WO2017043601A1

WO2017043601A1 - ステータコア、ステータコアを備えたモータ、これに用いられる電磁鋼板片及びその製造方法

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Publication number: WO2017043601A1
Application number: PCT/JP2016/076512
Authority: WO
Inventors: 悠依田; 芳樹小野; 洋平亀田; 裕司荒岡
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2018-03-08

Abstract

【解決手段】本発明のステータコアは、複数の電磁鋼板片を軸方向に積層することにより形成された積層体を周方向に複数接合して環状に配置結合することにより構成されたモータのステータコアであって、各電磁鋼板片は、一体で形成されたヨーク部構成部及びティース部構成部を備え、前記ステータコア分割体の一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い。

Description

ステータコア、ステータコアを備えたモータ、これに用いられる電磁鋼板片及びその製造方法

　本発明は、ステータコア、及びそのステータコアを備えたモータに関する。また、本発明は、ステータコアに用いられる電磁鋼板片とその製造方法に関する。

　近年、電気機器、電気自動車、ハイブリッド車、ロボットなどの新たな技術の開発に伴い、それらに用いられるモータや発電機に要求される性能が高度化している。例えば、産業用モータ、電気自動車及びハイブリッド車などにおいては、高トルク化、高出力化が求められている。そのため、従来、鉄損が低い電磁鋼板がモータの製造に使用されている。例えば、特許文献１には、表層部と内層部とでケイ素濃度の異なる電磁鋼板がモータコア材料として提案されている。しかしながら、一般的に上述の高濃度のケイ素が添加された電磁鋼板の使用はその飽和磁束密度の低さからトルクの低下を招く可能性があり、モータの高トルク化及び高出力化を実現するにはさらなる検討が必要であった。

特許第５３２６４４１号公報

　本発明は上述の課題を解決するものであって、モータの高トルク化、高出力化が可能なステータコア、及びこれを備えたモータを提供することを目的とする。

　また、本発明は、モータの高トルク化、高出力化が可能なステータコアに用いられる電磁鋼板片とその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の一実施形態によると、一体で形成されたヨーク部構成部及びティース部構成部を備える、モータのステータコアに用いられる電磁鋼板片であって、一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い電磁鋼板片が提供される。

　前記電磁鋼板片において、前記一部の領域は、前記ヨーク部構成部であってもよい。

　前記電磁鋼板片において、前記一部の領域または前記ヨーク部構成部のケイ素濃度が３．５重量％～６．５重量％であってもよい。

　前記電磁鋼板片において、前記他の領域または前記ティース部構成部のケイ素濃度が３．５重量％未満であってもよい。

　前記電磁鋼板片において、前記一部の領域又は前記ヨーク部構成部は、プレス加工された鋼板にケイ素を含む塗布剤を塗布し、加熱することによって形成されてもよい。

　本発明の一実施形態によると、複数の電磁鋼板片を軸方向に積層することにより形成された積層体を周方向に複数接合して環状に配置結合することにより構成されたモータのステータコアであって、各電磁鋼板片は、一体で形成されたヨーク部構成部及びティース部構成部を備え、前記電磁鋼板片の一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い、ステータコアが提供される。

　前記ステータコアにおいて、前記一部の領域は、前記ヨーク部構成部であってもよい。

　前記ステータコアにおいて、前記一部の領域または前記ヨーク部構成部のケイ素濃度が３．５重量％～６．５重量％であってもよい。

　前記ステータコアにおいて、前記他の領域または前記ティース部構成部のケイ素濃度が３．５重量％未満であってもよい。

　前記ステータコアにおいて、前記一部の領域又は前記ヨーク部構成部は、プレス加工された鋼板にケイ素を含む塗布剤を塗布し、加熱することによって形成されてもよい。

　本発明の一実施形態によると、複数の環状の電磁鋼板片を軸方向に積層して構成されたモータのステータコアであって、前記電磁鋼板片は、ヨーク部構成部及びティース部構成部を備え、前記電磁鋼板片の一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い、ステータコアが提供される。

　本発明の一実施形態によると、前記何れかに記載されたステータコアを備えたモータが提供される。

　本発明の一実施形態によると、鋼板をプレス加工して、鋼板片を生成し、前記鋼板片の一部の領域にケイ素を含む塗布剤を塗布して加熱する、ことを含む、モータのステータコアに用いられる電磁鋼板片の製造方法が提供される。

