KR20210151908A - 모터 코어의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 관한 모터 코어의 제조 방법은 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율이 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율보다 30%이상 낮은 전자 강판을, 표면으로부터의 입열에 의한 용단으로 가공하는 것에 의해 모터 코어를 제조하는 스텝을 포함한다. 또한, 전자 강판의 판 두께는 0.20㎜이하인 것이 바람직하다. 또, 전자 강판의 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 Si, Al, Mn 농도가 소정 조건을 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, 전자 강판의 판 두께 전체의 성분 농도가 질량%로, C:0.01%이하, Si:7%이하, Al:4%이하, Mn:5%이하인 것이 바람직하다.
Description
본 발명은 모터 코어의 제조 방법에 관한 것이다.
항공 우주 분야나 무선 청소기 등에 이용되는 모터로 대표되는 바와 같이, 모터에 대한 소형화의 요구는 근래 점점 강해져 오고 있다. 이러한 소형 모터에서는 출력을 유지하면서 소형화를 지향하기 위해, 고속 회전화가 진전되고 있다. 모터의 고속 회전화에 수반하여 모터 코어(모터 철심)의 여자 주파수는 높아진다. 또한, 모터의 소형화에 의해 저하하는 모터 토크를 보완하기 위해 로터 자석의 극수를 증대시키는 경우도 있으며, 모터 코어의 여자 주파수는 점점 높아지기만 한다. 이러한 고속 모터의 철심 재료(코어 재료)로서는 고주파에 있어서의 저철손 특성이 요구되고 있으며, Si나 Al 등의 비저항을 증가시키는 합금 원소의 다량 첨가나 판 두께의 저감이 유효한 수단으로서 이용되어 왔다. 그런데, 합금 원소의 다량 첨가나 박막화는 모터 코어의 펀칭 가공을 곤란하게 한다. 특히, 소형화를 지향하는 경우에는 모터 코어는 매우 소형으로 되기 때문에, 철심 재료인 전자 강판의 펀칭 가공성의 악화는 펀칭 가공의 제조효율을 저하시키고 코스트가 증대하는 등의 과제가 있었다. 그래서, 펀칭 가공이 아닌 레이저 등을 이용한 전자 강판의 용단에 의한 모터 코어 가공법에 관해 다양한 검토가 이루어지고 있다(비특허문헌 1 참조).
비특허문헌 1:"Effect of laser cutting on microstructure and on magnetic properties of grain non-oriented electrical steels", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 256(2003) 20-31
그러나, 레이저 등을 이용한 모터 코어 가공법에서는 전자 강판에의 입열 및 냉각에 수반하는 전자 강판에의 왜곡의 도입에 의해서 전자 강판의 자기 특성의 열화를 초래하는 것이 알려져 있다. 레이저 등에 의한 왜곡의 도입에 수반하는 전자 강판의 자기 특성의 열화는 펀칭 가공의 경우에 비해 크기 때문에, 레이저 등을 이용한 모터 코어 가공법은 모터 코어의 제조 방법으로서는 과제가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 소형이고 또한 고속 회전의 모터에 적합한 모터 코어의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 관한 모터 코어의 제조 방법은 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율이 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율보다 30%이상 낮은 전자 강판을, 표면으로부터의 입열에 의한 용단으로 가공하는 것에 의해 모터 코어를 제조하는 스텝을 포함한다.
상기 전자 강판의 판 두께는 0.20㎜이하이면 좋다.
상기 전자 강판의 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 Si, Al, Mn 농도가 이하의 식 (1)에 나타내는 조건을 만족시키면 좋다.
상기 전자 강판의 판 두께 전체의 성분 농도는 질량%로, C:0.01%이하, Si:7%이하, Al:4%이하, Mn:5%이하이면 좋다.
본 발명에 따르면, 소형이고 또한 고속 회전의 모터에 적합한 모터 코어의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예의 모터 코어의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 2는 레이저 가공 및 펀칭 가공으로 제조한 모터 코어에 있어서의 열전도율 비와 모터 효율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 판 두께 방향 깊이와 열전도율의 관계의 일예를 나타내는 도면이다.
도 2는 레이저 가공 및 펀칭 가공으로 제조한 모터 코어에 있어서의 열전도율 비와 모터 효율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 판 두께 방향 깊이와 열전도율의 관계의 일예를 나타내는 도면이다.
