JP5468107B2

JP5468107B2 - 永久磁石埋め込み型モータのロータ鉄心用鋼板

Info

Publication number: JP5468107B2
Application number: JP2012130969A
Authority: JP
Inventors: 進藤原; 敏洋近藤; 真一児玉
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2027-08-22
Also published as: JP2012207308A

Description

本発明は主に電気自動車やハイブリッド自動車或いは工作機械などに使用される永久磁石埋め込み型モータのロータ鉄心用鋼板に関する。

一般に永久磁石埋め込み型モータ（以下「ＩＰＭモータ」と記す。）は、誘導電動機モータと比べ、高価な永久磁石を使用するため、コストは高くなるものの、高効率であり、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータや発電用モータ、さらには各種工作機械用のモータとして広く使用されてきている。
ＩＰＭモータの鉄心は固定子と回転子に分けられるが、固定子側には巻線を通じて、交流磁界が直接付与されるため、高効率化のためには、鉄心には高透磁率であることと同時に、体積抵抗率を高めて、鉄損を低減する必要があった。そのため、固定子用の鉄心には、極低炭素鋼にＳｉを添加して軟磁気特性を改善した電磁鋼板が用いられている。

一方、回転子側には、永久磁石が埋め込まれ、鉄心は主にヨークとして磁束密度を高める役割を担っており、固定子側から発生する僅かな交流磁界の影響は受けるもののその影響は限定的であり、磁束密度は高くする必要があるが、鉄損についてはモータの性能には大きな影響を及ぼさない。したがって、鉄心材として鉄損特性に有利な電磁鋼板を使用する必要はなかった。しかし、固定子のみに電磁鋼板を使用すると、電磁鋼板の製品歩留りが低下してモータの製造コストが高くなることもあって、通常は固定子側と全く同じ電磁鋼板を素材として用いていた。
一般に、モータの効率は回転子の回転速度を高くするほど良好となるが、回転子には永久磁石を埋め込んでいるため、回転速度が速くなり過ぎると、永久磁石に働く遠心力によって回転子の突極部近傍が変形し、固定子と接触、最終的にはモータの破損に至る。

回転速度の限界は、回転子用鉄心の形状が同一の場合には、回転子用鉄心の降伏強度に依存するが、例えば３％程度のＳｉを含有する無方向性電磁鋼板（３５Ａ３００）の場合、磁性焼鈍後の降伏強度は約４００Ｎ／ｍｍ²程度であり、現状ではせいぜい１５０００ｒｐｍ程度までが回転速度の限界と考えられている。これまでも、電磁鋼板をベースに鉄心の降伏強度を高くする検討が種々行われている。

例えば、特許文献１には磁気特性、耐変形性の優れた電磁鋼板及びその製造方法に関する発明が開示されている。また、特許文献２には、鉄損特性の内、ヒステリシス損よりも渦電流損の改善に着目し、高強度化との両立を図った鋼板及びその製造方法が開示されている。その製造方法は、Ｃを通常の電磁鋼板よりも高め、連続焼鈍設備にて変態強化することを特徴としている。

特開２００５-１３３１７５号公報特開２００５-６０８１１号公報

しかしながら、特許文献１で提案された方法は、軟磁気特性の改善に力を注いでいるため、十分な強度が確保できない。また特許文献２で提案された方法による焼入れ処理ままではヒステリシス損が大きくなり過ぎて交流磁界を付与しても十分に励磁する事ができず、残留磁束密度も低くなる。そのため、ＩＰＭモータのリラクタンストルクが低下してモータ効率が低下する。なお、特許文献２の図２において、焼入れままの発明鋼は、同じ体積抵抗率の通常の電磁鋼板よりも渦電流損が低い値となっているが、これは、同じ条件で励磁しても、磁壁の移動が磁界の変化に追随できず、磁界の変化幅が見かけ上小さくなったためと考えられる。すなわち、特許文献２に記載のものでは、鋼中の転位密度が非常に高く、しかも複雑に絡み合っているために、励磁しても磁壁の移動が磁界の変化に追随できず、結果的に磁束密度の値が低くなっている。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ＩＰＭモータのロータ鉄心として用いるときにＩＰＭモータのリラクタンストルクの低下を招くことなく、高強度化を図ることが可能なロータ鉄心用鋼板を提供することを目的とする。

