JP2005317683A - ３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｂ8の高い方向性電磁鋼板を用いて変圧器を製造した場合の変圧器鉄心の損失を改善し、さらには変圧器製造の作業性を劣化させることなくビルディングファクター（ＢＦ）を改善すること。
【解決手段】 仕上げ焼鈍皮膜の上に通常の方向性電磁鋼板より低い４ＭＰａ以下の皮膜張力の絶縁皮膜を形成する。具体的には、絶縁皮膜が形成Ｂ8が１．８８Ｔ以上であり、仕上げ焼鈍皮膜の上に絶縁皮膜が形成され、絶縁皮膜による鋼板への付与張力が４ＭＰａ以下であることを特徴とする、３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
【選択図】 図３

Description

本発明は電磁鋼板、特に３相積み鉄心変圧器に用いる方向性電磁鋼板に関するものである。

方向性電磁鋼板は主に変圧器の鉄心材料に用いられるため、鉄損の少ない材料が求められる。
方向性電磁鋼板は、それを構成する結晶粒をいわゆるＧｏｓｓ方位、すなわちミラー指数によって（１１０）［００１］で表される方位に配列させたものであり、鋼板の圧延面が（１１０）面に平行であり、圧延方向が鉄の容易磁化方向である［００１］方向に平行になっている。結晶粒の方位が（１１０）［００１］に近いほど［００１］方向に平行に磁化した場合の磁束密度が高くなるため、方向性電磁鋼板の方位集積度の目安として８００Ａ／ｍの磁化力における磁束密度Ｂ8（Ｔ）が用いられている。したがって、一般にＢ8の高い材料は圧延方向に磁化した場合の鉄損に優れている。

また、鋼板の表面には、フォルステライト（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）もしくはフォルステライトとスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）を主体とする仕上げ焼鈍皮膜が形成されており、仕上げ焼鈍皮膜は鋼板に３〜５ＭＰａの張力を付与している。
さらに仕上げ焼鈍皮膜の上には絶縁皮膜が形成されている。絶縁皮膜としては、特許文献１で開示されている燐酸塩とコロイダルシリカを主体とするコーティング液が４〜５ｇ／ｍ^２焼き付けられている。この絶縁皮膜は、焼付、冷却後に鋼板に対して５ＭＰａないしそれ以上の張力を付与する効果も有している。
仕上げ焼鈍皮膜や絶縁皮膜による鋼板への付与張力は等方的である。皮膜による等方的な張力により圧延方向である［００１］方向の磁気特性は改善されるが、これと垂直方向の磁気特性は劣化する。

上記のような結晶組織を有し、かつ鋼板に等方的な張力を付与する皮膜が形成されているため、方向性電磁鋼板の磁気特性はその圧延方向において特に優れているが、磁化方向が圧延方向からずれるに従い急激に劣化する。
このため、変圧器の構造には、鉄心の磁化方向が方向性電磁鋼板の圧延方向にできるだけ一致するように構成されることが要求される。小型変圧器に用いられる巻き鉄心ではこの要求を満足することが容易である。
一方、大中型変圧器の場合、製作時の作業性等の制約によりほとんど積み鉄心が採用される。積み鉄心、特に３相積み鉄心においては、磁化方向が圧延方向からずれる部分が無視し得ないほど存在するものである。

３相積み鉄心において磁化方向が圧延方向からずれる箇所に関する議論は、特許文献２や特許文献３に詳しく記されている。すなわち、３相積み鉄心におけるいわゆるＴ型接合部には、回転磁束すなわち時間と共に磁化の方向が変化する現象が生じ、このためにこの部位における鉄損が著しく増大する。

また、これらの公報には、方向性の高い、すなわち圧延方向の磁化特性が良好な素材ほどＴ型接合部の鉄損劣化が著しいことが示されている。このことは、Ｂ8、すなわち方位集積度が高い方向性電磁鋼板を用いて変圧器を製造しても、素材の良好な鉄損特性が十分には反映されないことを示している。
通常、変圧器鉄心の鉄損値を方向性電磁鋼板の圧延方向の鉄損値で割った値をビルディングファクター（ＢＦ）と呼んでいる。Ｔ型接合部の存在により、積み鉄心のＢＦは素材の方位集積度が高いほど劣化することになる。

方位集積度の高い方向性電磁鋼板を用いて積み鉄心を製作するにあたり、Ｔ型接合部における鉄損劣化を抑制して鉄心全体の損失（コアロス）を改善する方策として、いくつかの方法が提案されている。
上記の特許文献２には、方向性電磁鋼板のＴ型接合部のみに表面加工を施す方法、具体的には罫書きによる局部歪みを導入するか、あるいは表面皮膜を除去する方法が開示されている。
特許文献３には、方向性電磁鋼板のＴ型接合部のみにレーザー照射を施す方法が開示されている。

