JP5341657B2

JP5341657B2 - 圧粉磁心成形体、およびその成形体を備えた回転電機

Info

Publication number: JP5341657B2
Application number: JP2009178571A
Authority: JP
Inventors: 裕治榎本; 憲一相馬; 泰久青野; 和也西; 千生石原
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: JP2011036007A

Description

本発明は、産業用，家電，自動車分野で使用される回転電機の永久磁石モータに関するものである。

モータや発電機などの回転電機は、産業用，家電，自動車分野で電気エネルギーと機械出力を変換する機器として使用される。これらの機器は鉄板などの軟磁性材料とコイル導体で構成されており、従来から小形化や高効率化などが要求されている。

圧粉磁心は、軟磁性材料であり、個々の絶縁コーティングされた微小な鉄粉を圧縮成形によって固定子や回転子などの部品形状を形成することができ、珪素鋼板などの鉄板に比べ、三次元の形状が形成できる点が利点であり、モータの小形化に利用される例がある。〔特許文献１〕では、三次元形状の爪形磁極を圧粉磁心で構成し、モータを小形化する例が示されている。

しかし、圧粉磁心の欠点は、圧縮成形のみで形状を形成するために鉄心としての強度が著しく低いという問題がある。これを解決する方法としては、〔特許文献２〕には、圧粉磁心で構成された鉄心を樹脂で埋め込んで使用する方法が示されている。また、別の方法としては、〔特許文献３〕に示されるように、圧粉磁心成形体に熱処理を施すことで、成形体自身の強度を向上させる例が示されている。さらに別の例として、〔特許文献４〕には、金属磁性粒子の粒径や、その粒の絶縁コーティング材料を工夫することによる強度向上対策が講じられている。

また、圧粉磁心の成形体を成形する場合には、金型にＲなどの応力緩和が必要であり、細部の形状に制約があることから、成形体を製造した後に、切削加工などの機械加工を施す場合がある。〔特許文献５〕では、機械加工をする場合のノウハウとして、切削部から粉が崩れないように、ワニスなどの樹脂を含浸した後に加工を施す例が示されている。また、〔特許文献６〕，〔特許文献７〕では、圧粉磁心成形体の電気的絶縁を遮断する目的や、圧粉磁心成形体の鉄心とコイルの固定にワニス処理を行って固着するなどの例も示されている。

特開２００７−１２４８８４号公報特開２００８−０２９１４２号公報特開２００６−１８５９８１号公報特開２００７−１２９０４５号公報特開２００８−１４１０１２号公報特開２００８−１２５１５３号公報特開２００６−２１６６３４号公報

解決しようとする従来の問題点は、圧粉磁心の成形体を用いてモータを構成する場合において、成形体の強度が著しく低いために、モータの製造過程やモータの実使用時に鉄心の破損が発生する恐れがあることである。圧粉磁心をモータの固定子鉄心として使用する場合、圧粉磁心成形体の曲げ強度は、１０〜３０Ｍｐａと電磁鋼板などの鉄板に比べて著しく低く、衝撃にも弱い。そこで、少なくとも、モータとして製造されるときのハンドリング時や、モータとして動作する場合に、固定子と回転子間に生じるトルク反力や、外部からの衝撃，振動などの外乱などに耐えられる強度対策が必要とされる。

上記の背景技術では、モータとしての強度確保の方法として、固定子などの鉄心を含む部品全体を樹脂でモールドする例が示されていたが、この方法は、モータとして重量が増加する、製造工程が複雑となるなどの問題も指摘される。

また、熱処理や、粉の粒径を大きくするなどの手法は、磁性体としては渦電流を大きくする作用があるため、モータとしての損失を増加させてしまう問題が発生していた。

上記目的を達成するために、本発明は絶縁コーティングされた鉄粉群を圧縮成形して固形化し、磁性材料として使用する圧粉磁心成形体において、成形後に残留応力除去のための熱処理を行った後に、不飽和ポリエステル系、またはエポキシ系の熱硬化性樹脂中に浸漬し、圧粉磁心成形体の表面または、内部に樹脂を配置した後に、乾燥工程によって樹脂と成形体を一体化したことを特徴とするものである。

更に、本発明は圧粉磁心成形体において、前記鉄粉群の粒径が０.３mm以下であることを特徴とするものである。

更に、本発明は圧粉磁心成形体において、前記不飽和ポリエステル系、またはエポキシ系の熱硬化性樹脂中の粘度が２.０Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とするものである。

更に、本発明は圧粉磁心成形体において、樹脂浸漬工程後に、圧粉磁心成形体表面の樹脂を除去する工程を施し、残留応力除去後の成形体外形寸法と樹脂硬化後の寸法差分が１０μｍ以下に構成したことを特徴とするものである。

