JP2017011863A - モータ鉄心用積層電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接着時に鋼板に誘起される歪を低減し、鉄損を低下させずに極薄の鋼板同士を接着できる積層電磁鋼板を提供する。
【解決手段】各々厚さ０．１０ｍｍ〜０．２５ｍｍの２枚の無方向性電磁鋼板１１，１１が、接着層１２を介して積層され、接着層１２は、無方向性電磁鋼板１１の接着面に、点状の接着部２１が千鳥配列に設けられている。無方向性電磁鋼板１１同士を適切な接着強度で接着することができるので、接着時に鋼板に誘起される歪を低減し、鉄損を低下させずに鋼板同士を接着することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、変圧器や回転機などの鉄心に用いられる積層電磁鋼板に関し、詳しくは、２枚の極薄無方向性電磁鋼板を積層して接着したモータ鉄心用積層電磁鋼板およびその製造方法に関するものである。

従来、変圧器や回転機などのエネルギー変換用機器に使用される鉄心は、電磁鋼板を打抜いて鉄心片に加工した後、これを積層し、溶接、接着、かしめ等の方法で結合して製作される。近年、ＨＥＶ（ハイブリッドカー）やＥＶ（電気自動車）向けのＩＰＭモータ（磁石モータ）の高効率化のために、鉄心を構成する電磁鋼板の、高周波における低鉄損化への要求が高まっている。電磁鋼板の鉄損低減のためには、電磁鋼板のＳｉ含有量を高めたり厚さを減少させるなどの対策があり、０．１５ｍｍ厚に至る無方向性電磁鋼板の薄手化が検討されている。

ところが、電磁鋼板の厚さを薄くすると、鉄心片に加工する際のプレス打ち抜き時の板送りが極めて困難になり、鉄心製造工程の生産性が損なわれて鉄心製造コストが高くなるという問題がある。また、剛性が低下することから、モータコアティース先端のめくれが問題になる。

そこで、０．１５ｍｍ厚の電磁鋼板を２枚積層し、接着することで、通常のモータコアに使用される０．３０ｍｍ厚の電磁鋼板と同等のハンドリング性能を持たせることを想起した。ところが、無方向性電磁鋼板を必要以上の強度で接着すると、鉄損特性が大きく劣化するという問題がある。この鉄損の劣化は、接着時に電磁鋼板に誘起される歪の影響によるものと考えられ、薄手材になるほど影響が大きいと考えられる。

接着層を介して薄鋼板を積層した積層鋼板に関しては、以下のような特許文献が開示されている。

特許文献１には、２以上の電磁鋼板が、接着層を介して、せん断接着強度５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上で強固に接着されることにより、打ち抜き時に剥離するのを回避して生産性を向上させた積層鉄心用接着鋼板が開示されている。

特許文献２には、複数枚の薄鋼板を重ね合わせる際の接着層の厚さを１〜５０μｍとすることで、打ち抜き時の騒音を低減し、打ち抜き能率を改善する打ち抜き用重ね無方向性電磁鋼板が開示されている。

特許文献３には、接着皮膜の減衰率のピーク温度を８０〜２００℃とすることで全面接着を促進し、接着強度のバラツキを低減した接着用表面被覆電磁鋼板が開示されている。

特許文献４には、電磁鋼板を積層する際、接着剤に発泡剤をまぜることで全面接着を促進させることが開示されている。

特許文献５には、接着剤による凸部を設けることで、加熱圧着後の電磁鋼板の全面接着を促進することが開示されている。

特許文献６には、接着剤に、加圧により変形する粒状樹脂を分散させることで、加圧圧着後の電磁鋼板の全面接着を促進することが開示されている。

特許文献７には、複数の薄鋼板を局所的な接着層で接着することにより、接着時に発生する揮発ガスが放出されやすくなり、ガスによる鋼板の歪み発生を回避した積層電磁鋼板が開示され、縞状等の局所的な接着層の塗布パターンによる実施例が記載されている。

