(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.0050mass％以下、Si：0.1 〜7.0 mass％およびMn：0.1〜2.5mass％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成に調整した鋼スラブを、1200℃以下で加熱した後、熱間圧延し、ついで１回または中間焼鈍を含む２回の冷間圧延を施すに際し、60℃以上の温度域で少なくとも25％の圧下を施し、その後 850℃以上の温度で仕上げ焼鈍を行ったのち、冷却を４ MPa以下の張力付与下で行うことを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、鋼スラブ成分が、さらにAlを0.1〜2.5mass％の範囲で含有するか、またはAlを0.01mass％以下に抑制した組成になることを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、鋼スラブ成分が、さらにＰ：0.1mass％以下を含有する組成になることを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、鋼スラブ成分が、さらにSb：0.005〜0.120mass％およびSn：0.005〜0.25mass％のうちから選んだ一種または二種を含有する組成になることを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、鋼スラブ成分が、さらにNi，CuおよびCrのうちから選んだ一種または二種以上をそれぞれ10mass％以下で含有する組成になることを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、リラクタンスモータ中でもスイッチトリラクタンスモータの鉄心材料として好適な無方向性電磁鋼板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギー化の要請が強化されるに伴って、電気機器類の高効率化指向が高まってきた。鋼板メーカーは上記の要請に対応すべく、以下に述べるような様々な手段によって電気機器類用電磁鋼板の鉄損特性の改善に努めてきた。
【０００３】
さて、電磁鋼板に対するSiの添加は、鋼板の比抵抗を高めることによって鉄損を低減させる最も有効な手段であり、この手段は、電磁鋼板の分野において広く用いられている。また、添加元素としては、AlもSiと同様の効果を有することが知られる。
例えば特開昭53−66816 号公報には、鋼板の比抵抗を高め、かつ微細なAlＮの析出による粒成長抑制作用を避けるために、Alの積極添加が提案されている。
また、特開昭55−73819 号公報では、Alを添加し、かつ焼鈍雰囲気の調整により鋼板表面の内部酸化層を低減することによって、良好な高磁場特性を達成している。
さらに、特開昭54−68716 号公報および特開昭58−25427 号公報では、Alを添加すると共に、REM とSbを複合添加したり、高純化したりして、集合組織を改善することにより鉄損を低減している。
【０００４】
その他、特開昭61−87823 号公報では、Alを添加し、仕上げ焼鈍時の鋼板冷却速度を制御することによって、また特開平３−274247号公報では、Alを添加すると共に、Ｂ，Sb，Snの複合添加により酸窒化を防止することによって、特開平３−294422号公報では、Alを添加し、冷間圧延を制御して鋼板のＬ，Ｃ特性比を低減することによって、特開平４−63252 号公報では、MnとAlを複合添加することによって、特開平４−136138号公報では、Alを添加すると共に、極低Siとし、かつＰ, Sbの添加により集合組織を改善することによって、いずれも磁気特性の改善を達成している。
【０００５】
ところで、最近では、回転機器においても、その高効率化に加えて、リサイクル性が求められるようになってきた。
通常の誘導モータやＤＣモータ、ブラシレスＤＣモータはいずれも、回転子鉄心部にアルミや銅などの導体かあるいは磁石が用いられていた。従って、鉄心をリサイクルするためには、これらと電磁鋼板との分別が必要であった。
これに対し、リラクタンスモータは、リラクタンストルクをその駆動力として用いるため、回転子部には導体や磁石は基本的に必要なく、電磁鋼板のみで事足りる。従って、リサイクル性に富み、かつ構造も簡単、安価でかつ堅牢であるという特長を有するため、古くから研究が行われてきた。
【０００６】
しかしながら、その反面、回転の制御が困難であること、また回転時の騒音が激しいことなどの問題を有するため、長い間実用化にまでは至らなかった。
この点、最近の半導体技術および制御技術の進歩により、これらの問題が解決されるに至り、洗濯機や掃除機などのモータとして実用化が促進されるようになってきた。
このような背景のもと、その安価さ、堅牢さおよびリサイクル性の観点から、自動車その他に用いられる回転機用としても着目され始めている。
【０００７】
