KR20230123512A - 회전 전기 기기, 스테이터의 철심 및 로터의 철심의세트, 회전 전기 기기의 제조 방법, 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법, 스테이터 및 로터의 제조 방법, 그리고 무방향성 전자 강판의 세트 - Google Patents

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KR20230123512A
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electrical steel
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stator
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뎃슈 무라카와
요시아키 나토리
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)

Abstract

이 회전 전기 기기는, 스테이터와, 로터와, 상기 스테이터 및 상기 로터를 수용하는 케이싱을 갖고, 하기 조건 1과 하기 조건 2 중 적어도 하나를 충족한다. 조건 1 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 A가 12 내지 35W/(m·K)이고, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 B가 10 내지 33W/(m·K)이며, 또한 양자의 열전도율이 식 (1): A>B. 조건 2 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1이 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)이고, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1이 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)이며, 또한 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1.

Description

회전 전기 기기, 스테이터의 철심 및 로터의 철심의 세트, 회전 전기 기기의 제조 방법, 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법, 스테이터 및 로터의 제조 방법, 그리고 무방향성 전자 강판의 세트
본 발명은 회전 전기 기기, 스테이터의 철심 및 로터의 철심의 세트, 회전 전기 기기의 제조 방법, 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법, 스테이터 및 로터의 제조 방법, 그리고 무방향성 전자 강판의 세트에 관한 것이다.
본원은, 2021년 3월 31일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2021-061620호 및 2021년 6월 4일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2021-094807호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
스테이터 철심이 케이싱에 수용된 모터의 특성을 개선하는 다양한 기술이 알려져 있다. 예를 들어, 비특허문헌 1에는, 스테이터 철심의 티스부에 권회된 코일의 동손에 의해 발생한 열이, 스테이터 철심을 통해 스테이터 철심의 외주를 따라 배치되는 케이싱으로부터 대기, 또는 냉각 재킷에 통수되는 냉각수로 방열되는 것이 기재되어 있다. 또한, 비특허문헌 1에는, 차량에 탑재되는 모터에 있어서 급경사로를 오를 때 등의 고토크 영역이 다용되어 동손이 지배적인 상태에서, 케이싱까지의 열전도 경로가 긴 코일 엔드의 온도 상승이, 모터의 출력을 제한하는 요인이 되는 것이 기재되어 있다.
비특허문헌 2 및 비특허문헌 3에는, 코일 엔드의 온도 상승을 억제하기 위해, 동력 전동부 및 베어링 등을 윤활하는 ATF(Automatic Transmission Fluid)에 의해 모터를 냉각하여, 코일 엔드로부터의 방열 특성을 개선하는 기술이 기재되어 있다.
또한, 펀칭 가공 및 셰이빙 가공 등의 다양한 성형 가공이 실시된 강판을 적층함으로써 모터의 스테이터 철심을 성형하는 다양한 기술이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 펀칭 가공이 실시된 단부면에 1회당 피가공 판재의 판 두께의 5 내지 25％에 상당하는 영역을 제거하는 셰이빙 가공을 실시하여, 피가공 판재의 판 두께의 40 내지 60％에 상당하는 영역을 제거하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 기술에 따르면, 피가공 판재의 판 두께에 대해 소정의 비율에 상당하는 영역을 제거함으로써, 회전 전기 기기 철심을 어닐링하지 않고 저철손의 회전 전기 기기 철심을 얻을 수 있다. 단, 소정의 비율에 상당하는 영역을 제거할 시에, 약간의 수율 저하가 불가피하다.
일본 특허 제5598062호 공보
「HV 구동용 모터의 고출력 밀도화에 관한 연구」, 가미야 무네히로, 박사 논문, 2008년 「하이브리드 전기 자동차(HEV)의 ATF를 사용한 모터 냉각 구조의 열 해석」, 오니마루 사다히사, 마쓰이 히로히토, 다구치 도모나리, 오타카 겐지, 이치오카 에이지, 미즈타니 다쓰히코, 자동차 기술회, 학술 강연회 예고, No. 68-06, P. 19-24, 2006 "Development of a new hybrid transmission for FWD sports Utility Vehicles", Hata, H., Kojima, M., Watanabe, H., Mizutani, T. et al., SAE Technical Paper 2005-01-0272, 2005
모터에 있어서 철손 및 동손 등에 의해 온도가 상승하면, 절연 파괴의 발생, 자석의 감자, 및 동손 증가 등의 다양한 문제가 발생할 우려가 높아지기 때문에, 권선 및 스테이터 철심 등은, 효율적으로 냉각되는 것이 바람직하다. 스테이터 철심의 열전도율 또는 열확산율은 공기의 열전도율 또는 열확산율보다도 높기 때문에, 권선 및 스테이터 철심 등에서 발생한 열의 대부분은, 스테이터 철심을 통해 모터의 외부로 방산된다. 스테이터 철심이 케이싱에 수용된 모터에서는, 권선 및 스테이터 철심 등에서 발생한 열의 대부분은, 케이싱을 통해 방산되기 때문에, 스테이터 철심과 케이싱 사이의 열전도 특성은, 양호한 것이 바람직하다.
한편, 로터는, 열전도율 또는 열확산율이 낮으면 온도 상승에 의해 철손은 저하되므로, 이 관점에서는 열전도율 또는 열확산율이 낮은 편이 바람직하다. 이러한 열전도율 또는 열확산율의 특성을 살린 모터는 없다.
이에, 본 발명은, 구리선이 있는 스테이터의 열전도율 또는 열확산율을 높여 동손의 증가를 방지하고, 로터는 열전도율 또는 열확산율을 낮추어 발열에 의한 철손 저하를 행함으로써, 스테이터 철심과 케이싱 사이의 열전도 특성 또는 열확산 특성을 향상시키면서, 모터의 효율을 높이는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 이하를 요지로 하는 것이다.
(1) 본 발명의 제1 양태는, 스테이터와, 로터와, 상기 스테이터 및 상기 로터를 수용하는 케이싱을 갖고,
조건 1 … 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 A가 12 내지 35W/(m·K)이고, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 B가 10 내지 33W/(m·K)이며, 또한 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계
조건 2 … 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1이 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)이고, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1이 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)이며, 또한 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계
중 적어도 하나를 충족하는 회전 전기 기기이다.
(2) 상기 (1)에 기재된 회전 전기 기기에서는, 상기 조건 1을 충족해도 된다.
(3) 상기 (1)에 기재된 회전 전기 기기에서는, 상기 조건 2를 충족해도 된다.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기에서는, 상기 스테이터의 철심 및 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하, Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하, P: 0.15％ 이하, S: 0.0030％ 이하, N: 0.0040％ 이하, Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하, Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％, Cr: 0 내지 0.400％, Ni: 0 내지 5.0％, Cu: 0 내지 5.0％, Ca: 0 내지 0.010％, Mg: 0 내지 0.0100％, 희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％, B: 0 내지 0.0050％, Ti: 0.0030％ 이하, O: 0.0200％ 이하, 및 잔부: Fe 및 불순물로 이루어져도 된다.
