(57)【要約】【課題】接着剤を用いることなく、軸棒を圧粉磁芯に固定する電磁機器の製造方法を提供する。【解決手段】電磁機器の製造方法は、軟磁性粉を含む原料粉末を金型に入れて圧粉成形し、軸棒を通す穴を有する圧粉体を形成する工程と、圧粉体の穴に軸棒を通して金型に入れ、当該圧粉体を加圧することで、軸棒を圧粉体に固定する工程と、を含んでいる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性粉を含む原料粉末を圧粉成形し、軸棒を通す穴を有する圧粉体を形成する工程と、
前記圧粉体の穴に前記軸棒を通して金型に入れ、当該圧粉体を加圧することで、前記軸棒を前記圧粉体に固定する工程と、
を含むことを特徴とする電磁機器の製造方法。
【請求項２】
前記圧粉体を形成する工程では、前記軟磁性粉として絶縁被膜を有する軟磁性粉を含む原料粉末を用いることを特徴とする請求項１に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項３】
前記圧粉体を形成する工程では、前記軟磁性粉としてリン酸被膜を有する鉄粉を含む原料粉末を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項４】
前記圧粉体を固定する工程では、前記圧粉体に潤滑剤を塗布することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項５】
前記圧粉体を固定する工程では、前記金型の内面に潤滑剤を塗布することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項６】
前記圧粉体を固定する工程では、前記金型は５０度〜２００度の温度に保たれることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項７】
前記圧粉体を固定する工程では、前記圧粉体のバリを加圧して前記バリを低減させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項８】
前記圧粉体を固定する工程では、加圧により前記圧粉体の巻き線を行う巻き線部の端部の角をとることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項９】
前記圧粉体を固定する工程の前に、前記圧粉体を熱処理することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項１０】
前記軸棒の前記圧粉体と接する部分には、ローレット加工が行われていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項１１】
前記圧粉体を固定する工程の後に、前記圧粉体の巻き線を行う巻き線部に粉体塗装により絶縁層を形成することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項１２】
圧粉磁芯と、
前記圧粉磁芯を貫く軸棒と、
を備えており、
前記軸棒を通した前記圧粉磁芯を加圧することで、前記軸棒は前記圧粉磁芯に固定されていることを特徴とする電磁機器。
【請求項１３】
前記軸棒の前記圧粉磁芯と接する部分には、ローレット加工が行われていることを特徴とする請求項１２に記載の電磁機器。
【請求項１４】
前記電磁機器は、モータであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の電磁機器。
【請求項１５】
前記モータは、ブラシ付き直流モータであることを特徴とする請求項１４に記載の電磁機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧粉磁芯を用いた電磁機器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの磁芯としては、これまで積層鋼板が主に用いられてきたが、近年、磁芯の渦電流損を低減することを目的に軟磁性粉末の表面に絶縁性被膜を形成して絶縁性を高めた圧粉磁芯が開発されてきている。圧粉磁芯の利点は、３次元形状でも成形することが可能なことである。たとえば使用する磁芯の巻き線部のみを低くした段差形状を形成することで、巻き線の長さを短くすることができるため、銅損が減少しモータの効率を向上させることができる。
【０００３】
