JP2023053637A - 渦電流式減速装置用ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】高温強度に優れ、かつ、渦電流式減速装置を構成した際に、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を小さくできる渦電流式減速装置用ロータを提供する。
【解決手段】本開示による渦電流式減速装置用ロータは、円筒部を備え、円筒部の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．１０％超～０．４０％、Ｍｏ：０．２０～１．００％、Ｎｂ：０．０２０～０．０６０％、Ｖ：０．０４０～０．０８０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３０～０．１００％、Ｂ：０．０００５～０．００５０％、Ｎ：０．００３～０．０１０％、Ｃｕ：０～０．２０％、Ｎｉ：０～０．２０％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物、からなる。
【選択図】図１

Description

本開示は、ロータに関し、さらに詳しくは、渦電流式減速装置（リターダ）に用いられる、渦電流式減速装置用ロータに関する。

バスやトラック等の大型自動車は、フットブレーキや排気ブレーキ等の制動装置を備える。最近の大型自動車ではさらに、渦電流式減速装置を備えるものが登場している。渦電流式減速装置は、リターダとも呼ばれる。たとえば、急勾配の長い下り坂等を走行する場合であって、エンジンブレーキや排気ブレーキを併用しても大型自動車の走行速度を減速しにくい場合、渦電流式減速装置を作動させる。これにより、制動力をさらに高め、大型自動車の走行速度を有効に減速させることができる。

渦電流式減速装置は、電磁石を用いるタイプと、永久磁石を用いるタイプとが存在する。永久磁石を用いた渦電流式減速装置は、ロータと、ロータに収納されるステータとを備える。ロータは、円筒部（ドラム）と、プロペラシャフトにロータを固定するための円環状のホイール部と、円筒部とホイール部とをつなぐ複数のアーム部とを備える。ステータは、円筒体と、極性の異なる２種類の複数の永久磁石と、複数のポールピースとを備える。極性の異なる複数の永久磁石は、円筒部の外周面上に、円周方向に交互に配列される。ポールピースは、ロータの円筒部の内周面と永久磁石との間に、隙間を空けて配置される。ステータのうち、複数の永久磁石が取り付けられた円筒体は、複数のポールピースとは別個独立して、円筒体の軸まわりを回転可能である。

制動時、つまり、渦電流式減速装置を作動させる場合、ステータの永久磁石の磁束がポールピースを介してロータに到達して、永久磁石とロータの円筒部との間に磁気回路が形成される。このとき、ロータの円筒部に渦電流が発生する。渦電流の発生に伴い、ローレンツ力が発生する。このローレンツ力が制動トルクとなり、大型自動車に制動力を付与する。一方、非制動時、つまり、渦電流式減速装置の動作を停止させる場合、ポールピースに対する永久磁石の相対位置をずらして、永久磁石の磁束がロータに到達しないようにする。この場合、永久磁石とロータの円筒部との間に磁気回路が形成されない。そのため、ロータの円筒部に渦電流が発生せず、制動力も発生しない。以上の動作により、渦電流式減速装置は、制動動作及び非制動動作を実行する。

ところで、制動力は、制動時のロータの円筒部に発生する渦電流量に依存する。そのため、制動時にロータの円筒部に発生する渦電流量は大きい方が好ましい。制動時に発生する渦電流量を増加させるためには、ロータの円筒部の電気抵抗が低い方が好ましい。

さらに、制動時において、渦電流とともに発生するジュール熱によりロータは加熱され、ロータの温度が６５０～７００℃程度まで上昇する。一方、渦電流式減速装置の非制動時において、ロータは円筒部の外周面に形成されている複数の冷却フィンにより急速に冷却（空冷）される。つまり、ロータでは、制動及び非制動の繰り返しにより、熱サイクルが負荷される。そのため、渦電流式減速装置のロータには、高い高温強度が要求される。

渦電流式減速装置用ロータにおいて、電気抵抗を低減しつつ、高い高温強度を得る技術が特開平８－４９０４１号公報（特許文献１）及び特開２０２０－１８０３２４号公報（特許文献２）に開示されている。

特許文献１に記載された渦電流式減速装置用ロータ材は、重量割合で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５～１．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｍｏ：０．２～１．０％、Ｎｂ：０．０１～０．０３％、Ｖ：０．０３～０．０７％、Ｂ：０．０００５～０．００３％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．０２～０．０９％、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部は実質的にＦｅからなる。この文献では、電気抵抗を高める元素であるＰ、Ｎｉ、Ｍｎの含有量を低減することにより、ロータ材の電気抵抗を低減する。さらに、Ｂを含有することにより、ロータ材の高温強度を高めている。

