(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半硬質磁性材料で形成されたロータと当該ロータに及ぼす回転磁界を発生させるステータを備えたヒステリシスモータであって、少なくともロータの一部が、Ｃ：０．１質量％以下，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１６．０〜１８．０質量％，Ｎｉ：１．０〜３．０質量％，Ｐ：０．０４質量％以下，Ｓ：０．０１質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成と、５０〜８５％のマルテンサイト相と残部フェライト相の二相組織を有するステンレス鋼板で形成されていることを特徴とするヒステリシスモータ。
【請求項２】
Ｃ：０．１質量％以下，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１６．０〜１８．０質量％，Ｎｉ：１．０〜３．０質量％，Ｐ：０．０４質量％以下，Ｓ：０．０１質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成と、５０〜８５％のマルテンサイト相と残部フェライト相の二相組織を有するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼板を、円筒状の所定形状にプレス加工により成形することを特徴とするヒステリシス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、ヒステリシスモータ及びそれに用いるロータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を有するモータとしては、例えばＰＭ型ステッピングモータやタイマーモータ等がある。それらに対してヒステリシスモータは通電時の回転ムラが小さく同期速度までほぼ一定の出力を持つとともに、非通電時の出力軸の回転に要する回転力が極めて小さいという特性を有している。そして、この特性を生かして、近年、ヒステリシスモータが、スプリングリターン型の分野で利用されている。
ヒステリシスモータは、例えば図１，２に示すように、半硬質磁性材料で形成されたロータと当該ロータに及ぼす回転磁界を発生させる複数のステータを備えている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
そして、ヒステリシスモータの構成部材であるロータは、例えば非特許文献１等に見られるように半硬質磁性材料で構成されることが必要である。半硬質磁性材料とは、ある程度の保磁力と高い残留磁束密度を有する材料である。その特性を有するものとしては、例えば非特許文献２に見られるように高炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼、或いはバイカロイが知られている。
【特許文献１】特開平１１−１６８８６３号公報
【非特許文献１】谷腰欣司著，「小型モータとその使い方」，1987，p.112
【非特許文献２】「金属材料辞典」，1963，p.541
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高炭素鋼及びマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ処理により半硬質磁性を発現するが、同時に硬質なマルテンサイト組織となるため加工性が低下する。したがって、高炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼を用いる場合には、フェライト組織の素材を適宜部品形状に成形した後に焼入れ処理する必要がある。高炭素鋼は、耐食性を付与するために、熱処理の後にめっきや塗装を施す必要もある。めっきや塗装に欠陥があると腐食が進行してその腐食生成物がモータ部材上に付着する。付着した腐食生成物はモータの磁気回路上で磁気抵抗となり、モータ性能を劣化させることになる。また、めっきや塗装の工程で異物が付着した場合にも、同様にモータ性能を劣化させることがある。このように、めっきや塗装には微小な欠陥や異物の付着も許されないため、多大な労力と費用を用いた厳格な造り込みと検査を行う必要があった。
さらに、近年の環境問題への対応として、６価クロムが用いられる亜鉛クロメート処理やＶＯＣ規制を受ける塗装工程の廃止が求められている。
