JP5480326B2

JP5480326B2 - モータ回転子支持体およびその製造方法

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Publication number: JP5480326B2
Application number: JP2012077895A
Authority: JP
Inventors: 田中　　慎二; 英記成田; 誠鹿野; 敏史中島
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: WO2013146960A1; JP2013204144A

Description

この発明は、モータの回転子に使用され、該回転子に配置される磁性体を支持する支持体およびその製造方法に関するものである。

通常、モータ用磁石には高い性能を発揮するため、例えばネオジムやジスプロシウムのような希土類（レアアース）が添加された希土類磁石が使用されている。
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。

これらのアキシャル型モータあるいはアキシャルギャップモータには、磁石を配置する回転子があり、磁石は回転子に含まれる支持体によって支えられる。この支持体には、一般にオーステナイト系ステンレス鋼からなる非磁性鋼が使用される。
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。

国際公開第２０１１／０４６１０８号特開２０１１−０１０３７５号公報

しかし、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。
これに対し、支持体形状をニアネットシェイプの鋳造により得ることで効率的な生産を行うことが可能になる。しかし、鋳造品は鍛鋼品と比較して強度や延性が低い傾向にあり、鍛鋼品と同じ成分では十分な性能が得られない。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、非磁性特性で高い強度を有し、効率的な製造が可能な鋳造品からなるモータ回転子支持体およびその製造方法を提供することを目的の一つとする。

すなわち、本発明のモータ回転子支持体のうち、第１の本発明は、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、非磁性鋳鋼で構成され、該非磁性鋳鋼が、質量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：１０〜２５％、Ｃｒ：１０〜２３％、Ｎ：０．３〜０．８％と残部がＦｅと不可避的不純物とからなる組成を有することを特徴とする。

第２の本発明のモータ回転子支持体は、前記第１の本発明において、前記組成に、さらに質量％で、Ｖ：０．４〜１．５％、Ｎｉ：５．０％以下、Ｍｏ＋１／２Ｗ：３．０％以下、Ｃｏ：３．００％以下、Ｂ：０．０１％以下からなる選択元素のうち、一種または二種以上を含有することを特徴とする。

第３の本発明のモータ回転子支持体は、前記第２の本発明において、前記選択成分のうち、少なくともＶを含有し、さらに質量％で、ＮｂをＶ＋Ｎｂで１．５％以下含有することを特徴とする。

第４の本発明のモータ回転子支持体は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記組成に、さらにＡｌ：０．０２％以下を含有することを特徴とする。

第５の本発明のモータ回転子支持体は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、不可避不純物中のＰ、Ｓが、それぞれ０．０３％以下であることを特徴とする。

第６の本発明のモータ回転子支持体は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記非磁性鋳鋼は、ＶＮ、ＮｂＮのいずれか又は両方による析出硬化型鋳鋼であることを特徴とする。

第７の本発明のモータ回転子支持体は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、比透磁率が１．００５未満、室温における０．２％耐力が５５０ＭＰａ以上であることを特徴とする

第８の本発明のモータ回転子支持体は、前記第１〜第７の本発明のいずれかにおいて、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。

第９の本発明のモータ回転子支持体は、前記第８の本発明において、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。

第１０の本発明のモータ回転子支持体は、前記第１〜第９の本発明のいずれかにおいて、前記磁性体として、圧粉鉄心を含むことを特徴とする。

第１１の本発明のモータ回転子支持体は、前記第１〜第１０の本発明のいずれかにおいて、前記非磁性鋳鋼が、ニアネットシェイプ鋳造法により製造されたものであることを特徴とする。

第１２の本発明のモータ回転子支持体の製造方法は、第１〜第６の本発明のいずれかに記載の組成材料により素形材を鋳造し、該素形材に固溶化処理または／および時効処理を行うことを特徴とする。

第１３の本発明のモータ回転子支持体の製造方法はは、前記第１２の本発明において、前記固溶化処理の条件が１０００〜１２５０℃、保持時間５分以上、前記時効処理の条件が６００〜１０００℃、保持時間が３０分以上であることを特徴とする。

第１４の本発明のモータ回転子支持体の製造方法はは、前記第１２または第１３の本発明において、前記時効処理後に仕上げ加工を行うことを特徴とする。

本発明では、上記組成の非磁性鋳鋼によりモータ回転子支持体が構成されている。非磁性鋳鋼は、良好な非磁性特性を有し、かつ鋳鋼においても室温（例えば５℃〜３０℃）で高い強度を示す。
本発明における良好な非磁性特性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、高い強度を有することで磁性体を安定して支持することができる。

