JP6211184B2

JP6211184B2 - 磁性損失低減及び強度向上のための電磁鋼板積層コアの製造方法及びこれによって製造された積層コア

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Publication number: JP6211184B2
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Description

本発明は、電磁鋼板積層コアの製造方法及びこれによって製造された積層コアに係り、より詳しくは、電磁鋼板を積層及び溶接して製造されるコアの磁性損失を低減させるとともに強度を向上させることができる、電磁鋼板積層コアの製造方法及びこれによって製造された積層コアに関する。

電磁鋼板は、ケイ素（Ｓｉ）を含有し、磁気特性に優れた鋼板であり、モータ、発電機などの回転機器のコア（鉄心）に用いられ、そしてコアとして使用するために中心に円形の孔が形成された円板の形態で、高さ方向に沿って順に積層及び溶接される。

このように積層された電磁鋼板のコアは、渦電流損失を減らすために、各電磁鋼板の表面に絶縁コーティングが行われる。このような絶縁コーティングは、打ち抜き性を考慮して、無機物と有機物が混合された有機無機複合コーティングが主に用いられる。

一方、このような電磁鋼板の積層コアは、製造工程中の運搬時や銅線の挿入時に積層された電磁鋼板の素材が分離するのを防止するために、クリンチング（ｃｌｉｎｃｈｉｎｇ）のような機械的締結、又は溶接によって結合される。クリンチングの中、特に家電用又は電気自動車用小型積層コアの溶接には、主に溶加材を使用しないティグ（ＴＩＧ：ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接が用いられている。

しかし、このような電磁鋼板間の機械的又は溶接による結合は、機械的変形及び熱変形による磁性損失だけでなく、積層された電磁鋼板の間で短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）を発生させて磁性損失（鉄損）をもたらす。

ここで、非特許文献１に、このような短絡による磁性損失は、溶接に比べてクリンチングの方が少ないと報告されている。
しかし、ハイブリッド自動車又は電気自動車など非用いる高出力／高効率モータに対するニーズが増大したのに対応するために、積層コアの大きさ（積層高さ）に対するニーズが大型化し、それにつれて、積層鋼板間のクリンチングでは結合力に限界が生じた。その結果、溶接の適用を避けることが難しくなってきたという問題がある。

溶接による積層コアの性能の劣化の大きさは、溶接熱量に関わる溶接部の幅と、深さ又は溶接数などと、に比例すると報告されている。これによれば、性能の劣化を減らすために溶接熱量又は溶接数を最小化することが求められる。しかし、モータなどのような製品を大出力にするためにコアの大きさが増加するに従い、溶接熱量や溶接数を最小化するのには限界が生じた。また、溶接熱量を低減するという側面で、プラズマ溶接又はレーザー溶接の適用も提案されているが、これらには、電磁鋼板間の結合力の側面で限界があるのが実情である。

また、絶縁のために表面にコーティングされた有機無機複合コーティングは、溶接中に有機物の分解によってガス化し、発生したガスが溶融金属の凝固過程で捕捉されて溶接部内部に気孔欠陥を発生させるため、溶接部の結合力を低下させるという問題がある。

ＩＥＥＪ．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，１２３（９），８５７（２００３）

本発明は、電磁鋼板を積層及び溶接して製造されるコアの磁性損失を低減させるとともに、強度も向上させることができる電磁鋼板積層コアの製造方法、及びこれによって製造された電磁鋼板積層コアを提供することを課題とする。

本発明の一実施形態は、電磁鋼板を積層して積層体を得る段階と、前記積層体の外周面を溶接する段階と、を含み、溶接時に電気比抵抗が６．５×１０−７Ωｍ以上であり、比透磁率が１．０２未満であり、前記電磁鋼板より低い融点を有するオーステナイト系溶接ワイヤを溶接材料として用いることを特徴とする電磁鋼板積層コアの製造方法を提供する。

発明の他の実施形態は、電磁鋼板が積層された積層体と、前記積層体の外周面が前記電磁鋼板より低い融点を有するオーステナイト系溶接ワイヤで溶接された溶接部と、を含み、前記溶接部は、電気比抵抗が６．５×１０−７Ωｍ以上であり、比透磁率が１．０２未満である電磁鋼板積層コアを提供する。

本発明によれば、溶接によって発生する電気的短絡部の抵抗及び溶接部の磁性を制御するとともに、溶接熱量を適切に制御することにより、結合力が低下せずに、且つ、熱応力及び熱変形を低減させて磁性も向上させることができる電磁鋼板積層コアの製造方法を提供することができる。

