JP5272713B2

JP5272713B2 - Ｉｐｍモータ用ロータコア

Info

Publication number: JP5272713B2
Application number: JP2008326871A
Authority: JP
Inventors: 善彦尾田; 雅昭河野; 藤田　　明; 善彰財前; 信勇志賀; 多津彦平谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: JP2010154590A

Description

本発明は、例えば、家庭用エアコンコンプレッサーモータやハイブリッド電気自動車用モータ等に用いられるモータコアおよびモータコア材料に関する。

例えば、高効率エアコンのコンプレッサーモータやハイブリッド電気自動車モータでは、高効率化の観点からロータ内部に永久磁石を埋め込んだ内部磁石埋め込み型モータ（以下、略してＩＰＭモータと称する）が多く使用されている。
ロータ内部の磁石挿入穴に埋め込まれた永久磁石はN、S極が交互に着磁されており、永久磁石の磁束は空隙を介して、ティースに流れ込み、バックヨーク、ティースを通って隣の永久磁石に流れ込む構造となっている。
しかし、一部の磁束はロータのブリッジ部を渡って直接隣の永久磁石に流れてしまい、モータの効率低下の一因となっている。このため、ブリッジ部は磁束の渡りを防止するように極力幅を狭くした構造となっている。しかし、ブリッジ部を狭くしすぎると磁石の遠心力にロータコアのブリッジ部が耐えられず、モータの回転中にロータブリッジ部が破壊されることとなる。ゆえに、ブリッジ部を狭くすることは限界があった。
一方、ブリッジ部の透磁率を低下させることにより、ブリッジ部の磁束の渡りを低減する技術が開示されている。例えば、特許文献１には、ブリッジ部に窒化処理を施し飽和磁化を低減することでブリッジ間の磁束の渡りを低減する技術が開示されている。しかし、特許文献１では、窒化処理に数10時間要するという問題を有している。
特開2002-69593号公報

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、モータの効率に優れ、強度と鉄損のバランスに優れたＩＰＭモータ用ロータコア材料およびＩＰＭモータ用ロータコアを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討した。その結果、ＩＰＭモータ用ロータコア材料として、鋼板表層部が強磁性材からなり、鋼板内層部が非磁性材からなる複層鋼板を用いること、さらに、ＩＰＭモータ用ロータコアでは、隣り合う磁石挿入孔間および／または磁石挿入孔とロータ外周との間に形成されたブリッジ部において、両側表層の強磁性材を除去することによりブリッジ部の非磁性化が可能となりモータ特性が向上することを知見した。

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］板厚方向に表層、内層、表層の3層構造からなる複層鋼板であり、前記表層部は強磁性材からなり、前記内層部は非磁性材からなり、かつ、前記表層部厚みの全厚に対する比率が0.2〜0.8であることを特徴とするＩＰＭモータ用ロータコア材料。
ただし、強磁性材とは、周波数1kHzで磁化した際の最大透磁率が500以上の材料である。
［２］表層部は強磁性材からなり、内層部は非磁性材からなり、かつ、前記表層部厚みの全厚に対する比率が0.2〜0.8である、板厚方向に表層、内層、表層の3層構造からなる複層鋼板を鉄心として用い、隣り合う磁石挿入孔間および／または磁石挿入孔とロータ外周との間に形成されたブリッジ部において、両側表層の強磁性材が除去されていることを特徴とするＩＰＭモータ用ロータコア。
ただし、強磁性材とは、周波数1kHzで磁化した際の最大透磁率が500以上の材料である。なお、本明細書において、鋼の成分を示す％は、すべて質量％である。

