JP4283354B2 - 電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板の製造方法に関するもので、特に、電気自動車メインモータ用途に最適な高トルクとバッテリー消費電力の少ない無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供する。
【0002】
【従来の技術】
地球環境の観点から近年のエネルギー多消費文明の弊害が問題視されている。このため、無方向性電磁鋼板の使用される電気機器の分野で更なる消費電力の低減が求められている。特に、近年、排ガスの問題からガソリン消費量の少ない電気自動車が大いに注目されている。電気自動車用の駆動モータ、即ち、メインモータに求められる性能としては、例えば、日本能率協会主催の’92モータ技術シンポジュウム、’92モータゼネラルセッション(1992.4.23,幕張メッセ)に報告がされている。
【0003】
モータ重量低減のための起動時や低速運転時での高トルク、即ち、高磁束密度無方向性電磁鋼板であり、また高速道路等での高速回転、即ち高周波(400Hz程度)での高効率、低鉄損無方向性電磁鋼板である。
【0004】
従来、電気自動車用の駆動モータのコア、即ち、無方向性電磁鋼板としては、例えば特開平8−49044号公報が知られている。しかしながら、その発明における鉄損(W15/50 およびW5/1000)並びに磁束密度B50の関係は、従来の例えば、出願人の無方向性電磁鋼板の商品カタログの範疇を一歩も出るものではないし、特に、W15/50 とB50との関係が不満で、鉄損の割には磁束密度が低い問題があった。具体的には、実施例にある如く、2%Si系での0.35mm厚、W15/50 =2.96w/kg、B50=1.68Tや1.2%Si系での0.35mm厚、W15/50=3.80w/kg、B50=1.62T、同じく0.50mm厚、W15/50 =5.00w/kg、B50=1.63Tなどである。このため、電気自動車の駆動モータとしては、大きなサイズとなって、自動車としての軽量化の阻害要因となっていたし、モータトルクの面でも改善が求められていた。更に、開示されている1000Hzでの鉄損は、電気自動車用途としては、周波数が高すぎて実用的でなかった。電気自動車では、一般的に400Hz程度の周波数領域が重要で、この周波数での鉄損改善が求められている。また、従来、絶縁皮膜が無方向性電磁鋼板の高周波磁気特性に及ぼす影響が明らかでなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の点に鑑み、優れた高周波鉄損と磁束密度を併せ持つ電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板の安定的な製造方法を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は以下の構成からなる。
(1)重量%で、
C ≦0.005%、 Si:1%以上2.2%未満、
Al≦1.5%、 Mn≦1.5%、
残部不可避的不純物およびFeよりなるスラブを1200℃以下の温度で加熱し、熱間圧延を行い、1.0〜1.9mm厚の熱延板となし、次いで、700℃以上の温度で熱延板焼鈍を実施し、冷延して0.25〜0.6mm板厚とし、次いで、800℃以上の温度で焼鈍を行って結晶粒径を50〜125μmとしてから、表面に0.5〜3g/m2 の絶縁皮膜を塗布・焼き付けすることを特徴とする、磁束密度B50>1.70Tで、なお且つ、鉄損と磁束密度が下記式を満足する電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
B50≧0.011×(W15/50 +W10/400/10)+1.64
(2)上記スラブが、さらにB≦0.005重量%を含有することを特徴とする、前記(1)記載の電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
【0007】
本発明のポイントは、以下の4点である。第1は、冷延率が少ないと製品での集合組織が改善されて磁束密度が向上すること。このため、熱延板の厚みを薄くする必要がある。第2に、更なる磁束密度改善のためには、熱延板焼鈍を高温熟熱焼鈍する必要があること。第3に、製品結晶粒径制御により、優れた高周波鉄損と磁束密度の両立ができること。第4に、絶縁皮膜の塗布量制御により、高周波特性を改善することである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
C量は、0.005%以下とする。0.005%Cを超えると、磁気時効に問題があるためである。
Si量を1%以上、2.2%未満に限定する。Si量は多い方が、鉄損が減少することが知られている。限定の理由は、Si量が1%未満では、本発明の目的とする鉄損が不満であるためで、2.2%以上では、磁束密度が不満であるため避けなければならない。
