KR20240065120A - 회전 전기 기기, 무방향성 전자 강판 및 적층 코어, 그리고, 회전 전기 기기의 제조 방법 및 적층 코어의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

이 회전 전기 기기는, 스테이터와, 로터와, 상기 스테이터 및 상기 로터를 수용하는 하우징을 갖고, 상기 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도인 A가, 15 미만이고, 상기 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도인 B가, 2 내지 30이며, 또한 상기 A와 상기 B가, B/A>1.0의 관계를 충족하고, 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도인 C가, 2 내지 50이고, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도인 D가, 1 내지 40이며, 또한 상기 C와 상기 D가, C/D>1.0의 관계를 충족한다.

Description

회전 전기 기기, 무방향성 전자 강판 및 적층 코어, 그리고, 회전 전기 기기의 제조 방법 및 적층 코어의 제조 방법
본 발명은 회전 전기 기기, 무방향성 전자 강판 및 적층 코어 그리고 회전 전기 기기의 제조 방법 및 적층 코어의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2021년 11월 18일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2021-187952호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
본 명세서에서는, 스테이터 철심을 구성하고 있는 적층 전의 무방향성 전자 강판을 스테이터의 철심 소재, 로터 철심을 구성하고 있는 적층 전의 무방향성 전자 강판을 로터의 철심 소재라 하고, 스테이터 철심과 로터 철심을 조합한 것을 모터 철심이라 하는 경우가 있다.
전자 강판, 특히 무방향성 전자 강판은, 회전 전기 기기의 철심 소재로서 사용된다. 예를 들어, 하이브리드 자동차, 연료 전지 자동차, 전기 자동차 등에 탑재되는 구동 모터로서, 회전 전기 기기가 사용되고 있다. 금후의 자동차 구동용 모터에는, 저소음화와 고토크화의 양쪽이 요구되고 있다. 모터의 소음은 주로 자기 흡인력이 불균일해지는 것에 의해 발생하고 있다. 또한, 로터의 편심 등으로 스테이터와 로터 사이의 갭이 불균일해지면, 자기 흡인력도 불균일해져, 모터 소음이 커지는 원인이 된다.
특허문헌 1에는, 실기 모터에 있어서의 효율을 향상시킴과 함께 회전 시의 소음을 저감하는 데 유효한, 자기 이방성이 작고 또한 자속 밀도가 높은 무방향성 전자 강판이 제안되어 있다. 모터에서는 자속이 스테이터부와 로터부를 에어 갭을 통해서 흐르고, 이 자속의 상호 작용이 로터에 토크를 발생시킨다. 스테이터 재료인 전자 강판의 이방성이 강하고, 즉 판면 내 방향의 자기 특성차가 크면 클수록 로터의 회전 위치에 있어서의 토크에도 차가 발생한다. 이 회전 시의 토크의 변동이 회전 불균일을 발생시켜, 소음에 영향을 미치는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2001-49402호 공보
본 발명은, 자동차 구동용 모터에 요구되는 저소음화와 고토크화의 양쪽을 실현하는 회전 전기 기기, 이러한 회전 전기 기기의 로터, 스테이터의 소재로서 적합한 무방향성 전자 강판, 및 회전 전기 기기의 스테이터 또는 로터에 적합하게 사용되는, 무방향성 전자 강판이 적층되어 이루어지는 적층 코어, 그리고 이들의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
모터의 소음은 주로 스테이터와 로터의 자기 흡인력이 불균일해지는 것에 의해 발생하고 있다. 로터의 편심 등으로 스테이터·로터 사이의 갭이 불균일해졌을 때, 자기 흡인력도 불균일해져, 소음이 커지는 원인이 된다.
무방향성 전자 강판의 {111} <uvw> 방위는, 판면 내 방향의 영률(탄성 변형 영역에서의 연신율과 응력의 비례 계수)의 이방성이 작은 것이 판명되어 있다.
이 지견을 기초로, 본 발명자들이 더욱 검토한 결과, {111} <211> 방위에 부화한 전자 강판(무방향성 전자 강판)을 PM(Permanent Magnet) 모터의 로터의 철심 소재로서 사용함으로써, 로터의 회전 중의 원심력에 대한 로터의 철심 소재의 강판의 연신율 변형의 이방성이 억제되어, 소음을 저감할 수 있는 것이 판명되었다. 일반적으로, {111} <211> 방위는 자화하기 어렵기 때문에 모터의 철심 소재로서의 이용은 피할 수 있지만, 영구 자석으로 자화를 담보하고 있는 PM 모터의 로터의 철심 소재에 대해서는, {111} <211> 방위에 부화한 전자 강판의 적용은 크게 불리해지지는 않는다.
한편, 모터 토크를 발생시키는 자화를 철심 소재의 자화에 의해 담보하는 스테이터의 철심 소재로서는, {111} <211> 방위에 부화한 전자 강판을 사용하는 데에는 불리하다. 그래서, 본 발명자들은, 스테이터의 철심 소재에는 자기 특성이 우수한 {411} <011> 방위에 부화한 전자 강판(무방향성 전자 강판)을 사용하는 것으로 하고, 로터의 철심 소재와 스테이터의 철심 소재에 관하여 각각 다른 방위에 부화한 전자 강판을 사용함으로써, 이들을 소재로서 사용하여 얻어진 회전 전기 기기에 있어서, 저소음화와 고토크화의 양립이 가능해지는 것을 발견하였다.
여기서, {lmn} <uvw>는 결정의 방위를 나타낸다. {lmn}은 압연면의 법선 방향에 평행한 방향의 미러 지수를 가리키고, <uvw>는 전자 강판 제조 공정에서의 압연 방향에 평행한 방향의 미러 지수를 가리킨다. 또한, 본 발명은 전자 강판의 특성의 판면 내 이방성에 기인하는 회전 토크 변동을 제어하는 것이기 때문에, 압연 방향으로의 집적 방위 강도도 포함하여 규정하였다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 이하를 요지로 한다.
[1] 본 발명의 일 양태에 관한 회전 전기 기기는, 스테이터와, 로터와, 상기 스테이터 및 상기 로터를 수용하는 하우징을 갖고, 상기 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도인 A가, 15 미만이고, 상기 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도인 B가, 2 내지 30이며, 또한 상기 A와 상기 B가, B/A>1.0의 관계를 충족하고, 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도인 C가, 2 내지 50이고, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도인 D가, 1 내지 40이며, 또한 상기 C와 상기 D가, C/D>1.0의 관계를 충족하고, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판 및 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의, 상기 모재 강판이, 각각, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 0.5000 내지 4.0000％, sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％, S: 0.0100％ 이하, N: 0.0100％ 이하, Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％, Cr: 0 내지 2.0000％, Sn: 0 내지 0.4000％, Sb: 0 내지 0.4000％, P: 0 내지 0.4000％, Ti: 0 내지 0.1000％, Nb: 0 내지 0.1000％, Zr: 0 내지 0.1000％, V: 0 내지 0.1000％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는다.
[2] 상기 [1]에 기재된 회전 전기 기기는, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판에 있어서, 상기 B와 {111} <011> 방위 강도인 E가, B/E>1.0의 관계를 충족해도 된다.
[3] 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 회전 전기 기기는, 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판에 있어서, 상기 C와 {100} <011> 방위 강도인 F가, C/F>1.0의 관계를 충족해도 된다.
[4] 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기는, 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판과 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의, 상기 모재 강판에 있어서의 Si 함유량, Mn 함유량 및 sol.Al 함유량의 합계의 차가 0.20질량％ 이내이고, 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 평균 결정 입경이, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 평균 결정 입경보다도 커도 된다.
[5] 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기는, 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 Si 함유량, Ti 함유량, Nb 함유량을, 질량％로, 각각 Sis, Tis, Nbs로 하고, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 Si 함유량, Ti 함유량, Nb 함유량을, 각각 Sir, Tir, Nbr로 하였을 때, Sis/Sir>1.0, Tir/Tis>1.0, Nbr/Nbs>1.0 중 어느 것을 충족해도 된다.
[6] 상기 [1] 내지 [5] 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기는, 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 Nb 함유량, Zr 함유량, Ti 함유량, V 함유량, C 함유량, N 함유량을, 질량％로, 각각 Nbs, Zrs, Tis, Vs, Cs, Ns로 하였을 때, 0≥Nbs/93+Zrs/91+Tis/48+Vs/51-(Cs/12+Ns/14)를 충족해도 된다.
[7] 상기 [1] 내지 [6] 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기는, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 Nb 함유량, Zr 함유량, Ti 함유량, V 함유량, C 함유량, N 함유량을, 질량％로, 각각 Nbr, Zrr, Tir, Vr, Cr, Nr로 하였을 때, 0 <Nbr/93+Zrr/91+Tir/48+Vr/51-(Cr/12+Nr/14)<5.0×10-3을 충족해도 된다.
[8] 본 발명의 다른 양태에 관한 무방향성 전자 강판은, 모재 강판과 상기 모재 강판의 표면에 형성된 절연 피막을 포함하고, 상기 모재 강판이, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 0.5000 내지 4.0000％, sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％, S: 0.0100％ 이하, N: 0.0100％ 이하, Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％, Cr: 0 내지 2.0000％, Sn: 0 내지 0.4000％, Sb: 0 내지 0.4000％, P: 0 내지 0.4000％, Ti: 0 내지 0.1000％, Nb: 0 내지 0.1000％, Zr: 0 내지 0.1000％, V: 0 내지 0.1000％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖고, 상기 모재 강판에 있어서, {111} <211> 방위 강도가, 15 미만이고, {411} <011> 방위 강도가, 2 내지 50이다.
[9] 본 발명의 다른 양태에 관한 무방향성 전자 강판은, 모재 강판과 상기 모재 강판의 표면에 형성된 절연 피막을 포함하고, 상기 모재 강판이, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 0.5000 내지 4.0000％, sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％, S: 0.0100％ 이하, N: 0.0100％ 이하, Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％, Cr: 0 내지 2.0000％, Sn: 0 내지 0.4000％, Sb: 0 내지 0.4000％, P: 0 내지 0.4000％, Ti: 0 내지 0.1000％, Nb: 0 내지 0.1000％, Zr: 0 내지 0.1000％, V: 0 내지 0.1000％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖고, 상기 모재 강판에 있어서, {111} <211> 방위 강도가, 2 내지 30이며, {411} <011> 방위 강도가, 1 내지 40이다.
[10] 본 발명의 다른 양태에 관한 적층 코어는, 상기 [8]에 기재된 무방향성 전자 강판이 적층되어 이루어진다.
[11] 본 발명의 다른 양태에 관한 적층 코어는, 상기 [9]에 기재된 무방향성 전자 강판이 적층되어 이루어진다.
