CN107925281A - 定子芯及具备该定子芯的电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定子芯及具备该定子芯的电机，该定子芯通过电磁钢板的层叠而形成，能够稳定地抑制铁损。通过采用将板厚为25～80μm的电磁钢板(11)层叠而形成的定子芯(10)，从而能够稳定地抑制铁损，并且，通过具备将板厚为25～80μm的电磁钢板(11)层叠而形成的定子芯(10)，从而能够使电机(20)的电机效率稳定地提高。

Description

定子芯及具备该定子芯的电机

技术领域

本发明涉及一种通过电磁钢板的层叠而形成的定子芯及具备该定子芯的电机。

背景技术

从节能的观点出发，期待电机的效率化，例如，与电机的效率化相关的技术被记载在专利文献1中。专利文献1所记载的技术为，在层叠有电磁钢板的定子芯中，在电磁钢板的背磁轭上形成槽来减轻铁损的劣化的技术。

具体而言，专利文献1中提出了这样一种定子芯和使用了该定子芯的电机，该定子芯在其被固定于电机(电动机)的壳体上时，由对定子芯施加的压缩应力而导致的铁损特性的劣化较小。所述定子芯中，通过在电磁钢板的背磁轭上形成槽来减轻由压缩应力而导致的铁损劣化。定子芯是通过对冲切成环状的形状的多张电磁钢板1进行层叠并固定而得到的。并且，记载了作为电机芯的原材料的电磁钢板优选为使用无方向性电磁板，并且考虑到电机在高频下使用，则该电磁钢板的板厚优选为0.35mm以下。

实施例1中记载了使用电磁钢板的板厚为0.20mm的无方向性电磁板而制作出堆积厚度为20mm的定子芯。

此外，还提出了以如下方式将电枢铁心固定在电机壳上的电枢铁心的固定方法，即，将具有多个凸部的硅钢板层叠在外周部上，并将通过存在于凸部的铆接部而接合形成的电枢铁心与凸部的外周部嵌合(例如，专利文献2)。

专利文献2公开的电枢铁心的固定方法中采用的电枢铁心所具备的硅钢板，具有在外周部包含多个凸部的形状。但是，专利文献2中完全没有与所述硅钢板的板厚相关的记载。

另一方面，在非专利文献1中记载了量产型混合动力电动车(HEV)/电动车(EV)的驱动电机与通常的电机不同，会要求在启动时且在爬坡时的高转矩特性、最高速运转下的高速旋转特性等，并在高频度行驶区域中要求高效率等。构成所涉及的电机的电机铁心具有将电磁钢板重叠的层叠构造，作为通常的电机的铁心，可使用0.20mm～0.50mm的电磁钢板(例如，非专利文献1、图11)。

此外，还提出了一种采用以铁作为基材的软磁性材料的电磁钢板。通过对所涉及的电磁钢板实施高度的冶金处理，从而成为交流磁场中所产生的铁损降低至极限的材料。并说明了其板厚在方向性电磁钢板中主要为0.23mm～0.35mm，在无方向性电磁钢板中为0.20mm～0.65mm的范围(例如，非专利文献2)。另外，本专利申请人提示出了以下的专利文献以作为与本发明相关连的文献公知发明。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-252463号公报

专利文献2：日本特开平4-325846号公报

非专利文献

非专利文献1：新日铁技报第393号(2012)技术论文“混合动力/电动车驱动电机用电磁钢板最近的动向”肋坂岳显新井聪黑崎洋介2012年8月发行

非专利文献2：JFE钢铁集团的软磁性材料JFE技报No.8 2005年6月发行p.1-6

发明内容

本发明要解决的问题

然而，一直认为电机中形成定子芯的电磁钢板的板厚在0.3～0.5mm的范围内能够有效地抑制铁损。这是由于考虑到如下情况：如图1所示那样，铁损(Ptotal)是涡流损耗(Pe)与磁滞损耗(Ph)相加而成，电磁钢板越厚，涡流损耗越大，而电磁钢板越薄，磁滞损耗的影响越大，其结果为，电磁钢板的板厚在0.3～0.5mm的范围内最能够抑制铁损。

