JP5584829B2 - Ipmモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法 - Google Patents
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Description
即ち、本発明は、C:0.0005質量%超〜0.90質量%、Si:0質量%〜3.0質量%、Mn:0質量%〜2.5質量%、P:0.05質量%以下、S:0.02質量%以下、酸可溶Al:0.005質量%〜3.0質量%、Si+Al:5.0質量%以下、かつCu:0.05質量%〜1.5質量%及びNi:0.05質量%〜1.0質量%からなる群から選択される1種以上、残部がFe及び不可避的不純物からなる成分組成を有する熱間圧延鋼板を冷間圧延し、連続焼鈍ライン又は連続焼入れラインにて800℃以上に加熱後、450℃以下まで10℃/s以上の冷却速度で冷却し、200〜450℃の温度域に20秒以上保持し、インライン又はオフラインにて、前記200〜450℃の温度域に保持した状態でプレステンパー処理又はテンションアニーリング処理を施すことにより、板幅当りの急峻度で定義される平坦度を0.1%以下にすることを特徴とする磁界の強さが8000A/mの時の磁束密度B8000の値が1.65T以上でありかつその時の残留磁束密度Brが0.5T以上であり、必要に応じて保磁力Hcが100A/m以上であるIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法である。
<磁界の強さが8000A/mの時の磁束密度B8000:1.65T以上>
磁束密度B8000の値が1.65T以上とされているのは、ロータとして高速回転する際に永久磁石12を挿入した位置(d軸)と挿入していない位置(q軸)でのインダクタンスの値の差に基づくリラクタンストルクを有効に活用し、とくに高速回転領域において従来の鋼板と同等以上のトルク性能を発揮するためである。
8000A/mまで磁化した時の残留磁束密度Brが0.5T以上とされているのは、以下の通りである。即ち、IPMモータでは、永久磁石による磁石磁束(d軸磁束)に加え、リラクタンストルクを得るためにステータ側からロータ内を貫通する磁束(q軸磁束)を流し、高トルク化及び高効率化を達成している。しかし、例えば「平成23年度電気学会産業応用部門大会講演論文集、3−24(2011)、PIII−179」のように、モータへの入力電流を増加させ、q軸磁束を増加させると、d軸磁束との相互干渉によりd軸磁束の向きが回転方向とは逆方向にずれて偏り、d軸及びq軸インダクタンスの変化を通じて最大トルクを減少させることが知られている。この現象はdq軸相互干渉と呼ばれ、本来のd軸磁束よりも回転方向前方では磁束が強め合い、後方では弱め合うことに起因しているが、電磁鋼板のように保磁力が小さくかつ残留磁束密度も小さい高透磁率材料では、回転方向の後方における磁束の弱め合いがスムーズに進行するのに対して、保磁力が大きな低透磁率材料では残留磁束密度が大きいことに起因して、磁束の弱め合いが抑制されるため、前述のd軸磁束のずれによる偏りが小さくなる。その結果として、dq軸相互干渉に伴う最大トルクの減少を抑制することが可能となる。この効果を得るためには、8000A/mまで磁化した時の残留磁束密度Brが0.5T以上、好ましくは1.0T以上が必要である。本発明者らが種々の鋼板を素材としてIPMモータを試作し、モータの性能評価を行ったところ、0.5T以上、望ましくは1.0T以上の残留磁束密度を有する鋼板を用いてロータ鉄心を形成することで、高速回転時に行う弱め界磁制御の消費電力を低減でき、出力トルクを向上できることが分かった。
本発明の鋼板は、高速回転域においてより高いトルクが必要となる場合には、100A/m以上の保磁力を有することが好ましい。その理由は以下の通りである。即ち、保磁力の増大に伴い透磁率が小さくなることに起因して、ブリッジ部での永久磁石からの漏れ磁束が小さくなり、その結果として永久磁石からの磁束を有効に活用できるようになる。この効果を得るためには、8000A/mまで磁化した時の保磁力が、好ましくは100A/m以上、さらに好ましくは300A/m以上、最も好ましくは1000A/m以上必要である。この効果は、ロータの構造によって変化するが、例えば高速回転時の遠心力に耐えるべく、永久磁石を2分割してセンターブリッジを設けるなどした場合など、永久磁石からの漏れ磁束が多くなる構造の場合、より効果的に作用する。
なお、本発明における降伏強度は、JIS5号引張試験片を用い、JIS Z2241に準拠した引張試験方法により測定されるものである。
