專利名稱：磁滯式電動(dòng)機(jī)以及磁滯式電動(dòng)機(jī)用轉(zhuǎn)子的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁滯式電動(dòng)機(jī)以及用于該磁滯式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的制造方法。
背景技術(shù)：
具有永久磁鐵的電動(dòng)機(jī)有，例如PM型步進(jìn)馬達(dá)、定時(shí)器電動(dòng)機(jī)等。與這些電動(dòng)機(jī) 相比，磁滯式電動(dòng)機(jī)具有如下特性在通電時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)較少，在達(dá)到同步速度之前具有幾乎 恒定的輸出功率，而且在不通電時(shí)輸出軸旋轉(zhuǎn)所需的旋轉(zhuǎn)力極小。因此，利用該特性，近年 來磁滯式電動(dòng)機(jī)被利用在彈簧復(fù)位式的領(lǐng)域中。磁滯式電動(dòng)機(jī)，例如圖1、2所示，具有由半硬質(zhì)磁性材料形成的轉(zhuǎn)子與產(chǎn)生波及 到該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的多個(gè)定子(例如參照專利文獻(xiàn)1)。然后，作為磁滯式電動(dòng)機(jī)構(gòu)成部件的轉(zhuǎn)子，例如在非專利文獻(xiàn)1等中看到的那樣， 必須由半硬質(zhì)磁性材料構(gòu)成。半硬質(zhì)磁性材料是指，具有一定程度的矯頑力與高殘留磁通 量密度的材料。具有該特性的材料已知有，例如非專利文獻(xiàn)2中看到的高碳鋼、馬氏體系不 銹鋼、或者鐵鈷釩合金。專利文獻(xiàn)1 特開平11-168863號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)1 谷腰欣司著，《小型電動(dòng)機(jī)及其使用方法》，1987，p. 112非專利文獻(xiàn)2 《金屬材料辭典》，1963，p. 54
發(fā)明內(nèi)容
高碳鋼以及馬氏體系不銹鋼，通過淬火處理會(huì)呈現(xiàn)半硬質(zhì)磁性，但同時(shí)由于變成 硬質(zhì)的馬氏體組織而導(dǎo)致加工性下降。因此，在使用高碳鋼、馬氏體系不銹鋼的情況下，需 要在將鐵素體組織的材料成型為適當(dāng)部件形狀后進(jìn)行淬火處理。高碳鋼，為了使之具有耐 腐蝕性，在熱處理后還需要實(shí)施鍍覆或涂裝。當(dāng)鍍覆或涂裝有缺陷時(shí)就會(huì)產(chǎn)生腐蝕，該腐蝕 產(chǎn)物就會(huì)附著于電動(dòng)機(jī)部件上。附著的腐蝕產(chǎn)物成為電動(dòng)機(jī)磁電路上的磁阻，造成電動(dòng)機(jī) 性能下降。另外，在鍍覆或涂裝的工序中有異物附著時(shí)，也同樣會(huì)使電動(dòng)機(jī)性能下降。這樣， 在鍍覆或涂裝時(shí)不允許出現(xiàn)微小的缺陷或者異物的附著，因此需要龐大的勞力以及費(fèi)用進(jìn) 行嚴(yán)格的制造以及檢查。而且，近年來作為環(huán)境問題的應(yīng)對(duì)，要求廢除使用6價(jià)鉻的鉻酸鋅處理以及受到 V0C規(guī)限的涂裝工藝。另外，已知鐵鈷釩合金為可以進(jìn)行冷加工的半硬質(zhì)磁性材料，其半硬質(zhì)磁性也非 常優(yōu)異，所以也被用作磁滯式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用材料，但是加壓成型性不佳，不能說具備有足 夠的用于被加工成圓筒狀磁滯式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的加工性。而且該半硬質(zhì)磁特性對(duì)熱處理溫 度敏感，必須對(duì)熱處理進(jìn)行嚴(yán)密的溫度管理。進(jìn)而，鐵鈷釩合金含有大量的高價(jià)的Co，所以材料價(jià)格高，電動(dòng)機(jī)的制造成本變
尚O本發(fā)明是為了解決這些問題而提出的方案，其目的在于以低成本提供耐腐蝕性優(yōu)
