CN113348257B - 方向性电磁钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种方向性电磁钢板，具有：钢板；以及绝缘覆膜，任意地形成在上述钢板上；在进行了以800℃保持2小时的热处理的情况下，关于励磁到1.7T的时间－磁致伸缩波形即t－λ波形，从上述热处理前的上述时间－磁致伸缩波形减去上述热处理后的上述时间－磁致伸缩波形所得到的差波形的峰值是0.01×10－6以上且0.20×10－6以下；从上述热处理后的铁损减去上述热处理前的铁损所得到的差是0.03W/kg以上且0.17W/kg以下。

Description

方向性电磁钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及适合用于变压器等的铁芯的方向性电磁钢板及其制造方法。更详细地讲，涉及不仅是有助于铁芯的低铁损化、还有助于低噪声化的低铁损、低噪声的方向性电磁钢板及其制造方法。
本申请基于2019年01月28日提出的日本专利申请第2019-012090号主张优先权，在此援引其内容。
背景技术
近年来，对于变压器等的电磁应用设备也越来越要求噪声及振动的减小，对于被用于变压器的铁芯的方向性电磁钢板，要求是低铁损并且适合于低噪声及低振动的材料。作为产生变压器的噪声及振动的原材料的原因之一，有方向性电磁钢板的磁致伸缩。这里所述的磁致伸缩，是在通过交流电将方向性电磁钢板励磁时，随着其磁化的强度的变化而方向性电磁钢板的外形稍稍变化所带来的、在方向性电磁钢板的轧制方向上可看到的振动。该磁致伸缩的大小是10－6量级的非常小的量，但该磁致伸缩使铁芯产生振动，其传输给变压器油箱等的外部构造物而成为噪声。
磁致伸缩特性根据方向性电磁钢板的构造及状态，具体而言根据晶体取向的聚集度及绝缘覆膜对钢板赋予的张力、钢中内在的应变等各种因子而变化。如果磁致伸缩特性变化，则噪声水平变化，根据情况，能够实现噪声的减小。
作为使磁致伸缩特性变化的处理之一，已知有向方向性电磁钢板的表面局部地照射激光或电子束等、将磁畴细分化的技术。通常，该激光等的照射在相对于钢板轧制方向大致正交的方向上以线状进行，结果，在照射方向上延伸的闭合磁畴被形成，条纹状磁畴被细分化，铁损下降。另一方面，通过该激光等的照射，磁致伸缩特性也变化，噪声水平也能够变化。因而，要求能够降低铁损并且减小噪声的照射条件。
专利文献1以提供兼顾变压器的低铁损和低噪声的低铁损、低噪声的方向性电磁钢板为课题，着眼于饱和磁通密度的磁致伸缩0－p值、饱和磁通密度和1.7T的磁致伸缩0－p值的差，提示了在激光照射前后使它们的变化成为一定值以下。
但是，对于专利文献1的方向性电磁钢板而言，仅关注于磁致伸缩的峰值强度的差来制造低噪声的方向性电磁钢板，对于近年来的较高的要求，在低铁损、低噪声方面还不能说是充分的。
专利文献2以提供如下方向性电磁钢板为课题：能够对应于变压器或电抗器发出的噪声，使作为铁芯的原材料的钢板的磁致伸缩特性变化，能够使噪声水平变化、减小，提示了根据线状应变而规定将磁畴被细分化的方向性电磁钢板以基本频率f励磁时的4f频率的磁致伸缩成分的振幅，以及规定SRA前后的振幅差。
但是，在专利文献2中，虽然基于4f成分的磁致伸缩取决于向局部导入应变而发生的闭合磁畴的形状这一认识，规定了4f频率的磁致伸缩成分的振幅，但是关于其他的频率成分没有进行考虑，此外，关于铁损的减小也没有进行充分研究。
专利文献3以提供如下述的低噪声变压器用的一方向性电磁钢板为课题，通过降低对于人的听感而言较大的高次谐波来有效地降低噪声，提示了通过激光照射、覆膜张力等，使磁致伸缩λ0－B(磁通密度为BT时和0T时的钢板的形状的差)为0≤λ0－B≤0.5×10－6的范围，使磁致伸缩波形变化变得缓和。
