JPWO2017033873A1 - ステータコア及びそれを備えたモータ - Google Patents

Abstract

電磁鋼板の積層によって形成され、鉄損を安定的に抑制可能なステータコア及びそのステータコアを備えたモータを提供すること。
板厚が２５〜８０μｍの電磁鋼板１１を積層して形成されたステータコア１０の採用により、鉄損を安定的に抑制する。また、板厚が２５〜８０μｍの電磁鋼板１１を積層して形成されたステータコア１０を備えることで、モータ２０は、モータ効率を安定的に向上させる。

Description

本発明は、電磁鋼板の積層によって形成されたステータコア及びそれを備えたモータに関する。

省エネルギーの観点より、モータの効率化が望まれ、モータの効率化に関する技術が、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の技術は、電磁鋼板が積層されたステータコアにおいて、電磁鋼板のバックヨークに溝を形成して、鉄損の劣化を軽減するものである。

具体的に特許文献１には、ステータコアをモータ（電動機）のハウジングに固定した際にステータコアに加わる圧縮応力による鉄損特性の劣化が小さいステータコアと、そのステータコアを用いたモータが提案されている。上記ステータコアには、電磁鋼板のバックヨークに溝が形成されており、圧縮応力による鉄損劣化を軽減している。ステータコアは、環状の形状に打ち抜いた複数枚の電磁鋼板１を、積層して、固着したものである。モータコアの素材となる電磁鋼板は、無方向性電磁板を用いるのが好ましく、この電磁鋼板の板厚は、モータが高周波で使用されることを考慮し、０．３５ｍｍ以下であることが好ましいと記載されている。
実施例１においては、電磁鋼板の板厚が０．２０ｍｍの無方向性電磁板を用いて、積み厚が２０ｍｍのステータコアを製作したことが記載されている。

また、外周部に複数個の凸部を有した珪素鋼板を積層し、凸部に存在するカシメ部によって接合して形成された電機子鉄心を、凸部の外周部が嵌合するようにしてモータケースに固定する電機子鉄心の固定方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
特許文献２に開示された電機子鉄心の固定方法において採用されている電機子鉄心が備えている珪素鋼板は、外周部に複数個の凸部を有する形状を有している。しかしながら、特許文献２には、上記珪素鋼板の板厚に関する記載は全くない。

一方、非特許文献１には、量産型ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）／電気自動車（ＥＶ）の駆動モータが一般的なモータと異なり、起動時、登坂時の高トルク特性、最高速運転での高速回転特性等が要求され、高頻度走行領域では高効率などが要求されることが記載されている。かかるモータを構成するモータ鉄心は、電磁鋼板を重ねた積層構造を有しており、一般的なモータの鉄心として、０．２０ｍｍから０．５０ｍｍの電磁鋼板が用いられている（例えば、非特許文献１、図１１）。
また、鉄をベースとする軟磁性材料として、電磁鋼板が提案されている。かかる電磁鋼板は、高度の冶金処理を施すことによって、交流磁場で発生する鉄損を極限まで低減した材料である。その板厚は、方向性電磁鋼板では、主に０．２３ｍｍ〜０．３５ｍｍ、無方向性電磁鋼板では０．２０ｍｍ〜０．６５ｍｍの範囲であることが説明されている（例えば、非特許文献２）。なお、本件特許出願人は、本件発明に関連する文献公知発明として、以下の特許文献を提示する。

特開２０１０−２５２４６３号公報 特開平４−３２５８４６号公報

新日鉄技報第３９３号（２０１２）技術論文「ハイブリッド／電気自動車駆動モータ用電磁鋼板の最近の動向」脇坂岳顕 新井聡 黒崎洋介 ２０１２年８月 発行 ＪＦＥスチールグループの軟磁性材料 ＪＦＥ技報Ｎｏ．８ ２００５年６月 発行 ｐ.１−６

ところで、モータは、ステータコアを形成する電磁鋼板の板厚が０．３〜０．５ｍｍの範囲で、鉄損を効果的に抑制できると認知されていた。これは、図１に示すように、鉄損（Ｐｔｏｔａｌ）が渦電流損（Ｐｅ）とヒステリシス損（Ｐｈ）を足し合わせたものであり、電磁鋼板が厚くなるのに伴って、渦電流損が大きくなり、電磁鋼板が薄くなるのに伴って、ヒステリシス損の影響が大きくなり、その結果、鉄損は、電磁鋼板の板厚が０．３〜０．５ｍｍの範囲で最も抑制できると考えられていたためである。

