JP2006135061A - 板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータの効率の向上、例えば三相同期モータの出力トルクの増大、形状の小型化などを図るためには、ティースやヨークでの鉄損を一層低減しなければならない。従来の電磁鋼板は鋼板面内に流れる磁束の容易磁化を制御していた。これらは全て板面に平行な方向であり、板厚方向の磁気異方性は殆ど考慮されていない。本発明は面内渦電流を低減するため、板厚方向に入る磁束量が少ない電磁鋼板を提供する。
【解決手段】 電磁鋼板表面上に銅メッキ層を有し、その上に非磁性層を有することを特徴とする。また、電磁鋼板表面に塗布される銅メッキ層の厚さが４０μｍ以上、その上の非磁性層が１μｍ以上、かつ銅メッキ層と非磁性層の合計厚さを２００μｍ未満とする。更に、銅メッキ層にスリットを設けることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は鉄損低減を図った電磁鋼板に関し、詳しくは電磁鋼板の板厚方向に磁束が入りにくい、即ち板厚方向の比透磁率が小さく、この磁束によって発生する面内渦電流損を低減する技術に関するものである。

変圧器、電動機、発電機、スピーカ、誘導加熱器、各種アクチュエータ等、我々の周囲には電磁気を利用した製品が多々ある。それらの高性能化、小型化を図る上で、永久磁石（硬質磁性体）や軟質磁性体の性能向上が不可欠である。
現在、これら電気機器のコアに用いられている電磁鋼板は、構造建築部材に用いられている鉄鋼材料と比較して、磁化が容易でかつ磁化が時間とともに増減した場合のエネルギー損失（鉄損）が少なく、主にトランス、モータなどに使われている。電磁鋼板でコアを形成すると鉄損が抑えられる。したがって電気機器の効率が向上する。

電磁鋼板は交番磁界中で使用されることが多いため、低鉄損が要求される。鉄損にはヒステリシス損失、渦電流損失があるが、ヒステリシス損失は交番磁界の周波数に比例関係であるのに対し、渦電流損失は周波数の２乗に比例するため、特に渦電流損失の低減が求められる。渦電流損失の低減を図るには、誘導起電力により鉄心に流れる電流を少なくする必要がある。言い換えれば、鉄心の比抵抗の増加、または不必要な方向への磁束流れ、例えば巻線以外を流れる浮遊磁束、設計以外の板厚方向に入る磁束、等の低減が望まれる。

モータの効率の向上、例えば三相同期モータの出力トルクの増大、形状の小型化などを図るためには、ティースやヨークでの鉄損を一層低減しなければならない。
従来の電磁鋼板は、鋼板面に平行に流れる磁束に対する容易磁化方向の透磁率を制御していた。例えばトランスに用いられる電磁鋼板では磁束の流れは一方向なので、一方向のみの磁気特性を向上させた電磁鋼板が使われ、回転機に用いられる電磁鋼板では、磁束の向きはロータの回転とともに変化するので、面内に磁気異方性のない無方向性電磁鋼板が用いられていた。これら従来考慮されている磁束の向きは全て板面に平行な方向であり、板厚方向の磁気異方性はほとんど考慮されていない。
なお上記記載は、文献公知発明に係るものでないため、先行技術文献は記載していない。

鋼板面に平行に流れる磁束によって発生する渦電流は、積層間の絶縁皮膜によって流れが鋼板板厚内に遮られるため、発生する渦電流損失は小さい。一方、板厚方向に磁束が入ると鋼板面内に渦電流が流れる。この場合、面内に流れる渦電流を遮るものは無く、磁束が鋼板面に平行に流れる場合と比較して渦電流損失が大きい。
こうした問題はトランス、モータ、発電機、磁気シールドなどに共通である。面内渦電流を低減するため、板厚方向に入る磁束が少ない、即ち板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板を提供することが課題である。

本発明の具体的な手段は以下の通りである。
（１）電磁鋼板表面上に銅のメッキ層を有し、その上に非磁性層を有することを特徴とする板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板。
（２）銅メッキ層の厚さが４０μｍ以上、その上の非磁性層が１μｍ以上、かつ銅メッキ層と非磁性層の合計の厚さが２００μｍ未満であることを特徴とする前記（１）記載の板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板。
（３）電磁鋼板表面上の銅メッキ層にスリットを設けたことを特徴とする前記（１）または（２）記載の板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板。

