JP2003253404A

JP2003253404A - 回転機用無方向性電磁鋼板とその製造方法

Info

Publication number: JP2003253404A
Application number: JP2002050069A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimura; 浩志藤村; Ichiro Tanaka; 一郎田中; Hiroyoshi Yashiki; 裕義屋鋪
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP4023183B2

Abstract

(57)【要約】【課題】板面に平行な圧縮応力が負荷された状態で使用
されても、性能の低下が少ない、回転機用無方向性電磁
鋼板とその製造方法の提供。【解決手段】質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.1〜3
％、Ａｌ：0.1〜3％、かつこれら３元素の含有量が下記
１式を満足する範囲とし、さらに必要に応じてＣｕ：0.
02〜1％、Ｎｉ：0.02〜1％、Ｐ：0.02〜0.2％、Ｓｎお
よびＳｎ：0.005〜0.2％を含有し、残部はＦｅおよび不
純物からなり、鋼板の比抵抗が50×10^−８〜75×10^−８
Ωm、平均結晶粒径が60μmを超え165μm以下であり、鉄
損Ｗ_１５／ _２００の、20MPaの応力を負荷したときとし
ないときとの平均値が16W／kg以下である回転機用無方
向性電磁鋼板、および熱間圧延後、800〜900℃で5〜15
時間加熱し、700℃から500℃までの間を50℃／hr以下と
して冷却する焼鈍を施し、冷間圧延後、加熱温度900〜1
150℃で焼鈍する上記回転機用無方向性電磁鋼板の製造
方法。 50≦15.3＋10.7Ｓｉ＋6.8Ｍｎ＋9.4Ａｌ≦75 ・・・・・

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はモータなど回転機に
適用される無方向性電磁鋼板と、その製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】地球温暖化防止や省エネルギー推進など
の観点から、各種電気機器の高効率化が進められてい
る。その中で、回転機や変圧器に使用される鉄心の素材
となる電磁鋼板には、低コストであることと共に、すぐ
れた磁気特性（低鉄損、高磁束密度）を備えていること
が求められる。電磁鋼板の用途の一つであるモータに関
しても、制御技術が急速に進歩し、インバーターによる
回転速度制御が広く用いられるようになり、また、永久
磁石材料の進歩によって外部からの励磁なしに磁束密度
の高い磁場が得られることから、これを利用したＤＣブ
ラシレスモータなども、多数使用されるようになってい
る。

【０００３】これらの、回転速度の大幅可変制御や高効
率を目的としたモータの鉄心励磁条件は、従来の50〜60
Hzの商用周波数による場合に比し、低周波数から高周波
数（100〜10kHz）までの広範な領域が適用される。一般
的に、鉄心に生じる鉄損は、周波数が高くなるにつれて
増大するが、回転速度制御のため周波数変換された電流
は、その周波数が高いばかりでなく、基本の正弦波に多
数の高周波成分が重畳したものになる。その上、鉄心歯
部の複雑な形状や、高速で移動する磁性体の影響を受け
るため、商用周波数の単純な正弦波によって一方向で測
定された磁気特性だけからでは、実機に使用された状態
での鋼板の性能は十分評価できないと考えられる。

【０００４】鉄心に用いられる電磁鋼板として、このよ
うなモータ制御の革新に対応したものは、商用周波数域
だけではなく、高周波域での磁気特性も向上させる必要
がある。高周波域での磁気特性の向上、とくに鉄損を低
下させるには、ＳｉやＡｌ量を増加させ、それと共に板
厚を薄くする方法が採用される。例えば、特公平8-1401
6号公報には、ＳｉとＡｌとの合計量を2〜4％とし、板
厚を0.1〜0.25mm、結晶粒径を5〜60μmにした、400Hz以
上での使用を目的とする電磁鋼板の発明が開示されてい
る。また、特開2000-160303号公報に開示された発明
は、上記と同様、ＳｉとＡｌとの合計量を2〜4％とした
上でＳ含有量を9ppm以下とし、さらにＳｎおよびＳｂを
一方または両方を合計量にて0.001〜0.03％添加した、
板厚が0.1〜0.3mmの高周波領域における鉄損が低い、70
0Hz以上で使用される高周波用電磁鋼板である。

【０００５】これらの鋼板における磁気特性改善の効果
は、ＪＩＳ-Ｃ-2550に規定された方法に準じて、鋼板の
圧延方向（Ｌ方向）と圧延に直角の方向（Ｃ方向）とか
ら採取した短冊状試験片による、エプスタイン枠を用い
た測定によって評価されている。このため、モータのよ
うな回転体を対象とする用途における電磁鋼板としての
性能向上は、十分評価できていないおそれがある。

【０００６】これに対し、特開2000-144348号公報に
は、通常の50Hzにおける鉄損値Ｗ_１５ _／５０（添字は10
×最大磁束密度(T)／周波数を示す）が低く、かつ400Hz
での鉄損値Ｗ_{１０／４００}が、Ｌ、Ｃ方向で採取した試
験片による平均の値に対し、45°方向（Ｄ方向）で採取
した試験片による値を、1.2倍以下とした鋼板の発明が
開示されている。この場合、ＤＣブラシレスモータに用
いる鋼板のエプスタイン枠による測定結果と、その鋼板
を用いて作製したモータの効率とを比較して、Ｓｉ、Ａ
ｌおよびＭｎ含有量を増した上で、Ｌ、ＣおよびＤの３
方向で測定した素材の磁気異方性を小さくすることが、
モータ効率向上に効果があるとしている。

