JP2013208022A - モータ回転子支持体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モータの回転子に配置される磁性体を支持するモータ用回転子支持体を、比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が550MPa以上である非磁性鋼で構成し、好適には、18Mn−18Cr非磁性鋼を熱間加工し、熱間加工材を機械加工して回転子支持体形状とする、または18Mn−18Cr非磁性鋼を熱間加工し、さらに熱間加工材を冷間加工し、冷間加工材を機械加工して回転子支持体形状とすることで、熱間加工材では比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が550MPa以上の特性が得られ、冷間加工材では、比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が600MPa以上の特性が得られることで、非磁性特性を維持したままで高強度の支持体とすることができる。
【選択図】図2
Description
特許文献1には、回転軸に対して平行な方向に磁極を有する複数の永久磁石を備えた回転子を有するアキシャル型モータが開示されている。
また、特許文献2には希土類磁石に代えてフェライト磁石を有する高性能アキシャルギャップモータが提案されている。
支持体は、高速で回転する回転子に含まれ、磁石を支えてその位置を適正に保持することが必要である。このため支持体は非磁性の性質だけでなく、適正な強度を有することが必要とされる。
ところで、オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間で加工することによって強度が高まるが、加工誘起変態によって非磁性特性が損なわれるという問題がある。このため、通常は、熱間鍛造後の素材から機械加工を行って支持体形状を得る工程が採用されている。
また、従来の製造工程では、形状が複雑な製品形状を得るためには熱間鍛造素材から機械切削やワイヤーカットなどによるかなりの時間の加工が必要である。製品形状や大きさにもよるが、加工に2週間もの時間を費やすケースもある。そのため、量産化を考えたとき、これらは非常に大きな問題となる。しかし、上記のように製造工程の制約があるため、生産性を考慮した工程を採択することができないという問題がある。
非磁性鋼を熱間加工して熱間加工材を得、該熱間加工材を機械加工して、比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が550MPa以上の支持体形状材を得ることを特徴とする。
非磁性鋼を熱間加工した後、冷間加工して冷間加工材を得、該冷間加工材を機械加工して、比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が600MPa以上の支持体形状材を得ることを特徴とする。
比透磁率が1.005未満であることにより、回転子における磁気に影響を与えることなく磁性体を支持することができる。また、室温における0.2%耐力が550MPa以上であることにより、高回転においても磁性体を確実に支持することができ、軽量化も容易になる。
また、本発明は非磁性鋼の種別が特定のものに限定されるものではないが、好適には18Mn−18Cr系の材料を用いることができる。以下に、18Mn−18Cr系非磁性鋼について各成分の作用と組成が定められる理由を説明する。
Siは脱酸材として使用するため0.1%以上必要である。しかし、Siはフェライト相形成元素であるため過剰に含有するとフェライト相が析出し、また冷間加工性も悪くなるため上限を2.0%とする。
Mnはオーステナイト相形成元素であり、N溶解度を高くするのに10%以上が必要である。しかし、過剰に含有すると強度が低下するため上限を25%とする。なお、同様の理由で下限を13%、上限を24%とするのが望ましく、さらに下限を16%、上限を21%とするのが一層望ましい。
