JP5726065B2 - 一体に圧縮成形された固定子 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮成形ツール、金属粉末から部材を圧縮成形するための方法、及びその方法により作製された部材に関するものである。

本発明は、粉末形成法を用いることによる、電気変調式極機械用の軟磁性コア部材の設計及び効率的な工業的製造に関するものである。そのような構造体を製造する効率的な工程は、軟磁性粉末粒子を主とする軟磁性複合（ＳＭＣ）材料の使用であり、この軟磁性粉末粒子は、ツールにより圧縮成形及び変形されて、比較的高密度で粒子が電気的抵抗を有する部材を作製する。この電気抵抗により、材料中の渦電流が低減され、最も所望の方向での交流電場（ＡＣ）磁化を用いて測定された電気鋼板に匹敵する最終的な部材特性がもたらされる。各ＳＭＣ部材は、上記の工程を用いて複合的な幾何学的構造体に形成することができ、この複合的な幾何学的構造体は、所望の一極型機械コアを形成するために必要とされる個々の部材の数を大幅に低減させることができる。

工業製造用の電気変調式極機械を設計する際、要求される非常に複雑な軟磁性部材を効率的な方法で製造するためには、公知の一般的な問題が存在する。より詳細に言えば、この問題は、機械の特定の性能を最大限にする効率的な磁束経路及び最小限の磁気回路の磁気抵抗を確立するために必要とされる各軟磁性部材の数及び複雑性に関するものである。本明細書で説明する機械では、幾何学的空間の三次元の全てにおいて、効果的な磁束経路が軟磁性部材によって保たれなければならない。従来、コア材料は電気鋼を積層した積層体であり、各層の平面内での高い透磁率によって特徴付けられる。しかし、この平面に対して垂直な方向にはこれらの鋼板の間の絶縁による軟磁性鋼の遮断によって透磁率は極めて低い。この状況のために、たとえば、幾何学的空間の三次元全てに効率的な磁束経路をもたらすために、鋼板積層体を曲げることが必要とされる。別の解決策は、軟磁性コアを、所望の構造を形成するように組み立てることのできるいくつかの部分に分割することであろう。説明された現況技術は、多くの場合多数の個々の鋼板薄板を形成及び構成するなど、かなりの数の個々の構成部材を非効率的に製造し、取り扱うという欠点に悩まされている。

１つの公知の効率的な工程は、固定子コアを２つ以上の主に円形の部材に分割することであり、これらの円形構成部材は、軟磁性粉末金属から作製され、プレス成型ツールにより別個に圧縮成形されて形成される。次いで、少なくとも２つの固定子部品が、所望の固定子コアの所望の形状を形成するために第２の操作で結合される。

本明細書で説明される本発明の具体例により、上記で述べた問題の少なくとも一部が解決され、改良された固定子及びその製造方法が提供される。

これは、金属粉末を、軸線方向に変位した均一な突出部を有する部材に圧縮成形するための、ダイ、並びにパンチ表面を有する上パンチ及び下パンチを備える圧縮成形ツールによって達成できる。上パンチ及び下パンチは、部材を圧縮成形する前に、上パンチと下パンチとの間の金属粉末を変位させるためのそれぞれ変位可能な対向するパンチ表面を含む。

これにより、完全な固定子コア領域などの軸線方向に変位した突出部を備えた部材を１回のみの工程により形成できる。したがって、軟磁性固定子領域を形成する個々の部材の数が低減されて固定子及びその磁気的特性が改良され、更に、固定子を作るための労力及び所要時間が低減される。

一具体例によれば、ツールは、回転式機械に使用される固定子を圧縮成形するためのものである。

一具体例によれば、前記ツールの上部分及び下部分は、それぞれ第１及び第２のパンチ部分を備え、それらの部分、したがってそれらのパンチ表面は、相対的に変位させることができる。これは、本発明の具体例を実施する特定の簡単な方法である。

