JP2016194145A - Ｉｐｍモータのロータ鉄心用鋼板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＰＭモータのロータ用鉄心として用いるときに、モータ効率を向上し、高速回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転速度をより高くできる鋼板及びその製造法を提供する。【解決手段】体積抵抗率ρが３０×１０−８Ω・ｍ以上、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．７５Ｔ以上でありかつその時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上であることを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車、ハイブリッド自動車或いは工作機械などに主に使用される永久磁石埋め込み型モータ（以下、「ＩＰＭモータ」と記す）のロータ鉄心用鋼板及びその製造方法に関する。

一般に、ＩＰＭモータは、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、誘導電動機と比べて効率が高い。このため、ＩＰＭモータは、例えば、ハイブリッド自動車及び電気自動車の駆動用モータ及び発電用モー夕、家電製品、並びに各種の工作機械や産業機械用のモータ等に広く使用されている。

ＩＰＭモータの鉄心は、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とに分けられる。ステータ側の鉄心には巻線を通じて交流磁界が直接付与されるので、効率を高くするために、ステータ側の鉄心には、高透磁率であると同時に体積抵抗率を高めて、鉄損を低減できることが要求される。このため、ステータ側の鉄心には、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る（たとえば、特許文献１及び２参照）。

一方、ロータ側の鉄心には永久磁石が埋め込まれるため、ロータ側の鉄心は、主にヨークとして磁束密度を高める役割を担う。ロータ側の鉄心はステータ側から発生する交流磁界の影響を僅かに受けるが、その影響は限定的である。従って、特性の観点から見ると、鉄損特性に有利な電磁鋼板をロータ側の鉄心に使用する必要はない。しかし、ステータ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ので、通常は、ロータ側の鉄心にもステータ側と同じ電磁鋼板が用いられる。

ＩＰＭモータが自動車に搭載される場合、自動車の小型軽量化のニーズからIＰＭモータにも小型化が求められる。その場合、小型化しても従来と同等以上のモータ出力（トルク）を得るために、ロータの回転速度が高められる。一般に、モータの効率はロータの回転速度を高くするほど、良好となる。しかし、ＩＰＭモータでは、埋め込まれた永久磁石の回転により、ステータ巻線に誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、回転速度の上昇に伴い増加する。そして、誘導起電力が入力電力を超えたところで、モータは回転できなくなる。このためＩＰＭモータでは、例えば特許文献３に示されるように、高速回転域を運転する際に、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束をステータ側から発生させ、誘導起電力を抑制する弱め界磁制御が行われている。この弱め界磁制御により、高速回転域での運転が可能となる反面、永久磁石の磁束を打ち消すために電力を使用するため、モータトルクは減少する。なお、特許文献３では、磁石の形状に工夫を施すことにより、弱め界磁制御に使用する電力量を少なくすることが図られている。

一方、ＩＰＭモータを小型化しても従来と同等以上のトルクを得るためロータの回転速度を高めると、ロータに埋め込まれた永久磁石に作用する遠心力が増大してロータの破損にいたる問題がある。破損を起こさないためには、ロータの素材として降伏強度が高い材料が好適である。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／ｍｍ^２程度である。このため、ロータの直径が８０ｍｍ以上の比較的大型のＩＰＭモータの場合、ロータの構造によって異なるものの、２００００ｒｐｍ程度が破損を起こさない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きたが、それでも高々７８０Ｎ／ｍｍ^２程度である。そこで、高速回転化によるロータ鉄心の破損を抑制する方法として、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。

特開２００５−１３３１７５号公報 特開２００５−６０８１１号公報 特開２０００−２７８９００号公報 特開２００９−４６７３８号公報

特許文献３では、磁石の形状に工夫を施すことにより、弱め界磁制御に使用する電力量を少なくすることが図られているが、素材鋼板の体積抵抗率、残留磁束密度及び保磁力を調節する点については考慮されていない。また、特許文献４は、高強度化によって高速回転が可能となるが、体積抵抗率、残留磁束密度及び保磁力に関する知見は得られず、弱め界磁制御時の高トルク化の可能性に関しては不明である。

