(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向性電磁鋼板を50Hzの周波数で圧延方向に励磁し、圧延方向の磁歪振動のゼロ- ピーク値(0-p値) を測定した際、飽和磁束密度まで励磁したときの0-p 値ε0 において、張力皮膜が存在せず、レーザーが照射されていない状態の値を基準として、張力皮膜が形成されたことによって変化した絶対値ε0Cと、皮膜形成後レーザーを照射することによって変化した絶対値ε0Lが、
ε0C  ＜  2.0 ×  10-6
ε0L  ＜  0.8 ×  10-6
であり、飽和磁束密度における0-p 値から励磁磁束密度1.7Tにおける0-p 値を差し引いた値ε17において、張力皮膜が存在せず、レーザーが照射されていない状態の値を基準として、張力皮膜が形成されたことによって変化した絶対値ε17C と、皮膜形成後レーザーを照射することによって変化した絶対値ε17Lが、
ε17C ＜  1.0 ×  10-6
ε17L ＜  0.3 ×  10-6
であり、更に、励磁磁束密度1.7Tにおける0-p 値λ17が
-  0.5  ×  10-6  ≦    λ17    ≦  0.5 ×  10-6
である方向性電磁鋼板。
【請求項２】
ε0Cとε0Lが、
1.0 ×  10-6  ≦  ε0C  ＜  3.0 ×  10-6
0.5 ×  10-6  ≦  εOL  ＜  1.0 ×  10-6
であり、ε17C とε17L が、
0.5 ×  10-6  ≦  ε17C ＜  1.5 ×  10-6
ε17L ＜  0.3 ×  10-6
である請求項1 に記載の方向性電磁鋼板。
【請求項３】
Siを1.0 〜4.0 質量％含有する方向性電磁鋼板の製造方法において、仕上げ焼鈍後に形成される一次皮膜とその後に付与する二次皮膜による合計の鋼板への張力を1MPa以上、8MPa以下とし、鋼板の単位面積当たりの入熱量を1〜2mJ/mm2となるようにレーザー照射し、請求項1 記載の磁歪特性を得ることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項４】
Siを1.0 〜4.0 質量％含有する方向性電磁鋼板の製造方法において、仕上げ焼鈍後に形成される一次皮膜とその後に付与する二次皮膜による合計の鋼板への張力を14MPa 以上とし、鋼板の単位面積当たりの入熱量を1.5〜3mJ/mm2となるようにレーザー照射し、請求項1 記載の磁歪特性を得ることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランスなどの鉄心に用いられる方向性電磁鋼板に関するものであり、更に詳しく述べると、鉄心の低鉄損化のみならず低騒音化にも寄与する、低鉄損、低騒音の方向性電磁鋼板とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、トランスなどの電磁応用機器にも騒音や振動の低減が要請されるようになり、トランスの鉄心に使われる方向性電磁鋼板には、低鉄損と共に、低騒音や低振動に適した材料であることが求められる様になってきた。トランスの騒音や振動に対する素材における原因の一つとして、方向性電磁鋼板の磁歪があるといわれている。ここでいう磁歪とは、方向性電磁鋼板を交流で励磁したときに、鋼板の圧延方向に見られる振動のことで、その大きさは、10-6オーダーの非常に小さなものである。しかし、これまで、どのような磁歪特性がトランスの低騒音化に有効なのか明確ではなかった。
【０００３】
これまでの低騒音化への方策は、磁歪を小さくすることであった。磁歪は、二次再結晶粒の｛110 ｝＜001 ＞の方位集積度をあげることにより低減できることが知られているが、これは低鉄損化を狙う場合と同じ一般的な方法である。積極的に磁歪を低減した材料の提案の一つに、特開平8-269562号公報がある。そこでは、焼鈍時の内部残留歪みを故意に残留させることにより磁歪の低減が図られている。しかし、この方法では歪みが残留するためヒステリシス損失が増加し、鉄損の増加を招いてしまう。
【０００４】
以上のように、トランスの低騒音化のための鉄心用素材としては、これまで明確な磁歪特性の提示はなく、また、磁歪振動を低減する材料に対してもその提案はほとんどないのが実情である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、トランスの低鉄損と低騒音を両立するために最も適した方向性電磁鋼板、即ち、低鉄損、低騒音の方向性電磁鋼板、及び、その製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、方向性電磁鋼板の磁歪とトランス騒音の関係を詳細に調査し、また、磁歪に寄与する種々の材料要因を研究した結果、磁歪を決める因子として、前記の｛110 ｝＜001 ＞方位集積度のほか、絶縁皮膜の張力、レーザー照射による微少歪みの付与が非常に重要であることを見い出し、これらの因子を適切に制御することによって、低騒音のための磁歪特性を持ち、かつ、低鉄損である鋼板を開発することができた。
