JP6784520B2 - 鉄心、鉄心の製造方法、鉄心の製造装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、薄板状の磁性材を積層して形成された鉄心、鉄心の製造方法、鉄心の製造装置に関する。

従来、薄板状の磁性材を積層して形成した巻鉄心が知られている。このような巻鉄心は、例えば特許文献１に開示されているように、磁性材を環状に巻回したものを切断することにより製造されている。

特開２０１５−８２３８号公報

しかしながら、鉄心は、励磁されると、それに伴って発生する鉄損により温度が上昇し、磁性材が膨張する。この鉄損は、磁束密度が高いと大きくなる一方、磁束密度が低いと小さくなる。そして、巻鉄心の場合、磁束密度は、磁路が長く磁気抵抗が相対的に大きい外周の方が高くなり、磁路が短く磁気抵抗が相対的に小さい内周の方が低くなる。そのため、巻鉄心では、外周よりも内周の方が高温となり、熱膨張も大きくなる。つまり、外周と内周とで熱膨張に差が出てしまう。

その結果、コーナー部において磁性材の積層方向への圧力が発生し、磁性材同士が押圧されることにより、層間抵抗が低下し、渦電流が増えて鉄損や励磁電流が増加してしまう。
また、いわゆるカットコアの場合には、水平研磨されている対向面において、内周側の圧力が外周側に比べて大きくなる。ことから、外周側のギャップが拡張されてしまい、磁束が鉄心から外れてしまういわゆるフリンジングと呼ばれる事象が発生する。その結果、鉄損や励磁電流が増加してしまい、安定した特性を得ることが困難となる。
そこで、鉄損や励磁電流の増加を抑制し安定した特性を得ることができる鉄心、鉄心の製造方法、鉄心の製造装置を提供する。

実施形態の鉄心は、薄板状の磁性材が積層されてコーナー部と直線部とを有する環状に形成され、環状の状態における外周の長さが、内周の長さに前記直線部における前記磁性材の積層厚の２π倍を加えた値よりも長いことを特徴とする。

第１実施形態の鉄心を模式的に示す図 鉄心の製造装置を模式的に示す図 鉄心の製造工程の流れを示す図 切断工程において切断された磁性材を模式的に示す図 積層工程において積層された磁性材である積層体を模式的に示す図 成形工程において積層体を成形する態様を模式的に示す図 固着工程において積層体を固着する態様を模式的に示す図 製造された鉄心片を模式的に示す図 第２実施形態の鉄心と成形体を模式的に示す図 第３実施形態の鉄心と積層体とを模式的に示す図

以下、複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態において実質的に共通する部位には同一符号を付して説明する。
（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図８を参照しながら説明する。

図１に示すように、鉄心１は、略Ｕ字状の２つの鉄心片２を対向面２ａにて組み合わせることにより、図１にＲ部として示すコーナー部と、図１にＬ部として示す直線部とを有する概ね環状に形成されている。鉄心片２は、薄板状の磁性材３を積層し、略Ｕ字状に成形することにより形成されている。なお、対向面２ａは、互いに平行となるように配置されており、外周から内周まで同じ間隔となるギャップが形成されている。

磁性材３は、いわゆるアモルファスコアと称される鉄系非結晶質素材、あるいは、ナノ結晶素材を薄板状に形成することにより形成されている。磁性材３は、一般的に、溶融した原料を回転する冷却ロールに当てて急冷することにより形成されており、素材の段階では厚みが数十μｍ程度のリボン状となっている。このようなアモルファスコアは、鉄損低減のため、また、高周波における鉄損が珪素鋼を薄板状に形成したいわゆる珪素鋼帯よりも小さいことから、高周波用変圧器などの分野で採用が進んでいる。また、ナノ結晶素材は、特に高周波用途に特化したものとして用いられる。

さて、ここで、対比として、従来のいわゆる巻鉄心について説明する。従来の巻鉄心は、磁性材を巻回することにより形成されている。このような巻鉄心には、少なくとも１箇所で磁性材を切断し、その切断箇所を段階的にずらして付き合わせたワンターンカットコアや、磁性材を巻回して固着した後２つの部位に切断したカットコアがある。

