JP7092095B2 - モータコアおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電磁鋼板を積層してなる疲労強度に優れるモータコアおよびその製造方法に関するものである。
近年の世界的な電気機器に対する省エネルギー化への要求の高まりにともない、回転機の鉄心に使用される無方向性電磁鋼板に対しても、より優れた磁気特性が要求されるようになってきている。また、最近では、ＨＥＶ（ハイブリッド車）やＥＶ（電気自動車）の駆動モータ等において、小型化・高出力化のニーズが強く、本要求を達成するため、モータの回転数を上昇させることが検討されている。
モータコアは、ステータコアとロータコアに分けられるが、ＨＥＶ駆動モータのロータコアは外径が大きいことから大きな遠心力が働く。また、ロータコアは構造上ロータコアブリッジ部と呼ばれる非常に狭い部分（１～２ｍｍ）が存在し、該部分は駆動中には特に高応力状態となる。さらに、モータは回転と停止を繰り返すため、ロータコアには遠心力による大きな繰り返し応力が働くことから、ロータコアに用いられる電磁鋼板は、優れた疲労特性を有する必要がある。一方、ステータコアに用いられる電磁鋼板は、モータの小型化・高出力化を達成するため、高磁束密度・低鉄損であることが望ましい。すわなち、モータコアに使用される電磁鋼板の特性としては、ロータコア用には高疲労特性、ステータコア用には高磁束密度・低鉄損であることが理想的である。
このように、同じモータコアに使用される電磁鋼板であっても、ロータコアとステータコアでは要求される特性が大きく異なる。しかし、モータコアの製造においては、材料歩留りや生産性を高めるため、同一の素材鋼板からロータコア材とステータコア材を打ち抜き加工により同時に採取し、その後、それぞれの鋼板を積層してロータコアまたはステータコアに組み立てられるのが望ましい。
モータコア用の高強度で低鉄損の無方向性電磁鋼板を製造する技術として、例えば、特許文献１には、高強度の無方向性電磁鋼板を製造し、該鋼板から打抜加工でロータコア材とステータコア材を採取し・積層して、ロータコアとステータコアを組み立てた後、ステータコアのみに歪取焼鈍を施すことで、高強度のロータコアと低鉄損のステータコアを同一素材から製造する技術が開示されている。
しかしながら、上記特許文献１の開示の技術では、高強度の無方向性電磁鋼板を使用することにより降伏応力は向上するが、最も重要な特性である疲労強度は必ずしも向上するとは限らないという問題がある。
本発明は、上記従来技術が抱える問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、疲労強度に優れたモータコアを提供するとともに、その安価な製造方法を提案することにある。
発明者らは、上記の課題を解決し、上記目的を達成するために鋭意検討を行なった。その結果、モータコア、特にロータコアの疲労強度の向上には必ずしも高強度鋼板を使用する必要が無く、打抜き端面の残留応力と端面硬さを適正範囲に制御することが重要であることを知見した。
すなわち、本発明は、第一に、電磁鋼板を積層してなるモータコアであって、該モータコアの打抜き端面の引張残留応力が２５０ＭＰａ以下であり、打抜き端面の硬さが母材硬さの１．１０倍以上であることを特徴とするモータコアを提供する。
本発明の上記電磁鋼板は、質量％でＣ：０．００５０％以下、Ｓｉ：２.０％以上、７．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上、３．０％以下、Ａｌ：３．０％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．００５％以下およびＮ：０．００５０％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有することが好ましい。
また、本発明の上記電磁鋼板は、上記成分組成に加えて、さらに質量％でＣｕ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．０１０％以下、Ｎｂ：０．０１０％以下およびＶ：０．０１０％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することが好ましい。
また、本発明は、第二に、上記モータコアの製造方法であって、母材となる電磁鋼板からモータコア材を打抜く打抜き工程と、該モータコア材を積層する積層工程と、積層されたモータコアを２５０℃以上５５０℃以下の温度Ｔまで加熱し、該温度に３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０を満たす時間ｔ（秒）保持する焼鈍工程とからなること、または、母材となる電磁鋼板からモータコア材を打抜く打抜き工程と、該モータコア材を２５０℃以上５５０℃以下の温度Ｔまで加熱し、該温度に３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０を満たす時間ｔ（秒）保持する焼鈍工程と、焼鈍されたモータコア材を積層する積層工程とからなることを特徴とするモータコアの製造方法を提案する。
本発明のモータコアの製造方法は、上記打抜き工程における打抜きクリアランスを板厚の３％以上１５％以下とすることが好ましい。
本発明によれば、打抜き加工により、同一の素材鋼板から疲労強度に優れるロータコアと磁気特性に優れるステータコアおよびその製造方法を提供できる。
