JP2013159833A - 方向性電磁鋼板の鉄損改善方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電子ビーム形状を長くするのと同じ効果を得るための方途について提案する。
【解決手段】仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射して磁区を細分化するに当たり、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに前記電子ビームの照射スポットを走査する際に、該走査方向に振動させる。
【選択図】図３
【解決手段】仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射して磁区を細分化するに当たり、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに前記電子ビームの照射スポットを走査する際に、該走査方向に振動させる。
【選択図】図３
Description
本発明は、変圧器の鉄心などの用途に使用される方向性電磁鋼板を磁区細分化する鉄損改善方法および該方法に用いる装置に関するものである。
近年、エネルギ使用の効率化が進み、変圧器メーカなどを中心に、磁束密度が高く、かつ鉄損が低い電磁鋼板に対する需要が増してきている。
ここに、磁束密度は、電磁鋼板の結晶方位をGoss方位へ集積させることにより向上させることができる。
ここに、磁束密度は、電磁鋼板の結晶方位をGoss方位へ集積させることにより向上させることができる。
一方、鉄損に関しては、素材の高純度化、高配向性、板厚低減、SiおよびAlの添加、磁区細分化などの観点から、その対策が考えられてきた。しかしながら、一般に、磁束密度を高くするほど、鉄損は劣化する傾向にある。この理由は、結晶方位が揃うと静磁エネルギが下がるため、鋼板内の磁区幅が広がって、渦電流損が高くなるからである。
渦電流損の低減方法として、熱歪みを導入することによって磁区細分化を施すこと、具体的には、レーザや電子ビームを用いて行う磁区細分化処理があり、いずれも照射による鉄損の改善効果が極めて高いことが知られている。
渦電流損の低減方法として、熱歪みを導入することによって磁区細分化を施すこと、具体的には、レーザや電子ビームを用いて行う磁区細分化処理があり、いずれも照射による鉄損の改善効果が極めて高いことが知られている。
例えば、特許文献１および２には、レーザ照射および電子ビーム照射によって鉄損を低減する方法が開示されている。
電子ビーム照射による磁区細分化方法は、ビームの照射スポットを走査させるために電子ビームを磁場で偏向させるため、ミラーを機械的に動かすレーザ照射よりも高速で走査し易いというメリットがある。電子ビームの走査速度を高めた場合は、十分な熱歪みを導入するためにビーム出力（ビーム電流）も増加させる必要があるが、単純にビーム出力を大きくすることでは、鋼板の被膜損傷が大きく、絶縁性が損なわれるという問題がある。これは、ビーム出力を大きくしても、ビームスポットから鋼板の周囲および内部への熱拡散に要する時間は一定のため、走査速度の高速化を補償するために高出力で照射した場合は、熱拡散の及ぶ微小領域に多量の入熱が施され、温度がより高くなって被膜にかかる熱応力が過大になるためである。
上記の高速かつ高出力の電子ビーム照射による微小領域の高温化を防ぐためには、その領域でのビーム照射の持続時間を長くして、時間当たりの入熱量を抑制するとともに、温度拡散の時間を確保することが有効である。そのためには電子ビームのスポット形状を走査方向に長くすること（楕円状）が有効であるが、電子ビームを磁界によって収束させる原理上、ビームスポット形状を楕円状にすることは困難である。
そこで、発明者らは、ビーム形状を長くするのと同じ効果を得るための方途について鋭意究明したところ、ビームスポットを走査方向に高速振動させて微小領域にビームを複数回通過させるのが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は次の通りである。
１．仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射して磁区を細分化するに当たり、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに前記電子ビームの照射スポットを走査する際に、該走査方向に前記照射スポットを振動させることを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善方法。
１．仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射して磁区を細分化するに当たり、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに前記電子ビームの照射スポットを走査する際に、該走査方向に前記照射スポットを振動させることを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善方法。
