(57)【要約】【解決手段】  軟磁性金属リボンを巻き付けて三次元形状体とし、その三次元形状体に接着剤を塗布して、フライス加工に適した三次元軟磁性金属塊が形成される。接着剤は、三次元形状体に浸透する。次いで、接着剤は硬化される。軟磁性金属塊が環状体として作られている場合は、電気機械要素に加工することができる。電気機械要素は、非常に高周波の電気モーターに使用するのに適している。【選択図】          図１
2007536882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性金属電気機械要素を製造するための方法において、
軟磁性金属リボン（１０）を、内側面（１５）、外側面（１７）、上部（１９）、及び底部（２１）を有する環状体（１８）に巻く段階と、
前記環状体（１８）をミリングアッセンブリ（４０）内に入れる段階であって、内側リング（１４）を前記内側面（１５）の少なくとも一部分の回りに円周状に配置する段階と、外側リングを前記外側面（１７）の少なくとも一部分の回りに円周状に配置する段階と、ハット（２０、３０）を前記上部（１９）の少なくとも一部分の上に配置する段階と、の内の少なくとも１つの段階を含んでいる、前記環状体（１８）を入れる段階と、
前記環状体（１８）に接着剤を塗布する段階と、
前記接着剤を硬化させる段階と、
前記環状体（１８）を電気機械要素形状体にフライス加工する段階と、
前記電気機械要素形状体を熱処理して電気機械要素にする段階と、から成る方法。
【請求項２】
前記環状体（１８）を前記ミリングアッセンブリ（４０）から取り外す段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記環状体（１８）を前記ミリングアッセンブリ（４０）内に入れる段階は、前記内側リング（１４）を前記内側面（１５）の少なくとも一部分の回りに円周状に配置する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記環状体を前記ミリングアッセンブリ（４０）内に入れる段階は、前記外側リングを前記外側面（１７）の少なくとも一部分の回りに円周状に配置する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記環状体を前記ミリングアッセンブリ（４０）内に入れる段階は、前記ハット（２０、３０）を前記上部（１９）の少なくとも一部分の上に配置する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記環状体を前記ミリングアッセンブリ（４０）内に入れる段階は、基部（３２）を前記底部（２１）の少なくとも一部分の上に配置する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記環状体をミリングアッセンブリ（４０）内に入れる段階は、
前記内側リング（１４）を前記内側面（１５）の少なくとも一部分の回りに円周状に配置する段階と、
前記外側リングを前記外側面（１７）の少なくとも一部分の回りに円周状に配置する段階と、
前記ハット（２０、３０）を前記上部（１９）の少なくとも一部分の上に配置する段階と、を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記内側リング（１４）は、前記内側面（１５）の実質的に全ての回りに配置される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記外側リングは、前記外側面（１７）の実質的に全ての回りに配置される、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記ハット（２０、３０）は、前記上部（１９）の実質的に全ての回りに配置される、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
ミリングプレートは、前記底部（２１）の実質的に全ての回りに配置される、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記ハット（３０）と前記外側リングは一体である、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記ハット（２０、３０）と、前記外側リングと、前記内側リングは一体である、請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
