TWI699437B - 馬達 - Google Patents

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Abstract

本發明的馬達為於以低於最大轉速的轉速驅動時能夠進行降低鐵心的磁通量密度的馬達驅動控制的馬達，所述馬達的特徵在於，作為馬達的芯材料的鋼板為以質量%計含有C：0.010%以下、Si：2.0%以上且7.0%以下、Al：2.0%以下、Mn：0.05%以上且1.0%以下、S：0.005%以下、以及N：0.005%以下，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質的組成，具有相對於磁場變化ΔH=50 A/m而言的磁通量密度的變化ΔB為0.50 T以上的磁通量密度變化區域，且板厚處於0.05 mm以上且0.20 mm以下的範圍內，且1000 Hz-1.0 T下的渦流損失為總鐵損的0.55以下。

Description

馬達
本發明是有關於一種較佳地應用於無繩(cordless)的家電設備或切削設備以及無人飛機(drone)等的以高速驅動的馬達。
於無繩的家電設備(例如吸塵器)或切削設備以及無人飛機等使用電池(battery)作為驅動電源的設備中，其可使用時間或重量大大影響製品的價值，因此強烈要求藉由降低馬達或反相器(inverter)等控制系統的損失來實現高效率化或馬達的小型化或高速化。因此，馬達被設計成能夠以最小外型、且高效率地輸出與目的對應的最大輸出。另一方面，馬達除了以此種最大輸出的轉速(最大轉速)進行驅動以外，亦需要於轉速低且輸出低的條件下進行驅動，但於該驅動條件下，鐵心被磁鐵激發至未必需要的水準，該情形阻礙馬達的高效率化。根據此種背景，為了改善不是最大輸出條件的驅動條件下的馬達的鐵損，有時使用在一部分驅動條件下藉由電流前進角控制來有意地降低鐵心的激發磁通量密度的控制。另外，此種馬達為了實現小型輕量化而轉速變高，且鐵心的激發頻率成為1kHz~數kHz的高頻。因此，於一部分特殊的用途中使用鐵鈷合金(Permendur)等鐵心材料，但由 於此種材料的成本非常高，因此，一般而言使用無方向性電磁鋼板作為鐵心材料。
且說，鐵心中產生的損失被分類為磁滯損失(hysteresis loss)與渦流損失，已知越是高頻激發，渦流損失越成為主體。因此，為了降低渦流損失，採取了藉由添加Si或Al等非磁性元素來增大鋼板的比電阻或使板厚變薄等對策。但是，增加此種非磁性元素的合金量會導致鋼板的飽和磁化的降低。因此，專利文獻1中，作為兼顧高頻鐵損降低與高磁通量密度的方法，提出有一種控制板厚方向的Si濃度梯度的Si傾斜磁性材料。
[現有技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利第4677955號公報
但是，若將Si傾斜磁性材料用作激發頻率為數kHz的電氣設備的鐵心材料，則雖然渦流損失降低，但於應用如上所述的旨在降低馬達鐵損的電流前進角控制的馬達中，損失改善效果並不充分。此種課題尤其於意欲實現小型化、自電池供給電源的高速馬達中是致命的。為了藉由電流前進角控制來控制鐵心的磁通量密度水準，需要獲得大的磁化力。即，需要於馬達繞組中流過大的電流或增大線圈的匝數。但是，若增大電流，則作為繞組中的損失的銅損增大，馬達效率變差。另外，於使線圈的匝數增 大的情況下，由馬達的轉子磁鐵引起的反向電壓升高，高速旋轉下的驅動變得困難。如此，於有限的電源條件下實現高效率與小型高速的馬達存在課題，進而，未發現適於此種馬達的鐵心材料。
本發明是鑒於所述課題而完成者，其目的在於提供一種於以低於最大轉速的轉速驅動時能夠降低鐵損而實現高效率化及小型高速化的馬達。
本發明的發明者等人基於所述課題，對具有適於高速馬達的電磁特性的鐵心材料反覆進行了努力研究。結果發現，不僅具有低鐵損，而且具有相對於磁場變化的磁通量密度的急劇變化的鐵心材料對於馬達的高效率化及小型高速化而言是有效的。再者，本說明書中，所謂“高速馬達”，是指鐵心的激發條件的基本成分的最大頻率超過1000Hz的馬達。