【０００７】
本発明の要旨は以下のとおりである。
（1)方向性電磁鋼板を50Hzの周波数で圧延方向に励磁し、圧延方向の磁歪振動のゼロ- ピーク値(0-p値：消磁状態を基準とした、ある励磁磁束密度の時の伸縮値で、伸びた場合を正、縮んだ場合を負とする）を測定した際、飽和磁束密度まで励磁したときの0-p 値ε0 において、張力皮膜が存在せず、レーザーが照射されていない状態の値を基準として、張力皮膜が形成されたことによって変化した絶対値ε0Cと、皮膜形成後レーザーを照射することによって変化した絶対値ε0Lが、
ε0C  ＜  2.0 ×  10-6
ε0L  ＜  0.8 ×  10-6
であり、飽和磁束密度における0-p 値から励磁磁束密度1.7Tにおける0-p 値を差し引いた値ε17において、張力皮膜が存在せず、レーザーが照射されていない状態の値を基準として、張力皮膜が形成されたことによって変化した絶対値ε17C と、皮膜形成後レーザーを照射することによって変化した絶対値ε17Lが、
ε17C ＜  1.0 ×  10-6
ε17L ＜  0.3 ×  10-6
であり、更に、励磁磁束密度1.7Tにおける0-p 値λ17が
-  0.5  ×  10-6  ≦    λ17    ≦  0.5 ×  10-6
である方向性電磁鋼板。
【０００８】
（2)ε0Cとε0Lが、
1.0 ×  10-6  ≦  ε0C  ＜  3.0 ×  10-6
0.5 ×  10-6  ≦  εOL  ＜  1.0 ×  10-6
であり、ε17C とε17L が、
0.5 ×  10-6  ≦  ε17C ＜  1.5 ×  10-6
ε17L ＜  0.3 ×  10-6
である上記（1)に記載の方向性電磁鋼板。
【０００９】
（3)Siを1.0 〜4.0 質量％含有する方向性電磁鋼板の製造方法において、仕上げ焼鈍後に形成される一次皮膜とその後に付与する二次皮膜による合計の鋼板への張力を1MPa以上、8MPa未満とし、鋼板の単位面積当たりの入熱量を1〜2mJ/mm2となるようにレーザー照射し、(1)に記載の磁歪特性を得ることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【００１０】
（4)Siを1.0 〜4.0 質量％含有する方向性電磁鋼板の製造方法において、仕上げ焼鈍後に形成される一次皮膜とその後に付与する二次皮膜による合計の鋼板への張力を14MPa 以上とし、鋼板の単位面積当たりの入熱量を1.5〜3mJ/mm2となるようにレーザー照射し、(1)に記載の磁歪特性を得ることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
方向性電磁鋼板には [100]、[010] 及び[001] の三つの磁化容易方向が存在するが、このうち磁場方向と異なる方向に磁化していた領域が、磁場印加と共に磁場方向に向いたり、逆に、磁場方向を向いていた領域が、他の磁化容易方向を向いたりした場合に、磁場印加方向に観測される伸縮、即ち、磁歪が生じる。
【００１２】
[110]<001>方位に完全に揃った理想的な方向性電磁鋼板では、その磁区構造は圧延方向だけに磁化した領域からなる構造、即ち、180 °磁区のみで形成される。このため、磁化過程において磁歪は生じない。
しかし、実際には、方位のずれによる静磁エネルギーを低減するため、ランセット磁区とよばれる還流磁区の一種が鋼板中に存在する。また、歪みが導入された領域や、鋼板端部でも還流磁区が存在する。還流磁区内には板厚方向に磁化した領域を持っており、この領域が減少すれば、磁歪は正（伸張）の変化を、増加すれば負（収縮）の変化を示す。
【００１３】
フォルステライトや張力絶縁皮膜が形成されていない、また、レーザー照射のされていない方向性電磁鋼板の磁歪0-p 値は、図１の1-(A) に示すように、励磁磁束密度と共に単調に増加する。これは消磁状態において、前述したランセット磁区が方位集積度に依存して存在し、励磁と共にその体積を減少させるためである。
【００１４】
鋼板に張力絶縁皮膜を施すと、磁歪は1-(B) に示すように、一旦減少するものの、約1.7T以上の高磁束密度においては、増加に転じる。これは以下の理由による。
