(57)【要約】【課題】コア外周から圧縮力が付加された状態での使用に際しても鉄損の劣化や電動パワーステアリングモータにおけるロストルクの増大を軽減できるモータコアを提供する。【解決手段】ティース部とバックヨーク部を有する電磁鋼板の積層体で構成されるステータをそなえ、該ステータの円周方向に10MPa以上の圧縮応力が付与されるモータにおいて、該バックヨークの積層方向に0.3MPa以上の圧縮応力を付与する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ティース部とバックヨーク部を有する電磁鋼板の積層体で構成されるステータをそなえ、該ステータの円周方向に10MPa以上の圧縮応力が付与されるモータにおいて、該バックヨークの積層方向に0.3MPa以上の圧縮応力を付与することを特徴とするモータコア。
【請求項２】
打ち抜きにより作製されるモータコア用電磁鋼板のばり高さを10μm以下とすることを特徴とする請求項１記載のモータコア。
【請求項３】
前記モータコアが、電動パワーステアリング用モータに用いられるものである請求項１または２に記載のモータコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータコアに関し、特にコア外周から圧縮力が付加された場合に懸念されるコア鉄損の劣化を効果的に低減しようとするものである。
また、本発明は、自動車の電動パワーステアリング用モータのモータコアに利用して、モータのロストルクの低減を図ろうとするものである。
【背景技術】
【０００２】
家庭用エアコンのコンプレッサーモータは、可変速運転が行われており、最高周波数は200〜400Hz程度であって、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御等により数kHzのキャリア周波数が重畳した状態で使用されている。
また、最近急速に普及しているハイブリッド電気自動車の駆動モータや発電機も、高出力、小型化の観点から数kHzの周波数で駆動されている。
【０００３】
このようなモータのコア材として使用される無方向性電磁鋼板には、高周波鉄損の低いものが要望されていて、（Si＋Al）量が３〜４質量％程度の高グレードの電磁鋼板が使用されている。
【０００４】
ところで、コンプレッサーモータでは、モータコア締結に焼きばめが適用されているため、モータコアはその外周から100MPa程度の圧縮力が付加された状態で使用されている。また、ハイブリッドＥＶ（Electric Vehicle）の駆動モータにも、樹脂モールド等が施されることから、モータコアにはその外周から圧縮力が付加されることとなる。
しかしながら、このような圧縮応力下において電磁鋼板の磁気特性は大きく劣化することが知られている。
【０００５】
また、最近では、自動車のパワーステアリングとして、電動パワーステアリング（以下、ＥＰＳという）が用いられるようになってきており、このＥＰＳ用モータのコア材としては無方向性電磁鋼板が用いられている。
従来の自動車のパワーステアリングである油圧パワーステアリングは、ハンドル操作をしない場合にも油圧を保持しているため、ハンドル操作時以外にもエネルギーを消費する。しかし、ＥＰＳでは、ハンドル操作時のみモータを駆動する方式なので、エネルギーの消費が少なく、油圧パワーステアリングに比べると、燃費が３〜５％程度向上すると言われている。このため、ＥＰＳは近年、小型車を中心に急速に普及が進んでおり、最近では、高トルクの出せる油圧パワーステアリングが有利と言われていた大型車への適用も試みられている。
【０００６】
ＥＰＳモータに求められる特性としては、高出力、高効率はもちろんのこと、ハンドルの空回り時に生じる、いわゆるロストルクが低いことが挙げられる。すなわち、自動車ではコーナリング後、ハンドルが自動的に直進位置に戻るように設計されているが、モータのロストルクが大きいとハンドルの戻りが遅くなり、操舵感が損なわれるという問題が生じる。
このモータのロストルクの原因について発明者らが調査したところ、軸受け損等の機械的な摩擦以外に、モータコア材料の無方向性電磁鋼板のヒステリシス損に起因したトルクの発生があることを見出した（特許文献１参照）。このため、ＥＰＳモータコアのロストルクの低減化にはヒステリシス損の低減が求められる。
