CN101415847A - 取向电磁钢板的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够极力降低取向电磁钢板的铁损且尽可能减小磁致伸缩的取向电磁钢板的制造方法。本发明的电磁钢板的制造方法，是通过照射较细地聚光的激光束来改善磁特性的取向电磁钢板的制造方法，使用将最大功率密度控制在1×10²～1×10⁴W/mm²的功率调制激光器在板幅方向和轧制方向这两个方向进行激光照射，通过使由此引起的应变量最佳化，特别是将调制效率控制在70％以上且低于100％而使磁致伸缩较小。

Description

取向电磁钢板的制造方法

技术领域

本发明涉及铁损小且磁致伸缩特性优异的取向电磁钢板的制造方法。

背景技术

晶体的易磁化轴在整个钢板中大致为同一方向的晶体取向性高的电磁钢板，被称为取向电磁钢板，该方向与钢板的轧制方向一致。这样的钢板作为变压器铁心材料非常优异。

用交流磁化取向电磁钢板时的铁损，可分离为涡流损耗和磁滞损耗，而且涡流损耗又可以分成典型的涡流损耗和异常涡流损耗。典型的涡流损耗与钢板的板厚成比例，因此可通过材料的减薄来降低，异常涡流损耗是由于磁畴壁的移动而局部发生的涡流所引起的损耗，与在轧制方向细长的磁畴即180°磁畴的磁畴壁间隔成比例地减小。因此，为了降低铁损，提出了各种的磁畴的细分化技术。

人们已知道，通过对钢板表面赋予与轧制方向大致垂直的直线状的、且周期性的应变，可在其应变的附近形成细的环流磁畴，以其为起点180°磁畴壁间隔变窄，异常涡流损耗得到降低。因此，考察了将激光束聚光并在板幅方向(板横向)扫描照射来赋予应变的方法，现在已经用于实用。

另一方面，磁滞损耗是磁化曲线即磁滞曲线所导致的损耗，是对钢板的应变敏感的铁损成分。因此，通过激光照射进行的过剩的应变赋予存在导致磁滞损耗增加的问题。

另外，与电磁钢板的铁损同样重要的特性有磁致伸缩。这起因于钢板在交流磁场中的伸缩，因此是变压器产品噪音的主要原因。特别是对于晶体取向性高的电磁钢板，人们已知钢板伸缩量与赋予的应变量存在正的相关关系，从磁致伸缩的观点来看，必须抑制过剩的应变。因此，希望以尽量少的应变量降低异常涡流损耗，并极力抑制磁滞损耗和磁致伸缩的增加。

在以往的通过激光照射来赋予残余应力的铁损改善技术中，例如如日本特开平6-57333号公报所公开的那样，1～2μs左右的短脉冲、且在电磁钢板面上的峰值功率密度超过1×10⁴W/mm²的高的峰值脉冲激光的照射方法，可有效地导入应变，峰值功率高的Q开关激光器正被使用。但是，该方法中，会对钢板赋予局部非常强的冲击力，因此在比光束的聚光径更大的范围被赋予较强的应变的结果，虽然涡流损耗被充分降低，但是由于过剩的应变，而发生磁滞损耗和磁致伸缩增加的问题。

因此，为了在更狭窄的区域导入有效的应变，例如如WO2004/083465号公报所公开的那样，通过使激光束的聚光点在轧制方向的径为0.2mm以下，来对非常狭窄的区域赋予应变，得到了优异的特性。在该方法中，虽然与高峰值脉冲激光器相比较，过剩的应变幅度的发生较少，但是关于磁致伸缩特性，还希望进一步改善。然而，进一步使聚光范围变窄的场合，在电磁钢板面上的功率密度增加，因此甚至采用瞬时功率较低的连续波激光器也会引入过剩的应变，而且在连续波激光器的场合，由于连续的热输入过程，存在钢板容易熔融的问题。在这种场合，熔融部再凝固时会发生过大的张力，存在应变区增大的问题。即，对于连续波激光法，只缩小聚光径时，磁致伸缩特性的改善存在限度。

