JP2888227B2 - 高周波モータ用電磁鋼板 - Google Patents

高周波モータ用電磁鋼板

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JP2888227B2
JP2888227B2 JP9118641A JP11864197A JP2888227B2 JP 2888227 B2 JP2888227 B2 JP 2888227B2 JP 9118641 A JP9118641 A JP 9118641A JP 11864197 A JP11864197 A JP 11864197A JP 2888227 B2 JP2888227 B2 JP 2888227B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【従来の技術】高周波モータ(たとえば電気自動車用モ
ータ)は、数百〜1KHz程度の非常に広い周波数域で使
用される。このため、低周波域から高周波域まで優れた
磁気特性が要求される。しかし、従来は1KHz程度の高
周波域で優れた特性が得られる電磁鋼板が使用されてい
た。このような高周波用途の電磁鋼板に於いては、渦電
流損を低減する観点から、鋼板の薄肉化、固有抵抗の増
大、結晶粒の細粒化が図られている。
【0002】そのような例として、特開平3−2234
45号公報にはSi+Al量を2.0〜4.0%とし、板厚を0.1〜
0.25mm、結晶粒径を5〜60μmとした700Hz以上で使用
される高周波用無方向性電磁鋼板の発明が開示されてい
る。
【0003】しかし、この発明に於いては700Hz程度の
高周波域で良好な鉄損を得るために結晶粒径が5〜60μ
m程度となっているので、50〜200Hz程度の低・中周波
域では良好な鉄損が得られないという問題がある。この
ため、このような電磁鋼板は、低周波域から高周波域ま
で優れた鉄損特性が要求される電気自動車のモータ用コ
ア材としては適切でない。
【0004】また、従来のSi、Al量を4%程度まで高め
ることにより固有抵抗の増大をはかり、鉄損を低減する
手法に於いては、広い周波数域での鉄損低減効果が得ら
れるものの、飽和磁束密度が低下するため、電気自動車
用モータのようにトルクが要求されるモータにおいては
望ましくない。
【0005】以上のように、従来の技術に於いては高磁
束密度、かつ広い周波数域で低鉄損である材料を得るこ
とは困難であった。
【0006】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、広い周波数帯域で低い鉄損が得ら
れ、かつ高磁束密度であり、よって、高周波モータ用に
使用されるのに適した電磁鋼板を提供することを目的と
する。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、S≦9p
pmとし、さらにSbまたはSnを所定量添加した鋼板の板厚
を0.1〜0.35mmとすることにより、高周波モータ用に要
求される高磁束密度かつ広い周波数域で低鉄損の電磁鋼
板を得ることにある。
【0008】すなわち、前記課題は、重量%で、C:0.
005%以下、Si:1.5〜3.0%、Mn:0.05〜1.5%、P:0.
