JP7360079B2 - 電磁鋼板用コーティング組成物、電磁鋼板、積層コア及び回転電機 - Google Patents
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Description
また、電気自動車の駆動モータ等では、駆動中に高温になるため、さらなる耐熱性が求められる。
[1]本発明の一態様に係る電磁鋼板用コーティング組成物は、エポキシ樹脂と、アルキル基及びアルコキシ基のいずれか一方又は両方を有するフェノール骨格を含むフェノール樹脂からなる第1硬化剤と、フェノールレゾール樹脂及びフェノールノボラック樹脂から選ばれる1種以上の第2硬化剤と、を含有し、前記第1硬化剤の含有量が、エポキシ樹脂100質量部に対して、5質量部以上150質量部以下である。
[2]上記[1]に記載の電磁鋼板用コーティング組成物は、前記第1硬化剤が、炭素原子数が2以上のアルキル基、及び炭素原子数が2以上のアルコキシ基のいずれか一方又は両方を有するフェノール骨格を含むフェノール樹脂からなってもよい。
[3]上記[1]または[2]に記載の電磁鋼板用コーティング組成物は、前記第1硬化剤と前記第2硬化剤の合計の含有量が、前記エポキシ樹脂の100質量部に対して、5質量部以上155質量部以下であってもよい。
[4]上記[1]~[3]のいずれかに記載の電磁鋼板用コーティング組成物は、硬化収縮率が15%以下であってもよい。
[5]本発明の一態様に係る電磁鋼板は、上記[1]~[4]のいずれかに記載の電磁鋼板用コーティング組成物を含む絶縁被膜を表面に有する。
[6]本発明の一態様に係る積層コアは、上記[5]に記載の電磁鋼板が複数積層され、互いに接着されている。
[7]本発明の一態様に係る回転電機は、上記[6]に記載の積層コアを備える回転電機。
図1に示すように、回転電機10は、ステータ20と、ロータ30と、ケース50と、回転軸60と、を備える。ステータ20及びロータ30は、ケース50内に収容される。
ステータ20は、ケース50内に固定される。
本実施形態では、回転電機10として、ロータ30がステータ20の径方向内側に位置するインナーロータ型を採用している。しかしながら、回転電機10として、ロータ30がステータ20の外側に位置するアウターロータ型を採用してもよい。また、本実施形態では、回転電機10が、12極18スロットの三相交流モータである。しかしながら、極数、スロット数、相数などは、適宜変更することができる。
回転電機10は、例えば、各相に実効値10A、周波数100Hzの励磁電流を印加することにより、回転数1000rpmで回転することができる。
ステータコア21は、環状のコアバック部22と、複数のティース部23と、を備える。以下では、ステータコア21(又はコアバック部22)の中心軸線O方向を軸方向と言い、ステータコア21(又はコアバック部22)の径方向(中心軸線Oに直交する方向)を径方向と言い、ステータコア21(又はコアバック部22)の周方向(中心軸線O回りに周回する方向)を周方向と言う。
複数のティース部23は、コアバック部22の内周から径方向内側に向けて(径方向に沿ってコアバック部22の中心軸線Oに向けて)突出する。複数のティース部23は、周方向に同等の角度間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角20度おきに18個のティース部23が設けられている。複数のティース部23は、互いに同等の形状でかつ同等の大きさに形成されている。よって、複数のティース部23は、互いに同じ厚み寸法を有している。
前記巻線は、ティース部23に巻回されている。前記巻線は、集中巻きされていてもよく、分布巻きされていてもよい。
ロータコア31は、ステータ20と同軸に配置される環状(円環状)に形成されている。ロータコア31内には、前記回転軸60が配置されている。回転軸60は、ロータコア31に固定されている。
複数の永久磁石32は、ロータコア31に固定されている。本実施形態では、2つ1組の永久磁石32が1つの磁極を形成している。複数組の永久磁石32は、周方向に同等の角度間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角30度おきに12組(全体では24個)の永久磁石32が設けられている。
