため、モーターのステーターやローターまたはヨークを構成する磁心として、従来では固有抵抗値の高いケイ素鋼板を用いたり、このケイ素鋼板を薄板化すると共にプレス成形して積層させ、渦電流損をさらに低減させることが行われている。

しかしながら、この方法によって製造される磁心は、複雑な形状を持つ磁心を製造することが困難であり、またプレス成形に伴う剪断歪みによって磁気特性が低下してしまい、理論値ほどの磁気特性を持たせることが実質的に困難である。

これに対し、潤滑成分や樹脂バインダーなどと共に軟磁性粉末を含む圧粉体製造材料を金型内で所定形状に圧縮成形して作成される圧粉磁心は、圧粉体製造材料のほとんど１００％を製品にすることができるため、材料有効利用率の点で極めて優れた方法である。また、この圧粉磁心は、形状が複雑であっても成形後の修正加工をほとんど必要とせず、対向磁極部分の有効断面積を大きく設定することができる点においても、ケイ素鋼板をプレス成形して積層させた旧来の磁心と比較して優れた製造方法であると言える。なお、この圧粉磁心については特許文献１などに開示されている。

特開２００５−２２４８０５号公報

しかしながら、特許文献１などに開示された従来の圧粉磁心は、積層鋼板製の磁心と比較すると、特に渦電流損失が大きく、高周波域や高回転速度域での使用に難がある。

本発明の目的は、従来のものよりも渦電流損失をより少なくすることができるモーター用の圧粉磁心およびその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の形態によるモーター用圧粉磁心は、それぞれ接合面を有し、これら接合面を相互に重ね合わせた状態で一体的に接合される複数の圧粉体と、これら複数の圧粉体の前記接合面の間に形成される電気絶縁層とを具え、個々の前記圧粉体は、透過する磁束の変化を妨げる方向に生じる起電力に対して直交する方向に相互に平行に延在する一対の表面部と、これら一対の表面部の中間に位置し、当該一対の表面部の密度よりも低密度なニュートラルゾーンと、回転軸を挿通するための軸穴とをそれぞれ有し、前記一対の表面部の少なくとも一方が前記接合面を構成し、且つ前記複数の圧粉体の接合面が互いに同一形状で形成され、前記複数の圧粉体の前記ニュートラルゾーンが相互に平行となるように且つ前記複数の圧粉体の軸穴が連通するように、前記複数の圧粉体の接合面が相互に重ね合わされていることを特徴とするものである。

本発明の第１の形態による圧粉磁心において、圧粉体の低密度なニュートラルゾーンの比抵抗値がその表面部の比抵抗値の３倍以上であることが好ましい。

電気絶縁層が相互に重なり合う圧粉体を接合するための接着剤であってよい。

低密度なニュートラルゾーンに対して直交する方向の圧粉磁心の厚みｔを低密度なニュートラルゾーンと平行な方向に沿った圧粉磁心の幅ｗで除したアスペクト比ｔ/ｗが０.５以上かつ５以下であることが好ましい。アスペクト比ｔ/ｗが０.５未満の場合、つまり圧粉磁心の厚みｔが相対的に薄すぎると、本発明の顕著な効果を確認することが困難となる。逆に、アスペクト比ｔ/ｗが５を超えると、低密度なニュートラルゾーンの結合強度が不充分となって圧粉磁心としての成形形状の維持が困難となる。

本発明の第２の形態は、上述した本発明の第１の形態によるモーター用圧粉磁心の製造方法であって、圧粉体製造材料をあらかじめ金型に形成された成形キャビティー内に充填するステップと、圧粉体製造材料が充填された前記金型に圧縮成形力を加えて少なくとも一方が接合面となる一対の表面部およびこれら一対の表面部の中間に位置するニュートラルゾーンを有する圧粉体を成形するステップと、これにより得られる複数の前記圧粉体の前記接合面の間に電気絶縁層を画成する部材を介在させた状態で、これら複数の圧粉体の接合面を相互に重ね合わせて接合するステップとを具え、圧粉体を成形する前記ステップは、前記圧粉体に形成されるべきニュートラルゾーンに対して直交する方向に圧縮成形力を前記金型に加えるステップと、前記金型の加圧成形面に対応した前記一対の表面部を成形するステップとを含み、前記複数の圧粉体の接合面を相互に重ね合わせて接合するステップは、前記圧粉体のニュートラルゾーンが相互に平行となるように、前記複数の圧粉体の接合面を相互に重ね合わせるステップを含むことを特徴とするものである。

