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【発明の名称】 モータ用コアの磁場焼鈍方法および磁場焼鈍装置
【発明者】 【氏名】輿石 弘道

【氏名】江口 茂毅
【要約】 【課題】無方向性電磁鋼板を素材として製作された固定子コアの磁場焼鈍に際して、磁場焼鈍を効率的に行うことのできるコアへの加熱および磁場印加の方法および装置を提供する。

【解決手段】固定子コアＣの積層体の高さ方向にスパイラル状に配置した巻線コイル８からの高周波誘導電流により固定子コアＣを加熱し、固定子コアＣの積層体の孔内面と外側面に沿って直線的に配置した線状コイル１０の磁界により固定子コアＣに磁場を印加しながら冷却することにより、加熱炉を用いることなくコンパクトな装置によりモータ用コアの磁場焼鈍を行うことができ、また固定子コアＣの積層体への加熱コイルや磁場印加コイルの着脱や搬送を自動化することによって効率よく磁場焼鈍を行うことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 モータ用固定子コアの貫通孔を上下方向にして複数個の固定子コアを積層し、この固定子コア積層体の内外面を大気と遮断した状態で、固定子コア積層体の高さ方向にスパイラル状に配置した巻線コイルからの高周波誘導電流により固定子コアを加熱し、固定子コア積層体の孔内面と外側面に沿って直線的に配置した線状コイルの磁界により固定子コアに磁場を印加しながら冷却することを特徴とするモータ用コアの磁場焼鈍方法。
【請求項２】 前記固定子コアの加熱温度がコア素材のキューリ点以上９００℃以下である請求項１記載のモータ用コアの磁場焼鈍方法。
【請求項３】 前記印加する磁場の方向がモータ用固定子コアとして実際に使用されるときの磁束流と同じ方向である請求項１記載のモータ用コアの磁場焼鈍方法。
【請求項４】 複数個のモータ用固定子コアを積層するための台座と、この台座の軸芯に装着した管状体と、この管状体を固定子コアの貫通孔に挿通した状態で積層される固定子コア積層体の内外面を外気と遮断するカバーと、このカバーの外側に配置したスパイラル状の巻線コイルと、固定子コア積層体の孔内面と外側面に沿って直線的に配置した線状コイルとを備えたモータ用コアの磁場焼鈍装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は無方向性電磁鋼板を素材とするモータ用コアの焼鈍技術に関し、とくに低磁束密度のもとにおける鉄損を向上させる磁場焼鈍技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、環境、資源問題から電気機器に対し省エネルギー、高効率化の要請が高まってきている。モータにとってもその効率向上は最大の要求であり、このためには鉄損や銅損、機械損を減少させることが必要である。このようなモータのコアとして、無方向性電磁鋼板の積層物が使用されているが、このコアが鉄損に大きく影響していることはよく知られていることである。
【０００３】図３に示すように、モータ用コアには固定子コア（同図の（ａ））２１と回転子コア（同図の（ｂ））２２があるが、両者を総称してモータ用コアという。このモータ用コアは、無方向性電磁鋼板のフープに打ち抜き油を塗布した状態で所定の形状にプレスで打ち抜き、これを多数枚積層してカシメあるいは溶接により固着して製作される。この後、付着した打ち抜き油を除去するための加熱処理が行われ、さらにその後、焼鈍が行われる。
【０００４】この焼鈍の目的は、第一義的には打ち抜き時に生じた歪みの除去にあり、同時に結晶粒の成長を促進して磁気特性の向上を図ることにある。従来、モータ用コアの焼鈍は、たとえば特開昭５４−１８０３号公報や特開昭６３−３９４４４号公報に記載のように、非酸化性ないし還元性雰囲気のもとで、均熱温度約７５０℃で約２時間保持の条件で行われている。
【０００５】一方、モータ用コアの材料として使用される無方向性電磁鋼板は、所定の化学成分に調整された熱延板に、１回または複数回の焼鈍を含む冷間圧延を施して製造される。この無方向性電磁鋼板の化学成分は、鋼板の磁気特性の向上、とくに高い磁束密度と低い鉄損を得るため、特定成分の低減と添加が行われている。
