JP2015155559A - 誘導加熱装置及び誘導加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの加工歪を防止し磁気特性を維持するとともに、高い生産性を確保することが可能な熱処理装置及び熱処理方法を提供する。
【解決手段】一形態にかかる積層鋼板の熱処理装置は、電磁鋼板が複数積層された積層鋼板の熱処理装置であって、前記積層鋼板を積層方向に加圧する加圧部と、前記積層鋼板における被処理部に対向配置され誘導加熱処理を行う加熱導体部と、を備え、前記誘導加熱処理において前記積層鋼板を加圧する圧力は０．１〜０．５ＭＰａであることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘導加熱装置及び誘導加熱方法に関する。

例えばモータのコア等に用いられる電磁鋼板において、プレス打ち抜きにより所定形状に加工することが行われている。薄い鋼板をプレス加工する際に塑性変形が生じるため、加工によって歪みが生じる。

特開平４−２７６０１９号公報 特開２００３−３４２６３７号公報

電磁鋼板において、加工歪みが生じると電磁特性が低下する要因となり得る。この加工歪を抑えるために炉で焼鈍を施すと、長時間を要するため生産性が低下してしまう。このため、加工歪を防止し磁気特性を維持するとともに高い生産性を確保できる方法が望まれている。

本発明の一形態に係る積層鋼板の熱処理装置は、電磁鋼板が複数積層された積層鋼板の熱処理装置であって、前記積層鋼板を積層方向に加圧する加圧部と、前記積層鋼板における被処理部に対向配置され誘導加熱処理を行う加熱導体部と、を備え、前記誘導加熱処理において前記積層鋼板を加圧する圧力は０．１〜０．５ＭＰａであることを特徴とする。

本発明の一形態に係る積層鋼板の熱処理方法は、電磁鋼板が複数積層された積層鋼板の熱処理方法であって、前記積層鋼板を積層方向において加圧し、前記積層鋼板における被処理部に対向配置され誘導加熱処理を行い、前記誘導加熱処理において前記積層鋼板を加圧する圧力は０．１〜０．５ＭＰａであることを特徴とする。

本発明によれば、加工歪を防止し磁気特性を維持するとともに、高い生産性を確保することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る誘導加熱装置を示す斜視図。 同実施形態に係る誘導加熱装置を示す断面図。 本実施形態に係るワークの構成を示す説明図。 本実施形態に係るワークのモータベンチ試験結果を示す説明図。

以下、本発明の一実施形態にかかる誘導加熱装置１（熱処理装置）及び誘導加熱方法（熱処理方法）について、図１及び図２を参照して説明する。各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。

図１は本実施形態に係る誘導加熱装置１の全体構成を概略的に示す斜視図、図２は断面図である。誘導加熱装置１は、積層鋼板であるワークＷ１に高周波加熱で焼鈍を行う装置であり、ワークＷ１を軸方向に押さえて支持する支持部１１（加圧部）と、ワークＷ１の被処理部Ａを誘導加熱する誘導加熱コイル１２と、を備えている。

図３に示すように、処理対象物の一例としてのワークＷ１は厚さ０．３〜０．４ｍｍ程度の鋼板１３が軸方向に複数枚（例えば１４０枚）積層された積層鋼板である。ワークＷ１は全体として高さ５０ｍｍ程度の円筒形状を成す。

各鋼板１３は、例えばモータのステータコアに用いられる電磁鋼板であり、中心に孔部１４を有し複数の溝１５が形成された円形の板状に打ち抜き加工されている。各電磁鋼板１３は、外側直径ｄ１＝２５０〜３００ｍｍ、内側直径ｄ２＝１５０〜２００ｍｍとした。溝１５はそれぞれ各鋼板１３の内側縁に径方向に沿って形成され、周方向に複数の溝１５が配されている。各鋼板１３の表面には絶縁層がコーティングされている。

