JP2004350369A - 回転電動機及び電動パワーステアリング回転電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気異方性が強い電磁鋼板を使用した場合に、電磁鋼板の積層方法を工夫することによってヒステリシス損を低減し、ロストルクを減少することができる回転電動機及び電動パワーステアリング用回転電動機の提供を目的とする。
【解決手段】電磁鋼板を成形してなるリング状のコア片２ａを積層した固定子鉄心２を備えた回転電動機において、上記電磁鋼板は圧延により磁気異方性を有し、コア片２ａの圧延方向が、積層の上下方向のコア片２ａで角度９０゜だけ異なるようにした。この構成により、ヒステリシス損を低減することができ、回転電動機のロストルクが減少する。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転電動機の性能改善に関するものであり、特に、コア材の磁気異方性に起因するヒステリシス損（ロストルク）を低減するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリング用の回転電動機において、ロストルクを低減することは良好な操舵性を得るうえで重要な課題である。従来より、鉄心のヒステリシス損が低いほどロストルクが小さくなることが分かっており、ヒステリシス損の低い高グレードの電磁鋼板を用いることによってロストルクの低減を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、低グレードの電磁鋼板を熱処理によってヒステリシス損特性に優れた電動パワーステアリングモータ用鋼板とする製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１５８５号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−３３５８４３号公報（第２−４頁、図１、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
回転電動機の固定子鉄心において、圧延方向の磁気特性はよいが、圧延方向からはずれるに従って磁気特性が低下する磁気異方性が強い電磁鋼板を使用し、積層した場合には、磁束が必ずしも磁気特性のよい方向を通らないので十分なヒステリシス損の低下が得られないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するものであり、磁気異方性が強い電磁鋼板を使用した場合、電磁鋼板の積層方法を工夫することによってヒステリシス損を低減することができる回転電動機及び電動パワーステアリング用回転電動機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る回転電動機は、電磁鋼板を成形してなるリング状のコア片を積層した固定子鉄心を備え、
上記電磁鋼板は圧延により磁気異方性を有し、
上記固定子鉄心は、上記積層の上下方向に隣り合うコア片の圧延方向が所定の角度だけ異なるように上記コア片を積層してなるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
永久磁石回転電動機におけるロストルクは、前述のように、ヒステリシス損と相関が強いことが明らかになっている。本発明は、電磁鋼板の圧延方向に対する磁気異方性と積層方法に着目し、電磁鋼板からなるコア片を積層した固定子鉄心を製造する際の積層工程において、圧延方向を考慮した電磁鋼板の積層方法によってヒステリシス損が増減することを実験的に見いだしたものである。実験は、回転電動機の固定子鉄心を模擬して、電磁鋼板を環状に成形した環状試料を積層した環状成層鉄心を用いて行った。以下、本発明を図及び実験結果に基づいて説明する。
【０００９】
実施の形態１．
環状成層鉄心のサイズは、内径４５ｍｍ、外径６０ｍｍとした。電磁鋼板として、５０Ａ２９０（Ｓｉ＋Ａｌ：３．７ｗｔ％），５０Ａ４７０（Ｓｉ＋Ａｌ：２．９ｗｔ％），５０Ａ１３００（Ｓｉ＋Ａｌ：０．１ｗｔ％）の３種類のＪＩＳグレード材を用意し、各鋼種につき３２枚の環状試料を放電ワイヤーカットによって作製した。
なお、上記各鋼種の記号におけるＡは無方向性電磁鋼板を示し、先頭の数字５０は板厚（ｍｍ）の１００倍の値を示し、後尾の数字２９０，４７０，１３００はＢ＝１．５Ｔ，５０Ｈｚにおける鉄損値（Ｗ／ｋｇ）の１００倍の値を示している。また、鉄損値が小さい鋼種ほどＪＩＳグレードが高いことを意味する。
【００１０】
図１は、実施の形態１における、積層した各環状試料の圧延方向を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。３２枚の環状試料の中１６枚を、図１に示したように、上下に接合・隣接する環状試料の圧延方向が直交するように積層（直交積みという）し、残る１６枚を、上下に接合・隣接する環状試料の圧延方向が同一方向を向くように積層（平行積みという）した。
【００１１】
