JP4160469B2 - Manufacturing method of rotor core steel plate - Google Patents
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Description
本発明は、ロータコア鋼板の製造方法に関し、詳しくは、永久磁石式モータ用のロータコアを形成するためのロータコア鋼板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a rotor core steel plate, and more particularly to a method for manufacturing a rotor core steel plate for forming a rotor core for a permanent magnet motor.
永久磁石式同期モータは、電気自動車やハイブリッド電気自動車、また、燃料電池自動車などの駆動用モータとして用いられている。 Permanent magnet synchronous motors are used as drive motors for electric vehicles, hybrid electric vehicles, and fuel cell vehicles.
このような永久磁石式同期モータの中には、永久磁石をロータに内蔵したタイプのモータがある。これを永久磁石内蔵モータ（以下、ＩＰＭモータと称する）と称している。 Among such permanent magnet type synchronous motors, there is a type of motor in which a permanent magnet is built in a rotor. This is referred to as a permanent magnet built-in motor (hereinafter referred to as an IPM motor).
図７および８は、このようなＩＰＭモータにおける従来のロータコア形状の例を示す平面図である。 7 and 8 are plan views showing examples of a conventional rotor core shape in such an IPM motor.
図示するロータコア１００は、いずれも８極ロータである。また、このロータコア１００は、磁石１極に対する磁石挿入用開口部１０１が１個である。なお、磁石挿入用開口部１０１からロータコア１００の外周部までの間の部分をアウターブリッジ部１５と称する。
The illustrated
モータは高出力、小型化を狙うために高速回転化が図られているが、モータの最高速回転数はロータコアに使われている電磁鋼板の強度に制限される。具体的には、ブリッジ部の強度に依存する。特に、ロータが回転することにより内蔵される磁石に遠心力が働くため、前記のアウターブリッジ部１５に大きな応力が働くことになる。
Motors are designed to rotate at high speeds in order to achieve high output and miniaturization, but the maximum speed of the motor is limited by the strength of the electrical steel sheet used in the rotor core. Specifically, it depends on the strength of the bridge portion. In particular, since a centrifugal force acts on the magnet built in as the rotor rotates, a large stress acts on the
高速回転化を達成するためのごく単純な発想としては、ロータコアに使用する電磁鋼板の強度を上げることが考えられる。しかし機械的強度の高い電磁鋼板は鉄損が大きいので高速回転時に鉄損による発熱現象が顕著となるため、モータの冷却、特にロータやロータ軸の冷却が必要になるなどの課題がある。 A very simple idea for achieving high-speed rotation is to increase the strength of the electrical steel sheet used for the rotor core. However, the electrical steel sheet with high mechanical strength has a large iron loss, so that the heat generation phenomenon due to the iron loss becomes remarkable during high-speed rotation, so that there is a problem that it is necessary to cool the motor, particularly the rotor and rotor shaft.
そこで、高速回転時に発熱量の低い鉄損の低い電磁鋼板、すなわち機械的強度はそれほど高くない汎用の電磁鋼板を用いて、高速回転化を達成できるロータとして、より高速な回転を実現するために、磁石挿入用開口部の最も応力が集中すると考えられる部分を、図９および１０に示すように円弧形状１０５に形状を変更し、最も応力が集中しやすいアウターブリッジ部での応力集中を拡散させた技術がある（特許文献１参照）。なお、図９および１０は、１極部分の半分の拡大図である。
Therefore, in order to achieve higher speed rotation as a rotor that can achieve high-speed rotation using a magnetic steel sheet with low iron loss and low heat loss during high-speed rotation, that is, a general-purpose electromagnetic steel sheet with low mechanical strength. The portion of the magnet insertion opening where the stress is most likely to be concentrated is changed to an
また、高速回転化を可能にするための他の従来技術として、図１１に示すように、１極に対する磁石が２個に分割されるように、磁石挿入用開口部１０２および１０３が分割されて、磁石間の真ん中にセンターブリッジ部１６を設けた技術がある（特許文献２参照）。このようにセンターブリッジ部が設けてあるので遠心耐力がさらに増して高速回転化が可能になる。なお、図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）は１極部分の拡大図である。
しかしながら、このような磁石挿入用開口部の形状を変えたり、またセンターブリッジ部を設けたりした場合は、それぞれある程度の高速回転化が可能となるものの、用いている電磁鋼板そのものの強度によって回転数の向上に限界がある。このためより一層の高速回転化を可能とするための技術が求められている。 However, when the shape of the magnet insertion opening is changed or a center bridge is provided, the rotation speed can be increased to some extent, but the number of rotations depends on the strength of the electrical steel sheet used. There is a limit to improvement. For this reason, there is a need for a technique for enabling higher speed rotation.
そこで、本発明の目的は、高速回転時に発熱量の低い鉄損の低い電磁鋼板を用いて、さらなる高速回転化を可能にするロータコア鋼板の製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a rotor core steel sheet that enables further high-speed rotation by using a magnetic steel sheet with low calorific value and low iron loss during high-speed rotation.
