KR102024964B1 - Ipm 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상이고 또한 그 때의 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T이상이며, 필요에 따라 8000A/m까지 자화했을 때의 보자력 Hc가 100A/m이상인 IPM 모터의 로터 철심용 강판을 제조한다. 본 발명에서 제조되는 강판을 IPM 모터의 로터용 철심으로서 이용하는 것에 의해, 고속 회전역에서의 출력 토크를 더욱 크게 할 수 있고, 최대 회전수를 높게 할 수 있다.

Description

IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING STEEL PLATE FOR ROTOR CORES FOR IPM MOTORS}
본 발명은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 혹은 공작 기계 등에 주로 사용되는 영구 자석 매립형 모터(이하 「IPM 모터」라 함)의 로터 철심용 강판의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, IPM 모터는 고가의 영구 자석을 사용하기 때문에 비용은 높아지지만, 유도 전동기에 비해 효율이 높다. 이 때문에, IPM 모터는 예를 들면, 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 구동용 모터 및 발전용 모터, 가전 제품과, 각종 공작 기계 및 산업 기계용의 모터 등에 널리 사용되고 있다.
IPM 모터의 철심은 고정자(스테이터)와 회전자(로터)로 나뉜다. 스테이터측의 철심에는 권선을 통해 교류 자계가 직접 부여되므로, 효율을 높이기 위해, 스테이터측의 철심에는 고투자율인 동시에 체적 저항률을 높여, 철손을 저감할 수 있는 것이 요구된다. 이 때문에, 스테이터측의 철심에는 극저 탄소강에 Si를 첨가하여 연자기 특성을 개선한 전자 강판이 이용된다(예를 들면, 특허문헌 1 및 2 참조).
한편, 로터측의 철심에는 영구 자석이 매립되기 때문에, 로터측의 철심은 주로 요크로서 자속 밀도를 높이는 역할을 한다. 로터측의 철심은 스테이터측으로부터 발생하는 교류 자계의 영향을 약간 받지만, 그 영향은 한정적이다. 따라서, 특성의 관점에서 보면, 철손 특성에 유리한 전자 강판을 로터측의 철심에 사용할 필요는 없다. 그러나, 스테이터에만 전자 강판을 사용하면 전자 강판의 제품 수율이 저하하여, 모터의 제조 비용이 높아지므로, 통상은 로터측의 철심에도 스테이터측과 동일한 전자 강판이 이용된다.
IPM 모터가 자동차에 탑재되는 경우, 자동차의 소형 경량화의 요구로부터 IPM 모터에도 소형화가 요구된다. 그 경우, 소형화해도 종래와 동등 이상의 모터 출력(토크)을 얻기 위해, 로터의 회전수가 높아진다. 일반적으로, 모터의 효율은 로터의 회전 속도를 높게 할수록 양호하게 된다. 그러나, IPM 모터에서는 매립된 영구 자석의 회전에 의해, 스테이터 권선에 유도 기전력이 발생한다. 이 유도 기전력은 회전 속도의 상승에 수반하여 증가한다. 그리고, 유도 기전력이 입력 전압을 넘은 곳에서 모터는 회전할 수 없게 된다. 그 때문에, IPM 모터에서는 예를 들면 특허문헌 3에 나타나는 바와 같이, 고속 회전역에서 운전할 때에, 영구 자석의 자속을 부정하는 방향의 자속을 스테이터측으로부터 발생시켜, 유도 기전력을 억제하는 약계자 제어가 실행되고 있다. 이 약계자 제어에 의해, 고속 회전역에서의 운전이 가능하게 되는 반면, 영구 자석의 자속을 부정하기 위해 전력을 사용하기 때문에, 모터 토크는 감소한다. 또한, 특허문헌 3에서는 자석의 형상에 고안을 실시하는 것에 의해, 약계자 제어에 사용하는 전력량을 적게 하는 것이 도모되고 있다.
한편, IPM 모터를 소형화해도 종래와 동등 이상의 토크를 얻기 위해 로터의 회전수를 높이면, 로터에 매립된 영구 자석에 작용하는 원심력이 증대하여 로터의 파손에 이르는 문제가 있다. 파손을 일으키지 않기 위해서는 로터의 소재로서 항복 강도가 높은 재료가 바람직하다. 예를 들면, 3%정도의 Si를 함유하는 무방향성 전자 강판(35A300)의 경우, 자성 소둔 후의 항복 강도는 약 400N/㎟ 정도이다. 이 때문에, 로터의 직경이 80㎜이상인 비교적 대형의 IPM 모터인 경우, 로터의 구조에 따라 다르지만, 20000rpm 정도가 파손을 일으키지 않는 회전 속도의 한계로 고려되고 있다. 지금까지도 전자 강판을 토대로 철심의 항복 강도를 높게 하는 검토가 각종 실행되어 왔지만, 그래봤자 고작 780N/㎟ 정도이다. 그래서, 고속 회전화에 의한 로터 철심의 파손을 억제하는 방법으로서, 예를 들면 특허문헌 4에서는 로터 철심용 소재로서, 전자 강판이 아닌, 고강도이고 또한 고포화 자속 밀도인 강판을 이용하는 것이 제안되고 있다.
