CN109792193A - 电磁钢板的冲裁加工方法和叠片铁心的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的电磁钢板的冲裁加工方法是通过将多张电磁钢板在重叠的状态下同时进行冲裁来制造铁心素片的电磁钢板的冲裁加工方法，其特征在于，在齿部中的最大磁通密度高于背轭部中的最大磁通密度的定子铁心中应用铁心素片的情况下，将在重叠的状态下从下侧起第二张电磁钢板和位于该电磁钢板的上侧的电磁钢板的维氏硬度设定为180HV以上并且比在重叠的状态下最下侧的电磁钢板的维氏硬度高10HV。

Description

电磁钢板的冲裁加工方法和叠片铁心的制造方法
技术领域
本发明涉及电磁钢板的冲裁加工方法和叠片铁心的制造方法。
背景技术
近年来，以电动汽车、混合动力电动汽车为中心，出于电动机、发电机的轻量化的目的而追求铁心的小型化，正在推进用于确保输出的高旋转化(高频化)。因此，从抑制铁心的铁损的观点出发，对于板厚为0.30mm以下的、板厚比以前薄的电磁钢板的要求提高。
但是，用于电动机、发电机的铁心通过以为了抑制铁损而使板厚变薄的电磁钢板作为母材并对其进行冲裁加工来制造。在冲裁加工中，在冲压机上设置用于加工的模具，利用卷材进给装置将以规定宽度分切后的母材送出，同时对铁心各部进行冲裁，在模具中实施铆接而使其一体化；或者将冲裁加工后的铁心素片(进行一体化而制成铁心之前的状态下的冲裁加工后的电磁钢板)从模具取出后，利用焊接、螺栓固定而使其一体化，由此来制造铁心。对于将如此使板厚变薄的电磁钢板层叠并一体化而制造的铁心称为“叠片铁心”。
在叠片铁心的工业制造工序中，通常采用如下方法：具有上述模具不同的多个工序和与其相对应的冲头，在将母材在模具内依次送至下个冲压工序的同时形成铁心的形状，在最终冲压工序中对铁心外周进行冲裁，由此使铁心素片从母材脱离。另外，在使用了铆接的铁心的工业生产中也采用如下方法：在最终冲压工序中使铁心材料从母材脱离后，利用冲头的下降动作使铆接突起彼此嵌合从而使叠片铁心一体化。将这样的冲裁加工的一例示于图3中。图3是示出使用了级进模的冲裁加工的一例的示意图。在图3所示的例子中，首先，使相当于铁心的齿部11的部分残留而从母材S冲裁出切槽部12，然后冲裁出铁心的中心部13。然后，冲裁出铁心的背轭部14的外周部，由此形成多张铁心素片15，使多张铁心素片15一体化，由此制造出叠片铁心16。需要说明的是，图3中，符号17表示在冲裁加工中产生的母材S的废料。
通常使用如上所述的冲压加工的原因是因为生产率优良，但是，利用通常的冲裁加工，需要一张一张地冲裁出铁心素片，因此，母材的板厚变薄时，效率急剧降低。因此，作为用于解决这样的问题的手段，提出了将多张母材在重叠的状态下进行冲裁的技术，并进一步提出了针对附带的问题的解决方案。例如针对将多张母材同时重叠送至模具内的情况下母材间的偏移的问题，提出了如下方法：在进行模具内的冲压工序初期的冲裁加工以前的工序中，使用铆接等将母材彼此固定(参见专利文献1、2)。
另外，还提出了如下方法：为了将母材彼此固定而形成合体锁定部，进而在层叠工序中使用推回(push back)对凸部进行平坦化加工以使合体锁定部的凸形状不会成为障碍(参见专利文献3)。这些现有技术均提出了针对将多张母材同时进行冲裁时的尺寸精度劣化的问题的对策。此外，还提出了如下方法：利用在内部具有多个相当于冲头和冲模的部分的模具，能够防止塌边、毛刺的增加，并且能够利用一个冲压工序同时实施多张母材的冲裁加工(参见专利文献4、5)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭55-156623号公报