特許文献２に記載された渦電流式減速装置用ロータは、円筒部を備え、円筒部の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．１０～０．４０％、Ｍｎ：０．５０～１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｍｏ：０．２０～１．００％、Ｎｂ：０．０２０～０．０６０％、Ｖ：０．０４０～０．０８０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３０～０．１００％、Ｂ：０．０００５～０．００５０％、Ｎ：０．００３～０．０１０％、Ｃｕ：０～０．２０％、Ｎｉ：０～０．２０％、Ｃｒ：０～０．１０％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物、からなり、式（１）及び式（２）を満たし、ミクロ組織におけるマルテンサイト及びベイナイトの総面積率が９５．０％以上である。
０．０６０≦（５１／９３）Ｎｂ＋Ｖ≦０．１００ （１）
０．５０＜Ｎｂ／Ｖ （２）
ここで、式（１）及び式（２）中の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

特開平８－４９０４１号公報 特開２０２０－１８０３２４号公報

ところで、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を小さくすることで、制動時に発生する渦電流量を増加させることができる。制動時に発生する渦電流量が増加すれば、渦電流式減速装置の制動力が高まる。しかしながら、制動時にロータが加熱されることで、長期使用に伴いロータの内周面に酸化膜が厚く形成されることがある。そのため、この形成され得る酸化膜の厚さ分を考慮して、隙間を設定しておく必要があった。なお、本明細書において、ロータの円筒部とポールピースとの隙間（単に隙間ということもある）とは、ロータの円筒部の内周面と、ポールピースの外周面との距離をいう。

上述の特許文献１及び特許文献２に開示された技術によれば、高い高温強度を有する渦電流式減速装置用ロータが得られる。しかしながら、特許文献１及び特許文献２では、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を小さくする手段について検討されていない。

本開示の目的は、高温強度に優れ、かつ、渦電流式減速装置を構成した際に、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を小さくできる渦電流式減速装置用ロータを提供することである。

本開示による渦電流式減速装置用ロータは、
円筒部を備え、
前記円筒部の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５～０．１５％、
Ｓｉ：０．１０～０．４０％、
Ｍｎ：０．５０～１．００％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．１０％超～０．４０％、
Ｍｏ：０．２０～１．００％、
Ｎｂ：０．０２０～０．０６０％、
Ｖ：０．０４０～０．０８０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３０～０．１００％、
Ｂ：０．０００５～０．００５０％、
Ｎ：０．００３～０．０１０％、
Ｃｕ：０～０．２０％、
Ｎｉ：０～０．２０％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物、からなる。

本開示による渦電流式減速装置用ロータは、７００℃程度まで達した場合においても、高い強度を有する。また、本開示による渦電流式減速装置用ロータを用いて渦電流式減速装置を構成した際に、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を小さくできる。

図１は、渦電流式減速装置内におけるロータの円筒部とポールピースとの隙間と、渦電流式減速装置の制動トルクとの関係を示す図である。 図２は、本実施形態の渦電流式減速装置用ロータが適用される、渦電流式減速装置の正面図である。 図３は、図２に示す渦電流式減速装置をプロペラシャフトに固定した場合の、渦電流式減速装置の、プロペラシャフトの軸方向の断面図である。 図４は、非制動時の渦電流式減速装置の軸方向に垂直な断面図（径方向の断面図）である。 図５は、制動時の渦電流式減速装置の軸方向に垂直な断面図（径方向の断面図）である。

本発明者らは、高温強度に優れ、かつ、渦電流式減速装置を構成した際に、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を小さくできる渦電流式減速装置用ロータについて調査及び検討を行った。

渦電流式減速装置を長期間使用した場合、ロータの円筒部の内周面上に酸化膜が形成される。ロータの円筒部と、ポールピースの外周面とが接触すれば、異音や車体の振動が発生してしまう。そのため、ロータの円筒部とポールピースとの隙間は、長期間使用後にロータの円筒部の内周面に酸化膜が厚く形成されても、ポールピースと接触しないように、形成され得る酸化膜の厚さ分を考慮して設定する必要がある。

