TW202201882A

TW202201882A - 馬達芯及馬達

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Publication number: TW202201882A
Application number: TW110119284A
Authority: TW
Inventors: 吉崎聡一郎; 千田邦浩; 財前善彰
Original assignee: 日商杰富意鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-01-01
Also published as: JP7243842B2; JPWO2021261121A1; KR20230009982A; US20230223798A1; TWI779633B; EP4152564A1; WO2021261121A1; CN115769467A; EP4152564A4

Abstract

本發明提供一種對輸出密度及高效率均有要求的馬達中使用的多極小型化的馬達芯。一種馬達芯，是將多片齒寬為0.5 mm以上且2.0 mm以下、且於所述齒間構成的狹縫的數量為12個以上的電磁鋼板積層而成，所述馬達芯中所述電磁鋼板於1.0 T-3000 Hz下的勵磁時的鐵損為220 W/kg以下。

Description

馬達芯及馬達

本發明是有關於一種馬達芯及馬達。

於無線家電設備（例如桿型吸塵器）或切削設備以及無人機等將電池用作驅動電源的設備中，其可使用時間或重量於很大程度上左右產品的價值。因此，強烈要求藉由降低馬達或逆變器等控制系統的損失來實現高效率化、或馬達的小型化及高速化。因此，馬達被設計成最小體格且能夠以高效率輸出符合目的的最大輸出。特別是於馬達中，強烈要求相對於單位重量的馬達輸出（轉速×轉矩），所謂的輸出密度高。

於此種背景下，於對於高輸出密度的要求強烈的用途下的馬達中，一般使用增加配置於轉子的磁鐵數的「多極化」（參照專利文獻1）或提高轉速的「高速化」（參照專利文獻2）等設計方法。 [現有技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開平11-98790號公報專利文獻2：日本專利特開2002-136013號公報

[發明所欲解決之課題] 但是，若追求以上所述馬達的設計方法，則存在由於馬達芯的勵磁頻率的增大，鐵損大幅增大，馬達效率明顯降低的問題。進而，若導入所述設計方法以實現馬達的小型化，則不僅減少體格，而且需要根據極數的增加來選擇狹縫組合，結果要求顯著減少齒寬。於應對所述要求的情況下，於作為將電磁鋼板加工成馬達芯的步驟之一的沖裁時，導入電磁鋼板端面的加工變形的影響相對較大。由於所述加工變形，作為馬達芯的磁特性的劣化變得明顯，結果，存在導致馬達鐵損進一步增大的問題。

另外，無人機需要藉由馬達驅動風扇使其上浮的功能，因此，對面向所述無人機用途的馬達，非常強烈地要求高輸出密度。因此，於追求以上所述般的馬達的設計方法時，為了避免導致鐵損增大而馬達內部的發熱增大、繞線的絕緣破壞或磁鐵的退磁，大多需要向馬達內部導入冷卻風。作為冷卻風的導入所帶來的缺點，可列舉粉塵的捲入或咬入所引起的馬達故障，作為飛行體用途的馬達，強烈要求排除導致墜落般的馬達故障的原因。因此，本發明的目的在於提供一種對輸出密度及高效率均有要求的馬達中使用的多極小型化的馬達芯。

[解決課題之手段] 發明者等人根據所述課題，對具有適合於馬達的高輸出密度化的電磁特性的鐵芯材料進行了反覆努力的研究。其結果闡明對於追求由多極化且高速化所實現的高輸出密度化的馬達所要求的磁特性或材料設計，從而完成了本發明。即，本發明的主旨構成如下所述。

1.一種馬達芯，是將多片齒寬為0.5 mm以上且2.0 mm以下、且於所述齒間構成的狹縫的數量為12個以上的板狀軟磁性材料積層而成，所述馬達芯中，所述軟磁性材料於1.0 T-3000 Hz下的勵磁時的鐵損為220 W/kg以下。

2.如所述1所述的馬達芯，其中所述軟磁性材料於5000 A/m的磁場中的磁通密度為1.55 T以上。

3.如所述1或2所述的馬達芯，其中所述軟磁性材料為電磁鋼板，且所述電磁鋼板於板厚方向上具有Si的濃度分佈。

4.一種馬達，具有如所述1至3中任一項所述的馬達芯、以及於周向上配置有14個以上的磁鐵的轉子。

5.一種馬達，其於如所述1至3中任一項所述的馬達芯的外側配置轉子、且為密閉型外轉子結構。

6.如所述4所述的馬達，其於所述馬達芯的外側配置所述轉子、且為密閉型外轉子結構。

[發明的效果] 本發明藉由於對輸出密度及高效率均有要求的馬達中使用的多極小型化的設計的馬達芯中適用滿足規定條件的鐵芯（芯）材料，能夠於使用所述馬達芯的馬達中減少損失並抑制馬達溫度的上升。因此，能夠防止會導致供於例如無人機等飛行體的馬達的故障的溫度上升，因此於產業上的應用價值極高。