[12] 상기 [1] 내지 [7] 중 어느 한 항에 기재된 회전 전기 기기는, 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판이, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판에 대해, 또한 600℃ 이상으로 열처리를 행하여 얻어진 강판이어도 된다.
[13] 본 발명의 다른 양태에 관한 적층 코어의 제조 방법은, 상기 [8]에 기재된 무방향성 전자 강판을 가공하고, 적층하는 공정을 갖는다.
[14] 본 발명의 다른 양태에 관한 적층 코어의 제조 방법은, 상기 [9]에 기재된 무방향성 전자 강판을 가공하고, 적층하는 공정을 갖는다.
[15] 본 발명의 다른 양태에 관한 회전 전기 기기의 제조 방법은, 상기 [10]에 기재된 상기 적층 코어와, 상기 [11]에 기재된 상기 적층 코어를 조립하는 공정을 갖는다.
본 발명의 상기 양태에 의하면, 자동차 구동용 모터에 요구되는 저소음화와 고토크화의 양쪽을 실현하는 회전 전기 기기, 이러한 회전 전기 기기의 로터, 스테이터의 소재로서 적합한 무방향성 전자 강판, 및 회전 전기 기기의 스테이터 또는 로터에 적합하게 사용되는, 무방향성 전자 강판이 적층되어 이루어지는 적층 코어를 제공할 수 있다.
즉, 본 발명의 상기 양태에 관한 회전 전기 기기는, 로터 철심 소재로서 {111} <211> 방위를 부화한 전자 강판을 사용함으로써 판면 내 방향의 영률의 이방성을 저감하고, 또한 로터 회전 시의 원심력에 의한 로터 철심 소재의 직경 방향으로의 변형의 이방성을 억제함으로써, 스테이터와 로터 사이의 갭을 일정하게 함으로써 모터 소음을 억제할 수 있다. 또한, 스테이터의 철심 소재로서 {411} <011> 방위를 부화한 전자 강판을 사용함으로써, 모터의 토크를 올릴 수 있다. 그 때문에, 본 발명의 상기 양태에 관한 회전 전기 기기는, 저소음화와 고토크화가 양립될 수 있다.
도 1은 실시예에서 사용되는 모터의 부분 평면도이다.
이하에 본 발명의 일 실시 형태에 관한 회전 전기 기기(본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기), 본 발명의 일 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판(본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판), 및 본 발명의 일 실시 형태에 관한 적층 코어(본 실시 형태에 관한 적층 코어), 그리고 이들의 제조 방법에 대해서 설명한다.
특별히 언급하지 않는 한, 수치 a 및 b에 대해서 「a 내지 b」라고 하는 표기는 「a 이상 b 이하」를 의미하는 것으로 한다. 이러한 표기에 있어서 수치 b에만 단위를 붙인 경우에는, 당해 단위가 수치 a에도 적용되는것으로 한다.
[회전 전기 기기]
[무방향성 전자 강판]
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기는, 이하의 구성을 구비한다.
스테이터와, 로터와, 스테이터 및 로터를 수용하는 하우징을 갖고,
상기 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도인 A가, 15 미만이고, 상기 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도인 B가, 2 내지 30이며, 또한 상기 A와 상기 B가, B/A>1.0의 관계를 충족하고,
상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도인 C가, 2 내지 50이고, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도인 D가, 1 내지 40이며, 또한 상기 C와 상기 D가, C/D>1.0의 관계를 충족하고,
상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판 및 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 모재 강판이, 각각,
질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 0.5000 내지 4.0000％, sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％, S: 0.0100％ 이하, N: 0.0100％ 이하, Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％, Cr: 0 내지 2.0000％, Sn: 0 내지 0.4000％, Sb: 0 내지 0.4000％, P: 0 내지 0.4000％, Ti: 0 내지 0.1000％, Nb: 0 내지 0.1000％, Zr: 0 내지 0.1000％, V: 0 내지 0.1000％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는다.
또한, 이 중, 로터가 포함하는(로터 철심 소재임) 무방향성 전자 강판, 및 스테이터가 포함하는(스테이터 철심 소재임) 무방향성 전자 강판이, 각각, 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판이다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기는, 적어도 스테이터와, 로터와, 스테이터 및 로터를 수용하는 하우징을 갖는다. 스테이터, 로터, 및 하우징은, 이들 형상, 구성에 관하여 특별히 한정되는 것은 없고, 통상의 형상, 구성을 구비한다.
<무방향성 전자 강판>
본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판은, 모재 강판과 모재 강판의 표면에 형성된 절연 피막을 포함한다.
이 중, 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판에서는, 특히 모재 강판의 화학 조성 및 집합 조직(각 방위의 방위 강도)에 큰 특징이 있다.
[모재 강판의 각 방위의 방위 강도]
무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도는, 주로, 판면 내 방향의 영률의 이방성이 상대적으로 작은 {111} 방위의 집적 강도를 나타낸다. 결정 방위에 기인하는 판면 내 방향의 이방성의 저감을 생각한다면, 이상적으로는 완전히 랜덤인 집합 조직으로 하는 것이 바람직하다고 생각된다. 또는 완전히 랜덤이 아니여도, 특정한 면 방위에 강하게 집적시키고, 그 면 방위에 관한 판면 내 방위로의 집적을 랜덤하게 하는, 예를 들어 {100} <0vw>로, v, w에 대한 집적 강도를 균일하게 하거나, {111} 방위여도 판면 내의 집적 강도의 변화를 작고 랜덤하게 하는 것이 바람직하다고 생각된다. 그러나, 일반적인 주조, 압연, 어닐링(열처리)을 거쳐서 제조되는 전자 강판에 있어서는, 모재 강판에 있어서 특정 방위로의 적지 않은 집적은 피할 수 없고, 상기와 같은 이상적인 랜덤화를 달성하는 것은 곤란하다. 이러한 배경도 있고, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기의 로터 및 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판(본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판)에 있어서, 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도는, 일반적인 전자 강판에 있어서 의도한 바와 같이 확실하게 제어해야 할 방위이고, 또한 판면 내 방향의 영률의 이방성의 억제를 달성하기 위한 하나의 지표로서 매우 유효한 것으로 되어 있다. 또한 {111} <211> 방위 강도는, 스테이터의 철심 소재에 있어서의 자기 특성의 평가에도 유효한 지표가 되어 있고, 본 실시 형태에서는 이 방위를, 효과를 얻기 위한 하나의 규정으로서 사용한다.
또한, 전자 강판의 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도는, 주로, 자화 용이축이 면 내 방향에 가깝고, 그 때문에, 자기 특성이 우수한 것을 나타낸다. 여기서, 자화 용이축이란, 결정이 갖는 자기 이방성 중에서, 가장 자화가 용이한 방향이고, bcc 구조의 결정에 있어서는 능선 방향([100], [010], [001] 방향)을 가리킨다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는 이 방위도, 효과를 얻기 위한 하나의 규정으로서 사용한다.
본 명세서에 있어서 전자 강판의 모재 강판의 방위 강도에 대해서, 간단히 전자 강판(무방향성 전자 강판)의 방위 강도로 표현하는 경우도 있지만, 그 경우에도, 모재 강판의 방위 강도를 의미한다.
본 명세서에서 「방위 강도」란, 결정의 배향이 랜덤인 경우에 대하여 몇 배의 회절 강도인지를 나타내는 것이다. 즉, 예를 들어 {111} <211> 방위 강도는, EBSD로 측정하였을 때의, {111} <211> 방위의 회절 강도가, 결정의 배향이 랜덤인 경우에 대하여 몇 배인지를 나타내는 것이다.
결정 방위 강도의 측정은 다양한 방법이 있지만, {111} <211> 방위 강도, {411} <011> 방위 강도의 측정은, 먼저 스테이터의 철심 소재, 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 판 두께의 중심이 표출되도록 압연면을 연마하고, 그 연마면을 EBSD(전자선 후방 산란 회절법: Electron Back Scattering Diffraction)로 960000㎛2 이상의 영역에 대해서 관찰을 행한다. 관찰은 합계 면적이 960000㎛2 이상이면 되고, 예를 들어 800㎛×1200㎛ 이상의 범위에서 관찰하면 된다. 그 범위에서는 측정 배율의 시야에 들어갈 수 없는 경우에는, 몇 가지의 소 구획으로 나눈 몇개소에서 행해도 되고, 예를 들어 200㎛×600㎛ 이상의 영역을, 8개소 이상 관찰해도 된다.
측정 시의 step 간격은 1㎛로 하는 것이 바람직하다. step 간격의 상한은 평균 결정 입경의 1/10이다.
EBSD의 관찰 데이터로부터 {111} <211> 방위 강도, {411} <011> 방위 강도를 구한다.
EBSD의 관찰 데이터로부터 {111} <211> 방위 강도, {411} <011> 방위 강도를 구하는 수순을 이하에 나타낸다.
상술한 바와 같이 면적 960000㎛2 이상의 범위를 관찰하고, 결정립수는 적어도 100개는 관찰을 한다.
관찰 데이터를, OIM Analysis의 소프트(TSL사제)를 사용하여 해석을 행하고, ODF(Orientation Distribution Function)를 작성하고, 그 값으로부터 {111} <211> 방위 강도, {411} <011> 방위 강도를 구한다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에 있어서, 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도, (A)는 15 미만의 범위이다. {111} <211> 방위 강도 (A)가 15를 초과하면 자기 특성이 나빠진다. {111} <211> 방위 강도 (A)의 범위는, 바람직하게는 1 내지 3이다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에 있어서, 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도 (B)는, 2 내지 30의 범위이다. {111} <211> 방위 강도 (B)가 2 미만이면, 영률의 판면 내 이방성이 커져, 회전하였을 때의 소음이 커진다. 한편, {111} <211> 방위 강도 (B)가, 30을 초과하면 투자율이 작아지기 때문에, 모터 효율이 저하된다. 방위 강도 (B)의 범위는, 바람직하게는 10 내지 30이다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에 있어서, 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판과, 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판은 각각, 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도가 상기의 범위를 갖는 동시에, 각각의 방위 강도인 A, B가, B/A>1.0의 관계를 충족시키는 것이 필요하다. A, B가, B/A>1.0의 관계에 있는 경우는, 철심 소재의 자기 특성의 영향을 받기 쉬운 스테이터의 철심에서 발생하는 손실의 저감과, 회전에 수반하는 원심력에 의한 변형의 영향을 받기 쉬운 로터의 철심에서 발생하는 소음의 저감을 양립시킬 수 있어, 모터 특성이 양호해진다. 바람직하게는, B/A>1.1, 보다 바람직하게는, B/A>1.2이다.
