JP7207534B2 - 電磁鋼板の加工方法、モータおよびモータコアの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁鋼板の加工方法、例えば電磁鋼板に所望の形状を与えるために行う、電磁鋼板の加工方法に関する。さらに、本発明は、電磁鋼板を加工して得られる、コアを有するモータおよびモータコアの製造方法に関する。

近年、航空宇宙分野やコードレス掃除機などに用いられるモータに代表されるように、モータへの小型化の要求は、益々強まってきている。この種の小型モータは、出力を保ちつつ小型化を志向するため、高速回転化が進められている。モータの高速回転化によりモータ鉄心の励磁周波数は高くなる。さらに、モータの小型化により低下するモータトルクを補うために、ロータ磁石の極数を増大させる場合もあり、鉄心の励磁周波数は益々高まる一方である。このような高速モータの鉄心材料としては、高周波における低鉄損特性が要求されており、ＳｉやＡｌなどの比抵抗増加元素の多量添加や板厚の低減が有効な手段として知られている。

一方で、このような多量の合金元素の添加や薄厚化は、モータコアへの打抜き加工を困難にすることが知られている。特に、上記のようにモータの小型化を志向する場合には、モータ鉄心は非常に小型のものとなるため、鉄心材料である電磁鋼板の打抜き加工性の悪さは打抜きの歩留を低下させコストが増大するなどの問題を抱えていた。さらに、合金添加量の高い電磁鋼板やアモルファスなどは硬度が高く、金型の摩耗が激しいため、金型のメンテナンスコストが高くなり、生産性も低下するという問題も顕在化してきた。

そこで、例えば板厚が薄く合金量の多い電磁鋼板を加工する場合は、金型による打ち抜き加工ほどの高い生産性を有しないとされる、レーザ加工を適用すると、金型による打ち抜き加工に対して低コストなどのメリットが発揮され得る状況となってきている。上記の事情を背景にして、特許文献１では、金型を使用した打抜きではなくレーザによって鋼板を溶断する電磁鋼板の加工法が提案されている。

しかしながら、レーザによる加工は、電磁鋼板への入熱および冷却に伴って鋼板へ歪が導入される結果、鉄心材料の磁気特性の劣化を招くことが知られている。このレーザの歪導入による磁気特性の劣化は、打抜きの場合に比べて大きく、レーザによる加工はモータコアの製造方法としては課題が残るものであった。

特開2009-5539号公報

本発明は上記した問題に鑑みなされたものであり、特に板厚の薄い電磁鋼板に対して、磁気特性の劣化を招くことのないレーザによる加工方法を提供するものである。

発明者らは、レーザ加工条件が鉄心（コア）材料特性へ及ぼす影響およびそのメカニズム、さらにはレーザ加工による磁気特性への影響が小さい電磁鋼板の条件について、調査を行った。その結果、レーザの走査速度や出力、さらには材料の板厚に、最適な条件範囲が存在することを見出し、本発明を完成するに到った。本発明の要旨構成は次のとおりである。

１．電磁鋼板にレーザを用いる溶断を行って該電磁鋼板を所定の形状に加工する電磁鋼板の加工方法であって、前記レーザの走査速度を10000mm/min以上として前記溶断を行う電磁鋼板の加工方法。

２．前記電磁鋼板は、厚みが0.20mm以下である前記１に記載の電磁鋼板の加工方法。

３．前記レーザの出力Ｐ(W)と走査速度ｓ(mm/min)が前記電磁鋼板の板厚ｔ(mm)に対し次式（１）を満たす前記１または２に記載の電磁鋼板の加工方法。
５００ｔ＋５０≦Ｐ/ｓ×１２０００≦２０００ｔ＋１００ …（１）

４．前記レーザをパルス状に照射する前記１から３のいずれかに記載の電磁鋼板の加工方法。

５．前記電磁鋼板は、質量％でＣ：0.01％以下、Si：2.0％以上7.0％以下、Al：0.001％以上4.0％以下およびMn：0.5％以下を含む成分組成を有する前記１から４のいずれかに記載の電磁鋼板の加工方法。

