KR20160126015A - 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
강판 표면에, 압연 방향과 교차하는 방향의 선 영역에 빔 지름 d 가 0.40㎜ 이하인 전자빔을 조사하여, 자구 세분화 처리를 행한 방향성 전자 강판에 있어서, 당해 반복 단위를 선 영역 방향으로 연결시킨 변조 조사선 영역으로 하고, 당해 반복 단위의 당해 변조 조사선 영역에 있어서의 주기를 2/3×d∼2.5×d㎜로 하고, 당해 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 4.0∼12.5㎜로 하고, 추가로 전자빔의 강도를, 적어도 조사면측에 당해 변조 조사선 영역 방향으로 가늘고 길게 신장된 분할 자구가 형성되는 강도 이상이고, 또한 조사면측에 피막 손상의 발생 및 소성 변형 영역이 형성되지 않는 강도까지로 함으로써, 종래 곤란했던, 변압기의 저철손과 저소음을 동시에 충족시키는 조건에서의 자구 세분화 처리가 가능해지고, 게다가 종래에 없는 저철손이고 저자왜의 방향성 전자 강판을 얻을 수 있다.
Description
본 발명은, 저(低)소음 변압기용의 방향성 전자 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
방향성 전자 강판의 자구(magnetic domains)를 세분화하는 기술로서는, 강판 표면에 홈을 형성하는 등 변형 제거 어닐링을 행한 경우에도 그 효과가 소실되지 않는 수법이 있다. 이에 대하여, 본 발명은, 레이저 조사나 플라즈마 제트 화염 조사(plasma jet flame irradiation), 스크라이빙(scribing) 등과 같이 강판 표층에 변형을 도입함으로써 자구를 세분화하여 철손(iron loss)을 저감하는 수법의 하나로서 알려져 있는 전자빔 조사법을 이용한 기술로, 특히 저(低)철손과 저자왜(low magnetostriction)를 동시에 달성하고자 하는 것이다.
최근, 에너지의 효율적 사용을 배경으로 하여, 변압기 메이커 등에 있어서, 저손실 또한 저소음의 변압기가 요망되고 있다. 이 때문에, 고자속 밀도(high magnetic flux density)로 철손이 낮고, 추가로 자왜가 낮은 방향성 전자 강판이 요구되고 있다. 방향성 전자 강판은, 그의 최표면에 전기 절연성의 부여도 겸한 장력 코팅을 갖고 있고, 강판의 결정 방위를 Goss 방위로 집적시킴으로써 자속 밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
예를 들면 특허문헌 1에는, 1.97T를 초과하는 자속 밀도 B8을 갖는 방향성 전자 강판의 제조 방법이 나타나 있다.
한편, 철손은, 소재의 고(高)순도화, 고(高)배향성, 판두께 저감, Si, Al 첨가 및 자구 세분화 등에 의해 개선이 가능하다(예를 들면, 비특허문헌 1).
그러나, 일반적으로 자속 밀도 B8이 높아지면 철손은 열화(deteriorate)하는 경향이 있다. 예를 들면, B8의 향상을 목적으로, 결정 방위를 Goss 방위로 고도로 집적시키면, 정자 에너지(magneto static energy)가 내려가고, 자구폭이 확대되어, 와전류손(eddy current loss)이 높아진다. 그래서, 이러한 와전류손을 저감하는 방법으로서, 전술한 바와 같은 장력 코팅을 부여하거나, 강판 표층에 열변형을 도입하여 자구를 세분화하고, 철손을 저감하는 기술이 이용되고 있다.
그러나, 예를 들면, 특허문헌 2에 나타나는 바와 같은 피막의 장력을 향상시키는 방법으로는, 부여하는 변형은 탄성역 근방 내로 한정되어 작고, 또한 장력 효과는 지철의 표층부에만 작용하기 때문에, 충분히 철손을 저감할 수 없다.
한편, 열변형의 도입에 의한 자구 세분화는, 플라즈마 화염이나 레이저 조사 등에 의해 행해지고 있다.
예를 들면, 특허문헌 3에는, 일정한 조건하에서 레이저 스캐닝 조사를 행함으로써 강판에 열변형을 부여함으로써, 또한 특허문헌 4에는, 반치폭(half value width) 10nsec 이상, 1μsec 이하의 펄스 Q 스위치 레이저를 이용하여, 광 강도를 1×105∼1×108W/㎠로 하여 집광하고, 간헐적으로 강판에 열변형을 부여함으로써, 자구를 세분화하여 철손을 저감하는 기술이 개시되어 있다.
이들 기술은, 강판 표면에 열변형을 도입하기 때문에, 자구가 세분화되어 와전류손이 내려가는 한편으로, 히스테리시스손(hysteresis loss)은 증대한다. 특히 펄스 조사와 같은 경우, 예를 들면 특허문헌 5에, 레이저 조사 등에 의해 강판 표층에 발생하는 경화 영역, 즉 소성 변형 영역(plastic strain region)이 자벽 이동(domain wall displacement)을 방해하여, 히스테리시스 손실을 증가시킨다고 기재되어 있다. 이 경우, 변형이 강판 표층부의 일부에 국소적으로 집중하여, 철손의 저감 효과가 충분하지 않은 데다가, 변형에 의한 히스테리시스손의 증대를 초래하여, 철손 저감 효과가 충분하지 않고, 게다가 변형에 의한 자왜가 증가한다는 불이익도 발생하고 있었다.
이러한 문제에 대하여, 특허문헌 5에서는, 레이저 출력이나 스폿 지름비(spot diameter ratio)를 조정하고, 레이저 주사 방향과 직각 방향의 레이저 조사에 의해 경화하는 소성 변형 영역을 0.6㎜ 이하로 축소하고, 히스테리시스손를 저감함으로써, 철손의 저감을 도모하고 있다. 그러나, 이들 기술에서도, 강판 표면의 소성 변형이 자왜의 증가를 초래하고, 그 결과, 변압기의 소음이 증대하기 때문에, 충분한 기술이라고는 할 수 없다.