従って、本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＩＰＭモータのロータ用鉄心として用いるときに、モータ効率を向上し、高速回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転速度をより高くできる鋼板を提供することを目的とする。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。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく、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結果、モータ効率を向上し、さらに永久磁石からの漏れ磁束を低減してマグネットトルクに有効な磁束を増加させるとともに、弱め界磁制御を行う高速回転域で大きな出力トルクを得るためには、素材鋼板の体積抵抗率、磁束密度及び残留磁束密度を調節することが有効であり、素材鋼板の体積抵抗率、磁束密度、残留磁束密度及び保磁力を調節することがさらに有効であることを見出した。

即ち、本発明は、体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ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〜０．０６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％以下からなる成分組成を有し、さらにＣｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５質量％〜１．０質量％、Ａｓ：０．０５質量％〜１．０質量％からなる群から選択される１種以上の成分が含まれており、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℃の温度まで加熱するか、又は１回の冷間圧延又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延で最終圧延率を１０％以上とすることを特徴とする体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ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。

本発明によれば、ＩＰＭモータのロータ鉄心として用いるときに、モータ効率を向上し、さらに永久磁石からの漏れ磁束を低減してマグネットトルクに有効な磁束を増加させるとともに、高速回転域での出力トルクを大きくでき、最大回転速度をより高くできる鋼板を提供できる。

本発明の実施の形態によるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板が積層されることにより形成されたロータ鉄心を備えるＩＰＭモータのロータを示す正面図である。 実施例１で評価した試作モータの１５０００ｒｐｍにおける最大トルクとロータ素材の残留磁束密度との関係を示すグラフである。 実施例１で評価した試作モータの１５０００ｒｐｍにおける最大トルクとロータ素材の保磁力との関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板が積層されることにより形成されたロータ鉄心を備えるＩＰＭモータのロータを示す正面図である。図に示すように、ＩＰＭモータのロータ１には、本発明のロータ鉄心用鋼板（素材鋼板）が積層されることにより形成されたロータ鉄心１０（ロータ本体）と、ロータ鉄心１０の周方向に沿って互いに間隔を置いてロータ鉄心１０に設けられた複数の永久磁石挿入孔１１と、各永久磁石挿入孔１１に埋め込まれた永久磁石１２とが含まれている。なお、ロータ１の外周に図示しないステータが配置されることで、ＩＰＭモータが構成される。

各永久磁石挿入孔１１には、ロータ鉄心１０の回転中心１０ａ側を頂部とするようにＶ字状に配置された第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂと、その頂部において第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂ間を仕切るブリッジ１１ｃとが含まれている。永久磁石１２は、第１及び第２挿入孔１１ａ，１１ｂ内にそれぞれ埋め込まれている。すなわち、永久磁石挿入孔１１に２つの永久磁石１２が埋め込まれている。

図１に示すようなロータ１を用いたＩＰＭモータでは、周知のように、高速回転域で運転する際に、永久磁石１２の磁束を打ち消す方向の磁束を固定子側から発生させ、誘導起電力を抑制する弱め界磁制御が行われる。このようなＩＰＭモータの定格回転速度は、図１のロータ１を用いた場合には７５００ｒｐｍとされる。上述の弱め界磁制御は、これらの回転速度を超える高速回転域で行われる。

本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、体積抵抗率ρが３０×１０^-８Ω・ｍ以上、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ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以上であることを特徴とするものである。

上記のように磁気特性を限定する理由は以下の通りである。
＜磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ_８０００：１．７５Ｔ以上＞
磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ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、特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：０．５Ｔ以上＞
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。

＜保磁力Ｈｃ：１００Ａ／ｍ以上＞
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Ｈｃ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、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以上が必要である。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。

