JP5515451B2

JP5515451B2 - 分割モータ用コア材料

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Publication number: JP5515451B2
Application number: JP2009150168A
Authority: JP
Inventors: 善彦尾田; 雅昭河野; 藤田　　明; 善彰財前
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2029-06-24
Also published as: JP2011006731A

Description

本発明は、分割コアをそなえる分割型のモータに用いるコア材料に関するものである。

家庭用エアコンのコンプレッサーのモータでは、可変速運転が行われており、その最高周波数は200〜400Hz程度となっており、ＰＷＭ制御等により数100〜数ｋHzのキャリア周波数が重畳した状態で使用されている。また、最近、急速に普及しているハイブリッド電気自動車の駆動モータや発電機も高出力、小型化の観点から数ｋHzの周波数で駆動されている。このようなモータのコア材として使用される無方向性電磁鋼板には、高周波鉄損の低い電磁鋼板が要望されており、Si＋Al＝３〜４％程度の高グレードの電磁鋼板が使用されている。

ところで、最近、これら高効率モータに分割コアが使用されるようになってきている。分割コアとは、一般にティースが電磁鋼板の圧延方向に、かつバックヨークが圧延直角方向となるように、コアを打ち抜き加工し、それらを組み合わせることによりモータのステータを構成するものである。このため、材料歩留まりが著しく向上するとともに、磁気特性に優れた圧延方向をティースとすることができるため、モータ効率の向上も期待できる。

この分割モータ用の電磁鋼板として、例えば特許文献１には、Si＋Alを２〜６％とし、かつAl／(Si+Al)：0.3〜0.9とし、飽和磁束密度Ｂsと圧延方向に磁化力5000A/mで励磁した場合の磁束密度Ｂ_50Lの比（Ｂ_50L／Ｂs）が0.85以上である電磁鋼板が開示されている。しかし、分割コアを使用したモータでは、コア締結に焼き嵌めが行われており、従って、該コアのバックヨークの周方向に40〜100MPa程度の圧縮力が加わった状態で使用されているため、焼き嵌めによる鉄損劣化を考慮した材料設計を行わないと、実機モータでは期待された特性が得られないという問題がある。

特開2008-260996号公報

そこで、本発明は、圧縮力が付与された場合にあっても磁気特性、とりわけ鉄損が劣化することのない、モータの分割コアに適した材料を提供することを目的とする。

本発明者らが上記課題について鋭意検討したところ、Al量を低減するとともに、鋼中介在物量を低減し、さらに焼き嵌め後の鉄損を分割コアに適した範囲に規定することにより、焼き嵌め等にて圧縮力が付与された場合にあっても磁気特性の劣化が抑制されることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、Si：２〜５％、Al：0.004％以下、Mn：2％以下、Ｓ:0.005％以下、Ti：0.004％以下、Ｖ:0.005％以下、Nb：0.003％以下、Cr：0.06％以下、Ｎ:0.005％以下およびＯ：0.005％以下を含み、残部Feおよび不可避不純物の成分組成を有し、直径５μm以上の介在物が10個／mm^２以下、結晶粒径が40〜140μm、磁束密度および鉄損が下記の関係を満たし、板厚が0.05〜0.35mmであるかつ磁束密度および鉄損が下記の関係を満たすことを特徴とする分割モータ用コア材料。
記
Ｂ_50L≧1.75Ｔ …（１）
（Ｗ_10/400L＋Ｗ_10/400C）／２≦25W/kg …（２）
ここで、
Ｂ _50L ：圧延方向の磁束密度（磁化力5000Ａ／ｍ）
Ｗ_10/400L：無応力の場合の圧延方向の鉄損（周波数400Hz、Ｂ＝1.0Ｔ）
Ｗ_10/400C：圧縮応力50MPaの場合の圧延直角方向の鉄損（周波数400Hz、Ｂ＝1.0Ｔ）

