(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、Ｗｈ１７／５０（励磁磁束密度１．７Ｔにおける直流ヒステリシス損失を５０倍した値）≦３．５Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ鉄芯用電磁鋼板。
【請求項２】
歪取り焼鈍若しくは磁性焼鈍（以下単に焼鈍と記す）後の鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、Ｗｈ１７／５０  ≦４Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ鉄芯用電磁鋼板。
【請求項３】
モータ鉄芯用形状に加工後、焼鈍を実施した後の、鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、Ｗｈ１７／５０≦４Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
【請求項４】
モータ鉄芯用形状に加工後、焼鈍を実施した後の、鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、シャフト装着後のＷｈ１７／５０≦５Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
【請求項５】
モータ鉄芯用形状に加工し、シャフト装着の後、焼鈍を実施した後の鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、焼鈍後のＷｈ１７／５０≦４Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のハンドル操舵を快適に行うために装備される電動パワステアリング（以下電動ＰＳと記す）及びロボットの様に低速回転・低トルク損モータに用いられるモータ用鉄芯用電磁鋼板及び鉄芯に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境問題が重視されつつある中で、あらゆる分野でエネルギーの無駄遣いをなくそうとの動きが盛んである。一方で、便利さ、快適さを求める人間の欲望は留まるところを知らないようである。
【０００３】
ところで、自動車のハンドル操作が簡単になる、いわゆるＰＳ装置は、軽自動車、普通自家用車、トラックを問わず一般化している。従来このＰＳは油圧式が通常であったが、近年、エネルギー消費効率の観点から電動ＰＳに替える動きが急である。
【０００４】
しかしながら、電動ＰＳは油圧ＰＳには無い課題を有している。即ち、油圧ＰＳに比べて操舵時の損失トルクが大きいという課題である。この損失トルクが大きい場合、操舵がスムーズに行うことができないため、商品価値が低下する。
【０００５】
この課題である損失トルクを減少させるために、従来、例えば特開平６−２１９３１１号公報や、特開平９−１５６５１９号公報に開示されている如く、電気回路による制御による方法が採用されている。
しかしこの技術は、電気制御時にモータ鉄芯に発生した鉄損が、逆に損失トルク特性に大きな弊害をもたらしている問題があった。
【０００６】
なお一般的な電動ＰＳの構造は、図１に示すような電磁鋼板を積層した鉄芯に巻線を施したものをロータとして、ステータに永久磁石を利用した直流ブラシ付きタイプである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の点に鑑み、電動ＰＳ固有の問題であったハンドルの損失トルクを減少させるためや、その他、低速回転・低トルク損モータの鉄芯用電磁鋼板及び鉄芯を提供するものである。
さらに、本願発明では、上記電動パワステアリング以外に、ロボットのような低速回転・低トルク損モータにも用いられるものに関するものである。この場合、ロボットとは、産業用ロボットのみならず、介護用ロボット、ペット用ロボットを含む。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは、以下の通りである。
（１）鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、Ｗｈ１７／５０（励磁磁束密度１．７Ｔにおける直流ヒステリシス損失を５０倍した値）≦３．５Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ鉄芯用電磁鋼板。
（２）歪取り焼鈍若しくは磁性焼鈍（以下単に焼鈍と記す）後の鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、Ｗｈ１７／５０≦４Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ鉄芯用電磁鋼板。
（３）モータ鉄芯用形状に加工後、焼鈍を実施した後の、鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、Ｗｈ１７／５０≦４Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
