JPWO2020129925A1 - ステータ用接着積層コアおよび回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2018年12月17日に、日本国に出願された特願2018−235864号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1)本発明の一態様は、表面にリン酸塩系の絶縁被膜を有してかつ同軸に重ね合わされた複数の電磁鋼板と、前記各電磁鋼板間に設けられた接着部と、を備えるステータ用接着積層コアであって、前記絶縁被膜の平均厚みが0.3μm〜1.2μmであり、前記接着部の平均厚みが1.0μm〜3.0μmであり、前記絶縁被膜の平均厚みを単位μmでt1、前記接着部の平均厚みを単位μmでt2とした場合に、下記の式1を満たす。
−4.3×t1+3.6≦t2≦−4.3×t1+6.9・・・(式1)
−5000×t1+4500≦E≦−5000×t1+9000・・・(式2)
本実施形態では、回転電機10として、ロータ30がステータ20の径方向内側に位置するインナーロータ型を採用している。しかしながら、回転電機10として、ロータ30がステータ20の外側に位置するアウターロータ型を採用してもよい。また、本実施形態では、回転電機10が、12極18スロットの三相交流モータである。しかしながら、極数、スロット数、相数などは、適宜変更することができる。
回転電機10は、例えば、各相に実効値10A、周波数100Hzの励磁電流を印加することにより、回転数1000rpmで回転することができる。
ステータコア21は、環状のコアバック部22と、複数のティース部23と、を備える。以下では、ステータコア21(又はコアバック部22)の中心軸線O方向を軸方向と言い、ステータコア21(又はコアバック部22)の径方向(中心軸線Oに直交する方向)を径方向と言い、ステータコア21(又はコアバック部22)の周方向(中心軸線O回りに周回する方向)を周方向と言う。
複数のティース部23は、コアバック部22の内周から径方向内側に向けて(径方向に沿ってコアバック部22の中心軸線Oに向けて)突出する。複数のティース部23は、周方向に同等の角度間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角20度おきに18個のティース部23が設けられている。複数のティース部23は、互いに同等の形状でかつ同等の大きさに形成されている。よって、複数のティース部23は、互いに同じ厚み寸法を有している。
前記巻線は、ティース部23に巻回されている。前記巻線は、集中巻きされていてもよく、分布巻きされていてもよい。
ロータコア31は、ステータ20と同軸に配置される環状(円環状)に形成されている。ロータコア31内には、前記回転軸60が配置されている。回転軸60は、ロータコア31に固定されている。
複数の永久磁石32は、ロータコア31に固定されている。本実施形態では、2つ1組の永久磁石32が1つの磁極を形成している。複数組の永久磁石32は、周方向に同等の角度間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角30度おきに12組(全体では24個)の永久磁石32が設けられている。
なお、ステータコア21およびロータコア31それぞれの積厚(中心軸線Oに沿った全長)は、例えば50.0mmとされる。ステータコア21の外径は、例えば250.0mmとされる。ステータコア21の内径は、例えば165.0mmとされる。ロータコア31の外径は、例えば163.0mmとされる。ロータコア31の内径は、例えば30.0mmとされる。ただし、これらの値は一例であり、ステータコア21の積厚、外径や内径、およびロータコア31の積厚、外径や内径は、これらの値のみに限られない。ここで、ステータコア21の内径は、ステータコア21におけるティース部23の先端部を基準とする。すなわち、ステータコア21の内径は、全てのティース部23の先端部に内接する仮想円の直径である。
Al:0.001%〜3.0%
Mn:0.05%〜5.0%
残部:Fe及び不純物
一方で、絶縁被膜が厚くなるに連れて絶縁効果が飽和する。また、絶縁被膜が厚くなるに連れて、積層コアにおいて電磁鋼板40の占める割合が低下し、積層コアとしての性能が低下する。したがって、絶縁被膜は、絶縁性能が確保できる範囲で薄い方がよい。絶縁被膜の平均厚み(電磁鋼板40片面あたりの厚さ)の上限値としては、1.2μm、より好ましくは0.9μmとするのがよい。
絶縁被膜の平均厚みt1は、積層コア全体としての平均値である。絶縁被膜の厚みはその積層方向に沿った積層位置や積層コアの中心軸線回りの周方向位置で殆ど変わらないように作り込まれている。そのため、絶縁被膜の平均厚みt1は、積層コアの上端位置で測定した数値をもってその値とすることができる。
一方で電磁鋼板40が厚すぎると、製造コストは良好になるが渦電流損が増加してコア鉄損が劣化する。そのため、コア鉄損と製造コストを考慮すると、電磁鋼板40の平均板厚の上限値は、0.35mm、より好ましくは0.30mmとなる。
電磁鋼板40の平均板厚の上記範囲を満たすものとして、0.20mmを例示できる。なお、電磁鋼板40の平均板厚には、絶縁被膜の厚さも含まれる。
