JP2011160578A - 圧縮応力下での鉄損劣化の小さいモータコア - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮応力の存在下においても高周波鉄損特性の劣化が小さいモータコアを提供する。
【解決手段】打抜加工した電磁鋼板を積層したステータの周方向に１０ＭＰａ以上の圧縮応力が付与されるモータコアにおいて、上記ステータを構成する電磁鋼板のバックヨーク部に周方向に沿って並行する複数のスリットが好ましくは間隔１０ｍｍ以下、スリット空隙部の幅０．５ｍｍ以下で付与され、かつ、電磁鋼板表面のＳ濃度が１０ａｔ％以下であることを特徴とするモータコア。
【選択図】図１

Description

本発明は、家庭用エアコンのコンプレッサーモータや、ハイブリッド電気自動車（ＥＶ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の駆動モータや発電機（以降、単に「モータ」という。）などに用いられるモータコアに関し、具体的には、圧縮応力の存在下においても鉄損劣化が小さい（鉄損増加が小さい）モータコアに関するものである。

家庭用エアコンのコンプレッサーモータは、一般に最高周波数が２００〜４００Ｈｚ程度での可変速運転が行われており、さらに、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式のインバータ制御等では、数ｋＨｚのキャリア周波数が重畳されて使用されている。また、最近、急速に普及しているハイブリッド電気自動車の駆動モータも、高出力化や小型化を図る観点から、数ｋＨｚ程度の周波数で駆動されている。

上記のようなモータのステータ（固定子）やロータ（回転子）等のモアに用いられる素材（コア材）には、エネルギー効率を向上する観点から、鉄損が低いことが求められる。そこで、上記モータコア材には、使用される高周波域における鉄損を低減するため、一般に、ＳｉとＡｌを合計で３〜４ｍａｓｓ％程度添加した高グレードの無方向性電磁鋼板が使用されている。

ところで、エアコンのコンプレッサーモータやハイブリッド電気自動車のモータでは、ステータをハウジング（モータケース）に固定する方法として、焼き嵌め法や圧入法が採用されており、これに起因して、ステータの円周方向には最大１００ＭＰａ程度の圧縮応力が発生する。また、ハイブリッド電気自動車の駆動モータには、一般に樹脂モールドが施されるため、やはりモータコアには圧縮応力が加わることとなる。このような圧縮応力の存在下では、コアを構成する電磁鋼板の磁気特性が大きく劣化する（鉄損が増加する）ことが知られている。そのため、圧縮応力による鉄損劣化が小さい電磁鋼板の開発が望まれている。

圧縮応力存在下での鉄損特性を改善した材料としては、例えば、特許文献１には、Ｓｉ：２．６〜４ｍａｓｓ％を含有し、比抵抗が５０〜７５×１０^−８Ωｍ、平均結晶粒径が６０μｍ超１６５μｍ以下とした無方向性電磁鋼板が開示されている。

特許第４０２３１８３号公報

しかしながら、特許文献１の無方向性電磁鋼板は、現在市販されている高グレード電磁鋼板と同等レベルの固有抵抗、結晶粒径でしかない。そのため、この材料を用いてモータコアを製造したとしても、圧縮応力による鉄損劣化の程度は従来材と大きく異なるものではないため、鉄損の応力依存性をより小さくできる技術の開発が求められている。

そこで、本発明の目的は、圧縮応力の存在下においても高周波での鉄損特性の劣化が小さいモータコアを提供することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討した。その結果、ステータを構成する電磁鋼板（以降、「ステータコア材」とも称する。）のバックヨーク部に、周方向に沿って並行する複数のスリットを設けることで、圧縮応力による鉄損特性の劣化を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、打抜加工した電磁鋼板を積層したステータの周方向に１０ＭＰａ以上の圧縮応力が付与されるモータコアにおいて、上記ステータを構成する電磁鋼板のバックヨーク部に、周方向に沿って並行する複数のスリットを設けてなり、かつ、上記電磁鋼板表面のＳ濃度が１０ａｔ％以下であることを特徴とするモータコアである。