すでに述べたように、モータの効率の向上、例えば三相同期モータの出力トルクの増大、形状の小型化などを図るためには、ティースやヨークでの鉄損を一層低減しなければならない。
本発明者らは電磁鋼板の板厚方向に入る磁束を抑制し、面内渦電流を抑え、電機機器の鉄損を効果的に低減する方法を実現するため鋭意研究を行った。その結果、板厚方向に入る磁束は、電磁鋼板の表面にある非磁性層である絶縁皮膜の厚さが厚いほど入り難いこと、即ち板厚方向の比透磁率が小さくなることが確認された。これは非磁性層の透磁率が低いこと、また鋼板表面に生じる磁極により反磁界が形成される等からである。
さらに、鋼板表面に銅メッキ層を形成すると、垂直に入る磁束は銅メッキ層に流れる渦電流により反磁界が形成されて入りにくくなり、効果が大きくなる。

また、銅メッキの表面を、大気中から生じる錆から保護するためにも非磁性層は必要になり、この点から非磁性層が少なくとも１μｍ以上かつ２００μｍ未満であると効果が大きい。また耐錆性以外にも、積層時に隣り合う銅メッキ層が接触して一体になるよりは、積層した銅メッキ層が互いに非磁性層で隔たれていることのほうが、むしろ反磁界を形成しやすくなり、垂直磁束が入り難いことが確認された。

また銅メッキ層に、部分的に銅メッキの無いスリットがあると、大きな渦電流の回路が細かく分割され、磁束の入射の抑制が均一化され、さらに板厚方向に磁束が入り難くなる。
これらの理由から、鋼板面に垂直な方向に磁束が流れ難くなるため、面内渦電流が低減でき、従来の電磁鋼板のみで構成された電機機器の鉄心より低鉄損が得られ、またシールド材として用いると、従来のシールド板より特性が優れることを新規に知見した。

本発明によれば、鋼板表面上に銅のメッキ層を設けると、板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板を得ることができる。さらに、その上に非磁性層を設けることで効果が増し、銅メッキ層の厚さが４０μｍ以上、その上の非磁性層が１μｍ以上、かつ銅メッキ層と非磁性層の合計の厚さが２００μｍ未満であるとその効果が大きい。これに加えて銅メッキ層に、部分的に銅メッキの無いスリットがあると、板厚方向の磁束による渦電流損失を抑える電磁鋼板を得ることができる。

本発明の構成、即ち電磁鋼板表面上に銅メッキ層を、更にその上に非磁性層を設けることにより、板厚方向に入る磁束を低減することが可能となる。本発明者等は種々実験を重ね、以下の条件において好ましい効果が得られることを見出した。
本発明において、銅メッキは通常の電磁鋼板製品、即ち表面にグラス皮膜及び／又は絶縁皮膜を有する鋼板に施しても良いし、前記の皮膜のない鋼板に直接施しても良い。

まず、銅メッキ層の厚さが４０μｍ未満であると、板厚方向の比透磁率も１６％程度の減少であり、鋼板表面に垂直に入る磁束を抑制する効果は小さかったため、銅メッキ層の厚さの好ましい範囲の下限を４０μｍ以上とした。また、非磁性層の厚さが１μｍ未満であれば非磁性層による反磁界の影響が小さく、磁束抑制の効果が小さかったため、非磁性層の厚さの好ましい範囲の下限を１μｍ以上とした。

また、銅メッキ層と非磁性層を合わせた厚さが２００μｍ以上であると、これを用いて形成した鉄心の占積率が落ち、電機機器の鉄心の磁束密度が設計より大きくなり、鉄損が増大する不利を招くこととなる。そこで銅メッキ層と非磁性層を合わせた厚さの好ましい範囲の上限を２００μｍ未満とした。尚、ここでいう銅メッキ層と非磁性層を合わせた厚さには、電磁鋼板表面に存在するグラス皮膜及び／又は絶縁皮膜の厚さも含まれるものである。

図１に示す、本発明の電磁鋼板の構造を形成するための手段としては、鋼板表面に形成する銅メッキ層は電気メッキによる青化銅メッキ、あるいは高速度メッキが可能な硼弗化銅メッキ等がある。また、通電せず浸漬のみの無電解銅メッキ等もあり、適宜工程の環境を考慮し、最適な銅メッキ法の選択をすることができる。

