JP6033089B2 - 回転子コア用電磁鋼板及び回転子 - Google Patents

Description

本発明は、打抜かれた回転子コア用電磁鋼板、及び打抜かれた回転子コア用電磁鋼板を複数枚積層して形成される回転子コアと回転子軸とを有する回転子に関する。

図１は、従来の電動機の固定子及び回転子の一例を示す斜視図である。電動機１００１は、ケース１０１０の内部に複数のケース固定ボルト１０１１で固定された固定子１０２０と、固定子１０２０に囲まれた空間に配置された回転子１０３０とを有する。固定子１０２０には、複数の巻線コイル１０２１が巻回される。回転子１０３０は、回転子コア１０３１と、回転子コア１０３１の中央部に形成される貫通孔に締結される回転子軸１０３２とを有する。回転子コア１０３１には、複数の永久磁石１０３３が埋設されている。回転子コア１０３１は、貫通孔が打抜かれた電磁鋼板（不図示）を複数枚積層して形成される（例えば、引用文献１〜４参照）。

打抜き加工されたときに形成される不均一面に起因して、回転電機の鉄損が増加することが知られている。このため、従来は鉄損を低減するために、打抜き加工された貫通孔は、打抜き加工後にシェービング加工することにより、不均一面を除去していた（例えば、引用文献５参照）。

特開２０１１−１４７３１０号公報 特開２００８−１７８２５３号公報 特開昭５９−２５５５４号公報 特開２００１−３００６４７号公報 特開２０１１−２１７５６５号公報

しかしながら、回転電機の製造工程を最適化するために、鉄損の増加が許容される範囲内でシェービング加工を省略することが求められている。

そこで、本発明は、シェービング加工等の２次的な加工を施すことなく回転子コア用電磁鋼板と回転子軸とを焼嵌めしたときに、始動トルクにより回転子コアと回転子軸との間にすべりが生じない焼嵌め締結力を有する回転子コア用電磁鋼板及び回転子を提供することを目的とする。

本発明に係る回転子は、打抜かれた貫通孔が板面の中央部に形成され、貫通孔が互いに合致するように積層される複数の回転子コア用電磁鋼板を有する回転子コアと、積層された貫通孔に焼嵌めされた、焼嵌め締結応力が９０ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下の回転子軸を有し、複数の回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面に対するせん断面の比率の平均値が５０％以上であることを特徴とする。

本発明によれば、シェービング加工等の２次的な加工を施すことなく回転子コア用電磁鋼板と回転子軸とを焼嵌めしたときに、始動トルクにより回転子コアと回転子軸との間にすべりが生じない焼嵌め締結力を有する回転子コア用電磁鋼板及び回転子を提供することが可能になった。

従来の電動機の固定子及び回転子の一例を示す斜視図である。 回転子の概略断面図である。 図２に示す回転子の部分拡大図である。 回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面のＳＥＭ画像の一例である。 回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面のＳＥＭ画像の他の例である。 回転子製造方法のフロー図である。 焼嵌め締結応力演算システムの機能ブロック図である。 焼嵌め締結応力演算方法を示すフロー図である。 応力分布表示の一例を示す図である。 変位分布表示の一例を示す図である。 入力される形状データの一例を示す図である。 せん断面の面積の比率と焼嵌め締結応力との関係を示す図である。 回転子コア用電磁鋼板の変位を示す図である。 比較例の回転子の概略断面図である。

以下、図面を利用して、本発明に係る回転子コア用電磁鋼板及び回転子について説明する。図２は、回転子１の概略断面図である。回転子１は、回転子コア２と、円筒形状の磁性鋼材である回転子軸３とを有する。

回転子コア２は、円形状の板面を有する複数の回転子コア用電磁鋼板４を積層し、かしめ部（不図示）により互いに接続することにより形成されている。回転子コア用電磁鋼板４は、板面の中央部に形成される貫通孔が互いに合致するように積層されている。

図３は、回転子１の矢印Ａで示される部分の部分拡大図である。回転子コア用電磁鋼板４の貫通孔の端面５は、ダレ面６と、せん断面７と、破断面８と、バリ９とを有する。

ダレ面６は、打抜き加工装置（不図示）の打抜きダイに搭載された回転子コア用電磁鋼板４を打ち抜きポンチが打抜くときに、回転子コア用電磁鋼板４が打抜きポンチにより全体的に押し込まれることにより形成される傾斜面である。