本発明のモータコアにおける上記並行する複数のスリットは、間隔が１０ｍｍ以下、スリット空隙部の幅が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明のモータコアにおける上記電磁鋼板は、Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．０１０ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

本発明によれば、圧縮応力の存在下においても高周波での鉄損増加が小さいモータコアを提供することができる。したがって、本発明の上記モータコアは、焼き嵌めや圧入あるいは樹脂モールド等によって圧縮応力が付与された状態で使用されるエアコンのコンプレッサ用モータやハイブリッド電気自動車の駆動モータ、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）の駆動モータ、高速発電機の高周波回転機等に好適に用いることができる。

本発明のモータコアを説明する模式図である。 ステータコアの高周波鉄損を測定する方法を説明する図である。 圧縮応力がモータコアの鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。

先ず、本発明の基本的な技術思想について説明する。
家電用エアコンのコンプレッサ用モータやハイブリッド電気自動車（ＥＶ）用の駆動モータでは、コアをモータケースに固定する手段として、焼き嵌めや圧入が行われている。この焼き嵌めや圧入によってモータコアの周方向に付与される圧縮応力は、通常、２０〜１００ＭＰａ程度であると言われている。この圧縮応力は、モータコアを構成する電磁鋼板の鉄損特性を劣化させ、ひいては、モータ効率の低下を招くことが知られている。

また、エアコンのコンプレッサ用モータやハイブリッド車のＥＶモータは、基本周波数が高周波であることに加えて、インバータ制御のため、数ｋＨｚの高調波も重畳されて駆動されているのが一般的である。そこで、発明者らは、モータのステータを構成する電磁鋼板の圧縮応力下における高周波鉄損特性について調査したところ、圧縮応力の存在下では、ヒステリシス損だけでなく、渦電流損も増加していることが明らかとなった。したがって、高周波鉄損特性を改善するには、渦電流損の増加を抑制することが重要な課題となる。

そこで、圧縮応力の存在下で渦電流損が増加する原因について調査したところ、材料に圧緒応力が付与されると、鋼板内の磁化ベクトルは、その圧縮応力を緩和するために鋼板板面方向を向くように変化する。そして、これを磁化しようとすると、上記磁化ベクトルを磁化方向に向かせるための渦電流が鋼板板面内に流れることになり、その結果、無応力の状態に比べて渦電流が増加し、渦電流損が増加することが明らかとなった。

そこで、発明者らは、圧縮応力が加えられても、渦電流損が増大しないモータコア（ステータ）について検討を重ねた。その結果、ステータを構成する積層された電磁鋼板（ステータコア材）のバックヨーク部の周方向に沿って、すなわち、圧縮応力と平行な方向に、並行する複数のスリットを設けてやれば、鋼板板面内に流れる渦電流の経路を小さくすることができ、渦電流による鉄損の増加を効果的に抑制できるのではないかと考えた。

上記考えを検証するため、以下の実験を行った。
Ｓｉ：３ｍａｓｓ％−Ａｌ：１ｍａｓｓ％−Ｍｎ：０．３ｍａｓｓ％−Ｓ：０．００３ｍａｓｓ％−Ｎ：０．００１０ｍａｓｓ％−Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％の成分組成からなる板厚：０．３５ｍｍの冷延無方向性電磁鋼板を用いて、外径：１５０ｍｍφ、バックヨーク幅：２０ｍｍで、１２スロットのステータコア材を打抜加工により作製した。なお、上記ステータコア材のバックヨーク部（ティース接続部を除く）には、図１に示したように、ステータの周方向に沿って、空隙幅：０．３ｍｍのスリットを間隔：５ｍｍで３本（円周方向に１２箇所）打抜加工により付与した。