一方で、本発明者らは、渦電流式減速装置を長期間使用した場合であっても、ロータの円筒部の内周面上に形成される酸化膜が厚くならなければ、ロータの円筒部とポールピースとの隙間をより小さくできると考えた。ロータの円筒部とポールピースとの隙間をより小さくできれば、渦電流式減速装置の制動トルクを高めることができる。本発明者らは、渦電流式減速装置内におけるロータの円筒部とポールピースとの隙間と、渦電流式減速装置の制動トルクとの関係を調査した。具体的には、Ｃ：０．０９％、Ｓｉ：０．１９％、Ｍｎ：０．８５％、Ｐ：０．００９％、Ｓ：０．００８％、Ｃｒ：０．１７％、Ｍｏ：０．５２％、Ｎｂ：０．０２９％、Ｖ：０．０４５％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０６６％、Ｂ：０．００１８％、Ｎ：０．００５％、Ｃｕ：０．０１％、Ｎｉ：０．０１％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物からなる渦電流式減速装置用ロータを製造した。渦電流式減速装置用ロータの形状は、外径（直径）：４４０ｍｍ、内径（直径）：３９０ｍｍ、円筒部の肉厚：１１ｍｍ、軸方向の長さ：８５ｍｍ、冷却フィンの枚数：８５枚、エアギャップ：１０００μｍであった。制動トルクは、プロペラシャフトの回転数が３０００ｒｐｍの時点で測定した。化学組成及びその他の条件は変えずに、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を変化させるため、円筒部の肉厚を変化させた渦電流式減速装置用ロータを複数製造した。円筒部の肉厚：１１ｍｍ、エアギャップ：１０００μｍの場合の制動トルクを１として、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を変化させた場合の制動トルクの比を求めた。結果を図１に示す。

図１を参照して、ロータの円筒部とポールピースとの隙間が小さくなるにしたがい、制動トルク比が高まる。また、隙間が大きい領域（１２００～１５００μｍの領域）と比較して、隙間が小さい領域（５００～８００μｍの領域）では、制動トルク比の変化量が大きい。つまり、ロータの円筒部とポールピースとの隙間が小さい領域では、制動トルクを顕著に高めることができることが分かる。

また一方で、制動時において渦電流とともに発生するジュール熱により、ロータが加熱されて高温（６５０～７００℃程度）になることで、ロータの円筒部の内周面で酸化が促進され、長期間使用した場合に酸化膜が厚く形成される場合がある。そのため、渦電流式減速装置の制動トルクを大きくするには、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を小さくして磁束の減衰を抑えることが有効であるものの、形成され得る酸化膜の厚さを考慮して、ロータの円筒部とポールピースとの隙間を設定せざるを得なかった。

そこで本発明者らは、７００℃程度まで達するような高温での使用を想定した場合であっても、高い強度を有し、かつ、酸化膜の形成を抑制する手段について具体的に検討を行った。その結果、ロータの円筒部に０．１０％超～０．４０％のＣｒを含有させることが有効であることが分かった。０．１０％超～０．４０％のＣｒを含有させることで、酸化膜が抑制される理由としては以下の理由が考えられる。ロータの円筒部に０．１０％超～０．４０％のＣｒが含有されれば、高温（６５０～７００℃程度）で使用した際に、ロータの内周面又は内周面近傍に、Ｃｒ酸化物が形成される。Ｃｒ酸化物は、大気中からロータ内部への酸素の拡散、及び、ロータ内部からロータの表面への鉄の拡散を抑制する。これにより、ロータの円筒部の内周面において、酸化膜の形成を抑制する。ロータの円筒部に０．１０％超～０．４０％のＣｒを含有させればさらに、高温強度が高まる。

以上の知見に基づいて完成した本実施形態による渦電流式減速装置用ロータの要旨は、次のとおりである。

［１］
渦電流式減速装置用ロータであって、
円筒部を備え、
前記円筒部の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０５～０．１５％、
Ｓｉ：０．１０～０．４０％、
Ｍｎ：０．５０～１．００％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．１０％超～０．４０％、
Ｍｏ：０．２０～１．００％、
Ｎｂ：０．０２０～０．０６０％、
Ｖ：０．０４０～０．０８０％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３０～０．１００％、
Ｂ：０．０００５～０．００５０％、
Ｎ：０．００３～０．０１０％、
Ｃｕ：０～０．２０％、
Ｎｉ：０～０．２０％、及び、
残部：Ｆｅ及び不純物、からなる、
渦電流式減速装置用ロータ。

［２］
［１］に記載の渦電流式減速装置用ロータであって、
前記化学組成は、
Ｃｕ：０．０１～０．２０％、及び、
Ｎｉ：０．０１～０．２０％、からなる群から選択される１元素以上を含有する、
渦電流式減速装置用ロータ。

以下、本実施形態の渦電流式減速装置用ロータについて詳述する。

［渦電流式減速装置の構成］
図２は、本実施形態の渦電流式減速装置用ロータが適用される、渦電流式減速装置の正面図である。図２を参照して、渦電流式減速装置１は、渦電流式減速装置用ロータ１０（以下、単にロータ１０ともいう）と、ステータ２０とを備える。

