JP4466671B2 - 誘導機 - Google Patents

Description

本発明は、誘導機に関する。

地球温暖化の問題で誘導機の高効率化が求められている。誘導機の鉄損低減には、電気絶縁層を鉄心に設ける技術がある。ここで、上記従来誘導機の例として、特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４に開示されている。ここでは、いずれも鉄心に電気絶縁層となる空気の穴や溝を構成する技術について開示している。

特開昭５５−２６０４０号公報 特開昭５６−８３２５２号公報 特開平３−２０７２２８号公報 特開昭５３−９８０１１号公報

誘導機としては高効率化が必須である。誘導機の高効率化に対しては鉄損低減が必須である。ここで、鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損との和で表わすことができる。ヒステリシス損は、交番磁界により磁心の磁区が向きを変えるときに生じる損失であり、ヒステリシス曲線の内部の面積に依存する。誘導機の固定子を構成する固定子鉄心および回転子を構成する回転子鉄心は、渦電流損を低減する目的で厚い電磁鋼板を積層して磁気回路を形成している。また、固定子鉄心および回転子鉄心は、複雑な形状をしており、現状、パンチング加工により固定子鉄心および回転子鉄心を製造している。パンチング加工を行うと電磁鋼板の切断部分の結晶構造が変形して、磁気特性が劣化し、ヒステリシス曲線の内側面積が大きくなり、鉄損が増大する課題がある。また、厚い電磁鋼板は、渦電流損が大きい欠点があり、このため、誘導機の効率が改善されないという課題があった。また、固定子鉄心と回転子鉄心の空隙は小さく精度を必要とする反面、パンチング加工の精度が悪いために、高調波の鉄損も低減されない欠点がある。

本発明の目的は、鉄損を低減でき、高効率な誘導機を提供することにある。

固定子と回転子とを有する誘導機において、固定子鉄心および回転子鉄心は、積層された鋼板で作られており、鋼板がエッチング加工により形成されていることを特徴とすることである。

本発明の代表的な一つによれば、鉄損を低減でき、高効率な誘導機を提供できる。

以下、本発明の一実施例について図を用いて説明する。

図１は、電磁鋼板を使用した３相誘導電動機の構造を示す。誘導電動機１０は、ハウジング３０と、エンドブラケット３２と、ファンを内部に有するファンカバー３４と、ハウジング３０の内側に固定された固定子４０と、固定子４０の内側に配置された回転子６０と、回転子６０を支えるシャフト８０とを有している。シャフト８０は、軸受け３６により両サイドのエンドブラケット３２に回転自在に保持されている。また、ファンカバー
３４の内側には、シャフト８０に固定されたファンが設けられ、ファンはシャフト８０の回転と共に回転する。なお、ファン側のエンドブラケット３２，軸受け３６、及びファンは、ファンカバー３４の内部に位置しており、これらは図１には図示されていない。固定子４０は、固定子鉄心４２と、この固定子鉄心４２に巻回された多相、本形態では３相、固定子巻線４４を備えている。また、図示されていない交流端子から固定子巻線４４にそれぞれ引き出し線４６を介して交流電流を供給し、固定子巻線４４は結線４８により、スター結線あるいはデルタ結線されている。これら引き出し線４６および結線４８は、それぞれ固定子巻線４４の外側に配置されている。外部の交流電源から３相交流が、誘導電動機１０の交流端子に供給され、引き出し線４６を介して固定子巻線４４に供給されることにより、固定子４０は交流電流の周波数に基づく回転磁界を発生する。この回転磁界により回転子６０の導体に回転子電流を誘導し、この回転子電流と回転磁界との作用により回転トルクが発生する。

図２は、図１の固定子４０と回転子６０とを回転軸に垂直な面で切断した状態を示す。固定子４０は固定子スロット５０および固定子ティース４５を周方向に等間隔に多数有しており、固定子スロット５０には固定子巻線４４が配置されている。回転子６０は、積層された珪素鋼板からなる回転子鉄心６２と、回転子鉄心６２に周方向に等間隔に多数有された回転子スロット６４および回転子ティース６７と、回転子スロット６４に挿入された回転子導体６６と、回転子鉄心６２の両端に配置され回転子導体６６を電気的に短絡する短絡環６８と短絡環７０と、回転子鉄心６２が回転子導体６６を電気的に短絡しないように設けた溝９１と、漏れ磁束が通る部分に設けた磁気的に抵抗となる穴の集合部９２を備えている。回転子導体６６は、導電材料、例えば銅を主材料とする導体を回転子スロット６４の内部に挿入して、両端を短絡環で電気的に短絡する構造としても良いし、アルミダイカスト製法により導体および短絡環を作っても良い。アルミダイカスト製法とは、積層された回転子鉄心６２を型に入れ、溶けたアルミニウムを流し込むことで回転子鉄心６２の回転子スロット６４の内部に回転子導体６６を成形すると共に、短絡環６８と短絡環
７０とを作る方法である。溝９１を有さない誘導電動機では、回転子鉄心６２が回転子導体６６を電気的に短絡してしまい、回転子鉄心６２に電流が流れて鉄損が発生する。穴の集合部９２を有さない誘導電動機では、穴の集合部９２を有していた部分に漏れ磁束が通ってしまい効率改善の妨げとなる。

