JP4028775B2

JP4028775B2 - Annealed iron core manufacturing method

Info

Publication number: JP4028775B2
Application number: JP2002198919A
Authority: JP
Inventors: 憲人阿部; 和年竹田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-07-08
Also published as: JP2004040057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機モータ、トランス用鉄芯、特に電気ハイブリット自動車用に使用される電動機モータ、トランス用鉄芯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から各種電気機器、および電気ハイブリット自動車の効率向上が追求されている。特に、電気機器の効率は各種要因に影響されるが、モータやトランスの鉄芯で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めており、そのために、最近ではより鉄損の少ない電磁鋼板の使用が求められている。
【０００３】
このような電磁鋼板を用いてモータやトランス等の積層鉄芯を製造する方法としては、電磁鋼板を所望の鉄芯形状に打ち抜いた後、必要枚数を単位鉄芯として積層し、周囲をボルト締め、カシメ、溶接して固着して鉄芯とするのが一般的である。このようにして製造された積層鉄芯は、その性能を更に向上させるために、巻線コイルの組み立て工程前に焼鈍を施す。この焼鈍は、それまでに鉄芯に導入された打ち抜き、ボルト締め、カシメ、溶接等で加工歪みを除去し、かつ鉄芯を構成する電磁鋼板の結晶粒の粒径を適正化させるために行われ、これにより鉄芯としての性能向上を図るものである。その後、巻線コイルの組み立て工程を経て、最終的にモータやトランスの一部品として組み込まれる。
【０００４】
ところが、現実には、焼鈍により十分な熱を鉄芯に付与して、それまでに導入された打ち抜き、ボルト締め、カシメ、溶接等で加工歪みを除去したり、鉄芯を構成する電磁鋼板の結晶粒の粒径を適正化しても、鉄損特性が必ずしも改善されないという事態に直面している。
【０００５】
上記問題解決のために鉄芯の焼鈍方法について、様々な提案がなされている。例えば、特開昭５４−１８０３号公報では鉄芯を焼鈍後に接着する方法、特開昭６３−３９４４４号公報では真空中で、かつ還元雰囲気中で鉄芯を焼鈍後、プレス時に使用した油の炭化防止と絶縁皮膜の酸化劣化を防止する方法、特開平１１−２３４９７１号公報および特開平１１−２４３６７０号公報では８００℃以上の温度で水素およびアルゴン雰囲気中で鉄芯を焼鈍することによりＡｌＮの析出を防止する方法、特開２００１−３３８８２４号公報では積層接着鋼板の冷却速度を制御してコアの割れ、或いは皮膜剥離を防止する方法、および特開２００１−２９４９９９号公報ではＳｉ：４質量％以上の電磁鋼板の平坦度を制御してボルト締めした時の緩みを防止する方法が提案されている。
【０００６】
しかしながら、これら従来の方法においては、何れも焼鈍鉄芯の最終特性、特に鉄損値の改善効果を狙ったものでなく、このために本発明の目的である特に電気ハイブリット自動車用に使用される電動機モータ、トランス用鉄芯には適用できないという問題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、これらの問題の原因について種々検討したところ、焼鈍された鉄芯を構成する電磁鋼板のヤング率が磁気特性改善に大きく影響することを知見し、更に、焼鈍鉄芯のヤング率は焼鈍後の鉄芯の冷却速度に依存することを知見し、焼鈍後の鉄芯の冷却速度を、鉄芯にする前の電磁鋼板の長手方向およびそれに直交する方向のヤング率に基づいて制御することで鉄芯のヤング率を高めることで、焼鈍後に大幅に鉄損が改善された焼鈍鉄芯を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は、電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、調整後、積層、或いは巻いて鉄芯形状に成形、溶接、カシメ、ボルト締めの工程を経て固定した鉄芯を焼鈍する焼鈍鉄芯の製造方法において、鉄芯にする前の電磁鋼板の電気抵抗値（Ωｍ×１０^-8）と（Ｌε＋Ｃε）／２の積を９７７６〜１０５００の範囲にし、かつ、前記焼鈍後の鉄芯を、冷却速度：Ｖ≦０．６×（Ｌε＋Ｃε）／２（℃／ｈｒ）で冷却することを特徴とする焼鈍鉄芯の製造方法である。