前記環状体（１８）を前記ミリングアッセンブリ（４０）内に固定するために、保持器を前記外側リングの回りに配置する段階を更に含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記ミリングアッセンブリ（４０）内にフライス加工溝（２９、３８）を設ける段階を更に含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記環状体（１８）は、リボン巻き付け軸を有しており、前記環状体（１８）を環状形状にフライス加工する段階は、前記環状体（１８）を、主として前記巻き付け軸に垂直な軸でフライス加工する段階から成る、請求項１又は１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記環状体（１８）は、リボン巻き付け軸を有しており、前記環状体（１８）を環状形状にフライス加工する段階は、前記環状体（１８）を、排他的に、前記巻き付け軸に垂直な軸でフライス加工する段階から成る、請求項１又は１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記ハット（３０）と前記外側リングは溝（３８）を有しており、前記環状体（１８）を電気機械要素形状体にフライス加工する段階は、前記溝を通してフライス加工する段階を含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記環状体（１８）は、リボン巻き付け軸を有しており、前記環状体（１８）を電気機械要素形状体にフライス加工する段階は、前記環状体（１８）を、排他的に、前記巻き付け軸に垂直な軸で回転する切削ツール（５２）を使ってフライス加工する段階から成る、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記ハット（２０、３０）と前記外側リングは、溝（３８）を有しており、前記環状体（１８）を電気機械要素形状体にフライス加工する段階は、前記溝を通してフライス加工する段階を含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記環状体（１８）を入れる段階は、
前記内側閉じ込めハット（２０）を前記上部（１９）と前記内側（１５）の上に配置する段階と、
前記外側閉じ込めハット（３０）を前記上部（１９）と前記外側（１７）の上に配置する段階と、
保持器を前記外側閉じ込めハット（３０）の回りに配置する段階と、を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記内側閉じ込めハット（２０）は複数の内側閉じ込めハット溝（２９）を有しており、前記外側閉じ込めハット（３０）は複数の外側閉じ込めハット溝（３８）を有しており、前記環状体（１８）を電気機械要素形状体にフライス加工する段階は、前記内側閉じ込めハット溝と前記外側閉じ込めハット溝を通してフライス加工する段階を含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記内側閉じ込めハット溝（２９）と前記外側閉じ込めハット溝（３８）を整列させる段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記環状体（１８）を電気機械要素形状体にフライス加工する段階は、主に前記リボン巻き付け軸に垂直な軸上を回転する切削ツール（５２）を使って行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記環状体（１８）を電気機械要素形状体にフライス加工する段階は、排他的に、前記リボン巻き付け軸に垂直な軸上を回転する切削ツール（５２）を使って行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
請求項１又は２１の方法によって作られる軟磁性金属電気機械要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟金属電気機械要素と、それを作る方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００３年６月１１日出願の米国特許出願第１０／４５８，９４４号（現在の米国特許第 号）の部分継続出願である。
モーター、発電機、再生モーター、同期発電機、ブレーキ及び磁気ベアリングのような多極回転式電気機械装置は、ローターと電気機械要素を備えている。交流モーターは、電気機械要素内に回転する磁界パターンを作り、ローターをこの磁界パターンの回転に追従させることによって回転する。周波数が変わるにつれて、ローターの速度が変わる。モーターの速度を上げるには、入力源の周波数を上げねばならない。
