KR20150004642A

KR20150004642A - 철손저감 및 강도향상을 위한 전기강판 적층코어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 적층코어

Info

Publication number: KR20150004642A
Application number: KR1020130077901A
Authority: KR
Inventors: 엄상호; 김청하; 김지현; 봉원석
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-13
Also published as: JP6211184B2; EP3016772A1; US10265795B2; EP3016772B1; WO2015002364A1; US20160121421A1; JP2016530861A; KR101677317B1; EP3016772A4; CN105324204B; CN105324204A

Abstract

본 발명은 철손저감 및 강도향상을 위한 전기강판 적층코어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 적층코어에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 전기강판을 적층하여 적층체를 얻는 단계; 및 상기 적층체의 외주면을 용접하는 단계를 포함하며, 상기 용접시 전기비저항이 6.5×10^-7Ωm이상이고, 비투자율이 1.02미만이며, 상기 전기강판보다 낮은 융점을 갖는 용접와이어를 용접재료로 이용하는 것을 특징으로 하는 전기강판 적층코어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 적층코어를 제공한다.

Description

철손저감 및 강도향상을 위한 전기강판 적층코어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 적층코어{METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRICAL STEEL SHEET LAMINATED CORE FOR REDUCING CORE LOSS AND INCREASING STRENGTH AND LAMINATED CORE PRODUCED BY THE SAME}

본 발명은 철손저감 및 강도향상을 위한 전기강판 적층코어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 적층코어에 관한 것이다.

전기강판은 규소(Si)를 함유한 자기적 특성이 우수한 강판이다. 이러한 전기강판은 모터, 발전기 등의 회전기기 코어(철심)에 사용되며, 코어로 제조하기 위해 중심에 원형의 중공이 형성된 원판형의 형태로 그 높이 방향을 따라 순차적으로 적층 및 용접된다.

이와 같이 적층된 코어는 와전류 손실을 줄이기 위해 각 전기강판 표면에 절연코팅이 실시되며, 이러한 절연코팅은 타발성을 고려하여 무기물과 유기물이 혼합된 유무기 복합코팅이 주로 사용된다.

한편, 이러한 전기강판의 적층코어는 제조공정 중 운반 또는 구리선의 삽입시, 적층된 낱장의 소재가 분리되는 것을 방지하기 위해 클린칭(clinching)과 같은 기계적 체결이나 용접에 의해 결합되는데, 특히, 가전용 또는 전기자동차용 소형 적층코어의 용접시에는 주로 용가재를 사용하지 않는 티그(TIG: Tungsten Inert Gas) 용접이 사용되고 있다.

그러나, 이러한 낱장간의 기계적 또는 용접에 의한 결합은 기계적/열적변형에 의한 자성손실뿐만 아니라, 적층된 전기강판 사이에서 단락(short-circuit)을 발생시켜 자성의 손실(철손)을 야기한다.

다만, 비특허문헌 1에는 이러한 단락에 의한 손실은 용접에 비해 클린칭이 적다고 보고되고 있으나, 하이브리드 또는 전기 자동차 등 고출력/고효율 모터의 수요에 대응하여 적층코어의 크기(적층높이)가 대형화됨에 따라 적층 강판간 클린칭에 의한 결합력은 한계가 있고, 따라서 용접의 적용을 피하기 어렵다는 문제가 있다.

용접에 의한 적층코어의 성능 열화는 용접입열량과 관계되는 용접부의 폭과 깊이 또는 용접 수 등에 비례하는 것으로 보고되고 있다. 이로 인해, 성능 열화를 줄이기 위해서 용접입열량이나 용접 수를 최소화하는 것이 요구되지만, 모터 등과 같은 제품의 대출력을 위해 코어의 크기가 증가됨에 따라 용접입열량이나 용접 수를 최소화하는 것에는 한계가 있다. 또한, 용접입열량 저감 측면에서 플라즈마 용접이나 레이저용접의 적용 또한 제안되고 있으나, 이는 전기강판간의 결합력 측면에서 한계가 있는 실정이다.

또한, 절연을 위해 표면에 코팅된 유무기 복합코팅은 용접 중 유기물의 분해에 의해 가스화되며, 발생된 가스는 용융금속의 응고과정에서 포획되어 용접부 내부에 기공 결함으로 존재하게 됨에 따라 용접부의 결합력을 저하시키는 문제가 있다.

IEEJ. Transactions on Fundamantals and Materials, 123(9), 857(2003)

본 발명은 전기강판을 적층 및 용접하여 제조되는 코어의 철손을 저감시킴과 동시에 강도 또한 향상시킬 수 있는 제조방법 및 이에 의해 제조된 적층코어를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 전기강판을 적층하여 적층체를 얻는 단계; 및 상기 적층체의 외주면을 용접하는 단계를 포함하며, 상기 용접시 전기비저항이 6.5×10^-7Ωm이상이고, 비투자율이 1.02미만이며, 상기 전기강판보다 낮은 융점을 갖는 용접와이어를 용접재료로 이용하는 것을 특징으로 하는 전기강판 적층코어의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태는 전기강판이 적층된 적층체 및 상기 적층체의 외주면이 용접된 용접부를 포함하며, 상기 용접부는 전기비저항이 6.5×10^-7Ωm이상이고, 비투자율이 1.02미만인 전기강판 적층코어를 제공한다.