另外，采用Ke:比例常数、Kh:比例常数、t:电磁钢板的板厚、f:频率、Bm:最大磁通密度、ρ:电阻率，从而涡流损耗及磁滞损耗可由下式表示。

Pe＝Ke(tfBm)²/ρ、Ph＝Khf(Bm)^1.6。

此外，作为具有代表性的薄板材，可列举出非晶材料。然而，非晶材料存在如下课题，即，饱和电磁密度低，而且由加工而导致的劣化大，并且制造成本也高。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种通过电磁钢板的层叠而形成的、能够稳定地抑制铁损的定子芯及具备该定子芯的电机。

用于解决问题的方案

本申请发明人进行了锐意研究后的结果为，发现了通过将定子芯所具备的电磁钢板的板厚设为比现有的电磁钢板的板厚更薄，从而能够稳定地抑制定子芯的铁损，由此完成了本发明。更具体而言，本发明由以下的技术事项构成。

(1)实现所述目的的第一方案所涉及的定子芯，通过将板厚为25～80μm的电磁钢板层叠而形成。经过验证可确认出，通过采用板厚为80μm以下的电磁钢板，从而能够抑制铁损。

(2)实现所述目的的第二方案所涉及的电机，具备将板厚为25～80μm的电磁钢板层叠而形成的定子芯。经过验证可确认出，采用了板厚为80μm以下的电磁钢板的电机能够抑制铁损的增加，从而能够发挥出优异的电机效率。

(3)第二方案所涉及的电机优选为，以500Hz以上的频率进行旋转。第二方案所涉及的电机以500Hz以上的频率能够发挥出优异的电机效率。

发明效果

第一方案所涉及的定子芯及第二方案所涉及的电机中电磁钢板的板厚为25～80μm，因而能够稳定地抑制铁损。

附图说明

图1为表示一直以来所认为的铁损与电磁钢板的板厚的关系的曲线图。

图2为本发明的一实施方式所涉及的定子芯及电机的侧剖视图。

图3为表示电磁钢板的铁损的测量结果的曲线图。

图4为表示电磁钢板的W/f的测量结果的曲线图。

图5为表示电磁钢板的铁损与板厚的关系的曲线图。

图6为表示电机的铁损与频率的关系的曲线图。

图7为表示实施例及比较例的铁损的测量结果的曲线图。

图8为表示实施例及比较例的电机效率的测量结果的曲线图。

图9为定子芯为外芯时定子芯的俯视图(A)及侧视图(B)。

具体实施方式

接下来，参照添加的附图并对将本发明具体化后的实施方式进行说明以供理解本发明。

如图2所示，本发明的一实施方式所涉及的定子芯10具备电磁钢板11，并通过将多个电磁钢板11层叠而形成。

即，本发明的一实施方式所涉及的定子芯10是通过将由电磁钢板构成的多个定子芯片层叠而形成的。定子芯片是通过对电磁钢板进行冲切而形成的，并且将定子芯片与其他的定子芯片进行“预固定”而形成定子芯片组。

在此，“预固定”是指，在由后文叙述的固化性树脂实现的“正式固定”之前，为了形成定子芯片组而预先对定子芯片之间进行固定，即为对定子芯片组中存在的定子芯片之间进行“正式固定”的前处理。

通过“预固定”而使定子芯片层叠，从而形成定子芯片组。为了对定子芯片组中存在的定子芯片之间进行固定，而将固化前的固化性树脂涂覆在该定子芯片之间。通过热等方式而使所涉及的固化前的固化性树脂进行固化，从而利用粘接的方式使该定子芯片之间通过固化性树脂而被“正式固定”。

另外，本实施方式中，通过“嵌塞”来对冲切各电磁钢板11而得到的多个定子芯片进行“预固定”，但并不局限于此，例如，也可以通过由固化性树脂实现的“粘接”来进行预固定。

本发明的一实施方式所涉及的定子芯10通过兼并使用为了获得如下的定子芯片组而实施的“预固定”、和为了将所涉及的定子芯片组中存在的定子芯片之间通过固化性树脂进行粘接而实施的“正式固定”(复合层叠)而制作出，其中，所述定子芯片组通过对冲切电磁钢板11而得到的多个定子芯片进行层叠而形成。

