(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板を打ち抜き加工することにより形成されたモータ用ロータであって、かつ、磁石を内部に具備し、前記磁石を挿入する磁石挿入孔が前記ロータの円周方向に複数形成されたモータ用ロータにおいて、
前記磁石挿入孔と外周部との間、もしくは隣り合う磁石挿入孔間に形成されたブリッジ部のうち、
ロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部において、
前記ブリッジ部での磁石挿入孔側端面の表面粗さはＲmaxで20μm以下であり、
打ち抜き加工前の素材鋼板硬度は230ＨＶ以下であり、
前記端面の鋼板硬度は270ＨＶ以上であり、
前記端面から100μmまでの深さ領域における直径1μm以上のボイド数は100個/mm2以下である
ことを特徴とする高速モータ用ロータ。
【請求項２】
以下の式で示される硬度上昇量が100ＨＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載の高速モータ用ロータ。
硬度上昇量＝打ち抜き加工後の前記端面の鋼板硬度−打ち抜き加工前の素材鋼板硬度
【請求項３】
前記硬度上昇量はファインブランキング加工により得られることを特徴とする請求項２に記載の高速モータ用ロータ。
【請求項４】
磁石を具備し、前記磁石を挿入する磁石挿入孔が前記ロータの円周方向に複数形成されたモータ用ロータを製造するにあたり、前記磁石挿入孔と外周部との間、もしくは隣り合う磁石挿入孔間に形成されたブリッジ部のうち、
ロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部のみにファイ
ンブランキング加工を行うことを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載のモータ用ロータを製造するにあたり、ロータに加工後、前記磁石挿入孔と外周部との間、もしくは隣り合う磁石挿入孔間に形成されたブリッジ部のうち、
ロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部端面に垂直方向に塑性変形を加えることを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電気自動車用モータ等に用いられる高速モータ用ロータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車用モータ等は小型化、高効率化の観点により高周波域での駆動が行われており、このようなモータとしては、高効率化の観点からロータ内部に永久磁石を埋め込んだ内部磁石型モータ（IPMモータ）が多く使用されている。
IPMモータでは、高速回転した場合、ロータに埋め込まれている磁石が大きな遠心力を受けることになり、この遠心力により磁石がロータの径方向に飛び出そうとする力が加わる。さらに、車の加減速にともないモータの回転数が大きく変動するため、応力も常に変動することとなる。このため、ロータには磁気特性以外に疲労特性に優れていることも要望されている。
【０００３】
上記に対して、例えば、特許文献１では、素材面から検討を行い、疲労特性に優れた無方向性電磁鋼板として、重量％で、Ｃ：0.005％以下、Si：4.0％以下、Mn：0.05〜1.5％、Ｐ：0.2％以下、Ｎ：0.005％以下Al：0.1〜1.0％、Ｓ：0.0009％以下、Ca：0.0005〜0.005％を含有し、残部が実質的にFeからなる電磁鋼板を開示している。
【特許文献１】特開平１１−２９３４２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電磁鋼板は打ち抜きによりロータ形状に加工されて使用されるため、端面粗さが大きく、平滑に加工した場合の素材の疲労特性に比べ、実部品では疲労特性が大きく劣る。特許文献１をもってしても充分な疲労特性は得られない。