专利文献2：日本特开2003-153503号公报
专利文献3：日本特开2005-261038号公报
专利文献4：日本特开2012-115893号公报
专利文献5：日本特开2012-115894号公报
专利文献6：日本特开2005-348456号公报
发明内容
发明所要解决的问题
作为将多张母材重叠地同时进行冲裁时的问题，存在铁心的磁特性的劣化和毛刺的增加的问题。通常，已知在冲裁加工中冲裁加工端部受到强烈的塑性变形，因此，在冲裁加工端部附近残留塑性应变，磁特性发生劣化。另外，在定量地评价磁特性的劣化量时，仅利用塑性应变无法说明，因此，认为伴随塑性变形而残留的弹性应变也会对磁特性的劣化产生影响。可见，冲裁加工的生产率优良，但另一方面，存在使铁心的磁特性劣化的问题。在对多张重叠的母材进行冲裁加工的情况下，重叠的母材之间的约束力弱，因此，塑性变形部大幅扩展，与一张一张地进行冲裁加工的情况相比，磁特性劣化，电动机特性(效率)差。
但是，在如上所述的现有的利用多张母材的重叠进行的冲裁加工方法的技术中，仅着眼于由冲裁加工导致的铁心尺寸精度的劣化和毛刺的增加，没有提出关于铁心的磁特性的劣化的改善对策。另外，作为毛刺的增加的对策，不能说提出了简便且有效的对策。在专利文献3中提出了如下方法：将多张母材重叠地同时进行冲裁加工时，在冲裁加工以前的母材设置合体锁定部，为了使其在母材层叠时不引起占空系数的降低，利用推回机构挤平。对于该方法而言，不仅没有考虑本发明中所着眼的与层叠状态下的冲裁加工相伴的铁心磁特性劣化的问题，而且，由于需要推回这样的额外加工，因此模具结构变得复杂，在成本、维护方面变得不利。另外，为了将母材彼此相互固定，除了合体锁定部以外还需要实施铆接，因此，由于合体锁定部和铆接两方面的加工的影响而无法避免铁心的磁特性劣化。
另外，在专利文献4、5记载的技术中，并非是将多张母材在直接重叠的状态下进行冲裁，因此，虽然关于磁特性的劣化、毛刺的增加是有利的，但是，存在模具结构变得复杂而模具成本大幅增加的缺点。另外，没有公开用于使利用多个冲头和冲模进行冲裁后的多个铁心素片高效地层叠、一体化的方法。需要说明的是，在专利文献6中公开了如下方法：将多张母材重叠地进行冲裁加工时，对长度方向的端面进行焊接，或者使用半固化树脂将母材的80％以上利用3μm以上厚度的胶粘层贴合后，同时进行冲裁加工和铆接。但是，该方法需要对母材的长度方向的端面、母材表面的80％以上这样广泛的区域进行处理，因此，在生产率、制造成本方面存在问题。
在多张重叠的母材的冲裁加工中，母材彼此重叠的部分倾向于毛刺增大。毛刺的增加表示母材的端部的变形量大，导致铁心的磁特性的劣化。因此，从上述各种观点出发，在重叠的状态的冲裁加工中，抑制层叠时在内侧部分产生的毛刺高度的增加可以说是重要课题。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供能够抑制导致磁特性劣化的毛刺的增加的电磁钢板的冲裁加工方法和叠片铁心的制造方法。
用于解决问题的手段