본 발명에 따르면, 용접에 의해 발생하는 전기적 단락부의 저항 및 용접부의 자성을 제어함과 동시에, 용접입열량을 적절하게 제어하여 결합력의 저하가 없는 동시에 열응력/변형을 저감시켜 자성 또한 향상시킬 수 있는 전기강판 적층코어의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 용접부의 응고온도를 저하시킴에 따라 절연코팅의 분해에 의한 가스의 방출을 용이하게 함으로써 기공 내지 피트와 같은 용접결함의 발생을 방지하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 적층코어는 우수한 강도 및 낮은 철손을 가져 중소형 뿐만 아니라 대형 모터, 발전기 등의 제품에 바람직하게 적용될 수 있다.

도 1은 일반적인 TIG 제살용접에서의 용접전류에 따른 코어의 철손을 나타낸 것이다.
도 2는 TIG제살용접시 용접전류에 따른 코어 용접부의 강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 전기강판 적층코어의 제조방법을 나타내는 것으로서, (a)는 사시도, (b)는 단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 적층코어의 내부 기공을 관찰한 사진이며, (a)는 비교예 2, (b)는 발명예 1, (c)는 비교예 4, (d)는 발명예 2의 사진이다.

본 발명자들은 전기강판이 적층된 코어를 제조하기 위한 용접시 자성이 열화되는 문제를 해결하기 위한 연구를 행한 결과, 극박의 전기강판 적층코어의 외주면 용접에 의해 발생하는 전기강판간의 단락이나 내부 기공 형성, 열적응력/변형 등이 적층코어의 자성에 영향을 주는 것을 확인하였다.

도 1은 일반적인 TIG 제살용접에서의 용접전류에 따른 코어의 철손의 변화를 나타낸 것이다. 이 때, 측정방법은 IEC60404-06의 링코어시험법을 따랐으며, 여기서, W15/50은 자속밀도 1.5T, 주파수 50Hz의 조건을, 10W/200은 자속밀도 1.0T, 주파수 200Hz의 조건을, 10W/400은 자속밀도 1.0T, 주파수 400Hz의 조건을, 8W/800은 자속밀도 0.8T, 주파수 800Hz의 조건을 의미한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 철손(자성 손실)은 용접입열량에 영향을 미치는 용접전류에 비례하며, 특히 고 회전조건에 해당하는 고주파 조건에서 심화된다는 것을 알 수 있다. 즉, 철손을 감소시키기 위해서는 용접입열량을 감소시켜야 하는 것을 알 수 있으며, 이러한 용접입열량의 저감에 따른 철손의 감소는 용접의 열적 스트레스(열적 변형)의 감소와 함께 용접부 형성에 의한 전기적 단락의 단면적 감소를 통한 전기적 저항증가에 의한 것으로 판단된다.

한편, 도 2는 통상적인 적층코어 용접공정인 TIG제살용접시 용접전류에 따른 코어 용접부의 강도의 변화를 나타낸 것이다. 상기 용접부의 강도는 코어를 이루는 전기강판 하나씩의 강도를 측정한 뒤, 그 평균값과 표준편차를 박스(box) 형태의 그래프로 나타내었다. 그래프의 박스의 윗변과 아랫변은 3사분위수 및 1사분위수이며, 중상의 선은 중간값을 의미한다. 박스 내 점은 평균값을 의미하며, 박스 외부의 윗선과 아래선은 각각 최대값과 최소값을 나타낸다. 이 때, 용접시 용접속도는 300mm/min였으며, 인장시험기의 인장속도는 5/mm/min였다. 도 2에 나타난 바와 같이, 용접입열량을 감소를 위하여, 용접전류가 감소하는 경우에는 용접부의 강도가 저하되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 1에서와 같이 자성 손실을 줄이기 위하여, 용접입열량을 감소시키는 경우에는 용접부의 강도 저하를 감수해야 하며, 이러한 강도 저하는 모터와 같은 적층코어의 운반이나 이후 공정에서 용접부의 분단이 야기될 수 있어, 안전상의 문제나 추가 보수작업을 위한 비용상승 등의 문제가 발생할 수 있음을 알 수 있다.

결국, 철손의 저감을 위해서는 용접입열량을 저감시키는 것이 바람직하나, 용접부의 강도를 확보하기 위해서는 최소한의 용접입열량을 부여하는 것이 필요하므로, 낮은 용접입열량에서도 우수한 강도를 확보할 수 있으면서도 철손의 저감 효과 또한 우수한 적층코어의 제조방법이 요구된다.

