JP6497180B2 - Ｉｐｍモータのロータの誘導加熱方法および誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁鋼板を用いたＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法および誘導加熱装置に関するものである。

ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等の電気駆動自動車の主駆動モータ、主発電機モータは、燃費と直結するために高いレベルでの高効率化が求められる。加えて、モータ出力を低下させずにモータコアを小型・軽量化させるために、より一層の高速回転化が求められ、近年では数十ｋＷの出力で２００００ｒｐｍ近い回転数のモータが要求されている。

電気駆動自動車の主機モータの大部分に使用されるＩＰＭモータ（磁石モータ）の高効率化のために、ＩＰＭモータロータの磁石のＮ極、Ｓ極それぞれからの磁束がロータの電磁鋼板を通して結合することを防いでモータトルクを増加させるというニーズがある。そのために、従来、磁石を挿入する開口部の端部とロータ側面との間のブリッジ部をできるだけ細くして、ブリッジ部を磁束が通りにくくすること、あるいはブリッジ部の透磁率を下げて磁束を通りにくくすることが検討されてきた。一方、小型・軽量化の要請から、主機モータにはより一層の高速回転が求められるため、ロータ用の材料としては、低鉄損などの電磁特性に加えて、より高強度の電磁鋼板が必要となってきた。また、電磁鋼板をロータ形状に打ち抜いて積層する製造工程において、ロータコアを積層させた後に局所的な材質改善のために必要箇所のみを局部加熱したいとの要望がある。さらに、生産性向上の観点から、この加熱は短時間で完了する方が望ましい。そこで、これを実現する短時間局部加熱の技術の開発が必要とされている。

ロータ用の材料を高強度化させるには、素材に使用される電磁鋼板の固溶強化、析出強化、結晶粒微細化強化、転位強化、変態強化等が考えられるが、固溶強化以外は磁気特性を劣化させるため、電磁鋼板には好ましくない。また、固溶強化は高強度化には大きな効果があるが、同時に圧延荷重増大や脆性破断の課題もあり、生産性の観点から上限がある。

ＩＰＭモータのロータ材料には、ステータ材料ほどの低鉄損特性は必要ないものの、ロータ内を変動する磁束が流れることによるリラクタンストルクを一定の比率で利用することから、低鉄損であればあるほどモータ効率は高くなる。

以上の課題に対し、例えば非特許文献１で、Ｃｕからなる金属相を数ｎｍのサイズに微細に分散させ、高強度と低鉄損とを両立した電磁鋼板が提案されている。さらに、微細なＣｕの金属相を含み高強度と低鉄損とを両立した電磁鋼板については、例えば特許文献１、特許文献２等に開示されている。

特許文献３には、鋼板の幅方向の任意の領域を加熱することができる加熱装置が開示されている。

また、特許文献４には、電磁鋼板の励磁方向と同方向の磁場中で焼鈍することにより鉄損が低減できることから、モータ用コアを磁場焼鈍する方法および装置が開示されている。

また、微細な金属間化合物により高強度と低鉄損とを両立した電磁鋼板については、特許文献５に開示されている。

特許第５０００１３６号公報 特開２０１１−００６７２１号公報 特許第３７９３５０３号公報 特開２００３−３４２６３７号公報 特開２００５−２６４３１５号公報

日本鉄鋼協会編集、材料とプロセス：ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ Ｖｏｌ．２７ （２０１４）−４６７

しかしながら、上記特許文献１、２、および非特許文献１は、ロータ用の材料である電磁鋼板全体にＣｕからなる金属相を析出させるものである。そのため、電磁鋼板全体に熱処理を行わなければならないうえ、特に高強度を必要としない箇所にもＣｕ相を析出させて磁気特性を劣化させてしまうという問題がある。

また、特許文献３は、数ｍｍレベルの局部加熱を実現するものではない。さらに、特許文献４はコアを全体加熱するものであり、低鉄損且つ高強度を必要とする箇所のみの局部加熱を実現するものではない。

