JP4000011B2 - モータ鉄芯用電磁鋼板及び鉄芯 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のハンドル操舵を快適に行うために装備される電動パワステアリング(以下電動PSと記す)及びロボットの様に低速回転・低トルク損モータに用いられるモータ用鉄芯用電磁鋼板及び鉄芯に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
地球環境問題が重視されつつある中で、あらゆる分野でエネルギーの無駄遣いをなくそうとの動きが盛んである。一方で、便利さ、快適さを求める人間の欲望は留まるところを知らないようである。
【0003】
ところで、自動車のハンドル操作が簡単になる、いわゆるPS装置は、軽自動車、普通自家用車、トラックを問わず一般化している。従来このPSは油圧式が通常であったが、近年、エネルギー消費効率の観点から電動PSに替える動きが急である。
【0004】
しかしながら、電動PSは油圧PSには無い課題を有している。即ち、油圧PSに比べて操舵時の損失トルクが大きいという課題である。この損失トルクが大きい場合、操舵がスムーズに行うことができないため、商品価値が低下する。
【0005】
この課題である損失トルクを減少させるために、従来、例えば特開平6−219311号公報や、特開平9−156519号公報に開示されている如く、電気回路による制御による方法が採用されている。
しかしこの技術は、電気制御時にモータ鉄芯に発生した鉄損が、逆に損失トルク特性に大きな弊害をもたらしている問題があった。
【0006】
なお一般的な電動PSの構造は、図1に示すような電磁鋼板を積層した鉄芯に巻線を施したものをロータとして、ステータに永久磁石を利用した直流ブラシ付きタイプである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の点に鑑み、電動PS固有の問題であったハンドルの損失トルクを減少させるためや、その他、低速回転・低トルク損モータの鉄芯用電磁鋼板及び鉄芯を提供するものである。
さらに、本願発明では、上記電動パワステアリング以外に、ロボットのような低速回転・低トルク損モータにも用いられるものに関するものである。この場合、ロボットとは、産業用ロボットのみならず、介護用ロボット、ペット用ロボットを含む。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは、以下の通りである。
(1)鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、Wh17/50(励磁磁束密度1.7Tにおける直流ヒステリシス損失を50倍した値)≦3.5W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ鉄芯用電磁鋼板。
(2)歪取り焼鈍若しくは磁性焼鈍(以下単に焼鈍と記す)後の鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、Wh17/50≦4W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ鉄芯用電磁鋼板。
(3)モータ鉄芯用形状に加工後、焼鈍を実施した後の、鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、Wh17/50≦4W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
(4)モータ鉄芯用形状に加工後、焼鈍を実施した後の、鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、シャフト装着後のWh17/50≦5W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
(5)モータ鉄芯用形状に加工し、シャフト装着の後、焼鈍を実施した後の鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、焼鈍後のWh17/50≦4W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、いわゆる電動PSモータ用鉄芯について、種々の研究を鋭意重ねた結果、電動PSモータ鉄芯において、鉄芯の材料である鋼板、あるいは焼鈍する場合は焼鈍を実施した後の鋼板を構成している鋼板の、ビッカース硬度/平均結晶粒径比、平均酸化層厚み等を規定することによって、損失トルク特性の優れた電動PSモータ用鉄芯を製造することに成功した。
【0010】
本発明の限定理由について説明する。
操舵または動作等による回転がスムーズに行われる、すなわち回転性を改善するためには、回転時に生じる損失トルクをいかに低減するかが重要である。そこで損失トルク特性について様々な検討を行った結果、極低速回転下で特性評価されること、図1に示すように、ティース3の幅が極めて狭いため、この部分に高磁束密度域が生じやすい鉄芯形状になっていることから、直流かつ高磁場領域での鉄損が指標として極めて重要なことが明らかになった。
