(57)【要約】【課題】リラクタンスモータ、特にスイッチトリラクタンスモータの低騒音化と高効率化に寄与するコアを提供する。【解決手段】ステータコアを、磁性鉄粉からなるコア本体の内部に、その径が２ｍｍ以下の電磁鋼線が埋設されている構造とする。【選択図】　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性鉄粉からなるコア本体の内部に、鋼線が埋設されていることを特徴とする騒音特性に優れるモータ用ステータコア。
【請求項２】
上記鋼線は、その径が２ｍｍ以下の電磁鋼線であることを特徴とする請求項１に記載のモータ用ステータコア。
【請求項３】
スイッチトリラクタンスモータ用として用いられることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ用ステータコア。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、騒音が小さいことが要求される直流モータ、ブラシレスＤＣモータ、リラクタンスモータなどのモータ用のコア（鉄心）に関し、特にスイッチトリラクタンスモータ用として優れた騒音性能を有するコアを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気機器類の省エネルギー化に対する要請が強く、これら機器類の高効率化への要求が急激に高まっている。このような要請に応じて、電気機器類に用いられる材料のメーカーでは、種々の技術開発が行われている。
【０００３】
例えば、モータ用ステータコアの分野では、このコアに用いられる電磁鋼板に対してＳｉを添加することは、鋼板の比抵抗を高めて鉄損を低減させる最も有効な手段であり、広く用いられている。Ａｌもまた、前記Ｓｉと同様の効果を有することが知られている。
この点に関し、従来、特開昭５３−６６８１６号公報には、鋼板の比抵抗を高め、かつ、微細なＡｌＮの析出による粒成長抑制作用を回避するためにＡｌを積極的に添加する技術が開示されている。また、特開昭５５−７３８１９号公報には、Ａｌを添加し、焼鈍雰囲気を調整することにより鋼板表面の内部酸化層を低減し、良好な高磁場特性を得る技術が開示されている。さらに、特開昭５４−６８７１６号公報、特開昭５８−２５４２７号公報には、Ａｌを添加した上でさらにＲＥＭとＳｂを複合添加して高純化することにより、集合組織を改善し、鉄損を低減する技術が開示されている。
【０００４】
その他、特開昭６１−８７８２３号公報には、鋼中にＡｌ成分を添加し、仕上焼鈍時の鋼板冷却速度を制御することにより、また、特開平３−２７４２４７号公報には、Ａｌ添加し、さらにＢ，Ｓｂ，Ｓｎを複合添加して酸窒化を防止することにより、また、特開平３−２９４４２２号公報には、Ａｌを添加し、冷間圧延を制御して鋼板のＬ，Ｃ方向の特性差を低減することにより、また、特開平４−６３２５２号公報には、ＭｎとＡｌを複合添加することにより、さらに、特開平４−１３６１３８号公報には、Ａｌ添加して極低Ｓｉとし、かつ、Ｐ，Ｓｂを添加して集合組織を改善することにより、それぞれ磁気特性を改善する技術が開示されている。
【０００５】
また、最近、回転機器の分野においては、その高効率化に加えてさらに、リサイクル性も求められるようになってきた。通常の誘導モータやＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータ等の回転子のコア部には、電磁鋼板の他、アルミや銅などの導体かあるいは永久磁石が用いられている。そのため、コアをリサイクルするためには、これらと電磁鋼板との分別が必要であった。
【０００６】
一方、リラクタンスモータは、固定子に配置された電磁石を順に励磁し、鉄でできた回転子磁極を引きつけることによって回転する電動機であり、リラクタンストルクをその駆動力として用いるため、回転子には導体や磁石は基本的に不要で、電磁鋼板のみで作製することができる。従って、リサイクル性に富み、かつ構造も簡単で、しかも安価、堅牢、小型で、高速回転にも耐えられしかも大トルクで可変速運転が可能という優れた特長があり、古くから研究が行われていた。
【０００７】
