JP6409521B2

JP6409521B2 - らせん巻きコア用電磁鋼板およびその製造方法、らせん巻きコア、らせん巻きコアの製造方法

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Publication number: JP6409521B2
Application number: JP2014232568A
Authority: JP
Inventors: 脇坂　岳顕; 岳顕脇坂; 洋介黒崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-11-17
Also published as: JP2016094655A

Description

本発明は、らせん巻きコア用電磁鋼板およびその電磁鋼板の製造方法と、その電磁鋼板から製造されたらせん巻きコアおよびらせん巻きコアの製造方法に関するものである。

近年、ハイブリッドカー（ＨＥＶ）または電気自動車（ＥＶ）用として用いられる駆動用モータに対しては、高透磁率化および低鉄損化への要求が非常に高くなっている。また、近年、モータの高速回転化および多極化が進んでおり、コアを形成する電磁鋼板には、高周波での鉄損低減が求められている。

一方で、モータには、低コスト化の要求も高く、例えば材料の歩留まり向上のために、従来はオルタネータで採用されてきたらせん巻きコアを、ＨＥＶやＥＶの駆動用モータにも適用したいというニーズがある。従来のらせん巻きコア用素材としては、低合金系で結晶粒径が小さく加工性の良いＳＰＣＣ等の無方向性電磁鋼板が用いられているが、これは、透磁率、鉄損ともに、ＨＥＶやＥＶの駆動用モータのスペックを満たすものではない。

一方、方向性電磁鋼板は、二次再結晶により｛１１０｝〈００１〉方位、いわゆるＧＯＳＳ方位の集積度を高めることで、鋼板の長手方向の透磁率が高く、鉄損が低くなる。

特許文献１には、方向性電磁鋼板を所定の長さに切断し、その長さが電磁鋼板の幅となるように接合することにより、幅方向に磁気特性が優れたらせんコア用長尺電磁鋼板が製造されることが開示されている。また、特許文献２には、らせんコアに加工した後焼鈍し、焼鈍後の粒径を０．１ｍｍ以上とすることにより、ティースの磁気特性が優れたらせんコアが製造されることが開示されている。

特許文献３には、鋼板を螺旋巻きしてなる積層部品において、鋼板表面の主要な結晶面方位が｛０１１｝、螺旋巻きの中心から半径方向の主要な結晶方位が＜１００＞であり、その結晶面と結晶方位が３０度以内、板幅方向の板厚偏差が４％以下で積層したときの占積率が９５％以上であり、さらに積層部品を構成する材料の長手方向の最大伸び：Ｐ（％）と螺旋巻きした鋼板の外径Ｒと内径ｒの比Ｒ／ｒが、１．２≦Ｒ／ｒ≦（１００＋Ｐ）／（１００−Ｐ）を満足することにより、らせん加工後の板厚変化が小さい鋼板の積層部品が得られることが開示されている。

特許文献４には、方向性電磁鋼板製の回転機器用螺旋コアにおいて、螺旋コアのティース長さＬ、コアバック部平均直径Ｄ、および界磁極数Ｐが、２／Ｐ＜Ｄ／（ＰＬ）＜１．５で示される関係であることにより、磁気特性に優れ、高い形状精度のらせんコアが得られることが開示されている。

特許文献５には、Ｔ型歯を有するインナー螺旋回転機鉄心の製造方法において、鉄心素材として一方向性電磁鋼板を用い、歯方向を一方向性電磁鋼板の圧延方向に合わせて所定形状に採片し、鉄心継鉄部と歯先Ｔ型部の側端部を同時に螺旋加工することにより、高性能の螺旋鉄心を製造する方法が開示されている。

上記各特許文献は、いずれも、ティース部とコアバック部とが、同じ結晶粒径の方向性電磁鋼板で形成される。ところが、二次再結晶させた方向性電磁鋼板は、結晶粒径が１ｍｍ以上（数ｍｍ〜十数ｍｍ）と大きく、曲げ加工には適していない。らせん巻きコアを形成する際、コアバック部には曲げ加工が入るが、二次再結晶させた方向性電磁鋼板の粗大な結晶粒では、折れることなく滑らかに加工するのは困難である。特許文献３には、方向性電磁鋼板を幅方向に曲げると、板厚変化のないらせん巻きコアができることが記載されているが、通常の方向性電磁鋼板では板厚に対し結晶粒径が大きいため、曲げ加工中に折れが生じる懸念がある。