특허문헌 1; 일본국 특허공개공보 제2005-133175호 특허문헌 2; 일본국 특허공개공보 제2005-60811호 특허문헌 3; 일본국 특허공개공보 제2000-278900호 특허문헌 4; 일본국 특허공개공보 제2009-46738호
그러나, 특허문헌 3에서는 자석의 형상에 고안을 실시하는 것에 의해, 약계자 제어에 사용하는 전력량을 적게 하는 것이 도모되고 있지만, 소재 강판의 잔류 자속 밀도 및 보자력을 조절하는 점에 대해서는 고려되어 있지 않다. 또, 특허문헌 4는 고강도화에 의해서 고속 회전이 가능하게 되지만, 잔류 자속 밀도 및 보자력에 관한 지견은 얻어지지 않고, 약계자 제어시의 고토크화의 가능성에 관해서는 불명하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, IPM 모터의 로터용 철심으로서 이용할 때에, 고속 회전역에서의 출력 토크를 더욱 크게 할 수 있고, 최대 회전수를 더욱 높게 할 수 있는 강판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그래서, 본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해, 각종 강판을 소재로 해서 IPM 모터를 시작(試作)하고, 모터의 성능 평가를 실행한 결과, 영구 자석으로부터의 누설 자속을 저감하여 마그넷 토크에 유효한 자속을 증가시키는 동시에, 약계자 제어를 실행하는 고속 회전역에서 큰 출력 토크를 얻기 위해서는 특정의 성분 조성을 갖는 소재 강판의 자속 밀도 및 잔류 자속 밀도를 조절하는 것이 유효하고, 소재 강판의 자속 밀도, 잔류 자속 밀도 및 보자력을 조절하는 것이 더욱 유효한 것을 알아내었다.
즉, 본 발명은 C:0.0005질량%초과∼0.90질량%, Si:0질량%∼3.0질량%, Mn:0질량%∼2.5질량%, P:0.05질량%이하, S:0.02질량%이하, 산 가용 Al:0.005질량%∼3.0질량%이고 또한 Si+Al:5.0질량%이하, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 열간 압연 강판을 냉간 압연하고, 연속 소둔 라인 또는 연속 담금질 라인에서 800℃이상으로 가열한 후, 450℃이하까지 10℃/s이상의 냉각 속도로 냉각하고, 200∼450℃의 온도역에 20초 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상이고 또한 그 때의 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T이상이고, 필요에 따라 보자력 Hc가 100A/m이상인 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법이다.
본 발명에 따르면, IPM 모터의 로터용 철심으로서 이용할 때에, 영구 자석으로부터의 누설 자속을 저감하여 마그넷 토크에 유효한 자속을 증가시키는 동시에, 고속 회전역에서의 출력 토크를 더욱 크게 할 수 있고, 최대 회전수를 더욱 높게 할 수 있는 강판을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에서 제작한 로터의 부분 확대도이다.
도 2는 실시예 1 및 실시예 2에서 평가한 시작 모터의 15000rpm에 있어서의 최대 토크와 로터 소재의 잔류 자속 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에서 평가한 시작 모터의 15000rpm에 있어서의 최대 토크와 로터 소재의 보자력의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 제조 방법에 의해 얻어지는 IPM 모터의 로터 철심용 강판은 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상이고 또한 그 때의 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T이상이며, 필요에 따라 8000A/m까지 자화했을 때의 보자력 Hc가 100A/m이상인 것을 특징으로 하는 것이다.
자기 특성을 한정하는 이유는 다음과 같다.
<자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000:1.65T이상>
자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상으로 되어 있는 것은 로터로서 고속 회전할 때에 영구 자석(12)을 삽입한 위치(d축)와 삽입하고 있지 않은 위치(q축)에서의 인덕턴스의 값의 차에 의거하는 릴럭턴스 토크를 유효하게 활용하고, 특히 고속 회전 영역에 있어서 종래의 강판과 동등 이상의 토크 성능을 발휘하기 위함이다.