図３は、図２の溝９１と穴の集合部９２を拡大したものを示す。本実施例では、溝９１の幅を回転子鉄心６２の板厚よりも小さくする。本実施例では、回転子鉄心６２の板厚が０.０５〜０.３０mmであり、従来の厚い電磁鋼板と比べて非常に薄いうえ、アモルファス材料のような硬度もないため折れ曲がりやすいが、溝９１の幅を回転子鉄心６２の板厚よりも小さくすることで、組立時や加工時において、溝９１に鋼板が挟まり折れ曲がる不具合を最小限に抑えることができる。また、溝９１の幅が大きいと、回転子ティース６７の幅が小さくなり、回転子ティース６７の磁気抵抗が増加して効率改善の妨げとなる点からも、溝９１の幅は小さいほうが望ましい。溝９１を有さない誘導電動機では、回転子鉄心６２が回転子導体６６を電気的に短絡してしまい、回転子鉄心６２に電流が流れて鉄損が発生する。この電流を、本実施例では、溝９１で電気的に遮断してしまい、鉄損発生を抑えている。溝９１の電気抵抗は、空気等の電気抵抗が無限大に近いものにすることで非常に高くできるため、溝９１の幅を小さくしても鉄損発生を抑える効果は保たれる。溝９１の幅を大きくすると、固定子鉄心４２と回転子鉄心６２の磁気的な空隙距離が大きくなり効率改善の妨げとなる点からも、溝９１の幅は小さいほうが望ましい。

穴の集合部９２における穴の径は、回転子鉄心６２の板厚よりも小さくする。本実施例では穴の集合部９２を均等間隔に穴を配分しているが、不均等な間隔で穴を配分してもよい。たとえば、円周方向に磁束が通り難く、半径方向に磁束が通り易くなる配分してもよい。また、本実施例では穴の集合部９２における穴の径を同じにしているが同じでなくてもよく、本実施例では穴の集合部９２の穴を円にしているが、楕円や四角等どんな形状でもよい。アルミダイカスト製法により導体および短絡環を作る場合、溝９１や穴の集合部９２に溶けたアルミニウムが流れ込まないようにするためにも、溝９１の幅と穴の集合部９２の穴の径は小さいほうが望ましい。

本実施例の固定子スロット５０の数は４８であり、回転子スロット６４の数は６０である。固定子鉄心４２と回転子鉄心６２との磁気ギャップの幅は、固定子スロット５０を有する位置では大きく、固定子ティース４５を有する位置では小さくなる。磁気ギャップの幅が大きい位置では磁気抵抗が大きいため磁束が小さく、磁気ギャップの幅が小さい位置では磁気抵抗が小さいため磁束が大きい。回転子６０が回転することで、回転子鉄心６２の磁束が時間的に変化し、固定子スロット５０の数に応じた分布を持って回転子鉄心６２の表面に渦電流が流れ、回転子鉄心６２の外周表面に鉄損（以下、表面損と呼称する場合がある）が発生する。固定子スロット５０は、３６０°／４８＝７.５°毎にスロットが設置されており、回転子鉄心６２の外周表面に流れる渦電流も７.５°毎に分布することになる。渦電流が正負でそれぞれ最大となる位置で表面損も最大となるため、表面損は
３.７５°毎に分布することになり、溝９１の間隔を７.５以下、好ましくは３.７５°以下にすることで、この表面損を低減できる。本実施例では、３６０°／６０＝６.０°毎に溝９１が配置されている。本実施例では回転子ティース６７に１本のみ溝９１を設置しているが、本数を増やして溝９１の間隔を３.７５° 以下にすることで、より表面損を低減して効率を改善することもできる。本実施例の固定子スロット５０の数は４８であり、回転子スロット６４の数は６０であるが、スロットの数は限定されることはなく効果が期待できる。誘導電動機でなくても、固定子スロット５０を持つ全ての回転電機において、溝９１を設置することで表面損を低減できる効果が期待できる。

エッチング加工を用いて、固定子鉄心４０および回転子鉄心６０の形状を製造することによって、極めて高い加工精度、例えば、誤差として±１０μｍ以下、好ましくは±５
μｍ以下で、所望の形状の固定子鉄心４０および回転子鉄心６０を製造することが可能である。そのため、板厚が０.０５〜０.３０mmであっても、板厚よりも幅が小さい溝や、径が小さい穴を製造することが可能となる。

エッチング加工でなくても、レーザ加工等の工作手段でも本実施例の効果は期待できる。

本実施例において、溝９１と穴の集合部９２は空気であるとして説明したが、溝９１や穴の集合部９２に樹脂を入れてもよい。

また、本実施例は誘導電動機としたが、溝９１や穴の集合部９２を他の回転電機に設置しても、表面損などの鉄損や、漏れ磁束を低減する効果は期待できる。

ここで、本発明のエッチング加工の固定子鉄心および回転子鉄心について、説明する。

固定子鉄心および回転子鉄心（以下「鉄心」と呼称する場合がある）は、積層された鋼板で作られており、鋼板の突極が、エッチング加工、好ましくはフォトエッチング加工により形成されている。このとき、鋼板の厚さが、０.０８〜０.３０mmである。

もちろん、固定子鉄心の全体をエッチング加工により加工することが、磁気特性および製造工程全体の作業性の観点から望ましい。

また、固定子鉄心と同様に回転子鉄心についても、０.０８〜０.３０mmの厚さの珪素鋼板をエッチング加工することが、磁気特性の改善の観点から望ましい。すなわち、パンチング加工による固定子鉄心あるいは回転子鉄心の加工は、鋼板内の規則的な結晶配置を破壊し、このことによりヒステリシス損を増大する。固定子鉄心や回転子鉄心をエッチング加工することで、規則的な結晶配置の破壊を防止でき、ヒステリシス損の増大を防止できる。