ロータコア31には、ロータコア31を軸方向に貫通する複数の貫通孔33が形成されている。複数の貫通孔33は、複数の永久磁石32の配置に対応して設けられている。各永久磁石32は、対応する貫通孔33内に配置された状態でロータコア31に固定されている。各永久磁石32のロータコア31への固定は、例えば永久磁石32の外面と貫通孔33の内面とを接着剤により接着すること等により、実現できる。なお、永久磁石界磁型電動機として、埋込磁石型に代えて表面磁石型モータを採用してもよい。
なお、ステータコア21及びロータコア31それぞれの積厚(中心軸線Oに沿った全長)は、例えば、50.0mmとされる。ステータコア21の外径は、例えば、250.0mmとされる。ステータコア21の内径は、例えば、165.0mmとされる。ロータコア31の外径は、例えば、163.0mmとされる。ロータコア31の内径は、例えば、30.0mmとされる。ただし、これらの値は一例であり、ステータコア21の積厚、外径や内径、及びロータコア31の積厚、外径や内径は、これらの値のみに限られない。ここで、ステータコア21の内径は、ステータコア21におけるティース部23の先端部を基準とする。すなわち、ステータコア21の内径は、全てのティース部23の先端部に内接する仮想円の直径である。
素材1は、例えば、図7に示すコイル1Aに巻き取られた状態で取り扱われる。本実施形態では、素材1として、無方向性電磁鋼板を採用している。無方向性電磁鋼板としては、JIS C 2552:2014の無方向性電磁鋼板を採用できる。しかしながら、素材1として、無方向性電磁鋼板に代えて方向性電磁鋼板を採用してもよい。この場合の方向性電磁鋼板としては、JIS C 2553:2019の方向性電磁鋼板を採用できる。また、JIS C 2558:2015の無方向性薄電磁鋼帯や方向性薄電磁鋼帯を採用できる。
素材1が薄くなるに連れて素材1の製造コストは増す。そのため、製造コストを考慮すると、素材1の平均板厚t0の下限値は、0.10mm、好ましくは0.15mm、より好ましくは0.18mmとなる。
一方で素材1が厚すぎると、製造コストは良好になるが、素材1が電磁鋼板40として用いられた場合に、渦電流損が増加してコア鉄損が劣化する。そのため、コア鉄損と製造コストを考慮すると、素材1の平均板厚t0の上限値は、0.65mm、好ましくは0.35mm、より好ましくは0.30mmとなる。
素材1の平均板厚t0の上記範囲を満たすものとして、0.20mmを例示できる。
測定した4か所の積厚それぞれを、積層されている電磁鋼板40の枚数で割って、1枚当たりの板厚を算出する。4か所の板厚の平均値を、電磁鋼板40の平均板厚t0とすることができる。
素材1は、帯状の母材鋼板2の両面が絶縁被膜3によって被覆されてなる。本実施形態では、素材1の大部分が母材鋼板2によって形成され、母材鋼板2の表面に、母材鋼板2よりも薄い絶縁被膜3が積層されている。
Al:0.001%~3.0%
Mn:0.05%~5.0%
残部:Fe及び不純物
電磁鋼板用コーティング組成物からなる絶縁被膜は、積層コア製造時の加熱圧着前においては、未硬化状態又は半硬化状態(Bステージ)であり、加熱圧着時の加熱によって硬化反応が進行して接着能が発現する。電磁鋼板用コーティング組成物は、単層構成の絶縁被膜の形成に用いてもよく、下地絶縁被膜上に設ける上地絶縁被膜の形成に用いてもよい。
第1硬化剤としては、1種のみを単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
フェノール骨格が有するアルキル基の炭素原子数の下限は、好ましくは2であり、より好ましくは4である。アルキル基の炭素原子数が前記下限値以上であれば、積層コアの磁気特性の劣化を抑制しやすい。
フェノール骨格が有するアルキル基の炭素原子数の上限は、好ましくは20であり、より好ましくは12である。アルキル基の炭素原子数が前記上限値以下であれば、エポキシ樹脂の硬化時間を短くすることができる。
なお、式(a-1)及び式(a-2)における「*」は、隣接する構成単位との結合部位であることを示し、ポリマー鎖の末端に位置する構成単位において隣接する構成単位と結合していない場合は水素原子と結合する。
xとしては、架橋密度の点から、1~3が好ましい。
R2としては、炭素原子数2~20のアルキル基が好ましく、炭素原子数2~12のアルキル基がより好ましい。
第1硬化剤のフェノール樹脂に含まれる構成単位(a-1)は、1種であってもよく、2種以上であってもよい。