ただし、いずれの巻鉄心の場合も、環状に形成された状態では磁性材の積層厚は一定であり、コーナー部と直線部とが同じ厚みになっている。このため、従来の巻鉄心のように磁性材を層間に隙間なく積層した場合には、外周の長さは、内周の長さに直線部における磁性材の積層厚の２π倍を加えた値に一致することになる。換言すると、従来の巻鉄心の場合、磁性材の層間に隙間を作るという思想が無いことから、層間に隙間ができないように磁性材が巻回あるいは積層されており、コーナー部の内周と外周とが相似形となった状態に形成されている。

これに対して、本実施形態の鉄心１は、環状に形成した際の外周の長さが、内周の長さに直線部における磁性材３の積層厚（Ｔｓ）の２π倍を加えた値よりも長くなっている。このとき、鉄心１は、直線部においては、その積層厚がＴｓで一定であるのに対し、コーナー部においては、その積層厚が直線部の積層厚（Ｔｓ）よりも大きくなっている。より具体的には、鉄心１は、コーナー部における内周の曲面半径をＲｉとし、その中心点から外周までの距離をＲｏとすると、コーナー部の積層厚（Ｒｏ−Ｒｉ）は、以下の（１）式を満たす形状に形成されている。
Ｒｏ−Ｒｉ＞Ｔｓ ・・・（１）

このような鉄心１は、直線部の積層厚が従来の巻鉄心と同じであるとすると、コーナー部の厚みが、従来の巻鉄心と比べて若干膨らんだ形状、すなわち、コーナー部において磁性材３の層間に僅かな隙間が形成された状態となっている。換言すると、鉄心１は、コーナー部の内周と外周とが相似形となっていない形状に形成されている。このため、鉄心１の場合には、コーナー部に隙間により、磁性材３が熱膨張した際の寸法変化をコーナー部においてある程度吸収可能となっている。なお、図１では、上記構成が明確になるように、磁性材３とその層間に形成される隙間とを実際よりも誇張して示している。

この鉄心１は、図２に示すように、製造装置１０にて製造される。この製造装置１０は、切断部１１、積層部１２、成形部１３、固着部１４、研磨部１５、およびこれらを制御する制御部１６等により構成されている。なお、図２に示す矢印は、部材の流れを示している。

切断部１１は、詳細は後述するが、磁性材３を複数の長さで切断する。この切断部１１は、制御部１６によって制御されており、磁性材３を所定の長さ、且つ、異なる複数の長さに切断する。なお、切断部１１は、切断する際の長さを連続的に変化させる構成であってもよいし、一定枚数を切断した後に切断する長さを変更する構成としてもよい。また、複数の切断部１１を設けることで、磁性材３を複数の長さに切断する構成であってもよい。

積層部１２は、詳細は後述するが、切断された複数の長さの磁性材３を、環状に成形した際に外周となる磁性材３の長さが、環状に成形した際に内周となる磁性材３の長さに直線部における磁性材３の積層厚（Ｔｓ）の２π倍を加えたものよりも長くなる状態に積層する。

成形部１３は、詳細は後述するが、積層された磁性材３を所定の形状、本実施形態の場合は略Ｕ字状に成形する。なお、以下では、積層された磁性材３を、便宜的に積層体２０（図５参照）とも称する。
固着部１４は、詳細は後述するが、成形された磁性材３を、接着剤３０（図７（ａ）参照）やレジン３１（図７（ｂ）参照）にて固着する。

次に、上記した構成の作用について、その製造方法ととともに説明する。
図３は、鉄心１の製造工程の主な流れを示している。この製造工程では、まず、磁性材３を切断する切断工程が行われる（Ｓ１）。磁性材３は、図１に示すように薄い帯状の磁性材帯３ａとして切断部１１に供給される。この磁性材帯３ａは、巻回された状態のフープ３ｂから引き出されて切断部１１に供給される。