（４）モータ鉄芯用形状に加工後、焼鈍を実施した後の、鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、シャフト装着後のＷｈ１７／５０≦５Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
（５）モータ鉄芯用形状に加工し、シャフト装着の後、焼鈍を実施した後の鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比が３．５以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが１０μｍ以下で、焼鈍後のＷｈ１７／５０≦４Ｗ／ｋｇであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、いわゆる電動ＰＳモータ用鉄芯について、種々の研究を鋭意重ねた結果、電動ＰＳモータ鉄芯において、鉄芯の材料である鋼板、あるいは焼鈍する場合は焼鈍を実施した後の鋼板を構成している鋼板の、ビッカース硬度／平均結晶粒径比、平均酸化層厚み等を規定することによって、損失トルク特性の優れた電動ＰＳモータ用鉄芯を製造することに成功した。
【００１０】
本発明の限定理由について説明する。
操舵または動作等による回転がスムーズに行われる、すなわち回転性を改善するためには、回転時に生じる損失トルクをいかに低減するかが重要である。そこで損失トルク特性について様々な検討を行った結果、極低速回転下で特性評価されること、図１に示すように、ティース３の幅が極めて狭いため、この部分に高磁束密度域が生じやすい鉄芯形状になっていることから、直流かつ高磁場領域での鉄損が指標として極めて重要なことが明らかになった。
【００１１】
この鉄損を改善させるには、いかに磁壁移動の障害を少なくして、磁束の流れをスムーズにするかが重要だと考え、そのためには平均結晶粒径とビッカース硬度との比を最適にすることにより、シャフト装着時に生じる加工歪みを小さくすることが大変有効であることを明らかにした。併せて酸化層の厚みを制御することも重要である。
【００１２】
ロータの製造方法としては、▲１▼電磁鋼板を所定の形状に打抜き後、カシメ等で積層固着、シャフト装着する方法、▲２▼電磁鋼板を所定の形状に打抜き、カシメ等で積層固着後、歪取り或いは磁性焼鈍を行い、シャフト装着する方法、▲３▼電磁鋼板を所定の形状に打抜き、カシメ等で積層固着、シャフト装着後、歪取り或いは磁性焼鈍を行う方法、等がある。
【００１３】
焼鈍（歪取り或いは磁性焼鈍）焼鈍の条件としては、例えば温度として６００〜８００℃、均熱時間として１〜３時間、雰囲気として窒素、水素、ＤＸ燃焼ガスがある。
【００１４】
Ｗｈ17/50 は、焼鈍しない鋼板では、３．５Ｗ/kg 以下とする。Ｗｈ17/50 が３．５Ｗ/kg を超えると、損失トルクが大きくため、操舵性が油圧方式と比べても劣り、商品価値がなくなる。
【００１５】
焼鈍する鋼板と鉄芯、あるいはシャフト装着後に焼鈍する鉄芯では、Ｗｈ17/50 を４Ｗ/kg 以下とする。Ｗｈ17/50 が４Ｗ/kg を超えると、損失トルクが大きくため操舵性が油圧方式と比べても劣り、商品価値がなくなる。
【００１６】
一方、シャフト装着後、そのまま使用する鉄芯では、Ｗｈ17/50 を５Ｗ/kg 以下とする。Ｗｈ17/50 が５Ｗ/kg を超えると、損失トルクが大きくため操舵性が油圧方式と比べても劣り、商品価値がなくなる。
【００１７】
Ｗｈ測定は、Ｃｌｏｆｆｉ  Ｔｙｐｅ相互誘導型直流自記磁束計で行う。図１に示す積層鉄芯１のティース３部分に、一次巻線、二次巻線５を施し、図２に示す短絡用継鉄１０で閉磁路１１を形成して測定する。
【００１８】
所定の形状に加工後、焼鈍する場合は焼鈍を実施した後の鋼板のビッカース硬度／平均結晶粒径比は、３．５以下とする。３．５を超えた場合、シャフト装着時に鉄芯を構成している鋼板に応力がかかり、鉄損に影響を及ぼすレベルの歪が導入されたり、結晶粒界の体積比率が多くなりすぎるため、磁壁移動の妨げになり、直流でかつ高磁場の鉄損が不満足となる。
なお、上記の比を最適にするために、成分設計、冷延圧下率、焼鈍条件等を考慮する必要がある。
【００１９】
鋼板のビッカース硬度は、鋼板表面を絶縁被膜を除去して５kg荷重で測定する。平均結晶粒径は鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求める。
【００２０】
所定の形状に加工後、焼鈍する場合は焼鈍を実施した後の鋼板の平均酸化層厚みは、１０μｍ以下とする。１０μｍ超では、非強磁性である酸化層の割合が多くなり、鉄損が増大して、問題である。
なお、酸化層の厚みを１０μｍ以下とするためには、歪取り焼鈍時の窒素、水素、ＤＸ燃焼ガスなどの雰囲気及び温度を最適に制御することが重要である。
平均酸化層厚みは、ＳＥＭ−ＥＤＡＸで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義する。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