打ち抜き加工における疲労特性を向上させるためには、結晶粒の細粒化が有効である。しかし、細粒化はロータ全体の鉄損を増大させるため電磁鋼板における疲労特性の改善手法としては望ましくない。
このような現状を受けて、ロータ全体の磁気特性を劣化させることなく疲労特性を改善する手法が、現在、望まれている。
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、疲労特性に優れた高速モータ用ロータおよびその製造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】
【０００５】
上記課題に対して本発明者らが鋭意検討した。その結果、遠心力に起因した応力が最大となるロータのブリッジ部に着目し、ブリッジ部の端面の粗さを低減し、かつ、ブリッジ部端面の硬度を制御すること、さらには、ブリッジ部端面のボイドを制御することにより疲労強度が向上することを見い出した。
【０００６】
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］鋼板を打ち抜き加工することにより形成されたモータ用ロータであって、かつ、磁石を内部に具備し、前記磁石を挿入する磁石挿入孔が前記ロータの円周方向に複数形成されたモータ用ロータにおいて、前記磁石挿入孔と外周部との間、もしくは隣り合う磁石挿入孔間に形成されたブリッジ部のうち、ロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部において、前記ブリッジ部での磁石挿入孔側端面の表面粗さはＲmaxで20μm以下であり、打ち抜き加工前の素材鋼板硬度は230ＨＶ以下であり、前記端面の鋼板硬度は270ＨＶ以上であり、前記端面から100μmまでの深さ領域における直径1μm以上のボイド数は100個/mm2以下であることを特徴とする高速モータ用ロータ。
［２］前記［１］において、以下の式で示される硬度上昇量が100ＨＶ以上であることを特徴とする高速モータ用ロータ。
硬度上昇量＝打ち抜き加工後の前記端面の鋼板硬度−打ち抜き加工前の素材鋼板硬度
［３］前記［２］において、前記硬度上昇量はファインブランキング加工により得られることを特徴とする高速モータ用ロータ。
［４］磁石を具備し、前記磁石を挿入する磁石挿入孔が前記ロータの円周方向に複数形成されたモータ用ロータを製造するにあたり、前記磁石挿入孔と外周部との間、もしくは隣り合う磁石挿入孔間に形成されたブリッジ部のうち、ロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部のみにファインブランキング加工を行うことを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
［５］前記［１］または［２］に記載のモータ用ロータを製造するにあたり、ロータに加工後、前記磁石挿入孔と外周部との間、もしくは隣り合う磁石挿入孔間に形成されたブリッジ部のうち、ロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部端面に垂直方向に塑性変形を加えることを特徴とする高速モータ用ロータの製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、磁気特性が劣化することなく、疲労特性に優れた高速モータ用ロータが得られる。そして、疲労特性が改善されることでモータの高効率化が可能となり、産業上有益な発明といえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実験結果に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明における高速モータ用ロータとは、繰り返し遠心力が付与されるロータであり、素材として鋼板を用い、その鋼板を所定の形状に打ち抜き加工することにより得られる。そして、内部には、高効率化の観点から、例えば、複数の永久磁石が内部に埋め込まれている。その際、図１（ａ）に示すようなロータの場合、隣り合う磁石挿入孔との間に形成されるブリッジ部（Ａ部）において、磁石に生じる遠心力に起因する応力が大きくなる。また、図１（ｂ）に示すようなロータの場合、磁石挿入孔と外周部の間に形成されるブリッジ部（Ｂ部）において、磁石に生じる遠心力に起因する応力が大きくなる。このような部分では、繰り返し付与される遠心力により、局所的な繰り返し応力を受け、疲労破壊へと至りやすくなる。