また、高Ｓｉ系の無方向性電磁鋼板にスキンパス圧延を加えて加工性を良好にする技術もあるが、この場合、曲げ加工をしないティース部も磁気特性が劣化してしまう。あるいは、らせん巻き加工後に歪み取り焼鈍を行う必要がある。

さらに、特許文献６には、積層コアを円筒状に巻回形成する過程で、部分的に塑性変形させて薄肉部を形成し、その薄肉部によって良好に螺旋状に巻取ることができる固定子鉄芯が開示されているが、薄肉部に歪みを導入しているため、コアの磁気特性が低下する。

特開平７−２９８５６９号公報特開平７−２９８５７０号公報特開平８−２５１８４５号公報特開平９−９２５６１号公報特開２００６−２５４６４５号公報特開２０１４−４５６４１号公報

以上のように、従来のらせん巻きコアは、高性能な磁気特性と、コアバック部の曲げ加工性とを両立していなかった。

本発明の目的は、低コストで磁気特性および曲げ加工性に優れたらせん巻きコア用電磁鋼板、およびその電磁鋼板から作られるらせん巻きコアを提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、結晶粒径が１ｍｍ以上の結晶粒が体積率で９０％以上の、ティース部となる二次再結晶部と、結晶粒径が１０μｍ〜５００μｍの、コアバック部となる微細結晶部とが、圧延方向に交互に配置されていることを特徴とする、らせん巻きコア用電磁鋼板を提供する。

また、本発明は、前記らせん巻きコア用電磁鋼板を製造する方法であって、製鋼、熱間圧延、冷間圧延、および複数の熱処理工程を有し、二次再結晶を発現させる工程よりも前に、電磁鋼板の圧延方向に一定の間隔をあけて一定の長さにわたって、二次再結晶を阻害する処理を行うことにより、前記二次再結晶部と前記微細結晶部とを、前記圧延方向に交互に配置することを特徴とする、らせん巻きコア用電磁鋼板の製造方法を提供する。前記二次再結晶を発現させる処理は、仕上げ焼鈍であってもよい。

前記二次再結晶を阻害する処理は、前記電磁鋼板への歪みの導入でもよい。あるいは、焼鈍分離剤の除去、または、前記電磁鋼板の表面へのインヒビタ形成元素の塗布であってもよい。

さらに、本発明は、前記らせん巻きコア用電磁鋼板から作られたらせん巻きコアであって、ティース部が前記二次再結晶部から、コアバック部が前記微細結晶部から打ち抜かれたコア素材をらせん加工したものであることを特徴とする、らせん巻きコアを提供する。

また、本発明は、前記らせん巻きコア用電磁鋼板から、らせん巻きコアを製造する方法であって、ティース部を前記二次再結晶部から、コアバック部を前記微細結晶部から打ち抜いたコア素材をらせん加工することを特徴とする、らせん巻きコアの製造方法を提供する。

本発明によれば、低コストで且つ磁気特性および加工性の両方に優れたモータコアを製造するためのらせん巻きコアに適した電磁鋼板、およびその電磁鋼板から作られるらせん巻きコアを得ることができる。

本発明にかかる電磁鋼板の概要を示す部分平面図である。図１に示す電磁鋼板を用いた、コア素材の打ち抜き例を示す平面図である。図１に示す電磁鋼板から打ち抜かれたコア素材の例を示す平面図である。コア素材の異なる例を示す平面図である。図３のコア素材を用いて作られたらせん巻きコアの例を示す平面図である。実施例１において、比較例としてティース部およびコアバック部の両方が二次再結晶部となるように打ち抜いた場合を示す平面図である。実施例１において、比較例としてティース部とコアバック部とがそれぞれ微細結晶部と二次再結晶部とになるように打ち抜いた場合を示す平面図である。実施例１において、比較例としてティース部およびコアバック部の両方が微細結晶部となるように打ち抜いた場合を示す平面図である。実施例２において、比較例として作製した二次再結晶部と微細結晶部とが幅方向に交互に配置されている電磁鋼板を示す平面図である。実施例２において、比較例としてティース部とコアバック部とが二次再結晶部と微細結晶部とで交互になるように打ち抜いた場合を示す平面図である。実施例２において、比較例としてティース部を二次再結晶部から、コアバック部を微細結晶部から打ち抜いた場合を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明は、曲げ加工を行わないティース部は二次再結晶させ、曲げ加工を行うコアバック部は二次再結晶させないように電磁鋼板を処理することで、ティース方向は透磁率および鉄損の性能に優れるとともに、コアバック部は容易に成形可能な、らせん巻きコアおよびその素材となる電磁鋼板を実現するものである。なお、本明細書において、粒径とは、結晶粒の面積を円に換算したときの直径である。

