JP6090553B2 - 三相変圧器用鉄心 - Google Patents

Description

本発明は、三相変圧器用鉄心に関し、具体的には、ビルディングファクター（ＢＦ）が小さく鉄損が低い三相変圧器の鉄心に関するものである。

Ｓｉを含有し、結晶方位が｛１１０｝＜００１＞方位（Ｇｏｓｓ方位）に高度に集積した方向性電磁鋼板は、優れた軟磁気特性を有することから、商用周波数領域で使用される各種鉄心素材として広く用いられている。斯かる用途に用いられる方向性電磁鋼板の特性を表わす指標としては、一般に、５０Ｈｚの周波数で１．７Ｔに磁化させたときの損失である鉄損Ｗ_{１７／５０}（Ｗ／ｋｇ）が重要視されている。その理由は、鉄損Ｗ_{１７／５０}が低い素材を鉄心に用いることで、変圧器の鉄心の鉄損を大幅に低減できるからである。

電磁鋼板の鉄損は、結晶方位や純度等に依存するヒステリシス損と、比抵抗や板厚、磁区の大きさ等に依存する渦電流損との和で表される。したがって、鉄損を低減する方法としては、結晶方位の集積度を高めて磁束密度を向上させる方法や、Ｓｉを添加して電気抵抗を高める方法、鋼板の板厚を低減する方法、二次再結晶粒を微細化したり、磁区を細分化したりする方法等が知られている。

例えば、特許文献１には、二次再結晶粒を大きくし、結晶方位のＧｏｓｓ方位への集積度を高めて磁束密度を向上させる方法が、特許文献２や特許文献３には、線状の溝を鋼板表面に形成して磁区細分化する方法、特許文献４には、二次再結晶組織の圧延面法線方向（ＮＤ）周りと圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角を制御する方法等が知られている。

変圧器の鉄損を評価する指標の１つとしてビルディングファクター（ＢＦ）がある。このＢＦは、変圧器の鉄損値を、鉄心素材（方向性電磁鋼板）の鉄損値で割った値であり、ＢＦ値が小さいほど、素材鋼板に対する変圧器の鉄損が低減することを示している。そこで、特許文献５には、方向性電磁鋼板表面に形成される絶縁被膜の張力を低減することで、ＢＦを低減する技術が開示されている。

特開平０６−１００９９６号公報 特開平０８−２２５８４４号公報 特開２００８−０５７００１号公報 特開２００７−３１４８２６号公報 特開２００５−３１７６８３号公報

しかしながら、上記特許文献１〜４に開示された電磁鋼板は、いずれも、単板で測定したときの鉄損特性は優れているものの、積鉄心に組み立てて変圧器としたときの鉄損特性が大きく低下する、すなわち、ＢＦが大きいという問題がある。また、特許文献５に開示された絶縁被膜を改良した鋼板は、被膜不良が発生し易く、歩留まりが低下するという別の問題がある。そのため、ＢＦの小さい変圧器の積鉄心の開発が望まれていた。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点を解決するべく開発されたものであり、その目的は、素材鋼板から積鉄心にしたときの鉄損特性の劣化が小さい方向性電磁鋼板を開発し、もって、ＢＦが小さく鉄損が低い三相変圧器用鉄心を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決するべく、三相変圧器の鉄心として好適な材料（方向性電磁鋼板）について種々の検討を行った。その結果、
（１）二次再結晶粒の平均粒径が３０ｍｍ以上であること、
（２）二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延面法線方向（ＮＤ）周りのずれ角αの平均が３．７０°以下、理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角βの平均が２．５０°以下でること、
（３）鋼板板厚が０．１０〜０．２０ｍｍであること、および、
（４）鋼板に磁区細分化処理が施されていること、
の４つの全てを満たす方向性電磁鋼板を鉄心に用いることで、ＢＦが小さく、鉄損特性に優れる変圧器用鉄心が得られることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、Ｓｉ：１．５〜５．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．００１〜０．１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０４ｍａｓｓ％以下およびＡｌ：０．０２ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、二次再結晶粒の平均粒径が３０ｍｍ以上であり、二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延面法線方向（ＮＤ）周りのずれ角αの平均が３．７０°以下、理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角βの平均が２．５０°以下であり、板厚が０．１０〜０．２０ｍｍである磁区細分化した方向性電磁鋼板を積層した三相変圧器用鉄心である。

本発明の三相変圧器用鉄心に用いる上記方向性電磁鋼板は、二次再結晶粒の圧延方向の平均径が３０〜１００ｍｍ、圧延直角方向の平均径が３０ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、鋼板の板厚、二次再結晶粒の大きさ、二次再結晶粒の理想方位からのずれ角を制限し、さらに、鋼板表面に磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板を積鉄心に用いることで、鉄損が低い三相変圧器用鉄心を得ることができるで、省エネルギー化に寄与すること大である。