平均結晶粒径と硬度の異なる、平均酸化層厚みが０．５μｍの、板厚０．５０ｍｍの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工して、鉄芯とした。このとき用いた無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径、硬度、鋼板の直流磁気特性を測定した結果を表１に示す。
【００２２】
次に、鉄芯にした後、図２に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。
無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径は、鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は鋼板表面を絶縁被膜を除去して、５kg荷重で測定した。なお、平均酸化層厚みは０．５μｍのままである。
平均酸化層厚みは、ＳＥＭ−ＥＤＡＸで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。結果を併せて表１に示す。
【００２３】
【表１】
0004000011.tif 000002
【００２４】
表１に示すように、ビッカース硬度／平均結晶粒径を３．５以下に制御したものは、Ｗｈ17/50 ≦４Ｗ/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため、損失トルクが少なく、操舵性の優れた鋼板及びそれらで構成される鉄芯が得られる。
【００２５】
（実施例２）
質量％で、０．００２５％Ｃ、３．００％Ｓｉ、０．２４％Ｍｎ、０．０２％Ｐ、０．００１％Ｓ、０．６％Ａｌ、０．００１％Ｎ、０．００２％Ｔｉ、０．０１４％Ｓｎを含む板厚０．５０ｍｍ、平均酸化層厚み０．１μｍで、平均結晶粒径の異なる無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工して、鉄芯とした。
【００２６】
その後、図２に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して直流磁気特性を測定した。平均結晶粒径は鉄芯を構成している鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は鉄芯を構成している鋼板表面を絶縁被膜を除去して、５kg荷重で測定した。なお、鉄芯を構成している鋼板の平均酸化層厚みは０．５μｍのままである。平均酸化層厚みは、ＳＥＭ−ＥＤＡＸで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】
0004000011.tif 000003
【００２８】
表２に示すように、ビッカース硬度／平均結晶粒径を３．５以下に制御したものは、Ｗｈ17/50 ≦４Ｗ/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため、損失トルクが少なく、操舵性の優れた鉄芯が得られる。
【００２９】
（実施例３）
ビッカース硬度の異なる板厚０．５０ｍｍの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工して、鉄芯とした後、６００〜８００℃の様々な温度、ＰＨ2 ０／ＰＨ2 が０．１〜０．５の様々なの雰囲気で２時間均熱焼鈍を行い、平均結晶粒径と平均酸化層厚みを変化させた。
その後、図２に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。平均結晶粒径は鉄芯を構成している鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は焼鈍後、鉄芯を構成している鋼板表面を絶縁被膜を除去して、５kg荷重で測定した。鉄芯を構成している鋼板の平均酸化層厚みは、ＳＥＭ−ＥＤＡＸで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。結果を表３に示す。
【００３０】
【表３】
0004000011.tif 000004
【００３１】
表３に示すように、鉄芯を焼鈍した後のビッカース硬度／平均結晶粒径を３．５以下に、平均酸化層厚みを１０μｍ以下に制御したものは、Ｗｈ17/50 ≦４Ｗ/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため損失トルクが少なく、操舵性の優れた鉄芯が得られる。
【００３２】
（実施例４）
質量％で、０．００３％Ｃ、０．６％Ｓｉ、０．２０％Ｍｎ、０．０７％Ｐ、０．００４％Ｓ、０．３％Ａｌ、０．００１％Ｎ、０．００２１％Ｔｉ、０．０１２％Ｓｎを含む板厚０．５０ｍｍの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工して、鉄芯とした後、６００〜８００℃の様々な温度、ＰＣＯ2 ／ＰＣＯが０．５〜１．５の様々な雰囲気で２時間均熱焼鈍を行い、平均結晶粒径と平均酸化層厚みなどを変化させた。
【００３３】
