JP2004328986A - モータ用固定子コアおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低磁場における磁化特性および鉄損を改善するとともにモータの出力を向上させるモータ用固定子コアを提供する。
【解決手段】無方向性電磁鋼板を素材として製作された固定子コアを焼鈍するに際して、加熱後の固定子コアの冷却過程において少なくともキュリー点直上の温度から３００℃までの温度範囲において固定子コアに対してモータ駆動時の固定子の励磁方向と同じ方向に磁場を印加する。これにより、低磁場においても磁束密度が高くなってヒステリシス損が減少し、固定子の全鉄損を向上させるとともに、この固定子コアを使用したモータの高周波励磁電流のもとでのモータ出力を向上させることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板を素材とするモータ用固定子コア、とくに低磁場における磁化特性を向上させたモータ用固定子コアおよびその製造方法に関する。

近年、環境、資源問題から電気機器に対し省エネルギー、高効率化の要請が高まってきている。モータにとってもその効率向上は最大の要求であり、このためには鉄損や銅損、機械損を減少させることが必要である。このようなモータのコアとして、無方向性電磁鋼板の積層物が使用されているが、このコアが鉄損に大きく影響していることはよく知られていることである。

モータ用コアの素材として使用される無方向性電磁鋼板は、所定の化学成分に調整された熱延板に、１回または複数回の焼鈍を含む冷間圧延を施して製造される。この製造工程は、セミプロセス無方向性電磁鋼板とフルプロセス無方向性電磁鋼板とで一部異なる。打ち抜き後のコアの歪取り焼鈍の実施を前提としているセミプロセス無方向性電磁鋼板では、冷間圧延後の鋼板の焼鈍は比較的低温かつ短時間の焼鈍であり、また、焼鈍後の最終工程でスキンパス圧延が行われる。一方、フルプロセス無方向性電磁鋼板では、必ずしもコアの歪取り焼鈍を前提とはしてないので、冷間圧延後の鋼板の焼鈍はセミプロセス無方向性電磁鋼板の場合よりも高い温度でかつ長い時間の焼鈍が行われる。また、この焼鈍の条件緩和のために熱間圧延後の鋼板に対して焼鈍を施すこともある。

ところで、近年開発と実用化が急速に進展している電気自動車用モータに代表される高速高効率モータの設計思想は、高周波数（４００〜６００Ｈｚ）、低磁束密度（１．０〜０．５Ｔ）指向となり、それに対応してモータ用コアの素材である無方向性電磁鋼板に対してより一層の鉄損の改善が要請されている。

モータの出力Ｐは一般式
Ｐ＝ｋ×ｆ×Ｎ×ｉ×Ｂ×Ｓ
ここで、ｋは比例常数、ｆは周波数、Ｎは巻線数、ｉは電流、Ｂは磁束密度、Ｓはコアの断面積
で表される。上記の式において、モータの小型軽量化を念頭においたうえで出力を高めるための要件としては、まず励磁電流の周波数ｆを高めることが考えられる。近年のインバータの発明により商用電源周波数の１０倍程度の高い周波数でも設定が可能となったことから、従来の商用電源周波数より高い周波数範囲で、周波数ｆと磁束密度Ｂの最適解が検討された。モータ用コアの素材である無方向性電磁鋼板特有の磁気慣性により、周波数ｆにより取り得る磁束密度Ｂの範囲は決まってしまう。その結果、周波数ｆは４００〜６００Ｈｚ、磁束密度Ｂは主として１．０〜０．５Ｔの範囲が採用されている。この程度の数値範囲であれば、周波数ｆの倍率８〜１０倍に対し磁束密度Ｂの低下率は１／２程度であるから、ｆ×Ｂで４〜５倍程度の出力増加が期待される。上記式中のｋ、Ｎ、ｉ、Ｓの各値は周波数ｆと磁束密度Ｂが決まればその数値範囲は自ずと定まる。

モータ用コアの素材としての無方向性電磁鋼板の鉄損Ｗは、
Ｗ＝Ｗｈ＋Ｗｅ
ここでＷｈはヒステリシス損であり、
Ｗｈ＝ｋ１×ｆ×Ｂ^1.6
Ｗｅは過電流損であり、
Ｗｅ＝ｋ２×（ｔ²×ｆ²×Ｂ²）／ρ
ｋ１，ｋ２は常数、ｔは板厚、ρは固有抵抗である。
で表される。この鉄損を減少させるために鋼板の薄手化と高固有抵抗化が進められ、現状における最高級無方向性電磁鋼板では、板厚ｔは０．２０ｍｍ程度まで薄手化され、固有抵抗ρは５５μΩ−ｃｍ以上と高められている。