【０００３】
適切な材料で製造された高周波モーターは、非常に効率的である。電気自動車又はハイブリッドカーのような特定の用途では、高効率の電気モーターが必要である。
高周波電気モーター及び発電機の電気機械要素の構築には問題が多い。電気モーター及び発電機では、鉄又は鋼の構成要素が一般的である。しかしながら、４００Ｈｚを超えるような高周波数では、従来型の鉄又は鋼の構成要素は実用的ではなくなる。交流電源の周波数が高いと、鉄又は鋼の構成要素の鉄損が増大し、モーター全体の効率が低下する。更に、周波数が非常に高いと、構成要素は極端に高温になり、妥当且つ受容可能な手段では冷却できず、モーターが故障する。
【０００４】
高周波電気モーターに用いられる電気機械要素を作る際には、軟磁性材料で作られたリボンが、際立つ利点を提供する。軟磁性リボン材料の例は、例えば、１）典型的には、厚さ０．０８”以上、代表的にはＳｉ含有率が３％＋／‐１／２％で結晶方向性がないと定義される従来型の材料、或いは、２）厚さ０．００７”以下、Ｓｉ含有率が３％から７％の非晶質又はナノ結晶質の合金、及び他の結晶方向性のある又は結晶方向性のない合金である代替軟質材料、の何れかである。軟磁性リボン材料の中には、高周波電気機械回転装置で使用するのが非常に望ましくなる固有の特徴を示すものがある。軟磁性リボンの中には、容易に磁化及び消磁することができるものがあり、これらの金属で作った電気機械要素は、電力損失が低く、高周波数での温度の上昇が低く、磁化が極端に早く、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換が容易であることを意味している。そのような金属で作られた電気機械要素は、鉄損が少なく、遙かに高い周波数で作動させることができ、効率と出力密度の点で非常に優れたモーターと発電機になる。
【０００５】
軟磁性材料は、リボン又は条片として商業的に製造されている。軟磁性金属リボンの好適な例は、Ｍｅｔｇｌａｓであり、これは、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社によって製造されている非晶質材料である。軟磁性金属リボンは、非常に薄くて、幅が変化する。軟磁性金属リボンの構成要素を製造するには、軟磁性リボンを或る形状に巻き、その形状を熱処理する必要がある。環状体のような単純な三次元形状を、軟磁性金属リボンから現在作ることができる。
【０００６】
しかしながら、電気機械要素は、単純な三次元形状ではないことが多い。電気機械要素は、概ね環状の構造体の中にモーターのコイルを収容するための多数のスロットが設けられる。
【０００７】
従って、軟磁性金属リボンから複雑な三次元構造を作る試みは、商業的には成功していない。限定するわけではないが、ワイヤー放電加工、電気化学クリープ研削、従来型の放電加工、切削、型押し、酸腐蝕及びファインブランキングのような様々な製造技法が業界で試されてきた。どれも、経費効率、製造反復性又は加工サイクル時間のような理由で、満足なものになっていない。
【０００８】
軟磁性リボンから複雑な三次元形状を製作できないことが、高効率の軸線束モーター及び発電機を製造する際の重大な妨げとなっている。経費効率が良く、末端での使用が機能的で、大量生産できる方法で、且つ、末端での使用要件に対する実質的な設計の柔軟性をもたらすような、軟磁性リボンから電気機械要素を作る方法が、非常に望まれている。
【特許文献１】米国特許出願第１０／４５８，９４４号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
フライス加工に適した三次元の軟磁性金属塊を形成するための方法は、軟磁性金属リボンを三次元形状に巻く段階と、次いでその三次元形状に接着剤を塗布する段階から成る。接着剤が硬化すると、硬化した形態は、機械的に三次元に拘束される。本方法の結果として、機械加工の機械的応力に耐え得る軟磁性金属塊ができる。三次元の軟磁性金属形態は、水平ミル、垂直ミル、コンピューター数値制御（ＣＮＣ）機械又は他の一般的なフライス加工設備を使ってフライス加工される。従って、複雑な三次元軟磁性金属形状を作ることができる。
【００１０】
三次元の軟磁性金属の形状を作ることができれば、軟磁性金属を、これまで軟磁性金属リボンの機械的特性によって排除されていた様々な用途に使用することができる。
