JP4019559B2

JP4019559B2 - 電動パワーステアリングモータコア

Info

Publication number: JP4019559B2
Application number: JP17914099A
Authority: JP
Inventors: 善彦尾田; 昭日裏; 孝寒川; 義彦小野; 靖田中
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: JP2001011586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のパワーステアリングシステムにおける、電動パワーステアリングモータコアに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のパワーステアリングシステムは、自動車の消費エネルギーの3〜5％を占め、エアコンと並んでエネルギー消費の多い装置である。従来のパワーステアリングシステムは油圧により操舵を補助していたが、本システムでは油圧ポンプが常にエンジンにより駆動されているため、直進走行時にもエネルギーが消費されるという問題があった。この無駄を解消するため、モータにより操舵を補助する電動パワーステアリング（以下、EPSと略す）システムが開発されている。EPSシステムではコーナリング時等の操舵補助が必要なときのみモータに電流を流しパワーをアシストするため、油圧システムに比べ燃費が2〜3％程度向上する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなEPSシステムにおいては、小型、高トルクの観点から永久磁石を使用するPMモータが使用されている。しかし、PMモータでは操舵後、比較的大きなロストルクが生じることから、旋回後直進状態になるまでに時間遅れが発生し、このため操舵感が油圧方式に比べ劣るという問題があった。
【０００４】
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、ロストルクが小さい、電動パワーステアリングモータコアを提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、S含有量を所定値以下とし、またはさらにSbとSnの少なくとも一方を、所定範囲含有させた鋼板を用いることによりロストルクが小さい電動パワーステアリングモータコアを提供することである。
【０００６】
すなわち、前記課題は、以下に示す第一、第二の発明によって解決される。
【０００８】
第一の発明は、永久磁石を使用する電動パワーステアリングモータコアであって、そのモータコア材として、重量％でC：0.005％以下、Si：4％以下、Al：1.0％以下、S：0.0009％以下（0を含む）、Mn：0.05〜1.5％、P：0.2％以下、N：0.005％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、ヒステリシス損が 0.040W/kg 以下である鋼板を用いた電動パワーステアリングモータコアである。第二の発明は、永久磁石を使用する電動パワーステアリングモータコアであって、そのモータコア材として、重量％でC：0.005％以下、Si：4％以下、Al：1.0％以下、S：0.0009％以下（0を含む）、Mn：0.05〜1.5％、P：0.2％以下、N：0.005％以下を含有し、さらにSb+Sn/2=0.001〜0.05％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、ヒステリシス損が 0.040W/kg 以下である鋼板を用いた電動パワーステアリングモータコアである。
【０００９】
本明細書において、鋼の成分を示す％はすべて重量％であり、ppmも重量ppmである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らがEPSモータコア材として好適な材料すなわちロストルクが小さい材料について検討した結果、このロストルクは機械損とコア材料のヒステリシス損に起因することを見いだした。さらにEPSモータコア材としてヒステリシス損の低い材料について検討を進めた結果、無方向性珪素鋼板が最適であり、特にS量を低減し、またはさらにSbとSnの少なくとも一方を微量添加した鋼板を用いることで良好なヒステリシス特性を有する材料が得られることを見いだした。
【００１１】
以下、本発明に至る経緯を実験結果に基づいて詳細に説明する。
最初に、ヒステリシス損に及ぼすSの影響を調査するため、C：0.0025％、Si：2.85％、Mn：0.25％、P：0.01％、Al=0.25％、N=0.0021％とし、S量をtr〜15ppmの範囲で変化させた鋼をラボ溶解し、熱延後、酸洗を行った。引き続きこの熱延板に75％H₂-25％N₂雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、その後、板厚0.50mmまで冷間圧延し、10％H₂-90％N₂雰囲気で900℃×1min間の仕上焼鈍を行った。図1に、このようにして得られたサンプルのS量と1.5Ｔまで磁化した場合の周波数1Hz当たりのヒステリシス損の関係を示す（図中×印）。×印に対応する点のS値は、左から、1.6、3.6、5.6、7.7、11.9、13.5ppmである。ここで磁気特性の測定は25cmエプスタイン法にて行い、ヒステリシス損はエプスタイン試験にて得られた50、60Hzの鉄損より2周波法にて計算した。
