JP7120038B2

JP7120038B2 - 分割型固定子および回転電機

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Publication number: JP7120038B2
Application number: JP2019006446A
Authority: JP
Inventors: 義顕名取; 裕義屋鋪; 美穂冨田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: JP2020115721A

Description

本発明は、分割型固定子および前記分割型固定子を備える回転電機に関する。

電動機、発電機等の回転電機として、固定子と、固定子の内周側に設けられる回転子とを備える構成が知られている。上記の固定子および回転子の材料として、無方向性電磁鋼板がしばしば用いられている。固定子を一体で製造する場合には歩留まりの低下が問題となるため、複数の固定子片を周方向に並べて組み合わせた、分割型の固定子がしばしば用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

また、近年、地球環境問題が注目されており、省エネルギーへの取り組みに対する要求は、一段と高まってきている。なかでも電気機器の高効率化が強く要望されており、電気自動車およびハイブリッド自動車用の駆動モータならびにエアコンのコンプレッサ用モータにおいては、その傾向が顕著である。

例えば、特許文献２には、圧延方向の磁気特性を飛躍的に向上させた無方向性電磁鋼板が開示されている。

特開２０１０－１９３６５９号公報特開２００６－２６５７２０号公報

特許文献２によれば、仕上焼鈍後に所定の圧下率におけるスキンパスと歪取焼鈍を行うことで、圧延方向における磁気特性を飛躍的に向上させることが可能である。しかしながら、本発明者らが検討を行った結果、２．５％以上のＳｉを含有するような鋼板においては、特許文献２に記載される技術を採用したとしても、圧延方向における磁気特性を向上させることができない場合があることを見出した。

加えて、上述したような分割型固定子を用いる場合には、リング状のケースで焼嵌め等することにより、外周側から複数の固定子片を固定する必要がある。そのため、分割された隣り合う固定子片同士の間には、周方向における圧縮応力が付与されることとなる。このような周方向における圧縮応力は、分割型固定子の鉄損を大きくさせ、回転電機の効率を低下させるおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、磁気特性に優れるとともに、周方向の圧縮応力に起因した鉄損増大を低減し、鉄損が小さい分割型固定子およびそれを備える回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、下記の分割型固定子および回転電機を要旨とする。

（１）周方向において複数の固定子片に分割された、回転電機用の分割型固定子であって、
軸方向に延びる円筒状のヨークと、
前記ヨークの内周面から径方向に延びる複数のティースとを備え、
前記固定子片のヨーク部分とティース部分とは、一体成形された複数枚の無方向性電磁鋼板が積層されてなり、
前記無方向性電磁鋼板の圧延面法線方向を面方位の基準とし、前記ティースの延びる方向を結晶軸の基準とした場合に、
前記固定子片のヨーク部分の周方向の中心部における、｛１１１｝面方位のＸ線ランダム強度比が２．５以上かつ｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が１．０未満であり、
前記固定子片のティース部分の先端部における、｛１１１｝面方位のＸ線ランダム強度比が０．５未満かつ｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が５．０以上である、
分割型固定子。

（２）前記無方向性電磁鋼板の化学組成が、質量％で、
Ｓｉ：２．５～４．０％、を含有する、
上記（１）に記載の分割型固定子。

（３）前記無方向性電磁鋼板の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００１５～０．００３０％、
Ｓｉ：２．５～４．０％、
Ｍｎ：０．０５～２．０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５％、
Ｐ：０．０８０％以下、
Ｓ：０．００３０％以下、
Ｔｉ：０．００３０％以下、
Ｎｉ：０～０．１０％、
Ｃｕ：０～０．１０％、
Ｃｒ：０～０．１０％、
Ｓｎ：０～０．２０％、
Ｃａ：０～０．００５０％、
Ｍｇ：０～０．００５０％、
ＲＥＭ：０～０．００５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
上記（２）に記載の分割型固定子。

（４）上記（１）から（３）までのいずれかに記載の分割型固定子と、
前記分割型固定子の内周側に配置された回転子と、
前記ヨークの外周から前記複数の固定子片に密接し、前記固定子片を固定するケースと、を備える、
回転電機。

本発明によれば、磁気特性に優れるとともに、周方向の圧縮応力に起因した鉄損増大を低減し、鉄損が小さい分割型固定子およびそれを備える回転電機を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る回転電機の構成を示す図である。

本発明者らが上記課題を解決するために検討を行った結果、以下の知見を得るに至った。

固定子片のうちヨーク部分においては、周方向における圧縮応力が付与されるため、鉄損が大きくなる。一般的に、｛１１１｝面方位が優位な鋼板は、異方性のない鋼板に比べて鉄損が大きいことが知られている。

