CN113853732A - 电动机铁心的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的电动机铁心的制造方法包括如下步骤：通过利用来自表面的热输入的熔断对从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率比板厚方向中心位置的热导率低30％以上的电磁钢板进行加工，由此制造电动机铁心。需要说明的是，电磁钢板的板厚优选为0.20mm以下。另外，电磁钢板的从表面起到板厚的1/3深度位置为止的Si、Al、Mn浓度优选满足规定条件。此外，优选电磁钢板的板厚整体的成分浓度以质量％计为C：0.01％以下、Si：7％以下、Al：4％以下、Mn：5％以下。

Description

电动机铁心的制造方法
技术领域
本发明涉及电动机铁心的制造方法。
背景技术
以在航空航天领域、无绳吸尘器等中使用的电动机为代表，近年来对电动机的小型化的要求越来越强烈。对于这样的小型电动机而言，为了在保持输出的同时谋求小型化，高速旋转化在不断发展。随着电动机的高速旋转化，电动机铁心(motor core)的励磁频率变高。此外，也存在为了补偿因电动机的小型化降低的电动机转矩而使转子磁铁的极数增大，电动机铁心的励磁频率越来越高。作为这样的高速电动机的铁心材料(corematerial)，要求高频下的低铁损特性，Si、Al等使电阻率增加的合金元素的大量添加、板厚的减小被用作有效的手段。但是，合金元素的大量添加、减薄会使电动机铁心的冲裁加工变得困难。特别是在谋求小型化的情况下，电动机铁心变得非常小型，因此，作为铁心材料的电磁钢板的冲裁加工性差存在使冲裁加工的成品率降低、成本增大等问题。因此，对于不是冲裁加工而是通过使用激光等的电磁钢板的熔断进行的电动机铁心加工法进行了各种研究(参考非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：“Effect of laser cutting on microstructure and onmagnetic properties of grain non-oriented electrical steels”,Journal ofMagnetism and Magnetic Materials 256(2003)20-31
发明内容
发明所要解决的问题
但是，已知在使用激光等的电动机铁心加工法中，由于伴随向电磁钢板的热输入和冷却而产生向电磁钢板的应变引入，导致电磁钢板的磁特性的劣化。伴随由激光等引起的应变引入而产生的电磁钢板的磁特性的劣化比冲裁加工的情况大，因此使用激光等的电动机铁心加工法作为电动机铁心的制造方法存在问题。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供适合于小型且高速旋转的电动机的电动机铁心的制造方法。
用于解决问题的方法
本发明的电动机铁心的制造方法包括如下步骤：通过利用来自表面的热输入的熔断对从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率比板厚方向中心位置的热导率低30％以上的电磁钢板进行加工，由此制造电动机铁心。
上述电磁钢板的板厚优选为0.20mm以下。
上述电磁钢板的从表面起到板厚的1/3深度位置为止的Si、Al、Mn浓度优选满足以下的数学式(1)所示的条件。
Al+Si≥10Mn…(1)
上述电磁钢板的板厚整体的成分浓度以质量％计优选为C：0.01％以下、Si：7％以下、Al：4％以下、Mn：5％以下。
发明效果
根据本发明，能够提供适合于小型且高速旋转的电动机的电动机铁心的制造方法。
附图说明
图1是表示实施例的电动机铁心的构成的平面图。
图2是表示通过激光加工和冲裁加工制造的电动机铁心的热导率比与电动机效率的关系的图。
图3是表示板厚方向深度与热导率的关系的一例的图。
具体实施方式
本发明的发明人对由激光加工引起的电磁钢板的磁特性的劣化及其机理进行了调查，对抑制该劣化的电磁钢板进行了深入研究开发。在此，由激光加工引起的电磁钢板的磁特性的劣化是由随着利用激光引入的热输入和冷却而从电磁钢板的表面沿电磁钢板的平面方向广泛引入的应变引起的。另一方面，为了在应变沿平面方向扩展之前将电磁钢板熔断，优选来自表面的热输入积极地向电磁钢板的内部传递，而不易向平面方向传递。本发明的发明人根据以上的见解和构思，实施以下所示的实验，从而想到了本发明。
