(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層した電磁鋼板からなり、周方向に６０ＭＰａ以上の圧縮応力が付与されるモータコアにおいて、上記モータコアを構成する電磁鋼板のバックヨーク部にショットブラスト加工が施されてなることを特徴とするモータコア。
【請求項２】
上記電磁鋼板は、直径が０．１〜２ｍｍの球状粒子を投射圧力０．１〜５ＭＰａでショットブラスト加工してなるものであることを特徴とする請求項１に記載のモータコア。
【請求項３】
上記電磁鋼板は、Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．０１０ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする請求項１または２に記載のモータコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械等の駆動モータのように、高速回転かつ高周波数域で駆動されるモータのコアに関し、具体的には、焼き嵌め等による圧縮応力の存在下においても鉄損劣化が小さい（鉄損増加が小さい）モータコアに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工作機械等の駆動モータには、加工精度の向上を図る観点から、数万ｒｐｍの高速度で回転するものが用いられており、その駆動には、最高周波数が数ｋＨｚ程度の電源が使用されている。さらに、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式のインバータ制御がなされているものでは、数１０ｋＨｚのキャリア周波数が重畳されて使用されている。そのため、このようなモータのコア（ステータ、ロータ）に用いられている無方向性電磁鋼板には、エネルギー効率を向上する観点から、高周波鉄損の低い特性を有することが必要であり、通常、このような用途には、ＳｉとＡｌの合計含有量が３〜４ｍａｓｓ％程度のハイグレードの電磁鋼板が使用されている。
【０００３】
ところで、近年、高速モータの低コスト化を図る観点から、ステータを「分割コア」とすることが検討されている。この分割コアでは、コアをモータケースに固定する手段として、主に焼き嵌め法が適用されている。この場合、焼き嵌められたステータコアの周方向には４０〜２００ＭＰａ程度の大きな圧縮力が加わる。そして、このような大きな圧縮応力下では、コアを構成している電磁鋼板の磁気特性は大きく低下（鉄損が増大）し、モータ効率も大きく低下することが知られている。したがって、このような圧縮応力が付与された状態で駆動されるモータのコアに用いられる材料には、圧縮応力による鉄損劣化が小さい特性が強く求められている。
【０００４】
斯かる要求に応える材料としては、例えば、特許文献１には、Ｓｉ：２．６〜４ｍａｓｓ％を添加して比抵抗を５０〜７５×１０−８Ωｍとし、さらに、平均結晶粒径を６０μｍ超１６５μｍ以下とした無方向性電磁鋼板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０２３１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の無方向性電磁鋼板は、現在市販されているハイグレード電磁鋼板と同等レベルの固有抵抗、結晶粒径でしかない。そのため、この材料を用いてモータコアを製造したとしても、圧縮応力による鉄損劣化の程度は従来材と大きく異なるものではない。そのため、鉄損の応力依存性をさらに小さくできる技術の開発が求められている。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、圧縮応力の存在下においても高周波での鉄損特性の劣化が小さいモータコアを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討した。その結果、ステータを構成する電磁鋼板（以降、「ステータコア材」とも称する。）のバックヨーク部にショットブラスト加工を施すことにより、圧縮応力による鉄損特性の劣化を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。
【０００９】
すなわち、本発明は、積層した電磁鋼板からなり、周方向に６０ＭＰａ以上の圧縮応力が付与されるモータコアにおいて、上記モータコアを構成する電磁鋼板のバックヨーク部にショットブラスト加工が施されてなることを特徴とするモータコアである。
【００１０】