CrはN溶解度を確保するために12%以上必要である。しかし、Crはフェライト形成元素であるため過剰に含有するとフェライト相が析出するため上限を25%とする。なお、同様の理由で下限を14%、上限を23%とするのが望ましく、さらに下限を16%、上限を21%とするのが一層望ましい。
Nは強度を確保するために0.3%以上が必要であるが、過剰に含有するとブローホール生成の原因となるため上限を0.8%とする。
Alは脱酸材として添加することができるが、過剰に含有すると窒化物を形成し靭性を低下させるため、上限を0.02%として所望により含有するものとする。なお、脱酸材としての作用を十分に得るため0.005%以上含有するのが望ましい。
Niオーステナイト相形成元素であり、所望により含有する。しかし5.0%を超えると強度が低下することから上限を5.0%とする。また、積極的な含有では、1.0%以上含有するのが望ましく、1.5%以上含有するのが一層望ましい。なお、不可避不純物として1.0%未満含有するものであってもよい。
WおよびMoは強度を向上させる成分であり、所望により含有する。ただし、過剰に入れると冷間加工性を悪化させるため、所望によりそれぞれ単独であるいは複合してMo+1/2Wで3%以下の範囲で添加することができる。なお、いずれかを含有する場合にはその作用を十分に得るため、Mo+1/2Wで1.0%以上とするのが望ましい。
VおよびNbは窒素と結合して窒化物を形成し、熱処理時の結晶粒粗大化を防止するので、一方または両方を所望により含有する。ただし、フェライト相形成元素であるため過剰に含有するとフェライト相が析出する。そのため、それぞれ1.00%以下の範囲で含有することができる。なお、含有する場合にはその作用を十分に得るためそれぞれ0.05%以上含有するのが望ましい。
Coはオーステナイト相形成元素であり、所望により含有する。ただし、高価な成分であるため3.00%を上限に含有することができる。なお、含有する場合にはその作用を十分に得るためそれぞれ0.5%以上含有するのが望ましい。
Bは固溶強化するとともに微細な窒化物による強化も期待でき強度、靭性を改善するので、所望により含有する。ただし、過剰に含有すると粗大な窒化物となり靭性を低下させる要因となる。そのため、0.01%以下の範囲で含有することができる。なお、含有する場合にはその作用を十分に得るためそれぞれ0.003%以上含有するのが望ましい。
C:0.3質量%以下
Cは、製造上不可避的に含有するが、耐食性を悪化させるため、その上限を0.3質量%とする。同様の理由により0.2%以下とするのが一層望ましい。
P,Sは延靭性や熱間加工性に影響を及ぼす。そのため、P、Sはそれぞれ0.03%以下とすることが望ましい。
本発明のモータ回転子支持体は、製造工程が格別なものに限定されるものではなく、熱間加工材、冷間加工材に機械加工を経て得ることができる。素材は常法の溶解、凝固過程を経て得ることができる。具体的には、取鍋精錬法、下注ぎ鋳込み法、上注ぎ鋳込み法、真空鋳造法、エレクトロスラグ再溶解法などの二次精錬法が例示される。また、連続鋳造法により直接ビレット材を製造してもよい。
支持体形状材を取得する前の熱間加工材または冷間加工する前の熱間加工材には固溶化処理を行ってもよい。固溶化処理条件は特に限定されないが、1000℃以上、保持時間としては5分以上、冷却方法は水冷、油冷、ファン冷却を含む空冷が例示される。
また、固溶化処理後、時効処理を施すことで、回転支持体の一層の高強度化を図ることができる。時効処理の条件としては600〜1000℃×0.5時間以上とすることができる。なお、冷間加工を行う場合、時効処理は、固溶化処理後、冷間加工前に行ってもよく、固溶化処理後、冷間加工を挟んで時効処理を行っても良い。
熱間加工材は、以降は冷間での強加工を行うことなく製品形状を得ることができる。
冷間加工は、例えば加工率5〜40%により行うことができる。加工率が低いと、加工強化が十分に得られず、加工率が高いと延靭性を十分に得ることができない。
また、冷間圧延では、最終板厚は1.0〜4mmが例示される。板厚1.0〜4mmとすることにより、そのまま素形材としての板厚を得ることができる。なお、ここで言う冷間とは、再結晶温度を超えない温度範囲での加工をいい、例えば450℃以下の範囲で所望により加熱してもよい。なおテンパーカラーの付かない250℃以下が好ましい。