【０００７】
さらに、最近では、コア材料の歩留まり向上の観点から、ＥＰＳモータにおいても分割コアが適用されるようになってきているが、分割コアは一体化するための焼きばめが施される。この時、モータコアには外周から５０〜１００MPa程度の圧縮力が加わることになる。このような圧縮応力下では、モータコアのヒステリシス損が大きく劣化し、その結果、ロストルクも大きなものとなる。このために、焼きばめタイプのＥＰＳモータにおいては、ロストルク低減が重大な課題となっている。
【０００８】
ここに、圧縮応力下での鉄損特性を改善するものとして、例えば特許文献２には、Si：2.6〜４％、比抵抗：50〜75×10-8Ωｍ、結晶粒径：60〜165μmとした無方向性電磁鋼板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第4165848号公報
【特許文献２】特許第4023183号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に開示の材料を用いても、コア外周からの圧縮力付加による鉄損劣化量は従来材に比べて著しく改善されるわけではなく、そのため、かかる圧縮力下での鉄損の劣化を抑制する手法が求められていた。
【００１１】
本発明は、上記の要請に有利に応えるもので、コア外周から圧縮力が付加された状態での使用に際しても、鉄損の劣化を効果的に抑制することができるモータコアを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意検討を重ねたところ、モータコアの無方向性電磁鋼板の積層方向に圧縮力を付加することにより、モータコアを製造する際に、ステータの焼きばめなどで付加される、円周方向への圧縮応力に起因した鉄損の劣化が効果的に軽減されることの知見を得た。
本発明は上記の知見に立脚するものである。
【００１３】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．ティース部とバックヨーク部を有する電磁鋼板の積層体で構成されるステータをそなえ、該ステータの円周方向に10MPa以上の圧縮応力が付与されるモータにおいて、該バックヨークの積層方向に0.3MPa以上の圧縮応力を付与することを特徴とするモータコア。
【００１４】
２．打ち抜きにより作製されるモータコア用電磁鋼板のばり高さを10μm以下とすることを特徴とする前記１記載のモータコア。
【００１５】
３．前記モータコアが、電動パワーステアリング用モータに用いられるものである前記１または２に記載のモータコア。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ステータの円周方向に圧縮応力が付加された使用状態下においても、鉄損の低いモータコアを得ることができる。
従って、本発明のモータコアを用いることにより、焼きばめや樹脂モールド等によりコア材料に圧縮力が付加されるエアコンコンプレッサーモータや、ハイブリッドＥＶ用駆動モータ、ＥＶ用駆動モータ、ＦＣＥＶ用駆動モータ、高速発電機等において、その鉄損を低減することが可能となる。
また、自動車の電動パワーステアリング用モータのロストルクを効果的に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】モータコアにその外周から圧縮力が付加された状態およびバックヨークの積層方向に圧縮応力を付与する要領を示した図である。
【図２】ステータコアの円周方向の圧縮応力と鉄損との関係を示した図である。
【図３】積層方向の圧縮応力と鉄損との関係を示した図である。
【図４】電磁鋼板のバリ高さと鉄損との関係を示した図である。
【図５】ステータコアの円周方向の圧縮応力とロストルクとの関係を示した図である。
【図６】積層方向の圧縮応力とロストルクとの関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の解明経緯について説明する。