なお、Ｋｅ：比例定数、Ｋｈ：比例定数、ｔ：電磁鋼板の板厚、ｆ：周波数、Ｂｍ：最大磁束密度、ρ：抵抗率として、渦電流損及びヒステリシス損は以下の式で表すことができる。
Ｐｅ＝ Ｋｅ（ｔｆＢｍ）^２／ρ、Ｐｈ＝ Ｋｈｆ（Ｂｍ）^１．６ である。

また、薄板材の代表的なものにアモルファス材が挙げられる。しかしながら、アモルファス材は、飽和電磁密度が低い上に、加工による劣化が大きく、更には、製造コストも高いという課題がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、電磁鋼板の積層によって形成され、鉄損を安定的に抑制可能なステータコア及びそのステータコアを備えたモータを提供することを目的とする。

本件発明者等は、鋭意検討を行った結果、ステータコアが備えている電磁鋼板の板厚を従来の電磁鋼板の板厚よりも薄板とすることによって、ステータコアの鉄損を安定的に抑制することができることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下の技術的事項から構成される。

（１） 前記目的に沿う第１の発明に係るステータコアは、板厚が２５〜８０μｍの電磁鋼板を積層して形成されたものである。板厚が８０μｍ以下の電磁鋼板を採用することによって、鉄損が抑制できることを検証によって確認した。

（２） 前記目的に沿う第２の発明に係るモータは、板厚が２５〜８０μｍの電磁鋼板を積層して形成されたステータコアを備える。板厚が８０μｍ以下の電磁鋼板を採用したモータは、鉄損の増加を抑制することができ、優れたモータ効率を発揮できることを検証によって確認した。

（３） 第２の発明に係るモータは、５００Ｈｚ以上の周波数で回転するのが好ましい。第２の発明に係るモータは、５００Ｈｚ以上の周波数において、優れたモータ効率を発揮することができる。

第１の発明に係るステータコア及び第２の発明に係るモータは、電磁鋼板の板厚が２５〜８０μｍであるので、鉄損を安定的に抑制可能である。

鉄損と電磁鋼板の板厚について従来考えられていた関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るステータコア及びモータの側断面図である。 電磁鋼板の鉄損の計測結果を示すグラフである。 電磁鋼板のＷ／ｆの計測結果を示すグラフである。 電磁鋼板の鉄損と板厚の関係を示すグラフである。 モータの鉄損と周波数の関係を示すグラフである。 実施例及び比較例の鉄損の計測結果を示すグラフである。 実施例及び比較例のモータ効率の計測結果を示すグラフである。 ステータコアがアウターコアである場合におけるステータコアの平面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図２に示すように、本発明の一実施形態に係るステータコア１０は、電磁鋼板１１を備えており、複数の電磁鋼板１１が積層されて形成されている。
すなわち、本発明の一実施形態に係るステータコア１０は、電磁鋼板からなる複数のステータコア片が積層されて形成されている。ステータコア片は電磁鋼板を打ち抜いて形成され、ステータコア片は、他のステータコア片と「仮固定」されてステータコア片群を形成している。

ここで、「仮固定」とは、後述する硬化性樹脂による「本固定」に先立って、ステータコア片群を形成するためにステータコア片の間を仮に固定して、ステータコア片群に存在するステータコア片の間を「本固定」するための前処理を意味する。

「仮固定」によって、ステータコア片が積層され、ステータコア片群が形成される。ステータコア片群に存在するステータコア片の間を固定するために、硬化前の硬化性樹脂が当該ステータコア片の間に塗布される。かかる硬化前の硬化性樹脂を熱等により硬化させることにより、当該ステータコア片の間は、接着によって硬化性樹脂によって「本固定」される。

なお、本実施形態では、各電磁鋼板１１を打ち抜いた複数のステータコア片が「かしめ」によって「仮固定」されているが、これに限定されず、例えば、硬化性樹脂による「接着」によって仮固定されていてもよい。

本発明の一実施形態に係るステータコア１０は、電磁鋼板１１を打ち抜いた複数のステータコア片が積層されて形成されたステータコア片群を得るために行う「仮固定」と、かかるステータコア片群に存在するステータコア片の間を硬化性樹脂によって接着するために行う「本固定」とが併用される（複合積層）ことによって製造された。

本発明のステータコア１０を構成する電磁鋼板１１の板厚は、従来のステータコアに用いられている板厚が２００μｍを超える電磁鋼板よりも極薄となっており、通常「かしめ」や「接着剤」のみを適用すると、電磁鋼板１１間の剥離強度の確保が困難である。
しかしながら、本発明のステータコア１０は、電磁鋼板１１を打ち抜いた複数のステータコア片が積層されて形成されたステータコア片群を得るために行う「仮固定」と、かかるステータコア片群に存在するステータコア片の間を硬化性樹脂によって接着するために行う「本固定」とを併用した製造方法によって製造されている。このため、本発明のステータコア１０は、従来製造することが技術的に困難であった板厚が２５〜８０μｍである電磁鋼板１１を備えたステータコアとなっている。

