WO2017221512A1

WO2017221512A1 - 圧粉磁心、ステータコア及びステータ

Info

Publication number: WO2017221512A1
Application number: PCT/JP2017/014350
Authority: WO
Inventors: 直人五十嵐; 伸一廣野; 友之上野; 麻子渡▲辺▼
Original assignee: 住友電工焼結合金株式会社; 住友電気工業株式会社
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2017-12-28
Also published as: US10903700B2; US20190214860A1; CN109314412A; CN109314412B; DE112017003139T5; JP2017229191A; KR20190005974A; JP6228633B1; KR102130239B1

Abstract

アキシャルギャップ型の回転電機に用いられる圧粉磁心であって、扇板状のヨーク部と、前記ヨーク部と一体成形され、ヨーク部から突出するティース部とを有し、前記ヨーク部の表面のうち、前記ティース部が突出される面をティース形成面とするとき、ティース形成面は、前記ティース部の周縁と前記ヨーク部の周縁との間に形成される凹部を有する圧粉磁心。

Description

圧粉磁心、ステータコア及びステータ

本発明は、圧粉磁心、ステータコア及びステータに関する。
　本出願は、２０１６年６月２４日出願の日本出願第２０１６－１２５１８７号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載されたすべての記載内容を援用するものである。

特許文献１、２には、アキシャルギャップ型モータに用いられるステータコアが開示されている。

特開２００８－８６１１５号公報特開２００８－１９３８３８号公報

  本開示に係る圧粉磁心は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられる圧粉磁心であって、
  扇板状のヨーク部と、
  前記ヨーク部と一体成形され、ヨーク部から突出するティース部とを有し、
  前記ヨーク部の表面のうち、前記ティース部が突出される面をティース形成面とするとき、前記ティース形成面は、前記ティース部の周縁と前記ヨーク部の周縁との間に形成される凹部を有する。

  本開示に係るステータコアは、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータコアであって、
  上記本開示に係る圧粉磁心を有し、
  複数の前記圧粉磁心が環状に組み合わされて構成されている。

  本開示に係るステータは、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータであって、
  上記本開示に係るステータコアと、
  前記ステータコアを構成する前記圧粉磁心の各ティース部に配置されるコイルと、を備える。

実施例１に係る圧粉磁心を示す斜視図である。図１に示す圧粉磁心の平面図である。図２のＡ－Ｂ－Ｃ－Ｄ線組合せ断面図である。図２のＥ－Ｅ線断面図である。実施例１に係る圧粉磁心を成形する金型の一例を示す全体斜視図である。図５に示す金型の分解斜視図である。図５に示す金型をダイの上面から見た要部拡大上面図である。図７のＡ－Ｂ－Ｃ－Ｄ線組合せ断面図である。実施例１に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す図である。実施例１に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す別の図である。実施例１に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す更に別の図である。参考例に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す図である。参考例に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す別の図である。参考例に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す更に別の図である。変形例に係る圧粉磁心の凹部を拡大して示す部分断面図である。変形例に係る圧粉磁心を成形する金型における第１下パンチの凸部を拡大して示す部分断面図である。変形例１に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す図である。変形例１に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す別の図である。変形例１に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す更に別の図である。変形例２に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す図である。変形例２に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す別の図である。変形例２に係る圧粉磁心を成形したときの第１下パンチの応力分布を示す更に別の図である。実施形態に係るステータコアの一例を示す斜視図である。実施形態に係るステータの一例を示す斜視図である。実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの一例を示す一部切欠斜視図である。図２５に示すアキシャルギャップ型モータの断面図である。図２５に示すアキシャルギャップ型モータにおけるロータを示す正面図である。従来例の圧粉磁心を示す斜視図である。図２８に示す従来例の圧粉磁心を成形する金型の構成を説明する要部拡大縦断面図である。図２９に示す金型をダイの上面から見た要部拡大上面図である。

ロータとステータとが軸方向に対向して配置されたアキシャルギャップ型の回転電機（電動機・発電機）がある。一般に、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータは、円環状のヨーク部と、ヨーク部から軸方向に突出する複数のティース部とを有するステータコアと、各ティース部に配置されるコイルとを備える。

近年、ステータコアを、軟磁性粉末を圧縮成形することにより、ヨーク部とティース部とが一体に成形された圧粉磁心で形成することが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］
圧粉磁心の磁気特性を向上させるために、圧粉磁心を高密度化することが求められる。
圧粉磁心を高密度化するには、高い成形圧（面圧）で軟磁性粉末を圧縮成形する必要がある。しかし、ステータコア全体を圧粉磁心で形成する場合、サイズが大きいため、圧縮成形に必要な成形荷重が大きくなり、設備上の制約がある。

そこで、ステータコアを周方向に分割して分割コアとし、分割コアを圧粉磁心で形成すると共に、これを複数組み合わせて環状のステータコアを構成することが考えられる。しかしながら、圧粉磁心を高密度化するために成形圧を高くすると、金型が破損し易い問題がある。したがって、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられる圧粉磁心、より具体的には、ステータコアを構成する分割コア用の圧粉磁心において、成形圧を高くして高密度化できながら、金型の破損が起こり難くすることによって生産性の向上を図ることが求められている。

本開示は、高密度化が可能で、生産性に優れる圧粉磁心を提供することを目的の一つとする。また、この圧粉磁心を有するステータコアを提供することを別の目的の一つとする。更に、このステータコアを備えるステータを提供することを別の目的の一つとする。

