KR20050088925A - 모터용 고정자 코어 및 그 제조방법 - Google Patents

모터용 고정자 코어 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20050088925A
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히로미치 고시이시
도미야 오가타
시게키 에구치
히데오 하세가와
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도요 데신 고교 가부시키가이샤
히로미치 고시이시
이이지마 노부나가
유겐가이샤 하이 제트
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Abstract

저자장에서의 자화 특성을 개선하여 철손을 저감시키는 동시에 모터의 출력을 향상시키는 모터용 고정자 코어. 무방향성 전자 강판을 소재로 하여 제작된 고정자 코어를 소둔할 때에, 가열후의 고정자 코어의 냉각과정에서 적어도 퀴리점 바로 위의 온도로부터 300℃까지의 온도범위에서 고정자 코어에 대해 모터 구동시의 모터의 고정자의 여자 방향과 동일한 방향으로 자장을 인가한다. 이것에 의해, 특히 저자장에서 자속밀도가 높아져 히스테리시스 손실이 감소하고, 고정자의 전체 철손이 감소하는 동시에, 이 고정자 코어를 사용한 모터의 고주파 여자 전류하에서의 포화 자속밀도가 높아져, 모터 출력을 향상시킬 수 있다.

Description

모터용 고정자 코어 및 그 제조방법{STATOR FOR MOTOR AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은, 무방향성 전자 강판을 소재로 하는 모터용 고정자 코어, 특히 저자장에서의 자화 특성을 향상시킨 모터용 고정자 코어 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 환경, 자원문제로부터 전기기기에 대하여 에너지 절약, 고효율화의 요청이 높아져 오고 있다. 모터에서도 그 효율 향상은 최대의 요구이며, 이 때문에 철손(鐵損)이나 동손(銅損), 기계손을 줄이는 것이 필요하다. 이와 같은 모터의 코어로서, 무방향성 전자(電磁) 강판의 적층물이 사용되고 있는데, 이 코어가 철심에의 전력손실에 크게 영향을 주고 있는 것은 잘 알려져 있는 일이다.
모터용 코어의 소재로서 사용되는 무방향성 전자 강판은, 소정의 화학성분으로 조정된 열연판에, 1회 또는 복수회의 소둔을 포함하는 냉간압연을 시행하여 제조된다. 이 제조공정은, 세미 프로세스 무방향성 전자 강판과 풀 프로세스 무방향성 전자 강판에서 일부 상이하다. 타발(打拔)가공후의 코어의 변형제거 소둔의 실시를 전제로 하고 있는 세미 프로세스 무방향성 전자 강판에서는, 냉간압연후의 강판의 소둔은 비교적 저온이고 또한 단시간에 행해진다. 또, 소둔후의 최종 공정에서 스킨패스 압연이 행해진다. 한편, 풀 프로세스 무방향성 전자 강판은, 반드시 코어의 변형제거 소둔을 전제로 하지는 않으므로, 냉간압연후의 강판의 소둔은 세미 프로세스 무방향성 전자 강판의 경우보다도 높은 온도에서 또한 장시간에 행해진다. 또, 이 소둔의 조건 완화를 위해 열간압연후의 강판에 대해 소둔을 시행하는 경우도 있다.
그런데, 최근 개발과 실용화가 급속히 진전되고 있는 전기자동차용 모터로 대표되는 고속 고효율 모터의 설계사상은, 고주파수(400∼600Hz), 저자속밀도(1.0∼0.5T) 지향으로 되고, 그것에 대응하여 모터용 코어의 소재인 무방향성 전자 강판에 대해 보다 더한층의 저철손이 요청되고 있다.
모터의 출력(P)은 일반식
P = k×f×N×i×B×S
여기에서, k는 비례상수, f는 주파수, N은 권선수, i는 전류, B는 자속밀도, S는 코어의 단면적
으로 나타내어진다. 상기한 식에 있어서, 모터의 소형 경량화를 염두에 둔 다음 출력을 높이기 위한 요건으로서는, 우선 여자 전류의 주파수(f)를 높이는 것을 생각할 수 있다. 최근, 인버터의 발명에 의해 상용전원 주파수의 10배 정도의 높은 주파수에서도 설정이 가능하게 되었으므로, 종래의 상용전원 주파수보다 높은 주파수 범위에서, 주파수(f)와 자속밀도(B)의 최적의 해가 검토되었다. 모터용 코어의 소재인 무방향성 전자 강판의 역자화력의 발생에 의해, 주파수(f)에 의해 취할 수 있는 자속밀도(B)의 범위는 결정되어버린다. 그 결과, 주파수(f)는 400∼600Hz, 자속밀도(B)는 주로 1.0∼0.5T의 범위가 채용되고 있다. 이 정도의 수치범위이면, 주파수(f)의 배율 8∼10배에 대하여 자속밀도(B)의 저하율은 1/2정도이기 때문에, f×B에서 4∼5배 정도의 출력증가가 기대된다. 상기 식중의 k, N, i, s의 각 값은 주파수(f)와 자속밀도(B)가 결정되면 그 수치범위는 저절로 정해진다.
모터용 코어의 소재로서의 무방향성 전자 강판의 철손(W)은,
W = Wh+We
여기에서 Wh는 히스테리시스 손실이며,
Wh = k1×f×B1.6
We는 와전류 손이며,
We = k2×(t2×f2×B2)/ρ
k1, k2는 상수, t는 판두께, ρ는 고유저항이다.