<C:0.0005質量%超〜0.90質量%>
Cは、鋼中に固溶又はセメンタイト(Fe3C)として析出し、高強度化に有効な元素である。IPMモータのロータ鉄心として用いるのに適した降伏強度とするために、0.0005質量%を超えるCを含有させることが好ましい。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傾向がある。特に、780N/mm2以上の降伏強度を得るためには、0.05質量%以上のCを含有させる必要がある。
Siは、高強度化に有効である上に、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が、本発明では添加しなくてもよい。渦電流損の抑制及び高強度化の効果を得ようとするためには、0.01質量%以上含有させることが好ましい。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とともに、かえって磁束密度の低下を招く場合がある。
Mnは、高強度化に有効な元素であるが、本発明では添加しなくてもよい。高強度化の効果を得るためには、0.05質量%以上の含有させることが好ましい。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場合がある。
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は、高温脆化を引き起こす元素であり、大量に含有させると、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。
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、0.005質量%以上の酸可溶Alを含有させる必要がある。しかし、Siとの合計で5.0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%以上添加することが好ましい。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場合がある。
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、Mo、Cr及びBの1種以上を、それぞれ設定した下限値以上添加することが好ましい。しかし、それぞれ設定した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、1種だけの添加でも2種以上の添加でもその効果は認められるが、2種以上を添加する場合は、それぞれ設定した上限値の1/2を超える量を添加すると、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以下の量で添加することが好ましい。
Cu及びNiは、鋼の焼入れ性を高め、高強度化に有効な他、飽和磁束密度を上昇させるのに有効な元素である。その効果を得るためには、それぞれ設定した下限値以上添加することが好ましい。しかし、それぞれ設定した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。
熱間圧延・冷間圧延条件は、特に規定する必要は無く、通常の方法に従い実施すればよいが、熱間圧延の仕上げ温度は、α単相域又はγ単相域で実施することが好ましい。また、巻取り温度は高温になり過ぎると酸化スケールが厚くなり、その後の酸洗性を阻害するため、700℃以下とすることが好ましい。
連続熱処理により高強度化を図る場合、加熱温度が800℃未満ではオーステナイト化が不十分で、十分な降伏強度が得られない。従って、800℃以上の温度に加熱することが必要である。
冷却速度が10℃/s未満の場合あるいは冷却終了温度が450℃より高い場合、硬質相の体積率が小さくなり、十分な降伏強度が得られない。また、冷却後の保持温度が200℃未満又は保持時間が20秒未満では、焼戻しによる靭性の回復が不十分である上、プレステンパー処理又はテンションアニーリング処理の効果も不十分となる。一方、冷却後の保持温度が450℃を超えると軟質化し、十分な降伏強度が得られなくなる。
焼入れままの鋼板に、焼戻し温度域でプレステンパー処理を施すことにより、焼戻しによる靭性の回復と同時に焼入れ歪及び残留応力も回復し、鋼板の平坦度を0.1%以下にすることが可能となる。加熱温度が200℃未満では、良好な平坦度が得られず、一方、450℃を超えると、前述の通り軟質化し、十分な降伏強度が得られなくなる。なお、プレステンパーの圧力は、鋼板の形状が平坦に保たれる程度であれば、特別に大きくする必要は無く、例えば板厚が1.0mm以下の薄鋼板の場合、1kg/cm2未満の低い圧力でも十分である。プレステンパー処理は、連続焼入れ装置のインラインで焼入れ処理後の焼戻し加熱保持時に実施しても、一旦焼入れ処理を施した後、オフラインにて200〜450℃まで再加熱して実施しても同様の効果が得られる。この場合、焼戻し処理をプレステンパーに先立って行っても発明の効果は十分に得られるが、焼入れままの鋼板にプレステンパー処理を行うことが好ましい。