軟磁性電気機械要素を製造するため、軟磁性金属リボンが環状に巻かれる。次いで、環状体はミリングアッセンブリの中に置かれる。環状体に接着剤が塗布され、硬化される。環状体は、電気機械要素の形状にフライス加工され、次いで熱処理されて電気機械要素になる。
【００１１】
本発明の上記及びその他の目的、利点及び特徴は、図面の詳細な説明を参照すれば、より容易に理解し、把握頂けるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、軟磁性金属リボン１０が内側リング１４の巻き付け軸１１の回りに巻き付けられているところを示している。巻き付け機械１３には、軟磁性金属リボンのロール１２が入っている。内側リング１４は、巻き付けプレート１６上に配置されている。軟磁性金属リボン１０は内側リング１４に巻き付けられ、軟磁性金属環状体１８が形成される。軟磁性金属環状体１８は、内側面１５、外側面１７、上部１９及び底部２１を有している。
【００１３】
図１は軟磁性金属環状体１８の形成を示しているが、三次元の形状は、軟磁性金属環状体１８とは全く異なる形状に作成することもできる。例えば、４つの角に巻き付けて四角柱にすることもできる。
【００１４】
軟磁性金属リボン１０は、様々な機械と方法を使って巻くことができる。安定した堅い環状体は、本来のリボン密度と比べて少なくとも８５％の巻き密度を有しているのが望ましい。次に、軟磁性金属環状体１８は、巻き付けプレート１６から取り外される。軟磁性金属リボン１０は、内側閉じ込めハット２０に単一のユニットとして取り付けられている内側リング１４の回りに巻き付けてもよい。
【００１５】
その後、接着剤が、軟磁性金属環状体１８に浸透するように軟磁性リボン環状体１８に塗布される。内側リング１４は、まだ軟磁性リボン環状体１８内に入っている。適した接着剤は、３Ｍ社のＳｃｏｔｃｈＣａｓｔ接着剤にアセトンを容積比で約２０％混合して希釈したものである。接着剤は、環境大気浸漬処理によって軟磁性リボン環状体１８に塗布される。軟磁性リボン環状体１８は、接着剤が層に染み込むまで、接着剤に浸される。
【００１６】
代わりに、接着剤は、軟磁性リボン環状体１８を、排気されている容器の内側で接着剤に浸漬させることによって塗布してもよい。真空にすると、接着剤が軟磁性リボン環状体１８の層内に染み込み易くなる。接着剤は、湿式スプレー又は電着処理を使って、巻き付け工程中に軟磁性リボンに塗布してもよい。別の樹脂、エポキシ、又は接着剤を使用してもよい。他の商品、並びに他の種類の樹脂、エポキシ又は接着剤を使用してもよい。様々な温度を要する熱硬化性エポキシ樹脂、並びに室温で硬化する２段階エポキシも適している。
【００１７】
軟磁性リボン環状体１８は、接着剤を十分染み込ませた後、水気を切る。乾燥後、軟磁性リボン環状体１８は、硬化させるためにオーブンの内側に置かれる。重要なのは、接着剤を熱処理するための温度は、軟磁性金属リボン１０を熱処理するための温度の何分の１かだということである。１／２であるのが望ましいが、１／４でも３／４でもよい。
【００１８】
図２は、内側閉じ込めハット２０を示している。内側閉じ込めハット２０は、内側閉じ込めハット基部２４から上向きに伸張する複数のコラム２２を備えている円筒である。フィンガ２６は、コラム２２からほぼ直角に外向きに伸張している。フィンガ２６は、コラム２２から遠くに伸びるほど、幅が広がっている。フィンガ２６は、円形に配置され、環２８を形成している。コラム２２とフィンガ２６は、複数の内側閉じ込めハット溝２９を形成している。内側閉じ込めハット２０のコラム２２は、内側リング１４の内側に配置される。
【００１９】
コラム２２の高さは、軟磁性金属環状体１８の高さとほぼ等しい。軟磁性金属環状体１８の直径は、環２８の直径とほぼ等しい。
内側閉じ込めハット２０を軟磁性金属環状体１８内に配置した後、図３の外側閉じ込めハット３０が、軟磁性金属環状体１８の回りに配置される。
【００２０】
外側閉じ込めハット３０は、基部３２を有する円筒形である。バー３４が、基部３２から上向きに伸張している。各バー３４の上部には、ラグ３６が内向きに伸張している。各バー３４のラグ３６は、非晶質金属環状体１８を外側閉じ込めハット３０内に固定するためのフランジを形成している。バー３４とラグ３６は、複数の外側閉じ込めハット溝３８を形成している。
【００２１】
次に図４０に示しているミリングアッセンブリ４０が形成される。内側リング１４がまだ入っている軟磁性金属環状体１８は、内側閉じ込めハット２０と共に、外側閉じ込めハット３０内に配置される。ラグ３６とフィンガ２６を整列させる。ミリングアッセンブリ４０には、環状体形状の中に軟磁性金属環状体１８が入っている。代わりに、接着剤で処理する前に、軟磁性金属環状体１８を、外側閉じ込めハット３０及び内側閉じ込めハット２０内に配置してもよい。
