JP2017145453A

JP2017145453A - モータ用無方向性電磁鋼板およびその製造方法

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Publication number: JP2017145453A
Application number: JP2016027767A
Authority: JP
Inventors: 新井　聡; Satoshi Arai; 聡新井; 田中　一郎; Ichiro Tanaka; 一郎田中; 屋鋪　裕義; Hiroyoshi Yashiki; 裕義屋鋪; 毅市江; Takeshi Ichie
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: JP6685491B2

Abstract

【課題】円形のステータ形状やロータ形状に打ち抜いたときに高い真円度を得られるモータ用無方向性電磁鋼板を提供する。【解決手段】化学組成が、Ｓｉ：０．５〜４．０％、Ａｌ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０１〜０．２％、Ｓｎ：０．０１〜０．３％、残部Ｆｅおよび不純物であり、機械特性が、圧延方向の一様伸びをｕＥｌ０とし、圧延４５°方向の一様伸びをｕＥｌ４５とし、圧延直角方向の一様伸びをｕＥｌ９０とし、３方向の一様伸びの平均をｕＥｌ＝（ｕＥｌ０＋ｕＥｌ４５＋ｕＥｌ９０）／３とした場合に、各方向の一様伸びの偏差が、｜(ｕＥｌ０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、｜(ｕＥｌ４５−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、および｜(ｕＥｌ９０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２である、モータ用無方向性電磁鋼板である。【選択図】なし

Description

本発明は、モータ用無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車といった電気駆動自動車の主駆動モータや主発電機モータには、燃費に直結するため、高いレベルでの高効率化が求められる。モータの高効率化を図るためには、電磁鋼板の低鉄損化に加えて、磁石の配置の最適化や励磁巻線のコンパクト化等が指向されている。

また、モータコアを構成するステータおよびロータ間の空隙であるエアーギャップの短縮化によっても、モータの励磁電流を低く抑えられるため、銅損の低減を通じてモータの高効率化を図ることができる。モータの出力を低下させずにモータコアを小型・軽量化させる観点から、モータにはより一層の高速回転化が求められている。

一般的に、通常の量産型のモータに使用されるステータ鉄心，ロータ鉄心は、渦電流損低減効果を得るために板厚０．２〜０．３５ｍｍ程度に薄板化された絶縁皮膜を有する電磁鋼板を、打抜き金型を用いた高速プレスによって円形に打抜いてステータ片，ロータ片とし、得られたステータ片，ロータ片を積層し、積層されたステータ片，ロータ片を溶接もしくは「かしめ」とよばれる凹凸部を嵌合させる方法等によって締結・一体化することにより、製造される。

この際、積層するステータ片，ロータ片を真円形状に打ち抜けないと、回転中におけるエアーギャップが一定値にならず変動する。このため、信頼性を確保するために、エアーギャップのよりいっそうの短縮化を図ることができず、出力トルクに比例するエアーギャップの磁束密度を高めるために励磁電流を増やさざるを得なくなり、モータの効率が低下する。

このように、素材である電磁鋼板から高い真円度でステータ片，ロータ片を打ち抜くことは、モータコアの製造技術の根幹であり、モータの効率や生産性に大きく影響する。なお、本明細書における「真円度」とはモータコアの（最大半径）と（最小半径）の差として得られる値を意味する。

特許文献１には、無方向性電磁鋼板の化学組成をＰ：０．１質量％以下を含む特定の化学組成とすることにより、磁気特性を劣化させることなく、ステータ片，ロータ片の打ち抜き端面のせん断比率を向上させて打抜き後の寸法精度を高める発明が開示されている。

特許文献２には、無方向性鋼板の伸びとステータの外径に応じて打抜き型の切り刃の真円度を調整することにより、ステータ片，ロータ片の真円度を高める発明が開示されている。

特開平１０−２１２５５７号公報特開平１０−２４３３３号公報

エアーギャップのよりいっそうの短縮化を図るためには、直径が２００ｍｍのステータ片，ロータ片の真円度を２０〜５０μｍにする必要がある。

しかし、本発明者らの検討結果によれば、特許文献１により開示された発明では、打抜き金型を用いた高速プレスによって電磁鋼板を円形に打抜いても、ステータ片，ロータ片の真円度を２０〜５０μｍに向上することはできない。

また、特許文献２により開示された発明では、ステータ片，ロータ片の真円度を高めるためには、全伸びに応じて切り刃の真円度を調整する必要がある。このため、ステータ片、ロータ片の生産性の低下が否めない。