銅メッキ層の存在形態としては、メッキ層が無い部分をスリット状に配置することがより好ましい。これは銅メッキ層を流れる渦電流の流路を限定し、渦電流によるエネルギー損失を低減する効果を発揮するからである。銅メッキに入れるスリットの形状は、必要に応じて長く取ったり密に取ったりすれば良い（図２(a),(b) 参照）。これは渦電流の抑制効果とスリット作製の能率と比較し、双方のメリットが最大限に享受できる条件で決めればよい。

鋼板表面に形成する非磁性層としては、絶縁皮膜を形成する方法がまず挙げられる。または別の方法として、樹脂系で制振性のあるポリイソブチレン、ポリエステルニトリルゴム、オレフィン系フィルムを塗布して形成しても良い。さらに、ワニスによって形成しても良い。
前記の絶縁皮膜の組成については、状況に応じて公知のものから選択すればよい。例えばコロイド状シリカ、リン酸アルミニウム、無水クロム酸およびクロム酸塩からなるコーティング液を塗布して、約３５０℃以上の温度で焼き付け形成し、膜厚を本発明範囲内に調整する。膜厚が足りない場合は焼付けの後、再度繰り返し処理すればよい。
以下、実施例に基づき本発明を説明する。

医療用ＭＲＩ室の壁面を覆い、地磁気をシールドするための材料として、常法により製造した、板厚０．５０ｍｍの無方向性電磁鋼板、５０Ａ１０００を６枚用い、(1) 積層間に何も挿入しないものと、 (2)鋼板表面に４５μｍ厚の銅メッキを施し、１５０μｍ厚のオレフィン系フィルム樹脂を挿入したものを比較した。尚、 (2)の場合は片面当たりの非磁性層の厚さは１２４μｍ（＝４＋４５＋７５）である。
銅メッキは青化第一銅（ＣｕＣＮ）を青化ソーダ（ＮａＣＮ）に溶解してメッキ浴とし、電流を印加してメッキした。銅メッキのないスリット部はブラシにより形成した。

シールド用電磁鋼板に地磁気の磁束が板厚方向に突き抜けると、磁束がＭＲＩ室内部に漏れるので、板厚方向の比透磁率を下げることが重要なポイントである。ＭＲＩ室は５ｍ×５ｍ×高さ３ｍの空間をシールド材料で覆われ、シールド板厚み約３ｍｍになるよう電磁鋼板を６枚積層した。得られた結果を表１に示す。

表１で示すように、面内の比透磁率はほとんど変わりないが、板厚方向の比透磁率は本発明の電磁鋼板で約２７％低減できた。磁気シールド配置前の室内磁場４１９ｍＧに対し、通常の電磁鋼板（非磁性層４μｍ）で覆った磁気シールドを配置すると、４６ｍＧになるところ、本発明の電磁鋼板を用いることで２５ｍＧに室内磁場が低減した。

次に、本発明の電磁鋼板を用いた埋込磁石同期モータ（ＩＰＭ）の実施例を説明する。 電磁鋼板は常法により製造した、４μｍの絶縁皮膜付きの板厚０．５０ｍｍの無方向性電磁鋼板、５０Ａ２５０を用いた。鋼板表面には銅めっきを４２μｍ施し、その上にワニスを塗布して１０３μｍの非磁性層を形成した。これにより片面当たりの非磁性層と銅メッキ層の合計の厚さは１４９μｍとした。メッキは硼弗化銅（Ｃｕ（ＢＦ₄ ）₂ ）と硼弗酸からなる浴に鋼板を浸積させ電流を流して形成した。銅メッキのないスリット部はブラシにより形成した。

図３は本実施形態の埋込磁石同期モータ（１）の概略構成を示している。ロータ（２）はロータ鉄心に設けられた挿入口（３）に挿入される永久磁石を有する。また、図示していないが、ロータはその中心に取り付けられた軸を有する。（４）は本発明の電磁鋼板を挿入した部分、即ち積層厚両端のそれぞれ１０ｍｍ厚部分を示している。