【0011】
この鉄損を改善させるには、いかに磁壁移動の障害を少なくして、磁束の流れをスムーズにするかが重要だと考え、そのためには平均結晶粒径とビッカース硬度との比を最適にすることにより、シャフト装着時に生じる加工歪みを小さくすることが大変有効であることを明らかにした。併せて酸化層の厚みを制御することも重要である。
【0012】
ロータの製造方法としては、▲1▼電磁鋼板を所定の形状に打抜き後、カシメ等で積層固着、シャフト装着する方法、▲2▼電磁鋼板を所定の形状に打抜き、カシメ等で積層固着後、歪取り或いは磁性焼鈍を行い、シャフト装着する方法、▲3▼電磁鋼板を所定の形状に打抜き、カシメ等で積層固着、シャフト装着後、歪取り或いは磁性焼鈍を行う方法、等がある。
【0013】
焼鈍(歪取り或いは磁性焼鈍)焼鈍の条件としては、例えば温度として600〜800℃、均熱時間として1〜3時間、雰囲気として窒素、水素、DX燃焼ガスがある。
【0014】
Wh17/50 は、焼鈍しない鋼板では、3.5W/kg 以下とする。Wh17/50 が3.5W/kg を超えると、損失トルクが大きくため、操舵性が油圧方式と比べても劣り、商品価値がなくなる。
【0015】
焼鈍する鋼板と鉄芯、あるいはシャフト装着後に焼鈍する鉄芯では、Wh17/50 を4W/kg 以下とする。Wh17/50 が4W/kg を超えると、損失トルクが大きくため操舵性が油圧方式と比べても劣り、商品価値がなくなる。
【0016】
一方、シャフト装着後、そのまま使用する鉄芯では、Wh17/50 を5W/kg 以下とする。Wh17/50 が5W/kg を超えると、損失トルクが大きくため操舵性が油圧方式と比べても劣り、商品価値がなくなる。
【0017】
Wh測定は、Cloffi Type相互誘導型直流自記磁束計で行う。図1に示す積層鉄芯1のティース3部分に、一次巻線、二次巻線5を施し、図2に示す短絡用継鉄10で閉磁路11を形成して測定する。
【0018】
所定の形状に加工後、焼鈍する場合は焼鈍を実施した後の鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比は、3.5以下とする。3.5を超えた場合、シャフト装着時に鉄芯を構成している鋼板に応力がかかり、鉄損に影響を及ぼすレベルの歪が導入されたり、結晶粒界の体積比率が多くなりすぎるため、磁壁移動の妨げになり、直流でかつ高磁場の鉄損が不満足となる。
なお、上記の比を最適にするために、成分設計、冷延圧下率、焼鈍条件等を考慮する必要がある。
【0019】
鋼板のビッカース硬度は、鋼板表面を絶縁被膜を除去して5kg荷重で測定する。平均結晶粒径は鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求める。
【0020】
所定の形状に加工後、焼鈍する場合は焼鈍を実施した後の鋼板の平均酸化層厚みは、10μm以下とする。10μm超では、非強磁性である酸化層の割合が多くなり、鉄損が増大して、問題である。
なお、酸化層の厚みを10μm以下とするためには、歪取り焼鈍時の窒素、水素、DX燃焼ガスなどの雰囲気及び温度を最適に制御することが重要である。
平均酸化層厚みは、SEM−EDAXで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義する。
【0021】
【実施例】
(実施例1)
平均結晶粒径と硬度の異なる、平均酸化層厚みが0.5μmの、板厚0.50mmの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工して、鉄芯とした。このとき用いた無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径、硬度、鋼板の直流磁気特性を測定した結果を表1に示す。
【0022】
次に、鉄芯にした後、図2に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。
無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径は、鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は鋼板表面を絶縁被膜を除去して、5kg荷重で測定した。なお、平均酸化層厚みは0.5μmのままである。
平均酸化層厚みは、SEM−EDAXで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。結果を併せて表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
表1に示すように、ビッカース硬度/平均結晶粒径を3.5以下に制御したものは、Wh17/50 ≦4W/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため、損失トルクが少なく、操舵性の優れた鋼板及びそれらで構成される鉄芯が得られる。
