KR20210003797A

KR20210003797A - 모터

Info

Publication number: KR20210003797A
Application number: KR1020207032541A
Authority: KR
Inventors: 소우이치로 요시자키; 요시아키 자이젠; 구니히로 센다
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2021-01-12
Also published as: TWI699437B; JP6878351B2; US11551839B2; EP3816312A1; MX2020012218A; KR102503899B1; CA3100302A1; TW201947040A; JP2019199624A; CN112119173A; US20210125759A1; CA3100302C; WO2019220770A1; EP3816312A4

Abstract

본 발명에 관련된 모터는, 최대 회전수보다 낮은 회전수에서의 구동시에 철심의 자속 밀도를 낮추는 모터 구동 제어를 실시하는 것이 가능한 모터로서, 모터의 코어 재료인 강판이, 질량％ 로, C : 0.010 ％ 이하, Si : 2.0 ％ 이상 7.0 ％ 이하, Al : 2.0 ％ 이하, Mn : 0.05 ％ 이상 1.0 ％ 이하, S : 0.005 ％ 이하, 및 N : 0.005 ％ 이하를 함유하며, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 조성이고, 자계 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상이 되는 자속 밀도 변화 영역을 갖고, 또한, 판두께가 0.05 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하의 범위 내에 있고, 또한, 1000 Hz - 1.0 T 에 있어서의 와류손이 전체 철손의 0.55 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

모터

본 발명은 코드리스의 가전 기기나 절삭 기기 및 드론 등에 적용하기에 바람직한, 고속으로 구동되는 모터에 관한 것이다.

코드리스의 가전 기기 (예를 들어 청소기) 나 절삭 기기 및 드론 등, 구동 전원으로서 배터리를 사용하는 기기에서는, 그 사용 가능 시간이나 중량이 제품의 가치를 크게 좌우하기 때문에, 모터나 인버터 등의 제어 계통에 있어서의 손실 저감에 의한 고효율화나 모터의 소형화나 고속화가 강하게 요구되고 있다. 이 때문에, 모터는, 최소 체격, 또한 고효율로 목적에 따른 최대 출력을 출력 가능하도록 설계된다. 한편, 모터는, 그러한 최대 출력에 있어서의 회전수 (최대 회전수) 에서의 구동 외에, 회전수가 낮고 출력이 낮은 조건에서도 구동할 필요가 있지만, 그 구동 조건에서는 철심이 자석에 의해서 반드시 필요하지 않은 레벨까지 여자되게 되어, 이것이 모터의 고효율화를 저해한다. 이와 같은 배경으로부터, 최대 출력 조건이 아닌 구동 조건에 있어서의 모터의 철손을 개선하기 위해, 일부의 구동 조건에서는 전류 진각 제어에 의해 철심의 여자 자속 밀도를 의도적으로 낮추는 제어가 사용되는 경우가 있다. 또, 이와 같은 모터는, 소형 경량화를 지향하기 때문에 회전수가 높아, 철심의 여자 주파수는 1 ∼ 수 kHz 라는 고주파가 된다. 이 때문에, 일부의 특수한 용도에 있어서는 퍼멘듈 등의 철심 재료가 사용되지만, 이와 같은 재료는 비용이 매우 높기 때문에, 일반적으로는 무방향성 전기 강판이 철심 재료로서 이용되고 있다.

그런데, 철심에서 발생하는 손실은 히스테리시스손과 와류손으로 분류되는데, 고주파 여자가 될수록 와류손이 주체적으로 되는 것이 알려져 있다. 그래서, 와류손을 저감하기 위해서, Si 나 Al 등의 비자성 원소의 첨가에 의한 강판의 비저항의 증대나 판두께를 얇게 하는 등의 대책이 강구되고 있다. 그런데, 이와 같은 비자성 원소에 의한 합금량을 늘리는 것은 강판의 포화 자화의 저하를 초래한다. 이 때문에, 특허문헌 1 에는, 고주파 철손 저감과 고자속 밀도를 양립시키는 수법으로서, 판두께 방향의 Si 농도 구배를 제어하는 Si 경사 자성 재료가 제안되어 있다.