2%以下、N:0.005%以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0
%、Si+Al≦3.5%、S:9ppm%以下(0を含む)、Sb+
Sn/2=0.001〜0.05%を含有し、残部が実質的にFeであ
り、板厚が0.1〜0.35mmである高周波モータ用電磁鋼板
により解決される。
【0009】加えて、Sb+Sn/2の範囲を0.001〜0.005%
に限定することにより、より低い鉄損を得ることができ
る。
【0010】ここに、「残部が実質的にFeである」とい
うのは、不可避不純物の他、本発明の作用効果を妨げな
い範囲で、微量の他の元素を含んだものも、本発明の範
囲内に含まれることを意味する。
【0011】なお、本明細書において、鋼板の含有元素
を示す%は特に断らない限り重量%を示し、ppmも重量p
pmを示す。
【0012】(発明に至る経緯)本発明者らは、最初
に、鉄損に及ぼすS量の影響を調査するため、C:0.00
26%、Si:2.80%、Mn:0.21%、P:0.01%、Al:0.32
%、N:0.0015%としS量をtr.〜15ppmの範囲で変化させ
た鋼を実験室にて真空溶解し、熱延、酸洗後、75%H2
−25%N2雰囲気中で830℃×3hrの熱延板焼鈍を行っ
た。
【0013】引き続きこの熱延焼鈍板を板厚0.5および
0.35mmまで冷間圧延し、10%H2−90%N2雰囲気中で90
0℃×2min間の仕上焼鈍を施した。磁気測定は25cmエプ
スタイン法により行った。
【0014】電気自動車においては一般に周波数50Hz程
度の低周波域ではトルクが要求されるため1.5T程度で
励磁され、一方、400Hz程度の高周波域ではトルクはそ
れほど要求されないため、1.0T程度で駆動される。こ
のため、周波数50Hzでは1.5Tまで磁化した際の鉄損W
15/50で評価を行い、周波数400Hzでは1.0Tまで磁化し
た際の鉄損W10/400で評価を行った。図1に板厚0.5mm
の材料のS量と鉄損W15/50および鉄損W10/400の関係
を示す。
【0015】図1より、0.5mm材における周波数50Hzで
の鉄損W15/50は、S≦10ppmとなった場合に大幅に低下
することがわかる。
【0016】一方、400Hzの鉄損W10/400はS量が低くな
った場合逆に増大することがわかる。この、S量の低下
による鉄損の変化の原因を調査するため、組織を光学顕
微鏡により観察した。その結果、S≦0.001%において
結晶粒が粗大となっていることが明らかとなった。これ
は鋼中のMnSが低減したためと考えられる。
【0017】この組織変化より周波数50Hzと400Hzの鉄
損のS量依存性は以下のように理解することができる。
【0018】一般に、鉄損はヒステリシス損と渦電流損
に分けることができる。結晶粒径が大きくなった場合に
は、ヒステリシス損は低下し渦電流損は増大することが
知られている。周波数50Hzにおいてはヒステリシス損が
鉄損の支配因子であるため、S低減およびそれに起因す
る結晶粒の粗大化によりヒステリシス損が低下し、鉄損
が低下することとなる。これに対し、周波数400Hzでは
渦電流損が鉄損の支配因子であるため、S低減およびそ
れに起因する結晶粒の粗大化により、渦電流損が増大
し、鉄損が増大することとなる。
【0019】以上のことより、0.5mm材においてSを低
減させることは低周波域の鉄損低減には効果的である
が、高周波域の鉄損低減には逆効果であることがわか
る。
【0020】図2に0.35mm材のS量と鉄損の関係を示
す。図2より、0.35mm材における周波数50Hzでの鉄損W
15/50は、0.5mm材と同様、S≦10ppmとなった場合に大
幅に低下することがわかる。
【0021】しかし、0.5mm材の結果と異なり、400Hzの
鉄損W10/400も、S量が低くなった場合に低下すること
がわかる。これは0.35mm材では板厚が減少しているため
に渦電流損が0.5mm材に比べ大幅に低下しており、400Hz
においても結晶粒径の粗大化によるヒステリシス損の低
減が、全鉄損を低下させるためである。
【0022】以上のことより0.35mm以下の板厚において
はSの低減は低周波域から高周波域までの鉄損を大幅に
低下させることがわかる。このため、本発明において