このように、磁性改善策として薄手化、高固有抵抗化が進められた結果、無方向性電磁鋼板の鉄損は従来に比して相当に改善された。しかし、電磁鋼板の薄手化、高固有抵抗化によって改善されたのは、前記式で示される鉄損中の過電流損の減少によるものであって、ヒステリシス損は薄手化、高固有抵抗化によっては改善されない。過電流損の減少によって、全鉄損中に占めるヒステリシス損の割合はそれまでの７０％程度から９０％程度に相対的に増加し、今後の鉄損改善策としては、ヒステリシス損の改善が重要となってきている。

電磁鋼板のヒステリシス損は、磁束密度と密接な関係があり、磁化特性が向上すればヒステリシス損が減少する。したがって、ヒステリシス損を減少させるには如何にして磁化特性の向上を図るかということになる。磁化特性の向上策は、電磁鋼板の結晶方位を面内無方向性化することであり、その具体的方策として本願発明者の一人は、電磁鋼板の成分系を従来の高Ｓｉ系から高Ａｌ−Ｍｎ系の成分系とすることにより、鉄損の低減と磁化特性の向上を両立させた無方向性電磁鋼板を開発した（特許文献１参照）。

モータ用コアには固定子コアと回転子コアとがあるが、本発明において対象とするのは固定子コアである。一般にモータ用コアは、無方向性電磁鋼板のフープに打ち抜き油を塗布した状態で所定の形状にプレスで打ち抜き、これを多数枚積層してカシメあるいは溶接により固着して製作される。この後、付着した打ち抜き油を除去するための加熱処理が行われ、さらにその後、焼鈍が行われる。

この焼鈍の目的は、第一義的には打ち抜き時に生じた歪みの除去にあり、同時に結晶粒の成長を促進して磁化特性の向上を図ることにある。この打ち抜き後のコアの歪取り焼鈍の実施を前提としているのがセミプロセス無方向性電磁鋼板である。従来、モータ用コアの焼鈍は、非酸化性ないし還元性雰囲気のもとで、均熱温度約７５０℃で約２時間保持の条件で行われている。近年、この種のコアの焼鈍を磁場中で行うことが提案されている。たとえば特許文献２には、鋼片内の２以上の方向に励磁される電磁鋼鋼片を有する鉄芯の、電磁鋼鋼片をその励磁方向と同じ方向の磁場中で焼鈍する方法が記載されている。また、特許文献３には、鉄芯に磁界を印加しながら焼鈍する方法において、鉄芯に印加する磁界をコイルによって発生するとともに、コイルからの発熱若しくはコイルからの高周波磁場印加によって鉄芯を加熱して焼鈍する方法が記載されている。

特開２００２−１４６４９０号公報 特開平１１−３４００３０号公報 特開平１１−３４１７４９号公報

金属の磁場中熱処理技術については古くから研究が行われているが、実用の域には達しておらず、Ｆｅ−Ｓｉ系合金についても１９６０年代に、“磁場中熱処理は材料の透磁率を改善する目的で開発されたもので、研究室的には非常に良い結果が得られているが、手数がかかり経費もかさむので、実用的価値はほとんどない”、と結論づけられ、その後現在まで実用化されていないのが現状である。

しかしながら、無方向性電磁鋼板を素材としたモータ用固定子コアを磁場中で焼鈍することにより、磁化特性が向上するであろうことは十分に考えられることである。しかし現状では、素材特性および焼鈍条件と焼鈍後の鉄芯の磁化特性との関係について解明されておらず、前記の特許文献２，３で提案されている鉄芯の磁場中焼鈍においてもこの点に関してなんら言及されていない。また本出願人もモータ用固定子コアの磁場中焼鈍の方法および装置に関する発明を特願２００２−１５６１３６号として特許出願を行っているが、この先願においてもこの点に関して十分な解明は行われていない。

一方、電気自動車用モータの出力に関しては、前述のように、４００〜６００Ｈｚの周波数域の高周波励磁電流を採用することにより、商用電源周波数の励磁電流の場合よりも高い出力が得られてはいるものの、励磁電流の周波数を高くしたときの固定子コアの磁束密度は１／２程度あるいはそれ以下に低下してしまう。ここで、高周波励磁電流のもとでも固定子コアの磁束密度の低下を抑制することができるならば、電気自動車用モータの出力を現状よりさらに高めること、または小型化をはかることが可能になるものと期待される。

