JP6712726B2 - 鉄心とその鉄心を用いたモータ - Google Patents

Description

本発明は、鉄心とその鉄心を用いたモータに関する。特に、合金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）。

図１０は、特許文献１に記載された分割コアの斜視図である。電磁鋼板を積層して、カシメした積層体３１と、複数枚の非晶質薄帯を積層し接着剤で接着した積層体３２と、を接着剤により積層固定している。

特開２０１４−１５５３４７号公報

しかし、図１０の構成では、非晶質薄帯の層間に接着剤が入るため占積率が悪くなり、モータ効率が悪くなるという課題を有している。

また、合金薄帯の積層体だけをボルトで締結した時の問題点についてより詳細に述べる。図１１Ａ〜図１１Ｃは、合金薄帯の積層体の締結部分（ボルト４２とワッシャ４３）を示している。図１１Ａは、締結部の断面図、図１１Ｂは締結部近傍の断面拡大図、図１１Ｃは、締結部近傍の上面拡大図である。

図１１Ａにおいて、合金薄帯の積層体４１は、貫通穴４５を通し、金属基板４４に達したボルト４２によって締結される。この状態を断面拡大図の図１１Ｂを用いて詳細を述べると、ボルト４２で締結された合金薄帯４６は、積層方向に隙間なく密着する。しかし、ワッシャ４３の拘束の無い所では、合金薄帯４６は剛性が低いため、隙間４８を形成して広がろうとする。この時、ワッシャ４３の周辺近傍では合金薄帯４６に変形部４７が生じ、この変形は合金薄帯４６の積層体４１の積層方向の端（上面）ほど大きい。

また、上面拡大図である図１１Ｃにおいては、締結時のワッシャ４３の回転力により、合金薄帯４６の矢印方向にねじれが発生する。これら積層方向の圧縮変形や、面内のねじれ変形の和が、合金薄帯４６の破断の限度を超えると、合金薄帯４６に破れ等の破損が生じる。破損すると、駆動時の磁路が設計とは異なり不連続になり、磁気特性は低下する。また破損に至らずとも、変形に伴い発生する応力で磁気特性の低下が起こる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、締結固定時に磁性体を破損させることなく、また磁気特性も低下させない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、本発明の鉄心は、固定された複数の電磁鋼板の積層体と、前記電磁鋼板の積層体にはさまれた合金薄帯の積層体と、前記電磁鋼板ならびに合金薄帯の積層体を貫通する締結機構と、取付台と、から成り、前記電磁鋼板ならびに合金薄帯の積層体を前記締結機構で取付台に締め付けるものである。さらに、回転子と、前記鉄心と、を含むモータを用いる。

本構成によって、締結固定時に磁性体を破損させることなく、また磁気特性も低下させない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、組立の締結時において、破損や磁気特性の低下を防ぐことができる。

図１Ａは、実施の形態１の鉄心を用いたモータの側面図である。 図１Ｂは、実施の形態１の鉄心を用いたモータの上面図である。 図２は、図１ＢのＡ−Ａ’間の断面図である。 図３Ａは、実施の形態１の電磁鋼板の積層体の側面図である。 図３Ｂは、図３Ａの実施の形態１の電磁鋼板の積層体の上面図である。 図４は、図３Ｂの実施の形態１の電磁鋼板の積層体のＢ−Ｂ’間のカシメ後の断面図である。 図５は、実施の形態１の電磁鋼板の積層体で突起を除去した後の平面部の断面図である。 図６Ａは、実施の形態２における電磁鋼板の積層体の側面図である。 図６Ｂは、実施の形態２における電磁鋼板の積層体の上面図である。 図７Ａは、実施の形態２における電磁鋼板の積層体の突起を除去後の溶接部近傍の表面図である。 図７Ｂは、実施の形態２における電磁鋼板の積層体の溶接部近傍の側面図である。 図８Ａは、実施の形態３の電磁鋼板の積層体の側面図である。 図８Ｂは、実施の形態３の電磁鋼板の積層体の上面図である。 図９Ａは、実施の形態４の鉄心を用いたモータの側面図である。 図９Ｂは、実施の形態４の鉄心を用いたモータの上面図である。 図１０は、特許文献１に記載された従来の分割コアの斜視図である。 図１１Ａは、従来の合金薄帯の積層体の締結部の断面図である。 図１１Ｂは、従来の合金薄帯の積層体の締結部の部分拡大断面図である。 図１１Ｃは、従来の合金薄帯の積層体の締結部の上面図である。

