JP4626683B2 - 非磁性箇所を有する鋼材およびその製造方法および回転電機コア - Google Patents

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Description

本発明は,回転電機などの鉄心に用いて好適な鋼材に関するものである。さらに詳細には,部分的に非磁性の箇所を有する鋼材およびその製造方法および回転電機コアに関するものである。
電動機や発電機などに用いられる鉄心には一般に,高い透磁率が求められる。しかしながら鉄心には部分的に,コイルや磁石の配置により有効磁気経路とならない箇所もある。例えば,図1のようなステータ80とロータ90においては,ロータ90に磁石91が取り付けられている。このロータ90における,ペリブリッジ部92およびセンターブリッジ部93は,有効磁束Fの経路とはならない。このような箇所にも鉄心が存在していることは,むしろ漏れ磁束により性能を低下させている。そのため,このような箇所の磁気抵抗を高めることが望ましい。とはいえ,全体の強度を維持し磁石91を安定して保持する必要もあるので,この箇所を空隙にするのは好ましくない。
そこで従来から,鉄心のうちこのような箇所を部分的に非磁性化することが行われている。例えば特許文献1には,鉄心の該当箇所を局所的に加熱しそして冷却させることでオーステナイト領域を形成する技術が開示されている。すなわち,基材としては,準安定オーステナイト系ステンレス鋼を冷間圧延により強磁性のマルテンサイト組織としたものを用い,その一部を,この方法で非磁性のオーステナイト組織とするのである。局所的な加熱の手段としてはレーザー照射を挙げている。さらに特許文献2には,対象の磁性部材を局所的に溶融しつつ,外部から改質元素を添加して固溶させ,非磁性化することが開示されている。
特許第3507395号公報 特開2001−93717号公報
しかしながら前記した従来の技術には,次のような問題点があった。まず,鉄心の主要部分にマルテンサイト化したオーステナイト系ステンレス鋼を用いるものでは,結晶形の歪み等のため,透磁率が一般的な電磁鋼板より劣り,最大磁束密度が不足する。また,溶融させた状態で改質元素を添加するものでは,長い処理時間を要すること,深さ方向の制御が困難で非磁性層を所望どおりに形成できないこと,といった問題がある。また,改質元素を添加した分の体積増加により処理後の平坦性が悪いという問題もある。
本発明は,前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,非磁性箇所以外の部分の鋼材の材質に関わらず適用でき,要処理時間が短く,決まった深さ方向構造の非磁性箇所を持つようにした,非磁性箇所を有する鋼板およびその製造方法および回転電機コアを提供することにある。
この課題の解決を目的としてなされた本発明の非磁性箇所を有する鋼材は,電磁鋼板により構成されており,前記非磁性箇所が,一方の表面側の表面鋼材層と,前記表面鋼材層の下の非磁性合金層とを有し,残部が前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板と同じ材質および組織の電磁鋼板層であり,前記非磁性箇所における前記電磁鋼板層の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板の全厚より薄く,前記非磁性箇所における前記表面鋼材層の表面と,前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板の前記一方の表面側の表面とが平坦な面をなしていることを特徴とするものである。かかる鋼材は,非磁性箇所以外では強い透磁率を有するため磁束を透過させるが,前記非磁性箇所が磁束の透過を抑えるため局所的な磁束の漏れを防止できる。
上記において,さらに前記表面鋼材層が,オーステナイト系ステンレス鋼の層であればなおよい。前記表面鋼材層が非磁性であるため,磁束の漏れをより少なくできるからである。
また,本発明に係る非磁性箇所を有する鋼材は,第1の電磁鋼板と第2の電磁鋼板とが重ね合わせられており,前記非磁性箇所は,内部に非磁性合金層が形成されており,前記非磁性合金層は,前記第1の電磁鋼板と前記第2の電磁鋼板との双方に食い込んで形成されており,前記非磁性箇所における前記第1の電磁鋼板の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における前記第1の電磁鋼板の厚さより薄く,前記非磁性箇所における前記第2の電磁鋼板の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における前記第2の電磁鋼板の厚さより薄いことを特徴とするものである。かかる鋼材は,非磁性箇所以外では強い透磁率を有するため磁束を透過させるが,前記非磁性箇所が磁束の透過を抑えるため局所的な磁束の漏れを防止できる。また,未接合部も生じないため,充分な強度を有している。
上記において,前記第1の電磁鋼板と前記第2の電磁鋼板とが,重ね合わせられた面に対して対称な形状をしているとなおよい。局所的な磁束の漏れを防止できることに変わりないからである。また,未接合部も生じない。第1の電磁鋼板の凹部と,第2の電磁鋼板の凹部とが,正確に対向するからである。また,当該鋼材を積み重ねる上で支障がない。
上記において,前記非磁性合金層の体積抵抗率が,前記第1の電磁鋼板の体積抵抗率と前記第2の電磁鋼板の体積抵抗率とのいずれよりも大きいとなおよい。局所的な磁束の漏れを防止できることに変わりないからである。また,未接合部も生じない。さらに,かかる鋼材を回転電機コアに用いた場合,非磁性合金層で発生する渦電流によるエネルギー損失が小さいためである。
さらに,前記非磁性合金層が,その融点を上昇させる元素を含有するオーステナイト相の合金層であればなおよい。非磁性合金の融点と鋼材の融点が近くなるため,非磁性合金が溶融している時間が短くなり,なおかつ温度の制御性が向上するという,製造時における利点があるからである。
また本発明は,電磁鋼板を積層したものであり,非磁性箇所が,一方の表面側の表面鋼材層と,前記表面鋼材層の下の非磁性合金層とを有し,残部が前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板と同じ材質および組織の電磁鋼板層であり,前記非磁性箇所における前記電磁鋼板層の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板の全厚より薄く,前記非磁性箇所における前記表面鋼材層の表面と,前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板の前記一方の表面側の表面とが平坦な面をなしている非磁性箇所を有する回転電機コアにも及ぶ。
上記に記載の回転電機コアにおいて,複数の磁石取り付け穴が形成されており,前記非磁性箇所が,隣り合う磁石取り付け穴の間に位置しており,隣り合う磁石取り付け穴の間の最短距離の箇所が,前記非磁性箇所の中に位置しているとよい。非磁性合金層または表面鋼材層の壁面と主鋼材層の壁面との間に未接合部が生じても,応力集中箇所でないため充分な強度が確保できるからである。
上記に記載の回転電機コアにおいて,磁石取り付け穴が形成されており,前記非磁性箇所が,前記磁石取り付け穴と外周縁との間に位置しており,前記磁石取り付け穴と外周縁との間の最短距離の箇所が,前記非磁性箇所の中に位置しているとよい。非磁性合金層または表面鋼材層の壁面と主鋼材層の壁面との間に未接合部が生じても充分な強度が確保できることに変わりはないからである。
また,本発明に係る非磁性箇所を有する回転電機コアは,前記回転電機コアは,第1の主鋼材と,第2の主鋼材とが重ね合わせられた鋼材を積層したものであり,前記非磁性箇所は,内部に非磁性合金層が形成されており,前記非磁性合金層は,前記第1の主鋼材と前記第2の主鋼材との双方に食い込んで形成されており,前記非磁性箇所における前記第1の主鋼材の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における前記第1の主鋼材の厚さより薄く,前記非磁性箇所における前記第2の主鋼材の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における前記第2の主鋼材の厚さより薄いことを特徴とするものである。かかる非磁性合金層を有する回転電機コアは,非磁性箇所以外では強い透磁率を有するため磁束を透過させる一方,漏れ磁束が少ない。また,未接合部が生じないため,充分な強度を有している。
