(57)【要約】【課題】高トルクを発生する圧粉磁心を用いた低鉄損電動機用固定子とその製造方法を提供すること。【解決手段】磁性粉末を圧粉、接合、固化してなる圧粉磁心固定子において、前記磁性粉末の表面が絶縁被膜によって覆われており、前記磁性粉末の磁化容易方向が前記固定子と回転子からなる電動機の稼動時に発生する磁束方向に配向している電動機用固定子。特に、前記磁性粉末が表面を絶縁被膜によって覆われた単結晶鉄粉であることが好ましい。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性粉末を圧粉、接合、固化してなる圧粉磁心固定子において、前記磁性粉末の表面が絶縁被膜によって覆われており、前記磁性粉末の磁化容易軸方向が前記固定子と回転子からなる電動機の稼動時に前記固定子内部に発生する磁束方向に配向していることを特徴とする低鉄損電動機用固定子。
【請求項２】
前記磁性粉末が表面を絶縁被膜によって覆われた単結晶鉄粉であることを特徴とする請求項１に記載の低鉄損電動機用固定子。
【請求項３】
ティース部に巻線コイルを設置した電動機用固定子の金型に磁性粉末及び熱硬化型樹脂を供給し、前記固定子を圧粉する際に前記コイルに直流電流を流し、前記電動機の稼動時と同様の磁束分布を与えた状態で前記磁性粉末を接合、固化することを特徴とする請求項１または２に記載の低鉄損電動機用固定子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機の鉄芯の製造技術に係り、特に鉄粉を圧粉、接合、固化してなる圧粉磁心固定子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から各種電気機器の効率向上が求められている。電機機器の効率は各種要因に影響されるが、電動機の鉄芯で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めている。また、最近では、電圧変換器の小型化や電動機の小型化・高回転化が求められている。この課題を解決するひとつの手段として、非特許文献１に示されるような絶縁被膜された磁性粉末を圧粉、接合、固化してなる圧粉磁心がある。圧粉磁心は、電磁鋼板を積層した鉄芯のような２次元的構造でなく、３次元的な自由度の高い形状にでき、コイル部の導線と鉄芯の隙間を少なくできる等、空間を無駄なく使うことで小型化が可能になる。更に、電磁鋼板を積層した鉄芯に比べ、２ｋＨｚ以上の高周波電流においても飽和磁束密度の低下が少なく、電動機の高回転時におけるトルクの低下および鉄損が小さい。
【０００３】
また、圧粉磁芯を回転子に用いた電動機が特許文献１に開示されている。しかし、本発明者らが実施した試験では、低周波側ではヒステリシス損が大きく、鉄損低下効果が充分ではないということがわかった。
一方、平均粒径０．１〜３０μｍの球状単結晶フェライト微粉末が特許文献２に開示されているが、この発明は磁気テープ等に塗布される磁性材料として使用されるものであり、単結晶フェライト微粉末を圧粉磁芯に用いた発明ではない。
【０００４】
【非特許文献１】
「ユーザーの設計・開発者のための第１０回粉末冶金開発事例発表会／講演テキスト」（第３５〜４２頁、２００２年１１月８日、日本粉末冶金工業会主催）
【特許文献１】
特開２００２−１００５２２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５８１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般に圧粉磁心は、電磁鋼板を打抜き・積層して形成される鉄芯に比べ、低周波電流においては飽和磁束密度が低く、電動機においては低回転時に高いトルクが得られない。