一具体例によれば、ツールは、軟磁性粉末などの軟磁性材料を圧縮成形するためのものである。

更に、本発明は、圧縮成形ツールにより金属粉末を部材に圧縮成形するための方法に関する。ここでは、前記部材は、少なくとも１つの軸線方向に変位した均一な突出部を有する。即ち、部材は複数の類似の突出部を有し、その少なくとも１つは、突出部の他方の１つに対して軸線方向に変位される。圧縮成形ツール内の充填空洞を充填した後、部材は、軸線方向に位置合わせされた突出部を有して、即ちそれぞれの突出部に対応する軸線方向に位置合わせされた粉末容積部を有して形成される。この場合、少なくとも１つの突出部は、充填後且つ前記部材の圧縮成形前に軸線方向に変位される。本明細書及び以下において、軸線方向という用語は、圧縮成形の軸線に沿った方向を示している。突出部は、圧縮成形方向に対して垂直、たとえば法線方向に突出することができる。本発明の説明の文脈において、圧縮成形前の部材の突出部又は他のフィーチャに対する言及は、突出部又は他のフィーチャを表す対応する粉末体積体を示している。したがって、充填後且つ前記部材の圧縮成形前の突出部の軸線方向の変位は、それぞれの突出部に対応する粉末体積部の軸線方向の変位を示している。

この方法は、たとえば、回転機械の固定子部分を圧縮成形するために使用することができる。ここで、この固定子は、軸線方向に変位した固定子歯の２つのグループを含む均一な固定子歯の形態の突出部を有する。

更に、本発明は、この方法によって金属粉末を圧縮成形して作製された部材に関する。この場合、この部材は、回転機械の一部として使用される軸線方向に変位した固定子歯を有する固定子である。この部材は、一体に成形されるため、従来技術の固定子よりも良好な磁気的特性を有する。

以下では、本発明の好ましい実施例が、図面を参照して説明される。

本発明の実施例による圧縮成形方法の原理を示す図。 現況技術による径方向の空隙磁束の電気変調式極機械及び従来技術による回転子／固定子設計の概略的な分解斜視図。 従来技術の固定子を示す図。 本発明の実施例の原理を示す図。 本発明の実施例の原理を示す図。 本発明の実施例によるツール圧縮成形機のツール構成部材を示す図。 充填位置にあるツールを示す図。 空洞が充填されたツールを示す図。 ダイが閉じられたツールを示す図。 成形された粉末を示す図。 成形された粉末を示す図。 圧縮成形された固定子を示す図。 押し出し後の圧縮成形された固定子を示す図。 圧縮成形された固定子を示す図。

本発明は電気変調式極機械１００の分野に関するものであり、その実例の１つが図１に概略的な分解斜視図で示されている。電気変調式極機械の固定子１０は、基本的に、軟磁性コア構造体によって形成された複数の歯１０２に磁気的供給を行う中央の単一巻き線２０の使用によって特徴付けられる。次いで、固定子コアが巻き線２０の周りに形成される。他の一般的な電気機械構造では、巻き線は、個々の歯のコア・セクションの周りに形成される。変調式極機械のトポロジーの実例としては、たとえば爪磁極型（Ｃｌａｗ−ｐｏｌｅ−）、クローフィート型（Ｃｒｏｗ−ｆｅｅｔ−）、ランデル型（Ｌｕｎｄｅｌｌ−）、又はＴＦＭ型機械などとして認識されることもある。より具体的には、図示された電気変調式極機械１００は、各々が複数の歯１０２を備え、ほぼ円形である２つの固定子コア領域１４、１６、第１と第２の円形固定子コア領域の間に配置されたコイル２０、複数の永久磁石２２を有する回転子３０を備える。更に、固定子コア領域１４、１６、コイル２０、及び回転子３０は、共通の幾何学的軸線１０３を囲んでおり、２つの固定子コア領域１４、１６の複数の歯が、閉回路の磁束経路を形成するために回転子３０に向かって突出するように配置される。図１の機械は、固定子の歯が、固定子が回転子を囲む状態で回転子に向かって径方向に突出するため、径方向の空隙磁束外側回転子タイプのものである。しかし、固定子は、以下の図の一部でも示すタイプの回転子に対して、内側に置かれることも同様に可能である。以下で提示される本発明の範囲は、電気変調式極機械のどのような特有のタイプにも制限されることなく、軸線方向及び径方向の両方のタイプの機械、及び回転子に対して内面的及び外面的の両方に置かれた固定子にも同様に良好に適用できる。同様に、本発明は単相機械に制限されず、複相機械にも同様に良好に適用できる。