したがって、本発明によれば、ＨＥＶ駆動モータはじめとする高出力・高回転モータのモータコア用途に適したモータコアを提供することができるので、モータの従来以上の小型化や高効率化、製造コストの低廉化が可能となり、産業上格段の効果を奏する。
したがって、本発明によれば、ＨＥＶ駆動モータはじめとする高出力・高回転モータのモータコア用途に適したモータコアを提供することができるので、モータの従来以上の小型化や高効率化、製造コストの低廉化が可能となり、産業上格段の効果を奏する。
まず、本発明のモータコアについて説明する。
１．打抜き端面の引張残留応力が２５０ＭＰａ以下
打抜き端面の引張残留応力は、打抜き端面からの疲労亀裂の発生を助長し、結果として疲労強度の低下を引き起こす。特に、ロータコアでは板面方向に遠心力による繰り返し応力が働くため、打抜き端面の引張残留応力を低減する必要がある。疲労亀裂の発生を十分に抑制するためには、打抜き端面の引張残留応力は２５０ＭＰａ以下とする必要がある。好ましくは、打抜き端面の引張残留応力は２００ＭＰａ以下、より好ましくは１５０ＭＰａ以下である。一方、圧縮残留応力は疲労亀裂の発生に寄与しないため、打抜き端面の引張残留応力の下限を決める必要はないが、通常打抜き端面の引張残留応力は－１００ＭＰａ以上（圧縮残留応力が１００ＭＰａ以下）である。ここで、上記引張残留応力は、打抜き端面の板厚１／２部における板面法線方向に垂直かつ打抜き端面に平行な方向の残留応力である。
１．打抜き端面の引張残留応力が２５０ＭＰａ以下
打抜き端面の引張残留応力は、打抜き端面からの疲労亀裂の発生を助長し、結果として疲労強度の低下を引き起こす。特に、ロータコアでは板面方向に遠心力による繰り返し応力が働くため、打抜き端面の引張残留応力を低減する必要がある。疲労亀裂の発生を十分に抑制するためには、打抜き端面の引張残留応力は２５０ＭＰａ以下とする必要がある。好ましくは、打抜き端面の引張残留応力は２００ＭＰａ以下、より好ましくは１５０ＭＰａ以下である。一方、圧縮残留応力は疲労亀裂の発生に寄与しないため、打抜き端面の引張残留応力の下限を決める必要はないが、通常打抜き端面の引張残留応力は－１００ＭＰａ以上（圧縮残留応力が１００ＭＰａ以下）である。ここで、上記引張残留応力は、打抜き端面の板厚１／２部における板面法線方向に垂直かつ打抜き端面に平行な方向の残留応力である。
２．打抜き端面の硬さが母材硬さの１．１０倍以上
疲労亀裂の発生は一般に鋼板の強度が高いほど抑制される。一方で、打抜き疲労の場合には、打抜き端面に不可避的に荒れが存在するため、疲労亀裂は打抜き端面から発生することが殆どである。すなわち、打抜き疲労特性を向上するためには、鋼板全体の強度を高める必要はなく、疲労亀裂発生の起点となる打抜き端部の強度を高めることが重要である。端面からの疲労亀裂の発生を十分に抑制するためには、打抜き端面の硬さが母材硬さの１．１０倍以上である必要がある。好ましくは１．２倍以上である。一方、打抜き端面の硬さが母材に比較して硬すぎる場合には、鋼板内部の硬さの差に起因する亀裂の発生を助長する場合があるので、打抜き端面の硬さは母材硬さの３倍以下であることが好ましい。ここで、上記打抜端面の硬さは、板厚１／２かつ端面から５０μｍ離れた位置のマイクロビッカース硬さ、また、上記母材硬さは、板厚１／２かつ端面から板厚の３倍以上離れた位置のマイクロビッカース硬さである。
疲労亀裂の発生は一般に鋼板の強度が高いほど抑制される。一方で、打抜き疲労の場合には、打抜き端面に不可避的に荒れが存在するため、疲労亀裂は打抜き端面から発生することが殆どである。すなわち、打抜き疲労特性を向上するためには、鋼板全体の強度を高める必要はなく、疲労亀裂発生の起点となる打抜き端部の強度を高めることが重要である。端面からの疲労亀裂の発生を十分に抑制するためには、打抜き端面の硬さが母材硬さの１．１０倍以上である必要がある。好ましくは１．２倍以上である。一方、打抜き端面の硬さが母材に比較して硬すぎる場合には、鋼板内部の硬さの差に起因する亀裂の発生を助長する場合があるので、打抜き端面の硬さは母材硬さの３倍以下であることが好ましい。ここで、上記打抜端面の硬さは、板厚１／２かつ端面から５０μｍ離れた位置のマイクロビッカース硬さ、また、上記母材硬さは、板厚１／２かつ端面から板厚の３倍以上離れた位置のマイクロビッカース硬さである。
３．鋼板の成分組成
次に、本発明のモータコアに用いる電磁鋼板が有する好適な成分組成について説明する。成分組成における元素の含有量の単位はいずれも「質量％」であるが、以下、特に断らない限り単に「％」で示す。
次に、本発明のモータコアに用いる電磁鋼板が有する好適な成分組成について説明する。成分組成における元素の含有量の単位はいずれも「質量％」であるが、以下、特に断らない限り単に「％」で示す。
Ｃ：０．００５０％以下
Ｃは、モータの使用中に炭化物を形成して磁気時効を起こし、鉄損特性を劣化させる有害元素である。磁気時効を回避するためには素材中に含まれるＣは０．００５０％以下が好ましい。より好ましくは、０．００４０％以下である。なお、Ｃの下限は、特に規定しないが、過度にＣを低減した鋼板は非常に高価であることから、０．０００１％程度とするのが好ましい。
Ｃは、モータの使用中に炭化物を形成して磁気時効を起こし、鉄損特性を劣化させる有害元素である。磁気時効を回避するためには素材中に含まれるＣは０．００５０％以下が好ましい。より好ましくは、０．００４０％以下である。なお、Ｃの下限は、特に規定しないが、過度にＣを低減した鋼板は非常に高価であることから、０．０００１％程度とするのが好ましい。
