(57)【要約】  圧縮応力が作用する環境で使用する電磁鋼板において、少なくとも鉄損特性に影響を与える程度の圧縮応力が作用する領域の、少なくとも一方の面に、ブラスト加工や研削砥石による平面研削加工等といった機械加工を施すことによって、格子歪みに基づく表面加工影響層を設ける。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮応力が作用する環境で使用する電磁鋼板において、
少なくとも鉄損特性に影響を与える程度の圧縮応力が作用する領域の少なくとも一方の面に、格子歪みに基づく表面加工影響層を有する電磁鋼板。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁鋼板において、無方向性である電磁鋼板。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電磁鋼板において、
前記表面加工影響層は機械加工により設けたものであって、
前記表面加工影響層の深さは、機械加工により表面に形成した凹凸の深さを含めて、板厚の１％以上５０％以下である電磁鋼板。
【請求項４】
請求項３に記載の電磁鋼板において、
前記機械加工により加工面を平坦に仕上げることによって、前記表面加工影響層を表面にも設けた電磁鋼板。
【請求項５】
請求項４に記載の電磁鋼板において、
表面加工影響層の板表面からの深さが、板厚の１％以上５０％以下である電磁鋼板。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の電磁鋼板において、
電動モータのステータとして使用し、前記表面加工影響層を有する部分をバックヨーク部とする電磁鋼板。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の電磁鋼板の積層体からなる電動モータのステータコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器の鉄心材料として、圧縮応力が作用する状態で使用される電磁鋼板に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種電気機器の高効率化を図るうえで、電動モータ等の鉄心として使用される電磁鋼板には、低鉄損や高磁束密度等といった優れた磁気特性が求められる。【０００３】
ところで、電動モータ等の鉄心として電磁鋼板を使用する際には、一般的には複数の無方向性電磁鋼板を積層し、この積層体にボルト締めや、かしめ等が施される。また、製造工程の合理化等の観点から、この積層体で構成されるステータ部の鉄心をモータハウジングに固定する方法として焼き嵌めが多く採用されている。このようにボルト締め、かしめ、または焼き嵌め等された状態では、鉄心に圧縮応力が発生し、特に焼きばめによって、ステータ部の外周部近傍には、電磁鋼板の板面に平行な圧縮応力が作用する。【０００４】
電磁鋼板は歪みが生じると磁気特性が変化し、圧縮応力が作用する場合には鉄損が増大、つまり鉄損特性が劣化することが知られている。【０００５】
そこで、圧縮応力下における鉄損特性の劣化を抑制するために、電磁鋼板を磁気モーメントが等方向に分布できる面内等方的な集合組織にする組織制御技術がＪＰ２０１０−２５２４６３Ａに開示されている。
【発明の概要】
【０００６】
ＪＰ２０１０−２５２４６３Ａによれば、電磁鋼板の表面加工により、圧縮応力下での鉄損低減が提案されているが、いずれも表面加工により溝を設けることが必須の要件となっている。そして、溝を設けることで、いわゆる、誘導電流に起因する古典的渦電流損失の低減が期待されているが、実際には応力によって、渦電流だけでなくヒステリシス損失も増大しているため、溝を設けることでは鉄損増加を十分に抑制できない場合がある。
【０００７】
そこで、本発明では、圧縮応力下においても鉄損の増加が抑制される電磁鋼板を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、継鉄型鉄損評価装置の構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、試験片の平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの破線で囲んだ部分Ａを拡大した図である。