三相変圧器の構造（寸法、形状）の一例を説明する図である。 素材鋼板（単板）の鉄損Ｗ_{１７／５０}と三相変圧器の鉄損Ｗ_{１７／５０}とを対比したグラフである。

まず、本発明を開発するに至った実験について説明する。
地鉄中に、Ｓｉ：３．４ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０４ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０００５ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．００７ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、板厚が０．２０ｍｍである、表１に示すＮｏ．１〜１０の１０種の方向性電磁鋼板（製品コイル）から、素材の鉄損特性評価用の試料を採取し、素材鋼板の結晶粒径、磁束密度１．７Ｔにおける鉄損Ｗ_{１７／５０}、磁化力８００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ_８を、単板磁気測定法で測定した。
また、上記素材鋼板について、Ｘ線による結晶方位測定を圧延方向に５ｍｍピッチで２５０ｍｍの長さに亘って行い、二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延面法線方向（ＮＤ）周りのずれ角α、および、理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角βを測定した。
なお、上記鋼板の一部には、冷間圧延後の鋼板にエッチング処理を施して線状の溝を形成して磁区細分化処理を施した。
また、上記１０種の製品コイルの素材特性評価用試料の採取位置と同じ位置から、変圧器の鉄損特性評価用の試料を採取し、図１に示す形状、寸法を有する三相変圧器の鉄心を作製し、磁束密度１．７Ｔにおける変圧器の鉄損Ｗ_{１７／５０}を測定した。

上記測定の結果を表１に併記した。また、図２に、素材鋼板（単板）の鉄損Ｗ_{１７／５０}と三相変圧器の鉄損Ｗ_{１７／５０}とを対比して示した。
これらの結果から、素材鋼板の磁気特性はほぼ同程度であっても、鋼板板厚を０．２０ｍｍ以下、二次再結晶粒の平均粒径を３０ｍｍ以上、二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からのずれ角αの平均値を３．７０°以下、および理想方位｛１１０｝＜００１＞からのずれ角βの平均値を２．５０°以下制限すると共に、磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板を用いて積鉄心を作製することで、ＢＦが小さく、鉄損が０．９Ｗ／ｋｇ以下の低鉄損の三相変圧器が得られることがわかった。
本発明は、上記知見にさらに検討を加えて完成したものである。

次に、本発明の三相変圧器用鉄心に用いる方向性電磁鋼板について説明する。
Ｓｉ含有量：１．５〜５ｍａｓｓ％
本発明の方向性電磁鋼板は、鋼の電気抵抗を高めて低鉄損を実現するため、少なくとも１．５ｍａｓｓ％のＳｉを含有していることが必要である。しかし、Ｓｉ含有量が多くなり過ぎると、硬質化し、圧延して製造すること難しくなるので、上限は５ｍａｓｓ％とする。好ましくは、２．５〜４．５ｍａｓｓ％である。

本発明の方向性電磁鋼板は、上記Ｓｉ以外には、方向性電磁鋼板の地鉄中に一般に含まれている成分を含有することができ、例えば、Ｍｎ：０．００１〜０．１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０４ｍａｓｓ％以下およびＡｌ：０．０２ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有していてもよい。

板厚：０．１０〜０．２０ｍｍ
次に、本発明の方向性電磁鋼板は、板厚が０．１０〜０．２０ｍｍのものであることが必要である。板厚を０．２０ｍｍ以下とすることで、渦電流損の低減効果が得られる。また、板厚を低減した場合には、最終冷間圧延で強圧下圧延することが必要となり、一次再結晶焼鈍後の鋼板集合組織において、二次再結晶粒の核となるＧｏｓｓ方位粒が減少するため、二次再結晶粒を粗大化することができる。ただし、板厚が０．１０ｍｍ未満となると、圧延して製造することが難しくなるので、下限は０．１０ｍｍとする。

二次再結晶粒：平均粒径３０ｍｍ以上
二次再結晶粒は、粒径が大きいほど粒界の面積が減少し、粒界における磁壁移動によるエネルギー損失が減少する。表１からわかるように、素材鋼板の鉄損が同じ程度であっても、平均粒径が３０ｍｍ以上に大きくなるほど変圧器の鉄損が低減していることから、粒界での磁壁移動によるエネルギー損失が変圧器の鉄損に大きな影響を及ぼしているものと考えられる。そこで、本発明では、二次再結晶粒の平均粒径を３０ｍｍ以上とする。
なお、二次再結晶粒の大きさは、冷間圧延の圧延方向および圧延直角方向における平均径をそれぞれ３０ｍｍ以上とするのが好ましい。なお、より好ましくは、圧延方向の平均径は３０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とするのが好ましい。圧延方向の平均径が１００ｍｍ超えとなると、後述する二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角βが大きくなり、磁束密度が低下するためである。

