JP2006271114A

JP2006271114A - 回転機鉄心

Info

Publication number: JP2006271114A
Application number: JP2005085772A
Authority: JP
Inventors: Misao Namikawa; 操浪川; Masayoshi Ishida; 昌義石田; Kenichi Sadahiro; 健一定廣; Kunihiro Senda; 邦浩千田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】効率特性に優れ、かつ、製造性にも優れた回転機鉄心を提供する。
【解決手段】回転機鉄心は、ヨーク部２とティース部１を有し、軟磁性材からなる回転機鉄心であり、μ_Ｙ＞μ_ＴかつＢ_Ｔ＞Ｂ_Ｙ（ただし、μ_Ｙ：ヨ−ク部材における透磁率、μ_Ｔ：ティース部材における透磁率、Ｂ_Ｔ：ティース部材における磁束密度、Ｂ_Ｙ：ヨ−ク部材における磁束密度）とする。また、前記軟磁性材が無方向性電磁鋼板であり、該電磁鋼板中のＳｉ含有量がヨーク部＞ティース部である。さらに、ヨーク部２がＳｉ含有量：６．２超〜６．６mass％の無方向性電磁鋼板からなり、ティース部１がＳｉ含有量：６．２mass％以下の無方向性電磁鋼板からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ、発電機等の回転機鉄心、特に、異なる鉄心素材を複合化してなる回転機鉄心に関するものである。

一般に、電磁鋼板の鉄損は励磁周波数が高くなると急激に上昇することが知られている。一方で、近年、モータの駆動周波数は小型化・高効率化をはかるために高周波化してきている。そのためモータの鉄心材料として広く使用されている電磁鋼板の高周波鉄損の低減が求められている。

電磁鋼板の高周波鉄損を低減する方法としては、Si含有量を高めて固有抵抗を高くすることが極めて有効であり、特にSi含有量が6.5％である電磁鋼板（いわゆる高けい素鋼板）は高周波鉄損が極めて低く透磁率も極めて高いことから、モータ鉄心として好適の材料とされている。

上記高けい素鋼板を用いてモータ鉄心を製造する場合、例えば、特許文献１では、モータ鉄心形状に高けい素鋼板を打ち抜き、積層固定してモータ鉄心を製造する。

例えば、特許文献２では、高けい素鋼板と低けい素鋼板をそれぞれモータ鉄心形状に打ち抜き、高けい素鋼板と低けい素鋼板を交互に積層してモータ鉄心を製造する。

また、高けい素鋼板以外の材料を用いる場合、特許文献３では、ステ−タでの全体的な磁気抵抗を小さくし、モ−タ性能を向上させるために、方向性電磁鋼板を用いたティ−ス部と透磁率の方向性の小さい磁性材を用いたヨ−ク部を連結してステ−タを構成するようにした電気モ−タが記載されている。

特許文献４では、回転機の固定子における鉄心材料の利用率を高めるために、ティ−ス部が方向性珪素鋼板、コアバック部が無方向性珪素鋼板からなる回転機用コアが記載されている。
特開平11-319981号公報特開平7-111745号公報特開2000-78780号公報特開2000−341889号公報

しかしながら、特許文献１および２では、高けい素鋼板をモータ鉄心形状に打ち抜く場合、モータ鉄心のティース部のような微細形状に加工する部位では、加工自体が困難であったり、歩留まりが悪く製造コストの上昇を招くといった問題点がある。

また、上記従来技術で製造されたモータの効率は、高速回転領域ではきわめて優れるものの、低速回転領域では高珪素鋼板を使用するメリットが必ずしも十分に発揮されないという問題点がある。

特許文献３のようなティースに方向性電磁鋼板、ヨークに無方向性電磁鋼板等の透磁率の方向性の小さい磁性材を使用したモータでは、ティースとヨークに同一の材料を使用したモータと比較すると、まず、負荷に関しては、無負荷もしくは低負荷の場合にはモータ効率の改善が見られるものの高負荷の場合にはモータ効率の改善が見られなくなり、一方、回転速度に関しても、低速回転領域ではモータ効率の改善が見られるものの高速回転域ではモータ効率の改善が見られなくなるという問題点がある。さらに方向性電磁鋼板は打抜加工性の点で不利となる硬質の絶縁皮膜を有するので、ヨーク部に比べて微細加工が必要であるティース部加工を硬質の方向性電磁鋼板に施さなければならず、加工精度に関して難点があった。