上記のように電気特性を限定する理由は以下の通りである。
＜体積抵抗率ρが３０×１０^-８Ω・ｍ以上＞
体積抵抗率ρが３０×１０^-８Ω・ｍ以上とされているのは、ロータ内における高調波成分に起因した渦電流損を抑制し、モータ効率を改善させるためである。前述のように、残留磁束密度Ｂｒを０．５Ｔ以上とすることで、ｄｑ軸相互干渉に伴うｄ軸磁束の偏りが抑制される。この効果は、高入力電流となる最大トルク域ほど顕著であり、素材鋼板の体積抵抗率ρの大小にかかわらず高トルク域においては、渦電流損に起因したモータ効率の低下はＳｉ含有量の大きな電磁鋼板と比べ大きくなっても、電磁鋼板と同等以上のモータ効率が得られる。しかし、ロータ鉄心の素材鋼板の体積抵抗率ρを３０×１０^−８Ω・ｍ未満とした場合、低速回転かつ低トルク域でのモータ効率は電磁鋼板を素材とした場合と比べ劣る場合がある。しかし、ロータ鉄心の素材鋼板の体積抵抗率ρを３０×１０^−８Ω・ｍ以上とすれば、低速回転域から高速回転域かつ低トルクから高トルク域までの広範囲な運転条件下で、電磁鋼板をロータ鉄心の素材鋼板として用いた場合と同等以上の良好なモータ効率を得ることが可能となる。なお、ｄｑ軸相互干渉に伴うｄ軸磁束のずれは高残留磁束密度とすることで、小さくなることから、残留磁束密度が小さい電磁鋼板と比べ低い体積抵抗率でも良好な効率が得られるのに加え、高残留磁束密度化は鋼板の結晶構造への欠陥の増加に起因しているため、高体積抵抗率化にも有効であり、比較的結晶内部の欠陥が少ない電磁鋼板等と比べてＳｉなど飽和磁束密度を低下させる合金元素の添加量も少なくでき、高飽和磁束密度化の観点でも有利となる。なお、体積抵抗率ρは、Ｓｉ、Ｍｎ等の合金元素の添加及び電子の移動の障害となる転位等の格子欠陥の導入等により高めることが可能であるが、Ｃｏを除くほとんどの合金元素は鉄の飽和磁束密度を低下させるため、磁束密度Ｂ_８０００や残留磁束密度Ｂｒの低下を招く。従って、これら合金元素の添加は、磁束密度が低下し過ぎない範囲に制御する必要がある。

本発明の鋼板は、必ずしも機械的強度は必要としないが、高速回転が必要なＩＰＭモータ用途へ適用する場合には、７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の降伏強度を有することが好ましい。降伏強度をこのような範囲とすることで、ロータ鉄心が高速回転時に永久磁石に作用する遠心力に耐えることができ、高速回転域においてもロータが破損することがない。しかも、本発明の鋼板は、弱め界磁制御性に優れているので、高速回転域においてもトルクの低下が抑制されるため、高速回転と高トルクが得られる高性能のモータを提供できる。これにより、自動車・家電をはじめ各種用途への適用が可能となる。また、鋼板に十分な強度を持たせることで、ロータの各永久磁石挿入孔に設けられたブリッジの幅を小さくすることができ、それによりさらに漏れ磁束を少なくできる。ロータ鉄心の強度を高めることでブリッジの幅を小さくしてもロータが破損せず漏れ磁束も低減できるのであれば、ロータの設計自由度が高まる。また漏れ磁束の低減により永久磁石を小型化してもよいので、モータのコストを大幅に低減できる。また永久磁石を小さくせずに出力トルクの向上を図ることも可能となる。高速回転が可能になることによる高トルク化と永久磁石の小型化の両者を勘案してブリッジ幅を設計してもよい。本発明の鋼板の降伏強度の上限は、２０００Ｎ／ｍｍ^２である。これは、２０００Ｎ／ｍｍ^２を超える降伏強度を呈する材料では、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上得られないためである。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。

また、本発明の鋼板は、板幅当りの急峻度で定義される平坦度が０．１％以下であることが好ましい。ＩＰＭモータのロータは、ロータの形状に打抜いた鋼板を積層して製造されるため、積層した際の占積率が良好であることが望ましい。良好な占積率を得るためには、板幅当たりの急峻度で定義される平坦度は０．１％以下とすることが好ましい。なお、本発明における平坦度は、長さ１ｍ以上の鋼板を定盤の上に乗せたときの幅方向単位長さあたりの最高高さ（板厚を除いた高さ）を百分率で表したものである。

本発明の鋼板は、Ｃ：０．０００５質量％超〜０．０６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％以下からなる成分組成を有し、さらにＣｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５質量％〜１．０質量％、Ａｓ：０．０５質量％〜１．０質量％からなる群から選択される１種以上の成分が含まれており、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が好ましい。鋼材の成分には、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶからなる群から選択される１種以上の成分が合計で０．０１質量％〜０．２０質量％含まれてもよく、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種以上の成分が含まれてもよい。