２．仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射する装置であって、前記電子ビームの照射スポットを、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに走査させる偏向コイルを有し、該偏向コイルの電流に、前記電子ビームを往復振動させる電流を重畳させる回路をそなえることを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善装置。
３．仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射する装置であって、前記電子ビームの照射スポットを、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに走査させる偏向コイルを有し、さらに前記電子ビームを前記走査方向に往復振動させる偏向コイルを有することを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善装置。
本発明によれば、電子ビーム照射による磁区細分化処理が高速化されて生産性が向上するため、産業上極めて有用である。
以下、本発明について具体的に説明する。
前記した通り、本発明の鉄損改善方法は、電子ビームを高速で走査した場合にあっても、電子ビームを微小に振動させて同一箇所に複数回電子ビームを短時間で通過させることによって、電子ビーム出力を抑制して被膜の損傷を防ぎながら、鉄損の改善効果が得られるところに特徴がある。
前記した通り、本発明の鉄損改善方法は、電子ビームを高速で走査した場合にあっても、電子ビームを微小に振動させて同一箇所に複数回電子ビームを短時間で通過させることによって、電子ビーム出力を抑制して被膜の損傷を防ぎながら、鉄損の改善効果が得られるところに特徴がある。
さて、図１に、従来の磁区細分化に供する電子ビーム照射装置を示すように、フィラメントアノード１から照射された電子ビームは、集束レンズ２にて集束され、この集束された電子ビーム３は偏向コイル４を介して、鋼板５の幅方向に走査される。かように、従来は、電子ビームは、一定速度または移動と停止を均一の周期で繰り返しながら、鋼板の一方の幅端部から他方の幅端部へ直線状に走査して照射していたのである。
この走査速度（移動と停止を繰り返す場合は平均速度）が20m/s以下の場合は、本発明の微小振動を加えなくても被膜の損傷を抑制しながら、十分な磁区細分化効果を与える条件が存在するが、走査が速くなるとその分ビーム出力を大きくする必要があるため、とりわけ20m/s超では被膜の損傷を完全に抑制することは困難であった。
ここで、電子ビームを鋼板幅方向へ走査するに際し、走査方向の微小振動を加えて、任意の微小領域に複数回ビームが照射されるように制御して、電子ビームを照射することが有効である。この場合、ビーム移動速度は、同一箇所をビームが通過する回数で通過速度を割った擬似的な平均速度が20m/s以下となるように照射することが好ましい。なぜなら、同一箇所を実質的に長時間加熱するようにして、熱拡散に要する時間を確保することにより、局所的に高温化して被膜が損傷するのを抑制できるためである。
例えば、ビーム走査速度が60m/sの場合は、同一箇所を３回以上ビームが通過するように振動させることにより、平均速度を20m/s以下となるようにすることが好ましい。ただし、ビームが一度通過した後、温度が低下するほどに経過したのでは、ビーム加熱が複数回に分解されたようになり、十分な磁区細分化効果が得られない。従って、複数回のビーム通過の間隔は100μs以下とすることが好ましい。
また、走査速度20m/s以下の場合でも、本発明を適用して擬似的な平均速度をさらに低下させることにより被膜損傷が抑制されて、安定的に鉄損を低減できる出力の許容範囲が広がる、といった利点がある。
例えば、ビーム走査速度が60m/sの場合は、同一箇所を３回以上ビームが通過するように振動させることにより、平均速度を20m/s以下となるようにすることが好ましい。ただし、ビームが一度通過した後、温度が低下するほどに経過したのでは、ビーム加熱が複数回に分解されたようになり、十分な磁区細分化効果が得られない。従って、複数回のビーム通過の間隔は100μs以下とすることが好ましい。
また、走査速度20m/s以下の場合でも、本発明を適用して擬似的な平均速度をさらに低下させることにより被膜損傷が抑制されて、安定的に鉄損を低減できる出力の許容範囲が広がる、といった利点がある。
ビームを振動させる方法としては、偏向コイルの電流を制御する元の信号にビームスポットを振動させる信号を重畳することが、制御方法として簡便であり推奨される。すなわち、図２に示すように、図１に示した装置の偏向コイル４に対して、ビームスポットを走査する電流を供するための偏向信号発生回路10に、ビームスポットを振動させる電流を供するための振動信号発生回路11と、この回路からの信号を前記偏向信号に加算する加算回路12とからなる回路を付加することにより、電力増幅器13を介して重畳された所定の電流を供給すれば、電子ビーム３を鋼板５幅方向へ走査するに際し、走査方向の微小振動を加えることが可能になる。
または、図３に示すように、偏向コイル４でビームスポットを走査させるように移動させる偏向コイル４の、ビーム進行方向に対して前または後に、ビームスポットを微小振動させるための磁場を生じる振動コイル６を設けて、走査方向の微小振動を加えてもよい。
なお、ビームスポットに加える微小振動としては、振幅１mm以上10mm以下、周期0.1μs以上100μs以下で、同一箇所を２回以上ビームが走査するように調整することが好ましい。
