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JP7601068B2 - Rotor core, its manufacturing method and motor - Google Patents
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Description

本発明は、電気自動車の駆動モータ等の高速モータに用いられるロータコアとその製造方法ならびに上記ロータコアを用いたモータに関するものである。 The present invention relates to a rotor core used in high-speed motors such as drive motors for electric vehicles, a manufacturing method thereof, and a motor using the rotor core.

電気自動車に用いられる駆動モータは、小型化、高効率化の観点から高周波域で駆動されている。このようなモータとしては、ロータコアの内部に永久磁石を埋め込んだ内部磁石型モータ(IPMモータ)が多く採用されている。 The drive motors used in electric vehicles are driven at high frequencies to achieve compact size and high efficiency. Many of these motors are internal permanent magnet motors (IPM motors), which have permanent magnets embedded inside the rotor core.

上記IPMモータは、高速回転した時、ロータコア内に埋め込まれている磁石にロータの径方向に飛び出そうとする大きな遠心力が働く。さらに、自動車の加減速にともない、モータの回転数も大きく変化するため、磁石に加わる遠心力も常に変動することとなる。そのため、ロータコアには、磁気特性に優れていることの他に、引張強さや疲労強度等の強度特性にも優れていることも要求されている。 When the IPM motor rotates at high speed, a large centrifugal force acts on the magnets embedded in the rotor core, tending to jump out in the radial direction of the rotor. Furthermore, as the motor's rotation speed changes significantly with the acceleration and deceleration of the vehicle, the centrifugal force acting on the magnets also changes constantly. For this reason, in addition to having excellent magnetic properties, the rotor core is also required to have excellent strength properties such as tensile strength and fatigue strength.

上記の要求に対しては、従来、SiやAlなどの元素を多量に添加したり、結晶粒径や結晶方位を制御したりすること等、主として材料面から強度特性の改善が図られてきた。しかし、このような合金元素の添加による強度特性の改善は、ロータコアを構成する鋼板を硬く、脆くするため、鋼板自体の製造性に悪影響を及ぼす。また、結晶粒径を小さくして強度特性を改善する方法は、仕上焼鈍温度の低温化により一定の効果は得られる。しかし、数十μm以下の微細な再結晶粒を安定的に得るには、焼鈍条件の厳格な制御が要求され、場合によっては加工組織が残存する組織となり、期待されるほどには磁気特性や強度特性が改善されないという問題がある。上記のように、ロータコアを構成する材料(鋼板)面からの強度特性改善には限界があった。 In response to the above demands, efforts have been made to improve the strength characteristics mainly from the perspective of the material, such as by adding large amounts of elements such as Si and Al, or by controlling the crystal grain size and crystal orientation. However, improving the strength characteristics by adding such alloying elements makes the steel plate that constitutes the rotor core hard and brittle, which has a negative effect on the manufacturability of the steel plate itself. In addition, a method of improving the strength characteristics by reducing the crystal grain size can achieve a certain degree of effect by lowering the finish annealing temperature. However, strict control of the annealing conditions is required to stably obtain fine recrystallized grains of several tens of μm or less, and in some cases, the processed structure remains in the structure, which results in a problem that the magnetic properties and strength properties are not improved as much as expected. As mentioned above, there are limitations to improving the strength properties from the perspective of the material (steel plate) that constitutes the rotor core.

ところで、モータコアを製造方法する際、素材鋼板からコア形状の鋼板を採取する方法としては打抜加工が一般的に用いられているが、この打抜加工は、打抜いたときの切断面の粗さが大きくなる傾向がある。そのため、打抜き後の材料の疲労特性は、材料本来の疲労特性に比べて劣ることが知られている。 When manufacturing motor cores, punching is generally used to cut the core-shaped steel sheet from the base steel sheet. However, this punching process tends to result in large roughness on the cut surface. As a result, it is known that the fatigue properties of the material after punching are inferior to those of the original material.

この問題に対し、例えば、特許文献1には、打抜加工等で形成した孔の端面に化学的溶解を施すことでロータコアの疲労特性を改善する技術が提案されている。また、特許文献2には、ロータコアの磁石挿入孔の内周面のブリッジ部側に液体を介してレーザを照射する「レーザピーニング」を適用することで、高強度なロータを得る技術が提案されている。さらに、特許文献3には、打抜加工で生じた塑性歪領域をせん断除去するシェービング加工を施す方法が、特許文献4には、打抜加工された端面の破断面にコイニング加工を施し、潰れ面を形成することでロータコアの疲労強度を向上する方法が提案されている。 To address this issue, for example, Patent Document 1 proposes a technique for improving the fatigue properties of a rotor core by chemically dissolving the end faces of holes formed by punching or the like. Patent Document 2 proposes a technique for obtaining a high-strength rotor by applying "laser peening," in which a laser is irradiated through a liquid onto the bridge side of the inner circumferential surface of the magnet insertion hole of the rotor core. Furthermore, Patent Document 3 proposes a method of performing a shaving process to shear and remove the plastic strain area generated by the punching process, and Patent Document 4 proposes a method of improving the fatigue strength of a rotor core by performing a coining process on the fracture surface of the punched end face to form a crushed surface.

特開2009-219306号公報JP 2009-219306 A 特開2005-124386号公報JP 2005-124386 A 国際公開第2011/129000号International Publication No. WO 2011/129000 国際公開第2018/012599号International Publication No. 2018/012599

しかしながら、上記の特許文献1に開示された方法は、化学的溶解以外の方法で一度、孔を形成し、その後、孔の端部を化学的溶解で処理を施すことになるので、生産性やコスト面に問題がある。さらに、化学的溶解による処理は、端面の結晶粒の方位差によって溶解速度が異なる。そのため、端面には、結晶粒界がある位置に段差(以下、この段差を「結晶粒界における段差」ともいう)が生じて、この部分に応力が集中するため、疲労特性の向上効果が十分に得られないという問題がある。また、特許文献2に開示されたレーザピーニングを施す方法は、生産性が劣るという問題がある。また、レーザ照射によって電磁鋼板が積層間を跨いで溶融した場合、溶融端面で短絡が生じて渦電流損が増大し、モータ効率が低下するという問題もある。また、特許文献3や4に開示されたコア形状に加工した鋼板の切断面を後処理で整える技術は、疲労強度を改善することができる反面、コアの寸法精度の厳格な制御や、モータの特性を大きく左右する設計因子であるエアギャップの制御が困難になる。そのため、モータ特性のばらつきが大きくなるという問題があり、疲労強度に優れたロータコアを得る最適な方法にはなり得なかった。また、上記の特許文献3および4に開示の技術は、素材鋼板から機械的な加工によりロータコアを製造しているため、高強度な鋼板の場合には、金型の摩耗などが激しいことや、品質管理の面でも問題があった。
上記のように、モータ製造工程の面からのロータコアの強度特性の改善も、モータ特性や生産性、コストの面でも多くの問題が残されていた。
However, the method disclosed in the above Patent Document 1 has problems in terms of productivity and cost, since holes are formed once by a method other than chemical dissolution, and then the end of the hole is treated by chemical dissolution. Furthermore, the dissolution rate of the chemical dissolution process differs depending on the orientation difference of the crystal grains at the end face. Therefore, a step (hereinafter, this step is also referred to as a "step at the crystal grain boundary") occurs at the end face at the position where the crystal grain boundary is located, and stress is concentrated at this part, so that the effect of improving fatigue characteristics cannot be sufficiently obtained. In addition, the method of performing laser peening disclosed in Patent Document 2 has a problem of poor productivity. In addition, when the electromagnetic steel sheet is melted across the laminations by laser irradiation, a short circuit occurs at the melted end face, increasing eddy current loss and reducing motor efficiency. In addition, the technology of arranging the cut surface of the steel sheet processed into the core shape by post-processing, disclosed in Patent Documents 3 and 4, can improve fatigue strength, but it is difficult to strictly control the dimensional accuracy of the core and to control the air gap, which is a design factor that greatly affects the characteristics of the motor. Therefore, there is a problem that the variation in motor characteristics becomes large, and it is not an optimal method for obtaining a rotor core with excellent fatigue strength. In addition, since the techniques disclosed in the above Patent Documents 3 and 4 manufacture rotor cores by mechanical processing of material steel plates, in the case of high-strength steel plates, there are problems such as severe wear of the mold and quality control.
As described above, even when improving the strength characteristics of the rotor core from the viewpoint of the motor manufacturing process, many problems remain in terms of motor characteristics, productivity, and cost.

