JP4604467B2

JP4604467B2 - 鉄心の製造方法

Info

Publication number: JP4604467B2
Application number: JP2003278094A
Authority: JP
Inventors: 芳一高田; 善彦尾田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: JP2005042168A

Description

本発明は、螺旋巻き加工（ヘリカル加工）により鉄心（コア）として製造される発電機およびモータ等の回転機用の鉄心の製造方法に関するものである。

電磁鋼板は、その優れた磁気特性を利用して、回転機のコアに大量に使用されている。その際、電磁鋼板は一般的に打ち抜きにより加工される。しかし、回転機の構造によっては、打ち抜き加工により加工した場合、材料の歩留まりが低くなり、高コストとならざるを得ない場合がある。そこで、これを回避する技術としてヘリカル加工によるコア製造技術が開発され普及している。ヘリカル加工により製造されたコアは主として交流発電機において普及してきたが、モータに適用される場合も多くなっている。

ヘリカル加工では、スリットした電磁鋼板フープからスロット部を予め打ち抜いておき、これを板幅方向に螺旋状に巻いてコアを製造する。このため、電磁鋼板は板面内で曲げによる塑性変形を受けることとなる。塑性歪は、たとえ僅かであっても電磁鋼板の磁気特性を大幅に劣化させることは良く知られている。したがってヘリカル加工によるコアの製造は。低コストではあるが、磁気特性劣化により回転機の性能劣化を伴うものとなっている。このような塑性歪による磁気特性劣化の防止法として、特開平７−２９８５７０号公報に記載されるように、加工後に歪取り焼鈍をする方法が提案されている。

ヘリカル加工用に使用するのに適した鋼板としては、例えば、特開平７−２９８５６９号公報、特開平９−９２５２１号公報、特開平６−４５１３１号公報、特開平８−２５１８４５号公報に記載されるようなものが公知となっている。しかし、これらいずれの公報にも、歪みによる劣化を防止する方法は記載されていない。

特開平７−２９８５７０号公報特開平７−２９８５６９号公報特開平９−９２５２１号公報特開平８−２５１８４５号公報

しかしながら、加工後に歪取り焼鈍を行うと、焼鈍によりコストが上昇し、また焼き付きにより磁気特性が劣化する等の問題点がある。又、焼鈍設備を持たない場合は、磁気特性を改善することができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ヘリカル加工を行っても磁気特性の劣化が極めて小さい鉄心の製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段は、素材である、重量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：４％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｍｎ：０．０５〜１％、Ａｌ：２％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板について、圧延方向と平行に引張試験を行った際における歪み１％から１０％までのｎ値（加工硬化係数）を評価し、該ｎ値が０．１８以上である電磁鋼板を用い、該電磁鋼板の圧延方向と平行にフープを切り出し、螺旋巻き加工して鉄心を形成することを特徴とする鉄心の製造方法である。

（ｎ値の限定理由）
本発明者らはヘリカル加工した電磁鋼板の磁気特性を詳しく調査した。その結果、ヘリカル加工した電磁鋼板の鉄損は加工に伴う歪みにより劣化するが、鉄損をヒステリシス損と渦電流損に分離して評価すると、両者が劣化することを知見した。従来、歪みによりヒステリシス損が劣化することはよく知られた現象である。しかし、渦電流損は歪みにより低下することが予想されるが、ヘリカル加工の場合は増大することが明らかとなった。このため、ヘリカル加工の場合、磁気特性、特に鉄損が非常に劣化する。この渦電流損が劣化する原因を解析した結果、ヘリカル加工特有の歪み分布に原因があることを解明した。

すなわち、ヘリカル加工後の歪みは内径側には圧縮歪みが生じ、外径側には引っ張り歪みが発生し、中央部は歪みが小さい状態となる。その結果、鋼板断面内で透磁率が場所により変化する。歪みが大きい内径側や外径側では透磁率は劣化して小さくなり、歪みの小さい中央部では劣化が少ないため高透磁率のままである。この状態で磁化した場合、磁束は高透磁率の部分を優先して通るため、板断面で中央部の磁束が多く外側で磁束が少ない不均一な分布となり渦電流損が増大する。

