JP4096843B2

JP4096843B2 - モータ及びその製造方法

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Publication number: JP4096843B2
Application number: JP2003308824A
Authority: JP
Inventors: 祥子川崎; 篤松岡; 仁川口; 隆行花木; 修中崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-09-01
Also published as: JP2005080432A

Description

本発明は、永久磁石モータ、かご形導体を有するモータ、複数のスリットを有しリラクタンストルクを利用したモータなどの構造及びその製造方法に関するものである。

従来のモータのステータまたはロータのコアは、薄肉の同一形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成され、ステータは巻線の巻回部分にインシュレータなどの絶縁部材を装着し、その上から巻線を巻回する。一方、ロータは積層されたコアの周上またはコア内に設けられたスロットに永久磁石を配設してなるもの、積層されたコアにスロットなどを設けて突極性を持たせたもの、積層されたコアに設けられたスロットにアルミなどの導体を鋳込んでかご形回転子にしたかご形導体を有する誘導電動機などがある（例えば、特許文献１参照）。
また、ステータコアまたはロータコアの形状に関しては、低騒音化を目的として、永久磁石モータの永久磁石にスキュー着磁を施すもの、ロータに対向配置するステータの巻線を斜めに巻回させるもの（例えば、特許文献２参照）、さらに、積層する電磁鋼板の１枚１枚を別形状にし、ティース先端部にのみスキューをかけた構成（例えば、特許文献３参照）などがあった。
また、従来の他のモータでは、積層されたコアを用いないものとして、軟質磁性粉末からなるロータコア及びステータコアもあり、それらの製造方法としては、高圧力で圧縮成形してなるもの、金属粉末射出成形焼結合金法（ＭＩＭ）により成形するものなどがある（例えば、特許文献４参照）。
また、従来の他のモータのステータコアにおいて、巻線の巻回部コーナー部に丸みをつける形状、及びロータの永久磁石との対向部分の軸方向を巻回部よりも軸方向に伸長させるものもある（例えば、特許文献５参照）。
また、従来のモータのロータの製造方法において、軟質磁性粉末材料と樹脂との混練物を成形型に射出注入して固化することによりロータコアを射出成形し、このロータコア成形体を成形型に残した状態で、この成形型にフェライトまたは希土類系の硬質磁性粉末材料と樹脂との混練物を射出注入して固化することにより、ロータのマグネット部とコア部を一体に射出成形するものがある。また、先にマグネット部を成形型内で射出成形し、マグネット部を成形型に残した状態で軟質磁性粉末材料と樹脂との混練物によるコア部を射出成形するものもある（例えば、特許文献６参照）。
また、従来のモータのロータの製造方法において、成形型の外側に電磁石による磁極を配置し、その成形型内に磁性粉と樹脂を混在させたものを射出注入し、樹脂の溶融中に外部にある磁極による磁力で成形型内の磁性粉を磁力線にそって偏析させるものもある（例えば、特許文献７参照）。

特開平６−２６１５１４号公報（第１頁、第２図）特開平５−１７５０３７号公報（第２−３頁、第２図）特開平１４−３６９４６９号公報（第１−３頁、第３図）特開平９−１１７１１８号公報（第１−３頁、第１図）特開平４−３２２１４１公報（第２−３頁、第３図、第４図）特開２０００−２９５７９７公報（第１−４頁、第１図）特開昭５９−１７８３３公報（第２−３頁、第１図）

解決しようとする問題点は、従来のステータでは電磁鋼板を積層してなるコアからなり、同一形状の鋼板を積層しているために、軸に垂直な断面形状が同一であるのが好ましく、軸方向の形状に凹凸があるような複雑な形状にすることが困難であった。例えば、従来の積層されたコアを用いたステータにおいては、巻線を巻回するティース部の断面形状が角状であったが、巻線は巻線機によって円状の軌跡を描いて巻回されるため、ティース部と巻線との間に無駄な空間が生じてしまう。結果として巻線の周長が長くなり、周長の長さに比例して銅損が増加し、効率を下げる原因となっていた。
また、さらに解決しようとする問題点は、ステータコアの巻線が密着する部分のコアに絶縁部材を別途装着する必要があり、製造工程が複雑化及び製造コストが高くなっていた。
また、従来、渦電流損を低減させるため、コアを形成する電磁鋼板は極力薄肉化（２００〜３００μｍ）されてきたが、軸方向に流れる渦電流は低減できても、鋼板各層全体に渦電流は流れてしまう。また、薄肉化により、コアの製造工程における打ち抜き及び積層にかかる手間・コスト等が大きくなっていた。
また、軟質磁性粉末からなるコアにおいては、特に金属射出成形法による成形体は、金属と樹脂の混合材料を射出成形後、脱脂・焼結処理を行う必要があり、製造工程が煩雑、かつ成形品の寸法精度が低くなっていた。
また、ロータの製造方法としては、マグネット部とコア部を金型内で射出成形により一体成形させる方法があるが、この場合コア部は軟質磁性粉末材料と樹脂が自由な位置で配置されており、場合によっては、一部に樹脂、一部に磁性粉末が偏り、ロータコアをマグネット部のバックヨークとして用いる場合には、樹脂が磁路を妨げてしまう可能性があった。
また、ロータコアなどのヨークの製造方法として、成形型の外側に巻線による磁極を形成し、電磁石の磁力により磁性粉末を磁路に沿って偏析させる例があるが、磁路に沿って偏析させるには強力な磁力を必要とし、電磁石に多数巻線を施すか、大電流を流さなければならず、多極となった場合に磁極の形成が困難となる。また、成形後に、永久磁石及び軸を取り付ける構成となっており、製造工程が複雑となっている。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、モータ効率の向上や低騒音化を図ることができ、また、生産性の向上や製造コストの低減を図ることができる構成のモータ及びその製造方法を得ることを目的とするものである。

