步进电动机以及制造步进电动机的钢板的制作方法

专利名称：步进电动机以及制造步进电动机的钢板的制作方法
技术领域：
本发明涉及步进电动机以及制造步进电动机的钢板。
技术背景混合型步进电动机通常作为打印机等OA机器、机器人或搬运装置等 产业用机器的驱动电动机使用，特别是一般用于精密定位的用途。特别是 使用磁铁和磁阻转矩这两者的混合型步进电动机，以高精度定位为目的被 使用。为了高精度进行该定位，有必要缩小输入1脉冲时的旋转角度即基 本步进角，为了缩小该基本步进角，增加周方向的齿数(极数)的设计是 必要的。因为增加极数会使每一极的小齿成为非常窄的宽度，所以形成对 应于该宽度的定子与转子间的间隙尺寸。通常，在外形为42mm角或56mm角的混合型步进电动机中，采用40pm到70pm左右的间隙尺寸。此处，为了在量产现场保证该间隙尺寸，进行非常严格的生产管理。 首先，用于定子和转子的钢板，是厚度为0.5mm的含有硅的电磁钢板。通 过冲压对该钢板进行冲裁。在通过该冲压进行冲裁时，由于转子与定子之 间的间隙尺寸小，所以在同一个钢板的相同部分，同时冲裁转子以及定子 是十分困难的。虽然关于对一部分同时冲裁的铁芯的制造方法，有[日本特 开2006 — 353001号公报]等例子，但都是模具机构复杂并且需要高精度， 所以需要与其相当的设备投资。另外，利用这些方法将定子、转子铁芯进 行冲裁层叠之后，由于具有尺寸的偏差，因此如[日本特开2005 — 006375 号公报]所示，有必要对定子内径以及转子外径进行珩磨(研磨)，并管理 间隙尺寸。即使是不使用珩磨(研磨)加工的情况下，也有必要通过特殊 加工保持该间隙尺寸均匀。此处，作为混合型步进电动机的构成，作为铁芯制造方法的例子，在 专利文献l、专利文献2、专利文献3有所公开。此处公开的都是将厚板(0.5mm)的电磁钢板进行冲孔加工，制作的方法。 专利文献1:日本特开平11一289737号公报 专利文献2:日本特开2006—353001号公报 专利文献3:日本特开2005—006375号公报在以精密定位为目的的混合型步进电动机中，定子、转子的小齿的尺 寸精度很大影响电动机的性能。因此，如上所述，有必要对通过冲压冲裁 并层叠了的定子铁芯、转子铁芯进行珩磨加工、确保尺寸。但是，通过实 施该珩磨等加工，加工时产生的研磨飞边或因加工而出现的金属粉附着于 定子、转子，存在着在电动机安装后堵塞在间隙中引起不良的问题。在电 动机制造上这会降低成品率而成为大问题。另外作为其他问题，被珩磨(研磨)加工的定子内径或转子外径，由 于研磨用的磨石的磨损，也会发生尺寸偏差。频繁更换研磨用磨石能在一 定程度上解决该问题，但是因为制造成本会相应增加，所以并不优选。作为其他问题，通过冲压加工，对钢板施加有剪切时的应力，有产生 磁特性劣化、铁损特性劣化的问题。由ioo极以上的很多极构成的混合型 步进电动机，被非常高频的脉冲驱动。由该高频的磁通产生的铁损大，铁 芯部优选是低铁损。铁损分为涡电流损失和磁滞损失两种。磁滞损失是因 交变磁场使磁芯的磁区改变方向时产生的损失，依存于磁滞曲线的内部的 面积。另外，涡电流损失是在阻碍电磁钢板的磁通流的方向上产生的电流， 在混合型步进电动机中，主要是转子、定子的小齿顶端的高频磁通产生的 涡电流损失大。因此，定子铁芯为了降低涡电流损失，层叠电磁钢板而形 成磁回路。还有，定子铁芯是具有突极的复杂的形状，现在，通过冲孔加 工制造定子铁芯。如果进行冲孔加工，电磁钢板的切断部分的结晶构造变 形，磁特性变差，磁滞曲线的内侧面积变大，有铁损增大的问题。另外， 厚的电磁钢板具有涡电流损失大的缺点，因此，存在着混合型步进电动机 的效率得不到改善的问题。另外，在冲孔加工中，电动机外径即使大也是30mm 50mm，需要 精度，相反，因为冲孔加工的精度不高，有无法改善齿槽转矩的缺点。发明内容本发明提供一种可以消除所述公开例的缺点，能够降低铁损，高效率 并且降低了齿槽转矩的混合型步进电动机。 步进电动机具有定子，该定子具有定子铁芯和定子线圈，所述定子铁芯具有突极和在 突极前端具有的小齿，所述定子线圈配置于所述突极间；转子，该转子具有在与所述定子的相对面具有多个小齿的转子铁芯、 和在轴向上被转子铁芯夹入的永久磁铁，其特征在于，所述定子铁芯以及转子铁芯由层叠的钢板制作，所述钢板的突极以及小齿形状通过蚀刻加工形成，所述钢板的厚度为0.05 0.30mm。根据本发明，可以提供能够降低铁损、高效率并且可降低齿槽转矩的 步进电动机。


图1是表示关于本发明一个实施例的混合型步进电动机构造的图； 图2是表示关于本发明一个实施例的混合型步进电动机的铁芯形状的图；图3是表示电磁钢板的板厚和铁损关系的图；图4是表示硅钢板中硅含量和铁损关系的图；图5是表示蚀刻加工的代表性加工截面形状的图；图6是表示冲孔加工的代表性加工截面形状的图；图7是本发明的混合型步进电动机的铁芯的板取例；图8是表示混合型步进电动机的铁芯的蚀刻图案例的图；图9是表示蚀刻钢板的层叠组装方法的一例的图；图IO是表示从一片蚀刻钢板得到层叠组装品的方法的一例的图；图11表示本发明的混合型步进电动机的齿顶形状和磁通的流向；图12是表示本发明的混合型步进电动机的齿顶形状例的图。图中，l一定子铁芯;2 —转子铁芯；3 —轴承；4一永久磁铁；5 —轴；6 —线 圈；7 —壳体；8 —磁路；9一钢板；10 —主磁通；11—漏磁通；12 —沟槽； 13 —狭槽部。
