JP4414557B2 - 巻鉄心用非晶質合金薄帯およびそれを用いた巻鉄心 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力トランス、高周波トランスなどの巻鉄心に用いられる非晶質合金薄帯に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
合金を溶融状態から急冷することによって、連続的に薄帯や線を製造する方法として、遠心急冷法、単ロール法、双ロール法などが知られている。これらの方法は、高速回転する金属製ドラムの内周面または外周面に溶融金属をオリフィスなどから噴出させることによって、急速に溶融金属を凝固させて薄帯や線を製造するものである。さらに、合金組成を適正に選ぶことによって、液体金属に類似した非晶質合金を得ることができ、磁気的性質あるいは機械的性質に優れた材料を製造することができる。
【０００３】
この非晶質合金は、その優れた特性から多くの用途において工業材料として有望視されている。その中でも、電力トランスや高周波トランスなどの鉄心材料の用途として、鉄損が低く、かつ、飽和磁束密度や透磁率が高いことなどの理由から、Ｆｅ系あるいはＣｏ系などの非晶質合金薄帯が採用されている。
しかし、非晶質合金薄帯を巻回して巻鉄心に加工する場合、巻鉄心の鉄損が薄帯単板で得られる鉄損の２倍以上に増加してしまうという問題が、従来から存在している。すなわち、巻鉄心の鉄損「Ｗ（巻）」を薄帯の鉄損「Ｗ（薄）」で割った値をビルディングファクタ−（ＢＦ）と定義されるが、ＢＦ＝Ｗ（巻）／Ｗ（薄）＞２となってしまうのである。これに対して、珪素鋼板ではＢＦ≒１であって、巻回の影響による鉄損劣化はほとんどない。
【０００４】
非晶質合金薄帯のＢＦ増加の原因としては、巻回した時に発生する応力や積層された薄帯間を磁束が渡ることによって生じる渦電流によるものなどが考えられている。特に、巻回によって発生する応力は、その後の焼鈍によっても完全に除去することができない。なぜならば、発生した応力を完全に除去するためには、薄帯の結晶化温度以上まで昇温しなければならず、この場合、非晶質合金特有の優れた磁気特性自体が失われてしまうからである。
【０００５】
この非晶質合金薄帯のＢＦを低減させることを目的とした従来技術として、以下のものが開示されている。
非晶質合金薄帯を巻回して巻鉄心にする場合、薄帯の幅方向の曲がり量を所定量以下に規定した薄帯が特開平７−２８３０３５号公報に開示されている。この特開平７−２８３０３５号公報は、幅方向に曲がっている薄帯では、その端部が伸びた耳波状態なっているため、そのような薄帯を巻回して巻鉄心にすると、端部に皺状歪が発生して鉄損を増加させることから、その増加を防止できる薄帯を開示したものである。また、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系薄帯にＭｎを含有させて、ビルディングファクタ−の低減を実現した薄帯が特開平８−２７３９１８号公報に開示され、さらに、非晶質合金薄帯に特定量のエチルシリケ−ト系の絶縁性の皮膜を形成させて、ビルディングファクタ−を低減する方法が特開昭５９−１７７３７７号公報に開示されている。
【０００６】
特開平７−２８３０３５号公報および特開平８−２７３９１８号公報開示の薄帯では、巻回して巻鉄心に加工する場合、薄帯の幅方向の曲がり量を所定量以下に規定することによって、あるいは、Ｍｎの含有によって、巻回によるひずみの影響をある程度は低減できるものの、巻回によるひずみの発生そのものは避けられない。巻回によって一端発生したひずみは、その後の焼鈍によっても除去することはできないため、ビルディングファクタ−の低減効果も大きいものとは言えない。さらに、特開昭５９−１７７３７７号公報開示の方法は、巻回によって発生するひずみに対して何ら寄与しない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、非晶質合金薄帯を巻回して巻鉄心を作る場合、巻回によってひずみが発生するが、このひずみを問題のないレベルまで低減する手段は従来にはなかった。
