JP6987327B1 - コア片、ステータコア、ステータ、及び回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2020年5月8日付の日本国出願の特願2020−082831に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
ステータコアの生産性を高めることが望まれている。ヨーク部とティースとつば部とを一体に成形することで、ステータコアの生産性が高められると考えられる。しかし、ヨーク部とティースとつば部とを一体に成形する最適な製造方法は十分に検討されていなかった。
本開示に係るコア片、ステータコア、ステータ、及び回転電機は、生産性に優れる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
本開示の実施形態の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。
〔コア〕
図1から図6を参照して、実施形態1に係るコア片1を説明する。本形態のコア片1は、図11を参照して後述するように、環状に配置されてステータコア7を構築する。このステータコア7は、詳細は後述するものの、図13、図14を参照して後述するアキシャルギャップ型の回転電機9に用いられる。本形態のコア片1は、図1に示すように、柱状の第一部材10と板状の第二部材20と板状の第三部材30とを備えている。第一部材10は、ステータコア7の軸方向に延びる。第二部材20は、第一部材10における上記軸方向の第一の端部側に設けられている。第三部材30は、第一部材10における上記軸方向の第二の端部側に設けられている。本形態のコア片1の特徴の一つは、第二部材20と第三部材30の各々が特定の突出部21,31を有し、第一部材10と第二部材20と第三部材30とが一体成形された圧粉成形体で構成されている点にある。一体成形されたとは、ねじなどを用いた機械的な接続や接着剤などによる接着がされることなく、成形によって第一部材10と第二部材20と第三部材30とが一連に形成されていることをいう。以下、詳細に説明する。
コア片1におけるステータコア7の軸方向に沿った方向をZ軸方向とする。
コア片1のX軸方向及びZ軸方向の両方に直交する方向をY軸方向とする。
X軸方向のうち、コア片1におけるステータコア7の内周側をX1方向、ステータコア7の外周側をX2方向とする。
Z軸方向のうち、コア片1における第一部材10に対する第二部材20側をZ1方向、第一部材10に対する第三部材30側をZ2方向とする。
Z1方向が、第一部材10の第一の端部側である。
Z2方向が、第一部材10の第二の端部側である。
Y軸方向のうち、コア片1におけるステータコア7の第一の方向側をY1方向、ステータコア7の第二の方向側をY2方向とする。
第一部材10は、Z軸方向に延びる柱状の部材である。第一部材10は、コア片1がアキシャルギャップ型の回転電機9のうちダブルステータ・シングルロータ形態のステータコア7を構築する場合、又はアキシャルギャップ型の回転電機9のうちシングルステータ・ダブルロータ形態のステータコア7を構築する場合のいずれの場合においてもティースを構成する。ダブルステータ・シングルロータ形態のアキシャルギャップ型の回転電機9は、図13に示すように、一つのロータ90が二つのステータ8で挟まれるように組み付けられる。シングルステータ・ダブルロータ形態のアキシャルギャップ型の回転電機9は、図14に示すように、一つのステータ8が二つのロータ90で挟まれるように組み付けられる。以下、説明の便宜上、ダブルステータ・シングルロータをDS/SRと称し、シングルステータ・ダブルロータをSS/DRと称することがある。
第二部材20は、図1、図3に示すように、第一部材10のZ軸方向の第一の端部側に設けられている板状の部材である。第二部材20は、コア片1がDS/SR形態のアキシャルギャップ型の回転電機9に備わるステータコア7を構築する場合、ヨークを構成する。第二部材20は、コア片1がSS/DR形態のアキシャルギャップ型の回転電機9に備わるステータコア7を構築する場合、つば部を構成する。
第三部材30は、図1、図3に示すように、第一部材10のZ軸方向の第二の端部側に設けられている板状の部材である。第三部材30は、コア片1がDS/SR形態のアキシャルギャップ型の回転電機9に備わるステータコア7を構築する場合とSS/DR形態のアキシャルギャップ型の回転電機9に備わるステータコア7を構築する場合のいずれの場合であっても、つば部を構成する。