図２は、直交積みと平行積みの磁束密度とヒステリシス損との関係を示す図であり、磁束密度を０．１Ｔから１．６Ｔまで０．１Ｔずつ変化させている。同図に示されているように、直交積みの方が平行積みよりもヒステリシス損が小さくなる効果がある。
【００１２】
図３は、図２の直交積みのヒステリシス損と平行積みのヒステリシス損との差分を示す図であり、鋼種が５０Ａ２９０の場合を示している。同時に示されているように、０．４Ｔでヒステリシス損の差分が最大になり、磁束密度１．０Ｔの範囲までヒステリシス損の差分が認められる。
【００１３】
図４は、各鋼種の直交積み及び平行積みのヒステリシス損とヒステリシス損の差分を示す表であり、磁束密度が０．４Ｔの時の測定結果を示している。同図のヒステリシス損の差分に示されているように、ＪＩＳグレードが高い鋼種ほどヒステリシス損の差分が大きくなっている。すなわち、ＪＩＳグレードが高い鋼種ほど直交積みの効果が大きくなる。
【００１４】
図５（ａ）は、電磁鋼板における、Ｓｉ＋Ａｌ含有量と固有抵抗との関係を示す図である。同図に示したように、ＪＩＳグレードの高い鋼種ではＳｉ＋Ａｌの含有量が多くなり、その結果、固有抵抗が高くなるとともに、圧延方向に対する磁気異方性も強くなる。
【００１５】
図５（ｂ）は、横軸をＳｉ＋Ａｌ含有量、縦軸を平行積みと直交積みとのヒステリシス損の差分として表しており、同図に示したように、Ｓｉ＋Ａｌの含有量が２ｗｔ％を越えると差分量が大きくなる。
【００１６】
図６は、本実施の形態における回転電動機の固定子鉄心を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。上記実験結果から、図６に示したように、上下方向に隣接するコア片２ａの圧延方向が直交するように圧延方向を９０゜回転させて積層することによりヒステリシス損を低減することができ、回転電動機のロストルクが減少する。
【００１７】
上記のようにヒステリシス損が低減される理由は、一方のコア片２ａと隣接する他方のコア片２ａとで、面内周方向における磁気抵抗が低くなる位置が互いに異なり、磁束はより磁気抵抗が低い部分を有するコア片２ａに層間をわたって流れることができるようになるので、その結果、ヒステリシス損が低減する。
【００１８】
図６においては、固定子鉄心２の内部にティース２ｂが有る場合を示したが、ティース２ｂがない場合、ティース２ｂが外部に有る場合でも同様の効果が得られる。
【００１９】
実施の形態２．
図７及び図８は、実施の形態２を示す平面図である。同図に示したように、本実施の形態では、コア片２ａはティース２ｂを有し、１層目のコア片２ａの圧延方向に対して２層目以下のコア片２ａの圧延方向を順次隣りのティース２ｂの方向または、さらにその隣りのティース２ｂの方向に回転させて積層する。すなわち、コア片２ａの圧延方向をティース２ｂ間のスロット間角度、またはスロット間角度の２倍だけ回転させて積層する。
【００２０】
本実施の形態によれば、上記実施の形態１と同様、一方のコア片２ａと上下方向に隣接する他方のコア片２ａとで、面内周方向における磁気抵抗が低くなる位置が互いに異なり、磁束はより磁気抵抗が低い部分を有するコア片２ａに層間をわたって流れることができるようになるので、ヒステリシス損が低減する。
【００２１】
なお、図７及び図８では、コア片２ａの圧延方向をティース２ｂ間のスロット間角度、またはスロット間角度の２倍だけ回転させて積層する例を示したが、回転角度はスロット間角度のｎ倍（ｎは整数）とすることによって本実施の形態２の効果が得られる。好ましくは、コア片２の積層方向で磁気特性に偏りがないように、スロット数の１／２より小さなスロット数の公約数をｎとする。
【００２２】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。同図に示したように、本実施の形態では、積層の上下方向で圧延方向が同じコア片２ａを複数枚重ねたものをブロックとして、ブロック同士の圧延方向が異なるようにしている。
【００２３】
本実施の形態によれば、上記実施の形態１と同様、一方のコア片２ａのブロックと上下方向に隣接する他方のコア片２ａのブロックとで、面内周方向における磁気抵抗が低くなる位置が互いに異なり、磁束はより磁気抵抗が低い部分を有するコア片２ａのブロックに層間をわたって流れることができるようになるので、ヒステリシス損が低減する。
【００２４】
なお、図９では、コア片２ａ３枚をブロックとし、ブロック毎の圧延方向を９０゜回転させてずらした場合を示したが、ブロック内のコア片２ａの枚数は適宜選択することができ、また、上記実施の形態２と同様に、ブロック毎の圧延方向を順次隣りのティース２ｂの方向または、さらにその隣りのティース２ｂの方向に回転させて積層しても同様の効果が得られる。
【００２５】
実施の形態４．
図１０は、実施の形態４を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。同図に示したように、本実施の形態は、コア片２ａがティース２ｂ毎に分割されている場合である。
【００２６】
