DE69024740T2

DE69024740T2 - Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Kernes mit niedrigen Kernverlusten

Info

Publication number: DE69024740T2
Application number: DE69024740T
Authority: DE
Inventors: Norito Abe; Tadao Nozawa; Masaki Tanaka; Yoshiyuki Ushigami; Masao Yabumoto
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-10-14
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2010-10-12
Also published as: KR910008149A; KR930009975B1; EP0423623B1; DE69024740D1; US5026439A; JPH0686633B2; CA2027316C; EP0423623A1; CA2027316A1; JPH03130321A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Kerns mit sehr geringem Kernverlust durch die Verwendung eines sehr dünnen Siliciumstahlbandes, das die Achse der einfachen Magnetisierung in der Walzrichtung aufweist.

2. Beschreibung des zugehörigen Fachgebietes

Das grundsätzliche Magnetkonzept von orientiertem Siliciumstahlblech stammt von der Entdeckung der magnetischen Anisotropie eines Kristalls bei einem Einkristall aus Eisen aus dem Jahre 1926 (siehe K. Honda und 5. Kaya, Sci. Reps, Tohoku Imp. Univ. 15, 1926, 721). Die Magneteigenschaften von Siliciumstahl wurden durch signifikante Fortschritte bei der Entwicklung einer "Würfel auf der Kante"-Struktur von Goss deutlich verbessert (N.P. Goss, US-Patent Nr. 1 965 559), und gegenwärtig wird orientierter Siliciumstahl noch immer als eines der vorteilhaftesten Magnetmaterialien angesehen, dies beruht auf seinem geringen Energieverlust, der hohen Magnetflußdichte bei einer geringen Magnetisierungskraft und den sehr geringen Kosten.
Trotzdem zeigt dieser Stahl bei einer Magnetisierung mit hoher Frequenz einen signifikanten Kernverlust, und die magnetische Permeabilität nimmt ab, wenn die Blechdicke hoch ist (0,20 mm oder mehr bei einem Industrieprodukt), und somit können die obengenannten Magnetmaterialien nur für die Magnetisierung bei 50 oder 60 Hz verwendet werden. 1949 beschrieb M.F. Littmann ein Verfahren zur Entwicklung einer starken magnetischen Permeabilität und eines sehr geringen Kernverlustes bei einem sehr dünnen Siliciumstahl (siehe US-Patent Nr. 2 473 156). Bei der Erfindung von M.F. Littmann hat das Ausgangsmaterial die Orientierung (110)[001] (B&sub8; = 1,74 T) und einen befriedigend großen Korndurchmesser (Korndurchmesser: 0105 bis 10 mm) und wird kaltgewalzt und rekristallisiert. Der oben beschriebene Siliciumstahl weist derartige Eigenschaften auf, daß die Maqnetflußdichte (B&sub8;-Wert) und der Kernverlust bei 10 kGs bei 60 Hz bei einer Blechdicke von 1 bis 5 mil (25,4 bis 127 um) 1,60 bis 1,71 T bzw. 0,26 bis 0,53 W/lb (0,44 bis 0,90 W/kg) betragen. Trotzdem hat das oben beschriebene Material (Siliciumstahl) höchstens eine Magnetflußdichte von 1,74 T, als B&sub8;-Wert ausgedrückt; dadurch wird es unmöglich, die erforderliche Magnetflußdichte zu erhöhen, und somit kann die Größe von Stromquelleneinheiten in elektrischen Maschinen und Geräten nicht verringert werden. Da außerdem die Kornorientierung häufig von der Orientierung (110)[001] abweicht, tritt die Entstehung und Extinktion eines zusätzlichen magnetischen Elementarbereichs auf, insbesondere bei einer Anregung von 1,5 T oder mehr, und somit wird der Kernverlust ungünstigerweise sehr hoch.
Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme haben die hier genannten Erfinder in der japanischen Patentanmeldung Nr. 63-322030 ein sehr dünnes Siliciumstahlband mit sehr hoher Magnetflußdichte und geringem Kernverlust bei starker Anregung vorgeschlagen. Bei diesem Vorschlag liegt jedoch ein ernsthafter Nachteil darin, wie die Verringerung des Kernverlustes durch Unterteilung der Breite eines magnetischen Elementarbereichs erreicht wird (Feinungsbehandlung des Elementarbereichs), wenn ein gewickelter Kern mit einem sehr dünnen Siliciumstahlband hergestellt wird. Selbst wenn zum Beispiel der Kernverlust des Siliciumstahlblechs durch das Feinen des magnetischen Elementarbereichs verringert wird, wie es in den ungeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldungen Nr. 53-137016 und Nr. 55-18566 beschrieben ist, erfolgt im Falle eines gewickelten Kerns das Entspannungsglühen des Stahlblechs nach der Herstellung des Kerns, dies bewirkt, daß die örtliche Spannung verschwindet, die in das Stahlblech zum Feinen des magnetischen Elementarbereichs eingeführt wurde, und somit geht auch die den Kernverlust verringernde Wirkung durch das Feinen des magnetischen Elementarbereichs verloren.