、板厚を0.35mm以下に限定する。
【0023】また、S低減に伴う低周波域から高周波域
までの鉄損の低下は、0.35mm以下の板厚の電磁鋼板に於
いては板厚が薄くなるほど顕著に認められた。しかし、
板厚が0.1mm未満では冷間圧延が困難となり、さらに需
要家における鋼板積層時の手間が増大するため、本発明
に於いては板厚を0.1mm以上とする。
【0024】次に0.35mm材において鉄損をさらに低減さ
せる手法について検討した。
【0025】鉄損を低減させるための手法としては一般
にSi、Al量を増大し、固有抵抗を増大させることが有効
である。しかし、電気自動車用モータにおいてはSi、Al
の増大はトルクの低下をまねくため望ましくない。そこ
で、Si、Alの増大以外の手法について検討することとし
た。
【0026】ところで、図2において、S量が10ppm以
下となると鉄損の低下は緩やかとなり、Sをさらに低減
したとしても鉄損はW15/50で2.3W/kg程度、W10/400
で18.5W/kg程度にしかならない。
【0027】本発明者らは、S≦10ppmの極低S材にお
いて鉄損の低減が阻害されるのは、MnS以外の未知の要
因によるものではないかと考え、光学顕微鏡にて組織観
察を行った。その結果、S≦10ppmの領域で鋼板表層に
顕著な窒化層が認められた。これに対し、S>10ppmの
領域では窒化層は軽微となっていた。この窒化層は窒化
雰囲気で行われる熱延板焼鈍時および仕上焼鈍時に生じ
たものと考えられる。
【0028】このS低減に伴う窒化反応促進の原因に関
しては次のように考えられる。すなわち、Sは表面およ
び粒界に濃化しやすい元素であることから、S>10ppm
の領域では、Sが鋼板表面へ濃化し、焼鈍時の窒素の吸
着を抑制しており、一方、S≦10ppmの領域ではSによ
る窒素吸着の抑制効果が低下したためと考えられる。
【0029】本発明者らは、この極低S材において顕著
に生じる窒化層が鉄損の低下を抑制するのではないかと
考えた。このような考えの下に、本発明者らは窒素吸着
の抑制が可能でかつ極低S材の優れた粒成長性を妨げる
ことのない元素を添加することができれば、極低S材の
鉄損はさらに低減するのではないかという着想を抱き、
種々の検討を加えた結果、SbおよびSnの添加が有効であ
ることを見いだした。
【0030】図3に、図2で示したサンプルの成分に40
ppmのSbを添加したサンプルについて同一の条件で試験
を行った結果を示す。Sbの鉄損低減効果に着目すると、
含有量が多い領域では、Sb添加により鉄損はW15/50
で0.02〜0.04W/kg程度、W10/400で0.2〜0.3W/kg程
度しか低下しないが、S≦ppmの領域では、Sb添加に
より鉄損はW15/50で0.20〜0.30W/kg程度、W10/400
で1.5W/kg程度低下しており、S量が少ない場合にSb
の鉄損低減効果は顕著に認められる。また、このサンプ
ルではS量によらず窒化層は認められなかった。これは
Sbが鋼板表層部に濃化し窒素の吸着を抑制したためと考
えられる。以上のことより、S含有量の範囲は、9ppm
以下(0を含む)に限定する。
【0031】以上のことより、板厚0.35mmの極低S材に
Sbを添加することにより、磁束密度の低下を招くことな
く、広い周波数域で大幅な低鉄損化が可能となることが
明らかとなった。
【0032】次にSbの最適添加量を調査するため、C:
0.0026%、Si:2.75%、Mn:0.30%、P:0.02%、Al:
0.35%、S:0.0004%、N:0.0020%としSb量をtr.〜700p
pmの範囲で変化させた鋼を実験室にて真空溶解し、熱延
後、酸洗を行った。引き続きこの熱延板に75%H2−25
%N2雰囲気中で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、板厚
0.35mmまで冷間圧延し、10%H2−90%N2雰囲気中で90
0℃×2min間の仕上焼鈍を施した。図4はこのようにし
て得られたサンプルのSb量と鉄損W15/50およびW
10/400の関係を示したものである。
【0033】図4より、Sb添加量が10ppm以上の領域で
鉄損が低下し、W15/50=2.0W/kg、W10/400=17W/
kgが達成されることがわかる。しかし、Sbをさらに添加