家電用エアコンコンプレッサーモータやハイブリッド電気自動車用のモータでは、コアを固定するために、ハウジングの焼きばめやハウジングへの圧入が行われる。この焼きばめや圧入によりモータコアに付加される圧縮応力は20〜150MPa程度と言われており、かような圧縮応力下での鉄損劣化抑制手法が望まれていた。
【００１９】
まず、発明者らは、このような圧縮応力下での鉄損特性について詳細な検討を行ったところ、圧縮応力によってヒステリシス損だけでなく渦電流損も増加することが明らかとなった。ここで、ハイブリッドＥＶモータやエアコンコンプレッサーモータなどは高周波域で駆動されるだけでなく、インバーター制御が行われているため数kHzの高調波も加わっていることから、渦電流損による鉄損劣化を抑制することが重要となる。
【００２０】
ついで、発明者らは、この渦電流損劣化の原因について検討したところ、ステータコア（モータコア）に圧縮応力が付加された場合、それを緩和するためにステータを構成する電磁鋼板の板面垂直方向に磁化ベクトルが向くことが明らかとなった。この電磁鋼板の板面垂直方向に磁化ベクトルが向いた状態でステータが磁化されると板面内で渦電流が流れることとなり、これが鉄損劣化の原因となることが明らかとなった。
【００２１】
ここに、発明者らは、磁化ベクトルが電磁鋼板の板面垂直方向を向くことを抑制することが渦電流損抑制の観点で重要と考え、その対策として、電磁鋼板の板面垂直方向すなわち積層方向に応力を付加することに想い至った。
【００２２】
上記の考えを検証するため、板厚：0.35mmの３％Si鋼板を用い、12スロットのステータコアを打ち抜きにより作製した。ここで、ステータ外径は100mm、積み厚は60mmとした。
ついで、このコアに、焼きばめ代：５〜50μmで焼きばめを行った。その際、コアバック中央部の円周方向の圧縮応力を歪みゲージを用いて測定したところ、円周方向の圧縮応力（焼きばめ応力）は５〜50MPaであった。
さらに、積層方向に圧縮応力を付与するため、図１に示すように、バックヨーク部１に非磁性ステンレスで作製したリング２を取り付け、このリング２を油圧プレスで、図中に縦方向矢印で示すコア積層方向に締めることにより、種々の圧縮力を付与した。その際の圧縮力は、リングとステータコア間に感圧紙を挟むことにより測定した。なお、図１中、番号３はティース部、４は焼きばめリング（ハウジング）である。また、図１(ｂ)中、矢印が示す方向５が圧縮応力のかかる円周方向である。
【００２３】
図２に、ステータコアの円周方向の圧縮応力がコア鉄損に及ぼす影響ついて調べた結果を示す。なお、ステータコアの鉄損は、バックヨーク部の非磁性体の上から励磁コイル、ピックアップコイルを巻き線とし、ステータコア円周方向の鉄損を測定することにより求めた。
同図に示したとおり、コア外周からの圧縮応力が10MPa以上になると、鉄損の劣化が顕著になることを確認した。
【００２４】
図３に、焼きばめ応力（円周方向の圧縮応力）が30MPaであるモータコアおよびかような焼きばめを行わなかったモータコアについて、積層方向（板面垂直方向）に圧縮力を付与した際の付与応力とコア鉄損との関係について調査した結果を示す。
同図から明らかなように、焼きばめを行わない場合は、積層方向に圧縮力を付与しても鉄損の変化はほとんどなかったが、焼きばめを行った場合には、積層方向に圧縮力を付与することによって、鉄損が大きく改善されることがわかる。特に付与応力が0.3MPa以上の場合に改善代が大きいことが判明した。
そこで、本発明では、積層方向の圧縮応力は0.3MPa以上、より好ましくは0.5MPa以上とした。但し、積層方向に付与する圧縮応力があまりに大きいと、コア変形等の弊害を招くおそれがあるので、付与応力は100MPa以下とすることが好ましい。
なお、本発明に用いるモータコア用電磁鋼板、その他モータ部品、部材は、従来公知の部品、部材を用いることができ、また、モータの構造も特段の限定を有しない。
【００２５】
従来のモータコアにおいても、カシメ等により積層方向に圧縮力が付加される場合があるが、その場合の圧縮応力は0.2MPa以下程度の小さなものであり、またこの技術は、焼きばめ応力に起因した鉄損劣化を抑制することを狙いとしたものではなく、単にコアを固定することを目的としたものである。