【０００７】しかしながら鋼板にて、とくに評価に用い
る周波数を商用周波数より高くし、さらに、試験片の採
取方向を種々変えるなどして磁気特性を改善し、これを
モータに適用した場合、かならずしも鋼板特性から期待
されるほどには、モータの性能が向上しないことがあ
る。

【０００８】この理由として、実際のモータの鉄心にお
いては、鋼板は積層して使用されるので、単なる固定だ
けでなく占積率の向上や騒音抑止のため、ボルト締め
や、かしめなどが施されることが考えられる。とくに小
形のモータでは、製造工程の合理化から、ステータ部の
積層鉄心を「やきばめ」によって固定する方法が多く採
用される。この場合、鉄心の外周部近傍に板面平行な周
方向の圧縮応力が負荷され、その状態で使用される。

【０００９】一般に電磁鋼板は歪みが加わると磁気特性
が変化することが知られており、曲げや剪断などによる
塑性変形は磁気特性を大きく劣化させる。弾性変形につ
いては、通常、引張り応力は鉄損を向上させるが圧縮応
力は鉄損を低下させる。「やきばめ」でモータの積層鉄
心を固定した場合、円周方向に10〜40MPaの圧縮応力が
生じ、それによってモータの損失が増加することが山本
らによって報告されている（山本、他：電気学会論文集
Ａ,vol.117(1997),No.3,p.311）。しかしながら、この
圧縮応力がモータにしたときの性能低下に大きく影響す
ると推測されても、現実にこの応力を生じないようにし
てモータを組み上げることは困難である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ＤＣブラシレスモータ
などインバーターにより回転を制御する小形モータにお
いて、鉄心に適用される電磁鋼板は、板面に平行な圧縮
応力が負荷された状態で使用される場合が多くあるが、
本発明の目的は、そのような状態で使用されても性能の
低下が少ない、回転機用無方向性電磁鋼板とその製造方
法の提供にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＤＣブラ
シレスモータやエアコンのコンプレッサーモータのよう
に、インバーターにより回転を制御する小形モータの積
層鉄心用の電磁鋼板に関し、その性能を向上すべく種々
検討をおこなった。その中で明らかになった対処すべき
課題の中に、ＪＩＳ-Ｃ-2550に規定されたエプスタイン
枠により商用周波数で測定した電磁鋼板において、特性
のすぐれた、とくに鉄損が低かったものを用いても、か
ならずしも効率の良好なモータにならないことがあっ
た。

【００１２】この理由として、一つにはエプスタイン枠
による試験は磁化の磁束の方向が固定されており、モー
タのように絶えず磁束方向が変化する場合に十分対応で
きていないと思われること、もう一つにはエプスタイン
枠による試験は、試験片に応力が加わらない状態で測定
されるのに対し、実際のモータでは「かしめ」や「やき
ばめ」により鉄心に用いられている電磁鋼板に圧縮応力
が負荷されていることがある。

【００１３】しかしながら、磁束の方向が変化する場合
の磁気特性の測定方法は、現在まだ確立されていない。
そこで、応力が負荷されたときの鋼板の磁気特性と、モ
ータの性能との関係を調査することにした。

【００１４】エプスタイン枠を用いる測定方法では、試
験片に応力を負荷することが困難である。そこで、ＪＩ
Ｓ-Ｃ-2556の単板磁気特性試験方法またはこれに準じた
方法により、一枚の試験片を用いて圧縮応力を負荷した
場合および負荷しない場合の鉄損値を測定することにし
た。その際、圧縮応力は磁化方向と平行に加えるように
した。

【００１５】用いた磁気測定枠は縦型ダブルヨ−ク枠
で、その主な仕様を表１に示す。試験片寸法は、幅30m
m、長さ150mmである。圧縮応力を負荷する場合は、図１
に示すように、試験片1の両端のヨーク3の外に出た長さ
約15mmの部分に、オーステナイト系ステンレス鋼製の固
定具2と応力負荷保持具5を取り付け、曲がらないよう磁
気測定枠3の中では試験片の上下面にベークライト製支
持板を当てた。長さ方向に平行な応力はスプリング7を
介して手動で負荷し、その大きさは荷重検出器8により
検出して制御した。

【００１６】

【表１】

【００１７】増幅器、積分器、周波数計電圧計および電
力計等は、上記ＪＩＳにて規定に準じるものを用い、正
弦波発生電源により、商用周波数より高い周波数の電流
を供給する。試験装置の校正は、エプスタイン枠にて測
定した試験片を用いておこなった。

【００１８】モータに使用される電流は50〜10kHzと考
えられ、エアコンのコンプレッサーモータでは80〜400H
zであることからから周波数を200Hz、負荷する応力を
「やきばめ」による鉄心の固定を想定して20MPaとし、
応力を負荷した場合と、負荷しない場合との鋼板の鉄損
を測定することとした。製造条件を種々変えた鋼板を用
意して磁気特性を測定し、その結果から無負荷の場合の
鉄損と、負荷をかけた場合の鉄損とを対比してみると、
応力を負荷すれば鉄損値は増大するが、これら二つの鉄
損値の間にはとくに明瞭な相関は認められなかった。

【００１９】しかし、これらの電磁鋼板をステータに用
いて、ＤＣブラシレスモータを作製しモータ効率を測定
し、電磁鋼板にて測定した鉄損値との関係を調べてみる
と、通常電磁鋼板の鉄損値として表示される無負荷の鉄
損値とモータ効率との間には、明瞭な関係は認められな
かったが、応力を負荷した場合の鉄損値とモータ効率と
の間にはかなりよい相関があり、その鉄損値の低い方が
モータ効率が高くなることを示していた。

