JP2005240095A - スイッチトリラクタンス（ｓｒ）モータ用無方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 モータ効率を改善でき、かつトルク脈動を小さくできる、磁気異方性が小さいスイッチトリラクタンスモータ用無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、試料の、Ｌ方向、Ｃ方向およびＤ方向の磁化力Ｈ＝3000Ａ／ｍにおける磁束密度を各々Ｂ30（Ｌ）、Ｂ30（Ｃ）およびＢ30（Ｄ）とするとき、［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）］／4≧1.60（Ｔ）と、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２を満足し、かつ磁束密度1.5（Ｔ）、周波数50Hzの正弦波で、試料の、Ｌ方向、Ｃ方向およびＤ方向に磁化した時の鉄損を各々Ｗ15／50（Ｌ），Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）とするとき、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２を満足することを特徴とする。
【選択図】図４
【解決手段】 質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、試料の、Ｌ方向、Ｃ方向およびＤ方向の磁化力Ｈ＝3000Ａ／ｍにおける磁束密度を各々Ｂ30（Ｌ）、Ｂ30（Ｃ）およびＢ30（Ｄ）とするとき、［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）］／4≧1.60（Ｔ）と、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２を満足し、かつ磁束密度1.5（Ｔ）、周波数50Hzの正弦波で、試料の、Ｌ方向、Ｃ方向およびＤ方向に磁化した時の鉄損を各々Ｗ15／50（Ｌ），Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）とするとき、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２を満足することを特徴とする。
【選択図】図４
Description
本発明は、高回転かつ高トルクを要求されるモータに使用される無方向性電磁鋼板に関し、特にスイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータに用いるのに好適な無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。
現在、自動車では大衆車クラスで20個弱、高級車では50個以上のモータが使われており、今後もその使用数は拡大する見込みである。自動車用モータに求められる特性は、（1）低騒音、（2）小型・軽量、（3）高応答・分解能、（4）コスト低減などであるが、モータを構成するコアやステータ素材については、通常、コスト重視の観点からＳＰＣＣクラスの冷延鋼板が用いられている。
ところで、自動車の電源システムには現在14Ｖ系が使われているが、搭載されるエレクトロニクス機器が増大し、また制御においても機械的制御から電気的制御へと変化しているため、14Ｖの電源システムでは出力不足になりつつある。このような問題は14Ｖよりも高い電圧の電気系統を導入することで解決できる。候補として挙がっているのが42Ｖ系で、現在アメリカ、ヨーロッパ、日本など世界各地で研究・開発が進められている。
なお、ガソリンエンジンとモーターを組み合わせた動力源で、電気自動車のような外部充電を必要としない、高燃費で環境問題に対応したハイブリッド自動車であるトヨタのプリウス（登録商標）のモータ入力電圧は288Ｖ、ホンダのインサイト（登録商標）のモータ入力は144Ｖであるが、42Ｖ系の電源を用いれば、簡易ハイブリッド車の製造が可能であり、環境問題への対応からもその動きが生じつつある。
一方、バッテリーの高電圧化に対応して、各種電装品の新規開発も進められている。例えば、スタータとオルタネータが統合されたＩＳＧ（Integrated Starter Generator）と呼ばれる新機器や電磁バルブや電気ブレーキなどが検討されている。また、駆動用モータとしてスイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータの適用が検討されつつある。ＳＲモータの利点は高価な永久磁石を用いなくてよい点にあり、そのために耐遠心力強度にも優れている。しかし、ＳＲモータの欠点として、一般的に同期磁石モータに比べてモータ効率が低い。また、トルク脈動（コギングトルクやリプルトルク）が大きく、そのために騒音が大きかったり、あるいは電動パワーステアリングシステム用モータに用いる場合は、操舵時の滑らかさが従来より劣るという問題点があった。
