CN101867234B - 磁滞式电动机以及磁滞式电动机用转子的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明使用不锈钢钢板作为转子，低成本地提供磁滞式电动机，所述不锈钢钢板具有能够进行加压加工成转子的加压成型性，不需实施淬火处理即可呈现半硬质磁性，且耐腐蚀性优异。在具有由半硬质磁性材料形成的转子以及产生波及该转子的旋转磁场的定子的磁滞式电动机中，至少转子的一部分由不锈钢钢板形成，所述不锈钢钢板具有如下组成：含有C：0.1质量％以下、Si：1.0质量％以下、Mn：1.0质量％以下、Cr：16.0～18.0质量％、Ni：1.0～3.0质量％、P：0.04质量％以下、S：0.01质量％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，并且具有50～85％的马氏体相与剩余部铁素体相这两相形成的组织。

Description

磁滞式电动机以及磁滞式电动机用转子的制造方法

技术领域

本发明涉及磁滞式电动机以及用于该磁滞式电动机的转子的制造方法。

背景技术

具有永久磁铁的电动机有，例如PM型步进马达、定时器电动机等。与这些电动机相比，磁滞式电动机具有如下特性：在通电时转速不稳较少，在达到同步速度之前具有几乎恒定的输出功率，而且在不通电时输出轴旋转所需的旋转力极小。因此，利用该特性，近年来磁滞式电动机被利用在弹簧复位式的领域中。

磁滞式电动机，例如图1、2所示，具有由半硬质磁性材料形成的转子与产生波及到该转子的旋转磁场的多个定子(例如参照专利文献1)。

然后，作为磁滞式电动机构成部件的转子，例如在非专利文献1等中看到的那样，必须由半硬质磁性材料构成。半硬质磁性材料是指，具有一定程度的矫顽力与高残留磁通量密度的材料。具有该特性的材料已知有，例如非专利文献2中看到的高碳钢、马氏体系不锈钢、或者铁钴钒合金。

专利文献1：特开平11-168863号公报

非专利文献1：谷腰欣司著，《小型电动机及其使用方法》，1987，p.112

非专利文献2：《金属材料辞典》，1963，p.541

发明内容

高碳钢以及马氏体系不锈钢，通过淬火处理会呈现半硬质磁性，但同时由于变成硬质的马氏体组织而导致加工性下降。因此，在使用高碳钢、马氏体系不锈钢的情况下，需要在将铁素体组织的材料成型为适当部件形状后进行淬火处理。高碳钢，为了使之具有耐腐蚀性，在热处理后还需要实施镀覆或涂装。当镀覆或涂装有缺陷时就会产生腐蚀，该腐蚀产物就会附着于电动机部件上。附着的腐蚀产物成为电动机磁电路上的磁阻，造成电动机性能下降。另外，在镀覆或涂装的工序中有异物附着时，也同样会使电动机性能下降。这样，在镀覆或涂装时不允许出现微小的缺陷或者异物的附着，因此需要庞大的劳力以及费用进行严格的制造以及检查。

而且，近年来作为环境问题的应对，要求废除使用6价铬的铬酸锌处理以及受到VOC规限的涂装工艺。

另外，已知铁钴钒合金为可以进行冷加工的半硬质磁性材料，其半硬质磁性也非常优异，所以也被用作磁滞式电动机的转子用材料，但是加压成型性不佳，不能说具备有足够的用于被加工成圆筒状磁滞式电动机的转子的加工性。而且该半硬质磁特性对热处理温度敏感，必须对热处理进行严密的温度管理。

进而，铁钴钒合金含有大量的高价的Co，所以材料价格高，电动机的制造成本变高。

本发明是为了解决这些问题而提出的方案，其目的在于以低成本提供耐腐蚀性优异的不锈钢钢板，以及使用该不锈钢钢板制得的磁滞式电动机，该不锈钢钢板具有能够加压加工成为磁滞式电动机用转子的加压成型性，不需要为了使其呈现半硬质磁性而进行淬火处理。

为了达成该目的，本发明的磁滞式电动机的特征在于，是一种具有由半硬质磁性材料形成的转子与产生波及到该转子的旋转磁场的定子的磁滞式电动机，至少转子的一部分由不锈钢钢板形成，所述不锈钢钢板具有如下组成：含有C：0.1质量％以下、Si：1.0质量％以下、Mn：1.0质量％以下、Cr：16.0～18.0质量％、Ni：1.0～3.0质量％、P：0.04质量％以下、S：0.01质量％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，并且具有50～85％的马氏体相与剩余部铁素体相的两相组织。

另外，本发明的磁滞式电动机用转子是通过将Fe-Cr-Ni系不锈钢钢板经加压加工成型为规定形状而制造的，所述Fe-Cr-Ni系不锈钢钢板具有如下组成：含有C：0.1质量％以下，Si：1.0质量％以下，Mn：1.0质量％以下，Cr：16.0～18.0质量％，Ni：1.0～3.0质量％，P：0.04质量％以下，S：0.01质量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免杂质构成。

