特許 6339768 弱め界磁性に優れたＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6339768

(24)【登録日】2018年5月18日

(45)【発行日】2018年6月6日

(54)【発明の名称】弱め界磁性に優れたＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20180528BHJP

   C22C 38/06 20060101ALI20180528BHJP

   C22C 38/58 20060101ALI20180528BHJP

   C21D 8/12 20060101ALI20180528BHJP

   C21D 9/46 20060101ALI20180528BHJP

   H01F 1/147 20060101ALI20180528BHJP

【ＦＩ】

   C22C38/00 303S

   C22C38/06

   C22C38/58

   C21D8/12 H

   C21D9/46 E

   H01F1/147 175

【請求項の数】9

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-72759(P2013-72759)

(22)【出願日】2013年3月29日

(65)【公開番号】特開2014-196535(P2014-196535A)

(43)【公開日】2014年10月16日

【審査請求日】2016年3月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】714003416

【氏名又は名称】日新製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(72)【発明者】

【氏名】岩津 智永

(72)【発明者】

【氏名】片桐 幸男

(72)【発明者】

【氏名】藤原 進

【審査官】 鈴木 葉子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０８４７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４６７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１７３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０９２４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２４３２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０１８００５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１６８５５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ３８／００−３８／６０

Ｃ２１Ｄ ８／１２， ９／４６

Ｈ０１Ｆ １／１２− １／３８， １／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｃ：０．０００５質量％超〜０．１０質量％以下、Ｓｉ：０質量％〜０．２７０質量％、Ｍｎ：０質量％〜２．４８質量％未満、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０質量％〜３．０質量％かつＳｉ＋Ａｌ：３．０質量％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、金属組織がフェライト単相またはフェライト＋セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物からなり、フェライトの結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６８Ｔ以上でありかつその時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上であることを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。

【請求項2】

磁界の強さが８０００Ａ／ｍまで磁化した時の保磁力Ｈｃが１００Ａ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。

【請求項3】

Ｔｉ、Ｎｂ及びＶからなる群から選択される１種以上の成分を合計して０．０１質量％〜０．２０質量％さらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。

【請求項4】

Ｍｏ：０．１質量％〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１質量％〜１．０質量％及びＢ：０．０００５質量％〜０．００５質量％からなる群から選択される１種以上の成分をさらに含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。

【請求項5】

Ｃｕ：０．０５質量％〜１．５質量％及びＮｉ：０．０５質量％〜１．０質量％からなる群から選択される１種以上の成分をさらに含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。

【請求項6】

鋼板の少なくとも片方の表面に、有機材料からなる絶縁皮膜、無機材料からなる絶縁皮膜又は有機・無機複合材料からなる絶縁皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。

【請求項7】

請求項１〜５に示した成分組成を有する熱間圧延鋼板を、１回の冷間圧延又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施した後、６２０〜８５０℃の温度まで加熱して再結晶焼鈍を行うことにより、金属組織がフェライト単相またはフェライト＋セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物からなり、フェライトの結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６８Ｔ以上でその時の残留磁束密度が０．５Ｔ以上であるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。

【請求項8】

再結晶焼鈍は、６８０〜８５０℃まで加熱する連続焼鈍とし、加熱後の冷却をガスジェット冷却とすることを特徴とする請求項７に記載した金属組織がフェライト単相またはフェライト＋セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物からなり、フェライトの結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６８Ｔ以上で、その時の残留磁束密度が０．５Ｔ以上であるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。

【請求項9】

再結晶焼鈍後に伸び率で０．１〜０．５％までのＳＫＰ圧延またはテンションレベラーを施すことを特徴とする請求項７または８に記載した金属組織がフェライト単相またはフェライト＋セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物からなり、フェライトの結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１．６８Ｔ以上で、その時の残留磁束密度が０．５Ｔ以上であるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車或いは工作機械などに主に使用される永久磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）のロータ鉄心用鋼板及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、ＩＰＭモータは、高価な永久磁石を使用するためコストは高くなるものの、誘導電動機と比べて効率が高い。このため、ＩＰＭモータは、例えば、ハイブリッド自動車及び電気自動車の駆動用モータ及び発電用モータ、家電製品、並びに各種の工作機械や産業機械用のモータ等に広く使用されている。