一般に、方向性電磁鋼板の製造工程は、製鋼、熱間圧延、冷間圧延、および、脱炭焼鈍、必要に応じた窒化、仕上げ焼鈍等の各種熱処理による工程で製造され、圧延方向（長手方向）に磁気特性が優れる。冷間圧延後の脱炭焼鈍により、圧延時の加工歪みが入った結晶組織が再結晶（一次再結晶）して歪みが解放される。一次再結晶後の結晶粒径は１０〜２０μｍ程度である。それを再び焼鈍（仕上げ焼鈍）することで、二次再結晶が起こり、直径が１ｍｍ以上の大きな結晶粒が体積率で９０％以上存在するようになる。

本発明の電磁鋼板は、Ｓｉを２〜７質量％含有し、Ａｌ、Ｍｎ等の固有抵抗を上げる元素は、二次再結晶を阻害しない範囲で添加してもよい。そして、本発明では、二次再結晶を発現させる前、すなわち本実施形態では仕上げ焼鈍よりも前の工程として、長手方向に一定の間隔且つ一定の幅で、二次再結晶を阻害して微細結晶部を形成するための処理を行う。その他の工程は、従来の方向性電磁鋼板の製造工程と同様である。

二次再結晶を阻害する処理としては、例えばショットブラストあるいはショットピーニング、曲げ加工、レーザピーニング等で、脱炭焼鈍後の鋼板に部分的に再度歪みを与えて、二次再結晶時の昇温過程に粒成長させて二次再結晶の駆動力を減らす方法がある。また、焼鈍分離剤の塗布を部分的にする、あるいは部分的に焼鈍分離剤を除去してインヒビタの状態を変化させる方法や、あるいは、例えば、Ａｌ、Ｍｎ等のインヒビタ形成元素を鋼板表面に直接塗布することで、インヒビタの強度を変化させ、その部分のみ正常な二次再結晶を起こさせないようにする方法がある。これらのうちいずれかの処理を行うことにより、仕上げ焼鈍時に処理部分の正常な二次再結晶を阻害し、結晶粒径１０〜５００μｍで磁気異方性が小さく、加工性の良好な組織の微細結晶部が形成される。また、この処理をしていない部分は、磁気特性が優れ、粒径が大きい二次再結晶部となる。

図１は、本実施形態にかかる電磁鋼板１の模式図であり、電磁鋼板１の圧延方向である長手方向に、二次再結晶部２と微細結晶部３とが交互に形成されている。図中の矢印は圧延方向を示す。二次再結晶部２および微細結晶部３の、電磁鋼板１の長手方向の寸法は、製造するらせん巻きコアの寸法に合わせて設定される。

図２は、図１の電磁鋼板１から、らせん巻きコアのコア素材１１を打ち抜く例を示し、図３は、図２で打ち抜かれたコア素材１１を示す。コア素材１１は、ティース部１２方向が、電磁鋼板１の長手方向に平行になるように打ち抜かれ、ティース部１２を二次再結晶部２から、コアバック部１３を微細結晶部３から採取する。図２に示すように、ティース部１２の幅と、ティース部１２とティース部１２との間隔が等しい場合には、電磁鋼板１を効率よく利用し、材料歩留まりを上げ、打ち抜きの効率もよい。ただし、本発明は、図２の場合に限らず、ティース部１２の幅と、ティース部１２とティース部１２との間隔が異なる場合でも構わない。また、ティース部１２の形状は、目的に応じて適宜成形してよい。

また、コア素材１１は、図３に示すように、ティース部１２全体が二次再結晶部２であり、コアバック部１３全体が微細結晶部３であることが望ましいが、図４に示すように、ティース部１２の一部が微細結晶部３であっても構わない。一方、コアバック部１３に二次再結晶部２が存在すると、コアバック部１３の曲げ加工性を低下させることになるが、鋼材成分や製造条件に依存する加工性の程度やコアバック部形状に起因する必要加工性を勘案した設計が可能である。

電磁鋼板１から打ち抜かれたコア素材１１は、らせん加工をして、例えば図５に示すようならせん巻きコア１４が形成される。らせん加工とは、従来のらせん巻きコアと同様に、コア素材の板面内で塑性加工により曲げ加工を行い、これらを積層してらせんコアを形成し、回転機のコアとするものである。本発明のらせん巻きコア１４によれば、微細結晶部３から作られたコアバック部１３を曲げ変形させるため、容易にらせん加工を行うことができる。