【００１２】
図1より、S低減に伴い緩やかにヒステリシス損は低下していき、S≦9ppmになるとヒステリシス損低下度合いが大きくなることがわかる。以上より、S量はS：0.0009％以下（0を含む）とする。
【００１３】
さらに本発明者らは、S≦9ppmにおいてさらなるヒステリシス損低減の手法はないかと考え、光学顕微鏡にて組織観察を行った。その結果、S≦9ppm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＞9ppm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った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。
【００１４】
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＞9ppmの領域では、Sが鋼板表面へ濃化し、熱延板焼鈍時および仕上焼鈍時の窒素の吸着を抑制しており、一方、S≦9ppm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。
【００１５】
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鋼板表層部の結晶粒の成長を妨げ、ヒステリシス損の低下を抑制するのではないかと考えた。このような考えの基に、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材のヒステリシス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の極微量添加が有効であることを発見した。
【００１６】
図1に、前記×印で示したサンプルの成分に40ppmのSbを添加したサンプルについて同一の条件で試験をした結果を○印で示す。○印に対応する点のS値は、左から、1.0、2.2、4.0、6.6、7.4、8.5ppmである。
【００１７】
Sbのヒステリシス損低減効果に着目すると、S＞9ppmの領域では、Sb添加によりヒステリシス損は0.002W/kg程度しか低下しないが、S≦9ppmの領域では、ヒステリシス損が臨界的に低下し、ヒステリシス損の低下は0.01W/kg程度に達している。S≦9ppmの領域でSbのヒステリシス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。
【００１８】
以上のように、Sb添加によりS≦9ppmでヒステリシス損が大幅に低下することから本発明ではSの上限を9ppmとする。
【００１９】
次にSbの最適添加量を調査するため、C：0.0025％、Si：2.86％、Mn：0.18％、P：0.020％、Al=0.25％、S=0.0004％、N=0.0020％とし、Sb量をtr〜600ppmの範囲で変化させた鋼をラボ溶解し、熱延後、酸洗を行った。引き続きこの熱延板に75％H₂-25％N₂雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、その後、板厚0.50mmまで冷間圧延し、10％H₂-90％N₂雰囲気で900℃×1min間の仕上焼鈍を行った。図2に、Sb量とヒステリシス損の関係を示す。図2において、磁気特性の測定およびヒステリシス損の計算は図1と同様の方法で行った。
【００２０】
図2より、Sb添加量が10ppm以上の領域でヒステリシス損が低下することがわかる。しかし、Sbをさらに添加し、Sb＞50ppmとなった場合には、ヒステリシス損は再び増大することもわかる。
【００２１】
このSb＞50ppmの領域でのヒステリシス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、表層細粒組織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。
【００２２】
但し、Sbを600ppmまで添加してもSb無添加鋼と比べるとヒステリシス損は良好である。
【００２３】
以上のことよりSbは10ppm以上とし、コストの問題から上限を500ppmとする。またヒステリシス損の観点より、望ましくは10ppm以上、50ppm以下とする。
【００２４】
以上のヒステリシス損低減効果はSbと同様な表面偏析型元素であるSnを20ppm以上添加した場合にも認められ、100ppm以上の添加でヒステリシス損が若干増大した。このことよりSnは20ppm以上とし、Snを1000ppm以上添加してもSn無添加鋼と比べるとヒステリシス損は良好であるがコストの問題から上限を1000ppmとする。またヒステリシス損の観点より、望ましくは20ppm以上、100ppm以下とする。
【００２５】
さらに、SbとSnを複合添加した場合にもSb+Sn/2で10ppm以上添加した場合にヒステリシス損が低下し、Sb+Sn/2で50ppm以上添加した場合に若干のヒステリシス損増大が認められた。このことよりSbとSnを複合添加した場合にはSb+Sn/2で10ppm以上とし、Sb+Sn/2を500ppm以上添加してもSb+Sn/2無添加鋼と比べるとヒステリシス損は良好であるがコストの問題から上限を500ppmとする。またヒステリシス損の観点より、望ましくは10ppm以上、50ppm以下とする。