Ｓｉ：２．０％以上、７．０％以下
Ｓｉは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減する効果があり、また、固溶強化により鋼の強度を高める効果がある。また、Ｓｉの添加により鋼の加工硬化係数が増大するため、打抜き端部の硬さの上昇を促進する効果もある。このような効果を確実に得るためにはＳｉ添加量は２．０％以上とすることが好ましい。一方、７．０％を超えると、靱性が低下し、割れを生じやすいため、上限は７．０％とすることが好ましい。したがって、Ｓｉは２．０％以上、７．０％以下の範囲で含有することが好ましい。より好ましくは３．０％以上、７．０％以下の範囲、さらに好ましくは３．７％以上、７．０％以下の範囲である。
Ｓｉは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減する効果があり、また、固溶強化により鋼の強度を高める効果がある。また、Ｓｉの添加により鋼の加工硬化係数が増大するため、打抜き端部の硬さの上昇を促進する効果もある。このような効果を確実に得るためにはＳｉ添加量は２．０％以上とすることが好ましい。一方、７．０％を超えると、靱性が低下し、割れを生じやすいため、上限は７．０％とすることが好ましい。したがって、Ｓｉは２．０％以上、７．０％以下の範囲で含有することが好ましい。より好ましくは３．０％以上、７．０％以下の範囲、さらに好ましくは３．７％以上、７．０％以下の範囲である。
Ｍｎ：０．０５％以上、３．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗と強度を高めるのに有用な元素であるため、０．０５％以上含有することが好ましい。一方、３．０％を超える添加は、靱性が低下し、加工時に割れを生じやすいため、上限は３．０％とすることが好ましい。したがって、Ｍｎは０．０５％以上、３．０％以下の範囲で含有することが好ましい。より好ましくは０．１％以上、２．０％以下の範囲である。
Ｍｎは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗と強度を高めるのに有用な元素であるため、０．０５％以上含有することが好ましい。一方、３．０％を超える添加は、靱性が低下し、加工時に割れを生じやすいため、上限は３．０％とすることが好ましい。したがって、Ｍｎは０．０５％以上、３．０％以下の範囲で含有することが好ましい。より好ましくは０．１％以上、２．０％以下の範囲である。
Ａｌ：３．０％以下
Ａｌは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減する効果がある有用な元素である。しかし、３．０％を超えると、靱性が低下し、加工時に割れを生じやすいため、上限は３．０％とすることが好ましい。より好ましくは２．０％以下である。
なお、Ａｌの含有量が０．０１％超え０．１％未満の範囲では、微細なＡｌＮが析出して鉄損が増加しやすいため、Ａｌは０．０１％以下もしくは０．１％以上の範囲とするのがより好ましい。特に、Ａｌを低減すると、集合組織が改善され、磁束密度が向上するので、磁束密度を重視する場合はＡｌ：０．０１％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．００３％以下である。
Ａｌは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減する効果がある有用な元素である。しかし、３．０％を超えると、靱性が低下し、加工時に割れを生じやすいため、上限は３．０％とすることが好ましい。より好ましくは２．０％以下である。
なお、Ａｌの含有量が０．０１％超え０．１％未満の範囲では、微細なＡｌＮが析出して鉄損が増加しやすいため、Ａｌは０．０１％以下もしくは０．１％以上の範囲とするのがより好ましい。特に、Ａｌを低減すると、集合組織が改善され、磁束密度が向上するので、磁束密度を重視する場合はＡｌ：０．０１％以下とするのが好ましい。より好ましくは０．００３％以下である。
Ｐ：０．２％以下
Ｐは、鋼の強度（硬さ）調整に用いられる有用な元素である。しかし、０．２％を超えると、靱性が低下し、加工時に割れを生じやすいため、上限は０．２％とすることが好ましい。なお、下限は特に規定しないが、過度にＰを低減した鋼板は非常に高価であることから、０．００１％程度とするのがより好ましい。さらに好ましくは０．００５％以上、０．１％以下の範囲である。
Ｐは、鋼の強度（硬さ）調整に用いられる有用な元素である。しかし、０．２％を超えると、靱性が低下し、加工時に割れを生じやすいため、上限は０．２％とすることが好ましい。なお、下限は特に規定しないが、過度にＰを低減した鋼板は非常に高価であることから、０．００１％程度とするのがより好ましい。さらに好ましくは０．００５％以上、０．１％以下の範囲である。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、微細析出物を形成して鉄損特性に悪影響を及ぼす元素である。特に、０．００５％を超えると、その悪影響が顕著になるため、０．００５％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００３％以下である。
Ｓは、微細析出物を形成して鉄損特性に悪影響を及ぼす元素である。特に、０．００５％を超えると、その悪影響が顕著になるため、０．００５％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００３％以下である。