以上のように、本発明のらせん巻きコアは、ティース部１２のティース方向を、素材となる電磁鋼板１の長手方向に揃えることができるため、電磁鋼板１の良好な磁気特性をそのまま活用できる。しかも、コアバック部１３は微細結晶部３であるため、曲げ加工性が良好である。しかも、このようならせん巻きコア１４を、１枚の電磁鋼板１から打ち抜いて作ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、仕上げ焼鈍での二次再結晶を阻害し微細結晶領域を形成するための処理は、前述の方法に限らず、部分的な熱処理や、部分的な脱炭抑止剤の塗布や、窒化により二次再結晶を正常化させるプロセスでは部分的な窒化抑止剤の塗布など、正常な二次再結晶を阻害すると考えられる手段を適用できる。

また、現実的には、二次再結晶部２と微細結晶部３とは、図１〜５に示すように明確な境界線で分かれるものではなく、境界部分に両結晶部が混在していてもよい。その場合、ティース部が二次再結晶部２のみから打ち抜かれたものではなく、一部微細結晶部３が混在してもよいし、コアバック部が微細結晶部３のみから打ち抜かれたものでなく、一部二次再結晶部２が混在してもよい。

板厚０．３５ｍｍの方向性電磁鋼板の脱炭焼鈍板に対し、圧延方向に一定の間隔をあけて一定の長さにわたって、二次再結晶を阻害する処理を行い、その後高温の仕上げ焼鈍を行うことにより、結晶粒径が１ｍｍ以上の結晶粒が体積率で９０％以上の二次再結晶部２と、結晶粒径が１０μｍ〜５００μｍの微細結晶部３とが、図１に示すように圧延方向に交互に配置されている電磁鋼板１を作製した。その電磁鋼板１を用いてらせん巻きコア用素材を打ち抜く際に、ティース部１２とコアバック部１３とが図２に示すようにそれぞれ二次再結晶部２と微細結晶部３とに当たるように打ち抜き、その後、図５に示すようにティース部１２が内側になる様にらせん加工した。らせん加工後、ティース部１２に巻線を行い、ステータコアを作製した。そして、ステータコアをモータベンチにセットし、モータ性能を評価した。比較例として、板厚０．３５ｍｍの無方向性電磁鋼板３５Ａ３００を用いてらせん巻きコアを作製し、モータ性能の評価基準とした。さらに、比較例として、図６に示すようにティース部１２およびコアバック部１３の両方が二次再結晶部２となるように打ち抜いた場合、図７に示すようにティース部１２とコアバック部１３とがそれぞれ微細結晶部３と二次再結晶部２とに当たるように（本発明とは反対に）打ち抜いた場合、図８に示すようにティース部１２およびコアバック部１３の両方が微細結晶部３となるように打ち抜いた場合について比較を行った。結果を表１に示す。

表１に示すように、ティース部１２が二次再結晶部２から、コアバック部１３が微細結晶部３から打ち抜かれたコア素材１１をらせん加工した本発明例は、コアバック部１３に折れが発生せず、モータ性能は３５Ａ３００を用いたらせん巻きコアよりも良好であった。

ティース部１２が打ち抜かれた場所が、二次再結晶部２、微細結晶部３にかかわらず、コアバック部１３の打ち抜かれた場所が二次再結晶部２の場合、らせん巻き時にコアバック部１３に折れが発生し、らせん巻きコアを作製することができなかった。

ティース部１２、コアバック部１３ともに微細結晶部３の場合、らせん加工時にコアバック部１３に折れは発生しなかったが、モータ性能は３５Ａ３００を用いたらせん巻きコアとほぼ同等であった。