构成本发明的定子芯10的电磁钢板11的板厚与现有的定子芯所使用的板厚超过200μm的电磁钢板相比极薄，通常仅应用“嵌塞”、“粘接剂”时，难以确保电磁钢板11间的剥离强度。

然而，本发明的定子芯10通过兼并使用为了获得如下的定子芯片组而实施的“预固定”、和为了将所涉及的定子芯片组中存在的定子芯片之间通过固化性树脂进行粘接而实施的“正式固定”的制造方法而制造出来，所述定子芯片组通过对冲切电磁钢板11而得到的多个定子芯片进行层叠而形成。因此，本发明的定子芯10具备以现有的方式进行制造会存在技术上困难的板厚为25～80μm的电磁钢板11。

即，具备板厚为25～80μm的电磁钢板11的本发明的定子芯10，通过兼并使用为了获得如下的定子芯片组而实施的由“嵌塞”实现的“预固定”、和使用了粘接剂的由“粘接”的方式而实现的“正式固定”而制造出来，其中，所述定子芯片组通过对冲切电磁钢板11而得到的多个定子芯片进行层叠而形成。并且，本实施例的电磁钢板11通过冷轧法而制造出来。

本发明的定子芯10既可以是内芯，也可以是外芯。为了对内芯片组、外芯片组进行正式固定而使用的固化前的固化性树脂无需涂覆在外周区域或内周区域的整个表面，也可以涂覆在外周区域或内周区域的一部分上。即，也可以存在于内芯片组、外芯片组中固化性树脂不存在的区域。

本件发明中，定子芯10所具备的各电磁钢板11的板厚为25～80μm。这是为了通过将定子芯10所具备的各电磁钢板11的板厚设为与现有的定子芯所采用的电磁钢板的板厚相比较薄来抑制涡流损耗而规定的。而且，在本发明中，将定子芯10所具备的电磁钢板11的板厚较薄地设在80μm以下，从而经过锐意验证的结果为，能够确认出与一直以来所认为的值相比能够极度降低磁滞损耗的增加。

以下对验证结果进行说明。

针对板厚50μm的电磁钢板及板厚350μm的电磁钢板，将对铁损进行测量的结果示于图3的曲线图中。图3的曲线图中，纵轴及横轴分别表示铁损及频率(在采用相对应的电磁钢板作为定子芯的电机中用于使转子进行旋转的频率)。另外，铁损的测量按照本发明的发明人之一所开发出的矢量磁特性测量装置(V-H分析仪)来实施电磁钢板的磁测量试验。“1片”、“10片”及“35A360”分别指1张板厚50μm的电磁钢板(以下亦称为“样品1”)、将板厚50μm的电磁钢板10张层叠后的电磁钢板(以下亦称为“样品2”)及1张板厚350μm的电磁钢板(以下亦称为“样品3”)。

根据图3的曲线图，可确认出按照样品3、样品2及样品1的顺序，由频率的上升而导致的铁损的增加率变大。

并且，针对相同的3个样品，对铁损除以频率、即W/f与频率的关系进行推导，其结果如图4的曲线图所示。根据图4的曲线图，伴随着频率的增加的W/f的增加梯度因铁损所包含的涡流损耗的影响而使涡流损耗与电磁钢板的板厚的平方成正比地增加，因而样品3与样品1、2相比变大。

此外，表1中示出了对750Hz下的铁损进行测量的结果、以及铁损除以频率(750Hz)即W/f与频率的关系。

【表1】

频率(750Hz)与铁损的关系(图3、4)

在此，模拟了采用本实施方式的电磁钢板(通过冷轧法而制造出的电磁钢板)作为定子芯时的电磁钢板的厚度与铁损的关系。将模拟的结果示于图5的曲线图。

根据图5的曲线图可确认出，电磁钢板越薄伴随着频率的上升的铁损的增加梯度越小这一内容，作为板厚为80μm以下的电磁钢板，铁损相对于频率的上升(自100Hz起上升)几乎直线性增加这一内容，以及作为板厚为100μm以上的电磁钢板，伴随着频率的上升的铁损的增加率增大这一内容。因此，通过模拟可判断出板厚为80μm以下的电磁钢板在频率为100Hz以上的区域中能够稳定地抑制铁损。另外，根据图5的曲线图可确认出，作为板厚为80μm的电磁钢板，铁损相对于频率的增加率为约0.006(W/Kg·Hz)，作为板厚为50μm的电磁钢板，铁损相对于频率的增加率为约0.005(W/Kg·Hz)。