본 발명의 발명자들은 레이저 가공에 의한 전자 강판의 자기 특성의 열화와 그 메커니즘에 대해 조사를 실행하고, 이것을 억제하는 전자 강판에 대해 예의 연구 개발을 실행하였다. 여기서, 레이저 가공에 의한 전자 강판의 자기 특성의 열화는 레이저에 의해서 도입되는 입열 및 냉각에 수반하여 전자 강판의 표면에서 전자 강판의 평면 방향에 넓게 도입되는 왜곡에 의한 것이었다. 한편, 왜곡이 평면 방향으로 확대되기 전에 전자 강판을 용단하기 위해서는 표면으로부터의 입열은 적극적으로 전자 강판의 내부에 전달되고, 평면 방향으로는 잘 전달되지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 발명자들은 이상의 지견과 착상으로부터, 이하에 나타내는 실험을 실시하고, 본 발명을 상도하기에 이르렀다.
우선, 레이저 가공 조건과 전자 강판 내부의 열전도율이 모터 효율에 미치는 영향을 명백하게 하기 위해, 1.0T-1000Hz에 있어서의 철손이 동등하면서, 판 두께 방향의 열전도율이 다른 두께 0.10㎜의 전자 강판을 이용하고 모터 시작 및 평가를 실행하였다. 이들 전자 강판은 이하의 표 1에 나타내는 중심층 상당의 Si 농도를 갖는 냉연강판을 이용하고, 그 표층의 Si 농도를 침규법에 의해서 높이는 것에 의해 제작하였다. 또한, 모터 코어의 가공 방법은 펀칭 가공 또는 레이저 가공으로 하였다.
그 결과, 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율(표 1에 표층 평균의 열전도율로 나타냄)이 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율보다 30%이상 낮은 전자 강판에서는 레이저 가공에 의한 전자 강판의 자기 특성의 열화가 작은 것을 지견하였다. 또한, 바람직한 전자 강판의 구성으로서는 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 Si, Al, Mn 농도가 이하에 나타내는 식 (1)을 만족시키는 것에 의해, 더욱 자기 특성의 열화가 작은 우수한 자기 특성의 전자 강판이 얻어지는 것을 지견하고, 발명을 상도하기에 이르렀다.
Si, Al, Mn은 전자 강판의 비저항을 증가시키고, 와전류손을 저감하는 것에 의해, 전자 강판의 자기 특성을 향상시키는 것이 알려져 있다. 그런데, Mn은 전자 강판의 열팽창율을 증대시키기 위해, 표면으로부터의 입열시에 열 영향 영역이 팽창하고, 전자 강판에의 왜곡 도입을 촉진시켜 버린다. 이 때문에, Mn은 Si, Al의 첨가량에 대해 적정한 양 이하의 첨가에 의해, 전자 강판의 자기 특성의 열화를 더욱 억제한다고 생각된다. 또한, 본 발명은 레이저 가공에 의한 연구의 도입에 의해 상도된 것이지만, 표면으로부터의 입열에 의한 용단 가공, 예를 들면 전자빔 등을 이용한 용단 가공에서도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
이하, 본 발명에 관한 모터 코어의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명에 관한 모터 코어의 제조 방법에서는 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율이 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율보다 30%이상 낮은 전자 강판을, 표면으로부터의 입열에 의한 용단으로 가공하는 것에 의해, 레이저 가공시의 전자 강판의 평면 방향으로의 열 영향을 억제하면서도, 판 두께 방향으로는 열을 통과시키고 전자 강판의 용단을 용이하게 한다. 이것에 의해, 전자 강판에의 왜곡 도입을 억제하여 전자 강판의 자기 특성의 열화를 억제할 수 있다.
여기서, 냉간압연에 의해 최종 마무리 두께로 한 전자 강판에 SiCl4하에서 1200℃의 열처리를 실시하고 표층의 Si량을 다양하게 조정하고, 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율과 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율을 다양하게 변화시켰다. 그리고, 이들 전자 강판을 이용하여 도 1에 나타내는 소형 모터(티스 폭 8.0㎜)를 제작하고, 모터 효율의 평가를 실행하였다. 모터 코어의 가공법은 레이저 가공 또는 펀칭 가공으로 하였다. 레이저 가공의 경우에는 주파수 1500Hz-출력 500W의 CO2 펄스 레이저를 이용하고, 보조 가스로서 산소를 5MPa로 내뿜고, 레이저의 주사 속도는 약 5000㎜/min로 하였다. 또, 모터의 구동 조건은 50mNm-90000rpm로 하고, 출력의 측정에는 스가와라 연구소(SUGAWARA Laboratories Inc.)제 모터 토크 시험기 EMM-100M을 이용하였다.