本発明のモータコアにおける上記電磁鋼板は、直径が０．１〜２ｍｍの球状粒子を投射圧力０．１〜５ＭＰａでショットブラスト加工してなるものであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のモータコアにおける上記電磁鋼板は、Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５〜３ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．０１０ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い圧縮応力の存在下においても高周波での鉄損増加が小さいモータコアを提供することができる。したがって、本発明によれば、焼き嵌め等によって高い圧縮応力が付与された状態で使用される工作機械等の高速回転モータの低鉄損化、高効率化に大いに寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のモータコアを説明する模式図である。
【図２】ステータコアの高周波鉄損を測定する方法を説明する図である。
【図３】圧縮応力がモータコアの鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。
【図４】本発明のモータコアの他の例を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
先ず、本発明の基本的な技術思想について説明する。
先述したように、分割コア構造を採用したモータコア（ステータコア）は、モータケース（ハウジング）への固定は、主として焼き嵌め法を用いて行われている。この場合、焼き嵌めによりモータコアの周方向に付与される圧縮応力は、４０〜２００ＭＰａ程度である。そして、斯かる圧縮応力は、モータコアを構成する電磁鋼板の鉄損特性を劣化させ、ひいては、モータ効率を大きく低下させる。そのため、圧縮応力下においても鉄損特性の劣化が小さいモータコアが望まれている。
【００１５】
そこで、発明者らは、モータのステータを構成する電磁鋼板の圧縮応力下における高周波鉄損特性について調査したところ、圧縮応力の存在下では、ヒステリシス損だけでなく、渦電流損も増加していることが明らかとなった。なお、工作機械等に用いられる高速回転するモータは、基本周波数が数ｋＨｚの高周波だけでなく、インバータ制御のため、数１０ｋＨｚの高調波も重畳されて駆動されているのが一般的である。したがって、高周波鉄損特性を改善するには、渦電流損の増加を抑制することが重要な課題となる。
【００１６】
そこで、圧縮応力の存在下で渦電流損が増加する原因について調査したところ、材料に圧縮応力が付与されると、鋼板内の磁化ベクトルは、圧縮応力を緩和するため、鋼板の板面内で圧縮応力と直角方向に向くよう変化する。そのため、この鋼板を磁化しようとすると、圧縮応力がない場合と比べて磁化ベクトルの向きを大きく変化させることが必要となり、そのための異常渦電流が鋼板板面内に流れるため、無応力のときに比べて渦電流損が増加することが明らかとなった。
【００１７】
そこで、発明者らは、圧縮応力が付与されても、渦電流損が増大しないモータコア（ステータ）について検討を重ねた。その結果、圧縮応力が付与されるステータのコアバック部の磁区幅を、何らかの手段で微細化できれば、焼き嵌めによる鉄損特性の劣化を抑制できるのではと考え、磁区細分化手段として、電磁鋼板表面にショットブラスト加工を施すことに想到した。すなわち、ステータを構成する積層された電磁鋼板（ステータコア材）のバックヨーク部にショットブラスト加工を施すことで、鋼板板面内に流れる渦電流の経路を小さくすることができ、ひいては、渦電流による鉄損の増加を効果的に抑制できるのではないかと考えた。
【００１８】
上記考えを検証するため、以下の実験を行った。
Ｓｉ：３．５ｍａｓｓ％−Ａｌ：１ｍａｓｓ％−Ｍｎ：０．３ｍａｓｓ％−Ｓ：０．００３ｍａｓｓ％−Ｎ：０．００１０ｍａｓｓ％−Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％の成分組成からなる板厚：０．３５ｍｍの冷延無方向性電磁鋼板を用いて、外径：８０ｍｍφ、バックヨーク幅：１５ｍｍで、１２スロットのステータコア材を打抜加工し、次いで、上記ステータコア材のバックヨーク部に、図１に示したように、直径が０．５ｍｍφの鋼球を投射圧力０．５ＭＰａで吹き付けてショットブラスト加工を施した。なお、このショットブラスト加工によって、鋼板表面に被覆された絶縁被膜は損傷を受けるため、改めてコアバック部に有機無機の絶縁被膜を塗布した。
【００１９】
次いで、上記ステータコア材を積み厚２５ｍｍに積層してステータコアを作製し、モータケースを模した非磁性のＡｌ合金製リングに、焼き嵌め代を０〜１００μｍの範囲で変化させて焼き嵌め、固定した。この際、焼き嵌めにより発生する周方向の圧縮応力を、バックヨーク中央部に歪みゲージを貼り付けて測定した。ここで、焼き嵌め代が０μｍとは、ステータコアがリングにまったく固定されていないフリーな状態を意味している。
【００２０】