本発明者らは、扇板状のヨーク部と、ヨーク部から突出するティース部とを一体に有する圧粉磁心を成形する際の金型の破損原因について鋭意検討した結果、以下の知見を得た。

図２８に示すような、扇板状のヨーク部１１０と、ヨーク部１１０の扇状の平面から垂直方向に突出するティース部１２０とを有する圧粉磁心１００を成形する場合を検討した。このような圧粉磁心１００を成形する場合、図２９、図３０に例示するような構成の金型５００を用いることが考えられる。この金型５００は、扇状の型孔５１０ｈを有するダイ５１０と、ダイ５１０の型孔５１０ｈに嵌合される上パンチ５２０及び下パンチ５３０とを備える。ダイ５１０はヨーク部１１０の周面を成形する。上パンチ５２０はヨーク部１１０の下面（ティース部１２０が突出される面とは反対側の面）を成形する端面５２０ｆを有する。下パンチ５３０は第１下パンチ５４０と第２下パンチ５５０とからなる。第１下パンチ５４０は、ティース部１２０の周面を成形する貫通孔５４０ｈを有すると共に、ティース部１２０が突出するヨーク部１１０のティース形成面を成形する環状端面５４０ｏを有する。環状端面５４０ｏは平坦面に形成されている。第２下パンチ５５０は、第１下パンチ５４０の貫通孔５４０ｈに挿通され、ティース部１２０の上端面を成形する端面５５０ｆを有する。

このような金型５００を用いて圧粉磁心１００を成形する場合、ダイ５１０の型孔５１０ｈと下パンチ５３０により形成される金型５００のキャビティに、軟磁性粉末を主原料とする原料粉末を充填し、上パンチ５２０と下パンチ５３０により圧縮して、圧粉磁心１００を成形する。原料粉末を圧縮した際、粉末が圧縮されることにより、第１下パンチ５４０における貫通孔５４０ｈの内周面に側圧が作用する。図３０中、黒塗り矢印は第１下パンチ５４０に作用する側圧を表す。そして、第１下パンチ５４０に側圧が作用することにより、第１下パンチ５４０の貫通孔５４０ｈが押し広げられる結果、第１下パンチ５４０の内周角部に応力が集中し、第１下パンチ５４０が破損する原因になるとの知見を得た。特に、圧粉磁心１００を高密度化するために成形圧を高くした場合は、第１下パンチ５４０に作用する側圧が大きくなることから、第１下パンチが変形して破損し易い。

［発明の効果］
本開示に係る圧粉磁心は、高密度化が可能で、生産性に優れる。上記ステータコア及びステータは、ステータコアを構成する圧粉磁心を高密度化して、磁気特性を向上できる。

［本発明の実施形態の説明］
以下、本発明の実施態様を列記して説明する。

  （１）本発明の一態様に係る圧粉磁心は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられる圧粉磁心であって、
  扇板状のヨーク部と、
  前記ヨーク部と一体成形され、ヨーク部から突出するティース部とを有し、
  前記ヨーク部の表面のうち、前記ティース部が突出される面をティース形成面とするとき、前記ティース形成面は、前記ティース部の周縁と前記ヨーク部の周縁との間に形成される凹部を有する。

上記圧粉磁心は、ヨーク部のティース形成面に凹部が形成されている。そのため、この圧粉磁心を成形する金型には、この凹部に対応する凸部が形成された環状端面を有する第１下パンチが用いられる。このような金型（第１下パンチ）を用いて圧粉磁心を成形する場合、原料粉末を圧縮する際、原料粉末に凸部が進入することでアンカー効果が生じ、側圧による第１下パンチの変形が抑制される。そのため、圧粉磁心を高密度化するために成形圧を高くしても、第１下パンチの内周角部に発生する応力を低減でき、第１下パンチの破損が起こり難い。したがって、金型（第１下パンチ）の破損を抑制できるので、上記圧粉磁心は、高密度化が可能で、生産性に優れる。

（２）上記圧粉磁心の一態様として、前記凹部が、前記ヨーク部の周方向両側の周縁に沿って形成されていることが挙げられる。

凹部がヨーク部の周方向両側の周縁に沿って形成されている場合、第１下パンチの環状端面に有する凸部は第１下パンチの周方向両側の周縁に沿って形成され、これにより、圧縮成形時の側圧による第１下パンチの変形を効果的に抑制できる。そのため、第１下パンチの内周角部に発生する応力を低減する効果が高く、第１下パンチの破損を効果的に抑制できる。したがって、圧粉磁心をより高密度化できる。

（３）上記圧粉磁心の一態様として、前記凹部が、前記ティース部の周縁に沿って全周に亘って形成されていることが挙げられる。

凹部がティース部の周縁に沿って全周に亘って形成されている場合、第１下パンチの環状端面に有する凸部は第１下パンチの貫通孔の周縁に沿って全周に亘って形成され、圧縮成形時の側圧による第１下パンチの変形をより一層抑制できる。そのため、第１下パンチの内周角部に発生する応力を低減する効果がより高く、第１下パンチの破損をより一層抑制できる。したがって、圧粉磁心を更に高密度化できる。

（４）上記圧粉磁心の一態様として、前記凹部が、前記ティース部側に向かって傾斜する傾斜面を有することが挙げられる。

凹部がティース部側に向かって傾斜する傾斜面を有することで、この傾斜面に対応するように、第１下パンチの環状端面に形成された凸部が貫通孔側に向かって傾斜する傾斜面を有することになる。原料粉末を圧縮する際、凸部の傾斜面に圧力が作用する。この傾斜面は貫通孔側に向かって傾斜することから、傾斜面が受ける圧力は、第１下パンチにおける貫通孔の内周面に作用する側圧を相殺する方向に働く。よって、圧縮成形時に凸部の傾斜面が受ける圧力を利用して、第１下パンチに作用する側圧の少なくとも一部を相殺することが可能となり、側圧による第１下パンチの変形がより抑制される。したがって、第１下パンチの内周角部に発生する応力をより低減でき、第１下パンチの破損をより抑制できるので、圧粉磁心の高密度化と生産性の向上とを図ることができる。

