TWI764585B - 電磁鋼板的加工方法、馬達及馬達磁芯的製造方法 - Google Patents

電磁鋼板的加工方法、馬達及馬達磁芯的製造方法

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Abstract

本發明對板厚薄的電磁鋼板提供一種不會導致磁特性的劣化的利用雷射進行的加工方法。一種電磁鋼板的加工方法，對電磁鋼板進行使用雷射的熔斷並將該電磁鋼板加工成規定的形狀，所述電磁鋼板的加工方法中，將所述雷射的掃描速度設為10000mm/min以上來進行所述熔斷。

Description

電磁鋼板的加工方法、馬達及馬達磁芯的製造方 法
本發明是有關於一種電磁鋼板的加工方法、例如為了對電磁鋼板賦予所期望的形狀而進行的電磁鋼板的加工方法。進而，本發明是有關於一種加工電磁鋼板而獲得的具有磁芯的馬達及馬達磁芯的製造方法。
近年來，如以可用於航空宇宙領域或無繩吸塵器等的馬達為代表般，對馬達的小型化的要求日益強烈。此種小型馬達為了於保持輸出的同時以小型化為志向，正在推進高速旋轉化。由於馬達的高速旋轉化，馬達鐵芯的勵磁頻率變高。進而，為了彌補因馬達的小型化而下降的馬達扭矩，亦有時會增大轉子磁鐵的極數，另一方面鐵芯的勵磁頻率日益提高。作為此種高速馬達的鐵芯材料，要求高頻下的低鐵損特性，大量添加Si或Al等比電阻增加元素或減少板厚作為有效的方法而已廣為人知。
另一方面，已知此種大量的合金元素的添加或薄厚化使對馬達磁芯的沖裁加工變得困難。特別是，如上所述，於以馬達的小型化為志向的情況下，由於馬達鐵芯為非常小型的物體，因此作為鐵芯材料的電磁鋼板的沖裁加工性差會使沖裁的良率下降，存在成本增大等問題。進而，由於合金添加量高的電磁鋼板或非晶等 的硬度高，模具的磨損嚴重，因此模具的維護成本變高、生產性亦下降的問題亦越來越顯著。
因此，例如於加工板厚薄、合金量多的電磁鋼板的情況下，若應用不具有如利用模具進行的沖裁加工般的高生產性的雷射加工，則出現相對於利用模具進行的沖裁加工而言可發揮低成本等優點的狀況。以所述情況為背景，於專利文獻1中提出了不是使用模具的沖裁而是藉由雷射使鋼板熔斷的電磁鋼板的加工方法。
然而，已知利用雷射進行的加工伴隨著對電磁鋼板的熱輸入及冷卻而將應變導入鋼板，結果導致鐵芯材料的磁特性的劣化。該雷射的應變導入所引起的磁特性的劣化比沖裁時大，利用雷射進行的加工作為馬達磁芯的製造方法殘留有課題。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2009-5539號公報
本發明是鑑於所述問題而成者，特別是對板厚薄的電磁鋼板提供一種不會導致磁特性的劣化的利用雷射進行的加工方法。
發明者等人關於雷射加工條件對鐵芯(磁芯(core))材料特性造成的影響及其機制、進而雷射加工所引起的對磁特性的 影響小的電磁鋼板的條件進行了調查。其結果，發現雷射的掃描速度或輸出、進而材料的板厚存在最佳的條件範圍，從而完成了本發明。本發明的主旨結構如下所述。
1.一種電磁鋼板的加工方法，對電磁鋼板進行使用雷射的熔斷並將所述電磁鋼板加工成規定的形狀，所述電磁鋼板的加工方法中，將所述雷射的掃描速度設為10000mm/min以上來進行所述熔斷。
2.如所述1所述的電磁鋼板的加工方法，其中所述電磁鋼板的厚度為0.20mm以下。
3.如所述1或2所述的電磁鋼板的加工方法，其中所述雷射的輸出P(W)與掃描速度s(mm/min)相對於所述電磁鋼板的板厚t(mm)而言滿足下式(1)：500t+50≦P/s×12000≦2000t+100…(1)。