本発明においては、上記モータ用ロータでの、ロータ回転時に磁石に生ずる遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部において、１）ブリッジ部の磁石挿入孔側端面の表面粗さはＲmaxで20μm以下であり、２）打ち抜き加工前の素材鋼板硬度は230ＨＶ以下であり、３）前記端面の鋼板硬度は270ＨＶ以上であり、４）前記端面から100μmまでの深さ領域における直径1μm以上のボイドが100個/mm2以下とす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、このようにブリッジ部の端面粗さ、硬度、さらにはボイド数を制御することにより、磁気特性が劣化することなく疲労特性に優れた高速モータ用ロータが得られることになる。なお、本発明において、磁石に生ずる遠心力に起因した応力が最大となるブリッジ部について、前記図１（ａ）のようにブリッジ部端面が遠心力により生ずる応力方向と略並行な場合は、ブリッジ端面全体について、前記1）〜４）を満たすものとし、前記図１（ｂ）のようにブリッジ端面が遠心力により生ずる応力方向と並行ではない場合、応力が最も高くなるブリッジ部の端面位置から、最大応力の0.7倍となる部分の端面位置までについて、前記1）〜４）を満たすものとする。
【０００９】
また、前記図１（ｂ）のように、ブリッジ部が磁石挿入孔と外周部との間に形成される場合は、ブリッジ部端面のうち、少なくとも磁石挿入孔側の端面について、前記1）〜４）を満たすものとする。
【００１０】
以下に個々の限定理由について説明する。
１）ブリッジ部の磁石挿入孔側端面の表面粗さはＲmaxで20μm以下
平均して粗さを制御しても１カ所でもクラックが存在すればそこが起点となり疲労特性は劣化する。この点を考慮すると、平均的な粗さではなく絶対的な粗さを規定し、クラックのイニシエーションを防止することが疲労特性向上には有効と考えられる。そこで、ブリッジ部端面粗さの指標としてＲmaxを選択し、ブリッジ部端面粗さと疲労強度との関係について調査した。
まず、図1（ａ）に示すようなロータをクリアランス5％の金型にて打ち抜き作製した。コア素材としては、Siを2.5mass％含有する板厚0.35mmの電磁鋼板を用いた。図１（ａ）に示すロータにおいて、遠心力に起因する応力は、隣り合う磁石挿入孔間に形成されたブリッジのうち、磁石挿入孔を分割した形状になるブリッジ部（図１中Ａ部、板幅1.5mm）で最も大きくなる。そこで、Ａの部分より図2に示す形状の疲労試験片を切り出し、打ち抜きままと、端面の表面粗さを変えての疲労試験を行った。なお、疲労試験片の端面での表面粗さは、種々の粗さのペーパー研磨を行うことで変化させた。さらに、表面粗さは図2に示すように板厚中央部および打ち抜きのパンチ側とダイス側の3箇所で板厚と直角方向に3mm測定した。パンチ側とダイス側の粗さ測定位置は、それぞれ板厚の中央から0.07mm（板厚の20％）の部分を測定した。これは、板厚の中央部から±20％の部分には打ち抜きにより引っ張り応力が強く残留しており、この部分の性状が疲労特性に影響を及ぼすと考えられるからである。また、Rmaxはそれぞれの箇所にて求め、その平均値を端面粗さとした。疲労試験は引張り-引張り、応力比0.1、周波数20Hzにて行い、107回の繰り返しにおいても破断が生じない応力振幅を疲労限とした。得られた結果を図３に示す。
【００１１】
図3より端面での表面粗さを20μm以下に低減することにより疲労限が向上することがわかる。
端面での表面粗さ低減により疲労限が向上した理由は、ロータ端面の応力集中が低下したためと考えられる。以上よりロータブリッジ部の端面での表面粗さはRmaxで20μm以下とする。
