JP5646745B2 - Ipmモータのロータ鉄心用鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
方法として、例えば特許文献4では、ロータ鉄心用素材として、電磁鋼板ではなく、高強度かつ高飽和磁束密度である鋼板を用いることが提案されている。
また、本発明は、そのようなIPMモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法を提供することも目的とする。
即ち、本発明は、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、板幅当りの急峻度で定義される平坦度が0.1%以下であり、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%かつSi+Al:5.0質量%以下、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ことを特徴とするIPMモータのロータ鉄心用鋼板である。
また、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%かつSi+Al:5.0質量%以下、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、最終圧延率10%以上で冷間圧延を施した後、200〜500℃の温度まで加熱し、インライン又はオフラインにて、前記200〜500℃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8000A/mまで磁化した時の保磁力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事が可能となる。この効果を得るためには、少なくとも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。
分が含まれてもよい。
<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を含有させることが好ましい。
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を含有させることが好ましい。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場合がある。
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、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。
熱間圧延により得られた鋼板(冷間圧延前の鋼板)の金属組織は、高い磁束密度を得るためには、強磁性体であるフェライト、パーライト、ベイナイト及びマルテンサイトからなる群から選択される1種以上からなるとともに、必要に応じてFe、Ti、Nb、V、Mo及びCrからなる群から選択される1種以上を含む炭・窒化物を含有することが好ましい。なお、非磁性であるオーステナイト相が含まれると磁束密度が低下するので、オーステナイトを含まない組織とする。
得られた熱間圧延鋼板は、焼鈍後に1回の冷間圧延を施してもよいし、中間焼鈍を含む2回以上の冷間圧延を施してもよいが、最終圧延率を10%以上とすることが好ましい。冷間圧延率が10%未満では、降伏強度が780N/mm2を下回る場合がある。
冷間圧延ままの鋼板に、再結晶温度未満の比較的低温域である200〜500℃にてプレステンパー処理を施すことにより、冷間圧延によって導入された転位の再配列が生じ、残留応力を低減して鋼板の平坦度を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、500℃を超えると、転位の回復の進行に伴って大幅に軟質化し、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未満の小さな圧力でも十分である。
前記のプレステンパー処理と同様に、冷間圧延ままの鋼板に、再結晶温度未満の比較的低温域である200〜500℃にてテンションアニーリング処理を施すことにより、冷間圧延によって導入された転位の再配列が生じ、残留応力を低減して鋼板の平坦度を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、500℃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。
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。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、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。
表1及び2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、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%)。
これらの冷間圧延鋼帯を400℃に設定した連続炉に60秒通板するとともに、炉中にて100N/mm2の張力を付与するテンションアニーリング処理を施した。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)並びに冷間圧延前の金属組織を表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
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、更に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。
表1に示す成分組成を有する鋼のうち、No.1及びNo.9の連鋳片を実施例2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0.306mm〜0.400mmまでの冷間圧延鋼帯を得た。
得られた冷間圧延鋼帯を800℃で連続炉に60秒保持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、板厚0.300mmまで冷間圧延を行い、最終の圧延率を2%〜25%まで変化させた。No.1鋼については、500℃に設定した連続炉に60秒通板してテンションアニーリング処理(引張張力100N/mm2)も施した。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。
Claims (14)
- 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、板幅当りの急峻度で定義される平坦度が0.1%以下であり、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%かつSi+Al:5.0質量%以下、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ことを特徴とするIPMモータのロータ鉄心用鋼板。
- 8000A/mまで磁化した時の保磁力Hcが100A/m以上であ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。
- 引張試験による降伏強度が780N/mm2以上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。
- C:0.05質量%〜0.90質量%であ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。
- 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に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板。
- 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に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板。
- Cu:0.02質量%〜1.5質量%及びNi:0.02質量%〜1.0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に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板。
- 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が形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のIPMモータのロータ鉄心用鋼板。
- 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%かつSi+Al:5.0質量%以下、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、最終圧延率10%以上で冷間圧延を施した後、200〜500℃の温度まで加熱し、インライン又はオフラインにて、前記200〜500℃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9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9又は10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9〜11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、Cu:0.02質量%〜1.5質量%及びNi:0.02質量%〜1.0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9〜12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。
- 前記冷間圧延前の金属組織が、フェライト、パーライト、ベイナイト及びマルテンサイトからなる群から選択される1種以上からなるとともに、必要に応じてFe、Ti、Nb、V、Mo及びCrからなる群から選択される1種以上を含む炭・窒化物を含有する請求項9〜13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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