せん断面７は、打抜きポンチと打抜きダイとの間の間隙に回転子コア用電磁鋼板４が引き込まれ局所的に引き伸ばされて形成される。せん断面７は、打抜き方向に平行、すなわち貫通孔の貫通方向に平行な平滑面である。

破断面８は、打抜きポンチと打抜きダイとの間の間隙に引き込まれた回転子コア用電磁鋼板４が破断して形成される。破断面８は、打抜き方向に対して貫通孔が広がるように傾斜する凹凸面である。

バリ９は、回転子コア用電磁鋼板４の裏面に形成され、突起形状を有する。

図４は、図３の矢印Ｂの方向から、せん断面と破断面との差異が明確に区別できる倍率で走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、ＳＥＭ）により撮影された貫通孔の端面５の一例を示す図である。回転子コア用電磁鋼板４の貫通孔の端面５は、ダレ面６と、せん断面７と、破断面８と、バリ９とを有する。図４に示す様に、せん断面７は、平滑な面を有し、凹凸が観察される破断面８とは大きく異なる。この様に、回転子コア用電磁鋼板４を、例えば１８０倍の倍率でＳＥＭにより撮像された画像において視認すれば、せん断面７と破断面８とを明瞭に区別することができる。

なお、「貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率」と言った場合、「回転ココア用電磁鋼板の板厚に対するせん断面の厚さの比率」を指すものとする。回転子コア用電磁鋼板の貫通孔のせん断面の厚さは、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面を撮影した端面画像に含まれるせん断面の厚さの平均値である平均せん断面厚さとして決定できる。

図５は、貫通孔のせん断面７の面積の比率を決定するときに使用されるＳＥＭ画像である端面画像６０の一例を示す図である。端面画像６０は、回転子コア２の貫通孔の端面を３ｍｍ×３ｍｍの範囲で撮影した画像であり、複数の回転子コア用電磁鋼板４の貫通孔の端面５が撮影されている。せん断面７の厚さは、１８〜４０倍の倍率でＳＥＭにより撮影された端面画像において、ＳＥＭの画像処理機能を使用することにより測定できる。

端面の厚さは、回転子コア用電磁鋼板４の板厚である。したがって、打抜きにより形成されるダレ面６の厚さは板厚に含まれるが、バリ９は板厚には含まれない。回転子コア用電磁鋼板４の板厚は、回転子コア用電磁鋼板４の板面の任意の点での板厚である。回転子コア用電磁鋼板４の板厚は、例えばＸ線厚み計により測定することができる。

回転子コア用電磁鋼板４は、Ｃの含有量が０．００５質量％以下であり、Ｓｉの含有量が０．１質量％以上４．０質量％以下であり、Ａｌの含有量が０．１質量％以上４．０質量％以下であり、Ｍｎの含有量が０．１質量％以上２．０質量％以下であり、さらに残部Ｆｅ及び不可避的不純物を含む鋼組成を有することが好ましい。

Ｃは鉄損を増加させるので、回転子コア用電磁鋼板４のＣの含有量を０．００５質量％以下とした。

Ｓｉは、固有抵抗を増大させて渦電流損失を減少させる。Ｓｉの渦電流損失効果を享受するために、回転子コア用電磁鋼板４のＳｉの含有量を、０．１質量％以上とした。しかしながら、回転子コア用電磁鋼板４中のＳｉの含有量が大き過ぎると、磁束密度及び冷延性が低下するとともに、製造コストが上昇する。したがって、回転子コア用電磁鋼板４のＳｉの含有量を、４．０質量％以下とした。

Ａｌは、Ｓｉと同様に固有抵抗を増大させて渦電流損失を減少させるので、回転子コア用電磁鋼板４のＡｌの含有量を、０．１質量％以上とした。また、回転子コア用電磁鋼板４中のＡｌの含有量が大き過ぎると、磁束密度及び冷延性が低下するとともに、製造コストが上昇するため、回転子コア用電磁鋼板４のＡｌの含有量を、Ｓｉと同様に４．０質量％以下とした。

ＭｎはＳｉと同様に、固有抵抗を増大させるが、回転子コア用電磁鋼板４のＭｎの含有量が１質量％を超えると、焼鈍での結晶粒成長が阻害されるので、回転子コア用電磁鋼板４のＭｎの含有量を、２質量％以下とした。また、Ｍｎは、回転子コア用電磁鋼板４のＳをＭｎＳ化する効果を有するので、回転子コア用電磁鋼板４のＭｎの含有量を、０．１質量％以上とした。

