CN115769467A - 马达铁芯以及马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及马达铁芯以及马达。本发明提供用于同时要求输出密度和高效率的马达的、多极小型化的马达铁芯。在齿的宽度为0.5mm以上2.0mm以下，且在上述齿之间构成的槽的数量为12以上的通过层叠多张电磁钢板而成的马达铁芯中，上述电磁钢板在1.0T‑3000Hz下的励磁中的铁损为220W/kg以下。

Description

马达铁芯以及马达

技术领域

本发明涉及马达铁芯以及马达。

背景技术

在无线的家电设备(例如杆式吸尘器)、切削设备以及无人机等使用电池作为驱动电源的设备中，其可使用时间、重量对产品的价值影响很大。因此，强烈要求通过降低马达、逆变器等控制系统的损失来实现高效率化、马达的小型化以及高速化。因此，马达被设计成最小体型且能够以高效率输出与目的相应的最大输出。特别是，在马达中，强烈要求相对于单位重量的马达输出(转速×转矩)，即所谓的输出密度高。

在这样的背景下，在对高输出密度的要求强烈的用途的马达中，通常使用增加配置于转子的磁铁数量的“多极化”(参照专利文献1)、提高转速的“高速化”(参照专利文献2)等设计方法。

专利文献1：日本特开平11-98790号公报

专利文献2：日本特开2002-136013号公报

发明内容

但是，若以上述的马达的设计方法为意向，则存在由于马达铁芯的励磁频率的增大，而铁损大幅增大，马达效率显著降低的问题。另外，若引入上述那样的设计方法来实现马达的小型化，则除了减小体型，还需要根据极数的增加来选择槽组合，结果要求显著的齿的宽度的减小。在应对该要求的情况下，在作为将电磁钢板加工成马达铁芯的工序之一的冲裁时，被导入于电磁钢板的端面的加工应变的影响相对变大。由于该加工应变，作为马达铁芯的磁特性的劣化越来越显著，结果存在导致马达铁损进一步增大的问题。

另外，由于无人机需要通过马达驱动风扇而浮起的功能，因此对于用于该无人机用途的马达，非常强烈地要求高输出密度。因此，在以上述那样的马达的设计方法为意向的情况下，为了避免导致铁损的增大而在马达内部的发热变大，绕组的绝缘破坏、磁铁的退磁，大多需要向马达内部导入冷却风。作为由冷却风的导入引起的缺点，可列举由粉尘的卷入或卡入引起的马达故障，作为飞行体用途的马达，强烈要求排除导致坠落的马达故障的原因。

因此，在本发明中，其目的在于提供一种用于同时要求输出密度和高效率的马达的、多极小型化的马达铁芯。

本发明的发明人根据上述课题，对具有适合于马达的高输出密度化的电磁特性的铁心材料反复进行了专心研究。其结果，明确了对以由多极化且高速化带来的高输出密度化为意向的马达所要求的磁特性、材料设计，从而完成了本发明。即，本发明的主旨结构如下。

1.一种马达铁芯，是齿的宽度为0.5mm以上2.0mm以下，且构成在上述齿之间的槽的数量为12以上的通过层叠多张板状的软磁性材料而成的马达铁芯，上述软磁性材料在1.0T-3000Hz下的励磁中的铁损为220W/kg以下。

2.根据上述1所记载的马达铁芯，上述软磁性材料在5000A/m的磁场中的磁通密度为1.55T以上。

3.根据上述1或2所记载的马达铁芯，上述软磁性材料是电磁钢板，该电磁钢板在板厚方向上具有Si的浓度分布。

4.一种马达，具有上述1～3中任一项所记载的马达铁芯、和在周向上配置有14个以上的磁铁的转子。

5.一种马达，在上述1～3中任一项所记载的马达铁芯的外侧配置有转子，且为密闭型外转子构造。

6.根据上述4所记载的马达，在上述马达铁芯的外侧配置有上述转子，且为密闭型外转子构造。

在本发明中，通过对用于同时要求输出密度和高效率的马达的、多极小型化的设计的马达铁芯应用满足规定条件的铁心(铁芯)材料，从而在使用该马达铁芯的马达中，能够降低损失并抑制马达温度的上升。因此，能够防止例如成为用于无人机等飞行体的马达故障的原因的温度上升，因此工业上的应用价值极高。