つまり、板厚が２５〜８０μｍである電磁鋼板１１を備えている本発明のステータコア１０は、電磁鋼板１１を打ち抜いた複数のステータコア片が積層されて形成されたステータコア片群を得るために行う「かしめ」による「仮固定」と、接着剤を用いた「接着」による「本固定」とを併用することによって、製造された。
そして、本実施例の電磁鋼板１１は、冷間圧延法によって製造されている。

本発明のステータコア１０は、インナーコアであってもよいし、アウターコアであってもよい。インナーコア片群やアウターコア片群を本固定するために使用される硬化前の硬化性樹脂は、必ずしも外周領域又は内周領域の全面に塗布される必要はなく、外周領域又は内周領域の一部であってもよい。すなわち、インナーコア片群やアウターコア片群には硬化性樹脂が不存在の領域が存在していてもよい。

本件発明において、ステータコア１０が備えている各電磁鋼板１１の板厚は、２５〜８０μｍである。これは、ステータコア１０が備えている各電磁鋼板１１の板厚を従来のステータコアに採用されている電磁鋼板の板厚よりも薄くすることによって、渦電流損を抑制するために規定されている。更に、本発明においては、ステータコア１０が備えている電磁鋼板１１の板厚を８０μｍ以下に薄くすることによって、ヒステリシス損の増加を従来考えられていた値より、きわめて低減できることを、鋭意検証の結果、確認したことによるものである。

検証結果を以下に説明する。
板厚５０μｍの電磁鋼板及び板厚３５０μｍの電磁鋼板について、鉄損を計測した結果を図３のグラフに示した。図３のグラフにおいて、縦軸及び横軸は、鉄損及び周波数（該当する電磁鋼板をステータコアに採用したモータにおいてロータを回転させるための周波数）をそれぞれ意味する。なお、鉄損の測定は、本発明の発明者の一人が開発したベクトル磁気特性測定装置（Ｖ-Ｈアナライザー）に従い、電磁鋼板の磁気測定試験を行った。
「１ｓｈｅｅｔ」、「１０ｓｈｅｅｔ」及び「３５Ａ３６０」は、１枚の板厚５０μｍの電磁鋼板（以下、「サンプル１」とも言う）、板厚５０μｍの電磁鋼板１０枚を積層したもの（以下、「サンプル２」とも言う）及び１枚の板厚３５０μｍの電磁鋼板（以下、「サンプル３」とも言う）をそれぞれ意味する。
図３のグラフより、サンプル３、サンプル２及びサンプル１の順に、周波数の上昇による鉄損の増加率が大きくなることが確認された。

そして、同じ３つのサンプルについて、鉄損を周波数で割ったＷ／ｆと周波数の関係を導出した結果、図４のグラフに示すようになった。図４のグラフより、周波数の増加に伴うＷ／ｆの増加勾配は、鉄損に含まれる渦電流損の影響により、渦電流損は電磁鋼板の板厚の２乗に比例して増加する為、サンプル３が、サンプル１、２に比べて大きくなった。
また、表１に７５０Ｈｚにおける鉄損を計測した結果、及び鉄損を周波数（７５０Ｈｚ）で割ったＷ／ｆと周波数の関係を示した。

ここで、本実施形態の電磁鋼板（冷間圧延法により製造されたもの）をステータコアに採用した際の電磁鋼板の厚みと鉄損の関係をシミュレーションした。シミュレーションの結果を図５のグラフに示す。

図５のグラフより、電磁鋼板が薄くなるほど、周波数の上昇に伴う鉄損の増加勾配が小さくなること、板厚が８０μｍ以下の電磁鋼板は、鉄損が周波数の上昇（１００Ｈｚからの上昇）に対して、ほぼ直線的に増加すること、並びに、板厚が１００μｍ以上の電磁鋼板は、周波数の上昇に従う鉄損の増加率が大きくなることが確認された。従って、板厚が８０μｍ以下の電磁鋼板は、周波数が１００Ｈｚ以上の領域で鉄損を安定的に抑制できることがシミュレーションによって判明した。なお、図５のグラフより、板厚が８０μｍの電磁鋼板は、周波数に対する鉄損の増加率は、約０．００６（Ｗ／Ｋｇ・Ｈｚ）であり、板厚が５０μｍの電磁鋼板は、周波数に対する鉄損の増加率は、約０．００５（Ｗ／Ｋｇ・Ｈｚ）であることが確認された。