図３は、図２に示す渦電流式減速装置１をプロペラシャフトに固定した場合の、渦電流式減速装置１の、プロペラシャフトの軸方向の断面図である。図３を参照して、本実施形態では、ロータ１０がプロペラシャフト３０に固定され、ステータ２０が、図示しないトランスミッションに固定される。図２及び図３を参照して、ロータ１０は、円筒部（ドラム）１１と、アーム部１２と、ホイール部１３とを備える。円筒部１１は、円筒状であり、ステータ２０の外径よりも大きい内径を有する。ホイール部１３は、円筒部１１の内径よりも小さい外径を有する円環状の部材であり、中心部に貫通孔を有する。ホイール部１３の厚さは、円筒部１１の厚さよりも薄い。ホイール部１３は、貫通孔にプロペラシャフト３０を挿入し、プロペラシャフト３０に固定される。アーム部１２は、図２及び図３に示すとおり、円筒部１１の端部と、ホイール部１３とを繋いでいる。なお、円筒部１１の外周面には、複数の冷却フィン１１Ｆが形成されている。

図４は、非制動時の渦電流式減速装置１の軸方向に垂直な断面図（径方向の断面図）である。図４を参照して、ステータ２０は、磁石保持リング２１と、複数の永久磁石２２及び２３と、複数のポールピース２４とを備える。永久磁石２２及び永久磁石２３は、磁石保持リング２１の外周面上に、円周方向に交互に配列されている。永久磁石２２の表面のうち、ロータ１０の円筒部１１の内周面と対向する表面はＮ極である。永久磁石２３の表面のうち、ロータ１０の円筒部１１の内周面と対向する表面はＳ極である。複数のポールピース２４は、ステータ２０の円周方向に配列されている。複数のポールピース２４は、複数の永久磁石２２及び２３と、円筒部１１の内周面との間に隙間を空けて配列されている。

［渦電流式減速装置１の制動及び非制動の動作について］
図４を参照して、非制動時において、渦電流式減速装置１の径方向に見た場合、各永久磁石２２又は２３は、互いに隣り合う２つのポールピース２４と重複している。この場合、磁束Ｂは図４に示すとおり、ステータ２０内に流れ、具体的には、永久磁石２２及び２３と、ポールピース２４と、磁石保持リング２１との間を流れる。この場合、ロータ１０と永久磁石２２及び２３との間には磁気回路が形成されておらず、ロータ１０にローレンツ力が発生しない。そのため、制動力が作動しない。

図５は、制動時の渦電流式減速装置１の軸方向に垂直な断面図（径方向の断面図）である。制動時において、ステータ２０内の磁石保持リング２１が回転して、図４と比較して、永久磁石２２及び２３の、ポールピース２４に対する相対位置をずらす。具体的には、図５では、制動時において、渦電流式減速装置１の径方向に見た場合、各永久磁石２２又は２３は、１つのポールピース２４のみと重複しており、２つのポールピース２４には重複していない状態となる。そのため、磁束Ｂは図５に示すとおり、磁石保持リング２１、永久磁石２２又は２３、ポールピース２４、及び、円筒部１１との間を流れる。この場合、ロータ１０と永久磁石２２又は２３との間には磁気回路が形成される。このとき、ロータ１０の円筒部１１に渦電流が発生する。渦電流の発生に伴い、ローレンツ力が発生する。このローレンツ力が制動トルクとなり、制動力が発生する。

以上のとおり、渦電流式減速装置１は、ロータ１０に磁束Ｂを作用させて、発生する渦電流により、制動力を発生させる。したがって、ロータ１０の円筒部１１の内周面とポールピース２４の外周面との距離（ロータ１０の円筒部１１とポールピース２４との隙間Ｇ）は小さい方が、磁束Ｂがロータ１０の円筒部１１に作用するまでの減衰を抑制でき、高い制動力が得られる。そのため、ロータ１０の円筒部１１は、制動及び非制動を繰り返すことにより、熱サイクルが負荷されても変形が小さく、かつ、酸化膜が形成され難い材料で構成されるのが好ましい。渦電流式減速装置１のロータ１０は６５０℃から７００℃の高温で使用されるため、これらの温度で高い強度と耐酸化性を有する材料が求められている。以下、ロータ１０について詳述する。

［渦電流式減速装置用ロータ１０について］
［化学組成］
本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０の円筒部１１の化学組成は、次の元素を含有する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。

Ｃ：０．０５～０．１５％
炭素（Ｃ）は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ｃはさらに、Ｎｂ炭化物、Ｖ炭化物等の析出強化型の微細な炭化物を生成し、鋼材の高温強度を高める。Ｃ含有量が０．０５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上述の効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０５～０．１５％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０６％であり、さらに好ましくは０．０７％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．１４％であり、さらに好ましくは０．１３％であり、さらに好ましくは０．１２％である。

Ｓｉ：０．１０～０．４０％
シリコン（Ｓｉ）は、製鋼工程において、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ｓｉ含有量が０．１０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が０．４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０～０．４０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．３８％であり、さらに好ましくは０．３６％である。