第二部材20の突出部21と第一部材10の周面11との第一つなぎ目と、第三部材30の突出部31と第一部材10の周面11との第二つなぎ目とは、図3に示すように、丸められている。本形態では、第一つなぎ目は、第二部材20の第一突出部211と第一部材10の周面11とのつなぎ目と、第二部材20の第二突出部212と第一部材10の周面11とのつなぎ目とを有している。これらのつなぎ目が丸められている。第二つなぎ目は、第三部材30の第一突出部311と第一部材10の周面11とのつなぎ目と、第三部材30の第二突出部312と第一部材10の周面11とのつなぎ目とを有している。これらのつなぎ目が丸められている。各つなぎ目が丸められた形状であることで、上記つなぎ目を起点にコア片1が損傷し難い。
第一部材10、第二部材20、及び第三部材30の各々における外周面12,22,32の合計面積は、第一部材10、第二部材20、及び第三部材30の各々における内周面13,23,33の合計面積に対して1倍超4倍以下であることが好ましい。外周面12,22,32の合計面積が内周面13,23,33の合計面積に対して1倍超のコア片1は、環状に配置し易く、ステータコア7を構築し易い。外周面12,22,32の合計面積が内周面13,23,33の合計面積に対して4倍以下のコア片1は、製造し易い。内周面13,23,33の合計面積の割合が比較的多いことで、金型5からコア片1を抜き出す際、下パンチ55で押し出す面積が広い。そのため、金型5からコア片1を抜き出す際のコア片1の損傷を抑制し易い。外周面12,22,32の合計面積は、内周面13,23,33の合計面積に対して更に1.2倍以上3.8倍以下が好ましく、特に1.5倍以上3.5倍以下が好ましい。
圧粉成形体は、複数の軟磁性粒子を有している。圧粉成形体は、軟磁性粒子の集合体で構成されている。圧粉成形体は、複数の軟磁性粒子を有する軟磁性粉末を圧縮成形したものである。軟磁性粒子は、純鉄又は鉄基合金からなる複数の鉄系粒子を有している。純鉄は、Fe(鉄)の純度が99質量%以上のものをいう。鉄基合金は、Si(シリコン)及びAl(アルミニウム)の少なくとも一方の元素を含み、残部がFe及び不可避不純物からなる。鉄基合金は、Fe−Si系合金、Fe−Al系合金、及びFe−Si−Al系合金からなる群より選択される少なくとも一種が挙げられる。Fe−Si系合金としては、例えば、ケイ素鋼が挙げられる。Fe−Si−Al系合金としては、例えば、センダストが挙げられる。上記材質は比較的軟質であるため、圧粉成形体の成形時に軟磁性粒子が変形し易い。そのため、コア片1が高密度で寸法精度に優れる。圧粉成形体は、軟磁性粒子の表面に絶縁被覆を有する複数の被覆軟磁性粒子の集合体で構成されていることが好ましい。即ち、圧粉成形体は、複数の被覆軟磁性粒子を有する被覆軟磁性粉末を圧縮成形したものであることが好ましい。絶縁被覆が形成されていれば、絶縁被覆により粒子間の電気的絶縁を確保し易い。そのため、渦電流損に起因する圧粉成形体の鉄損を低減できる。軟磁性粒子は上述の通りである。絶縁被覆としては、例えば、リン酸塩被覆やシリカ被覆などが挙げられる。
圧粉成形体の相対密度は85%以上が好ましい。相対密度が85%以上の圧粉成形体は、飽和磁束密度等の磁気特性、及び強度等の機械的特性に優れる。圧粉成形体の相対密度は、更に90%以上が好ましく、特に93%以上が好ましい。圧粉成形体の相対密度は、100%未満が挙げられる。「相対密度」は、圧粉成形体を構成する軟磁性粒子の真密度に対する、実際の圧粉成形体の密度の比率(%)をいう。
コア片1における第一部位、第二部位、及び第三部位のうち、第一部位及び第二部位と第三部位との相対密度の差は、5.0%以下であることが好ましい。このコア片1は、相対密度の差が小さいため、コア片1内で磁気特性などの物理的特性が実質的に均一である。第一部位及び第二部位と第三部位との相対密度の差は、小さいほど好ましい。第一部位及び第二部位と第三部位との相対密度の差は、更に4.0%以下が好ましく、特に3.0%以下が好ましい。ここでは、図2に示すように、第一側面の第二平行面に沿った仮想面Vaと第二側面の第二平行面に沿った仮想面Vbとでコア片1を3分割した部位のうち、周方向の第一方向側の部位を第一部位、周方向の第二方向側の部位を第二部位、第一部位と第二部位との間の部位を第三部位とする。