６．前記電磁鋼板は、Siの濃度が鋼板表層より板厚方向中心層で低いSiの濃度分布を有し、前記板厚方向中心層におけるＳｉ濃度と前記鋼板表層のSi濃度との差が0.5質量％以上５質量％以下である前記１から５のいずれかに記載の電磁鋼板の加工方法。

７．前記電磁鋼板は、Siの板厚方向の平均含有量が6.2質量％以上6.7質量％以下である前記１から６のいずれかに記載の電磁鋼板の加工方法。

８．前記１から７のいずれかに記載の電磁鋼板の加工方法によりコア形状が与えられたコアを用いるモータ。

９．複数枚の電磁鋼板をコア形状に加工する加工工程と、該加工後の電磁鋼板を積層する積層工程と、を有するモータコアの製造方法であって、前記電磁鋼板の板厚が0.20mm以下であり、前記加工工程において、レーザによる溶断を該レーザの走査速度を10000mm/min以上として行うモータコアの製造方法。

本発明によれば、電磁鋼板に対するレーザによる加工を、加工後の磁気特性の劣化を招くことなく実現することができる。従って、小型かつ高速回転駆動型のモータのコアに磁気特性の観点で適している一方で、機械加工が困難である薄肉かつ合金量の多い電磁鋼板を、通常の打抜き加工よりも加工の歩留りの高いレーザ加工によって提供することができる。しかも、前述の通り、電磁鋼板への歪導入を抑制することで磁気特性の劣化が小さいため、モータ特性にも優れたモータを実現可能となる。

鉄心製造試験(実施例１)に用いたステータコアを含むモータの断面図である。 鉄心製造試験(実施例２)に用いたステータコアを含むモータの断面図である。

本発明の電磁鋼板（以下、単に鋼板ともいう）の加工方法では、電磁鋼板にレーザを用いる溶断を行って該電磁鋼板を所定の形状に加工する際に、前記レーザの走査速度を10000mm/min以上とすることが肝要である。本発明では、電磁鋼板に対して所定の形状の輪郭線に沿ってレーザを走査することによって、該輪郭線において溶断を行う。以下、この溶断の条件について順に説明する。
［レーザの走査速度：10000ｍｍ/ min以上］
上記の溶断処理において、レーザの走査速度が高いほど、鋼板の加工に投入されるエネルギーが少なくなり、加工端面への歪導入が抑制されて磁気特性の劣化も抑制される。さらに、走査速度が高いことは、生産性の観点からも有利であり、生産コストの低減に寄与するところは大である。具体的には、レーザの走査速度：10000mm/minを境にして、10000mm/min以上ではレーザによる表面からの熱が鋼板面内方向へ拡散し磁気特性への影響領域が広がる前に、電磁鋼板の切断加工が可能であり、10000mm/min未満ではレーザによる表面からの熱が鋼板面内方向へ拡散することで磁気特性への影響が大きくなることから、レーザの走査速度を10000mm/min以上とすることが有効である。好ましくは15000mm/min以上である。

なお、レーザの走査速度の上限は特に限定する必要はないが、レーザ走査速度が速くなるほど電磁鋼板の加工形状の精度を担保することが難しいことから、40000mm/min以下とすることが好ましい。

［鋼板の厚み：0.20mm以下］
電磁鋼板をモータのコアに供する場合、モータの小型化などの観点からコア材料には高周波の低鉄損特性が要求されるため、渦電流の低減に有効な板厚である0.20mm以下とすることが好ましい。より好ましくは0.15mm以下、さらに好ましくは0.10mm以下である。そもそも電磁鋼板が0.20mmを超える板厚であれば、打ち抜きでの加工性はそれほど悪くないため、レーザで加工する必要が無く、金型による打ち抜きの方が生産コストでも有利となる。逆に板厚が薄すぎるとレーザ加工後に反りによる形状不良が生じて、その後の積層工程で不具合が生じるおそれがあるため、好ましくは0.05mm以上である。

