(57)【要約】  本発明に係るモータコアの製造方法は、表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率が板厚方向中心位置の熱伝導率よりも３０％以上低い電磁鋼板を、表面からの入熱による溶断で加工することによりモータコアを製造するステップを含む。なお、電磁鋼板の板厚は０．２０ｍｍ以下であることが望ましい。また、電磁鋼板の表面から板厚の１／３の深さ位置までのＳｉ，Ａｌ，Ｍｎ濃度が所定条件を満足することが望ましい。さらに、電磁鋼板の板厚全体の成分濃度が、質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ:７％以下、Ａｌ:４％以下、Ｍｎ:５％以下であることが望ましい。
2020241315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率が板厚方向中心位置の熱伝導率よりも３０％以上低い電磁鋼板を、表面からの入熱による溶断で加工することによりモータコアを製造するステップを含む、モータコアの製造方法。
【請求項２】
前記電磁鋼板の板厚が０．２０ｍｍ以下である、請求項１に記載のモータコアの製造方法。
【請求項３】
前記電磁鋼板の表面から板厚の１／３の深さ位置までのＳｉ，Ａｌ，Ｍｎ濃度が以下の数式（１）に示す条件を満足する、請求項１又は２に記載のモータコアの製造方法。
【数１】
2020241315.tif 000009
【請求項４】
前記電磁鋼板の板厚全体の成分濃度が、質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ:７％以下、Ａｌ:４％以下、Ｍｎ:５％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータコアの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータコアの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空宇宙分野やコードレス掃除機等に用いられるモータに代表されるように、モータに対する小型化の要求は近年益々強まってきている。このような小型モータでは、出力を保ちつつ小型化を志向するため、高速回転化が進展している。モータの高速回転化に伴いモータコア（モータ鉄心）の励磁周波数は高くなる。さらに、モータの小型化によって低下するモータトルクを補うためにロータ磁石の極数を増大させる場合もあり、モータコアの励磁周波数は益々高まる一方である。このような高速モータの鉄心材料（コア材料）としては、高周波における低鉄損特性が要求されており、ＳｉやＡｌ等の比抵抗を増加させる合金元素の多量添加や板厚の低減が有効な手段として用いられてきた。ところが、合金元素の多量添加や薄厚化はモータコアの打抜き加工を困難にする。特に、小型化を志向する場合には、モータコアは非常に小型になるため、鉄心材料である電磁鋼板の打抜き加工性の悪さは打抜き加工の歩留を低下させコストが増大する等の課題があった。そこで、打抜き加工ではなくレーザー等を用いた電磁鋼板の溶断によるモータコア加工法に関して様々な検討がなされている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、レーザー等を用いたモータコア加工法では、電磁鋼板への入熱及び冷却に伴う電磁鋼板への歪の導入によって電磁鋼板の磁気特性の劣化を招くことが知られている。レーザー等による歪の導入に伴う電磁鋼板の磁気特性の劣化は打抜き加工の場合に比べ大きいために、レーザー等を用いたモータコア加工法はモータコアの製造方法としては課題があった。【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、小型、且つ、高速回転のモータに適したモータコアの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るモータコアの製造方法は、表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率が板厚方向中心位置の熱伝導率よりも３０％以上低い電磁鋼板を、表面からの入熱による溶断で加工することによりモータコアを製造するステップを含む。【０００７】