更に、本発明は圧粉磁心成形体において、樹脂浸漬工程後に０.０８Ｍｐａ以上の圧力下において真空含浸処理されることを特徴とするものである。

更に、本発明は圧粉磁心成形体において、樹脂浸漬工程後にまたは、樹脂乾燥後の圧粉磁心の断面に、２から３層目、すなわち金属粉末粒径の２から３倍の深さ程度まで、樹脂が配置されていることを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するために、本発明は環状継鉄部と、この環状継鉄部の内径側の円周上に等間隔に配置され軸方向に延在する複数の爪磁極とで構成されるクローティースコアにおいて、上述した圧粉磁心成形体で固定子を構成したことを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するために、本発明はスロット型のモータ用コアを備えた回転電機において、前記スロット型のモータ用コアは圧粉磁心成形体で圧縮成形され、上述した圧粉磁心形成体で固定子を構成したことを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するために、本発明は絶縁コーティングされた鉄粉群を圧縮成形して固形化し、磁性材料として使用する圧粉磁心成形体において、成形後に残留応力除去のための熱処理を行った後に、熱硬化性樹脂中に浸漬し、圧粉磁心成形体の表面または、内部に樹脂を配置した後に、圧粉磁心成形体表面の樹脂を除去する工程を施したことを特徴とするものである。

本発明の圧粉磁心成形体の樹脂含浸された圧粉磁心成形体は、その強度を向上するほかに、防錆作用もあるため、錆びの進行を遅らせることができる。これにより、圧粉磁心成形体の製造過程での取扱いが容易になるとともに、回転電機のモータを構成した時の製品信頼性が向上できる。

本発明の圧粉磁心成形体の表面より２，３層目の内部キャビティーに樹脂が入り込む構造を模式化した図面である。（実施例１）圧粉磁心の成形工程を示す図である。圧粉磁心成形体の断面をＳＥＭ観察した写真である。（実施例１）本発明の圧粉磁心に樹脂をコーティングした状態をＳＥＭ観察した写真である。本発明の圧粉磁心に樹脂をコーティングした成形体の強度を評価したグラフである。本発明の圧粉磁心に樹脂をコーティングした後に、エアブロー処理により表面の樹脂を除去して硬化させた圧粉磁心成形体の断面状態をＳＥＭ観察した写真である。本発明の図６の圧粉磁心成形体の強度を比較評価したグラフである。３相クローティースモータおよびクローティースコアの構造を示す斜視図である。本発明の樹脂コーティングの手順の一例を示すフローチャートである。スロット型モータの固定子コア構造と、その固定子に組付けられる絶縁部材の構造を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は圧粉磁心成形体の断面構造を示している。また、図２は圧粉磁心の成形工程を示している。

圧粉磁心は、図２に図示のように粒径０.０５〜０.２mmの鉄粉が１ＧＰａ程度の高い圧力によって圧縮成形されて構成される。このため、図１に示すように、圧粉磁心粉００１の成形体の表面には、表面キャビティー００２と呼ばれる粉と粉の間にできた空隙が存在する構造となる。圧粉磁心は、通常、磁性体として用いるため、圧縮成形時に鉄粉に生じる残留応力を除去するため、歪取り焼鈍処理を行う。通常は５００℃近傍の温度での焼鈍となる。実際にはこの温度では、充分な歪除去は困難であるが、鉄粉表面にコーティングされている絶縁膜の耐熱温度が６００℃までは対応できないことがこの理由である。５００℃近傍の熱処理においては、鉄粉間に拡散結合が発生しないため、圧縮成形された時の鉄粉形状，位置を保持したままになる。このとき、圧粉磁心中に混合されているバインダ，潤滑材などは、熱処理時に消失，揮発する。このため、表面のキャビティーと同様に、鉄粉と鉄粉の間には、内部キャビティー００３と呼ばれ微小な隙間が存在する構造となっている。

図３に実際の圧粉磁心成形体（密度７.５３Ｍｇ／ｍ³）の断面を透過型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真を示す。密度が高い成形体においても、表面には、表面キャビティ００２が存在し、成形体の内部には、鉄粉と鉄粉の間に内部キャビティー００３が存在する構造となっていることがわかる。

歪取り熱処理後の圧粉磁心の成形体を樹脂中に浸漬すると、前述の表面キャビティー００２から毛細管現象によって樹脂００４が圧粉磁心内部へと侵入する。

図４には、熱硬化性の樹脂を前述の方法で含浸し、熱硬化させた後の圧粉磁心成形体の断面を透過型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真を示す。圧粉磁心成形体の表面には、約１００μｍ程度の厚みに樹脂が配置され、表面キャビティー００２を埋めていることがわかる。また、２層目以下の粉間にも樹脂が内部侵入していることも確認できる。この方法による強度の向上は、曲げ強度を３〜５倍とできることが確認できた。