図６は、回転子の製造方法を示すフロー図である。

まず、ステップＳ１０１において、打抜き加工装置（不図示）を使用して、回転子コア用電磁鋼板を打抜き加工して円形状の板面を形成するとともに、円形状の板面の中央部を打抜いて貫通孔を形成する。

次いで、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で貫通孔が形成された回転子コア用電磁鋼板４を貫通孔が合致するように複数積層して回転子コア２を形成する。

そして、ステップＳ１０３において、互いに合致するように積層された回転子コア用電磁鋼板４の貫通孔に回転子軸３を焼嵌めすることにより回転子１を形成する。

以下、回転子コア用電磁鋼板４の貫通孔の端面５の面積に対するせん断面７の面積の比率と、焼嵌め締結力及び座屈量の関係を説明する。本願では、後述するように、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率の値を変化させた場合の焼嵌め締結力及び座屈量の値をシミュレーションによって求めている。シミュレーション結果に基づいて、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率を所定の数値範囲とすることによって、良好な焼嵌め締結力及び座屈量を有する回転子を形成できることを見出した。

以下、焼嵌め締結応力演算システムを用いたシミュレーションによって、焼嵌め締結力及び座屈量の値を求める方法について説明する。

図７は、焼嵌め締結応力演算システムの機能ブロック図である。焼嵌め締結応力演算システム１００は、焼嵌め締結応力演算装置１０１と、入力装置１１０と、表示装置１２０とを有する。

焼嵌め締結応力演算装置１０１は、演算部１０２と、記憶部１０３とを有する有限要素解析（Finite Element Analysis：ＦＥＡ）装置である。

演算部１０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit: 中央処理ユニット）、ＤＳＰ（digital signal processor）等を有し、ＣＰＵ、ＤＳＰ等は、以下に説明する演算部１０２の各部の機能を果たす。記憶部１０３には、演算部１０２の各部の機能を果たすために使用されるコンピュータプログラム、その実行の際に使用されるデータ、演算部１０２により生成される解析データ等が格納される。記憶部１０３は、演算部１０２の各部の機能を果たすために使用されるコンピュータプログラムを記憶するための不揮発性記憶装置、データを一次的に記憶するための揮発性メモリを含んでいてよい。なお、他の実施例では、有限要素解析処理を行うための、ＬＳＩ（large scale integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programming Gate Array）等の論理回路を備えていてもよい。以下に説明される有限要素解析処理の一部又は全部をハードウェア処理によって実行してもよい。

演算部１０２は、入力データ処理部１０４と、プリ解析部１０５と、解析演算部１０６と、ポスト解析部１０７と、出力データ処理部１０８とを有する。記憶部１０３は、モデルデータ記憶部１３１と、プリ解析データ記憶部１３２と、ポスト解析データ記憶部１３３と、出力データ記憶部１３４とを有する。

入力データ処理部１０４は、入力装置１１０から入力される形状データ、材料物性データ、境界条件データ及びメッシュサイズデータをモデルデータ記憶部１３１に記憶するために必要な処理を実行する。形状データは、図示しないＣＡＤ（computer aided design）装置等で生成された回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸の幾何形状に対応するデータである。材料物性データは、回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸のヤング率、ポアソン比及び摩擦系数等の材料物性に対応するデータである。境界条件データは、回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸の拘束条件及び荷重条件等の境界条件に対応するデータである。メッシュサイズデータは、回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸をそれぞれ複数の要素に分割して有限要素解析をするときの要素の大きさに対応するデータである。

プリ解析部１０５は、メッシュ生成部１５１と、解析条件設定部１５２とを有する。

メッシュ生成部１５１は、モデルデータ記憶部１３１に記憶される形状データ及びメッシュサイズデータに基づいて、回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸の形状を分割することによりメッシュデータを自動的に生成する。メッシュ生成部１５１により生成されたメッシュデータは、プリ解析データ記憶部１３２に出力され、記憶される。

解析条件設定部１５２は、境界条件データ及び材料物性データを、メッシュ生成部１５１により生成されたメッシュに関連付ける。解析条件設定部１５２によりメッシュに関連付けられた境界条件データ及び材料物性データは、プリ解析データ記憶部１３２に出力され、記憶される。