本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、強度特性、特に疲労特性に優れるロータコアを提供し、その製造方法を提案するとともに、上記ロータコアを用いることでエアギャップの制御を容易にするモータを提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above problems with the conventional technology, and its purpose is to provide a rotor core with excellent strength characteristics, particularly fatigue characteristics, to propose a manufacturing method thereof, and to provide a motor that uses the rotor core to facilitate air gap control.

発明者らは、上記の課題の解決に向け、ロータ形状に加工した鋼板(以降、「ロータコア材」とも称する)において、遠心力による応力集中が最も大きい部分がロータコアのブリッジ部(磁石を埋め込む孔と孔に挟まれた部分)であることに着目した。そして、ブリッジ部の疲労特性を向上する方策について鋭意検討を重ねた。その結果、ブリッジ部での鋼板切断面、すなわち、磁石を埋め込む孔の切断面を平滑化するだけでなく、その切断面に存在する段差であって結晶粒界の位置にある段差を0.5μm以下に低減することが有効である。また、そのためには、上記孔の形成を熱切断加工で行うとともに、上記熱切断加工の熱ビーム照射条件を適切化する必要があることを見出し、本発明を開発するに至った。 In order to solve the above problem, the inventors noticed that in a steel plate processed into a rotor shape (hereinafter also referred to as "rotor core material"), the part where stress concentration due to centrifugal force is greatest is the bridge part of the rotor core (the part sandwiched between the holes for embedding magnets). They then conducted extensive research into ways to improve the fatigue properties of the bridge part. As a result, it was found that it is effective not only to smooth the cut surface of the steel plate at the bridge part, i.e., the cut surface of the hole for embedding the magnet, but also to reduce the step that exists on the cut surface and is located at the position of the grain boundary to 0.5 μm or less. In addition, they discovered that in order to achieve this, it is necessary to form the holes by thermal cutting and to optimize the heat beam irradiation conditions for the thermal cutting, which led to the development of the present invention.

上記知見に基づく本発明は、素材鋼板から採取し、ロータコアの外周形状に加工してなる鋼板を積層して構成されるロータコアであって、上記鋼板には熱切断加工されてなる複数の孔が形成されてなり、かつ、上記孔の切断面に存在する、結晶粒界における段差の最大値が0.5μm以下であることを特徴とするロータコアである。 The present invention, based on the above findings, is a rotor core constructed by laminating steel plates that are taken from base steel plates and processed into the outer peripheral shape of the rotor core, and the rotor core is characterized in that the steel plates have a plurality of holes formed by thermal cutting, and the maximum step value at the grain boundaries present on the cut surfaces of the holes is 0.5 μm or less.

本発明の上記ロータコアにおける上記素材鋼板は、C:0.0005~0.01mass%、Si:7mass%以下、Mn:0.05~3mass%およびAl:3mass%以下を含有し、さらに任意選択的にP:0.001~0.1mass%、S:0.01mass%以下、Sn:0.001~0.1mass%、Sb:0.001~0.1mass%、Ca:0.0002~0.005mass%およびMg:0.0002~0.005%のうちから選ばれる少なくとも1種を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板であることを特徴とする。 The material steel sheet in the rotor core of the present invention is characterized in that it is a non-oriented electrical steel sheet containing C: 0.0005-0.01 mass%, Si: 7 mass% or less, Mn: 0.05-3 mass%, and Al: 3 mass% or less, and optionally containing at least one selected from P: 0.001-0.1 mass%, S: 0.01 mass% or less, Sn: 0.001-0.1 mass%, Sb: 0.001-0.1 mass%, Ca: 0.0002-0.005 mass%, and Mg: 0.0002-0.005%, with the balance being Fe and unavoidable impurities.

また、本発明の上記ロータコアにおける上記素材鋼板は、鋼板表裏の表面から板厚の1/3までを表層部、鋼板表面から板厚の1/3より内側を中心部としたとき、上記表層部の表裏の平均Si含有量が中心部より1mass%以上高いことを特徴とする。 The material steel plate in the rotor core of the present invention is characterized in that, when the surface layer is from the front and back surfaces of the steel plate to 1/3 of the plate thickness, and the center is from the surface of the steel plate to inside 1/3 of the plate thickness, the average Si content of the front and back surfaces of the surface layer is 1 mass% or more higher than that of the center.

また、本発明の上記ロータコアは、上記熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする。 The rotor core of the present invention is also characterized in that the thermal cutting process is a laser cutting process.

また、本発明の上記ロータコアは、上記ロータコアの形状に加工した鋼板の外周が熱切断加工されてなることを特徴とする。 The rotor core of the present invention is also characterized in that the outer periphery of a steel plate processed into the shape of the rotor core is thermally cut.

また、本発明の上記ロータコアは、上記外周の熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする。 The rotor core of the present invention is also characterized in that the thermal cutting process of the outer periphery is a laser cutting process.

また、本発明の上記ロータコアは、上記孔の一部または全てに永久磁石を挿入してなることを特徴とする。 The rotor core of the present invention is also characterized in that permanent magnets are inserted into some or all of the holes.

また、本発明は、上記に記載の成分組成を有する素材鋼板から採取したロータコア形状の鋼板に熱切断加工によって複数の孔を形成した後、上記鋼板を積層してロータコアを組み立てるロータコアの製造方法であって、上記熱切断加工では、熱ビームを鋼板表面の垂線に対して切り落とす孔側に1~5°傾斜させて照射することで、切断面に存在する結晶粒界における段差の最大値を0.5μm以下とすることを特徴とするロータコアの製造方法を提案する。 The present invention also proposes a method for manufacturing a rotor core, which involves forming multiple holes in a rotor core-shaped steel plate taken from a base steel plate having the above-mentioned composition by thermal cutting, and then stacking the steel plates to assemble the rotor core. In the thermal cutting process, the heat beam is irradiated at an angle of 1 to 5 degrees toward the hole side to be cut off with respect to the perpendicular line to the steel plate surface, thereby making the maximum step value of the grain boundary present on the cut surface 0.5 μm or less.

本発明の上記ロータコアの製造方法に用いる上記素材鋼板は、鋼板表裏の表面から板厚の1/3までを表層部、鋼板表面から板厚の1/3より内側を中心部としたとき、上記表層部の表裏の平均Si含有量が中心部より1mass%以上高いことを特徴とする。 The steel sheet material used in the rotor core manufacturing method of the present invention is characterized in that, when the surface layer is from the front and back surfaces of the steel sheet to 1/3 of the sheet thickness, and the center is from the surface of the steel sheet to inside 1/3 of the sheet thickness, the average Si content of the front and back surfaces of the surface layer is 1 mass% or more higher than that of the center.

また、本発明の上記ロータコアの製造方法は、上記熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする。 The rotor core manufacturing method of the present invention is also characterized in that the thermal cutting process is a laser cutting process.

また、本発明の上記ロータコアの製造方法は、上記ロータコアの形状に加工した鋼板の外周を熱切断加工することを特徴とする。 The manufacturing method of the rotor core of the present invention is characterized by thermally cutting the outer periphery of a steel plate processed into the shape of the rotor core.