【図３Ａ】図３Ａは、ＭＲＦ加工を施した試験片の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、研削加工を施した試験片の断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、エッチングを施した試験片の断面図である。
【図４】図４は、鉄損評価試験の結果をまとめた図である。
【図５】図５は、加工影響層深さと鉄損との関係を示す図である。
【図６】図６は、電動モータの、回転軸に直交する断面の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
本発明をするにあたり、発明者らは、種々の表面加工を施した電磁鋼板について、圧縮応力下での鉄損を評価した。
【００１１】
図１は、本実施形態の鉄損評価に用いる継鉄型鉄損評価装置１０を示す図である。
【００１２】
試験片１を固定するステージ１１が励磁コイル１２内に配置され、励磁コイル１２の軸方向の両端を接続するように継鉄１３が配置される。そして、継鉄１３の励磁コイル１２との接続部よりさらに外側には、試験片１を固定するための固定クランプ１５及び可動クランプ１６が配置される。可動クランプ１６にはロードセル１７が接続されている。なお、励磁コイル１２の軸方向長さは試験片１の長手方向長さよりも短い。
【００１３】
励磁コイル１２内には、ステージ１１と対向するように座屈防止板１４が配置される。この座屈防止板１４は、励磁コイル１２の両端に配置された空気圧シリンダ１８によってステージ１１方向に可動し、試験片１をステージ１１に押圧する。これにより試験片１に圧縮荷重をかけた際に試験片１が座屈することを防止できる。押圧は２００ｋｇｆとしたが、押圧の有無は鉄損に影響を与えないことを確認した。
【００１４】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、試験片１の一例を示す図である。
【００１５】
試験片１は、短冊形の電磁鋼板の単板を用いた。具体的には、板厚０．３５［ｍｍ］、のＪＩＳ３５Ａ３００相当の電磁鋼板を、圧延方向を長手方向として１８０［ｍｍ］×３０［ｍｍ］に切り出し、切り出した鋼板の片面に表面加工を施して鉄損評価に供した。なお、加工条件については後述する。
【００１６】
上記のような構成の継鉄型鉄損評価装置１０による鉄損評価方法について説明する。
【００１７】
試験片１を両端が励磁コイル１２から突出するようにステージ１１上にセットし、試験片１の一方の端部は固定クランプ１５により、他方の端部は可動クランプ１６により固定する。さらに座屈防止板１４により試験片１をステージ１１方向に押圧する。
【００１８】
そして、ロードセル１７により圧縮荷重をかけることによって試験片１に圧縮応力を発生させた状態で、励磁コイル１２に交番電流を流して試験片１の磁化特性を測定する。ここでは、試験片１の長手方向に３０[ＭＰａ]の圧縮応力が作用した状態で、磁束密度１．０[Ｔ]、周波数１．０[ｋＨｚ]で交番磁化させて測定を行った。
【００１９】
次に、試験片１に施す表面加工の加工条件について説明する。
【００２０】
表面加工は、溝形状を付与する場合は、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、０．５［ｍｍ］ピッチで全面に磁化方向に対して直交する溝を付与した。
【００２１】
加工方法は、次の通りである。加工後の断面が平坦で溝や凹凸を有せず、かつ、後述する表面加工影響層が形成される「溝なし、影響層有」に分類される加工として、ブラスト加工と研削加工を採用した。加工後の断面に溝や凹凸があり、かつ表面加工影響層が形成される「溝有、影響層有」に分類される加工として、プレス加工、切削加工、マイクロロールフォーミング（ＭＲＦ）加工を採用した。加工後の断面に溝は形成されるものの、表面加工影響層が形成されない「溝有、影響層無し」に分類される加工として、エッチング、レーザ加工を採用した。
【００２２】
ブラスト加工は、アルミナビーズを用いたマイクロブラスト処理を採用した。ブラスト装置は新東工業株式会社製ＭＢ２−ＭＬ−３００型、アルミナビーズは白色溶融アルミナＷＡグリットＮＯ．１５０、粒子径約１００[μｍ]を用い、ノズル送り速度２．０［ｍｍ／ｓ］、投射圧力０．４［ＭＰａ］、投射距離５０［ｍｍ］として試験片を加工した。
【００２３】
加工影響層深さは、電子線表面イメージング顕微鏡（ＥＰ−ＳＩＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ−Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により加工断面組織観察を行ない、後述する図３に示す観察像において、溝の底面から格子歪が導入されている範囲の深さを加工影響層として計測した。なお、使用したＥＰ−ＳＩＭは、カールツアイス社製ＵＬＴＲＡ５５である。