【０００９】
ただし、Ｌεは、電磁鋼板の鋼板圧延方向のヤング率、Ｃεは、電磁鋼板の鋼板圧延方向と直角方向のヤング率、である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明において使用される電磁鋼板は、方向性或いは無方向性電磁鋼板を使用することができる。この場合、これら電磁鋼板の鉄損特性は高磁束密度で、かつ低鉄損材であることが望ましい。すなわち、電気ハイブリット自動車用に使用されるモータやトランスでは局所的に磁束密度が２．０（Ｔ）近傍となり、しかも高速回転に対応した４００Hz以上という高周波駆動が要求される。それには上述したように素材自体が極めて磁気特性の優れたもので、かつ、強度のある電磁鋼板を使用する必要がある。このように、電気ハイブリット自動車用に使用されるモータやトランスでは小型化、軽量化された高出力モータが望まれている。
【００１１】
このような特性を有する電磁鋼板は、使用箇所の形状に応じて所定の形状に打ち抜かれた後、必要枚数を積層して積み鉄芯とするか、或いは巻いて巻き鉄芯の形状に成形される。次いで、この鉄芯は、必要箇所を溶接後、カシメまたはボルト締めでブロックにされる。次いで、この鉄芯は、その性能を更に向上させるために、巻線コイルの組み立て工程前に焼鈍を施こされる。この焼鈍は、それまでに鉄芯に導入された打ち抜き、ボルト締め、カシメ、溶接等で加工歪みを除去し、かつ鉄芯を構成する電磁鋼板の結晶粒の粒径を適正化させるために行われるもので、本発明においては、約７００〜８５０℃で１〜３時間均熱の焼鈍処理が行われる。この鉄芯焼鈍処理においては、焼鈍炉の定盤上に鉄芯を載置して焼鈍する。
【００１２】
本発明者らは、方向性或いは無方向性電磁鋼板が鉄芯製造過程において、鉄芯に導入された打ち抜き、ボルト締め、カシメ、溶接等で加工歪みの感受性がヤング率とは反比例することを知見した。一般的に鉄損は電気抵抗に反比例し、ヤング率とは比例するため、加工によって得られる鉄芯の鉄損値を低くするには最適条件があることが判明した。そこで本発明者らは、電気抵抗値とＬεとＣεの平均ヤング率の積が８０００〜１０５００の範囲であることを見い出した。上記積の下限値が８０００以下では鉄損が悪化し、また、上記積の上限値１０５００以上では加工性が劣化する。なお、固有抵抗（ｙ：μΩ−cm）は鋼板中に含有する成分との関係式（ｙ＝１０．４５＋１３．２Ｓｉ＋１１．３Ａｌ＋４５Ｍｎ＋１３．７Ｐ＋６Ｃｒ）で表される。
【００１３】
本発明者らは、更に、低鉄損を得るために種々検討したところ、鉄芯焼鈍工程において、焼鈍後の鉄芯の冷却速度が、鉄芯にする前の電磁鋼板のヤング率εと特定の関係にあることを見出した。すなわち、図１に示すように、鉄芯の焼鈍後の冷却速度をＶ≦０．６×（Ｌε＋Ｃε）／２（ただし、Ｌεは、鉄芯にする前の電磁鋼板の鋼板圧延方向のヤング率、Ｃεは、鉄芯にする前の電磁鋼板の鋼板圧延方向と直角方向のヤング率）とするとよい。すなわち、図２に示すように、冷却速度を約１００℃／ｈｒ以下に制御して冷却することで鉄損改善率を２０％以上改善することができる。
【００１４】
【実施例】
〈実施例１〉
電気抵抗値とヤング率の異なる０．３５mmの無方向性電磁鋼板を、外径：１２０mmφ、内径：８０mmφに打抜き、積層後、外周部を１２０°間隔でＴＩＧ溶接して鉄芯を製作した。次いで、還元雰囲気で７５０℃×２時間の均熱焼鈍を行い、引続き１４０℃／ｈの冷却速度で冷却を施した。その後コアパック部に巻線を施して磁気測定に供した。その結果を表１に示した。
【００１５】
【表１】