本発明は、無外部応力下における薄帯の幅方向の曲率半径を巻鉄心の薄帯の曲率半径に応じて決めることによって、巻鉄心に加工した後でも巻回によって発生する応力（ひずみ）を低減でき、ビルディングファクタ−の改善を可能にする非晶質合金薄帯、および、それを用いた巻鉄心を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）無外部応力下で薄帯の幅方向に対して曲率半径ｒを有する厚さｔの樋状非晶質合金薄帯であって、
ｒ= νR ＋ｔ（１−ν）／２〔ただし、νはポアソン比、Ｒは該薄帯を長手方向に巻回したときの巻鉄心の曲率半径〕の関係を満たすことを特徴とする巻鉄心用非晶質合金薄帯。
（２）前記薄帯の厚さが０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下、幅が５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であることを特徴とする前（１）記載の巻鉄心用非晶質合金薄帯。
（３）薄帯の長手方向に対して曲率半径Ｒを有する巻鉄心に巻回された巻鉄心であって、薄帯の幅方向の曲率中心側が巻鉄心の曲率中心側に一致していることを特徴とする前（１）または（２）記載の巻鉄心用非晶質合金薄帯を用いた巻鉄心。
（４）前記薄帯の長手方向に対して、（Ｒ−３）以上（Ｒ＋３）以下の曲率半径〔単位はｍｍ〕を有する巻鉄心に巻回されたことを特徴とする前（３）記載の巻鉄心。
【０００９】
本発明の特徴は、非晶質合金薄帯を巻回して巻鉄心に加工する場合に、巻回によって発生する応力を極力低減するように、急冷鋳造後の薄帯の無外部応力下における形状を工夫することにある。この目的を達成するために、無外部応力下において曲がりの無い平板状薄帯から曲がりを有する樋状薄帯に至るまで、種々の形状の薄帯を巻回し、巻回前の初期形状と巻回後の応力状態の関係を詳細に調べた。
【００１０】
無外部応力下において曲がりの無い薄帯を曲率半径Ｒまで曲げた場合には、図４に示すように薄帯の曲率中心側の面では薄帯長手方向に圧縮応力、その反対側の面では引張り応力が発生する。巻鉄心では薄帯長手方向が励磁方向となるため、中立面よりも曲率中心側にある面では励磁方向に圧縮応力が作用する。
磁歪が正のＦｅ系、あるいはＣｏ系非晶質合金薄帯では、励磁方向に圧縮応力が作用すると鉄損が増加してしまい、ビルディングファクタ−を増加させる原因となる。磁歪が負の非晶質合金薄帯では、反対に、励磁方向に引張り応力が作用する中立面よりも外側において鉄損が増加してしまう。
【００１１】
これらの現象は、曲がりの無い平坦状の薄帯を曲げた場合には必ず生じ、巻回によって薄帯表面に発生する応力は、同じ曲率半径Ｒであるならば、薄帯厚が厚いほど大きくなる。
これらの巻回によって薄帯内に生じる応力は、通常の非晶質合金薄帯に施される巻回後の焼鈍では完全に除去できないために、鉄損劣化が生じてしまう。
【００１２】
そこで、本発明者は、薄帯を曲げる場合に面内に生じる応力は２軸状態になることに注目して、その２軸応力の組み合わせを制御することによって、薄帯を巻回した後においても、巻回によって発生する応力をほとんど生じさせないようにできることを見い出して、本発明を完成させるに至った。
図１を用いて本発明を説明する。図１は、無外部応力状態における樋状の形状を有する薄帯を示している。長手方向に渡って一様に、幅方向に対して曲率半径ｒを有する薄帯であって、幅がｗ、厚さがｔである。ただし、この薄帯は、特開平７−２８３０３５号公報に開示されているような端部が伸びて耳波状態を呈しているものではなく、幅方向のどの部分においても薄帯長手方向の長さは同じである。この樋状薄帯を長手方向に巻回して曲率半径Ｒのトロイダル形状にすると、見かけ上、幅方向の曲率半径は無限大となって、幅方向に平坦化される。この時の薄帯形状の変化の様子を図２および図３に示す。
【００１３】
すなわち、図２は、樋状薄帯が幅方向に平坦化された状態であり、図３は、さらに長手方向に巻回した曲率半径Ｒのトロイダルの一部である。
ここで、図２に示すように、幅方向をｘ軸、長手方向をｙ軸、厚さ方向をｚ軸とし、曲率中心と反対側の薄帯表面を面１、曲率中心側の薄帯表面を面２と定義する。無外部応力下で、図１に示す形状の樋状薄帯が、外部応力によって図２のように平坦化されると、面１には圧縮応力、面２には引張り応力が、それぞれ、ｘ軸、および、ｙ軸方向に生じる。薄帯厚が薄いためｚ軸方向の応力は無視できる。ぞれぞれの面における応力は、次に示すとおりである。
【００１４】
[面１]
ｘ方向（圧縮）