本発明は、圧粉・固化時に磁極によって形成される磁束方向に粉末の磁化容易軸（単結晶鉄粉の場合、結晶方位の＜００１＞方向）を配向させることによって、非特許文献１に示される技術によって製造される電動機に比べ１００Ｈｚの低周波励磁において１．４倍以上の最大トルクおよび０．７倍以下の鉄損を有し、電磁鋼板を打抜き積層し形成される電動機に比べ５ｋＨｚの高周波励磁において２倍以上の最大トルクおよび０．５倍以下の鉄損を有する圧粉磁心からなる電動機用固定子及びその製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、
（１）  磁性粉末を圧粉、接合、固化してなる圧粉磁心固定子において、前記磁性粉末の表面が絶縁被膜によって覆われており、前記磁性粉末の磁化容易軸方向が前記固定子と回転子からなる電動機の稼動時に前記固定子内部に発生する磁束方向に配向していることを特徴とする低鉄損電動機用固定子。
（２）  前記磁性粉末が表面を絶縁被膜によって覆われた単結晶鉄粉であることを特徴とする（１）に記載の低鉄損電動機用固定子。
（３）  ティース部に巻線コイルを設置した電動機用固定子の金型に磁性粉末及び熱硬化型樹脂を供給し、前記固定子を圧粉する際に前記コイルに直流電流を流し、前記電動機の稼動時と同様の磁束分布を与えた状態で前記磁性粉末を接合、固化することを特徴とする（１）または（２）に記載の低鉄損電動機用固定子の製造方法。
である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、前記（１）に係る発明の形態である電動機の構造を示す図である。図１に示す電動機は、ティース２、及びヨーク３からなる固定子１と、その内側に配置された永久磁石５を有する回転子４からなる。図１の固定子１は、表面を燐酸・硼酸・マグネシアの複合酸化物からなる絶縁被膜によって覆われた磁性粉末をエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等の熱硬化型樹脂で固化し成型される。
【０００８】
図２は、前記固定子１の内部拡大図を示す図である。図２において、磁性粉末６は表面を絶縁被膜７によって覆われており、バインダ（熱硬化型樹脂）１０により互いに接合されている。この磁性粉末６の磁化容易軸８が固定子内の磁束９とほぼ平行に配向している。この配向により固定子内の飽和磁束密度および透磁率が向上し、電動機のトルクが向上し、鉄損が低下する。
【０００９】
前記（２）に係る発明の形態として、磁性粉末に単結晶鉄粉を使用し、その磁化容易軸である結晶方位＜００１＞方向を磁束の向きに配向させることで、前記（１）よりも高い飽和磁束密度および透磁率を有する固定子を製造でき、電動機のトルクは従来圧粉磁心を用いたものにくらべ大幅に向上する。
【００１０】
図３は、前記（３）に係る発明の形態である固定子を圧粉成形する際の金型の水平断面図を示す。図３に示される金型１４のティース部１１には、巻線コイル１２が巻かれており、磁性粉末および熱硬化型樹脂を材料供給穴１５から金型１４に充填し圧扮する際に、コイル１２に直流電流を流し、電動機の稼働時における平均的な磁束分布１３を固定子内部に形成させる。磁性粉末の磁化容易軸（単結晶鉄粉の場合、＜００１＞方向）は、コイルに流れる電流が形成する磁場によって、磁束１３とほぼ平行に配向される。磁性粉末および熱硬化型樹脂の充填方法は上記の方法に限らず、固定子の金型に上方から添加したり、圧入したり、他の方法により適宜実施することができる。
この方法により製造される固定子は、電動機稼働時における飽和磁束密度および透磁率が従来圧粉磁芯に比べて大幅に向上し、電動機のトルク向上が狙える。
【００１１】
【実施例】
［実施例１］
本発明の一実施例について、水平断面図の図４、垂直断面図の図５に示される電動機を作成した。寸法は、以下の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示される。
（ａ）固定子１６：ティース部１７の先端の半径Ｒｔ＝２５ｍｍ、ヨーク部１８の内周半径Ｒｓｉ＝４０ｍｍ、ヨーク部１８の外周半径Ｒｓｏ＝５５ｍｍ、固定子の高さＨｓ＝２０ｍｍ。
（ｂ）回転子１９の外周半径Ｒｒｏ＝２４．８ｍｍ。
（ｃ）固定子１６および回転子１９に使われる磁性粉末は、粒径Ｒｐ＝０．５〜１００μｍの鉄粉である。