（５）上記圧粉磁心の一態様として、相対密度が９０％以上であることが挙げられる。

圧粉磁心を高密度化することで、圧粉磁心の磁気特性（磁束密度、透磁率など）を向上できる。圧粉磁心の相対密度が９０％以上であることで、優れた磁気特性を発揮できる。
より好ましい相対密度は９３％以上である。

  （６）本発明の一態様に係るステータコアは、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータコアであって、
  上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の圧粉磁心を有し、
  複数の圧粉磁心が環状に組み合わされて構成されている。

上記ステータコアによれば、上述した本発明の一態様に係る圧粉磁心で構成されていることから、圧粉磁心の高密度化によって、磁気特性を向上できる。

  （７）本発明の一態様に係るステータは、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータであって、
  上記（６）に記載のステータコアと、
  前記ステータコアを構成する前記圧粉磁心の各ティース部に配置されるコイルと、を備える。

上記ステータによれば、上述した本発明の一態様に係るステータコアを備えることから、ステータコアを構成する圧粉磁心の高密度化によって、磁気特性を向上できる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る圧粉磁心、ステータコア及びステータの具体例を、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又は相当部分を示す。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

  ＜圧粉磁心＞
  ［実施例１］
  図１～図４を参照して、実施例１に係る圧粉磁心１０について説明する。圧粉磁心１０は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられる圧粉磁心、より具体的には、ステータコアを構成する圧粉磁心であり、扇板状のヨーク部１１と、ヨーク部１１から突出するティース部１２とを有する。この圧粉磁心１０の特徴の１つは、ヨーク部１１の表面のうち、ティース部１２が突出される面をティース形成面１５とするとき、ティース形成面１５が、ティース部１２の周縁とヨーク部１１の周縁との間に形成される凹部３０を有する点にある。以下の説明では、圧粉磁心１０について説明するときは、ティース部１２が突出する側を上、その反対側を下とする。

（ヨーク部）
ヨーク部１１は、図１、図２に示すように、圧粉磁心１０を構成する扇板状の部分である。ヨーク部１１は、扇形状の平面を有し、一方の平面（表面）からティース部１２が突出するように形成されており、ティース形成面１５を有する。この例では、ヨーク部１１の厚さＴｙが４．９ｍｍ、幅Ｗｙが３４．６ｍｍであり、中心角αが６０°である（図２、図４参照）。

（ティース部）
ティース部１２は、図１、図２に示すように、ヨーク部１１に一体に成形され、ヨーク部１１のティース形成面１５から垂直方向に突出する部分である。この例では、ティース部１２の形状が三角柱状であり、ティース部１２の上端面の端面形状が三角形状、より具体的には二等辺三角形状である。ティース部１２の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、端面形状が台形状などであってもよい。なお、「三角形状」及び「台形状」とは、幾何学的に厳密な意味での三角形及び台形でなくてもよく、完全な三角形及び台形に限らず、角部に丸みを有するものなども含めて、実質的に三角形及び台形とみなされる範囲を含む。アキシャルギャップ型の回転電機の場合、ロータと対向するティース部１２の対向面積が大きい方が性能向上に有利であることから、ティース部１２の対向面積が大きくなるように、ティース部１２の形状（端面形状）を適宜選択することが好ましい。また、ティース部１２の個数は、１個でも複数でもよく、この例では、隣り合う２個のティース部１２を有する。アキシャルギャップ型の回転電機の場合、隣り合う２個のティース部１２でヨーク部１１を介して磁気回路を形成するため、ティース部１２の個数は２ｎ（ｎは自然数）個とすることが好ましい。

ティース部１２の周縁は、図２に示すように、ヨーク部１１の周方向に交差する２つの側縁２１、２２と、ヨーク部１１の径方向外側に位置して両側縁２１、２２に交差する外周縁２３により構成されており、両側縁２１、２２が外周縁２３よりも長い。ヨーク部１１の周方向外側に位置するティース部１２の側縁２１は、ヨーク部１１の周方向両側の周縁に沿っている。ヨーク部１１の周方向は、後述するように複数の圧粉磁心１０を組み合わせて環状のステータコア２１０（図２３参照）を構成したとき、ステータコア２１０の周方向に対応する。この例では、ティース部１２の幅Ｗｔが２２．４ｍｍ、高さＨｔが１２．９ｍｍであり、ティース部１２の周縁からヨーク部１１の周縁までの距離Ｌが６．１ｍｍである（図３、図４参照）。

（凹部）
凹部３０は、ティース形成面１５に設けられている。この例では、図２に示すように、凹部３０がティース部１２の周縁に沿って全周に亘って形成されているが、凹部３０はティース部１２の周縁とヨーク部１１の周縁との間に形成されていればよい。また、凹部３０は、一連として環状に形成されていてもよいし、複数に分けて上記環状の周方向を分断するように形成されていてもよい。凹部３０は、少なくともヨーク部１１の周方向両側の周縁に沿って形成されていることが好ましく、ティース部１２の側縁２１に沿って形成されていることがより好ましい。凹部３０がヨーク部１１の周方向両側の周縁に沿って形成されている場合、圧粉磁心１０を成形する際、後述するように、金型（第１下パンチ）の破損を効果的に抑制できるからである。特に、この例に示すように、凹部３０がティース部１２の周縁全周に亘って形成されている場合は、金型（第１下パンチ）の破損をより一層抑制できる。その他、ティース部１２が一対ある圧粉磁心１０に部分的に凹部３０を設ける場合は、側縁２２側に凹部３０がなくてもよい。