次いで、上記ステータコア材を積み厚３０ｍｍに積層してステータコアを作製し、モータケースを模した非磁性のステンレス製リングに焼き嵌め代を０〜７０μｍの範囲で変化させて焼き嵌めし、固定した。この際、バックヨーク中央部の周方向の圧縮応力を、歪みゲージを用いて測定したところ、０〜８０ＭＰａの圧縮応力が発生していた。

次いで、上記ステンレス製リングに固定したステータコアに、図２のように、ステンレス製リングも含めてバックヨーク部の周囲に励磁コイルおよびピックアップコイルを巻き線し、モータコア円周方向の高周波鉄損（Ｗ_{１０／３ｋ}）を測定した。図３は、上記測定の結果を、焼き嵌めによって発生したステータ周方向の圧縮応力と高周波鉄損との関係として示したものである。これから、ステータコア材のバックヨーク部にスリットを付与することにより、焼き嵌めで発生する圧縮応力による鉄損の増大を抑制できることがわかる。

なお、上記ステータコア材のバックヨーク部に付与する複数の並行するスリットは、スリットの長手方向と圧縮応力の方向とを一致させるのが好ましい。その理由は、この場合に最も渦電流の抑制効果が大きいからである。したがって、焼き嵌め等で圧縮応力がステータの周方向に発生するモータでは、スリットの長さ方向をステータの周方向に合わせることが好ましい。

また、上記複数の並行するスリットは、空隙部の幅が０．５ｍｍ以下で、スリットの間隔が１０ｍｍ以下であることが好ましい。スリットの空隙部の幅が、０．５ｍｍを超えると磁束密度が低下し、また、スリットの間隔が１０ｍｍを超えると、鉄損特性の劣化を抑制する効果が小さくなるためである。スリットの間隔は、より好ましくは５ｍｍ以下である。なお、並行するスリットの本数は、特に規定しないが、バックヨーク幅と上記スリット間隔とから、適宜決定すればよい。

次に、本発明のモータコアに用いる電磁鋼板の表面性状について説明する。
発明者らは、種々の製造履歴の電磁鋼板を用いて、図１と同様、バックヨーク部に２ｍｍ間隔で空隙幅が０．２ｍｍのスリットを７本付与したステータコア材を打抜加工し、これを積層してステータコアを作製し、上記実験と同様にして圧縮応力と鉄損との関係を調査したところ、スリットを付与しているにも拘わらず、鉄損特性が改善されないものが存在した。そこで、このステータコアについて詳細に観察したところ、スリットの打抜加工の際に発生した「だれ」近傍の絶縁被膜が一部剥離しているのが確認された。これから、鉄損改善効果が得られなかった理由は、だれ近傍の被膜剥離部で短絡が生じ、これによって渦電流が増大したためであることがわかった。

そこで、絶縁被膜が剥離した原因を調べるため、剥離が発生した電磁鋼板と発生しなかった電磁鋼板の両鋼板について、絶縁被膜をアルカリ液（４５ｍａｓｓ％ＮａＯＨ）で除去した後、その鋼板表面を、オージェ電子分光法を用いて詳細に調査した。その結果、被膜剥離が発生した電磁鋼板の表面にはＳの濃縮が認められ、特に表面のＳ濃度が１０ａｔ％以上の鋼板で被膜剥離が顕著に起きていることがわかった。そこで、本発明に用いる電磁鋼板は、鋼板表面のＳ濃度を１０ａｔ％以下に制限することとした。なお、上記Ｓ濃度は、オージェ電子分光法で測定した鋼板表面のＳピーク強度と、Ｓ濃度を変えて作製した標準サンプルのＳピーク強度とを比較することにより決定した。

なお、鋼板表面のＳの濃縮が、絶縁被膜の剥離を引き起こす原因については、現在のところ明確になっていないが、鋼板表面に偏析したＳによって被膜の密着性が低下するためではないかと考えている。