Ｍｎ：０．５０～１．００％
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼工程において、鋼を脱酸する。Ｍｎはさらに、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Ｍｎ含有量が０．５０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．５０～１．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５８％であり、さらに好ましくは０．６０％であり、さらに好ましくは０．６２％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．９４％であり、さらに好ましくは０．９０％であり、さらに好ましくは０．８８％である。

Ｐ：０．０３０％以下
燐（Ｐ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐは、鋼材の熱間加工性及び靱性を低下する。Ｐはさらに、鋼材の電気抵抗を高め、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量を減少させる。Ｐ含有量が０．０３０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び靱性が顕著に低下し、さらに、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０２８％であり、さらに好ましくは０．０２６％であり、さらに好ましくは０．０２５％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量の過剰な低減は、製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００３％である。

Ｓ：０．０３０％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｓ含有量は０％超である。Ｓは、鋼材の熱間加工性及び靱性を低下させる。Ｓ含有量が０．０３０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性及び靱性が顕著に低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２２％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は、製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、Ｓ含有量の好ましい下限は０．００１％である。

Ｃｒ：０．１０％超～０．４０％
クロム（Ｃｒ）は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の高温強度を高める。さらに、Ｃｒは、鋼材の耐高温酸化性を高め、酸化膜の形成を抑制する。Ｃｒが０．１０％以下であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、耐高温酸化性が十分に得られない。しかしながら、Ｃｒ含有量が０．４０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、ロータ１０の円筒部１１とポールピース間の隙間を小さくしても、渦電流式減速装置１の制動時において、渦電流式減速装置１のロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少するため、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．１０％超～０．４０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．１１％であり、さらに好ましくは０．１２％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．３８％であり、さらに好ましくは０．３５％である。

Ｍｏ：０．２０～１．００％
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼材の焼入れ性を高め、固溶強化及びＭｏ炭化物（Ｍｏ_２Ｃ）による析出強化（分散強化）により、高温強度を高める。Ｍｏはさらに、鋼材の靱性を高める。Ｍｏ含有量が０．２０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が１．００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０．２０～１．００％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．３０％であり、さらに好ましくは０．３５％であり、さらに好ましくは０．４０％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．９０％であり、さらに好ましくは０．８０％であり、さらに好ましくは０．７０％であり、さらに好ましくは０．６０％である。

Ｎｂ：０．０２０～０．０６０％
ニオブ（Ｎｂ）は、炭素と結合してＮｂ炭化物を生成し、析出強化により、鋼材の高温強度を高める。Ｎｂはさらに、結晶粒の粗大化を抑制する。Ｎｂ含有量が０．０２０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎｂ含有量が０．０６０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。Ｎｂ含有量が０．０６０％を超えればさらに、鋼材の靱性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０．０２０～０．０６０％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０３２％であり、さらに好ましくは０．０３４％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０５８％であり、さらに好ましくは０．０５６％であり、さらに好ましくは０．０５４％である。

Ｖ：０．０４０～０．０８０％
バナジウム（Ｖ）は、炭素と結合してＶ炭化物を生成し、析出強化により、鋼材の高温強度を高める。Ｖはさらに、結晶粒の粗大化を抑制する。Ｖ含有量が０．０４０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｖ含有量が０．０８０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。Ｖ含有量が０．０８０％を超えればさらに、鋼材の靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０．０４０～０．０８０％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．０４４％であり、さらに好ましくは０．０４８％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．０７５％であり、さらに好ましくは０．０７０％である。

ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３０～０．１００％
アルミニウム（Ａｌ）は、製鋼工程において、鋼を脱酸する。Ａｌはさらに、Ｎと結合してＡｌＮを生成して、鋼材の結晶粒を微細化する。ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．０３０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．１００％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．０３０～０．１００％である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。ｓｏｌ．Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０９０％である。

Ｂ：０．０００５～０．００５０％
ボロン（Ｂ）は鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の高温強度を高める。Ｂ含有量が０．０００５％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｂ含有量が０．００５０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。したがって、Ｂ含有量は０．０００５～０．００５０％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．００１０％であり、さらに好ましくは０．００１２％であり、さらに好ましくは０．００１４％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。

Ｎ：０．００３～０．０１０％
窒素（Ｎ）は、Ａｌと結合してＡｌＮを形成して、鋼材の結晶粒を微細化する。Ｎ含有量が０．００３％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｎ含有量が０．０１０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、ロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００３～０．０１０％である。Ｎ含有量の好ましい下限は０．００４％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．００９％であり、さらに好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．００７％である。

本実施形態の渦電流式減速装置１のロータ１０の円筒部１１の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、本実施形態のロータ１０の円筒部１１を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は、製造環境などから混入されるものであって、本実施形態のロータ１０の円筒部１１に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