特許文献８には、加熱により接着能を発揮する皮膜が施された電磁鋼板を積層し、加熱接着して形成されたコアにおいて、コアの積層方向の熱伝導率を電磁鋼板の板内の熱伝導率の１／５以上とすることで、積層コアの熱伝導性を改善した電磁鋼板積層コアが開示されている。

特開２０００−１７３８１５号公報 実開平０２−１２０８０５号公報 特開２０００−１７３８１６号公報 特開２００２−２６０９１０号公報 特開２０１２−１７１１１１号公報 特開２０１２−１７４７３９号公報 特開昭６１−０６３００３号公報 特開平１１−１５０８９５号公報

上記特許文献１、２には、接着層による鉄損の劣化を抑制する手段については記載されていない。また、特許文献３〜６は、鋼板の全面を接着させるものであり、この場合の鉄損の劣化とその抑制方法については記載されていない。特許文献７には、局所的な接着層の大まかな塗布パターンは示されているものの、鉄損の劣化を抑制する具体的な手段が記載されていない。特許文献８には、「接着皮膜は両面でも、片面でも良く、表面の全面でなくとも部分的でも良い。」と記載されているが、具体的な接着被膜の配置パターンは提示されていない。

本発明の目的は、接着時に鋼板に誘起される歪を低減し、鉄損を劣化させずに極薄の鋼板同士を接着できる積層電磁鋼板を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、各々厚さ０．１０ｍｍ〜０．２５ｍｍの２枚の無方向性電磁鋼板が、接着層を介して積層され、前記接着層は、前記無方向性電磁鋼板の接着面に、点状の接着部が千鳥配列に設けられていることを特徴とする、モータ鉄心用積層電磁鋼板を提供する。

前記点状の接着部の総面積が、前記無方向性電磁鋼板の接着面の面積の５０％以下であることが好ましい。

また、本発明は、前記モータ鉄心用積層電磁鋼板の製造方法であって、前記接着部に接着能を付与する接着工程は、前記電磁鋼板を鉄心片に加工する際のプレス打ち抜き工程の直前に行うことを特徴とする、モータ鉄心用積層電磁鋼板の製造方法を提供する。

本発明によれば、無方向性電磁鋼板同士を必要以上の強度で接着することがなく、適切な強度で接着できるので、接着時に鋼板に誘起される歪が低減される。したがって、鉄損を劣化させずに極薄の鋼板同士を接着することができる。そのため、極薄材の場合に起こりやすい、プレス打抜き時に板送りが困難になる問題や、モータコアティース先端のめくれという問題を解決し、かつ、極薄材並みの高周波鉄損特性を持つ通常板厚のモータ鉄心用積層電磁鋼板を製造することができる。

せん断接着強度と鉄損Ｗ１０／４００との関係を示すグラフである。 せん断接着強度と鉄損Ｗ１０／８００との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態にかかるモータ鉄心用積層電磁鋼板の例を示す断面図である。 図３のモータ鉄心用積層電磁鋼板の接着層の平面図である。 本発明の実施形態にかかる接着部の配置の説明図である。 比較例の接着層の平面図であり、接着部の配置が、（ａ）は圧延方向に対して直角の横縞、（ｂ）は圧延方向と平行の縦縞、（ｃ）は格子状である。

各々０．１５ｍｍ厚の２枚の無方向性電磁鋼板に接着被膜を塗布して強固に接着し、モータ用鉄心を成形したところ、接着していない積層のみによる無方向性電磁鋼板の場合と比較して、大幅な鉄損低下が生じた。図１は、接着強度が０ｋｇｆ／ｃｍ^２（接着していない場合）と、２００ｋｇｆ／ｃｍ^２（強固に接着した場合）との鉄損Ｗ１０／４００（励磁磁束密度１．０Ｔ、励磁周波数４００Ｈｚにおける鉄損）の比較であり、図２は鉄損Ｗ１０／８００の比較を示す。

この現象は、接着時に生じた電磁鋼板間の拘束による歪の影響によるものと考えられる。そこで、本発明者らは、適切な接着強度で２枚の電磁鋼板を接着することにより、鉄心製造時のハンドリング性能を維持したまま、鉄損の低下を抑制した実質的な薄手電磁鋼板を製造できると考えた。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