로 나타내어진다. 이 철손을 저감시키기 위해서 강판의 박형화와 고 고유저항화가 진척되어, 현상에 있어서의 최고급 무방향성 전자 강판에서는, 판두께(t)는 0.20mm 정도까지 박형화되고, 고유저항(ρ)은 55μΩ-cm 이상으로 높여져 있다.
이와 같이, 저철손의 대책으로서 박형화, 고 고유저항화가 진척된 결과, 무방향성 전자 강판의 철손은 종래에 비해서 상당히 저감되었다. 그러나, 전자 강판의 박형화, 고 고유저항화에 의해 저철손된 것은, 상기 식으로 나타내어지는 철손중의 와전류 손의 감소에 의한 것이며, 히스테리시스 손실은 박형화, 고 고유저항화에 의해서는 저감되지 않는다. 와전류 손의 감소에 의해, 전체 철손중에 차지하는 히스테리시스 손실의 비율은 그때까지의 70% 정도부터 90% 정도로 상대적으로 증가하여, 금후의 저철손의 대책으로서는, 히스테리시스 손실의 저감이 중요하게 되어가고 있다.
전자 강판의 히스테리시스 손실은 자속밀도와 밀접한 관계가 있어, 자화 특성이 향상되면 히스테리시스 손실이 감소된다. 따라서 히스테리시스 손실을 저감시키는 것은 어떻게 하여 자화 특성의 향상을 도모할 것인가라는 것이 된다. 자화 특성의 향상책은, 전자 강판의 결정방위를 면내 무방향성화하는 것이며, 그 구체적 방책으로서 본원 발명자의 한사람은, 전자 강판의 성분계를 종래의 고Si계로부터 고Al-Mn계로 함으로써, 철손의 저감과 자화 특성의 향상을 양립시킨 무방향성 전자 강판을 개발했다(일본 특개 2002-146490호 공보 참조).
일반적으로 모터용 코어는, 무방향성 전자 강판의 후프에 타발유를 도포한 상태에서 소정의 형상으로 프레스로 타발하고, 이것을 다수매 적층하여 코킹 또는 용접에 의해 고착하여 제작된다. 그 후 부착된 타발유를 제거하기 위한 가열 처리가 행해지고, 또한 그 후에 소둔이 행해진다.
이 소둔의 목적은, 첫번째로는 타발시에 발생한 변형의 제거에 있고, 동시에 결정립의 성장을 촉진하여 자화 특성의 향상을 도모하는 것에 있다. 이 타발후의 코어의 변형제거 소둔의 실시를 전제로 하고 있는 것이 세미 프로세스 무방향성 전자 강판이다. 종래, 모터용 코어의 소둔은, 비산화성 또는 환원성 분위기하에서, 균열온도 약 750℃에서 약 2시간 유지의 조건으로 행해지고 있다. 최근, 이 종류의 코어의 소둔을 자장중에서 행하는 것이 제안되고 있다. 예를들면 일본 특개평 11-340030호 공보에는, 강편내의 2이상의 방향으로 여자되는 전자강 강편을 갖는 철심의, 전자동 동편을 그 여자 방향과 동일한 방향의 자장중에서 소둔하는 방법이 기재되어 있다. 또, 일본 특개평 11-341749호 공보에는, 철심에 자계를 인가하면서 소둔하는 방법에 있어서, 철심에 인가하는 자계를 코일에 의해 발생하는 동시에, 코일로부터의 발열 혹은 코일로부터의 고주파자장 인가에 의해 철심을 가열하여 소둔하는 방법이 기재되어 있다.
금속의 자장중 열처리 기술에 대해서는 오래전부터 연구가 행해지고 있는데, Fe-Si계 합금에 대해서도 1960년대에, “자장중 열처리는 재료의 투자율을 개선하는 목적에서 개발된 것으로, 연구실적에는 매우 좋은 결과가 얻어지고 있지만, 수고가 들어 경비도 증가하므로, 실용적 가치는 거의 없다”, 라고 결론지어져, 그 후 현재까지 실용화되지 않고 있는 것이 현상이다.
그렇지만, 본 발명이 대상으로 삼는 모터용 고정자 코어를 자장중에서 소둔함으로써, 자화 특성이 향상될 것이라는 것은 충분히 생각할 수 있는 것이다. 그러나 현재의 상태에서는, 소재 특성 및 소둔 조건과 소둔후의 철심의 자화 특성과의 관계에 대해 해명되어 있지 않고, 앞에서 기술한 일본 특개평 11-340030호 공보 및 일본 특개평 11-341749호 공보에서 제안되어 있는 철심의 자장중 소둔에 있어서도 이 점에 관하여 조금도 언급되어 있지 않다. 또 본 출원인도 모터용 고정자 코어의 자장중 소둔의 방법 및 장치에 관한 발명을 일본 특원 2002-156136호로서 특허출원을 행하고 있지만, 이 선원에 있어서도 이 점에 관하여 충분한 해명은 행해져 있지 않다.
한편, 전기자동차용 모터의 출력에 관해서는, 상기한 바와 같이, 400∼600Hz의 주파수역의 고주파 여자 전류를 채용함으로써, 상용전원 주파수의 여자 전류의 경우보다도 높은 출력이 얻어지고는 있지만, 여자 전류의 주파수를 높게 했을 때의 고정자 코어의 자속밀도는 1/2 정도 또는 그것 이하로 저하해버린다. 여기에서, 고주파 여자 전류하에서도 고정자 코어의 자속밀도의 저하를 억제할 수 있으면, 전기자동차용 모터의 출력을 현상보다 더욱 높이는 것, 또는 소형화를 도모하는 것이 가능하게 되는 것도 기대된다.