本発明は、ＩＰＭモータのロータにおいて、局所的な材質改善のために必要箇所のみを短時間で局部加熱し、優れた磁気特性および高強度を備えたＩＰＭモータのロータを得るための誘導加熱方法および誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、ＩＰＭモータのロータの、熱処理を要する局部を加熱する誘導加熱方法であって、前記ロータに近接して前記局部を囲む形状にコイルを設け、前記コイルに単相交流電源を接続して交流磁場を発生させ、前記交流磁場により前記ロータ内に渦電流を発生させて、前記局部に熱処理効果を与え、前記コイルの内部に磁束強化用コアを備え、前記ロータに前記局部が複数箇所あり、前記磁束強化用コアを備えたコイルを、複数箇所の前記局部全てをそれぞれ囲むように前記ロータの外周側に配置し、かつ、前記各コイルの磁束強化用コアを、前記コイルの外周側で連結することを特徴とする、ＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法を提供する。

また、前記磁束強化用コアの幅寸法が、前記局部の幅の０．５〜１．５倍、あるいは、前記磁束強化用コアの幅寸法が、前記局部の幅の０．８〜１．０倍であることが好ましい。

隣り合うコイルの位相を反転させてもよい。

励磁する周波数を、１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚとすることが好ましい。

前記局部に熱処理効果を与えて前記局部を部分析出強化してもよい。その場合、前記局部は、質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜８．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板を素材として作製されたロータのブリッジ部であり、前記ブリッジ部に、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与え、前記ブリッジ部に円相当径が１０ｎｍ以下の微細Ｃｕ粒子を析出させてもよい。また、前記局部は、質量％で、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ａｌ：１．０〜３．０％、Ｎｉ：１．５〜４．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板を素材として作成されたロータのブリッジ部であり、前記ブリッジ部に４００℃〜６００℃で時効処理を行い、円相当径の平均値が１〜１０ｎｍであるＡｌ−Ｎｉの金属間化合物を３００００個／μｍ^３以上析出させてもよい。

また、前記局部は、冷延ままの電磁鋼板から作製されたＩＰＭモータのロータの磁石部であり、前記磁石部に７００℃以上で１秒以上の熱処理効果を与え、前記磁石部を部分再結晶させてもよい。また、前記局部は、冷延ままの電磁鋼板から作製されたＩＰＭモータのロータのせん断加工部または溶接部であり、前記せん断加工部または溶接部に４００℃以上で１秒以上の熱処理効果を与え、前記せん断加工部または溶接部の歪を除去してもよい。

また、本発明は、ＩＰＭモータのロータの、熱処理を要する局部を加熱する誘導加熱装置であって、前記ロータに近接して前記局部を囲む形状に設けられるコイルと、前記コイルに接続され前記コイルに交流磁場を発生させる単相交流電源とを有し、前記交流磁場により前記ロータ内に渦電流を発生させて、前記局部に熱処理効果を与え、前記コイルの内部に磁束強化用コアが備えられており、前記磁束強化用コアを備えたコイルが、複数箇所の前記局部全てをそれぞれ囲むように前記ロータの外周側に配置され、かつ、前記各コイルの磁束強化用コアが、前記コイルの外周側で連結されていることを特徴とする、ＩＰＭモータのロータの誘導加熱装置を提供する。

前記磁束強化用コアの幅寸法が、前記局部の幅の０．５〜１．５倍、あるいは、前記磁束強化用コアの幅寸法が、前記局部の幅の０．８〜１．０倍であることが好ましい。

隣り合うコイルの位相を反転させてもよい。

励磁する周波数を、１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚとすることが好ましい。

本発明によれば、ＩＰＭモータのロータにおいて、高速回転のＩＰＭモータに必要な局所的な材質改善のために必要箇所のみを短時間で局部加熱処理することができ、優れた磁気特性および高強度を備えたＩＰＭモータのロータを得ることができる。

ＩＰＭモータの構造を説明する斜視図である。 ロータの平面図である。 図２のロータのＡ部を拡大した高速回転時の応力分布の説明図である。 本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置をロータに近接して配置した例を示す説明図である。 図４の平面図である。 本発明の異なる実施形態にかかる誘導加熱装置をロータに近接して設けた例を示す斜視図である。 図６の平面図である。 図７に示す誘導加熱装置による加熱方法の例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

