JP6878351B2 - モータ - Google Patents

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Description

本発明は、コードレスの家電機器や切削機器及びドローン等に適用して好適な、高速で駆動されるモータに関する。
コードレスの家電機器（例えば掃除機）や切削機器及びドローン等、駆動電源としてバッテリーを使用する機器では、その使用可能時間や重量が製品の価値を大きく左右するために、モータやインバータ等の制御系統における損失低減による高効率化やモータの小型化や高速化が強く求められている。このため、モータは、最小体格、且つ、高効率で目的に応じた最大出力を出力可能なように設計される。一方、モータは、そのような最大出力における回転数（最大回転数）での駆動のほか、回転数が低く出力の低い条件でも駆動する必要があるが、その駆動条件では鉄心が磁石によって必ずしも必要でないレベルまで励磁されることになり、これがモータの高効率化を阻害する。このような背景から、最大出力条件でない駆動条件におけるモータの鉄損を改善すべく、一部の駆動条件では電流進角制御によって鉄心の励磁磁束密度を意図的に下げる制御が用いられることがある。また、このようなモータは、小型軽量化を志向するため回転数が高く、鉄心の励磁周波数は１〜数ｋＨｚという高周波となる。このため、一部の特殊な用途においてはパーメンジュール等の鉄心材料が使用されるが、このような材料はコストが非常に高いため、一般的には無方向性電磁鋼板が鉄心材料として用いられている。
ところで、鉄心で生ずる損失はヒステリシス損と渦流損に分類されるが、高周波励磁になるほど渦流損が主体的になることが知られている。そこで、渦流損を低減すべく、ＳｉやＡｌ等の非磁性元素の添加による鋼板の比抵抗の増大や板厚を薄くする等の対策が講じられている。ところが、このような非磁性元素による合金量を増やすことは鋼板の飽和磁化の低下を招く。このため、特許文献１には、高周波鉄損低減と高磁束密度とを両立する手法として、板厚方向のＳｉ濃度勾配を制御するＳｉ傾斜磁性材料が提案されている。
特許第４６７７９５５号公報
しかしながら、Ｓｉ傾斜磁性材料を励磁周波数が数ｋＨｚの電気機器の鉄心材料として使用すると、渦流損は低減されるものの、先に述べたようなモータ鉄損低減を意図した電流進角制御を適用するモータでは損失改善効果が十分ではない。このような課題は、特に小型化が志向され、電源がバッテリーから供給されるような高速モータにおいては致命的である。鉄心の磁束密度レベルを電流進角制御によって制御するためには大きな磁化力を得る必要がある。つまり、モータ巻線に大きな電流を流すかコイルの巻き数を増大させる必要がある。しかしながら、電流を大きくすると巻線での損失である銅損が増大し、モータ効率が劣化する。また、コイルの巻き数を増大させた場合、モータのロータ磁石による逆起電圧が高まり、高速回転での駆動が難しくなる。このように、限られた電源条件において高効率と小型高速を達成するモータには課題があり、さらにはこのようなモータに適した鉄心材料は見いだされていない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、最大回転数より低い回転数での駆動時に鉄損を低減して高効率化及び小型高速化が可能なモータを提供することにある。
本発明の発明者らは、上記の課題を踏まえ高速モータに適した電磁特性をもつ鉄心材料について鋭意検討を重ねた。その結果、低鉄損だけでなく磁界変化に対する磁束密度の急峻な変化をもつ鉄心材料がモータの高効率化及び小型高速化に有効であることを見出した。なお、本明細書中において、“高速モータ”とは、鉄心の励磁条件の基本成分の最大周波数が１０００Ｈｚを超えるモータのことを意味する。
本発明に係るモータは、最大回転数より低い回転数での駆動時に鉄心の磁束密度を下げるモータ駆動制御を行うことが可能なモータであって、前記モータのコア材料である鋼板が、質量％で、Ｃ：０．０１０％以下、Ｓｉ：２．０％以上７．０％以下、Ａｌ：２．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓ：０．００５％以下、及びＮ：０．００５％以下を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成であり、磁界変化ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する磁束密度の変化ΔＢが０．５０Ｔ以上となる磁束密度変化領域を有し、且つ、板厚が０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の範囲内にあり、且つ、１０００Ｈｚ−１．０Ｔにおける渦流損が全鉄損の０．５５以下であることを特徴とする。