【0003】

ＩＰＭモータの鉄心は、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）とに分けられる。ステータ側の鉄心には巻線を通じて交流磁界が直接付与されるので、効率を高くするためにステータ側の鉄心には、高透磁率であると同時に体積抵抗率を高めて、鉄損を低減できることが要求される。このため、ステータ側の鉄心には、極低炭素鋼にＳｉを添加して軟磁気特性を改善した電磁鋼板が用いられる（例えば、特許文献１及び２を参照）。

【0004】

一方、ロータ側の鉄心には永久磁石が埋め込まれるため、主にヨークとして磁束密度を高める役割を担う。ロータ側の鉄心はステータ側から発生する交流磁界の影響を僅かに受けるが、その影響は限定的である。従って、特性の観点から見ると、鉄損特性に有利な電磁鋼板をロータ側の鉄心に使用する必要はない。しかし、ステータのみに電磁鋼板を使用すると電磁鋼板の製品歩留りが低下して、モータの製造コストが高くなるので、通常は、ロータ側の鉄心にもステータ側と同じ電磁鋼板が用いられる。

【0005】

ＩＰＭモータが自動車に搭載される場合、自動車の小型軽量化のニーズからＩＰＭモータにも小型化が求められる。その場合、小型化しても従来と同等以上のモータ出力（トルク）を得るために、ロータの回転速度が高められる。一般に、モータの効率はロータの回転速度を高くするほど良好となる。しかし、ＩＰＭモータでは、埋め込まれた永久磁石の回転により、ステータ巻線に誘導起電圧が発生する。この誘導起電圧は、回転速度の上昇に伴い増加する。そして、誘導起電圧が入力電圧を超えたところで、モータは回転できなくなる。このためＩＰＭモータでは、例えば特許文献３に示されるように、高速回転域で運転する際に、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束をステータ側から発生させ、誘導起電圧を抑制する弱め界磁制御が行われている。この弱め界磁制御により、高速回転域での運転が可能となる反面、永久磁石の磁束を打ち消すことに電力を使用するため、モータトルクは減少する。なお、特許文献３では、磁石の形状に工夫を施すことにより、弱め界磁制御に使用する電力量を少なくすることが図られている。

【0006】

一方、ＩＰＭモータを小型化しても従来と同等以上のトルクを得るためロータの回転速度を高めると、ロータに埋め込まれた永久磁石に作用する遠心力が増大してロータの破損にいたる問題がある。破損を起こさないためには、ロータの素材として降伏強度が高い材料が好適である。例えば３％程度のＳｉを含有する無方向性電磁鋼板（３５Ａ３００）の場合、磁性焼鈍後の降伏強度は約４００Ｎ／ｍｍ^２程度である。このため、ロータの直径が８０ｍｍ以上の比較的大型のＩＰＭモータの場合、ロータの構造によって異なるものの２００００ｒｐｍ程度が破損を起こさない回転速度の限界と考えられている。これまでも、電磁鋼板をベースに鉄心の降伏強度を高くする検討が種々行われてきたが、それでも高々７８０Ｎ／ｍｍ^２程度である。そこで、高速回転化によるロータ鉄心の破損を抑制する方法として、例えば特許文献４では、ロータ鉄心用素材として、電磁鋼板ではなく、高強度かつ高飽和磁束密度である鋼板を用いることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００５―１３３１７５号公報

【特許文献2】特開２００５―６０８１１号公報

【特許文献3】特開２０００―２７８９００号公報

【特許文献4】特開２００９―４６７３８号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】平成２３年度電気学会産業応用部門大会講演論文集、３−２４（２０１１）、ＰIII−１７９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献３では、磁石の形状に工夫を施すことにより、弱め界磁制御に使用する電力量を少なくすることが図られているが、素材鋼板の残留磁束密度及び保磁力を調節する点については考慮されていない。また、特許文献４は、高強度化によって高速回転が可能となるが、残留磁束密度及び保磁力に関する知見は得られず、弱め界磁制御時の高トルク化の可能性に関しては不明であった。