図３は、本発明の実施の形態にかかるモータ鉄心用積層電磁鋼板１の断面図であり、各々厚さ０．１０ｍｍ〜０．２５ｍｍの２枚の無方向性電磁鋼板１１が、接着層１２を介して積層され、厚さ０．２０〜０．５０ｍｍの積層電磁鋼板１が構成されている。

本発明にかかるモータ鉄心用積層電磁鋼板１に用いられる無方向性電磁鋼板１１としては、公知のものを用いることができ、化学組成は特に限定されない。所望の合金成分を含有した熱延鋼板を必要に応じて焼鈍し、その後所定の板厚に冷延し、焼鈍して製造される。無方向性電磁鋼板の厚さは、薄くなるにつれて製造コストが増すうえ、次第に鉄損の改善効果が飽和するため、０．１０ｍｍ以上とするのが好ましい。一方、あまり厚くなると、積層電磁鋼板にしなくても鉄心加工時の生産性には問題なく、本発明の対象から外れるうえ、プレス打ち抜き作業が次第に困難になるため、０．２５ｍｍ以下とするのがよい。

無方向性電磁鋼板の幅は任意であり、数ｍｍのものから通常の冷間圧延法で製造される広幅のものまで適用できる。無方向性電磁鋼板の長さは、接着作業を効率的に行える点で、コイル状のものが好ましいが、切り板状に切断した無方向性電磁鋼板を使用しても構わない。

また、鉄心の鉄損を改善するため、接着する前の無方向性電磁鋼板の少なくとも片面に、絶縁被膜を塗布、焼付けすることが好ましい。図３は、２枚の無方向性電磁鋼板１１，１１のそれぞれの両面に絶縁被膜１３を設けた例を示している。絶縁被膜１３を構成する物質としては、例えば、通常用いられる重クロム酸塩とホウ酸の複合物、またはリン酸塩とシリカの複合物などの無機化合物、エポキシ系、アクリル系、アクリルスチレン系、ポリエステル系、シリコン系、フッ素系樹脂などの有機樹脂、さらにはこれら無機化合物と有機樹脂の混合物などが適用できる。絶縁皮膜の厚さは、絶縁性能を確保するために０．１μｍ以上とするのがよい。絶縁被膜が厚くなるにつれて絶縁効果が飽和するとともに、占積率が低下し、鉄心としての性能が低下する。また、過度に厚くすると絶縁被膜に有機樹脂が含まれる場合は溶接性が低下することがある。したがって、絶縁皮膜は、絶縁性能が確保できる範囲で薄い方がよく、好ましくは５μｍ以下、さらに好ましくは２μｍ以下とするのがよい。

２枚の無方向性電磁鋼板１１，１１は、加熱または加圧あるいはその両方により接着能を発揮する組成物が配置された接着層１２を介して積層されている。組成物としては、アクリル系樹脂やエポキシ系樹脂など、あるいはこれらを含んだものが適用可能であり、例えば重合結合による熱硬化型のもの等が用いられる。

図４は、接着層１２の平面図であり、接着部２１の配置例を示している。図４に示すように、接着層１２には、無方向性電磁鋼板１１の接着面側に、複数の点状の接着部２１が千鳥配列に配置されている。すなわち、図５において、Ｘ軸方向およびＹ軸方向それぞれにＰｘ、Ｐｙの間隔を持つＡ格子とＢ格子の格子点上に接着部２１が配置され、Ａ格子とＢ格子とは、Ａ格子、Ｂ格子同士が隣り合う接着部間の間隔Ｐｘ、Ｐｙの半分であるＰｘ／２、Ｐｙ／２の位置に互い違いにずらして配置されている。接着部２１の位置の尤度として、各格子点からＸ軸方向、Ｙ軸方向に、それぞれ±Ｐｘ／８、±Ｐｙ／８だけずれていても、良好な鉄損効果は得られる。ＰｘとＰｙの値は、異なっていたとしても、その効果は変わらない。接着部２１の一つの点の大きさは、例えば直径０．１ｍｍから１０ｍｍ相当程度とする。図４、図５では接着部２１は円形であるが、接着部２１の形状としては矩形や平行四辺形等であってもその効果に変化はない。複数の点状の接着部２１の面積を合計した総面積は、無方向性電磁鋼板１１の接着面の面積の５０％以下とすることが好ましく、これにより、接着強度が過度にならないように適切に制御して無方向性電磁鋼板１１に誘起される歪を低減し、高周波での鉄損の低下を抑制することができる。一方、接着層１２は、２つの無方向性電磁鋼板１１，１１を接合するものであり、プレス打ち抜き加工時に積層電磁鋼板１が剥離しないだけの接着強度を有していることが必要である。そのためには、点状の接着部２１の総面積は、無方向性電磁鋼板１１の接着面の面積の５％以上とすることが好ましい。

