JP7151946B1 - 巻鉄心および巻鉄心の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)平面部と該平面部に隣接するコーナー部を有し、前記平面部にラップ部を有し、前記コーナー部に屈曲部を有する巻鉄心とすること
(2)鉄心素材として、磁場の強さHが800A/mのときの磁束密度B8が1.91T以下である方向性電磁鋼板を用いること
(3)鉄心の外周の長さと内周の長さの比(外周の長さ/内周の長さ)が1.80以下であること
(4)磁場の強さHが800A/mのときの磁束密度B8が1.84T以上である方向性電磁鋼板を用いること
(5)下記式で求められる圧縮応力下での鉄損劣化率が1.50以下である方向性電磁鋼板を用いること
圧縮応力下での鉄損劣化率=(圧縮応力5MPaにおける鉄損)/(圧縮応力がない場合の鉄損)
ここで、上記式中の圧縮応力5MPaにおける鉄損および圧縮応力がない場合の鉄損は、それぞれ周波数50Hz、最大磁化1.7Tの条件で測定された鉄損(W/kg)であり、かつ、前記圧縮応力5MPaにおける鉄損は、鉄心素材の圧延方向への圧縮応力5MPaにおいて測定された鉄損である。
巻鉄心は、方向性電磁鋼板などの磁性体を巻き回してコアとする。一般的には、鋼板を筒状に巻き取った後、コーナー部をある曲率となるようにプレスし、矩形状に成形する方法がとられる。一方、別の製造方法として、巻鉄心のコーナー部となる部分を予め曲げ加工し、曲げ加工した鋼板を重ね合わせることにより巻鉄心とする方法がある。この方法により形成された鉄心は、コーナー部に折り曲げ部(屈曲部)を有する。前者の方法により形成された鉄心はトランココア、後者の方法により形成された鉄心は、設けられる鋼板接合部の数によりユニコアあるいはデュオコアと一般的に称する。磁束の集中を緩和するためには、後者の方法により形成されたコーナー部に折り曲げ部(屈曲部)を設ける構造が適する。
実験的に、ユニコアの鉄心内の磁束集中に及ぼす、磁束密度B8の影響を調査した結果を示す。図3に示す形状の単相のユニコアを、表1に示す磁束密度B8の異なる0.23mm厚の方向性電磁鋼板で作製した。50巻きの巻き線を施し、磁束密度1.5T、周波数60Hzの無負荷励磁を行った。図4に示す位置に、1巻きの探りコイルを配置し、鉄心内の磁束密度分布を調査した。図6に各素材(方向性電磁鋼板)で作製したユニコアにおける、内巻きから外巻きにかけて各1/4厚さの鉄心の磁束密度の最大値を示す。その結果、素材である方向性電磁鋼板の磁束密度B8が小さいほど、磁束の集中が緩和される傾向にあるが、1.91T以下ではその傾向は飽和した。
実験的に、鉄心の内側と外側の磁路長差が、磁束集中に及ぼす影響を調査した結果を示す。図7と表2に示す形状にて、鉄心の内周と外周の長さの比率を変えた鉄心を0.23mm厚の方向性電磁鋼板(磁束密度B8:1.89T、W17/50:0.86W/kg)にて作製した。50巻きの巻き線を施し、磁束密度1.5T、周波数60Hzの無負荷励磁を行った。図4に示す位置に、1巻きの探りコイルを配置し、鉄心内の磁束密度分布を調査した。外巻きから内巻きにかけて、磁束密度が大きくなっているが、最内巻き位置(位置(i))と最外巻き位置(位置(iv))とでの磁束密度の差を、内側への磁束の集中と定義する。図8に各鉄心形状における外周の長さと内周の長さの比(外周の長さ/内周の長さ)と、鉄心内側への磁束の集中の関係を示す。外周の長さと内周の長さの比率が小さいほど、鉄心の内側と外側の磁路長差が小さくなるために、鉄心内側への磁束の集中は小さくなった。特に、外周の長さと内周の長さの比が1.80以下の範囲では、鉄心内側への磁束の集中は小さかった。
なお、表2において、内周の長さは、2(c+d)+4f×(√2-2)で算出した。また、外周の長さは、2(a+b)+4e×(√2-2)で算出した。また、a、bは、それぞれa=c+2w、b=d+2wで算出した。
