JP7192887B2 - 無方向性電磁鋼板、分割型固定子および回転電機 - Google Patents

無方向性電磁鋼板、分割型固定子および回転電機 Download PDF

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Description

本発明は、無方向性電磁鋼板、分割型固定子、およびこの分割型固定子を備える回転電機に関する。
本願は、２０１９年０１月１７日に、日本に出願された特願２０１９－００６４４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
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。
電気機器の高効率化には、電気機器が含むモータに使用される無方向性電磁鋼板の磁気特性を向上させることが有効である。そのため、このような課題に対し、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。
また、分割型固定子は、無方向性電磁鋼板を打ち抜き加工や切削等によって加工して製造される。そのため、分割型固定子に用いられる無方向性電磁鋼板には、加工性や被削性等が求められる。しかしながら、特許文献２のように無方向性電磁鋼板の圧延方向の磁気特性を向上させた場合、組織に異方性が存在し、加工性が低下する可能性がある。
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、分割型固定子の変形の原因となるため、寸法精度を低下させるおそれがある。しかしながら、特許文献２では、このような課題については検討されていない。
日本国特開２０１０－１９３６５９号公報 日本国特開２００６－２６５７２０号公報
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、分割型固定子に好適な、加工性及び歪取焼鈍後の磁気特性に優れる無方向性電磁鋼板、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変形を抑制し、高い寸法精度を有する分割型固定子、およびその分割型固定子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、下記の無方向性電磁鋼板、分割型固定子および回転電機を要旨とする。
（１）本発明の一態様に係る無方向性電磁鋼板は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、Ｓｉ：２．５～４．０％、を含有し、平均結晶粒径が、１０～４０μｍであり、表面から板厚方向に０．５～３．０μｍの厚さの内部酸化層が存在している。
（２）（１）に記載の無方向性電磁鋼板は、前記化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、Ｓｉ：２．５～４．０％、Ｍｎ：０．０５～２．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５０％、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および不純物であってもよい。
（３）（１）または（２）に記載の無方向性電磁鋼板は、圧延方向のヤング率ＥＬと圧延方向に直角な方向のヤング率Ｅｃとの比であるＥＬ／Ｅｃが０．９０以上であってもよい。
（４）（１）～（３）のいずれかに記載の無方向性電磁鋼板は、引張強度が（２３０＋１００×（［Ｓｉ］＋０．５×［ｓｏｌ．Ａｌ］））ＭＰａ以上であり、伸びが２０％未満であってもよい。
ここで、［Ｓｉ］は、無方向性電磁鋼板中の質量％でのＳｉ含有量、［ｓｏｌ．Ａｌ］は無方向性電磁鋼板中の質量％でのｓｏｌ．Ａｌ含有量である。
（５）本発明の別の態様に係る分割型固定子は、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、前記固定子片は、複数枚の無方向性電磁鋼板が積層されてなり、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｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が５以上であり、前記無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径が１００～２００μｍであり、前記無方向性電磁鋼板の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、およびＳｉ：２．５～４．０％、を含有する。
（６）（５）に記載の分割型固定子は、前記固定子片の前記ティースが延びる方向におけるＢ５０／Ｂｓの値が０．８５以上であり、前記ヨークの周方向におけるヤング率Ｅ（ＧＰａ）が下記（ｉ）式を満足してもよい。
Ｅ≧２０５－３．３×［Ｓｉ］＋１０ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の［Ｓｉ］は、前記無方向性電磁鋼板中の質量％でのＳｉ含有量を表す。