通常のステータコア材では、スリットの打抜加工は行われることはないため、鋼板表面にＳが多少濃縮していても絶縁被膜の剥離は生じない。しかし、本発明のステータコア材のようにスリット加工が行われる場合には、ブリッジ部（スリット加工したバックヨーク部）の被膜は、打ち抜き時に両サイドのパンチに引き込まれる方向の大きな引張応力を受けるため、被膜剥離を起こしたものと考えられる。

また、Ｓが鋼板表面に濃化する原因は、Ｓは表面偏析元素であるため、熱延板焼鈍時および仕上焼鈍時によって鋼板表面に偏析してくるためと考えられる。
一方、鋼板表面のＳ濃度を１０ａｔ％以下とする方法については、特に制限はなく、例えば、素材（鋼スラブ）のＳ含有量の上限を規制する方法、熱延板焼鈍後、２０ｍａｓｓ％程度の塩酸溶液中で２０ｓｅｃ以上の酸洗を行って鋼板表面のＳ偏析層を除去する方法、仕上焼鈍後、鋼板表面を酸洗する方法などを挙げることができる。ただし、熱延板焼鈍後の酸洗のみでは、仕上焼鈍時におけるＳの偏析を防止できないため、仕上焼鈍後に酸洗する方法が最も好ましい。

また、本発明のモータコアに用いる電磁鋼板表面に被成する絶縁被膜は、電磁鋼板との密着性に優れるものであれば特に制限はなく、例えば、通常公知の半有機の被膜であれば好適に用いることができる。また、被膜の厚さ（焼付後）は、層間抵抗を確保しかつ占積率を高める観点から、０．３〜１．０μｍの範囲であることが好ましい。

次に、本発明のモータコアの素材となる電磁鋼板の成分組成について説明する。
Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下
Ｓｉは、鋼の固有抵抗を高めるのに有効な元素であるが、７ｍａｓｓ％を超えて添加すると、飽和磁束密度の低下に伴い、モータコアの磁束密度も低下するようになる。また、最終板厚に圧延する際、たとえ温間圧延しても板破断を起こすおそれがあるため、上限は７ｍａｓｓ％とするのが好ましい。なお、下限は特に制限しないが、固有抵抗を高める観点からは、０．１ｍａｓｓ％以上であることが好ましい。より好ましくは１〜４ｍａｓｓ％の範囲である。

Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下
Ａｌは固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、３ｍａｓｓ％を超えると飽和磁束密度の低下が低下するのに伴い、モータコアの磁束密度も低下するため、上限は３ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは２ｍａｓｓ％以下である。

Ｍｎ：０．０５〜３ｍａｓｓ％
Ｍｎは、Ｓ等による赤熱脆性を防止するために必要な元素であり、０．０５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、３ｍａｓｓ％を超えて添加すると、飽和磁束密度が低下するため、上限は３ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは、０．１〜２ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｓは、不可避的に混入してくる不純物であり、含有量が多くなると、熱延板焼鈍や仕上焼鈍時に鋼板表面にＳが濃縮し、被膜剥離を引き起こす原因となる。また、Ｓが多くなると、硫化物系介在物が多量に形成されて、鉄損が増加する原因となる。よって、本発明では、上限を０．００５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは０．００２ｍａｓｓ％以下である。

Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｎは、Ｓと同様、不可避的に混入してくる不純物であり、含有量が多いと窒化物が多量に形成されて、鉄損が増加する原因となるため、上限は０．００５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

Ｏ：０．０１０ｍａｓｓ％以下
Ｏは、ＳやＮと同様、不可避的に混入してくる不純物であり、含有量が多いと酸化物系介在物が多量に形成されて、鉄損が増加する原因となるため、上限は０．０１０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

本発明のモータコアに用いる電磁鋼板は、上記成分以外の残部はＦｅおよび不可避不純物である。ただし、本発明の効果を害さない範囲内であれば、上記以外の他成分の含有を拒むものではない。

なお、本発明のモータコアが適用できるモータは、モータコアに圧縮応力が付与されるものであれば、いずれの形式のものでもよく、例えば、図１に示した集中巻形式の永久磁石モータ、分布巻き形式の永久磁石モータ、分割コアタイプの永久磁石モータ、誘導モータ、リラクタンスモータ等に適用することができる。