【０００６】ところで、近年開発と実用化が急速に進展している電気自動車などの高効率モータの設計思想は、高周波数（４００〜６００Ｈｚ）、低磁束密度（１．０〜０．５Ｔ）指向となり、それに対応してモータ用コアの素材である無方向性電磁鋼板は、本来の低鉄損化に加えて、薄手化、高固有抵抗化が進められている。
【０００７】モータの出力Ｐは一般式Ｐ＝ｋ×ｆ×Ｎ×ｉ×Ｂ×Ｓここで、ｋは比例常数、ｆは周波数、Ｎは巻線数、ｉは電流、Ｂは磁束密度、Ｓはコアの断面積で表される。上記の式において、モータの小型軽量化を念頭においたうえで出力を高めるための要件としては、まず周波数ｆを高めることが考えられる。近年のインバータの発明により商用電源周波数の１０倍程度の高い周波数でも設定が可能となったことから、従来の商用電源周波数より高い周波数範囲で、周波数ｆと磁束密度Ｂの最適解が検討された。コアの素材である電磁鋼板特有の磁気慣性により、周波数ｆにより取り得る磁束密度Ｂの範囲は決まってしまう。その結果、周波数ｆは４００〜６００Ｈｚ、磁束密度Ｂは１．０〜０．５Ｔの範囲が採用されている。この程度の数値範囲であれば、周波数ｆの倍率８〜１０倍に対し磁束密度Ｂの低下率は１／２程度であるから、ｆ×Ｂで４〜５倍程度の出力増加が期待される。上記式中のｋ、Ｎ、ｉ、Ｓの各値は周波数ｆと磁束密度Ｂが決まればその数値範囲は自ずと定まる。
【０００８】一方、素材である無方向性電磁鋼板の鉄損Ｗは、Ｗ＝Ｗｈ＋ＷｅここでＷｈはヒステリシス損であり、Ｗｈ＝ｋ１×ｆ×Ｂ１．６Ｗｅは過電流損であり、Ｗｅ＝ｋ２×（ｔ２×ｆ２×Ｂ２）／ρｋ１，ｋ２は常数、ｔは板厚、ρは固有抵抗率である。
で表される。従来の最高級無方向性電磁鋼板では、板厚ｔを０．２０ｍｍ程度まで薄手化し、固有抵抗率ρを５５μΩ−ｃｍ以上と高めている。
【０００９】このような無方向性電磁鋼板を素材として製作したモータ用コアは、コアの磁気特性を向上させるために、非酸化性ないし還元性雰囲気のもとで、均熱温度約７５０℃で約２時間保持の条件で焼鈍が行われている。近年、このコアの焼鈍を磁場中で行うことが提案されている。たとえば特開平１１−３４００３０号公報には、鋼片内の２以上の方向に励磁される電磁鋼鋼片を有する鉄芯の、電磁鋼鋼片をその励磁方向と同じ方向の磁場中で焼鈍する方法が記載されている。この磁場焼鈍により鉄芯の鉄損が低減できるとされている。また、特開平１１−３４１７４９号公報には、鉄芯に磁界を印加しながら焼鈍する方法において、鉄芯に印加する磁界をコイルによって発生するとともに、コイルからの発熱若しくはコイルからの高周波磁場印加によって鉄芯を加熱して焼鈍する方法が記載されている。このコイルからの鉄芯の加熱により、焼鈍炉を必要とせず非常に経済的であるとされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特開平１１−３４００３０号公報に記載のモータ鉄芯の焼鈍方法は、加熱冷却は焼鈍炉の中で行われ、鉄芯は継鉄とともに閉磁路を形成し、継鉄に巻かれた磁界発生用巻線により磁束を発生させる方式である。このため、この焼鈍を行うためには従来と同様に焼鈍炉を必要とし、また鉄芯と継鉄とで閉磁路を形成させるために磁界発生装置の構成に制約があり、高能率な装置を適用することが困難である、という問題がある。
【００１１】特開平１１−３４１７４９号公報に記載の焼鈍方法は、焼鈍炉を必要としないので経済的な方法といえる。しかし、この公報明細書には、焼鈍炉を使用しない場合の焼鈍の実施例装置として具体的な説明はなく、コイルによる鉄芯の加熱および磁場印加を効率的に行うための具体的な装置構成を示す記載はない。実施例としてＥＩ鉄芯の焼鈍方法が簡単に記載されているが、この記載だけでは、モータ用コアの磁場焼鈍を効率的に行うための装置を構成するに当たっての参考資料とはならない。
【００１２】本発明は、無方向性電磁鋼板を素材として製作された固定子コアの磁場焼鈍に際して、磁場焼鈍を効率的に行うことのできるコアへの加熱および磁場印加の方法および装置を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明に係るモータ用コアの磁場焼鈍方法は、固定子コアの貫通孔を上下方向にして複数個の固定子コアを積層し、この固定子コア積層体の内外面を大気と遮断した状態で、固定子コア積層体の高さ方向にスパイラル状に配置した巻線コイルからの高周波誘導電流により固定子コアを加熱し、固定子コア積層体の孔内面と外側面に沿って直線的に配置した巻線コイルの磁界により固定子コアに磁場を印加しながら冷却することを特徴とする。