일본 특허공보 제4677955호

그러나, Si 경사 자성 재료를 여자 주파수가 수 kHz 의 전기 기기의 철심 재료로서 사용하면, 와류손은 저감되지만, 앞서 말한 바와 같은 모터 철손 저감을 의도한 전류 진각 제어를 적용하는 모터에서는 손실 개선 효과가 충분하지 않다. 이와 같은 과제는, 특히 소형화가 지향되고, 전원이 배터리로부터 공급되는 고속 모터에 있어서는 치명적이다. 철심의 자속 밀도 레벨을 전류 진각 제어에 의해 제어하기 위해서는 큰 자화력을 얻을 필요가 있다. 요컨대, 모터 권선에 큰 전류를 흘리거나 코일의 감김수를 증대시킬 필요가 있다. 그러나, 전류를 크게 하면 권선에서의 손실인 구리 손실이 증대되어, 모터 효율이 열화된다. 또, 코일의 감김수를 증대시킨 경우, 모터의 로터 자석에 의한 역기 전압이 높아져, 고속 회전에서의 구동이 어려워진다. 이와 같이, 한정된 전원 조건에 있어서 고효율과 소형 고속을 달성하는 모터에는 과제가 있고, 나아가서는 이와 같은 모터에 적합한 철심 재료는 발견되지 않았다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 최대 회전수보다 낮은 회전수에서의 구동시에 철손을 저감하여 고효율화 및 소형 고속화가 가능한 모터를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 발명자들은, 상기 과제에 입각하여 고속 모터에 적합한 전자 특성을 갖는 철심 재료에 대해 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 저철손뿐만 아니라 자계 변화에 대한 자속 밀도의 급준한 변화를 갖는 철심 재료가 모터의 고효율화 및 소형 고속화에 유효한 것을 알아내었다. 또한, 본 명세서 중에 있어서, "고속 모터" 란, 철심의 여자 조건의 기본 성분의 최대 주파수가 1000 Hz 를 초과하는 모터를 의미한다.

본 발명에 관련된 모터는, 최대 회전수보다 낮은 회전수에서의 구동시에 철심의 자속 밀도를 낮추는 모터 구동 제어를 실시하는 것이 가능한 모터로서, 상기 모터의 코어 재료인 강판이, 질량％ 로, C : 0.010 ％ 이하, Si : 2.0 ％ 이상 7.0 ％ 이하, Al : 2.0 ％ 이하, Mn : 0.05 ％ 이상 1.0 ％ 이하, S : 0.005 ％ 이하, 및 N : 0.005 ％ 이하를 함유하며, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 조성이고, 자계 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상이 되는 자속 밀도 변화 영역을 갖고, 또한, 판두께가 0.05 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하의 범위 내에 있고, 또한, 1000 Hz - 1.0 T 에 있어서의 와류손이 전체 철손의 0.55 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 모터는, 상기 발명에 있어서, 상기 강판이, 추가로, 질량％ 로, P : 0.01 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Sn : 0.001 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Sb : 0.001 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Mo : 0.001 ％ 이상 0.01 ％ 이하 중에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 모터는, 상기 발명에 있어서, 상기 강판의 표면의 Si 농도와 상기 강판의 중심부의 Si 농도의 차가 0.5 ％ 이상 4.0 ％ 이하의 범위 내에 있고, 상기 강판의 포화 자속 밀도 Bs 가 2.0 T 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 모터는, 상기 발명에 있어서, 상기 자속 밀도 변화 영역이, 1 T 이상의 자속 밀도를 포함하는 영역에 존재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 최대 회전수보다 낮은 회전수에서의 구동시에 철손을 저감하여 고효율화 및 소형 고속화가 가능한 모터를 제공할 수 있다.

도 1 은, 강판의 외부 자계에 대한 자속 밀도의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 2 극 - 3 상 브러시리스 DC 모터의 구성예를 나타내는 모식도이다.

이하, 본 발명에 관련된 모터의 코어 재료인 강판의 요건과 그 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 본 발명에 관련된 모터의 형식은 자석 모터이면 특별히 제한은 없다. 또, 이하의 설명에 있어서, 성분 첨가량에 대해 단순히 「％」 라고 나타낸 것은 「질량％」를 의미한다.

〔C : 0.010 ％ 이하〕

강판에 C 를 과도하게 첨가하면 모터의 히스테리시스손이 열화되기 때문에, C 의 함유량은 0.010 ％ 이하로 한다.

