JP7459905B2 - Manufacturing method of rotor core - 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。 Drive motors used in electric vehicles are driven in a high frequency range from the viewpoint of miniaturization and high efficiency. As such a motor, an internal magnet type motor (IPM motor) in which a permanent magnet is embedded inside a rotor core is often employed.
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 strength characteristics mainly from the perspective of materials, 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 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 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 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 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 a large amount of 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 punching, 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.
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、端面に存在する結晶粒界に段差が生じて、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を困難になる。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, in the method disclosed in Patent Document 1, the pores are formed once by a method other than chemical dissolution, and then the ends of the pores are treated by chemical dissolution, which reduces productivity. There is a cost issue. Furthermore, in the chemical dissolution treatment, the dissolution rate differs depending on the orientation difference of the crystal grains at the end face. As a result, a step is generated in the grain boundaries existing at the end face, and stress is concentrated in this portion, so that there is a problem that a sufficient effect of improving fatigue properties cannot be obtained. Further, the method of performing laser peening disclosed in Patent Document 2 has a problem of poor productivity. Furthermore, when the electromagnetic steel sheet is melted across laminated layers by laser irradiation, a short circuit occurs at the melted end face, increasing eddy current loss and reducing motor efficiency. In addition, the technology disclosed in Patent Documents 3 and 4 that prepares the cut surface of a steel plate processed into a core shape through post-processing improves fatigue strength, but requires strict control of the dimensional accuracy of the core and greatly improves the characteristics of the motor. It becomes difficult to control the air gap, which is a influencing design factor. Therefore, there was a problem that variations in motor characteristics increased, and this could not be the optimal method for obtaining a rotor core with excellent fatigue strength. Furthermore, in the techniques disclosed in Patent Documents 3 and 4, the rotor core is manufactured from a raw steel plate by mechanical processing, so in the case of a high-strength steel plate, the mold is subject to severe wear, etc. There were also problems with quality control.
As mentioned above, even though the strength characteristics of the rotor core have been improved in terms 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、ブリッジ部の切断面、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、その切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径を１０．０μｍ以下に制御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 discovered that in a steel plate processed into a rotor shape (hereinafter also referred to as "rotor core material"), the part where the stress concentration due to centrifugal force is greatest is the bridge part of the rotor core (the hole in which the magnet is embedded). We focused on the fact that this is the part between the hole and the hole. We then conducted extensive research into ways to improve the fatigue characteristics of the bridge section. As a result, it is effective not only to smooth the cut surface of the bridge part, that is, the cut surface of the hole in which the magnet is embedded, but also to control the average grain size of recrystallized grains adjacent to the cut surface to 10.0 μm or less. It is. Furthermore, in order to achieve this, the inventors have discovered that it is necessary to form the holes by thermal cutting and to optimize the heat beam irradiation conditions for the thermal cutting, leading 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、各孔の切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅが１０．０μｍ以下であることを特徴とするロータコアである。 Based on the above findings, the present invention 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 average grain size De of the recrystallized grains adjacent to the cut surface of each hole is 10.0 μm or less.
本発明の上記ロータコアは、上記切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅが、母材鋼板の平均結晶粒径Ｄｂの１／３以下であることを特徴とする。 The rotor core of the present invention is characterized in that the average grain size De of the recrystallized grains adjacent to the cut surface is ⅓ or less of the average grain size Db of the base steel plate.
また、本発明の上記ロータコアは、上記切断面から深さ２０μｍ以上にわたって再結晶粒が存在していることを特徴とする。 Further, the rotor core of the present invention is characterized in that recrystallized grains exist over a depth of 20 μm or more from the cut surface.
また、本発明の上記ロータコアは、上記素材鋼板に、未再結晶組織または加工組織が残留していることを特徴とする。 Further, the rotor core of the present invention is characterized in that an unrecrystallized structure or a processed structure remains in the raw steel plate.
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。 Further, the rotor core of the present invention is characterized in that the thermal cutting process is 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。 Further, the rotor core of the present invention is characterized in that permanent magnets are inserted into some or all of the holes.