【００１６】
表１から分かるように、鉄芯にする前の無方向性電磁鋼板の電気抵抗値（Ωｍ×１０^-8）と（Ｌε＋Ｃε）／２の積が８０００〜１０５００（Ωｍ×１０^-8・ＭＰａ）の範囲の場合、鉄損特性が優れていることが分かる。
【００１７】
〈実施例２〉
質量％で、Ｓｉ：３．０％、Ａｌ：０．０３％含有する０．３５ｍｍ厚の無向性電磁鋼板を、外径：６０ｍｍφ、内径：３５ｍｍφ、コアバック幅６ｍｍ、ティース幅３ｍｍ、スロット数２０のモータコア形状に打ち抜き、カシメを実施後、還元性雰囲気で７５０℃×２時間の均熱後、様々な冷却速度でＶで冷却し、種々の温度で脱炉した。この実施例で用いた無方向性電磁鋼板のヤング率は（Ｌε＋Ｃε）／２＝１８５であった。その後コアバック部に巻線を施して鉄損測定を行った。なお、焼鈍前の鉄損値Ｗ１０／４００は１５．９Ｗ／ｋｇ、平均粒径は焼鈍前後ともに１５０μｍであった。この結果を表２に示した。
【００１８】
【表２】

【００１９】
表２から分かるように、鉄芯焼鈍後の冷却速度を１１１（＝０．６×１８５）℃／ｈｒ以下で冷却することで、鉄損値（Ｗ１０／４００：Ｗ／ｋｇ）が大幅に改善されることが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、鉄損特性の優れた電動機モータ、トランス用鉄芯、特に電気ハイブリット自動車用に使用される電動機モータ、トランス用鉄芯を提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鉄芯ヤング率と鉄芯焼鈍後の冷却速度との関係を示す図。
【図２】鉄芯焼鈍後の冷却速度と鉄損改善率との関係を示す図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric motor, an iron core for a transformer, and more particularly to an electric motor used for an electric hybrid vehicle and an iron core for a transformer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various electric devices and electric hybrid vehicles have been improved in efficiency from the viewpoint of energy saving. In particular, the efficiency of electrical equipment is affected by various factors, but iron loss, which is a loss generated in the iron core of motors and transformers, occupies a relatively large specific gravity. The use of steel sheets is required.
[0003]
As a method of manufacturing a laminated iron core such as a motor or a transformer using such an electromagnetic steel sheet, after punching the electromagnetic steel sheet into a desired iron core shape, the necessary number of sheets are laminated as a unit iron core, and the periphery is bolted. Generally, it is caulked and fixed by welding to form an iron core. In order to further improve the performance of the laminated iron core manufactured as described above, annealing is performed before the winding coil assembling process. This annealing is performed in order to remove the processing distortion by punching, bolting, caulking, welding, etc. introduced to the iron core and to optimize the grain size of the magnetic steel sheet constituting the iron core. This is intended to improve the performance as an iron core. Then, after the assembly process of the winding coil, it is finally assembled as one part of a motor or a transformer.
[0004]
However, in reality, sufficient heat is applied to the iron core by annealing, and processing distortion is removed by punching, bolting, caulking, welding, etc. introduced so far, or the electrical steel sheet constituting the iron core is removed. Even when the crystal grain size is optimized, the iron loss characteristics are not necessarily improved.
[0005]
In order to solve the above problems, various proposals have been made regarding methods for annealing iron cores. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 54-1803, a method of bonding an iron core after annealing, and in Japanese Patent Laid-Open No. 63-39444, after the iron core is annealed in a vacuum and in a reducing atmosphere, In the method of preventing carbonization and preventing oxidative deterioration of the insulating film, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-234971 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-243670, the annealing of the iron core in an atmosphere of hydrogen and argon at a temperature of 800 ° C. or higher. A method for preventing the precipitation, a method for controlling the cooling rate of the laminated adhesive steel sheet in JP 2001-338824 A to prevent the core from cracking or peeling of the film, and JP 2001-294999 A, Si: 4 mass%. There has been proposed a method for preventing loosening when bolted by controlling the flatness of the electromagnetic steel sheet.
[0006]
However, none of these conventional methods are aimed at improving the final characteristics of the annealed iron core, particularly the iron loss value, and are therefore used for the electric hybrid vehicle, which is the object of the present invention. There is a problem that it cannot be applied to an electric motor and an iron core for a transformer.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As a result of various studies on the causes of these problems, the present inventors have found that the Young's modulus of the magnetic steel sheet constituting the annealed iron core greatly affects the improvement of the magnetic properties. It is found that the rate depends on the cooling rate of the iron core after annealing, and the cooling rate of the iron core after annealing is based on the Young's modulus in the longitudinal direction of the electrical steel sheet before making it into the iron core and in the direction perpendicular thereto. By controlling, the Young's modulus of the iron core is increased to provide an annealed iron core whose iron loss is significantly improved after annealing.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the gist of the present invention is that the steel sheet is punched into a predetermined shape, adjusted, laminated, or wound into a core shape, welded, caulked, or bolted. In the manufacturing method of the annealed iron core which anneals the iron core fixed through the process, the product of the electrical resistance value (Ωm × 10 ⁻⁸ ) and (Lε + Cε) / 2 of the electrical steel sheet before the iron core is 9776 to 10500 A method for producing an annealed iron core , wherein the annealed iron core is cooled at a cooling rate: V ≦ 0.6 × (Lε + Cε) / 2 (° C./hr) .