3異的不銹鋼鋼板，以及使用該不銹鋼鋼板制得的磁滯式電動(dòng)機(jī)，該不銹鋼鋼板具有能夠加 壓加工成為磁滯式電動(dòng)機(jī)用轉(zhuǎn)子的加壓成型性，不需要為了使其呈現(xiàn)半硬質(zhì)磁性而進(jìn)行淬 火處理。為了達(dá)成該目的，本發(fā)明的磁滯式電動(dòng)機(jī)的特征在于，是一種具有由半硬質(zhì)磁性 材料形成的轉(zhuǎn)子與產(chǎn)生波及到該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子的磁滯式電動(dòng)機(jī)，至少轉(zhuǎn)子的一部 分由不銹鋼鋼板形成，所述不銹鋼鋼板具有如下組成含有c 0. 1質(zhì)量％以下、Si :1. 0質(zhì) 量％以下、Mn 1. 0質(zhì)量％以下、Cr :16. 0 18. 0質(zhì)量％、Ni :1. 0 3. 0質(zhì)量％、P 0. 04質(zhì) 量％以下、S 0. 01質(zhì)量％以下，剩余部分由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且具有50 85% 的馬氏體相與剩余部鐵素體相的兩相組織。另外，本發(fā)明的磁滯式電動(dòng)機(jī)用轉(zhuǎn)子是通過將Fe-Cr-Ni系不銹鋼鋼板經(jīng)加壓加 工成型為規(guī)定形狀而制造的，所述Fe-Cr-Ni系不銹鋼鋼板具有如下組成含有C :0. 1質(zhì) 量％以下，Si :1.0質(zhì)量％以下，Mn :1.0質(zhì)量％以下，Cr :16. 0 18. 0質(zhì)量％，Ni :1.0 3. 0質(zhì)量％，P 0. 04質(zhì)量％以下，S 0. 01質(zhì)量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免雜質(zhì)構(gòu) 成。根據(jù)本發(fā)明，通過使用鐵素體+馬氏體的兩相不銹鋼鋼板作為轉(zhuǎn)子材料，可以提 供一種具有毫不遜色于以往的使用高碳鋼以及馬氏體系不銹鋼的電動(dòng)機(jī)的特性的磁滯式 電動(dòng)機(jī)，所述鐵素體+馬氏體的兩相不銹鋼鋼板是以耐腐蝕性優(yōu)異的不銹鋼為基礎(chǔ)，進(jìn)行 成分調(diào)整，以使其呈現(xiàn)可以加工成型為所需轉(zhuǎn)子形狀的加工性、以及無需淬火處理即有的 半硬質(zhì)磁性特性而得到的。由于在定子磁軛中使用了鐵素體+馬氏體的兩相不銹鋼，因此不需要實(shí)施鍍覆或 涂裝等防腐蝕處理，就能夠提供一種低成本且性質(zhì)穩(wěn)定的磁滯式電動(dòng)機(jī)。


圖1是對(duì)磁滯式電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造進(jìn)行簡(jiǎn)略說明的分解立體圖。圖2是對(duì)磁滯式電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造進(jìn)行簡(jiǎn)略說明的剖面圖。圖3是表示轉(zhuǎn)子矯頑力與磁滯式電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩關(guān)系的圖。圖4是表示轉(zhuǎn)子矯頑力與磁滯式電動(dòng)機(jī)復(fù)位扭矩關(guān)系的圖。圖5是表示原料鋼的馬氏體量與矯頑力關(guān)系的圖。圖6是將現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)與本發(fā)明電動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行比較的圖。符號(hào)說明1:蓋子2:旋轉(zhuǎn)軸3，4，7定子磁軛5 線圈6 轉(zhuǎn)子
具體實(shí)施例方式本發(fā)明人等，對(duì)作為構(gòu)成磁滯式電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)材料的半硬質(zhì)磁性材料進(jìn)行了反 復(fù)銳意的研究，所述半硬質(zhì)磁性材料不會(huì)使電動(dòng)機(jī)特性下降，而且加壓成型性優(yōu)異，在不實(shí) 施會(huì)使得磁特性變差的鍍覆或涂裝時(shí)也發(fā)揮出優(yōu)異的耐腐蝕性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過使用具有鐵素體+馬氏體的兩相組織的不銹鋼，可以實(shí)現(xiàn)上述課題。下面，對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明。
