モーターステーターコアと電動モーターの積層構造の説明

モーターのステーター コアは、すべての電気モーターの中心となる固定磁気構造であり、その積層構造がモーターの効率、発熱、出力密度を決定する最も重要な要素です。 電気モーターの積層板は、通常厚さ 0.2 ～ 0.65mm のシリコン鋼の薄いシートであり、積み重ねて接着してステーター コアを形成します。 。この積層構造は、特に渦電流損失を抑制するために存在しており、さもなければモータの入力電力のかなりの部分が廃熱に変換されてしまいます。適切な積層材料、厚さ、および積層方法を選択することにより、基本的な産業用ユニットから高性能 EV 駆動モーターに至るまで、モーターが効率スペクトルのどの位置に位置するかが直接決まります。

モーターステーターコアとは何ですか?

ステーター コアは、電気モーターの固定された外側の磁気回路です。その機能は、固定子巻線によって生成された交流磁束を伝え、磁場を集中させて空隙全体に向けて回転子と相互作用する低磁気抵抗経路を提供することです。この磁気相互作用によって、電気モーターの基本的な出力であるトルクが生成されます。

構造的には、モーターのステーターコアは、円筒形のヨーク (磁気回路を完成させるバックアイアン) と、ローターに向かって内側に突き出た一連の歯で構成され、それらの間に銅巻線がスロット内に配置されています。これらの歯とスロットの形状 (その数、幅、深さ、およびそれらの間の比率) が、モーターのトルク特性、巻線占積率、および音響挙動を決定します。一般的な 4 極誘導モーターでは、ステーターには 36 個のスロットがあります。極数の多いサーボ モーターには 48 以上の極数がある場合があります。

コアは、次の 2 つの競合する目標を同時に達成する必要があります。 高い透磁率 （最小限の抵抗でフラックスを搬送するため）および 低いコアロス （各磁気サイクル中に熱として放散されるエネルギーを最小限に抑えるため）。積層シリコン鋼構造は、実際の製造上の制約内で両方を最適化するエンジニアリング ソリューションです。

電動モーター積層板が存在する理由: 鉄損の物理学

固定子コアが単一の固体鋼ブロックから機械加工された場合、その体積全体にわたって導電性になります。コアを通過する交流磁場は、変圧器の磁束の変化が二次巻線に電流を誘導するのとまったく同じように、バルク材料内に循環電流 (渦電流) を誘導します。これらの渦電流は磁束の方向に垂直な閉ループを流れ、鋼材には電気抵抗があるため、I²R 熱としてエネルギーを放散します。

渦電流によって失われる電力は、 積層厚さと動作周波数の両方の二乗 。積層の厚さを半分にすることで、渦電流損失が約 75% 減少します。この関係により、特に可変速ドライブや高速アプリケーションで動作周波数が増加するにつれて、積層の厚さが電気モーター工学における最も重要な設計変数の 1 つになります。

固定子の積層における総鉄損には、次の 2 つの要素があります。

• 渦電流損失: 周波数の二乗と磁束密度の二乗に比例します。主に鋼の積層厚さと電気抵抗率によって制御されます。
• ヒステリシス損失: 各交流サイクルで鋼内の磁区を反転させる際にエネルギーが散逸します。周波数と磁束密度の約 1.6 ～ 2.0 乗に比例します (スタインメッツ指数、材料に依存します)。鋼の結晶方位、シリコン含有量、焼鈍処理によって制御されます。

コアを互いに電気的に絶縁された薄い積層体にスライスすることにより、渦電流の経路が個々の薄いシートに限定されます。渦電流の循環に利用できる断面積が大幅に減少し、それに応じて損失も減少します。 0.35mm のラミネートのスタックは、おおよその状態を示します。 渦電流損失が 25 ～ 30 分の 1 に低減 同じ周波数で動作する同じ寸法のソリッドコアよりも優れています。

