KR20230009982A

KR20230009982A - 모터 코어 및 모터

Info

Publication number: KR20230009982A
Application number: KR1020227043752A
Authority: KR
Inventors: 소우이치로 요시자키; 구니히로 센다; 요시아키 자이젠
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2023-01-17
Also published as: JP7243842B2; JPWO2021261121A1; US20230223798A1; TWI779633B; EP4152564A1; WO2021261121A1; CN115769467A; TW202201882A; EP4152564A4

Abstract

출력 밀도와 고효율이 함께 요구되는 모터에 사용하는, 다극 소형화된 모터 코어에 대해 제공한다. 티스폭이 0.5 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하이고, 또한 상기 티스간에 구성되는 슬롯의 수가 12 이상인 전기 강판의 복수 장을 적층하여 이루어지는 모터 코어에 있어서, 상기 전기 강판은 1.0 T - 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손이 220 W/㎏ 이하인 것으로 한다.

Description

모터 코어 및 모터

본 발명은, 모터 코어 및 모터에 관한 것이다.

코드리스의 가전 기기 (예를 들어 스틱형 청소기) 나 절삭 기기 및 드론 등, 구동 전원으로서 배터리를 사용하는 기기에서는, 그 사용 가능 시간이나 중량이 제품의 가치를 크게 좌우한다. 그 때문에, 모터나 인버터 등의 제어 계통에 있어서의 손실 저감에 의한 고효율화나, 모터의 소형화 그리고 고속화가 강하게 요구되고 있다. 이 때문에, 모터는, 최소 체격, 또한, 고효율로 목적에 따른 최대 출력을 출력 가능하도록 설계된다. 특히, 모터에서는, 단위 중량에 대한 모터 출력 (회전수 × 토크), 이른바 출력 밀도가 높은 것이 강하게 요구되고 있다.

이와 같은 배경하에서, 고출력 밀도에 대한 요구가 강한 용도의 모터에서는, 로터에 배치되는 자석수를 늘리는 「다극화」 (특허문헌 1 참조) 나 회전수를 높이는 「고속화」 (특허문헌 2 참조) 등의 설계 수법이 일반적으로 사용되고 있다.

일본 공개특허공보 평11-98790호 일본 공개특허공보 2002-136013호

그러나, 상기의 모터의 설계 수법을 지향하면, 모터 코어의 여자 주파수의 증대에 의해, 철손이 크게 증대하고 모터 효율을 현저하게 저하시켜 버린다는 문제가 있었다. 또한, 상기와 같은 설계 수법을 도입하여 모터의 소형화를 도모해 가면, 체격의 감소에 더하여, 극수의 증가에 따른 슬롯 콤비네이션의 선택이 필요해져, 결과적으로 현저한 티스폭의 감소가 요구된다. 이 요구에 대응하는 경우, 전기 강판을 모터 코어로 가공하는 공정의 하나인 타발시에, 전기 강판의 단면 (端面) 에 도입되는 가공 변형의 영향이 상대적으로 커진다. 이 가공 변형에서 기인하여 모터 코어로서의 자기 특성의 열화가 현재화되는 결과, 모터 철손의 추가적인 증대를 초래한다는 문제가 있었다.

또, 드론은 모터에 의해 팬을 구동하여 부상한다는 기능이 필요한 점에서, 이 드론 용도를 위한 모터에는 고출력 밀도인 것이 매우 강하게 요구되고 있다. 그 때문에, 상기 서술한 바와 같은 모터의 설계 수법을 지향하는 경우에는, 철손의 증대를 초래하여 모터 내부에서의 발열이 커지는 경우, 권선의 절연 파괴나 자석의 감자를 피하기 위해서, 모터 내부로의 냉각풍의 도입을 필요로 하는 경우가 많다. 냉각풍의 도입에 의한 디메리트로서, 분진의 혼입에 의한 모터 고장을 들 수 있고, 비행체 용도의 모터로는, 추락을 초래하는 모터 고장의 원인의 배제가 강하게 요구되고 있다.

그래서 본 발명에서는, 출력 밀도와 고효율이 함께 요구되는 모터에 사용하는, 다극 소형화된 모터 코어에 대해 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 상기의 과제에 기초하여, 모터의 고출력 밀도화에 적합한 전자 특성을 갖는 철심 재료에 대해 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 다극화 또한 고속화에 의한 고출력 밀도화를 지향하는 모터에 대해 요구되는, 자기 특성이나 재료 설계를 분명히 하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 즉, 본 발명의 요지 구성은, 다음과 같다.

