特許 6395028 回転電機用コアの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6395028

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】回転電機用コアの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 15/02 20060101AFI20180913BHJP

【ＦＩ】

   H02K15/02 D

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-112373(P2014-112373)

(22)【出願日】2014年5月30日

(65)【公開番号】特開2015-228713(P2015-228713A)

(43)【公開日】2015年12月17日

【審査請求日】2017年4月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】日立金属株式会社

(72)【発明者】

【氏名】松本 俊一郎

(72)【発明者】

【氏名】杉山 雄太

【審査官】 三島木 英宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２６２９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−００５５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１２７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０３８７０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−９５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２９６３００（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ １５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軟磁性材料からなるコア片を回転軸方向に積層してなる回転電機用コアの製造方法であって、
軟磁性急冷合金薄帯をエッチングして、長手方向に配列させたプレス位置決め穴を有する枠部と、長手方向に配列させたコア部と、枠部とコア部とを連結する連結部とを形成するエッチング工程と、
エッチング工程により形成したエッチング薄帯をリールに巻き取るリール形成工程と、
前記リールからエッチング薄帯を巻き出しつつ、前記プレス位置決め穴を基準として前記連結部をプレス打ち抜きしてコア片を得るコア片形成工程と、
コア片を積層して回転電機用コアを得る積層工程とを有し、
前記エッチング工程において、前記コア部として、回転子部と、該回転子部の外側に配置した固定子部と、固定子部と回転子部とを連結するコア部間連結部とを形成すると共に、前記回転子部に回転子ガイド穴を形成し、
コア片形成工程において、前記回転子部、コア部間連結部、固定子部の順にプレス打ち抜きすると共に、
前記回転子部のプレス打ち抜きを行う装置は、第１下パンチ、第１上パンチ、プレス打ち抜き後の回転子部の位置を固定するガイドピン、及び、プレス打ち抜きされる回転子部を受ける回転子部受けを備え、前記第１下パンチ及び第１上パンチにより前記回転子部を前記コア部間連結部からプレス打ち抜きすると同時に、前記回転子ガイド穴に前記回転子部の位置を固定するガイドピンを挿入して前記回転子部受けで前記回転子部を積層可能な構造であることを特徴とする回転電機用コアの製造方法。

【請求項2】

前記エッチング工程において、前記固定子部に固定子ガイド穴を形成し、
前記固定子部のプレス打ち抜きを行う装置は、第３下パンチ、第３上パンチ、プレス打ち抜き後の固定子部の位置を固定するガイドピン、及び、プレス打ち抜きされる固定子部を受ける固定子部受けを備え、前記第３下パンチ及び第３上パンチにより前記固定子部を前記連結部からプレス打ち抜きすると同時に、前記固定子ガイド穴に前記固定子部の位置を固定するガイドピンを挿入して前記固定子部受けで前記固定子部を積層可能な構造であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機用コアの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電機やモータのコアである回転電機用コアの製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

回転電機である発電機やモータとして、回転電機用コアである固定子や回転子に軟磁性材料を利用したモータが広く使用されている。特に注目されるのは、制御性に優れた、永久磁石を軟磁性材料に埋め込んだ永久磁石埋込型の同期モータ（IPMSM）である。このモータは、マグネットトルクとリラクタンストルクの両方を利用するものであり高効率である。また、高価な永久磁石をなくし、回転子に磁気バリアとなる空隙を配置したリラクタンスモータも注目されている。
これらの回転子には、永久磁石を保持する空間やリラクタンスを形成する空間の形成が必要であり、高精度の加工が必要である。
一方、回転子に組み合わされる固定子には、制御性を高めるため、回転子に対向して多数の磁極を配置する必要がある。典型的な固定子は、リング状であって磁極を周回配置させた形状を有している。そのため、固定子にも、高精度の加工が必要となる。

【0003】

また、回転電機のコアに適用する軟磁性材料として、軟磁性非晶質合金や軟磁性ナノ結晶合金などの軟磁性急冷合金を用いた回転電機用コアが提案されている。（特許文献１、特許文献２、特許文献３ 参照）
これらの材料は、組織上の理由から珪素鋼などの単純な結晶質材料に比較して固有抵抗が高いこと、また、通常50μｍ以下の板厚であり積層して構成することで渦電流損失を低減できるという利点がある。