この例に示す凹部３０の断面形状は、図３、図４に示すように、半円形状であり、円弧状の曲面を有する。「凹部の断面形状」とは、凹部３０の長手方向に直交する面（ティース部１２の周面に直交する面）で切断した断面の形状をいう。凹部３０の断面形状はこれに限定されるものではなく、例えば、三角形状（Ｖ字状）や矩形状（Ｕ字状）などであってもよい。なお、「半円形状」、「三角形状」及び「矩形状」とは、幾何学的に厳密な意味での半円形、三角形及び矩形でなくてもよく、完全な半円形、三角形及び矩形に限らず、実質的に半円形、三角形及び矩形とみなされる範囲を含む。凹部３０の断面形状は、角部が曲面（Ｒ形状）であることが好ましく、これにより、角部に起因する亀裂の発生を抑制し易い。角部をＲ形状とする場合、角部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であることが好ましい。

凹部３０の深さは、例えば０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることが挙げられる。凹部３０の深さが０．５ｍｍ以上であることで、金型（第１下パンチ）の破損を抑制し易い。凹部３０の深さが２．５ｍｍ以下であることで、凹部３０によるヨーク部１１の磁路面積の減少を抑制でき、磁路面積の減少による磁気特性の低下を抑制し易い。凹部３０の深さは、例えば１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。この例では、凹部３０の曲率半径Ｒが１ｍｍであり、深さＤが１ｍｍである（図３参照）。

（構成材料）
圧粉磁心１０は、軟磁性粉末を圧縮成形したものであり、主として軟磁性粉末で構成されている。軟磁性粉末は、軟磁性材料からなる粉末であり、複数の粒子から構成されている。軟磁性粉末としては、例えば、純鉄（純度９９質量％以上）、及び、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系合金（センダスト）、Ｆｅ－Ｓｉ系合金（ケイ素鋼）、Ｆｅ－Ａｌ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ系合金（パーマロイ）などの鉄基合金から選択される少なくとも一種の粉末が挙げられる。圧粉磁心１０を構成する軟磁性粉末は、粒子表面に絶縁被覆を有することが好ましい。軟磁性粉末の粒子表面に絶縁被覆が形成されていることで、絶縁被覆により粒子間の電気的絶縁を確保し、渦電流損に起因する圧粉磁心１０の鉄損を低減できる。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。

（相対密度）
圧粉磁心１０の相対密度は９０％以上であることが好ましく、高密度化により磁気特性を向上できる。より好ましい相対密度は９３％以上である。「相対密度」とは、圧粉磁心（軟磁性粉末）の真密度に対する、実際の圧粉磁心の密度の比率（％）のことである。

＜圧粉磁心の製造方法＞
実施例１に係る圧粉磁心１０の製造方法の具体例を説明する。圧粉磁心の製造方法は、金型のキャビティに、軟磁性粉末を主成分とする原料粉末を充填する充填工程と、充填された原料粉末を圧縮して圧粉磁心を成形する成形工程と、金型から圧粉磁心を抜き出す抜き出し工程とを備える。圧粉磁心の製造方法の特徴の１つは、圧粉磁心の成形に用いる金型にある。以下、図面を参照して、圧粉磁心の製造方法について詳しく説明する。以下の説明では、金型について先に説明し、その後で製造方法の各工程について説明する。

＜金型＞
圧粉磁心１０を成形する金型の具体例を、図５～図８を参照して説明する。金型５０は、図５、図６に示すように、型孔５１ｈを有するダイ５１と、ダイ５１の型孔５１ｈに嵌合される上パンチ５２及び下パンチ５３（第１下パンチ５４及び第２下パンチ５５）とを備え、ダイ５１の型孔５１ｈと下パンチ５３により原料粉末を充填するキャビティが形成される。図７中、黒塗り矢印は原料粉末を圧縮した際に第１下パンチ５４に作用する側圧を表す。図８は、金型５０の要部を説明する概略縦断面図であり、原料粉末を圧縮して圧粉磁心１０を成形した状態を示す。

（ダイ）
ダイ５１は、図６、図７に示すように上下方向に貫通する扇形状の型孔５１ｈが形成されており、ヨーク部１１の周面を成形する（図８参照）。

（上パンチ）
上パンチ５２は、図５、図６に示すようにダイ５１の上側に位置し、ヨーク部１１の下面（ティース形成面１５とは反対側の面）を成形する扇形状の端面５２ｆを有する（図８参照）。上パンチ５２は、上下方向に駆動可能であり、下パンチ５３と共に、キャビティに充填された原料粉末を圧縮する。

（下パンチ）
下パンチ５３は、図５、図６に示すようにダイ５１の下側に位置し、第１下パンチ５４と第２下パンチ５５とからなる。第１下パンチ５４及び第２下パンチ５５はそれぞれ、ダイ５１に対して上下方向に独立して駆動可能である。

（第１下パンチ）
第１下パンチ５４は、図６、図７に示すように、ダイ５１の型孔５１ｈに嵌合される。
第１下パンチ５４には、上下方向に貫通する貫通孔５４ｈが形成されており、第１下パンチ５４の上端面は、貫通孔５４ｈの開口部が形成された環状端面５４ｏになっている。第１下パンチ５４は、図８に示すように、貫通孔５４ｈによりティース部１２の周面を成形すると共に、環状端面５４ｏによりティース形成面１５を成形する。この例では、ティース部１２に対応するように、隣り合う２個の貫通孔５４ｈを有しており、貫通孔５４ｈの形状が三角柱状である。

貫通孔５４ｈの周縁は、図７に示すように、第１下パンチ５４の周方向に交差する２つの側縁５４ａ、５４ｂと、第１下パンチ５４の径方向外側に位置して両側縁５４ａ、５４ｂに交差する外周縁５４ｃにより構成されており、両側縁５４ａ、５４ｂが外周縁５４ｃよりも長い。第１下パンチ５４の周方向外側に位置する貫通孔５４ｈの側縁５４ａは、第１下パンチ５４の周方向両側の周縁に沿っている。第１下パンチ５４の周方向は、ヨーク部１１（図２参照）の周方向に一致しており、複数の圧粉磁心１０を組み合わせて環状のステータコア２１０（図２３参照）を構成したとき、ステータコア２１０の周方向に対応する。