上記のように鋼材の成分組成を限定する理由は以下の通りである。
＜Ｃ：０．０００５質量％超〜０．０６質量％＞
Ｃは、鋼中に固溶又はセメンタイト(Ｆｅ_３Ｃ)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、０．０６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／ｍｍ^２以上の降伏強度を得るためには、０．０５質量％〜０．０６質量％のＣを含有させることが好ましい。

＜Ｓｉ：０質量％〜３．０質量％＞
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場合がある。体積抵抗率を高めると同時に磁束密度の低下を招くため、０．２質量％未満とすることが好ましい。

＜Ｍｎ：０質量％〜２．５質量％＞
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。磁束密度の低下を招くため、０．０５質量％未満とすることが好ましい。

＜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。従って、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：０．００５質量％〜３．０質量％、Ｓｉ+Ａｌ：５．０質量％以下＞
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。

＜Ｃｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５質量％〜１．０質量％及びＡｓ：０．０５質量％〜１．０質量％の１種以上＞
Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｓは、高強度化に有効な他、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。

＜Ｔｉ、Ｎｂ及びＶの１種以上：０．０１質量％〜０．２０質量％＞
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：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％の１種以上＞
Ｍｏ、Ｃｒ及びＢ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、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。

次に、本発明の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。本発明によるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法は、前述の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℃の温度まで加熱するか、又は１回の冷間圧延又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延で最終圧延率３％以上とすることを特徴とするものである。

＜熱間圧延条件＞
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、仕上げから巻取りまでの冷却速度を１０℃／ｓ以上とすることで、Ｃｕの析出を抑制し、固溶Ｃｕによる体積抵抗率の向上効果が得られる。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。

＜金属組織＞
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。

＜冷間圧延条件＞
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／ｍｍ^２を下回る場合がある。

＜プレステンパー処理＞
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／ｃｍ^２未満の小さな圧力でも十分である。

＜テンションアニーリング処理＞
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／ｍｍ^２以上の張力で十分にその効果が得られる。しかし、２００Ｎ／ｍｍ^２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／ｍｍ^２にすることが好ましい。

＜絶縁皮膜の形成＞
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。

＜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、９５０℃で仕上げ圧延した後、冷却速度を１５℃／ｓに制御して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。最終圧延率は約８１％である。
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／ｍｍ^２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。

得られた鋼帯から内径３３ｍｍ及び外形４５ｍｍのリング状の試験片を打抜きにより作製し、８０００Ａ／ｍまで磁化する条件で直流磁化測定に供した。また、得られた鋼帯の板幅当たりの急峻度を測定するとともに、得られた鋼帯からJＩＳ ５号試験片を切り出し、引張試験に供した。金属組織は、冷間圧延前の鋼板の圧延方向の板厚断面を２％ナイタール試薬（２％硝酸・エチルアルコール溶液)にてエッチングを施し、走査型電子顕微鏡を用いた観察により、その組織形態から、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト等の組織に分類した。各サンプルの降伏強さ、引張強さ、降伏比（ＹＲ）、体積抵抗率ρ、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ_８０００、その時の残留磁束密度Ｂｒ及び保磁力Ｈｃ、平坦度並びに冷間圧延前の金属組織を表２に示す。

表２の結果から明らかなように、冷間圧延の加工歪みによって、いずれの鋼においても体積抵抗率ρ、残留磁束密度Ｂｒ及び保磁力Ｈｃは良好な値が得られるものの、本発明範囲よりＣ含有量が高いＮｏ．１５鋼では磁束密度Ｂ_８０００が低く、Ｓｉ含有量が高いＮｏ．８鋼においても磁束密度Ｂ_８０００が低くなる。また、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｓを含まず、Ｓｉ、Ａｌの含有量が低いＮｏ．１２鋼では体積抵抗率が小さい。これに対して、本発明範囲の成分組成を有する鋼板は、３０×１０^−８Ω・ｍ以上の体積抵抗率ρ、１．７５Ｔ以上の高い磁束密度Ｂ_８０００、０．５Ｔ以上の良好な残留磁束密度Ｂｒ及び１００Ａ／ｍ以上の良好な保磁力Ｈｃが得られる。また、金属組織は、いずれの鋼もオーステナイト相を含んでおらず、強磁性体であるフェライト相を含んでいた。