(5) 상기 (4)에 기재된 회전 전기 기기에서는, 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 하기 식 (2)의 값이, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 식 (2)의 값보다도 낮아도 된다.
식 (2): 9.9+12.4×Si(질량％)+6.6×Mn(질량％)+10.0×Al(질량％)
(6) 상기 (4) 또는 (5)에 기재된 회전 전기 기기에서는, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, P: 0.03％ 미만을 함유해도 된다.
(7) 상기 (4) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기에서는, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, Cr: 0.001 내지 0.400％를 함유하고, 식 (4)를 충족해도 된다.
식 (4): Cr(질량％)×O(질량％)<8.0×10-5
(8) 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기에서는, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 결정립경이 80㎛ 미만이어도 된다.
(9) 본 발명의 제2 양태는, 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기에 사용되는, 스테이터의 철심 및 로터의 철심의 세트이다.
(10) 본 발명의 제3 양태는, 상기 (9)에 기재된 스테이터의 철심 및 로터의 철심의 세트를 사용하여 회전 전기 기기를 제조하는 회전 전기 기기의 제조 방법이다.
(11) 본 발명의 제4 양태는, 화학 조성이, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하, Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하, P: 0.15％ 이하, S: 0.0030％ 이하, N: 0.0040％ 이하, Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하, Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％, Cr: 0 내지 0.400％, Ni: 0 내지 5.0％, Cu: 0 내지 5.0％, Ca: 0 내지 0.010％, Mg: 0 내지 0.0100％, 희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％, B: 0 내지 0.0050％, Ti: 0.0030％ 이하, O: 0.0200％ 이하, 및 잔부: Fe 및 불순물로 이루어지는 무방향성 전자 강판을, 제강, 열간 압연, 열간 압연판 어닐링, 산세, 냉간 압연, 마무리 어닐링을 포함하는 공정으로 제조할 시에, 식 (1): A>B와 식 (3): A1>B1 중 적어도 하나를 충족하도록, 상기 마무리 어닐링의 어닐링 온도를 2종류 설정하고, 상기 로터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도를 600℃ 내지 900℃로 하고, 또한 상기 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도보다도 낮게 하는, 상기 (1)에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법이다.
(12) 상기 (11)에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법에서는, 상기 식 (1)을 충족해도 된다.
(13) 상기 (11)에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법에서는, 상기 식 (3)을 충족해도 된다.
(14) 상기 (11) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법에서는, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, P: 0.03％ 미만을 함유해도 된다.
(15) 상기 (11) 내지 (14) 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법에서는, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, Cr: 0.001 내지 0.400％를 함유해도 된다.
(16) 본 발명의 제5 양태는, 화학 조성이, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하, Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하, P: 0.15％ 이하, S: 0.0030％ 이하, N: 0.0040％ 이하, Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하, Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％, Cr: 0 내지 0.400％, Ni: 0 내지 5.0％, Cu: 0 내지 5.0％, Ca: 0 내지 0.010％, Mg: 0 내지 0.0100％, 및 희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％, B: 0 내지 0.0050％, Ti: 0.0030％ 이하, O: 0.0200％ 이하, 및 잔부: Fe 및 불순물로 이루어지는 무방향성 전자 강판을, 제강, 열간 압연, 열간 압연판 어닐링, 산세, 냉간 압연, 마무리 어닐링을 포함하는 공정으로 제조하여, 얻어진 무방향성 전자 강판으로부터 스테이터에 사용할 소재와 로터에 사용할 소재를 펀칭하여 적층하고, 식 (1): A>B와 식 (3): A1>B1 중 적어도 하나를 충족하도록, 상기 스테이터에 대해서만 응력 제거 어닐링을 행하는, 상기 (1)에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터 및 로터의 제조 방법이다.
(17) 상기 (16)에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터 및 로터의 제조 방법에서는, 상기 식 (1)을 충족해도 된다.
(18) 상기 (16)에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터 및 로터의 제조 방법에서는, 상기 식 (3)을 충족해도 된다.
(19) 상기 (16) 내지 (18) 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터 및 로터의 제조 방법에서는, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, P: 0.03％ 미만을 함유해도 된다.
(20) 상기 (16) 내지 (19) 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터 및 로터의 제조 방법에서는, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, Cr: 0.001 내지 0.400％를 함유해도 된다.
(21) 본 발명의 제6 양태는, 회전 전기 기기의 철심 소재에 사용되는 무방향성 전자 강판의 세트이며,
조건 1 … 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 열전도율 A가 12 내지 35W/(m·K)이고, 로터용의 무방향성 전자 강판의 열전도율 B가 10 내지 33W/(m·K)이며, 또한 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계
조건 2 … 상기 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1이 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)이고, 상기 로터용의 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1이 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)이며, 또한 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계
중 적어도 하나를 충족한다.
(22) 상기 (21)에 기재된 무방향성 전자 강판의 세트에서는, 상기 조건 1을 충족해도 된다.
(23) 상기 (21)에 기재된 무방향성 전자 강판의 세트에서는, 상기 조건 2를 충족해도 된다.
(24) 상기 (21) 내지 (23) 중 어느 한 항에 기재된 무방향성 전자 강판의 세트에서는, 화학 조성이, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하, Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하, P: 0.15％ 이하, S: 0.0030％ 이하, N: 0.0040％ 이하, Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하, Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％, Cr: 0 내지 0.400％, Ni: 0 내지 5.0％, Cu: 0 내지 5.0％, Ca: 0 내지 0.010％, Mg: 0 내지 0.0100％, 희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％, B: 0 내지 0.0050％, Ti: 0.0030％ 이하, O: 0.0200％ 이하, 및 잔부: Fe 및 불순물로 이루어져도 된다.
본 발명에 따르면, 스테이터 철심과 케이싱 사이의 열전도 특성을 향상시키면서, 모터 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 실시예에서 사용되는 모터의 부분 평면도이다.
이하에 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세히 설명한다. 또한, 특별히 언급하지 않는 한, 수치 a 및 b에 대해 「a 내지 b」라는 표기는 「a 이상 b 이하」를 의미한다. 이러한 표기에 있어서 수치 b에만 단위를 붙인 경우에는, 당해 단위가 수치 a에도 적용된다.
본 발명의 제1 실시 형태는, 이하의 구성을 갖춘 회전 전기 기기이다.
스테이터와, 로터와, 스테이터 및 로터를 수용하는 케이싱을 갖고, 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 A가 12 내지 35W/(m·K)이고, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 B가 10 내지 33W/(m·K)이며, 또한 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계식을 충족하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태는, 이 회전 전기 기기에 사용되는 스테이터의 철심 및 로터의 철심의 세트도 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태는, 상기 스테이터의 철심 및 로터의 철심의 세트를 사용하여 회전 전기 기기를 제조하는 회전 전기 기기의 제조 방법을 포함한다.
이하, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에 대해 구체적으로 설명한다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기는, 적어도 스테이터와, 로터와, 스테이터 및 로터를 수용하는 케이싱을 갖는다. 스테이터, 로터 및 케이싱은, 그것들의 형상, 구성에 관해 특별히 한정되는 것은 없고, 후술하는 구성(예를 들어 열전도율, 열확산율)을 제외하고, 통상의 형상, 구성을 갖춘다.