第２下パンチ５５は、図６、図７に示すように、第１下パンチ５４の下端から貫通孔５４ｈに挿通され、ティース部１２の上端面を成形する三角形状の端面５５ｆを有する（図８参照）。この例では、ティース部１２に対応するように、第１下パンチ５４の各貫通孔５４ｈに挿通される２個の第２下パンチ５５を有し、第２下パンチ５５が二股に分かれている。

（凸部）
金型５０の特徴の１つは、図６に示すように、第１下パンチ５４の環状端面５４ｏに凸部６０が形成されている点にある。凸部６０は、図８に示すように、圧粉磁心１０の凹部３０（図３参照）を成形する部分であり、圧粉磁心１０を成形した際に、凸部６０の形状が転写され、ヨーク部１１のティース形成面１５に凹部３０を形成する。この例では、図６に示すように、圧粉磁心１０の凹部３０に対応して、凸部６０が貫通孔５４ｈの周縁に沿って全周に亘って形成されている。凸部６０は、貫通孔５４ｈの周縁と第１下パンチ５４の周縁との間に形成されていればよく、少なくとも第１下パンチ５４の周方向両側の周縁に沿って形成されていることが好ましい。また、凸部６０は、一連として環状に形成されていてもよいし、複数に分けて上記環状の周方向を分断するように形成されていてもよい。

この例に示す凸部６０の断面形状は、図８に示すように、半円形状である。「凸部の断面形状」とは、凸部６０の長手方向に直交する面（貫通孔５４ｈの周縁に直交する面）で切断した断面の形状をいう。凸部６０の断面形状は、例えば、三角形状（Ｖ字状）や矩形状（Ｕ字状）などであってもよい。凸部６０の断面形状は、角部が曲面（Ｒ形状）であることが好ましく、これにより、凸部６０の欠けを抑制し易い。角部をＲ形状とする場合、角部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であることが好ましい。

凸部６０の高さは、例えば０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることが挙げられる。凸部６０の高さが０．５ｍｍ以上であることで、第１下パンチ５４の破損を抑制し易い。凸部６０の高さが２．５ｍｍ以下であることで、凸部６０の欠けを抑制し易い。凸部６０の高さは、例えば１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。この例では、凸部６０の曲率半径Ｒが１ｍｍであり、高さＨが１ｍｍである（図８参照）。

（材質）
金型５０の材質としては、ダイス鋼、ハイス硬などの工具鋼や超硬合金が挙げられる。

以下、圧粉磁心１０の製造方法の各工程を順に説明する。圧粉磁心１０の製造方法の特徴の１つは、上述した金型５０を用いる点にある。

［充填工程］
充填工程は、ダイ５１の型孔５１ｈと第１下パンチ５４及び第２下パンチ５５により形成される金型５０のキャビティに、軟磁性粉末を主成分とする原料粉末を充填する工程である。

原料粉末は、主成分として軟磁性粉末を含有する。「主成分」とは、原料粉末を１００質量％とするとき、９０質量％以上含有することを意味する。原料粉末には、潤滑剤やバインダ樹脂などを必要に応じて添加してもよい。

軟磁性粉末の平均粒子径は、例えば２０μｍ以上３００μｍ以下、更に４０μｍ以上２５０μｍ以下とすることが挙げられる。軟磁性粉末の平均粒子径を上記範囲内とすることで、取り扱い易く、圧縮成形し易い。軟磁性粉末の平均粒子径は、レーザ回折・散乱式粒子径・粒度分布測定装置を用いて測定し、積算質量が全粒子の質量の５０％となる粒径を意味する。

［成形工程］
成形工程は、上パンチ５２と第１下パンチ５４及び第２下パンチ５５により充填された原料粉末を圧縮して、圧粉磁心１０を成形する工程である（図８参照）。

原料粉末（軟磁性粉末）を圧縮成形する際の成形圧を高くすることで、圧粉磁心１０を高密度化できる。成形圧は、例えば６８６ＭＰａ以上、更に９８０ＭＰａ以上とすることが挙げられる。成形圧の上限は、設備上の観点から、例えば１５００ＭＰａ以下である。

また、原料粉末の成形性を高めるため、金型５０を加熱して温間圧縮成形してもよい。
この場合、成形温度（金型温度）を例えば６０℃以上、更に８０℃以上とすることが挙げられる。成形温度の上限は、例えば２００℃以下である。

［抜き出し工程］
抜き出し工程は、金型５０から圧粉磁心１０を抜き出す工程である。

抜き出し工程では、原料粉末を圧縮して圧粉磁心１０を成形した後、例えば、上パンチ５２を上昇させると共に、第１下パンチ５４及び第２下パンチ５５をダイ５１に対して上昇させる。これにより、金型５０（ダイ５１）から圧粉磁心１０を抜き出すことができ、圧粉磁心１０が得られる。

［熱処理工程］
更に、圧粉磁心１０を金型５０から抜き出した後、成形時に圧粉磁心１０に導入された歪を除去することを目的として、圧粉磁心１０を熱処理する熱処理工程を加えてもよい。
圧粉磁心１０を熱処理して歪を除去することで、透磁率を改善でき、これにより、ヒステリシス損に起因する圧粉磁心１０の鉄損を低減できる。熱処理温度は、例えば４００℃以上、更に６００℃以上とすることが挙げられる。熱処理温度の上限は、例えば９００℃以下である。