次に、本発明は非磁性鋳鋼における各成分の作用と限定理由を説明する。なお、以下で示す含有量はいずれも質量％で示される。

Ｃ：０．３％以下
ＣはＶＣやＮｂＣの析出により高強度化に寄与するが、過剰に含有すると延性を低下させるため上限を０．３％とする。なお、同様の理由で、上限を０．２５％とするのが望ましい。また、上記作用を得るため、０．０１％以上含有するのが望ましい。

Ｎ：０．３〜０．８％
Ｎは含有によりＶＮやＮｂＮを生じ、延性を保持したまま高強度化に寄与する。このため０．３％以上含有する。しかしら、過剰に含有すると窒素起因のブローホール生成の原因となるため上限を０．８％とする。なお、同様の理由で下限を０．４％、上限を０．７％とするのが望ましい。

Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは脱酸材と使用するため０．１％の含有が必要である。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。なお、同様の理由で下限を０．３％、上限を１．０％とするのが望ましい。

Ｍｎ：１０〜２５％
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％以上の含有が必要である。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１２％、上限を２３％とするのが望ましく、さらに下限を１４％、上限を２２％とするのが一層望ましい。

Ｃｒ：１０〜２３％
Ｃｒは耐食性確保とＮ溶解度を高くするために１０％以上の含有が必要である。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２３％とする。なお、同様の理由で下限を１２％、上限を２２％とするのが望ましく、さらに下限を１４％、上限を２１％とするのが一層望ましい。

Ｖ：０．４〜１．５％
ＶはＶＮの析出により、延性を保持したままさらに高強度化を達成するために必要な元素であり、所望により含有させる。その効果を得るためには０．４％以上必要である。ただし、過剰に含有すると延性を劣化させるため上限を１．５％とする。なお、同様の理由で下限を０．５％、上限を１．０％とするのが望ましい。

Ｎｂ：Ｎｂ＋Ｖで１．５％以下
Ｎｂを含有するとＮｂＮを生じ、ＮＶとの相乗効果により高強度化に寄与するので、所望によりＶとともに含有させる。しかし、過剰に含有すると延靭性を劣化させるため上限をＮｂ＋Ｖで１．５％とする。なお、上記作用を十分に得るためには、Ｎｂ＋Ｖで０．５％以上含有することが望ましい。

Ａｌ：０．０２％以下
Ａｌは脱酸材として添加されるが、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％として所望により添加する。

Ｎｉ：５．０％以下
Ｎｉは、オーステナイト相形成元素であり、所望により含有させる。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。なお、所望により含有させる場合、その作用を十分に得るため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。また、Ｎｉは、スクラップ等により不可避的に混入する場合があり、不可避不純物として１．０％未満含有していてもよい。

Ｍｏ＋１／２Ｗ：３．０％以下
ＷおよびＭｏは強度を向上させる成分であるが、過剰に含有す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％以下の範囲で含有させることができる。なお、所望により含有させる場合、その作用を十分に得るため０．５％以上含有するのが望ましい。

Ｃｏ：３．００％以下
Ｃｏはオーステナイト相形成元素であるが、高価な成分であるため３．００％を上限に所望により含有することができる。なお、所望により含有させる場合、その作用を十分に得るため０．５％以上含有するのが望ましい。

Ｂ：０．０１％以下
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、靭性を改善するが、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、所望により０．０１％以下の範囲で含有することができる。なお、所望により含有させる場合、その作用を十分に得るため０．００１％以上含有するのが望ましい。

不可避的不純物
Ｐ、Ｓ：０．０３％以下
不可避不純物として含まれ得る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０．０３％以下とすることが望ましい。

比透磁率：１．００５未満
０．２％耐力：５５０ＭＰａ以上
上記非磁性鋳鋼は、特性において、比透磁率が１．００５未満で、室温における０．２％耐力が５５０ＭＰａ以上であるのが望ましい。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影響を与えない。また、０．２％耐力が５５０ＭＰａ以上であることにより、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、上記非磁性鋼では、伸びが５％以上であるのが望ましい。伸びが低いと、材料が脆くなり使用中に破壊の可能性が高まることになる。伸びは高い方がよく１５％以上であることがさらに望ましい。

製造工程
本発明のモータ回転子支持体は、鋳造によって得られる鋳鋼で構成される。
鋳造方法には砂型鋳造、精密鋳造など、一般的に知られる方法を適宜採用できる。ニアネットシェイプで製造することが望ましく、精密鋳造であるロストワックス法やシェルモールド法などが例示される。

