JP2012161138A

JP2012161138A - 圧縮応力下での鉄損劣化の小さいモータコア

Info

Publication number: JP2012161138A
Application number: JP2011018001A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Oda; 善彦尾田; Hiroaki Toda; 広朗戸田; Tadashi Nakanishi; 匡中西; Yoshiaki Zaizen; 善彰財前
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】圧縮応力の存在下においても高周波鉄損特性の劣化が小さいモータコアを提供する。
【解決手段】好ましくは、Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：３ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．０１ｍａｓｓ％以下を含有する成分組成を有する、有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜を塗布した電磁鋼板を積層し、周方向に１０ＭＰａ以上の圧縮応力が付与されるモータコアにおいて、上記モータコアを構成する電磁鋼板のバックヨーク部に０．２〜５ｍｍの間隔でレーザー照射されてなることを特徴とするモータコア。
【選択図】図３

Description

本発明は、家庭用エアコンのコンプレッサーモータや、ハイブリッド電気自動車（ＥＶ；ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）の駆動モータや発電機（以降、単に「モータ」という。）などに用いられるモータコアに関し、具体的には、圧縮応力の存在下においても鉄損劣化が小さい（鉄損増加が小さい）モータコアに関するものである。

家庭用エアコンのコンプレッサーモータは、一般に最高周波数が２００〜４００Ｈｚ程度で可変速運転が行われており、さらに、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式のインバータ制御がなされているものでは、数ｋＨｚのキャリア周波数が重畳されて使用されている。また、最近、急速に普及しているハイブリッド電気自動車の駆動モータや発電機も、高出力化や小型化を図る観点から、数ｋＨｚ程度の周波数で駆動されている。

上記のようなモータのステータ（固定子）やロータ（回転子）等のコアに用いられる素材（コア材）には、エネルギー効率を向上する観点から、鉄損が低いことが求められる。そこで、上記モータコア材には、使用される高周波域における鉄損を低減するため、ＳｉとＡｌを合計で３〜４ｍａｓｓ％程度添加したハイグレードの無方向性電磁鋼板が使用されている。

ところで、エアコンのコンプレッサーモータやハイブリッド電気自動車のモータでは、ステータをハウジング（モータケース）に固定する方法として、焼き嵌め法や圧入法が採用されており、これに起因して、ステータの円周方向には数１０〜１００ＭＰａ程度の圧縮応力が発生している。また、ハイブリッド電気自動車の駆動モータには、一般に樹脂モールドが施されるため、やはりモータコアには圧縮応力が加わることとなる。このような圧縮応力の存在下では、コアを構成する電磁鋼板の磁気特性が大きく劣化する（鉄損が増加する）ことが知られている。

そのため、圧縮応力による鉄損劣化が小さい電磁鋼板の開発が望まれており、斯かる材料としては、例えば、特許文献１には、Ｓｉ：２．６〜４ｍａｓｓ％を添加して比抵抗を５０〜７５×１０^−８Ωｍとし、さらに、平均結晶粒径を６０μｍ超１６５μｍ以下とした無方向性電磁鋼板が開示されている。

特許第４０２３１８３号公報

しかしながら、特許文献１の無方向性電磁鋼板は、現在市販されているハイグレード電磁鋼板と同等レベルの固有抵抗、結晶粒径でしかない。そのため、この材料を用いてモータコアを製造したとしても、圧縮応力による鉄損劣化の程度は従来材と大きく異なるものではない。そのため、鉄損の応力依存性をさらに小さくできる技術の開発が求められている。

そこで、本発明の目的は、圧縮応力の存在下においても高周波での鉄損特性の劣化が小さいモータコアを提供することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討した。その結果、ステータを構成する、ガラス質の絶縁被膜を塗布した電磁鋼板（以降、「ステータコア材」とも称する。）のバックヨーク部にレーザー照射することにより、圧縮応力による鉄損特性の劣化を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜を塗布した電磁鋼板を積層し、周方向に１０ＭＰａ以上の圧縮応力が付与されるモータコアにおいて、上記モータコアを構成する電磁鋼板のバックヨーク部にレーザー照射されてなることを特徴とするモータコアである。