本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、切り刃に特段の調整をせずに真円の金切り刃を用いて打抜き金型の高速プレスによって所望の真円度（最大径−最小径）：２０〜５０μｍを得られるモータ用無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。

本発明者らは、以下に列記の知見Ａ，Ｂを得て、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

（Ａ）電磁鋼板の引張特性の面内異方性、特に、電磁鋼板の一様伸びの面内異方性が小さければ、円形の鉄心打抜き型で打抜いた時のステータ片，ロータ片の真円度を高めることができる。しかし、電磁鋼板の全伸びの面内異方性を小さくしても真円度を高めることはできない。

（Ｂ）無方向性電磁鋼板にＰを添加することによって、｛１００｝＜０１２＞を中心とするキューブ系の結晶方位粒が増加することが知られている。キューブ系の結晶方位粒の面内磁化特性は４回対称であり、他の結晶方位粒よりも対称性が高いため、磁化特性の面内異方性は小さくなる傾向がある。さらに、｛１００｝＜０１２＞方位では鋼板面垂直方向（ＮＤ方向）廻りに左右方向の回転した方位粒が存在するため、磁化特性の面内異方性はさらに小さくなる。キューブ系の結晶方位粒は、その対称性から引張特性等の機械特性についても面内異方性を小さくできることが期待される。

本発明は、化学組成が、質量％で、Ｓｉ：０．５〜４．０％、Ａｌ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０１〜０．２％、Ｓｎ：０．０１〜０．３％、残部Ｆｅおよび不純物であり、機械特性が、圧延方向の一様伸びをｕＥｌ_０とし、圧延４５°方向の一様伸びをｕＥｌ_４５とし、圧延直角方向の一様伸びをｕＥｌ_９０とし、３方向の一様伸びの平均をｕＥｌ＝（ｕＥｌ_０＋ｕＥｌ_４５＋ｕＥｌ_９０）／３とした場合に、各方向の一様伸びの偏差が、｜(ｕＥｌ_０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、｜(ｕＥｌ_４５−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、および｜(ｕＥｌ_９０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２と、２０％以下である、打抜き時の真円度特性に優れた高効率のモータ用無方向性電磁鋼板である。

別の観点からは、本発明は、スラブに熱間圧延を行い、必要に応じて熱延板焼鈍を行った後、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を行って最終板厚とし、再結晶と結晶粒成長を主たる目的とする仕上げ焼鈍を行う、上記の本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板の製造方法であって、前記仕上げ焼鈍の通板時の均熱後の冷却過程での７００℃〜５００℃の領域における通板張力ＵＴを１ＭＰａ≦ＵＴ≦８ＭＰａとするとともに、前記領域における冷却速度ＣＲを３℃／ｓｅｃ≦ＣＲ≦３０℃／ｓｅｃとする、モータ用無方向性電磁鋼板の製造方法である。

本発明に係る製造方法では、前記冷却過程での７００℃〜６００℃の領域における通板張力ＵＴＨと、該冷却過程での６００℃〜５００℃の領域における通板張力ＵＴＬとの比（ＵＴＨ／ＵＴＬ）が１．０超であることが好ましい。

ここで、通板張力ＵＴとＵＴＨ、ＵＴＬとの関係は、ＵＴ＝（ＵＴＨ＋ＵＴＬ）／２とする。

本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板によれば、円形のステータ形状やロータ形状に打抜いたときに高い真円度を得られ、これにより、エアーギャップを短く設定することができ、モータの高速回転化や、モータの励磁電流を低く抑えられることから銅損低減を通じてモータのさらなる高効率化を図ることができる。

本発明を説明する。以降の説明では、化学組成に関する「％」は「質量％」を意味する。

１．本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板
（１）化学組成
（１−１）Ｓｉ：０．５〜４．０％
Ｓｉは、電気抵抗を高めて鉄損を改善する必須元素である。Ｓｉ含有量が０．５％未満ではこの効果を得られず、またオーステナイト変態を生じ、熱延組織が大きく変化する他、仕上げ焼鈍において変態し、良好な磁気特性を得ることができない。このため、Ｓｉ含有量は、０．５％以上であり、オーステナイト変態を完全に生じない２．０％以上が好ましく、２．５％以上がさらに好ましい。

一方、Ｓｉ含有量が４．０％を超えると鋼板の加工性が悪化し、さらに飽和磁束密度Ｂｓも低下する。このため、Ｓｉ含有量は、４．０％以下であり、３．７％以下が好ましく、３．５％以下がさらに好ましい。