本発明のモータは、ロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ステータのコアを、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記金型に配向磁場をかけた状態で前記樹脂を固化することで、前記ステータのコアの中央部に前記軟質磁性粉末材料が多く充填されるように充填率を不均一にしたものである。

本発明のモータは、ロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ステータのコアを、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記金型に配向磁場をかけた状態で前記樹脂を固化することで、前記ステータのコアの中央部に前記軟質磁性粉末材料が多く充填されるように充填率を不均一にしたことにより、各部分を所望の形状に構成することができ、ステータのコアの中央部に前記軟質磁性粉末材料が多く充填され、磁性粉末材料が磁束の通り安い部分に集中し、ステータとしての磁気特性が向上することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るモータのステータコア１を示す斜視図、図２はステータコア１の一部分を示す縦断面図で、図１のＩ−Ｉ線断面図、図３は本実施の形態に係るステータを製造する工程図である。モータは図１に示すステータコア１とこの中央に配置するロータコア（図示せず）とロータを支持し回転軸になるシャフト（図示せず）で構成される。ティース部１ｂに巻回された巻線に電流を流すことで、ティース先端部１ｃ、ティース部１ｂ、コアバック部１ａ、ロータコアを通って磁路ができ、ロータの回転力を得る。この実施の形態ではモータのステ−タについて述べるが、ロータの構成は永久磁石を有するものや、かご形導体を有するもの、また複数のスリットを有し突極性を持たせたものなど、どのようなものであってもよい。

このステータコア１は、図３に示すように、例えば鉄系の軟質磁性粉末材料と溶融した熱可塑性樹脂との混合材料をステータ形成用の金型に射出注入し（ＳＴ１）、樹脂を固化（ＳＴ２）し、ティース部１ｂに巻回される巻線が接触する部分を絶縁処理した後に巻線を巻回し（ＳＴ３）、ステータの成形が完成となる（ＳＴ４）。軟質磁性粉末材料は例えば鉄系の軟質磁性粉末材料であり、熱可塑性樹脂は例えばポリアミド系やポリエステル系の樹脂でこれは２００〜３００℃に加熱すると溶融して可塑性を示す。従って、ＳＴ２における固化は、ここでは２００℃より低い温度に下げることで行なう。
このように、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体でステータコアを構成すれば、打ち抜いた薄肉の電磁鋼板を積層して構成するよりも、はるかに生産性の向上を図ることができる。なお、混合する樹脂は金型内で容易に射出成形するために、熱可塑性樹脂が望ましい。

また、図２に示すように、ステータコア１を構成するティース先端部１ａ、ティース部１ｂ、コアバック部１ｃの回転軸方向の長さをそれぞれＡ、Ｂ、Ｃとすると、それぞれの長さがＡ≧Ｃ＞Ｂとなるように構成している。さらに、ティース部１ｂの回転中心から見た断面形状は、図４（ａ）に示すように回転軸方向の長い略楕円状に構成する。

この実施の形態におけるステータコアは、ティース部１ｂの外形が略楕円状であり、回転軸方向に曲線状に変化するという複雑な形状である。これを従来の薄肉の同一形状に打ち抜いた電磁鋼板を積層して構成すると、工程が複雑であり精度よく製造することは困難である。この実施の形態では電磁鋼板の積層によるコアではなく、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型に射出して成形することを特徴としている。このため、金型の形状を変えるだけで、複雑な形状のコアをそれぞれほぼ同様の工程で製造することができる。特に電磁鋼板を積層して構成するコアに比べて、回転軸方向に変化の多い形状でも作成が容易となる。

上記のように、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で成形することでコアの形状の自由度を高くでき、これを利用してこの実施の形態では、図２に示すようにティース先端部１ａの長さＡをティース部１ｂの長さＢとコアバック部１ｃの長さＣ、またはティース部１ｂの長さＢよりも長く構成する。これにより、ティース部１ｂに巻線を巻回した時にティース先端部１ａ側またはティース先端部１ａ側とコアバック部１ｃ側への巻崩れを防ぐことができ、信頼性の高いモータが得られる。
また、Ａが長いのでティース先端部１ａのロータに対向する面積を大きくでき、ロータからの磁束漏れを減らすことができる。さらに、磁束を効果的にステータに通すことによって高トルク化が可能となる。また、このティース先端部１ａのロータに対向する面積を大きくできることで、ティース先端部１ａの径方向の厚みを薄くすることも可能となり、モータの径方向の小型化を図ることができる。

また、ステータコアの形状の自由度を高くできることを利用して、図４（ａ）に示すように回転中心側から見たティース２の断面形状を略楕円状に容易に構成できる。このため、図４（ｂ）に示すように巻線２をティース部１ｂに密着して巻回することができる。略楕円状のティース部１ｂに巻線を巻回にすることで、断面が角状であるティース部１ｂに巻線を巻回するときに比べ、巻線の周長を短くできる。また、従来のようにコーナー部に丸みをつけただけのティース形状よりも、効果的に巻線の周長を短くでき、銅損を低減できる。ここでは、銅損の低減と前述の高トルク化と併せて、モータ効率の向上が可能となる。

なお、ティース先端部１ａの長さＡ及びコアバック部１ｃの長さＣをティース部１ｂの長さＢよりも長くなるようにすると、コアバック部１ｃにも磁束が通りやすくなる。このため、磁路としてのコアバック部分は少なくてよくなり、コアバック部１ｃの径方向の厚みを薄くできるので、コアバック部１ｃの外径を小さくすることができ、モータの小型化を図ることができる。
また、ティース先端部１ａの長さＡ及びコアバック部１ｃの長さＣを、ティース部１ｂに巻線を巻回した状態でティース部１ｂと巻線部分を合わせた長さよりも大きくなるようにすると、軸方向で巻線をステータ内に収めることができ、巻線が周囲に接触して損傷したりくずれることも防止でき、信頼性を向上できる。