本発明のモータコアにおける上記電磁鋼板は、バックヨーク部に０．２〜５ｍｍの間隔でレーザー照射されてなることを特徴とする。

また、本発明のモータコアにおける上記電磁鋼板は、レーザー照射後、有機被膜または有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜の上にさらに有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜が塗布されてなることを特徴とする。

また、本発明のモータコアにおける上記電磁鋼板は、上記電磁鋼板は、Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：３ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．０１ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする。

本発明によれば、圧縮応力の存在下においても高周波での鉄損増加が小さいモータコアを提供することができる。したがって、本発明のモータコアは、焼き嵌めや圧入あるいは樹脂モールド等によって圧縮応力が付与された状態で使用されるエアコンのコンプレッサ用モータや、ハイブリッド自動車（ＨＶ）や電気自動車（ＥＶ）の駆動モータや発電機、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）の駆動モータ、高速発電機の高周波回転機等に好適に用いることができる。

本発明のモータコアを説明する模式図である。ステータコアの高周波鉄損を測定する方法を説明する図である。圧縮応力がモータコアの鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。本発明のモータコアの他の例を説明する模式図である。

先ず、本発明の基本的な技術思想について説明する。
家電用エアコンのコンプレッサ用モータやハイブリッド電気自動車用等の駆動モータでは、コアをモータケースに固定する手段として、一般に焼き嵌め法や圧入法が採用されている。この焼き嵌め法や圧入法によってモータコアの周方向に付与される圧縮応力は、２０〜１５０ＭＰａ程度であると言われている。この圧縮応力は、モータコアを構成する電磁鋼板の鉄損特性を劣化させ、ひいては、モータ効率を大きく低下させる。そのため、圧縮応力下においても鉄損特性の劣化が小さいモータコアが望まれている。

発明者らは、モータのステータを構成する電磁鋼板の圧縮応力下における高周波鉄損特性について調査したところ、圧縮応力の存在下では、ヒステリシス損だけでなく、渦電流損も増加していることが明らかとなった。なお、エアコンのコンプレッサ用モータやハイブリッド自動車等のモータは、基本周波数が高周波であることに加えて、インバータ制御するために数ｋＨｚの高調波も重畳されて駆動されているのが一般的である。したがって、高周波鉄損特性を改善するには、渦電流損の増加を抑制することが重要な課題となる。

そこで、圧縮応力の存在下で渦電流損が増加する原因について調査したところ、材料に圧縮応力が付与されると、鋼板内の磁化ベクトルは、圧縮応力を緩和するため、鋼板の板面内で圧縮応力と直角方向に向くよう変化する。そのため、この鋼板を磁化しようとすると、圧縮応力がない場合と比べて磁化ベクトルの向きを大きく変化させることが必要となり、そのための渦電流が鋼板板面内に流れるため、無応力のときに比べて渦電流損が増加することが明らかとなった。

さらに、発明者らは、圧縮応力が付与されても、渦電流損が増大しないモータコア（ステータ）について検討を重ねた。その結果、ステータを構成する積層された電磁鋼板（ステータコア材）のバックヨーク部の周方向に引張応力を付与することができれば、焼き嵌めにより発生する圧縮応力を緩和することができ、鉄損特性の低下を抑制できるのではないかと考えた。そして、その引張応力付与手段として、レーザー照射に着目し、以下の実験を行った。

Ｓｉ：３．２ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．８ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００２ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１２ｍａｓｓ％、Ｏ：０．００１０ｍａｓｓ％の成分組成からなる板厚：０．３５ｍｍの鋼板表面に、絶縁被膜として有機樹脂−無機混合被膜（重クロム酸アルミニウム−アクリル樹脂エマルジョン−エチレングリコール）を被成した無方向性電磁鋼板を用いて、外径：１００ｍｍφ、バックヨーク幅：２０ｍｍで、１２スロットのステータコア材を打抜加工し、次いで、上記ステータコア材のバックヨーク部に、図１に示したように、周方向に同心円状に２ｍｍ間隔でレーザー照射した。なお、レーザー照射は、波長が１．０６μｍのＹＡＧレーザー（出力５０Ｗ）を用いて、ビーム径０．０７ｍｍとして鋼板表面に照射した。