上記において,前記非磁性合金層の体積抵抗率が,前記第1の主鋼材の体積抵抗率と前記第2の主鋼材の体積抵抗率とのいずれよりも大きいとなおよい。非磁性箇所以外では強い透磁率を有するため磁束を透過させることに変わりはないからである。また,未接合部が生じないため,充分な強度を有している。さらに,非磁性合金層で発生する渦電流によるエネルギー損失も小さい。
本発明の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法では,凹部を設けた主鋼材の凹部に,蓋鋼材と,鉄とともに非磁性合金を形成する合金形成材とを,前記蓋鋼材が上層となるように挿入し,その箇所に通電することにより,前記合金形成材を,前記主鋼材の一部および前記蓋鋼材の一部とともに溶融して,主鋼材の残部と蓋鋼材の残部との間に非磁性合金の層を形成する。合金形成材は融点が低いため加熱途中で液相となるが,蓋鋼材が液相の蓋の役割を果たす。このため,液相となった金属が通電電極に凝着するのを防止できる。
上記に記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,前記蓋鋼材として,オーステナイト系ステンレス鋼を用いるとなおよい。オーステナイト系ステンレス鋼は融点が鋼材とほぼ同等で,かつ非磁性であるため,前記非磁性箇所の非磁性部の厚みを大きくできるからである。
上記に記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,前記通電を行う上層側の電極の接触面が,前記蓋鋼材のみに接触した状態で通電を行うとよい。蓋鋼材及び合金形成材を有効に発熱することができるためである。
また,本発明の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法では,一方の面に凹部を設けた第1の電磁鋼板及び第2の電磁鋼板を含む複数の電磁鋼板を,両端の位置の電磁鋼板が前記第1の電磁鋼板と前記第2の電磁鋼板となるように,前記第1の電磁鋼板の凹部と前記第2の電磁鋼板の凹部とが互いに向かい合うように重ね合わせるとともに,前記凹部で区切られた空間に合金形成材を配置した状態とし,その凹部のある箇所に通電することにより,前記合金形成材を,周囲の電磁鋼板の鋼材の一部とともに溶融して,第1の電磁鋼板の残部と第2の電磁鋼板の残部との間に非磁性合金の層を形成する。かかる非磁性箇所を有する鋼材の製造方法においても,第1の電磁鋼板及び第2の電磁鋼板が液相の蓋の役割を果たす。このため,液相となった金属が通電電極に凝着するのを防止できることに変わりはない。これにより,複数の電磁鋼板を重ね合わせた非磁性箇所を有する鋼材が製造される。
本発明の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法ではあるいは一方の面に凹部を設けた第1の主鋼材及び第2の主鋼材を含む複数の鋼材を,両端の位置の鋼材が前記第1の主鋼材と前記第2の主鋼材となるように,前記第1の主鋼材の凹部と前記第2の主鋼材の凹部とが互いに向かい合うように重ね合わせるとともに,前記凹部で区切られた空間に合金形成材を配置した状態とし,その凹部のある箇所に通電することにより,前記合金形成材を,周囲の鋼材の一部とともに溶融して,第1の主鋼材の残部と第2の主鋼材の残部との間に非磁性合金の層を形成するに際して,前記第1の主鋼材の凹部に合金形成材を挿入するとともに,前記第2の主鋼材の凹部に前記合金形成材とは別の合金形成材を挿入し,前記第1の主鋼材と前記第2の主鋼材とを重ね合わせるようにしてもよい。第1の主鋼材及び第2の主鋼材が蓋の役割を果たすことに変わりはないからである。また,第1の主鋼材と第2の主鋼材とを重ね合わせる際に,合金形成材が,別の合金形成材または鋼材とかじることがないからである。
上記の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,前記第1の主鋼材または電磁鋼板と前記第2の主鋼材または電磁鋼板との2枚を重ね合わせるようにしてもよい。第1の主鋼材または電磁鋼板及び第2の主鋼材または電磁鋼板が蓋の役割を果たすことに変わりはないからである。これにより,2枚の鋼材または電磁鋼板を重ね合わせた非磁性箇所を有する鋼材が製造される。
上記の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,前記第1の主鋼材及び前記第2の主鋼材を凹部が上になるように配置した状態でそれらの凹部に合金形成材を挿入するとともに,少なくとも前記第2の主鋼材の凹部に,前記合金形成材とともに強磁性金属を,強磁性金属が上になるように挿入し,前記第2の主鋼材の凹部の下側に磁石を配置して前記磁石と前記強磁性金属とで前記第2の主鋼材及び前記合金形成材とを圧着し,その状態で前記第2の主鋼材を上下反転させ,前記第2の主鋼材と,前記第1の主鋼材とを重ね合わせるようにするとなおよい。第1の主鋼材と第2の主鋼材とを重ね合わせる際に,合金形成材が凹部から落下するおそれがないからである。
上記に記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,前記合金形成材として,その融点を上昇させる元素を含有するものを用いるとなおよい。非磁性合金の融点と鋼材の融点が近くなるため,非磁性合金が溶融している時間が短くなる。このため,溶融層の外部への漏出といったリスクを抑えることができ,制御性が向上するからである。
本発明によれば,非磁性箇所以外の部分の鋼材の材質に関わらず適用でき,要処理時間が短く,決まった深さ方向構造の非磁性箇所を持つようにした,非磁性箇所を有する鋼材およびその製造方法および回転電機コアが提供されている。
[第1の形態]
以下,本発明を具体化した最良の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態に係る回転電機は,図1に示したロータ90のペリブリッジ部92およびセンターブリッジ部93として,以下に説明する手順で作成した非磁性箇所を備えたものである。センターブリッジ部93は,隣り合う磁石取り付け穴の間の箇所であり,ペリブリッジ部92は,磁石取り付け穴と外周縁との間の箇所である。ロータ90およびステータ80はいずれも,多数枚の電磁鋼板を積層してなるものである。
まず,本形態のロータ90における非磁性箇所の構造を説明する。ロータ90における非磁性箇所は,図2に示す断面構造を有している。図2は,ロータ90の非磁性箇所の,電磁鋼板50の断面図である。図2に示す非磁性箇所Xは,電磁鋼板層1と,非磁性合金層2と,ステンレス鋼層3との3層構造となっている。電磁鋼板層1は主鋼材層であり,ステンレス鋼層3は表面鋼材層である。電磁鋼板層1が図2中下側の表面をなしており,ステンレス鋼層3が図中上側の表面をなしている。非磁性合金層2はそれらの間にある。
電磁鋼板層1は,主鋼材である電磁鋼板10そのものの一部分である。非磁性合金層2は,Feを主成分としてそれにMn,Ni等の合金元素を添加してなる,オーステナイト相の非磁性の合金層である。ステンレス鋼層3は,オーステナイト系ステンレス鋼の層である。
かかる非磁性箇所Xにおいては,電磁鋼板層1のみが磁性体であり,非磁性合金層2およびステンレス鋼層3はいずれも非磁性体である。よって,非磁性箇所Xにおいて有効な磁気経路となりうるのは,電磁鋼板層1の部分に限られる。すなわち非磁性箇所Xでは,電磁鋼板10の全厚のうちごく限られた部分しか磁気経路となり得ない。このために磁気抵抗が大きく,実質的に非磁性の箇所と見ることができるのである。
図1に示したロータ90のペリブリッジ部92およびセンターブリッジ部93においては,すべての電磁鋼板が図2に示す非磁性箇所Xとなっている。このため,磁石91の磁束はほとんどペリブリッジ部92やセンターブリッジ部93を通らない。よって,磁石91の磁束のほとんどが有効磁束Fとなる。また,電磁鋼板10のうち非磁性箇所X以外の部分は,一般的なFe−Si系のものであり,透磁率が非常に高い。したがって,本形態の回転電機の磁気効率は優れている。このように本形態では,磁気効率に優れた非磁性箇所を有する鋼材および回転電機コアが実現されている。