本发明的第一方式的电磁钢板的冲裁加工方法是通过将多张电磁钢板在重叠的状态下同时进行冲裁来制造铁心素片的电磁钢板的冲裁加工方法，其特征在于，在齿部中的最大磁通密度高于背轭部中的最大磁通密度的定子铁心中应用上述铁心素片的情况下，将在重叠的状态下从下侧起第二张电磁钢板和位于该电磁钢板的上侧的电磁钢板的维氏硬度设定为180HV以上并且比在重叠的状态下最下侧的电磁钢板的维氏硬度高10HV以上。
本发明的第二方式的电磁钢板的冲裁加工方法是通过将多张电磁钢板在重叠的状态下同时进行冲裁来制造铁心素片的电磁钢板的冲裁加工方法，其特征在于，在背轭部中的最大磁通密度高于齿部中的最大磁通密度的定子铁心中应用上述铁心素片的情况下，将在重叠的状态下从上侧起第二张电磁钢板和位于该电磁钢板的下侧的电磁钢板的维氏硬度设定为180HV以上并且比在重叠的状态下最上侧的电磁钢板的维氏硬度高10HV以上。
本发明的叠片铁心的制造方法的特征在于，通过将利用本发明的电磁钢板的冲裁加工方法制造的铁心素片进行层叠、一体化来制造叠片铁心。
发明效果
根据本发明的电磁钢板的冲裁加工方法和叠片铁心的制造方法，能够抑制导致磁特性劣化的毛刺的增加。
附图说明
图1是示出在冲模上残留有铁心素片的情况下的将多张电磁钢板重叠的状态下的冲裁加工的示意图。
图2是示出利用冲头冲裁出铁心素片的情况下的将多张电磁钢板重叠的状态下的冲裁加工的示意图。
图3是示出使用了级进模的冲裁加工的一例的示意图。
具体实施方式
本发明的发明人反复进行了深入研究，结果发现，不使重叠的电磁钢板的硬度相同，从抑制磁特性的劣化、毛刺的增加的观点出发，使用硬度不同的材料作为所使用的电磁钢板，进一步考虑铁心的加工形态、铁心在电动机中的磁化状态而使冲裁加工的配置最佳，由此，制造出磁特性优良且毛刺小的铁心。以下，对于提出本发明的方案的经过进行说明。
在冲裁加工的工艺中，在间隙(冲头下降时与冲模的间隙)内部引入材料的同时发生材料的断裂，冲裁加工(剪切加工)结束。这种情况下，在冲裁加工端部残留有塑性应变和伴随宏观塑性流动的弹性应变而成为使得铁心的磁特性劣化的原因。特别是将多张电磁钢板重叠而进行冲裁加工的情况下，在约束力弱的叠片内部的部分，应变的残留量大，结果导致铁心整体的铁损劣化。另外，在受到剪切加工的方向一侧与冲模或冲头不接触的部分，毛刺增加。将这样的状况示于图1和图2中。
图1是示出在将电磁钢板重叠的状态下的冲裁加工中最终成为铁心的部分(斜线部)残留于冲模上的加工的示意图，相当于图3所示的切槽部11的冲裁加工。如图1所示，在这样的冲裁加工中，首先加工的冲头3与上侧(从下侧起第二个电磁钢板1a之上)的电磁钢板接触，在上侧的电磁钢板的上表面形成塌边，同时变形进行，上侧的电磁钢板与下侧的电磁钢板之间没有约束，因此，在上侧的电磁钢板的下侧产生大的毛刺，由此下侧的电磁钢板的塌边增大。此外，在重叠的电磁钢板中，最下侧的电磁钢板1b与冲模2接触，因此毛刺的生成量小。另一方面，图2是示出在重叠的状态下的冲裁加工中最终成为铁心的部分(斜线部)被冲头冲裁而被压入冲模中的加工的示意图，相当于图3所示的背轭部14的外周部的冲裁加工。在这样的冲裁加工中，在由两张重叠的电磁钢板1a、1b构成的铁心素片中，下侧的电磁钢板1b的毛刺增大，与该毛刺的生成相对应地，上侧的电磁钢板1a的塌边增大。