4.如所述1至3中任一項所述的電磁鋼板的加工方法，以脈衝狀照射所述雷射。
5.如所述1至4中任一項所述的電磁鋼板的加工方法，其中所述電磁鋼板具有以質量%計包含C：0.01%以下、Si：2.0%以上且7.0%以下、Al：0.001%以上且4.0%以下及Mn：0.5%以下的成分組成。
6.如所述1至5中任一項所述的電磁鋼板的加工方法， 其中所述電磁鋼板具有Si濃度於板厚方向中心層比鋼板表層低的Si濃度分佈，所述板厚方向中心層中的Si濃度與所述鋼板表層的Si濃度之差為0.5質量%以上且5質量%以下。
7.如所述1至6中任一項所述的電磁鋼板的加工方法，其中所述電磁鋼板的Si的板厚方向的平均含量為6.2質量%以上且6.7質量%以下。
8.一種馬達，使用藉由如所述1至7中任一項所述的電磁鋼板的加工方法而賦予了磁芯形狀的磁芯。
9.一種馬達磁芯的製造方法，包括：加工步驟，將多張電磁鋼板加工成磁芯形狀；以及積層步驟，將所述加工後的電磁鋼板積層，所述馬達磁芯的製造方法中，所述電磁鋼板的板厚為0.20mm以下，於所述加工步驟中，將所述雷射的掃描速度設為10000mm/min以上來進行利用雷射進行的熔斷。
根據本發明，可於不會導致加工後的磁特性的劣化的情況下實現對電磁鋼板的利用雷射進行的加工。因此，就磁特性的觀點而言適合於小型且高速旋轉驅動型的馬達的磁芯，另一方面，可藉由加工良率比通常的沖裁加工高的雷射加工提供機械加工困難的薄壁且合金量多的電磁鋼板。而且，如上所述，藉由抑制向電磁鋼板的應變導入而磁特性的劣化小，因此可實現馬達特性亦優異的馬達。
1轉子磁鐵
2、12:定子磁芯
3:繞組
11:四極磁鐵轉子
10、20:無刷DC馬達
圖1是鐵芯製造試驗(實施例1)中使用的包括定子磁芯的馬達的剖面圖。
圖2是鐵芯製造試驗(實施例2)中使用的包括定子磁芯的馬達的剖面圖。
於本發明的電磁鋼板(以下，亦簡稱為鋼板)的加工方法中，重要的是於對電磁鋼板進行使用雷射的熔斷並將該電磁鋼板加工成規定的形狀時，將所述雷射的掃描速度設為10000mm/min以上。於本發明中，藉由沿規定形狀的輪廓線對電磁鋼板掃描雷射，於該輪廓線中進行熔斷。以下，依次說明該熔斷的條件。
[雷射的掃描速度：10000mm/min以上]
於所述熔斷處理中，雷射的掃描速度越高，投入至鋼板的加工中的能量越少，向加工端面的應變導入得到抑制，磁特性的劣化亦得到抑制。進而，就生產性的觀點而言，亦有利的是掃描速度高，大大有助於生產成本的減少。具體而言，以雷射的掃描速度：10000mm/min為界，於為10000mm/min以上時，於雷射產生的來自表面的熱向鋼板面內方向擴散而對磁特性的影響區域擴大之前，可進行電磁鋼板的切斷加工，於未滿10000mm/min時，藉由雷射產生的來自表面的熱向鋼板面內方向擴散而對磁特性的影響變大，因此有效的是將雷射的掃描速度設為10000mm/min以上。較佳為15000mm/min以上。
再者，雷射的掃描速度的上限無需特別限定，但由於雷射掃描速度越快越難以確保電磁鋼板的加工形狀的精度，因此較佳為設為40000mm/min以下。
[鋼板的厚度：0.20mm以下]
於將電磁鋼板供於馬達的磁芯的情況下，就馬達的小型化等觀點而言，對磁芯材料要求高頻的低鐵損特性，因此較佳為設為對渦電流的減少有效的板厚、即0.20mm以下。更佳為0.15mm以下，進而佳為0.10mm以下。原本若電磁鋼板的板厚超過0.20mm，則利用沖裁的加工性並不會太差，因此無需利用雷射進行加工，利用模具進行的沖裁於生產成本上亦有利。相反，若板厚過薄，則於雷射加工後會產生翹曲所引起的形狀不良，於之後的積層步驟中有產生不良情況之虞，因此較佳為0.05mm以上。