圧粉磁心に樹脂を含ませて強度を向上する方法の第２の実施例について説明する。第一の実施例と同様に歪取り熱処理後の圧粉磁心の成形体を樹脂中に浸漬する，刷毛で樹脂を塗る，樹脂をミスト状にして吹き付けるなどの方法を用いて成形体表面に樹脂を配置する。このとき、樹脂の粘度は０.１〜２.０Ｐａ・ｓ程度と低い粘度とする。この粘度にすることで、成形体の表面にある約０.０２mm程度の寸法の表面キャビティー００２から樹脂００４が成形体の内部の内部キャビティー００３に入り込む。この後、圧粉磁心成形体を取り出し、表面に付着した樹脂をふき取り、ブロア処理（高速の空気による樹脂の吹き飛ばし）などを行って除去する。表面を除去する目的は、圧粉磁心の成形体をモータなどとして別の部品と組立てを行う際、別の部品との嵌合面などの寸法公差を確保するためである。

通常、圧粉磁心の成形体に限らず、成形体は、嵌合部などの寸法は小さめの寸法（マイナス公差）で製造される。特に、圧縮方向寸法は、成形のときの粉の供給時ばらつきが大きいため、大幅にマイナス寸法となることも珍しくない。通常は、成形方向の寸法公差の幅で０.２mm程度が必要である。圧粉磁心成形体と組合わせる部品は、このマイナス寸法に成形された成形体に組立てられる寸法で製造されており、成形体の寸法が、樹脂のコーティングによりたとえ０.１mm程度大きくなった場合でも、部品が組立てられない場合が発生する。このため、圧粉磁心の表面には、最終的に樹脂を多く配置しない状態を作り出すことが最適である。

図６には圧粉磁心成形体に樹脂浸漬した後に表面の樹脂をブロア処理によって除去したもののＳＥＭ観察写真を示す。図６（ｂ）図は、図６（ａ）図の拡大である。これを見ると、圧粉磁心成形体の表面には、樹脂はほとんど無くなっており、表面キャビティー００２の部分の凹みが見られる。また、破断面からは、樹脂００４の破断面があることが確認でき、内部キャビティー００３に樹脂が入り込んでいることが確認できる。

図７にこの状態での強度評価結果を示す。表面の樹脂を除去すると、除去しない場合に比べて強度は低下するが、処理無しの場合に比べると約３倍の強度が得られている。

次に３相クローティースモータ用圧粉磁心コアについての実施例を示す。図８（ａ）に基本的なモータ構成を示す。

この３相クローティースモータは、シャフト００７を有する回転子６を備え、固定子コア成形体５をクローティースコアと呼ぶ爪形の磁極を有するコアで構成する。１相分の固定子は、２個のクローティースコアで構成され、円環状のコイルが挟み込まれる構造となる。図８（ｂ）には固定子コア成形体５のクローティースコア単体の形状を示す。爪型の磁極が内周側に立ち並び、外周側は円周方向に壁が存在する形状となっている。

図９にこのコアの強度向上工程のフローチャートを示す。

（ステップ００１）圧粉磁心コアをプレスにより成形する。（ステップ００２）成形された圧粉磁心コアは、ひずみ取り焼鈍（５００℃近傍で二時間程度）を行った後、（ステップ００３）コア単体の乾燥重量測定を行う。（ステップ００４）この乾燥重量を測定後、キシレン，シンナーなどで充分に希釈して、粘度２.０Ｐａ・ｓ以下のワニス溶液中にコアを浸漬し、ワニスをコアに充分にさらす。（ステップ００５）そして、ワニスがコア表面に充分残った状態、または、コアが液体状のワニスに接触した状態で、真空含浸装置内で気圧調整し、０.０８Ｍｐａ程度の圧力下に曝して数分間処理する。これにより圧粉磁心成形体内部にまで樹脂が入り込み、表面キャビティー００２、そして、表面から２，３層目までの内部キャビティー００３に樹脂を入りこませる。（ステップ００６）続いて、表面のワニスを充分に除去するため、高圧の空気圧にてエアーブロー処理を行って、成形体表面のワニスを除去する。この処理により、表面についたワニスを除去することができ、寸法で圧粉磁心成形体表面から１０μｍ以内の寸法増加にとどめることができる。ワニス除去については、ワークを高速回転させて液切りを行う遠心分離法や、ふき取り処理なども可能である。（ステップ００７）充分に表面ワニスの除去を行った後、含浸された樹脂量を測定し、適正な量であれば次の工程の（ステップ００８）で乾燥して、（ステップ００９）最終重量測定しクローティースコアとして完成する。