<8000A/m까지 자화했을 때의 잔류 자속 밀도 Br:0.5T이상>
8000A/m까지 자화했을 때의 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T이상으로 되어 있는 것은 다음과 같다. 즉, IPM 모터에서는 영구 자석에 의한 자석 자속(d축 자속)에 부가하여, 릴럭턴스 토크를 얻기 위해 스테이터측으로부터 로터내를 관통하는 자속(q축 자속)을 흘리고, 고토크화 및 고효율화를 달성하고 있다. 그러나, 예를 들면「평성23년도 전기 학회 산업 응용 부문 대회 구연 논문집, 3-24(2011), PⅢ-179」와 같이, 모터에의 입력 전류를 증가시키고, q축 자속을 증가시키면, d축 자속과의 상호 간섭에 의해 d축 자속의 방향이 회전 방향과는 역방향으로 어긋나 치우치고, d축 및 q축 인덕턴스의 변화를 통해 최대 토크를 감소시키는 것이 알려져 있다. 이 현상은 dq축 상호 간섭이라 불리며, 본래의 d축 자속보다도 회전 방향 전방에서는 자속이 서로 강하게 되고, 후방에서는 서로 약하게 되는 것에 기인하고 있지만, 전자 강판과 같이 보자력이 작고 또한 잔류 자속 밀도도 작은 고투자율 재료에서는 회전 방향의 후방에 있어서의 자속의 서로 약함이 원활하게 진행하는데 반해, 보자력이 큰 저투자율 재료에서는 잔류 자속 밀도가 큰 것에 기인해서, 자속의 서로 약함이 억제되기 때문에, 전술한 d축 자속의 어긋남에 의한 치우침이 작아진다. 그 결과로서, dq축 상호 간섭에 수반하는 최대 토크의 감소를 억제하는 것이 가능하게 된다. 이 효과를 얻기 위해서는 8000A/m까지 자화했을 때의 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T이상, 바람직하게는 1.0T이상이 필요하다. 본 발명자들이 각종 강판을 소재로 해서 IPM 모터를 시작하고, 모터의 성능 평가를 실행한 결과, 0.5T이상, 바람직하게는 1.0T이상의 잔류 자속 밀도를 갖는 강판을 이용해서 로터 철심을 형성함으로써, 고속 회전시에 실행하는 약계자 제어의 소비 전력을 저감할 수 있고, 출력 토크를 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
<8000A/m까지 자화했을 때의 보자력 Hc:100A/m이상>
본 발명의 강판은 고속 회전역에 있어서 더욱 높은 토크가 필요하게 되는 경우에는 100A/m이상의 보자력을 갖는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다. 즉, 보자력의 증대에 수반하여 투자율이 작아지는 것에 기인해서, 브리지부에서의 영구 자석으로부터의 누설 자속이 작아지고, 그 결과로서 영구 자석으로부터의 자속을 유효하게 활용할 수 있게 된다. 이 효과를 얻기 위해서는 8000A/m까지 자화했을 때의 보자력이 바람직하게는 100A/m이상, 더욱 바람직하게는 300A/m이상, 가장 바람직하게는 1000A/m이상 필요하다. 이 효과는 로터의 구조에 따라 변화하지만, 예를 들면 고속 회전시의 원심력에 견디도록, 영구 자석을 2분할해서 센터 브리지를 마련하는 등 한 경우 등, 영구 자석으로부터의 누설 자속이 많아지는 구조의 경우, 더욱 효과적으로 작용한다.
본 발명의 강판은 반드시 기계적 강도는 필요로 하지 않지만, 고속 회전이 필요한 IPM 모터 용도에 적용하는 경우에는 780N/㎟이상의 항복 강도를 갖는 것이 바람직하다. 항복 강도를 이러한 범위로 함으로써, 로터 철심이 고속 회전시에 영구 자석에 작용하는 원심력에 견딜 수 있고, 고속 회전역에 있어서도 로터가 파손되는 일이 없다. 또한, 본 발명의 강판은 약계자 제어성이 우수하므로, 고속 회전역에 있어서도 토크의 저하가 억제되기 때문에, 고속 회전과 고토크가 얻어지는 고성능의 모터를 제공할 수 있다. 이에 따라, 자동차·가전을 비롯한 각종 용도에의 적용이 가능하게 된다. 또, 강판에 충분한 강도를 갖게 함으로써, 로터의 각 영구 자석 삽입 구멍에 마련된 브리지의 폭을 작게 할 수 있고, 그에 따라 더욱 누설 자속을 적게 할 수 있다. 로터 철심의 강도를 높임으로써 브리지의 폭을 작게 해도 로터가 파손되지 않고 누설 자속도 저감할 수 있으면, 로터의 설계 자유도가 높아진다. 또, 누설 자속의 저감에 의해 영구 자석을 소형화해도 좋으므로, 모터의 비용을 대폭 저감할 수 있다. 또, 영구 자석을 작게 하지 않고 출력 토크의 향상을 도모하는 것도 가능하게 된다. 고속 회전이 가능하게 되는 것에 의한 고토크화와 영구 자석의 소형화의 양자를 감안해서 브리지 폭을 설계해도 좋다. 본 발명의 강판의 항복 강도의 상한은 2000N/㎟이다. 이는 2000N/㎟을 넘는 항복 강도를 띠는 재료에서는 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상 얻어지지 않기 때문이다.
또한, 본 발명에 있어서의 항복 강도는 JIS5호 인장 시험편을 이용하고, JIS Z2241에 준거한 인장 시험 방법에 의해 측정되는 것이다.
또, 본 발명의 강판은 판 폭당의 급준도로 정의되는 평탄도가 0.1%이하인 것이 바람직하다. IPM 모터의 로터는 로터의 형상으로 펀칭한 강판을 적층하여 제조되기 때문에, 적층했을 때의 점적률이 양호한 것이 바람직하다. 양호한 점적률을 얻기 위해서는 판 폭당의 급준도로 정의되는 평탄도는 0.1%이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서의 평탄도는 길이 1m이상의 강판을 정반의 위에 얹었을 때의 폭 방향 단위 길이당 최고 높이(판 두께를 제외한 높이)를 백분율로 나타낸 것이다.
본 발명의 강판은 C:0.0005질량%초과∼0.90질량%, Si:0질량%∼3.0질량%, Mn:0질량%∼2.5질량%, P:0.05질량%이하, S:0.02질량%이하, 산 가용 Al:0.005질량%∼3.0질량%이고 또한 Si+Al:5.0질량%이하, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 것이 바람직하다. 강재의 성분에는 Ti, Nb 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분이 합계 0.01질량%∼0.20질량% 포함되어도 좋고, Mo:0.1질량%∼0.6질량%, Cr:0.1질량%∼1.0질량% 및 B:0.0005질량%∼0.005질량%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분이 포함되어도 좋고, 또 Cu:0.05질량%∼1.5질량% 및 Ni:0.05질량%∼1.0질량%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분이 포함되어도 좋다.
