モータ鉄心用電磁鋼板の選択方法
【課題】実際に電磁鋼板を加工してモータを試作して評価することなしに、かつ数値シミュレーションを実施する回数を最小限に抑えて、しかも簡便・容易にモータに使用する電磁鋼板の選択を行なうこと。
【解決手段】複数種類の電磁鋼板の中から評価の基準とするために１種類の電磁鋼板を選定し、選定された電磁鋼板に対して磁界解析シミュレーションでモータトルク特性を算出するための計算モデルを用意し、その計算モデルを用いてその電磁鋼板を鉄心材料に使用したモータの設計最大トルク出力時のティースおよびヨークの磁束密度を求め、それに基づいて磁束密度特性指標を決定し、その磁束密度特性指標における各電磁鋼板の磁束密度特性値データを用意し、そのデータから最適電磁鋼板を判定するための判定用インデックスを電磁鋼板ごとに算出し、その結果に基づいてモータ鉄心に使用する電磁鋼板を選択する。
【解決手段】複数種類の電磁鋼板の中から評価の基準とするために１種類の電磁鋼板を選定し、選定された電磁鋼板に対して磁界解析シミュレーションでモータトルク特性を算出するための計算モデルを用意し、その計算モデルを用いてその電磁鋼板を鉄心材料に使用したモータの設計最大トルク出力時のティースおよびヨークの磁束密度を求め、それに基づいて磁束密度特性指標を決定し、その磁束密度特性指標における各電磁鋼板の磁束密度特性値データを用意し、そのデータから最適電磁鋼板を判定するための判定用インデックスを電磁鋼板ごとに算出し、その結果に基づいてモータ鉄心に使用する電磁鋼板を選択する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータのティース脚長さ方向を電磁鋼板の圧延方向あるいは圧延直角方向といった特定の方向に揃えて打ち抜き、これを積層して組み合わせて鉄心とする分割鉄心型モータの鉄心に用いる電磁鋼板の選択方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータ鉄心は電磁鋼板を円形状のステータを一体として打ち抜き、これを積層して構成するのが一般的であった。このため、モータ鉄心用の電磁鋼板の磁気異方性は小さい方が好ましいとされていた。
【０００３】
しかし、電磁鋼板をＴ字型形状に打ち抜き積層したＴ字型ピースを組み合わせてステータ鉄心とする分割鉄心型モータの出現により、従来は好ましくないとされていた電磁鋼板の磁気異方性をむしろ積極的に活用する試みが検討されている（特許文献１〜４）。これは、分割鉄心型モータの場合、ティース脚を電磁鋼板の圧延方向または圧延直角方向に揃えて打ち抜くことが可能であり、磁気異方性を積極的に活用することができるからである。
【０００４】
電磁鋼板を一体の円形状のステータとして打ち抜きこれを積層して構成する従来型のモータにおいては、モータ鉄心用電磁鋼板の選択方法として鋼板圧延方向（Ｌ方向）と圧延直角方向（Ｃ方向）との平均的な磁束密度特性である磁束密度Ｂ２５（磁界強度２５００Ａ／ｍにおける磁束密度）あるいはＢ５０（磁界強度５０００Ａ／ｍにおける磁束密度）の数値が高い電磁鋼板を選択すればトルク性能の優れたモータとすることができるのが一般的であった。
【０００５】
一方、特許文献１〜３では、分割鉄心型モータでは電磁鋼板の磁気異方性は必ずしも小さくなくてもよく、Ｌ方向とＣ方向の磁気特性を改善した方が分割コアのティース部分で所要の磁気特性を確保することができる点で好ましいとしている。
【０００６】
具体的には、特許文献１においては、Ｃ方向のＢ５０と圧延方向と４５°方向（Ｄ方向）のＢ５０との比が鋼板板厚によって定まるある値より大きく、かつＬ方向のＢ５０と鋼板の飽和磁束密度Ｂｓとの比もある値より大きいのが好ましいとしている。特許文献２においては、Ｌ方向のＢ５０とＤ方向のＢ５０との差がある値より大きいのが好ましいとしている。特許文献３においては、Ｃ方向のＢ５０とＤ方向のＢ５０との比がある特定の値より大きく、かつＬ方向のＢ５０と鋼板の飽和磁束密度Ｂｓとの比もある値より大きいのが好ましいとしている。
【０００７】
しかし、上記特許文献１〜３のいずれもＬ方向およびＣ方向の磁束密度特性を改善することが好ましいことを概念的に述べているのみで、それらの改善が効果としてモータ特性にどのように影響するのか、モータトルク特性をどの程度向上させることができるのか（あるいはできないのか）について全く触れていない。
【０００８】
このため、上記特許文献１〜３の規定を満足する電磁鋼板を複数種類用意できるとき、例えば特許文献３の指定するところのＣ方向のＢ５０とＤ方向のＢ５０との比が１．０３を上回りかつＬ方向のＢ５０と鋼板の飽和磁束密度Ｂｓとの比が０．８２以上となる電磁鋼板が複数種類用意できるときに、それら電磁鋼板の中のどれを使用したら最もモータトルク特性の優れたモータを作成することができるのかについては示唆するものすらない。まして特許文献１〜３に記載されたような結晶組織、粒径あるいは磁気特性を制御する特殊な電磁鋼板はコストその他の理由で入手できない場合において、上記特許文献１〜３に記載の条件を満足しないが入手は可能な電磁鋼板を用いてモータを作成するに際し、入手可能な電磁鋼板の中のどれを使用したら最もモータトルク特性の優れたモータを作成することができるのかについては全くわからないといえる。
【０００９】
特許文献４では結晶方位を特定の条件に制御し、Ｌ方向Ｂ５０が１．８Ｔ以上、Ｃ方向Ｂ５０が１．７Ｔ以上とした電磁鋼板を使用すればモータ鉄損を低減して効率の優れたモータを得ることができるとしており、モータ効率に及ぼす効果も具体的に例示されている。しかし、特許文献４の発明で規定する要件を満足する電磁鋼板を複数種類用意できるとき、それら電磁鋼板の中のどれを使用したら最も効率が優れたモータとすることができるかに関しては、Ｌ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ５０の両方が高い電磁鋼板の方がモータ効率も高くなる例が示されているに過ぎず、例えばＬ方向Ｂ５０が１．８５Ｔ、Ｃ方向Ｂ５０が１．７１Ｔの電磁鋼板ＡとＬ方向Ｂ５０が１．８３Ｔ、Ｃ方向Ｂ５０が１．７３Ｔの電磁鋼板Ｂとではどちらが効率が優れたモータとなるかといったことの判断の根拠となるような記載はないので、効率の優れたモータを得るための詳細な判定指標を提示するまでには至っていない。ましてモータのトルク特性については全く触れられておらず、電磁鋼板を複数種類用意できたときに、それら電磁鋼板の中のどれを使用したら最もモータトルク特性の優れたモータを作成することができるのかについては特許文献１〜３と同様、有用な知見は全く示されていない。
【００１０】
このため、たとえばティース脚を電磁鋼板の圧延方向に揃えて打ち抜き積層したＴ字型ピースを組み合わせてステータ鉄心としたモータでは、電磁鋼板のＬ方向とＣ方向の磁束密度特性（Ｂ２５またはＢ５０）の数値がともに高い電磁鋼板を選択すればトルク性能の優れたモータとすることができると一般的・概念的に考えられているのみで、分割鉄心型モータにおいてトルク性能の優れたモータとすることができる確たる電磁鋼板性能指標が存在するとはいえない状況にある。
【００１１】
したがって、分割鉄心型モータにおいてトルク性能の優れたモータとするために鉄心材料として使用する電磁鋼板を選定するに際しては、使用する候補として考えられる電磁鋼板を用いてモータを実際に試作してトルク性能評価を行なって選定する、あるいはコンピュータを使った磁界解析シミュレーションを行ってモータトルク性能を予測することによって選定することがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−１２７６００号公報
【特許文献２】特開２００８−１２７６０８号公報
【特許文献３】特開２００８−１２７６１２号公報
【特許文献４】特許第４２８４８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、モータのティース脚長さ方向を電磁鋼板の特定の方向に揃えて打ち抜きこれを積層して鉄心を構成する分割鉄心型モータにおいて、鉄心素材として使用する電磁鋼板を選定する方法として使用する候補として考えられる電磁鋼板を用いて実際にモータを試作、性能評価して選定する方法は、モータを試作して評価するための費用、手間や時間が大幅にかかるという問題点がある。
【００１４】
