(57)【要約】【課題】  鉄損の低い電磁鋼板、すなわち機械的強度はそれほど高くない電磁鋼板を使って、高速回転化を達成するモータのロータ鉄心とこれに関する技術を提供すること。【解決手段】  磁石を内蔵するロータを有するモータ用の電磁鋼板製ロータの製造方法において、磁石を抱えるブリッジ部の一部に塑性加工により板厚減少部を形成し、該板厚減少部分を窒化処理することによってモータのロータを構成することを特徴とする。前記板厚減少部形成手段は、プレスによる塑性加工であることが好ましい。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石を内蔵するロータを有するモータ用の電磁鋼板ロータの製造方法において、磁石を抱えるブリッジ部の一部に塑性加工により板厚減少部を形成し、該板厚減少部分を窒化処理することを特徴とする電磁鋼板ロータの製造方法。
【請求項２】
板厚減少部形成手段がプレスによる塑性加工であることを特徴とする請求項１記載の電磁鋼板ロータ製造方法。
【請求項３】
板厚減少部形成手段としてプレスによる塑性加工、更にレーザーピーニングを施すことを特徴とする請求項１記載の電磁鋼板ロータ製造方法。
【請求項４】
前記レーザーピーニングを油中で施すことを特徴とする請求項３記載の電磁鋼板ロータ製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の方法で製造した電磁鋼板ロータを用いたことを特徴とするモータ。
【請求項６】
請求項５に記載のモータを搭載したことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ等のアクチュエータに用いられる電磁鋼板コアに関し、より具体的には永久磁石式モータにおけるロータの電磁鋼板ロータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式同期モータは、ロータに永久磁石を内蔵（ＩＰＭ）したもので、ＥＶ、ＨＥＶ、ＦＣＶの駆動モータとして用いられている。そのロータのコア形状の例を図１に示す。このロータ１は８極で、磁石１極が２個（符号２、３で示す）に分割されており、磁石間の部分をセンターブリッジ４と呼ぶことにする。ロータによってはこのセンターブリッジが無い場合もある。また、ロータの外周部において磁石を保持する部分をアウターブリッジ５と呼ぶ。ロータが回転すると磁石に遠心力が働きこれらのブリッジに力が加わる。
【０００３】
モータは高速回転させた方が小型にできるので、モータの高速回転化が図られている。モータの最高回転数は、ロータに使われている電磁鋼板の強度に依存する。できるだけ回転数を上げるために、例えば、特許文献１に開示されているような、応力集中を拡散させる磁石挿入口の形に関する技術がある。この形は応力集中を外周より最短の部位からずれた部位に生じさせる形状としている。さらに高速回転化を可能にする技術内容として例えば、特許文献２を挙げることができる。その技術では１極の磁石が２個に分割されており、磁石間の真中に（センター）ブリッジが設けてあるから、遠心耐力がさらに増す。すなわちより高速回転化が可能になる。
また、ロータコアに機械的強度の高い電磁鋼板を使うことも考えられるが、強度の高い電磁鋼板の鉄損は大きいため、ロータの冷却、ロータ軸の冷却が必要になる。
【特許文献１】特開２００１−１６８０９号公報
【特許文献２】特開２００２−１１２４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、鉄損の低い電磁鋼板、すなわち機械的強度はそれほど高くない電磁鋼板を使って、高速回転化を達成することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の具体的な手段は以下の通りである。
（１）  磁石を内蔵するロータを有するモータ用の電磁鋼板ロータの製造方法において、磁石を抱えるブリッジ部の一部に塑性加工により板厚減少部を形成し、該板厚減少部分を窒化処理することを特徴とする電磁鋼板ロータの製造方法。