ステータ積層材料: シリコン鋼のグレードと選択

ステーター積層板の主な材料は次のとおりです。 電磁鋼板 — 磁気用途向けに特別に配合された鉄とシリコンの合金のファミリー。シリコン含有量 (通常 1 ～ 4.5 重量%) には 2 つの目的があります。1 つは鋼の電気抵抗率を増加させる (渦電流損失を低減する) こと、もう 1 つは磁歪を低減する (磁化中に鋼が受ける寸法変化であり、モーターのハムや可聴ノイズの主な原因となる) です。

無方向性電磁鋼板 vs. 方向性電磁鋼板

電磁鋼板は、大きく 2 つのカテゴリーで製造されます。 無方向性(NO)電磁鋼板 ランダムな結晶粒構造を持ち、シート面内の全方向にほぼ均一な磁気特性を与えます。この等方性は、モーターの動作時に磁束がコアを通って回転する回転機械のステーターにとって不可欠です。材料は磁束の方向に関係なく、同等に優れた性能を発揮する必要があります。事実上すべてのモーターステーター積層板は非配向グレードを使用しています。

方向性（GO）電磁鋼板 対照的に、結晶粒は 1 つの軸 (圧延方向) に沿って整列するように処理され、その方向でのコア損失が非常に低くなります。主に磁束の方向が固定されている変圧器のコアに使用され、回転機のステーターには適していません。

標準積層厚さとその用途

積層厚さの選択は、コア損失性能と製造コストのバランスを考慮して行われます。積層を薄くすると損失は減りますが、必要なシート数が増加し、スタンピングおよびスタッキングのコストが上昇し、より厳しい寸法公差が必要になります。

先端材料: アモルファスおよびナノ結晶コア

絶対最小のコア損失が要求されるアプリケーション、特に 1 kHz を超える高周波モーター向け アモルファス合金 (Metglas 2605SA1 など) は、従来の最高のケイ素鋼グレードよりも約 70 ～ 80% 低い鉄損を実現します。アモルファス金属は、溶融物からの急速凝固によって生成され、結晶粒子の形成が妨げられ、ヒステリシス損失が非常に低いガラス状の原子構造が生成されます。その代償として、アモルファス リボンは非常に薄いストリップ (通常 0.025mm) で製造され、脆く、従来の電気鋼よりも大幅に高価であり、打ち抜き加工が困難であることが挙げられます。ナノ結晶合金は、シリコン鋼よりもコア損失が低く、完全なアモルファス材料よりも加工しやすいという中間点を提供します。

ステータ積層板の製造: スタンピング、切断、および積層

ステータ積層体の製造には、厳密に制御されたいくつかの製造段階が含まれており、各段階が完成したコアの寸法精度と磁気性能の両方に影響します。

順送金型スタンピング

順送金型スタンピング は、大量のステータ積層品の主要な製造方法です。電磁鋼ストリップのコイルは、最終ステーションで完成した積層品が打ち抜かれる前に、連続ステーションでスロット開口部、外形、キー溝、その他のフィーチャーを段階的に打ち抜く多段階プレスツールに通されます。直径 200mm までのラミネートでは、1 分あたり 200 ～ 600 ストロークのスタンピング速度が一般的です。より大きな積層では、寸法精度を維持するためにより遅い速度が必要になります。

ダイのクリアランス (パンチとダイの間の隙間) は、ラミネートの品質にとって重要です。クリアランスが過剰になると切断端にバリが発生し、層間の接触が増加し、隣接する層間に渦電流の短絡経路が形成され、鉄損性能が直接低下します。業界標準ではバリの高さを以下に抑えることが求められています 0.05mm ほとんどのモーターのラミネート用途に適しています。薄い高周波積層には、より厳しい制限が適用されます。

プロトタイプのレーザーおよびワイヤー EDM 切断

試作や小ロットのラミネート生産には、 レーザー切断 およびワイヤ放電加工 (EDM) は、スタンピングの主な代替手段です。レーザー切断では納期が短く、工具コストもかかりませんが、切断端に沿った熱影響部により電磁鋼板の微細構造が変化し、切断端での局所的な鉄損が 15 ～ 30% 増加します。この効果は、熱の影響を受けるゾーンが全断面のより大きな部分を占める狭い歯の場合に比例してより顕著になります。制御された雰囲気下で 750 ～ 850°C で切断後のアニーリングを行うと、失われた性能の多くを回復できます。