昨今ではコンピュータを用いた磁界解析シミュレーション技術が進歩し、モータ性能を数値シミュレーションによって予測することが可能となっている。モータに使用する候補として考えられる電磁鋼板の磁気特性データを用意して数値シミュレーションをおこなうことによって各電磁鋼板を使用したときのモータ性能を予測、相互比較することによって使用する電磁鋼板の選択を行うようにすれば、実際に電磁鋼板を加工してモータを試作して評価するための費用、手間や時間を省略することができるが、モータ性能の数値シミュレーションを実施するためには、使用する候補として考えられる全ての電磁鋼板についての詳細な磁気特性データを用意する必要があるほか、実際に数値シミュレーションを実施するための費用や時間もかかるという問題点がある。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、実際に電磁鋼板を加工してモータを試作して評価することなしに、かつ数値シミュレーションを実施する回数を最小限に抑えて、しかも簡便・容易にモータに使用する電磁鋼板の選択を行なうことができる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明は、電磁鋼板を特定方向に打ち抜き積層して鉄心とする分割型モータを作成するに際し、鉄心材料として使用する候補の電磁鋼板が複数種類存在している場合に、これら複数種類の電磁鋼板のうちモータのトルク性能を最大化するために最適な電磁鋼板を選択するモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法において、
（１）候補としている複数種類の電磁鋼板の中から評価の基準とするために１種類の電磁鋼板を選定する第１工程と、
（２）選定された基準用電磁鋼板を鉄心用材料として使用したモータのトルク性能を数値計算ソフトウェアを用いて計算評価するための計算モデルを用意する第２工程と、
（３）当該モータが使用される最大トルク出力時におけるモータ鉄心のティースおよびヨークの磁束密度を前記計算モデルを用いて求める第３工程と、
（４）第３工程で得られたティースおよびヨークの磁束密度の値に基づき、電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標を決定する第４工程と、
（５）第４工程で決定した磁束密度特性指標における前記候補としている各電磁鋼板の磁束密度特性値データを用意する第５工程と、
（６）第５工程で用意された磁束密度特性値データから最適電磁鋼板を判定するための判定用インデックスを前記候補としている電磁鋼板ごとに算出する第６工程と、
（７）第６工程で算定された判定用インデックスに基づいて、前記候補としている複数種類の電磁鋼板の中からモータ鉄心に使用する電磁鋼板を選択する第７工程と
からなることを特徴とするモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法を提供する。
【００１７】
上記モータ鉄心用電磁鋼板の選択方法において、前記第４工程で求める磁束密度特性指標として、前記第３工程で求めた最大トルク出力時におけるモータ鉄心のティースおよびヨークの磁束密度の値に対応する磁界強度の近傍の切りの良い磁界強度のときの磁束密度を用いることができる。
【００１８】
また、前記第５工程で求められる各電磁鋼板の磁束密度特性値データであるティースの磁束密度値がＢｔ、ヨークの磁束密度値がＢｙであり、そのときの磁界強度がそれぞれＨｔおよびＨｙであり、ティース脚長さをＬｔ（ｍｍ）、ティースの幅をＷｔ（ｍｍ）、ヨーク長さをＬｙ（ｍｍ）、ヨーク幅をＷｙ（ｍｍ）としたときに、前記第６工程で算出される判定用インデックスとして、以下の式で表されるものを用いることができる。
判定用インデックス＝｛（Ｌｔ／Ｗｔ）×（Ｈｔ／Ｂｔ）＋（Ｌｙ／Ｗｙ）×（Ｈｙ／Ｂｙ）｝×１０００
【００１９】
この場合に、前記第３の工程で実施した磁界計算シミュレーションの計算結果を用いてモータ鉄心各部位の磁束密度の二次元リサージュを求め、各部位が交番磁束領域であるか回転磁束領域であるか判定して、ティースの交番磁束領域長さである実効ティース脚長さを前記ティース脚長さＬｔとして用い、かつヨーク部の交番磁束領域長さである実効ヨーク長さを前記ヨーク長さＬｙとして用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、実際にモータを試作して評価することなしに当該モータに用いる電磁鋼板を選定するようにしているので、電磁鋼板を加工してモータを試作して評価するための費用、手間や時間を大きく低減することができる。また、複数の電磁鋼板の中から１種類の電磁鋼板を選択するために数値シミュレーションを実施するが、シミュレーションは１種類の電磁鋼板についてのみとしているのでシミュレーションを行なう費用や時間が抑制され、シミュレーションを行うために必要となる電磁鋼板の詳細な磁気特性データも１種類の電磁鋼板についてのみ用意すればよいので、詳細なデータを用意する手間を大きく低減することができる。さらに、容易に入手できる電磁鋼板の一般的な磁気特性データを用いて電磁鋼板を選定するようにしているので、簡便かつ容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】発明の一実施形態に係るモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法における一連の工程を示すフローチャートである。
【図２】第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果を用いてモータステータ各部位の磁束密度の二次元リサージュを求めて、交番磁束領域と回転磁束領域に分けた結果を示す図である。
【図３】図２の交番磁束領域と回転磁束領域に分けた結果に基づいて、実効ティース脚長Ｌｔと実効ヨーク長Ｌｙとを定めた状態を示す図である。
【図４】表３に示したモータトルクと表２に示した実施例１の鉄心材料の判定用インデックスとの関係を示す図である。
【図５】鋼板のＬ方向Ｂ５０とモータトルクとの関係を示す図である。
【図６】表３に示したモータトルクと表４に示した実施例２の鉄心材料の判定用インデックスとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
ここでは、電磁鋼板を特定方向に打ち抜き積層して鉄心とする分割型モータを作成するに際し、鉄心材料として使用する候補として考えられる電磁鋼板が何種類か存在している場合において、モータのトルク性能を最大化するために、以下に説明する一連の工程に基づいて最適な電磁鋼板を選択する。
図１は本発明の一実施形態に係るモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法における一連の工程を示すフローチャートである。
【００２３】
まず、使用する候補としている電磁鋼板群の中から評価の基準とするために１種類の電磁鋼板を選定する（第１工程）。
【００２４】
選定に当たっては、電磁鋼板の製造メーカから提供される圧延方向（Ｌ方向）と圧延直角方向（Ｃ方向）との平均的な磁気特性（Ｌ＋Ｃ特性と表記）であるところの磁束密度値Ｂ５０（磁界５０００Ａ／ｍにおける磁束密度値）を使用する。具体的には、使用する候補である全ての電磁鋼板のＢ５０の値を比較して最も平均的なＢ５０値を有する電磁鋼板を評価基準用電磁鋼板として選定する。
【００２５】
なお、本実施形態では選定指標としてＢ５０を用いているが、第１の工程における選定の目的は、さまざまな磁束密度性能を有する候補電磁鋼板群の中から平均的な磁束密度性能を有する電磁鋼板を選びだすことにあるので、選定指標は必ずしもＢ５０である必要はなく、例えばＢ２５（磁界２５００Ａ／ｍにおける磁束密度値）を用いてもよい。
【００２６】
また第１工程で選定する電磁鋼板は候補電磁鋼板群の中で平均的な磁束密度性能を有する電磁鋼板を選定するほど最終的な最適電磁鋼板選択の精度が良くなるのであるが、仮に第１工程における選定で候補電磁鋼板群の中の平均からずれた電磁鋼板を選定したとしても最終的な精度は劣るものの本発明の効果は十分に得ることができるので、例えばシミュレーションに使用する詳細な磁気特性データが得やすい電磁鋼板を選定することもできる。
【００２７】
次に、上記第１工程で選定した評価基準用電磁鋼板に対してのみ、磁界解析シミュレーションでモータトルク特性を算出するために必要となる電磁鋼板磁気特性データを用意し、それに基づいて計算モデルを用意する（第２工程）。
【００２８】