首先，为了明确激光加工条件和电磁钢板内部的热导率对电动机效率带来的影响，使用1.0T-1000Hz下的铁损相同、但板厚方向的热导率不同的厚度为0.10mm的电磁钢板进行电动机试制和评价。这些电磁钢板通过使用具有以下的表1所示的中心层相当的Si浓度的冷轧钢板并利用渗硅法提高其表层的Si浓度来制作。需要说明的是，电动机铁心的加工方法采用冲裁加工或激光加工。
其结果发现，在从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率(在表1中表示为表层平均热导率)比板厚方向中心位置的热导率低30％以上的电磁钢板中，由激光加工引起的电磁钢板的磁特性的劣化小。此外发现，作为优选的电磁钢板的构成，通过从表面起到板厚的1/3深度位置为止的Si、Al、Mn浓度满足以下所示的数学式(1)，可以得到磁特性的劣化更小的磁特性优良的电磁钢板，从而想到了发明。
Al+Si≥10Mn…(1)
已知Si、Al、Mn通过使电磁钢板的电阻率增加、降低涡流损耗而使电磁钢板的磁特性提高。但是，Mn使电磁钢板的热膨胀率增大，因此在来自表面的热输入时，热影响区域膨胀，促进向电磁钢板的应变引入。因此认为，Mn通过相对于Si、Al的添加量添加适当量以下来进一步抑制电磁钢板的磁特性的劣化。需要说明的是，本发明是通过基于激光加工的研究努力而想到的，但通过利用来自表面的热输入的熔断加工、例如利用电子束等的熔断加工也可以得到相同的效果。
以下，对本发明的电动机铁心的制造方法进行说明。
在本发明的电动机铁心的制造方法中，通过利用来自表面的热输入的熔断对从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率比板厚方向中心位置的热导率低30％以上电磁钢板进行加工，由此抑制激光加工时的对电磁钢板的平面方向的热影响，并且使热量向板厚方向通过而使电磁钢板的熔断变得容易。由此，能够抑制向电磁钢板的应变引入，从而抑制电磁钢板的磁特性的劣化。
在此，在SiCl4下对通过冷轧制成最终成品厚度的电磁钢板实施1200℃的热处理，对表层的Si量进行各种调节，使从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率和板厚方向中心位置的热导率发生各种变化。然后，使用这些电磁钢板制作图1所示的小型电动机(齿宽8.0mm)，进行电动机效率的评价。电动机铁心的加工法采用激光加工或冲裁加工。在激光加工的情况下，使用频率1500Hz-输出500W的CO2脉冲激光，以5MPa喷吹作为辅助气体的氧气，将激光的扫描速度设定为约5000mm/分钟。另外，将电动机的驱动条件设定为50mNm-90000rpm，输出的测定使用菅原研究所制造的电动机转矩试验机EMM-100M。
将所得到的结果示于以下的表1，并且将从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率相对于板厚方向中心位置的热导率之比(热导率比)与电动机效率的关系示于图2。由此可知，在通过冲裁加工制造的电动机铁心中未发现热导率比对电动机效率的影响，但在通过激光加工制造的电动机铁心中，在热导率比为0.7以下的情况(即，在从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率比板厚方向中心位置的热导率低30％以上的情况)下，电动机效率显著提高。进一步优选从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率比板厚方向中心位置的热导率低50％以上。
Figure BDA0003363579930000061
对电磁钢板赋予板厚方向的热导率的变化的方法没有特别限定，例如，如后述的实施例所示，可以利用对电磁钢板实施化学气相沉积(CVD)处理的渗硅技术、将成分不同的电磁钢板接合而成的复合钢的制造技术等。在此，板厚方向的热导率可以利用热物性显微镜(べテル公司制造：サーモウェーブアナライザTM3)等进行评价。需要说明的是，关于电磁钢板的热导率的绝对值，与发明效果无关，但为了通过利用激光的热输入进行加工，总板厚的平均热导率优选为10W/mK以上，进一步优选为15W/mK以上。