얻어진 결과를 이하의 표 1에 나타내는 동시에 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율에 대한 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율의 비(열전도율 비)와 모터 효율의 관계를 도 2에 나타낸다. 이것으로부터, 펀칭 가공에 의해서 제조한 모터 코어에서는 모터 효율에 대한 열전도율 비의 영향은 보이지 않지만, 레이저 가공에 의해서 제조한 모터 코어에서는 열전도율 비가 0.7이하로 되는 경우(즉, 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율이 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율보다 30%이상 낮은 경우)에는 모터 효율이 현저히 향상하는 것을 알 수 있다. 또한, 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율이 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율보다 50%이상 낮은 것이 바람직하다.
[표 1]
판 두께 방향의 열전도율의 변화를 전자 강판에 부여시키는 방법은 특히 한정되는 일은 없지만, 예를 들면, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 전자 강판에 화학 기상 성장(CVD) 처리를 실시하는 침규 기술이나, 성분이 다른 전자 강판을 접합한 클래드강의 제조 기술 등을 이용할 수 있다. 여기서, 판 두께 방향의 열전도율은 열 물성 현미경(베텔사(Bethel Co., Ltd.)제:서모웨이브 아날라이저 TM3) 등으로 평가하면 좋다. 또한, 전자 강판의 열전도율의 절대값에 관해서는 발명의 효과에 관계없지만, 레이저에 의한 입열로 가공하기 위해서는 전체 판 두께의 평균에서의 열전도율이 10W/mK이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 15W/mK이상이다.
또한, 고속 회전 모터에서는 고주파의 저철손 특성이 요구되기 때문에, 전자 강판의 판 두께는 와전류의 저감에 유효한 판 두께인 0.20㎜이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.15㎜이하, 가일층 바람직하게는 0.10㎜이하이다.
또, 고주파에서의 철손을 저감하기 위해서는 전자 강판의 비저항을 증가시키는 원소를 첨가하는 것이 유효하지만, Mn에 대해서는 너무 첨가하면 열팽창율의 증대에 의해 레이저 가공시의 전자 강판에의 왜곡 도입을 촉진하기 때문에 전자 강판의 자기 특성을 열화시킬 우려가 있다. 이 때문에, 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 Si, Al, Mn 농도는 이하의 식 (1)에 나타내는 관계식을 만족시키며, Mn의 첨가량이 Al 및 Si의 첨가량에 대해 일정 이하인 것이 바람직하다.
또, C(탄소)는 과도하게 전자 강판에 존재하면 자기 시효를 일으키고, 전자 강판의 자기 특성을 열화시킨다. 이 때문에, 전자 강판의 판 두께 전체의 탄소 농도는 질량%로, 0.01%이하, 바람직하게는 0.001%이하이다. 또, Si, Al, Mn은 전자 강판의 비저항을 증가시켜 와전류손의 저감에 기여하기 때문에 첨가하는 것이 유효하지만, 한편, 이들 원소의 과도한 첨가는 전자 강판의 포화 자속밀도를 초래한다. 이 때문에, 전자 강판의 판 두께 전체의 농도(평균 농도)는 각각 질량%로, Si:7%이하, Al:4%이하 및 Mn:5%이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 가공시에 도입되는 왜곡의 영향에 의한 전자 강판의 자기 특성의 열화가 현저하게 되는 것은 티스 폭이 10㎜이하이기 때문에, 본 발명의 모터 코어의 제조 방법에서는 티스 폭이 10㎜이하로 되는 모터를 대상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 관한 전자 강판은 표면으로부터의 입열에 의한 왜곡 도입에 의한 자기 특성의 열화가 작은 전자 강판이기 때문에, 레이저나 전자빔 등의 입열로 가공하는 것에 의해, 전단에 의한 가공보다 자기 특성이 우수한 모터 코어를 제조할 수 있다. 레이저 가공의 조건(예를 들면 출력이나 가스 조건)이나 전자빔의 가공 조건(예를 들면 가속 전압이나 전류, 조사시의 분위기)에 제한은 없고, 철심 재료의 판 두께나 요구되는 가공 속도 등에 따라 조정하면 좋다. 단, 본 발명에서는 0.20㎜ 두께보다 얇은 전자 강판을 가공의 대상으로 하고 있으므로, 불필요하게 고출력의 레이저를 이용하는 것은 열에 의한 왜곡의 도입을 조장하기 때문에 자기 특성의 관점에서 바람직하지 않다. 이 때문에, 레이저 출력은 500W이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 250W이하이다. 또, 마찬가지의 관점에서 레이저 직경은 가느다란 쪽이 바람직하고, 직경이 50㎛이하의 싱글 모드 파이버 레이저 등을 이용하는 것이 바람직하다.