［レーザの走査速度および出力の関係］
鋼板へ導入される歪は、レーザの出力と走査速度とのバランスによって決定されため、磁気特性の観点からレーザの出力および走査速度には好ましい範囲が存在する。例えば、レーザ出力が高くても、走査速度が速ければ鋼板の加工に投入されるエネルギーは抑制され、磁気特性への影響は少なくなる。一方で、走査速度が速いのにレーザ出力が小さいと、入射エネルギーが不足し、加工端面の性状悪化によって寸法精度が確保できない等の問題が生じることがある。そこで、レーザの走査速度および出力の関係を規制することが好ましい。すなわち、レーザの走査速度ｓ(mm/min)および出力Ｐ(W)が、電磁鋼板の板厚ｔ(mm)に関して次式（１）を満足することが好ましい。
５００ｔ＋５０≦Ｐ/ｓ×１２０００≦２０００ｔ＋１００ ・・・・・（１）

なぜなら、式（１）の（Ｐ/ｓ×１２０００）は入射エネルギーの指標であり、確実に溶断するためにはこれを下限（５００ｔ＋５０）以上とすることが好ましい。一方、不必要な鋼板への歪導入による加工端面の性状悪化を防ぐためには、上限（２０００ｔ＋１００）以下とすることが好ましい。そして、この上下限の範囲は板厚に依存するものである。

［レーザをパルス状に照射］
レーザによる加工時に鋼板へ導入される歪の抑制手法としては、パルスレーザを適用することが有効である。なぜなら、パルスレーザを用いると熱影響部を小さくすることができ、歪の導入をより抑制できるからである。

［電磁鋼板の成分組成］
電磁鋼板は、Ｃ：0.01質量％以下、Si：2.0質量％以上7.0質量％以下、Al：0.001質量％以上4.0質量％以下およびMn：0.5質量％以下を含む成分組成であることが好ましい。ここで、電磁鋼板は、後述のように、例えばSi濃度が板厚方向に変動する濃度分布を有する場合も含まれるが、かような濃度分布を有する場合であっても上記の含有量範囲にあるとよい。なお、残部は鉄および不可避的不純物であることが好ましい。以下に、各成分の添加理由について述べる。
Ｃ：0.01質量％以下
Ｃは過度に鋼板に存在すると磁気時効を起こして磁気特性を劣化させるため、0.01質量％以下とすることが好ましい。より好ましくは、0.001％以下である。下限は低ければ低いほど好ましいので、特に規制する必要はない。

Si：2.0質量％以上7.0質量％以下
Al：0.001質量％以上4.0質量％以下
Mn：0.5質量％以下
上記の３元素はいずれも、電磁鋼板の比抵抗を増大させ渦電流損を低減させるために、Siは2.0質量％以上、Alは0.001質量％以上およびMnは0.005質量％以上にて添加することが好ましい。ちなみに、Siの添加量が2.0％未満であれば、そもそも金型を用いた打ち抜き加工による困難性は生じないため、レーザ加工を用いる必要はない。一方、３元素とも、添加しすぎると電磁鋼板の飽和磁束密度の低下を招くため、それぞれSi：7.0質量％以下、Al：4.0質量％以下、Mn：0.5質量％以下とした。ここで、Mnの添加量の上限が他の２元素よりも特徴的に低いのは、Mnを添加すると鋼板の熱膨張率が増大し、レーザ加工による歪の導入範囲が大きくなるためである。

［Si濃度分布］
電磁鋼板は、Siの濃度が鋼板表層より板厚方向中心層で低いSiの濃度分布を有し、板厚方向中心層におけるＳｉ濃度と鋼板表層のSi濃度との差が0.5質量％以上５質量％以下であることが好ましい。すなわち、鋼板の板厚方向にSiの濃度が鋼板表層より板厚方向中心層で低くなる分布を有することにより、渦電流損を抑制可能であり、高周波鉄損の低減に有利である。なぜなら、表皮効果により渦電流の損失は板厚の表層に集中するため、板厚の表層における比抵抗が高いことが渦電流の低減に対して有効に作用するためである。この効果を発揮するためには、鋼板の表層と中心層とのSi濃度差が0.5質量％以上は必要である。一方、Si濃度差が５質量％を超えると、表層と中心層との磁歪差が大きくなりヒステリシス損が増大する。よって、鋼板表層と中心層とのSi濃度差は0.5質量％以上５質量％以下とすることが好ましい。より好ましくは、1.5～3.5質量％である。