パンチング加工は加工対象の鋼板が薄くなればなるほど切断部の乱れ、例えばつぶれ，バリ，ダレが大きな課題となり、ヒステリシス損が増大する傾向を示す。

さらに、パンチング加工で加工可能な形状は、円または直線といった単純な形状の加工である。その理由は、パンチング加工では金型が必要であり、この金型を複雑な曲線に形成することは極めて困難である。また、金型を研磨する場合にも、複雑な曲線形状を有する金型の場合には、うまく研磨ができないという課題がある。

このためパンチング加工などの機械加工では、渦電流損を低減する目的で電磁鋼板を薄くすることはできるが、ヒステリシス損が増大することとなり、鉄損を低く抑えることが困難となる。

エッチング加工はこのような課題を解決できる。このエッチング加工によりヒステリシス損を低く抑え、渦電流損を低減できる。誘導機では固定子鉄心をエッチング加工することにより、誘導機全体の効率を、更に向上させることができる。なお、エッチング加工の代表的な方法として、フォトエッチングによる加工がある。

エッチング加工は、鋼板内の規則的な結晶配置の破壊を防止できることによるヒステリシス損の低減効果を有する他に、加工精度の大幅向上による誘導機の特性の改善が期待できる。

また、磁気ギャップの幅を高精度に加工でき、高調波磁束の低減による、あるいは磁気抵抗の低減や磁束漏れの低減による、誘導機の特性や効率の改善が可能となる。

さらに、特性の改善や性能の向上につながる複雑な曲線形状で固定子鉄心および回転子鉄心を加工することが可能となることで、パンチング加工に比較して、特性改善や性能向上が可能となる。

例えば、固定子鉄心と回転子鉄心との間のギャップの形状を高精度で加工することにより、効率向上のみならず、脈動の低減などの性能向上や特性改善が可能となる。

具体的には以下の形態で説明する。

本形態では、鉄心の積層鉄心密度は、９０.０〜９９.９％である。好ましくは９３.０〜９９.９％ である。ここで、積層鉄心密度は、積層鉄心密度（％）＝鋼材板厚（mm）×枚数（枚）÷鉄心高さ（mm）×１００で定義される。

なお、この積層鉄心密度は、機械的に積層された鉄心を圧縮することにより向上させることも必ずしも不可能ではない。しかしながら、こうした場合、鉄損が増加してしまい好ましいとはいえない。本形態で説明するものは、こうした積層鉄心密度を向上させるための特別な工程を設けることなく、積層鉄心密度を向上させることのできるものである。

このような鉄心の積層鉄心密度の向上は鉄心内の磁束密度を低下でき、これによって、誘導機の鉄損を低減できる効果がある。

上記の場合、鉄心の積層鉄心密度（％）は、鋼板の板厚０.０８〜０.３０mmであり、鉄心の枚数２０〜１００（枚）程度であり、鉄心の高さ５〜２０mmである。

鋼板の組成は、Ｃが０.００１〜０.０６０重量％、Ｍｎが０.１〜０.６重量％、Ｐが
０.０３重量％以下、Ｓが０.０３重量％以下、Ｃｒが０.１重量％以下、Ａｌが０.８重量％以下、Ｓｉが０.５〜７.０重量％、Ｃｕが０.０１〜０.２０重量％を含有し、残部が不可避な不純物とＦｅとからなる。なお、不可避な不純物は、酸素や窒素のガス成分等である。

そして、好ましくは、鋼板の組成は、Ｃが０.００２〜０.０２０重量％ 、Ｍｎが０.１〜０.３重量％、Ｐが０.０２重量％以下、Ｓが０.０２重量％以下、Ｃｒが０.０５重量％以下、Ａｌが０.５重量％以下、Ｓｉが０.８〜６.５重量％ 、Ｃｕが０.０１〜０.１重量％を含有し、残部が不純物とＦｅとからなる、結晶粒子を有する、いわゆる電磁鋼板としての珪素鋼板である。

こうした珪素鋼板の組成を決定する際に、特に、鉄損を低減するという観点では、ＳｉとＡｌとの含有量が重要である。こうした観点でＡｌ／Ｓｉを規定した場合、この比が
０.０１〜０.６０であることが好ましい。さらに好ましくはこの比が０.０１〜０.２０である。

なお、珪素鋼板における珪素の濃度は、０.８〜２.０重量％を用いる誘導機と、４.５〜６.５ 重量％を用いる誘導機とを、その誘導機の種類によって、使い分けることができる。

なお、珪素の含有量を下げることによって、珪素鋼板の磁束密度は向上する。本形態の場合は、１.８〜２.２Ｔとすることができる。

珪素の含有量が少ない場合、圧延加工性が向上し、板厚を薄くすることができ、板厚を薄くすることにより、鉄損も減少する。一方、珪素の含有量が多い場合、圧延加工性の低下は珪素を圧延加工の後に含有させる等の工夫を施すことにより解決され、鉄損も減少する。

また、珪素鋼板に含有される珪素の分布は、珪素鋼板の厚み方向に対して、ほぼ均一に分散させてもよく、また、珪素の濃度を部分的に高くするように、珪素鋼板の厚み方向に対して、内部の濃度より表面部の濃度を高くすることも可能である。