＜第１下パンチの破損を抑制できる理由＞
次に、上述した金型５０を用いて圧粉磁心１０を成形することで、第１下パンチ５４の破損を抑制できる理由を説明する。原料粉末を圧縮した際、粉末が圧縮されることにより、第１下パンチ５４における貫通孔５４ｈの内周面に側圧が作用する（図７参照）。そして、第１下パンチ５４に側圧が作用することにより、第１下パンチ５４の貫通孔５４ｈが押し広げられようとする。第１下パンチ５４の環状端面５４ｏには、図８に示すように、圧粉磁心１０の凹部３０を成形する凸部６０が形成されていることで、原料粉末を圧縮する際、原料粉末に凸部６０が進入することによってアンカー効果が生じる。これにより、第１下パンチ５４に作用する側圧に対抗して、側圧による第１下パンチ５４の変形が抑制されることから、第１下パンチ５４の内周角部に発生する応力を低減でき、第１下パンチ５４の破損を抑制できる。

この例に示すように、圧粉磁心１０が２個のティース部１２を有し、これに対応して、第１下パンチ５４が２個の貫通孔５４ｈを有する場合、第１下パンチ５４の両貫通孔５４ｈに挟まれる部分は、各貫通孔５４ｈに作用する側圧が互いに打ち消し合う。そのため、貫通孔５４ｈの内周面のうち、第１下パンチ５４の周方向内側に位置する側縁５４ｂに沿った面は、側圧による変形が起こり難い。これに対し、第１下パンチ５４の周方向外側に位置する側縁５４ａに沿った面は、側圧によって変形し易い。したがって、凸部６０は、少なくとも第１下パンチ５４の周方向両側の周縁に沿って形成されていることが好ましく、これにより、側圧による第１下パンチ５４の変形を効果的に抑制できる。第１下パンチ５４に部分的に凸部６０を設ける場合は、側縁５４ｂ側に凸部６０がなくてもよい。特に、凸部６０が貫通孔５４ｈの周縁全周に亘って形成されていると、側圧による第１下パンチ５４の変形をより一層抑制できる。

＜第１下パンチの応力解析＞
実施例１に係る圧粉磁心１０を成形したときの第１下パンチ５４に作用する応力分布をＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）により解析した。そして、ＣＡＥの解析結果から、圧縮成形時に第１下パンチ５４の内周角部に発生する最大応力を算出した。ここでは、図６を参照して説明した、貫通孔５４ｈの側縁５４ａと外周縁５４ｃとが交差する角部を角部Ａ、側縁５４ａと側縁５４ｂとが交差する角部を角部Ｂ、側縁５４ｂと外周縁５４ｃとが交差する角部を角部Ｃとし、第１下パンチ５４の各角部Ａ～Ｃの近傍における応力分布（単位：ＭＰａ）を図９～図１１に示し、各角部Ａ～Ｃの最大応力を表１に示す。なお、解析条件は、圧縮成形時の成形圧を９８０ＭＰａ（１００００ｋｇｆ／ｃｍ^２）とし、第１下パンチ５４の物性値は、ヤング率：２０６０００ＭＰａ、ポアソン比：０．３とした。

比較として、第１下パンチに凸部が形成されておらず、第１下パンチの環状端面が平坦面に形成された金型を用いて、凹部を有さない圧粉磁心を成形したときの第１下パンチに作用する応力分布を実施例１と同様にＣＡＥにより解析した。そして、この参考例に係る圧粉磁心についても、ＣＡＥの解析結果から、圧縮成形時に第１下パンチの内周角部に発生する最大応力を算出した。参考例に係る圧粉磁心の場合での第１下パンチ５４の各角部Ａ～Ｃの近傍における応力分布を図１２～図１４に示し、各角部Ａ～Ｃの最大応力を表１に示す。

ＣＡＥによる応力解析の結果から、実施例１の圧粉磁心１０は、第１下パンチ５４の角部Ａ～Ｃにおける最大応力が２０００ＭＰａ以下であり、参考例の圧粉磁心に比較して、第１下パンチ５４の内周角部における最大応力を大幅に低減できていることが分かる。したがって、実施例１の圧粉磁心１０は、第１下パンチ５４の内周角部に発生する応力を低減でき、第１下パンチ５４の破損が起こり難い。これに対し、参考例の圧粉磁心の場合、第１下パンチの角部Ａ及び角部Ｂにおける最大応力が２０００ＭＰａ超であり、第１下パンチ５４が変形して破損し易い。

また、第１下パンチの角部Ａ～Ｃのうち、第１下パンチ５４の周方向内側に位置する角部Ｃの最大応力は比較的小さいことが分かる。これは、第１下パンチには２個の貫通孔が対象に形成されているため、側圧が互いに打ち消し合うことにより、側圧による応力が生じ難いからと考えられる。

＜圧粉磁心の効果＞
実施例１の圧粉磁心１０は、ヨーク部１１のティース形成面１５に形成された凹部３０を有することから、第１下パンチ５４の環状端面５４ｏに形成された凸部６０によって、圧縮成形時の側圧による第１下パンチ５４の変形を抑制できる。そのため、圧粉磁心１０を高密度化するために成形圧を高くしても、第１下パンチ５４の内周角部に発生する応力を低減でき、第１下パンチ５４の破損を抑制できる。したがって、圧粉磁心１０は、高密度化が可能で、生産性に優れる。

［変形例］
実施例１では、圧粉磁心１０に形成された凹部３０の断面形状が半円形状であり、円弧状の曲面を有する場合を例に挙げて説明した（図３参照）。これに限らず、凹部３０は、ティース部１２側に向かって傾斜する傾斜面を有する構成としてもよい。以下、変形例に係る圧粉磁心の凹部について説明する。