　前記電磁鋼板片の製造方法において、前記鋼板片は、ヨーク部構成部及びティース部構成部を備え、前記一部の領域は、前記ヨーク部構成部であってもよい。

　前記電磁鋼板片の製造方法において、前記塗布剤は、浸炭剤を含んでもよい。

　前記電磁鋼板片の製造方法において、前記一部の領域または前記ヨーク部構成部のケイ素濃度が３．５重量％～６．５重量％であってもよい。

　前記電磁鋼板片の製造方法において、前記他の領域または前記ティース部構成部のケイ素濃度が３．５重量％未満であってもよい。

　本発明によると、モータの高トルク化、高出力化が可能なステータコアに用いられる電磁鋼板片とその製造方法を提供することができる。また、モータの高トルク化、高出力化が可能なステータコア、及びこれを備えたモータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るモータのステータコアを示す概略図である。本発明の一実施形態に係る電磁鋼板片の一例を示す上面図である。図２に示した電磁鋼板片を周方向に対して軸方向に積層した状態を示す概略図である。別の形状を有する電磁鋼板片を軸方向に積層した状態を示す概略図である。図２に示した本発明の一実施形態に係る電磁鋼板片の上面図である。（ａ）図５に示した電磁鋼板片の斜視図である。（ｂ）図５に示した電磁鋼板片のＡ－Ａ´線に沿った断面図である。浸珪処理をする前の鋼板と浸珪処理した後の電磁鋼板との圧縮応力負荷時の鉄損特性を示すグラフである。本発明のステータコアを用いたモータを示す概略図である。本発明のステータコアを構成する鋼板片において、浸珪処理を行う領域の一例を示す図面である。本発明のステータコアを構成する鋼板片において、浸珪処理を行う領域の一例を示す図面である。本発明のステータコアを構成する鋼板片において、浸珪処理を行う領域の一例を示す図面である。本発明のステータコアを構成する鋼板片において、浸珪処理を行う領域の一例を示す図面である。本発明のステータコアを構成する鋼板片において、浸珪処理を行う領域の一例を示す図面である。本発明のステータコアを構成する鋼板片において、浸珪処理を行う領域の一例を示す図面である。モータのステータコアに使用するものとして想定された電磁鋼板片の浸珪モデルを示す図面である。モータのステータコアに使用するものとして想定された電磁鋼板片の浸珪モデルを示す図面である。モータのステータコアに使用するものとして想定された電磁鋼板片の浸珪モデルを示す図面である。

　上述の問題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは、モータ駆動時のステータコアにおける磁束密度のばらつき、モータ組み立て時のステータコアの圧入、焼き嵌め、カシメなどによる応力負荷（特に、磁束が流れる方向に平行な圧縮応力）を考慮して、ステータコアを構成する鋼板片の一部領域を選択的に浸珪処理することによって、ステータコア全体の磁束密度を高め、且つ鉄損を低減できることを見出した。

　以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るステータコアに用いられる電磁鋼板片とその製造方法、該電磁鋼板片を用いて構成されたステータコア、及び該ステータコアを備えたモータについて説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

　図１は、本発明の一実施形態に係るモータのステータコア１００を示す概略図である。ステータコア１００は、環状のヨーク部１０１、及びヨーク部１０１の内周に径方向内側に突出するティース部１０３を備える。ステータコア１００は、ティース部１０３に巻き付けられるコイル（図示せず）に対向し、ティース部１０３の先端に周方向（ロータの回転方向）に沿って設けられる鍔部１０５を備えていてもよい。

　ステータコア１００は、鋼板をプレス加工によって所定の形状に打ち抜くことによって形成した鋼板片に浸珪処理を行って作製した電磁鋼板片１０７を用いて構成されてもよい。

　図２は、ステータコア１００を構成する、本発明の一実施形態に係る電磁鋼板片１０７の一例を示す上面図であり、図３は図２に示した電磁鋼板片１０７を周方向に対して垂直な回転軸方向（以下、軸方向という）に積層することにより形成された積層体を示す概略図である。電磁鋼板片１０７は、略Ｔ字形状を有し、ヨーク部構成部２０１、及びティース部構成部２０３を備える。ヨーク部構成部２０１及びティース部構成部２０３は、互いに一体で形成される。また、電磁鋼板片１０７は、鍔部構成部２０５を備えてもよい。ステータコア１００は、図２に示すような複数の電磁鋼板片１０７を軸方向に積層して図３に示すような積層体を作製し、該積層体を周方向に複数接合して環状になるように配置することによって構成されてもよい。複数の電磁鋼板片１０７を回転軸方向に積層して積層体を作製し、該積層体を周方向に環状になるように配置することによって、ヨーク部構成部２０１は図１に示したステータコア１００におけるヨーク部１０１を構成し、ティース部構成部２０３はティース部１０３を構成し、鍔部構成部２０５は鍔部１０５を構成する。

　尚、電磁鋼板片１０７の形状は、図２に示したＴ字形状に限定されない。図４は、図２に示した電磁鋼板片１０７とは異なる形状を有する電磁鋼板片１０７ａを軸方向に積層した状態を示す概略図である。電磁鋼板片１０７ａは、環形状を有し、環状のヨーク部構成部４０１、及びヨーク部構成部４０１の内周に径方向内側に突出するティース部構成部４０３を備える。電磁鋼板片１０７ａは、ティース部構成部４０３の先端に周方向（ロータの回転方向）に沿って設けられる鍔部構成部４０５を備えていてもよい。ステータコア１００は、図４に示すような環形状を有する電磁鋼板片１０７ａを軸方向に積層することによって構成されてもよい。

　モータ駆動時に、ステータコアでは、ステータコアの部位に応じて磁束密度にばらつきが発生する。例えば、モータ駆動時において、ステータコアのヨーク部では磁束密度が相対的に低くなり、ティース部では相対的に高くなる。そこで、本発明のステータコア１００では、ステータコアの一部の領域に選択的に浸珪処理を行うことにより、前記一部の領域のケイ素濃度をステータコアの他の領域のケイ素濃度よりも高くして、ステータコア１００全体の磁束密度を高めていることを特徴としている。

　本発明の一実施形態に係るステータコア１００は、図２及び図４に例示したような電磁鋼板片から構成される。電磁鋼板片は、鋼板片を浸珪処理することにより得られるが、本発明に係る電磁鋼板片においては、鋼板片の一部の領域に選択的に浸珪処理を行うことにより、電磁鋼板片の一部の領域のケイ素濃度を電磁鋼板片の他の領域のケイ素濃度よりも高くする。即ち、少なくとも浸珪処理を施された電磁鋼板片の一部の領域の表面部分のケイ素濃度は、浸珪処理を施されていない他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高くなる。