ところが、このリラクタンスモータは、動作条件が他のモータと大きく異なるため、従来開発されてきた電磁鋼板を用いても、必ずしも満足のいく特性を得ることができなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、リラクタンスモータ特にスイッチトリラクタンスモータの効率を効果的に向上させることができる無方向性電磁鋼板の有利な製造方法を提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、鋼板の磁気特性を詳細に調査するだけでなく、それを用いて実際にスイッチトリラクタンスモータを作製し、その実機特性と素材特性との関係について詳細に検討を行った。
その結果、実機のモータ効率を高めるためには、商用周波数よりも高周波でかつ高磁束密度域における素材の鉄損を低減すると共に、残留磁束密度を小さくすることが有効であることの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１３】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.0050mass％以下、Si：0.1 〜7.0 mass％およびMn：0.1〜2.5mass％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成に調整した鋼スラブを、1200℃以下で加熱した後、熱間圧延し、ついで１回または中間焼鈍を含む２回の冷間圧延を施すに際し、60℃以上の温度域で少なくとも25％の圧下を施し、その後 850℃以上の温度で仕上げ焼鈍を行ったのち、冷却を４MPa 以下の張力付与下で行うことを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
２．上記１において、鋼スラブ成分が、さらにAlを0.1〜2.5mass％の範囲で含有するか、またはAlを0.01mass％以下に抑制した組成になることを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
３．上記１または２において、鋼スラブ成分が、さらにＰ：0.1mass％以下を含有する組成になることを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
４．上記１〜３のいずれかにおいて、鋼スラブ成分が、さらにSb：0.005〜0.120mass％およびSn：0.005〜0.25mass％のうちから選んだ一種または二種を含有する組成になることを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
５．上記１〜４のいずれかにおいて、鋼スラブ成分が、さらにNi，CuおよびCrのうちから選んだ一種または二種以上をそれぞれ10mass％以下で含有する組成になることを特徴とするリラクタンスモータ鉄心用の無方向性電磁鋼板の製造方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体的に説明する。
さて、発明者らは先ず、市販の種々のスイッチトリラクタンスモータを入手し、これらと同等の形状に加工できる金型を作製し、種々の鋼板素材を打抜いてモータを作製した。そして、これらモータの最大効率を測定した。モータ効率は入力に対する出力の比、すなわちモータ効率＝（出力／入力）× 100（％）で表される。そこで、モータの回転数を種々に変化させ、上記したモータ効率の最大値（モータの最大効率）を求めた。
なお、素材特性の評価に際しては、圧延方向および圧延直角方向のエプスタイン試験片（各々Ｌ片、Ｃ片という）を用いた磁気測定を行った。また、商用周波数だけでなく、50 kHzまでの高周波域における磁気測定を行い、これらを詳細に解析検討した。
その結果、励磁磁束密度：1.5 Ｔ、励磁周波数：800 Hzにおける圧延方向（Ｌ方向）および圧延直角方向（Ｃ方向）の平均鉄損Ｗ15/800(L+C) と磁束密度が 1.8Ｔとなるまで磁化した時の残留磁束密度Ｂr1.8がモータ効率に与える影響がとりわけ大きいことが判明した。
【００１５】
図１に、定格が 300Ｗのスイッチトリラクタンスモータの最大効率に及ぼす素材の鉄損Ｗ15/800(L+C) と残留磁束密度Ｂr1.8の影響について調べた結果を示す。
同図に示したとおり、モータの最大効率は、鉄損Ｗ15/800(L+C) が 150 W/kg以下でかつ、残留磁束密度Ｂr1.8が 1.0Ｔ以下を満足する場合に、とりわけ良好であることが分かる。
【００１６】
上記したように、鉄損Ｗ15/800(L+C) と残留磁束密度Ｂr1.8が、この発明の適正範囲を満足する素材を使用した場合において、とりわけ良好なモータ特性が得られる理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推察できる。
すなわち、スイッチトリラクタンスモータの励磁方法としては幾つかの方法があるが、ステータのティース部において磁極の反転がない、片側励磁によるものが主体である。
【００１７】
つまり、まず第一に、鉄心材料にとっては、Ｂ−Ｈループいわゆるヒステリシスループにおける磁束密度Ｂが正または負の片側だけで磁化される。
