JP4193955B2 - モーターヨーク用軟磁性Fe−Cr−Al合金 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種モーターのヨーク部品等、高周波数領域での高い最大磁束密度Bmを有しかつ軟質であることが要求される部品に用いられる軟磁性Fe−Cr−Al合金に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特開平7−14372号、特開平8−47235号では、モーターのヨークに軟磁性ステンレス鋼を用いることが紹介されている。また、特開平8−88965号では、軟磁性ステンレス鋼をステッピングモーターに使用することが記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記の軟磁性フェライト系ステンレス鋼をステッピングモーターのヨークに用いることにより、従来のZEC(亜鉛めっき鋼板)に比べて500ppsから2400pps(pulse per second)の周波数領域でのモータ特性(トルク、効率)の向上が確認されている。
しかし、近年、各種モータには高速化の要求が一層強くなり、500pps以上の周波数領域での更なるトルクの増加、および駆動周波数範囲の拡大が要求されている。
【0004】
モーターのトルクはヨーク素材の最大磁束密度Bmに大きく影響を受ける。したがって、トルクの増加およびモータの駆動周波数範囲を拡大するためには、ヨーク素材の高周波数領域での最大時速密度Bmの増加が必要となる。モーターの高性能化のためには、ヨーク素材の最大磁束密度Bmを現状のFe−Cr系軟磁性鋼のBmよりも1割以上増加させる必要がある。
【0005】
一方、各種モーターのヨーク部品は、素材を打ち抜き後プレス加工することにより成形される。しかし、素材が硬質である場合、打ち抜き部の品質低下やプレス加工性劣化、および金型寿命等の短命化等の問題が発生する。
【0006】
従来の軟磁性Fe−Cr合金では、打ち抜き性やプレス加工性の点では必ずしも満足の行くものではなかった。
【0007】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、高周波数領域での最大磁束密度Bmが従来のFe−Cr系軟磁性鋼よりも大きく、かつ優れた加工性を兼ね備えたモーターヨーク用軟磁性Fe−Cr−Al系合金を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
質量%でCr:8〜16%、Al:0.8〜2.5%、C:0.05%以下、Si:0.6%以下、Mn:1.0%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下、N:0.05%以下、Ti:0.3%以下(無添加含む)、を含有し、他Feおよび不可避的不純物よりなり、高周波数領域でのBmが11000G以上であり、かつ
HVが150以下であることを特徴とするモータヨーク用軟磁性Fe−Cr−Al合金とすることにより達成される。
【0009】
【作用】
本発明者らは従来からの課題解決について検討した結果、軟磁性Fe−Cr−Al合金のAl,Cr,Si量を調整することにより、高周波領域での高い最大磁束密度Bmと良好な加工性を得られる事を見出した。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の要旨を説明する。
【0011】
発明者は、まずAl,Cr,Si量と最大磁束密度Bmとの関係を調査した。ここでBmは、ステッピングモータのヨークの板厚およびモータの使用条件として一般的な0.8mmt、周波数1000Hz、磁場10エルステッドにおけるものとした。
【0012】
図1に11%Cr−0.2%SiにおけるAl量とBmの関係を示す。BmはAl量の増加に伴い増加する傾向を示す。しかし、Alが2.4%を超えると、Bmは若干減少する傾向にある。従来のFe−Cr系軟磁性鋼のBmは10000G程度であるが、前述の通り最近ヨーク素材に要求されているBmは1割大きい11000G以上である。これに対し、本発明鋼ではAl:0.8〜2.5%の領域で目標値の11000Gを上回っていることがわかる。
【0013】
図2に0.2%SiにおけるAl量と最大磁束密度Bmの関係を示す。BmはCr量の増加に伴い増加し、Cr量が11%で最大値となる。さらにCr量が増加するとBmは減少する。いずれのCr量においても、同一Cr量ではAl量が多いほどBmは高くなる。0.2%Si−1%Alにおいては、Cr量が8%から15%の範囲においてBmで11000G以上を得られる。
【0014】
さらに図3に11%Cr-1%AlにおけるSi量とBmの関係を示す。BmはSiの増加に伴い増加する挙動を示す。
【0015】