端面での表面粗さを低減する手法としては、特に限定しないが、例えば、ファインブランキング法があげられる。ファインブランキング法はモータの打ち抜きには通常適用されていなかった。これはファインブランキングにより、鋼板端面近傍に大きな歪みが導入されるため、コア材の透磁率が著しく劣化し、それに伴い鉄損が増加するためである。これに対し、本発明においては、ロータのブリッジ部では、磁石間の磁束の渡りを防止する観点から、むしろ透磁率は低いほうが好ましく、この点からファインブランキング法はロータのブリッジ部に対しては好ましく、端面での表面粗さを低減する手法として好適に用いることができる。
【００１２】
２）打ち抜き加工前の素材鋼板硬度は230ＨＶ以下であり、３）ブリッジ部の磁石挿入孔側端面の鋼板硬度は270ＨＶ以上
次に、端面硬度と疲労強度との関係を調査した。ファインブランキング加工を行った材料の端面をサンドペーパーで研磨し、端面の硬度上昇部を取り除く量を変えることにより、硬度上昇量を変化させた材料を作製し、図３と同様の方法により疲労試験を行った。この際、硬度量(HV0.2)を調整したのち、端面を再度粗さの違うサンドペーパーで研磨することにより端面粗さRmaxが10μmと30μmの材料を作製した。
図4に端面硬度と疲労限との関係を示す。なお、ここで、硬度は板厚中央部の端面での硬度を測定した。図4より端面粗さRmaxが10μmの材料では端面硬度が270ＨＶ以上となった場合に疲労限は向上することがわかる。一方、端面の粗さRmaxが30μmの材料では、端面硬度が上昇しても疲労限の向上は比較的小さかった。これは、端面粗さが大きい場合には、疲労き裂の発生が容易であり、硬度が上昇したとしても疲労き裂のイニシエーションを抑制することができないためと考えられる。
よって、以上より、ブリッジ部端面の鋼板硬度は270ＨＶ以上とする。
ここで、打ち抜き加工前の素材鋼板の硬度が270ＨＶ以上となった場合にも疲労強度は向上すると考えられる。しかし、その場合には金型損耗が激しくなるため、打ち抜き加工前の素材鋼板の硬度は金型損耗が少ない230ＨＶ以下とする。
【００１３】
４）ブリッジ部の磁石挿入孔側端面から100μmまでの深さ領域における直径1μm以上のボイドが100個/mm2以下
次に疲労特性に及ぼす材料の影響を調査するため、Si：3.0mass％を含有する鋼（tr.Al）を10チャージ溶製し、板厚0.35mmの材料を作製し、図1（ａ）に示すロータのブリッジ部（Ａ部）のみにファインブランキングを適用したコアを作製した。次いで、遠心力に起因する応力が最も大きくなるブリッジ部：Ａの部分より図2に示す疲労試験片を切り出し、疲労試験を行った。なお、疲労特性の測定方法、粗さ測定方法、硬度測定方法等は図３および図４と同様の方法で行った。試験片の端面粗さはRmax=14μm、端面硬度はHV=290であった。
その結果、粗さ、端面硬度が本発明の範囲内であるにもかかわらず疲労限が低下しているものが認められた。疲労限が低下しているこれらの組織を調査したところ、端面より20μm程度の深さの位置にボイドが発生しており、このボイドより疲労き裂が進展していることが明らかとなった。このようなボイドは酸化物、析出物等の界面から発生しているものと考えられる。
このようなボイドは通常の打ち抜き材においても発生しているものと考えられるが、通常の打ち抜きでは端面での表面粗さが大きいため、疲労き裂はボイドの部分よりも表面から発生することとなり、従来ではこのようなボイドの影響は問題となっていなかった。これに対し、本発明では端面での表面粗さを小さく制御するため、端面からの亀裂発生が抑制される。代わりに、内部のボイドからの疲労き裂が発生することとなる。ゆえに、疲労特性向上のためには、端面からの亀裂発生を抑制するのと併せて、内部のボイドからの疲労き裂発生を抑制する、すなわち、疲労き裂発生の原因となるボイドを低減することが重要となる。