圧粉磁芯をモータの回転子に適用する場合、回転用の軸棒を圧粉磁芯に固定する必要がある。しかし、圧粉磁芯は、積層鋼板と異なり強度が弱いため、軸棒を圧入しようとすると、割れたり、クラックが入ったりすることがある。このため、特許文献１は、軸棒を挿入する回転子の穴の一部分に小径の圧入代を形成し、軸棒を圧入した後、軸棒と穴の内面との間に接着剤を設けることで、回転子と軸棒の固着工程を簡単にすることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平５−５０９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の方法は、回転子の穴の一部分に形成した圧入代で軸棒を仮固定し、軸棒と穴との隙間に接着剤を設けて固定するものであり、よって、回転子の穴の径は、軸棒の径より大きくしなければならない。このため、回転子の磁路有効断面積が狭くなり、モータ特性が低下する。
【０００６】
本発明は、接着剤を用いることなく、軸棒を圧粉磁芯に固定する電磁機器の製造方法と、接着剤を用いることなく圧粉磁芯に固定された軸棒を有する電磁機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によると、軟磁性粉を含む原料粉末を金型に入れて圧粉成形し、軸棒を通す穴を有する圧粉体を形成する工程と、前記圧粉体の穴に前記軸棒を通して金型に入れ、当該圧粉体を加圧することで、前記軸棒を前記圧粉体に固定する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様によると、圧粉磁芯と、前記圧粉磁芯を貫く軸棒と、を備えており、前記軸棒を通した前記圧粉磁芯を加圧することで、前記軸棒は前記圧粉磁芯に固定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
原料粉末を圧粉成形して軸棒を通す穴を有する圧粉体を形成し、当該圧粉体の穴に軸棒を通して金型に入れて加圧することで、接着剤を使用することなく軸棒を圧粉磁芯に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態による圧粉磁芯を用いた回転子の概略的な上面図及び断面図。
【図２】図１の回転子に回転軸を取り付ける前の圧粉体の概略的な上面図及び断面図。
【図３】図２に示す圧粉体を成形するための金型の概略的な断面図。
【図４】一実施形態によるインサート成形に用いる金型の概略的な断面図。
【図５】図４の金型の一部分の概略的な断面図。
【図６】図５の断面図の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。また、各図において、同じ参照符号は、同様の要素を示している。なお、電磁機器として、圧粉磁芯を回転子として有するブラシ付き直流モータを使用して本実施形態を説明するが、何らかの軸を圧粉磁芯に挿入して使用する他の電磁機器に対しても本発明を適用可能である。
【００１２】
図１は、本実施形態による圧粉磁芯を用いた回転子１の概略を示し、図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。回転子１は、巻き線を行う巻き線部１１と、直流モータにおいてマグネットに対向する外輪部１２と、軸棒である回転軸１４と、を備えている。以下、図１の回転子１の製造方法について説明する。
【００１３】
まず、軟磁性混合粉を原料粉末として、図２に概略を示す圧粉体２０を圧粉成形する。なお、図２（Ａ）は上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２において、符号２１及び符号２２は、それぞれ、図１の回転子１の巻き線部１１及び外輪部１２に対応する部分であり、符号２３は、回転軸１４を挿入するための穴である。図３は、図２の圧粉体２０を形成するための金型の概略的な断面図を示している。図３の金型は、貫通孔７１を有するダイス７２と、貫通孔７１を上下に昇降可能な様に貫通孔７１に嵌められる上パンチ７３及び下パンチ７４と、回転軸１４を挿入する穴２３を形成するためのコア７５と、を備えている。なお、ダイス７２には、温間成形のためのヒータ７６が設けられている。ダイス７２と下パンチ７４で形成される貫通孔７１の空間に上記原料を充填して上パンチ７３及び下パンチ７４で加圧することで圧粉体２０の成形を行う。なお、上パンチ７３及び下パンチ７４の加圧面には、圧粉体２０の回転軸方向の両端部の形状を形成するための段差が設けられている。なお、図３において、巻き線部２１及び外輪部２２を形成するためのダイス７２の内側の形状については、図の簡略化のため省略している。また、図３の上パンチ７３と下パンチ７４は、外輪部２２及び巻き線部２１の被加圧面の形状の概略を示すことを目的とするものであり、図の簡略化のために、上パンチ７３と下パンチ７４の正確な断面を示していないことに留意すべきである。