得られた鋼帯のうち、Ｎｏ．１鋼、Ｎｏ．４鋼、Ｎｏ．１０鋼、Ｎｏ．１２鋼及びＮｏ．１３鋼について、８極（４極対）構造のロータを打抜き加工により作製し、負荷トルクを付与したモータ性能評価試験に供した。なお、比較のため市販の電磁鋼板(３５Ａ３００)を素材としたロータも同時に作製し、同様の評価に供した。また、ステータは１ヶのみ製造し、製造したロータを組替えてモータとしての性能評価に供した。この性能評価では、１００００ｒｐｍ以上で弱め界磁制御を行った。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／ｍｍ^２、引張強さが５１１Ｎ／ｍｍ^２、体積抵抗率ρが５０×１０^-８Ω・ｍ、飽和磁束密度Ｂ_８０００が１．７６Ｔ、残留磁束密度Ｂｒが０．４２Ｔ、保磁力Ｈｃが６１Ａ／ｍであった。

作製したロータ及びステータの仕様は以下の通りである。
＜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×３０ｍｍ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

キャリア周波数：１０００Ｈｚ、最大電圧：２２０Ｖ、最大電流：２４Ａの入力条件において、それぞれのロータを組み込んだＩＰＭモータの５０００ｒｐｍ、電流進角（β）：０°における最大トルク及び効率、並びに最大トルクが得られるよう弱め界磁制御を施した１５０００ｒｐｍにおける最大トルク及び効率を表３に示す。

表３の結果から明らかなように、残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ未満及び保磁力Ｈｃが１００Ａ／ｍ未満の鋼板(電磁鋼板)をロータ鉄心の素材としたロータを組み込んだモータでは、５０００ｒｐｍ、β：０°における最大トルクが低く、効率も劣っている。また、弱め界磁制御を施した１５０００ｒｐｍにおける最大トルクが２．０Ｎ・ｍ未満の低い値を示し、効率も低い値を示した。また、体積抵抗率が３０×１０^-８Ω・ｍ未満、磁束密度Ｂ_８０００も低い値を示すＮｏ．１２鋼をロータとしたモータでは、５０００ｒｐｍ、１５０００ｒｐｍともに最大トルク、効率は本発明例より低い値であった。これに対して、本発明で規定される体積抵抗率ρ、磁束密度Ｂ_８０００、残留磁束密度Ｂｒ及び保磁力Ｈｃを有する鋼板をロータとしたモータでは、５０００ｒｐｍ、β：０°における最大トルクが高い値を示し、効率も高くなっている。また、弱め界磁制御を施した１５０００ｒｐｍにおける最大トルクも２．５Ｎ・ｍ以上の高い値を示し、効率も高い値を示した。

Claims (13)

1. 体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ以上でありかつその時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上であることを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
2. 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。
3. 引張試験による降伏強度が７８０Ｎ／ｍｍ^２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。
4. Ｃ：０．０００５質量％超〜０．０６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％以下からなる成分組成を有し、さらにＣｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５質量％〜１．０質量％、Ａｓ：０．０５質量％〜１．０質量％からなる群から選択される１種以上の成分が含まれており、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請求項１〜３のいずれか１項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
5. 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４に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
6. 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４又は５に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
7. 板幅当りの急峻度で定義される平坦度が０．１％以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
8. 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１項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
9. Ｃ：０．０００５質量％超〜０．０６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％以下からなる成分組成を有し、さらにＣｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５質量％〜１．０質量％、Ａｓ：０．０５質量％〜１．０質量％からなる群から選択される１種以上の成分が含まれており、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°の温度まで加熱するか、又は１回の冷間圧延又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延で最終圧延率１０％以上とすることを特徴とする体積抵抗率ρが３０×１０^−８Ω・ｍ以上、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ_８０００の値が１．７５Ｔ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。
10. 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。
11. 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。
12. 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１項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
13. 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９〜１２のいずれか１項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。

Images