강재의 성분 조성을 한정하는 이유는 다음과 같다.
<C:0.0005질량%초과∼0.90질량%>
C는 강 중에 고용 또는 시멘타이트(Fe3C)로서 석출되며, 고강도화에 유효한 원소이다. IPM 모터의 로터 철심으로서 이용하는데 적합한 항복 강도로 하기 위해, 0.0005질량%를 넘는 C를 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 0.90질량%를 넘어 함유시키면, 자속 밀도가 낮아지는 경향이 있다. 특히, 780N/㎟이상의 항복 강도를 얻기 위해서는 0.05질량%이상의 C를 함유시킬 필요가 있다.
<Si:0질량%∼3.0질량%>
Si는 고강도화에 유효하고 또한 체적 저항률을 높이며, 와전류손을 작게 하는데 유효한 원소이지만, 본 발명에서는 첨가하지 않아도 좋다. 와전류손의 억제 및 고강도화의 효과를 얻도록 하기 위해서는 0.01질량%이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 3.0질량%를 넘어 함유시키면, 강판의 인성이 열화하는 동시에, 오히려 자속 밀도의 저하를 초래하는 경우가 있다.
<Mn:0질량%∼2.5질량%>
Mn은 고강도화에 유효한 원소이지만, 본 발명에서는 첨가하지 않아도 좋다. 고강도화의 효과를 얻기 위해서는 0.05질량%이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 2.5질량%를 넘어 함유시키면, 강도의 향상 효과는 포화되는 동시에, 오히려 자속 밀도의 저하를 초래하는 경우가 있다.
<P:0.05질량%이하>
P는 고강도화에 유효한 원소이지만, 강의 인성을 현저히 저하시킨다. 0.05질량%까지는 허용할 수 있기 때문에, 상한을 0.05질량%로 한다.
<S:0.02질량%이하>
S는 고온 취화를 야기시키는 원소이며, 대량으로 함유시키면, 열간 압연시에 표면 결함을 발생시키고, 표면 품질을 열화시킨다. 따라서, 가능한 한 저감하는 것이 요망된다. 0.02질량%까지는 허용할 수 있기 때문에, 상한을 0.02질량%로 한다.
<산 가용 Al:0.005질량%∼3.0질량%, Si+Al:5.0질량%이하>
Al은 탈산제로서 첨가되는 것 이외에, Si와 마찬가지로 강의 체적 저항률을 상승시키는데 유효한 원소이다. 그 효과를 발휘하기 위해서는 0.005질량%이상의 산 가용 Al을 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Si와의 합계로 5.0질량%를 넘어 함유시키면 자속 밀도의 저하가 커지며, 모터의 성능이 열화된다.
<Ti, Nb 및 V의 1종 이상:0.01질량%∼0.20질량%>
Ti, Nb 및 V는 강 중에서 탄질화물을 형성하며, 석출 강화에 의한 고강도화에 유효한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는 1종 또는 2종 이상을 합계 0.01질량%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.20질량%를 넘어 첨가해도, 석출물의 조대화에 의해 강도 상승은 포화되는 동시에, 제조 비용의 증대를 초래하는 경우가 있다.
<Mo:0.1질량%∼0.6질량%, Cr:0.1질량%∼1.0질량% 및 B:0.0005질량%∼0.005질량%의 1종 이상>
Mo, Cr 및 B는 강의 담금질성을 높이고, 고강도화에 유효한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는 Mo, Cr 및 B의 1종 이상을 각각 설정한 하한값 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 각각 설정한 상한값을 넘어 첨가해도 그 효과는 포화되는 동시에 제조 비용의 증가를 초래한다. 또한, 1종만의 첨가로도 2종 이상의 첨가로도 그 효과는 보이지만, 2종 이상을 첨가하는 경우에는 각각 설정한 상한값의 1/2을 넘는 양을 첨가하면, 그 효과에 비해 제조 비용의 상승이 커지므로, 1/2이하의 양으로 첨가하는 것이 바람직하다.
<Cu:0.05질량%∼1.5질량% 및 Ni:0.05질량%∼1.0질량%의 1종 이상>
Cu 및 Ni는 강의 담금질성을 높이고, 고강도화에 유효한 것 이외에, 포화 자속 밀도를 상승시키는데 유효한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는 각각 설정한 하한값 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 각각 설정한 상한값을 넘어 첨가해도 그 효과는 포화되는 동시에 제조 비용의 증가를 초래한다.
다음에, 본 발명의 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 의한 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법은 전술한 성분 조성을 갖는 열간 압연 강판을 냉간 압연하고, 연속 담금질 라인에서 800℃이상으로 가열한 후, 450℃이하까지 10℃/s이상의 냉각 속도로 냉각하고, 200∼450℃의 온도역으로 20초 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 것이다.
<열간 압연·냉간 압연 조건>
열간 압연·냉간 압연 조건은 특히 규정할 필요는 없으며, 통상의 방법에 따라 실시하면 좋지만, 열간 압연의 마무리 온도는 α단상역 또는 γ단상역에서 실시하는 것이 바람직하다. 또, 권취 온도는 너무 고온이 되면, 산화 스케일이 두꺼워지고, 그 후의 산세성을 저해하기 때문에, 700℃이하로 하는 것이 바람직하다.