本發明的馬達芯是將多片齒寬為0.5 mm以上且2.0 mm以下、且於所述齒間構成的狹縫的數量為12個以上的板狀軟磁性材料積層而成，所述馬達芯的特徵在於該軟磁性材料於1.0 T-3000 Hz下的勵磁時的鐵損（W_10/3k ）為220 W/kg以下。以下，對本發明的馬達芯的規格及構成馬達芯的軟磁性材料的必要條件以及該些的限定理由進行說明。再者，關於成為鐵芯材料的軟磁性材料，只要具有規定的磁特性或材料設計，則可發揮發明的效果，發明的效果不依存於其成分、板厚或製法。此處，軟磁性材料除了應用電磁鋼板之外，亦可適用非晶質金屬或坡明德合金（permendur）。另外，於後述的實施例等的說明中，關於電磁鋼板的成分組成，簡單表示為「%」者是指「質量%」。

[齒寬：0.5 mm以上且2.0 mm以下] 藉由縮小齒寬，可確保用於導入繞線的狹縫空間寬，能夠確保卷線數，對馬達的高輸出密度化有效，因此設為2.0 mm以下。更佳為1.5 mm以下。另一方面，若齒過細，則鐵芯的磁通密度過度提高，從而有導致鐵損的增大之虞，並且原本就難以藉由加工電磁鋼板來製造馬達芯，因此設為0.5 mm以上。較佳為1.0 mm以上且1.5 mm以下。

[狹縫的數量：12個以上] 藉由將狹縫的數量設為12個以上，能夠應對以上所述的多極化。上限無特別限定，可根據多極化的程度，於滿足所述齒寬的下限的範圍內適當增加，例如可為72個以下。

[軟磁性材料：於1.0 T-3000 Hz下的勵磁時的鐵損為220 W/kg以下] 藉由使用加工成馬達芯的形狀後的材料於1.0 T-3000 Hz下的勵磁時的鐵損為220 W/kg以下的馬達芯，能夠有效地降低馬達損失中的鐵損。本發明的馬達芯具有適合於為了提高其輸出密度而追求多極或高速旋轉化的馬達的以上所述的齒寬及狹縫數。此種規格的馬達中，鐵芯的勵磁頻率為1000 Hz左右以上。實際的馬達驅動條件下，由於考慮到了逆變器所帶來的高次諧波的影響，因此鐵芯的勵磁頻率更高為3000 Hz左右。即，發現頻率3000 Hz下的勵磁時的鐵損、以及加工成以上所述的齒寬及狹縫數的材料的鐵損很好地反映了實機馬達的鐵損特性。因此，由1.0 T-3000 Hz下的勵磁時的鐵損為220 W/kg以下的軟磁性材料構成馬達芯。更佳為150 W/kg以下，但由於使用低鐵損的軟磁性材料會增加成本，因此只要視需要選擇軟磁性材料即可。下限無特別限定，例如可為15 W/kg以上。

再者，本發明中敘述的鐵損設想為實施一次繞線以及二次繞線製成馬達芯環試片並進行測定評價而得的值，於外轉子的馬達的情況下，可藉由使用了自馬達芯以包含原來的加工端面的形態切出的微小試驗片的SST（單板磁試驗）進行評價。

[軟磁性材料：5000 A/m的磁場中的磁通密度為1.55 T以上] 藉由將5000 A/m的磁場中的磁通密度（B₅₀ ）為1.55 T以上的軟磁性材料應用於馬達芯，容易獲得更高的馬達轉矩，能夠實現馬達的進一步的高輸出密度化。用於無線吸塵器或無人機等的由電池供電的馬達由於存在電壓或電流的限制，因此由對馬達芯的繞線產生的激磁的強度受到限制。即，為了獲得達成所要求的馬達的旋轉速度或轉矩的激磁，要調整繞線的匝數，但若增加所述匝數，雖激磁會變強，但所需的電壓亦會變高。因此，於所述限制下，可利用的激磁的強度被限制於某種程度的範圍內。關於所述方面，對本發明的具有齒寬以及狹縫數的馬達進行了研究，結果發現，可利用的激磁的強度的區域成為磁通密度B₅₀ 相當的區域，即5000 A/m下的鐵芯材料的磁通密度的高度有效地有助於馬達的高轉矩化。更佳為1.60 T以上，進而佳為1.65 T以上。上限無特別限定，例如可為1.90 T以下。