また、溶接部の凝固温度を低下させることで絶縁コーティングの分解によるガスの放出を容易にすることにより、気孔又はピットのような溶接欠陥の発生を防止することが可能である。

なお、本発明の製造方法によって製造された積層コアは、優れた強度及び低い磁性損失の低減を有するため、中小型だけでなく大型モータ、発電機などの製品にも好ましく適用されることができる。

一般的なＴＩＧ自生溶接における溶接電流によるコアの鉄損を示すグラフである。ＴＩＧ自生溶接時に溶接電流によるコア溶接部の強度の変化を示すグラフである。本発明の電磁鋼板積層コアの製造方法を示す図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）は断面図を示す。本発明の一実施例によって製造された積層コアの内部の気孔を観察した写真であり、（ａ）は比較例２、（ｂ）は発明例１、（ｃ）は比較例４、及び（ｄ）は発明例２の写真である。

本発明者らは、電磁鋼板が積層された積層コアを製造するための溶接時に、積層コアの磁性が劣化するという問題を解決するための研究を行った結果、超薄型電磁鋼板積層コアの外周面溶接によって発生する電磁鋼板間の短絡、内部の気孔の形成、熱応力、及び熱変形などが積層コアの磁性に影響を与えることを確認した。

図１は、一般的なＴＩＧ自生溶接における溶接電流による積層コアの磁性損失の変化を示すグラフである。ここで、磁性損失の測定方法は、ＩＥＣ６０４０４−０６のリングコア試験法に従って行われた。また、凡例の「Ｗ１５／５０」は、磁束密度１．５Ｔ、周波数５０Ｈｚの条件を、「Ｗ１０／２００」は、磁束密度１．０Ｔ、周波数２００Ｈｚの条件を、「Ｗ１０／４００」は、磁束密度１．０Ｔ、周波数４００Ｈｚの条件を、「Ｗ８／８００」は、磁束密度０．８Ｔ、周波数８００Ｈｚの条件を意味する。

図１に示すように、磁性損失は、溶接熱量に影響を及ぼす溶接電流に比例して増大し、特に高回転条件に該当する高周波条件で増大する。即ち、磁性損失を減少させるためには、溶接熱量を減少させなければならないことが分かる。換言すれば、このような溶接熱量の低減による磁性損失の減少は、溶接の熱によるストレス（熱変形）を減少させると共に、溶接部の形成による電気的短絡部位の面積の減少を通じた電気的抵抗の増大によるものであると判断される。

一方、図２は、通常の積層コアの溶接工程であるＴＩＧ自生溶接時の溶接電流によるコア溶接部の強度の変化を示すグラフである。前記溶接部の強度は、コアを成す電磁鋼板の強度を一つずつ測定した後、その平均値と標準偏差をボックス（ｂｏｘ）形態のグラフで示した。グラフ中のボックスの上辺と下辺は、第３四分位数及び第１四分位数であり、中間線は、中間値を意味し、ボックス内の点は、平均値を意味し、ボックス外部の上線と下線は、それぞれ最大値と最小値を示す。このとき、溶接時の溶接速度は、３００ｍｍ／ｍｉｎであり、引張試験機の引張速度は、５ｍｍ／ｍｉｎであった。
図２に示すように、溶接熱量を減少させるために、溶接電流が減少した場合は、溶接部の強度が低下することが確認できる。即ち、図１に示したように、磁性損失を減らすために、溶接熱量を減少させた場合は、溶接部の強度の低下を容認しなければならず、このような強度の低下は、モータのような積層コアの運搬時や後工程において溶接部の破断をもたらす可能性があるため、安全上の問題や追加の補修作業のための費用上昇などの問題が発生するおそれがあることが分かる。

つまり、磁性損失の低減のために溶接熱量を低減させることが好ましいが、溶接部の強度を確保するためには、最小限の溶接熱量を与える必要があるため、低い溶接熱量でも優れた強度を確保することができ、磁性損失の低減効果も優れた積層コアの製造方法が求められることが分かる。

上記の結果に基づき本発明者らは、溶接部の強度が低下しない範囲で溶接熱量を低減して熱応力及び熱変形を減少させ、且つ溶接部による短絡抵抗を増加させるための方法として、通常の溶接ワイヤを使用しない溶接、例えば、ＴＩＧのような溶接方法に加えて、本発明による溶接ワイヤを溶接材料として用いることにより、積層コアの溶接による磁性損失を最小化するための方法を提案するに至った。