しかしながら、上記鋼板の特性についてさらに調査を行った結果、｛１１１｝面方位が優位な鋼板は、圧縮応力の増加に伴う鉄損の上昇量が小さいことを見出した。すなわち、圧縮応力が付与されるヨーク部分においては、｛１１１｝面方位が優位な鋼板を用いる方が好ましい。

一方、圧縮応力が付与されることがないティース部分においては、磁気特性に優れる｛１１０｝＜００１＞方位（以下の説明において、「Ｇｏｓｓ方位」ともいう。）が優位な鋼板を用いることが好ましい。

ここで、上述のように、Ｓｉ含有量の高い無方向性電磁鋼板においては、スキンパスを行ったとしても、Ｇｏｓｓ方位が優位とならない場合がある。そこで発明者らが種々の条件で製造された鋼板の特性を調査した結果、鋼板の異方性は、スキンパス後の最終的な歪取焼鈍における加熱速度に大きく依存することを見出した。

すなわち、歪取焼鈍における加熱速度が速い場合には、Ｇｏｓｓ方位が優位となり、遅い場合には、｛１１１｝面方位が優位となる。そのため、歪取焼鈍における加熱速度を、ヨーク部分とティース部分とでそれぞれ調整することにより、優位となる結晶方位を作り分けることが可能となる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る分割型固定子およびそれを備える回転電機について説明する。

１．全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機の構成を示す図である。回転電機１００は、分割型固定子１０、回転子２０およびケース３０を備える。

分割型固定子１０は、周方向において複数の固定子片１０ａに分割されており、軸方向に延びる円筒状のヨーク１１と、ヨーク１１の内周面から径方向に延びる複数のティース１２とを備える。なお、本発明においては、ティース１２間の溝底１２ａを通る仮想的な円Ｃを、ヨーク１１とティース１２との境界とする。また、本実施形態においては４５個のティースが設けられているが、これに限定されず、例えば、１２個、１８個などであってもよい。

本実施形態においては、分割型固定子１０は、周方向において４５個の固定子片１０ａに分割されている。すなわち、各固定子片１０ａに１つずつティース１２が設けられている。また、固定子片１０ａは、全て同一の構成を有している。そして、それぞれの固定子片１０ａは、ヨーク部分とティース部分とが一体成形された、同一形状の複数枚の無方向性電磁鋼板を積層させることにより形成することができる。

回転子２０は、その軸心（回転中心）が分割型固定子１０の軸心と一致するように、分割型固定子１０の内周側に配置される。また、ケース３０は、ヨーク１１の外周から複数の固定子片１０ａに密接し、固定子片１０ａを固定する。ケース３０は、例えば、焼嵌めによって固定子片１０ａに密着させられる。この際に、固定子片１０ａにはケース３０により外周側から力が加えられることとなる。

２．異方性
固定子片１０ａのヨーク部分は、｛１１１｝面方位が優位であり、かつＧｏｓｓ方位｛１１｝＜００１＞が少なく、具体的には、ヨーク部分の周方向の中心部における、｛１１１｝面方位のＸ線ランダム強度比（以下、「Ｉ｛１１１｝ともいう。）が２．５以上であり、｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が１．０未満である。ヨーク部分の｛１１１｝面方位を優位にすることにより、圧縮応力の増加に伴う鉄損の上昇量を抑制することが可能となる。Ｉ｛１１１｝は３．５以上であるのが好ましい。一方、Ｇｏｓｓ方位｛１１０｝＜００１＞は圧縮応力の増加に伴う鉄損の上昇量が多く少ない方が好ましい。より好ましくは０．３未満である。

また、固定子片１０ａのティース部分は、Ｇｏｓｓ方位が優位であり、かつ｛１１１｝面方位が少なく、具体的には、ティース部分の先端部における、｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が５．０以上であり、｛１１１｝面方位のＸ線ランダム強度比が０．５未満である。圧縮応力の付与されないティース部分は、Ｇｏｓｓ方位を優位にすることにより、磁気特性を向上させることが可能となり、一方で磁気特性に劣位となる｛１１１｝面方位は少ない方が優れる。｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比は８．０以上であるのが好ましい。なお、ティース部分の先端部とは、ティースの長手方向における中央から先端までの領域を指すものとする。