また、本発明の上記ロータコアの製造方法は、上記外周の熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする。 The manufacturing method of the rotor core of the present invention is also characterized in that the thermal cutting process of the outer periphery is a laser cutting process.

また、本発明は、上記のいずれかに記載のコアをロータコアに用いてなる、ロータコアとステータコアを有するモータであって、上記ロータコアの外径とステータコアの内径との最短距離が0.30mm以下であることを特徴とするモータである。 The present invention also provides a motor having a rotor core and a stator core, the rotor core being made of any of the cores described above, and characterized in that the shortest distance between the outer diameter of the rotor core and the inner diameter of the stator core is 0.30 mm or less.

本発明によれば、エアギャップの設計の自由度を過度に制限することなく、疲労特性に優れたロータコアを提供することが可能となるので、モータの高効率化に加えて、モータに対する信頼性を大きく高めることができる。 The present invention makes it possible to provide a rotor core with excellent fatigue properties without excessively restricting the freedom of design of the air gap, which not only increases the efficiency of the motor but also greatly improves its reliability.

ロータコアを構成する鋼板形状の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a shape of a steel plate constituting a rotor core. レーザ切断加工における傾斜角θを説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an inclination angle θ in laser cutting processing. 疲労試験片を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a fatigue test piece. 疲労試験片の切断面の観察方法を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a method for observing a cut surface of a fatigue test piece.

まず、本発明が対象とする高速モータ用のロータコアは、繰り返し遠心力が付与されるロータコアである。このロータコアは、通常、素材鋼板から打抜加工やレーザビーム等の熱ビームを用いた熱切断加工によりロータコアの外周形状に加工した鋼板(ロータコア材)を積層し、カシメ等で固定して組み立てたものである。そして、高効率化の観点から、IPMモータのロータコアには、複数の永久磁石が埋め込まれている。 First, the rotor core for high-speed motors that is the subject of this invention is a rotor core to which centrifugal force is repeatedly applied. This rotor core is usually made by laminating steel plates (rotor core material) that have been processed into the outer periphery shape of the rotor core by punching or thermal cutting using a heat beam such as a laser beam from a raw steel plate, and assembling them by fixing them with rivets or the like. From the viewpoint of high efficiency, multiple permanent magnets are embedded in the rotor core of an IPM motor.

ここで、図1に示すような形状を有するロータコアの場合、高速回転に起因する遠心力は、磁石を挿入する孔(磁石挿入孔)と孔との間に挟まれたブリッジ部(図1中のA部またはB部)に集中することが知られている。そのため、このような部分は、繰り返し付与される遠心力によって疲労破壊へと至り易くなる。 In the case of a rotor core having a shape as shown in Figure 1, it is known that the centrifugal force caused by high-speed rotation is concentrated in the bridge portion (part A or part B in Figure 1) sandwiched between the holes into which the magnets are inserted (magnet insertion holes). Therefore, such parts are prone to fatigue failure due to the centrifugal force that is repeatedly applied.

しかし、ロータコアの形状は、効率化の観点から決定されるため、変更することは難しい。そこで、従来から、先述した特許文献1~4で提案されているように、磁石挿入孔の切断面を改善してブリッジ部への応力集中を防止することが検討されて来た。しかし、上記従来技術では、疲労特性の向上効果の面のみならず、製造性の面からも改善の余地が多く残されていた。 However, because the shape of the rotor core is determined from the standpoint of efficiency, it is difficult to change it. Therefore, as proposed in the above-mentioned Patent Documents 1 to 4, efforts have been made to improve the cut surfaces of the magnet insertion holes to prevent stress concentration in the bridge section. However, the above-mentioned conventional technology leaves much room for improvement, not only in terms of the effect of improving fatigue properties, but also in terms of manufacturability.

そこで、発明者らは、上記問題点を解決するため鋭意検討を重ねた。その結果、後述するように、ロータコアの疲労特性を生産性よく向上するためには、磁石挿入孔を熱切断加工により形成するとともに、上記熱切断加工による切断面に存在する結晶粒界における段差を0.5μm以下に制御することが極めて有効であることを見出した。そして、上記段差0.5μm以下を実現するためには、熱切断加工によって磁石挿入孔を形成する際、図2に示すように、切断に用いる熱ビームを、鋼板表面の垂線に対して切り落とす孔側に1~5°の範囲で傾斜させて照射し、切断加工を行うことが重要であることも見出した。 The inventors therefore conducted extensive research to solve the above problems. As a result, as described below, they discovered that in order to improve the fatigue properties of the rotor core with good productivity, it is extremely effective to form the magnet insertion holes by thermal cutting and to control the step at the grain boundaries present on the cut surface by the thermal cutting to 0.5 μm or less. They also discovered that in order to achieve the step of 0.5 μm or less, when forming the magnet insertion holes by thermal cutting, it is important to perform the cutting process by irradiating the heat beam used for cutting at an angle of 1 to 5 degrees toward the hole side to be cut off with respect to the perpendicular line of the steel plate surface, as shown in Figure 2.

なお、本発明において鋼板の切断に用いる熱切断加工に熱ビームは、レーザビーム、電子ビーム、プラズマビームやガス切断等があるが、以降、本発明に関する説明は、熱切断加工としてレーザ切断加工を用いた例で説明する。 The thermal beam used in the thermal cutting process for cutting steel plates in this invention can be a laser beam, an electron beam, a plasma beam, or gas cutting, but hereafter, the present invention will be explained using an example in which laser cutting is used as the thermal cutting process.

以下、本発明を開発するに至った実験について説明する。
C:0.0015mass%、Si:3.7mass%、Mn:0.5mass%、Al:1.0mass%およびS:0.002mass%を含有し、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、板厚0.20mmの電磁鋼板を素材に用いて、図1に示した形状を有するロータコア材を、以下の5つの方法で作製した。
・方法1:金型を用いた打抜加工(クリアランス:板厚の5%)
・方法2:方法1で得たロータコア材の切断面を機械研磨により平滑化
・方法3:方法1で得たロータコア材の切断面を塩化第二鉄水溶液(45ボーメ、液温45℃)で10秒間処理
・方法4:レーザ切断加工(シングルモードファイバーレーザ、出力:300W、走査速度:10m/min、レーザビームの傾斜角θ=0°)
・方法5:レーザ切断加工(シングルモードファイバーレーザ、出力:300W、走査速度:10m/min、レーザビームの傾斜角θ=2°)
(上記方法4および5のレーザビームの傾斜角θは、図2に示したように、レーザビームの鋼板表面の垂線からの切り落とす孔側への傾斜角をいう)
The experiments that led to the development of the present invention will now be described.
Using an electromagnetic steel sheet having a thickness of 0.20 mm and containing 0.0015 mass% C, 3.7 mass% Si, 0.5 mass% Mn, 1.0 mass% Al, 0.002 mass% S, with the balance being Fe and unavoidable impurities, rotor core materials having the shape shown in FIG. 1 were produced by the following five methods.
Method 1: Punching using a die (clearance: 5% of plate thickness)
Method 2: The cut surface of the rotor core material obtained by Method 1 is smoothed by mechanical polishing. Method 3: The cut surface of the rotor core material obtained by Method 1 is treated with a ferric chloride aqueous solution (45 Baume, liquid temperature 45°C) for 10 seconds. Method 4: Laser cutting (single mode fiber laser, output: 300 W, scanning speed: 10 m/min, laser beam inclination angle θ = 0°).
Method 5: Laser cutting (single mode fiber laser, output: 300 W, scanning speed: 10 m/min, inclination angle θ of laser beam = 2°)
(The inclination angle θ of the laser beam in the above methods 4 and 5 refers to the inclination angle of the laser beam from the perpendicular line of the steel plate surface toward the hole side to be cut off, as shown in FIG. 2.)