本発明によれば、モータの効率に優れ、強度と鉄損のバランスに優れたＩＰＭモータ用ロータコア材料およびＩＰＭモータ用ロータコアが得られる。

以下、本発明を詳細に説明する。
まず本発明の思想について説明する。
ＩＰＭモータのブリッジ部を非磁性化することで磁束の渡りが低減でき、その結果、モータのトルクが向上し、効率も高くなることが知られている。そして、ブリッジ部を非磁性化する手法としては、ブリッジ部をオーステナイト域に加熱後、急冷してオーステナイト相とすることにより非磁性化を図る手法が考えられる。しかし、この手法では素材が熱処理により室温でもオーステナイトを保つ組成とする必要があることから、ブリッジ部以外の磁気特性の低下が避けられない。
ところで、高周波域で使用されるモータにおいては、磁束は表皮効果により鋼板表層に集中する。このため、鋼板表層で磁気特性が優れていることが求められ、鋼板内層部には磁気特性以外の機能を有する材料を用いることが可能となることを本発明者らは既に知見した。
そこで、本発明者らは、上記問題点を考慮し、上記知見をもとに、さらに検討を進めたところ、表層部に強磁性材を用い、内層部に非磁性材を用いた複層材を作製し、これをＩＰＭモータ用ロータコア材料として用い、さらに、隣り合う磁石挿入孔間および／または磁石挿入孔とロータ外周との間に形成されたブリッジ部（以下、単にブリッジ部と称する）において、両側表層の強磁性材（以下、強磁性層と称する）を除去することにより、ブリッジ部の非磁性化が可能となることを見出した。
すなわち、本発明のＩＰＭモータ用ロータコア材料は、板厚方向に表層、内層、表層の3層構造からなる複層鋼板であり、前記表層部は強磁性材からなり、前記内層部は非磁性材からなる材料とする。これは本発明において最も重要な要件であり、このような複層型材料を鉄心として用いることで鉄損特性に優れたモータコアが得られることになる。

なお、ここで強磁性材とは周波数1kHzで磁化した際の最大透磁率が500以上、好ましくは1000以上の材料を対象とする。500未満の透磁率では本発明の効果が十分に発揮できないためである。

また、本発明は板厚方向に表層−内層−表層の３層構造を有する複層材を対象としており、表層部とは鋼板表面を含む層のことを指す。一方、内層部とは前記表層部を除いた板厚方向での中央部のことである。

本発明において、鋼板表層部の材料として用いられる強磁性体は上記特性、すなわち、周波数1kHzで磁化した際の最大透磁率が500以上を満たしていれば特に限定しない。例えば、けい素鋼、パーマロイ、パーメンジュール等の材料が使用できる。また、けい素鋼を用いる場合、Si量は7％以下が好ましい。Siが7％超えでは鋼板が脆化するため製造が困難であり、また、飽和磁化が低下するためである。けい素鋼にAl、Mn、Cr、Ni等の元素を固有抵抗上昇の目的で添加することは何ら問題ない。好ましい範囲はAl：3％以下、Mn：3％以下、Cr：10％以下、Ni：20％以下である。さらに磁束密度向上の観点からCo、Sb、Sn、Pを添加しても構わない。好ましい範囲はCo:5％以下、Sb:0.0005〜0.05％、Sn：0.0005〜0.05％、P：0.001〜0.1％である。

鋼板内層部の材料は非磁性鋼であれば特に限定はしない。例えば、高Mn鋼、オーステナイトステンレス鋼、鉄基超合金等が利用できる。例えば、15％Mn-18％Cr鋼や18％Cr-8%Ni鋼等を用いることができる。

さらに、本発明においては、ＩＰＭモータ用ロータコア材料として、上記に加え、表層部厚みの全厚に対する比率（以下、複層比と称す）を0.2〜0.8とする。
なお、複層比は以下の式で定義することとする。
複層比＝表層両側の強磁性材の合計板厚/鋼板全体の板厚
複層比が0.2未満では、強磁性層の割合が少なくなるため高周波鉄損が増加する。一方、複層比が0.8超となると、非磁性部の割合が少なくなり、強磁性層を除去したブリッジ部の強度が低下し、ロータの遠心力に耐えるためにはブリッジ部の幅を非常に大きくする必要がある。このため、磁石配置の自由度が低下し、モータ効率が低下することになる。以上より、複層比は0.2以上0.8以下とする。