具体实施方式
以下，根据

本发明的一个实施例。图1表示最一般的、基本步进角是1.8。的内转型的两相混合型步进电 动机的构造。混合型步进电动机的转子、定子都由层叠钢板构成，定子和 转子的间隙设计得很小，在可制造的范围内(一般是30 50jam)。形状设计为八个磁极以45。间距等配置的各定子磁极中，从磁极中 央分开向左右以7.2。的间距各设有六个小齿极。另一方面在转子中，外周 具有50个小齿的转子铁芯构成为，挟持在轴向被磁化了的磁铁。另外， 上下两个转子铁芯的小齿极被制作成相互的相位错开180。电角的状态。磁 铁使用钐钴、钕铁硼等稀土类磁铁，或铝镍钴磁铁、铁素体磁铁等。另外， 轴是非磁性体。绕组虽然在构造图中省略没有表示，但是A相线圈被巻绕在第一磁极 和第三磁极、第五磁极和第七磁极上，使得第三和第七磁极的巻绕方向与 第一和第五磁极的方向相反。用同样的巻绕方法，在第二、第四、第六、 第八磁极上巻绕B相线圈。现在在图1的构造图中，在转子铁芯的N极侧小齿极与定子侧第三磁 极以及第七磁极小齿极处于1对1的相对状态时，S极侧转子铁芯的小齿 极与第一磁极以及第五磁极的小齿极处于1对1的相对状态。还有，此时 第二以及第六磁极小齿极处于如下状态相对于N极侧的转子铁芯小齿极 在逆时针方向上错开1/2间距，相对于S极侧的转子铁芯小齿极在顺时针 方向上错开l/2间距。第四以及第八磁极小齿极处于如下状态相对于N 极侧的转子铁芯小齿极在顺时针方向上错幵1/2间距，相对于S极侧的转 子铁芯小齿极在逆时针方向上错开1/2间距。因此，从磁铁的N极侧流出的磁通，如截面图所示，通过第三磁极以 及第七磁极，在轴向上扭曲流经外周轭部，同时进入第一磁极以及第五磁 极，到达S极侧转子铁芯。此外，在第二、第四、第六、第八磁极，从N 极侧转子铁芯出来的磁通也是在轴向流动进入S极侧转子铁芯的流向。通过这样的复杂的磁通的流动，在各磁极的小齿极部可以呈现出具有 各种大小以及方向的磁感应强度分布。与该磁感应强度的切线分量的平方的总和成比例的转矩作用在转子上，在该总和为零的转子位置达到平衡而 停止。目前， 一般定子的绕组相数为两相，但是得知通过增加相数能够得到 良好的特性。可是随着相数的增加， 一般定子的构造以及驱动电路变得复杂，所以可以说相数为5相为止是实用上的极限。另外，HB型步进电动机的基本步进角eS,如果令m为相数，Nr为 转子小齿极数，可以用下式表示。eS=7i/ (m*Nr)…(式l)根据该式，基本步进角es随着Nr的增加而变小，得知可以得到高分 辨率。但是，一般的步进电动机由于小齿的加工极限，50枚齿为主流。所 谓加工极限是指，通过冲压加工制作硅钢板等磁性体，但其能够加工的微 小宽度，目前在冲压加工中认为是板厚的80%左右是极限。 一般情况下， 因为0.5mm厚度的板为主流，所以其宽度为0.4mm。在采用高级电磁钢 板的情况下，因为其板厚为0.35mm，所以此时的加工极限宽度是0.28mm。 若决定了加工极限宽度，则通过间隙径来决定齿数。图2表示本发明的第一实施例即混合型步进电动机的铁芯形状的详细 图。本实施例的混合型步进电动机是内转型，转子铁芯2的小齿数是以7.2 度间距配置的50枚，此处表示的外径是25.9mm。定子铁芯1在与八个突 极的转子对抗的前端部各设有六个小齿。此处表示的铁芯外径是42mm， 巻绕有线圈的突极主体部的宽度是3mm,定子内径为26mm,转子与定子 间的间隙尺寸为0.05mm。从(b)图的小齿相对部的放大图示可以得知， 该间隙尺寸相对于小齿宽度非常小，大约为其的1/10左右。以往的混合型 步进电动机的铁芯的制造方法，对于定子铁芯，首先将内径设为很小尺寸 通过冲压冲裁再层叠，之后施以珩磨(研磨〉加工，制造出满足间隙尺寸 的定子铁芯。图2中所示的定子的内径尺寸是26.00mm，但是在冲压的冲 裁层叠时，为了使其成为25.95mm，以留下20 3(Him左右的切削带的尺 寸进行冲裁层叠。同样，转子铁芯的外径尺寸也通过事先较大地进行冲压 加工，通过之后的珩磨加工调整为适当的间隙尺寸的方法进行制造。在图 2的转子铁芯中，在冲压的冲裁层叠时，为了使外径成为25.95mm，以留 下2(Him左右的切削带的尺寸进行冲裁层叠。由此可以得知，因为两个都是使直径为25.95mm进行冲裁，因此不能从一片板上同时取板。冲压模具 的冲头和模具至少要有相对于板厚的间隙，如在冲裁0.5mm厚的铁板时， 需要其10%以下、即0.05mm以下的间隙，将该间隙变为零几乎是不可能 的。另外，在模具冲裁系统(冲压)中，由于模具和电磁钢板会由于周围 的气温等条件而伸缩，所以如果也考虑到生产时的尺寸偏差等，则稳定量 产所述尺寸的定子转子铁芯十分困难。