　尚、電磁鋼板片の板厚方向への浸珪処理は、電磁鋼板片の板厚方向の全域に及んでいてもよく、電磁鋼板片の板厚方向の一部の領域のみであってよい。例えば、鋼板片の両面から浸珪処理を施して、鋼板片の板厚方向全域が浸珪処理されてもよく、或いは、鋼板片の板厚方向の中間部分を除いた、鋼板片の両面側のみが所定の深さまで浸珪処理されてもよい。また、鋼板片の片面から浸珪処理を施して、他方の面を浸珪処理されない部分としてもよい。

　例えば、モータ駆動の際に、磁束密度が相対的に低くなるヨーク部１０１のケイ素濃度を、ティース部１０３のケイ素濃度よりも高くしてもよい。ヨーク部１０１のケイ素濃度を相対的に高くすることによって、モータ駆動時のヨーク部１０１の磁束密度が高くなる。また、ヨーク部１０１のケイ素濃度が高くなるため、ステータコア１００の鉄損が低減される。そのため、本発明の一実施形態に係るステータコア１００を使用するモータの高トルク化及び高出力化が可能になる。

　ヨーク部１０１におけるケイ素濃度は、３．５重量％以上６．５重量％以下であることが好ましい。また、ティース部１０３におけるケイ素濃度は、ヨーク部１０１のケイ素濃度よりも低ければよい。ティース部１０３は、モータ駆動時の磁束密度が相対的に高いため、ティース部１０３においてケイ素が多く含有されていると、ティース部１０３の飽和磁束密度が低下する。そのため、浸珪処理工程におけるケイ素の拡散を考慮して、ティース部１０３のケイ素濃度は０重量％以上３．５重量％未満であることが好ましい。

　ヨーク部１０１のケイ素濃度を選択的に高くする場合、ステータ１００のヨーク部１０１を構成する、電磁鋼板片１０７、１０７ａにおけるヨーク部構成部２０１、４０１のケイ素濃度がティース部構成部２０３、４０３のケイ素濃度よりも高くなるよう、鋼板片を選択的に浸珪処理する。したがって、電磁鋼板片１０７、１０７ａにおいて、浸珪処理を施されたヨーク部構成部２０１、４０１の表面部分のケイ素濃度は、浸珪処理を施されていないティース部構成部２０３、４０３の表面部分のケイ素濃度よりも高くなる。ヨーク部構成部２０１、４０１のケイ素濃度を相対的に高くすることによって、モータ駆動時のヨーク部１０１の磁束密度が高くなり、且つステータコア１００の鉄損が低減される。

　図５は、図２に示した本発明の一実施形態に係る電磁鋼板片１０７の上面図である。図６の（ａ）は図５に示した電磁鋼板片１０７の斜視図であり、図６の（ｂ）は図５に示した電磁鋼板片１０７のＡ－Ａ´線に沿った断面図である。図５及び図６において、斜線で示す領域は、他の領域よりも相対的にケイ素濃度が高い領域である。

　本発明の一実施形態に係る電磁鋼板片が電磁鋼板片１０７である場合、図５及び図６に示すように、ヨーク部構成部２０１のケイ素濃度を他の領域（ティース部構成部２０３及び鍔部構成部２０５）のケイ素濃度よりも高くするように、鋼板片を選択的に浸珪処理する。浸珪処理を施されたヨーク部構成部２０１の表面部分のケイ素濃度は、浸珪処理を施されていないティース部構成部２０３及び鍔部構成部２０５の表面部分のケイ素濃度よりも高くなる。

　ヨーク部構成部２０１、４０１におけるケイ素濃度は、３．５重量％以上６．５重量％以下であることが好ましい。また、ティース部構成部２０３、４０３におけるケイ素濃度は、ヨーク部構成部２０１、４０１におけるケイ素濃度よりも低ければよく、ヨーク部構成部２０１、４０１の浸珪処理工程におけるケイ素の拡散を考慮して、０重量％以上３．５重量％未満であることが好ましい。

　本発明の一実施形態に係るステータコア１００では、ステータコア１００を構成する電磁鋼板片１０７、１０７ａの一部の領域のケイ素濃度を電磁鋼板片１０７、１０７ａの他の領域のケイ素濃度よりも高くするように、鋼板片の一部に選択的に浸珪処理する。結果として、ステータコア１００の一部の領域の表面部分のケイ素濃度が、ステータコア１００の他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高くなる。一例として、上述したようにモータ駆動時の磁束密度が相対的に低いヨーク部１０１を構成するヨーク部構成部２０１、４０１のケイ素濃度が他の領域のケイ素濃度よりも高くなるように浸珪処理を行ってもよい。これにより、モータ駆動時のヨーク部１０１の磁束密度が高くなる。よって、ステータコア１００全体の磁束密度が高くなり、且つばらつきがなくなる。また、ヨーク部１０１においてステータコア１００の鉄損を低減することができる。そのため、ステータコア１００を使用するモータの高トルク化及び高出力化を実現することができる。

　以上では、浸珪処理を行ってケイ素濃度を相対的に高くする領域として、ステータコア１００を構成する電磁鋼板片１０７、１０７ａのヨーク部構成部２０１、４０１を具体的な例として挙げたが、本発明の一実施形態に係るステータコア１００を構成する電磁鋼板片１０７ａにおいて、浸珪処理を行ってケイ素濃度を高くする領域は、ヨーク部構成部２０１、４０１に限定されるわけではない。