発明者等は、この不均一な磁束の分布を均一化すれば鉄損の劣化を最小限にすることが可能であると考えた。磁束を均一化するには歪みの分布を均一化することが有効である。このため、種々の検討を行った結果、材料の加工硬化係数（ｎ値）を大きくすることが極めて有効であることを見いだした。

加工硬化係数とは材料の真応力（σ）−真歪み（ε）曲線を、
σ＝σ_０×ε^ｎ（σ_０は定数）
で近似した場合のnであり、特に歪みが１％から１０％の間の応力−歪み曲線から求めたｎ値が鉄損特性と相関あることを見出した。すなわち、ｎ値が、ある値以上の場合に鉄損の劣化が非常に小さくなる。これは、加工硬化係数が大きいと歪みが均一化するためと推定される。なお、ｎ値は一般的には歪み１０％と２０％の間の応力―歪み曲線から求められるが、歪み１０％と２０％のｎ値では鉄損劣化との相関は小さく、１％と１０％のｎ値で強い相関が認められた。これは、ヘリカル加工による歪みが１０％以下の場合が多いためと推定される。

磁気特性に及ぼすｎ値の影響を調査するためＣ＝0.0020〜0.05％、Si＝0.3〜3.8％、Ａｌ＝0.2〜1.9％、Mn＝0.05〜0.91％、Ｐ＝0.003〜0.18％の鋼を溶製し、熱延後、酸洗を行った。引き続き板厚0.5mmまで冷間圧延し、１０％Ｈ_２−９０％Ｎ_２雰囲気で（700〜1100）℃×（１〜６０）min間の仕上焼鈍を行い、その後、伸長率１％の調質圧延を施して、広範なｎ値を有するサンプルを製造した。

このサンプルの圧延方向に長い短冊状のサンプルを切り出し、加工前の鉄損測定を行った後、ヘリカル加工を行ってリング形状のコアサンプルを試作し鉄損を測定した。そして、この結果から渦電流損の劣化率を計算した。ここに、
渦電流損の劣化率（％）＝100×｛（加工後の渦電流損）−（加工前の渦電流損）｝／（加工前の渦電流損）
である。また、圧延方向から引っ張り試験片（JIS５号試験片）を切り出し引っ張り試験により歪み１％から１０％のｎ値を算出した。

結果を図１に示す。成分および熱処理条件により鉄損の値は大きく変わるため、渦電流損のヘリカル加工による劣化を加工前後の渦電流損の値の比率で表示した。図から明らかなようにｎ値が0.18以上になると損失の劣化率が５％以下で非常に小さくなる。これは前述したように、歪みが均一化されたためであると推定される。また、歪みが均一化されれば、ヘリカル加工後の残留応力も均一化され、この意味でも損失は低下する。以上の結果から、本手段においては、引張試験における歪み１％から１０％までのｎ値（加工硬化係数）を0.18以上に限定する。

なお、図１において、渦電流損の劣化割合が飽和する点のｎ値の値は、左から0.18、0.20、0.22、0.24、0.26、0.28である。
（成分の限定理由）
次に、成分の限定理由について説明する。
Ｃ：Ｃは0.05％を超えて含有させると、炭化物が多量に析出するため磁気特性が劣化するため、上限を0.05％とする。また、Ｃはｎ値を低下させるため、低いことが望ましく、この点からも上限を0.05％とする。
Si： Siは鋼板の固有抵抗を上げるとともに、ｎ値を高めるのに有効な元素であるが、含有量が４％を超えると飽和磁化の低下に起因して磁束密度が低下するため、上限を４％とする。
Al： AlはSiと同様、固有抵抗を上げるとともに、ｎ値を高めるのに有効な元素であるが、含有量が２％を超えると飽和磁化の低下に起因し磁束密度が低下するため、上限を２％とする。
Mn： Mnは熱間圧延時の赤熱脆性を防止するために、0.05％以上必要である。また、ｎ値を高めるのに有効な元素であるが、含有量が１％を超えると磁束密度が低下するため、含有範囲を0.05〜１％とする。
Ｐ：Ｐは鋼板の打ち抜き性を改善するために必要な元素であるが、ｎ値を低下させ、また、0.2％を超えて含有させる鋼板が脆化するため、含有量を0.2％以下とする。