1. 티스폭이 0.5 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하이고, 또한 상기 티스간에 구성되는 슬롯의 수가 12 이상인 판상의 연자성재를 복수 장 적층하여 이루어지는 모터 코어로서, 상기 연자성재의 1.0 T - 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손이 220 W/㎏ 이하인 모터 코어.

2. 상기 연자성재는, 5000 A/m 의 자계에 있어서의 자속 밀도가 1.55 T 이상인 상기 1 에 기재된 모터 코어.

3. 상기 연자성재가 전기 강판이고, 그 전기 강판은 판두께 방향으로 Si 의 농도 분포를 갖는 상기 1 또는 2 에 기재된 모터 코어.

4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 모터 코어와, 둘레 방향에 14 이상의 자석이 배치되는 로터를 갖는 모터.

5. 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 모터 코어의 외측에 로터가 배치되고, 밀폐형 아우터 로터 구조인 모터.

6. 상기 모터 코어의 외측에 상기 로터가 배치되고, 밀폐형 아우터 로터 구조인 상기 4 에 기재된 모터.

본 발명에서는, 출력 밀도와 고효율이 함께 요구되는 모터에 사용하는, 다극 소형화된 설계의 모터 코어에, 소정의 조건을 만족하는 철심 (코어) 재료를 적용함으로써, 이 모터 코어를 사용하는 모터에 있어서, 손실을 저감시켜 모터 온도의 상승을 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 예를 들어 드론 등의 비행체에 제공하는 모터의 고장의 원인이 되는, 온도 상승을 방지하는 것이 가능해지기 때문에, 산업상의 응용 가치는 매우 높다.

도 1 은, 코어 (철심) 제조 시험에 사용한 스테이터 코어를 나타내는 도면이다.

본 발명의 모터 코어는, 티스폭이 0.5 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하이고, 또한 상기 티스간에 구성되는 슬롯의 수가 12 이상인 판상의 연자성재를 복수 장 적층하여 이루어지고, 그 연자성재는, 1.0 T - 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손 (W_10/3k) 이 220 W/㎏ 이하인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 관련된 모터 코어의 사양 및, 모터 코어를 구성하는 연자성재에 관련된 요건과, 그들의 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 철심 재료가 되는 연자성재에 대해서는 규정한 자기 특성이나 재료 설계를 가지면 발명의 효과를 발휘할 수 있고, 발명의 효과는 그 성분, 판두께나 제법에는 의존하지 않는다. 여기서, 연자성재에는, 전기 강판 외에, 아모르퍼스 금속이나 퍼멘듈을 적용할 수 있다. 또, 후술하는 실시예 등의 설명에 있어서, 전기 강판의 성분 조성에 대해 간단히 「％」라고 나타낸 것은 「질량％」를 의미하는 것으로 한다.

[티스폭 : 0.5 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하]

티스폭을 좁게 함으로써 권선을 도입하기 위한 슬롯 공간을 넓게 확보할 수 있고, 권수를 확보 가능해져, 모터의 고출력 밀도화에 유효하기 때문에 2.0 ㎜ 이하로 한다. 보다 바람직하게는 1.5 ㎜ 이하이다. 한편, 티스가 지나치게 가늘면 철심의 자속 밀도가 과도하게 높아짐으로써 철손의 증대를 초래할 우려가 있음과 함께, 애초에 전기 강판의 가공에 의한 모터 코어의 제조가 곤란해지기 때문에, 0.5 ㎜ 이상으로 한다. 바람직하게는, 1.0 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하이다.

[슬롯의 수 : 12 이상]

슬롯의 수를 12 이상으로 함으로써, 상기 서술한 다극화에 대응하는 것이 가능해진다. 상한은 특별히 없고, 다극화의 정도에 따라 상기의 티스폭의 하한을 만족하는 범위에서 적절히 늘려도 되고, 예를 들어, 72 이하일 수 있다.