能動的な回転子構造体３０は、偶数個の分割体２２、２４から構成される。極領域２４とも呼ばれる分割体の半数は、軟磁性材料により作製され、分割体の他の半数は永久磁石材料２２により作製される。現況技術の方法は、これらの分割体を個々に部材として製造するものである。しばしば分割体の数は、かなり多数の、通常は約１０〜５０個程度の個片になり得る。永久磁石２２は、永久磁石の磁化方向がほぼ円周方向、即ち北極及び南極がそれぞれ実質的に円周方向に面するように配置される。更に、円周方向に数えて１つおきの永久磁石２２が、他方の永久磁石に対して反対方向の磁化方向に配置される。所望の機械構造体における軟磁性極片２４の磁気的機能性は、完全に三次元性であり、軟磁性極片２４は、３つすべての空間方向において高い透磁率で磁束を効率的に通過させることが必要とされる。積層型鋼板を用いる従来の設計では、鋼板の面に対して垂直な方向には必要とされる高透磁率を示さないが、本明細書では、現況技術の積層型鋼板構造よりも高い磁束等方性を示す軟磁性構造体及び材料を使用することが有益である。

図２は、図１と同じ径方向の電気変調式極機械であるが、固定子歯１０２が回転子に向かってどのように延びるか、及び２つの固定子コア領域１４、１６の固定子歯がどのように互いに回転式に変位されるかをより明確に示す、組み立てられた機械の断面図を示している。

図３は、２つの同一の固定子領域３０１、３０３に圧縮成形された従来技術の固定子を示しており、ここでは、各固定子セクションは、複数の歯３０５を有する。各片は、軟磁性粉末金属から作製され、プレス成形ツールにより別個に圧縮成形される。次いで、２つの固定子領域は、径方向及び軸線方向に変位した固定子歯を有する所望の固定子コアの所望の形状を形成するために第２の操作で結合される。

図４ａ及び図４ｂは、本発明の実施例の原理を示しており、図４ａには、上パンチ４０１、下パンチ４０３、及びダイ４０５が示されている。部材形成のための金属粉末が、上パンチ４０１と下パンチ４０３とのパンチ表面の間の空洞に位置決めされる。粉末を圧縮する前に、上パンチ及び下パンチ４０９、４１１の一部が、それらの間４１３の金属粉末を変位させるように変位される。変位後、パンチの相対位置は、部材が圧縮成形される前に固定される。

図５は、本発明の実施例によるツール圧縮成形器のツール部品を示している。ツールは、歯を圧縮するための２つの個々の変位可能な上パンチ５０１及び５０３、並びに上パンチ５０５を備える。変位可能な上パンチ及び下パンチは、固定子の歯を変位させて圧縮するために使用される。同様にツールは、２つの個々の変位可能な下パンチ５０７及び５０９、並びに下パンチ５１１を備える。ツールは、更に、コア棒５１３及びダイ５１５を備える。パンチ５０１、５０３、５０７、及び５０９の各々は、たとえばパンチ５０１のパンチ部材５３１及びパンチ５０３のパンチ部材５３３などの複数の軸線方向に延びるパンチ部材を備え、これらのパンチ部材は、互いに平行に、且つツールの軸線方向が圧縮成形方向に規定された状態で配置される。パンチ部材５３１及び５３３は、それぞれのパンチの環状の基部５２１及び５２３のそれぞれから軸線方向に突出し、管形状を形成するように環状基部の周りに分散される。パンチ部材は、環状基部から遠位の端面によって規定されたそれぞれのパンチ表面を有する。すべてのパンチによって形成された管形状は、同じ内径を有する。上パンチ５０１及び５０３のそれぞれのパンチ部材５３１及び５３３は、両方のパンチのパンチ部材が共通の管形状を形成するように上パンチを相互に配置できるように分散され、この共通の管形状では、パンチ５０１及びパンチ５０３のパンチ部材は、管形状の円周周りに交互パターンで配置される。このとき、パンチ５０１のパンチ部材及びパンチ５０３のパンチ部材は、互いに対して軸線方向に変位させることができる。特に、パンチ５０１の各パンチ部材５３１は、パンチ５０３の２つの隣接するパンチ部材の間の空隙に沿って配置され、変位させることができる。このために、パンチ５０３の環状の基部５２３は、パンチ５０１のパンチ部材によって規定された管形状の外径以上の内径を有する。パンチ５０３のパンチ部材５３３は、パンチ５０３の環状の基部５２３の径方向内側の表面５５３に連結され、そこから軸線方向に延びる。そのために、上パンチ５０１及び５０３により、リング形状のパターンで各々が配置された２組のパンチ表面が提供され、このパターンでは、パンチ５０１のパンチ表面は、リングの円周に沿ってパンチ５０３のパンチ表面と交互になっている。このパンチ表面は、その法線が軸線方向に沿った方向に向けられ、パンチ５０１のパンチ表面は、パンチ５０３のパンチ表面に対して軸線方向に変位させることができる。下パンチ５０７及び５０９は、対応する上パンチと同様に形成される。即ちこれらは、パンチ表面５４７及び５４９をそれぞれ有し、それぞれの環状基部５２７及び５２９から軸線方向に延びるパンチ部材５３７及び５３９をそれぞれ有する。パンチ５０５及び５０６は、管形状を有する。ダイ５１５は管形状を有し、管の内面には、突出部に対応し、且つ管状のパンチ５０１、５０３、５０７、及び５０９をダイ内に軸線方向に挿入できるような数及びサイズの軸線方向に延びる幾何学的フィーチャ（形状体）５３５が設けられ、それにより、パンチ部材は、ダイの対応する幾何学的フィーチャの内側に滑り込む。