なお、｛１１０｝面方位のＸ線ランダム強度比および｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比は、Ｘ線回折により測定する。また、Ｘ線ランダム強度比とは、特定の方位への集積を持たない標準試料と供試材とのＸ線強度を同条件でＸ線回折法により測定し、得られた供試材のＸ線強度を標準試料のＸ線強度で除した数値である。

具体的には、複数枚の無方向性電磁鋼板を積層された固定子片から一枚の鋼板を採取し、ヨーク部分の周方向の中心部およびティース部分の先端部から試験片を切り出し、鏡面研磨および化学研磨を行った後、測定を行う。この際、無方向性電磁鋼板の圧延面法線方向を面方位の基準とし、ティースの延びる方向を結晶軸の基準とする。

３．化学組成
各固定子片を構成する無方向性電磁鋼板の化学組成については特に制限は設けないが、例えば、質量％で、Ｃ：０．００１５～０．００３０％、Ｓｉ：２．５～４．０％、Ｍｎ：０．０５～２．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５％、Ｐ：０．０８０％以下、Ｓ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０．００３０％以下、Ｎｉ：０～０．１０％、Ｃｕ：０～０．１０％、Ｃｒ：０～０．１０％、Ｓｎ：０～０．２０％、Ｃａ：０～０．００５０％、Ｍｇ：０～０．００５０％、ＲＥＭ：０～０．００５０％、残部：Ｆｅおよび不純物であることが好ましい。

各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。

Ｃ：０．００１５～０．００３０％
Ｃは、鋼板の高強度化に寄与する元素である。一方、Ｃは、鉄損劣化を引き起こす元素であるため、過剰に含有すると、良好な磁気特性を得ることができないおそれがある。したがって、Ｃ含有量は０．００１５～０．００３０％であるのが好ましい。Ｃ含有量は０．００１８％以上であるのがより好ましく、０．００２７％以下であるのがより好ましい。

Ｓｉ：２．５～４．０％
Ｓｉは、鋼の電気抵抗を上昇させて鉄損を改善する元素である。また、Ｓｉは、固溶強化能が大きいため、鋼板の高強度化にも有効な元素である。一方、Ｓｉ含有量が過剰であると、加工性が著しく劣化し、冷間圧延を実施することが困難となるおそれがある。したがって、Ｓｉ含有量は２．５～４．０％であるのが好ましい。Ｓｉ含有量は２．８％以上であるのがより好ましく、３．７％以下であるのがより好ましい。

Ｍｎ：０．０５～２．０％
Ｍｎは、鋼の電気抵抗を上昇させて鉄損を改善する元素である。また、Ｍｎ含有量が低すぎる場合には、電気抵抗の上昇効果が小さいうえに、微細な硫化物（ＭｎＳ）が析出することで、仕上焼鈍時の粒成長性が劣化するおそれがある。一方、Ｍｎ含有量が過剰であると、磁束密度が低下するおそれがある。したがって、Ｍｎ含有量は０．０５～２．０％であるのが好ましい。Ｍｎ含有量は０．２％以上であるのがより好ましく、１．５％以下であるのがより好ましい。

ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５％
Ａｌは、鋼の電気抵抗を上昇させて鉄損を改善する元素である。一方、Ａｌ含有量が過剰であると、磁束密度が低下するおそれがある。したがって、Ａｌ含有量は０．０００５～１．５％であるのが好ましい。Ａｌ含有量は０．１５％以上であるのがより好ましく、１．０％以下であるのがより好ましい。なお、本明細書において、Ａｌ含有量は、ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）の含有量を意味する。

Ｐ：０．０８０％以下
Ｐは、不純物として鋼中に含まれ、その含有量が過剰であると、鋼板の延性が著しく低下するおそれがある。したがって、Ｐ含有量は０．０８０％以下であるのが好ましい。Ｐ含有量は０．０５０％以下であるのがより好ましい。

Ｓ：０．００３０％以下
Ｓは、ＭｎＳの微細析出物を形成することで鉄損を増加させ、鋼板の磁気特性を劣化させる元素である。したがって、Ｓ含有量は０．００３０％以下であるのが好ましい。Ｓ含有量は０．００１５％以下であるのがより好ましい。なお、Ｓ含有量の極度の低減は製造コストの増加を招くおそれがあるため、Ｓ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。

Ｔｉ：０．００３０％以下
Ｔｉは、不可避的に混入する元素であり、炭素または窒素と結合して析出物（炭化物、窒化物）を形成しうる。炭化物または窒化物が形成された場合には、これらの析出物そのものが磁気特性を劣化させるおそれがある。さらには、仕上焼鈍中の結晶粒の成長を阻害して、磁気特性を劣化させるおそれがある。したがって、Ｔｉ含有量は０．００３０％以下であるのが好ましい。Ｔｉ含有量は０．００２０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｔｉ含有量の極度の低減は製造コストの増加を招くおそれがあるため、Ｔｉ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましい。