[연자성재 : 1.0 T - 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손이 220 W/㎏ 이하]

모터 코어의 형상으로 가공한 후의 재료의 1.0 T - 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손이 220 W/㎏ 이하인, 모터 코어를 사용함으로써, 모터 손실 중 철손을 효과적으로 저감시키는 것이 가능해진다. 본 발명의 모터 코어는, 그 출력 밀도를 높이기 위해서 다극 혹은 고속 회전화를 지향하는 모터에 적합한, 상기한 티스폭 및 슬롯수를 갖는다. 이와 같은 사양의 모터에서는, 철심의 여자 주파수는 1000 Hz 정도 이상이 된다. 실제의 모터 구동 조건하에서는, 인버터에 의한 고조파의 영향이 가미되기 때문에, 철심의 여자 주파수는 더욱 높은 3000 Hz 정도가 된다. 즉, 주파수 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손, 또한 상기한 티스폭 및 슬롯수로 가공된 재료에 있어서의 철손이, 실기의 모터에 있어서의 철손 특성을 양호하게 반영하는 것을 알아냈다. 그래서, 1.0 T - 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손이 220 W/㎏ 이하인 연자성재로, 모터 코어를 구성하는 것으로 하였다. 보다 바람직하게는, 150 W/㎏ 이하이지만, 저철손 연자성재의 사용은 비용이 증대하기 때문에, 필요에 따라 연자성재를 선택하면 된다. 하한은 특별히 없지만, 예를 들어, 15 W/㎏ 이상일 수 있다.

또한, 본 발명에서 서술하는 철손은, 모터 코어링 시험편으로서 1 차 권선과 2 차 권선을 실시하여 측정 평가한 값을 상정하고 있지만, 아우터 로터의 모터인 경우, 모터 코어로부터 원래의 가공 단면을 포함하는 형태로 자른 미소 시험편을 사용한 SST (단판 자기 시험) 에 의한 평가여도 된다.

[연자성재 : 5000 A/m 의 자계에 있어서의 자속 밀도가 1.55 T 이상]

5000 A/m 의 자계에 있어서의 자속 밀도 (B₅₀) 가 1.55 T 이상인 연자성재를 모터 코어에 적용함으로써, 보다 높은 모터 토크가 얻어지기 쉬어져, 모터의 가일층의 고출력 밀도화가 가능해진다. 코드리스 청소기나 드론 등에 사용하는, 배터리로부터 전원 공급되는 모터에서는, 전압이나 전류의 제약이 있기 때문에, 모터 코어에 대한 권선에 의한 계자의 강도가 제한된다. 즉, 요구되는 모터의 회전 속도나 토크를 달성하는 계자를 얻기 위해서 권선의 턴수를 조정하는데, 이 턴수를 많이 하면 계자가 강해지지만, 필요해지는 전압도 높아진다. 따라서, 상기의 제약하에서는, 이용할 수 있는 계자의 강도의 영역은 어느 정도의 범위로 제한된다. 이 점에 관하여, 본 발명에 따른 티스폭과 슬롯수를 갖는 모터에 대해 검토한 결과, 이용할 수 있는 계자의 강도의 영역은 자속 밀도 B₅₀ 상당의 영역이 되어, 즉 5000 A/m 에 있어서의 철심 재료의 자속 밀도의 높음이 모터의 고토크화에 유효하게 기여하는 것을 알아낸 것인다. 보다 바람직하게는 1.60 T 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.65 T 이상이다. 상한은 특별히 없지만, 예를 들어, 1.90 T 이하일 수 있다.

[전기 강판 : 판두께 방향으로 Si 의 농도 분포를 갖는다]

연자성재에 전기 강판을 사용하는 경우, 이 전기 강판은, 판두께 방향으로 Si 의 농도 분포를 갖고, 바꾸어 말하면, 판두께의 중심보다 높은 Si 농도를 표층에 가짐으로써, 고주파에서의 철손을 개선할 뿐만 아니라, 타발에 의한 철손의 열화를 억제 가능하다. 이러한 자기 특성을 달성하는 Si 의 농도 분포는, 판두께 중심에 있어서의 Si 농도와 표층에 있어서의 Si 농도의 차 ΔSi 가 1.5 ∼ 3.5 mass％ 인 것이 바람직하다. 왜냐하면, ΔSi 가 1.5 mass％ 미만에서는, 유효한 고주파 철손의 개선 효과가 얻어지기 어렵다. 한편, ΔSi 가 3.5 mass％ 를 초과하면, 히스테리시스손이 증대하여, 비교적 저속 회전에서의 모터 손실이 커져 버릴 우려가 있다. 또한, 전기 강판에 Si 의 농도 분포를 부여하기 위해서는 침규 처리나 클래드 처리 등을 이용할 수 있고, 특별히 제법을 한정할 필요는 없다. 표층에 있어서의 Si 농도는 3.5 mass％ 이상으로 할 수 있고, 바람직하게는 4.5 mass％ 이상이고, 또, 7.0 mass％ 이하로 할 수 있고, 바람직하게는 6.5 mass％ 이하이다. 판두께 중심에 있어서의 Si 농도는 1.5 mass％ 이상으로 할 수 있고, 바람직하게는 2.5 mass％ 이상이고, 또, 5.5 mass％ 이하로 할 수 있고, 바람직하게는 4.0 mass％ 이하이다. 여기서, 표층이란 표면으로부터 판두께 1/3 까지의 범위로 하고, 표층에 있어서의 Si 농도는 이 판두께 범위에서의 평균 Si 농도로 한다.