σxr( 面１) ＝−｛Ｅ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２ｒ−ｔ) ｝ ・・・(1)
ｙ方向（圧縮）
σyr( 面１) ＝−｛νＥ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２ｒ−ｔ) ｝ ・・・(2)
[面２]
ｘ方向（引張り）
σxr( 面２) ＝｛Ｅ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２ｒ−ｔ) ｝ ・・・(3)
ｙ方向（引張り）
σyr( 面２) ＝｛νＥ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２ｒ−ｔ) ｝ ・・・(4)
次に、図２に示す平坦化された薄帯が、図３に示す長手方向に曲率半径Ｒを持ったトロイダル形状に変化した場合の発生応力を考えると、面１には引張り応力、面２には圧縮応力が、それぞれ、ｘ軸、および、ｙ軸方向に生じる。ぞれぞれの面における応力は、次に示すとおりである。
［面１]
ｘ方向（引張り）
σxR( 面１) ＝｛νＥ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２Ｒ−ｔ) ｝ ・・・(5)
ｙ方向（引張り）
σyR( 面１) ＝｛Ｅ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２Ｒ−ｔ) ｝ ・・・(6)
［面２]
ｘ方向（圧縮）
σxR( 面２) ＝−｛νＥ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２Ｒ−ｔ) ｝ ・・・(7)
ｙ方向（圧縮）
σyR( 面２) ＝−｛Ｅ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２Ｒ−ｔ) ｝ ・・・(8)
本発明者が着眼した点は、従来の平坦な薄帯を巻回してトロイダル形状の巻鉄心に加工すると、（８）式に示す大きさの圧縮応力が面２の励磁方向に生じてしまうために鉄損が増加し、ビルディングファクタ−が大きくなるが、無外部応力下における薄帯形状を図１に示すような樋状にすることによって、（４）式で示す引張り応力を、面２の励磁方向に作用させることができることである。
【００１５】
すなわち、面２では（４）式、（８）式から
σyr( 面２) ＋σyR( 面２) ≧０
を満たせば、巻回後に鉄損を増加させる圧縮応力は、面２側には作用しないことになる。両式を代入して計算すると、
ｒ≦νＲ＋ｔ（１−ν）／２ ・・・(9)
ここで、面１についてみると、ｒがＲに対して小さすぎる場合には、図２の平坦化時に面１に発生した圧縮応力が、トロイダル化後にも残ってしまう。したがって、面１でもｙ方向の応力が圧縮にならないようにしなければならない。
【００１６】
すなわち、σyr( 面１) ＋σyR( 面１) ≧０、であればよい。（２）式、（６）式を代入して計算すると、
ｒ≧νＲ＋ｔ（１−ν）／２ ・・・(10)
となる。
したがって、面１および面２の両面に関して、巻鉄心に加工した後においても、巻回によって生じる応力を無くすには、（９）式、および、（１０）式から、
ｒ＝νＲ＋ｔ（１−ν）／２ ・・・(11)
を満たすように、巻鉄心の曲率半径Ｒに応じて、樋状薄帯の幅方向の曲率半径ｒを決めればよい。この関係を用いることによって、巻回で生じる圧縮応力を無くすことが可能になって、ビルディ ングファクタ−の増加を抑制することができる。
【００１７】
巻鉄心の曲率中心側が樋状薄帯の幅方向の曲率中心側に一致しない場合には、巻回によって生じる圧縮応力、あるいは、引張り応力を打ち消すことができなくなるため、薄帯の幅方向の曲率中心側を巻鉄心の曲率中心側に一致させなければならない。
実際の非晶質合金薄帯の巻鉄心は、鉄心の巻厚があるために、最内周面と最外周面では、曲率半径Ｒが大きく異なる場合がある。このような場合には、幅方向に同じ曲率半径ｒを持った樋状薄帯では、最内周面と最外周面で同時に（１１）式を満たすことができなくなるため、この樋状薄帯を連続して巻回することはできない。
【００１８】
そこで、本発明者は、（１１）式のｒとＲの関係において、ｒを決めた場合にどの程度のＲの偏差までならば許容できるかを実際に調べた。具体的には、同じ曲率半径ｒの樋状薄帯を巻回して曲率半径Ｒのトロイダルにする際、Ｒの値を種々変えてビルディングファクタ−を求めた。