【0010】

本発明者らは、上記のような課題を解決するため、ＩＰＭモータのロータ用鉄心として高速回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転速度をより高くできる鋼板の提供を目的として、素材鋼板の磁気特性について、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値を１．６５Ｔ以上に、その時の残留磁束密度を０．５Ｔ以上に制御することが有効であり、必要に応じて８０００Ａ／ｍまで磁化した時の保磁力が１００Ａ／ｍ以上に制御することがさらに有効であることを見出し、特願２０１２−０８１３６９、特願２０１２−６８１３７０の発明を行った。しかし、特願２０１２−０８１３６９、特願２０１２−６８１３７０では、高残留磁束密度及び高保磁力を得る方法としては、加工強化や変態強化等による歪の付与を主体としたものであり、焼鈍ままで安定して残留磁束密度を０．５Ｔ以上にする方法については不明確であった。したがって、本発明では、ＩＰＭモータの高速回転域での弱め界磁性を改善するに際して、焼鈍ままでも安定して０．５Ｔ以上の残留磁束密度を有する鋼板を得る方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく種々の検討を行った結果、素材鋼板の金属組織をフェライト単相またはフェライト十セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物とし、さらにフェライトの結晶粒径を３０μｍ以下に制御することで安定して０．５Ｔ以上の残留磁束密度を確保できることを見出した。
即ち、本発明は、金属組織がフェライト単相またはフェライト＋セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物からなり、フェライトの結晶粒径が３０μｍ以下で、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１.６５Ｔ以上であり、その時の残留磁束密度が０．５Ｔ以上であり、必要に応じて８０００Ａ／ｍまで磁化した時の保磁力が１００Ａ／ｍ以上であることを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板である。

【0012】

また、本発明は、Ｃ：０.０００５質量％超〜０.１０質量％以下、Ｓｉ：０質量％〜３.０質量％、Ｍｎ：０質量％〜２.５質量％、Ｐ：０.０５質量％以下、Ｓ：０.０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０質量％〜３.０質量％かつＳｉ＋Ａｌ：３.０質量％以下、必要に応じて、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶからなる群から選択される１種以上の成分を合計して０.０１質量％〜０.２０質量％さらに含有し、さらに必要に応じてＭｏ：０.１質量％〜０.６質量％、Ｃｒ：０.１質量％〜１.０質量％及びＢ：０.０００５質量％〜０.００５質量％からなる群から選択される１種以上の成分、および／またはＣｕ：０.０２質量％〜１.５質量％及びＮｉ：０.０２質量％〜１.０質量％からなる群から選択される１種以上の成分をさらに含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する熱間圧延鋼板を、１回の冷間圧延又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施した後、６２０〜８５０℃の温度まで加熱して再結晶焼鈍を行うことにより、金属組織がフェライト単相またはフェライト十セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物からなり、フェライトの結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１.６５Ｔ以上で、その時の残留磁束密度が０．５Ｔ以上であり、必要に応じて８０００Ａ／ｍまで磁化した時の保磁力が１００Ａ／ｍ以上であるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ＩＰＭモータのロータ用鉄心として用いるときに、高速回転域での出力トルクをより大きくでき、最大回転速度をより高くできる鋼板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施例で作成したロータの形状を示す図である。

【図2】実施例で作製したロータの部分拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、金属組織がフェライト単相またはフェライト＋セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物からなり、フェライト結晶粒径が３０μｍ以下で、磁界の強さが８０００Ａ／ｍの時の磁束密度Ｂ８０００の値が１.６５Ｔ以上であり、その時の残留磁束密度が０．５Ｔ以上であり、必要に応じて８０００Ａ／ｍまで磁化した時の保磁力が１００Ａ／ｍ以上であることを特徴とするものである。

【0016】

磁気特性を限定する理由は以下の通りである。
＜磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度Ｂ_８０００：１．６５Ｔ以上＞ 磁束密度Ｂ_８０００の値が１．６５Ｔ以上とされているのは、ロータとして高速回転する際に永久磁石１２を挿入した位置（ｄ軸）と挿入していない位置（ｑ軸）でのインダクタンスの値の差に基づくリラクタンストルクを有効に活用し、とくに高速回転領域において従来の鋼板と同等以上のトルク性能を発揮するためである。