前述したように、ＳＲモータの欠点として、モータ効率が低く、トルク脈動（コギングトルクやリプルトルク）が大きいという問題点がある。これを低減する手段のひとつとして、モータ設計の観点から、固定子幅、スロット幅、回転子幅の関係やスキュー等の形状、相数の増加などの検討が多くなされている。一方、電磁鋼板の素材特性の観点から、特許文献１では、圧延方向（Ｌ方向）、圧延直角方向（Ｃ方向）および圧延方向に対して45°をなす方向（Ｄ方向）のＢ50値の関係を規定し、鋼板の異方性を小さくすることで、モータの騒音を低減する技術が開示されている。また、磁気異方性を小さくする技術として、特許文献２や特許文献３では、熱間圧延条件を適正化する技術が開示されている。
このような技術により、誘導モータ等の一般モータのロストルク低減や効率上昇、騒音の低減はなされたものの、ＳＲモータのトルク脈動を低減するには未だ不十分であった。
特開２００１−４９４０２号公報
特開平１０−２３７５４５号公報
特開平１０−２４５６２８号公報
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、モータ効率を改善でき、かつトルク脈動を小さくできる、磁気異方性が小さいスイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータ用無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明者らはモータ効率およびトルク脈動に及ぼす鋼板の磁気特性の影響を詳細に検討した。その結果、ＳＲモータのトルク脈動の低減には鋼板の磁気異方性を低減することが非常に効果的であることを見出した。
小型モータは比較的高回転で使用されることが多く、その場合、励磁磁束密度波形が歪んで高調波成分を有するために、モータ効率の良否の目安となる磁気特性をエプスタイン試験片サイズで測定する場合、従来の標準的な50／60Hzでの鉄損値で評価することは不適当であり、例えば磁束密度1.0Ｔ、400Hzでの鉄損ＷlO/400で表す方が好ましいと最近報告されている。
さらに、実際のモータでの鉄損を考えるためには、高調波の重畳による鉄損劣化や二次元での回転鉄損を考慮する必要があることが従来から知られている。
そこで、高調波の重畳が鉄損に及ぼす影響を調査した結果、素材（鋼板）中のSi量が高いほど、高調波重畳時における回転鉄損の劣化量は少なくなり、モータ特性の向上につながることを見出した。
以上の新規知見を基にした本発明の容姿構成は以下のとおりである。
（I） 質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
（1）試料の、圧延方向（Ｌ方向）、圧延直角方向（Ｃ方向）および圧延方向に対して45°をなす方向（Ｄ方向）の磁化力Ｈ＝3000Ａ／ｍにおける磁束密度を各々Ｂ30（Ｌ）、Ｂ30（Ｃ）およびＢ30（Ｄ）とするとき、［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）］／4≧1.60（Ｔ）と、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２を満足し、かつ、
（2）磁束密度1.5（Ｔ）、周波数50Hzの正弦波で、試料の、Ｌ方向、Ｃ方向およびＤ方向に磁化した時の鉄損を各々Ｗ15／50（Ｌ），Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）とするとき、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２を満足することを特徴とする磁気異方性が小さいスイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータ用無方向性電磁鋼板。
（I） 質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
（1）試料の、圧延方向（Ｌ方向）、圧延直角方向（Ｃ方向）および圧延方向に対して45°をなす方向（Ｄ方向）の磁化力Ｈ＝3000Ａ／ｍにおける磁束密度を各々Ｂ30（Ｌ）、Ｂ30（Ｃ）およびＢ30（Ｄ）とするとき、［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）］／4≧1.60（Ｔ）と、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２を満足し、かつ、
（2）磁束密度1.5（Ｔ）、周波数50Hzの正弦波で、試料の、Ｌ方向、Ｃ方向およびＤ方向に磁化した時の鉄損を各々Ｗ15／50（Ｌ），Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）とするとき、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２を満足することを特徴とする磁気異方性が小さいスイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータ用無方向性電磁鋼板。
(II)質量％で、Sb：0.005〜0.1％、Sn：0.01〜0.5％、Cu：0.02〜0.5％およびNi：0.1〜3.0％から選ばれた１種または２種以上をさらに含有する上記(I)記載の無方向性電磁鋼板。
(III)電圧が42Ｖ以上の高電圧バッテリーを有する車両用モータに用いられる上記(I)または(II)記載の無方向性電磁鋼板。