【００２４】
図３は、ＥＰ−ＳＩＭによる観察像の例を示している。図３（Ａ）−（Ｃ）は、それぞれ、ＭＲＦ加工、研削加工、エッチングを施した場合の断面を示している。ＭＲＦ加工の場合には、表面に溝が形成されるだけでなく、溝周辺の組織に格子歪が確認される。つまり溝の他に格子歪みに基づく加工影響層が確認される。また、研削加工を施した場合には、表面に溝は形成されないが、格子歪みに基づく加工影響層が確認される。これらに対して、エッチングを施した場合は、表面に溝は形成されるものの、格子歪みに基づく加工影響層は確認されない。
【００２５】
研削加工は、平面研削盤を用いて実施した。研削砥石はＣＢＮ８０Ｎ１００Ｂ、砥石回転数は２８５０［ｒｐｍ］、砥石周速度は１８３４［ｒｐｍ］、研削量は２０［μｍ］とした。
【００２６】
プレス加工は、３０°傾斜を有する片刃の刃物状冶具を超硬にて作製し、押し込み深さと送りを制御できるステージ付きのプレスを用いて、０．５［ｍｍ］ピッチで溝２１を成形した。予め、押し込み深さと溝断面深さとの相関を調査し、溝深さは１０［μｍ］を目標として押し込み深さを制御した。なお、相関調査のための溝断面深さは、３次元形状測定器により測定した。
【００２７】
切削加工は、切り込み深さ１０［μｍ］、切削速度１００［ｍｍ／ｍｉｎ］で実施した。
【００２８】
ＭＲＦ加工は、０．５［ｍｍ］ピッチの１０本の溝加工が可能な超硬製工具を作製し、これを用いて１パス加工する毎に横方向へ１０［ｍｍ］ずらし、試験片の全面に溝加工を施した。プレス加工の場合と同様に、荷重と溝断面深さの相関を調査し、溝深さ１０［μｍ］を目標に押し込み深さを制御できるよう、荷重を設定した。相関調査の為の溝断面深さは、３次元形状測定器により測定した。
【００２９】
表１は、上記の試験結果を示している。鉄損評価の値は、加工無しの場合を１とした相対値で示している。
【００３０】
表１の「凹凸を含む表面加工影響層」は、図３（Ａ）では「溝＋加工影響層」の深さ及び板厚比、図３（Ｂ）では加工影響層の深さ及び板厚比、図３（Ｃ）では溝深さの板厚比、ということになる。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
上記の結果によれば、溝や凹凸が発生しないブラスト加工や研削加工でも、表面加工影響層が板厚の1［％］以上に及べば、圧縮応力下で鉄損が低減することがわかる。
【００３３】
表２は、ＭＲＦ加工を荷重とパス回数を変化させて実施することで得られる、溝深さ及び格子歪みに基づく加工影響層の深さが異なる試験片１についての試験結果を示している。
【００３４】
【表２】
2014024746.tif 000004
【００３５】
上記の結果によれば、凹凸を含む加工影響深さが板厚比の５０［％］以下であれば、圧縮応力下で鉄損が低減することがわかる。
【００３６】
表３は、比較の為に行った、エッチング加工とレーザ加工により溝加工を施した試験片１についての試験結果を示している。エッチング加工とレーザ加工は、いずれも加工メーカに依頼し、磁化方向に対して直交する溝を０．５［ｍｍ］ピッチで全面に形成したものである。溝深さは、１５、２０、３０［μｍ］を目標値とした。
【００３７】
なお、上述したように、エッチング加工とレーザ加工は、いずれも加工影響層が生じない加工方法なので、表３の「凹凸を含む表面加工影響層」欄の数値は、溝の深さ及び板厚比である。
【００３８】
【表３】
2014024746.tif 000005
【００３９】
上記の結果によれば、溝が深くても、格子歪みに基づく加工影響層が無い場合には、鉄損低減効果はほとんど得られないことがわかる。
【００４０】
図４は、表１、表３の加工方法と鉄損低減効果の関係をまとめたものである。また、図５は、表１、表２の凹凸を含む加工影響層の深さと鉄損低減効果の関係をまとめたものである。
【００４１】
図４に示すように、表面加工により溝を設けるか否かによらず、加工影響層を有していれば、すなわち、格子歪みによる加工影響層を有していれば、鉄損低減の効果が得られる。一方、溝を設けた場合でも、加工影響層が無ければ鉄損低減の効果は得られない。
【００４２】
図５に示すように、溝の深さを含む加工影響層の深さが、板厚の５０［％］を超えると、鉄損低減効果は得られない。これは、圧縮応力に起因する鉄損増加は加工影響層を設けることで抑制できるものの、加工度合が高まることで加工による鉄損増大の影響が大きくなるためと考えられる。