如上所述，在多张重叠的电磁钢板的冲裁加工中，铁心素片中与模具(冲头或冲模)直接接触的电磁钢板的毛刺小，在电磁钢板彼此接触的部分中，距与模具(冲头或冲模)的接触部远的电磁钢板的毛刺增大。毛刺和塌边的增加对应于电磁钢板端部的变形量的增加，因此，随着毛刺的增加，铁心素片的磁特性劣化。另一方面，已知在电磁钢板的冲裁加工中硬度高的材料的情况下毛刺的生成量小。本发明是基于通过将该性质应用于重叠的状态下的冲裁加工能够抑制毛刺和塌边的增加这样的见解而完成的。即，通过使用硬度高的材料作为毛刺容易增加侧的电磁钢板，由此，在抑制该电磁钢板中的毛刺的增加的同时，抑制了相邻的电磁钢板中塌边增加。通过这些效果，能够防止冲裁加工端部的变形区域的增加，能够防止磁特性的劣化。
在此，使重叠的电磁钢板全部为硬度高的材料的情况下，高硬度材料的加工时的变形阻力大，因此，将多张电磁钢板重叠地同时进行冲裁加工时，会出现总的变形阻力超过冲压机的能力而加工本身不能进行的情况。另外，高硬度的材料含有大量添加元素并且具有多种制造上的困难性，因而价格昂贵，因此，使铁心全部量为高硬度材料时，导致过度的原材料价格的增加。因此，要同时满足铁心的磁特性、进行冲裁加工的冲压机的能力和铁心材料的价格全部要求的情况下，与使全部材料为高硬度材料相比，基于本发明将硬度不同的材料进行最佳配置而进行冲裁加工更好。
本发明通过应用将电磁钢板送入至设置于冲压机的用于冲裁加工的模具并利用冲裁加工来制造铁心的方法，能够以高效率生产铁损特性优良的铁心。特别是通过应用于图3所示的使用了级进模的冲裁加工，有效地有助于实现高的生产效率。
另外，本发明能够应用于板厚处于约0.05mm～约0.50mm的范围内的电磁钢板，通过将多张电磁钢板重叠而同时进行冲裁加工能够实现生产率的提高。在本发明中，重叠而进行冲裁加工的多张电磁钢板的材质(硬度)具有差异，对于板厚也无需相同，可以使用板厚不同的多种电磁钢板。
如图3所示，在铁心的制造中，在冲裁加工模具中，首先以最终成为铁心的部分残留于冲模上的方式进行加工，最后以从母材钢体切断的方式进行铁心的外周部的冲裁加工从而制造铁心。因此，在铁心的内部存在相当于图1和图2各自的斜线部的加工部。
在此，在铁心内部的部分，在作为电动机使用时磁通密度最高的部分，需要防止冲裁加工端部的磁特性的劣化。在因冲裁加工而残留应变的部分，会发生(低磁通密度区域中的)导磁率的降低和铁损的增加。在铁心内部的部分中平均磁通密度低的部分，由于因冲裁加工引起的应变使得导磁率降低，在这样的部分的冲裁加工端部，磁通密度降低，因此，与磁通密度均等地分布的情况相比，铁损的增加被抑制。另一方面，在铁心内部中平均的磁通密度高的部分，在因冲裁加工而残留有应变的端部附近也磁通密度升高，因此，在这样的部分的冲裁加工端部，发生铁损的显著增加。作为这样的部分，具体而言，可以列举定子铁心的齿部。特别是在无刷直流电动机的齿部，最大磁通密度升高，因此，因冲裁加工引起的铁损的增加变得显著。
在图3所示的加工中，齿部11在加工时残留于冲模上，齿部11的横侧部分通过图1所示的冲裁加工而形成。因此，在重叠的状态下的冲裁加工中，使上侧的电磁钢板的硬度增加时，在用于形成齿部的切槽部12的冲裁加工中，在齿部11的横侧部分，上侧的电磁钢板的毛刺的增加被抑制，作为其结果，下侧的电磁钢板的塌边的增加被抑制。因此，在重叠冲裁中能够防止磁特性的劣化。
为了如上所述抑制在大多电动机中最大磁通密度最大、容易受到因冲裁加工引起的铁损劣化的影响的齿部中的铁损劣化，从最下侧的电磁钢板起第二张和其之上的电磁钢板使用硬度高的材料即可。需要说明的是，因电动机、发电机不同，有时在定子铁心的背轭部磁通密度最大。这种情况下，变为最外周的背轭部在加工时与冲头接触的如图2所示的形态下的冲裁加工，因此，通过使自上侧起第二张和其之下的电磁钢板使用硬度高的材料可以得到期望的效果。如此，可以说考虑用作铁心的条件下的磁通密度分布来确定硬度不同的材料的配置即可。
