(57)【要約】【課題】  従来では、加圧成形時の成形圧力が小さいため低密度の圧粉磁心しか製作できず、透磁率等の磁気的特性が必ずしも十分ではなかった。このため本発明は、透磁率等の磁気的特性に優れ、かつ比較的低コストな圧粉磁心を提供することを課題とする。【解決手段】  磁性粉末を用いて形成された磁心の中にステータの周方向に沿って電磁鋼板を配置するか、または磁心のティース方向に沿って電磁鋼板を配置するか、または双方を同時に満足する配置をしたステータ磁心を形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性粉末を用いて形成された鉄心の中に電磁鋼板を配置したことを特徴とするモータのステータ磁心。
【請求項２】
鉄心のモータのヨーク部において周方向に沿って電磁鋼板を配置したことを特徴とする請求項１記載のモータのステータ磁心。
【請求項３】
鉄心のモータのティース部においてティース方向に沿って電磁鋼板を配置したことを特徴とする請求項１または２記載のモータのステータ磁心。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の磁性粉末と電磁鋼板とからなるモータのステータ磁心を有することを特徴とするモータ。
【請求項５】
請求項４に記載のモータを搭載したことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は効率改善を図った各種モータのステータ磁心に関し、詳しくはモータのステータにおいて広い周波数領域に渡って磁束密度が高く鉄損が低い特性を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器、電動機、発電機、スピーカ、誘導加熱器、各種アクチュエータ等、我々の周囲には電磁気を利用した製品が多々ある。それらの高性能化、小型化を図る上で永久磁石（硬質磁性体）や軟質磁性体の性能向上が不可欠である。以下では、これらの磁石の内、軟質磁性体の一種である磁心（磁気コア）について説明する。
磁心を磁界中に配設すると、磁力線を集中させて大きな磁束密度を得ることができ、電磁機器の小型化と性能向上を図れる。具体例を挙げると、磁心は、電磁コイル（以降、単にコイルと称する。）中に挿入されて局所的な磁束密度を増大させたり、複数のコイル中に介在させて磁気回路を形成したりする。
【０００３】
このような磁心は、磁束密度の増大を図るため、透磁率が大きいことが要求される。加えて、交番磁界中で使用されることが多いため、高周波鉄損が少ないことも要求される。高周波鉄損には、ヒステリシス損失、渦電流損失があるが、ヒステリシス損失は交番磁界の周波数に比例関係であるのに対し、渦電流損失は周波数の２乗に比例するため、特に、渦電流損失の低減が求められる。渦電流損失の低減を図るには、誘導起電力により磁心に流れる電流を少なくする必要があり、言換えれば、磁心の比抵抗を大きくすることが望まれる。
【０００４】
ティースを一方向性電磁鋼板により形成し、しかも一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を径方向としているものが特許文献１において開示されている。この文献には無方向性電磁鋼板により形成されている場合と較べて、ティースにおける鉄損を大きく低減できることが開示されている。また、鋼板を積層する工程を省き、コストを抑える方法として、鉄系磁性粉末を焼結させ圧粉磁心として用いる方法もある。
【０００５】
電磁モータの効率の向上、例えば三相同期モータの出力トルクの増大、形状の小型化などを図るためには、ティースやヨークでの鉄損を一層低減しなければならない。また製造コストも抑えなければならない。従来の圧粉磁心は、比抵抗が小さいため、主に直流用コイル中で使用されるに過ぎず、交流コイル中で使用されることは少なかった。その比抵抗の増大を図るために、絶縁性被膜で被覆した鉄系磁性粉末を高圧成形して磁心を製作することが、特許文献２等に開示されている。
【特許文献１】特開平７−０６７２７２号公報
【特許文献２】特表平１２−５０４７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２では加圧成形時の成形圧力を大きくできず、低密度の圧粉磁心しか製作できず、透磁率等の磁気的特性が必ずしも十分ではなかった。また、電磁鋼板で形成した磁心では２００Ｈｚ程度以下の周波数で鉄損は低いが、これ以上の高周波数になると渦電流の増大により鉄損は増加し、圧粉磁心より鉄損が高くなる。こうした問題は、同期モータに限らず、同期発電機などにも共通である。従って、本発明においては、透磁率等の磁気的特性に優れ、かつ比較的低コストな圧粉磁心を提供することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するための本発明の具体的な手段は以下の通りである。