【0017】

＜８０００Ａ／ｍまで磁化した時の残留磁束密度Ｂｒ：０．５Ｔ以上＞
８０００Ａ／ｍまで磁化した時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上とされているのは、以下の通りである。即ち、ＩＰＭモータでは、永久磁石による磁石磁束（ｄ軸磁束）に加え、リラクタンストルクを得るためにステータ側からロータ内を貫通する磁束（ｑ軸磁束）を流し、高トルク化及び高効率化を達成している。しかし、例えば非特許文献１「平成２３年度電気学会産業応用部門大会講演論文集、３−２４（２０１１）、ＰIII−１７９」のように、モータへの入力電流を増加させ、ｑ軸磁束を増加させると、ｄ軸磁束との相互干渉によりｄ軸磁束の向きが回転方向とは逆方向にずれて偏り、ｄ軸及びｑ軸インダクタンスの変化を通じて最大トルクを減少させることが知られている。この現象はｄｑ軸相互干渉と呼ばれ、本来のｄ軸磁束よりも回転方向前方では磁束が強め合い、後方では弱め合うことに起因しているが、電磁鋼板のように保磁力が小さくかつ残留磁束密度も小さい高透磁率材料では、回転方向の後方における磁束の弱め合いがスムーズに進行するのに対して、保磁力が大きな低透磁率材料では残留磁束密度が大きいことに起因して、磁束の弱め合いが抑制されるため、前述のｄ軸磁束のずれによる偏りが小さくなる。その結果として、ｄｑ軸相互干渉に伴う最大トルクの減少を抑制することが可能となる。この効果を得るためには、８０００Ａ／ｍまで磁化した時の残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上、好ましくは１．０Ｔ以上が必要である。本発明者らが種々の鋼板を素材としてＩＰＭモータを試作し、モータの性能評価を行ったところ、０．５Ｔ以上、望ましくは１．０Ｔ以上の残留磁束密度を有する鋼板を用いてロータ鉄心を形成することで、高速回転時に行う弱め界磁制御の消費電力を低減でき、出力トルクを向上できることが分かった。

【0018】

＜８０００Ａ／ｍまで磁化した時の保磁力：１００Ａ／ｍ以上＞ 本発明の鋼板は、高速回転域においてより高いトルクが必要となる場合には、１００Ａ／ｍ以上の保磁力を有することが好ましい。その理由は以下の通りである。即ち、保磁力の増大に伴い透磁率が小さくなることに起因して、ブリッジ部での永久磁石からの漏れ磁束が小さくなり、その結果として永久磁石からの磁束を有効に活用できるようになる。この効果を得るためには、８０００Ａ／ｍまで磁化した時の保磁力が好ましくは１００Ａ／ｍ以上、さらに好ましくは３００Ａ／ｍ以上、最も好ましくは１０００Ａ／ｍ以上必要である。この効果は、ロータの構造によって変化するが、例えば高速回転時の遠心力に耐えるべく、永久磁石を２分割してセンターブリッジを設けるなどした場合など、永久磁石からの漏れ磁束が多くなる構造の場合、より効果的に作用する。

【0019】

金属組織の限定理由は以下の通りである。
＜金属組織：フェライト単相またはフェライト＋セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物＞
金属組織は、高い磁束密度を得るため、強磁性体であるフェライト単相あるいはフェラ
イト＋セメンタイトからなることがのぞましい。なお、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物は、磁束密度には大きな影響を及ぼさず、磁壁の移動を妨げ高残留磁束密度及び高保磁力を得るために有効であり、必要に応じて鋼中に分布させることが望ましい。

【0020】

＜フェライト結晶粒径：３０μｍ以下＞
金属組織がフェライト単相またはフェライト＋セメンタイトおよび／またはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物および不可避的な介在物からなるとともにフェライト結晶粒径が３０μｍ以下である必要がある。フェライト結晶粒径が３０μｍを超えると、磁壁の移動が容易になることに起因して残留磁束密度が０．５Ｔよりも小さくなるため、良好な弱め界磁性が得られない。

【0021】

本発明の鋼板は、Ｃ：０.０００５質量％超〜０.１０質量％以下、Ｓｉ：０質量％〜３.０質量％、Ｍｎ：０質量％〜２.５質量％、Ｐ：０.０５質量％以下、Ｓ：０.０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０質量％〜３.０質量％かつＳｉ十Ａｌ：３.０質量％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有することが好ましい。鋼材の成分には、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶからなる群から選択される１種以上の成分が合計で０.０１質量％〜０.２０質量％含まれてもよく、Ｍｏ：０.１質量％〜０.６質量％、Ｃｒ：０.１質量％〜１.０質量％及びＢ：０.０００５質量％〜０.００５質量％からなる群から選択される１種以上の成分が含まれてもよく、また、Ｃｕ：０.０５質量％〜１.５質量％及びＮｉ：０.０５質量％〜１.０質量％からなる群から選択される１種以上の成分が含まれてもよい。