另外，本发明在同时进行冲裁加工的电磁钢板的数量为三张以上的情况下也能够应用。为了得到本发明效果，对于冲裁加工时与模具接触的电磁钢板，求出其与除此以外的电磁钢板的硬度的最小值之差，其为本发明中规定的范围即可。另外，在本发明中，将材料间的维氏硬度差设定为10HV以上。这是因为，在铁心中，通过使与冲模或冲头接触的同时进行冲裁加工的电磁钢板(a)与不与冲模或冲头接触的电磁钢板(b)之间的维氏硬度差充分大，能够减小电磁钢板(b)的毛刺的生成量，防止电磁钢板(a)、(b)中的磁特性的劣化。另外，从其它观点考虑，将电磁钢板(b)的毛刺的产生量设定为规定量以下，同时为了防止冲压加工中的载荷的过度增加、模具的磨损而使电磁钢板(a)的维氏硬度降低，使电磁钢板(a)的维氏硬度相对于电磁钢板(b)小10HV以上即可。通过设定为这样的条件，可以得到在抑制了冲压载荷和成本的同时具有目标磁特性的铁心。
另外，在本发明中，将铁心中与冲模或冲头不接触的电磁钢板的维氏硬度设定为180HV以上。通过选择该条件，对于在冲裁加工中不能利用冲模或冲头的保持而充分地抑制毛刺的生成的电磁钢板而言，也能够抑制毛刺的生成从而抑制毛刺高度的增加，并且抑制冲裁加工端部的变形从而能够防止铁心的磁特性的劣化。
实施例
[实施例1]
对于芯体外径为160mm、齿宽度为9mm、背轭宽度为9mm、芯体高度为45mm的定子芯体，下述表1所示的两条钢带卷材(钢板1(上侧)、钢板2(下侧)：宽度165mm)导出后，在冲压机入口侧前进行重叠后，送入级进模内，进行连续的冲裁加工，制造出集中绕组无刷直流电动机用的定子铁心。对该定子铁心实施绕组，与转子一起安装在电动机壳中从而制成电动机。对于所得到的电动机，施加3.0Nm的负荷，同时以1500rpm进行驱动，测定电动机的输入和输出，对电动机效率(％)进行评价。在此，电动机效率设定为电动机的输入功率相对于电动机的输出的比率。
对电动机的驱动条件下的铁心各部的磁通密度进行测定，结果齿部的最大磁通密度(全宽平均值)为1.62T，背轭部的最大磁通密度(全宽平均值)为1.0T。下述表1中示出使用了利用各种钢带卷材的组合制作出的铁心的电动机的效率的比较结果。在表1中，材料的硬度设定为以1kg的载荷保持10秒的条件下测定的维氏硬度(HV)。另外，材料(铁心材料)的平均铁损W15/50(W/kg)设定为以板厚进行加权而求得的铁损值。如表1所示，对于使用了在本发明的条件(实施例)下制造的铁心的电动机而言，相对于铁心材料的平均铁损，得到了高的电动机效率。
[表1]
[实施例2]
对于芯体外径为160mm、齿宽度为9mm、背轭宽度为5mm、芯体高度为45mm的定子芯体，下述表2所示的两条钢带卷材(钢板1(上侧)、钢板2(下侧)：宽度165mm)导出后，在冲压机入口侧前进行重叠后，送入级进模内，进行连续的冲裁加工，制造出集中绕组无刷直流电动机用的定子铁心。对该定子铁心实施绕组，与转子一起安装在电动机壳中从而制成电动机。对于所得到的电动机，施加3.0Nm的负荷，同时以1500rpm进行驱动，测定电动机的输入和输出，对电动机效率(％)进行评价。在此，电动机效率设定为电动机的输入功率相对于电动机的输出的比率。
