(57)【要約】【課題】  信頼性の高い外転型回転電機を提供することである。【解決手段】  固定子コアと、前記固定子コアの磁極を作成するために巻き回されている固定子巻線と、前記固定子の外周側に配置される回転子とを有する外転型回転電機において、固定子コアは磁性粉で構成され、前記回転子のシャフトを支える軸受けは非磁性粉で構成され、前記固定子コアと前記軸受けは粉体単位で結合されていることを特徴とすることである。【選択図】図１
2008245438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コアと、前記固定子コアの磁極を作製するために巻き回されている固定子巻線と、前記固定子の外周側に配置される回転子とを有する外転型回転電機において、
固定子コアは磁性粉で構成され、前記回転子のシャフトを支える軸受けは非磁性粉で構成され、前記固定子コアと前記軸受けは、粉体に起因する凹凸が互いに嵌合していることを特徴とする外転型回転電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記回転電機は、クローポール型モータ又はスロット型モータであることを特徴とする外転型回転電機。
【請求項３】
請求項１において、
前記非磁性粉末は、Ｃｕを主成分とし、Ｓｎ，ＮｉおよびＺｎのうちの少なくとも１種を含む混合粉または合金粉であることを特徴とする外転型回転電機。
【請求項４】
請求項１において、
前記軸受け部は、固定子コアに比べ密度比が小さいことを特徴とする外転型回転電機。
【請求項５】
請求項１において、
前記軸受けの内周面には、凹凸部が設けられていることを特徴とする外転型回転電機。
【請求項６】
固定子コアと、前記固定子コアの磁極を作製するために巻き回されている固定子巻線と、前記固定子の外周側に配置される回転子とを有する外転型回転電機の製造方法において、
仮成形した軸受けと固定子コアの粉末材料を圧縮成形して一体的に製造することを特徴とする外転型回転電機の製造方法。
【請求項７】
固定子コアと、前記固定子コアの磁極を作製するために巻き回されている固定子巻線と、前記固定子の外周側に配置される回転子とを有する外転型回転電機において、
固定子コアの回転子のシャフトを支える部分は、その他の部分と組成の異なる粉末材料で構成されていることを特徴とする外転型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外転型回転電機の固定子コアの軸受け構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の軸受けに関する公知例として、特開２００２−２６２５０８号公報(特許文献１)や特開２００５−４５８９０号公報（特許文献２）に記載されているように、スロット型モータやクローポール型モータにおいて、固定子コアに軸受けを一体的に取り付けたことが開示されている。
【０００３】
さらに、特開２００３−１７４７６１号公報（特許文献３）に記載のように軸受けを鉄系の焼結合金で構成したものが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６２５０８号公報
【特許文献２】特開２００５−４５８９０号公報
【特許文献３】特開２００３−１７４７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
引用文献１や引用文献２の固定子コアに軸受けを一体的に取り付け方法としては、固定子コアと軸受けをそれぞれ別個に作製し、軸受けを圧入や冷嵌め等により一体的に成形していると考えられる。しかし、圧入や冷嵌めにより成形する方法は、どうしても組立工程における寸法誤差が発生するという課題がある。また、固定子コアを磁性粉末により圧縮成形して製造したものに軸受けを圧入や冷嵌めをおこなうと固定子コアが圧力により割れてしまうという課題もある。
【０００６】
また、引用文献３は、磁気回路を構成する部材と同一の鉄系部材で構成されるために、錆による軸受けとシャフトの固着の問題や漏れ磁束によるシャフト及び軸受け部の鉄損増大が発生する課題がある。更に、軸受け部と磁気回路にステンレス系の材料を用いた場合には磁気特性の劣化からモータとしての特性が低下する課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