Die ungeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldungen Nr. 60-255926 und 61-117218 beschreiben zum Beispiel ein Verfahren zur Regelung des magnetischen Elementarbereichs, wobei die den Kernverlust verringernde Wirkung aufgrund des Feinens des magnetischen Elementarbereichs nicht verlorengeht, selbst wenn das Entspannungsglühen nach der Verarbeitung des Stahlblechs zu einem Kern erfolgt; wenn die Dicke des Produktes jedoch 100 um oder weniger beträgt, lassen sich die oben beschriebenen Verfahren sehr schwer anwenden. Deshalb wird ein neues Verfahren zur Regelung des magnetischen Elementarbereichs dringend gefordert, das für die Herstellung eines gewickelten Kerns durch Verwendung eines sehr dünnen Siliciumstahlblechs angewendet werden kann, wobei die den Kernverlust verringernde Wirkung aufgrund der Unterteilung der Breite des magnetischen Elementarbereichs nicht verlorengeht, selbst wenn das Entspannungsglühen nach der Verarbeitung des Stahlbandes zu einem Kern erfolgt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick darauf, daß ein neues Verfahren zur Regelung des magnetischen Elementarbereichs bereitgestellt wird, das sich auf die Herstellung eines gewickelten Kerns unter Verwendung eines sehr dünnen Siliciumstahlbandes anwenden läßt, wobei die den Kernverlust verringernde Wirkung aufgrund des Feinens des magnetischen Elementarbereiches nicht verlorengeht, wenn das Entspannungsglühen nach der Verarbeitung des Stahlbandes zu einem Kern erfolgt.
Deshalb besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines gewickelten Kerns mit geringem Kernverlust.
Zur Lösung der obengenannten Aufgabe wird eine neue Maßnahme zur Regelung des magnetischen Elementarbereichs bei einem Kern angewendet, der nach der Verarbeitung eines Stahlbandes zu einem Kern dem Entspannungsglühen unterzogen wurde, wie es in dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen des im Anspruch 1 definierten Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere in einem Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Kerns mit reduziertem Kernverlust, bei dem ein Siliciumstahlband, das 6,5 Gew.-% oder weniger Silicium umfaßt, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht, und das eine Blechdicke von 100 um oder weniger und eine Magnetflußdichte (B&sub8;-Wert) von 1,80 T oder mehr aufweist, nach der Verarbeitung zu einem gewickelten Kern dem Entspannungsglühen unterzogen wird, das sehr dünne Siliciumstahlband vom Kern abgewickelt wird, in das sehr dünne Siliciumstahlband eine lineare oder punktweise örtliche Spannung in einer Richtung im Winkel von 45 bis 90º zur Walzrichtung des dünnen Bandes eingeführt wird, und das Band auf dem Kern aufgewickelt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(a): ist eine Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und Fig. 1(b) ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2(a) ist eine graphische Darstellung der entsprechenden Hystereseschleifen vor der Bestrahlung mit einem Laserstrahl, und Fig. 2(b) ist eine graphische Darstellung der entsprechenden Hystereseschleifen nach der Laserbestrahlung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die hier genannten Erfinder haben verschiedene Untersuchungen eines neuen Verfahrens zur Regelung des magnetischen Elementarbereiches unternommen, das sich bei der Herstellung eines gewickelten Kerns unter Verwendung eines sehr dünnen Siliciumstahlbandes anwenden läßt, wobei die den Kernverlust verringernde Wirkung durch das Feinen des magnetischen Elementarbereichs selbst dann nicht verlorengeht, wenn das Entspannungsglühen nach der Verarbeitung des Stahlbandes zu einem Kern erfolgt, und haben als Ergebnis festgestellt, daß bei der Herstellung eines gewickelten Kerns unter Verwendung eines sehr dünnen Siliciumstahlbandes, bei dem das Band dem Entspannungsglühen nach der Verarbeitung des dünnen Bandes zu einem Kern unterzogen wird, das sehr dünne Siliciumstahlband, das den Kern bildet, innerhalb elastischer Grenzen abgewickelt werden kann, und das abgewickelte Band zum Beispiel einer Bestrahlung mit Laserstrahl unterzogen werden kann, und danach erneut auf den Kern aufgewickelt werden kann.