本発明の電磁鋼板を用いたステータは外径３１０ｍｍ、内径１６５ｍｍ、積層厚６０ｍｍで、表層から１０ｍｍに本発明の電磁鋼板を配置した。巻線は分布巻でコアより表面上に約１５ｍｍ出ており、空間にも磁束が流れるため浮遊損失も多い。
駆動条件はスロットに４００Ｈｚで１０ＡＴ／ｍｍ² で、ヨークの平均磁束密度は１．３Ｔになった。本モータの特性結果を表２に示す。

表２で示すように、ロータの積層厚両端に本発明の電磁鋼板を用いなかった場合、鉄損は６７．５Ｗ／kgであったが、本発明を用いると６０．３Ｗ／kgになった。これは表層へ垂直に入る磁束が少なくなったため、鉄損が低減したものである。またトルクも従来では７４Ｎ／ｍであったものが８５Ｎ／ｍに向上し、磁束を有効に使用していることを確認した。
以上のように、本発明の電磁鋼板によれば、磁束を有効に利用し、低鉄損かつ高トルクのモータを実現することが出来る。

非磁性層として絶縁皮膜を用いて本発明の電磁鋼板を作製した。まず市販の０．２７ｍｍ厚の一方向性電磁鋼板を、化学銅めっき液の組成ＣｕＳＯ₄ 、６Ｈ₂ Ｏ、０．０６ｍｏｌ／ｌ、ＮＣＯＨＯ（３７％）を０．５ｍｏｌ／ｌで、７０℃の温度に保ちめっきを施した。銅メッキのないスリット部はブラシにより形成した。

次に非磁性層の形成は、リン酸マグネシウムのリン酸塩コーティング液およびコロイド状シリカ２０％水分散液１００ｃｃ−リン酸アルミニウム５０％水溶液６０ｃｃ−無水クロム酸６ｇ−ほう酸２ｇの組成のコーティング液を塗布し、窒素雰囲気中で６００℃１５秒間連続炉中で焼付けた。コーティング付着量は片面当たり４〜２０ｇ／ｍ² の間で変化させ、膜厚が足りない場合は焼付けの後、再度付着させた。磁気測定はコの字型のコアに鋼板を２枚はさみ、比透磁率を測定した。

図４にその結果を示した。非磁性層が薄い（３μｍ）従来の電磁鋼板は、５０Ｈｚにおいて板厚方向の比透磁率が最大で約３０００である。一方、銅メッキ層と合わせて厚い非磁性層を形成した電磁鋼板は、本発明範囲内の２００μｍ以下とした材料では、１７００と半減することができた。また高磁束密度域ではどの鋼板も比透磁率が低減し、磁化し難くなっている。これは磁気飽和に近づくためである。

次に、本発明の一方向性電磁鋼板、２７Ｐ１００を用いて３相３脚６０Ｈｚ、５００ｋＶＡの中型トランスを製造し、鉄損を比較した。供試材の銅メッキ層と合わせた非磁性層の厚さは断面写真で確認したところ、ほぼ一様に形成され、厚さは約１００μｍであった。トランス特性の結果を表３に示す。

表３で示すように、本発明の電磁鋼板をロータの積層厚表層から２０ｍｍの間に配置し、鉄心を作製すると、１．５Ｔにおいて０．７７Ｗ／kgになり、これは本発明の電磁鋼板を積層しない比較例のトランスの鉄損０．９５Ｗ／kgと比較し、１９％の鉄損低減効果があった。鉄損低減の原因として、ロータの積層厚表層に配置した本発明の電磁鋼板に板厚方向の磁束が入り難くなり、面内渦電流が抑制されたためと考えられる。

本発明の電磁鋼板を示した図である。 本発明の電磁鋼板の表面を示した図である。 本発明の電磁鋼板を用いたモータを示す図である。 電磁鋼板の非磁性層を変えて板厚方向の比透磁率を測定した図である。

符号の説明

１：埋込磁石同期モータ
２：ロータ
３：挿入口
４：本発明電磁鋼板の挿入部分

Claims (3)

1. 電磁鋼板表面上に銅のメッキ層を有し、その上に非磁性層を有することを特徴とする板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板。
2. 銅メッキ層の厚さが４０μｍ以上、その上の非磁性層が１μｍ以上、かつ銅メッキ層と非磁性層の合計の厚さが２００μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板。
3. 電磁鋼板表面上の銅メッキ層にスリットを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の板厚方向の比透磁率が小さい電磁鋼板。
   

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