【0025】
(実施例2)
質量%で、0.0025%C、3.00%Si、0.24%Mn、0.02%P、0.001%S、0.6%Al、0.001%N、0.002%Ti、0.014%Snを含む板厚0.50mm、平均酸化層厚み0.1μmで、平均結晶粒径の異なる無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工して、鉄芯とした。
【0026】
その後、図2に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して直流磁気特性を測定した。平均結晶粒径は鉄芯を構成している鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は鉄芯を構成している鋼板表面を絶縁被膜を除去して、5kg荷重で測定した。なお、鉄芯を構成している鋼板の平均酸化層厚みは0.5μmのままである。平均酸化層厚みは、SEM−EDAXで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。結果を表2に示す。
【0027】
【表2】
【0028】
表2に示すように、ビッカース硬度/平均結晶粒径を3.5以下に制御したものは、Wh17/50 ≦4W/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため、損失トルクが少なく、操舵性の優れた鉄芯が得られる。
【0029】
(実施例3)
ビッカース硬度の異なる板厚0.50mmの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工して、鉄芯とした後、600〜800℃の様々な温度、PH2 0/PH2 が0.1〜0.5の様々なの雰囲気で2時間均熱焼鈍を行い、平均結晶粒径と平均酸化層厚みを変化させた。
その後、図2に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。平均結晶粒径は鉄芯を構成している鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は焼鈍後、鉄芯を構成している鋼板表面を絶縁被膜を除去して、5kg荷重で測定した。鉄芯を構成している鋼板の平均酸化層厚みは、SEM−EDAXで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。結果を表3に示す。
【0030】
【表3】
【0031】
表3に示すように、鉄芯を焼鈍した後のビッカース硬度/平均結晶粒径を3.5以下に、平均酸化層厚みを10μm以下に制御したものは、Wh17/50 ≦4W/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため損失トルクが少なく、操舵性の優れた鉄芯が得られる。
【0032】
(実施例4)
質量%で、0.003%C、0.6%Si、0.20%Mn、0.07%P、0.004%S、0.3%Al、0.001%N、0.0021%Ti、0.012%Snを含む板厚0.50mmの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工して、鉄芯とした後、600〜800℃の様々な温度、PCO2 /PCOが0.5〜1.5の様々な雰囲気で2時間均熱焼鈍を行い、平均結晶粒径と平均酸化層厚みなどを変化させた。
【0033】
その後、図2に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。平均結晶粒径は鉄芯を構成している鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は、鉄芯を構成している鋼板表面を絶縁被膜を除去して、5kg荷重で測定した。鉄芯を構成している鋼板の平均酸化層厚みは、SEM−EDAXで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。結果を表4に示す。
【0034】
【表4】
【0035】
表4に示すように、鉄芯を焼鈍した後のビッカース硬度/平均結晶粒径を3.5以下に、平均酸化層厚みを10μm以下に制御したものは、Wh17/50 ≦4W/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため、損失トルクが少なく、操舵性の優れた鉄芯が得られる。
【0036】
(実施例5)
ビッカース硬度の異なる電気固有抵抗22Ω・m×10-6、板厚0.50mmの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工、600〜800℃の様々な温度、PCO2 /PCO雰囲気が0.1で2時間均熱焼鈍を行い、平均結晶粒径を変化させた。
【0037】