또, 사용하는 전자 강판에의 절연 피막의 필요성은 통상의 전자 강판과 마찬가지이며, 전자 강판의 편면 또는 양면에 미리 충분한 절연성을 갖는 절연 피막을 갖는 것이 좋다. 또, 본 발명에서는 제조 코스트뿐만 아니라 설비 투자 코스트가 늘어나는 코어 형성 후의 왜곡제거 소둔은 실시하지 않는 용도를 상정하고 있다. 또한, 코어 형성에 있어서 전자 강판의 적층은 코킹이나 접착 등으로 코어를 고정시키면 좋고, 그 방법에 대해 특히 제한은 없다.
또한, 이용하는 전자 강판에 하기의 원소를 범위내에서 첨가하는 것이 자기 특성의 향상에 유효하다. Sn, P, Sb는 필요에 따라 0.1%이하의 범위내에서, 바람직하게는 0.001%이상 첨가하면 좋다. 이것은 집합 조직의 개선에 의해 철심의 자속밀도가 향상하기 때문이다. 한편, 첨가량이 0.1%를 넘으면 그 효과가 포화하고, 쓸데없이 비용 상승을 초래하기 때문에, 첨가량의 상한은 0.1%로 한다.
또, 이용하는 전자 강판의 제조 방법에 관해서도 상기의 조건을 만족시키는 전자 강판으로 되어 있으면 특히 제한은 없으며, 다양한 방법을 적용할 수 있다. 예를 들면, 이하의 (1)∼(3)에 나타내는 바와 같은 제조 방법을 예시할 수 있다.
(1) 성분이 다른 재료를 전로에서 취련하고, 용강을 탈가스 처리하고 소정의 성분으로 조정하고, 계속해서 주조를 실행하고 슬래브로 한 후, 표면의 손질 후에 맡붙이고 전자빔 등으로 용착시킨다. 그 후, 슬래브를 통상의 방법으로 열간압연, 다음에, 1회의 냉간 또는 온간압연, 혹은 중간 소둔을 사이에 둔 2회 이상의 냉간 또는 온간압연에 의해 소정의 판 두께로 한 후에, 마무리 소둔을 실행한다.
(2) 소정의 성분의 재료를 전로에서 취련하고, 용강을 탈가스 처리하고 소정의 성분으로 조정하며, 슬래브를 통상의 방법으로 열간압연, 다음에, 1회의 냉간 또는 온간압연, 혹은 중간 소둔을 사이에 둔 2회 이상의 냉간 또는 온간압연에 의해 소정의 판 두께로 한 후에, CVD법 등에 의해 전자 강판 표면에 Si 등의 원소를 침입시켜 판 두께 방향의 열전도율 분포를 형성한다.
(3) 소정의 성분의 재료를 전로에서 취련하고, 용강을 탈가스 처리하고 소정의 성분으로 조정하며, 슬래브를 통상의 방법으로 열간압연, 다음에, 1회의 냉간 또는 온간압연, 혹은 중간 소둔을 사이에 둔 2회 이상의 냉간 또는 온간압연에 의해 소정의 판 두께로 한 후에, 전자 강판에 알루미늄박을 붙이고 비산화성 분위기에서 마무리 소둔을 실행한다.
[실시예 1]
이하의 표 2에 나타내는 판 두께 방향의 성분 및 제조 방법에 의해 모터 코어의 소재로 되는 전자 강판을 제작하였다. 이들 전자 강판에 대해, 판 두께 방향의 열전도율 평가 및 JIS C2550-1에 정해지는 엡스타인 시험에 의한 철손 평가(W10/1000)를 실행하였다. 일예로서, 도 3에 No.1의 전자 강판의 판 두께 방향의 열전도율을 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 각각의 전자 강판을 이용하여 도 1에 나타내는 소형 모터를 제작하고, 모터 효율의 평가를 실행하였다. 여기서, 모터의 구동 조건은 50mNm-90000rpm으로 하고, 출력의 측정에는 스가와라 연구소제 모터 토크 시험기 EMM-100M을 이용하였다. 또한, 표 2 중의 전자 강판의 제조 방법의 기호는 상기 제조 방법 (1)∼(3)에 대응하고 있다. 단, 각각의 도중 공정의 조건은 하기와 같으며, 모두 성분이 다른 층이 표층(표리)과 중심층에서 1/3씩의 구성으로 되도록 조건을 조정하였다.