圧粉成形においては、ダイ内の下パンチとダイとで画成される成形キャビティー内に圧粉体製造材料を充填した後、上パンチをダイ内に押し込んで圧粉体製造材料を成形キャビティーの形状に対応した所定形状に加圧成形する。その後、成形時の歪みを取るために熱処理を施して個々の圧粉体とする。

圧粉成形時に上下のパンチから圧粉体製造材料に加えられる加圧力は、圧粉体製造材料とダイ内壁との摩擦力により上下のパンチの加圧成形面からの距離が遠いほど小さくなる。このため、圧粉体の厚み方向中央付近に、上下のパンチの加圧成形面と平行な方向に沿って密度の低い、いわゆるニュートラルゾーンと呼称される領域が発生する。このニュートラルゾーンは、圧粉体製造材料を構成する粒子の間隔が広く、その変形が少なく色調も淡くなっていることで外観的に確認することができる。

一般的な粉末成形機を用いてこのようなニュートラルゾーンを形成するには、１cm²当たりの加圧力を３トンから１０トンの範囲に設定することが有効である。なお、この成形圧が３トン未満の場合には、得られる圧粉体としての強度が不足する。この結果、巻線工程で圧粉磁心の欠けやクラックなどの欠陥の原因となったり、回転体としての強度が不充分となってしまう。逆に、加圧力が１０トンを超えると、明確なニュートラルゾーンが形成されなくなり、本発明の効果を得ることが困難となる。このニュートラルゾーンの比抵抗値は、上下のパンチの加圧成形面と接する圧粉体の表面部の比抵抗値よりも大きく、本発明においては、これを渦電流損失の低減を図るために利用する。

圧粉体を成形するための圧粉体製造材料として、表面に電気絶縁膜を形成した磁性粒子を含むことができる。好ましい電気絶縁膜としては、磁気特性を劣化させることなく電気絶縁性を発揮し得る厚みを有し、圧粉体の成形時に磁性粒子に加えられる変形歪に追従し、その膜構造が破壊されないものが好適である。また、成形に伴って磁性粒子に加えられた変形歪を除去し、磁気特性を改善するための熱処理温度に耐えるものであることが好ましく、これらの条件を満たすものとして金属アルコキシド皮膜やリン酸塩皮膜などを用いることができる。

圧粉体製造材料として、上述した電気絶縁膜で被覆された磁性粉末の他に、必要に応じて樹脂バインダーや、加圧成形時に金型内での磁性粉末の移動を容易にし、圧粉磁心の密度上昇を図ると共に圧粉磁心の脱型を容易にするための潤滑剤などを含むことができる。

本発明の第３の形態は、上述した本発明の第１の形態によるモーター用圧粉磁心か、第２の形態によるモーター用圧粉磁心の製造方法によって得られるモーター用圧粉磁心を用いたモーターにある。

本発明によると、圧粉体が、この圧粉磁心を透過する磁束の変化を妨げる方向に生じる起電力に対して直交する方向に相互に平行に延在する一対の表面部の中間に位置し、これら表面部の密度よりも低密度なニュートラルゾーンを有するので、渦電流損失の低減が可能となる。特に、低密度なニュートラルゾーンの比抵抗値を圧粉体の表面部の比抵抗値の１.５倍以上にした場合、渦電流損失をより確実に低減させることができる。

電気絶縁層が相互に重なり合う圧粉体を接合するための接着剤の場合、圧粉体を接合するための接着剤を電気絶縁層として兼用させることができる。

低密度な領域に対して直交する方向の圧粉磁心の厚みｔを低密度な領域と平行な方向に沿った圧粉磁心の幅ｗで除したアスペクト比ｔ/ｗを０.５以上かつ５以下に設定した場合、本発明の効果がより明確となる圧粉磁心を得ることができる。

本発明のモーター用圧粉磁心の製造方法によると、圧粉体製造材料が充填された金型に加えられる圧縮成形力を圧粉体に形成されるべき低密度なニュートラルゾーンに対して直交する方向に加えたので、従来のものよりも渦電流損失の低減が可能なモーター用圧粉磁心を得ることができる。

本発明によるモーター用圧粉磁心をモーターのローターに応用した一実施形態の外観を表す立体投影図である。図１に示したローターにおける圧粉磁心の外観を表す立体投影図である。図１に示したローターを用いたモーターの鉄損を模式的に表すグラフである。図２のモーター用圧粉磁心に対応した比較例の外観を分解状態で表す立体投影図である。本発明によるモーターの一実施例の構造を表す破断断面図である。図５に示した実施形態のローターに用いたモーター用圧粉磁心の外観を表す立体投影図である。