또한, 특허문헌 6 및 특허문헌 7에 나타나는 전자빔을 조사하는 기술의 경우, 판폭 방향으로 연속 조사되기 때문에, 강판 판폭 방향에서의 변형 분포는 비교적 균일하다. 그러나, 조사된 전자(electrons)는, 레이저와 달리 강판의 판두께 방향의 내부로 깊게 침입하기 때문에, 에너지 효율은 좋지만, 강판 내부에서 발열에 의한 열변형이 발생하기 때문에, 소음 특성이 열화한다는 문제가 있었다.
이를 해결하는 것으로서, 특허문헌 8에서는, 조사하는 전자빔의 전류값, 전자빔의 강판 판폭 방향으로의 주행 속도, 압연 방향에 있어서의 조사 피치, 전자빔의 빔 지름을 일정 범위로 제어함으로써, 열변형의 발생을 억제하여 소음과 철손이 우수한 방향성 전자 강판을 얻는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 이 기술로 해도, 변압기의 소음의 원인이 되는 자왜를 저감하기에는 충분하다고는 할 수 없고, 보다 자왜가 작고 철손이 낮은 방향성 전자 강판이 요구되고 있다.
제155·156회 니시야마 기념 기술 강좌 p. 109∼196
철과 강, 제69년(1983) 제8호, pp. 9-16
일본 응용 자기 학회지 Vol. 25, No. 12, pp. 1612-1618, 2001
일반적으로, 레이저 광조사에 의해 방향성 전자 강판의 자구를 세분화하는 경우, 레이저광과 표면 피막의 상호작용이 강하기 때문에, 조사 표면 근방에 있어서의 강판의 급격한 열변형, 혹은 피막의 급격한 증발에 수반하는 강판으로의 반력에 의해, 조사부 근방의 강판에, 보다 전위밀도가 높은 영역이 형성된다. 그 결과, 강판의 경도가 증가하고, 또한 동시에 강판이 변형하여 히스테리시스손이 증가하는 것이 나타나 있다(예를 들면, 비특허문헌 2).
즉, 강판 표층의 조사부 근방에, 보다 전위밀도가 높은 영역을 형성시켜 강판에 90° 자구를 발생시키는 것이 이 기술에 의한 자구 세분화의 기본 원리이기 때문에, 자구 세분화에 의한 와류손의 저감에 부수하여, 필연적으로 히스테리시스손의 증가와 자왜의 증대를 수반한다. 즉, 종래 기술과 같은 열변형을 활용하는 레이저광을 조사하는 기술인 한, 자구 세분화, 저(低)히스테리시스손화 및 저(低)자왜화의 모두를 정립(concurrently achieving)시킬 수는 없다.
한편, 전자빔을 조사하는 기술은, 강판 표면보다 강판의 내부에 전자가 침투하기 때문에, 강판 표층의 소성 변형을 이용하는 일 없이 자구 세분화가 가능하다고 생각할 수 있지만, 전자빔의 강도에 따라서는 강판의 내부에 있어서도 열변형이 발생하고, 히스테리시스손의 증가와 자왜의 증대가 발생하는 것은 특허문헌 8에 기재된 대로이다. 따라서, 특허문헌 8에 나타난 바와 같이, 전자빔의 면에너지 밀도(α)와 전자빔의 조사부의 에너지 밀도(β)(빔 주사선 상 에너지 밀도)를 일정한 범위로 제어하는 것이 필요하지만, 이 기술에서는, 특허문헌 8의 도 2에 나타나는 철손의 최적 조건과 도 3에 나타나는 저소음의 최적 조건이 크게 상이하여, 쌍방 모두에 최적의 조건을 발견함에 이르지 못하고, 양 특성을 동시에 개선하는 기술로서는 불충분했다.
발명자들은, 일반적으로 강판에 전자빔을 조사하는 경우, 조사부의 에너지 밀도를 조정함으로써, 철손과 자왜의 양자에 공통되는 최적 조건을 발견하는 것이 가능하다고 생각했다.
즉, 특허문헌 8에 개시되는 빔 조사선 밀도(β)가 이에 상당하고, β의 값을 소정의 최솟값보다 크게 함으로써 자구 세분화 효과가 얻어지고, 또한 최댓값보다 작게 함으로써 강판 표층의 소성 변형을 저감할 수 있고, 그 결과, 히스테리시스손과 소음의 증대를 억제할 수 있다고 생각했다.
즉, 이는 특허문헌 8의 도 2에 있어서의 β≥10-α/0.06(J/㎠)의 영역에서 우수한 철손이 얻어지고, 특허문헌 8의 도 3에 있어서의 β≤11.25-α/0.08(J/㎠)에서 저소음이 얻어지는 것에 상당한다.
그러나, 자구 세분화나 자벽 이동의 억제에 의한 자왜 열화와 같은 자벽과 변형의 상호작용은, 자벽 근방의 국소적인 물리 작용이고, 이것이 특허문헌 8에 나타나는 바와 같은 강판면 전체의 에너지 밀도(α)에 의존하는 것은 본래적으로는 있을 수 없다.
그래서, β의 값의 본질적인 물리 작용을 구하여 예의 연구를 진행시킨 결과, β의 값이 큰 경우의 자왜 열화에 대해서는, 강판 표면에서의 열변형에 의한 피막 손상의 발생이 관여하고 있는 것, 한편 β의 값이 작은 경우에는, 조사선 영역에서 조사선 방향으로 가늘고 길게 신장된(extending) 분할 자구의 소실이 자구 세분화의 유무의 본질인 것이 판명되었다. 즉, 필요한 전자빔 조사 에너지 강도로서는, 전자빔 조사선 영역에서 조사선 방향으로 가늘고 길게 신장되어 분할된 자구가 존재하는 레벨 이상의 강도로 조사하는 것, 또한 강판 표면의 열변형의 발생을 억제하고, 강판의 조사측 표면의 피막 손상의 발생을 억제하고, 추가로 소성 변형 영역을 형성하지 않는 강도 레벨로 조사하는 것이, 본질적인 기술인 것이 해명되었다.