転炉−脱ガス処理で鋼を所定の成分組成に調整する通常公知の精錬プロセスで、表１に示す成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造して鋼スラブとした。次いで、この鋼スラブを１１４０℃×１ｈｒの再加熱後、仕上圧延終了温度を８００℃とする熱間圧延で板厚２．０ｍｍの熱延板とし、６１０℃で巻き取った後、この熱延板を１０００℃×３０ｓｅｃで熱延板焼鈍し、酸洗し、冷間圧延して、板厚０．３５ｍｍの冷延板とした。その後、９５０℃×１０ｓｅｃの仕上焼鈍を施し、２０ｍａｓｓ％の濃度の塩酸溶液で酸洗時間を変えて軽酸洗した後、無機有機の被膜を、０．３〜０．５μｍの厚さに塗布し、各種の無方向性電磁鋼板を製造した。

上記電磁鋼板について、以下の評価を行った。
＜表面のＳ濃度分析＞
上記電磁鋼板の表面に被成した絶縁被膜をアルカリ液（４５ｍａｓｓ％ＮａＯＨ）を用いて除去した後、前述した実験と同様にして、オージェ電子分光法を用いて鋼板表面のＳ濃度を分析した。
＜磁束密度Ｂ_５０の測定＞
上記電磁鋼板から、幅３０ｍｍ、長さ２８０ｍｍのエプスタイン試験片を圧延方向および圧延直角方向より採取し、ＪＩＳ Ｃ２５５０に準拠して５０００Ａ／ｍで磁化したときの磁束密度Ｂ_５０を測定した。
＜モータコアの鉄損測定＞
上記無方向性電磁鋼板を、図１と同じ形状で、表１に示した各種スリットを有する、外径：１５０ｍｍφ、バックヨーク幅：２０ｍｍで１２スロットのステータコア材に打抜加工し、これを積み厚：３０ｍｍに積層し、ステータコアを作製した。次いで、上記ステータコアを、内径が約１５０ｍｍφの非磁性ステンレスリングに、焼き嵌め代を０〜７０μｍの範囲で変えて固定し、ステータの周方向に圧縮応力を発生させた。なお、上記圧縮応力は、ステータのバックヨーク中央部に貼り付けた歪みゲージを用いて測定した。次いで、図２に示したように、ステンレス製リングも含めてバックヨーク部の周囲に励磁コイルおよびピックアップコイルを巻き線し、周波数３ｋＨｚ、最大磁束密度１Ｔにおけるモータコア円周方向の鉄損Ｗ_{１０／３ｋ}を測定した。

表１に、上記測定の結果を併記して示した。この結果から、本発明に適合する成分組成を有する無方向性電磁鋼板を用いて、本発明に適合するスリットを付与して作製したステータコアは、圧縮応力下における鉄損特性の劣化を抑制できることが確認された。

本発明のモータコア技術は、ハイブリッド電気自動車の駆動モータや発電機、エアコンのコンプレッサ用モータ、工作機械の主軸モータ等、焼き嵌めして固定される高速モータに適用することができる。

１：ステータコア
２：スリット
３：ロータ
４：永久磁石
５：ステンレス製リング（非磁性）
６：巻き線

Claims (3)

1. 打抜加工した電磁鋼板を積層したステータの周方向に１０ＭＰａ以上の圧縮応力が付与されるモータコアにおいて、上記ステータを構成する電磁鋼板のバックヨーク部に、周方向に沿って並行する複数のスリットを設けてなり、上記電磁鋼板表面のＳ濃度が１０ａｔ％以下であることを特徴とするモータコア。
2. 上記並行する複数のスリットは、間隔が１０ｍｍ以下、スリット空隙部の幅が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のモータコア。
3. 上記電磁鋼板は、Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．０１０ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１または２に記載のモータコア。

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