(IV)質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0．5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0．005％およびTi≦0.005％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、熱間圧延後、必要に応じて熱延板焼鈍を施した後、圧下率65〜85％で冷間圧延を施して最終仕上げ板厚とし、その後、鋼板張力を２MPa以下、Ｐ（Ｈ2Ｏ）／Ｐ（Ｈ2）で表される雰囲気酸化性を0.015以下にして、500〜800℃間の平均昇温速度を25℃／s以上として加熱し、900〜1050℃の焼鈍温度で均熱保持した後、平均冷却速度25℃／s以下で冷却する再結晶焼鈍を施すことを特徴とする磁気異方性が小さいスイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータ用無方向性電磁鋼板の製造方法。
(V)前記鋼スラブは、質量％で、Sb：0.005〜0.1％、Sn：0.01〜0.5％、Cu：0.02〜0.5％およびNi：0.1〜3.0％から選ばれた１種または２種以上をさらに含有する上記(IV)記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
本発明によれば、高調波重畳時の鉄損劣化が少なく、かつ磁気異方性が小さい無方向性電磁鋼板を安定して得ることができる。したがって、本発明の無方向性電磁鋼板を用いれば、効率が高くてトルク脈動が小さい優れた特性を有するＳＲモータを得ることができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
Ishidaらの研究では、プラスレスＤＣモータのステータコア・ティース部の誘導起電力波形を測定したところ、基本波（正弦波）に５次から７次の高調波に対応する強いパルスが重畳していて、そのために、モータの最大効率は50Hzでの鉄損ではなく、それより高い周波数（例えば400Hz）での鉄損と強い相関を示したと報告されている（Influence of Core Material on Performance of Brushless DC Motor[SMIC’99東京]）。
Ishidaらの研究では、プラスレスＤＣモータのステータコア・ティース部の誘導起電力波形を測定したところ、基本波（正弦波）に５次から７次の高調波に対応する強いパルスが重畳していて、そのために、モータの最大効率は50Hzでの鉄損ではなく、それより高い周波数（例えば400Hz）での鉄損と強い相関を示したと報告されている（Influence of Core Material on Performance of Brushless DC Motor[SMIC’99東京]）。
また、西岡らの研究では、三相誘導電動機・ティース部の磁束密度波形に16、18次の高調波成分が含まれていて、それらが鉄損に与える影響は大きいと報告されている（三相誘導電動機の鉄損解析{電気学会マグネティックス研究会資料[MAG−00−121]}）。
そこで、高調波の重畳が交番磁界下の鉄損に及ぼす影響を調べるために、表１の成分の無方向性電磁鋼板を表２に示す条件にしたがって基本波（正弦波）に５次から19次の高調波を重畳させ、鉄損変化を調べた。結果を図１に示す。一次電圧波形での重畳率を一定にした場合、高調波次数が低いほど鉄損劣化量は大きく、成分中のSi量が多い素材ほど鉄損劣化量は少ないことがわかる。
次に、従来、あまり報告例がない回転鉄損に及ぼす高調波重畳の影響を調べた。測定結果を図２に示す。この場合も成分中のSi量が多い素材（鋼板）ほど鉄損劣化量は少なく、高調波重畳時の鉄損劣化を抑えるには、素材成分中のSi量は多い方が望ましいといえる。特に、Si量が3.05％と高い素材では、５次高調波重畳時の鉄損劣化は非常に少なかった。
さらに、重畳無しの場合と５次高調波重畳時の磁束密度ベクトルの軌跡を調べた結果を図３に示す。この場合、Ｌ，Ｃ方向の磁束密度は、重畳無しの時より増大するが、Ｄ方向の磁束密度は低くなることがわかる。このことも、５次高調波重畳時における回転鉄損の劣化量が、交番磁界下での５次高調波重畳時における鉄損劣化量より小さかった原因のひとつと考えられる。ゆえに、高調波重畳時における回転鉄損の劣化量は、ＬおよびＣ方向とＤ方向の鉄損の違いの影響を受けると推定できる。一般に、Ｄ方向の鉄損は、ＬおよびＣ方向の鉄損に比べて劣っている。この原因のひとつは、Ｄ方向の集合組織がＬおよびＣ方向の集合組織より劣っていて、その磁束密度が低いことにある。そこで、Ｄ方向とＬおよびＣ方向の鉄損にも着目して以下に述べる調査を行った。
質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％の成分範囲にある無方向性電磁鋼板の製品板を多数用意し、Ｌ、ＣおよびＤ方向から試料を採取して、磁束密度1.5（T），周波数50Hzで交番磁界下の鉄損を測定した。また、500ＷのＳＲモータを試作してそのモータ効率を測定した。これらの結果を、Ｗ15／50（Ｌ）、Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）を変数とし、Ｘ＝Ｗ15／50（Ｄ）／{〔Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）〕／２}という指標と、素材中のSi量で整理したところ、図４に示す結果が得られた。