ここで、上記のSi濃度差は、鋼板を板厚方向に３分割した際の、表裏面から板厚の1/3までの層を表層と定義し、その間に挟まれた板厚方向中心部を含む板厚の1/3の層を中心層と定義する。各層におけるSi濃度は、厚み方向の平均値で定義される。この濃度差は、EPMAを用いて鋼板断面Si濃度分布を評価してもよいし、鋼板の片面あるいは両面を化学研磨などによって板厚を1/3にしたサンプルで湿式分析を行った結果で判定してもよい。

［その他］
その他のレーザ条件、例えばレーザの径やアシストガスの条件などに制限はなく、所望の端面性状などが得られる条件で行えばよい。例えば、電磁鋼板をコアに加工する場合に、コアのティース先端など微細な形状に加工するのであれば細いレーザ径とすればよいし、加工端面の酸化を抑制する必要があればアシストガスにはＯ_２ではなくＮ_２やＡｒを用いればよい。また、レーザ加工装置に関しては、所定のレーザ条件が達成されればどのような加工装置およびレーザ源を用いてもよい。

また、鋼板への絶縁被膜の必要性は通常の電磁鋼板と同様であり、鋼板の片面または両面に予め十分な絶縁性を有する絶縁被膜を有してもよい。また、本発明に係る電磁鋼板の加工方法に供する電磁鋼板は、上記の条件を満たす鋼板となっていれば、特に他の制限はない。例えば、高合金材料やクラッド鋼としてもよいし、また板厚方向のＳｉ濃度差を得るためにＣＶＤプロセスを含んだ浸珪処理を施してもよい。

［モータコアの製造方法］
本発明の電磁鋼板の加工方法は、モータコアを作製する際にとりわけ有利に適合する。すなわち、複数枚の電磁鋼板をコア形状に加工する加工工程と、該加工後の電磁鋼板を積層する積層工程と、を有するモータコアの製造方法において、加工工程において、レーザによる溶断を該レーザの走査速度を10000mm/min以上として行うことにより、モータの高効率化に適したモータコアを提供できる。なお、積層工程における加工後の鋼板の積層は、カシメや接着などで鋼板相互を固定すればよく、その方法について特に制限はない。

本発明では、製造コストだけでなく設備投資コストが嵩むものの、上記のコア形成後の歪取り焼鈍は施す必要がないという利点がある。例えば、Si濃度を傾斜した材料を焼鈍すると、Siが拡散し磁気特性に好適なSi濃度差が損なわれることになるため、歪取り焼鈍を施さないことは有利である。

表１に示す成分を含み残部が鉄および不可避不純物の組成を有する、板厚0.20mmの無方向性電磁鋼板を用いて、図１に示す断面形状の２極３相のブラシレスＤＣモータを製作し、そのモータ効率を評価した。すなわち、無方向性電磁鋼板に対して、表２に示す条件にてレーザを照射して図１に示すステータコアの形状に従う溶断加工を行ったのち、加工後鋼板の複数枚を積層して含侵接着により相互に固定し、15mm厚の積層体コアとした。なお、表２に示すレーザ条件以外のモータ製造条件は全く同一のものとした。

ここで、モータ特性の評価は、駆動電圧25.2ＶのPWM正弦波通電により80000rpm-20ｍNmの駆動条件を統一して実施した。表２に、レーザ条件に併せてモータ効率の評価結果をまとめて示す。表２に示すように、レーザの走査速度が10000ｍｍ/min以上の条件ではモータ効率の改善が認められた。さらに、レーザ走査速度が10000ｍｍ/ min以上でかつ、レーザ出力Ｐ(W)が電磁鋼板の板厚ｔ(mm)に対し５００ｔ＋５０≦Ｐ/ｓ×１２０００≦２０００ｔ＋１００を満たす条件では、さらに大幅なモータ効率の改善が認められた。また、レーザ出力が150Ｗ、走査速度が12000ｍｍ/minの条件で最大のモータ効率が得られた一方で、レーザ出力100Ｗの走査速度12000ｍｍ/minの条件では電磁鋼板を加工することができず、モータを製作するに至らなかった。