たとえば広く市販されているＪＭＡＧとよばれる磁界解析シミュレーションソフトを使用する場合には、電磁鋼板の磁化特性曲線データを用意して当該モータの磁界解析を行うための計算モデルを完成させる。
【００２９】
なお、ここで、当該モータはティース脚方向を電磁鋼板Ｌ方向に揃えて打ち抜いて作成する予定の場合、ティース部の磁気特性は電磁鋼板Ｌ方向の磁化特性、ヨーク部はＣ方向の磁化特性を有するとした計算モデルとし、逆にティース脚方向を電磁鋼板Ｃ方向に揃えて打ち抜いて作成する予定の場合、ティース部の磁気特性は電磁鋼板Ｃ方向の磁化特性、ヨーク部はＬ方向の磁化特性を有するとした計算モデルとするのが好ましい。
【００３０】
次に、上記第２工程で用意された計算モデルを用いて、評価基準用電磁鋼板を鉄心材料に使用したモータの設計最大トルク出力時の鉄心のティースおよびヨークの磁束密度を求める（第３工程）。
【００３１】
なお、上記第２工程および第３工程では、以上に説明したような磁界解析シミュレーションを使用することが、費用、手間や時間を抑制できる点で最も好ましいが、たとえば評価基準用電磁鋼板を鉄心材料に使用したモータを実際に試作して実験的に最大トルク出力時の鉄心のティースおよびヨークの磁束密度を求めることを行ってもよい。
【００３２】
次に、上記第３工程で得られたティースおよびヨークの磁束密度に基づき、最適電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標を決定する（第４工程）。
【００３３】
第４工程では、上記第３工程で得られたティースの磁束密度をＢｔ１（Ｔｅｓｌａ）、ヨーク部の磁束密度をＢｙ１（Ｔｅｓｌａ）とすると、以下のようにして磁界強度を求める。すなわち、決定する当該モータがティース脚方向を電磁鋼板Ｌ方向に揃えて打ち抜いて作成する予定の場合、評価基準用電磁鋼板のＬ方向磁化特性曲線データから磁束密度がＢｔ１となる磁界強度Ｈｔを求め、Ｃ方向磁化特性曲線データから磁束密度がＢｙ１となる磁界強度Ｈｙを求める。逆にティース脚方向を電磁鋼板Ｃ方向に揃えて打ち抜いて作成する予定の場合、評価基準用電磁鋼板のＣ方向磁化特性曲線データから磁束密度Ｂｔ１となる磁界強度Ｈｔを求め、Ｌ方向磁化特性曲線データから磁束密度Ｂｙ１となる磁界強度Ｈｙを求める。そして、典型的には、上記磁界Ｈｔ、Ｈｙにおける磁束密度を磁束密度特性指標とする。この値が最も正確で好ましいが、データ入手がしやすい切の良い値に置き換えてもよい。例えばＨｔ＝４８７０Ａ／ｍ、Ｈｙ＝２６３０Ａ／ｍであった場合、Ｈｔ＝５０００Ａ／ｍ、Ｈｙ＝２５００Ａ／ｍに置き換える。このような置き換えは入手容易な磁気特性データを使用できるようにするために行なうのであり、例えば上の例のように置き換えれば、磁束密度特性指標として入手がきわめて容易な電磁鋼板特性データのＢ２５やＢ５０を使用することができる。
【００３４】
次に、上記のようにして全ての使用候補電磁鋼板に対して磁界強度Ｈｔにおける磁束密度値Ｂｔ、磁界強度Ｈｙにおける磁束密度値Ｂｙを用意する。すなわち、上記第４工程で決定した磁束密度特性指標（例えばＢ５０やＢ２５）における各各電磁鋼板の磁束密度特性値データとして実際の磁束密度値Ｂｔ、Ｂｙを用意する（第５工程）。
【００３５】
次に、上記第５工程で得られた使用候補電磁鋼板の磁束密度値Ｂｔ、Ｂｙを用いて下記で定義される判定用インデックスを算出する（第６工程）。
判定用インデックス＝｛（Ｌｔ／Ｗｔ）×（Ｈｔ／Ｂｔ）＋（Ｌｙ／Ｗｙ）×（Ｈｙ／Ｂｙ）｝×１０００
ここでＬｔはティース脚長さ（単位ｍｍ）、Ｗｔはティースの幅（単位ｍｍ）、Ｌｙはヨーク長さ（単位ｍｍ）、Ｗｙはヨーク幅（単位ｍｍ）である。
【００３６】
次に、上記第６工程で得られた各使用候補電磁鋼板の判定用インデックスを比較して最も低い値を有する電磁鋼板１種類を最終的に選択する（第７工程）。
【００３７】
このようにして選択した電磁鋼板を鉄心材料に用いて当該モータを作成すれば、他の使用候補であった電磁鋼板を使用して作成したモータよりも高トルク出力のモータを得ることができる。
【００３８】
以上の実施形態では、上記第６工程において最適電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用するモータのティース脚長さＬｔおよびヨーク長さＬｙとして、幾何学的長さを用いることができるが、高精度にモータのトルク特性を予測する観点から、これらとして上記第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果に基づいて以下のように求めた実効ティース脚長さＬｔｅおよび実効ヨーク長さＬｙｅを用いることが好ましい。
【００３９】
すなわち、図２に示すように、磁界解析シミュレーション結果を用いてモータステータ各部位の磁束密度の二次元リサージュを描く。図２から明らかなように、モータステータの各部位には、ヨーク中央（図２のＡ）やティース中央（図２のＣ）のように磁束状態がほぼ交番磁束である部分（以下交番磁束領域と呼ぶ）と、ティース付け根（図２のＢ）やティース先端（図２のＤ）のように回転磁束を生じる部分（以下回転磁束領域と呼ぶ）の２つに分けることができる。多くの場合リサージュ形状を観察すれば交番磁束領域であるか回転磁束領域であるか明瞭であるが、判断に迷う場合には二次元座標の原点からリサージュ軌跡に至る距離の最大値と最小値との比が１／１０以上ある場合は交番磁束領域、１／１０未満の場合は交番磁束領域とすればよい。このようにしてモータのステータ鉄心を図３に示すように回転磁束領域と交番磁束領域とに分けることができたら、ティースの交番磁界領域となる部分の長さを実効ティース脚長さＬｔｅとし、ヨークの交番磁界領域となる部分の角度（実効ヨーク角度）分のヨーク周長を実効ヨーク長さＬｙｅとして定め、これらをティース脚長さＬｔおよびヨーク長さＬｙとして用いる。図３に示すように、実効ティース脚長さは幾何学的ティース長さより若干短く、実効ヨーク長さは幾何学的ヨーク長さ（幾何学的ヨーク角度分のヨーク周長）よりも若干短い。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
ステータ外径１５６ｍｍ、ロータ径１０５ｍｍ、軸長２５ｍｍ、スロット数１８、磁極数１２の埋め込み磁石型回転子、定格電流１８．４Ａｒｍｓ、定格トルク１０Ｎ・ｍの集中巻き分割モータを設計した。幾何学的ティース脚長さＬｔを１８．６ｍｍ、ティース脚幅Ｗｔを１０．０ｍｍ、幾何学的ヨーク長さＬｙを７．９ｍｍ、ヨーク幅Ｗｙを５．４ｍｍとした。モータ鉄心は、ティース脚長手方向を電磁鋼板Ｌ方向に揃えて打ち抜き積層して作製するものとした。このため、モータ鉄心の磁束流れは、ティース部では電磁鋼板Ｌ方向、ヨーク部では電磁鋼板Ｃ方向に主に流れることになる。
【００４１】
上記モータの鉄心用電磁鋼板として使用する候補として表１に示す電磁鋼板を用意した。圧延方向（Ｌ方向）と圧延直角方向（Ｃ方向）との平均的な磁気特性（Ｌ＋Ｃ特性と表記）であるところの磁束密度値Ｂ５０（磁界５０００Ａ／ｍにおける磁束密度値）を比較すると鋼板Ｃが最も平均的な値であるので、評価基準用電磁鋼板として鋼板Ｃを選定した（第１工程）。
【００４２】
コンピュータを用いた磁界シミュレーションを行う際に使用するために、鋼板Ｃの詳細な磁気特性データを用意し、市販の磁界シミュレーションソフトウェアを用いて、設計した当該モータに対する計算用モデルを作成し、鉄心の磁気特性として鋼板Ｃの磁気特性を当てはめるように設定して磁界シミュレーションを行う準備を整えた（第２工程）。
【００４３】
上記準備した計算用モデルに対して、モータ鉄心の磁界シミュレーションを行い、モータトルク性能を算出した。モータ駆動電流を大きくするほどモータトルクも大きくなり、設計定格電流１８．４Ａｒｍｓで駆動した場合のトルク（最大トルク）は１０．０Ｎ・ｍであった。このときの磁束密度（鉄心断面平均磁束密度振幅の最大値）はティースが１．７１８Ｔ、ヨークが１．５８９Ｔとなることがわかった（第３工程）。
【００４４】
上記第２工程で用意した鋼板Ｃの磁化特性データで確認すると、最大トルク運転時ティース磁束密度１．７１８Ｔは鋼板ＣのＬ方向Ｂ５０に極めて近い値であり、最大トルク運転時ヨーク磁束密度１．５８９Ｔは鋼板ＣのＣ方向Ｂ２５に極めて近い値であることがわかったので、最適電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標としてＬ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ２５を選定した（第４工程）。このとき上記判定用インデックスに対してＨｔ＝５０００Ａ／ｍ、ＢｔはＬ方向Ｂ５０の値、Ｈｙ＝２５００Ａ／ｍ、ＢｙはＣ方向Ｂ２５の値としたことに相当する。