【００２２】
接着剤を塗布し、内側リング１４、内側閉じ込めハット２０及び外側閉じ込めハット３０の機械的拘束の中に配置した後では、軟磁性金属環状体１８は、フライス加工の応力に耐えられるだけの構造的完全性を有している。
【００２３】
ミリングプレート４４は、軟磁性金属環状体１８の底部に配置されている。ミリングプレート４４は、巻き付けプレート１６と同じでもよい。
接着剤で処理された軟磁性金属環状体１８は、この様に構造体内に堅く保持されているので、軟磁性金属環状体１８をフライス加工し、三次元に形成することができる。この様に、金属リボン環状体１８から複雑な形状を構築し、軟磁性金属環状体１８から電気機械要素のような構造体を作ることができる。
【００２４】
図５に示すように、ミリングアッセンブリ４０は、ミル５０の中に配置される。ミル５０は、水平ミル、垂直ミル、ＣＮＣ機械、又はどの様な型式のミルでもよい。しかしながら、ミル５０は、軟磁性金属環状体１８の軸に垂直なミルツール５２の回転軸を有していなければならない。軟磁性金属環状体１８の軸に垂直なミルツール５２の回転軸を有していることによって、軟磁性金属環状体１８にフライス加工される溝の深さと幅は、細かく制御することができる。
【００２５】
ミル５０は、軟磁性金属環状体１８に溝又は他の形状を切り込むことができる。軟磁性金属環状体１８内にまだ入っている内側リング１４は、軟磁性金属環状体１８の内側縁の積極的な機械的ストッパとして作用する。内側リング１４は、エポキシ樹脂と連係して、機械加工中に軟磁性金属リボン１０の条片が分離しないようにして、綺麗で正確な切断を行う。
【００２６】
軟磁性金属環状体１８が電気機械要素の形状にフライス加工された後、ミリングアッセンブリ４０は、ミル５０から取り外される。ミリングアッセンブリ５０は、次に、必要に応じて、軟磁性金属リボン１０の製造元の推奨に従って熱処理される。非晶質金属リボン１０がＭｅｔｇｌａｓの場合、熱処理は、ミリングアッセンブリ５０を華氏６９５度の真空炉内にほぼ６０分間配置することになる。軟磁性リボン材料の中には、所望の磁気特性を実現するために熱処理を要するものもあれば、フライス加工工程の結果である、フライス加工された電気機械要素形状内の応力を適切に解放するために熱処理を要するものもある。フライス加工の際の機械的閉じ込めが適切であれば、磁気特性のための熱処理を必要としない材料は、熱処理を先行させることもできると考えられる。
【００２７】
熱処理後に、ミリングアッセンブリ４０は、保持器４２、外側閉じ込めハット３０、内側閉じ込めハット２０、及び内側リング１４を取り外して分解される。軟磁性金属環状体１８は、こうして、図６に示している軟磁性金属電気機械要素６０になっている。
【００２８】
上に説明した方法を使えば、軟磁性金属リボンから三次元の形態を作ることができる。このような三次元の形態は、様々な機械の電気機械要素として使用することができる。
以上、好適な実施形態について説明してきた。特許請求項の範囲で定義している本発明の精神及び広範な態様から逸脱することなく、様々な修正及び変更を施すことができ、それらは、等価物の原則を含む特許法の原理に従って解釈されることになる。例えば、「或る」又は「前記」という冠詞を使って要素に言及しているが、これは、要素を特定のものに制限すると解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】軟磁性金属リボンが内側リングに巻き付けられているところを示している。
【図２】内側の閉じ込めハットを示している。
【図３】外側の閉じ込めハットを示している。
【図４】ミリングアッセンブリを示している。
【図５】ミリングアッセンブリがフライス加工されているところを示している。
【図６】軟磁性金属製の電気機械要素を示している。
【図１】
2007536882.tif 000003
【図２】
2007536882.tif 000004
【図３】
2007536882.tif 000005
【図４】
2007536882.tif 000006
【図５】
2007536882.tif 000007
【図６】
2007536882.tif 000008
【国際調査報告】
2007536882.tif 000009
2007536882.tif 000010
2007536882.tif 000011
2007536882.tif 000012