図３、図４のグラフ、並びに図５のグラフから、８０μｍ以下より薄い電磁鋼板は、鉄損に対するヒステリシス損の影響が、従来において、常識とされていた値より小さくなっていることが考えられる。
なお、電磁鋼板の製造工程や電磁鋼板の積層工程での技術的困難性等から、現実的に製品化できるステータコアが備えている電磁鋼板の板厚には下限値があり、本実施形態では、その下限値を２５μｍにしている。なお、電磁鋼板からなるステータコア片を積層してステータコアを製造する観点からは、電磁鋼板の板厚を６０〜８０μｍとしてもよい。

また、本発明の一実施形態に係るモータ２０は、図２に示すように、ステータコア１０に巻線加工を経て製造されたステータ２１と、ステータ２１の内側に収容されたロータ２２とを備えている。即ち、モータ２０は、ステータコア１０を備えている。
電磁鋼板１１（即ち、板厚が２５〜８０μｍの電磁鋼板）を積層したステータコア１０を具備するモータ２０は、厚みが８０μｍを超える電磁鋼板を積層したステータコアを具備するモータと比較して、回転数が上昇するのに伴う鉄損の増加を安定的に抑制することができることを確認した。

ここで、電磁鋼板の製造工程における処理は電磁鋼板の厚みに応じて異なり、電磁鋼板の製造工程における処理に応じて、その電磁鋼板を採用したモータの実際の鉄損には差異が生じるのは言うまでもない。そして、従来、ステータコアに採用する電磁鋼板で６０〜８０μｍの厚みのものが少なくとも製品として存在しないばかりか、８０μｍ以下の厚みの電磁鋼板を工業的に積層する技術も存在せず、しかも、図１に示された鉄損と電磁鋼板の厚みの関係から、２５〜８０μｍの厚みの電磁鋼板をステータコアに採用しようという試みが工業的になされていなかった。

今回、本願発明者らは、８０μｍ以下の厚みの極薄の電磁鋼板を積層すること（ステータコアとして性能を発揮できるように積層すること）に成功し、実際に８０μｍ厚の電磁鋼板を積層したステータコアを用いることで、モータの鉄損がどの程度の大きさになるかを計測することに成功した。その計測結果を図６に示す。
なお、図６において、０．０８ｍｍ（Ａ）及び０．０８ｍｍ（Ｂ）として表示したグラフは、８０μｍ厚の電磁鋼板をステータコアに採用したモータに対応するもので、それぞれ電磁鋼板の製造工程における処理が異なっている。
また、図６において、０．０８ｍｍ（Ａ）と０．０８ｍｍ（Ｂ）は板厚８０μｍ製造ばらつきによる材料特性ばらつきを示している。
０．１ｍｍとして表示したグラフは、１００μｍ厚の電磁鋼板をステータコアに用いたモータに対応している。

図６に示す結果から、板厚が８０μｍの電磁鋼板を積層したステータコアを具備するモータは、電磁鋼板の製造工程における処理が異なっても、周波数が５００Ｈｚ以上で安定的に板厚が１００μｍの電磁鋼板を積層したステータコアを具備するモータの鉄損を下回ることが確認できた。
板厚が８０μｍ以下の電磁鋼板において、鉄損が増加しなかった理由は、電磁鋼板の渦電流における表皮効果厚さ（渦電流による反抗磁場が発生する厚さ）が８０μｍであったと推定される。
また、板厚が８０μｍの電磁鋼板を用いたステータコアを備えるモータは、５００Ｈｚ以上の周波数で駆動回転することによって、鉄損の増加の抑制効果が顕著になることが分かる。
なお、現状、モータに要求される回転数の上限値は、一般的に１０万回転（周波数では１万Ｈｚ相当）とされている。

ここで、電磁鋼板に渦電流が生じると、電磁鋼板には電磁鋼板に印加される磁場（以下、「印加磁場」とも言う）に逆らう反抗磁場が生じる。従って、電磁鋼板に渦電流が生じる場合、電磁鋼板に反抗磁場が生じない場合に比べ、電磁鋼板に所定の大きさの磁束密度を設けるために、より大きい印加磁場が必要とされる。よって、薄い電磁鋼板の採用による渦電流の抑制によって、反抗磁場を小さくすることができ、この点でモータへの励磁電流の低減化を可能にすると考えられる。
すなわち、モータへの励磁電流の低減化は、当該モータが備えているステータコアを構成する電磁鋼板として、板厚が２５〜８０μｍの電磁鋼板を採用し、かかる電磁鋼板からなる複数のステータコア片が積層されたステータコア片群を得るために行う「仮固定」とステータコア片群に存在するステータコア片の間を「本固定」とを併用することによって実現している。