如上所述，说明简单实现上述混合型步进电动机的定子、转子铁芯的， 本发明的蚀刻加工的定子、转子铁芯制造方法。定子铁芯、转子铁芯(以下有时称为"铁芯")，由层叠的钢板制作。 钢板的突极通过蚀刻加工、优选通过光蚀刻加工形成。此时，钢板的厚度 为0.08 0.30mm。当然，虽然通过蚀刻加工来加工定子铁芯的整体，但从磁特性及制造 工序整体的操作性的角度看是优选的。另外，与定子铁芯一样，对于转子铁芯，也对0.08 0.30mm厚的硅 钢板进行蚀刻加工，从改善磁特性的观点看是优选的。即，基于冲孔加工 的定子铁芯或者转子铁芯的加工，破坏了钢板内的规则的晶格结构，由此 增大了磁滞损失。通过对定子铁芯或者转子铁芯进行蚀刻加工，可以防止 规则的晶格结构的破坏，可防止磁滞损失的增大。冲孔加工存在如下问题加工对象的钢板加工得越薄，切断部的紊乱， 如压塌、飞边、塌边等越大，显示出磁滞损失增大的倾向。并且，冲孔加工可以加工的形状，有圆或直线这样的简单的形状。其 原因是，冲孔加工必须用模具，而将该模具做成复杂曲线是十分困难的。 另外，在研磨模具时，在模具具有复杂的曲线形状的情况下，还存在无法 很好研磨的问题。所以，在冲孔加工等机械加工中，虽然以降低涡电流损失为目的而使 电磁钢板的厚度变薄，但磁滞损失增大，不容易降低铁损。蚀刻加工可以解决这些问题。利用该蚀刻加工可以较低地抑制磁滞损 失，可以降低涡电流损失。在混合型步进电动机中，通过对定子以及转子 铁芯进行蚀刻加工，可以进一步提高混合型步进电动机整体的效率。且， 作为蚀刻加工的代表的方法，有光蚀刻加工。蚀刻加工由于可以防止对钢板内的规则的晶格结构的破坏，具有降低 磁滞损失的效果，此外通过大幅度提高加工精度，可以期待混合型步进电 动机特性的改善。另外，由于能够高精度地加工磁间隙的宽度，通过降低转矩脉动或者 高次谐波磁通，或者通过降低磁阻或降低漏磁通，可以改善混合型步进电 动机的特性及效率。并且，因为可以将定子铁芯加工成带来特性的改善和性能的提高的复 杂的曲线形状，所以与冲孔加工相比，可以实现特性的改善和性能的提高。例如，通过高精度地加工定子铁芯与转子间的间隙的形状，不仅可以 提高效率，而且可以实现降低脉动等性能的提高及特性的改善。具体通过以下方式进行说明。本方式中，铁芯的层叠铁芯密度为90.0 99.9%，优选为93.0 99,9%。 此处的层叠密度的定义是，层叠铁芯密度(％)=钢材板厚(mm) X片 数(片)+铁芯高度(mm) XIOO。而且，该层叠铁芯密度也并不一定不可以通过机械压縮层叠铁芯的方 法来提高。然而，在这种情况下，会使铁损增加，并不能说是优选的。本 方式中说明的是，没有设置这样的用于提高层叠铁芯密度的特别的工序， 可以提高层叠铁芯密度。如此提高铁芯的层叠铁芯密度，可以降低铁芯内的磁感应强度。由此， 具有降低混合型步进电动机的铁损的效果。此时，铁芯的层叠铁芯密度(％)，钢板的板厚是0.08 0.30mm，铁 芯的片数是20 300 (片)左右，铁芯的高度是5 100mm左右。钢板的组成是，含C为0.001 0.060重量。/。，含Mn为0.1 0,6重量 %，含P为0.03重量％以下，含S为0.03重量％以下，含Cr为0.1重量％ 以下，含Al为0.8重量。/。以下，含Si为0.5 7.0重量。/。，含Cu为0.01 0.20重量％，其余部分由不可避免的杂质和Fe构成。且，不可避免的杂质为氧或氮的气体成分等。并且，优选的是，钢板的组成为，含C为0.002 0.020重量％，含 Mn为0.1 0.3重量％，含P为0.02重量％以下，含S为0.02重量％以下， 含Cr为0.05重量％以下，含Al为0.5重量％以下，含Si为0.8 6.5重量%，含Cu为0.01 0.1重量％，其余部分由杂质和Fe构成，具有结晶粒子， 是作为所谓的电磁钢板的硅钢板。
在决定这样的硅钢板的组成时，特别是从降低铁损的角度出发，Si和 Al的含量很重要。从这个角度出发在规定Al/Si时，比率优选为0.01 0.60。 更优选的是该比率是0.01 0.20。
且，硅钢板中的硅的浓度可以根据混合型步进电动机的种类，将采用 0.8 2.0重量％的混合型步进电动机和采用4.5 6.5重量％的混合型步进 电动机分开使用。
且，通过降低硅的含量，可以提高硅钢板的磁感应强度。在本方式中， 可使之为1.8 2.2T。
在硅含量少的情况下，可提高轧制加工性，减少板的厚度，通过减少 板的厚度，可以减少铁损。另一方面，在硅含量多的情况下，轧制加工性 的降低可以通过在轧制加工后含有硅等方法解决，铁损也会减少。
另外，硅钢板含有的硅的分布，也可以相对于硅钢板的厚度方向大致 均匀地分布，另外，也可以通过局部提高硅的浓度的方式，相对于硅钢板 的厚度方向，使表面部的浓度高于内部的浓度。
并且，铁芯在层叠的钢板与钢板之间，有厚度为0.01 0.2"m的绝缘 被膜，该绝缘被膜的厚度也可分为0.1 0.2iim、优选为0.12 0.18ixm的 混合型步进电动机和0.01 0.05 u m、优选为0.02 0.04 y m的混合型步进 电动机。