本実施形態ではこのワークＷ１の内側面を被処理部Ａとし、孔部１４においてワークＷ１の内側面に対向するように誘導加熱コイル１２を配した。

各鋼板１３の外周の複数箇所には、外側に突出したタブ１６が一体に形成され、各タブには軸状の固定部材が積層方向に挿通される取付孔が形成されている。

支持部１１は、ワークＷ１の下方を支持する第１プレート２１（支持材）と、ワークＷ１の上側に配される第２プレート２２（支持材）と、一対のプレート２１，２２を接続する複数の支持軸２３と、支持軸２３の両端を締め付け固定する締付部材としてのナット２４と、支持軸２３に装着されたばね部材としての皿ばね２５及びカラー２６と、を備えている。

第１プレート２１及び第２プレート２２は例えばＳＵＳ等からなる板状部材であって、ワークＷ１よりも大径の円環状に構成されている。プレート２１，２２には、支持軸２３が挿通される挿通孔２１ａ，２２ａが１２０°間隔でそれぞれ３つずつ形成されている。

支持軸２３は例えば両端に雄ねじが形成されたＳＵＳ製の両ボルトであって、第１プレート２１と第２プレート２２に形成された挿通孔２１ａ，２２ａに挿通された状態で、その両端がＳＵＳ製のナット２４によって締め付け固定される。

上側の第１プレート２１とナット２４との間には、皿ばね２５と金属カラー２６が装着されている。皿ばね２５及び金属カラー２６は、例えばワークＷ１の外周の３箇所に１２０°間隔で設けられた支持軸２３の軸周りにそれぞれ装着した。

皿ばね２５は例えば軸方向に複数（図１，２では４個）積層して介装され、上側の第１プレート２１を低圧かつ定圧で第２プレート２２側に押圧する加圧し、ワークＷ１を積層方向に定圧で加圧する機能を果たす。皿ばね２５を装着することでワークＷ１が膨張しても均等な荷重をかけられる。

誘導加熱コイル１２は銅などの材質から例えば矩形の中空形状に形成されている。この中空部分１２ａは冷却液が流通する通路となる。誘導加熱コイル１２の一部はワークＷ１の内周部分に対向配置されて加熱導体部１７を構成する。誘導加熱コイル１２の両端はリード線や導電板を介して電力供給手段としての高周波電源に接続されている。加熱導体部１７の裏側にはコアが配置される。

加熱導体部１７はワークＷ１の孔部内において螺旋状に複数回巻き回され、ワークＷ１と同軸の円筒形を成している。なお、ワークＷ１の各電磁鋼板１３の磁気特性に影響するのは内周側であって外周側は磁気特性への影響が少ない。一方で、加熱温度が高すぎると鋼板１３の絶縁層が損傷するため、鋼板同士が接触して磁気損失が大きくなるいわゆるスティッキングの要因になる。このため、この実施形態では、加熱温度が高くなりすぎず、過加熱を防止し、かつ、磁気特性に影響する内径側を有効に熱処理するために、加熱導体部１７はワークＷ１の内周側の被処理部Ａに対向配置することとし、外周側には配置しない。被処理部Ａと加熱導体部１７の表面との間のギャップ寸法Ｇ１＝４〜６ｍｍで所定値に維持される。

コアは、ケイ素鋼板、ポリアイアンコア、フェロトロン等の高透磁率を有する材質からなり、加熱導体部１７の裏側すなわち被処理部Ａと反対側に配置され、加熱導体部１７の両側部及び後方の壁部を一体に備える断面コ字形状に形成されている。

以下、本実施形態にかかる誘導加熱方法（熱処理方法）について図１乃至図４を参照して説明する。本実施形態の誘導加熱方法は、支持部１１でワークＷ１を低圧かつ定圧で押さえ支持しながら誘導加熱焼鈍を施す。

積層方向における両端は優先的に加熱されるため、プレート２１，２２とワークＷ１の両端との間にダミーワークＷｄを配置した。ダミーワークＷｄは例えばワークＷ１と同様の外形を有する円環状であって、所定の厚みに構成されている。さらに、ダミーワークＷｄの上下においてプレート２１，２２との間にそれぞれ断熱材１９を配置した。断熱材１９は例えばヘミサル等の材質から円環状に構成され、プレート２１，２２とワークＷ１及びダミーワークＷｄとの間を断熱する機能を果たす。