そして、モータは閉磁路を構成しておらず反磁場が生じることから、電磁鋼板が薄くなると、電磁鋼板の厚み方向の反磁場の係数が大きくなり、電磁鋼板の面内方向（電磁鋼板の厚み方向に垂直な方向）の反磁場が相対的に小さくなる。従って、ステータコアに薄い電磁鋼板を採用したモータは、ステータコアの厚み方向の反磁場に対し、電磁鋼板の面内方向の反磁場が相対的に小さくなり、この点でもモータへの励磁電流の低減化を可能にすると考えられる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。所定の厚みを有する電磁鋼板を打ち抜いた複数のステータコア片を「かしめ」を用いて仮固定することによりステータコア片群を形成した。このステータコア片群に存在するステータコア片の間を硬化性樹脂により「本固定」することによって、ステータコアを製造した。なお、図９に示すように、実施例において採用したステータコアは、アウターコアとした。
アウターコア片には、「かしめ」が設けられている。かしめは、アウターコア片を構成する環状基部のティースの非延長領域に１２個設けられている。複数のアウターコア片がかしめによって積層されて形成されたアウターコア片群の内周領域に硬化前の硬化性樹脂を塗布した。硬化性樹脂として、エポキシ系樹脂を採用した。

実施例１において製造したモータは、板厚５０μｍの電磁鋼板からなる複数のステータコア片（アウターコア片）を８００枚積層してステータコア（アウターコア）を備えたモータである。実施例２において製造したモータは、板厚８０μｍの電磁鋼板からなる複数のステータコア片（アウターコア片）を５００枚積層してステータコア（アウターコア）を備えたモータである。
比較例において製造したモータは、板厚３５０μｍの電磁鋼板からなる複数のステータコア片（アウターコア片）を積層してステータコア（アウターコア）を備えたモータである。
実施例１において、製造されたモータが備えているステータコア（アウターコア）は、φ１８２×厚さ４０ｍｍであった。

板厚５０μｍの電磁鋼板を積層したステータコアを具備するモータ（実施例１）、板厚８０μｍの電磁鋼板を積層したステータコアを具備するモータ（実施例２）及び板厚３５０μｍの電磁鋼板を積層したステータコアを具備するモータ（比較例）について、鉄損及びモータ効率を計測した。鉄損の計測結果及びモータ効率の計測結果をそれぞれ、図７、図８のグラフに示す。併せて、鉄損の計測結果及びモータ効率の計測結果をそれぞれ表２、表３に示した。なお、モータ効率とは、モータ出力を入力電力で割った値に１００を掛けた値であり、図７、図８中で、「５０μｍ」又は「８０μｍ」と記載したものが、実施例１、２であり、「３５０μｍ」と記載したものが、比較例である。また、実施例のモータ及び比較例のモータにおいては、共に１２極、６相のステータコア（図９）を用いた。

図７に示すグラフから、３０００〜７０００回転数（３００〜７００Ｈｚの周波数に相当）で、回転数が大きくなるのに伴い、実施例において生じる鉄損と比較例において生じる鉄損との間の開きが大きくなることが分かる。
また、図８に示すグラフから、３０００〜７０００回転数の範囲で、実施例のモータ効率が比較例のモータ効率より高い値になることが確認された。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。

本発明に係るステータコア及びモータは、鉄損を安定的に抑制することが可能である。従って、本発明は、モータ効率の高いモータを必要とする変圧器、発電機、モータ等の製品や発電設備での利用が期待できる。本発明は、鉄損を安定的に抑制することが可能であるから、モータの効率を向上させることが要求される電気機器産業において利用することができる。さらに、本発明は、量産型ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）の駆動モータとして好適に使用することができるため、自動車産業においても利用することができる。

１０：ステータコア、１１：電磁鋼板、２０：モータ、２１：ステータ、２２：ロータ、１００：かしめ、１１０：アウターコア片、１２０：環状基部、１３０：ティース、１４０：磁極部

Claims (3)

1. 板厚が２５〜８０μｍの電磁鋼板を積層して形成されたステータコア。
2. 板厚が２５〜８０μｍの電磁鋼板を積層して形成されたステータコアを備えることを特徴とするモータ。
3. 請求項２記載のモータであって、５００Ｈｚ以上の周波数で回転することを特徴とするモータ。