[雷射的掃描速度及輸出的關係]
向鋼板導入的應變是由雷射的輸出與掃描速度的平衡決定，因此就磁特性的觀點而言，對於雷射的輸出及掃描速度存在較佳的範圍。例如，即使雷射輸出高，若掃描速度快，則投入至鋼板的加工中的能量亦得到抑制，對磁特性的影響亦減少。另一方面，若掃描速度快而雷射輸出小，則有時會產生入射能量不足、且因加工端面的性狀惡化而無法確保尺寸精度等問題。因此，較佳為規定雷射的掃描速度及輸出的關係。即，較佳為雷射的掃描速度s(mm/min)及輸出P(W)關於電磁鋼板的板厚t(mm)滿足下式(1)。
500t+50≦P/s×12000≦2000t+100…(1)
原因在於，式(1)的(P/s×12000)是入射能量的指標，為了確實地熔斷，較佳為將其設為下限(500t+50)以上。另一方面，為了防止向不必要的鋼板導入應變所引起的加工端面的性狀惡化，較佳為設為上限(2000t+100)以下。而且，該上下限的範圍依存於板厚。
[以脈衝狀照射雷射]
作為抑制於利用雷射進行的加工時向鋼板導入的應變的方法，有效的是應用脈衝雷射。原因在於，若使用脈衝雷射，則可減小熱影響部，可進一步抑制應變的導入。
[電磁鋼板的成分組成]
電磁鋼板較佳為包含C：0.01質量%以下、Si：2.0質量%以上且7.0質量%以下、Al：0.001質量%以上且4.0質量%以下及Mn：0.5質量%以下的成分組成。此處，電磁鋼板如後所述亦包括具有例如Si濃度於板厚方向上變動的濃度分佈的情況，但即使於具有此種濃度分佈的情況下亦可處於所述含量範圍內。再者，剩餘部分較佳為鐵及不可避免的雜質。以下，對各成分的添加理由進行敘述。
C：0.01質量%以下
若C過度地存在於鋼板中，則會引起磁時效，使磁特性劣化， 因此較佳為設為0.01質量%以下。更佳為0.001質量%以下。下限越低越佳，因此無需特別規定。
Si：2.0質量%以上且7.0質量%以下
Al：0.001質量%以上且4.0質量%以下
Mn：0.5質量%以下
所述三種元素均是為了增大電磁鋼板的比電阻並減少渦電流損耗，較佳為以Si為2.0質量%以上、Al為0.001質量%以上及Mn為0.005質量%以上添加。另外，若Si的添加量未滿2.0%，則原本就不會產生使用模具的沖裁加工所引起的困難性，因此無需使用雷射加工。另一方面，若三種元素均添加地過多，則會導致電磁鋼板的飽和磁通密度的下降，因此分別設為Si：7.0質量%以下、Al：4.0質量%以下、Mn：0.5質量%以下。此處，Mn的添加量的上限比其他兩種元素特徵性地低的原因在於若添加Mn則鋼板的熱膨脹係數增大，雷射加工所引起的應變的導入範圍變大。
[Si濃度分佈]
電磁鋼板較佳為具有Si濃度於板厚方向中心層比鋼板表層低的Si濃度分佈，板厚方向中心層中的Si濃度與鋼板表層的Si濃度之差為0.5質量%以上且5質量%以下。即，藉由於鋼板的板厚方向上具有Si濃度於板厚方向中心層比鋼板表層低的分佈，可抑制渦電流損耗，有利於高頻鐵損的減少。原因在於，渦電流的損失因皮膚效應而集中於板厚的表層，因此板厚的表層的比電阻高會對渦電流的減少有效地發揮作用。為了發揮該效果，鋼板的表層 與中心層的Si濃度差必須為0.5質量%以上。另一方面，若Si濃度差超過5質量%，則表層與中心層的磁致伸縮差變大，磁滯損耗增大。因此，鋼板表層與中心層的Si濃度差較佳為設為0.5質量%以上且5質量%以下。更佳為1.5質量%~3.5質量%。