さらには、鉄心は、積層された鋼板と鋼板との間に、厚さが０.０１〜０.２μｍである絶縁被膜を有し、その絶縁被膜の厚さも、０.１〜０.２μｍ、好ましくは０.１２〜0.18μｍである誘導機と、０.０１〜０.０５μｍ、好ましくは０.０２〜０.０４μｍの誘導機とがある。

なお、絶縁被膜の厚さが、０.１〜０.２μｍである場合には、その絶縁被膜は、有機や無機の膜を用いることが好ましい。絶縁被膜の材料としては、有機材料，無機材料、これら材料が混合されたハイブリット材料を用いることもできる。

また、絶縁被膜の厚さが、０.０１〜０.０５μｍである場合には、その絶縁被膜は、酸化被膜であることが好ましい。特に、鉄系の酸化被膜が好ましい。

つまり、珪素鋼板の板厚を薄肉化することによって、絶縁被膜の厚さも薄くすることができるようになる。

従来の電磁鋼板の絶縁皮膜は、パンチング加工後でも絶縁性が維持できると同時に、パンチング加工性そのものを向上させるために潤滑性，鋼板の密着性，パンチング加工後の焼鈍における耐熱性，積層された電磁鋼鈑を溶接して鉄心を形成する際の溶接性等、絶縁性以外の特性も加味して、絶縁皮膜の厚みや成分が調整され、０.３μｍ程度の厚さが必要となっていた。

しかしながら、本形態で説明する薄肉化した珪素鋼板では、絶縁皮膜の厚さを薄くする必要がある。

従来と同様な厚さの絶縁被膜を用いた場合、珪素鋼板が薄肉化したため、相対的に、絶縁皮膜の体積率が珪素鋼板の体積率に対して増加し、磁束密度が低下する恐れがあるからである。

このように、本形態で説明する薄肉化した珪素鋼板では、絶縁皮膜の厚さを薄くすることができる。

一般的に、電磁鋼板を薄くする場合、絶縁被膜は厚くする必要がある。しかしながら、本形態では、こうした考え方とは異なり、電磁鋼板を薄くしても絶縁被膜を厚くする必要がなく、むしろ電磁鋼板と共に薄くすることが可能となる。したがって、積層鉄心密度も向上することになる。

そして、珪素鋼板における珪素の分散状態と、回転子の使用条件とを勘案して、検討する必要があり、最高回転速度の運転域が低速にあり、珪素鋼板からなる鋼板に含有される珪素が鋼板の厚み方向に分散されている場合と、最高回転速度の運転は一般に数千〜数万rpm であり、珪素鋼板からなる鋼板に含有される珪素の濃度が、内部より表面部が高い場合とを、用途に応じて使い分けることができる。

回転速度と鉄損との関係には、回転速度が上昇すれば上昇するほど、磁束の交番周波数が高くなるため鉄損が増加する関係がある。回転速度が速い誘導機は回転速度が遅い誘導機より、鉄損が増加する傾向にある。この点を考慮して、珪素鋼板における珪素の含有量を検討する必要がある。

なお、珪素鋼板に含有される珪素は、溶解法により、電磁鋼板に均一的に添加してもよく、表面改質またはイオン注入，ＣＶＤ（ケミカルベーパデポジット）などの方法により、電磁鋼板に局部的、特に表面部に添加してもよい。

また、本形態で説明する電磁鋼板は、誘導機の固定子を形成する突極とヨークとを有する鉄心に使用されることを前提とし、厚さが０.０８〜０.３０mmであり、突極およびヨークとがエッチング加工により形成されることが可能なものである。

幅が５０〜２００cmである電磁鋼板におけるエッチング加工は、鋼板にレジストを塗布し、固定子鉄心の形状を露光し、現像して、この形状に基づきレジストを除去し、エッチング液により加工し、エッチング液による加工後、残ったレジストを除去することで行われる。

低鉄損化に有利とされる珪素鋼板の薄肉化については、珪素鋼板の圧延加工性の悪さや、鉄心を打ち抜く際のプロセスであるパンチング加工性の悪さから、工業規模で大幅なコスト増を伴わずに実現することは不可能とされてきた。このように、高効率な誘導機に使用する電磁鋼板として珪素鋼板を使用した場合、板厚０.５０mmと０.３５mmとが中心であり、永らく薄肉化の進展がなかった。

しかしながら、本形態では、パンチング加工を使用せず、エッチング加工を使用することにより、工業規模で大幅なコスト増を伴わずに、鉄心に用いる珪素鋼板の薄肉化を可能とし、低鉄損化を実現した。

本形態では、鉄心の低鉄損化を実現するために、鉄損の小さい珪素鋼板を使用すると共に圧延加工をも考慮した珪素含有量の調整，珪素鋼板の圧延加工をも考慮した板厚の薄肉化，鉄心の形状に形成するエッチング加工の適用，積層された鉄心を構成する一枚一枚の珪素鋼板の低鉄損化，珪素鋼板と珪素鋼板との間に形成される絶縁皮膜を考慮した鉄心としての低鉄損化を考慮する。

金型を用いた打ち抜き加工法であるパンチング加工では、切断部近傍に加工硬化層や、バリやダレ（以下「バリ等」と呼称する）と称される塑性変形層が形成され、残留歪や残留応力が発生する。パンチング加工時に発生する残留応力は、分子磁石の配列の規則性を破壊し、すなわち磁区を破壊し、鉄損を著しく増大させ、残留応力を除去するための焼鈍工程が必要となる。焼鈍工程は、鉄心の製造コストの更なる増加をもたらすことになる。