Ｎ：０．００５０％以下
Ｎは、微細析出物を形成して鉄損特性に悪影響を及ぼす元素である。特に、０．００５０％を超えると、その悪影響が顕著になるため、０．００５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００３％以下である。
Ｎは、微細析出物を形成して鉄損特性に悪影響を及ぼす元素である。特に、０．００５０％を超えると、その悪影響が顕著になるため、０．００５０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００３％以下である。
本発明に用いる電磁鋼板は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物であるが、要求特性に応じて、上記成分組成に加えてさらに、Ｃｕ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶのうちから選ばれる１種または２種以上を下記の範囲で含有することができる。
Ｃｕ：０．１０％以下
Ｃｕは、上記の焼鈍工程等において時効によって鋼中に微細に析出し、析出強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、０．００５％以上含有するのが好ましい。一方、０．１０％を超えて過剰に添加すると、析出したＣｕが焼鈍工程での引張残留応力の緩和を妨げるとともに、疲労亀裂の起点となり、疲労強度を劣化させる場合がある。このため、Ｃｕを添加する場合の含有量は、０．００５％以上、０．１０％以下が好ましく、０．００５％以上、０．０５％以下の範囲がより好ましい。
Ｃｕ：０．１０％以下
Ｃｕは、上記の焼鈍工程等において時効によって鋼中に微細に析出し、析出強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、０．００５％以上含有するのが好ましい。一方、０．１０％を超えて過剰に添加すると、析出したＣｕが焼鈍工程での引張残留応力の緩和を妨げるとともに、疲労亀裂の起点となり、疲労強度を劣化させる場合がある。このため、Ｃｕを添加する場合の含有量は、０．００５％以上、０．１０％以下が好ましく、０．００５％以上、０．０５％以下の範囲がより好ましい。
Ｔｉ：０．０１０％以下
Ｔｉは、上記の焼鈍工程等において時効によって炭化物として鋼中に微細に析出し、析出強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、０．０００５％以上含有するのが好ましい。一方、０．０１０％を超えて過剰に添加すると、析出したＴｉ炭化物が焼鈍工程での引張残留応力の緩和を妨げるとともに、疲労亀裂の起点となり、疲労強度を劣化させる場合がある。このため、Ｔｉを添加する場合の含有量は、０．０００５％以上、０．０１０％以下が好ましく、０．０００５％以上、０．００５％以下の範囲がより好ましい。
Ｔｉは、上記の焼鈍工程等において時効によって炭化物として鋼中に微細に析出し、析出強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、０．０００５％以上含有するのが好ましい。一方、０．０１０％を超えて過剰に添加すると、析出したＴｉ炭化物が焼鈍工程での引張残留応力の緩和を妨げるとともに、疲労亀裂の起点となり、疲労強度を劣化させる場合がある。このため、Ｔｉを添加する場合の含有量は、０．０００５％以上、０．０１０％以下が好ましく、０．０００５％以上、０．００５％以下の範囲がより好ましい。
Ｎｂ：０．０１０％以下
Ｎｂは、上記の焼鈍工程等において時効によって炭化物として鋼中に微細に析出し、析出強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、０．０００５％以上含有するのが好ましい。一方、０．０１０％を超えて過剰に添加すると析出したＮｂ炭化物が焼鈍工程での引張残留応力の緩和を妨げるとともに、疲労亀裂の起点となり、疲労強度を劣化させる場合がある。このため、Ｎｂを添加する場合の含有量は、０．０００５％以上、０．０１０％以下が好ましく、０．０００５％以上、０．００５％以下の範囲がより好ましい。
Ｎｂは、上記の焼鈍工程等において時効によって炭化物として鋼中に微細に析出し、析出強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、０．０００５％以上含有するのが好ましい。一方、０．０１０％を超えて過剰に添加すると析出したＮｂ炭化物が焼鈍工程での引張残留応力の緩和を妨げるとともに、疲労亀裂の起点となり、疲労強度を劣化させる場合がある。このため、Ｎｂを添加する場合の含有量は、０．０００５％以上、０．０１０％以下が好ましく、０．０００５％以上、０．００５％以下の範囲がより好ましい。
Ｖ：０．０１０％以下
Ｖは、上記の焼鈍工程等において時効によって炭化物として鋼中に微細に析出し、析出強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、０．０００５％以上含有するのが好ましい。一方、０．０１０％を超えて過剰に添加すると析出したＶ炭化物が焼鈍工程での引張残留応力の緩和を妨げるとともに、疲労亀裂の起点となり、疲労強度を劣化させる場合がある。このため、Ｖを添加する場合の含有量は、０．０００５％以上、０．０１０％以下が好ましく、０．０００５％以上、０．００５％以下の範囲がより好ましい。