【００４５】
表１に示す全ての電磁鋼板について、第４工程で磁束密度特性指標として選定したＬ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ２５の特性データを用意した（第５工程）。なお、Ｌ方向Ｂ５０やＣ方向Ｂ２５といった特性データはごく一般的な磁気特性データであるので、電磁鋼板の製造メーカに問い合わせるなどすることによって容易に入手することができる。
【００４６】
第５工程で用意した磁束密度特性指標データを用いて、表１に示す全ての電磁鋼板に対し、以下のように判定用インデックスを算出した（第６工程）。
判定用インデックス＝｛（１８．６／１０．０）×（５０００／Ｂ５０）＋（７．９／５．４）×（２５００／Ｂ２５）｝×１０００
各電磁鋼板のＬ方向Ｂ５０、Ｃ方向Ｂ２５、判定用インデックスの値を表２に示す。
【００４７】
表２を見ると、鋼板Ｆが判定用インデックスの値が最も低いので、モータのトルク性能を最大化する目的に即した最適な電磁鋼板として鋼板Ｆを選定した（第７工程）。
【００４８】
本発明の効果を検証するために、表１に示す用意された電磁鋼板を用いてティース脚長手方向を電磁鋼板Ｌ方向に揃えて打ち抜き積層して鉄心を作製し、１ティースあたり９８ターンの銅巻き線を施して１相あたり６コイル並列の３相星型結線としたモータを合計６台試作した。モータテストベンチを用いて定格電流１８．４Ａｒｍｓ、回転数１０００ｒｐｍで駆動したときのモータトルクを計測した結果を表３に示す。
【００４９】
表３に示したモータトルクと表２に示した鉄心材料の判定用インデックスとの関係を図４に示す。図４より、鉄心材料の一般的な磁気特性値から容易に算出できる判定用インダックスが最も低い材料を使用すれば、最もトルク特性の優れたモータとすることができることが実験的にも確認された。
【００５０】
図５に示した鋼板のＬ方向Ｂ５０とモータトルクとの関係からわかるように、鉄心に使用する鋼板のＬ方向Ｂ５０の値のみでモータのトルク性能を一義的に示すことはできないが、図４に見るように鉄心に使用する鋼板の判定用インデックスによってモータのトルク特性を一義的に示すことが可能であり、判定用インデックスはモータのトルク特性を極めて高精度に予測することができる優れた指標であることも確認された。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【００５３】
【表３】
【００５４】
（実施例２）
次に、実施例１と同様の設計のモータの鉄心用電磁鋼板の候補として実施例１と同様、表１の電磁鋼板を用意し、実施例１と同様に第１工程〜第３工程を行った後、第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果に基づいて、モータ鉄心各部位の磁束密度リサージュを描き交番磁束領域と回転磁束領域との区分けを行い、実効ティース脚長さＬｔｅおよび実効ヨーク長さＬｙｅを求めた。その結果、Ｌｔｅは１６．４ｍｍ、Ｌｙｅは６．６ｍｍとなった。
【００５５】
次いで、第４工程を実施例１と同様に行って、最適電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標としてＬ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ２５を選定した。そして、実施例１と同様、表１に示す全ての電磁鋼板について、第４工程で磁束密度特性指標として選定したＬ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ２５の特性データを用意した（第５工程）。
【００５６】
第５工程で用意した磁束密度特性指標データを用い、かつ、第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果に基づいて求めた実効ティース脚長さＬｔｅおよび実効ヨーク長さＬｙｅを、それぞれティース脚長さＬｔおよびヨーク長さＬｙとして用いて、表１に示す全ての電磁鋼板に対し、以下の式に従って以下のように判定用インデックスを算出した（第６工程）。
判定用インデックス＝｛（１６．４／１０．０）×（５０００／Ｂ５０）＋（６．６／５．４）×（２５００／Ｂ２５）｝×１０００
各電磁鋼板のＬ方向Ｂ５０、Ｃ方向Ｂ２５、判定用インデックスの値を表４に示す。
【００５７】
表４を見ると、鋼板Ｆが判定用インデックスの値が最も低いので、モータのトルク性能を最大化する目的に即した最適な電磁鋼板として鋼板Ｆを選定した（第７工程）。
【００５８】
表１に示す電磁鋼板により作製した鉄心を用いたモータによる表３に示すモータトルクと表４に示した鉄心材料の判定用インデックスとの関係を図６に示す。実施例１と同様、鉄心材料の一般的な磁気特性値から容易に算出できる判定用インダックスが最も低い材料を使用すれば、最もトルク特性の優れたモータとすることができることが実験的にも確認された。また、第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果に基づいて、モータ鉄心各部位の磁束密度リサージュを描き交番磁束領域と回転磁束領域との区分けを行い、実効ティース脚長さＬｔｅおよび実効ヨーク長さＬｙｅを求め、それを判定用インデックスの算出に用いたので、実運用において、より高精度にモータのトルク特性を予測できることが期待される。
【００５９】
【表４】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータのティース脚長さ方向を電磁鋼板の圧延方向あるいは圧延直角方向といった特定の方向に揃えて打ち抜き、これを積層して組み合わせて鉄心とする分割鉄心型モータの鉄心に用いる電磁鋼板の選択方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータ鉄心は電磁鋼板を円形状のステータを一体として打ち抜き、これを積層して構成するのが一般的であった。このため、モータ鉄心用の電磁鋼板の磁気異方性は小さい方が好ましいとされていた。
【０００３】
しかし、電磁鋼板をＴ字型形状に打ち抜き積層したＴ字型ピースを組み合わせてステータ鉄心とする分割鉄心型モータの出現により、従来は好ましくないとされていた電磁鋼板の磁気異方性をむしろ積極的に活用する試みが検討されている（特許文献１〜４）。これは、分割鉄心型モータの場合、ティース脚を電磁鋼板の圧延方向または圧延直角方向に揃えて打ち抜くことが可能であり、磁気異方性を積極的に活用することができるからである。
【０００４】
電磁鋼板を一体の円形状のステータとして打ち抜きこれを積層して構成する従来型のモータにおいては、モータ鉄心用電磁鋼板の選択方法として鋼板圧延方向（Ｌ方向）と圧延直角方向（Ｃ方向）との平均的な磁束密度特性である磁束密度Ｂ２５（磁界強度２５００Ａ／ｍにおける磁束密度）あるいはＢ５０（磁界強度５０００Ａ／ｍにおける磁束密度）の数値が高い電磁鋼板を選択すればトルク性能の優れたモータとすることができるのが一般的であった。
【０００５】
一方、特許文献１〜３では、分割鉄心型モータでは電磁鋼板の磁気異方性は必ずしも小さくなくてもよく、Ｌ方向とＣ方向の磁気特性を改善した方が分割コアのティース部分で所要の磁気特性を確保することができる点で好ましいとしている。
【０００６】
具体的には、特許文献１においては、Ｃ方向のＢ５０と圧延方向と４５°方向（Ｄ方向）のＢ５０との比が鋼板板厚によって定まるある値より大きく、かつＬ方向のＢ５０と鋼板の飽和磁束密度Ｂｓとの比もある値より大きいのが好ましいとしている。特許文献２においては、Ｌ方向のＢ５０とＤ方向のＢ５０との差がある値より大きいのが好ましいとしている。特許文献３においては、Ｃ方向のＢ５０とＤ方向のＢ５０との比がある特定の値より大きく、かつＬ方向のＢ５０と鋼板の飽和磁束密度Ｂｓとの比もある値より大きいのが好ましいとしている。
【０００７】
しかし、上記特許文献１〜３のいずれもＬ方向およびＣ方向の磁束密度特性を改善することが好ましいことを概念的に述べているのみで、それらの改善が効果としてモータ特性にどのように影響するのか、モータトルク特性をどの程度向上させることができるのか（あるいはできないのか）について全く触れていない。