なお、内周の長さ、外周の長さは、表2のような各箇所の長さから算出してもよいし、内周の長さ、外周の長さをそれぞれ実測してもよい。
一般に磁性体の鉄損は、励磁磁束密度の増加に対し、飽和磁化に近づくにつれて非線形に急速に増加していく。よって、鉄心内側に磁束が集中し、局所的な磁束密度が大きくなった場合、均一な磁束密度分布の場合よりも鉄損が大きくなることは前述の通りである。飽和磁化の観点では、飽和磁化が大きい程、非線形な鉄損増加が抑制できることから、鉄損の増加は抑制できる。飽和磁化は電磁鋼板では主にSi量によって決定されるが、実用的な励磁磁束密度領域で鉄損増加に効くのは、鉄心素材の磁束密度B8である。実験的に、ユニコアの鉄損に及ぼす、鉄心素材の磁束密度B8の影響を調査した結果を示す。図3に示す形状の単相のユニコアを、表3に示す磁束密度B8の異なる0.23mm厚の方向性電磁鋼板で作製した。50巻きの巻き線を施し、磁束密度1.5T、周波数60Hzの無負荷励磁を行い、鉄損を測定した。結果を図9に示す。素材である方向性電磁鋼板の磁束密度B8が1.84T以上1.91T以下の領域で、鉄損が小さくなった。先に説明した低B8による磁束集中緩和の効果と、高B8による鉄損増加の減少の効果により、上記の範囲にて鉄損が小さくなったのだと推定される。
磁束が集中し鉄損が大きくなる鉄心の内側は、加工による歪みが残留しやすい部分である。一般に、歪みが残存すると、該部分の磁区構造が乱れ、透磁率が劣化し、鉄心全体の鉄損が劣化する。また、加工後に歪み取り焼鈍を実施した場合も、矩形折り曲げ部においては、双晶が存在し、残留歪みと同様に、該部分の磁区構造が乱れ、透磁率が劣化し、鉄心全体の鉄損が劣化する。つまり、残留歪みや双晶による鉄損増加が抑えられれば、鉄心の内側に磁束が集中した場合でも、鉄損増加が抑制できる。
[1]方向性電磁鋼板を素材として構成された巻鉄心であって、
前記巻鉄心は、平面部と該平面部に隣接するコーナー部を有し、前記平面部にラップ部を有し、前記コーナー部に屈曲部を有し、かつ、前記巻鉄心を側面視したときの外周の長さと内周の長さの比(外周の長さ/内周の長さ)が1.80以下であり、
前記方向性電磁鋼板は、磁場の強さHが800A/mのときの磁束密度B8が1.84T以上1.91T以下であり、かつ、下記式で求められる圧縮応力下での鉄損劣化率が1.50以下である、巻鉄心。
圧縮応力下での鉄損劣化率=(圧縮応力5MPaにおける鉄損)/(圧縮応力がない場合の鉄損)
ここで、上記式中の圧縮応力5MPaにおける鉄損および圧縮応力がない場合の鉄損は、それぞれ周波数50Hz、最大磁化1.7Tの条件で測定された鉄損(W/kg)であり、かつ、前記圧縮応力5MPaにおける鉄損は、前記方向性電磁鋼板の圧延方向への圧縮応力5MPaにおいて測定された鉄損である。
[2]前記方向性電磁鋼板は、耐熱型の磁区細分化処理が施されたものである、[1]に記載の巻鉄心。
[3]方向性電磁鋼板を素材として構成され、平面部と該平面部に隣接するコーナー部を有し、前記平面部にラップ部を有し、前記コーナー部に屈曲部を有する巻鉄心の製造方法であって、
前記巻鉄心を側面視したときの前記巻鉄心の外周の長さと内周の長さの比(外周の長さ/内周の長さ)を1.80以下とし、
前記方向性電磁鋼板として、磁場の強さHが800A/mのときの磁束密度B8が1.84T以上1.91T以下であり、かつ、下記式で求められる圧縮応力下での鉄損劣化率が1.50以下である方向性電磁鋼板を用いる、巻鉄心の製造方法。
圧縮応力下での鉄損劣化率=(圧縮応力5MPaにおける鉄損)/(圧縮応力がない場合の鉄損)
ここで、上記式中の圧縮応力5MPaにおける鉄損および圧縮応力がない場合の鉄損は、それぞれ周波数50Hz、最大磁化1.7Tの条件で測定された鉄損(W/kg)であり、かつ、前記圧縮応力5MPaにおける鉄損は、前記方向性電磁鋼板の圧延方向への圧縮応力5MPaにおいて測定された鉄損である。