し、Sb>50ppmとなった場合には、鉄損はSb量の増大に
伴い緩やかに増大することもわかる。
【0034】このSb>50ppmの領域での鉄損増大原因を
調査するため、光学顕微鏡による組織観察を行った。そ
の結果、表層窒化層は認められなかったものの、平均結
晶粒径が若干小さくなっていた。この原因は明確ではな
いが、Sbが粒界に偏析しやすい元素であるため、Sbの粒
界ドラッグ効果により粒成長性が低下したものと考えら
れる。
【0035】但し、Sbを700ppmまで添加してもSbフリー
鋼と比べると鉄損は良好である。以上のことよりSbは10
ppm以上とし、コストの問題から上限を500ppmとする。
また鉄損の観点より、望ましくは10ppm以上、50ppm以
下、より望ましくは20ppm以上、40ppm以下とする。
【0036】SnもSb同様表面偏析する元素であるため、
Sbと同様な窒化抑制効果が得られるものと考えられる。
そこで、Snの最適添加量を調査するため、C:0.0020
%、Si:2.85%、Mn:0.31%、P:0.02%、Al:0.30
%、S:0.0003%、N:0.0015%としSn量をtr.〜1400ppmの
範囲で変化させた鋼を実験室にて真空溶解し、熱延後、
酸洗を行った。引き続きこの熱延板に75%H2−25%N2
雰囲気中で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、板厚0.35m
mまで冷間圧延し、10%H2−90%N2雰囲気中で900℃×
2min間の仕上焼鈍を施した。
【0037】図5はこのようにして得られたサンプルの
Sn量とW15/50およびW10/400の関係を示したものであ
る。
【0038】図5より、Sn添加量が20ppm以上の領域で
鉄損が低下し、W15/50=2.0W/kg、W10/400=17W
/kgが達成されることがわかる。しかし、Snをさらに添
加し、Sn>100ppmとなった場合には、鉄損はSn量の増大
に伴い緩やかに増大することもわかる。但し、Snを1400
ppmまで添加してもSnフリー鋼と比べると鉄損は良好で
ある。
【0039】このSnとSbの鉄損に及ぼす影響の違いは以
下のように理解できる。
【0040】すなわち、Snは偏析係数がSbよりも小さい
ため、表面偏析により窒化を抑えるためには、Sbの2倍
程度の量が必要となる。このため、Snは20ppm以上の添
加により鉄損が低下することとなる。一方、Snの粒界偏
析によるドラッグ効果により鉄損が増大し始める添加量
も、Sbに比べSnの偏析係数が小さいことより、2倍程度
となる。このため、Snは100ppm以上の添加により鉄損が
緩やかに増大することとなる。
【0041】以上のことよりSnは20ppm以上とし、コス
トの問題から上限を1000ppmとする。また鉄損の観点よ
り、望ましくは20ppm以上、100ppm以下、より望ましく
は30ppm以上、90ppm以下とする。
【0042】以上述べてきたように、SbとSnが窒化を抑
制するメカニズムは同一である。このためSbとSnを同時
に添加しても同様の窒化抑制効果を得ることができる。
ただし、SnがSbと同一の効果を発揮するためにはSbの2
倍の添加量が必要となる。このため、SbおよびSnを同時
添加する場合には、Sb+Sn/2で0.001%以上、0.05%以下
とし、より望ましくは0.001%以上、0.005%以下とす
る。
【0043】(その他の成分の限定理由)次に、その他
の成分の限定理由について説明する。
【0044】Cは、磁気時効の問題があるため0.005%
以下とした。
【0045】Siは鋼板の固有抵抗を上げるために有効な
元素であるため1.5%以上添加する。一方、3.0%を超え
ると飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度が低下するため
上限を3.0%とした。
【0046】Mnは、熱間圧延時の赤熱脆性を防止するた
めに、0.05%以上必要であるが、1.5%以上になると磁
束密度を低下させるので0.05〜1.5%とした。
【0047】Pは、鋼板の打ち抜き性を改善するために
必要な元素であるが、0.2%を超えて添加すると鋼板が
脆化するため0.2%以下とした。
【0048】Nは、含有量が多い場合にはAlNの析出量
が多くなり、AlNが粗大となった場合においても粒成長