반대로, A, B가, B/A≤1.0의 관계에 있는 경우는, 원심력에 대한 변형의 점에서 불리해지는 전자 강판을 로터 철심 소재로 하고, 자기 특성의 점에서 불리해지는 전자 강판을 스테이터 철심 소재로서 적용하고 있는 것이 되어, 모터 손실이 커진다.
또한, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에서는, 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도 (C)는, 2 내지 50의 범위이다. 방위 강도 (C)가 2 미만이면, 자기 특성이 열화되어, 모터 특성이 나빠진다. 한편, {411} <011> 방위 강도 (C)가 50을 초과하면 제조가 곤란해진다. 방위 강도 (C)의 범위는, 바람직하게는 5 내지 30이다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에서는, 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도 (D)는, 1 내지 40이다. {411} <011> 방위 강도 (D)가 40을 초과하면 영률의 판면 내 이방성이 강해져, 소음이 증가한다. 한편, 방위 강도 (D)가 1 미만이면, 로터 내부에서 발열하기 쉬워져, 영구 자석이 감자되어, 모터의 특성이 열화될 가능성이 있다. {411} <011> 방위 강도 (D)의 범위는, 바람직하게는 3 내지 20이다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에서는, 스테이터의 철심 소재, 로터의 철심 소재(무방향성 전자 강판)는 각각, 모재 강판이 상술한 {411} <011> 방위 강도 범위를 갖는 동시에, 각각의 방위 강도인, C, D가, C/D>1.0의 관계를 충족시키는 것이 필요하다. C, D가 C/D>1.0의 관계에 있는 경우는, 철심 소재의 자기 특성의 영향을 받기 쉬운 스테이터의 철심의 자기 특성의 향상과, 회전에 수반하는 원심력에 의한 변형의 영향을 받기 쉬운 로터의 철심에서 발생하는 소음의 저감을 양립시킬 수 있다. 바람직하게는, C/D>1.1, 더욱 바람직하게는, C/D>1.2이다.
반대로, C, D가 C/D≤1.0의 관계에 있는 경우는, 원심력에 대한 변형의 점에서 불리해지는 전자 강판을 로터 철심 소재로 하고, 자기 특성의 점에서 불리해지는 전자 강판을 스테이터 철심 소재로서 적용하고 있는 것이 되어, 모터 손실이 증가한다.
여기서, 스테이터, 로터, 각각의 철심 소재(무방향성 전자 강판)의 모재 강판의 방위 강도에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에서 규정하는 {111} <211> 방위 강도와 {411} <011> 방위 강도는 대략은 트레이드 오프의 관계가 된다. 예를 들어 특성으로서는, {111} <211> 방위는, 자기 특성에 있어서 바람직하지 않은 방위이고, {411} <011>은, 바람직한 방위가 되어 있다. 이 때문에, 본 실시 형태에 있어서, 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판에 있어서는, {111} <211> 방위 강도를 약하게 하는 동시에 {411} <011> 방위 강도를 강하게 하는 제어를 행한다.
또한 야금적인 면이어도, 냉간 압연 및 어닐링(재결정)에 의한 강판 제조 공정에 있어서의 집합 조직의 변화에 있어서는, 예를 들어 냉간 압연의 압하율의 변화나 어닐링 온도의 변화에 따라서, {111} <211> 방위의 증가가 {411} <011> 방위의 감소를 수반하는 상황이나, {411} <011> 방위의 증가가 {111} <211> 방위의 감소를 수반하는 상황이 관찰된다.
이러한 배경으로부터, 본 실시 형태에 있어서, 예를 들어 스테이터 철심 소재인 무방향성 전자 강판에 있어서, 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도 (A)를 약하게 하고, {411} <011> 방위 강도 (C)를 높이도록 제어하는 결과, 스테이터의 철심 소재에 대해서는, A/C<1.0이 성립하기 쉬워진다. 반대의 견해로 보면, 스테이터의 철심 소재로서는, A/C<1.0을 충족하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, A/C<0.8, 더욱 바람직하게는, A/C<0.6이다.
마찬가지로, 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판에 있어서, 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도 (B)를 강하게 하고, {411} <011> 방위 강도 (D)를 약하게 하도록 제어하는 결과, 로터의 철심 소재에 대해서는, B/D>1.0이 성립하기 쉬워진다. 반대의 견해로 보면, 로터의 철심 소재로서는, B/D>1.0을 충족하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, B/D>1.5, 더욱 바람직하게는, B/D>2.0이다.
단, 확실히 하기 위해 설명해 두지만, 상기의 「트레이드 오프의 관계」는 원리적으로 반드시 실현한다는 의미가 아니라, 냉간 압연 및 어닐링(재결정)에 의한 강판 제조 공정, 전자 강판에 요구되는 자기 특성을 전제로 한 경우, 트레이드 오프의 관계가 되는 경우가 많다는 정도의 의미이다. 즉, 예를 들어 {111} <211> 방위와 {411} <011> 방위가 동시에 증가, 또는 동시에 감소하는 현상을 부정하는 것은 아니다.
스테이터의 철심 소재 및 로터의 철심 소재의 각각의 모재 강판의, {111} <211> 방위 강도 (A), (B), {411} <011> 방위 강도 (C), (D)의 각각이, B/A>1.0의 관계, C/D>1.0의 관계를 충족하는 경우에, 모터 소음이 저감하는 이유에 관해서는, 예를 들어 이하와 같이 생각된다.
상술한 바와 같이 {411} <011> 방위는 자기 특성에 있어서 바람직한 방위이기 때문에, 종래의 모터용 전자 강판에서는 이 방위의 강도를 높이는 제어가 행해지고 있었다. 그러나, 이 방위는 영률의 판면 내 이방성이 크기 때문에, {411} <011> 방위 강도가 높은 전자 강판을 로터의 철심 소재로서 사용하면, 회전 중에 회전축에 대해 비등방적으로 변형되어, 진동이 발생하여 소음이 커진다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기와 같이, {411} <011> 방위 강도가 높은 무방향성 전자 강판은 스테이터의 철심 소재로만 사용하고, 로터의 철심 소재에는, {411} <011> 방위 강도가 상대적으로 낮고, 영률의 판면 내 이방성이 작은 {111} <211> 방위 강도를 높인 무방향성 전자 강판을 사용함으로써, 회전 중의 변형은 회전축에 대해 등방적인 것이 되므로, 진동이 억제되어 소음이 작아진다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기의 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판은, 또한 {111} <211> 방위 강도 (B) 및 {111} <011> 방위 강도 (E)가, B/E>1.0의 관계를 충족하고 있는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는 판면 내 이방성이 큰 {411} <011> 방위와, 판면 내 이방성이 작은 {111} <211> 방위를 제어하지만, {111} 방위에 대해서는, {111} <211> 방위 외에, {111} <011> 방위가 발달하기 쉽다. 이들 방위의 판면 내 이방성에 대한 종합적인 영향을 생각하면, {111} 방위에 대해서는, {410} <011> 방위와 동일한 판면 내 방위 <011>을 갖는 {111} <011> 방위는, {111} <211> 방위보다도 종합적인 판면 내 이방성의 저감에는 불리해진다. 이 관점에 있어서, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에서는, 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판에 있어서, B/E>1.0으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 B/E>1.5, 더욱 바람직하게는, B/E>2.0이다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에 있어서, 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판은, 또한 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도 (C) 및 모재 강판의 {100} <011> 방위 강도 (F)가, C/F>1.0의 관계를 충족하고 있는 것이 바람직하다.
{100} <011> 방위는, 압축 응력에 대하여 철손의 증가값이 높다. 스테이터의 고정 방법은 몇가지 있지만, 그 대부분이 스테이터의 철심에 대하여 압축 응력이 가해지는 방법이다. 그 때문에, 압축 응력 감수성이 낮은 {411} <011>을 많게 한 쪽이 좋다. 보다 바람직하게는 C/F>1.5, 더욱 바람직하게는, C/F>2.0이다.
[화학 조성]
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기의 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판 및 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 화학 조성은, 제조된 무방향성 전자 강판으로부터, 각 방위 강도 요건을 충족시키는, 스테이터의 철심 소재 및 로터의 철심 소재를 얻을 수 있는 것으로서, 각각 이하의 화학 조성을 갖는 것이 바람직하다. 화학 조성의 설명의 「％」는 「질량％」를 의미한다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에 있어서, 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판과 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판은, 모재 강판의 화학 조성은, 동일해도 되지만, 후술하는 바와 같이, 달라도 된다.
(C: 0.0100％ 이하)
C는 철손을 높이거나, 자기 시효를 야기하거나 하는 원소이다. 따라서, C 함유량은 낮으면 낮을수록 바람직하다. 이러한 현상은, C 함유량이 0.0100％ 초과에서 현저하다. 이 때문에, C 함유량은 0.0100％ 이하로 한다. C 함유량의 저감은, 판면 내의 전체 방향에 있어서의 자기 특성의 균일한 향상에도 기여한다. C 함유량의 하한은 특별히 한정되지는 않지만, 정련 시의 탈탄 처리의 비용을 근거로 하여, 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(Si: 0.5000 내지 4.0000％)
Si는 전기 저항을 증대시켜서, 와전류손을 감소시키고, 철손을 저감하거나, 항복비를 증대시켜서, 철심에 대한 펀칭 가공성을 향상시키거나 하는 원소이다. Si 함유량이 0.5000％ 미만이면, 이들 작용 효과를 충분히 얻을 수 없다. 따라서, Si 함유량은 0.5000％ 이상으로 한다. Si 함유량은 0.9000％ 이상이 바람직하고, 1.5000％ 이상이 보다 바람직하다. 한편, Si 함유량이 4.0000％ 초과이면, 자속 밀도가 저하되거나, 경도의 과도한 상승에 의해 펀칭 가공성이 저하되거나, 냉간 압연이 곤란해지거나 한다. 따라서, Si 함유량은 4.0000％ 이하로 한다.
또한, Si는 전자 강판에 있어서 비교적 다량으로 함유하는 원소이고, 본 실시 형태에 있어서 주로 제어하는 냉간 압연, 재결정 어닐링 후의 {111} <211> 방위, {411} <011> 방위에 대한 영향이 크다. 저Si 강에서는 {111} <211> 방위가 발달하기 쉽고, {411} <011> 방위는 억제되기 쉽다.