前記電磁鋼板の板厚が０．２０ｍｍ以下であるとよい。【０００８】
前記電磁鋼板の表面から板厚の１／３の深さ位置までのＳｉ，Ａｌ，Ｍｎ濃度が以下の数式（１）に示す条件を満足するとよい。【０００９】
【数１】
2020241315.tif 000003
【００１０】
前記電磁鋼板の板厚全体の成分濃度が、質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ:７％以下、Ａｌ:４％以下、Ｍｎ:５％以下であるとよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型、且つ、高速回転のモータに適したモータコアの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施例のモータコアの構成を示す平面図である。
【図２】図２は、レーザー加工及び打抜き加工で製造したモータコアにおける熱伝導率比とモータ効率との関係を示す図である。
【図３】図３は、板厚方向深さと熱伝導率との関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の発明者らは、レーザー加工による電磁鋼板の磁気特性の劣化とそのメカニズムについて調査を行い、これを抑制する電磁鋼板について鋭意研究開発を行った。ここで、レーザー加工による電磁鋼板の磁気特性の劣化は、レーザーによって導入される入熱及び冷却に伴い電磁鋼板の表面から電磁鋼板の平面方向に広く導入される歪によるものであった。一方で、歪が平面方向に広がる前に電磁鋼板を溶断するためには、表面からの入熱は積極的に電磁鋼板の内部に伝わり、平面方向へは伝わりにくいことが好ましい。本発明の発明者らは、以上の知見と着想から、以下に示す実験を実施し、本発明を想到するに至った。
【００１４】
まず、レーザー加工条件と電磁鋼板内部の熱伝導率がモータ効率へ及ぼす影響を明らかにするため、１．０Ｔ−１０００Ｈｚにおける鉄損が同等でありながら、板厚方向の熱伝導率が異なる厚み０．１０ｍｍの電磁鋼板を用いモータ試作及び評価を行った。これらの電磁鋼板は、以下の表１に示す中心層相当のＳｉ濃度を有する冷延鋼板を用い、その表層のＳｉ濃度を浸珪法によって高めることにより製作した。なお、モータコアの加工方法は打抜き加工又はレーザー加工とした。
【００１５】
その結果、表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率（表１に表層平均の熱伝導率と示す）が板厚方向中心位置の熱伝導率よりも３０％以上低い電磁鋼板では、レーザー加工による電磁鋼板の磁気特性の劣化が小さいことを知見した。さらに、好ましい電磁鋼板の構成としては、表面から板厚の１／３の深さ位置までのＳｉ，Ａｌ，Ｍｎ濃度が、以下に示す数式（１）を満足することにより、さらに磁気特性の劣化が小さい、優れた磁気特性の電磁鋼板が得られることを知見し、発明を想到するに至った。
【００１６】
【数２】
2020241315.tif 000004
【００１７】
Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎは、電磁鋼板の比抵抗を増加させ、渦電流損を低減することにより、電磁鋼板の磁気特性を向上させることが知られている。ところが、Ｍｎは、電磁鋼板の熱膨張率を増大させるために、表面からの入熱時に熱影響領域が膨張し、電磁鋼板への歪導入を促進してしまう。このため、Ｍｎは、Ｓｉ，Ａｌの添加量に対し適正な量以下の添加により、電磁鋼板の磁気特性の劣化をより抑制すると考えられる。なお、本発明は、レーザー加工による研究の取り組みにより想到されたものであるが、表面からの入熱による溶断加工、例えば電子ビーム等を利用した溶断加工でも同様の効果が得られる。
【００１８】
以下、本発明に係るモータコアの製造方法について説明する。
【００１９】