도 1은 B-H 곡선에 기초하여 본 발명의 효과를 설명하는 그래프이다.
도 2A∼도 2D는 본 발명의 실시형태에서의 고정자 코어의 소둔 공정을 모식도에 의해 도시하는 공정도이다.
도 3A, 도 3B는 본 발명의 실시형태에서의 고정자 코어의 소둔 공정을 모식도에 의해 도시하는 공정도이다.
도 4는 실험결과를 도시하는 그래프이다.
도 5는 실험결과를 도시하는 그래프이다.
본 발명의 목적은, 종래의 고Si계 성분의 무방향성 전자 강판 및 이것보다도 자화 특성이 양호한 고Al계 성분의 무방향성 전자 강판을 소재로 하여 제작된 모터용 고정자 코어, 특히 저자장하에서 구동되는 전기자동차용 모터에 사용되는 고정자 코어의 자장중 소둔을 행함에 있어서, 소재 특성 및 소둔 조건과 소둔후의 고정자 코어의 자화 특성과의 관계를 해명하고, 저자장에서의 자화 특성의 개선과 저철손를 도모하는 동시에 모터의 출력을 향상시키는 모터용 고정자 코어와 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 관계되는 모터용 고정자 코어는, 자속밀도가 1.0T 이하의 저자장하에서 구동되는 모터에 사용되는 고정자 코어로서, 무방향성 전자 강판을 소재로 하여 제작되고, 고정자 코어의 소둔시에 적어도 퀴리점 바로 위의 온도로부터의 냉각과정에서 모터 구동시의 모터의 고정자의 여자 방향과 동일한 방향으로 자장이 인가되어서 소둔된 모터용 고정자 코어이다.
본 발명에 관계되는 모터용 고정자 코어의 제조방법은, 무방향성 전자 강판을 소재로 하여 고정자 코어를 제작하는 고정자 코어 제작공정과, 제작후의 상기 고정자 코어를 퀴리점보다 높은 온도로 가열하고, 가열후의 냉각과정에서 상기 고정자 코어에 대해, 적어도 퀴리점 바로 위의 온도로부터 300℃까지의 온도범위에서 모터 구동시의 모터의 고정자의 여자 방향과 동일한 방향으로 자장을 인가하면서 냉각하는 고정자 코어 소둔 공정을 포함한다. 여기에서, 자장인가시에 있어서의 상기 고정자 코어의 결정립 직경을 100㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
무방향성 전자 강판을 소재로 하여 제작된 고정자 코어를 소둔할 때에, 가열후의 고정자 코어의 냉각과정에서 적어도 퀴리점 바로 위의 온도로부터 300℃까지의 온도범위에서 고정자 코어에 대해 자장을 인가함으로써, 저자장하에서 구동되는 전기자동차용 모터로 대표되는 고속 고효율 모터에 사용되는 고정자 코어로서, 철손을 저감한 고정자 코어를 제조할 수 있다. 특히, 냉각과정에서 자장을 인가할 때에, 고정자 코어에 대한 인가 자장의 방향을 모터 구동시의 고정자의 여자 방향과 같은 방향으로 함으로써, 고정자 코어의 결정내의 자구의 자화방향이 모터 구동시의 고정자의 여자 방향에 가까운 방향이 된다. 이 때문에, 고정자를 여자했을 때에 고정자 코어의 자구가 용이하게 여자 방향을 향하게 되고, 자속밀도가 높아져서 히스테리시스 손실이 감소하여, 고정자의 전체 철손을 저감할 수 있다. 또, 고정자 코어의 결정내의 자구의 자화방향이 모터 구동시의 고정자의 여자 방향에 근접함으로써, 전기자동차용 모터에 채용되는 400∼600Hz의 고주파수 여자 전류하에서의 고정자 코어의 자속밀도의 저하가 억제되고, 포화 자속밀도가 높아져, 이 고정자를 사용한 모터의 출력을 더욱 향상시키거나 또는 소형화시키는 것을 가능하게 한다.
또한, 자장인가시에 있어서의 고정자 코어 자체의 결정립 직경을 100㎛ 이상으로 함으로써, 자장인가 소둔후의 결정내의 자구의 자화방향이 맞추어지기 쉬워져, 자화 특성의 향상 효과를 보다 높일 수 있다.
통상의 모터는 일반적으로 상용전원 주파수에서 자속밀도가 1.4∼1.8T 정도하에서 사용된다. 이와 같은 고자장하에서 구동되는 모터에 사용되는 고정자 코어에서는, 고정자 코어의 소둔에 의한 자화 특성의 향상값, 게다가 자장중 소둔에 의한 자속밀도의 향상값도 그다지 크지는 않아, 자장중 소둔에 의한 효과는 거의 기대할 수 없다. 이에 반해, 자속밀도가 1.0T 이하의 저자장하에서 구동되는 모터에 사용되는 고정자 코어에서는, 적정한 자장 인가 조건하에서 소둔함으로써, 자장중 소둔에 의한 효과가 현저하게 나타난다. 이것을 도 1에 의해 설명한다.