【０００５】
また、バイカロイは冷間加工が可能な半硬質磁性材料として知られており、半硬質磁性も極めて優れているため、ヒステリシスモータのロータ用素材としても使用されているが、プレス成形性には不向きであり、円筒状に加工されるヒステリシスモータのロータ用として十分な加工性を有しているとはいえない。しかもその半硬質磁気特性が熱処理温度に敏感なため、厳密に温度管理された熱処理を必要とする。
さらにバイカロイは高価なＣｏを多量に含むために素材価格が高く、モータの製造コストが高くなる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ヒステリシスモータ用のロータへのプレス加工が可能なプレス成形性を有し、半硬質磁性を発現させるための焼入れ処理を必要とせず、しかも耐食性に優れたステンレス鋼板、及びそのステンレス鋼板を用いたヒステリシスモータを低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のヒステリシスモータは、その目的を達成するため、半硬質磁性材料で形成されたロータと当該ロータに及ぼす回転磁界を発生させるステータを備えたヒステリシスモータであって、少なくともロータの一部が、Ｃ：０．１質量％以下，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１６．０〜１８．０質量％，Ｎｉ：１．０〜３．０質量％，Ｐ：０．０４質量％以下，Ｓ：０．０１質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成と、５０〜８５％のマルテンサイト相と残部フェライト相の二相組織を有するステンレス鋼板で形成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のヒステリシスモータ用ロータは、Ｃ：０．１質量％以下，Ｓｉ：１．０質量％以下，Ｍｎ：１．０質量％以下，Ｃｒ：１６．０〜１８．０質量％，Ｎｉ：１．０〜３．０質量％，Ｐ：０．０４質量％以下，Ｓ：０．０１質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成と、５０〜８５％のマルテンサイト相と残部フェライト相の二相組織を有するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼板を、円筒状の所定形状にプレス加工により成形することにより製造される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、耐食性に優れるステンレス鋼をベースに、所望のロータ形状に成形可能な加工性と、焼入れ処理することなく半硬質磁気特性を発現するように成分調整されたフェライト＋マルテンサイトの二相ステンレス鋼板をロータの素材として用いることにより、従来の高炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼を用いたものと比べても遜色のないモータ特性を有するヒステリシスモータを提供することができる。
ステータヨークにフェライト＋マルテンサイトの二相ステンレス鋼を用いたため、めっきや塗装等の防食処理を施す必要がなくなり、却って低コストで特性の安定したヒステリシスモータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者等は、ヒステリシスモータを構成するモータ材として、モータ特性を低下させることなく、また、プレス成形性に優れ、磁気特性を劣化させるめっきや塗装を施すことなしに優れた耐食性を発揮する半硬質磁性材料について、鋭意検討を重ねてきた。
その結果、フェライト＋マルテンサイトの二相組織を有するステンレス鋼を用いることにより、上記課題を達成できることを見出した。
以下に、その内容を詳述する。
【００１０】
ヒステリシスモータは、補助起動装置なしに大きな起動トルクを生じさせることができるという特性を有する同期発動機である。そしてそのモータ特性は、ロータを形作る半硬質磁性材料の磁気特性に大きく影響される。
そこで、半硬質磁性材料の磁気特性の一つとして保磁力に着目した。そしてロータの保磁力とモータの起動トルクの関係を調査した。ロータの保磁力Ｈｃは、直径約６０ｍｍ，長さ約８０ｍｍの平行磁場を発する励磁コイルと、励磁コイル（平行磁場）の中に置かれたロータの磁化量を検出する検出コイルからなる二重コイルを作製し、励磁コイルと検出コイルをそれぞれＢ−Ｈトレーサーに接続することにより、磁場印加量の制御とロータの磁化量の検出を行うことで求めた。