なお、回転子に組み込まれる永久磁石は圧粉する前に金型の所定の位置に挿入し、鉄粉の固化と同時に回転子内部に固定される。
【００１２】
また、上記固定子を形成するための金型を図６に示す。図６における金型２０のティース部２１には、巻線コイル２２が設置され、材料供給穴２４より鉄粉および熱硬化型樹脂の混合物を供給し、上記固定子１６を圧粉する際にコイル２２に１０Ａの直流電流を流すことで固定子１６の内部に電動機稼働時の平均的な磁場２３を形成し、磁性鉄粉の磁化容易軸を磁束と平行に配向させた状態で熱硬化型樹脂（ポリイミド系樹脂）によって固化した。
【００１３】
同一寸法での従来圧粉磁芯固定子および同一回転子からなる電動機を１００Ｈｚ、５ＡＴｒｍ／ｍｍ２で稼働すると、０．３４Ｎｍのトルクであった。
本発明の電動機を１００Ｈｚ、５ＡＴｒｍ／ｍｍ２で稼働すると、０．６０Ｎｍのトルクが得られ、従来の圧粉磁芯から成る電動機の１．７６倍のトルクが得られた。
【００１４】
同一寸法で無方向性電磁鋼板積層し形成される固定子および同一回転子からなる電動機を５ｋＨｚ、５ＡＴｒｍ／ｍｍ２で稼働すると、０．２７Ｎｍのトルクであった。
本発明の電動機を５ｋＨｚ、５ＡＴｒｍ／ｍｍ２で稼働すると、０．５７Ｎｍのトルクが得られ、従来の無方向性電磁鋼板積層し形成される固定子から成る電動機の２．１１倍のトルクが得られた。
【００１５】
［実施例２］
更に、トルクの向上を狙った本発明の一実施例として、実施例１における磁性粉末に単結晶鉄粉（粒径２００μｍ以下）を使用した。電動機の寸法等は、実施例１と同様である。
上記手法によって形成された電動機を１００Ｈｚ、５ＡＴｒｍ／ｍｍ２で稼働すると、０．７２Ｎｍのトルクが得られ、従来の圧粉磁芯の２．０６倍のトルクが得られた。上記手法によって形成された電動機を５ｋＨｚ、５ＡＴｒｍ／ｍｍ２で稼働すると、０．６６Ｎｍのトルクが得られ、従来の無方向性電磁鋼板積層し形成される固定子から成る電動機の２．４４倍のトルクが得られた。
【００１６】
【発明の効果】
本発明により、従来圧粉磁芯に比べ低周波数電流による稼働時におけるトルクを５０％以上向上し、電磁鋼板を積層し得られる電動機に比べ高周波数電流による稼働時におけるトルクを１００％以上向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固定子の鳥瞰図。
【図２】図１に示される固定子の内部拡大図。
【図３】図１に示される固定子成形のための金型の図。
【図４】本発明である固定子の水平断面図。
【図５】本発明である固定子の垂直断面図。
【図６】本発明である固定子成形のための金型の水平断面図。
【符号の説明】
１  固定子                          ２  ティース
３  ヨーク                          ４  回転子
５  永久磁石                        ６  磁性粉体
７  絶縁被膜                        ８  磁性粉体の磁化容易軸
９  固定子内部に形成される磁束      １０  バインダ
１１  金型のティース部              １２  巻線コイル
１３  巻線コイル１２が形成する磁束  １４  固定子の金型
１５  材料供給穴                    １６  本発明の固定子
１７  本発明の固定子のティース      １８  本発明の固定子のヨーク
１９  回転子                        ２０  本発明の固定子の金型
２１  金型のティース部              ２２  金型の巻線コイル
２３  金型の巻線コイル２２が形成する磁場
２４  材料供給穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004282832.tif 000005
【図４】
2004282832.tif 000006
【図５】
2004282832.tif 000007
【図６】
2004282832.tif 000008