これらの方法により、量産化が可能でコスト的にも廉価に製造できるモータ用回転子、特にアキシャルギャップモータの回転子に適した支持体を製造することが可能となる。
この実施形態のモータ回転子支持体1は、非磁性鋼からなる熱間加工材または冷間加工材で構成されており、熱間加工材では、比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が550MPa以上、伸びが30%以上の特性を有し、冷間加工材では、比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が600MPa以上、伸びが10%以上の特性を有している。非磁性鋼には、好適には18Mn−18Cr非磁性鋼が用いられる。
上記では、モータ回転子支持体に支持される磁性体として永久磁石のみを説明したが、その他に強磁性体を支持する構造を有するものであってもよい。
前記した18Mn−18Cr系非磁性鋼の組成に調整し、常法の溶解法、鋳造法によりインゴットを作製する。溶解法、鋳造法としては、取鍋精錬法、下注ぎ鋳込み法、上注ぎ鋳込み法、真空鋳造法、エレクトロスラグ再溶解法などを採用することができるが、本発明としては特定の方法に限定されるものではない。
該インゴットは、熱間加工である熱間鍛造等によりビレットに中間成形し、さらに熱間圧延等の熱間加工に供する。熱間加工は、素材を800〜1200℃に加熱して行うことができる。
固溶化処理した熱間加工材には、さらに、600〜1000℃×0.5時間以上の条件で時効処理を施すのが望ましい。時効処理によって強度をさらに向上させることができる。
なお、本発明としては、上記した固溶化処理、時効処理を省略することも可能である。なお、時効処理を行う場合は固溶化処理を行う。
機械加工としては、切り出し、冷間打ち抜き加工、切削加工、レーザー加工、放電加工、深絞り加工、溶接などが挙げられる。機械加工には仕上げ加工を含むものである。
この実施形態で得られたモータ回転子支持体1は、比透磁率が1.005未満、室温における0.2%耐力が550MPa以上であり、優れた非磁性特性を有するとともに、高い強度を有しており、高速回転において磁性体を安定して支持することができる。また、当該モータ回転子支持体1は、室温における伸びが30%以上であるのが望ましい。
上記と同様に18Mn−18Cr系非磁性鋼の組成に調整し、常法の溶解法、鋳造法によりインゴットを作製する。該インゴットは、熱間加工である熱間鍛造等によりビレットに中間成形し、さらに熱間圧延等の熱間加工に供する。熱間加工は、素材を800〜1200℃に加熱して行うことができる。
また、ビレットは、連続鋳造法により直接ビレットを得ることもできる。
冷間加工を経た冷間加工材は、さらに機械加工を経て製品形状とされる。
機械加工としては、切り出し、冷間打ち抜き加工、切削加工、レーザー加工、放電加工、深絞り加工、溶接などが挙げられる。機械加工には仕上げ加工を含むものである。
得られたモータ回転子支持体は、比透磁率が1.005未満、室温における0.2%耐力が600MPa以上であり、優れた非磁性特性を有するとともに、高い強度を有しており、高速回転において磁性体を安定して支持することができる。また、当該モータ回転子支持体は、室温における伸びが10%以上であるのが望ましい。
高回転で使用される回転子支持体は遠心力などにより変形が生じる。それに耐えうる延靭性も必要となるため、熱間加工材、冷間加工材を問わず、伸びが10%以上であるのが望ましい。伸びを重視する場合、熱間加工材の方が冷間加工材よりも高い伸びを示し有利である。
図4は、外縁リング20と軸受部21との間に区画壁22を配置して、TIG溶接などにより接合した溶接過程の半製品を示している。23は溶接部である。区画壁22を必要個数、必要箇所に配置して溶接することで製品を得ることができる。なお、溶接における部材の個数や部材の形状等は適宜の選定が可能であり、本実施形態としては特に限定されるものではない。