本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、その目的を達成するため、Ｃ：０．４６２〜０．９０質量％、Ｓｉ：０．０５〜３．０質量％、Ｍｎ：０．２〜２．５質量％、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０．００５〜４．９５質量％を、Ｓｉ＋Ａｌ：５．０質量％以下なる条件で含み、必要に応じてＴｉ、Ｎｂ、Ｖの１種又は２種以上を合計で０．０１〜０．２０質量％、或いはさらに必要に応じてＭｏ：０．１〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１〜１．０質量％及びＢ：０．０００５〜０．００５質量％の１種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、引張試験で７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の降伏強度、及び４０００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ_４０００が１．２Ｔ以上なる磁界の強さを呈することを特徴とする。
本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、さらに、少なくとも片方の表面に有機成分の絶縁皮膜、無機成分の絶縁皮膜及び有機・無機複合の成分のいずれかの絶縁皮膜を有していることが好ましい。

このような、引張試験で７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の降伏強度、及び４０００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ_４０００が１．２Ｔ以上なる磁界の強さを呈するＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、前記成分組成を有する熱延鋼板を冷延し、連続焼鈍ライン又は連続焼入れラインにて７５０℃以上に加熱後、４５０℃以下まで１０℃/ｓ以上の冷却速度で冷却し、その後２００〜５００℃の温度域に１２０ｓ以上保持することにより製造される。
連続焼鈍ラインにおける冷却は、ガスジェット冷却又は気水冷却であることが好ましい。また、連続焼鈍ライン通板後、インライン又はオフラインにて伸び率：０．５〜１０．０％の冷間圧延を施しても良い。

上記のようなＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、また、前記成分組成を有する熱延鋼板を１回又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施して所定の板厚とし、その後、２００〜５００℃の温度まで加熱することによっても製造される。
上記のようなＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、さらに、前記成分組成を有する熱延鋼板を１回又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施して所定の板厚とし、その後、表面最大ひずみ量が０．１５％以上となる条件でロールレベラーを通板することによっても製造される。

そして、得られた冷延板の少なくとも片方の表面に有機成分の絶縁皮膜、無機成分の絶縁皮膜及び有機・無機複合の成分のいずれかの絶縁皮膜を形成してＩＰＭモータのロータ鉄心として用いる。
冷延材に加熱を施す場合、冷間圧延後、冷延板の少なくとも片方の表面に有機成分の絶縁皮膜、無機成分の絶縁皮膜及び有機・無機複合の成分のいずれかの絶縁皮膜を形成し、加熱処理を絶縁皮膜の焼付け処理と同時に施すことが好ましい。

本発明により、強度と磁気特性がともに優れたロータ鉄心用鋼板が提供される。したがって、当該鋼板をＩＰＭモータのロータ鉄心として用いるとき、ＩＰＭモータのリラクタンストルクの低下を招くことなく、高強度で高速回転可能なＩＰＭモータのロータが得られる。
本発明により、高速回転モータの高効率化、更なる小型化が期待できる。

本発明者等は、ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板として、高速回転に耐え得る高強度を図ると同時に、磁気特性の劣化を最小限に抑制し、モータのリラクタンストルクを最大限有効活用する方策を探索した。そして、素材の成分組成と組織の調整法を鋭意検討し、本発明に到達した。
すなわち、変態や冷間圧延によって高強度化を図る際に、鋼中に導入された転位組織を低温で焼鈍すること、又はロールレベラーの通板等によって、高密度かつ複雑に絡み合った転位組織を再配列させて、転位密度の低い領域を確保すれば、高速回転に耐え得る高強度と高いリラクタンストルクを得るための高磁束密度を両立させる事が可能であることがわかった。

以下に、本発明の詳細を説明する。
まず、本発明鋼板を構成する鋼の成分組成について説明する。
Ｃ：０．０６％超〜０．９０質量％以下
７８０Ｎ以上の降伏強度を得るためには、０．０６質量％を超えるＣを含有させる必要がある。しかし、０．９０質量％を超えて含有させると、磁束密度が低くなる。