すなわち、多くの場合、素材（鋼板）中のSi量が1.5％以上でＸ≦1.10の時に、モータ効率は90％以上の高い値であることがわかった。しかし、上記条件を満たす場合でも、モータ効率が低い場合があるので、それらの素材の磁気特性をＬ、ＣおよびＤ方向にわたって調べたところ、Ｄ方向の磁束密度Ｂ30（Ｄ）が、Ｌ方向の磁束密度Ｂ30（Ｌ）とＣ方向の磁束密度Ｂ30（Ｃ）の平均値の96％未満であり、Ｄ方向の磁束密度がＬおよびＣ方向の磁束密度の平均値より相当劣っていることがわかった。
以上から、高調波重畳による鉄損劣化を抑制してモータ効率を向上させるには、素材（鋼板）中のSi量を1.5質量％以上にし、かつ、磁束密度1.5（Ｔ）、周波数50Hzの正弦波で、試料のＬ方向、Ｃ方向およびＤ方向に磁化したときの鉄損を、各々Ｗ15／50（Ｌ）、Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）とするとき、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２の関係を満たし、かつ、試料のＬ方向、Ｃ方向およびＤ方向の磁化力Ｈ＝3000Ａ／ｍにおける磁束密度を、各々Ｂ30（Ｌ）、Ｂ30（Ｃ）およびＢ30（Ｄ）とするとき、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２の関係を満たす電磁鋼板を使用する必要のあることがわかった。
なお、自動車電源が14Ｖから42Ｖに移行したときの電装品や小型モータへの影響については、次のような推測がなりたつ。モータに要求される出力（Ｐ）は一定と考えられるので、Ｐ＝Ｖ（電圧）×Ｉ（電流）の関係からＶ（電圧）が３倍になれば、Ｉ（電流）は従来の１／３で充分である。しかし、モータで発生する磁界Ｈは、Ｈ＝ｎ（巻き数）×Ｉであるため、電流が１／３になると同じ強さの磁界を発生させるには巻き線数を３倍にする必要がある。巻き線数の増加は、コストアップやモータ銅損の増大につながる。巻き線数をさほど増やさずに、必要とする磁場を満たすには、永久磁石を使用する方法が考えられるが、磁石の使用は大きなコストアップになる。また、巻き線数および電流値を従来並にしたのでは、電源の高電圧化のメリットを充分に得られないことになる。
これらを回避するための別手段として、鉄心材料の磁束密度をアップする方法が挙げられる。これにより、従来よりＨが低くても、高い磁束密度を確保できるので、巻き線数をさほど増やさずにコイルに流す電流を小さくでき、電源の高電圧化のメリットを充分に享受できることになる。これは、モータの動作条件の主範囲が鋼板の飽和磁束密度に近い値まで磁化される磁場領域ではなく、比較的低磁場領域である場合に特に有効である。
無方向性電磁鋼板の磁束密度を示す特性は、従来、磁化力Ｈ＝5000（Ａ／ｍ）の時の磁束密度（Ｂ50）で表されることが多いが、本発明者らは、上述した点を考慮して、比較的低い磁化力Ｈ＝3000（Ａ／ｍ）の時の磁束密度（Ｂ30）に着目して検討を行った。すなわち、低磁化力で、ある程度磁束密度の高い電磁鋼板を提供できれば、特に自動車バッテリーの高電圧化に対応するモータの場合、モータの巻き線数および電流値設定の自由度が高まり、モータ設計におけるフレキシビリティが増す利点があり、広い磁化力の範囲で高い磁束密度が得られるのでモータ効率が高くなるメリットがあると考えたからである。
上記検討を基に、本発明者らはモータのトルク脈動に及ぼす鋼板の磁気異方性の影響を調べることにした。
質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％の成分範囲にある無方向性電磁鋼板の製品板を多数用意し、Ｌ、ＣおよびＤ方向から試料を採取して、磁気特性を調査した。その後、磁束密度1.5（Ｔ）、周波数50Hzの正弦波で、試料のＬ方向、Ｃ方向およびＤ方向に磁化した時の鉄損を、各々Ｗ15／50（Ｌ）、Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）とするとき、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２の関係を満たす製品板のみを用いて、700ＷのＳＲモータを試作してそのトルク脈動を測定した。これらの結果を、Ｂ30（Ｌ）、Ｂ30（Ｃ）およびＢ30（Ｄ）を変数とし、Ｙ＝［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）］／４と、Ｚ＝Ｂ30（Ｄ）／｛［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２｝という２つの指標で整理したところ、図５に示す結果が得られた。すなわち、Ｙ≧1.60かつＺ≧0.96の時に、トルク脈動は20％以下に減少することがわかった。