実施形態1に係るコア片1は、充填工程と成形工程とを備えるコア片の製造方法により製造できる。充填工程は、原料粉末を金型5のキャビティに充填する。成形工程は、キャビティ内の原料粉末を圧縮成形する。まず、図7から図10を参照して、金型5を説明し、その後、各工程を説明する。
金型5は、ダイ50と上パンチ54と下パンチ55とを備えている。原料粉末が充填されるキャビティは、ダイ50と下パンチ55とで構成される。
ダイ50は、型孔50hを有している。型孔50hは、上パンチ54と下パンチ55とが向かい合うように配置される。型孔50hの内周形状は、コア片1の形状に対応した形状である。上パンチ54は、ダイ50に対して上下方向に独立して駆動可能である。下パンチ55は、ダイ50に対して上下方向に独立して駆動可能である。
上パンチ54は、図8に示す第一上パンチ部541と、図9に示す第二上パンチ部542と、図10に示す第三上パンチ部543とを有する。第一上パンチ部541は、第一下端面541eを有している。第一下端面541eは、第一部材10の外周面12を形成する。第二上パンチ部542は、第二下端面542eを有している。第二下端面542eは、第二部材20の外周面22を形成する。第三上パンチ部543は、第三下端面543eを有している。第三下端面543eは、第三部材30の外周面32を形成する。第一上パンチ部541と第二上パンチ部542と第三上パンチ部543とは、一連に形成されていてもよいし、独立して昇降可能なように互いに独立して形成されていてもよい。第一上パンチ部541と第二上パンチ部542と第三上パンチ部543とが一連に形成されている場合、第一下端面541eと第二下端面542eと第三下端面543eとは一連に形成されている。第一下端面541eの形状は、第一部材10の外周面12の形状に対応した形状である。第二下端面542eの形状は、第二部材20の外周面22の形状に対応した形状である。第三下端面543eの形状は、第三部材30の外周面32の形状に対応した形状である。
下パンチ55は、図8に示す第一下パンチ部551と、図9に示す第二下パンチ部552と、図10に示す第三下パンチ部553とを有している。第一下パンチ部551は、第一上端面551eを有している。第一上端面551eは、第一部材10の内周面13を形成する。第二下パンチ部552は、第二上端面552eを有している。第二上端面552eは、第二部材20の内周面23を形成する。第三下パンチ部553は、第三上端面553eを有している。第三上端面553eは、第三部材30の内周面33を形成する。第一下パンチ部551と第二下パンチ部552と第三下パンチ部553とは、一連に形成されていてもよいし、独立して昇降可能なように互いに独立して形成されていてもよい。第一下パンチ部551と第二下パンチ部552と第三下パンチ部553とが一連に形成されている場合、第一上端面551eと第二上端面552eと第三上端面553eとは一連に形成されている。第一上端面551eの形状は、第一部材10の内周面13の形状に対応した形状である。第二上端面552eの形状は、第二部材20の内周面23の形状に対応した形状である。第三上端面553eの形状は、第三部材30の内周面33の形状に対応した形状である。
ダイ50と下パンチ55とで形成されるキャビティ内に原料粉末を充填する。原料粉末には、上述した軟磁性粉末や被覆軟磁性粉末が利用できる。原料粉末は、軟磁性粉末や被覆軟磁性粉末に加えて、バインダや潤滑剤を含んでもよい。ダイ50の型孔50hの内周面には潤滑剤を塗布してもよい。
キャビティ内の原料粉末を上パンチ54及び下パンチ55で圧縮成形する。原料粉末を圧縮する方向は、ステータコア7の径方向に沿った方向である。圧縮成形時の圧力が高いほど、相対密度の高いコア片1が製造される。上記圧力は、例えば、700MPa以上が挙げられ、更に980MPa以上が挙げられる。
成形工程後、必要に応じて熱処理を施してもよい。例えば、熱処理によって、歪みを除去することで、低損失なコア片1を製造できる。又は、例えば、熱処理によって、バインダや潤滑剤を除去してもよい。原料粉末が上述の被覆軟磁性粒子を含む場合、熱処理温度は、絶縁被覆の分解温度以下が好ましい。
本形態のコア片1は、第一部材10と第二部材20と第三部材30とが一体成形された圧粉成形体で構成されていることで、生産性に優れる。
〔ステータコア〕