次いで、上記ロータコア材のブリッジ部(図1中のA部)から、図3に示す形状(平行部の幅:1.0mm)のミクロな疲労試験片を切り出し、疲労試験に供した。この際、レーザ切断面である平行部の切断面(C部)の算術平均粗さRaをJIS B 0601-2001に準じて測定した。なお、疲労試験は、引張り-引張り(片振り)で応力比:0.1、周波数:20Hzの条件にて行い、10回の繰り返しにおいても破断が生じない最大応力を疲労強度とした。得られた結果を表1に示した。 Next, a micro fatigue test piece having the shape shown in FIG. 3 (width of parallel part: 1.0 mm) was cut out from the bridge part (part A in FIG. 1) of the rotor core material and subjected to a fatigue test. At this time, the arithmetic mean roughness Ra of the cut surface (part C) of the parallel part, which is the laser cut surface, was measured in accordance with JIS B 0601-2001. The fatigue test was performed under tension-tension (pulsating) conditions of stress ratio: 0.1 and frequency: 20 Hz, and the maximum stress at which no breakage occurred even after 107 repetitions was taken as the fatigue strength. The results are shown in Table 1.

Figure 0007601068000001
Figure 0007601068000001

表1から、以下のことがわかる。
・方法1と方法2の比較から、機械研磨により疲労強度が向上していること、また、方法2と方法3の比較から、化学研磨を行うことでさらに疲労強度が向上していることがわかる。これは、機械研磨や化学研磨によって打抜加工した切断面の表面粗さRaが低減し、応力集中が緩和されたことによるものと考えられる。
・一方、方法4(傾斜角θ:0°)でレーザ切断加工した場合には、表面粗さRaは方法2と同レベルであるが、疲労強度は方法2には及ばない。しかし、傾斜角θを2°に設定した方法5では、表面粗さRaは方法2や方法4と同レベルであるにも拘わらず、方法1~5の中で最も高い疲労強度を示している。
From Table 1, the following can be seen:
A comparison of Method 1 and Method 2 shows that fatigue strength is improved by mechanical polishing, and a comparison of Method 2 and Method 3 shows that fatigue strength is further improved by chemical polishing. This is thought to be because mechanical polishing and chemical polishing reduce the surface roughness Ra of the punched cut surface, mitigating stress concentration.
On the other hand, when laser cutting is performed using method 4 (tilt angle θ: 0°), the surface roughness Ra is at the same level as method 2, but the fatigue strength does not reach that of method 2. However, method 5, in which the tilt angle θ is set to 2°, shows the highest fatigue strength among methods 1 to 5, even though the surface roughness Ra is at the same level as methods 2 and 4.

そこで、この原因について調査するべく、試験片の切断面についてさらに詳細な調査を行った。具体的には、疲労試験片の平行部の切断面(図3のC部)を樹脂モールドに埋め込んで、光学顕微鏡を用いて切断面を観察した。具体的には、図4に示すように、樹脂モールドに埋め込んで、切断面に垂直な断面を観察する。埋め込んだ試料の観察面において、切断面に相当する端部を板厚方向に観察し、結晶粒界の位置に生じている段差を30点以上測定した。その結果、方法4の試験片は最も大きな段差が0.5μm超であったが、方法5の試験片では最大でも0.5μm以下であった。この結果から、単に切断面の表面粗さを小さくするだけでは疲労強度の向上には不十分であり、さらに切断面に存在する結晶粒界における段差をも低減することによって、初めて従来にない高い疲労強度を有するロータコアを得ることができることが明らかとなった。 To investigate the cause of this, a more detailed investigation was carried out on the cut surface of the test piece. Specifically, the cut surface of the parallel part of the fatigue test piece (part C in Figure 3) was embedded in a resin mold, and the cut surface was observed using an optical microscope. Specifically, as shown in Figure 4, the test piece was embedded in a resin mold, and a cross section perpendicular to the cut surface was observed. In the observation surface of the embedded sample, the end corresponding to the cut surface was observed in the plate thickness direction, and the steps occurring at the grain boundary positions were measured at more than 30 points. As a result, the maximum step of the test piece of method 4 was more than 0.5 μm, while the maximum step of the test piece of method 5 was 0.5 μm or less. From this result, it became clear that simply reducing the surface roughness of the cut surface is insufficient to improve fatigue strength, and that it is only by further reducing the steps at the grain boundaries present on the cut surface that a rotor core with unprecedented high fatigue strength can be obtained.

ここで、レーザビームの傾斜角θを1~5°の範囲としてレーザ切断加工を行うことで結晶粒界の段差を小さくできるメカニズムは、現時点では十分に明らかとなっていないが、発明者らは、以下のように考えている。レーザ照射による鋼板の溶融、アシストガスによる溶融部の除去、そして溶融部の凝固という複数の物理現象が複雑に影響し合う。そのため、レーザを照射する角度を鋼板に対して垂直ではなく、所定の角度を持たせることで、結晶粒界という不連続境界に対して段差を生み出さない条件となり、切断面の性状が改善される。
本発明は、上記の新規な知見に基づき開発したものである。
The mechanism by which the steps at the grain boundaries can be reduced by performing laser cutting with a laser beam tilt angle θ in the range of 1 to 5° is not fully understood at present, but the inventors believe it to be as follows: Multiple physical phenomena, namely melting of the steel plate by laser irradiation, removal of the molten part by assist gas, and solidification of the molten part, affect each other in a complex way. Therefore, by setting the angle at which the laser is irradiated to the steel plate at a specified angle rather than perpendicular, conditions are met that do not create steps at discontinuous boundaries such as grain boundaries, improving the quality of the cut surface.
The present invention was developed based on the above novel findings.

ここで、磁石挿入孔を形成するのに使用するレーザの種類については、一般的に用いられているCOレーザやファイバーレーザなどを使用すればよく、特に制限はない。ただし、切断面に存在する結晶粒界における段差を0.5μm以下に制御するためには、パルスレーザよりも連続レーザの方が、加工面に沿って連続的に均一な加工が行えるため、好ましい。 Here, the type of laser used to form the magnet insertion hole is not particularly limited, and may be a commonly used CO2 laser, fiber laser, etc. However, in order to control the step at the grain boundary present on the cut surface to 0.5 μm or less, a continuous laser is preferable to a pulsed laser because it can perform continuous and uniform processing along the processing surface.

また、レーザの出力や走査速度については、ドロスの発生や過度なスパッタリングを抑制可能な条件とすればよく、特に限定しない。また、本発明のレーザ切断加工においては、溶融した金属を吹き飛ばしてドロス付着を防止するためには、アシストガスを吹付けることが好ましい。吹き付けるガス種に制限は無く、圧縮空気やN、Arガスなどを用いることができる。 The laser output and scanning speed are not particularly limited as long as they are conditions that can suppress the generation of dross and excessive sputtering. In the laser cutting process of the present invention, it is preferable to blow an assist gas in order to blow away the molten metal and prevent dross adhesion. There is no limit to the type of gas to be blown, and compressed air, N2 , Ar gas, etc. can be used.

次に、本発明のロータコアに用いる鋼板は、以下の成分組成を有する無方向性電磁鋼板であることが好ましい。
C:0.0005~0.01mass%
Cは、磁気時効を起こして製品板の磁気特性を劣化させる元素であるので、極力低減するのが望ましく、本発明では0.01mass%以下に制限するのが好ましい。しかし、Cの極度の低減は、精錬コストの上昇を招くため、下限は0.0005mass%とする。より好ましくは0.0010~0.0040mass%の範囲である。
Next, the steel sheet used in the rotor core of the present invention is preferably a non-oriented electrical steel sheet having the following chemical composition.
C: 0.0005~0.01mass%
Since C is an element that causes magnetic aging and deteriorates the magnetic properties of the product sheet, it is desirable to reduce it as much as possible, and in the present invention, it is preferable to limit it to 0.01 mass% or less. However, since an extreme reduction in C leads to an increase in refining costs, the lower limit is set to 0.0005 mass%, and more preferably, it is in the range of 0.0010 to 0.0040 mass%.