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）
図１Ａは、本発明の実施の形態１における鉄心を用いたモータの側面図である。図１Ｂは、図１Ａの上面図である。

実施の形態１のモータでは、電磁鋼板７が１枚では剛性や強度が不十分なため、電磁鋼板７の積層体２を形成して合金薄帯３ａの積層体３を上下からはさみ、積層部１を形成している。合金薄帯３ａは鉄系で、熱処理しない非晶質薄帯、熱処理した非晶質薄帯、あるいは非晶質薄帯を熱処理して得られるナノ結晶粒を有する薄帯、のいずれでも良い。非晶質薄帯を熱処理し、ナノ結晶粒を生成させると固定子に求められる軟磁気特性には優れる。一方、熱処理された非晶質薄帯は、熱履歴を受けただけで靭性が低く、割れやすくなるという欠点がある。ここでは、ナノ結晶粒を有する合金薄帯３ａの実施例について述べる。

電磁鋼板７のティース７ａと呼ばれる突起物の上から巻線９をし、固定子とする。スプリングワッシャ５とワッシャ６を介して、固定子をボルト４にて積層方向に締め付け、取付台８に固定する。積層部１の中央の開口部分に回転子１０を挿入し、巻線９に所定の通電を行うと、回転子１０が回転してモータとして動作する。

図２は、図１ＢにおけるＡ−Ａ’間の断面図である。合金薄帯３ａの積層体３は、５枚の電磁鋼板７で構成された電磁鋼板７の積層体２で上下をはさまれ、ボルト４で取付台８に締め付け、固定されている。

図３Ａは、電磁鋼板７の積層体２の側面図である。図３Ｂは、図３Ａの上面図である。電磁鋼板７の積層体２は、４箇所のカシメ部１２によって、締結され一体化している。貫通穴１１にボルト４を通して締結する際に、電磁鋼板７の積層体２には圧縮とねじれの応力が発生する。電磁鋼板７の積層体２は、カシメ部１２の寄与により、カシメが無い場合に比べ、電磁鋼板７の積層体２の剛性が高くなるので圧縮変形は小さくなる。また、回転によるねじれもほとんど発生しない。その結果、電磁鋼板７の積層体２の間の合金薄帯３ａの積層体３に圧縮やねじれによる力が伝わらず、薄帯の破損は発生しない。また、電磁鋼板７の枚数が多いか、カシメの面積が大きいほど、破損防止の効果は大きくなるが、モータ効率は低くなる。

図４は、図３ＢのＢ−Ｂ’間のカシメ部１２の断面図である。５枚の電磁鋼板７をカシメすることで、窪み１３と突起１４が生じる。このまま突起１４を合金薄帯３ａの積層体３と接触させてボルト４を締結すると、突起１４が薄帯に押しつけられて、合金薄帯３ａの積層体３を破損するので、追加工で突起１４を除去する。

図５は、図４の突起１４を切削により除去し、平面部１５を現出させた後の断面図である。切削により形成された平面部１５は切削痕１６を有する。その表面粗さは、凹凸が数μｍ以下（１０μｍ以下）であれば、薄帯を破損させない。切削痕１６以外の電磁鋼板７の表面は、圧延された状態なので表面粗さは多くの場合で切削痕１６よりも小さく、色も異なることが多い。最大約１μｍ以下である。

また、平面部１５における電磁鋼板７の板厚は薄くなるが、つながっていれば、電磁鋼板７の一体化に対して問題はない。

また、ボルト４には通常のボルトを用いたが、段付きボルトや、ボルト外周に円筒管を設けた構造にすれば、圧縮変形は所定の寸法以上には進まない。その結果、締結に伴う発生応力を抑制し、薄帯の破損防止に一層の効果がある。