（１−２）Ａｌ：０．１〜２．０％
Ａｌは、Ｓｉと同様に電気抵抗を高めて鉄損を改善する元素であるために、Ａｌ含有量は、０．１％以上であり、０．３％以上が好ましく、０．５％以上がさらに好ましい。

しかし、Ａｌは飽和磁束密度Ｂｓを大きく低下させ、また飽和磁歪定数λｓを高くする元素であるために、Ａｌ含有量は、２．０％以下であり、１．５％以下が好ましく、１．０％以下がさらに好ましい。

（１−３）Ｍｎ：０．１〜３．０％
Ｍｎは、熱間加工性を良好にするために有効な元素である。Ｍｎ含有量が０．１％未満ではこの効果を得られない。このため、Ｍｎ含有量は、０．１％以上であり、０．３％以上であることが好ましく、０．５％以上であることがさらに好ましい。

一方、Ｍｎ含有量が３．０％を超えると、オーステナイト変態が生じるようになるため、Ｍｎ含有量は、３．０％以下であり、２．０％以下であることが好ましく、１．０％以下であることがさらに好ましい。

（１−４）Ｐ：０．０１〜０．２％
Ｐは、０．０１％以上含有することにより、真円形の鉄心打抜き型で打抜いた時のコア片の真円度を高めることができる。このため、Ｐ含有量は、０．０１％以上であり、好ましくは０．０５％以上であり、さらに好ましくは０．１０％以上である。

しかし、Ｐ含有量が０．２％を超えると、延性が劣化し、冷間圧延時に圧延材の破断等のトラブルを生じる。このため、Ｐ含有量は、０．２％以下であり、好ましくは０．１５％以下であり、さらに好ましくは０．１２％以下である。

（１−５）Ｓｎ：０．０１〜０．３％
Ｓｎは、０．０１％以上含有することにより鉄損の改善に有効である。このため、Ｓｎ含有量は、０．０１％以上であり、好ましくは０．０５％以上であり、さらに好ましくは０．１０％以上である。しかし、Ｓｎ含有量が０．３％を超えると、脆性が著しく劣化する。このため、Ｓｎ含有量は、０．３％以下であり、好ましくは０．２％以下であり、さらに好ましくは０．１５％以下である。

（１−６）残部
Ｆｅおよび不純物である。不純物としては、鉱石やスクラップ等の原材料に含まれるもの、製造工程において含まれるもの、が例示される。

（２）機械特性
圧延方向の一様伸びをｕＥｌ_０とし、圧延４５°方向の一様伸びをｕＥｌ_４５とし、圧延直角方向の一様伸びをｕＥｌ_９０とし、３方向の一様伸びの平均をｕＥｌ＝（ｕＥｌ_０＋ｕＥｌ_４５＋ｕＥｌ_９０）／３とした場合に、各方向の一様伸びの偏差が、｜(ｕＥｌ_０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、｜(ｕＥｌ_４５−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、および｜(ｕＥｌ_９０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２と、いずれも２０％以下であり、好ましくは１６％以下であり、さらに好ましくは１２％以下である。

このように、本発明に係る、打抜き時の真円度特性に優れた高効率のモータ用無方向性電磁鋼板は、一様伸びの面内異方性が小さいため、真円形の鉄心打抜き型で打抜いた時のコア片の真円度（最大径−最小径）を、従来にはない程度（２０〜５０μｍ）に高めることができる。なお、全伸びの面内異方性が小さくても、上記真円度を高めることはできない。

２．本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板の製造方法
本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板は、以下に列記の工程により製造される。

（２−１）熱間圧延工程
まず、熱間圧延に供されるスラブの化学組成を説明する。

［Ｃ：０．００５％以下］
Ｃは、最終製品板で炭化物を形成すると鉄損を劣化させる。特に一定以上の高温に保持されると時効現象を生じ炭化物を析出するため、駆動中のモータで長期間使用されると鉄損の劣化を生じ易い。このため、スラブのＣ含有量は、０．００５％以下であり、好ましくは０．００３％以下である。