此處，關於所述Si濃度差，將鋼板於板厚方向上分割成三部分時的、自表背面至板厚的1/3為止的層定義為表層，將包含夾在表層間的板厚方向中心部的板厚的1/3的層定義為中心層。各層中的Si濃度由厚度方向的平均值定義。該濃度差可使用電子探針顯微分析(Electron probe micro analysis，EPMA)評價鋼板剖面Si濃度分佈，亦可基於以將鋼板的一面或兩面藉由化學研磨等而使板厚成為1/3的樣品進行濕式分析的結果來判定。
[其他]
其他雷射條件、例如雷射的直徑或輔助氣體的條件等並無限制，只要於可獲得所期望的端面性狀等的條件下進行即可。例如，於將電磁鋼板加工為磁芯的情況下，若加工為磁芯的齒前端等微細的形狀，則只要設為細的雷射直徑即可，若需要抑制加工端面的氧化，則輔助氣體只要使用N2或Ar而非O2即可。另外，關於雷射加工裝置，若可達成規定的雷射條件，則亦可使用任何加工裝置及雷射源。
另外，對鋼板的絕緣被膜的必要性與通常的電磁鋼板相同，亦可於鋼板的一面或兩面包括預先具有充分的絕緣性的絕緣被膜。另外，供於本發明的電磁鋼板的加工方法的電磁鋼板只要是 滿足所述條件的鋼板，則並無特別其他的限制。例如，亦可設為高合金材料或包層鋼，另外為了獲得板厚方向的Si濃度差，亦可實施包括化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)製程的浸矽處理。
[馬達磁芯的製造方法]
本發明的電磁鋼板的加工方法特別有利地適合於製作馬達磁芯。即，於馬達磁芯的製造方法中，藉由於加工步驟中將利用雷射進行的熔斷以該雷射的掃描速度為10000mm/min以上來進行，從而可提供適合於馬達的高效率化的馬達磁芯，其中所述馬達磁芯的製造方法包括：加工步驟，將多張電磁鋼板加工成磁芯形狀；以及積層步驟，將所述加工後的電磁鋼板積層。再者，積層步驟中的加工後的鋼板的積層只要利用鉚接或接著等將鋼板相互固定即可，其方法並無特別限制。
於本發明中，不僅製造成本高，而且設備投資成本亦高，但具有無需實施所述磁芯形成後的消除應力退火的優點。例如，若對使Si濃度傾斜的材料進行退火，則Si擴散，對於磁特性而言較佳的Si濃度差受損，因此有利的是不實施消除應力退火。
[實施例]
實施例1
使用具有含有表1所示的成分、且剩餘部分為鐵及不可避免的雜質的組成的板厚0.20mm的無方向性電磁鋼板，製作圖1所示的剖面形狀的2極3相的無刷直流(Direct Current，DC) 馬達，評價其馬達效率。如圖1所示，無刷DC馬達10具有轉子磁鐵1、定子磁芯2以及捲繞於定子磁芯2上的繞組3(25匝/相)。即，於表2所示的條件下對無方向性電磁鋼板照射雷射並進行按照圖1所示的定子磁芯2的形狀的熔斷加工後，將加工後的多張鋼板積層並藉由含浸接著而相互固定，製成15mm厚的積層體磁芯。再者，表2所示的雷射條件以外的馬達製造條件完全相同。
此處，馬達特性的評價是藉由驅動電壓25.2V的脈寬調制(pulse-width modulation，PWM)正弦波通電，於80000rpm-20mNm的驅動條件下統一實施。於表2中，與雷射條件一併匯總表示馬達效率的評價結果。如表2所示，於雷射的掃描速度為10000mm/min以上的條件下確認到馬達效率的改善。進而，於雷射掃描速度為10000mm/min以上且雷射輸出P(W)相對於電磁鋼板的板厚t(mm)滿足500t+50≦P/s×12000≦2000t+100的條件下，進一步確認到馬達效率的大幅度的改善。另外，於雷射輸出為150W、掃描速度為12000mm/min的條件下獲得了最大的馬達效率，另一方面於雷射輸出為100W、掃描速度為12000mm/min的條件下無法加工電磁鋼板，從而無法製作馬達。
Figure 110106209-A0305-02-0012-1
Figure 110106209-A0305-02-0013-2