附图说明

图1是表示用于铁芯(铁心)制造试验的定子铁芯的图。

具体实施方式

本发明的马达铁芯的特征在于，齿的宽度为0.5mm以上2.0mm以下，且在上述齿之间构成的槽的数量为12以上，通过层叠多张板状的软磁性材料而成，该软磁性材料在1.0T-3000Hz下的励磁中的铁损(W_10/3k)为220W/kg以下。

以下，对本发明所涉及的马达铁芯的规格、与构成马达铁芯的软磁性材料相关的要件、以及它们的限定理由进行说明。此外，关于成为铁心材料的软磁性材料，只要具有规定的磁特性或材料设计，就能够发挥发明的效果，发明的效果不取决于其成分、板厚、制法。这里，软磁性材料除了电磁钢板之外，还能够应用非晶金属或波明德合金。另外，在后述的实施例等的说明中，关于电磁钢板的成分组成，仅表示为“％”是指“质量％”。

[齿的宽度：0.5mm以上2.0mm以下]

通过使齿的宽度变窄，能够将用于导入绕组的槽空间确保得较大，能够确保匝数，对马达的高输出密度化是有效的，因此设为2.0mm以下。更优选为1.5mm以下。另一方面，若齿过细，则铁心的磁通密度过度提高，由此存在导致铁损增大的担忧，并且本来就难以通过电磁钢板的加工来制造马达铁芯，因此设为0.5mm以上。优选为1.0mm以上1.5mm以下。

[槽的数量：12以上]

通过将槽的数量设为12以上，能够应对上述的多极化。上限没有特别限定，可以根据多极化的程度在满足上述齿的宽度的下限的范围内适当地增加，例如能够为72以下。

[软磁性材料：1.0T-3000Hz下的励磁中的铁损为220W/kg以下]

通过使用加工成马达铁芯的形状后的材料在1.0T-3000Hz下的励磁中的铁损为220W/kg以下的马达铁芯，能够有效地降低马达损失中的铁损。本发明的马达铁芯具有适合于为了提高其输出密度而以多极或高速旋转化为意向的马达的上述齿的宽度及槽数。在这种规格的马达中，铁心的励磁频率为1000Hz左右以上。在实际的马达驱动条件下，由于考虑到由逆变器产生的高次谐波的影响，因此铁心的励磁频率成为更高的3000Hz左右。即，发现：频率3000Hz下的励磁中的铁损，并且被加工成上述齿的宽度及槽数的材料的铁损很好地反映了实际设备的马达中的铁损特性。因此，由1.0T-3000Hz下的励磁中的铁损为220W/kg以下的软磁性材料构成马达铁芯。更优选为150W/kg以下，但由于使用低铁损的软磁性材料会使成本增大，因此根据需要选择软磁性材料即可。下限没有特别限定，例如能够为15W/kg以上。

此外，对于本发明中叙述的铁损，假设了作为马达铁芯环试片实施一次绕组和二次绕组而测定评价的值，但在外转子的马达的情况下，也可以通过使用从马达铁芯以包含本来的加工端面的形式切出的微小试片的SST(单板磁试验)进行评价。

[软磁性材料：5000A/m的磁场中的磁通密度为1.55T以上]