また、本発明は、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、切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅが１０．０μｍ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 contains C: 0.0005-0.01 mass%, Si: 7 mass% or less, Mn: 0.05-3 mass%, and Al: 3 mass% or less, and optionally contains 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%, This rotor core manufacturing method involves forming multiple holes in rotor core-shaped steel plates taken from base steel plates with a composition consisting of the remainder being Fe and unavoidable impurities by thermal cutting, and then stacking the steel plates to assemble the rotor core. In the thermal cutting process, a heat beam is irradiated at an angle of 1 to 5 degrees toward the hole side to be cut off relative to the perpendicular line of the steel plate surface, so that the average grain size De of the recrystallized grains adjacent to the cut surface is 10.0 μm or less.
本発明の上記ロータコアの製造方法は、上記切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅを、母材鋼板の平均結晶粒径Ｄｂの１／３以下とすることを特徴とする。 The rotor core manufacturing method of the present invention is characterized in that the average grain size De of the recrystallized grains adjacent to the cut surface is set to ⅓ or less of the average grain size Db of the base steel plate.
また、本発明の上記ロータコアの製造方法は、上記切断面から深さ２０μｍ以上にわたって再結晶粒を存在させることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing the rotor core of the present invention is characterized in that recrystallized grains are present over a depth of 20 μm or more from the cut surface.
また、本発明の上記ロータコアの製造方法は、上記素材鋼板に、未再結晶組織または加工組織が残留してい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 base steel sheet has a non-recrystallized structure or processed structure remaining.
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。 Further, the rotor core manufacturing method of the present invention is characterized in that the thermal cutting process 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 using any of the cores described above as the rotor core, wherein 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. The motor is characterized by:
本発明によれば、エアギャップの設計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 design freedom of the air gap, which not only increases the efficiency of the motor but also greatly improves its reliability.
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 a high-speed motor to which the present invention is directed is a rotor core to which centrifugal force is repeatedly applied. This rotor core is usually assembled by laminating steel plates (rotor core material) that have been processed into the outer peripheral shape of the rotor core by punching raw steel plates or thermal cutting using a heat beam such as a laser beam, and then fixing them with caulking, etc. It is something. In order to improve efficiency, a plurality of permanent magnets are embedded in the rotor core of the 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。 Here, in the case of a rotor core having a shape as shown in Fig. 1, the centrifugal force caused by high-speed rotation is caused by the bridge part (in Fig. 1) sandwiched between the hole into which the magnet is inserted (magnet insertion hole) and the hole. is known to concentrate in the A or B part of the Therefore, such portions are susceptible to fatigue failure due to repeatedly applied centrifugal force.
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隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅを１０．０μｍ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。ここで、上記「切断面に隣接する」とは「切断面に露出した」という意味である。そして、上記段再結晶粒の平均粒径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。 Therefore, the inventors conducted extensive studies to solve the above problems. As a result, as will be described later, in order to improve the fatigue properties of the rotor core with good productivity, it is necessary to form the magnet insertion hole by thermal cutting, and to form the average grain size of the recrystallized grains adjacent to the cut surface by the thermal cutting. It has been found that controlling the diameter De to 10.0 μm or less is extremely effective. Here, the above-mentioned "adjacent to the cut surface" means "exposed to the cut surface." In order to achieve the above-mentioned average grain size of the step recrystallized grains, when forming the magnet insertion hole by thermal cutting, the thermal beam used for cutting must be directed perpendicular to the surface of the steel sheet, as shown in Figure 2. We have also found that it is important to perform the cutting process by irradiating the hole side at an angle of 1 to 5 degrees.
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。 In the present invention, thermal beams used for cutting steel plates include laser beams, electron beams, plasma beams, gas cutting, etc.; however, hereinafter, the description of the present invention will refer to laser cutting as thermal cutting. This will be explained using an example.
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６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：７００Ｗ、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：７００Ｗ、走査速度：１０ｍ／ｍｉｎ、レーザビームの傾斜角θ＝２．５°）
・方法６：レーザ切断加工（シングルモードファイバーレーザ、出力：７００Ｗ、走査速度：１０ｍ／ｍｉｎ、レーザビームの傾斜角θ＝５°）
（上記方法４～６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 be described below.