性が低下し鉄損を増大させるため0.005%以下とした。
【0049】Alは微量に添加すると微細なAlNを生成し
磁気特性を劣化させる。このため、下限を0.1%とし、A
lNを粗大化する必要がある。一方、1.0%以上になると
磁束密度を低下させるため上限は1.0%以下とする。但
し、Si+Al量が3.5%を超えた場合には、磁束密度が低下
し、さらに、励磁電流が増大するため、Si+Alは3.5%以
下とする。
【0050】(製造方法)本発明においては、S、Sb、S
nが所定の範囲内であれば、製造方法は通常の電磁鋼板
の製造方法でかまわない。すなわち、転炉で吹練した溶
鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、引き続き鋳造、
熱間圧延を行う。熱間圧延時の仕上焼鈍温度、巻取り温
度は特に規定する必要はなく、通常の温度でかまわな
い。また、熱延後の熱延板焼鈍は行っても良いが必須で
はない。次いで一回の冷間圧延、もしくは中間焼鈍をは
さんだ2回以上の冷間圧延により所定の板厚とした後
に、最終焼鈍を行う。
【実施例】表1に示す鋼を用い、転炉で吹練した後に脱
ガス処理を行うことにより所定の成分に調整後鋳造し、
スラブを1150℃で1hr加熱した後、板厚2.0mmまで熱間
圧延を行った。熱延仕上げ温度は750℃とし、巻取り温
度は610℃とした。次にこの熱延板を酸洗し、表1に示
す条件で熱延板焼鈍を行った。熱延板焼鈍雰囲気は、75
%H2−25%N2とした。その後、板厚0.1〜0.5mmまで冷
間圧延を行い、表2、表3に示す仕上焼鈍条件で焼鈍を
行った。仕上げ焼鈍雰囲気は、10%H2−90%N2とし
た。
【0051】磁気測定は25cmエプスタイン試験片(L+
C)/2を用いて行った。各鋼板の磁気特性を表1に併
せて示す。なお、表1〜表3において、No.は鋼板番号
を示し、各表に共通である。
【0052】
【表1】
【表2】
【表3】 表1〜表3において、No.7〜13、No.15〜21、No.24〜27
の鋼板が本発明鋼板である。これらのいずれの鋼板にお
いても、他の鋼板よりも鉄損W15/50、W10/400=17
W/kg、W5/1kが低く、かつ、磁束密度B50が高いこと
がわかる。
【0053】これに対し、No.1の鋼板は、S、Sb+Sn、
板厚のいずれもが本発明の範囲を外れているので、鉄損
が非常に高くなっている。No.2の鋼板は、Sb+Snと板厚
が本発明の範囲を外れているので、やはり、鉄損が非常
に高い。
【0054】No.3の鋼板は、板厚が本発明の範囲を外
れているので、鉄損W15/50の値は低くなっているが、
10/400、W5/1kの値が大きくなっている。
【0055】No.4とNo.22の鋼板は、SとSb+Snが、No.
5の鋼板はSが、No.6とNo.14とNo.23の鋼板はSb+Sn
が、それぞれ本発明の範囲を外れているので、鉄損W
15/50が高くなっている。
【0056】No.28の鋼板は、Si+Al、Sb+Snの値が本
発明の範囲を外れているため、磁束密度B50が低くなっ
ている。
【0057】No.29の鋼板は、SiとSi+Alの範囲が、No.
30の鋼板はSi+Alの範囲が、それぞれ本発明の範囲を外
れているため、鉄損は低いものの磁束密度B50が低くな
っている。
【0058】No.31の鋼板は、Alが本発明の下限を外れ
ているため、鉄損が高く、磁束密度が低い。
【0059】No.32の鋼板は、Alが本発明の上限を外
れ、Si+Alが本発明の範囲を外れているため、磁束密度
磁束密度B50が低くなっている。
【0060】No.33の鋼板は、Mnが本発明の下限を下回
っているので鉄損が大きくなり、No.34の鋼板はMnが本
発明の上限を上回っているので磁束密度B50が低くなっ
ている。
【0061】No.35の鋼板は、C量が本発明の範囲を超
えているので、鉄損が高いばかりか、磁気時効の問題を
有している。
【0062】No.36の鋼板は、N量が本発明の範囲を超
えているので、鉄損が高くなっている。
【0063】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、鋼板の成分を、重量%で、C:0.005%以下、Si:
1.5〜3.0%、Mn:0.05〜1.5%、P:0.2%以下、N:0.
