JP3500009B2 - 回転機コアおよび回転機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、回転機の固定子
または回転子のコアに関する。

【０００２】

【従来の技術】回転機のコアに、無方向性電磁鋼板が一
般に使用されている。小型モータなどでは、無方向性電
磁鋼板は磁束密度が高いことが要求されるので、Ｓｉ含
有量を低くして飽和磁化を高くしている。低Ｓｉ含有量
の電磁鋼板は、電気抵抗が低く、渦電流損が大きくなる
ので、鉄損のうちのヒステリシス損の割合は小さくな
る。したがって、低Ｓｉ含有量の電磁鋼板では、ヒステ
リシス損に影響する電磁鋼板の結晶粒径を大きくする必
要性は低い。このため、低Ｓｉ含有量の電磁鋼板につい
ては、加工性の点から一般に結晶粒径が小さいことが望
ましい。なお、高効率を必要とする回転機には、鉄損を
低くするためＳｉ含有量が高く、かつ結晶粒径が大きい
電磁鋼板が使用されている。以上のように、従来の電磁
鋼板は、無方向性電磁鋼板については３％前後の高Ｓ
ｉ、大結晶粒である低鉄損の高級品、低Ｓｉ（１％以
下）による高飽和磁化で加工性を維持するための小結晶
粒である低級品とその中間の中Ｓｉ、中粒径のものが一
般的であり、大型回転機に使用されている方向性電磁鋼
板は、通常高Ｓｉで大結晶粒の高級品である。

【０００３】最近、サーボモータを中心に回転機の小型
軽量化が進んでいる。この小型軽量化を決定するのは、
駆動電流である。高出力化して小型軽量化するには、で
きるだけ多くの駆動電流を流す必要がある。この駆動電
流の限界を決めるのが、電流を流す巻線、センサーの限
界温度に関係する回転機の上昇温度であり、熱膨張が問
題となる温度上昇である。この上昇温度を抑えるために
は、鉄損および銅損を抑えることと共に、これら損失に
よる発生熱を抜熱することが重要になる。低鉄損化のた
めには通常は低鉄損材である高Ｓｉ材が使用される。ま
た回転機の抜熱には、コアの寄与が非常に大きく、モー
ルドやワニス含浸などした鉄心が使用されることがあ
る。したがって、このように回転機の高性能化のために
は、低損失であり、抜熱性の良いコアが必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、低損失か
つ温度上昇が小さい回転機コアおよび回転機を提供する
ことを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の回転機コア
は、従来のコア設計では不利とされていた低Ｓｉ、大結
晶粒の電磁鋼板を用いることにより、低鉄損を維持しつ
つ、温度上昇を抑制できるものであり、コアを構成する
無方向性電磁鋼板の板厚が０．４ mm 以下で、Ｓｉ含有量
が１重量％以下であって、電磁鋼板の平均結晶粒径が
０．１mm以上、または板厚方向の平均結晶粒数が４個以
下であることを特徴としている。

【０００６】この発明の回転機は、コアが上記回転機コ
アからなることを特徴としている。上記回転機におい
て、回転機駆動時間の８０％以上の時間でコアの励磁周
波数を１００Hz以下とすることが好ましい。また、コア
を板厚０．２mm以下の電磁鋼板で構成し、コアの励磁周
波数を３００Hz以上とすることが好ましい。

【０００７】

【発明の実施の形態】この発明における回転機は、電動
機や発電機であり、コアはこれらの回転機の電機子コア
や界磁ヨーク（あるいは界磁コア）などである。コア素
材は電磁鋼板であり、純鉄、極軟鋼、珪素鋼板または他
の鉄を主成分とするものである。この発明では、抜熱性
を良くするため、高い熱伝導性の電磁鋼板を用いてい
る。純鉄が最も高い熱伝導性を示すが、この発明ではＳ
ｉ含有量を１重量％以下として、熱伝導率を極軟鋼のも
のの約１／２以上としている。Ｓｉ含有量が１重量％以
下の電磁鋼板は、製造が比較的容易である。