【0009】
Al量を1.5%以下に制限する。Alも鉄損を減少させるが、Al量が1.5%超では磁束密度が不満のため避ける。
Mn量を1.5%以下とする。Mnは熱延での赤熱脆性を防止して熱延板の耳荒れを改善するのに有効で必要であるが、多すぎるとコストアップの問題があるので、1.5%以下とする。
【0010】
B量は、0.005%以下とする。Bはヒステリシス損を改善するが、0.005%を超えると連続鋳造スラブが割れるので避ける。
その他の成分、P,S,N,Ti,Nb,Vなどの不純物は極力少ない方が、鉄損を改善する。
【0011】
また、以上の元素の他に、磁気特性を損なわない元素として公知のSn,Ni,Cu,Sb,Cr,Moなどを添加しても本発明の効果は損なわないが、添加コストの面から各々0.1%以下が好ましい。
【0012】
熱延のスラブ加熱温度は、1200℃以下とする。高周波鉄損の劣化を防止する目的で低温が良く、その限界が1200℃である。次いで、通常の熱間圧延を行うが、熱延板の厚みは、1.0〜1.9mmに制限する。
【0013】
熱延板厚みは、薄い方が磁束密度が改善されるが、1.0mm未満では熱間圧延中の仕上温度の低下が著しくなって圧下のパワー不足となるため工業的には難しく、また、1.9mmを超えると磁束密度が劣化するので避けなければならない。
【0014】
次いで、熱延板の焼鈍を行う。熱延板の焼鈍には長時間のバッチ焼鈍、短時間の連続焼鈍があるが、いずれの方式でも問題ない。焼鈍温度は、焼鈍時間によっても異なるが、700℃以上は磁束密度の確保のために必要である。
【0015】
熱延板焼鈍の前、もしくは後に酸洗を行い、次いで、冷延を施す。冷延は、通常のレバースまたはタンデムで行われるが、ゼンジマーミルなどのレバースが磁束密度の面で好ましい。なお、公知のように磁束密度改善のため温度100〜300℃程度での温間圧延を行うことも好ましい。
【0016】
冷延での板厚は、0.25〜0.6mmとする。0.25mm未満では、薄いため鋼板剛性が少なくモータのティース部先端などで変形し易く、騒音が大きくなったり、巻線が難しくなるため電気自動車用の駆動モータとして不適格で、また、0.6mm超では高周波鉄損が不満のため避ける。
【0017】
冷延後は、脱脂して、通常の連続焼鈍に供される。焼鈍の温度は、800℃以上とする。この時、特に結晶粒径を50μm以上、125μm以下に制御する必要がある。50μm未満では、低周波での鉄損が劣化し、また、125μm超では高周波鉄損が劣化するので避ける。結晶粒径の制御は、温度または均熱時間によって行うが、Si,Al,Mn量や不純物量などによっても結晶粒成長速度が異なってくるため、十分注意して焼鈍条件を決定する必要がある。800℃未満では、均熱時間を5分程度とっても、結晶粒径が50μm未満となるため経済的に不可であり、また、温度の上限は、結晶粒径が125μmとなる温度であるが、成分系などによりその温度は異なる。また、この焼鈍で鋼板の表面酸化による高磁場鉄損の劣化を防止するため、特開昭56−16623号公報にあるように還元性雰囲気が好ましい。焼鈍の後は有機質と無機質との混合、全有機または全無機質の絶縁被膜を塗布、焼付けする。皮膜の塗布量は、片面当たり、0.5〜3g/m2 に制限する。0.5g/m2 未満では、高周波鉄損に絶縁不良のためか異常値が発生し、また、3g/m2 超では占積率が劣化し、モータコアとしての有効な磁束密度が劣化するためである。焼き付け温度は、通常の100〜600℃である。
以下、本発明の実施例について説明する。
【0018】
〔実施例1〕
C量を0.002%、S量を0.0009%、N量を0.0011%、B量を0.0001%と固定して、その他の成分を表1とした真空溶解インゴットを鋳造し、加熱温度を1000℃として、熱延を行い、1.6mmの熱延板を得た。この熱延板に対して、酸洗後、750℃×6時間の焼鈍を窒素ガス中で行った。次いで、酸洗後、ゼンジマーミルで冷延を行い、0.5mmとし、脱脂、焼鈍した。焼鈍は、50%水素+50%窒素中で900〜1000℃×30秒均熱し、結晶粒径を、約90μmに調整した。結晶粒径は、光顕組織の鋼板厚み方向に直線を引いて、それと交わる結晶粒界の数をカウントして求める方法で求めた。それから、エポキシ樹脂とクロム酸の混合絶縁皮膜を2g/m2 焼き付け、得られた製品を100mm角試料に切り出し、L,C方向を平均して磁性を測定した。
【0019】
【表1】
【0020】
表1に示すように、本発明範囲の成分系で、優れた低周波〜高周波鉄損と優れた磁束密度が得られることが分かる。なお、磁束密度B50は、50Hzで計測したが、5000A/mの最大磁化力を与えた時の最大磁束密度が周波数によって変化するかどうかを、直流から1KHz まで調査したが、最大磁束密度は、周波数によらず一定の値を示した。
【0021】
〔実施例2〕