【００２０】これら測定した鉄損とモータ効率との関係
を種々調べてみると、応力を負荷したときの鉄損値だけ
との対応よりは、無負荷のときの鉄損値と応力を負荷し
たときの鉄損値との二つの値の平均の鉄損値の方が、よ
りよい相関のあることが明らかになった。すなわち、応
力を負荷したときの鉄損値をＷ_{１５／２００}(20)、無負
荷のときの鉄損値をＷ_{１５／２００}(0)とするとき、こ
れら二つの値の平均値の下記式で示されるＷ
_{１５／２００}(a)の値の方が、よりよい相関のあること
が明らかになった。Ｗ_{１５／２００}(a)＝｛Ｗ_{１５／２００}(0)＋Ｗ_{１５／２００}(20)｝／２・・・・

【００２１】このように、応力を負荷しない通常の鉄損
測定値と応力を負荷したときの鉄損測定値との平均値Ｗ
_{１５／２００}(a)が、モータ効率を高めるためのよい指
標となるのは、やきばめにより固定された鉄心は外周近
傍には応力が負荷されるが、内周近傍はこのような応力
の影響を受けないためではないかと思われる。

【００２２】鋼板における磁気特性の測定値と、その鋼
板を用いたモータ性能との関係が明らかになったので、
この測定方法を用いて、モータ性能向上に好ましい磁気
特性をもたらす電磁鋼板についてさらに調査をおこなっ
た。その結果、成分、比抵抗、および結晶粒径に、それ
ぞれ好ましい範囲のあることがわかってきた。

【００２３】鉄損は一般に渦電流損とヒシテリシス損と
からなっている。渦電流損の低減には比抵抗を上げる必
要があり、軟鋼の比抵抗を高くするには、Ｓｉ、Ａｌお
よびＭｎの含有量を増すことが有効であることが知られ
ている。そこで、これらの元素の含有量を検討した結
果、従来用いられている比抵抗への関与を示す式にて、
その鉄損への影響を整理できることがわかった。しか
し、このような式に基づいて成分を増加していく場合、
ある範囲を超えると鋼板の鉄損は低下するが、それ以上
増してもモータの効率は向上せず、逆に低下する傾向が
現れることが明らかになった。これは、これらの元素の
含有量を増すことにより磁束密度が低下し、これがモー
タ効率の低下をもたらしたためと考えられた。

【００２４】鋼の比抵抗は、応力による弾性変形で多少
増加することはあっても減少はなく、渦電流損への応力
負荷による影響はほとんどないと推測される。しかし、
ヒシテリシス損は、応力による変形によって大きく影響
を受ける。強磁性金属の場合、磁化されるとごくわずか
に変形する磁歪という現象があり、多結晶の鋼板では板
面方向に磁化すると磁化方向に長さが増すとされてい
る。このとき圧縮の応力が加わっていると、それに抗し
て変形しようとするので、磁化に要するエネルギーが増
し、ヒシテリシス損が増大すると考えられる。

【００２５】磁歪の大きさは、磁化方向と結晶軸の方向
との関係により種々変化する。モータなど回転機に用い
られる電磁鋼板は、通常の冷延鋼板と同様に、圧延のよ
うな特定方向のみの変形を受けて製造される。このた
め、無方向性という名称が付けられてはいるが、鋼板に
はそれを構成する各結晶の軸が特定方位に優先的に配向
する集合組織が形成され、これが磁歪の大きさに影響を
およぼすと考えられる。しかし、鋼板の集合組織を調べ
た限りでは、どのような方位が応力を負荷されたとき鉄
損増加が小さいのか、明確にはわからなかった。

【００２６】また、変形を受けたとき、鋼板の各結晶粒
の応力状態に結晶粒径も大きく影響すると推定される。
結晶粒は小さければ応力による影響が分散し、鉄損の劣
化が少ないのではないかと思われたが、結晶粒が小さく
なると応力を負荷しない場合の鉄損が劣化する。しか
し、結晶粒が大きくなると、無負荷のときの鉄損は向上
するが、ある限度を超えると応力を負荷したときの劣化
が大きくなる傾向を示した。これは、結晶粒が大きくな
ると応力の影響を受けやすくなるためと考えられる。結
晶粒径に前述の平均鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)が低くな
る好ましい範囲があるのは、このような理由によるので
あろう。

【００２７】以上のように、モータ効率を向上させるた
めのすぐれた性能を有する無方向性電磁鋼板として、Ｗ
_{１５／２００}(a)をより低くできる成分範囲と製造条件
とを種々検討した結果、まず、鋼の比抵抗の値を目標の
範囲にするには、従来知られている関係式を用い、Ｓ
ｉ、ＭｎおよびＡｌの含量を管理することによって得ら
れることが確認された。

【００２８】この含有成分を変えて電磁鋼板を製造する
際に、他の成分元素添加の効果もあわせて検討したとこ
ろ、さらにＣｕ、Ｎｉ、Ｐ、ＳｂおよびＳｎを少量添加
することが、Ｗ_{１５／２００}(a)の低下に有効であっ
た。この効果の現れる理由はかならずしも明らかではな
いが、Ｃｕ、ＮｉおよびＰについては、とくに応力を負
荷したときの鉄損の増加が低減しており、集合組織ある
いは磁歪定数を変化させることにより、応力の影響を緩
和させるのではないかと思われる。

