JP2021197491A - 電磁鋼板及び積層コア - Google Patents
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Abstract
Description
(1)本発明の一態様に係る電磁鋼板は、母材鋼板と、前記母材鋼板の片面または両面に形成されて接着能を有する絶縁被膜と、を備え、前記絶縁被膜が、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂のうちの少なくとも一つを含む有機樹脂相と、前記有機樹脂相中に斑点状に配置された硬化剤と、を含有し、前記斑点状をなす各ドットの平均円相当直径が、0.1μm以上5.0μm以下である。
上記(1)に記載の電磁鋼板によれば、絶縁被膜の全面において他の電磁鋼板に接着する。この時、硬化剤が斑点状に配置されているため、硬化剤が多い硬質性の高い部分と硬化剤が少ない柔軟性の高い部分とが混在する接着状態を形成することができる。これにより、硬化剤を絶縁被膜の全面に配置させて絶縁被膜の全面を硬化させて接着する場合に比べて、接着力による応力を緩衝した状態にすることができる。このように、硬質性の高い部分と柔軟性の高い部分とを混在させることで、他の電磁鋼板に接着した際の磁気特性低下が抑制可能となる。
なお、ここで言う「接着能を有する」とは、加熱および加圧の少なくとも一方を与えられることにより、絶縁被膜が溶けて接着特性を発揮することを意味する。
上記(2)に記載の電磁鋼板によれば、積層コアを形成するために必要な接着力と、磁気特性低下を抑制するための接着力とをより好ましくバランスさせることができる。
上記(3)に記載の積層コアによれば、十分な接着強度を持ちつつも高い磁気特性が得られる電磁鋼板によって構成されているので、高い剛性と低い鉄損とを確実に得ることが出来る。
図1に示すように、回転電機10は、ステータ20と、ロータ30と、ケース50と、回転軸60と、を備える。ステータ20およびロータ30は、ケース50内に収容される。ステータ20は、ケース50内に固定される。
本実施形態では、回転電機10として、ロータ30がステータ20の径方向内側に位置するインナーロータ型を採用している。しかしながら、回転電機10として、ロータ30がステータ20の外側に位置するアウターロータ型を採用してもよい。また、本実施形態では、回転電機10が、12極18スロットの三相交流モータである。しかしながら、極数、スロット数、相数などは、適宜変更することができる。
回転電機10は、例えば、各相に実効値10A、周波数100Hzの励磁電流を印加することにより、回転数1000rpmで回転することができる。
ステータコア21を構成する複数枚の電磁鋼板40は、それぞれ、環状のコアバック部22と、複数のティース部23と、を備える。以下では、ステータコア21(又はコアバック部22)の中心軸線O方向を軸方向と言い、ステータコア21(又はコアバック部22)の径方向(中心軸線Oに直交する方向)を径方向と言い、ステータコア21(又はコアバック部22)の周方向(中心軸線O回りに周回する方向)を周方向と言う。
複数のティース部23は、コアバック部22の内周から径方向内側に向けて(径方向に沿ってコアバック部22の中心軸線Oに向けて)突出する。複数のティース部23は、周方向に同等の角度間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角20度おきに18個のティース部23が設けられている。複数のティース部23は、互いに同等の形状でかつ同等の大きさに形成されている。よって、複数のティース部23は、互いに同じ厚み寸法を有している。
前記巻線は、各ティース部23に巻回されている。前記巻線は、集中巻きされていてもよく、分布巻きされていてもよい。
ロータコア31は、ステータ20と同軸に配置される環状(円環状)に形成されている。ロータコア31内には、前記回転軸60が配置されている。回転軸60は、ロータコア31に固定されている。
複数の永久磁石32は、ロータコア31に固定されている。本実施形態では、2つ1組の永久磁石32が1つの磁極を形成している。複数組の永久磁石32は、周方向に同等の角度間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角30度おきに12組(全体では24個)の永久磁石32が設けられている。
本実施形態では、母材鋼板2の上面のみに絶縁被膜3が形成された場合を説明する。絶縁被膜3は、コアバック部22の上面と各ティース部23の上面のみに形成されており、コアバック部22及び各ティース部23の各下面には形成されていない。なお、絶縁被膜3は、コアバック部22の側面と各ティース部23の側面を覆ってもよい。ここで言う側面とは、電磁鋼板40を素材から打ち抜いて形成する場合には、打ち抜き後に形成される切断面であり、コアバック部22の外形をなす外周側の側面と、ティース部23の外形及びコアバック部22の内形をなす側面とが含まれる。本実施形態では、絶縁被膜3がコアバック部22の上面及び各ティース部23の上面のみに形成されている場合を例示しているが、この構成のみに限らない。コアバック部22及び各ティース部23の各上面及び各下面の両方に、絶縁被膜3が形成されていてもよい。