その結果、Ｒが（１１）式を満たすＲに対して、（Ｒ−３）ｍｍ以上（Ｒ＋３）ｍｍ以下の範囲であるならば、ビルディングファクタ−を１. ３以下まで改善できた状態に押さえることが可能であることがわかった。巻鉄心の曲率半径が（Ｒ−３）より小さい場合、あるいは、（Ｒ＋３）より大きくなる場合には、ビルディングファクタ−が１. ３よりも大きくなって、鉄損低減効果が小さくなってしまう。
【００１９】
薄帯厚さは、それが０．０１ｍｍ未満の場合、もしくは、０．１ｍｍ超になると安定して非晶質合金薄帯を鋳造することが難しくなるため、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下がよい。０．０１ｍｍ以上０．０７ｍｍ以下がより薄帯鋳造が安定するため好ましい。薄帯幅は、５ｍｍ未満になると樋状の薄帯にすることが難しくなり、２５０ｍｍ超になると、鋳造自体が難しくなるために、５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下がよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の薄帯は所定の合金成分を溶解し、溶湯を移動している冷却基板上にスロットノズルを通して噴出させて、該合金を急冷凝固させる方法、例えば、冷却基板にエンドレスタイプのベルトを使うベルト法などによって製造することができる。これらの鋳造の際に、例えば、ベルト法であるならば、ベルト表面の形状とスロットノズルの形状をベルト幅方向に対して、所定の曲率半径ｒを持つように湾曲させることによって、本発明の薄帯を製造することができる。
【００２１】
ただし、溶湯が冷却されるベルト部位は、ベルト回転方向に対して湾曲しないようにする必要がある。なぜならば、単ロール法のように冷却面が回転方向に曲率を有している場合には、鋳造後の薄帯長さが薄帯幅方向中央部と端部で異なってしまうからである。合金組成は、Ｆｅ系、Ｃｏ系などの公知の組成を用いることができる。
【００２２】
本発明の薄帯を用いて、巻初めと巻き終わりで曲率半径Ｒが大きく異なる巻厚の厚い鉄心を作製する場合には、巻鉄心の曲率半径が（Ｒ−３）ｍｍ以上（Ｒ＋３）ｍｍ以下を１ユニットとして、このユニットを構成する樋状薄帯の幅方向の曲率半径を（１１）式で得られるｒにすればよい。数ユニットから数十ユニットを組み合わせることによって、一つの巻鉄心を作製できる。これらの各ユニットから巻鉄心への加工には公知の方法を用いることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例を使って詳細に説明する。
（実施例１）
幅方向に種々の曲率半径ｒを有する樋状のＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系の非晶質合金薄帯をべルト法で鋳造した。鋳造の際、ベルト幅方向のベルトおよびノズルの形状を、曲率半径ｒを有した形状にすることによって、樋状薄帯を作製した。薄帯の幅は２５ｍｍ、薄帯厚は０．０２５ｍｍと０．０５０ｍｍである。ここで、０．０５０ｍｍの薄帯にする場合には、公知の多重スロットノズルを用いた。
【００２４】
比較のために、同じ合金を用いて、薄帯厚０．０２５ｍｍと０．０５０ｍｍの従来の平坦状の薄帯を鋳造した。
先ず、従来の平坦状薄帯を３６０℃で１時間、磁場中アニ−ルした後に単板磁気測定器（ＳＳＴ）を用いて５０Ｈｚ、１．３Ｔの条件で鉄損を評価した。このＳＳＴで評価した鉄損を、ビルディングファクタ−を計算する場合の基準値とした。
【００２５】
次に、本発明の樋状薄帯を幅方向の曲率中心側と長手方向に巻回してトロイダルにした場合の曲率中心側が一致するように１周分のトロイダルを作り、３６０℃で１時間アニ−ルした。アニ−ルの際には、周方向に磁場を印加した。トロイダルを作る際には、その曲率半径Ｒを種々変えてビルディングファクタ−を比較した。このトロイダルをプラスチック製のケ−スに入れて、Ｂ−Ｈアナライザ−で５０Ｈｚ、１．３Ｔの条件で鉄損を評価した。比較材として、従来の平坦状薄帯も同様に１周分のトロイダルを作って鉄損を評価した。
【００２６】
ビルディングファクタ−（ＢＦ）は、（トロイダルの鉄損）／（単板の鉄損）で評価した。