（７）（５）または（６）に記載の分割型固定子は、前記無方向性電磁鋼板の前記化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、Ｓｉ：２．５～４．０％、Ｍｎ：０．０５～２．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５０％、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および不純物であってもよい。
（８）本発明の別の態様に係る回転電機は、（５）～（７）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。
本発明の上記態様によれば、加工性及び歪取焼鈍後の磁気特性に優れる無方向性電磁鋼板、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変形を抑制し、高い寸法精度を有する分割型固定子、および、その分割型固定子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。
本発明者らは上記課題を解決するために検討を行った。その結果、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、変形の原因となる。しかしながら、｛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で、ヨークの周方向におけるヤング率を高めることが可能となり、弾性変形量を軽減することができる。
加えて、Ｇｏｓｓ方位が優位な鋼板は、磁気特性に優れるため、ティース部分における磁気特性を向上させることが可能となる。
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、Ｓｉ含有量が高い場合であっても、スキンパス前の仕上焼鈍工程において脱炭を生じさせ、Ｃ含有量を低減させることにより、歪取焼鈍後に安定的にＧｏｓｓ方位を優位にすることができることを見出した。
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無方向性電磁鋼板、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。本実施形態においては、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、例えば、同一形状の複数枚の無方向性電磁鋼板（本実施形態に係る無方向性電磁鋼板）を積層させることにより形成される。
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．無方向性電磁鋼板
２－１．化学組成
各固定子片を構成するのに好適な、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の化学組成は、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、およびＳｉ：２．５～４．０％、を含有する必要がある。それぞれの限定理由について説明する。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％以下
Ｃは、鋼板の高強度化に寄与する元素である。しかしながら、本実施形態においては、Ｃ含有量を低減することにより、Ｓｉ含有量が高い場合においても、歪取焼鈍後に安定的にＧｏｓｓ方位を優位にすることが可能となる。Ｃ含有量が高い場合には、歪取焼鈍時にＴｉＣが析出し、粒界移動が一時的にピン止めされ、その間、歪誘起粒成長に必要な歪が回復によって失われるためと考えられる。したがって、Ｃ含有量は０．００１５％以下とする。Ｃ含有量は０．００１３％以下が好ましく、０．００１０％以下がより好ましい。Ｃ含有量の下限は限定されないが、Ｃ含有量の過度の低減は、製造コストの上昇を招く。そのため、Ｃ含有量は０．０００１％以上が好ましく、０．０００５％以上がより好ましい。
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。そのため、Ｓｉ含有量を２．５％以上とする。Ｓｉ含有量は２．８％以上が好ましい。
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４．０％以下とする。Ｓｉ含有量は３．７％以下が好ましい。
ＣおよびＳｉを除く化学組成については特に制限は設けないが、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の化学組成は、例えば、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、Ｓｉ：２．５～４．０％、Ｍｎ：０．０５～２．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５０％、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。
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。そのため、Ｍｎ含有量は０．０５％以上が好ましい。Ｍｎ含有量は０．１％以上がより好ましく、０．２％以上がさらに好ましい。
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２．０％以下が好ましい。Ｍｎ含有量は１．５％以下がより好ましい。
ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５０％
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。そのため、Ａｌ含有量は０．０００５％以上が好ましく、０．１５％以上がより好ましい。
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１．５０％以下が好ましく、１．００％以下がより好ましい。本実施形態において、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％以下が好ましい。Ｐ含有量は０．０５０％以下がより好ましい。
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％以下が好ましい。Ｓ含有量は０．００１５％以下がより好ましい。
一方、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ので、Ｓ含有量は０．０００１％以上が好ましく、０．０００３％以上がより好ましく、０．０００５％以上がさらに好ましい。
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、析出物が仕上焼鈍中の結晶粒の成長を阻害して、磁気特性が劣化するおそれがある。したがって、Ｔｉ含有量は０．００３０％以下が好ましい。Ｔｉ含有量は０．００２０％以下がより好ましい。
一方、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ので、Ｔｉ含有量は０．０００５％以上が好ましい。
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、不可避的に混入し得る元素である。一方で、これらの元素は、磁気特性を向上させる元素でもあるので、意図的に含有させてもよい。
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。
ただし、これらの元素を過剰に含有させると経済性が悪化するおそれがあるので、意図的に含有させる場合でも、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。
本実施形態に係る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、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
２－２．平均結晶粒径
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は、平均結晶粒径が、１０～４０μｍである。平均結晶粒径が１０μｍ未満であると、粗大化させたい異方性を持つ結晶方位の結晶粒数が十分とならないおそれがあるため好ましくない。一方、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、歪取焼鈍後に異方性が得られないおそれがあるので好ましくない。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０１３ 「鋼－結晶粒度の顕微鏡試験方法」に従って、測定する。
２－３．内部酸化層
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、表面から板厚方向に０．５μｍ以上３．０μｍ以下の厚さの内部酸化層が形成されている。
内部酸化層が形成され、存在していることで、打ち抜きや切削加工で切断されやすくなり加工の寸法精度が良好となる。内部酸化層が形成されていない、または内部酸化層の厚みが薄い場合、加工性が低下する。一方で内部酸化層が３．０μｍを越す厚さとなった場合は、結晶粒成長が阻害されたり、歪取焼鈍後の磁気特性が劣化するので好ましくない。
仕上焼鈍時に脱炭を行うことで内部酸化層を形成することができる。
内部酸化層は、鋼板断面を研磨し、ＳＥＭ等で観察することで、その厚さを測定することが出来る。内部酸化層の厚さは場所ごとでばらつく場合があるので、例えばＣ方向断面で幅方向１０μｍ以上の範囲を１視野とし、３視野以上の複数視野で測定した全体の厚みの平均値を取ることが望ましい。
２－４．ヤング率の異方性
無方向性電磁鋼板を分割型固定子の固定子片の形状に加工する前にＧＯＳＳ方位が優位になっていると、ヤング率の異方性が生じ、打ち抜き加工時の穴の真円度が劣化する、あるいは分割型固定子のティースとヨーク方向で寸法精度や加工時のダレの大きさが著しく異なるなど、加工性が低下する。そのため、無方向性電磁鋼板は、固定子片に加工する段階では異方性を有しないことが好ましい。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、圧延方向のヤング率ＥＬと圧延方向に直角な方向のヤング率Ｅｃとの比であるＥＬ／Ｅｃが０．９０以上であることが好ましい。ヤング率の異方性が大きくなると、加工性が低下する。ＥＬ／Ｅｃの上限は、１．０であることが好ましく、０．９５以下としても良い。
一方、無方向性電磁鋼板は、歪取焼鈍後の分割型固定子に組み込まれる段階では、ＧＯＳＳ方位が優位な組織に変化することが好ましい。
２－５．機械的特性