そして、切断部１１にて磁性材帯３ａを複数の切断することにより、図４に示すように、Ｌ１〜Ｌｎの異なる長さの磁性材３が形成される。なお、磁性材３の幅Ｗは共通である。また、磁性材の長さ、およびその種類（ｎ）は、適宜設定すればよい。

続いて、積層工程において、切断された複数の長さの磁性材３を積層する（Ｓ２）。このとき、磁性材３は、図５に示すように、環状に形成された際に内周となる磁性材３の長さをＬｉとし、外周となる磁性材３の長さをＬｏとすると、外周となる磁性材３の長さ（Ｌｏ）が、内周となる磁性材３の長さ（Ｌｉ）に積層厚（Ｔｓ）のπ倍を加えた値よりも長くなる状態で積層され、積層体２０が形成される。

これは、本実施形態ではＵ字状の鉄心片２を組み合わせて環状の鉄心１を形成する例を示すが、環状の鉄心１となった状態で外周の長さが内周の長さに積層厚（Ｔｓ）の２π倍を加えた値よりも長くするためには、Ｕ字状の鉄心片２の状態であれば外周となる磁性材３の長さ（Ｌｏ）が内周となる磁性材３の長さ（Ｌｉ）に積層厚（Ｔｓ）のπ倍を加えた値よりも長ければよいためである。

そのため、積層体２０は、内周となる磁性材３側から外周となる磁性材３側に向かって傾斜した台形状に形成される。なお、本実施形態のように各磁性材３の長さをそれぞれ異ならせてもよいが、上記したように磁性材３は非常に薄いため、後述する第３実施形態で説明するように同じ長さの磁性材３を所定の厚みで積層した積層ブロック２０ａ（図１０（ａ）参照）を積層して積層体２０を形成してもよい。

続いて、成形工程において、積層体２０を所定の形状、本実施形態ではＵ字状に成形する（Ｓ３）。具体的には、図６（ａ）に示すように積層体２０のほぼ中央を抑え治具２１により抑えた状態で、図６（ｂ）に示すように積層体２０の両端部を持ち上げて略Ｕ字状に成形する。なお、図６（ｂ）および後述する各図では、コーナー部の磁性材３の層間に隙間が設けられていることを、内周側と外周側とで線の間隔を変えることにより模式的に示している。

このとき、積層体２０の端部が若干ずれることも想定されるが、図６（ｃ）に示すように均し治具２２と接触させることにより、例えば均し治具２２で端部をトントンとたたいたりすることにより、積層体２０の端部を容易に均すことができる。このように積層体２０の端部を均すことにより、上記したように外周となる磁性材３の長さと内周となる磁性材３の長さとが異なることから、コーナー部において、磁性材３の層間に隙間が形成される。

また、図示は省略するが、端部を均した状態で例えばバンド等により直線部を締結することにより、より具体的には、端部側、直線部とコーナー部との境界等を締結することにより、積層体２０がばらけることを防止でき、以降の工程において作業性を向上させることができる。

続いて、固着工程において、成形した積層体２０つまりは磁性材３を固着する（Ｓ４）。この固着工程では、例えば、図７（ａ）に示すように磁性材３の積層端面つまりは鉄心１の表面および裏面に接着剤３０を塗布することにより、積層体２０を固着する。あるいは、図７（ｂ）に示すように、積層体２０にレジン３１を含浸させることにより、積層体２０を固着する。なお、接着剤３０とレジン３１の双方により固着してもよい。

このとき、本実施形態では、積層体２０の直線部においてのみ、その層間にレジン３１を含浸させて固着している。ここで言う「直線部においてのみ」とは、できる限りコーナー部へはレジン３１を含浸させない状態を意味しており、直線部とコーナー部との境界から若干コーナー部側にレジン３１が含浸することは許容している。換言すると、「直線部においてのみ」とは、コーナー部全体にレジン３１が含浸した状態ではないことを意味する。