그 때문에, 로터의 철심 소재에 사용하는 무방향성 전자 강판보다도, 스테이터의 철심 소재에 사용하는 무방향성 전자 강판의 쪽이, 모재 강판의 Si의 함유량이 많은 것이 바람직하다. 특히 강판 제조 공정에서의 Si 함유량에 의한 변태의 유무를 상기 집합 조직의 제어에 활용할 수 있고, 스테이터의 철심 소재에 사용하는 강판을 고Si의 비변태계 화학 조성으로 하고, 로터의 철심 소재에 사용하는 강판을 저Si의 변태계 화학 조성으로 하는 것은 더욱 바람직하다.
(sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％)
Al은 전기 저항을 증대시켜서, 와전류손을 감소시키고, 철손을 저감하는 원소이다. Al은 포화 자속 밀도에 대한 자속 밀도 B50의 상대적인 크기의 향상에도 기여한다. sol.Al(산 가용성 Al) 함유량이 0.0001％ 미만이면, 이들 작용 효과를 충분히 얻을 수 없다. 또한, Al에는 제강에서의 탈황 촉진 효과도 있다. 따라서, sol.Al 함유량은 0.0001％ 이상으로 한다. 한편, sol.Al 함유량이 1.0000％ 초과에서는, 자속 밀도가 저하되거나, 항복비가 저하되어, 펀칭 가공성이 저하되거나 한다. 따라서, sol.Al 함유량은 1.0000％ 이하로 한다.
여기서, 자속 밀도 B50이란, 5000A/m의 자장에 있어서의 자속 밀도이다.
(S: 0.0100％ 이하)
S는 필수 원소가 아니라, 예를 들어 강 중에 불순물로서 함유되는 원소이다. S는, 미세한 MnS로서 석출됨으로써, 어닐링에 있어서의 재결정 및 결정립의 성장을 저해한다. 따라서, S 함유량은 낮으면 낮을수록 바람직하다. 이러한 재결정 및 결정립 성장의 저해에 의한 철손의 증가 및 자속 밀도의 저하는, S 함유량이 0.0100％ 초과에서 현저하다. 이 때문에, S 함유량은 0.0100％ 이하로 한다. S 함유량의 하한은 특별히 한정되지는 않지만, 정련 시의 탈황 처리의 비용을 근거로 하여, 0.0003％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(N: 0.0100％ 이하)
N은 C와 마찬가지로, 자기 특성을 열화시키는 원소이다. 그 때문에, N 함유량은 낮으면 낮을수록 바람직하다. N 함유량이 0.0100％ 초과이면 그 악영향이 현저해지므로, N 함유량은 0.0100％ 이하로 한다. N 함유량의 하한은 특별히 한정되지는 않지만, 정련 시의 탈질소 처리의 비용을 근거로 하여, 0.0010％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％)
Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, Au는, 이들 원소 중 적어도 1종 또는 복수종을 총계로 0.1000％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 또한, 이들 원소의 함유량은, 전기 저항을 높여서 철손을 낮춘다는 관점에서, 이들 원소 중 적어도 1종 또는 복수종을 총계로 0.2000％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 더욱 바람직하게는 총계로 1.0000％ 이상이다.
한편, 이들 원소의 함유량이 총계로 5.0000％를 초과하면, 고비용이 되고, 자속 밀도가 저하되는 경우도 있다. 따라서, 이들 원소 중 적어도 1종을 총계로 5.0000％ 이하로 한다. 바람직하게는 4.0000％ 이하이다.
(Cr: 0 내지 2.0000％)
Cr은 내식성이나 고주파 특성, 집합 조직을 향상시키는 원소이다. Cr은 함유될 필요는 없고 Cr 함유량의 하한은 0％이다. Cr 함유의 효과는 미량이어도 얻을 수 있지만, 함유의 효과를 확실하게 얻기 위해서는, 함유량은 0.0010％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0020％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.0200％ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 0.1000％ 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다.
한편, Cr 함유량이 2.0000％를 초과하면, Cr이 탄질화물을 생성하고, 그 탄질화물이 결정 입경을 미세화시켜, 철손이 증가한다. 그 때문에, Cr 함유량은 2.0000％ 이하로 한다.
(Sn: 0 내지 0.4000％, Sb: 0 내지 0.4000％, P: 0 내지 0.4000％)
Sn이나 Sb는 냉간 압연, 재결정 후의 집합 조직을 개선하여, 그 자속 밀도를 향상시키는 원소이다. 그 때문에, 이들 원소를 필요에 따라서 함유시킬 수 있다. 자기 특성 등의 향상을 위해서는, 0.0200 내지 0.4000％의 Sn, 0.0200 내지 0.4000％의 Sb, 및 0.0200 내지 0.4000％의 P로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종을 함유하는 것이 바람직하다.
한편, Sn, Sb가, 과잉으로 포함되면 강이 취화된다. 따라서, Sn 함유량, Sb 함유량은 모두 0.4000％ 이하로 한다. 또한, P는 재결정 후의 강판의 경도를 확보하기 위해 함유시킬 수 있지만, 과잉으로 포함되면 강의 취화를 초래한다. 따라서, P 함유량은 0.4000％ 이하로 한다.
(Ti: 0 내지 0.1000％, Nb: 0 내지 0.1000％)
Ti나 Nb는, 고용 C, 고용 N을 석출물로서 고정하여 저감시킴으로써, 냉간 압연, 재결정 후의 집합 조직을 변화시키는 원소이다. 함유에 의해 {111} <211> 방위 강도를 높이고, {411} <011> 방위 강도를 낮추도록 작용한다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는, C 함유량, N 함유량의 당량 이상으로 함유시키는 것이 바람직하고, 일반적으로는 Ti, Nb는 각각, 0.0200％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0400％ 이상 함유시킨다.
단, Ti 함유량, Nb 함유량은, 모두 0.1000％ 이하로 한다.
상술한 바와 같이 함유에 의해 {111} <211> 방위 강도가 높아지고, {411} <011> 방위 강도가 낮아진다. 그 때문에, Ti, Nb는 로터의 철심 소재로 하는 무방향성 전자 강판에 보다 많이 함유시키는 것이 바람직하다.
단, 후술하는 바와 같이, Ti 및/또는 Nb를 0.0100％ 이상 포함하는 경우, 마무리 어닐링 공정을 실시하는 경우에 있어서, 마무리 어닐링의 승온 속도를 100℃/초 이상으로 높이지 않으면 충분한 특성을 얻을 수 없다. 이러한 승온 속도로 하지 않으면, {411} <011> 방위가 발달하지 않는 점에서 바람직하지 않다. 즉, Ti 및/또는 Nb를 포함하는 경우, 제조성이 저하된다. 그 때문에, 이 점에서는, Ti 함유량은 0.0100％ 미만, Nb 함유량은 0.0100％ 미만인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Ti 함유량, Nb 함유량, 후술하는 V 함유량, Zr 함유량의 합계가 0.0100％ 미만이다.
Zr: 0 내지 0.1000％
V: 0 내지 0.1000％
본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 화학 조성은, 상기의 원소에 더하여, 선택 원소로서, V 및/또는 Zr을 더 함유해도 된다.
Zr, V는 모두 재결정을 억제하여, {111} <211> 방위 강도를 높이고, {411} <011> 방위 강도를 낮추는 효과를 갖는 원소이다. 이 효과를 얻는 경우, Zr 함유량, V 함유량은 각각, 0.0100％ 이상인 것이 바람직하다.
한편, Zr 함유량, V 함유량이 0.1000％ 초과이면 강이 취약해진다. 그 때문에, Zr 함유량, V 함유량은 모두 0.1000％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0500％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0100％ 미만이다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에서는, 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 질량％에서의, Nb 함유량, Zr 함유량, Ti 함유량, V 함유량, C 함유량, N 함유량을, Nbs, Zrs, Tis, Vs, Cs, Ns로 하였을 때, 0≥Nbs/93+Zrs/91+Tis/48+Vs/51-(Cs/12+Ns/14)를 충족하는 것이 바람직하다.
이 경우, {411} <011> 방위 강도가 높아진다는 효과가 얻어진다.
하한값은 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 Nbs/93+Zrs/91+Tis/48+Vs/51-(Cs/12+Ns/14)≥-1.55×10-3으로 해도 된다.
또한, 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 질량％에서의, Nb 함유량, Zr 함유량, Ti 함유량, V 함유량, C 함유량, N 함유량을, 각각 Nbr, Zrr, Tir, Vr, Cr, Nr로 하였을 때,
0<Nbr/93+Zrr/91+Tir/48+Vr/51-(Cr/12+Nr/14)<5.0×10-3을 충족하는 것이 바람직하다.
이 경우, {111} <211> 방위 강도가 높아진다는 효과가 얻어진다.
상기 이외의 화학 조성의 잔부는 Fe 및 불순물이다. 본 실시 형태에 있어서 불순물이란, 원료로부터, 또는 제조 공정에서 혼입되고, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기의 특성에 명확한 영향을 주지 않는 원소를 말한다.
불순물로서는, 상술한 원소 외에, 예를 들어 B, O, Mg, Ca, Nd, Bi, W, Mo, Nb, Y가 예시된다. 이들 원소의 함유량은, 예를 들어 각각 0.10％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 불순물 전체로 합계 5.00％ 이하인 것이 바람직하고, 1.00％ 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에 있어서, 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 화학 조성과, 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 화학 조성은, 동일해도 되지만, Si, Ti, Nb는, 상기의 효과를 고려하여, 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 Si 함유량, Ti 함유량, Nb 함유량을, 질량％로, 각각 Sis, Tis, Nbs로 하고, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 Si 함유량, Ti 함유량, Nb 함유량을, 각각 Sir, Tir, Nbr로 하였을 때, Sis/Sir>1.0, Tir/Tis>1.0, Nbr/Nbs>1.0 중 어느 것을 충족하는 것이 바람직하다.
Sis/Sir>1.0, Tir/Tis>1.0, Nbr/Nbs>1.0 중 어느 것을 충족하는 경우, 모터 손실이 보다 저하된다는 효과가 얻어진다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에서는, 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판과 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판의, 모재 강판에 있어서의 Si 함유량, Mn 함유량 및 sol.Al 함유량의 합계의 차가 0.20질량％ 이내(차의 절댓값이 0.20질량％ 이하)인 것이 바람직하다. 이 경우, 동일 소재로부터 스테이터 및 로터를 제작하는 경우를 포함하여, 작업 효율 및 비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.
모재 강판의 화학 조성에 대해서는, 이하의 방법으로 구한다.
공시재의 전체면을 그라인더 등으로 연마하고, 아세톤 세정한 것을 니브라 등으로 잘라서 시료를 제작한다. C와 S에 대해서는 연소-적외선 흡수법으로 측정한다. N에 대해서는 불활성 가스 융해-열 전도도법으로 측정한다. sol.Al에 대해서는, 산 용해-ICP 발광 분광 분석법으로 측정한다. O는 불활성 가스 융해-비분산형 적외선 흡수법으로 측정한다. 그 밖의 원소에 대해서는 ICP 발광 분광 분석법으로 측정한다.
여기서, 표면의 절연 피막은 전술한 바와 같이 연마 등의 기계 가공에 의해 제거해도 되고, 열 알칼리를 사용하여, 화학적으로 제거해도 된다.
또한, 회전 전기 기기에 있어서, 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판, 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 화학 조성을 요구하는 경우, 회전 전기 기기의 해체에 의해, 스테이터 또는 로터로부터 무방향성 전자 강판을 취출하고 나서, 상기의 요령으로 화학 조성을 측정하면 된다.
회전 전기 기기의 해체의 상세한 방법은, 실제의 회전 전기 기기마다 다르지만, 일례를 예시하면, 우선은 회전 전기 기기가 들어가 있는 기계로부터 회전 전기 기기를 취출한다. 그 후, 회전 전기 기기의 하우징(케이스)의 일부를 기계 가공에 의해 떼어낸다. 그리고, 스테이터와 로터를 분리한다. 이때 로터에 영구 자석이 있는 경우는, 자기 흡인력이 발생하고 있기 때문에, 스테이터와 로터 사이에 플라스틱 시트 등의 스페이서를 넣는 것이 바람직하다. 그 후 스테이터를 하우징으로부터 떼어낸다.
스테이터는 권선이 되어 있으므로, 권선을 떼어내거나, 혹은 일부를 절단한다. 스테이터의 적층의 맨 위, 혹은 권선을 절단하였을 때에 대미지를 받은 강판은 제외하고, 그 이외의 개소로부터 샘플을 채취한다. 대부분의 경우, 적층의 체결을 코킹 혹은 용접으로 행하고 있다. 코킹의 경우는 적층된 강판 사이의 공극에 커터의 날을 넣는 등으로 적층을 박리하는 것이 가능하다. 용접의 경우는 핸드 그라인더 등으로 용접부를 절삭함으로써, 적층을 박리하는 것이 가능하다.
로터는 코일 엔드를 전자 강판 이외의 재료로 하고 있는 경우가 많다. 그 때문에, 로터의 길이 중앙 부근에 비자성체의 날을 사용하여 기계 가공에 의해 2개로 분리한다. 그 후, 전술한 스테이터와 마찬가지로 적층을 박리한다. 그 때, 기계 가공의 영향을 받은 개소는 제외하는 것이 바람직하다.
[모재 강판의 평균 결정 입경]
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에서는, 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 평균 결정 입경이, 상기 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 평균 결정 입경보다도 큰 것이 바람직하다.
이 경우, 로터의 쪽이 {111} <211> 방위 강도가 크고, 스테이터의 쪽이 {411} <011> 방위 강도가 커진다는 효과가 얻어진다.
평균 결정 입경은 이하의 방법으로 구할 수 있다.
평균 결정 입경은, 종단면 조직 사진에 있어서, 판 두께 방향 및 압연 방향에 대해서 절단법에 의해 측정한 결정 입경의 평균값을 사용하면 된다. 이 종단면 조직 사진으로서는 광학 현미경 사진을 사용할 수 있고, 예를 들어 50배의 배율로 촬영한 사진을 사용하면 된다. 판 두께 방향은 판 두께의 전체 길이분의 선분을 20개 이상 그어 세는 것이 좋다. 압연 방향은 2㎜의 길이의 선분을 판 두께의 1/4, 1/2, 3/4에 평행하게 그어 세는 것이 좋다.
단, 미재결정의 영역을 포함하는 경우, 재결정한 영역만을 대상으로 하여 상기 방법에 의해 산출하면 된다.
또한, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에서는, 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판이, 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판에 대해, 또한 600℃ 이상으로 열처리를 행하여 얻어진 강판인 것이 바람직하다.
이 경우, 가공에 의해 도입된 변형이 제거됨으로써, 자기 특성이 개선되고, 철심 소재의 자기 특성의 영향을 받기 쉬운 스테이터의 자기 특성의 개선에 의해서 모터 특성이 향상된다는 효과가 얻어진다.
[모재 강판의 두께]
다음으로, 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 두께에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 두께는, 반드시 한정되지는 않지만, 0.50㎜ 이하인 것이 바람직하다. 두께가 0.50㎜ 초과이면, 우수한 고주파 철손을 얻는 것이 어렵다. 철손의 관점에서 판 두께가 얇은 쪽이 유리하기 때문에, 바람직하게는 0.35㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.20㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 0.15㎜ 이하이다.
한편, 제조를 용이하게 한다는 관점에서는, 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 두께는, 0.10㎜ 이상인 것이 바람직하다.
[절연 피막]
본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판은, 모재 강판의 표면에 절연 피막이 형성되어 있다. 이 절연 피막은, 공지의 피막이어도 된다. 예를 들어, Al2O3으로 이루어지는 피막이 예시된다.
<적층 코어>
본 실시 형태에 관한 적층 코어는, 모재 강판과 모재 강판의 표면에 형성된 절연 피막을 포함하고, 모재 강판에 있어서, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 0.5000 내지 4.0000％, sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％, S: 0.0100％ 이하, N: 0.0100％ 이하, Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％, Cr: 0 내지 2.0000％, Sn: 0 내지 0.4000％, Sb: 0 내지 0.4000％, P: 0 내지 0.4000％, Ti: 0 내지 0.1000％, Nb: 0 내지 0.1000％, Zr: 0 내지 0.1000％, V: 0 내지 0.1000％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖고, {111} <211> 방위 강도가, 15 미만이고, {411} <011> 방위 강도가, 2 내지 50인, 무방향성 전자 강판(본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판)이 적층되어 이루어지는 적층 코어(스테이터 코어)이거나, 또는 모재 강판과 모재 강판의 표면에 형성된 절연 피막을 포함하고, 모재 강판에 있어서, 질량％로, C: 0.0100％ 이하, Si: 0.5000 내지 4.0000％, sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％, S: 0.0100％ 이하, N: 0.0100％ 이하, Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％, Cr: 0 내지 2.0000％, Sn: 0 내지 0.4000％, Sb: 0 내지 0.4000％, P: 0 내지 0.4000％, Ti: 0 내지 0.1000％, Nb: 0 내지 0.1000％, Zr: 0 내지 0.1000％, V: 0 내지 0.1000％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖고, {111} <211> 방위 강도가, 2 내지 30이며, {411} <011> 방위 강도가, 1 내지 40인, 무방향성 전자 강판(본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판)이 적층되어 이루어지는 적층 코어(로터 코어)이다.
적층 코어는, 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판을 펀칭하고, 적층하여 접착함으로써 제조된다. 이 공정에서, 화학 조성, 집합 조직은 변화하지 않는다. 그 때문에, 적층 코어가 포함하는 무방향성 전자 강판은, 상술한 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판과, 동일한 화학 조성, 집합 조직을 갖고 있다.
이 점에서도 알 수 있는 바와 같이, 상술한 적층 코어의 화학 조성, 집합 조직은, 무방향성 전자 강판의 모재 강판이었던 부분의 화학 조성, 집합 조직이다.
또한, 이 스테이터 코어, 로터 코어를 조합함으로써, 모터 철심으로 할 수 있다.
[제조 방법]
본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판, 본 실시 형태에 관한 적층 코어, 및 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기의 제조 방법에 대해서 설명한다.
<무방향성 전자 강판의 제조 방법>
먼저, 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판의 제조 방법으로서, 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판 및 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판의 제조 방법을 설명한다.
소정의 {111} <211> 방위 강도 및 {411} <011> 방위 강도를 갖는 무방향성 전자 강판(로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판과 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판은, 바람직한 방위 강도의 범위가 다름)은, 제조 공정에 있어서, 다양한 조건을 제어함으로써 얻을 수 있다.
최초의 예로서, 동일한 화학 조성의 슬래브를 사용하면서, 열간 압연 이후의 제조 조건을 변화시킴으로써, 스테이터의 철심 소재로서 바람직한 무방향성 전자 강판과 로터의 철심 소재로서 바람직한 무방향성 전자 강판을 구분 제작하는 제조 방법의 일례에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판은, 열간 압연, 냉간 압연을 실시하고, 또한 필요에 따라서, 중간 어닐링, 스킨 패스 압연, 마무리 어닐링, 응력 제거 어닐링을 실시하여 모재 강판을 제조함과 함께, 전술한 어느 것의 공정 후에 모재 강판의 표면에 절연 피막의 형성을 실시함으로써 제조된다.
소정의 {111} <211> 방위 강도 및 {411} <011> 방위 강도를 갖는 무방향성 전자 강판은, 제조 공정에 있어서, 다양한 조건을 제어함으로써 얻을 수 있고, 스테이터의 철심 소재로서 바람직한 무방향성 전자 강판과 로터의 철심 소재로서 바람직한 무방향성 전자 강판의 구분 제작은 중간 어닐링, 스킨 패스 압연, 마무리 어닐링의 실시 유무 등에 의해 실현할 수 있다. 여기서, 중간 어닐링이란 냉간 압연과 스킨 패스 압연 사이에 행하는 어닐링이고, 마무리 어닐링이란 스킨 패스 압연 후에 행하는 어닐링을 가리킨다. 이 마무리 어닐링은 강판 메이커에서 행해도, 모터 메이커(가공 메이커)에 의해 철심 펀칭 후에 행해도 된다.
먼저, 상술한 화학 조성을 갖는 강재를 가열하고, 열간 압연을 실시한다. 강재는, 예를 들어 통상의 연속 주조에 의해 제조되는 슬래브이다.
강재의 가열 온도는 한정되지는 않지만, 예를 들어 1000 내지 1350℃의 표준적인 조건을 채용할 수 있다.
열간 압연의 조압연 및 마무리 압연은 Ar1 온도 이상의 온도에서 행한다. 즉, 마무리 압연의 최종 패스를 통과할 때의 온도(마무리 온도)가 Ar1 온도 이상이 되도록 열간 압연을 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 그 후의 냉각에 의해 오스테나이트(γ철)로부터 페라이트(α철)로 변태함으로써 결정 조직은 미세화한다. 결정 조직이 미세화된 상태에서 그 후 냉간 압연을 실시하면, 돌출 재결정(재결정립이 미재결정부에 대하여, 돌출되도록 성장하는 현상, 이후에는 「벌징」이라고 표기하는 경우가 있음)이 발생하기 쉽고, 통상은 성장하기 어려운 {411} <011> 방위의 결정립을 성장시키기 쉽게 할 수 있다. 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판에 있어서 Ar1 온도는, Ac3 온도로 가열한 후의, 1℃/초의 평균 냉각 속도로 냉각 중의 강재(모재 강판)의 열 팽창 변화로부터 구한다. 또한, 본 발명에 사용하는 강판에 있어서 Ac1 온도(γ상으로 변태하는 온도)는, 1℃/초의 평균 가열 속도로 가열 중의 강재(강판)의 열 팽창 변화로부터 구한다.