そこで、疲労特性に及ぼすボイドの影響を調査するため、ボイド数と疲労限の関係を試験した。試験を行うにあたっては、Si：3.0mass％を含有する鋼（tr.Al）を用い、溶製時の真空脱ガスの時間を変えることにより酸化物量を変化させた板厚0.35mmの材料を作製し、得られた材料からファインブランキングにて疲労試験サンプルを作製した。ここで、ボイド数は断面研磨した試料を端面から100μmまでの深さ領域についてSEMにて400倍で20視野観察し、円相当直径が1μm以上のサイズのボイド数をカウントすることにより求めた。なお、端面から100μm（板幅の1/15）超えの領域では塑性変形が小さいためボイドは生成しておらず、ここでは端面から100μmまでの深さ領域での観察とした。また、直径1μm以上のボイドに着目した理由は、直径1μm未満のボイドの場合には、疲労き裂発生の起点とならないためである。図５に得られた結果を示す。
図5よりボイド数が100個/mm2を超えると疲労限が低下することがわかる。
以上よりブリッジ部端面から100μmまでの深さ領域における直径1μm以上のボイド数は100個/mm2以下とする。
【００１４】
以上により本発明の高速モータ用ロータは得られる。しかし、さらなる疲労特性の向上を目的として以下に記す構成とすることが好ましい。
図1（ａ）に示すロータをSiを2.5mass％含有する板厚0.35mmの電磁鋼板を素材として、ワイヤーカットおよびファインブランキングにて作製した。次いで、ロータにおいて遠心力に起因する応力が最も大きくなるＡの部分より図2に示す疲労試験片を切り出し、疲労試験を図３と同様の方法にて行った。得られた結果を表１に示す。
【００１５】
【表１】
0004788360.tif 000002
【００１６】
表１より、ファインブランキングの方がワイヤーカットに比べて疲労限が高くなっており、疲労強度が高いことがわかる。この原因を調査するため、加工端面のビッカース硬度（HV0.2）を調査したところ、ワイヤーカット材では端面硬度は加工前の素材硬度と同一であったが、ファインブランキング材では端面硬度は著しく上昇していることが明らかとなった。ファインブランキング材ではこの硬度上昇により材料の引張り強度が高くなり、疲労強度上昇につながったものと考えられる。
なお、通常の打ち抜きにおいてもこのような打ち抜き近傍での硬度上昇は認められるが、その上昇量はファインブランキングに比べ小さく、また、端面粗さが大きくなるため、疲労強度の上昇にはあまり寄与しない。
次に、図1（ａ）に示すロータを、ロータ全体をファインブランキング法にて作製したモータ（ア）と、ブリッジ部（Ａ部）のみにファインブランキング法を適用したモータ（イ）を作製した。素材としては、Si：2.5mass％含有する板厚0.35mmの電磁鋼板を用いた。遠心力に起因する応力が最も大きくなる図１中Ａの部分より図2に示す疲労試験片を各々切り出し、疲労試験を行うとともに、400Ｈｚにおける負荷時のモータ効率も測定した。なお、疲労試験は図３と同様の方法により行い、３相８極、インバータ周波数400Hz、キャリア周波数20kHzのモデルモータを作製し、そのモータ効率を測定した。得られた結果を表２に示す。
【００１７】
【表２】
0004788360.tif 000003
【００１８】
表2より、ロータ全体にファインブランキング法を適用した場合（ア）に比べ、ロータブリッジ部のみに適用した場合（イ）の方がモータ効率が高くなっていることがわかる。これはロータ全体にファインブランキング法を適用した場合には、高調波鉄損が発生しやすいロータ外周部の鉄損が増大するのに対し、ブリッジ部のみに適用した場合には、ロータ外周部の磁気特性劣化が小さいためと考えられる。
【００１９】
以上のことから、ロータを製造するにあたっては、ロータのブリッジ部のみにファインブランキング法を用いることが好ましい。さらに、上述したように、ファインブランキング法を用いることで端面硬度は打ち抜き加工前の素材鋼板硬度に比べて著しく上昇する。そして、硬度上昇により材料の引張り強度が高くなり、疲労強度上昇をもたらし、本発明において好ましい形態となる。よって、好ましくは以下の式で示される硬度上昇量は      100ＨＶ以上とする。
硬度上昇量＝打ち抜き加工後の前記ブリッジ部端面の鋼板硬度−打ち抜き加工前の素材鋼板硬度