磁気弾性効果により、鋼板への張力付与によって、板厚方向に磁化している部分のエネルギーが高まるため、消磁状態のランセット磁区の体積は、張力のない場合に比べて減少する。これに磁場印加すると180 °磁壁の移動が起こるが、これは表面の静磁エネルギーを増加させるので、静磁エネルギーを減ずるようランセット磁区は増加する。従って、この磁場領域では、鋼板は収縮する。更に磁場が強くなり、180 °磁壁移動が終了すると、ランセット磁区が消滅しながら磁化が進行する。このとき鋼板は伸長する。
【００１５】
以上の1-(A) と1-(B) の曲線では、磁化飽和状態が圧延方向以外の磁化成分の消滅した同じ状態であるから、この状態を伸縮の基準とすると磁区構造の変化を考えやすい。
図２に、飽和磁化の時の磁歪0-p 値を0 として、磁歪0-p 値の磁束密度依存性を示す。張力被膜のない鋼板の場合は、2-(A) に示すように、磁歪0-p 値は磁束密度の低下と共に単調に減少する。一方、張力被膜を施した鋼板では、2-(B) に示すように、一旦減少するものの、極小をとった後増加する。2-(B) の消磁状態では、2-(A) に対して図に示すε0Cだけ鋼板は伸長していることになる。
【００１６】
また、極小については、まず、極小をとる磁束密度は、鋼板の[110]<001>方位への配向度に依存するが、発明者らの調査の結果、通常の方向性電磁鋼板では1. 7T程度であることが分かった。従って、先に定義したε17において、2-(B) の極小値では、2-(A) に対してε17C だけ伸長していることになる。これらのε0C及びε17C は、絶縁被膜の張力を変化させることにより自在に制御できる。
【００１７】
また、発明者らは、張力皮膜形成後、更にレーザー照射をすることにより、磁歪特性を自在に制御できることを見い出した。この効果を以下に示す。
図１の皮膜形成後の磁歪0-p 値である1-(B) に対して、レーザーを照射すると、磁歪0-p 値は1-(C) に示すように、単調に増加するように変化する。これは、レーザー照射が鋼板中に歪みを導入するため還流磁区が形成され、励磁と共にこの還流磁区が消滅するためと考えられる。
【００１８】
飽和磁化状態を基準とした場合を図２に示す。皮膜形成後レーザー照射した場合の曲線2-(C)は磁束密度低下と共に減少し、消磁状態では、2-(B) に比べて、図中に示すε0Lだけ鋼板は収縮していることになる。また、1.7Tにおいて定義したε17においては、ε17L だけ収縮している。これらのε0L及びε17L は、レーザー照射エネルギーを変化させることによって、自在に制御できる。
【００１９】
更に、発明者らは、トランスなどの騒音を低減するために方向性電磁鋼板の磁歪特性がどうあるべきかを鋭意検討した結果、磁歪振幅を小さくすることは重要であるが、特に、励磁磁束密度が、1.7Tにおける磁歪0-p 値λ17を所定の大きさに制御することが、機器の騒音を低減する上で必須となることを知見した。
即ち、
-  0.5  ×  10-6  ≦    λ17    ≦  0.5 ×  10-6
と制御することが必須条件となる。
λ17が小さすぎる場合は、磁歪振動波形の高周波成分が増加すること、また、λ17が大きすぎる場合には、磁歪の振幅が大きくなることが、トランスの騒音の増大に寄与していると考えられる。
【００２０】
騒音のない材料を得るためには、皮膜張力とレーザー照射エネルギーを適切に制御し、先のε0C、ε0L、ε17C 、及び、ε17L が、
ε0C  ＜  2.0 ×  10-6
ε0L  ＜  0.8 ×  10-6
ε17C ＜  1.0 ×  10-6
ε17L ＜  0.3 ×  10-6
の範囲であり、更に、励磁磁束密度1.7Tの0-p 値λ17が
-  0.5  ×  10-6  ≦    λ17    ≦  0.5 ×  10-6
を満たすことが必要であることを見い出した。
【００２１】
皮膜張力を小さくすると、ε0Cやε17C は小さくなるが、小さくしすぎると運搬時やトランスを組立作業時などに鋼板に応力が入ったときの磁歪の劣化が大きくなり、また、鉄損も劣化するので、どちらも、0.1 ×  10-6より大きくするのが好ましい。また、それらの値は方位集積度に依存して上限があるので、それぞれ、2.0 ×  10-6、  1.0 ×  10-6  より小さく規定した。
【００２２】
レーザー照射エネルギーを強くするに従いε0Lやε17L は大きくなる。レーザー照射エネルギーが大きすぎると、磁歪振動の振幅が大きくなり、かえってトランスに組んだ時の騒音が大きくなるので、ε0Lは0.8 ×  10-6  より小さく、ε17L は0.3 ×  10-6  より小さく規定した。