【００１４】
後述するインサート成形において圧粉体２０には回転軸方向から圧力を加えるため、圧粉体２０は、インサート成形における変形を考慮した大きさに形成しておく。具体的には、例えば、回転軸方向の長さや、軸穴の径等については、回転子１の大きさより圧粉体２０の方が大きくなる様に形成する。これに対して、例えば、外輪部２２の径は、回転子１の大きさより圧粉体２０の方が小さくなる様に形成する。また、圧粉体２０は、さらなる塑性変形が可能となる圧力で形成される。
【００１５】
なお、圧粉体２０の形成に使用する原料粉末のうちの軟磁性粉は、センダスト粉、パーマロイ粉、ケイ素鋼粉、純鉄粉等の従来から圧粉磁芯の原料粉として用いられている軟磁性粉や、それら軟磁性粉を主たる成分とする合金よりなる軟磁性粉末を使用できる。また、単一種類の軟磁性粉であっても、複数の種類の軟磁性粉であっても良い。軟磁性粉末の粒度と粒子形状についての制限は特になく、工業的な圧縮工程に供することができる粒度と粒子形状であれば良い。なお、高磁束密度、低ヒステリシス損を実現するためには、重量平均粒子径が７０μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは重量平均粒子径を１００μｍ以上とする。
【００１６】
原料粉末は、上記軟磁性粉に絶縁物を被覆したものも用いるが、この絶縁物にはリン酸鉄、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、鉱物等を用いることができる。例えば、厚み５〜１００ｎｍ、好ましくは１０〜７０ｎｍのリン酸被膜を使用できる。なお、圧粉体の機能を高めることを目的とした結合剤や絶縁体等の添加物を原料粉に添加したり被覆したりすることもできる。
【００１７】
さらに、金型との摩擦や原料粉同士の摩擦の低減のため、潤滑剤を添加することもできる。潤滑剤は、脂肪酸モノアミド、脂肪酸ビスアミド等の非金属石鹸系の粉末潤滑剤や、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸バリウム、ステアリン酸アルミニウム、１２ヒドロキシステアリン酸亜鉛等の金属石鹸粉末を使用することができる。なお、磁芯体積中の軟磁性粉末量を多くして高磁束密度、低ヒステリシス損を実現するためには、潤滑剤は成形に問題のない範囲で少ないことが好ましい。
【００１８】
圧粉体２０を圧粉成形により形成した後、後述するインサート成形を行う前に、加熱処理を行うこともできる。加熱処理により圧粉成形による歪が取れ、再圧縮する際に塑性変形しやすくなるといった利点がある。さらに、圧粉体２０の圧粉成形時に原料粉末に添加した潤滑剤を除去する効果も得られる。後述するインサート成形により圧粉体２０は再圧縮されるが、再圧縮により密度がさらに高くなった圧粉体から潤滑剤を除去するよりも、この段階においては潤滑剤を効率よく除去することができる。しかしながら、加熱処理の温度によっては、軟磁性粉に被覆した絶縁膜が消失して渦電流損が大きくなることがある。したがって、加熱処理の各種条件は、使用する絶縁膜の特性等を考慮して決める必要がある。
【００１９】
以上の様に構成した圧粉体２０は、回転軸１４のインサート成形工程において再圧縮される。図４は、インサート成形で使用する金型の概略的な断面図である。ダイス４２は貫通孔を有し、この貫通孔に下パンチ４４がダイス４２と相対的に移動できる様に嵌められる。また、下パンチ４２には回転軸１４が保持されている。圧粉体２０は、その穴２３内を回転軸１４が貫通する状態で、ダイス４２の内周部、下パンチ４４の上に保持される。インサート成形は、この状態において上パンチ４３及び下パンチ４４により圧粉体２０を加圧することで行う。
【００２０】