本発明は鋭意検討の結果なされたもので、低鉄損の電磁鋼板を使い、強度の必要とされるブリッジ部を加工硬化させ、さらに加熱処理によって熱履歴を与えることで強化を図り、上記課題を解決したものである。 The present invention was made as a result of diligent study, using a low iron loss electromagnetic steel sheet, work hardening the bridge part where strength is required, and further strengthening by giving a heat history by heat treatment, the above problem Is a solution.
すなわち本発明は、円板形状をした電磁鋼板よりなり、複数積層することで磁石を内蔵するモータのロータコアを形成するために用いられるロータコア鋼板の製造方法であって、１極当たり２個の磁石を挿入するために、前記ロータコア鋼板の内部で円周方向に並んで設けられた２つの開口部の間で当該２つの開口部のそれぞれの開口端から当該２つの開口部の間の中心にまで至らない範囲、および当該２つの開口部の前記ロータコア鋼板の外周部に近い側の開口端から前記ロータコア鋼板の外周部に至らない範囲を加工硬化する段階と、前記加工硬化後の前記ロータコア鋼板を所定温度で加熱処理する段階と、を有することを特徴とするロータコア鋼板の製造方法である。 That is, the present invention is a method of manufacturing a rotor core steel plate that is made of a disk-shaped electromagnetic steel plate and is used to form a rotor core of a motor incorporating a magnet by stacking a plurality of magnets, and includes two magnets per pole Between the two openings provided side by side in the circumferential direction inside the rotor core steel plate and from the respective opening ends of the two openings to the center between the two openings. A step of work hardening a range not reaching the outer peripheral portion of the rotor core steel plate from an opening end on the side close to the outer peripheral portion of the rotor core steel plate of the two openings, and the rotor core steel plate after the work hardening And a step of heat treatment at a predetermined temperature.
本発明によれば、低鉄損の電磁鋼板を用いて、高速回転化を可能にすることができる。また、鉄損を増加させずに高速回転化を可能にすることができるため、モータ性能（トルク、効率）への影響もほとんどなく、より一層高速回転化の改善を図ることができる。 According to the present invention, high-speed rotation can be achieved using a low iron loss electromagnetic steel sheet. In addition, since high-speed rotation can be achieved without increasing iron loss, there is almost no influence on motor performance (torque, efficiency), and further improvement in high-speed rotation can be achieved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は、本発明を適用したロータコア鋼板を示す図面であり、図２は、このロータコア鋼板に設けられている磁石挿入用開口部部分の拡大図である。 FIG. 1 is a view showing a rotor core steel plate to which the present invention is applied, and FIG. 2 is an enlarged view of a magnet insertion opening provided in the rotor core steel plate.
このロータコア鋼板１は、ロータコアを積層して形成するための１枚のロータコア鋼板である。そしてロータコアとして形成した際に、１極当たり２個の磁石を挿入するために２つの磁石挿入用開口部２および３が設けられている。
The rotor
そして、この２つの磁石挿入用開口部２および３には、それぞれの外周側部分であるアウターブリッジ部１５と、１極の中の開口部同士の間の部分であるセンターブリッジ部１６に、他の部分より硬い硬化部（外周側硬化部１１および開口部間硬化部１２）を有する。
The two
アウターブリッジ部１５の硬化部１１は、磁石挿入用開口部２、３の最も外周側（外周側開口端）からロータコアの外周部４に至らない範囲に形成されている。すなわち、この外周側硬化部１１のさらに外周側には、硬化されていない部分が存在する。
The hardened
また、開口端が相対しているセンターブリッジ部１６の開口部間硬化部１２は、それぞれの開口端から両開口端の中心Ｃに至らない範囲に形成されている。すなわち、硬化部同士の間には硬化されていない部分が存在する。
Moreover, the
ここで磁石を抱えるブリッジ部は、アウターブリッジ部１５、センターブリッジ部１６のいずれでもよく、１極に対して磁石挿入用開口部が１つの場合は、アウターブリッジ部１５のみとなり、本実施の形態のように、１極に対して２つの磁石挿入用開口部がある場合には、アウターブリッジ部１５とセンターブリッジ部１６の両方に硬化部を設けることが好ましい。
Here, the bridge portion holding the magnet may be either the
ここで磁石に働く遠心力に基づいて高い応力が働く部位は、磁石挿入用開口部の外周側部分と、開口端が相対している部分である。 Here, the portion where high stress is applied based on the centrifugal force acting on the magnet is a portion where the outer peripheral side portion of the magnet insertion opening portion is opposed to the opening end.
したがって、この遠心力に基づいて高い応力が働く部分に、他の部分よりも硬い外周側硬化部１１と開口部間硬化部１２を設けたことで、電磁鋼板全体を低鉄損のまま、回転中に応力の最も集中する部分を強化することができるので、高速回転化を可能にすることができる。そして、この硬化部を効果的に形成させる方法が本発明である。
Therefore, by providing the outer peripheral side hardened
本発明を適用した本実施の形態におけるロータコア電磁鋼板の製造方法は、まず、外周側硬化部１１および開口部間硬化部１２に当たる部位を加工硬化する。そして、この加工硬化を施したロータコア電磁鋼板を加熱処理するものである。
In the method for manufacturing a rotor core electrical steel sheet according to the present embodiment to which the present invention is applied, first, the parts corresponding to the outer peripheral
金属は一般に容易に塑性変形するが、それはミクロスコピックには転位が発生、増殖し、転位が運動することにより、すべりが発生することによる。 Metals are generally easily plastically deformed because dislocations are generated and proliferated in the microscopic state, and slips are generated by the movement of the dislocations.