通过将5000A/m的磁场中的磁通密度(B₅₀)为1.55T以上的软磁性材料应用于马达铁芯，容易获得更高的马达转矩，能够实现马达的进一步的高输出密度化。在用于无线吸尘器或无人机等的从电池供给电源的马达中，由于存在电压或电流的限制，因此由向马达铁芯的绕组产生的磁场的强度受到限制。即，为了获得实现所要求的马达的旋转速度、转矩的磁场而调整绕组的匝数，虽然如果增加该匝数则磁场变强，但所需的电压也变高。因此，在上述限制下，能够利用的磁场的强度被限制在某种程度的范围内。关于这一点，对具有本发明的齿的宽度和槽数的马达进行了研究，结果发现：能够利用的磁场的强度的区域成为与磁通密度B₅₀相当的区域，即5000A/m的铁心材料的高磁通密度有效地有助于马达的高转矩化。更优选为1.60T以上，进一步优选为1.65T以上。上限没有特别限定，例如能够为1.90T以下。

[电磁钢板：在板厚方向上具有Si的浓度分布]

在软磁性材料使用电磁钢板的情况下，该电磁钢板在板厚方向上具有Si的浓度分布，换言之，通过在表层具有比板厚的中心高的Si浓度，不仅能够改善高频下的铁损，还能够抑制由冲裁引起的铁损的劣化。实现这样的磁特性的Si的浓度分布优选板厚中心的Si浓度与表层的Si浓度之差ΔSi为1.5～3.5质量％。这是因为，ΔSi小于1.5质量％时，难以获得有效的高频铁损的改善效果。另一方面，若ΔSi超过3.5质量％，则磁滞损耗增大，存在相对低速旋转下的马达损失变大的担忧。此外，为了对电磁钢板赋予Si的浓度分布，能够利用渗硅处理、包层处理等，不需要特别限定制法。表层的Si浓度能够为3.5质量％以上，优选为4.5质量％以上，另外，能够为7.0质量％以下，优选为6.5质量％以下。板厚中心的Si浓度能够为1.5质量％以上，优选为2.5质量％以上，另外，能够为5.5质量％以下，优选为4.0质量％以下。这里，表层是指从表面到板厚1/3的范围，表层的Si浓度是指该板厚范围内的平均Si浓度。

通过将具备以上结构的软磁性材料层叠多张来制作马达铁芯。这里，软磁性材料的张数根据马达的要求输出适当调整即可。

此外，在制造马达铁芯时，将作为材料的软磁性材料加工成铁芯形状的手段假设为冲裁，但即使是利用激光的软磁性材料的加工，只要满足上述要件，则能够获得所期望的效果。

上述马达铁芯与转子组合而成为马达。以下，对本发明的马达进行解说。

[转子：在周向上配置的磁铁的数量为14以上]

为了获得多极化带来的马达转矩提高效果，转子中的磁铁的数量为14以上。即，磁铁马达的转矩由下述式表现，从下述式可知，作为使转矩增大的设计方针，使极数(极对数×2)增加是有效的。该极数的增加相当于使转子中的磁铁的数量增加。从下述式可知，多极化对于高转矩化是有效的，另一方面，由于铁心的励磁频率f与极对数Pn成比例关系，因此伴随多极化，铁心的励磁高频化。铁损中的涡流损耗与励磁频率f的平方成比例地变大，特别是当磁铁的数量为14以上时，由高频化引起的铁损的增大变得显著。因此，在具有本发明的齿的宽度和槽数的马达中，特别是在磁铁的数量为14以上的情况下，与1.0T-3000Hz下的励磁中的铁损为220W/kg以下的铁心材料组合，抑制损失的增大，并且实现马达的高转矩化。磁铁的数量优选为16以上，更优选为20以上。磁铁数没有上限，但若多极化(磁铁的数量变多)，则励磁频率(与磁铁的数量×转速成比例)变高，铁损增大，成本也上升，因此只要在设计马达时考虑到这些而适当决定即可，例如能够为48以下。

记

T＝P_n{ψ_ai_q+(L_d-L_q)i_di_q}

T：马达转矩

P_n：极对数

ψ_a：基于磁铁磁通的交链磁通

i_d,q：d,q轴电流

L_d,q：d,q轴电感

[马达：密闭型外转子构造]

首先，马达通过在马达铁芯的外侧配置转子，能够配置较多的磁铁而促进多极化，因此优选为外转子构造。另外，通过采用不需要导入冷却风的密闭型构造，能够防止提高故障风险的异物的卷入。