根据本发明，通过使用铁素体+马氏体的两相不锈钢钢板作为转子材料，可以提供一种具有毫不逊色于以往的使用高碳钢以及马氏体系不锈钢的电动机的特性的磁滞式电动机，所述铁素体+马氏体的两相不锈钢钢板是以耐腐蚀性优异的不锈钢为基础，进行成分调整，以使其呈现可以加工成型为所需转子形状的加工性、以及无需淬火处理即有的半硬质磁性特性而得到的。

由于在定子磁轭中使用了铁素体+马氏体的两相不锈钢，因此不需要实施镀覆或涂装等防腐蚀处理，就能够提供一种低成本且性质稳定的磁滞式电动机。

附图说明

图1是对磁滞式电动机的构造进行简略说明的分解立体图。

图2是对磁滞式电动机的构造进行简略说明的剖面图。

图3是表示转子矫顽力与磁滞式电动机启动扭矩关系的图。

图4是表示转子矫顽力与磁滞式电动机复位扭矩关系的图。

图5是表示原料钢的马氏体量与矫顽力关系的图。

图6是将现有电动机与本发明电动机的性能进行比较的图。

符号说明

1：盖子  2：旋转轴  3，4，7定子磁轭  5：线圈  6：转子

具体实施方式

本发明人等，对作为构成磁滞式电动机的电动机材料的半硬质磁性材料进行了反复锐意的研究，所述半硬质磁性材料不会使电动机特性下降，而且加压成型性优异，在不实施会使得磁特性变差的镀覆或涂装时也发挥出优异的耐腐蚀性。

结果发现，通过使用具有铁素体+马氏体的两相组织的不锈钢，可以实现上述课题。

下面，对该内容进行详细说明。

磁滞式电动机为，具有无需辅助启动装置即可产生大的启动扭矩这一特性的同步发动机。且该电动机的特性极易受形成转子的半硬质磁性材料的磁特性影响。

因此，着眼于作为半硬质磁性材料的磁特性之一的矫顽力。研究了转子的矫顽力与电动机的启动扭矩的关系。转子的矫顽力Hc可以通过如下方式求得，制成发生直径约60mm，长约80mm的平行磁场的励磁线圈，以及放置在励磁线圈(平行磁场)中的由用于检测转子磁化量的检测线圈形成的双重线圈，通过将励磁线圈与检测线圈分别与B-H追踪器相连接，对磁场施加量的控制以及转子的磁化量进行检测以求出转子的矫顽力Hc。

启动扭矩是指，使定子的励磁线圈为恒定输出功率，由过负荷状态逐渐减少负荷，将电动机的旋转轴开始运转时的负荷作为启动扭矩。

其结果如图3所示。转子的矫顽力越大得到的启动扭矩就越大。

然而，磁滞式电动机的特征是，转子不使用永久磁铁而使用半硬质磁性材料。当停止向电动机提供电源时，即定子磁轭所产生磁场消失时，与使用永久磁铁的电动机不同，转子的残留磁化就会变得极小。因此，可以通过使用弹簧等，以机械方式容易地让电动机逆旋转。这种逆旋转所需要的扭矩被称作复位扭矩，期望将磁滞式电动机中的复位扭矩制成较小。因此，又研究了转子的矫顽力与复位扭矩的关系。另外，复位扭矩是指，在恒定输出功率下使运转了一定时间的电动机停止，向逆旋转方向对旋转轴施与负荷，开始产生逆旋转时的荷重。

其结果如图4所示，转子的矫顽力越大，复位扭矩就越大。

其次，本发明人针对呈现出半硬质磁性的铁素体相+马氏体相的两相不锈钢，对于马氏体量做了种种变更，对马氏体量与上述转子的矫顽力的关系做了研究。

其结果如图5所示，可知通过调整马氏体量可以得到适合磁滞式电动机转子的矫顽力。如同一图所示，通过将马氏体量设为50～85％，能够得到磁滞式电动机所需的矫顽力。

下面对两相不锈钢的成分组成进行具体的说明，所述成分组成能够呈现出转子所需的半硬质磁特性，并具有在磁滞式电动机的使用环境下所必要的耐腐蚀性，进而具有能够通过加压加工成型为复杂的转子形状的、优异的成型性。

C：0.1质量％以下

Fe-Cr-Ni系钢会促进马氏体的生成，提高半硬质磁特性。即使增大碳化物的析出量也能够起到提高半硬质磁特性的作用。但是，添加过多的C会导致过多的马氏体相的生成从而使得材质硬化、加压成型性降低。为了抑制这样的影响，将C含量的上限设定为0.1质量％。