本実施の形態では、１つのコア片２ａの分割されたティース２ｂの圧延方向は同一方向であるように、一体成形の場合と同様に材料取りされ、上下に隣り合う各コア片２ａの圧延方向が所定の角度だけずれるように積層されており、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２７】
なお、図１０では、上下に隣り合う各コア片２ａの圧延方向を９０゜回転してずらした場合を示したが、上記実施の形態２と同様に、ブロック毎の圧延方向を順次隣りのティース２ｂの方向に１スロット間角度または、さらにその隣りのティース２ｂの方向に２スロット間角度回転させて積層しても同様の効果が得られる。
【００２８】
また、上記実施の形態３と同様、積層の上下方向で圧延方向が同じコア片２ａを複数枚重ねたものをブロックとして、ブロック同士の圧延方向が異なるようにしても同様の効果が得られる。
【００２９】
実施の形態５．
図１１は電動パワーステアリングシステムを示すシステム図である。トルクセンサ４とコントロールユニット５によって制御される電動パワーステアリング用回転電動機３に上記実施の形態１ないし４に示した固定子鉄心を適用した回転電動機を用いることによって、良好な操舵性を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る回転電動機によれば、電磁鋼板を成形してなるリング状のコア片を積層した固定子鉄心を備え、
上記電磁鋼板は圧延により磁気異方性を有し、
上記固定子鉄心は、上記積層の上下方向に隣り合うコア片の圧延方向が所定の角度だけ異なるように上記コア片を積層してなるものであるので、ヒステリシス損を低減することができ、回転電動機のロストルクが減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における実験用試料を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図２】実施の形態１における直交積みと平行積みの磁束密度とヒステリシス損との関係を示す図である。
【図３】図２の直交積みのヒステリシス損と平行積みのヒステリシス損との差分を示す図である。
【図４】各鋼種の直交積み及び平行積みのヒステリシス損とヒステリシス損の差分を示す表である。
【図５】電磁鋼板における、Ｓｉ＋Ａｌ含有量と固有抵抗との関係及びＳｉ＋Ａｌ含有量と、平行積みと直交積みとのヒステリシス損の差分との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１における固定子鉄心を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図７】本発明の実施の形態２を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図８】本発明の実施の形態２を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図９】本発明の実施の形態３を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図１０】本発明の実施の形態４を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図１１】本発明の実施の形態５を示すシステム図である。
【符号の説明】
１ 環状試料、２ 固定子鉄心、２ａ コア片、２ｂ ティース、
３ 電動パワーステアリング用回転電動機、４ トルクセンサ、
５ コントロールユニット。

Claims (7)

1. 電磁鋼板を成形してなるリング状のコア片を積層した固定子鉄心を備え、
   上記電磁鋼板は圧延により磁気異方性を有し、
   上記固定子鉄心は、上記積層の上下方向に隣り合うコア片の圧延方向が所定の角度だけ異なるように上記コア片を積層してなることを特徴とする回転電動機。
2. 電磁鋼板を成形してなるリング状のコア片を積層した固定子鉄心を備え、
   上記電磁鋼板は圧延により磁気異方性を有し、
   上記固定子鉄心は、上記積層の上下方向に隣り合うコア片の圧延方向が同一であるように上記コア片を積層したブロックを複数個積層してなり、
   上記積層の上下方向に隣り合う上記ブロックのコア片の圧延方向が所定の角度だけ異なるように上記ブロックを積層してなることを特徴とする回転電動機。
3. 上記コア片が、コイルを装着するためのスロットを形成するティースを備え、上記所定の角度を上記スロット間角度のｎ倍（ｎは整数）としたことを特徴とする請求項１または２記載の回転電動機。
4. 上記所定の角度を９０゜としたことを特徴とする請求項１または２記載の回転電動機。
5. 上記コア片が、複数個に分割されていることを特徴とする請求項１または２記載の回転電動機。
6. 上記電磁鋼板中のＳｉ＋Ａｌの含有量が２ｗｔ％を越えることを特徴とする請求項１または２記載の回転電動機。
7. 自動車のパワーステアリングシステムの電動パワーステアリング回転電動機において、上記請求項１ないし６のいずれかに記載の回転電動機を用いたことを特徴とする電動パワーステアリング回転電動機。

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