本発明の目的は、従来の高Ｓｉ系成分の無方向性電磁鋼板およびこれよりも磁化特性の良好な高Ａｌ系成分の無方向性電磁鋼板を素材として製作されたモータ用固定子コア、とくに低磁場のもとで駆動される電気自動車用モータに使用される固定子コアの磁場中焼鈍に際して、素材特性および焼鈍条件と焼鈍後の固定子コアの磁化特性との関係を解明して、低磁場における磁化特性および鉄損を改善するとともにモータの出力を向上させるモータ用固定子コアとその製造方法を提供することにある。

本発明に係るモータ用固定子コアは、磁束密度が１．０Ｔ以下の低磁場のもとで駆動されるモータに使用される固定子コアであって、無方向性電磁鋼板を素材として製作された固定子コアの焼鈍に際して少なくともキュリー点直上の温度からの冷却過程でモータ駆動時の固定子の励磁方向と同じ方向に磁場が印加されて焼鈍されたモータ用固定子コアである。

本発明に係るモータ用固定子コアの製造方法は、無方向性電磁鋼板を素材として製作されたモータ用固定子コアを焼鈍するに際して、加熱後の固定子コアの冷却過程において少なくともキュリー点直上の温度から３００℃までの温度範囲において固定子コアに対してモータ駆動時の固定子の励磁方向と同じ方向に磁場を印加することを特徴とする。ここで、磁場印加時における固定子コアの結晶粒径を１００μｍ以上とすることが望ましい。

無方向性電磁鋼板を素材として製作された固定子コアを焼鈍するに際して、加熱後の固定子コアの冷却過程において少なくともキュリー点直上の温度から３００℃までの温度範囲において固定子コアに対して磁場を印加することにより、低磁場のもとで駆動される電気自動車用モータに代表される高速高効率モータに使用される固定子コアとして鉄損を向上させた固定子コアを製造することができる。とくに、冷却過程で磁場を印加するときに、固定子コアに対する印加磁場の方向をモータ駆動時の固定子の励磁方向と同じ方向とすることにより、固定子コアの結晶内の磁区の磁化方向がモータ駆動時の固定子の励磁方向に近い方向となるので、固定子を励磁したときに固定子コアの磁区が容易に励磁方向に向くようになり、磁束密度が高くなってヒステリシス損が減少し、固定子の全鉄損を向上させることができる。また、固定子コアの結晶内の磁区の磁化方向がモータ駆動時の固定子の励磁方向に近づくことにより、電気自動車用モータに採用される４００〜６００Ｈｚの高周波数励磁電流のもとでの固定子コアの磁束密度の低下が抑制され、この固定子を使用したモータの出力をさらに向上させ、あるいは小型化させることを可能とする。
さらに、磁場印加時における固定子コア自体の結晶粒径を１００μｍ以上とすることにより、磁場印加焼鈍後の結晶内の磁区の磁化方向が揃いやすくなり、磁化特性の向上効果をより高めることができる。

通常のモータは一般に商用電源周波数で磁束密度が１．４〜１．８Ｔ程度のもとで使用される。このような高磁場のもとで駆動されるモータに使用される固定子コアでは、固定子コアの焼鈍による磁化特性の向上代、さらには磁場中焼鈍による磁束密度の向上代もさほど大きくはなく、磁場中焼鈍による効果はほとんど期待できない。これに対し、磁束密度が１．０Ｔ以下の低磁場のもとで駆動されるモータに使用される固定子コアでは、適正な磁場印加条件のもとで焼鈍することにより、磁場中焼鈍による効果が顕著に現れる。このことを図１により説明する。

図１に示すグラフは、磁化力Ｈと磁束密度Ｂの関係を示す、Ｂ−Ｈ曲線と呼ばれるグラフである。横軸の磁化力Ｈは、磁化する力としての電流の強さを１ｍ当たりの総電流として単位Ａ／ｍで表し、縦軸の磁束密度Ｂは、磁化力Ｈに対応してどれだけ磁力線を吸収し通す能力があるかを単位Ｔ（テスラ）で表している。１Ｔ＝１万ガウスの関係があり、真空中（≒空気中）では磁束密度は１ガウスである。図中の曲線（１）は素材である電磁鋼板を打ち抜いたままの試料での測定値を示し、曲線（２）は（１）の試料を通常条件で焼鈍した後での測定値を示し、曲線（３）は（１）の試料を磁場中焼鈍した後での測定値を示す。なお、素材は市販の高Ｓｉ系成分の無方向性電磁鋼板（ＪＩＳ Ｃ２５５２ ３５Ｓ２３０相当品）、板厚０．３５ｍｍであり、打ち抜き寸法は外径８０ｍｍ、内径６０ｍｍのリング状である。焼鈍時の加熱温度は７５０℃、磁場の印加は７５０℃から３００℃までの冷却過程である。

