JP7401820B2 - 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
[1]エポキシ樹脂と、潜在性エポキシ樹脂硬化剤と、熱可塑性エラストマーとを含有し、前記熱可塑性エラストマーの融点が100℃以上200℃以下であり、かつ曲げ弾性率が5MPa超100MPa以下であり、前記エポキシ樹脂と前記潜在性エポキシ樹脂硬化剤との合計100質量部に対して、前記熱可塑性エラストマーの含有量が10質量部以上40質量部未満である、電磁鋼板用コーティング組成物。
[2]前記熱可塑性エラストマーが、オレフィン系エラストマー、ウレタン系エラストマー及びポリエステル系エラストマーから選ばれる1種以上である、[1]に記載の電磁鋼板用コーティング組成物。
[3]母材鋼板の表面に、[1]又は[2]に記載の電磁鋼板用コーティング組成物が塗布されてなる絶縁被膜を有する、電磁鋼板。
[4]前記母材鋼板の平均板厚が0.30mm以下である、[3]に記載の電磁鋼板。
[5][3]又は[4]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。
[6][5]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。
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。
積層コアの説明の途中ではあるが、以下では、この素材1について説明する。なお本明細書において、電磁鋼板40の母材となる帯状の鋼板を素材1という場合がある。素材1を打ち抜き加工して積層コアに用いられる形状にした鋼板を電磁鋼板40という場合がある。
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。
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。
アクリル樹脂としては、特に限定されない。アクリル樹脂に用いるモノマーとしては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸等の不飽和カルボン酸、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n-ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリレートを例示できる。なお、(メタ)アクリレートとは、アクリレート又はメタクリレートを意味する。アクリル樹脂としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
酸無水物としては、例えば、無水フタル酸、ヘキサヒドロフタル酸無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、無水ピロメリット酸、パイロメリット酸無水物等が挙げられ、なかでも融点が160℃以上の常温で固体のものが好適であり、無水トリメリット酸、無水ベンゾフェノンテトラカルボン酸が特に好適である。
フェノール系硬化剤としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールノボラック樹脂、トリアジン変性フェノールノボラック樹脂、フェノールレゾール樹脂等が挙げられる。
熱可塑性エラストマーの融点の下限値は、好ましくは90℃、より好ましくは110℃、さらに好ましくは130℃以上である。熱可塑性エラストマーの融点の上限値は、好ましくは180℃、より好ましくは160℃である。
なお、「融点」とは、示差走査熱量計(DSC)を用いて、JIS K7121(1987)に従って10℃/分の昇温速度で測定した値である。
熱可塑性エラストマーの曲げ弾性率の下限値は、好ましくは6MPa、より好ましくは7MPaである。熱可塑性エラストマーの曲げ弾性率の上限値は、好ましくは80MPa、より好ましくは60MPaである。
なお、曲げ弾性率は、JIS K 7171(2008)に従って試験速度10mm/分(試験片が3.5mm以下の場合には、1mm/分)の条件で測定される。
ジオールとしては、エチレングリコール、ジプロピレングリコール、テトラエチレングリコール、1,4-ブタンジオール、1,4-シクロヘキサンジオール、ジヒドロキシナフタレン、ビスフェノールA等が挙げられる。
焼き付け時間の下限値は、好ましくは5秒、より好ましくは8秒である。焼き付け時間の上限値は、好ましくは60秒、より好ましくは30秒である。
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。
単層構成の絶縁被膜3の場合、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、例えば、1.5μm以上8.0μm以下とすることができる。
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。
なお、このように絶縁被膜3の平均厚みt1を、積層方向の最も外側に位置する電磁鋼板40において測定した理由は、絶縁被膜3の厚みが、電磁鋼板40の積層方向に沿った積層位置で殆ど変わらないように、絶縁被膜3が作り込まれているからである。
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。
積層方向に隣り合う電磁鋼板40は、絶縁被膜3によって全面にわたって接着されている。言い換えると、電磁鋼板40において積層方向を向く面(以下、第1面という)は、全面にわたって接着領域41aとなっている。ただし、積層方向に隣り合う電磁鋼板40が、全面にわたって接着されていなくてもよい。言い換えると、電磁鋼板40の第1面において、接着領域41aと非接着領域(不図示)とが混在していてもよい。
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。
製造装置100では、コイル1A(フープ)から素材1を矢印F方向に向かって送り出しつつ、各ステージに配置された金型により複数回の打ち抜きを行って電磁鋼板40の形状に徐々に形成していく。そして、打ち抜いた電磁鋼板40を積層して昇温させながら加圧する。その結果、積層方向に隣り合う電磁鋼板40を絶縁被膜3によって接着させ(すなわち、絶縁被膜3のうちの接着領域41aに位置する部分に接着能を発揮させ)、接着が完了する。
