JP2004007943A - 回転子コア用の電磁鋼板形成体、これを用いた永久磁石内蔵型回転電機用回転子、永久磁石内蔵型回転電機、および回転子コア用の電磁鋼板形成体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄損を低く抑えて高回転数化を達成することのできる回転子に用いられる電磁鋼板形成体を提供する。
【解決手段】永久磁石内蔵型回転電機の回転子に用いられる電磁鋼板形成体１において、永久磁石を挿入するための開口部２、３の外周側に、外周部１１０に至らない部分に、硬さが他の部分よりも高い外周側硬化部を形成し、開口部２、３の間の中央に未硬化部を残しつつ、開口端部分に他の部分よりも硬い開口部間硬化部１２を形成することで、回転子を回転させたときに磁石にかかる遠心力に耐えうるようにした。
【選択図】　　　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアの形成に用いられる電磁鋼板形成体、これを用いた永久磁石内蔵型回転電機用回転子、永久磁石内蔵型回転電機、および永久磁石内蔵型回転電機の回転子に用いられる電磁鋼板形成体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石式の回転電機は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動用モータとして用いられている。なかでも永久磁石を回転子に内蔵した同期モータは高回転数化と小型、軽量化を実現することが可能であるために多く用いられている。
【０００３】
図２７および２８は、このような永久磁石内蔵型同期モータの回転子コアの例を示す図面である。
【０００４】
この回転子コア１００は、いずれも８極で、１極に対して１個の磁石挿入用の開口部１０１が設けられている。このような回転子コア１００は、電磁鋼板から図示するようなコア形状に成形された薄板を複数枚積層して形成されている。本明細書においては、この回転子コアを形成する１枚の薄板を、電磁鋼板から形成したものであることから電磁鋼板形成体と称する。
【０００５】
モータは、一般的に高速回転させた方が小型にできる。このためモータの高回転数化が図られてきている。ところが、このような永久磁石内蔵型モータの回転子は、回転子が回転することにより磁石に対して遠心力が働き、それは高回転数化するほど大きな力となる。このためモータの最高回転数は回転子に使われている電磁鋼板自体の強度に制限される。
【０００６】
一方、電磁鋼板は、その強度が高くなるほど鉄損が大きくなり、回転子が発熱する原因となっている。このため強度を上げたくても上げることができない。これは回転子が発熱した場合、用いる永久磁石によってはその熱により磁力を失ってしまうため、回転子の温度上昇を避ける必要があるからである。
【０００７】
電磁鋼板形成体の鉄損を上げることなく、回転子の高回転数化を可能にするための方策としては、たとえば特開２００１−１６８０９号公報に、遠心力により磁石によって回転子コアにかかる応力集中を拡散させる磁石挿入口の形に関する技術が開示されている。
【０００８】
この技術によれば、図２９または図３０に示すように、遠心力によって応力が集中する磁石挿入用開口部（スロット）１０１の角部を含むように、角部の曲率より大きな曲率で、外周側に向けて膨らむ円弧空間１０２（図２９）や、１０５（図３０）を設けて、この円弧空間１０２、１０５により、応力集中を回転子の外周部１１０とスロット１０１との最短部からずらすことで、応力の集中を拡散、緩和している。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−１６８０９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなスロット外周部に空間を設ける場合、その形状や大きさによっては、応力の集中をうまく分散、緩和することができないため、その形状の決定が難しいという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、鉄損を低く抑えて高回転数化を達成することのできる回転子コアの形成に用いられる電磁鋼板形成体を提供することである。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、鉄損を低く抑えて高回転数化を達成することのできる回転子を提供し、さらにこの回転子を用いた回転電機を提供することである。
【００１３】
さらに、本発明の他の目的は、鉄損を低く抑えて高回転数化を達成することのできる回転子に用いられる電磁鋼板形成体の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記の構成により達成される。
【００１５】
（１）永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアを形成するために用いられる電磁鋼板形成体において、永久磁石を挿入するための開口部と、前記開口部の回転子外周側に形成された他の部分より硬い外周側硬化部と、を有することを特徴とする電磁鋼板形成体。
【００１６】
（２）上記の電磁鋼板形成体を複数枚積層したことを特徴とする永久磁石内蔵型回転電機用回転子。
【００１７】
（３）上記の永久磁石内蔵型回転電機用回転子を用いたことを特徴とする永久磁石内蔵型回転電機。
【００１８】
（４）永久磁石を挿入するための開口部の外周側に、少なくとも該外周側から回転子の外周部に至らない範囲で他の部分よりも硬い硬化部を有する永久磁石内蔵型回転電機の回転子に用いられる電磁鋼板形成体の製造方法であって、前記回転子の形状成形前の電磁鋼板に対して、前記開口部の外周端となる部分を含む領域を加工硬化する段階と、型打ち抜きにより前記回転子形状および前記開口部を成形する段階と、を有することを特徴とする電磁鋼板形成体の製造方法。
【００１９】
（５）永久磁石を挿入するための開口部の外周側に、少なくとも該外周側から回転子の外周部に至らない範囲で他の部分よりも硬い硬化部を有する永久磁石内蔵型回転電機の回転子に用いられる電磁鋼板形成体の製造方法であって、型打ち抜きにより前記回転子形状および永久磁石挿入用の開口部を成形する段階と、前記開口部の外周端を含む領域を加工硬化する段階と、を有することを特徴とする電磁鋼板形成体の製造方法。
【００２０】
（６）永久磁石を挿入するための開口部の外周側に、他の部分よりも硬い硬化部を有する永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアを形成するために用いられる電磁鋼板形成体の製造方法であって、前記電磁鋼板形成体を前記回転子の形状からあらかじめ変形量を見込んだ形状を型打ち抜きにより形成する段階と、前記型打ち抜き後の前記電磁鋼板形成体を前記変形量分塑性変形させて前記回転子の形状に成形する段階と、を有することを特徴とする電磁鋼板形成体の製造方法。
【００２１】
（７）永久磁石を挿入するための開口部の外周側に、他の部分よりも硬い硬化部を有する永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアを形成するために用いられる電磁鋼板形成体の製造方法であって、前記電磁鋼板形成体を前記回転子の形状からあらかじめ変形量を見込んだ形状を型打ち抜きにより形成する段階と、前記型打ち抜き後の前記電磁鋼板形成体を複数枚積層する段階と、前記複数枚積層した前記電磁鋼板形成体を前記変形量分塑性変形させて前記回転子の形状に成形する段階と、を有することを特徴とする電磁鋼板形成体の製造方法。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の電磁鋼板形成体によれば、回転子コアとなる電磁鋼板形成体の永久磁石挿入用開口部の外周側に他の部分よりも硬い外周側硬化部を設けたことで、電磁鋼板全体を低鉄損のまま、回転中に応力のもっとも集中する部分を強化することができるので、高回転数化を可能にすることができる。
【００２３】
また、本発明の電磁鋼板形成体によれば、外周側硬化部を開口部の外周側の全部ではなく、外周部に至らない範囲、特に、外周側開口端から回転子外周部までの間の幅に対して、開口部の外周側開口端から１／６〜１／２の範囲としたことで、外周側硬化部を形成したことによる鉄損の増加がほとんどなく、しかもこれだけの範囲を外周側硬化部とするだけで、高回転数化を達成することができる。