また特許文献４にはティース部はヨーク部より飽和磁化の大きい材料で形成されるモータについての記載があるが、ティースもヨークと同一の材料を使用したモータと比較してトルク性能は一部改善されるものの効率特性は改善が見られないもしくはむしろ劣化するという問題点があった。

以上より、本発明は、上記問題点を解決して、効率特性に優れ、かつ、製造性にも優れた回転機鉄心を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく、鋭意研究した。その結果、モータ鉄心はその構造上の部位によって必要とされる材料の磁気特性が異なり、鉄心部位毎の特性を考慮した上で、鉄心部位によって磁気特性の異なる材料を用いることでモータ効率が向上し、かつ、製造性に優れ、製造コストの低減もできることを見出した。

本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［1］ヨーク部とティース部を有し、軟磁性材からなる回転機鉄心であり、
μ_Ｙ＞μ_ＴかつＢ_Ｔ＞Ｂ_Ｙであることを特徴とする回転機鉄心。ただし、μ_Ｙ：ヨ−ク部材における透磁率、μ_Ｔ：ティース部材における透磁率、Ｂ_Ｔ：ティース部材における磁束密度、Ｂ_Ｙ：ヨ−ク部材における磁束密度
［２］前記［１］において、前記軟磁性材が無方向性電磁鋼板であり、該電磁鋼板中のＳｉ含有量がヨーク部＞ティース部であることを特徴とする回転機鉄心。
［３］前記［１］または［２］において、ヨーク部がＳｉ含有量：６．２超〜６．６mass％の無方向性電磁鋼板からなり、ティース部がＳｉ含有量：６．２mass％以下の無方向性電磁鋼板からなることを特徴とする回転機鉄心。

なお、また、本明細書において、鋼の成分を示す%はすべてmass%である。

本発明によれば、製造性に優れ、かつ効率特性にも優れた回転機鉄心を得ることができる。さらに、本発明により得られる回転機鉄心は、高回転速度域特性と低回転速度域特性がともに優れる回転機特性を実現でき、被膜性能にも優れているため、複合化回転機鉄心として好適である。

このように、本発明の回転機鉄心は製造性と効率特性の両方に優れているため、従来の技術のように磁気特性には優れるものの加工性の劣る材料を回転機鉄心の全部位に使用する場合には製造が不可能であった微細加工が必要とされる回転機鉄心の製造が可能となり、製造歩留まりも格段に高めることが出来る。

本発明は、ヨーク部とティース部を有し、軟磁性材からなる回転機鉄心であり、μ_Ｙ＞μ_ＴかつＢ_Ｔ＞Ｂ_Ｙ（ただし、μ_Ｙ：ヨ−ク部材における透磁率、μ_Ｔ：ティース部材における透磁率、Ｂ_Ｔ：ティース部材における磁束密度、Ｂ_Ｙ：ヨ−ク部材における磁束密度）とすることを特徴とする。このように、ヨーク部とティース部を分割し、ヨーク部にはティース部材よりも高透磁率特性を有する軟磁性材を、ティース部にはヨーク部材より高磁束密度特性を有する軟磁性材をと、各々の部位に、各々の部位に適した特性を有する軟磁性材を用いることにより、回転速度域特性バランスが優れた回転機鉄心を得ることができる。

本発明の構成とすることにより回転機の効率特性バランスが優れた回転機を得ることが出来る理論的根拠は必ずしも明確ではないが、低回転速度域では回転機損失は銅損が支配的であり、回転機コア磁気回路の磁気抵抗は磁化力が集中するティース部の磁気抵抗が支配的となり、この部分に高磁束密度材料を使用することで回転機の銅損が低減される。一方、高回転速度領域では回転機損失は鉄損が支配的であり、体積的比率の大きいヨーク部に高透磁率材料を使用することで回転機コア磁気回路全体の鉄損が低減される。このようにして効率特性バランスが優れた回転機を得ることが出来るものと考えられる。