クローティースコアは、図８に示したように、１相分の固定子は、２個のコアの円周に配置された壁を合わせて組立てする構造のため、少しでもワニスの液だまりや、膜厚みの変化があると、軸方向の寸法が、大きくずれてモータ特性に悪影響を及ぼす可能性がある。このため、圧粉磁心の軸方向の成形精度である±０.１mm（ばらつき幅で０.２mm）程度の中に樹脂含浸した後も寸法が収まるように管理する必要がある。３相分のコアを組立てる場合にも、コアの背面に樹脂があると、その位置関係が設計寸法からずれる問題が発生する。

実施例４では、モータ組立て後のモールド処理，ワニス処理と本発明との違いについて述べる。前述した〔特許文献２〕では、モータとして全体を樹脂で鋳込むことが示されている。また、これの代替技術としてコイルやその他の部品を組立てした後に全体をワニス処理することも同様の手法である。本発明は、製造時のハンドリングなどにおける強度の必要性を改善するものであり、先の公知文献には、それらの製造時のコア破損などに関する言及はなされていない。

例えば、例として図１０に一般的なスロット型のモータのコア構成を示す。このモータコアを圧粉磁心で成形して製造した場合、このコア成形体００９に、コイル絶縁用の絶縁部材００８を組付けする必要がある。しかしながら、従来技術では寸法公差が厳しい場合には、自動機械で組付けた場合などに破損する恐れがある。また、この固定子鉄心に巻線を施す際に巻線テンションなどによる外部応力により破損する可能性もある。更に、このモータを最終的に樹脂でモールドする場合においても、樹脂の注入圧力によりコアが破損する可能性がある。このため、モータの製造工程以前に圧粉磁心成形体の強度を向上する必要がある。寸法管理についても同様で、寸法を変化させない範囲での強度向上が必要とされる。

本発明によれば、産業用一般，家電，自動車等の分野で使用される回転電機に適用することが可能である。

１圧粉磁心粉
２表面キャビティー
３内部キャビティー
４樹脂
５固定子コア成形体
６回転子
７シャフト
８絶縁部材

Claims

磁性材料として使用される圧粉磁心成形体の製造方法であって、
絶縁コーティングされた鉄粉群を圧縮し、圧粉磁心コアを成形する第１工程と、
前記圧粉磁心コアに残存応力除去のための熱処理を行う第２工程と、
前記熱処理が行われた前記圧粉磁心コアが熱硬化性樹脂中に浸漬させる第３工程と、
前記圧粉磁心コアの表面及び内部に前記熱硬化性樹脂を配置させる第４工程と、
前記圧粉磁心コアの表面に付着した前記熱硬化性樹脂を除去するエアーブロー処理、または前記圧粉磁心コアを回転させて当該圧粉磁心コアの表面に付着した前記熱硬化性樹脂を除去する遠心分離処理、又は前記圧粉磁心コアの表面に付着した前記熱硬化性樹脂をふき取る拭き取り処理を行う第５工程と、
前記圧粉磁心コアの表面に付着した前記熱硬化性樹脂を除去された当該圧粉磁心コア及び前記熱硬化性樹脂を乾燥させて当該熱硬化性樹脂を硬化させる第６工程と、を備える圧粉磁心成形体の製造方法。
請求項１の圧粉磁心成形体の製造方法において、
前記鉄粉群の粒径が０.３mm以下である圧粉磁心成形体の製造方法。
請求項１の圧粉磁心成形体の製造方法において、
前記不飽和ポリエステル系、またはエポキシ系の熱硬化性樹脂中の粘度が２.０Ｐａ・ｓ以下である圧粉磁心成形体の製造方法。
請求項１の圧粉磁心成形体の製造方法において、
前記第４工程は、０.０８Ｍｐａ以上の圧力下において真空含浸処理する圧粉磁心成形体の製造方法。
請求項１の圧粉磁心成形体の製造方法において、
前記第４工程後または前記第６工程後に、樹脂乾燥後の圧粉磁心の断面に金属粉末粒径の２から３倍の深さ程度まで、樹脂が配置されている圧粉磁心成形体の製造方法。
請求項１に記載された圧粉磁心成形体の製造方法であって、
前記第６工程後の前記圧粉磁心コアは、当該圧粉磁心コアの表面に凹部が形成され、
前記第５工程は、前記凹部が前記圧粉磁心コアの表面キャビティーと対向する位置に形成されるように、処理される圧粉磁心成形体の製造方法。