【0022】

鋼材の成分組成を限定する理由は以下の通りである。
＜Ｃ：０.０００５質量％超〜０.１０質量％以下＞
Ｃは、鋼中に固溶又はセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）として析出し、高強度化に有効な元素である。ＩＰＭモータのロータ鉄心として用いるのに適した降伏強度とするために、０.０００５質量％を超えるＣを含有させることが好ましい。しかし、０.１０質量％を超えて含有させると、溶接性が劣化し連続焼鈍ライン等での通板性が大幅に劣化する。

【0023】

＜Ｓｉ：０質量％〜３.０質量％＞
Ｓｉは、高強度化に有効である上に、体積抵抗率を高め、渦電流損を小さくするのに有効な元素であるが、本発明では添加しなくてもよい。渦電流損の抑制や高強度化の効果を得ようとするためには、０.０１質量％以上含有させることが好ましい。しかし、３.０質量％を超えて含有させると、鋼板の靭性が劣化するとともに、磁束密度の低下を招く。また、より高い磁束密度を得るためには、できるだけその添加量を抑制し、例えば０.１％以下または０.０１％以下さらには無添加であることが望ましい場合もある。

【0024】

＜Ｍｎ：０質量％〜２.５質量％＞
Ｍｎは、高強度化に有効な元素であるが、本発明では添加しなくてもよい。高強度化の効果を得るためには、０.０５質量％以上の含有させることが好ましい。しかし、２.５質量％を超えて含有させると、強度の向上効果は飽和するとともに、かえって磁束密度の低下を招く場合がある。

【0025】

＜Ｐ：０.０５質量％以下＞
Ｐは、磁束密度の低下を抑制しつつ高強度化を図るのに有効な元素であるが、一方で鋼の靭性を著しく低下させる。０.０５質量％までは許容できるため、上限を０.０５質量％とする。

【0026】

＜Ｓ：０.０２質量％以下＞
Ｓは、高温脆化を引き起こす元素であり、大量に含有させると、熱間圧延時に表面欠陥を生じ、表面品質を劣化させる。したがって、できるだけ低減することが望まれる。０.０２質量％までは許容できるため、上限を０.０２質量％とする。

【0027】

＜酸可溶Ａｌ：０質量％〜３.０質量％、Ｓｉ＋Ａｌ：３.０質量％以下＞
Ａｌは脱酸剤として添加されるほか、Ｓｉと同様に鋼の体積抵抗率を上昇させるのに有効な元素である。その効果を発揮するためには、０.００５質量％以上の酸可溶Ａｌを含有させることが好ましい。しかし、Ｓｉとの合計で３.０質量％を越えて含有させると磁束密度の低下が大きくなり、モータの性能が劣化する場合がある。また、より高い磁束密度を得るためには、できるだけその添加量を抑制し、例えば０.１％以下または０.０１％以下さらには無添加であることが望ましい場合もある。

【0028】

＜Ｔｉ、Ｎｂ及びＶの１種以上：０.０１質量％〜０.２０質量％＞
Ｔｉ、Ｎｂ及びＶは、鋼中で炭窒化物を形成し、析出強化による高強度化に有効な元素である。また、フェライト結晶粒径の微細化にも有効に作用する。その効果を得るためには、１種又は２種以上を合計で、０.０１質量％以上添加することが好ましい。しかし、０.２０質量％を超えて添加しても、析出物の粗大化により強度上昇は飽和するとともに製造コストの増大を招く。

【0029】

＜Ｍｏ：０.１質量％〜０.６質量％、Ｃｒ：０.１質量％〜１.０質量％及びＢ：０.０００５質量％〜０.００５質量％の１種以上＞
Ｍｏ、Ｃｒ及びＢも、高強度化に有効な元素である。その効果を得るためには、Ｍｏ、Ｃｒ及びＢの１種以上を、それぞれ設定した下限値以上添加することが好ましい。しかしそれぞれ設定した上限値を超えて添加してもその効果は飽和するととともに製造コストの増大を招く。なお、１種だけの添加でも２種以上の添加でもその効果は認められるが、２種以上を添加する場合は、それぞれ設定した上限値の１／２を超える量を添加すると、その効果に比して製造コストの上昇が大きくなるので、１／２以下の量で添加することが望ましい。

