JP2010062275A

JP2010062275A - モータコアおよびモータコア材料

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Publication number: JP2010062275A
Application number: JP2008225460A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Oda; 善彦尾田; Masaaki Kono; 雅昭河野; Akira Fujita; 藤田　　明; Yoshiaki Zaizen; 善彰財前
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-03
Also published as: JP5326441B2

Abstract

【課題】圧縮応力下においても高周波鉄損の低い材料を用いたモータコアおよびモータコア材料を提供する。
【解決手段】モータコアは、表層部が、質量％で、Ｓｉ：4〜7％Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなり、内層部が、質量％で、Ｓｉ： 4％以下、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなる複層型材料を鉄心として用いる。そして、前記複層型材料の表層部厚みの全厚に対する比率が0.1〜0.7である。また、表層部における直径5μm以上の介在物量が30個/mm²以下であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、家庭用エアコンコンプレッサーモータやハイブリッド電気自動車用モータ等に用いられるモータコアおよびモータコア材料に関する。

例えば、家庭用エアコンコンプレッサーモータでは可変速運転が行われており、最高周波数は200〜400Hz程度である。そのため、PWM制御等により数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。
ゆえに、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、コンプレッサーモータではコア締結に焼きばめが行われており、モータコアは100MPa程度の圧縮応力が加わった状態で使用されている。また、ハイブリッド電気自動車の駆動モータにも樹脂モールド等が施され、モータコアには圧縮応力が加わることとなる。
このような圧縮応力下で電磁鋼板を使用した場合、磁気特性は大きく劣化することが知られており、上記を受けて、圧縮応力下での鉄損劣化の少ない材料が求められている。
圧縮応力下での鉄損特性を改善したものとして、例えば、特許文献１には、Si=2.6〜4％で比抵抗が50〜75×10^-8Ωｍ、結晶粒径が60〜165μmとした無方向性電磁鋼板が開示されている。しかし、特許文献１の材料を用いても圧縮応力付与による鉄損劣化量は従来材と著しく異なるものでなく、応力依存性の小さい材料が求められているのが現状である。
特許第4023183号公報

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、圧縮応力下においても高周波鉄損の低い材料を用いたモータコアおよびモータコア材料を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討した。その結果、表層部にＳｉ量を高めた複層型材料を用いることにより圧縮応力下においても鉄損劣化が抑制できることを知見した。

本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］表層部が、質量％で、Ｓｉ：4〜7％、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなり、内層部が、質量％で、Ｓｉ： 4％以下、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなる複層型材料を鉄心として用い、該複層型材料の表層部厚みの全厚に対する比率が0.1〜0.7であることを特徴とするモータコア。
［２］前記［１］において、前記複層型材料において、表層部における直径5μm以上の介在物量が30個/mm²以下であることを特徴とするモータコア。
［３］表層部が、質量％で、Ｓｉ：4〜7％、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなり、内層部が、質量％で、Ｓｉ： 4％以下、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる複層型モータコア材料であり、前記表層部厚みの全厚に対する比率が0.1〜0.7であることを特徴とするモータコア材料。
［４］前記［３］において、前記表層部における直径5μm以上の介在物量が30個/mm²以下であることを特徴とするモータコア材料。
なお、本明細書において、鋼の成分を示す％は、すべて質量％である。

本発明によれば、鉄損特性に優れたモータコアおよびモータコア材料が得られる。
そして、本発明のモータコアは圧縮応力下でも鉄損劣化が少ないため、樹脂モールド等によりコア材料に圧縮応力が付与される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、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。

本発明におけるモータコアは、下記（１）〜（３）を満足する複層型材料を鉄心として用い所定の形状に打ち抜き加工することにより得られる。
（１）表層部が、質量％で、Ｓｉ：4〜7％、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなり、
（２）内層部が、質量％で、Ｓｉ： 4％以下、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなり、
（３）表層部厚みの全厚に対する比率が0.1〜0.7である。
このように、本発明においては、モータコアを構成する材料として、表層部のＳｉ量を高めた複層型材料を用いることを特徴とする。これは本発明において最も重要な要件であり、このような複層型材料を鉄心として用いることで鉄損特性に優れたモータコアが得られることになる。そして、本発明は、圧縮応力下で使用される場合に、特に効果を発揮する。