(1) 전로에서 취련한 후에 탈가스 처리를 실행하는 것에 의해 소정의 성분으로 조정 후 주조하고, 표면의 손질 후, 성분이 다른 슬래브를 맞붙이고, 다음에 1200℃까지 슬래브를 재가열하고 열간압연에 의해 판 두께 1.8㎜로 하였다. 또한, 냉간압연에 의해 최종 마무리 두께로 하고 건조 N2 분위기하에서 1000℃의 소둔을 실시하였다.
(2) 전로에서 취련한 후에 탈가스 처리를 실행하는 것에 의해 소정의 성분으로 조정 후 주조하고, 다음에 1200℃까지 슬래브를 재가열하고 열간압연에 의해 판 두께 1.8㎜로 하였다. 또한, 냉간압연에 의해 최종 마무리 두께로 하고 SiCl4하에서 1200℃의 열처리를 실시하고, 표층의 Si량을 조정하였다.
(3) 전로에서 취련한 후에 탈가스 처리를 실행하는 것에 의해 소정의 성분으로 조정 후 주조하고, 표면의 손질 후, 1200℃까지 슬래브를 재가열하고 열간압연에 의해 판 두께 1.8㎜로 하였다. 또한, 냉간압연에 의해 최종 마무리 두께로 하고, 전자 강판의 양면에 10㎛의 알루미늄박을 붙이고, 전자 강판을 적층·구속한 상태에서 N2 분위기하에서 900℃×5h의 소둔을 실시하였다.
또한, 모터 코어의 가공법은 레이저 가공 또는 펀칭 가공으로 하였다. 레이저 가공의 경우에는 주파수 1500Hz-출력 500W의 CO2 펄스 레이저를 이용하고, 보조 가스로서 산소를 5MPa로 내뿜고, 레이저의 주사 속도는 약 5000㎜/min로 하였다.
이하에 나타내는 표 2에 아울러 평가 결과를 나타낸다. 표 2에 나타내는 바와 같이, 전자 강판 표층의 열전도율이 중심에 대해 30%이상 낮은 재료에서 고효율의 모터 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 한편, 표층의 열전도율이 중심보다 30%이상 낮지 않은 재료에서는 엡스타인 철손값은 우수하지만 모터 효율로서는 열위였다. 또, No.1과 No.2를 비교하면, 전자 강판은 동일한 재료이지만 철심의 가공 방법이 펀칭 가공인 No.2는 모터 효율이 열위로 되었다. 이것은 본 발명의 전자 강판은 펀칭 가공보다 레이저 가공시에 자기 특성의 열화가 작기 때문이라고 생각된다. 또, 표층의 성분이 상기 식 (1)을 만족시키는 조건에서는 레이저 가공에 의해 형성된 모터의 효율이 향상하는 경향이었다. 이것은 표층에 Mn이 존재하는 것에 의한 열팽창율의 증대가 억제되고, 입열시에 있어서의 전자 강판에의 왜곡의 도입이 더욱 경감된 것에 의한 것으로 생각된다.
[표 2]
[실시예 2]
표 2에 나타내는 No.5의 재료에 대해, 가공에 이용하는 레이저 조건의 영향을 평가하였다. 레이저 조건 이외의 평가 방법은 실시예 1과 동일하게 하였다. 이하의 표 3에 레이저 조건과 함께 모터 평가의 결과를 나타낸다. 표 3에 나타내는 바와 같이, 연속 발진 방식의 CO2 레이저로 조사한 조건에서는 동등 출력의 펄스 발진 방식의 CO2 레이저로 가공한 조건보다 모터 효율이 열위로 되었다. 한편, 펄스 발진 방식의 CO2 레이저이고 또한 250W의 저출력으로 가공한 조건에서는 모터 효율이 우위였다. 또한, CO2 레이저가 아닌 발진원으로서 파이버 레이저를 이용함으로써 더욱 모터 효율의 향상이 보였다.
[표 3]
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 의하면, 소형이고 또한 고속 회전의 모터에 적합한 모터 코어의 제조 방법을 제공할 수 있다.
Claims (4)
- 표면에서 판 두께의 1/3의 깊이 위치까지의 평균의 열전도율이 판 두께 방향 중심 위치의 열전도율보다 30%이상 낮은 전자 강판을, 표면으로부터의 입열에 의한 용단으로 가공하는 것에 의해 모터 코어를 제조하는 스텝을 포함하는 모터 코어의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전자 강판의 판 두께는 0.20㎜이하인 모터 코어의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 강판의 판 두께 전체의 성분 농도는 질량%로, C:0.01%이하, Si:7%이하, Al:4%이하, Mn:5%이하인 모터 코어의 제조 방법.
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