实施例1

[铁心材料的影响和马达特性]

使用表1所示的铁心材料(软磁性材料)制作图1所示的具有马达铁芯(定子铁心)及转子的、14极-21槽且齿的宽度为1.6mm的密封型的外转子构造的马达。这里，关于Si钢、Si浓度梯度钢、波明德合金，通过使用模具的冲裁加工而得到。由于非晶金属难以冲裁，因此通过线放电加工从层叠粘接有非晶金属的铁芯材料切出所希望的铁芯形状。此外，关于使用波明德合金的铁芯，在干燥Ar气氛中实施800℃×2h的退火。表1所示的铁心材料的磁特性是通过线放电加工制作外径55mm、内径35mm以及层叠厚度10.0mm的环铁芯，实施一次绕组及二次绕组，铁损W_10/3k及磁通密度B₅₀的测定值。

马达评价是以11000rpm-0.25Nm驱动，如下述那样评价各个条件下的马达损失。

马达损失(W)＝输入电力(W)－马达输出(W)

铜损(W)＝绕组电阻(Ω)×电流(Arms)²

马达铁损(W)＝马达损失(W)－铜损(W)

另外，利用热电偶温度计测定在相同条件下驱动马达20分钟时的马达内部温度。

[表1]

根据表1的结果，可知若使用W_10/3k为220W/kg以下的铁心材料(软磁性材料)，则能够有效地降低马达铁损。另外，在应用铁损为220W/kg以下且磁通密度B₅₀为1.55T以上的铁心材料的条件下，对于铜损也能够有效地降低。在发明例中，通过同时降低马达铁损、铜损，能够降低马达的温度。而且，马达中的绕组的绝缘包覆的耐热温度通常为180℃左右，如上所述，本发明的马达中的温度为140℃左右以下，因此确认了在密封型马达中也完全没有问题。

此外，这里所说的铁损是指从马达铁芯的齿部不对原齿的端部进行追加加工而是切出SST用的微小试片，进行一般的磁特性试验而获得的值。

实施例2

[齿的宽度的影响]

在以图1所示的构造的14极-21槽的外转子构造的马达为基础，使其齿的宽度如表2所示的那样变化的马达中，分别测定应用表2所示的各种铁芯材料(板厚0.1mm)时的马达效率。将其测定结果一并记入表2。

[表2]

从表2可知，在齿为0.5mm以上2.0mm以下的情况下，能够利用铁损W_10/3k为220W/kg以下的铁芯材料有效地抑制铁损的增大。此外，在板厚方向上具有Si浓度梯度的材料中，铁损几乎不增大，结果可知即使齿的宽度窄，也能够维持高效率。

此外，在上述实施例中，将马达铁芯应用于密封型的外转子构造的马达并进行评价，但只要满足本发明的要件，则本发明的对象当然不限于实施例中公开的马达形式。

Claims (6)

1.一种马达铁芯，是齿的宽度为0.5mm以上2.0mm以下，且构成在所述齿之间的槽的数量为12以上的通过层叠多张板状的软磁性材料而成的马达铁芯，其中，

所述软磁性材料在1.0T-3000Hz下的励磁中的铁损为220W/kg以下。

2.根据权利要求1所述的马达铁芯，其中，

所述软磁性材料在5000A/m的磁场中的磁通密度为1.55T以上。

3.根据权利要求1或2所述的马达铁芯，其中，

所述软磁性材料是电磁钢板，该电磁钢板在板厚方向上具有Si的浓度分布。

4.一种马达，其中，具有：

权利要求1～3中任一项所述的马达铁芯；和

转子，沿周向配置有14个以上的磁铁。

5.一种马达，其中，

所述马达在权利要求1～3中任一项所述的马达铁芯的外侧配置有转子，且为密闭型外转子构造。

6.根据权利要求4所述的马达，其中，

所述马达在所述马达铁芯的外侧配置有所述转子，且为密闭型外转子构造。

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