質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％の成分範囲にある無方向性電磁鋼板の製品板を多数用意し、Ｌ、ＣおよびＤ方向から試料を採取して、磁気特性を調査した。その後、磁束密度1.5（Ｔ）、周波数50Hzの正弦波で、試料のＬ方向、Ｃ方向およびＤ方向に磁化した時の鉄損を、各々Ｗ15／50（Ｌ）、Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）とするとき、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２の関係を満たす製品板のみを用いて、700ＷのＳＲモータを試作してそのトルク脈動を測定した。これらの結果を、Ｂ30（Ｌ）、Ｂ30（Ｃ）およびＢ30（Ｄ）を変数とし、Ｙ＝［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）］／４と、Ｚ＝Ｂ30（Ｄ）／｛［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２｝という２つの指標で整理したところ、図５に示す結果が得られた。すなわち、Ｙ≧1.60かつＺ≧0.96の時に、トルク脈動は20％以下に減少することがわかった。
上記結果から、素材（鋼板）成分中のSi量が1.5質量％以上で、〔Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）〕／４≧1.60（Ｔ）、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２、かつ、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２の鉄損特性を有する無方向性電磁鋼板を用いれば、トルク脈動が小さくなることがわかる。
そこで、これらの無方向性電磁鋼板の製造条件を詳細に調べ重回帰分析を行ったところ、上記磁気特性を満たすには、素材成分、最終冷延圧下率、再結晶焼鈍時における、特定温度範囲での平均昇温速度、鋼板張力、雰囲気酸化性、焼鈍温度および平均冷却速度が大きく影響し、上記特性の無方向性電磁鋼板を安定的に収率良く製造するためには、これらの要因を制御する必要があることが判明した。
すなわち、質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.O2〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％とし、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、熱間圧延後、必要に応じて熱延板焼鈍を施した後、圧下率65〜85％で冷間圧延を施して最終仕上げ板厚とし、その後、鋼板張力を２MPa以下、Ｐ（Ｈ2Ｏ）／Ｐ（Ｈ2）で表される雰囲気酸化性を0.015以下にして、500〜800℃間の平均昇温速度を25℃／s以上として加熱し、900〜1050℃の焼鈍温度で均熱保持した後、平均冷却速度25℃／s以下で冷却する再結晶焼鈍を施すことにより、磁気異方性が小さくてトルク脈動の小さい無方向性電磁鋼板を得られることがわかった。この製造条件によって、
[Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）]／４≧1.60（Ｔ）、かつ、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×[Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）]／２、かつ、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２の磁気特性を有する無方向性電磁鋼板を製造できる理由は、次のように考えられる。
[Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）]／４≧1.60（Ｔ）、かつ、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×[Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）]／２、かつ、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２の磁気特性を有する無方向性電磁鋼板を製造できる理由は、次のように考えられる。
上記特性を満たすには、得られる集合組織を異方性の少ない等方的なものにし、かつ（100）や（110）方位粒が多い集合組織にする必要がある。これらの制御因子として、素材(鋼スラブ)成分、最終冷延圧下率、再結晶焼鈍時における、平均昇温速度、鋼板張力、雰囲気酸化性、焼鈍温度および平均冷却速度が有効に作用していると考えられる。
次に、この発明の電磁鋼板において、成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、鋼板の成分組成における元素の含有量の単位はいずれも「質量％」であるが、以下、特に断らない限り、単に「％」で示す。
・Ｃ：0.005％以下
Ｃは、その含有量が0.005％を超えると、磁気特性の時効劣化が顕著になるので、Ｃ含有量を0.005％以下に限定した。
Ｃは、その含有量が0.005％を超えると、磁気特性の時効劣化が顕著になるので、Ｃ含有量を0.005％以下に限定した。
・Si：1.5〜3.5％
Siは、鋼の比抵抗を高くし鉄損を低下させる有用元素である。高調波重畳時の鉄損劣化量を低くし、モータ効率を向上させるためには、Si含有量を1.5％以上とすることが必要である。但し、Si含有量の増加とともに鋼板の飽和磁束密度は低下する。本発明では、トルク脈動を低減するために磁化力Ｈ＝3000Ａ／ｍで、一定値以上の磁束密度を得る必要があるため、Si含有量の上限は3.5％とした。