解析演算部１０６は、有限要素解析ソフトウェアであり、有限要素法により応力解析処理を実行する。解析演算部１０６は、ＡＢＡＱＵＳであるが、ＭＡＲＣ（登録商標）又はＮＡＳＴＲＡＮ等の他の汎用の有限要素解析ソフトウェアを使用してもよい。解析演算部１０６は、プリ解析データ記憶部１３２に記憶されるメッシュデータ、境界条件データ及び材料物性データに基づいて、回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸の応力分布及び変位分布の解析結果にそれぞれ対応する応力分布データ及び変位分布データを演算する。解析演算部１０６で演算された応力分布データ及び変位分布データは、ポスト解析データ記憶部１３３に出力され、解析データとして記憶される。

ポスト解析部１０７は、表示データ生成部１７１と、焼嵌め締結応力演算部１７２と、端面座屈量演算部１７３とを有する。

表示データ生成部１７１は、ポスト解析データ記憶部１３３に記憶される解析データを処理して、回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸の応力分布及び変位分布の解析結果を視覚的に容易に把握可能なデータに変換する処理を実行する。表示データ生成部１７１は、応力分布データを処理して、回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸の応力分布を表示するための応力分布表示データを生成する。表示データ生成部１７１は、変位分布データを処理して、回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸の変位分布を表示するための変位分布表示データを生成する。

焼嵌め締結応力演算部１７２は、解析データに含まれる回転子コア用電磁鋼板及び回転子軸の応力分布に対応する応力分布データを処理して、焼嵌め締結応力に対応する焼嵌め締結応力データを生成する処理を実行する。焼嵌め締結応力演算部１７２は、回転子軸が回転子コア用電磁鋼板に焼嵌めされたときに貫通孔の端面の少なくとも平滑部の一部と回転子軸とが接触して形成される接触部の応力に対応する接触部応力データを回転子コアの半径方向応力分布データから抽出する。焼嵌め締結応力演算部１７２は、接触部応力データの平均値を演算することにより焼嵌め締結応力データを生成する。

端面座屈量演算部１７３は、解析データに含まれる回転子コア用電磁鋼板の変位分布に対応する変位分布データを処理して、貫通孔の端面の座屈量に対応する焼嵌め端面座屈量データを生成する処理を実行する。端面座屈量演算部１７３は、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の変位に対応する焼嵌め端面変位データを変位分布データから抽出する。そして、端面座屈量演算部１７３は、抽出された焼嵌め端面変位データから、貫通孔の上端部の中で変位が最も大きいデータを抽出することにより、焼嵌め端面座屈量データを生成する。また、端面座屈量演算部１７３は、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の座屈量だけでなく、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の板面の所望の場所の座屈量に対応する座屈量データを生成処理も実行する。座屈量データを回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の板面から外周方向に向かって複数生成しプロットすることにより、貫通孔からの距離と座屈量との関係を示すグラフが生成される。

ポスト解析部１０７で生成された分布表示データ、変位分布表示データ、焼嵌め締結応力データ及び焼嵌め端面座屈量データはそれぞれ、出力データ記憶部１３４に出力され、記憶される。

出力データ処理部１０８は、出力データ記憶部１３４に記憶される分布表示データ、変位分布表示データ、焼嵌め締結応力データ焼嵌め端面座屈量データ及び座屈量データをそれぞれ、表示装置１２０に表示するために必要な出力データを出力する処理を実行する。

入力装置１１０は、キーボード等のユーザインタフェイス部と、ユーザインタフェイス部を制御するユーザインタフェイス制御部とを有し、ユーザインタフェイス部を介してユーザが入力した情報を、入力データ処理部１０４が処理可能な電気信号に変換する。

表示装置１２０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display、液晶ディスプレイ）を有し、出力データ処理部１０８から出力されるデータをユーザが視覚的に認識可能な画像として表示する。

図８は、焼嵌め締結応力演算システムを用いてを使用する焼嵌め締結応力演算方法を示すフロー図である。図８に示すフローは、焼嵌め締結応力演算装置１０１の記憶部１０３に記憶されるコンピュータプログラムにより、焼嵌め締結応力演算装置１０１の演算部１０２が実行する。