本発明の一実施形態に係る電磁鋼板積層コアの製造方法は、電磁鋼板を積層して積層体を得る段階と、該積層体の外周面を溶接する段階と、を含み、溶接時に電気比抵抗が６．５×１０^−７Ωｍ以上であり、比透磁率が１．０２未満であり、前記電磁鋼板より低い融点を有する溶接ワイヤを溶接材料として用いることを特徴とする。

図３は、本発明の電磁鋼板積層コアの製造方法を示す図であって、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）は断面図を示す。
以下、図３を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
しかし、本発明の実施形態は、多様な形態で変形されることができ、本発明の範囲は、以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。

図３に示すように、積層コアを製造するために、まず電磁鋼板１を積層して積層体１０を得ることが好ましい。このとき、モータ又は変圧器のような製品に好ましく適用するために、先ず電磁鋼板を打ち抜いて最終の製品に求められる形状に加工することが好ましい。
一方、本発明では、電磁鋼板の種類に対しては特に限定せず、当該技術分野で用いられる多様な電磁鋼板を適用することができる。また、本発明の製造方法には、高価な合金元素が添加されていない安価な電磁鋼板を好ましく用いることができ、これにより、従来の高価な鋼種を、より低い等級の電磁鋼板で代替することができるため、費用節減の効果を得ることができる。もちろん、強度向上又は磁性損失低減のために高価な合金元素を含む電磁鋼板にも適用可能である。

次に、前記積層体１０を、銅板（ｃｏｐｐｅｒｓｈｉｍ）２０とともに、加圧シリンダー３０に連結されたクランピングバー（ｃｌａｍｐｉｎｇｂａｒ）４０の間に位置させた後、前記クランピングバー４０に圧力を加えて前記積層体１０に一定の圧力を加圧する。一定の圧力に達すると、溶接トーチ５０を用いて溶接を行う。このとき、溶接トーチ５０の移動方向の前端から溶接ワイヤ６０を一定の速度で送ることが好ましい。溶接トーチの移動方向は上向き、下向きの何れでもよく、ワイヤの送り方向も移動方向の前端方向、後端方向の何れの方向であってもよい。一方、前記銅板２０は、溶接アークの生成及び消滅が行われる部分で、積層体の開始部と先端部とに安定な溶接部を形成するために用いられる。前記銅板は、銅以外の素材で代替することもできるが、積層体との溶着を防止するために銅を用いることが好ましい。一方、前記加圧シリンダー３０は、加圧力を与えるために電気モータや油圧源などに連結することができる。

本発明では、上述の通り、積層体を溶接して積層コアを製造するにあたり、溶接時に溶接ワイヤを溶接材料として用いて、溶接による熱変形を減少させ、溶接部が非磁性及び高い電気比抵抗を有するようにすることにより、磁性損失を増加させる電気的短絡の影響を低減させることができる。特に、本発明によれば、自生溶接に比べて同一の溶接条件における優れた強度向上及び磁性損失低減の効果を発現することができる。即ち、自生溶接に比べて低い溶接電流条件でも溶接部の高強度を確保することができるため、熱変形の減少効果を更に得ることができる。
このため、前記溶接ワイヤは、電気比抵抗が６．５×１０^−７Ωｍ以上であり、比透磁率が１．０２未満であることが好ましい。電気比抵抗が６．５×１０^−７Ωｍ未満である場合は溶接部の電気的短絡の影響が大きくなって磁性損失が増加する可能性があり、比透磁率が１．０２以上である場合は比磁性特性を確保することが困難である。前記溶接ワイヤは、電気比抵抗が、より好ましくは６．９×１０^−７Ωｍ以上、更に好ましくは７．２×１０^−７Ωｍ以上、最も好ましくは７．８×１０^−７Ωｍ以上であることが有利である。
また、前記溶接ワイヤの比透磁率は、より好ましくは１．０１以下、更に好ましくは１．００５以下、最も好ましくは１．００３以下であることが有利である。一方、前記溶接ワイヤは、電気比抵抗は高ければ高いほど、比透磁率は低ければ低いほど磁性損失を減少させる効果に優れるため、本発明では電気比抵抗の上限及び比透磁率の下限は特に限定しない。また、前記比透磁率は、空気の透磁率に対する相対的な値であるため単位がない点に留意すべきである。