本發明的馬達為於以低於最大轉速的轉速驅動時能夠進行降低鐵心的磁通量密度的馬達驅動控制的馬達，所述馬達的特徵在於，作為所述馬達的芯材料的鋼板為以質量%計含有C：0.010%以下、Si：2.0%以上且7.0%以下、A1：2.0%以下、Mn：0.05%以上且1.0%以下、S：0.005%以下、以及N：0.005%以下，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質的組成，具有相對於磁場變化△H=50A/m而言的磁通量密度的變化△B為0.50T以上的磁通量密度變化區域，且板厚處於0.05mm以上且0.20mm以下的範圍內，且1000Hz-1.0T下的渦流損失為總鐵損的0.55以下。
本發明的馬達的特徵在於，於所述發明中，所述鋼板進而以質量%計含有選自P：0.01%以上且0.1%以下、Sn：0.001%以上且0.1%以下、Sb：0.001%以上且0.1%以下、Mo：0.001%以上且0.01%以下中的一種以上。
本發明的馬達的特徵在於，於所述發明中，所述鋼板的表面的Si濃度與所述鋼板的中心部的Si濃度之差處於0.5%以上且4.0%以下的範圍內，所述鋼板的飽和磁通量密度Bs為2.0T以上。
本發明的馬達的特徵在於，於所述發明中，所述磁通量密度變化區域存在於包含1T以上的磁通量密度的區域。
根據本發明，可提供一種於以低於最大轉速的轉速驅動時能夠降低鐵損而實現高效率化及小型高速化的馬達。
A、B:點
L1、L2:曲線
△B:磁通量密度的變化
△H:磁場變化
20:繞組(25匝/相)
22:轉子磁鐵
24:定子鐵心
圖1是表示鋼板的磁通量密度相對於外部磁場的關係的一例的圖。
圖2是表示2極-3相無刷直流(direct current，DC)馬達的結構例的示意圖。
以下，對作為本發明的馬達的芯材料的鋼板的必要條件及其限定理由進行說明。再者，本發明的馬達的類型只要為磁鐵 馬達，則無特別限制。另外，於以下的說明中，關於成分添加量，僅表示為「%」者是指「質量%」。
[C：0.010%以下]
若於鋼板中過度添加C，則馬達的磁滯損失變差，因此C的含量設為0.010%以下。
[Si：2.0%以上且7.0%以下]
Si是對於增大鋼板的比電阻來降低馬達的渦流損失而言有效的添加元素。但是，若於鋼板中過度添加Si，則不僅難以作為馬達芯進行加工，而且鋼板的飽和磁通量密度降低。因此，Si的含量設為2.0%以上且7.0%以下的範圍內。再者，若添加4.0%以上的Si，則鋼板的軋製性受損，因此，例如亦可於冷軋加工後使用化學氣相滲矽法追加添加Si。進而，於該情況下，以使鋼板的中心層與表面層的Si濃度差處於0.5%以上且4.0%以下的範圍內，且飽和磁通量密度Bs顯示為2.0T以上的方式添加Si，藉此，則降低渦流損失，且同時可使馬達外型小型化，是有利的。
[Al：2.0%以下、Mn：0.05%以上且1.0%以下]
Al、Mn是對於增大鋼板的比電阻來降低馬達的渦流損失而言有效的元素。但是，若過度添加Al、Mn，則對晶粒生長性帶來不良影響，馬達的磁滯損失變差。因此，Al的含量設為2.0%以下，Mn的含量設為0.05%以上且1.0%以下的範圍內。
[S：0.005%以下、N：0.005%以下、剩餘部分為Fe及不可避免的雜質]
S、N若過度添加，則因析出物的生成而阻礙晶粒生長性，導致馬達的磁滯損失的增大。因此，S及N的含量均設為0.005%以下，剩餘部分設為Fe及不可避免的雜質。
[選自P：0.01%以上且0.1%以下、Sn：0.001%以上且0.1%以下、Sb：0.001%以上且0.1%以下、Mo：0.001%以上且0.01%以下中的一種以上]
藉由除了所述組成以外，亦含有選自P：0.01%以上且0.1%以下、Sn：0.001%以上且0.1%以下、Sb：0.001%以上且0.1%以下、Mo：0.001%以上且0.01%以下中的任一種以上，從而能夠提高鋼板的磁通量密度，理想的是進行添加。但是，任一元素的過度添加均會使鋼板的製造性或磁特性變差。
[相對於磁場變化△H=50 A/m而言的磁通量密度的變化△B為0.50T以上]