본 실시 형태에 있어서, 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판은, 12 내지 35W/(m·K)의 열전도율 A를 갖고, 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판은, 10 내지 33W/(m·K)의 열전도율 B를 갖고, 또한 양자의 열전도율은, 식 (1): A>B인 관계(조건 1)를 충족한다. 여기서, 열전도율은, 온도 구배에 대한 열류 밀도의 비이다.
본 실시 형태에 있어서, 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판 및 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율은 다음의 방법에 의해 측정할 수 있다.
열전도율의 측정은, 회전 전기 기기로부터 스테이터 철심, 로터 철심을 복수의 철심 소재로 분해하여 얻어지는 시료를 사용하여, 이하와 같이 실시한다. 또한, 본원에 있어서 열전도율이란, 회전 전기 기기의 철심을 구성하는 무방향성 전자 강판의 면 내 방향의 실온에 있어서의 열전도율을 가리킨다. 또한, 무방향성 전자 강판이 표면에 절연 피막을 갖고 있는 경우에는, 절연 피막이 있는 상태에서 측정한다.
열전도율은 직접 측정하지 않고, 하기 식에 의해 구한다.
열전도율=열확산율×비열×밀도
열확산율은 레이저 플래시법에 의해 구한다. 구체적으로는 교토 덴시 고교(주)제 레이저 플래시법 열 물성 측정 장치 LFA-502를 사용하여 대기 중에서 측정한다. 이 때의 시료 형상은 φ10㎜×판 두께의 원반형이고, 측정 시에는 이 시료를 중첩시키지 않고 강판 1매의 상태에서 측정한다.
비열은 시차 주사형 열량계법(DSC법)에 의해 구한다. 구체적으로는 NETZSCH사제 DSC3500 Sirius를 사용하여 Ar 분위기 중에서 측정한다. 분위기 가스의 유량은 50mL/분으로 한다. 이때의 시료 형상은 φ5㎜×판 두께의 원반형이고, 측정 시에는 이 시료를 2매 중첩하여 측정한다.
밀도는 열확산율 측정용의 시료의 질량을 체적으로 나누어 구한다. 이때, 열확산율 측정용의 시료의 두께는 마이크로미터로 구한다.
스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 A는, 12 내지 35W/(m·K)의 범위이다. 열전도율 A가 12W/(m·K) 미만이면, 스테이터의 온도가 상승하여 동손의 증가를 초래하고, 또한 35W/(m·K)을 초과하면, 실현하기 위해서는 합금량을 감소시킬 필요가 있기 때문에 철손의 증가를 초래한다. 열전도율 A는, 15 내지 33W/(m·K)의 범위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 17 내지 26W/(m·K)의 범위이다.
로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 B는, 10 내지 33W/(m·K)의 범위이다. 열전도율 B가 10W/(m·K) 미만이면, 로터의 발열이 스테이터에 공기 등을 통해 전해져 동손의 증가를 초래하고, 또한 33W/(m·K)을 초과하면, 로터 자체가 발열하기 어려워져 철손 저감 효과를 얻을 수 없게 된다. 열전도율 B는, 12 내지 30W/(m·K)의 범위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 15 내지 24W/(m·K)의 범위이다.
본 실시 형태에 있어서, 스테이터, 로터는 각각, 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판이 상술한 열전도율 범위를 가짐과 동시에, 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계식을 충족하는 것이 중요하다. 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계에 있는 경우에는, 스테이터의 열전도율은 로터의 열전도율보다도 크므로, 스테이터의 온도는 케이스 등을 통해 외부로 방출되기 쉬워져, 모터의 온도 상승을 억제할 수 있다. 동시에, 로터의 열전도율은 스테이터의 열전도율보다도 작으므로, 로터는 스테이터보다도 온도 상승하여, 로터에서 생기는 철손이 저감된다. 이들 효과에 의해, 종래보다도 모터 효율이 상승한다. 또한, A>1.003×B의 관계식을 충족하는 것이 보다 바람직하다.
한편, A=B인 경우에는 상기 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 양자의 열전도율이 A<B인 관계에 있는 경우에는, 스테이터의 온도가 로터보다도 상승하기 쉬워져, 모터의 온도 상승을 억제할 수 없다. 동시에, 로터의 열전도율은 스테이터의 열전도율보다도 크므로, 로터의 고온화에 의한 철손 저감 효과를 향수할 수 없게 된다.
또한, 본 발명의 다른 관점으로서, 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1이 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)이고, 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1이 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)이며, 또한 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계(조건 2)를 충족하는 구성이어도 된다.
즉, 조건 1과 조건 2 중 적어도 하나를 충족함으로써, 모터의 효율을 높일 수 있다.
스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1은, 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)의 범위이다. 열확산율 A1이 3.0×10-6㎡/sW/(m·K) 미만이면, 스테이터의 온도가 상승하여 동손의 증가를 초래하고, 또한 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)을 초과하면, 실현하기 위해서는 합금량을 감소시킬 필요가 있기 때문에 철손의 증가를 초래한다. 열확산율 A1은, 3.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)의 범위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 4.0×10-6 내지 8.0×10-6㎡/sW/(m·K)의 범위이다.
로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1은, 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)의 범위이다. 열확산율 B1이 2.5×10-6㎡/sW/(m·K) 미만이면, 로터의 발열이 스테이터에 공기 등을 통해 전해져 동손의 증가를 초래하고, 또한 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)을 초과하면, 로터 자체가 발열하기 어려워져 철손 저감 효과를 얻을 수 없게 된다. 열확산율 B1은, 3.0×10-6 내지 8.0×10-6㎡/sW/(m·K)의 범위인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3.5×10-6 내지 7.5×10-6㎡/sW/(m·K)의 범위이다.
스테이터, 로터는 각각, 상술한 열확산율 범위를 가짐과 동시에, 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계식을 충족하는 것이 중요하다. 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계에 있는 경우에는, 스테이터의 열확산율은 로터의 열확산율보다도 크므로, 스테이터의 온도는 케이스 등을 통해 외부로 방출되기 쉬워져, 모터의 온도 상승을 억제할 수 있다. 동시에, 로터의 열확산율은 스테이터의 열확산율보다도 작으므로, 로터는 스테이터보다도 온도 상승하여, 로터에서 생기는 철손이 저감된다. 이들 효과에 의해, 종래보다도 모터 효율이 상승한다. 또한, A1>1.005×B1의 관계식을 충족하는 것이 보다 바람직하다.
한편, A1=B1인 경우에는 상기 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 양자의 열확산율이 A1<B1인 관계에 있는 경우에는, 스테이터의 온도가 로터보다도 상승하기 쉬워져, 모터의 온도 상승을 억제할 수 없다. 동시에, 로터의 열확산율은 스테이터의 열확산율보다도 크므로, 로터의 고온화에 의한 철손 저감 효과를 향수할 수 없게 된다.