図６は、充填位置にあるツールを示している。図５に示されたツール部分は、上部分６０１及び底部分６０３に集約されている。上部分は、上パンチ５０１、５０３、及び５０５を備え、底部分は、下パンチ５０７、５０９及び５１１を備える。底部分は、ダイ５１５とコア棒５１３との間にある。金属粉末で充填される空洞６０５の形態の容積部が、底部分、ダイ、及びコア棒の間に形成される。

図７は、空洞が充填された状態のツールを示している。ここでは、粉末７０１は、歯７０３の全てが径方向及び軸線方向の両方で位置合わせされたツール内の空洞として成形される。

図８は、ダイが閉じられた状態のツールを示している。ここでは、上部分がダイの上部に向かって下げられている（８０１）。

図９ａ及び図９ｂは、成形された粉末を示している。ここでは、２つの上パンチ５０１及び５０３並びに２つの下パンチ５０７及び５０９が、矢印９０１、９０３、９０５及び９０７によって示されたようにそれぞれ変位される。これにより、歯９０９及び９１１が、軸線方向に変位され、それによって歯の半分である１つおきの歯が、歯の他方の半分に対して軸線方向に変位される。図９ｂでは、２つの上パンチ及び下パンチが、どのようにして歯を互いに軸線方向に変位させるかを示すために、ダイは描かれていない。一部の実施例では、粉末容積部は、圧縮成形が行われる前に、即ち全く圧縮成形されていない状態で変位される。しかし、一部の実施例では、粉末は、わずかな圧縮成形が実施された後であるが最終的な圧縮成形の前に変位させることができる。

図１０は、圧縮成形された固定子を示しており、ここでは、図９ａ及び図９ｂに示された位置に固定された上パンチ及び下パンチが、互いにプレスされて金属粉末を圧縮成形し、それによって固定子部材１００１をつくる。

図１１は、押し出し後の圧縮成形された固定子を示している。ここでは、固定子は、ツールの底部分によって、上側方向１１０１にダイから押し出される。

図１２は、圧縮成形された固定子１２０１を示している。

固定子は、軟磁性粉末である金属粉末から圧縮成形されることができる。軟磁性粉末は、電気絶縁体により被覆されたほぼ純粋な水アトマイズ鉄粉末又は不定形の粒子を有するスポンジ状鉄粉末でよい。この文脈では、用語「ほぼ純粋」は、粉末が異物を実質的に有さず、不純物Ｏ、Ｃ及びＮの量が最小であるべきことを意味する。平均粒子サイズは、概ね３００μｍ未満であり、１０μｍよりも大きい。

