JP6490313B2 - 鉄心及びモータ - Google Patents

Description

本発明は、軟磁性薄帯を積層した鉄心及び該鉄心を固定子として用いたモータに関する。

従来のモータ用の鉄心（固定子）における磁性板の積層体としては、純鉄や電磁鋼板が用いられている。また、より効率化を目的としたモータでは、非晶質やナノ結晶粒を有する薄帯を鉄心に用いたものもある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の固定子鉄心の製法は以下である。まず、単ロール法、双ロール法等の液体急冷法により作製された非晶質合金薄帯を巻回、切断、打ち抜き、エッチング等の方法で所定の形状に加工する。次に、加工したものを、積層して形成されている。

特開平６−１４５９１７号公報

しかしながら、非晶質合金薄帯をより軟磁気特性が優れるとされるナノ結晶薄帯にするには、さらに、熱処理が必要である。ここで、ナノ結晶薄帯の厚みは、通常用いられる電磁鋼板の１０分の１程度である。このため、１枚ずつ熱処理をすると、取り扱い量が、従来の約１０倍となる。

結果、熱処理と、それに続く積層工程では、同一の積層厚さを得るための生産性が電磁鋼板の場合の約１０倍かかるという課題を有している。

本発明は、従来の課題を解決するもので、生産性を損ねることなく、安定した磁気特性のナノ結晶薄帯の鉄心及びモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、複数のナノ結晶薄帯を積層した積層体と、基板と、上記積層体と上記基板とを締結する締結部と、を含み、上記積層体の上下面の少なくとも一方は、着色した酸化膜と、着色していない酸化膜とを有する鉄心を用いる。また、上記着色した酸化膜の領域が、上記着色していない酸化膜の領域より広い上記鉄心を用いる。さらに、上記記載の鉄心を固定子に用いたモータを用いる。

本構成によって、積層した非晶質合金薄帯を一度に熱処理してナノ結晶薄帯とし、これを積層するので、生産性を損ねることなく、安定した磁気特性のナノ結晶薄帯の鉄心及びモータを提供することができる。

本発明の鉄心及びモータによれば、生産性を損ねることなく、安定した磁気特性のナノ結晶薄帯の鉄心及びモータを提供することができる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における鉄心及びモータの側面図である。 図１Ｂは、図１Ａの上面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１における視認可能な酸化膜を主体とする積層体の上下面を示す図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１における視認できない酸化膜を主体とする積層体の層間面を示す図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態２における鉄心及びモータの側面図である。 図３Ｂは、図３Ａの上面図である。 図４は、本発明の実施の形態３における鉄心及びモータの側面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態３における接着した積層体の上面図である。 図５Ｂは、図５Ａの側面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態４における機械的に締結した積層体の上面図である。 図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ‘間の断面図である。 図７は、本発明の実施の形態５における鉄心及びモータの側面図である。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
＜構造＞
図１Ａと図１Ｂは、本発明の実施の形態１における鉄心及びモータの構成を示す図であって、具体的にはブラシレスモータについて示している。図１Ａは鉄心及びモータの側面図であり、図１Ｂは、上面図である。

図１Ａと図１Ｂとに示すように、ナノ結晶薄帯２の積層体１と、積層体１を貫き、これらを金属基板７に締結するボルト５および締結部６とにより構成される締結機構と備え、鉄心となる。この鉄心に巻線９を施し、固定子とする。この固定子の内径部に回転子８を設け、通電することでモータは駆動する。

積層体１は、モータの固定子の鉄心部材である。積層体１は、非晶質合金薄帯であるナノ結晶薄帯２を層間に接着剤を用いることなく積層し、熱処理することでナノ結晶薄帯２の積層体１になる。接着剤を用いないことで、占積率を高めることができる。熱処理前の非晶質合金薄帯は、板厚が１０μｍ〜６０μｍで、ホウ素かケイ素の少なくともどちらか一方を含む鉄系合金である。非晶質合金薄帯は、溶融した前記鉄系合金を、回転する冷却ドラムの表面に注湯して、リボン状に引き伸ばすことで、急冷して製作される。

＜製法＞
所定の重量または積層厚さになるように準備された非晶質合金薄帯を積層し、熱処理すると、上下面の少なくとも一方の面は、図２Ａのナノ結晶薄帯２に示すように、ほとんど全面に視認可能な酸化膜１１を有する領域が得られる。

ただし、積層物を固定する部品などの影響で、該当部位の近傍で、金属光沢を示し視認できない酸化膜１２の領域が残ることもある。視認可能な酸化膜１１の領域は、視認できない酸化膜１２の領域より広い。