【００２４】
また、本発明の電磁鋼板形成体によれば、一極に対して複数の永久磁石が用いられる場合には、それに対応して１極当たり複数設けられている開口部においても、開口部同士の間に開口部間硬化部を設けたので、このような一極に対して複数の永久磁石が用いられる場合においても高回転数化を可能にすることができる。
【００２５】
また、本発明の電磁鋼板形成体によれば、開口部間硬化部を開口部同士の間全部ではなく、開口端部分に形成されて、開口部間硬化部同士が互いに接続せずに間に未硬化部分が存在するようにしたこと、特に、開口部間硬化部を開口端から１／６〜１／３の範囲としたことで、開口部間硬化部を形成したことによる鉄損の増加がほとんどなく、しかもこれだけの範囲を硬化部とするだけで、高回転数化を達成することができる。
【００２６】
また、本発明の電磁鋼板形成体によれば、外周側硬化部および開口部間硬化部の硬さを他の部分よりもビッカース硬さで、１．３〜２．５倍としたので、高速回転の際の遠心力による応力集中に十分に耐えることができる。
【００２７】
また、本発明の電磁鋼板形成体によれば、硬化部分の総和が電磁鋼板全体の表面積の１〜２０％としたので、回転子を形成した際の全体としての鉄損の増加を少なくして、なおかつ、高回転数化を十分に達成することができる。
【００２８】
本発明の回転子によれば、請求項１〜８に記載の電磁鋼板形成体を複数枚積層したものであるので、高速回転に十分耐えることが可能となり、小型化することができる。
【００２９】
本発明の回転電機によれば、請求項９記載の回転子を用いたので、高速回転に十分耐えることが可能となり、小型化することができる。
【００３０】
本発明の電磁鋼板形成体の製造方法によれば、回転子コア用の電磁鋼板形成体を形成する元の電磁鋼板に対して、永久磁石挿入用の開口部の外周端となる部分を含む領域をまず加工硬化し、その後型打ち抜きにより回転子形状および開口部を成形することとしたので、開口部の外周端を部分的に硬化させた回転子コア用の電磁鋼板形成体を容易に形成することができる。
【００３１】
また、本発明の電磁鋼板形成体の製造方法によれば、複数の開口部同士の間の開口端となる部分を含む領域を、型打ち抜きの前に加工硬化することとしたので、複数の開口端の部分硬化を確実に行うことができる。
【００３２】
本発明の電磁鋼板形成体の製造方法によれば、回転子コア用の電磁鋼板形成体を形成する元の電磁鋼板に対して、先に回転子形状や永久磁石挿入用の開口部形状を型打ち抜きにより形成した後、開口部の外周端を含む領域を加工硬化することとしたので、開口部の外周端を部分的に硬化させた回転子コア用の電磁鋼板形成体を容易に形成することができる。
【００３３】
また、本発明の電磁鋼板の製造方法によれば、複数の開口部同士の間の開口端となる部分を含む領域を、永久磁石挿入用の開口部形状を型打ち抜きにより形成した後に加工硬化することとしたので、複数の開口端の部分硬化を確実に行うことができる。
【００３４】
また、本発明の電磁鋼板の製造方法によれば、硬化部の形成にピーニング処理、または、塑性加工を用いたので、容易に硬化部を形成することができる。
【００３５】
さらに、本発明の電磁鋼板の製造方法によれば、基材強度の低い低鉄損の電磁鋼板を用いて、高回転化を可能にすることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態の電磁鋼板形成体を示す図面であり、図２は、磁石挿入用開口部の拡大図である。
【００３８】
この電磁鋼板形成体１は、回転子を形成した際に、１極当たり２個の磁石を挿入するために２つの開口部２、３が設けられている。
【００３９】
そして、この２つの開口部２および３には、それぞれの外周側部分と、１極の中の開口部同士の間の部分に、他の部分より硬い硬化部１１、および１２を有する。
【００４０】
ここで、磁石挿入用開口部２および３の外周側部分をアウターブリッジ部１５と称し、１極の中の開口部同士の間をセンターブリッジ部１６と称する。
【００４１】
外周側部分の硬化部１１（外周側硬化部）は、開口部２、３の最も外周側（外周側開口端）から回転子としての外周部１１０に至らない範囲に形成されている。すなわち、この外周側硬化部１１のさらに外周側には、硬化されていない部分が存在する。
【００４２】
開口端が相対している部分の硬化部１２（開口部間硬化部）は、それぞれの開口端から両開口端の中心Ｃに至らない範囲に形成されている。すなわち、硬化部同士の間には硬化されていない部分が存在する。
【００４３】
図３は、この電磁鋼板形成体１の製造方法を説明するための図面である。
【００４４】
このような回転子コア用の電磁鋼板形成体は、通常、電磁鋼板の元パネルからプレスによる型打ち抜きにより磁石挿入用開口部や回転子としての外形が成形される。
【００４５】
そこで、本第１の実施の形態では、外周側硬化部１１および開口部間硬化部１２を形成するために打ち抜き前の電磁鋼板１０に対し、プレス打ち抜きの形状（図中二点鎖線）に合わせて、外周側硬化部１１および開口部間硬化部１２となる部分を含む領域１７をレーザーピーニングにより加工硬化する。その後、型打ち抜きにより回転子形状と永久磁石挿入用の開口部２および３を成形する。これにより、外周側硬化部１１および開口部間硬化部１２の硬化加工が可能となる。
【００４６】
次に、本第１の実施の形態による電磁鋼板形成体を実際に作製し、試験を行った結果について説明する。
【００４７】
（実施例１）
まず、電磁鋼板として新日鉄製の３５Ｈ３００を用意し、これにグリーンのレーザーパルス光でパルスエネルギー２００ｍＪ、スポット径０．８ｍｍのものを用い、パルス量３６００パルス／ｃｍ２になるような条件で、水中にて外周側硬化部１１および開口部間硬化部１２となる領域をレーザーピーニングした。ピーニング後においても、電磁鋼板の板厚変化はなかった。なお、レーザーピーニングについては、小畑稔ほか「パルス状レーザ照射による応力改善技術の開発−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）を参考に行った。
【００４８】
レーザーピーニングの後、通常のプレス型打ち抜きにより図１に示したように回転子コア用の電磁鋼板形成体を成形した。形成後のブリッジ幅（図２におけるＡ１−Ａ２部分およびＢ１−Ｂ２部分の幅）は１．５ｍｍであった。また、電磁鋼板形成体の全面積に対する硬化部の面積の割合は７．８％であった。
【００４９】
このように元の電磁鋼板をレーザーピーニング後、型打ち抜きを行ったものを実施例１とする。
【００５０】
（実施例２）
また、試験体として、はじめに型打ち抜きにより回転子形状および開口部を成形した後、図２に示したものと同じ硬化部を有するように、レーザーピーニングを行ったものを製作した。なお、レーザーピーニングの条件は、スポット径のみ０．４ｍｍに変更し、他は実施例１と同じとした。なお、ブリッジ幅は１．５ｍｍであった。ピーニング後の鋼板の板厚変化はほとんどなかった。また、板のそり等も発生しなかった。この試験体を実施例２とする。
【００５１】
（比較例１）
さらに、試験体として、型打ち抜きにより回転子形状を形成し、レーザーピーニングなどの硬化処理を行っていないものを製作した。ブリッジ幅は、実施例と同様に１．５ｍｍとしている。これを比較例１とする。
【００５２】
（１）硬さ測定結果
図２のＡ１−Ａ２線、およびＢ１−Ｂ２線にそれぞれ沿う方向に、ＪＩＳ　Ｚ２２４４によるビッカース硬さ試験により硬さを測定した。
【００５３】
図４は、実施例１の試験体を計測した結果の硬さ分布を示す図面であり、図４ＡはＡ１−Ａ２線に沿う方向の硬さ分布、図４ＢはＢ１−Ｂ２線に沿う方向の硬さ分布である。なお、各図において縦軸はビッカース硬さを計測したときに、元の電磁鋼板の硬さを１とした倍率を示す。
【００５４】
実施例１の試験体は、最大硬さが外周側硬化部１１、および開口部間硬化部１２の部分において元の基材の硬さに対して１．３５倍以上に達していた。なお、図４ＡにおいてＡ２側の方も硬さが上昇しているが、これは、型打ち抜きの際の加工硬化に起因するものである。
【００５５】