一方、接着剤３０としてレジン３１よりも柔軟性が高い材料、より厳密には、磁性材３が熱膨張した際にその寸法変化を受容できるだけの柔軟性を有する材料を用いた場合には、磁性材３の積層端面を、コーナー部を含めて接着剤３０で覆う状態としてもよい。

続いて、研磨工程において、固着した積層体２０の端部の面、つまりは、鉄心片２の対向面２ａとなる部位を、水平に研磨する（Ｓ５）。これにより、図８に示すように、全体として略Ｕ字状に形成され、その対向面２ａが水平に研磨された鉄心片２が形成される。

そして、この鉄心片２を２つ互いに組み合わせることにより、図１に示した鉄心１が製造される。なお、図１では図示を省略しているが、鉄心１は、実際に使用される際には、バンド等の締結部材によってその外周側から締結されて鉄心片２がばらけないようになっている。

以上説明した実施形態によれば次のような効果を得ることができる。
鉄心１は、薄板状の磁性材３が積層されてコーナー部と直線部とを有する環状に形成され、環状の状態における外周の長さが、内周の長さに直線部における磁性材３の積層厚’Ｔｓ）の２π倍を加えた値よりも長いことを特徴とする。

このような構成とすることにより、鉄心１では、外周側の磁性材３と内周側の磁性材３との長さの差によって、コーナー部において、磁性材３の層間に隙間が形成される。そして、この隙間によって、前述のように外周よりも内周の方が高温となり熱膨張が大きくなったとしても、つまりは、外周側の磁性材３と内周側の磁性材３とで熱膨張による寸法変化の度合いが異なったとしても、磁性材３の寸法変化をコーナー部に形成した隙間によって吸収でき、コーナー部において積層方向に生じる圧力を低減することができる。したがって、コーナー部における鉄損や励磁電流の増加を抑制でき、安定した特性を得ることができる。

鉄心１は、Ｕ字状の２つの鉄心片２を互いに組み合わせることにより環状に形成されている。この場合、上記したようにコーナー部に隙間が形成されていることから、Ｕ字状の端面つまりは対向面２ａを押す力が生じたとしても、コーナー部が適宜変形することにより、コーナー部において積層方向に力が生じることが低減される。

また、コーナー部が適宜変形することにより、対向面２ａに加わる力が内周側と外周側とで均等になり、外周側のギャップの拡張やそれに伴う磁束のフリンジングを低減でき、鉄損や励磁電流の増加をさらに抑制することができる。
磁性材３は、非晶質素材あるいはナノ結晶素材を薄板状に形成したものである。これにより、高周波における特性を向上させることができる。

磁性材３は、その積層端面に接着剤３０が塗布されて固着されている。これにより、磁性材３がばらけることを防止できるとともに、鉄心１の寸法精度を確保することができる。このとき、実施形態のように柔軟性を有する材料を用いることにより、コーナー部における磁性材３の変形が許容され、上記したようにコーナー部における圧力の低減等が可能となり、鉄損や励磁電流の増加を抑制することができる。

磁性材３は、その層間にレジン３１が含浸されて固着されている。これにより、磁性材３を強固に固着でき、その外形が不必要に変形してしまうことを防止できる。
レジン３１は、直線部において、磁性材３の層間に含浸されている。つまり、コーナー部には、レジン３１を含浸しない。これにより、コーナー部における磁性材３の変形が許容され、上記したようにコーナー部における圧力の低減等が可能となり、鉄損や励磁電流の増加を抑制することができる。

また、磁性材３を複数の長さで切断する工程と、切断された複数の長さの磁性材３を環状に形成した状態における外周の長さが内周の長さに直線部における磁性材３の積層厚（Ｔｓ）の２π倍を加えた値よりも長くなる状態に積層する工程と、積層された磁性材を成形する工程と、成形された磁性材３を固着する工程と、を含む鉄心１の製造方法によっても、コーナー部における鉄損や励磁電流の増加を抑制でき、安定した特性を得ることができる。