続いて,非磁性箇所Xの作成手順を説明する。まず,図3に示すように,電磁鋼板10のうち非磁性箇所Xとなるべき箇所に溝11を形成する。溝11の形成は,切削など公知の適切な方法で行えばよい。また,溝11の大きさ及び形状は形成したい非磁性箇所Xの領域に応じて選ぶことができる。
電磁鋼板10の厚さt1が0.3mmであれば,溝11の部分の電磁鋼板10の厚さt2はその半分の0.15mm程度とする。すなわち,溝11の深さは電磁鋼板10の厚さの半分程度である。これは,図2中における非磁性合金層2とステンレス鋼層3の合計の厚さよりずいぶん少ない。その理由は後述する。なお,このことは,溝11の部分の電磁鋼板10の厚さt2がさほど小さくないことを意味する。つまり,溝11の部分は極端に弱いわけではない。よって,溝11を形成した後の電磁鋼板10の取り扱いにそれほど慎重さが要求されるわけではない。また,図3中の幅wは,図1中のペリブリッジ部92またはセンターブリッジ部93の幅に相当する。
そして,別途用意した2層チップ12を,溝11に挿入する。2層チップ12は,ステンレス鋼箔13と改質金属箔14とを重ね合わせて一体化したものである。ステンレス鋼箔13の材質は,例えばJIS−SUS304のようなオーステナイト系ステンレス鋼である。また,ステンレス鋼箔13は,後述するように溶融した改質金属箔14の漏れを防ぐ蓋鋼材である。改質金属箔14は,Feとともにオーステナイト相を形成する種類の金属またはその合金からなる合金形成材である。具体的な材質として,Ni,Mn,Ni−Mn合金等が使用可能である。以下では,特記しない限りNi−Mnを用いることとする。かかる2層チップ12を,ステンレス鋼箔13が上層となるように溝11に挿入する。
2層チップ12のサイズは,溝11をちょうど隙間なく埋める大きさとする。すなわち,2層チップ12の厚さは溝11の深さと同じである。さらに,ステンレス鋼箔13の厚さと改質金属箔14の厚さはほぼ同じである。これは,図2中におけるステンレス鋼層3や非磁性合金層2の厚さと比較して,ステンレス鋼箔13は厚く改質金属箔14は薄い。その理由も後述する。2層チップ12を挿入することにより,電磁鋼板10の図3中上側の面は,段差のないフラットな面となる。
なお,ステンレス鋼箔13と改質金属箔14とを一体化せずに使用してもよい。すなわち,単独の改質金属箔14と単独のステンレス鋼箔13とを順次溝11に挿入してもかまわない。
そして図4に示すように,2層チップ12を挿入した溝11の箇所を,表裏から電極15,15で挟み付ける。そして,スポット溶接と類似の要領で,加圧しながら電極15,15間に通電する。加圧の圧力は0.15MPa程度とし,電流値は,2層チップ12の面積(cm )当たり10kA程度とする。この通電の抵抗発熱により,改質金属箔14が溶融する。そして通電終了後に再び凝固することにより,図2に示した非磁性合金層2が形成されるのである。
ここで,通電時の改質金属箔14の溶融の様子をより詳細に説明する。通電開始前における溝11の箇所の深さ方向の温度分布は,図5中の下方のグラフのカーブQに示すように,全厚にわたって室温(R.T.)となっている。この温度分布は,図5中の上方の断面図における矢印Aの位置におけるものである。なお,図5中の下方のグラフにおける「M.T.」は,ステンレス鋼箔13,改質金属箔14,電磁鋼板10のそれぞれの融点を示している。図から明らかなように,ステンレス鋼箔13と電磁鋼板10との融点はほぼ同じであるが,改質金属箔14の融点はそれよりやや低い。その融点の差を図5中では「ΔT」と記している。
通電を開始すると,最も速く昇温するのは,ステンレス鋼箔13と改質金属箔14との境目の箇所と,改質金属箔14と電磁鋼板10との境目の箇所である。接触抵抗があるからである。このため,図6中の下方のグラフに示すカーブQのような温度分布となる。なお,このカーブQはシミュレーションの結果による。このとき,改質金属箔14のうち,ステンレス鋼箔13または電磁鋼板10との接触箇所付近は,早々にその融点に達して溶融する。これにより液状部16,16が発生する。液状部16,16が発生すると,ステンレス鋼箔13や電磁鋼板10のうち液状部16に接している部分も,液状部16に少し溶け込んでいく。このため,ステンレス鋼箔13や電磁鋼板10の温度がその融点に達する前に,液状部16,16が少しステンレス鋼箔13,電磁鋼板10に食い込むこととなる。
さらに通電を続けると,図7に示すように液状部16が広がる。この状態では改質金属箔14の大部分がすでに溶融している。ステンレス鋼箔13や電磁鋼板10へ向けての液状部16の広がりも,図6と比べて大きくなっている。
さらに通電を続けると,図8に示すように,液状部16がさらに広がる。この状態では,改質金属箔14は完全に溶けて電磁鋼板10やステンレス鋼箔13と混ざっている。溝11の箇所のステンレス鋼箔13や電磁鋼板10の厚さは,図5の通電開始前の厚さに比べればかなり減少している。ただし,ステンレス鋼箔13,電磁鋼板10とも,消失することなく,穴が開くこともなく,残っている。
図8の状態になれば,この上さらに加熱する必要はない。むしろ,このままさらに加熱を続けると,ステンレス鋼箔13や電磁鋼板10に穴が開いて液状部16の溶融金属が電極15,15に融着したり,あるいは外部に流出したりするおそれがある。このためここで通電を終了する。するとその後は,周囲への放熱により次第に温度が低下していく。温度の低下により,液状部16が凝固する。このとき,空孔ができることはない。
図8の状態での液状部16の組成は,Feを主成分とし,改質金属箔14に由来するNiやMn等を相当程度に含んだものとなっている。このため,凝固するとオーステナイト相となり,非磁性である。こうして液状部16は,図2に示した非磁性合金層2となる。ステンレス鋼箔13や電磁鋼板10のうち,溶融することなく残っている部分が,図2中のステンレス鋼層3や電磁鋼板層1である。こうして,図2に示した非磁性箇所Xができあがる。ここで,図3における改質金属箔14は電磁鋼板10およびステンレス鋼箔13の一部を取り込み,非磁性合金層2を形成する。このため非磁性合金層2の厚さは改質金属箔14の厚さよりも大きくなっている。なお,通電開始から通電終了までの時間は,改質金属箔14の種類や各部の厚さなどにも左右されるが,おおむね1.8秒程度が適切である。条件によっては,更に短時間とすることも可能である。
また,2層チップ12を挿入した溝11の箇所を,表裏から電極15,15で挟み付け通電する際には,図10に示すように電極15,15が2層チップ12及び電磁鋼板層1の箇所のみを挟み通電するとよい。そのために,電極15,15の接触面の形状は2層チップ12の表面の形状と同一かまたは電極の接触面の方がやや小さいものにする。これにより,2層チップ12の表面側にある電極が2層チップ12にのみ接触する。ここで,2層チップの裏面側にある電極は2層チップに比べて多少大きくても構わない。このため,溝11の外の電磁鋼板10に電流がほとんど流れず,ステンレス鋼箔13及び改質金属箔14に主に電流が流れる。電極15,15の接触面の形状が大きい場合,図9に示すような電流の分流が発生し,分流の分の発熱は有効に使われない。このため,ステンレス鋼箔13及び改質金属箔14の温度が充分に上昇せず,適切な非磁性箇所Xの形成をすることが困難である。この状況を回避するため,通電領域を適切に設定するのである。これにより,図10に示すように溝11の外の電磁鋼板10には電流がほとんど流れない。
以上詳細に説明したように上記の手順を用いることにより,本形態では,次のようなメリットを有する非磁性箇所を有する鋼材の製造方法が実現されている。すなわち,非磁性箇所Xとなるべき部分にのみ通電して加熱するので,他の部分の材質を問わない。このため,電磁鋼板10そのものについては,透磁率重視で種類を選択することができる。したがって,磁気効率のよいロータ90が得られる。
また,溝11の初期深さや改質金属箔14の厚さなどにより,非磁性箇所Xに形成される非磁性合金層2の厚さを調整することができる。さらに,非磁性合金層2の厚さの再現性も良好である。このため,なるべく厚い非磁性合金層2が得られるように種々の条件を定めることにより,非磁性箇所Xに占める電磁鋼板層1の厚さをぎりぎりまで小さくすることができる。これにより,無効磁束を極限まで減らすことができる。溝11及び2層チップ12の形状を自由に選ぶことができるため,形成される非磁性箇所Xの領域も限定されることはない。