前記のプレステンパー処理と同様に、焼入れままの鋼板に、焼戻し温度域でテンションアニーリング処理を施すことにより、焼戻しによる靭性の回復と同時に焼入れ歪及び残留応力も回復し、鋼板の平坦度を0.1%以下にすることが可能となる。加熱温度が200℃未満では、良好な平坦度が得られず、450℃を超えると、前述の通り軟質化し、十分な降伏強度が得られなくなる。また、テンションアニーリングの引張張力は、鋼板の形状が平坦に保たれる程度であれば、特別に大きくする必要は無く、1N/mm2以上の張力で十分にその効果が得られる。しかし、200N/mm2を超える張力を付与すると、炉内での板切断が生じる場合があり、上限を200N/mm2にすることが好ましい。テンションアニーリング処理は、連続ラインのインラインでの焼戻し加熱保持時に実施しても、一旦焼入れ処理を施した後、オフラインにて200〜450℃まで再加熱して実施しても同様の効果が得られる。この場合、焼戻し処理をテンションアニーリングに先立って行っても発明の効果は十分に得られるが、焼入れままの鋼板にテンションアニーリング処理を行うことが好ましい。
機械的強度が必要となる場合には、上述した成分組成の調整及び変態後の焼戻しにより得られた鋼板の金属組織は、マルテンサイト単相であるか、ベイナイト単相であるか又はマルテンサイトに加えて10体積%未満のフェライトを有する複合組織であることが好ましい。マルテンサイト相又はベイナイト相のように転位密度が高い金属組織では、焼戻しによる微細な炭化物の析出及び転位の回復に伴う組織変化がプレステンパー処理又はテンションアニーリング処理中に生じ、鋼板の形状を平坦な状態に凍結することが可能となる。これら以外の組織形態では、プレステンパー処理又はテンションアニーリング処理を施しても、形状修正効果は得られにくい。
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、有機材料からなる絶縁皮膜、無機材料からなる絶縁皮膜及び有機・無機複合材料からなる絶縁皮膜を形成することが好ましい。絶縁皮膜の塗布は、インライン処理又はオフライン処理のいずれでも問題ない。無機材料からなる絶縁皮膜の例としては、六価クロムのような有害物質を含まず、リン酸二水素アルミニウムを含有する無機質系水溶液が挙げられるが、良好な絶縁が得られれば、有機材料からなる絶縁皮膜又は有機・無機複合材料からなる絶縁皮膜を用いてもよい。絶縁被膜は、上記で例示した材料を鋼板の表面に塗布することにより形成することができる。また、オフラインにてプレステンパー処理を施す場合は、プレステンパー処理に先立ち、上記で例示した材料を鋼板の表面に塗布することが好ましい。
<実施例1>
表1及び2に示す成分組成を有する鋼を溶解し、これらの連鋳片を1250℃に加熱し、850℃で仕上げ圧延して560℃で巻取り、板厚1.8mmの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、冷間圧延して板厚0.35mmの冷間圧延鋼板を得た。
得られた冷間圧延鋼板を、900℃まで加熱し、250℃に設定したPb−Bi合金浴中へ通板して、100℃/sの平均冷却速度で250℃まで冷却し、引き続き400℃に設定した電気炉中に60秒保持しつつ、プレステンパー処理(圧力約1kg/cm2)を施した。No.8、No.30鋼では鋼帯の一部でプレステンパーを施さずに通板した。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形成した。
各サンプルの磁界の強さが8000A/mの時の磁束密度B8000、その時の残留磁束密度Br及び保磁力Hc、平坦度、降伏強さ、引張強さ、降伏比(YR)、曲げ性並びに金属組織を表3及び4に示した。
なお、市販の電磁鋼板(35A300、板厚:0.35mm)について、本発明の素材鋼板と同様の方法による機械的特性及び磁気的特性を評価したところ、降伏強さが381N/mm2であり、引張強さが511N/mm2であり、飽和磁束密度B8000が1.76Tであり、残留磁束密度Brが0.42Tであり、保磁力Hcが61A/mであった。
<ロータの仕様>
外径:80.1mm、軸長50mm
・積層枚数:0.35mm/140枚