本発明によるモーター用圧粉磁心の実施形態について、図１〜図６を参照しながら以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施形態のみに限らず、必要に応じてこれらをさらに組み合わせたり、本発明の精神に帰属する他の任意の技術、例えばリニアモーターなどにも応用することが可能である。

本発明を２極のローターに応用した一実施形態の外観を図１に示し、その一部を構成する圧粉体の外観を図２に示す。すなわち、本実施形態における２極のローター１０は、図示しない回転軸と、この回転軸が挿通する圧粉磁心１１と、この圧粉磁心１１に巻き付けられるコイル部１２とを含む。なお、圧粉磁心１１とコイル部１２との間には、図示しない電気絶縁性の巻線ボビンが介装され、コイル部１２を構成する巻線と圧粉磁心１１とが直接接触し、巻線の絶縁被覆が損傷を受けた場合の短絡や断線などの不具合が発生しないように配慮している。

本実施形態における圧粉磁心１１は、２枚の図２に示すような圧粉体１３を重ね合わせて一体的に接合したものであるが、３枚以上の圧粉体を重ね合わせて圧粉磁心を形成することも可能である。個々の圧粉体１３は、圧粉磁心１１を透過する磁束Ｂの変化を妨げる方向に生じる起電力Ｆに対して直交する方向に相互に平行に延在する一対の表面部１３ａと、これら一対の表面部１３ａの密度よりも低密度な領域、つまりニュートラルゾーン１３ｂとを有する。この低密度な領域（以下、ニュートラルゾーンと記述する）１３ｂは、上述した一対の表面部１３ａの中間、つまり圧粉体１３の厚みｔ方向に沿った中央部分に形成されている。このニュートラルゾーン１３ｂの比抵抗値がその表面部１３ａの比抵抗値の１.５倍以上となるように、圧粉体１３の成形時における成形圧が調整される。なお、圧粉体１３の厚みｔ方向（図中、上下方向）に沿った密度分布がその表面部１３ａから中央部に亙ってほぼ非線形で連続的に変化することに注意されたい。相互に重なり合う圧粉体１３の表面部１３ａの間には、接着剤を兼ねた電気絶縁層１４が形成され、これによって渦電流損失の低減を図っている。

個々の圧粉体１３、つまり圧粉磁心１１には平板状をなす巻線部１５と、この巻線部１５の両端に続く一対の磁極部１６とが形成され、さらに巻線部１５の中央には、図示しない回転軸を挿通するための軸穴１７が形成されている。先の磁極部１６は、この軸穴１７を挟んで巻線部１５の径方向両端に位置している。なお、ニュートラルゾーン１３ｂに対して直交する方向の圧粉磁心１１の厚みｔをニュートラルゾーン１３ｂと平行な方向に沿った圧粉磁心１１の幅ｗで除したアスペクト比ｔ/ｗを０.５以上かつ５以下の範囲に設定することが有効である。

本実施形態におけるローター１０は、その磁極部１６に対して近接状態となるようにローター１０を囲んで配される強磁場を持った磁極、より具体的には永久磁石に対して急速に接近した後、急速に遠ざかるような回転運動を行う。このため、圧粉磁心１１を透過する磁束Ｂは、急激な増加や減少を繰り返すこととなる。この時、圧粉磁心１１を含むローター１０には、このローター１０を透過する磁束Ｂの変化を妨げる方向に起電力Ｆが生じ、圧粉磁心１１の抵抗に応じた電流の発生によりジュール熱となって消費される。この結果、特に高速回転時には電流が渦電流となってローター１０の表面付近を流れ、ローター１０の温度上昇、ひいては鉄損としてモーター効率の低減の原因となる。本発明においては、圧粉磁心１１に巻回されたコイル部１２に高周波の電流を印加した場合、圧粉磁心１１に磁束Ｂの変化を妨げる方向に生じる起電力Ｆの方向とほぼ直行するニュートラルゾーン１３ｂが電気絶縁層１４と共に形成されている。このため、渦電流の発生が抑制され、鉄損を低減させることが可能となる。

上述したような本実施形態における圧粉体１３の製造に際し、圧粉体製造材料として軟質磁性粉と潤滑剤および絶縁性潤滑剤とを用意した。より具体的には、軟質磁性粉としてリン酸塩絶縁皮膜で被覆された鉄粉 Somaloy 500（スウェーデン国ヘガネス社の製品名）を用意し、潤滑剤としてステアリン亜鉛（一般試薬）を鉄粉１００質量部に対し０.３質量部添加した。さらに絶縁性潤滑剤として平均粒径１１μｍのタルク粒子を鉄粉１００質量部に対して０.１質量部添加し、これらを均一に分散して圧粉体製造材料を得た。