本実施の形態におけるステータコアは、軟質磁性粉末材料と熱可塑性樹脂との混合材料を金型内に射出成形してなることを特徴としているが、射出成形時の課題となるのが材料の流動性である。射出成形はその生産性のよさからモータのモールドやボンド磁石など、モータ分野でも幅広く使われている成形方法であるが、生産性のよさを保つためにも材料の流動性は重要となる。流動性は、成形材料中の樹脂の割合で決まると言ってもよく、ステータコアを成形する際にも、熱可塑性樹脂はある程度の割合を保たなければならない。しかし、樹脂の割合が多いと、透磁率などの磁気特性が低下してしまう。

そこでここでは、構成材料となる軟質磁性粉末材料を、例えば、鉄系の軟質磁性粉末材料とし、樹脂をポリアミド系やポリエステル系の熱可塑性樹脂とし、樹脂の軟質磁性粉末材料に対する混合比率は２０体積％以上とする。樹脂の軟質磁性粉末材料に対する混合比率を２０体積％よりも少なくすると、混合物の流動性が少なく金型に射出注入するのに大きな力を要するため成形が困難となる。また、磁性粉末の接着が弱くなり、成形体としての強度が充分でなくなる。
一方、樹脂の軟質磁性粉末材料に対する混合比率を５０体積％よりも多くすると、樹脂の含有量が多くなり過ぎ、コアの磁気特性の低下を招く可能性がある。このことから生産性の向上及びモータ特性の向上を考慮して、樹脂の軟質磁性粉末材料に対する混合比率は２０体積％〜５０体積％であることが好ましい。
また、積層鉄心を用いた場合と同様のトルクを確保するため、成形体の透磁率はできる限り高いことが望ましく、比透磁率で１００以上であるとさらに好ましい。軟質磁性粉末材料の粉末の粒子形状や大きさは、どのようなものであってもよいが、例えば色々な大きさの粒子が混合されているものを用いると、磁束が通りやすくなり、透磁率がよくなる傾向にある。ここで、成形体全体が高透磁率である必要はなく、磁路を構成する部分のみ高透磁率の構成としてもよい。

図１ではティース先端部１ａの軸方向に伸びる辺は、軸方向に平行な形状としたが、図５に示すように構成してもよい。図５は本実施の形態に係るステータコア１の１つのティ−スを示す斜視図である。ロータに対向するティース先端部１ａの回転軸方向に伸びる辺を回転軸と所定角度θをなすようにスキューをかけて形成した。ここではスキューの角度θは、例えば１５度程度とするが、これに限るものではない。

ティース先端部１ａにスキューをかける形状にすることによって、コギングトルクの低減を図ることができ、低騒音化を実現できる。このような形状のステータを従来の薄肉鋼板を積層する製造方法で形成しようとすると、１枚の鋼板の形状は、ティースの巻線を巻く部分を同一形状とし、ステータスロットの開口部付近で形状を異なるようにしなければならない。この１枚１枚を別形状で打ち抜く作業は煩雑であり、製造コストも非常に高くなっていた。本実施の形態によるステータコア１は軟質磁性粉末材料と熱可塑性樹脂を混合したものを金型に射出して構成するので、回転軸方向の位置に応じて変化するような形状にしても、比較的容易に作成できる。これを利用してティース先端部１ａのみにスキューをかけるということも容易にでき、コギングトルクを低減できるモータが得られる。

図５に示したティース先端部１ａの回転軸方向に伸びる辺は、両辺とも同一方向にスキューをかけ、ティース先端部１ａの回転軸方向から見た面の幅をほぼ同一とした。ステータの極数、即ちティース先端部１ａの数が偶数である場合には、図６のように逆方向にスキューをかけて形成してもよい。即ち、回転軸方向に沿ってティース先端部１ａの幅が変化する形状の分割コアを形成し、それらを隣り合う分割コアが回転軸方向に対して逆向きになるように組み合わせて、スキューかけた形状のステータを形成する。
図７は、この分割コアで構成したステータコア１の全体を示す斜視図である。複数のティース間の隙間が交互に異なる方向に傾斜するように配置してステータコアを構成している。このようにスキューの角度が交互に逆方向に傾くようなステータコアの構造は、モータにかかる回転軸方向の力をキャンセルすることができ、結果として振動を抑え、騒音を抑制することができる。
もちろん、図７に示すステータコア１の製造において、１つのティースに分割した分割コアで構成しなくても、金型に射出成形して全体を一体に形成してもよい。

また、図８（ａ）は本実施の形態の他の実施例を示すステータコア１の１つのティースを示す斜視図である。図に示すように、ロータに対向するティース先端部１ａの形状で、回転軸方向の上下の辺のうちの少なくとも一方の形状を図８（ｂ）に示す略正弦波状になるように構成する。図８（ｂ）において、実線を正弦波形状、点線をティース先端部１ａの上辺または下辺の形状を示しており、図８（ａ）では正弦波状に近くなるような例えば台形状にした。ステータコアのティース先端部１ａをこのような形状にすることで、モータに電流を流したときに発生する誘起電圧が正弦波に近くなる。このため、モータの振動を抑え、騒音を抑制することができる。

さらに、ロータに対向するティース先端部１ａの上下の辺アの形状を、図９（ａ）に示すように長さＬａ：長さＬｂ＝１：３に近い形状にすると、図９（ｂ）に示すように誘起電圧をさらに正弦波状に近くできる。このため、さらに上記の効果を高めることができる。
ここで、図９（ａ）における辺イはロータに対向するティース先端部１ａの回転軸に沿った辺を示しており、この部分も磁束を通すためある程度の長さを有する方が好ましい。