図１は、電気自動車やハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車などの駆動モータとして用いられているＩＰＭモータ１の構造の説明図である。円筒形状の固定子１０の内側に、回転子であるロータ１１が挿入されている。固定子１０には、内側にあるロータ１１に向かって突出する複数のティース１５が設けられており、各ティース１５は、ロータ１１の回転中心軸Ｏに対して点対称に、放射状に配置される。各ティース１５には、巻線１６が集中巻き方式で巻き付けられてコイルが形成されている。ティース１５の巻線１６としては、集中巻き方式の他に分布巻き方式があり、コスト、巻線占積率、コギング特性等を総合的に勘案して選択されるが、本発明の効果は、固定子１０のティース１５の巻線方式によって左右されるものではない。

図２に示すように、この実施形態のロータ１１は、磁石を挿入する開口部２０が８か所に設けられた８極ロータを例示している。各開口部２０の端部とロータ側面との間がブリッジ部２１である。近年、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）に使用される駆動モータの高速回転化が著しくなっているが、高速回転時には、このブリッジ部２１に強い遠心力が作用する。

本発明者らのシミュレーションによれば、高速回転時のロータ１１に作用する遠心力の応力分布は、図３に示すような結果になった。すなわち、高速回転時のロータ１１では、ブリッジ部２１に強い応力が作用し、特に各開口部２０の外側の隅角部近傍の部分（図３中の斜線を付した領域)２２に応力集中が発生して、ロータ１１の変形や疲労破壊が発生しやすいことが判明した。

前述の通り、例えばＣｕからなる金属相やＡｌ−Ｎｉなどの金属間化合物を数ｎｍのサイズの析出物として分散させることで、高強度と低鉄損とを両立した電磁鋼板が得られることは周知である。この微細な析出物の形成には、５００℃程度の比較的低温の熱処理が必要であるが、高強度が必要とされるのは、ロータ１１のうち、応力集中が発生しやすいブリッジ部２１のみである。したがって、ブリッジ部２１を囲む形状にコイルを設け、そのコイルに単相交流電源を接続して交流磁場を発生させ、交流磁場によりロータ内に渦電流を発生させることによって、ブリッジ部２１のみを局部的に所定の温度まで昇温させれば、効率よく必要サイズの微細な析出物が得られ、ブリッジ部２１の高強度化が実現できる。加えて、ブリッジ部２１に微細な析出物が形成されることにより、非析出部に比べて透磁率が低くなり、ブリッジ部２１からの漏れ磁束を抑制し、隣接する磁石間の磁気的結合を抑制する効果も大きく、さらにモータ効率を高める事ができる。本発明は、このように、モータ用部材において、例えば応力集中が発生しやすく高強度化を要する局部のみを加熱することによって、例えば微細なＣｕ金属相や微細な金属間化合物を局部のみに析出させて強度を高め、モータの性能を向上させるものである。

以下、本発明の実施形態にかかる一例として、誘導加熱により微細Ｃｕ粒子を局部のみに析出させる場合を説明する。本実施形態において、熱処理を要する局部は、ＩＰＭモータのロータのブリッジ部である。

本実施形態におけるＩＰＭモータのロータの素材とする電磁鋼板は、例えば、質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜８．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。

Ｃは磁気特性を劣化させるばかりでなく、熱処理においてマルテンサイト変態を誘起し磁気特性を劣化させる場合があるので０．０６％以下とする。製造コストの観点からは溶鋼段階で脱ガス設備によりＣ量を低減しておくことが有利で、０．００３％以下とすれば磁気時効抑制の効果およびマルテンサイト変態回避の効果が著しく、高強度化の主たる手段として炭化物等の非金属析出物を用いない本発明においては０．００２％以下とすることがさらに好ましく、０．００１５％以下がさらに好ましい。０％であっても構わない。

Ｓｉは鋼の固有抵抗を高めて渦電流を減らし、鉄損を低減せしめるとともに、抗張力を高めるが、添加量が０．２％未満ではその効果が小さい。Ｓｉ含有量を増大させれば、鉄損を低減しつつ強度を高めることが可能であるため、好ましくは１．０％以上、さらに好ましくは２．０％以上とする。また、４．０％を超えると鋼を脆化させ、さらに製品の磁束密度を劣化させるため、４．０％以下、好ましくは３．５％以下とする。脆化の懸念をさらに小さくするには３．２％以下が好ましく、２．８％以下であれば、他の元素量との兼ね合いもあるが、脆化に関してはほとんど考慮する必要がなくなる。