또한, 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 A가 12 내지 35W/(m·K)이고, 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 B가 10 내지 33W/(m·K)이며, 또한 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계(조건 1)를 충족하고, 또한
스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1이 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)이고, 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1이 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)이며, 또한 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계(조건 2)도 충족하는
것이 보다 바람직하다. 이 경우에는, 스테이터의 열이 보다 외부로 방출되기 쉽다.
상술한 회전 전기 기기의 스테이터와 로터의 열전도율 또는 열확산율의 관계는, 예를 들어, 스테이터 및 로터에 사용되는 무방향성 전자 강판의 화학 조성을 제어함으로써 얻을 수 있다.
즉, 이들 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하, Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하, P: 0.15％ 이하, S: 0.0030％ 이하, N: 0.0040％ 이하, Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하, Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％, Cr: 0 내지 0.400％, Ni: 0 내지 5.0％, Cu: 0 내지 5.0％, Ca: 0 내지 0.010％, Mg: 0 내지 0.0100％, 희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％, B: 0 내지 0.0050％, Ti: 0.0030％ 이하, O: 0.0200％ 이하를 함유하고, 그리고 잔부: Fe 및 불순물이고, 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 하기 식 (2)의 값이, 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 하기 식 (2)의 값보다도 낮은 것을 특징으로 한다.
식 (2): 9.9+12.4×Si(질량％)+6.6×Mn(질량％)+10.0×Al(질량％)
C: 0.0100％ 이하
C는 불순물로서 함유된다. 철손 저감을 위해, 함유량은 0.0100％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 상한은 보다 바람직하게는 0.0025％, 더욱 바람직하게는 0.0020％이다.
Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하
Si는 강판의 강도를 높이는 원소이다. 또한, 비저항을 증가시키는 원소이고, 철손 저감을 위해 함유시킨다. 또한, 강판의 강도를 향상시키는 데에도 유효하다. 이 효과와, 포화 자속 밀도의 저하나 강의 취화를 방지하는 관점에서, 함유량은 2.6 내지 4.5％로 하는 것이 바람직하다. 하한은 보다 바람직하게는 2.8％, 더욱 바람직하게는 3.0％이다. 상한은 보다 바람직하게는 4.2％, 더욱 바람직하게는 4.0％이다.
Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하
Mn은, Si, Al과 마찬가지로 비저항을 증가시키는 작용을 갖고 있으므로, 철손 저감을 위해 함유시킨다. 또한, 강판의 강도를 높이는 원소이기도 하다. 이 효과와, 포화 자속 밀도의 저하나 강의 취화를 방지하는 관점에서, 함유량은 0.1 내지 3.0％로 하는 것이 바람직하다. 하한은 보다 바람직하게는 0.6％, 더욱 바람직하게는 0.8％이다. 상한은 보다 바람직하게는 2.8％, 더욱 바람직하게는 2.5％이다.
P: 0.15％ 이하
P는 강판의 강도를 향상시키는 원소이다. 강판의 강도는 Si나 Mn으로도 향상시킬 수 있으므로, P는 함유시키지 않아도 된다. 강판의 취화를 방지하는 관점에서, 함유량은 0.15％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 상한은 보다 바람직하게는 0.08％, 더 바람직하게는 0.06％, 더욱 바람직하게는 0.03％이다.
S: 0.0030％ 이하
S는 불순물로서 함유시킨다. 철손 저감을 위해, 함유량은 0.0030％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 상한은 보다 바람직하게는 0.0025％, 더욱 바람직하게는 0.0020％이다.
N: 0.0040％ 이하
질소(N)는 불순물이다. N은, 추가 열처리 후의 자기 특성을 저하시킨다. 따라서, N 함유량은 0.0040％ 이하이다. N 함유량은, 바람직하게는 0.0020％ 이하이다.
Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하
Al은 Si와 마찬가지로 비저항을 증가시키는 원소이고, 철손 저감을 위해 함유시킨다. 철손 저감의 효과는 Si로도 얻어지므로, Al은 함유시키지 않아도 된다. 포화 자속 밀도의 저하를 방지하는 관점에서, 함유량은 2.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 상한은 보다 바람직하게는 1.8％, 더욱 바람직하게는 1.5％이다.
Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％
Sn은 자기 특성에 있어서 바람직한 결정 방위를 발달시키는 원소이다. Sn은 함유될 필요는 없어 함유량의 하한은 0이다. Sn 함유의 효과는 미량이더라도 얻어지지만, 함유의 효과를 확실히 얻기 위해서는, 함유량은 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.02％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 자기 특성의 열화를 방지하는 관점에서, 함유량의 상한은 0.200％로 하는 것이 바람직하고, 0.100％로 하는 것이 보다 바람직하다.
Sb는 자기 특성에 있어서 바람직한 결정 방위를 발달시키는 원소이다. Sb는 함유될 필요는 없어 함유량의 하한은 0이다. Sb 함유의 효과는 미량이더라도 얻어지지만, 함유의 효과를 확실히 얻기 위해서는, 함유량은 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.02％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 자기 특성의 열화를 방지하는 관점에서, 함유량의 상한은 0.200％로 하는 것이 바람직하고, 0.100％로 하는 것이 보다 바람직하다.
Cr: 0 내지 0.400％
Cr은 내식성이나 고주파 특성을 향상시키는 원소이다. Cr은 함유될 필요는 없어 함유량의 하한은 0이다. Cr 함유의 효과는 미량이더라도 얻어지지만, 함유의 효과를 확실히 얻기 위해서는, 함유량은 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.02％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 제품 비용의 관점에서, 함유량의 상한은 0.400％이고, 0.300％로 하는 것이 바람직하고, 0.200％로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, Cr은, 0.001％ 이상이면, 로터와 스테이터의 열전도율 및 열확산율을 높일 수 있기 때문에, 더욱 바람직하다.
Ni: 0 내지 5.0％
Ni는 강판의 전기 저항을 높이고, 철손을 저감시키는 원소이다. Ni는 함유될 필요는 없어 함유량의 하한은 0이다. Ni 함유의 효과는 미량이더라도 얻어지지만, 함유의 효과를 확실히 얻기 위해서는, 함유량은 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.02％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 제품 비용의 관점에서, 함유량의 상한은 5.0％이고, 0.5％로 하는 것이 바람직하고, 0.4％로 하는 것이 보다 바람직하다.
Cu: 0 내지 5.0％,
Cu는 강판의 전기 저항을 높이고, 철손을 저감시키는 원소이다. Cu는 함유될 필요는 없어 함유량의 하한은 0이다. Cu 함유의 효과는 미량이더라도 얻어지지만, 함유의 효과를 확실히 얻기 위해서는, 함유량은 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.02％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 제품 비용의 관점, 강의 취화를 방지하는 관점에서, 함유량의 상한은 5.0％이고, 0.5％로 하는 것이 바람직하고, 0.4％로 하는 것이 보다 바람직하다.