[0009]
However, the L epsilon, steel rolling direction Young's modulus of the electrical steel plate, C epsilon is steel sheet rolling direction perpendicular to the direction of the Young's modulus of the electrical steel plate is.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the electrical steel sheet used in the present invention can be a directional or non-oriented electrical steel sheet. In this case, the iron loss characteristics of these electrical steel sheets are desirably high magnetic flux density and low iron loss materials. That is, in a motor or transformer used for an electric hybrid vehicle, the magnetic flux density is locally close to 2.0 (T), and high-frequency driving of 400 Hz or more corresponding to high-speed rotation is required. For this purpose, as described above, it is necessary to use a magnetic steel sheet that is extremely excellent in magnetic properties and has high strength. As described above, a motor and a transformer used for an electric hybrid vehicle are desired to be a high-output motor that is reduced in size and weight.
[0011]
The electrical steel sheet having such characteristics is punched into a predetermined shape according to the shape of the place to be used, and then laminated with a necessary number of sheets to form a stacked iron core, or wound into a wound iron core shape. The Next, the iron core is made into a block by caulking or bolting after welding a necessary portion. The iron core is then annealed before the winding coil assembly process to further improve its performance. This annealing is performed in order to remove the processing distortion by punching, bolting, caulking, welding, etc. introduced to the iron core and to optimize the grain size of the magnetic steel sheet constituting the iron core. Therefore, in the present invention, soaking is performed at about 700 to 850 ° C. for 1 to 3 hours. In this iron core annealing treatment, the iron core is placed on the surface plate of the annealing furnace and annealed.
[0012]
The present inventors have found that the sensitivity of processing strain is inversely proportional to the Young's modulus due to punching, bolting, caulking, welding, etc. introduced into the iron core in the iron core manufacturing process of the directional or non-oriented electrical steel sheet. I found out. In general, the iron loss is inversely proportional to the electric resistance and proportional to the Young's modulus. Therefore, it has been found that there is an optimum condition for reducing the iron loss value of the iron core obtained by processing. Therefore, the present inventors have found that the product of the electrical resistance value and the average Young's modulus of Lε and Cε is in the range of 8000-10500. When the lower limit value of the product is 8000 or less, the iron loss is deteriorated, and when the upper limit value of the product is 10500 or more, the workability is deteriorated. The specific resistance (y: μΩ-cm) is expressed by a relational expression (y = 10.45 + 13.2Si + 11.3Al + 45Mn + 13.7P + 6Cr) with the components contained in the steel sheet.
[0013]
The present inventors further studied variously in order to obtain a low iron loss. In the iron core annealing process, the cooling rate of the iron core after annealing was determined to be the Young's modulus ε of the electrical steel sheet before forming the iron core. I found that there is a relationship. That is, as shown in FIG. 1, the cooling rate after annealing of the iron core is V ≦ 0.6 × (Lε + Cε) / 2 (where Lε is the Young's modulus in the steel sheet rolling direction of the magnetic steel sheet before forming the iron core ) , Cε is preferably the Young's modulus in the direction perpendicular to the steel sheet rolling direction of the electromagnetic steel sheet before making the iron core . That is, as shown in FIG. 2, the iron loss improvement rate can be improved by 20% or more by controlling the cooling rate to about 100 ° C./hr or less for cooling.
[0014]
【Example】
<Example 1>
A 0.35 mm non-oriented electrical steel sheet having a different electrical resistance value and Young's modulus was punched into an outer diameter of 120 mmφ and an inner diameter of 80 mmφ, and after lamination, the outer periphery was TIG welded at 120 ° intervals to produce an iron core. Subsequently, soaking was performed at 750 ° C. for 2 hours in a reducing atmosphere, and then cooling was performed at a cooling rate of 140 ° C./h. Thereafter, the core pack portion was wound and subjected to magnetic measurement. The results are shown in Table 1.
[0015]
[Table 1]