Si:7mass%以下
Siは、鋼の比抵抗を高めて鉄損を低減する元素であるため、モータ損失の低減に有効な元素である。また、鋼の強度を高めるためにも有効な元素である。上記の効果を得るためには0.5mass%以上含有していることが好ましい。しかし、7mass%を超える添加は、磁束密度の低下を招くほか、鋼が硬質化し、打抜加工等の機械加工でコア材を製造する際、切断面の性状、とくに切断面に存在する結晶粒界における段差を小さくすることが難しくなる。また、原料コストの上昇も招くので好ましくない。よって、Siは7mass%以下に制限するのが好ましい。より好ましくは2.5~6.5mass%の範囲であり、さらに好ましくは3.5~6.5mass%の範囲である。
Si: 7 mass% or less Si is an element that increases the resistivity of steel and reduces iron loss, so it is an effective element for reducing motor loss. It is also an effective element for increasing the strength of steel. In order to obtain the above effect, it is preferable that it is contained in an amount of 0.5 mass% or more. However, the addition of more than 7 mass% not only reduces the magnetic flux density, but also hardens the steel, making it difficult to reduce the properties of the cut surface, especially the steps at the grain boundaries present on the cut surface, when manufacturing a core material by machining such as punching. In addition, it is not preferable because it also increases the cost of raw materials. Therefore, it is preferable to limit Si to 7 mass% or less. More preferably, it is in the range of 2.5 to 6.5 mass%, and even more preferably, it is in the range of 3.5 to 6.5 mass%.

Mn:0.05~3mass%
Mnは、Siと同様、鋼の比抵抗を高めて鉄損を低減したり、鋼の強度を高めたりするのに有効な元素である。また、熱間加工性を改善する元素でもある。上記効果を得るためには0.05mass%以上含有するのが好ましい。しかし、3mass%を超えると、磁束密度の低下を招くほか、鋼が硬質化して加工性の低下を招いたり、原料コストの上昇を招いたりする。よって、Mnは0.05~3mass%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは0.06~1.5mass%の範囲である。
Mn: 0.05~3mass%
Mn, like Si, is an element that is effective in increasing the resistivity of steel to reduce iron loss and increase the strength of steel. It is also an element that improves hot workability. In order to obtain the desired effect, the content of Cr is preferably 0.05 mass% or more. However, if the content exceeds 3 mass%, the magnetic flux density decreases, the steel becomes hard, the workability decreases, and the raw material cost increases. Therefore, the Mn content is preferably in the range of 0.05 to 3 mass%, and more preferably in the range of 0.06 to 1.5 mass%.

Al:3mass%以下
Alも、Siと同様、鋼の比抵抗を高めて鉄損を低減したり、鋼の強度を高めたりするのに有効な元素である。上記効果を得るには0.0010mass%以上含有するのが望ましい。しかし、3mass%を超えると、磁束密度の低下を招くほか、鋼が硬質化して加工性の低下を招いたり、原料コストの上昇を招いたりするので、3mass%以下に制限するのが好ましい。より好ましくは0.1~1.5mass%の範囲である。
Al: 3 mass% or less Like Si, Al is an element that is effective in increasing the resistivity of steel to reduce iron loss and increase the strength of steel. In order to obtain the above effect, it is desirable to contain 0.0010 mass% or more. However, if it exceeds 3 mass%, it will cause a decrease in magnetic flux density, as well as harden the steel, resulting in a decrease in workability and an increase in raw material costs, so it is preferable to limit it to 3 mass% or less. More preferably, it is in the range of 0.1 to 1.5 mass%.

本発明に用いる鋼板は、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、必要に応じて以下の成分を含有していてもよい。
P:0.001~0.1mass%
Pは、鋼の強度を高めて、打抜加工性を改善する効果がある。また、Pは、結晶粒界に偏析して、レーザ切断加工時に粒界とその近傍の鋼の融点を下げる作用があり、結晶粒界の段差の低減に有効であるので、0.001mass%以上添加するのが好ましい。しかし、0.1mass%を超えると、鋼が硬質化し過ぎて、圧延することが難しくなる他、原料コストの上昇を招く。よって、Pを添加する場合は、上限を0.1mass%とするのが好ましい。より好ましくは0.02~0.08mass%の範囲である。
The steel sheet used in the present invention contains the balance of Fe and unavoidable impurities other than the above-mentioned components, but may contain the following components as necessary.
P:0.001~0.1mass%
P has the effect of increasing the strength of steel and improving punching workability. In addition, P segregates at grain boundaries and has the effect of lowering the melting point of the grain boundaries and the steel in their vicinity during laser cutting, and is effective in reducing the step of the grain boundaries, so it is preferable to add 0.001 mass% or more. However, if it exceeds 0.1 mass%, the steel becomes too hard, making it difficult to roll, and in addition, it leads to an increase in raw material costs. Therefore, when P is added, it is preferable to set the upper limit at 0.1 mass%. More preferably, it is in the range of 0.02 to 0.08 mass%.

S:0.01mass%以下
Sは、不可避的不純物として含有してくる元素であるが、結晶粒界に偏析して、レーザ切断加工時に粒界とその近傍の鋼の融点を下げる作用があり、結晶粒界の段差の低減に有効である。しかし、0.01mass%を超えると、レーザ切断加工に伴う加熱によってMn等と析出物を形成し、磁気特性の劣化を招くので、上限は0.01mass%とするのが好ましい。より好ましくは0.0020mass%以下である。
S: 0.01 mass% or less S is an element contained as an inevitable impurity, but it segregates at the grain boundary and has the effect of lowering the melting point of the grain boundary and the steel in its vicinity during laser cutting, and is effective in reducing the step of the grain boundary. However, if it exceeds 0.01 mass%, it forms precipitates with Mn etc. due to heating accompanying the laser cutting process, which leads to deterioration of magnetic properties, so the upper limit is preferably 0.01 mass%. More preferably, it is 0.0020 mass% or less.

Sn:0.001~0.1mass%、Sb:0.001~0.1mass%
SnおよびSbは、結晶粒界に偏析してレーザ切断加工時に粒界とその近傍の鋼の融点を下げる作用があり、結晶粒界の段差の低減に有効であるので、それぞれ0.001mass%以上含有させることが好ましい。しかし、0.1mass%を超えると、圧延性が悪化し、原料コストも上昇するので、上限は0.1mass%とするのが好ましい。より好ましくは、それぞれ0.02~0.08mass%の範囲である。
Sn: 0.001 to 0.1 mass%, Sb: 0.001 to 0.1 mass%
Sn and Sb have the effect of lowering the melting point of the grain boundary and the steel in its vicinity during laser cutting by segregating at the grain boundary, and are effective in reducing the step of the grain boundary. Therefore, the content of each is 0.001 mass% or more. However, if the content exceeds 0.1 mass%, the rolling property deteriorates and the raw material cost increases, so the upper limit is preferably set to 0.1 mass%. More preferably, each of them is 0.02 to 1.0 mass%. The range is 0.08 mass%.

Ca:0.0002~0.005mass%、Mg:0.0002~0.005mass%
CaおよびMgは、安定な硫化物を形成し、母材鋼板の粒成長性を改善する効果があるので、それぞれ0.0002mass%以上含有させることが好ましい。しかし、0.005mass%を超えると、上記効果が飽和してしまうので、上限は0.005mass%とするのが好ましい。より好ましくは、それぞれ0.001~0.004mass%の範囲である。
Ca: 0.0002 to 0.005 mass%, Mg: 0.0002 to 0.005 mass%
Ca and Mg form stable sulfides and have the effect of improving the grain growth of the base steel sheet, so it is preferable to include each of them in an amount of 0.0002 mass% or more. However, if the content exceeds 0.005 mass%, Since the above effects are saturated, the upper limit is preferably set to 0.005 mass%, and more preferably, each of them is in the range of 0.001 to 0.004 mass%.