Ca: 0 내지 0.010％
Ca는 황화물을 조대화시켜, 열처리 공정에서의 결정립의 성장성을 개선하여, 저철손화에 기여하는 원소이다. Ca는 함유될 필요는 없어 함유량의 하한은 0이다. Ca 함유의 효과는 미량이더라도 얻어지지만, 함유의 효과를 확실히 얻기 위해서는, 함유량은 0.005％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0010％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 자기 특성의 열화를 방지하는 관점에서, 함유량의 상한은 0.010％이고, 0.0050％로 하는 것이 바람직하고, 0.0030％로 하는 것이 보다 바람직하다.
Mg: 0 내지 0.0100％
Mg는 결정립의 성장을 촉진하는 작용을 통해 철손을 저감시키는 원소임과 함께, 개재물 중의 황화물을, Mg를 함유하는 보다 경화된 개재물로 하여, 피로 강도를 향상시키는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, 비용 면을 고려하여 함유량은 0 내지 0.0100％로 하는 것이 바람직하다. 하한은 보다 바람직하게는 0.0005％, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다. 상한은 보다 바람직하게는 0.0040％, 더욱 바람직하게는 0.0030％이다.
희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％
희토류 원소(REM)은 황화물을 조대화시켜, 열처리 공정에서의 결정립의 성장성을 개선하여, 저철손화에 기여하는 원소이다. 희토류 원소(REM)는 함유될 필요는 없어 함유량의 하한은 0이다. 희토류 원소(REM) 함유의 효과는 미량이더라도 얻어지지만, 함유의 효과를 확실히 얻기 위해서는, 함유량은 0.005％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0010％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 자기 특성의 열화를 방지하는 관점에서, 함유량의 상한은 0.010％이고, 0.0050％로 하는 것이 바람직하고, 0.0030％로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, REM이란, Rare Earth Metal의 약칭이고, Sc, Y 및 란타노이드 계열에 속하는 원소를 가리킨다.
Ti: 0.0030％ 이하
Ti는 불순물로서 포함되는 원소이다. Ti는, 지철 중의 C, N, O 등과 결합하여 TiC, TiN, Ti 산화물 등의 미소 석출물을 형성하고, 어닐링 중의 결정립의 성장을 저해하여 자기 특성을 열화시키므로, 함유량은 0.0030％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 상한은 보다 바람직하게는 0.0020％, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다. Ti는 함유될 필요는 없으므로, 함유량의 하한은 0이다. 정련 비용을 고려하여 하한을 0.0003％ 또는 0.0005％로 해도 된다.
B: 0 내지 0.0050％
B는, 소량으로 열전도율이나 열확산율의 증가에 기여한다. 그 때문에, B를 함유시켜도 된다. 상기 효과를 얻는 경우, B 함유량을 0.0001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. B는 함유될 필요는 없으므로, 함유량의 하한은 0이다.
한편, B 함유량이 0.0050％를 초과하면, B의 화합물이 어닐링 시의 입성장을 저해하여, 결정립경이 미세해져 철손 증가의 요인이 된다. 그 때문에, B 함유량은 0.0050％ 이하로 한다.
O: 0.0200％ 이하
O는, 강 중의 Cr과 결합하여 Cr2O3을 생성한다. 이 Cr2O3은 열전도율이나 열확산율의 증가에 기여한다. 그 때문에, O를 함유시켜도 된다. 상기 효과를 얻는 경우, O 함유량을 0.0010％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
한편, O 함유량이 0.0200％를 초과한 경우, Cr2O3이 어닐링 시의 입성장을 저해하여, 결정립경이 미세해져 철손 증가의 요인이 된다. 그 때문에, O 함유량은 0.0200％ 이하로 한다.
또한, Cr과 O는, 하기 식 (4)를 충족하는 함유량인 것이 바람직하다.
식 (4): Cr(질량％)×O(질량％)<8.0×10-5
식 (4)를 충족하지 않는 경우, Cr2O3이 어닐링 시의 입성장을 저해하여, 결정립경이 미세해져 철손 증가의 요인이 된다. 그 때문에, 식 (4)를 충족하는 편이 바람직하다.
화학 조성의 잔부는 Fe 및 불순물이다. 불순물이란, 원재료에 포함되는 성분, 또는 제조 과정에서 혼입되는 성분이며, 의도적으로 강판에 함유시킨 것은 아닌 성분을 말한다.
상술한 모재 강판의 화학 성분은, 일반적인 분석 방법에 의해 측정하면 된다. 예를 들어, 강 성분은, ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry)를 사용하여 측정하면 된다. 또한, C 및 S는 연소-적외선 흡수법을 사용하고, N은 불활성 가스 융해-열전도도법을 사용하고, O는 불활성 가스 융해- 비분산형 적외선 흡수법을 사용하면 된다.
제1 실시 형태의 회전 전기 기기의 스테이터와 로터는, 상기 화학 조성을 갖는 무방향성 전자 강판이며, 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 하기 식 (2)의 값이, 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 하기 식 (2)의 값보다도 낮은 것을 특징으로 한다.
식 (2): 9.9+12.4×Si(질량％)+6.6×Mn(질량％)+10.0×Al(질량％)
식 (2)의 값은, 얻어지는 무방향성 전자 강판의 열전도율(또는 열확산율)에 밀접하게 관련되어 있다. 즉, 식 (2)는 무방향성 전자 강판의 실온에 있어서의 저항값 개산이다. 금속에 대해서는 전기 전도 및 열전도(또는 열확산)는 모두 자유 전자가 담당하고 있고, 이 둘은 상관하고 있다. 이 관계를 정식화한 것이 비데만·프란츠의 법칙이고, 이 법칙에서는 동일 온도일 때에 열전도율(또는 열확산율)과 저항값은 반비례하는 것을 의미한다.
따라서, 스테이터 및 로터에 사용되는 무방향성 전자 강판의 화학 조성을 제어하여, 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 식 (2)의 값이, 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 식 (2)의 값보다도 낮게 함으로써, 양자의 열전도율의 식 (1): A>B인 관계를 보다 확실히 얻을 수 있다.
제1 실시 형태에서는, 상술한 로터 및 스테이터를 사용하여 회전 전기 기기를 제조한다. 이것에 의해, 스테이터, 로터의 양쪽에 있어서 좋은 자기 특성을 갖게 하여, 모터 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태는, 제1 실시 형태에서 설명한 회전 전기 기기에 사용하는 로터용 무방향성 전자 강판 및 스테이터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법이다. 제1 실시 형태의 회전 전기 기기의 스테이터와 로터의 열전도율 또는 열확산율의 관계는, 스테이터 및 로터에 사용되는 무방향성 전자 강판의 제조 공정에 있어서의 마무리 어닐링 온도를 제어하는 것에 의해서도 얻을 수 있다.