なお、インサート成形は、温間成形で行うことができる。例えば、インサート成形の間、金型を５０度〜２００度に保つ。また、ダイス４２の貫通孔内壁面に潤滑剤を塗布する型潤滑を使用することもできる。さらに、加圧前に圧粉体２０の表面に潤滑剤を塗布することもできる。但し、穴２３内の面には潤滑剤を塗布しないことが好ましい。温間成形、型潤滑、圧粉体への潤滑剤塗布を組み合わせて使用することもできる。使用する潤滑剤は、軟磁性粉末と金型の間で液切れを起こさないように、固体潤滑性を示す金属石鹸を使用することができる。例えば、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等を使用できる。ダイス４２の内壁面に潤滑剤を塗布する際は、加熱したダイス４２の内壁面に水又は有機溶剤等に分散させた潤滑剤を噴霧することが好ましい。ダイス４２の内壁面の加熱温度は、固体潤滑剤として機能するように潤滑剤の融点未満にすることが好ましい。例えば、ステアリン酸リチウムを用いた場合、加熱温度は２２０度未満とすることが好ましい。
【００２１】
また、ダイス４２の内壁面と上パンチ４３及び下パンチ４４が摺動する部分の表面粗さは、Ｒａ０．２μｍ以下であることが好ましい。これは、Ｒａが０．２μｍより大きくなると、金型と粉末との凝着が起こりやすくなるからである。また、ダイス４２の内壁面を、ＤＬＣ、Ｃｒ２Ｎ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ等でコーティングすることもできる。
【００２２】
圧粉体２０は、その成形の際、図３の上パンチ７３や下パンチ７４と、ダイス７２との隙間に原料粉末が押し出されバリが発生し得るが、インサート成形工程における再圧縮時には、上パンチ４３や下パンチ４４の加圧面より、圧粉体２０の被加圧面の方が小さいため、発生したバリを加圧により低減させることができる。図５は、図２の巻き線部２１がインサート成形により加圧される様子を示したものであり、図２のＢ−Ｂ線による断面から見た状態を示している。図５（Ａ）は、圧縮前の圧粉体２０を示し、図５（Ｂ）は、上パンチ４３と下パンチ４４による圧縮後の状態を示している。図５（Ｂ）に示す様に、圧粉体２０の巻き線部に生じたバリが、上パンチ４３と下パンチ４４により圧縮されて低減されている。
【００２３】
さらに、インサート成形工程において、巻き線部１１の径方向に直交する方向の端部にテーパ及びＲをつけること、つまり、角をとることが可能である。なお、径方向とは、圧粉体２０の穴２３から外輪部２２に向かう方向である。図６（Ａ）〜（Ｃ）は、図５（Ａ）の上パンチ４３と下パンチ４４の加圧面の形状を示す図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）では、パンチの寿命を延ばすために、加圧面の径方向と直交する方向の両側に平坦部５０を設けている。なお、平坦部５０の径方向に直交する方向の長さは０．１ｍｍ以上、好ましくは、０．２５ｍｍ以上とする。また、図６（Ａ）においては、傾斜部５１と、平坦部５２との角度を４５度以下とし、傾斜部５１と平坦部５２とを丸み半径Ｒでつないでいる。図６（Ｂ）においては、平坦部５０と、平坦部５３とを丸み半径Ｒでつないでいる。さらに、図６（Ｃ）においては、両平坦部５０を丸み半径Ｒでつないでいる。
【００２４】
インサート成形後に、圧粉体のスプリングバックによって、回転軸１４と圧粉磁芯との接着が弱くならないように、回転軸１４の表面にローレット加工をすることができる。なお、ローレット加工する部分は、少なくとも。インサート成形後に、回転軸と圧粉磁芯が接する部分である。
【００２５】
インサート成形後、軟磁性粉を結着させるためと、成形時の歪を除去するために加熱処理を行う。加熱処理は、使用する軟磁性粉、絶縁被膜、結合剤等に応じて、任意の加熱雰囲気、温度を選択して行う。また、加熱方法も、ヒータ加熱、高周波誘導加熱等の任意の方法を使用することができる。例えば、絶縁被膜にリン酸鉄を用いた場合は、大気中４５０度〜５５０度で行うことができる。また、加熱処理後の成形体の強度が必要な場合にはスチーム処理を行うこともできる。
【００２６】