ところが、リラクタンスモータは、回転の制御が難しいこと、回転時の騒音が大きいことなどの問題があることから、実用化には至っていなかった。しかし、最近の半導体技術や制御技術の進歩によって、これらの問題が解決されるに至り、洗濯機、掃除機などのモータとして実用化されるようになった。さらに最近では、リラクタンスモータは、上記特長を活かし、電気自動車や二輪車等の交通機関の駆動用としても最適であると考えられるようになった。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５３−　６６８１６号公報
【特許文献２】特開昭５５−　７３８１９号公報
【特許文献３】特開昭５４−　６８７１６号公報
【特許文献４】特開昭５８−　２５４２７号公報
【特許文献５】特開昭６１−　８７８２３号公報
【特許文献６】特開平０３−２７４２４７号公報
【特許文献７】特開平０３−２９４４２２号公報
【特許文献８】特開平０４−　６３２５２号公報
【特許文献９】特開平０４−１３６１３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リラクタンスモータは、動作条件が他のモータと大きく異なることから、従来開発されてきた電磁鋼板をそのまま用いても、必ずしも満足のゆく特性が得られなかった。さらに、自動車や家庭用のリラクタンスモータには、より一層、静粛性が求められようになり、従来の半導体技術や制御技術の進歩だけでは十分な低騒音化を達成することはできていなかった。
【００１０】
本発明の目的は、リラクタンスモータ、特にスイッチトリラクタンスモータの低騒音化と高効率化に寄与するコアを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記従来技術が抱える問題点を解決するため、実際のスイッチトリラクタンスモータを解析し、騒音の原因究明とその低減方法について詳細な検討を行った。その結果、モータ効率の低下を招くことなく低騒音化を図るためには、ステータコアを磁性鉄粉からなる成形体とすることが有効であること、さらに、ステータコアの磁気性能を確保た上で強度の向上を図るためには、上記磁性鉄粉の成形体中に電磁鋼線を埋設して複合化することが有効であることを見出し、本発明に想到した。
【００１２】
すなわち、本発明は、磁性鉄粉からなるコア本体の内部に、鋼線が埋設されていることを特徴とする騒音特性に優れるモータ用ステータコアである。
【００１３】
なお、本発明における上記鋼線は、その径が２ｍｍ以下の電磁鋼線であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の上記ステータコアは、スイッチトリラクタンスモータに用いられることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
発明者らはまず、市販されている種々のスイッチトリラクタンスモータを入手し、これらの騒音特性を解析した。その結果、以下のことが明らかとなった。
スイッチトリラクタンスモータは、先述したようにリラクタンストルクを用いて回転するモータである。つまり、リラクタンスモータは、ロータティースとステータティースとが最も近づいた時と最も離れた時の透磁率差を駆動力とするものであり、この透磁率差が大きければ大きいほど、回転トルクも大きくなり、また効率も向上する。また、上記透磁率差は、ロータティースとステータティースの間のエアギャップが小さければ小さいほど大きくなる。しかし、この大きな透磁率の差は、同時に大きな電磁吸引力の変化を生み、ステータの伸縮量を増大する。そのため、透磁率差の増大は、騒音を大きくする、つまり、リラクタンスモータにおけるトルクと騒音とはそれぞれ相反する関係にある。
【００１６】
したがって、上記騒音問題は、ステータコアが、電磁吸引力の変化に対応して伸縮しないか、あるいは伸縮しても音を吸収する特性を有する材料あるいは構造であれば、解決することできる。しかし、ステータコアに、伸縮が起こらないような大きなヤング率を付与することは困難である。
【００１７】
そこで、発明者らは、ステータコアの素材と騒音吸収特性の関係についてさらに検討を行った。その結果、ステータコアの素材を、従来のような電磁鋼板ではなく、磁性鉄粉からなる成形体とした場合に、騒音が大きく改善されることを見出した。さらに、磁性鉄粉製コアの弱点である強度を補強するためには、電磁鋼線を鉄粉中に埋設させることが有効であることを見出した。