図２(b) に、この状態を、通常の状態（同図(a))と比較して示す。
この場合には、磁化力が反転することなく磁束が変化するため、磁化過程における出発点は残留磁束密度の位置となる。
この残留磁束密度が大きいと、磁化特性および渦電流特性が劣化するという問題が生じる。
モータは、ステータとロータの間にエアギャップが存在するため、実際のモータにおいては残留磁束密度はさほど大きくない。しかしながら、素材の残留磁束密度を小さくしておくことで、実際のモータにおいてもさらに小さい残留磁束密度とすることができ、これが銅損および鉄損の低減に寄与し、高効率が得られるものと考えられる。
【００１８】
また第二に、スイッチトリラクタンスモータは、スイッチング時の磁化の変化に伴う磁束密度の変化を、その回転の駆動力とするため、鉄心材料にかかる磁束密度は通常のモータよりも大きく、しかも励磁波形は正弦波からずれて大きな歪みを伴う。従って、上述の残留磁束密度も 1.8Ｔの高磁束密度域から磁化力を減じた時のものが重要になるものと考えられる。しかも、鉄損に関しても、従来のモータで検討されていた領域よりも高磁束密度かつ高周波域でのものが重要となるものと考えられる。
【００１９】
上述したとおり、この発明は、従来のモータとは磁化条件が大きく異なるスイッチトリラクタンスモータにおいて、このような特殊な磁化条件を十分に考慮した上で素材特性を詳細に検討した結果、完成されたものである。
【００２０】
次に、この発明において、素材の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.0050mass％以下
Ｃは、γ域を拡大し、α−γ変態点を低下させることから、焼鈍中にγ相がα粒界にフィルム状に生成しα粒の成長を抑制するため、Ｃは基本的に少なくする必要がある。また、SiやAl等のα相安定化元素を多量に含有し、全温度域でγ相が生成しない場合でも、Ｃ量が0.0050mass％を超えると鉄損特性の時効劣化を引き起こすおそれがある。従ってこの発明では、Ｃ量は0.0050mass％以下に限定した。
【００２１】
Si：0.1 〜7.0 mass％
Siは、鋼の比抵抗を高めて鉄損を低下させるだけでなく、磁壁エネルギーを低下させて残留磁束密度を低減させる効果を有する。しかしながら、含有量が0.1 mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 7.0mass％を超えると飽和磁束密度を低下させ、磁化特性の劣化を招くので、Siは 0.1〜7.0 mass％の範囲に限定した。好ましくは 0.3〜4.6 mass％である。
Mn：0.1〜2.5 mass％
Mnも、SiやAlほどではないが鋼の比抵抗を高め、鉄損を低下させる効果がある。また、熱間圧延性を改善する効果があるので、少なくとも 0.1mass％を含有させることとした。しかしながら、あまりに多量に含有されると冷間圧延性の劣化を招くので、上限は 2.5mass％とした。
【００２２】
以上、必須成分について説明したが、この発明では、その他にも必要に応じて以下の元素を適宜添加することができる。
Al：0.1 〜2.5 mass％またはAl：0.01mass％以下
Alは、Siと同様、鋼の比抵抗を高め鉄損を低下させるのに有効な元素であり、そのためには 0.1mass％以上添加することが好ましい。しかしながら、含有量が2.5 mass％を超えると連続鋳造でのモールドとの潤滑性が低下し鋳造が困難となるので、Alを含有させる場合には 0.1〜2.5 mass％の範囲とすることが好ましい。
また、上記したような比抵抗向上元素として利用しない場合には、0.01mass％を超え0.10mass％までの添加範囲ではむしろ粒成長性を阻害し、鉄損特性を劣化させるので、この場合にはAlは0.01mass％以下に抑制することが好ましい。
【００２４】
Ｐ：0.1 mass％以下
Ｐも、SiやAlほどではないが鋼の比抵抗を高め、鉄損を低下させる効果があり、また粒界偏析により冷延再結晶後の集合組織を改善して磁束密度を向上させる効果があるので、必要に応じて添加してもよい。しかしながら、過度の粒界偏析は粒成長性を阻害し鉄損を劣化させるので、その上限は 0.1mass％とする。
【００２５】
Sb：0.005 〜0.120 mass％
Sbは、集合組織を改善して磁束密度を向上させるだけでなく、鋼板表層の酸窒化を抑制し、さらにこれに伴う表層微細粒の生成を抑制することにより表面硬度の上昇を抑えて、打抜き加工性を向上させる作用がある。また、残留磁束密度を低減する上でも有用な元素である。しかしながら、含有量が 0.005mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.120mass％を超えると粒成長性が阻害され磁気特性の劣化を招くので、Sbは 0.005〜0.120 mass％の範囲で含有させることが好ましい。
【００２６】
Sn：0.005 〜0.25mass％
Snも、Sbと同様の目的で添加しても良いが、含有量が 0.005mass％未満ではその効果はなく、一方0.25mass％を超えると粒成長性が阻害され磁気特性が劣化するので、含有量は 0.005〜0.25mass％とすることが好ましい。