本形態では、こうしたパンチング加工を施さずに鉄心を形成するため、塑性変形層が形成されることもほとんどなく、残留歪や残留応力が発生することもない。従って結晶粒子の配列状態を乱すこともほとんど無く、分子磁石の配列、すなわち磁区の配列の損傷を防止でき、磁気特性であるヒステリシス特性の劣化を防止できる。

また、鉄心は、加工された珪素鋼板を積層して形成される。この珪素鋼板の残留歪や残留応力の発生を抑制することによって、鉄心としての磁気特性をさらに向上させることができる。

したがって、本形態に係る誘導機は、低鉄損化，高出力化，小型軽量化を実現することができる。また、この誘導機に使用する電磁鋼板は、エッジ部分にバリ等がほとんどない良好なものである。

バリ等は、塑性変形層の一つで、切断部に沿って、鋼板の平面方向から空間方向に鋭利に突出するため、電磁鋼板の表面に形成される絶縁皮膜を破り、積層される鋼板の間の絶縁を破壊する場合がある。

また、こうした鋼板を積層する場合には、バリ等によって、積層される鋼板の間に不要な空隙が作られるため、積層鉄心密度の増加が阻害され、その結果、磁束密度が低下する。磁束密度の低下は、誘導機の小型軽量化を阻害する。

電磁鋼鈑を積層後、鉄心を板厚方向に圧縮することで、バリ等を潰し、積層鉄心密度を向上させる方法が採られる場合もあるが、この場合、加圧圧縮によって残留応力が増加し、鉄損が増加する。さらに、バリ等による絶縁破壊の課題も残る。

本形態で説明する鉄心は、バリ等がほとんど発生しないため、加圧圧縮することもなく、積層鉄心密度を向上させることができ、また、絶縁破壊を起こすこともない。したがって、鉄損も低減することができる。

鉄心に用いる電磁鋼板としての珪素鋼板において、珪素の含有量として６.５重量％が、理論上、最も鉄損が低い。しかしながら、珪素の含有量が増えると圧延加工性やパンチング加工性が著しく悪くなる。このため、多少鉄損が高いものであっても、圧延加工性やパンチング加工性を考慮して、珪素鋼板における珪素の含有量として約３.０重量％が主流である。

本形態で説明する珪素鋼板は、板厚を０.３mm 以下と薄肉化することができるため、珪素の含有量を２.０重量％以下としても、鉄損が低いものである。

従来、板厚０.３mm 以下の薄肉化した珪素鋼板の製造には、圧延，焼鈍等の特別の工程が必要であったが、本形態で説明する珪素鋼板は、こうした特別の工程を必要としないため、薄肉化した珪素鋼板の製造コストも低減可能である。なお、鉄心の製造に関しては、パンチング加工を必要としないため、更なる製造コストの低減が可能である。

なお、鉄心の主力材料である珪素鋼板とは別に、極薄電磁材料として特殊な用途で限定的に使用される極めて高価なアモルファス材料が知られているが、アモルファス材料は、溶融金属を急速に凝固させ箔体として製造される特殊なプロセスを有するため、０.０５
mm厚程度またはこれ以下の超薄肉で３００mm幅程度の極少量の製造は可能であるが、これ以上の板厚や板幅の材料の製造は工業規模では不可能とされている。

このようにアモルファス材料は、硬く脆い材質で薄すぎるため、パンチング加工ができず、化学成分の制限から磁束密度が低いなどの理由のため鉄心の材料としては主力となり得ない。

本形態で説明する電磁鋼鈑は、このようなアモルファス材料とは異なり、結晶粒子を有するものである。

また、本形態における電磁鋼板は、低鉄損化に有利な薄肉化，歪の低減，高出力化，小型軽量化に有利な寸法精度の向上と、高磁束密度化に有利な鉄心積層密度の向上と、を同時に実現させるものでもある。

つまり、本形態によれば、低鉄損失と共に、高出力化，小型軽量化を実現できる鉄心を、提供することができる。

電磁鋼板の板厚と鉄損との関係を図４に示す。

板厚と鉄損との間には、図４より、板厚が厚くなれば厚くなるほど、鉄損が高くなると
いう関係があることがわかる。

このうち一般的に用いられる珪素鋼板の板厚は、圧延加工やパンチング加工性を考慮して、０.５０mmと０.３５mmとの２種類である。

鉄心の製造に広く用いられるこの２種類の板厚の珪素鋼板では、鉄損を低減するため、圧延と焼鈍とを施す必要がある。また、更なる薄肉化を実現するためには、対象となる鉄心の形状や大きさで繰り返す回数は異なるが、こうした圧延と焼鈍とを繰り返す必要がある。このように、一般的に用いられる珪素鋼板では、薄肉化を実現するために、圧延，焼鈍等の特別の工程を追加して製造する必要があり、製造コストが高くなる。

本形態で説明する鉄心は、製造コストも低減でき、鉄心の加工上の課題も解決することができるため、工業規模での大量生産が可能となる。

本形態では、０.０８〜０.３０mmの板厚の珪素鋼板を使用するものである。なお、好ましくは、０.１〜０.２mmの板厚の珪素鋼板を使用し、エッチング加工を用いて鉄心の形状を作製する。