本発明に係るモータは、上記発明において、前記鋼板が、さらに、質量％で、Ｐ：０．０１％以上０．１％以下、Ｓｎ：０．００１％以上０．１％以下、Ｓｂ：０．００１％以上０．１％以下、Ｍｏ：０．００１％以上０．０１％以下の中から選ばれる１種以上を含有することを特徴とする。
本発明に係るモータは、上記発明において、前記鋼板の表面のＳｉ濃度と前記鋼板の中心部のＳｉ濃度の差が０．５％以上４．０％以下の範囲内にあり、前記鋼板の飽和磁束密度Ｂｓが２．０Ｔ以上であることを特徴とする。
本発明に係るモータは、上記発明において、前記磁束密度変化領域が、１Ｔ以上の磁束密度を含む領域に存在することを特徴とする。
本発明によれば、最大回転数より低い回転数での駆動時に鉄損を低減して高効率化及び小型高速化が可能なモータを提供することができる。
図１は、鋼板の外部磁界に対する磁束密度の関係の一例を示す図である。 図２は、２極−３相ブラシレスＤＣモータの構成例を示す模式図である。
以下、本発明に係るモータのコア材料である鋼板の要件とその限定理由について説明する。なお、本発明に係るモータの形式は磁石モータであれば特に制限はない。また、以下の説明において、成分添加量について単に「％」と示したものは「質量％」を意味する。
〔Ｃ：０．０１０％以下〕
鋼板にＣを過度に添加するとモータのヒステリシス損が劣化するため、Ｃの含有量は０．０１０％以下とする。
〔Ｓｉ：２．０％以上７．０％以下〕
Ｓｉは、鋼板の比抵抗を増大させてモータの渦流損を低減するのに有効な添加元素である。しかしながら、鋼板にＳｉを過度に添加すると、モータコアとして加工することが困難となるだけでなく鋼板の飽和磁束密度が低下する。このため、Ｓｉの含有量は、２．０％以上７．０％以下の範囲内とする。なお、Ｓｉを４．０％以上添加すると、鋼板の圧延性が損なわれるので、例えば冷延加工後に化学気相浸珪法を用いてＳｉを追加で添加してもよい。さらに、この場合、鋼板の中心層と表面層のＳｉ濃度差が０．５％以上４．０％以下の範囲内にあり、且つ、飽和磁束密度Ｂｓが２．０Ｔ以上を示すようにＳｉを添加することにより、渦流損を低減しながらもモータ体格を小型化でき有利である。
〔Ａｌ：２．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上１．０％以下〕
Ａｌ，Ｍｎは、鋼板の比抵抗を増大させてモータの渦流損を低減するのに有効な元素である。しかしながら、Ａｌ，Ｍｎを過度に添加すると粒成長性に悪影響をもたらし、モータのヒステリシス損が劣化する。このため、Ａｌの含有量は２．０％以下、Ｍｎの含有量は０．０５％以上１．０％以下の範囲内とする。
〔Ｓ：０．００５％以下、Ｎ：０．００５％以下、残部はＦｅ及び不可避的不純物〕
Ｓ，Ｎは、過度に添加すると析出物の生成によって粒成長性を阻害し、モータのヒステリシス損の増大を招く。このため、Ｓ及びＮの含有量は共に０．００５％以下とし、残部はＦｅ及び不可避的不純物とする。
〔Ｐ：０．０１％以上０．１％以下、Ｓｎ：０．００１％以上０．１％以下、Ｓｂ：０．００１％以上０．１％以下、Ｍｏ：０．００１％以上０．０１％以下の中から選ばれる１種以上〕
上記の組成に加えて、Ｐ：０．０１％以上０．１％以下、Ｓｎ：０．００１％以上０．１％以下、Ｓｂ：０．００１％以上０．１％以下、Ｍｏ：０．００１％以上０．０１％以下の中から選ばれるいずれか１種以上を含有することで鋼板の磁束密度を向上させることが可能であり、添加することが望ましい。但し、いずれの元素の過度の添加は鋼板の製造性や磁気特性を劣化させる。
〔磁界変化ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する磁束密度の変化ΔＢが０．５０Ｔ以上〕
磁界変化ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する磁束密度の変化ΔＢが０．５０Ｔ以上となる急峻な磁束密度変化を持つ鋼板は、バッテリー駆動等の電源(電圧、電流、あるいはその両方)に制限があるモータの駆動時における磁束密度の制御を容易にさせる。