ワークＷ１が支持部１１によって定圧加圧されて支持され、被処理部Ａに加熱導体部１７を対向させた状態で、高周波電源をＯＮ状態とすると、高周波電流が、リード線や導電板を介して加熱導体部１７に流れ、導電板、リード線、を順に経て、高周波電源に戻る。

加熱導体部１７において高周波電流は図中に矢印で示すように一端側から他端側向かって経て流れ、加熱導体部１７の表面に誘導電流が発生し、対向配置される被処理部Ａが誘導加熱される。

押さえ圧については電磁鋼板１３の熱膨張は押さえ込めないため、加圧力が高すぎるとかえって波打ったような変形を起こすことがある。したがって、加熱前には均等な微小荷重をかけ、熱膨張によって厚みが変わっても同等の荷重で押さえ続けることが望ましい。

加熱温度については、鋼板の絶縁被覆を破損しない範囲で設定することが望ましい。すなわち、鋼板同士が接触して磁気損失が大きくなるいわゆるスティッキングが起きないようにした。

これらの条件を満たすように処理条件を設定する。処理条件は、例えば電力２０〜５０ｋＷが望ましい。最高到達温度は５５０〜７５０°℃の範囲が望ましく、より好ましくは６００〜７００℃の範囲に設定する。なお、ここでは最高到達温度６５０°とし、加熱雰囲気０．１％Ｏ２以下とした。また加熱時間は１０ｍｉｎ以下とするのが望ましく、本実施形態では３００ｓｅｃ加熱とした。皿ばね２５による積層方向の押さえ圧力は０．１〜０．５ＭＰａ以下とするのが望ましく、より好ましくは、０．１〜０．２ＭＰａの範囲に設定する。焼鈍中に鋼板１３が膨張しても同圧力を維持する。

加熱工程の後に、ワークＷ１を冷却液で冷却し、終了する。

本実施形態の処理条件として、最高到達温度６５０°、加熱時間３００ｓｅｃ加熱、押さえ圧力０．２ＭＰａとした場合、厚み５０ｍｍでの変化量平均０．３ｍｍ（最大０．４１ｍｍ）、外径２６４ｍｍでの変化量平均８μｍ（最大２２μｍ）、内径１６２ｍｍでの変化量平均１μｍ（最大２μｍ）、真円度での変化量平均２．３μｍ（最大５μｍ）となった。

比較例として、電力２５〜３０ｋＷ、最高到達温度７００°、加熱時間３００ｓ、加熱雰囲気０．１％Ｏ２以下とするとともに、押さえ機構としては皿ばねによる低い定圧押さえではなく、ボルト締めによって固定トルク５Ｎ／ｍとし、焼鈍中の鋼板膨張時の制御を行わない場合には、厚み５０ｍｍでの変化量平均１ｍｍ（最大２．５ｍｍ）、外径２６４ｍｍでの変化量平均０．１ｍｍ（最大０．３ｍｍ）、内径１６２ｍｍでの変化量平均０．０３ｍｍ（最大０．１ｍｍ）となった。

すなわち、本実施形態の処理条件で誘導加熱処理を施したワークＷ１は、固定トルクを制御して加熱した比較例と比べて形状変化が小さいことがわかる。

図４は本実施形態に係る誘導加熱焼鈍処理を施したワークＷ１をステータとして組み込んだモータのモータベンチ試験結果を示すグラフである。グラフの縦軸はモータベンチにて無負荷引摺り損を測定したものである。

本実施形態に係る誘導加熱処理を行ったワークＷ１の他、比較対象として焼鈍処理を施さないワーク（生コア）Ｗ０と、炉でのベース焼鈍を行ったワークＷ２、２ＭＰａで加圧しながら誘導加熱処理を行ったワークＷ３、０．１ＭＰａで加圧しながら誘導加熱処理を行ったワークＷ４、を組み込んだモータの試験結果をそれぞれ示す。図４によれば、低加圧の条件で処理を行ったワークＷ１，Ｗ４で損失低減効果が見られ、高加圧で誘導加熱処理を行ったワークＷ３では損失が増加している。