즉, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하, Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하, P: 0.15％ 이하, S: 0.0030％ 이하, N: 0.0040％ 이하, Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하, Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％, Cr: 0 내지 0.400％, Ni: 0 내지 5.0％, Cu: 0 내지 5.0％, Ca: 0 내지 0.010％, Mg: 0 내지 0.0100％, 희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％, B: 0 내지 0.0050％, Ti: 0.0030％ 이하, O: 0.0200％ 이하, 및 잔부: Fe 및 불순물로 이루어지는, 무방향성 전자 강판을, 제강, 열간 압연, 열간 압연판 어닐링, 산세, 냉간 압연, 마무리 어닐링을 포함하는 공정으로 제조할 시에, 식 (1): A>B, 또는 식 (3): A1>B1을 충족하도록, 상기 마무리 어닐링의 어닐링 온도를 2종류 설정하고, 로터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도를 600℃ 내지 900℃로 하고, 또한 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도보다도 낮게 함으로써, 제1 실시 형태에서 설명한 회전 전기 기기의 스테이터와 로터의 열전도율 또는 열확산율의 관계를 얻을 수 있다.
따라서,
스테이터용의 무방향성 전자 강판의 열전도율 A가 12 내지 35W/(m·K)이고, 로터용의 무방향성 전자 강판의 열전도율 B가 10 내지 33W/(m·K)이며, 또한 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계를 충족하는 무방향성 전자 강판의 세트, 또는
스테이터용의 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1이 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)이고, 로터용의 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1이 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)이며, 또한 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계를 충족하는 무방향성 전자 강판의 세트
가 얻어진다.
본 발명의 제2 실시 형태의 제조 방법은, 제강, 열간 압연, 열간 압연판 어닐링, 산세, 냉간 압연, 마무리 어닐링, 및 필요에 따라 행해지는 스킨 패스 압연을 포함하는 공정으로 제조되는 것이고, 전술한 마무리 어닐링 이외의 공정에 대해서는 특별히 규정되는 것은 아니지만, 각 공정에 있어서 다음과 같은 조건을 채용할 수 있다.
열간 압연의 슬래브 가열 온도에 대해서는 1000 내지 1200℃의 표준적인 조건이어도 된다. 단 권취 온도에 대해서는 열간 압연판의 인성의 관점에서 600℃ 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 550℃ 이하이다.
최대한 열간 압연판의 두께에 대해서는 얇은 편이 산세 통판이나 냉간 압연 통판 시의 균열이나 파단 방지에 유리하기 때문에, 열간 압연판의 인성과 생산 효율 등을 감안하여 적절히 조정할 수 있는 것으로 한다.
열간 압연판 어닐링에 대해서는, 자성의 관점에서는 900℃ 이상 1100℃ 이하에서 30초 이상 행하여, 냉간 압연 전의 결정립경을 50 내지 300㎛ 정도까지 입성장시키는 것이 바람직하다. 단 열간 압연판의 연성이 저하되기 때문에, 성분과 생산성을 고려한 후에 조건을 결정하면 된다.
냉간 압연 후의 마무리 어닐링에 대해서는 필요한 열전도율 또는 열확산율에 따라 어닐링 온도를 2종류 설정한다. 로터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도를 600℃ 내지 900℃로 하여, 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도보다도 낮게 한다.
마무리 어닐링 온도는, 얻어지는 무방향성 전자 강판의 열전도율 또는 열확산율에 밀접하게 관련되어 있다. 즉, 로터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도를, 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도보다도 낮은 600℃ 내지 900℃의 범위로 설정하면, 로터의 무방향성 전자 강판의 결정립경이 미세해져, 강 중의 격자 결함(결정립계)이 증가하여, 열전도율 또는 열확산율이 낮아진다. 따라서, 로터에 사용되는 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도를 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도보다도 낮게 함으로써 양자의 열전도율의 식 (1): A>B인 관계 또는 열확산율의 식 (3): A1>B1인 관계를 얻을 수 있다.
또한, 강도와 자기 특성을 높이기 위해, 로터용의 무방향성 전자 강판의 결정립경은 80㎛ 미만인 것이 바람직하고, 70㎛ 미만으로 하는 것이 보다 바람직하다. 결정립경은, 종단면 조직 사진에 있어서, 판 두께 방향 및 압연 방향에 대해 절단법에 의해 측정한 결정립경의 평균값을 사용하면 된다. 이 종단면 조직 사진으로서는 광학 현미경 사진을 사용할 수 있고, 예를 들어 50배의 배율로 촬영한 사진을 사용하면 된다.
로터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도 범위는, 600℃ 내지 900℃이다. 600℃ 미만이면, 냉간 압연에서 도입된 변형이 잔존하여, 강판이 취화되기 때문에, 바람직하지 않다. 또한 900℃를 초과하면, 결정립경이 조대해져, 열전도율 또는 열확산율이 높아지기 때문에 바람직하지 않다. 로터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도의 특별히 바람직한 범위는, 750℃ 내지 850℃이다.
제1 실시 형태의 회전 전기 기기의 스테이터와 로터의 열전도율 또는 열확산율의 관계는, 상술한 스테이터 및 로터에 사용되는 무방향성 전자 강판의 제조 공정에서, 특별히 마무리 어닐링 온도를 제어하지 않더라도, 통상의, 제강, 열간 압연, 열간 압연판 어닐링, 산세, 냉간 압연, 마무리 어닐링을 포함하는 공정으로 제조하여 얻어진 무방향성 전자 강판으로부터, 스테이터에 사용할 소재와 로터에 사용할 소재를 펀칭하여 적층하고, 식 (1): A>B 또는 식 (3): A1>B1을 충족하도록, 스테이터에만 응력 제거 어닐링을 행하는 것에 의해서도 얻을 수 있다.
펀칭 가공 후에 스테이터에만 실시하는 응력 제거 어닐링에 대해서는, 펀칭 변형을 해방하기 위해 700℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 120분 이상의 어닐링을 실시하는 것이 바람직하다. 스킨 패스 압연에 의해 변형을 부여한 경우에는, 특히 고온에서 또한 장시간 어닐링하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 스테이터에만 응력 제거 어닐링을 적절히 행함으로써, 응력 제거 어닐링 후의 스테이터와 로터에 있어서, 식 (1): A>B인 관계, 또는 식 (3): A1>B1인 관계를 얻을 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 이용하여, 본 발명의 실시 형태를 더 설명한다.
또한, 실시예에서 사용한 조건은 그 확인을 위한 일 조건예이고, 본 발명은 이 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명을 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.
도 1은, 모터의 부분 평면도이다. 모터(300)는, 전기 학회 D 모델을 베이스로 하여 제작된 IPM 모터이다. 스테이터 철심(3)의 외경은 112㎜φ이고, 로터(302)의 외경은 54㎜φ이고, 스테이터 철심(3)의 적층 높이는 100㎜이다. 슬롯 수는 24슬롯이다. 스테이터 철심(3)은, 케이싱(301)에 열박음에 의해 고정된다. 로터(302)의 외경은 54㎜φ이고, 스테이터 철심(3)의 내경은 55㎜φ이고, 로터(302)와 스테이터 철심(3) 사이의 갭은 0.5㎜이다. 또한, 스테이터 철심(3)의 외경은 112㎜φ(=54㎜+0.5㎜×2+28.5㎜×2)이다. 스테이터 철심은 24슬롯이고, 스테이터 철심의 티스부에 권회하는 구리선의 1상당 권선 수는 35턴이고, 로터 자석의 자속 밀도 Br은 1.25T이다.
