JP5444812B2

JP5444812B2 - 高速モータ用コア材料

Info

Publication number: JP5444812B2
Application number: JP2009103754A
Authority: JP
Inventors: 善彦尾田; 雅昭河野; 藤田　　明; 善彰財前; 信勇志賀; 多津彦平谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: JP2010259158A

Description

本発明は、例えば、電気自動車用モータ等に用いられる高速モータ用コア材料に関する。

ハイブリッド電気自動車用のモータは小型化の観点より高速回転が指向されており、その駆動周波数は数ｋＨｚとなるものもある。さらにＰＷＭ制御等ではキャリア波の周波数は数１０ｋＨｚになる。このためコア材料として数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの高周波域で鉄損の低い電磁鋼板が要望されている。

ところで、ハイブリッド電気自動車モータでは、高効率化の観点からロータ内部に永久磁石を埋め込んだ内部磁石型モータ（ＩＰＭモータ）が多く使用されている。このようなＩＰＭモータでは遠心力により磁石がロータの径方向に飛び出そうとする力が加わるため、ロータには鉄損以外に強度に優れていることも要望されている。

このような強度が要求されるロータ用材料として、例えば、特許文献１にはＭｎ、Ｎｉのうち１種または２種を０．３≦Ｍｎ＋Ｎｉ＜１０％の範囲で含有し、Ｎｂ、Ｚｒのうち、１種または２種を制御して、０．１＜（Ｎｂ＋Ｚｒ）／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０とした降伏強度（ＹＰ）≧７０ｋｇｆ／ｍｍ^２の高張力電磁鋼板が開示されている。しかしこのような高張力電磁鋼板では強度は高いものの鉄損が高いという問題を有していた。

特公平４−７２９０４号公報

しかしこのような高張力電磁鋼板では強度は高いものの鉄損が高いという問題を有していた。本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、強度と鉄損とのバランスに優れた高速モータ用コア材料を提供することを目的とする。

本発明者らが高周波モータの鉄損と強度を両立する手法について鋭意検討したところ、鋼板表層部のＳｉ量を高めることや結晶粒径の調整等により高周波鉄損を低減し、鋼板内層部に強度の高い鋼を組み合わせることにより高周波鉄損を低減しつつ、高強度化も可能になることを知見した。
本発明の要旨は以下の通りである。

第一の発明は、表層部が質量％で、Ｓｉ：２〜７％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる珪素鋼からなり、内層部の降伏強度が表層部の降伏強度より高くかつ５００ＭＰａ以上の鋼からなり、表層両側厚の全厚に対する比率を０．１〜０．７とし、同板厚・単層で測定した際の鉄損（Ｗ２／１０Ｋ）について、表層部を内層部よりも低くしたことを特徴とする磁気特性と強度に優れた高速モータ用コア材料である。

第二の発明は、表層部が質量％で、Ｓｉ：２〜７％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる珪素鋼からなり、内層部がＳｉ：５％以下、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼からなり、表層両側厚の全厚に対する比率を０．１〜０．７とし、前記内層部の鋼の降伏強度を表層部の降伏強度より高くかつ５００ＭＰａ以上とし、同板厚・単層で鉄損を測定した際のＷ２／１０Ｋについて、表層部を内層部よりも低くしたことを特徴とする磁気特性と強度に優れた高速モータ用コア材料である。

第三の発明は、表層部が質量％で、Ｓｉ：２〜７％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる結晶粒径４０〜３００μｍの珪素鋼からなり、内層部がＳｉ：５％以下、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる結晶粒径３０μｍ以下の鋼からなり、表層両側厚の全厚に対する比率を０．１〜０．７とし、前記内層部の鋼の降伏強度が表層部の降伏強度より高くかつ５００ＭＰａ以上であることを特徴とする磁気特性と強度に優れた高速モータ用コア材料である。

第四の発明は、さらに、表層部、内層部ともに、質量％で、Ｍｎ：０．０５〜２％、Ａｌ：３％以下の中から選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気特性と強度に優れた高速モータ用コア材料である。

本発明によれば、強度と鉄損バランスに優れた高速モータ用コア材料が得られる。

高速モータ用コア材料の表層部Ｓｉ量と鉄損との関係を説明する図である。高速モータ用コア材料の複層比と強度鉄損バランスとの関係を説明する図である。

本発明を実験結果に基づいて詳細に説明する。

最初に電磁鋼板の板厚方向の組織最適化によるモータコアの強度−鉄損バランスの向上について検討するため、３．５％Ｓｉ鋼の結晶粒径を３５μｍとすることにより降伏強度を５３０ＭＰａとした鋼（鋼種Ａ、板厚０．２４５ｍｍ）の表層両側にＳｉ＝３．５％、結晶粒径１２０μｍ（降伏強度３５０ＭＰａ）の鋼板（鋼種Ｂ、板厚０．１０５ｍｍ）を圧着により接合し、全厚を０．３５ｍｍ（複層比：表層両側厚／全厚＝０．３）とした複層鋼板を作製した。