また、ボルト締めにより固定されるモータコアも存在し、積層方向に圧縮力が加わっている場合もあるが、ボルト締めによる圧縮力はボルト近傍のみであり、磁束が主に流れているバックヨーク部には圧縮力はほとんど作用していない。しかも、ボルト締めにより固定されたモータコアに焼きばめを施すことは従来行われておらず、ボルト締めの目的は焼きばめ応力に起因した特性劣化を抑制するためのものではない。
【００２６】
次に、モータコアの鉄損に及ぼす素材鋼板のバリ高さの影響を調査した。
板厚：0.35mmの３％Si鋼板を、金型と鋼板のクリアランス：３〜８％の金型で打ち抜くことにより、外径：100mmのステータコアを作製し、図１に示したようなモータコアを作製後、鋼板のバリ高さと鉄損との関係について調査した結果を、図４に示す。なお、円周方向の圧縮応力は30MPaであり、また積層方向への付与応力は１MPaとした。
同図に示したとおり、積層方向に圧縮力を付与しない場合には鉄損に及ぼすバリ高さの影響は認められなかったが、１MPaの圧縮応力を付与した場合には、バリ高さが10μmを超えると鉄損劣化が増大することが分かる。この原因は、圧縮力を付与した材料では端面の短絡が生じ易くなっているためと考えられる。
従って、電磁鋼板のバリ高さは10μm以下、望ましくは５μm以下とすることが好ましい。
【００２７】
なお、このバリ高さを抑制するためには、鋼板と金型のクリアランスを従来の打ち抜き金型以上に小さくするか、打ち抜き後の鋼板にバリの除去処理を行えば良い。さらに、モータコアに加工後、端面をエッチングすることによりバリを除去することもできる。
【００２８】
さらに、発明者らは、板厚方向への圧縮力付与が焼ばめモータのヒステリシス損低減にも効果的であると考え、電動パワーステアリングモータでの検討を行った。
分割タイプのステータコアを用いたＥＰＳモータでは、前述の通り、コアを固定するために焼きばめが行われる。この焼きばめにより、材料に付与される圧縮応力は50〜150MPa程度といわれており、モータの空回り時（数ｒｐｍで回転）のロストルク増加につながっている。このような圧縮応力下でのロストルク増加要因について、発明者らが鋭意検討したところ、モータの回転数が数ｒｐｍ程度と小さいことから、ロストルクはヒステリシス損と強い相関があるものと考えられた。そこで、発明者らはさらに検討を重ねた結果、圧縮応力下でのヒステリシス損の増加がロストルク増加の要因となっていることを突き止めた。
【００２９】
また、コアの円周方向に圧縮応力を付与した際には、その圧縮応力を緩和するために鋼板の板面垂直方向に磁化ベクトルが向き、その状態で磁化されたために90°磁区が動いて、ステータコアのヒステリシス損が増加したものと考えられる。そのため、磁化ベクトルが板面垂直方向を向くことを抑制することがヒステリシス損抑制の観点から重要と考え、その対策として、電磁鋼板の板面垂直方向すなわち積層方向に応力を付加することにしたのである。
【００３０】
上記の考えを立証するため、板厚0.35mmの３％Si鋼を用い、８極12スロットのブラシレスＤＣモータを作製した。ここでステータは、その外径を50mm、積み厚を50mmとして、12分割された分割コアを用いた。
ついで、このコアに、焼きばめ代：５〜50μmで焼きばめを行った。その際、コアバック中央部の円周方向の圧縮応力を歪みゲージを用いて測定したところ、円周方向の圧縮応力（焼きばめ応力）は１〜50MPaであった。
さらに、積層方向に圧縮応力を付与するため、図１に示したように、バックヨーク部１に非磁性ステンレスで作製したリング２を取り付け、このリング２を油圧プレスでコア積層方向に締めることにより、種々の圧縮力を付与した。その際の圧縮力は、リングとステータコア間に感圧紙を挟むことにより測定した。また、モータコアのロストルクはモータを１rpmで無負荷回転させた場合のトルクの測定値より求めた。
【００３１】
図５に、ステータコアの円周方向の圧縮応力がロストルクに及ぼす影響について調べた結果を示す。同図より、圧縮応力が10MPa以上になるとロストルクが大きく増加することが確認された。
【００３２】
図６に、焼きばめ応力が１MPaのモータコアおよび30MPaのモータコアについて、積層方向に圧縮力を付与した際の付与応力とロストルクとの関係について調査した結果を示す。