（２）  板厚減少部形成手段がプレスによる塑性加工であることを特徴とする（１）記載の電磁鋼板ロータ製造方法。
（３）  板厚減少部形成手段としてプレスによる塑性加工、更にレーザーピーニングを施すことを特徴とする（１）記載の電磁鋼板ロータ製造方法。
（４）  前記レーザーピーニングを油中で施すことを特徴とする（３）記載の電磁鋼板ロータ製造方法。
（５）  （１）乃至（４）のいずれかに記載の方法で製造した電磁鋼板ロータを用いたことを特徴とするモータ。
（６）  （５）に記載のモータを搭載したことを特徴とする車両。
【発明の効果】
【０００６】
以上のように本発明によれば、これまでの技術では、設計を工夫しても電磁鋼板基材の強度を超えられなかったが、本技術をもってすれば、基材強度の低い低鉄損の電磁鋼板が用いて、高速回転化を可能にすることができるという優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
上記の各請求項に記載の各条件を満たすように実施することにより、鉄損増加がほとんどなく高速回転化を可能にすることが確認できた。また、モータ性能（トルク・効率）への影響はほとんどなく、改善されることも確認された。
発明者等は、本発明の技術を構築するために、以下に示す基礎的な解析を行ってきた。図１における形状のロータが回転状態で、磁石に加わる遠心力による応力分布をＦＥＭ弾性解析にて求めた。その結果、アウターブリッジ部の磁石側とセンターブリッジ部の付け根部に応力集中部があることがわかった。
【０００８】
また、電磁鋼板１枚からなるダミーロータをワイヤカットにて試作し、ロータスピンテストを行い、ロータにおける塑性変形の進行を調査した。ロータスピンテストは大気との摩擦熱の影響を排除するため、真空チャンバー内において室温にて実施した。磁石の挿入口には電磁鋼板１枚分に相当するダミー磁石を入れた。このロータスピンテストにおいては、塑性変形の始まる回転数を応力解析より予測し、数水準の回転数でテストしたロータサンプルを作製した。塑性変形の度合いはエッチピット法により、エッチピットの発生している面積の大きさにより見積もった。その結果、塑性変形は応力の分布の中で、アウターブリッジ部とセンターブリッジ部の応力集中部より開始することがわかった。しかも、塑性変形が開始する条件は、最大応力が電磁鋼板の引張試験より求めた降伏応力の値に達するとき（回転数）であることがわかった。
塑性変形は回転数が塑性変形開始回転数より増すにつれて進行する。寸法変化が外径において明らかに認められる状態は、塑性変形が進行し、変形がブリッジ部を貫通してからである。これはピット発生領域の観察により確認することができた。
【０００９】
磁石ブリッジ部の静的な強度は図２に示す方法で測定した。磁石１極分に分割された１枚のロータ部（この場合は６０度分）を、図のように径方向において拘束する。磁石穴には磁石形状の治具６を入れる。治具６のセンター（重心位置）にはピン穴７がありピン８が入れてあるため治具６は回転自在で、引っ張りの方向に落ち着く構造にある。また、治具６は磁石挿入穴のロータ径方向外側の直線辺部のみで図示のように接触している。
ピン８を上方に引っ張ったときの変位と力（荷重）Ｆの関係を実測した一例を図３に示す。ロータは磁石６極の形状で、外径１００ｍｍであり、０．３５ｔの電磁鋼板（市販の３５Ｈ３００）を打ち抜いて作製した。
【００１０】
変位−荷重曲線は応力−歪曲線と似た関係になり、直線的に立ち上がるが、やがて直線から外れてくる。応力集中部において降伏が起こり、塑性変形が始まるからである。さらに変位が増すと加工硬化しながら塑性変形する。
図３において、変位−荷重曲線の接線から変位量が１０μｍ離れたところでの力は２１０Ｎとなっている。以下においては、１０μｍ変位での力を降伏力（あるいは強度）と定義して用いる。この電磁鋼板ロータのブリッジ部強度は２１０Ｎである。
【００１１】
また、ロータスピンテストにおける強度と上記静的強度の関係も把握できている。ロータスピンテストにおいては、回転数を増すにつれて永久変形が残り、径は指数関数的に増加する。径が規定した量だけ（例えば２０μｍ）増加する回転数を使用限界回転数と定義すると、上記打ち抜きロータの場合２０．８ｋｒｐｍになる。