例えば図１に鋼板の外部磁界Ｈに対する磁束密度Ｂの関係の一例を示す。発明例（曲線Ｌ１）では、点Ａから点Ｂにかけての外部磁界Ｈの変化ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する磁束密度Ｂの変化ΔＢが０．５０Ｔ以上ある。これに対して、比較例（曲線Ｌ２）では、外部磁界Ｈの変化ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する磁束密度Ｂの変化ΔＢが０．５０Ｔ以上の領域が存在しない。ここで、例えば磁石による励磁磁束密度を点Ａの磁束密度近傍で設計すると、発明例では、鉄心の磁束密度を点Ｂの磁束密度まで低下させる電流制御を行うのに必要な磁化力は５０Ａ／ｍとなる。これに対して、比較例では、点Ａの磁束密度と同じ磁束密度から点Ｂの磁束密度と同じ磁束密度まで鉄心の磁束密度を低下させるためには１４０Ａ／ｍの磁化力が必要となる。しかしながら、電源に制限がある場合には、実際にはそれほど強い磁化力が得られないので、磁束密度を低減できず、結果として電流制御によるモータ鉄損低減効果が得られなくなる。
以上の理由から、本発明に係るモータのコア材料に用いる鋼板は、磁界変化ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する磁束密度の変化ΔＢが０．５０Ｔ以上となる急峻な磁束密度変化領域を有する。さらに、この急峻な磁束密度変化領域が１Ｔ以上の磁束密度を含む領域に存在すれば、以上のような電流制御を達成しながらも鉄心の磁束密度を高く維持できるため、モータを小型化することができる。
〔板厚：０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下〕
鋼板の板厚を低減することはモータの渦電流を低減させるのに有効であるが、鋼板の板厚が薄いほど製造コストやモータコアの形成にコストの増大を招く。このため、鋼板の板厚は、０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の範囲内とする。
〔１０００Ｈｚ−１．０Ｔにおける渦流損が全鉄損の０．５５以下〕
小型高速モータにおける励磁周波数は数百〜１０ｋＨｚ程度であり、さらに実際のモータ駆動ではインバータによるＰＷＭ励磁等によって高周波での鉄損が重要となる。このような高周波での損失は渦流損が支配的になるため、１０００Ｈｚ−１．０Ｔにおける渦流損がヒステリシス損より小さくない場合、鉄心で生じる損失が大きく、モータの効率を損なうだけでなく、発熱を避けるためにモータ体格を大型化しなければならない。このため、１０００Ｈｚ−１．０Ｔにおける渦流損は全鉄損の０．５５以下とする。なお、ここで規定する渦流損とは、ＪＩＳ Ｃ ２５５０−１に規定されている方法で測定された磁気特性に対して、いわゆる２周波法により計算したものとする。但し、モータコアが磁気的に閉じている形状であれば、１次巻線および２次巻線を施しリングコアとして測定した磁気特性を用いてもよく、いずれかの磁気特性が上記規定を満足すればよい。
本発明に係るモータのコア材料に用いる鋼板としては、上記の要件を満たしている鋼板を選択すればよいが、上記の要件を満たすような鋼板の製造方法の望ましい条件は以下の通りである。
鋼スラブの熱間圧延条件としては、特に限定は無く公知の方法で行えばよいが、省エネルギーの観点からスラブ加熱温度は１２５０℃以下であることが望ましく、熱延鋼板の仕上厚は２．０ｍｍ以下とすることが望ましい。これは、最終仕上厚が０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の範囲内にあり冷延の圧下率が高いと、再結晶後の集合組織中で磁化に不利な（１１１）結晶面が増えてしまうためである。但し、中間焼鈍を挟んで冷延を２回行う場合はこの限りではない。熱間圧延後、必要に応じて焼鈍処理を施した後、０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の板厚に鋼板を冷間圧延する。その後、Ｐ（Ｈ２Ｏ）／Ｐ（Ｈ２）で表される雰囲気酸化性を０．０１０以下に制御した雰囲気として９００℃以上１２５０℃以下の温度域で均熱保持する仕上焼鈍を施す。ここで、６００℃以上９００℃以下の温度域での加熱速度を２５℃／ｓ以上とすることで集合組織を改善し優れた磁気特性が得られる。加熱速度は好ましくは１００℃／ｓ以上、さらに好ましくは２００℃／ｓ以上である。さらに、仕上焼鈍において化学気相浸珪法によって１２００℃以上で鋼中Ｓｉ濃度／分布を制御することによりさらに優れた磁気特性が得られる。以上のような各製造条件を適宜調整することで、本発明に係るモータのコア材料である鋼板を製造できる。なお、モータコアを形成するに当たっては、打抜きやワイヤカットなどの手法がある。いずれの手法でも要件を満たしていれば本発明の効果は得られるが、打抜きによるコア材料への歪導入はコア材料の磁化特性に影響を与えることが知られているので、打抜きの手法を用いた場合には歪取り焼鈍を施すことが望ましい。