より具体的には、まず、測定用のサンプル(不図示)を製作する。このサンプルは、2枚の電磁鋼板40間を、測定対象の接着剤により接着し、硬化させて接着部41を形成することにより、得られる。この硬化は、接着剤が熱硬化型の場合には、実操業上の加熱加圧条件で加熱加圧することで行う。一方、接着剤が常温硬化型の場合には常温下で加圧することで行う。
そして、このサンプルについての引張弾性率を、共振法で測定する。共振法による引張弾性率の測定方法は、上述した通り、JIS R 1602:1995に準拠して行う。その後、サンプルの引張弾性率(測定値)から、電磁鋼板40自体の影響分を計算により除くことで、接着部41単体の引張弾性率が求められる。
接着部41の平均厚みt2は、積層コア全体としての平均値である。接着部41の平均厚みt2はその積層方向に沿った積層位置や積層コアの中心軸線回りの周方向位置で殆ど変わらない。そのため、接着部41の平均厚みt2は、積層コアの上端位置において、円周方向10箇所以上で測定した数値の平均値をもって、その値とすることができる。
−4.3×t1+3.6≦t2≦−4.3×t1+6.9・・・(式1)
−5000×t1+4500≦E≦−5000×t1+9000・・・(式2)
0.7≦t1≦0.9・・・(式3)
1.2≦t2≦2.6・・・(式4)
また、ステータコア21やロータコア31などの積層コアは、いわゆる回し積みにより形成されていてもよい。
まず先に、製造装置100について説明する。同製造装置100では、コイルC(フープ)から電磁鋼板Pを矢印F方向に向かって送り出しつつ、各ステージに配置された金型により複数回の打ち抜きを行って電磁鋼板40の形状に徐々に形成していく。そして、電磁鋼板40の下面に接着剤を塗布し、打ち抜いた電磁鋼板40を積層して昇温させながら加圧する。その結果、接着剤が硬化して接着部41を形成し、接着が完了する。
打ち抜きステーション110は、電磁鋼板Pの下方に配置された雌金型111と、電磁鋼板Pの上方に配置された雄金型112とを備える。
打ち抜きステーション120は、電磁鋼板Pの下方に配置された雌金型121と、電磁鋼板Pの上方に配置された雄金型122とを備える。
接着剤塗布ステーション130は、接着剤の塗布パターンに応じて配置された複数本のインジェクターを備える塗布器131を備える。
加熱装置141、外周打ち抜き雌金型142、断熱部材143は、電磁鋼板Pの下方に配置されている。一方、外周打ち抜き雄金型144及びスプリング145は、電磁鋼板Pの上方に配置されている。なお、符号21は、ステータコアを示している。
以上の各工程により、ステータコア21が完成する。
Si:3.1%
Al:0.7%
Mn:0.3%
残部:Fe及び不純物
続いて、打ち抜いた単板コアを順次送りながら、図3に示した各位置に接着剤を点状に塗布し、そして積層した上で、所定圧力で加圧しながら加熱して硬化させた。同様の作業を130枚の単板コアに対して繰り返し行うことにより、1つの積層コア(ステータコア21)を製造した。
同様の工程を、各組み合わせ条件を変えつつフープ毎に行うことにより、表1A及び表1BのNo.1〜No.29に示す29種類の積層コアが製造された。
また、接着部41の平均厚みt2は、積層コア毎に塗布量を変えて調整した。また、接着部41の平均引張弾性率Eは、積層ステーション140での接着時に加える加熱加圧条件及び硬化剤種類の一方もしくは両方を変更することにより、積層コア毎に調整した。
そして、平均厚みt1(μm)、平均厚みt2(μm)、平均引張弾性率E(MPa)を、上述した式1及び式2に代入し、式1,式2を満たすか否かを判定した。その結果を表1Aに示す。
さらに、絶縁被膜の剥がれ有無も評価した。表1Bの絶縁被膜の剥がれ有無において、「無し」は全く剥がれが無い状態を示し、「有り」は所々に剥がれが生じている状態を示す。
さらに、積層コアとしての磁気特性も評価した。磁気特性を評価する際には、積層枚数を20枚とし、絶縁紙で積層コアをカバーしてから巻線を行い、周波数50Hz、磁束密度1.5テスラで、コア鉄損(表1BのW15/50)を測定した。ここで、磁気特性評価に際しての電磁鋼板40の積層枚数としては、130枚の場合とほぼ同じ結果が得られるため、20枚とした。
コア鉄損(表1BのW15/50)は低いほど好ましく、2.70以下であるものを良好または優良と判断した。表1Bの積層コアの磁気特性において、「優良」は高い磁気特性が確保できていることを示し、「良好」は必要十分な磁気特性が確保されていることを示し、「不可」は必要最低限の磁気特性が足りていないことを示す。
また、No.18に示す比較例では、絶縁被膜の凹凸を埋めきれず、機械強度が低下した。
また、No.19に示す比較例では、接着部41の平均厚みt2が厚く、積層コアにおいて電磁鋼板40の占める割合が低下して磁気特性が低下した。
また、No.20に示す比較例では、絶縁被膜の凹凸を埋めきれず、機械強度が低下した。
また、No.21に示す比較例では、接着部41の平均厚みt2が厚く、積層コアにおいて電磁鋼板40の占める割合が低下して磁気特性が低下した。
また、No.22に示す比較例では、接着部41の平均厚みt2が薄く、接着強度が低下して機械強度が低下した。
