JP5515485B2

JP5515485B2 - 分割モータ用コア

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Publication number: JP5515485B2
Application number: JP2009175760A
Authority: JP
Inventors: 善彰財前; 善彦尾田; 雅昭河野; 藤田　　明
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: JP2011026682A

Description

本発明は、モータ、中でもハイブリッド電気自動車の駆動モータに適した分割モータのコアに関するものである。

近年、電力をはじめとする省エネルギー化という世界的な流れの中、電気機器においてもその高効率化並びに小型化が強く要望されている。特に、電気機器の中においてモータの鉄心で発生する損失は大きな比重を占めており、磁束密度が高くかつ鉄損の小さな電磁鋼板を使用することでモータの高効率化を図っている。

従来、モータの鉄心は一体となって打ち抜いていたが、ハイブリッド電気自動車の駆動モータなどでは歩留まり向上の観点から、分割モータが採用されはじめている。分割モータとは、一般にティースが電磁鋼板の圧延方向に、かつバックヨークが圧延直角方向となるように、コアを打ち抜き加工し、それらを組み合わせることによりモータのステータを構成するものである。このため、材料歩留まりが著しく向上するとともに、磁気特性に優れた圧延方向をティースとすることができるため、モータ効率の向上も期待できる。

ところで、モータ等の回転機は一般的に、ロータ（回転子）とステータ（固定子）、およびステータを固定するステータハウジングを備えている。ステータをステータハウジングに固定する方法として「焼き嵌め」という手法が用いられている。この「焼き嵌め」とは、以下の様な手法である。
まず、ステータハウジングを熱することでハウジングを膨張させる。次に、膨張させたハウジングの内周にステータコアを挿入し、ステータハウジングを冷却する。これにより、ステータハウジングが収縮しステータがステータハウジングに固定される。しかし、このような焼き嵌めという手法を用いると、ハウジングが冷却される時に生じる収縮力が、圧縮応力としてステータコアに作用する。このため、ステータコアのバックヨーク部に非常に大きな圧縮応力が付与されることとなる。
すなわち、分割モータ用コア（以下、分割コアと示す）においては鋼板の圧延直角方向がバックヨーク部に用いられることとなるため、圧延方向に優れた磁気特性を有し、かつ圧延直角方向の圧縮応力依存性が小さい、鋼板を使用することにより、分割コアとしてのモータ効率を向上させられると考えられる。

ここに、分割コアに好適な材料として、特許文献１には、圧延方向と45°方向の磁束密度を規定した無方向電磁鋼板が記載されている。しかしながら、ここでの記載には、特定の角度の磁束密度比を規定しているのみであり分割コアとした時の特性が不明であり、またモータのヨーク部に発生する応力を考慮していない点に、問題を残していた。

特開2008−127612号公報

本発明は、上記の問題点に鑑み、特にステータを焼き嵌めにて固定する場合にも優れたモータ特性を有する、分割コアについて提供することを目的とする。

発明者らは、分割コアに供する電磁鋼板として、圧延方向の磁気特性を向上させるためには、まず、鋼板の圧延方向にゴス方位｛110｝<001>を集積させるが、この際、圧延直角方向の圧縮応力による鉄損の依存性について考慮すると、必ずしもゴス方位を高度に集積させるのではなく、鋼板の圧延方向に対して{110}<001>方位に配向した結晶粒の面積率を特定の範囲とすることが、分割コアに適していることがわかった。

そこで、発明者らが、分割コアにおいてモータを「焼き嵌め」した際のモータ効率について調査したところ、モータ効率は素材である電磁鋼板における圧延方向の鉄損値と圧延直角方向の圧縮応力下での鉄損値との和：Ｗ_10/400 (L)＋Ｗ_10/400(C-50MPa)と相関が高いこと、この鉄損値Ｗ_10/400 (L)＋Ｗ_10/400 (C-50MPa)を低減するとモータ効率を向上できること、を見出した。そして、この鉄損値Ｗ_10/400(L)+ Ｗ_10/400 (C-50MPa)は、{110}<001>方位に配向した結晶粒の面積率を特定の範囲とすれば低減可能となることを知見したのである。
さらに、圧延方向に集積する{110}<001>方位粒を特定の範囲とする方策について鋭意検討を行った結果、Ｃ：0.03mass％以下、Si：２〜７mass％、Mn:0.05〜3.0mass％およびAl:0.001〜0.02 mass％を含有する鋼において、中間焼鈍を挟む二回以上の圧延工程における諸条件の詳細な調整により達成できることを知見した。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。