次いで、上記ステータコア材を積み厚３０ｍｍに積層してステータコアを作製し、モータケースを模した非磁性のステンレス製リングに、焼き嵌め代を０〜１００μｍの範囲で変化させて焼き嵌めて固定した。この際、焼き嵌めにより発生する周方向の圧縮応力を、バックヨーク中央部に歪みゲージを貼り付けて測定した。ここで、焼き嵌め代が０μｍとは、ステータコアがリングにまったく固定されていないフリーな状態を意味している。

次いで、上記ステンレス製リングに固定したステータコアに、図２のように、ステンレス製リングも含めてバックヨーク部の周囲に励磁コイルおよびピックアップコイルを巻き線し、モータコア円周方向の高周波鉄損（Ｗ_{１０／１ｋ}）を測定した。図３は、上記測定の結果を、焼き嵌めによって発生したステータ周方向の圧縮応力と高周波鉄損との関係として示したものである。

図３から、焼き嵌めを行わない圧縮応力が０ＰＭａのモータコアでは、レーザー照射により鉄損は増加すること、しかし、レーザー照射をしないモータコアでは、圧縮応力が大きくなるのにともなって鉄損は急激に上昇するが、レーザー照射したモータコアでは、圧縮応力による鉄損の上昇が小さいこと、その結果、焼き嵌めによる圧縮応力が１０ＭＰａ以上発生しているモーコアでは、バックヨーク部にレーザー照射することによって、照射しない場合よりも圧縮応力による鉄損の増大を抑制できていることがわかる。

そこで、レーザー照射により鉄損が低下する原因を調査するため、焼き嵌めしたコアの鉄損分離を行ったところ、ヒステリシス損はレーザー照射により若干増加するが、渦電流損は、レーザー照射によって大きく低下していることが明らかとなった。レーザー照射により渦電流損が低下する原因は、まだ明確となっていないが、レーザー照射による熱歪により鋼板に引張応力が付与され、その結果、焼き嵌めによる圧縮応力が緩和されたためと考えられる。

また、焼き嵌めしない（圧縮応力０）コアで、レーザー照射により鉄損が増加した理由は、レーザー照射による熱歪によってヒステリシス損が増加したためと考えられる。したがって、焼き嵌め応力が発生していないティース部にレーザー照射することは、却って鉄損の上昇を招くことになるので、本発明では、レーザー照射は、圧縮応力が付与されるコアバック部のみに行うこととした。
本発明は、上記の知見に基づいて開発したものである。

次に、本発明のモータコアに用いる電磁鋼板について説明する。まず、本発明のモータコアに用いる電磁鋼板は、下記の成分組成を有するものであることが好ましい。
Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下
Ｓｉは、鋼の固有抵抗を高めるのに有効な元素であるが、７ｍａｓｓ％を超えて添加すると、飽和磁束密度の低下に伴い、モータコアの磁束密度も低下するようになる。また、最終板厚に圧延する際、たとえ温間圧延しても板破断を起こすおそれがあるため、上限は７ｍａｓｓ％とするのが好ましい。なお、下限は特に制限しないが、固有抵抗を高める観点からは、０．１ｍａｓｓ％以上であることが好ましい。より好ましくは０．１〜４ｍａｓｓ％の範囲である。

Ａｌ：５ｍａｓｓ％以下
Ａｌは固有抵抗を高めるのに有効な元素であるが、５ｍａｓｓ％を超えると飽和磁束密度が低下するのに伴い、モータコアの磁束密度も低下するため、上限は５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは３ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは２ｍａｓｓ％以下である。

Ｍｎ：３ｍａｓｓ％以下
Ｍｎは、固有抵抗を高め、また、Ｓによる赤熱脆性を防止するために必要な元素であり、０．０５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、３ｍａｓｓ％を超えて添加すると、飽和磁束密度が低下するため、上限は３ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは、０．０５〜２ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下
Ｓは、不可避的に混入してくる不純物であり、その含有量が多くなると、ＭｎＳ等硫化物系介在物が多量に形成されて、鉄損が増加する原因となる。よって、本発明では、上限を０．０１ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは０．００５ｍａｓｓ％以下である。

Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｎは、Ｓと同様、不可避的に混入してくる不純物であり、含有量が多いとＡｌＮが多量に形成されて、鉄損が増加する原因となるため、上限は０．００５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

Ｏ：０．０１ｍａｓｓ％以下
Ｏは、ＳやＮと同様、不可避的に混入してくる不純物であり、含有量が多いと酸化物系介在物が多量に形成されて、鉄損が増加する原因となるため、上限は０．０１ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明のモータコアに用いる電磁鋼板は、上記成分以外の残部はＦｅおよび不可避不純物である。ただし、本発明の効果を害さない範囲内であれば、上記以外の成分の含有を拒むものではない。

また、本発明のモータコアに用いる電磁鋼板は、上記成分組成を有する鋼板表面に有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜を塗布したものであることが必要である。
本発明において、絶縁被膜の種類を有機樹脂または有機樹脂−無機混合被膜に限定する理由は、例えば、リン酸−クロム酸−コロイダルシリカ系の無機被膜では、打抜き性が著しく劣るためである。
なお、上記有機樹脂の絶縁被膜としては、ポリエステル樹脂やウレタン樹脂、ワニスなどが、また、有機樹脂−無機混合の絶縁被膜としては、重クロム酸マグネシウム−アクリル樹脂エマルジョン−エチレングリコールの混合被膜やＺｒ化合物−アクリル樹脂、リン化合物−エポキシ樹脂などを挙げることができ、いずれも好適に用いることができる。

また、本発明のモータコアは、上記電磁鋼板を所定のステータコア形状に打ち抜き加工した後、あるいは、打ち抜き加工の前に、バックヨーク部にレーザー照射を施したものであることが必要である。
上記レーザー照射に用いるレーザービームは、波長が１〜２μｍのＹＡＧレーザー、ＶＯ_４レーザー、ディスクレーザー、ファイバーレーザーおよびこれらの第２、第３高調波レーザー、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザー等を用いることができる。また、レーザーの出力形態には、連続発振とパルス発振がある。さらに、パルス発振には、ノーマルパルス発振とＱスイッチパルス発振があるが、後者のＱスイッチパルス発振は、瞬間的に高い出力で照射されるため、絶縁被膜へのダメージが大きくなるおそれがある。したがって、連続発振あるいはノーマルパルス発振レーザーが好ましい。

照射するレーザービームの径は、０．０２〜０．５ｍｍの範囲とするのが好ましい。０．０２ｍｍ未満では、引張応力を残留させるために必要な熱歪を付与することができず、一方、０．５ｍｍ超えでは、逆に、熱歪領域が広くなりすぎて、ヒステリシス損が上昇するからである。

レーザー照射する方向は、バックヨーク部の周方向、径方向のいずれでもよく、また、図４に示したように、間隔を開けて不連続に照射してもよい。
また、レーザー照射の条（列）の間隔は、０．２〜５ｍｍの範囲とするのが好ましい。０．２ｍｍ未満では、レーザー照射による熱歪によって鋼板に大きな歪が導入され、鉄損が上昇したり、コア材が変形したりする。一方、５ｍｍを超えると、レーザー照射による鉄損低減効果が充分に得られなくなるためである。なお、径方向に照射する場合、内径側、外径側のいずれも０．２〜５ｍｍの間隔とするのが好ましい。また、レーザー照射は、連続した線状、あるいは点状あるいは破線状に間隔をおいて行ってもよく、その場合の照射方向の間隔は、０．０１〜１ｍｍ程度とするのが好ましい。

また、本発明のモータコアは、レーザー照射後、電磁鋼板の表面に絶縁被膜を再度塗布することによってより確実に鉄損を低減することが可能となる。これは、レーザー照射により絶縁被膜が局所的に破壊され、短絡を起こして積層間の層間抵抗が低下するのを防止するためである。レーザー照射後の絶縁被膜の塗布は、全面に行っても、レーザー照射部分だけでも構わない。また、上塗りする絶縁被膜は、層間抵抗を高めることができればよく、有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜のいずれでも構わない。

また、本発明において、モータコアに発生した圧縮応力の値を１０ＭＰａ以上に制限する理由は、１０ＭＰａ未満ではモータコアを充分に固定することができないことのほか、図３に示したように、レーザー照射による鉄損低減効果が得られないからである。