なお、本発明は板厚方向に表層−内層−表層の３層構造を有する複層材を対象としており、表層部とは鋼板表面を含む層のことを指す。一方、内層部とは前記表層部を除いた板厚方向での中央部のことである。ここで、表層部と内層部の界面は以下の領域のことを指す。すなわち、ＥＰＭＡにて鋼板板厚方向にＳｉの濃度勾配を測定した場合、表層部と内層部の境界においてＳｉの濃度分布の急激な変化が生じる。このＳｉの急激な濃度変化が見られる位置を界面とする。ただし、Ｓｉの拡散等により、界面が一義的に定まらない場合は、界面の始まりは、表面のＳｉ濃度を100としたとき、Ｓｉ濃度が90となる位置とする。一方、界面の終わりは、中心のＳｉ濃度を100としたとき、Ｓｉ濃度が110となる位置とする。

次に、本発明の詳細を実験結果に基づいて説明する。
まず、圧縮応力下での磁気特性について調査する。
Ｓｉ＝2.50％、Ａｌ＝0.50％、O＝0.0020％とした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、900℃×30ｓの熱延板焼鈍を行い、板厚を0.25mmとし、引き続き1000℃×30ｓの仕上焼鈍を行い、圧延方向に沿って長さ180mm、幅30mmの単板サンプルを作製した。この単板の長手方向に100MPaの圧縮応力を加え、応力負荷方向にサンプルを励磁して磁気特性を調査した。また、比較のため、無応力での磁気特性も調査した。
結果は、圧縮応力下での鉄損はW3/5k＝169W/kgであり、無応力での鉄損はW3/5k＝65W/kgであった。この結果より、圧縮応力を付与することで鉄損は2.6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、鉄損分離を行ったところ、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あきらかとなった。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、磁化方向に圧縮応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原因はあきらかでないが、何らかの磁区構造の変化が原因ではないかと考えられる。

ところで、鋼板を1ｋHzを超えるような高周波域で励磁した場合、磁束は表皮効果により鋼板表層部のみに集中することが知られている。ゆえに、圧縮応力付与時に何らかの手法で表層部に付与される応力を低減することができれば、鉄損劣化は抑制できるものと考えられる。
そこで、表層部と内層部の成分を変えた材料を作製することにより、機械特性、磁気特性を変化させ圧縮応力下での磁気特性を調査した。

最初に表層部のＳｉ量の影響について検討する。
内層部に用いるＳｉ＝3.0％、Ａｌ＝0.20％、O＝0.0018％とした鋼と、表層部に用いるＡｌ＝0.2％、O＝0.0018％とし、Ｓｉを3.0〜6.5％まで変化させた鋼を各々溶製しインゴットとした後、複層比（表層厚/全厚）が0.3となるように貼り合わせ、その後、熱間圧延、900℃×30ｓの熱延板焼鈍を行い、板破断を防止するため250℃で温間圧延を行い、板厚を0.25mmとした。その後、1000℃×30ｓの仕上焼鈍を行い圧延方向に沿って長さ180mm、幅30mmの単板サンプルを作製した。得られた単板に対して、長手方向に100MPaの圧縮応力を加え、応力負荷方向にサンプルを励磁して磁気特性を調査した。
得られた結果を、図1に表層部のSi量と鉄損W3/5kとの関係として示す。図1より、表層のＳｉ量が４％以上で鉄損が低下していることがわかる。この原因は明確ではないが複層化により鋼板表層部の応力が相対的に低くなり、渦電流損に好ましくない磁区構造変化が生じにくくなったためではないかと考えられる。
以上より、表層部のＳｉ量は4％以上、好ましくは4.5％以上とする。一方、Ｓｉ量が7％を超えた場合には温間圧延を行っても板破断を防止することが困難であるため、表層部のＳｉ量の上限は7％とする。

次に内層部のＳｉ量について検討する。
表層部に用いるＳｉ＝5.40％、Ａｌ＝0.30％、O＝0.0018％とした鋼と、内層部に用いるＡｌ＝0.2％、O＝0.0017％とし、Ｓｉを1.0〜5.0％まで変化させた鋼を各々溶製しインゴットとした後、複層比（表層厚/全厚）が0.3となるように貼り合わせ、その後、熱間圧延、900℃×30ｓの熱延板焼鈍を行い、板破断を防止するため250℃で温間圧延を行い、板厚を0.25mmとした。その後、1000℃×30ｓの仕上焼鈍を行い幅30mm、長さ180mmの単板サンプルを切り出し磁化方向に100MPaの圧縮応力を付与して上記と同様に磁気特性を評価した。
以上より得られた結果を、図2に内層部のＳｉ量と鉄損Ｗ3/5ｋとの関係として示す。図2より、内層部のSi量が4％を超えると鉄損が増加することがわかる。これは、表層と内層のSi差が小さくなったために、複層化の効果が小さくなり、渦電流損に好ましくない磁区構造変化が生じたためではないかと考えられる。
以上より、内層部のSi量は4％以下とする。また、下限は鉄損の観点から好ましくは2％以上、より好ましくは2.5％以上とする。