<소둔 가열 온도: 800℃이상>
연속 열 처리에 의해 고강도화를 도모하는 경우, 가열 온도가 800℃미만에서는 오스테나이트화가 불충분하며, 충분한 항복 강도가 얻어지지 않는다. 따라서, 800℃이상의 온도로 가열할 필요가 있다.
<냉각 조건: 450℃이하까지 평균 냉각 속도 10℃/s이상에서 냉각, 200∼450℃로 20초 이상 유지>
냉각 속도가 10℃/s미만인 경우 또는 냉각 종료 온도가 450℃보다 높은 경우, 경질상의 체적률이 작아지며, 충분한 항복 강도가 얻어지지 않는다. 또, 냉각 후의 유지 온도가 200℃미만 또는 유지 시간이 20초 미만에서는 템퍼링에 의한 인성의 회복이 불충분하고 또한 프레스 템퍼 처리 또는 텐션 어닐링 처리의 효과도 불충분하게 된다. 한편, 냉각 후의 유지 온도가 450℃를 넘으면 연질화되며, 충분한 항복 강도가 얻어지지 않게 된다.
<프레스 템퍼 처리>
담금질 상태의 강판에, 템퍼링 온도역에서 프레스 템퍼 처리를 실시하는 것에 의해, 템퍼링에 의한 인성의 회복과 동시에 담금질 왜곡 및 잔류 응력도 회복하고, 강판의 평탄도를 0.1%이하로 하는 것이 가능하게 된다. 가열 온도가 200℃미만에서는 양호한 평탄도가 얻어지지 않고, 한편 450℃를 넘으면, 전술한 바와 같이 연질화되며, 충분한 항복 강도가 얻어지지 않게 된다. 또한, 프레스 템퍼의 압력은 강판의 형상이 평탄하게 유지되는 정도이면, 특별히 크게 할 필요는 없으며, 예를 들면 판 두께가 1.0㎜이하의 얇은 강판인 경우, 1kg/㎠미만의 낮은 압력에서도 충분하다. 프레스 템퍼 처리는 연속 담금질 장치의 인라인에서 담금질 처리 후의 템퍼링 가열 유지시에 실시해도, 일단 담금질 처리를 실시한 후, 오프라인에서 200∼450℃까지 재가열해서 실시해도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 이 경우, 템퍼링 처리를 프레스 템퍼에 앞서 실행해도 발명의 효과는 충분히 얻어지지만, 담금질 상태의 강판에 프레스 템퍼 처리를 실행하는 것이 바람직하다.
<텐션 어닐링 처리>
상기의 프레스 템퍼 처리와 마찬가지로, 담금질 상태의 강판에, 템퍼링 온도역에서 텐션 어닐링 처리를 실시하는 것에 의해, 템퍼링에 의한 인성의 회복과 동시에 담금질 왜곡 및 잔류 응력도 회복하고, 강판의 평탄도를 0.1%이하로 하는 것이 가능하게 된다. 가열 온도가 200℃미만에서는 양호한 평탄도가 얻어지지 않으며, 450℃를 넘으면, 전술한 바와 같이 연질화되고, 충분한 항복 강도가 얻어지지 않게 된다. 또, 텐션 어닐링의 인장 장력은 강판의 형상이 평탄하게 유지되는 정도이면, 특별히 크게 할 필요는 없으며, 1N/㎟이상의 장력에서 충분히 그 효과가 얻어진다. 그러나, 200N/㎟를 넘는 장력을 부여하면, 노내에서의 판 절단이 생기는 경우가 있으며, 상한을 200N/㎟로 하는 것이 바람직하다. 텐션 어닐링 처리는 연속 라인의 인라인에서의 템퍼링 가열 유지시에 실시해도, 일단 담금질 처리를 실시한 후, 오프라인에서 200∼450℃까지 재가열해서 실시해도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 이 경우, 템퍼링 처리를 텐션 어닐링에 앞서 실행해도 발명의 효과는 충분히 얻어지지만, 담금질 상태의 강판에 텐션 어닐링 처리를 실행하는 것이 바람직하다.
<금속 조직>
기계적 강도가 필요하게 되는 경우에는 상술한 성분 조성의 조정 및 변태 후의 템퍼링에 의해 얻어진 강판의 금속 조직은 마텐자이트 단상이거나, 베이나이트 단상이거나 또는 마텐자이트에 부가해서 10체적% 미만의 페라이트를 갖는 복합 조직인 것이 바람직하다. 마텐자이트상 또는 베이나이트상과 같이 전위 밀도가 높은 금속 조직에서는 템퍼링에 의한 미세한 탄화물의 석출 및 전이의 회복에 수반하는 조직 변화가 프레스 템퍼 처리 또는 텐션 어닐링 처리 중에 생기고, 강판의 형상을 평탄한 상태로 동결하는 것이 가능하게 된다. 이들 이외의 조직 형태에서는 프레스 템퍼 처리 또는 텐션 어닐링 처리를 실시해도, 형상 수정 효과는 얻어지기 어렵다.