【0030】

＜Ｃｕ：０.０５質量％〜１.５質量％及びＮｉ：０.０５質量％〜１.０質量％の１種以上＞
Ｃｕ及びＮｉも高強度化に有効な他、保持力を上昇させるのに有効な元素である。その効果を得るためには、それぞれ設定した下限値以上添加することが好ましい。しかし、それぞれ設定した上限値を超えて添加しても、その効果は飽和するととともに製造コストの増大を招く。

【0031】

なお、本発明においては鋼の脱酸は必ずしも必要ではなく、とくにＳｉ,Ａｌ,Ｔｉ等の脱酸に寄与する元素を添加しない場合には、鋼中の酸素量が高くても構わない。鋼中の酸素は、酸化物系の介在物として鋼中に析出するが、これらの介在物も磁壁の移動を妨げ残留磁束密度及び保磁力の増大に寄与するので、本発明においてはより好ましい。この場合、鋼中の酸素含有量は５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。酸素量が５００ｐｐｍを超えると連続鋳造での生産が困難となる。

【0032】

次に、本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法について説明する。本発明によるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法は、前述の成分組成を有する熱間圧延鋼板を、１回の冷間圧延又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施した後、６２０〜８５０℃の温度まで加熱して再結晶焼鈍を行うことを特徴とするものである。また、再結晶焼鈍は、６８０〜８５０℃まで加熱する連続焼鈍とし、加熱後の冷却をガスジェット冷却とすることが好ましい。さらに、再結晶焼鈍後に伸び率で０.１〜０.５％までのＳＫＰ圧延またはテンションレベラーを施すことが好ましい。

【0033】

＜熱間圧延条件＞
製造条件の限定理由は以下の通りである。
熱間圧延条件は、特に規定する必要は無く、通常の方法に従い実施すればよいが、熱間圧延の仕上げ温度は、γ単相域で実施することが望ましい。また、巻取り温度は高温になり過ぎると酸化スケールが厚くなり、その後の酸洗性を阻害するため、７００℃以下とすることが望ましい。

【0034】

＜冷間圧延条件＞
得られた熱間圧延鋼板は、焼鈍後に１回の冷間圧延を施してもよいし、中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施してもよいが、最終圧延率を６０％以上とすることが望ましい。冷間圧延率が６０％未満では、最終焼鈍後のフェライト結晶粒径が３０μｍよりも大きくなる場合がある。

【0035】

＜焼鈍温度＞
冷間圧延ままの鋼板に、６２０〜８５０℃にて再結晶焼鈍を施すことにより、３０μｍ以下のフェライト結晶粒径を有する再結晶組織を得ることができる。焼鈍温度が６２０°Ｃ未満では、未再結晶組織が残留する場合がある。また、８５０℃を超えると、フェライト結晶粒径が３０μｍを超える場合があるとともに過大な熱エネルギーが必要になり製造コストの増大を招く。焼鈍はバッチ焼鈍、連続焼鈍のいずれでも構わないが、連続焼鈍の場合には、焼鈍温度の下限値を６８０℃とすることが好ましく、また冷却はガスジェット冷却とすることが板形状確保の観点から好ましく、バッチ焼鈍の場合は、焼鈍温度の上限値を６８０℃とすることが好ましい。

【0036】

＜ＳＫＰ圧延、テンションレベラー＞
良好な板形状の観点から、再結晶焼鈍後にインラインまたはオフラインで伸び率で０.１〜０.５％までのＳＫＰ圧延またはテンションレベラーを施すことが好ましい。

【0037】

＜絶縁皮膜の形成＞
本発明では、ロータに発生する渦電流損の低減を目的として、鋼板の少なくとも片方の表面に、有機材料からなる絶縁皮膜、無機材料からなる絶縁皮膜及び有機・無機複合材料からなる絶縁皮膜を形成することが好ましい。無機材料からなる絶縁皮膜の例としては、六価クロムのような有害物質を含まず、リン酸二水素アルミニウムを含有する無機質系水溶液が挙げられるが、良好な絶縁が得られれば、有機材料からなる絶縁皮膜又は有機・無機複合材料からなる絶縁皮膜を用いてもよい。