（１）  磁性粉末を用いて形成された磁心の中に電磁鋼板を配置したことを特徴とするモータのステータ磁心。
（２）  磁心の周方向に沿って電磁鋼板を配置したことを特徴とする（１）のモータのステータ磁心。
（３）  磁心のティース方向に沿って電磁鋼板を配置したことを特徴とする（１）または（２）のモータのステータ磁心。
（４）  （１）ないし（３）のいずれかに記載の磁性粉末と電磁鋼板とからなるステータ磁心を有することを特徴とするモータ。
（５）  （４）に記載のモータを搭載したことを特徴とする車両。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電磁鋼板を周方向やティース方向に沿って配置し、その周りに磁性粉末を充填して形成したステータ磁心を用いることで、低周波から高周波まで鉄損が低く、効率の高いモータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
すでに述べたように、これまでモータの効率向上、出力トルクの増大、形状の小型化等を図るために、ティースやヨークでの鉄損低減が図られている。本発明者らは電磁鋼板の積層工程を省略し、かつ磁気特性をなるべく劣化させない手法を効果的に実現するため鋭意研究を行った。その結果、圧粉磁心中のヨーク部やティース部に電磁鋼板を配置してステータを構成したところ、従来の圧粉磁心のステータより鉄損の低減が確認され、低周波から高周波にかけて従来の圧粉磁心、または電磁鋼板のみで構成されたステータ磁心より低鉄損でかつ高透磁率のステータ磁心が得られることを知見として得た。
【００１０】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳細に説明する。
磁性粉末であるが、この比抵抗は形状に依存しない固有値であり、同形状の圧粉磁心であれば比抵抗が大きいほど、渦電流損失を小さくすることができ、比抵抗ρが０．７μΩｍ未満では、渦電流損失の十分な低減が図れないため、０．７μΩｍ以上である磁性粉末を用いることが望ましい。本発明においては、電磁鋼板をコアにするため板を積層し、かしめやボルト締めあるいは溶接などで固定する工程は必要なく、電磁鋼板を配置したあと、周りを磁性粉末で覆い、成形するだけである。
【００１１】
圧粉磁心は、鋳造または焼結した磁心とは異なり、鉄系磁性粉末の加圧成形体からなる。その粉末の各粒子の結合は、主に塑性変形に伴う機械的結合であって冶金的に結合したものではない。
鉄系磁性粉末は、鉄を主成分とする強磁性の金属粉末である。例えば、鉄系磁性粉末が、純鉄からなる鉄粉末であると好適である。高い磁束密度が得易く、保磁力低下によるヒステリシス損失の低減を図れるからである。その純鉄の純度は、純度９９％以上、さらには９９．５％以上、９９．８％以上であると好適である。このような鉄粉として、例えばヘガネス社製のＡＳＣ１００．２９を用いることができる。この鉄粉は、Ｆｅ以外の成分がＣ：０．００１、Ｍｎ：０．０２、Ｏ：０．０８（単位：質量％）以下と、他の市販鉄粉に比べて不純物が極めて少なく、圧縮性に優れた鉄粉である。
【００１２】
鉄系磁性粉末は、磁心材料として適した複数の粉末からなる混合粉末でも良いし、合金粉末でも良い。鉄系磁性粉末は、造粒粉でも、粗粒粉でも良い。酸化鉄の種類は問わないが、例えば、α-Ｆｅ２Ｏ３、γ-Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＦｅＯ等がある。酸化皮膜が鉄系磁性粉末の各粒子の全体を被覆し、その膜厚が厚い程、比抵抗は大きくなる。しかし、その酸化皮膜は鉄に比べて磁性が低いため、その量が多すぎると、各磁場中で得られる磁束密度も小さくなってしまう。
【００１３】
モータ磁心のヨークにおいて磁束はモータの周方向に流れるので、電磁鋼板の長手方向は周方向に沿って配置する。反対に電磁鋼板を周方向に対して垂直に配置した場合は鋼板面内に渦電流が流れ、損失が大きくなる。ティースにおいても電磁鋼板の長手方向をティース方向に沿って配置することで同様な効果が得られる。
【００１４】
次に、磁性粉末の充填工程において電磁鋼板を配置した型に鉄系磁性粉末を入れる。この充填工程が加熱された鉄系磁性粉末と加熱された成型用金型内に充填する工程であると好適である。鉄系磁性粉末と成型用金型との両方が加熱されていると、後続する成型工程において鉄系磁性粉末と高級脂肪酸系潤滑材とが安定して反応し、両者の間に均一な潤滑皮膜が形成されやすい。そこで例えば両者を１００℃以上に加熱しておくと好ましい。高級脂肪酸系潤滑剤であるが、これを成型用金型の内面に塗布し、磁性粉末を充填して温間で加工すると成型用金型の内壁と磁性粉末の間の潤滑性が向上し、金型から加圧成型対の貫き圧力の低減が図れる。