〔Si : 2.0 ％ 이상 7.0 ％ 이하〕

Si 는, 강판의 비저항을 증대시켜 모터의 와류손을 저감하는 데 유효한 첨가 원소이다. 그러나, 강판에 Si 를 과도하게 첨가하면, 모터 코어로서 가공하는 것이 곤란해질 뿐만 아니라 강판의 포화 자속 밀도가 저하된다. 이 때문에, Si 의 함유량은, 2.0 ％ 이상 7.0 ％ 이하의 범위 내로 한다. 또한, Si 를 4.0 ％ 이상 첨가하면, 강판의 압연성이 손상되기 때문에, 예를 들어 냉연 가공 후에 화학 기상 침규법을 이용하여 Si 를 추가로 첨가해도 된다. 나아가, 이 경우, 강판의 중심층과 표면층의 Si 농도차가 0.5 ％ 이상 4.0 ％ 이하의 범위 내에 있고, 또한, 포화 자속 밀도 Bs 가 2.0 T 이상을 나타내도록 Si 를 첨가함으로써, 와류손을 저감하면서도 모터 체격을 소형화할 수 있어 유리하다.

〔Al : 2.0 ％ 이하, Mn : 0.05 ％ 이상 1.0 ％ 이하〕

Al, Mn 은, 강판의 비저항을 증대시켜 모터의 와류손을 저감하는 데 유효한 원소이다. 그러나, Al, Mn 을 과도하게 첨가하면 입자 성장성에 악영향을 가져와, 모터의 히스테리시스손이 열화된다. 이 때문에, Al 의 함유량은 2.0 ％ 이하, Mn 의 함유량은 0.05 ％ 이상 1.0 ％ 이하의 범위 내로 한다.

〔S : 0.005 ％ 이하, N : 0.005 ％ 이하, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물〕

S, N 은, 과도하게 첨가하면 석출물의 생성에 의해 입자 성장성을 저해하여, 모터의 히스테리시스손의 증대를 초래한다. 이 때문에, S 및 N 의 함유량은 함께 0.005 ％ 이하로 히고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 한다.

〔P : 0.01 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Sn : 0.001 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Sb : 0.001 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Mo : 0.001 ％ 이상 0.01 ％ 이하 중에서 선택되는 1 종 이상〕

상기 조성에 추가하여, P : 0.01 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Sn : 0.001 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Sb : 0.001 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Mo : 0.001 ％ 이상 0.01 ％ 이하 중에서 선택되는 어느 1 종 이상을 함유함으로써 강판의 자속 밀도를 향상시키는 것이 가능하여, 첨가하는 것이 바람직하다. 단, 어느 원소의 과도한 첨가는 강판의 제조성이나 자기 특성을 열화시킨다.

〔자계 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상〕

자계 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상이 되는 급준한 자속 밀도 변화를 갖는 강판은, 배터리 구동 등의 전원 (전압, 전류, 혹은 그 양방) 에 제한이 있는 모터의 구동시에 있어서의 자속 밀도의 제어를 용이하게 한다.

예를 들어 도 1 에 강판의 외부 자계 H 에 대한 자속 밀도 B 의 관계의 일례를 나타낸다. 발명예 (곡선 L1) 에서는, 점 A 로부터 점 B 에 걸친 외부 자계 H 의 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도 B 의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상이다. 이에 대하여, 비교예 (곡선 L2) 에서는, 외부 자계 H 의 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도 B 의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상인 영역이 존재하지 않는다. 여기서, 예를 들어 자석에 의한 여자 자속 밀도를 점 A 의 자속 밀도 근방에서 설계하면, 발명예에서는, 철심의 자속 밀도를 점 B 의 자속 밀도까지 저하시키는 전류 제어를 실시하는 데 필요한 자화력은 50 A/m 가 된다. 이에 대해, 비교예에서는, 점 A 의 자속 밀도와 동일한 자속 밀도로부터 점 B 의 자속 밀도와 동일한 자속 밀도까지 철심의 자속 밀도를 저하시키기 위해서는 140 A/m 의 자화력이 필요하게 된다. 그러나, 전원에 제한이 있는 경우에는, 실제로는 그만큼 강한 자화력이 얻어지지 않으므로, 자속 밀도를 저감할 수 없고, 결과적으로 전류 제어에 의한 모터 철손 저감 효과를 얻을 수 없게 된다.

이상의 이유에서, 본 발명에 관련된 모터의 코어 재료에 사용하는 강판은, 자계 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상이 되는 급준한 자속 밀도 변화 영역을 갖는다. 또한, 이 급준한 자속 밀도 변화 영역이 1 T 이상의 자속 밀도를 포함하는 영역에 존재하면, 이상과 같은 전류 제어를 달성하면서도 철심의 자속 밀도를 높게 유지할 수 있기 때문에, 모터를 소형화할 수 있다.