次いで、上記Ａｌ合金製リングに固定したステータコアに、図２のように、Ａｌ合金製リングも含めてバックヨーク部の周囲に励磁コイルおよびピックアップコイルを巻き線し、モータコア円周方向の高周波鉄損（Ｗ１０／３ｋ）を測定した。図３は、上記測定の結果を、焼き嵌めによって発生したステータ周方向の圧縮応力と高周波鉄損との関係として示したものである。なお、上記圧縮応力は、ショットブラスト加工を施していないコアの実測値であり、同じ焼き嵌め代で焼き嵌めたショットブラスト加工を施したコアもその値を用いた。その理由は、ショットブラスト加工後の表面は粗いため、歪ゲージで圧縮応力を正確に測定することが難しいからである。
【００２１】
図３から、焼き嵌めを行わない圧縮応力が０ＰＭａのモータコアでは、ショットブラスト加工により鉄損は大きく増加するが、圧縮応力による鉄損の増大を抑制できるので、焼き嵌めによる圧縮応力が４０ＭＰａ以上発生するモーコアでは、逆に、バックヨーク部にショットブラスト加工を施さないモータコアより鉄損が低くなっていることがわかる。
【００２２】
そこで、ショットブラスト加工により鉄損が低下する原因を調査するため、焼き嵌めしたコアの鉄損分離を行ったところ、ヒステリシス損はショットブラスト加工により増加するが、渦電流損は、ショットブラスト加工によって大きく低下していることが明らかとなった。ショットブラスト加工により渦電流損が低下する原因は、まだ明確となっていないが、ショットブラスト加工による歪によって磁区幅が小さくなったためと考えられる。
【００２３】
また、焼き嵌めしないコアで、ショットブラスト加工により鉄損が増加した理由は、ショットブラスト加工による歪によってヒステリシス損が増加したためと考えられる。したがって、焼き嵌め応力が発生していないティース部にショットブラスト加工を施すことは、却って鉄損の上昇を招くことになると考えられることから、本発明では、ショットブラスト加工は、圧縮応力が付与されるコアバック部のみに行うこととした。
【００２４】
なお、ショットブラスト加工は、図１に示したように、バックヨーク部の全周に亘って施してもよく、また、図４に示したように、ティース接続部を除いたバックヨーク部のみに施すようにしてもよい。
【００２５】
なお、ショットブラスト加工に用いる投射材（ショット材）の材質は、球形粒子であれば特に制限はなく、金属系、セラミック系いずれでもよいが、コスト面からは、アトマイズ法等で作製された鋼球（スチールショット、スチールビーズ）を用いることが望ましい。また、上記投射材の大きさは、直径が０．１〜ｍｍφのものが好ましい。０．１ｍｍ未満では、投射材コストが高くなり、一方、直径が２ｍｍを超えると、ショットブラストによる歪みが大きくなりすぎて、鉄損特性の改善効果が得られなくなるためである。
【００２６】
また、ショットブラスト加工する際の投射圧力は、０．１〜５ＭＰａの範囲とするのが好ましい。投射圧力が０．１ＭＰａ未満では、磁区を細分化するための十分な歪みを与えることができず、一方、５ＭＰａを超えると、逆に歪みが大きくなってヒステリシス損が増加し、鉄損低減効果が得られなくなるからである。
なお、投射方法は、同程度のショットブラスト効果が得られれば、上記のような空気式の他に、機械式を用いてもよいことはもちろんである。
【００２７】
また、本発明において、モータコアに発生した圧縮応力の値を４０ＭＰａ以上に制限する理由は、４０ＭＰａ未満では、図３に示したように、ショットブラスト加工による鉄損低減効果が得られないからである。
【００２８】
次に、本発明のモータコアの素材となる電磁鋼板の成分組成について説明する。
Ｓｉ：７ｍａｓｓ％以下
Ｓｉは、鋼の固有抵抗を高めるのに有効な元素であるが、７ｍａｓｓ％を超えて添加すると、飽和磁束密度の低下に伴い、モータコアの磁束密度も低下するようになる。また、最終板厚に圧延する際、たとえ温間圧延しても板破断を起こすおそれがあるため、上限は７ｍａｓｓ％とするのが好ましい。なお、下限は特に制限しないが、固有抵抗を高める観点からは、０．１ｍａｓｓ％以上であることが好ましい。より好ましくは１〜４ｍａｓｓ％の範囲である。
【００２９】
Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下
Ａｌは固有抵抗を高めるのに有効な元素であるが、３ｍａｓｓ％を超えると飽和磁束密度が低下するのに伴い、モータコアの磁束密度も低下するため、上限は３ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは２ｍａｓｓ％以下である。
【００３０】
Ｍｎ：０．０５〜３ｍａｓｓ％
Ｍｎは、Ｓによる赤熱脆性を防止するために必要な元素であり、０．０５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、３ｍａｓｓ％を超えて添加すると、飽和磁束密度が低下するため、上限は３ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは、０．１〜２ｍａｓｓ％の範囲である。
【００３１】
Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｓは、不可避的に混入してくる不純物であり、その含有量が多くなると、硫化物系介在物が多量に形成されて、鉄損が増加する原因となる。よって、本発明では、上限を０．００５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは０．００２ｍａｓｓ％以下である。
【００３２】
Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｎは、Ｓと同様、不可避的に混入してくる不純物であり、含有量が多いと窒化物が多量に形成されて、鉄損が増加する原因となるため、上限は０．００５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
【００３３】
Ｏ：０．０１０ｍａｓｓ％以下
Ｏは、ＳやＮと同様、不可避的に混入してくる不純物であり、含有量が多いと酸化物系介在物が多量に形成されて、鉄損が増加する原因となるため、上限は０．０１０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
【００３４】
本発明のモータコアに用いる電磁鋼板は、上記成分以外の残部はＦｅおよび不可避不純物である。ただし、本発明の効果を害さない範囲内であれば、上記以外の成分の含有を拒むものではない。
【００３５】
なお、本発明のモータコアが適用できるモータは、モータコアに圧縮応力が付与されるものであれば、いずれの形式のものでもよく、例えば、集中巻形式の永久磁石モータ、分布巻き形式の永久磁石モータ、分割コアタイプの永久磁石モータ、誘導モータ、リラクタンスモータ等に適用することができる。
【実施例】
【００３６】
転炉−脱ガス処理等の通常公知の精錬プロセスで、表１に示す成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造して鋼スラブとした。次いで、この鋼スラブを１１４０℃×１ｈｒの再加熱後、仕上圧延終了温度を８００℃とする熱間圧延で板厚２．０ｍｍの熱延板とし、６１０℃で巻き取った後、この熱延板を１０００℃×３０ｓｅｃで熱延板焼鈍し、酸洗し、冷間圧延して、板厚が０．３５ｍｍおよび０．２０ｍｍの冷延板とし、９５０℃×１０ｓｅｃの仕上焼鈍を施した後、絶縁被膜を被成して、各種の無方向性電磁鋼板を製造した。
【００３７】
【表１】
0005707816.tif 000002
【００３８】
上記電磁鋼板について、以下の評価試験に供した。
＜磁束密度Ｂ５０の測定＞
上記電磁鋼板から、幅３０ｍｍ、長さ２８０ｍｍのエプスタイン試験片を圧延方向および圧延直角方向より採取し、ＪＩＳ  Ｃ２５５０に準拠して、５０００Ａ／ｍで磁化したときの磁束密度Ｂ５０を測定した。
＜モータコアの鉄損測定＞
上記無方向性電磁鋼板を、図１と同じ１２スロットで、外径：８０ｍｍφ、バックヨーク幅：１５ｍｍのステータコア材に打抜加工した後、表１に示した各種条件でステータコア材のバックヨーク部にショットブラスト加工を施した。なお、投射口と被投射材の間は５０ｍｍとした。次いで、ショットブラスト加工を施したコア材表面に、有機無機の絶縁被膜を塗布した後、積み厚：２５ｍｍに積層し、ステータコアを作製し、このステータコアを、内径が約８０ｍｍφの非磁性のＡｌ合金製リングに、焼き嵌め代を０〜１００μｍの範囲で変えて焼き嵌めし、ステータの周方向に圧縮応力を発生させた。なお、上記圧縮応力は、ステータのバックヨーク中央部に貼り付けた歪みゲージを用いて測定した。次いで、図２に示したように、Ａｌ合金製リングも含めてバックヨーク部の周囲に励磁コイルおよびピックアップコイルを巻き線し、周波数３ｋＨｚ、最大磁束密度１Ｔにおけるモータコア円周方向の鉄損Ｗ１０／３ｋを測定した。
【００３９】
表１に、上記測定の結果を併記して示した。この結果から、本発明に適合する条件でショットブラスト加工を施したステータコアは、圧縮応力下における鉄損特性の劣化を抑制できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のモータコア技術は、工作機械等に用いられる高速回転モータのほか、エアコンのコンプレッサ用モータ、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）等の駆動モータや発電機等、焼き嵌め等によって圧縮応力が負荷された状態で駆動される高速モータに適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１：ステータコア
２：ショットブラスト加工位置
３：ロータ
４：永久磁石
５：Ａｌ合金製リング（非磁性）
６：巻き線
【図１】
0005707816.tif 000003
【図２】
0005707816.tif 000004
【図３】
0005707816.tif 000005
【図４】
0005707816.tif 000006