なお、図８、図９では、ロータに対向するティース先端部１ａの上下の辺の形状を、上下で対称になるように構成したが、少なくともいずれか一方の形状を略正弦波状に構成してもよい。ティース部１ｂとティース先端部１ｃの接続位置がティース先端部１ａの中央部ではなく、上下方向にずれている場合には、上下対称である必要なはい。接続位置に応じてずれた部分から、上側の辺の形状または下側の辺の形状が正弦波状に近くなるように構成すればよい。

なお、図５〜図９では巻線が巻回されるティース部１ｂの形状は角状としたが、図４に示すように略楕円状にすれば巻線２を巻回しやすく、かつ、巻線２の周長を短くできるので、鉄損を低減でき高効率化を図ることができる効果がある。
また、図５〜図９においても、図２に示したようにティース先端部１ａ、ティース部１ｂ、コアバック部１ｃの回転軸方向の高さをＡ≧Ｃ＞Ｂとすると、巻線の巻崩れを防ぎ、ロータ磁石から磁束漏れを減らすことができ、高トルク化を図ることができる。

また、図１０は本実施の形態に係るステータコアの一部である１つのティースを示す横断面図であり、回転軸に垂直な断面を示している。また、図１１は図１０に示すステータを製造する工程図である。図１０では巻線を巻回する前の状態を示している。

図１０に示すステータコアのティースは、軟質磁性粉末材料と熱可塑性樹脂との混合材料の充填率を不均一とし、巻線が接触する周辺部分に樹脂を多く充填させて樹脂充填部３ｂとし、他の部分３ａに軟質磁性粉末材料を多く充填させて軟質磁性粉末材料充填部３ａとなるように構成した。軟質磁性粉末材料充填部３ａは磁路が形成されるので、軟質磁性粉末材料が多く充填させるほうが高トルク化や小型化に効果がある。また、巻線が接触する部分を樹脂充填部３ｂとして樹脂を多く充填することで、巻線との間に絶縁性を確保することができ、従来のようにインシュレータなどの絶縁部材を用いなくとも巻線を巻回できる。これにより、部品の少数化、工程の簡略化が実現し、製造コストの低減も可能となる。

図１１に基づいて、図１０に示したステータの製造方法について説明する。ＳＴ５で金型に磁極を設けて配向磁場をかける。この時、後でティース部１ｂに巻回する巻線が接触する部分３ｂに樹脂が多く充填されるようにステータ形成用の金型に配向磁場を設ける。例えば、ティース先端部１ａに対向するように磁極を設けて配向磁場をかけると、図１０の点線に示すように、磁束はティース先端部１ａからティース部１ｂの中央部を通ってコアバック部１ｃを通るように形成される。
この状態で軟質磁性粉末材料と熱可塑性樹脂との混合材料を、樹脂を溶融した状態で金型に射出注入する（ＳＴ１）。そして、配向磁場をかけた状態で樹脂を固化する（ＳＴ６）。これは熱可塑性樹脂を用いた場合には温度を下げることで固化する。

ステータコアを成形する際に、配向磁場を設けた金型に混合材料を射出注入することにより磁束密度の高い部分に軟質磁性粉末材料が多く充填され、比較的低い部分に樹脂が多く充填されるというように充填率を不均一にすることができる。このため、図１０に示すように、ステータコア１の巻回される巻線との接触部３ｂに樹脂が多く充填され、軟質磁性粉末材料は残りのステータコア３ａの中央部に充填されることになる。このため、巻線を巻回する部分を絶縁処理する必要がなくなり、巻線を巻回する（ＳＴ７）ことで、ステータが完成される（ＳＴ４）。
なお、配向磁場を設ける方法に関しては、上記に限るものではない。

このように、射出成形の際に、磁場をかけるなどの方法で金型内に配向をかけ、磁束の通る部分３ａに軟質磁性粉末材料を多く充填させ、樹脂を成形体の表面上、とりわけ巻線が接触する周囲３ｂに多く充填されるように不均一に充填して成形する。これにより、特に絶縁処理を施さなくても樹脂で絶縁されるため、製造工程を単純化でき、生産性を向上できる。特に混合材料である樹脂により、軟質磁性粉末材料を粉末単位で絶縁できるため、絶縁に対する高い信頼性を得ることができる。
さらに、混合材料が成形体内に一様に分布する場合よりも、部分的な軟質磁性粉末材料の充填率は高くなり、結果としてその部分が高い透磁率をもつことができる。磁束が通る磁路を高透磁率にすることにより、従来の絶縁皮膜を有した鉄粉からなる圧粉鉄心と比較しても、高トルクを得ることが可能になる。

ここでは、絶縁処理を省略する工程として説明したが、巻線に接触する部分３ｂの樹脂の充填率が充分ではない場合には、さらに絶縁処理を施してもよい。この場合にも磁路の透磁率を高めることができ、高トルクを得ることができる効果がある。
また、不均一に充填すれば軟質磁性粉末材料の量を最小限に抑えることができ、各材料の有効利用できる。また、軟質磁性粉末材料を用いているので、リサイクル時の破砕処理も容易で、軟質磁性粉末体として再び使用することもできる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２では、ロータの構成について説明する。ロータは図１に示すようなステータコア１に所定の間隙を設けて配置されるものであり、ロータとステータにおける電流と磁界によってロータの回転力が形成される。本実施の形態では、ロータについて説明するが、モータを構成するときのステータの構成については、薄肉の電磁鋼板を積層したもの、軟質磁性粉末材料を焼結して成形したもの、実施の形態１に記載した軟質磁性粉末材料と樹脂の混合材料を金型に射出注入して成形したもの、またそれらを組合わせて形成したものなど、どのようなものでもよい。