C≦0.002%、Si:1%以上で2.2%未満、Al≦1.5%、S≦0.0001%、N≦0.002%の真空溶解材を1150℃加熱して、1.8mm熱延板を造った。次いで、特開平8−49044号公報のグラフにある従来の熱延板焼鈍なしと670℃で窒素中2hr均熱、並びに本発明例の900℃で30秒窒素中で熱延板焼鈍を施し、酸洗してから、タンデム冷延し、0.25〜0.6mmに仕上げた。これを脱脂し、800〜1050℃で20秒の連続焼鈍を60%H2 +40%N2 雰囲気で実施して、結晶粒径50〜125μmを得た。次いで、エポキシ樹脂を片面当たり2g/m2 焼き付けた。100mm角試料に切り出し、L,C方向を平均して磁性を測定して、図1を得た。比較例を熱延板焼鈍なしと670℃焼鈍をプロットし、本発明例を900℃熱延板焼鈍材でプロットした。
【0022】
図1で見る如く、本発明範囲の条件で優れた低〜高周波鉄損と磁束密度を示した。本発明範囲を数式で示すと、以下の2式を同時に満足する範囲であることが分かった。
B50>1.70T
B50≧0.011×(W15/50 +W10/400/10)+1.64
【0023】
なお、本発明の目的ではないが、W5/1000も本発明例で測定すると、例えば、W15/50 +W5/1000 /10の値が4.5で、B50が1.73Tなどと、公知の特開平8−49044号公報のグラフにある発明例を大幅に改善した特性が、本発明の全てのプロットで得られていることが分かった。
【0024】
〔実施例3〕
0.003%C、1.2%Si、0.03%Al、Mn:0.3%、0.001%S、0.0015%N、0.002%B、0.02%P、0.07%Cu、0.05%Ni、0.03%Sn、0.01%Cr、0.001%Ti、0.003%Nbを含むスラブをスラブ加熱温度を変更として均熱時間を2時間とった。次いで、熱延板の厚みも変更して熱延した。この熱延板に対して、1000℃×20秒間の均熱処理を窒素ガス中で行った。次いで、酸洗し、ゼンジマーミルで約200℃の温間圧延を行って、0.35mm厚とした。次いで、焼鈍温度1000℃で均熱時間5秒の水素中焼鈍を行って、エポキシ樹脂、水酸化マグネシュウムとクロム酸の混合絶縁皮膜を片面当たり1g/m2 焼き付けてから、エプスタインで磁性を測定した。なお、製品での結晶粒径は、95μmと一定であった。
【0025】
【表2】
【0026】
表2に示すように、熱延条件が本発明範囲のもので、優れた磁気特性が得られた。
【0027】
〔実施例4〕
C:0.001%、Si:2.1%、Al:0.45%、Mn:0.1%、S:0.0004%、N:0.0029%を含むスラブを1160℃×2時間加熱してから、1.9mmに熱延し、熱延板焼鈍を1100℃×25秒実施してから、酸洗後、0.3mmまでゼンジマーミルで冷延し、次いで、表3に示す条件で連続焼鈍を均熱20秒で行って、絶縁皮膜(エポキシ樹脂、水酸化マグネシュウムとクロム酸の混合)を片面当たり、表3に示す条件で焼き付けた。エプスタイン測定で得られた結果を表3に示す。
【0028】
【表3】
【0029】
表3に示すように、冷延板の焼鈍温度、結晶粒径、絶縁皮膜を本発明範囲に制御したものは、優れた磁気特性が得られた。また、絶縁皮膜量が上限を外れたものは占積率が劣化し、下限外れのものは、高周波鉄損が異常値を示した。
【0030】
【発明の効果】
以上の如く、優れた低〜高周波鉄損と磁束密度を併せ持つ電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板を提供することができた。この結果、高トルク・コンパクトな電気自動車用モータを提供でき、電気自動車としての軽量化、バッテリー消費の低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例2で得た製品の鉄損と磁束密度の関係を示した図である。
Claims (2)
- 重量%で、
C ≦0.005%、 Si:1%以上2.2%未満、
Al≦1.5%、 Mn≦1.5%、
残部不可避的不純物およびFeよりなるスラブを1200℃以下の温度で加熱し、熱間圧延を行い、1.0〜1.9mm厚の熱延板となし、次いで、700℃以上の温度で熱延板焼鈍を実施し、冷延して0.25〜0.6mm板厚とし、次いで、800℃以上の温度で焼鈍を行って結晶粒径を50〜125μmとしてから、表面に0.5〜3g/m2 の絶縁皮膜を塗布・焼き付けすることを特徴とする、磁束密度B50>1.70Tで、なお且つ、鉄損と磁束密度が下記式を満足する電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
B50≧0.011×(W15/50 +W10/400/10)+1.64 - 上記スラブが、さらにB≦0.005重量%を含有することを特徴とする、請求項1記載の電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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