본 실시예에 있어서, 파고값 3A의 권선 전류를 위상각 30도로 흘려, 1500RPM의 회전수로 60분 구동하였을 때의 모터에서 발생한 손실을 모터 손(W)으로서 구하였다.
(실시예 1)
용강의 연속 주조를 행하여, 하기 표 1, 표 2에 나타낸 화학 조성을 갖는 250㎜ 두께의 슬래브를 준비하였다. 이어서, 상기 슬래브에 대해, 열간 압연을 실시하여 열간 압연판을 제작하였다. 그때의 슬래브 재가열 온도는 1200℃, 마무리 압연에서의 마무리 온도는 850℃, 권취 시의 권취 온도는 650℃이고, 마무리 판 두께는 2.0㎜였다. 다음으로, 상기 열간 압연판에 있어서, 열간 압연판 어닐링으로서, 표 1, 표 2에 기재된 온도에서 1분간의 어닐링을 행하고, 산세에 의해 스케일 제거하고, 0.35㎜ 두께로 냉간 압연을 행하였다. 그리고, 800℃에서 30초의 마무리 어닐링을 행하였다.
다음으로, 자기 특성의 철손 W15/50(최대 자속 밀도 1.5T, 주파수 50㎐ 시의 철손)을 측정하였다. 측정 시료는, 한 변이 55㎜인 정사각형의 시료편을 채취하여, 압연 방향과 폭 방향의 특성의 평균값을 구하였다. 자기 측정은, JIS C 2556(2015)에 기재된 전자 회로에 준한, 한 변이 55㎜인 정사각형의 시료편이나 더 미소한 시험편을 측정할 수 있는 장치를 사용하여 측정하였다. 측정 결과를 표 1, 표 2에 나타낸다. 또한, 재료의 열전도율과 열확산율의 측정을 행하였다. 측정의 방법은 상술한 방법으로 행하였다.
모터의 스테이터, 로터에 사용한 각각의 소재로서, 표 1, 표 2에 나타낸 A 내지 X의 각 소재와, 거의 동일한 조성 및 동일한 철손을 갖고, 또한 열전도율이 낮은 재료인 A' 내지 X'의 재료를 각각 준비하였다. A' 내지 X'의 재료에서는, 마무리 어닐링의 어닐링 온도를 A 내지 X의 각 소재의 어닐링 온도보다도 높게 하였다. A 내지 X에서는 결정립경은 약 30㎛, A' 내지 X'에서는 결정립경은 약 40㎛였다.
이들 소재로부터, 스테이터, 로터의 철심을 제작하고, 모터를 제작하였다. 표 3, 표 4에 스테이터, 로터에 사용한 소재, 식 (1) 내지 식 (3)의 성립/불성립, 및 모터 손을 나타낸다. 발명예인 모터에서는, 동일한 철손 소재를 사용한 다른 모터(비교예)보다도 모터 손이 낮았다.
또한, 비교예 167 내지 169에서는, 소재(W, W')의 철손은 좋지만 열전도율, 열확산율이 본원이 범위에서 벗어나 있어, 모터로서 운전시킨 경우, 열이 들어차 모터 손으로서는 나빠졌다. 특히, 비교예 168로부터는, 식 (1)과 식 (3)이 성립하고 있더라도, 열전도율, 열확산율이 본원이 범위에서 벗어나 있는 경우에는, 모터 손으로서는 나빠져 버리는 것을 알 수 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
(실시예 2)
실시예 1에 나타낸 소재 A, B, C, D, M의 냉간 압연재를 사용하여, 표 5, 표 6에 나타낸 온도에서 30초의 마무리 어닐링을 행하였다. 또한, 소재 A는 모터 201 내지 203 및 모터 216 내지 224에, 소재 B는 모터 204 내지 206에, 소재 C는 모터 207 내지 209에, 소재 D는 모터 210 내지 212에, 소재 M은 모터 213 내지 215에 사용하였다. 소재의 철손, 열전도율, 열확산율, 모터 손은 실시예 1과 마찬가지로 하여 구하였다. 또한, 마무리 어닐링 온도가 600℃인 재료는 평균 결정립경이 약 20㎛, 마무리 어닐링 온도가 700℃인 재료는 평균 결정립경이 약 25㎛, 마무리 어닐링 온도가 800℃인 재료는 평균 결정립경이 약 30㎛, 마무리 어닐링 온도가 900℃인 재료는 평균 결정립경이 약 65㎛, 마무리 어닐링 온도가 1000℃인 재료는 평균 결정립경이 약 120㎛였다.
발명예인 모터 203, 206, 209, 212, 215, 218, 221, 224는, 동일한 성분을 사용한 다른 모터(비교예)보다도 모터 손이 낮았다.
Figure pct00005
Figure pct00006
(실시예 3)
표 7에 나타낸 바와 같이, 모터의 스테이터, 로터에는 실시예 1에서 사용한 소재 A, B, C, D, M을 사용하였다. 이들 소재로부터, 철심을 가공에 의해 펀칭 가공을 한 후, 표 7에 나타낸 조건에서 응력 제거 어닐링을 행하였다. 이때, 응력 제거 어닐링은 800℃에서 2시간 어닐링하였다. 응력 제거 어닐링을 행한 조건에 대해서는, 열전 효율 및 철손 측정용의 시료편도 아울러 응력 제거 어닐링을 실시하였다. 소재의 철손, 열전도율, 열확산율, 모터 손은 실시예 1과 마찬가지로 하여 구하였다. 또한, 응력 제거 어닐링 미실시 재료는 평균 결정립경이 약 30㎛, 응력 제거 어닐링을 실시한 재료는 평균 결정립경이 약 120㎛였다.
발명예인 모터 303, 306, 309, 312, 315는, 동일한 철손 소재를 사용한 다른 모터(비교예)보다도 모터 손이 낮았다.
Figure pct00007
3: 스테이터 철심
300: 모터
301: 케이싱
302: 로터

Claims (24)

  1. 스테이터와,
    로터와,
    상기 스테이터 및 상기 로터를 수용하는 케이싱
    을 갖고,
    조건 1 … 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 A가 12 내지 35W/(m·K)이고, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열전도율 B가 10 내지 33W/(m·K)이며, 또한 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계
    조건 2 … 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1이 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)이고, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1이 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)이며, 또한 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계
    중 적어도 하나를 충족하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조건 1을 충족하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조건 2를 충족하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이터의 철심 및 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로,
    C: 0.0100％ 이하,
    Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하,
    Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하,
    P: 0.15％ 이하,
    S: 0.0030％ 이하,
    N: 0.0040％ 이하,
    Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하,
    Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％,
    Cr: 0 내지 0.400％,
    Ni: 0 내지 5.0％,
    Cu: 0 내지 5.0％,
    Ca: 0 내지 0.010％,
    Mg: 0 내지 0.0100％,
    희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％,
    B: 0 내지 0.0050％,
    Ti: 0.0030％ 이하,
    O: 0.0200％ 이하, 및
    잔부: Fe 및 불순물로 이루어지는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스테이터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 하기 식 (2)의 값이, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 식 (2)의 값보다도 낮은
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
    식 (2): 9.9+12.4×Si(질량％)+6.6×Mn(질량％)+10.0×Al(질량％)
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, P: 0.03％ 미만을 함유하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, Cr: 0.001 내지 0.400％를 함유하고, 식 (4)를 충족하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
    식 (4): Cr(질량％)×O(질량％)<8.0×10-5
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터의 철심에 사용하는 무방향성 전자 강판의 결정립경이 80㎛ 미만인
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기에 사용되는, 스테이터의 철심 및 로터의 철심의 세트.
