JP4844139B2 - 永久磁石モータ用電磁鋼板および永久磁石モータ - Google Patents
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Description
本発明は電気自動車等に用いられる永久磁石モータ用電磁鋼板および永久磁石モータに関する。
従来、モータ鉄心用の無方向性電磁鋼板における主要な開発課題は主として透磁率の向上と鉄損の低減であった。
鉄心素材の透磁率が向上することにより、モータのトルクが向上する。これは鉄心の磁束密度増加によって電機子と磁極の間の吸引力および反発力が増加するからである。このため、無方向性電磁鋼板の開発においてはB50と称される磁化力5000A/mでの磁束密度をより高めることを目標に開発が行われてきた。B50を高める手法のひとつとして、合金元素の低減がある。しかし、この場合は渦電流損の増加による鉄損の劣化を招くという難点がある。一方で、{100}面方位などの透磁率特性に有利な方位を増加させ、{111}面方位などの透磁率特性に有害な組織を低減する集合組織の改善する方法がB50の有効な改善方法として知られている。そして、従来の電磁鋼板開発における透磁率の改善は主としてこの集合組織の改善によって行われてきた（例えば、特許文献１）。
このような従来の鉄心材料開発により、鉄損W15/50が2.5W/kgでありながら、1.7T程度のB50を達成する無方向性電磁鋼板が現在開発されている。
鉄心素材の透磁率が向上することにより、モータのトルクが向上する。これは鉄心の磁束密度増加によって電機子と磁極の間の吸引力および反発力が増加するからである。このため、無方向性電磁鋼板の開発においてはB50と称される磁化力5000A/mでの磁束密度をより高めることを目標に開発が行われてきた。B50を高める手法のひとつとして、合金元素の低減がある。しかし、この場合は渦電流損の増加による鉄損の劣化を招くという難点がある。一方で、{100}面方位などの透磁率特性に有利な方位を増加させ、{111}面方位などの透磁率特性に有害な組織を低減する集合組織の改善する方法がB50の有効な改善方法として知られている。そして、従来の電磁鋼板開発における透磁率の改善は主としてこの集合組織の改善によって行われてきた（例えば、特許文献１）。
このような従来の鉄心材料開発により、鉄損W15/50が2.5W/kgでありながら、1.7T程度のB50を達成する無方向性電磁鋼板が現在開発されている。
一方で、磁石モータの磁極となる永久磁石は近年、飛躍的な進歩を遂げており、Sm-Co系磁石やNd-Fe-B系の希土類のような非常に強力な磁石が開発され、実用化されている。このような強力な磁石を用いた場合、鉄心は電機子に電流を流さない場合も磁石の起磁力により高い磁束密度まで磁化されることになる。
さらに近年では、電磁自動車、ハイブリッド電気自動車の駆動用モータ、EPSモータなど、低出力域ばかりでなく、高出力域の出力特性をも同時に必要とするモータ用途が出現しており、高出力時の特性が重視されるようになりつつある。このようなモータでは、現実の使用条件下で達する最大の磁束密度が従来のモータに比べて高く、鉄心の磁束密度はB50値を超える領域にまで達することになる。
上記高出力域の出力特性をも同時に必要とするモータでは高出力を得ようとして磁石強度を強くすると、無負荷時や軽負荷時の鉄損を増加させることになる。そして、運転モードが多用に変化するような場合には平均的な効率の低下に繋がる。また、磁気飽和領域で運転されるモータでは高磁場域でのインダクタンスの低下によって電流やトルクの制御が困難となるという問題も存在する。
上記に対し、磁石強度の飛躍的進歩に伴う鉄心側で生じる弊害を軽減するため、希土類磁石の体積を小さくするという対応が必要になる場合も生じている。このような場合、低下したトルクを補う方法としては磁石トルクと同時にリラクタンストルクを併用するという方法がある。しかしながら、リラクタンストルクの利用率が高くなるほど、ロータとステータ間のギャップを小さくする必要が生じる点や、磁気飽和のために制御が困難となるといった問題点を有している。
特開平７-188871号公報
上記高出力域の出力特性をも同時に必要とするモータでは高出力を得ようとして磁石強度を強くすると、無負荷時や軽負荷時の鉄損を増加させることになる。そして、運転モードが多用に変化するような場合には平均的な効率の低下に繋がる。また、磁気飽和領域で運転されるモータでは高磁場域でのインダクタンスの低下によって電流やトルクの制御が困難となるという問題も存在する。