なお、上記特許文献７の表１中に、本発明に類似する点列状の接着部配置が図示されているが、図から判断する限り、上述したような、格子点間隔の概略半分ずらした２つの格子の格子点上に接着部を配置する明瞭な記載はなく、接着そのものによる発生応力を軽減する効果は考えられない。

接着方法は、無方向性電磁鋼板１１の接着面に接着用組成物を塗布した後、加熱および圧着のいずれかまたは両方により接着能を発揮させて接着する方法や、無方向性電磁鋼板１１に接着用組成物を塗布、乾燥させて、接着層を備えた無方向性電磁鋼板を製作し、その後、他の無方向性電磁鋼板を合わせて加熱および圧着のいずれかまたは両方により接合する方法等がある。加熱手段は、例えば高温槽や電気炉内での加熱、または直接通電する方法等、どのような手段でも良い。本発明では、接着工程は、プレス打ち抜き工程の直前に行うことが好ましい。プレス打ち抜き工程の直前に接着工程を行うことにより、接着工程のみを独立させることによるコイルの巻き戻し・巻き取り装置の重複設置のための設備コストの増大を防ぐことができ、また、大量生産を目的とした鉄鋼生産設備にインライン化することによる設備の強大化、コスト増大を避けることができる。また、積層接着が必要な場合のみに接着工程を選択でき、材料選択、プロセス設計の自由度が増大する。

接着層１２の厚さは、安定して十分な接着強度を得るために１μｍ以上とするのがよい。厚さが１００μｍを超えると接着力が飽和するうえ、打ち抜き加工時にダレが大きくなり、鉄心に積層した後の占積率が低下し、鉄損などの電磁特性が低下するので好ましくない。従って接着層の厚さは１００μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下とするのがよい。

接着層１２を介して接合された積層電磁鋼板１は、プレス打ち抜き加工が行われて、鉄心が形成される。本発明によれば、打ち抜き加工時に板送りが困難になったりモータコアティース先端のめくれが発生することがなく、高生産性が得られるとともに、接着時に鋼板に誘起される歪を低減し、鉄損を低下させずに鋼板同士を接着することができるので、高周波において極薄材並みの良好な鉄損特性が実現できる。つまり、高生産性と良好な鉄損特性とを両立できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

重量％で、Ｓｉ：３．０％、Ｍｎ：０．２％、Ａｌ：０．４％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる厚さ：０．１０ｍｍ、幅：８０ｍｍの無方向性電磁鋼板を製造した。絶縁皮膜組成物として、りん酸塩を用い、接着用組成物として、アクリル系組成物を用いた。

接着部２１の配置は、本発明例は図４に示すように千鳥配列とし、接着部２１の直径を３ｍｍとした。比較例は、図６（ａ）に示すように無方向性電磁鋼板１１の圧延方向に対して直角方向の横縞の接着部２１ａ、図６（ｂ）に示すように無方向性電磁鋼板１１の圧延方向に平行な縦縞の接着部２１ｂ、図６（ｃ）に示すように格子状の接着部２１ｃの３種類のパターンで接着した。接着部２１の面積を合計した総面積は、すべての接着部配置において、無方向性電磁鋼板１１の全接着面の面積の３５％とした。