（３）前記成分組成として、さらに、質量％で、
Sb：0.001〜0.05％および
Sn：0.002〜0.1％
の１種もしくは２種を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の分割モータ用コア材料。

本発明によれば、焼き嵌め等にて圧縮力が付与された場合にあっても磁気特性の劣化が抑制された、分割コアに適した特性を有する材料を提供することができる。従って、本材料を用いることにより焼き嵌め、樹脂モールド等によりコア材料に圧縮力が付与される分割コア型のエアコンコンプレッサーモータ、ハイブリッドEV用駆動モータ、EV用駆動モータ、FCEV用駆動モータおよび高速発電機の高周波回転機の鉄損を低減することが可能となる。

圧延方向のＢ₅₀とトルク定数との関係を示す図である。 Al量と圧延方向のＢ₅₀との関係を示す図である。焼き嵌め相当時の鉄損Ｗ_H10/400とモータ効率との関係を示す図である。直径５μm以上の介在物量とモータ効率との関係を示す図である。

以下、本発明の分割モータ用コア材料について、まず、実験結果に基づいて詳細に説明する。
最初に、分割モータのトルク定数に及ぼす素材特性の影響について調査するため、Si量の異なる板厚0.35mmの種々の材料を用いて、その特性を評価した。ここで、本材料を用いて８極、12スロットのＩＰＭモータを作製した。ここで、ステータ外径は100mm、ロータ外径は70mm、積み厚は60mmである。ステータは、分割コアにて作製し、素材の圧延方向がティースとなるようにした。また、コアを固定するために、焼き嵌め代：50μmで焼き嵌めを行った。この際、コアバック中央部の周方向の応力を測定したところ、50MPaの圧縮となっていた。

図１に、素材の圧延方向の磁束密度とトルク定数との関係を示す。ここで、磁束密度として、圧延方向の特性を用いたのは、分割コアでは一体打ち抜きのコアと異なり、常にティース方向に圧延方向を揃えることができ、ティースの磁束密度とモータ特性との相関が高いと考えられるためである。図１より、圧延方向の磁束密度が1.75Ｔ以上で高いトルク定数が得られることがわかる。
なお、トルク定数は、評価モータをブレーキモータに接続し、電流を８Ａ流した際のトルクを計測し、トルクを電流値で割ることにより求めた。

次に、圧延方向の磁束密度を高めるための条件について検討した。すなわち、Si：3.20％、Al：０〜100ppm、Mn：0.20％、Ｓ：0.0010％、Ti：0.0010％、Nb：0.0010％、Ｖ：0.0015％、Cr：0.01％、Ｎ：0.0020％およびＯ：0.0030％を含み、残部Feおよび不可避不純物の成分組成からなる鋼を、実験室にて溶製してインゴットとした。その後、熱間圧延により板厚を2.3mmとし、1000℃×30ｓの熱延板焼鈍を行い、第１回の冷間圧延により板厚を0.8mmとし、中間焼鈍を950℃にて30s行い、引き続き、第２回の冷間圧延により板厚を0.25mmとし、900℃×10ｓの仕上焼鈍を行い、圧延方向から長さ180mmおよび幅30mmの単板サンプルを作製した。

また、比較として、中間焼鈍を施すことなく１回の冷間圧延にて板厚を0.25mmとする以外は、同様の条件にて単板サンプルを作製することも行った。

得られた単板サンプルについて、その圧延方向の磁束密度を調査した。その結果を、Alの含有量との関係において、図２に示す。ここで、Al量は酸可溶性Alを示している。図２より、まず、１回法冷間圧延と２回法冷間圧延とを比較すると、２回法では磁束密度が高くなっていることがわかる。

さらに、２回法冷間圧延において、Al量が40ppmを超えると、磁束密度が低下していることがわかる。この理由は明らかではないが、Alが40ppmを超えて存在する場合、AlNの析出量が多くなるため仕上げ焼鈍時にゴス粒の成長が妨げられるためと考えられる。
以上のことから、Al量は40ppm以下とする。好ましくは、20ppm以下とする。