<절연 피막의 형성>
본 발명에서는 로터에 발생하는 와전류손의 저감을 목적으로 해서, 강판의 적어도 한쪽의 표면에, 유기 재료로 이루어지는 절연 피막, 무기 재료로 이루어지는 절연 피막 및 유기/무기 복합 재료로 이루어지는 절연 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 절연 피막의 도포는 인라인 처리 또는 오프라인 처리의 어느 것이라도 문제없다. 무기 재료로 이루어지는 절연 피막의 예로서는 6가 크롬과 같은 유해 물질을 포함하지 않고, 인산 이수소 알루미늄을 함유하는 무기질계 수용액을 들 수 있지만, 양호한 절연이 얻어지면, 유기 재료로 이루어지는 절연 피막 또는 유기/무기 복합 재료로 이루어지는 절연 피막을 이용해도 좋다. 절연 피막은 상기에서 예시한 재료를 강판의 표면에 도포하는 것에 의해 형성할 수 있다. 또, 오프라인에서 프레스 템퍼 처리를 실시하는 경우에는 프레스 템퍼 처리에 앞서, 상기에서 예시한 재료를 강판의 표면에 도포하는 것이 바람직하다.
<실시예>
<실시예 1>
표 1 및 2에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 용해하고, 이들 연주편을 1250℃로 가열하고, 850℃에서 마무리 압연하여 560℃에서 권취하고, 판 두께 1.8㎜의 열간 압연 강판을 얻었다. 이들 열간 압연 강판을 산세한 후, 냉간 압연하여 판 두께 0.35㎜의 냉간 압연 강판을 얻었다.
얻어진 냉간 압연 강판을 900℃까지 가열하고, 250℃로 설정한 Pb-Bi 합금욕 중에 통판하여, 100℃/s의 평균 냉각 속도에서 250℃까지 냉각하고, 계속해서 400℃로 설정한 전기로 중에 60초 유지하면서, 프레스 템퍼 처리(압력 약 1kg/㎠)를 실시하였다. No.8, No.30강에서는 강대의 일부에서 프레스 템퍼를 실시하지 않고 통판하였다. 그 후, Cr계 산화물 및 Mg계 산화물을 함유하는 반 유기 조성의 약 1㎛의 두께의 절연 피막을 강판의 양면에 형성하였다.
[표 1]
Figure 112014102508645-pct00001
[표 2]
Figure 112014102508645-pct00002
얻어진 강대로부터 내경 33㎜ 및 외경 45㎜의 링형상의 시험편을 펀칭에 의해 제작하고, 8000A/m까지 자화하는 조건에서 직류 자화 측정에 제공하였다, 또, 얻어진 강대의 판 폭당의 급준도를 측정하는 동시에, 얻어진 강대로부터 JIS5호 시험편을 잘라내고, 인장 시험에 제공하였다. 구부림 시험에 있어서, 깨짐이 발생하지 않았던 것을 구부림성 양호(○), 깨짐이 발생한 것을 구부림성 불량(×)으로 해서 구부림성을 평가하였다. 금속 조직은 압연 방향의 판 두께 단면을 2% 나이탈 시약(2%질산·에틸 알코올 용액)으로 에칭을 실시하고, 주사형 전자 현미경을 이용한 관찰에 의해, 그 조직 형태로부터, 마텐자이트, 베이나이트, 페라이트 및 펄라이트의 조직으로 분류하였다. 마텐자이트의 면적율은 배율 1000배, 10시야에서의 화상 해석에 의해 구하였다.
각 샘플의 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000, 그 때의 잔류 자속 밀도 Br 및 보자력 Hc, 평탄도, 항복 강도, 인장 강도, 항복비(YR), 구부림성 및 금속 조직을 표 3 및 4에 나타내었다.
[표 3]
Figure 112014102508645-pct00003
[표 4]
Figure 112014102508645-pct00004
표 3 및 4의 결과로부터 명백한 바와 같이, C함유량이 높은 No.17강과, Si, Al 및 Mn함유량이 높은 No.24∼No.27강에서는 자속 밀도(B8000)가 1.65T미만으로 되어, 본 발명에서 규정되는 자속 밀도와 보자력을 갖는 강판이 얻어지지 않았다. 또, No.8강, No.30강에서 프레스 템퍼를 실시하지 않았던 부위에서는 평탄도가 떨어지고 있었다.
얻어진 강대 중, No.1강, No.2강, No.16강 및 No.17강에 대해, 도 1에 나타내는 8극(4극쌍) 구조의 로터를 펀칭 가공에 의해 제작하고, 부하 토크를 부여한 모터 성능 평가 시험에 제공하였다. 또한, 비교를 위해 시판중인 전자 강판(35A300)을 소재로 한 로터도 동시에 제작하여, 마찬가지의 평가에 제공하였다. 또, 스테이터는 1개만 제조하고, 제조한 로터를 재조립해서 모터로서의 성능 평가에 제공하였다. 이 성능 평가에서는 10000rpm이상에서 약계자 제어를 실행하였다.
또한, 시판 중인 전자 강판(35A300, 판 두께 :0.35㎜)에 대해, 본 발명의 소재 강판과 마찬가지의 방법에 의한 기계적 특성 및 자기적 특성을 평가한 결과, 항복 강도가 381N/㎟이고, 인장 강도가 511N/㎟이며, 포화 자속 밀도 B8000이 1.76T이고, 잔류 자속 밀도 Br이 0.42T이며, 보자력 Hc가 61A/m이었다.
제작한 로터 및 스테이터의 사양은 다음과 같다.