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, die von den hier genannten Erfindern entwickelt wurde. Bei dieser Ausführungsform war das Ausgangsmaterial ein orientiertes Siliciumstahlband, das ein Korn mit einem Siliciumgehalt von 3 Gew.-%, eine Orientierung der Korntextur von (110)[001], eine Magnetflußdichte (B&sub8;) von 1,80 T oder mehr und durchschnittliche Korndurchmesser von 20 mm bzw. 60 mm oder mehr in Walzrichtung und der zur Walzrichtung senkrechten Richtung (Breitenrichtung des Stahlbandes) aufweist. Das Stahlband wurde bei einem Anzug von 60 bis 80 % bis zu einer Enddicke des Blechs von 100 um oder weniger kaltgewalzt, und danach bei hoher Temperatur wärmebehandelt, wodurch ein sehr dünnes Siliciumstahlband mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 1,0 mm oder weniger und einer ungefähren Orientierung von (110)[001] und einem Wert der Magnetflußdichte (B&sub8;) von 1,80 T oder mehr erhalten wurde. Wie in Fig. 1(a) gezeigt, wurde das so hergestellte sehr dünne Siliciumstahlband für die Herstellung eines gewickelten Kerns verwendet; der gewickelte Kern wurde 2 h dem Entspannungsglühen bei 750 bis 900ºC unterzogen, wobei die Längskante des Stahlbandes festgehalten wurde, und das sehr dünne Siliciumstahlband wurde abgewickelt und auf einer Magnetplatte gehalten, wodurch das Band geglättet wurde, ein Laserstrahl wurde auf die Oberfläche des Stahlbandes angewendet, um eine punktweise örtliche Spannung einzuführen, die sich in einer Richtung in einem Winkel von 90º zur Walzrichtung des Stahlbandes erstreckt, und das Band wurde wieder auf einen Kern aufgewickelt.
Durch die hier genannten Erfinder wurde eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entwickelt, die wie folgt beschrieben wird. Ein gewickelter Kern wurde in der gleichen Weise wie in der oben beschriebenen Ausführungsform hergestellt, wobei ein sehr dünnes Siliciumstahlband mit einer Magnetflußdichte (B&sub8;-Wert) von 1,80 T oder mehr verwendet wurde, der gewickelte Kern wurde 2 h dem Entspannungsglühen bei 750 bis 900ºC unterzogen, wobei die Längskante des Stahlbandes festgehalten wurde, das sehr dünne Siliciumstahlband wurde aus der Aufwicklung in axialer Richtung des gewickelten Kerns abgezogen, wie es in Fig. 1(b) gezeigt ist, das Band wurde zu einer Rolle rund aufgewickelt, und in diesem Zustand wurde auf die Oberfläche des Stahlbandes ein Laserstrahl angewendet, wodurch eine punktweise örtliche Spannung eingeführt wurde, die sich in einer Richtung in einem Winkel von 90º zur Walzrichtung des Stahlbandes erstreckt, und das Band wurde aus dieser Einwicklung erneut fortlaufend auf den Kern aufgewickelt.
Selbst wenn ein sehr dünnes Stahlband zu einem Kern verarbeitet wird, dem Entspannungsglühen unterzogen wird, vom Kern abgewickelt wird, wodurch das Band verformt wird, der Feinungsbehandlung für die magnetischen Elementarbereiche unterzogen und danach erneut auf einen Kern aufgewickelt wird, ist der Wert des Kernverlustes des Kerns hervorragend und mit dem vergleichbar, der erhalten wird, wenn ein sehr dünnes Siliciumstahlband flachgedrückt und der Verfeinerungsbehandlung für die magnetischen Elementarbereiche unterzogen wird, solange das Abwickeln innerhalb der elastischen Grenzen erfolgt, dies wurde durch die oben beschriebenen Aus führungs formen bestätigt.
Somit ermöglicht es die vorliegende Erfindung, daß die Feinungsbehandlung der magnetischen Elementarbereiche eines gewickelten Kerns, der ein sehr dünnes Siliciumstahlband umfaßt, in einem Stromquellen-Transformator mit mittlerer oder hoher Frequenz nach dem Entspannungsglühen des Kerns durchgeführt werden kann, dies trägt zu einer deutlichen Verringerung des Kernverlustes des Kerns bei und macht das erfindungsgemäße Verfahren in industrieller Hinsicht sehr vorteilhaft.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand folgender Beispiele detailliert beschrieben, die den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen.