次いで、貼り合わせ時の歪みを除去するため６００℃で２Ｈｒの歪取り焼鈍を行い、本材料より長さ２８０ｍｍ、幅３０ｍｍのエプスタインサンプルをＬ方向およびＣ方向から切り出し磁気特性を測定した。また、ＪＩＳ１３号Ａ試験片をＬ方向から切り出し、引張り試験を行った。また、比較として、３．５％Ｓｉ、降伏強度３５０ＭＰａ単層鋼板（板厚０．３５ｍｍ）および降伏強度５３０ＭＰａ単層鋼板（板厚０．３５ｍｍ）も作製した。

表１にそれぞれの材料の鉄損と強度を示す。ここで、強度−鉄損バランスを示す指標として降伏応力を鉄損で割った値である、強度／鉄損比（ＹＳ／Ｗ２／１０ｋ）を用いた。

鋼種Ａでは強度は高いものの、高周波鉄損が高いため、強度／鉄損比は低く、一方、鋼種Ｂでは鉄損は低いものの、強度も低いため、強度／鉄損比が低くなっていることがわかる。これに対し、複層鋼板では強度−鉄損バランスに優れており、強度／鉄損比の値が高くなっていることがわかる。これは、高周波励磁を行った場合、磁束は鋼板の表層部に集中するため、鋼板表層部のみ固有抵抗の高い材料であればよいためであり、板厚中心部は必ずしも固有抵抗の高い材料である必要はなく、強度の高い材料を用いることにより優れた強度−鉄損バランスが得られたものと考えられる。

次に表層部のＳｉ量について検討するため、高強度材（降伏強度５３０ＭＰａ）の表層両側にＳｉを０．５〜５．５％まで変化させた鋼板を圧着により接合し、全厚を０．３５ｍｍ（複層比：表層両側厚／全厚＝０．３）とした。引き続き、貼り合わせ時の歪みを除去するため６００℃で２Ｈｒの歪取り焼鈍を行い、その後、幅３０ｍｍ、長さ２８０ｍｍのエプスタインサンプルを切り出し磁気特性を評価した。

図1に表層部Ｓｉ量と鉄損Ｗ２/１０Ｋとの関係を示す。これより表層Ｓｉ量２％以上で鉄損が低下していることがわかる。これは磁束が集中する表層部の固有抵抗が増大したために渦電流損が低下したためと考えられる。
以上より鋼板表層部のＳｉ量は２％以上、好ましくは３％以上とする。一方、Ｓｉ量が７％を超えた場合には温間圧延を行っても板破断を防止することが困難であるため上限を７％とする。

次に複層比の影響について検討するため、４．５％Ｓｉ鋼の結晶粒径を２５μｍとすることにより降伏強度を６１０ＭＰａとした種々の板厚の鋼（鋼種Ａ）の表層両側にＳｉを３．５％、結晶粒径を１２０μｍ（降伏強度３５０ＭＰａ）とした種々の板厚の鋼板（鋼種Ｂ）を圧着により接合し、複層比（表層両側厚／全厚）を０．０５〜０．８とした材料を作製した。

ここで、全厚は複層比によらず０．３５ｍｍ一定とした。引き続き、貼り合わせ時の歪みを除去するため６００℃で２Ｈｒの歪取り焼鈍を行い、本材料より長さ２８０ｍｍ、幅３０ｍｍのエプスタインサンプルをＬ方向およびＣ方向から切り出し磁気特性を測定した。

図２に複層比と強度/鉄損比との関係を示す。これより複層比が０．１〜０．７の場合に強度鉄損比が高くなっていることがわかる。これは表層の高抵抗部が０．１以下では鉄損が高くなるため強度鉄損比が低下し、一方、複層比が０．７以上では強度が低下するため強度鉄損比が低下したためと考えられる。以上より複層比は０．１〜０．７とする。

ここで内層材として用いる鋼の降伏強度は５００ＭＰａ以上、好ましくは６００ＭＰａ以上とする。これは、内層材の降伏強度が５００ＭＰａ以下の場合には複層材として十分な強度を得ることができず、例えば、ＩＰＭモータのロータ材として使用した場合、磁石の飛散を防止することができないためである。高強度とするための手法としては特に限定する必要はないが、例えば結晶粒微細化を用いる場合には結晶粒径を４０μｍ以下とすることにより高強度化が達成できる。

なお、内層材としてＳｉ＞５％で降伏強度≧５００ＭＰａを満たす鋼を用いた場合には、材料が脆くなり、モータコア打ち抜き時にコアに割れが生じる可能性が高くなる。このため、内層鋼はＳｉ≦５％とすることが好ましい。