<로터의 사양>
외경: 80.1㎜, 축 길이 50㎜
·적층 개수: 0.35㎜/140개
·센터 브리지, 아우터 브리지의 폭: 1.00㎜
·영구 자석: 네오듐 자석(NEOMAX-38VH), 9.0㎜폭×3.0㎜두께×50㎜길이, 합계 16개 매립
<스테이터의 사양>
·갭 길이: 0.5㎜
·외경: 138.0㎜, 요크 두께: 10㎜, 길이: 50㎜
·철심 소재: 전자 강판(35A300), 판 두께 0.35㎜
·적층 개수: 140개
·권선 방식: 분포 감기
캐리어 주파수:1000㎐, 최대 전압:220V, 최대 전류:24A의 입력 조건에 있어서, 각각의 로터를 조립한 IPM 모터의 5000rpm, 전류 진각(β):0°에 있어서의 최대 토크 및 효율과 최대 토크가 얻어지도록 약계자 제어를 실시한 15000rpm에 있어서의 최대 토크 및 효율을 표 5에 나타내었다.
[표 5]
Figure 112014102508645-pct00005
표 5의 결과로부터 명백한 바와 같이, 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T미만 및 보자력 Hc가 100A/m미만의 강판(전자 강판)을 로터 철심의 소재로 한 로터를 조립한 모터에서는 5000rpm, β:0°에 있어서의 최대 토크가 낮고, 효율도 떨어지고 있는 것 이외에, 약계자 제어를 실시한 15000rpm에 있어서의 최대 토크가 2.0N·m미만의 낮은 값을 나타내고, 효율도 낮은 값을 나타내었다. 이에 반해, 본 발명에서 규정되는 자속 밀도(B8000 및 Br)와 보자력 Hc를 갖는 강판을 로터 철심으로 한 모터에서는 5000rpm, β:0°에 있어서의 최대 토크가 높은 값을 나타내고, 효율도 높게 되어 있는 것 이외에, 약계자 제어를 실시한 15000rpm에 있어서의 최대 토크도 2.0N·m이상의 높은 값을 나타내고, 효율도 높은 값을 나타내었다.
한편, 고 보자력을 갖는 것의 자속 밀도 B8000이 낮은 No.17강에서는 자속 밀도가 낮은 것에 기인해서, 약계자 제어를 실시한 15000rpm에 있어서의 최대 토크 및 효율이 낮아진다.
또한, dq축 상호 간섭에 의한 d축 자속의 어긋남에 의한 치우침이 작은 것에 기인해서, 본 발명재에 있어서의 15000rpm에서 최대 토크로 되는 전류 진각 β의 값은 비교재보다 낮은 값이었다.
<실시예 2>
표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강 중, No.1, 2, 3, 4, 8, 9 및 11의 연주편을 실시예 1과 마찬가지로 해서 1250℃로 가열하고, 950℃에서 마무리 압연하여 560℃에서 권취하고, 판 두께 1.8㎜의 열간 압연 강판을 얻었다. 이들 열간 압연 강판을 산세한 후, 1회의 냉간 압연으로 판 두께 0.35㎜의 냉간 압연 강대를 얻었다(최종 압연율: 약 81%).
얻어진 냉간 압연 강대를 800℃로 설정한 연속로에 60초 통판하는 재결정 소둔을 실시하였다. 또한, 냉각은 8℃/s에서 550℃까지 냉각한 후, 450℃로 설정한 연속로 중에 120초 이상 유지하는 과시효 처리를 실시하였다. 그 후, 0.3%의 신장율의 경냉연을 실행하고, 또한 Cr계 산화물 및 Mg계 산화물을 함유하는 반 유기 조성의 약 1㎛ 두께의 절연 피막을 강판의 양면에 형성하였다.
각 샘플의 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000, 그 때의 잔류 자속 밀도 Br 및 보자력 Hc, 평탄도, 항복 강도, 인장 강도, 항복비(YR), 구부림성 및 금속 조직을 실시예 1과 마찬가지로 해서 평가하였다. 결과를 표 6에 나타내었다.
[표 6]
Figure 112014102508645-pct00006
표 6의 결과로부터 명백한 바와 같이, 냉간 압연 및 열 처리에 의한 왜곡의 부여가 없는 경우에도 No.3강과 같이 미세 석출물을 다수 석출시키면, 0.5T이상의 잔류 자속 밀도 Br이 얻어진다. 또, C함유량이 0.05질량%이상이면, 보자력 Hc는 100A/m이상의 양호한 값이 얻어진다. 또, C함유량이 낮은 경우에도 실시예 1과 같은 왜곡의 부여에 의해서 본 발명에서 규정되는 자속 밀도(B8000 및 Br)와 보자력을 갖는 강판이 얻어지지만, C함유량의 바람직한 범위는 0.05질량%이상이다.
얻어진 강대 중, No.1강, No.2강, No.3강, No.9강 및 No.11강을 이용해서, 실시예 1과 마찬가지로 해서 로터를 제작하고, 모터 성능 평가 시험에 제공하였다.
캐리어 주파수: 1000㎐, 최대 전압: 220V, 최대 전류: 24A의 입력 조건에 있어서, 각각의 로터를 조립한 IPM 모터의 15000rpm에 있어서의 최대 토크 및 효율을 표 7에 나타내었다. 또한, 어느 경우도 최대 토크가 얻어지는 최적의 약계자 제어 조건에서 평가를 실시하였다.