傾斜面を有する凹部の具体例を、図１５を参照して説明する。図１５の上図に示す凹部３１は、ティース部１２側に向かって傾斜する傾斜面４１と、傾斜面４１からティース部１２の周面に繋がる円弧状の曲面４２とを有する断面形状である。この例では、曲面４２の曲率半径Ｒが１ｍｍであり、凹部３１の深さＤが１ｍｍ、幅Ｗｄが３ｍｍである。一方、図１５の下図に示す凹部３２は、ティース部１２側に向かって傾斜する傾斜面４１と、ティース部１２の周面から延長された垂直面４３と有する断面形状であり、傾斜面４１と垂直面４３とが交差する角部４４がＲ形状に形成されている。この例では、角部４４の曲率半径Ｒが０．５ｍｍであり、凹部３２の深さＤが１ｍｍ、幅Ｗｄが３ｍｍである。凹部３１、３２の断面形状はいずれも、凹部の頂点を通る垂線に対して非対称形状であり、傾斜面４１の方が長い。

図１６は、図１５に示す凹部３１、３２を成形する第１下パンチ５４の凸部６１、６２を示す。図１６の上図に示す凸部６１は、凹部３１に対応するように、貫通孔５４ｈ側に向かって傾斜する傾斜面７１と、傾斜面７１から貫通孔５４ｈの内周面に繋がる円弧状の曲面７２とを有する断面形状である。この例では、曲面７２の曲率半径Ｒが１ｍｍであり、凸部６１の高さＨが１ｍｍ、幅Ｗｂが３ｍｍである。一方、図１６の下図に示す凸部６２は、凹部３２に対応するように、貫通孔５４ｈ側に向かって傾斜する傾斜面７１と、貫通孔５４ｈの内周面から延長された垂直面７３と有する断面形状であり、傾斜面７１と垂直面７３とが交差する角部７４がＲ形状に形成されている。この例では、角部７４の曲率半径Ｒが０．５ｍｍであり、凸部６２の高さＨが１ｍｍ、幅Ｗｂが３ｍｍである。凸部６１、６２の断面形状はいずれも、凸部の頂点を通る垂線に対して非対称形状であり、傾斜面７１の方が長い。

＜作用効果＞
圧粉磁心１０に形成された凹部３１、３２の傾斜面４１に対応するように、第１下パンチ５４に形成された凸部６１、６２が傾斜面７１を有する場合、原料粉末を圧縮する際、傾斜面７１に圧力が作用する。傾斜面７１が受ける圧力は、図１６の白抜き矢印で示すように貫通孔５４ｈ側に向かって作用するため、圧縮成形時に貫通孔５４ｈの内周面に作用する側圧を相殺する方向に働く。よって、圧縮成形時に凸部６１、６２の傾斜面７１が受ける圧力を利用して、第１下パンチ５４に作用する側圧の少なくとも一部を相殺することが可能なため、側圧による第１下パンチ５４の変形がより抑制される。

＜第１下パンチの応力解析＞
図１５の上図に示す凹部３１が形成された圧粉磁心１０を変形例１、図１５の下図に示す凹部３２が形成された圧粉磁心１０を変形例２とする。図１６を参照して説明した第１下パンチ５４を用いて、変形例１、２に係る各圧粉磁心１０をそれぞれ成形したときの第１下パンチ５４に作用する応力分布を実施例１と同様にＣＡＥにより解析した。そして、変形例１、２に係る各圧粉磁心についても、ＣＡＥの解析結果から、圧縮成形時に第１下パンチ５４の内周角部に発生する最大応力を算出した。変形例１及び変形例２に係る各圧粉磁心の場合での第１下パンチ５４の各角部Ａ～Ｃの近傍における応力分布（単位：ＭＰａ）を図１７～図１９及び図２０～図２２にそれぞれ示し、各角部Ａ～Ｃの最大応力を表２に示す。

ＣＡＥによる応力解析の結果から、変形例１、２の圧粉磁心１０は、実施例１の圧粉磁心１０に比較して、第１下パンチ５４の内周角部における最大応力をより低減できていることが分かる。したがって、変形例１、２の圧粉磁心１０は、第１下パンチ５４の内周角部に発生する応力を更に低減でき、第１下パンチ５４の破損をより抑制できる。これは、変形例１、２の圧粉磁心１０では凹部３１、３２が傾斜面４１を有しており、傾斜面４１を成形する傾斜面７１が第１下パンチ５４の凸部６１、６２に形成されていることによるものと考えられる。第１下パンチ５４の凸部６１、６２が傾斜面７１を有することで、圧縮成形時に傾斜面７１が受ける圧力によって、第１下パンチ５４に作用する側圧の少なくとも一部が相殺されるためである。また、変形例１、２の対比結果から、傾斜面４１（傾斜面７１）が長い変形例２の方が第１下パンチ５４の内周角部に発生する応力を低減する効果が高いと考えられる。

＜ステータコア＞
図２３を参照して、実施形態に係るステータコア２１０について説明する。ステータコア２１０は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータコアであり、圧粉磁心１０を有し、複数の圧粉磁心１０が環状に組み合わされて構成されている。この例では、圧粉磁心１０を６個一組として円環状に配置し、互いに隣接するヨーク部１１の周方向両側の端面同士を接着剤などで接合することにより、ステータコア２１０を構成している。

＜ステータ＞
図２４を参照して、実施形態に係るステータ２００について説明する。ステータ２００は、アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータであり、ステータコア２１０と、ステータコア２１０を構成する圧粉磁心１０の各ティース部１２に配置されるコイル２２０とを備える。各コイル２２０は、集中巻きにより形成されている。

＜アキシャルギャップ型モータ＞
アキシャルギャップ型回転電機の具体例を説明する。以下では、図２５～図２７を参照して、実施形態に係るアキシャルギャップ型モータ（以下、単に「モータ」と呼ぶ場合がある）について説明する。