固溶化処理、時効処理
製造された鋳鋼には、固溶化処理、時効処理を施すのが望ましい。なお、要求される強度によっては、固溶化処理のみでもよく、固溶化処理、時効処理のいずれも行わないものも本発明の範囲内である。

固溶化処理：１０００〜１２５０℃×５分以上
固溶化処理条件は特に限定されないが、１０００〜１２５０℃、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。

時効処理：６００〜１０００℃×３０分以上
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。時効処理の条件は特に限定されないが、６００〜１０００℃×３０分以上を例示することができる。

仕上げ加工
鋳鋼品には、仕上げ加工により製品形状とすることができる。仕上げ加工の内容は特に限定されるものではなく、切削加工、研磨加工など、一般的に知られる方法を適宜採用できる。

以上のように、この発明によれば、鋳造法で製造可能で、遠心方向においても十分な強度を有するモータ用回転子支持体が得られる効果がある。

本発明の一実施形態のモータ回転子支持体を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。同じく、永久磁石を配置したモータ回転子支持体を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のII−II線断面図である。

以下に本発明の一実施形態のモータ回転子支持体を図１、２に基づいて説明する。
この実施形態のモータ回転子支持体１は、非磁性鋳鋼で構成されており、好適には比透磁率が１．００５未満で、室温における０．２％耐力が５５０ＭＰａ以上、伸びが１５％以上の特性を有している。

モータ回転子支持体１は、全体が薄板の円盤形状に形成され、中心に軸穴２が形成された軸受部３を有している。軸受部３の外周側には間隔を開けてリング状リブ４が形成され、最外周縁に外縁リング５が形成されている。さらに、軸受部３とリング状リブ４と外縁リング５の間に亘って放射状に等角度間隔で１６の区画壁６が形成されている。

各区画壁６、６とリング状リブ４、外縁リング５で囲まれる空間は、磁石収納部７に割り当てられている。この磁石収納部７に、軸方向両面に異極となる磁極を有する永久磁石１０が収納される。永久磁石１０は、周方向において隣接するもの同士が異極となる磁極を有するように配置されている。このモータ回転子支持体１の軸穴２に図示しない回転軸を取り付けて、回転子に備えるモータ回転子支持体として使用することができる。なお、モータ回転子支持体１をそのまま回転子として用いるものであってもよい。
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。

この実施形態のモータ回転子支持体は、特に出力等が限定されるものでないが、特に５ｋＷ以上のモータに好適に使用することができ、量産化が可能でコスト的にも廉価に製造でき、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として使用することができる。

次に、上記モータ回転子支持体の製造工程について説明する。
前記した組成に調整するように大気高周波炉など一般的に使用されている溶解炉にて溶解する。脱酸剤もＣａ−Ｓｉなど、一般的に使用されているものを適宜使用できる。
得られた鋼塊は融点よりも十分高い温度で砂型あるいは金型中に鋳造する。
鋳造方法には砂型鋳造、精密鋳造など、一般的に知られる方法を適宜採用できる。精密鋳造はニアネットシェイプ鋳造と同義であり、ロストワックス法が例示される。

鋳造に際しては、湯の流れが乱れ、鋳造欠陥を生じないように、湯が支持体形状の外側面部から中心部に流れ込む鋳造方案にすることが望ましい。
湯の流れが滞る箇所には鋳造欠陥が生じないように、押し湯や冷やし金などを配し指向性凝固させることが望ましい。また、押し湯面は鋳込み終了直後に保温剤で覆うのが適用である。
型内には適宜、金属製の冷し金を配して、局所的な凝固遅れに伴う鋳造欠陥発生を防止することも可能である。

上記鋳造法案を採用することで、複雑な最終形状を有する支持体においても効率よく製造することができる。この点で、従来の鍛造などの塑性加工による一体成型では、最終形状を得るための切削加工、レーザー切断加工等を含めると製造費用的に不利である。

得られた鋳鋼品は、所望により固溶化処理のみ、または固溶化処理および時効処理を施す。
固溶化処理は、１０００〜１２５０℃、保持時間５分以上の条件で行うことができる。
時効処理は、６００〜１０００℃、保持時間が３０分以上の条件で行うことができる。

また、やむを得ず残留した鋳造欠陥については、補修溶接により補修することも可能である。溶接材には共材の溶接棒がよいが、オーステナイト系ステンレス鋼用の溶接棒を用いてもよい。補修溶接後は３００〜７００℃における応力除去焼鈍をしてもよい。