その後、シャフト装着して鉄芯とした。図2に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。
平均結晶粒径は鉄芯を構成している鋼板断面の結晶粒界個数をカウントして求めた。ビッカース硬度は焼鈍後、鉄芯を構成している鋼板表面を絶縁被膜を除去して、5kg荷重で測定した。鉄芯を構成している鋼板の平均酸化層厚みは、SEM−EDAXで鋼板断面を観察して、最大、および最小酸化層厚みの平均と定義した。なお平均酸化層厚みは、0.1μmであった。結果を表5に示す。
【0038】
【表5】
【0039】
表5に示すように、ビッカース硬度/平均結晶粒径を3.5以下に制御したものは、Wh17/50 ≦5W/kg を示し、ヒステリシス損失が低いため、損失トルクが少なく、低速回転モータ用の動作、回転性に優れた鉄芯が得られる。
【0040】
(実施例6)
質量%で、0.003%C、0.3%Si、0.20%Mn、0.07%P、0.003%S、0.3%Al、0.001%N、0.0021%Ti、0.012%Snを含む板厚0.50mmの無方向性電磁鋼板を直流ブラシ付きタイプのロータ形状に加工、シャフトを装着して鉄芯とした後、725℃の温度で、PCO2 /PCO雰囲気が0.1で2時間均熱焼鈍を行った(実験No.▲3▼,▲4▼)。また、ロータ形状に加工し鉄芯とした後、723℃の温度で、PCO2 /PCO雰囲気が0.1で2時間均熱焼鈍を行い、鉄芯とした後、シャフトを装着した(実験No.▲1▼,▲2▼)。
【0041】
その後、図2に示す様にティース先端部に短絡用継鉄を当てて、ティース部の巻線を施して、直流磁気特性を測定した。なお、焼鈍後の鉄芯を構成している鋼板の平均結晶粒径は55μm、ビッカース硬度は鋼板表面を絶縁被膜を除去後、5kg荷重で125、平均酸化層厚みは0.1μmであった。またシャフト装着をする穴のエッジから半径方向へ1.5mmの範囲の鋼板に残留する円周方向応力を、X線を用いて測定した。結果を表6に示す。
【0042】
【表6】
【0043】
表6に示すように、シャフト装着後に焼鈍した場合、装着による応力残留がほとんどなくなるため、Wh17/50 が低減され、ヒステリシス損失が低いため損失トルクが少なく、操舵性の優れた鉄芯が得られる。
【0044】
【発明の効果】
本発明によれば、電動PS固有の問題であったハンドルの操舵性改善に対して、損失トルクを低減するための高磁場・低周波鉄損に優れた電動PSや、その他、低速回転・低トルク損モータ用鋼板及び鉄芯を提供することができ、その工業的効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】直流ブラシ付きモータのロータ鉄芯を示す図である。(なお、図中で巻線5が施されていないティース部にも、同じ巻線が施されているものとする)。
【図2】鉄損測定用短絡継鉄を示す図である。(なお、図中で巻線5が施されていないティース部にも、同じ巻線が施されているものとする)。
【符号の説明】
1:コア(積層鉄芯)
2:突極
3:ティース
4:シャフト装着穴
5:巻線(コイル)
6:鋼板
10:短絡用継鉄
11:閉磁路(主磁束流れ)
Claims (5)
- 鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、Wh17/50(励磁磁束密度1.7Tにおける直流ヒステリシス損失を50倍した値)≦3.5W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ鉄芯用電磁鋼板。
- 歪取り焼鈍若しくは磁性焼鈍(以下単に焼鈍と記す)後の鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、Wh17/50 ≦4W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ鉄芯用電磁鋼板。
- モータ鉄芯用形状に加工後、焼鈍を実施した後の、鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、Wh17/50≦4W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
- モータ鉄芯用形状に加工後、焼鈍を実施した後の、鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、シャフト装着後のWh17/50≦5W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
- モータ鉄芯用形状に加工し、シャフト装着の後、焼鈍を実施した後の鉄芯を構成している鋼板のビッカース硬度/平均結晶粒径比が3.5以下、鋼板表面の平均酸化層厚みが10μm以下で、焼鈍後のWh17/50≦4W/kgであることを特徴とする低速回転・低トルク損モータ用鉄芯。
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