이상의 구성을 구비하는 연자성재의 복수 장을 적층하여 모터 코어가 제조된다. 여기서, 연자성재의 장수는, 모터의 요구 출력에 따라, 적절히 조정하면 된다.

또한, 모터 코어를 제조함에 있어서, 소재가 되는 연자성재를 코어 형상으로 가공하는 수단은 타발을 상정하고 있지만, 레이저에 의한 연자성재의 가공이라도 상기한 요건을 만족하고 있으면, 소기하는 효과가 얻어진다.

상기한 모터 코어는, 로터와 조합하여 모터가 된다. 이하에, 본 발명에 따르는 모터에 대해 해설한다.

[로터 : 둘레 방향에 배치되는 자석의 수가 14 이상]

다극화에 의한 모터 토크 향상 효과를 얻기 위해, 로터에 있어서의 자석의 수는 14 이상으로 한다. 즉, 자석 모터의 토크는 하기 식으로 표현되고, 하기 식으로부터 토크를 증대시키는 설계 지침으로서 극수 (극대수 × 2) 를 증가시키는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다. 이 극수의 증가는, 로터에 있어서의 자석의 수를 증가시키는 것에 상당한다. 하기 식으로부터, 고토크화에는 다극화가 유효한 한편, 철심의 여자 주파수 f 와 극대수 Pn 은 비례 관계에 있기 때문에, 다극화에 수반하여 철심의 여자가 고주파화해 버리는 것을 알 수 있다. 철손 중 와전류손은 여자 주파수 f 의 제곱에 비례하여 커지고, 특히 자석의 수가 14 이상이 되면 고주파화에 의한 철손의 증대가 현저해진다. 그래서, 본 발명에 따른 티스폭과 슬롯수를 갖는 모터에서는, 특히 자석의 수가 14 이상이 되는 경우, 1.0 T - 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손이 220 W/㎏ 이하인 철심 재료와 조합하여, 손실의 증대를 억제하면서, 모터의 고토크화를 실현하였다. 자석의 수는, 바람직하게는 16 이상, 보다 바람직하게는 20 이상이다. 자석수의 상한은 없지만, 다극화하면 (자석의 수가 많아지면) 여자 주파수 (자석의 수 × 회전수에 비례) 가 높아져 철손이 증대하고, 비용도 상승하므로, 모터 설계시에 이들을 고려하여 적절히 결정하면 되고, 예를 들어, 48 이하로 할 수 있다.

기

[모터 : 밀폐형 아우터 로터 구조]

먼저, 모터는, 모터 코어의 외측에 로터를 배치함으로써, 자석을 많이 배치하여 다극화를 진전시키는 것이 가능하기 때문에, 아우터 로터 구조로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각풍의 도입을 필요로 하지 않는, 밀폐형 구조로 함으로써 고장의 리스크를 높이는 이물질의 혼입을 방지 가능해진다.

실시예 1

[철심 재료의 영향과 모터 특성]

도 1 에 나타내는 모터 코어 (스테이터 철심) 및 로터를 갖는, 14 극 - 21 슬롯이고 티스의 폭이 1.6 ㎜ 인 밀봉형의 아우터 로터 구조의 모터를, 표 1 에 나타내는 철심 재료 (연자성재) 를 사용하여 제조하였다. 여기서, Si 강이나 Si 농도 경사 강, 퍼멘듈에 관해서는, 금형을 사용한 타발 가공에 의해 얻었다. 아모르퍼스 금속은 타발이 곤란하기 때문에, 아모르퍼스 금속을 적층 접착한 코어재로부터 와이어 방전 가공에 의해 원하는 코어 형상으로 잘랐다. 또한, 퍼멘듈을 사용한 코어에 관해서는, 건조 Ar 분위기 중에서 800 ℃ × 2 h 의 어닐링을 실시하였다. 표 1 에 나타내는 철심 재료의 자기 특성은 외경 55 ㎜, 내경 35 ㎜ 및 적층 두께 10.0 ㎜ 의 링 코어를 와이어 방전 가공에 의해 제조하고, 1 차 권선 및 2 차 권선을 실시한 철손 W_10/3k 및 자속 밀도 B₅₀ 의 측정값이다.