本発明に係るモータコアの製造方法では、表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率が板厚方向中心位置の熱伝導率よりも３０％以上低い電磁鋼板を、表面からの入熱による溶断で加工することにより、レーザー加工時の電磁鋼板の平面方向への熱影響を抑制しながらも、板厚方向へは熱を通し電磁鋼板の溶断を容易にする。これにより、電磁鋼板への歪導入を抑制して電磁鋼板の磁気特性の劣化を抑制することができる。
【００２０】
ここで、冷間圧延により最終仕上厚とした電磁鋼板にＳｉＣｌ４下で１２００℃の熱処理を施し表層のＳｉ量を種々に調整し、表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率と板厚方向中心位置の熱伝導率を種々に変化させた。そして、これらの電磁鋼板を用いて図１に示す小型モータ（ティース幅８．０ｍｍ）を作製し、モータ効率の評価を行った。モータコアの加工法はレーザー加工又は打抜き加工とした。レーザー加工の場合は周波数１５００Ｈｚ−出力５００ＷのＣＯ２パルスレーザーを用い、補助ガスとして酸素を５ＭＰａで吹き付け、レーザーの走査速度は約５０００ｍｍ／ｍｉｎとした。また、モータの駆動条件は５０ｍＮｍ−９００００ｒｐｍとし、出力の測定には菅原研究所製モータトルク試験機ＥＭＭ−１００Ｍを用いた。
【００２１】
得られた結果を以下の表１に示すと共に板厚方向中心位置の熱伝導率に対する表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率の比（熱伝導率比）とモータ効率の関係を図２に示す。これより、打抜き加工によって製造したモータコアでは、モータ効率に対する熱伝導率比の影響は認められないが、レーザー加工によって製造したモータコアでは、熱伝導率比が０．７以下となる場合（すなわち、表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率が板厚方向中心位置の熱伝導率よりも３０％以上低い場合）には、モータ効率が顕著に向上することがわかる。さらに、表面から板厚の１／３の深さ位置までの平均の熱伝導率が板厚方向中心位置の熱伝導率よりも５０％以上低いことが好ましい。
【００２２】
【表１】
2020241315.tif 000005
【００２３】
板厚方向の熱伝導率の変化を電磁鋼板に付与させる方法は特に限定されることはないが、例えば、後述する実施例に示すように、電磁鋼板へ化学気相成長（ＣＶＤ）処理を施す浸珪技術や、成分の異なる電磁鋼板を接合したクラッド鋼の製造技術等が利用できる。ここで、板厚方向の熱伝導率は熱物性顕微鏡(べテル社製：サーモウェーブアナライザＴＭ３)等で評価すればよい。なお、電磁鋼板の熱伝導率の絶対値に関しては発明の効果に関係ないが、レーザーによる入熱で加工するためには、全板厚の平均での熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上であることが望ましく、さらに望ましくは１５Ｗ／ｍＫ以上である。
【００２４】
なお、高速回転モータでは高周波の低鉄損特性が要求されるため、電磁鋼板の板厚は渦電流の低減に有効な板厚である０．２０ｍｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは０．１５ｍｍ以下、さらに好ましくは０．１０ｍｍ以下である。
【００２５】
また、高周波での鉄損を低減するためには、電磁鋼板の比抵抗を増加させる元素を添加することが有効であるが、Ｍｎについては添加しすぎると熱膨張率の増大によりレーザー加工時の電磁鋼板への歪導入を促進するために電磁鋼板の磁気特性を劣化させるおそれがある。このため、表面から板厚の１／３の深さ位置までのＳｉ，Ａｌ，Ｍｎ濃度は、以下の数式（１）に示す関係式を満足し、Ｍｎの添加量がＡｌ及びＳｉの添加量に対し一定以下であることが望ましい。
【００２６】
【数３】
2020241315.tif 000006
【００２７】
また、Ｃ（炭素）は過度に電磁鋼板に存在すると磁気時効をおこし、電磁鋼板の磁気特性を劣化させる。このため、電磁鋼板の板厚全体の炭素濃度は、質量％で、０．０１％以下、好ましくは０．００１％以下である。また、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎは電磁鋼板の比抵抗を増加させ渦電流損の低減に寄与するため添加することが有効であるが、一方で、これら元素の過度な添加は電磁鋼板の飽和磁束密度を招く。このため、電磁鋼板の板厚全体の濃度（平均濃度）はそれぞれ、質量％で、Ｓｉ：７％以下、Ａｌ：４％以下、及びＭｎ：５％以下とすることが好ましい。