図１からわかるように、通常のモータの駆動条件である磁束密度Ｂが１．４〜１．８Ｔの領域では、通常焼鈍と磁場中焼鈍との差（曲線（２）と曲線（３）の間隔）、つまり磁場中焼鈍の効果は小さいが、電気自動車用モータの駆動条件である磁束密度Ｂが１．０Ｔ以下の低磁場領域では、磁場中焼鈍の効果が極めて大きく、とくに磁場中焼鈍の場合はＢ−Ｈ曲線の立ち上がり角度が大きく、透磁率が最大となる点（図中●で示す）が低磁化力側に移動し、低磁場における磁化特性が顕著に向上している。

固定子コア自体を構成する各結晶内の複数の磁区は、固定子コアの焼鈍時にキュリー点以上の温度（たとえば高Ｓｉ系成分の無方向性電磁鋼板の場合は約７２０℃）でいったん消失し、キュリー点より低い温度に冷却したときに再現するが、この再現した複数の磁区の磁化方向が、冷却過程で磁場が印加されていることによって、大部分の磁区が印加磁場の方向に向き、その後３００℃で磁場印加を断つと、磁区の磁化方向はそれまでの印加磁場の方向に三次元的に一番近い磁化容易軸（結晶の〔１００〕、〔０１０〕、〔００１〕のいずれかの軸）方向に原則的に固定する。この結果、低磁場において高い磁束密度が得られる、すなわち、透磁率が最大となる点が低磁化力側に移動することになる。

さらに、冷却過程で磁場を印加するときに、固定子コアに対する印加磁場の方向をモータ駆動時の固定子の励磁方向と同じ方向とすることにより、上記の３００℃において固定された磁区の磁化方向がモータ駆動時の固定子の励磁方向に近い方向となるので、固定子を励磁したときに固定子コアの磁区が容易に励磁方向に向くようになり、磁束密度が高くなる。これによって、ヒステリシス損が減少して固定子の全鉄損を向上させるとともに、この固定子コアを使用したモータの高周波励磁電流のもとでのモータ出力を向上させることになる。

冷却過程での磁場の印加は、キュリー点直上の温度から３００℃までの温度範囲において行うのがよい。キュリー点直上よりも高い温度範囲で磁場を印加しても、この温度範囲では固定子コア自体の結晶内の磁区が消失しているので磁場印加の効果はない。冷却過程で再現する磁区の向きが磁場の印加によりある一定の向きに固定されるときの温度は、実験の結果約３００℃であることが判明したので、それより低い温度まで磁場を印加する必要はない。

印加する磁場の強さは、８００〜１２０００Ａ／ｍの範囲が好ましい。磁場の強さが８００Ａ／ｍ未満であると磁場の印加による磁化特性の向上効果が低く、かつ不安定となり、１２０００Ａ／ｍより強い磁場を印加しても磁化特性の向上効果は飽和するので、上記の範囲とするのが好ましい。

ここで、磁場中焼鈍の効果をさらに高めるには、磁場印加時における固定子コア自体の結晶粒径を１００μｍ以上とすることが望ましい。磁場印加時における固定子コア自体の結晶粒径が大きいほど結晶粒界の総面積が少なくなるので、磁場印加焼鈍後の磁区の磁化方向が揃いやすくなり、それだけ磁化特性が向上する。そこで、少なくともキュリー点直上の温度から磁場を印加する時点での固定子コア自体の結晶粒径をできるだけ大きくしておくのが望ましい。とくに結晶粒径が１００μｍ以上であると磁場印加の効果がより大きくなるので、固定子コアの素材として結晶粒径が１００μｍ以上の無方向性電磁鋼板（たとえばＪＩＳ Ｃ２５５２ ３５Ｓ２３０相当品）を使用して固定子コアを製作するか、あるいは、結晶粒径が１００μｍ未満の無方向性電磁鋼板（たとえばＪＩＳ Ｃ２５５２ ３５Ｓ３００相当品）を素材として製作した固定子コアをＨ₂またはＨ₂＋Ａｒ雰囲気のもとで８５０〜９００℃程度に加熱して結晶粒を成長させるか、いずれかの手段で磁場印加時に固定子コア自体の結晶粒径を大きい状態にしておくのが望ましい。結晶粒径が１００μｍ以上の無方向性電磁鋼板を素材として製作した固定子コアの場合は、キュリー点直上の温度まで加熱した後直ちに磁場印加と冷却を行ってよいが、結晶粒径が１００μｍ未満の無方向性電磁鋼板を素材として製作した固定子コアの場合は、上記のようにして結晶粒を成長させた後に冷却過程で磁場印加する方がよい。ここで、コアの素材が、鋼板製造の最終工程でスキンパス圧延を行った無方向性電磁鋼板の場合は、コアの焼鈍時に加熱することによってコア自体の結晶粒が成長して、結晶粒径は２００μｍ程度になる。