以下の表１に示した成分の鋼スラブ（鋼記号Ａ〜Ｆ）を１２００℃に加熱した後、熱間圧延によって板厚１．８ｍｍの熱延鋼板とした。引き続き、１０００℃×３０ｓの焼鈍処理を施した後、冷間圧延によって０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の板厚に仕上げた。さらに、仕上焼鈍を以下の表２に示す条件（実験番号１〜１３）で行った結果、以下の表２に示す磁気特性（ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する最大磁束密度変化ΔＢ（Ｔ）及びＷ１０／１００における渦流損比率）が得られた。磁気特性は、ＪＩＳ Ｃ ２５５０−１に規定されている方法で測定した。さらに、同様に冷間圧延まで施した冷延鋼板に対し、仕上焼鈍において化学気相浸珪法によって１２００℃で四塩化珪素雰囲気下で浸珪処理を施したものについて処理時間と磁気特性を以下の表３に示す。なお、浸珪処理を施した実験条件については、浸珪処理によってＳｉ及びＣの濃度に変化が生じるので、処理後の成分値も併せて示した。それ以外の条件では、鋼スラブの成分と鉄心に用いる鋼板の成分は同じであった。
Figure 0006878351
Figure 0006878351
Figure 0006878351
表２，３に示す鋼板を用いて鉄心を作製しモータの効率を評価した。評価対象のモータは図２に形状寸法を示した２極−３相ブラシレスＤＣモータ(駆動電圧２５．２Ｖ)である。鉄心は積層厚１５ｍｍとし、積層した鋼板を含侵法で接着した。モータの効率は、最大回転数より低い駆動条件としての駆動条件Ａ（５００００ｒｐｍ−１０ｍＮｍ−電流進角３０ｄｅｇの正弦波駆動）及び最大回転数での駆動条件としての駆動条件Ｂ（８５０００ｒｐｍ−２５Ｎｍ−電流進角０ｄｅｇの正弦波駆動）で評価した。評価結果を以下の表４に示す。表４に示すように、磁界変化ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する磁束密度の変化ΔＢが０．５０Ｔ以上となる急峻な磁束密度変化領域を有し、１０００Ｈｚ−１．０Ｔにおける渦流損が全鉄損の０．５５以下となる発明例では、駆動条件Ａ，Ｂ共にモータ効率に優れ、平均のモータ効率が８５％を超えるものとなった。これに対して、上記の条件を満たさない比較例では、駆動条件Ａ，Ｂのいずれか又は両方におけるモータ効率が発明例に対し劣位であり、平均のモータ効率は８５％に満たなかった。
Figure 0006878351

Claims (3)

  1. 最大回転数より低い回転数での駆動時に鉄心の磁束密度を下げるモータ駆動制御を行うことが可能なモータであって、
    前記モータのコア材料である鋼板が、
    質量％で、Ｃ：０．０１０％以下、Ｓｉ：２．０％以上７．０％以下、Ａｌ：２．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上１．０％以下、Ｓ：０．００５％以下、及びＮ：０．００５％以下を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成であり、
    磁界変化ΔＨ＝５０Ａ／ｍに対する磁束密度の変化ΔＢが０．５０Ｔ以上となる磁束密度変化領域を有し、且つ、板厚が０．０５ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の範囲内にあり、且つ、１０００Ｈｚ−１．０Ｔにおける渦流損が全鉄損の０．５５以下であること
    を特徴とするモータ。
  2. 前記鋼板が、さらに、質量％で、Ｐ：０．０１％以上０．１％以下、Ｓｎ：０．００１％以上０．１％以下、Ｓｂ：０．００１％以上０．１％以下、Ｍｏ：０．００１％以上０．０１％以下の中から選ばれる１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のモータ。
  3. 前記磁束密度変化領域が、１Ｔ以上の磁束密度を含む領域に存在することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ。
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