[0016]
As can be seen from Table 1, the product of the electrical resistance value (Ωm × 10 ⁻⁸ ) and (Lε + Cε) / 2 of the non-oriented electrical steel sheet before the iron core is 8000 to 10500 (Ωm × 10 ⁻⁸ · MPa) In the case of this range, it can be seen that the iron loss characteristics are excellent.
[0017]
<Example 2>
Non-oriented electrical steel sheet of 0.35 mm thickness containing Si: 3.0%, Al: 0.03% by mass%, outer diameter: 60 mmφ, inner diameter: 35 mmφ, core back width 6 mm, teeth width 3 mm, slot After punching out into several 20 motor core shapes and performing caulking, it was soaked in a reducing atmosphere at 750 ° C. for 2 hours, cooled at V at various cooling rates, and de-furnaced at various temperatures. The Young's modulus of the non-oriented electrical steel sheet used in this example was (Lε + Cε) / 2 = 185. After that, the core back part was wound and the iron loss was measured. The iron loss value W10 / 400 before annealing was 15.9 W / kg, and the average particle size was 150 μm both before and after annealing. The results are shown in Table 2.
[0018]
[Table 2]

[0019]
As can be seen from Table 2, the iron loss value (W10 / 400: W / kg) is greatly improved by cooling at a cooling rate of 111 (= 0.6 × 185) ° C./hr or less after annealing the iron core. You can see that
[0020]
【The invention's effect】
As described above, the present invention can provide an electric motor and transformer iron core excellent in iron loss characteristics, particularly an electric motor and transformer iron core used for electric hybrid automobiles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the iron core Young's modulus and the cooling rate after iron core annealing.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the cooling rate after iron core annealing and the iron loss improvement rate.

Claims

In a method of manufacturing an annealed iron core , punching an electromagnetic steel sheet into a predetermined shape, adjusting, laminating, or winding the steel sheet into an iron core shape, annealing the iron core fixed through the steps of welding, caulking, and bolting. The product of the electrical resistance value (Ωm × 10 ⁻⁸ ) and (Lε + Cε) / 2 of the electrical steel sheet before being made into a range of 9776 to 10500 , and the iron core after the annealing is cooled at a rate of V ≦ 0 The manufacturing method of the annealed iron core characterized by cooling by 6 * (L (epsilon) + C (epsilon)) / 2 (degreeC / hr) .
However, L epsilon is electrical steel plate steel rolling direction Young's modulus of, C epsilon is electrical steel plate steel rolling direction perpendicular to the direction of the Young's modulus of