上記に対し、磁石強度の飛躍的進歩に伴う鉄心側で生じる弊害を軽減するため、希土類磁石の体積を小さくするという対応が必要になる場合も生じている。このような場合、低下したトルクを補う方法としては磁石トルクと同時にリラクタンストルクを併用するという方法がある。しかしながら、リラクタンストルクの利用率が高くなるほど、ロータとステータ間のギャップを小さくする必要が生じる点や、磁気飽和のために制御が困難となるといった問題点を有している。
本発明は、かかる事情に鑑み、無負荷域を含んだ低出力域から高出力域までで使用される磁石モータ用の鉄心材料に関し、無負荷損失や外力にて回転させられる場合の損失を軽減することが可能な永久磁石モータ用電磁鋼板およびその電磁鋼板を用いた永久磁石モータを提案しようとするものである。
発明者らは、上記課題を解決するために、飽和値付近の磁束密度域で使用されるモータで無負荷損失が増加する問題の解決方法を詳細に調査、検討を行った。その結果、以下の知見を得、本発明を完成するに至った。なお、以下において磁束密度を「B」と称し、磁気分極を「J」と称すこととする。なお、磁束密度は実際のモータのトルクを司る量であり、B=J+μ0Hの関係がある（μ0は真空の透磁率、Hは磁化力）。ここで、Ｊは材料の磁化に相当する量であり、高磁化力域ではBとJの乖離が大きくなるため、BとJを区別し、材料の因子としてJを用いることとした。
(1)高出力域（高磁場域）でのトルクを確保しつつ無負荷域での損失を改善するためには、磁石のみで磁化されている場合の磁束密度を下げるのがよい。これは磁束密度の増加によって不可避的に鉄損が増加するからである。一方、高出力を必要とする場合に所望の出力を得るには、モータのコイルに通電した際に十分高い磁束密度にまで達する必要がある。このためには、従来の電磁鋼板での開発指針のように、全ての磁化領域で高い磁束密度とするのではなく、磁石の起磁力程度で生じる磁束密度を低く制限しておき、通電時には高い磁束密度となるのが理想的である。ここで、低磁場域の磁束密度を低下させた場合でも高出力時の最大磁束密度を低下させなければトルクが大幅に低下することはない。ただし、鉄心の内部では位置及び時間的に低磁束密度となる部分・瞬間があり、低磁場域の透磁率低下は若干のトルク低下を生じる可能性がある。このようなトルクの低下に対しては、磁石強度の増加や電流値の増加により補償することが可能である。
(2)外力による回転時の鉄損は従来のような磁束密度により規定される鉄損（例えば、最大磁束密度1.5T、周波数50Hzの鉄損W15/50）ではなく、磁化力で規定する鉄損を一定値以下とするのがよい。これは、外力によってロータが回転させられる場合は、駆動時のようにトルクや制御電圧で磁束密度が規定されるのとは異なり、磁石強度に応じて磁束密度が変化するためであり、磁化力を一定とした条件での鉄損で評価するのが適している。
（3）さらに、高磁場域の磁束密度を保ちながら低磁場域の磁束密度を低下させた電磁鋼板を得るには、従来は磁気特性に不利と考えられていた{111}面方位を一定量増加させることが有効であり、同時に、結晶粒径を増加させることにより鉄損を低減しつつ、所望の磁化曲線を得ることが可能であることがわかった。
本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板であり、磁気特性が以下の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする永久磁石モータ用電磁鋼板。
Ｊ１００≧１．７５Ｔ ―――（１）
Ｊ１０／Ｊ１００≦０．８０ ―――（２）
Ｗ２０≦３．０Ｗ／ｋｇ ―――（３）
ただし、Ｊ１００：磁化力１００００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｊ１０：磁化力１０００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｗ２０：２０００Ａ／ｍ、５０Ｈｚで磁化した場合の鉄損。
［２］ Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板であり、｛１１１｝面方位のＸ線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比が３．５以上９．０以下であり、かつ、平均結晶粒径が４５μｍ以上であることを特徴とする永久磁石モータ用電磁鋼板。
［３］ Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板および永久磁石を用いた磁石モータであって、前記無方向性電磁鋼板の磁気特性は以下の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする永久磁石モータ。