표 1은, 판두께가 0.23㎜이고, B8이 1.943T, 철손(W17/50)이 0.85W/㎏의 방향성 전자 강판에 전자빔을 조사함에 있어서, 가속 전압(Vk)을 40kV∼120kV, 빔 전류(I)를 0.5∼8mA, 빔 지름(d)을 0.015∼0.040cm, 주사 속도(V)를 900∼5000cm/s, 압연 방향의 조사선 간격(L)을 0.5cm로 하여, β=(Vk·I)/(V·d)를 0.43에서 24.7(J/㎠)까지 여러 가지로 변경시켜 조사하고, 이때의 강판 표면의 피막 손상 및 조사선 영역 방향으로 가늘게 신장된 분할 자구의 형성의 유무, 그리고 강판의 철손과 히스테리시스손 및 자왜(λp-p)에 대해서 조사한 결과를 나타낸 것이다.
표 1에 나타나는 바와 같이, 철손이나 히스테리시스손 및 자왜의 양호한 범위로서는, 조사부의 에너지 밀도의 하한값은 조사 방향으로 가늘고 길게 신장된 분할 자구가 존재하는(비특허문헌 3) 하한값이고, 한편, 에너지 밀도의 상한값은 피막의 손상이 발생하지 않는 상한값인 것이 나타난다. 또한, 철손의 최소가 되는 조건(조건 번호 8, 9)과 자왜의 최소가 되는 조건(조건 번호 5, 6)은 반드시 일치하지는 않는 것이 표 1로부터 알 수 있다.
그래서, 다음으로, 철손의 최솟값과 자왜의 최솟값을 동일한 조사 조건으로 실현할 수 있는 전자빔의 조사 방법에 대해서 예의 연구를 행했다. 그 결과, 압연 방향으로 교차하는 방향의 선 영역에 전자빔을 조사할 때에 있어서, 종래와 같이 조사선 영역(line regions)이 연속·균일한 조사 조건으로 하지 않고, 체류 영역(retention regions)과 주행 영역(travelling regions)의 2종류의 조사 조건의 조합으로 하고, 이 조합 단위를 반복하고 또한 연결시켜 조사선 영역(변조 조사선 영역이라 호칭함)으로 함으로써, 철손의 최솟값과 자왜의 최솟값을 동일한 조사 조건으로 실현할 수 있는 것을 새롭게 발견했다.
그 단서가 된 실험에 대해서 이하에 서술한다.
판두께가 0.23㎜이고, B8이 1.943T, 철손(W17/50)이 0.85W/㎏인 방향성 전자 강판에, 가속 전압(Vk): 60kV, 빔 전류(I): 8.5mA, 빔 지름(d): 0.30㎜, 주사 속도(V): 30m/sec이고, 압연 방향의 조사선 간격(L)을 2.5∼30㎜로 변경하여 전자빔을 조사했다. 그때, 한쪽은 일정 조사 조건(조건 1)으로 연속 조사를 행하여 비교예로 했다. 다른 한쪽은, 도 1에 나타내는 바와 같이 빔의 체류 영역: 1과 주행 영역: 2의 합계 영역 0.45㎜를 반복 단위: 3(반복 단위의 주기이기도 함)으로 하여 강판 판폭 방향으로 반복하여 조사하는 변조 조사선 영역을 형성하는 조사 조건(조건 2)으로 조사했다. 또한, 이때, 체류점(retention point)에서의 체류 시간을 0.015msec로 하고, 평균 주사 속도가 30m/sec가 되도록 주행 영역: 2에서의 주행 속도를 조절했다.
상기의 조건 1, 2에서 전자빔 조사를 행했을 때의, 조사선 영역의 압연 방향의 간격(L)과 철손 및 자왜의 관계에 대해서 조사한 결과를, 도 2에 나타낸다.
도 2로부터 분명한 바와 같이, 본 발명법에 따라 조사한 경우(조건 2)는, 종래의 연속 조사의 경우(조건 1)에 비교하여, 철손이나 자왜의 도달 최량값이 우수할 뿐만 아니라, 양자의 최량값이 대략 동일한 조사 조건(조사선 영역의 압연 방향의 간격: 4.0∼12.5㎜)으로 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.
이 결과는, 자구 세분화 처리를 행한 방향성 전자 강판을 사용하여, 저철손이고 또한 저소음인 변압기를 동일한 재료로 얻어지는 것을 의미하고 있고, 지금까지 없었던 공업적인 의미가 큰 우수한 기술인 것을 알 수 있다.
본 발명은, 상기의 인식을 근거로 추가로 연구를 거듭한 끝에 완성된 것이다.
즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.
1. 강판 표면에 대하여, 압연 방향과 교차하는 방향의 선 영역에 빔 지름 d가 0.40㎜ 이하인 전자빔을 조사하고, 당해 조사선 영역을 체류 영역과 주행 영역으로 이루어지는 2종류의 영역을 반복 단위로 하는 변조 조사선 영역으로 하고, 또한 당해 변조 조사선 영역을 압연 방향으로 간격을 형성하여 반복하는 것에 의한 자구 세분화 처리를 행한 방향성 전자 강판에 있어서,
당해 반복 단위를 선 영역 방향으로 연결시킨 변조 조사선 영역으로 하고,
당해 반복 단위의 당해 변조 조사선 영역에 있어서의 주기를 2/3×d∼2.5×d㎜로 하고,
당해 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 4.0∼12.5㎜로 하고, 추가로
전자빔의 강도를, 적어도 조사면측에 당해 변조 조사선 영역 방향으로 가늘고 길게 신장된 분할 자구가 형성되는 강도 이상이고, 또한 조사면측에 피막 손상의 발생 및 소성 변형 영역의 형성이 발생하지 않는 강도까지로 한 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판.