【００２８】
また、加工時に導入される歪の影響による電磁鋼板の磁気特性の劣化が顕著となるのはティース幅が１０ｍｍ以下であるため、本発明のモータコアの製造方法ではティース幅が１０ｍｍ以下となるモータを対象とすることが好ましい。
【００２９】
また、本発明に係る電磁鋼板は、表面からの入熱による歪導入による磁気特性の劣化が小さい電磁鋼板であるため、レーザーや電子ビーム等の入熱で加工することにより、剪断による加工よりも磁気特性に優れたモータコアを製造できる。レーザー加工の条件（例えば出力やガス条件）や電子ビームの加工条件（例えば加速電圧や電流、照射時の雰囲気）に制限はなく、鉄心材料の板厚や要求される加工速度等に応じて調整すればよい。但し、本発明では０．２０ｍｍ厚より薄い電磁鋼板を加工の対象としているので、不必要に高出力なレーザーを用いることは熱による歪の導入を助長するために磁気特性の観点で好ましくない。このため、レーザー出力は、５００Ｗ以下であることが望ましく、さらに好ましくは２５０Ｗ以下である。また、同様の観点でレーザー径は細い方が好ましく、径が５０μｍ以下のシングルモードファイバーレーザー等を用いることが望ましい。
【００３０】
また、使用する電磁鋼板への絶縁被膜の必要性は通常の電磁鋼板と同様であり、電磁鋼板の片面又は両面に予め十分な絶縁性を有する絶縁被膜を有するのがよい。また、本発明では、製造コストだけでなく設備投資コストがかさむコア形成の後の歪取り焼鈍は施さない用途を想定している。なお、コア形成にあたって電磁鋼板の積層はカシメや接着等でコアを固定すればよく、その方法について特に制限はない。
【００３１】
また、用いる電磁鋼板に下記の元素を範囲内で添加することが磁気特性の向上に有効である。Ｓｎ，Ｐ，Ｓｂは、必要に応じて０．１％以下の範囲内で、好ましくは０．００１％以上添加するとよい。これは集合組織の改善により鉄心の磁束密度が向上するためである。一方、添加量が０．１％を超えるとその効果が飽和し、いたずらにコストアップを招くため、添加量の上限は０．１％とする。
【００３２】
また、用いる電磁鋼板の製造方法に関しても上記の条件を満たす電磁鋼板となっていれば特に制限はなく、様々な方法が適用できる。例えば以下の（１）〜（３）に示すような製造方法を例示できる。
【００３３】
（１）成分の異なる材料を転炉で吹練し、溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、引き続き鋳造を行いスラブとした後、表面の手入れの後に貼り合わせ電子ビーム等で溶着させる。その後、スラブを通常の方法にて熱間圧延、次いで、１回の冷間又は温間圧延、若しくは中間焼鈍をはさんだ２回以上の冷間又は温間圧延により所定の板厚とした後に、仕上焼鈍を行う。
【００３４】
（２）所定の成分の材料を転炉で吹錬し、溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、スラブを通常の方法にて熱間圧延、次いで、１回の冷間又は温間圧延、若しくは中間焼鈍をはさんだ２回以上の冷間又は温間圧延により所定の板厚とした後に、ＣＶＤ法等により電磁鋼板表面へＳｉ等の元素を浸入させ板厚方向の熱伝導率分布を形成する。
【００３５】
（３）所定の成分の材料を転炉で吹錬し、溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、スラブを通常の方法にて熱間圧延、次いで、１回の冷間又は温間圧延、若しくは中間焼鈍をはさんだ２回以上の冷間又は温間圧延により所定の板厚とした後に、電磁鋼板へアルミ箔を張り付け非酸化性雰囲気で仕上焼鈍を行う。
【００３６】
〔実施例１〕