また,溝11の初期サイズと2層チップ12のサイズを一致させておくことにより,加熱の前後での体積変化がほとんどない。このため,空孔もなく,かつ表面が平坦な非磁性箇所Xを得ることができる。よって,非磁性箇所Xを持つことによる強度面での不利がほとんどない。また積み重ねの障害となることもない。
また,加熱するのは非磁性箇所Xとなるべき部分だけであり,電磁鋼板10の全体を加熱するのではない。このため,消費電力が少なくて済む。また,スポット溶接と類似の要領で短い処理時間で非磁性箇所Xを形成できる。このため量産にも適している。
[第2の形態]
以下に,本発明の第2の形態を説明する。ロータ90を構成する電磁鋼板10に凹部を形成し,ステンレス鋼箔13と改質金属箔14とからなる2層チップ12を図3のように凹部にセットすることは第1の形態と同様である。また,2層チップ12をセットした部分を図4のように加圧通電し,改質金属箔14およびステンレス鋼箔13と電磁鋼板10の内側を溶融させることも第1の形態と同様である。つまり,図6上部から図8上部のような経過をたどるのである。また,温度が降下した後は,3層構造が形成されることも第1の形態と同様である。つまり,電磁鋼板層1とステンレス鋼層3および凝固した非磁性合金層2が形成されるのである。
第1の形態と異なる点は,改質金属箔14として,前述の成分にCo,Rh等の金属元素を助材として添加したものを用いることである。例えば,Coを約20体積%,Rhを約5体積%添加する。この助材は改質金属箔14の融点を上昇させる効果がある。よって改質金属箔14の融点を,電磁鋼板10およびステンレス鋼箔13の融点よりわずかに下となるように調整可能である。この改質金属箔14とステンレス鋼箔13を挿入した場合を図11に示す。図11中の下方のグラフに示す改質金属箔14と電磁鋼板10およびステンレス鋼箔13の融点の差ΔTは,図5に比べて小さい。このΔTが小さな鋼材およびその製造方法および回転電機コアが第2の形態である。
このように融点の差ΔTが小さいため,加圧通電して改質金属箔14が溶融を始める温度は電磁鋼板10とステンレス鋼箔13の融点と近い。このため,改質金属箔14が溶融し始めた後,電磁鋼板10とステンレス鋼箔13が溶融し始めるまでの時間は第1の形態に比べて短い。つまり,図6上部から図8上部への移行がより短い時間で達成される。そのため溶融金属がステンレス鋼箔13と電磁鋼板10の隙間から外部に漏れ出る可能性が第1の形態よりも小さくなっている。これにより加圧通電工程の制御性が向上しており,形成される非磁性合金層2の深さの調節,溶融金属の温度管理等が向上し,より高い品質確保が可能である。
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,ステンレス鋼層3はオーステナイト系ステンレス鋼に限らない。通電したときに溶けないものであれば普通鋼あるいは電磁鋼板等であっても構わない。ただし,非磁性の方が望ましい。また,チップにおける改質金属箔14の部分は2層以上の複数箔であっても構わない。もちろん,オーステナイト安定化元素を含んでいれば1層でも構わない。また,改質金属箔14に添加する融点上昇金属は融点を上げるものであればどんなものでも構わない。また,非磁性箇所Xをもつ鋼材の用途は回転電機コアに限らない。つまり,ステータ,変圧器のコア等であっても,部分的に非磁性であることが有効であるものであれば適用可能である。
[第3の形態]
以下に,本発明の第3の形態を説明する。本形態のロータ90は,使用時に高速で回転するものであり,その際に電磁鋼板10及び非磁性箇所Xには強い遠心力がかかるものである。このため,それに耐えうる強度を確保する必要がある。ゆえに,ロータ90は強度の確保と非磁性箇所による磁束の漏れの防止とを同時に満たすことが望ましい。
しかしながら,加圧通電後に形成される非磁性合金層2及びステンレス鋼層3において,図12に示すように溝11の壁面に接合していない箇所ができることがある。つまり,非磁性合金層2及びステンレス鋼層3の壁面と電磁鋼板10との間に未接合部94が生じるのである。この未接合部94ができると,溝11と2層チップ12がわずかに接合した箇所に遠心力により生ずる応力が集中するおそれがある。また,接合具合によっては薄い電磁鋼板層1のみに力が集中する場合もある。このように未接合部94が生じたとしても一定の強度を確保できるように,本形態のロータ90に用いる電磁鋼板10は2層チップ12の壁面の面積が大きいものを用いるのである。
本形態の非磁性箇所を有する鋼材とその製造方法を図13により説明する。図13の電磁鋼板10はロータ90の一部に相当するものである。改質金属箔14の材質は,第1の形態または第2の形態のどちらのものを用いても構わない。そして,ステンレス鋼箔13及び改質金属箔14からなる2層チップ12を,ステンレス鋼箔13が表面側になるように電磁鋼板10の溝11に挿入する。2層チップ12を挿入した後は,ステンレス鋼層13の上側と電磁鋼板10の上側はほぼ同じ高さである。
次に,図4に示すように,2層チップ12を挿入した溝11の箇所を,表裏から電極15,15で挟み付ける。挟み付けた後,スポット溶接と類似の要領で,加圧しながら電極15,15間に通電する。加圧の圧力及び電流値は,第1の形態と同様である。この通電の抵抗発熱により,改質金属箔14が溶融する。この際,図6上部から図8上部のような経過をたどる。そして通電終了後に再び凝固することにより,図2に示した非磁性合金層2が形成されるのである。
この加圧通電工程における電磁鋼板層1及びステンレス鋼箔13及び改質金属箔14が溶融する過程も第1の形態又は第2の形態と同様である。加圧通電の終了の後,非磁性箇所Xは,図2にあるように非磁性合金層2及びステンレス鋼層3が形成されている。このとき,図12に示すような未接合部94が多少発生していたとしても,2層チップ12の壁面の面積を大きくしてあるため,接合強度は充分保たれている。また,2層チップの大きさが充分なものであるため,依然として磁束の漏れは小さい。つまり,非磁性箇所Xの領域が大きくなっても,有効磁束Fは第1の形態及び第2の形態と変わらない。
ここで,ロータ90を構成する鋼板に非磁性箇所Xを形成する箇所について図14〜図17により説明する。図14〜図17は,図1を真上から見た図に相当する。図14は,センターブリッジ部93及びペリブリッジ部92に非磁性箇所Xを設けている。図15は,センターブリッジ部93のみに非磁性箇所Xを設けている。図16は,ペリブリッジ部92のみに非磁性箇所Xを設けている。図17は,センターブリッジ部93と,2つのペリブリッジ部92のうちの片方に非磁性箇所Xを設けている。上記のいずれにおいても,非磁性箇所Xにより,ロータ90における磁束のロスを減らすことができる。
以上詳細に説明したように,本形態における回転電機に用いる鋼板は2層チップ12の大きさを充分にとることにより,電磁鋼板10と非磁性合金層2及びステンレス鋼層3との接合面積を確保した。これにより,有効磁束Fのロスが少なく,かつ非磁性箇所Xの強度を確保することができるロータ90が実現されている。
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,2層チップ12及び溝11を図13のように円板形状にするとよい。これにより,2層チップ12を嵌め込む向きを考える必要がないため,挿入が容易である。また,電極15の接触面の形状も円形に限られ,多くの種類を用意する必要がない。このため,量産に適している。
[第4の形態]
以下に,本発明の第4の形態を説明する。本形態に係るロータ190(図30参照)に用いる非磁性箇所を有する電磁鋼板100は,2枚の電磁鋼板を重ね合わせ,部分的に接合したものである。図18に示すように,本形態の電磁鋼板100は,電磁鋼板10と,電磁鋼板20とを有するものである。ここで,電磁鋼板10は第1の主鋼材であり,電磁鋼板20は第2の主鋼材である。また,電磁鋼板10と電磁鋼板20とは,その間に食い込むように形成された非磁性合金層110により接合されている。つまり,非磁性合金層110と,電磁鋼板10とは,その接触面で接合されている。また,非磁性合金層110と,電磁鋼板20とも,その接触面で接合されている。しかし,電磁鋼板10と,電磁鋼板20との接触面は接合されていない。