2. 상기 전자빔의 가속 전압을 100kV 이상으로 한 상기 1에 기재된 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판.
3. 상기 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 5.0∼10㎜로 한 상기 1 또는 2에 기재된 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판.
4. 강판 표면에 대하여, 압연 방향과 교차하는 방향의 선 영역에 빔 지름 d가 0.40㎜ 이하인 전자빔을 조사하고, 당해 조사선 영역을 체류 영역과 주행 영역으로 이루어지는 2종류의 영역을 반복 단위로 하는 변조 조사선 영역으로 하고, 또한 당해 변조 조사선 영역을 압연 방향으로 간격을 형성하여 반복하는 것으로 이루어지는 자구 세분화 처리를 행하여 방향성 전자 강판을 제조할 때에 있어서,
당해 반복 단위를 선 영역 방향으로 연결시킨 변조 조사선 영역으로 하고,
당해 반복 단위의 당해 변조 조사선 영역에 있어서의 주기를 2/3×d∼2.5×d㎜로 하고,
당해 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 4.0∼12.5㎜로 하고, 추가로
전자빔의 강도를, 적어도 조사면측에 당해 변조 조사선 영역 방향으로 가늘고 길게 신장된 분할 자구가 형성되는 강도 이상이고, 또한 조사면측에 피막 손상의 발생 및 소성 변형 영역의 형성이 발생하지 않는 강도까지로 하는 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판의 제조 방법.
5. 상기 전자빔의 가속 전압을 100kV 이상으로 하는 상기 4에 기재된 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판의 제조 방법.
6. 상기 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 5.0∼10㎜로 하는 상기 4 또는 5에 기재된 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 종래 곤란했던, 변압기의 저철손과 저소음을 동시에 충족시키는 조건에서의 자구 세분화 처리의 실시가 가능해지고, 게다가 종래에 없는 저철손이고 저자왜의 방향성 전자 강판을 얻을 수 있기 때문에, 변압기에 있어서의 에너지 사용 효율의 향상과 함께, 소음의 억제도 아울러 달성할 수 있어, 산업상 매우 유용하다.
도 1은 강판 판폭 방향으로 전자빔을 조사할 때에 있어서의, 본 발명의 특징인 변조 조사선 영역과, 반복 단위를 이루는 체류 영역 및 주행 영역을 나타내는 도면이다.
도 2는 연속적으로 전자빔을 조사하는 종래의 자구 세분화 기술(조건 1)과, 변조 조사선 영역을 반복하여 전자빔을 조사하는 본 발명의 자구 세분화 기술(조건 2)에 있어서, 조사선 영역의 압연 방향의 간격(L)과 자구 세분화 처리 후의 방향성 전자 강판의 자왜(λp-p) 및 철손(W17/50)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 강판 판폭 방향으로 전자빔을 조사할 때에, 연속적으로 전자빔을 조사하는 종래 기술에 의한 조사선 영역을 나타내는 도면이다.
도 4는 변조 조사선 영역을 반복하여 전자빔을 조사하는 본 발명의 자구 세분화 기술에 있어서, 전자빔의 빔 지름이 자구 세분화 처리 후의 방향성 전자 강판의 철손과 자왜에 미치는 영향을 나타내는 도면이다.
도 5는 변조 조사선 영역을 반복하여 전자빔을 조사하는 본 발명의 자구 세분화 기술에 있어서, 조건 A(반복 단위의 주기: 0.20㎜)로 변조 조사선 영역을 형성했을 때의 전자빔의 빔 지름과 자구 세분화 처리 후의 방향성 전자 강판의 철손 및 자왜의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 변조 조사선 영역을 반복하여 전자빔을 조사하는 본 발명의 자구 세분화 기술에 있어서, 조건 B(반복 단위의 주기: 0.50㎜)로 변조 조사선 영역을 형성했을 때의 전자빔의 빔 지름과 자구 세분화 처리 후의 방향성 전자 강판의 철손 및 자왜의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예에 있어서 제작한 변압기의 철심의 사이즈와 형상을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예에 있어서 제작한 변압기의 철심의 사각(beveled edge) 절단 후의 강편의 사이즈와 형상을 나타내는 도면이다.
도 2는 연속적으로 전자빔을 조사하는 종래의 자구 세분화 기술(조건 1)과, 변조 조사선 영역을 반복하여 전자빔을 조사하는 본 발명의 자구 세분화 기술(조건 2)에 있어서, 조사선 영역의 압연 방향의 간격(L)과 자구 세분화 처리 후의 방향성 전자 강판의 자왜(λp-p) 및 철손(W17/50)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 강판 판폭 방향으로 전자빔을 조사할 때에, 연속적으로 전자빔을 조사하는 종래 기술에 의한 조사선 영역을 나타내는 도면이다.
도 4는 변조 조사선 영역을 반복하여 전자빔을 조사하는 본 발명의 자구 세분화 기술에 있어서, 전자빔의 빔 지름이 자구 세분화 처리 후의 방향성 전자 강판의 철손과 자왜에 미치는 영향을 나타내는 도면이다.
도 5는 변조 조사선 영역을 반복하여 전자빔을 조사하는 본 발명의 자구 세분화 기술에 있어서, 조건 A(반복 단위의 주기: 0.20㎜)로 변조 조사선 영역을 형성했을 때의 전자빔의 빔 지름과 자구 세분화 처리 후의 방향성 전자 강판의 철손 및 자왜의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 변조 조사선 영역을 반복하여 전자빔을 조사하는 본 발명의 자구 세분화 기술에 있어서, 조건 B(반복 단위의 주기: 0.50㎜)로 변조 조사선 영역을 형성했을 때의 전자빔의 빔 지름과 자구 세분화 처리 후의 방향성 전자 강판의 철손 및 자왜의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예에 있어서 제작한 변압기의 철심의 사이즈와 형상을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예에 있어서 제작한 변압기의 철심의 사각(beveled edge) 절단 후의 강편의 사이즈와 형상을 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
[피(被)조사재]
본 발명에 있어서의 조사 대상은 방향성 전자 강판이다. 통상, 방향성 전자 강판에는, 지철의 위에 있는 포스테라이트 피막(forsterite film)의 위로부터 장력 코팅 등의 절연 코팅이 행해져 있지만, 본 발명은, 지철과 절연 코팅의 사이에 포스테라이트 피막이 존재하고 있지 않아도 문제는 없다.