［任意元素について］
本実施形態の渦電流式減速装置１のロータ１０の円筒部１１の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｕ及びＮｉから選択される１元素以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、鋼材の焼入れ性を高める。

Ｃｕ：０～０．２０％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｃｕ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｃｕは、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の高温強度を高める。Ｃｕが少しでも含有されれば、上記効果はある程度得られる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、渦電流式減速装置１のロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０～０．２０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１０％である。

Ｎｉ：０～０．２０％
ニッケル（Ｎｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｉ含有量は０％であってもよい。含有される場合、Ｎｉは、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の高温強度を高める。Ｎｉが少しでも含有されれば、上記効果はある程度得られる。しかしながら、Ｎｉ含有量が０．２０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の電気抵抗が過剰に高まり、渦電流式減速装置１の制動時において、渦電流式減速装置１のロータ１０の円筒部１１を流れる渦電流量が減少する。この場合、渦電流式減速装置１の制動力が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０～０．２０％である。Ｎｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０１％であり、さらに好ましくは０．０２％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．１５％であり、さらに好ましくは０．１２％であり、さらに好ましくは０．１０％である。

［ミクロ組織］
本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０の円筒部１１のミクロ組織は、主としてマルテンサイト及び／又はベイナイトからなる組織である。例えば、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率が９５％以上である。マルテンサイト及びベイナイト以外の残部はフェライトである。なお、ミクロ組織観察において、マルテンサイトとベイナイトとを区別することは極めて困難であるため、フェライト以外の領域を、「マルテンサイト及びベイナイト」と認定する。

［ミクロ組織観察方法］
本実施形態において、ミクロ組織中のマルテンサイト及びベイナイトの総面積率は、次の方法で測定できる。ロータ１０の円筒部１１の肉厚中央位置からサンプルを採取する。サンプルは、後述の観察視野（２００μｍ×１００μｍ）が確保できれば、サイズは特に限定されない。サンプルの表面のうち、上記観察視野を含む観察面を鏡面研磨する。鏡面研磨後のサンプルを、ナイタル液に１０秒程度浸漬してエッチングを実施し、観察面に組織を現出させる。エッチングにより組織が現出された観察面内の任意の１視野（観察視野）を、５００倍の光学顕微鏡により観察する。観察視野の視野面積は２００００μｍ^２（２００μｍ×１００μｍ）とする。観察視野中において、フェライトと、マルテンサイト及びベイナイトとは、コントラストに基づいて容易に区別できる。そこで、観察視野中のフェライトを特定して、特定されたフェライトの面積を求める。フェライトの面積を、観察視野の総面積で除して、フェライトの面積率（％）を求める。マルテンサイト及びベイナイトの総面積率（％）を、次の式で求める。
マルテンサイト及びベイナイトの総面積率＝１００－フェライトの面積率

［製造方法］
本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０の製造方法の一例を説明する。以降に説明する製造方法は、本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０を製造するための一例である。したがって、上述の構成を有する渦電流式減速装置用ロータ１０は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０の製造方法の好ましい一例である。

本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０の製造方法は例えば、次の工程を含む。
（工程１）素材準備工程
（工程２）熱間加工工程
（工程３）調質処理工程
（工程４）機械加工工程
（工程５）ロータ形成工程
以下、各工程について説明する。

［（工程１）素材準備工程］
素材準備工程では、各元素含有量が本実施形態の範囲内である素材を準備する。素材は第三者から供給されたものであってもよい。素材を製造してもよい。製造する場合、たとえば、次の方法で製造する。

各元素含有量が本実施形態の範囲内にある化学組成を有する溶鋼を製造する。精錬方法は特に限定されず、周知の方法を用いればよい。精錬において、成分調整の合金元素の添加を実施して、各元素含有量が本実施形態の範囲内にある化学組成を有する溶鋼を製造する。

上述の精錬方法により製造された溶鋼を用いて、周知の鋳造法により素材を製造する。たとえば、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造する。また、溶鋼を用いて連続鋳造法によりブルーム又はビレットを製造してもよい。製造されたブルーム又はインゴットを１０００～１３００℃に加熱した後、熱間加工を実施して、ビレットを製造してもよい。熱間加工はたとえば、熱間圧延、熱間鍛造等である。製造されたビレット（連続鋳造により製造されたビレット、又は、ブルーム又はインゴットを熱間加工して製造されたビレット）を、渦電流式減速装置用ロータ１０の素材とする。

［（工程２）熱間加工工程］
素材準備工程にて準備された素材に対して熱間加工（熱間鍛造及び／又は熱間圧延）を実施して、円筒部１１に相当する中間品を製造する。始めに、素材を１０００～１３００℃に加熱する。加熱後の素材に対して、熱間鍛造を実施して所定の寸法に成型する。熱間鍛造後さらに、熱間圧延を実施して、円筒状の中間品を製造する。加熱後の素材に対して、熱間鍛造又は熱間圧延を実施して、円筒状の中間品を製造してもよい。