［Ｓｉ：２．０〜４．０％］
スラブのＳｉ含有量の理由は、電磁鋼板のＳｉ含有量の理由と同じである。

［Ａｌ：０．１〜２．０％］
スラブのＡｌ含有量の理由は、電磁鋼板のＡｌ含有量の理由と同じである。

［Ｍｎ：０．１〜３．０％］
スラブのＭｎ含有量の理由は、電磁鋼板のＭｎ含有量の理由と同じである。

［Ｐ：０．０１〜０．２％］
スラブのＰ含有量の理由は、電磁鋼板のＰ含有量の理由と同じである。

［Ｓｎ：０．０１〜０．３％］
スラブのＳｎ含有量の理由は、電磁鋼板のＳｎ含有量の理由と同じである。

上記の化学組成に調整した溶鋼を通常の造塊法や連続鋳造法を用いてスラブとする。また、直接鋳造法を用いて１００ｍｍ以下の厚さの薄鋳片を直接製造するようにしてもよい。

スラブは、通常の方法により加熱して熱間圧延して熱延板とするが、スラブに鋳造した後に加熱せずに直ちに熱間圧延に供してもよい。また、薄鋳片の場合には、熱間圧延を行ってもよいし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進めてもよい。

スラブ加熱温度は、熱間圧延が可能な最低温度（例えば１１００℃程度）で十分である。

（２−２）熱延板焼鈍および冷間圧延工程
必要に応じて熱延板焼鈍を施した後に、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施して、板厚を０．２〜０．３５ｍｍ程度とする。

熱延板焼鈍は、磁気特性の向上に有効である。同様に、中間焼鈍を冷間圧延の間に挟むことは、磁気特性の安定化に有効である。しかし、いずれも電磁鋼板の製造コストを上昇させるため、熱延板焼鈍や中間焼鈍と、その温度や時間は、経済的な観点から適宜決定すればよい。

（２−３）仕上げ焼鈍工程
さらに、仕上げ焼鈍を施すことによって再結晶と粒成長を発達させる。

仕上げ焼鈍では、通板時の均熱後の冷却過程での７００℃〜５００℃の領域における通板張力ＵＴを１ＭＰａ≦ＵＴ≦８ＭＰａとするとともに、この領域における冷却速度ＣＲを３℃／ｓｅｃ≦ＣＲ≦３０℃／ｓｅｃとする。

これにより、圧延方向の一様伸びをｕＥｌ_０とし、圧延４５°方向の一様伸びをｕＥｌ_４５とし、圧延直角方向の一様伸びをｕＥｌ_９０とし、３方向の一様伸びの平均をｕＥｌ＝（ｕＥｌ_０＋ｕＥｌ_４５＋ｕＥｌ_９０）／３とした場合に、圧延方向、圧延４５°方向および圧延直角方向それぞれの方向の一様伸びの偏差を、｜(ｕＥｌ_０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、｜(ｕＥｌ_４５−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、および｜(ｕＥｌ_９０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２と、いずれも２０％以下に抑制することができる。

さらに、この冷却過程での７００℃〜６００℃の領域における通板張力ＵＴＨと、該冷却過程での６００℃〜５００℃の領域における通板張力ＵＴＬとの比（ＵＴＨ／ＵＴＬ）が１．０超であることが好ましい。これにより、圧延方向、圧延４５°方向および圧延直角方向それぞれの方向の一様伸びの偏差を、１５％以下とさらに小さく抑制することができる。

その後、必要に応じて絶縁コーティングを施す。この絶縁コーティングは、２種類以上の被膜からなる多層膜であってもよいし、また用途に応じて樹脂等を混合させたコーティングを施してもよい。

（２−４）完成および出荷
このようにして、本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板が製造される。製造された本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板は、製品としてモータ製造メーカへ向けて出荷される。

３．出荷先での歪取り焼鈍
モータ製造メーカでは、本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板を所定の形状に連続的に打ち抜いた後、得られた多数の打ち抜き材を積層し、それらを溶接、またはかしめとよばれる凹凸部を嵌合させる方法等によって一体化することにより、モータコアを構成するステータおよびロータを形成する。

一体化により形成された鉄芯は、７００℃から８００℃前後の温度で歪取り焼鈍されてから、あるいはそのままでモータとして組み立てされる。

本発明に係るモータ用無方向性電磁鋼板は、円形のステータ形状やロータ形状に打抜いたときに高い真円度を得られるため、モータコアを構成するステータおよびロータの設計段階でエアーギャップを従来よりも短く設定することができる。このため、モータの高速回転化や、モータの励磁電流を低く抑えられることから銅損低減を通じてモータのさらなる高効率化を図ることができる。

Ｓｉ：３．０％、Ａｌ：０．９％、Ｍｎ：０．５％を含有し、Ｐを０．０１％、０．０５％、０．１３％、０．２３％と変化させた残部Ｆｅおよび不純物よりなる化学組成（表１に示す化学組成）を有する５水準の鋼塊（Ｎｏ．１〜５）を、２．２ｍｍ厚に熱間圧延し、１０００℃で３０秒間の熱延板焼鈍を行い、０．２７ｍｍまで冷間圧延した後、９５０℃で３０秒間の仕上げ焼鈍を行った。