The composition contains C: 0.0015 mass%, Si: 3.7 mass%, Mn: 0.5 mass%, Al: 1.0 mass% and S: 0.002 mass%, with the balance consisting of Fe and inevitable impurities. A rotor core material having the shape shown in FIG. 1 was produced by the following six methods using an electromagnetic steel plate having a thickness of 0.20 mm as a material.
・Method 1: Punching using a mold (clearance: 5% of plate thickness)
・Method 2: Smooth the cut surface of the rotor core material obtained in Method 1 by mechanical polishing ・Method 3: Smooth the cut surface of the rotor core material obtained in Method 1 with a ferric chloride aqueous solution (45 Baume, liquid temperature 45 ° C.) Process for 10 seconds ・Method 4: Laser cutting processing (single mode fiber laser, output: 700W, scanning speed: 10m/min, laser beam inclination angle θ = 0°)
・Method 5: Laser cutting processing (single mode fiber laser, output: 700W, scanning speed: 10m/min, laser beam inclination angle θ = 2.5°)
・Method 6: Laser cutting processing (single mode fiber laser, output: 700W, scanning speed: 10m/min, laser beam inclination angle θ = 5°)
(As shown in Figure 2, the inclination angle θ of the laser beam in methods 4 to 6 above refers to the inclination angle of the laser beam from the perpendicular to the steel plate surface toward the hole to be cut.)
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、１０７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.
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２．５°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、疲労強度が大きく向上している。さらに、傾斜角θを５°に設定した方法６では、表面粗さＲａは５と同レベルであるが、疲労強度はより向上していることがわかった。
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 was performed using method 4 (tilt angle θ: 0°), the surface roughness Ra was at the same level as method 2, but the fatigue strength was not as good as method 2. However, in method 5, in which the tilt angle θ was set to 2.5°, the fatigue strength was greatly improved, even though the surface roughness Ra was at the same level as methods 2 and 4. Furthermore, in method 6, in which the tilt angle θ was set to 5°, the surface roughness Ra was at the same level as method 5, but the fatigue strength was further improved.
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）に隣接する再結晶粒（レーザ切断加工の入熱で再結晶した切断面に露出した結晶粒）の平均粒径と素材鋼板の平均結晶粒径Ｄｂを測定し、その結果を表１に併記した。なお、上記の再結晶粒の平均粒径Ｄｅは、切断面が観察可能な試料を樹脂モールドに埋め込み、切断面に露出した面をＥＢＳＤで測定した。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、端部に位置している結晶粒（切断面に露出した結晶粒）の粒径を測定する。そして、方位差角が５°以上の境界を結晶粒界として定義し、平均結晶粒径Ｄｅは、その結晶粒界で囲まれた５０個以上の結晶粒について、それぞれの面積から換算した円相当径の平均値である。また、素材鋼板の平均結晶粒径Ｄｂは、切断面から板厚の５倍以上離れた領域の断面について、上記と同様にして測定した円相当径の平均値である。 Therefore, in order to investigate the cause, a more detailed investigation was carried out on the cut surface of the test piece. Specifically, the average grain size of the recrystallized grains (grains exposed on the cut surface recrystallized by the heat input of the laser cutting process) adjacent to the cut surface (part C in Figure 3) of the parallel part of the fatigue test piece and the average grain size Db of the material steel plate were measured, and the results are shown in Table 1. The average grain size De of the recrystallized grains was measured by embedding a sample with an observable cut surface in a resin mold and measuring the surface exposed on the cut surface by EBSD. Specifically, as shown in Figure 4, the sample 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 grain size of the grains (grains exposed on the cut surface) located at the end was measured. Then, the boundary with an orientation difference angle of 5° or more was defined as a grain boundary, and the average grain size De was the average value of the circle equivalent diameter converted from the area of each of 50 or more grains surrounded by the grain boundary. In addition, the average grain size Db of the base steel plate is the average value of the circle equivalent diameter measured in the same manner as above for the cross section of the region at least 5 times the plate thickness away from the cut surface.