なお、上記した静的引張のＦＥＭ弾性解析も実施している。その応力分布は回転状態における応力分布と類似の応力分布となっている。特に、応力集中部の位置は同じになっている。
【００１２】
また、図２に示した領域９を部分的に強化すれば、ロータの強度向上が図れることも既に確認済みである。図２領域９の強化手段の一つとして、レーザーピーニングがある。レーザーピーニング（以下ではＬＰと表記する）は文献：小畑稔他「パルス状レーザー照射による応力改善技術---ＳＵＳ３０４鋼に対する応力改善効果の検討」（「材料」、第４９巻、第２号、１９３−１９９ページ、平成１２年、２月発行）にあるものと同様な装置によって実施した。グリーンのレーザーパルス光を水中にて電磁鋼板ロータに照射することによってピーニングした。なお、レーザーピーニングによる強化メカニズムは衝撃波による加工硬化である。レーザーピーニング条件として例えば、エネルギー：６０ｍＪ、スポット径：φ０．４ｍｍ、パルス密度：５０Ｐ／ｍｍ２の場合、前述の引張試験でのブリッジ部強度は約２５０Ｎであった。
【００１３】
また、ブリッジ部に図２の９で示す領域に段差（板厚減少部）を設けるとロータ強度向上が図れることもわかっている。特に、プレスにより段差を設けた場合には塑性変形により加工硬化するので、強度向上効果が著しい。図２の９で示す領域に、約３％の板厚減少部（約１０μｍのへこみ段差）をプレスにて設けた場合、電磁鋼板ロータにおけるブリッジ部強度はレーザーピーニングと同程度で約２５０Ｎであった。
電磁鋼板には２０−３０ｐｐｍ程度のＣ、Ｎが含有されており、加工硬化させた状態でさらに２００℃以上、３５０℃以下で１時間保持するとＣ、Ｎが転位に固着することにより強度が向上する。これにより引張強度はさらに約５％向上した。
【００１４】
さて、鋼板の耐磨耗性、耐熱衝撃性および疲労強さのさらなる向上手法として窒化処理がある。例えば、Ｓｉ３Ｎ４は機械的な強度が強く、微細粒状で極めて硬い。鋳鉄窒化に際しての硬さはＳｉ量によって決まり、Ｓｉ量とともに上昇する。例えば、Ｃ：３．４１％、Ｓｉ：２．６２％で最外層はビッカ−ス硬さ（１００ｇ荷重）９００以上に達し、拡散層でも大きい硬さを示す。
【００１５】
窒化処理としてはアンモニアガスのみによる純窒化、浸炭性ガス＋アンモニアガスによるガス軟窒化、青酸塩類による塩浴軟窒化、グロー放電によるイオン窒化などがある。しかしながら、窒化で留意する点は基盤（鋼板）温度が３５０℃超では、前述した加熱履歴による炭素、窒素による転位の固着をといてしまうことになり、好ましくない。したがって、３５０℃以下の低温で窒化する必要がある。
ここで窒化手法として近年大きな進歩を遂げている半導体分野で使用されているＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）に着目した。この手法によると共鳴現象により電子が効率よくマイクロ波のエネルギーを吸収し、運動エネルギーに変換されるもので、低ガス圧でも高密度・高活性のプラズマを発生させることができる。各種ＣＶＤ方式について表１に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
加熱温度ではＥＣＲが一番低く、かつガス圧も低い。一方、付着速度は一桁大きい。これらの点からＥＣＲプラズマＣＶＤ方式について実験を行ってきた。
以下、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００１８】
プレスにて板厚減少部「図２において９で示す領域」を設けた電磁鋼板ロータ（外径φ１３０ｍｍ、６極）に、レーザーピーニング条件としてエネルギー：６０ｍＪ、スポット径：φ０．４ｍｍ、パルス密度：５０Ｐ／ｍｍ２を施した。前述の引張試験でのブリッジ部強度は約２７３Ｎ（３０％増）であった。前述の条件にてレーザーピーニングしたロータに２５０℃、１時間の加熱を試みた。この場合の引張強度の上昇は約５％で２８８Ｎとなった。