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磁滯式電動(dòng)機(jī)為，具有無需輔助啟動(dòng)裝置即可產(chǎn)生大的啟動(dòng)扭矩這一特性的同步 發(fā)動(dòng)機(jī)。且該電動(dòng)機(jī)的特性極易受形成轉(zhuǎn)子的半硬質(zhì)磁性材料的磁特性影響。因此，著眼于作為半硬質(zhì)磁性材料的磁特性之一的矯頑力。研究了轉(zhuǎn)子的矯頑力 與電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)扭矩的關(guān)系。轉(zhuǎn)子的矯頑力He可以通過如下方式求得，制成發(fā)生直徑約 60mm，長(zhǎng)約80mm的平行磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈，以及放置在勵(lì)磁線圈(平行磁場(chǎng))中的由用于檢 測(cè)轉(zhuǎn)子磁化量的檢測(cè)線圈形成的雙重線圈，通過將勵(lì)磁線圈與檢測(cè)線圈分別與B-H追蹤器 相連接，對(duì)磁場(chǎng)施加量的控制以及轉(zhuǎn)子的磁化量進(jìn)行檢測(cè)以求出轉(zhuǎn)子的矯頑力He。啟動(dòng)扭矩是指，使定子的勵(lì)磁線圈為恒定輸出功率，由過負(fù)荷狀態(tài)逐漸減少負(fù)荷， 將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)荷作為啟動(dòng)扭矩。其結(jié)果如圖3所示。轉(zhuǎn)子的矯頑力越大得到的啟動(dòng)扭矩就越大。然而，磁滯式電動(dòng)機(jī)的特征是，轉(zhuǎn)子不使用永久磁鐵而使用半硬質(zhì)磁性材料。當(dāng)停 止向電動(dòng)機(jī)提供電源時(shí)，即定子磁軛所產(chǎn)生磁場(chǎng)消失時(shí)，與使用永久磁鐵的電動(dòng)機(jī)不同，轉(zhuǎn) 子的殘留磁化就會(huì)變得極小。因此，可以通過使用彈簧等，以機(jī)械方式容易地讓電動(dòng)機(jī)逆旋 轉(zhuǎn)。這種逆旋轉(zhuǎn)所需要的扭矩被稱作復(fù)位扭矩，期望將磁滯式電動(dòng)機(jī)中的復(fù)位扭矩制成較 小。因此，又研究了轉(zhuǎn)子的矯頑力與復(fù)位扭矩的關(guān)系。另外，復(fù)位扭矩是指，在恒定輸出功 率下使運(yùn)轉(zhuǎn)了一定時(shí)間的電動(dòng)機(jī)停止，向逆旋轉(zhuǎn)方向?qū)πD(zhuǎn)軸施與負(fù)荷，開始產(chǎn)生逆旋轉(zhuǎn) 時(shí)的荷重。其結(jié)果如圖4所示，轉(zhuǎn)子的矯頑力越大，復(fù)位扭矩就越大。其次，本發(fā)明人針對(duì)呈現(xiàn)出半硬質(zhì)磁性的鐵素體相+馬氏體相的兩相不銹鋼，對(duì) 于馬氏體量做了種種變更，對(duì)馬氏體量與上述轉(zhuǎn)子的矯頑力的關(guān)系做了研究。其結(jié)果如圖5所示，可知通過調(diào)整馬氏體量可以得到適合磁滯式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的矯 頑力。如同一圖所示，通過將馬氏體量設(shè)為50 85%，能夠得到磁滯式電動(dòng)機(jī)所需的矯頑 力。下面對(duì)兩相不銹鋼的成分組成進(jìn)行具體的說明，所述成分組成能夠呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)子所 需的半硬質(zhì)磁特性，并具有在磁滯式電動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境下所必要的耐腐蝕性，進(jìn)而具有能 夠通過加壓加工成型為復(fù)雜的轉(zhuǎn)子形狀的、優(yōu)異的成型性。C 0. 1質(zhì)量％以下Fe-Cr-Ni系鋼會(huì)促進(jìn)馬氏體的生成，提高半硬質(zhì)磁特性。即使增大碳化物的析出 量也能夠起到提高半硬質(zhì)磁特性的作用。但是，添加過多的C會(huì)導(dǎo)致過多的馬氏體相的生 成從而使得材質(zhì)硬化、加壓成型性降低。為了抑制這樣的影響，將C含量的上限設(shè)定為0. 1
質(zhì)量％。Si !. 0 質(zhì)量％ 以下對(duì)馬氏體相的生成具有抑制作用，使得半硬質(zhì)磁性變差。另外，是使得材質(zhì)顯著硬 化的成分，過多添加會(huì)導(dǎo)致加壓加工性的顯著下降。因此將Si含量的上限設(shè)定為1. 0質(zhì)量％。Mn !. 0 質(zhì)量％ 以下促進(jìn)馬氏體的生成，提高半硬質(zhì)磁特性。但過多的添加會(huì)導(dǎo)致生成過多的馬氏體 相使材料硬化、加壓成型性降低。因此將Mn含量的上限設(shè)定為1.0質(zhì)量％。Ni !. 0 3. 0 質(zhì)量％