外転型回転電機において、固定子コアは磁性粉で構成され、軸受けは非磁性粉で作製され、前記固定子コアと前記軸受けは粉体に起因する凹凸での絡みが形成されていることである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば信頼性の高い外転型回転電機を提供できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施例を図１〜図６により説明する。図１は単相モータの回転子と固定子を軸方向に引き離した状態を示したものである。まず、構成について説明する。回転子１には椀状の回転子ヨーク２とその中心部にシャフト４が取り付けられている。更に、回転子ヨーク２の内周面には永久磁石３が配置されている。本実施例では４極の単相モータなので、永久磁石３は４極に着磁されている。次に、固定子１０について説明する。固定子１０は固定子コア１１ａと固定子コア１１ｂがお互い機械角で９０度ずれて向き合って構成されている。その中心部には固定子巻線１２が配置されている。固定子コア１１ａと１１ｂの中心部には回転子１のシャフト４が貫通する軸受け部１３の穴が設けられており、シャフト４は軸受け１３に摺動して回転可能である。先に述べた、固定子巻線１２に電流を流すと例えば固定子コア１１ａがＮ極、固定子コア１１ｂがＳ極となり４極の磁極を構成するようになる。この固定子巻線１２の電流方向は、向かい合う回転子１の永久磁石３の極性により電流方向を切り換えることで、回転子を一定方向に連続して回転できるようにしている。固定子巻線の電流方向の切り換えに関しては、図示していないが回転子の永久磁石の磁極を検出するホールセンサー等により極性を判断して電流の方向を決めるようになっている。本実施例は、モータ単体を示した説明となっているが、回転子１の回転子ヨーク２の外周側にファンを取り付ければファンモータとなる。
【００１０】
図２は図１に示した固定子１０の軸方向展開図を示したものである。本発明の実施例では単相モータであるので、固定子コア１１ａ及び固定子コア１１ｂの磁石と接する面にテーパー部１５ａおよび１５ｂが配置されている。固定子コア１１ａと１１ｂにテーパー部１５ａおよび１５ｂを配置することで、回転子１の停止する位置をステータの磁極中心からずらすことが可能になる。このテーパー部１５ａと１５ｂが無い場合には、永久磁石３の磁極中心に固定子コア１１ａと１１ｂの磁極中心が重なり、固定子巻線１２にどちらの方向に電流を流しても起動できない位置関係となる。しかし、先にも述べたように固定子コア１１ａと１１ｂの外周面にテーパー部１５ａと１５ｂを設けることで、回転子の停止位置が機械角で１５度程度ずれた位置に停止することになる。この場合４極なので、電気角のずれは２倍の３０度となり固定子巻線１２に電流を流すことでトルクを発生できる。
このように、固定子コア１１ａと１１ｂにテーパー部１５ａと１５ｂを付けることで、回転子１の停止しやすい位置が決まることは、回転子と固定子間にコギングトルクが発生することになる。このコギングトルクは、先に述べた固定子巻線電流による通電トルクとの合成トルクにより、滑らかな回転運動を得られるようになっている。図３は、回転子１の構造を示したもので円筒状に構成される回転子ヨーク２に均一の厚みを持った永久磁石３が内周面に配置されている。
【００１１】
以上、図１〜図３で述べた構成において、回転子１と固定子１０の製造方法について説明する。回転子１の回転子ヨーク２は永久磁石３の磁気回路を構成できるように、永久磁石３と極力隙間がないように接着されている。永久磁石３の磁極作製に関しては、着磁した永久磁石を貼り付けても良いし、未着時磁石を回転子ヨーク２に取り付けた後に着磁ヨーク（図示せず）で着磁しても良い。この場合の回転子ヨーク２の材質は通常鉄の平板を絞り加工によって、お椀状に変形したものである。更に、回転子ヨーク２の中心部に設けるシャフトは、回転子ヨーク２の平面に対して垂直に取り付けられている。このシャフト４は一般的なシャフト材であるが、ＤＬＣ(Diamond Like Carbon) をコーティングして更に潤滑度を上げても良い。
【００１２】
また、固定子側においては固定子コア１１ａと１１ｂは別々に圧粉磁心を固めて成形したもので、焼結材のように高温で焼いたものではなくプレスにより押し固められたものである。鉄心の密度としては７.５ｇ／cm3程度のもので一般的な鉄材に対して遜色ない磁気特性を示すものである。図２に示した固定子コア１１ａの外周部は、先に述べた回転子の永久磁石面に対して対向する部分であるが、固定子巻線１２と重なり合う部分にはボス部１６が形成され、反対側から組み付けられる固定子コア１１ｂのボス部と面接触で磁気的に連結される。これらの固定子コア１１ａと１１ｂの中心部には軸受け部１３が配置されるが、この軸受け部１３は、軸受け部１３を銅粉等の非磁性粉により仮成形したものを、片側の固定子コア１１と一体成形し、粉体単位で圧縮結合させた後、熱処理したものである。その後、固定子コアと、固定子巻線１２と、軸受け部１３と一体成形した固定子コアとを組み合わせることでモータを構成できるようになる。この軸受け部には、潤滑油を含浸してありシャフトとの摩擦を最小限に出来るようになっている。
【００１３】