需要说明的是，对于高速旋转电动机而言，由于要求高频的低铁损特性，因此，电磁钢板的板厚优选设定为对降低涡流有效的板厚即0.20mm以下，更优选为0.15mm以下，进一步优选为0.10mm以下。
另外，为了降低高频下的铁损，添加使电磁钢板的电阻率增加的元素是有效的，但过量添加Mn时，由于热膨胀率的增大而促进激光加工时向电磁钢板的应变引入，因此有可能使电磁钢板的磁特性劣化。因此，优选从表面起到板厚的1/3深度位置为止的Si、Al、Mn浓度满足以下的数学式(1)所示的关系式，并且Mn的添加量相对于Al和Si的添加量为一定以下。
Al+Si≥10Mn…(1)
另外，在电磁钢板中存在过量的C(碳)时，引起磁时效，使电磁钢板的磁特性劣化。因此，电磁钢板的板厚整体的碳浓度以质量％计为0.01％以下，优选为0.001％以下。另外，Si、Al、Mn使电磁钢板的电阻率增加而有助于涡流损耗的降低，因此添加是有效的，但另一方面，这些元素的过量添加导致电磁钢板的饱和磁通密度。因此，电磁钢板的板厚整体的浓度(平均浓度)优选以质量％计分别设定为Si：7％以下、Al：4％以下和Mn：5％以下。
另外，使由加工时引入的应变的影响引起的电磁钢板的磁特性的劣化变得显著的是齿宽为10mm以下，因此，在本发明的电动机铁心的制造方法中，优选将齿宽为10mm以下的电动机作为对象。
另外，本发明的电磁钢板是由来自表面的热输入引起的应变引入所导致的磁特性的劣化小的电磁钢板，因此，通过利用激光、电子束等的热输入进行加工，与利用剪切的加工相比能够制造磁特性优良的电动机铁心。对激光加工的条件(例如输出、气体条件)、电子束的加工条件(例如加速电压或电流、照射时的气氛)没有限制，可以根据铁心材料的板厚、所要求的加工速度等进行调节。但是，在本发明中，由于将比0.20mm厚度薄的电磁钢板作为加工的对象，因此，使用不必要的高输出的激光会助长由热引起的应变引入，因此，从磁特性的观点考虑不优选。因此，激光输出优选为500W以下，进一步优选为250W以下。另外，从同样的观点考虑，优选激光直径细，优选使用直径为50μm以下的单模光纤激光等。
另外，绝缘覆膜对所使用的电磁钢板的必要性与通常的电磁钢板相同，可以在电磁钢板的单面或双面预先具备具有充分绝缘性的绝缘覆膜。另外，在本发明中，假定不实施不仅制造成本增加、而且设备投资成本增加的铁心形成后的消除应变退火的用途。需要说明的是，在形成铁心时，电磁钢板的层叠只要通过铆接、粘接等将铁心固定即可，对其方法没有特别限制。
另外，在所使用的电磁钢板中在范围内添加下述元素对提高磁特性是有效的。对于Sn、P、Sb而言，根据需要在0.1％以下的范围内优选添加0.001％以上。这是因为，通过改善织构，铁心的磁通密度提高。另一方面，当添加量大于0.1％时，其效果饱和，徒劳地导致成本上升，因此将添加量的上限设定为0.1％。
另外，关于所使用的电磁钢板的制造方法，只要形成满足上述条件的电磁钢板，则没有特别限制，可以应用各种方法。例如可以例示以下的(1)～(3)所示的制造方法。
(1)将成分不同的材料在转炉中进行吹炼，对钢水进行脱气处理，调节为规定的成分，接着进行铸造，制成板坯，然后，进行表面的修整后进行贴合，利用电子束等进行熔敷。然后，利用通常的方法对板坯进行热轧，接着，通过一次冷轧或温轧、或者夹着中间退火的两次以上冷轧或温轧制成规定的板厚，然后进行最终退火。
(2)将规定的成分的材料在转炉中进行吹炼，对钢水进行脱气处理，调节为规定的成分，通过通常的方法对板坯进行热轧，接着，通过一次冷轧或温轧、或者夹着中间退火的两次以上冷轧或温轧制成规定的板厚，然后通过CVD法等使Si等元素渗入电磁钢板表面，从而形成板厚方向的热导率分布。
(3)将规定的成分的材料在转炉中进行吹炼，对钢水进行脱气处理，调节为规定的成分，通过通常的方法对板坯进行热轧，接着，通过一次冷轧或温轧、或者夹着中间退火的两次以上冷轧或温轧制成规定的板厚，然后向电磁钢板上粘贴铝箔，在非氧化性气氛下进行最终退火。
[实施例1]