此外，在绝缘被膜的厚度为0.1 0.2um的情况下，该绝缘被膜最好 用有机或无机的膜。作为绝缘被膜的材料，可以用有机材料、无机材料及 混合了有机材料与无机材料的混合材料。
另外，在绝缘被膜的厚度为0.01 0.05um的情况下，该绝缘被膜最
好用氧化被膜。特别优选用铁系的氧化被膜。
艮卩，通过使硅钢板的板厚变薄，也可以使绝缘被膜的厚度变薄。 现有的电磁钢板的绝缘皮膜，即使在冲孔加工后也可以维持绝缘性， 同时为了提高冲孔加工性，还有润滑性、钢板的密接性、冲孔加工后的退 火的耐热性、焊接层叠的电磁钢板来形成铁芯时的焊接性等、绝缘性以外 的特性，调整绝缘皮膜的厚度或成分，需要0.3ym左右的厚度。然而，在本方式说明的薄壁化了的硅钢板中，需要使绝缘皮膜的厚度 变薄。
其原因是，在使用厚度与现有技术相同的绝缘被膜的情况下，由于硅 钢板壁厚薄化，相对的，存在绝缘皮膜的体积率相对于硅钢板的体积率增 加，磁感应强度下降的顾虑。
这样，在本方式说明的壁厚薄化了的硅钢板中，可以减少绝缘皮膜的 厚度。
一般的，在使电磁钢板变薄时，需要增加绝缘被膜的厚度。但是，在 本方式中，与该考虑方法不同，即使使电磁钢板的厚度变薄也不需要增加 绝缘被膜的厚度，反而可以与电磁钢板一起变薄。所以，也提高了层叠铁 芯密度。
而且，需要考虑硅钢板中硅的分散状态和转子的使用条件进行讨论， 可以根据用途区分使用在如下两种情况，其一是最高旋转速度的旋转域处
于低速，由硅钢板组成的钢板中含有的硅向钢板的厚度方向分散的情况； 其二是最高旋转速度的运转一般为数千 数万rpm，由硅钢板组成的钢板 中含有的硅的浓度，表面部比内部高的情况。
旋转速度和铁损的关系是旋转速度越上升，磁通的交变频率变得越 高，从而铁损增加。旋转速度快的混合型步进电动机比旋转速度慢的混合 型步进电动机处于铁损增加的倾向。从这点考虑，有必要讨论硅钢板中硅 的含量。
而且，硅钢板含有的硅可用溶解法均匀地添加在电磁钢板中，也可以 用表面改质或者离子注入、CVD (化学气相沉积)等方法，对电磁钢板局 部地特别是向表面部添加。
另外，本方式说明的电磁钢板，以用于具有形成混合型步进电动机的 定子的突极和磁轭的铁芯、以及用于具有多个小齿的转子铁芯为前提，厚 度为0.08 0.30mm，突极及磁轭可通过蚀刻加工形成。
宽度为500 2000mm的电磁钢板的蚀刻加工是如下这样进行的，在 钢板上涂敷抗蚀剂，使定子铁芯的形状曝光，显影，基于其形状除去抗蚀 剂，用蚀刻液进行加工，用蚀刻液加工后，除去残余的抗蚀剂。
对于有利于低铁损化的硅钢板的薄壁化，由于硅钢板的轧制加工性差、冲裁铁芯时的加工即冲孔加工性差，所以在工业规模下，成本大幅度 的增加不可避免。 一般在将硅钢板作为在低成本生产的混合型步进电动机
中使用的电磁钢板而使用的情况下，以板厚为0.50mm的硅含量低的高磁 感应强度的硅钢板为中心，长时间没有采用新的铁芯的进展。
但是，在本方式中，不使用冲孔加工，而通过使用蚀刻加工，可以实 现在工业规模下不引起成本大幅度的增加，使铁芯使用的硅钢板的薄壁化 成为可能，实现低铁损化。
在本方式中，为实现铁芯的低铁损化，在使用铁损较小的硅钢板的同 时，调整考虑了轧制加工的硅含量，对硅钢板的考虑了轧制加工之后的板 厚进行薄壁化，考虑形成为铁芯的形状的蚀刻加工的适用，考虑构成层叠 的铁芯的一片一片的硅钢板的低铁损化，考虑在硅钢板与硅钢板间形成的 绝缘皮膜的铁芯的低铁损化。
在使用模具的冲裁加工法即冲孔加工中，在切断部附近形成被称为加 工硬化层、飞边或塌边(以下称为"飞边等")的塑性变形层，产生残留 变形或残留应力。在冲孔加工时产生的残留应力，破坏分子磁铁的排列的 规则性，即破坏磁区，使铁损明显增大，需要进行用于除去残留应力的退 火工序。退火工序进一步增加了铁芯的制造成本。
在本方式中，因为不实施这样的冲孔加工来形成铁芯，所以几乎不形 成塑性变形层，不会产生残留变形或残留应力。因此，几乎不会破坏结晶 粒子的排列状态，可以防止对磁铁分子的排列、即磁区排列的损伤，防止 磁特性即磁滞特性的恶化。
另外，铁芯通过对加工后的硅钢板进行层叠而形成。通过对该硅钢板 的残留变形或残留应力的产生进行抑制，可以进一步提高铁芯的磁特性。
因此，本方式中的混合型步进电动机可以实现低铁损化、高输出化、 小型轻量化。另外，该混合型步进电动机中使用的电磁钢板，具有在边缘 部分几乎没有飞边等的良好特性。
飞边等是塑性变形层的一种，因为沿着切断部，从钢板的平面方向向 空间方向锋利地突出，所以有时会破坏在电磁钢板表面形成的绝缘皮膜， 破坏层叠的钢板间的绝缘。
另外，在层叠这种钢板的情况下，由于飞边等，在层叠的钢板间产生不需要的空隙，所以损害层叠铁芯密度的增加，结果是磁感应强度降低。 磁感应强度的降低阻碍混合型步进电动机的小型轻量化。
虽然也有时釆用在将电磁钢板层叠后，通过将铁芯在板厚方向上进行 压縮，压塌飞边等，使层叠铁芯密度提高的方法，但在这种情况下，通过 加压压縮增加了残留应力，铁损增加。从而，还存在由飞边等引起的绝缘 破坏的问题。另外，虽然也采用通过珩磨、研磨等的后加工除去飞边部分 的方法，但此时会产生大幅度的制造成本增加，以及加工后的飞边变为异 物(金属粉)残存，引起间隙堵塞，因此大多会带来清洗工序、异物检査 等工序的增加，会产生成品率下降等问题。