Ｓｉ：０．０５〜３．０質量％
Ｓｉは高強度化に有効な他、体積抵抗率を高め、渦電流損を小さくするのに有効な元素である。その効果を得るためには、０．０１質量％以上含有させる必要がある。しかし、３．０質量％を超えて含有させると、鋼板の靭性が劣化する。
Ｍｎ：０．２〜２．５質量％
Ｍｎは高強度化に有効な元素である。その効果を得るためには、少なくとも０．２質量％以上の含有させることが必要である。しかし、２．５質量％を超えて含有させると強度の向上効果は飽和するとともに、かえって磁束密度の低下を招く。

Ｐ：０．０５質量％以下
Ｐは高強度化に有効な元素であるが、鋼の靭性を著しく低下させる。０．０５質量％までは許容できるため、上限を０．０５質量％とする。
Ｓ：０．０２質量％以下
Ｓは高温脆化を引き起こす元素であり、大量に含有すると、熱間圧延時に表面欠陥を生じ、表面品質を劣化させる。したがって、できるだけ低減することが望まれる。０．０２％質量までは許容できるため、上限を０．０２質量％とする。

酸可溶Ａｌ：０．００１〜４．９５質量％、Ｓｉ＋Ａｌ≦５．０質量％
Ａｌは脱酸剤として添加されるほか、Ｓｉと同様に鋼の体積抵抗率を上昇させるのに有効な元素である。その効果を発揮するためには、少なくとも０．００５％以上含有させることが必要である。しかしＳｉとの合計で５質量％を越えて含有させると磁束密度の低下が大きくなり、モータの性能が劣化する。

Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｖ：０．０１〜０．２０％
Ｔｉ，Ｎｂ及びＶは、鋼中で炭窒化物を形成し、析出強化による高強度化に有効な元素である。その効果を得るためには、１種又は２種以上を合計で、０．０１質量％以上の添加が必要である。しかし、０．２０質量％を超えて添加しても、析出物の粗大化により強度上昇は飽和するとともに、製造コストの増大を招く。

Ｍｏ：０．１〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１〜１．０質量％及びＢ：０．０００５〜０．００５質量％の1種以上
Ｍｏ，Ｃｒ及びＢは、鋼の焼入れ性を高め、高強度化に有効な元素である。その効果を得るためには、それぞれ単独で、設定の下限値以上の添加が必要である。しかし、それぞれの上限値を超えて添加してもその効果は飽和するととともに製造コストの増加を招く。なお、単独でも複合添加でもその効果は認められるが、複合添加する場合は、それぞれ設定した上限値の１／２を超えて添加すると、その効果に比して製造コストの上昇が大きくなるので、１／２以下の量を複合添加することが望ましい。

次に、ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法について説明する。
前記した通り、ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は基材鋼板の成分組成の調整と、変態や冷間圧延によって鋼中に導入された転位組織を低温で焼鈍すること、或いはロールレベラーの通板等によって、再配列させ、転位密度の低い領域を確保することを特徴としている。したがって、本発明ロータ鉄心用鋼板を製造するに当たっては、成分組成が制御された熱延鋼板を冷延した後の処理条件が大きく影響することになる。ただし、主に加工強化を利用して高強度化を図る場合には、熱延条件を適宜制御して冷延前素材の強度を高めた方が有利となる。
冷延後の処理条件が大きく影響する。以下に、その処理条件等について説明する。

まず、冷延後の鋼板を連続熱処理により高強度化する方法について説明する。
焼鈍加熱温度：７５０℃以上
連続熱処理により高強度化を図る場合、加熱温度が７５０℃未満では十分な強度が得られない。したがって、７５０℃以上の温度に加熱する。
冷却条件：４５０℃以下まで平均冷却速度１０℃／ｓ以上で冷却、２００〜５００℃に１２０ｓ以上保持
冷却終了温度が４５０℃より高いと硬質相の体積率が小さくなり、十分な強度が得られない。また、冷却後の保持温度が２００℃未満又は保持時間が１２０ｓ未満では、転位の再配列が不十分で磁束密度が低くなる。また、保持温度が５００℃を超えると軟質化するため十分な強度が得られなくなる。