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は、引張強度が（２３０＋１００×（［Ｓｉ］＋０．５×［ｓｏｌ．Ａｌ］））ＭＰａ以上であり、伸び（全伸び）が２０％未満であることが好ましい。強度が高く、伸びが低いことで、加工時にダレが少ない寸法精度の良好な切断面となり、加工性が向上する。ただし、［Ｓｉ］は、無方向性電磁鋼板中の質量％でのＳｉ含有量、［ｓｏｌ．Ａｌ］は無方向性電磁鋼板中の質量％でのｓｏｌ．Ａｌ含有量である。
引張強度及び伸びは、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１「金属材料引張試験方法」に準拠して測定する。試験片形状等は特に問わない。無方向性電磁鋼板から採取する場合には、試験片形状を例えばＪＩＳ１３Ｂ号とし、試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように採取してもよい。
３．分割型固定子
本実施形態に係る分割型固定子１０は、周方向において複数の固定子片１０ａに分割された、回転電機１００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１１と、前記ヨーク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、前記固定子片１０ａは、複数枚の無方向性電磁鋼板が積層されてなり、前記ティース１２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１０ａの｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が５以上であり、前記無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径が１００～２００μｍであり、前記無方向性電磁鋼板の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、およびＳｉ：２．５～４．０％、を含有する。
前記無方向性電磁鋼板の前記化学組成は、質量％で、Ｃ：０．００１５％以下、Ｓｉ：２．５～４．０％、Ｍｎ：０．０５～２．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５０％、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。
上記の積層される複数枚の無方向性電磁鋼板電磁鋼板は、いずれも上述した本実施形態に係る無方向性電磁鋼板であることが好ましい。
３－１．異方性
固定子片１０ａは、Ｇｏｓｓ方位が優位であり、具体的には、固定子片１０ａの｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が５以上である。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できるとともに、ヨーク部分の周方向におけるヤング率を増加させ、弾性変形量を低減することが可能となる。｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比は８以上が好ましい。
Ｘ線ランダム強度比の上限は限定する必要はないが、２０を実質的な上限としてもよい。
｛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。測定に際して、ティースの延びる方向を結晶軸の基準とする。
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（例えばＦｅの粉末を焼結して得られた試料等）と供試材とのＸ線強度を同条件でＸ線回折法等により測定し、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。
分割型固定子に備えられた固定子片のＸ線ランダム強度比を測定する場合、分割型固定子を分解し、単板の無方向性電磁鋼板を取りだして測定する。
３－２．固定子片を構成する無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径
各固定子片を構成する無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径は１００～２００μｍとする。平均結晶粒径が１００μｍ未満であると、ヒステリシス損失が増大し鉄損が劣化してしまう。平均結晶粒径は、より好ましくは、１２０μｍ以上である。一方、平均結晶粒径が２００μｍを超えると、渦電流損失が増大して鉄損が劣化する。平均結晶粒径は、より好ましくは、１７０μｍ以下である。
固定子片を構成する無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０１３「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する。
分割型固定子に備えられた固定子片の平均結晶粒径を測定する場合、分割型固定子を分解し、単板の無方向性電磁鋼板を取りだして測定する。
３－３．固定子片を構成する無方向性電磁鋼板の化学組成
固定子片を構成する無方向性電磁鋼板の化学組成は、加工や歪取焼鈍によって変化しないので、その範囲及び限定理由は、素材となる無方向性電磁鋼板と同じである。