貫通穴１０は、ボルト５を通すための貫通穴である。視認可能な色は、肉眼で光沢のある褐色、青色、紫色などに見える範囲が良好な磁気特性が得られる傾向にある。しかし、色と磁気特性の間に厳密な相関があるわけではない。

図２Ｂのナノ結晶薄帯２は、積層体１の層間面のものを示す。金属光沢を示し視認できない酸化膜１２の領域を有している。ナノ結晶薄帯２間のナノ結晶薄帯２の面間では、ナノ結晶薄帯２が相互に接するか、ナノ結晶薄帯２間の隙間が非常に狭い状態となる。このため、ナノ結晶薄帯２間のナノ結晶薄帯２の面間には、大気等が入りにくい状態となる。このため、熱処理前と同様に、ナノ結晶薄帯２の表面に、金属光沢を示し視認できない酸化膜１２の領域が残ったと考えられる。

なお、視認可能なとは、着色していることを示し、金属光沢、白色、黒色、透明でないことを意味する。視認できないとは、上記着色をしていないことを示す。

また、形成される酸化膜の膜厚に関して、視認可能な、つまり、着色している酸化膜と、視認できない、つまり、着色していない酸化膜とは、ほぼ同じ厚みである。

着色しているかどうかは、原則、通常の健常者なら、肉眼でわかる。

また、金属光沢を示し視認できない酸化膜１２の領域は、その外周部を視認可能な酸化膜１１の領域に囲まれる。これはナノ結晶薄帯２の外周部に近いため、ナノ結晶薄帯２の層間のわずかな隙間から大気が入り込んできた影響であると考えられる。積層したナノ結晶薄帯２を熱処理しても、上限以下の枚数であれば、それぞれのナノ結晶薄帯２は所定の磁気特性を得る。上限以上の枚数であると、厚さ方向の温度分布の差が大きくなり、良好な磁気特性が得られない。

よって、積層体１の表面のナノ結晶薄帯２では、片面が視認可能な酸化膜１１を主体に有し、他方の面は金属光沢を示し視認できない酸化膜１２を主体に有する。

積層体１の内部のナノ結晶薄帯２では、両面が金属光沢を示し視認できない酸化膜１２を主体に有する。

積層体１が１枚のナノ結晶薄帯２は、両面が視認可能な酸化膜を主体に有する。

積層体１のナノ結晶薄帯２は、上記いずれのナノ結晶薄帯２を含んでもよい。

また、結晶化にともなう自己発熱による熱が、積層したナノ結晶薄帯２間に蓄積されやすくなり、過剰な温度上昇によって、磁気特性がかえって悪くなるだけでなく、脆化して容易に破損したりする。目標の磁気特性や、熱処理条件により異なるが、１０枚以上のナノ結晶薄帯２を積層し熱処理しても、良好な磁気特性を得ることができる。

ナノ結晶薄帯２間に接着剤を用いず、一部の領域を締結部６で加圧し熱処理することで、積層状態で熱処理でき、特性が得られる。

これにより、熱処理や積層などの工程を１０枚以上で一度に処理できる。ナノ結晶薄帯２の板厚は、電磁鋼板に比べて板厚が約１０分の１に薄いため、１枚ずつ処理すると生産性が約１０分の１に悪くなるという問題がある。しかし、１０枚以上を一度に処理できるので、これは解決できる。したがって、生産性を損ねることなく、安定した磁気特性のナノ結晶薄帯２の積層体１を製造することができる。

（実施の形態２）
図３Ａと図３Ｂは、本発明の実施の形態２における鉄心及びモータの構成を示す図である。図３Ａは、鉄心及びモータの側面図であり、図３Ｂは、その上面図である。図３Ａ、図３Ｂが、実施の形態１と異なる点は、ナノ結晶薄帯２を積層した積層体１と、ボルト５とワッシャである締結部６との間に、金属板４を設けたことである。

ナノ結晶薄帯２は脆いので、同じ軟磁性体の電磁鋼板を金属板４に用いれば、ボルト５と締結部６からの締結力や、巻線９の締め付け力、あるいはその他の外力からナノ結晶薄帯２を保護することができる。

金属板４には、他の材料として、非磁性材であれば、鉄心の磁気特性に影響を与えないので使用できる。図３において、金属板４は上下に設けているが、目的が達せられるのであれば、どちらか一方でも良い。

また、積層体１でなく、ナノ結晶薄帯２の１枚、複数枚を用いる場合は、その面に金属板４を設ける。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における鉄心及びモータの側面図である。図４が実施の形態１と異なる点は、全体の積層部２０が、ナノ結晶薄帯２が所定の積層数である同じ２個の第１積層体２１ａ、２１ｂと、所定の積層数より積層数が少ない第２積層体２２を積み重ねた３段構造としている。