この仕上げ焼鈍の均熱域に引続く冷却域において、７００℃から５００℃までの領域の通板張力を０．８ＭＰａ，２．０ＭＰａ，４．０ＭＰａ，８．４ＭＰａと変化させ、また同領域の冷却速度を２℃／ｓｅｃ，１３℃／ｓｅｃ，２５℃／ｓｅｃ，３５℃／ｓｅｃと変化させるとともに、冷却過程での７００℃〜６００℃の領域における通板張力ＵＴＨと、この冷却過程での６００℃〜５００℃の領域における通板張力ＵＴＬとの比（ＵＴＨ／ＵＴＬ）を、０．９，１．０，１．１，１．３と変化させることにより、本発明例のモータ用無方向性電磁鋼板と、比較例のモータ用無方向性電磁鋼板を製造した。

これらのモータ用無方向性電磁鋼板から円形のモータコアを金型で打ち抜き、それぞれの真円度を、上述した方法により測定した。測定結果を試験条件とともに表２にまとめて示す。

なお、表２における一様伸び，全伸びの異方性は、圧延方向、圧延４５°方向、圧延直角方向の異方性のうち最大のものを示す。全伸びの偏差も一様伸びの偏差と同様に、圧延方向の全伸びをＥｌ_０とし、圧延４５°方向の全伸びをＥｌ_４５とし、圧延直角方向の全伸びをＥｌ_９０として、３方向の全伸びの平均をＥｌ＝（Ｅｌ_０＋Ｅｌ_４５＋Ｅｌ_９０）／３とした場合に、ぞれぞれ｜(Ｅｌ_０−Ｅｌ)/Ｅｌ｜、｜(Ｅｌ_４５−Ｅｌ)/Ｅｌ｜、および｜(Ｅｌ_９０−Ｅｌ)/Ｅｌ｜で表わされ、これら偏差の内の最大値を全伸びの異方性とする。

表２に示すように、本発明例のモータ用無方向性電磁鋼板の真円度は２０〜５０μｍと高く、エアーギャップを従来よりも約３０％短く設定することができた。

これに対し、比較例のモータ用無方向性電磁鋼板の真円度は６０〜１００μｍと不芳であり、エアーギャップを従来よりも短く設定することはできなかった。

特に、急冷凝固等、他のプロセスによる｛１００｝系方位強度の強い比較例のモータ用無方向性電磁鋼板は、全伸びの異方性は小さいものの、一様伸びの異方性が大きく真円度特性の改善は見られなかった。

Claims

化学組成が、質量％で、
Ｓｉ：０．５〜４．０％、
Ａｌ：０．１〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜３．０％、
Ｐ：０．０１〜０．２％、
Ｓｎ：０．０１〜０．３％、
残部Ｆｅおよび不純物であり、
機械特性が、圧延方向の一様伸びをｕＥｌ_０とし、圧延４５°方向の一様伸びをｕＥｌ_４５とし、圧延直角方向の一様伸びをｕＥｌ_９０とし、３方向の一様伸びの平均をｕＥｌ＝（ｕＥｌ_０＋ｕＥｌ_４５＋ｕＥｌ_９０）／３とした場合に、各方向の一様伸びの偏差が、｜(ｕＥｌ_０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、｜(ｕＥｌ_４５−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２、および｜(ｕＥｌ_９０−ｕＥｌ)/ｕＥｌ｜≦０．２である、モータ用無方向性電磁鋼板。
スラブに熱間圧延を行い、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を行って最終板厚とし、仕上げ焼鈍を行う、請求項１に記載されたモータ用無方向性電磁鋼板の製造方法であって、
前記仕上げ焼鈍の通板時の均熱後の冷却過程での７００℃〜５００℃の領域における通板張力ＵＴを１ＭＰａ≦ＵＴ≦８ＭＰａとするとともに、
前記領域における冷却速度ＣＲを３℃／ｓｅｃ≦ＣＲ≦３０℃／ｓｅｃとする、
モータ用無方向性電磁鋼板の製造方法。
前記冷却過程での７００℃〜６００℃の領域における通板張力ＵＴＨと、前記冷却過程での６００℃〜５００℃の領域における通板張力ＵＴＬとの比（ＵＴＨ／ＵＴＬ）が１．０超である、請求項２に記載のモータ用無方向性電磁鋼板の製造方法。