Siは、鋼の比抵抗を高くし鉄損を低下させる有用元素である。高調波重畳時の鉄損劣化量を低くし、モータ効率を向上させるためには、Si含有量を1.5％以上とすることが必要である。但し、Si含有量の増加とともに鋼板の飽和磁束密度は低下する。本発明では、トルク脈動を低減するために磁化力Ｈ＝3000Ａ／ｍで、一定値以上の磁束密度を得る必要があるため、Si含有量の上限は3.5％とした。
・Al≦2.0％
Alは、Siと同様、鋼の比抵抗を高め鉄損を低減させる有用元素である。しかし、Al含有量が多すぎると連続鋳造においてモールドとの潤滑性が低下し鋳造が困難になるので、Al含有量を2.0％以下とした。
Alは、Siと同様、鋼の比抵抗を高め鉄損を低減させる有用元素である。しかし、Al含有量が多すぎると連続鋳造においてモールドとの潤滑性が低下し鋳造が困難になるので、Al含有量を2.0％以下とした。
・Mn：0.05〜1.5％
Mnも、SiやAlほどではないが、鋼の比抵抗を高め、鉄損を低減させる効果があり、また熱間圧延性を改善し、かつ熱間圧延時にＳを固定するために必要な元素である。しかしながら、Mn含有量が0.05％に満たないとその添加効果が乏しく、一方、1.5％を超えると、飽和磁束密度の低下が顕著になるため、Mn含有量は0.05〜1.5％の範囲に限定した。
Mnも、SiやAlほどではないが、鋼の比抵抗を高め、鉄損を低減させる効果があり、また熱間圧延性を改善し、かつ熱間圧延時にＳを固定するために必要な元素である。しかしながら、Mn含有量が0.05％に満たないとその添加効果が乏しく、一方、1.5％を超えると、飽和磁束密度の低下が顕著になるため、Mn含有量は0.05〜1.5％の範囲に限定した。
・Ｐ：0.02〜0.5％
Ｐは、粒界偏析により冷延再結晶後の集合組織を改善して磁束密度を向上させる働きがあるので、必要に応じて添加される。しかし、過度のＰの粒界偏析は粒成長性を阻害し鉄損を劣化させるので、Ｐ含有量の上限は0.5％とした。また、Ｐは鋼板の強度を得るために有効に作用するので、Ｐ含有量の下限は0.02％とした。
Ｐは、粒界偏析により冷延再結晶後の集合組織を改善して磁束密度を向上させる働きがあるので、必要に応じて添加される。しかし、過度のＰの粒界偏析は粒成長性を阻害し鉄損を劣化させるので、Ｐ含有量の上限は0.5％とした。また、Ｐは鋼板の強度を得るために有効に作用するので、Ｐ含有量の下限は0.02％とした。
・Ｓ≦0.005％
不純物のなかでも特にＳは、析出物や介在物を形成して粒成長性を阻害するので、極力低減することが望ましい。また、Ｓ含有量が0.005％を超えると低磁場での磁束密度に影響し、それを低下させる方向に作用するので、Ｓ含有量は0.005％以下とした。
不純物のなかでも特にＳは、析出物や介在物を形成して粒成長性を阻害するので、極力低減することが望ましい。また、Ｓ含有量が0.005％を超えると低磁場での磁束密度に影響し、それを低下させる方向に作用するので、Ｓ含有量は0.005％以下とした。
・Ｎ≦0.005％
Ｎは、その含有量が0.005％を超えるとヒステリシス損を増大させ、また、低磁場での磁束密度を低下させる方向に作用するので、Ｎ含有量は0.005％以下とした。
Ｎは、その含有量が0.005％を超えるとヒステリシス損を増大させ、また、低磁場での磁束密度を低下させる方向に作用するので、Ｎ含有量は0.005％以下とした。
・Ti≦0.005％
Tiは、その含有量が0.005％を超えるとTiに起因する析出物の生成量が多くなり、顕著にヒステリシス損を増大させ、また、低磁場での磁束密度を低下させる方向に作用するので、Ti含有量は0.005％以下とした。
Tiは、その含有量が0.005％を超えるとTiに起因する析出物の生成量が多くなり、顕著にヒステリシス損を増大させ、また、低磁場での磁束密度を低下させる方向に作用するので、Ti含有量は0.005％以下とした。
以上が本発明の電磁鋼板の基本組成である。
なお、本発明では、上記した組成に加えて、さらに磁気特性の向上に有効に作用する成分として、Sb：0.005〜0.1％、Sn：0.01〜0.5％、Cu：0.02〜0.5％およびNi：0.1〜3.0％から選ばれた１種または２種以上を添加することができる。
なお、本発明では、上記した組成に加えて、さらに磁気特性の向上に有効に作用する成分として、Sb：0.005〜0.1％、Sn：0.01〜0.5％、Cu：0.02〜0.5％およびNi：0.1〜3.0％から選ばれた１種または２種以上を添加することができる。
・Sb：0.005〜0.1％
Sbは、集合組織を改善して磁束密度を向上させるだけでなく、鋼板表層の酸窒化やそれに伴う表層微細粒の生成を抑制することによって磁気特性の劣化を防止するとともに、表面硬度の上昇を抑制して打ち抜き加工性を向上させる等、種々の作用効果を有する元素である。かかる効果を発揮するには、Sb含有量を0.005％以上にすることが好ましい。一方、Sb含有量が0.1％を超えると、結晶粒の成長性が阻害されて磁気特性の劣化を招くおそれがある。このため、Sb含有量は0.005〜0.1％の範囲にすることが好ましい。
Sbは、集合組織を改善して磁束密度を向上させるだけでなく、鋼板表層の酸窒化やそれに伴う表層微細粒の生成を抑制することによって磁気特性の劣化を防止するとともに、表面硬度の上昇を抑制して打ち抜き加工性を向上させる等、種々の作用効果を有する元素である。かかる効果を発揮するには、Sb含有量を0.005％以上にすることが好ましい。一方、Sb含有量が0.1％を超えると、結晶粒の成長性が阻害されて磁気特性の劣化を招くおそれがある。このため、Sb含有量は0.005〜0.1％の範囲にすることが好ましい。