また、磁性材３を複数の長さに切断する切断部１１と、切断された複数の長さの磁性材３を環状に形成した状態における外周の長さが内周の長さに直線部における磁性材３の積層厚（Ｔｓ）の２π倍を加えた値よりも長くなる状態に積層する積層部１２と、積層された磁性材３を成形する成形部１３と、成形された磁性材３を固着する固着部１４と、を備える鉄心１の製造装置１０によっても、コーナー部における鉄損や励磁電流の増加を抑制でき、安定した特性を得ることができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について図９を参照しながら説明する。第２実施形態では、ギャップの形状が第１実施形態と異なっている。

図９（ａ）に示すように、本実施形態の鉄心４０は、２つの鉄心片２を組み合わせて構成されている一方、各鉄心片２の対向面２ａ間において、内周側のギャップ長（Ｇｉ）が外周側のギャップ長（Ｇｏ）よりも大きいギャップが形成されている。つまり、鉄心４０は、２つの鉄心片２の対向面２ａに、外周から内周に向かって拡大するギャップが設けられている。

このとき、内周側のギャップ長（Ｇｉ）および外周側のギャップ長（Ｇｏ）は、その長さが、実運転時の状態を考慮して、すなわち、熱膨張による変形を考慮して適宜設定されている。
これにより、前述のように内周側の熱膨張が大きくなることに伴って内周側の磁性材３の寸法変化が大きくなったとしても、実運転時にはギャップ長がほぼ均等になることから、特性の悪化を低減することができる。

また、このようなギャップは、図９（ｂ）に示すように、傾斜した均し治具２３を用いることにより、成形工程において、コーナー部において磁性材３の層間に隙間を形成しつつ比較的容易に形成することができる。なお、成形工程以外の工程は、第１実施形態と共通する。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について図１０を参照しながら説明する。第３実施形態では、鉄心の構造が第１実施形態と異なっている。

図１０（ａ）に示すように、本実施形態の鉄心５０は、環状の１箇所に段階的な切断部５０ａが設けられた構造となっている。つまり、鉄心５０は、鉄心１とは異なり、鉄心片２を組み合わせたものではなく、図１０（ｂ）に示すように、１つの積層体２０を用いて環状に形成されている。

この積層体２０は、複数の積層ブロック２０ａを積層することにより形成されている。この積層ブロック２０ａは、同じ長さの磁性材３を所定厚さに積層したものである。このとき、積層ブロック２０ａは、外周となる積層ブロック２０ａの長さ（Ｌｏ）が、内周となる積層ブロック２０ａの長さ（Ｌｉ）に積層厚（Ｔｓ）の２π倍を加えた値よりも長くなる状態に積層されている。

続いて、積層体２０は、まず成形工程においてコーナー部に隙間を形成しつつ成形領域Ｒ２が成形された後、固着工程においてその成形領域Ｒ２が固着される。これにより、積層体２０は、コーナー部において磁性材３の層間に隙間が形成された状態の縦長の略Ｕ字状となる。

そして、縦長の略Ｕ字状の積層体２０の例えば長手の直線部に図示しないコイルを通した後、固着されていない部位を折りたたむことにより、図１０（ａ）に示す形状の鉄心５０となる。このとき、折りたたまれた部位は、例えば接着剤３０によりその積層端面が固着される。なお、鉄心５０を外周側から締結する締結部材を用いる構成としてもよい。

このように形成された鉄心５０は、薄板状の磁性材３が積層されてコーナー部と直線部とを有する環状に形成され、環状の状態における外周の長さが、内周の長さに直線部における磁性材３の積層厚の２π倍を加えた値よりも長いことから、外周側の磁性材３と内周側の磁性材３との長さの差によって、コーナー部において磁性材３の層間に隙間が形成される。

これにより、鉄心５０は、磁性材３の寸法変化をコーナー部に形成した隙間によって吸収できることからコーナー部において積層方向に生じる圧力を低減することができ、第１実施形態の鉄心１と同様に、鉄損や励磁電流の増加を抑制でき、安定した特性を得ることができる。