しかし軟磁性特性が十分なものであり、粉末がダイ圧縮成形に適している限り、どのような軟磁性金属粉末又は金属合金粉末が使用されてもよい。

粉末粒子の電気絶縁体は、無機材料から作製できる。特に適しているのは、（参照によって本明細書に援用される）米国特許第６３４８２６５号に開示された絶縁体のタイプであり、主体となる粉末が、絶縁性の酸素及びリン含有障壁を有する本質的に純粋な鉄からなる粒子に関するものである。絶縁された粒子を有する粉末は、スウェーデン国、Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢ社から入手可能なＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）５００、Ｓｏｍａｌｏｙ（登録商標）５５０又はＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００が利用可能である。

Claims (7)

1. 金属粉末を、軸線方向に変位した均一な突出部を有する部材に圧縮成形するための、ダイ（５１５）、並びにパンチ表面を有する上パンチ（５０１、５０３、５０５）及び下パンチ（５０７、５０９、５１１）を備え、前記上パンチ及び下パンチが、前記部材を圧縮成形する前に、前記上パンチと下パンチとの間の前記金属粉末を変位させるための変位可能な対向するパンチ表面を有する圧縮成形ツールにおいて、
   前記圧縮成形ツールの上パンチ及び下パンチの各々が、パンチ表面の組を各々が有する第１のパンチ部分（５０１、５０７）及び第２のパンチ部分（５０３、５０９）を含み、前記第１のパンチ部分（５０１、５０７）及び第２のパンチ部分（５０３、５０９）、したがってパンチ表面のそれぞれの組を互いに軸線方向に変位させることができるようになっており、
   前記第１のパンチ部分（５０１、５０７）及び第２のパンチ部分（５０３、５０９）の各々が、軸線方向に延びる複数のパンチ部材（５３１、５３３、５３７、５３９）を有し、各パンチ部材がパンチ表面（５４７、５４９）を有し、前記複数のパンチ部材が同軸方向に配置され、
   前記上パンチの前記第１のパンチ部分（５０１）のパンチ表面と、前記下パンチの前記第１のパンチ部分（５０７）のパンチ表面との間、および
   前記上パンチの前記第２のパンチ部分（５０３）のパンチ表面と、前記下パンチの前記第２のパンチ部分（５０９）のパンチ表面との間で、前記軸線方向に変位した均一な突出部を形成するようになっており、
   前記第１パンチ部分（５０１、５０７）の複数のパンチ部材（５３１、５３７）と前記第２パンチ部分（５０３、５０９）の複数のパンチ部材（５３３、５３９）とが、管形状の円周の周りに交互に配置されるようになっている、圧縮成形ツール。
2. 前記圧縮成形ツールが、回転電気機械に使用される固定子（１０）を圧縮成形するためのものである、請求項１に記載された圧縮成形ツール。
3. 前記第１のパンチ部分（５０１、５０７）及び第２のパンチ部分（５０３、５０９）の各々が環状の基部（５２１、５２３、５２７、５２９）を有し、対応するパンチ部材（５３１、５３３、５３７、５３９）の組が前記基部（５２１、５２３、５２７、５２９）に連結され、前記対応するパンチ部材（５３１、５３３、５３７、５３９）の組が前記基部（５２１、５２３、５２７、５２９）から軸線方向に突出している、請求項１または請求項２に記載された圧縮成形ツール。
4. 前記圧縮成形ツールが、軟磁性粉末などの軟磁性材料を圧縮成形するためのものである、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧縮成形ツール。
5. 圧縮成形ツールにより金属粉末を、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の圧縮成形ツールによって、軸線方向に変位した少なくとも１つの均一な突出部（９０９、９１１）を有する部材に圧縮成形するための方法において、前記圧縮成形ツールの充填空洞への充填後の前記部材が、軸線方向に位置合わせされた突出部を有して形成され、前記少なくとも１つの突出部が、充填後且つ前記部材への圧縮成形前に軸線方向に変位されることを特徴とする、圧縮成形方法。
6. 前記方法が、回転機械の前記固定子（１０）を圧縮成形するために使用され、前記固定子（１０）が、軸線方向に変位した固定子歯の２つのグループを有する均一な固定子歯の形態の突出部（９０９、９１１）を含む、請求項５に記載された圧縮成形方法。
7. 請求項５または請求項６に記載された圧縮成形方法により金属粉末を圧縮成形することによって作製された部材であって、前記部材が、回転機械の一部として使用される軸線方向に変位した固定子歯を有する固定子（１０）である、部材。

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