図４には、参考のためアモルファス材料の板厚の領域も示している。アモルファス材料は、溶融金属を急速に凝固させ箔体として製造される特殊なプロセスを有するため、0.05mm厚程度またはそれ以下の超薄肉の製造に適し、これ以上の板厚は急速な冷却が困難となるため、製造が難しい。また、板幅も３００mm幅程度の狭いものしか製造ができず、特殊な製造プロセスと相まって製造コストが著しく高くなる。

また、磁気特性については、鉄損は低いが、磁束密度が低いという欠点がある。これは急冷に凝固させるため化学成分に制限があるためである。

本形態では、このようなアモルファス材料を使用することなく、結晶粒子を有する珪素鋼板を使用する。

次に、珪素鋼板の代表的な製造プロセスを示す。

電磁鋼板に成り得る材料を製鋼する。例えば、Ｃが０.００５重量％、Ｍｎが０.２重量％、Ｐが０.０２重量％、Ｓが０.０２重量％、Ｃｒが０.０３重量％、Ａｌが０.０３重量％、Ｓｉが２.０重量％、Ｃｕが０.０１重量％を含有し、残部がＦｅと若干の不純物とからなる組成を有する鋼板材料を用いる。

こうした鋼板材料を、連続鋳造，熱間圧延，連続焼鈍，酸洗，冷間圧延，連続焼鈍を施すことにより、板幅５０〜２００cm、ここでは特に板幅５０cm，板厚０.２mm の珪素鋼板を製造する。

また、作製された珪素鋼板の表面に、鉄損を低減するため、さらに、４.５〜６.５重量％の珪素を形成してもよい。

この後、厚さ０.１μｍ の有機樹脂の絶縁被膜コーティグを施し、珪素鋼板を製造する。

場合によっては、特別な絶縁被膜コーティグの工程を用いずに、厚さ０.０１〜０.０５μｍの酸化被膜を作製してもよい。

なお、ここで説明した絶縁被膜コーティグの工程は、鉄心を製造する際、エッチング加工の工程の後に施されることが好ましい。

なお、珪素鋼板は、平板又はコイル状，ロール状に形成される。

次に、鉄心の代表的な製造プロセスを示す。

製造された珪素鋼板に前処理を施し、レジストを塗布する。このレジストに対して、マスクを用いて固定子鉄心および回転子鉄心の形状を露光し現像する。この形状に基づきレジストを除去する。さらに、エッチング液により加工する。エッチング液による加工後、残ったレジストを除去し、所望の固定子鉄心の形状を有する珪素鋼板を製造する。こうした製造には、例えばフォトエッチング加工が有効であり、金属マスクを用いた微細孔を精密に加工する方法を使用することも有効である。

製造された所望の固定子鉄心の形状を有し、鉄心の形状を有する珪素鋼板を複数枚積層し、溶接等を用いて積層された珪素鋼板を固定することにより、鉄心を製造する。なお、溶接に際しては、ファイバーレーザー等の入熱の少ない溶接を施すことが好ましい。

エッチング加工を用いて、固定子鉄心および回転子鉄心の形状を製造することによって、極めて高い加工精度、例えば、誤差として±１０μｍ以下、好ましくは±５μｍ以下で、所望の形状の固定子鉄心および回転子を製造することが可能である。

また、真円度で誤差を表現すると、３０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下、より好ま
しくは１０μｍ以下である。なお、真円度とは、円形部分の幾何学的円からの狂いの大きさをいい、円形部分を二つの同心の幾何学的円で挟んだときの両円の間の領域が最小となる場合の半径の差をいう。

図５に、珪素鋼板における珪素含有量と鉄損との関係を示す。

図５に示すように、珪素含有量が６.５ 重量％の珪素鋼板が最も鉄損が少ない。しかしながら、６.５ 重量％と多量の珪素が、珪素鋼板に含有されている場合、圧延加工が難しく、所望の厚さの珪素鋼板の製造が困難になる。圧延加工性は、電磁鋼鈑に含有される珪素が多くなれば多くなるほど、悪化するという傾向にあるためである。こうした背景から、鉄損と圧延加工性とのバランスを考慮して、３.０ 重量％の珪素が含有されている珪素鋼板が用いられている。

つまり、本形態では、珪素鋼板の板厚を薄肉化することにより、珪素鋼板の鉄損を低減し、珪素鋼板における珪素の含有量の鉄損に対する影響度を小さくする。

したがって、本形態で説明する珪素鋼板は、圧延加工性が良好になると共に、板厚を薄肉化することにより、鉄損に影響度の大きい珪素鋼板における珪素の含有量の自由度が大きくなる。こうしたことから、珪素鋼板における珪素の含有量を、０.５〜７.０重量％の範囲とすることが可能であり、０.８〜２.０重量％と４.５〜６.５重量％との極端に異なる含有量を用いることもでき、鉄心の仕様または誘導機の用途によって、使い分けすることができるようになる。

図６に、エッチング加工による代表的な加工断面形状を示す。

珪素鋼板をエッチング加工することにより、酸液で溶解された加工断面近傍には、(ａ)に示すようにバリ等の塑性変形層は存在しない。加工断面を珪素鋼板の平面方向に対して、ほぼ垂直に形成することができる。

また、先端的なフォトエッチング加工では、（ｂ）〜（ｄ）に示すように溶解部の形状の制御も可能である。つまり、所定のテーパーを形成することもでき、板厚方向に対して垂直方向に凹凸を形成することも可能である。