また、電磁鋼板のような軟鋼では、塑性変形させた後、加温することで強度が増すという現象が知られており、ストレインエージングと呼ばれている。これは軟鋼中に含まれている炭素原子（Ｃ）および窒素原子（Ｎ）が転位の応力場により転位の周りに吸い寄せられ転位を固着するため、転位が動きにくくなるためである。 In addition, a mild steel such as an electromagnetic steel sheet is known to have a phenomenon that strength is increased by heating after plastic deformation and is called strain aging. This is because the dislocations are difficult to move because carbon atoms (C) and nitrogen atoms (N) contained in the mild steel are attracted around the dislocations by the stress field of dislocations to fix the dislocations.
加工硬化はよく知られているように、転位が増殖した状態で起こっている。電磁鋼板には一般に２０〜３０ｐｐｍ程度のＣおよびＮが含まれている。したがって、加工硬化させた状態でさらに加温すれば、ＣおよびＮの転位の固着により、強度向上が期待できるのである。 Work hardening, as is well known, occurs with dislocations growing. The electromagnetic steel sheet generally contains about 20 to 30 ppm of C and N. Therefore, if heating is further performed in a work-hardened state, improvement in strength can be expected due to fixation of C and N dislocations.
このように加工硬化に加えて加熱処理により温度履歴を与えることで、外周側硬化部１１または開口部間硬化部１２にはより一層の強度向上効果がもたらされるものである。
Thus, by giving a temperature history by heat treatment in addition to work hardening, the outer peripheral side cured
加熱処理は、温度が２００〜３５０℃であることが好ましい。これは、加熱によって電磁鋼板中に含まれるＣ、Ｎが拡散することに起因していわゆるストレインエージングという現象が起こって強度が向上するのであるが、この温度で実施すると、その温度域で拡散が効果的に起こると推定され、結果として有効に強度向上が図れるからである。なお、この温度範囲を外れると、たとえば２００℃未満では、十分なストレインエージングという現象が起こらないため、熱履歴によるさらなる強度の向上が望めないために好ましくない。一方、３５０℃を超えて高温になりすぎると転位構造が変わってしまい、いわゆる鋼が鈍るといったことが生じてしまうので好ましくないものである。 In the heat treatment, the temperature is preferably 200 to 350 ° C. This is because the phenomenon of so-called strain aging occurs due to the diffusion of C and N contained in the electrical steel sheet due to heating, and the strength is improved. This is because it is presumed to occur effectively, and as a result, the strength can be effectively improved. If the temperature is out of this range, for example, if it is less than 200 ° C., the phenomenon of sufficient strain aging does not occur. On the other hand, when the temperature exceeds 350 ° C. and becomes too high, the dislocation structure is changed, and so-called steel becomes dull, which is not preferable.
この加熱処理は、もちろんロータコア鋼板単体で実施してもよいが、ロータコアを形成する際の焼き嵌め工程において実施することもできる。 Of course, this heat treatment may be carried out on the rotor core steel plate alone, but it can also be carried out in a shrink fitting process when the rotor core is formed.
ロータコアを形成する際は、複数のロータコア鋼板を積層して、この積層体にロータ軸を焼き嵌めにて取り付けるのであるが、その際、ロータコア鋼板からなる積層体が加熱されることになる。そこで、加工硬化後のロータコア鋼板を１枚１枚加熱処理するのではなく、この焼き嵌めを上記温度範囲で行うことにより、わざわざ１枚１枚のロータコア鋼板を加熱処理しなくても済むようになる。したがって、ロータを形成する際の焼き嵌め工程を利用することで、加熱処理のため工程を追加する必要がない。 When forming the rotor core, a plurality of rotor core steel plates are laminated, and the rotor shaft is attached to the laminate by shrink fitting. At this time, the laminate made of the rotor core steel plates is heated. Therefore, instead of heat-treating the rotor core steel plates after work hardening one by one, this shrink fitting is performed in the above temperature range so that it is not necessary to heat-treat each rotor core steel plate. Become. Therefore, it is not necessary to add a process for heat treatment by using the shrink fitting process when forming the rotor.
前記の加工硬化は、プレスによる塑性加工、レーザーピーニング処理のいずれか一方またはそれらを組み合わせて行うことが好ましい。 The work hardening is preferably performed by any one of a plastic working by a press and a laser peening treatment or a combination thereof.
たとえば、プレスによる塑性加工では、ブリッジ部に段差を設けることでロータ強度向上が図れることがこれまでの検討からわかっており、特にプレスにより段差を設けた場合には塑性変形による加工硬化が発生するので強度向上効果が著しい。 For example, in plastic working by pressing, it has been known from the examination so far that the strength of the rotor can be improved by providing a step in the bridge portion. Especially when the step is provided by pressing, work hardening due to plastic deformation occurs. Therefore, the strength improvement effect is remarkable.