近年来，从节能、环境问题的观点考虑，高效率变压器材料即高级电磁钢板的需求日益增大，其中，由于设置环境的制约，对降低变压器噪音的要求度较高。因此，希望得到降低铁损并且进一步改善磁致伸缩的技术。

发明内容

本发明是提供能够极力降低取向电磁钢板的铁损且尽可能减小磁致伸缩的取向电磁钢板的制造方法的发明。用于完成该课题的本发明的手段如下。

(1)一种取向电磁钢板的制造方法，是将激光束聚光至取向电磁钢板面，在该取向电磁钢板面的板幅方向进行扫描照射，周期性地赋予残余应力来改善磁特性的取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，激光束是将连续波激光进行了周期性功率调制的光束，在上述进行过功率调制的光束的时间波形中，以调制周期Tm、功率为最大值Pp的10％以下的时间幅度Tf以及所述的调制周期Tm与时间幅度Tf之差(Tn＝Tm-Tf)将功率调制效率Dp定义为Dp＝Tn/Tm×100％时，功率调制效率Dp为70％以上且低于100％，并且该激光束的功率最小值Pb为最大值Pp的10％以下。

(2)根据(1)所述的取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，以激光束的聚光面积S和上述最大值Pp将上述激光束在钢板面上的峰值功率密度Ppd定义为Ppd＝Pp/S时，峰值功率密度Ppd为1×10²～1×10⁴W/mm²。

(3)根据(1)或(2)所述的取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，上述激光束是从半导体激光激发的光纤激光器装置射出的光束。

附图说明

图1是本发明的磁特性优异的取向电磁钢板的制造方法中的激光功率调制的说明图。

图2是本发明的磁特性优异的取向电磁钢板的制造方法的实施方式的概略说明图。

图3是说明实施例的调制效率与铁损的关系的图。

图4是说明实施例的调制效率与磁致伸缩的关系的图。

图5是高峰值脉冲激光照射中的聚光径以及应变幅度的模式图。

图6是连续波激光照射中的聚光径以及应变幅度的模式图。

具体实施方式

在通过激光照射赋予应变的区域形成环流磁畴。环流磁畴的伸缩导致磁致伸缩，因此应变的导入量与磁致伸缩存在大致正的相关关系。因此，为了将磁致伸缩的增加抑制在最小限度，赋予足够降低涡流损耗的应变，且极力不给予那以上的不必要的应变是理想的。即，将导入的应变体积最佳化是重要的。

Q开关CO₂激光器或者YAG激光器所代表的脉冲振荡激光器，将蓄积于激光媒质中的能量一瞬间以激光形式取出，因此脉冲幅度为数μs以下，脉冲能量高，峰值功率容易地超过数kW。采用这样的短脉冲高峰值的脉冲激光照射时，虽然应变可有效地导入，但如图5所示，由于非常强的冲击力，在聚光束径d1的周围的较宽范围发生幅度d2的应变，存在引入多余的应变的倾向。因此，应变导入体积的削减以及控制是困难的。可以认为，如专利文献1所公开的那样，当为超过1×10⁴W/mm²的高峰值功率密度时，会引起这样的现象。

另一方面，采用连续波激光器时，瞬时的功率密度较小，如图6所示，发生的应变幅度d2与光束聚光径d1大致同等。因此，通过控制聚光径，可以某种程度地控制轧制方向的应变幅度d2。但是，板幅方向变为连续均匀的应变分布，因此轧制方向宽度以外的控制的自由度受到限制。

本发明者们想到，采用连续波激光器，即使将轧制方向的应变幅度控制在最小限度的场合，即便不在板幅方向整个宽度连续地导入应变，铁损也可能得到充分改善。即，认为在板幅方向存在使磁致伸缩不必要地增加的多余的应变。因此，还控制板幅方向的应变分布，将对应变体积进行控制使其最佳化作为目的，通过抑制功率密度，以聚光得较细一些的连续波激光为基础，进行功率的时间调制，在板幅方向周期地形成导入应变的部分和未导入应变的部分，直到完成本发明。