まず、ステップＳ２０１において、入力データ処理部１０４は、入力装置１１０から入力される形状データ、材料物性データ、境界条件データ及びメッシュサイズデータを読み取って、モデルデータ記憶部１３１に記憶する。

次いで、ステップＳ２０２において、メッシュ生成部１５１は、モデルデータ記憶部１３１に記憶される形状データ及びメッシュサイズデータに基づいて、メッシュデータを生成し、プリ解析データ記憶部１３２に記憶する。

次いで、ステップＳ２０３において、解析条件設定部１５２は、プリ解析データ記憶部１３２に記憶されるメッシュデータに、モデルデータ記憶部１３１に記憶される境界条件データ及び材料物性データを関連付ける。

次いで、ステップＳ２０４において、解析演算部１０６は、応力解析処理を実行して、応力分布データ及び変位分布データを生成し、ポスト解析データ記憶部１３３に記憶する。

次いで、ステップＳ２０５において、表示データ生成部１７１は、ポスト解析データ記憶部１３３に記憶される応力分布データ及び変位分布データにそれぞれ対応する応力分布表示データ及び変位分布表示データを生成し、出力データ記憶部１３４に記憶する。

図９は、出力データ記憶部１３４に記憶される応力分布データに対応する応力分布表示の一例を示す図である。応力分布表示５１は、回転子コア用電磁鋼板の応力分布の一例を示す。図１０は、出力データ記憶部１３４に記憶される変位分布表示の一例を示す図である。変位分布表示５２は、回転子コア用電磁鋼板の変位分布の一例を示す。応力分布表示５１及び変位分布表示５２はそれぞれ、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率が７０％である場合の表示である。他のシミュレーション条件は、後述の通りである。

次いで、ステップＳ２０６において、焼嵌め締結応力演算部１７２は、焼嵌め締結応力データを演算する。焼嵌め締結応力データは、回転子コア用電磁鋼板と回転子軸とがそれぞれ接触する接触部における平均応力から演算される。

次いで、ステップＳ２０７において、端面座屈量演算部１７３は、焼嵌め端面座屈量データ、及び貫通孔の壁面から外周方向への座屈量の変位に対応する座屈量変位データを生成する。

そして、ステップＳ２０８において、出力データ処理部１０８は、表示するために必要な出力データを表示装置１２０に出力する。

以下、前述したシミュレーションによって、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率の値を変化させて求められた焼嵌め締結力及び座屈量の値について説明する。まず、シミュレーションに使用した形状データ、境界条件及びメッシュサイズ等のシミュレーション条件について説明する。

図１１（ａ）は、前述したシミュレーションに利用するモデルの一例である第１〜第３回転子コア用電磁鋼板３１ａ〜３１ｃ及び回転子軸３２の形状データを示す平面図である。回転子コア用電磁鋼板３１は、半径８５ｍｍの円形状の板面を有し、板面の中央部に半径２５ｍｍの貫通孔が形成される。第１回転子コア用電磁鋼板３１ａは、他の回転子コア用電磁鋼板３１ｂ及び３１ｃと結合するかしめ部３４ａ及び３４ｂが形成される。回転子コア用電磁鋼板３１の板厚は、０．３５ｍｍである。回転子軸３２は、半径２５ｍｍの円形状の断面を有する中空円柱であり、中空部の半径は１５ｍｍである。ここでは、第１〜第３回転子コア用電磁鋼板３１ａ〜３１ｃと回転子軸３２とは、２次元軸対称モデルとしてモデル化される。

図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＤ−Ｄ´断面に対応する断面図である。第１回転子コア用電磁鋼板３１ａの下側板面は、第２回転子コア用電磁鋼板３１ｂの上側板面と接触して配置される。第２回転子コア用電磁鋼板３１ｂの下側板面は、第３回転子コア用電磁鋼板３１ｃの上側板面と接触して配置される。図１１（ｂ）において、Ｘ方向は第１〜第３回転子コア用電磁鋼板３１ａ〜３１ｃの半径方向に平行な方向であり、Ｙ方向は回転子軸３２の軸方向に平行な方向である。回転子軸３２の境界条件はＹ方向拘束であり、第１〜第３回転子コア用電磁鋼板３１ａ〜３１ｃの外周の境界条件はＹ方向拘束である。かしめ部３４ａ及び３４ｂでは、第１〜第３回転子コア用電磁鋼板３１ａ〜３１ｃが互いに固定されている。