また、積層ブロック２０ａを積層することから、切断部５０ａ側の折りたたみを容易に行うことができる。
なお、図１０（ｂ）に示す積層態様は一例であり、段階的な切断部５０ａを設けるのではなく、積層ブロック２０ａ間で相互に互い違いとなるような位置関係の切断部５０ａを設けてもよい。

（その他の実施形態）
本発明は、上記した実施形態にて示したものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形あるいは組み合わせが可能である。
実施形態では磁性材３として鉄系非結晶質素材あるいはナノ結晶素材を例示したが、珪素鋼帯を用いてもよい。

実施形態で例示した積層部１２、成形部１３、固着部１４あるいは研磨部１５は、自動的に工程を実施する装置であってもよいし、治具を用いて作業者が手作業にて実施するものであってもよいし、両者が協調するものであってもよい。
第１実施形態の図５では最も外周側となる磁性材３の長さ（Ｌｏ）が内周となる磁性材３の長さ（Ｌｉ）に積層厚（Ｔｓ）のπ倍を加えた値よりも長くした状態を示しているが、これは、最も外周側となる磁性材３だけを規定しているわけではなく、その内周側に位置する磁性体３の長さがＬｉ＋π・Ｔｓよりも長くなっていてもよい。また、第３実施形態の図１０も、最も外周側となる磁性材３の長さ（Ｌｏ）のみを規定しているわけではなく、内周側に位置する磁性体３の長さがＬｉ＋２π・Ｔｓよりも長くなっていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１、４０、５０は鉄心、２は鉄心片、２ａは対向面、３は磁性材、１０は製造装置（鉄心の製造装置）、１１は切断部、１２は積層部、１３は成形部、１４は固着部、２０は積層体、２０ａは積層ブロック、３０は接着剤、３１はレジンを示す。

Claims (7)

1. 薄板状の磁性材が積層されてコーナー部と直線部とを有する環状に形成され、環状の状態における外周の長さが、内周の長さに前記直線部における前記磁性材の積層厚の２π倍を加えた値よりも長く、
   前記磁性材は、前記直線部の全体がその層間にレジンを含浸して固着されている一方、前記コーナー部において前記レジンを含浸しない領域が設けられていることを特徴とする鉄心。
2. Ｕ字状の２つの鉄心片を互いに組み合わせることにより環状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の鉄心。
3. ２つの前記鉄心片の対向面に、外周から内周に向かって拡大するギャップを設けたことを特徴とする請求項２記載の鉄心。
4. 前記磁性材は、非晶質素材あるいはナノ結晶素材を薄板状に形成したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の鉄心。
5. 前記磁性材は、その積層端面に接着剤が塗布されて固着されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の鉄心。
6. 薄板状の磁性材を積層し、コーナー部と直線部とを有する環状の鉄心を製造する鉄心の製造方法であって、
   前記磁性材を複数の長さで切断する工程と、
   切断された複数の長さの前記磁性材を、環状に形成した状態における外周の長さが、内周の長さに前記直線部における前記磁性材の積層厚の２π倍を加えた値よりも長くなる状態に積層する工程と、
   積層された前記磁性材を成形する工程と、
   成形された前記磁性材を、前記直線部の全体にその層間にレジンを含浸させる一方、前記コーナー部において前記レジンを含浸しない領域を設けて固着する工程と、
   を含むことを特徴とする鉄心の製造方法。
7. 薄板状の磁性材を積層し、コーナー部と直線部とを有する環状の鉄心を製造する鉄心の製造装置であって、
   前記磁性材を複数の長さに切断する切断部と、
   切断された複数の長さの前記磁性材を、環状に形成した状態における外周の長さが、内周の長さに前記直線部における前記磁性材の積層厚の２π倍を加えた値よりも長くなる状態に積層する積層部と、
   積層された前記磁性材を成形する成形部と、
   成形された前記磁性材を、前記直線部の全体にその層間にレジンを含浸させる一方、前記コーナー部において前記レジンを含浸しない領域を設けて固着する固着部と、
   を備えることを特徴とする鉄心の製造装置。

Images