但是，专利文献3的方向性电磁钢板，虽然示出了变压器的噪声变低，但是关于铁损没有充分地进行研究。此外，其仅着眼于最大磁通密度B和0T下的形状差，而没有进行关于时间－磁致伸缩波形本身的研究。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4216488号公报
专利文献2：日本特开2017－128765号公报
专利文献3：日本特许第3500103号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上述那样，至此关于能够降低铁损并且减小噪声的方向性电磁钢板也进行了各种研究，但近年来被要求提高进一步的性能。本发明以被用于高效率的叠积式铁芯变压器用途的激光照射件、电子束照射件等的“磁畴控制件”为前提，目的是提供一种能够同时减小变压器中的芯损失和噪声的方向性电磁钢板。
用来解决课题的手段
通过本发明，提供以下方面的手段。
[1]有关本发明的一方式的方向性电磁钢板，具有：钢板；以及绝缘覆膜，被任意地形成在上述钢板上；在进行了以800℃保持2小时的热处理的情况下，关于励磁到1.7T时的时间－磁致伸缩波形(t－λ波形)，从上述热处理前的上述时间－磁致伸缩波形减去上述热处理后的上述时间－磁致伸缩波形所得到的差波形的峰值是0.01×10－6以上且0.20×10－6以下；从上述热处理后的铁损减去上述热处理前的铁损所得到的差是0.03W/kg以上且0.17W/kg以下。
[2]在上述[1]所记载的方向性电磁钢板中，也可以是，至少在上述钢板的表面，存在在与上述钢板的轧制方向交叉的方向上被导入的线状或断续的线状的应变。
[3]有关本发明的另一方式的方向性电磁钢板的制造方法，是制造上述[1]或[2]所记载的方向性电磁钢板的方法，向方向性电磁钢板的表面以线状照射激光束或电子束。
发明效果
本发明的上述方式所表示的方向性电磁钢板，通过从热处理前的时间－磁致伸缩波形减去热处理后的时间－磁致伸缩波形所得到的差波形的峰值是0.01×10－6以上且0.20×10－6以下，从热处理后的铁损减去热处理前的铁损所得到的差是0.03W/kg以上且0.17W/kg以下，在向变压器应用的情况下能够同时实现较低的变压器损耗(铁损)和较低的变压器噪声。
附图说明
图1是表示对于去应变退火热处理(SRA)前的方向性电磁钢板、以50Hz的频率通过1.7T的磁通密度幅值的正弦波来励磁的情况下的时间－磁致伸缩波形的例子的图。
图2是表示对于去应变退火热处理(SRA)后的方向性电磁钢板、以50Hz的频率通过1.7T的磁通密度幅值的正弦波来励磁的情况下的时间－磁致伸缩波形的例子的图。
图3是表示去应变退火热处理(SRA)前后的时间－磁致伸缩波形的差的图。
具体实施方式
本发明的一形态的方向性电磁钢板是实施了磁畴控制的钢板。
该磁畴控制将条纹状磁畴细分化，具有降低铁损的效果。被实施磁畴控制能够通过观察条纹状磁畴是否被分断来确认。
另一方面，该磁畴控制也使磁致伸缩特性变化，随着该磁致伸缩特性的变化，噪声水平也可能变化。这是因为，通过磁致伸缩而在构造体中发生各种振动模式，通过构造体振动而发生噪声。在构造体的振动模式下，除了基本频率的振动以外，还叠加有其基本频率的整数倍的频率(倍频)的振动。基本频率例如在励磁电流的频率是50Hz的情况下为100Hz，倍频的频率为200Hz、300Hz、400Hz…。
本发明的发明人研究了通过磁畴控制使磁致伸缩特性变化、减小噪声水平。