前記溶接ワイヤは、電磁鋼板で構成される前記積層体より低い融点を有することが好ましい。通常、電磁鋼板の融点は１４６６℃〜１５０１℃の範囲で、溶接時のアークによって溶接部は３０００℃まで温度が上がる。本発明が提案するように、電磁鋼板より融点が低い溶接ワイヤを用いる場合、即ち、融点が１４６６℃未満である溶接ワイヤを用いる場合は、溶接時に溶融した溶接部が再び固くなるまでの時間をより延ばすことができる。即ち、溶接時に有機物の分解によって形成されるガスが外部に排出されるための時間を十分に確保できるようになり、溶接部内に気孔が形成されるのを効果的に防止することができる。前記溶接ワイヤは、融点が、より好ましくは１４５４℃以下、更に好ましくは１４２０℃以下、最も好ましくは１４１０℃以下であることが有利である。融点は低ければ低いほど気孔の形成防止に有利であるため、本発明では、前記溶接ワイヤの融点の下限に対して特に限定しない。

一方、積層コアの磁性損失は、溶接による電気的短絡に起因するため、前記溶接ワイヤとしては、オーステナイト系のような非磁性及び高い電気比抵抗の特性を有する溶接ワイヤを用いることが好ましい。例えば、前記溶接ワイヤは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ系合金、Ｎｉ金属、Ｎｉ系合金及びＴＷＩＰ鋼などを用いることができる。このとき、前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金は、３００系ステンレス鋼、前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ系合金は、２００系ステンレス鋼であってよい。前記２００系及び３００系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼で、本発明では、前記オーステナイト系ステンレス鋼を用いることがより好ましい。本発明では、前記２００系又は３００系ステンレス鋼の種類に対しては特に限定しないが、例えば、前記２００系ステンレス鋼として、韓国工業規格ＫＳＢＩＳ０１４３４３で規定されたＳＴＳ２０１、ＳＴＳ２０２、及びＳＴＳ２０５などを用いることができ、また、３００系ステンレス鋼としては、韓国工業規格ＫＳＢＩＳ０１４３４３で規定されたＳＴＳ３０８、ＳＴＳ３０９、及びＳＴＳ３１０などを用いることができる。一方、本発明が提案するＮｉ系合金は、本発明が提案する電気比抵抗、比透磁率、融点などの条件を満たすために、Ｎｉ含量が２５重量％を超えることが好ましい。前記Ｎｉ含量は、Ｎｉ含量が４０％を超過することがより好ましく、５０重量％を超過することが更に好ましい。前記で言及した自生溶接とは、溶接ワイヤを溶接材料として使用せず、母材だけを溶融させて溶接する方法を意味する。

一方、本発明に適用される電磁鋼板は、渦電流損失を減らすために、その表面に絶縁コーティングを行うことができる。但し絶縁コーティングは、溶接中に有機物の分解によってガス化し、発生したガスが溶融金属の凝固過程で捕捉されて溶接部内部に気孔欠陥として存在し、溶接部の結合力を低下させるという問題が生じ得る。しかし、本発明によれば、オーステナイト系の溶接ワイヤを溶接材料として用いることにより、溶接熱量を低減させることができ、これにより、有機物の分解を抑制することができるため、溶接部の内部気孔を効果的に低減させることができる。特に、本発明が提案するオーステナイト系ステンレス溶接ワイヤは、電磁鋼板に比べて合金元素の含有量がかなり多い合金であるため、融点が相対的に低い。これにより、溶接時に溶接部が溶融状態を維持する時間が長いことから、溶接熱によって分解されて発生した内部ガスが、溶接部が凝固する前に前記溶接部内部から脱出するのに十分な時間があるため、溶接部の気孔低減に効果的である。一方、本発明では、絶縁コーティングの種類に対しては特に限定しない。但し、本発明が提供する方法によれば、気孔形成を防止するという側面で、クロムフリー絶縁コーティングを効果的に適用することができる。通常、前記クロムフリー絶縁コーティングは、通常耐熱性が高いため高温で分解されるが、そのため前記絶縁コーティングの分解によって発生するガスが容易に放出されなくなるという短所がある。しかし、本発明が提案する方法によれば、溶融部の融点を低くすることができ、これにより溶融部が凝固するまでの時間を遅らせることができるため、気体を効果的に排出することができる。

本発明に適用される溶接方法として、比較的費用が安価でありながら当該技術分野で広く用いられるＴＩＧ溶接方法を好ましく用いることができるが、溶接ワイヤを使用しないレーザー溶接又はプラズマ溶接も適用可能である。