また、特に規定はしないがｎ値を高くする観点からは平均結晶粒径が大きい方が良い。結晶粒径が大きいと降伏応力が低下するためｎ値が高まるため、平均結晶粒径（ＪＩＳＧ０５５２付属書１規定の粒径測定方法による）は２０μｍ以上であることが好ましい。
（製造方法）
次に本願の鉄心の製造方法に用いられる電磁鋼板の製造方法について述べる。

転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整する。引き続き連続鋳造、熱間圧延を行う。熱間圧延時の仕上焼鈍温度、巻取り温度は特に規定する必要はなく、通常用いられる範囲でかまわない。また、熱延後の熱延板焼鈍は行ってもよいが必須ではない。次いで一回の冷間圧延、もしくは中間焼鈍をはさんだ２回以上の冷間圧延により所定の板厚とした後に、最終焼鈍を行う。焼鈍後の調質圧延は行ってもよいが必須ではない。

なお、調質圧延しない場合は降伏点伸びが生じるためｎ値の算出が１％歪みで不可能なことがある。この場合は降伏点伸びが無くなる歪みと１０％歪みから算出したｎ値で評価すればよい。また、絶縁皮膜は塗布しても良いが必須ではない。このようにして得られた鋼板から、所定の形状に鋼板を打ち抜き、ヘリカル状に加工することにより、ステーターの鉄心を製造する。

本発明の製造方法によって得られた鉄心は、ヘリカル加工により形成されていても、前述の理由により、ヘリカル加工を行っても渦電流損の劣化割合が小さく、それにより、加工後に歪取り焼鈍を行わなくても、鉄損の低いものとすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、ヘリカル加工を行っても磁気特性の劣化が極めて小さい鉄心の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例及び比較例ついて対比して説明する。表1に示す鋼を用い、転炉で吹練した後に脱ガス処理を行うことにより所定の成分に調整後鋳造し、スラブを1200℃で１hr加熱した後、板厚2.3mmまで熱間圧延を行った。熱延仕上温度は800℃、巻取り温度は680℃とした。その後、板厚0.5mmまで冷間圧延を行い、仕上焼鈍温度を調整して高ｎ値材料と低ｎ値材料を製造した。

引き続き、伸長率１％の調質圧延を行い、圧延方向と平行に単板磁気測定サンプルおよび引っ張り試験片（ＪＩＳ５号）を採取して鉄損測定（Ｗ１０／４００）とｎ値測定を行った。次に圧延方向と平行にフープを切り出し、ヘリカル加工により外形１００ｍｍのリング形状に加工して鉄心とし、一次１００ターン、二次３０ターンの巻き線を行って鉄損（Ｗ１０／４００）を測定した。ヘリカル加工による渦電流損失の劣化率を表１に示す。

表１によると、ｎ値が０．１８以上である本発明の実施例においては、渦電流損の劣化率は最大４％であるのに対し、ｎ値が０．１８未満である比較例においては、渦電流損の劣化率は７％以上となっており、特にｎ値が０．１６５以下となると１０％以上となる。よって、本発明の製造方法によって得られた鉄心においては、ヘリカル加工後の渦電流損の劣化率が、極めて小さい値に抑えられていることが分かる。

なお、実施例と比較例において、実施例のｎ値が高いのは、実施例の焼鈍温度が８５０℃以上となっているためである。

加工硬化係数と渦電流損の劣化率の関係を示す図である。

Claims

素材である、重量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：４％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｍｎ：０．０５〜１％、Ａｌ：２％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板について、圧延方向と平行に引張試験を行った際における歪み１％から１０％までのｎ値（加工硬化係数）を評価し、該ｎ値が０．１８以上である電磁鋼板を用い、該電磁鋼板の圧延方向と平行にフープを切り出し、螺旋巻き加工して鉄心を形成することを特徴とする鉄心の製造方法。