実施例２についても硬さ測定を行った結果、図示しないが、実施例１と同様に、外周側硬化部１１、および開口部間硬化部１２の部分において元の基材の硬さに対して１．３５倍の硬さであった。
【００５６】
図５は、比較例１の試験体を計測した結果の硬さ分布を示す図面であり、図５Ａは図２のＡ１−Ａ２線に沿う方向と同様方向の硬さ分布、図５Ｂは図２のＢ１−Ｂ２線に沿う方向と同様方向の硬さ分布であり、各図において縦軸はビッカース硬さを計測したときに、元の電磁鋼板の硬さを１とした倍率を示す。
【００５７】
比較例１においては、外周部や磁石挿入穴の型打ち抜き付近に、わずかに硬さが高くなっている部分が認められる。これは、プレス打ち抜きの際の加工硬化に起因するものである。
【００５８】
（２）回転試験
図６に示す回転試験装置を用いて回転試験を行った。
【００５９】
回転試験装置は、エアタービンで回転させられるスピンドル２０１と、このスピンドル１０１の芯振れを計測するための距離センサ（非接触、電磁式）２０２と、ダミー磁石を入れた１枚の回転子コア用の電磁鋼板形成体（試験体）１を上下から挟持して保持するスライドプレート２０３と、スピンドル２０１下部に設けられ、スライドプレート２０３を押さえる押さえ部２０４とからなる。また、この装置自体は図外のチャンバー内にあり、チャンバー内は排気され真空状態になっている。これは大気との摩擦熱の影響を排除するためである。回転試験は室温にて実施した。試験体の磁石挿入用開口部に入れたダミー磁石は、密度７．５ｇ／ｃｍ^３で試験体と同じ厚さのものを用いている。
【００６０】
このような回転子の回転試験においては、塑性変形、すなわち試験体にゆがみが発生すると、回転試験装置の回転軸（スピンドル）に芯振れが起こるので、回転軸（スピンドル）の芯振れをモニターすることにより塑性変形の発生を知ることができる。
【００６１】
回転試験は、図７に示すように、回転数を徐々に上げて行き、距離センサ２０２からの出力値（図７中の縦軸、任意単位）が５０％以上変化した時点を芯振れ発生とした。これは、後述するように、ダミー回転子に変形が生じ、外形に０．１ｍｍの寸法変化が生じたときの芯振れ量とほぼ一致するため、この５０％の芯振れ量の変化を指標としている。
【００６２】
試験の結果、実施例１および２については、１６０００ｒｐｍで芯振れが発生した。
【００６３】
一方、硬化部を持たない型打ち抜きのままの比較例１では、回転数が１３０００ｒｐｍに達した時点で芯振れが発生した。
【００６４】
この試験結果から、本発明を適用して、磁石挿入用開口部の外周部の一部と、磁石挿入用開口部同士の間の開口端部に硬化部を持たせることで、高回転数化が可能であることがわかる。
【００６５】
次に、応力解析の結果について説明する。
【００６６】
応力解析は、電磁鋼板形成体のＦＥＭ弾性解析を行って回転状態における、特に磁石に働く遠心力に基づく応力分布を求めた。
【００６７】
解析の結果、アウターブリッジ部の磁石側、および、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、そして応力集中部の応力値はアウターブリッジ部の磁石側の方が大きいことがわかった。
【００６８】
また、ダミー回転子を試作し、上述した回転試験を行い、どのように回転子において塑性変形が開始し進行するのかを検討した。ダミー回転子は、電磁鋼板形成体１枚からなる回転子のことである。磁石の挿入口には電磁鋼板形成体１枚分に相当するダミー磁石を入れた。また、ワイヤカットにて回転子形状を得た。
【００６９】
このようなダミー回転子による回転試験においては、あらかじめどの回転数で塑性変形が始まり進行するかを、上記応力解析により予測し、試験を止める回転数を決め、何水準かの回転数における回転子サンプルを得た。
【００７０】
そして、各回転子サンプルを用いて塑性変形の度合いを見た。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領域の面積の大きさにより見積もった。
【００７１】
その結果、塑性変形は、フォンミーゼスストレスの分布におけるアウターブリッジ部の応力集中部から開始することがわかった。しかも、塑性変形が開始するのは、最大応力（フォンミーゼスストレス）が、その材料（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。もちろん、センターブリッジ部の付け根部における応力集中部においても、回転数の上昇に伴って、塑性変形が開始し、進行することがわかった。
【００７２】
ダミー回転子の回転試験においては、塑性変形が進行するにつれて回転試験装置の回転軸（スピンドル）の芯振れが起こる。これは回転バランスがアンバランスになることに起因する。したがって、回転軸の芯振れをモニターすることにより、塑性変形度合いを知ることができる。
【００７３】
ダミー回転子に変形が生じ、外形に０．１ｍｍの（永久）寸法変化が生じるときの回転試験装置の芯振れを塑性変形の指標として用いることができる。ここでは、実験の結果、５０％程度芯振れ量が変化したものに、０．１ｍｍの寸法変化が生じていたので、回転試験においては芯振れが５０％変化した時点でダミー回転子に塑性変形が発生したものとして、この時点の回転数を最高到達回転数とした。
【００７４】
なお、外形の寸法変化が明らかに認められる状態は、塑性変形が進行し、ブリッジ部を貫通してからであることが、エッチピット発生領域の観察などより確認することができた。
【００７５】
以上の実施例１、２、および比較例１の結果、ならびに応力解析の結果から、応力集中部における応力分布はブリッジ端部が最大であるから、図４に示したように、ブリッジ部において最も応力が集中する部分のみが強化されていればよいことがわかる。また、その硬さは、目的とする最高回転数におけるフォンミーゼス応力値を超えて強化されていればよい（降伏応力がまさっていればよい）。したがって硬化部の分布は傾斜をもっていてよいことはいうまでもない。また、ブリッジの長手方向における領域についても同じように考えればよい。したがって、フォンミーゼス応力値を超えるようにカバーすれば十分である。
【００７６】
次に、電磁鋼板における材料の硬さと強度の関係について検討した。
【００７７】
材料の硬さの増加割合と降伏応力の増加割合は比例関係にあることが確認できた。これはたとえば、材料の硬さがその材料の（基材の）硬さに対して、３割上がっているときには、降伏点強度も基材の強度に対して３割増加しているとみなせるということである。
【００７８】
このことから、硬化部の硬さは基材に対して１．３倍以上とすることが好ましく、より好適には１．３５倍以上がより好ましい。なお、上限については、あまり硬くした場合、材料としては逆にもろくなり、マイクロクラックなどの発生が起きやすくなるので、硬化部の硬さの上限は基材に対して２．５倍程度とすることが好ましい。
【００７９】
また、硬化部分の面積は、硬化部の面積の総和が電磁鋼板形成体全体の表面積の１〜２０％であることが好ましい。これは、硬化部分の総和が２０％を越えて大きくなると、その分、回転子を形成した際の全体の鉄損も多くなり、発熱量が多くなるので、全体としての鉄損を少なくして、なおかつ、十分な強度を得るためである。なお、下限については、目的とする回転数や、開口部の形状、および磁石の質量などによって異なるものの１％程度は必要である。これより少ない場合、硬化部として応力の集中に耐えることができない可能性がある。
【００８０】
このように、本実施の形態により、高速回転に耐えうる回転子コア用の電磁鋼板形成体を提供することが可能となる。
【００８１】
そして、この電磁鋼板形成体を使用した回転子を用いることで、回転電機の高回転数化を達成することが可能となり、それにより回転電機を小型化できるメリットがある。これは、必要な強度は回転数の２乗に比例するが、硬さを上げると強度がそれだけ上がるからである。これはまた、仮に回転電機の回転子の径を変えないとすると、高回転数化できることで、モータトルクを十数％下げることができるため、モータを製作する場合の回転子の電磁鋼板形成体積層厚（積層数）を減らすことができることによる小型化も可能となる。
【００８２】
以下さらに、本発明を適用した他の実施の形態について説明する。