根据图3、图4的曲线图以及图5的曲线图可认为，作为薄于80μm以下的电磁钢板，磁滞损耗相对于铁损的影响一直以来小于作为常识的值。

另外，根据电磁钢板的制造工序、电磁钢板的层叠工序中在技术上的困难性等，可实际商业化的定子芯所具备的电磁钢板的板厚存在下限值，在本实施方式中，将该下限值设为25μm。另外，也可以从对由电磁钢板构成的定子芯片进行层叠来制造定子芯的观点出发，将电磁钢板的板厚设为60～80μm。

此外，本发明的一实施方式所涉及的电机20如图2所示具备定子芯10经过绕线加工而制造出的定子21、和被收纳在定子21的内侧的转子22。即，电机20具备定子芯10。

具备对电磁钢板11(即，板厚为25～80μm的电磁钢板)进行层叠而得到的定子芯10的电机20，与具备对厚度超过80μm的电磁钢板进行层叠而得到的定子芯的电机进行比较，确认出了能够稳定地抑制伴随着转数上升的铁损的增加。

在此，电磁钢板的制造工序中的处理根据电磁钢板的厚度的不同而不同，当然，采用了该电磁钢板的电机的实际的铁损会根据电磁钢板的制造工序中的处理而产生差异。并且，一直以来，定子芯所采用的电磁钢板中不仅厚度60～80μm的电磁钢板至少作为商品不存在，而且在工业上层叠厚度80μm以下的电磁钢板的技术也不存在，并且，根据图1所示的铁损与电磁钢板的厚度的关系，欲采用25～80μm的厚度的电磁钢板作为定子芯这一尝试也未在工业上出现过。

这次，本申请发明人成功地将厚度80μm以下的极薄的电磁钢板进行层叠(以能够作为定子芯而发挥性能的方式进行层叠)，实际上成功地通过使用层叠了80μm厚的电磁钢板的定子芯来对电机的铁损变成何种程度的大小进行测量。该测量结果示于图6。

另外，在图6中，采用0.08mm(A)及0.08mm(B)而表示出的曲线图是对应于采用80μm厚的电磁钢板作为定子芯的电机的，各自不同于电磁钢板的制造工序中的处理。

此外，图6中，采用0.08mm(A)和0.08mm(B)来表示由板厚80μm制造偏差造成的材料特性偏差。

采用0.1mm而表示的曲线图对应于使用100μm厚的电磁钢板作为定子芯的电机。

根据图6所示的结果可确认出，作为具备对板厚为80μm的电磁钢板进行层叠而得到的定子芯的电机，即使电磁钢板的制造工序中的处理不同，也会降低具备对频率在500Hz以上且稳定地板厚为100μm的电磁钢板进行层叠而得到的定子芯的电机的铁损。

板厚为80μm以下的电磁钢板中，铁损不增加的理由可推定是电磁钢板的涡流中的表皮效果厚度(由涡流而产生的反抗磁场的厚度)为80μm。

此外，还知道了通过具备使用了板厚为80μm的电磁钢板的定子芯的电机以500Hz以上的频率进行驱动旋转，从而铁损的增加的抑制效果会变得显著。

另外，现状，电机所要求的转数的上限值通常被设为10万转(频率相当于1万Hz)。

在此，当电磁钢板上产生涡流时，电磁钢板上会产生反抗被施加到电磁钢板上的磁场(以下亦称为“施加磁场”)的反抗磁场。因此，电磁钢板上产生涡流的情况与电磁钢板上不产生反抗磁场的情况相比，为了在电磁钢板上设置规定的大小的磁通密度而需要更大的施加磁场。由此，通过由较薄的电磁钢板的采用而实现的涡流的抑制，从而能够减小反抗磁场，在这一点上可认为能够实现对电机的励磁电流的降低化。

