JP2007002334A - 低鉄損方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 レーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板において、レーザ照射部の凝固層厚が4μm以下であることを特徴とする励磁磁束密度1.9Tの高磁場での鉄損に優れ、かつ低磁歪である方向性電磁鋼板。また、レーザ照射部の表面粗度Rzが小さいこと、また、レーザ照射部を圧延直角方向よりみた断面形状が幅200μm以下、深さ10μm以下の凹型形状であることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
渦電流損は渦電流の2乗に比例し、渦電流は磁壁の移動速度に比例する。磁区幅を狭くすると渦電流の発生する部位は多くなるが、磁壁の移動速度は磁区幅に逆比例して小さくなるから、結果として渦電流損は磁区幅にほぼ比例して小さくなる。
これらは何れも鋼板に微少な塑性歪を導入し、磁歪の逆効果によって安定化された圧延方向と直角方向の磁化成分を持つ磁区を利用して磁区を細分化する技術である。特にレーザ照射により磁区細分化した方向性電磁鋼板(以下、レーザ磁区制御方向性電磁鋼板と称す)は、低損失を必要とする電力用の積層大型変圧器に工業的に広く使用されており、近年の排出CO2 削減を目的としたエネルギー消費削減の大きな流れの中で、その需要は大きな高まりを見せている。
(1)レーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板において、レーザ照射部の凝固層厚みが4μm以下であることを特徴とする励磁磁束密度1.9Tの高磁場での鉄損に優れ、かつ低磁歪である方向性電磁鋼板。
(2)レーザ照射部を圧延方向に走査して粗度測定を行った際の表面粗度Rzの値が4μm以下であることを特徴とする励磁磁束密度1.9Tの高磁場での鉄損に優れ、かつ低磁歪である方向性電磁鋼板。
(3)板幅方向に線状あるいは点列状にレーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板において、レーザ照射部を圧延直角方向よりみた断面形状が幅200μm以下、深さ10μm以下の凹型形状である前記(1)または(2)に記載の方向性電磁鋼板。
(4)鋼板上の隣接する連続あるいは点列状の線の間の距離が30mm以下である前記 (1)または(2)に記載の方向性電磁鋼板。
(5)鋼板上の隣接する連続あるいは点列状の線の間の距離が3〜5mmである前記(4)に記載の方向性電磁鋼板。
(6)凹型形状部の幅が30〜180μmで深さが1〜4μmである前記(3)に記載の方向性電磁鋼板。
(8)板幅方向に線状あるいは点列状にレーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板の製造方法において、レーザ照射部を圧延直角方向よりみた断面形状が幅200μm以下、深さ10μm以下の凹型形状とし、凹底部の凝固層厚みを4μm以下とする方向性電磁鋼板の製造方法。
(9)前記レーザ照射が、コア直径500μm以下のファイバーを有するファイバーレーザ装置によりレーザ照射されることを特徴とする前記(7)または(8)記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
(10)前記レーザ照射が、コア直径200μm以下のファイバーを有するファイバーレーザ装置によりレーザ照射されることを特徴とする前記(7)または(8)記載の磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
(11)鋼板上の隣接する連続あるいは点列状の線の間の距離が30mm以下である前記(7)または(8)に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
(12)鋼板上の隣接する連続あるいは点列状の線の間の距離が3〜5mmである前記 (11)に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
(13)凹型形状部の幅が30〜180μmで深さが2〜4μmである前記(7)または(8)に記載の方向性電磁鋼板。
表1より解るように、(1)、(2)、(4)、(5)の試料が励磁磁束密度1.9Tの高磁場における鉄損(高磁場鉄損)W19/50 、磁歪λ19p-p がともに他の試料に較べて優れている。
レーザ照射により磁区幅が細分化され、鉄損が低減される機構は、レーザ照射によって導入される残留歪(熱歪ないしはプラズマ反力による衝撃歪)により形成される高エネルギーの還流磁区の総体積を減少させることを駆動力としていると考えられている(例えば非特許文献3)。
日本応用磁気学会誌,vol.25,No12,P.1612
なお、特許文献9の図5には凝固層厚みが2μm程度のレーザ照射部が開示されているが、特許文献9の本文中の段落[0003]にもあるように、当該発明は鉄損低減効果が歪取り焼鈍後も残る方向性電磁鋼板の鉄損低減方法を狙ったもので、特許文献9の図5にあるような溶融層のみでその厚みが20μmを超えるような条件では鉄損値はむしろ劣化する。本発明は歪み取り焼鈍を行わない鉄心、例えば大型変圧器用の鉄心に用いる低鉄損の方向性電磁鋼板を供することを目指すものであり、その技術思想は全く異なる。