이에 따라, 본 발명자들은 용접부의 강도가 저하되지 않는 범위에서 용접입열량을 저감하여 열적응력/변형을 감소시키고, 용접부에 의한 단락저항을 증가시키기 위한 방법으로서, 통상적으로 용접와이어를 사용하지 않는 용접, 예를 들면 TIG와 같은 용접방법에 용접 와이어를 용접재료로 이용함으로써, 적층코어의 용접에 의한 자성 손실을 최소화하기 위한 방법을 제안하게 되었다.

도 3은 본 발명의 전기강판 적층코어의 제조방법을 나타내는 것으로서, (a)는 사시도, (b)는 단면도를 나타낸다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 적층코어를 제조하기 위해서 먼저 전기강판(1)을 적층하여 적층체(10)를 얻는 것이 바람직하다. 이 때, 전기강판은 모터나 변압기와 같은 제품에 바람직하게 적용되기 위하여, 우선적으로 타발되어 최종 제품에 요구되는 형상으로 가공되는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명에서는 전기강판의 종류에 대해 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 사용되는 다양한 전기강판을 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 제조방법에는 고가의 합금원소가 첨가되지 않는 저렴한 전기강판이 바람직하게 이용될 수 있으며, 이를 통해 기존의 고가의 강종을 보다 낮은 등급의 전기강판으로 대체할 수 있어 비용절감 효과를 얻을 수 있다. 물론, 강도 향상이나 철손 저감을 위해 고가의 합금원소를 다양하게 포함하는 전기강판 또한 적용가능하다.

이어서, 상기 적층체(10)를 동판(copper shim)(20)과 함께 가압 실린더(30)에 연결된 클램핑 바(clamping bar)(40) 사이에 위치시킨 뒤, 상기 클램핑 바(40)에 압력을 부여하여 상기 적층체(10)를 일정한 압력을 가압한다. 일정 압력에 도달하게 되면, 용접토치(50)를 이용하여 용접을 실시하며, 이 때, 상기 용접토치(50)의 이동방향 전단에서 용접와이어(60)를 일정한 속도로 송급하는 것이 바람직하다. 용접토치의 이동방향은 상향, 하향 어느 것이라도 상관없으며, 와이어의 송급방향 역시 이동방향 전단, 후단 어느 방향이라고 상관없다. 한편, 상기 동판(20)은 용접 아크의 생성과 소멸이 이루어지는 곳으로, 적층체의 시작부와 끝단부에 안정적인 용접부를 형성하기 위해 사용된다. 상기 동판은 동 이외의 소재로 대체될 수도 있으나, 적층체와의 용착을 방지하기 위해 동이 사용되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 가압 실린더(30)는 가압력을 부여하기 위하여 전기모터나 유압 등에 연결될 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 적층체를 용접하여 적층코어를 제조함에 있어, 상기 용접시 용접와이어를 용접재료로 이용하여, 용접에 의한 열적 변형을 감소시키고, 용접부가 비자성과 높은 전기비저항을 갖도록 함으로써, 철손을 증가시키는 전기적 단락의 영향을 저감시킬 수 있다. 특히, 본 발명에 따르면, 제살용접에 비해 동일 용접조건 대비 우수한 강도 향상과 철손 저감 효과를 발현할 수 있다. 즉, 제살용접대비 더 낮은 용접전류조건에서도 높은 용접부 강도를 확보할 수 있으므로, 추가적인 열적 변형 감소 효과를 얻을 수 있다. 이를 위해, 상기 용접와이어는 전기비저항이 6.5×10^-7Ωm이상이고, 비투자율이 1.02미만인 것이 바람직하다. 상기 전기비저항이 6.5×10^-7Ωm미만일 경우에는 용접부의 전기적 단락의 영향이 커져 철손이 증가될 수 있으며, 비투자율이 1.02이상일 경우에는 비자성 특성을 확보하기 곤란하다. 상기 전기비저항은 보다 바람직하게는 6.9×10^-7Ωm이상, 보다 더 바람직하게는 7.2×10^-7Ωm이상, 가장 바람직하게는 7.8×10^-7Ωm이상인 것이 유리하다. 상기 비투자율은 보다 바람직하게는 1.01이하, 보다 더 바람직하게는 1.005이하, 가장 바람직하게는 1.003이하인 것이 유리하다. 한편, 상기 전기비저항은 높으면 높을수록, 상기 비투자율은 낮으면 낮을수록 철손을 감소시키는 효과가 우수하므로, 본 발명에서는 상기 전기비저항 상한과 상기 비투자율의 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 비투자율은 공기의 투자율 대비 상대적인 값으로서 단위가 없다는 점에 유의해야 한다.