Ｊ１００≧１．７５Ｔ ―――（１）
Ｊ１０／Ｊ１００≦０．８０ ―――（２）
Ｗ２０≦３．０Ｗ／ｋｇ ―――（３）
ただし、Ｊ１００：磁化力１００００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｊ１０：磁化力１０００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｗ２０：２０００Ａ／ｍ、５０Ｈｚで磁化した場合の鉄損。
［４］ Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板および永久磁石を用いた磁石モータであって、前記無方向性電磁鋼板の｛１１１｝面方位のＸ線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比が３．５以上９．０以下であり、かつ、平均結晶粒径が４５μｍ以上であることを特徴とする永久磁石モータ。
［５］ さらに、上記成分に加えて、
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．５〜４ｍａｓｓ％、
Ｓｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、
Ｓｎ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００２〜０．００２ｍａｓｓ％、
Ｎｉ：０．１〜５ｍａｓｓ％、
Ｃｏ：０．２〜３ｍａｓｓ％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％および
Ｃｒ：８ｍａｓｓ％以下
のうちから１種以上を添加した［１］又は［２］に記載の永久磁石モータ用電磁鋼板。
［６］ さらに、上記成分に加えて、
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．５〜４ｍａｓｓ％、
Ｓｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、
Ｓｎ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００２〜０．００２ｍａｓｓ％、
Ｎｉ：０．１〜５ｍａｓｓ％、
Ｃｏ：０．２〜３ｍａｓｓ％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％および
Ｃｒ：８ｍａｓｓ％以下
のうちから１種以上を添加した［３］又は［４］に記載の永久磁石モータ。
［１］Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板であり、磁気特性が以下の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする永久磁石モータ用電磁鋼板。
Ｊ１００≧１．７５Ｔ ―――（１）
Ｊ１０／Ｊ１００≦０．８０ ―――（２）
Ｗ２０≦３．０Ｗ／ｋｇ ―――（３）
ただし、Ｊ１００：磁化力１００００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｊ１０：磁化力１０００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｗ２０：２０００Ａ／ｍ、５０Ｈｚで磁化した場合の鉄損。
［２］ Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板であり、｛１１１｝面方位のＸ線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比が３．５以上９．０以下であり、かつ、平均結晶粒径が４５μｍ以上であることを特徴とする永久磁石モータ用電磁鋼板。
［３］ Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板および永久磁石を用いた磁石モータであって、前記無方向性電磁鋼板の磁気特性は以下の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする永久磁石モータ。
Ｊ１００≧１．７５Ｔ ―――（１）
Ｊ１０／Ｊ１００≦０．８０ ―――（２）
Ｗ２０≦３．０Ｗ／ｋｇ ―――（３）
ただし、Ｊ１００：磁化力１００００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｊ１０：磁化力１０００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｗ２０：２０００Ａ／ｍ、５０Ｈｚで磁化した場合の鉄損。