次に複層比について検討する。
表層部に用いるＳｉ＝5.30％、Ａｌ＝0.20％、O＝0.0018％とした鋼と、内層部に用いるＳｉ＝3.3％、Ａｌ＝0.2％、O＝0.0017％とした鋼を各々溶製しインゴットとした後、複層比（表層厚/全厚）を0.05〜0.9となるように貼り合わせ、その後、熱間圧延、900℃×30ｓの熱延板焼鈍を行い、板破断を防止するため250℃で温間圧延を行い、板厚を0.25mmとした。その後、1000℃×30ｓの仕上焼鈍を行い、上記により得られた材料に対して、上記実験と同様に磁気特性を評価した。
以上より得られた結果を、図3に複層比と鉄損Ｗ3/5ｋとの関係として示す。図3より、複層比が0.1〜0.7の場合に鉄損が低下していることがわかる。これは表層の高Si部が0.1未満もしくは0.7超では複層化の効果が小さくなったため、渦電流損に好ましくない磁区構造の変化が生じやすくなり鉄損が高くなったものと考えられる。
以上より、複層比は0.1〜0.7とする。

このような表層部のSi量が高い複層型材料を製造もしくは加工する場合、割れやすいという問題がある。例えば、インゴット段階で複層組織とした材料を熱延、冷間圧延する場合、コイルの曲げ、曲げ戻し工程で表層に大きな引張り力が作用するため材料が割れやすい。また、モータコア加工時もコイルの曲げ、曲げ戻しが行われるため、割れの危険性がある。そこで、このような割れが生じた材料を観察したところ粗大な介在物により割れが発生している頻度が割れにくい材料と比較して大きいことが明らかとなった。そこで、粗大介在物と割れとの関係を調査した。
表層部に用いるＳｉ＝5.5％、Ａｌ＝0.50％、O＝0.0018％とした鋼と、内層部に用いるＳｉ＝3.5％、Ｍｎ＝0.30％、Ａｌ＝0.5％、O＝0.0017％とした鋼を各々溶製しインゴットとした後、複層比（表層厚/全厚）が0.3となるように貼り合わせた。この際、表層部の粗大介在物量を変化させるため、表層鋼の溶製時の脱酸時間を種々変化させた。その後、熱間圧延により板厚2mmとし、900℃×30ｓの熱延板焼鈍を行い、40℃にて熱延焼鈍板を角度45°まで曲げ、曲げ戻し試験を行い、曲げ回数を測定した。
以上より得られた結果を、図4に直径5μm以上の介在物量と曲げ回数の関係として示す。ここで、介在物の観察は光学顕微鏡を用い、200倍で20視野観察してサイズと数量を求めた。また、５μm以上の介在物を対象としたのは、それ以下の介在物では曲げ性に影響を及ぼさないためである。図4より、介在物数が３０個／mm²以下で曲げ回数が大きくなることがわかる。
以上より、鋼板表層部の直径5μm以上の介在物量は３０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。
Al：３％以下
Alは固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、3％を超えると飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度が低下する。よって、上限を3％とする。下限は規定しないが、脱酸の観点から0.01％以上であることが好ましい。
O：0.01％以下（好適範囲）
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％以下が好ましい。
なお、本特許は高周波域にて鉄損の低い材料を提供するものであり、1ｋHz以上の周波数で使用されるモータに適用することが好ましい。なお、ここで言う周波数とは基本波周波数以外にキャリア周波数が1ｋHz以上となっている場合も含み、このような場合に対しても効果的である。