【００１４】上記の焼鈍方法は、複数個の固定子コアを積層するための台座と、この台座の軸芯に装着した管状体と、この管状体を固定子コアの貫通孔に挿通した状態で積層される固定子コア積層体の内外面を外気と遮断するカバーと、このカバーの外側に配置したスパイラル状の巻線コイルと、固定子コア積層体の孔内面と外側面に沿って直線的に配置した線状コイルとを備えたモータ用コアの磁場焼鈍装置により実施することができる。
【００１５】上記の焼鈍装置において、台座の軸芯に装着した管状体はシリカ製の耐熱性管状体で、管状体の外面にはスペーサと断熱機能を兼ねたアルミナウールのような保温材を配置するのが望ましい。固定子コア積層体（以下、コア積層体という）の内外面を外気と遮断するカバーも同様に、シリカ製の耐熱性筒状体で、筒状体の下部は台座に密着させ、上部は耐熱性のシール板を装着することにより、筒状体の内部を外気と遮断し、この内部には不活性ガス、非酸化性ガス、非窒化性ガスなどを充填するのが望ましい。
【００１６】カバーの外側に配置したスパイラル状の巻線コイルは、コア積層体を加熱するためのコイルであり、水冷銅パイプをスパイラル状に巻いた巻線コイルが好適である。コア積層体の孔内面と外側面に沿って直線的に配置した線状コイルは、コア積層体に磁場を印加するためのコイルであり、銅線を使用する。
【００１７】コア積層体加熱用の巻線コイルに流す電流は３００〜１０００Ｈｚの高周波電流であり、コア積層体をキューリ点〜９００℃の温度範囲に加熱することにより、鋼板の打ち抜き時に生じた歪みの除去とともに、鋼板の結晶粒成長による磁気特性の向上効果が得られる。コア積層体に磁場を印加するための線状コイルによる磁界の強さは１０〜５０［Ｏｅ（エルステッド）］が得られる程度とする。このときの印加する磁場の方向がモータ用固定子コアとして実際に使用されるときの磁束流と同じ方向となるようにすることによって、素材時の方向性と異なる円周方向のしかも低磁場領域ほど磁束密度が向上し、ひいては鉄損も向上する。
【００１８】本発明の焼鈍方法および装置を採用することにより、加熱炉を用いることなくコンパクトな装置によりモータ用コアの磁場焼鈍を行うことができ、またコア積層体へのコイル着脱や搬送を自動化することによって効率よく磁場焼鈍を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１および図２は本発明の実施形態における焼鈍工程を示す模式図により示す工程図であり、図１の（ａ）〜（ｄ）および図２の（ｅ）、（ｆ）は焼鈍開始前までの処理工程を示す。
【００２０】図１の（ａ）は被焼鈍材である固定子コア（以下、コアという）Ｃを積層するための台座１と軸芯２と管状体３を示す。管状体３は耐熱性のシリカチューブである。図１の（ｂ）は５個のコア（Ｃ１〜Ｃ５）を示す。本実施形態におけるコアＣは、素材である無方向性電磁鋼板をリング状に打ち抜き積層したもので、１個のコアの外径３００ｍｍ、内径２００ｍｍ、厚さ２００ｍｍで、５個の積層高さは１０００ｍｍである。
【００２１】図１の（ｃ）は５個のコアＣを積層した状態を示す。同図において４はコア支持台であり、５は管状体３に巻き付けたアルミナウール製の保温材である。台座１上に載置したコア支持台４の上に５個のコアＣを積層する。コアＣの内面と保温材５の外面との間は１０ｍｍ程度の隙間がある。
【００２２】図１の（ｄ）は積層したコアＣにアルミナウール製の保温材６を巻き付けた状態を示す。管状体３およびコアＣに保温材を巻き付ける目的は、後述するコア積層体加熱用の巻線コイル８によりコアＣを加熱するとき、および冷却するときの断熱をはかるためである。
【００２３】図２の（ｅ）は外気遮断用のカバー７を設置した状態を示す。カバー７は、下部は開放され、上部は管状体３が通過する孔７ａが設けられた筒状体で、積層したコアＣ（保温材６を含む）に被せ、台座１との隙間をシールすることで、コアＣを外気と遮断することができる。コアＣ外面とカバー７内面との間の空間９には台座１に設けた孔（図示せず）を通じて不活性ガス、非酸化性ガス、非窒化性ガスなどの雰囲気ガスを供給する。