对电动机的驱动条件下的铁心各部的最大磁通密度进行测定，结果齿部的最大磁通密度(全宽平均值)为1.62T，背轭部的最大磁通密度(全宽平均值)为1.8T。下述表2中示出使用了利用各种钢带卷材的组合制作出的铁心的电动机的效率的比较结果。在表2中，材料的硬度设定为以1kg的载荷保持10秒的条件下测定的维氏硬度(HV)。另外，材料(铁心材料)的平均铁损W15/50(W/kg)设定为以板厚进行加权而求得的铁损值。如表2所示，对于背轭部的磁通密度升高的电动机(实施例)而言，确认到通过提高下侧的钢板的硬度使得电动机效率提高。
[表2]
[实施例3]
对于芯体外径为160mm、齿宽度为9mm、背轭宽度为9mm、芯体高度为45mm的定子芯体，下述表3所示的三条钢带卷材(钢板1～3(上侧、中侧、下侧)：宽度165mm)导出后，在冲压机入口侧前进行重叠后，送入级进模内，进行连续的冲裁加工，制造出集中绕组无刷直流电动机用的定子铁心。对该定子铁心实施绕组，与转子一起安装在电动机壳中从而制成电动机。对于所得到的电动机，施加3.0Nm的负荷，同时以1500rpm按照PWM正弦波电压波形进行驱动，测定电动机的输入和输出，对电动机效率(％)进行评价。在此，电动机效率设定为电动机的输入功率相对于电动机的输出的比率。
对电动机的驱动条件下的铁心各部的最大磁通密度进行测定，结果齿部的最大磁通密度(全宽平均值)为1.62T，磁轭部的最大磁通密度(全宽平均值)为1.0T。表3中示出使用了利用各种钢带卷材的组合制作的铁心的电动机的效率的比较结果。在下述表3中，材料的硬度设定为以1kg的载荷保持10秒的条件下测定的维氏硬度(HV)。另外，材料(铁心材料)的平均铁损W 15/50(W/kg)设定为以板厚进行加权而求得的铁损值。如表3所示，对于使用了在本发明的条件(实施例)下制造的铁心的电动机确认到，相对于铁心材料的平均铁损，得到了高的电动机效率。
[表3]
产业上的可利用性
根据本发明，可以提供能够抑制导致磁特性劣化的毛刺的增加的电磁钢板的冲裁加工方法和叠片铁心的制造方法。
标号说明
1a、1b 电磁钢板
2 冲模
3 冲头
11 齿部
12 切槽部
13 中心部
14 背轭部
15 铁心素片
16 叠片铁心
17 废料
S 母材

Claims (3)

1.一种电磁钢板的冲裁加工方法，其通过将多张电磁钢板在重叠的状态下同时进行冲裁来制造铁心素片，所述电磁钢板的冲裁加工方法的特征在于，
在齿部中的最大磁通密度高于背轭部中的最大磁通密度的定子铁心中应用所述铁心素片的情况下，
将在重叠的状态下从下侧起第二张电磁钢板和位于该电磁钢板的上侧的电磁钢板的维氏硬度设定为180HV以上并且比在重叠的状态下最下侧的电磁钢板的维氏硬度高10HV以上。
2.一种电磁钢板的冲裁加工方法，其通过将多张电磁钢板在重叠的状态下同时进行冲裁来制造铁心素片，所述电磁钢板的冲裁加工方法的特征在于，
在背轭部中的最大磁通密度高于齿部中的最大磁通密度的定子铁心中应用所述铁心素片的情况下，
将在重叠的状态下从上侧起第二张电磁钢板和位于该电磁钢板的下侧的电磁钢板的维氏硬度设定为180HV以上并且比在重叠的状态下最上侧的电磁钢板的维氏硬度高10HV以上。
3.一种叠片铁心的制造方法，其特征在于，通过将利用权利要求1或2所述的电磁钢板的冲裁加工方法制造的铁心素片进行层叠、一体化来制造叠片铁心。
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