【０００８】回転機の温度上昇を抑えるためには、高い
熱伝導性とともに鉄損を低くする必要がある。この発明
では、電磁鋼板の平均結晶粒径を０．１mm以上、または
板厚方向の平均結晶粒数を４個以下として、ヒステリシ
ス損を抑えている。平均結晶粒径は、体積または断面積
についての結晶粒径の平均値である。ヒステリシス損は
結晶粒径の１／２乗に反比例する傾向にあり、平均結晶
粒径は、大きいほどヒステリシス損は小さくなるので、
できるだけ大きいほどよい。電磁鋼板の平均結晶粒径を
０．１mm以上とすると、ヒステリシス損はＳｉ含有量が
１重量％以下である従来の主要な電磁鋼板のヒステリシ
ス損の１／２以下とすることができる。Ｓｉ含有量が１
重量％以下の通常の電磁鋼板では、結晶粒径は０．０１
〜０．０３ mm 程度であるが、ヒステリシス損を通常材の
１／２以下にするには、平均結晶粒径を４倍以上、即
ち、０．１ mm 以上にすればよい。

【０００９】板厚が０．１mm以下となると、表面の影響
で鉄損が急増する。また、板厚方向の平均結晶粒数が４
個を超えると、電磁鋼板の表面の影響よりも結晶粒の影
響の方が大きくなる。平均結晶粒数を４個以下にするこ
とにより、鉄損を小さくすることができる。

【００１０】Ｓｉ含有量が１重量％以下である従来の主
要な電磁鋼板の板厚は、０．５mmである。渦電流損は板
厚の自乗に比例するので、板厚０．４mm以下に限定する
と、渦電流損を上記主要な電磁鋼板のおおよそ２／３以
下にすることができる。

【００１１】上述のように、電磁鋼板のＳｉ含有量を抑
えることにより、飽和磁化Ｂ_S は高くなる。また、電磁
鋼板の平均結晶粒径を大きく、あるいは板厚方向の平均
結晶粒数を少なくすると、電磁鋼板の透磁率が高くな
り、コア励磁巻線の損失（無負荷銅損）が低くなる。

【００１２】この発明の回転機は、界磁コアあるいは電
機子コアとして、上記のように構成されたコアを使用す
る。抜熱性の向上をはかるために、放熱に重要な役割を
担うコアにこの発明のコアを使用する。たとえば、内側
回転子の場合、外側に位置する固定子のコアまたはヨー
クに、この発明のコアを使用する。外側回転子の場合、
外側に位置する回転子のコアまたはヨークに、この発明
のコアを使用する。

【００１３】低速運転の回転機では、鉄損のうちヒステ
リシス損の比率が高くなる。この発明の回転機では、上
記コアを用い、回転機駆動時間の８０％以上の時間で、
コアの励磁周波数を１００Hz以下とする。一般に、ヒス
テリシス損は励磁周波数に比例し、渦電流損は励磁周波
数の２乗に比例する。市販されている電磁鋼板では、ヒ
ステリシス損と渦電流損とが励磁周波数１００Hzでほぼ
等しくなり、励磁周波数１００Hz未満ではヒステリシス
損が渦電流損よりも大きくなる。低Ｓｉ含有量の電磁鋼
板では渦電流損が増加するが、励磁周波数を１００Hz以
下とすることにより、鉄損全体は小さくなる。低速回転
の回転機の励磁周波数は、一般に２００〜３００Hzであ
る。１００Hzの２倍の２００Hzになると、１００ Hz でヒ
ステリシス損と渦電流損が同等（１：１）のとき、ヒス
テリシス鉄損は２倍、渦電流損は４倍となり、両者の和
としての鉄損は１００ Hz 鉄損に対して約３倍となる。上
記のように、回転機駆動時間の８０％以上の時間で、励
磁周波数を１００Hz以下とすると、鉄損の増加を５０％
以内に抑えることができる。低速運転のモータとして、
たとえば電気自動車の駆動モータがある。

【００１４】渦電流損比率（＝渦電流損／ヒステリシス
損）は、板厚の２乗×周波数におおよそ比例する。した
がって、高速運転の回転機では、渦電流損比率が高くな
る。この発明では、コアの励磁周波数が３００Hz以上の
高速回転の回転機で、電磁鋼板の板厚を０．２mm以下と
している。渦電流損比率が板厚の２乗×周波数におおよ
そ比例することから、上記のように構成された高速回転
機の渦電流損比率は、標準的なコア（板厚０．５mmの電
磁鋼板製、励磁周波数が商用周波数５０Hz）の渦電流損
比率にほぼ等しくなる。高速運転のモータとして、たと
えばサーボモータ、コンプレッサ駆動モータなどがあ
る。