ステータコア21の説明の途中ではあるが、以下では、この素材1について説明する。なお、本明細書において、電磁鋼板40の母材となる帯状の鋼板を、素材1という場合がある。素材1を打ち抜き加工して積層コアに用いられる形状にした鋼板を、電磁鋼板40という場合がある。
素材1は、帯状の鋼板である場合、例えば、コイル1A(図7参照)に巻き取られた状態で取り扱われる。本実施形態では、素材1として、無方向性電磁鋼板を採用している。無方向性電磁鋼板としては、JIS C 2552:2014の無方向性電磁鋼帯を採用できる。しかしながら、素材1として、無方向性電磁鋼板に代えて方向性電磁鋼板を採用してもよい。この場合の方向性電磁鋼板としては、JIS C 2553:2019の方向性電磁鋼帯を採用できる。また、素材1としては、JIS C 2558:2015の無方向性薄電磁鋼帯や方向性薄電磁鋼帯も採用できる。
素材1が薄くなるに連れて素材1の製造コストは増す。そのため、製造コストを考慮すると、素材1の平均板厚t0の下限値は、0.10mm、好ましくは0.15mm、より好ましくは0.18mmとなる。
一方で素材1が厚すぎると、製造コストは良好になるが、素材1が電磁鋼板40として用いられた場合に、渦電流損が増加してコア鉄損が劣化する。そのため、コア鉄損と製造コストを考慮すると、素材1の平均板厚t0の上限値は、0.65mm、好ましくは0.35mm、より好ましくは0.30mmとなる。
素材1の平均板厚t0の上記範囲を満たすものとして、0.20mmを例示できる。
Al:0.001%〜3.0%
Mn:0.05%〜5.0%
残部:Feおよび不純物
これにより、硬化剤3b1を全面に配置させて絶縁被膜3の全面を硬化させて接着する場合に比べて、接着力による応力を緩衝した状態にすることができる。このように、硬質性の高い部分と柔軟性の高い部分とを混在させることで、他の電磁鋼板40に接着した際の磁気特性低下が抑制可能となる。
なお、ここで言う「接着能を有する」とは、加熱および加圧の少なくとも一方を与えられることにより、絶縁被膜3が溶けて接着特性を発揮することを意味する。
このようにして求めた平均離間間隔gを上述の範囲内とすることで、積層コアを形成するために必要な接着力と、磁気特性低下を抑制するための接着力とをより好ましくバランスさせることができる。したがって、以上説明の構成を有する素材1によれば、必要十分な接着強度を持ちつつも高い磁気特性が得られる。
アクリル樹脂としては、特に限定されない。アクリル樹脂に用いるモノマーとしては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸等の不飽和カルボン酸、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリレートを例示できる。なお、(メタ)アクリレートとは、アクリレート又はメタクリレートを意味する。アクリル樹脂としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
カルボン酸及びその誘導体としては、特に限定されず、例えば、コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカンジカルボン酸、無水マレイン酸、フマル酸、1,3−シクロペンタンジカルボン酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、無水フタル酸、オルソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸、ポリカプロラクトン等が挙げられる。なかでも、耐熱性の点から、ポリカプロラクトンが好ましい。ジカルボン酸及びその誘導体としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
ポリエステルポリオールとしては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
ウレタンプレポリマーの含有量の下限値は、エポキシ樹脂100質量部に対して、好ましくは10質量部、より好ましくは20質量部である。ウレタンプレポリマーの含有量の上限値は、エポキシ樹脂100質量部に対して、好ましくは39質量部、より好ましくは38質量部である。
すなわち、絶縁被膜3は、絶縁性能と接着能とを兼ね備えた単層構成であってもよい。単層構成の場合、絶縁被膜3は、電磁鋼板用コーティング組成物を母材鋼板2上に直接塗布して形成したものである。絶縁被膜3は、積層コア製造時の加熱圧着前においては、未硬化状態又は半硬化状態(Bステージ)であり、加熱圧着時の加熱によって硬化反応が進行して接着能が発現する。
なお、下地絶縁被膜によって絶縁性能が確保されるので、上地絶縁被膜は、接着性能を有するものの、絶縁性能は持たなくてもよい。
下地絶縁被膜を形成するコーティング組成物としては、特に限定されず、例えば、クロム酸含有処理剤、リン酸塩含有処理等の一般的な処理剤を使用できる。