Beispiel 1

Ein orientiertes Siliciumstahlband, das ein Korn mit einem Siliciumgehalt von 3,2 Gew.-%, einer Orientierung der Korntextur von (110)[001], einer Magnetflußdichte (B&sub8;) von 1,96 T oder mehr und durchschnittlichen Korngrößen von 30 mm bzw. 130 mm in walzrichtung und der zur Walzrichtung senkrechten Richtung (Breitenrichtung des Stahlbandes) umfaßt, wurde als Ausgangsmaterial verwendet. Das Stahlband wurde bei einem Anzug von 75 % kaltgewalzt, wodurch ein sehr dünnes Siliciumstahlband mit einer Dicke von 55 um hergestellt wurde. Das sehr dünne Siliciumstahlband wurde 2 min in einer Atmosphäre aus trockenem Wasserstoff bei 830ºC geglüht. Aus dem so hergestellten sehr dünnen Siliciumstahlbandprodukt wurde ein Kern mit einem Innendurchmesser von 35 mm hergestellt und 2 h dem Entspannungsglühen bei 850ºC unterzogen. Das Stahlband des aufgewickelten Kerns wurde als Feinungsbehandlung der magnetischen Elementarbereiche durch das in Fig. 1(i) gezeigte Verfahren mit einem Laserstrahl bestrahlt. Die Bedingungen waren in diesem Fall wie folgt:
Strahlungsenergie des Laserstrahls: 1,25 mJ/Impuls
Punktintervalle des Laserstrahls: 0,3 mm
Streckenintervalle des Laserstrahls: 1,25 mm
Der Wert des Kernverlustes, der erhalten wurde, wenn ein sehr dünnes Siliciumstahlband glattgemacht und der Bestrahlung mit einem Laserstrahl unterzogen wurde, um die magnetischen Elementarbereiche zu unterteilen, ist nachfolgend im Vergleich mit dem Kernverlust eines Kerns gezeigt, der der Bestrahlung mit Laserstrahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wurde.
Vor der Bestrahlung des flachen Blechs mit einem Laserstrahl:
W15/400 = 11,0 Watt/kg
Nach der Bestrahlung des flachen Blechs mit einem Laserstrahl:
W15/400 = 8,0 Watt/kg
Erfindungsgemäßes Verfahren:
vor der Bestrahlung mit dem Laserstrahl:
W15/400 = 12,0 Watt/kg
Erfindungsgemäßes Verfahren:
nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl:
W15/400 7,8 Watt/kg
Somit kann bei der vorliegenden Erfindung ein hervorragender Kernverlust eines Kerns erreicht werden, der dem gleich oder überlegen ist, der erhalten wird, wenn ein sehr dünnes Siliciumstahlband glattgemacht und mit Laserstrahlen bestrahlt wird, damit die magnetischen Elementarbereiche verfeinert werden.

