(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板を用いてヘリカル加工によりステーターコアを製造するにあたり、鋼板として直径５μｍ以上の介在物が１０個／ｍｍ２以下であるものを用い、ステーターコア素材の円周方向に後方張力を付与し、張力を付与したままの状態でステーターコア素材を固定して、平均残留引張応力が０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２となるステーターコアとすることを特徴とする磁気特性に優れた回転機用ステーターコアの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、鋼板を用いてヘリカル加工により製造される磁気特性に優れた回転機用ステーターコアの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車の燃費改善、快適性向上の観点から油圧駆動部品を電動化することが行われており、電動パワーステアリング等に代表される新規モータの搭載比率が高まっている。このため自動車の消費電流はますます増大する傾向にあり、オルタネーターの高効率化が重要となっている。
【０００３】
オルタネーターの主流であるランデル型発電器のステーターは素材コスト低減の観点から、フープ状に加工したコアを板面方向にヘリカル（らせん）状に曲げることによりステーター形状とすることが行われている。このため、材料には塑性歪みが導入されるとともに、残留応力が残った状態で使用されている。
【０００４】
このような問題に対し、特許文献１にはヘリカルコアに加工した後、焼鈍を行うことにより鉄損を低減させる手法が開示されている。しかし、本手法ではコストアップになるとともに、絶縁皮膜の性能が劣化し、層間短絡が生じやすいという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２９８５７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、コストアップや絶縁皮膜の性能劣化をもたらすことなく、鋼板を用いてヘリカル加工により製造される回転機用ステーターコアの磁気特性を向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、このようなヘリカル加工される回転機の磁気特性を向上させる（具体的には鉄損を低減する）手法に関して鋭意検討した結果、ステーターコアの円周方向に引張応力を残留させることにより、鉄損低減が可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、鋼板を用いてヘリカル加工によりステーターコアを製造するにあたり、鋼板として直径５μｍ以上の介在物が１０個／ｍｍ２以下であるものを用い、ステーターコア素材の円周方向に後方張力を付与し、張力を付与したままの状態でステーターコア素材を固定して、平均残留引張応力が０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２となるステーターコアとすることを特徴とする磁気特性に優れた回転機用ステーターコアの製造方法を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、実験結果に基づいて詳細に説明する。
まず、磁気特性に及ぼす張力の影響を調査するための実験を行った。Ｃ＝０．００２０％、Ｓｉ＝０．３％、Ａｌ＝０．２％、Ｍｎ＝０．３％、Ｐ＝０．０１％、Ｓ＝０．００２％、Ｎ＝０．００１８％の鋼を溶製し、熱延後、酸洗を行い、引き続き板厚０．５ｍｍまで冷間圧延し、１０％Ｈ２−９０％Ｎ２雰囲気で、８００℃×１ｍｉｎ間の仕上焼鈍を行い、１％の調質圧延を施し、供試鋼板を得た。
【００１３】
この供試鋼板の圧延方向に沿って幅５ｍｍ、長さ４００ｍｍの短冊状のサンプルを切り出し、鋼板に０〜１５ｋｇｆ／ｍｍ２（０〜１４７Ｐａ）の後方張力を付与した状態で外径１０５ｍｍ、内径９５ｍｍのリング形状とした。本リングコアを４枚積層し一次２００ターン、二次３０ターンの巻き線を行うことにより磁気特性を測定した。また、鋼板の応力はコアを樹脂で固めた後、板厚１／２の位置まで研磨し、コア最外周から０．５ｍｍピッチでコア最内周まで、円周方向の応力をＸ線にて測定した。
【００１４】
図１に、このようにして得られたサンプルの平均残留引張応力と鉄損Ｗ１０／４００の関係を示す。図１より平均応力０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２（４．９〜９８ＭＰａ）の範囲で鉄損が低下することが分かる。
【００１５】
以上の応力により鉄損が低下した理由は以下のように考えられる。
ヘリカル加工を行ったコアでは、コアの内径側に圧縮応力が強く残留し、その部分では透磁率が著しく低下するため、磁束が鋼板の中立軸近傍および中立軸の外側に集中することとなり、これにより渦電流損が増大する。これに対し、このようなコアに引張の応力を付与することにより、圧縮応力が緩和され、磁束集中が緩やかとなり渦電流損が低下する。