단, 화학 조성이 비변태계인 경우, 마무리 온도는 850℃ 이상이 바람직하다. 그 이유는, 마무리 온도가 850℃ 미만이면, 열간 압연 시에 강판의 형상의 제어가 어려워지기 때문이다.
그 후, 열연판 어닐링은 행하지 않고 권취한다. 열연판 어닐링을 행하면, {411} <011> 방위가 이후의 공정에서 부화할 수 없게 된다. 권취 시의 온도는, 한정되지는 않지만, 250℃ 초과 700℃ 이하인 것이 바람직하다. 열간 압연 후의 열간 압연 강판을 250℃ 초과 700℃ 이하에서 권취함으로써, 냉간 압연 전의 결정 조직을 미세화할 수 있어, 재결정 시에 자기 특성이 우수한 {411} <011> 방위를 부화할 수 있다는 효과가 얻어진다. 권취 시의 온도는, 400 내지 600℃가 보다 바람직하고, 400 내지 480℃인 것이 더욱 바람직하다.
그 후, 산세를 거쳐, 열간 압연 강판에 대하여 냉간 압연을 행한다. 냉간 압연에서는 압하율을 80.0 내지 92.0％로 하는 것이 바람직하다. 압하율이 높을수록 그 후의 재결정에 의해 {411} <011> 방위의 결정립이 성장하기 쉬워진다.
한편, 압하율이 92.0％ 초과이면, 냉간 압연에서의 부하가 높아져, 비용 증가가 된다.
냉간 압연의 압하율은 후술하는 스킨 패스 압연을 고려하여, 스킨 패스 압연 후에 필요한 제품 판 두께가 되도록 결정된다.
냉간 압연이 종료되면, 계속해서 중간 어닐링을 행한다. 중간 어닐링은 행하지 않아도 된다. 중간 어닐링을 행하는 경우, 중간 어닐링의 온도를 Ac1 온도 미만으로 제어함으로써 재결정율을 1 내지 99％, 바람직하게는 50 내지 99％로 한다.
중간 어닐링의 온도가 너무 낮으면, 벌징이 충분히 발생하지 않고 {411} <011> 방위의 결정립이 충분히 성장하지 않는 것이 우려되기 때문에, 중간 어닐링의 온도는 600℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 중간 어닐링의 온도가 Ac1 온도 이상이 되면, 어닐링 중에 오스테나이트 변태가 발생하고, {411} <011> 방위 이외의 결정 방위를 갖는 결정립의 발생 빈도가 증가하고, 발명 효과가 손상될 우려가 있기 때문에, 중간 어닐링은 Ac1 온도 미만에서 실시한다. 화학 조성이 비변태계인 경우, 중간 어닐링 온도는, 800℃ 이하로 한다. 이러한 중간 어닐링의 시간은, 5 내지 60초로 하는 것이 바람직하다.
재결정율은 중간 어닐링 후의 시점에서, 50％ 이상인 것이 마무리 어닐링이나 응력 제거 어닐링 후에 {411} <011> 방위 입자가 보다 성장하기 쉬워진다는 점에서 바람직하다.
중간 어닐링 후의 강판(무방향성 전자 강판의 모재 강판이 되는 냉연 강판)의 재결정율은 이하의 수순에 의해 특정할 수 있다.
먼저, 강판으로부터 채취한 시료를, 판 두께가 1/2이 되도록(판 두께의 중심이 노출되도록) 표면으로부터 연마하고, 그 연마면을 전자선 후방 산란 회절(EBSD: Electron Back Scattering Diffraction)법에 의해 관찰을 행한다. 그리고 이하의 (a), (b) 중 어느 하나의 조건에서도 충족한 입자를 미재결정부로서 판정하고, 미재결정율=미재결정부의 면적/관찰 시야 전체의 면적으로 계산한다.
(a) 결정립의 입경이 300㎛ 초과의 것.
(b) 결정립의 애스펙트비가 2초과, 즉(압연 방향의 길이)/(압연 방향으로부터 90도의 방향의 길이)>2를 충족하는 것.
중간 어닐링이 종료되면, 다음으로 스킨 패스 압연을 행한다. 스킨 패스 압연은 행하지 않아도 된다. 또한, 중간 어닐링을 행하지 않는 경우, 냉간 압연 후에 스킨 패스 압연을 행하게 된다. 스킨 패스 압연을 행함으로써, {111} <211> 방위 강도가 높아져, 로터의 철심 소재로서 적합한 무방향성 전자 강판이 된다.
스킨 패스 압연의 압하율은, 후술하는 바와 같이 스킨 패스 압연을 행한 강판에 또한 마무리 어닐링을 행한 강판을 스테이터의 철심 소재로 하는 것을 상정하여, 적합한 범위를 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이 벌징이 발생한 강판에 경도의 압연을 행하고, 또한 어닐링을 행하면, 벌징으로 발생한 {411} <011> 방위 결정립이 더욱 성장한다. 이것은 일반적으로 변형 유기 입계 이동(이하, SIBM이라고 표기하는 경우가 있음)으로서 알려져 있는 현상의 일례이다. 이 현상을 활용하기 위해, 스킨 패스 압연의 압하율은 5 내지 25％로 한다. 스킨 패스 압연의 압하율이 5％ 미만이면 강판에 축적되는 변형의 양이 적기 때문에, SIBM이 발생하지 않는다. 한편, 스킨 패스 압연의 압하율이 25％ 초과이면 변형이 너무 많기 때문에, SIBM이 아니라, 재결정핵 생성(Nucleation)이 일어난다. Nucleation에서는 {111} <211> 결정립의 발생 빈도가 높아지기 때문에, 이 강판을 스테이터의 철심 소재로 해 버리면 스테이터의 자기 특성이 열화되어 버린다. 이 시점에서 효과를 충분히 얻는다는 관점에서는, 스킨 패스 압연의 압하율은 5 내지 15％로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 스킨 패스 압하율은 냉간 압연의 압하율(％)을 Rm, 스킨 패스 압연 시의 압하율(％)을 Rs로 한 경우에, 86<Rm+0.2×Rs<92, 또한 5<Rs<20을 충족하도록 냉간 압연 및 스킨 패스 압연의 압하율을 조정하는 것이 바람직하다.
스킨 패스 압연 후의 강판에, 계속해서 마무리 어닐링을 행한다. 마무리 어닐링은 행하지 않아도 된다. 중간 어닐링이나 스킨 패스 압연을 행하지 않는 경우에는, 냉간 압연 후 또는 중간 어닐링 후의 강판에 마무리 어닐링을 행하게 된다.
마무리 어닐링의 효과를 얻는 경우, 스킨 패스 압연 후의 강판에 마무리 어닐링을 행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 마무리 어닐링에 의해, 스킨 패스 압연으로 부여한 변형을 해방시켜, SIBM에 의한 재결정을 일으키는 온도와 시간으로 행할 수 있다. 어닐링 온도가 높을수록 단시간의 처리가 가능해진다. 단, α→γ 변태는 피해야 해고, 온도의 상한은 Ac1 온도 미만으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 온도로서는, 600 내지 Ac1 미만℃, 시간으로서는 0초 초과, 100시간 이하를 예시할 수 있다. 일반적인 연속 어닐링로이면, 700 내지 Ac1 미만℃, 1 내지 300초, 배치 어닐링로이면, 600 내지 Ac1 미만℃, 20 내지 1200분을 예시할 수 있다. 유지 온도와 시간을 적절하게 제어함으로써, 스킨 패스 압연으로 도입한 변형을 SIBM에 의해 충분히 해방할 수 있어, 복잡한 형상으로 펀칭할 때의 휨을 억제할 수 있는 동시에, 결정립이 너무 조대해지는 것을 회피하고, 펀칭 시의 처짐에 의한 펀칭 정밀도의 저하를 억제할 수 있는, 즉 무방향성 전자 강판의 가공성을 향상시킬 수 있다.
스킨 패스 압연을 행하지 않는 경우는, 마무리 어닐링에 의해 변형을 충분히 해방할 수 있기 때문에, 가공성은 애당초 열화되지 않는다.
마무리 어닐링 후의 강판은, {411} <011> 방위 강도가 높아지므로, 스테이터의 철심 소재로서 적합한 무방향성 전자 강판이 된다.
마무리 어닐링의 승온 속도는, {411} <011> 방위 강도를 높이는 점에서, 30℃/초 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 100℃/초 이상, 또는 200℃/초 이상이다. 또한, 300℃/초 이상, 또한 400℃/초 이상, 또는 500℃/초 이상으로 해도 된다.
특히, 모재 강판이 Ti, Nb, V, 또는 Zr을 합계로 0.010％ 이상 포함하는 경우에는, 마무리 어닐링의 승온 속도가 100℃/초 미만이면, {411} <011> 방위 강도가 저하되는 효과가 현저하기 때문에, 승온 속도는 100℃/초 이상이 바람직하다.
일반적인 응력 제거 어닐링에 있어서는, 스테이터에만 응력 제거 어닐링을 실시하였다고 해도, {411} <011> 방위 강도는 그만큼 높아지지 않고, {111} <011> 방위 강도가 높아지기 때문에, 목적으로 하는 스테이터의 철심 소재의 {111} <211> 방위 강도 (A)와 로터의 철심 소재의 {111} <211> 방위 강도 (B)에 대해서 B/A>1.0, 및 스테이터의 철심 소재의 {411} <011> 방위 강도 (C)와 로터의 철심 소재의 {411} <011> 방위 강도 (D)에 대해서 C/D>1.0의 관계를 충족시키는 것이 어렵다. 한편 벌징 및 SIBM을 활용하는 상기 방법에서는, 스테이터만을 어닐링함으로써, {411} <011> 방위가 {111} <211> 방위를 잠식하여 성장하기 때문에, 목적으로 하는 상기 B/A>1.0 및 C/D>1.0의 관계를 충족시키는 데 매우 유리하게 되어 있다.
