(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｓｉ：３％以下、Ｍｎ：０．１１〜０．５２％、Ａｌ：０．６〜２％、Ｐ：０．１％以下、Ｃａ：０．００１〜０．０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、ＹＳ：１６０〜２８０ＭＰａ、局部伸び：１５％以下、固有抵抗：２５×１０−８Ωｍ以上であることを特徴とする鉄損特性に優れたヘリカル加工用コア材料。
【請求項２】
請求項１の材料を用いたヘリカル加工コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄損特性に優れたヘリカル加工用コア材料およびヘリカル加工コアに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車の燃費改善、快適性向上の観点から油圧駆動部品を電動化することが行われており、電動パワーステアリング等に代表される新規モータの搭載比率が高まっている。このため自動車の消費電流はますます増大する傾向にあり、オルタネーターの高効率化が重要となっている。また、スターターとオルタネーターを一体化したＩＳＧ（Integrated Starter Generator）を搭載することにより、信号待ち等でのアイドリングストップを可能にし、燃費向上を図ることも検討されている。
【０００３】
これらオルタネーターやＩＳＧに使用されるランデル型回転器では、素材コスト低減の観点から、フープ状に加工したコアを板面方向にヘリカル（らせん）状に曲げることによりステーター形状とすることが行われている。このため、材料には塑性歪みが導入されるとともに、残留応力が残った状態で使用されている。
【０００４】
このような問題に対し、特許文献１にはヘリカルコアに加工した後、焼鈍を行うことにより鉄損を低減させる手法が開示されている。しかし、本手法ではコストアップになるとともに、絶縁皮膜の性能が劣化し、層間短絡が生じやすいという問題がある。
【特許文献１】特開平７−２９８５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、コストアップや絶縁皮膜の性能劣化をもたらすことなく、鉄損特性に優れたヘリカル加工用コア材料およびヘリカル加工コアを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、このようなヘリカル加工用コア材料の鉄損特性を向上させる手法に関して鋭意検討した結果、コア材料を特定の組成とした上で、そのＹＳを１６０〜２８０ＭＰａ、局部伸びを１５％以下とすることにより、好ましくはさらに固有抵抗を２５×１０−８Ωｍ以上とすることにより、ステーターコアの円周方向に引張応力を残留させることにより、コストアップや絶縁皮膜の性能劣化をもたらすことなく、鉄損特性が向上することを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は以下の（１）〜（２）を提供するものである。
（１）質量％で、Ｓｉ：３％以下、Ｍｎ：０．１１〜０．５２％、Ａｌ：０．６〜２％、Ｐ：０．１％以下、Ｃａ：０．００１〜０．０１％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、ＹＳ：１６０〜２８０ＭＰａ、局部伸び：１５％以下、固有抵抗：２５×１０−８Ωｍ以上であることを特徴とする鉄損特性に優れたヘリカル加工用コア材料。
【００１１】
（２）上記（１）の材料で構成されたヘリカル加工コア。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について、実験結果に基づいて詳細に説明する。
ヘリカルコア材の磁気特性を調査するため、質量％で、Ｃ＝０．００１５％、  Ｓｉ＝０．５％、Ａｌ＝０．７％、Ｍｎ＝０．３％、Ｓ＝０．００２％、Ｎ＝０．００１２％、Ｐ＝０．０１〜０．２％の鋼を溶製し、熱延後、９００℃×１ｍｉｎの熱延板焼鈍を行い、板厚０．５ｍｍまで冷間圧延し、１０％Ｈ２−９０％Ｎ２雰囲気で７５０℃×１ｍｉｎの仕上焼鈍を行った。この仕上げ焼鈍材より幅５ｍｍの材料を打ち抜き、ヘリカル加工により外径１００ｍｍのリング状試料を１枚作製し、一次２００ターン、二次５０ターン巻き線し磁気特性を評価した。本材料の固有抵抗を４端子法にて測定したところ、２７〜２８×１０−８Ωｍとほぼ一定であった。引張試験はＪＩＳ５号試験片を用い、歪み速度１×１０−２／ｓで試験を行った。
【００１３】