鋳鋼品は、最終製品形状を得るため仕上げ加工を行うことができる。仕上げ加工は、この形態では切削加工、研磨加工などが例示されるが、本発明としては加工の種別が特に限定されるものではない。

表１に示した成分（残部がＦｅおよび不可避不純物、Ｐは０．０２５％以下、Ｓは０．００５％以下）にて、大気高周波炉により溶解し、湯口、湯道、堰、押し湯などを付随させたニアネットシェイプの砂型に鋳込み、支持体相当の円盤状試験材を製作した。比較として、市販のＳＵＳ３０４系ステンレス鋼（鋼Ｎｏ．２８）、市販のＳＵＳ３１６系ステンレス鋼（鋼Ｎｏ．２７）の試験材も同様に得た。
製作した円盤状試験材には表２に示す条件で１０５０〜１１５０℃、保持時間３時間、水冷の固溶化処理を行った。固溶化処理後、表２に示す条件で時効温度９００℃、保持時間１時間の時効処理を行った。固溶化処理ままの試験材も準備し、時効処理有り無しの比較も行った。

これらの試験材から、室温において、引張試験、磁気天秤法による比透磁率測定、浸水耐食性の評価を行った。
比較材として、本発明の範囲外の組成を有する試験材も準備した。
なお、引張試験では、引張試験片はＪＩＳＺ２２０１記載のＪＩＳ１４Ａ号試験片を用い、ＪＩＳＺ２２４１によって室温における引張特性を測定する試験を実施した。
浸水耐食性評価は、常温の水道水に試験材を１０日間浸漬し、目視により明瞭なさびなしを◎、わずかに錆有りを○、全面に錆有りを×として評価した。

試験結果を表２に示す。比較材との比較では本発明の成分範囲から外れた元素によって、強度が低いもの、比透磁率が高いもの、耐食性が十分でないものがあり、本発明例はこれら特性を十分に満足していることがわかる。
また、本発明例は、ＳＵＳ３０４系ステンレス鋼やＳＵＳ３１６系ステンレス鋼よりも高い強度を示していることがわかる。

以上のことから、本発明の開発材は鋳造で支持体を製作しても十分な強度、非磁性、耐食性を有し、ニアネットシェイプで製造することができることから、従来の製造方法よりも安価な支持体が製造可能である。
また、ロストワックス法などによる精密鋳造法によれば、さらに製品形状に近く鋳肌がきれいな鋳造品が得られることから、複雑な形状の支持体の製造に適しているということができる。

１モータ回転子支持体
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

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、非磁性鋳鋼で構成され、該非磁性鋳鋼が、質量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：１０〜２５％、Ｃｒ：１０〜２３％、Ｎ：０．３〜０．８％と残部がＦｅと不可避的不純物とからなる組成を有することを特徴とするモータ回転子支持体。
前記組成に、さらに質量％で、Ｖ：０．４〜１．５％、Ｎｉ：５．０％以下、Ｍｏ＋１／２Ｗ：３．０％以下、Ｃｏ：３．００％以下、Ｂ：０．０１％以下からなる選択成分のうち、一種または二種以上を含有す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。
前記選択成分のうち、少なくともＶを含有し、さらに質量％で、ＮｂをＶ＋Ｎｂで１．５％以下含有することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ回転子支持体。
前記組成に、さらに質量％で、Ａｌ：０．０２％以下を含有す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。
不可避不純物中のＰ、Ｓが、それぞれ０．０３％以下であ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。
前記非磁性鋳鋼は、ＶＮ、ＮｂＮのいずれか又は両方による析出硬化型鋳鋼であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のモータ回転子支持体。
比透磁率が１．００５未満、室温における０．２％耐力が５５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜６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１〜７のいずれかに記載のモータ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８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１〜９のいずれかに記載のモータ回転子支持体。
前記非磁性鋳鋼が、ニアネットシェイプ鋳造法により製造されたものであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のモータ回転子支持体。
請求項１〜６のいずれかに記載の組成材料により素形材を鋳造し、該素形材に固溶化処理または／および時効処理を行うことを特徴とするモータ回転子支持体の製造方法。
前記固溶化処理の条件が１０００〜１２５０℃、保持時間５分以上、
前記時効処理の条件が６００〜１０００℃、保持時間が３０分以上である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。
前記時効処理後に仕上げ加工を行う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。