【００２４】図２の（ｆ）は加熱用コイルおよび磁場印加用コイルの配置状態を示す。カバー７の外側にはコアＣを加熱するための巻線コイル８が配置されている。本実施形態の巻線コイル８は、水冷銅パイプをスパイラル状に巻いた巻線コイルで、５００Ｈｚの高周波電流を通電することにより、コアＣを約８５０℃に加熱する。
【００２５】カバー７の外側と積層したコアＣの中心部の管状体３の孔３ａ内を通じて２個の線状コイル１０（１０ａ，１０ｂ）が配置されている。線状コイル１０はコアＣを冷却中にコアＣに磁場を印加するためのものであり、本実施形態では１００［Ｏｅ］の磁界をかけることのできる銅線コイルを２個用いているが、必要により３個以上用いることもできる。前記の巻線コイル８と線状コイル１０は上方に移動可能であり、コアＣやカバー７などを台座１上へ載置したり取り外したりするときには、巻線コイル８と線状コイル１０を上方に待避させる。
【００２６】つぎに、図２の（ｆ）に記載の基本構造の焼鈍装置を用いてモータ用固定子コアを焼鈍する方法について説明する。図２の（ｆ）に示すようにコアＣやカバー７などを台座１上へ載置し、コアＣ外面とカバー７内面との間の空間９に雰囲気ガス（たとえばＡｒガス）を供給し、巻線コイル８と線状コイル１０を所定の位置に配置した後、高周波電源装置（図示せず）から巻線コイル８に５００Ｈｚの高周波電流を通電して、コアＣを約８５０℃に加熱する。モータ用固定子コアの素材である無方向性電磁鋼板のキューリ点は約７５０℃であるから、コアＣを約８５０℃に加熱すると、鋼板の打ち抜き時に生じた歪みの除去とともに、鋼板の結晶粒成長による磁気特性の向上効果がある。
【００２７】温度計１１の温度検出値により積層したコアＣの内部温度が８５０℃に達したことを確認後、巻線コイル８による加熱を停止し、コアＣを冷却する。冷却開始とともに線状コイル１０に直流電源装置（図示せず）から１０００Ａの直流電流を通電して、コアＣに磁場を印加する。磁場を印加しながらの冷却はコアＣの温度が約４００℃になるまで連続して行い、４００℃以下は磁場印加を中止して自然冷却とする。
【００２８】冷却中のコアＣの温度がキューリ点を通過する温度から約４００℃となるまでの間、コアＣに磁場を印加することにより、コアＣの磁気特性、とくに低磁場での鉄損が向上する。また、磁場印加のための線状コイル１０を図２の（ｆ）に示すように配置して、印加する磁場の方向がモータ用固定子コアとして実際に使用されるときの磁束流と同じ方向となるようにすることによって、素材時の方向性と異なる円周方向のしかも低磁場領域ほど磁束密度が向上し、ひいては鉄損も向上する。
【００２９】
【発明の効果】（１）固定子コア積層体の高さ方向にスパイラル状に配置した巻線コイルからの高周波誘導電流により固定子コアを加熱し、固定子コア積層体の孔内面と外側面に沿って直線的に配置した線状コイルの磁界により固定子コアに磁場を印加しながら冷却することにより、加熱炉を用いることなくコンパクトな装置によりモータ用コアの磁場焼鈍を行うことができ、また固定子コア積層体への加熱コイルや磁場印加コイルの着脱や搬送を自動化することによって効率よく磁場焼鈍を行うことができる。
【００３０】（２）固定子コアの加熱温度をキューリ点〜９００℃の範囲とすることにより、鋼板の打ち抜き時に生じた歪みの除去とともに、鋼板の結晶粒成長による磁気特性の向上効果が得られる。
【００３１】（３）磁場印加するときの磁場の方向がモータ用固定子コアとして実際に使用されるときの磁束流と同じ方向となるようにすることによって、実使用時の鉄損が向上する。
【出願人】 【識別番号】５９７０６０９２２
【氏名又は名称】東洋鐵芯工業株式会社
【識別番号】５０２１９３０４８
【氏名又は名称】飯島 信長
【識別番号】５００１５３９６５
【氏名又は名称】有限会社ハイゼット
【識別番号】５９１２０３４８４
【氏名又は名称】輿石 弘道
【出願日】 平成１４年５月２９日（２００２．５．２９）
【代理人】 【識別番号】１０００９９５０８
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 久
【公開番号】 特開２００３−３４２６３７（Ｐ２００３−３４２６３７Ａ）
【公開日】 平成１５年１２月３日（２００３．１２．３）
【出願番号】 特願２００２−１５６１３６（Ｐ２００２−１５６１３６）