도 1에 도시하는 그래프는, 자화력(H)과 자속밀도(B)의 관계를 나타내는, B-H 곡선이라 불리는 그래프이다. 횡축의 자화력(H)은 자화하는 힘으로서의 전류의 세기를 1m당의 총전류로서 단위 A/m로 나타내고, 종축의 자속밀도(B)는 자화력(H)에 대응하여 어느 것만 자력선을 흡수하고 통과시키는 능력이 있는지를 단위 T(테슬라)로 나타내고 있다. 1T=1만 가우스의 관계가 있고, 진공중(≒공기중)에서는 자속밀도는 1가우스이다. 도면중의 곡선(1)은 소재인 전자 강판을 타발한 채의 시료에서의 측정값을 나타내고, 곡선(2)는 (1)의 시료를 자장 없이 소둔한 후의 측정값을 나타내고, 곡선(3)은 (1)의 시료를 자장중 소둔한 후의 측정값을 나타낸다. 또한, 소재는 시판의 고Si계 성분의 무방향성 전자 강판(JIS C2552 35S230 상당품), 판두께 0.35mm이며, 타발 치수는 외경 80mm, 내경 60mm의 링 형상이다. 소둔시의 가열온도는 750℃, 자장의 인가는 750℃부터 300℃까지의 냉각과정이다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 통상의 모터의 구동 조건인 자속밀도(B)가 1.4∼1.8T의 영역에서는, 자장 없는 소둔과 자장중 소둔과의 차(곡선(2)와 곡선(3)의 간격), 즉 자장중 소둔의 효과는 작다. 한편, 전기자동차용 모터의 구동 조건인 자속밀도(B)이 1.0T 이하의 저자장영역에서는, 자장중 소둔의 효과가 극히 크고, 특히 자장중 소둔의 경우에는 B-H 곡선의 상승 각도가 크다. 투자율이 최대가 되는 점(도면중 ●로 나타냄)이 저자화력측으로 이동하고, 저자장에서의 자화 특성이 현저하게 향상하고 있다.
고정자 코어 자체를 구성하는 각 결정내의 복수의 자구는, 고정자 코어의 소둔시에 퀴리점 이상의 온도(예를들면 고Si계 성분의 무방향성 전자 강판의 경우에는 약 720℃)에서 일단 소실되고, 퀴리점보다 낮은 온도에서 냉각했을 때에 재현된다. 냉각과정에서 자장을 인가하면, 이 재현된 복수의 자구의 대부분의 자화방향이 인가 자장의 방향을 향한다. 그후 300℃에서 자장 인가를 끊으면, 자구의 자화방향은 그때까지의 인가 자장의 방향에 삼차원적으로 가장 가까운 자화용이 축(결정의 [100], [010], [001]중 어느 하나의 축) 방향에 원칙적으로 고정된다. 이 결과, 저자장에서 높은 자속밀도가 얻어지는, 즉, 투자율이 최대가 되는 점이 저자화력측으로 이동하게 된다.
또한, 냉각과정에서 자장을 인가할 때에, 고정자 코어에 대한 인가 자장의 방향을 모터 구동시의 고정자의 여자 방향과 동일한 방향으로 함으로써, 상기한 300℃에서 고정된 자구의 자화방향이 모터 구동시의 고정자의 여자 방향에 가까운 방향이 된다. 고정자를 여자했을 때에 고정자 코어의 자구가 용이하게 여자 방향을 향하게 되기 때문에 자속밀도가 높아진다. 이것에 의해, 히스테리시스 손실이 감소하여 고정자의 전체 철손이 감소하는 동시에, 이 고정자 코어를 사용한 모터의 고주파 여자 전류하에서의 포화 자속밀도가 높아져, 모터 출력이 향상하게 된다.
냉각과정에서의 자장의 인가는, 퀴리점 바로 위의 온도로부터 300℃까지의 온도범위에서 행하는 것이 좋다. 퀴리점 바로 위 보다도 높은 온도범위에서 자장을 인가해도, 이 온도범위에서는 고정자 코어 자체의 결정내의 자구가 소실되고 있으므로 자장인가의 효과는 없다. 냉각과정에서 재현하는 자구의 방향이 자장의 인가에 의해 어떤 일정한 방향에 고정될 때의 온도는, 실험의 결과 약 300℃인 것이 밝혀졌으므로, 그것보다 낮은 온도까지 자장을 인가할 필요는 없다.
인가하는 자장의 강도는 800∼12000A/m의 범위가 바람직하다. 그 이유는, 자장의 강도가 800A/m 미만이면 자장의 인가에 의한 자화 특성의 향상 효과가 낮게 또한 불안정이 되기 때문이며, 또 12000A/m 보다 강한 자장을 인가해도 자화 특성의 향상 효과는 포화되기 때문이다.