또한, 상기 용접와이어는 전기강판으로 구성되는 상기 적층체 보다 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 통상적으로 전기강판의 융점은 1466~1501℃수준이며, 통상적으로 용접시 아크에 의해 용접부는 3000℃까지 온도가 올라가게 된다. 본 발명이 제안하는 바와 같이 전기강판보다 융점이 낮은 용접와이어를 사용하는 경우에는 즉, 융점이 1466℃미만인 용접와이어를 이용하는 경우에는 용접시 용융되었던 용접부가 다시 굳어지기까지의 시간을 보다 증가시킬 수 있다. 즉, 용접시 유기물의 분해에 형성되는 가스가 외부로 배출되기 위한 시간을 충분히 확보할 수 있게 되며, 이를 통해, 용접부 내에 기공이 형성되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 상기 융점은 보다 바람직하게는 1454℃이하, 보다 더 바람직하게는 1420℃이하, 가장 바람직하게는 1410℃이하인 것이 유리하다. 상기 융점은 낮으면 낮을수록 기공 형성 방지에 유리하므로, 본 발명에서는 상기 융점의 하한에 대해서 특별히 한정하지 않는다.

한편, 적층코어의 철손은 용접에 의한 전기적 단락에 기인하므로, 상기 용접와이어로는 오스테나이트계와 같은 비자성 및 고전기비저항의 특성을 갖는 용접와이어를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 용접와이어는 Fe-Cr-Ni계 합금, Fe-Cr-Mn계 합금, Ni금속, Ni계 합금 및 TWIP강 등을 이용할 수 있다. 이 때, 상기 Fe-Cr-Ni계 합금은 300계 스테인리스강이고, 상기 Fe-Cr-Mn계 합금은 200계 스테인리스일 수 있다. 상기 200계 및 300계 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강으로서, 본 발명에서는 상기 오스테나이트계 스테인리스강을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 본 발명에서는 상기 200계 또는 300계 스테인리스강의 종류에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 예를 들면, 상기 200계 스테인리스강으로는 한국공업규격 KS B IS014343에 규정된 STS 201, STS 202, 및 STS 205 등을 이용할 수 있으며, 300계 스테인리스강으로는 한국공업규격 KS B IS014343에 규정된 STS 308, STS 309, 및 STS 310 등을 이용할 수 있다. 한편, 본 발명이 제안하는 Ni계 합금은 본발명이 제안하는 전기비저항, 비투자율, 융점 등을 만족하기 위하여, Ni함량이 25중량%를 초과하는 것이 바람직하다. 상기 Ni함량은 40%를 초과하는 것이 보다 바람직하며, 50중량%를 초과하는 것이 보다 더 바람직하다. 상기 언급한 제살용접이란 용접와이어를 용접재료로 이용하지 않고, 모재만을 용융시켜 용접하는 방법을 의미한다.

한편, 본 발명에 적용되는 전기강판은 와전류 손실을 줄이기 위해 그 표면에 절연코팅이 이루어질 수 있다. 다만, 상기 절연코팅은 용접 중 유기물의 분해에 의해 가스화되며, 발생된 가스는 용융금속의 응고과정에서 포획되어 용접부 내부에 기공 결함으로 존재하여 용접부의 결합력을 저하시키는 문제를 발생시킬 수 있다. 그러나, 본 발명에 의하면, 오스테나이트계 용접와이어를 용접재료로 이용함으로써 용접입열량을 저감시킬 수 있고, 이를 통해 유기물의 분해를 억제할 수 있어, 용접부의 내부 기공을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 특히, 본 발명이 제안하는 오스테나이트계 스테인리스 용접와이어는 전기강판 대비 합금원소의 함유량이 상당히 많은 합금으로 융점이 상대적으로 낮다. 따라서, 용접시 용접부가 용융상태에서 유지되는 시간이 길기 때문에, 용접열에 의해 분해되어 발생하는 내부가스가 용접부가 응고하기 전에 상기 용접부 내부로부터 탈출하기에 충분하여 용접부의 기공 저감에 효과적이다. 한편, 본 발명에서는 상기 절연코팅의 종류에 대해 특별히 한정하지 않는다. 다만, 본 발명이 제공하는 방법에 의하면, 기공 형성 방지 측면에서 크롬프리 절연코팅에 효과적으로 적용될 수 있다. 상기 크롬프리 절연코팅은 통상적으로 내열성이 높아 고온에서 분해가 되게 되는데, 이로 인해 상기 절연코팅의 분해에 의해 발생되는 가스가 쉽게 방출되지 못하는 단점이 있다. 그러나, 본 발명이 제안하는 방법에 따르면, 용융부의 융점을 낮출 수 있고, 이를 통해 용융부가 굳기까지의 시간을 늦출 수 있어 기공을 효과적으로 배출할 수 있다.

본 발명에 적용되는 용접방법으로, 바람직하게는 비교적 비용이 저렴하면서도 당해 기술분야에서 널리 이용되는 TIG 용접방법을 이용할 수 있으나, 용접와이어를 사용하지 않는 레이저 용접이나 플라즈마 용접 또한 적용가능하다.