【００４３】
なお、加工影響層を設けることによる鉄損低減効果については、明確な原理は不明であるが、以下のように考えることができる。
【００４４】
圧縮応力の影響を受けると、磁歪の逆効果（ビラリ効果）によって、応力方向に対して直交する磁区が肥大化するように磁区構造が変化して、磁壁が動きにくくなる。その状態で、ある程度の加工影響層を設けると、磁区構造が変化し、応力方向にも近い方位を有する磁区が多数発生する。そのため、特に、磁化が小さい領域での磁化方向の回転や磁壁の運動において有利になり、鉄損低減効果が得られる。
【００４５】
次に、上述した実験結果及び考察に基づいて決定した本実施形態の電磁鋼板について説明する。
【００４６】
本実施形態の電磁鋼板は、圧縮応力が作用する環境で使用する電磁鋼板であって、少なくとも、鉄損に影響を与える程度の圧縮応力が作用する領域の、少なくとも一方の面に、格子歪みに基づく加工影響層を有する。加工影響層を有することにより、上述したように鉄損低減効果が得られる。
【００４７】
特に、電磁鋼板がモータのステータコアとして用いられる無方向性電磁鋼板であり、製造工程において焼き嵌めを行なう場合には、圧縮応力の影響が不可避となるので、本実施形態による鉄損低減効果が有効である。
【００４８】
本実施形態の電磁鋼板は、機械加工による凹凸を含む表面加工影響層の深さが、板厚の１［％］以上５０［％］以下である。５０［％］より大きい場合には、加工影響層を設けることによる鉄損低減効果よりも、加工による鉄損増大の影響が大きくなるため、圧縮応力下における鉄損低減効果が得られにくいからである。また、１［％］未満の場合には、加工影響層深さのバラツキによって、鉄損低減効果が得られないおそれがあるという問題が生じるからである。
【００４９】
本実施形態の電磁鋼板は、ブラスト加工や研削加工により溝を設けずに加工影響層のみを設けた平坦な電磁鋼板としてもよい。平坦であっても加工後の表面形状にはバラツキはあるが、そのバラツキの大きさは、溝加工により生じる形状のバラツキに比べれば大幅に小さい。したがって、板厚の１［％］以上５０［％］以下の範囲の表面加工影響層を設けた電磁鋼板を積層してコアを成形する場合に、占積率を向上させることができる。また、溝を設けると溝部分が空隙になるが、溝を設けないことで空隙が発生しないので、磁束密度を向上させることができる。さらに、溝加工を伴わないので、加工影響層が過度に深くなることによる鉄損増大が生じ得ない。なお、加工が容易になるため、特に大面積を加工する場合に有利である。
【００５０】
上記の「平坦な鋼板」とは、十点平均粗さＲｚで３０［μｍ］以下、基準長さ２５［ｍｍ］、評価長さ４０［ｍｍ］以上であることが望ましい。好ましくはＲｚで２０［μｍ］以下、より好ましくは１０［μｍ］以下である。
【００５１】
また、本実施形態の電磁鋼板は電動モータに用いることができる。
【００５２】
図６は、上述した本実施形態の無方向性電磁鋼板をステータコアに使用した電動モータ３０の、回転軸に対して直交する断面の一部を示している。電動モータ３０は、円環状のバックヨーク３２及びバックヨーク３２から内周側に突出する複数のティース３３を有するステータコア３４と、ステータコア３４の内部に同軸に配置されたロータ３６を含んで構成される。隣り合うティース３３の間にはスロット３５が形成され、ここに、ティース３３に巻き回されたコイルが格納される。
【００５３】
この電動モータ３０において、ステータコア３４は、ケース３１を加熱により膨張させた状態でステータコア３４を嵌めこむ、いわゆる焼き嵌め、またはステータコア３４を冷却により収縮させた状態でケース３１に嵌めこむ、いわゆる冷やし嵌めにより固定する。
【００５４】
ところで、表面加工による、圧縮応力下での鉄損低減効果は、磁束密度が低い場合に大きい傾向がある。そこで、焼き嵌めにより固定されるステータコア３４のバックヨーク３２に加工影響層を付与することにより、焼き嵌めによる鉄損の増大を抑制し、小型高効率な電動モータ３０を得ることができる。また、冷やし嵌めにより嵌め込まれることで圧縮応力下におかれることになるステータコア３４に本実施形態の無方向性電磁鋼板を用いることでも、同様に鉄損の増大を抑制できる。
【００５５】
なお、上記説明では、試験片１の片面に機械加工等を施した場合について説明したが、両面に機械加工を施した場合も、同様に表面加工影響層による鉄損低減効果が得られる。