なお、本発明の請求項１で言うヨーク部材もしくはティース部材における透磁率とは、回転機のヨーク部(コアバック部ともいう)もしくはティース部の設計磁束密度における透磁率を指し、ヨーク部材もしくはティース部材における磁束密度は回転機のヨーク部もしくはティース部の設計磁化力における磁束密度を指すものである。但し無方向性電磁鋼板の場合には上記磁束に関しては最大透磁率およびＢ50でおよその評価が可能である。

また、本発明においては、回転機鉄心材として軟磁性材を用いるが、前述した高回転速度域特性と低回転速度域特性がともに優れるという本発明の趣旨からすれば、上記μ_Ｙ＞μ_ＴかつＢ_Ｔ＞Ｂ_Ｙを満足すればよく、その成分、種類については特に限定はしない。しかし、使用する軟磁性材料自体のコストやその加工コストを考慮すると、前記軟磁性材として無方向性電磁鋼板を用いることが好ましく、前記電磁鋼板中に添加されるＳｉ含有量を変化させることにより、上記μ_Ｙ＞μ_ＴかつＢ_Ｔ＞Ｂ_Ｙを満足させる場合は、前記電磁鋼板中のＳｉ含有量はヨーク部＞ティース部であることが好ましい。なお、添加元素としてＳｉの他、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎなどのうちの１種類または２種類以上を組み合わせて用いることにより、前記関係を満足させてもよいことは言うまでもない。

特に無方向性電磁鋼板を軟磁性材として使用する場合、ヨーク部にはＳｉ含有量が６．２超〜６．６mass％の無方向性電磁鋼板を、ティース部にはＳｉ含有量が６．２mass％以下の無方向性電磁鋼板を使用することがさらに好ましい。Ｓｉ含有量が６．２超〜６．６mass％の無方向性電磁鋼板は極めて透磁率が高く鉄損も低いが加工性が劣る。一方で、Ｓｉ含有量が６．２mass％以下の無方向性電磁鋼板は、Ｓｉ含有量が６．２超〜６．６mass％の無方向性電磁鋼板に比べ、磁気特性は劣るものの、加工性は改善される。このため単純形状のヨーク部位には磁気特性には優れるものの加工性のやや劣るＳｉ含有量が６．２超〜６．６mass％（好ましくは６．４〜６．６mass％）の無方向性電磁鋼板を使用し、形状が複雑で微細加工が必要なティース部位には加工性の優れたＳｉ含有量が6.2mass％以下の無方向性電磁鋼板を使用することにより、回転速度域特性バランスが優れる上に、回転機鉄心の製造歩留まりを格段に向上させることが出来る。

なお、本発明の回転機鉄心は、各部材として上記鋼板を用い、打ち抜き等でヨーク部とティース部を分割して形成した後、ヨーク部とティース部、それぞれ、必要な枚数分、鋼板を積層固定し、ティース部とヨーク部を組み合わせて成形し、得られる。ここで、本発明の回転機鉄心を製造するに際し、ティース部とヨーク部それぞれの鋼板の形成方法は打ち抜きに限定されず、他の方法で行うことも可能である。また、積層固定に際してはそれぞれ部材を重ねた後、それぞれ積層方向に加圧してかしめを行う方法等が挙げられる。さらに成形を行うに際しては、ティース部とヨーク部を組み合わせた後に、溶接、かしめ等により固定することも可能である。

以下、本発明の効果を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

表１に示す化学成分からなる鋼板Ａ（Ｓｉ含有量：6.49mass％）と、鋼板Ｂ（Ｓｉ含有量：5.74mass％）を用い、図１に示すティース部１とヨーク部２にそれぞれ打ち抜き、積層固定後、鋼板Ａもしくは鋼板Ｂからなる、ティース部とヨーク部を組み合わせて３種類のモータ(回転機)のステータ鉄心を作製した。各部位に使用した鋼板の組み合わせを表２に示す。また、鋼板Ａおよび鋼板Ｂの外径45mm-内径33mmのリング試料で測定した最大透磁率μおよび磁束密度Ｂ50も表1に併せて示す。ロータは表面永久磁石タイプロータ１個を作製してロータは共通として、ステータ鉄心を換えながらモータ効率を測定した。測定結果を図２に示す。

