JP6905905B2 - 鉄心およびモータ - Google Patents

Description

本発明は、鉄心およびその鉄心を用いたモータに関し、特に、軟磁性薄帯を積層した鉄心およびその鉄心を固定子として用いたモータに関する。

従来、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）。

図６は、特許文献１に記載された分割コアの斜視図である。図６に示すように、電磁鋼板を積層してカシメた積層材２１と、複数枚の非晶質薄板を積層し、接着剤で接着した積層体２２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６の構成では、非晶質薄帯の層間に接着剤が入るため、占積率が低下し、モータの駆動効率が低下する、という課題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、モータの駆動効率の低下を抑制できる鉄心およ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、基板に固定され、巻線部を有し、複数の薄帯が積層された積層部と、前記積層部を前記薄帯の積層方向に加圧する締結部と、前記積層部と前記締結部との間に配置される金属板と、前記積層部と前記金属板との間に配置される電磁鋼板と、を有する構成を採る。

また、本発明のモータは、回転子と、上記鉄心と、を含む構成を採る。

本発明によれば、モータの駆動効率の低下を抑制できる。

（ａ）は実施の形態１に係る積層部の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。 （ａ）は積層部の締結部の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大断面図であり、（ｃ）は（ｂ）の上面図である。 （ａ）は実施の形態２に係る積層部およびモータの側面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。 実施の形態２に係る積層部の金属板の上面図である。 （ａ）は実施の形態３に係る積層部およびモータの側面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。 特許文献１に記載された従来の分割鉄心の構造を示す斜視図である。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面において、同じ構成要素には同じ符号を付している。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、実施の形態１に係る鉄心、および、その鉄心を用いたモータを示す側面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の上面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）は、具体的にはブラシレスモータについて示している。

本実施の形態の鉄心は、積層部１と、締結部６とを有する（後述の実施の形態２、３も同様）。

積層部１は、軟磁性薄帯３６（例えば、薄帯鉄心材。薄帯の一例）が積層されたものである。軟磁性薄帯３６の厚みは、例えば、１０〜６０μｍである。軟磁性薄帯３６の材料は、例えば、ホウ素またはケイ素の少なくとも一方を含む鉄系合金である。

積層部１には、貫通穴１０が設けられている。貫通穴１０にはボルト５がはめ込まれる。これにより、ワッシャである締結部６によって、積層部１は、金属基板７（基板の一例）へ押しつけられ、固定される。

締結部６は、面で、積層部１を積層方向（図中の下方向。以下同様）に加圧して固定する。締結部６の底面は、貫通穴１０の上面（開口部）の周囲と接触する。

回転子８は、中央の開口部分に備えられている。図１（ｂ）に示すように、回転子８の周辺には、巻線９（巻線部の一例）が備えられている。

巻線９の外側には、貫通穴１０が４箇所設けられている（図１（ａ）では２箇所のみを図示）。４つの貫通孔１０は、それぞれ、対象に配置されている。これにより、均等に、積層部１を押えることができる。

このように、本実施の形態では、ボルト５、締結部６、および貫通孔１０を用いて積層部１を保持することにより、分解が容易となり、接着剤が不要となる。接着剤が不要となるため、占積率の低下を抑制でき、モータの駆動効率の低下を抑制できる。また、締結部６の締め付ける力を調整できるので、積層部１にダメージを与えるおそれがなく、積層部１の破損を防止できる。

なお、ボルト５、締結部６、および貫通孔１０は一例であり、それら以外の保持機構を用いてもよい。

また、貫通穴１０は、必須構成ではなく、例えば、積層部１の外側などを利用して締結部６で積層部１を押えてもよい。

（実施の形態２）
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、軟磁性薄帯３６の積層部３１の締結部６の周辺を示している。図２（ａ）は、締結部６近傍の断面図であり、図２（ｂ）は、締結部６近傍の断面拡大図であり、図２（ｃ）は、締結部６近傍の上面拡大平面図である。

図２（ａ）に示すように、軟磁性薄帯３６の積層部３１は、金属基板７の貫通穴１０に達したボルト５によって、固定されている。図２（ｂ）を用いて詳細を述べると、締結部６で締結された軟磁性薄帯３６は、積層方向に隙間なく密着する。