【0004】

ところで、回転電機のコアは、回転電機の回転軸方向から見て同一形状とする場合が多い。そのため、軟磁性急冷合金の通常の形態である薄帯を素材として用いるには、まず、薄帯を所定のコア形状になるようにプレス加工あるいはエッチング加工を行い、コア片を得る。そして、このコア片を積層することで回転電機用コアを形成することになる。
永久磁石埋込型モータやリラクタンスモータなどの複雑形状のコア片を得る工程として、エッチング加工を適用することは、加工による新たな歪が入りにくいため、クラックが発生しにくく、また磁気特性への影響も少ないというメリットが期待される。この利点は、一般の結晶質材料よりも機械的強度が大きい軟磁性急冷合金薄帯を素材として用いる場合に特に有効と考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００６−５１６８７７号公報

【特許文献2】特開２００８−２６２９４４号公報

【特許文献3】特開２００９−５５３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところが、現実的にはエッチング加工によるコア片の製造は普及していない。この理由は、これまでの回転電機用コアでは、あまり複雑な形状が求められていなかったこと、及びプレス加工は高速で加工できるという利点があるためと考えられる。一方、上述したとおり、回転電機の特性の観点からは複雑形状を寸法精度良く形成でき、かつ機械加工歪による軟磁気特性の劣化も小さいエッチング加工が軟磁性急冷合金薄帯を利用する上では好適である。
本発明の目的は、上記課題に鑑み、軟磁性急冷合金薄帯を素材として、エッチング加工におけるメリットを享受しつつ、生産性の高い回転電機用コアを得る製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者等は、所定のエッチング加工とプレス打ち抜きとを組み合わせる手法を見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、軟磁性材料からなるコア片を回転軸方向に積層してなる回転電機用コアの製造方法であって、
軟磁性急冷合金薄帯をエッチングして、長手方向に配列させたプレス位置決め穴を有する枠部と、長手方向に配列させたコア部と、枠部とコア部とを連結する連結部とを形成するエッチング工程と、
エッチング工程により形成したエッチング薄帯をリールに巻き取るリール形成工程と、
前記リールからエッチング薄帯を巻き出しつつ、前記プレス位置決め穴を基準として前記連結部をプレス打ち抜きしてコア片を得るコア片形成工程と、
コア片を積層して回転電機用コアを得る積層工程とを有し、
前記エッチング工程において、前記コア部として、回転子部と、該回転子部の外側に配置した固定子部と、固定子部と回転子部とを連結するコア部間連結部とを形成すると共に、前記回転子部に回転子ガイド穴を形成し、
コア片形成工程において、前記回転子部、コア部間連結部、固定子部の順にプレス打ち抜きすると共に、
前記回転子部のプレス打ち抜きを行う装置は、第１下パンチ、第１上パンチ、プレス打ち抜き後の回転子部の位置を固定するガイドピン、及び、プレス打ち抜きされる回転子部を受ける回転子部受けを備え、前記第１下パンチ及び第１上パンチにより前記回転子部を前記コア部間連結部からプレス打ち抜きすると同時に、前記回転子ガイド穴に前記回転子部の位置を固定するガイドピンを挿入して前記回転子部受けで前記回転子部を積層可能な構造であることを特徴とする回転電機用コアの製造方法である。
また、本発明は、上記の製造方法において、
前記エッチング工程において、前記固定子部に固定子ガイド穴を形成し、
前記固定子部のプレス打ち抜きを行う装置は、第３下パンチ、第３上パンチ、プレス打ち抜き後の固定子部の位置を固定するガイドピン、及び、プレス打ち抜きされる固定子部を受ける固定子部受けを備え、前記第３下パンチ及び第３上パンチにより前記固定子部を前記連結部からプレス打ち抜きすると同時に、前記固定子ガイド穴に前記固定子部の位置を固定するガイドピンを挿入して前記固定子部受けで前記固定子部を積層可能な構造であるものを用いることができる。

【0008】

本発明においては、エッチング工程において、前記コア部として、回転子部と、該回転子部の外側に配置した固定子部と、固定子部と回転子部とを連結するコア部間連結部とを形成し、
コア片形成工程において、回転子部、コア部間連結部、固定子部の順にプレス打ち抜きすることが好ましい。

【発明の効果】

【0009】

本発明は、軟磁性非晶質合金や軟磁性ナノ結晶合金からなる回転電機用コアを効率よく製造するのに有効な手段となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の製造方法に適用するエッチングパターンの一例を示す図である。