具有相對於磁場變化△H=50 A/m而言的磁通量密度的變化△B為0.50T以上的急劇的磁通量密度變化的鋼板使得電池驅動等的電源(電壓、電流、或該兩者)存在限制的馬達驅動時的磁通量密度的控制變得容易。
例如圖1中表示鋼板的磁通量密度B相對於外部磁場H的關係的一例。發明例(曲線L1)中，相對於自點A至點B的外部磁場H的變化△H=50 A/m而言的磁通量密度B的變化△B為0.50T以上。相對於此，比較例(曲線L2)中，不存在相對於外部磁場H的變化△H=50 A/m而言的磁通量密度B的變化△B為 0.50T以上的區域。此處，例如若於點A的磁通量密度附近設計由磁鐵產生的激發磁通量密度，則於發明例中，進行使鐵心的磁通量密度下降至點B的磁通量密度的電流控制所需要的磁化力為50 A/m。相對於此，比較例中，為了使鐵心的磁通量密度自與點A的磁通量密度相同的磁通量密度下降至與點B的磁通量密度相同的磁通量密度，需要140 A/m的磁化力。但是，於電源存在限制的情況下，實際上無法獲得那麼強的磁化力，因此無法降低磁通量密度，結果，無法獲得由電流控制帶來的馬達鐵損降低效果。
根據以上理由，本發明的馬達的鐵心材料中使用的鋼板具有相對於磁場變化△H=50 A/m而言的磁通量密度的變化△B為0.50T以上的急劇的磁通量密度變化區域。進而，若該急劇的磁通量密度變化區域存在於包含1T以上的磁通量密度的區域，則實現如上所述的電流控制，且同時可將鐵心的磁通量密度維持得高，因此可使馬達小型化。
[板厚：0.05mm以上且0.20mm以下]
降低鋼板的板厚對於降低馬達的渦電流而言是有效的，但鋼板的板厚越薄，製造成本或馬達芯的形成越導致成本的增大。因此，鋼板的板厚設為0.05mm以上且0.20mm以下的範圍內。
[1000Hz-1.0T下的渦流損失為總鐵損的0.55以下]
小型高速馬達的激發頻率為數百Hz~10kHz左右，進而，於實際的馬達驅動中，由於利用反相器進行的脈波寬度調制(pulse width modulation，PWM)激發等，而高頻下的鐵損變得重要。此 種高頻下的損失由於渦流損失佔支配地位，因此，於1000Hz-1.0T下的渦流損失不比磁滯損失小的情況下，鐵心中產生的損失大，不僅損害馬達的效率，而且為了避免發熱，必須使馬達外型大型化。因此，1000Hz-1.0T下的渦流損失設為總鐵損的0.55以下。再者，此處規定的渦流損失設為，對於利用日本工業標準(Japanese Industrial Standards，JIS)C 2550-1所規定的方法測定的磁特性，藉由所謂的雙頻法計算所得者。但是，若馬達芯為磁性閉合的形狀，則亦可使用實施初級繞組及次級繞組並作為環形芯(ring core)而測定的磁特性，只要任一磁特性滿足所述規定即可。
本發明的馬達的芯材料中使用的鋼板只要選擇滿足所述必要條件的鋼板即可，滿足所述必要條件的鋼板的製造方法的理想條件如下所述。
作為鋼坯的熱軋條件，並無特別限定，利用公知的方法進行即可，但就節能的觀點而言，鋼坯加熱溫度理想的是1250℃以下，熱軋鋼板的精加工厚度理想的是2.0mm以下。其原因在於，若最終精加工厚度處於0.05mm以上且0.20mm以下的範圍內，且冷軋的壓下率高，則於再結晶後的織構中，對磁化不利的(111)結晶面增加。但是，於隔著中間退火而進行2次冷軋的情況下，不限於此。熱軋後，視需要實施退火處理後，將鋼板冷軋至0.05mm以上且0.20mm以下的板厚。其後，設為將由P(H2O)/P(H2)表示的環境氧化性控制為0.010以下的環境，並實施於900℃以上且1250℃以下的溫度區域內進行均熱保持的最終退火。此處，藉 由將600℃以上且900℃以下的溫度區域內的加熱速度設為25℃/s以上，可改善織構，並獲得優異的磁特性。加熱速度較佳為100℃/s以上，進而佳為200℃/s以上。進而，於最終退火中，藉由化學氣相滲矽法於1200℃以上控制鋼中Si濃度/分佈，藉此獲得更優異的磁特性。藉由適當調整以上的各製造條件，可製造作為本發明的馬達的芯材料的鋼板。再者，當形成馬達芯時，有衝壓或線切割(wire-cut)等方法。於任一方法中，只要滿足必要條件，則可獲得本發明的效果，已知由衝壓引起的向芯材料的應變導入會對芯材料的磁化特性造成影響，因此，於使用衝壓的方法的情況下，理想的是實施去應變退火。