この圧粉体製造材料を圧粉体１３の形状に対応してあらかじめ金型に形成された成形キャビティー内に充填した後、この金型に１cm²当たり６.５トンの圧縮成形力、つまり成形圧を加えて圧粉体１３の成形を行った。この場合、金型に加えられる圧縮成形力は、圧粉体１３に形成されるべきニュートラルゾーン１３ｂに対して直交する方向に加えられる。

その後、得られた圧粉体１３を空気中で５００℃にて３０分間熱処理を施し、加圧成形に伴う歪みの除去を行った。このようにして得られた２枚の圧粉体１３を平均粒径５μｍのアルミナ粒子を混合したエポキシ接着剤を介して重ね合わせて接合し、電気絶縁層１４と２つのニュートラルゾーン１３ｂとを有する圧粉磁心１１を得た。圧粉体１３の表面部１３ａの密度は７cm³，ニュートラルゾーン１３ｂの密度は６〜６.５cm³であり、比抵抗値は表面部１３ａが１２００μΩ・cm，ニュートラルゾーン１３ｂが１８００〜２４００μΩ・cmであった。また、コイル部１２が形成される巻線部１５のアスペクト比ｔ/ｗは０.５３であった。なお、これらの数値に本発明が限定されるわけではなく、単なる例示として開示しているに過ぎないことを理解すべきである。

なお、２枚の圧粉体１３を重ね合わせ、電気絶縁層１４を介してこれらを一体化させる場合、圧粉磁心１１に巻線ボビンとなるＰＥＴやＰＢＴを同時に射出成形することができる。

このようにして得られたローター１０に対し、鉄損の評価を行った。すなわち、駆動用モーターとして一般的なＤＣモーターを用意し、この駆動用モーターを単独で駆動し、回転数に対する無負荷時の駆動電流をあらかじめ把握する。次に、本実施形態のモーターのローター１０からコイル部１２を取り外したものを用意し、このモーターの回転軸を先の駆動用モーターの回転軸に連結する。そして、駆動用モーターに与えられる駆動電流と回転数との関係を求め、先に把握しておいた回転数に対応する無負荷時の駆動電流を減じた値を無負荷電流、すなわち鉄損として評価した。これは、鉄損の評価法として一般的に行われている方法である。

結果を図３の実線で示す。比較のため、図４に示すような一対の圧粉体１３を製造し、これを導電性接着剤で接合して圧粉磁心とした。図４に示す比較例としての圧粉体１３は、圧粉磁心を透過する磁束の変化を妨げる方向に沿ってニュートラルゾーン１３ｂが延在するように、軸穴１７を中心として一対の磁極部１６が別々に成形される。従って、ニュートラルゾーン１３ｂは巻線の巻回方向に沿って形成されることとなり、この比較例における巻線部のアスペクト比ｔ/ｗは０.７８に設定されている。図４に示した圧粉体１３を用いた圧粉磁心による鉄損の評価を図３中の破線で示すが、上述以外はすべて先の本実施形態と同じ方法にて製造したものである。

図３から明らかなように、比較例は回転数の増加に伴い、損失の増加が激しくなる傾向を持つ。これに対し、本実施形態における圧粉磁心１１は極めて損失が少ないばかりでなく、その回転数の増加に対しても損失の増加が非常に少なく、極めて優れた圧粉磁心１１であることを確認できた。

上述した実施形態では、２極の単純な構成の圧粉磁心１１について説明したが、例えば図５および図６に示すような、より複雑な圧粉磁心１１にも本発明を適用することが可能である。

図５および図６に示した実施形態は、５極のローター１０を持つモーター１８に関するものであるが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を示すに止め、重複する説明を省略するものとする。すなわち、本実施形態におけるモーター１８は、筺体１９と、ローター１０と、ステーター２０と、一対の端子部２１とを有する。ローター１０は、筺体１９に対して回転自在に支持され、一端にプーリー２２が嵌着された回転軸２３と、この回転軸２３が挿通する圧粉磁心１１と、この圧粉磁心１１に巻き付けられる５極のコイル部１２とを含む。ステーター２０は、ローター１０を囲むように筺体１９の内側に等間隔に固定された５極の永久磁石２４を含む。一対の端子部２１は、ローター１０のコイル部１２に対して電気的に接続される。