ナノ結晶薄帯２を熱処理する際には、ナノ結晶薄帯２の積層数が多くなると、積層方向の温度均一性の確保が困難になり、ナノ結晶薄帯２間で各種磁気特性の分布の幅が大きくなる。このため、ナノ結晶薄帯２の積層厚さには制限があり、ある所定数の積層数の積層体ごとに熱処理をする。

そのため、複数の積層体を積層して積層部２０を形成する。

積層部２０の厚みが、１つの積層体よりも厚い場合には、１個または複数の積層体を積層する。積層部２０におけるナノ結晶薄帯２の積層量は、重量または締結時の厚さで管理する。ナノ結晶薄帯２はそれぞれ厳密には板厚が異なるため、積層する枚数の管理では厚さを一定にすることは難しい。

図４では、まず、第１積層体２１ａ、２１ｂの２個を積層して重量を測定する。もう１個の第１積層体２１ａまたは第１積層体２１ｂを積層すると所定の重量を超えることを確認した後、第１積層体２１ａ、第１積層体２１ｂよりも積層数の少ない第２積層体２２を積層して重量の差分を調整する。重量の差分には色々な値が生じるので、積層数または重量の異なる複数の積層体をあらかじめ準備しておき、重量の差分に応じて適切な重量の第２積層体２２を積層する。厚さ管理の場合も、同様にして厚さの差分を調整できる。

ナノ結晶薄帯２の枚数の多い第１積層体２１よりも、ナノ結晶薄帯２の積層数の少ない第２積層体２２は、積層数が少ないので、より均質な熱処理ができる。そのため、より磁気特性が安定している。結果、第２積層体２２は、重量や厚さの差分を調整できるだけでなく、磁気特性を安定化する。

また、図３と同様に、積層部２０と、ボルト５と締結部６からなる締結部、との間に、金属板４を設けても良い。

＜接着剤＞
図５Ａは、第１積層体２１、または、第２積層体２２の上面図であり、図５Ｂは、側面図である。第１積層体２１、第２積層体２２の外周部に接着剤２３が塗布され硬化している。接着剤２３を設ける目的は、第１積層体２１または第２積層体２２の取り扱いが容易なように、一体化することが目的である。したがって、一体化さえ確保できれば、接着する場所は、図５のように外周部全面を接着しても、外周部を部分的に接着しても、他の内側の部分などの積層端面を接着しても、ナノ結晶薄帯の層間を接着しても良い。また、先に非晶質合金薄帯を接着し第１積層体２１や第２積層体２２としてから熱処理しても良いし、ナノ結晶薄帯２を積層して接着しても良い。

ただし、非晶質合金薄帯の層間を接着すると、占積率が低くなったり、熱処理時に積層方向の熱伝導が悪くなり、ナノ結晶薄帯２間の磁気特性の分布の幅が大きくなったり、層間接着に材料や時間を要するなどの不利が生じる。

接着剤２３の種類に特に制約は無いが、熱処理で３５０℃以上に加熱する場合が多いことから、耐熱性の高いポリイミド系が望ましい。また、エポキシ系など耐熱温度が低い接着剤であれば、接着剤に熱履歴が残る。また、室温硬化型や紫外線硬化型の接着剤でも良い。

（実施の形態４）
図６Ａは、本発明の実施の形態４における機械的に締結した積層体の上面図であり、図６Ｂは、図６ＡにおけるＡ−Ａ‘間の断面図である。図６Ａ、図６Ｂが実施の形態３と異なる点は、カシメ材２４で２箇所を固定していることである。接着では、硬化のための加熱により磁気特性が熱処理以外の影響を受けたり、硬化のための処理時間が長い、などの不利が生じる。しかし、カシメのような機械的手段を用いると、室温で押しつぶすだけの短時間で固定できるという利点がある。機械的締結方法は、カシメ以外に、ハトメや積層端面を挟む機構でも良い。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５における鉄心及びモータの側面図である。図７が、実施の形態３の図４と異なる点は、積層部２５が、ナノ結晶薄帯２の積層数が同じ２個の第１積層体２１ａ、２１ｂと、ナノ結晶薄帯２が固定された積層体の形態をとらずに、１枚、１枚で、ナノ結晶薄帯が積層された層２６と、を積み重ねていることである。