【図2】本発明の製造方法に適用するエッチングパターンの別の例を示す図である。

【図3】本発明の製造方法に適用するエッチングパターンにおける連結部の例を示す拡大図である。

【図4】本発明の製造方法に適用するコア形成工程の一例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の重要な特徴の一つは、軟磁性急冷合金薄帯をエッチングして、長手方向に配列させたプレス位置決め穴を有する枠部と、長手方向に配列させたコア部と、枠部とコア部とを連結する連結部とを形成するエッチング工程を採用したことにある。
エッチング工程は、一般に軟磁性急冷合金薄帯にフォトレジストによるパターニングを行い、エッチング液を軟磁性急冷合金薄帯に吹き付けて行なわれる。つまり、エッチング工程におけるパターニングによって、プレス位置決め穴とコア部と連結部とを形成すれば、これらの位置を正確に定めることができることになる。
プレス位置決め穴が正確に定められれば、プレス位置決め穴を基準として前記連結部からコア部を正確にプレス打ち抜きして形成することが可能となる。

【0012】

また、プレス打ち抜きは、加工による新たな歪の発生をできるだけ避けることが好ましく、そのためには対象部位は、できるだけ狭いほうが良い。本発明におけるプレス打ち抜きの対象部位となる連結部は、コア部と枠部とを連結するものであり、エッチング工程で枠部とコア部が分離してハンドリングできなくなるのを防止するものであって広い幅とする必要はなく、プレス打ち抜きの対象部位として好適である。これにより、本発明は、高精度の加工が必要な部分は、エッチング加工で対応できるとともに、プレス打ち抜き前はハンドリング性が良好な帯形態を維持することができるため生産性が高いものとなる。

【0013】

以下、図面を用いて、本発明を詳細に説明する。なお、各図に示すのは一例であって、本発明の範囲は、各図に示す範囲に限定されるものではない。
本発明においては、まず、軟磁性急冷合金薄帯を準備する。軟磁性急冷合金薄帯としては、例えば鉄系の軟磁性非晶質合金薄帯や、鉄系の軟磁性ナノ結晶合金薄帯が適用できる。なお、軟磁性ナノ結晶合金をコア材とする場合は、軟磁性ナノ結晶組織を発現可能な軟磁性非晶質合金薄帯を用い、後の工程において熱処理によりナノ結晶組織に調整することもできる。
これらの薄帯は、合金溶湯を冷却ロール上に注湯するなどして得られるものであり、リールに巻きまわした形態でハンドリングされる場合が多い。

【0014】

（エッチング工程）（リール形成工程）
本発明において、準備した軟磁性急冷合金薄帯にエッチング工程を適用する。
エッチング工程は、例えばリールから軟磁性急冷合金薄帯を巻き出し、軟磁性急冷合金薄帯の両面にフォトレジストを塗付し、次いでマスキングし、露光することで、長手方向に配列させたプレス位置決め穴を有する枠部と、長手方向に配列させたコア部と、枠部とコア部とを連結する連結部とをパターニングする。これを軟磁性急冷合金薄帯の全長に対して行なう。また複数のリールから巻きだした薄帯を重ねて多層化した帯の両面をマスキング、露光しパターニングすることも可能である。
次に、一旦巻き取った軟磁性急冷合金薄帯をエッチングラインに通して、軟磁性急冷合金薄帯の一面側あるいは両面側からエッチング液を吹き付けて、エッチングを行なう。その後、エッチング液を除去するリンス工程を経た後、エッチングパターンを形成した軟磁性急冷合金薄帯をリールに巻き取る。

【0015】

図１に本発明の製造方法を適用する、永久磁石埋込型の同期モータ用コアのエッチングパターンの一例を示す。図１は、同一形状のコア部となる回転子部１と固定子部２とを軟磁性急冷合金薄帯の幅方向に二つ形成し、長手方向に配列する例であり、コア部の外周には、長手方向に配列させたプレス位置決め穴４を有する枠部３を有する。
また、回転子部１と固定子部２とは、コア部間連結部５で連結支持されており、固定子部２と枠部３とは、連結部６で連結支持されている。また、一つのコア部単位において、コア部間連結部５と連結部６とは、それぞれ９０度ずつずらした位置に４箇所ずつ設けられている。
また、回転子部１には、積層時の位置合わせを行なう回転子ガイド穴１０、永久磁石埋込用の磁石配置用穴１２及び中心軸を取り付ける軸穴１３を形成している。
また、固定子部２には、積層時の位置合わせを行なう固定子ガイド穴１１、磁極１４が設けられている。