Ｍｎは鋼の強度を高めるため積極的に添加してもよいが、高強度化の主たる手段としてＣｕ粒子を活用する本発明では、この目的のためには特に必要としない。固有抵抗を高めまたは硫化物を粗大化させ結晶粒成長を促進することで鉄損を低減させる目的で添加するが、過剰な添加は磁束密度を劣化させるので、０．０５〜２．０％とする。好ましくは０．５％〜１．２％である。

Ａｌは通常、脱酸剤として添加されるが、Ａｌの添加を抑えＳｉにより脱酸を図ることも可能である。特に無方向性電磁鋼板の場合、Ａｌ量が０．００５％程度以下のＳｉ脱酸鋼ではＡｌＮが生成しないため鉄損を低減する効果もある。逆に積極的に添加しＡｌＮの粗大化を促進するとともに固有抵抗増加により鉄損を低減させることもできるが、２．５０％を超えると脆化が問題になるため、２．５０％以下とする。

Ｃｕは、鋼板中の所望する箇所にＣｕを主体とする金属相を形成させ磁気特性に悪影響を及ぼさない範囲で高強度化を図るための範囲として、０．５〜８．０％に限定する。Ｃｕの含有量が低いと、高強度化効果が小さくなるとともに高強度化効果を得るための熱処理条件が狭い範囲に限定され、製造条件の管理、生産調整の自由度が小さくなる。また、Ｃｕの含有量が高いと磁気特性への影響が大きくなり、特に磁束密度の低下が著しくなるばかりでなく、熱延時の鋼板の割れ、疵がひどくなる懸念もある。特に、鋼への固溶限を超えた分のＣｕは析出Ｃｕとして高強度化に寄与するものの、本発明での主目的であるＣｕ相に比較して効率が悪くなる。また、過剰なＣｕは熱履歴によっては望まない工程において鋼中に金属相を形成し、例えば、熱延中などに高温で比較的粗大なＣｕ金属相を形成するため、その後の微細な金属相の形成に好ましくない働きをしたり、磁気特性に悪影響を及ぼす場合もある。好ましくは０．７〜４．０％、さらに好ましくは０．８〜３．５％である。

本実施形態のモータ用高強度部材の製造に使用する電磁鋼板（素材）は、以上の成分組成を基本とし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。なお、上記の成分組成は、本発明が適用される一実施形態であり、本発明の適用は、この成分組成の電磁鋼板を素材とするロータに限定されない。

ＩＰＭモータのロータの製造に使用する無方向性電磁鋼板（素材）は、前記成分を含む鋼を溶製し、連続鋳造で鋼スラブとし、ついで熱間圧延、冷間圧延および焼鈍をすることによって得られる。また、これらの工程に加え絶縁皮膜の形成や脱炭工程などを行っても良い。

こうして得られたＣｕを含有する無方向性電磁鋼板を、例えば打ち抜き加工等の方法によって、ＩＰＭモータのロータとして必要な所定の形状にする。この場合、まだ素材の段階では、電磁鋼板は軟質であり、容易にロータの形状に加工することができる。