【００２６】
次に、その他の成分の限定理由について説明する。
【００２７】
Siは鋼板の固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、4％を超えると磁束密度が低下しEPSモータ駆動時のトルクが低下するため上限を4％とした。なおモータ駆動時のトルクとはモータに電流を流している際のトルクである。
【００２８】
AlはSiと同様、固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、1.0％を超えると磁束密度が低下しEPSモータ駆動時のトルクが低下するため上限を1.0％とした。
【００２９】
Ｃも0.005％超えでは磁束密度が低下しEPSモータ駆動時のトルクが低下するため0.005％以下とした。
【００３０】
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％超えになるとEPSモータ駆動時のトルクが低下するため0.05〜1.5％とした。
【００３１】
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。
【００３２】
Nは0.005％超えでは磁束密度が低下しEPSモータ駆動時のトルクが低下するため0.005％以下とした。
【００３３】
次に、製造方法について説明する。
本発明においては、S、またはさらにSbとSnの少なくとも一方が所定の範囲内であれば、製造方法は通常の方法でかまわない。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。
【００３４】
【実施例】
転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理し表1の成分に調整後鋳造し、スラブを1200℃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800℃とした。巻取り温度は700℃とし、75％H₂−25％N₂雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施した。その後、板厚0.50mmまで冷間圧延を行い、10％H₂−90％N₂雰囲気で表1に示す仕上焼鈍条件で焼鈍を行った。
【００３５】
磁気特性の測定は25cmエプスタイン法にて行い、ヒステリシス損は、1.5Tまで磁化した場合の周波数1Hz当たりのヒステリシス損をエプスタイン試験にて得られた50、60Hzの鉄損より2周波法にて計算して評価した。各鋼板の磁気特性を表1に併せて示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
これより、本発明に規定する鋼板成分を本発明の範囲に制御したNo.3〜No.13の本発明鋼において、ヒステリシス損が低く磁束密度が高い鋼板が得られている事が分かる。特にSb、Snを所定の範囲内含有したNo.4〜No.13の本発明鋼においては、Sb、Snを含有していないNo.3の本発明鋼と比較してヒステリシス損のさらに低い鋼板が得られていることが分かる。
【００３８】
これに対し、No.1、No.2の鋼板はSの量がそれぞれ本発明の範囲を外れているので、ヒステリシス損が高くなっている。
【００３９】
No.14の鋼板はCの量が、No.15の鋼板はSiの量が、No.16の鋼板はMnの量が、No.17の鋼板はNの量が、No.18の鋼板はAlの量が、それぞれ本発明の範囲を外れているので、ヒステリシス損が高いかもしくは磁束密度が低くなっている。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればヒステリシス損の低い鋼板を得ることができ、EPSモータのロストルク低減に効果的な電動パワーステアリングモータコアを得ることができる。
【００４１】
さらに、高磁束密度が得られるので、モータ駆動時に高トルクが得られ操舵性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 S量と仕上焼鈍後のヒステリシス損との関係を示す図である。
【図２】 Sb量と仕上焼鈍後のヒステリシス損との関係を示す図である。

Claims

永久磁石を使用する電動パワーステアリングモータコアであって、そのモータコア材として、重量％で C ： 0.005 ％以下、 Si ： 4 ％以下、 Al ： 1.0 ％以下、 S ： 0.0009 ％以下（ 0 を含む）、 Mn ： 0.05 〜 1.5 ％、 P ： 0.2 ％以下、 N ： 0.005 ％以下を含有し、残部 Fe および不可避的不純物からなり、ヒステリシス損が 0.040W/kg 以下である鋼板を用いた電動パワーステアリングモータコア。
永久磁石を使用する電動パワーステアリングモータコアであって、そのモータコア材として、重量％で C ： 0.005 ％以下、 Si ： 4 ％以下、 Al ： 1.0 ％以下、 S ： 0.0009 ％以下（ 0 を含む）、 Mn ： 0.05 〜 1.5 ％、 P ： 0.2 ％以下、 N ： 0.005 ％以下を含有し、さらに Sb+Sn/2=0.001 〜 0.05 ％を含み、残部 Fe および不可避的不純物からなり、ヒステリシス損が 0.040W/kg 以下である鋼板を用いた電動パワーステアリングモータコア。