スタックの連結、接着、溶接

個々の積層は、剛性の高いコア スタックに統合する必要があります。主な方法は次のとおりです。

• インターロッキング（クリンチング）： スタンピング中に形成される小さなタブは、隣接する積層の対応する凹部と噛み合い、スタックを機械的に保持します。高速かつ低コストですが、インターロックにより局所的な応力集中が生じ、非結合スタックと比較して鉄損が 3 ～ 8% 増加する可能性があります。
• レーザー溶接: 外径またはバックヨーク領域に沿ったシーム溶接がスタックを融合します。溶接熱により溶接線に沿って磁気的に劣化したゾーンが形成され、通常、総鉄損が 5 ～ 15% 増加します。機械的強度が重視される場合に使用されます。
• 接着剤による接合 (接着されたラミネートスタック): 各積層体は、積み重ねる前に熱硬化性接着剤の薄い層でコーティングされます。アセンブリは圧力下で硬化されます。結合スタックは、あらゆる結合方法の中で最高の鉄損性能（機械的ストレスや熱損傷がない）を備えており、高効率の EV モーターでの使用が増えています。接着剤コーティングの厚さ (通常 2 ～ 5 µm) は層間絶縁としても機能します。
• ボルト締め/通しボルト： ボルトはスタック内の整列した穴を通過します。大型の産業用モーターにはシンプルで堅牢ですが、ボルトの位置に圧縮応力が発生し、磁気短絡が発生する可能性があります。

ステータの積層設計: スロットの形状とそのモータ性能への影響

ステータ積層体のスロットと歯の形状は、モーター工学において最も重要な設計上の決定事項の 1 つです。これは銅のフィルファクター、磁束密度分布、漏れインダクタンス、コギングトルク、可聴ノイズにも同時に影響を与えるため、スロット設計は複数の競合する要件のバランスをとる最適化問題となります。

オープンスロット、セミクローズドスロット、クローズドスロット

スロット開口部 (エアギャップ表面における隣接する歯の先端間のギャップ) は、重要な設計変数です。 オープンスロット プリフォームコイルを簡単に挿入できますが、エアギャップで大きな磁束密度の変化（スロット高調波）が発生し、トルクリップルと可聴ノイズが増加します。 セミクローズドスロット (部分的にブリッジされた歯の先端) は、巻線の挿入が若干難しくなりますが、スロッティングの影響を軽減します。 クローズドスロット スロッティング高調波は完全に最小限に抑えられますが、巻線を小さな開口部に通す必要があるため、導体のサイズが制限され、達成可能な曲線因子が減少します。

EV アプリケーションで使用される永久磁石同期モーター (PMSM) では、ローターの磁石とのコギング トルクの相互作用を最小限に抑えるために選択された歯先幅を備えたセミクローズド スロットが標準的です。スロット開口部は通常、次のように設定されます。 磁極ピッチをスロット数で割った値の 1 ～ 2 倍 、エアギャップ磁束密度の調和解析から導かれた関係。

スタッキングファクターとその影響

積層係数 (積層充填率とも呼ばれます) は、積層間の絶縁コーティングを考慮した、コアの幾何学的な総体積に対する実際の磁性鋼の体積の比率です。適切に生産されたモーター積層体の典型的な積層係数は次のとおりです。 0.95～0.98 — コア断面の 95 ～ 98% が活性な磁性材料であることを意味します。

過剰なバリ、厚い絶縁コーティング、または不十分な積層方法によって引き起こされる予想よりも低い積層係数は、コアの有効磁束搬送断面積を減少させ、設計よりも高い磁束密度でこてを動作させることになります。これにより、コアは飽和に向けて B-H 曲線をさらに上昇させ、コア損失と磁化電流の両方が増加し、力率と効率が低下します。