[電磁鋼板：於板厚方向上具有Si的濃度分佈] 於軟磁性材料使用電磁鋼板的情況下，所述電磁鋼板於板厚方向上具有Si的濃度分佈，換言之，藉由於表層具有高於板厚的中心的Si濃度，不僅能夠改善高頻下的鐵損，而且能夠抑制沖裁所引起的鐵損的劣化。達成此種磁特性的Si的濃度分佈較佳為板厚中心的Si濃度與表層的Si濃度的差ΔSi為1.5 mass%～3.5 mass%。因為於ΔSi小於1.5 mass%時，難以獲得有效的高頻鐵損的改善效果。另一方面，若ΔSi超過3.5 mass%，則有遲滯損失增大，較低速旋轉下的馬達損失變大之虞。再者，為了對電磁鋼板賦予Si的濃度分佈，可利用浸矽處理或包層處理等，無需特別限定製法。表層的Si濃度可設為3.5 mass%以上，較佳為4.5 mass%以上，另外，可設為7.0 mass%以下，較佳為6.5 mass%以下。板厚中心的Si濃度可設為1.5 mass%以上，較佳為2.5 mass%以上，另外，可設為5.5 mass%以下，較佳為4.0 mass%以下。此處，表層是指自表面至板厚1/3為止的範圍，表層的Si濃度設為於所述板厚範圍內的平均Si濃度。

將多片具備以上結構的軟磁性材料積層以製作馬達芯。此處，軟磁性材料的片數只要根據馬達的要求輸出來適當調整即可。

再者，於製造馬達芯時，將成為原材料的軟磁性材料加工成芯形狀的方法設想為沖裁，若即使利用雷射進行軟磁性材料的加工亦滿足以上所述的必要條件，則可獲得所期望的效果。

以上所述的馬達芯與轉子組合而成為馬達。以下對本發明的馬達進行解說。 [轉子：於周向上配置的磁鐵的數量為14個以上] 為了獲得多極化所帶來的馬達轉矩提高效果，轉子的磁鐵的數量設為14個以上。即，磁鐵馬達的轉矩由下述式表現，由下述式可知作為增大轉矩的設計指南，增加極數（極對數×2）是有效的。所述極數的增加相當於增加轉子的磁鐵的數量。由下述式可知多極化對於高轉矩化是有效的，另一方面，鐵芯的勵磁頻率f與極對數Pn呈比例關係，因此伴隨多極化，鐵芯的勵磁高頻化。鐵損中的渦電流損失與勵磁頻率f的平方成比例地增大，特別是若磁鐵的數量達到14個以上則高頻化所引起的鐵損的增大變得明顯。因此，於本發明的具有齒寬及狹縫數的馬達中，特別是於磁鐵的數量為14個以上的情況下，與1.0 T-3000 Hz下的勵磁時的鐵損為220 W/kg以下的鐵芯材料組合，抑制損失的增大的同時實現了馬達的高轉矩化。磁鐵的數量較佳為16個以上，更佳為20個以上。雖無磁鐵數量的上限，但若進行多極化（若磁鐵的數量變多）則勵磁頻率（磁鐵的數量×轉速呈比例）變高，鐵損增大，成本亦上升，因此於馬達設計時只要考慮該些情況來適當決定即可，例如可設為48個以下。記

T：馬達轉矩 P_n ：極對數 ψ_a ：磁鐵磁通所產生的交鏈磁通 i_d,q ：d,q軸電流 L_d,q ：d,q軸電感

[馬達：密閉型外轉子結構] 首先，馬達藉由於馬達芯的外側配置轉子，而能夠大量配置磁鐵以推進多極化，因此較佳設為外轉子結構。進而，藉由採用無需導入冷卻風的密閉型結構，能夠防止提高故障的風險的異物的捲入。 [實施例1]