여기에서, 자장중 소둔의 효과를 더욱 높이기 위해서는, 자장인가시에서의 고정자 코어 자체의 결정립 직경을 100㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 자장인가시에 있어서의 고정자 코어 자체의 결정립 직경이 클 수록 결정립계의 총면적이 적어지므로, 자장인가 소둔후의 자구의 자화방향이 맞추어지기 쉬워져, 그만큼 자화 특성이 향상한다. 그래서, 적어도 퀴리점 바로 위의 온도로부터 자장을 인가하는 시점에서의 고정자 코어 자체의 결정립 직경을 가능한 한 크게 해 두는 것이 바람직하다. 특히 결정립 직경이 100㎛ 이상이면 자장인가의 효과가 보다 커진다. 따라서, 고정자 코어의 소재로서 결정립 직경이 100㎛ 이상의 무방향성 전자 강판(예를들면 JIS C2552 35S230 상당품)을 사용하여 고정자 코어를 제작하거나, 또는 결정립 직경이 100㎛ 미만의 무방향성 전자 강판(예를들면 JIS C2552 35S300 상당품)을 소재로 하여 제작한 고정자 코어를 H2 또는 H2+Ar 분위기하에서 850∼900℃ 정도로 가열하여 결정립을 성장시키거나, 어느 하나의 수단으로 자장 인가시에 고정자 코어 자체의 결정립 직경을 큰 상태로 해두는 것이 바람직하다. 결정립 직경이 100㎛ 이상의 무방향성 전자 강판을 소재로 하여 제작한 고정자 코어의 경우는, 퀴리점 바로 위의 온도까지 가열한 후 즉시 자장인가와 냉각을 행해서 좋다. 한편, 결정립 직경이 100㎛ 미만의 무방향성 전자 강판을 소재로 하여 제작된 고정자 코어의 경우는, 상기한 바와 같이 하여 결정립을 성장시킨 후에 냉각과정에서 자장인가 하는 편이 좋다. 여기에서, 고정자 코어의 소재가 강판 제조의 최종 공정에서 스킨패스 압연을 행한 무방향성 전자 강판의 경우에는, 고정자 코어의 소둔시에 가열함으로써 고정자 코어의 결정립이 성장하여, 결정립 직경은 200㎛ 정도가 된다.
이러한 자장인가에 의한 고정자 코어의 소둔은, 예를들면 일본 특원 2002-156136호 명세서에 기재된 소둔장치를 사용하여 실시할 수 있다. 이 소둔장치는, 복수개의 고정자 코어를 적층하기 위한 대좌(臺座)와, 이 대좌의 축심에 장착한 관 형상체와, 이 관 형상체를 고정자 코어의 관통구멍에 삽입한 상태에서 적층되는 고정자 코어 적층체의 내외면을 외기와 차단하는 커버와, 이 커버의 외측에 배치한 스파이럴 형상의 권선 코일과, 고정자 코어 적층체의 공내면과 외측면을 따라 직선적으로 배치한 선형상 코일을 구비한 고정자 코어의 소둔 장치이다.
[실시예 1]
도 2A∼도 3B는 본 발명의 실시예에서의 고정자 코어의 소둔 공정을 모식도에 의해 도시하는 공정도이며, 소둔 개시전까지의 처리공정을 도시한다.
도 2A는 피소둔재인 고정자 코어(이하, 코어라고 함)(C)를 적층하기 위한 대좌(1)와 축심(2)과 관 형상체(3)를 도시한다. 관 형상체(3)는 내열성의 실리카 튜브이다. 도 2B는 5개의 코어(C1∼C5)를 도시한다. 본 실시형태에서의 코어(C)는 소재인 무방향성 전자 강판을 링 형상으로 타발하여 적층한 것으로, 1개의 코어는 외경 300mm, 내경 200mm, 두께 200mm이고, 5개의 적층 높이는 1000mm이다.
도 2C는 5개의 코어(C)를 적층한 상태를 도시한다. 동 도면에서 4는 코어 지지대이며, 5는 관 형상체(3)에 둘러 감은 알루미나 울제의 보온재이다. 대좌(1)상에 재치한 코어 지지대(4)상에 5개의 코어(C)를 적층한다. 코어(C)의 내면과 보온재(5)의 외면 사이는 10mm정도의 간극이 있다.
도 2D는 적층한 코어(C)에 알루미나 울제의 보온재(6)를 둘러 감은 상태를 도시한다. 관 형상체(3) 및 코어(C)에 보온재(6)를 둘러 감는 목적은, 후술하는 코어 적층체 가열용의 권선 코일(8)에 의해 코어(C)를 가열할 때, 및 냉각할 때의 단열을 도모하기 위함이다.
도 3A는 외기차단용의 커버(7)를 설치한 상태를 도시한다. 커버(7)는, 하부는 개방되고, 상부는 관 형상체(3)가 통과하는 구멍(7a)이 설치된 통 형상체이고, 적층한 코어(C)(보온재(6)를 포함함)에 씌우고, 대좌(1)와의 간극을 실링함으로써, 코어(C)을 외기와 차단할 수 있다. 코어(C) 외면과 커버(7) 내면과의 사이의 공간(9)에는 대좌(1)에 설치한 구멍(도시 생략)을 통해서 불활성가스, 비산화성 가스, 비질화성 가스 등의 분위기 가스를 공급한다.
도 3B는 가열용 코일 및 자장인가용 코일의 배치상태를 도시한다. 커버(7)의 외측에는 코어(C)를 가열하기 위한 권선 코일(8)이 배치되어 있다. 본 실시형태의 권선 코일(8)은, 수냉 구리 파이프를 스파이럴 형상으로 감은 권선 코일이고, 500Hz의 고주파 전류를 통전함으로써, 코어(C)를 750∼850℃로 가열한다.
커버(7)의 외측과 적층한 코어(C)의 중심부의 관 형상체(3)의 구멍(3a)내를 통하여 2개의 선형상 코일(10(10a,10b))이 배치되어 있다. 선형상 코일(10)은 코어(C)를 냉각중에 코어(C)에 자장을 인가하기 위한 것이고, 본 실시형태에서는 12000A/m의 자계를 걸 수 있는 동선 코일을 사용하고 있다. 상기의 권선 코일(8)과 선형상 코일(10)은 상방으로 이동가능하고, 코어(C)나 커버(7) 등을 대좌(1)상에 재치하거나 제거하거나 할 때에는, 권선 코일(8)과 선형상 코일(10)을 상방으로 대피시킨다.