・Sn：0.01〜0.5％
SnもSbと同様の添加効果を有する元素であるが、Sn含有量が0.01％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、0.5％を超えると結晶粒の成長性が阻害され、磁気特性の劣化を招くので、Sn含有量は0.01〜0.5％の範囲にするのが好ましい。
SnもSbと同様の添加効果を有する元素であるが、Sn含有量が0.01％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、0.5％を超えると結晶粒の成長性が阻害され、磁気特性の劣化を招くので、Sn含有量は0.01〜0.5％の範囲にするのが好ましい。
・Cu：0.02〜0.5％
Cuは、鋼板表層の酸窒化を抑制することによって、磁気特性の劣化を抑制する作用効果を有する元素である。しかし、Cu含有量が0.02％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、0.5％を超えると結晶粒の成長性が阻害され、磁気特性の劣化を招くおそれがあるので、Cu含有量は0.02〜0.5％の範囲にすることが好ましい。
Cuは、鋼板表層の酸窒化を抑制することによって、磁気特性の劣化を抑制する作用効果を有する元素である。しかし、Cu含有量が0.02％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、0.5％を超えると結晶粒の成長性が阻害され、磁気特性の劣化を招くおそれがあるので、Cu含有量は0.02〜0.5％の範囲にすることが好ましい。
・Ni：0.1〜3.0％
Niは、集合組織を改善して磁束密度を向上させる作用効果を有する元素である。しかし、Ni含有量が0.1％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、3.0％を超えて添加してもそれ以上の効果に乏しいばかりか、圧延性も劣化するおそれがあるので、Ni含有量は0.1〜3.0％の範囲にすることが好ましい。
Niは、集合組織を改善して磁束密度を向上させる作用効果を有する元素である。しかし、Ni含有量が0.1％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、3.0％を超えて添加してもそれ以上の効果に乏しいばかりか、圧延性も劣化するおそれがあるので、Ni含有量は0.1〜3.0％の範囲にすることが好ましい。
次に、本発明の電磁鋼板を得るために限定した製造条件の理由、および好ましい製造条件について説明する。
本発明の製造方法に用いられる鋼スラブの組成は、上述した鋼板の組成と同様であるので、鋼スラブ組成の限定理由の記載は省略する。
本発明の製造方法に用いられる鋼スラブの組成は、上述した鋼板の組成と同様であるので、鋼スラブ組成の限定理由の記載は省略する。
本発明では、まず、上述した鋼板の組成と同様の組成を有する鋼スラブを熱間圧延する。熱間圧延時の仕上げ圧延温度や巻取り温度等の熱延条件は特に規定しないが、省エネルギーの面からスラブ加熱は1250℃以下で行うことが望ましい。
熱間圧延後、必要に応じて熱延板焼鈍を施した後、圧下率65〜85％で冷間圧延を施して最終仕上げ板厚とする。冷延圧下率が65％未満では、再結晶焼鈍後に熱延時の未再結晶粒が残存しやすくなり、均一で異方性の少ない集合組織が得られなくなる。また、冷延圧下率が85％を超えると、再結晶後の集合組織に（111）が多くなり、高い磁束密度を得ることが難しくなる。最終仕上げ板厚が0.35ｍｍの場合、熱延板の許容板厚は1.Oｍｍ以上2.33ｍｍ以下である。また、最終板厚が0.2ｍｍの場合、熱延板の許容板厚は0.571ｍｍ以上1.33ｍｍ以下である。
その後、鋼板張力を２MPa以下、Ｐ（Ｈ2Ｏ）／Ｐ（Ｈ2）で表される雰囲気酸化性を0.015以下にして、500〜800℃間の平均昇温速度を25℃／s以上として加熱し、900〜1050℃の焼鈍温度で均熱保持した後、平均冷却速度25℃／s以下で冷却する再結晶焼鈍を施すことで、本発明の電磁鋼板を得ることができる。
再結晶焼鈍時における、500〜800℃間の平均昇温速度を25℃／s以上にすることで、（111）方位粒が減少し、（100）および（110）方位粒が増加する。また、鋼板張力を２MPa以下にすることで、鋼板幅方向及び対角線方向の磁気特性が向上する。すなわち、鋼板張力が２MPaを超えると、鋼板Ｌ方向の磁気特性に比べてＣ方向及びＤ方向の磁気特性が大幅に劣化する。さらに、再結晶焼鈍時におけるＰ（Ｈ2Ｏ）／Ｐ（Ｈ2）で表される雰囲気酸化性を0.015以下にすることで、焼鈍時に生成する鋼板表層でのサブスケール形成および微細粒生成を抑制することができ、磁気特性の向上に寄与する。加えて焼鈍温度を900〜1050℃にすることで結晶粒径を最適化でき、磁気特性の向上に有効に作用する。また、再結晶焼鈍において、焼鈍温度からの冷却を、冷却速度25℃／s以下で行なうことで、冷却歪みが低減でき、特に鋼板Ｄ方向の磁気特性を向上させることができる。なお、再結晶焼鈍に引き続いて、既知のコーティング処理を行っても良い。