図３は、片側からプレス加工を行って段差を設けた場合の断面図であり、図３（ａ）は図２のＡ１−Ａ２断面（アウターブリッジ部）であり、図３（ｂ）は図２のＢ１−Ｂ２断面（センターブリッジ部）である。 3 is a cross-sectional view when a step is provided by pressing from one side, FIG. 3 (a) is an A1-A2 cross section (outer bridge portion) in FIG. 2, and FIG. 3 (b) is a diagram. 2 is a B1-B2 cross section (center bridge portion).
なお、このようなプレスによる加工硬化は、両面からプレスして両面に段差がつくように加工硬化してもよい。 In addition, the work hardening by such a press may be hardened by pressing from both sides so that there is a step on both sides.
一方、レーザーピーニング処理による強化メカニズムは、衝撃波による加工硬化である。このレーザーピーニング処理は、たとえば、小畑稔他「パルス状レーザー照射による応力改善技術−ＳＵＳ３０４鋼に対する応力改善効果の検討」（「材料」、第４９巻、第２号、１９３−１９９ページ、平成１２年、２月発行）、また、特開平７−２４６４８３号公報などにあるものと同様の方法によって実施することができる。 On the other hand, the strengthening mechanism by the laser peening process is work hardening by shock waves. This laser peening treatment is performed, for example, by Satoshi Obata et al. “Stress Improvement Technology by Pulsed Laser Irradiation—Examination of Stress Improvement Effect on SUS304 Steel” (“Materials”, Vol. 49, No. 2, pp. 193-199, 2000 (Issued in February of the same year), and in the same manner as that disclosed in JP-A-7-246483.
このレーザーピーニング処理は、水中で実施されるが、より好ましくは油中での実施である。後に実施例中においても説明するが、レーザーピーニング処理時にレーザー光が電磁鋼板に当たりプラズマが発生し、その際に油が分解して発生する炭素原子が電磁鋼板の表層に入るため、その後の加熱処理によるストレインエージング現象による強度向上効果が増すものと考えられる。 This laser peening treatment is carried out in water, more preferably in oil. As will be described later in the examples, since the laser beam hits the magnetic steel sheet during the laser peening process and plasma is generated, and the carbon atoms generated by the decomposition of oil enter the surface layer of the magnetic steel sheet, the subsequent heat treatment It is considered that the effect of improving the strength by the strain aging phenomenon due to the aging increases.
このように、本発明を適用した実施の形態によって得られるロータコア鋼板は、それを積層して製造したロータコアを形成することにより、従来よりも一層の高速回転に耐えることが可能となる。したがって、小型軽量化が可能となり、たとえば電気自動車などの車両駆動用モータに好適に使用できる。 As described above, the rotor core steel sheet obtained by the embodiment to which the present invention is applied can withstand higher-speed rotation than before by forming a rotor core manufactured by stacking the steel sheets. Therefore, it can be reduced in size and weight, and can be suitably used for a vehicle driving motor such as an electric vehicle.
また、本実施の形態によって得られるロータコア鋼板においては、１極に対して複数の永久磁石が用いられる場合に、それに対応して１極当たり複数設けられている開口部同士の間にも開口部間硬化部を設けたので、このような１極に対して複数の永久磁石が用いられる場合においても高速回転化を可能にすることができるのである。 Further, in the rotor core steel sheet obtained by the present embodiment, when a plurality of permanent magnets are used for one pole, the openings are also provided between the openings provided for each pole correspondingly. Since the inter-hardening portion is provided, even when a plurality of permanent magnets are used for such one pole, high-speed rotation can be achieved.
以下、本発明について実施例を挙げてさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
まず、本発明の効果を確認するために以下の解析を行った。 First, in order to confirm the effect of the present invention, the following analysis was performed.
図１１に示した従来のロータコアをＦＥＭ弾性解析にて、回転状態における磁石に働く遠心力に基づく応力分布を求めた。その解析の結果、アウターブリッジ部の磁石側、および、センターブリッジ部の付け根部に応力集中部があることがわかった。 The stress distribution based on the centrifugal force acting on the magnet in the rotating state was obtained by FEM elastic analysis of the conventional rotor core shown in FIG. As a result of the analysis, it was found that there was a stress concentration part at the magnet side of the outer bridge part and at the base part of the center bridge part.
また、１枚のロータコア鋼板よりなるダミーロータを試作し、ロータスピンテストを行って、どのようにロータにおいて塑性変形が開始し進行するのかを検討した。 In addition, a dummy rotor made of a single rotor core steel plate was prototyped and a rotor spin test was performed to examine how plastic deformation starts and proceeds in the rotor.
ここでダミーロータとは、ロータコア鋼板１枚からなり、磁石の挿入口には電磁鋼板１枚分に相当するダミー磁石を入れた。またワイヤカットにてロータ形状を得た。 Here, the dummy rotor is composed of one rotor core steel plate, and a dummy magnet corresponding to one electromagnetic steel plate is inserted into the magnet insertion slot. A rotor shape was obtained by wire cutting.