しかし、締結部６の拘束の無い箇所では軟磁性薄帯３６の剛性が低いため、図２（ｂ）に示すように、軟磁性薄帯３６は、隙間３８を形成して広がろうとする。このとき、締結部６の周辺（近傍）では、図２（ｂ）に示すように、軟磁性薄帯３６に変形部３７が生じる。この変形部３７は、積層体３１の積層方向の端ほど、大きくなる。

また、図２（ｃ）に示すように、ボルト５の締結時では、締結部６の回転力により、軟磁性薄帯３６において、図中の矢印方向にねじれが発生する。

以上説明した軟磁性薄帯３６の変形とねじれとの和が、軟磁性薄帯３６の破断の限度を超えると、軟磁性薄帯３６に破れ等の破損が生じる。軟磁性薄帯３６が破損すると、モータの駆動時の磁路が設計とは異なって不連続となり、磁気特性が低下してしまう。また、軟磁性薄帯３６が破損に至らずとも、変形に伴う発生応力によって、磁気特性が低下してしまう。

このような問題の対策について、以下に説明する。

図３（ａ）は、実施の形態２に係る鉄心、および、その鉄心を用いたモータを示す側面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の上面図である。

図３（ａ）に示すように、磁性板の積層体４は、非晶質またはナノ結晶粒を含有する軟磁性薄帯３６が積層された積層部１と、その積層方向の上下面を挟む２枚の電磁鋼板２ａ、２ｂと、を備える。積層部１の上面側には、電磁鋼板２ａが備えられ、積層部１の底面側には、電磁鋼板２ｂが備えられる。

また、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、積層体４の積層方向の上下面には、積層体４を挟む２枚の金属板３ａ、３ｂが備えられる。金属板３ａ、３ｂは、オーステナイト系ステンレス鋼板である。

このような積層体４は、例えば、実施の形態１と同様に、ボルト５、締結部６、および貫通孔１０（図示略）によって、金属基板７に固定されている。

この積層部１では、各軟磁性薄帯３６の間に接着剤を用いることなく積層している。接着剤を用いないことで、占積率を高めることができる。以上の構成は、固定子である。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できる。

締結部６の近傍に働く応力により軟磁性薄帯３６は変形してしまう。これを防ぐためには、積層部１の積層方向の上下面の剛性を上げればよい。

そのために、図３（ａ）に示したように、電磁鋼板２ａ、２ｂおよび金属板３ａ、３ｂを上下に設けている。金属板３ａ、３ｂを上下に設けている理由は、金属基板７だけよりも剛性が確保しやすいからである。

仮に、図３（ａ）に示した電磁鋼板２ａ、２ｂと金属板３ａ、３ｂの配置位置を逆にした場合（すなわち、積層部１の上下面に金属板３ａ、３ｂを設け、金属板３ａ、３ｂの上下面に電磁鋼板２ａ、２ｂを設けた場合）、巻線９後のティース部において、電磁鋼板２と軟磁性薄帯３６との間に隙間ができ、巻線９の全長が長くなるため銅損が増加し、モータの駆動効率が低下すると同時に、軟磁性薄帯３６が破損しやすい構造となってしまう。また、電磁鋼板２ａ、２ｂと積層部１との間に、磁気特性と関係のない金属板３ａ、３ｂが存在することでも、モータの駆動効率が悪くなる。また、巻線９の後のティース部において、電磁鋼板２と軟磁性薄帯３６との間に隙間ができ、モータの駆動効率が低下すると同時に、軟磁性薄帯３６が破損しやすい構造となってしまう。よって、図３（ａ）に示すように、積層部１の上下面に電磁鋼板２ａ、２ｂを設け、電磁鋼板２ａ、２ｂの上下面に金属板３ａ、３ｂを設ける構成が好ましい。

なお、電磁鋼板２ａ、２ｂまたは金属板３ａ、３ｂのいずれか一方を設けるようにしてもよい。ここでは、電磁鋼板２ａ、２ｂを備える構成を例に挙げて説明したが、これは、巻線９の巻回圧力が積層部１の角部に直接作用し、角部等から軟磁性薄帯３６が破損しやすくなることを防ぐためである。よって、巻線９による破損等の心配がないのであれば、電磁鋼板２ａ、２ｂを備えなくてもよい。