一方、上述の通り、オーステナイト系溶接ワイヤを使用し、電磁鋼板積層体を溶接する場合、本発明で得ようとする効果を容易に達成することができるが、前記溶接時に溶接熱量の制御が同時に行うことがより有利である。

例えば、本発明に適用される溶接方法が溶接がＴＩＧ溶接である場合は、溶接熱量を０．９〜２．８８ＫＪ／ｃｍの範囲で制御する。この時、溶接熱量が０．９ＫＪ／ｃｍ未満である場合は、入熱量が足りないため溶接ワイヤの溶融が困難であるだけでなく、自生溶接でさえ素材自体の溶融量が少なくて溶接部の結合力を十分に確保できないという問題がある。一方、２．８８ＫＪ／ｃｍを超過すると、多すぎる入熱量によって熱変形が大きく発生して、積層コアの寸法不一致などの形状不良の問題が発生し、モータのような製品としての使用が不可能となる。従って、前記溶接熱量は、０．９〜２．８８ＫＪ／ｃｍの範囲を有することが好ましく、０．９〜２．４ＫＪ／ｃｍの範囲を有することがより好ましい。
溶接による磁性劣化は、溶接熱量の増加による熱応力の増加及び溶接部の短絡抵抗の減少に比例するため、前記溶接熱量は０．９〜１．５３ＫＪ／ｃｍ未満の水準を有することが更に好ましい。一方、当該技術分野で通常用いられる自生溶接方法によれば、一定の水準以上の強度を確保するために、１．５３〜２．８８ＫＪ／ｃｍの範囲の溶接熱量を与える。しかし、本発明によれば、前記溶接電流を従来に比べて低い水準で適用してもより優れた強度を確保することができるだけでなく、磁性損失の低減効果にも優れる。

本発明では、上述の通り、溶接熱量の範囲を満たすものであればいかなる溶接電流及び溶接速度の条件を用いても支障がないため、前記溶接電流及び溶接速度に対して特に限定を加えない。但し、より効果的に溶接熱量を制御するためには、溶接電流は５０〜１２０Ａの範囲で制御することが好ましい。
また、本発明は、溶接電流が５０Ａ未満である場合は、溶接部の結合力を十分に確保できないため溶接部の破断をもたらす可能性があり、これに対し、前記溶接電流が１２０Ａを超過すると、入熱量が多すぎて、熱によるストレス（熱変形）が高くなったり内部の気孔の抑制効果が低下して、磁性損失の減少効果が低下するおそれがある。従って、溶接電流は、５０〜１２０Ａの範囲を有することが好ましく、より好ましくは、５０〜９０Ａの範囲を有することが有利である。また、溶接電流は、溶接熱量と直接関わるもので、溶接電流が小さくなるほど溶接熱量も少なくなる。従って、溶接電流はできる限り低い水準を有することが好ましい。これにより、本発明は、溶接電流が５０Ａ以上〜８５Ａ未満の範囲を有することが更に好ましい。

また、本発明は、溶接時の溶接速度が３００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲を有することが好ましい。溶接速度も、溶接熱量と関わるもので、溶接熱量を制御するために溶接速度を適切に制御することが好ましい。本発明は、溶接速度が１０００ｍｍ／ｍｉｎを超過すると、速度が速すぎて溶接部内に気孔が発生して磁性損失が増加するおそれがある。また、溶接部に十分な溶接熱量が提供されないため良好な溶接部を得ることができない可能性がある。このような問題を解決するために溶接電流を高くする方法があり得るが、この場合、費用の上昇をもたらすことになる。これに対し、溶接速度が３００ｍｍ／ｍｉｎ未満である場合は、生産性が著しく低下する可能性があり、低すぎる速度で溶接されて溶接熱量が増加するという問題が生じ得る。前記溶接速度は、溶接ワイヤの送給安定性を確保するために、溶接速度は、より好ましくは３００〜７００ｍｍ／ｍｉｎ、更に好ましくは３００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの範囲を有することが有利である。