[4]前記方向性電磁鋼板は、耐熱型の磁区細分化処理が施されたものである、[3]に記載の巻鉄心の製造方法。
本発明によれば、磁気特性の異なる2種類以上の素材を使用した場合に必要となる素材の配置等の鉄心設計の煩雑さが低減され、鉄損が小さい磁気特性に優れた巻鉄心を、製造性高く得ることができる。
上述の通り、低鉄損となる変圧器巻鉄心を達成するには、以下の条件を満たす必要がある。
(A)平面部と該平面部に隣接するコーナー部を有し、前記平面部にラップ部を有し、前記コーナー部に屈曲部を有する巻鉄心とすること
(B)鉄心の外周の長さと内周の長さの比が1.80以下であること
上述の通り、低鉄損となる変圧器巻鉄心を達成するには、以下の条件を満たす必要がある。
磁気特性の測定は、エプスタイン試験により行う。エプスタイン試験はIEC規格あるいはJIS規格等の公知の方法で実施する。あるいは、非耐熱型の磁区細分化材など、エプスタイン試験による磁束密度B8の評価が困難な場合には、単板磁気測定試験(SST)による結果を代用しても良い。巻鉄心製造に関し、上記の磁束密度B8の好適範囲による選別を行う際には、方向性電磁鋼板コイルの代表特性を用いるべきである。具体的には、鋼板コイルの先尾端にて、試験サンプルを採取し、エプスタイン試験を行い磁束密度B8を測定し、その平均値を代表特性として採用する。あるいは、鋼材メーカが提供する鋼板の特性値(平均値及び保証値)を基に、材料の選別を行っても良い。前記磁束密度B8は、好ましくは1.86T以上である。
圧縮応力下での鉄損劣化率=(圧縮応力5MPaにおける鉄損)/(圧縮応力がない場合の鉄損)
上記の式中で定義される、圧縮応力5MPaにおける鉄損、圧縮応力がない場合の鉄損は、同一の単板磁気測定装置にて周波数50Hz、最大磁化1.7Tの条件にて測定される鉄損(W/kg)であり、かつ、前記圧縮応力5MPaにおける鉄損は、鉄心素材となる方向性電磁鋼板の圧延方向への圧縮応力5MPaにおいて測定される鉄損である。圧縮応力は、鋼板の圧延方向一軸に5MPaにて圧縮側に印加される。圧縮応力の印可方法は、特に規定しないが、例えば鋼板の一方向側をクランプ等で固定し、その反対側からプッシャー等で応力を加える方法がある。その際には、鋼板が座屈しないように、圧延方向に沿って均一に応力を加える必要がある。また座屈を防止するために、鋼板を、面直方向上下に測定に支障がない範囲で固定しても良い。なお、前記圧縮応力がない場合の鉄損は、圧縮応力を印加せずに測定した鉄損である。本発明では、上述のように、鉄心素材として、前記圧縮応力下での鉄損劣化率が1.50以下である方向性電磁鋼板を用いる。前記圧縮応力下での鉄損劣化率は、1.45以下が好ましい。なお、前記圧縮応力下での鉄損劣化率の下限は特に限定されないが、一例として、前記圧縮応力下での鉄損劣化率の下限は1.05である。
本発明において、方向性電磁鋼板用スラブの成分組成は、二次再結晶が生じる成分組成であればよい。また、インヒビターを利用する場合、例えばAlN系インヒビターを利用する場合であればAlおよびNを、またMnS・MnSe系インヒビターを利用する場合であればMnとSeおよび/またはSを適量含有させればよい。勿論、両インヒビターを併用してもよい。この場合におけるAl、N、SおよびSeの好適含有量はそれぞれ、Al:0.010~0.065質量%、N:0.0050~0.0120質量%、S:0.005~0.030質量%、Se:0.005~0.030質量%である。
Cは、熱延板組織の改善のために添加をする。しかしながら、C含有量が、0.08質量%を超えると製造工程中に磁気時効の起こらない50質量ppm以下までCを低減することが困難になるため、C含有量は0.08質量%以下とすることが好ましい。なお、C含有量の下限に関しては、Cを含まない素材でも二次再結晶が可能であるので特に設ける必要はない。すなわち、C含有量は0質量%であってもよい。