【０００８】
このため、上記特許文献１〜３の規定を満足する電磁鋼板を複数種類用意できるとき、例えば特許文献３の指定するところのＣ方向のＢ５０とＤ方向のＢ５０との比が１．０３を上回りかつＬ方向のＢ５０と鋼板の飽和磁束密度Ｂｓとの比が０．８２以上となる電磁鋼板が複数種類用意できるときに、それら電磁鋼板の中のどれを使用したら最もモータトルク特性の優れたモータを作成することができるのかについては示唆するものすらない。まして特許文献１〜３に記載されたような結晶組織、粒径あるいは磁気特性を制御する特殊な電磁鋼板はコストその他の理由で入手できない場合において、上記特許文献１〜３に記載の条件を満足しないが入手は可能な電磁鋼板を用いてモータを作成するに際し、入手可能な電磁鋼板の中のどれを使用したら最もモータトルク特性の優れたモータを作成することができるのかについては全くわからないといえる。
【０００９】
特許文献４では結晶方位を特定の条件に制御し、Ｌ方向Ｂ５０が１．８Ｔ以上、Ｃ方向Ｂ５０が１．７Ｔ以上とした電磁鋼板を使用すればモータ鉄損を低減して効率の優れたモータを得ることができるとしており、モータ効率に及ぼす効果も具体的に例示されている。しかし、特許文献４の発明で規定する要件を満足する電磁鋼板を複数種類用意できるとき、それら電磁鋼板の中のどれを使用したら最も効率が優れたモータとすることができるかに関しては、Ｌ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ５０の両方が高い電磁鋼板の方がモータ効率も高くなる例が示されているに過ぎず、例えばＬ方向Ｂ５０が１．８５Ｔ、Ｃ方向Ｂ５０が１．７１Ｔの電磁鋼板ＡとＬ方向Ｂ５０が１．８３Ｔ、Ｃ方向Ｂ５０が１．７３Ｔの電磁鋼板Ｂとではどちらが効率が優れたモータとなるかといったことの判断の根拠となるような記載はないので、効率の優れたモータを得るための詳細な判定指標を提示するまでには至っていない。ましてモータのトルク特性については全く触れられておらず、電磁鋼板を複数種類用意できたときに、それら電磁鋼板の中のどれを使用したら最もモータトルク特性の優れたモータを作成することができるのかについては特許文献１〜３と同様、有用な知見は全く示されていない。
【００１０】
このため、たとえばティース脚を電磁鋼板の圧延方向に揃えて打ち抜き積層したＴ字型ピースを組み合わせてステータ鉄心としたモータでは、電磁鋼板のＬ方向とＣ方向の磁束密度特性（Ｂ２５またはＢ５０）の数値がともに高い電磁鋼板を選択すればトルク性能の優れたモータとすることができると一般的・概念的に考えられているのみで、分割鉄心型モータにおいてトルク性能の優れたモータとすることができる確たる電磁鋼板性能指標が存在するとはいえない状況にある。
【００１１】
したがって、分割鉄心型モータにおいてトルク性能の優れたモータとするために鉄心材料として使用する電磁鋼板を選定するに際しては、使用する候補として考えられる電磁鋼板を用いてモータを実際に試作してトルク性能評価を行なって選定する、あるいはコンピュータを使った磁界解析シミュレーションを行ってモータトルク性能を予測することによって選定することがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−１２７６００号公報
【特許文献２】特開２００８−１２７６０８号公報
【特許文献３】特開２００８−１２７６１２号公報
【特許文献４】特許第４２８４８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、モータのティース脚長さ方向を電磁鋼板の特定の方向に揃えて打ち抜きこれを積層して鉄心を構成する分割鉄心型モータにおいて、鉄心素材として使用する電磁鋼板を選定する方法として使用する候補として考えられる電磁鋼板を用いて実際にモータを試作、性能評価して選定する方法は、モータを試作して評価するための費用、手間や時間が大幅にかかるという問題点がある。
【００１４】
昨今ではコンピュータを用いた磁界解析シミュレーション技術が進歩し、モータ性能を数値シミュレーションによって予測することが可能となっている。モータに使用する候補として考えられる電磁鋼板の磁気特性データを用意して数値シミュレーションをおこなうことによって各電磁鋼板を使用したときのモータ性能を予測、相互比較することによって使用する電磁鋼板の選択を行うようにすれば、実際に電磁鋼板を加工してモータを試作して評価するための費用、手間や時間を省略することができるが、モータ性能の数値シミュレーションを実施するためには、使用する候補として考えられる全ての電磁鋼板についての詳細な磁気特性データを用意する必要があるほか、実際に数値シミュレーションを実施するための費用や時間もかかるという問題点がある。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、実際に電磁鋼板を加工してモータを試作して評価することなしに、かつ数値シミュレーションを実施する回数を最小限に抑えて、しかも簡便・容易にモータに使用する電磁鋼板の選択を行なうことができる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明は、電磁鋼板を特定方向に打ち抜き積層して鉄心とする分割型モータを作成するに際し、鉄心材料として使用する候補の電磁鋼板が複数種類存在している場合に、これら複数種類の電磁鋼板のうちモータのトルク性能を最大化するために最適な電磁鋼板を選択するモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法において、
（１）候補としている複数種類の電磁鋼板の中から評価の基準とするために１種類の電磁鋼板を選定する第１工程と、
（２）選定された基準用電磁鋼板を鉄心用材料として使用したモータのトルク性能を数値計算ソフトウェアを用いて計算評価するための計算モデルを用意する第２工程と、
（３）当該モータが使用される最大トルク出力時におけるモータ鉄心のティースおよびヨークの磁束密度を前記計算モデルを用いて求める第３工程と、
（４）第３工程で得られたティースおよびヨークの磁束密度の値に基づき、電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標を決定する第４工程と、
（５）第４工程で決定した磁束密度特性指標における前記候補としている各電磁鋼板の磁束密度特性値データを用意する第５工程と、
（６）第５工程で用意された磁束密度特性値データから最適電磁鋼板を判定するための判定用インデックスを前記候補としている電磁鋼板ごとに算出する第６工程と、
（７）第６工程で算定された判定用インデックスに基づいて、前記候補としている複数種類の電磁鋼板の中からモータ鉄心に使用する電磁鋼板を選択する第７工程と
からなることを特徴とするモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法を提供する。
【００１７】
上記モータ鉄心用電磁鋼板の選択方法において、前記第４工程で求める磁束密度特性指標として、前記第３工程で求めた最大トルク出力時におけるモータ鉄心のティースおよびヨークの磁束密度の値に対応する磁界強度の近傍の切りの良い磁界強度のときの磁束密度を用いることができる。
【００１８】
また、前記第５工程で求められる各電磁鋼板の磁束密度特性値データであるティースの磁束密度値がＢｔ、ヨークの磁束密度値がＢｙであり、そのときの磁界強度がそれぞれＨｔおよびＨｙであり、ティース脚長さをＬｔ（ｍｍ）、ティースの幅をＷｔ（ｍｍ）、ヨーク長さをＬｙ（ｍｍ）、ヨーク幅をＷｙ（ｍｍ）としたときに、前記第６工程で算出される判定用インデックスとして、以下の式で表されるものを用いることができる。
判定用インデックス＝｛（Ｌｔ／Ｗｔ）×（Ｈｔ／Ｂｔ）＋（Ｌｙ／Ｗｙ）×（Ｈｙ／Ｂｙ）｝×１０００
【００１９】