上記の測定結果から、レーザ切断加工において照射するレーザビームの傾斜角θを０°としてレーザ切断加工を行った切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅは、素材鋼板の平均結晶粒径Ｄｂと同レベルであったが、傾斜角θを２．５°および５°としてレーザ切断加工を行った切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅは、素材鋼板の平均結晶粒径Ｄｂより著しく微細化していることがわかった。これから、疲労強度が向上した原因は、表面粗さの低減による効果ではなく、切断面近傍の結晶粒が微細化し、切断面の強度や硬さが上昇したことによって、従来にない高い疲労強度を得られたものと推察された。 The above measurement results show that the average grain size De of the recrystallized grains adjacent to the cut surface when the laser cutting process was performed with the inclination angle θ of the irradiated laser beam set to 0° was at the same level as the average grain size Db of the base steel plate, but the average grain size De of the recrystallized grains adjacent to the cut surface when the laser cutting process was performed with the inclination angle θ set to 2.5° and 5° was significantly finer than the average grain size Db of the base steel plate. From this, it was inferred that the improvement in fatigue strength was not due to the effect of reducing surface roughness, but rather to the grains near the cut surface being finer, which increased the strength and hardness of the cut surface, resulting in an unprecedentedly high fatigue strength.
ここで、レーザの傾斜角θを１～５°の範囲としてレーザ切断加工を行うことで、切断面に隣接する（露出した）再結晶粒の平均粒径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、ロータ材へのレーザによる入熱が効果的になされ、焼鈍や誘導加熱では実現不可能な急速加熱・急速冷却を経ることで、切断面隣接部に微細な再結晶粒が形成される。 At present, the mechanism by which the average grain size of recrystallized grains adjacent to the cut surface (exposed) can be reduced by performing laser cutting with the laser inclination angle θ in the range of 1 to 5 degrees is not fully understood at present. Although it is not clear, the inventors think as follows. Multiple physical phenomena such as melting of the steel plate by laser irradiation, removal of the molten part by assist gas, and solidification of the molten part interact in a complex manner. Therefore, by irradiating the laser at a predetermined angle rather than perpendicular to the steel plate, the laser can effectively input heat into the rotor material, allowing rapid heating that cannot be achieved with annealing or induction heating. - Through rapid cooling, fine recrystallized grains are formed adjacent to the cut surface.
以上の結果から、切断面の疲労強度の向上には、切断面の表面粗さを単に小さくするだけでは不十分であり、さらに切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径を小さくすることによって、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られることがわかった。さらに、本発明のレーザ切断加工を適用することで、素材鋼板自体が微細な結晶粒を有していない場合でも、疲労強度の高いロータコアを製造できる可能性があることわかった。 From the above results, it is clear that simply reducing the surface roughness of the cut surface is not enough to improve the fatigue strength of the cut surface. It was discovered for the first time that a rotor core with unprecedentedly high fatigue strength could be obtained. Furthermore, it has been found that by applying the laser cutting process of the present invention, it is possible to manufacture a rotor core with high fatigue strength even when the material steel sheet itself does not have fine crystal grains.
そこで、発明者らは、さらに疲労強度を高める方策について検討を重ねた。その結果、切断面に隣接する（露出した）再結晶粒の平均粒径Ｄｅを母材鋼板の平均結晶粒径Ｄｂの１／３以下とすることがわかった。さらには、レーザ切断加工で微細化した再結晶粒が存在する範囲を切断面から深さ２０μｍ以上とすることで、より高い疲労強度が得られることもわかった。これは、一般に、結晶粒が微細化するほど、また、微細粒が広範囲に亘って存在しているほど鋼強度が上昇するので、疲労強度も向上したためであると考えられる。これにより、母材自体は磁気特性に有利な大きな結晶粒を有し、一方、切断面近傍は機械的強度に有利な微細粒を有するロータコアとなるので、磁気特性と機械的特性を両立させることが可能となる。 Therefore, the inventors conducted repeated studies on measures to further increase the fatigue strength. As a result, it was found that the average grain size De of the (exposed) recrystallized grains adjacent to the cut surface was set to 1/3 or less of the average grain size Db of the base steel sheet. Furthermore, it has been found that higher fatigue strength can be obtained by setting the range where recrystallized grains refined by laser cutting exist to a depth of 20 μm or more from the cut surface. This is thought to be because, in general, the steel strength increases as the grains become finer and the finer grains are present over a wider range, so the fatigue strength also improves. As a result, the base material itself has large crystal grains that are advantageous for magnetic properties, while the rotor core near the cut surface has fine grains that are advantageous for mechanical strength, making it possible to achieve both magnetic and mechanical properties. becomes possible.