本发明的发明人发现，由磁畴控制带来的磁致伸缩特性的变化能够通过从磁畴控制后的时间－磁致伸缩波形减去磁畴控制前的时间－磁致伸缩波形后的差波形(时间轴相同)来评价，并且出人意料地，如果磁畴控制条件一定，则即使母试样的磁致伸缩波形不同，差波形也大致相同。
此外，根据本发明的发明人的研究结果可知，通过不限定于特定的频率成分，评价差波形自身的形状，能够更高精度且再现性良好地同时控制铁损和噪声特性。
使用图1～图3对上述的新发现进行说明。
本发明的发明人首先准备9种高磁通密度方向性电磁钢板(HGO)，对于它们在相同条件下进行磁畴控制，测量时间－磁致伸缩波形。图1是将所测量的各方向性电磁钢板的波形叠加的图。作为相同的磁畴控制条件，在激光输出功率P＝250(W)的情况下、与轧制直角方向平行地以PL(照射线的间隔)＝4mm间隔，照射短轴径dL(轧制方向的直径)＝0.08mm，照射长轴径dC(轧制直角方向的直径)＝1.0mm，以线状实施激光照射。
然后，对于磁畴控制后的方向性电磁钢板，作为热处理而进行以800℃、2小时的去应变退火(SRA)，测量时间－磁致伸缩波形。将测量结果表示在图2中。
将从去应变退火热处理(SRA)前的时间－磁致伸缩波形(图1)减去去应变退火热处理(SRA)后的时间－磁致伸缩波形(图2)后的差波形表示在图3中。尽管SRA前或SRA后的时间－磁致伸缩波形分别是不同的波形，但关于SRA前后的差波形，钢1～9中的任一个都是大致相同的波形。作为其理由，考虑是因为热处理虽然消除磁畴控制的效果，但不能使具有粗大的结晶粒度的方向性电磁钢板的晶体取向等变动。由于原来的磁致伸缩波形因晶体取向等的因素而变化，但差波形大致相同，所以可以考虑该差波形相当于通过在相同条件下实施的磁畴控制而产生的磁致伸缩特性的变化量。换言之，基于热处理前后的磁致伸缩波形的差，能够将通过磁畴控制而变化的磁致伸缩特性定量化，进行评价。另外，在图1～图3中，横轴是“励磁1周期的时间”。
如上述那样，根据差波形能够将基于磁畴控制的磁致伸缩特性的变化进行定量化。这里，考虑该差波形的峰值(振幅)与磁畴控制部分的闭合磁畴体积成比例，此外，差波形主要由基本频率的振动成分构成。因而，如果对原材料的方向性电磁钢板施加基于磁畴控制的差波形的磁致伸缩变化，则基本频率的振动成分被抵消，但相对地倍频成分被强调，有带来变压器噪声的情况。因而，通过规定该差波形的峰值(振幅)的上限，能够减小变压器噪声。具体而言，使差波形的峰值为0.20×10－6以下。
另一方面，如果差波形的峰值(振幅)过小，则显现为磁畴控制效果不充分，不能充分地减小变压器损耗。因此，使差波形的峰值为0.01×10－6以上。
被磁畴控制后的有关本实施方式的方向性电磁钢板，在测量热处理前后的铁损、求其测量值的差的情况下，其铁损的差(热处理后的铁损－热处理前的铁损)为0.03W/kg以上且0.17W/kg以下。
在铁损的差小于0.03W/kg的情况下，由磁畴控制带来的铁损特性的改善不充分，如果超过0.17W/kg，则噪声特性变差。
从将磁畴控制前后的差波形定量化的观点，需要热处理将磁畴控制带来的效果充分地消除。因此，必须适当地设定热处理温度。作为热处理条件，只要设定通过适当地组合热处理温度和保持时间来将磁畴控制的效果充分地消除、并且不使方向性电磁钢板的绝缘覆膜变质的热处理条件即可，条件在热处理温度为500℃～900℃、保持时间在30分钟～8小时之间来设定即可。
如果热处理的温度过高，则不只消除由磁畴控制带来的效果，还有使方向性电磁钢板的绝缘覆膜变质的情况。因而，使热处理温度的上限为900℃。另一方面，如果热处理的温度过低，则有可能不能消除由磁畴控制带来的效果。因此，使热处理温度的下限为500℃。