本実施形態における圧粉磁心１１は、先の実施形態と同様に、２つの圧粉体１３を重ね合わせて一体的に接合したものである。個々の圧粉体１３は、圧粉磁心１１を透過する磁束Ｂの変化を妨げる方向に生じる起電力Ｆに対して直交する方向に相互に平行に延在する一対の表面部１３ａと、これら一対の表面部１３ａの密度よりも低密度なニュートラルゾーン１３ｂとを有する。相互に重なり合う圧粉体１３の表面部１３ａの間には、接着剤を兼ねた電気絶縁層１４が形成されている。

個々の圧粉体１３には回転軸２３を挿通するための軸穴１７が形成されたボス部２５と、このボス部２５から径方向外側に放射状に突出する５つの巻線部１５と、これら巻線部１５の外周端に続く磁極部１６とが形成されている。巻線部１５にはコイル部１２を較正する巻線が巻回される。なお、本実施形態における巻線部１５のアスペクト比ｔ/ｗは２.７である。

本実施形態において、圧粉磁心１１に巻回されたコイル部１２に高周波の電流を印加した場合、圧粉磁心１１に磁束Ｂの変化を妨げる方向に生じる起電力Ｆの方向とほぼ直行するニュートラルゾーン１３ｂが電気絶縁層１４と共に形成される。このため、渦電流の発生が抑制され、鉄損を低減させることが可能である。

なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

１０ローター
１１圧粉磁心
１２コイル部
１３圧粉体
１３ａ表面部
１３ｂニュートラルゾーン（低密度な領域）
１４電気絶縁層
１５巻線部
１６磁極部
１７軸穴
１８モーター
１９筺体
２０ステーター
２１端子部
２２プーリー
２３回転軸
２４永久磁石
２５ボス部
Ｂ圧粉磁心を透過する磁束
Ｆ磁束の変化を妨げる方向に生じる起電力
ｔ圧粉体の厚み
ｗ圧粉磁心の幅

Claims

それぞれ接合面を有し、これら接合面を相互に重ね合わせた状態で一体的に接合される複数の圧粉体と、これら複数の圧粉体の前記接合面の間に形成される電気絶縁層とを具え、個々の前記圧粉体は、
透過する磁束の変化を妨げる方向に生じる起電力に対して直交する方向に相互に平行に延在する一対の表面部と、
これら一対の表面部の中間に位置し、当該一対の表面部の密度よりも低密度なニュートラルゾーンと、
回転軸を挿通するための軸穴と
をそれぞれ有し、前記一対の表面部の少なくとも一方が前記接合面を構成し、且つ前記複数の圧粉体の接合面が互いに同一形状で形成され、前記複数の圧粉体の前記ニュートラルゾーンが相互に平行となるように且つ前記複数の圧粉体の軸穴が連通するように、前記複数の圧粉体の接合面が相互に重ね合わされていることを特徴とするモーター用圧粉磁心。
個々の前記圧粉体のニュートラルゾーンの比抵抗値がその表面部の比抵抗値の１.５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のモーター用圧粉磁心。
前記電気絶縁層が前記複数の圧粉体を一体的に接合するための接着剤であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモーター用圧粉磁心。
前記ニュートラルゾーンに対して直交する方向の圧粉磁心の厚みｔを前記ニュートラルゾーンと平行な方向に沿った圧粉磁心の幅ｗで除したアスペクト比ｔ/ｗが０.５以上かつ５以下であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のモーター用圧粉磁心。
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のモーター用圧粉磁心の製造方法であって、
圧粉体製造材料をあらかじめ金型に形成された成形キャビティー内に充填するステップと、
圧粉体製造材料が充填された前記金型に圧縮成形力を加えて少なくとも一方が接合面となる一対の表面部およびこれら一対の表面部の中間に位置するニュートラルゾーンを有する圧粉体を成形するステップと、
これにより得られる複数の前記圧粉体の前記接合面の間に電気絶縁層を画成する部材を介在させた状態で、これら複数の圧粉体の接合面を相互に重ね合わせて接合するステップと
を具え、圧粉体を成形する前記ステップは、前記圧粉体に形成されるべきニュートラルゾーンに対して直交する方向に圧縮成形力を前記金型に加えるステップと、前記金型の加圧成形面に対応した前記一対の表面部を成形するステップとを含み、
前記複数の圧粉体の接合面を相互に重ね合わせて接合するステップは、前記圧粉体のニュートラルゾーンが相互に平行となるように、前記複数の圧粉体の接合面を相互に重ね合わせるステップを含むことを特徴とするモーター用圧粉磁心の製造方法。
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のモーター用圧粉磁心か、請求項５に記載の方法によって得られるモーター用圧粉磁心を用いたことを特徴とするモーター。