그 다음에, 도 3B에 기재된 기본 구조의 소둔 장치를 사용하여 모터용 고정자 코어를 소둔하는 방법에 대하여 설명한다.
도 3B에 도시하는 바와 같이 코어(C)나 커버(7) 등을 대좌(1)상에 재치하고, 코어(C) 외면과 커버(7) 내면 사이의 공간(9)에 분위기 가스(예를들면 Ar 가스)를 공급한다. 권선 코일(8)과 선형상 코일(10)을 소정의 위치에 배치한 후, 고주파 전원장치(도시 생략)로부터 권선 코일(8)에 500Hz의 고주파전류를 통전하여, 코어(C)를 750∼850℃로 가열한다. 모터용 고정자 코어의 소재인 무방향성 전자 강판의 퀴리점은 고si계 성분의 경우에는 약 720℃ 이기 때문에, 코어(C)을 750∼850℃로 가열하면, 강판의 타발시에 발생한 변형의 제거와 함께, 소재의 결정립 성장에 의한 자화 특성의 향상 효과가 있다. 특히 소재의 결정립 직경이 100㎛ 이상이면 자장인가에 의한 자화 특성의 향상 효과가 현저하므로, 소재의 결정립 직경이 100㎛ 미만의 경우에는, 850∼900℃로 가열하여 결정립 직경이 100㎛ 이상이 되도록 하는 것이 좋다. 또한, 강판 제조의 최종 공정에서 스킨패스 압연을 행한 무방향성 전자 강판이 소재인 경우에는, 코어(C)의 소둔시에 가열함으로써 코어(C) 자체의 결정립이 성장하고, 결정립 직경은 200㎛ 정도가 된다.
온도계(11)의 온도검출값에 의해 적층한 코어(C)의 내부 온도가 750∼850℃에 도달한 것을 확인후, 권선 코일(8)에 의한 가열을 정지하고, 코어(C)를 냉각한다. 냉각개시후, 코어(C)의 내부 온도가 약 750℃로 강하한 시점에서 선형상 코일(10)에 직류전원 장치(도시 생략)로부터 12000A/m의 직류전류를 통정하고, 코어(C)에 자장을 인가한다. 자장을 인가하면서의 냉각은 코어(C)의 내부 온도가 약 300℃로 될 때까지 연속하여 행하고, 300℃ 이하는 자장 인가를 중지하여 자연냉각으로 한다.
이 냉각과정에서, 퀴리점 이상의 가열에서 일단 소실한 코어(C)의 결정내의 복수의 자구가 재현된다. 냉각과정에서 자장이 인가됨으로써, 이 재현된 복수의 자구의 대부분의 자화방향이 인가 자장의 방향을 향한다. 그 후 300℃에서 자장인가를 끊으면, 자구의 자화방향은 그때까지의 인가 자장의 방향에 삼차원적으로 가장 가까운 자화용이 축(결정의 [100], [010], [001]중 어느 하나의 축) 방향에 고정된다. 이것에 의해, 저자장에서 높은 자속밀도를 얻을 수 있게 된다.
또, 자장 인가를 위한 선형상 코일(10)을 도 3B에 도시하고 있는 바와 같이 배치하고, 인가하는 자장의 방향이 모터 구동시의 고정자의 여자 방향과 동일한 방향이 되도록 함으로써, 상기의 고정된 자구의 자화방향이 모터 구동시의 고정자의 여자 방향에 가까운 방향이 된다. 이 때문에, 모터 구동시에 고정자를 여자했을 때에 고정자 코어의 자구가 용이하게 여자 방향을 향하게 되고, 자속밀도가 높아져서 히스테리시스 손실이 감소하고, 고정자의 전체 철손이 감소한다. 또한 이 고정자 코어를 사용한 모터의 고주파 여자 전류하에서의 모터 출력이 향상된다.
본 발명의 효과를 확인하기 위해서 이하의 실험을 행했다.
[실험예 1]
(실험조건)
사용소재: 무방향성 전자 강판(시료기호: HTH1500)
판두께 0.20mm 스킨패스 압연 없슴 결정립 직경 60㎛
시료치수: 외경 80mm, 내경 60mm
가열온도: 850℃, 750℃
자장의 인가: 750℃부터 300℃까지의 냉각과정
자장의 강도: 0(자장 없는 소둔), 800, 6000(A/m)
(실험결과)
표 1에 실험결과를 나타낸다.
소둔조건 자장강도(A/m) B0.5(T) W7/50(W/kg) 결정립 직경(㎛)
가열온도850℃ 6000 0.726 0.469 70
800 0.629 0.497 70
0 0.587 0.509 70
가열온도750℃ 6000 0.553 0.513 60
800 0.528 0.528 60
0 0.434 0.554 60
강판인 그대로 - 0.342 0.633 60
주) B 0.5, W7/50의 측정은 ASTM A596-69(1979년 개정)에 의한다.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 퀴리점 바로 위로부터 300℃까지의 냉각과정에서 800A/m 이상의 자장을 인가함으로써, 자장을 인가하지 않는 통상 소둔의 경우에 비해 자화 특성이 향상하고 있다. 또, 가열온도를 850℃로 함으로써 소재의 결정립 직경은 10㎛ 정도 성장하고, 가열온도가 750℃인 경우와 비교하면 자화 특성은 좋아지고 있다. 인가 자장의 강도가 800A/m인 경우의 자화 특성의 향상 효과는, 6000A/m의 경우와 비교하면 약간 불안정하다.