また、本発明のレーザ切断加工の疲労強度向上効果は、仕上焼鈍で完全に再結晶させた素材鋼板のみならず、未再結晶組織や加工組織（圧延組織）が残留した素材鋼板に対しても有効であることもわかった。これは、素材鋼板に未再結晶組織や圧延組織が残留することで素材鋼板自体の強度を高めることができるが、未再結晶組織や圧延組織は高い歪エネルギーを有しているため、レーザ切断時の入熱で再結晶し易くなり、再結晶粒がより微細化するためと考えられる。したがって、モータに磁気特性より機械的特性を重視する場合は、未再結晶組織や加工組織を有する材料に本発明を適用するのが好ましい。
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。
It was also found that the fatigue strength improving effect of the laser cutting process of the present invention is effective not only for material steel sheets completely recrystallized by finish annealing, but also for material steel sheets with remaining unrecrystallized structures or processed structures (rolled structures). This is because the strength of the material steel sheet itself can be increased by leaving unrecrystallized structures or rolled structures in the material steel sheet, but the unrecrystallized structures and rolled structures have high strain energy, so they are easily recrystallized by the heat input during laser cutting, and the recrystallized grains become finer. Therefore, when mechanical properties are more important than magnetic properties for a motor, it is preferable to apply the present invention to materials with unrecrystallized structures or processed structures.
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ＣＯ２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、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ので、切断面に隣接する再結晶粒を均一に微細化するためには好ましい。 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, a continuous laser is preferable to a pulsed laser in order to uniformly refine the recrystallized grains adjacent to the cut surface, since 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Ｎ２、Ａｒガスなどを用いることができる。 Further, the laser output and scanning speed are not particularly limited as long as they can suppress the generation of dross and excessive sputtering. Further, in the laser cutting process of the present invention, it is preferable to spray assist gas in order to blow off the molten metal and prevent dross from adhering. There is no restriction on the type of gas to be sprayed, and compressed air, N 2 , 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 plate used for the rotor core of the present invention is preferably a non-oriented electrical steel plate having the following composition.
C: 0.0005~0.01mass%
Since C is an element that causes magnetic aging and deteriorates the magnetic properties of the product board, it is desirable to reduce it as much as possible, and in the present invention, it is preferably limited to 0.01 mass% or less. However, the lower limit is set to 0.0005 mass% because an extreme reduction in C causes an increase in refining cost. 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、とくに切断面の表面粗さ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 specific resistance 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 effects, the content is preferably 0.5 mass% or more. However, addition of more than 7 mass% not only causes a decrease in the magnetic flux density, but also makes the steel hard, and when manufacturing core materials by machining such as punching, the properties of the cut surface, especially the surface roughness of the cut surface, may be affected. It becomes difficult to make it smaller. Moreover, this is not preferable because it also causes an increase in raw material costs. Therefore, it is preferable to limit Si to 7 mass% or less. It is more preferably in the range of 2.5 to 6.5 mass%, and even more preferably 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%