次に、本発明のモータコア材料の製造方法について説明する。
本発明においては、表層部と内層部のSi量を変化させることが重要である。そのための手法として、例えば、成分の異なる材料を各々転炉で吹練し、溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、引き続き、鋳造を行いスラブとした後、所定の複層比となるように表層部の鋼板と内層部の鋼板を貼り合わせる。その後、スラブを通常の方法にて熱間圧延、次いで、一回の冷間または温間圧延、もしくは中間焼鈍をはさんだ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複層型材料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。
また、鋼板を複層組織とすることで上記複層型材料として用いることも可能である。例えば、表層部をＳｉ：4〜7％とし、内層部をＳｉ： 4％以下とするために、仕上焼鈍板にSiの浸珪処理を行うことができる。
仕上焼鈍板への浸珪処理を行う場合には、高温での浸珪、拡散処理が必要となるため結晶粒が粗大化し、材料が割れやすくなる。このため、浸珪処理を行う場合にはAlを0.01％以上とし、浸珪処理時の粒成長を抑制する等の手法をとることが好ましい。
板厚の規定は特にないが、高周波鉄損低減の観点から0.35mm以下、より好ましくは0.2mm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。

以上により、本発明のモータコア用材が得られる。そして、これを鉄心として用いることで本発明のモータコアが得られ、本発明のモータコアは、特に、圧縮応力下で使用される場合に適している。前述したように、通常、焼きばめ相当の圧縮応力100MPaを付与することで鉄損は2.6倍程度劣化する。これに対し、本発明の材料を用いることにより従来材に比べ1割以上（鉄損劣化割合2.3倍以下）の鉄損低減を図ることが可能となりモータの効率向上に寄与できる。ここで、圧縮応力を印加される部分の鉄損改善代が1割以下ではモータの効率向上割合が小さく、材料の改善代が製造ばらつき等にまぎれてしまうため、材料の鉄損改善代は従来材の1割以上とした。

表1に示す鋼を用い、転炉で吹練した後に脱ガス処理を行うことにより所定の成分に調整後鋳造し、スラブとした。次いで、得られたスラブを表２に示す複層比となるように積層し、外周を溶接した後、1140℃で1hr加熱し、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、表2に示す仕上焼鈍条件で焼鈍を行った。

以上により得られた供試材に対して、圧延方向より長さ180mmの単板サンプルを切り出し、長手方向に100MPaの圧縮応力を付与し、圧縮応力付与方向の磁気特性を単板磁気測定器にて測定した。

また、上記供試材を用いて曲げ試験を行った。曲げ試験は、熱延焼鈍板を40℃にて角度45°の曲げ、曲げ戻しを行うことにより評価した。
また、５μm以上の介在物量は以下のようにして求めた。
５μm以上の介在物量
光学顕微鏡を用い200倍にて20視野観察し、介在物と明確に識別可能な円相当直径が5μm以上の量をカウントした
得られた結果を成分、製造条件と併せて表２に示す。

表２より、表層および内層の成分、複層比を本発明の範囲とすることにより鉄損が低く通板時の割れのない鋼板が得られることがわかる。特に、100MPaの圧縮応力下における鉄損特性は比較例に一層優れていることがわかる。そして、本発明では100MPaの圧縮応力下における鉄損値W3/5ｋが無応力下における鉄損値W3/5ｋの2.3倍以下となっており、圧縮応力下で使用されるモータコアとして最適であることがわかる。

本発明の鉄損特性に優れたモータコアを用いることにより、コア材料に圧縮応力が付与される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、高速発電機の高周波回転機を中心に、多様な用途での使用が可能となる。

表層Si量と鉄損との関係を示す図である。内層Si量と鉄損との関係を示す図である。複層比と鉄損との関係を示す図である。５μm以上の介在物個数と曲げ回数との関係を示す図である。

Claims

表層部が、質量％で、Ｓｉ：4〜7％、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなり、内層部が、質量％で、Ｓｉ： 4％以下、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなる複層型材料を鉄心として用い、該複層型材料の表層部厚みの全厚に対する比率が0.1〜0.7であることを特徴とするモータコア。
前記複層型材料において、表層部における直径5μm以上の介在物量が30個/mm²以下であることを特徴とする請求項１に記載のモータコア。
表層部が、質量％で、Ｓｉ：4〜7％、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物である鋼板からなり、内層部が、質量％で、Ｓｉ： 4％以下、Al：3％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる複層型モータコア材料であり、前記表層部厚みの全厚に対する比率が0.1〜0.7であることを特徴とするモータコア材料。
前記表層部における直径5μm以上の介在物量が30個/mm²以下であることを特徴とする請求項３に記載のモータコア材料。