・センターブリッジ、アウターブリッジの幅:1.00mm
・永久磁石:ネオジム磁石(NEOMAX-38VH)、9.0mm幅・3.0mm厚・50mm長さ、合計16ヶ埋め込み
<ステータの仕様>
・ギャップ長:0.5mm
・外径:138.0mm、ヨーク厚:10mm、長さ:50mm
・鉄心素材:電磁鋼板(35A300)、板厚0.35mm
・積層枚数:140枚
・巻線方式:分布巻き
一方、高保磁力を有するものの磁束密度B8000が低いNo.17鋼では、磁束密度が低いことに起因して弱め界磁制御を施した15000rpmにおける最大トルク及び効率が低くなる。
なお、dq軸相互干渉によるd軸磁束のずれによる偏りが小さいことに起因して、本発明材における15000rpmで最大トルクとなる電流進角βの値は、比較材よりも低い値であった。
表1に示す成分組成を有する鋼のうち、No.1、2、3、4、8、9及び11の連鋳片を実施例1と同様にして1250℃に加熱し、950℃で仕上げ圧延して560℃で巻取り、板厚1.8mmの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、一回の冷間圧延にて板厚0.35mmの冷間圧延鋼帯を得た(最終圧延率:約81%)。
得られた冷間圧延鋼帯を800℃に設定した連続炉に60秒通板する再結晶焼鈍を施した。なお、冷却は8℃/sで550℃まで冷却後、450℃に設定した連続炉中に120秒以上保持する過時効処理を施した。その後、0.3%の伸び率の軽冷延を行い、さらに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形成した。
Claims (7)
- C:0.0005質量%超〜0.90質量%、Si:0質量%〜3.0質量%、Mn:0質量%〜2.5質量%、P:0.05質量%以下、S:0.02質量%以下、酸可溶Al:0.005質量%〜3.0質量%、Si+Al:5.0質量%以下、かつCu:0.05質量%〜1.5質量%及びNi:0.05質量%〜1.0質量%からなる群から選択される1種以上、残部がFe及び不可避的不純物からなる成分組成を有する熱間圧延鋼板を冷間圧延し、連続焼鈍ライン又は連続焼入れラインにて800℃以上に加熱後、450℃以下まで10℃/s以上の冷却速度で冷却し、200〜450℃の温度域に20秒以上保持し、インライン又はオフラインにて、前記200〜450℃の温度域に保持した状態でプレステンパー処理又はテンションアニーリング処理を施すことにより、板幅当りの急峻度で定義される平坦度を0.1%以下にすることを特徴とする磁界の強さが8000A/mの時の磁束密度B8000の値が1.65T以上でありかつその時の残留磁束密度Brが0.5T以上であるIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
- 前記IPMモータのロータ鉄心用鋼板が、8000A/mまで磁化した時に100A/m以上の保磁力Hcを有することを特徴とする請求項1に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
- 前記IPMモータのロータ鉄心用鋼板の金属組織が、マルテンサイト単相、ベイナイト単相又はマルテンサイトに加えて10%未満のフェライトを有する複合組織であることを特徴とする請求項1又は2に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
- 前記熱間圧延鋼板が、Ti、Nb及びVからなる群から選択される1種以上の成分を合計して0.01質量%〜0.20質量%さらに含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
- 前記熱間圧延鋼板が、Mo:0.1質量%〜0.6質量%、Cr:0.1質量%〜1.0質量%及びB:0.0005質量%〜0.005質量%からなる群から選択される1種以上の成分をさらに含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
- 前記熱間圧延鋼板が、C:0.05質量%〜0.90質量%であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
- インライン又はオフラインにて、前記IPMモータのロータ鉄心用鋼板の少なくとも片方の表面に、有機材料からなる絶縁皮膜、無機材料からなる絶縁皮膜又は有機・無機複合材料からなる絶縁皮膜を形成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
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