(57)【要約】【課題】従来の電磁鋼板は５０Ｈｚ等の商用周波数における鉄損を大きく低減することを目的に開発されており、圧延機駆動用電動機としては回転数が１００ｒｐｍで、鋼板に流れる磁束の周波数としては１−４０Ｈｚとかなり小さく、最適化されていないので、電動機効率の向上のため、ヒステリシス損失低減を図った電磁鋼板で形成した分割コアを提供する。【解決手段】Ｓｉを２．０質量％以上２．８質量％以下含有し、平均結晶粒径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の方向性電磁鋼板を加工した分割コアからなり、かつ分割コアのティース部に鋼板と熱膨張係数の異なる材料を当接させて鋼板に張力を付与した低周波電動機用分割コア。【選択図】図１
2008017612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉを２．０質量％以上２．８質量％以下含有し、二次再結晶の平均結晶粒径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満の方向性電磁鋼板を加工した分割コアからなり、かつ分割コアのティース部側面に鋼板と熱膨張係数の異なる材料を当接させて鋼板に張力を付与したことを特徴とする低周波電動機用分割コア。
【請求項２】
前記熱膨張係数の異なる材料が、セラミックであることを特徴とする請求項１記載の低周波電動機用分割コア。
【請求項３】
前記張力の範囲が０．５ｋｇ／ｍｍ2以上１．５ｋｇ／ｍｍ2未満であることを特徴とする請求項１または２記載の低周波電動機用分割コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高効率化を図った電動機用分割コアに関し、詳しくはヒステリシス損失を低減した電磁鋼板、即ち方向性電磁鋼板を用いた低周波電動機用分割コアで、ティース部に張力を付与し鉄損を改善することに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の交流電動機は一般に一定速度運転の用途に用いられており、かつ定格回転速度が比較的高いため、大型機の場合でも電動機の体格がそれ程大きくなく、重量的にも軽い。一方、圧延機駆動用の大型電動機としては従来から殆ど直流電動機が使用されており、例えば６．５ＭＷ／１００ｒｐｍと一般に回転速度が低く、例えば２２５％と常用過負荷耐量も大きい。その上、例えば分塊、厚板ミルでは双電動機駆動タイプを採用するため据付スペースの制限が厳しく、また、連続熱間仕上圧延機では狭いスペースに１スタンド１０〜１５ＭＷの圧延機が５〜７スタンド並び、従ってこれらを駆動する大型電動機群も狭いスペースに集中配置される。
【０００３】
最近急速に進展してきた誘導電動機、同期電動機等の交流可変速電動機が、圧延機駆動用主電動機としての直流電動機にとって代わろうとしている。この場合、直流電動機並みの効率、省スペース構造等の条件を満たすか、少なくとも同等機能を付与しなければならない。
【０００４】
圧延機駆動用として従来の直流電動機にとって代る交流可変速電動機には、従来の直流電動機が具備してきた据付、分解上の条件、高効率、高度制御性等に対し、少なくとも同等機能を付与する必要がある点に着目がなされており、この中で、特に高効率化のニーズが高まりつつある。
【０００５】
特に、高効率化を目指した分割コアで、ティース部に張力を付与した先行技術として以下のものがある。
【０００６】
特開平２００５−５１９４１号公報には、その図１に示されるように、ヨーク部の根本部分に突起形状をつくり、突起部を隙間なく当接することにより、ヨーク部とヨーク部間にギャップを生じさせ、これにより、主に磁束がとおる部分に圧縮応力を生じさせないようにすることができるので、圧縮応力による鉄損劣化を防止することができるという技術が開示されている。
【０００７】
特開平２００４−９９９９８号公報には、鋼板表面に、金属元素Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどをメッキすることにより、鋼板との膨張係数の違いにより、鋼板表面に引張張力を与える技術が開示されている。