【００１６】
このため、本発明では、鋼板を用いてヘリカル加工により製造される回転機用ステーターコアにおいて、その円周方向の平均残留引張応力を０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２（４．９〜９８ＭＰａ）とする。また、図１に示すように、平均残留引張応力が２ｋｇｆ／ｍｍ２（１９．６Ｐａ）以上で特に鉄損が低下していることから、平均残留引張応力は２〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２（１９．６〜９８ＭＰａ）が好ましい。
【００１７】
このような、鋼板への張力付与による鉄損の低下は、無歪み状態の無方向性電磁鋼板の単板サンプルもしくはエプスタインサンプルに張力を付与した際にも生じるが、その効果はヒステリシス損低減に起因したものであり、磁束集中緩和による渦電流損の低減は生じない。これに対し、本発明のようにヘリカルコアに張力を付与した場合には、上述のように磁束集中の緩和による渦電流損の低減が生じるのであり、従来の張力による鉄損低減とはメカニズムが全く異なるものである。なお、本発明のステーターコアは、現に引張応力が付与されていることが必要であり、ヘリカル加工時に材料に張力を加え、加工後は張力を完全に除荷した場合には本発明の効果は得られない。
【００１８】
図１において、平均残留引張応力１０ｋｇｆ／ｍｍ２（９８ＭＰａ）を超えると鉄損が増大しているが、これはコア外径部で引張応力が高くなり、塑性変形が進むためと考えられる。
【００１９】
鋼板に残留する平均残留引張応力を０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２（４．９〜９８ＭＰａ）とする手法としては、ヘリカル加工時の後方張力を平均残留引張応力が０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２（４．９〜９８ＭＰａ）となるように制御した状態でステーターコア素材を固定することが挙げられる。この際の固定の方法は溶接、かしめ、接着等どのような方法でも構わない。
【００２０】
本発明のステーターコアに用いる鋼板は、この種の鋼板として用いられているものであれば特に限定されないが、無方向性電磁鋼板が好ましい。その中でも特に、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓｉ：４％以下、Ｍｎ：０．０５〜２％、Ａｌ：２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎ：０．００５％以下を含み、残部実質的にＦｅであるものが好ましい。
【００２１】
このような組成範囲が好ましいとした理由について以下に説明する。
Ｃは０．０５％を超えて添加すると、炭化物が多量に析出するため磁気特性が劣化するため、０．０５％以下とした。
【００２２】
Ｓｉは鋼板の固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、４％を超えると飽和磁化の低下に起因し磁束密度が低下するため４％以下とした。
【００２３】
ＡｌはＳｉと同様、固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、２％を超えると飽和磁化の低下に起因し磁束密度が低下するため２％以下とした。
【００２４】
Ｎは０．００５％を超えて添加すると、窒化物が多量に析出するため磁気特性が劣化するため、０．００５％以下とした。
【００２５】
Ｍｎは熱間圧延時の赤熱脆性を防止するために、０．０５％以上必要であるが、２％以上になると磁束密度が低下するため、０．０５〜２％の範囲とした。
【００２６】
Ｐは鋼板の打ち抜き性を改善するために必要な元素であるが、０．２％を超えて添加すると鋼板が脆化するため、０．２％以下とした。
【００２７】
Ｓは０．０２％を超えるとＭｎＳの析出により鉄損が増大するため、０．０２％以下とした。
【００２８】
次に、ヘリカル加工材の磁気特性に及ぼす介在物の影響を調査するための実験を行った。Ｃ＝０．００２５％、Ｓｉ＝０．２％、ｔｒ．Ａｌ、Ｍｎ＝０．３％、Ｐ＝０．０１％、Ｓ＝０．００３％、Ｎ＝０．００２０％の鋼を真空脱ガス時間を種々変えることにより溶製し、熱延後、酸洗を行い、引き続き板厚０．５ｍｍまで冷間圧延し、１０％Ｈ２−９０％Ｎ２雰囲気で、８００℃×１ｍｉｎ間の仕上焼鈍を行い、１％の調質圧延を施した。この圧延方向より幅５ｍｍ、長さ４００ｍｍのサンプルを切り出し、鋼板に０〜８ｋｇｆ／ｍｍ２（０〜７８．４Ｐａ）の後方張力を付与した状態でヘリカル加工を行い、端部を４ヶ所溶接することにより張力が付与された状態でリング形状とした。
【００２９】
表１にこのようにして得られた鋼板の介在物量と磁気特性を示す。ここで介在物の測定は、光学顕微鏡を用い４００倍にて鋼板断面を１０視野観察することにより行った。
【００３０】
【表１】
0004827368.tif 000002