ここで、本発明で対象とする方向性電磁鋼板は、理想的には鉄損を低減するために、圧延方向（Ｌ方向）に磁化容易軸をもった（１１０）［００１］方位の結晶粒で構成された集合組織鋼板であることが望ましい。しかし、実際に工業的に製造し得る方向性電磁鋼板における磁化容易軸は圧延方向と完全に平行ではなく、磁化容易軸は圧延方向に対してずれ角度が存在する。また、方向性電磁鋼板の磁区細分化により鉄損を低減するためには、鋼板の磁化方向、つまり、磁化容易軸に対して直角方向に連続的または所定間隔で鋼板表面に引張残留応力および塑性歪からなる歪領域を形成するのが有効であると考えられる。
磁区細分化処理を施す方向性電磁鋼板において、二次再結晶の方位集積が高い方が、磁区細分化処理後の鉄損や励磁電流、変圧器の騒音はより小さくなることが知られている。この方位集積の目安としてＢ８（800 A/mで磁化した際の磁束密度）がよく用いられる。本発明に用いる方向性電磁鋼板は、好ましくはＢ８が1.88Ｔ以上、より好ましくは1.92Ｔ以上のものが好適である。
さらに、電磁鋼板の表面には、張力コーティングが施されていることが好ましい。従来公知の張力コーティングで構わないが、リン酸アルミニウムやリン酸マグネシウム等のリン酸塩とシリカを主成分とするガラス質の張力絶縁コーティングであることが好ましい。
熱歪みを導入する線は、鋼板の幅方向（圧延方向と直交する方向）に線状に形成され、圧延方向には2mm以上、10mm以下の間隔で繰り返して形成する。２mm未満では鉄損の増加と変圧器騒音の増大が生じ、10mmよりも大きいと磁区細分化による鉄損低減効果が小さいためである。
熱歪みを導入する線は、鋼板の幅方向（圧延方向と直交する方向）に線状に形成され、圧延方向には2mm以上、10mm以下の間隔で繰り返して形成する。２mm未満では鉄損の増加と変圧器騒音の増大が生じ、10mmよりも大きいと磁区細分化による鉄損低減効果が小さいためである。
次いで、本発明に従う電子ビームの照射方法に関して説明する。
まず、電子ビームの照射条件について説明する。
加速電圧：40〜300kV
加速電圧は、40kV以上であって、高いほど同一出力を得るために必要な照射ビーム電流が少なくて済む。その結果、ビーム径を絞ることができ、ヒステリシス損の過度な増大を抑制することができるため好ましい。しかしながら、300kVを超えると、照射ビーム電流が過度に少なくなり、ビーム電流の微小な調整が困難となるおそれがある。
まず、電子ビームの照射条件について説明する。
加速電圧：40〜300kV
加速電圧は、40kV以上であって、高いほど同一出力を得るために必要な照射ビーム電流が少なくて済む。その結果、ビーム径を絞ることができ、ヒステリシス損の過度な増大を抑制することができるため好ましい。しかしながら、300kVを超えると、照射ビーム電流が過度に少なくなり、ビーム電流の微小な調整が困難となるおそれがある。
ビームスポット径：400μm以下
ビームスポット径が太いと、熱歪みの導入領域が拡大し、鉄損（ヒステリシス損）が劣化する。そのため、ビームスポット径は400μm以下が好ましい。
なお、ビームスポット径の測定は、公知のスリット法で得られる電流（あるいは電圧）曲線の半値幅で規定した。また、ビームスポット径の下限は特に限定しないが、過度に小さいとビームエネルギ密度が過度に高くなり、被膜の損傷が生じやすくなって、耐電圧性や耐錆性が劣化するため、100μm程度以上とすることが好ましい。
ビームスポット径が太いと、熱歪みの導入領域が拡大し、鉄損（ヒステリシス損）が劣化する。そのため、ビームスポット径は400μm以下が好ましい。
なお、ビームスポット径の測定は、公知のスリット法で得られる電流（あるいは電圧）曲線の半値幅で規定した。また、ビームスポット径の下限は特に限定しないが、過度に小さいとビームエネルギ密度が過度に高くなり、被膜の損傷が生じやすくなって、耐電圧性や耐錆性が劣化するため、100μm程度以上とすることが好ましい。
線間隔：１〜15mm
本発明における電子ビーム照射は、偏向コイルによって、被照射材の幅端から幅端へ走査させ、同様の走査を被照射材のライン方向に一定の間隔をおいて繰り返す。この間隔を、本発明では、線間隔と呼ぶ。
ここに、線間隔が１mmより狭いと、熱影響域が拡大し、鉄損（ヒステリシス損）が劣化するおそれがある。一方、15mmより広いと、十分に磁区細分化が成されず、鉄損が改善しない傾向にある。従って、本発明における線間隔は、１〜15mmの範囲とするのが好ましい。
本発明における電子ビーム照射は、偏向コイルによって、被照射材の幅端から幅端へ走査させ、同様の走査を被照射材のライン方向に一定の間隔をおいて繰り返す。この間隔を、本発明では、線間隔と呼ぶ。
ここに、線間隔が１mmより狭いと、熱影響域が拡大し、鉄損（ヒステリシス損）が劣化するおそれがある。一方、15mmより広いと、十分に磁区細分化が成されず、鉄損が改善しない傾向にある。従って、本発明における線間隔は、１〜15mmの範囲とするのが好ましい。
照射エリアの圧力：３Pa以下
照射エリアの圧力の値が３Paを超えると、電子銃から発生した電子が散乱され、地鉄に熱影響を与える電子のエネルギが減少するため、十分に磁区細分化が成されず、鉄損が改善しないおそれがある。なお、下限に特に定めはなく圧力は低いほど良い。