なお、周波数500〜4000Hzの範囲における最大磁束密度BmとAl量、Cr量、Si量との関係も周波数1000Hzの場合と同様の挙動を示すことを確認している。
【0016】
このように、Al量、Cr量、Si量の増加に伴い最大磁束密度Bmが増加する傾向を示す理由として、素材の電気抵抗率ρの増加がある。素材の電気抵抗率ρが高いほど、素材が交流で磁化する際に発生する渦電流が減少する。渦電流は磁化と逆方向の磁場を発生させるため、渦電流が小さい程Bmは大きくなるのである。図4に示すようにCr量、Al量、Si量の増加に伴い素材の電気抵抗率ρは増加する。したがって、本発明のFe−Cr−Al合金は高周波数領域で高いBmが得られる。
【0017】
しかし、図4からわかるようにCrが11質量%以上ではCrの電気抵抗率増加の効果は飽和し、電気抵抗率ρはほぼ一定となる。このため、Crを過剰に添加してもρ増加によるBm増加の効果はなくなる上、Cr量が11質量%以上では飽和磁束密度低下の影響によりBmはむしろ減少する。
【0018】
Al、Siは電気抵抗率ρを増加する寄与が大きく、特にFe−Cr合金添加する際に効果が大きい。しかし、飽和磁束密度は低下させる作用を有するため、過剰な添加はCrと同様に最大磁束密度Bmの減少を招く。
【0019】
次に、Al量、Cr量、Si量とビッカース硬度HVの関係を述べる。ここでは、本発明鋼がヨーク素材に加工される場合の打ち抜きおよびプレス加工性の指標としてビッカース硬度HVを使用する。前述したように、素材が硬質である場合、打ち抜き部の品質低下や加工性劣化、金型寿命の短命化などの問題が発生するが、このような問題は、びっカース硬度が150以下の素材を用いることにより回避することができる。したがって、本発明においては素材のビッカース硬度が150以下であることを必須とした。
【0020】
図5に11%Cr−0.2%SiにおけるAl量とビッカース硬度HVとの関係を示す。ビッカース硬度HVはAl量の増加に伴い直線的に増加する。11%Cr−0.2%Siの成分系においては、Al量が2.5%以下でビッカース硬度を150HV以下に抑えることができる事がわかる。
【0021】
さらに図7に11%Cr−1Al%におけるSiとビッカース硬度HVの関係を示す。ビッカース硬度HVはCrの増加に伴い直線的に増加する。0.2%Si―1%AlにおいてCr量16%以下ではビッカース硬度は150HV以下抑えることができる。
【0022】
以下に本発明鋼の成分限定理由を述べる。
【0023】
C:Cは炭化物を形成し、磁気特性及び耐食性を劣化させる。したがって、C量は0.05%以下に限定した。
【0024】
Si:電気抵抗率を増加させ、交流での磁気特性を向上させるのに有効に作用する元素である。しかし、ビッカース硬度を著しく増加させる元素であり、過剰な添加は打ち抜きあるいはプレス加工を困難にする。したがって、Si量は0.6%以下に限定した。
【0025】
Cr:Crは本発明において必要な耐食性を確保するために必須の元素である。また、Siと同様、電気抵抗率を増加させ交流での最大磁束密度Bmを十分大きく保つためにあ、8.0%以上添加する必要がある。しかし、過剰に添加するとビッカース硬度を増加させるばかりでなく、最大磁束密度も低下するため、上限を16%とした。
【0026】
Mn:製鋼時にスクラップから不可避的に混入してくる元素であるが、磁気特性を劣化させるため、上限を1.0%とした。
【0027】
P:磁気特性を劣化させる元素であることから、0.04%以下とした。
【0028】
S:不純物元素であるSは磁気特性を著しく劣化させる元素であるため、低く抑える必要がある。したがって0.01%以下に限定した。
【0029】
N:Nは、Cと同様、磁気特性を劣化させるため、低く抑える必要がある。したがって、0.05%以下に限定した。
【0030】
Al:本発明に必須な元素であり、鋼の電気抵抗率を著しく増加させ交流での最大磁束密度Bmを増加させる効果を有するため、0.8%以上とした。しかし、過剰に添加すると硬度を増加させるだけでなく、Bmも減少させるため、上限を2.5%とした。
【0031】
Ti:TiはCrより安定に炭化物を形成するため、耐食性の改善に有効に寄与するとともに、磁気特性に有害なマルテンサイト相の生成を防止する。しかし、過剰に添加すると磁束密度が低下するため上限を0.3%とした。
【0032】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明の効果を具体的に説明する。表1に供試鋼の化学成分値(質量%)を示す。これらのうちA1〜A5鋼は本発明で規定する成分組成を有する鋼であり、B1〜3鋼は比較鋼である。いずれの供試材とも30kg真空溶解、鍛造、熱間圧延、熱延板焼鈍、表面研削、冷間圧延、仕上げ圧延、および酸洗を施した後、厚さ0.8mmtの鋼板を得た。
【0033】
【表1】
【0034】