即，对电机的励磁电流的降低化是通过兼并使用为了获得如下的定子芯片组而实施的“预固定”和对定子芯片组中存在的定子芯片之间进行“正式固定”而实现的，所述定子芯片组为，作为构成该电机所具备的定子芯的电磁钢板而采用板厚为25～80μm的电磁钢板，并对由所涉及的电磁钢板构成的多个定子芯片进行层叠而得到的定子芯片组。

并且，由于电机不会构成闭合磁路而会产生反磁场，因而当电磁钢板变薄时，电磁钢板在厚度方向上的反磁场的系数会增大，而电磁钢板在面内方向(与电磁钢板的厚度方向垂直的方向)上的反磁场相对地减小。因此，定子芯采用了较薄的电磁钢板的电机相对于定子芯在厚度方向的反磁场，电磁钢板在面内方向上的反磁场相对变小，在这一点上也可认为能够实现对电机的励磁电流的降低化。

【实施例】

接下来，对为了确认本发明的作用效果而实施的实施例进行说明。利用“嵌塞”对冲切具有规定的厚度的电磁钢板而得到的多个定子芯片进行预固定，从而形成定子芯片组。通过固化性树脂对该定子芯片组中存在的定子芯片之间进行“正式固定”，从而制造出定子芯。另外，如图9所示，实施例中所采用的定子芯设为外芯。

外芯片上设置了“嵌塞”。在构成外芯片的环状基部的齿部(tooth)的非延长区域中设置12个嵌塞。在通过嵌塞而使多个外芯片层叠而形成的外芯片组的内周区域中涂覆固化前的固化性树脂。作为固化性树脂而采用环氧系树脂。

实施例1中制造出的电机为，具备将由板厚50μm的电磁钢板构成的多个定子芯片(外芯片)800张层叠而得到的定子芯(外芯)的电机。实施例2中制造出的电机为，具备将由板厚80μm的电磁钢板构成的多个定子芯片(外芯片)500张层叠而得到的定子芯(外芯)的电机。

比较例中制造出的电机为，具备将由板厚350μm的电磁钢板构成的多个定子芯片(外芯片)层叠而得到的定子芯(外芯)的电机。

实施例1中所制造出的电机所具备的定子芯(外芯)为

针对具备将板厚50μm的电磁钢板层叠而得到的定子芯的电机(实施例1)、具备将板厚80μm的电磁钢板层叠而得到的定子芯的电机(实施例2)及具备将板厚350μm的电磁钢板层叠而得到的定子芯的电机(比较例)，测量了铁损及电机效率。将铁损的测量结果及电机效率的测量结果分别示于图7、图8的曲线图。一并将铁损的测量结果及电机效率的测量结果分别示于表2、表3。另外，电机效率是指，电机输出除以输入电力而得到的值乘以100而得到的值，在图7、图8中记载成“50μm”或“80μm”，但是实施例1、2，记载成“350μm”但为比较例。此外，在实施例的电机及比较例的电机中，均使用12极、6相的定子芯(图9)。

【表2】

【表3】

根据图7所示的曲线图可知，以3000～7000转数(相当于300～700Hz的频率)，随着转数增大，实施例中所产生的铁损与比较例中所产生的铁损之间的差距越大。

此外，根据图8所示的曲线图可确认出，在3000～7000转数的范围内，实施例的电机效率高于比较例的电机效率。

以上，对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不局限于所述的形式，不脱离主旨的条件的变更等全部为本发明的应用范围。

产业上的可利用性

本发明所涉及的定子芯及电机可稳定地抑制铁损。因此，本发明期待能够利用于需要电机效率较高的电机的变压器、发电机、电机等商品、发电设备中。由于本发明可稳定地抑制铁损，因而能够利用于要求提高电机的效率的电设备产业中。而且，本发明可优选用作量产型混合动力电动车(HEV)、电动车(EV)的驱动电机，因此也可利用于汽车产业中。

符号说明

10：定子芯；11：电磁钢板；20：电机；21：定子；22：转子；100：嵌塞；110：外芯片；120：环状基部；130：齿部；140：磁极部。

Claims (3)

1.一种定子芯，其通过对板厚为25～80μm的电磁钢板进行层叠而形成。

2.一种电机，其特征在于，具备对板厚为25～80μm的电磁钢板进行层叠而形成的定子芯。

3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，以500Hz以上的频率进行旋转。