このような磁場印加による固定子コアの焼鈍は、たとえば特願２００２−１５６１３６号明細書に記載の焼鈍装置を用いて実施することができる。特願２００２−１５６１３６号明細書に記載の焼鈍装置は、複数個の固定子コアを積層するための台座と、この台座の軸芯に装着した管状体と、この管状体を固定子コアの貫通孔に挿通した状態で積層される固定子コア積層体の内外面を外気と遮断するカバーと、このカバーの外側に配置したスパイラル状の巻線コイルと、固定子コア積層体の孔内面と外側面に沿って直線的に配置した線状コイルとを備えた固定子コアの焼鈍装置である。

図２および図３は本発明の実施例における固定子コアの焼鈍工程を模式図により示す工程図であり、図２の（ａ）〜（ｄ）および図３の（ｅ）、（ｆ）は焼鈍開始前までの処理工程を示す。

図２の（ａ）は被焼鈍材である固定子コア（以下、コアという）Ｃを積層するための台座１と軸芯２と管状体３を示す。管状体３は耐熱性のシリカチューブである。図２の（ｂ）は５個のコア（Ｃ１〜Ｃ５）を示す。本実施形態におけるコアＣは、素材である無方向性電磁鋼板をリング状に打ち抜き積層したもので、１個のコアの外径３００ｍｍ、内径２００ｍｍ、厚さ２００ｍｍで、５個の積層高さは１０００ｍｍである。

図２の（ｃ）は５個のコアＣを積層した状態を示す。同図において４はコア支持台であり、５は管状体３に巻き付けたアルミナウール製の保温材である。台座１上に載置したコア支持台４の上に５個のコアＣを積層する。コアＣの内面と保温材５の外面との間は１０ｍｍ程度の隙間がある。

図２の（ｄ）は積層したコアＣにアルミナウール製の保温材６を巻き付けた状態を示す。管状体３およびコアＣに保温材６を巻き付ける目的は、後述するコア積層体加熱用の巻線コイル８によりコアＣを加熱するとき、および冷却するときの断熱をはかるためである。

図３の（ｅ）は外気遮断用のカバー７を設置した状態を示す。カバー７は、下部は開放され、上部は管状体３が通過する孔７ａが設けられた筒状体で、積層したコアＣ（保温材６を含む）に被せ、台座１との隙間をシールすることで、コアＣを外気と遮断することができる。コアＣ外面とカバー７内面との間の空間９には台座１に設けた孔（図示せず）を通じて不活性ガス、非酸化性ガス、非窒化性ガスなどの雰囲気ガスを供給する。

図３の（ｆ）は加熱用コイルおよび磁場印加用コイルの配置状態を示す。カバー７の外側にはコアＣを加熱するための巻線コイル８が配置されている。本実施形態の巻線コイル８は、水冷銅パイプをスパイラル状に巻いた巻線コイルで、５００Ｈｚの高周波電流を通電することにより、コアＣを７５０〜８５０℃に加熱する。

カバー７の外側と積層したコアＣの中心部の管状体３の孔３ａ内を通じて２個の線状コイル１０（１０ａ，１０ｂ）が配置されている。線状コイル１０はコアＣを冷却中にコアＣに磁場を印加するためのものであり、本実施形態では１２０００Ａ／ｍの磁界をかけることのできる銅線コイルを用いている。前記の巻線コイル８と線状コイル１０は上方に移動可能であり、コアＣやカバー７などを台座１上へ載置したり取り外したりするときには、巻線コイル８と線状コイル１０を上方に待避させる。