図１に、ＹＳ（降伏強度）と鉄損Ｗ10/400との関係を示す。ここで、ＹＳの変化は材料中のＰ添加量と対応しており、Ｐ添加量が多くなるほどＹＳは高くなる。また、Ｐは０．２％以下の添加では材料の粒成長性や固有抵抗に大きな影響を及ぼさないため、鉄損に及ぼすＹＳの影響のみを評価することができる。図１より、ＹＳが２８０ＭＰａ以下となった場合に鉄損が低下することがわかる。
【００１４】
この理由は以下のように考えられる。
ヘリカル加工を行ったコアでは、コアの内径側に圧縮応力が強く残留し、その部分では透磁率が著しく低下するため磁束が鋼板の中立軸近傍および中立軸の外側に集中することとなり、これにより渦電流損が増大する。これに対し、ＹＳを低減することにより、圧縮の残留応力が低下し、磁束集中が緩やかになるため渦電流損が低下し、全鉄損が低下する。
【００１５】
以上のことから本発明では、ＹＳを２８０ＭＰａ以下とする。より好ましくは２４０ＭＰａ以下である。一方、ＹＳが１６０ＭＰａ以下では材料が軟質となり、打ち抜き性が低下するため下限を１６０ＭＰａとする。
次に、低ＹＳ材の積層状態での鉄損について調査するため、質量％で、Ｃ＝０．００１７％、Ｓｉ＝０．３％、Ａｌ＝０．７％、Ｍｎ＝０．２６％、Ｓ＝０．００２％、Ｐ＝０．０２％、Ｎ＝０．００１７％の鋼を溶製し、熱延後、９００℃×１ｍｉｎの熱延板焼鈍を行い、板厚０．５ｍｍまで冷間圧延し、１０％Ｈ２−９０％Ｎ２雰囲気で７４０℃×１ｍｉｎの仕上焼鈍を行った。この仕上焼鈍材より幅５ｍｍの材料をクリアランス１０％の打ち抜き機で打ち抜き、ヘリカル加工により外径１００ｍｍのリング状試料を作製した。本試料を１０ターン積層し一次２００回、二次５０回巻き線することにより磁気特性を評価した。
【００１６】
その結果、一枚で測定を行った場合の鉄損がＷ10/400＝７６Ｗ／ｋｇであったのに比べ、１０枚積層した場合には、Ｗ10/400＝８４Ｗ／ｋｇとなり、大幅に鉄損が増大することが明らかとなった。
【００１７】
この原因について調査したところ、積層材では内周部のバリが短絡しており、これが渦電流損を増大させ、鉄損が増大していることが明らかとなった。これは、ヘリカル加工材では内周部の板厚が外周部に比べ厚くなるため、通常の打ち抜き加工に比べバリの短絡が生じやすくなり、低ＹＳ材ではこの傾向がより顕著となったものと考えられる。このため、ヘリカル加工材では打ち抜き材に比べ、バリ高さをより厳密に管理する必要がある。
【００１８】
バリ高さを低減することにより鉄損を低下させる手法に関し本発明者らが検討したところ、コアの打ち抜き速度に相当する高速変形時の材料の局部伸びを低減することが有効であることを知見した。
【００１９】
材料の局部伸びと鉄損との関係について調査するため、質量％で、Ｃ＝０．００１６6％、Ｓｉ＝０．３％、Ａｌ＝０．７％、Ｍｎ＝０．２８％、Ｐ＝０．０３％、Ｓ＝０．００３％、Ｎ＝０．００１５％、Ｃａ＝０〜０．０１％の鋼を溶製し、熱延後、９００℃×１ｍｉｎの熱延板焼鈍を行い、板厚０．５ｍｍまで冷間圧延し、１０％Ｈ２−９０％Ｎ２雰囲気で７６０℃×１ｍｉｎの仕上焼鈍を行った。この仕上げ焼鈍材より幅５ｍｍの材料をクリアランス１０％の打ち抜き機で打ち抜き、ヘリカル加工により外径１００ｍｍのリング状試料を作製した。本試料を１０枚ターン積層し一次２００ターン、二次５０ターン巻き線することにより磁気特性を評価した。局部伸びはＪＩＳ５号試験片を用い、打ち抜き時の高速変形を模擬して歪み速度１０／ｓで測定し、破断後のサンプルの全伸びから均一伸びを引くことにより求めた。なお、ここで均一伸びとは、Ｓ−Ｓ曲線上にて公称応力が最大値を示す歪みに対応する伸びのことである。表１に実験に供した試料の組成、および局部伸びと鉄損との関係を示す。なお、表１には、各組成の固有抵抗値および磁束密度Ｂ50も併記する。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１から、材料の局部伸びがほぼ１５％以下となった場合に鉄損が低下することが把握される。これは、材料の局部伸びを低減することにより、打ち抜き時の局部延性が低下し、バリ高さが小さくなり、端面でのバリ短絡が生じにくくなったためである。
【００２２】
以上のことより本発明においては、材料の局部伸びを１５％以下とする。より好ましくは１０％以下である。
【００２３】
材料の局部伸びを低減する手法は、どのようなものでも構わない。例えば、表１のＮｏ．２〜５のようなＣａを添加してＣａ系の介在物を形成する方法以外に、Ｃａ以外の元素を含む介在物（酸化物等）の分散、結晶粒径の粗大化等を挙げることができる。
【００２４】