図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）の第１〜第３回転子コア用電磁鋼板３１ａ〜３１ｃの部分断面図である。第１回転子コア用電磁鋼板３１ａの貫通孔の端面３５ａは、せん断面３７ａ及び破断面３８ａとにより形成される。ダレ面及びバリは、貫通孔の端面３５ａの面積に対する面積の比率が低いため、ダレ面及びバリに対応する構成は、貫通孔の端面３５ａには含まれていない。貫通孔の端面３５ａがダレ面及びバリに対応する構成を含まない場合でも、解析演算部１０６の演算の精度に与える影響が小さく、さらにダレ面及びバリに対応する構成を含まないことにより、解析演算部１０６の応力解析処理の負荷を軽減できる。第２回転子コア用電磁鋼板３１ｂは、貫通孔の端面にせん断面３７ｂ及び破断面３８ｂを有し、第３回転子コア用電磁鋼板３１ｃは、貫通孔の端面にせん断面３７ｃ及破断面び３８ｃを有する。図１１（ｃ）に示す貫通孔の端面３５ａの厚さはそれぞれ０．３５ｍｍであり、せん断面３７ａ〜３７ｃの厚さはそれぞれ、０．２４５ｍｍであり、破断面３８ａ〜３８ｃの厚さはそれぞれ、０．１０５ｍｍである。したがって、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの面積の比率は、７０％になる。第１〜第３回転子コア用電磁鋼板３１ａ〜３１ｃの破断面３８ａ〜３８ｃの上端と外周との間の長さと、下端と外周との間の長さの差はそれぞれ、０．０３５ｍｍである。

表１は、材料物性データを示す表である。回転子コア用電磁鋼板３１のヤング率は１６８ＧＰａであり、ポアソン比は０．３である。回転子軸３２のヤング率は２００ＧＰａであり、ポアソン比は０．３である。回転子コア用電磁鋼板３１と回転子軸３２との間の接触部及び第１〜第３回転子コア用電磁鋼板３１ａ〜３１ｃの接触する板面間の摩擦係数は、０．１である。また、焼嵌め温度及び熱膨張率は、焼嵌め代が直径基準で１２０μｍ、半径基準で６０μｍになるように設定される。

メッシュサイズは、要素当たり、板面に平行な第１方向を０．０３５ｍｍとし、回転子軸３２の軸方向に平行な第２方向を０．０３５ｍｍとする。

本シミュレーションにおいて、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの面積の比率を４０％、５０％、６０％、７０％、８０％及び９０％とした場合について、焼嵌め締結力を求めた。また、本シミュレーションにおいて、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの面積の比率を４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％及び１００％とした場合について、座屈量を求めた。

次に、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率の値を変化させて求められた焼嵌め締結力について説明する。

図１２は、図８に示すフローに従って演算された、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの面積の比率と焼嵌め締結応力との関係を示す図である。

焼嵌め締結応力は、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が４０％のとき８０ＭＰａであるが、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が５０％で、９２ＭＰａになる。そして、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が６０％を超えるとほぼ９５ＭＰａで一定となる。これから、焼嵌め代が直径基準で１２０μｍである場合の最大焼嵌め締結応力はほぼ９５ＭＰａであることが分かる。

回転子の焼嵌め締結応力は、電動機の始動トルク等による回転子コアと回転子との間のすべりの発生を防止するため、９０ＭＰａ以上とすることが求められている。貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が４０％である場合では、焼嵌め締結応力は、８０ＭＰａとなり、必要な回転子の焼嵌め締結応力を得ることができない。

貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が５０％である場合では、焼嵌め締結応力は、９２ＭＰａとなり、必要な回転子の焼嵌め締結応力を得ることができる。さらに、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が６０％以上９０％以下である場合では、焼嵌め締結応力は、ほぼ９５ＭＰａになる。この様に、貫通孔の端面５の面積に対するせん断面７の比率が５０％以上である回転子コア用電磁鋼板は、９０ＭＰａ以上の焼嵌め締結応力を示すので、従来のシェービング加工を省略することができる。

貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が１００％である場合は図１２に示されていない。これは、シェービング加工なしに、貫通孔の端面５の面積に対するせん断面７の比率が１００％にすることは容易ではないためである。