Ｖは、上記の焼鈍工程等において時効によって炭化物として鋼中に微細に析出し、析出強化により鋼板の強度上昇に寄与するので、０．０００５％以上含有するのが好ましい。一方、０．０１０％を超えて過剰に添加すると析出したＶ炭化物が焼鈍工程での引張残留応力の緩和を妨げるとともに、疲労亀裂の起点となり、疲労強度を劣化させる場合がある。このため、Ｖを添加する場合の含有量は、０．０００５％以上、０．０１０％以下が好ましく、０．０００５％以上、０．００５％以下の範囲がより好ましい。
次に、本発明のモータコアの製造方法（以下、単に「本発明の製造方法」ともいう）の好適な態様を説明するが、概略的には、電磁鋼板から打抜き加工でモータコア材を採取する打抜き工程と、モータコア材を積層する積層工程と、モータコア材またはモータコアに熱処理を施す焼鈍工程とにより、疲労特性に優れたモータコアを得る方法である。
〈電磁鋼板〉
本発明によれば、モータコアの素材としてどのような電磁鋼板を用いた場合においても、従来の製品と比較して、疲労強度に優れるモータコアが得られる。したがって、本発明のモータコアの製造に用いる電磁鋼板は、特に限定されないが、モータコアの性能を高める観点から、できるだけ高磁束密度、低鉄損、高強度の電磁鋼板を用いることが望ましい。
本発明によれば、モータコアの素材としてどのような電磁鋼板を用いた場合においても、従来の製品と比較して、疲労強度に優れるモータコアが得られる。したがって、本発明のモータコアの製造に用いる電磁鋼板は、特に限定されないが、モータコアの性能を高める観点から、できるだけ高磁束密度、低鉄損、高強度の電磁鋼板を用いることが望ましい。
〈打抜き工程〉
打抜き工程は、上記電磁鋼板からロータコアとステータコアを構成するモータコア材（ロータコア材とステータコア材）を打抜く工程である。
打抜き工程は、上記電磁鋼板から所定寸法のモータコア材が得られる工程であれば、特に限定されず、常用の打抜き工程を使用できる。
また、後述する打抜きクリアランスを組み合わせることで、より疲労特性に優れるモータコアを得ることができる。
打抜き工程は、上記電磁鋼板からロータコアとステータコアを構成するモータコア材（ロータコア材とステータコア材）を打抜く工程である。
打抜き工程は、上記電磁鋼板から所定寸法のモータコア材が得られる工程であれば、特に限定されず、常用の打抜き工程を使用できる。
また、後述する打抜きクリアランスを組み合わせることで、より疲労特性に優れるモータコアを得ることができる。
打抜きクリアランス：板厚の３％以上１５％以下
母材からモータコア材を打抜く際の打抜きクリアランスが板厚の３％未満であると打抜き端面に２次せん断面や亀裂などの荒れが生じやすくなり、疲労亀裂の起点となる場合があるため、打抜きクリアランスは板厚の３％以上とすることが好ましい。一方、打抜きクリアランスが板厚の１５％を超えて大きくなると、打抜き加工による打抜き端面の加工硬化が抑制され易くなり、打抜き端面の硬さの低下を招くと共に、疲労強度が低下する場合があるため、打抜きクリアランスは板厚の１５％以下とすることが好ましい。したがって、打抜きクリアランスは板厚の３％以上、１５％以下とすることが好ましい。より好ましくは板厚の５％以上、１２％以下である。
母材からモータコア材を打抜く際の打抜きクリアランスが板厚の３％未満であると打抜き端面に２次せん断面や亀裂などの荒れが生じやすくなり、疲労亀裂の起点となる場合があるため、打抜きクリアランスは板厚の３％以上とすることが好ましい。一方、打抜きクリアランスが板厚の１５％を超えて大きくなると、打抜き加工による打抜き端面の加工硬化が抑制され易くなり、打抜き端面の硬さの低下を招くと共に、疲労強度が低下する場合があるため、打抜きクリアランスは板厚の１５％以下とすることが好ましい。したがって、打抜きクリアランスは板厚の３％以上、１５％以下とすることが好ましい。より好ましくは板厚の５％以上、１２％以下である。
〈積層工程〉
積層工程は、モータコア材を積層して、モータコアを製造する工程である。
積層工程は、所定寸法の範囲内でモータコア材を積層できる工程であれば、特に限定されず、常用の積層工程を使用できる。
積層工程は、モータコア材を積層して、モータコアを製造する工程である。
積層工程は、所定寸法の範囲内でモータコア材を積層できる工程であれば、特に限定されず、常用の積層工程を使用できる。
〈焼鈍工程〉
焼鈍工程は、モータコア材またはそれを積層したモータコアに焼鈍を施す工程である。より詳細には、焼鈍工程は、モータコア材またはモータコアを、２５０℃以上５５０℃以下の温度Ｔ（℃）まで加熱し、３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０を満たす時間ｔ（秒）保持し、冷却する工程である。
焼鈍工程は、モータコア材またはそれを積層したモータコアに焼鈍を施す工程である。より詳細には、焼鈍工程は、モータコア材またはモータコアを、２５０℃以上５５０℃以下の温度Ｔ（℃）まで加熱し、３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０を満たす時間ｔ（秒）保持し、冷却する工程である。
焼鈍温度Ｔ（℃）：２５０℃以上５５０℃以下
焼鈍温度Ｔが２５０℃未満であると、焼鈍による打抜き端面の引張残留応力の開放が十分に起こらず、製造したモータコアの打抜き端面の引張残留応力が所望の範囲とならない。一方、焼鈍温度Ｔが５５０℃を超えると、打抜き加工により高強度化した打抜き端面の鋼板組織が過度に回復あるいは再結晶するため、強度が低下し、製造したモータコアの打抜き端面の硬さが所望の範囲とならない。このため、焼鈍温度Ｔは２５０℃以上、５５０℃以下の範囲に制限する。好ましくは３００℃以上、５００℃以下の範囲である。