Ｎｉ：０～０．１０％
Ｃｕ：０～０．１０％
Ｃｒ：０～０．１０％
Ｓｎ：０～０．２０％
Ｃａ：０～０．００５０％
Ｍｇ：０～０．００５０％
ＲＥＭ：０～０．００５０％
Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、不可避的に混入する元素である。しかし、これらの元素は、磁気特性を向上させる元素でもあるため、意図的に添加してもよい。

ただし、過剰に含有させると経済性が悪化するおそれがあるため、意図的に添加する場合は、Ｎｉ：０．１０％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｃｒ：０．１０％以下、Ｓｎ：０．２０％以下、Ｃａ：０．００５０％以下、Ｍｇ：０．００５０％以下、および、ＲＥＭ：０．００５０％以下とすることが好ましい。なお、磁気特性の向上効果を得たい場合には、Ｎｉ：０．０１％以上、Ｃｕ：０．０１％以上、Ｃｒ：０．０１％以上、Ｓｎ：０．０１％以上、Ｃａ：０．０００５％以上、Ｍｇ：０．０００５％以上、および、ＲＥＭ：０．０００５％以上から選択される１種以上を含有させることが好ましい。

本発明の無方向性電磁鋼板の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

４．製造方法
本発明の分割型固定子の製造方法については特に制限は設けないが、以下に示す方法により製造することが可能である。

４－１．無方向性電磁鋼板の製造方法
本発明の分割型固定子の素材となる無方向性電磁鋼板を製造する方法については特に制限はない。例えば、上記の化学組成を有するスラブを加熱した後、熱間圧延を施し、必要に応じて熱延板焼鈍を行い、酸洗し、冷間圧延を施し、その後、仕上焼鈍を行い、スキンパス圧延を施すことで、鋼板素材が得られる。

スキンパス圧延における圧下率は１～１０％とすることが好ましい。圧下率が１％未満では、歪誘起粒成長に必要な歪の量が十分ではない。一方、圧下率が１０％を超えると、結晶方位ごとの歪量の不均一が失われ均一化してしまう。

また、素材段階での鋼板の平均結晶粒径は４０μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径が４０μｍを超えると、歪誘起粒成長の開始が遅れるため、異方性が得られないおそれがあるためである。

４－２．固定子片の製造方法
上記の鋼板素材に対して、打ち抜き工程、積層工程、および歪取焼鈍工程を行うことで、固定子片が得られる。

歪取焼鈍工程においては、上述のように、ティース部分においては、Ｇｏｓｓ方位が優位となるよう、加熱速度を速くし、ヨーク部分においては、｛１１１｝面方位が優位となるよう、加熱速度を遅く制御する。具体的には、ティース部分の５００℃から７５０℃までの間の平均加熱速度が１℃／ｓ以上となるよう局所加熱を行い、その間、ヨーク部分の加熱温度は７００℃以下に維持する。その後、ヨーク部分の７００℃から７５０℃までの間の平均加熱速度が０．１℃／ｓ以下となるよう、全体加熱を行う。

このように、ヨーク部分とティース部分とのそれぞれにおいて加熱速度を調整することにより、優位となる結晶方位を作り分けることが可能となる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有するスラブを１１５０℃に加熱した後、仕上温度８００℃、仕上板厚２．２ｍｍにて熱間圧延を施し、７００℃で巻取って熱延鋼板とした。得られた熱延鋼板に対して、９５０℃×４０ｓの熱延板焼鈍を施し、酸洗により表面のスケールを除去した。さらに上記鋼板を、冷間圧延により板厚０．３ｍｍの冷延鋼板とした。

その後、仕上焼鈍条件（焼鈍温度および均熱時間）を変えて焼鈍し、表２に示す平均結晶粒径となるように調整した。具体的には、平均結晶粒径が大きくなるように制御する場合には、仕上焼鈍温度をより高く、および／または、均熱時間をより長くした。また、平均結晶粒径が小さくなるように制御する場合は、その逆とした。そして、ティースの長手方向が圧延方向となるように、表２に示す条件でスキンパス圧延を施し、鋼板素材を得た。