[조사선의 종류]
본 발명에서는, 상기한 방향성 전자 강판의 표면에, 압연 방향에 교차하는 방향으로, 또한 압연 방향으로 간격을 형성하여, 전자빔을 주사함으로써, 자구 세분화 처리를 행하지만, 강판에 대한 변형 도입 수단으로서는 전자빔 조사에 한정된다. 전자빔 이외의 기술에서는, 강판 표면에 존재하는 절연 코팅과의 상호작용이 크고, 절연 코팅의 손상이나 그 바로 아래의 지철표층부에 고(高)전위밀도로 이루어지는 소성 변형이 도입되기 때문에, 히스테리시스손의 열화, 즉 철손의 열화를 초래하여, 최량의 철손 특성을 얻을 수 없다.
이에 대하여, 전자빔을 사용한 경우, 전자빔의 동적 작용에 의해 절연 코팅과의 상호작용이 작게 한정되고, 강판 내부의 지철과의 상호작용이 커진다. 따라서, 절연 코팅의 손상이나 포스테라이트 피막 혹은 코팅 바로 아래의 지철 표층부에 고전위밀도로 이루어지는 소성 변형의 도입이 없는 상태에서 자구 세분화 효과를 부여하는 것이 가능해진다.
또한, 전자빔을 조사하는 강판면은, 강판의 편면이라도 좋고, 양면이라도 좋다. 또한, 압연 방향에 교차하는 방향이란, 압연 방향에 대하여 직각 방향, 즉 강판의 판폭 방향을 90°로 하면, 75°에서 105°의 범위이고, 이 범위라면 본 발명의 효과가 적합하게 발휘된다.
[변조 조사선 영역]
압연 방향에 교차하는 방향으로 전자빔을 주사하여, 전자빔의 조사선 영역을 형성하지만, 이 조사선 영역은, 일정한 조사 조건으로 조사하는 소위 도 3에 나타내는 바와 같은 연속 조사가 아니라, 도 1에 나타낸 바와 같은 체류 영역(1)과 주행 영역(2)으로 이루어지는 2종류의 영역을 반복 단위로 하여, 이 반복 단위를 조사선 영역 방향으로 연결시켜 반복함으로써 형성되는 변조 조사선 영역으로 하는 것이, 본 발명의 가장 간요한 기술이다.
교차하는 방향으로 조사하는 전자빔의 조사가 일정한 조사 조건으로 행해지는 소위 연속 조사의 경우에는, 도 2에 있어서 조건 1로서 나타낸 바와 같이, 대략 동일한 조사 조건에서 최량의 철손값과 최량의 자왜 특성을 얻을 수 없고, 그 결과, 동일한 변압기로 저철손과 저소음을 만족하는 것을 얻을 수는 없었다.
동일한 조사 조건으로 최량의 철손값과 최량의 자왜 특성을 얻음으로써, 동일한 변압기로 저철손과 저소음을 동시에 만족시키기 위해서는, 연속 조사가 아니라, 체류 영역과 주행 영역으로 이루어지는 2종류의 영역을 반복 단위로 하여, 이 반복 단위를 조사선 영역 방향으로, 도 1에 나타낸 바와 같이 연결하여 반복하여 이루어지는 변조 조사선 영역으로 하는 것이 중요하다. 도면 중, 부호 1이 체류 영역, 2가 주행 영역, 3이 반복 단위(체류점 간격)이고, d로 빔 지름을 나타낸다.
여기에서, 변조 조사선 영역에 있어서의 전자빔의 빔 지름(d)은 0.40㎜ 이하로 하고, 또한 이 변조 조사선 영역에 있어서의 반복 단위의 주기는 2/3×d∼2.5×d㎜로 할 필요가 있다. 단, 빔 지름(d)의 하한은 0.10㎜이고, 빔 지름은 빔 조사 지름이고, 공지의 슬릿법(slit method)을 이용하여, 에너지 프로파일의 반치폭으로 규정한 것으로 한다.
이하, 이들의 근거가 된 실험 결과를 설명한다.
[실험 1]
판두께가 0.23㎜이고, B8이 1.937T, 철손(W17/50)이 0.86W/㎏의 방향성 전자 강판에, 가속 전압: 60kV, 빔 전류: 9mA의 전자빔을, 시료와 전자빔 간의 거리를 바꿈으로써 빔 지름을 0.20㎜∼0.60㎜로 변화시키고, 압연 방향의 간격: 6㎜이고, 판폭 방향으로, 체류 시간 0.010msec이고 체류점 간격 0.45㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하고, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜 변조 조사선 영역을 형성했다(평균 주사 속도는 30m/s).
상기의 조건으로 전자빔 조사를 행했을 때의, 빔 지름(d)과 철손(W17/50) 및 자왜(λp-p)의 관계에 대해서 조사한 결과를, 도 4에 나타낸다.
도 4에 나타낸 대로, 빔 지름(d)이 0.40㎜보다 큰 조건에서는, 철손이 열화할 뿐만 아니라, 자왜가 현저하게 커지는 것을 알 수 있다.
[실험 2]
판두께가 0.23㎜이고, B8이 1.942T, 철손(W17/50)이 0.85W/㎏의 방향성 전자 강판에, 가속 전압: 60kV, 빔 전류: 9mA의 전자빔을, 시료와 전자빔 간의 거리를 바꿈으로써 빔 지름을 0.10㎜∼0.40㎜로 변화시키고, 압연 방향의 간격: 6㎜이고, 판폭 방향으로, 체류 시간 0.008msec이고 체류점 간격 0.20㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하는 조건 A(평균 주사 속도는 25m/s) 및, 체류 시간 0.02msec로 체류점 간격 0.50㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하는 조건 B(평균 주사 속도는 25m/s)로, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜 변조 조사선 영역을 형성했다.