結果を表１に示す。ただし、ポアソン比を０．３とした。
【００２７】
【表１】
【００２８】
以上から、試料Ｎｏ．４、１０および１７に示す（１１）式のｒ＝νＲ＋ｔ（１−ν）／２の関係を満たす場合には、ビルディングファクタ−は１. １以下の小さな値になることがわかる。本来、（１１）式を満たす場合には、巻回による応力は入らないはずであり、ＢＦ＝１となるはずであるが、実際には測定トロイダル試料作製の際に局所的な応力が入ってしまったために、ＢＦ≠１になったものと考えられる。
【００２９】
また、試料Ｎｏ．３、５、９、１１、１６および１８に示すように、（１１）式によるＲに対して、トロイダルの曲率半径が（Ｒ−３）ｍｍ以上（Ｒ＋３）ｍｍ以下の範囲であれば、ＢＦ≦１. ３の小さなビルディングファクタ−を維持することができることがわかる。これらの結果に対して、比較例として示した試料Ｎｏ．１、２、６、７、８、１２、１３、１４、１５、１９、２０および２１は、全てビルディングファクタ−が１. ３を超えた値になっている。
【００３０】
従来の平坦材をトロイダルにした場合の試料Ｎｏ．２２および２３では、巻回によって生じる応力が大きくなるため、ビルディングファクタ−が２を超えた値になっていることがわかる。
（実施例２）
実施例１で鋳造した薄帯厚さｔ＝０．０２５ｍｍ、幅Ｗ＝２５ｍｍ、幅方向の曲率半径ｒ＝１８ｍｍの樋状薄帯を用いて、内径５７．５ｍｍ、外径６２．５ｍｍの巻鉄心を作製した。実施例１と同様な熱処理後、Ｂ−Ｈアナライザ−で、５０Ｈｚ、１．３Ｔの条件で鉄損を評価した。比較のために、従来の平坦状の薄帯でも試した。
【００３１】
その結果、ビルディングファクタ−は、従来の平坦材では２．２８と大きい値であったが、本発明の樋状薄帯では１．２９と小さな値となり、本発明の薄帯がビルディングファクタ−の低減に有効であることが確認できた。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に従って、無外部応力下における薄帯の幅方向の曲率半径を巻鉄心の薄帯の曲率半径に応じて決めることによって、巻鉄心に加工した後でも巻回によって発生する応力（ひずみ）を低減でき、ビルディングファクタ−を改善することが可能になった。
【００３３】
これによって、巻鉄心のエネルギ−損失が低減されるとともに、例えば、巻鉄心の発熱によって生じる周囲の素子などへの悪影響も軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無外部応力状態における樋状の形状を有する薄帯を示す図である。
【図２】樋状薄帯が外部応力によって平坦化された状態を示す図である。
【図３】樋状薄帯を薄帯長手方向に巻回したトロイダル状薄帯（曲率半径Ｒ）を示す図である。
【図４】従来の平坦状薄帯を巻回した場合に生じる薄帯断面内の応力分布を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力トランス、高周波トランスなどの巻鉄心に用いられる非晶質合金薄帯に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
合金を溶融状態から急冷することによって、連続的に薄帯や線を製造する方法として、遠心急冷法、単ロール法、双ロール法などが知られている。これらの方法は、高速回転する金属製ドラムの内周面または外周面に溶融金属をオリフィスなどから噴出させることによって、急速に溶融金属を凝固させて薄帯や線を製造するものである。さらに、合金組成を適正に選ぶことによって、液体金属に類似した非晶質合金を得ることができ、磁気的性質あるいは機械的性質に優れた材料を製造することができる。
【０００３】
この非晶質合金は、その優れた特性から多くの用途において工業材料として有望視されている。その中でも、電力トランスや高周波トランスなどの鉄心材料の用途として、鉄損が低く、かつ、飽和磁束密度や透磁率が高いことなどの理由から、Ｆｅ系あるいはＣｏ系などの非晶質合金薄帯が採用されている。
しかし、非晶質合金薄帯を巻回して巻鉄心に加工する場合、巻鉄心の鉄損が薄帯単板で得られる鉄損の２倍以上に増加してしまうという問題が、従来から存在している。すなわち、巻鉄心の鉄損「Ｗ（巻）」を薄帯の鉄損「Ｗ（薄）」で割った値をビルディングファクタ−（ＢＦ）と定義されるが、ＢＦ＝Ｗ（巻）／Ｗ（薄）＞２となってしまうのである。これに対して、珪素鋼板ではＢＦ≒１であって、巻回の影響による鉄損劣化はほとんどない。