yとしては、架橋密度の点から、1~3が好ましい。
R5としては、炭素原子数2~20のアルキル基が好ましく、炭素原子数2~12のアルキル基がより好ましい。
第1硬化剤のフェノール樹脂に含まれる構成単位(a-2)は、1種であってもよく、2種以上であってもよい。
フェノール骨格が有するアルコキシ基の炭素原子数の下限は、好ましくは2である。アルコキシ基の炭素原子数が前記下限値以上であれば、エポキシ樹脂の硬化時間を短くすることができる。
フェノール骨格が有するアルコキシ基の炭素原子数の上限は、好ましくは20であり、より好ましくは12である。アルコキシ基の炭素原子数が前記上限値以下であれば、接着強度の低下を抑制しやすい。
なお、式(a-3)における「*」は、隣接する構成単位との結合部位であることを示し、ポリマー鎖の末端に位置する構成単位において隣接する構成単位と結合していない場合は水素原子と結合する。
zとしては、架橋密度の点から、1~3が好ましい。
R8としては、炭素原子数2~20のアルコキシ基が好ましく、炭素原子数2~12のアルコキシ基がより好ましい。
R9としては、水素原子又は炭素原子数2~20のアルキル基が好ましく、水素原子又は炭素原子数2~12のアルキル基がより好ましい。
第1硬化剤のフェノール樹脂に含まれる構成単位(a-3)は、1種であってもよく、2種以上であってもよい。
第1硬化剤のフェノール樹脂のMwの上限は、好ましくは20000、より好ましくは15000である。フェノール樹脂のMwが前記上限値以下であれば、鋼板に処理液として塗布する際にゲル化する危険性が少ない。
なお、Mwは、標準物質としてポリスチレンを用い、JIS K7252-1:2008に記載のサイズ排除クロマトグラフィー(SEC:Size-Exclusion Chromatography)により測定できる。
具体例としては、構成単位(a-1)からなるアルキルフェノール樹脂は、例えば、酸触媒(シュウ酸、塩酸、スルホン酸等)の存在下、アルキルフェノールをアルデヒド類で重縮合させる方法で製造できる。構成単位(a-2)を含むアルキルフェノール樹脂は、例えば、塩基触媒(水酸化ナトリウム、アンモニア、アミン等)の存在下、フェノール類をアルデヒド類で重縮合(レゾール化反応)させる方法で製造できる。構成単位(a-3)を含むアルコキシフェノール樹脂は、例えば、構成単位(a-2)を含むアルキルフェノール樹脂を得た後、構成単位(a-2)のアルカノール基(-CH(R4)-OH)をアルコキシ化する方法で製造できる。
第1硬化剤の含有量の下限は、好ましくは10質量部以上、より好ましくは12質量部以上である。第1硬化剤の含有量の上限は、好ましくは140質量部以下、より好ましくは130質量部以下である。
第2硬化剤としては、フェノールレゾール樹脂を単独で使用してもよく、フェノールノボラック樹脂を単独で使用してもよく、フェノールレゾール樹脂とフェノールノボラック樹脂を併用してもよい。
第1硬化剤と第2硬化剤の合計の含有量の下限は、好ましくは20質量部以上、より好ましくは40質量部以上、さらに好ましくは45質量部以上である。第1硬化剤と第2硬化剤の合計の含有量の上限は、好ましくは130質量部以下、より好ましくは100質量部以下である。
他の成分としては、1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
本実施形態では、第1硬化剤として用いる、アルキル基及びアルコキシ基のいずれか一方又は両方を有するフェノール樹脂が低弾性である。このような第1硬化剤を第2硬化剤と組み合わせてエポキシ樹脂に配合することで、絶縁被膜の弾性率が過度に上昇することが抑制される。その結果、鋼板に付与される応力が低減されるため、磁気特性に優れた積層コアが得られる。また、フェノール樹脂は優れた耐熱性を有しているため、第1硬化剤と第2硬化剤を組み合わせて用いることで、耐熱性も向上する。これらのことから、磁気特性と耐熱性を両立することができる。
なお、硬化収縮率は、JIS K 6941に準拠して膜厚の変化により測定される。
焼き付ける際の到達温度の下限値は、好ましくは120℃以上、より好ましくは140℃以上である。焼き付ける際の到達温度の上限値は、好ましくは200℃以下、より好ましくは180℃以下である。到達温度が上記下限値以上であると、電磁鋼板用コーティング組成物が電磁鋼板と充分に接着し、剥離が抑制される。到達温度が上記上限値以下であると、エポキシ樹脂の硬化を抑制でき、電磁鋼板用コーティング組成物の接着能を維持できる。