図１２は実施の形態２に係り、例えば永久磁石モータのロータを示す上面図である。図１２に示すようにロータコア５の外周部に永久磁石４が配置され、中央部には回転軸となるシャフト６が固定される。このロータコア５は、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型に射出して成形されたものである。ただし、軟質磁性粉末材料と樹脂との充填率を不均一に構成しており、永久磁石４の周辺の外周側に軟質磁性粉末材料を多く充填し、シャフト６側には樹脂を多く充填する。
ここで混合材料については実施の形態１と同様であり、軟質磁性粉末材料は例えば鉄系のものを用い、樹脂は例えばポリアミド系やポリエステル系の熱可塑性樹脂を用いる。

ロータ外周部に永久磁石を有してなるモータの場合、図１３に示すように、ロータコア５内を通る磁束は、コア外周部に沿って通り、ロータコア５内周側はほとんど通らない。そこで、図１２のようにロータコア５の外周側３ａに磁性体である軟質磁性粉末材料を多く充填させることによって外周側の磁路を確保すると、バックヨークとしての役割を果たす。また、磁束がほとんど通らない内周側３ｂには樹脂を多く充填する。

実施の形態1におけるステータと同様、ロータコア５を軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型に射出注入して成形することで、製造工程の単純化、形状の自由度増加などを実現できる。さらに、例えば射出成形時に配向磁場をかけるなどして、各材料の充填率を不均一とし、主に磁路となる部分、即ち磁性を要する部分に軟質磁性粉末材料を多く充填し、他の部分には樹脂を多く充填する。この結果、磁束が通る磁路を高透磁率にすることで高トルクを得ることができる。また、軟質磁性粉末材料の量を最小限に抑えることができ、各材料の有効利用できる。また、軟質磁性粉末材料を用いているので、リサイクル時の破砕処理も容易で、軟質磁性粉末体として再び使用することもできる。

以下、図１２のように材料分布が不均一な構成のロータの製造方法について説明する。図１４は製造工程を示す工程図、図１５は配向磁場を設ける方法の一例を示す説明図である。図１５において、金型は図示せず省略しており、ロータコア５と磁極１９との関係を示している。即ち実際には磁極１９とロータコア５の間にロータコア５形成用の金型が配置されている。
図１５に示すように金型の外部に磁極１９を多数設けて、金型の周囲から配向磁場をかける（ＳＴ１１）。次に、溶融した樹脂と軟質磁性粉末材料との混合材料を金型に射出注入し（ＳＴ１２）。さらに配向磁場をかけた状態で樹脂を固化する（ＳＴ１３）。射出成形する際に配向磁場をかけることにより、図１２に示すような磁力線７に沿って軟質磁性粉末材料が外周側３ａ、樹脂が内周側３ｂに集まる。この後、ロータコア５に例えば接着剤にて永久磁石４を貼り付ければ（ＳＴ１４）、ロータが形成される（ＳＴ１５）。
このとき、磁極１９で配向磁場をかける際、どのような磁石を用いてもよいが、永久磁石を用いれば電磁石で配向をかける場合に比べ、金型の外側に大きな場所を必要とせずに多数の磁極を配置できる。さらに、小さい径のロータコア５を成形することができる。

また、図１６に示す工程に従って製造してもよい。ＳＴ１６で、別の工程で例えば金型により成形しておいたリング状またはセグメント状の着磁された永久磁石をロータ成形用の金型に配置し、その金型にコア材料となる軟質磁性粉末材料と溶融した樹脂との混合材料を射出注入する（ＳＴ１２）。この後、樹脂を固化して（ＳＴ１３）、ロータを完成する（ＳＴ１５）。このように構成すれば、永久磁石とロータコアとを一体に成形でき、図１４のＳＴ１４での永久磁石を接着する工程を省略することができる。さらに、図１５に示したように金型の外部に磁極１９を設けなくても、金型内に配置した永久磁石によって配向磁場をかけることができる。このため、永久磁石による配向磁場を利用して、ロータコア５の外周側に軟質磁性粉末材料を多く充填することができる。

また、例えばボンド磁石においては図１７に示す工程に従って製造することができる。ＳＴ１７で、ロータ形成用の金型の外部に磁極を設けて配向磁場をかける。この金型に例えばフェライトや希土類系の硬質磁性粉末材料である永久磁石粉末材料と溶融した樹脂との混合材料を射出注入する（ＳＴ１８）。そして、配向磁場をかけた状態で樹脂を固化する（ＳＴ１９）。この樹脂は熱可塑性樹脂である。この時、金型に設けられた配向磁場によりボンド磁石に配向を持たせて成形することで、着磁される。
次に、成形したボンド磁石をロータ形成用の金型内に残したまま、軟質磁性粉末材料と溶融した樹脂との混合材料を金型内に射出注入する（ＳＴ１２）。その際もＳＴ１７〜ＳＴ１９で着磁されたボンド磁石による配向磁場を利用して、樹脂を固化する（ＳＴ１３）ことで、ロータコア５の外周側に軟質磁性粉末材料が多く充填され、内側に樹脂が多く充填されたロータが完成する（ＳＴ１５）。

このように製造することで、ロータのマグネット部を利用した配向磁場により充填率を不均一にできると共に、ロータのマグネット部の配向も同一金型内ででき、後で磁石を貼り付けたりする作業も不必要であり、製造工程を簡略化できる。また、材料費、加工費ともに低減することができる。

なお、図１６、図１７において、ＳＴ１２〜ＳＴ１５で金型内の磁石の磁力を利用して軟質磁性粉末材料と樹脂の充填率が不均一になるようにしたが、軟質磁性粉末材料を配向させる磁力が足りなければ、さらに金型の外部に磁極を備えて配向磁場を別途設けてもよい。
また、図１７において、永久磁石粉末材料が例えば希土類粉末などを用いた場合、ロータのマグネットとしての着磁が不充分である時には、ＳＴ１５のロータの完成後、再度着磁すればよい。