図11を参照して、実施形態2に係るステータコア7を説明する。本形態のステータコア7は、環状に配置される複数のコア片1を有している。複数のコア片1の各々は、実施形態1に係るコア片1である。複数のコア片1は、周方向に隣り合うコア片1のうち、第一のコア片1の第二部材20における第一側面24aの段差240と第二のコア片1の第二部材20における第二側面24bの段差240とが互いに嵌め合うように環状に組み合わされている。このステータコア7は、図13に示すDS/SR形態のアキシャルギャップ型の回転電機9に用いられる。
本形態のステータコア7は、ステータコア7を構成する複数のコア片1が生産性に優れる実施形態1のコア片1で構成されているため、生産性に優れる。
〔ステータ〕
図12を参照して、実施形態3に係るステータ8を説明する。本形態のステータ8は、ステータコア7とコイル80とを備える。ステータコア7は、実施形態2に係るステータコア7が利用できる。コイル80は、ステータコア7の各コア片1における第一部材10に巻回される。このステータ8は、図13に示すDS/SR形態のアキシャルギャップ型の回転電機9に用いられる。
実施形態3に係るステータ8は、生産性に優れる実施形態2のステータコア7を備えているため、生産性に優れる。
〔回転電機〕
図13を参照して、実施形態4に係る回転電機9を説明する。図13は、回転電機9の回転軸91に平行な平面であり、かつコア片1の周方向の中心を通る平面で切断した断面図である。この点は、後述する実施形態5で参照する図14でも同様である。本形態の回転電機9は、アキシャルギャップ型の回転電機である。本形態の回転電機9は、一つのロータ90と二つのステータ8とを備えているDS/SR形態である。即ち、回転電機9は、ロータ90とステータ8とが軸方向に向かい合って配置されている。一つのロータ90が二つのステータ8で挟まれるように組み付けられている。各ステータ8には、上述の実施形態3に係るステータ8が利用できる。回転電機9は、モータ又は発電機に利用できる。回転電機9は、ケース92を備えている。
実施形態4に係る回転電機9は、生産性に優れる実施形態3のステータ8を備えているため、生産性に優れる。
〔回転電機〕
図14を参照して、実施形態5に係る回転電機9を説明する。本形態の回転電機9は、アキシャルギャップ型の回転電機である。本形態の回転電機9は、主に、二つのロータ90と一つのステータ8とを備えているSS/DR形態である点が、実施形態4の回転電機9と相違する。即ち、回転電機9は、ロータ90とステータ8とが軸方向に向かい合って配置されている。一つのステータ8が二つのロータ90で挟まれるように組み付けられている。以下の説明は、実施形態4との相違点を中心に行う。実施形態4と同様の構成の説明は省略する。
実施形態5に係る回転電機9は、実施形態4の回転電機9と同様、生産性に優れるステータ8を備えているため、生産性に優れる。
10 第一部材
11周面、12 外周面、13 内周面
14a 第一側面、14b 第二側面
141 第一平行面、142 第二平行面、143 第一傾斜面
20 第二部材
21 突出部、211 第一突出部、212 第二突出部
22 外周面、23 内周面、24a 第一側面、24b 第二側面
240 段差
241 第一平行面、242 第二平行面、243 第一傾斜面、
244 張り出している部分
26 第一端面、27 第二端面、28 角部
30 第三部材
31 突出部、311 第一突出部、312 第二突出部
32 外周面、33 内周面
34a 第一側面、34b 第二側面
341 第一平行面、342 第二平行面、343 第一傾斜面
36 第一端面、37 第二端面、38 角部
5 金型
50 ダイ、50h 型孔
51 第一孔部
511 第一ストレート部、512 第二ストレート部、513 テーパー部
52 第二孔部
521 第一ストレート部、522 第二ストレート部、523 テーパー部
53 第三孔部
531 第一ストレート部、532 第二ストレート部、533 テーパー部
54 上パンチ
541 第一上パンチ部、541e 第一下端面
542 第二上パンチ部、542e 第二下端面
543 第三上パンチ部、543e 第三下端面
55 下パンチ
551 第一下パンチ部、551e 第一上端面
552 第二下パンチ部、552e 第二上端面
553 第三下パンチ部、553e 第三上端面
7 ステータコア、8 ステータ、80 コイル
9 回転電機
90 ロータ、91 回転軸、92 ケース