表1に示す18Mn−18Cr非磁性鋼50kgをVIM(真空誘導溶解)により溶解、金型鋳造し、50kgの試験鋼塊を得た。この試験鋼塊の押湯を切断した本体部分を1200℃で熱間鍛造および表2に示す熱間圧延加工率によって熱間圧延し、4mm厚の試験材とした。比較材として、SUS304系ステンレス鋼(鋼No.15)、SUS316系ステンレス鋼(鋼No.14)の試験材も同様の方法で得た。
これらの試験材には1050℃×3時間、水冷の固溶化処理を施した。さらに、一部の試験材には900℃×1時間の時効処理を施した。
これら試験材から冷間プレスで室温での冷間打ち抜き加工を行い、支持体形状材に相当する供試材を得た。この供試材から、室温において、JIS Z 2201記載のJIS14A号試験片を採取し、JIS Z 2241に基づく引張試験を行い、磁気天秤法による比透磁率測定を行った。
表1に示す18Mn−18Cr非磁性鋼50kgをVIM(真空誘導溶解)により溶解、金型鋳造し、50kgの試験鋼塊を得た。この試験鋼塊の押湯を切断した本体部分を1200℃で熱間鍛造および表2に示す熱間圧延加工率によって熱間圧延し、4〜6mm厚の試験材とした。比較材として、SUS304系ステンレス鋼(鋼No.15)、SUS316系ステンレス鋼(鋼No.14)の試験材も同様の方法で得た。
これらの試験材には1050℃×3時間、水冷の固溶化処理を施した。さらに、一部の試験材には900℃×1時間の時効処理を施した。
さらに、これらの試験材に表2に示す5〜40%の冷間圧延を施して、2〜5mm厚の試験材を得た。これら試験材から冷間プレスにより室温で冷間打ち抜き加工を行い、支持体形状材に相当する供試材を得た。この供試材から実施例1と同様に試験片を採取し、室温において、引張試験、比透磁率測定を行った。
実施例1に示す方法にて6mm厚の試験材を製作した。この試験材を1200℃に加熱して熱間プレスにて熱間型打ちを行い、支持体形状を模擬した円盤状供試材を得た。これに1050℃×3時間、水冷の固溶化処理を施した。さらに、一部の試験材には900℃×1時間の時効処理を施した。固溶化処理後または時効処理後の供試材から試験片を採取し、実施例1と同様に室温において、引張試験、比透磁率測定を行った。比較材としてSUS304系(鋼No.15)、SUS316系ステンレス鋼(鋼No.14)の試験材も同様の方法で得た。
試験結果は表4に示した。
表1に示す18Mn−18Cr非磁性鋼50kgをVIM(真空誘導溶解)により溶解、金型鋳造し、50kgの試験鋼塊を得た。この試験鋼塊の押湯を切断した本体部分を1200℃で熱間鍛造および熱間圧延し、4mm厚×200mm幅の試験材とした。この試験材には、冷間圧延加工率10%で冷間圧延を行った。
この試験材からリング材と板材を冷間打ち抜き加工により製作し、溶接試験に供した。溶接にはTIG溶接を採用した。
本実施例ではSUS304系ステンレス鋼による比較材は製作していない。
実施例2では発明材の比透磁率は冷間加工を実施しても変化は無く、加工誘起によるフェライトやマルテンサイトへの変態が無いことがわかる。一方、比較材では冷間圧延加工率が高くなるにつれて比透磁率は増加し、加工誘起変態が起こっていることが伺え、比較材は発明材よりも非透磁特性が劣ることがわかる。
実施例3は実施例1と比較すると、熱間型打ちと熱間圧延の違いはあるものの熱間加工の範疇にあり、ほぼ同じ結果が得られている。このことから、熱間型打ちでも十分な性能のモータ回転子支持体が得られることを確認できた。
実施例4では、冷間圧延材を使用して溶接組み立て試験を実施したが、溶接による割れなどは確認できず、特に問題となる結果は得られなかった。冷間圧延材は熱間圧延材や熱間型打ち材より伸びが少ないが十分に溶接組み立てが可能であり、そのため、冷間圧延材より高い伸びを有する熱間圧延材や熱間型打ち材でも溶接組み立てが可能なことは十分推察可能である。
図5に示されるように、いずれの供試材も冷間圧延加工率の増加に伴って0.2%耐力が大きくなっているが、本願発明例の供試材は、冷間圧延加工率に拘わらず比較材よりも大きな0.2%耐力を有しており、強度に優れることが分かる。
また、図6に示されるように、いずれの供試材も冷間圧延加工率の増加に伴って伸びが低下しているが、本願発明例の供試材は、比較鋼No.11に比べて冷間圧延加工率40%程度までは、より高い伸びを有している。