焼鈍温度Ｔが２５０℃未満であると、焼鈍による打抜き端面の引張残留応力の開放が十分に起こらず、製造したモータコアの打抜き端面の引張残留応力が所望の範囲とならない。一方、焼鈍温度Ｔが５５０℃を超えると、打抜き加工により高強度化した打抜き端面の鋼板組織が過度に回復あるいは再結晶するため、強度が低下し、製造したモータコアの打抜き端面の硬さが所望の範囲とならない。このため、焼鈍温度Ｔは２５０℃以上、５５０℃以下の範囲に制限する。好ましくは３００℃以上、５００℃以下の範囲である。
焼鈍温度Ｔ（℃）で保持する時間ｔ（秒）：３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０
上記焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔが過度に短い場合には、焼鈍による引張残留応力の開放が十分に起こらず、製造したモータコアの打抜き端面の引張残留応力が所望の範囲とならない。一方、上記焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔが過度に長い場合には、打抜き加工により高強度化した打抜き端面の鋼板組織が過度に回復するため、打抜き端面の強度が低下し、製造したモータコアの打抜き端面の硬さが所望の範囲とならない。したがって、焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔは適切な範囲で管理する必要がある。
また、打抜き端面の引張残留応力の開放や強度の低下の挙動は、上記焼鈍温度Ｔに依存するため、保持時間ｔは焼鈍温度Ｔに依存して変化する。
しかし、発明者らの調査によれば、焼鈍温度Ｔ（℃）で保持する時間ｔ（秒）が、下記式；
３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０
を満たす範囲内であれば、製造したモータコアの打抜き端面の引張残留応力および硬さが所望の範囲となることがわかった。すなわち、図３（ａ）に示すように（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)の値が４６５０超えでは、打抜き端面硬さが母材の硬さの１．１０未満となってしまう。一方、図３（ｂ）に示すように（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)の値が３３５０未満では、引張残留応力が２５０ＭＰａを超えてしまう。そこで、本発明では、焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔを３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０を満たす範囲内に制限する。なお、焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔの好ましい範囲は３６５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４２５０を満たす範囲である。
上記焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔが過度に短い場合には、焼鈍による引張残留応力の開放が十分に起こらず、製造したモータコアの打抜き端面の引張残留応力が所望の範囲とならない。一方、上記焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔが過度に長い場合には、打抜き加工により高強度化した打抜き端面の鋼板組織が過度に回復するため、打抜き端面の強度が低下し、製造したモータコアの打抜き端面の硬さが所望の範囲とならない。したがって、焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔは適切な範囲で管理する必要がある。
また、打抜き端面の引張残留応力の開放や強度の低下の挙動は、上記焼鈍温度Ｔに依存するため、保持時間ｔは焼鈍温度Ｔに依存して変化する。
しかし、発明者らの調査によれば、焼鈍温度Ｔ（℃）で保持する時間ｔ（秒）が、下記式；
３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０
を満たす範囲内であれば、製造したモータコアの打抜き端面の引張残留応力および硬さが所望の範囲となることがわかった。すなわち、図３（ａ）に示すように（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)の値が４６５０超えでは、打抜き端面硬さが母材の硬さの１．１０未満となってしまう。一方、図３（ｂ）に示すように（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)の値が３３５０未満では、引張残留応力が２５０ＭＰａを超えてしまう。そこで、本発明では、焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔを３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０を満たす範囲内に制限する。なお、焼鈍温度Ｔで保持する時間ｔの好ましい範囲は３６５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４２５０を満たす範囲である。