次に、ロータにかご形導体を有する誘導モータに適用した場合について説明する。
かご形導体を有するモータは、回転磁界及び導体をながれる渦電流の相互作用により回転力を発生させるものであるが、従来のロータの構成は磁束を十分に通すために、図１８のように、磁性体である積層鉄心９に複数のスロットを設け、そのスロットに導体を鋳込んでかご形導体１０を有するロータを形成していた。図中、１１は導体の一部となるエンドリングである。しかし、従来の方法では、積層鉄心９が導電性を持つため、導体１０との接触部分を通じて、図１９に示すように渦電流１３が、積層鉄心９に漏れ渦電流１４として流れてしまっていた。

そこで、図２０に示すように、磁路となる磁性体１５の部分を、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を用い、金型で射出成形する。これにより、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料によるコア（ここでは磁性体１５）と導体１０とを金型で一体に成形することができ、生産性を向上することができる。
製造方法としては、まずロータ形成用の金型内にアルミニウムなどで成形したかご形導体１０を配置し、その金型内に軟質磁性粉末材料と溶融した樹脂との混合材料を射出し、樹脂を固化すれば、かご形導体１０と磁性体１５とが一体に成形されたロータが完成する。

これにより、積層の手間が省けるという生産性の利点に加え、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料で磁性体１５の部分を形成することで、かご形導体１０の周りに磁束が十分通ると共に、かご形導体１０との絶縁性が確保でき、導体１０内に有効に渦電流が流れるようになる。これは、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料で磁性体１５を形成することで、軟質磁性材料の粉末それぞれを樹脂が取り囲んで成形され、粉末単位で絶縁されることになり、これによって漏れ渦電流が磁性体１５に流れるのを防止できる。このため、高トルク化を図ることができる。
また、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を射出成形する際、磁場配向をかけるなどしてかご形導体１０と磁性体１５とが接触する部分に樹脂を多く充填させれば、導体１０との絶縁性をさらに高めることができる。
また、このような工程で製造すれば、導体１０を成形した後、磁性体１５を成形する前に、導体１０の周りを絶縁材料でコーティングしたりして絶縁をさらに強化することもできる。

次に、突極部を設けリラクタンストルクを利用して回転するモータのロータに適用した場合について説明する。
図２１はリラクタンストルクを利用して回転するモータのロータコアを示す上面図であり、ロータコア５の内部に複数の円弧状のスリット１６を設けており、スリット１６によって磁束の通りやすい方向（ｄ軸）と磁束の通りにくい方向（ｑ軸）が形成され、リラクタンストルクを利用して回転する。ここでは、ロータコア５を上記と同様、軟質磁性粉末材料と樹脂の混合材料を金型内に射出することで成形する。これにより、生産性を向上できる。

特に、射出成形の際に配向磁場をかけるなどをして、図２２に示すように磁束の通りやすい方向（ｄ軸）であるスリット１６に沿う方向に軟質磁性粉末材料に配向を持たせ、各スリット１６に沿って軟質磁性粉末材料が配列するようにする。軟質磁性粉末材料を配列させることによって、ｄ軸にさらに磁束が通りやすくなり、大きなリラクタンストルクを得ることができる。
その際、用いる軟質磁性粉末材料の粉末の形状は棒状や扁平状や粒径など、どのようなのものであってもよいが、粒径の大きな粉末材料を用いれば配列する際に粉末間の隙間が少なく、磁路が形成されやすくなる。また、粒径の大きな粉末材料に粒径の小さな材料が混在する粉末材料を用いれば、さらに粉末間の隙間を少なくでき、磁路が形成されやすくなり、好ましい。

実施の形態３．
高出力及び高トルクのモータにおいては、コア部分の磁気特性が重要になる。特に、磁路を形成する主要部となるステータコアにおいては、比透磁率ができる限り高いことが望ましい。そこで、本実施の形態では、従来の積層鋼板によるステータコアに、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を部分的に、または補助的に使うことによって、全体の比透磁率を高める。

例えば、図２３はティース部１ｂの断面図であるが、ここに示すように、ティース部１ｂの中央部を電磁鋼板を積層して構成し、巻線２との間隙部に、軟質磁性粉末材料と樹脂の充填部８を成形する。ここで用いる構成材料となる軟質磁性粉末材料を、例えば、鉄系の軟質磁性粉末材料とし、樹脂をポリアミド系やポリエステル系の熱可塑性樹脂とし、樹脂の軟質磁性粉末材料に対する混合比率は２０体積％以上とする。樹脂の軟質磁性粉末材料に対する混合比率を２０体積％よりも少なくすると、混合物の流動性が少なく金型に射出注入するのに大きな力を要するため成形が困難となる。また、磁性粉末の接着が弱くなり、成形体としての強度が充分でなくなる。
このようにステータコアを成形すれば、ステータコアの中央部の透磁率を高め、中央部を通る磁束をより多くすることで、高出力及び高トルクのモータを得ることができる。これと同時に混合材料による射出成形により、ティース部１ｂの形状を回転軸方向に伸びた楕円形状とすることで、巻線２を密着して巻回できる。このため、巻線２の周長が短くなり、銅損を低減して効率を向上できる。

このような形状のステータを成形するときの製造工程を図２４に示す。ＳＴ８で電磁鋼板を打ち抜き、ＳＴ９で複数枚積層してステ−タコアのティース部１ｂを得る。この積層コアをステータのティース部１ｂの断面形状が略楕円状になるようなステータ形成用の金型内に配置（ＳＴ１０）後、軟質磁性粉末材料と溶融した樹脂との混合材料を金型に射出注入し（ＳＴ１）、樹脂を固化し（ＳＴ２）、成形体を絶縁処理後、巻線２を巻回して（ＳＴ３）、ステ−タが完成する（ＳＴ４）。
このような方法によれば、形状の自由度を高めることができ、低騒音化や高効率化を図ることのできる希望の形状の成形体が得られると共に、電磁鋼板による積層コアを主に使っているので磁束が通りやすく、磁気特性の向上が望める。
なお、図２４のＳＴ９、ＳＴ１０では電磁鋼板を積層した後、金型内に配置したが、金型内で積層するようにしても同様の効果を奏する。