なお、本発明のモータコアが適用できるモータは、モータコアに圧縮応力が付与されるものであれば、いずれの形式のものでもよく、例えば、集中巻形式の永久磁石モータ、分布巻き形式の永久磁石モータ、分割コアタイプの永久磁石モータ、誘導モータ、リラクタンスモータ等に適用することができる。

転炉−脱ガス処理等の通常公知の精錬プロセスで、表１に示す成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造して鋼スラブとした。次いで、この鋼スラブを１１２０℃×１ｈｒの再加熱後、仕上圧延終了温度を８５０℃とする熱間圧延で板厚２．０ｍｍの熱延板とし、６００℃で巻き取った後、この熱延板を１０００℃×３０ｓｅｃで熱延板焼鈍し、酸洗し、冷間圧延して、板厚が０．３５ｍｍおよび０．２０ｍｍの冷延板とし、１０００℃×１０ｓｅｃの仕上焼鈍を施した後、表１に示した有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜を被成して、無方向性電磁鋼板を製造した。

上記電磁鋼板について、以下の評価を行った。
＜磁束密度Ｂ_５０の測定＞
上記電磁鋼板から、幅３０ｍｍ、長さ２８０ｍｍのエプスタイン試験片を圧延方向および圧延直角方向より採取し、ＪＩＳＣ２５５０に準拠して、５０００Ａ／ｍで磁化したときの磁束密度Ｂ_５０を測定した。
＜モータコアの鉄損測定＞
上記無方向性電磁鋼板を、図１と同じ１２スロットで、外径：１００ｍｍφ、バックヨーク幅：２０ｍｍのステータコア材に打抜加工した後、波長が１．０６μｍの連続発振ＹＡＧレーザー（出力５０Ｗ）を用いて、表１に示したように、照射方向を周方向または径方向として、レーザー径０．０５〜０．７ｍｍ、照射間隔０．１〜６ｍｍの各種条件でステータコア材のバックヨーク部にレーザー照射した。なお、一部のステータコア材には、レーザー照射後、有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜の上に、さらに、同種の被膜を被成した。
次いで、レーザー照射したコア材を積み厚：３０ｍｍに積層し、ステータコアを作製し、このステータコアを、内径が約１００ｍｍφの非磁性ステンレスリングに、焼き嵌め代を変えて焼き嵌めし、ステータの周方向に０〜１００ＭＰａの圧縮応力を発生させた。なお、上記圧縮応力は、ステータのバックヨーク中央部に貼り付けた歪みゲージを用いて測定した。次いで、図２に示したように、ステンレス製リングも含めてバックヨーク部の周囲に励磁コイルおよびピックアップコイルを巻き線し、周波数１ｋＨｚ、最大磁束密度１Ｔにおけるモータコア円周方向の鉄損Ｗ_{１０／１ｋ}を測定した。

表１に、上記測定の結果を併記して示した。この結果から、本発明に適合するレーザー照射したステータコアは、圧縮応力下における鉄損特性の劣化を抑制できることが確認された。

本発明のモータコア技術は、ハイブリッド電気自動車の駆動モータや発電機、エアコンのコンプレッサ用モータ、工作機械の主軸モータ等、焼き嵌めして固定される高速モータに適用することができる。

１：ステータコア
２：レーザー照射位置
３：ロータ
４：永久磁石
５：ステンレス製リング（非磁性）
６：巻き線

Claims

有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜を塗布した電磁鋼板を積層し、周方向に１０ＭＰａ以上の圧縮応力が付与されるモータコアにおいて、上記モータコアを構成する電磁鋼板のバックヨーク部にレーザー照射されてなることを特徴とするモータコア。
上記電磁鋼板は、バックヨーク部に０．２〜５ｍｍの間隔でレーザー照射されてなることを特徴とする請求項１に記載のモータコア。
上記電磁鋼板は、レーザー照射後、有機被膜または有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜の上にさらに有機樹脂または有機樹脂−無機混合の絶縁被膜が塗布されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のモータコア。
上記電磁鋼板は、Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：３ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．０１ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータコア。