JP6191789B2 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法並びに変圧器騒音特性の予測方法 - Google Patents
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Description
また、磁歪振幅以外に騒音に影響を与える磁歪特性として、特許文献4では、磁歪振動の速度波形に注目し、この速度波形を周波数分析して聴感補正を施したパラメータ、すなわち磁歪の速度成分が有する高調波成分に着目したパラメータが変圧器騒音の低減に有効であると述べられている。
しかしながら、騒音ばらつきが大きいなど、必ずしも期待通りの効果が得られるわけではない。
また、特許文献4に記載されたパラメータで磁歪特性と変圧器騒音を整理した場合、パラメータの値が同じでも変圧器騒音が異なる場合が多々あり、変圧器騒音が低い方向性電磁鋼板の選択指標とするには不十分である。
1)磁歪の速度レベル:dλ/dtにおいて、加減速ポイントが磁歪振動1周期内で4つであること
2)磁歪振動の加速領域または減速領域内における速度レベルの変化が、隣接する極大値と極小値の差で3.0×10-4sec-1以下であること
具体的には以下のとおりである。
1)フォルステライト被膜と絶縁コーティングの合計張力の表裏差が0.5MPa未満2)フォルステライト被膜の張力の表裏差が0.5MPa以上
1)フォルステライト被膜の張力調整手段は、脱炭焼鈍時における鋼板表裏面での内部酸化層の形成条件、焼鈍分離剤の種類および塗布量、並びに最終仕上げ焼鈍前までに行う電着処理における電着量の少なくともいずれかを変更する。
2)絶縁コーティングの張力調整手段は、絶縁コーティングの膜厚および/または組成の変更で実施する。
<実験1>
まず、加減速ポイントと変圧器騒音の関係を調査した。最初の検討では、磁歪特性を変化させるために励磁電圧に高調波を重畳させた。0.27mmの方向性電磁鋼板を用いて、300kVAの実機トランスを組上げ、50Hz、1.7Tで騒音を評価した。図1に磁歪振動の速度レベルの一例を示す。ここでは、加減速を繰り返しながら振動することは騒音を増大させる原因になり得ると考え、磁歪振動1周期における加減速ポイントの頻度と騒音の関係を調査した。周波数:50Hzで評価したので1周期の間隔は0.02secである。図中では、加減速ポイントは、8つ認められるが、磁歪振動が理想的な正弦波の場合、加減速ポイント(dλ/dt=0)は4つになるので、加減速ポイントの最小値は4つである。
さらに、隣接する極大値と極小値の磁歪の速度レベルの差(速度レベル変化量)の最大値と実機変圧器騒音の関係を調査した結果を図4に示す。同図から、変化量の最大値が3.0×10-4sec-1以下の場合に良好な実機変圧器の騒音特性が得られることが分かる。
1)加速割合が増加から減少に変化する、
2)加速割合が減少から増加に変化する、
3)減速割合が増加から減少に変化する、
4)減速割合が減少から増加に変化する、
いずれかの点である。
図5に、上記調査で得られた速度レベル変化ポイントの数と騒音値の関係を評価した結果を示すが、速度レベル変化量の最大値が3.0×10-4sec-1程度であれば、それより小さい速度変化は、騒音特性に大きな影響を及ぼしていないことが分かる。
5)磁歪の速度レベル:dλ/dtにおいて、加減速ポイントが磁歪振動1周期内で4つにすること、
6)磁歪振動の加速領域または減速領域内において、隣接する速度レベル変化ポイントの速度レベル変化量を3.0×10-4sec-1以下にすること、
が重要であることが判明した。
次に、磁歪特性を制御する具体的な方法の検討を行った。
まず、磁歪特性は被膜張力によって変化するというのは一般的に知られているので、被膜張力の影響を調査した。
公知な方法で製造した0.23mm厚の脱炭焼鈍板の片側面に、0〜3mg/m2の範囲でCuを電着させた後に、MgO:100質量部に対しTiO2を5質量部配合した焼鈍分離剤を表裏面にそれぞれ7g/m2ずつ塗布し、乾燥後に最終仕上げ焼鈍を10℃/hの昇温速度で1220℃×5hの条件で行った。その後、未反応焼鈍分離剤を除去し、60%のコロイダルシリカとリン酸アルミニウムからなる絶縁コートを表裏面それぞれに5.0〜9.0g/m2塗布し、850℃にて焼付けた。
表1にCu電着量、絶縁コーティング塗布量、フォルステライト被膜の裏表張力差、絶縁コーティングの裏表張力差、磁歪振動1周期内の加減速ポイント、磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する速度レベル変化ポイントの速度レベル変化量をそれぞれ示す。
なお、絶縁コーティングの圧延方向の張力は、圧延直角方向:280mm×圧延方向:30mmのサンプルを切り出した後、片面の張力コーティングを除去し、その除去前後の鋼板反り量を測定して得られた反り量を、以下の換算式にて張力換算して算出する。
発明者らは、実験2のサンプルについて磁気測定を行い、鉄損劣化量を評価した。図10にその結果を示すが、フォルステライト被膜・絶縁コーティングともに0.5MPa以上の張力の表裏差が生じた場合に、やはり鉄損が大きく劣化することが判明した。
そこで、鉄損と磁歪が両立する方法として、鉄損に関してはフォルステライト被膜の張力と絶縁コーティングの張力の影響が等しく、磁歪特性に関しては影響がそれぞれに異なる点に注目した。
すなわち、フォルステライト被膜と絶縁コーティングの合計張力の鋼板表裏差を0.5MPa未満にしつつ、鋼板表裏でフォルステライト被膜と絶縁コーティングの張力バランスを変化させてやれば、鋼板表裏で磁歪特性への影響度合いが異なるので、磁歪特性は改善するのではないかと考えたのである。
公知の方法で脱炭焼鈍まで行った0.3mm厚みの方向性電磁鋼板の脱炭焼鈍板の表裏面を研削によって酸素目付量:1.2〜2.0g/m2に変更した後、湿H2雰囲気中にて840℃、2分間の脱炭焼鈍を行った。
その後、焼鈍分離剤としてMgO:100質量部、TiO2:5質量部の配合割合になる焼鈍分離剤を表裏面にそれぞれ7g/m2ずつ塗布し、10℃/hの昇温速度で1180℃、5時間均熱する最終仕上げ焼鈍を施した。その後、未反応焼鈍分離剤を除去し、60%のコロイダルシリカとリン酸マグネシウムからなる絶縁コートを表裏面それぞれに5.0〜9.0g/m2塗布し、850℃にて焼付けた。ここでは、酸素目付け量および絶縁コーティング目付け量の表裏面バランスを変更することで、フォルステライト被膜と絶縁コーティング被膜の張力を変更した。
1)磁歪の速度レベル:dλ/dtにおいて、加減速ポイントが磁歪振動1周期内で4つである
2)磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する速度レベル変化ポイントの速度レベル変化量が3.0×10-4sec-1以下であること
3)フォルステライト被膜と絶縁コーティングの合計張力に関して、その表裏差が0.5MPa未満
4)フォルステライト被膜張力の表裏差が0.5MPa以上
1.表面にフォルステライト被膜および絶縁コーティングを備えた方向性電磁鋼板であって、
上記方向性電磁鋼板の磁歪特性が、以下の条件IおよびIIを満足し、
前記フォルステライト被膜と前記絶縁コーティングの合計張力の表裏差が0.5MPa未満であって、
前記フォルステライト被膜の張力の表裏差が0.5MPa以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
I 磁歪の速度レベル:dλ/dtにおいて、加減速ポイントが磁歪振動1周期内で4つである。
II 磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する磁歪の速度レベル変化ポイントの速度レベル変化量が3.0×10-4sec-1以下である。
スラブを、熱間圧延して熱延板を得る工程と、
必要に応じて前記熱延板に熱延板焼鈍を施す工程と、
その後、前記熱延板に1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延を施して、最終板厚を有する冷延板を得る工程と、
その後、前記冷延板に脱炭焼鈍を施して脱炭焼鈍板を得る工程と、
その後、前記脱炭焼鈍板の表面にMgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布して、その後、最終仕上げ焼鈍を行って、前記フォルステライト被膜を形成が形成された最終仕上げ焼鈍板を得る工程と、
その後、前記最終仕上げ焼鈍板に絶縁コーティング処理液を塗布して、その後、焼付けを兼ねた平坦化焼鈍を実施して、前記絶縁コーティングを形成する工程と、を有し、
前記フォルステライト被膜および前記絶縁コーティングを形成するとき、前記フォルステライト被膜と前記絶縁コーティングの合計張力の表裏差を0.5MPa未満に調整し、前記フォルステライト被膜の張力の表裏差を0.5MPa以上に調整することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
磁歪特性III:磁歪の速度レベル:dλ/dtにおける加減速ポイントの磁歪振動1周期内の数
磁歪特性IV:磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する磁歪の速度レベル変化ポイントの速度レベル変化量
まず、本発明の構成要件の限定理由について述べる。
1)実機変圧器の騒音は、従来から知られているパラメータ以上に、磁歪振動の速度変化が大きな影響を及ぼしていることが明らかになった。
理由は明らかになっていないものの、加減速を繰り返しながら鋼板伸縮運動をするにはより大きなエネルギーが必要であるところから、この伸縮エネルギー増大が騒音増大の原因になっているものと推測している。
なお、速度レベル変化量は小さいほど良いが、工業的には、1.0×10-5sec-1程度以上が好ましい。
なお、フォルステライト被膜と絶縁コーティングの合計張力の表裏差の下限に特に制限はないが、工業的には、0.1MPa程度が好ましい。また、フォルステライト被膜と絶縁コーティングの各々の表裏張力差の上限に特に制限はないが、工業的には、10MPa程度が好ましい。
ここで、表裏面でフォルステライト被膜張力を変えるために、これらの添加物を利用することもできる。すなわち、表裏面でこれらの添加物量が異なるように添加すれば、これによりフォルステライト被膜張力も変化する。張力の表裏差をつける条件としては、添加物の種類により異なるが、TiやSb、Mg、Ca、Sr、Snであれば該金属換算でMgO:100質量部あたり0.2質量部程度、またB、Na、K、Cl、F、BrであればMgO:100質量部あたり0.001質量部以上の差をつけるのが好ましい。
リン酸塩の割合が少なすぎると耐吸湿性が十分でなく、一方多すぎるとコロイド状シリカが相対的に少なくなるため、張力が低下して鉄損低減効果が低減する。また、これに、吸湿性の改善を目的として、無水クロム酸および/またはクロム酸化合物を合計で3〜20質量部配合してもよい。さらに、シリカやアルミナ等の無機鉱物粒子(粉末等)を配合すると、耐スティッキング性が改善されるので、これらを使用することも可能である。配合量は、占積率を低下させないために最大でも1質量部程度とするのが好ましい。
まず、磁歪特性を変化させるために励磁電圧に高調波を重畳させる。例えば、0.27mm厚の方向性電磁鋼板を用いて、300kVAの実機トランスを組上げ、50Hz、1.7Tで騒音を測定する。そして、磁歪振動1周期における加減速ポイントの頻度を数えれば、加減速ポイント(磁歪特性III)を求めることができる。なお、磁歪振動は、歪みゲージ法やレーザ変位計、レーザドップラ振動計により測定することができるが、簡便である点から、本発明ではレーザドップラ振動計を用いて磁歪振動特性を評価することが好ましい。
本発明では、速度変化の評価パラメータとして、隣接する極大値と極小値の差を調査する。ここで注目するのは、加速/減速領域内のそれぞれの速度変化であり、両方の領域にわたる場合の速度変化は含まないことである。
磁歪波形1周期の中には、極大値と極小値は、前掲図3に示したように複数存在する。
さらに、隣接する極大値と極小値の磁歪の速度レベルの差(速度レベル変化量)の最大値を調べることで、本発明における、加速領域または減速領域内での隣接する速度レベル変化ポイントの速度レベル変化量(磁歪特性IV)を求めることができる。
1)加速割合が増加から減少に変化する、
2)加速割合が減少から増加に変化する、
3)減速割合が増加から減少に変化する、
4)減速割合が減少から増加に変化する、
いずれかの点である。
磁歪特性IIIと磁歪特性IVとが上記条件をともに満足する(すなわち、磁歪特性IIIが4回であって、磁歪特性IVが3.0×10-4sec-1以下である)場合は、鉄心の騒音特性が良好ということになる。
公知の方法で脱炭焼鈍まで行った0.3mm厚みの成分の異なる複数の方向性電磁鋼板の脱炭焼鈍板(素材A、B:成分組成を表2に示す。なお、表中の%は質量%、ppmは質量ppmを示し、残部はFe及び不可避的不純物である。)を使用し、脱炭焼鈍板の表裏面をそれぞれ、研削により酸素目付量を0.9〜2.0g/m2に変更した後、表裏面にNiをそれぞれ0〜0.4mg/m2の範囲で電着させて、湿H2雰囲気中にて860℃、2分間の脱炭焼鈍を行った。
その後、焼鈍分離剤としてMgO:100質量部、TiO2:5質量部の配合割合になる焼鈍分離剤を表裏面にそれぞれ8g/m2ずつ塗布し、10℃/hの昇温速度で1200℃、5時間均熱する最終仕上げ焼鈍を施した。
ついで、余分の焼鈍分離剤を除去し、表裏で絶縁被膜の種類を表3に示すように変更した。表3中「リン酸マグネシウム」とあるのは、リン酸マグネシウム:50質量%、コロイド状シリカ:40質量%、無水クロム酸:9.5質量%、シリカ粉末:0.5質量%の配合割合になる絶縁コーティング処理液である。また、表3中「リン酸アルミニウム」とあるのは、リン酸アルミニウム:50質量%、コロイド状シリカ:40質量%、無水クロム酸:9.5質量%、シリカ粉末:0.5質量%の配合割合になる絶縁コーティング処理液である。これらを、乾燥質量で片面それぞれが5〜8g/m2になるように塗布し、300℃で1分間の乾燥後、乾N2雰囲気中にて850℃で2分間、付与張力が13MPaとなる条件で平坦化焼鈍を行って、方向性電磁鋼板とした。
かくして得られた方向性電磁鋼板の磁気特性および磁歪特性を測定すると共に、鋼板両面のフォルステライト被膜、絶縁張力、その合計張力の差を求めた。さらに、その電磁鋼板を素材とした1000kVAの変圧器を作成し、1.5T/60Hzの騒音特性を評価した。
酸素目付け量等の製造条件の詳細および鋼板張力および鉄損・磁歪特性を表3に示す。なお、表中の張力差は、張力の表裏差の素値を意味し、本発明の張力の表裏差の規定と比較する時は絶対値で比較する。
公知の方法で脱炭焼鈍まで行った0.23mm厚みの成分の異なる複数の方向性電磁鋼板の脱炭焼鈍板(素材C、D:成分組成を表4に示す。なお、表中の%は質量%、ppmは質量ppmを示し、残部はFe及び不可避的不純物である。)を使用し、焼鈍分離剤としてMgO:100質量部、TiO2:4.5質量部の配合割合になる焼鈍分離剤を、表裏面それぞれに8g/m2ずつ塗布したのち、ほう酸ナトリウムの水溶液を表面および裏面にスプレー塗布により、MgO:100質量部に対してBおよびNaがそれぞれ0〜0.03質量部になるように調整して両面に塗布した。その後、120℃/hの昇温速度で1200℃、20時間均熱する最終仕上げ焼鈍を施した。
ついで、余分の焼鈍分離剤を除去し、リン酸マグネシウム:50質量%、コロイド状シリカ:40質量%、無水クロム酸:9.5質量%、シリカ粉末:0.5質量%の配合割合になる絶縁コーティング処理液を、乾燥質量で片面がそれぞれ5〜10g/m2になるように塗布した。さらに、250℃で1分間の乾燥後、乾N2雰囲気中にて820℃で2分間、付与張力が15MPaとなる条件で平坦化焼鈍を行って、方向性電磁鋼板とした。