次に、本発明のＩＰＭモータ用ロータコアについて、説明する。
本発明のＩＰＭモータ用ロータコアは、上記からなる複層鋼板を鉄心として用い、ブリッジ部の強磁性層を除去することを特徴とする。ブリッジ部の強磁性層を除去することで、ブリッジ部以外の磁気特性を低下させることなく、ブリッジ部の磁束の渡りを防止し、モータ効率が向上する。
本発明の材料をＩＰＭモータのロータコアとして用いた場合に、ブリッジ部の強磁性層を除くことによりブリッジ部の非磁性化が可能となる。すなわち、ブリッジ部の強磁性層を除去することで、ブリッジ部以外の磁気特性を低下させることなく、ブリッジ部の磁束の渡りを防止し、モータ効率が向上することになる。

なお、強磁性層を除去する領域の大きさは、要求されるモーター効率（磁束の渡りを防止する程度）とブリッジ部の強度との兼ね合いで適宜定めればよい。
ここで、ブリッジ部とは図1に示すA、Bの部分である。Ａのような隣り合う磁石挿入孔間の部分では、図２（ａ）のように磁石挿入孔間の強磁性層を除く方法、図２（ｂ）のように一本もしくは複数本の溝を形成する方法等、いずれの形状でもよい。Ｂのような磁石挿入孔とロータ外周との間の部分では、磁石コーナー部もしくは磁石挿入孔コーナー部からロータ最外周まで強磁性層を除去すればよく、例えば図２（ｃ）のように磁石コーナー部近傍の強磁性層を例えば１〜５ｍｍ程度の幅で除く方法や、図２（ｄ）のように磁石コーナー部から例えば０．１〜１ｍｍ程度の溝を形成して強磁性層を除く方法、さらには図２（ｅ）のように複数の溝を形成する方法等が挙げられる。

ブリッジ部の強磁性層の除去方法としては、機械的に除く方法、化学的に除く方法いずれも用いることができる。例えば、塩化第二鉄を用いたエッチングによりブリッジ部の強磁性層を除くことが可能である。この際、ブリッジ部全体の強磁性層を除いても構わないし、一部のみ永久磁石挿入穴からロータ外周まで線状に除去しても構わない。

次に、本発明のＩＰＭモータ用ロータコア材料の製造方法について説明する。
本発明においては、表層部に強磁性材からなる強磁性層を形成し、内層部には非磁性材からなる非磁性層を形成することが重要である。そのための手法として、例えば、強磁性鋼と非磁性鋼の二種類の材料を転炉で吹練し、溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、引き続き鋳造を行いスラブとした後、所定の複層比となるように上記強磁性鋼と上記非磁性鋼を貼り合わせ、3層構造からなる複層鋼板とする。その後、スラブを通常の方法にて熱間圧延し、次いで、一回の冷間圧延または温間圧延、もしくは中間焼鈍をはさんだ2回以上の冷間圧延または温間圧延により所定の板厚とした後に、仕上焼鈍を行う。
ここで、熱間圧延時の仕上温度、巻取り温度は特に規定する必要はなく、適宜設定される。また、熱延後の熱延板焼鈍は行っても良いが必須ではない。
なお、板厚の規定は特にないが、高周波鉄損低減の観点から0.35mm以下、より好ましくは0.2mm以下である。下限は生産性の観点から0.05mm以上とすることが好ましい。
また、上記貼り合わせに代わり、強磁性鋼と非磁性鋼の薄板を所定の複層比となるように圧着して複層鋼板とすることもできる。
以上により、本発明のＩＰＭモータ用ロータコア材料が得られる。そして、上記により得られたＩＰＭモータ用ロータコア材料を鉄心として用い、ブリッジ部の強磁性層を除去することにより本発明のＩＰＭモータ用ロータコアが得られる。

実験室の真空溶解炉にて、質量％で3％Si、0.5％Al、0.2％Mnの鋼Aと15％Mn、0.05％Cr、0.05％Niの鋼Bをそれぞれ溶解し、インゴットとした。次いで、得られたインゴットを表１に示す複層比となるように、鋼Ａ同士あるいは表層部に鋼Ａを内層部に鋼Ｂとして積層し、外周を溶接した後、1140℃で1hr加熱し、板厚2.0mmまで熱間圧延を行った。熱延仕上げ温度は800℃とした。巻取り温度は610℃とし、巻取り後、900℃×30ｓの熱延板焼鈍を施した。その後、酸洗を行い、表１に示す板厚まで温間圧延を行い、表1に示す仕上焼鈍条件で焼鈍を行った。磁気測定は25cmエプスタイン試験片を用いて行った。