なお、本発明において圧延方向の磁束密度を高める方法はどのような手法でも構わないが、上述したように、Alを40ppm以下とした鋼に中間焼鈍を挟んだ２回の冷間圧延もしくは温間圧延を施すことが推奨される。

次に、焼き嵌め時の鉄損を調査するための実験を行った。すなわち、Si：3.25％、Al：0.001％、Mn：0.20％、S:0.0010％、Ti：0.0005％、Nb：0.0010％、Ｖ:0.0012％、Cr：0.01%、Ｎ：0.0018％およびＯ：0.0035％を含み、残部Feおよび不可避不純物の成分組成からなる鋼を、実験室にて溶製し、インゴットとした。その後、熱間圧延により板厚を2.3mmとし、1000℃×30ｓの熱延板焼鈍を施し、冷間圧延を行って板厚を0.8mmとし、950℃および30sの中間焼鈍を行ってから冷間圧延により板厚を0.25mmとし、900℃×10ｓの仕上焼鈍を行い、圧延直角方向から長さ180mmおよび幅30mmの単板サンプルを作製した。本サンプルを無応力の状態および、磁化方向に50MPaの圧縮応力を付与することにより焼き嵌めを模擬した状態において、磁気測定を行った。その測定結果を表１に示す。

表１より焼き嵌めを模擬した圧縮力の付与により、鉄損は1.8倍程度に劣化していることがわかる。この原因を調査するため、鉄損をヒステリシス損と渦電流損とに分離して調査したところ、ヒステリシス損、渦電流損ともに圧縮応力付与により増加しており、特に、渦電流損の劣化比率が大きいことが明らかとなった。ヒステリシス損の劣化原因に関しては、上記成分のような鋼板においては正磁歪を有しているため、鋼板を磁化した際に、鋼板は磁化方向に伸びることとなるが、磁化方向に圧縮力が付与されていると鋼板が伸びることができず、磁化が困難となり、鉄損が増加したものと考えられる。
一方、渦電流損の増加原因に関しては、圧縮応力の付与により磁化ベクトルが板面方向を向きやすくなり、この状態で外部磁場を付与することにより板面内の渦電流が流れたためと考えられる。

以上のことより、焼き嵌め時の鉄損は無応力の鉄損と全く異なっており、モータ特性を向上させるためには焼き嵌め時の鉄損の低い材料を使用する必要があるものと考えられる。

そこで、焼き嵌め相当時の素材鉄損とモータ効率との関係を調査するため、圧延方向および圧延直角方向から30mm×180mmのサンプルを切り出し、圧延方向のサンプルは無応力で、圧延直角方向は50MPaの圧縮応力を付与して磁気測定を行った。
なお、鉄損Ｗ_Ｈ10/400は以下の式に従って求めた。
Ｗ_Ｈ10/400＝（Ｗ_10/400L＋Ｗ_10/400C）／２
ここで、
Ｗ_10/400L：無応力の場合の圧延方向の鉄損（周波数400Hz、Ｂ＝1.0Ｔ）
Ｗ_10/400C：圧縮応力50MPaの場合の圧延直角方向の鉄損（周波数400Hz、Ｂ＝1.0Ｔ）
このようにして求めた鉄損Ｗ_Ｈ10/400が15〜40W/kgの材料を用いて８極、12スロットのIPMモータを作製した。図３に、素材鉄損とモータ効率との関係を示す。これより焼き嵌めを模擬した素材鉄損Ｗ_Ｈ10/400が25W/kg以下の場合にモータ効率が高くなっていることがわかる。ここで、モータ効率は、モータを6000rpmで回転させ、トルク４N・mとなる場合の出力を入力で割ることにより求めた。

なお、Ｗ_Ｈ10/400を25W/kg以下とするためには、どのような手法でもよいが、少なくとも、Si量を２％以上とする必要がある。さらに、板厚を0.35mm以下、より好ましくは0.30mm以下とすること、そして結晶粒径を40〜140μmとすることにより安定して25W/kg以下とすることができる。