在本方式说明的铁芯，由于基本不产生飞边等，不用进行加压压縮， 可以提高层叠铁芯密度，且不会引起绝缘破坏。因此，还可以降低铁损。
在作为铁芯使用的电磁钢板的硅钢板中，硅的含量为6.5重量％，理 论上铁损最低。但是，若硅含量增加，则轧制加工性及冲孔加工性会明显 恶化。所以，不管铁损有多大，考虑到轧制加工性及冲孔加工性，硅钢板 中硅的含量主流的是约为3.0重量％。
在本方式中说明的硅钢板，因为板厚可以薄壁化为0.3mm以下，所以 即使硅的含量在2.0重量％以下，铁损也低。
在现有技术中，在板厚为0.3mm以下的薄壁化了的硅钢板的制造中， 需要轧制、退火等特别的工序，但在本方式说明的硅钢板，因为不需要这 样的特别的工序，所以还可以降低薄壁化了的硅钢板的制造成本。且，关 于铁芯的制造，因为不需要冲孔加工，所以可以进一步降低制造成本。
此外，与铁芯的主要材料即硅钢板不同，公知有作为极薄电磁材料的 在特殊用途限定使用的价格极其昂贵的非结晶材料，但是因为非结晶材料 有使熔融金属急速凝固来形成箔体进行制造的特殊工序，所以可以实现厚 度为0.05mm左右或其以下的超薄壁的300mm左右宽度的极少量的制造， 但是在这以上的板厚或板宽的材料的制造，在工业规模下的制造却是不可 能实现的。
如此，非结晶材料因为材质硬且脆，并且过薄，不能进行冲孔加工， 由于化学成分的限制，磁感应强度低等原因，不能作为铁芯的主要材料。 在本方式中说明的电磁钢板与这样的非结晶材料不同，具有结晶粒子。另外，本方式中的电磁钢板，可以同时实现有利于低铁损化的薄壁化、 变形的降低、高输出化、可同时实现小型轻量化的尺寸精度的提高和高磁 感应强度化的铁芯层叠密度的提高。
艮口，根据本实施方式，可以提供在实现低铁损的同时，实现高输出化、
小型轻量化的铁芯。电磁钢板的板厚与铁损的关系如图3所示。根据图3
可知，板厚与铁损之间存在板厚越厚，铁损越高的关系。其中一般采用的
硅钢板的板厚，考虑到轧制加工或冲孔加工性，分为0.50mm和0.35mm 这两种。广泛用于铁芯制造的这两种板厚的硅钢板，为了降低铁损，需要 进行轧制和退火。另外，为实现进一步的薄壁化，由于作为对象的铁芯的 形状和大小的不同而使得反复的次数不同，但需要反复进行这样的轧制和 退火。如此，在一般使用的硅钢板中，为实现薄壁化，需要追加轧制、退 火等特别的工序进行制造，从而制造成本变高。
在本方式说明的铁芯，因为可以降低制造成本，又可以解决铁芯加工 上的问题，所以可用于工业规模的大量生产。本方式中使用的硅钢板的板 厚为0.08 0.30mm。且，优选使用厚度为0.1 0.2mm的硅钢板，采用蚀
刻加工制作铁芯的形状。
在图3中，作为参考也表示了非结晶材料的板厚的区域。因为非结晶 材料有使熔融金属急速凝固来形成箔体进行制造的特殊工序，所以适于厚 度为0.05mm左右或其以下的超薄壁的制造，在这以上的板厚由于急速冷 却很困难，所以制造困难。另夕卜，只能制造板宽在300mm左右的窄的板， 与特殊的制造工序一起，制造成本显著的提高。
另外，关于磁特性，虽然铁损低，但是存在磁感应强度也低的缺点。 这是因为为了急速冷却凝固而在化学成分上存在限制。在本方式中没有使 用这种非结晶材料，而使用具有晶体粒子的硅钢板。 '
下面，介绍硅钢板的代表性的制造工序。
由可形成电磁钢板的材料制造钢。例如，使用具有如下组成的钢板材 料其组成是含C为0.005重量％，含Mn为0.2重量。/。，含P为0.02重 量％，含S为0.02重量％，含Cr为0.03重量。/。，含A1为0.03重量。/。，含 Si为2.0重量。/。，含Cu为0.01重量。/。，其余部分为Fe和若干杂质组成。 通过对这种钢板材料实施连续铸造、热轧、连续退火、酸洗、冷轧、连续退火，制造板宽为50 200cm、在此特别是板宽为50cm、板厚为0.2mm 的硅钢板。另外，在制作出的硅钢板的表面，为了降低铁损，进而也可以 形成4.5 6.5重量％的硅。然后，实施厚度为0.1 IX m的有机树脂的绝缘 被膜涂敷，制造硅钢板。根据情况不同，也可以不采用特别的绝缘被膜涂 敷的工序，而制作厚度为0.01 0.05um的酸化被膜。
另外，这里说明的绝缘被膜涂敷的工序在制造铁芯时，优选在蚀刻加 工的工序后进行。
另外，硅钢板形成为平板或线圈状、辊状。
下面，说明铁芯的代表性的制造工序。
对制造的硅钢板进行预先处理，涂上抗蚀剂。对该抗蚀剂，利用掩模 对定子铁芯的形状进行曝光、显影。根据其形状除去抗蚀剂。进一步，用 蚀刻液进行加工。在通过蚀刻液的加工后，除去残余的抗蚀剂，制造出所 要的具有定子铁芯的形状的硅钢板。这种制造中例如光蚀刻加工是有效 的，使用采用金属掩模的精密加工微细孔的方法也是有效的。将制造的具 有希望的定子铁芯的形状、具有铁芯形状的多个硅钢板进行层叠，通过焊 接等固定层叠后的硅钢板，从而制造铁芯。另外，在焊接时，优选利用纤 维激光器等实施输入热量少的焊接。