特許文献４には、同様に方向性電磁鋼板のＴ型接合部のみに線状もしくは面状の歪みを導入することが開示されている。
また、特許文献５には、Ｔ型接合部に方向性電磁鋼板の代わりに二方向性電磁鋼板、すなわちミラー指数（１００）［００１］であらわされる電磁鋼板を用いる方法が開示されている。
これらの方法はいずれもＴ型接合部に用いる材料の変更や、局部的に変質処理を施すものであり、変圧器製造における作業負荷を増加させるものである。

これに対し、特許文献６には、圧延方向とそれに対し直角方向の透磁率の比が特定の範囲にある方向性電磁鋼板を用いる方法が開示されている。
しかしながら、同文献にはそのような条件を満たす方向性電磁鋼板の製造方法に関しては全く記載がない。
特開昭４８−３９３３８号公報 特開昭５４−８４２２９号公報 特開昭５６−６０００５号公報 特開２０００−２９４４３２号公報 特開平６−２５１９６６号公報 特開昭５９−４６００９号公報

本発明は、方位集積度の高い、すなわちＢ8の高い方向性電磁鋼板を用いて変圧器を製造した場合の変圧器鉄心の損失を改善し、素材の方位集積度を鉄心損失に十分反映させようとするものである。さらには、変圧器製造の作業性を劣化させることなくビルディングファクター（ＢＦ）を改善しようとするものである。

本発明で対象とする方向性電磁鋼板は８００Ａ／ｍの磁化力における磁束密度Ｂ8が１．８８Ｔ以上であるものに限定する。これより方位集積度の低い方向性電磁鋼板はＴ型接合部の問題が顕著ではなく、ＢＦがそもそも大きくないからである。

先にも述べたように方向性電磁鋼板の磁気特性が圧延方向から磁化の方向がずれるに従って劣化する原因は、方向性電磁鋼板の固有の結晶組織と皮膜張力にある。そこで、後者の影響について詳しく調査した。

まず、板厚が０．３ｍｍでＢ8＝１．９２Ｔの方向性電磁鋼板（表面に仕上げ焼鈍皮膜と絶縁皮膜が存在する製品）を準備し、これから仕上げ焼鈍皮膜および絶縁皮膜の双方を除去したもの（素材Ａ）、および絶縁皮膜のみを除去して仕上げ焼鈍皮膜を残したもの（素材Ｂ）を製作した。
次に、素材Ａ、Ｂに対し、方向性電磁鋼板に一般的に用いられている燐酸塩とコロイダルシリカを主体とする絶縁皮膜を各種の皮膜量で形成したところ、結果として得られた絶縁皮膜張力は０〜６ＭＰａの範囲であった。
なお、市販の方向性電磁鋼板における絶縁皮膜による付与張力は５〜６ＭＰａであるゆえ、本実験において素材Ｂに６ＭＰａの絶縁皮膜張力を付与したものは、市販されている通常の方向性電磁鋼板に相当する。

図１は、圧延方向における素材Ａ（●印）とＢ（▲印）の鉄損値の絶縁皮膜張力依存性を示す図であり、いずれの素材も皮膜張力の増加と共に鉄損値が単調に減少している。
ただし、絶縁皮膜張力が０である場合の鉄損値は、素材Ｂの方が低い。仕上げ焼鈍皮膜による鋼板への付与張力が３〜５ＭＰａであることを考慮しても、鉄損値は素材Ａより素材Ｂの方が低い。
したがって、仕上げ焼鈍皮膜はそれによる張力以外にも方向性電磁鋼板の鉄損を低減させる効果があると言える。この効果が発現する理由は定かではないが、地鉄−仕上げ焼鈍皮膜の界面構造が何らかの作用をしていると思われる。

次に図１の実験で用いた方向性電磁鋼板を用いて図２のような３相積み鉄心を製作し、変圧器のコア鉄損を測定したので、測定結果を図３に示す。また、コア鉄損を素材の鉄損で割ってＢＦを計算したものを図４に示す。

素材Ａ（●印）の場合、絶縁皮膜張力が増加してもコア鉄損はほとんど変化しない。絶縁皮膜による素材の鉄損低減効果が、絶縁皮膜によるＴ型接合部の鉄損劣化と相殺していることを示す。その結果、ＢＦは絶縁皮膜張力の増加と共に増大するという結果を示している。

これに対し、素材Ｂ（▲印）のコア鉄損の絶縁皮膜張力依存性は、０〜４ＭＰａでは一定値を示し、４ＭＰａ超で増大するという結果を示している。したがって、素材Ｂに絶縁皮膜張力が４ＭＰａ以下となるよう絶縁皮膜を形成した方向性電磁鋼板は、通常の方向性電磁鋼板に比べて素材鉄損がやや劣るものの、コア鉄損が低いことになる。
素材Ｂのコア鉄損の絶縁皮膜張力依存性を示す理由は定かではないが、特に絶縁皮膜張力が低い場合に、仕上げ焼鈍皮膜の存在によってトランスのＴ型接合部における鉄損増大を抑制する何らかの作用が働いているものと思われる。

以上のことから、３相積み鉄心に用いる方向性電磁鋼板としては、仕上げ焼鈍皮膜の上に、通常の方向性電磁鋼板より低い４ＭＰａ以下の皮膜張力の絶縁皮膜を形成した場合に、最も低いコア鉄損を与えるということを知見した。
尚、本発明では、絶縁皮膜による鋼板への付与張力は特許文献１に記載されている方法、すなわち、片面のみ絶縁皮膜を剥離した際に生ずる鋼板の反りの曲率半径から計算した値と定義する。

以上のように、仕上げ焼鈍皮膜の上に絶縁皮膜による皮膜張力が４ＭＰａ以下になるように絶縁皮膜を形成したＢ8が１．８８以上の方向性電磁鋼板を用いることにより、素材の方位集積度による低鉄損効果を十分に発揮することができるようになり、コア鉄損の低い３相積み変圧器を製作することができる。

以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
本発明では方向性電磁鋼板のＢ8を１．８８Ｔ以上とする。これより方位集積度の低い方向性電磁鋼板はトランスのＴ型接合部における鉄損増大が少なく、本発明で取り上げている課題が顕著ではないからである。
なお、Ｂ8が１．８８Ｔ以上の方向性電磁鋼板は、二次再結晶のための主インヒビターとしてＭｎＳとＡｌＮを用いる方法（特許文献７）、または（Ａｌ、Ｓｉ）Ｎを主インヒビターとして用いる製造法（例えば、特許文献８）に基づき製造することができる。

方向性電磁鋼板は、所定の成分に溶解し鋳造した鋼塊を、熱間圧延の後必要に応じて熱延板焼鈍を施し、冷間圧延を経て鋼板となし、脱炭焼鈍を施した後仕上げ焼鈍により所望の結晶組織を得ると共に仕上げ焼鈍皮膜を形成し、最後に絶縁皮膜を施して製造される。
従来の方向性電磁鋼板においては、素材鉄損を極力低下させるため、絶縁皮膜には特許文献９等で開示されているコリダルシリカと燐酸塩を主体とする皮膜が用いられ、その形成量は４ｇ／ｍ^２以上である。その結果、従来の絶縁皮膜張力は５ＭＰａ以上になっていた。
特公昭４０−１５６４４号公報 特公昭６２−４５２８５号公報 特開昭４８−３９３３８号公報

本発明における方向性電磁鋼板の従来の方向性電磁鋼板と異なる点は、絶縁皮膜張力が低いことにある。絶縁皮膜張力を減らすための方法にはいくつかある。

まず、絶縁皮膜量を従来の方向性電磁鋼板に比較して減らすことで絶縁皮膜張力を下げることができる。例えば、燐酸塩とコロイダルシリカを主体とする絶縁皮膜の場合、絶縁皮膜形成量を３ｇ／ｍ^２以下とすれば、張力は４ＭＰａ以下とすることができる。

しかし、絶縁皮膜量を減らすことは必ずしも常に採用できる手段ではない。特に大型変圧器の場合、鋼板の絶縁性を十分に確保しておく必要があるが、絶縁被膜形成量を減らすことによって所望の絶縁性が得られなくなる可能性があるためである。

そこで、絶縁皮膜形成量を減らさずに絶縁皮膜張力を下げる手段について以下に説明する。
まず、燐酸塩とコロイダルシリカを主体とする絶縁皮膜の場合、燐酸塩とコロイダルシリカの配合比を変えることにより、絶縁皮膜に要求される他の諸特性、例えば耐食性等を損ねることなく皮膜張力を下げることができる。図５はこのことを示す図であり、同図は２０％コロイダルシリカと５０％燐酸アルミニウム水溶液を各種体積比で混合し、方向性電磁鋼板に絶縁皮膜形成量が４．５ｇ／ｍ^２になるよう焼き付けた後、鋼板に付与された絶縁皮膜張力を測定した結果である。
図５によれば、コロイダルシリカの添加量を減らすことにより皮膜張力を低減させることができ、４ｇ／ｍ^２の皮膜形成量で４ＭＰａの皮膜張力を得るためには体積混合比を０．４以下にすればよいことがわかる。これをＳｉに対するＰのモル比で表現するならば、０．２以下となる。