なお、軸受け部の圧粉成形体は焼結され含油軸受けとして使用される。そのため、固定子コアと軸受け部を一体成形した圧粉成形体を熱処理することにより、軸受け部を焼結する方法がまず考えられる。軸受け部は、Ｃｕを主成分とし、Ｓｎ，ＮｉおよびＺｎのうちの少なくとも１種を含む混合粉または合金粉を焼結した銅合金から構成すると、軸受け部を非磁性にできるとともに、軸受け部に適度の強度となじみ性を付与できるので好ましい。また、上記のように固定子コアの熱処理と軸受け部の焼結が同時に為される場合、固定子コアの作製に使用した磁性粉の絶縁皮膜と添加樹脂の耐熱温度が軸受け部の焼結に要する温度以上であることが好ましい。この点で上記成分の銅基混合粉もしくは銅基合金粉に、融点が２３２℃と低い錫粉を添加して用いると、焼結温度を２５０〜５５０℃と低くできるため好適である。また、他の方法としては、固定子コアを焼結磁心として作製した後に、焼結済みの固定子コアの内径部に軸受け部の仮成形体をセットするか又は粉末を充填して圧縮成形し軸受け部を作製し、その後に軸受けの焼結を行う方法が考えられる。さらに他の方法として、焼結済の軸受け部をセットして、その外径部に固定子コアの仮成形体をセットするかまたは粉末を充填して圧縮成形して固定子コアと軸受け部を一体成形し、その後固定子コアの熱処理もしくは焼結を行う方法が考えられる。この場合には軸受け部は既に焼結されたものを用いるため、固定子コアの作製に使用した磁性粉の絶縁皮膜と添加樹脂の耐熱温度について考慮する必要が無くなる。
【００１４】
上記のようにして固定子コアと軸受け部を一体成形すると、両者の界面では各々の粉末粒子の間で互いに絡みが発生し、熱処理後に両者の界面は粉末粒子に起因する凹凸が互いに嵌合し合っている状態となる。したがって固定子コアから軸受け部を抜き出す力が加わったとしても両者の凹凸が嵌合して強固に一体化しており、容易には抜き出すことができない。一方、従来の圧入，冷やし嵌めによる一体化では両者の界面の凹凸の嵌合状態が小さいため、より小さい圧力で固定子コアと軸受け部が抜き出されてしまうこととなる。
【００１５】
軸受け部１３のシャフト４との摺動面は単純な円筒形状でもよいが、図４に示すように軸方向に貫通する凹凸を設けてもよい。このように構成すると凹部２０に貯留した潤滑油がシャフト４の回転につれて凸部２１へ引き込まれ、凸部２１で動圧を発生して油膜強度を高めて、安定した潤滑状態が形成される効果が有る。これらの凹凸部２０，２１は固定子コア１１の本成形時に型により成形するか、または後加工で溝を設けるようにしても良い。
【００１６】
以上述べたように、軸受け部１３を固定子コア１１と同時に成形により一体成形することで、２種類の材料が粒子単位で結合させることが出来るため、従来のように、圧粉磁心で作製した固定子コアの中心部にベアリングを挿入した場合に発生する、ガタ付き等の心配が無くなる効果が有る。更に、締め代がきつい場合に発生する圧粉磁心の割れや欠けなどの心配が無くなるし、量産時の個体バラツキを低減できる。また、材料が粉末粒子に起因する凹凸が互いに嵌合し合っている状態となるため組立界面の強度を高くすることができる。
【００１７】
次に、図５を用いて軸受け部が２個独立に配置される場合について説明する。今までの実施例では軸受け部１３が１つであったため固定子巻線１２の内周側に軸受け部が存在し、更に軸受け部が非磁性体で構成されていたため中心部の磁気回路が狭くなる課題点があった。そこで、軸受け部１３を固定子コア１１ａと１１ｂにそれぞれ配置すれば固定子コア１１ａと１１ｂのボス部の面積を大きくすることが出来る。この場合においても、製作手順としては軸受け部１３を銅粉等の非磁性体粉を仮成形し造形した後、固定子コア１１も鉄粉で仮成形して造形する。そして、この２つの部材を重ね合わせて最終形状になるようにプレスで圧力を加えて一体に成形する。作製された固定子コア１１ａと１１ｂの中心部に固定子巻線１２を配置した後更に再度プレスにより２つの固定子コアを結合しても良い。この場合、全体に加重を加えると固定子コアの磁極部および固定子巻線１２に変形が及ぶ場合には、ボス部１６ａとボス部１６ｂの中心に磁性材料で作製した円筒状のリングを入れて組み立てても良い。更に、軸方向に磁束が流れる構造であることから、周方向に２分割や３分割した磁性部材を用いても良い。固定子コア１１ａと１１ｂのボス部１６ａと１６ｂの突き合わせ面は磁気的なギャップが発生しないように極力平面度が出ていることが重要である。そのために、ボス部１６は成形時の基準面とすることが重要である。しかし、面の精度が出ない場合には後加工で面出しをしても良い。
【００１８】
軸受け部１３においては、十分な潤滑油の含浸が必要であるため、密度比を小さくして多孔質に形成される。一方、固定子コアは鉄の占積率が磁束密度に影響するため、磁束密度向上の観点より高密度に成形される。このため軸受け部の密度比を小さく、かつ固定子コアの密度比を大きく形成することが好ましい。
【００１９】