【００８３】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明を適用した第２の実施の形態の回転子を形成するために用いる電磁鋼板形成体の磁石挿入用開口部分の拡大図である。
【００８４】
この電磁鋼板形成体２０は、基本形としては前述した第１の実施の形態における電磁鋼板形成体と同様であり、１極当たり２個の磁石を挿入するための２つの開口部２、３が設けられている。
【００８５】
この２つの開口部２および３には、それぞれの外周側部分と、開口部同士の間に他の部分より硬い外周側硬化部１１および開口部間硬化部２２を有する。
【００８６】
ここで、外周側硬化部１１は、前述した第１の実施の形態と同様であり、開口部２、３の外周端から回転子としての外周部１１０に至らない範囲に形成されている。すなわち、この外周側硬化部１１の外周側には、硬化されていない部分が存在する。
【００８７】
一方、開口部間硬化部２２は、開口部２および３の間がすべて硬化されている。つまり、センターブリッジ部すべてを硬化したものである。
【００８８】
次に、本第２の実施の形態による電磁鋼板形成体を実際に作製し試験を行った結果について説明する。
【００８９】
（実施例３）
試験体の製作は前述した実施例２と同様に、元の電磁鋼板として新日鉄製の３５Ｈ３００を用意し、試験体として、はじめに型打ち抜きにより回転子形状と開口部を形成した後、図８に示したように外周側硬化部１１および開口部間硬化部２２を有するように、レーザーピーニングを行った。レーザーピーニングの条件などは、実施例２と同じである。
【００９０】
硬化部の硬さは、基材に対して１．３５倍となっていた。なお、ブリッジ幅は１．５ｍｍであった。ピーニング後の鋼板の板厚変化はほとんどなく、また、板のそり等も発生しなかった。この試験体を実施例３とする。
【００９１】
（１）回転試験
図６に示した回転試験装置により回転試験を行った。試験条件は前述した実施例１などと同じである。
【００９２】
試験の結果は、１５７００ｒｐｍで芯振れが発生した。
【００９３】
この回転試験の結果から、センターブリッジ部をすべて硬化してしまうと、前述した実施例１や実施例２よりも低い回転数で限界に達してしまうが、硬化部を持たない前述した比較例１と比較すると、高回転数化が可能となっていることがわかる。
【００９４】
（第３の実施の形態）
図９は、本発明を適用した第３の実施の形態の回転子コア用の電磁鋼板形成体の磁石挿入用開口部分の拡大図である。
【００９５】
この電磁鋼板形成体３０は、基本形としては前述した第１の実施の形態における電磁鋼板形成体と同様であり、１極当たり２個の磁石を挿入するための２つの開口部２、３が設けられている。
【００９６】
この２つの開口部２および３には、それぞれの外周側部分と、それぞれの開口部同士の間の開口部端部分に他の部分より硬い外周側硬化部３１および開口部間硬化部１２を有する。
【００９７】
ここで、外周側硬化部３１は、前述した第１の実施の形態と異なり、開口部２、３の最も外周側から回転子としての外周部１１０に至るまですべてに形成されている。すなわち、この硬化部３１の外周側のアウターブリッジ部は、すべて硬化されている。
【００９８】
一方、開口部２および３の間の開口部間硬化部１２は、前述した第１の実施の形態同様に、開口部間硬化部１２同士が接続されておらず、開口部間硬化部１２１２の間に未硬化部分が存在する。
【００９９】
次に、本第３の実施の形態による電磁鋼板形成体を実際に作製し試験を行った結果について説明する。
【０１００】
（実施例４）
試験体は、前述した実施例２と同様に、電磁鋼板として新日鉄製の３５Ｈ３００を用意し、はじめに型打ち抜きにより回転子形状を形成した後、図９に示したように外周側硬化部３１および開口部間硬化部１２を有するように、レーザーピーニングを行った。レーザーピーニングの条件などは、実施例２と同じである。
【０１０１】
硬化部の硬さは、基材に対して１．３５倍となっていた。なお、ブリッジ幅は１．５ｍｍであった。ピーニング後の鋼板の板厚変化はほとんどなく、また、板のそり等も発生しなかった。この試験体を実施例４とする。
【０１０２】
（１）回転試験
図６に示した回転試験装置により回転試験を行った。試験条件は前述した実施例１などと同じである。
【０１０３】
試験の結果は、１５０００ｒｐｍで芯振れが発生した。
【０１０４】
この回転試験の結果から、アウターブリッジ部をすべて硬化してしまうと、前述した実施例１や実施例２よりも低い回転数で限界に達してしまうが、硬化部を持たない前述した比較例１と比較すると、高回転数化が可能となっていることがわかる。
【０１０５】
ここで、上述した実施例１、２、３、４、および比較例１の回転試験の結果をまとめて表１に示す。
【０１０６】
【表１】

【０１０７】
実施例１、２、３、４、および比較例１の回転試験の結果から、センターブリッジ部またはアウターブリッジ部をそれぞれ全体にわたって硬化した場合でも、回転数の向上が認められ（実施例３および４）、さらに、センターブリッジ部とアウターブリッジ部の両方を部分的に硬化した場合（実施例１および２）は、より高回転数化が可能となっている。
【０１０８】
このような現象は、センターブリッジ部またはアウターブリッジ部をそれぞれ全体にわたって硬化すると、それらの部分全体のもろさの影響が大きくなるためと考えられる。
【０１０９】
したがって、最も好ましい実施の形態としては、ブリッジ部に強化されていない領域が帯状に残っていることが好ましい。
【０１１０】
このような部分硬化領域は、アウターブリッジ部では応力集中側、すなわち開口部の外周側開口端でブリッジ幅の１／２以下であることがより好適である。また、センターブリッジ部では応力集中側、すなわち開口端同士が相対する側で、ブリッジ幅の１／３以下であることがより好適である。
【０１１１】
また、磁石挿入用開口部の周辺部のうち、機械的な強度が必要とされない部分、すなわちブリッジ部分以外の部分は強化すべきでない。これは、硬化部分が多くなると鉄損を増やすことになるからである。このため、硬化部分の面積は、回転子としての電磁鋼板形成体の面積率として１〜１５％が好ましい。
【０１１２】
（第４の実施の形態）
本第４の実施の形態は、前述した第１の実施の形態を同じ硬化部を持つ回転子コア用の電磁鋼板形成体（図１および図２参照）で、製造方法のみが異なり、塑性加工により硬化部を形成したものである。
【０１１３】
以下この製造方法について説明する。
【０１１４】
図１０〜１３は、第４の実施の形態における製造方法を説明するための図面である。なお、図中の二点鎖線は開口部の切断形状を示す仮想線である。
【０１１５】
元の電磁鋼板１０を、図１０に示すように、開口部４１を有する押さえ型４５により電磁鋼板１０を両側から挟んで保持する。なお図１０中、図１０Ａは、平面図、図１０Ｂは、図１０Ａ中ａ−ａ線に沿う断面図である。
【０１１６】
続いて、この状態にて、図１１に示すように、パンチにより開口部４１から磁石挿入用の開口部内で硬化部を形成する部分の近傍に穴４２をあける。
【０１１７】
その後、図１２に示すように、穴４２の中に棒（パンチ）などを入れて、図中の矢印に方向に圧縮加工する。加工率は約５０％とした。圧縮加工後、押さえ板４５をはずして電磁鋼板１０を開放する。
【０１１８】
この圧縮工程により電磁鋼板１０には、圧縮加工された部分においては板厚が増す。
【０１１９】
図１３は、図１２におけるＣ−Ｃ’線に沿う断面図である。
【０１２０】
図１３Ａに示するように、圧縮加工された部分が盛り上がっている。そこで、この盛り上がり部４３を研削して、図１３Ｂに示すように、平坦化する。
【０１２１】
その後、回転子形状を形成するためにプレスによる型打ち抜きを行う。
【０１２２】
次に、本第４の実施の形態による電磁鋼板形成体を実際に作製し試験を行った結果について説明する。
【０１２３】
（実施例５）
試験体は、電磁鋼板として新日鉄製の３５Ｈ３００を用意し、上述した本第４の実施の形態における製造方法により、図２に示した硬化部となるように製作した。
【０１２４】
硬化部の硬さは、基材に対して１．３倍となっていた。なお、ブリッジ幅は１．５ｍｍであった。また、板のそり等もなかった。この試験体を実施例５とする。
【０１２５】
（１）回転試験
図６に示した回転試験装置により回転試験を行った。試験条件は前述した実施例１などと同じである。