このようにして作製した積層電磁鋼板から、５５ｍｍ×５５ｍｍサイズの単板試験片を剪断し、ＪＩＳ法で定めた単板磁気測定法で圧延方向と圧延直角方向の鉄損値（Ｗ１０／８００）を測定した結果を表１に示す。ここで、表中の鉄損値は、圧延方向と圧延直角方向の鉄損の平均値である。表１から、本発明の千鳥配列の接着部配置の場合は、比較例に比べて積層接着鋼板の鉄損値が低く、良好な鉄損特性が得られることがわかる。

重量％で、Ｓｉ：３．０％、Ｍｎ：０．２％、Ａｌ：０．５％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる厚さ：０．１５ｍｍ、幅：１００ｍｍの無方向性電磁鋼板を製造した。絶縁皮膜組成物として、クロム酸塩を用い、接着用組成物として、エポキシ系組成物を用いた。

接着部の配置は、図４に示すように千鳥配列とし、点状の接着部２１の一つの点の大きさを、直径０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍの５種類とし、接着部２１の総面積が、無方向性電磁鋼板１１の接着面の面積の５％〜６０％となるようにした。このようにして作製した積層電磁鋼板から、５５ｍｍ×５５ｍｍサイズの単板試験片を剪断し、ＪＩＳ法で定めた単板磁気測定法で、圧延方向と圧延直角方向の鉄損を測定した。また、比較例として、接着していない積層無方向性電磁鋼板の単板磁気特性も測定した。

表２に、上記の方法で測定した単板磁気特性（鉄損値Ｗ１０／４００）を示す。表中の鉄損値は、圧延方向と圧延直角方向の鉄損の平均値である。表２から、接着部２１の総面積が無方向性電磁鋼板１１の接着面の面積の５０％以下であれば、鉄損の劣化はないことがわかる。

重量％で、Ｓｉ：３．２％、Ｍｎ：０．３％、Ａｌ：０．２％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる厚さ：０．１０ｍｍ、幅：１５０ｍｍの無方向性電磁鋼板を製造した。絶縁皮膜組成物として、りん酸塩を用い、接着用組成物として、アクリル系組成物を用いた。

接着部の配置は、本発明例は図４に示すように千鳥配列とし、点状の接着部２１の一つの点の大きさが直径２ｍｍ、接着部２１の総面積が、無方向性電磁鋼板１１の接着面の面積の４０％とした。このようにして作製した積層電磁鋼板を打ち抜き加工し、ＩＰＭモータの鉄心とした。この接着方法で接着した単板試験片の剪断接着強度は７０ｋｇｆ／ｃｍ^２であった。

比較例として、同じ無方向性電磁鋼板の全面を積層接着し、本発明例と同一形状で打ち抜き加工してＩＰＭモータの鉄心を作製した。

本発明例および比較例の積層電磁鋼板によるＩＰＭモータのモータ効率を比較すると、本発明例のＩＰＭモータのモータ効率が９５．４％であるのに対して、比較例の積層電磁鋼板によるＩＰＭモータのモータ効率は９３．２％であった。

本発明は、ＩＰＭモータ、ジェネレータや回転機やリニアモータの固定子コア、回転子コア（移動子コア）やトランスコア、あるいは、他のエネルギー変換機器に使用されるコア等に用いられる積層電磁鋼板として適用できる。

１ 積層電磁鋼板
１１ 無方向性電磁鋼板
１２ 接着層
１３ 絶縁被膜
２１ 接着部

Claims (3)

1. 各々厚さ０．１０ｍｍ〜０．２５ｍｍの２枚の無方向性電磁鋼板が、接着層を介して積層され、
   前記接着層は、前記無方向性電磁鋼板の接着面に、点状の接着部が千鳥配列に設けられていることを特徴とする、モータ鉄心用積層電磁鋼板。
2. 前記点状の接着部の総面積が、前記無方向性電磁鋼板の接着面の面積の５０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載のモータ鉄心用積層電磁鋼板。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載のモータ鉄心用積層電磁鋼板の製造方法であって、
   前記接着部に接着能を付与する接着工程は、前記電磁鋼板を鉄心片に加工する際のプレス打ち抜き工程の直前に行うことを特徴とする、モータ鉄心用積層電磁鋼板の製造方法。

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