しかし、これら先行技術には、低周波数においてさらに鉄損を改善させることは開示されていない。
【０００８】
なお、ここでいう分割コアとは、ヨーク部とティース部に分割した方向性電磁鋼板を使用し、その鋼板を組み合わせて磁束密度がとおる方向にそろえるもので、分割コア自体は、特開平７−６７２７２号公報に開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平２００５−５１９４１号公報
【特許文献２】特開平２００４−９９９９８号公報
【特許文献３】特開平７−６７２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の電磁鋼板は５０Ｈｚ等の商用周波数における鉄損を低減することを主眼として開発されている。しかしながら、上記圧延機駆動用の大型電動機としては回転数を１００ｒｐｍ程度とするため、鋼板中に励磁される磁束の周波数としては１０−４０Ｈｚとかなり小さくなる。このような状況下において、高効率の観点から商用周波数よりも低周波数において、従来品より低鉄損である電磁鋼板が必要とされている。
本発明では、電動機効率の向上のため、渦電流損失よりもヒステリシス損失を低減した電磁鋼板で、分割コアを形成した圧延機駆動電動機用分割コアを提供することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の具体的な手段は以下の通りである。
【００１２】
（１）Ｓｉを２．０質量％以上２．８質量％以下含有し、二次再結晶の平均結晶粒径が１５ｍｍ以上、５０ｍｍ未満の方向性電磁鋼板を加工した分割コアからなり、かつ分割コアのティース部側面に鋼板と熱膨張係数の異なる材料を当接させて鋼板に張力を付与したことを特徴とする低周波電動機用分割コア。
【００１３】
（２）前記熱膨張係数の異なる材料が、セラミックであることを特徴とする上記（１）記載の低周波電動機用分割コア。
【００１４】
（３）前記張力の範囲が０．５ｋｇ／ｍｍ2以上１．５ｋｇ／ｍｍ2未満であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の低周波電動機用分割コア。
【００１５】
なお、ここで言う方向性電磁鋼板とは、圧延方向Ｌとその直角方向Ｃの鉄損比ＷL/Cが０．６以下のものを指す。
【００１６】
すでに述べたように、電動機の効率の向上、例えば、厚板ミルでの出力トルクの増大、連続熱間仕上圧延機周辺の狭小スペースに対応するための小型化を図るには、ティースやヨークでの鉄損を一層低減しなければならない。本発明者は、これら鉄鋼産業の工場内に用いられる圧延機駆動電動機等の回転数が、例えば１００ｒｐｍと低く、従来の５０−６０Ｈｚの商用周波数で低鉄損特性を得てきた電磁鋼板とは想定される使用条件が全く異なることに基づいて本発明を完成させたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、Ｓｉ含有量が２．０質量％以上２．８質量％以下、二次再結晶粒径が１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満である方向性電磁鋼板を用い、ティース長手方向に０．５ｋｇ／ｍｍ2以上１．５ｋｇ／ｍｍ2未満である張力を付加することで、従来より１％程度高効率の１〜２０ＭＷ級圧延機駆動電動機分割コアを得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
まず、本発明の対象機器においては、商用周波数（５０、６０Ｈｚ）よりも、周波数が１０〜４０Ｈｚでの領域で使用することが多いため、むしろ低周波の鉄損、とりわけヒステリシス損失を評価指標として本対象機種用の電磁鋼板を開発することが重要と考えた。
【００１９】
従来、電動機を高効率化する過程では、商用周波数の鉄損低減が主であったが、無方向性電磁鋼板の特性ではこれ以上の効率改善は難しくなりつつある。そこでよりヒステリシス損失の低い方向性電磁鋼板について検討した。