このロータスピンテストにおいては、予め、どの回転数で塑性変形が始まり、進行するかを、上記応力解析より予測し、テストを止める回転数をきめ、何水準かの回転数におけるロータサンプルを得た。塑性変形の度合いはエッチピット法により、エッチピットの発生している領域の面積の大きさにより見積もった。その結果、塑性変形はフォンミーゼスストレスの分布における、アウターブリッジ部、センターブリッジ部の応力集中部より開始することがわかった。しかも、塑性変形が開始するのは、最大応力（フォンミーゼスストレス）が、その材料（電磁鋼板）の引張試験より求めた降伏応力の値に達するとき（回転数）であることがわかった。 In this rotor spin test, the number of rotations at which plastic deformation starts and progresses is predicted from the above stress analysis, and the number of rotations at which the test is stopped is determined to obtain a rotor sample at a certain number of rotations. . The degree of plastic deformation was estimated by the etch pit method and the size of the area of the etch pit. As a result, it was found that plastic deformation starts from the stress concentration part of the outer bridge part and the center bridge part in the distribution of von Mises stress. Moreover, it was found that the plastic deformation starts when the maximum stress (von Mises stress) reaches the value of the yield stress obtained from the tensile test of the material (magnetic steel sheet) (rotation speed).
もちろん、回転数が塑性変形開始回転数より増すにつれて、塑性変形は進行する。なお、外径において寸法変化が明らかに認められる状態は、塑性変形が進行し、ブリッジ部を貫通してからである（エッチピット発生領域の観察等より確認することができた）。 Of course, the plastic deformation proceeds as the rotational speed increases from the plastic deformation start rotational speed. Note that the state in which the dimensional change is clearly recognized at the outer diameter is after plastic deformation has progressed and penetrated the bridge portion (which could be confirmed by observation of an etch pit occurrence region or the like).
なお、ロータスピンテストは、大気との摩擦熱の影響を排除するため、排気減圧されたチャンバー内において室温にて実施した。 The rotor spin test was performed at room temperature in a vacuum-exhausted chamber in order to eliminate the influence of frictional heat with the atmosphere.
また、磁石ブリッジ部の静的な強度を測定した。図４は、この静的強度を測定するための方法およびそのための冶具を説明するための説明図である。 Moreover, the static intensity | strength of the magnet bridge part was measured. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a method for measuring the static strength and a jig for the method.
静的強度の測定は引張試験により行った。引張試験は、１枚のロータコア鋼板を、図示するように、磁石１極分（この場合は６０度分）の部分が移動しないように、図示符号２５で示す部分を径方向で拘束する。そして、磁石挿入用開口部には磁石形状をした治具２１、２２を入れる。治具２１、２２のセンター（重心位置）にはピン穴がありピン２３、２４が入れてある。治具２１、２２は、ピン２３、２４に対して回転自在である。また、治具２１、２２は、磁石挿入用開口部２、３のロータ径方向外側の辺の直線部のみで図示のように接触している。
The static strength was measured by a tensile test. In the tensile test, as shown in the drawing, a portion indicated by
そして、このピン２３、２４を上方（図中矢印Ｆ方向）に引っ張ったときの変位と力（荷重）の関係を実測した。
The relationship between displacement and force (load) when the
引張試験に用いたロータコア鋼板は、厚さ０．３５ｍｍの電磁鋼板（市販の３５Ｈ３００）を６極用に外径１００ｍｍで打ち抜いて作製した（以下の説明における各サンプルおよび各実施例における素材はいずれもこれと同じである。また、すべてのサンプルとも磁石挿入用開口部の大きさは同じである）。そして、この打ち抜き後のままのサンプル、レーザーピーニング処理による加工硬化のみを実施したサンプル、およびプレスにより加工硬化のみを実施したサンプルについて測定した。 The rotor core steel plate used for the tensile test was manufactured by punching out a 0.35 mm thick electromagnetic steel plate (commercially available 35H300) with an outer diameter of 100 mm for 6 poles. This is the same, and the size of the magnet insertion opening is the same for all samples). And it measured about the sample which performed only the work hardening by the press, the sample which implemented only the work hardening by a laser peening process, and the work hardening only with the press.
図５は、これらサンプルの測定結果である変位と荷重の関係を示すグラフである（ただし、プレスにより加工硬化のみを実施したサンプルについてはグラフ上に図示していない）。図中、「打抜」が打ち抜き後のままのサンプル、「ＬＰ」がレーザーピーニング処理によるサンプルである。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the displacement and the load, which are the measurement results of these samples (however, the sample that has been only work-hardened by pressing is not shown on the graph). In the figure, “punching” is a sample as it is after punching, and “LP” is a sample obtained by laser peening.
図５から、いずれのサンプルにおいても応力−歪曲線と似た関係になっていることがわかる。 From FIG. 5, it can be seen that any sample has a relationship similar to the stress-strain curve.