また、No.23に示す比較例では、接着部41の平均厚みt2が厚く、積層コアにおいて電磁鋼板40の占める割合が低下して磁気特性が低下した。
また、No.24に示す比較例では、接着部41の平均厚みt2が薄く、接着強度が低下して機械強度が低下した。
また、No.25に示す比較例では、絶縁被膜の平均厚みt1が比較的厚く密着性が低下傾向にあるため、接着部41の平均厚みt2の上限値(平均引張弾性率Eの上限)が実質的に低下し、機械強度が低下した。
また、No.26に示す比較例では、絶縁被膜の平均厚みt1が厚く、密着性が低下して被膜剥離した。
また、No.27に示す比較例では、絶縁被膜の平均厚みt1が厚く、密着性が低下して被膜剥離した。
また、No.28に示す比較例は、図5及び図6のそれぞれに示す領域内にあるものの、接着に用いた接着剤が嫌気性接着剤で海島構造を持たないため、硬化した接着部41が電磁鋼板40に歪みを生じさせた。この電磁鋼板40の歪みにより、磁気特性が低下した。
これら発明例のうち、特に、No.3,6,8,10,12,14,15では、接着部41の平均厚みt2が1.8μm以下であるため、その他発明例よりもさらに高い磁気特性が得られた。
さらに言うと、これらのうち、No.6,8,10では、絶縁被膜の平均厚みt1も0.7μm〜0.9μmの範囲を満たしている。そのため、絶縁性能の確保と、積層コアとしての性能低下とにおいても最適化されており、全発明例のうちでも最も好ましい。
なお、本実施例では、熱硬化型の接着剤を塗布したが、常温硬化型の接着剤であっても、基本的な傾向に相違はない。
例えば、ステータコア21の形状は、上記実施形態で示した形態のみに限定されるものではない。具体的には、ステータコア21の外径および内径の寸法、積厚、スロット数、ティース部23の周方向と径方向の寸法比率、ティース部23とコアバック部22との径方向の寸法比率等は、所望の回転電機の特性に応じて任意に設計可能である。
前記実施形態におけるロータ30では、2つ1組の永久磁石32が1つの磁極を形成しているが、本発明はこの形態のみに限られない。例えば、1つの永久磁石32が1つの磁極を形成していてもよく、3つ以上の永久磁石32が1つの磁極を形成していてもよい。
上記実施形態では、回転電機10として、永久磁石界磁型電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれのみに限られない。例えば、回転電機10がリラクタンス型電動機や電磁石界磁型電動機(巻線界磁型電動機)であってもよい。
上記実施形態では、交流電動機として、同期電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が誘導電動機であってもよい。
上記実施形態では、回転電機10として、交流電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が直流電動機であってもよい。
上記実施形態では、回転電機10として、電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が発電機であってもよい。
21 積層コア(ステータ用接着積層コア)
40 電磁鋼板
41 接着部
Claims (7)
- 表面にリン酸塩系の絶縁被膜を有してかつ同軸に重ね合わされた複数の電磁鋼板と、前記各電磁鋼板間に設けられた接着部と、を備えるステータ用接着積層コアであって、
前記絶縁被膜の平均厚みが0.3μm〜1.2μmであり、
前記接着部の平均厚みが1.0μm〜3.0μmであり、
前記絶縁被膜の平均厚みを単位μmでt1、前記接着部の平均厚みを単位μmでt2とした場合に、下記の式1を満たす
ことを特徴とするステータ用接着積層コア。
−4.3×t1+3.6≦t2≦−4.3×t1+6.9・・・(式1) - 前記平均厚みt1が0.7μm〜0.9μmであり、
前記平均厚みt2が1.2μm〜2.6μmである
ことを特徴とする請求項1に記載のステータ用接着積層コア。 - 前記接着部の平均引張弾性率Eが1500MPa〜4500MPaであり、
前記平均引張弾性率E(MPa)と前記絶縁被膜の平均厚みt1(μm)が、下記の式2を満たす
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のステータ用接着積層コア。
−5000×t1+4500≦E≦−5000×t1+9000・・・(式2) - 前記平均引張弾性率Eが、1800MPa〜3650MPaであり、
前記平均厚みt1が0.7μm〜0.9μmである
ことを特徴とする請求項3の何れか1項に記載のステータ用接着積層コア。 - 前記接着部が、エラストマー含有アクリル系接着剤からなるSGAを含む常温硬化型のアクリル系接着剤であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のステータ用接着積層コア。
- 前記電磁鋼板の平均板厚が、0.15mm〜0.35mmであることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載のステータ用接着積層コア。
- 請求項1〜6の何れか1項に記載のステータ用接着積層コアを備える回転電機。
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