次に、本発明のレーザ切断加工を適用する対象について説明する。
本発明に用いる無方向性電磁鋼板は、板厚方向に1mass%以上のSi濃度傾斜を有することが好ましい。鋼板の渦電流損は、表皮効果により板厚の表層に集中するため、板厚表層のSi濃度を高めて比抵抗を大きくすることが渦電流損の低減に対して有効に作用する。この効果を十分に得るためには、鋼板の表層部と中心部とのSi濃度差を1mass%以上(表層部が中心部より1mass%以上高い)とすることが好ましい。ここで、上記のSi濃度差は、鋼板を板厚方向に3分割したとき、表裏の鋼板表面から板厚の1/3までの層を表層部、その間に挟まれた板厚中央の板厚の1/3の層を中心部としたとき、表裏の表層部のSi濃度の平均値と中心部のSi濃度との差のことをいう。また、上記Siの濃度差の測定は、鋼板断面のSi濃度分布をEPMAで測定してもよいし、全板厚の鋼板と、鋼板の両面から板厚の1/3を化学研磨などで溶解・除去した残りの板厚を1/3のSi濃度を湿式分析し、その差から求めてもよい。
Next, an object to which the laser cutting process of the present invention is applied will be described.
The non-oriented electrical steel sheet used in the present invention preferably has a Si concentration gradient of 1 mass% or more in the sheet thickness direction. Since the eddy current loss of the steel sheet is concentrated in the surface layer of the sheet thickness due to the skin effect, increasing the Si concentration of the sheet thickness surface layer to increase the resistivity is effective in reducing the eddy current loss. In order to fully obtain this effect, it is preferable that the Si concentration difference between the surface layer part and the center part of the steel sheet is 1 mass% or more (the surface layer part is 1 mass% or more higher than the center part). Here, the above-mentioned Si concentration difference refers to the difference between the average value of the Si concentration of the surface layer parts of the front and back and the Si concentration of the center part when the steel sheet is divided into three parts in the sheet thickness direction, the layers from the surface of the front and back steel sheets to 1/3 of the sheet thickness are the surface layer parts, and the layer sandwiched between them at 1/3 of the sheet thickness in the center of the sheet thickness is the center part. The Si concentration difference may be measured by measuring the Si concentration distribution in the cross section of the steel sheet by EPMA, or by wet analyzing the Si concentration of the steel sheet across its entire thickness and of the remaining ⅓ of the sheet thickness after ⅓ of the sheet thickness is dissolved and removed from both sides of the steel sheet by chemical polishing or the like, and determining the difference therebetween.

表層に高Si層を有する電磁鋼板は、高周波域での鉄損などの磁気特性に優れる反面、打抜加工などの機械加工による切断面の性状を制御するのが難しい材料である。そのため、表層に高Si層を有する電磁鋼板には、本発明のレーザ切断加工を適用するのが極めて有効である。 While electrical steel sheets with a high-Si surface layer have excellent magnetic properties such as iron loss in the high-frequency range, they are difficult to control the properties of the cut surface by machining such as punching. For this reason, it is extremely effective to apply the laser cutting process of the present invention to electrical steel sheets with a high-Si surface layer.

また、モータ効率を向上する観点からは、モータを組み立てたときのロータコアの外径とステータコアの内径との間のギャップを小さくすることが有効である。しかし、従来の打抜加工では、切断面を字平滑化するには、ロータコアの外周面に何らかの追加処理することが必要となるため、上記ギャップを小さくすることは困難である。一方、本発明のレーザ切断加工を適用した場合には、ロータコアの外周面を凹凸の小さい、極めて平滑な面とすることができる。その結果、本発明のレーザ切断加工を適用した場合には、ロータコアの外径とステータコアの内径との間の最短距離を0.30mm以下とすることが可能となるので、モータ効率の向上に大きく寄与することができる。原理的には、レーザ切断時のカーフ幅以上であれば従来にない狭いエアギャップのモータが製造可能となる。 From the viewpoint of improving motor efficiency, it is effective to reduce the gap between the outer diameter of the rotor core and the inner diameter of the stator core when the motor is assembled. However, in conventional punching, some additional processing is required on the outer surface of the rotor core to smooth the cut surface, making it difficult to reduce the gap. On the other hand, when the laser cutting process of the present invention is applied, the outer surface of the rotor core can be made extremely smooth with little unevenness. As a result, when the laser cutting process of the present invention is applied, it is possible to make the shortest distance between the outer diameter of the rotor core and the inner diameter of the stator core 0.30 mm or less, which can greatly contribute to improving motor efficiency. In principle, it is possible to manufacture a motor with an unprecedented narrow air gap as long as it is equal to or greater than the kerf width during laser cutting.

また、ロータコアを製造する際、本発明のレーザ切断加工を適用する箇所については、ロータコアの回転時に最も遠心力による応力集中が起こる部分とするのが最も有効である。しかし、さらにロータコアの外周にも適用することで、ロータコアの疲労強度をより確実に高めることができる。 In addition, when manufacturing a rotor core, it is most effective to apply the laser cutting process of the present invention to the areas where stress concentration due to centrifugal force occurs most when the rotor core rotates. However, by also applying it to the outer periphery of the rotor core, the fatigue strength of the rotor core can be increased more reliably.

さらに、本発明のレーザ切断加工は、磁石挿入孔の形成のみならず、磁石挿入孔と同様、遠心力による応力集中を受ける、ロータコアを冷却するための冷剤を流す冷却孔の形成にも適用することができる。したがって、本発明においては、レーザ切断加工で開けた孔のすべてに永久磁石が挿入されている必要はない。また、永久磁石は、磁石挿入孔の開口面積の一部に挿入されていればよく、全領域を占める必要はない。 Furthermore, the laser cutting process of the present invention can be applied not only to the formation of magnet insertion holes, but also to the formation of cooling holes through which coolant flows to cool the rotor core, which is subject to stress concentration due to centrifugal force, just like the magnet insertion holes. Therefore, in the present invention, it is not necessary for permanent magnets to be inserted into all of the holes created by the laser cutting process. Furthermore, it is sufficient for the permanent magnets to be inserted into a portion of the opening area of the magnet insertion hole, and they do not need to occupy the entire area.

なお、先述したように、上記説明においては、熱ビームとしてレーザビームを用いた切断加工(レーザ切断加工)を用いた例で説明してきたが、レーザビーム以外に、電子ビーム、プラズマビームやガス溶断等を用いた熱切断加工を用いてもよい。ただし、製造コスト低減や生産性向上、設備投資抑制等の観点からは、レーザ切断加工が最も好ましい。 As mentioned above, the above explanation has been given with an example of cutting using a laser beam as a thermal beam (laser cutting), but thermal cutting using an electron beam, plasma beam, gas cutting, or the like other than a laser beam may also be used. However, from the standpoint of reducing manufacturing costs, improving productivity, and reducing capital investment, laser cutting is the most preferable.