ところで、上記モータ評価を繰り返したところ、素材の鉄損値は25W/kg以下となっているにも関わらず、モータ効率が低い材料がみとめられた。この原因を調査するため、分割コアのバックヨークの端面を観察したところ、効率の低い材料では破断面比率が高くなっていることが明らかとなった。さらに、破断面比率の高い材料では粗大な介在物が多数認められた。これは、磁束密度を向上させるためにAl量を低減したために脱酸が不十分となり介在物が増加したものと考えられた。破断面比率の増加によるモータ効率の劣化の原因は明白ではないが、以下のように考えられる。

すなわち、分割コアにおいて、ヨークの剪断面は焼き嵌めにより隙間が生じないように押さえつけられているが、破断面は空隙となっており、磁気抵抗の高い状態となっている。このため、ヨークの磁束は剪断面に集中することとなり、剪断面比率が小さい場合には、コア表面から磁束が漏れ、上下のコアに板面方向から磁束が進入することとなる。その結果、板面渦電流損が増え効率が低下したのではないかと考えられる。

そこで、破断面比率を著しく増加させる直径５μm以上の介在物に着目した。なぜなら、介在物径が５μm以上になると、打抜き時に介在物を起点として割れが生じ、破断面比率が高くなるためである。そして、直径５μm以上の介在物量とモータ効率との関係を調査した。その調査結果を、介在物量とモータ効率との関係として図４に示す。同図より、介在物量が10個／mm^２超でモータ効率が低下することがわかる。
以上のことから直径５μm以上の介在物量は10個／mm²以下とする。

次に、その他の成分の限定理由について説明する。
Si：２〜５％
Siは、固有抵抗を上げて鉄損を低減できるため、２％以上、好ましくは２５％以上含有させる。一方、５％を超えた場合には、飽和磁化の低下により磁束密度が低下するため、上限を５％とする。

Mn：２％以下
Mnは、２％を超えた場合には、飽和磁化の低下により磁束密度が低下するため上限を２％とする。

Ｓ:0.005％以下
Ｓは、含有量が多い場合には硫化物を形成し、鉄損が増大するため上限を0.005％とする。

Ti：0.004％以下
Tiは、Ti系の窒化物を形成するが、Alが多く添加されている一般の高グレード電磁鋼板では窒素の大部分がAlNとして析出するため、微量Tiがゴス粒の成長挙動に影響を及ぼすことは少ない。しかし、Alを40ppm以下とした鋼では、微量なTiNの存在により粒成長挙動が影響を受け、仕上げ焼鈍時のゴス粒の集積を低下させるため、上限を0.004％とする。

Ｖ:0.005％以下
Nb：0.003％以下
Cr：0.06％以下
Ｖ、NbおよびCrもTi同様、窒化物を形成しゴス粒の集積を低下させることとなるため、上限をそれぞれ0.005％、0.003％および0.06％とする。

Ｎ:0.005％以下
Ｎは、0.005％を超えると窒化物量が増えるため鉄損が高くなる。このため上限を0.005％とする。

Ｏ：0.005％以下
Ｏは、含有量が多い場合には介在物が多くなり、材料が割れやすくなるため0.01％以下とする。

（製造方法）
本発明においては、成分、介在物量、磁気特性が所定の範囲内となっていることが重要であり、そのための手法として、例えば、溶銑を転炉で吹練し、溶鋼を脱ガス処理し所定の成分、介在物量に調整し、引き続き鋳造を行いスラブとする。ここで、本発明鋼ではAlを0.004％以下とするため、通常のAl脱酸された電磁鋼板に比べ粗大なSi系介在物量が多くなる。このため真空脱ガス処理を20分以上行うことにより鋼中の介在物量を所定の範囲内となるように十分低減する必要がある。その後、スラブを通常の方法にて熱間圧延、次いで、中間焼鈍を挟んだ２回以上の冷間または温間圧延により所定の板厚とした後に、仕上焼鈍を行うことにより、本発明の鋼板を得ることができる。