本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板100は,電磁鋼板10及び電磁鋼板20を有効な磁気経路とするものである。また,非磁性合金層110は,有効な磁気経路とはならない。このため,非磁性箇所Xにおいて有効な磁気経路となりうるのは,非磁性合金層110を挟み込んでいる電磁鋼板10及び電磁鋼板20の薄い主鋼材層の部分だけである。このため,磁束の漏れを抑制することができるのである。
また,本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板100において,その非磁性合金層110の電気抵抗は高い。つまり,非磁性合金層110は,電気抵抗及び磁気抵抗において主鋼材である電磁鋼板10及び電磁鋼板20より高いものである。
また,非磁性合金層110は,第1の形態〜第3の形態の非磁性合金層2に比べて電気抵抗率の高いものである。つまり,非磁性合金層110は,第1の形態〜第3の形態の非磁性合金層2と同程度の磁気抵抗を有し,非磁性合金層2よりも高い電気抵抗率を有するものである。なお,非磁性合金層110は,Feの他に,例えばNi,Cr,その他の元素を含有している。
本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板100の製造方法について図19〜図26により説明する。本形態の電磁鋼板100に用いる電磁鋼板10には,図19の下に示すように溝11が形成されている。また,図中上の電磁鋼板20は,反転させたときにちょうど電磁鋼板10と重ね合わさるような形状をしている。つまり,電磁鋼板20の溝21は,電磁鋼板20を反転させた場合に電磁鋼板10の溝11と対応する位置に形成されている。また,溝21は,溝11と同一形状若しくは左右対称形状である。
まず,図19に示すように,図中下の電磁鋼板10の溝11に高抵抗改質金属箔32及び強磁性金属箔33を挿入する。このとき,強磁性金属箔33を上にして挿入する。このため,高抵抗改質金属箔32は,強磁性金属箔33と電磁鋼板10とで挟まれることとなる。一方,図中上の電磁鋼板20の溝21にも同様に,高抵抗改質金属箔32と強磁性金属箔33とを挿入する。なお,高抵抗改質金属箔32と,強磁性金属箔33とは,予め接合することにより一体としておいてもよい。
ここで,高抵抗改質金属箔32は,Feのオーステナイト相を安定化する種類の金属またはその合金からなる合金形成材である。例えば,Ni−Cr系の合金を用いることができる。また,高抵抗改質金属箔32は,第1の形態〜第3の形態で用いた改質金属箔14に比べて電気抵抗が高いものである。また,強磁性金属箔33は,強磁性を示す金属である。なお,高抵抗改質金属箔32及び強磁性金属箔33の融点は,電磁鋼板10及び電磁鋼板20の融点よりもやや低い。
なお,図20に示すように,図中下の電磁鋼板10の上側の表面と溝11に挿入された強磁性金属箔33の上側の表面とは,段差のないフラットな面である。また,図中上の電磁鋼板20の上側の表面と溝21に挿入された強磁性金属箔33の上側の表面とは,段差のないフラットな面である。
次に,電磁鋼板20の下側から電磁石40を接触させる。この様子を図20に示す。つまり,強磁性金属箔33と,電磁石40とで,高抵抗改質金属箔32と,電磁鋼板20とを挟みつけるような箇所に電磁石40を配置するのである。そして,電磁石40をオンにする。このため,強磁性金属箔33が電磁石40に引き寄せられる。この状態では,高抵抗改質金属箔32と,強磁性金属箔33とが電磁鋼板20から離れることはない。
続いて,電磁石40により高抵抗改質金属箔32と強磁性金属箔33とが圧着された電磁鋼板20を,これらが圧着された状態のまま上下反転させる。反転させた後の状態を図21に示す。ここで,電磁石40により強磁性金属箔33を上方に引っ張っているため,強磁性金属箔33及び高抵抗改質金属箔32は落下しない。
次に,図22に示すように,上下面を逆にした電磁鋼板20を電磁鋼板10に上から接触させる。ここで,図中下の電磁鋼板10の溝11と図中上の電磁鋼板20の溝21とが対向する位置にくるようにするのである。このため,溝11に挿入された強磁性金属箔33の表面と,溝21に挿入された強磁性金属箔33の表面とがちょうど重なる。
なお,図22に示すように,電磁鋼板10及び下の強磁性金属箔33の表面はフラットであり,電磁鋼板20及び上の強磁性金属箔33の表面はフラットである。このため,溝11に挿入された強磁性金属箔33または溝21に挿入された強磁性金属箔33が,電磁鋼板10と電磁鋼板20とを重ねる際にかじることがない。
次に,電磁石40をオフにする。そして,図23に示すように,電磁石40を電磁鋼板20から離す。このとき,高抵抗改質金属箔32と,強磁性金属箔33とが挿入された箇所は,多層構造となっている。この溝11及び溝21の箇所は,下から,電磁鋼板10,高抵抗改質金属箔32,強磁性金属箔33,強磁性金属箔33,高抵抗改質金属箔32,電磁鋼板20を順に積み重ねた構造となっている。
次に,電極15,15で電磁鋼板10と電磁鋼板20とを挟み込む。電極15,15で挟み込む箇所は,溝11と,溝21とに,高抵抗改質金属箔32と,強磁性金属箔33とを挿入した箇所である。電極15,15で電磁鋼板10と電磁鋼板20とを挟み込んだ後,加圧した状態で電極15,15間に通電する。通電する条件は,第1の形態とほぼ同様である。
この加圧通電により,高抵抗改質金属箔32,強磁性金属箔33,電磁鋼板10の溝11周辺,電磁鋼板20の溝21周辺が溶融し始める。接触抵抗のため,溝11及び溝21の周辺,並びに他の部材との接触面から溶融し始めるのは,図6〜図8の経過と同様である。高抵抗改質金属箔32及び強磁性金属箔33が電磁鋼板10及び電磁鋼板20の一部とともに溶融した状態を図24に示す。
そして,図25に示すように,通電により液状部16が広がる。続いて,通電を終了した後,電極15,15を電磁鋼板10及び電磁鋼板20から離す。この様子を図26に示す。そして,液状部16は凝固する。これにより,非磁性箇所を有する電磁鋼板100が製造された(図18参照)。
ここで,本形態の電磁鋼板100の変形例について以下に説明する。本形態では,強磁性金属箔33を電磁鋼板10の溝11及び電磁鋼板20の溝21の双方に挿入した。しかし,図27に示すように,強磁性金属箔33を溝21のみに挿入するようにしても構わない。電磁鋼板20の溝21に挿入された高抵抗改質金属箔32を,電磁鋼板20に圧着することに変わりはないからである。
なお,この場合において,電極15,15による加圧通電を行う前の状態を図28に示す。また,図27において,電磁鋼板10の溝11に高抵抗改質金属箔32を挿入しないようにしてもよい。その場合には,電磁鋼板20の溝21に挿入した高抵抗改質金属箔32又は強磁性金属箔33を大きくすればよい。
ここで,以上に説明した第1の形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板50と,本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板100とに発生する渦電流の比較について以下に説明する。渦電流は,電磁誘導効果により金属内に発生する渦状の電流である。この渦電流は,モータの使用時にロータの電磁鋼板内にも発生する。これにより,ロータが発熱し,エネルギー損失を招くこととなる。このエネルギー損失を,渦電流損という。このため,モータにおいては,可能な限りこの渦電流損を小さくすることが好ましい。
渦電流損は,次式,
Pe=ke・(t・f・Bm)/ρ (1)
Pe:渦電流損
ke:比例定数
t :電磁鋼板の板厚
f :周波数
Bm:最大磁束密度
ρ :電磁鋼板の電気抵抗率
で表される。つまり,渦電流損Peは,電磁鋼板の板厚の2乗に比例し,電磁鋼板の電気抵抗率に反比例する。
図29は,第1の形態〜第3の形態のロータ90を示す図である。積層されている電磁鋼板50のうち,4枚のみを図示した。図29の矢印に示すように,非磁性箇所に発生する渦電流は,それぞれの電磁鋼板50のそれぞれに発生する。電磁鋼板1枚は薄いため,渦電流は小さい。すなわち,渦電流損も小さい。