本発明においては、コア材料の組成を後述するように規定することにより、比較的高い固有抵抗値が得られ、上述のようにＹＳおよび局部伸びを規定することにより優れた鉄損得性を得ることができるが、より優れた鉄損特性を得る観点からは、材料の固有抵抗が２５×１０−８Ωｍ以上とすることが好ましい。これは、固有抵抗がこれより低いと渦電流損が増大し、鉄損が高くなる傾向にあるためである。より好ましくは３０×１０−８Ωｍである。
【００２５】
次に、成分組成の限定理由について説明する。
Ｓｉは、鋼板の固有抵抗を上げるために有効な元素であるが同時に固溶強化能も非常に大きく、鋼板のＹＳを高くする。このためＳｉ含有量を３％以下とする。
【００２６】
Ａ１は、２％を超えると飽和磁化の低下に起因し磁束密度が低下するため、その含有量を２％以下とする。また、ＡｌはＳｉと同様、固有抵抗を上げるために有効な元素であり、Ａｌ添加によりＹＳ増大を伴わずに固有抵抗アップが可能となる。このため、０．１％以上の添加が望ましく、より好ましくは０．６％以上とする。従来ＹＳを２８０ＭＰａ以下とした材料では、安定して２５×１０−８Ωｍ以上の固有抵抗を確保することが困難であったが、本発明ではＡ１を積極的に利用することにより、２８０ＭＰａ以下で２５×１０−８Ωｍ以上の固有抵抗を達成することが可能である。
【００２７】
Ｐは、ＹＳを著しく増大させる元素である。このためＰ含有量を０．１％以下とする。より好ましくは０．０５％以下である。
【００２８】
Ｃａ添加は材料の局部伸びを低減するために有効である。局部伸び低減の効果を得るためには０．００１％以上必要である。また、０．０１％以上では効果が飽和し、いたずらにコストアップを招くため、上限を０．０１％とする。
【００２９】
本発明において、結晶粒径はＹＳ、局部伸びが本発明の範囲内であれば特に限定されるものではないが、ＹＳおよび局部伸びを低減する観点から８０μｍ以上とすることが好ましい。
【００３０】
次に、製造方法について説明する。
本発明においては、上述のように、成分組成、ＹＳ、局部伸び、またはこれらに加えて固有抵抗が所定の範囲内であれば、製造方法は通常の方法でかまわない。すなわち、常法に従って、まず、転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、引き続き鋳造する。次いで、熱間圧延を行うのであるが、熱間圧延時の仕上焼鈍温度、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よいが必須ではない。次いで一回の冷問圧延、もしくは中間焼鈍を挟んだ２回以上の冷間圧延により所定の板厚とした後に、最終焼鈍を行う。冷間圧延、中間焼鈍、最終焼鈍条件も特に限定されるものではなく、通常の条件で実施すればよい。最終焼鈍後の調圧は行ってもよいが必須ではない。
【００３１】
以上のようにして製造されたコア材料を、ティースおよびバックヨーク形状に打ち抜き、ヘリカル加工を行うことにより、リング状のステーターコアが得られる。
【実施例】
【００３２】
表２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、スラブを１１４０℃で１ｈｒ加熱した後、板厚２０ｍｍ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６８０℃とした。
【００３３】
その後、表２に示す条件で熱延板焼鈍を行い、板厚０．５ｍｍまで冷問圧延を行い、表２に示す仕上焼鈍条件で焼鈍を行った。
【００３４】
本材料より、幅５ｍｍの材料をスリットし、ヘリカル加工により外径１００ ｍｍのリング形状にし、これを１０ターン積層し、一次２００回、二次５０回の巻き線を施し、磁気測定を行った。固有抵抗は ＪＩＳ  Ｃ  ２５２５の４端子法にて測定した。引張試験はＪＩＳ５号試験片を用い、ＹＳの測定はヘリカル加工を模擬して歪み速度１×１０−２／ｓ、局部伸びの測定はスリット加工を模擬して歪み速度１０／ｓで行った。
【００３５】
表２より、本発明の範囲内である本発明鋼は鉄損が低く、良好な特性のヘリカルコアとなり得ることが確認された。
【００３６】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上述べたように、本発明によれば鉄損の低いヘリカルコアを得ることができ、ヘリカル加工をするモータ、発電機等のステーターコア用材料として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＹＳと鉄損との関係を示す図。
【図１】
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