한편, 상기에서 언급한 바와 같이, 오스테나이트계 용접와이어를 제공하면서 전기강판 적층체를 용접하는 경우, 본 발명에서 얻고자 하는 효과를 용이하게 달성할 수 있으나, 보다 바람직하게는 상기 용접시 용접입열량의 제어가 동시에 이루어지는 것이 유리하다.

예를 들면, 상기 용접이 TIG 용접인 경우, 용접입열량을 0.9~2.88KJ/cm의 범위로 제어하는 것이다. 상기 용접입열량이 0.9KJ/cm미만일 경우에는 입열량이 부족하여 용접와이어의 용융이 곤란할 뿐만 아니라 제상용접에서조차 소재 자체의 용융량이 적어 용접부의 결합력을 충분히 확보할 수 없다는 문제가 있다. 2.88KJ/cm를 초과하는 경우에는 과도한 입열량에 의해 열변형이 크게 발생하여, 적층코어의 치수 불일치 등 형상 불량의 문제가 발생하여 모터와 같은 제품으로의 제조가 불가능하다. 따라서, 상기 용접입열량은 0.9~2.88KJ/cm의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 0.9~2.4KJ/cm의 범위를 갖는 것이 보다 바람직하다. 용접에 의한 자성열화는 용접입열량 증가에 의한 열응력 증가 및 용접부의 단락저항 감소에 비례하므로, 상기 용접입열량은 0.9~1.53KJ/cm미만의 수준을 갖는 것이 보다 더 바람직하다. 한편, 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 제살용접방법에 의하면, 일정 수준이상의 강도를 확보하기 위하여, 1.53~2.88KJ/cm의 용접입열량을 부여한다. 그러나, 본 발명에 의하면, 상기 용접전류를 기존에 비하여 낮은 수준으로 적용하더라도 보다 우수한 강도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 철손의 저감 효과 또한 뛰어나다.

본 발명에서는 상기와 같이 용접입열량 범위를 만족하는 것이라면, 어떠한 용접전류와 용접속도 조건을 이용해도 무방하므로, 상기 용접전류와 용접속도에 대해서 특별히 한정하지 않는다. 다만, 보다 효과적으로 용접입열량을 제어하기 위하여, 용접전류는 50~120A의 범위로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 용접전류가 50A미만일 경우에는 용접부의 결합력을 충분하게 확보할 수 없어 용접부의 분단을 야기할 수 있으며, 반면 120A를 초과하는 경우에는 과도한 입열량에 의해 열적 스트레스(열적 변형)가 높아지거나 내부 기공 억제 효과가 떨어져 철손의 감소 효과가 저하될 수 있다. 따라서, 상기 용접전류는 50~120A의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 50~90A의 범위를 갖는 것이 유리하다. 용접전류는 용접입열량과 직접적으로 연관되는 것으로서, 상기 용접전류가 작을수록 용접입열량 또한 작아진다. 따라서, 상기 용접전류는 가능한 낮은 수준을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 용접전류는 50A이상~85A미만의 범위를 갖는 것이 보다 더 바람직하다.

또한, 상기 용접시 용접속도는 300~1000mm/min의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 용접속도 또한 용접입열량과 연관되는 것으로서, 용접입열량의 제어를 위하여 상기 용접속도를 적절히 제어하는 것이 바람직하다. 상기 용접속도가 1000mm/min을 초과하는 경우에는 과도하게 빠른 속도로 인하여 용접부 내에 기공이 발생하여 철손이 증가할 우려가 있다. 뿐만 아니라, 용접부에 충분한 용접입열량이 제공되지 못하여 양호한 용접부를 얻지 못할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 용접전류를 높이는 방법이 있을 수 있으나, 이 경우에는 비용의 상승을 초래하게 된다. 반면, 용접속도가 300mm/min미만인 경우에는 생산성이 현저히 낮아질 수 있으며, 과도하게 낮은 속도로 용접되어 용접입열량이 증가할 수 있는 문제가 발생할 수 있다. 상기 용접속도는 용접와이어의 송급 안정성 확보를 위하여, 보다 바람직하게는 300~700mm/min, 보다 더 바람직하게는 300~500mm/min의 범위를 갖는 것이 유리하다.

한편, 본 발명에서는 용접와이어의 직경에 대하여 구체적으로 한정하지 않으나, 단락저항은 용접부의 치수에 반비례하므로 가급적 지름이 작은 것을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.3~2.0mm의 직경을 갖는 용접와이어를 사용하는 것이 유리하다. 직경이 0.3mm미만일 경우에는 와이어 제조 비용이 상승할 수 있으며, 2.0mm를 초과하는 경우에는 과대한 용접부의 치수로 인해 단락저항이 감소될 수 있고 이에 따라 철손 저하 문제가 발생할 수 있으며, 동일 용접속도 및 와이어 송급속도 조건에서 와이어를 용융하기 위한 용접입열량의 증가가 요구되어 열응력 증가에 따른 철손저하의 문제가 발생할 우려가 있다. 보다 더 바람직하게는 0.3~2.0mm의 직경을 갖는 용접와이어를 사용하는 것이 유리하다. 상기 용접와이어의 직경의 하한은 0.5mm인 것이 보다 바람직하고, 0.8mm인 것이 보다 더 바람직하며, 상한은 1.6mm인 것이 보다 바람직하고, 1.0mm인 것이 보다 더 바람직하다.