起動トルクは、ステータの励磁コイルを一定出力とし、過負荷状態から徐々に負荷を軽減し、モータの回転軸が動き始めたときの荷重を起動トルクとした。
その結果を図３に示す。ロータの保磁力が大きいほど大きな起動トルクが得られることがわかる。
【００１１】
ところで、ヒステリシスモータは、ロータに永久磁石を用いず半硬質磁性材料を用いることを特徴とするものである。モータへの電源供給を停止した場合、すなわちステータヨークが発する磁場をなくした場合、永久磁石を用いたものと異なりロータの残留磁化は極めて小さくなる。このため、バネ等を用いることにより機械的に容易にモータを逆回転することができる。この逆回転に要するトルクをリターントルクと称しているが、ヒステリシスモータではリターントルクをより小さくすることが望まれる。そこで、ロータの保磁力とリターントルクの関係を調査した。なお、リターントルクは一定出力で一定時間運転したモータを停止し、逆回転方向に回転軸へ負荷を与え、逆回転し始める荷重とした。
その結果は、図４に示す通りとなって、ロータの保磁力が大きいほどリターントルクは大きくなる。
【００１２】
次に、本発明者は、半硬質磁性を呈するフェライト相＋マルテンサイト相の二相ステンレス鋼について、マルテンサイト量を種々変更し、マルテンサイト量と上記ロータとしての保磁力の関係を調査した。
その結果は図５に示す通りとなって、マルテンサイト量を調整することによりヒステリシスモータのロータに適した保磁力が得られることがわかった。同図に見られるように、マルテンサイト量を５０〜８５％とすることで、ヒステリシスモータに必要な保磁力が得られる。
【００１３】
ロータに必要な半硬質磁性特性を発現し、またヒステリシスモータとしての使用環境で必要な耐食性を有し、さらに複雑なロータ形状をプレス加工により成形可能な優れた成形性を持たせることができる二相ステンレス鋼の成分組成を具体的に説明する。
Ｃ：０．１質量％以下
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系鋼では、マルテンサイトの生成を促進させて半硬質磁性特性を向上させる。炭化物の析出量を増大させることでも半硬質磁気特性を向上させる作用も有している。しかし、Ｃの過剰添加は必要以上のマルテンサイト相の生成を招いて材質を硬化させ、プレス成形性を低下させることになる。このような影響を抑制するため、Ｃ含有量の上限を０．１質量％に設定した。
【００１４】
Ｓｉ：１．０質量％以下
マルテンサイト相の生成を抑制する作用を有し、半硬質磁性を劣化させる。また、材質を著しく硬化する成分であり、過剰添加はプレス加工性の著しい低下を導く。したがって，Ｓｉ含有量の上限を１．０質量％に設定した。
Ｍｎ：１．０質量％以下
マルテンサイトの生成を促進させて半硬質磁性特性を向上させる。しかし、過剰の添加は必要以上のマルテンサイト相の生成を招いて材料を硬化させ、プレス成形性を低下させることになる。そのため、Ｍｎ含有量の上限を１．０質量％に設定した。
【００１５】
Ｎｉ：１．０〜３．０質量％
Ｍｎと同様にマルテンサイトの生成を促進させる。マルテンサイト相とフェライト相のバランスを調整する元素として添加する。そのためには、１．０質量％以上を必要とする。しかし、過剰の添加は必要以上のマルテンサイト相の生成を招いて材質を硬化させ、プレス成形性を低下させることになる。このため、Ｎｉ含有量は１．０〜３．０質量％の範囲とした。
【００１６】
Ｃｒ：１６．０〜１８．０質量％
耐食性を付与するために必要な成分である。また、マルテンサイト相とフェライト相のバランスを調整する元素でもある。その効果を発揮するには１６．０質量％以上を必要とする。ただし、Ｓｉと同様にマルテンサイトの生成を抑制して半硬質磁性を劣化させる作用を呈する。また過剰の添加は、材質を硬化しプレス加工性の著しい劣化を招く。このため、Ｃｒ含有量は１６．０〜１８．０質量％とした。
【００１７】
Ｐ：０．０４質量％以下
原料から不可避的に混入する不純物元素である。材料を脆くするため、上限を０．０４質量％に設定した。
Ｓ：０．０１質量％以下
原料から不可避的に混入する不純物元素である。材料を脆くするため、上限を０．０１質量％に設定した。
【００１８】