Like Si, Mn is an effective element for increasing the specific resistance of steel, reducing iron loss, and increasing the strength of steel. It is also an element that improves hot workability. In order to obtain the above effects, the content is preferably 0.05 mass% or more. However, if it exceeds 3 mass%, not only will the magnetic flux density decrease, but the steel will become hard, resulting in a decrease in workability and an increase in raw material costs. Therefore, it is preferable that Mn be in the range of 0.05 to 3 mass%. More preferably, it is 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の粒界移動を抑制し、再結晶粒を微細化する効果がある。上記効果を得るためには、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、０．００１～０．１ｍａｓｓ％の範囲とするのが好ましいい。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 to 0.1 mass%
P has the effect of increasing the strength of steel and improving punching workability. In addition, P segregates at the grain boundaries, suppresses grain boundary movement during laser cutting, and refines recrystallized grains. In order to obtain the above effect, 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 it in the range of 0.001 to 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、Ｐと同様、結晶粒界に偏析してレーザ切断加工時の粒界移動を抑制し、再結晶粒を微細化する効果がある。しかし、０．０１ｍａｓｓ％を超えると、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０．０００５～０．００２０ｍａｓｓ％の範囲である。
S: 0.01 mass% or less S is an element that is contained as an unavoidable impurity, but like P, it segregates at grain boundaries, suppresses grain boundary movement during laser cutting, and suppresses recrystallized grains. It has the effect of making it finer. However, if it exceeds 0.01 mass%, precipitates are formed with Mn etc., leading to deterioration of magnetic properties, so the upper limit is preferably 0.01 mass%. More preferably, it is in the range of 0.0005 to 0.0020 mass%.
Ｓｎ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％、Ｓｂ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％
ＳｎおよびＳｂは、Ｐと同様、結晶粒界に偏析してレーザ切断加工時の粒界移動を抑制して再結晶粒を微細化する効果があるので、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%
Like P, Sn and Sb have the effect of segregating at grain boundaries, suppressing grain boundary migration during laser cutting, and recrystallizing grains, so it is preferable to contain 0.001 mass% or more of each. However, if the content exceeds 0.1 mass%, the rollability deteriorates and the raw material cost increases, so the upper limit is preferably set to 0.1 mass%. More preferably, each is in the range of 0.02 to 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 contain 0.0002 mass% or more of each. However, if the content exceeds 0.005 mass%, the above effect is saturated, so the upper limit is preferably set to 0.005 mass%. More preferably, each is in the range of 0.001 to 0.004 mass%.
次に、本発明にレーザ切断加工を適用する対象について説明する。
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、切断面を平滑化するには、ロータコアの外周面に何らかの追加の処理が必要となるため、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、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。
Next, objects to which the laser cutting process is applied in the present invention will be explained.
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, it is difficult to reduce the gap because some additional processing is required on the outer circumferential surface of the rotor core in order to smooth the cut surface. On the other hand, when the laser cutting process of the present invention is applied, the outer peripheral surface of the rotor core can be made into a smooth surface with small irregularities. As a result, when the laser cutting process of the present invention is applied, it is possible to reduce the shortest distance between the outer diameter of the rotor core and the inner diameter of the stator core to 0.30 mm or less, which greatly improves motor efficiency. can contribute. In principle, if the kerf width is greater than or equal to the width of the kerf during laser cutting, it is possible to manufacture a motor with an unprecedentedly narrow air gap.
