JP6725209B2 - モータ用高強度部材およびモータ用高強度部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁鋼板を用いたモータ用高強度部材とその製造方法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。

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。

特許第５０００１３６号公報 特開２０１１−００６７２１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、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。

本発明は、磁気特性を劣化させることなく、高強度が必要な箇所の強度を向上させたモータ用高強度部材とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、ロータコアなどのモータ用部材において、特に高強度が必要な箇所のみに、微細Ｃｕ粒子を部分的に析出させることで、磁気特性を劣化させずにモータ用部材の強度を向上できることを知見した。本発明によれば、以下のモータ用高強度部材とその製造方法が提供される。

（１） 質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％、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するモータ用高強度部材であって、
円相当径が１０ｎｍ以下の微細Ｃｕ粒子が、強度の強化が必要な部分的な箇所のみに析出している、モータ用高強度部材。
（２） 前記モータ用高強度部材はＩＰＭ型モータのロータであり、微細Ｃｕ粒子が析出している前記部分的な箇所はブリッジ部である、（１）に記載のモータ用高強度部材。
（３） 前記部分的な箇所に、前記微細Ｃｕ粒子が１００個／μｍ^３以上析出している（１）または（２）のいずれかに記載のモータ用高強度部材。
（４） （１）〜（３）のいずれかに記載のモータ用高強度部材の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％、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所定の形状とした後、強度の強化が必要な部分的な箇所のみに、線状のレーザ照射によって、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与えて、前記部分的な箇所に微細Ｃｕ粒子を析出させる、モータ用高強度部材の製造方法。
（５） （１）〜（３）のいずれかに記載のモータ用高強度部材の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％、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所定の形状とした後、強度の強化が必要な部分的な箇所のみに、棒状のハロゲンヒータ加熱によって、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与えて、前記部分的な箇所に微細Ｃｕ粒子を析出させる、モータ用高強度部材の製造方法。
（６） （１）〜（３）のいずれかに記載のモータ用高強度部材の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％、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所定の形状とした後、強度の強化が必要な部分的な箇所のみに穴を開けた遮熱板を配置して、輻射加熱によって、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与えて、前記部分的な箇所に微細Ｃｕ粒子を析出させる、モータ用高強度部材の製造方法。

本発明によれば、磁気特性を劣化させずにモータのロータ用部材の強度の必要な箇所を部分的に向上させ、またモータ効率を向上させることができる。したがって、電気駆動自動車の主機モータの小型化を図るために求められている高速回転に耐えるロータの高強度化と高効率化とを両立することができる。

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レーザ照射を行う箇所の説明図である。 本発明の異なる実施形態にかかるハロゲンヒータの配置を示す平面図である。 図５の斜視図である。 本発明のさらに異なる実施形態にかかる輻射加熱時の遮熱板を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、モータ用高強度部材の一例として、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永久磁石内蔵モータ（ＩＰＭモータ）のロータについて本発明を適用した形態を説明する。

図１は、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、Ｃｕからなる金属相を数ｎｍのサイズに微細に分散させることで、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Ｃｕ粒子の析出には、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、例えば線状のレーザ照射等の加熱手段によって、ブリッジ部２１のみを所定の温度まで急速加熱し昇温させれば、効率よく必要サイズの微細Ｃｕ粒子の析出が得られ、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Ｃｕ粒子が析出することにより、非析出部に較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、モータ用部材における応力集中が発生しやすい箇所のみに微細Ｃｕ粒子を析出させることによって、部分的に強度を高め、またモータ効率を高めるものである。

本発明のモータ用高強度部材の素材とする電磁鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを基本とする。

Ｃは、炭化物を、磁気特性を劣化させるサイズに析出させるので、０．０１％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、本発明では必須の元素である。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、０．５〜３．０％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０．７〜２．０％、さらに好ましくは０．８〜１．８％である。

本発明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。

モータ用高強度部材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、熱延板焼鈍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モータ用部材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、容易にモータ用部材の形状に加工することができる。

次に、高強度が必要な箇所に、線状のレーザ照射によって、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与える。図４は、本実施形態として、電磁鋼板で作製したモータ用部材としてのＩＰＭ型モータのロータ１１において、各ブリッジ部２１に線状のレーザを照射したレーザ照射線Ｌの例を示している。レーザによる加熱は、強化が必要な箇所のみを選択して、微細Ｃｕ粒子析出に必要な４００〜７００℃までの急速昇温を行うことができる。このように、強化が必要な箇所、例えばブリッジ部２１のみにレーザを照射すればよいため、高速回転のＩＰＭ型モータに必要なロータ１１のブリッジ部２１の高強度化のための熱処理を、高いエネルギー効率で実施することができる。すなわち、短時間での熱処理が可能であり、加熱エネルギーが軽減できて経済的である。なお、熱処理が４００℃未満では十分なＣｕ粒子が析出できず、一方、７００℃を超えると、形成されるＣｕ粒子が粗大となってしまう。