〔판두께 : 0.05 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하〕

강판의 판두께를 저감하는 것은 모터의 와전류를 저감시키는 데 유효하지만, 강판의 판두께가 얇을수록 제조 비용이나 모터 코어의 형성에 비용의 증대를 초래한다. 이 때문에, 강판의 판두께는, 0.05 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하의 범위 내로 한다.

〔1000 Hz - 1.0 T 에 있어서의 와류손이 전체 철손의 0.55 이하〕

소형 고속 모터에 있어서의 여자 주파수는 수 백 ∼ 10 kHz 정도이고, 또한 실제의 모터 구동에서는 인버터에 의한 PWM 여자 등에 의해 고주파에서의 철손이 중요해진다. 이와 같은 고주파에서의 손실은 와류손이 지배적으로 되기 때문에, 1000 Hz - 1.0 T 에 있어서의 와류손이 히스테리시스손보다 작지 않은 경우, 철심에서 생기는 손실이 커, 모터의 효율을 해칠 뿐만 아니라, 발열을 피하기 위해서 모터 체격을 대형화해야 한다. 이 때문에, 1000 Hz - 1.0 T 에 있어서의 와류손은 전체 철손의 0.55 이하로 한다. 또한, 여기서 규정하는 와류손이란, JIS C 2550-1 에 규정되어 있는 방법으로 측정된 자기 특성에 대해, 이른바 2 주파법에 의해 계산한 것으로 한다. 단, 모터 코어가 자기적으로 닫혀 있는 형상이면, 1 차 권선 및 2 차 권선을 실시하여 링 코어로서 측정한 자기 특성을 사용해도 되며, 어느 하나의 자기 특성이 상기 규정을 만족하면 된다.

본 발명에 관련된 모터의 코어 재료에 사용하는 강판으로는, 상기한 요건을 만족하고 있는 강판을 선택하면 되지만, 상기한 요건을 만족하는 강판의 제조 방법의 바람직한 조건은 다음과 같다.

강 슬래브의 열간 압연 조건으로는, 특별히 한정은 없고 공지된 방법으로 실시하면 되지만, 에너지 절약의 관점에서 슬래브 가열 온도는 1250 ℃ 이하인 것이 바람직하고, 열연 강판의 마무리 두께는 2.0 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 최종 마무리 두께가 0.05 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하의 범위 내에 있어 냉연의 압하율이 높으면, 재결정 후의 집합 조직 중에서 자화에 불리한 (111) 결정면이 증가해 버리기 때문이다. 단, 중간 어닐링을 사이에 두고 냉연을 2 회 실시하는 경우에는 그러하지 않다. 열간 압연 후, 필요에 따라 어닐링 처리를 실시한 후, 0.05 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하의 판두께로 강판을 냉간 압연한다. 그 후, P(H₂O)/P(H₂) 로 나타내는 분위기 산화성을 0.010 이하로 제어한 분위기로 하여 900 ℃ 이상 1250 ℃ 이하의 온도역으로 균열 유지하는 마무리 어닐링을 실시한다. 여기서, 600 ℃ 이상 900 ℃ 이하의 온도역에서의 가열 속도를 25 ℃/s 이상으로 함으로써 집합 조직을 개선하여 우수한 자기 특성이 얻어진다. 가열 속도는 바람직하게는 100 ℃/s 이상, 더욱 바람직하게는 200 ℃/s 이상이다. 또한, 마무리 어닐링에 있어서 화학 기상 침규법에 의해 1200 ℃ 이상에서 강중 Si 농도/분포를 제어함으로써 한층 더 우수한 자기 특성이 얻어진다. 이상과 같은 각 제조 조건을 적절히 조정함으로써, 본 발명에 관련된 모터의 코어 재료인 강판을 제조할 수 있다. 또한, 모터 코어를 형성하는 데 있어서는, 타발이나 와이어 컷 등의 수법이 있다. 어느 수법에서도 요건을 만족하고 있으면 본 발명의 효과는 얻어지지만, 타발에 의한 코어 재료로의 변형 도입은 코어 재료의 자화 특성에 영향을 주는 것이 알려져 있으므로, 타발의 수법을 사용한 경우에는 변형 제거 어닐링을 실시하는 것이 바람직하다.