冷却手段：
連続熱処理における冷却手段は、ガスジェット、汽水冷却、水冷ロールによる冷却、水冷など種々の方法が考えられるが、ガスジェット又は汽水冷却以外の方法では、鋼板の板形状の劣化を生じるため、ガスジェット冷却又は汽水冷却の方が望ましい。板形状が劣化すると、積層した際の占積率が劣るため、ロータのバランスがくずれ、モータ性能が劣化する。
連続熱処理後の軽冷延：
通常、熱処理後に軽冷延（スキンパス圧延）を付与して、板形状を向上させている。この場合、冷延率は０．５〜２．０％程度である。しかし、本発明では、さらに２〜１０％の冷間圧延を施すことで、降伏強度を熱処理ままよりも高くすることが可能となる。冷延率が１０％を超えると通常の精整設備（ＳＫＰ圧延設備）では対応が困難で、いわゆる冷間圧延が必要となるため製造コストの増大を招く。

冷延後の鋼板を、さらに加工強化により高強度化を図ることも可能である。そこで、その方法について説明する。
冷延条件：
１回又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延により所定の板厚まで冷延する。最終の冷間圧延における冷延率が３０％未満では、強度上昇代が小さく冷延前の素材強度を高くしておく必要があるため、その分製造コストが高くなる。したがって、最終冷間圧延における冷延率は、３０％以上とすることが望ましい。

冷延後の加熱処理：
冷間圧延後、２００〜５００℃の範囲の温度域まで加熱処理を施す。２００℃未満では、転位の再配列が不十分で磁束密度が低くなる。また、保持温度が５００℃を超えると軟質化が大きくなりすぎて十分な強度が得られなくなる。なお、保持時間はとくに制限は無く０ｓでも構わない。しかし、保持時間を長くし過ぎるとコストの上昇を招くため、１０時間以内とする事が望ましい。

冷延後のロールレベラー通板：
冷間圧延後、表面最大歪量が０．１５％以上となる条件でロールレベラーを通板する。表面最大歪量が０．１５％未満では、繰返し応力による転位の再配列が十分ではなく、磁束密度が低くなる。表面最大歪量の上限はとくに設定しないが、０．６％を超えるとその効果は飽和し、いたずらに通板性を損なうので、０．６％以下とすることが望ましい。

転位を再配列させ、転位密度の低い領域を確保する方法として上記方法のいずれを採用するかは別として、鋼板表面に絶縁皮膜を形成しておくことが好ましい。
絶縁皮膜の塗布：
本発明では、ロータに発生する渦電流損の低減を目的として、鋼板の少なくとも片方の表面に有機成分の絶縁皮膜、無機成分の絶縁皮膜及び有機・無機複合の成分のいずれかの絶縁皮膜を塗布することが好ましい。
なお、絶縁皮膜は通常、製品の最終工程で施されるが、絶縁皮膜を塗布する際、焼付け処理の加熱温度を２００〜４００℃に設定すると、請求項８に記載した発明の加熱処理を兼ねることが可能であり、省エネルギー、製造コスト低減の観点から望ましい。

実施例１；
表１に示す成分組成を有する鋼を真空溶解し、これらの連鋳片を１２５０℃に加熱し、８３０℃で仕上げ圧延して５６０℃で巻取り、板厚１．８ｍｍの熱延鋼板を得た。この熱延鋼板を酸洗後、冷間圧延して板厚０．５ｍｍの冷延鋼板を得た。
得られた冷延鋼板に、加熱温度；８５０℃，平均冷却速度；７５℃／ｓで２５０℃まで冷却し、引き続き４００℃まで再加熱する連続焼鈍を施した。
焼鈍後の鋼板にスキンパス圧延及び一部のサンプルについては１０％までの軽圧延を施した。
またその後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に塗布した。

得られた冷延鋼板からＪＩＳ５号試験片に加工し引張試験に供した。また、絶縁皮膜を塗布する前及び塗布後の両鋼板から、内径３３ｍｍ、外形４５ｍｍのリング状の試験片を打抜きにより作製し、磁化測定に供した。さらに、幅１０ｍｍの短冊状のサンプルを圧延方向と平行な方向から切出し、先端ｒ０．５ｍｍの９０°曲げ試験に供した。
各サンプルの降伏強さ、引張強さ及び４０００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ_４０００、さらには曲げ試験結果を表２に示した。
なお、表２中、割れ無を○で、割れ発生を×で表示している。