【００１８】
電磁鉄粉からなるステータコアを用いることにより、リラクタンスモータの騒音性能が向上する理由は、以下のように考えられる。
リラクタンスモータの励磁方法にはいくつかの方法があるが、ステータのティース部の磁極が反転されることのない片側励磁が主流である。つまりステータのコア材料は、Ｂ−Ｈループいわゆるヒステリシスループの上あるいは下側のみに磁化される。この場合、磁化方向が反転されずに磁束変化のみが起こるため、残留磁束密度の位置を出発点として磁化が進行する。この時、残留磁束密度が大きい場合には、飽和磁化域での磁化となるため、磁束波形に極端な歪みが発生し、電磁振動が増大され、騒音が大きくなる。したがって、騒音対策のためには、この残留磁束密度を低く抑えることが重要となる。
【００１９】
しかし、実際のモータにおいては、ステータとロータの間にはエアギャップが存在するため、残留磁束密度はさほど大きくない。さらに、磁性鉄粉を用いて作製したステータコアにおいては、鉄粉粉体間に存在する微小のエアギャップによって残留磁束密度はより小さくなり、さらに騒音が低減される。すなわち、鉄粉によりステータコアを製造した場合には、実質的なエアギャップは、ロータティースとステータティースの間のみではなく、ステータコアの中にも分散して存在することになるため、さほど大きな透磁率の劣化を招くことなく、また、磁束の漏れやトルクの低下も招くことなく、したがってモータ効率の低下を引き起こすことなく騒音の低減が図れるものと考えられる。さらに、磁性鉄粉の使用は、このような鉄粉そのものによる残留磁束密度の低減効果に加え、鉄粉粉体間での音の吸収効果も加わり、より一層の騒音の低減が達成されたものと考えられる。
【００２０】
また、磁性鉄粉で作製されたステータコア中に電磁鋼線を複合して埋設させた場合には、上記電磁鋼線が鉄粉成形体の強度を補強するとともに、一部、磁束の流れを担う役割も果たして透磁率を向上させるため、モータ効率の向上を図ることができるものと考えられる。
なお、さらにコア強度を高めるために、鉄板によりコアバックを包むような構造とすることも有効である。
【００２１】
次に、本発明に係るモータ用ステータコアを構成する磁性鉄粉および電磁鋼線について説明する。
磁性鉄粉としては、還元鉄粉、アトマイズ鉄粉の他、どのような製造方法のものでも構わない。また、鉄粉の成分は、純鉄系でもよいが、電気抵抗を高めて渦電流損を低減するためには、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｐ，Ｃｕ，Ｎｉの合計含有量を１０ｍａｓｓ％以下の範囲で添加するのが好ましい。１０ｍａｓｓ％を超えると、磁束密度が低下して、モータ特性を劣化するからである。
【００２２】
また、磁性鉄粉の粒径は、１０〜５００μｍの範囲のものを用いることが好ましい。粒径が１０μｍ未満では取り扱いが難しいという問題があり、一方、５００μｍを超えると鉄損が増大するという問題があるからである。
なお、磁性鉄粉の粉体同士の絶縁性を保ち、うず電流による電力損失を低減するためには、鉄粉に絶縁コーティング処理を施し、その後、圧粉成形することが有効である。このコーティングは、有機、無機、半有機系のいずれの種類を用いても構わない。
【００２３】
次に、ステータコア中に埋設させる電磁鋼線は、うず電流による損失を低減するためには、２ｍｍ以下の線径とするのがよい。また、加工性やハンドリング性からも線径は小さい方が好ましい。しかし、線径を小さくすることは、電磁鋼線の製造コストを招くため、０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００２４】
電磁鋼線の成分組成は、特に限定する必要はないが、磁気特性の向上さらにはモータ効率の向上のためには、Ｓｉを０．０１ｍａｓｓ％以上として渦電流損を低減するとともに、Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｓの合計含有量を０．０５ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
【００２５】