＜電磁鋼板２ａ、２ｂ＞
ここで、電磁鋼板２ａ、２ｂについてさらに説明する。

電磁鋼板２ａ、２ｂは、軟磁性薄帯３６と同じ軟磁性材料であるので、積層体４の磁気特性の低下を抑えることができる。電磁鋼板２の板厚は、市場の製品では板厚０．３５ｍｍから０．５ｍｍが一般的である。現状、０．１５ｍｍ程度の電磁鋼板２も市場に出ているが、高価である。したがって、電磁鋼板２の板厚には制約がある。

軟磁性薄帯３６が破損するか否かは、締結力の大きさに依存する。締結力が大きい場合、剛性を高くして破損を防止するために、積層部１の上下面のそれぞれに、電磁鋼板２ａ、２ｂを設けることが好ましい。さらに、電磁鋼板２ａ、２ｂのそれぞれを、複数設けることが好ましい。

また、軟磁性薄帯３６は、非晶質材に比べて磁気特性が優れた、非晶質材を結晶化したナノ結晶粒材であることが好ましい。ただし、ナノ結晶粒材は非結晶材よりも脆いため、軟磁性薄帯３６にナノ結粒材を用いる場合には、より一層の破損防止対策が必要となる。

金属板３ａ、３ｂには板厚の制約が無いので、上下に１枚ずつ備えればよい。これに対し、電磁鋼板２ａ、２ｂは、軟磁性薄帯３６と同じく軟磁性体ではあるが、板厚が電磁鋼板２ａ、２ｂの約１０分の１程度と薄い軟磁性薄帯３６に比べて、うず電流損失が大きい。よって、電磁鋼板２ａ、２ｂのそれぞれを複数枚モータに組み込んだ場合、モータの駆動効率が低下するおそれがある。そのため、モータの駆動効率を優先したい場合には、電磁鋼板２ａ、２ｂのそれぞれを最小限の枚数とすることが好ましい。

このようなことから、軟磁性薄帯３６、電磁鋼板２ａ（２ｂ）、金属板３ａ（３ｂ）それぞれの１枚分の厚みの大小関係は、下記式１を満たすことが好ましい。
軟磁性薄帯３６＜電磁鋼板２ａ≦金属板３ａ・・・式１

また、剛性に関連するヤング率は、電磁鋼板２ａ、２ｂが１３０ＧＰａに対し、オーステナイト系ステンレス鋼（金属板３ａ、３ｂ）は１９３ＧＰａである。よって、同じ剛性を得るためには、オーステナイト系ステンレス鋼（金属板３ａ、３ｂ）は、電磁鋼板２ａ、２ｂよりも薄くてよいという利点もある。

金属板３の剛性は、電磁鋼板２の剛性よりも高いことが好ましい。よって、軟磁性薄帯３６、電磁鋼板２ａ（２ｂ）、金属板３ａ（３ｂ）それぞれの剛性の大小関係は、下記式２を満たすことが好ましい。
軟磁性薄帯３６＜電磁鋼板２ａ＜金属板３ａ・・・式２

＜金属板３ａ、３ｂ＞
ここで、金属板３ａ、３ｂについてさらに説明する。

図４は、金属板３ａの上面図である。以下では、図４に示す金属板３ａについて説明するが、その説明は、金属板３ｂについても当てはまるものとする。

金属板３ａは、環状である。金属板３ａの外形は、軟磁性薄帯３６（積層部１）や電磁鋼板２よりも外側へ張り出すとモータ組立時に他の部品と緩衝するため、軟磁性薄帯３６（積層部１）や電磁鋼板２と同じ形状をしている。

金属板３ａには、締結用のボルト５が挿通される４つの貫通穴１０が設けられている。また、金属板３ａには、その中央に、回転子８（図３（ｂ）参照）が挿通される貫通穴２０が設けられている。貫通穴２０の大きさは、図３（ｂ）に示した巻線９を被覆しない大きさである。

このように、金属板３ａが巻線９を被覆しない形状にすることで、金属板３ａが巻線９を被覆する場合に比べて、巻線９に要する長さは、金属板３の板厚と巻回数との積の２倍分だけ短くなる。巻線９の長さが長くなると、銅損（銅線に流れる電流により生じるジュール熱）が大きくなる。したがって、金属板３ａが巻線９を被覆しない形状とすることで、銅損が減り、モータの駆動効率が向上する。