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。
なお、加熱装置141は、外周打ち抜き雌金型142に配置されていなくてもよい。すなわち、外周打ち抜き雌金型142で積層された電磁鋼板40を接着させる前に、外周打ち抜き雌金型142外に取り出してもよい。この場合、外周打ち抜き雌金型142に断熱部材143がなくてもよい。さらにこの場合、積み重ねられた接着前の電磁鋼板40を、図示されない治具で積層方向の両側から挟んで保持した上で、搬送したり加熱したりしてもよい。
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。
例えば、ステータコア21の形状は、上記実施形態で示した形態のみに限定されるものではない。具体的には、ステータコア21の外径および内径の寸法、積厚、スロット数、ティース部23の周方向と径方向の寸法比率、ティース部23とコアバック部22との径方向の寸法比率等は、所望の回転電機の特性に応じて任意に設計可能である。
前記実施形態におけるロータ30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が、本発明はこの形態のみに限られない。例えば、1つの永久磁石32が1つの磁極を形成していてもよく、3つ以上の永久磁石32が1つの磁極を形成していてもよい。
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:クレゾールノボラック型エポキシ樹脂
E2:フェノールノボラック型エポキシ樹脂
E3:ビスフェノールA型エポキシ樹脂
A1:フェノールレゾール樹脂
A2:ジシアンジアミド
A3:ジアミノジフェニルエタン
B1:オレフィン系エラストマー(融点:110℃、曲げ弾性率:10MPa)
B2:ウレタン系エラストマー(融点:130℃、曲げ弾性率:40MPa)
B3:ウレタン系エラストマー(融点:160℃、曲げ弾性率:60MPa)
B4:ポリエステル系エラストマー(融点:180℃、曲げ弾性率:80MPa)
C1:ポリエステル系エラストマー(融点:210℃、曲げ弾性率:90MPa)
C2:オレフィン系エラストマー(融点:90℃、曲げ弾性率:60MPa)
C3:ポリエステル系エラストマー(融点:180℃、曲げ弾性率:150MPa)
C4:オレフィン系エラストマー(融点:105℃、曲げ弾性率:5MPa)
C5:ポリアミド系エラストマー(融点:160℃、曲げ弾性率:150MPa)
C6:ポリエステル系エラストマー(融点:220℃、曲げ弾性率:120MPa)
C7:スチレン系エラストマー(融点:105℃、曲げ弾性率:5MPa)
C8:ウレタン系エラストマー(融点:130℃、曲げ弾性率:80MPa)
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2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に規定され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、互いの幅30mm×長さ10mmの先端部分同士を重ね合わせ、鋼板温度200℃、圧力10MPa、加圧時間1時間で接着してサンプルを作製した。雰囲気温度を25℃もしくは150℃、引張速度を2mm/分として剪断引張強度を測定し、接着面積で除した数値を接着強度(MPa)とした。
各例について、以下の基準で判定を行った。優良を合格とした。
優良:25℃の接着強度が5MPa超、150℃の接着強度が0.5MPa超、かつ磁気特性が12W/kg未満である。
可:25℃の接着強度が5MPa以下、又は150℃の接着強度が0.5MPa以下であるが、25℃の接着強度が3MPa以上、150℃の接着強度が0.2MPa以上、かつ磁気特性が12W/kg未満である。
不良:25℃の接着強度が3MPa以上、150℃の接着強度が0.2MPa以上、磁気特性が12W/kg未満のいずれか1つ以上を満たさない。
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固形分濃度25質量%の電磁鋼板用コーティング組成物を含有する水溶液を調製した。溶解し難い場合には、5質量%以下でアルコールやセロソルブ類等の溶解助剤を添加した。得られた電磁鋼板用コーティング組成物を含む水溶液を母材鋼板の表面に塗布し、200℃で10秒間焼き付けて平均厚みが3μmの絶縁被膜を形成して電磁鋼帯を得た。
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、熱可塑性エラストマーの含有量、融点及び曲げ弾性率が本発明の範囲外の比較例1~10では、耐熱性と磁気特性が両立できなかった。熱可塑性エラストマーを配合していない比較例11では、磁気特性が劣っていた。
Claims (6)
- エポキシ樹脂と、潜在性エポキシ樹脂硬化剤と、熱可塑性エラストマーとを含有し、
前記熱可塑性エラストマーの融点が100℃以上200℃以下であり、かつ曲げ弾性率が5MPa超100MPa以下であり、
前記エポキシ樹脂と前記潜在性エポキシ樹脂硬化剤との合計100質量部に対して、前記熱可塑性エラストマーの含有量が10質量部以上40質量部未満である、電磁鋼板用コーティング組成物。 - 前記熱可塑性エラストマーが、オレフィン系エラストマー、ウレタン系エラストマー及びポリエステル系エラストマーから選ばれる1種以上である、請求項1に記載の電磁鋼板用コーティング組成物。
- 母材鋼板の表面に、請求項1又は2に記載の電磁鋼板用コーティング組成物が塗布されてなる絶縁被膜を有する、電磁鋼板。
- 前記母材鋼板の平均板厚が0.30mm以下である、請求項3に記載の電磁鋼板。
- 請求項3又は4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5に記載の積層コアを備える回転電機。
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