本発明者等は、質量にして3.3%のSiを含む方向性電磁鋼板の成品板(板厚0.27mm)に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向にファイバー径10μmのファイバーレーザ装置を使って線状のレーザ照射を施した。レーザ照射線の間隔は4mm、圧延方向の照射部の長さは(1)50μm、(2)100μm、(3)200μmであった。
また、同じ方向性電磁鋼板にYAGレーザを用いて点列状のレーザ照射を行った。照射線間隔は4mmであり、圧延方向の照射部最大長さ(点の直径に相当する)は(4)100μm、(5)200μmであった。
表面粗度RzはISO4287(1997)に定められた輪郭曲線の最大高さを示す指標である。レーザ照射部分の表面粗度Rzは、表面粗さを測定する通常の表面粗さ計を用い、レーザ照射部中心線を直角(圧延方向)に横切るように触針を走査して測定した。その結果、表面粗度Rzと鉄損、磁歪とが相関が高いことが解った。
尚、表面粗度Rzの測定に際して、表面のゴミは充分に除去し、10回以上の複数回測定を行い、単発的な異常値は除去した上で平均値を求めた。また、表面粗度の測定に際しては、磁化に関係するのは鋼板部分のみであるので、表面の高張力絶縁被膜、セラミック被膜はアルカリで除去して測定することが理想的であるが、鋼板に対し強い腐食性でない酸を用いて、これらを除去しても表面プロフィールを大きく変えることはなく実用的には問題ない。また、鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を付加しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
YAGレーザを用いた(4)と(5)の場合、レーザ照射部(底部)に表面粗度の大きな先鋭な突起部分が観察され、これが高磁場鉄損、磁歪を劣化されるものと思われる。
本発明で用いられる方向性電磁鋼板は、一般の製品板でよい。なお、鋼板表面にフォルステライトなどによる一次被膜、及び絶縁被膜を有するのが一般的であるが、鋼板表面に被膜がない製品板についても本発明範囲内である。
磁歪低減のためには、圧延方向のレーザ照射幅を200μm以下、好ましくは180μm以下、より好ましくは140μm以下、120μm以下、さらに好ましくは100μm以下とすることがよい。一方、低鉄損を得るために、圧延方向のレーザ照射幅を20μm以上、より好ましくは30μm以上、さらに好ましくは50μm以上とすることがよい。
まず、本発明の電磁鋼板の製造においては、高出力のレーザビームを集光形状200μm以下にすることが好ましい。一般のYAGレーザはマルチモードと呼ばれる集光性能の低いビーム品質であり、特に高出力YAGレーザの200μmの集光は非常に困難である。またCO2 レーザも一般にマルチモード発振であり、波長もYAGレーザに比べて長いため、200μm以下の集光は困難である。これらのレーザで集光性の高いシングルモード出力を得るには、レーザ共振器内部に空間フィルターを用いる等の特殊な装置構成が必要となる。ただし、この場合レーザ出力が著しく減少するため、工業的な大量生産にはあまり向いてない。
ファイバーコア径の上限500μmは、これ以上では所望の凝固層厚みが得られず、また、所望の断面形状も得にくくなるので限定する。さらにはコア径を200μm以下とすることが好ましい。更に好ましくは、コア径を40μm以下とすることも好ましい。
一方、ファイバーレーザのモードはファイバーコア径で規制されてたシングルモードであるため、このような不安定要因がなく、常に安定した凝固層を形成することが可能である。この観点でも本発明にファイバーレーザを用いることが好ましい。
なお、凝固層の観察は、エッチングを併用するSEM観察方法、反射電子像を用いたSEM観察方法、FE−SEMを用いた観察方法、光学顕微鏡を用いた方法などにより測定可能である。この際、図3のような傾斜研磨を行って測定したSEM写真を用いることにより、凝固層厚みをより正確に求めることができる。
凝固層厚の上限値4μmは、磁歪を劣化させずにかつ高磁場鉄損を向上させる条件なので限定した。なお、凝固層厚みの下限値については、磁区細分化のための鋼板の弾性変形を維持するために必要と考えられる熱変形体積の確保の観点から0.1μm以上が望ましい。さらには0.5μm以上、2μm以下が更に好ましい。
なお、図1にレーザ照射部の圧延直角方向よりみた凹型断面形状の模式図を示す。図中のtmが凝固層の最大厚み、dが凹型形状の深さ、Wが凹型形状の幅(圧延方向照射幅)である。
本発明では、方向性電磁鋼板に板幅方向に線状あるいは点列状でレーザ照射して磁区制御を行う。板幅方向とは圧延方向と直角方向から0°〜30°の範囲に線状あるいは点列状でレーザ照射する。線状とは照射痕が連続する直線状に照射すること、点列状とは円あるいは楕円の照射痕の列が直線上に配置するように照射することをいう。ただし、これらの照射痕が完全な直線ではなく、波状であっても本発明の実施を妨げるものではない。波状照射の場合には、上記の板幅方向は波状線の中心線を持って定義する。
なお、この観点から考えた場合、レーザ照射の圧延直角方向よりみた断面形状が幅が狭すぎると表面粗度が大きくなる場合があるため、30μm以上、好ましくは50μm以上とするとよい。