表2に示した成分組成を有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成の鋼を通常公知の精錬プロセスで溶製し、連続鋳造して鋼素材(スラブ)とした後、熱間圧延して板厚2.3mmの熱延板とした。次いで、この熱延板に1000℃×10sの熱延板焼鈍を施し、酸洗し、冷間圧延して表2に示した最終板厚の冷延板とした。次いで、上記冷延板に20vol%H-80vol%Nの雰囲気下で、表2に示した種々の温度で10s間保持する仕上焼鈍を施した。その後、上記鋼板表面に有機無機混合の絶縁被膜を被成して無方向性電磁鋼板(製品板)とした。 Steel having the composition shown in Table 2, with the balance being composed of Fe and unavoidable impurities, was melted by a commonly known refining process, and continuously cast to obtain a steel material (slab), which was then hot-rolled to obtain a hot-rolled sheet having a thickness of 2.3 mm. Next, this hot-rolled sheet was subjected to hot-rolled sheet annealing at 1000°C x 10s, pickled, and cold-rolled to obtain a cold-rolled sheet having the final thickness shown in Table 2. Next, the cold-rolled sheet was subjected to finish annealing in an atmosphere of 20 vol% H 2 -80 vol% N 2 at various temperatures shown in Table 2 for 10s. Thereafter, an insulating coating of an organic/inorganic mixture was formed on the surface of the steel sheet to obtain a non-oriented electrical steel sheet (product sheet).

斯くして得た製品板を素材として、図1に示した形状を有する鋼板(ロータコア材)を、表2に示した種々の方法で加工した。その後、上記ロータコア材のA部(図1参照)より図3に示した形状の疲労試験片を切り出し、疲労試験に供した。この際、試験片の平行部のレーザ切断面(C部、図3参照)に存在する結晶粒界における段差を前述した実験と同様にして測定した。また、疲労試験は、引張り-引張り(片振り)、応力比:0.1、周波数:20Hzの条件で実施し、10回の繰り返しにおいても破断が生じない最大応力を疲労強度とした。 The product plate thus obtained was used as a material to process a steel plate (rotor core material) having the shape shown in FIG. 1 by various methods shown in Table 2. Then, fatigue test pieces having the shape shown in FIG. 3 were cut out from part A (see FIG. 1) of the rotor core material and subjected to a fatigue test. At this time, the steps at the grain boundaries present on the laser cut surface (part C, see FIG. 3) of the parallel part of the test piece were measured in the same manner as in the above-mentioned experiment. The fatigue test was performed under the conditions of tension-tension (pulsating), stress ratio: 0.1, and frequency: 20 Hz, and the maximum stress at which no fracture occurred even after 107 repetitions was taken as the fatigue strength.

上記測定の結果を、鋼成分、製造条件と併せて表2に示した。この結果から、高い疲労強度が得られているのは、レーザ切断面に存在する結晶粒界の段差の最大値が0.5μm以下のものであり、上記段差は、レーザ切断加工で傾斜角θを1~5°の範囲に設定した場合である。一方、上記条件を外れるレーザ切断加工や、打抜加工では、結晶粒界の段差を0.5μm以下にすることができず、高い疲労強度が得られていないことがわかる。中でも、傾斜角θを3~5°の範囲に設定した発明例は、レーザ切断面に存在する結晶粒界の段差が0.33μm以下となっている。 The results of the above measurements are shown in Table 2 together with the steel components and manufacturing conditions. From these results, it can be seen that high fatigue strength is obtained when the maximum difference in grain boundary height on the laser cut surface is 0.5 μm or less, and this difference in height is obtained when the inclination angle θ is set in the range of 1 to 5° in the laser cutting process. On the other hand, it can be seen that in laser cutting processes and punching processes that do not meet the above conditions, the difference in grain boundary height cannot be made 0.5 μm or less, and high fatigue strength is not obtained. Among them, in the invention examples in which the inclination angle θ is set in the range of 3 to 5°, the difference in grain boundary height on the laser cut surface is 0.33 μm or less.

Figure 0007601068000002
Figure 0007601068000002

C:0.01mass%、Si:2mass%、Mn:0.03mass%、Al:0.005mass%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成の鋼を通常公知の精錬プロセスで溶製し、連続鋳造した鋼素材(スラブ)とした。次いで、上記スラブを、熱間圧延して板厚2.0mmの熱延板とした。次いで、この熱延板に1000℃×10sの熱延板焼鈍を施し、酸洗し、冷間圧延して最終板厚0.1mmの冷延板とした。次いで、上記冷延板に、四塩化珪素とNの混合ガス中で1200℃の熱処理することで鋼板表層のSi濃度を高める侵珪処理を施した。この際、四塩化珪素の濃度や、保持時間を調整してSi濃度分布が異なる種々の無方向性電磁鋼板(製品板)を製造した。 A steel containing 0.01 mass% C, 2 mass% Si, 0.03 mass% Mn, 0.005 mass% Al, and the balance being Fe and unavoidable impurities, was melted by a commonly known refining process and continuously cast into a steel material (slab). Next, the slab was hot rolled to obtain a hot rolled sheet having a thickness of 2.0 mm. Next, the hot rolled sheet was subjected to hot rolled sheet annealing at 1000 ° C. × 10 s, pickled, and cold rolled to obtain a cold rolled sheet having a final thickness of 0.1 mm. Next, the cold rolled sheet was subjected to a siliconization treatment to increase the Si concentration of the steel sheet surface layer by heat treatment at 1200 ° C. in a mixed gas of silicon tetrachloride and N 2. At this time, various non-oriented electrical steel sheets (product sheets) with different Si concentration distributions were manufactured by adjusting the concentration of silicon tetrachloride and the holding time.

斯くして得た製品板について、Si濃度分布およびC含有量を測定した。また、実施例1と同様、上記製品板から、出力:200W、走査速度:30m/min、傾斜角θ:2°のレーザ切断加工条件で、図1の形状のロータコア材を採取し、ブリッジ部(A部)から疲労試験片を切り出して、疲労試験に供した。この際、試験片の平行部のレーザ切断面(C部、図3参照)に存在する結晶粒界の段差を測定した。また、疲労試験は、引張り-引張り(片振り)、応力比:0.1、周波数:20Hzの条件で実施し、10回の繰り返しにおいても破断が生じない最大応力を疲労強度とした。 The Si concentration distribution and C content of the product plate thus obtained were measured. As in Example 1, a rotor core material having the shape of FIG. 1 was taken from the product plate under laser cutting processing conditions of output: 200 W, scanning speed: 30 m/min, and inclination angle θ: 2°, and a fatigue test piece was cut out from the bridge part (part A) and subjected to a fatigue test. At this time, the grain boundary step present on the laser cut surface (part C, see FIG. 3) of the parallel part of the test piece was measured. The fatigue test was performed under the conditions of tension-tension (pulsating), stress ratio: 0.1, and frequency: 20 Hz, and the maximum stress at which no breakage occurred even after 10 7 repetitions was taken as the fatigue strength.

上記の測定結果を表3に併記した。この結果から、侵珪処理を施した鋼板は、疲労強度が大きく向上していることがわかる。特に鋼板の表層部と板厚中心部とのSi濃度差を1mass%以上とした鋼板は、Siの平均含有量が同じでも、Si濃度が板厚方向で均一な鋼板に対して高い疲労強度が得られていることがわかる。 The above measurement results are shown in Table 3. These results show that the fatigue strength of steel plates that have been siliconized is greatly improved. In particular, steel plates with a difference in Si concentration of 1 mass% or more between the surface layer and the center of the plate thickness have a higher fatigue strength than steel plates with a uniform Si concentration in the plate thickness direction, even if the average Si content is the same.

Figure 0007601068000003
Figure 0007601068000003

本発明の技術は、磁石に遠心力が加わるIPMモータのロータコアに限定されるものではなく、磁石挿入孔を有しない、例えば、シンクロナスリラクタンスモータ等のロータコアや、モータ特性の向上のための磁気回路を構成する分野にも適用することができる。

The technology of the present invention is not limited to rotor cores of IPM motors in which centrifugal force is applied to magnets, but can also be applied to rotor cores of synchronous reluctance motors and the like that do not have magnet insertion holes, and to fields in which magnetic circuits are constructed to improve motor characteristics.