　例えば、モータ組み立て時において、ステータコアの圧入、焼き嵌め、カシメなどによる応力負荷により、ステータコアの一部の領域で磁気劣化が大きくなる虞がある。そのため、モータ組み立て時において、大きな応力、特に、磁束が流れる方向に平行な圧縮応力がかかるステータコアの領域に選択的に浸珪処理を行ってもよい。大きな応力がかかる領域のケイ素濃度を相対的に高くすることにより、応力負荷による該領域の磁気劣化を抑制し、モータの高トルク化及び高出力化を実現することができる。

　図７は、浸珪処理をする前の鋼板と浸珪処理した後の電磁鋼板との圧縮応力負荷時の鉄損特性（磁束密度Ｂ：１．０Ｔｅｓｌａ、励磁周波数ｆ：５０Ｈｚ）を示している。浸珪処理前の鋼板としては、ケイ素を約３重量％含む鋼板を用い、浸珪処理後の鋼板としては、ケイ素を６．５重量％含む鋼板を用いている。図７を参照すると、浸珪処理後の電磁鋼板では、浸珪処理前の鋼板に比べて、圧縮応力負荷時の鉄損が小さく、応力が増してもその変化量が非常に小さいことが分かる。

　図８は、図１に示したステータコア１００を用いた、本発明の一実施形態に係るモータ７００を示す概略図である。本発明の一実施形態に係るモータ７００は、ステータコア１００、ロータコア７０１及び回転軸７０５を備える。ロータコア７０１は、電磁鋼板をプレス加工することによって打ち抜いた環状の電磁鋼板片を回転軸方向に多数積層した構成を有してもよい。ロータコア７０１の外径側には永久磁石７０３が配置される。ロータコア７０１は、焼き嵌め又はスプライン嵌合などによって回転軸７０５に取り付けられる。

　ステータコア１００のティース部１０３には、コイル（図示せず）が巻き付けられている。ステータコア１００は、ステータコア１００の外径側に配置されたモータケース（図示せず）に取り付けられる。

　本発明の一実施形態に係るモータ７００は、一部の領域の表面部分のケイ素濃度を他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高くしたステータ１００を使用している。そのため、ステータコア１００全体の磁束密度が高く、且つばらつきがない。また、ケイ素濃度が高い領域においてステータコア１００の鉄損が低減されている。そのため、高トルク化及び高出力化を実現することができる。

（ステータコアの製造方法）
　本発明の一実施形態に係るステータコア１００の製造方法について説明する。尚、以下に説明するステータコア１００の製造方法は、一例として、電磁鋼板片により構成されるステータコア１００の製造方法を述べる。本発明の一実施形態に係るステータコア１００の製造方法は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す記載内容に限定して解釈されるものではない。

　まず、被加工材として鋼板を準備する。鋼板としては、公知の製鋼プロセスを経て得られる成分を有する鋼板を使用してもよい。例えば、Ｃを０．０１重量％以下、Ｍｎを０．５重量％以下、Ｐを０．０１重量％以下、Ｓを０．０１重量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物から構成される鋼板を使用してもよい。この他に、鉄損特性、加工性を阻害しない範囲で、鋼板は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｂ等の合金元素を含有してもよい。尚、被加工材として使用される鋼板は、以上に述べた成分、数値範囲に限定されるわけではない。また、被加工材として使用される鋼板として、Ｓｉを含有する低ケイ素鋼板を用いてもよい。低ケイ素鋼板におけるＳｉの含有量は、３．５重量％未満であることが好ましい。

　次に、準備した鋼板をプレス加工により、所定の形状に打ち抜いて、鋼板片を得る。得られた鋼板片の一部の領域に浸珪処理を行う。まず、ケイ素粉末（純度９９．９％）及び浸炭剤を純水を用いて混合し、ペースト状の塗布剤を作製する。ケイ素粉末としては、例えば、純珪素粉末（３Ｎｕｐ、粒径７５μｍ以下、高純度化学研究所製）を用いることができる。また、浸炭剤としては、例えば、木炭粉粒８０％Ｃと炭酸バリウムとを含むサンカツチャコール浸炭剤（サンカツ社製）を用いることができる。鋼板片の一部の領域において鋼板片の片面もしくは両面に塗布剤を塗布し、自然乾燥させる。尚、上述した鋼板片の浸珪処理に用いる塗布剤に含まれる成分の配合は一例であり、上述の成分に限定されるわけではない。

　ステータコア１００のヨーク部１０１のケイ素濃度を高くする場合、所望の形状に打ち抜いた鋼板片のヨーク部構成部にのみ塗布剤を塗布する。例えば、図９に示すとおり、鋼板片９００が、図２に示した電磁鋼板片１０７と同じ形状である場合、鋼板片９００のヨーク部構成部９０１に塗布剤を塗布する。尚、図９において、浸珪処理を行う鋼板片９００のヨーク部構成部９０１を斜線部で示した。図９では、鋼板片９０１の一面側のみを示しているが、他面側にも塗布剤を塗布してもよい。

　その後、塗布剤を塗布した鋼板片９００を非活性雰囲気下又は還元雰囲気下において９００℃～１３００℃程度、好ましくは、１１００℃～１２００℃程度に加熱することにより、一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い電磁鋼板片を得ることができる。得られた電磁鋼板片を軸方向に積層して図３に示したような電磁鋼板片の積層体を作製し、該積層体を周方向に複数接合して環状になるように配置することによって、本発明の一実施形態に係るステータコア１００が得られる。電磁鋼板片は、互いに溶接されてもよい。また、電磁鋼板片は、締め代をもって焼き嵌めなどにより、モータケースに取り付けられてもよい。