本発明者等は、質量にして3.2%のSiを含む方向性電磁鋼板の成品板(板厚0.23mm)に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向にファイバー径10μmのファイバーレーザ装置を使って線状のレーザ照射を施した。レーザ照射線の間隔は3mm、圧延方向の照射部長さ(幅)は30μmであった。照射の際、照射ビームを圧延直角方向に走査する速度を変更して、照射部の凝固層の厚みをレーザパワーを変えることによって変化させた。 各試料の磁気測定結果を表3に示す。鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
表3より解るように、(1)、(2)の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに比較例に較べて優れている。
また、同じ方向性電磁鋼板にCO2 レーザを用いて線状のレーザ照射を行った。照射線間隔は5mmであり、圧延方向の照射部長さは(4)300μm、(5)500μmであった。凝固層の厚みはレーザパワーと照射時間を変化させることによって制御した各試料の磁気測定結果を表4に示す。鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
表4より解るように、(1)、(2)、(3)の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに他の試料に較べて優れている。
表5より解るように、(1)、(2)の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに他の試料に較べて優れている。
以上、各試料のレーザ照射部分の形状および磁気測定結果を表6に示す。レーザ照射部分の形状は圧延直角方向よりみた凹型の断面形状である。また、鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
表6より解るように、(1)、(2)、(3)の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに他の試料に較べて優れている。
W:凹部断面幅
d:凹底部深さ
tm:凝固層厚み
Claims (13)
- レーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板において、レーザ照射部の凝固層厚みが4μm以下であることを特徴とする励磁磁束密度1.9Tの高磁場での鉄損に優れ、かつ低磁歪である方向性電磁鋼板。
- レーザ照射部を圧延方向に走査して粗度測定を行った際の表面粗度Rzの値が4μm以下であることを特徴とする励磁磁束密度1.9Tの高磁場での鉄損に優れ、かつ低磁歪である方向性電磁鋼板。
- 板幅方向に線状あるいは点列状にレーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板において、レーザ照射部を圧延直角方向よりみた断面形状が幅200μm以下、深さ10μm以下の凹型形状である請求項1または2に記載の方向性電磁鋼板。
- 鋼板上の隣接する連続あるいは点列状の線の間の距離が30mm以下である請求項1または2に記載の方向性電磁鋼板。
- 鋼板上の隣接する連続あるいは点列状の線の間の距離が3〜5mmである請求項4に記載の方向性電磁鋼板。
- 凹型形状部の幅が30〜180μmで深さが1〜4μmである請求項3に記載の方向性電磁鋼板。
- レーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板の製造方法において、レーザ照射部の凝固層厚みを4μm以下とすることを特徴とする励磁磁束密度1.9Tの高磁場での鉄損に優れ、かつ低磁歪である方向性電磁鋼板の製造方法。
- 板幅方向に線状あるいは点列状にレーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板の製造方法において、レーザ照射部を圧延直角方向よりみた断面形状が幅200μm以下、深さ10μm以下の凹型形状とし、凹底部の凝固層厚みを4μm以下とする方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記レーザ照射が、コア直径500μm以下のファイバーを有するファイバーレーザ装置によりレーザ照射されることを特徴とする請求項7または8に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記レーザ照射が、コア直径200μm以下のファイバーを有するファイバーレーザ装置によりレーザ照射されることを特徴とする請求項7または8に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 鋼板上の隣接する連続あるいは点列状の線の間の距離が30mm以下である請求項7または8に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 鋼板上の隣接する連続あるいは点列状の線の間の距離が3〜5mmである請求項11に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 凹型形状部の幅が30〜180μmで深さが1〜4μmである請求項7または8に記載の方向性電磁鋼板。
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