（Ｉ）Ｃ：0.03mass％以下、
Si：２〜７mass％、
Mn：0.05〜3.0mass％および
Al：0.001〜0.020mass％
を含有し、ＳおよびＮをそれぞれ50ppm以下に低減し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、磁界の強さ5000A/m時における圧延方向の磁束密度Ｂ₅₀（L）≧1.75Ｔかつ、周波数400Hz、最大磁束密度１Ｔ時における圧延方向の鉄損をＷ_10/400（L）、および圧延方向と直角方向に50MPaの圧縮応力を付加した時の、圧延方向と直角方向の鉄損をＷ_10/400（C-50MPa）とするとき、両者の鉄損の和Ｗ_10/400(L)＋Ｗ_10/400(C-50MPa) が下記式（１）を満たす電磁鋼板からなり、該電磁鋼板の圧延方向がティース方向となる、焼き嵌めにて固定されるステータに用いられる分割モータ用コア。
記
Ｗ_10/400 (L)＋Ｗ_10/400(C-50MPa)≦55Ｗ／kg …（１）

（II）前記電磁鋼板において、｛110｝<001>方位に配向した結晶粒の面積率ΔＳが下記式（２）を満たすことを特徴とする分割モータ用コア。
記
10％≦ΔＳ≦65％ …（２）

本発明によれば、焼き嵌めのような圧縮応力下においても、高いモータ効率を発揮し得るモータ用の分割コアを提供できる。従って、焼き嵌め、樹脂モールド等によりコア材料に圧縮力が付与される分割コア型のエアコンコンプレッサーモータ、ハイブリッドEV用駆動モータ、EV用駆動モータ、FCEV用駆動モータおよび高速発電機の高周波回転機の鉄損を低減することが可能となる。

モータ効率と鉄損の和：Ｗ_10/400（L）＋Ｗ_10/400（C-50MPa）との関係を示すグラフである。鉄損の和：Ｗ_10/400（L）＋Ｗ_10/400（C-50MPa）と{110}<001>方位に配向した結晶粒の面積率ΔＳとの関係を示すグラフである。モータ効率が80％以上となる条件を示すグラフである。

本発明の分割コアについて、具体的に説明する。
本発明の分割コアは、以下に示す電磁鋼板を用い、その圧延方向が分割コアのティース方向となるようにすることが肝要である。そこで、まず、電磁鋼板の仕様から順に説明する。
Ｃ：0.03mass％以下
Ｃは、固溶Ｃとして冷間圧延時に転位を固着し変形帯を形成する。この変形帯を焼鈍すると、ゴス方位{110}<001>が再結晶するため、圧延方向の特性が向上する。Ｃ含有量が0.03mass％を超えると十分に脱炭できない可能性があるため、上限は0.03mass％とした。なお、Ｃは鋼中に0.005mass％以上存在すると、時効により鉄損を劣化させるおそれがあるため、製品板とする際に脱炭焼鈍を施すことによりＣを0.005mass％以下とすることが好ましく、この脱炭焼鈍は最終冷間圧延後であれば何時行っても構わない。

Si：２〜７mass％
Siは、２mass％未満であると、γ変態を生じることで熱延組織が大きく変化するため、最終冷間圧延後の仕上げ焼鈍工程において高温で焼鈍することができず、良好な磁気特性を得ることができない。一方、Siが７mass％を超えると、著しく加工性が劣化して飽和磁束密度も減少するため、２〜７mass％の範囲とした。

Mn：0.05〜3.0mass％
Mnは、熱間加工性を良好にするために必要な元素であるが、0.05%未満では効果がなく、3.0mass％を超える添加はコスト高を招くため、0.05〜3.0mass％の範囲とした。

Al：0.001〜0.020mass％
Alは、0.001mass％未満であると、AlN析出物が生成せずに仕上げ焼鈍時の粒成長の選択性が弱くなり、良好な磁気特性を得ることができない。また、0.020mass％を超えると、仕上げ焼鈍時に集合組織がランダム化することによりゴス方位{110}<001>が発達せず、優れた磁気特性を得ることができなくなるため、0.001〜0.020mass％の範囲とした。

ＳおよびＮ：50ppm以下
ＳおよびＮは、不純物元素であり、50ppmを超えて含有すると磁気特性を劣化させるため、50ppm以下に低減することが望ましい。

圧延方向の磁束密度：Ｂ₅₀（L）≧1.75Ｔ
磁界の強さ5000A/m時の磁束密度が1.75Ｔに満たない場合は、モータにおいて巻き線に大電流を流す必要があり、分割モータとしての効率が改善されないためＢ₅₀（L）≧1.75Ｔとした。