図１２に示したシミュレーションの結果に基づいて、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率を５０％以上９０％以下とすることにより、電動機の始動トルク等による回転子コアと回転子との間のすべりの発生を防止できることを見出せる。

次に、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率の値を変化させて求められた座屈量の値について説明する。

図１３（ａ）は、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの面積の比率と貫通孔の端面近傍の第１回転子コア用電磁鋼板３１ａの座屈量との関係を示す図である。図１３（ｂ）は、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの面積の比率と第１回転子コア用電磁鋼板３１ａの焼嵌め端面座屈量との関係を示す図である。図１３（ｂ）では、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率を７０％以上１００％以下にすることにより、良好な座屈量を有する回転子を形成できることが示される。

図１３（ｂ）に示すように、座屈量は、貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が５０％のとき、座屈量は０．１ｍｍである。貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が６０％のとき、座屈量は０．０２５ｍｍである。貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７ａ〜３７ｃの比率が７０％、８０％、９０％、１００％のとき、座屈量はほぼゼロになる。

貫通孔の端面３５ａ〜３５ｃの面積に対するせん断面３７の面積の比率が６０％では、座屈量は０．０２５ｍｍである。このため、貫通孔の端面５の面積に対するせん断面７の比率が６０％である回転子コア用電磁鋼板４は、貫通孔の端面５の座屈した部分が疲労破壊して信頼性が低下するおそれがある。

貫通孔の端面５の面積に対するせん断面３７の面積の比率が７０％以上１００％以下では、第１回転子コア用電磁鋼板３１ａの座屈量はほぼゼロになるので、焼嵌めしたときの回転子コア用電磁鋼板４の座屈量はほぼゼロになる。すなわち、貫通孔の端面５の面積に対するせん断面７の比率が７０％以上１００％以下である回転子コア用電磁鋼板４は、焼嵌めしたときに貫通孔の端面が座屈することがない。このため、貫通孔の端面５の面積に対するせん断面７の比率が７０％以上１００％以下である回転子コア用電磁鋼板４は、貫通孔の端面５の座屈した部分が疲労破壊して信頼性が低下するおそれが低い。

図１３に示したシミュレーションの結果に基づいて、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率を７０％以上１００％以下とすることにより、貫通孔の端面の座屈量がゼロになり、貫通孔の端面の座屈した部分が疲労破壊して信頼性が低下することを防止できることを見出した。

図１２及び１３に示したシミュレーションの結果に基づけば、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率を７０％以上９０％以下とすることが好ましい。

〔実施例１〕
実施例１として、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率が５０％である複数の回転子コア用電磁鋼板を積層し、回転子軸と焼嵌めした回転子の焼嵌め締結応力及び座屈量を実測した。

回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率以外の実施条件を以下に示す。

１．回転子コア用電磁鋼板について
素材：Ｃ含有量０．００２質量％、Ｓｉ含有量２．０質量％、Ａｌ含有量０．３質量％、Ｍｎ含有量０．２質量％を含む鋼板
板面形状：中央部に直径５０．０ｍｍの貫通孔を有する直径１７０ｍｍの円形状
板厚：０．３５ｍｍ
積層枚数：２００枚
２．回転子軸について
素材：Ｓ３５Ｃ
形状：外径５０ｍｍ、内径３０ｍｍの中空円柱形状
３．焼嵌め条件ついて
焼嵌め代：１２０μｍ（直径基準）

〔比較例１〕
比較例１として、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率が４０％である回転子コア用電磁鋼板の焼嵌め締結応力及び座屈量を実測した。比較例１の実施条件は、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率が相違する以外は、実施例１と同一である。

図１４は、比較例１の回転子の概略断面図である。

図１４の矢印Ｃで示されるように、回転子コア用電磁鋼板１１０４の貫通孔の端面１１０５と、回転子軸１１０２との接触部において、回転子コア用電磁鋼板１１０４の貫通孔の端面１１０５が座屈する座屈現象が現れていた。

座屈現象は、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率が低くなるとともに、貫通孔の端面の面積に対する破断面の比率が高くなることにより生じる現象である。貫通孔の端面に対するせん断面の比率が低くなると、焼嵌め締結応力の重心が端面の中心からせん断面の方向に除々に移動する。さらに回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面が外周方向に傾斜する凹凸面を有する破断面を有することにより、焼嵌め締結応力は、回転子軸の側面に対して鉛直方向の成分に加えて、回転子軸３の軸方向の成分を有することになる。座屈現象は、焼嵌め締結応力の回転子軸３の軸方向の成分により生じるモーメントに起因して生じると考えられている。