次に、磁性鉄粉と電磁鋼線を複合し、ステータコアを作製する手順を図１〜３により説明する。図１は、電磁鋼線をステータコアの形状に合わせて曲げ加工した例を示したものである。図２は、図１の電磁鋼線を組合せ、ステータコアの中に入れる前の骨組みとした例を示したものである。図３は、電磁鋼線の骨組みを鉄粉中に埋設し、圧縮成形したステータコアの最終形状とした例を示したものである。電磁鋼線の骨組みは、図１，２に説明したもののほか、網目状に組上げたものでもよく、その形状は特に限定されるものではない。また、骨組みを組まず、短い針状に切断した電磁鋼線を鉄粉中に混入し複合化させたものでもよい。
【００２６】
ただし、鉄粉中に埋設させる線材の量は、線材と鉄粉の体積比（線材／鉄粉）で、０．０１〜０．５の範囲とするのが好ましい、０．０１未満では、強度の向上効果が十分ではなく、一方、０．５を超えて含有させると騒音低減効果が小さくなるからである。なお、電磁細線を埋設させることは、リラクタンスモータなどの回転機のみならず、リアクトル、トランスなどの静止器にも適用可能である。
【００２７】
【実施例】
表１に示す成分組成を有する磁性鉄粉と、表２に示す成分組成を有する電磁鋼線とを使用し、３００Ｗのスイッチトリラクタンスモータのステータコアを作製した。ここで、上記磁性鉄粉は、半有機系の絶縁コーティング処理を施したものを用いた。また、上記電磁鋼線には、伸線加工によってその径を０．１〜２．５ｍｍに変化させたものを用いた。ステータコアの作製に当たっては、あらかじめ電磁鋼線をステータコアの形状に曲げ加工した骨組みを作製しておき、この骨組みを磁性鉄粉中に埋設させ、圧力：７００ＭＰａで圧縮成形することによって行った。磁性鉄粉中に埋設した電磁鋼線の含有量は、体積比で０．１とした。また、比較のため、０．３５ｍｍ厚の電磁鋼板３５Ａ２３０を用いたステータコアも作製した。
【００２８】
上記のようにして作製したステータコアのティース部に巻線を施した後、ステータコアバックと合体させて、スイッチトリラクタンスモータを組み立て、モータ効率および騒音を測定した。モータ効率の測定は、トルクメータ、負荷モータ、電力計からなるシステムを用い、モータの回転数を種々に変化させた時の効率（出力／入力×１００％）を測定することによって行った。また、騒音の測定は、モータから３０ｃｍ離れた位置にマイクロフォンを設置し、騒音レベルを測定することによって行った。
【００２９】
さらに、作製したステータコアの強度は、日本粉末冶金工業会規格ＪＰＭＡ　Ｍ０９−１９９２に準拠し、試験治具上に設置したステータコアに対し径方向に加重を加えたときの破壊加重を測定し、評価した。
【００３０】
以上の試験結果をまとめて表３に示す。この表から明らかなように、本発明の条件を満たすステータコアを使用したスイッチトリラクタンスモータにおいては、モータ効率が９０％以上でかつ騒音が５５ｄｂ未満の優れた特性が得られる。また、ステータコアの強度も、磁性鉄粉のみと比較し、２倍以上に向上していることがわかる。
【００３１】
【表１】
2004104893.tif 000003
【００３２】
【表２】
2004104893.tif 000004
【００３３】
【表３】
2004104893.tif 000005
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スイッチトリラクタンスモータのステータコアを磁性鉄粉中に電磁鋼線を埋設した複合構造とすることにより、モータ効率の低下を招くことなく、騒音レベルを大幅に低減することができるとともに、鉄粉のみからなるステータコアに比較し大幅な強度上昇を図ることができる。上記本発明の特性を活かすことにより、スイッチトリラクタンスモータは、自動車用、家電用として、その適用範囲の拡大が大いに期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】電磁鋼線を曲げ加工した例を示す図である。
【図２】曲げ加工した電磁鋼線を骨組みに組立てた例を示す図である。
【図３】磁性鉄粉と電磁鉄粉とを複合して成形したステータコアを例示する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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