　以上では、電磁鋼板片のヨーク部構成部が他の領域に比してケイ素濃度が高くなるよう、鋼板片に選択的に浸珪処理を行う例を説明したが、ケイ素濃度を相対的に高くする領域はヨーク部構成部のみに限定されるわけではない。例えば、図１０に示すように、鋼板片１０００の側面部に選択的に浸珪処理を施してもよい、図１０において、浸珪処理を行う領域を斜線部で示した。鋼板片１０００の側面部に浸珪処理を行う場合、プレス加工して所定の形状に打ち抜いた鋼板片１０００を軸方向に積層して鋼板片の積層体を作製し、該積層体にまとめて浸珪処理を行ってもよい。この場合、一つ一つの鋼板片１０００に浸珪処理を行う必要がない。そのため、製造工程を低減しながら、電磁鋼板片により形成されたステータコア１００の鉄損を低減することができ、ステータコア１００を使用するモータの高トルク化及び高出力化を実現することができる。

　また、モータ駆動時において、ステータコアの内周側は磁束密度が相対的に高くなり、ステータコアの内周側を除いた領域の磁束密度が相対的に低くなる傾向がみられる。そのため、ステータコア１００の内周側を除く領域の表面部分のケイ素濃度を相対的に高くすることにより、ステータコア１００の内周側を除く領域の磁束密度を上げてもよい。例えば、図１１に示すように、ステータコア１００の外周側に対応する、鋼板片１１００のヨーク部構成部１１０１の一部の領域と、ステータコア１００の内周側に対応する領域を除く、ティース部構成部１１０３の一部の領域とに選択的に浸珪処理を行ってもよい。図１１において、浸珪処理を行う領域を斜線部で示した。モータ駆動の際に、磁束密度が相対的に高くなるステータコア１００の内周側を除いた領域の表面部分のケイ素濃度を、ステータコア１００の内周側の表面部分のケイ素濃度よりも相対的に高くすることによって、モータ駆動時の、ステータコア１００の内周側を除いた領域の磁束密度が上がる。また、ステータコア１００の内周側を除いた領域のケイ素濃度が高くなるため、ステータコア１００の鉄損が低減される。そのため、ステータコア１００を使用するモータの高トルク化及び高出力化が可能になる。

　また、モータ駆動時において、高磁束密度となる部分は、鉄損が増加する。そのため、モータ駆動時における、ステータコアの高磁束密度となる領域に選択的に浸珪処理を行い、ケイ素濃度を高くすることにより、ステータコアの高磁束密度となる領域の鉄損を低減させてもよい。例えば、図１２に示すように、図１１に示した浸珪処理を行う領域とは逆に、ステータコア１００の内周側に対応する、鋼板片１２００のヨーク部構成部１２０１の一部の領域と、ティース部構成部１２０３の一部の領域とに選択的に浸珪処理を行ってもよい。図１２において、浸珪処理を行う領域を斜線部で示した。一方、上述したようにケイ素濃度が高いほど飽和磁束密度が低下する。そのため、モータ駆動時に高磁束密度となる領域に浸珪処理する場合は、その領域の最大磁束密度を下回らない飽和磁束密度となるようにケイ素濃度を調節することが好ましい。

　また、モータ駆動時において、ステータの鍔部（図１及び図８における鍔部１０５）付近では、ステータの内部を通らずにステータの外側を通る漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束がステータの巻き線を通ることで銅損が生じる。したがって、ステータの鍔部付近で発生する漏れ磁束を低減できれば、モータの高トルク化及び高出力化が可能になる。

　上述した図１２では、モータ駆動時において、磁束密度が比較的高くなるヨーク部構成部１２０１の一部の領域と、ティース部構成部１２０３の一部の領域とに選択的に浸珪処理を行って、これらの領域の表面部分のケイ素濃度を電磁鋼板片の他の領域の表面部分のケイ素濃度に比べて高くする例を示した。しかし、この場合、鍔部構成部１２０５付近の透磁率が高くなり、漏れ磁束が発生する虞がある。そのため、例えば、図１３に示すように、ステータコア１００の内周側に対応する、鋼板片１３００のヨーク部構成部１３０１の一部の領域と、ティース部構成部１３０３の一部の領域とに選択的に浸珪処理を行う場合、ティース部構成部１３０３に近い、即ち、巻き線（図示せず）に近接する鍔部構成部１３０５の一部に対して浸珪処理を行わなくてもよい。図１３において、浸珪処理を行う領域を斜線部で示した。図１３に示す、鋼板片１３００において、鍔部構成部１３０５は、浸珪処理を行わない領域１３０５ａと浸珪処理を行う領域１３０５ｂとを含む。鍔部構成部１３０５のティース部構成部１３０３に近い領域１３０５ｂに浸珪処理を行わないことにより、モータ駆動時に、巻き線に近接する鍔部が高透磁率になることを防止することができる。したがって、巻き線に近接する鍔部付近での漏れ磁束の発生を抑制し、銅損を低減することができる。

　尚、巻き線に近接する鍔部が高透磁率になることを防止するために、鍔部構成部が、ティース部構成部の先端に向かってテーパー状に幅広の形状を有するように、鋼板片の形状を設定してもよい。