すなわち、変位−荷重曲線は直線的に立ち上がるが、やがて直線から外れてくる。これは応力集中部において降伏が起こり始める（塑性変形が始まる）からである。さらに変位が増すと加工硬化しながら塑性変形する。ここで図５において、打ち抜き後のままのサンプルでは、１０μｍ変位を示す直線からずれたところでの力は２１０Ｎとなっている。以下においては１０μｍ変位での力を降伏力（あるいは強度）と定義して用いる。打ち抜き後のままのサンプルでは、ブリッジ部強度は２１０Ｎとなる。 That is, the displacement-load curve rises linearly but eventually deviates from the straight line. This is because yield starts to occur (plastic deformation starts) in the stress concentration part. When the displacement further increases, plastic deformation occurs while work hardening. Here, in FIG. 5, in the sample as punched, the force at a position deviating from the straight line indicating the 10 μm displacement is 210 N. In the following, a force at a displacement of 10 μm is defined and used as a yield force (or strength). In the sample after punching, the strength of the bridge portion is 210N.
また、ロータコア鋼板におけるロータスピンテストにおける強度と上記静的強度の関係も把握できている。ロータスピンテストにおいては、回転数を増すにつれて、径は指数関数的に増加する（永久変形が残る）。径が規定した量だけ（たとえば２０μｍ）増加する回転数を使用限界回転数と定義することにすると、上記打ち抜きのみのロータコア鋼板の場合は２０．８ｋｒｐｍになる。静的引張強度の高いロータコア鋼板ほど使用限界回転数は高くなっている。 In addition, the relationship between the strength of the rotor core steel plate in the rotor spin test and the static strength can be grasped. In the rotor spin test, the diameter increases exponentially as the number of revolutions increases (permanent deformation remains). If the rotational speed at which the diameter is increased by a prescribed amount (for example, 20 μm) is defined as the use limit rotational speed, the rotor core steel sheet with only the punching is 20.8 krpm. The rotor core steel plate with higher static tensile strength has a higher use limit rotational speed.
さらに、ロータコア鋼板について上記した静的引張のＦＥＭ弾性解析も実施した。その応力分布は回転状態における応力分布と類似の応力分布となっている。特に、応力集中部の位置は同じになっている。 Furthermore, the above-described static tensile FEM elasticity analysis was also performed on the rotor core steel plate. The stress distribution is similar to that in the rotational state. In particular, the position of the stress concentration portion is the same.
一方、レーザーピーニング処理をしたサンプルは、レーザーピーニング処理の条件として、グリーンのパルスレーザにより、エネルギー：６０ｍＪ、スポット径：φ０．４ｍｍ、パルス密度：５０Ｐ／ｍｍ２により水中で実施した。この場合の引張強度試験でのブリッジ部強度は約２５０Ｎであった。 On the other hand, the sample subjected to the laser peening treatment was carried out in water by using a green pulse laser with an energy of 60 mJ, a spot diameter of φ0.4 mm, and a pulse density of 50 P / mm 2 as laser peening treatment conditions. In this case, the bridge portion strength in the tensile strength test was about 250N.
また、図示していないが、プレスによる加工硬化を行ったサンプルは、アウターブリッジ部１５およびセンターブリッジ部１６ともに、磁石挿入側から、約３％の段差（約１０μｍのへこみ段差（図３参照））が付くようにプレスにて硬化させた。このサンプルの場合、ブリッジ部強度は約２５０Ｎであった。
Although not shown in the drawing, in the sample subjected to work hardening by pressing, both the
その後さらに、上記各サンプルと同じ条件で加工硬化を行った（または行っていない）サンプルを用いて、熱処理条件を変えて実験を行った。 Thereafter, an experiment was performed by changing the heat treatment conditions using a sample that was (or was not) hardened under the same conditions as those of the above samples.
（実施例１）
図６は、温度条件ごとの引張試験結果を示すグラフである。縦軸は加熱処理してない場合の強度（Ｆ０）で規格化（Ｆ／Ｆ０）した。
(Example 1)
FIG. 6 is a graph showing a tensile test result for each temperature condition. The vertical axis is normalized (F / F0) by the strength (F0) when no heat treatment is performed.
まず、前述したプレスにて約３％の段差を設けて加工硬化したロータコア鋼板のサンプルに、２５０℃にて１時間の加熱を試みた。なお、加熱は空気中にて行った（以下でも同様）。 First, an attempt was made to heat a sample of a rotor core steel plate that was work-hardened with a step of about 3% by the press described above at 250 ° C. for 1 hour. The heating was performed in air (the same applies below).
引張試験によるブリッジ部の強度は約５．６％上昇していた。なお、上昇率は、加熱処理前の状態での引張試験による強度を基準とするものである（以下、他の実施例についても同様）。 The strength of the bridge portion by the tensile test was increased by about 5.6%. The rate of increase is based on the strength obtained by a tensile test before the heat treatment (hereinafter, the same applies to other examples).
さらに、温度条件を把握するため、温度条件を変えて試験した。各温度における保持時間は１時間とした。引張試験は室温にて実施した。 Furthermore, in order to grasp temperature conditions, it tested by changing temperature conditions. The holding time at each temperature was 1 hour. The tensile test was performed at room temperature.