【００３１】
表１より、直径５μｍ以上の介在物が１０個／ｍｍ２以下となった場合に引張応力付与による鉄損低減効果が大きいことがわかる。また、引張応力が付与されていない場合には、５μｍ以上の粗大介在物は１０個／ｍｍ２超の場合においても磁気特性にはほとんど影響を及ぼさないことがわかる。
【００３２】
ここで、介在物数が多い場合に、引張応力を付与しても磁気特性の向上代が小さかった理由は以下ように考えられる。
すなわち、張力無しでヘリカル加工を行った場合においても中立軸より外周側の部分では引張残留応力が存在するが、この部分では張力付与により引張応力がさらに高くなる。このため粗大介在物周りでは微小なボイドが生じ、磁気特性が劣化し、引張応力を付与してもさほど磁気特性が向上しない。
【００３３】
従来、介在物と磁気特性との関係については多くの研究がなされているが、大きな塑性変形が加わった状態での研究はなされておらず、本発明の知見は従来技術からは全く予想できないものである。
【００３４】
以上のことから、回転機用ステーターコアに用いる鋼板として、直径５μｍ以上の介在物は１０個／ｍｍ２以下の鋼板を用いることが好適である。
【００３５】
次に、以上のような回転機用ステーターコアの製造方法について説明する。
転炉で吹錬した溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、好ましくは、引き続き、真空脱ガス装置にて脱炭処理を行い、鋼中介在物を低減し、さらに、溶鋼にＳｉ、Ａｌ等の脱酸元素を投入した後、溶鋼環流時間を１０分以上とし、粗大介在物の分離浮上を促進する。これにより、好ましくは、５μｍ以上の粗大介在物が１０個／ｍｍ２以下の溶鋼を得る。
【００３６】
このような溶鋼を連続鋳造により鋳片とした後、熱間圧延を行う。熱間圧延時の仕上焼鈍温度、巻取り温度は特に規定する必要はなく、通常の条件で構わない。また、熱延後の熱延板焼鈍は行ってもよいが必須ではない。
【００３７】
次いで１回の冷間圧延、もしくは中間焼鈍をはさんだ２回以上の冷間圧延により所定の板厚とした後に、最終焼鈍を行う。焼鈍後の調質圧延は行ってもよいが必須ではない。
【００３８】
このようにして得られた鋼板を所定の形状に打ち抜き、ステーターコア素材とし、このステーターコア素材をヘリカル状に加工することによりステーターコアを製造するが、その際に、ステーターコア素材に所定の張力を付与し、その張力が開放しないように適宜の方法で固定し、円周方向の平均残留引張応力が０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２（４．９〜９８ＭＰａ）のステーターコアとする。この場合に、後方張力を付与しながらステーター素材をヘリカル状に加工し、張力を付与したままで、端部を溶接、かしめ等で固定することによりコアを得ることができる。
【００３９】
【実施例】
種々の成分組成を有する鋼を用い、転炉で吹錬した後に脱ガス処理を行うことにより表２に示すＮｏ．１０〜１７の成分組成および介在物個数に調整後、連続鋳造してスラブとし、次いで、得られたスラブを１２００℃で１時間加熱した後、板厚２．３ｍｍまで熱間圧延を行った。熱間仕上げ温度は８００℃とした。巻取り温度は６８０℃とした。その後、板厚０．５ｍｍまで冷間圧延を行い、表２に示す仕上焼鈍条件で焼鈍を行い、引き続き１％の調質圧延を行い冷延鋼板とした。この冷延鋼板を短冊状に打ち抜き素材とし、この素材をヘリカル加工によりリング形状サンプルに加工した。この加工時に素材に０〜１２．１ｋｇｆ／ｍｍ２（０〜１１８．６Ｐａ）の範囲の種々の後方張力を付与した状態でコア外周を４ヶ所溶接することにより、サンプル円周方向の引張残留応力を制御した。
【００４０】
これらサンプルについて磁気特性を測定した。磁気特性の測定は、ヘリカルコアに一次２００ターン、二次３０ターンの巻き線を施し、鉄損Ｗ１０／４００、および磁束密度Ｂ５０を測定した。その結果を表２に併記する。
【００４１】
表２に示すように、サンプル円周方向の平均残留引張応力が０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２（４．９〜９８Ｐａ）の範囲内の本発明例では、平均残留引張応力がこの範囲を外れる比較例よりも鉄損が低いことが確認された。
【００４２】
【表２】
0004827368.tif 000003
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鋼板を用いてヘリカル加工により製造される回転機用ステーターコアの円周方向の平均残留引張応力を０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ２（４．９〜９８ＭＰａ）としたので、磁気特性に優れた、特に鉄損の低い回転機用ステーターコアを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】平均残留引張応力と鉄損との関係を示す図。
【図１】
0004827368.tif 000004