【００２９】ＳｂおよびＳｎは、ＡｌＮの生成を低減し
て、鉄損の劣化を抑止する効果がある。鋼中に微細なＡ
ｌＮ析出物が多く存在すると、磁化の際の磁壁移動を阻
害してヒシテリシス損を増加させるが、水素を含む窒素
雰囲気中にて高温で焼鈍されるとき、鋼は窒素を吸収し
てＡｌＮ析出物が増加する傾向がある。これに対し、Ｓ
ｂやＳｎを少量含有させると、高温焼鈍時の窒素の吸収
が低減する。ＳｂやＳｎは、鋼板表面における窒素の吸
収放出反応の抑制、言い換えれば鋼板表面の活性を大き
く低下させる効果があると考えられる。

【００３０】以上のように、モータ効率を高くするため
の、鉄心に用いる電磁鋼板の評価方法が明らかになり、
成分範囲や、好ましい比抵抗および結晶粒径等が大略わ
かってきたので、さらに、よりすぐれたモータ用電磁鋼
板を安定して得るための製造条件を検討した。

【００３１】鋼板の組成は、目標とする鋼板特性の他、
溶製の難易、加工性、経済性などの要因で選定される。
比抵抗が目標範囲内になるよう組成を管理した鋼を用
い、通常の無方向性電磁鋼板の製造方法に準じて、溶
製、圧延、焼鈍、表面コーティングをおこなう過程にお
いて、製品のＷ_{１５／２００}(a)の低下を判断基準と
し、各工程の条件を種々検討した。その結果、とくに冷
間圧延前の熱延鋼板に対し焼鈍を施すことが、有効であ
あることがわかった。製品の結晶粒径が同じであって
も、この焼鈍によりＷ_{１５／２００}(a)を大きく低下で
きるのである。

【００３２】この焼鈍条件についてさらに検討したとこ
ろ、焼鈍した熱延鋼板の結晶粒径を100〜500μmと大き
くするのが好ましいこと、および高温での均熱後の冷却
を遅くするのがよいことがわかってきた。

【００３３】熱延鋼板にて焼鈍し、結晶粒を大きくする
と、冷間圧延後焼鈍した製品鋼板の鉄損が低下し、磁束
密度も向上することはよく知られているが、このような
処理を施すと、冷間圧延後の焼鈍にて結晶粒が同じであ
っても、Ｗ_{１５／２００}(a)は安定して低下することが
わかった。この場合、冷間圧延前の結晶粒径は100μm未
満ではこのような効果は十分得られず、500μmを超える
と、冷間圧延時に鋼板が破断するおそれがある。

【００３４】熱延鋼板の焼鈍時に冷却速度を遅くする
と、Ｗ_{１５／２００}(a)が改善されるのは、ＡｌＮやＭ
ｎＳその他の冷却過程にて形成される微細析出物の凝集
や粗大化が進行し、それにより鉄損に悪影響をおよぼさ
ない状態に変化するためと推定される。

【００３５】また、冷間圧延前の結晶粒径の粗大化や、
微細析出物の状態変化は、冷間圧延後の焼鈍の過程で、
適度の粒成長が進むことによって、応力が負荷されたと
きの鉄損劣化が低減されるような集合組織が形成されて
くることも考えられる。冷間圧延後の焼鈍温度は製品鋼
板の結晶粒径を決定する上で重要であり、焼鈍後の結晶
粒径が目標とする範囲になるように選定されなければな
らない。

【００３６】以上のような知見に基づき、さらに種々検
討をおこなってそれぞれの範囲限界を明確にして、本発
明を完成させた。以下に本発明の要旨を示す。

【００３７】(1) 質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.
1〜3％、Ａｌ：0.1〜3％で、かつこれら３元素の含有量
（質量％）は下記式を満足する範囲とし、Ｃ：0.005
％以下、Ｎ：0.005％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｔｉ：0.0
03％以下であって、残部はＦｅおよび不純物からなり、
室温における鋼板の比抵抗が50×10^−８〜75×10^−８Ω
m、平均結晶粒径が60μmを超え165μm以下であり、下記
式で示される平均鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)が16W／kg
以下であることを特徴とする回転機用無方向性電磁鋼
板。 50≦15.3＋10.7Ｓｉ＋6.8Ｍｎ＋9.4Ａｌ≦75 ・・・・・Ｗ_{１５／２００}(a)＝｛Ｗ_{１５／２００}(0)＋Ｗ_{１５／２００}(20)｝／２・・・・・ただし、Ｗ_{１５／２００}(0) ：最大磁束密度1.5T、周波
数200Hzにおける無負荷のときの1kg当たりの鉄損値Ｗ_{１５／２００}(20)：磁化方向と平行に20MPaの応力を
負荷したときの最大磁束密度1.5T、周波数200Hzにおけ
る1kg当たりの鉄損値

【００３８】(2) 質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.
1〜3％、Ａｌ：0.1〜3％で、かつこれら３元素の含有量
（質量％）は上記式を満足する範囲とし、Ｃ：0.005
％以下、Ｎ：0.005％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｔｉ：0.0
03％以下であって、さらにＣｕ：0.02〜1％、Ｎｉ：0.0
2〜1％およびＰ：0.02〜0.2％のうちの一種以上を含有
し、残部はＦｅおよび不純物からなり、室温における鋼
板の比抵抗が50×10⁻ ^８〜75×10^−８Ωm、かつ平均結
晶粒径が60μmを超え165μm以下であり、上記式で示
される平均鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)が16W／kg以下であ
ることを特徴とする回転機用無方向性電磁鋼板。