【００２３】
皮膜張力は、仕上げ焼鈍後に形成されるフォルステライト皮膜の量や、その上に施す絶縁皮膜の量や成分を調整することによって制御できる。また、レーザー照射は、CO2 レーザーやYAG レーザーを用いて照射できる。鉄損低減の観点からは、レーザーによる歪み導入領域は、鋼板の圧延方向に直角に帯状に伸びており、圧延方向には、その歪み帯が周期的に導入されているのが望ましい。
【００２４】
また、機器の設計磁束密度によって、要求される磁歪特性が変ることも分かった。まず、トランスの設計磁束密度が比較的低い場合は、鋼板の磁歪振動の波形をよりなめらかにし、振動の高調波成分を減少させることが、トランスの騒音を低減させる上において重要であり、皮膜張力は比較的弱い方が有効であることが分かった。しかしながら、この手法は、鉄損の劣化をもたらしてしまう。そこでレーザーを適切に照射し、磁区制御を施すことによって、低磁歪と低鉄損を実現することができた。
【００２５】
上記の電磁鋼板は、フォルステライト皮膜と絶縁皮膜の合計の張力を1MPa以上、8MPa未満とし、鋼板の単位面積当たりの入熱量を1〜2mJ/mm2となるようにレーザー照射することにより、製造することができる。
【００２６】
絶縁皮膜の張力が小さいと、運搬時やトランスを組立作業時などに鋼板に応力が入ったときの磁歪の劣化が大きくなり、鉄損も劣化するので、1MPa以上とした。また、上記張力が強すぎると、磁歪振動の波形に高調波成分が多く含まれる様になるので、8MPa未満とした。
また、設計磁束密度が高いときは、鋼板への張力をなるべく強くし、その皮膜張力に応じてレーザー照射強度を適切に制御することが重要である。これにより、磁歪λ17を先に示した所定の大きさに制御することができ、更に、低磁束密度から高磁束密度まで磁歪振幅を小さく抑えることができる。
【００２７】
具体的には、ε0Cとε0Lは、
1.0 ×  10-6  ≦  ε0C  ＜  3.0 ×  10-6
0.5 ×  10-6  ≦  εOL  ＜  1.0 ×  10-6
に、ε17C とε17L は、
0.5 ×  10-6  ≦  ε17C ＜  1.5 ×  10-6
ε17L ＜  0.3 ×  10-6
とし、更に、
-  0.5  ×  10-6  ≦  λ17  ≦  0.5 ×  10-6
であるように制御する。
具体的には、一次、二次皮膜による合計の鋼板への張力を14MPa 以上とし、鋼板の単位面積当たりの入熱量を1.5〜3mJ/mm2となるようにレーザー照射することにより製造することができる。
【００２８】
【実施例】
（実施例1 ）
定法により仕上げ焼鈍までを行った厚さ0.23mmの方向性電磁鋼板について、フォルステライト皮膜の厚さと絶縁張力皮膜塗布量を制御し、被膜張力を変化させた。更に、圧延方向の照射ピッチを5mm 、圧延直角方向の照射ピッチを0.03mmとして、パルスエネルギーを変化させ、鋼板にレーザー照射した。レーザーにはYAG レーザーを用いた。照射エネルギーは鋼板の面積あたりの導入エネルギーで表す。磁歪の測定には、レーザードップラー方式の磁歪測定装置を用い、各条件10枚を試験に供した。試料作製条件と10枚の平均の磁歪測定結果を表１に示す。
【００２９】
更に、それぞれの条件の鋼板で、750mm ×750mm の３相３脚積み鉄心を作製し、騒音の測定を行った。鋼板の幅は150mm 、積み枚数は180 枚とした。被膜張力0 の場合は、張力の発生しない絶縁被膜を塗布した。結果を表２に示す。本発明の鋼板を用いることによって、トランスの低騒音化が実現された。同表には鉄心の鉄損も示すが、本発明においては良好な鉄損が得られている。
【００３０】
【表１】
0004216488.tif 000002
【００３１】
【表２】
0004216488.tif 000003
【００３２】
【発明の効果】
本発明の方向性電磁鋼板は、皮膜張力とレーザーの照射エネルギーを、ε0C、ε0L、ε17C 、ε17L とλ17が所定の範囲になるように調整して得られるものであり、トランスの低鉄損と低騒音を同時に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  消磁状態を基準とした、磁歪振動0-p 値の磁束密度による変化を示す図である。
【図２】  飽和磁束密度状態を基準とした、磁歪振動0-p 値の磁束密度による変化を示す図である。
【図１】
0004216488.tif 000004
【図２】
0004216488.tif 000005