또한, 상기 용접와이어는 송급속도는 용접입열량 특히 용접속도에 따라 결정되어야 하는데, 용접속도에 비해 와이어의 송급속도가 지나치게 느린 경우 불연속적인 용접비드가 형성될 수 있고, 특히 본 발명이 제안하는 조건인 낮은 용접입열량 조건에서 국부적인 강도 저하 구간을 형성할 수 있어 적층코어의 자중 등에 의한 크랙발생의 우려가 있다. 또한 용접와이어의 송급속도가 용접속도보다 지나치게 빠른 경우에는 용접와이어의 충분한 용융이 곤란하여 안정적인 용접부 형성이 불가할 수 있다. 따라서 용접와이어의 송급속도는 용접속도의 1.5 내지 3.0배 빠른 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 1.5 내지 2.0배 빠른 것이다.

한편, 상기 용접시에는 상기 적층체를 두께 방향으로 가압하는 것이 요구되는데, 이를 통해 전기강판간의 용접이 원활히 행하여질 수 있도록 할 수 있으며, 나아가, 동일 부피의 적층코어에 들어가는 전기강판의 매수(점적율)를 증가시킬 수 있어 모터의 성능을 높일 수 있다. 이 때, 상기 가압시 가압력은 0.5~3MPa의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 가압력이 0.5MPa미만일 경우에는 낮은 점적율에 의한 최종 제품의 저성능화와 같은 단점이 발생할 수 있고, 3MPa를 초과하는 경우에는 용접에 의해 발생된 절연코팅 분해가스에 의한 다량의 기공발생으로 인해 용접부 외관 품질 및 강도저하가 발생할 수 있다. 상기 가압력의 하한은 0.8MPa인 것이 보다 바람직하고, 1.2MPa인 것이 보다 더 바람직하며, 상한은 2MPa인 것이 보다 바람직하고, 1.5MPa인 것이 보다 더 바람직하다.

전술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 전기강판 적층코어의 제조방법에 따르면, 제살용접과 동일한 용접입열량에서도 단락저항의 제어가 가능하므로 철손감소 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제살용접보다 훨씬 낮은 용접입열량을 부여하더라도 보다 우수한 강도를 확보할 수 있으며, 그에 따른 열응력/변형 저감 및 단락저항 제어 효과에 의해 우수한 자성을 확보할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 제조방법에 의해 제조되는 일 실시형태의 적층코어로서, 전기강판이 적층된 적층체 및 상기 적층체의 외주면이 용접된 용접부를 포함하며, 상기 용접시 오스테나이트계 용접와이어를 용접재료로 이용하여 제조된 것임을 특징으로 하는 적층코어를 제공한다.

상기와 같이 제조되는 적층 코어는 용접부의 전기비저항이 6.5×10^-7Ωm이상이며, 비투자율이 1.02미만인 것을 특징으로 한다. 상기 용접부는 6.5×10^-7Ωm이상의 전기비저항과 1.02미만의 비투자율을 가짐으로써 용접부의 단락저항이 증가하여, 와전류에 의한 손실을 저감할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 용접부의 전기비저항이 높으면 높을수록 바람직하므로, 그 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.

또한, 상기 적층 코어는 용접부가 하기 식 1 및 2를 만족하는 합금조성을 갖는 것이 바람직하다.

[식 1] : y ≥ -0.8×2.8

[식 2] : y ≥ x-10

이 때, 상기 x는 Cr+2.5Si+1.8Mo+2Nb이고, y는 Ni+0.5Mn+30C이며, 상기 Cr, Si, Mo, Nb, Ni, Mn 및 C의 단위는 중량%이다.

만일, 상기 적층 코어의 용접부가 상기 식 1 및 2의 조건을 만족하지 않는 y < -0.8×2.8 혹은 y < x-10일 경우에는, 자성을 갖는 페라이트가 10면적%이상으로 존재하게 되어 철손저감효과를 상쇄하게 되는 단점이 있다.

즉, 본 발명의 적층코어는 용접부가 상기 식 1 및 2의 조건을 만족하고, 미세조직이 10면적%미만의 페라이트와 주조직으로서 오스테나이트를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 페라이트는 5면적%미만인 것이 유리하고, 3면적%미만인 것이 보다 더 바람직하다. 가장 바람직하게는, 오스테나이트 단상 조직을 갖는 것이 유리하다.