Claims (20)

素材鋼板から採取し、ロータコアの外周形状に加工してなる鋼板を積層して構成されるロータコアであって、
上記鋼板には熱切断加工されてなる複数の孔が形成されてなり、かつ、
上記孔の切断面に存在する、結晶粒界における段差の最大値が0.33μm以下であることを特徴とするロータコア。
A rotor core formed by laminating steel plates obtained by cutting a material steel plate and processing the steel plate into an outer peripheral shape of the rotor core,
The steel plate has a plurality of holes formed therein by thermal cutting, and
A rotor core characterized in that the maximum difference in level at the grain boundary present on the cut surface of the hole is 0.33 μm or less.
上記素材鋼板は、C:0.0005~0.01mass%、Si:7mass%以下、Mn:0.05~3mass%およびAl:3mass%以下を含有し、さらに任意選択的にP:0.001~0.1mass%、S:0.01mass%以下、Sn:0.001~0.1mass%、Sb:0.001~0.1mass%、Ca:0.0002~0.005mass%およびMg:0.0002~0.005%のうちから選ばれる少なくとも1種を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項1に記載のロータコア。 The rotor core according to claim 1, characterized in that the material steel sheet is a non-oriented electrical steel sheet containing C: 0.0005-0.01 mass%, Si: 7 mass% or less, Mn: 0.05-3 mass%, and Al: 3 mass% or less, and optionally containing at least one selected from P: 0.001-0.1 mass%, S: 0.01 mass% or less, Sn: 0.001-0.1 mass%, Sb: 0.001-0.1 mass%, Ca: 0.0002-0.005 mass%, and Mg: 0.0002-0.005%, with the balance being Fe and unavoidable impurities. 上記素材鋼板は、鋼板表裏の表面から板厚の1/3までを表層部、鋼板表面から板厚の1/3より内側を中心部としたとき、上記表層部の表裏の平均Si含有量が中心部より1mass%以上高いことを特徴とする請求項1に記載のロータコア。 The rotor core described in claim 1, characterized in that the surface layer portion of the material steel sheet is from the front and back surfaces of the steel sheet to 1/3 of the sheet thickness, and the center portion is from the steel sheet surface to inside 1/3 of the sheet thickness, and the average Si content of the front and back surfaces of the surface layer portion is 1 mass% or more higher than that of the center portion. 上記素材鋼板は、鋼板表裏の表面から板厚の1/3までを表層部、鋼板表面から板厚の1/3より内側を中心部としたとき、上記表層部の表裏の平均Si含有量が中心部より1mass%以上高いことを特徴とする請求項2に記載のロータコア。 The rotor core described in claim 2, characterized in that the surface layer portion of the material steel sheet is from the front and back surfaces of the steel sheet to 1/3 of the sheet thickness, and the center portion is from the steel sheet surface to inside 1/3 of the sheet thickness. 上記熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のロータコア。 A rotor core as described in any one of claims 1 to 4, characterized in that the thermal cutting process is a laser cutting process. 上記ロータコアの形状に加工した鋼板の外周が熱切断加工されてなることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のロータコア。 A rotor core as described in any one of claims 1 to 4, characterized in that the outer periphery of the steel plate processed into the shape of the rotor core is thermally cut. 上記ロータコアの形状に加工した鋼板の外周が熱切断加工されてなることを特徴とする請求項5に記載のロータコア。 The rotor core described in claim 5, characterized in that the outer periphery of the steel plate processed into the shape of the rotor core is thermally cut. 上記外周の熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする請求項6に記載のロータコア。 A rotor core as described in claim 6, characterized in that the thermal cutting process of the outer periphery is a laser cutting process. 上記外周の熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする請求項7に記載のロータコア。 The rotor core according to claim 7, characterized in that the thermal cutting process of the outer periphery is a laser cutting process. 上記孔の一部または全てに永久磁石を挿入してなることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のロータコア。 A rotor core according to any one of claims 1 to 4, characterized in that permanent magnets are inserted into some or all of the holes. 上記孔の一部または全てに永久磁石を挿入してなることを特徴とする請求項5に記載のロータコア。 A rotor core as described in claim 5, characterized in that permanent magnets are inserted into some or all of the holes. 請求項2に記載の成分組成を有する素材鋼板から採取したロータコア形状の鋼板に熱切断加工によって複数の孔を形成した後、上記鋼板を積層してロータコアを組み立てるロータコアの製造方法であって、
上記熱切断加工では、熱ビームを鋼板表面の垂線に対して切り落とす孔側に~5°傾斜させて照射することで、切断面に存在する結晶粒界における段差の最大値を0.5μm以下とすることを特徴とするロータコアの製造方法。
A manufacturing method of a rotor core, comprising the steps of forming a plurality of holes by thermal cutting in a rotor core-shaped steel plate obtained from a base steel plate having the composition according to claim 2, and then laminating the steel plates to assemble the rotor core,
In the above-mentioned thermal cutting process, the heat beam is irradiated at an angle of 3 to 5 degrees toward the hole to be cut off with respect to the perpendicular line to the steel plate surface, thereby making the maximum step value of the grain boundary on the cut surface 0.5 μm or less.
上記素材鋼板は、鋼板表裏の表面から板厚の1/3までを表層部、鋼板表面から板厚の1/3より内側を中心部としたとき、上記表層部の表裏の平均Si含有量が中心部より1mass%以上高いことを特徴とする請求項12に記載のロータコアの製造方法。 The manufacturing method of the rotor core described in claim 12, characterized in that the surface layer portion of the material steel sheet is from the front and back surfaces of the steel sheet to 1/3 of the sheet thickness, and the center portion is from the steel sheet surface to inside 1/3 of the sheet thickness, and the average Si content of the front and back of the surface layer portion is 1 mass% or more higher than that of the center portion. 上記熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする請求項12または13に記載のロータコアの製造方法。 The method for manufacturing a rotor core according to claim 12 or 13, characterized in that the thermal cutting process is a laser cutting process. 上記ロータコアの形状に加工した鋼板の外周を熱切断加工することを特徴とする請求項12または13に記載のロータコアの製造方法。 The manufacturing method for a rotor core according to claim 12 or 13, characterized in that the outer periphery of the steel plate processed into the shape of the rotor core is thermally cut. 上記ロータコアの形状に加工した鋼板の外周を熱切断加工することを特徴とする請求項14に記載のロータコアの製造方法。 The manufacturing method for a rotor core according to claim 14, characterized in that the outer periphery of the steel plate processed into the shape of the rotor core is thermally cut. 上記外周の熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする請求項15に記載のロータコアの製造方法。 The manufacturing method for a rotor core according to claim 15, characterized in that the thermal cutting process of the outer periphery is a laser cutting process. 上記外周の熱切断加工がレーザ切断加工であることを特徴とする請求項16に記載のロータコアの製造方法。 The manufacturing method for a rotor core according to claim 16, characterized in that the thermal cutting process of the outer periphery is a laser cutting process. 請求項1~4のいずれか1項に記載のコアをロータコアに用いてなる、ロータコアとステータコアを有するモータであって、
上記ロータコアの外径とステータコアの内径との最短距離が0.30mm以下であることを特徴とするモータ。
A motor having a rotor core and a stator core, the rotor core being formed using the core according to any one of claims 1 to 4,
A motor characterized in that the shortest distance between the outer diameter of the rotor core and the inner diameter of the stator core is 0.30 mm or less.
請求項5に記載のコアをロータコアに用いてなる、ロータコアとステータコアを有するモータであって、
上記ロータコアの外径とステータコアの内径との最短距離が0.30mm以下であることを特徴とするモータ。
A motor having a rotor core and a stator core, the rotor core being formed using the core according to claim 5,
A motor characterized in that the shortest distance between the outer diameter of the rotor core and the inner diameter of the stator core is 0.30 mm or less.
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