さらに、図7に示されるように、本願発明例の供試材は、冷間圧延加工率が増しても比透磁率の変化は殆どなく、安定した非磁性特性を有している。一方、比較例の供試材では、冷間圧延加工率が増すと、急激に比透磁率が増加しており、比透磁率に悪影響があることが分かる。
これらの点から、比較例の供試材では、非磁性特性を維持したままで冷間加工により強度を高めることは困難であり、本発明例の供試材では、非磁性特性を維持したままで冷間加工により強度を高めることができることが分かる。
2 軸穴
3 軸受部
4 リング状リブ
5 外縁リング
6 区画壁
7 磁石収納部
10 永久磁石
Claims (17)
- モータの回転子に配置される磁性体を支持する支持体であって、
非磁性鋼で構成され、比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が550MPa以上であることを特徴とするモータ回転子支持体。 - 前記非磁性鋼が熱間加工材であることを特徴とする請求項1記載のモータ回転子支持体。
- 前記非磁性鋼が冷間加工材であり、比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が600MPa以上であることを特徴とする請求項1記載のモータ回転子支持体。
- 前記非磁性鋼が18Mn−18Cr系非磁性鋼であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のモータ回転子支持体。
- 支持体形状材を単層で使用することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のモータ回転子支持体。
- 前記磁性体として、希土類系磁石または非希土類系磁石を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のモータ回転子支持体。
- 前記非希土類系磁石が、フェライト磁石であることを特徴とする請求項6記載のモータ回転子支持体。
- 前記磁性体として、圧粉鉄心を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のモータ回転子支持体。
- モータの回転子に配置される磁性体を支持する支持体を製造する方法であって、
非磁性鋼を熱間加工して熱間加工材を得、該熱間加工材を機械加工して室温における比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が550MPa以上の支持体形状材を得ることを特徴とするモータ回転子支持体の製造方法。 - 前記熱間加工に、熱間圧延、熱間型打ち加工のいずれかの工程を含むことを特徴とする請求項9記載のモータ回転子支持体の製造方法。
- 前記熱間加工後に1000℃以上×5分以上の固溶化処理を行い、その後、600〜1000℃×0.5時間以上の時効処理を行うことを特徴とする請求項9または10に記載のモータ回転子支持体の製造方法。
- モータの回転子に配置される磁性体を支持する支持体を製造する方法であって、
非磁性鋼を熱間加工した後、冷間加工して冷間加工材を得、該冷間加工材を機械加工して比透磁率が1.005未満で、室温における0.2%耐力が600MPa以上の支持体形状材を得ることを特徴とするモータ回転子支持体の製造方法。 - 前記冷間加工に、冷間圧延工程を含むことを特徴とする請求項12記載のモータ回転子支持体の製造方法。
- 前記冷間加工の冷間加工率が5〜40%であることを特徴とする請求項12または13に記載のモータ回転子支持体の製造方法。
- 前記機械加工が、切り出し、冷間打ち抜き加工、切削加工、レーザー加工、放電加工、深絞り加工、溶接のいずれか1以上の工程を含むことを特徴とする請求項9〜14のいずれかに記載のモータ回転子支持体の製造方法。
- 前記熱間加工前の前記非磁性鋼が、連続鋳造により製造されたものであることを特徴とする請求項9〜15のいずれかに記載のモータ回転子支持体の製造方法。
- 前記非磁性鋼が、18Mn−18Cr系非磁性鋼であることを特徴とする請求項9〜16のいずれかに記載のモータ回転子支持体の製造方法。
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