한편, 본 발명이 제공하는 적층코어는 상기 적층코어를 구성하는 전기강판의 표면에 절연코팅이 형성되는 것이 바람직하며, 이를 통해 와전류 손실을 줄일 수 있다. 특히, 본 발명이 제공하는 적층코어에 따르면, 크롬프리 절연코팅이 형성되는 경우에 기공 형성 억제 측면에서 보다 유리하게 작용할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

(실시예 1)

0.35mm의 두께를 가지며, 표면에 크롬타입 절연코팅이 이루어지고, 3중량%의 Si를 함유하는 전기강판을 타발한 뒤, 적층하여 모터의 스테이터용 코어 적층체를 얻었다. 상기 적층체를 가압 실린더를 통해 2MPa의 가압력으로 가압한 상태에서 용접와이어를 용접재료로 이용하여 TIG용접을 실시하였다. 이 때 사용된 용접와이어로는 전기비저항이 7.8×10^-7Ωm이고, 비투자율이 1.003이며, 융점이 1450℃인 STS 310 솔리드 와이어를 이용하였으며, 직경은 0.9mm였다. 비교예로서 사용된 와이어로는 전기비저항이 1.8×10^-7Ωm이고, 비투자율이 1000이며, 융점이 1529℃인 50Kgf급 탄소강계 와이어를 사용하였다. 적층코어의 자성은 점적율에 의존하므로, 점적율을 일정하게 하기 위해 각각의 시험시 동일 매수의 전기강판을 사용하였다. 용접은 적층체의 외주면을 90°간격으로 4개의 위치에 행하였으며, 용접전류를 하기 표 1과 같은 조건으로 변화시켰다. 이 때, 용접속도는 300mm/min, 와이어 송급속도는 700mm/min였고, 보호가스로는 12.5L/min의 Ar을 사용하였다. 이를 통해 제조된 적층코어에 대하여 IEC60404-06의 링코어시험법에 따라 철손을 측정하여 하기 표 1에 나타내었으며, 상기 적층코어를 구성하는 전기강판 15장을 분리하여, 각각의 전기강판에 대하여 용접부 강도를 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	용접방법	용접전류(A)	철손(W/Kg)				용접부 강도(N)
구분	용접방법	용접전류(A)	W15/50	W10/200	W10/400	W8/800	평균강도	표준편차
비교예1	미용접	-	2.20	6.23	18.1	34.8	0	0
비교예2	제살용접	50	2.25	6.51	18.8	36.8	199.5	64.4
비교예3		70	2.27	6.72	19.4	37.8	220.5	72.2
비교예4		90	2.30	6.92	20.0	38.9	261.6	96.4
비교예5		120	2.35	7.19	20.9	40.8	미측정	미측정
발명예1	와이어 송급 (STS310)	50	2.23	6.42	18.5	36.0	532.6	125.4
발명예2		70	2.26	6.61	19.1	37.0	677.6	228.5
발명예3		90	2.30	6.83	19.7	38.3	857.5	201.2
비교예6	와이어 송급 (탄소강계)	90	2.32	6.96	20.1	39.1	미측정	미측정

상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 제조조건에 부합되는 발명예 1 내지 3의 경우에는 용접을 행하지 않은 경우인 비교예 1에 비하여 철손은 미량 증가하였으나, 500N이상의 우수한 용접부 강도를 확보하고 있을 뿐만 아니라 철손 또한 낮은 수준임을 알 수 있다. 특히, 기존의 용접방법인 제살용접법을 이용한 비교예 2 내지 5에 비해 동일 용접전류 조건에서 저감된 철손을 가지고 있으며, 강도는 2.5배이상으로 현저히 우수한 수준임을 알 수 있다. 또한, 탄소강계 용접와이어를 사용한 비교예 6에 비해서도 낮은 수준의 철손을 확보하고 있음을 알 수 있다.

도 4는 적층코어의 내부 기공을 관찰한 사진이며, (a)는 비교예 2, (b)는 발명예 1, (c)는 비교예 4, (d)는 발명예 2의 사진이다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 용접전류가 변하더라도 제살용접을 행한 경우에 비하여, 본 발명이 제안하는 바와 같이 오스테나이트계 용접와이어를 용접재료로 이용하면서 용접하여 적층코어를 제조한 경우에 내부 기공이 현격히 감소된 것을 알 수 있다.

즉, 본 발명이 제안하는 바와 같이, 오스테나이트계와 같은 비자성/고저항의 용접와이어를 사용함으로써, 용접와이어의 전기적 특성에 의한 철손 감소와 함께 용접부 강도를 향상시킬 수 있고, 용접전류를 낮춤으로써 철손 감소 효과를 확보하여 이중의 자성개선효과를 얻을 수 있다. 또한, 기존의 제살용접방법에 비해 내부 기공을 현저히 감소시켜 용접결함 또한 방지할 수 있다.