一方、本発明では、溶接ワイヤの直径に関して具体的に限定しないが、短絡抵抗は、溶接部の寸法に反比例するためできるだけ直径が小さいものを用いることが好ましく、より好ましくは、溶接ワイヤは、０．３〜２．０ｍｍの直径を有するもｎを用いることが有利である。溶接ワイヤの直径が０．３ｍｍ未満である場合は、ワイヤの製造費用が上昇する可能性があり、直径が２．０ｍｍを超過すると、溶接部のサイズが大き過ぎて短絡抵抗が減少する可能性があり、その結果、磁性損失低下の問題が発生し、同一の溶接速度及びワイヤの送給速度条件でワイヤを溶融するための溶接熱量の増加が求められて熱応力の増加による磁性損失低下の問題が発生するおそれがある。より好ましくは、０．３〜２．０ｍｍの直径を有する溶接ワイヤを用いることが有利である。前記溶接ワイヤの直径の下限は０．５ｍｍであることがより好ましく、０．８ｍｍであることが更に好ましく、上限は１．６ｍｍであることがより好ましく、１．０ｍｍであることが更に好ましい。

また、前記溶接ワイヤの送り速度は、溶接熱量、特に溶接速度によって決定しなければならないが、溶接速度に比べてワイヤの送給速度が遅すぎる場合は、不連続的な溶接ビードが形成される可能性があり、特に本発明が提案する条件である低い溶接熱量の条件で局部的な強度低下の区間が形成されるため、積層コアの自重などによるクラック発生のおそれがある。なお、溶接ワイヤの送り速度が溶接速度より速すぎる場合は、溶接ワイヤの十分な溶融が困難であるため、安定した溶接部の形成が不可能である可能性がある。従って、溶接ワイヤの送り速度は、溶接速度の１．５〜３．０倍であることが好ましい。より好ましくは１．５〜２．０倍である。

一方、前記溶接時には、前記積層体を厚さ方向に加圧することが求められ、これにより、電磁鋼板間の溶接を円滑に行うようにすることができる。更に、同一の体積の積層コアに収まる電磁鋼板の枚数（占積率）を増加させることができるためモータの性能を高めることができる。このとき、加圧時の加圧力は、０．５〜３ＭＰａの範囲を有することが好ましい。前記加圧力が０．５ＭＰａ未満である場合は、低い占積率による最終の製品の低性能化のような短所が発生する可能性がある。３ＭＰａを超過すると、溶接によって発生した絶縁コーティング分解ガスによる多量の気孔発生により、溶接部の外観の品質及び強度の低下が発生するおそれがある。前記加圧力の下限は０．８ＭＰａであることがより好ましく、１．２ＭＰａであることが更に好ましく、上限は２ＭＰａであることがより好ましく、１．５ＭＰａであることが更に好ましい。

上記の通り、本発明の電磁鋼板積層コアの製造方法によれば、自生溶接と同一の溶接熱量でも短絡抵抗の制御が可能であるため、磁性損失の減少効果を得ることができる。また、自生溶接より遥かに低い溶接熱量でも、より優れた強度を確保することができ、低い溶接熱量による熱応力と熱変形の低減及び短絡抵抗の制御によって優れた磁性を確保することができる。

本発明は、上記のような製造方法によって製造される一実施形態によって、電磁鋼板が積層された積層体と、前記積層体の外周面が溶接された溶接部と、を含み、且つ溶接時にオーステナイト系溶接ワイヤを溶接材料として用いて製造されることを特徴とする積層コアを提供する。

上記のように製造される積層コアは、溶接部の電気比抵抗が６．５×１０^−７Ωｍ以上であり、比透磁率が１．０２未満であることを特徴とする。前記溶接部は６．５×１０^−７Ωｍ以上の電気比抵抗及び１．０２未満の比透磁率を有することにより、溶接部の短絡抵抗が増加するため渦電流による損失を低減することができる。一方、本発明は、前記溶接部の電気比抵抗が高ければ高いほど好ましいため、電気比抵抗の上限に対しては特に限定しない。

また、前記積層コアは溶接部が下記式１及び２を満たす合金組成を有することが好ましい。

［式１］ｙ≧−０．８×ｘ×２．８
［式２］ｙ≧ｘ−１０
このとき、前記ｘはＣｒ＋２．５Ｓｉ＋１．８Ｍｏ＋２Ｎｂであり、ｙはＮｉ＋０．５Ｍｎ＋３０Ｃであり、前記Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣの単位は重量％である。

もし、前記積層コアの溶接部が前記［式１］及び［式２］の条件を満たさないｙ＜−０．８×２．８、又はｙ＜ｘ−１０である場合は、磁性を有するフェライトが１０面積％以上で存在するため、磁性損失の低減効果を相殺するという短所がある。