005%以下、Al:0.1〜1.0%、Si+Al≦3.5%、S:9ppm
%以下、Sb+Sn/2=0.001〜0.05%を含有し、残部が実質
的にFeであるように規定し、かつ、板厚を0.1〜0.35mm
の範囲としているので、磁束密度が高く、広い周波数域
で鉄損の低い鋼板を得ることができる。この鋼板は、広
い周波数域で鉄損の低いことが要求される高周波モータ
用として使用される。加えて、Sb+Sn/2の範囲を0.001〜
0.005%に限定することにより、より低い鉄損を得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】0.5mm材におけるS量と仕上焼鈍後の鉄損との
関係を示す図である。
【図2】0.35mm材におけるS量と仕上焼鈍後の鉄損との
関係を示す図である。
【図3】S、Sb量と仕上焼鈍後の鉄損との関係を示す図
である。
【図4】Sb量と仕上焼鈍後の鉄損との関係を示す図であ
る。
【図5】Sn量と仕上焼鈍後の鉄損との関係を示す図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−49044(JP,A) 特開 平8−218121(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 38/00 303 C22C 38/60 H01F 1/16

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C:0.005%以下、Si:1.5〜
    3.0%、Mn:0.05〜1.5%、P:0.2%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、Si+Al≦3.5%、
    S:9ppm以下(0を含む)、Sb+Sn/2=0.001〜0.05%
    を含有し、残部が実質的にFeであり、板厚が0.1〜0.35m
    mである高周波モータ用電磁鋼板。
  2. 【請求項2】 重量%で、C:0.005%以下、Si:1.5〜
    3.0%、Mn:0.05〜1.5%、P:0.2%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、Si+Al≦3.5%、
    S:9ppm以下(0を含む)、Sb+Sn/2=0.001〜0.005%
    を含有し、残部が実質的にFeであり、板厚が0.1〜0.35m
    mである高周波モータ用電磁鋼板。
  3. 【請求項3】 重量%で、C:0.005%以下、Si:1.5〜
    3.0%、Mn:0.05〜1.5%、P:0.2%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、Si+Al≦3.5%、
    S:9ppm以下(0を含む)、Sb=0.001〜0.05%を含有
    し、残部が実質的にFeであり、板厚が0.1〜0.35mmであ
    る高周波のモータ用電磁鋼板。
  4. 【請求項4】 重量%で、C:0.005%以下、Si:1.5〜
    3.0%、Mn:0.05〜1.5%、P:0.2%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、Si+Al≦3.5%、
    S:9ppm以下(0を含む)、Sb=0.001〜0.005%を含
    有し、残部が実質的にFeであり、板厚が0.1〜0.35mmで
    ある高周波モータ用電磁鋼板。
  5. 【請求項5】 重量%で、C:0.005%以下、Si:1.5〜
    3.0%、Mn:0.05〜1.5%、P:0.2%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、Si+Al≦3.5%、
    S:9ppm以下(0を含む)、Sn=0.002〜0.1%を含有
    し、残部が実質的にFeであり、板厚が0.1〜0.35mmであ
    る高周波モータ用電磁鋼板。
  6. 【請求項6】 重量%で、C:0.005%以下、Si:1.5〜
    3.0%、Mn:0.05〜1.5%、P:0.2%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、Si+Al≦3.5%、
    S:9ppm以下(0を含む)、Sn=0.002〜0.01%を含有
    し、残部が実質的にFeであり、板厚が0.1〜0.35mmであ
    る高周波モータ用電磁鋼板。
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