３－４．特性
上述のように、本実施形態に係る分割型固定子を構成する各固定子片は、Ｇｏｓｓ方位が優位である。そのため、磁気特性に優れるとともに、ヨーク部分の周方向におけるヤング率Ｅが高い。
具体的には、固定子片のティースが延びる方向におけるＢ５０／Ｂｓの値が０．８５以上である磁気特性を有することが好ましい。また、ヨークの周方向におけるヤング率Ｅ（ＧＰａ）が、Ｓｉ含有量との関係において、下記（ｉ）式を満足することが好ましい。
Ｅ≧２０５－３．３×［Ｓｉ］＋１０ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の［Ｓｉ］は、固定子片を構成する無方向性電磁鋼板中のＳｉ含有量（質量％）を表す。
４．回転電機
図１に示すように、本実施形態に係る回転電機１００は、上述した本実施形態に係る分割型固定子１０と、前記分割型固定子１０の内周側に配置された回転子２０と、ヨーク１１の外周から複数の固定子片１０ａに密接し、前記固定子片を固定するケース３０と、を備える。
この回転電機では、無方向性電磁鋼板の打ち抜き加工時のヤング率異方性が低いことから打ち抜き寸法精度が優れており、更に歪取り焼鈍後のヨーク方向の高ヤング率により焼嵌めでの弾性変形が少ない。そのため、一体コアとしての寸法精度が優れている。また、ティース方向の磁束密度が高いことから銅損が低減し、モータ効率に優れる。
６．製造方法
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板、本実施形態に係る分割型固定子、本実施形態に係る回転電機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。
６－１．無方向性電磁鋼板の製造方法
分割型固定子の素材として好適な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、以下の工程を含む製造方法によって得られる。
（Ｉ）所定の化学組成を有するスラブを加熱した後、熱間圧延を施して熱延板を得る工程（熱間圧延工程）
（ＩＩ）熱延板に、必要に応じて、熱延板焼鈍を行う工程（熱延板焼鈍工程）
（ＩＩＩ）熱間圧延工程後、または熱延板焼鈍工程後の熱延板を、酸洗し、冷間圧延を施し、冷延板を得る工程（冷間圧延工程）
（ＩＶ）冷延板に仕上焼鈍を行う工程（仕上焼鈍工程）
（Ｖ）仕上焼鈍工程後の冷延板にスキンパス圧延を施す工程（スキンパス工程）
（熱間圧延工程）
熱間圧延工程では、スラブを加熱し、熱間圧延を行って熱延板とする。
上述のように、分割型固定子の状態での無方向性電磁鋼板のＣ含有量は０．００１５％以下とする必要がある。しかしながら、溶鋼段階からＣ含有量を低減した場合には、歪取り焼鈍後にＧｏｓｓ方位が優位とならない。歪取り焼鈍の際にＧｏｓｓ方位の結晶粒を優先的に成長させるが、溶鋼段階からＣ含有量を低減してしまうと、成長の核となるＧｏｓｓ方位粒の数が減ってしまい、歪取焼鈍後にＧＯＳＳ方位が優位にならない。同様に、仕上焼鈍前に脱炭焼鈍を行ってＣ含有量を低減した場合にも、歪取焼鈍後にＧＯＳＳ方位が優位にならない。
そのため、製鋼段階におけるＣ含有量は０．００２５～０．０１００％（スラブのＣ含有量を０．００２５～０．０１００％）とする。Ｃ以外の元素は、含有量が途中の工程で変化しないので、目標とする無方向性電磁鋼板の成分と同じ成分のスラブを用いればよい。
熱延条件については特に限定されない。要求される厚みや特性に応じて条件を決定すればよい。
（熱延板焼鈍工程）
熱間圧延によって得られた熱延板に必要に応じて熱延板焼鈍を行ってもよい。熱延板焼鈍を行うことで、リジングによる表面品位の劣化を回避でき、また歪取り焼鈍後にＧｏｓｓ方位がより優位となるので好ましい。
（冷間圧延工程）
冷間圧延工程では、熱間圧延工程後、または熱延板焼鈍工程後の熱延板を、酸洗し、冷間圧延を施し、冷延板を得る。冷延条件については限定されないが、冷延前、あるいは冷延途中に鋼板温度が１５０℃以上であると鋼板の割れを防げるほか、歪取り焼鈍時にＧｏｓｓ方位が優位となるので好ましい。
（仕上焼鈍工程）
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法では、仕上焼鈍工程において、脱炭する。具体的には、仕上焼鈍工程における焼鈍雰囲気を、焼鈍温度が６５０℃以上の温度となる温度域で、下記（ｉｉ）式を満足する条件とすることにより、脱炭する。
この仕上焼鈍工程によって、歪取り焼鈍時にＧｏｓｓ方位の成長を妨げる炭化物の形成を回避できる。また、内部酸化層が形成される。
０．０５＜ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２ ・・・（ｉｉ）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
ＰＨ２Ｏ：水蒸気分圧（ａｔｍ）
ＰＨ２：水素分圧（ａｔｍ）
焼鈍温度が低い、または、焼鈍雰囲気が（ｉｉ）式を満たさない場合、十分な脱炭がなされない。また、焼鈍温度が９００℃を超えると、平均結晶粒径が４０μｍを上回り易くなるため好ましくない。
（スキンパス工程）
仕上焼鈍工程後の冷延板にスキンパスを行う。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。この場合、歪取り焼鈍時にＧｏｓｓ方位が十分に増加しない。