上地絶縁被膜は、電磁鋼板用コーティング組成物を母材鋼板2上に塗布して形成したものである。上地絶縁被膜は、積層コア製造時の加熱圧着前においては、未硬化状態又は半硬化状態(Bステージ)であり、加熱圧着時の加熱によって硬化反応が進行して接着能が発現する。
素材1が電磁鋼板40として用いられる場合において、絶縁被膜3の平均厚みt1(電磁鋼板40(素材1)片面あたりの厚さ)は、互いに積層される電磁鋼板40間での絶縁性能及び接着能を確保できるように調整する。
単層構成の絶縁被膜3の場合、絶縁被膜3の平均厚みt1(電磁鋼板40(素材1)片面あたりの厚さ)は、例えば、1.5μm以上8.0μm以下にすることができる。
一方、複層構成の絶縁被膜3の場合、下地絶縁被膜の平均厚みを、例えば、0.3μm以上1.2μm以下とすることができる。下地絶縁被膜の平均厚みは、0.7μm以上0.9μm以下とすることが好ましい。上地絶縁被膜の平均厚みは、例えば、1.5μm以上8.0μm以下とすることができる。
なお、素材1における絶縁被膜3の平均厚みt1の測定方法は、素材1の平均板厚t0と同様の考え方で、絶縁被膜3において例えば10点の厚みを求め、それらの厚みの平均として求めることができる。
なお、このように絶縁被膜3の平均厚みt1を、積層方向の最も外側に位置する電磁鋼板40において測定した理由は、絶縁被膜3の厚みが、電磁鋼板40の積層方向に沿った積層位置で殆ど変わらないように、絶縁被膜3が作り込まれているからである。
以下、積層コアの説明に戻る。図2に示すように、積層方向に隣り合う電磁鋼板40間は、絶縁被膜3によって接着されている。すなわち、電磁鋼板40の積層方向を向く面(以下、第1面と言う。また、第1面の裏面を第2面と言う)において、絶縁被膜3が、隣り合う他の電磁鋼板40の第2面に接着されている。
なお、電磁鋼板40の第1面及び第2面の両方に絶縁被膜3が形成されている場合は、電磁鋼板40の第1面にある絶縁被膜3が、隣り合う他の電磁鋼板40の第2面にある絶縁被膜3に対して一体に界面なく接着されている。
また、ステータコア21やロータコア31などの積層コアは、いわゆる回し積みにより形成されていてもよい。
次に、以上のように構成されたステータコア21を製造する積層コアの製造方法(以下、単に製造方法とも言う)について説明する。
図7に、本製造方法で好ましく用いられる積層コアの製造装置100(以下、単に製造装置100という)の側面図を示す。
製造装置100では、コイル1A(フープ)から素材1を矢印F方向に向かって送り出しつつ、各ステージに配置された金型により複数回の打ち抜きを行って電磁鋼板40の形状に徐々に形成していく。
そして、打ち抜いた電磁鋼板40を、既に積層済みである複数枚の電磁鋼板40の上に積層した後、昇温させながら加圧する。その結果、積層方向に隣り合う電磁鋼板40同士を、絶縁被膜3により接着(あるいは融着)する。
打ち抜きステーションが三段である場合を例示して説明すると、製造装置100は、コイル1Aに最も近い位置に一段目の打ち抜きステーション110と、この打ち抜きステーション110よりも素材1の搬送方向に沿った下流側に隣接配置された二段目の打ち抜きステーション120と、この打ち抜きステーション120よりも素材1の搬送方向に沿った下流側に隣接配置された三段目の打ち抜きステーション130と、を備えている。
打ち抜きステーション110は、素材1の下方に配置された雌金型111と、素材1の上方に配置された雄金型112とを備える。
打ち抜きステーション120は、素材1の下方に配置された雌金型121と、素材1の上方に配置された雄金型122とを備える。
打ち抜きステーション130は、素材1の下方に配置された雌金型131と、素材1の上方に配置された雄金型132とを備える。
加熱装置141、外周打ち抜き雌金型142、断熱部材143は、素材1の下方に配置されている。一方、外周打ち抜き雄金型144及びスプリング145は、素材1の上方に配置されている。なお、符号21は、ステータコアを示している。
なお、絶縁被膜3を各電磁鋼板40の片面だけに形成した場合には、積層方に隣接する電磁鋼板40のうちの一方に形成された絶縁被膜3が、他方の電磁鋼板40の表面に接着される。一方、絶縁被膜3を各電磁鋼板40の両面に形成した場合には、積層方向に隣接する電磁鋼板40のうちの一方に形成された絶縁被膜3が、他方の電磁鋼板40に形成された絶縁被膜3に接着される。
以上の各工程により、積層コアが完成する。
評価の結果を表1,2にまとめる。表2において、ステータコアの鉄損とは、ステータコア中で発生するエネルギー損失であり、特許第2740553号公報に記載の方法により、回転磁界でのエネルギー損失にて評価した。すなわち、コアバック部の周方向の異なる4か所へサーチコイルを施し、4か所の平均値で1.2Tの磁束密度が得られるよう磁化した際のエネルギー損失を求めた。そして、このエネルギー損失をステータコアの重量で除算して単位W/kgに換算し、これをもってステータコアの鉄損とした。上記エネルギー損失は、ステータコアを300rpmで回転させ、ステータコア中央部に配置した励磁ヨークに励磁電流を流したときと切ったときとの誘起トルクの差から算出した。すなわち、誘起トルクと回転数の積がステータコア中で発生するエネルギーと等しいとの関係を利用して、当該エネルギー損失を求めた。