본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판은, 모터 철심으로 하는 경우, 원하는 철심 부재 형상으로 하기 위해, 성형 가공 등(예를 들어 펀칭)이 행해진다. 그리고, 성형 가공 등에 의해 발생한 변형 등을 제거하기 위해, 응력 제거 어닐링이 실시되는 경우가 있다. 상기 마무리 어닐링은 스테이터 철심의 응력 제거 어닐링으로서 실행해도 된다. 응력 제거 어닐링의 온도를 예를 들어 800℃ 정도로 하고, 응력 제거 어닐링의 시간을 2시간 정도로 하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판은, 냉간 압연, 중간 어닐링, 스킨 패스 압연, 마무리 어닐링 중 마지막으로 실시한 공정 후에, 응력 제거 어닐링 전, 또는 응력 제거 어닐링 후에, 모재 강판의 표면에 절연 피막을 형성한다. 절연 피막 형성의 조건은, 종래의 무방향성 전자 강판의 절연 피막 형성과 마찬가지의 조건을 채용하면 된다.
로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판과 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판의 구분 제작의 다른 예로서, 동일한 화학 조성을 갖는 슬래브에 동일 조건에서(동일한 판으로서) 열간 압연, 냉간 압연, 중간 어닐링, 스킨 패스 압연을 행한 후에, 마무리 어닐링이나 응력 제거 어닐링의 실시의 유무로 구분 제작하는 방법을 들 수 있다. 이 방법은, 스킨 패스 공정까지 실시한 강판을 강판 메이커에서 제조 출하하고, 그 후, 모터 메이커(가공 메이커)에서, 동일한 강판으로부터 로터의 철심 소재와 스테이터의 철심 소재를 펀칭하여(일반적으로 일체 펀칭 등이라고도 호칭됨), 로터 철심은 응력 제거 어닐링을 실시하지 않고 사용하고, 스테이터 철심은 응력 제거 어닐링을 실시하여 사용함으로써, 본 발명의 회전 전기 기기를 제조할 수 있다. 모터 철심 제조의 최종 단계가 되는 응력 제거 어닐링으로 로터의 철심 소재와 스테이터의 철심 소재를 구분 제작하기 때문에, 물류, 강판 처리 및 강판 수율의 점에서 편리하고, 공업적으로는 매우 바람직한 방법이라고 할 수 있다.
즉, 예를 들어 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판을, 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판에 대해, 또한 600℃ 이상으로 열처리(마무리 어닐링 또는 응력 제거 어닐링)를 행하여 얻어진 강판으로 해도 된다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기에 적용 가능한 철심 소재를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기의 로터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판과 스테이터의 철심 소재인 무방향성 전자 강판은, 상기 이외의 방법으로 구분 제작하여 얻어도 된다. 예를 들어, 화학 조성이 다른 강재를 사용하여 제조해도 되고, 열간 압연 조건, 냉간 압연 조건 등에 의해 구분 제작하는 것도 가능하다.
상기에서 설명되어 있지 않은 조건에 대해서는, 공지의 조건을 적절히 채용할 수 있다.
이와 같이 하여 제조되는 전자 강판(무방향성 전자 강판)은, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기의 스테이터의 철심 소재, 또는 로터의 철심 소재로서 적합한 전자 강판이 된다. 기본적으로는, {111} <211> 방위에의 집적이 억제되고, {411} <011> 방위에의 집적이 촉진되도록 제조한 강판은 스테이터의 철심 소재로서 적합한 전자 강판이고, {111} <211> 방위에의 집적이 촉진되도록 제조한 강판은 로터의 철심 소재로서 적합한 전자 강판이 된다. 또한, 모터의 철심을 응력 제거 어닐링하는 경우는, 응력 제거 어닐링에 의한 결정 방위의 변화도 고려한 강판을 적용할 수 있다. 그리고, 각 철심 소재의 방위 강도 (A), (B), (C), (D), (E), (F)가 소정의 관계를 충족하도록 강판을 선정하여 사용함으로써, 본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기를 얻을 수 있다.
화학 조성, 열간 압연 조건, 열연판 열처리 조건, 냉간 압연 조건, 마무리 어닐링 조건 등에서 집합 조직을 구분 제작한 2종의 강판을 각각 스테이터의 철심 소재 또는 로터의 철심 소재로서 사용하는 방법은, 소위 일체 펀칭이 되지 않는 점에서, 전술한 1종의 강판으로부터 스테이터의 철심 소재와 로터의 철심 소재를 펀칭하는 방법과 비교하면 강판 수율의 점에서 불리해지는 경우가 있는 것에는 배려할 필요가 있다. 단, 각각의 강판의 집합 조직을 완전히 독립적으로 제어하는 것이 가능해지기 때문에, 강판을 적절하게 선정하면, 효과의 크기라는 점에서는 유리하기도 하다.
<적층 코어의 제조 방법>
본 실시 형태에 관한 적층 코어는, 상술한 본 실시 형태에 관한 무방향성 전자 강판 중, {111} <211> 방위 강도가, 15 미만이고, {411} <011> 방위 강도가, 2 내지 50인, 무방향성 전자 강판을 스테이터 철심의 소재로서 사용하여 제조하거나, 또는 {111} <211> 방위 강도가, 2 내지 30이며, {411} <011> 방위 강도가, 1 내지 40인, 무방향성 전자 강판을 로터 철심의 소재로서 사용하여 제조한다.
구체적으로는, 스테이터용, 로터용으로 다른 무방향성 전자 강판을 준비하고, 각각을 펀칭에 의해 가공하여 적층시킨다. 또한, 스테이터용, 로터용을 동일한 전자 강판을 사용하여 펀칭에 의해 가공하여 적층시키고, 스테이터용만 응력 제거 어닐링을 실시해도 된다. 펀칭, 적층에 대해서는 공지의 방법이어도 된다.
<회전 전기 기기의 제조 방법>
본 실시 형태에 관한 회전 전기 기기는, 상기의 적층 코어를 제조 후, 공지의 방법으로, 적층 코어에 권선을 하고, 하우징에 넣음으로써 조립하여 제조한다. 이때, 권선과 하우징에 넣는 순번은 반대로 되어도 된다.
실시예
이하, 실시예를 사용하여, 본 발명의 실시 형태를 더욱 설명한다.
실시예에 사용한 조건은 그 확인을 위한 일 조건예이고, 본 발명은 이 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명을 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서 다양한 조건을 채용할 수 있다.
(전자 강판의 제조)
용강을 주조하여 잉곳을 제작하고, 열간 압연, 산세, 냉간 압연을 행하고, 일부의 예에 대해서는, 또한 중간 어닐링, 스킨 패스 압연, 마무리 어닐링의 일 공정 이상을 행하고, 전자 강판(무방향성 전자 강판)을 제작하였다. 얻어진 전자 강판의 각 강종의 화학 조성, 강판의 변태 온도를 표 1에 나타낸다. 화학 조성 중, 표에 명시가 없는 불순물의 함유량은, 각각 0.0010％ 이하, 합계로도 0.10％ 이하였다. Ar1(℃)은 α상으로 변태하는 온도, Ac1(℃)은 γ상으로 변태하는 온도를 나타낸다. α-γ 변태하지 않는(비변태계) 화학 조성에 관해서는 상변태점 온도의 란에 「-」라고 기재하였다. 또한, 표 중의 식 1)의 란은, Nb, Zr, Ti, V, C, N의 질량％에 의한 함유량을 사용한, Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51-(C/12+N/14)의 계산 결과를 나타낸다.
또한, 각종 제조 조건을 표 2-1, 표 2-2에 나타낸다.
또한, 상기의 방법으로 얻어진 전자 강판의 표면에, 공지의 Al2O3으로 이루어지는 절연 피막을 형성하였다. 절연 피막의 두께는 0.5㎛로 하였다.
표 2의 최종 두께는, 표 2의 공정을 끝낸 후의, 모재 강판의 두께이다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2-1]
Figure pct00002
[표 2-2]
Figure pct00003
(모터 제조와 평가)
다음에, 얻어진 전자 강판을 사용하여, 상기의 평가용 모터에 사용하는 스테이터 철심 및 로터 철심을 제조하였다. 그 때, 표 3-1 내지 표 3-4에 나타내는 바와 같이, 일부의 철심에 대해서는 800℃에서 2시간의 응력 제거 어닐링을 행하였다. 그리고, 그들 철심을 조합하여, 평가용 모터를 제조하고, 모터 손실과 소음을 측정하였다.
(평가용 모터)
도 1은 모터의 부분 평면도이다. 모터(300)는 전기 학회 D 모델을 베이스로 하여 제작된 IPM 모터이다. 스테이터 철심(3)의 외경은 112㎜(=54㎜+0.5㎜×2+28.5㎜×2)이고, 로터(302)의 외경은 54㎜이고, 스테이터 철심(3)의 적층 높이는 100㎜이다. 슬롯수는 24슬롯이다. 스테이터 철심(3)은 하우징(301)에 수축 끼워맞춤에 의해 고정된다. 스테이터 철심(3)의 내경은 55㎜φ이고, 로터(302)와 스테이터 철심(3) 사이의 갭은 0.5㎜이다. 스테이터 철심은 24슬롯이고, 스테이터 철심의 티스부에 권회하는 구리선의 1 상당의 권선수는 35턴이고, 로터 자석의 자속 밀도 Br은 1.25T이다.
(모터 손실)
(소음)
본 실시예에 있어서, 파고값(3A)의 권선 전류를 위상각 30도로 흘려, 1500RPM의 회전수로 60분 구동하였을 때의 모터에서 발생하는 손실(모터 손실(W))과 소음을 구하였다.
모터의 손실은, 상기 운전 조건에서 필요한 전력(W)과, 모터의 일량(W)을 구하고, 전력-일량으로 구하였다. 전력은 전력계를 사용하여 측정하였다. 일량은 모터의 끝에 토크계를 부착하고, 토크×회전수로부터 일량을 구하였다. 소음 측정은 암 소음이 16dBA의 무향실 내에서, 소음계를 철심 표면으로부터 0.3m의 위치에 설치하고, 청감 보정으로서 A 특성을 사용하여 행하였다.
소음에 대해서는, 시험 No. 1, 16, 21, 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61의 모터의 운전 시의 소음을 기준으로 하고, 동일한 강종을 사용한 기준에 대한 차분을 평가하였다.
각 철심의 철심 소재의 방위 강도를 모터 손실, 소음(상대값)과 함께 표 3-1 내지 표 3-8에 나타낸다. 여기서 나타내는 방위 강도는, 철심으로 한 후에 응력 제거 어닐링을 행한 경우는, 응력 제거 어닐링 후의 철심 소재에 대한 측정값이다.