921 円筒部、922 プレート
93 軸受け、95 磁石、98 バックヨーク
E11、E12、E21、E22、E31、E32 延長面
Va、Vb 仮想面、V21 第一仮想面、V22 第二仮想面
θ11、θ21、θ31 第一傾斜角度
θ12、θ22、θ32 第二傾斜角度
Claims (18)
- 環状に配置されてアキシャルギャップ型の回転電機のステータコアを構築するコア片であって、
前記ステータコアの軸方向に延びている柱状の第一部材と、
前記第一部材における前記軸方向の第一の端部側に設けられている板状の第二部材と、
前記第一部材における前記軸方向の第二の端部側に設けられている板状の第三部材と、を備え、
前記第一部材は、前記第二部材と前記第三部材とにつらなっている周面を有し、
前記第二部材は、前記第一部材の前記周面よりも外方に張り出している突出部を有し、
前記第三部材は、前記第一部材の前記周面よりも外方に張り出している突出部を有し、
前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々は、
前記ステータコアの外周側に配置される外周面と、
前記ステータコアの内周側に配置される内周面と、
前記ステータコアの周方向の第一方向側に配置されて前記外周面と前記内周面とにつらなっている第一側面と、
前記ステータコアの周方向の第二方向側に配置されて前記外周面と前記内周面とにつらなっている第二側面と、を有し、
前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々において、前記外周面における前記第一側面と前記第二側面との間の長さは、前記内周面における前記第一側面と前記第二側面との間の長さよりも長く、
前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々における前記第一側面及び前記第二側面の各々は、
前記外周面につらなる第一平行面と、
前記内周面につらなる第二平行面と、
前記第一平行面と前記第二平行面とにつらなっている第一傾斜面と、を有し、
前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々において、
前記第一側面の前記第一平行面と前記第二側面の前記第一平行面とが平行であり、
前記第一側面の前記第二平行面と前記第二側面の前記第二平行面とが平行であり、
前記第一側面の前記第一平行面と前記第一側面の前記第二平行面とが平行であり、
前記第一部材と前記第二部材と前記第三部材とは一体成形された圧粉成形体で構成されている、
コア片。 - 前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々において、
前記第一側面の前記第一平行面の延長面と前記第一傾斜面とのなす角は、5°以上20°以下であり、
前記第二側面の前記第一平行面の延長面と前記第一傾斜面とのなす角は、5°以上20°以下である請求項1に記載のコア片。 - 前記第二部材の前記突出部及び前記第三部材の前記突出部の各々は、
前記周方向の第一方向側に張り出している第一突出部と、
前記周方向の第二方向側に張り出している第二突出部とを有し、
前記第二部材における前記第一突出部の突出量は、前記第三部材における前記第一突出部の突出量よりも大きく、
前記第二部材における前記第二突出部の突出量は、前記第三部材における前記第二突出部の突出量よりも大きく、
前記第二部材における前記第一突出部の前記第一傾斜面は、第一仮想面よりも外方に張り出している部分を有し、
前記第二部材における前記第二突出部の前記第一傾斜面は、第二仮想面よりも外方に張り出している部分を有し、
前記第一仮想面は、前記第二部材における前記第一突出部の前記第一側面において、前記第一平行面と前記第一傾斜面との接続箇所と前記第二平行面と前記内周面との接続箇所とを結ぶ平面であり、
前記第二仮想面は、前記第二部材における前記第二突出部の前記第二側面において、前記第一平行面と前記第一傾斜面との接続箇所と前記第二平行面と前記内周面との接続箇所とを結ぶ平面である請求項1又は請求項2に記載のコア片。 - 前記第二部材における前記第一突出部の前記第一側面は、凹部及び凸部の少なくとも一方と、段差と、第二傾斜面とからなる群より選択される一つを有し、