なお、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。 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 for cooling the rotor core flows, which are subject to stress concentration due to centrifugal force, similar to the magnet insertion holes. can do. Therefore, in the present invention, it is not necessary that permanent magnets be inserted into all of the holes made by laser cutting. Further, the permanent magnet only needs to be inserted into a part of the opening area of the magnet insertion hole, and does 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切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％Ｈ２－８０ｖｏｌ％Ｎ２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。なお、一部の鋼板については、仕上焼鈍を施さず（Ｎｏ．６，１１）、あるいは、低温焼鈍（Ｎｏ．９）を施した。その後、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 remainder consisting of Fe and unavoidable impurities, is melted by a commonly known refining process, continuously cast to form a steel material (slab), and then hot-cast. It was rolled into a hot rolled sheet with a thickness of 2.3 mm. Next, this hot-rolled sheet was subjected to hot-rolled sheet annealing at 1000° C. for 10 seconds, pickled, and cold-rolled to obtain a cold-rolled sheet having the final thickness shown in Table 2. Next, the cold-rolled sheets were subjected to finish annealing in an atmosphere of 20 vol% H 2 -80 vol% N 2 at various temperatures shown in Table 2 for 10 seconds. Note that some of the steel plates were not subjected to finish annealing (Nos. 6 and 11), or were subjected to low-temperature annealing (No. 9). Thereafter, an organic-inorganic mixed insulating coating 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）から、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）に隣接する再結晶粒の平均結晶粒径Ｄｅと再結晶粒が存在する領域（切断面からの距離）ならびに素材鋼板の平均結晶粒径Ｄｂ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、１０７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。 Using the thus obtained product plate as a raw material, a steel plate (rotor core material) having the shape shown in FIG. 1 was processed by various methods shown in Table 2. Thereafter, a fatigue test piece having the shape shown in FIG. 3 was cut out from part A (see FIG. 1) of the rotor core material and subjected to a fatigue test. At this time, the average crystal grain size De of the recrystallized grains adjacent to the laser cut plane (section C, see Figure 3) in the parallel part of the test piece, the area where the recrystallized grains exist (distance from the cut plane), and the material steel plate The average crystal grain size Db was measured in the same manner as in the experiment described above. The fatigue test was conducted under the conditions of tension-tension (pulsing), stress ratio: 0.1, and frequency: 20 Hz, and the maximum stress at which no breakage occurred even after 107 repetitions was defined 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、切断加工に使用するレーザビームの傾斜角θを１～５°の範囲に設定して、レーザ切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅを１０．０μｍ以下とした場合のみである。一方、上記条件を外れるレーザ切断加工条件では、高い疲労強度が得られていないことがわかる。また、上記Ｄｅを素材鋼板のＤｂの１／３以下としたり、微細再結晶粒の存在領域を２０μｍ以上としたりすることで、より高い疲労強度が得られることもわかる。さらに、本発明のレーザ切断加工は、未再結晶組織や圧延組織を有する鋼板に適用しても、極めて高い疲労強度を得られることがわかる。 The results of the above measurements are shown in Table 2 together with the steel components and manufacturing conditions. From this result, high fatigue strength is obtained by setting the inclination angle θ of the laser beam used for cutting in the range of 1 to 5 degrees, and the average grain size of the recrystallized grains adjacent to the laser cut surface. This applies only when the diameter De is set to 10.0 μm or less. On the other hand, it can be seen that high fatigue strength was not obtained under laser cutting processing conditions outside the above conditions. It can also be seen that higher fatigue strength can be obtained by setting De to ⅓ or less of Db of the material steel sheet, and by setting the region where fine recrystallized grains exist to 20 μm or more. Furthermore, it can be seen that even when the laser cutting process of the present invention is applied to a steel plate having an unrecrystallized structure or a rolled structure, extremely high fatigue strength can be obtained.
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 the rotor core of an IPM motor in which centrifugal force is applied to the magnet, but also applies to the rotor core of a synchronous reluctance motor, etc., which does not have a magnet insertion hole, and the magnetic field for improving motor characteristics. It can also be applied to the field of configuring circuits.
Claims (7)
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、切断面に隣接する再結晶粒の平均粒径Ｄｅが１０．０μｍ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 for a rotor core, comprising forming a plurality of holes by thermal cutting in a rotor core-shaped steel plate taken from a base steel plate having a composition comprising C: 0.0005 to 0.01 mass%, Si: 7 mass% or less, Mn: 0.05 to 3 mass%, and Al: 3 mass% or less, and optionally P: 0.001 to 0.1 mass%, S: 0.01 mass% or less, Sn: 0.001 to 0.1 mass%, Sb: 0.001 to 0.1 mass%, Ca: 0.0002 to 0.005 mass%, and Mg: 0.0002 to 0.005%, with the balance being Fe and unavoidable impurities, and then laminating the steel plates to assemble the rotor core,
In the thermal cutting process, the heat beam is inclined by 1 to 5 degrees toward the hole side to be cut off with respect to the perpendicular line of the steel plate surface, thereby making the average grain size De of the recrystallized grains adjacent to the cut surface 10.0 μm or less. This is a manufacturing method of a rotor core.
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