なお、鋼板素材の平均結晶粒径は、ＪＩＳＧ０５５１（２０１３）「鋼－結晶粒度の顕微鏡試験方法」に従って、測定した。

続いて、絶縁被膜を塗布した。絶縁被膜は、リン酸アルミニウムおよび粒径０．２μｍのアクリル－スチレン共重合体樹脂エマルジョンからなる絶縁被膜を所定付着量となるよう塗布し、大気中、３５０℃で焼付けることで形成した。

その後、得られた鋼板素材を所定形状に打ち抜き、積層した後、歪取焼鈍を行い、固定子片とした。歪取焼鈍工程においては、まず、ティース部分の５００℃から７５０℃までの間の平均加熱速度が表２に示す条件となるように局所加熱を行い、その間、ヨーク部分の加熱温度は７００℃以下に維持した。その後、ヨーク部分の７００℃から７５０℃までの間の平均加熱速度が表２に示す条件となるように、全体加熱を行った。

得られた固定子片について、ＪＩＳＧ０５５１（２０１３）「鋼－結晶粒度の顕微鏡試験方法」に従って、平均結晶粒径を測定した。さらに、固定子片から一枚の鋼板を採取し、ヨーク部分の周方向の中心部およびティース部分の先端部から試験片を切り出し、鏡面研磨および化学研磨を行った後、それぞれについて｛１１０｝面方位のＸ線ランダム強度比および｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比を、Ｘ線回折により測定した。

磁気特性は固定子片と同条件となるように焼鈍した５５ｍｍ角の単板試験片で評価した。ティース部分の評価は５５ｍｍ角試験片の圧延方向に５０００Ａ／ｍで励磁した際の磁束密度Ｂ５０、および１．０Ｔ４００Ｈｚで励磁した際の鉄損Ｗ１０／４００で評価した。ヨーク部分の評価は５５ｍｍ角試験片の圧延方向と直角方向（ＴＤ方向）に励磁した際の磁気特性で評価したが、鉄損については５０ＭＰａの圧縮応力を付加しながら１．０Ｔ４００Ｈｚで励磁した際の鉄損Ｗ１０／４００＿５０ＭＰａで評価した。

それらの結果を表２に併せて示す。

表２に示すように、本発明例では、ヨーク部分において｛１１１｝面方位が優位であるため、圧縮応力が付与された場合でも鉄損が小さいことが分かる。また、ティース部分においてはＧｏｓｓ方位が優位であるため、比較例に比べて鉄損が小さくかつ磁束密度が高い結果となった。

以上のように、本発明によれば、磁気特性に優れるとともに、周方向の圧縮応力に起因した鉄損増大を低減し、鉄損が小さい分割型固定子およびそれを備える回転電機を得ることができる。

１０分割型固定子
１０ａ固定子片
１１ヨーク
１２ティース
１２ａ溝底
２０回転子
３０ケース
１００回転電機

Claims

周方向において複数の固定子片に分割された、回転電機用の分割型固定子であって、
軸方向に延びる円筒状のヨークと、
前記ヨークの内周面から径方向に延びる複数のティースとを備え、
前記固定子片のヨーク部分とティース部分とは、一体成形された複数枚の無方向性電磁鋼板が積層されてなり、
前記無方向性電磁鋼板の圧延面法線方向を面方位の基準とし、前記ティースの延びる方向を結晶軸の基準とした場合に、
前記固定子片のヨーク部分の周方向の中心部における、｛１１１｝面方位のＸ線ランダム強度比が２．５以上かつ｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が１．０未満であり、
前記固定子片のティース部分の先端部における、｛１１１｝面方位のＸ線ランダム強度比が０．５未満かつ｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が５．０以上である、
分割型固定子。
前記無方向性電磁鋼板の化学組成が、質量％で、
Ｓｉ：２．５～４．０％、を含有する、
請求項１に記載の分割型固定子。
前記無方向性電磁鋼板の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００１５～０．００３０％、
Ｓｉ：２．５～４．０％、
Ｍｎ：０．０５～２．０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５％、
Ｐ：０．０８０％以下、
Ｓ：０．００３０％以下、
Ｔｉ：０．００３０％以下、
Ｎｉ：０～０．１０％、
Ｃｕ：０～０．１０％、
Ｃｒ：０～０．１０％、
Ｓｎ：０～０．２０％、
Ｃａ：０～０．００５０％、
Ｍｇ：０～０．００５０％、
ＲＥＭ：０～０．００５０％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、
請求項２に記載の分割型固定子。
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の分割型固定子と、
前記分割型固定子の内周側に配置された回転子と、
前記ヨークの外周から前記複数の固定子片に密接し、前記固定子片を固定するケースと、を備える、
回転電機。