図30は,本形態のロータ190を示す図である。ここで,非磁性箇所Xに発生する渦電流は小さい。式(1)によれば,非磁性箇所Xの厚さの2乗で渦電流は大きくなる。しかし,本形態の電磁鋼板100は,非磁性合金層110の電気抵抗が大きい。このため,渦電流損は第1の形態のロータ90とほぼ同程度である。なお,非磁性箇所X以外の箇所に発生する渦電流による渦電流損は,ロータ90と同様である。
ここで,非磁性合金層110の電気抵抗について具体例に基づき説明する。改質金属箔14としてNiを,高抵抗改質金属箔32としてNiとCrの合金を,強磁性金属箔33としてNiを使用した場合の例を表1に示す。NiとCrの合金の電気抵抗は,Niに比べて非常に大きい。このため,非磁性合金層110の電気抵抗は,改質金属として,Niだけのものを用いるより,NiとCrの合金を同時に用いるほうが高い。
Figure 0004626683
また,式(1)によれば,板厚が2倍になれば,渦電流損は4倍となる。一方,表1より,非磁性合金層110の電気抵抗は,109μΩcmであり,通常の改質金属箔31により非磁性化した合金の抵抗値22μΩcmの4倍以上である。このため,本形態のロータ190における渦電流損は,ロータ90におけるものと同程度である。
図31は,ロータ190とは別のロータ290である。ロータ290は,改質金属箔として,Niのみを用いたものである。また,非磁性合金層210の電気抵抗は,表1より22μΩcmである。このため,渦電流損は,ロータ90及びロータ190に比べて大きい。
本形態の電磁鋼板100は,非磁性合金層110を介して2枚の電磁鋼板を部分的に接合したものである。このため,電極15,15が挟む箇所は,いずれも主鋼材層である。ゆえに,第3の形態で述べたような未接合部94は発生しない。また,非磁性箇所Xを電磁鋼板100の所望の箇所に形成することにより,磁束経路を確保することができる。つまり,無効となる磁束の発生を抑制することができる。さらに,渦電流損も増大しない。
本形態のロータ190は,多数枚の非磁性箇所を有する電磁鋼板100を積層してなるものである。このため,本形態のロータ190は,渦電流によるエネルギー損失を増大させることなく,電磁鋼板の強度を確保し,なおかつ無効となる磁束の発生を抑制するものである。
以上詳細に説明したように,本形態のロータ190に用いる非磁性箇所を有する電磁鋼板100は,非磁性合金層110を介して2枚の電磁鋼板を部分的に接合したものである。本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板100は,電磁鋼板10及び電磁鋼板20を有効な磁気経路とするものである。一方,非磁性合金層110は,有効な磁気経路とはならない。また,電極15,15により奪熱される箇所がともに主鋼材層であるため,未接合部94も生じない。このため,非磁性合金層110を所望の箇所に形成することにより,強度と,有効な磁束経路とを確保する電磁鋼板が実現されている。
また,本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板100は,その非磁性合金層110における体積抵抗率が高い。つまり,非磁性合金層110は,電気抵抗及び磁気抵抗において非磁性合金層以外の箇所より高いものである。ゆえに,本形態の電磁鋼板100をロータに用いた場合,渦電流によるエネルギー損失,磁束の漏れによる有効な磁束の損失を抑制することができるのである。
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,高抵抗改質金属箔32及び強磁性金属箔33及び溝の形状を円板形状にしてもよい。高抵抗改質金属箔32及び強磁性金属箔33が回転したとしても,位置決めに変更が生じることがなく,挿入が容易であるためである。
また,第2の形態と同様に,高抵抗改質金属箔32と,強磁性金属箔33と,電磁鋼板との融点の差(ΔT)が小さくなるようにするとよりよい。非磁性箇所Xの領域の大きさを制御しやすいからである。また,非磁性箇所を有する電磁鋼板をロータ190に用いる場合,非磁性箇所Xは第3の形態と同様にペリブリッジ部92及びセンターブリッジ部93に設けるとよい。
また,高抵抗改質金属箔32の代わりに,図3に示す第1の形態の改質金属箔14を用いることもできる。この場合に製造された電磁鋼板200を,図32に示す。その場合には,電磁鋼板200の非磁性合金層210の電気抵抗は必ずしも高くない。この場合,改質金属箔14が強磁性のものであれば,強磁性金属箔33は必要ない。つまり,溝に挿入する金属箔は,改質金属箔14のみで充分である。また,電磁石の代わりに永久磁石を用いても構わない。
[第5の形態]
以下に,本発明の第5の形態を説明する。本形態のロータ190及びロータ290は,第4の形態のものと同様である。また,ロータに用いる電磁鋼板100及び電磁鋼板200も,第4の形態のものと同様,非磁性合金層を介して2枚の電磁鋼板を部分的に接合したものである。このため,非磁性合金層は,第1の主鋼材である電磁鋼板10及び第2の主鋼材である電磁鋼板20と接触面で接合している。しかし,電磁鋼板10と,電磁鋼板20とは,その接触面で接合していない。このため,未接合部94が発生しないことも第4の形態と同様である。第4の形態と異なる点は,電磁鋼板100及び電磁鋼板200の製造方法である。
ここで,本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板100及び電磁鋼板200の製造方法について図33〜図38により説明する。まず,図33に示すように,電磁鋼板10の溝11に改質金属箔31を挿入する。改質金属箔31は,第1の形態における改質金属箔14と同じ材質である。改質金属箔14と異なる点は,改質金属箔31が円板形状であることである。このため,溝11の形状も円板形状である。
ただし,この形状は例示であり,深さの均一な形状であれば別の形状でも構わない。また,溝11の深さは,電磁鋼板10の厚さの半分程度である。また,改質金属箔31の厚さは,溝11の深さの2倍である。なお,図33のBB断面を図34に示す。
次に,図35に示すように,改質金属箔31を溝11に挿入した電磁鋼板10の上方から,電磁鋼板20を載せる。その際の断面図を図36に示す。ここで,電磁鋼板10の上面より突き出た改質金属箔31の上半分が,図中上の電磁鋼板20の溝21に挿入される。
図37に示すように,改質金属箔31は,電磁鋼板10と電磁鋼板20との間にちょうど収まっている。ここで,図37のBB断面を図38に示す。つまり,溝11と溝21とが仕切る空間と,改質金属箔31の外形とはちょうど一致するようになっている。また,電磁鋼板10の上側の表面は,電磁鋼板20の下側の表面と,溝11及び溝21の外側で接している。
次に,電極15,15で電磁鋼板10と電磁鋼板20とを挟み込む。電極15,15で挟み込む箇所は,改質金属箔31を挿入した箇所である。電極15,15で電磁鋼板10と電磁鋼板20とを挟み込んだ後,加圧した状態で電極15,15間に通電する。通電する条件は,第1の形態とほぼ同様である。ただし,通電時間は,電磁鋼板10,電磁鋼板20,改質金属箔31の厚さ等に応じて変える必要がある。これにより,改質金属箔31,電磁鋼板10の溝11周辺,電磁鋼板20の溝21周辺が溶融し始める。接触抵抗のため,溝11及び溝21の周辺から溶融し始めるのは,図6〜図8の経過と同様である。改質金属箔31が電磁鋼板10及び電磁鋼板20の一部とともに溶融金属となった様子を図24に示す。
さらに,加圧通電を続けることにより,電磁鋼板10及び電磁鋼板20の,液状部16との接触面付近の金属原子は,溶融金属に溶け出す。このため,液状部16はさらに広がる。この様子を図25に示す。液状部16が充分な大きさに達したところで通電を停止する。そして,図26に示すように電極15,15を電磁鋼板10及び電磁鋼板20から離す。この後,液状部16が凝固する。以上により,非磁性箇所を有する電磁鋼板200が製造された。
また,第2の形態と同様に,改質金属箔31と,電磁鋼板との融点の差(ΔT)が小さくなるようにするとよりよい。非磁性箇所Xの領域の大きさを制御しやすいからである。また,非磁性箇所を有する電磁鋼板をロータ190及びロータ290に用いる場合,非磁性箇所Xは第3の形態と同様にペリブリッジ部92及びセンターブリッジ部93に設けるとよい。