[鐵芯材料的影響以及馬達特性] 使用表1所示的鐵芯材料（軟磁性材料）來製作具有圖1所示的馬達芯（定子鐵芯）及轉子的14極-21狹縫且齒的寬度為1.6 mm的密封型的外轉子結構的馬達。此處，關於Si鋼或Si濃度梯度鋼、坡明德合金，藉由使用了模具的沖裁加工而得。由於非晶質金屬難以沖裁，因此藉由線放電加工自積層接著了非晶質金屬的芯材切出所需的芯形狀。再者，關於使用了坡明德合金的芯，於乾燥的Ar環境中實施800℃×2h的退火。表1所示的鐵芯材料的磁特性是藉由線放電加工製作外徑55 mm、內徑35 mm及積層厚度10.0 mm的環形芯，並實施一次繞線及二次繞線，測定鐵損W_10/3k 及磁通密度B₅₀ 而得的值。

馬達評價是以11000 rpm-0.25 Nm驅動，以下述方式評價於各條件下的馬達損失。馬達損失（W）=輸入電力（W）-馬達輸出（W）銅損（W）=繞線電阻（Ω）×電流（Arms）² 馬達鐵損（W）=馬達損失（W）-銅損（W）

進而，藉由熱電偶溫度計對於相同條件下對馬達進行20分鐘驅動時的馬達內部溫度進行測定。

[表1]

編號	芯材料	平均Si 濃度（mass%）	表層Si 濃度（mass%）	中心Si 濃度（mass%）	板厚（mm）	鐵損 W_10/3k （W/kg）	磁通密度B₅₀ （T）	Si濃度分佈	馬達鐵損（W）	銅損（W）	馬達損失（W）	馬達效率（%）	馬達溫度（℃）	備考
1	1.0%Si鋼	1.0	1.0	1.0	0.2	480	1.70	無	67	45	112	74.4	158	比較例
2	2.0%Si鋼	2.0	2.0	2.0	0.2	430	1.68	無	59	47	106	75.8	153	比較例
3	3.0%Si鋼	3.0	3.0	3.0	0.2	370	1.67	無	55	49	104	76.2	149	比較例
4	6.5%Si鋼	6.5	6.5	6.5	0.2	198	1.51	無	37	48	85	80.6	134	發明例
5	Si濃度梯度鋼	3.5	4.0	2.5	0.2	213	1.69	有	29	42	71	83.8	98	發明例
6	Si濃度梯度鋼	5.5	6.5	3.5	0.2	195	1.56	有	24	45	69	84.2	90	發明例
7	1.0%Si鋼	1.0	1.0	1.0	0.1	223	1.69	無	52	46	98	77.6	146	比較例
8	2.0%Si鋼	2.0	2.0	2.0	0.1	189	1.67	無	38	43	81	81.5	120	發明例
9	3.0%Si鋼	3.0	3.0	3.0	0.1	155	1.65	無	36	44	80	81.7	110	發明例
10	6.5%Si鋼	6.5	6.5	6.5	0.1	89	1.49	無	27	49	76	82.6	107	發明例
11	Si濃度梯度鋼	3.5	4.0	2.5	0.1	95	1.66	有	15	43	58	86.7	86	發明例
12	Si濃度梯度鋼	5.5	6.5	3.5	0.1	99	1.53	有	12	48	60	86.3	80	發明例
13	非晶質（10%Si-12%B-Fe）	10.0	10.0	10.0	0.025	40	1.51	無	26	49	75	82.9	100	發明例
14	坡明德合金（48%Co-2%V-Fe）	0.0	0.0	0.0	0.2	187	2.34	無	42	39	81	81.5	110	發明例
15	坡明德合金（48%Co-2%V-Fe）	0.0	0.0	0.0	0.1	113	2.31	無	37	40	77	82.4	102	發明例

根據表1的結果可知，若使用W_10/3k 為220 W/kg以下的鐵芯材料（軟磁性材料），則可有效地降低馬達鐵損。另外，於應用了鐵損為220 W/kg以下且磁通密度B₅₀ 為1.55 T以上的鐵芯材料的條件下，亦可有效地降低銅損。於發明例中，藉由同時降低馬達鐵損、銅損，可降低馬達的溫度。順便一提，一般而言馬達的繞線的絕緣被覆的耐熱溫度為180℃左右，如上所述，本發明的馬達的溫度為140℃左右以下，因此確認到於密封型馬達中亦完全無問題。

再者，此處所說的鐵損是指藉由自馬達芯的齒部切出SST用的微小試驗片而非對原齒的端部進行追加加工，進行一般的磁特性試驗而得的值。 [實施例2]