此外，也能够适当选择热处理的保持时间。但是，如果保持时间过长，则不只消除由磁畴控制带来的效果，还有使方向性电磁钢板的绝缘覆膜变质的情况。因而，也可以使保持时间的上限为8小时。此外，如果保持时间过短，则有可能不能消除由磁畴控制带来的效果。因此，也可以使保持时间的下限为30分钟。
作为适当的热处理温度和保持时间的组合的例子，可以是780℃或850℃、30分钟或4小时等，也可以是800℃、2小时。在稳定地得到去应变退火的效果这一点上，优选的是使热处理温度为800℃，保持时间为2小时。
在热处理中，可以使用分批退火炉或连续退火炉等。优选的是进行使得退火的方向性电磁钢板内的温度偏差不过剩的冷却时的降温率限制。作为具体例，例如在分批退火的情况下，优选的是500℃～800℃、30分钟～8小时，降温率为50℃/小时左右以下且10℃/小时左右以上，例如是30℃/小时左右。如果降温率过大，则在试料内发生温度偏差，发生残余应变，铁损值等有可能变差。另一方面，如果降温率过小，则过度地需要热处理时间，此外残余应变避免效果也饱和。因此，优选的是设为适当的降温率。
关于磁畴控制的方法，只要能得到希望的性状、换言之只要能得到在本实施方式中规定的差波形的峰值及铁损差即可，没有特别限定，可以适当使用激光照射、电子束照射、机械性的应变导入等。关于用于磁畴控制的各方法的条件，虽然根据原材料的特性而适宜值稍稍变动，但只要预先用一部分的材料掌握条件，调整作业条件等以使差波形成为在本实施方式中表示的良好的范围即可。这种调整，对于日常执行用来控制磁致伸缩的作业条件的调整的本领域技术人员，是不困难的。
有关本实施方式的方向性电磁钢板，至少在钢板的表面(在具有绝缘覆膜的情况下为将覆膜去除的钢板部分的表面)存在在与钢板的轧制方向交叉的方向上被导入的线状(连续的线状或断续的线状)的应变，也可以通过这些线状的应变来实现磁畴控制。也可以对于钢板表面将激光或电子束以比以往低的照射功率密度长时间照射，以能够得到在本实施方式中规定的差波形的峰值及铁损差。例如也可以相对于激光输出功率P(W)，通过使长椭圆照射的照射短轴径dL(轧制方向的直径)、照射长轴径dC(轧制直角方向的直径)充分地大，使由Ip＝(4×P)/(π×dL×dC)表现的照射功率密度变小，由此将“差波形的峰值及铁损差”控制在规定范围内。也可以将激光等以线状向钢板表面照射。
也可以单独地调整激光或电子束的照射条件。
激光或电子束的照射能量(Ua)也可以为0.1～10mJ/mm2。通过为该范围，在充分的铁损改善效果这一点上是优选的。
激光径或电子束径如果是正圆形，也可以为0.001～0.4mm。如果是椭圆形，则短轴径dL与上述等同，但长轴径dC也可以为0.001～50mm。
也可以适当调整激光或电子束的脉冲数、脉冲宽度、扫描速度、波动条件等。
对于激光或电子束照射而言，也可以使对焦透镜或对焦线圈上下振动，使其振动与激光或电子束的扫描速度同步由此来进行控制。
激光照射可以使用CO2激光或YAG激光、光纤维激光等来照射。从铁损减小的观点，磁畴控制区域优选的是与钢板的轧制方向大致成直角以带状或线状延伸，在轧制方向上周期性地被导入该区域。
此外，磁致伸缩特性也根据绝缘覆膜对钢板赋予的张力而变化。因此，也可以在方向性电磁钢板上形成绝缘覆膜，来调整磁致伸缩特性。即，有关本实施方式的方向性电磁钢板也可以是在钢板的表面上形成有绝缘覆膜的方向性电磁钢板。通过调整绝缘覆膜的厚度，也能够调整张力。例如，在形成绝缘覆膜的情况下，也可以使覆膜张力为1～20MPa。
有关本实施方式的方向性电磁钢板的板厚没有被限定，但在考虑应用于变压器的情况，优选的是0.10～0.35mm，更优选的是0.15～0.27mm。