このように、エッチング加工された珪素鋼板は、その加工による残留応力がほぼ０であり、塑性変形層は、ほとんど存在せず、珪素鋼板の板厚方向に対する塑性変形量はほぼ０である。また、エッチング加工による加工断面近傍の塑性変形量もほぼ０である。

さらに、加工断面において、珪素鋼板の加工断面の形状を制御することができ、加工による残留応力がほぼ０であり、加工断面近傍の塑性変形量もほぼ０である切断断面形状を形成することができる。

また、こうしたエッチング加工を用いることによって、珪素鋼板の微細な結晶組織，機械的特性，表面部を最適化した状態で鉄心に適用することもできる。珪素鋼板の結晶組織の異方性や、これに基づく磁気特性の異方性を勘案して、鉄心の磁気特性の最適化を実現することもできる。

図７に、パンチング加工による代表的な加工断面形状を示す。

珪素鋼板をパンチング加工することにより、塑性加工時のせん断応力によって、加工断面近傍は著しく変形し、１０〜１００μｍ程度のバリ，ダレ，つぶれが形成される。

また、珪素鋼板の平面方向の寸法精度についても、パンチング加工では金型の寸法精度で制限され、通常は珪素鋼板の板厚に対して５％前後の空隙でせん断されるため、珪素鋼板の平面方向の寸法精度は低下する。さらに、量産時には金型の損耗で経時的に精度が低下する等の課題もある。また、薄肉化された珪素鋼板ほどパンチング加工が困難となる。アルミダイカスト製法で製作する際に、アルミがバリ，ダレ，つぶれに流れ込み、ダイカストのクラック発生の原因にもなる。

エッチング加工を適用する本形態では、こうした加工精度の課題も解決され、経時的な精度の低下も解消される。

また、固定子鉄心および回転子鉄心の形状を所定のパターンを使用して露光するとき、電磁鋼板の圧延方向に関するマーク又は基準孔を設けることが好ましい。

電磁鋼板を積層する場合、圧延方向に対して電磁鋼板が平均化されることが、誘導機の特性を向上させる上で必要である。例えば、圧延方向に対して、所定量，マーク又は基準孔の位置を変え、電磁鋼板を積層する際に、マーク又は基準孔の位置を揃えることで、誘導機としての磁気特性の向上を図ることが可能となる。

以上の薄板電磁鋼板をエッチング製法にて製作した誘導機は、鉄損を低減できて、高精度，高効率の誘導機を提供することができる。

図８は、溝９１と穴の集合部９２の一実施例を示す。図４（ａ）は本実施例を示す。本実施例は、穴の集合部９２を設置することで、回転子鉄心６２によって回転子導体６６を電気的に短絡しないようにしたものである。本実施例では穴の集合部９２の穴を均等間隔に配分しているが、不均等な間隔で穴を配分してもよい。たとえば、回転子鉄心６２の外周面に近いほど穴の集合部９２の穴の間隔を狭くしてもよい。また、本実施例では穴の集合部９２の幅を一定としているが幅を一定にしなくてもよい。たとえば、回転子鉄心６２の外周面に近いほど幅を広くしてもよい。また、本実施例では穴の集合部９２における穴の径を同じにしているが同じでなくてもよい。たとえば、回転子鉄心６２の外周面に近いほど穴の径を大きくしてもよい。また、本実施例では穴の集合部９２の穴を円にしているが、楕円や四角等どんな形状でもよい。

図８（ｂ）は本実施例を示す。本実施例は、回転子導体６６の周り、又は、周りを覆うように穴の集合部９２を設置することで、回転子鉄心６２によって回転子導体６６を電気的に短絡しないようにしたものである。本実施例では穴の集合部９２の穴を均等間隔に配分しているが、不均等な間隔で穴を配分してもよい。たとえば、回転子鉄心６２の外周面に近いほど穴の集合部９２の穴の間隔を狭くしてもよい。また、本実施例では穴の集合部９２の幅を一定としているが幅を一定にしなくてもよい。たとえば、回転子鉄心６２の外周面に近いほど幅を広くしてもよい。また、本実施例では穴の集合部９２における穴の径を同じにしているが同じでなくてもよい。たとえば、回転子鉄心６２の外周面に近いほど穴の径を大きくしてもよい。また、本実施例では穴の集合部９２の穴を円にしているが、楕円や四角等どんな形状でもよい。

図８（ｃ）は本実施例を示す。本実施例は、回転子導体６６と回転子６０の外周面の間に穴の集合部９２を配置することで、漏れ磁束を低減するようにしたものである。本実施例のように、回転子導体６６に対して円周方向に移動した位置に、穴の集合部９２を配置しても漏れ磁束を低減する効果が期待できる。本実施例では穴の集合部９２の穴を均等間隔に配分しているが、不均等な間隔で穴を配分してもよい。たとえば、円周方向に磁束が通り難く、半径方向に磁束が通り易くなる配分してもよい。また、本実施例では穴の集合部９２における穴の径を同じにしているが同じでなくてもよい。本実施例では穴の集合部９２の穴を円にしているが、楕円や四角等どんな形状でもよい。

図８（ｄ）は本実施例を示す。本実施例は、回転子導体６６の周りに穴の集合部９２を設置し、かつ回転子導体６６と回転子６０の外周面の間に穴の集合部９２を配置することで、回転子鉄心６２によって回転子導体６６を電気的に短絡しないようにし、かつ漏れ磁束を低減するようにしたものである。本実施例のように、回転子鉄心６２によって回転子導体６６を電気的に短絡しないようにするためと、漏れ磁束を低減するようにするための、両方の効果を狙って穴の集合部９２を設置することができる。本実施例では穴の集合部９２の穴を均等間隔に配分しているが、不均等な間隔で穴を配分してもよい。また、本実施例では穴の集合部９２における穴の径を同じにしているが同じでなくてもよく、穴の集合部９２の穴を円にしているが、楕円や四角等どんな形状でもよい。