次に、高強度が必要な局部、例えばブリッジ部２１の周囲に、図４、図５に示すように、誘導加熱装置３０を設ける。誘導加熱装置３０は、単相交流電源３１に接続されたコイル３２を有している。コイル３２は、ロータ１１の外周側に近接して、ロータ１１の側面から見てブリッジ部２１を囲む形状に設けられ、コイル３２の内部には、磁束強化用コア３３が備えられる。コイル３２は、銅線または水冷胴パイプをスパイラル状に巻いた巻線コイルが用いられる。磁束強化用コア３３は、例えば積層した電磁鋼板で構成され、ロータ１１の周方向の幅寸法Ｗｃは、ブリッジ部の幅寸法Ｗｂに対して小さすぎると必要な範囲での加熱処理効果が得られず、大き過ぎると必要な範囲外を加熱してしまうため、Ｗｂの０．５〜１．５倍、好ましくは０．８〜１．０倍とする。なお、ブリッジ部の幅とは、図５に示すように、隣り合う開口部２０間のブリッジ部２１とブリッジ部２１との間の距離を指す。このコイル３２に、交流電源３１により交流磁場を発生させ、交流磁場によりロータ１１内に渦電流を発生させて、ブリッジ部２１に、例えば４００℃〜７００℃、１秒以上１０分以下の熱処理効果を与える。励磁周波数は、電磁鋼板の材質や局部の寸法等に応じて適正に設定される。これは、周波数が低すぎると加熱効率が低下して所定の時間内に昇温させることが困難になり、周波数が高すぎると加熱が局所に限定され過ぎて、電磁鋼板内の熱伝導による昇温効果を含めても必要な範囲の熱処理効果が得られないためである。例えば、鋼種５０Ｈ４７０の電気抵抗率３９×１０^-8[Ω・ｍ]および磁束密度１．８Ｔ程度における比透磁率１６０から表皮深さを求めると、２０Ｈｚで約５．５ｍｍ、１００Ｈｚで約２．５ｍｍ、１ｋＨｚで約０．８ｍｍ、３ｋＨｚで約０．４５ｍｍ、２０ｋＨｚで約０．２５ｍｍである。この鋼種を用いたロータ１１のブリッジ部の厚みが１〜５ｍｍ程度の場合、表皮深さと同等の励磁周波数とするためには２０〜１ｋＨz程度であるが、加熱効率を高めるためには高周波数条件の方が好ましいことから、周波数規定は１００〜２０ｋＨｚとする。さらに好ましくは、表皮深さをブリッジ部の最小厚みと同等以下とするために、１〜３ｋＨｚとする。

これにより、加熱部と非加熱部との材質を、ロータ１１内のそれぞれの部位にとって最適な異なる材質とする。例えば本実施形態においては、Ｃｕを含有する電磁鋼板で作成されたロータ１１のブリッジ部２１のみを誘導加熱で局所的に加熱し、ブリッジ部２１のみに数ｎｍサイズ（円相当径が１０ｎｍ以下）の微細Ｃｕ粒子を析出させて高強度化する。ブリッジ部２１以外のロータ１１には熱処理効果を与えないのでＣｕ粒子の析出がなく、良好な鉄損特性を維持することができる。すなわち、磁気特性を劣化させることなくロータ１１の強度を向上させ、ＩＰＭモータ１の高効率化を図り、電気駆動自動車等の主機モータの小型化を狙った高速回転化に耐えるロータ１１として用いることができる。

上記実施形態では、微細Ｃｕ粒子を部分析出させて高強度化する例を記載したが、例えばＡｌ、Ｎｉ等の金属間化合物形成元素を含有する電磁鋼板で作成されたロータ１１のブリッジ部２１を誘導加熱で局部的に加熱し、ブリッジ部２１のみに数ｎｍサイズのＡｌ、Ｎｉ等からなる微細な金属間化合物粒子を析出させてもよい。

この場合、ＩＰＭモータのロータの素材とする電磁鋼板は、例えば、質量％で、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ａｌ：１．０〜３．０％、Ｎｉ：１．５〜４．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。Ｓｉ量はマルテンサイト変態を回避するためには高い方が都合が良く、２．０〜４．０％とする。Ａｌは、金属間化合物の析出強化の効果を得るために少なくとも１．０％は含有するものとする。ＮｉはＡｌとの金属間化合物を形成し、Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物による析出強化を発現させるために含有させられる。Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物による析出強化を発現させるためには、１．５％以上のＮｉが必要である。一方、過剰な添加は鋼板の延性を劣化させ通板性が低下する他、磁束密度を低下させるとともに製造工程での金属間化合物の好ましい形成抑制が困難となる場合がある。特にＮｉはオーステナイト安定化元素であり本実施例で避けるべきマルテンサイト変態を起きやすくするため、添加コストも考え上限を４．０％とする。