EV および高効率モーターのステーター積層: 現在のトレンド

電気自動車の急速な成長と世界的なモーター効率基準 (IE3 および IE4 の効率クラスを定義する IEC 60034-30-1) の厳格化により、過去 10 年間でステーターの積層技術が大幅に進歩しました。

• 高速動作のためのより薄い積層: EV トラクション モーターは、6,000 ～ 12,000 RPM の基本速度で動作し、最大 18,000 ～ 20,000 RPM の弱め界磁で動作し、400 ～ 1,000 Hz の基本電気周波数を生成するようになってきています。これらの周波数では、50/60 Hz の産業用モーターに十分な 0.35mm の積層では、許容できないコア損失が発生します。 Tesla、BYD、BMW などの大手 EV メーカーは、主要なトラクション モーター用に 0.25 ～ 0.27 mm の積層に移行しており、一部の次世代設計では 0.20mm を使用しています。
• ハイシリコンおよび無配向グレード: 1.5T、50 Hz で鉄損が 2.5 ～ 3.5 W/kg の M250-35A および M270-35A (欧州指定) または 35H270 (JIS) などのグレードは、高級用途では 1.5 W/kg 未満を達成する超低損失グレードに置き換えられています。 JFE スチール、新日本製鐵、および Voestalpine は、シリコン含有量が 4.5% に近いグレードを商品化しています。これを超えると、鋼が脆くなりすぎて確実にスタンピングできなくなります。
• セグメント化されたモジュール式ステーター設計: 巻線フィルファクタを改善し、集中コイルの自動巻線を可能にするために、一部のモータ設計ではセグメント化されたステータコア、つまり個別に巻かれて完全なステータリングに組み立てられる個々の歯とスロットのセグメントが使用されます。セグメント化により、連続コアの分布巻の場合は 40 ～ 55% であるのに対し、70 ～ 75% の銅線充填率が可能になります。
• アキシャル磁束モーターのアーキテクチャ: アキシャルフラックス（パンケーキ）モーターは、円筒形のコアではなく、ディスク形のステーター積層スタックを使用します。磁束経路が短く、単位体積あたりのトルク密度が高いため、ダイレクトドライブおよびインホイールモーター用途にとって魅力的です。また、その積層形状 (スパイラル巻きまたはセグメント化されたディスクスタック) には、従来のラジアル磁束設計とは異なるスタンピングおよび成形アプローチが必要です。

モーターステーター積層板の品質管理とテスト

完成したステータコアの磁気性能は、プレス応力、バリ、溶接熱、取り扱いなどの製造上の損傷により、生の電磁鋼板の特性から大きく逸脱する可能性があります。コアが設計された効率を確実に発揮するには、各段階での厳格な品質管理が不可欠です。

• エプスタインフレームのテスト: 電磁鋼板の鉄損を測定するための標準実験室法 (IEC 60404-2)。生産コイルから切り取られたサンプルは、スタンピングの前にテストされ、入荷した材料が仕様を満たしているかどうかが確認されます。
• 単板試験機（SST）： 個々のシートまたはスタンピングされた積層体のコア損失を測定し、スタンピング後の検証を可能にします。スタンピングプロセス自体によって生じる追加の損失を検出するのに役立ちます。
• バリ高さ測定： 自動ビジョンシステムまたは接触式表面計は、スタンピングされた積層板のバリ高さを測定します。 バリ高さが0.05mmを超える場合 過剰なバリが層間絶縁と積層要素を損なうため、不合格や再加工の原因となります。
• スタッキングファクターの測定: 組み立てられたコアスタックの重量が測定され、積層面積、数、鋼材密度から計算された理論重量と比較されます。大きな偏差は、異常なバリ、コーティングの厚さの変化、またはラミネートの損傷を示します。
• 層間抵抗試験（フランクリン試験）： 制御された力の下でプローブアレイをコア表面に押し付けることにより、隣接する積層間の電気抵抗を測定する標準化されたテスト (IEC 60404-11)。抵抗値が低い場合は、絶縁コーティングが損傷しているか不十分であることを示しており、使用中の渦電流損失の増加が予測されます。