JP2005094940A - 電磁鋼板ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【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こと、およびロータの発熱による熱を放散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】 モータのロータ電磁鋼板の製造方法において、磁石に働く遠心力により高い応力が働くところを加工硬化によって強化し、かつ、肉厚が減った部分を接着剤で埋め、加工強化と抜熱性を高めることでモータのロータを構成する。
【選択図】 図４

Description

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。

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。

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。
特開２００１−１６８０９号公報 特開２００２−１１２４８１号公報

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、およびロータの発熱による熱を放散することを課題とするものである。

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、該板厚減少部を接着剤で埋めつつ、一体化することを特徴とする電磁鋼板ロータの製造方法。
（２） 前記板厚減少部を磁束流れの少ない部分に回転軸に至るまで設けることを特徴とする（１）記載の電磁鋼板ロータの製造方法。
（３） 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），（２）記載の電磁鋼板ロータの製造方法。
（４） 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），（２）記載の電磁鋼板ロータの製造方法。
（５） 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（４）記載の電磁鋼板ロータの製造方法。
（６） （１）乃至（５）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。
（７） （６）に記載のモータを搭載したことを特徴とする車両。

以上のように本発明によれば、これまでの技術で、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。

上記の各請求項に記載の各条件を満足させることにより、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）への影響も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。

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。

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である。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。
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。

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ことにすると、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。

また、図４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４の領域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、ＬＰによる強化メカニズムは、衝撃波による加工硬化である。また、水中ばかりではなく、油中でも行え、レーザー光に対して透明な媒質であれば可能である。ＬＰ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／ｍｍ^２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。

また、ブリッジ部に図４の９で示す領域に段差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４の９で示す領域に、約３％の段差（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ＬＰ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。

さて、鋼板を積層する際、かしめや溶接せずに接着剤を用いた接着コーティングの技術がある。これは鋼板間にエポキシ系またはアクリル系の接着剤を鋼板に塗布し、これを積層し３００℃で乾燥すると積層状態で接着できる技術である。接着は剛性を高めるのでさらなる強度向上が期待できる。また、接着コーティングは接着した方向、すなわち板間の熱伝導も良い。したがって抜熱向上も期待できる。
以下、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

プレスにて板厚の約３％の板厚減少部（図４において９、１０で示す斜線部）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、板厚減少部形成の際の加工強化と合わせると従来法に対し約２４％上昇していた。
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接着剤を塗布・充填した。この接着剤は電磁鋼板の接着コーティングに用いられるもので、エポキシ系有機樹脂を主成分とする物などがある。さらに強度を増すため、磁束の流れが少ないロータｄ軸上の磁石穴間であるセンターブリッジ部から回転軸へ向かう方向に板厚減少部を形成し、当該部分に接着材を塗布・充填した。表１に本発明方法、従来法及び比較法におけるブリッジ強度とロータ温度をそれぞれ示す。本発明によりロータシートにおけるブリッジ部強度は約２８８Ｎになり、比較法に比べ約１０％の増加になった。尚、接着時の強度は４層で測定した値を枚数（４枚）で割り、１枚あたりの強度として換算した。
ロータの冷却・抜熱を考えると軸方向に熱を逃がす方法しかない。前述の接着部は他の部分と比較し、積層方向の熱伝導率が高い。これらの接着部を軸から放射状に配置する構造にし、抜熱性を高めた。その結果、温度上昇は従来のロータと比較し３０℃（１６０℃→１３０℃）低減した。

実施例１と同様なプレスにて板厚減少部を設けた電磁鋼板ロータシート（外径φ１３０ｍｍ、６極）に、レーザ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／ｍｍ^２を施した。前述の引張試験でのブリッジ部強度は約２７３Ｎであった。このロータシートに２５０℃、１時間の加熱を加えると、引張強度は約５％上昇し、２８８Ｎとなった。

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接着剤を塗布・充填した。この接着剤は電磁鋼板の接着コーティングに用いられるもので、エポキシ系有機樹脂を主成分とする物などがある。さらに強度を増すため、磁束の流れが少ないロータｄ軸上の磁石穴間であるセンターブリッジ部から回転軸へ向かう方向に板厚減少部を形成し、当該部分に接着材を塗布・充填した。表２に本発明方法、従来法及び比較法１、２におけるブリッジ強度とロータ温度をそれぞれ示す。本発明によりロータシートにおけるブリッジ部強度は約３１７Ｎとなり、比較法２より１０％強度が高くなった。
ロータの冷却・抜熱を考えると軸方向に熱を逃がす方法しかない。前述の接着部は他の部分と比較し、積層方向の熱伝導率が高い。これらの接着部を軸から放射状に配置する構造にし、抜熱性を高めた。その結果、温度上昇は従来のロータと比較し２５℃（１５５℃→１２０℃）低減した。

プレスにて板厚の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φ１２５ｍｍ、８極）を用い、実施例２と同一の条件にてレーザピーニングしたロータシートに２５０℃、１時間の加熱を試みた。この場合の引張強度の上昇は従来法に対し約２４％であった。
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接着剤を塗布・充填した。この接着剤は電磁鋼板の接着コーティングに用いられるもので、エポキシ系有機樹脂を主成分とする物などがある。さらに強度を増すため、磁束の流れが少ないｄ軸上の磁石穴間であるセンターブリッジ部から回転軸へ向かう方向に板厚減少部分を形成し、当該部分に段差がついている部分に接着材を塗布した。表３に本発明方法、従来法及び比較法１、２におけるブリッジ強度とロータ温度をそれぞれ示す。本発明によりロータシートにおけるブリッジ部強度は約３１９Ｎとなり、比較法２より１０％強度が高くなった。

ロータの冷却・抜熱を考えると軸方向に熱を逃がす方法しかない。前述の接着部は他の部分と比較し、積層方向の熱伝導率が高い。これらの接着部を軸から放射状に配置する構造にし、抜熱性を高めた。その結果、温度上昇は従来のロータと比較し５℃（１４０℃→１３５℃）低減した。

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。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４に示される電磁鋼板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。

このように上述した板厚減少部を持ったロータシートを積層したロータ鉄心を持つ本実施形態のロータによれば、遠心力に対する耐性が高く、高速回転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本発明のロータと、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。

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５０ｋＷ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。
具体的には１５０００ｒｐｍ（回転／分）、５０ｋＷ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心の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、本発明の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。

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、埋込磁石型の回転機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。

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、高速回転可能なロータが実現できる。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、高速回転可能なモータを実現することが出来る。

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。
本実施形態の車両によれば、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。

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。

従来技術のおけるＩＰＭのロータコア形状の図である。 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２で求めた変位と荷重の関係を示すデータ図である。 ブリッジ部の強化領域を示す説明図である。 本発明の埋込磁石同期モータの一例を示す図である。 本発明の車両の一例を示す図である。

Claims (7)

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、該板厚減少部を接着剤で埋めつつ、一体化することを特徴とする電磁鋼板ロータの製造方法。
2. 前記板厚減少部を磁束流れの少ない部分に回転軸に至るまで設けることを特徴とする請求項１記載の電磁鋼板ロータの製造方法。
3. 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または２記載の電磁鋼板ロータの製造方法。
4. 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または２記載の電磁鋼板ロータの製造方法。
5. 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４項記載の電磁鋼板ロータの製造方法。
6. 請求項１乃至５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。
7. 請求項６に記載のモータを搭載したことを特徴とする車両。

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