また、図２５のように、コアバック部１ｃなどの単純な形状の部分で主に磁路となる部分を電磁鋼板の積層により成形し、ティース部１ｂまたはティース先端部１ａのような複雑な形状の部分は、上記混合材料を射出成形により成形してもよい。このように構成しても、ティース部１ｂを楕円形状にしたり、ティース先端部１aにスキューをかけるなど、形状を自由に構成でき、かつ電磁鋼板の部分があるので磁束が通りやすくなり磁気特性の向上を図ることができる。
ここで、コアバック部１ｃとティース部１ｂとの接続部分を強固にするため、接続部が互いに嵌合するように凹凸を形成してもよい。

この実施の形態では、ステータコア１の少なくとも主に磁束が集中する部分を電磁鋼板で構成し、他の部分を軟質磁性粉末材料と樹脂の混合材料で射出成形によって構成する。これにより、高出力、高トルクに対応できると共に、騒音の低減や鉄損の低減を図ることのできる形状のステータコア１を煩雑な製造工程を施すことなく得ることができる効果がある。
また、回転軸方向の形状が同一である部分のうちの少なくとも一部を構成するように電磁鋼板で構成し、他の部分を軟質磁性粉末材料と樹脂の混合材料で射出成形によって構成してもよい。
特に、巻線を巻回するティース部１ｂは略楕円形状のように丸みを帯びた形状にするのが特性上好ましく、少なくともこの部分では混合材料を射出成形するのが望ましい。

さらに、複数の薄肉の電磁鋼板による積層体によって構成される部分と、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料によって構成される部分とを有するステータを形成する場合、１度にステータコアの全体を成形するのではなく、１つのティースを構成するティース部１ｂ及びティース先端部１ａを分割して複数個成形し、すべてを樹脂によって一体に密着固定してもよい。
例えばステータコアの主に磁束が集中する部分及び回転軸方向の形状が同一である部分のうちの少なくとも一部として、環状のコアバック部１ｃ構成するように電磁鋼板を打ち抜き、複数枚積層する。他方、ステータコアの電磁鋼板で構成される部分以外の部分を形成する金型内に溶融した樹脂と軟質磁性粉末材料との混合材料を射出注入し、樹脂を固化する。ここでは例えばステータコアの１つのティースを構成するティース部1ｂ及びティース先端部１ａを軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料で射出成形により形成する。次にティース部１ｂに巻線を巻回する。この後、それぞれの構成部材、即ちコアバック部１ｃと複数のティースを金型内に配置し、全体を例えば樹脂で結合することで、積層した電磁鋼板と混合材料による複数の成形体を結合し、各部分を密着固定すると共に、複数のティースを密着固定してステ−タコアを形成する。
このように構成することで、ステータ内の一部が高比透磁率となり、ステータ全体を通る磁束量も増加することができる。また、各ティース部は分割して成形されるので、巻線作業も容易にできる。ここで、ティース部またはティース先端部分の形状は図２５に限るものではなく、図２３のようにティース部１ｂの中央部を積層鋼板で形成してあってもよいし、実施の形態１で述べたいずれの形状にしてもよい。

さらに、上記とは構成を逆にしてもよい。即ち、ティース部１ｂ及びティース先端部１ａを電磁鋼板を積層して成形し、巻線を巻回後、コアバック部１ｃを成形する金型内に配置し、上記金型内に上記混合材料を射出してコアバック部１ｃを成形すると共に複数のティースと密着固定することで、ステータを一体成形する。
この方法ではさらにステータ内を通過する磁束量の増加ができると共に、コアバック部１ｃを混合材料で形成するため、電磁鋼板を使う量を少なくでき、材料の有効利用を図ることができる。また、分割コアとして個々のティースを形成した後に、複数のティースを密着固定するので、巻線作業が容易にできる。

この実施の形態において、主に磁束が集中する部分を電磁鋼板を積層して構成する代わりに、軟質磁性粉末材料を焼結で形成して構成しても、同様の効果を奏する。

なお、実施の形態１〜実施の形態３において、スロット数は限定されるものではなく、いくつでもよい。例えば、図１に示したステータコア１は９個のティース部１ｂを備えて９スロットとなっているが、スロット数はこの限りではない。
また、実施の形態１〜実施の形態３では、ステータの内側にロータを有するインナーロータ型モータについて記載したが、ステータの外側にロータを有するアウターロータ型のモータに適用しても、同様の効果を奏する。

このように、実施の形態１〜実施の形態３のそれぞれにおいて、モータのステータコアまたはロータコアを、軟質磁性粉末材料との樹脂との混合材料を金型に射出成形して形成することにより、高効率・低騒音化を実現するような形状を自由に形成でき、かつ材料の有効活用、リサイクル時の破砕処理が容易である、などの効果がある。また、混合材料である樹脂により、軟質磁性粉末材料が粉末単位で絶縁でき、渦電流の低減ができ、モータ効率を向上できる効果もある。さらに、種々のモータにおいて大幅に生産性を高めることができる。

また、モータのステータまたはロータコアの射出成形時に外部から磁場をかけることによって、成形体内の磁性材料の充填率を変えることができ、必要な部分のみに軟質磁性粉末材料を使えることで、射出時における混合材料の流動性の確保も可能である。

さらに、実施の形態３では、モータのステータコアまたはロータコアの一部分を電磁鋼板を積層して成形し、別の一部分を軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を射出して成形することにより、高比透磁率、高トルク化が可能である。軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を部分的に、または補助的に使うことによって、全体を混合材料で成形するよりも比透磁率を高めることができる。