表2において、ステータコアの剥離強度は、その値が大きいほど、ステータコアの剛性が高く好ましい。表2において、ステータコアの剛性の判断基準は、最大荷重が1450N以上である場合に「優良」、980N以上1450N未満である場合に「良好」、780N以上980N未満である場合に「可」、780N未満である場合に「不可」、とした。
比較例であるNo.2においては、平均円相当直径dが小さく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
比較例であるNo.8においては、平均円相当直径dが大きく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
比較例であるNo.12においては、平均円相当直径dが小さく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
比較例であるNo.13においては、平均円相当直径dが小さく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
比較例であるNo.19においては、平均円相当直径dが大きく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
比較例であるNo.20においては、平均円相当直径dが小さく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
比較例であるNo.21においては、平均円相当直径dが小さく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
比較例であるNo.27においては、平均円相当直径dが大きく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
比較例であるNo.29においては、平均円相当直径dが大きく、剥離強度及び鉄損が共に不可となった。
図8及び表1,2に示すように、発明例であるNo.3〜7,9〜11,14〜18,22〜26,28において、平均円相当直径dが0.1μm以上5.0μm以下を満たすため、剥離強度及び鉄損の双方において「可」以上の好ましい結果が得られた。これらの中でも、各ドット間の平均離間間隔gが各ドットの平均円相当直径dの1.0倍以上3.0倍以下である、No.4,9,15,23,28では、剥離強度及び鉄損の双方において「優良」というさらに優れた結果が得られた。
例えば、ステータコア21の形状は、上記実施形態で示した形態のみに限定されるものではない。具体的には、ステータコア21の外径および内径の寸法、積厚、スロット数、ティース部23の周方向と径方向の寸法比率、ティース部23とコアバック部22との径方向の寸法比率等は、所望の回転電機の特性に応じて任意に設計可能である。
上記実施形態におけるロータ30では、2つ1組の永久磁石32が1つの磁極を形成しているが、本発明はこの形態のみに限られない。例えば、1つの永久磁石32が1つの磁極を形成していてもよく、3つ以上の永久磁石32が1つの磁極を形成していてもよい。
上記実施形態では、交流電動機として、同期電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が誘導電動機であってもよい。
上記実施形態では、回転電機10として、交流電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が直流電動機であってもよい。
上記実施形態では、回転電機10として、電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が発電機であってもよい。
2 母材鋼板
3 絶縁被膜
3a 有機樹脂相
3b ドット
3b1 硬化剤
21 ステータコア(積層コア)
22 コアバック部
23 ティース部
31 ロータコア(積層コア)
40 電磁鋼板
Claims (3)
- 母材鋼板と、
前記母材鋼板の片面または両面に形成されて接着能を有する絶縁被膜と、
を備え、
前記絶縁被膜が、
エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂のうちの少なくとも一つを含む有機樹脂相と、
前記有機樹脂相中に斑点状に配置された硬化剤と、
を含有し、
前記斑点状をなす各ドットの平均円相当直径が、0.1μm以上5.0μm以下である
ことを特徴とする電磁鋼板。 - 前記各ドット間の平均離間間隔が、前記各ドットの平均円相当直径の1.0倍以上3.0倍以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁鋼板。 - 請求項1または2に記載の電磁鋼板を2枚以上積層してなることを特徴とする積層コア。
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