【００５６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００５７】
本願は２０１２年８月６日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−１７３７９５に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
2014024746.tif 000006
【図２Ａ】
2014024746.tif 000007
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2014024746.tif 000009
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
2014024746.tif 000012
【図５】
2014024746.tif 000013
【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年12月5日(2013.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮応力が作用する環境で使用する電磁鋼板において、
少なくとも鉄損特性に影響を与える程度の圧縮応力が作用する領域の少なくとも一方の面に、格子歪みに基づく表面加工影響層を有し、
前記表面加工影響層は加工面を平坦に仕上げる加工により設けられたものである電磁鋼板。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁鋼板において、無方向性である電磁鋼板。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電磁鋼板において、
前記表面加工影響層は機械加工により設けたものであって、
前記表面加工影響層の深さは、機械加工により表面に形成した凹凸の深さを含めて、板厚の１％以上５０％以下である電磁鋼板。
【請求項４】
請求項３に記載の電磁鋼板において、
前記機械加工により加工面を平坦に仕上げることによって、前記表面加工影響層を表面にも設けた電磁鋼板。
【請求項５】
請求項４に記載の電磁鋼板において、
表面加工影響層の板表面からの深さが、板厚の１％以上５０％以下である電磁鋼板。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の電磁鋼板において、
電動モータのステータとして使用し、前記表面加工影響層を有する部分をバックヨーク部とする電磁鋼板。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の電磁鋼板の積層体か
らなる電動モータのステータコア。
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月15日(2015.10.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮応力が作用する環境で使用する無方向性電磁鋼板の製造方法において、
少なくとも鉄損特性に影響を与える程度の圧縮応力が作用する領域の少なくとも一方の面に、格子歪みを伴う機械加工により、板表面からの深さが板厚の１％以上５０％以下である表面加工影響層を形成する無方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法において、
前記表面加工影響層の深さは、機械加工により表面に形成した凹凸の深さを含めたものである無方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法において、
前記機械加工により加工面を平坦に仕上げることによって、前記表面加工影響層を表面にも形成する無方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項４】
電動モータのステータコアの製造方法において、
請求項１から３のいずれかに記載の無方向性電磁鋼板の製造方法により製造された無方向性電磁鋼板の前記表面加工影響層を有する部分をバックヨーク部とするステータを積層する電動モータのステータコアの製造方法。
【国際調査報告】
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2014024746.tif 000016
2014024746.tif 000017
2014024746.tif 000018