作为有关本实施方式的方向性电磁钢板的制造方法，例示在上述的条件下向方向性电磁钢板的表面以线状照射激光束或电子束。
实施例
关于本发明，使用以下的实施例进行说明。但是，本发明不应被解释为限定于该实施例。
对于通过通常的方法制造的板厚0.23mm的高磁通密度方向性电磁钢板，通过以激光输出功率P＝250(W)，与轧制直角方向平行地以PL＝4mm的间隔，使照射短轴径dL(轧制方向的直径)和照射长轴径dC(轧制直角方向的直径)进行各种变化地以线状实施激光照射，由此进行磁畴控制。照射能量是2.1mJ/mm2，照射束的扫描速度是30m/s。激光是使用光纤维激光。使用激光多普勒方式的磁致伸缩测量装置，测量激光照射后去应变退火热处理(SRA)前的方向性电磁钢板、和激光照射后去应变退火热处理(SRA)后的方向性电磁钢板的、以频率50Hz正弦波励磁到1.7T时的各自的时间－磁致伸缩波形。由于激光多普勒测量装置的响应速度充分快，所以测量磁致伸缩时的励磁频率并不限定于50Hz，用100Hz或200Hz的更高的频率也能够测量，但由于商用的励磁频率是50Hz至60Hz，所以为以50Hz进行的测量。
将试料制作条件和磁致伸缩测量结果(热处理前后的差波形的峰值)表示在表1中。在该表中还表示SRA前后的铁损的差。
表1
Figure BDA0003179008240000091
*1：功率密度Ip＝4P/(πdL·dC)
根据表1可知，由Ip＝(4×P)/(π×dL×dC)为0.66以下的照射条件的材料制造的磁致伸缩差波形的峰值变小。
另一方面，Ip较大的试料A～C，磁致伸缩差波形的峰值变大。
但是，对于试料G而言，dL×dC变大，随着Ip变小，磁畴控制效果变得不充分，磁畴宽度变宽，从而铁损的差过度变小。
使用这些钢板A～G(激光照射后、SRA前)，制造出400kVA的容量的3相3脚的叠积式铁芯变压器。钢板的宽度最大是180mm，叠积片数为650片。此外，设计磁通密度是Bd＝1.7T。将噪声的测量结果表示在表2中。在该表中还表示变压器损耗。
表2
Figure BDA0003179008240000092
*1：功率密度Ip＝4P(πdL·dC)
根据表2可知，在使用差波形的峰值为0.01×10－6以上且0.20×10－6以下、减去铁损所得到的差为0.03W/kg以上且0.17W/kg以下的方向性电磁钢板D、E、F的例子中，变压器噪声、变压器损耗变小。
另一方面，在使用A～C、G的方向性电磁钢板的例子中，变压器噪声、变压器损耗都变差。
产业上的可利用性
本发明的方向性电磁钢板，能够同时实现较低的变压器损耗(铁损)和较低的变压器噪声。因此，产业上的可利用性较高。

Claims (3)

1.一种方向性电磁钢板，其特征在于，
具有：
钢板；以及
绝缘覆膜，任意地形成在上述钢板上；
在进行了以800℃、保持2小时的热处理的情况下，
关于励磁到1.7T时的时间－磁致伸缩波形即t－λ波形，从上述热处理前的上述时间－磁致伸缩波形减去上述热处理后的上述时间－磁致伸缩波形所得到的差波形的峰值是0.01×10－6以上且0.15×10－6以下，
从上述热处理后的铁损减去上述热处理前的铁损所得到的差是0.03W/kg以上且0.17W/kg以下。
2.如权利要求1所述的方向性电磁钢板，其特征在于，
至少在上述钢板的表面，存在在与上述钢板的轧制方向交叉的方向上被导入的线状或断续的线状的应变。
3.一种方向性电磁钢板的制造方法，是制造权利要求1或2所述的方向性电磁钢板的方法，其特征在于，
对于方向性电磁钢板的表面以线状照射激光束或电子束。
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