なお、鋼Ａ、鋼Ｂを複層化しないで上記と同様にサンプル作製し、磁気特性を評価したところ、鋼Ａは最大透磁率が10000の強磁性材であり、鋼Ｂは最大透磁率が1の非磁性材であることが確認できた。

次いで、24極のIPMモータを作成し、モータ特性を評価した。
ステーター外形は150mm、ロータ外形は90mm、積み厚100mmとした。ステーターには3.5％Si鋼の板厚0.35mm材を用い、IPMロータコア材料には表1に示す複層鋼板を用いた。さらに、ロータブリッジ部の強磁性層を機械切削により図3に示すように除去した。また、比較のために、ロータブリッジ部の強磁性層を除去しないコアも作製した。
以上により得られたIPMモータを10000ｒｐｍで回転させ、この時のトルクを測定した。
得られた結果を条件と併せて表１に示す。

表1より、強磁性材同士を複層化した比較例No.1、No.2ではトルクが低いことがわかる。また、強磁性材と非磁性材を複層化しただけでロータブリッジ部の強磁性層の除去を行っていない比較例No.3もトルク向上は認められない。
これに対し、強磁性材と非磁性材を複層化し、さらにブリッジ部の強磁性材を除いた本発明例No.4ではトルクが上昇することがわかる。

実験室の真空溶解炉にて、質量％で3〜6.5％Si、0.2〜2.0％Al、0.2〜2.2％Mnとした強磁性鋼と0.2〜18％Mn、0.1〜20％Cr,0.1〜8％Niとした非磁性鋼を溶解し、インゴットとした。次いで、得られたインゴットを表2に示す複層比となるように、表層部に強磁性鋼を、内層部に非磁性鋼を用いて積層し、外周を溶接した後、1140℃で1hr加熱した後、板厚2.0mmまで熱間圧延を行った。熱延仕上げ温度は800℃とした。巻取り温度は610℃とし、巻取り後、900℃×30ｓの熱延板焼鈍を施した。その後、酸洗を行い、表２に示す板厚まで温間圧延を行い、表2に示す仕上焼鈍条件で焼鈍を行った。磁気測定は25cmエプスタイン試験片を用いて行った。

次いで、24極のIPMモータを作成し、モータ特性を評価した。
作成方法および評価方法は実施例１と同様である。
得られた結果を条件と併せて表2に示す。

表2より本発明例No.2〜4、6〜16では高いトルクが得られることがわかる。
一方複層比が0.10と小さく本発明範囲外である比較例No.1では、鉄損が高くなっている。複層比が0.85と大きく本発明範囲外である比較例No.5では、強磁性層を取り除いた際にブリッジ部の板厚が薄くなり、磁石の遠心力によりコアが変形した。

本発明のＩＰＭモータ用ロータコアは、モータの効率に優れ、強度と鉄損のバランスに優れているので、家庭用エアコンコンプレッサーモータやハイブリッド電気自動車用モータ等を中心に、多様な用途での使用が可能となる。

ＩＰＭモータのロータコアにおける、ブリッジ部を示す図である。ＩＰＭモータのロータコアにおける、ブリッジ部での強磁性層の除去部分を示す図である。ＩＰＭモータのロータコアにおける、ブリッジ部拡大図であり、強磁性層除去部を示す図である。

Claims

表層部は強磁性材からなり、内層部は非磁性材からなり、かつ、前記表層部厚みの全厚に対する比率が０．２〜０．８である、板厚方向に表層、内層、表層の３層構造からなる複層鋼板を鉄心として用い、隣り合う磁石挿入孔間および／または磁石挿入孔とロータ外周との間に形成されたブリッジ部において、両側表層の強磁性材が除去されていることを特徴とするＩＰＭモータ用ロータコア。
ただし、強磁性材とは、周波数１ｋＨｚで磁化した際の最大透磁率が５００以上の材料である。