［４］ Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板および永久磁石を用いた磁石モータであって、前記無方向性電磁鋼板の｛１１１｝面方位のＸ線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比が３．５以上９．０以下であり、かつ、平均結晶粒径が４５μｍ以上であることを特徴とする永久磁石モータ。
［５］ さらに、上記成分に加えて、
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．５〜４ｍａｓｓ％、
Ｓｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、
Ｓｎ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００２〜０．００２ｍａｓｓ％、
Ｎｉ：０．１〜５ｍａｓｓ％、
Ｃｏ：０．２〜３ｍａｓｓ％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％および
Ｃｒ：８ｍａｓｓ％以下
のうちから１種以上を添加した［１］又は［２］に記載の永久磁石モータ用電磁鋼板。
［６］ さらに、上記成分に加えて、
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．５〜４ｍａｓｓ％、
Ｓｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、
Ｓｎ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００２〜０．００２ｍａｓｓ％、
Ｎｉ：０．１〜５ｍａｓｓ％、
Ｃｏ：０．２〜３ｍａｓｓ％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％および
Ｃｒ：８ｍａｓｓ％以下
のうちから１種以上を添加した［３］又は［４］に記載の永久磁石モータ。
なお、本明細書において、鋼の成分を示す%は、すべて質量%である。
本発明によれば、無負荷損失や外力にて回転させられる場合の損失を軽減することが可能となる。よって、本発明の電磁鋼板を低出力から高出力域に渡って使用する場合、モータ鉄損が低減し、高効率のモータを得ることが可能となる。
以下本発明の実施形態をその限定理由とともに詳細に説明する。
まず、本発明の永久磁石モータ用電磁鋼板は無方向性電磁鋼板であり、mass％で、Siを0.1〜4.5%含有することとする。
Siを0.1％以上4.5％以下
Siは電気抵抗率を増加させることにより渦電流損を低減し、鉄損低減に寄与する成分元素である。Si含有量が0.1%を下回ると上記の効果が得られない。一方、4.5%を超えて含有させると圧延性などの加工性を著しく劣化させる。よって、以上よりSi含有量は0.1％以上4.5％以下とする。
Siを0.1％以上4.5％以下
Siは電気抵抗率を増加させることにより渦電流損を低減し、鉄損低減に寄与する成分元素である。Si含有量が0.1%を下回ると上記の効果が得られない。一方、4.5%を超えて含有させると圧延性などの加工性を著しく劣化させる。よって、以上よりSi含有量は0.1％以上4.5％以下とする。
その他の成分については特に限定はしないが、さらなる性能向上等を目的に、以下の条件とすることが好ましい。
Ｃは、磁気時効の問題があるため、０．０２％以下とすることが好ましい。
Ｐは、鋼板の高強度化に有効な元素であるが、０．２％を超えて添加すると鋳造時の中央偏析が生じやすく、また鋼板が脆化し冷間圧延性が低下するため、０．２％以下とすることが好ましい。
Ｍｎは、熱間圧延時の赤熱脆性を防止するために有効な元素であり、好ましくは０．０５％以上で含有させる。一方で、３％を超えると磁束密度を低下させるため、３％以下とすることが好ましい。
Ａｌは、Ｓｉと同様、固有抵抗を上げるために有効な元素であり、好ましくは０．１％以上で含有させる。一方で、３％を超えると飽和磁化が低下するとともに、鋳造性等も低下するため３％以下とすることが好ましい。
さらに、上記成分に加えて、本発明の目的を害さない範囲で、磁気特性の改善を目的として、以下に示す磁気特性改善元素として知られるＣｕ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＣｏおよびＲＥＭを単独または複合で添加することが出来る。