この場合に、前記第３の工程で実施した磁界計算シミュレーションの計算結果を用いてモータ鉄心各部位の磁束密度の二次元リサージュを求め、各部位が交番磁束領域であるか回転磁束領域であるか判定して、ティースの交番磁束領域長さである実効ティース脚長さを前記ティース脚長さＬｔとして用い、かつヨーク部の交番磁束領域長さである実効ヨーク長さを前記ヨーク長さＬｙとして用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、実際にモータを試作して評価することなしに当該モータに用いる電磁鋼板を選定するようにしているので、電磁鋼板を加工してモータを試作して評価するための費用、手間や時間を大きく低減することができる。また、複数の電磁鋼板の中から１種類の電磁鋼板を選択するために数値シミュレーションを実施するが、シミュレーションは１種類の電磁鋼板についてのみとしているのでシミュレーションを行なう費用や時間が抑制され、シミュレーションを行うために必要となる電磁鋼板の詳細な磁気特性データも１種類の電磁鋼板についてのみ用意すればよいので、詳細なデータを用意する手間を大きく低減することができる。さらに、容易に入手できる電磁鋼板の一般的な磁気特性データを用いて電磁鋼板を選定するようにしているので、簡便かつ容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】発明の一実施形態に係るモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法における一連の工程を示すフローチャートである。
【図２】第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果を用いてモータステータ各部位の磁束密度の二次元リサージュを求めて、交番磁束領域と回転磁束領域に分けた結果を示す図である。
【図３】図２の交番磁束領域と回転磁束領域に分けた結果に基づいて、実効ティース脚長Ｌｔと実効ヨーク長Ｌｙとを定めた状態を示す図である。
【図４】表３に示したモータトルクと表２に示した実施例１の鉄心材料の判定用インデックスとの関係を示す図である。
【図５】鋼板のＬ方向Ｂ５０とモータトルクとの関係を示す図である。
【図６】表３に示したモータトルクと表４に示した実施例２の鉄心材料の判定用インデックスとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
ここでは、電磁鋼板を特定方向に打ち抜き積層して鉄心とする分割型モータを作成するに際し、鉄心材料として使用する候補として考えられる電磁鋼板が何種類か存在している場合において、モータのトルク性能を最大化するために、以下に説明する一連の工程に基づいて最適な電磁鋼板を選択する。
図１は本発明の一実施形態に係るモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法における一連の工程を示すフローチャートである。
【００２３】
まず、使用する候補としている電磁鋼板群の中から評価の基準とするために１種類の電磁鋼板を選定する（第１工程）。
【００２４】
選定に当たっては、電磁鋼板の製造メーカから提供される圧延方向（Ｌ方向）と圧延直角方向（Ｃ方向）との平均的な磁気特性（Ｌ＋Ｃ特性と表記）であるところの磁束密度値Ｂ５０（磁界５０００Ａ／ｍにおける磁束密度値）を使用する。具体的には、使用する候補である全ての電磁鋼板のＢ５０の値を比較して最も平均的なＢ５０値を有する電磁鋼板を評価基準用電磁鋼板として選定する。
【００２５】
なお、本実施形態では選定指標としてＢ５０を用いているが、第１の工程における選定の目的は、さまざまな磁束密度性能を有する候補電磁鋼板群の中から平均的な磁束密度性能を有する電磁鋼板を選びだすことにあるので、選定指標は必ずしもＢ５０である必要はなく、例えばＢ２５（磁界２５００Ａ／ｍにおける磁束密度値）を用いてもよい。
【００２６】
また第１工程で選定する電磁鋼板は候補電磁鋼板群の中で平均的な磁束密度性能を有する電磁鋼板を選定するほど最終的な最適電磁鋼板選択の精度が良くなるのであるが、仮に第１工程における選定で候補電磁鋼板群の中の平均からずれた電磁鋼板を選定したとしても最終的な精度は劣るものの本発明の効果は十分に得ることができるので、例えばシミュレーションに使用する詳細な磁気特性データが得やすい電磁鋼板を選定することもできる。
【００２７】
次に、上記第１工程で選定した評価基準用電磁鋼板に対してのみ、磁界解析シミュレーションでモータトルク特性を算出するために必要となる電磁鋼板磁気特性データを用意し、それに基づいて計算モデルを用意する（第２工程）。
【００２８】
たとえば広く市販されているＪＭＡＧとよばれる磁界解析シミュレーションソフトを使用する場合には、電磁鋼板の磁化特性曲線データを用意して当該モータの磁界解析を行うための計算モデルを完成させる。
【００２９】
なお、ここで、当該モータはティース脚方向を電磁鋼板Ｌ方向に揃えて打ち抜いて作成する予定の場合、ティース部の磁気特性は電磁鋼板Ｌ方向の磁化特性、ヨーク部はＣ方向の磁化特性を有するとした計算モデルとし、逆にティース脚方向を電磁鋼板Ｃ方向に揃えて打ち抜いて作成する予定の場合、ティース部の磁気特性は電磁鋼板Ｃ方向の磁化特性、ヨーク部はＬ方向の磁化特性を有するとした計算モデルとするのが好ましい。
【００３０】
次に、上記第２工程で用意された計算モデルを用いて、評価基準用電磁鋼板を鉄心材料に使用したモータの設計最大トルク出力時の鉄心のティースおよびヨークの磁束密度を求める（第３工程）。
【００３１】
なお、上記第２工程および第３工程では、以上に説明したような磁界解析シミュレーションを使用することが、費用、手間や時間を抑制できる点で最も好ましいが、たとえば評価基準用電磁鋼板を鉄心材料に使用したモータを実際に試作して実験的に最大トルク出力時の鉄心のティースおよびヨークの磁束密度を求めることを行ってもよい。
【００３２】
次に、上記第３工程で得られたティースおよびヨークの磁束密度に基づき、最適電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標を決定する（第４工程）。
【００３３】
第４工程では、上記第３工程で得られたティースの磁束密度をＢｔ１（Ｔｅｓｌａ）、ヨーク部の磁束密度をＢｙ１（Ｔｅｓｌａ）とすると、以下のようにして磁界強度を求める。すなわち、決定する当該モータがティース脚方向を電磁鋼板Ｌ方向に揃えて打ち抜いて作成する予定の場合、評価基準用電磁鋼板のＬ方向磁化特性曲線データから磁束密度がＢｔ１となる磁界強度Ｈｔを求め、Ｃ方向磁化特性曲線データから磁束密度がＢｙ１となる磁界強度Ｈｙを求める。逆にティース脚方向を電磁鋼板Ｃ方向に揃えて打ち抜いて作成する予定の場合、評価基準用電磁鋼板のＣ方向磁化特性曲線データから磁束密度Ｂｔ１となる磁界強度Ｈｔを求め、Ｌ方向磁化特性曲線データから磁束密度Ｂｙ１となる磁界強度Ｈｙを求める。そして、典型的には、上記磁界Ｈｔ、Ｈｙにおける磁束密度を磁束密度特性指標とする。この値が最も正確で好ましいが、データ入手がしやすい切の良い値に置き換えてもよい。例えばＨｔ＝４８７０Ａ／ｍ、Ｈｙ＝２６３０Ａ／ｍであった場合、Ｈｔ＝５０００Ａ／ｍ、Ｈｙ＝２５００Ａ／ｍに置き換える。このような置き換えは入手容易な磁気特性データを使用できるようにするために行なうのであり、例えば上の例のように置き換えれば、磁束密度特性指標として入手がきわめて容易な電磁鋼板特性データのＢ２５やＢ５０を使用することができる。
【００３４】
次に、上記のようにして全ての使用候補電磁鋼板に対して磁界強度Ｈｔにおける磁束密度値Ｂｔ、磁界強度Ｈｙにおける磁束密度値Ｂｙを用意する。すなわち、上記第４工程で決定した磁束密度特性指標（例えばＢ５０やＢ２５）における各各電磁鋼板の磁束密度特性値データとして実際の磁束密度値Ｂｔ、Ｂｙを用意する（第５工程）。
【００３５】
次に、上記第５工程で得られた使用候補電磁鋼板の磁束密度値Ｂｔ、Ｂｙを用いて下記で定義される判定用インデックスを算出する（第６工程）。
判定用インデックス＝｛（Ｌｔ／Ｗｔ）×（Ｈｔ／Ｂｔ）＋（Ｌｙ／Ｗｙ）×（Ｈｙ／Ｂｙ）｝×１０００
ここでＬｔはティース脚長さ（単位ｍｍ）、Ｗｔはティースの幅（単位ｍｍ）、Ｌｙはヨーク長さ（単位ｍｍ）、Ｗｙはヨーク幅（単位ｍｍ）である。
【００３６】
次に、上記第６工程で得られた各使用候補電磁鋼板の判定用インデックスを比較して最も低い値を有する電磁鋼板１種類を最終的に選択する（第７工程）。
【００３７】
このようにして選択した電磁鋼板を鉄心材料に用いて当該モータを作成すれば、他の使用候補であった電磁鋼板を使用して作成したモータよりも高トルク出力のモータを得ることができる。
【００３８】
以上の実施形態では、上記第６工程において最適電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用するモータのティース脚長さＬｔおよびヨーク長さＬｙとして、幾何学的長さを用いることができるが、高精度にモータのトルク特性を予測する観点から、これらとして上記第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果に基づいて以下のように求めた実効ティース脚長さＬｔｅおよび実効ヨーク長さＬｙｅを用いることが好ましい。