鉄損の和Ｗ_10/400(L)＋Ｗ_10/400(C-50MPa)：55W/kg以下
一般に、焼き嵌め時にバックヨーク部に付与される応力は50MPa程度であるため、圧延直角方向の鉄損は50MPaの応力付与時の鉄損とした。圧延方向の鉄損と応力付与時における圧延直角方向の鉄損の和が55W/kgを超えると、発生するステータ鉄損が大きくなり、モータ効率が改善されないため、上記の範囲に規定した。

｛110｝<001>方位に配向した結晶粒の面積率ΔＳ：10〜65％
｛110｝<001>方位に配向した結晶粒の面積率ΔＳが10％未満であると、圧延方向の磁気特性が劣化し、一方面積率ΔＳが65％を超えると、圧延方向の磁気特性は優位となるが、応力を付加した際に磁気特性が大きく劣化することによって、モータ効率が改善されないため、10〜65％の範囲に規定した。

次に、本発明の分割コアに用いる前記電磁鋼板の製造方法について、説明する。
上述した成分組成範囲になる溶鋼を、連続鋳造又は造塊−分塊圧延によりスラブとする。或いは、薄スラブ連続鋳造法を用いて、板厚の薄いスラブを直接製造することもできる。次いで、得られたスラブは、一旦冷却されたのち、再加熱保持後に熱間圧延に供するか、またはエネルギー効率や生産性の点から、連続鋳造時の顕熱を活用するために、鋳造後のスラブを直接熱間圧延（ＣＣ−ＤＲ法）したり、鋳造直後の熱片スラブを短時間の再加熱後に熱間圧延（ＨＣＲ法）することができる。

熱間圧延は、電磁鋼板の製造の常法と変わるところはなく、通常の条件の下で行うことができる。熱延板の厚みは３mm以下が好ましい。なぜなら、３mmを超える板厚では、その後の熱延板焼鈍工程における焼鈍に要するコストが嵩むためである。

熱間圧延後は熱延板焼鈍を行うことができる。熱延板焼鈍により冷間圧延前の粒径を大きくし、集合組織をより好ましいものとする。そのための、焼鈍温度は750℃以上、焼鈍時間は５秒以上で行う。

熱延板焼鈍後は一回の冷間圧延で所望の板厚、または中間焼鈍を挟む二回以上の冷間圧延によって所望の板厚にすることが可能である。特に、中間焼鈍を挟む二回以上の圧延を行うことによって、さらにゴス集合組織を発達させることが可能となる。そのための二回以上の圧延を行う場合は、各冷間圧延の圧下率を50〜75％とすることが好ましい。さらに、好ましくは55〜70％である。
なお、中間焼鈍の温度および時間は特に限定されるものではないが、再結晶組織を得るため750℃以上５秒以上で行う。また、板厚は0.10mm〜0.35mmが好ましい。これは、0.10mmより薄くなると加工性が劣化し、一方0.35mmより厚くなると、渦電流損が増えることでモータコアとして良好な特性が得られないためである。

所望の板厚とした後は仕上げ焼鈍を行う。仕上げ焼鈍は、十分に結晶粒を成長させるため、900℃以上の温度で行うことが好ましい。焼鈍終了後は、そのまま又は通常の工程に従って絶縁被膜処理などの表面処理を施した後、電磁鋼板の圧延方向がティース方向となるように電磁鋼板を打ち抜き加工する。その後、コア形成に必要な枚数を積層し、焼き嵌めによってモータケースとモータコアを一体化させる。

Ｃ：0.002〜0.020mass％、Si：３mass％、Mn：0.06mass％、Al：0.001〜0.010mass％、Ｓ：0.0020mass％およびＮ：0.0025mass％を含み、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼スラブを、1100℃で20分加熱した後、熱間圧延にて2.3mm厚に仕上げた。その後、熱延板焼鈍を950℃で30秒の条件で行った後、圧下率65％で冷間圧延を行い中間厚：0.80mmとし、中間焼鈍を900℃で30秒行ってから圧下率62％で冷間圧延を行い、最終板厚：0.35mmとし、脱炭焼鈍を850℃で30秒（露点：30℃）にて行った後、仕上げ焼鈍を1000〜1100℃で30秒施し、圧延方向に対して{110}<001>方位に配向した結晶粒の面積率ΔＳを変化させたサンプルを作製した。