【００１５】
成形工程では温間で加圧し、磁性粉末を金型に合った形に成形する。成形工程における「温間」とは、鉄系磁性粉末、高級脂肪酸系潤滑剤、成形圧力等を考慮した適切な加熱条件の下で成形することを意味する。鉄系磁性粉末と高級脂肪酸系潤滑剤との反応を促進するために、成形温度を１００℃以上とし、高級脂肪酸系潤滑剤の変質を防止するために、成形温度を２００℃以下とすると好ましい。
【００１６】
成形工程における「加圧」の程度も、圧粉磁心の要求特性、鉄系磁性粉末、酸化皮膜および高級脂肪酸系潤滑剤の種類、成形用金型の材質や内面性状等に応じて適宜決定される。但し、本発明の製造方法の場合、従来の成形圧力を超越した成形圧力下で成形可能である。例えば、その成形圧力を７００ＭＰａ以上とすることができる。
【００１７】
以上が磁性粉末を用いた磁心の作製方法であるが、本発明はこれに電磁鋼板を組み合わせることを特徴とする。５０Ｈｚ等の低周波域において磁束は磁性粉末より透磁率の高い電磁鋼板に流れる。したがって、本発明のモータ磁心は圧粉磁心単体よりも透磁率が上がり、鉄損は下がる。したがって、トルクは向上する。また高周波特性の良い磁性粉末で電磁鋼板の周りが形成されているため電磁鋼板モータ磁心よりも高い周波数における鉄損が低くなる。したがって、より高い回転数で鉄損の低いモータができる。
以下、実施例にもとづき本発明を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１に本発明を適用した永久磁石モータのステータの断面図を示す。図１のモータのステータにおいて、電磁鋼板を中心にヨーク部に沿って配置し、またティース部でも同様にロータ中心に向かって径方向に平行に配置した。そのまわりをヘガネス社製磁性粉末ＡＳＣ１００．２９によって包み、２００℃の温間で加圧して成型した。
ここで中にロータを入れ、外部から入力した電流と電圧により電力計を用いて鉄損を測定した。周波数は８００Ｈｚ、ヨークの磁束密度は０−１．２Ｔとした。比較の対象として、圧粉磁心のみで形成したものと、無方向性電磁鋼板で作製したものを用いた。
【００１９】
圧粉磁心は鉄損が一番高く、１．０Ｔでは約１３０Ｗ／ｋｇを示した。一方、無方向性電磁鋼板で作製したものは約５０Ｗ／ｋｇであった。本発明の鉄心において、磁束は圧粉磁心より磁束が通りやすい電磁鋼板に流れるため、圧粉鉄心単体よりも透磁率が上がり、鉄損は下がった（図２）。無方向性電磁鋼板よりも鉄損は高く、両コアの中間の値であるが、圧粉磁心と同様な製造工程で鋼板を積層する必要が無く、製造においてより簡便である。
したがって、透磁率の高い分、トルクは向上し、鉄損が低い分、効率は向上する。また高周波特性の良い磁性粉末で電磁鋼板の周りが形成されているため電磁鋼板よりも高い周波数における鉄損が低くなる。したがって、より高い回転数においても鉄損の低いモータが形成できた。
【実施例２】
【００２０】
以下本発明の第２の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図３に本発明を適用した永久磁石モータのステータの断面図を示す。モータのステータはヨーク部においては磁性粉末のみを、またティース部では電磁鋼板を中心部に配置した。そのまわりを磁性粉末によって包み、加圧して固定する。圧縮成型して200℃の温間で形成した。
【００２１】
上記の磁心の中心部にロータの代わりとして円形の電磁鋼板を入れ、磁気特性を測定した。磁束は圧粉鉄心より磁束が通りやすい電磁鋼板に流れる。比較材の圧粉のみからなる磁心よりも透磁率が上がり、鉄損は下がった。表１に磁気特性をまとめた。保持力Ｈｃは磁性粉末磁心の１／２で磁束密度Ｂ５０は磁性粉末磁心より０．１６Ｔ高い。１．０Ｔ、２ｋＨｚの鉄損は磁性粉末磁心の約８５％である。
また、高周波特性の良い磁性粉末で電磁鋼板の周りが形成されているため、比較材の電磁鋼板磁心よりも高い周波数における鉄損が低くなる。したがって、より高い回転数で鉄損の低いモータができた。
【００２２】
【表１】
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【実施例３】
【００２３】
以上のように本発明のステータ磁心の例について説明したが、次に実施例３として本発明のステータ磁心を用いた埋込磁石同期モータ（ＩＰＭ）を説明する。
図４は本実施形態の埋込磁石同期モータ１の概略構成を示している。ステータ２はステータ内に埋め込まれた電磁鋼板３とその周りを固定する磁性粉末４からなる。電磁鋼板はステータの外形に沿うように曲率を持たせて配置してある。磁性粉末によって形成されたティースの周りには巻線５が施されている。