通过利用蚀刻加工制造突极的形状，可以得到极高的加工精度，如误 差在土10ym以下，优选在士5ym以下，可以制造希望形状的定子铁芯。
另外，如果以真圆度表现误差，在具有20 100mm左右的外径的混 合型步进电动机的定子铁芯、转子铁芯的内径、外径中，为10pm以下， 优选5pm以下。而且，所谓圆度，是指圆形部分从几何学上的理想圆偏离 的大小，是指用两个同心的几何学上的理想圆去夹圆形部分时，两圆之间 区域最小时的半径差。
图4表示硅钢板中硅的含量与铁损间的关系。
如图4所示，硅含量为6.5重量％的硅钢板的铁损最少。但是，在硅 钢板中硅的含量比6.5重量％大时，轧制加工很难进行，所希望厚度的硅 钢板的制造很困难。因为轧制加工性存在电磁钢板中含有的硅越多，加工 性越变差的倾向。从这个背景出发，综合考虑铁损和轧制加工性之间的平 衡， 一般使用硅含量为3.0重量％的硅钢板。即，在本方式中，通过使硅钢板的板厚薄壁化，降低硅钢板的铁损，减小硅钢板中硅的含量对铁损的 影响。因此，在本方式中说明的硅钢板，不仅轧制加工性变好，而且通过 使板厚薄壁化，对铁损影响大的硅钢板中硅的含量的自由度变大。因此，
可以使硅钢板中硅的含量在0.5 7.0重量％的范围，也可以采用0.8 2.0 重量％和4.5 6.5重量％的极端的不同的含量，根据铁芯的规格或混合型 步进电动机的用途，可以区分使用。
图5表示基于蚀刻加工的代表性的加工截面形状。
通过蚀刻加工硅钢板，在用酸液溶解的加工截面附近，如图(a)所 示，不存在飞边等塑性变形层。可以相对于硅钢板的平面方向基本垂直地 形成加工截面。并且，在先进的光蚀刻加工中，如图5 (b) (d)所示， 也可以控制溶解部的形状。即，还可以形成规定的锥度(tape)，也可以 在相对于板厚方向的垂直方向上形成凸凹。
如此，被蚀刻加工后的硅钢板，由该加工引起的残余应力几乎为0， 塑性变形层几乎不存在，硅钢板的相对于厚度方向的塑性变形量几乎为0。 另外，蚀刻加工引起的加工截面附近的塑性变形量也几乎为0。并且，在 加工截面中，可以控制硅钢板的加工截面的形状，可以形成加工引起的残 余应力几乎为0、并且加工截面附近的塑性变形量也几乎为0的切断截面 形状。
另外，通过采用这样的蚀刻加工，还可以在使硅钢板的微细的结晶组 织、机械特性及表面部最佳化的状态下适用于铁芯。考虑到硅钢板的结晶 组织的各向异性，及基于此的磁特性的各向异性，还可以实现铁芯的磁特 性的最佳化。
图6表示基于冲孔加工的代表性的加工截面形状。
通过冲孔加工硅钢板，在塑性加工时的剪切应力的作用下，加工截面 附近显著变形，形成10 100um左右的飞边、塌边、压塌。
另外，关于硅钢板的平面方向的尺寸精度，在冲孔加工中因模具的尺 寸精度而受到限制，通常相对于硅钢板的厚度在5%左右的间隙下被剪断， 因此硅钢板的平面方向的尺寸精度下降。另外，在大量生产时因模具的损 耗，还存在精度随着时间的经过而降低等问题。另外，越是薄壁化后的硅 钢板，冲孔加工越困难。在适用蚀刻加工的本方式中，可以解决这种加工精度的问题，也可以 消除因为时间经过而引起的精度的降低。
另外，在使用规定图案对定子铁芯的形状进行曝光时，优选设置与电 磁钢板的轧制方向有关的掩模或基准孔。
在层叠电磁钢板的情况下，将电磁钢板相对于轧制方向平均化，这在 使混合型步迸电动机的性能提高的方面来说是必要的。例如，相对于轧制 方向，改变规定量的掩模或者基准孔的位置，在层叠电磁钢板时，通过使 掩模或基准孔的位置对齐，可以实现作为混合型步进电动机的磁特性的提 咼。
图7表示从450x750mm的尺寸的板，制造042mm外径的混合型步 进电动机的铁芯的一个例子。得知在纵向上可以配置9列，横向上可以配 置15列的铁芯。如前所述，因为蚀刻加工的精度高，所以可以从同一板 面取得定子和转子。在冲压加工中，由于所述模具间隙的问题，不能做到 这样的取板。如图8所示，通过蚀刻加工使图示的阴影部分溶化制作。此 时，因为溶化部分越少，之后的废液处理越容易，所以如图所示，间隙部 分溶化，也是定子外径部分、定子狭槽部分以细线溶化轮廓部分。另外， 如果全部溶化间隙部、外径部分形成轮廓，则可以防止漏掉想从板上切掉 的部件。如图所示，在不阻碍作为混合步进电动机的磁回路的部分设置连 接部分，可以将零件配置在板上供应。
图9、图10是表示铁板的层叠方法的例子。图9表示直接层叠蚀刻加 工后的铁板的例子。在进行过所述膜厚为5|im左右的电绝缘被膜处理之后 的蚀刻加工钢板上， 一面涂粘合剂一面层叠到所需厚度。粘合剂与绝缘膜 同样，因为优选相对于板的厚度薄，所以令其厚度为5pm左右。作为这样 较薄地涂敷的方法，有通过辊灯进行的平均涂布、以及喷雾(雾状)法等 方法。另外，在用这些方法进行涂布后，在进行层叠的工序中，优选在层 叠方向上施加压力进行层叠粘合。根据这些方法，可以得到所述的层叠铁 芯密度。