【００３９】
すなわち、図２に示すように、磁界解析シミュレーション結果を用いてモータステータ各部位の磁束密度の二次元リサージュを描く。図２から明らかなように、モータステータの各部位には、ヨーク中央（図２のＡ）やティース中央（図２のＣ）のように磁束状態がほぼ交番磁束である部分（以下交番磁束領域と呼ぶ）と、ティース付け根（図２のＢ）やティース先端（図２のＤ）のように回転磁束を生じる部分（以下回転磁束領域と呼ぶ）の２つに分けることができる。多くの場合リサージュ形状を観察すれば交番磁束領域であるか回転磁束領域であるか明瞭であるが、判断に迷う場合には二次元座標の原点からリサージュ軌跡に至る距離の最大値と最小値との比が１／１０以上ある場合は交番磁束領域、１／１０未満の場合は交番磁束領域とすればよい。このようにしてモータのステータ鉄心を図３に示すように回転磁束領域と交番磁束領域とに分けることができたら、ティースの交番磁界領域となる部分の長さを実効ティース脚長さＬｔｅとし、ヨークの交番磁界領域となる部分の角度（実効ヨーク角度）分のヨーク周長を実効ヨーク長さＬｙｅとして定め、これらをティース脚長さＬｔおよびヨーク長さＬｙとして用いる。図３に示すように、実効ティース脚長さは幾何学的ティース長さより若干短く、実効ヨーク長さは幾何学的ヨーク長さ（幾何学的ヨーク角度分のヨーク周長）よりも若干短い。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
ステータ外径１５６ｍｍ、ロータ径１０５ｍｍ、軸長２５ｍｍ、スロット数１８、磁極数１２の埋め込み磁石型回転子、定格電流１８．４Ａｒｍｓ、定格トルク１０Ｎ・ｍの集中巻き分割モータを設計した。幾何学的ティース脚長さＬｔを１８．６ｍｍ、ティース脚幅Ｗｔを１０．０ｍｍ、幾何学的ヨーク長さＬｙを７．９ｍｍ、ヨーク幅Ｗｙを５．４ｍｍとした。モータ鉄心は、ティース脚長手方向を電磁鋼板Ｌ方向に揃えて打ち抜き積層して作製するものとした。このため、モータ鉄心の磁束流れは、ティース部では電磁鋼板Ｌ方向、ヨーク部では電磁鋼板Ｃ方向に主に流れることになる。
【００４１】
上記モータの鉄心用電磁鋼板として使用する候補として表１に示す電磁鋼板を用意した。圧延方向（Ｌ方向）と圧延直角方向（Ｃ方向）との平均的な磁気特性（Ｌ＋Ｃ特性と表記）であるところの磁束密度値Ｂ５０（磁界５０００Ａ／ｍにおける磁束密度値）を比較すると鋼板Ｃが最も平均的な値であるので、評価基準用電磁鋼板として鋼板Ｃを選定した（第１工程）。
【００４２】
コンピュータを用いた磁界シミュレーションを行う際に使用するために、鋼板Ｃの詳細な磁気特性データを用意し、市販の磁界シミュレーションソフトウェアを用いて、設計した当該モータに対する計算用モデルを作成し、鉄心の磁気特性として鋼板Ｃの磁気特性を当てはめるように設定して磁界シミュレーションを行う準備を整えた（第２工程）。
【００４３】
上記準備した計算用モデルに対して、モータ鉄心の磁界シミュレーションを行い、モータトルク性能を算出した。モータ駆動電流を大きくするほどモータトルクも大きくなり、設計定格電流１８．４Ａｒｍｓで駆動した場合のトルク（最大トルク）は１０．０Ｎ・ｍであった。このときの磁束密度（鉄心断面平均磁束密度振幅の最大値）はティースが１．７１８Ｔ、ヨークが１．５８９Ｔとなることがわかった（第３工程）。
【００４４】
上記第２工程で用意した鋼板Ｃの磁化特性データで確認すると、最大トルク運転時ティース磁束密度１．７１８Ｔは鋼板ＣのＬ方向Ｂ５０に極めて近い値であり、最大トルク運転時ヨーク磁束密度１．５８９Ｔは鋼板ＣのＣ方向Ｂ２５に極めて近い値であることがわかったので、最適電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標としてＬ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ２５を選定した（第４工程）。このとき上記判定用インデックスに対してＨｔ＝５０００Ａ／ｍ、ＢｔはＬ方向Ｂ５０の値、Ｈｙ＝２５００Ａ／ｍ、ＢｙはＣ方向Ｂ２５の値としたことに相当する。
【００４５】
表１に示す全ての電磁鋼板について、第４工程で磁束密度特性指標として選定したＬ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ２５の特性データを用意した（第５工程）。なお、Ｌ方向Ｂ５０やＣ方向Ｂ２５といった特性データはごく一般的な磁気特性データであるので、電磁鋼板の製造メーカに問い合わせるなどすることによって容易に入手することができる。
【００４６】
第５工程で用意した磁束密度特性指標データを用いて、表１に示す全ての電磁鋼板に対し、以下のように判定用インデックスを算出した（第６工程）。
判定用インデックス＝｛（１８．６／１０．０）×（５０００／Ｂ５０）＋（７．９／５．４）×（２５００／Ｂ２５）｝×１０００
各電磁鋼板のＬ方向Ｂ５０、Ｃ方向Ｂ２５、判定用インデックスの値を表２に示す。
【００４７】
表２を見ると、鋼板Ｆが判定用インデックスの値が最も低いので、モータのトルク性能を最大化する目的に即した最適な電磁鋼板として鋼板Ｆを選定した（第７工程）。
【００４８】
本発明の効果を検証するために、表１に示す用意された電磁鋼板を用いてティース脚長手方向を電磁鋼板Ｌ方向に揃えて打ち抜き積層して鉄心を作製し、１ティースあたり９８ターンの銅巻き線を施して１相あたり６コイル並列の３相星型結線としたモータを合計６台試作した。モータテストベンチを用いて定格電流１８．４Ａｒｍｓ、回転数１０００ｒｐｍで駆動したときのモータトルクを計測した結果を表３に示す。
【００４９】
表３に示したモータトルクと表２に示した鉄心材料の判定用インデックスとの関係を図４に示す。図４より、鉄心材料の一般的な磁気特性値から容易に算出できる判定用インダックスが最も低い材料を使用すれば、最もトルク特性の優れたモータとすることができることが実験的にも確認された。
【００５０】
図５に示した鋼板のＬ方向Ｂ５０とモータトルクとの関係からわかるように、鉄心に使用する鋼板のＬ方向Ｂ５０の値のみでモータのトルク性能を一義的に示すことはできないが、図４に見るように鉄心に使用する鋼板の判定用インデックスによってモータのトルク特性を一義的に示すことが可能であり、判定用インデックスはモータのトルク特性を極めて高精度に予測することができる優れた指標であることも確認された。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【００５３】
【表３】
【００５４】
（実施例２）
次に、実施例１と同様の設計のモータの鉄心用電磁鋼板の候補として実施例１と同様、表１の電磁鋼板を用意し、実施例１と同様に第１工程〜第３工程を行った後、第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果に基づいて、モータ鉄心各部位の磁束密度リサージュを描き交番磁束領域と回転磁束領域との区分けを行い、実効ティース脚長さＬｔｅおよび実効ヨーク長さＬｙｅを求めた。その結果、Ｌｔｅは１６．４ｍｍ、Ｌｙｅは６．６ｍｍとなった。
【００５５】
次いで、第４工程を実施例１と同様に行って、最適電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標としてＬ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ２５を選定した。そして、実施例１と同様、表１に示す全ての電磁鋼板について、第４工程で磁束密度特性指標として選定したＬ方向Ｂ５０とＣ方向Ｂ２５の特性データを用意した（第５工程）。
【００５６】
第５工程で用意した磁束密度特性指標データを用い、かつ、第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果に基づいて求めた実効ティース脚長さＬｔｅおよび実効ヨーク長さＬｙｅを、それぞれティース脚長さＬｔおよびヨーク長さＬｙとして用いて、表１に示す全ての電磁鋼板に対し、以下の式に従って以下のように判定用インデックスを算出した（第６工程）。
判定用インデックス＝｛（１６．４／１０．０）×（５０００／Ｂ５０）＋（６．６／５．４）×（２５００／Ｂ２５）｝×１０００