〔比較例２〕
比較例２として、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面をシェービングし、貫通孔の端面の面積に対する平滑面の比率が９０％以上である回転子コア用電磁鋼板の焼嵌め締結応力及び座屈量を実測した。比較例２の実施条件は、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率が相違する以外は、実施例１と同一である。

実施例１、比較例１及び２の焼嵌め締結応力及び座屈量の測定結果について説明する。焼嵌め締結応力の実測値は、回転子コアを固定した状態で、回転子軸にねじりトルクを作用させることにより測定した。焼嵌め締結応力は、回転子コアと回転子軸との間にすべりが生じたときのねじりトルクから、以下の式（１）及び（２）から算定されている。
Ｆ＝μ×π×ｄ１×Ｈ×Ｐ （１）
Ｔ＝Ｆ×ｄ１／２ （２）
ここで、Ｆはねじりトルクで生じる回転子内周部円周方向の力であり、ｄ１は回転子軸の口径であり、Ｈは回転子コアの高さであり、Ｐは焼嵌め締結応力であり、μは回転子軸外周と回転子コア内周の接触面の摩擦係数であり、Ｔはねじりトルクである。座屈量の実測値は、マイクロメータにより測定した。

まず、実施例１、比較例１及び２の焼嵌め締結応力の測定結果について説明する。実施例１の回転子の焼嵌め締結応力は９１ＭＰａであった。一方、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率が４０％である比較例１の回転子の焼嵌め締結応力は８６ＭＰａであった。また、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率が９０％以上である比較例２の回転子の焼嵌め締結応力は９５ＭＰａになった。実施例１、比較例１及び２の焼嵌め締結応力の測定結果は、図１２に示すシミュレーション結果とほぼ一致している。したがって、これらの測定結果により、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率を５０％以上９０％以下とすることにより、回転子コアと回転子との間のすべりの発生を防止できることが確認された。

次に、実施例１、比較例１及び２の座屈量の測定結果について説明する。実施例１の回転子の座屈量は０．１ｍｍであった。比較例１の回転子の座屈量は０．２ｍｍであった。比較例２の回転子の座屈量はゼロであった。実施例１、比較例１及び２の座屈量の測定結果は、図１３に示すシミュレーション結果とほぼ一致している。したがって、これらの測定結果により、回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の面積に対するせん断面の面積の比率を７０％以上１００％以下とすることにより、貫通孔の端面の座屈した部分が疲労破壊して信頼性が低下することを防止できることが確認された。

以下、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の比率を所望の値とするための回転子コア用電磁鋼板の製造方法について説明する。

回転子コア用電磁鋼板は、図６のステップＳ１０１に示す電磁鋼板打ち抜き時に、貫通孔を形成するときの打抜きポンチと打抜きダイとの間の距離、すなわちクリアランスを規定することによって貫通孔の端面の面積に対するせん断面の比率が変化する。したがって、クリアランスを制御することによって、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の比率を所望の値とすることができる。例えば、実施例１で使用される回転子コア用電磁鋼板において、クリアランスを回転子コア用電磁鋼板の板厚の６％にすることにより、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の比率を５０％にできる。また、実施例１で使用される回転子コア用電磁鋼板において、クリアランスを回転子コア用電磁鋼板の板厚の４％にすることにより、貫通孔の端面の面積に対するせん断面の比率を７０％にできる。一方、クリアランスを２％未満にすると、金型の摩耗により金型を交換する頻度を高くなり製造コストが上昇するため、クリアランスは、２％以上にすることが好ましい。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１ 回転子
２ 回転子コア
３ 回転子軸
４ 回転子コア用電磁鋼板
５ 回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面
７ 回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面のせん断面
８ 回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面の破断面

Claims (1)

1. 打抜かれた貫通孔が板面の中央部に形成され、前記貫通孔が互いに合致するように積層される複数の回転子コア用電磁鋼板を有する回転子コアと、
   前記積層された貫通孔に焼嵌めされた、焼嵌め締結応力が９０ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下の回転子軸と、を有し、
   前記複数の前記回転子コア用電磁鋼板の貫通孔の端面に対するせん断面の比率の平均値が５０％以上９０％以下であることを特徴とする回転子。