【実施例】

【0038】

＜実施例１＞
表１及び２に示す成分組成を有する鋼を溶解し、これらの連鋳片を１２５０℃に加熱し９５０℃で仕上げ圧延して５６０℃で巻取り、板厚１．８ｍｍの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、一回の冷間圧延にて板厚０．３５ｍｍの冷間圧延鋼帯を得た（最終圧延率：約８１％）。これらの冷間圧延鋼帯を８００℃に６０秒均熱処理する連続焼鈍を施した。冷却はガスジェット冷却とし、伸び率０．５％のインラインＳＫＰを施した。その後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に形成した。なお、Ｎｏ．１２、１３及び１９鋼は、参考例とする。

【0039】

【表1】

【0040】

得られた鋼帯から内径３３ｍｍ及び外径４５ｍｍのリング状の試験片を打抜きにより作製し、磁化測定に供した。また、得られた鋼帯からJIＳ５号試験片を切り出し、引張試験に供した。金属組織は、冷間圧延前の鋼板の圧延方向の板厚断面を２％ナイタール試薬
（２％硝酸・エチルアルコール溶液）にてエッチングを施し、走査型電子顕微鏡を用いた観察により、その組織形態から、フェライト、フェライト＋セメンタイト等の組織に分類した。各サンプルの磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度（Ｂ８０００）、残留磁束密度（Ｂｒ）、保磁力（Ｈｃ）、降伏強さ、引張強さ、全伸び、フェライトの結晶粒径及び焼鈍後の金属組織を表３及び４に示した。表２の結果から明らかなように、本願発明範囲の成分組成を有し、本願発明で規定した製造条件で製造したサンプルでは、フェライトの結晶粒径が３０μｍ以下となり、同時に０．５Ｔ以上の残留磁束密度がえられることがわかる。

【0041】

【表2】

【0042】

＜実施例２＞
実施例１のN０.３、８、２１鋼について、図１及び２に示す８極（４極対）構造のロータを打抜き加工により作製し、負荷トルクを付与したモータ性能評価試験に供した。また、ステータは１ヶのみ製造し、製造したロータを組替えてモータとしての性能評価に供した。モータの最大出力はいずれも４.５ｋＷである。この性能評価では、１００００ｒｐｍ以上で弱め界磁制御を行った。なお、市販の電磁鋼板（３５Ａ３００、板厚：０.３５ｍｍ）について、本発明の素材鋼板と同様の方法による機械的特性及び磁気的特性を評価したところ、降伏強さが３８１Ｎ／ｍｍ^２であり、引張強さが５１１Ｎ／ｍｍ^２であり、飽和磁束密度Ｂ８０００が１.７６Ｔであり、残留磁束密度が０．４５Ｔ、保磁力が７５Ａ／ｍであった。

【0043】

作製したロータ及びステータの仕様は以下の通りである。
◎ロータの仕様
・外径：８０.１ｍｍ、軸長５０ｍｍ
・積層枚数：０.３５ｍｍ／１４０枚
・センターブリッヂ、アウターブリッヂの幅：１.００ｍｍ
・永久磁石：ネオジム磁石（ＮＥＯＭＡＸ−３８ＶＨ）、９.０ｍｍ幅×３.０ｍｍ厚×５０ｍｍ長さ、合計１６ヶ埋め込み
◎ステータの仕様
・ギャップ長：０.５ｍｍ
・外径：１３８.０ｍｍ、ヨーク厚：１０ｍｍ、長さ：５０ｍｍ
・鉄心素材：電磁鋼板（３５Ａ３００）、板厚０.３５ｍｍ
・積層枚数：１４０枚
・巻線方式：分布巻き.

【0044】

それぞれのロータを組み込んだＩＰＭモータの７５００ｒｐｍ及び１５０００ｒｐｍにおける最大トルク及び効率を表３に示した。

【0045】

【表3】

【0046】

表４の結果から明らかなように、結晶粒径が３０μｍ以下で残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以上であったＮｏ.３、８鋼は、残留磁束密度Ｂｒが０．５Ｔ以下であったＮｏ.２１鋼と比較して、７５００ｒｐｍのトルクは同等であったが、弱め界磁制御を行つた１５０００ｒｐｍでは約１.４倍のトルクが得られた。

【図1】

【図2】