仕上焼鈍時の脱炭とスキンパスとを組み合わせることによって、２．５％以上のＳｉを含有した鋼板でも歪取り焼鈍後にＧｏｓｓ方位が優位となる。
６－２．分割型固定子の製造方法
上記の無方向性電磁鋼板を素材として、さらに以下の工程を行うことで、本実施形態に係る分割型固定子を得ることができる。
（ＶＩ）無方向性電磁鋼板を打ち抜き加工によって分割型固定子の固定子片の形状とする工程（打ち抜き工程）
（ＶＩＩ）打ち抜き工程後の無方向性電磁鋼板を複数枚積層することによって固定子片を得る工程（積層工程）
（ＶＩＩＩ）固定子片に対し、歪取焼鈍を行う工程（歪取焼鈍工程）
（ＩＸ）固定子片を円環状に並べ一体の分割型固定子とする（分割型固定子一体化工程）
（打ち抜き工程）
無方向性電磁鋼板を打ち抜き加工によって分割型固定子の固定子片の形状とする。打ち抜き条件については特に限定されない。例えば順送金型を用いて次の積層工程まで一貫して製造することができる。
（積層工程）
打ち抜き工程後の無方向性電磁鋼板を複数枚積層することによって固定子片とする。積層時の固定方法についてはカシメや接着剤、溶接等の方法があるが、特に限定されない。
（歪取焼鈍工程）
歪取焼鈍工程においては、７５０～９００℃の温度範囲において０．５～５時間全体加熱を行う。均熱時間は固定子片が７５０℃以上となっている時間であり、７５０℃未満での昇温時間、冷却時間は適宜設定して構わない。
歪取焼鈍温度が９００℃を超える、または均熱時間が５時間を超えると、結晶粒径が２００μｍを超える。また、歪取焼鈍温度が７５０℃未満、または均熱時間が０．５時間未満であると、結晶粒径が１００μｍ未満となる。また、歪取り焼鈍時の結晶粒成長自体が抑制され、歪取り焼鈍前と結晶方位の変わらない領域が残存することとなり、歪取焼鈍後のＧＯＳＳ方位が十分に発達しない。
（分割型固定子一体化工程）
歪取焼鈍後の固定子片を、円環状に並べてヨーク同士が接触してティースが円の中心方向に向くように配置し、更に分割型固定子同士を焼嵌めによって一体化することで一体の分割型固定子が得られる。
６－４．回転電機の製造方法
本実施形態に係る回転電機は、本実施形態に係る分割型固定子に巻き線を施し、回転子と組み合わせることで回転電機が得られる。巻き線は一体化後に施しても構わないが、歪取り焼鈍後の固定子片の段階で巻き線を施してから一体化させると、巻き線の占積率の向上や作業性の向上効果があり好ましい。
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の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℃で巻取って熱延板とした。得られた熱延板に対して、９５０℃で４０秒保持する熱延板焼鈍を施し、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の冷延板とした。
その後、表２に示すように、仕上焼鈍条件（焼鈍温度、均熱時間、及び仕上焼鈍雰囲気）を変えて焼鈍し、表２に示すＣ含有量となるように調整した。
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、無方向性電磁鋼板を得た。
ここで、無方向性電磁鋼板の化学組成をＩＣＰによって測定した結果、Ｃ含有量以外の元素については、スラブの段階と実質的に同じであった。
Figure 0007192887000001
Figure 0007192887000002
得られた無方向性電磁鋼板に対し、平均結晶粒径を測定した。平均結晶粒径は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０１３「鋼－結晶粒度の顕微鏡試験方法」に従って、測定した。
また、内部酸化層の厚み（平均厚み）について、Ｃ方向断面を、幅方向１０μｍを１視野として３視野に対して、ＳＥＭで観察して測定した。
また、無方向性電磁鋼板から長さ５０ｍｍ、幅５ｍｍの試験片を切り出した後、「自由共振法」により、圧延方向のヤング率及び圧延方向に直角な方向のヤング率を測定した。
また、試験片の長手方向が圧延方向と平行になるようにＪＩＳ１３Ｂ号試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１「金属材料引張試験方法」に準拠して引張強度及び伸びを測定した。
続いて、無方向性電磁鋼板の表面に絶縁被膜を形成した。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、得られた無方向性電磁鋼板を所定形状に打ち抜き、積層した。
打ち抜きに際し、金型寸法に対して打ち抜き寸法の誤差が１０μｍ以下である場合には、加工性に優れる（ＯＫ）と判断した。寸法誤差が１０μｍ超である場合には、加工性に劣る（ＮＧ）と判断した。その際、ティースの長手方向が圧延方向となるように打ち抜きを行った。
積層後、焼鈍温度８００℃で均熱時間１時間の歪取焼鈍（ＳＲＡ）を行い、固定子片とした。