與Mn同樣會(huì)促進(jìn)馬氏體的生成。作為調(diào)整馬氏體相與鐵素體相平衡的元素而添 加。因此，需要1.0質(zhì)量％以上。但過多添加會(huì)導(dǎo)致生成過多的馬氏體相使材質(zhì)硬化、加壓 成型性降低。因此將Ni含量設(shè)定在1. 0 3. 0質(zhì)量％的范圍內(nèi)。Cr 16. 0 18. 0 質(zhì)量 ％是為了賦予耐腐蝕性的必須成分。另外，也是調(diào)整馬氏體相與鐵素體相平衡的元 素。要想發(fā)揮該效果必須要16.0質(zhì)量％以上。但也與Si同樣顯示出抑制馬氏體生成而使 半硬質(zhì)磁性變差的作用。另外過多的添加會(huì)導(dǎo)致材質(zhì)硬化、加壓加工性顯著變差。因此將 Cr含量設(shè)定為16. 0 18. 0質(zhì)量％。P 0. 04 質(zhì)量％ 以下為來源于原料的不可避免地混入的雜質(zhì)元素。會(huì)使材料脆化，因此將上限設(shè)定為
0. 04質(zhì)量％。S 0. 01 質(zhì)量％ 以下為來源于原料的不可避免地混入的雜質(zhì)元素。會(huì)使材料脆化，因此將上限設(shè)定為 0. 01質(zhì)量％。經(jīng)過如上所述成分調(diào)節(jié)的不銹鋼的冷軋退火板為具有所需量的馬氏體相的兩相 組織，因此將規(guī)定板厚的冷軋退火酸洗板材進(jìn)行加壓加工即可直接用作磁滯式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 子。如圖1、2所示，磁滯式電動(dòng)機(jī)具有加壓成型為圓筒狀的本發(fā)明材料的轉(zhuǎn)子6以及成型 為杯狀的鋁制蓋子1組合形成的轉(zhuǎn)子組件。另外，在加壓加工的原狀態(tài)下，由于加工變形的影響使得半硬質(zhì)磁特性發(fā)生些許 劣化，成為半硬質(zhì)磁性不均的主要原因。從排除加工變形影響的意義出發(fā)，優(yōu)選加壓加工后 實(shí)施熱處理。此時(shí)，該熱處理溫度通過選擇能使馬氏體+鐵素體的相比平衡為規(guī)定數(shù)值的 溫度，可得到穩(wěn)定的半硬質(zhì)磁性。該溫度范圍是900 1200°C。為了防止氧化，熱處理在真 空或者還原性氣氛中進(jìn)行。另外，不言而喻的是根據(jù)轉(zhuǎn)子形狀，僅其中的一部分使用特定的兩相不銹鋼鋼板 也能夠發(fā)揮出所需的電動(dòng)機(jī)特性。實(shí)施例表1所示化學(xué)組成的Fe-Cr-Ni系鋼分別在高頻真空熔化爐中熔制，經(jīng)鍛造、熱軋、 冷軋、加工退火、酸洗的工藝，制造成板厚0. 5mm的材料。測(cè)定所得各素板的馬氏體量。馬氏體量的測(cè)定，通過將素板用氟酸+硝酸+甘油 的混合液進(jìn)行蝕刻，然后用光學(xué)顯微鏡根據(jù)點(diǎn)計(jì)數(shù)法求得。將所得各素板進(jìn)行加壓加工制成磁滯式電動(dòng)機(jī)用轉(zhuǎn)子。另外，由于馬氏體量較多， 質(zhì)硬，而難以加壓加工制成轉(zhuǎn)子，因而通過將長(zhǎng)條片卷曲而制成轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的矯頑力用B-H分析儀測(cè)定。進(jìn)而，將上述轉(zhuǎn)子裝進(jìn)磁滯式電動(dòng)機(jī)實(shí)體機(jī)器中，按下述方法測(cè)定電動(dòng)機(jī)的特性。將勵(lì)磁線圈設(shè)為恒定輸出功率，由過負(fù)荷狀態(tài)逐漸減少負(fù)荷，將電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn) 的負(fù)荷作為啟動(dòng)扭矩。另外，使在恒定輸出功率下運(yùn)轉(zhuǎn)了一定時(shí)間的電動(dòng)機(jī)停止，向相反旋 轉(zhuǎn)方向逐漸施與負(fù)荷，將開始逆旋轉(zhuǎn)的荷重作為復(fù)位扭矩。電動(dòng)機(jī)性能的判斷按如下方式進(jìn)行，與僅轉(zhuǎn)子材質(zhì)不同的以往電動(dòng)機(jī)相比較，啟 動(dòng)扭矩比以往電動(dòng)機(jī)提高10%以上的情況視為合格，復(fù)位扭矩比以往電動(dòng)機(jī)減少10%以上的情況視為合格。其結(jié)果如表1所示。