(57)【要約】【課題】バリ取りを行わない、圧粉磁芯を用いた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、金型成形法にて所定の形状に圧粉成形する成形工程と、成形工程で得られた成形体を加熱処理する加熱処理工程と、加熱処理工程で得られた成形体の巻き線を行う巻き線部を含む領域に絶縁体を取り付ける取り付け工程と、取り付け工程で取り付けた絶縁体上に巻き線を行う巻き線工程と、を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧粉磁芯と、
前記圧粉磁芯の巻き線部を覆う絶縁体と、
を備えており、
前記絶縁体に巻き線が行われていることを特徴とする電磁機器。
【請求項２】
前記絶縁体は、前記圧粉磁芯の巻き線部のバリを覆い隠していることを特徴とする請求項１に記載の電磁機器。
【請求項３】
前記電磁機器は、モータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁機器。
【請求項４】
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３に記載の電磁機器。
【請求項５】
軟磁性粉を含む原料粉末を、金型を使用して所定の形状に圧粉成形する成形工程と、
前記成形工程で得られた成形体を加熱処理する加熱処理工程と、
前記加熱処理工程で得られた成形体の巻き線を行う巻き線部を含む領域に絶縁体を取り付ける取り付け工程と、
前記取り付け工程で取り付けた絶縁体上に巻き線を行う巻き線工程と、
を備えていることを特徴とする電磁機器の製造方法。
【請求項６】
前記軟磁性粉は、絶縁被膜を有することを特徴とする請求項５に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁体は、射出成形により形成されることを特徴とする請求項５又は６に記載の電磁機器の製造方法。
【請求項８】
前記取り付け工程においては、前記加熱処理工程で得られた成形体を金型に入れ、インサート成形により前記巻き線部を含む領域に絶縁体を取り付けることを特徴とする請求項５から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】
前記絶縁体は、前記成形工程で前記成形体に生じた前記巻き線部のバリを覆い隠すことを特徴とする請求項５から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】
前記電磁機器は、モータであることを特徴とする請求項５から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１０に記載の電磁機器の製造方法。
【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】
モータやトランス、リアクタ等の各種電磁機器の磁芯としては、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、銅損を減少させて電磁機器の効率を向上させることができる。
【０００３】
しかし、積層鋼板を使用していた用途に圧粉磁芯を適用する場合、磁束密度が低いことが問題となる場合がある。この問題に対する対策として、成形の際の圧力を高くすることで圧粉磁芯の体積当たりの軟磁性粉末量を多くする方法が行われている。しかしながら、高圧力で圧粉成形すると、塑性変形した軟磁性粉末が金型の型孔と上下パンチとの隙間に押し出され、圧粉成形後の成形体にバリが発生する場合がある。バリは電着塗装や粉体塗装による絶縁層の付着を阻害し、コイルの導線の被膜を突き破り、電流の短絡を発生させる場合がある。したがって、バリを除去する必要がある。しかしながら、圧粉磁芯は焼結体とは異なり、粒子間が拡散結合により強固に結合しているわけではないので、焼結体で行うようなバレル研磨処理を行うと、圧粉磁芯そのものが破損してしまう恐れがある。
【０００４】
このため、特許文献１は、圧粉成形して得られた加熱処理前の成形体に対して、１０〜２００μｍの粒径のメディアを空気等の気体と共に噴射する噴射加工法により、成形体にダメージを与えることなくバリのみを除去する構成を開示している。なお、噴射加工により成形体に生じる歪は、その後の加熱処理により除去される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７０２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、加熱処理前の成形体は、必ずしも強度が高くなく、さらに、密度差等による強度ムラがあり得る。このため、バリを除去する際に、強度の低い部分が破損してしまう場合がある。さらに、成形体の歪を除去するためには６５０度程度の熱処理が必要であるが、その温度に耐えられる絶縁被膜又は絶縁体が必要である。しかしながら、歪を除去するために必要な温度に耐えられる絶縁被膜等が、必ずしも高磁束密度を実現するために有用であるわけではない。したがって、使用する絶縁被膜が耐えられる低い温度で加熱処理を行う場合もあり、噴射加工による歪を十分に除去できない場合もある。そのため、バリ取りを実施していないものと比較すると、ヒステリシス損が増加して鉄損の増加につながる。
