不用稀土，日立开发出效率达93%的工业马达

　　

　　日立制作所和日立产机系统开发出了效率提高到了约93％的永久磁铁式同步马达，其中未使用含钕（Nd）及镝（Dy）等稀土元素的钕（Nd-Fe-B）磁铁（图1）。该马达的输出功率为11kW。“可用来配备在（鼓风机及流体泵等）需求较大的工业设备上”（日立制作所日立研究所马达系统研究部MS3部门负责人榎本裕治）。

　　

　　图1：不使用稀土即可达到93％的效率

　　日立制作所和日立产机系统开发出了不使用钕磁铁即可使效率达到约93％的永久磁铁式同步马达。输出功率为11kW，可用于工业设备。与原来的感应马达相比，实现了小型化。（照片由日立制作所提供，图片由《日经电子》根据日立制作所的资料制作）

　　此次开发品达到的效率在IEC（International Electrotechnical Commission，国际电工委员会）规定的标准（IEC60034-31）中相当于最高的“IE4（超超高效率）”级别注1）。与以前工业设备广泛使用的输出功率为11kW的感应马达相比，效率提高了3个百分点以上，即使与使用钕磁铁的永久磁铁式马达相比，也几乎达到了同等水平。

　　注1）IEC60034-31中规定的马达效率除IE4以外还有IE1（标准效率）、IE2（高效率）、IE3（超高效率）。输出功率为11kW的马达，IE1的综合效率为87.6％以上，IE2为89.8％以上，IE3为91.4％以上，IE4为93.6％以上。

　　要想使马达实现高效率，采用强磁性钕磁铁是有效手段之一。不过，由于占世界稀土产量9成以上的中国限制出口导致稀土材料供给不足，并且价格也随之高涨。尽管价格在2011年夏季达到峰值后略趋于下降，但目前依然保持着Nd为200美元/kg、Dy为1500美元/kg的高水平。另外，Dy只有通过中国南部的离子吸附矿才能稳定获得，因此将来能否从其他地区采购得到也是个问题。

　　此次的开发品作为可避免稀土采购问题的对策之一，能够同时实现马达的高效率化和低成本化。日立制作所计划2014年度开始量产工业设备使用这类马达，将来还“打算配备到冰箱及洗衣机等家电上”（榎本）。

　　以非晶金属为铁芯

　　为了在不使用钕磁铁的情况下提高马达效率，日立制作所等改变了定子的铁芯材料而非磁铁材料。开发品的定子铁芯使用Fe-B类非晶金属*，转子使用铁氧体磁铁（图2）。

　　

　　图2：凭借非晶金属提高效率

　　开发品的转子铁芯使用非晶金属，转子使用铁氧体磁铁。非晶金属由于磁导率高且铁损等较小，因此可轻松提高马达效率。为了获得11kWh的输出功率，改进了定子和转子的构造。（照片由日立制作所提供）

　　*非晶金：原子排列不像晶体那样具有规则性，而是处于无序状态的金属。可通过液态金属急冷凝固得到。

　　Fe-B类非晶金属的磁导率比普遍使用的电磁钢板高约10倍，而且磁性材料的能量损失（铁损）也仅为电磁钢板的约1/10。用作铁芯时，即便使用磁力不像钕磁铁石那样强的铁氧磁铁，也可提高转矩及转速，从而提高马达效率。

　　开发品采用以两个转子夹着定子的双转子型的轴向间隙构造，通过增加磁力弱的铁氧磁铁的使用量，提高了转矩及转速。

　　日立制作所和日立产机系统曾在2008年以非晶金属为铁芯，试制过输出功率为150W的小型马达。此次为了将输出功率提高至7倍以上，在转子的中央部分使用了断裂韧性高达3.1MPa√m的树脂，从而增强了提高输出功率后定子对转矩反作用力的承受能力。另外，还通过减小转子直径，降低了离心力。

　　还确立了切割技术

　　为了实现量产，日立还改变了铁芯的制造方法（图3）。非晶金属不仅厚度不到普通电磁钢板的1/10，而且强度也高达后者的4倍以上，因此难以进行切割及切削等加工。

　　

　　图3：改变了铁芯构造

　　改进了非晶金属铁芯的构造，提高了铁芯的量产效率。

　　2008年的开发品采用了对非晶金属不进行切割而是将其多层卷起，形成铁芯状的“卷铁芯构造”。但这种制造方法不仅加工费时，而且受弯曲影响容易在材料内部产生残留应力，使铁损增加。

　　此次的开发品由于新开发出了切割非晶金属的试制机，采用了多层层叠的“层叠型铁芯构造”。铁芯的铁损（W10/400*）仅为5W/kg，只有采用普通电磁钢板时的约1/4，降低了由加工导致的铁损。