상기의 A, B 2개의 조건으로 전자빔 조사를 행했을 때의, 빔 지름과 철손 및 자왜의 관계에 대해서 조사한 결과를, 도 5, 6에 나타낸다.
도 5, 6의 결과를, 반복 단위의 주기와 빔 지름(d)의 관계로 고찰하면, 도 5로부터, 반복 단위의 주기가 2/3×d㎜를 만족시키지 않는 경우(조건 A에 있어서 빔 지름(d)이 0.3㎜ 초과인 경우)에는, 자왜가 현저하게 증가하는 것이, 또한 도 6으로부터, 반복 단위의 주기가 2.5×d㎜를 초과하는 경우(조건 B에 있어서 빔 지름(d)이 0.2㎜ 미만인 경우)에는, 철손의 저감이 불충분한 것을 알 수 있다.
즉, 빔의 체류 영역이 지나치게 겹친 경우에는, 철손 저감 효과에 비해, 국소적인 변형 증대에 의한 자왜 증대의 영향이 지나치게 크고, 한편, 자구폭에 비해 빔의 체류 영역이 지나치게 떨어진 경우에는, 충분한 자구 세분화 효과가 얻어지지 않는다고 생각된다.
상기의 결과로부터, 전자빔의 빔 지름(d)(㎜)은 0.40㎜ 이하, 반복 단위의 주기는, 빔 지름(d)과의 관련으로 2/3×d∼2.5×d㎜의 범위로 한 것이다. 또한, 반복 단위의 각 단위사이가 연결되어 있지 않고, 이산되어 있는 경우는, 비(非)조사 영역에 있어서 충분한 자구 세분화 효과가 얻어지지 않기 때문에 반복 단위는 연결되어 있는 것이 필수의 기술이다. 또한, 이 실험으로 빔 지름의 하한값을 0.10㎜로 한 것은, 자구폭에 비해 빔 지름이 지나치게 작으면 분할 자구의 생성에 불리하기 때문이다. 따라서, 빔 지름(d)의 하한은 0.10㎜ 정도로 하는 것이 적합하다.
또한, 상기한 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격은 4.0∼12.5㎜로 하는 것이 필요하다.
이 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격이 4.0㎜ 미만인 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이 철손이 증대하고, 또한 자왜도 열화한다. 반대로 12.5㎜를 초과하는 경우도, 철손이 증대하고, 또한 자왜도 열화하기 때문에, 압연 방향 반복 간격을 4.0∼12.5㎜로 할 필요가 있다. 바람직하게는 5.0∼10㎜의 범위이다.
또한, 발명자들은, 전자빔의 가속 전압의 영향을 검토했다. 전자빔의 가속 전압이 높은 경우, 강판의 내부에 의해 깊게 전자가 침투하기 때문에, 특히 판두께가 두꺼운 방향성 전자 강판의 자구 세분화에 의해 효과적이라고 생각된다.
그래서 이하의 검토를 행했다.
[실험 3]
판두께가 0.27㎜이고, B8이 1.945T, 철손(W17/50)이 0.93W/㎏의 방향성 전자 강판에, 표 2에 나타내는 가속 전압과 빔 전류의 전자빔(빔 출력은 일정)을, 조건마다 시료와 전자빔 간의 거리를 바꿈으로써 빔 지름을 0.20㎜로 일정하게 하고, 압연 방향의 간격: 8㎜이고, 판폭 방향으로, 체류 시간 0.0075msec이고 체류점 간격 0.30㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하고, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜 변조 조사선 영역을 형성했다(평균 주사 속도는 40 m/s).
표 2에 나타내는 조건으로 전자빔 조사를 행했을 때의, 철손 및 자왜에 대해서 조사한 결과를, 표 2에 병기한다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 전자빔의 가속 전압이 100kV 이상이 되면, 자왜의 증대 없이 철손이 저감하는 것을 알 수 있다. 따라서, 전자빔의 가속 전압은 100kV 이상으로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 단, 전자빔의 가속 전압이 지나치게 높아지면 전자총이나 전원 설비 등의 제조 비용이 막대해지고, 또한 전자빔 조사시에 발생하는 X선의 누설을 막는 X선 차폐 설비도 커지기 때문에, 전자빔의 가속 전압의 상한은 300kV 정도로 하는 것이 적합하다.
[조사선의 에너지 밀도]
다음으로, 전자빔의 강도에 대해서는, 특허문헌 8에 개시되는 빔 조사선 밀도(β)의 값에 의해 정하는 것 보다, 적어도 조사면측에 이 변조 조사선 영역 방향으로 가늘고 길게 신장된 분할 자구가 형성되는 강도로써 하한값으로 하고, 조사면측에 피막 손상이 발생하지 않는 강도로써 상한값으로 하는 기술을 이용하는 편이 간편하고, 또한 실용적이다.
그래서, 본 발명에서는, 이 기술을 채용하는 것으로 했다.
[변압기의 철손 및 소음의 평가]
변압기의 철손 및 소음은, 도 7에 나타내는 바와 같은 3상 3각(three-phase tripod type)의 스택 철심형의 변압기를 이용하여 평가했다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 변압기의 외형은 500㎜ 각(square), 폭 100㎜의 강판으로 구성된다. 강판을 도 8에 나타내는 바와 같은 형상으로 사각(beveled edge) 절단하고, 스택두께(stack thickness)를 100㎜로 하여 적층하고, 밴드(band)로 조이고, 그 후 2차 코일 및 1차 코일을 강판의 다리부에 감고, 절연유를 넣은 탱크에 장입하여 측정 기구를 접속하고, 측정을 행했다.