以下，采用实施例说明实施发明的方式。

图1是本发明的连续波激光器的功率调制波形的一例。最大功率是连续波激光器的最大输出Pp，通过功率调制，而周期地具有有最小值Pb的低功率时间区域。将调制周期设为Tm，将功率为最大值的10％以下的时间幅度设为Tf，将Tm-Tf设为Tn，将功率调制效率Dp定义为Dp＝Tn/Tm×100(％)。再者，调制频率为Fm＝1/Tm。

图2是本发明的实施例中的照射实验的模式图。在本实施例中，激光器装置1是半导体激光激发的光纤激光器，激发光源即半导体激光器可进行高速调制，因此光纤激光器输出也同样可高速调制。光纤激光器的光纤芯径为10μm，适当地使用聚光光学系统，可聚光到与芯径同等。激光波长为1.07μm。激光器输出是通过传送光纤2并由输出头3输出。激光束LB通过圆柱透镜4和fθ透镜5的组合而聚光。

本实施例中，最大功率Pp为100W，聚光束是轧制方向径d1＝100μm、板幅方向径dc＝300μm的椭圆。因此，最大功率密度Ppd为0.4×10⁴W/mm²。激光束由光学多面体6在板幅方向以速度Vs进行扫描。在本实施例中，Vs＝15m/s。另外，通过钢板7的在轧制方向的移动，使轧制方向的照射间距P1为6mm。在该条件下，将调制频率Fm固定在Fm＝2kHz，对脉冲调制效率Dp进行各种变更，调查了铁损和磁特性。

图3表示作为试样使用板厚0.23mm、磁通密度B8＝1.935T、激光照射前的铁损W17/50＝084W/kg的材料时的脉冲调制效率Dp与激光照射后的铁损W17/50的关系。试样尺寸为宽60mm、轧制方向长300mm。

B8是在800A/m的磁化力下发生的钢板的磁通密度。W17/50是在交流励磁的频率50Hz、最大磁通密度1.7T下的铁损。

另外，图4表示磁致伸缩λp-p与脉冲调制效率Dp的关系。在此，λp-p是在交流励磁的频率50Hz、最大磁通密度1.7T下，轧制方向的钢板伸缩总宽度相对于钢板长度的比例(％)。

再者，作为比较，调查了对相同的试样照射波长10.6μm的Q开关脉冲CO₂激光时的铁损和磁致伸缩。照射条件为：轧制方向聚光束径0.3mm、板幅方向聚光束径0.5mm、脉冲时间幅度2μs、脉冲频率20kHz、脉冲能量6mJ、平均功率120W。光束扫描速度Vs＝10m/s，照射间距P1＝6mm。Q开关CO₂激光脉冲在脉冲初期具有陡峻的峰，峰值功率Pp＝2kW，最大功率密度Ppd＝1.7×10⁴W/mm²。

由图3来看，在与完全连续波激光照射相当的脉冲调制效率Dp＝100％至Dp＝70％时，铁损显示出W17/50＝0.70W/kg左右的低水平，如图3中虚线所示，与Q开关CO₂脉冲激光法的铁损W17/50(P)＝0.750W/kg相比，得到了更低的铁损。可以认为，采用Q开关脉冲激光器不能充分降低铁损是由于，虽然可以降低涡流损耗，但应变体积过剩，磁滞损耗的增加变得显著的缘故。

另一方面，在图4中可以看到，磁致伸缩伴随着脉冲调制效率Dp的减小，呈大体单调减小的趋势。即可以认为，通过将连续波激光进行功率调制，形成最大功率的10％以下的时间区域，在该时间区域基本不对钢板导入应变。其结果，随着Dp的减小，导入应变量减小。