上記の構造により、締結固定時に磁性体（合金薄帯３ａ）を破損させることなく、また磁気特性も低下させない鉄心及びモータを提供できる。

（実施の形態２）
図６Ａは、本発明の実施の形態２の鉄心における電磁鋼板７の積層体２の側面図である。図６Ｂは、図６Ａの上面図である。図６Ａと図６Ｂとが、実施の形態１と異なるのは、積層体２の端面の溶接により積層体２を一体化したことである。記載しない事項は上記実施の形態１と同様である。

積層体２の端面の溶接を大面積で行うと、電磁鋼板７の層間絶縁性が悪くなり、うず電流の発生によりモータ効率が低くなる。そこで、磁路を妨げにくい位置として、貫通穴１１近傍の積層体２の端面を、レーザにより線溶接することで、強度確保に必要な最小面積にした。溶接後の電磁鋼板７の積層体２には、溶接部１７が存在する。溶接部１７には開始側や、特に終了側に溶融金属が凝固した突起１８が残りやすい。つまり、積層体２の上下面に突起１８が残りやすい。実施の形態１と同様に、この突起１８も切削により除去する。

図７Ａは、図６Ａの突起１８を除去した後の電磁鋼板７の積層体２の溶接部１７近傍の表面図である。図７Ｂは、図７Ａの側面図である。図７Ａにおいて、溶接部１７の表面は切削されているので、表面から楔形の形状で溶融した溶接部１７が非溶融部との境界を残し、その表面には切削痕１９を有する。

また、溶接部１７の周囲には切削により非溶融部まで越境して切削されて形成された切削痕１９が非定型の形状で残る。切削痕１９は、電磁鋼板７の積層体２の極表面のみに残るので、図７Ｂの側面図では、切削痕１９を有しない溶接部１７のみが観察される。突起１８を除去したことで、合金薄帯３ａの破損を防ぐことができる。

切削痕１９の表面凹凸は数μｍ以下、具体的には１０μｍ以下である。

（実施の形態３）：接着材２０
図８Ａは、本発明の実施の形態３の鉄心における電磁鋼板７の積層体２の側面図である。図８Ｂは、図８Ａの上面図である。記載しない事項は上記実施の形態と同様である。

図８Ａ〜図８Ｂが、実施の形態１や２と異なるのは、積層端面全面に接着剤２０を設けて固定したことである。接着剤２０は積層端面から上下にはみ出さなければ平面側に突起は発生しないが、突起が発生した場合には実施の形態１や実施の形態２と同様に除去する。接着剤２０には導通がないので、電磁鋼板７の層間絶縁性を保ち、モータ効率に悪影響を及ぼさない。積層端面の全面を接着できるので、強固な固定をできる。

また、必要な接着強度を確保できれば、必ずしも積層端面全面に接着剤２０を設ける必要はない。

（実施の形態４）
図９Ａは、本発明の実施の形態４における鉄心を用いたモータの側面図である。図９Ｂは、図９Ａの上面図である。記載しない事項は上記実施の形態と同様である。

図９Ａ〜図９Ｂが、実施の形態１と異なるのは、電磁鋼板７の積層体２２と熱処理によりナノ結晶粒を有する合金薄帯２３ａの積層体２３との間に、熱処理しない非晶質薄帯の積層体２４を設けたことである。

合金薄帯２３ａの積層体２３に作用する力を弱めるために、積層体２２の電磁鋼板７の枚数を多くすると、モータ効率が低下するという弊害が生じる。熱処理しない非晶質薄帯は、その軟磁気特性がナノ結晶を有する薄帯よりも劣るが、電磁鋼板７よりも優れる。熱処理しない非晶質薄帯の外力に対する靭性は、熱処理したナノ結晶粒を有する薄帯よりも優れる。