Ｃｕ：０．５〜４％、
Ｓｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｓｎ：０．００５〜０．１％、
Ｂ：０．０００２〜０．００２％、
Ｎｉ：０．１〜５％、
Ｃｏ：０．２〜３％および
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１％
また、Ｃｒに関しては、電気抵抗率を低下させるため、鉄損低減に有利である。ただし、添加量が過大になると飽和磁化を低下させるため、８％以下とすることが望ましい。
Ｃｕ：０．５〜４％、
Ｓｂ：０．００５〜０．０５％、
Ｓｎ：０．００５〜０．１％、
Ｂ：０．０００２〜０．００２％、
Ｎｉ：０．１〜５％、
Ｃｏ：０．２〜３％および
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１％
また、Ｃｒに関しては、電気抵抗率を低下させるため、鉄損低減に有利である。ただし、添加量が過大になると飽和磁化を低下させるため、８％以下とすることが望ましい。
本発明で用いる電磁鋼板は、上記成分からなり、さらに、磁気特性として以下に示す式（１）〜（３）を満たすこととする。これは本発明において最も重要な要件であり、下記式を満たすことにより、永久磁石モータ用として使用した場合に、無負荷損失や外力にて回転させられた場合の損失を軽減することが可能となり、無負荷域を含んだ低出力域から高出力域まで使用することが可能となる。
J100≧1.75T―――（１） ただし、J100：磁化力10000A/mにおける磁気分極
磁石モータは高出力時に直流磁化曲線での磁化力にして5000〜10000A/m付近の磁束密度に達する。従って、高出力駆動条件でのトルクを確保するためには、磁化力10000A/mでの磁気分極を一定値以上とする必要がある。以上より、J100を1.75T以上に規定する。ここで、J100はエプスタイン試験法により、半量をL方向、半量をC方向とした約500gの試料にて測定するのが適当であり、直流磁気試験もしくは50Hz以下の交流磁気試験での最大値により測定するのがよい。
磁石モータは高出力時に直流磁化曲線での磁化力にして5000〜10000A/m付近の磁束密度に達する。従って、高出力駆動条件でのトルクを確保するためには、磁化力10000A/mでの磁気分極を一定値以上とする必要がある。以上より、J100を1.75T以上に規定する。ここで、J100はエプスタイン試験法により、半量をL方向、半量をC方向とした約500gの試料にて測定するのが適当であり、直流磁気試験もしくは50Hz以下の交流磁気試験での最大値により測定するのがよい。
J10/J100≦0.80―――（２） ただし、J10：磁化力1000A/mにおける磁気分極
式（２）は本発明の根幹をなす部分である。J100はモータが高出力で運転されているとき鉄心が到達しうる磁気分極の最高値程度の値を想定したものであり、J10は、低磁場域の磁気分極を規定するものである。そして、J10をJ100に対して一致値以下に制限することにより、磁化の飽和位現象が低磁場域から開始するのを緩和し、低磁場域での過剰な磁束密度増加を防止し、同時に高磁場域でのインダクタンス低下を緩和する。J10/J100が0.80を超える場合は、低磁場域の磁束密度が過剰に増加して無負荷・軽負荷での損失を増加させるとともに、低磁場域から高磁場域での透磁率変化を増加させて高磁場域のインダクタンス低下を顕著にする。よって、本発明においては、J10/J100≦0.80とする。上記の効果をさらに有効に得るためには、J10/J100≦0.70とするのが望ましい。
上記では磁化力1000A/mでの磁気分極J10と10000A/mでの磁気分極J100の比J10/J100を規定した。これは、無方向性電磁鋼板の磁化曲線では磁化力1000A/m付近で磁束密度の増加量が減少し、磁気飽和が起こり始めるため、この付近での磁気分極を低磁場域での磁気分極の指標としたものである。
式（２）は本発明の根幹をなす部分である。J100はモータが高出力で運転されているとき鉄心が到達しうる磁気分極の最高値程度の値を想定したものであり、J10は、低磁場域の磁気分極を規定するものである。そして、J10をJ100に対して一致値以下に制限することにより、磁化の飽和位現象が低磁場域から開始するのを緩和し、低磁場域での過剰な磁束密度増加を防止し、同時に高磁場域でのインダクタンス低下を緩和する。J10/J100が0.80を超える場合は、低磁場域の磁束密度が過剰に増加して無負荷・軽負荷での損失を増加させるとともに、低磁場域から高磁場域での透磁率変化を増加させて高磁場域のインダクタンス低下を顕著にする。よって、本発明においては、J10/J100≦0.80とする。上記の効果をさらに有効に得るためには、J10/J100≦0.70とするのが望ましい。