その後、図２に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。平均結晶粒径は鉄芯を構成している鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は、鉄芯を構成している鋼板表面を絶縁被膜を除去して、５kg荷重で測定した。鉄芯を構成している鋼板の平均酸化層厚みは、ＳＥＭ−ＥＤＡＸで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。結果を表４に示す。
【００３４】
【表４】
0004000011.tif 000005
【００３５】
表４に示すように、鉄芯を焼鈍した後のビッカース硬度／平均結晶粒径を３．５以下に、平均酸化層厚みを１０μｍ以下に制御したものは、Ｗｈ17/50 ≦４Ｗ/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため、損失トルクが少なく、操舵性の優れた鉄芯が得られる。
【００３６】
（実施例５）
ビッカース硬度の異なる電気固有抵抗２２Ω・ｍ×10-6、板厚０．５０ｍｍの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工、６００〜８００℃の様々な温度、ＰＣＯ2 ／ＰＣＯ雰囲気が０．１で２時間均熱焼鈍を行い、平均結晶粒径を変化させた。
【００３７】
その後、シャフト装着して鉄芯とした。図２に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。
平均結晶粒径は鉄芯を構成している鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は焼鈍後、鉄芯を構成している鋼板表面を絶縁被膜を除去して、５kg荷重で測定した。鉄芯を構成している鋼板の平均酸化層厚みは、ＳＥＭ−ＥＤＡＸで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。なお平均酸化層厚みは、０．１μｍであった。結果を表５に示す。
【００３８】
【表５】
0004000011.tif 000006
【００３９】
表５に示すように、ビッカース硬度／平均結晶粒径を３．５以下に制御したものは、Ｗｈ17/50 ≦５Ｗ/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため、損失トルクが少なく、低速回転モータ用の動作、回転性に優れた鉄芯が得られる。
【００４０】
（実施例６）
質量％で、０．００３％Ｃ、０．３％Ｓｉ、０．２０％Ｍｎ、０．０７％Ｐ、０．００３％Ｓ、０．３％Ａｌ、０．００１％Ｎ、０．００２１％Ｔｉ、０．０１２％Ｓｎを含む板厚０．５０ｍｍの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工、シャフトを装着して鉄芯とした後、７２５℃の温度で、ＰＣＯ2 ／ＰＣＯ雰囲気が０．１で２時間均熱焼鈍を行った（実験No．▲３▼，▲４▼）。また、ロータ形状に加工し鉄芯とした後、７２３℃の温度で、ＰＣＯ2 ／ＰＣＯ雰囲気が０．１で２時間均熱焼鈍を行い、鉄芯とした後、シャフトを装着した（実験No．▲１▼，▲２▼）。
【００４１】
その後、図２に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。なお、焼鈍後の鉄芯を構成している鋼板の平均結晶粒径は５５μｍ、ビッカース硬度は鋼板表面を絶縁被膜を除去後、５kg荷重で１２５、平均酸化層厚みは０．１μｍであった。またシャフト装着をする穴のエッジから半径方向へ１．５ｍｍの範囲の鋼板に残留する円周方向応力を、Ｘ線を用いて測定した。結果を表６に示す。
【００４２】
【表６】
0004000011.tif 000007
【００４３】
表６に示すように、シャフト装着後に焼鈍した場合、装着による応力残留がほとんどなくなるため、Ｗｈ17/50 が低減され、ヒステリシス損失が低いため損失トルクが少なく、操舵性の優れた鉄芯が得られる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、電動ＰＳ固有の問題であったハンドルの操舵性改善に対して、損失トルクを低減するための高磁場・低周波鉄損に優れた電動ＰＳや、その他、低速回転・低トルク損モータ用鋼板及び鉄芯を提供することができ、その工業的効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】直流ブラシ付きモータのロータ鉄芯を示す図である。（なお、図中で巻線５が施されていないティース部にも、同じ巻線が施されているものとする）。
【図２】鉄損測定用短絡継鉄を示す図である。（なお、図中で巻線５が施されていないティース部にも、同じ巻線が施されているものとする）。
【符号の説明】
１：コア（積層鉄芯）
２：突極
３：ティース
４：シャフト装着穴
５：巻線（コイル）
６：鋼板
１０：短絡用継鉄
１１：閉磁路（主磁束流れ）
【図１】
0004000011.tif 000008
【図２】
0004000011.tif 000009