表層材、内層材ともに、さらに、Ｍｎ：０．０５〜２％、Ａｌ：３％以下の中から選ばれる１種または２種を含有してもよい。

Ｍｎ：０．０５〜２％
Ｍｎは、赤熱脆化を抑制するために、０．０５％以上の含有が必要である。一方、２％を超えると、飽和磁化が低下するため上限を２％とした。

Ａｌ：３％以下
Ａｌは、固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、３％を超えると飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度が低下するため、上限を３％とした。なお、下限は規定しないが、固有抵抗上昇の観点からは０．２％以上であることが好ましい。

一方、表層材として用いる鋼の結晶粒径は低鉄損の観点から４０μｍ〜３００μｍが好ましい。

次に本発明の製造方法について述べる。

本発明においては、表層部に鉄損の低い高Siの材料を形成し、内層部には強度の高い材料を形成することが重要である。そのための手法として、例えば、鉄損の低い高Si鋼と高強度鋼の冷延鋼板を圧着等により貼り合わせることにより複層鋼板を得ることができる。
それ以外の手法として、仕上げ焼鈍時の粒成長性が異なるように成分調整した材料を転炉で吹練し、溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、引き続き鋳造を行いスラブとした後、所定の複層比となるように貼り合わせ、その後、スラブを通常の方法にて熱間圧延、次いで、一回の冷間または温間圧延、もしくは中間焼鈍をはさんだ2回以上の冷間または温間圧延により所定の板厚とした後に、仕上焼鈍を行うことにより本発明の複層鋼板を得ることも可能である。

ここで、熱間圧延時の仕上温度、巻取り温度は特に規定する必要はなく、通常でかまわない。また、熱延後の熱延板焼鈍は行っても良いが必須ではない。
さらには、細粒珪素鋼板の表層のみ脱炭等により結晶粒粗大化を図ることにより鉄損を低減し、鋼板中央部を細粒に保つことにより高強度としても構わない。

表2に示す表層鋼と内層鋼を圧着により複層鋼板とし、圧着時の歪みを除去するため６００℃×２ｈｒの歪取り焼鈍を行った。表層部、内層部の結晶粒径はＪＩＳＧ０５５２の切断法により求めた。磁気測定は２５ｃｍエプスタイン試験片を用いＪＩＳ C ２５５０に準拠して行った。降伏強度はＪＩＳ１３号Ａ験片を用いJIS Z ２２０１に準拠して行った。打ち抜き試験は、クリアランス５％の金型にて直径１００ｍｍの円形状サンプルを打ち抜き、外周部の割れの有無を調査した。

表２から明らかなように、複層化していない鋼Ｎｏ．1および鋼Ｎｏ．2では、降伏強度ＹＳを高めようとすると鉄損が劣化し、高い降伏強度と低鉄損とを両立することができない。内層鋼種のＹＳが低い鋼Ｎｏ．3および鋼Ｎｏ．18や、表層厚の比率が高い鋼Ｎｏ．9では複層材のＹＳが低くなっている。一方、表層の鉄損Ｗ２／１０Ｋが内層より高い鋼Ｎｏ．10、鋼Ｎｏ．22および鋼Ｎｏ．25や表層厚の比率が低い鋼Ｎｏ．5では複層材の鉄損が高くなっている。なお、Ｎｏ．26は内層よりも表層の降伏強度が高く、打抜時に割れが生じている。

これに対して、本発明の条件を満たす鋼では強度／鉄損比が高くなり、複層材として高強度と低鉄損が両立された材料が得られており、打抜時の割れも発生していない。

Claims

表層部が質量％で、Ｓｉ：２〜７％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる珪素鋼からなり、内層部の降伏強度が表層部の降伏強度より高くかつ５００ＭＰａ以上の鋼からなり、表層両側厚の全厚に対する比率を０．１〜０．７とし、同板厚・単層で測定した際の鉄損（Ｗ２／１０Ｋ）について、表層部を内層部よりも低くしたことを特徴とする磁気特性と強度に優れた高速モータ用コア材料。
表層部が質量％で、Ｓｉ：２〜７％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる珪素鋼からなり、内層部がＳｉ：５％以下、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼からなり、表層両側厚の全厚に対する比率を０．１〜０．７とし、前記内層部の鋼の降伏強度を表層部の降伏強度より高くかつ５００ＭＰａ以上とし、同板厚・単層で鉄損を測定した際のＷ２／１０Ｋについて、表層部を内層部よりも低くしたことを特徴とする磁気特性と強度に優れた高速モータ用コア材料。
表層部が質量％で、Ｓｉ：２〜７％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる結晶粒径４０〜３００μｍの珪素鋼からなり、内層部がＳｉ：５％以下、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる結晶粒径３０μｍ以下の鋼からなり、表層両側厚の全厚に対する比率を０．１〜０．７とし、前記内層部の鋼の降伏強度が表層部の降伏強度より高くかつ５００ＭＰａ以上であることを特徴とする磁気特性と強度に優れた高速モータ用コア材料。
さらに、表層部、内層部ともに、質量％で、Ｍｎ：０．０５〜２％、Ａｌ：３％以下の中から選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気特性と強度に優れた高速モータ用コア材料。