【００２０】
以下、請求項１〜３に係る本発明の限定理由について説明する。
【００２１】
（１）Ｓｉを２．０％〜２．８％に限定した理由
図１に方向性電磁鋼板のＳｉ含有量とヒステリシス損失の関係を示した。サンプル形状は６０ｍｍ幅×３００ｍｍ長×０．３５ｍｍで、８００Ａ／ｍの磁束密度Ｂ８が１．９０−１．９１Ｔの試料をプロットした。印加する磁束密度は１．７Ｔで、０．５Ｈｚ以下のゆっくりした変化でＢＨループを描き、そのループが囲んだ面積からヒステリシス損失を計算した。
【００２２】
鋼板に張力を加えない場合にはＳｉ量によってヒステリシス損失の顕著な変化は見られないが、圧延方向に１．２ｋｇ／ｍｍ2の張力を加えるとＳｉ量が低いところでヒステリシス損失が低減することが実験により判明した。この結果を図１に示す。この低減には磁歪定数が関与していると考えられる。磁歪定数が大きくなるほど応力が磁気特性に及ぼす影響は大きくなる。例えば、磁歪定数が０に近い６．５％Ｓｉでは張力印加による鉄損の低減が見られないことが経験的にも知られている。
【００２３】
したがって、本発明においてはヒステリシス損失の低減効果を得るために、通常の方向性電磁鋼板における約３．２％のＳｉ量に対し、張力印加効果を見込んで、圧延方向のヒステリシス損失が１０％低減する磁歪定数となる２．８％以下にＳｉ含有量を規定した。Ｓｉが２．０％未満だとヒステリシス損低減の効果がないので下限は２．０％以上とした。
【００２４】
（２）平均結晶粒径を１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満に限定した理由
Ｂ８が１．９０から１．９１Ｔの試料で、圧延方向のヒステリシス損失と２次再結晶平均粒径の関係を図２に示した。２次再結晶平均粒径は、試料中に引いた直線と結晶粒界との交差点の数を数え、直線距離から交差点数を割って結晶粒径を求めた。
【００２５】
ヒステリシス損失は２次再結晶平均粒径が大きくなるにつれ減少した。これは結晶粒界が少なくなるため、磁壁移動が妨げられず、磁化し易くなるためと考えられる。一方、渦電流損失は結晶粒径が大きくなるほど増加する。これは磁壁間隔が大きくなるため、交番磁界印加時における単位時間当たりの磁壁の移動距離が長くなり、磁壁の移動速度が上がり、渦電流損失が大きくなったものと考えられる。
【００２６】
ヒステリシス損失の低減のみを考慮する上では、２次再結晶平均粒径を大きくする方が良い。ここで２次再結晶平均粒径を１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満に限定した理由は、従来の大型発電機に用いられる方向性電磁鋼板の２次再結晶平均粒径が約６ｍｍであり、このヒステリシス損失を２０％低減するためには１５ｍｍ以上５０ｍｍ未満、好ましくは１５ｍｍ以上２０ｍｍ未満にすることが必要となるためである。
【００２７】
（３）引張張力を０．５以上１．５ｋｇ／ｍｍ2未満に限定した理由
上に記した効果は圧延方向に着目したヒステリシス損失に及ぼす影響である。しかしながら、大型電動機のティース部分に磁束が流れる方向は圧延方向に対して垂直になる。圧延方向に垂直な方向では、ヒステリシス損失の絶対値が圧延方向より２倍程度大きく、張力による下がり代はむしろ圧延方向より大きい。したがって、圧延方向に垂直な方向に張力を付加した場合の鉄損低減効果は圧延方向より大きい。
【００２８】
電磁鋼板の幅は約１ｍであり、外径がこれ以上であれば、分割したブロックを組み合わせてコアを形成する。また、コアに流れる磁束の主体は周方向であるため、通常方向性電磁鋼板の圧延方向を周方向に配置して分割コアを形成する。しかしながら、この時コアのティース部分は磁束の方向と圧延方向が垂直になり好ましい磁気特性とはなっていない。
【００２９】
そこで、ティース方向の磁束と同じ方向に、０．５ｋｇ／ｍｍ2以上１．５ｋｇ／ｍｍ2未満の張力を加えるとティース部分の鉄損が低減する。０．５ｋｇ／ｍｍ2以上とした理由は、ヒステリシス損がほぼ２０％低減するからである。１．５ｋｇ／ｍｍ2未満にした理由は、この領域でほぼ鉄損の低減が飽和するためである。