本実施形態においては、回転子１の巻き線部１１を絶縁体で覆い、その後に絶縁体上で巻き線を行う。絶縁体を用いることで、巻き線の絶縁被膜が損傷しても、巻き線と回転子１との絶縁を確保することができる。なお、絶縁体は、樹脂成形品を被せることや、粉体塗装等によって、成形体表面に形成できる。なお、粉体塗料としては、例えば、絶縁性を有する熱硬化樹脂や熱可塑化樹脂等の粉体を含むものが挙げられる。絶縁性を有する熱硬化樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。絶縁性を有する熱可塑化樹脂としては、例えば、塩化ビニル樹脂、ナイロン、ポリエチレン、フッ素樹脂等が挙げられる。さらに、絶縁被膜の膜厚は、１０〜２００μｍの範囲内であることが好ましい。被覆の膜厚が１０μｍ以上であれば、モータについて、充分な耐電圧を確保することができる。一方、膜厚が２００μｍ以下であれば、巻き線部１１間の空間を十分に確保することができる。絶縁体による被覆の膜厚は、１５〜８０μｍの範囲内であることがより好ましく、２０〜６０μｍの範囲内であることが更に好ましい。巻き線部１１を絶縁体で覆った後、回転軸１４に整流子を固定し、巻き線が施されて回転子となる。
【００２７】
以下、本実施形態による効果について、実施例１、実施例２、比較例１と呼ぶ回転子によりブラシ付き直流モータを作成して比較した。まず、本実施形態に従う実施例１の直流モータの製造方法について具体的に説明する。まず、図１に示す回転子１を形成するための原料として、ヘガネス社製のＳｏｍａｌｏｙ７００  ３Ｐを使用し、まず、図２の圧粉体２０を図３に示す金型を使用して圧縮成形した。
【００２８】
圧粉体２０の形成において、最初に、図３のヒータ７６によりダイス７２を８０℃に加熱した。その後、上記原料を貫通孔７１と下パンチ７４で形成される空間に充填し、７００ＭＰａの成形圧で成形した。その後、大気中５３０℃で１０分間熱処理した。続いて、圧粉体２０の表面にステアリン酸リチウムを塗布し、ヒータを使用してダイス４２を１５０度まで加熱した。その後、ダイス４２の内面にアセトンに分散させたステアリン酸リチウムを噴霧した。アセトンが揮発した後、圧粉体２０を、回転軸１４が穴２３を貫通する様にして金型内に入れ、１０００ＭＰａ圧力で成形した。その後、大気中５３０度で２０分間熱処理し、図１の回転子１を形成した。
【００２９】
続いて、回転子１の巻き線部１１と巻き線の間に絶縁体を介在させるために粉体塗装を行った。樹脂材料として、ソマール株式会社製のエピフォームＦ−２１９ＥＳを使用し、膜厚１００〜１５０μｍの絶縁層を塗装し、回転軸１４に整流子を固定した。その後、φ０．１７の被覆銅線を用いて１４００回の巻き数のコイルを各巻き線部１１に計５箇所作成し、整流子と接続した。この回転子１を使用し、ブラシ付き直流モータを作成した。
【００３０】
実施例２は、インサート成形前の熱処理を行わず、インサート成形時の成形圧力を１２００ＭＰａとした以外は、実施例１と同じである。
【００３１】
比較例１は、実施例１及び実施例２と異なり、回転軸を接着剤で固定する。比較例１の回転子の形状は実施例１及び実施例２と同様であり金型は図３に示すものと同様である。
【００３２】
比較例１の回転子を形成するために、ヒータ７６を使用し、ダイス７２を８０度まで加熱した。その後、ダイス７２の内壁面にアセトンに分散させたステアリン酸リチウムを噴霧した。アセトンが揮発した後、実施例１及び２と同じ原料粉末を９００ＭＰａの成形圧力で成形した。成形時に発生したバリは、研磨紙により研磨し除去した。ついで大気中５３０度で２０分間熱処理した。熱処理後、回転軸に、アセック株式会社製の紫外線硬化型嫌気性接着剤ＡＳ−５５１３を塗布し回転軸を回転子に固定した。その後は、実施例１と同じく絶縁層を巻き線部に形成し、巻き線を行ってブラシ付き直流モータを作成した。
【００３３】
実施例１、実施例２及び比較例１の各直流モータについて、その重要な特性である逆起定数を求めた。以下に、実施例１、実施例２及び比較例１のモータの逆起定数（ｍＶｓ／ｒａｄ）を示す。
実施例１：４２．６
実施例２：４１．７
比較例１：４０．６
【００３４】
比較例１では、バリ取り処理が必要だったのに対し、実施例１及び２では、バリ取り処理を行うことなく粉体塗装を行うことができ、巻き線もできた。同程度の外径や巻き線スペースであるが、比較例１よりも実施例１、２の方が、逆起定数が大きい結果となった。これは、比較例１より実施例１及び２の方が圧粉磁芯の磁路有効断面積が大きいためである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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