　また、複数の電磁鋼板片を軸方向に積層して積層体を形成し、該積層体を周方向に複数接合してステータコア１００を構成する場合、積層体と積層体との間に空隙が発生し、磁気特性が低下してしまう虞がある。この磁気特性の低下を補うために、例えば、図１４に示すように、鋼板片１４００におけるヨーク構成部１４０１の周方向の両端部に選択的に浸珪処理を行ってもよい。図１４において、浸珪処理を行う領域を斜線部で示した。鋼板片１４００におけるヨーク構成部１４０１の周方向の両端部の表面部分のケイ素濃度を他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高くすることにより、ヨーク構成部１４０１の磁束密度が高くなる。そのため、積層体と積層体との間に空隙が発生した場合でも、磁気特性の低下を抑制し、ステータコア１００を使用するモータの高トルク化及び高出力化が可能になる。

　上述したように、本発明の一実施形態に係るステータコア１００の製造方法では、まず、被加工材である鋼板をプレス加工によって所望の形状に打ち抜いて、鋼板片を得る。その後、ケイ素を含む塗布剤を、得られた鋼板片における一部の領域に選択的に塗布して、加熱することにより、一部の領域においてケイ素濃度が相対的に高い電磁鋼板片を得る。一般的に、鋼板におけるケイ素の含有量が増大すると、鋼板の硬度が増大し、加工性が低下する。しかしながら、本発明に係るステータコアの製造方法では、浸珪処理の前に鋼板をプレス加工するため、加工性に優れる。また、プレス加工により得られた鋼板片を塗布剤を用いて浸珪処理を行うことにより、鋼板片の所望の領域に選択的に浸珪処理することができる。

　尚、本発明に係るステータコアの製造方法は以上に述べた方法に限定されない。例えば、ステータコアのヨーク部のケイ素濃度を相対的に高くする場合、プレス加工によって得られた鋼板片を複数積層して互いに溶接することによって円筒状の積層構造体を作製し、積層構造体の外周にケイ素を含有する塗布剤を塗布し、加熱することによって、ヨーク部のケイ素濃度が相対的に高いステータコアを製造してもよい。

　以下の表１は、浸珪処理をする前の鋼板と浸珪処理した後の電磁鋼板との鉄損特性（Ｗａ／ｂ：励磁周波数ｂＨｚで磁束密度１０×ａＴｅｓｌａの鉄損）を示している。浸珪処理前の鋼板としては、ケイ素を３．３重量％含む鋼板を用いた。この鋼板に、上述したような浸珪処理を施し、ケイ素を６．５重量％含む電磁鋼板を得た。表１で示す条件でこれらの鋼板の鉄損を測定した。

　表１を参照すると、ケイ素を６．５重量％含む浸珪処理後の電磁鋼板では、浸珪処理前の鋼板に比べて、鉄損が減少していることが分かる。したがって、モータ駆動時の磁束密度にばらつきのあるステータコアを構成する鋼板片一部の領域に選択的に浸珪処理を行うことにより、モータ駆動時のステータコア全体の磁束密度を高め、且つステータコアの鉄損を低減することができ、ステータコアを使用するモータの高トルク化及び高出力化を実現することができる。

　以上では、プレス加工によって得られた鋼板片に浸珪処理を行うステータコアの製造方法を説明したが、被加工材の鋼板にケイ素を含む塗布剤を塗布した後に、プレス加工により所定の形状に打ち抜き、その後、得られた鋼板片を非活性雰囲気下又は還元雰囲気下において９００℃～１３００℃程度、好ましくは、１１００℃～１２００℃程度に加熱することにより、一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い電磁鋼板片を得てもよい。

　以上に述べたように、本発明の一実施形態に係るステータコアでは、ステータコアを構成する電磁鋼板片の一部の領域のケイ素濃度が他の領域に比して高くなるように、鋼板片に選択的に浸珪処理を行うことにより、ステータコアを構成する電磁鋼板片の前記一部の領域の表面部分のケイ素濃度を他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高くしている。これにより、モータ駆動時のステータコア全体の磁束密度を高め、且つステータコアの鉄損を低減することができ、ステータコアを使用するモータの高トルク化及び高出力化を実現することができる。

　尚、本発明の一実施形態に係るステータコアでは、ステータコアを構成する鋼板片全体に浸珪処理を行い、且つ、一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高くなるように、一部の領域と他の領域とで、浸珪処理の際の条件などを異なるようにしてもよい。

　以下、本発明の一実施形態に係るモータのトルク及び鉄損について計算によって得られたシミュレーション結果を説明する。但し、本発明は、以下に述べる構成に限定されるわけではない。計算に用いられたモータの解析モデルについて、以下に説明する。

　計算に用いたモータの解析モデル構造は、図１５～図１７に示す電磁鋼板片をステータコアに使用した構造を想定して設計された。図１５～図１７は、モータのステータコアに使用するものとして想定された電磁鋼板片の浸珪モデルを示している。尚、鋼板片への浸珪処理は、鋼板片の両面に行うことを想定した。