つぎに、図３の（ｆ）に記載の基本構造の焼鈍装置を用いてモータ用固定子コアを焼鈍する方法について説明する。
図３の（ｆ）に示すようにコアＣやカバー７などを台座１上へ載置し、コアＣ外面とカバー７内面との間の空間９に雰囲気ガス（たとえばＡｒガス）を供給し、巻線コイル８と線状コイル１０を所定の位置に配置した後、高周波電源装置（図示せず）から巻線コイル８に５００Ｈｚの高周波電流を通電して、コアＣを７５０〜８５０℃に加熱する。モータ用固定子コアの素材である無方向性電磁鋼板のキュリー点は高Ｓｉ系成分の場合は約７２０℃であるから、コアＣを７５０〜８５０℃に加熱すると、鋼板の打ち抜き時に生じた歪みの除去とともに、素材の結晶粒成長による磁化特性の向上効果がある。とくに素材の結晶粒径が１００μｍ以上であると磁場印加による磁化特性の向上効果が著しいので、素材の結晶粒径が１００μｍ未満の場合は、８５０〜９００℃に加熱して結晶粒径が１００μｍ以上となるようにするのがよい。なお、鋼板製造の最終工程でスキンパス圧延を行った無方向性電磁鋼板が素材の場合は、コアの焼鈍時に加熱することによってコア自体の結晶粒が成長して、結晶粒径は２００μｍ程度になる。

温度計１１の温度検出値により積層したコアＣの内部温度が７５０〜８５０℃に達したことを確認後、巻線コイル８による加熱を停止し、コアＣを冷却する。冷却開始後、コアＣの内部温度が約７５０℃に降下した時点で線状コイル１０に直流電源装置（図示せず）から１２０００Ａ／ｍの直流電流を通電して、コアＣに磁場を印加する。磁場を印加しながらの冷却はコアＣの内部温度が約３００℃になるまで連続して行い、３００℃以下は磁場印加を中止して自然冷却とする。

この冷却過程において、キュリー点以上の加熱でいったん消失したコアＣの結晶内の複数の磁区が再現され、この再現した複数の磁区の磁化方向が、冷却過程で磁場が印加されていることによって、大部分の磁区が印加磁場の方向に向き、その後３００℃で磁場印加を断つと、磁区の磁化方向はそれまでの印加磁場の方向に三次元的に一番近い磁化容易軸（結晶の〔１００〕、〔０１０〕、〔００１〕のいずれかの軸）方向に固定される。これにより、低磁場において高い磁束密度が得られることになる。

また、磁場印加のための線状コイル１０を図３の（ｆ）に示すように配置して、印加する磁場の方向がモータ駆動時の固定子の励磁方向と同じ方向となるようにすることによって、上記の固定された磁区の磁化方向がモータ駆動時の固定子の励磁方向に近い方向となるので、モータ駆動時に固定子を励磁したときに固定子コアの磁区が容易に励磁方向に向くようになり、磁束密度が高くなってヒステリシス損が減少し、固定子の全鉄損を向上させるとともに、この固定子コアを使用したモータの高周波励磁電流のもとでのモータ出力を向上させることになる。

本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。
〔実験例１〕
（実験条件）
使用素材：Ａ社製無方向性電磁鋼板ＨＴＨ１５００（商品名）
板厚０．２０ｍｍ スキンパス圧延なし 結晶粒径６０μｍ
試料寸法：外径８０ｍｍ、内径６０ｍｍ
加熱温度：８５０℃、７５０℃
磁場の印加：７５０℃から３００℃までの冷却過程
磁場の強度：０（磁場なし焼鈍）、８００、６０００（Ａ／ｍ）
（実験結果）
表１に実験結果を示す

注）Ｂ０．５、Ｗ７／５０の測定はＡＳＴＭ Ａ５９６−６９（１９７９年改訂）による。

表１からわかるように、キュリー点直上から３００℃までの冷却過程で８００Ａ／ｍ以上の磁場を印加することにより、磁場を印加しない通常焼鈍の場合に比較して磁化特性が向上している。また、加熱温度を８５０℃とすることによって素材の結晶粒径は１０μｍ程度成長し、加熱温度が７５０℃の場合に比べると磁化特性は良くなっている。印加磁場の強度が８００Ａ／ｍの場合の磁化特性の向上効果は、６０００Ａ／ｍの場合に比べるとやや不安定である。

〔実験例２〕
（実験条件）
使用素材：Ａ社製無方向性電磁鋼板３５Ｈ２３０（商品名）
板厚０．３５ｍｍ スキンパス圧延なし 結晶粒径１００μｍ
試料寸法：外径８０ｍｍ、内径６０ｍｍ
加熱温度：７５０℃
磁場の印加：７５０℃から３００℃までの冷却過程
磁場の強度：０（磁場なし焼鈍）、６０００、１２０００（Ａ／ｍ）
（実験結果）
表２に実験結果を示す。