図９に簡略化した軸受け部と固定子コアをプレス機で圧縮成形する図の一例を示している。作製方法は、軸受け部の銅粉を仮成形にて円筒状としておき成形型の中心に配置し、その後、固定子コアの粉末材料を型に充填する（図９（ａ））。次いで、仮成形された軸受け部と固定子コアの粉末材料を同時にプレスすることで軸受け部と固定子コア部とが一体的に成形される（図９（ｂ））。このとき、固定子コアの成形圧力を高い圧力で、軸受け部の成形圧力を低い圧力で、各々成形することにより、密度比の高い固定子コアと密度比の低い軸受け部を兼ね備えたものを得ることができる。一体化成形の後、下パンチを相対的に上昇させて一体化した固定子コアが型より取り出される（図９（ｃ））。また、固定子コアの粉末材料よりも軸受け部の粉末充填量を小さくなるよう調整して充填し、成形後に同一高さとなるよう成形することが好ましい。このような方法により圧縮成形することにより、固定子コアと軸受け部は図９（ｄ）のように境界面で粒子同士が絡み合っていることがわかる。また、固定子コアは高い成形圧力で成形され緻密になっており、軸受け部は低い成形圧力で成形され、低密度となっていることがわかる。このような状態から熱処理（軸受け部の焼結）を経ることにより、両者の境界面で粉体に起因する凹凸が互いに嵌合した状態を形成して、その結合面の機械的強度を高くすることができ、また、高い密度比の固定子コアと低い密度比の軸受け部を得ることができる。
【００２０】
以上で述べたように本発明では固定子コアと軸受けを粒子に起因する凹凸での絡みが形成できるように、固定子コアの成形時に軸受け部を一体的に成形することで、軸受けの精度向上及び量産時のバラツキの低減，後処理でのベアリングの挿入作業が低減できる効果が有る。更にこれらの効果によりコスト低減が可能となる。
【００２１】
また、軸受けを固定子コアの材料である鉄系部材と異なるもので成形しているために、錆による軸受けとシャフトの固着の課題を解決できる。また、漏れ磁束によるシャフト及び軸受け部の鉄損増大の発生も防止することができる。更に、軸受け部と磁気回路にステンレス系の材料を使用する必要もなく、磁気特性の劣化からのモータとしての特性が低下することも考えられない。また、固定子コアを磁性粉末により圧縮成形して製造したものに軸受けを圧入や冷嵌めを行わないため、固定子コアが圧力により割れてしまうという課題も解決できる。
【００２２】
以上のように本発明は様々な観点から、信頼性の高い回転電機を提供できるという効果がある。
【００２３】
なお、本実施例では、単相のクローポール型モータについて述べたが、図６のように３相のクローポール型モータであってもよい。この場合、６個の固定子コアの少なくとも１個に軸受けを一体化すれば良く、６個の全てに軸受けを一体化しても良い。なお、６個の固定子コアのうち、両端に位置する固定子コアに軸受けを一体化する構成とすれば、シャフトの振れを最小とするとともに、中間に軸受けがないため余分なトルクロスが生じないので好ましい。３相のクローポール型モータであると、固定子に回転磁界が発生するために、単相モータと異なりテーパー部を設ける必要がない。
【００２４】
また、クローポール型モータだけでなく図７や図８のように従来のスロット型の外転型モータであっても良い。
【００２５】
さらに、実施例では回転子の永久磁石の極数は４極であったが、４極に限定されることはない。
【００２６】
また、本発明は、軸受け部という言葉を用いてはいるが、軸受け部という概念にとらわれず、固定子のシャフトを支える部分が固定子のその他の部分と組成の異なる粉末材料で構成されていると考えても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第一の実施例を示した斜視図。
【図２】本発明の第一の実施例を示した斜視図。
【図３】本発明の第一の実施例で回転子を示した斜視図。
【図４】本発明の第一の実施例の軸受け部の内周面形状を示した斜視図。
【図５】本発明の第二の実施例を示した斜視図。
【図６】３相のクローポール型モータの一例。
【図７】スロット型の外転型モータの一例。
【図８】スロット型の外転型モータの一例。
【図９】固定子コアと軸受け部の一体化成形の一例。
【符号の説明】
【００２８】
１  回転子
２  回転子ヨーク
３  永久磁石
４  シャフト
１０  固定子
１１ａ，１１ｂ  固定子コア
１２  固定子巻線
１３  軸受け部
１５ａ，１５ｂ  テーパー部
１６ａ，１６ｂ  ボス部
２０  凹部
２１  凸部
２２ａ  粒径大
２２ｂ  粒径中
【図１】
2008245438.tif 000003
【図２】
2008245438.tif 000004
【図３】
2008245438.tif 000005
【図４】
2008245438.tif 000006
【図５】
2008245438.tif 000007
【図６】
2008245438.tif 000008
【図７】
2008245438.tif 000009
【図８】
2008245438.tif 000010
【図９】
2008245438.tif 000011