得られた各供試材より外形45mm、内径33mmの磁気測定用リングを切り出し、真空雰囲気下で温度850℃、処理時間0minの焼鈍を施した。磁気焼鈍後の各試験片について周波数1000Hz、印可磁場10エルステッドの条件にて最大磁束密度Bmを測定した。また、各試験片について、荷重1kgfにてビッカース硬度HVを測定した。
【0035】
さらに、前述の冷延焼鈍酸洗仕上げ後の0.8mmtの供試材であって、リング加工を施していないものを用いて、真空雰囲気下で温度850℃、処理時間0minの磁気焼鈍を施し、その後供試材をJIS Z2371に準拠した12時間の塩水噴霧試験により耐食性を調査した。耐食性の評価は目視判定により行い、発銹のないものを○、発銹のあったものを×とした。
【0036】
表2に試験結果を示す。本発明例であるA1〜A5鋼は、いずれもビッカース硬度が150HV以下であり、打ち抜き加工性およびプレス加工性にも優れる。また、最大磁束密度Bmも比較例に示される鋼より大きく11000G以上を有しており、かつ耐食性にも優れている。一方、比較例であるB1鋼はビッカース硬度は117HVと軟質であるが、Al量が0.02質量%と低いためBmが9850Gと、発明鋼に比べて低い。B2鋼は最大磁束密度Bmは11400Gと高く、耐食性にも優れるが、ビッカース硬度が161HVと高い。B3鋼はCr量が20.94質量%と高いため最大磁束密度Bmが9950Gと本発明鋼よりも低く、ビッカース硬度も164HVと高い。
【0037】
【表2】
【0038】
次いで、本発明鋼であるA3鋼、および比較鋼であるB1鋼の冷延焼鈍酸洗仕上げ後の0.8mmtの供試材を、ステッピングモーターのヨークに加工した。ヨークを真空下で温度850℃、処理時間0minの焼鈍を施し、それぞれのヨークを用いてステッピングモータを組み立てた。図8に組み立てたステッピングモータの構造を示す。多極着磁された永久磁石からなるロータ部と同軸上で対向するように複数個の櫛歯状極部を有するステータヨークを配設する。ステータヨークは、平板のリング状のフランジ部の内周囲を所定方向に90度折り曲げることにより櫛歯状極部を形成している。これと対となるステータヨークは、ともに櫛歯状極部の外周囲に励磁コイルを装着し、かつ励磁コイル、ステータヨークを筒状のフレームで囲むことによりステッピングモーターを構成する。
【0039】
ステッピングモータを組み立てた後、周波数400pps〜2400ppsでのモーターのプルアウトトルクを調査した。駆動条件は、2相励磁ハイポーラ定電流チョッパ駆動である。図9に結果を示す。図からわかるように本発明品であるA3鋼をヨークに用いたステッピングモーターは、従来鋼であるB1鋼を用いたモーターに比べ、全ての周波数領域でトルクが高く、モーター特性が向上することがわかる。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば各種モーターのヨーク等に最適な最大磁束密度Bmが大きく、かつ優れた加工性を兼ね備えた軟磁性Fe−Cr−Al系合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 印加磁場10エルステッド、周波数1000Hz,板厚0.8mmt、11重量%Cr−0.2重量%Siにおける最大磁束密度BmとAl量との関係を示す図。
【図2】 印可磁場10エルステッド、周波数1000Hz,板厚0.8mmt、0.2重量%Siにおける最大磁束密度BmとCr量,Al量の関係を示す図。
【図3】 印可磁場10エルステッド、周波数1000Hz,板厚0.8mmt、11重量%Cr−1重量%Alにおける最大磁束密度BmとSi量の関係を示す図。
【図4】 電気抵抗率増分ΔρとCr量、Al量、Si量の関係を示す図。
【図5】 11重量%Cr−0.2重量%Siにおけるビッカース硬度HVとAl量の関係を示す図。
【図6】 0.2重量%Siにおけるビッカース硬度HVとCr量、Al量の関係を示す図。
【図7】 11重量%Cr−1重量%Alにおけるビッカース硬度HVとAl量の関係を示す図。
【図8】 ステッピングモーターの構造を示す図。
【図9】 本発明鋼をヨークに用いたステッピングモーターと従来鋼をヨークに用いてステッピングモーターのトルクの比較を示す図。
Claims (1)
- 質量%でCr:8〜16%、Al:0.8〜2.5%、C:0.05%以下、Si:0.6%以下、Mn:1.0%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下、N:0.05%以下、Ti:0.3%以下(無添加含む)、を含有し、他Feおよび不可避的不純物よりなり、500pps〜2400ppsの高周波数領域でのBmが11000G以上であり、かつHVが150以下であることを特徴とする高周波用モータヨーク用軟磁性Fe−Cr−Al合金。
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