[실험예 2]
(실험조건)
사용소재: 무방향성 전자 강판(시료기호: 35H230)
판두께 0.35mm 스킨패스 압연 없슴 결정립 직경 100㎛
시료치수: 외경80mm, 내경60mm
가열온도: 750℃
자장의 인가: 750℃로부터 300℃까지의 냉각과정
자장의 강도: 0(자장 없는 소둔), 6000, 12000(A/m)
(실험결과)
표 2에 실험결과를 나타낸다.
소둔조건 자장강도(A/m) B0.5(T) W7/50(W/kg) 결정립 직경(㎛)
가열온도750℃ 12000 0.749 0.522 100
6000 0.683 0.531 100
0 0.460 0.606 100
강판인 그대로 - 0.343 0.676 100
주) B0.5, W7/50의 측정은 ASTM A596-69(1979년 개정)에 의한다.
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 결정립 직경이 큰 소재를 사용함으로써, 자화 특성의 향상 효과가 증대한다. 인가하는 자장의 강도가 6000A/m의 경우와 12000A/m의 경우에서는 자화 특성의 향상 효과는 큰 차이가 없다.
[실험예 3]
(실험조건)
사용소재1: 무방향성 전자 강판(시료기호: 50HS01)
성분 C: 0.002% Si: 0.80% Mn: 0.20%
B: 0.004%
스킨패스 압연 압하율: 6%
판두께 0.50mm 결정립 직경 15㎛
사용소재2: 무방향성 전자 강판(시료기호: 50HS11)
성분 C: 0.002% Si: 0.20% Mn: 0.20%
Al: 1.00% P: 0.10%
스킨패스 압연 압하율 16%
판두께 0.50mm 결정립 직경 15㎛
시료치수: 외경80mm, 내경 60mm
가열온도: 810℃
자장의 인가: 810℃부터 300℃까지의 냉각과정
자장의 강도: 0(자장없는 소둔), 1200(A/m)
(실험결과)
표 3에 실험결과를 나타낸다. 또한 표 3에는, 비교를 위해 실험예 2의 소재에서의 실험결과도 병기하고 있다.
시료 소둔조건 BS(T) B0.5(T) W7/50(W/kg) 결정립 직경(㎛)
50HS11 자장중 소둔 2.10 1.40 0.652 200
자장없는 소둔 2.10 1.20 0.746 200
50HS01 자장중 소둔 2.12 0.88 0.932 200
자장없는 소둔 2.12 0.46 1.132 200
35H230 자장중 소둔 1.99 0.75 0.522 100
자장없는 소둔 1.99 0.46 0.606 100
주) 표중의 BS는 B-H 곡선에서의 자속밀도의 포화값이다.
BS, B0.5, W7/50의 측정은 ASTM A596-69(1979년 개정)에 의한다.
도 4는 표 3의 자화 특성을 도시한 B-H 곡선이다. 도면중의 곡선(2), (3)은 도 1과 동일하고, 곡선(4)는 시료 50HS01의 자장 없는 소둔, 곡선(5)는 시료 50HS01의 자장중 소둔, 곡선(6)은 시료 50HS11의 자장 없는 소둔, 곡선(7)은 시료 50HS11의 자장중 소둔의 각각의 결과를 나타낸다. 표 3 및 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 스킨패스 압연 없는 강판의 시료 35H230의 경우에도, 자장중 소둔을 행함으로써 자장 없는 소둔의 경우보다도 저자장에서의 자속밀도(B) 0.5는 약 1.6배로 향상되고, 철손 W7/50은 약 14% 감소하고 있다. 스킨패스 압연이 있는 강판의 시료 50HS01은 시료 35H230 보다도 저Si에서, 자화 특성의 면에서는 시료 35H230보다도 불리한데도 불구하고, 결정립 직경이 크므로 자장중 냉각의 효과가 커서, 저자장에서의 자속밀도(B0.5)는 시료 35H230 보다도 높아지고 있다. 고Al계 강판의 시료 50HS11은, 자장 없는 소둔의 경우에도 고Si계 강판의 시료 35H230, 50HS01의 자장중 소둔의 경우보다도 저자장에서의 자속밀도(B0.5)가 높고, 자장중 소둔의 경우에는 저자장에서의 자속밀도(B0.5)가 더욱 높아지고 있다. 이상으로부터, 코어의 자장중 소둔을 행함으로써 자화 특성을 향상시킬 수 있고, 최종 공정에서 스킨패스 압연을 행한 전자 강판을 소재로 한 경우는 스킨패스 압연이 없는 전자 강판을 소재로 한 경우보다 자화 특성이 더 향상되고, 고Al계 성분의 전자 강판을 소재로 한 경우는 더 한층 자화 특성이 향상되는 것이 확인되었다.
[실험예 4]
실험예 1∼3은, 소둔전후의 시료에 대해 직류자계를 가하고 그 때의 자속밀도나 주파수 50Hz에서의 철손을 측정한 실험예이지만, 본 실험에서는, 본 발명의 모터용 고정자 코어의 전기자동차용 모터에의 사용을 상정하고, 소둔전후의 시료에 대해 상이한 주파수의 교류자계를 가하고 그 때의 포화 자속밀도를 측정했다.