[표 7]
Figure 112014102508645-pct00007
표 7의 결과로부터 명백한 바와 같이, 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T미만의 강판(No.1 및 2강)을 로터 철심의 소재로 한 로터를 조립한 모터에서는 15000rpm에 있어서의 최대 토크가 2.0N·m미만의 낮은 값을 나타내고, 효율도 낮은 값을 나타내었다. 이에 반해, 본 발명에서 규정되는 자속 밀도(B8000 및 Br)와 보자력 Hc를 갖는 강판을 로터 철심으로 한 모터에서는 2.0N·m이상의 높은 최대 토크와 양호한 효율이 얻어진다.
도 2에, 실시예 1 및 실시예 2에서 평가한 시작 모터의 15000rpm에 있어서의 최대 토크와 로터 소재의 잔류 자속 밀도 Br의 관계를 정리해서 그래프로 나타내었다. 이 도면으로부터도, 로터 소재의 잔류 자속 밀도 Br을 0.5T이상으로 하면, 15000rpm의 고속 회전역에 있어서 2.0N·m이상의 높은 토크가 얻어지는 것을 알 수 있다.
또, 도 3에, 실시예 1 및 실시예 2에서 평가한 시작 모터의 15000rpm에 있어서의 최대 토크와 로터 소재의 보자력 Hc의 관계를 정리해서 그래프로 나타내었다. 이 도면으로부터, 보자력 Hc가 100A/m미만에서도 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T이상이면 높은 토크가 얻어지는 경우가 있지만, 15000rpm의 고속 회전역에 있어서 더욱 높은 토크를 안정하게 얻기 위해서는 높은 보자력 Hc의 로터 소재를 이용하는 것이 유효한 것을 알 수 있다.

Claims (23)

  1. C:0.0005질량%초과∼0.90질량%, Si:0질량%∼3.0질량%, Mn:0질량%∼2.5질량%, P:0질량%초과 ~ 0.05질량%이하, S:0질량%초과 ~ 0.02질량%이하, 산 가용 Al:0.005질량%∼3.0질량%이고 또한 Si+Al:5.0질량%이하, 및, Cu:0.05질량%∼1.5질량% 및 Ni:0.05질량%∼1.0질량%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분, 그리고 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 열간 압연 강판을 냉간 압연하고, 연속 소둔 라인 또는 연속 담금질 라인에서 800℃이상으로 가열한 후, 450℃이하까지 10℃/s이상의 냉각 속도로 냉각하고, 200∼450℃의 온도역에 20초 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상이고 또한 그 때의 잔류 자속 밀도 Br이 0.5T이상이고,
    인라인 또는 오프라인에서, 상기 200∼450℃의 온도역에 유지한 상태에서 프레스 템퍼 처리 또는 텐션 어닐링 처리를 실시하는 것에 의해, 판 폭당의 급준도로 정의되는 평탄도를 0.1%이하로 하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 IPM 모터의 로터 철심용 강판은 8000A/m까지 자화했을 때에 100A/m이상의 보자력 Hc를 갖는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 금속 조직은 마텐자이트 단상, 베이나이트 단상 또는 마텐자이트에 부가해서 10%미만의 페라이트를 갖는 복합 조직인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 Ti, Nb 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분을 합계 0.01질량%∼0.20질량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 Ti, Nb 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분을 합계 0.01질량%∼0.20질량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 Mo:0.1질량%∼0.6질량%, Cr:0.1질량%∼1.0질량% 및 B:0.0005질량%∼0.005질량%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 Mo:0.1질량%∼0.6질량%, Cr:0.1질량%∼1.0질량% 및 B:0.0005질량%∼0.005질량%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 Mo:0.1질량%∼0.6질량%, Cr:0.1질량%∼1.0질량% 및 B:0.0005질량%∼0.005질량%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 C:0.05질량%∼0.90질량%인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 C:0.05질량%∼0.90질량%인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 C:0.05질량%∼0.90질량%인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 열간 압연 강판은 C:0.05질량%∼0.90질량%인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    인라인 또는 오프라인에서, 상기 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 적어도 한쪽의 표면에, 유기 재료로 이루어지는 절연 피막, 무기 재료로 이루어지는 절연 피막 또는 유기/무기 복합 재료로 이루어지는 절연 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  19. 제 3 항에 있어서,
    인라인 또는 오프라인에서, 상기 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 적어도 한쪽의 표면에, 유기 재료로 이루어지는 절연 피막, 무기 재료로 이루어지는 절연 피막 또는 유기/무기 복합 재료로 이루어지는 절연 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  20. 제 4 항에 있어서,
    인라인 또는 오프라인에서, 상기 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 적어도 한쪽의 표면에, 유기 재료로 이루어지는 절연 피막, 무기 재료로 이루어지는 절연 피막 또는 유기/무기 복합 재료로 이루어지는 절연 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  21. 제 6 항에 있어서,
    인라인 또는 오프라인에서, 상기 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 적어도 한쪽의 표면에, 유기 재료로 이루어지는 절연 피막, 무기 재료로 이루어지는 절연 피막 또는 유기/무기 복합 재료로 이루어지는 절연 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.
  22. 제 9 항에 있어서,
    인라인 또는 오프라인에서, 상기 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 적어도 한쪽의 표면에, 유기 재료로 이루어지는 절연 피막, 무기 재료로 이루어지는 절연 피막 또는 유기/무기 복합 재료로 이루어지는 절연 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 로터 철심용 강판의 제조 방법.

  23. 삭제
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