모터 평가는 11000 rpm - 0.25 Nm 으로 구동시키고, 각각의 조건에 있어서의 모터 손실을 하기와 같이 평가하였다.

모터 손실 (W) = 입력 전력 (W) - 모터 출력 (W)

동손 (W) = 권선 저항 (Ω) × 전류 (Arms)²

모터 철손 (W) = 모터 손실 (W) - 동손 (W)

또한, 동 조건에서 모터를 20 분간 구동했을 때의 모터 내부 온도를, 열전쌍 온도계에 의해 측정하였다.

표 1 의 결과에 의하면, W_10/3k 가 220 W/㎏ 이하인 철심 재료 (연자성재) 를 사용하면, 효과적으로 모터 철손을 저감시킬 수 있었음을 알 수 있다. 또, 철손이 220 W/㎏ 이하이고 또한 자속 밀도 B₅₀ 이 1.55 T 이상인 철심 재료를 적용한 조건에서는, 동손에 대해서도 효과적으로 저감시킬 수 있었다. 발명예에서는 모터 철손, 동손 모두 저감됨으로써 모터의 온도를 저감시킬 수 있었다. 덧붙여서, 모터에 있어서의 권선의 절연 피복의 내열 온도는 180 ℃ 정도인 것이 일반적이고, 상기와 같이 본 발명에 따른 모터에서의 온도는 140 ℃ 정도 이하이기 때문에, 밀봉형 모터에 있어서도 전혀 문제가 없는 것이 확인되었다.

또한, 여기서 말하는 철손이란, 모터 코어의 티스부로부터 원티스의 단부를 추가 가공하지 않고 SST 용의 미소 시험편을 잘라 일반적인 자기 특성 시험을 실시함으로써 얻은 값이다.

실시예 2

[티스폭의 영향]

도 1 에 나타내는 구조의 14 극 - 21 슬롯인 아우터 로터 구조의 모터를 베이스로, 그 티스의 폭을 표 2 에 나타내는 바와 같이 변화시킨 모터에 있어서, 표 2 에 나타내는 각종 코어 재료 (판두께 0.1 ㎜) 를 적용했을 때의 모터 효율을 각각 측정하였다. 그 측정 결과를, 표 2 에 병기한다.

표 2 로부터, 티스가 0.5 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하인 경우로서, 철손 W_10/3k 가 220 W/㎏ 이하인 코어 재료에서 효과적으로 철손의 증대가 억제되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 판두께 방향으로 Si 농도 경사를 갖는 재료에서는 거의 철손의 증대가 없고, 결과적으로 티스폭이 좁아도 고효율을 유지하는 것도 알 수 있다.

또한, 상기한 실시예에서는, 모터 코어를 밀봉형의 아우터 로터 구조의 모터에 적용하여 평가하고 있지만, 본 발명의 요건을 만족하고 있으면, 본 발명의 대상은 실시예에 개시한 모터 형식에 한정되지 않는 것은 물론이다.

Claims

티스폭이 0.5 ㎜ 이상 2.0 ㎜ 이하이고, 또한 상기 티스간에 구성되는 슬롯의 수가 12 이상인 판상의 연자성재를 복수 장 적층하여 이루어지는 모터 코어로서, 상기 연자성재는 1.0 T - 3000 Hz 에서의 여자에 있어서의 철손이 220 W/㎏ 이하인 모터 코어.
제 1 항에 있어서,
상기 연자성재는, 5000 A/m 의 자계에 있어서의 자속 밀도가 1.55 T 이상인 모터 코어.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 연자성재가 전기 강판이고, 그 전기 강판은 판두께 방향으로 Si 의 농도 분포를 갖는 모터 코어.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 모터 코어와, 둘레 방향에 14 이상의 자석이 배치되는 로터를 갖는 모터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 모터 코어의 외측에 로터가 배치되고, 밀폐형 아우터 로터 구조인 모터.
제 4 항에 있어서,
상기 모터 코어의 외측에 상기 로터가 배치되고, 밀폐형 아우터 로터 구조인 모터.