从图3的结果来看，在脉冲调制效率Dp＝70％时，铁损降低效果大体饱和，即使使Dp进一步增加，铁损也不进一步降低。另一方面，由图4的结果可以认为，即使使Dp增加到70％以上而进一步导入应变，也会使磁致伸缩不必要地增加。

再者，Q开关CO₂激光法中，由于短脉冲、高的峰值功率，而使应变区域存在扩大的趋势，而且，由于波长较长，约为光纤激光的10倍，因此聚光径的缩小存在限度。因此，应变幅度比本发明的光纤激光的情况宽，因此，如图4中的虚线所示，脉冲激光法的磁致伸缩λp-p(P)比本发明的情况大。

因此，本发明的照射聚光成较细一些的、且抑制了功率密度的功率调制激光的方法，与以往的高峰值脉冲激光法相比，可以得到铁损和磁致伸缩均优异的特性。另外，与同样抑制了最大功率密度的连续波激光法相比，可以得到同等的铁损和低的磁致伸缩，尤其是在脉冲调制效率Dp为70％以上且低于100％的范围时，可以得到更低的磁致伸缩和较低的铁损。

在本发明中，控制应变区域很重要。在功率密度Ppd超过1×10⁴W/mm²的场合，如上所述，会导入聚光径以上的过大的应变，因此不理想。另一方面，可发生铁损降低效果变得充分的应变的最小的功率密度Ppd的值，依赖于电磁钢板面上的激光束扫描速度。该最小的功率密度Ppd的值，可通过使脉冲调制效率Dp为100％，即进行完全连续地激光照射而求出。在如上述实施例那样的制造工序中，从生产率的观点考虑，在可正常实施的扫描光学系统中的激光束扫描速度范围内，功率密度Ppd的下限为1×10²W/mm²。比该值更小的场合，基本不发生应变，因此铁损降低效果也大大减小。所以，功率密度Ppd的范围优选为1×10²～1×10⁴W/mm²的范围。

为了达到本发明的目的，需要以高精度进行规定的功率调制。半导体激光器通过电流控制而可进行高速的调制，因此以其为激发源的光纤激光器，可同样以高速进行调制控制。另外，光纤激光器容易进行与芯径同等水平的聚光，不会赋予过剩的应变幅度，因此可使聚光径变细。因此，为了实施本发明，优选半导体激光激发的光纤激光器。

另外，从波长的观点来看，波长短时可进行较细的聚光，而另一方面，波长较长时，电磁钢板的激光能量吸收率较高，鉴于此，在实用的激光器中优选位于波长1.06μm的YAG激光器与波长10.6μm的CO₂激光器之间的波长1.07～2.10μm的光纤激光器。

产业上的利用可能性

根据本发明，可在轧制方向和板幅方向这两个方向控制通过激光照射而导入的应变量，可使铁损最小化、并可使极力抑制磁致伸缩增加的应变量最佳化，因此作为高效率、低噪音的变压器材料，能够制造铁损极小且磁致伸缩特性优异的取向电磁钢板。

Claims (3)

1.一种取向电磁钢板的制造方法，是将激光束聚光至取向电磁钢板面，在该取向电磁钢板面的板幅方向进行扫描照射，周期性地赋予残余应力来改善磁特性的取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，激光束是将连续波激光进行了周期性功率调制的光束，在所述进行了功率调制的光束的时间波形中，以调制周期Tm、功率为最大值Pp的10％以下的时间幅度Tf以及所述的调制周期Tm与时间幅度Tf之差，即Tn＝Tm-Tf，将功率调制效率Dp定义为Dp＝Tn/Tm×100％时，功率调制效率Dp为70％以上且低于100％，并且该激光束的功率最小值Pb为最大值Pp的10％以下。

2.根据权利要求1所述的取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，以激光束的聚光面积S和所述最大值Pp将所述激光束在钢板面上的峰值功率密度Ppd定义为Ppd＝Pp/S时，峰值功率密度Ppd为1×10²～1×10⁴W/mm²。

3.根据权利要求1或2所述的取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，所述激光束是从半导体激光激发的光纤激光器装置射出的光束。

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