かくして得られた方向性電磁鋼板の磁気特性および磁歪特性を測定すると共に、鋼板両面のフォルステライト被膜、絶縁張力、その合計張力の差を求めた。さらに、その電磁鋼板を素材とした750kVAの変圧器を作成し、1.6T/60Hzの騒音特性を評価した。
MgO:100質量部に対するB量およびNa量等の被膜付与条件の詳細および鋼板張力および鉄損・磁歪特性を表5に示す。なお、表中の張力差は、張力の表裏差の素値を意味し、本発明の張力の表裏差の規定と比較する時は絶対値で比較する。
Claims (5)
- 表面にフォルステライト被膜および絶縁コーティングを備えた方向性電磁鋼板であって、
上記方向性電磁鋼板の磁歪特性が、以下の条件IおよびIIを満足し、
前記フォルステライト被膜と前記絶縁コーティングの合計張力の表裏差が0.5MPa未満であって、
前記フォルステライト被膜の張力の表裏差が0.5MPa以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
I 磁歪の速度レベル:dλ/dtにおいて、加減速ポイントが磁歪振動1周期内で4つである。
II 磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する磁歪の速度レベル変化ポイントの速度レベル変化量が3.0×10-4sec-1以下である。 - 請求項1に記載の方向性電磁鋼板を製造する方向性電磁鋼板の製造方法であって、
スラブを、熱間圧延して熱延板を得る工程と、
必要に応じて前記熱延板に熱延板焼鈍を施す工程と、
その後、前記熱延板に1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延を施して、最終板厚を有する冷延板を得る工程と、
その後、前記冷延板に脱炭焼鈍を施して脱炭焼鈍板を得る工程と、
その後、前記脱炭焼鈍板の表面にMgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布して、その後、最終仕上げ焼鈍を行って、前記フォルステライト被膜が形成された最終仕上げ焼鈍板を得る工程と、
その後、前記最終仕上げ焼鈍板に絶縁コーティング処理液を塗布して、その後、焼付けを兼ねた平坦化焼鈍を実施して、前記絶縁コーティングを形成する工程と、を有し、
前記フォルステライト被膜および前記絶縁コーティングを形成するとき、前記フォルステライト被膜と前記絶縁コーティングの合計張力の表裏差を0.5MPa未満に調整し、前記フォルステライト被膜の張力の表裏差を0.5MPa以上に調整することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記フォルステライト被膜の張力の調整を、前記脱炭焼鈍時における鋼板表裏面での内部酸化層の形成条件の変更、前記焼鈍分離剤の種類の変更および塗布量の変更、並びに、前記最終仕上げ焼鈍前までに行う電着処理における電着量の変更のうちから選んだ少なくとも一の変更により行う請求項2に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記絶縁コーティングの張力の調整を、前記絶縁コーティングの膜厚および/または組成の変更により行う請求項2または3に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 表面にフォルステライト被膜および絶縁コーティングを備えた方向性電磁鋼板を用いた鉄心の騒音特性を予測する方法であって、該鉄心の以下に示す磁歪特性IIIおよび磁歪特性IVを求め、磁歪特性IIIが4つであって、磁歪特性IVが3.0×10 -4 sec -1 以下である場合は鉄心の騒音特性が良好であると予測することを特徴とする鉄心の騒音特性の予測方法。
磁歪特性III:磁歪の速度レベル:dλ/dtにおける加減速ポイントの磁歪振動1周期内の数
磁歪特性IV:磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する磁歪の速度レベル変化ポイントの速度レベル変化量
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