このように作製したサンプルから、圧延方向（以下、Ｌ方向と示す）に180mmおよび圧延直角方向（以下、Ｃ方向と示す）に30mmで切り出したＬ方向試片と、同様に、Ｌ方向に30mmおよびＣ方向に180mmで切り出したＣ方向試片と、について単板磁気試験（SST）を行って鉄損を測定した。なお、Ｃ方向試片は、Ｃ方向に圧縮応力を50MPa付与して鉄損を測定した。さらに、測定したＬ方向の鉄損Ｗ_10/400（L）と50MPaの応力を付加したＣ方向の鉄損Ｗ_10/400（C-50MPa）の和を求めた。

次に、この電磁鋼板を用いて、それぞれモータのティース部が電磁鋼板のＬ方向となるように分割して打ち抜き、それらをかしめ処理によって一体化した後巻線を施して３相８極の磁極集中巻の固定子とし回転子を取り付けて、出力500ＷのブラシレスDCモータを製作した。このモータについて、6000rpmにて回転させ入力電力と出力電力との比、出力（Ｗ）/入力（Ｗ）によってモータ効率を測定した。なお、このときモータの焼き嵌め力は50MPaであった。その測定結果を、図１および図２に示す。

図１では、モータ効率と鉄損の和：Ｗ_10/400（L）＋Ｗ_10/400（C-50MPa）との関係を示している。この図から明らかなように、モータ効率を向上するためには、少なくとも鉄損の和を55W/kg以下とする必要のあることがわかる。

また、図２には、鉄損の和：Ｗ_10/400（L）＋Ｗ_10/400（C-50MPa）と{110}<001>方位に配向した結晶粒の面積率ΔＳとの関係を示している。この図２より、{110}<001>方位に配向した結晶粒の面積率ΔＳが10％以上65％以下の範囲で鉄損の和：Ｗ_10/400（L）＋Ｗ_10/400（C-50MPa）が低減可能であることが分かる。

表１に示す各成分を含み、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼スラブを、1100℃で20分加熱した後熱間圧延にて2.3mm厚に仕上げた。その後、熱延板焼鈍を950℃で30秒の条件で行った後、圧下率65％で冷間圧延を行って中間厚：0.80mmとし、中間焼鈍を900℃で30秒行って圧下率62％で冷間圧延を行って最終板厚：0.35mmとし、脱炭焼鈍を850℃で30秒（露点：30℃）行った後、仕上げ焼鈍を1050℃で30秒施してから、Ｌ方向に180mmおよびＣ方向に30mmで切り出したＬ方向試片と、同様に、Ｌ方向に30mmおよびＣ方向に180mmで切り出したＣ方向試片と、について単板磁気試験（SST）を行って磁気特性を測定した。なお、Ｃ方向試片にはＣ方向に圧縮応力を50MPa付与して磁気特性を測定した。かくして得られた各サンプルの磁束密度を表２に併記する。

次に、この電磁鋼板を用いて、それぞれモータのティース部が電磁鋼板のＬ方向となるように分割して打ち抜き、それらをかしめ処理によって一体化した後巻線を施して３相８極の磁極集中巻の固定子とし回転子を取り付けて、出力500ＷのブラシレスDCモータを製作した。このモータについて、6000rpmにて回転させ入力電力と出力電力との比、出力（Ｗ）/入力（Ｗ）によってモータ効率を測定した。なお、このときモータの焼き嵌め力は50MPaであった。その測定結果を、表１に併記する。また、図３にモータ効率が80％以上となる領域を示す。
表１および図３によると、本請求項の範囲で良好な磁気特性およびモータ効率が得られていることがわかる。

Claims

Ｃ：0.03mass％以下、
Si：２〜７mass％、
Mn：0.05〜3.0mass％および
Al：0.001〜0.020mass％
を含有し、ＳおよびＮをそれぞれ50ppm以下に低減し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、磁界の強さ5000A/m時における圧延方向の磁束密度Ｂ₅₀（L）≧1.75Ｔかつ、周波数400Hz、最大磁束密度１Ｔ時における圧延方向の鉄損をＷ_10/400（L）、および圧延方向と直角方向に50MPaの圧縮応力を付加した時の、圧延方向と直角方向の鉄損をＷ_10/400（C-50MPa）とするとき、両者の鉄損の和Ｗ_10/400(L)＋Ｗ_10/400(C-50MPa) が下記式（１）を満たす電磁鋼板からなり、該電磁鋼板の圧延方向がティース方向となる、焼き嵌めにて固定されるステータに用いられる分割モータ用コア。
記
Ｗ_10/400 (L)＋Ｗ_10/400(C-50MPa)≦55Ｗ／kg …（１）
前記電磁鋼板において、｛110｝<001>方位に配向した結晶粒の面積率ΔＳが下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の分割モータ用コア。
記
10％≦ΔＳ≦65％ …（２）