ここで、熱間圧延時の仕上温度、巻取り温度は特に規定する必要はなく、通常の条件でかまわない。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。次に、仕上げ焼鈍は結晶粒径が40〜140μmとなるように制御することが好ましい。特に、仕上げ焼鈍時の昇温速度を遅くすると、結晶粒が粗大になるため、10℃／ｓ以上の昇温速度が好ましい。

板厚は焼き嵌め時の鉄損低減の観点から0.35mm以下が好ましく、より好ましくは0.30mm以下である。下限は、生産性の観点から0.05mm以上とすることが好ましい。

表２に組成を示す鋼を用い、転炉で吹練した後に脱ガス処理を、所定の時間で行うことにより所定の成分に調整し、その後鋳造してスラブとした。このスラブを1140℃で１ｈ加熱した後、表２に示す板厚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610℃とし、巻取り後、900℃×30ｓの熱延板焼鈍を施した。その後、酸洗を行い、0.8〜1.2mmまで冷間圧延（一次冷間圧延）を行い、1000℃×30ｓの中間焼鈍を行った。なお、一部の試料は中間焼鈍を施すことなしに、一次冷間圧延にて最終板厚に仕上げた。その後、表２に示す板厚まで冷間圧延（二次冷間圧延）を行い、表２に示す仕上焼鈍条件で焼鈍を行った。

かくして得られた試料から、圧延方向より長さ180mmの単板サンプルを切り出し、無応力下で単板磁気測定を行うとともに、圧延直角方向から長さ180mmの単板サンプルを切り出し、長手方向に50MPaの圧縮力を付与し、圧縮力付与方向の磁気特性を測定した。
介在物はSEMにて1000倍で10視野観察し、直径５μm以上の介在物の存在頻度を求めた。また、結晶粒径はJIS G 0552の線分法で平均粒径を求めた。
これらの測定結果を表２に併記するように、成分、磁気特性、介在物量を本発明の範囲内とすることにより、モータ特性に優れた分割コアを得ることが可能となる。
一方、No.１の比較例は、冷間圧延を１回で行うものであり、モータ特性に劣っている。No.６,７,21,27,28,29,30,35および36の比較例は、成分組成が本発明の範囲から外れるものであり、十分な磁気特性が得られていない。No.13および14の比較例は、介在物量が多いために、モータ特性に劣っている。

Claims

質量％で、Si：２〜５％、Al：0.004％以下、Mn：2％以下、Ｓ:0.005％以下、Ti：0.004％以下、Ｖ:0.005％以下、Nb：0.003％以下、Cr：0.06％以下、Ｎ:0.005％以下およびＯ：0.005％以下を含み、残部Feおよび不可避不純物の成分組成を有し、直径５μm以上の介在物が10個／mm^２以下、結晶粒径が40〜140μm、磁束密度および鉄損が下記の関係を満たし、板厚が0.05〜0.35mmである分割モータ用コア材料。
記
Ｂ_50L≧1.75Ｔ …（１）
（Ｗ_10/400L＋Ｗ_10/400C）／２≦25W/kg …（２）
ここで、
Ｂ _50L ：圧延方向の磁束密度（磁化力5000Ａ／ｍ）
Ｗ_10/400L：無応力の場合の圧延方向の鉄損（周波数400Hz、Ｂ＝1.0Ｔ）
Ｗ_10/400C：圧縮応力50MPaの場合の圧延直角方向の鉄損（周波数400Hz、Ｂ＝1.0Ｔ）
前記成分組成として、さらに、質量％で、
Sb：0.001〜0.05％および
Sn：0.002〜0.1％
の１種もしくは２種を含むことを特徴とする請求項１に記載の分割モータ用コア材料。