【０００７】
本発明は、バリ取りを行わない、圧粉磁芯を用いた電磁機器及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によると、電磁機器は、圧粉磁芯と、前記圧粉磁芯の巻き線部を覆う絶縁体と、を備えており、前記絶縁体に巻き線が行われていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様によると、軟磁性粉を含む原料粉末を、金型成形法にて所定の形状に圧粉成形する成形工程と、前記成形工程で得られた成形体を加熱処理する加熱処理工程と、前記加熱処理工程で得られた成形体の巻き線を行う巻き線部を含む領域に絶縁体を取り付ける取り付け工程と、前記取り付け工程で取り付けた絶縁体上に巻き線を行う巻き線工程と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
バリを含む巻き線部を絶縁体で覆うことで、バリ取りの必要がなくなり、磁気特性の低下を招くことなく圧粉磁芯に巻き線をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態による回転子の概略的な上面図及び断面図。
【図２】一実施形態による回転子の概略的な斜視図。
【図３】一実施形態による回転子の巻き線部の概略的な断面図。
【図４】一実施形態による回転子を形成するための金型の概略的な断面図。
【図５】実施例１及び比較例１の回転子の回転速度と無負荷電流の測定結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。なお、電磁機器として、圧粉磁芯を用いた回転子に巻き線を行う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、圧粉磁芯に巻き線を行う他の電磁機器に対しても本発明を適用可能である。
【００１３】
図１は、モータに使用する、本実施形態における圧粉磁芯の回転子２０の概略を示す図であり、図１（Ａ）は上面図を、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。また、図２は、図１の回転子２０の斜視図である。回転子２０は、巻き線を行う巻き線部２１と、直流モータにおいてマグネットに対向する外輪部２２と、内輪部２４と、を備えている。なお、内輪部２４には、外輪部２２及び内輪部２４と略同心であり、回転軸が挿入される穴２３が設けられている。
【００１４】
図３（Ａ）は、図１及び図２に示す回転子２０に絶縁体３を取り付けた状態を示している。なお、本実施形態において、絶縁体３は、樹脂射出成形により作成する。なお、図３（Ａ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線による断面から見た図である。図３（Ａ）は、巻き線部２１の各エッジにバリ４が生じている様子を示しており、絶縁体３は、巻き線部２１の回転軸方向の両側からバリ４を覆うように取り付けられている。巻き線を行う巻き線部２１に絶縁体３を取り付けることで、巻き線の絶縁被膜が損傷しても、巻き線と成形体との絶縁を確保することができる。本実施形態において、絶縁体３に使用する材料は、電磁機器の使用環境で必要な絶縁性を有し、使用環境における耐熱性を有するものであれば任意のものを使用できる。
【００１５】
以下、本実施形態による圧粉磁芯の製造方法について、図１の回転子２０を形成する場合を例にして詳細に説明する。まず、圧粉磁芯に使用する軟磁性粉としては、センダスト粉、パーマロイ粉、ケイ素鋼粉、純鉄粉等の軟磁性粉や、こ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を使用する。なお、単一の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。例えば、モータの磁芯に用いる場合、磁束密度が高く圧縮性にもすぐれる純鉄粉を使用できる。なお、表面の酸化層の厚みは５０ｎｍ以下、さらには、１５ｎｍ以下であることが好ましい。しかしながら、表面の酸化層の厚みは１００ｎｍ以下であれば良い。これは、表面の酸化層が１００ｎｍより厚くなると、圧粉磁芯の磁束密度が低下しモータには適さなくなるからである。さらに高磁束密度、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。これは、重量平均粒子径が７０μｍより小さくなると、ヒステリシス損が大きくなりモータには適さなくなるからである。なお、より好ましくは、重量平均粒子径を１００μｍ以上とする。
【００１６】
本発明において上記の軟磁性粉に絶縁物を被覆したものを原料粉末として使用する。絶縁物は、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、鉱物等を使用できる。モータの磁芯に用いる場合、リン酸鉄を使用することが好ましく、その厚みは、例えば、５〜１００ｎｍであることが好ましい。より好ましくは、リン酸鉄の厚みを１０〜７０ｎｍとする。これは、絶縁層の厚みが５ｎｍより小さいと絶縁性が低くなり、よって、渦電流損が大きくなるからであり、また、絶縁層の厚みが１００ｎｍより大きいと磁束密度が低下してしまいモータには適さなくなるからである。