上記では磁化力1000A/mでの磁気分極J10と10000A/mでの磁気分極J100の比J10/J100を規定した。これは、無方向性電磁鋼板の磁化曲線では磁化力1000A/m付近で磁束密度の増加量が減少し、磁気飽和が起こり始めるため、この付近での磁気分極を低磁場域での磁気分極の指標としたものである。
なお、J100、J10はエプスタイン試験法により、半量をL方向、半量をC方向とした約500gの試料にて測定するのが適当であり、直流磁気試験もしくは50Hz以下の交流磁気試験での最大値により測定するのがよい。
W20≦3.0W/kg―――（３） ただし、W20：2000A/m、50Hzで磁化した場合の鉄損
前記のように、無負荷・軽負荷時およびモータが外力によって回転させられている場合、磁石モータでは磁石が鉄心を磁化させることによる損失が発生する。無負荷時の鉄心の磁化による鉄損の発生を抑制するためには、上記で規定したように、J10を低くするとともに、一定の磁化力で磁化された場合の鉄損を低位に保つのが良い。さらに2000A/m付近での鉄損を3.0W/kg以下とすることで、磁石モータが外力により回転させられている際の鉄損を低減することが可能となる。よって、本発明においては、W20≦3.0W/kgとする。なお、W20≦3.0W/kgは、例えば、結晶粒径などを適正化することにより達成可能となる。
前記のように、無負荷・軽負荷時およびモータが外力によって回転させられている場合、磁石モータでは磁石が鉄心を磁化させることによる損失が発生する。無負荷時の鉄心の磁化による鉄損の発生を抑制するためには、上記で規定したように、J10を低くするとともに、一定の磁化力で磁化された場合の鉄損を低位に保つのが良い。さらに2000A/m付近での鉄損を3.0W/kg以下とすることで、磁石モータが外力により回転させられている際の鉄損を低減することが可能となる。よって、本発明においては、W20≦3.0W/kgとする。なお、W20≦3.0W/kgは、例えば、結晶粒径などを適正化することにより達成可能となる。
なお、上記無方向性電磁鋼板を得るための本発明の一実施形態としては、{111}面方位のX線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比が3.5以上9.0以下であり、かつ、平均結晶粒径が45μm以上である無方向性電磁鋼板が挙げられる。以下、この点について詳細に説明する。
{111}面方位のX線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比が3.5以上9.0以下
上記式（２）であるJ10/J100≦0.80を達成するためには、J10〜J50付近の磁束密度を低下させる作用を有する面方位{111}を適度に含むのが良い。従来はこのような磁化に悪影響を及ぼす方位は出来るだけ低減することが望ましいとされたが、本発明はこのような従来知見に反して、このような方位を適度に含むものであり、本発明は、高出力の特性を重視する磁石モータにおいては面方位{111}を適度に含むことが有利であるとの知見を初めて得たものである。このような効果を得るためには、{111}面方位のランダム強度に対する比が3.5以上とする。一方、9.0を越えると上記式（１）であるJ100が低下して1.75Tを下回る。よって、{111}面方位のX線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比は3.5以上9.0以下とする。なお、板厚方向で集合組織が変化しているような場合は、全板厚の平均値で上記範囲を規定する。
上記式（２）であるJ10/J100≦0.80を達成するためには、J10〜J50付近の磁束密度を低下させる作用を有する面方位{111}を適度に含むのが良い。従来はこのような磁化に悪影響を及ぼす方位は出来るだけ低減することが望ましいとされたが、本発明はこのような従来知見に反して、このような方位を適度に含むものであり、本発明は、高出力の特性を重視する磁石モータにおいては面方位{111}を適度に含むことが有利であるとの知見を初めて得たものである。このような効果を得るためには、{111}面方位のランダム強度に対する比が3.5以上とする。一方、9.0を越えると上記式（１）であるJ100が低下して1.75Tを下回る。よって、{111}面方位のX線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比は3.5以上9.0以下とする。なお、板厚方向で集合組織が変化しているような場合は、全板厚の平均値で上記範囲を規定する。