【００３９】(3) 質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.
1〜3％、Ａｌ：0.1〜3％で、かつこれら３元素の含有量
（質量％）は上記式を満足する範囲とし、Ｃ：0.005
％以下、Ｎ：0.005％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｔｉ：0.0
03％以下であって、さらにＳｎおよびＳｂのいずれか一
方、または両方を合計量で0.005〜0.2％含有し、残部は
Ｆｅおよび不純物からなり、室温における鋼板の比抵抗
が50×10^−８〜75×10 ^−８Ωm、かつ平均結晶粒径が60
μmを超え165μm以下であり、上記式で示される平均
鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)が16W／kg以下であることを特
徴とする回転機用無方向性電磁鋼板。

【００４０】(4) 質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.
1〜3％、Ａｌ：0.1〜3％で、かつこれら３元素の含有量
（質量％）は上記式を満足する範囲とし、Ｃ：0.005
％以下、Ｎ：0.005％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｔｉ：0.0
03％以下で、さらにＣｕ：0.02〜1％、Ｎｉ：0.02〜1％
およびＰ：0.02〜0.2％のうちの一種以上と、Ｓｎおよ
びＳｂのいずれか一方、または両方を合計量で0.005〜
0.2％含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、室温
における鋼板の比抵抗が50×10^−８〜75×10^−８Ωm、
かつ平均結晶粒径が60μmを超え165μm以下であり、上
記式で示される平均鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)が16W／
kg以下であることを特徴とする、請求項１に記載の回転
機用無方向性電磁鋼板。

【００４１】(5) 熱間圧延後の鋼板に、800〜900℃で5
〜10時間加熱後、700℃から500℃までの間を50℃／hr以
下の冷却速度として冷却する焼鈍を施し、これを脱スケ
ールし冷間圧延した後、加熱温度900〜1150℃で焼鈍す
ることを特徴とする、上記(1)から(4)までのいずれかの
回転機用無方向性電磁鋼板の製造方法。

【００４２】

【発明の実施の形態】本発明において、鋼の化学組成を
次のように限定する。なお成分含有量の％はいずれも質
量％を示すものとする。

【００４３】Ｓｉ：1〜4％Ｓｉは鋼の比抵抗を高め、鉄損を低減させる作用があ
り、すくなくとも1％以上含有させる。しかし多くなり
すぎると鋼が硬く脆くなって、冷間圧延時の破断が生じ
やすくなり、鋼板の打抜き時の金型摩耗が著しくなるな
ど生産性を低下させるので、多くても4％までとする。
望ましいのは2.0〜3.5％である。

【００４４】Ｍｎ：0.1〜3％Ｍｎは、不純物のＳによる熱間加工時の脆性を防止する
ため含有させるが、形成されるＭｎＳが微細になって冷
延後の焼鈍時の粒成長を阻害し、鉄損が大きくならない
ようにするため、その含有量は0.1％以上必要である。
また、鋼の比抵抗を高める作用もある。しかし多く含有
させると変態点が低下して、焼鈍時にオーステナイト相
が現れ、粒成長を阻害したり、好ましくない集合組織が
形成されて鉄損が低下するので、3％までとする。好ま
しい範囲は0.2〜2％である。

【００４５】Ａｌ：0.1〜3％Ａｌは、通常の鋼においては脱酸を目的に添加され、そ
の場合は0.1％未満で十分であるが、本発明において
は、粒成長を阻害する微細なＡｌＮの形成を抑止するた
めと、Ｓｉと同様、比抵抗向上効果があるため、0.1％
以上含有させる。しかし過剰に含有させると磁歪を増加
させ、応力負荷時の鉄損が大幅に増大するので、多くて
も3％までとする。望ましいのは0.3〜2％である。

【００４６】Ｓｉ、ＭｎおよびＡｌの３元素は、上記の
規制範囲に加えて下記式を満足する範囲とする。この
式でそれぞれの元素記号は、その元素の含有量（質量
％）を示す。

【００４７】 50≦15.3＋10.7Ｓｉ＋6.8Ｍｎ＋9.4Ａｌ≦75 ・・・・・上記式において、加算で示された値が50を下回る場合、
比抵抗が低くなりすぎて鉄損が増加し、75を超えるとモ
ータ効率が低下する。

【００４８】Ｃ：0.005％以下Ｃは電磁鋼板においては有害な不純物である。炭化物と
なって析出し、磁気特性を劣化させるばかりでなく、使
用中に磁気時効が生じてさらに特性を劣化させるので、
少なければ少ないほどよい。その悪影響が大きくない含
有範囲として、含有量は0.005％以下とする。

【００４９】Ｎ：0.005％以下ＮはＡｌと結合してＡｌＮを形成し、この微細析出物は
冷間圧延後の焼鈍における結晶粒成長を大きく阻害する
ので、少なければ少ないほどよい。悪影響が現れない限
度としてその含有量は0.005％以下とする。

【００５０】Ｓ：0.01％以下ＳはＭｎと結合してＭｎＳとなるが、ＭｎＳが微細に析
出すると、結晶粒成長を阻害するので、少なければ少な
いほどよい。その悪影響が顕著でない範囲として0.01％
以下とする。さらに望ましくは0.003％以下である。

【００５１】Ｔｉ：0.003％以下ＴｉはＣ、Ｎ、Ｓなどと結合して微細析出物を生成し、
焼鈍時の結晶粒成長を阻害して、鉄損を劣化させるので
多くとも0.003％までとし、少なければ少ないほどよ
い。