實施例2
使用具有含有表3所示的成分、且剩餘部分為鐵及不可避免的雜質的組成的無方向性電磁鋼板，製作圖2所示的剖面形狀的4極6槽的無刷DC馬達，評價其馬達效率。如圖2所示，無刷DC馬達20具有四極磁鐵轉子11以及定子磁芯12。即，於表4所示的條件下對無方向性電磁鋼板照射雷射並進行按照圖2所示的定子磁芯12的形狀的熔斷加工後，將加工後的多張鋼板積層並藉由含浸接著而相互固定，製成20mm厚的積層體磁芯。再者，表4所示的雷射條件以外的馬達製造條件完全相同。
此處，於評價馬達特性時，藉由驅動電壓25.2V的PWM 正弦波通電，於105000rpm-25mNm的驅動條件下統一實施。於表4中匯總表示雷射條件、材料條件及馬達效率的評價結果。於表4中，雷射的振盪方式一欄中的「連續」表示連續振盪雷射條件，「脈衝」表示脈衝寬度為30μsec、發射間隔為12μm的脈衝振盪。
如表4所示，於雷射的掃描速度低於10000mm/min的條件下，任何材料中馬達效率均不會超過85%。另一方面，於雷射的掃描速度為10000mm/min以上的條件下，馬達效率大幅提高。其提高量因材料而明顯不同，可知於具有板厚方向的Si濃度分佈的材料中，提高量較大。另外，藉由使雷射條件為脈衝振盪而非連續振盪，可觀察到馬達效率的進一步提高。
Figure 110106209-A0305-02-0014-3
Figure 110106209-A0305-02-0015-4
1:轉子磁鐵
2:定子磁芯
3:繞組
10:無刷DC馬達

Claims (8)

  1. 一種電磁鋼板的加工方法，對電磁鋼板進行使用雷射的熔斷並將所述電磁鋼板加工成規定的形狀，所述電磁鋼板的加工方法中，將所述雷射的掃描速度設為10000mm/min以上來進行所述熔斷，所述雷射的輸出P(W)與掃描速度s(mm/min)相對於所述電磁鋼板的板厚t(mm)而言滿足下式(1)：500t+50≦P/s×12000≦2000t+100…(1)。
  2. 如請求項1所述的電磁鋼板的加工方法，其中所述電磁鋼板的板厚為0.20mm以下。
  3. 如請求項1或2所述的電磁鋼板的加工方法，以脈衝狀照射所述雷射。
  4. 如請求項1或2所述的電磁鋼板的加工方法，其中所述電磁鋼板具有以質量%計包含C：0.01%以下、Si：2.0%以上且7.0%以下、Al：0.001%以上且4.0%以下及Mn：0.5%以下的成分組成。
  5. 如請求項1或2所述的電磁鋼板的加工方法，其中所述電磁鋼板具有Si濃度於板厚方向中心層比鋼板表層低的Si濃度分佈，所述板厚方向中心層中的Si濃度與所述鋼板表層的Si濃度之差為0.5質量%以上且5質量%以下。
  6. 如請求項1或2所述的電磁鋼板的加工方法，其中 所述電磁鋼板的Si的板厚方向的平均含量為6.2質量%以上且6.7質量%以下。
  7. 一種馬達，使用藉由如請求項1至6中任一項所述的電磁鋼板的加工方法而賦予了磁芯形狀的磁芯。
  8. 一種馬達磁芯的製造方法，包括：加工步驟，將多張電磁鋼板加工成磁芯形狀；以及積層步驟，將所述加工後的電磁鋼板積層，所述馬達磁芯的製造方法中，所述電磁鋼板的板厚為0.20mm以下，於所述加工步驟中，將雷射的掃描速度設為10000mm/min以上來進行利用雷射進行的熔斷，所述雷射的輸出P(W)與掃描速度s(mm/min)相對於所述電磁鋼板的板厚t(mm)而言滿足下式(1)：500t+50≦P/s×12000≦2000t+100…(1)。
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