[實施例]
將以下表1所示成分的鋼坯(鋼記號A~鋼記號F)加熱至1200℃後，藉由熱軋而製成板厚1.8mm的熱軋鋼板。繼而，實施1000℃×30s的退火處理後，藉由冷軋而精加工為0.05mm以上且0.20mm以下的板厚。進而，於以下表2所示的條件(實驗編號1~實驗編號13)下進行最終退火，結果獲得以下表2所示的磁特性(相對於△H=50A/m而言的最大磁通量密度變化△B(T)以及W10/100下的渦流損失比率)。磁特性是藉由JIS C 2550-1所規定的方法進行測定。進而，關於在最終退火中藉由化學氣相滲矽法以1200℃於四氯化矽環境下對同樣地實施至冷軋為止的冷軋鋼板實施滲矽處理所得者，將處理時間與磁特性示於以下的表3。再者，關於實施滲矽處理的實驗條件，因滲矽處理而Si及C的濃度 發生變化，故將處理後的成分值亦一併示出。於除此以外的條件下，鋼坯的成分與鐵心所使用的鋼板的成分相同。
Figure 108114587-A0305-02-0011-1
[表2]
Figure 108114587-A0305-02-0012-2
[表3]
Figure 108114587-A0305-02-0013-3
使用表2、表3所示的鋼板製作鐵心，並評價馬達的效率。作為評價對象的馬達為於圖2中示出了形狀尺寸的2極-3相無刷DC馬達(驅動電壓25.2V)。圖2的2極-3相無刷DC馬達包括繞組(25匝/相)20、轉子磁鐵22、及定子鐵心24。鐵心的積層厚度設為15mm，利用浸漬法將積層而成的鋼板加以黏接。馬達的效率是於作為低於最大轉速的驅動條件的驅動條件A(50000rpm-10mNm-電流前進角30度(degree)的正弦波驅動) 以及作為最大轉速下的驅動條件的驅動條件B(85000rpm-25Nm-電流前進角0度的正弦波驅動)下進行評價。將評價結果示於以下的表4中。如表4所示，於具有相對於磁場變化△H=50A/m而言的磁通量密度的變化△B為0.50T以上的急劇的磁通量密度變化區域、且1000Hz-1.0T下的渦流損失為總鐵損的0.55以下的發明例中，驅動條件A、驅動條件B下的馬達效率均優異，平均的馬達效率超過85%。相對於此，於不滿足所述條件的比較例中，驅動條件A、驅動條件B中的任一者或兩者的馬達效率較發明例差，平均的馬達效率未滿85%。
[表4]
Figure 108114587-A0305-02-0015-4
[產業上之可利用性]
根據本發明，可提供一種於以低於最大轉速的轉速驅動時能夠降低鐵損而實現高效率化及小型高速化的馬達。
A、B‧‧‧點
L1、L2‧‧‧曲線
ΔB‧‧‧磁通量密度的變化
ΔH‧‧‧磁場變化

Claims (3)

  1. 一種馬達，其於以低於最大轉速的轉速驅動時能夠進行降低鐵心的磁通量密度的馬達驅動控制，所述馬達的特徵在於，作為所述馬達的芯材料的鋼板包括：以質量%計含有C：0.010%以下、Si：2.0%以上且7.0%以下、Al：2.0%以下、Mn：0.05%以上且1.0%以下、S：0.005%以下、以及N：0.005%以下，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質的組成；以及具有相對於磁場變化△H=50 A/m而言的磁通量密度的變化△B為0.50T以上的磁通量密度變化區域，且板厚處於0.05mm以上且0.20mm以下的範圍內，且1000Hz-1.0T下的渦流損失為總鐵損的0.55以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的馬達，其中所述鋼板進而以質量%計含有選自P：0.01%以上且0.1%以下、Sn：0.001%以上且0.1%以下、Sb：0.001%以上且0.1%以下、Mo：0.001%以上且0.01%以下中的一種以上。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的馬達，其中所述磁通量密度變化區域存在於包含1T以上的磁通量密度的區域。
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