通过以下的表2所示的板厚方向的成分和制造方法制作成为电动机铁心的原材的电磁钢板。对这些电磁钢板进行板厚方向的热导率评价和基于JIS C2550-1中规定的爱泼斯坦试验的铁损评价(W10/1000)。作为一例，在图3中示出对No.1的电磁钢板的板厚方向的热导率进行测定而得到的结果。此外，使用各个电磁钢板制作图1所示的小型电动机，进行电动机效率的评价。在此，将电动机的驱动条件设定为50mNm-90000rpm，输出的测定使用菅原研究所制作的电动机转矩试验机EMM-100M。需要说明的是，表2中的电磁钢板的制造方法的符号与上述制造方法(1)～(3)对应。各自的中途工序的条件如下所述，均以形成成分不同的层在表层(表面和背面)和中心层中各为1/3的构成的方式来调节条件。
(1)在转炉中进行吹炼，然后进行脱气处理，由此调节为规定的成分，然后进行铸造，进行表面的修整后，贴合成分不同的板坯，接着将板坯再加热至1200℃，通过热轧制成板厚1.8mm。进而，通过冷轧制成最终成品厚度，在干燥N2气氛下实施1000℃的退火。
(2)在转炉中进行吹炼，然后进行脱气处理，由此调节为规定的成分，然后进行铸造，接着将板坯再加热至1200℃，通过热轧制成板厚1.8mm。进而，通过冷轧制成最终成品厚度，在SiCl4下实施1200℃的热处理，调节表层的Si量。
(3)在转炉中进行吹炼，然后进行脱气处理，由此调节为规定的成分，然后进行铸造，进行表面的修整后，将板坯再加热至1200℃，通过热轧制成板厚1.8mm。进而，通过冷轧制成最终成品厚度，在电磁钢板的双面粘贴10μm的铝箔，在将电磁钢板层叠、拘束的状态下，在N2气氛下实施900℃×5小时的退火。
需要说明的是，电动机铁心的加工法设定为激光加工或冲裁加工。在激光加工的情况下，使用频率1500Hz-输出500W的CO2脉冲激光，以5MPa喷吹作为辅助气体的氧气，将激光的扫描速度设定为约5000mm/分钟。
将评价结果一并示于以下所示的表2。如表2所示可知，对于电磁钢板表层的热导率比中心低30％以上的材料而言，可以得到高效率的电动机特性。另一方面，对于表层的热导率不比中心低30％以上的材料而言，虽然爱泼斯坦铁损值优良，但电动机效率较差。另外，对No.1与No.2进行比较时，虽然电磁钢板为相同的材料，但铁心的加工方法为冲裁加工的No.2的电动机效率较差。认为这是因为，本发明的电磁钢板在激光加工时磁特性的劣化比冲裁加工时小。另外，在表层的成分满足上述数学式(1)的条件下，通过激光加工形成的电动机的效率具有提高的倾向。认为这是因为，抑制了由于表层中存在Mn而引起的热膨胀率的增大，进一步减轻了热输入时的向电磁钢板的应变引入。
Figure BDA0003363579930000121
[实施例2]
对表2所示的No.5的材料评价加工中使用的激光条件的影响。激光条件以外的评价方法与实施例1相同。在以下的表3中与激光条件一起示出电动机评价的结果。如表3所示，在利用连续振荡方式的CO2激光进行照射的条件下，与利用同等输出的脉冲振荡方式的CO2激光进行加工的条件相比，电动机效率较差。另一方面，在利用脉冲振荡方式的CO2激光且以250W的低输出进行加工的条件下，电动机效率优良。此外，通过使用光纤激光作为振荡源而不是CO2激光，进一步确认到电动机效率的提高。
[表3]
(表3)
Figure BDA0003363579930000131
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供适合于小型且高速旋转的电动机的电动机铁心的制造方法。

Claims (4)

1.一种电动机铁心的制造方法，其包括如下步骤：
通过利用来自表面的热输入的熔断对从表面起到板厚的1/3深度位置为止的平均热导率比板厚方向中心位置的热导率低30％以上的电磁钢板进行加工，由此制造电动机铁心。
2.如权利要求1所述的电动机铁心的制造方法，其中，所述电磁钢板的板厚为0.20mm以下。
3.如权利要求1或2所述的电动机铁心的制造方法，其中，所述电磁钢板的从表面起到板厚的1/3深度位置为止的Si、Al、Mn浓度满足以下的数学式(1)所示的条件，
Al+Si≥10Mn…(1)。
4.如权利要求1～3中任一项所述的电动机铁心的制造方法，其中，所述电磁钢板的板厚整体的成分浓度以质量％计为C：0.01％以下、Si：7％以下、Al：4％以下、Mn：5％以下。
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