【０１２６】
試験の結果は、１５０００ｒｐｍで芯振れが発生した。
【０１２７】
この試験結果から本第４の実施の形態のように塑性加工により硬化部を形成した場合でも、高回転数化が可能となることがわかる。
【０１２８】
なお、本第４の実施の形態では、回転子としての成形前に磁石挿入用の開口部に相当する部分に塑性加工のための穴を開けて塑性加工を行ったが、これに換えて、回転子形状を型打ち抜きにより成形する際に、用いられる磁石挿入用の開口部よりも小さな開口部を回転子形状とともに型打ち抜きにより形成後、この使用するよりも小さな開口部から塑性加工を行って硬化部を形成し、その後、塑性加工により板厚が厚くなった部分の成形と共に磁石挿入用の開口部の大きさを成形するようにしてもよい。
【０１２９】
（第５の実施の形態）
実施例２で製作した回転子コア用の電磁鋼板形成体を用いて、実際にモータを試作した。このモータを実施例６とする。
【０１３０】
なお、比較のために打ち抜きのままで硬化部を持たない電磁鋼板形成体を用いて回転子コアを製作し、モータを試作した。このモータを比較例２とする。
【０１３１】
製作したモータは、回転子コアの外径が１４０ｍｍであり、８極、３相の永久磁石内蔵型で、出力６０ｋＷ狙いのモータである。
【０１３２】
先に説明したように、比較例１の回転試験では、打ち抜きのままの電磁鋼板形成体の場合、最高到達回転数が１３０００ｒｐｍであるから、実使用としての余裕を見ると、比較例２のモータとしての使用可能最高回転数は１２０００ｒｐｍとすることができる。同様に、実施例２の回転試験結果から電磁鋼板形成体としての最高到達回転数が１６０００ｒｐｍであるから、実施例６のモータとしての使用可能最高回転数は１５０００ｒｐｍとすることができる。
【０１３３】
したがって、先の電磁鋼板形成体での回転試験結果からは、モータ出力の２５％アップが予想できる。
【０１３４】
（モータ評価）
上記した内容のモータを試作し評価した。その結果、予想のように回転数をアップできることが確認できた。また、モータ出力は予測を上回って向上していた。
【０１３５】
さらに、リラクタンストルクが５％程向上していることがわかった。これは、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスの差が部分硬化の結果、大きくなったことによるものと考えられる。
【０１３６】
また、１２０００ｒｐｍ、６０ｋＷ出力におけるモータ効率を比較したところ、モータ効率も実施例６のモータのほうが比較例２のモータよりも上回っていた。主な要因はトルクが増大したことによるものと考えられる。
【０１３７】
さらに、損失を分離評価した。銅損、鉄損ともに実施例６のモータの方が比較例２のモータよりも若干小さめであった。したがって、部分硬化したことによる回転子コア鉄損の増加は僅少であり、問題ないという結論が導けた。
【０１３８】
以上の実施形態および実施例から、回転子コア用の電磁鋼板形成体として、磁石挿入用の開口部外側（アウターブリッジ部）と開口部の間の部分（センターブリッジ部）に硬化部を形成することで、回転子コア用の電磁鋼板形成体としての十分な機能を達成することができる。なかでも、アウターブリッジ部の硬化部として、開口端から回転子としての外周部へ至らない範囲を部分硬化し、センターブリッジ部の硬化部として、相対する開口端に形成した硬化部同士が接続されないように両開口端の中心部に未硬化部分を持つようにすることで、いっそうの高速回転化を達成することができる。
【０１３９】
以下、さらに本発明を適用した様々な実施の形態について説明する。
【０１４０】
（第６の実施の形態）
図１４は、第６の実施の形態における回転子コア用の電磁鋼板形成体の磁石挿入用開口部分の拡大図である。
【０１４１】
第６の実施の形態は窓部６１を有する回転子に適用した例である。
【０１４２】
この第６の実施の形態においても、回転子コア用の電磁鋼板形成体６０の磁石挿入用開口部２、３には、前述した実施の形態１と同様に、開口部２および３の外周側に部分的な外周側硬化部１１を有し、開口部２、３の相対する開口端には、両者が接続しない開口部間硬化部１２を有する。
【０１４３】
このように窓部６１を有する場合でも部分的な硬化部を設けることで、十分な強度を得られ、高回転数化が可能となる。
【０１４４】
（第７の実施の形態）
図１５は、第７の実施の形態における回転子コア用の電磁鋼板形成体の磁石挿入用開口部分の拡大図である。
【０１４５】
第７の実施の形態は、回転子コア用の電磁鋼板形成体７０の磁石挿入用開口部１０１の角部に、外周側に向けて膨らむ円弧空間１０２を有する回転子に適用した例である。なお、この回転子は１極当たり１個の永久磁石式のものである。
【０１４６】
本第７の実施の形態においては、磁石挿入用開口部２、３の角部に設けられている円弧空間１０２のさらに外周側に部分的な硬化部７１を有する。そして、この部分硬化した硬化部７１は回転子としての外周部１１０に到達しない範囲とする。
【０１４７】
このように磁石挿入用開口部１０１の角部に円弧空間１０２を有する場合でもさらに部分的な硬化部７１を設けることで、より強度を高くすることができ、従来の円弧空間を有するものよりもさらに高回転数化が可能となる。
【０１４８】
（第８の実施の形態）
図１６は、第８の実施の形態における回転子コア用の電磁鋼板形成体の磁石挿入用の開口部分の拡大図である。
【０１４９】
第８の実施の形態は、回転子コア用の電磁鋼板形成体８０の磁石挿入用開口部１０１の角部に、開口部の延長方向に向けて膨らむ円弧空間１０５を有する回転子に適用した例である。なお、この回転子は１極当たり１個の永久磁石式のものである。
【０１５０】
本第８の実施の形態においては、磁石挿入用開口部１０１の角部に設けられている円弧空間１０５の外周側に部分的な硬化部８１を有する。そして、この部分硬化した硬化部８１は回転子としての外周部１１０に到達しない範囲とする。
【０１５１】
このように磁石挿入用開口部１０１の角部に円弧空間１０５を有する場合でもさらに部分的な硬化部８１を設けることで、より強度を高くすることができ、従来の円弧空間を有するものよりもさらに高回転数化が可能となる。
【０１５２】
（第９の実施の形態）
図１７は、第９の実施の形態における回転子コア用の電磁鋼板形成体の磁石挿入用の開口部分の拡大図である。
【０１５３】
第９の実施の形態は、回転子コア用の電磁鋼板形成体９０の磁石挿入用開口部１０１として、Ｖ字形状の開口部１０１を有する回転子に適用した例である（図２８参照）。なお、この回転子は１極当たり１個の永久磁石式のものである。
【０１５４】
本第９の実施の形態においては、磁石挿入用開口部１０１の最も外周側よりの開口端部分に、回転子としての外周部１１０に到達しない範囲で硬化部９１を形成したものである。
【０１５５】
このようにＶ字形状の開口部１０１を有する場合でも部分的な硬化部９１を設けることで、強度を高くすることができ、従来のよりも高回転数化が可能となる。
【０１５６】
（第１０の実施の形態）
以下、さらに本発明による電磁鋼板形成体の他の製造方法について説明する。
【０１５７】
まずここで、電磁鋼板形成体の強度試験について説明する。
【０１５８】
図１８は、電磁鋼板形成体の磁石ブリッジ部分の強度測定方法を説明するための図面である。
【０１５９】
この強度測定方法は、まず、アウターブリッジ部およびセンターブリッジ部ともに硬化部を設けていない磁石１極分の回転子（６０度分）の電磁鋼板形成体５００を図１８のように半径方向で拘束する（回転子１枚）。そして、磁石穴の開口部５０１および５０２に磁石形状の治具５０４および５０５を入れる。この治具５０４および５０５のセンター（重心位置）にはピン穴がありピン５０６および５０７が入れてある。また、治具５０４および５０５は回転自在である。治具５０４および５０５は磁石挿入穴の回転子径方向外側の辺の直線部のみで図示のように接触している。
【０１６０】
強度測定は、このピン５０６および５０７を図中Ｆ方向（すなわち回転子の外側方向）に引っ張ったときの外辺部Ａの変位量とその力（荷重）を測定することにより行った。
【０１６１】
図１９は、この強度測定の結果を示すグラフである。用いた電磁鋼板は０．３５ｍｍ厚の電磁鋼板（新日鉄製３５Ｈ３００）である。
【０１６２】