表３に示す成分を有する鋼スラブを用意し、ガス加熱炉により1100℃に加熱した後、熱間圧延して板厚0.8〜2.5ｍｍ厚の熱延板とした。この熱延板を１回の冷間圧延にて最終板厚0.35ｍｍにした後、500〜800℃間の平均昇温速度、鋼板張力、雰囲気酸化性Ｐ（Ｈ2Ｏ）／Ｐ（Ｈ2）、焼鈍温度および平均冷却速度を表４に示すように変更して、均熱時間５秒の再結晶焼鈍（仕上げ焼鈍）を行った。
得られた試料から、圧延方向（Ｌ方向）、圧延直角方向（Ｃ方向）および圧延方向に対して45°をなす方向（Ｄ方向）のエプスタイン試験片を採取し、磁気特性を測定した。さらに１ＫＷのＳＲモータを試作してそのモータ効率とトルク脈動を測定した。かくして得られた結果を表５に示す。
表５から明らかなように、素材（鋼板）特性がこの発明で規定した関係を満足するものはいずれも、モータ効率が高くかつトルク脈動が小さくなっている。
表６に示す成分を有する鋼スラブを、ガス加熱炉により1100℃に加熱した後、熱間圧延により2.0ｍｍ厚の熱延板とした。引き続き、1000℃で30秒間の熱延板焼鈍を行った後、１回の冷間圧延にて最終板厚0.35ｍｍにした。その後、500〜800℃間の平均昇温速度、鋼板張力、雰囲気酸化性、焼鈍温度および平均冷却速度を表７に示すように変更して、10秒間の再結晶焼鈍（仕上げ焼鈍）を行った。
得られた試料から、圧延方向（Ｌ方向）、圧延直角方向（Ｃ方向）および圧延方向に対して45°をなす方向（Ｄ方向）のエプスタイン試験片を採取し、磁気特性を測定した。さらに10ＫＷのＳＲモータを試作してそのモータ効率とトルク脈動を測定した。かくして得られた結果を表８に示す。
表８から明らかなように、素材（鋼板）特性がこの発明で規定した関係を満足するものはいずれも、モータ効率が高くかつトルク脈動が小さくなっている。
本発明によれば、高調波重畳時の鉄損劣化が少なく、かつ磁気異方性が小さい無方向性電磁鋼板を安定して得ることができる。したがって、本発明の無方向性電磁鋼板を用いれば、効率が高くてトルク脈動が小さい優れた特性を有するＳＲモータを得ることができる。
Claims (5)
- 質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0.5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0.005％およびTi≦0.005％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
（1）試料の、圧延方向（Ｌ方向）、圧延直角方向（Ｃ方向）および圧延方向に対して45°をなす方向（Ｄ方向）の磁化力Ｈ＝3000Ａ／ｍにおける磁束密度を各々Ｂ30（Ｌ）、Ｂ30（Ｃ）およびＢ30（Ｄ）とするとき、［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）＋２×Ｂ30（Ｄ）］／4≧1.60（Ｔ）と、Ｂ30（Ｄ）≧0.96×［Ｂ30（Ｌ）＋Ｂ30（Ｃ）］／２を満足し、かつ、
（2）磁束密度1.5（Ｔ）、周波数50Hzの正弦波で、試料の、Ｌ方向、Ｃ方向およびＤ方向に磁化した時の鉄損を各々Ｗ15／50（Ｌ），Ｗ15／50（Ｃ）およびＷ15／50（Ｄ）とするとき、Ｗ15／50（Ｄ）≦1.10×［Ｗ15／50（Ｌ）＋Ｗ15／50（Ｃ）］／２を満足することを特徴とする磁気異方性が小さいスイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータ用無方向性電磁鋼板。 - 質量％で、Sb：0.005〜0.1％、Sn：0.01〜0.5％、Cu：0.02〜0.5％およびNi：0.1〜3.0％から選ばれた１種または２種以上をさらに含有する請求項1記載の無方向性電磁鋼板。
- 電圧が42Ｖ以上の高電圧バッテリーを有する車両用モータに用いられる請求項１または２記載の無方向性電磁鋼板。
- 質量％で、Ｃ≦0.005％、Si：1.5〜3.5％、Al≦2.0％、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.02〜0．5％、Ｓ≦0.005％、Ｎ≦0．005％およびTi≦0.005％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、熱間圧延後、必要に応じて熱延板焼鈍を施した後、圧下率65〜85％で冷間圧延を施して最終仕上げ板厚とし、その後、鋼板張力を２MPa以下、Ｐ（Ｈ2Ｏ）／Ｐ（Ｈ2）で表される雰囲気酸化性を0.015以下にして、500〜800℃間の平均昇温速度を25℃／s以上として加熱し、900〜1050℃の焼鈍温度で均熱保持した後、平均冷却速度25℃／s以下で冷却する再結晶焼鈍を施すことを特徴とする磁気異方性が小さいスイッチトリラクタンス（ＳＲ）モータ用無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記鋼スラブは、質量％で、Sb：0.005〜0.1％、Sn：0.01〜0.5％、Cu：0.02〜0.5％およびNi：0.1〜3.0％から選ばれた１種または２種以上をさらに含有する請求項４記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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