【００５２】Ｃｕ：0.02〜1.0％、Ｎｉ：0.02〜1.0％、
Ｐ：0.02〜0.2％Ｃｕ、ＮｉおよびＰは、応力が負荷されたときの鉄損増
加を抑止する効果があり、Ｗ_{１５／２００}(a)を低下さ
せるため、要すればこれらの一種以上を含有させる。こ
のような効果を得るためには、いずれの元素もすくなく
とも0.02％以上の含有が必要である。しかしながら、多
く含有させすぎても、その効果がそれ以上増さないばか
りでなく、鋼の脆化や応力のないときの鉄損増加などの
悪影響が現れるので、ＣｕおよびＮｉは1.0％まで、Ｐ
は0.2％までとするのがよい。

【００５３】Ｓｂ：0.005〜0.2％、Ｓｎ：0.005〜0.2％ＳｂおよびＳｎは、鉄損の改善の効果があり、要すれば
これらの一方または両方を含有させる。この効果は、水
素を含む窒素雰囲気中で高温に加熱されるとき、鋼の表
面からの窒素の侵入を防止し、ＡｌＮが形成されるのを
抑止することによると考えられる。このような効果を得
るためには、どちらの元素も0.005％以上の含有が必要
である。しかし、多すぎる含有は結晶粒成長を阻害する
ので、両元素とも0.2％までの含有とするのがよい。両
元素を用いる場合は、合計量を0.005〜0.2％とする。

【００５４】室温における鋼板の比抵抗は、50×10^−８
〜75×10^−８Ωmとする。上述の組成範囲の鋼板にて測
定した比抵抗と、平均結晶粒径が100〜130μmのそれら
鋼板を用いて試作したＤＣブラシレスモータの効率を測
定した。ＤＣブラシレスモータは、ロータが４極でその
径は55mm、ステータは極数が24で外径が112mm、積厚は6
0mmで、やきばめしろを0.06mmとして円筒鋼管製の外枠
に装入し固定したものである。このモータにて、回転数
3000min^−１、負荷1N・mのときのモータ効率を測定し
た。

【００５５】比抵抗とモータ効率との関係を図２に示
す。この図からわかるように、効率が90％を超えるモー
タを得ようとすれば、鋼板の比抵抗は、50×10^−８Ωm
未満であっても、75×10^−８Ωmを超えてもよくない。

【００５６】高周波域で使用する場合、比抵抗は高いほ
ど鉄損が低くなり効率は向上する。しかし、比抵抗が高
くなりすぎると効率が低下するのは、比抵抗を増す目的
でＳｉなどを多く含有させることにより、磁束密度が低
下するためと考えられる。比抵抗を上記範囲とするの
は、前述のように、Ｓｉ、ＭｎおよびＡｌの含有量を制
御しておこなう。

【００５７】鋼板の平均結晶粒径は60μmを超え165μm
までとする。前記式によりＳｉ、ＭｎおよびＡｌ量を
調整して、比抵抗が58×10^−８〜60×10^−８Ωmの範囲
とした鋼にて、加熱の温度および時間を管理することに
より結晶粒径を変えて電磁鋼板を作製し、磁気特性を確
認後、前述のＤＣブラシレスモータを製造し同様な条件
にてモータ効率を測定した。

【００５８】得られた測定結果により電磁鋼板の平均結
晶粒径とモータ効率との関係をみると図３のようになっ
た。これから、効率が90％を超えるモータを得ようとす
れば、平均結晶粒径を60μmを超え165μm以下の範囲に
すればよいことがわかる。

【００５９】鋼板の平均鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)は16W
／kg以下であることとする。これは、効率が90％を超え
る高効率モータを得るために必要である。板厚を0.35mm
としたＷ_{１５／２００}(a)の種々異なる鋼板を用い、前
述のＤＣブラシレスモータを製造しそのモータ効率とＷ
_{１５／２００}(a)との関係を調べた結果を図４に示す。
この図から効率が90％以上のモータを得ようとすれば、
16W／kg以下にしなければならないことがわかる。なお
Ｗ_{１５／２００}(a)の値は低ければ低いほど好ましく、
下限値はとくには限定するものではない。

【００６０】本発明の電磁鋼板の製造は、通常の無方向
性電磁鋼板の製造方法に準じておこなえばよいが、上述
の特徴を有し、よりすぐれたＷ_{１５／２００}(a)の値を
実現するには、以下のような条件にて製造するのがよ
い。

【００６１】鋼の組成のうち、とくにＳｉ、Ｍｎおよび
Ａｌについては、所定の比抵抗値になるように成分を制
御した鋼スラブを用い、熱間圧延をおこなって熱延鋼板
とする。その際に、とくに限定はしないが、スラブ加熱
温度は1200℃以下、仕上げ温度は、750〜850℃とすれば
磁気特性には好ましい結果となる傾向がある。

【００６２】熱延鋼板は冷間圧延前に焼鈍をおこなう。
それによって電磁鋼板のＷ_１５／２ _００(a)の値がより
低くなり、モータ効率が向上する。この焼鈍は、結晶粒
を大きくさせ、そして冷却の過程で不純物元素を無害化
する効果があると考えられるが、そのためには、加熱温
度を800〜900℃、保持時間を5〜15時間とし、冷却の過
程では700℃から500℃までの間を平均冷却速度50℃／h
以下として冷却する。