同図から明らかなように、焼きばめ応力が１MPaと小さい場合は、積層方向に圧縮力を付与してもロストルクの変化はほとんどなかったが、焼きばめ応力が30MPaと大きい場合には、積層方向に圧縮力を付与することによって、ロストルクが大きく低減されることが判明した。特に付与応力が0.3MPa以上の場合に改善代が大きいことが分かる。
【００３３】
以上の結果から、本発明では、ロストルク低減の観点からも、積層方向の圧縮応力は0.3MPa以上、より好ましくは0.5MPa以上とした。但し、積層方向に付与する圧縮応力があまりに大きいと、やはりコア変形等の弊害を招くおそれがあるので、付与応力は100MPa以下とすることが好ましい。
【実施例１】
【００３４】
Siを３質量％含有し、板厚が0.35mmの無方向性電磁鋼板を素材として、12スロットのステータコアをクリアランス：３〜８の金型にて打ち抜いた。ここで、ステータ外径は100mm、積み厚は60mmとした。ついで、得られたステータコアに焼きばめ代：０〜50μmで焼きばめを行った。その際、コアバック中央部の円周方向の圧縮応力を歪みゲージを用いて測定した。さらに、積層方向に圧縮力を付与するため、図１に示したように、バックヨーク部に非磁性ステンレスで作製したリングを取り付け、リングを油圧プレスでコア積層方向に締めることにより圧縮力を変化させた。その際の圧縮応力は、リングとステータコア間に感圧紙を挟むことにより測定した。
かくして得られたステータコアの鉄損Ｗ10/1k（W/kg）について調べた結果を、表１に示す。なお、表１には、打ち抜いた際に生じたバリ高さ、焼きばめ応力（円周方向の圧縮応力）および積層方向に付与した圧縮応力も併せて示す。
【００３５】
【表１】
2011072170.tif 000003
【００３６】
同表から明らかなように、本発明に従い、バックヨークの積層方向（鋼板の板厚方向）に0.3MPa以上の圧縮応力を付与することにより、焼きばめ応力に起因した鉄損劣化を軽減できることが分かる。
【実施例２】
【００３７】
Siを３質量％含有し、板厚が0.35mmの無方向性電磁鋼板を素材として、ステータコアを作製し、このステータコアを使用して８極12スロットのブラシレスＤＣモータを作製した。ここで、ステータコアは、ステータ外径：50mm、積み厚：50mmとし、12分割された分割コアを用いて作製した。ついで、得られたステータコアに焼きばめ代：５〜100μmで焼きばめを行った。その際、コアバック中央部の円周方向の圧縮応力を歪みゲージを用いて測定した。さらに、積層方向に圧縮力を付与するため、図１に示したように、バックヨーク部に非磁性ステンレスで作製したリングを取り付け、リングを油圧プレスでコア積層方向に締めることにより圧縮力を変化させた。その際の圧縮応力は、リングとステータコア間に感圧紙を挟むことにより測定した。
【００３８】
上記焼きばめ後のステータコアを使用してモータを作製した。これらのモータのロストルク(mNm)を、モータの回転数：１rpmで無負荷回転させた時のトルクを測定することにより求めた。
かくして得られたロストルク（摩擦トルク）(mNm)について調べた結果を、表２に示す。なお、表２には、焼きばめ応力（円周方向の圧縮応力）および積層方向に付与した圧縮応力も併せて示す。
【００３９】
【表２】
2011072170.tif 000004
【００４０】
同表に示したように、本発明に従い、バックヨークの積層方向（鋼板の板面垂直方向）に0.3MPa以上の圧縮応力を付与することにより、焼きばめ応力に起因するロストルクの増加を抑制できることが分かる。
【符号の説明】
【００４１】
１  バックヨーク部
２  リング
３  ティース部
４  焼きばめリング（ハウジング）
５  ステータ（バックヨーク部）における円周方向
【図１】
2011072170.tif 000005
【図２】
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【図３】
2011072170.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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