【００１９】
さらに、プレス加工部を強化するため板厚減少部分に窒化処理を施した。図４はＥＣＲプラズマＣＶＤの概観図である。ＥＣＲプラズマ室は使用するマイクロ波に対して円筒共振器１０になっており、その周りに設置された電磁石１１により発生される磁界と共振器内の電界は直交する。その結果、電子のサイクロトロン角周波数とマイクロ波の角周波数が等しくなると、電子は共鳴的にマイクロ波のエネルギーを吸収して加速され、高密度なプラズマを発生させることができる。発生したプラズマはＥＣＲプラズマ室底部に開けられた開孔部を通って成膜室１２に導入される。原料ガスはプラズマにより解離、あるいは電離されて活性種となり、基板１３上に膜として堆積する。基板はバッチ処理できるように窒化処理後成膜室を移動する構造になっている。
加工強化を行った部分に窒化するような遮蔽を施し、ＳｉＨ４とＮ２ガスを導入して約２．１μｍの膜を形成した。これにより電磁鋼板ロータにおけるブリッジ部強度は約３１７Ｎであった。
【００２０】
【表２】
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【実施例２】
【００２１】
プレスにて板厚３％段差（板厚減少部）を設けたロータ（外径φ１２５ｍｍ、８極）を用い、レーザーピーニング条件にてレーザーピーニングしたロータに２５０℃、１時間の加熱を試みた。この場合の引張強度の上昇は約１１％で、段差をつける前の引張強度と比較すると約３８％の上昇があつた。
さらに、プレス加工部を強化するためこの板厚減少部分に窒化処理を施した。板厚減少部分に窒化するような遮蔽を施し、ＳｉＨ４とＮ２ガスを原料として用いＥＣＲプラズマＣＶＤで約２．３μｍの膜を形成した。これにより電磁鋼板ロータにおけるブリッジ部強度は約３２０Ｎであった。
【００２２】
【表３】
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【実施例３】
【００２３】
プレスにて板厚の約３％の段差（板厚減少部）を設けた電磁鋼板ロータシート（外径φ１５０ｍｍ、６極、３５Ｈ３００）に２５０℃にて１時間の加熱を試みた。引張試験によるブリッジ部の強度は約５．６％上昇し、段差を設けない前と比較すると約２５％の引張強度が増していた。
さらに、プレス加工部を強化するためこの板厚減少部分に窒化処理を施した。板厚減少部分に窒化するような遮蔽を施し、ＳｉＨ４とＮ２ガスを原料として用いＥＣＲプラズマＣＶＤで約２μｍの膜を形成した。これにより本発明のロータにおけるブリッジ部強度は約２９０Ｎであった。
【００２４】
【表４】
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【実施例４】
【００２５】
以上のように本発明のロータの例について説明したが、次に実施例４として本発明のロータを用いた埋込磁石同期モータ（ＩＰＭ）を説明する。
図５は本実施形態の埋込磁石同期モータ１４の概略構成を示している。このロータ１５はロータ鉄心１６と、ロータ鉄心に設けられた挿入口１７に挿入される永久磁石１８を有する。また、図示していないが、ロータはその中心に取り付けられた軸を有する。
ロータ鉄心は例として上記図２に示されるのロータシートを複数枚にわたって積層して構成されている。このとき、ロータシートはそれぞれの挿入口が整列するように積層される。
複数枚のロータシートは、たとえば所定の焼きばめ温度にて軸に焼きばめされる。また、磁石１８は挿入口内に接着剤で接着される。また、接着の際には接着剤のキュアリング温度にて接着剤のキュアリングがなされる。
【００２６】
このように上述した段差部を持った本発明のロータによれば、遠心力に対する耐性が高く、高速回転特性の向上を図ることができる。そして、図５に示されるように、本実施形態の埋込磁石同期モータは、このような特徴をもったロータと、このロータの外周側に配置されるステータを有する。なお、ステータの構造は従来のものと同様であるので、詳しい説明を省略する。
【００２７】