3상(three phase)은 120° 위상을 엇갈리게 하여 1차 코일을 이용하여 여자(excite)를 행하고, 2차 코일에 발생하는 유도 전압값으로 철심 중량으로부터 단면적을 구하여, 철심의 자속 밀도 1.7T에 있어서의 철손 및 소음을 측정했다. 소음은, 마이크로 변압기의 주위에서 발생하는 진동음을 수록하고, A 스케일(A-scale) 보정을 행한 dBA 단위로 나타냈다. 또한, 철손은, 2차 코일을 개방 상태로 한 무부하 상태의 1차 코일측의 전압과 전류값으로부터 동손(copper loss)분을 빼고 변압기의 중량당의 손실로 나타냈다.
실시예
(실시예 1)
강판 표면에 포스테라이트 피막을 갖고, 그 위에 장력 코팅을 소성(baked)한 판두께: 0.23㎜, 자속 밀도(B8): 1.939T, 철손(W17/50): 0.837W/㎏의 방향성 전자 강판을 8분할하고, 각각에 다음의 조건으로 자구 세분화 처리를 행했다.
자구 세분화 수단으로서는, 가속 전압: 150kV이고 빔 전류: 5.0mA, 빔 지름: 0.18㎜의 전자빔 조사를 이용하고, 판폭 방향으로 일정한 조사 조건으로 연속적으로 40m/sec의 주사 속도로 조사하고, 또한 하나는 압연 방향에 있어서의 간격을 5.0㎜(비교예 A1), 다른 하나는 7.5㎜(비교예 A2)로 하여 조사하고, 비교예로 했다. 이들 비교예에 있어서는, 일부 코팅이 벗겨 떨어진 개소가 확인되었다.
다음으로, 다른 둘은, 상기와 동일한 조건의 전자빔을 조사했지만, 체류 시간: 0.005msec이고 체류점 간격: 0.20㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하고, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜, 평균 주사 속도: 40m/sec로 변조 조사선 영역을 형성했다. 이때, 하나는 압연 방향의 반복 간격을 5.0㎜(발명예 A3), 다른 하나는 7.5㎜(발명예 A4)로 하여 조사하고, 발명예로 했다. 이들 발명예에 있어서는, 코팅의 손상은 인정되지 않고, 또한 비터(Bitter)법에 의한 자구 관찰에 의해, 판폭 방향으로 가늘고 길게 신장되고 또한 분할된 자구가 조사선 영역 상에 관찰되었다.
또한, 다른 하나는, 압연 방향의 반복 간격을 5.0㎜로 하고, 동일한 조건의 전자빔을 조사했지만, 체류 시간: 0.0025msec이고 체류점 간격: 0.10㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하고, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜, 평균 주사 속도: 40m/sec로 변조 조사선 영역을 형성했다(비교예 A5).
또한, 다른 하나는, 압연 방향의 반복 간격을 5.0㎜로 하고, 동일한 조건의 전자빔을 조사했지만, 체류 시간: 0.016msec이고 체류점 간격: 0.48㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하고, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜, 평균 주사 속도: 40m/sec로 변조 조사선 영역을 형성했다(비교예 A6).
남은 둘은, Q 스위치를 구비한 Nd:YAG 레이저 장치를 이용하여, 강판의 판폭 방향으로 불연속인 펄스 조사를 실시했다. 이때의 조사 조건은, 종래부터 공지의 조건, 즉 레이저 펄스의 에너지로서 3.3mJ/펄스, 레이저 스폿의 사이즈는 직경: 0.18㎜의 원형, 판폭 방향의 조사 간격은 0.3㎜, 레이저 파장은 1064㎚로 했다. 압연 방향에 있어서의 조사 간격은, 하나를 5.0㎜(비교예 A7), 다른 하나를 7.5㎜(비교예 A8)로 하여 조사했다. 이들 비교예에는 레이저 빔을 수광한 장소에 명료한 원형의 코팅 결손과 지철의 나출(exposure)이 인정되었기 때문에, 절연성의 향상을 위해 절연 코팅을 얇게 재도포하고, 저온으로 소성했다.
이들 8종류의 자구 세분화된 방향성 전자 강판은, 일부를 철손과 자왜의 측정에 제공함과 함께, 나머지의 강판을 이용하여 전술한 방법으로 변압기를 제작하고, 1.7T에 있어서의 철손과 소음을 측정했다. 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방법으로 제조한 자구 세분화된 방향성 전자 강판은, 비교예에 비해, 철손 특성 및 자왜 특성이 우수하고, 또한 변압기의 철손 및 소음 특성도 우수하다. 또한, 주목해야 할 점은, 압연 방향에 있어서의 조사 간격을 7.5㎜로 한 경우는, 비교예의 기술과는 달리, 철손과 소음이 함께 최량값을 나타내고 있고, 변압기용의 방향성 전자 강판으로서 우수한 효과를 갖는 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
강판 표면에 포스테라이트 피막을 갖고, 그 위에 장력 코팅을 소성한 판두께: 0.27㎜, 자속 밀도(B8): 1.941T, 철손(W17/50): 0.918W/㎏의 방향성 전자 강판을 8분할하고, 각각에 다음의 조건으로 자구 세분화 처리를 행했다.
자구 세분화 수단으로서는, 가속 전압: 60kV이고, 빔 전류: 10mA, 빔 지름: 0.30㎜의 전자빔 조사를 이용하고, 판폭 방향으로 일정한 조사 조건으로 연속적으로 30m/sec의 주사 속도로 조사하고, 또한 하나는 압연 방향에 있어서의 간격을 5.0㎜(비교예 B1), 다른 하나는 7.5㎜(비교예 B2)로 하여 조사하고, 비교예로 했다. 이들 비교예에 있어서는, 일부 코팅이 벗겨 떨어진 개소가 확인되었다.