(실험조건)
사용소재: 무방향성 전자 강판(시료기호: 35H250)
성분 C: 0.002% Si:0.30% Mn:0.20%
Al: 0.80%
판두께 0.35mm 스킨패스 압연 없슴 결정립 직경 150㎛
시료치수: 외경 80mm, 내경60mm
가열온도: 810℃
자장의 인가: 810℃로부터 300℃까지의 냉각과정
자장의 강도: 0(자장 없는 소둔), 8000(A/m)
여자 전류의 주파수: 50, 200, 400, 600, 1000(Ez)
(실험결과)
표 4에 실험결과를 나타낸다.
여자전류주파수(Hz) 50 200 400 600 1000
회전속도(min-1) 500 2000 4000 6000 10000
자장중소둔 포화자속밀도(T) 1.54 1.39 1.17 1.08 0.39
출력계수 77.0 278 468 648 390
자장없는소둔 포화자속밀도(T) 1.55 1.24 0.62 0.48 0.25
출력계수 77.5 248 248 288 250
타발한그대로 포화자속밀도(T) 1.55 1.09 0,44 0.37 0.21
출력계수 77.5 218 176 222 210
주) 회전속도는, 12폴의 모터의 당해 주파수에 있어서의 회전속도를 예시했다. 포화 자속밀도는 당해 주파수에서의 교류자화시의 포화자속밀도의 측정값을 나타낸다. 출력계수는 주파수와 포화 자속밀도의 적을 가지고 모터의 출력지표로서 나타냈다.
도 5는 표 4를 그래프화한 것이며, 파선은 포화 자속밀도, 실선은 출력 계수를 나타내고, ○ 표시는 자장중 소둔, ▲ 표시는 자장 없는 소둔, ● 표시는 타발한 상태 그대로의 경우를 각각 나타낸다.
도 1에도 도시한 바와 같이, 무방향성 전자 강판으로부터의 타발 시료에 직류자계를 가한 경우, 자화력의 증가에 따라 자속밀도가 증대하는데, 자화력이 100000A/m 근방에서 자속밀도는 포화되어, 그 때의 포화 자속밀도는 약 2.0(T)이다. 한편, 교류자계를 가한 경우에는, 역자화력의 발생에 의해, 여자 전류의 주파수가 높아짐에 따라서 포화 자속밀도가 저하된다. 이때의 포화 자속밀도의 저하의 정도는, 시료의 잔류 변형의 다소, 자구방위에 따라 다르다. 변형제거 소둔을 행함으로써 잔류 변형이 감소하여 포화 자속밀도의 저하의 정도는 감소하고, 자장중 소둔을 더 행함으로써 자구의 방위가 인가 자장 방향에 근접하고 포화 자속밀도의 저하의 정도는 더욱 감소한다.
표 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 타발한 그대로의 시료 및 자장 없는 소둔을 행한 시료의 경우에는, 여자 전류의 주파수가 200Hz를 초과하면 포화 자속밀도는 급격하게 저하되어, 200Hz 이상의 주파수역에서는, 주파수와 포화 자속밀도의 적으로써 나타내어지는 출력계수는 거의 증가하지 않는다. 이에 반해, 자장중 소둔을 행한 시료의 경우에는, 여자 전류의 주파수의 증가에 의한 포화 자속밀도의 저하가 완만하고, 특히 전기자동차용 모터로 채용되는 고주파 여자 전류의 주파수역인 400∼600Hz에서는, 타발한 그대로 또는 자장 없는 소둔을 행한 시료의 출력계수에 비해 2배 이상의 출력 계수가 얻어진다. 즉, 본 발명에 관계되는 모터용 고정자 코어를 전기자동차용 모터에 사용함으로써, 종래의 모터용 고정자 코어를 사용한 전기자동차용 모터에 비해 2배 이상의 모터 출력이 얻어지고, 또 동일한 출력이면 모터의 소형화가 가능하게 된다는 것이 확인되었다.
본 발명에 관계되는 모터용 고정자 코어의 적용은 전기자동차용 모터에 한하지 않고, 저자장하에서 사용되는 모터 전반에 적용하여 철손의 저감과 출력향상에 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

  1. 자속밀도가 1.0T 이하의 저자장하에서 구동되는 모터에 사용되는 고정자 코어로서, 무방향성 전자 강판을 소재로 하여 제작되고, 고정자 코어의 소둔시에 적어도 퀴리점 바로 위의 온도로부터의 냉각과정에서 모터 구동시의 모터의 고정자의 여자 방향과 동일한 방향으로 자장이 인가되어 소둔된 것을 특징으로 하는 모터용 고정자 코어.
  2. 모터에 사용되는 고정자 코어의 제조방법으로서, 무방향성 전자 강판을 소재로 하여 고정자 코어를 제작하는 고정자 코어 제작공정과,
    제작후의 상기 고정자 코어를 퀴리점보다 높은 온도로 가열하고, 가열후의 냉각과정에서 상기 고정자 코어에 대해, 적어도 퀴리점 바로 위의 온도로부터 300℃까지의 온도범위에서 모터 구동시의 모터의 고정자의 여자 방향과 동일한 방향으로 자장을 인가하면서 냉각하는 고정자 코어 소둔 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터용 고정자 코어의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 자장 인가시에 있어서의 상기 고정자 코어의 결정립 직경을 10O㎛ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 모터용 고정자 코어의 제조방법.
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