次に、本実施形態の埋込磁石同期モータの性能を評価するために出力６０ｋＷクラスの埋込磁石同期モータを製作した。なお、比較例として板厚減少部がないことを除いて形状が同じであるロータシートを複数にわたって積層して構成したロータを製作し、そのロータをステータに組み込んだモータについても性能を評価した。そして、本実施形態の埋込磁石同期モータと比較例としてのモータの性能を比較した。
【００２８】
具体的には１８０００ｒｐｍ（回転／分）、６０ｋＷでの効率を比較したところ、本実施形態の埋込磁石同期モータの方が比較例と比べて効率が上回っていた。このような結果の主な要因は、トルクが増大しているためと考えられる。したがって、各ロータシートに段差形状を持たせることに起因するロータ鉄損の増加はわずかであり、問題とならないことがわかった。
また、ロータを作製する過程で加えられる温度および埋込磁石同期モータの動作温度では、ロータ強度の低下は現れなかった。このことは、これらの温度では板厚減少部を形成する際に導入された加工硬化は劣化しないことを示している。
【００２９】
なお、以上の説明では図５の埋込磁石同期モータを例にとって説明したが、埋込磁石型モータに本発明を適用することが出来ることは明らかである。すなわち、本発明は同期モータ以外の電動機にも適用することもでき、また、高速回転性が要求されている発電機にも適用することができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態によれば、遠心力に対する耐性が強く、高速回転可能な回転子が実現できる。また、本実施の形態の埋込磁石同期モータによれば、性能を悪化させること無く、高速回転可能な回転機を実現することが出来る。
【実施例５】
【００３１】
次に、本発明の車両について説明する。本発明のロータを搭載した車両はＥＶ（電気自動車）、ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）、またはＦＣＶ（燃料電池自動車）である。本実施形態では、ＥＶを例にとって説明する。
図６は本実施形態にかかわるＥＶを模式的に示している。図６に示されるＥＶ２１は上記実施例４で説明した埋込磁石同期モータ２０によりトランスミッション２２およびデファレンシャルギヤ２３を介してトルクを分配してタイヤ２４を駆動している。
しかしながら、本発明の車両はこの場合に限られない。トランスミッション機械を持っていないタイプ、モータ２つでそれぞれ独立に車輪を駆動するタイプ、車輪の内部にモータを取り付けたホイールインモータによってタイヤを独立駆動するタイプなど、種々のタイプの車両に利用することが出来ることはもちろんである。
【００３２】
本実施形態の車両によれば、本発明のロータを用いた高速回転性能の高い埋込磁石型モータを駆動力源として用いているので、駆動部分の機械強度に優れ、かつ高速回転領域を含む広範囲にわたっての出力運転を容易に達成する車両を提供できる。
【００３３】
以上の通り、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は、これらの場合に限られるものではなく、当業者によって種々の追加、省略、および変形が可能であることは明らかである。たとえば、上記の説明ではロータシートの材料として０．３５ｍｍ厚の電磁鋼板を使用する場合を示したが、本発明はこの場合に限られない。たとえば、０．２０ｍｍ厚の電磁鋼板を使用する場合にも適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来技術のおけるＩＰＭのロータコア形状の図である。
【図２】変位−荷重曲線を求める治具等のレイアウトを説明する図である。
【図３】図２で求めた変位と荷重の関係を示すデータ図である。
【図４】ＥＣＲプラズマＣＶＤの構成を示す説明図である。
【図５】本発明の埋込磁石同期モータの一例を示す図である。
【図６】本発明の車両の一例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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