岐阜工業高等専門学校 機械工学科 材料学研究室
モーター、リアクトル等の鉄心損失を低減できる{001}集合組織を有する鉄粒⼦
岐阜工業高等専門学校 機械工学科
准教授 本塚 智
2015/12/3 新技術説明会(14:00~14:25, 20-5)
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モーターの構造
モーターの構造
鉄心
画像:日本電産様ホームページよりhttp://www.nidec.com/ja-
JP/technology/motor/basic/00014/
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鉄心に関わるモーターの損失
損失の種類 損失のメカニズム 解決方法解決手段
(従来技術)
銅損巻線のジュール発熱
鉄⼼の透磁率μの向上によるトルクに対する電流⽐の減
少電磁鋼板
ヒステリシス損磁区同士の摩擦による発熱
鉄⼼の透磁率μの向上によるヒステリシス曲線面積の減少
渦電流損鉄⼼中の渦電流に
よる発熱鉄⼼の渦電流発⽣領域の
減少 圧粉鉄心
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銅損・ヒステリシス損の電磁鋼板による低減メカニズム
電磁鋼板
通り易い⽅向を鋼板に垂直に揃える
打抜いて積層鉄心を作る
通り易い<001> 通り難い
<111>
中間<110>
鉄の結晶中の磁気の通り易さ
鉄の結晶
電磁鋼板
結晶の向きを制御して銅損とヒステリシス損を低減
渦電流損は高
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渦電流損の圧粉鉄心による低減メカニズム
積層鉄心の断面図
絶縁膜
渦電流損
導体の⼤きさに⽐例
粒⼦を圧縮し三次元
的に導体を区切る
画像:ホッカイエムアイシー様ホームページより http://www.hokkaimic.co.jp/
圧粉鉄心の開発
圧粉鉄心
導体を絶縁膜で区切って渦電流損を低減
銅損とヒステリシス損は高
鋼板 鉄粒⼦
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結晶方位制御技術
結晶方位の制御方法圧延・引張による塑性変形
画像:産総研ホームページよりhttps://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2008/pr20080916/pr20080916.html
板状・線状材料しか結晶の向きを制御できなかった
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粉砕プロセス
C. Suryanarayana, Prog. Mater. Sci. 46, 1-184, 2001
塑性変形 脆性破壊
工業用ボールミル 粉砕に伴う⾦属粒⼦サイズの変化
粉砕初期:塑性変形が⽀配的。しかし、加⼯⼒の向き・⼤きさがランダム粉砕で⾦属粒⼦の結晶⽅位を制御した報告無し
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粉砕時間 / h
平均
粒⼦
サイズ
/ µm
粉砕に伴う鉄粒⼦形態の変化
0 h 0.1 h 1.0 h 8.0 h
粉砕に伴う粒⼦サイズの変化
粉砕によって鉄粒⼦は偏平化↓
粒⼦の配向制御に好都合
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粉砕に伴う結晶構造の変化
2θ (CuKα) / degree
信号
強度
/ cps
0 h
0.10 h
0.25 h
0.50 h
1.00 h
2.00 h
4.00 h
8.00 h
106
cp
s
2θ (CuKα) / degree
0 h
0.10 h
0.25 h
0.50 h
1.00 h
2.00 h
4.00 h
8.00 h
α-鉄(110)(002) (211) (220)
106
cp
s信
号強
度/ c
ps
XRDパターン
本技術粉砕のみ
(002)ピークが上昇
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板状結晶(層状化合物)のXRDパターンの特徴
Bragg-Brentano光学系の欠点板状結晶は、サンプルが特定方向を向くことにより、特定面のピークが強調される リガク, X線回折ハンドブック, p.42, 2010
充填量:多い
充填量:中間
充填量:少ない
XRDサンプルホルダ
カオリナイトのXRDパターン
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扁平鉄粒⼦の結晶構造
2θ (CuKα) / degree2θ (CuKα) / degree
0.0905 g
(110) (002)
(211)(220)
0.1244 g
0.1885 g
0.1569 g
0.2148 g
0.2643 g
30
,00
0 c
ps
30
,00
0 c
ps
1h 粉砕 本技術で1h 粉砕
信号
強度
/ cps
信号
強度
/ cps
扁平粒⼦の扁平⾯に対して<001>が垂直に配向
XRDパターン
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扁平鉄粒⼦の集合組織極点図
(002)
本技術
粉砕のみ
400 µm
400 µm(002) (110)
(110)
<001>
<001>
本技術で得られる鉄粒⼦
扁平粒⼦の扁平⾯に対して<001>が垂直に制御された集合組織
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粒⼦の製造方法
ボールミルで粉砕するだけ!低コスト!画像:アズワン様ホームページより http://www.justis.as-1.co.jp/jus-tis/web/SearchResultList.aspx?sid=justis&pid=UcSearchCatalog&stype=Catalog&catalog=GJ&keyword=5-5013-01&op_from=jus-tis
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 電磁鋼板– 結晶の向きを制御
• ヒステリシス損、銅損を低減
新技術{001}集合組織を有する鉄粒⼦
結晶の向きを制御された鉄粒⼦↓
ヒステリシス損・銅損・渦電流損全てが低い鉄心開発に繋がる
• 圧粉鉄心– 導体の大きさの低減
• 渦電流損を低減
従来技術
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想定される用途
・電動機/発電機の鉄心・昇圧コンバータ用リアクトル
回転による遠⼼⼒が作⽤しないため、圧粉体と相性良
・電磁シールド用のフィラー樹脂中で本鉄粒⼦を配向させて利⽤
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想定される用途
(銅:処理後)
{002}{111}
(銅:処理前)
{022}
⾦属⼀般に応⽤可能であり、⾦属の特性の異⽅性(耐食性、加工性、音の伝播等)を利⽤した、様々な応用先が考えられる。
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実用化に向けた課題
粉末を得ることはできたが、後工程に着手していない。具体的には、
・スケールアップ・圧粉成形・熱処理
・磁気特性の測定
現在、外部研究機関と共同で圧粉成形・熱処理・磁気特性の測定に取り組んでいる。
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企業への期待
・現在、集合組織の形成機構の解明に取り組んでいる。
・スケールアップについては、企業の協⼒が不可⽋と考えている。
・粉末製造技術をもつ企業との共同研究を希望。
・鉄だけ、モーターだけでなく、他の⾦属、他の⽤途で本技術を
展開できる企業を希望。
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本技術に関する知的財産権
特許出願済み(未公開特許)
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お問い合わせ先
岐阜工業高等専門学校産学連携コーディネータ 竹腰 久仁雄
Tel. 058-320-1245Fax 058-320-1240E-mail [email protected]
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ご清聴ありがとうございました