図示するように、荷重曲線は直線的に立ち上がるが、やがて直線から外れてくる。これは応力集中部において降伏が起こり始める（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。このようなグラフの傾向は、応力−歪曲線と似た関係になっている。
【０１６３】
さて、図１９おいて、１０μｍ直線からずれたところでの力は２１０Ｎ（ｆ点）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）と定義する。そうすると、この試験に使用した電磁鋼板形成体５０１のブリッジ部強度は２１０Ｎである。
【０１６４】
ところで、ｂ点（Ｆ＝３００Ｎ）で引っ張るのを止めて、変位を逆転させるとどうなるか。図１９中の直線ｂ−ｃに沿って力が落ちてくる。なお、ｂ−ｃはａ−０と平行である。ｃ点でまた変位を引っ張りに逆転させるとｃ−ｄ−ｅなる変位−力曲線となる。変位−力曲線ｃ−ｄ−ｅにおける１０μｍ変位での強度は、ほぼ３００Ｎとなっている。すなわち、ｂ点まで引っ張ると（永久）変形が０−ｃ分残るがブリッジ部強度としては３００Ｎとなるわけである。
【０１６５】
この評価結果から、前もって変形前の形に打ち抜いたものを変形させて最終形状とすれば、強度の高い回転子とすることができることになる。
【０１６６】
図２０は、このような観点から電磁鋼板形成体に塑性変形により硬化部を形成する製造方法を説明するための図面である。
【０１６７】
まず、図２０（ａ）に示すように、回転子となる電磁鋼板形成体として、あらかじめ塑性変形させる変形量を見込んで、外周部にわずかにくぼみ形状５１２を持ち、センターブリッジ部５２２が最終形状よりもわずかに太い電磁鋼板形成体５１１を型打ち抜きにより作製する。
【０１６８】
その後、図１８において示した治具５０４および５０５を２組用意し、回転子の上下位置にある磁石穴（回転子中心に対して２極分の磁石穴）の開口部５０１および５０２に入れる。このとき冶具５０４および５０５は、図１８と同様に、回転子の径方向外側の辺の直線部のみで図示のように接触している。そして、冶具５０４および５０５を回転子の径方向（図で上下方向）に引っ張る。すなわち、治具を２組使って（回転子中心に対して対面の２極分を使って）引っ張ることになる。したがって、このとき回転子に加えられる荷重は図１８により説明したものと同じであるが変位が２倍になる（図１８の場合は回転子自体を押さえているので、変位の原点は回転子の中心になっているのに対し、対面する２極分の磁石穴に冶具を入れて両方から引っ張る場合には変位の原点が一方の冶具となるので、同じ力を加えた場合、変位が２倍になる。）。そして、力が３００Ｎ加わったところで変形を停止し除荷する。
【０１６９】
図２１は、このときの変位−力曲線を示す図面である（図２１の横軸の変位は図１９の２倍になっている。）。
【０１７０】
図示するように、０−ｃの塑性変形が残る。
【０１７１】
その変形操作を後２回行う（計３回）。これにより図２０（ｂ）に示すように、その外周方向に変形してくぼみ形状部分がなくなり、全体として外周部が円形状となり、センターブリッジ部５２２は、最初の形状よりもわずかに細くなった電磁鋼板形成体５１３となる。
【０１７２】
このようにすることで塑性変形によって加工硬化した部分は、もっとも加工硬化させて強化したいところが強化されるので非常に都合がよい。また、塑性変形する部分は、機械強度的に弱いところであって、本形状の場合はアウターブリッジ部５２１とセンターブリッジ部５２２であって、それ以外のところは塑性変形しないという点でも非常に都合がよい。
【０１７３】
図２２は、電磁鋼板形成体の塑性変形させる領域（図において斜線のハッチング部分）を示した図面である。
【０１７４】
なお、塑性加工領域全域にわたって一様に加工硬化しているのではなくて、磁石穴側の応力集中部を中心としてより加工硬化している。穴側ほど加工硬化による強度アップ度合いは高くなっている。
【０１７５】
このようにして作製した電磁鋼板形成体５１３の板厚変化はほとんどなかったが、塑性変形した部分（すなわちアウターブリッジ部５２１とセンターブリッジ部５２２）が若干薄くなっていた。また、変形の際、治具と接触していた、磁石穴の開口部５０１および５０２の径方向外側辺の直線部においても板厚変化はなかった。したがって積層したときの占積率は型打ち抜き回転子を積層したときと同じにできる。
【０１７６】
なお、既に説明してきているように、図２２に示した塑性加工領域はモータ性能に影響しない部分である。
【０１７７】
実際の変形量は、たとえば、図１８に示したＡ点において半径５０ｍｍの電磁鋼板形成体の場合、図１８のＡ点は３００Ｎで引っ張るのを止めたとすると１５０μｍ変位が残る（図１９参照）。したがって、マクロな変形量は０．１５／５０×１００＝０．３（％）となる。
【０１７８】
一方、Ａ点の変位は、２５μｍから７５０μｍ程度まで可能である。これは、２５μｍ未満であると図１９からも理解されるように、強度アップ代が小さく、わざわざ本技術を適用することの意味がなくなってしまう。また、７５０μｍより大きくすると板のそりなど、電磁鋼板形成体の変形が大きくなり積層したときの占積率が稼げなくなるなどの問題がでてくるため好ましくないのである。
【０１７９】
また、マクロな変形量（歪）としての数値は小さいが、局所的にみると（ミクロ的な）変形（歪）はマクロな変形量の数値より１桁ほど大きい値にまでなっていると考えられる。そうすると、電位鋼板の絶縁皮膜は１０％程度の変形にまでは耐えると考えられるがそれより大きいとその機能が劣化してしまうおそれがある。したがって絶縁皮膜の観点からも本第１０の実施の形態による製造方法の適用上限は、７５０μｍまでが妥当である。また、同じ理由から、マクロな変形量は０．０５％から１．５％までとすることが好ましく、より好ましくは５０μｍから５００μｍの範囲で０．１％から１％の範囲とする。これは、変形量が５０μｍまたは０．１％より小さいと強度アップを図りにくいため好ましくなく、一方、５００μｍまたは１％を超えて大きく変形させると、許容範囲内ではあるが、板のそりなどの余計な変形が現れてくるため、５００μｍまたは１％程度としておくことが望ましいものである。
【０１８０】
（実験例）
次に、本第１０の実施の形態による製造方法より作製した電磁鋼板形成体である回転子単板の回転試験を行った。この回転試験は、図６に示した回転試験装置を用いて行った。
【０１８１】
図２３は、この回転試験の結果を示す図面であり、図において、図２３（ａ）は図２０（ｂ）の最終形状に打ち抜いたのみの電磁鋼板形成体での結果であり、図２３（ｂ）は３００Ｎで塑性変形して作製した電磁鋼板形成体、すなわち図２０（ａ）の形状に打ち抜き、塑性変形にて図２０（ｂ）の最終形状とした電磁鋼板形成体での結果である。
【０１８２】
前述しているように、回転子単板回転試験にて回転子の遠心耐力を調べることができる。
【０１８３】
この回転試験では、作製した電磁鋼板形成体の磁石穴の開口部に、電磁鋼板形成体の板厚と同じ厚さ０．３５ｍｍ分の重さのダミー磁石を入れて回転試験を行った。試験は、ある回転数で１分間回転させてから、停止させて、電磁鋼板形成体の外径を測定する。次に同様にして回転数を上げて試験を行う。この作業を繰り返すことにより、電磁鋼板形成体の変形を知ることができる。
【０１８４】
まず、図２３（ａ）に示した打ち抜きのままの電磁鋼板形成体での結果を説明する。最初の開始回転数は１９ｋｒｐｍである。回転数１９ｋｒｐｍでは変形が生じていない。次の２０ｋｒｐｍでは若干変形が起こっている。なお、この図では縦軸が図２３（ｂ）の２．５倍になっている。
【０１８５】
次に、本第１０の実施の形態を適用した図２３（ｂ）について説明する。まず回転数２３ｋｒｐｍにて調べたが径は変わっていなかった。次に２４ｋｒｐｍでもほとんど変わっていない。そして、回転数を２５ｋｒｐｍのときに約２５μｍ径が増した。さらに回転数を増すと、径は指数関数的に増加している。径が２０μｍ増加する回転数を使用限界回転数と定義することにすると、この場合２４．９ｋｒｐｍになる。
【０１８６】
これらの結果から、本第１０の製造方法により製造した電磁鋼板形成体の方が打ち抜きのままの電磁鋼板形成体よりも使用限界回転数が高いことがわかる。
【０１８７】
さて、図１９における変位荷重曲線の点ｂにおける接線の傾きと、点ｆにおける接線の傾きを比較してみる。