本実施形態にかかる誘導加熱装置及び誘導加熱方法によれば、以下のような効果が得られる。すなわち、低い定圧で加圧した状態で低温短時間での高周波誘導加熱焼鈍処理によって、積層鋼板の形状変化を抑えつつ、プレス打ち抜き後の磁気損失が改善できる。例えば炉では目標温度８００℃で数時間の処理時間を要するが、上記本実施形態では６５０℃、３００ｓｅｃ程度の誘導加熱処理で損失低減を実現可能であるため、短時間の処理で高い生産性を維持しつつ、磁気損失が少なく、変形の少ないワークを得ることができる。

加熱温度を低く設定したことにより、電磁鋼板１３の絶縁層の損傷を回避し、いわゆるスティッキングを防止できる。また、皿ばね２５を利用して低い定圧で加圧したことにより、熱膨張の影響を抑え、変形を小さく抑えることができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、各構成は適宜変形実施可能である。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、処理条件や、各構成要素の形状、材質、寸法などは上記実施形態で例示したものに限られず、適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態においてはモータのステータとして用いられる電磁鋼板をワークとしたが、これに限られるものではなく、他の各種鋼板をワークとして適用可能である。また被処理部についても、処理対象のワークの形状や磁気特性に影響する部位に応じて適宜その位置や形状を変更して実施可能である。例えばステータではなくロータをワークとした場合にはステータに対向する外周部分を被処理部に設定することで、上記実施形態と同様に加熱温度を上げすぎずに磁気特性を向上する温度範囲を設定しやすい。

また、スティッキングを防止するために、誘導加熱装置１０を収容するチャンバを用いて窒素雰囲気下で加熱処理することとしてもよい。

例えば加圧部として皿ばねに代えて圧力センサとプレス機を組み合わせて用いることも可能であり、この場合には特に量産設備として適用可能となる。

また、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を組合せてもよい。

Ｗ１…ワーク（積層鋼板）、Ａ…被処理部、Ｗｄ…ダミーワーク、１０…誘導加熱装置、１１…支持部（加圧部）、１２ａ…中空部分、１２…誘導加熱コイル、１３…電磁鋼板、１７…加熱導体部、１９…断熱材、２１…プレート、２２…プレート、２３…支持軸、２４…ナット、２５…皿ばね（ばね材）、２６…金属カラー

Claims (7)

1. 電磁鋼板が複数積層された積層鋼板の熱処理装置であって、
   前記積層鋼板を積層方向に加圧する加圧部と、
   前記積層鋼板における被処理部に対向配置され誘導加熱処理を行う加熱導体部と、
   を備え、
   前記誘導加熱処理において前記積層鋼板を加圧する圧力は０．１〜０．５ＭＰａであることを特徴とする積層鋼板の熱処理装置。
2. 前記被処理部の到達温度は５５０〜７５０℃であることを特徴とする請求項１記載の積層鋼板の熱処理装置。
3. 前記加圧部は、
   前記積層鋼板の積層方向両側に配される一対の支持材と、
   前記一対の支持材間を接続する支持軸と、
   前記支持軸に装着され前記ワークを前記積層方向に定荷重で加圧するばね材と、を備えたことを特徴とする請求項２記載の積層鋼板の熱処理装置。
4. 前記誘導加熱処理の加熱時間は６００ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項３記載の積層鋼板の熱処理装置。
5. 前記電磁鋼板はプレス打抜加工されたモータ用コアであって、ステータまたはロータの対向面側に前記加熱導体部が対向配置されることを特徴とする請求項３記載の誘導加熱装置。
6. 電磁鋼板が複数積層された積層鋼板の熱処理方法であって、
   前記積層鋼板を積層方向において加圧し、
   前記積層鋼板における被処理部に対向配置され誘導加熱処理を行い、
   前記誘導加熱処理において前記積層鋼板を加圧する圧力は０．１〜０．５ＭＰａであることを特徴とする積層鋼板の熱処理方法。
7. 前記被処理部の到達温度は５５０〜７５０℃であることを特徴とする請求項６記載の積層鋼板の熱処理方法。