【００６３】これは、加熱温度が800℃を下回ると、保
持時間が5時間未満では、結晶粒の成長が十分でないか
らであり、熱温度が900℃を超えたり、保持時間が15時
間を超えると結晶粒が粗大になりすぎて、冷間圧延時に
破断したり、吸窒量が増してＡｌＮ析出物が増し鉄損を
増大させることがあるからである。

【００６４】700℃から500℃の間をとくに制御してゆっ
くり冷却するのは、この温度の間にＡｌＮやＭｎＳなど
の析出物が凝集や粗大化して無害化し、冷延後の焼鈍に
おける結晶粒成長を容易にさせるためである。700℃を
超える温度ではこれらの溶解度が大きいため十分に析出
せず、500℃を下回ると拡散が遅くなって凝集や粗大化
が進まなくなる。そこで、析出も拡散も活発に進行する
この温度範囲をゆっくり冷却する。

【００６５】電磁鋼板としての板厚は、通常用いられる
0.35mmでよい。薄いほど鉄損が低くなるが、薄くしすぎ
ると占積率の低下によるモータ効率の低下、鉄心積層後
のかしめ強度不足、打抜きの際の歯部の変形、圧延や打
抜きの生産性低下など種々の問題が生じてくる。したが
って、薄くても0.2mmまでとするのが好ましい。また厚
くなれば鉄損が増大するので、0.4mm以下とするのがよ
い。

【００６６】

【実施例】〔実施例１〕表２に示す組成の鋼を溶製し、
得られた鋳片スラブを1150℃に加熱して熱間圧延をおこ
ない、2.3mmの熱延鋼板とした。この熱延鋼板を820℃に
て10時間加熱し、700℃から500℃までの間を平均冷却速
度40℃／hとして冷却する焼鈍をおこなった後、冷間圧
延して厚さ0.35mm（一部0.50mm）とした。冷圧後の鋼板
は、870〜1150℃にて約20秒保持する焼鈍の後、表面に
絶縁コーティングを施して、電磁鋼板製品とした。

【００６７】各製品鋼板から幅30mm、長さ150mmの試験
片を、圧延方向とその直角方向との２方向で採取し、前
述の図１に示した単板磁気測定機による方法にて,応力
を負荷しないときの鉄損値Ｗ_{１５／２００}(0)と、20MPa
の圧縮応力を負荷したときの鉄損値Ｗ_{１５／２００}(20)
とをそれぞれの方向で測定して、平均鉄損値Ｗ_１５／
_２００(a）を求めた。また、平均結晶粒径は下記の方法
で求め、室温における比抵抗を４端子法で測定した。結
果を表３に示す。

【００６８】平均結晶粒径Ｄは、鋼板の圧延に平行な板
厚垂直断面にて、板厚の中心および2ヶ所の1／4厚さの
位置でそれぞれ板面に平行な5mmの線を引き、その各線
を横切る粒界数の合計で15mmを除した数をＬとすると
き、Ｄ＝1.12Ｌとして求めた。

【００６９】これらの電磁鋼板から、ＤＣブラシレスモ
ータを作製した。このモータは、ロータが４極でその径
は55mm、ステータは極数が24でその外径が112mm、積厚
は60mm、やきばめしろは0.06mmとして肉厚3.0mmの円筒
鋼管製外枠に装入し固定したものである。このモータに
て、回転数3000min^−１、負荷1N・mのときのモータ効率
を測定した。この測定結果も合わせて表３に示す。

【００７０】

【表２】

【００７１】

【表３】

【００７２】これらの結果から、本発明で規制する範囲
内の組成で、比抵抗が50×10^−８〜75×10^−８Ωmの範
囲内にあり、結晶粒径が90〜130μmの鋼板は、平均鉄損
値Ｗ _{１５／２００}(a）が16W／kgを下回っており、モー
タ効率は93％以上であることがわかる。

【００７３】また比抵抗は、前出の式にてＳｉ、Ｍｎ
およびＡｌの量から計算して上記の所要範囲に調整した
が、表２に示したこの計算値と、表３に示した実測値と
は、よい一致を示している。結晶粒径については、主と
して冷圧後の焼鈍温度により制御するが、熱延板焼鈍を
施し、その際の冷却速度を遅くすることで、より容易に
目的とする比較的大きな結晶粒径にすることができる。

【００７４】〔実施例２〕表２に示した組成の鋼のＡ、
ＨおよびＱの鋼スラブを用い、加熱温度を1150℃とし、
熱間圧延して厚さ2.0mmの熱延鋼板にとした。これらの
熱延鋼板を脱スケール後、表４に示すように焼鈍の温度
および時間を変え、さらに冷却時の700℃から500℃まで
の冷却速度を変えた。焼鈍後の熱延板について実施例１
にて述べた方法で平均結晶粒径を測定し、0.35mmに冷間
圧延した。冷間圧延後の鋼板の焼鈍条件は、あらかじめ
焼鈍条件と焼鈍後の結晶粒径との関係を実験焼鈍にて求
め、製品鋼板の平均結晶粒径が110〜120μm程度になる
焼鈍温度を選定した。これらの製造条件を表４に示す。

【００７５】得られた鋼板は実施例１と同様にして、Ｗ
_{１５／２００}(0)、Ｗ_{１５／２００}(20)およびＷ
_{１５／２００}(a)を求め、ＤＣブラシレスモータを作製
してモータ効率を測定した。これらの結果もあわせて表
４に示す。

【００７６】

【表４】

【００７７】表４の結果から熱延板の焼鈍温度、時間お
よび冷却速度が、本発明で定める範囲の条件で製造され
るとき、鋼板の平均結晶粒が必要とする粒径範囲に入
り、その鋼板を用いれば、すぐれた特性のモータの得ら
れることがわかる。