上記のように成分調整されたステンレス鋼の冷延焼鈍板は、所要量のマルテンサイト相を有する二相組織となっているため、所定板厚の冷延焼鈍酸洗板材をプレス加工すればそのままヒステリシスモータのロータとして使用することができる。図１，２に示すように、ヒステリシスモータは、円筒状にプレス成形された本発明材料のロータ６とカップ状に成形されたアルミニウム製のカップ１を組み合わせたロータアセンブリを備えている。
なお、プレス加工のままの状態では、加工歪みの影響で半硬質磁気特性が若干劣化し、半硬質磁性のばらつきの要因となることがある。加工歪みの影響を排除する意味からは、プレス加工後に熱処理を施すことが好ましい。この際、その熱処理温度でマルテンサイト＋フェライトの相比が所定値で平衡するような温度を選定することにより、安定的な半硬質磁性が得られる。その温度範囲は、９００〜１２００℃である。熱処理は、酸化を防止するために、真空中又は還元性雰囲気で行う。
また、ロータ形状によっては、その一部のみ特定の二相ステンレス鋼板を用いても必要なモータ特性を発揮できることはいうまでもない。
【実施例】
【００１９】
表１に示す化学組成のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系鋼をそれぞれ高周波真空溶解炉で溶製し、鍛造，熱間圧延，冷間圧延，仕上げ焼鈍，酸洗の工程を経て、板厚０．５ｍｍの素材を製造した。
得られた各素板のマルテンサイト量を測定した。マルテンサイト量の測定は、素板をフッ酸＋硝酸＋グリセリンの混合液でエッチングし、光学顕微鏡を用いたポイントカウント法で行った。
【００２０】
得られた各素板をプレス加工してヒステリシスモータ用のロータを作製した。なお、マルテンサイト量が多いために硬質でロータへのプレス加工が困難であったものについては、短冊片をカーリングすることによりロータを作成した。
ロータの保磁力はＢ−Ｈアナライザを用いて測定した。
さらに、上記ロータをヒステリシスモータの実機に組み込んで、次の手法によりモータ特性を測定した。
【００２１】
励磁コイルを一定出力とし、過負荷状態から徐々に負荷を低減し、モータが回転し始める荷重を起動トルクとした。また、一定出力で一定時間運転したモータを停止し、逆回転方向に徐々に負荷を与え、逆回転し始める荷重をリターントルクとした。
モータ性能の判定は、ロータの材質のみが異なる従来モータと比較して、起動トルクが従来モータの１０％以上向上する場合を合格とし、リターントルクが従来モータより１０％以上低減される場合を合格とした。
【００２２】
その結果を表１に示す。
本発明に従わない場合、試料Ｎｏ．Ｂ１，２ではマルテンサイト相が少ないために保磁力が小さく、起動トルクが不足している。一方、試料Ｎｏ．Ｂ３，４ではマルテンサイト相が多すぎるためにリターントルクが大きすぎる。
【００２３】
また、本発明によるモータと従来モータとで回転数とモータトルクの関係を比較した。
図６に見られるように、従来モータと比較して本発明のモータはより高いトルクまで安定した回転を示した。本発明のモータはより高い負荷まで同期が得られるため、例えばスプリングリターン型の電磁弁の駆動に用いた場合、モータに抗するスプリングの張力の設定範囲が拡大し、より安定した開閉を保証することが可能となる。
さらに、耐食性に優れたＦｅ−Ｃｒ系ステンレス鋼が用いられるため、防錆のためのめっきや塗装が不要となり、結果的に同等以上の性能のモータ特性を有するヒステリシスモータが低コストで得られることになる。
【００２４】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ヒステリシスモータの構造を概略的に説明する分解斜視図
【図２】ヒステリシスモータの構造を概略的に説明する断面図
【図３】ロータの保持力とヒステリシスモータの起動トルクとの関係を示すグラフ
【図４】ロータの保持力とヒステリシスモータのリターントルクとの関係を示すグラフ
【図５】素材鋼のマルテンサイト量と保持力の関係を示すグラフ
【図６】既存モータと本発明モータの性能を比較したグラフ
【符号の説明】
【００２６】
１：カップ      ２：回転軸      ３，４，７：ステータヨーク      ５：コイル      
６：ロータ
【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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