本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板200には,改質金属箔31を用いた。しかし,改質金属箔31の代わりに,高抵抗改質金属箔32を用いても構わない。この場合,電磁鋼板の非磁性合金層の電気抵抗は高い。ゆえに,第4の形態と同様,渦電流によるエネルギー損失をも抑制することができる。
本形態のロータは,多数枚の非磁性箇所を有する電磁鋼板を積層してなるものである。このため,電磁鋼板の強度を確保し,無効となる磁束の発生を抑制することができるロータが実現されている。
以上詳細に説明したように,本形態のロータに用いる非磁性箇所を有する電磁鋼板は,非磁性合金層を介して2枚の電磁鋼板を部分的に接合したものである。本形態の非磁性箇所を有する電磁鋼板は,電磁鋼板10及び電磁鋼板20を有効な磁気経路とするものである。一方,非磁性合金層は,有効な磁気経路とはならない。また,電極15,15により奪熱される箇所がともに主鋼材層であるため,未接合部94も生じない。このため,非磁性合金層を所望の箇所に形成することにより,強度と,有効な磁束経路とを確保する電磁鋼板が実現されている。
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,本形態では2枚の電磁鋼板を一体化したが,3枚以上を一度に重ねるようにしても構わない。この場合,3枚以上の一番上と一番下の電磁鋼板には溝を設け,その間の電磁鋼板には貫通穴を設けたものを用いればよい。または,2枚目の電磁鋼板に改質金属箔を埋め込み,1番上を1番下の電磁鋼板でそのままはさみ,加圧通電改質しても良い。
また,本発明の非磁性箇所を有する電磁鋼板は,電磁鋼板のみに限定するものではなく,非磁性箇所を有する鋼材に適用可能なものである。
回転電機のロータにおける有効磁束の経路とならない部位を説明する斜視図である。 第1の形態のロータに用いる電磁鋼板の非磁性箇所の構造を示す断面図である。 第1の形態のロータに用いる電磁鋼板の非磁性箇所の作成手順(その1)を説明する斜視図である。 第1の形態のロータに用いる電磁鋼板の非磁性箇所の作成手順(その2)を説明する断面図である。 図4の状態での通電開始前における温度分布のグラフを断面図とともに示す図である。 図4の状態での通電開始後における温度分布のグラフを断面図とともに示す図(その1)である。 図4の状態での通電開始後における温度分布のグラフを断面図とともに示す図(その2)である。 図4の状態での通電開始前における温度分布のグラフを断面図とともに示す図(その3)である。 通電箇所が2層チップより大きい場合に分流の発生を説明する図である。 通電領域が2層チップとほぼ等しいかやや小さい場合を説明する図である。 第2の形態における図5に相当する図である。 ロータの改質箇所に未接合部が発生した場合を説明する断面図である。 第3の形態のロータにおける非磁性箇所の作成手順(その1)を説明する斜視図である。 第3の形態のロータにおける改質箇所を説明する図(その1)である。 第3の形態のロータにおける改質箇所を説明する図(その2)である。 第3の形態のロータにおける改質箇所を説明する図(その3)である。 第3の形態のロータにおける改質箇所を説明する図(その4)である。 第4の形態のロータに用いる電磁鋼板の非磁性箇所の構造を示す断面図(その1)である。 第4の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その1)である。 第4の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その2)である。 第4の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その3)である。 第4の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その4)である。 第4の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その5)である。 第4の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その6)である。 第4の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その7)である。 第4の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その8)である。 第4の形態のロータの別の製造工程を説明する断面図(その1)である。 第4の形態のロータの別の製造工程を説明する断面図(その2)である。 第1の形態のロータとその非磁性箇所に発生する渦電流を説明するための断面図である。 第4の形態のロータとその非磁性箇所に発生する渦電流を説明するための断面図(その1)である。 第4の形態のロータとその非磁性箇所に発生する渦電流を説明するための断面図(その2)である。 第4の形態のロータに用いる電磁鋼板の非磁性箇所の構造を示す断面図(その2)である。 第5の形態のロータの製造工程を説明する斜視図(その1)である。 第5の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その1)である。 第5の形態のロータの製造工程を説明する斜視図(その2)である。 第5の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その2)である。 第5の形態のロータの製造工程を説明する斜視図(その3)である。 第5の形態のロータの製造工程を説明する断面図(その3)である。
符号の説明
1…電磁鋼板層
2,110,210…非磁性合金層
3…ステンレス鋼層
10,20…電磁鋼板
11…溝
12…2層チップ
13…ステンレス鋼箔
14…改質金属箔
15…電極
16…液状部
31…改質金属箔
32…高抵抗改質金属箔
33…強磁性金属箔
40…電磁石
50,100,200…非磁性箇所を有する電磁鋼板
90,190,290…ロータ
X…非磁性箇所

Claims (20)

  1. 非磁性箇所を有する鋼材において,
    電磁鋼板により構成されており,
    前記非磁性箇所は,
    一方の表面側の表面鋼材層と,
    前記表面鋼材層の下の非磁性合金層とを有し,
    残部が前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板と同じ材質および組織の電磁鋼板層であり,
    前記非磁性箇所における前記電磁鋼板層の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板の全厚より薄く,
    前記非磁性箇所における前記表面鋼材層の表面と,前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板の前記一方の表面側の表面とが平坦な面をなしていることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材。
  2. 請求項1に記載の非磁性箇所を有する鋼材において,
    前記表面鋼材層が,オーステナイト系ステンレス鋼の層であることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材。
  3. 非磁性箇所を有する鋼材において,
    第1の電磁鋼板と第2の電磁鋼板とが重ね合わせられており,
    前記非磁性箇所は,内部に非磁性合金層が形成されており,
    前記非磁性合金層は,前記第1の電磁鋼板と前記第2の電磁鋼板との双方に食い込んで形成されており,
    前記非磁性箇所における前記第1の電磁鋼板の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における前記第1の電磁鋼板の厚さより薄く,
    前記非磁性箇所における前記第2の電磁鋼板の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における前記第2の電磁鋼板の厚さより薄いことを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材。
  4. 請求項3に記載の非磁性箇所を有する鋼材において,