実施の形態１に係るモータのステータコアを示す斜視図である。実施の形態１に係るステータコアの一部分を示す縦断面図で、図１のＩ−Ｉ線断面図である。実施の形態１に係るステ−タを製造する工程図である。実施の形態１に係るステータコアのティース部の断面図である。実施の形態１に係るステ−タコアの１つのティースを示す斜視図である。実施の形態１に係るステ−タコアの１つのティースを示す斜視図である。実施の形態１に係るステータコアを示す斜視図である。実施の形態１に係るステ−タコアのティース先端部の形状を説明する説明図である。実施の形態１に係るステ−タコアのティース先端部の形状を説明する説明図である。実施の形態１に係るステータコアの１つのティースを示す横断面図である。実施の形態１に係り、図１０に示すステータを製造する工程図である。実施の形態２に係る永久磁石モータのロータを示す上面図である。実施の形態２に係るロータコアを通る磁束を示す説明図である。実施の形態２に係るロータを製造する工程図である。実施の形態２に係る配向磁場を設ける方法の一例を示す説明図である。実施の形態２に係るロータを製造する工程図である。実施の形態２に係るロータを製造する工程図である。実施の形態２に係り、磁性体が積層体で構成されたかご形導体を有するロータの断面図である。実施の形態２に係り、ロータの漏れ磁束を説明する説明図である。実施の形態２に係るかご形導体を有するロータの断面図である。実施の形態２に係り、リラクタンストルクを利用して回転するモータのロータコアを示す上面図である。実施の形態２に係るロータコアの磁束を説明する説明図である。実施の形態３に係るステ−タコアのティース部を示す断面図である。実施の形態３に係るステ−タを製造する工程図である。実施の形態３に係るステ−タコアを示す斜視図である。

符号の説明

１ステータコア
１ａティース先端部
１ｂティース部
１ｃコアバック部
２巻線
３ａ軟質磁性粉末材料充填部
３ｂ樹脂充填部
４永久磁石
５ロータコア
６シャフト
７磁力線
８軟質磁性粉末材料と樹脂の充填部
１０かご形導体
１５軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料によるコア
１６スリット
１７リラクタンスモータのｄ軸
１８軟質磁性粉末材料充填部

Claims

ロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ステータのコアを、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記金型に配向磁場をかけた状態で前記樹脂を固化することで、前記ステータのコアの中央部に前記軟質磁性粉末材料が多く充填されるように充填率を不均一にしたことを特徴とするモータ。
ロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ステータのコアを、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記金型に配向磁場をかけた状態で前記樹脂を固化することで、前記ステータのコアの巻線に接触する部分に前記樹脂が多く充填されるように充填率を不均一にしたことを特徴とするモータ。
かご形導体または複数のスリットを有し、外周部に永久磁石を有するロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ロータのかご形導体以外の部分または複数のスリット以外の部分を、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記金型に配向磁場をかけた状態で前記樹脂を固化することで、前記永久磁石の周辺である外周側に前記軟質磁性粉末材料が多く充填されるように充填率を不均一にしたことを特徴とするモータ。
かご形導体を有するロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ロータのかご形導体以外の部分または複数のスリット以外の部分を、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を前記軟質性粉末材料を樹脂が取り囲むように使用して金型で射出成形した成形体で構成し、前記金型に配向磁場をかけた状態で前記樹脂を固化することで、前記かご形導体と接触する磁性体の部分に前記樹脂が多く充填されるように充填率を不均一にしたことを特徴とするモータ。
ロータコア内部に円弧状の複数のスリットを有し、リラクタンストルクを利用して回転するロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ロータの少なくとも一部を、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記金型に配向磁場をかけた状態で樹脂を固化することで、磁束の通りやすい方向であるｄ軸方向に沿って軟質磁性粉末材料が多く充填されるように充填率を不均一にしたことを特徴とするモータ。
ロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ステータのコアを、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記ロータに対向するティース先端部に、その回転軸方向に伸びる辺が前記回転軸と所定の角度をなすように、スキューをかけることを特徴とするモータ。
ロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ステータのコアを、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記ティース先端部の回転軸方向に伸びる辺のスキューを互いに異なる方向とし、前記複数のティース間の隙間が交互に異なる方向に傾斜するように配置してステータコアを成すことを特徴とするモータ。
ロータと、前記ロータを支持するシャフトと、複数のティース部に巻線を巻回してなるステータとを備え、前記ステータのコアを、軟質磁性粉末材料と樹脂との混合材料を金型で射出成形した成形体で構成し、前記ロータに対向する前記ティースの先端部の形状を、前記回転軸方向の上下の辺の少なくとも一方が略正弦波状であるようにしたことを特徴とするモータ。
巻線が接触する部分に樹脂が多く充填されるようにステータ形成用金型に配向磁場を設けるステップと、溶融した樹脂と前記軟質磁性粉末の混合材料を前記配向磁場が設けられた前記ステータ形成用金型内に射出注入するステップと、前記配向磁場を設けた状態で前記樹脂を固化するステップと、を備え、ステータのコアの巻線に接触する部分に前記樹脂が多く充填されるように充填率を不均一にしたことを特徴とするモータの製造方法。
ロータ形成用金型内に着磁された永久磁石を配置するステップと、前記永久磁石配置後に前記ロータ形成用金型内に溶融した樹脂と軟質磁性粉末材料とのロータコア用混合材料を射出注入するステップと、前記ロータコア用混合材料の前記樹脂を固化するステップと、を備え、前記ロータ形成用金型の外部から配向磁場を設けた状態で、前記ロータ形成用金型内に溶融した樹脂と軟質磁性粉末材料とのロータコア用混合材料を射出注入するステップと、前記ロータコア用混合材料の前記樹脂を固化するステップとを施し、前記永久磁石の周辺である外周側に前記軟質磁性粉末材料が多く充填されるように充填率を不均一にしたことを特徴とするモータの製造方法。