Si：1.0质量％以下

对马氏体相的生成具有抑制作用，使得半硬质磁性变差。另外，是使得材质显著硬化的成分，过多添加会导致加压加工性的显著下降。因此将Si含量的上限设定为1.0质量％。

Mn：1.0质量％以下

促进马氏体的生成，提高半硬质磁特性。但过多的添加会导致生成过多的马氏体相使材料硬化、加压成型性降低。因此将Mn含量的上限设定为1.0质量％。

Ni：1.0～3.0质量％

与Mn同样会促进马氏体的生成。作为调整马氏体相与铁素体相平衡的元素而添加。因此，需要1.0质量％以上。但过多添加会导致生成过多的马氏体相使材质硬化、加压成型性降低。因此将Ni含量设定在1.0～3.0质量％的范围内。

Cr：16.0～18.0质量％

是为了赋予耐腐蚀性的必须成分。另外，也是调整马氏体相与铁素体相平衡的元素。要想发挥该效果必须要16.0质量％以上。但也与Si同样显示出抑制马氏体生成而使半硬质磁性变差的作用。另外过多的添加会导致材质硬化、加压加工性显著变差。因此将Cr含量设定为16.0～18.0质量％。

P：0.04质量％以下

为来源于原料的不可避免地混入的杂质元素。会使材料脆化，因此将上限设定为0.04质量％。

S：0.01质量％以下

为来源于原料的不可避免地混入的杂质元素。会使材料脆化，因此将上限设定为0.01质量％。

经过如上所述成分调节的不锈钢的冷轧退火板为具有所需量的马氏体相的两相组织，因此将规定板厚的冷轧退火酸洗板材进行加压加工即可直接用作磁滞式电动机的转子。如图1、2所示，磁滞式电动机具有加压成型为圆筒状的本发明材料的转子6以及成型为杯状的铝制盖子1组合形成的转子组件。

另外，在加压加工的原状态下，由于加工变形的影响使得半硬质磁特性发生些许劣化，成为半硬质磁性不均的主要原因。从排除加工变形影响的意义出发，优选加压加工后实施热处理。此时，该热处理温度通过选择能使马氏体+铁素体的相比平衡为规定数值的温度，可得到稳定的半硬质磁性。该温度范围是900～1200℃。为了防止氧化，热处理在真空或者还原性气氛中进行。

另外，不言而喻的是根据转子形状，仅其中的一部分使用特定的两相不锈钢钢板也能够发挥出所需的电动机特性。

实施例

表1所示化学组成的Fe-Cr-Ni系钢分别在高频真空熔化炉中熔制，经锻造、热轧、冷轧、加工退火、酸洗的工艺，制造成板厚0.5mm的材料。

测定所得各素板的马氏体量。马氏体量的测定，通过将素板用氟酸+硝酸+甘油的混合液进行蚀刻，然后用光学显微镜根据点计数法求得。

将所得各素板进行加压加工制成磁滞式电动机用转子。另外，由于马氏体量较多，质硬，而难以加压加工制成转子，因而通过将长条片卷曲而制成转子。

转子的矫顽力用B-H分析仪测定。

进而，将上述转子装进磁滞式电动机实体机器中，按下述方法测定电动机的特性。

将励磁线圈设为恒定输出功率，由过负荷状态逐渐减少负荷，将电动机开始旋转的负荷作为启动扭矩。另外，使在恒定输出功率下运转了一定时间的电动机停止，向相反旋转方向逐渐施与负荷，将开始逆旋转的荷重作为复位扭矩。

电动机性能的判断按如下方式进行，与仅转子材质不同的以往电动机相比较，启动扭矩比以往电动机提高10％以上的情况视为合格，复位扭矩比以往电动机减少10％以上的情况视为合格。

其结果如表1所示。

非本发明材料的情况，由于试样No.B1、2中马氏体相较少，因此矫顽力较小，启动扭矩不足。另一方面，试样No.B3、4中由于马氏体过多，复位扭矩过大。

另外，对根据本发明制得的电动机与以往的电动机的转数与电动机扭矩的关系做了比较。

如图6所示，本发明的电动机与以往电动机相比较，即使在达到较高扭矩时仍显示出稳定的旋转。由于本发明的电动机直到较高负荷仍能够实现同步，例如用于驱动弹簧复位型电磁阀时，通过扩大对抗电动机的弹簧的张力的设定范围，可以保证更加稳定的开关。

进而，由于使用耐腐蚀性优异的Fe-Cr系不锈钢，不需要进行用于防锈的镀覆或者涂装，结果是能够以低成本获得具有同等以上性能的电动机特性的磁滞式电动机。

表1

Claims (1)

1.一种磁滞式电动机，其特征在于，具有由半硬质磁性材料形成的转子与产生波及到该转子的旋转磁场的定子，其中，至少转子的一部分由不锈钢钢板形成，所述不锈钢钢板具有如下组成：含有C：0.1质量％以下、Si：1.0质量％以下、Mn：1.0质量％以下、Cr：16.0～18.0质量％、Ni：1.0～3.0质量％、P：0.04质量％以下、S：0.01质量％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，并且所述不锈钢钢板还具有50～85％的马氏体相与剩余部铁素体相的两相组织。