図５および図６は、本発明の異なる実施形態であり、高強度が必要な箇所のみに４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与える方法として、棒状のハロゲンヒータ３１を用いた場合である。本実施形態では、ロータ１１の外周側に、各ブリッジ部２１にそれぞれ近接させて、複数（図の例では８つ）のハロゲンヒータ３１を配置している。ハロゲンヒータ３１からの輻射熱は分散角をもって与えられるが、ブリッジ部２１は厚みが小さく熱容量が小さいため、他の部分に比べて急速かつ短時間で加熱されることになる。

図７は、本発明のさらに異なる実施形態であり、金属ないしセラミックの遮熱板３２をロータ１１の外周側に配置し、一般的な輻射加熱炉等を使用して局所的な短時間加熱を可能としたものある。遮熱板３２には、微細Ｃｕ粒子を析出させたい箇所、例えば各ブリッジ部２１に対応する位置のみに穴３３が開けられている。ブリッジ部２１の熱容量は小さいため、図５および図６に示すように棒状のハロゲンヒータ３１を配置するだけでもブリッジ部２１が集中して加熱されるが、図５、６に示すハロゲンヒータ３１と組み合わせて図７に示すような遮熱板３２を配置することによって、より効率的に局所的な加熱が可能となる。また、遮熱板３２は、ロータコアを加熱炉中に挿入してコア全体を加熱する場合にも、特にブリッジ部２１だけを集中的に加熱するために使用することもできる。

以上の製造工程を経ることで、強度の強化が必要な箇所、例えばブリッジ部２１のみを、部分的に、円相当径が１０ｎｍ以下の微細Ｃｕ粒子が１００個／μｍ^３以上析出した状態とし、高強度化することができる。しかも、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モータ用部材の所望する部分の強度を部分的に向上させ、モータの高効率化を図ることができる。なお、微細Ｃｕ粒子の個数密度は、より好ましくは１０００個／μｍ^３以上、さらに好ましくは１００００個／μｍ^３以上析出した状態であるとよい。

なお、微細Ｃｕ粒子の円相当径が１０ｎｍを超える粗大なＣｕ粒子が多量に生成すると、高強度化の効率が劣化し、磁気特性も劣化させる恐れがある。本発明では、部材中の強化が必要な箇所に、微細なＣｕ粒子を高密度に生成させることで、優れた磁気特性と熱伝導性を維持しつつ、電磁鋼板の強度を向上させることができる。

以上、実施形態の一例として、永久磁石内蔵モータ（ＩＰＭモータ）のロータについて本発明を適用した場合を説明したが、本発明はかかる形態に限定されない。

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Ｎｏ．１と、同様に作製したロータのブリッジ部分に、線状のレーザ照射により６５０℃で１０秒の熱処理効果を与えたロータＮｏ．２を用いて、同じ方法で作製したステータと組み合わせてＩＰＭモータを作製した。これらの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、線状のレーザ照射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。

本発明は、永久磁石内蔵モータ（ＩＰＭモータ）のロータコアの他、高強度と磁気特性の両立が求められるモータ用部材に適用できる。

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
Ｌ レーザ照射線

Claims (6)

1. 質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％、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するモータ用高強度部材であって、
   円相当径が１０ｎｍ以下の微細Ｃｕ粒子が、強度の強化が必要な部分的な箇所のみに析出している、モータ用高強度部材。
2. 前記モータ用高強度部材はＩＰＭ型モータのロータであり、微細Ｃｕ粒子が析出している前記部分的な箇所はブリッジ部である、請求項１に記載のモータ用高強度部材。
3. 前記部分的な箇所に、前記微細Ｃｕ粒子が１００個／μｍ^３以上析出している、請求項１または２のいずれか１項に記載のモータ用高強度部材。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ用高強度部材の製造方法であって、
   質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％、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所定の形状とした後、強度の強化が必要な部分的な箇所のみに、線状のレーザ照射によって、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与えて、前記部分的な箇所に微細Ｃｕ粒子を析出させる、モータ用高強度部材の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ用高強度部材の製造方法であって、
   質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％、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所定の形状とした後、強度の強化が必要な部分的な箇所のみに、棒状のハロゲンヒータ加熱によって、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与えて、前記部分的な箇所に微細Ｃｕ粒子を析出させる、モータ用高強度部材の製造方法。
6. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ用高強度部材の製造方法であって、
   質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：０．２〜４．０％、Ｍｎ：０．０５〜２．０％、Ａｌ：２．５０％以下、Ｃｕ：０．５〜３．０％、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所定の形状とした後、強度の強化が必要な部分的な箇所のみに穴を開けた遮熱板を配置して、輻射加熱によって、４００℃〜７００℃で１秒以上１０分以下の熱処理効果を与えて、前記部分的な箇所に微細Ｃｕ粒子を析出させる、モータ用高強度部材の製造方法。