即ち、本発明の積層コアは、溶接部が前記［式１］及び［式２］の条件を満たし、微細組織が、１０面積％未満のフェライトと、主組織としてのオーステナイトと、を含むことが好ましい。前記フェライトは、５面積％未満であることが有利であり、３面積％未満であることが更に好ましい。最も好ましくは、オーステナイト単相組織を有することが有利である。

一方、本発明が提供する積層コアは、前記積層コアを構成する電磁鋼板の表面に絶縁コーティングが形成されることが好ましく、これにより、渦電流損失を減らすことができる。特に、本発明が提供する積層コアは、クロムフリー絶縁コーティングが形成される場合、気孔形成の抑制の側面でより有利に作用することができる。

以下に、実施例を通じて本発明をより詳細に説明する。但し、下記実施例は本発明をより詳細に説明するためのものであって、本発明の権利範囲を限定しない。

（実施例１）
０．３５ｍｍの厚さを有し、表面にクロム型絶縁コーティングが行われ、３重量％のＳｉを含有する電磁鋼板を用い、前記電磁鋼板を打ち抜いた後、積層してモータのステータ用コア積層体を得た。前記積層体を、加圧シリンダによって２ＭＰａの圧力で加圧した状態で、溶接ワイヤを溶接材料として用いてＴＩＧ溶接を行った。このとき、用いた溶接ワイヤは、電気比抵抗が７．８×１０^−７Ωｍ、比透磁率が１．００３、融点が１４５０℃であり、直径は０．９ｍｍであるＳＴＳ３１０のソリッドワイヤである。
比較例として用いたワイヤは、電気比抵抗が１．８×１０^−７Ωｍ、比透磁率が１０００、融点が１５２９℃である５０Ｋｇｆ級の炭素鋼系ワイヤである。
積層コアの磁性は、占積率に依存するため、占積率を一定にするために、それぞれの試験時に同一の枚数の電磁鋼板を用いた。
溶接は積層体の外周面を９０°の間隔で４個所行い、溶接電流を下記表１のような条件で変化させた。このとき、溶接速度は３００ｍｍ／ｍｉｎ、ワイヤの送り速度は７００ｍｍ／ｍｉｎ、保護ガスとしては１２．５Ｌ／ｍｉｎのＡｒを用いた。
これによって製造された積層コアに対してＩＥＣ６０４０４−０６のリングコア試験法に従って磁性損失を測定した。また、前記積層コアを構成する電磁鋼板１５枚を分離し、それぞれの電磁鋼板に対して溶接部の強度を測定した。それらの結果を下記表１に示す。

上記表１から分かるように、本発明の製造条件に符合する発明例１〜３と、溶接を行わなかった場合である比較例１と、を比べた場合は、磁性損失は微量の増加であったが、５００Ｎ以上の優れた溶接部の強度を確保しただけでなく、磁性損失も低い水準であることが分かる。特に、従来の溶接方法である自生溶接法を用いた比較例２〜５に比べても、同一の溶接電流条件において低減された磁性損失を有し、強度は２．５倍以上と著しく優れた水準であることが分かる。また、炭素鋼界溶接ワイヤを用いた比較例６に比べても低い水準の磁性損失を確保できることが分かる。

図４は、本発明の一実施例によって製造された積層コアの内部の気孔を観察した写真であり、（ａ）は比較例２、（ｂ）は発明例１、（ｃ）は比較例４、（ｄ）は発明例２の写真である。
図４から分かるように、溶接電流が変わっても、自生溶接を行った場合に比べて本発明にかかるオーステナイト系溶接ワイヤを溶接材料として用いながら溶接して積層コアを製造した場合は、内部気孔が著しく減少したことが分かる。

即ち、本発明が提案する通り、オーステナイト系のような非磁性／高抵抗の溶接ワイヤを用いることにより、溶接ワイヤの電気的特性による磁性損失減少とともに溶接部の強度を向上させることができ、溶接電流を減らすことで磁性損失の減少効果を確保して二重の磁性改善の効果を得ることができる。また、従来の自生溶接方法に比べて内部気孔を著しく減少させて溶接欠陥も防止することができる。