【０１８８】
点ｆにおける傾きは点ｂにおけるそれの１．８２倍になっている。点ｆ、点ｂにおいて荷重が同じ割合だけ余分にかかったときに生ずる（塑性）変形量は点ｆの方が１／１．８２であるということになる。したがって、上記では使用限界回転数を径が２０μｍ増加する回転数としたが、打ち抜きのままの場合には１／１．８２とすべきということである。すなわち１１μｍということになる。このようにして使用限界回転数を見積もると２０．８ｋｒｐｍとなる。
【０１８９】
一方、３００Ｎでの使用限界回転数、２１０Ｎでの使用限界回転数を解析的に予測することもできる。なお、解析的な予測値は実験より求めた上記の値と一致した。
【０１９０】
すなわち、たとえば２０ｋｒｐｍで回転させたときの応力分布を弾性ＦＥＭ解析にて求める。次に、図１８に示した引張状態での弾性ＦＥＭ解析を行う（なお、回転状態での応力分布と引張状態での応力分布は相似している。）。それらにより、回転状態の応力集中部での応力を達成するための引張荷重をしることができる。たとえば２１０Ｎをその引張荷重の比の平方根より使用限界回転数を予測できる（遠心力は回転数の２乗に比例するので）。その値は２０．８ｋｒｐｍであった。また、３００Ｎに対するそれは２４．９ｋｒｐｍであった。また、２１０Ｎ／３００Ｎの平方根は２０．８ｋｒｐｍ／２４．９ｒｐｍの値ともなっている。
【０１９１】
以上、説明してきたように、本第１０の実施の形態によれば、同じ電磁鋼板で使用限界回転数を約２０％上げることができるようになる。
【０１９２】
なお、本第１０の実施の形態では、塑性変形を３回与えているが、たとえば、３方向同時に行うこともできる。また、電磁鋼板を打ち抜く工程に本製造方法を組み込むことも容易である。また、電磁鋼板回転子を数枚重ねて、塑性変形を与えることも容易であり効率的である（荷重もそれほど大きくならない）。
【０１９３】
さらに、さまざまな形状の電磁鋼板形成体を本第１０の実施の形態と同様の製造方法により製造することができる。
【０１９４】
たとえば、図２８に示すような磁石穴の開口部を有する電磁鋼板形成体について、図２４に示すように、本第１０の実施の形態と同様にして塑性変形によりアウターブリッジ部に硬化部１９１を形成することができる。この場合、上述した実験例から、０．３％の変形を与えたときに、使用限界回転数が約２０％上昇することが予測される。
【０１９５】
また、図２９に示すような磁石穴の開口部を有する電磁鋼板形成体について、図２５に示すように、本第１０の実施の形態と同様にして塑性変形によりアウターブリッジ部に硬化部１７１を形成することができる。この場合も、上述した実験例から同様に、０．３％の変形を与えたときに、使用限界回転数が約２０％上昇することが予測される。
【０１９６】
さらに、図３０に示すような磁石穴の開口部を有する電磁鋼板形成体について、図２６に示すように、本第１０の実施の形態と同様にして塑性変形によりアウターブリッジ部に硬化部１７１を形成することができる。この場合も、上述した実験例から同様に、０．３％の変形を与えたときに、使用限界回転数が約２０％上昇することが予測される。
【０１９７】
以上のように、本第１０の実施の形態による製造方法は、さまざまな形状の電磁鋼板形成体に適用することができ、基材強度の低い低鉄損の電磁鋼板を用いて、高回転化を可能にすることができる。
【０１９８】
（第１１の実施の形態）
次に、本第１０の実施の形態により作製した、図２２に示した電磁鋼板形成体を複数枚積層し、回転子を試作した。試作した回転子を用いて、出力６０ｋＷ狙いのモータを仕立て評価した。
【０１９９】
比較のため、打ち抜きのままの電磁鋼板形成体を用いた回転子も試作した。モータ評価では回転子のみ組替えた。
【０２００】
１８０００ｒｐｍ、６０ｋＷでの効率を比較したところ、第１０の実施の形態により製造された図２２に示した電磁鋼板形成体を複数枚積層した回転子を用いた方が、打ち抜きのままの電磁鋼板形成体を用いた回転子よりも効率が上回っていた。主な要因はトルクが増大していることによると考えられる。したがって、塑性変形させたことによる回転子コア鉄損の増加は僅少であり、問題ないことがわかった。
【０２０１】
また、この回転子を作製する段階で経験する温度（すなわち焼き嵌め温度、磁石接着剤のキュア温度等）およびモータの動作温度では回転子強度の低下は認められなかった。すなわち、それらの温度では加工効果は劣化しないということである。
【０２０２】
また、塑性変形量（上述したマクロ変形量）は、上述のとおり、０．０５〜１．５％であれば、電磁鋼板材料の伸びにはまだ余裕があるので、信頼性や耐久性の面でも問題ない。
【０２０３】
なお、上述した第１０の実施の形態では、電磁鋼板板厚０．３５ｍｍの場合を例に説明したが、本第１０の実施の形態は、さまざまな板厚に適用できる。たとえば板厚０．２０ｍｍについても好適に用いることができる。
【０２０４】
以上本発明を適用した実施の形態および実施例を説明したが、本発明はこれらの実施の形態や実施例に限定されるものではない。
【０２０５】
たとえば、硬化部の形成には、１枚の電磁鋼板形成体にレーザーピーニングを適用しているが、積層した状態の回転子コアへレーザーピーニングにより部分的に硬化部を形成するようにしてもよい。また、第４の実施の形態においては、製造方法として１枚の電磁鋼板形成体での例示であるが、複数枚を積層した状態で適用することも可能である。また、加工硬化手段としては、レーザーピーニングの他に、たとえばショットピーニングを用いることも可能であり、また、ローラバニッシュなどの塑性加工処理を用いることも可能であり、さらには、レーザーリメルト、レーザーアロイイングといった組織強化方法を用いて硬化部を形成してもよい。
【０２０６】
また、回転子形状としては、例示した形状以外の形状においても適用できることはいうまでもなく、特に、永久磁石挿入用の開口部は、上述した実施形態のように１極に対して１つや２つの開口を持つ以外に、１極に対してさらに複数の磁石を挿入するための複数の開口部を有するものであっても適用することができる。
【０２０７】
さらには、モータのほかに、発電機などその他の回転電機に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態の電磁鋼板形成体を示す図面である。
【図２】上記電磁鋼板形成体の磁石挿入用開口部の拡大図である。
【図３】上記電磁鋼板形成体の製造方法を説明するための図面である。
【図４】第１の実施の形態により製作した実施例１および実施例２の試験体の硬さ分布を示す図面である。
【図５】比較例１の試験体の硬さ分布を示す図面である。
【図６】回転試験装置の概略図である。
【図７】回転試験における芯振れ説明するための図面である。
【図８】本発明を適用した第２の実施の形態の電磁鋼板形成体を説明するための磁石挿入用開口部の拡大図である。
【図９】本発明を適用した第３の実施の形態の電磁鋼板形成体を説明するための磁石挿入用開口部の拡大図である。
【図１０】本発明を適用した第４の実施の形態における製造方法を説明するための図面である。
【図１１】図１０に続く製造方法を説明するための図面である。
【図１２】図１１に続く製造方法を説明するための図面である。
【図１３】図１２に続く製造方法を説明するための図面である。
【図１４】本発明を適用した第６の実施の形態の電磁鋼板形成体を説明するための磁石挿入用開口部の拡大図である。
【図１５】本発明を適用した第７の実施の形態の電磁鋼板形成体を説明するための磁石挿入用開口部の拡大図である。
【図１６】本発明を適用した第８の実施の形態の電磁鋼板形成体を説明するための磁石挿入用開口部の拡大図である。
【図１７】本発明を適用した第９の実施の形態の電磁鋼板形成体を説明するための磁石挿入用開口部の拡大図である。
【図１８】電磁鋼板形成体の磁石ブリッジ部分の強度の測定方法を説明するための図面である。
【図１９】強度測定結果を示す図面で、変位と荷重の関係を示すグラフである。
【図２０】電磁鋼板形成体に塑性変形により硬化部を形成する製造方法を説明するための図面である。
【図２１】電磁鋼板形成体に塑性変形により硬化部を形成したときの変位と荷重の関係を示すグラフである。
【図２２】電磁鋼板形成体の塑性変形させる領域を示した図面である。