注）Ｂ０．５、Ｗ７／５０の測定はＡＳＴＭ Ａ５９６−６９（１９７９年改訂）による。

表２からわかるように、結晶粒径の大きい素材を使用することにより、磁化特性の向上効果が増大する。印加する磁場の強度が６０００Ａ／ｍの場合と１２０００Ａ／ｍの場合とでは磁化特性の向上効果は大差ない。

〔実験例３〕
（実験条件）
使用素材１：無方向性電磁鋼板（試料記号：５０ＨＳ０１）
成分 Ｃ：０．００２％ Ｓｉ：０．８０％ Ｍｎ：０．２０％
Ｂ：０．００４％
スキンパス圧延 圧下率：６％
板厚０．５０ｍｍ 結晶粒径１５μｍ
使用素材２：無方向性電磁鋼板（試料記号：５０ＨＳ１１）
成分 Ｃ：０．００２％ Ｓｉ：０．２０％ Ｍｎ：０．２０％
Ａｌ：１．００％ Ｐ：０．１０％
スキンパス圧延 圧下率：６％
板厚０．５０ｍｍ 結晶粒径１５μｍ
試料寸法：外径８０ｍｍ、内径６０ｍｍ
加熱温度：８１０℃
磁場の印加：８１０℃から３００℃までの冷却過程
磁場の強度：０（磁場なし焼鈍）、１２０００（Ａ／ｍ）
（実験結果）
表３に実験結果を示す。なお表３には、比較のために実験例２の素材での実験結果も併記している。

注）表中のＢＳはＢ−Ｈ曲線における磁束密度の飽和値である。
ＢＳ、Ｂ０．５、Ｗ７／５０の測定はＡＳＴＭ Ａ５９６−６９（１９７９年改訂）による。

図４は表３の磁化特性を図示したＢ−Ｈ曲線である。図中の曲線（２）、（３）は図１と同じであり、曲線（４）は試料５０ＨＳ０１の磁場なし焼鈍、曲線（５）は試料５０ＨＳ０１の磁場中焼鈍、曲線（６）は試料５０ＨＳ１１の磁場なし焼鈍、曲線（７）は試料５０ＨＳ１１の磁場中焼鈍のそれぞれの結果を示す。表３および図４からわかるように、スキンパス圧延なしの鋼板の試料３５Ｈ２３０の場合でも、磁場中焼鈍を行うことによって磁場なし焼鈍の場合よりも低磁場での磁束密度Ｂ０．５は約１．６倍に向上し、鉄損Ｗ７／５０は約１４％向上している。スキンパス圧延ありの鋼板の試料５０ＨＳ０１は、試料３５Ｈ２３０よりも低Ｓｉで、磁化特性の面では試料３５Ｈ２３０よりも不利であるにもかかわらず、結晶粒径が大きいので磁場中冷却の効果が大きく、低磁場での磁束密度Ｂ０．５は試料３５Ｈ２３０よりも向上している。高Ａｌ系鋼板の試料５０ＨＳ１１は、磁場なし焼鈍の場合でも高Ｓｉ系鋼板の試料３５Ｈ２３０，５０ＨＳ０１の磁場中焼鈍の場合よりも低磁場での磁束密度Ｂ０．５が高く、磁場中焼鈍の場合はさらに低磁場での磁束密度Ｂ０．５が高くなっている。以上のことから、コアの磁場中焼鈍を行うことにより磁化特性を向上させることができ、最終工程でスキンパス圧延を行った電磁鋼板を素材とした場合はスキンパス圧延なしの電磁鋼板を素材とした場合よりさらに磁化特性が向上し、高Ａｌ系成分の電磁鋼板を素材とした場合はさらに一層磁化特性が向上することが確認された。

〔実験例４〕
実験例１〜３は、焼鈍前後の試料に対して直流磁界を加えてそのときの磁束密度や周波数５０Ｈｚでの鉄損を測定した実験例であるが、本実験では、本発明のモータ用固定子コアの電気自動車用モータへの使用を想定して、焼鈍前後の試料に対して異なる周波数の交流磁界を加えてそのときの飽和磁束密度を測定した。
（実験条件）
使用素材：Ａ社製無方向性電磁鋼板３５Ｈ２５０（商品名）
成分 Ｃ：０．００２％ Ｓｉ：０．３０％ Ｍｎ：０．２０％
Ａｌ：０．８０％
板厚０．３５ｍｍ スキンパス圧延なし 結晶粒径１５０μｍ
試料寸法：外径８０ｍｍ、内径６０ｍｍ
加熱温度：８１０℃
磁場の印加：８１０℃から３００℃までの冷却過程
磁場の強度：０（磁場なし焼鈍）、８０００（Ａ／ｍ）
励磁電流の周波数： ５０，２００，４００，６００，１０００（Ｈｚ）
（実験結果）
表４に実験結果を示す。