【００３０】
次に、ティース部に引張張力を付与する手段について説明する。
【００３１】
図３に、具体的に引張張力を付与するための構造を示した。あらかじめティース１を数百度に暖めた状態でその両脇をセラミック板２で押さえ、歯部の長手方向はくさび３で固定した。歯部が常温に戻ると鋼板は収縮し、一方、セラミック板はほとんど収縮せず、かつ固定子巻線４によりたわまないため、鋼板に張力が印加される。この張力により鉄損がさらに低減出来ることが判明した。ティース方向の外部張力は高温測定用の歪ゲージを用いてヤング率から求めた。
【００３２】
ここで、ティース部側面に当接させる材料としては、セラミックスに限らず電磁鋼板よりも熱膨張係数の小さいものであればよい。また、セラミックスとしては具体的には炭化ケイ素（炭化珪素）、窒化ケイ素（窒化珪素）、またはアルミナ系のものが好ましい。
【００３３】
以下、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００３４】
Ｃ：０．０６％、Ｓｉ：２．４％、Ｍｎ：０．１％、Ｓ：０．０１％、Ｎ：０．０１％、Ｓｎ：０．０３％の成分からなる鋼を用い、インヒビターとしてＡｌＮを用いるプロセスにおいて、本実施例では電磁鋼板の結晶方位をそろえ、かつ粒成長を促進するため、圧延方向に磁化容易軸をもたない結晶粒の成長を抑制する析出物であるインヒビターを以下の工程条件で強化した。
【００３５】
スラブの段階でＳｉ＝２．４％、Ｎ＝０．００５０〜０．０１００％、酸可溶性Ａｌ＝０．０２〜０．０３％に規定した状態で、スラブを熱延し、熱延終了時に５５０℃まで７０℃／秒で冷却し、１．６ｍｍ厚の熱延板にした。この後、熱延板を１１００℃で３０秒焼鈍し、次いで３５℃／秒で冷却、酸洗し、さらに板厚０．３０ｍｍまで冷延した。脱炭焼鈍を８３０℃×７０秒の間、露点６５℃の湿水素、窒素雰囲気の中で行った。引き続き窒化処理を７５０℃×３０秒間、乾窒素、水素混合ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガス中で行い、窒化後の鋼板の窒化量を０．０２％にした。その後ＭｇＯとＴｉＯ2を主成分とするスラリーを塗布乾燥した後、１２００℃×２０時間の仕上焼鈍を行った。
【００３６】
得られた二次再結晶粒径は１６．４ｍｍであった。製造した電磁鋼板を大型電動機用分割片に打抜き、積層してブロックを造った。ティース方向に張力を印加するためセラミックの板を図３のように焼きばめをしてはめ込んだところ、歪ゲージから得られた伸びからヤング率により張力を算出した結果が１．２ｋｇ／ｍｍ2であった。
【００３７】
【表１】
2008017612.tif 000003
【００３８】
上記の電磁鋼板で出力９，０００ｋＷ、極数：６極、１８分割の誘導電動機を製造し、試験を行った。このときの誘導電動機の効率は一般的な材料を用いた場合、９６．３％に対し、本発明の分割コアでは９７．８％であり、全鉄損は２０％程度に減少した。
【実施例２】
【００３９】
Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：２．２％、Ｍｎ：０．１％、Ｓ：０．０１％、Ｎ：０．００８％、Ｓｎ：０．０５％の成分からなる鋼を用い、インヒビターとしてＡｌＮを用いるプロセスにおいて、本実施例では結晶粒径を大きくするため、以下の工程条件を適用した。
【００４０】
上記鋼を用いた電磁鋼スラブを仕上熱間圧延終了後、急速冷却して低温巻取りし、１．６ｍｍ厚の熱延板にした。巻き取りコイルを短時間内に水冷すると、熱延板の結晶粒に炭化物が微細に析出し、また固溶Ｃも増えた。この後、熱延板を１１００℃で３０秒焼鈍し、次いで３５℃／秒で冷却、酸洗した。予備冷延では、微細炭化物が転位の移動を妨げ、スラブ加熱時の粗大化粒に起因する熱延板の伸延粒にも加工歪が多く蓄積され、インヒビター析出焼鈍で伸延粒は一次再結晶して、細かな整粒となった。またインヒビターは微細に分散析出され、さらに板厚０．３０ｍｍまで最終冷延した。脱炭焼鈍を８３０℃×７０秒の間、露点６５℃の湿水素、窒素雰囲気の中で行った。引き続き窒化処理を７５０℃×３０秒間、乾窒素、水素混合ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガス中で行い、窒化後の鋼板の窒化量を０．０２％にした。その後ＭｇＯとＴｉＯ2を主成分とするスラリーを塗布乾燥した後、１２００℃×２０時間の仕上焼鈍を行った。