上記のようにして得たモータコアは優れた疲労強度を有するが、モータコア素材として高強度鋼板を用いた場合には、より優れた疲労強度を得ることができる。この場合、高強度鋼板の使用によってステータコアの鉄損劣化が懸念されるときは、ステータコアのみを対象として鉄損改善を目的とする歪取焼鈍を施してもよい。
＜モータコアの製造＞
下記表１に示す板厚と成分組成の電磁鋼板から、通常公知の打抜き加工によりステータコア材とロータコア材を採取し、積層して、ステータコアとロータコアを同一素材から製造した。さらに、上記ロータコアに下記表２に示す条件で熱処理を施した（焼鈍工程）。
下記表１に示す板厚と成分組成の電磁鋼板から、通常公知の打抜き加工によりステータコア材とロータコア材を採取し、積層して、ステータコアとロータコアを同一素材から製造した。さらに、上記ロータコアに下記表２に示す条件で熱処理を施した（焼鈍工程）。
＜評価＞
得られたロータコアから、試験片を採取し、残留応力測定および硬度測定を行った。また、疲労強度測定用に、ロータコアと同じ電磁鋼板を用い、同じ条件で打抜き、同じ条件で熱処理を施した引張疲労試験片を作製した。さらに、磁気特性評価用に、ロータコアと同じ電磁鋼板に同じ条件で熱処理を施した鋼板から、磁気測定用試験片を作製した。これらの試験片を用いて、磁気特性評価および引張疲労試験を行った。試験方法は、次のとおりとした。
得られたロータコアから、試験片を採取し、残留応力測定および硬度測定を行った。また、疲労強度測定用に、ロータコアと同じ電磁鋼板を用い、同じ条件で打抜き、同じ条件で熱処理を施した引張疲労試験片を作製した。さらに、磁気特性評価用に、ロータコアと同じ電磁鋼板に同じ条件で熱処理を施した鋼板から、磁気測定用試験片を作製した。これらの試験片を用いて、磁気特性評価および引張疲労試験を行った。試験方法は、次のとおりとした。
（残留応力測定）
ロータコアのロータコアブリッジ部から、残留応力測定用の試験片を切り出し、打抜き端面の引張残留応力、具体的には、打抜き端面の板厚１／２部における板面法線方向に垂直かつ打抜き端面に平行な方向の引張残留応力をＸ線法（２θ・ｓｉｎ２ψ法）により測定した。なお、入射Ｘ線はＣｏＫα線を用い、コリメータ径は３００μｍとした。
ロータコアのロータコアブリッジ部から、残留応力測定用の試験片を切り出し、打抜き端面の引張残留応力、具体的には、打抜き端面の板厚１／２部における板面法線方向に垂直かつ打抜き端面に平行な方向の引張残留応力をＸ線法（２θ・ｓｉｎ２ψ法）により測定した。なお、入射Ｘ線はＣｏＫα線を用い、コリメータ径は３００μｍとした。
（硬さ測定）
ロータコアのロータコアブリッジ部から打抜き端面に対して直角方向にロータコアを切断し、打抜き端面の硬さをＪＩＳ Ｚ２２４４：２００９に準拠したマイクロビッカース試験により測定した。ただし、くぼみの対角線長さが０．０２０ｍｍ未満となる場合があったが、そのまま硬さ換算に使用した。測定位置は板厚１／２かつ打抜き端面から５０μｍ離れた位置とし、測定荷重は０．０２５ｋｇｆ（０．２４５Ｎ）とした。なお、上記硬さの測定においては、測定のばらつきを低減するため、１回目の硬さの測定後は、くぼみの対角線長さの３倍以上を研磨により除去し、再度、同じ位置で測定を行うことを繰り返して５回測定し、その平均値を用いた。
母材の硬さは、ロータコアの任意の位置から採取した試片に対し、板厚１／２かつ打抜き端面から板厚の３倍以上離れた位置の硬さを測定荷重０．０２５ｋｇｆ（０．２４５Ｎ）で５点測定し、その平均値を用いた。
ロータコアのロータコアブリッジ部から打抜き端面に対して直角方向にロータコアを切断し、打抜き端面の硬さをＪＩＳ Ｚ２２４４：２００９に準拠したマイクロビッカース試験により測定した。ただし、くぼみの対角線長さが０．０２０ｍｍ未満となる場合があったが、そのまま硬さ換算に使用した。測定位置は板厚１／２かつ打抜き端面から５０μｍ離れた位置とし、測定荷重は０．０２５ｋｇｆ（０．２４５Ｎ）とした。なお、上記硬さの測定においては、測定のばらつきを低減するため、１回目の硬さの測定後は、くぼみの対角線長さの３倍以上を研磨により除去し、再度、同じ位置で測定を行うことを繰り返して５回測定し、その平均値を用いた。
母材の硬さは、ロータコアの任意の位置から採取した試片に対し、板厚１／２かつ打抜き端面から板厚の３倍以上離れた位置の硬さを測定荷重０．０２５ｋｇｆ（０．２４５Ｎ）で５点測定し、その平均値を用いた。
（引張試験）
上記ロータコア材を採取した同じ電磁鋼板に対し、上記ロータコアと同じ条件で熱処理を施した後、圧延方向を引張方向とするＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に準拠した引張試験を行ない、引張強さ（ＴＳ）を測定した。
上記ロータコア材を採取した同じ電磁鋼板に対し、上記ロータコアと同じ条件で熱処理を施した後、圧延方向を引張方向とするＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に準拠した引張試験を行ない、引張強さ（ＴＳ）を測定した。
（引張疲労試験）