[표 3-1]
Figure pct00004
[표 3-2]
Figure pct00005
[표 3-3]
Figure pct00006
[표 3-4]
Figure pct00007
[표 3-5]
Figure pct00008
[표 3-6]
Figure pct00009
[표 3-7]
Figure pct00010
[표 3-8]
Figure pct00011
본 발명의 효과는, 스테이터의 철심 소재와 로터의 철심 소재를 동일한 강판으로 한 모터에 있어서의 모터 손실 및 소음에 대한 상대값으로 평가한다. 스테이터의 철심 소재와 로터의 철심 소재를 다른 강판으로 구성한 모터에 있어서, 동일한 강판(강종 및 제조 조건이 동일한 강판)으로 구성한 모터보다도 모터 손실 및 소음이 작아지는 경우가 발명예가 된다.
표 3-1 내지 표 3-8의 시험 No. 1, 16, 21, 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61은, 스테이터, 로터의 철심 소재가, 동일한 강종이고, 동일한 응력 제거 어닐링 조건의 강판을 사용한 예이고, 이들을 각각, 비교예(기준 A), 비교예(기준 B), 비교예(기준 D), 비교예(기준 F), 비교예(기준 G), 비교예(기준 H), 비교예(기준 I), 비교예(기준 J), 비교예(기준 K), 비교예(기준 L), 비교예(기준 M), 비교예(기준 N), 비교예(기준 O), 비교예(기준 P), 비교예(기준 Q), 비교예(기준 R), 비교예(기준 S), 비교예(기준 T), 비교예(기준 U)로 한다.
시험 No. 1 내지 15는, 표 1에 기재된 강종 A를 사용한 실시예이다. 발명예인 No. 2 내지 7, 10, 11, 15는 기준으로 한 비교예(기준 A)보다도 모터 손실, 소음이 모두 저하되어 있는 것을 알 수 있다.
시험 No. 16 내지 18은, 표 1에 기재된 성분 B를 사용한 실시예이다. 발명예인 No. 17은 냉간 압연 압하율, 발명예인 No. 18은 승온 속도의 변화에 의해 스테이터의 철심 소재의 {111} <211> 방위 강도를 약하게 함과 함께 {411} <011> 방위 강도를 높인 예이다.
또한, 시험 No. 19는 로터의 철심 소재로서 Nb 함유에 의해 {111} <211> 방위 강도를 높인 강판을 적용한 예이다.
발명예 17 내지 19는 기준으로 한 시험 No. 16(비교예(기준 B))보다도 모터 손실, 소음이 모두 저하되어 있는 것을 알 수 있다.
시험 No. 21 내지 25는, 표 1에 기재된 성분 D를 사용한 실시예이다. 발명예인 No. 22 내지 25는 기준으로 한 시험 No. 21(비교예(기준 D))보다도 모터 손실, 소음이 모두 저하되어 있는 것을 알 수 있다.
시험 No. 26은, 강판 소재가 스테이터(D1), 로터(E1)의 조합이다. 로터의 철심 소재로서 Ti 함유에 의해 {111} <211> 방위 강도를 높인 강판을 적용하고 있고, 시험 No. 21(비교예(기준 D))보다도 모터 손실, 소음이 모두 저하되어 있다.
발명예 No. 28, 29, 30은, 스테이터(A1)에 대해, 로터(D1), 로터(V1), 또는 로터(W1)의 조합이다. 이들 예에서는, 로터의 철심 소재에 변태계 소재(저Si 강)를 적용하여 {111} <211> 방위 강도를 높이고 있고, 시험 No. 21(비교예(기준 D))보다도 모터 손실, 소음이 모두 저하되어 있다.
시험 No. 31 내지 32는, 표 1에 기재된 강종 F를 사용한 실시예이다. 발명예인 시험 No. 32는 기준으로 한 시험 No. 31(비교예(기준 F))보다도 모터 손실, 소음이 모두 저하되어 있는 것을 알 수 있다.
시험 No. 33 내지 34는, 표 1에 기재된 강종 G를 사용한 실시예이다. 발명예인 시험 No. 34는 기준으로 한 No. 33(비교예(기준 G))보다도 모터 손실, 소음이 모두 저하되어 있는 것을 알 수 있다.
마찬가지로, 시험 No. 36 내지 62는, 표 1에 기재된 강종 H 내지 U를 사용한 실시예이다.
시험 No. 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62는, 각각, 마찬가지의 강종을 사용한 기준인 시험 No. 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61보다도 모터 손실, 소음이 모두 저하되어 있는 것을 알 수 있다.
한편, 시험 No. 8, 9, 12, 14, 20, 27에서는, 소정의 방위 강도가 얻어지지 않고, 모터 손실, 소음이 기준보다도 떨어져 있었다.
본 발명에 관한 회전 전기 기기는, 스테이터의 철심 소재와 로터의 철심 소재로서, 각각 화학 조성, 열간 압연 조건, 냉간 압연 조건, 어닐링 조건이 적절하게 제어된 다른 강판을 적용함으로써, 모터 손실과 소음에서 우수한 특성을 갖는 것이 된다.
본 발명에 따르면, 모터 손실 및 소음에서 우수한 회전 전기 기기를 제공할 수 있기 때문에, 산업상 매우 유용하다.
3: 스테이터 철심
300: 모터
301: 하우징
302: 로터

Claims (15)

  1. 스테이터와,
    로터와,
    상기 스테이터 및 상기 로터를 수용하는 하우징
    을 갖고,
    상기 스테이터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도인 A가, 15 미만이고, 상기 로터가 포함하는 무방향성 전자 강판의 모재 강판의 {111} <211> 방위 강도인 B가, 2 내지 30이며, 또한 상기 A와 상기 B가, B/A>1.0의 관계를 충족하고,
    상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도인 C가, 2 내지 50이고, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 {411} <011> 방위 강도인 D가, 1 내지 40이며, 또한 상기 C와 상기 D가, C/D>1.0의 관계를 충족하고,
    상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판 및 상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의, 상기 모재 강판이, 각각,
    질량％로,
    C: 0.0100％ 이하,
    Si: 0.5000 내지 4.0000％,
    sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％,
    S: 0.0100％ 이하,
    N: 0.0100％ 이하,
    Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％,
    Cr: 0 내지 2.0000％,
    Sn: 0 내지 0.4000％,
    Sb: 0 내지 0.4000％,
    P: 0 내지 0.4000％,
    Ti: 0 내지 0.1000％,
    Nb: 0 내지 0.1000％,
    Zr: 0 내지 0.1000％,
    V: 0 내지 0.1000％,
    를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판에 있어서, 상기 B와 {111} <011> 방위 강도인 E가, B/E>1.0의 관계를 충족하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판에 있어서, 상기 C와 {100} <011> 방위 강도인 F가, C/F>1.0의 관계를 충족하는
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판과 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의, 상기 모재 강판에 있어서의 Si 함유량, Mn 함유량 및 sol.Al 함유량의 합계의 차가 0.20질량％ 이내이고,
    상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 평균 결정 입경이, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 평균 결정 입경보다도 큰,
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 Si 함유량, Ti 함유량, Nb 함유량을, 질량％로, 각각 Sis, Tis, Nbs로 하고, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 Si 함유량, Ti 함유량, Nb 함유량을, 각각 Sir, Tir, Nbr로 하였을 때,
    Sis/Sir>1.0, Tir/Tis>1.0, Nbr/Nbs>1.0 중 어느 것을 충족하는,
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 Nb 함유량, Zr 함유량, Ti 함유량, V 함유량, C 함유량, N 함유량을, 질량％로, 각각 Nbs, Zrs, Tis, Vs, Cs, Ns로 하였을 때,
    0≥Nbs/93+Zrs/91+Tis/48+Vs/51-(Cs/12+Ns/14)를 충족하는,
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판의 상기 모재 강판의 Nb 함유량, Zr 함유량, Ti 함유량, V 함유량, C 함유량, N 함유량을, 질량％로, 각각 Nbr, Zrr, Tir, Vr, Cr, Nr로 하였을 때,
    0 <Nbr/93+Zrr/91+Tir/48+Vr/51-(Cr/12+Nr/14)<5.0×10-3을 충족하는,
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  8. 모재 강판과
    상기 모재 강판의 표면에 형성된 절연 피막
    을 포함하고,
    상기 모재 강판이,
    질량％로,
    C: 0.0100％ 이하,
    Si: 0.5000 내지 4.0000％,
    sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％,
    S: 0.0100％ 이하,
    N: 0.0100％ 이하,
    Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％,
    Cr: 0 내지 2.0000％,
    Sn: 0 내지 0.4000％,
    Sb: 0 내지 0.4000％,
    P: 0 내지 0.4000％,
    Ti: 0 내지 0.1000％,
    Nb: 0 내지 0.1000％,
    Zr: 0 내지 0.1000％,
    V: 0 내지 0.1000％,
    를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖고,
    상기 모재 강판에 있어서,
    {111} <211> 방위 강도가, 15 미만이고,
    {411} <011> 방위 강도가, 2 내지 50인,
    무방향성 전자 강판.
  9. 모재 강판과
    상기 모재 강판의 표면에 형성된 절연 피막
    을 포함하고,
    상기 모재 강판이,
    질량％로,
    C: 0.0100％ 이하,
    Si: 0.5000 내지 4.0000％,
    sol.Al: 0.0001 내지 1.0000％,
    S: 0.0100％ 이하,
    N: 0.0100％ 이하,
    Mn, Ni, Co, Pt, Pb, Cu, 및 Au로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 복수종: 총계로 0.1000 내지 5.0000％,
    Cr: 0 내지 2.0000％,
    Sn: 0 내지 0.4000％,
    Sb: 0 내지 0.4000％,
    P: 0 내지 0.4000％,
    Ti: 0 내지 0.1000％,
    Nb: 0 내지 0.1000％,
    Zr: 0 내지 0.1000％,
    V: 0 내지 0.1000％,
    를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖고,
    상기 모재 강판에 있어서,
    {111} <211> 방위 강도가, 2 내지 30이며,
    {411} <011> 방위 강도가, 1 내지 40인,
    무방향성 전자 강판.
  10. 제8항에 기재된 무방향성 전자 강판이 적층되어 이루어지는 적층 코어.
  11. 제9항에 기재된 무방향성 전자 강판이 적층되어 이루어지는 적층 코어.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판이, 상기 로터가 포함하는 상기 무방향성 전자 강판에 대해, 또한 600℃ 이상으로 열처리를 행하여 얻어진 강판인,
    것을 특징으로 하는 회전 전기 기기.
  13. 제8항에 기재된 무방향성 전자 강판을 가공하고, 적층하는 공정을 갖는,
    적층 코어의 제조 방법.
  14. 제9항에 기재된 무방향성 전자 강판을 가공하고, 적층하는 공정을 갖는,
    적층 코어의 제조 방법.
  15. 제10항에 기재된 상기 적층 코어와, 제11항에 기재된 상기 적층 코어를 조립하는 공정을 갖는,
    회전 전기 기기의 제조 방법.
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