【0016】

図２は、本発明のコア部のエッチングパターンの別の例を示す図であり、枠部３を省略した図である。
図２（ａ）は、参考のために図１と同じパターンを示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のパターンに対して回転子ガイド穴１０と固定子ガイド穴１１を形成しないパターンを示す図である。
図２（ａ）において形成する積層時の位置合わせのためガイド穴１０，１１は、組み立て精度を向上するために有効であるが、一方、磁路の一部に空隙を設けると磁気特性が局部的に変化してしまうことになり、発生するトルクの不均一性を助長する恐れがある。そのため特性的には図２（ｂ）形態が好ましい。
なお、図２（ｂ）の形態での、回転子部１の積層時の位置合わせは、磁石配置用穴１２を用いることができ、固定子部２の位置合わせは、固定子部２の磁極１４の側面部を用いることができる。

【0017】

図２（ｃ）は、図２（ｂ）に対して、軸穴１３形状をキー溝形状としたものである。軸穴１３近傍の形状は、磁気特性への影響が少ないため回転子部１の積層時の位置合わせ用のパターンとして有効である。図２（ｃ）では、キー溝形状を誇張して表現しているが、ガイドとなる形状であれば良いので、Ｖ，Ｕ型の切り欠きや突起であっても良く、その個数も限らない。
図２（ｄ）は、図２（ｂ）に対して、コア部間連結部５と連結部６との位置関係を変えたものである。図２（ｂ）のように、特定の磁極４の先端と後端に、それぞれコア部間連結部５と連結部６があると、この位置がプレス打ち抜き位置となり、特定の磁極４に加工歪が集中してしまう。そこで、加工歪を分散するためには 図２（ｄ）のパターンが有効である。

【0018】

（コア片形成工程）（積層工程）
エッチング工程の後、エッチングパターンを形成した軟磁性急冷合金薄帯をリールから巻き出し、プレス打ち抜きしてコア片を得る。以下、図３及び図４を用いて説明する。
図３は、本発明の製造方法に適用するエッチングパターンにおけるコア部間連結部５と連結部６の例を示す拡大図であり、図３（ａ）は、図１と同じエッチングパターンの例であり、図３（ｂ）は別のエッチングパターンの例である。
図３に示した、コア部として、回転子部１と、該回転子部１の外側に配置した固定子部２と、固定子部と回転子部とを連結するコア部間連結部５と、を有するエッチングバターンにおいては、コア部間連結部５と連結部６をプレス打ち抜き部とする必要がある。
上述したとおり、本発明においては、エッチング工程で形成したプレス位置決め穴４を基準としてプレス打ち抜きすることができるため、形状精度の高いコア部を得ることができる。

【0019】

また、プレス打ち抜きをリールｔｏリールで行なうには、枠部３が巻き出し及び巻き取りの各リール間で連続し、必要なコア片を逐次プレス打ち抜きで抜き取るという方法の適用が好ましい。具体的には、図３に示すエッチングパターンにおいては、回転子部、コア部間連結部、固定子部の順にプレス打ち抜きすることが好ましい。
具体的な動作を図３と図４を用いて説明する。図４は本発明に適用するプレス打ち抜き装置の概要を示す図である。なお、図４では、説明のために一部拡大し、また支持部材等の主要でない部品は省略している。

【0020】

まず、回転子部１をプレス打ち抜きするために、エッチングパターンを形成した軟磁性急冷合金薄帯２０を図４（ａ）の装置に送り、図３（ａ）に示すコア部間連結部５における回転子側切断位置５ａを切断位置としてプレス打ち抜きする。
図４（ａ）の装置は、協働してプレス打ち抜きを行なう第１下パンチ２１と第１上パンチ２２を有しており、これらによる切断線が、図３（ａ）の回転子側切断位置５ａに来るように軟磁性急冷合金薄帯２０が位置決めされる。固定された第１下パンチ２１に対して第１上パンチ２２を下降させることで、プレス打ち抜きを行なうことができるものである。
また、図４（ａ）の装置は、回転子ガイド穴１０に挿入されてプレス打ち抜き後の回転子部１の位置を固定するガイドピン２４と、プレス打ち抜きされる回転子部１を受ける回転子部受け２３を有しており、プレス打ち抜きと同時に積層できる構成としている。