前記第二部材における前記第二突出部の前記第二側面は、前記第一側面の前記凹部に対応する凸部及び前記第一側面の前記凸部に対応する凹部の少なくとも一方と、前記第一側面の前記段差に対応する段差と、前記第一側面の前記第二傾斜面に対応する第二傾斜面とからなる群より選択される一つを有する請求項3に記載のコア片。 - 前記第三部材は、前記第二部材に向かい合う側とは反対側に配置される第一端面を有し、
前記第一端面は、前記反対側に向かって凸状に設けられている請求項3又は請求項4に記載のコア片。 - 前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々の前記外周面は、前記外周側に向かって凸となる湾曲面を有し、
前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々の前記内周面は、前記内周側に向かって凸となる湾曲面を有している請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のコア片。 - 前記第二部材の前記突出部と前記第一部材の前記周面との第一つなぎ目と、前記第三部材の前記突出部と前記第一部材の前記周面との第二つなぎ目とが丸められている請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のコア片。
- 前記第一つなぎ目の曲げ半径と前記第二つなぎ目の曲げ半径とが0.2mm以上4.0mm以下である請求項7に記載のコア片。
- 前記第二部材及び前記第三部材の各々は、互いに向かい合う側とは反対側に配置される第一端面を有し、
前記第二部材及び前記第三部材の各々において、前記外周面と前記第一端面との角部、及び前記内周面と前記第一端面との角部が面取りされている請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のコア片。 - 前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々における前記外周面の合計面積は、前記第一部材、前記第二部材、及び前記第三部材の各々における前記内周面の合計面積に対して1倍超4倍以下である請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のコア片。
- 前記コア片を前記第一側面の前記第二平行面に沿った仮想面と前記第二側面の前記第二平行面に沿った仮想面とで3分割した部位のうち、前記周方向の第一方向側の第一部位及び前記周方向の第二方向側の第二部位と、前記第一部位と前記第二部位との間の第三部位との相対密度の差が5.0%以下である請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のコア片。
- 前記第一部材と前記第二部材と前記第三部材のうち、相対密度の最も大きな部材と相対密度の最も小さな部材との相対密度の差が5.0%以下である請求項1から請求項11のいずれか1項に記載のコア片。
- 前記圧粉成形体の相対密度が85%以上である請求項1から請求項12のいずれか1項に記載のコア片。
- 前記圧粉成形体は、軟磁性粒子の表面に絶縁被覆を有する複数の被覆軟磁性粒子の集合体で構成され、
前記軟磁性粒子は、純鉄、Fe−Si系合金、Fe−Al系合金、及びFe−Si−Al系合金からなる群より選択される少なくとも一種の金属からなる鉄系粒子である請求項1から請求項13のいずれか1項に記載のコア片。 - アキシャルギャップ型の回転電機のステータコアであって、
環状に配置される複数のコア片を有し、
前記複数のコア片の各々が請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のコア片である、
ステータコア。 - 前記複数のコア片の各々における前記軸方向の第一の端部側の面と第二の端部側の面との間の長さのばらつきが、0.1mm以下である請求項15に記載のステータコア。
- アキシャルギャップ型の回転電機のステータであって、
請求項15又は請求項16に記載のステータコアと、
前記ステータコアにおける前記第一部材の各々に配置されるコイルとを備える、
ステータ。 - ロータとステータとを備え、前記ロータと前記ステータとが軸方向に向かい合って配置されたアキシャルギャップ型の回転電機であって、
前記ステータが請求項17に記載のステータである、
回転電機。
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