[齒寬的影響] 於以圖1所示的結構的14極-21狹縫的外轉子結構的馬達為基礎，使其齒的寬度如表2所示般變化的馬達中，分別測定應用表2所示的各種芯材料（板厚0.1 mm）時的馬達效率。將其測定結果一併記載於表2中。

[表2]

編號	齒寬（mm）	芯材料	平均Si濃度（mass%）	表層Si濃度（mass%）	中心Si濃度（mass%）	鐵損W_10/3k （W/kg）	磁通密度B₅₀ （T）	馬達鐵損（W）	銅損（W）	馬達損失（W）	馬達效率（%）	備考
1	0.5	3.0%Si鋼	3.0	3.0	3.0	146	1.62	45	37	82	81.2	發明例
2	0.5	Si濃度梯度鋼	5.5	6.5	3.5	90	1.56	15	43	58	86.7	發明例
3	1.0	1.0%Si鋼	1.0	1.0	1.0	223	1.69	71	46	117	73.2	比較例
4	1.0	3.0%Si鋼	3.0	3.0	3.0	146	1.62	37	44	81	81.4	發明例
5	1.0	Si濃度梯度鋼	5.5	6.5	3.5	90	1.56	12	45	57	87.0	發明例
6	1.5	1.0%Si鋼	1.0	1.0	1.0	223	1.69	65	47	112	74.5	比較例
7	1.5	3.0%Si鋼	3.0	3.0	3.0	146	1.62	34	46	80	81.7	發明例
8	1.5	Si濃度梯度鋼	5.5	6.5	3.5	90	1.56	10	46	56	87.1	發明例
9	2.0	1.0%Si鋼	1.0	1.0	1.0	223	1.69	52	46	98	77.6	比較例
10	2.0	3.0%Si鋼	3.0	3.0	3.0	146	1.62	30	47	77	82.4	發明例
11	2.0	Si濃度梯度鋼	5.5	6.5	3.5	90	1.56	9	46	55	87.5	發明例
12	2.5	1.0%Si鋼	1.0	1.0	1.0	223	1.69	19	46	65	85.1	比較例
13	2.5	3.0%Si鋼	3.0	3.0	3.0	146	1.62	14	42	56	87.1	比較例
14	2.5	Si濃度梯度鋼	5.5	6.5	3.5	90	1.56	9	43	52	88.1	比較例
15	3.0	1.0%Si鋼	1.0	1.0	1.0	223	1.69	16	49	65	85.2	比較例
16	3.0	3.0%Si鋼	3.0	3.0	3.0	146	1.62	13	42	55	87.4	比較例
17	3.0	Si濃度梯度鋼	5.5	6.5	3.5	90	1.56	8	44	52	88.2	比較例

由表2可知，藉由齒為0.5 mm以上且2.0 mm以下且鐵損W_10/3k 為220 W/kg以下的芯材料，可有效地抑制鐵損的增大。再者，於板厚方向上具有Si濃度梯度的材料幾乎無鐵損的增大，結果亦可知即使齒寬變窄亦維持高效率。

再者，於以上所述的實施例中，將馬達芯應用於密封型的外轉子結構的馬達中並進行了評價，但只要滿足本發明的必要條件，本發明的對象當然不限於實施例所揭示的馬達形式。

1:軸 2:轉子磁鐵 3:定子鐵芯

圖1是表示芯（鐵芯）製造試驗中使用的定子芯的圖。

1:軸

2:轉子磁鐵

3:定子鐵芯

Claims

一種馬達芯，是將多片齒寬為0.5 mm以上且2.0 mm以下、且於所述齒間構成的狹縫的數量為12個以上的板狀軟磁性材料積層而成，所述馬達芯中所述軟磁性材料於1.0 T-3000 Hz下的勵磁時的鐵損為220 W/kg以下。
如請求項1所述的馬達芯，其中所述軟磁性材料於5000 A/m的磁場中的磁通密度為1.55 T以上。
如請求項1或請求項2所述的馬達芯，其中所述軟磁性材料為電磁鋼板，且所述電磁鋼板於板厚方向上具有Si的濃度分佈。
一種馬達，具有如請求項1至請求項3中任一項所述的馬達芯、以及於周向上配置有14個以上的磁鐵的轉子。
一種馬達，其於如請求項1至請求項3中任一項所述的馬達芯的外側配置轉子、且為密閉型外轉子結構。
如請求項4所述的馬達，其於所述馬達芯的外側配置所述轉子、且為密閉型外轉子結構。