Siは、鋼の電気抵抗を高め、鉄損を改善するのに有効な元素である。Si含有量が2.0質量%以上であると十分な鉄損低減効果がより得られやすくなる。一方、Si含有量が8.0質量%以下であると、著しい加工性の低下を抑制でき、また磁束密度の低下も抑制しやすくなる。そのため、Si含有量は2.0~8.0質量%の範囲とすることが好ましい。
Mnは、熱間加工性を良好にする上で必要な元素である。Mn含有量が0.005質量%以上であると、その添加効果が得られやすくなる。一方、Mn含有量が1.000質量%以下であると製品板の磁束密度の低下を抑制しやすくなる。そのため、Mn含有量は、0.005~1.000質量%の範囲とすることが好ましい。
Crは、フォルステライト被膜と地鉄との界面に、緻密な酸化被膜形成を促進する元素である。Crを添加しなくても酸化被膜形成は可能であるが、Crを0.02質量%以上添加することによって他成分の好適範囲の拡大などが期待できる。また、Cr含有量が0.20質量%以下であると、酸化被膜が厚くなりすぎるのを抑制でき、耐コーティング剥離性の劣化を抑制しやすくなる。そのため、Cr含有量は、0.02~0.20質量%の範囲とすることが好ましい。
上記成分組成を有するスラブを、常法に従い加熱する。加熱温度は、1150~1450℃が好ましい。
上記加熱後に、熱間圧延を行う。鋳造後、加熱せずに直ちに熱間圧延を行ってもよい。薄鋳片の場合には、熱間圧延を行うこととしてもよく、あるいは、熱間圧延を省略してもよい。熱間圧延を実施する場合は、粗圧延最終パスの圧延温度を900℃以上、仕上げ圧延最終パスの圧延温度を700℃以上で実施することが好ましい。
その後、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。このとき、ゴス組織を製品板において高度に発達させるためには、熱延板焼鈍温度として800~1100℃の範囲が好適である。熱延板焼鈍温度が800℃未満であると、熱間圧延でのバンド組織が残留し、整粒した一次再結晶組織を実現することが困難になり、二次再結晶の発達が阻害されるおそれがある。一方、熱延板焼鈍温度が1100℃を超えると、熱延板焼鈍後の粒径が粗大化しすぎるために、整粒した一次再結晶組織の実現が極めて困難となるおそれがある。
その後、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延を施す。中間焼鈍温度は800℃以上1150℃以下が好適である。また、中間焼鈍時間は、10~100秒程度とすることが好ましい。
その後、脱炭焼鈍を行う。脱炭焼鈍では、焼鈍温度を750~900℃とし、酸化性雰囲気PH2O/PH2を0.25~0.60とし、焼鈍時間を50~300秒程度とすることが好ましい。
その後、焼鈍分離剤を塗布する。焼鈍分離剤は、主成分をMgOとし、塗布量を8~15g/m2程度とすることが好適である。
その後、二次再結晶およびフォルステライト被膜の形成を目的として仕上げ焼鈍を施す。焼鈍温度は1100℃以上とし、焼鈍時間は30分以上とすることが好ましい。
その後、平坦化処理(平坦化焼鈍)および絶縁コーティングを施す。なお、絶縁コーティングを施す際の絶縁コーティングの塗布・焼き付け処理にて平坦化処理も同時に行い、形状を矯正することも可能である。平坦化焼鈍は、焼鈍温度を750~950℃とし、焼鈍時間10~200秒程度で実施するのが好適である。本発明では、平坦化焼鈍前または後に、鋼板表面に絶縁コーティングを施すことができる。ここでの絶縁コーティングとは、鉄損低減のために、鋼板に張力を付与するコーティング(張力コーティング)を意味する。張力コーティングとしては、シリカを含有する無機系コーティングや、物理蒸着法、化学蒸着法等によるセラミックコーティング等が挙げられる。