　図１５に示す電磁鋼板片１５００は、ケイ素を３重量％含む、板厚０．３５ｍｍの市販の鋼板をプレス加工して得た鋼板片に、上述したような浸珪処理を選択的に施して得られる。図１５において、選択的に浸珪処理された領域は斜線部で示されている。電磁鋼板片１５００の浸珪処理された領域の表面部分のケイ素濃度は、浸珪処理されていない領域のケイ素濃度よりも相対的に高い。即ち、図１５に示す電磁鋼板片１５００では、モータ駆動時の磁束密度が相対的に低い、ステータコアのヨーク部を構成するヨーク部構成部１５０１に選択的に浸珪処理を行ったことを想定しており、ヨーク部構成部１５０１の表面部分のケイ素濃度が、電磁鋼板片１５００のその他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも相対的に高い。電磁鋼板片１５００では、ヨーク部構成部１５０１の表面部分のケイ素濃度を６．５重量％、ヨーク部構成部１５０１を除く他の領域（ティース部構成部１５０３及び鍔部構成部１５０５）の表面部分のケイ素濃度を３重量％と想定した。

　図１６に示す電磁鋼板片１６００は、ケイ素を３重量％含む、板厚０．３５ｍｍの市販の鋼板をプレス加工して得た鋼板片に、上述したような浸珪処理を鋼板片の全面に施して得られる。ヨーク部構成部１６０１、ティース部構成部１６０３及び鍔部構成部１６０５を含む電磁鋼板片１６００の全体の表面部分のケイ素濃度は、６．５重量％と想定した。図１７に示す電磁鋼板片１７００は、ケイ素を３重量％含む、板厚０．３５ｍｍの市販の鋼板をプレス加工して得られる。ヨーク部構成部１７０１、ティース部構成部１７０３及び鍔部構成部１７０５を含む電磁鋼板片１７００の全体の表面部分のケイ素濃度は、３重量％である。

　計算に用いたモータの解析モデル構造は、図１５～図１７に示した電磁鋼板片１５００、１６００、１７００をステータコアに使用した永久磁石埋込型同期モータ（ＩＰＭＳＭ）として設計された。ここで、モータの解析モデル構造は、ステータコアを構成する電磁鋼板片１５００、１６００、１７００の積厚がそれぞれ約６０ｍｍとなるように設計された。以下、電磁鋼板片１５００をステータコアに使用した構造を解析モデルＡ、電磁鋼板片１６００をステータコアに使用した構造を解析モデルＢ、及び電磁鋼板片１７００をステータコアに使用した構造を解析モデルＣとする。解析モデルＡ～Ｃは、それぞれ、ケイ素を３重量％含む市販の鋼板をロータコアに用い、ロータコアに用いられる永久磁石としては、信越化学工業株式会社製のＮ３６Ｚを用い、極数は１６、スロット数は２４、巻線方式は集中巻を採用し、巻線は５０回巻、巻線の抵抗値は０．０１Ωを想定した。解析モデルＡ～Ｃのうち、ヨーク構成部１５０１の表面部分のケイ素濃度がその他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも相対的に高い電磁鋼板片１５００をステータコアに用いた解析モデルＡが、本発明の一実施形態に係るモータのモデルである。また、鋼板片への全面浸珪処理を想定した解析モデルＢを比較モデルとし、鋼板片の浸珪処理を想定していない解析モデルＣをリファレンスモデルとした。解析モデルＡ～Ｃの駆動条件は、以下の表２に示す。

　解析モデルＡ～Ｃのトルク及び鉄損について、表２に示した駆動条件に基づいたシミュレーション結果を以下の表３に示す。シミュレーションは、解析モデルＡ～Ｃそれぞれについて、低回転且つ高負荷（回転数［rpm］：1200、電流［Arms］：200）時における駆動、及び高回転且つ低負荷（回転数［rpm］：6000、電流［Arms］：40）時における駆動に対して、ステータコア製造時に生じる圧縮応力を考慮しない場合と、圧縮応力を考慮した場合と、を想定した。尚、以上に説明した解析モデルＡ～Ｃの設計及びシミュレーションには、ＪＭＡＧを用いた。

　表３を参照すると、解析モデルＡ及び解析モデルＢは、解析モデルＣに比べて低回転且つ高負荷での駆動時に鉄損が減少した。しかしながら、低回転且つ高負荷での駆動時における解析モデルＡ及び解析モデルＢの効率は、解析モデルＣの効率と略同じであった。これは、銅損の影響のためと考えられる。解析モデルＡと解析モデルＢとを比較すると、低回転且つ高負荷での駆動時では、解析モデルＢのほうが解析モデルＡに比べて、鉄損が小さいものの、トルクの大きさは、解析モデルＡの方が解析モデルＢよりも大きい。これは、解析モデルＢのモータのステータコアを構成する電磁鋼板片１６００の全面に浸珪処理を行うことを想定したため、解析モデルＢのステータコアで磁束密度が低下した領域が発生し、解析モデルＢのモータのトルクが低下したと考えられる。一方、解析モデルＡは、上述したように解析モデルＢに比べてトルクが大きい。これは、解析モデルＡのモータのステータコアを構成する電磁鋼板片１５００のヨーク構成部１５０１に選択的に浸珪処理を行ったことを想定したため、解析モデルＡにおいて、モータ駆動時の磁束密度が相対的に低い、ステータコアのヨーク部の表面部分のケイ素濃度が、その他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも相対的に高くなり、解析モデルＡのステータコア全体の磁束密度が、解析モデルＢのステータコアの磁束密度よりも高くなったためだと考えられる。また、低回転且つ高負荷での駆動時での解析モデルＡと解析モデルＣのトルクの大きさを比べると、圧縮応力を考慮しなかった場合は、解析モデルＣのトルクの大きさよりも解析モデルＡのトルクの大きさが若干小さいが、圧縮応力を考慮した場合は、解析モデルＡのトルクの大きさは解析モデルＣのトルクの大きさと略同じであった。