（実施例２）
０．３０ｍｍの厚さを有し、表面にクロムフリー（ｆｒｅｅ）型絶縁コーティングが行われ、３重量％のＳｉを含有する電磁鋼板を打ち抜いた後、積層してモータのステータ用コア積層体を得た。前記積層体を加圧シリンダを通じて０．５ＭＰａの加圧力で加圧した状態で溶接ワイヤを溶接材料として用いて実施例１と同一の方法でＴＩＧ溶接を行い、比較例として自生溶接を行った。このとき、用いられた溶接ワイヤとしては、電気比抵抗が７．８×１０−７Ωｍ、比透磁率が１．００３、融点が１４５０℃であるＳＴＳ３１０のソリッドワイヤ及び電気比抵抗が７．２×１０−７Ωｍ、比透磁率が１．００４、融点が１４１９℃であるＳＴＳ３０８Ｌのソリッドワイヤを用いており、直径は０．９ｍｍであった。溶接時に溶接電流は５０Ａ、溶接速度は３００ｍｍ／ｍｉｎ、ワイヤ送給速度は７００ｍｍ／ｍｉｎ、保護ガスとしては１２．５Ｌ／ｍｉｎのＡｒを用いた。これによって製造された積層コアに対してＩＥＣ６０４０４−０６のリングコア試験法に従って磁性損失を測定し、下記表２に示した。

上記表２から分かるように、本発明の製造条件に符合する発明例４及び５の場合は、溶接による電気的短絡部の形成によって比較例７に比べて磁性損失が微量増加したことが分かる。しかし、自生溶接法を用いた比較例８に比べてかなり低減した磁性損失を確保することが分かる。

１電磁鋼板
１０積層体
２０銅板
３０加圧シリンダ
４０クランピングバー
５０溶接トーチ
６０溶接ワイヤ

Claims

電磁鋼板を積層して積層体を得る段階と、
前記積層体の外周面を溶接する段階と、
を含み、
前記溶接時に電気比抵抗が６．５×１０−７Ωｍ以上であり、比透磁率が１．０２未満であり、前記電磁鋼板より低い融点を有するオーステナイト系溶接ワイヤを溶接材料として用いることを特徴とする電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記溶接ワイヤは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ系合金、Ｎｉ金属、Ｎｉ系合金、及びＴＷＩＰ鋼からなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金は、３００系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項２に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ系合金は、２００系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項２に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記電磁鋼板は、表面にクロムフリー絶縁コーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記溶接は、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接及びプラズマ溶接からなる群より選択された１種であることを特徴とする請求項１に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記溶接は、ＴＩＧ溶接であり、前記溶接時の溶接熱量が、０．９〜２．８８ＫＪ／ｃｍであることを特徴とする請求項６に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記溶接は、ＴＩＧ溶接であり、前記溶接時の溶接電流が、５０〜１２０Ａであることを特徴とする請求項６に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記溶接は、ＴＩＧ溶接であり、前記溶接時の溶接速度が、３００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項６に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記溶接時に、前記積層体を厚さ方向に加圧することを特徴とする請求項１に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
前記加圧時に、加圧力が０．５〜３ＭＰａであることを特徴とする請求項１０に記載の電磁鋼板積層コアの製造方法。
電磁鋼板が積層された積層体と、前記積層体の外周面が前記電磁鋼板より低い融点を有するオーステナイト系溶接ワイヤで溶接された溶接部と、を含み、
前記溶接部は、電気比抵抗が６．５×１０−７Ωｍ以上であり、比透磁率が１．０２未満であることを特徴とする電磁鋼板積層コア。
前記溶接部は、下記式１及び式２を満たす合金組成を有することを特徴とする請求項１２に記載の電磁鋼板積層コア。
［式１］ｙ≧−０．８×ｘ×２．８
［式２］ｙ≧ｘ−１０
（但し、ｘはＣｒ＋２．５Ｓｉ＋１．８Ｍｏ＋２Ｎｂであり、ｙはＮｉ＋０．５Ｍｎ＋３０Ｃであり、前記Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣの単位は重量％である。）
前記溶接部は、微細組織が１０％未満のフェライトを含むことを特徴とする請求項１２に記載の電磁鋼板積層コア。
前記溶接部は、前記電磁鋼板より低い融点を有する溶接ワイヤによって形成されることを特徴とする請求項１２に記載の電磁鋼板積層コア。
前記溶接ワイヤは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ系合金、Ｎｉ金属、Ｎｉ系合金及びＴＷＩＰ鋼からなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項１５に記載の電磁鋼板積層コア。
前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金は、３００系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１６に記載の電磁鋼板積層コア。
前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ系合金は、２００系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１６に記載の電磁鋼板積層コア。
前記電磁鋼板は、表面にクロムフリー絶縁コーティングを含むことを特徴とする請求項１２に記載の電磁鋼板積層コア。