注）回転速度は、１２ポールのモータの当該周波数における回転速度を例示した。
飽和磁束密度は、当該周波数での交流磁化時の飽和磁束密度の測定値を示す。
出力係数は、周波数と飽和磁束密度の積をもってモータの出力指標として示した。
図５は表４をグラフ化したものであり、破線は飽和磁束密度、実線は出力係数を示し、○印は磁場中焼鈍、▲印は磁場なし焼鈍、●印は打ち抜きのままの場合をそれぞれ示す。

図１にも示したように、無方向性電磁鋼板からの打ち抜き試料に直流磁界を加えた場合、磁化力の増加にともなって磁束密度が増大するが、磁化力が１０００００Ａ／ｍ近傍で磁束密度は飽和し、そのときの飽和磁束密度は約２．０（Ｔ）である。一方、交流磁界を加えた場合は、磁気慣性により、励磁電流の周波数が高くなるにつれて飽和磁束密度が低下する。このときの飽和磁束密度の低下の程度は、試料の残留歪みの多少、磁区方位によって変わり、歪取り焼鈍を行うことで残留歪みが減少して飽和磁束密度の低下の程度は減少し、さらに磁場中焼鈍を行うことで磁区の方位が印加磁場方向に近づいて飽和磁束密度の低下の程度はさらに減少する。

表４および図５に示すように、打ち抜きのままの試料および磁場なし焼鈍を行った試料の場合は、励磁電流の周波数が２００Ｈｚを超えると飽和磁束密度は急激に低下し、２００Ｈｚ以上の周波数域では、周波数と飽和磁束密度の積をもって表される出力係数はほとんど増加しない。これに対して、磁場中焼鈍を行った試料の場合は、励磁電流の周波数の増加による飽和磁束密度の低下が緩やかであり、とくに電気自動車用モータで採用される高周波励磁電流の周波数域である４００〜６００Ｈｚでは、打ち抜きのまままたは磁場なし焼鈍を行った試料の出力係数に比して２倍以上の出力係数が得られる。すなわち、本発明に係るモータ用固定子コアを電気自動車用モータに使用することにより、従来のモータ用固定子コアを使用した電気自動車用モータに比して２倍以上のモータ出力が得られ、また同じ出力であればモータの小型化が可能となる、ということが確認された。

以上、本発明に係るモータ用固定子コアを電気自動車用モータに適用することを想定して本発明の構成と実験例を説明したが、本発明に係るモータ用固定子コアの適用は電気自動車用モータに限らず、低磁場のもとで使用されるモータ全般に適用して鉄損の低減と出力向上に効果のあるものである。

Ｂ−Ｈ曲線に基づいて本発明の効果を説明するグラフである。 本発明の実施形態における固定子コアの焼鈍工程を模式図により示す工程図である。 本発明の実施形態における固定子コアの焼鈍工程を模式図により示す工程図である。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 台座
２ 軸芯
３ 管状体
３ａ 孔
４ コア支持台
５，６ 保温材
７ カバー
７ａ 孔
８ 巻線コイル
９ 空間
１０，１０ａ，１０ｂ 線状コイル
１１ 温度計
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ５ コア

Claims (3)

1. 磁束密度が１．０Ｔ以下の低磁場のもとで駆動されるモータに使用される固定子コアであって、無方向性電磁鋼板を素材として製作された固定子コアの焼鈍に際して少なくともキュリー点直上の温度からの冷却過程でモータ駆動時の固定子の励磁方向と同じ方向に磁場が印加されて焼鈍されたモータ用固定子コア。
2. 無方向性電磁鋼板を素材として製作されたモータ用固定子コアを焼鈍するに際して、加熱後の固定子コアの冷却過程において少なくともキュリー点直上の温度から３００℃までの温度範囲において固定子コアに対してモータ駆動時の固定子の励磁方向と同じ方向に磁場を印加することを特徴とするモータ用固定子コアの製造方法。
3. 磁場印加時における固定子コアの結晶粒径を１００μｍ以上とすることを特徴とする請求項２記載のモータ用固定子コアの製造方法。

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