図９（ｅ）は本実施例を示す。本実施例は、回転子導体６６の周り、又は、周りを覆うように溝９１を設置することで、回転子鉄心６２によって回転子導体６６を電気的に短絡しないようにしたものである。回転子導体６６をアルミダイカスト製法で製作する際は、アルミが溝９１に流れ込まないように溝９１の幅を小さくすることで、回転子導体６６と回転子鉄心６２の接触面を小さくし、回転子鉄心６２が回転子導体６６を電気的に短絡しないようにする効果が期待できるようになる。

図８（ｆ）は本実施例を示す。本実施例のように、溝９１を回転子鉄心６２の外周表面部分まで設けなくても、回転子鉄心６２によって回転子導体６６を電気的に短絡しないようにする効果が期待できる。回転子ティース６７に複数本の溝９１を設置しても良く、実施例１に記載の理由から、より表面損を低減して効率を改善することができる。また、本実施例のように、溝９１の長さをそれぞれ異なるものとしても、溝９１を斜めにしても良い。

図８（ｇ）は本実施例を示す。本実施例のように、溝９１は直線でなくても、溝９１の幅を一定ではなく変化させても、回転子鉄心６２によって回転子導体６６を電気的に短絡しないようにする効果が期待できる。

図９は、溝９１と穴の集合部９２の一実施例を示す。図９（ａ）は本実施例を示す。本実施例のように、固定子鉄心４２の内周表面付近および回転子鉄心６２の外周表面付近に穴の集合部９２を設置することで、固定子鉄心４２および回転子鉄心６２に発生する表面損を低減することができる。固定子鉄心４２のみ、または回転子鉄心６２のみに、穴の集合部９２を設置しても、表面損低減の効果は期待できる。また、固定子鉄心４２の内周表面付近および回転子鉄心６２の外周表面付近に溝９１を設置することでも、固定子鉄心
４２および回転子鉄心６２に発生する表面損を低減することができる。固定子鉄心４２のみ、または回転子鉄心６２のみに、溝９１を設置しても、表面損低減の効果は期待できる。

図９（ｂ）は本実施例を示す。本実施例による固定子鉄心４２の穴の集合部９２は、固定子巻線４４の相が変わる位置に設置している。固定子鉄心４２において、固定子巻線
４４の相が変わる位置で磁束密度が高くなり、それが脈動となり回転子鉄心６２に発生する表面損となるため、固定子巻線４４の相が変わる位置に穴の集合部９２を設けて、固定子巻線４４の相が変わる位置で磁束密度が高くなる現象を抑えて脈動を緩和する。本実施例において、固定子鉄心４２の穴の集合部９２は、固定子鉄心４２の内周表面付近に設けているが、固定子巻線４４の相が変わる位置で磁束密度が高くなる現象を抑えて脈動を緩和できる位置であれば効果は期待できる。本実施例による回転子鉄心６２の穴の集合部
９２は、漏れ磁束を低減するようにしたものである。本実施例のように、全ての回転子導体６６に対して穴の集合部９２を設置しない場合でも、漏れ磁束を低減する効果が期待できる。

このように、溝９１および穴の集合部９２は、固定子鉄心４２と回転子鉄心６２、または固定鉄心４２と回転子鉄心６２のどちらかに流れる電流を低減可能なように設置することで、鉄損を低減でき、高効率な誘導機を提供できる。また、溝９１および穴の集合部
９２は、固定子鉄心４２と回転子鉄心６２、または固定鉄心４２と回転子鉄心６２のどちらかの漏れ磁束を低減可能なように設置することでも、高効率な誘導機を提供できる。

本発明の実施例１に関わる誘導電動機の構造を示す図。 誘導電動機の鉄心部分の断面を示す図の一例。 誘導電動機の鉄心部分の断面の要部拡大図を示す図の一例。 電磁鋼板の板厚と鉄損との関係を示す図。 珪素鋼板における珪素含有量と鉄損との関係を示す図。 エッチング加工による代表的な加工断面形状を示す図。 パンチング加工による代表的な加工断面形状を示す図。 本発明の実施例２乃至実施例８に関わる誘導電動機の要部を示す図。 本発明の実施例９乃至実施例１０に関わる誘導電動機の要部を示す図。

符号の説明

４０ 固定子
４２ 固定子鉄心
６０ 回転子
６２ 回転子鉄心
９１ 溝
９２ 穴の集合部

Claims (1)

1. ティースとスロットとを有する固定子鉄心と、前記スロットに配置された固定子巻線とを備えた固定子と、ティースとスロットを有する回転子鉄心と、前記スロットに配置された回転子導体とを備えた回転子とを有する誘導機において、
   前記固定子鉄心および前記回転子鉄心は、積層された鋼板で作られており、
   前記鋼板がエッチング加工により形成されて、前記回転子鉄心又は固定子鉄心に、板厚よりも径の小さい穴の集合部又は板厚よりも幅の小さい溝が設けられ、
   前記回転子導体の周りを覆うように前記回転子鉄心に穴の集合部又は溝を備えたことを特徴とする誘導機。

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