さらに、前記ブリッジ部に転位密度を１０^１４／ｍ^２以上とする塑性変形を加えた後、４００℃〜６００℃で時効処理を行い、円相当径の平均値が１〜１０ｎｍであるＡｌ−Ｎｉの金属間化合物を、３００００個／μｍ^３以上析出させる。鋼板の転位密度を１０^１４／ｍ^２以上とするのは、焼鈍後において塑性加工によって鋼板中に転位を十分に生じさせ、その転位を析出サイトとして、鋼板中に大きさがなるべく均一なＡｌ−Ｎｉの金属間化合物を分散させて析出させるためである。転位密度が１０^１４／ｍ^２未満では、金属間化合物の析出サイトが不十分であり、時効後において個数密度が３００００個／μｍ^３以上のＡｌ−Ｎｉの金属間化合物が得られなくなってしまう。また、Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物の個数密度が少ないと、金属間化合物の円相当径の平均値が１０ｎｍよりも大きくなり、さらに個々の金属間化合物の大きさのばらつきも大きくなる。時効処理を４００〜６００℃で行うのは、４００℃未満では、十分な金属間化合物が得られず、一方、６００℃を超えると形成される金属間化合物が粗大となってしまうためである。

例えば図４に示すように１つのコイル３２を設けて熱処理を行う場合、コイル３２の位置が複数箇所のブリッジ部２１をそれぞれ囲む位置になるように順次移動させて、各ブリッジ部２１を熱処理してもよいし、ロータ１１を回転または移動させて、コイル３２の位置が複数のブリッジ部２１をそれぞれ順次囲む位置になるようになるようにして、各ブリッジ部２１を熱処理してもよい。

また、図６および図７は、本発明の実施形態にかかる誘導加熱装置４０の異なる例であり、図６は斜視図、図７は平面図である。この誘導加熱装置４０は、内部に磁束強化用コア３３が備えられたコイル３２を、ロータ１１の外周側に近接して、ロータ１１の複数のブリッジ部２１をそれぞれ囲むように配置し、さらに、各磁束強化用コア３３が、コイル３２の外周側で連結されている。この場合、図８に示すように、隣り合うコイル３２の位相を反転させることにより、さらに効率的に加熱することができる。

なお、一例として、熱処理を要する局部がＩＰＭモータ１のロータ１１のブリッジ部２１である場合について本発明を適用した形態を説明したが、本発明の適用は、かかる形態に限定されない。例えば、冷延ままの電磁鋼板から作製されたＩＰＭロータの磁石部のみを誘導加熱装置で局所的に加熱することにより、磁石部を高透磁率化するとともにブリッジ部２１の高強度および低透磁率を維持することができる。この場合、磁石部に７００℃以上で１秒以上の熱処理効果を与えることで、磁石部を部分再結晶させることができる。

さらに、ＩＰＭモータ１のロータ１１の作製時に加工歪が生じたせん断加工部や、溶接歪が生じた溶接部を、上記の誘導加熱装置で局部的に加熱し、歪を除去し高透磁率化する場合にも本発明を適用できる。この場合、せん断加工部や溶接部からなる局部を４００℃以上で１秒以上の熱処理効果を与えるとよい。せん断加工部の熱処理は、せん断加工部の一部でもよい。

本発明のように部分的な高強度化を実現できる部分加熱方法は、高強度化だけでなく、ロータの部分的な加熱により、例えばロータを部分的に軟化させる、さらには熱により変化することが知られている材質を部分的に制御する目的にも広く適用できる。

質量％で、Ｃ：０．００４％、Ｓｉ：２．８％、Ｍｎ：０．３％、Ａｌ：０．６５％、Ｃｕ：１．６％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる０．３５ｍｍ厚の電磁鋼板を素材として、ＩＰＭモータのロータの形状に打ち抜き、積層して作製したロータを２個作成した。このロータのうち１個のロータブリッジ部に熱処理を施した。具体的には、ブリッジ部の幅Ｗｂは３．０ｍｍであったので、磁束強化用コア３３の周方向の幅寸法Ｗｃは２．５ｍｍとして、コイル３２は銅線を４０ターン巻いて作成した。そして、コイルに周波数３ｋＨzの単相交流電源を接続し、出力２ｋＷで加熱した。その結果、加熱開始から約５分でブリッジ部は約６５０℃に昇温し、その状態を１０秒保持した後に冷却した。このロータコアを組み込んだＩＰＭモータのモータ効率とロータの破壊回転数を表１に示す。

表１に示すように、誘導加熱で熱処理効果を与えることにより、ロータの破壊強度が向上し、同時にモータ効率が向上することがわかった。

また、単相交流電源の周波数を変化させた場合の、６５０℃までの昇温に必要な時間を表２に示す。周波数が低い５０Ｈzでは６５０℃まで昇温できなかった。また、周波数が高い２０ｋＨｚでは約１分で６５０℃に到達した。