［（工程３）調質処理工程］
熱間加工工程により製造された中間品に対して、調質処理工程を実施する。調質処理工程は、次の工程を含む。各工程には、主要な製造条件も記載する。
（工程３１）焼入れ処理工程
好ましい焼入れ温度：８７０～９３０℃
好ましい保持時間 ：０．５～３．０時間
（工程３２）焼戻し処理工程
好ましい焼き戻し温度：６６０～７１０℃
好ましい保持時間 ：０．５～３．０時間

［（工程３１）焼入れ処理工程］
始めに、中間品に対して、焼入れ処理を実施する。焼入れ温度は８７０～９３０℃である。焼入れ温度で保持する時間は、特に限定されないが、たとえば０．５～３．０時間である。焼入れ温度が８７０℃未満であれば、中間品のミクロ組織がオーステナイト単相にならないため、焼入れ後の組織において、マルテンサイト及び／又はベイナイトだけでなく、フェライトが残存してしまい、十分な高温強度が得られない。一方、焼入れ温度が９３０℃超であれば、オーステナイト結晶粒が粗大化し、ロータ１０の靭性や耐高温酸化性が低下する。したがって、焼入れ温度は８７０～９００℃である。焼入れ処理での急冷方法は、周知の方法で足りる。焼入れ処理での急冷方法はたとえば、水冷や油冷である。

［（工程３２）焼戻し処理工程］
焼入れ処理後の中間品に対して、焼戻し処理を実施する。焼戻し温度は６６０～７１０℃である。焼戻し温度で保持する時間は、特に限定されないが、たとえば０．５～３．０時間である。焼戻し温度が６６０℃未満であれば、十分な強度が得られない。一方、焼戻し温度が７１０℃を超えれば、焼戻しによる軟化が大きくなり、この場合も十分な強度が得られない。したがって、焼戻し温度は６６０℃～７１０℃とする。

［（工程４）機械加工工程］
焼戻し処理後の中間品の内周面及び外周面を機械加工する。このとき、外周面には冷却フィン１１Ｆを形成する。機械加工は周知の方法で実施すれば足りる。以上の工程により、円筒部１１が製造される。

［（工程５）ロータ形成工程］
製造された円筒部１１に、ホイール部１３に取り付けられたアーム部１２を取り付けて、渦電流式減速装置用ロータ１０を製造する。取り付け方法は溶接であってもよいし、他の方法であってもよい。

以上の製造方法により、本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０を製造できる。なお、本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０は、上記製造方法に限定されず、上述の構成を有する渦電流式減速装置用ロータ１０が製造できれば、上記製造方法以外の他の製造方法で本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０を製造してもよい。ただし、上記製造方法は、本実施形態の渦電流式減速装置用ロータ１０の製造に好適な例である。

表１の化学組成を有する溶鋼を製造した。

表１中の空白部分は、実施形態に規定の桁数において０％であることを意味する。換言すれば、対応する元素の含有量が、実施形態に規定の桁数の端数を四捨五入した場合に０％であることを意味する。例えば、本実施形態で規定されたＣｒ含有量は少数第二位までの数値で規定されている。表１の試験番号１４は、測定されたＣｒ含有量を小数第三位で四捨五入した場合に０％であったことを意味する。

各試験番号の溶鋼を用いて、造塊法により、１８０ｋｇの円柱状のインゴットを製造した。インゴットの一部を切り出し、１２００℃に加熱した後、熱間鍛造を実施して、擬似中間品として、厚さ４０ｍｍの鋼板を製造した。擬似中間品に対して、９００℃の焼入れ温度で焼入れ処理を実施した。焼入れ温度での保持時間は１．５時間、冷却方法は水冷であった。焼入れ処理後の擬似中間品に対して、６９０℃の焼戻し温度で焼戻しを実施した。なお、焼戻し温度での保持時間は２時間、冷却方法は空冷であった。以上の製造工程により、渦電流式減速装置用ロータを擬似した、各試験番号の擬似ロータ（鋼板）を製造した。各試験番号の擬似ロータ（鋼板）のミクロ組織は、主としてマルテンサイト及び／又はベイナイトからなり、マルテンサイト及びベイナイトの総面積率が９５％以上であった。