アキシャルギャップ型モータ４００は、図２５、図２６に示すように、ロータ３００とステータ２００とが軸方向に対向して配置され、この例では、ロータ３００の両側にそれぞれ対向するように２個のステータ２００が配置された構造である。ロータ３００及びステータ２００は、円筒状のハウジング４１０に格納され、ハウジング４１０の両側にはそれぞれ円板状のプレート４２０が取り付けられている。両プレート４２０には、中心に貫通孔が形成されており、シャフト４３０が貫通孔に軸受４４０を介して回転自在に支持されている。

ステータ２００は、ティース部１２側がロータ３００に対向するように配置され、ステータコア２１０のヨーク部１１側がプレート４２０に固定されている。

ロータ３００は、複数の磁石３２０と、磁石３２０を支持する支持部材３１０とを備える。磁石３２０は、平板状であり、図２７に示すように、円環状の支持部材３１０の外周側に埋め込まれており、ロータ３００の周方向に間隔をあけて配置されている。この例では、ロータ３００が１０極の磁石３２０を有する。磁石３２０はロータ３００の軸方向に着磁され、隣り合う磁石３２０の磁化方向が互いに逆になるように並べられている。支持部材３１０の内周側は、シャフト４３０のフランジ部４３１に固定され、ロータ３００がシャフト４３０に支持されている。

以上説明した本発明の実施形態に関連して、更に以下の付記を開示する。

  ［付記１］
  扇板状のヨーク部と、前記ヨーク部から突出するティース部とを有する圧粉磁心を成形する金型であって、
  前記ヨーク部の周面を成形する扇形状の型孔を有するダイと、
  前記ダイの型孔に嵌合され、前記ヨーク部の下面を成形する端面を有する上パンチと、  前記ダイの型孔に嵌合され、前記ティース部の周面を成形する貫通孔を有すると共に、前記ティース部が突出する前記ヨーク部のティース形成面を成形する環状端面を有する第１下パンチと、
  前記第１下パンチの貫通孔に挿通され、前記ティースの上端面を成形する端面を有する第２下パンチと、備え、
  前記第１下パンチの環状端面には、前記貫通孔の周縁と前記第１下パンチの周縁との間に凸部が形成されている金型。

［付記２］
前記凸部が、前記第１下パンチの周方向両側の周縁に沿って形成されている付記１に記載の金型。

［付記３］
前記凸部が、前記貫通孔の周縁に沿って全周に亘って形成されている付記１又は付記２に記載の金型。

［付記４］
前記凸部が、前記貫通孔側に向かって傾斜する傾斜面を有する付記１から付記３のいずれか１つに記載の金型。

  ［付記５］
  扇板状のヨーク部と、前記ヨーク部から突出するティース部とを有する圧粉磁心の製造方法であって、
  付記１から付記４のいずれか１つに記載の金型を用い、
  前記ダイの型孔と前記第１下パンチ及び前記第２下パンチにより形成される前記金型のキャビティに、軟磁性粉末を主成分とする原料粉末を充填する充填工程と、
  前記上パンチと前記第１下パンチ及び前記第２下パンチにより充填された前記原料粉末を圧縮して、前記圧粉磁心を成形する成形工程と、
  前記金型から前記圧粉磁心を抜き出す抜き出し工程と、を備える圧粉磁心の製造方法。

［付記６］
前記成形工程において、圧縮成形する際の成形圧を６８６ＭＰａ以上とする付記５に記載の圧粉磁心の製造方法。

  １０、１００  圧粉磁心
  １１、１１０  ヨーク部
  １２、１２０  ティース部
  １５  ティース形成面
  ２１、２２  側縁
  ２３  外周縁
  ３０、３１、３２  凹部
  ４１  傾斜面
  ４２  曲面
  ４３  垂直面
  ４４  角部
  ５０、５００  金型
  ５１、５１０  ダイ
  ５１ｈ、５１０ｈ  型孔
  ５２、５２０  上パンチ
  ５２ｆ、５２０ｆ  端面
  ５３、５３０  下パンチ
  ５４、５４０  第１下パンチ
  ５４ｈ、５４０ｈ  貫通孔
  ５４ａ、５４ｂ  側縁
  ５４ｃ  外周縁
  ５４ｏ、５４０ｏ  環状端面
  ５５、５５０  第２下パンチ
  ５５ｆ、５５０ｆ  端面
  ６０、６１、６２  凸部
  ７１  傾斜面
  ７２  曲面
  ７３  垂直面
  ７４  角部
  ２００  ステータ
  ２１０  ステータコア
  ２２０  コイル
  ３００  ロータ
  ３１０  支持部材
  ３２０  磁石
  ４００  モータ
  ４１０  ハウジング
  ４２０  プレート
  ４３０  シャフト
  ４３１  フランジ部
  ４４０  軸受

Claims

  アキシャルギャップ型の回転電機に用いられる圧粉磁心であって、
  扇板状のヨーク部と、
  前記ヨーク部と一体成形され、ヨーク部から突出するティース部とを有し、
  前記ヨーク部の表面のうち、前記ティース部が突出される面をティース形成面とするとき、前記ティース形成面は、前記ティース部の周縁と前記ヨーク部の周縁との間に形成される凹部を有する圧粉磁心。
前記凹部が、前記ヨーク部の周方向両側の周縁に沿って形成されている請求項１に記載の圧粉磁心。
前記凹部が、前記ティース部の周縁に沿って全周に亘って形成されている請求項１又は請求項２に記載の圧粉磁心。
前記凹部が、前記ティース部側に向かって傾斜する傾斜面を有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧粉磁心。
相対密度が９０％以上である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧粉磁心。
  アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータコアであって、
  請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧粉磁心を有し、
  複数の圧粉磁心が環状に組み合わされて構成されているステータコア。
  アキシャルギャップ型の回転電機に用いられるステータであって、
  請求項６に記載のステータコアと、
  前記ステータコアを構成する前記圧粉磁心の各ティース部に配置されるコイルと、を備えるステータ。