各電磁鋼板のＬ方向Ｂ５０、Ｃ方向Ｂ２５、判定用インデックスの値を表４に示す。
【００５７】
表４を見ると、鋼板Ｆが判定用インデックスの値が最も低いので、モータのトルク性能を最大化する目的に即した最適な電磁鋼板として鋼板Ｆを選定した（第７工程）。
【００５８】
表１に示す電磁鋼板により作製した鉄心を用いたモータによる表３に示すモータトルクと表４に示した鉄心材料の判定用インデックスとの関係を図６に示す。実施例１と同様、鉄心材料の一般的な磁気特性値から容易に算出できる判定用インダックスが最も低い材料を使用すれば、最もトルク特性の優れたモータとすることができることが実験的にも確認された。また、第３工程で実施した磁界解析シミュレーション結果に基づいて、モータ鉄心各部位の磁束密度リサージュを描き交番磁束領域と回転磁束領域との区分けを行い、実効ティース脚長さＬｔｅおよび実効ヨーク長さＬｙｅを求め、それを判定用インデックスの算出に用いたので、実運用において、より高精度にモータのトルク特性を予測できることが期待される。
【００５９】
【表４】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を特定方向に打ち抜き積層して鉄心とする分割型モータを作成するに際し、鉄心材料として使用する候補の電磁鋼板が複数種類存在している場合に、これら複数種類の電磁鋼板のうちモータのトルク性能を最大化するために最適な電磁鋼板を選択するモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法において、
（１）候補としている複数種類の電磁鋼板の中から評価の基準とするために１種類の電磁鋼板を選定する第１工程と、
（２）選定された基準用電磁鋼板を鉄心用材料として使用したモータのトルク性能を数値計算ソフトウェアを用いて計算評価するための計算モデルを用意する第２工程と、
（３）当該モータが使用される最大トルク出力時におけるモータ鉄心のティースおよびヨークの磁束密度を前記計算モデルを用いて求める第３工程と、
（４）第３工程で得られたティースおよびヨークの磁束密度の値に基づき、電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標を決定する第４工程と、
（５）第４工程で決定した磁束密度特性指標における前記候補としている各電磁鋼板の磁束密度特性値データを用意する第５工程と、
（６）第５工程で用意された磁束密度特性値データから最適電磁鋼板を判定するための判定用インデックスを前記候補としている電磁鋼板ごとに算出する第６工程と、
（７）第６工程で算出された判定用インデックスに基づいて、前記候補としている複数種類の電磁鋼板の中からモータ鉄心に使用する電磁鋼板を選択する第７工程と
からなることを特徴とするモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法。
【請求項２】
前記第４工程で求める磁束密度特性指標として、前記第３工程で求めた最大トルク出力時におけるモータ鉄心のティースおよびヨークの磁束密度の値に対応する磁界強度の近傍の切りの良い磁界強度のときの磁束密度を用いることを特徴とする請求項１に記載のモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法。
【請求項３】
前記第５工程で求められる各電磁鋼板の磁束密度特性値データであるティースの磁束密度値がＢｔ、ヨークの磁束密度値がＢｙであり、そのときの磁界強度がそれぞれＨｔおよびＨｙであり、ティース脚長さをＬｔ（ｍｍ）、ティースの幅をＷｔ（ｍｍ）、ヨーク長さをＬｙ（ｍｍ）、ヨーク幅をＷｙ（ｍｍ）としたときに、前記第６工程で算出される判定用インデックスが、以下の式で表されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法。
判定用インデックス＝｛（Ｌｔ／Ｗｔ）×（Ｈｔ／Ｂｔ）＋（Ｌｙ／Ｗｙ）×（Ｈｙ／Ｂｙ）｝×１０００
【請求項４】
前記第３の工程で実施した磁界計算シミュレーションの計算結果を用いてモータ鉄心各部位の磁束密度の二次元リサージュを求め、各部位が交番磁束領域であるか回転磁束領域であるか判定して、ティースの交番磁束領域長さである実効ティース脚長さを前記ティース脚長さＬｔとして用い、かつヨーク部の交番磁束領域長さである実効ヨーク長さを前記ヨーク長さＬｙとして用いることを特徴とする請求項３に記載のモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法。
【請求項１】
電磁鋼板を特定方向に打ち抜き積層して鉄心とする分割型モータを作成するに際し、鉄心材料として使用する候補の電磁鋼板が複数種類存在している場合に、これら複数種類の電磁鋼板のうちモータのトルク性能を最大化するために最適な電磁鋼板を選択するモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法において、
（１）候補としている複数種類の電磁鋼板の中から評価の基準とするために１種類の電磁鋼板を選定する第１工程と、
（２）選定された基準用電磁鋼板を鉄心用材料として使用したモータのトルク性能を数値計算ソフトウェアを用いて計算評価するための計算モデルを用意する第２工程と、
（３）当該モータが使用される最大トルク出力時におけるモータ鉄心のティースおよびヨークの磁束密度を前記計算モデルを用いて求める第３工程と、
（４）第３工程で得られたティースおよびヨークの磁束密度の値に基づき、電磁鋼板選定のための判定用インデックスの算出に使用する電磁鋼板の磁束密度特性指標を決定する第４工程と、
（５）第４工程で決定した磁束密度特性指標における前記候補としている各電磁鋼板の磁束密度特性値データを用意する第５工程と、
（６）第５工程で用意された磁束密度特性値データから最適電磁鋼板を判定するための判定用インデックスを前記候補としている電磁鋼板ごとに算出する第６工程と、
（７）第６工程で算出された判定用インデックスに基づいて、前記候補としている複数種類の電磁鋼板の中からモータ鉄心に使用する電磁鋼板を選択する第７工程と
からなることを特徴とするモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法。
【請求項２】
前記第４工程で求める磁束密度特性指標として、前記第３工程で求めた最大トルク出力時におけるモータ鉄心のティースおよびヨークの磁束密度の値に対応する磁界強度の近傍の切りの良い磁界強度のときの磁束密度を用いることを特徴とする請求項１に記載のモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法。
【請求項３】
前記第５工程で求められる各電磁鋼板の磁束密度特性値データであるティースの磁束密度値がＢｔ、ヨークの磁束密度値がＢｙであり、そのときの磁界強度がそれぞれＨｔおよびＨｙであり、ティース脚長さをＬｔ（ｍｍ）、ティースの幅をＷｔ（ｍｍ）、ヨーク長さをＬｙ（ｍｍ）、ヨーク幅をＷｙ（ｍｍ）としたときに、前記第６工程で算出される判定用インデックスが、以下の式で表されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法。
判定用インデックス＝｛（Ｌｔ／Ｗｔ）×（Ｈｔ／Ｂｔ）＋（Ｌｙ／Ｗｙ）×（Ｈｙ／Ｂｙ）｝×１０００
【請求項４】
前記第３の工程で実施した磁界計算シミュレーションの計算結果を用いてモータ鉄心各部位の磁束密度の二次元リサージュを求め、各部位が交番磁束領域であるか回転磁束領域であるか判定して、ティースの交番磁束領域長さである実効ティース脚長さを前記ティース脚長さＬｔとして用い、かつヨーク部の交番磁束領域長さである実効ヨーク長さを前記ヨーク長さＬｙとして用いることを特徴とする請求項３に記載のモータ鉄心用電磁鋼板の選択方法。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−９３４５４（Ｐ２０１３−９３４５４Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４９６２（Ｐ２０１１−２３４９６２）
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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