  10. 제9항에 기재된 스테이터의 철심 및 로터의 철심의 세트를 사용하여 회전 전기 기기를 제조하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기의 제조 방법.
  11. 화학 조성이, 질량％로,
    C: 0.0100％ 이하,
    Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하,
    Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하,
    P: 0.15％ 이하,
    S: 0.0030％ 이하,
    N: 0.0040％ 이하,
    Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하,
    Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％,
    Cr: 0 내지 0.400％,
    Ni: 0 내지 5.0％,
    Cu: 0 내지 5.0％,
    Ca: 0 내지 0.010％,
    Mg: 0 내지 0.0100％,
    희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％,
    B: 0 내지 0.0050％,
    Ti: 0.0030％ 이하,
    O: 0.0200％ 이하, 및
    잔부: Fe 및 불순물
    로 이루어지는 무방향성 전자 강판을, 제강, 열간 압연, 열간 압연판 어닐링, 산세, 냉간 압연, 마무리 어닐링을 포함하는 공정으로 제조할 시에, 식 (1): A>B와 식 (3): A1>B1 중 적어도 하나를 충족하도록, 상기 마무리 어닐링의 어닐링 온도를 2종류 설정하고, 상기 로터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도를 600℃ 내지 900℃로 하고, 또한 상기 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 마무리 어닐링 온도보다도 낮게 하는
    것을 특징으로 하는, 제1항에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 식 (1)을 충족하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 식 (3)을 충족하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, P: 0.03％ 미만을 함유하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, Cr: 0.001 내지 0.400％를 함유하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기의 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법.
  16. 화학 조성이, 질량％로,
    C: 0.0100％ 이하,
    Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하,
    Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하,
    P: 0.15％ 이하,
    S: 0.0030％ 이하,
    N: 0.0040％ 이하,
    Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하,
    Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％,
    Cr: 0 내지 0.400％,
    Ni: 0 내지 5.0％,
    Cu: 0 내지 5.0％,
    Ca: 0 내지 0.010％,
    Mg: 0 내지 0.0100％, 및
    희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％,
    B: 0 내지 0.0050％,
    Ti: 0.0030％ 이하,
    O: 0.0200％ 이하, 및
    잔부: Fe 및 불순물
    로 이루어지는 무방향성 전자 강판을, 제강, 열간 압연, 열간 압연판 어닐링, 산세, 냉간 압연, 마무리 어닐링을 포함하는 공정으로 제조하여, 얻어진 무방향성 전자 강판으로부터 스테이터에 사용할 소재와 로터에 사용할 소재를 펀칭하여 적층하고, 식 (1): A>B와 식 (3): A1>B1 중 적어도 하나를 충족하도록, 상기 스테이터에 대해서만 응력 제거 어닐링을 행하는
    것을 특징으로 하는, 제1항에 기재된 회전 전기 기기의 스테이터 및 로터의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 식 (1)을 충족하는 것을 특징으로 하는 스테이터 및 로터의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 식 (3)을 충족하는 것을 특징으로 하는 스테이터 및 로터의 제조 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, P: 0.03％ 미만을 함유하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기의 스테이터 및 로터의 제조 방법.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무방향성 전자 강판의 화학 조성이, 질량％로, Cr: 0.001 내지 0.400％를 함유하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기의 스테이터 및 로터의 제조 방법.
  21. 회전 전기 기기의 철심 소재에 사용되는 무방향성 전자 강판의 세트이며,
    조건 1 … 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 열전도율 A가 12 내지 35W/(m·K)이고, 로터용의 무방향성 전자 강판의 열전도율 B가 10 내지 33W/(m·K)이며, 또한 양자의 열전도율이 식 (1): A>B인 관계
    조건 2 … 상기 스테이터용의 무방향성 전자 강판의 열확산율 A1이 3.0×10-6 내지 9.0×10-6㎡/sW/(m·K)이고, 상기 로터용의 무방향성 전자 강판의 열확산율 B1이 2.5×10-6 내지 8.5×10-6㎡/sW/(m·K)이며, 또한 양자의 열확산율이 식 (3): A1>B1인 관계
    중 적어도 하나를 충족하는 것을 특징으로 하는 무방향성 전자 강판의 세트.
  22. 제21항에 있어서, 상기 조건 1을 충족하는 것을 특징으로 하는 무방향성 전자 강판의 세트.
  23. 제21항에 있어서, 상기 조건 2를 충족하는 것을 특징으로 하는 무방향성 전자 강판의 세트.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 화학 조성이, 질량％로,
    C: 0.0100％ 이하,
    Si: 2.6％ 이상 4.5％ 이하,
    Mn: 0.1％ 이상 3.0％ 이하,
    P: 0.15％ 이하,
    S: 0.0030％ 이하,
    N: 0.0040％ 이하,
    Al: 0.1％ 이상 2.0％ 이하,
    Sn 및 Sb에서 선택되는 1종 이상: 0 내지 0.200％,
    Cr: 0 내지 0.400％,
    Ni: 0 내지 5.0％,
    Cu: 0 내지 5.0％,
    Ca: 0 내지 0.010％,
    Mg: 0 내지 0.0100％,
    희토류 원소(REM): 0 내지 0.010％,
    B: 0 내지 0.0050％,
    Ti: 0.0030％ 이하,
    O: 0.0200％ 이하, 및
    잔부: Fe 및 불순물로 이루어지는
    것을 특징으로 하는 무방향성 전자 강판의 세트.
KR1020237024946A 2021-03-31 2022-03-30 회전 전기 기기, 스테이터의 철심 및 로터의 철심의세트, 회전 전기 기기의 제조 방법, 스테이터용 무방향성 전자 강판 및 로터용 무방향성 전자 강판의 제조 방법, 스테이터 및 로터의 제조 방법, 그리고 무방향성 전자 강판의 세트 KR20230123512A (ko)

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"Development of a new hybrid transmission for FWD sports Utility Vehicles", Hata, H., Kojima, M., Watanabe, H., Mizutani, T. et al., SAE Technical Paper 2005-01-0272, 2005
「HV 구동용 모터의 고출력 밀도화에 관한 연구」, 가미야 무네히로, 박사 논문, 2008년
「하이브리드 전기 자동차(HEV)의 ATF를 사용한 모터 냉각 구조의 열 해석」, 오니마루 사다히사, 마쓰이 히로히토, 다구치 도모나리, 오타카 겐지, 이치오카 에이지, 미즈타니 다쓰히코, 자동차 기술회, 학술 강연회 예고, No. 68-06, P. 19-24, 2006

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