素材1が電磁鋼板40として用いられる場合において、絶縁被膜3の平均厚みt1(電磁鋼板40(素材1)片面あたりの厚さ)は、互いに積層される電磁鋼板40間での絶縁性能及び接着能を確保できるように調整する。
複層構成の絶縁被膜3の場合、下地絶縁被膜の平均厚みは、例えば、0.3μm以上2.5μm以下とすることができ、0.5μm以上1.5μm以下が好ましい。上地絶縁被膜の平均厚みは、例えば、1.5μm以上8.0μm以下とすることができる。
なお、素材1における絶縁被膜3の平均厚みt1の測定方法は、素材1の平均板厚t0と同様の考え方で、複数箇所の絶縁被膜3の厚みを求め、それらの厚みの平均として求めることができる。
以下、積層コアの説明に戻る。
ステータコア21を形成する複数の電磁鋼板40は、図3に示すように、絶縁被膜3を介して積層されている。
また、ステータコア21やロータコア31などの積層コアは、いわゆる回し積みにより形成されていてもよい。
前記ステータコア21は、例えば、図7に示す製造装置100を用いて製造される。以下では、製造方法の説明にあたり、まず先に、積層コアの製造装置100(以下、単に製造装置100という)について説明する。
加熱装置141、外周打ち抜き雌金型142、断熱部材143は、素材1の下方に配置されている。一方、外周打ち抜き雄金型144及びスプリング145は、素材1の上方に配置されている。なお、符号21は、ステータコアを示している。
以上の各工程により、ステータコア21が完成する。
ステータコアの形状は、前記実施形態で示した形態に限定されるものではない。具体的には、ステータコアの外径及び内径の寸法、積厚、スロット数、ティース部の周方向と径方向の寸法比率、ティース部とコアバック部との径方向の寸法比率、などは所望の回転電機の特性に応じて任意に設計可能である。
上記実施形態では、回転電機10として、永久磁石界磁型電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれのみに限られない。例えば、回転電機10がリラクタンス型電動機や電磁石界磁型電動機(巻線界磁型電動機)であってもよい。
上記実施形態では、交流電動機として、同期電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が誘導電動機であってもよい。
上記実施形態では、回転電機10として、交流電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が直流電動機であってもよい。
上記実施形態では、回転電機10として、電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機10が発電機であってもよい。
実施例で使用した原料を以下に示す。
(エポキシ樹脂)
E1:ビスフェノールA型エポキシ樹脂
E2:ビスフェノールF型エポキシ樹脂
E3:トリフェニルメタン型エポキシ樹脂
A1:アルキルフェノール樹脂(構成単位(a-1)、R1:水素原子、R2(メタ位):-(CH2)3CH3、x=1、Mw=7000)
A2:アルキルフェノール樹脂(構成単位(a-1)、R1:水素原子、R2(メタ位):-(CH2)8CH3、x=2、Mw=3000)
A3:アルコキシフェノール樹脂(構成単位(a-3)、R6:水素原子、R7:水素原子、R8(メタ位):-O-C(CH3)2-CH2CH3、z=1、R9:水素原子、Mw=14000)
H1:フェノールレゾール樹脂
H2:フェノールノボラック樹脂
(硬化剤(比較対象))
B1:ジアミノジフェニルメタン
M1:アクリル樹脂(メチルメタクリレート単位:イソブチルアクリレート単位:スチレン単位:2-エチルヘキシルアクリレート単位(モル比)=40:20:20:10、ガラス転移温度:32℃)
M2:アクリル樹脂(メチルメタクリレート単位:n-ブチルアクリレート単位(モル比)=55:45、ガラス転移温度:10℃)
各例の電磁鋼帯から55mm×55mmサイズの矩形の電磁鋼板(単板)を切り出し、鋼板温度200℃、圧力10MPa、加圧時間1時間の条件で電磁鋼板10枚を積層接着して積層コアを作製した。得られた積層コアについて、JIS C2556(2015)に準拠した単板磁気測定法により、圧延方向と圧延方向に対して直角方向の単板磁気特性を測定し、それらの値の平均値を磁気特性として求めた。なお、磁気特性(磁性)としては、鉄損として「W10/400(W/kg)」を評価した。「W10/400」は、周波数400Hz、最大磁束密度1.0Tのときの鉄損である。