図２より、鋼板Ａをヨーク部、鋼板Ｂをティース部に使用したモータ２号は、ヨーク部・ティース部ともに鋼板Ｂを使用したモータ３号に比べ、全回転速度域で優れた特性を示している。また、ヨーク部・ティース部ともに鋼板Ａを使用したモータ１号と比べ、低回転速度域では高効率であり、高回転速度域ではほぼ同等の効率と、従来最も高特性を示すと考えられていた鋼板Ａのみを使用したモータ１号と比較してもより優れた性能バランスを示すことが確かめられた。

Ｓｉ含有量が６．５％の鋼板を用いヨーク部を200台分打ち抜き作製し積層固定した。また、Ｓｉ含有量が2.9から6.7mass%含有する鋼板8種類を用いティース部を同一の金型で８種類×25台分打ち抜き作成し積層固定した。引き続き上記により得られたヨーク部とティース部とを組み合わせて、モータ(回転機)鉄心合計200台を完成した。

得られたモータ鉄心に対して、外観を目視で観察し、表面、積層面とも僅かでも欠けやへこみがあるものは不良品とすることで製品歩留まりを算定した。結果を表３に示す。

表３より、ティース部における鋼板のＳｉ含有量が6.2mass%以下を用いた場合（本発明例）に、打ち抜き加工、積層固定、分割部材の組み付けからなる製造工程で製造するモータ鉄心の製品歩留まりが高いことが分かる。

またこのようにして製造されたモータ鉄心の効率特性を測定したところ、本発明例のモ−タは、ヨーク部・ティース部ともにＳｉ含有量が5.7mass％の鋼板を使用したモータに比べ、全回転速度領域で優れた特性を示し、ヨーク部・ティース部ともにＳｉ含有量が6.5mass％の鋼板を使用したモータに比べ、低回転速領域では高効率であり、高回転速度領域ではほぼ同等の効率と、高特性を示した。これは実施例１で得られた結果と全く同様の結果である。

また上記のＳｉ含有量が６．５mass％の鋼板およびＳｉ含有量が2.9から6.7mass%含有する8種類の鋼板の最大透磁率μおよび磁束密度Ｂ50を外径45mm-内径33mmのリング試料で測定したところ、Si含有量が6.2mass%以下の鋼板は全て6.5mass％無方向性電磁鋼板よりも透磁率μは低いが、B50は高い値を示した。以上からヨーク部にティース部材よりも高透磁率特性を有する材料を使用し、ティース部にヨーク部材より高磁束密度特性を有する鋼板を使用することでモータ効率の回転速度バランスが改善されることも示された。

本発明の回転機鉄心は、高回転速度域特性と低回転速度域特性がともに優れる回転機特性を実現でき、被膜性能にも優れているため、モータ、発電機等の複合化回転機鉄心として好適である。

本発明のモータ鉄心のティース部とヨーク部を示す図である。各モータのモータ効率特性を示す図である。

符号の説明

１ティース部
２ヨーク部

Claims

ヨーク部とティース部を有し、軟磁性材からなる回転機鉄心であり、
μ_Ｙ＞μ_ＴかつＢ_Ｔ＞Ｂ_Ｙ
であることを特徴とする回転機鉄心。
ただし、μ_Ｙ：ヨーク部材における透磁率、μ_Ｔ：ティース部材における透磁率、Ｂ_Ｔ：ティース部材における磁束密度、Ｂ_Ｙ：ヨーク部材における磁束密度
前記軟磁性材が無方向性電磁鋼板であり、該電磁鋼板中のＳｉ含有量がヨーク部＞ティース部であることを特徴とする請求項１に記載の回転機鉄心。
ヨーク部がＳｉ含有量：６．２超〜６．６mass％の無方向性電磁鋼板からなり、ティース部がＳｉ含有量：６．２mass％以下の無方向性電磁鋼板からなることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機鉄心。