【００１７】
なお、金型との摩擦や原料粉末同士の摩擦を低減するために、上記原料粉末に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潤滑剤から選択した１種類以上のものを使用することができる。なお、モータの磁芯に用いる場合、圧粉磁芯体積中の軟磁性粉末量を多くするために、潤滑剤は成形に問題のない範囲で少なく、例えば、１．０ｗｔ％以下とすることが好ましい。これは、潤滑剤の量が１．０ｗｔ％より多いと磁束密度が低下してしまいモータには適さなくなるからである。なお、好ましくは、０．５ｗｔ％以下とし、さらに好ましくは０．３ｗｔ％以下とする。
【００１８】
さらに、圧粉体の強度や加工性を高める等を目的とした結合剤や、快切削剤等の添加物を原料に添加したり被覆したりすることもできる。しかしながら、モータの磁芯に用いる場合は、圧粉磁芯体積中の軟磁性粉末量を多くするために潤滑剤以外の添加物は使用しないことが好ましい。
【００１９】
本実施形態による製造方法は、金型を使用して上記原料を所定の形状に圧粉成形する成形工程と、成形工程で得られた成形体を加熱処理する加熱工程と、加熱工程で得られた成形体の巻き線を行う部分に絶縁体を取り付ける取り付け工程と、前記取り付けた絶縁体上に巻き線する巻き線工程と、を含んでいる。以下、各工程について順に説明する。
【００２０】
図４は、回転子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４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に嵌められる下パンチ７４及び上パンチ７３と、回転子の回転軸を挿入する穴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。なお、温間成形を行わない場合にはヒータ７６を省略できる。ダイス７２と下パンチ７４で形成される貫通孔７１の空間に上記原料粉末を充填して上パンチ７３で加圧することで回転子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、回転子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４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。
【００２１】
なお、ダイス７２の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。なお、温間成形と型潤滑を組み合わせて使用することもできる。型潤滑で使用する潤滑剤は、軟磁性粉と金型の間で液切れを起こさない様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することができる。ダイス７２の内壁面に潤滑剤を塗布する際は、加熱したダイス７２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７２の内壁面の温度は、例えば、固体潤滑剤として機能するように潤滑剤の融点未満とする。具体的には、ステアリン酸リチウムを用いる場合、ダイス７２の内壁面の温度を２２０度未満とすることが好ましい。
【００２２】
また、ダイス７２の内壁面と、上パンチ７３及び下パンチ７４との摺動する各部分の表面粗さはＲａ０．２μｍ以下であることが好ましい。これは、Ｒａ０．２μｍより大きいと、金型と粉末との凝着が起こりやすくなるからである。
【００２３】
また、ダイス７２の内壁面の材質は、使用する軟磁性粉末の凝着が起こりにくいものが好ましい。例えば、金型の材質を、耐凝着材質であるエバーロイ商事株式会社製のエバーロイＭＣ２０とすることや、金型表面をＤＬＣ、Ｃｒ２Ｎ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ等でコーティングすることができる。
【００２４】
成形工程における成形圧は特に限定されないが、モータの磁芯に用いる場合は、圧粉磁芯体積中の軟磁性粉末量を多くして高磁束密度を実現するために、７００ＭＰａ以上で加圧することが好ましい。なお、好ましくは８００ＭＰａ以上で、より好ましくは９００ＭＰａ以上で加圧する。
【００２５】
続いて加熱工程について説明する。加熱工程は、加熱して軟磁性粉を結着させることと、成形工程において成形体に生じた歪を除去することを目的とし、使用している軟磁性粉、絶縁被膜、結合剤等に応じて加熱雰囲気及び温度を選択して行う。例えば、絶縁被膜にリン酸鉄を用いた場合は、大気中４５０度から５５０度で行うことが好ましい。これは、４５０度より低い温度では、歪取り焼鈍の効果が低く、５５０度より高い温度だと絶縁被膜が破壊され絶縁の効果が低くなるからである。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ができる。なお、加熱工程により、成形工程において成形体に生じた歪が除去される。