二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延面法線方向（ＮＤ）周りのずれ角αの平均が３．７０°以下、理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角βの平均が２．５０°以下
二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延面法線方向（ＮＤ）周りのずれ角α、および、理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角βの平均値が、それぞれα≦３．７０°、β≦２．５０°を満たすときには、磁区細分化後の渦電流損が非常に小さくなる。そのため、上記条件を満たす方向性電磁鋼板を積鉄心に用いた場合には、ＢＦが小さく、鉄損が低い三相変圧器の鉄心を得ることができる。

なお、ずれ角αおよびずれ角βを上記範囲に制限することでＢＦが小さくなる理由について、発明者らは、トランスにおける磁束波形歪による渦電流損の増大が抑制されるためであると考えている。

磁区細分化処理
本発明の三相変圧器の鉄心に用いる方向性電磁鋼板は、磁区細分化処理が施されていることが必要である。磁区細分化処理を施すことで渦電流損が低減されるため、ＢＦが増加する原因である磁場の高調波成分による損失が減少し、ＢＦが著しく低減されるからである。なお、磁区細分化する方法については、従来公知の方法であれば特に制限はなく、例えば、冷間圧延後の鋼板表面に溝を形成する方法、製品鋼板表面に熱歪を付与する方法、製品鋼板表面に電子ビームを照射する方法、および、製品鋼板表面にレーザを照射する方法等の方法を用いることができる。また、上記溝の形成や歪、照射の付与は、連続した線状に行ってもよいし、断続した破線状に行ってもよい。

地鉄中に、Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０３ｍａｓｓ％およびＳ：０．０００５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、板厚が０．２０ｍｍである、表２に示すＮｏ．１〜９の方向性電磁鋼板（製品コイル）から、素材の鉄損特性評価用の試料を採取し、素材鋼板の結晶粒径、磁束密度１．７Ｔにおける鉄損Ｗ_{１７／５０}、磁化力８００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ_８を、単板磁気測定法で測定した。
また、上記素材鋼板について、Ｘ線による結晶方位測定を圧延方向に５ｍｍピッチで２５０ｍｍの長さに亘って行い、二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延面法線方向（ＮＤ）周りのずれ角α、および、理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角βを測定した。
なお、上記鋼板の一部には、冷間圧延後の鋼板表面にエッチングで溝を形成する、または、製品鋼板表面に電子ビームを照射して磁区細分化処理を施した。
また、上記製品コイルの素材特性評価用試料の採取位置と同じ位置から、変圧器の鉄損特性評価用の試料を採取し、図１に示す形状、寸法を有する三相変圧器の鉄心を作製し、磁束密度１．７Ｔにおける変圧器の鉄損Ｗ_{１７／５０}を測定した。

上記測定の結果を表２に併記した。表２から、本発明の条件を満たす素材鋼板を用いた三相変圧器の鉄心は、ＢＦが小さく、鉄損特性に優れていることがわかる。

地鉄中に、Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．００７ｍａｓｓ％およびＳ：０．００１ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、板厚が０．１８ｍｍである、表３に示すＮｏ．１〜４の方向性電磁鋼板（製品コイル）を用いること、および、磁区細分化処理の方法を、冷延後鋼板表面にエッチングで溝を形成する方法（Ｎｏ．２）、製品鋼板表面に電子ビームを照射する方法（Ｎｏ．３）、および、製品鋼板表面にレーザを照射する方法（Ｎｏ．４）のいずれかの方法を用いて行ったこと（ただし、Ｎｏ．１は磁区細分化処理なし）以外は、実施例１と同様にして、素材鋼板と三相変圧器の評価を行い、その結果を表３に併記した。
表３から、上記いずれかの方法で磁区細分化処理を施した鋼板を積鉄心に用いることにより、ＢＦが小さく、鉄損特性に優れた三相変圧器を得ることができることがわかる。

Claims (2)

1. Ｓｉ：１．５〜５．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．００１〜０．１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０４ｍａｓｓ％以下およびＡｌ：０．０２ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、二次再結晶粒の平均粒径が３０ｍｍ以上であり、二次再結晶粒の理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延面法線方向（ＮＤ）周りのずれ角αの平均が３．７０°以下、理想方位｛１１０｝＜００１＞からの圧延直角方向（ＴＤ）周りのずれ角βの平均が２．５０°以下であり、板厚が０．１０〜０．２０ｍｍである磁区細分化した方向性電磁鋼板を積層した三相変圧器用鉄心。
2. 上記方向性電磁鋼板は、二次再結晶粒の圧延方向の平均径が３０〜１００ｍｍ、圧延直角方向の平均径が３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の三相変圧器用鉄心。

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