金属板３ａの材料としては、上述したとおり、磁気に影響を与えないように、非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼を用いる。金属板３ａが軟磁性薄帯３６と接する面積が、締結部６が金属板３ａと接する面積よりも大きければ、締結部６近傍に集中する応力を分散することができる。

（実施の形態３）
図５（ａ）は、実施の形態３に係る鉄心、および、その鉄心を用いたモータを示す側面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の上面図である。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示す構成は、実施の形態２の構成（図３（ａ）および図３（ｂ）に示す構成）と比べて、４つの締結部６のそれぞれに対応するように、分割された金属板１１ａ、１１ｂが設けられた点が異なる。金属板１１ａは、電磁鋼板２ａの上面側に設けられており、金属板１１ｂは、電磁鋼板２ｂの底面側に設けられている。

１つの金属板１１ａの面積は、１つの締結部６の２倍以上の面積であることが好ましい。ただし、金属板１１ａが積層体４（電磁鋼板２ａ）と接する面積は、金属板１１ａが締結部６と接する面積よりも大きくする必要がある。その理由は、締結部６近傍に発生する応力は、締結部６から離れると急速に減少するので、締結部６から離れた位置に金属板１１ａが存在しても、大きな効果を得られないからである。

各金属板１１ａの形状は、応力分布の対称性を確保するために、締結部６を中心として対称形状にすることが好ましい。

各金属板１１ｂは、金属板１１ａと同様の形状でもよい。

なお、図５（ａ）に示したように、積層部１の積層方向の上下面のそれぞれに、金属板１１ａ、１１ｂを設ける場合について説明したが、どちらか一方の面だけに金属板１１ａまたは金属板１１ｂを設けてもよい。

また、金属板１１ａまたは金属板１１ｂの代わりに、実施の形態１、２で説明した金属板３を用いてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、分割された金属板１１ａ、１１ｂを各締結部６に設けることにより、金属板１１ａ、１１ｂのモータに占める体積が減り、他の取り付け部品などに対して空間的余裕を確保できる。また、部品製作時の材料歩留りが高くなり、部品単価が下がるという効果もある。さらに、分割された金属板１１ａ同士（または、金属板１１ｂ同士）には相互作用が働かないため、無理な応力が積層体４にかからない。

以上、実施の形態１〜３について説明したが、本発明は、上記実施の形態１〜３の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

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、３１ 積層部
２ａ、２ｂ 電磁鋼板
３ａ、３ｂ、１１ａ、１１ｂ 金属板
４ 積層体
５ ボルト
６ 締結部
７ 金属基板
８ 回転子
９ 巻線
１０、２０ 貫通穴
２１ 積層材
２２ 積層体
３６ 軟磁性薄帯
３７ 変形部
３８ 隙間

Claims (8)

1. 基板に固定され、巻線部を有し、複数の薄帯が積層された積層部と、
   前記積層部を前記薄帯の積層方向に加圧する締結部と、
   前記積層部と前記締結部との間に配置される金属板と、
   前記積層部と前記金属板との間に配置される電磁鋼板と、を有する、
   鉄心。
2. 前記金属板を複数有する、
   請求項１に記載の鉄心。
3. 前記電磁鋼板は、複数あり、前記積層部を前記薄帯の積層方向の両側から固定する、
   請求項１または２に記載の鉄心。
4. 前記金属板の剛性率は、前記電磁鋼板の剛性率よりも大きい材料である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の鉄心。
5. 前記薄帯が軟磁性薄帯であり、
   前記電磁鋼板の厚みは、前記軟磁性薄帯の厚みよりも厚い、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄心。
6. 前記薄帯が軟磁性薄帯であり、
   前記軟磁性薄帯、前記電磁鋼板、および、前記金属板それぞれの厚みの関係は、下記式（１）を満たす、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄心。
   前記軟磁性薄帯＜前記電磁鋼板≦前記金属板 ・・・式（１）
7. 前記薄帯が軟磁性薄帯であり、
   前記軟磁性薄帯、前記電磁鋼板、および、前記金属板それぞれの剛性の関係は、下記式（２）を満たす、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄心。
   前記軟磁性薄帯＜前記電磁鋼板＜前記金属板 ・・・式（２）
8. 回転子と、請求項１から７のいずれか１項に記載の鉄心と、を含むモータ。

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