図４でも述べたように、積層部２５におけるナノ結晶薄帯２の積層量は、重量または締結時の厚さで管理する。図７においても、まず、第１積層体２１ａ、２１ｂと、を積層して重量を測定し、ナノ結晶薄帯２を１枚ずつ積層して重量の差分を調整する。したがって、ナノ結晶薄帯が積層された層２６の積層枚数は、１枚以上から第１積層体２１ａ、２１ｂの積層枚数未満になる。

ただし、板厚が薄いものが用いられた場合には、第１積層体２１ａ、２１ｂよりも枚数が多くなることもある。追加するナノ結晶薄帯２は、別工程で１枚ずつ熱処理したものを用いても良いし、固定化される前の第１積層体２１ａ、２１ｂから一枚ずつ取り、積層しても良い。一枚ずつ熱処理されたナノ結晶薄帯２は、両面が図２Ａに示した視認可能な酸化膜１１を主体とした状態となる。固定化される前の第１積層体２１ａ、２１ｂから抜き取る場合は、ナノ結晶薄帯２の外観には２種類ある。１種類は、片面が図２Ａの状態で、他面が図２Ｂの金属光沢を示し視認できない酸化膜１２を主体にする状態である。もう１種類は、両面が図２Ｂの状態である。これより、これら３種類のナノ結晶薄帯の、どれか１種類か、２種類以上を含んで、ナノ結晶薄帯が積層された層２６は構成される。

また、図３と同様に、積層部２５と、ボルト５と締結部６からなる締結部、との間に、金属板４を設けても良い。

（全体として）
実施の形態１〜５は組み合わせることができる。

本発明に係る鉄心は、モータの固定子として有用である。さらに、本発明に係る鉄心は、モータ以外にトランス等の磁気応用した電子部品の用途にも適用できる。

１ 積層体
２ ナノ結晶薄帯
４ 金属板
５ ボルト
６ 締結部
７ 金属基板
８ 回転子
９ 巻線
１０ 貫通穴
１１ 視認可能な酸化膜
１２ 視認できない酸化膜
２０ 積層部
２１，２１ａ，２１ｂ 第１積層体
２２ 第２積層体
２３ 接着剤
２４ カシメ材
２５ 積層部
２６ ナノ結晶薄帯が積層された層

Claims (18)

1. 複数のナノ結晶薄帯を積層した積層体と、
   基板と、
   前記積層体と前記基板とを締結する締結部と、を含み、
   前記積層体の上下面の少なくとも一方は、着色した酸化膜と、着色していない酸化膜とを有する鉄心。
2. 前記着色した酸化膜の領域が、前記着色していない酸化膜の領域より広い請求項１記載の鉄心。
3. 前記複数のナノ結晶薄帯間の面では、着色していない酸化膜が、着色した酸化膜より主体である請求項１または２記載の鉄心。
4. 前記複数のナノ結晶薄帯は、片面が着色した酸化膜を主体に有し、他方の面は金属光沢を示し着色していない酸化膜を主体に有する請求項１または２に記載の鉄心。
5. 前記積層体の前記ナノ結晶薄帯は、両面が金属光沢を示し着色していない酸化膜を主体に有する請求項１に記載の鉄心。
6. 前記積層体の前記ナノ結晶薄帯は、両面が着色した酸化膜を主体に有する請求項１または２に記載の鉄心。
7. 両面が着色した酸化膜を主体に有するナノ結晶薄帯と、両面が金属光沢を示し視認できない酸化膜を主体とするナノ結晶薄帯と、片面が着色した酸化膜を主体に有し他方の面は金属光沢を示し着色していない酸化膜を主体に有するナノ結晶薄帯と、のうち２種類以上含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄心。
8. 前記積層体と前記基板との間、または、前記積層体と前記締結部との間に、金属板を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の鉄心。
9. 前記積層体は、複数の積層体を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の鉄心。
10. 前記複数の積層体は、前記ナノ結晶薄帯の積層数が異なる請求項９に記載の鉄心。
11. 前記積層体は、前記複数の積層体と、１枚のナノ結晶薄帯と、を含む請求項９に記載の鉄心。
12. 前記積層体は、固定手段により一体化されている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の鉄心。
13. 前記固定手段は接着剤である請求項１２に記載の鉄心。
14. 前記接着剤は前記積層体の積層端面に塗布されている請求項１３に記載の鉄心。
15. 前記接着剤は熱履歴を受けている請求項１３に記載の鉄心。
16. 前記固定手段は機械的締結機構である請求項１２記載の鉄心。
17. 前記積層体、または、前記ナノ結晶薄帯の層の上下の最外層となる少なくともどちらか一方に、金属板を設けた請求項１〜１６のいずれか１項に記載の鉄心。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載の鉄心を固定子に用いたモータ。