【0021】

次に、コア部間連結部５をプレス打ち抜きするために、軟磁性急冷合金薄帯２０を図４（ｂ）の装置に送り、図３（ａ）に示すコア部間連結部５における固定子側切断位置５ｂを切断位置としてプレス打ち抜きする。
図４（ｂ）の装置は、協働してプレス打ち抜きを行なう第２下パンチ３１と第２上パンチ３２を有しており、これらによる切断線が、図３（ａ）の固定子側切断位置５ｂに来るように軟磁性急冷合金薄帯２０が位置決めされる。固定された第２下パンチ３１に対して第２上パンチ３２を下降させることで、プレス打ち抜きを行なうことができるものである。

【0022】

図４（ｂ）の装置は、不要物となるコア部間連結部５を除去して、固定子部２の内周側の形状を確保するものである。このとき、切断されるコア部間連結部が極小片であると、プレス打ち抜き装置の可動部に挟まったり、飛散したりして問題となる場合がある。このような懸念がある場合は、例えば、図３（ｂ）のように、回転子部１と固定子部２の最短部にコア部間連結部５を形成するのではなく、磁極４の基部と回転子部１との間にコア部間連結部５を形成する構成を採用することができる。この構成ではコア部間連結部５のサイズを大きくできるため、上記問題を解決することができる。また、図３（ｂ）のコア部間連結部５を固定子側切断位置５ｂ以外の部分で拡幅した形状すれば、エッチングによる金属の溶解量を抑えることができ、エッチング液の劣化防止にも有効である。

【0023】

次に、固定子部２をプレス打ち抜きするために、軟磁性急冷合金薄帯２０を図４（ｃ）の装置に送り、図３（ａ）に示す連結部６における固定子外側切断位置６ａを切断位置としてプレス打ち抜きする。
図４（ｃ）の装置は、協働してプレス打ち抜きを行なう第３下パンチ４１と第３上パンチ４２を有しており、これらによる切断線が、図３（ａ）の固定子外側切断位置６ａに来るように軟磁性急冷合金薄帯２０が位置決めされる。固定された第３下パンチ４１に対して第３上パンチ４２を下降させることで、プレス打ち抜きを行なうことができるものである。
また、図４（ｃ）の装置は、固定子ガイド穴１１に挿入されてプレス打ち抜き後の固定子部２の位置を固定するガイドピン４４と、プレス打ち抜きされる固定子部２を受ける固定子部受け４３を有しており、プレス打ち抜きと同時に積層できる構成としている。

【0024】

図４（ａ）から 図４（ｃ）の装置を経た軟磁性急冷合金薄帯２０の残材は、図示しない巻き取りリールにより回収される。
巻き出しリールと巻き取りリール間に、図４（ａ）から 図４（ｃ）の装置を直列に配置して、軟磁性急冷合金薄帯２０を間欠に送ることで、図４（ａ）から 図４（ｃ）の装置を順次起動させ、コア形成工程と積層工程を連続的に実施することができる。
所定のプレス回数経過後、積層された回転子部１と固定子部２を取り出し、樹脂含浸処理等により一体化することできる。

【0025】

本例では、永久磁石埋込型の同期モータにおける回転子部と、固定子部とを、モータにおけるこれらの配置と同一の配置として、エッチングパターンを形成したものを説明した。本例のように、回転子部と、固定子部とを、同時に形成する方法は、残材の発生が少なく有効である。
なおエッチング工程で形成したプレス位置決め穴４を基準として前記連結部をプレス打ち抜くことができるという本発明の効果を奏する上では、回転子部あるいは固定子部の一方だけと、プレス位置決め穴とを組み合わせたエッチングパターンとしても良い。この場合は、コア部間連結部は存在しないものとなる。
また、本例に示すプレス位置決め穴４は、単純な円形穴をコア部単位ごとに２箇所設けた例を示したが、より精度の高い打ち抜きを行なうには、コア部単位ごとに３箇所以上設けることが好ましく、また、単純円形ではなく、矩形と円形とを組み合わせた形状とすることも可能である。

【符号の説明】

【0026】

１ 回転子部、２ 固定子部、３ 枠部、４ プレス位置決め穴、５ コア部間連結部
５ａ 回転子側切断位置 ５ｂ 固定子側切断位置 ６ 連結部、６ａ 固定子外側切断位置
１０ 回転子ガイド穴、１１固定子ガイド穴、１２ 磁石配置用穴
１３ 軸穴

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】