得られた固定子片について、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０１３「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、分割型固定子とした場合のティースの延びる方向を結晶軸の基準として、固定子片の｛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、固定子片を打ち抜いた無方向性電磁鋼板を固定子片と同条件となるように焼鈍した、５５ｍｍ角の単板試験片の圧延方向に５０００Ａ／ｍで励磁した際の磁束密度Ｂ５０と飽和磁束密度Ｂｓとの比（Ｂ５０／Ｂｓ）および１．０Ｔ４００Ｈｚで励磁した際の鉄損Ｗ１０／４００で評価した。
Ｂ５０／Ｂｓが０．８５以上であって、鉄損Ｗ１０／４００が１２Ｗ／ｋｇ以下であれば、磁気特性に優れると判断した。
また、ヤング率の測定は、ヨークの周方向におけるヤング率が測定できるように、上記の固定子片から一枚の鋼板を採取し、長さ５０ｍｍ、幅５ｍｍの試験片を切り出した後、「自由共振法」により測定した。
それらの結果を表３～表４に併せて示す。
Figure 0007192887000003
Figure 0007192887000004
表１～表４に示すように、本発明例の無方向性電磁鋼板では、加工性に優れ、かつ歪取焼鈍後の磁気特性に優れていた。また、本発明例の分割型固定子では、固定子片において、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く、さらに高いヤング率を有する結果となった。
以上のように、本発明によれば、加工性及び歪取焼鈍後の磁気特性に優れる無方向性電磁鋼板、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変形を抑制し、高い寸法精度を有する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 (8)

  1. 化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．００１５％以下、
    Ｓｉ：２．５～４．０％、
    を含有し、
    平均結晶粒径が、１０～４０μｍであり、
    表面から板厚方向に０．５～３．０μｍの厚さの内部酸化層が存在している、
    無方向性電磁鋼板。
  2. 前記化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．００１５％以下、
    Ｓｉ：２．５～４．０％、
    Ｍｎ：０．０５～２．０％、
    ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５０％、
    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１に記載の無方向性電磁鋼板。
  3. 圧延方向のヤング率ＥＬと圧延方向に直角な方向のヤング率Ｅｃとの比であるＥＬ／Ｅｃが０．９０以上である、
    請求項１または請求項２に記載の無方向性電磁鋼板。
  4. 引張強度が（２３０＋１００×（［Ｓｉ］＋０．５×［ｓｏｌ．Ａｌ］））ＭＰａ以上であり、伸びが２０％未満である、
    請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
    ここで、［Ｓｉ］は、無方向性電磁鋼板中の質量％でのＳｉ含有量、［ｓｏｌ．Ａｌ］は無方向性電磁鋼板中の質量％でのｓｏｌ．Ａｌ含有量である。
  5. 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、
    前記固定子片は、複数枚の無方向性電磁鋼板が積層されてなり、
    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｛１１０｝＜００１＞方位のＸ線ランダム強度比が５以上であり、
    前記無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径が１００～２００μｍであり、
    前記無方向性電磁鋼板の化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．００１５％以下、および
    Ｓｉ：２．５～４．０％、を含有する、
    分割型固定子。
  6. 前記固定子片の前記ティースが延びる方向におけるＢ５０／Ｂｓの値が０．８５以上であり、
    前記ヨークの周方向におけるヤング率Ｅ（ＧＰａ）が下記（ｉ）式を満足する、
    請求項５に記載の分割型固定子。
    Ｅ≧２０５－３．３×［Ｓｉ］＋１０ ・・・（ｉ）
    但し、上記式中の［Ｓｉ］は、前記無方向性電磁鋼板中の質量％でのＳｉ含有量を表す。
  7. 前記無方向性電磁鋼板の前記化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．００１５％以下、
    Ｓｉ：２．５～４．０％、
    Ｍｎ：０．０５～２．０％、
    ｓｏｌ．Ａｌ：０．０００５～１．５０％、
    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５または請求項６に記載の分割型固定子。
  8. 請求項５から請求項７までのいずれか一項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。
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