【図２３】電磁鋼板形成体を用いて、回転子単板の回転試験を行った結果を示す図面であり、（ａ）は最終形状に打ち抜いたのみの電磁鋼板形成体での結果であり、（ｂ）は塑性変形して作製した電磁鋼板形成体での結果である。
【図２４】他の形状の電磁鋼板形成体の塑性変形させる領域を示した図面である。
【図２５】他の形状の電磁鋼板形成体の塑性変形させる領域を示した図面である。
【図２６】他の形状の電磁鋼板形成体の塑性変形させる領域を示した図面である。
【図２７】従来の永久磁石内蔵型同期モータの回転子の例を示す図面である。
【図２８】従来の永久磁石内蔵型同期モータの回転子の例を示す図面である。
【図２９】従来の応力集中緩和対策を行った回転子の磁石挿入用開口部分の拡大図である。
【図３０】従来の応力集中緩和対策を行った回転子の磁石挿入用開口部分の拡大図である。
【符号の説明】
１、２０、３０、６０、７０、８０、９０、５１３…電磁鋼板形成体
２、３、５０１、５０２…開口部
１０…電磁鋼板
１１、３１…外周側硬化部
１２、２２…開口部間硬化部
１５、５２１…アウターブリッジ部
１６、５２２…センターブリッジ部
４１…開口部
４２…穴
４５…押さえ型
４３…盛り上がり部
６１…窓部
７１、８１、９１…硬化部
１１０…外周部
５０４、５０５…冶具

Claims (22)

1. 永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアを形成するために用いられる電磁鋼板形成体において、
   永久磁石を挿入するための開口部と、
   前記開口部の回転子外周側に形成された他の部分より硬い外周側硬化部と、
   を有することを特徴とする電磁鋼板形成体。
2. 前記外周側硬化部は、前記開口部の外周側開口端から回転子外周部に至らない範囲に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁鋼板形成体。
3. 前記外周側硬化部の範囲は、前記開口部の外周側開口端から回転子外周部までの間の幅に対して、前記開口部の外周側開口端から１／６〜１／２の範囲であることを特徴とする請求項２記載の電磁鋼板形成体。
4. 前記開口部は、１極に対して複数の永久磁石を挿入するために１極当たり複数の開口部があり、
   前記複数の開口部の間に形成された他の部分より硬い開口部間硬化部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の電磁鋼板形成体。
5. 前記開口部間硬化部は、前記開口部の開口端部分に形成され、他の開口部間硬化部と互いに接続されずに前記開口部間硬化部同士の間に未硬化部分が存在することを特徴とする請求項４記載の電磁鋼板形成体。
6. 前記開口部間硬化部の範囲は、一つの開口部の開口端から他の開口部の開口端までの間の幅に対して、開口端から１／６〜１／３の範囲であることを特徴とする請求項５記載の電磁鋼板形成体。
7. 前記硬化部は、最大硬さが、他の部分よりもビッカース硬さで、１．３〜２．５倍であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の電磁鋼板形成体。
8. 前記硬化部の総和が、電磁鋼板形成体全体の表面積の１〜２０％であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の電磁鋼板形成体。
9. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の電磁鋼板形成体を複数枚積層したことを特徴とする永久磁石内蔵型回転電機用回転子。
10. 請求項９に記載の永久磁石内蔵型回転電機用回転子を用いたことを特徴とする永久磁石内蔵型回転電機。
11. 永久磁石を挿入するための開口部の外周側に、少なくとも該外周側から回転子の外周部に至らない範囲で他の部分よりも硬い硬化部を有する永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアを形成するために用いられる電磁鋼板形成体の製造方法であって、
    前記回転子の形状成形前の電磁鋼板に対して、前記開口部の外周端となる部分を含む領域を加工硬化する段階と、
    型打ち抜きにより前記回転子形状および前記開口部を成形する段階と、
    を有することを特徴とする電磁鋼板形成体の製造方法。
12. 前記開口部は、１極に対して複数の永久磁石を挿入するために１極当たり複数の開口部があり、
    前記複数の開口部同士の間の開口端となる部分を含む領域を加工硬化する段階を、前記型打ち抜きにより前記回転子形状および前記開口部を成形する段階の前に有することを特徴とする請求項１１記載の電磁鋼板形成体の製造方法。
13. 永久磁石を挿入するための開口部の外周側に、少なくとも該外周側から回転子の外周部に至らない範囲で他の部分よりも硬い硬化部を有する永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアの形成に用いられる電磁鋼板形成体の製造方法であって、
    型打ち抜きにより前記回転子形状および永久磁石挿入用の開口部を成形する段階と、
    前記開口部の外周端を含む領域を加工硬化する段階と、
    を有することを特徴とする電磁鋼板形成体の製造方法。
14. 前記開口部は、１極に対して複数の永久磁石を挿入するために１極当たり複数の開口部があり、
    前記複数の開口部同士の間の開口端を含む領域を加工硬化する段階を、前記型打ち抜きにより前記回転子形状および永久磁石挿入用の開口部を成形する段階の後に有することを特徴とする請求項１３記載の電磁鋼板形成体の製造方法。
15. 前記加工硬化する段階は、ピーニング処理、または、塑性加工であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一つに記載の電磁鋼板形成体の製造方法。
16. 永久磁石を挿入するための開口部の外周側に、他の部分よりも硬い硬化部を有する永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアを形成するために用いられる電磁鋼板形成体の製造方法であって、
    前記電磁鋼板形成体を前記回転子の形状からあらかじめ変形量を見込んだ形状を型打ち抜きにより形成する段階と、
    前記型打ち抜き後の前記電磁鋼板形成体を前記変形量分塑性変形させて前記回転子の形状に成形する段階と、
    を有することを特徴とする電磁鋼板形成体の製造方法。
17. 永久磁石を挿入するための開口部の外周側に、他の部分よりも硬い硬化部を有する永久磁石内蔵型回転電機の回転子コアを形成するために用いられる電磁鋼板形成体の製造方法であって、
    前記電磁鋼板形成体を前記回転子の形状からあらかじめ変形量を見込んだ形状を型打ち抜きにより形成する段階と、
    前記型打ち抜き後の前記電磁鋼板形成体を複数枚積層する段階と、
    前記複数枚積層した前記電磁鋼板形成体を前記変形量分塑性変形させて前記回転子の形状に成形する段階と、
    を有することを特徴とする電磁鋼板形成体の製造方法。
18. 前記変形量分塑性変形させて前記回転子の形状に成形する段階は、前記開口部に冶具を挿入し当該冶具を回転子の径方向に引っ張り、前記電磁鋼板形成体を塑性変形させることを特徴とする請求項１６または１７記載の電磁鋼板形成体の製造方法。
19. 前記塑性変形量は、０．０５〜１．５％であることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一つに記載の電磁鋼板形成体の製造方法。
20. 前記塑性変形量は、０．１〜１．０％であることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一つに記載の電磁鋼板形成体の製造方法。
21. 前記開口部は、回転電機の１極当たり複数の開口部があることを特徴とする請求項１６〜２０のいずれか一つに記載の電磁鋼板形成体の製造方法。
22. 請求項１６〜２１のいずれか一つに記載の電磁鋼板形成体の製造方法により製造された電磁鋼板形成体を複数枚積層したことを特徴とする永久磁石内蔵型回転子。

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