非本發(fā)明材料的情況，由于試樣No. Bl、2中馬氏體相較少，因此矯頑力較小，啟動(dòng) 扭矩不足。另一方面，試樣No. B3、4中由于馬氏體過多，復(fù)位扭矩過大。另外，對(duì)根據(jù)本發(fā)明制得的電動(dòng)機(jī)與以往的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)與電動(dòng)機(jī)扭矩的關(guān)系做 了比較。如圖6所示，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)與以往電動(dòng)機(jī)相比較，即使在達(dá)到較高扭矩時(shí)仍顯 示出穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。由于本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)直到較高負(fù)荷仍能夠?qū)崿F(xiàn)同步，例如用于驅(qū)動(dòng)彈簧 復(fù)位型電磁閥時(shí)，通過擴(kuò)大對(duì)抗電動(dòng)機(jī)的彈簧的張力的設(shè)定范圍，可以保證更加穩(wěn)定的開關(guān)。進(jìn)而，由于使用耐腐蝕性優(yōu)異的Fe-Cr系不銹鋼，不需要進(jìn)行用于防銹的鍍覆或 者涂裝，結(jié)果是能夠以低成本獲得具有同等以上性能的電動(dòng)機(jī)特性的磁滯式電動(dòng)機(jī)。表 權(quán)利要求
一種磁滯式電動(dòng)機(jī)，其特征在于，具有由半硬質(zhì)磁性材料形成的轉(zhuǎn)子與產(chǎn)生波及到該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子，其中，至少轉(zhuǎn)子的一部分由不銹鋼鋼板形成，所述不銹鋼鋼板具有如下組成含有C0.1質(zhì)量％以下、Si1.0質(zhì)量％以下、Mn1.0質(zhì)量％以下、Cr16.0～18.0質(zhì)量％、Ni1.0～3.0質(zhì)量％、P0.04質(zhì)量％以下、S0.01質(zhì)量％以下，剩余部分由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且所述不銹鋼鋼板還具有50～85％的馬氏體相與剩余部鐵素體相的兩相組織。
2.一種磁滯式電動(dòng)機(jī)用轉(zhuǎn)子的制造方法，其特征在于，將Fe-Cr-Ni系不銹鋼鋼板通過 加壓加工成型為規(guī)定形狀，其中，所述Fe-Cr-Ni系不銹鋼鋼板具有如下組成含有C 0. 1 質(zhì)量％以下、Si :1.0質(zhì)量％以下、Mn :1.0質(zhì)量％以下、Cr :16.0 18.0質(zhì)量％、Ni :1.0 3.0質(zhì)量％、？0. 04質(zhì)量％以下、S :0. 01質(zhì)量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免的雜質(zhì) 構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明使用不銹鋼鋼板作為轉(zhuǎn)子，低成本地提供磁滯式電動(dòng)機(jī)，所述不銹鋼鋼板具有能夠進(jìn)行加壓加工成轉(zhuǎn)子的加壓成型性，不需實(shí)施淬火處理即可呈現(xiàn)半硬質(zhì)磁性，且耐腐蝕性優(yōu)異。在具有由半硬質(zhì)磁性材料形成的轉(zhuǎn)子以及產(chǎn)生波及該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子的磁滯式電動(dòng)機(jī)中，至少轉(zhuǎn)子的一部分由不銹鋼鋼板形成，所述不銹鋼鋼板具有如下組成含有C0.1質(zhì)量％以下、Si1.0質(zhì)量％以下、Mn1.0質(zhì)量％以下、Cr16.0～18.0質(zhì)量％、Ni1.0～3.0質(zhì)量％、P0.04質(zhì)量％以下、S0.01質(zhì)量％以下，剩余部分由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且具有50～85％的馬氏體相與剩余部鐵素體相這兩相形成的組織。
文檔編號(hào)C22C38/40GK101867234SQ20091000305
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者森川廣, 重富智治, 香月淳一, 高橋郁夫 申請(qǐng)人:日新制鋼株式會(huì)社;蘭科日本有限公司