表３に示す成分を含み残部が鉄および不可避不純物の組成を有する、無方向性電磁鋼板を用いて、図２に示す断面形状の４極６スロットのブラシレスＤＣモータを製作し、そのモータ効率を評価した。すなわち、無方向性電磁鋼板に対して、表４に示す条件にてレーザを照射して、図２に示すステータコアの形状に従う溶断加工を行ったのち、加工後鋼板の複数枚を積層して含侵接着により相互に固定し、20mm厚の積層体コアとした。なお、表４に示すレーザ条件以外のモータ製造条件は全く同一のものとした。

ここで、モータ特性の評価の際は、駆動電圧25.2ＶのPWM正弦波通電により105000ｒｐｍ-25ｍNmの駆動条件で統一して実施した。表４にレーザ条件、材料条件およびモータ効率の評価結果をまとめて示す。表４において、レーザの発振方式の欄における「連続」は、連続発振レーザ条件であることを示しており、「パルス」はパルス幅30μsec、ショット間隔12μｍのパルス発振であることを示している。

表４に示すように、レーザの走査速度が10000ｍｍ/minを下回る条件では、いずれの材料においてもモータ効率が85％を超えることはなかった。一方、レーザの走査速度が10000ｍｍ/ min以上の条件ではモータ効率が大幅に向上した。その向上代は材料ごとに大きく異なり、板厚方向のSi濃度分布を有する材料で向上代は大きいことが分かる。また、レーザ条件を連続発振ではなくパルス発振にすることによって、さらにモータ効率の向上がみられた。

Claims (7)

1. 電磁鋼板にレーザを用いる溶断を行って該電磁鋼板を所定の形状に加工する電磁鋼板の加工方法であって、前記レーザの走査速度を10000mm/min以上40000mm/min以下とし、
   前記レーザの出力Ｐ(W)と走査速度ｓ(mm/min)が前記電磁鋼板の板厚ｔ(mm)に対し次式（１）：
   ５００ｔ＋５０≦Ｐ/ｓ×１２０００≦２０００ｔ＋１００ …（１）
   を満たすようにして前記溶断を行う電磁鋼板の加工方法。
2. 前記電磁鋼板は、板厚が0.20mm以下である請求項１に記載の電磁鋼板の加工方法。
3. 前記レーザをパルス状に照射する請求項１または２に記載の電磁鋼板の加工方法。
4. 前記電磁鋼板は、質量％でＣ：0.01％以下、Si：2.0％以上7.0％以下、Al：0.001％以上4.0％以下およびMn：0.5％以下を含む成分組成を有する請求項１から３のいずれかに記載の電磁鋼板の加工方法。
5. 前記電磁鋼板は、Siの濃度が鋼板表層より板厚方向中心層で低いSiの濃度分布を有し、前記板厚方向中心層におけるＳｉ濃度と前記鋼板表層のSi濃度との差が0.5質量％以上５質量％以下である請求項１から４のいずれかに記載の電磁鋼板の加工方法。
6. 前記電磁鋼板は、Siの板厚方向の平均含有量が6.2質量％以上6.7質量％以下である請求項１から５のいずれかに記載の電磁鋼板の加工方法。
7. 複数枚の電磁鋼板をコア形状に加工する加工工程と、該加工後の電磁鋼板を積層する積層工程と、を有するモータコアの製造方法であって、前記電磁鋼板の板厚が0.20mm以下であり、前記加工工程において、レーザによる溶断を、該レーザの走査速度を10000mm/min以上40000mm/min以下とし、
   前記レーザの出力Ｐ(W)と走査速度ｓ(mm/min)が前記電磁鋼板の板厚ｔ(mm)に対し次式（１）：
   ５００ｔ＋５０≦Ｐ/ｓ×１２０００≦２０００ｔ＋１００ …（１）
   を満たすようにして行う、モータコアの製造方法。

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