실시예

이하의 표 1 에 나타낸 성분의 강 슬래브 (강 기호 A ∼ F) 를 1200 ℃ 로 가열한 후, 열간 압연에 의해 판두께 1.8 ㎜ 의 열연 강판으로 하였다. 계속해서, 1000 ℃ × 30 s 의 어닐링 처리를 실시한 후, 냉간 압연에 의해 0.05 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하의 판두께로 마무리하였다. 또한, 마무리 어닐링을 이하의 표 2 에 나타내는 조건 (실험 번호 1 ∼ 13) 으로 실시한 결과, 이하의 표 2 에 나타내는 자기 특성 (ΔH = 50 A/m 에 대한 최대 자속 밀도 변화 ΔB (T) 및 W_10/100 에 있어서의 와류손 비율) 이 얻어졌다. 자기 특성은, JIS C 2550-1 에 규정되어 있는 방법으로 측정하였다. 나아가, 동일하게 냉간 압연까지 실시한 냉연 강판에 대해, 마무리 어닐링에 있어서 화학 기상 침규법에 의해 1200 ℃ 에서 사염화규소 분위기하에 침규 처리를 실시한 것에 대해서 처리 시간과 자기 특성을 이하의 표 3 에 나타낸다. 또한, 침규 처리를 실시한 실험 조건에 대해서는, 침규 처리에 의해 Si 및 C 의 농도에 변화가 생기므로, 처리 후의 성분치도 함께 나타내었다. 그 이외의 조건에서는, 강 슬래브의 성분과 철심에 사용하는 강판의 성분은 동일하였다.

표 2, 3 에 나타내는 강판을 사용하여 철심을 제작하고 모터의 효율을 평가하였다. 평가 대상의 모터는 도 2 에 형상 치수를 나타낸 2 극 - 3 상 브러시리스 DC 모터 (구동 전압 25.2 V) 이다. 철심은 적층 두께 15 ㎜ 로 하고, 적층한 강판을 함침법으로 접착하였다. 모터의 효율은, 최대 회전수보다 낮은 구동 조건으로서의 구동 조건 A (50000 rpm - 10 mNm - 전류 진각 30 deg 의 정현파 구동) 및 최대 회전수에서의 구동 조건으로서의 구동 조건 B (85000 rpm - 25 Nm - 전류 진각 0 deg 의 정현파 구동) 에 의해 평가하였다. 평가 결과를 이하의 표 4 에 나타낸다. 표 4 에 나타내는 바와 같이, 자계 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상이 되는 급준한 자속 밀도 변화 영역을 갖고, 1000 Hz - 1.0 T 에 있어서의 와류손이 전체 철손의 0.55 이하가 되는 발명예에서는, 구동 조건 A, B 모두 모터 효율이 우수하고, 평균적인 모터 효율이 85 ％ 를 초과하는 것이 되었다. 이에 대하여, 상기 조건을 만족하지 않는 비교예에서는, 구동 조건 A, B 중 어느 것 또는 양방에 있어서의 모터 효율이 발명예에 대해 열위이고, 평균의 모터 효율은 85 ％ 에 못 미쳤다.

산업상 이용가능성

Claims

최대 회전수보다 낮은 회전수에서의 구동시에 철심의 자속 밀도를 낮추는 모터 구동 제어를 실시하는 것이 가능한 모터로서,
상기 모터의 코어 재료인 강판이,
질량％ 로, C : 0.010 ％ 이하, Si : 2.0 ％ 이상 7.0 ％ 이하, Al : 2.0 ％ 이하, Mn : 0.05 ％ 이상 1.0 ％ 이하, S : 0.005 ％ 이하, 및 N : 0.005 ％ 이하를 함유하며, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 조성이고,
자계 변화 ΔH = 50 A/m 에 대한 자속 밀도의 변화 ΔB 가 0.50 T 이상이 되는 자속 밀도 변화 영역을 갖고, 또한, 판두께가 0.05 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하의 범위 내에 있고, 또한, 1000 Hz - 1.0 T 에 있어서의 와류손이 전체 철손의 0.55 이하인 것을 특징으로 하는 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 강판이, 추가로, 질량％ 로, P : 0.01 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Sn : 0.001 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Sb : 0.001 ％ 이상 0.1 ％ 이하, Mo : 0.001 ％ 이상 0.01 ％ 이하 중에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 모터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 강판의 표면의 Si 농도와 상기 강판의 중심부의 Si 농도의 차가 0.5 ％ 이상 4.0 ％ 이하의 범위 내에 있고, 상기 강판의 포화 자속 밀도 Bs 가 2.0 T 이상인 것을 특징으로 하는 모터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자속 밀도 변화 영역이, 1 T 이상의 자속 밀도를 포함하는 영역에 존재하는 것을 특징으로 하는 모터.