【００２６】
続いて、取り付け工程について説明する。図３に示す絶縁体３は、樹脂射出成形により作成する。具体的には、形成されるバリの最大値を実験上求めておき、最大のバリであっても覆うことができる絶縁体３を、例えば、モールド成形により形成しておく。そして、図３に示す様に巻き線を行う巻き線部２１の回転軸方向の両側から絶縁体３を取り付ける。さらに、加熱工程により作成された成形体を金型内にいれ、インサート成形により巻き線部２１に絶縁体３を取り付けることもできる。いずれにしても、絶縁体３の取り付け後、絶縁体３のコイルを巻く領域にはバリによる干渉はなくなる。つまり、バリによる凸形状等はなくなる。なお、絶縁体３を被せる範囲は、少なくとも巻き線を行う巻き線部２１を含めば良く、例えば、外輪部２２等を含む構成とすることもできる。
【００２７】
最後に、巻き線工程は、絶縁体３を巻き線部２１に取り付けた後、必要な回数だけ巻き線を行うことにより行われる。
【００２８】
以下、本実施形態による効果について、実施例１、比較例１と呼ぶブラシ付き直流モータを作成して比較した。まず、本実施形態に従う回転子２０を使用する、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２０を形成するための原料として、０．２ｗｔ％の潤滑剤入りで、重量平均粒径２５０μｍの絶縁被膜を有する純鉄粉末であるヘガネス社製のＳｏｍａｌｏｙ７００  ３Ｐを使用した。
【００２９】
回転子２０の形成において、最初に、図４のヒータ７６によりダイス７２を８０℃に加熱した。その後、貫通孔７１の内壁面に、摩擦低減のため、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、成形工程において、上記原料粉末を貫通孔７１と下パンチ７４で形成される空間に充填し、９００ＭＰａの成形圧で成形した。成形工程後、成形体に付着している粉末をエアーブローにより除去した。その後、加熱工程において、大気中５３０℃で３０分間熱処理した。熱処理後、回転子２０の穴２３に回転軸となるシャフト固定し、固定したシャフトに整流子を固定した。
【００３０】
このとき、巻き線部２１には、高さ１０〜３０μｍで、幅が１０〜２０μｍのバリ４が発生した。なお、バリ４の高さ及び幅は、それぞれ、図３（Ｂ）に示す部分の長さである。なお、図３（Ｂ）において符号３１は、絶縁体３の内側の面を示している。バリ４を回避するため、取り付け工程において、６６ナイロンを射出成形して形成した、バリ回避高さ４０μｍで、バリ回避幅３０μｍの空間を持つ厚み０．３ｍｍの絶縁体３を巻き線部２１の回転軸方向の両側から被せた。なお、バリ回避高さ及びバリ回避幅は、それぞれ、図３（Ｂ）に示す部分の長さである。
【００３１】
その後、巻き線工程において、φ０．１６の被覆銅線を用いて１２７回の巻き数コイルを各巻き線部２１に計５個作成し、整流子への結線を行ってブラシ付き直流モータを作成した。
【００３２】
比較例１の直流モータ用の回転子に使用する原料及び金型は実施例１と同じであり、成形工程も実施例１と同じである。成形工程後、メディアとしてＨｖ５５０、粒径２００μｍのガラスビーズを用い、噴射圧力０．２ＭＰａにて噴射加工を行ってバリを除去した。その後の加熱工程は実施例１と同様である。取り付け工程において、６６ナイロンを射出成形して形成した、バリを回避する空間のない、厚み０．３ｍｍの絶縁体３を巻き線部２１の回転軸方向の両側から被せた。その後の処理は実施例１と同様である。つまり、実施例１に対する比較例１の相違点は、成形工程後、噴射加工によるバリ取り工程を設けたことと、バリ取りを行ったことにより、バリを回避するための空間のない絶縁体３を使用したことである。
【００３３】
実施例１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の直流モータと、比較例１の直流モータの逆起定数（ｍＶｓ／ｒａｄ）を示す。
実施例１：２４．８
比較例１：２３．５
【００３４】
実施例１の逆起定数が比較例１より大きくなっている。これは、実施例１の圧粉磁芯の磁束密度が比較例１より高いためであり、バリ取り処理を行わず、成形体のバリを覆う絶縁体を取り付けて巻き線した結果である。
【００３５】
図５は、実施例１の直流モータと、比較例１のモータの無負荷電流の測定結果である。図５より、測定領域の全範囲に渡り、実施例１の無負荷電流が、比較例１より小さいことが分かる。これは、実施例１の鉄損が比較例１より小さいからであり、バリ取り処理を行わないことで成形体に歪が入らず、これによりヒステリシス損が低くなり、結果、鉄損が低くなったためと考えられる。
【００３６】
以上、本実施形態による電磁機器の製造方法により、高磁束密度で、鉄損の低い電磁機器を形成することができる。
【図１】
2014011279.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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