結晶粒径45μm以上
無負荷・軽負荷時の鉄損を低減するためには、この状態での鉄心の磁束密度（または磁気分極）を低下させることが有効である。しかし、界磁に永久磁石を使用する限りはこれを無くすることは出来ない。そのため、材料そのものの鉄損を低減することに着目した。そして、実際に材料そのものの鉄損を低減したところ、無負荷・軽負荷時の鉄損が低減することを確認した。材料そのものの鉄損低減の手法としては結晶粒径を粗大化させることが有効である。{111}面方位を上述の範囲としながらW20≦3.0W/kgを達成するためには、結晶粒径は、平均結晶粒径として45μm以上とする必要がある。なお、平均結晶粒径は、十分広い断面（面積S）にて観察される結晶粒の数をNとするとき、円相当径として、以下の式にて定義することとする。
無負荷・軽負荷時の鉄損を低減するためには、この状態での鉄心の磁束密度（または磁気分極）を低下させることが有効である。しかし、界磁に永久磁石を使用する限りはこれを無くすることは出来ない。そのため、材料そのものの鉄損を低減することに着目した。そして、実際に材料そのものの鉄損を低減したところ、無負荷・軽負荷時の鉄損が低減することを確認した。材料そのものの鉄損低減の手法としては結晶粒径を粗大化させることが有効である。{111}面方位を上述の範囲としながらW20≦3.0W/kgを達成するためには、結晶粒径は、平均結晶粒径として45μm以上とする必要がある。なお、平均結晶粒径は、十分広い断面（面積S）にて観察される結晶粒の数をNとするとき、円相当径として、以下の式にて定義することとする。
以上からなる本発明の無方向性電磁鋼板を製造するにあたっては、まず、転炉あるいは電気炉などにて、前記した所定成分に溶製された鋼を、連続鋳造あるいは造塊後の分塊圧延により鋼スラブとする。次いで、得られたスラブを熱間圧延し、必要に応じて熱延坂焼鈍を施し、一回あるいは中間焼鈍を挟む二回以上の冷間圧延あるいは温間圧延を施して製品板厚とし、仕上げ焼鈍を施し、その後、時効処理を施す。さらに、仕上げ焼鈍後のいずれかの段階において、必要に応じて絶縁被膜の塗布および焼き付け処理を行う。
本発明では、適正な成分の素材について、前記したJ10、J100およびW20の特性を考慮し、その成分に応じて前記の各特性が前記(1)〜(3)の式を満たす、もしくは仕上げ焼鈍後の電磁鋼板が所定の集合組織強度、結晶粒径を満たすように、前記の各工程条件を決定する必要がある。特に、熱延板焼鈍、中間焼鈍、仕上げ焼鈍等の焼鈍温度をそれぞれ変化させ、前記(1)〜(3)の式を満たす、もしくは仕上げ焼鈍後の電磁鋼板が所定の集合組織強度、結晶粒径を満たすか否かを判定し、各焼鈍温度を決定することが好ましい。
本発明の電磁鋼板を磁石モータに適用するにあたっては、交番磁束による鉄損の発生量が大きい部分に使用するのが効果的である。すなわち、ブラシタイプのモータでは回転子、ブラシレスＤＣモータでは固定子用の鋼板とするのがよい。なお、上記以外の鉄心部分への適用も本発明の効果を妨げるものではない。
Si：3.0%、Mn：0.5%、Al：0.3%を主成分として含有する珪素鋼スラブを製造し、熱間圧延により2.5mmの熱延板とした後、表1に示す条件にて熱延板焼鈍を行った。次いで、冷間圧延により板厚0.35mmとした後、表1に示す条件にて仕上げ焼鈍を行い、さらに絶縁コーティングを塗布し、供試材を得た。得られた供試材から、約500gのエプスタイン試験片を圧延方向および圧延直角方向から半量づつ切り出し、JIS C2550に基づき磁気測定を行った。また、前記供試材である電磁鋼板からモータ鉄心を製造し、希土類磁石を使用したブラシレスDCモータ（分布巻き希土類磁石IPM、定格出力300W）とした後、無負荷損失を測定した。以上により得られた結果を条件と併せて表1に示す。
表１より、本発明例では無負荷損失の低いモータが得られていることがわかる。特に、J10/J100を0.70以下とした場合に、より一層低い無負荷損失が得られていることがわかる。一方、比較例では、J100≧1.75T、J10/J100≦0.80、W20≦3.0W/kgのいずれか一つ以上が外れており、また、{111}面方位のX線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比、平均結晶粒径のいずれか一つ以上も本発明範囲外となっているため、無負荷損失が高くなっている。