そのため、電磁鋼板７の枚数を減らし、その分の厚さを熱処理しない非晶質薄帯に置き換えることで、積層部２１の厚さを変えることなく、ナノ結晶粒を有する合金薄帯２３ａの積層体２３の破損を防ぐと同時に、モータ効率の低下も抑制することができる。

ここでは、積層体２２の電磁鋼板７の枚数を、実施の形態１の５枚から４枚に減らして積層体２２とした。熱処理しない非晶質薄帯の板厚は、電磁鋼板７の約１０分の１なので、減らした電磁鋼板７の１枚の厚さに相当する熱処理しない非晶質薄帯の１０枚を積層して非晶質薄帯の積層体２４とした。ナノ結晶粒を有する合金薄帯２３ａの積層体２３の厚さは変えない。

その結果、ナノ結晶粒を有する合金薄帯２３ａの積層体２３を破損させることなく、モータ効率を同等以上にすることができた。

なお、熱処理した薄帯は、非晶質薄帯であっても良い。

（全体として）
上記実施の形態は組み合わせすることができる。

本発明に係る鉄心によれば、鉄心の剛性確保及び締結固定時の形状安定化が可能となる。そこで、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 積層部
２ 積層体
３ 積層体
３ａ 合金薄帯
４ ボルト
５ スプリングワッシャ
６ ワッシャ
７ 電磁鋼板
７ａ ティース
８ 取付台
９ 巻線
１０ 回転子
１１ 貫通穴
１２ カシメ部
１３ 窪み
１４ 突起
１５ 平面部
１６ 切削痕
１７ 溶接部
１８ 突起
１９ 切削痕
２０ 接着剤
２１ 積層部
２２ 積層体
２３ 積層体
２３ａ 合金薄帯
２４ 非晶質薄帯の積層体
３１ 積層体
３２ 積層体
４１ 合金薄帯の積層体
４２ ボルト
４３ ワッシャ
４４ 金属基板
４５ 貫通穴
４６ 合金薄帯
４７ 変形部
４８ 隙間

Claims (9)

1. 締結手段により固定された複数の電磁鋼板の積層体と、
   前記電磁鋼板の積層体にはさまれた合金薄帯の積層体と、
   前記電磁鋼板ならびに合金薄帯の積層体を貫通する締結機構と、
   取付台と、から成り、
   前記複数の電磁鋼板の積層体と合金薄帯の積層体とを前記締結機構で取付台に締め付けた鉄心であり、
   前記積層体において、前記締結機構の横にカシメ部があり、
   前記カシメ部の前記積層体の１方面では、凹部であり、
   前記カシメ部の他方面は、平面で、前記平面以外の前記他方面より表面粗さが大きい領域である鉄心。
2. 前記平面の表面粗さは、１０μｍ以下であり、前記他方面の他の部分の表面粗さは、１μｍ以下である請求項１の鉄心。
3. 前記電磁鋼板の積層体は、前記電磁鋼板の積層体の端面に接着剤を有する請求項１または２に記載の鉄心。
4. 前記合金薄帯は、ナノ結晶粒を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄心。
5. 前記合金薄帯は、非晶質である請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄心。
6. 締結手段により固定された複数の電磁鋼板の積層体と、
   前記電磁鋼板の積層体にはさまれたナノ結晶粒を有する合金薄帯の積層体と、
   前記電磁鋼板ならびに合金薄帯の積層体を貫通する締結機構と、
   取付台と、から成り、
   前記複数の電磁鋼板の積層体と合金薄帯の積層体とを前記締結機構で取付台に締め付けた鉄心であり、
   前記合金薄帯の積層体は、熱処理した前記合金薄帯の積層体の上下を、非晶質合金薄帯の積層体ではさんだ構造であり、
   前記非晶質合金薄帯は、前記合金薄帯と同じ厚みで同じ組成であり、前記合金薄帯より、磁気特性が悪い鉄心。
7. 前記締結機構に段付きボルトを用いた請求項１〜６のいずれか１項に記載の鉄心。
8. 前記締結機構は、ボルトと前記ボルトの外周に円筒管を設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載の鉄心。
9. 回転子と、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の鉄心と、を含むモータ。