各例の電磁鋼帯から、幅30mm×長さ60mmの長方形の電磁鋼板(単板)を2枚切り出した。次いで、表面に、電磁鋼板用コーティング組成物を塗布し、互いの幅30mm×長さ10mmの先端部分同士を重ね合わせ、加圧することで測定用のサンプルを作製した。加圧条件は、鋼板温度200℃、圧力10MPa、加圧時間1時間とした。
得られたサンプルに対し、雰囲気温度を25℃もしくは150℃のそれぞれ雰囲気下で、引張速度を2mm/分として引張り、剥離するまでの最大荷重(N)を測定し、この最大荷重(N)接着面積で除した数値を接着強度(MPa)とした。
各例の電磁鋼帯の表面に電磁鋼板用コーティング組成物を塗布し、硬化収縮率を測定した。硬化収縮率は、JIS K 6941に準拠して膜厚の変化により測定した。
各例について、以下の基準で判定を行った。なお、鉄損が小さいほど、電磁鋼板に付与する応力歪が抑制されていることを意味する。測定結果及び判定結果を表2に示す。表において、発明範囲外の値には下線を付した。
「Good」:25℃の接着強度が5.0MPa以上、150℃の接着強度が1.0MPa以上、かつ磁気特性が12.0W/kg未満。なお、磁気特性に関しては、11.5W/kg以下がより好ましい。
「Bad」:25℃の接着強度が5.0MPa未満、150℃の接着強度が1.0MPa未満、または、磁気特性が12.0W/kg以上。
母材鋼板として、質量%で、Si:3.0%、Mn:0.2%、Al:0.5%、残部がFe及び不純物からなる板厚0.25mm、幅100mmの無方向性電磁鋼板を用いた。
表1に示す各成分を混合して電磁鋼板用コーティング組成物を調製した。得られた電磁鋼板用コーティング組成物を母材鋼板の表面に塗布し、160℃で20秒間焼き付けることで、平均厚みが3μmの絶縁被膜を有する電磁鋼帯を得た。
電磁鋼板用コーティング組成物の組成及び焼き付け条件を表1に示すとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして電磁鋼帯を得た。
一方、第1硬化剤を含まない比較例1及び6、第1硬化剤の含有量が本発明の範囲外の比較例2~5、第2硬化剤を含まない比較例7、8では、耐熱性と磁気特性が両立できなかった。
Claims (9)
- エポキシ樹脂と、アルキル基及びアルコキシ基のいずれか一方又は両方を有するフェノール骨格を含むフェノール樹脂からなる第1硬化剤と、フェノールレゾール樹脂及びフェノールノボラック樹脂から選ばれる1種以上の第2硬化剤と、を含有し、
前記第1硬化剤の含有量が、エポキシ樹脂100質量部に対して、5質量部以上150質量部以下であり、
前記第1硬化剤と前記第2硬化剤の合計の含有量が、前記エポキシ樹脂の100質量部に対して、10質量部以上155質量部以下である、電磁鋼板用コーティング組成物。 - 前記エポキシ樹脂または前記第1硬化剤のいずれかを最大の成分として含む、請求項1に記載の、電磁鋼板用コーティング組成物。
- 前記エポキシ樹脂と、前記第1硬化剤と、前記第2硬化剤とを主成分として含有する、請求項1に記載の、電磁鋼板用コーティング組成物。
- 残部である配合剤の含有量が、前記エポキシ樹脂の100質量部に対して、45質量部以下である、請求項1に記載の、電磁鋼板用コーティング組成物。
- 前記第1硬化剤が、炭素原子数が2以上のアルキル基、及び炭素原子数が2以上のアルコキシ基のいずれか一方又は両方を有するフェノール骨格を含むフェノール樹脂からなる、請求項1~4のいずれか一項に記載の電磁鋼板用コーティング組成物。
- 硬化収縮率が15%以下である、請求項1~5のいずれか一項に記載の電磁鋼板用コーティング組成物。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の電磁鋼板用コーティング組成物を含む絶縁被膜を表面に有する、電磁鋼板。
- 請求項7に記載の電磁鋼板が複数積層され、互いに接着されている、積層コア。
- 請求項8に記載の積層コアを備える回転電機。
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