照射エリアの圧力の値が３Paを超えると、電子銃から発生した電子が散乱され、地鉄に熱影響を与える電子のエネルギが減少するため、十分に磁区細分化が成されず、鉄損が改善しないおそれがある。なお、下限に特に定めはなく圧力は低いほど良い。
なお、幅方向に偏向して照射させる場合は、幅方向のビームが均一になるように、事前に収束電流を調整することが好ましい。
なお、始点から終点に向かう方向（電子ビームの走査方向）は、圧延方向から60°から120°の方向（90°方向が好ましい）とする。この方向を外れると、電子ビームによる磁区細分化効果が十分に発現しないからである。
なお、始点から終点に向かう方向（電子ビームの走査方向）は、圧延方向から60°から120°の方向（90°方向が好ましい）とする。この方向を外れると、電子ビームによる磁区細分化効果が十分に発現しないからである。
板厚が0.23mm、圧延方向の磁束密度Ｂ８が1.94Ｔで、地鉄の表面に、フォルステライトを主成分とする被膜およびその上に無機物の処理液を焼き付けた被膜（シリカ・リン酸塩系コーティング）の２層の被膜を有する方向性電磁鋼板を用意した。鋼板のサイズは、幅100mmおよび長さ400mmとした。この鋼板に対して、幅方向に電子ビームを走査するように照射して磁区細分化を行った。電子ビームは加速電圧60kV、ビーム径0.3mmで、照射線間隔は５mmとした。
まず、電子ビームを一方向のみに一定速度で走査し、ビーム電流は走査速度に応じて、単位長さ当たりの入熱量が15J/mになるように速度に比例したビーム電流で電子ビームを照射した。走査速度が10m/s、および20m/sでは鉄損W17/50が0.69W/kgと十分に低い値が得られ、しかも絶縁被膜は絶縁性、および耐食性を劣化させるような損傷が生じなかった。しかし、25m/sでは鉄損W17/50は0.69W/kgが得られたが、絶縁被膜が断続的に剥離し、絶縁性と耐食性が劣化した。
ここに、図２に示した回路を用いて、一方向のビーム走査に加えて、振幅５mmを25μsで走査方向に移動する微小な振動を幅方向の走査に重畳するように制御したところ、走査速度25m/sでも、鉄損W17/50を0.69W/kgまで低減させながら、絶縁性、および耐食性を劣化させるような絶縁被膜の損傷を抑制することができた。この場合、微小振動の振幅５mmの範囲をビームが通過するのに200μsを要する。200μsの間に、微小振動によって８回ビームが同一箇所を照射するため、あたかも走査速度が1/8の3.1m/sに低下させたのと同様の効果が得られたものと推測される。さらに、60m/sに走査速度を増加させても、同様に絶縁被膜の損傷が抑制され、0.69W/kgまでの鉄損改善効果が得られた。
また、図３に示した構成の装置を用いて、一方向に走査するビームを、さらに振動コイルによって振幅５mmを25μsで走査方向に移動する微小な振動を幅方向の走査に重畳するようにしたところ、走査速度25m/s、および60m/sでも鉄損W17/50を0.69W/kgまで低減させながら、さらに絶縁被膜の損傷を抑制することができた。
１ フィラメントアノード
２ 集束レンズ
３ 電子ビーム
４ 偏向コイル
５ 鋼板
６ 振動コイル
10 偏向信号発生回路
11 振動信号発生回路
12 加算回路
13 電力増幅器
２ 集束レンズ
３ 電子ビーム
４ 偏向コイル
５ 鋼板
６ 振動コイル
10 偏向信号発生回路
11 振動信号発生回路
12 加算回路
13 電力増幅器
Claims (3)
- 仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射して磁区を細分化するに当たり、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに前記電子ビームの照射スポットを走査する際に、該走査方向に前記照射スポットを振動させることを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善方法。
- 仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射する装置であって、前記電子ビームの照射スポットを、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに走査させる偏向コイルを有し、該偏向コイルの電流に、前記電子ビームを往復振動させる電流を重畳させる回路をそなえることを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善装置。
- 仕上焼鈍済みの方向性電磁鋼板の表面に、電子ビームを照射する装置であって、前記電子ビームの照射スポットを、前記鋼板の圧延方向と交差する向きに走査させる偏向コイルを有し、さらに前記電子ビームを前記走査方向に往復振動させる偏向コイルを有することを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善装置。
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| JP2012023369A JP5867126B2 (ja) | 2012-02-06 | 2012-02-06 | 方向性電磁鋼板の鉄損改善方法およびその装置 |
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