【００１５】

【実施例】（実施例１） 図１に示すブラシレス直流電動機において、電機子コア
１の素材を変えて試験した。各試験における電磁鋼板の
特性を、電機子コア１の性能とともに表１に示す。回転
子３は、円筒形の永久磁石で作られている。

【００１６】

【表１】

【００１７】低回転数駆動では、渦電流は少ない。した
がって、この発明による板厚０．３５mmの電磁鋼板（表
１の本発明例Ａ）は、従来の３％Ｓｉの板厚０．３５mm
の電磁鋼板（表１の従来例Ｆ）に比べて飽和磁化が高い
ため、励磁電流が少なく、抜熱性を決める熱伝導率が高
い。ヒステリシス損は従来のコアとほぼ同等である。上
昇温度が電機子コアの熱伝導率だけに影響するとすれ
ば、上昇温度は１／３以下にできる。図１で説明する
と、電機子巻線２を流れる駆動電流による巻線損は一定
でも、巻線損による発生熱は図中の符号６のように電機
子コア１およびケース４を通って外部に放出されるの
で、上昇温度は低くなる。また、コア鉄損による発生熱
は当然、図中の符号７のように電機子コア１およびケー
ス４を通って外部に放出される。鉄損のうち、ヒステリ
シス損は本発明例Ａも従来例Ｆも同じであるので、ヒス
テリシス損による発熱に対しては上昇温度は低くなる。
一般に、渦電流損は電気抵抗率に反比例し、熱伝導率は
電気伝導率（＝１／電気抵抗率）に比例する、つまり熱
伝導率は渦電流損に比例する。低回転駆動の場合には渦
電流損は少ないが、熱伝導率が低くても、温度上昇はほ
とんど変化しない。従来の０．３％Ｓｉの板厚０．５mm
の電磁鋼板（表１の従来例Ｇ）の場合では、熱伝導率は
高いが、ヒステリシス損が大きいので、上昇温度は本発
明例Ｂより高くなる。

【００１８】（実施例２） 高速回転では、渦電流損が大きくなる。この発明による
板厚０．２mmの電磁鋼板（表１の本発明例Ｂ）では、従
来の３％Ｓｉの板厚０．２mmの電磁鋼板（表１の従来例
Ｅ）の場合に比べて渦電流損は大きいが、熱伝導率が高
い。渦電流損による温度上昇は差がないと考えられる
が、駆動電流による巻線損（銅損）が同であるとする
と、本発明例Ｂは熱伝導率が高いので、温度上昇は低く
なる。

【００１９】

【発明の効果】この発明によれば、回転機コアの透磁率
が高く、ヒステリシス損も低いので、従来の低Ｓｉ電磁
鋼板を用いたコアに比べて励磁電流は低くて済み、温度
上昇は小さい。また、この発明の回転機コアは熱伝導率
が高く、抜熱性に優れていることによっても、温度上昇
は小さくなる。したがって、この発明の回転機コアを使
用すると、限界温度が一定であれば、駆動電流を多く流
せること、またはコアの磁束密度を高くできることによ
り、回転機の出力向上あるいは小型化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明が実施される回転機の一例を示す概略
断面図である。

【符号の説明】

１ 電機子コア ２ 電機子巻線 ３ 回転子（界磁） ４ ケース ６ 電機子巻線電流（駆動電流）による発生熱の流れ ７ コア鉄損による発生熱の流れ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−109449（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−265642（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−219020（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−223425（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−331602（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 1/02 C22C 38/00 303

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コアを構成する無方向性電磁鋼板の板厚
   が０．４ mm 以下で、Ｓｉ含有量が１重量％以下であっ
   て、電磁鋼板の平均結晶粒径が０．１mm以上、または板
   厚方向の平均結晶粒数が４個以下であることを特徴とす
   る回転機コア。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回転機コアを有するこ
   とを特徴とする回転機。