例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車の駆動用モータ、EPSモータなど、高出力域の出力特性をも同時に必要とするモータ用途に使用可能である。
Claims (6)
- Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板であり、磁気特性が以下の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする永久磁石モータ用電磁鋼板。
Ｊ１００≧１．７５Ｔ ―――（１）
Ｊ１０／Ｊ１００≦０．８０ ―――（２）
Ｗ２０≦３．０Ｗ／ｋｇ ―――（３）
ただし、Ｊ１００：磁化力１００００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｊ１０：磁化力１０００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｗ２０：２０００Ａ／ｍ、５０Ｈｚで磁化した場合の鉄損。 - Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板であり、｛１１１｝面方位のＸ線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比が３．５以上９．０以下であり、かつ、平均結晶粒径が４５μｍ以上であることを特徴とする永久磁石モータ用電磁鋼板。
- Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板および永久磁石を用いた磁石モータであって、前記無方向性電磁鋼板の磁気特性は以下の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする永久磁石モータ。
Ｊ１００≧１．７５Ｔ ―――（１）
Ｊ１０／Ｊ１００≦０．８０ ―――（２）
Ｗ２０≦３．０Ｗ／ｋｇ ―――（３）
ただし、Ｊ１００：磁化力１００００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｊ１０：磁化力１０００Ａ／ｍにおける磁気分極、Ｗ２０：２０００Ａ／ｍ、５０Ｈｚで磁化した場合の鉄損。 - Ｓｉを０．１〜４．５ｍａｓｓ％、Ｃを０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｎを０．０５〜３ｍａｓｓ％以下、Ａｌを０．１〜３ｍａｓｓ％以下、含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物である無方向性電磁鋼板および永久磁石を用いた磁石モータであって、前記無方向性電磁鋼板の｛１１１｝面方位のＸ線反射面強度のランダム集合組織強度に対する比が３．５以上９．０以下であり、かつ、平均結晶粒径が４５μｍ以上であることを特徴とする永久磁石モータ。
- さらに、上記成分に加えて、
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．５〜４ｍａｓｓ％、
Ｓｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、
Ｓｎ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００２〜０．００２ｍａｓｓ％、
Ｎｉ：０．１〜５ｍａｓｓ％、
Ｃｏ：０．２〜３ｍａｓｓ％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％および
Ｃｒ：８ｍａｓｓ％以下
のうちから１種以上を添加した請求項１又は２に記載の永久磁石モータ用電磁鋼板。 - さらに、上記成分に加えて、
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、
Ｃｕ：０．５〜４ｍａｓｓ％、
Ｓｂ：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、
Ｓｎ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、
Ｂ：０．０００２〜０．００２ｍａｓｓ％、
Ｎｉ：０．１〜５ｍａｓｓ％、
Ｃｏ：０．２〜３ｍａｓｓ％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０１ｍａｓｓ％および
Ｃｒ：８ｍａｓｓ％以下
のうちから１種以上を添加した請求項３又は４に記載の永久磁石モータ。
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