将层叠到规定尺寸的铁芯，用简单的夹具施加夹住必要的铁芯零件部 分的力，进行拔取。如图8所示，定子、转子铁芯由于只由约0.2mm左右 的非常细的连接部14连接，因此就像取出塑料模型玩具的零件一样，可以进行简单地拔取。该连接部分14是从定子铁芯的外径进入内侧的部分，或是作为绕组狭槽的中间部，或者小齿的根槽部分等磁回路时，没有磁通 通过的部分。首先，在保持整体的状态下拔掉转子部分，然后除去狭槽部 等不要的部分后，拔掉定子，由此可以得到转子铁芯和定子铁芯。因为通 过蚀刻进行了高精度加工，所以没有必要进行珩磨等后加工。另外虽然连 接部分会残留少量突起，但是因为配置于不影响磁性的位置，所以不需要 除去等处理。在生产量多的情况下，使用图9的方法有效。但是生产量少时，或者 在一片的截面中通过蚀刻加工制作多个形状时，图10所示的方法有效。 图10是只在必要部分进行层叠的方法。例如，在层叠定子、转子铁芯的 夹具上，进行蚀刻加工后的板的定位，只对必要部分通过粘合等方法进行 层叠。此时也与上述相同，因为优选粘合层的膜厚薄，所以优选使用喷雾 法、用分配器进行适量涂布等方法，利用向轴向的压縮加工并干燥。该方 法的特征在于，由于可以在层叠方向上层叠形状不同的铁芯，因此能够得 到三维构造的铁芯。用蚀刻制法制作以上的薄板电磁钢板的混合型步进电动机，由于铁芯 精度优良，所以可以使齿槽转矩变小，并且也可降低铁损，可以提供高精 度、高效率的混合型步进电动机。在具备本发明的混合型步进电动机的打印机、复印机等OA装置，或 者产业用机器人等产业用装置中，由于齿槽转矩十分小，所以可以提高定 位精度；因为铁损少，所以通过在高速侧的输出特性改善，可以谋求动作 速度的上升等特征。图11表示有关本发明实施例的混合型步进电动机的转子、定子铁芯 构造。此处，与图l相同的符号表示同一构成零件。另外，整体构成与图 l相同。混合型步进电动机具有位于同一平面上的定子铁芯的小齿极和转子 铁芯的小齿极相对的部分(图11 (a))和不相对的部分(图11 (b)) 以及成为其中间的相对(图11 (c))。在磁相对的情况(d)下，磁通容 易流动，在不相对的情况下，因为不易流动，所以其相差部分成为线圈的 交链磁通，作为电动机动作。理想上，虽然在不相对时磁通完全不流动最好，但是此时，由于也流动有如(e)图所示的漏磁通，所以通过选择该相差部分变大的齿的形状来进行设计。如果采用能积高的磁铁，虽然磁通 供应量增加，但是因为相对部的磁感应强度饱和，所以非相对部的漏磁通 变大，其相差部分变小。相反，如果降低磁铁的等级，因为相对部的磁通 量减少，相差部分也减少。即，在该混合型步进电动机中，根据定子、转 子铁芯的齿的形状、层叠厚度，就已经决定了能得到最大交链磁通的磁铁 强度。通过利用本发明的蚀刻钢板，可以使混合型步进电动机的输出提高。 在蚀刻加工中，可以在不使铁板自身的磁特性劣化的情况下进行高精度加工。因此如图12所示，可以使齿的形状呈在相邻的齿间减少漏磁通的形 状。图12 (a)表示齿的形状细长的例子。例如，使所述定子以及转子的 小齿形状形成为槽深是齿宽的1.5 3倍。迄今通过冲压进行沖裁加工， 之后进行珩磨加工等后加工，因此如图示的细齿由于刚性不足，存在加工 时变形或得不到加工精度的问题。施加了蚀刻加工的铁芯因为没有必要进 行后加工，所以形状细也没有关系，可以进行高精度加工。图12 (b)表示在齿顶顶端部设置法线方向上的沟槽的例子。在齿宽 为0.5 lmm左右的混合型步进电动机的齿顶，设置多条非常细的沟槽(空 隙)。该沟槽的宽度优选为间隙尺寸程度即50pm左右，或者优选在其以 下。因为通过该沟槽可以控制磁通向周方向的流动，所以维持完全相对部 分的通过磁通的容易程度，不相对的部分由于磁阻的增加而使磁通难以通 过，因此，可以实现能够大幅度增加其相差部分即与线圈交链的磁通的量 的结构。另外，该构造由于还具备吸收在齿顶端产生的转矩反作用力的振动的 功能。因此可以和减震器一起抑制共振，可实现混合型步进电动机的高速 化。通过以上构成，可以防止薄板引起的铁损降低，防止冲裁引起的铁损 增加，可以实现高精度化带来的齿槽转矩的降低等。通过将其作为OA机器、产业用驱动机器用的混合型步进电动机，可 以使这些机器实现高效率化、高速驱动化，高精度定位化。
权利要求
1.一种步进电动机，其具有定子，该定子具有定子铁芯和定子线圈，所述定子铁芯具有突极和在突极前端具有的小齿，所述定子线圈配置于所述突极间；转子，该转子具有在与所述定子的相对面上具有多个小齿的转子铁芯、和在轴向上被转子铁芯夹入的永久磁铁，其特征在于，所述定子铁芯以及转子铁芯由层叠的钢板制作，所述钢板的突极以及小齿形状通过蚀刻加工形成，所述钢板的厚度为0.05～0.30mm。
2. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 所述钢板的组成为C为0.001 0.060重量。/。，Mn为0.1 0.6重量％，P为0.03重量°/。以下，S为0.03重量％以下，Cr为0.1重量％以下，Al为 0.8重量％以下，Si为0.5 7.0重量％， Cu为0.01 0.20重量％，其余部 分由不可避免的杂质和Fe构成。
3. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 所述钢板是硅钢板。
4. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 所述钢板具有结晶粒子。
5. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 所述定子铁芯以及转子铁芯在层叠的钢板与钢板之间具有厚度为0.01 0.2pm的绝缘被膜。
6. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 所述定子铁芯以及转子铁芯在层叠的钢板与钢板之间具有厚度为0.1 0.2Km的绝缘被膜。
7. 如权利要求6所述的步进电动机，其特征在于， 所述绝缘被膜是有机材料、无机材料或者两者的结合物。
8. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于，所述定子铁芯以及转子铁芯在层叠的钢板与钢板之间具有厚度为0.01 0.05^m的绝缘被膜。
9. 如权利要求8所述的步进电动机，其特征在于， 所述绝缘被膜为氧化被膜。
10. 如权利要求3所述的步进电动机，其特征在于， 所述硅钢板中硅的浓度为0.8 2.0重量％。
11. 如权利要求3所述的步迸电动机，其特征在于， 所述硅钢板中硅的浓度为4.5 6.5重量％。
12. 如权利要求3所述的步进电动机，其特征在于， 对于所述硅钢板中硅的浓度，表面部的硅的浓度比内部的硅的浓度高。
13. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 对钢板进行蚀刻加工，使得所述定子铁芯以及转子铁芯的相对部分的钢板表面形状为相对于相对的面平行。
14. 如权利要求l所述的步进电动机，其特征在于， 定子铁芯以及转子铁芯中的通过蚀刻加工制成的钢板被粘合剂固定在层叠方向，将蚀刻加工的面直接作为间隙面使用。
15. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 所述定子以及所述转子的小齿具有沟槽。
16. 如权利要求15所述的步进电动机，其特征在于， 所述沟槽是在法线方向上的宽度为0.05mm以下的沟槽。
17. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 以层叠铁芯密度(％)=钢材板厚(mm) X片数(片)+铁芯高度(mm)xlOO定义的层叠铁芯密度是90.0 99.9°/0。
18. 如权利要求1所述的步进电动机，其特征在于， 所述蚀刻加工如下进行在所述钢板上涂敷抗蚀剂，对定子铁芯的形状进行曝光，使其显影，根据所述形状除去抗蚀剂，用蚀刻液进行加工， 在用蚀刻液进行加工后，除去残余的抗蚀剂。
19. 一种步进电动机，其具有定子，该定子具有定子铁芯和定子线圈，所述定子铁芯具有突极和在突极前端具有的小齿，所述定子线圈配置于所述突极间；转子，该转子具有在与所述定子的相对面具有多个小齿的转子铁芯、和在轴向上被转子铁芯夹入的永久磁铁， 其特征在于，在所述定子以及所述转子的小齿具有沟槽。
20. 如权利要求19所述的步进电动机，其特征在于， 所述沟槽是所述定子或所述转子的法线方向的沟槽。
21. —种步进电动机，其具有定子，该定子具有定子铁芯和定子线圈，所述定子铁芯具有突极和在 突极前端具有的小齿，所述定子线圈配置于所述突极间；转子，该转子具有在与所述定子的相对面具有多个小齿的转子铁芯、 和在轴向上被转子铁芯夹入的永久磁铁，其特征在于，所述定子以及转子的小齿形状是相对于齿宽，槽的深度长。
22. —种步进电动机，其具有定子，该定子具有定子铁芯和定子线圈，所述定子铁芯具有突极和在突极前端具有的小齿，所述定子线圈配置于所述突极间；转子，该转子具有在与所述定子的相对面具有多个小齿的转子铁芯、和在轴向上被转子铁芯夹入的永久磁铁， 其特征在于，所述钢板通过蚀刻加工形成，在所述钢板上印刷的图案是在所述转子铁芯的外周部的多个部分与 板的框部分相连的结构，该连接部分是从定子铁芯的外径进入内侧的部 分，另外在作为绕组狭槽的中间部或小齿的根槽部分的磁回路观察时是没 有磁通通过的部分。
全文摘要
本发明提供一种混合型步进电动机，其可以降低铁损、齿槽转矩，提高输出转矩。本发明具有定子和转子，所述定子具有突极；在突极前端具有小齿的定子铁芯；配置于所述突极间的定子线圈，所述转子具有在与定子的相对面上具有多个小齿的转子铁芯；在轴向被转子铁芯夹入的永久磁铁，其特征在于，所述定子铁芯以及转子铁芯由层叠的钢板制作，钢板的突极以及轭通过蚀刻加工形成，钢板的厚度为0.05～0.30mm。
文档编号H02K3/30GK101267129SQ20081000891
公开日2008年9月17日 申请日期2008年1月25日 优先权日2007年3月13日
发明者榎本裕治, 石川芳寿, 阿部辉宜 申请人:株式会社日立制作所