【００７８】

【発明の効果】本発明による電磁鋼板は、ＤＣブラシレ
スモータのような、固定のためのかしめにより応力が負
荷され、かつ商用周波数より高い周波数域で使用さる回
転機の鉄心に用いて、すぐれたモータ性能を得ることが
できる。このようなモータは今後ますます利用が増加す
る傾向にあり、電気機器のエネルギー節減に貢献すると
ころ大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧縮方向の応力を負荷しつつ鉄損を測定する方
法を説明する模式図である。

【図２】電磁鋼板の比抵抗値と、その鋼板を用いたＤＣ
ブラシレスモータの効率との関係を示す図である。

【図３】電磁鋼板の平均結晶粒径と、その鋼板を用いた
ＤＣブラシレスモータの効率との関係を示す図である。

【図４】電磁鋼板の応力を負荷したときとしないとき
の、二つの鉄損の平均値Ｗ_１５／ _２００(a)と、その鋼
板を用いたＤＣブラシレスモータの効率との関係を示す
図である。

【符号の説明】

１試験片２試験片固定具３ヨーク４励磁コイル５応力負荷保持具６リニアガイド７荷重検出器８スプリング９スクリュー機構１０ハンドル

フロントページの続き (72)発明者屋鋪裕義大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内Ｆターム(参考） 4K033 AA01 CA02 CA03 CA05 FA12 KA00 5E041 AA02 CA04 HB11 NN01 NN06 NN13 NN18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.1〜3
％、Ａｌ：0.1〜3％で、かつこれら３元素の含有量（質
量％）は下記式を満足する範囲とし、Ｃ：0.005％以
下、Ｎ：0.005％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｔｉ：0.003％
以下であって、残部はＦｅおよび不純物からなり、室温
における鋼板の比抵抗が50×10^−８〜75×10^−８Ωm、
平均結晶粒径が60μmを超え165μm以下であり、下記
式で示される平均鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)が16W／kg以
下であることを特徴とする回転機用無方向性電磁鋼板。 50≦15.3＋10.7Ｓｉ＋6.8Ｍｎ＋9.4Ａｌ≦75 ・・・・・Ｗ_{１５／２００}(a)＝｛Ｗ_{１５／２００}(0)＋Ｗ_{１５／２００}(20)｝／２・・・・・ただし、Ｗ_{１５／２００}(0) ：最大磁束密度1.5T、周波
数200Hzにおける無負荷のときの1kg当たりの鉄損値Ｗ_{１５／２００}(20)：磁化方向と平行に20MPaの応力を
負荷したときの最大磁束密度1.5T、周波数200Hzにおけ
る1kg当たりの鉄損値
【請求項２】質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.1〜3
％、Ａｌ：0.1〜3％で、かつこれら３元素の含有量（質
量％）は上記式を満足する範囲とし、Ｃ：0.005％以
下、Ｎ：0.005％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｔｉ：0.003％
以下であって、さらにＣｕ：0.02〜1％、Ｎｉ：0.02〜1
％およびＰ：0.02〜0.2％のうちの一種以上を含有し、
残部はＦｅおよび不純物からなり、室温における鋼板の
比抵抗が50×10^−８〜75×10^−８Ωm、かつ平均結晶粒
径が60μmを超え165μm以下であり、上記式で示され
る平均鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)が16W／kg以下であるこ
とを特徴とする回転機用無方向性電磁鋼板。
【請求項３】質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.1〜3
％、Ａｌ：0.1〜3％で、かつこれら３元素の含有量（質
量％）は上記式を満足する範囲とし、Ｃ：0.005％以
下、Ｎ：0.005％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｔｉ：0.003％
以下であって、さらにＳｎおよびＳｂのいずれか一方、
または両方を合計量で0.005〜0.2％含有し、残部はＦｅ
および不純物からなり、室温における鋼板の比抵抗が50
×10^−８〜75×10^−８Ωm、かつ平均結晶粒径が60μmを
超え165μm以下であり、上記式で示される平均鉄損値
Ｗ_{１５／２００}(a)が16W／kg以下であることを特徴とす
る回転機用無方向性電磁鋼板。
【請求項４】質量％にて、Ｓｉ：1〜4％、Ｍｎ：0.1〜3
％、Ａｌ：0.1〜3％で、かつこれら３元素の含有量（質
量％）は上記式を満足する範囲とし、Ｃ：0.005％以
下、Ｎ：0.005％以下、Ｓ：0.01％以下、Ｔｉ：0.003％
以下で、さらにＣｕ：0.02〜1％、Ｎｉ：0.02〜1％およ
びＰ：0.02〜0.2％のうちの一種以上と、ＳｎおよびＳ
ｂのいずれか一方、または両方を合計量にて0.005〜0.2
％の範囲で含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、
室温における鋼板の比抵抗が50×10^−８〜75×10^−８Ω
m、かつ平均結晶粒径が60μmを超え165μm以下であり、
上記式で示される平均鉄損値Ｗ_{１５／２００}(a)が16W
／kg以下であることを特徴とする、請求項１に記載の回
転機用無方向性電磁鋼板。
【請求項５】熱間圧延後の鋼板に、800〜900℃で5〜10
時間加熱後、700℃から500℃までの間を50℃／hr以下の
冷却速度として冷却する焼鈍を施し、これを脱スケール
し冷間圧延した後、加熱温度900〜1150℃で焼鈍するこ
とを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載
の回転機用無方向性電磁鋼板の製造方法。