【００２７】
その他、Ni，CuおよびCr等も比抵抗を高める元素であるので、添加してもよいが、いずれも10mass％を超えると圧延性が劣化するので、10mass％以下で添加することが好ましい。
【００２８】
また、Ｓは、析出物、介在物を形成し、粒成長性を阻害するので、その混入は極力低減する必要があるが、混入量が0.01mass％以下であれば許容できる。
【００２９】
次に、この発明の製造条件について説明する。
熱延条件については、省エネルギーのため、スラブ加熱温度は1200℃以下とした。
また、熱延板焼鈍を行う場合には、焼鈍温度が 800℃以上でないと磁束密度を向上させるのが難しいので、800 ℃以上の温度域で行うことが好ましい。
【００３０】
ついで、１回または中間焼鈍を含む２回の圧延を施すが、この冷間圧延において、集合組織を適正とするためには、60℃以上の温度域で少なくとも25％の圧下を施すことが重要である。
つまり、高周波・高磁束密度域での鉄損を低減するには、磁化容易軸である＜１００＞が圧延方向およびその直角方向にほぼ平均して配向しているのが理想的であり、しかも高磁束密度域において有利な＜１１１＞をある程度含んでいることが好ましいと考えられる。しかしながら、圧延温度が60℃に満たなかったり、圧下率が25％に満たないと、上記のような集合組織の生成が不十分となり、良好な磁気特性が得られない。
なお、かかる圧延は、ゼンジマー圧延でも達成可能であるが、生産効率の観点からはタンデム圧延の方が有利である。
【００３１】
上記の冷間圧延後、仕上げ焼鈍を施すが、この際の焼鈍温度が 850℃に満たないと粒成長が不十分で、良好な鉄損および低い磁気異方性が得られないので、仕上げ焼鈍温度は 850℃以上とする必要がある。
さらに、冷却時における張力が４ MPaを超えると、残留磁束密度特性が劣化するので、冷却時における付与張力は４ MPa以下に制限した。
【００３２】
実施例１
表１に示す成分組成になる鋼スラブを、通常のガス加熱炉により1150℃に加熱したのち、熱間圧延により 2.5mm厚の熱延板とした。ついで、880 ℃で10秒間の熱延板焼鈍後、４スタンドのタンデム圧延機を用いて最終板厚：0.35mmに仕上げた。この時、４パス目はスタンド入側温度：70℃、圧下率：32％の条件で行った。その後、920 ℃で仕上げ焼鈍を施したのち、３ MPaの張力下で冷却してから、コーティング処理を施して製品板とした。
かくして製品板から、素材評価のためＬ，Ｃ方向のエプスタイン試験片を採取し、磁気特性を測定した。また、300Wのスイッチトリラクタンスモータを試作して、そのモーター効率を測定した。
得られた結果を整理して表２に示す。
【００３３】
【表１】
0004284870.tif 000002
【００３４】
【表２】
0004284870.tif 000003
【００３５】
表２から明らかなように、鉄損Ｗ15/800(L+C) が 150 W/kg 以下で、かつ残留磁束密度Ｂr1.8が 1.0Ｔ以下の材料を素材として用いた場合に，とりわけ良好なモータ効率が得られている。
【００３６】
実施例２
表１に示した鋼Ｇ，Ｈ，Ｋ，Ｌを素材として製品板を製造するに際し、表３に示すようにタンデム圧延条件および焼鈍温度を種々に変化させて、冷間圧延および仕上げ焼鈍を行った。
なお、冷間圧延に使用したタンデム圧延機は４スタンドからなり、このうちスタンド入側温度が一番高いものについて、入側温度と圧下率を示した。また、スラブ加熱、熱延板焼鈍およびコーティング処理は実施例１と同じ条件で行った。
かくして得られた製品板から、素材評価のためＬ，Ｃ方向のエプスタイン試験片を採取し、磁気特性を測定した。また、300Wのスイッチトリラクタンスモータを試作して、そのモーター効率を測定した。
得られた結果を表３に併記する。
【００３７】
【表３】
0004284870.tif 000004
【００３８】
表３に示したとおり、本発明に従えば、高周波・高磁束密度域における鉄損が低く、かつ残留磁束密度が小さい電磁鋼板を得ることができ、ひいてはかかる鋼板を素材として用いることによって、スイッチトリラクタンスモータのモータ効率を格段に向上させることができた。
【００３９】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、高周波・高磁束密度域における鉄損が低く、かつ残留磁束密度が小さい無方向性電磁鋼板を得ることができ、ひいてはかような高周波・高磁束密度域における磁気特性に優れた鋼板を素材として使用することにより、高効率のリラクタンスモータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  定格が 300Ｗのスイッチトリラクタンスモータの最大効率に及ぼす素材の鉄損Ｗ15/800(L+C) と残留磁束密度Ｂr1.8の影響を示した図である。
【図２】  通常の励磁と片側励磁のヒステリシスループ（Ｂ−Ｈループ）の違いを比較して示した図である。
【図１】
0004284870.tif 000005
【図２】
0004284870.tif 000006