Beispiel 2

Ein gewickelter Kern mit einem Innendurchmesser von 35 mm wurde bei den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 hergestellt und es wurden die Wechselstrom-Magnetisierungseigenschaften und die Gleichstrom-Magnetisierungseigenschaften gemessen. Danach erfolgte eine Bestrahlung mit Laserstrahlen nach dem in Fig. 1(b) gezeigten Verfahren, und die Magnetisierungseigenschaften wurden in der gleichen Weise wie oben beschrieben gemessen. Die Ergebnisse waren wie folgt.
Erfindungsgemäßes Verfahren:
vor der Bestrahlung mit dem Laserstrahl:
W18/1000 = 50,0 Watt/kg
Erfindungsgemäßes Verfahren:
nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl:
W18/1000 35,5 Watt/kg
Fig. 2(a) ist eine graphische Darstellung der Hystereseschleife, eines gewickelten Kerns vor der Bestrahlung mit Laserstrahlen, und Fig. 2(b) ist eine graphische Darstellung der Hystereseschleife eines gewickelten Kerns nach der Bestrahlung mit Laserstrahlen. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, wird keine Änderung der Koerzitivkraft Hc beobachtet, und nach dem in Fig. 1(b) gezeigten Verfahren wird die Fertigung von keiner Restspannung begleitet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Kerns mit reduziertem Kernverlust, umfassend einen Schritt zur Herstellung eines Siliciumstahlbandes mit einer Magnetflußdichte von mehr als 180 T und einer Dicke von bis zu 100 um, einen Schritt zur Verarbeitung des Bandes zu einem gewickelten Kern, einen Schritt des Entspannungsglühens des gewickelten Kerns, einen Schritt der Lockerung des aufgewickelten Zustandes des Stahlbandes im geglühten gewickelten Kern innerhalb der elastischen Grenzen, wodurch die Oberfläche des Stahlbandes freigelegt wird, einen Schritt der Einführung einer örtlichen Spannung in die freigelegte Oberfläche des Stahlbandes und einen Schritt des erneuten Aufwickelns des Stahlbandes mit der darin eingeführten örtlichen Spannung auf den gewickelten Kern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Schritt der Lockerung des aufgewickelten Zustandes des Stahlbandes im gewickelten Kern der gewickelte Kern abgewickelt und erneut um eine weitere Rolle gewickelt wird, damit die Oberfläche des Stahlbandes freigelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Schritt zum Lockern des aufgewickelten Zustandes des Stahlbandes im gewickelten Kern der Innenseitenabschnitt des gewickelten Kerns zur Axialrichtung des gewickelten Kerns herausgezogen wird, um die Oberfläche des Stahlbandes freizulegen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei beim Schritt der Einführung einer örtlichen Spannung in die freigelegte Oberfläche des Stahlbandes eine lineare oder punktweise örtliche Spannung in die Oberfläche des Stahlbandes, die vom gewickelten Kern abgewickelt wurde, in einer Richtung in einem Winkel von 45 bis 90º zur Walzrichtung des Stahlbandes eingeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei beim Schritt zur Einführung einer örtlichen Spannung in die freigelegte Oberfläche des Stahlbandes die Einwicklung des gewickelten Kerns um eine Rolle gewickelt und in Axialrichtung des Kerns herausgezogen wird, um die Oberfläche des Stahlbandes spiralförmig freizulegen, gefolgt von der Einführung einer linearen oder punktweisen örtlichen Spannung in die Oberfläche des Stahlbandes in einer Richtung in einem Winkel von 45 bis 90º zur Walzrichtung des Stahlbandes.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das sehr dünne Siliciumstahlband 6,5 Gew.-% oder weniger Silicium umfaßt, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die örtliche Spannung durch Bestrahlung der Oberfläche des Stahlbandes mit einem Laserstrahl eingeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, welches umfaßt: Herstellen eines Ausgangsmaterials, das ein orientiertes Siliciumstahlband mit einer hohen Flußdichte ist, das 6,5 Gew.-% oder weniger Si umfaßt, wobei der Rest Fe plus zufällige Verunreinigungen ist, und Kaltwalzen des Ausgangsmaterials bei einem Dickenminderungsverhältnis von 60 bis 80 % und mit einer Blechdicke von 100 um oder weniger, und anschließende Wärmebehandlung, wodurch das Band mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 1,0 mm oder weniger und einer Mikrostruktur mit der Orientierung (110)[001] und einermagnetflußdichte (B&sub8;-Wert) von 1,80 T oder mehr hergestellt wird, und anschließende Durchführung der Unterteilungsbehandlung der magnetischen Elementarbereiche des Bandes, wodurch die Magneteigenschaften verbessert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausgangsmaterial 6,5 Gew.-% oder weniger Si umfaßt, wobei der Rest Fe und zufällige Verunreinigungen ist, und mit einer Blechdicke von 100 um oder weniger, einer durchschnittlichen Korngröße von 1,0 mm oder weniger und einer Magnetflußdichte (B&sub8;-Wert) von 1,80 T oder mehr, und das bessere Magneteigenschaften hat, indem eine Unterteilungsbehandlung der magnetischen Elementarbereiche vorgenommen wird.