　高回転且つ低負荷では、解析モデルＡ及び解析モデルＢは、解析モデルＣに比べて鉄損が減少しており、圧縮応力を考慮しなかった場合は、解析モデルＡ及び解析モデルＢの効率は解析モデルＣの効率と略同じだが、圧縮応力を考慮した場合、解析モデルＡ及び解析モデルＢの効率は解析モデルＣの効率よりも若干向上した。解析モデルＡと解析モデルＢとを比較すると、解析モデルＢのほうが解析モデルＡに比べて、鉄損が小さいものの、トルクの大きさは、解析モデルＡの方が解析モデルＢよりも大きい。これは、解析モデルＡのモータにおいて、モータ駆動時の磁束密度が相対的に低い、ステータコアのヨーク部の表面部分のケイ素濃度が、その他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも相対的に高いため、解析モデルＡのステータコア全体の磁束密度が、解析モデルＢのステータコアの磁束密度よりも高くなったためだと考えられる。また、解析モデルＡと解析モデルＣのトルクの大きさを比べると、圧縮応力を考慮しなかった場合は解析モデルＡと解析モデルＣのトルクの大きさは同一であり、圧縮応力を考慮した場合は、解析モデルＡのトルクの大きさが解析モデルＣのトルクよりも大きくなった。

　以上に述べたシミュレーション結果より、本発明の一実施形態に係るモータのモデルである解析モデルＡのトルク及び効率は、低回転且つ高負荷での駆動時において、リファレンスモデルである解析モデルＣのトルク及び効率と略同じである。また、解析モデルＡは、高回転且つ低負荷での駆動時において、解析モデルＣよりも鉄損が減少し、効率が向上した。また、高回転且つ低負荷での駆動時において、解析モデルＡは、解析モデルＣよりもトルクの大きさが向上したことが分かる。さらに、解析モデルＡは、低回転且つ高負荷での駆動時及び高回転且つ低負荷での駆動時において、解析モデルＢに比べて、効率は略同じながらトルクの大きさが大きくなった。これにより、ステータコアを構成する電磁鋼板片の一部の領域のケイ素濃度が他の領域に比して高くなるように、鋼板片に選択的に浸珪処理を行い、ステータコアを構成する電磁鋼板片の前記一部の領域の表面部分のケイ素濃度を他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高くすることにより、モータ駆動時のステータコア全体の磁束密度を高め、且つステータコアの鉄損を低減することができ、ステータコアを使用するモータの高トルク化及び高出力化を実現することができることがわかる。

１００：ステータコア、１０１：ヨーク部、１０３：ティース部、１０５：鍔部、１０７，１０７ａ：電磁鋼板片、２０１，４０１：ヨーク部構成部、２０３，４０３：ティース部構成部、７００：モータ

Claims

　一体で形成されたヨーク部構成部及びティース部構成部を備える、モータの電磁鋼板片であって、
　一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い、モータの電磁鋼板片。
　前記一部の領域は、前記ヨーク部構成部である、請求項１に記載のモータの電磁鋼板片。
　前記一部の領域または前記ヨーク部構成部のケイ素濃度が３．５重量％～６．５重量％である、請求項１または２に記載のモータの電磁鋼板片。
　前記他の領域のケイ素濃度が３．５重量％未満である、請求項１に記載のモータの電磁鋼板片。
　複数の電磁鋼板片を軸方向に積層することにより形成された積層体を周方向に複数接合して環状に配置結合することにより構成されたモータのステータコアであって、
　各電磁鋼板片は、一体で形成されたヨーク部構成部及びティース部構成部を備え、
　前記電磁鋼板片の一部の表面部分の領域のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い、ステータコア。
　複数の環状の電磁鋼板片を軸方向に積層して構成されたモータのステータコアであって、
　前記電磁鋼板片は、一体で形成されたヨーク部構成部及びティース部構成部を備え、
　前記電磁鋼板片の一部の領域の表面部分のケイ素濃度が他の領域の表面部分のケイ素濃度よりも高い、ステータコア。
　前記一部の領域は、前記ヨーク部構成部である、請求項５または６に記載のステータコア。
前記一部の領域のケイ素濃度が３．５重量％～６．５重量％である、請求項５または６に記載のステータコア。
前記ヨーク部構成部のケイ素濃度が３．５重量％～６．５重量％である、請求項７に記載のステータコア。
　前記他の領域のケイ素濃度が３．５重量％未満である、請求項５または６に記載のステータコア。
　請求項５乃至１０の何れか一項に記載されたステータコアを備えたモータ。
　鋼板をプレス加工して、鋼板片を生成し、
　前記鋼板片の一部の領域にケイ素を含む塗布剤を塗布して加熱する、
　ことを含む、電磁鋼板片の製造方法。
　前記鋼板片は、ヨーク部構成部及びティース部構成部を備え、
　前記一部の領域は、前記ヨーク部構成部である、請求項１２に記載の電磁鋼板片の製造方法。
　前記塗布剤は、浸炭剤を含む、請求項１２または１３に記載の電磁鋼板片の製造方法。
　前記一部の領域または前記ヨーク部構成部のケイ素濃度を３．５重量％～６．５重量％とする、請求項１２または１３に記載の電磁鋼板片の製造方法。
　前記一部の領域を除く他の領域のケイ素濃度を３．５重量％未満とする、請求項１２に記載の電磁鋼板片の製造方法。