このように、電磁鋼板を磁性粉末で固定した構造をもつステータ磁心によれば、低周波から高周波励磁において高透磁率で低い鉄損特性を持ち、高効率化を図ることができる。
なお、ロータの構造は従来のものと同様であるので、詳しい説明を省略する。
【００２４】
次に、本実施形態の埋込磁石同期モータの性能を評価するために出力６０ｋＷクラスの埋込磁石同期モータを製作した。比較例として電磁鋼板がステータ内にないことを除いて形状が同じである磁性粉末のみからなるステータ磁心を製作し、そのステータの中心部にロータを組み込んだモータについても性能を評価した。そして、本実施形態の埋込磁石同期モータと比較例としてのモータの性能を比較した。
【００２５】
具体的には１００００ｒｐｍ（回転／分）、６０ｋＷでの効率を比較したところ、本実施形態の埋込磁石同期モータの方が比較例と比べて効率が上回っていた。このような結果の主な要因は、電磁鋼板を埋込んだステータ磁心による低周波から高周波（５０−２０００Ｈｚ）の透磁率が高く、かつ鉄損が低く、巻線の銅損も低減したためであることがわかった。
【００２６】
なお、以上の説明では図４の埋込磁石同期モータを例にとって説明したが、埋込磁石型の回転機に本発明を適用することが出来ることは明らかである。すなわち、本発明は同期モータ以外の電動機にも適用することもでき、また、高速回転性が要求されている発電機にも適用することができる。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、遠心力に対する耐性が強く、高速回転可能なステータ磁心が実現できる。また、本実施の形態の埋込磁石同期モータによれば、性能を悪化させること無く、高速回転可能なモータを実現することが出来る。
【実施例４】
【００２８】
次に本発明の車両について説明する。本発明のロータを搭載した車両はＥＶ（電気自動車）、ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）、またはＦＣＶ（燃料電池自動車）である。本実施形態では、ＥＶを例にとって説明する。
図５は本実施形態にかかわるＥＶを模式的に示している。図６に示されるＥＶ（電気自動車）２１は、上記実施例３で説明したステータ磁心を有する埋込磁石同期モータ２０によりトランスミッション２２およびデファレンシャルギヤ２３を介してトルクを分配してタイヤ２４を駆動している。
【００２９】
しかしながら、本発明の車両はこの場合に限られない。トランスミッション機械を持っていないタイプ、モータ２つでそれぞれ独立に車輪を駆動するタイプ、車輪の内部にモータを取り付けたホイールインモータによってタイヤを独立駆動するタイプなど、種々のタイプの車両に利用することが出来ることはもちろんである。
本実施形態の車両によれば、高速回転性能の高い埋込磁石型モータを駆動力源として用いているので、駆動部分の機械強度に優れ、かつ高速回転領域を含む広範囲にわたっての出力運転を容易に達成する車両を提供できる。
【００３０】
以上の通り、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明はこれらの場合に限られるものではなく、当業者によって種々の追加、あるいは変形が可能であることはいうまでもない。
たとえば、上記の説明ではステータ用材料としてヘガネス社製磁性粉末ＡＢＣ１００，２０を使用する場合を示したが、本発明はこの場合に限らない。たとえば、三菱マテリアル製ＭＢＳ１００等を使用する場合にも適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ヨーク部に電磁鋼板を配置したステータ磁心を示す図である。
【図２】本発明のステータ磁心の鉄損を示す図である。
【図３】ティース部に電磁鋼板を配置したステータ磁心を示す図である。
【図４】本発明のステータ磁心を有する埋込磁石同期モータ（ＩＰＭ）の一例を示す図である。
【図５】本発明の車両の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    埋込磁石同期モータ              ２    ステータ
３    電磁鋼板                        ４    磁性粉末
５    巻線                            ２０  埋込磁石同期モータ
２１  ＥＶ（電気自動車）              ２２  トランスミッション
２３  デファレンシャルギヤ            ２４  タイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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