【００４１】
この工程で２次再結晶が良好になり、粒径は１７．０ｍｍになった。製造した電磁鋼板を大型電動機用分割片に打抜き、積層してブロックを造った。ティース方向に張力を印加するためセラミックの板を図３のように焼きばめをしてはめ込んだところ、歪ゲージから得られた伸びからヤング率により応力を算出した結果が１．０ｋｇ／ｍｍ2になった。
【００４２】
【表２】
2008017612.tif 000004
【００４３】
上記の電磁鋼板で出力４，０００ｋＷ、極数：６極、９分割の誘導電動機を製造し、試験を行った。このときの誘導電動機の効率は一般的な材料を用いた場合、９６．１％に対し、本発明の分割コアでは９７．１％であり、全鉄損は１９％程度に減少した。
【実施例３】
【００４４】
Ｃ：０．０６％、Ｓｉ：２．１％、Ｍｎ：０．１％、Ｓ：０．０１％、Ａｌ：０．０３％、Ｎ：０．００８％、Ｓｎ：０．０５％の成分からなる鋼を用い、インヒビターとしてＡｌＮ、ＣｕＳ、ＭｎＳを用いるプロセスにおいて、本実施例では結晶粒径を大きくするため、以下の工程条件を適用した。
【００４５】
上記鋼を用いた電磁鋼スラブを熱間圧延し、１．６ｍｍ厚の熱延板にした。この後、熱延板焼鈍の昇温段階でＳｉ3Ｎ4の分解を促進させた後、一次均熱１０００℃以上の時間を２０〜１２０秒保持することによりＣｕｘＳを十分に溶体化させた。その後、一次冷却および所定の二次均熱を行った後の二次冷却速度を２０〜１００℃／秒の除冷却にコントローすることによりＳasＣｕｘＳを７０〜１４０ｐｐｍ微細に析出させ、ＳasＭｎＳ／ＳasＣｕｘＳ比を０．３〜２．５にし、冷却、酸洗した。さらに板厚０．３０ｍｍまで最終冷延した。脱炭焼鈍を８３０℃×７０秒の間、露点６５℃の湿水素、窒素雰囲気の中で行った。引き続き窒化処理を７５０℃×３０秒間、乾窒素、水素混合ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガス中で行い、窒化後の鋼板の窒化量を０．０２％にした。その後ＭｇＯとＴｉＯ2を主成分とするスラリーを塗布乾燥した後、１２００℃×２０時間の仕上焼鈍を行った。この時、平均粒径が１８．３ｍｍになった。
【００４６】
製造した電磁鋼板を大型電動機用分割片に打抜き、積層してブロックを造った。ティース方向に張力を印加するためセラミックの板を図３のように焼きばめをしてはめ込んだところ、歪ゲージから得られた伸びからヤング率により応力を算出した結果が０．９ｋｇ／ｍｍ2になった。
【００４７】
【表３】
2008017612.tif 000005
【００４８】
上記の電磁鋼板で出力１５，０００ｋＷ、極数：４極、１８分割の誘導電動機を製造し、試験を行った。このときの誘導電動機の効率は一般的な材料を用いた場合、９６．３％に対し、本発明の分割コアでは９８．３％であり、全鉄損は１９％程度に減少した。
【００４９】
以上のように、本発明によれば、全鉄損を低減し、効率の高い電動機を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】電磁鋼板のＳｉ量とヒステリシス損失を測定した図である。
【図２】電磁鋼板の２次再結晶平均粒径と損失を測定した図である。
【図３】本発明の電磁鋼板を用いた分割コアを示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    ティース
２    セラミック板
３    くさび
４    固定子巻線
【図１】
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【図２】
2008017612.tif 000007
【図３】
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