［７００℃での引張試験］
製造した各試験番号の擬似ロータの７００℃での降伏強度（ＭＰａ）を、ＪＩＳ Ｇ ０５６７（２０１２）に準拠した測定方法により求めた。具体的には、各試験番号の擬似ロータから、引張試験片を採取した。引張試験片の平行部の長さは４０ｍｍ、標点間の長さは３０ｍｍ、平行部の直径は６ｍｍであった。加熱炉を用いて引張試験片を加熱して、試験片の温度を７００℃にした。７００℃の引張試験片に対して、大気中にて引張試験を実施して、応力－ひずみ曲線を得た。得られた応力－ひずみ曲線から、オフセット法に基づく０．２％耐力を、降伏強度（ＭＰａ）と定義した。得られた７００℃での降伏強度（ＭＰａ）を、表２に示す。

７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ以上であった試験番号についてのみ、熱負荷耐久試験を実施するための渦電流式減速装置用ロータを製造した。具体的には、試験番号１～４、１４及び１５のインゴットを１２００℃に加熱した後、熱間鍛造を実施して、円筒状素材を製造した。円筒状素材に対して、９００℃で１．５時間保持した後に水冷する焼入れ処理を実施し、その後、６９０℃で２時間保持した後に空冷する焼戻し処理を実施した。その後、機械加工し、ホイールに取り付けたアームを溶接で取り付けて、渦電流式減速装置用ロータを製造した。ロータの外径（直径）は４４０ｍｍ，内径（直径）は３９０ｍｍ，円筒部の肉厚は１１ｍｍ，軸方向の長さは８５ｍｍであり、ロータの外周面の冷却フィンの枚数は８１枚であった。

［熱負荷耐久試験］
製造した試験番号１～４、１４及び１５のロータに対して、熱負荷耐久試験を実施した。熱負荷耐久試験では、ロータを３０００ｒｐｍで回転させた状態で、制動状態と非制動状態を繰り返し、ロータに熱サイクルを与えた。具体的には、制動状態にし、ロータの温度が７００℃に到達した時点で非制動状態に切り替え、ロータの温度が１００℃まで冷却された時点で制動状態に切り替えるという操作を繰り返し、最低温度１００℃、最高温度７００℃の熱サイクルを２万回与えた。２万回の熱サイクルを与えた後に、ロータの円筒部を軸方向長さの中央部で切断し、その切断面を観察することで、ロータの円筒部の内周面に形成された酸化膜の厚さを計測した。計測した酸化膜の厚さを表３に示す。

［評価結果］
表２及び表３を参照して、試験番号１～４の擬似ロータは、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ以上であり、７００℃において高い強度を有した。試験番号１～４のロータは、熱サイクル後に形成された酸化膜の厚さが５００μｍ以下であった。すなわち、試験番号１～４のロータは、渦電流式減速装置を構成した際にロータの円筒部とポールピースとの隙間Ｇを小さくできることが分かった。

一方、試験番号５では、Ｃ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号６では、Ｓｉ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号７では、Ｍｎ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号８では、Ｍｏ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号９では、Ｖ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号１０では、Ｎｂ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号１１では、Ａｌ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号１２では、Ｂ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号１３では、Ｎ含有量が低すぎた。そのため、７００℃での降伏強度が１４０ＭＰａ未満となり、７００℃での強度が低すぎた。

試験番号１４及び１５のロータは、Ｃｒ含有量が低すぎた。そのため、試験番号１４及び１５のロータは、熱サイクル後に形成された酸化膜の厚さが５００μｍ超であった。すなわち、試験番号１４及び１５のロータは、渦電流式減速装置を構成した際にロータの円筒部とポールピースとの隙間Ｇを小さくできないことが分かった。

以上、本開示の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１ 渦電流式減速装置
１０ ロータ
１１ 円筒部
１２ アーム部
１３ ホイール部
２０ ステータ

Claims (2)

1. 渦電流式減速装置用ロータであって、
   円筒部を備え、
   前記円筒部の化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．０５～０．１５％、
   Ｓｉ：０．１０～０．４０％、
   Ｍｎ：０．５０～１．００％、
   Ｐ：０．０３０％以下、
   Ｓ：０．０３０％以下、
   Ｃｒ：０．１０％超～０．４０％、
   Ｍｏ：０．２０～１．００％、
   Ｎｂ：０．０２０～０．０６０％、
   Ｖ：０．０４０～０．０８０％、
   ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３０～０．１００％、
   Ｂ：０．０００５～０．００５０％、
   Ｎ：０．００３～０．０１０％、
   Ｃｕ：０～０．２０％、
   Ｎｉ：０～０．２０％、及び、
   残部：Ｆｅ及び不純物、からなる、
   渦電流式減速装置用ロータ。
2. 請求項１に記載の渦電流式減速装置用ロータであって、
   前記化学組成は、
   Ｃｕ：０．０１～０．２０％、及び、
   Ｎｉ：０．０１～０．２０％、からなる群から選択される１元素以上を含有する、
   渦電流式減速装置用ロータ。
   

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