上記ロータコア材を採取した同じ電磁鋼板から、打抜き加工により、圧延方向を長手方向とした引張疲労試験片（ＪＩＳ Ｚ２２７５：１９７８に準拠した１号試験片、ｂ：１５ｍｍ、Ｒ：１００ｍｍと同じ形状）を採取し、上記ロータコアと同じ条件で熱処理を施した後、疲労試験に供した。上記疲労試験は、引張り－引張り（片振り）、応力比（＝最小応力／最大応力）：０．１および周波数：２０Ｈｚの条件で行い、繰り返し数１０７回において疲労破断を起こさない最大応力を疲労限とした。なお、試験結果の評価は、疲労限が下記式の条件を満たしているものを疲労特性に優れる（○）、満たさないものを疲労特性が不良（×）と評価した。
疲労限≧０．４×引張強さ（ＴＳ）＋７０（ＭＰａ）
上記ロータコア材を採取した同じ電磁鋼板から、打抜き加工により、圧延方向を長手方向とした引張疲労試験片（ＪＩＳ Ｚ２２７５：１９７８に準拠した１号試験片、ｂ：１５ｍｍ、Ｒ：１００ｍｍと同じ形状）を採取し、上記ロータコアと同じ条件で熱処理を施した後、疲労試験に供した。上記疲労試験は、引張り－引張り（片振り）、応力比（＝最小応力／最大応力）：０．１および周波数：２０Ｈｚの条件で行い、繰り返し数１０７回において疲労破断を起こさない最大応力を疲労限とした。なお、試験結果の評価は、疲労限が下記式の条件を満たしているものを疲労特性に優れる（○）、満たさないものを疲労特性が不良（×）と評価した。
疲労限≧０．４×引張強さ（ＴＳ）＋７０（ＭＰａ）
（磁気特性測定）
上記ロータコア材を採取した同じ電磁鋼板から、長さ方向を圧延方向および圧延直角方向とする、幅３０ｍｍ、長さ１８０ｍｍの磁気測定用試験片を採取し、上記ロータコアと同じ条件で熱処理した後、ＪＩＳ Ｃ２５５０－１：２０１１に準拠し、エプスタイン法で鉄損Ｗ１０／４００を測定した。
上記ロータコア材を採取した同じ電磁鋼板から、長さ方向を圧延方向および圧延直角方向とする、幅３０ｍｍ、長さ１８０ｍｍの磁気測定用試験片を採取し、上記ロータコアと同じ条件で熱処理した後、ＪＩＳ Ｃ２５５０－１：２０１１に準拠し、エプスタイン法で鉄損Ｗ１０／４００を測定した。
上記評価試験の結果を、表２に併記した。また、打抜き端面の引張残留応力が２５０ＭＰａ以下のものについて、疲労限に及ぼす打抜き端面の硬さの影響を図１に、端面硬さと母相硬さの比が疲労限に及ぼす打抜き端面の１．１０以上２．０以下のものについて、引張残留応力の影響を図２に示した。また、焼鈍温度Ｔが２５０～５５０℃の範囲にあるものについて、焼鈍時間ｔ（秒）がモータコアの特性に与える影響を図３に示した。図３（ａ）および（ｂ）は、横軸に（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)をとった。図３（ａ）は、縦軸に端面硬さと母材硬さの比をとり、硬度比が１．１０以上のものを○でプロットし、１．１０未満のものを×でプロットした。図３（ｂ）は、縦軸に引張残留応力をとり、引張残留応力が２５０ＭＰａ以下のものを○でプロットし、２５０ＭＰａを超えるものを×でプロットした。
表１、表２、図１および図２の結果から、発明例のモータコアは、いずれも、鉄損特性に優れるだけでなく、疲労限≧０．４×ＴＳ＋７０（ＭＰａ）の優れた疲労特性を有していることがわかる。
本発明の技術は、モータコアの疲労強度の改善に有効であるので、同一素材鋼板からロータコア材とステータコア材を同時に採取する場合に限定されるものではなく、異なる素材鋼板からロータコア材とステータコア材を別々に採取する場合にも適用することができる。
Claims (5)
- 質量％でＣ：０．００５０％以下、Ｓｉ：２.０％以上、７．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上、３．０％以下、Ａｌ：３．０％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．００５％以下およびＮ：０．００５０％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する電磁鋼板を積層してなるモータコアであって、該モータコアの打抜き端面の引張残留応力が２５０ＭＰａ以下であり、打抜き端面の硬さが母材硬さの１．１０倍以上であることを特徴とするモータコア。
- 前記電磁鋼板は、さらに質量％でＣｕ：０．１０％以下、Ｔｉ：０．０１０％以下、Ｎｂ：０．０１０％以下およびＶ：０．０１０％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のモータコア。
- 請求項１または２に記載のモータコアの製造方法であって、
母材となる電磁鋼板からモータコア材を打抜く打抜き工程と、
該モータコア材を積層する積層工程と、
積層されたモータコアを２５０℃以上５５０℃以下の温度Ｔまで加熱し、該温度に３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０を満たす時間ｔ（秒）保持する焼鈍工程とからなることを特徴とするモータコアの製造方法。 - 請求項１または２に記載のモータコアの製造方法であって、
母材となる電磁鋼板からモータコア材を打抜く打抜き工程と、
該モータコア材を２５０℃以上５５０℃以下の温度Ｔまで加熱し、該温度に３３５０≦（Ｔ＋２７３）×（２＋ｌｏｇｔ)≦４６５０を満たす時間ｔ（秒）保持する焼鈍工程と、焼鈍されたモータコア材を積層する積層工程とからなることを特徴とするモータコアの製造方法。 - 前記打抜き工程における打抜きクリアランスを板厚の３％以上１５％以下とすることを特徴とする請求項３または４に記載のモータコアの製造方法。
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