板厚０．３５ｍｍの方向性電磁鋼板の脱炭焼鈍板に対し、圧延方向に一定の間隔をあけて一定の長さにわたって、二次再結晶を阻害する処理を行い、その後高温の仕上げ焼鈍を行うことにより、結晶粒径が１ｍｍ以上の結晶粒が体積率で９０％以上の二次再結晶部２と、結晶粒径が１０μｍ〜５００μｍの微細結晶部３とが、圧延方向に交互に配置されている電磁鋼板Ａを作製した（図１参照）。比較例として、幅方向に一定の間隔をあけて一定の長さにわたって、二次再結晶を阻害する処理を行い、その後高温の仕上げ焼鈍を行うことにより、結晶粒径が１ｍｍ以上の結晶粒が体積率で９０％以上の二次再結晶部２と、結晶粒径が１０μｍ〜５００μｍの微細結晶部３とが、図９に示すように幅方向に交互に配置されている電磁鋼板Ｂを作製した。これらの電磁鋼板Ａ、Ｂを用いてらせん巻きコア用素材を打ち抜く際に、電磁鋼板Ａは、図２に示すようにティース部１２が二次再結晶部２から、コアバック部１３が微細結晶部３から打ち抜き、その後、ティース部１２が内側になる様にらせん加工した。電磁鋼板Ｂは、図１０に示すように、ティース部１２とコアバック部１３とが、二次再結晶部２と微細結晶部３とで交互になるように打ち抜き、その後、ティース部１２が内側になる様にらせん加工した。また、電磁鋼板Ｂについて、図１１に示すように、ティース部１２を二次再結晶部２から、コアバック部１３を微細結晶部３から打ち抜き、その後、ティース部１２が内側になる様にらせん加工したものも作製した。らせん加工後ティース部１２に巻線を行い、ステータコアを作製した。そして、ステータコアをモータベンチにセットし、モータ性能を評価した。比較例として、板厚０．３５ｍｍの無方向性電磁鋼板３５Ａ３００を用いてらせん巻きコアを作製し、モータ性能の評価基準とした。結果を表２に示す。

表２に示すように、電磁鋼板Ａをらせん加工したコアはコアバック部１３に折れが発生せず、モータ性能は、３５Ａ３００を用いたらせん巻きコアよりも良好であった。電磁鋼板Ｂを、ティース部１２の方向が圧延方向に向くようにらせん加工したコアは、コアバック部１３に軽度な折れが発生し、モータ性能は評価できたが、モータ性能は３５Ａ３００を用いたらせん巻きコアよりも劣位であった。また、電磁鋼板Ｂを、ティース部１２の方向が幅方向に向くようにらせん加工したコアは、コアバック部１３に折れは発生しなかったが、モータ性能は３５Ａ３００を用いたらせん巻きコアよりも劣位であった。

本発明は、磁気特性が要求される部分と曲げ加工性が要求される部分とを有するらせん巻きコアの他、湾曲部を有するリニア型コアにも適用できる。

１電磁鋼板
２二次再結晶部
３微細結晶部
１１コア素材
１２ティース部
１３コアバック部
１４らせん巻きコア

Claims

結晶粒径が１ｍｍ以上の結晶粒が体積率で９０％以上の、ティース部となる二次再結晶部と、結晶粒径が１０μｍ〜５００μｍの、コアバック部となる微細結晶部とが、圧延方向に交互に配置されていることを特徴とする、らせん巻きコア用電磁鋼板。
請求項１に記載のらせん巻きコア用電磁鋼板を製造する方法であって、
製鋼、熱間圧延、冷間圧延、および複数の熱処理工程を有し、
二次再結晶を発現させる工程よりも前に、電磁鋼板の圧延方向に一定の間隔をあけて一定の長さにわたって、二次再結晶を阻害する処理を行うことにより、前記二次再結晶部と前記微細結晶部とを、前記圧延方向に交互に配置することを特徴とする、らせん巻きコア用電磁鋼板の製造方法。
前記二次再結晶を発現させる処理は、仕上げ焼鈍であることを特徴とする、請求項２に記載のらせん巻きコア用電磁鋼板の製造方法。
前記二次再結晶を阻害する処理は、前記電磁鋼板への歪みの導入であることを特徴とする、請求項２または３のいずれか一項に記載のらせん巻きコア用電磁鋼板の製造方法。
前記二次再結晶を阻害する処理は、焼鈍分離剤の除去であることを特徴とする、請求項２または３のいずれか一項に記載のらせん巻きコア用電磁鋼板の製造方法。
前記二次再結晶を阻害する処理は、前記電磁鋼板の表面へのインヒビタ形成元素の塗布であることを特徴とする、請求項２または３のいずれか一項に記載のらせん巻きコア用電磁鋼板の製造方法。
請求項１に記載のらせん巻きコア用電磁鋼板から作られたらせん巻きコアであって、
ティース部が前記二次再結晶部から、コアバック部が前記微細結晶部から打ち抜かれたコア素材をらせん加工したものであることを特徴とする、らせん巻きコア。
請求項１に記載のらせん巻きコア用電磁鋼板から、らせん巻きコアを製造する方法であって、
ティース部を前記二次再結晶部から、コアバック部を前記微細結晶部から打ち抜いたコア素材をらせん加工することを特徴とする、らせん巻きコアの製造方法。