鋼板の鉄損を低減させるために、磁区細分化処理を施すことは好適である。磁区細分化技術とは、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性を導入することにより、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術である。磁区細分化技術は大きく分けて、歪み取り焼鈍において効果が損じない耐熱型の磁区細分化と、歪み取り焼鈍により効果が減じる非耐熱型の磁区細分化に分けられる。本発明においては、磁区細分化処理がされていない鋼板、耐熱型の磁区細分化処理が施された鋼板、非耐熱型の磁区細分化処理が施された鋼板いずれにも適用することができる。
図11および表5、図12および表6に示す鉄心形状と、表7に示す鉄心素材である方向性電磁鋼板にて、単相のトランココア及びユニコアを作製した。条件1~41には、成型後、800℃で2時間の歪み取り焼鈍を行い、焼鈍後、接合部より鉄心を巻きほぐし、50Turn(50巻き)の巻き線コイルを挿入した。また、条件42~47には、前記歪み取り焼鈍を行わずに、前記巻き線コイルを挿入した。そして、励磁磁束密度(Bm)1.5T、周波数(f)60Hzの条件で、変圧器鉄損を測定した。同条件での、鉄心素材のエプスタイン試験結果(非耐熱型の磁区細分化の場合は単板磁気測定結果)を素材鉄損とし、その素材鉄損に対する変圧器鉄損における鉄損増加率BFを求めた。なお、表5(トランココアの場合)において、内周の長さは、2(c+d)-8f×(1-π×90(°)/360(°))で算出した。また、外周の長さは、2(a+b)-8e×(1-π×90(°)/360(°))で算出した。また、a、bは、それぞれa=c+2w、b=d+2wで算出した。表6のユニコアの内周の長さ、外周の長さは、表2と同様に算出した。
Claims (4)
- 方向性電磁鋼板を素材として構成された巻鉄心であって、
前記巻鉄心は、
平面部と該平面部に隣接するコーナー部を有し、前記平面部にラップ部を有し、前記コーナー部に屈曲部を有し、かつ、前記巻鉄心を側面視したときの外周の長さと内周の長さの比(外周の長さ/内周の長さ)が1.80以下であり、
前記方向性電磁鋼板は、
磁場の強さHが800A/mのときの磁束密度B8が1.84T以上1.91T以下であり、かつ、下記式で求められる圧縮応力下での鉄損劣化率が1.50以下である、巻鉄心。
圧縮応力下での鉄損劣化率=(圧縮応力5MPaにおける鉄損)/(圧縮応力がない場合の鉄損)
ここで、上記式中の圧縮応力5MPaにおける鉄損および圧縮応力がない場合の鉄損は、それぞれ周波数50Hz、最大磁化1.7Tの条件で測定された鉄損(W/kg)であり、かつ、前記圧縮応力5MPaにおける鉄損は、前記方向性電磁鋼板の圧延方向への圧縮応力5MPaにおいて測定された鉄損である。 - 前記方向性電磁鋼板は、耐熱型の磁区細分化処理が施されたものである、請求項1に記載の巻鉄心。
- 方向性電磁鋼板を素材として構成され、平面部と該平面部に隣接するコーナー部を有し、前記平面部にラップ部を有し、前記コーナー部に屈曲部を有する巻鉄心の製造方法であって、
前記巻鉄心を側面視したときの前記巻鉄心の外周の長さと内周の長さの比(外周の長さ/内周の長さ)を1.80以下とし、
前記方向性電磁鋼板として、磁場の強さHが800A/mのときの磁束密度B8が1.84T以上1.91T以下であり、かつ、下記式で求められる圧縮応力下での鉄損劣化率が1.50以下である方向性電磁鋼板を用いる、巻鉄心の製造方法。
圧縮応力下での鉄損劣化率=(圧縮応力5MPaにおける鉄損)/(圧縮応力がない場合の鉄損)
ここで、上記式中の圧縮応力5MPaにおける鉄損および圧縮応力がない場合の鉄損は、それぞれ周波数50Hz、最大磁化1.7Tの条件で測定された鉄損(W/kg)であり、かつ、前記圧縮応力5MPaにおける鉄損は、前記方向性電磁鋼板の圧延方向への圧縮応力5MPaにおいて測定された鉄損である。 - 前記方向性電磁鋼板は、耐熱型の磁区細分化処理が施されたものである、請求項3に記載の巻鉄心の製造方法。
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