同図からわかるように、２００℃以上３５０℃以下の温度範囲で良好な特性が得られた。すなわち、熱処理しない場合よりも引張強度が向上している。 As can be seen from the figure, good characteristics were obtained in a temperature range of 200 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. That is, the tensile strength is improved as compared with the case where no heat treatment is performed.
さて、５％程度の上昇率は、数値としては小さい印象があるが、ここでのブリッジ部強度は約２５０Ｎであって、それがさらに５％増加することになるので、非常に有効であることがわかる。 Now, the increase rate of about 5% has a small impression as a numerical value, but the strength of the bridge portion here is about 250 N, which is an additional 5%, so it is very effective. I understand.
（実施例２）
前述したレーザーピーニング処理により加工硬化したロータコア鋼板のサンプルに、２５０℃で１時間加熱処理した。この場合には引張強度は約５％上昇した。
(Example 2)
A sample of the rotor core steel plate work-hardened by the laser peening treatment described above was heat-treated at 250 ° C. for 1 hour. In this case, the tensile strength increased by about 5%.
（実施例３）
実施例１と同様に、プレスにて段差を設けて加工硬化したロータコア鋼板のサンプルに、さらに上述したレーザーピーニング処理条件にてレーザーピーニング処理による加工硬化を実施した後、２５０℃、１時間の加熱処理を行った。この場合の引張強度の上昇は約３％であった。
(Example 3)
Similarly to Example 1, a sample of a rotor core steel plate that was work hardened with a step provided by a press was further subjected to work hardening by laser peening treatment under the laser peening treatment conditions described above, and then heated at 250 ° C. for 1 hour. Processed. In this case, the increase in tensile strength was about 3%.
この場合も、熱処理によって強度が上昇している。ただ上昇率が低いのは、そもそも基準の強度が高いためと推定される（ここで基準となるのは、プレスによる加工硬化後、さらにレーザーピーニング処理による加工硬化を行い、熱処理していないサンプルである）。 Also in this case, the strength is increased by the heat treatment. However, it is presumed that the rate of increase is low because the strength of the standard is high in the first place (the standard here is the sample that has been heat-cured by laser peening and then not heat-treated after work-hardening by press) is there).
（実施例４）
レーザーピーニング処理による加工硬化は、水中ばかりでなく、油中でも行える。レーザー光に対して透明な媒質であれば可能である。
Example 4
Work hardening by laser peening can be performed not only in water but also in oil. Any medium transparent to laser light is possible.
本実施例４では、鉱油中にてのレーザーピーニング処理を実施した。レーザーピーニング処理を鉱油中で行った以外の条件は、実施例２と同様である。 In the present Example 4, the laser peening process in mineral oil was implemented. The conditions other than performing the laser peening treatment in mineral oil are the same as in Example 2.
この場合には強度上昇は約７％であった。この場合に、前述した実施例２よりも上昇率が高くなっているのは、レーザー光が電磁鋼板に当たりプラズマが発生するがその際に油が分解して発生した炭素原子が電磁鋼板の表層に入り、それが、加熱処理によってさらに、ストレインエージング現象による強度向上効果が増したものと考えられる。 In this case, the strength increase was about 7%. In this case, the rate of increase is higher than that of Example 2 described above, because the laser beam hits the electromagnetic steel sheet and plasma is generated, but the carbon atoms generated by the decomposition of oil at that time are generated on the surface of the electromagnetic steel sheet. It is considered that the strength improvement effect due to the strain aging phenomenon was further increased by the heat treatment.
（実施例５）
前述したプレスにて約３％の段差を設けて加工硬化したロータコア鋼板のサンプルを用いてロータコア積層体を形成し、ロータ軸を焼き嵌めにて取り付けロータコアを形成した。このとき、焼き嵌めは、３００℃程度にロータコア鋼板積層体を加熱して行った。
(Example 5)
A rotor core laminate was formed using a sample of a rotor core steel plate that was work-hardened with a step of about 3% by the press described above, and the rotor shaft was attached by shrink fitting the rotor shaft. At this time, shrink fitting was performed by heating the rotor core steel sheet laminate to about 300 ° C.
焼き嵌め温度を経験させたロータ積層体から１枚のロータコア鋼板を抜き出し、引張試験を行った。強度上昇率は約６％であった。このことから、焼き嵌め工程の温度条件を上述した温度条件、すなわち、２００〜３５０℃にすることで、１枚１枚のロータコア鋼板にわざわざ加熱処理を行う工程を設けることなく焼き嵌め工程を利用して、ロータコア鋼板に熱履歴を与えることが可能であることがわかる。 One rotor core steel plate was extracted from the rotor laminate having experienced shrink fitting temperature, and a tensile test was performed. The strength increase rate was about 6%. For this reason, the shrink-fitting process is used without providing a process for heat-treating each rotor core steel sheet by setting the temperature condition of the shrink-fitting process to the temperature condition described above, that is, 200 to 350 ° C. And it turns out that it is possible to give a thermal history to a rotor core steel plate.