Ｃ含有量の少ないＮｏ.１鋼では、降伏強さが低くなった。また、Ｃ，Ｍｎ及びＡｌやＳｉ＋Ａｌの添加量が発明範囲を超えるＮｏ．１０、１１及びＮｏ．１４、１５鋼では、Ｂ_４０００が１．２Ｔ未満となっていた。
Ｓｉ及びＰの添加量が発明範囲を超えるＮｏ．１２、１３では、曲げ性に劣っておりロータ形状への加工が困難となることがわかった。
一方、本願発明範囲を満足する成分組成を有するその他の鋼に関しては、高強度かつ高磁束密度を有しており、機械的強度が要求される高速回転モータに好適である。

なお、表２から判るように、絶縁皮膜塗布の有無は、磁束密度には何の影響も及ぼさず、皮膜有りと皮膜無しでＢ_４０００の値は全く同じ値を示すことが確認できた。このように、絶縁皮膜の有無は、磁束密度には全く影響しないが、渦電流損を主体とする鉄損には僅かに影響を及ぼす。したがって、本発明においては、塗布しなくても構わないが、塗布したほうが僅かに鉄損特性の点で有利であり、モータに要求される性能レベルに応じて、適宜選択する事ができる。

実施例２；
表１のＮｏ．５鋼について実施例１と同様の製造条件で得た冷延鋼板に、表３に示す条件の熱処理を施した。
またその後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に塗布した。
得られた鋼板について、実施例１と同じ試験を行って得られた強度特性及び磁気特性を表４にまとめて示した。
その結果からもわかるように、本願発明範囲のＡなる条件の熱処理を施した場合、７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の強度と高磁束密度が得られている。しかしながら、加熱温度が低すぎるＢなる条件、冷却速度が遅いＣ条件及び再加熱温度が高いＤ条件では、軟化が大きく、降伏強さが７８０Ｎ／ｍｍ^２を下回っている。また、再加熱処理を施さず焼入れままとしたＥ条件では、非常に低い磁束密度しか得られなかった。

実施例３；
表1のＮｏ．１９鋼について、実施例１と同様な製造条件で得た熱延鋼板を素材として表５に示した冷延条件で冷延後、低温加熱又はロールレベラーを付与した。
また、その後、条件Ｈを除き、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に塗布した。なお、条件Ｆ，Ｇについては、特別な低温加熱は施さず、絶縁皮膜の焼付けの際の加熱を低温焼鈍として兼用させた。
得られた鋼板について実施例１と同じ試験を行って得られた強度特性及び磁気特性を表６にまとめて示した。
低温加熱とレベラー通板の両者ともに付与しなかったＨ及び歪量の設定の低いレベラー条件としたI及び加熱温度が低いＭでは、転位の再配列が十分に進行せず、磁束密度が低くなった。また、加熱温度が高すぎるＮでは、７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の降伏強さが得られない。
なお、表面最大歪が大きな条件のＬでは、各特性は満足するものの、磁束密度の改善効果が飽和している。０．１５％以上の表面最大ひずみ量となるロールレベラーを付与する必要があるが、０．５％を超える程の大きなひずみ付与は現実的でないことがわかる。

Claims

Ｃ：０．４６２〜０．９０質量％、Ｓｉ：０．０５〜３．０質量％、Ｍｎ：０．２〜２．５質量％、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０．００５〜４．９５質量％を、Ｓｉ＋Ａｌ：５．０質量％以下なる条件で含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、引張試験で７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の降伏強度、及び４０００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ_４０００が１．２Ｔ以上なる磁界の強さを呈することを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
さらに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの１種又は２種以上を合計で０．０１〜０．２０質量％含有する請求項１に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
さらに、Ｍｏ：０．１〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１〜１．０質量％及びＢ：０．０００５〜０．００５質量％の１種以上を含有する請求項１又は２に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
少なくとも片方の表面に有機成分の絶縁皮膜、無機成分の絶縁皮膜及び有機・無機複合の成分のいずれかの絶縁皮膜を有する請求項１〜３のいずれかに記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。