燐酸塩とコロイダルシリカを主体とする絶縁皮膜に代えて、実質的に皮膜張力の存在しない絶縁皮膜を用いることも可能である。無方向性電磁鋼板に用いられている各種絶縁皮膜は、鋼板に対して張力を付与しない一方で、絶縁皮膜に求められる他の一般的皮膜特性を満足しているため、本発明には好適である。

無方向性電磁鋼板の絶縁皮膜には無機、有機、半有機の３タイプがある。無機タイプとしては特許文献１０に開示されている燐酸マグネシウムを主体とするもの、非特許文献１に記載されているクロム酸マグネシウムと燐酸マグネシウムを主体とするものが知られている。
半有機のタイプとしては、特許文献１１、１２に開示されているアクリル樹脂とクロム酸マグネシウムを主体とするものや、特許文献１３等に開示されている燐酸アルミニウムとアクリル樹脂を主体とするものがある。
有機タイプとしては、アクリル樹脂等のものがある。上記いずれの絶縁皮膜も、本発明の絶縁皮膜として好適である。
特公昭４８−１２３００号公報 「鉄と鋼」第６６巻 ２３２〜２４１頁 特公昭４９−６７４４号公報 特公昭４９−１９０７８号公報 特開平６−３３０３３８号公報

板厚が０．３ｍｍでＢ8＝１．９２Ｔの仕上げ焼鈍済みで絶縁コーティングを施す前の方向性電磁鋼板を用意し、各種の絶縁コーティングを形成させ、素材の圧延方向の鉄損値を確認した後、３相積み鉄心を製作してコア鉄損を評価した。結果を表１に示す。

表１に示すように仕上げ焼鈍皮膜の上に絶縁皮膜張力が４ＭＰａ以下になるように絶縁皮膜を形成した場合には、同じＢ8を有する従来の方向性電磁鋼板（比較例）よりコア鉄損値が低くなっていることを確認することができた。

仕上げ焼鈍皮膜がある場合と無い場合の、高磁束密度方向性電磁鋼板の圧延方向の鉄損値に対する絶縁皮膜張力の効果を示す図である。 コア鉄損値を評価するために製作した３相積み鉄心を示す図である。 仕上げ焼鈍皮膜がある場合と無い場合の、高磁束密度方向性電磁鋼板を用いて製作した３相積み鉄心のコア鉄損値に対する絶縁皮膜張力の効果を示す図である。 仕上げ焼鈍皮膜がある場合と無い場合の、高磁束密度方向性電磁鋼板を用いて製作した３相積み鉄心のＢＦに対する絶縁皮膜張力の効果を示す図である。 絶縁皮膜の張力と絶縁皮膜の主成分であるコロイダルシリカと燐酸塩の混合比の関係を示す図である。

Claims (8)

1. Ｂ8が１．８８Ｔ以上であり、仕上げ焼鈍皮膜の上に絶縁皮膜が形成され、絶縁皮膜による鋼板への付与張力が４ＭＰａ以下であることを特徴とする、３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
2. 絶縁皮膜が燐酸塩とコロイダルシリカを主体とするものであり、絶縁皮膜形成量が３ｇ／ｍ^２以下であることを特徴とする、請求項１に記載の３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
3. 絶縁皮膜が燐酸塩とコロイダルシリカを主体とするものであり、かつＳｉに対するＰのモル比が０．２以下であることを特徴とする、請求項１に記載の３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
4. 絶縁皮膜が燐酸マグネシウムを主体とすることを特徴とする、請求項１に記載の３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
5. 絶縁皮膜がクロム酸マグネシウムと燐酸マグネシウムを主体とすることを特徴とする、請求項１に記載の３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
6. 絶縁皮膜がアクリル樹脂とクロム酸マグネシウムを主体とすることを特徴とする、請求項１に記載の３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
7. 絶縁皮膜がアクリル樹脂と燐酸塩を主体とすることを特徴とする、請求項１に記載の３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
8. 絶縁皮膜が樹脂を主体とすることを特徴とする、請求項１に記載の３相積み鉄心用の方向性電磁鋼板。
   

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