（実施例６）
前述した実施例１で試作したロータコア鋼板（プレスによる加工硬化後、２５０℃、１時間の加熱処理）を用いて、複数枚積層しロータコアとし、出力６０ｋＷ狙いのモータを仕立てて、モータとしての評価を行った。比較例として、打ち抜きのままのロータコア鋼板を用いたロータコアも試作した。なお、ロータ軸の取り付けには焼き嵌めは用いず、キー溝取り付けとした。モータ評価は、ロータコアのみを組み替えることにより実施した。
(Example 6)
Using the rotor core steel plate prototyped in Example 1 described above (after heat-hardening by press, heat treatment at 250 ° C. for 1 hour), a plurality of layers are formed into a rotor core, and a motor with an output of 60 kW is tailored to evaluate as a motor. Went. As a comparative example, a rotor core using a punched rotor core steel plate was also prototyped. The rotor shaft was attached by key groove attachment without using shrink fitting. Motor evaluation was carried out by rearranging only the rotor core.
１８０００ｒｐｍ、６０ｋＷでの効率を比較したところ、本実施例６のロータコアを用いた場合の方が、比較例のロータコアよりも効率が上回っていた。主な要因はトルクが増大していることによると考えられる。したがって、ブリッジ部にプレスにより段差を設け、かつ２５０℃の温度を経験させたことによるロータコア鉄損の増加は僅少であり、問題ないという結論が導けた。 When the efficiency at 18000 rpm and 60 kW was compared, the efficiency was higher when the rotor core of Example 6 was used than the rotor core of the comparative example. The main factor is considered to be an increase in torque. Accordingly, it was concluded that the increase in rotor core iron loss due to the provision of a step in the bridge portion by pressing and experiencing a temperature of 250 ° C. is negligible and there is no problem.
以上説明した各実施例では、電磁鋼板の板厚０．３５ｍｍの場合しか例示していないが、他の板厚の場合、たとえば０．２０ｍｍなどでも本発明が適用できることはいうまでもない。 In each of the embodiments described above, only the case where the plate thickness of the electromagnetic steel sheet is 0.35 mm is illustrated, but it goes without saying that the present invention can be applied to other plate thicknesses such as 0.20 mm.
また、上述した各実施の形態および実施例では、１極当たり２つの磁石挿入用開口部を設けたロータコア鋼板を用いているが、これに限らず、１つの磁石挿入用開口部を設けたロータコア鋼板のアウターブリッジ部に適用することで、回転数を向上させることが可能である。 In each of the above-described embodiments and examples, a rotor core steel plate having two magnet insertion openings per pole is used. However, the present invention is not limited to this, and a rotor core having one magnet insertion opening is provided. By applying to the outer bridge portion of the steel plate, it is possible to improve the rotational speed.
また、１極当たり２つの磁石挿入用開口部を設けたロータコア鋼板の場合においても、アウターブリッジ部とセンターブリッジ部の両方に硬化部を設けるばかりではなく、いずれか一方のみに適用した場合でも、回転数の向上が見込まれる。さらには、従来技術として紹介した図９や図１０のような磁石挿入用開口部の形状を変更した形態においても適用可能であり、さらなる高速回転化を図ることができる。 In addition, even in the case of a rotor core steel plate provided with two magnet insertion openings per pole, not only the hardened portion is provided in both the outer bridge portion and the center bridge portion, but also when applied only to either one, The number of revolutions is expected to improve. Furthermore, the present invention can also be applied to a form in which the shape of the magnet insertion opening as shown in FIG. 9 and FIG. 10 introduced as the prior art is changed, and further high-speed rotation can be achieved.
また、上述した各実施の形態および実施例は、あくまでも本発明の例示に過ぎず、当業者により本発明の技術思想の範囲内においてさまざまな変形形態が可能であり、このような変形形態も本発明に含まれるものである。 The above-described embodiments and examples are merely examples of the present invention, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is included in the invention.
１…ロータコア鋼板
２、３…磁石挿入用開口部
１１…外周側硬化部
１２…開口部間硬化部
１５…アウターブリッジ部
１６…センターブリッジ部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
１極当たり２個の磁石を挿入するために、前記ロータコア鋼板の内部で円周方向に並んで設けられた２つの開口部の間で当該２つの開口部のそれぞれの開口端から当該２つの開口部の間の中心にまで至らない範囲、および当該２つの開口部の前記ロータコア鋼板の外周部に近い側の開口端から前記ロータコア鋼板の外周部に至らない範囲を加工硬化する段階と、
前記加工硬化後の前記ロータコア鋼板を所定温度で加熱処理する段階と、
を有することを特徴とするロータコア鋼板の製造方法。 A method of manufacturing a rotor core steel plate, which is composed of a disk-shaped electromagnetic steel plate, and is used to form a rotor core of a motor incorporating a magnet by laminating a plurality of layers ,
In order to insert two magnets per pole, the two openings from the respective opening ends of the two openings are provided between two openings arranged in the circumferential direction inside the rotor core steel plate. Work hardening the range that does not reach the center between the parts, and the range that does not reach the outer peripheral portion of the rotor core steel plate from the opening end near the outer peripheral portion of the rotor core steel plate of the two openings ,
Heat-treating the rotor core steel sheet after the work hardening at a predetermined temperature;
A method for producing a rotor core steel sheet, comprising:
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