다음으로, 다른 둘은, 상기와 동일한 조건의 전자빔을 조사했지만, 체류 시간: 0.010msec이고 체류점 간격: 0.30㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하고, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜, 평균 주사 속도: 30m/sec로 변조 조사선 영역을 형성했다. 이때, 하나는 압연 방향의 반복 간격을 5.0㎜(발명예 B3), 다른 하나는 7.5㎜(발명예 B4)로 하여 조사하고, 발명예로 했다. 이들 발명예에 있어서는, 코팅의 손상은 인정되지 않고, 또한 비터법에 의한 자구 관찰에 의해, 판폭 방향으로 가늘고 길게 신장되고 또한 분할된 자구가 조사선 영역 상에 관찰되었다.
또한, 다른 하나는, 압연 방향의 반복 간격을 5.0㎜로 하고, 동일한 조건의 전자빔을 조사했지만, 체류 시간: 0.005msec이고 체류점 간격: 0.15㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하고, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜, 평균 주사 속도: 30m/sec로 변조 조사선 영역을 형성했다(비교예 B5).
또한, 다른 하나는, 압연 방향의 반복 간격을 5.0㎜로 하고, 동일한 조건의 전자빔을 조사했지만, 체류 시간: 0.03msec이고 체류점 간격: 0.90㎜를 체류 영역 및 주행 영역의 반복 단위로 하고, 판폭 방향으로 반복 단위를 연결시켜, 평균 주사 속도: 30m/sec로 변조 조사선 영역을 형성했다(비교예 B6).
남는 둘은, Q 스위치를 구비한 Nd:YAG 레이저 장치를 이용하여, 강판의 판폭 방향으로 불연속인 펄스 조사를 행했다. 이때의 조사 조건은, 종래부터 공지의 조건, 즉 레이저 펄스의 에너지로서 4.5mJ/펄스, 레이저 스폿의 사이즈는 직경: 0.22㎜의 원형, 판폭 방향의 조사 간격은 0.3㎜, 레이저 파장은 1064㎚로 했다. 압연 방향에 있어서의 조사 간격은, 하나를 5.0㎜(비교예 B7), 다른 하나는 7.5㎜(비교예 B8)로 하여 조사했다. 이들 비교예에는, 레이저 빔을 수광한 장소에 명료한 원형의 코팅 결손과 지철의 나출이 인정되었기 때문에, 절연성의 향상을 위해 절연 코팅을 얇게 재도포하고, 저온으로 소성했다.
이들 8종류의 자구 세분화된 방향성 전자 강판은, 일부를 철손과 자왜의 측정에 제공함과 함께, 나머지의 강판을 이용하여 전술한 방법으로 변압기를 제작하고, 1.7T에 있어서의 철손과 소음을 측정했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방법으로 제조한 자구 세분화된 방향성 전자 강판은, 비교예에 비해, 철손 특성 및 자왜 특성이 우수하고, 또한 변압기의 철손 및 소음 특성도 우수하다. 또한, 주목해야 하는 점은, 압연 방향에 있어서의 조사 간격을 7.5㎜로 한 경우는, 비교예의 기술과는 달리, 철손과 소음이 함께 최량값을 나타내고 있고, 변압기용의 방향성 전자 강판으로서 우수한 효과를 갖는 것을 알 수 있다.
1 : 체류 영역
2 : 주행 영역
3 : 반복 단위(체류점 간격)
2 : 주행 영역
3 : 반복 단위(체류점 간격)
Claims (6)
- 강판 표면에 대하여, 압연 방향과 교차하는 방향의 선 영역에 빔 지름 d 가 0.40㎜ 이하인 전자빔을 조사하고, 당해 조사선 영역을 체류 영역과 주행 영역으로 이루어지는 2종류의 영역을 반복 단위로 하는 변조 조사선 영역으로 하고, 또한 당해 변조 조사선 영역을 압연 방향으로 간격을 형성하여 반복하는 것에 의한 자구 세분화 처리를 행한 방향성 전자 강판에 있어서,
당해 반복 단위를 선 영역 방향으로 연결시킨 변조 조사선 영역으로 하고,
당해 반복 단위의 당해 변조 조사선 영역에 있어서의 주기를 2/3×d∼2.5×d㎜로 하고,
당해 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 4.0∼12.5㎜로 하고, 추가로
전자빔의 강도를, 적어도 조사면측에 당해 변조 조사선 영역 방향으로 가늘고 길게 신장된 분할 자구가 형성되는 강도 이상이고, 또한 조사면측에 피막 손상의 발생 및 소성 변형 영역의 형성이 발생되지 않는 강도까지로 한 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판. - 제1항에 있어서,
상기 전자빔의 가속 전압을 100kV 이상으로 한 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 5.0∼10㎜로 한 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판. - 강판 표면에 대하여, 압연 방향과 교차하는 방향의 선 영역에 빔 지름 d 가 0.40㎜ 이하인 전자빔을 조사하고, 당해 조사선 영역을 체류 영역과 주행 영역으로 이루어지는 2종류의 영역을 반복 단위로 하는 변조 조사선 영역으로 하고, 또한 당해 변조 조사선 영역을 압연 방향으로 간격을 형성하여 반복하는 것으로 이루어지는 자구 세분화 처리를 행하여 방향성 전자 강판을 제조할 때에 있어서,
당해 반복 단위를 선 영역 방향으로 연결시킨 변조 조사선 영역으로 하고,
당해 반복 단위의 당해 변조 조사선 영역에 있어서의 주기를 2/3×d∼2.5×d㎜로 하고,
당해 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 4.0∼12.5㎜로 하고, 추가로
전자빔의 강도를, 적어도 조사면측에 당해 변조 조사선 영역 방향으로 가늘고 길게 신장된 분할 자구가 형성되는 강도 이상이고, 또한 조사면측에 피막 손상의 발생 및 소성 변형 영역의 형성이 발생하지 않는 강도까지로 하는 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 전자빔의 가속 전압을 100kV 이상으로 하는 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판의 제조 방법. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 변조 조사선 영역의 압연 방향의 반복 간격을 5.0∼10㎜로 하는 저소음 변압기용의 방향성 전자 강판의 제조 방법.
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