(실시예 2)

0.30mm의 두께를 가지며, 표면에 크롬-프리(free)타입 절연코팅이 이루어지고, 3중량%의 Si를 함유하는 전기강판을 타발한 뒤, 적층하여 모터의 스테이터용 코어 적층체를 얻었다. 상기 적층체를 가압 실린더를 통해 0.5MPa의 가압력으로 가압한 상태에서 용접와이어를 용접재료로 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 TIG용접을 실시하고, 비교예로서 제살용접을 행하였다. 이 때 사용된 용접와이어로는 전기비저항이 7.8×10^-7Ωm이고, 비투자율이 1.003이며, 융점이 1450℃인 STS 310 솔리드 와이어와 전기비저항이 7.2×10^-7Ωm이고, 비투자율이 1.004이며, 융점이 1419℃인 STS 308L 솔리드 와이어를 이용하였으며, 직경은 0.9mm였다. 용접시 용접전류는 50A, 용접속도는 300mm/min, 와이어 송급속도는 700mm/min였고, 보호가스로는 12.5L/min의 Ar을 사용하였다. 이를 통해 제조된 적층코어에 대하여 IEC60404-06의 링코어시험법에 따라 철손을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

구분	용접방법	용접전류(A)	철손(W/Kg)
구분	용접방법	용접전류(A)	W15/50	W10/400	W10/600
비교예7	미용접	-	2.20	15.68	29.27
비교예8	제살용접	50	2.57	20.53	38.40
발명예4	와이어 송급(STS310)	50	2.41	18.25	33.97
발명예5	와이어 송급(STS308L)	50	2.41	18.43	34.04

상기 표 2를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 제조조건에 부합되는 발명예 4 및 5의 경우에는 용접에 의한 전기적 단락부 형성으로 인해 비교예 7에 비하여 철손은 미량 증가하였음을 알 수 있다. 그러나, 제살용접법을 이용한 비교예 8에 비해서는 상당히 저감된 철손을 확보하고 있음을 알 수 있다.

1 : 전기강판
10 : 적층체
20 : 동판
30 : 가압 실린더
40 : 클램핑 바
50 : 용접토치
60 : 용접와이어

Claims

전기강판을 적층하여 적층체를 얻는 단계; 및
상기 적층체의 외주면을 용접하는 단계를 포함하며,
상기 용접시 전기비저항이 6.5×10^-7Ωm이상이고, 비투자율이 1.02미만이며, 상기 전기강판보다 낮은 융점을 갖는 용접와이어를 용접재료로 이용하는 것을 특징으로 하는 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 용접와이어는 Fe-Cr-Ni계 합금, Fe-Cr-Mn계 합금, Ni금속, Ni계 합금 및 TWIP강으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 Fe-Cr-Ni계 합금은 300계 스테인리스강인 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 Fe-Cr-Mn계 합금은 200계 스테인리스강인 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전기강판은 표면에 크롬프리 절연코팅을 포함하는 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 용접은 TIG 용접, 레이저 용접 및 플라즈마 용접으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종인 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 용접은 TIG 용접이고, 상기 용접시 용접입열량은 0.9~2.88KJ/cm인 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 용접은 TIG 용접이고, 상기 용접시 용접전류는 50~120A인 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 용접은 TIG 용접이고, 상기 용접시 용접속도는 300~1000mm/min인 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 용접시 상기 적층체를 두께 방향으로 가압하는 전기강판 적층코어의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 가압시 가압력은 0.5~3MPa인 전기강판 적층코어의 제조방법.
전기강판이 적층된 적층체 및 상기 적층체의 외주면이 용접된 용접부를 포함하며,
상기 용접부는 전기비저항이 6.5×10^-7Ωm이상이고, 비투자율이 1.02미만인 전기강판 적층코어.
청구항 12에 있어서,
상기 용접부는 하기 식 1 및 2를 만족하는 합금조성을 갖는 전기강판 적층코어.
[식 1] : y ≥ -0.8×2.8
[식 2] : y ≥ x-10
(단, 상기 x는 Cr+2.5Si+1.8Mo+2Nb이고, y는 Ni+0.5Mn+30C이며, 상기 Cr, Si, Mo, Nb, Ni, Mn 및 C의 단위는 중량%임.)
청구항 12에 있어서,
상기 용접부는 미세조직이 10%미만의 페라이트를 포함하는 전기강판 적층코어.
청구항 12에 있어서,
상기 용접부는 상기 전기강판보다 낮은 융점을 갖는 용접와이어에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전기강판 적층코어.
청구항 15에 있어서,
상기 용접와이어는 Fe-Cr-Ni계 합금, Fe-Cr-Mn계 합금, Ni금속, Ni계 합금 및 TWIP강으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 전기강판 적층코어.
청구항 16에 있어서,
상기 Fe-Cr-Ni계 합금은 300계 스테인리스강인 전기강판 적층코어.
청구항 16에 있어서,
상기 Fe-Cr-Mn계 합금은 200계 스테인리스강인 전기강판 적층코어.
청구항 12에 있어서,
상기 전기강판은 표면에 크롬프리 절연코팅을 포함하는 전기강판 적층코어.