以下の表２に示す板厚方向の成分及び製造方法によりモータコアの素材となる電磁鋼板を作製した。これらの電磁鋼板について、板厚方向の熱伝導率評価及びＪＩＳ  Ｃ２５５０−１に定められるエプスタイン試験による鉄損評価（Ｗ１０／１０００）を行った。一例として、図３にＮｏ．１の電磁鋼板の板厚方向の熱伝導率を測定した結果を示す。さらに、それぞれの電磁鋼板を用いて図１に示す小型モータを作製し、モータ効率の評価を行った。ここで、モータの駆動条件は５０ｍＮｍ−９００００ｒｐｍとし、出力の測定には菅原研究所製モータトルク試験機ＥＭＭ−１００Ｍを用いた。なお、表２中の電磁鋼板の製造方法の記号は上記製造方法（１）〜（３）に対応している。但し、それぞれの途中工程の条件は下記の通りであり、いずれも成分の異なる層が表層(表裏)と中心層で１／３ずつの構成となるように条件を調整した。
【００３７】
（１）転炉で吹練した後に脱ガス処理を行うことにより所定の成分に調整後鋳造し、表面の手入れの後、成分の異なるスラブを貼り合わせ、次いで１２００℃までスラブを再加熱し熱間圧延により板厚１．８ｍｍとした。さらに、冷間圧延により最終仕上厚とし乾燥Ｎ２雰囲気下で１０００℃の焼鈍を施した。
【００３８】
（２）転炉で吹練した後に脱ガス処理を行うことにより所定の成分に調整後鋳造し、次いで１２００℃までスラブを再加熱し熱間圧延により板厚１．８ｍｍとした。さらに、冷間圧延により最終仕上厚としＳｉＣｌ４下で１２００℃の熱処理を施し、表層のＳｉ量を調整した。
【００３９】
（３）転炉で吹練した後に脱ガス処理を行うことにより所定の成分に調整後鋳造し、表面の手入れの後、１２００℃までスラブを再加熱し熱間圧延により板厚１．８ｍｍとした。さらに、冷間圧延により最終仕上厚とし、電磁鋼板の両面に１０μｍのアルミ箔を張り付け、電磁鋼板を積層・拘束した状態でＮ２雰囲気下で９００℃×５ｈの焼鈍を施した。
【００４０】
なお、モータコアの加工法はレーザー加工又は打抜き加工とした。レーザー加工の場合は周波数１５００Ｈｚ−出力５００ＷのＣＯ２パルスレーザーを用い、補助ガスとして酸素を５ＭＰａで吹き付け、レーザーの走査速度は約５０００ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００４１】
以下に示す表２に合わせて評価結果を示す。表２に示すように、電磁鋼板表層の熱伝導率が中心に対して３０％以上低い材料で高効率のモータ特性が得られることがわかる。一方で、表層の熱伝導率が中心より３０％以上低くない材料ではエプスタイン鉄損値は優れているもののモータ効率としては劣位であった。また、Ｎｏ．１とＮｏ．２を比較すると、電磁鋼板は同じ材料であるが鉄心の加工方法が打抜き加工であるＮｏ．２はモータ効率が劣位となった。これは、本発明の電磁鋼板は打抜き加工よりもレーザー加工時に磁気特性の劣化が小さいためであると考えられる。また、表層の成分が上記数式（１）を満足する条件では、レーザー加工で形成されたモータの効率が向上する傾向であった。これは、表層にＭｎが存在することによる熱膨張率の増大が抑制され、入熱時における電磁鋼板への歪の導入がより軽減したことによるものと考えられる。
【００４２】
【表２】
2020241315.tif 000007
【００４３】
〔実施例２〕
表２に示すＮｏ．５の材料について、加工に用いるレーザー条件の影響を評価した。レーザー条件以外の評価方法は実施例１と同一とした。以下の表３にレーザー条件と共にモータ評価の結果を示す。表３に示すように、連続発振方式のＣＯ２レーザーで照射した条件では同等出力のパルス発振方式のＣＯ２レーザーで加工した条件よりもモータ効率が劣位となった。一方、パルス発振方式のＣＯ２レーザーでかつ２５０Ｗの低出力で加工した条件ではモータ効率が優位であった。さらに、ＣＯ２レーザーではなく発振源としてファイバーレーザーを用いることでさらにモータ効率の向上が認められた。
【００４４】
【表３】
2020241315.tif 000008
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、小型、且つ、高速回転のモータに適したモータコアの製造方法を提供することができる。
【図１】
2020241315.tif 000010
【図２】
2020241315.tif 000011
【図３】
2020241315.tif 000012
【国際調査報告】
2020241315.tif 000013
2020241315.tif 000014
2020241315.tif 000015
2020241315.tif 000016