また、ロータブリッジ部端面の粗さを低減し硬度を上昇させるには、端面の垂直方向に塑性変形を加えることも効果的である。
上記を確認するため、図1（ａ）に示すロータをクリアランス5％の金型にて打ち抜き、打ち抜き後、ブリッジ部の打ち抜き端面に垂直に塑性変形が加わるようにプレス加工を施した。ロータにおいて遠心力に起因する応力が最も大きくなる図１（ａ）中Ａの部分より図2に示す疲労試験片を切り出し、打ち抜きままと、プレス加工を施した材料を用いて疲労試験を行った。疲労試験は引張り-引張り、応力比0.1、周波数20Hzにて行い、107回の繰り返しにおいても破断が生じない応力振幅を疲労限とした。得られた結果を表３に示す。
【００２０】
【表３】
0004788360.tif 000004
【００２１】
表3より、端面に垂直方向に塑性変形を加えることにより、疲労限が向上していることがわかる。これは端面に塑性変形を加えることにより、疲労の基点となる端面の粗さが低下するとともに、強度が上昇したためと考えられる。なお、このような端面に塑性変形を加える手段としては、特に限定せず、例えば、プレス以外にジェット水流を噴射する手法等が挙げられる。
【００２２】
なお、本発明で使用するロータ用材料としては、Si：4％以下、Al：5％以下の電磁鋼板が望ましい。これはSiが4％超では素材硬度が250以上となり、金型損耗が大きくなるためである。Alは打ち抜き性をSiほど低下させないが、5％以上の添加はいたずらにコストアップとなるため5％以下とする。
【００２３】
また、本発明は永久磁石を埋め込んだＩＰＭモータ以外に、ロータのブリッジ部が1mm程度と非常に狭くなるシンクロナスリラクタンスモータのロータ等にも適用可能である。
【実施例１】
【００２４】
表4に示す板厚0.35mmの電磁鋼板を用い、真空脱ガス時間を変化させることにより鋼中の介在物量を変化させた材料を作製した。得られた材料を素材として各種手法にて加工し、図1（ａ）に示すロータを得た。得られたロータに対して、以下に示す各性能評価試験を行った。
【００２５】
＜硬度＞
素材硬度は、打ち抜き前の材料断面を研磨し、200gの圧子を押し込むことによりビッカース硬度を求めた（HV0.2）。
【００２６】
＜硬度＞
端面硬度は、打ち抜き後の端面を凹凸が無くなるまで研磨した後、200gの圧子を押し込むことによりビッカース硬度を求めた（HV0.2）。
【００２７】
＜疲労試験＞
ロータのＡ部より疲労試験片を切り出し、引張り-引張り、応力比0.1、周波数20Hzにて疲労試験を行った。107回で疲労破壊が生じないの応力振幅を疲労限とした。
【００２８】
＜表面粗さ＞
表面粗さは板厚中央部および中央から板厚の20％の部分を板厚と直角方向に測定し、そのRmaxの平均値とした。
【００２９】
＜打ち抜き回数＞
打ち抜き回数は各種手法で打ち抜いた際に、バリが50μm以下となる回数とした。
得られた結果を成分と併せて表４に示す。
【００３０】
【表４】
0004788360.tif 000005
【００３１】
表４より、本発明例では、疲労強度が高く、打ち抜き性に優れた材料を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の高速モータ用ロータを用いることにより、高効率化がはかれるため、電気自動車用モータ、燃料電池自動車モータを中心に、多様な用途での使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態であるロータの形状を示す正面図である。
【図２】ブリッジ部より切り出した疲労試験片の断面図である。
【図３】端面粗さＲmaxと疲労限との関係を示す図である。
【図４】端面硬度と疲労限との関係を示す図である。
【図５】ボイド数と疲労限との関係を示す図である。
【図１】
0004788360.tif 000006
【図２】
0004788360.tif 000007
【図３】
0004788360.tif 000008
【図４】
0004788360.tif 000009
【図５】
0004788360.tif 000010