本発明は、ＩＰＭモータのロータの局部加熱に加えて、金属間化合物型高強度鋼や、フルハード型高強度鋼の局部加熱による局部軟化、さらには熱により変化することが知られている材質を部分的に制御する目的においても、同様に適用可能である。

１ ＩＰＭモータ
１０ 固定子
１１ ロータ
１５ ティース
１６ 巻線
２０ 開口部
２１ ブリッジ部
３０、４０ 誘導加熱装置
３１ 交流電源
３２ コイル
３３ 磁束強化用コア

Claims (15)

1. ＩＰＭモータのロータの、熱処理を要する局部を加熱する誘導加熱方法であって、
   前記ロータに近接して前記局部を囲む形状にコイルを設け、前記コイルに単相交流電源を接続して交流磁場を発生させ、前記交流磁場により前記ロータ内に渦電流を発生させて、前記局部に熱処理効果を与え、
   前記コイルの内部に磁束強化用コアを備え、
   前記ロータに前記局部が複数箇所あり、前記磁束強化用コアを備えたコイルを、複数箇所の前記局部全てをそれぞれ囲むように前記ロータの外周側に配置し、かつ、前記各コイルの磁束強化用コアを、前記コイルの外周側で連結することを特徴とする、ＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
2. 前記磁束強化用コアの幅寸法が、前記局部の幅の０．５〜１．５倍であることを特徴とする、請求項１に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
3. 前記磁束強化用コアの幅寸法が、前記局部の幅の０．８〜１．０倍であることを特徴とする、請求項１に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
4. 隣り合うコイルの位相を反転させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
5. 励磁する周波数を、１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚとすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
6. 前記局部に熱処理効果を与えて前記局部を部分析出強化することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
7. 前記局部は、質量％で、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜８．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板を素材として作製されたロータのブリッジ部であり、前記ブリッジ部に、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与え、前記ブリッジ部に円相当径が１０ｎｍ以下の微細Ｃｕ粒子を析出させることを特徴とする、請求項６に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
8. 前記局部は、質量％で、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ａｌ：１．０〜３．０％、Ｎｉ：１．５〜４．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板を素材として作成されたロータのブリッジ部であり、前記ブリッジ部に４００℃〜６００℃で時効処理を行い、円相当径の平均値が１〜１０ｎｍであるＡｌ−Ｎｉの金属間化合物を３００００個／μｍ ^３ 以上析出させることを特徴とする、請求項６に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
9. 前記局部は、冷延ままの電磁鋼板から作製されたＩＰＭモータのロータの磁石部であり、前記磁石部に７００℃以上で１秒以上の熱処理効果を与え、前記磁石部を部分再結晶させることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
10. 前記局部は、冷延ままの電磁鋼板から作製されたＩＰＭモータのロータのせん断加工部または溶接部であり、前記せん断加工部または溶接部に４００℃以上で１秒以上の熱処理効果を与え、前記せん断加工部または溶接部の歪を除去することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱方法。
11. ＩＰＭモータのロータの、熱処理を要する局部を加熱する誘導加熱装置であって、
    前記ロータに近接して前記局部を囲む形状に設けられるコイルと、前記コイルに接続され前記コイルに交流磁場を発生させる単相交流電源とを有し、前記交流磁場により前記ロータ内に渦電流を発生させて、前記局部に熱処理効果を与え、
    前記コイルの内部に磁束強化用コアが備えられており、
    前記磁束強化用コアを備えたコイルが、複数箇所の前記局部全てをそれぞれ囲むように前記ロータの外周側に配置され、かつ、前記各コイルの磁束強化用コアが、前記コイルの外周側で連結されていることを特徴とする、ＩＰＭモータのロータの誘導加熱装置。
12. 前記磁束強化用コアの幅寸法が、前記局部の幅の０．５〜１．５倍であることを特徴とする、請求項１１に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱装置。
13. 前記磁束強化用コアの幅寸法が、前記局部の幅の０．８〜１．０倍であることを特徴とする、請求項１１に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱装置。
14. 隣り合うコイルの位相を反転させることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱装置。
15. 励磁する周波数が、１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚであることを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータの誘導加熱装置。