    前記第1の電磁鋼板と前記第2の電磁鋼板とが,重ね合わせられた面に対して対称な形状をしていることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材。
  5. 請求項3または請求項4に記載の非磁性箇所を有する鋼材において,
    前記非磁性合金層の体積抵抗率が,
    前記第1の電磁鋼板の体積抵抗率と前記第2の電磁鋼板の体積抵抗率とのいずれよりも大きいことを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれかに記載の非磁性箇所を有する鋼材において,
    前記非磁性合金層が,その融点を上昇させる元素を含有するオーステナイト相の合金層であることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材。
  7. 非磁性箇所を有する回転電機コアにおいて,
    電磁鋼板を積層したものであり,
    前記非磁性箇所は,
    一方の表面側の表面鋼材層と,
    前記表面鋼材層の下の非磁性合金層とを有し,
    残部が前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板と同じ材質および組織の電磁鋼板層であり,
    前記非磁性箇所における前記電磁鋼板層の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板の全厚より薄く,
    前記非磁性箇所における前記表面鋼材層の表面と,前記非磁性箇所以外の箇所における電磁鋼板の前記一方の表面側の表面とが平坦な面をなしていることを特徴とする非磁性箇所を有する回転電機コア。
  8. 請求項7に記載の回転電機コアにおいて,
    複数の磁石取り付け穴が形成されており,
    前記非磁性箇所が,隣り合う磁石取り付け穴の間に位置しており,
    隣り合う磁石取り付け穴の間の最短距離の箇所が,前記非磁性箇所の中に位置していることを特徴とする回転電機コア。
  9. 請求項7に記載の回転電機コアにおいて,
    磁石取り付け穴が形成されており,
    前記非磁性箇所が,前記磁石取り付け穴と外周縁との間に位置しており,
    前記磁石取り付け穴と外周縁との間の最短距離の箇所が,前記非磁性箇所の中に位置していることを特徴とする回転電機コア。
  10. 非磁性箇所を有する回転電機コアであって,
    前記回転電機コアは,第1の主鋼材と,第2の主鋼材とが重ね合わせられた鋼材を積層したものであり,
    前記非磁性箇所は,内部に非磁性合金層が形成されており,
    前記非磁性合金層は,前記第1の主鋼材と前記第2の主鋼材との双方に食い込んで形成されており,
    前記非磁性箇所における前記第1の主鋼材の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における前記第1の主鋼材の厚さより薄く,
    前記非磁性箇所における前記第2の主鋼材の厚さが,前記非磁性箇所以外の箇所における前記第2の主鋼材の厚さより薄いことを特徴とする非磁性箇所を有する回転電機コア。
  11. 請求項10に記載の非磁性箇所を有する回転電機コアにおいて,
    前記非磁性合金層の体積抵抗率が,
    前記第1の主鋼材の体積抵抗率と前記第2の主鋼材の体積抵抗率とのいずれよりも大きいことを特徴とする非磁性箇所を有する回転電機コア。
  12. 凹部を設けた主鋼材の凹部に,蓋鋼材と,鉄とともに非磁性合金を形成する合金形成材とを,前記蓋鋼材が上層となるように挿入し,
    その箇所に通電することにより,前記合金形成材を,前記主鋼材の一部および前記蓋鋼材の一部とともに溶融して,主鋼材の残部と蓋鋼材の残部との間に非磁性合金の層を形成することを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
  13. 請求項12に記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,
    前記蓋鋼材として,オーステナイト系ステンレス鋼を用いることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
  14. 請求項12または請求項13に記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,
    前記通電を行う上層側の電極の接触面が,前記蓋鋼材のみに接触した状態で通電を行うことを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
  15. 一方の面に凹部を設けた第1の電磁鋼板及び第2の電磁鋼板を含む複数の電磁鋼板を,両端の位置の電磁鋼板が前記第1の電磁鋼板と前記第2の電磁鋼板となるように,前記第1の電磁鋼板の凹部と前記第2の電磁鋼板の凹部とが互いに向かい合うように重ね合わせるとともに,前記凹部で区切られた空間に合金形成材を配置した状態とし,
    その凹部のある箇所に通電することにより,前記合金形成材を,周囲の電磁鋼板の鋼材の一部とともに溶融して,第1の電磁鋼板の残部と第2の電磁鋼板の残部との間に非磁性合金の層を形成することを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
  16. 請求項15に記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,
    前記第1の電磁鋼板と前記第2の電磁鋼板との2枚を重ね合わせることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
  17. 一方の面に凹部を設けた第1の主鋼材及び第2の主鋼材を含む複数の鋼材を,両端の位置の鋼材が前記第1の主鋼材と前記第2の主鋼材となるように,前記第1の主鋼材の凹部と前記第2の主鋼材の凹部とが互いに向かい合うように重ね合わせるとともに,前記凹部で区切られた空間に合金形成材を配置した状態とし,
    その凹部のある箇所に通電することにより,前記合金形成材を,周囲の鋼材の一部とともに溶融して,第1の主鋼材の残部と第2の主鋼材の残部との間に非磁性合金の層を形成する非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,
    前記第1の主鋼材の凹部に合金形成材を挿入するとともに,前記第2の主鋼材の凹部に前記合金形成材とは別の合金形成材を挿入し,
    前記第1の主鋼材と前記第2の主鋼材とを重ね合わせることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
  18. 請求項17に記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,
    前記第1の主鋼材と前記第2の主鋼材との2枚を重ね合わせることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
  19. 請求項17に記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,
    前記第1の主鋼材及び前記第2の主鋼材を凹部が上になるように配置した状態でそれらの凹部に合金形成材を挿入するとともに,少なくとも前記第2の主鋼材の凹部に,前記合金形成材とともに強磁性金属を,強磁性金属が上になるように挿入し,
    前記第2の主鋼材の凹部の下側に磁石を配置して前記磁石と前記強磁性金属とで前記第2の主鋼材及び前記合金形成材とを圧着し,その状態で前記第2の主鋼材を上下反転させ,
    前記第2の主鋼材と,前記第1の主鋼材とを重ね合わせることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
  20. 請求項12から請求項19までのいずれかに記載の非磁性箇所を有する鋼材の製造方法において,
    前記合金形成材として,その融点を上昇させる元素を含有するものを用いることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼材の製造方法。
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