【０００４】
非晶質合金薄帯のＢＦ増加の原因としては、巻回した時に発生する応力や積層された薄帯間を磁束が渡ることによって生じる渦電流によるものなどが考えられている。特に、巻回によって発生する応力は、その後の焼鈍によっても完全に除去することができない。なぜならば、発生した応力を完全に除去するためには、薄帯の結晶化温度以上まで昇温しなければならず、この場合、非晶質合金特有の優れた磁気特性自体が失われてしまうからである。
【０００５】
この非晶質合金薄帯のＢＦを低減させることを目的とした従来技術として、以下のものが開示されている。
非晶質合金薄帯を巻回して巻鉄心にする場合、薄帯の幅方向の曲がり量を所定量以下に規定した薄帯が特開平７−２８３０３５号公報に開示されている。この特開平７−２８３０３５号公報は、幅方向に曲がっている薄帯では、その端部が伸びた耳波状態なっているため、そのような薄帯を巻回して巻鉄心にすると、端部に皺状歪が発生して鉄損を増加させることから、その増加を防止できる薄帯を開示したものである。また、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系薄帯にＭｎを含有させて、ビルディングファクタ−の低減を実現した薄帯が特開平８−２７３９１８号公報に開示され、さらに、非晶質合金薄帯に特定量のエチルシリケ−ト系の絶縁性の皮膜を形成させて、ビルディングファクタ−を低減する方法が特開昭５９−１７７３７７号公報に開示されている。
【０００６】
特開平７−２８３０３５号公報および特開平８−２７３９１８号公報開示の薄帯では、巻回して巻鉄心に加工する場合、薄帯の幅方向の曲がり量を所定量以下に規定することによって、あるいは、Ｍｎの含有によって、巻回によるひずみの影響をある程度は低減できるものの、巻回によるひずみの発生そのものは避けられない。巻回によって一端発生したひずみは、その後の焼鈍によっても除去することはできないため、ビルディングファクタ−の低減効果も大きいものとは言えない。さらに、特開昭５９−１７７３７７号公報開示の方法は、巻回によって発生するひずみに対して何ら寄与しない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、非晶質合金薄帯を巻回して巻鉄心を作る場合、巻回によってひずみが発生するが、このひずみを問題のないレベルまで低減する手段は従来にはなかった。
本発明は、無外部応力下における薄帯の幅方向の曲率半径を巻鉄心の薄帯の曲率半径に応じて決めることによって、巻鉄心に加工した後でも巻回によって発生する応力（ひずみ）を低減でき、ビルディングファクタ−の改善を可能にする非晶質合金薄帯、および、それを用いた巻鉄心を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）無外部応力下で薄帯の幅方向に対して曲率半径ｒを有する厚さｔの樋状非晶質合金薄帯であって、
ｒ= νR ＋ｔ（１−ν）／２〔ただし、νはポアソン比、Ｒは該薄帯を長手方向に巻回したときの巻鉄心の曲率半径〕の関係を満たすことを特徴とする巻鉄心用非晶質合金薄帯。
（２）前記薄帯の厚さが０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下、幅が５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であることを特徴とする前（１）記載の巻鉄心用非晶質合金薄帯。
（３）薄帯の長手方向に対して曲率半径Ｒを有する巻鉄心に巻回された巻鉄心であって、薄帯の幅方向の曲率中心側が巻鉄心の曲率中心側に一致していることを特徴とする前（１）または（２）記載の巻鉄心用非晶質合金薄帯を用いた巻鉄心。
（４）前記薄帯の長手方向に対して、（Ｒ−３）以上（Ｒ＋３）以下の曲率半径〔単位はｍｍ〕を有する巻鉄心に巻回されたことを特徴とする前（３）記載の巻鉄心。
【０００９】
本発明の特徴は、非晶質合金薄帯を巻回して巻鉄心に加工する場合に、巻回によって発生する応力を極力低減するように、急冷鋳造後の薄帯の無外部応力下における形状を工夫することにある。この目的を達成するために、無外部応力下において曲がりの無い平板状薄帯から曲がりを有する樋状薄帯に至るまで、種々の形状の薄帯を巻回し、巻回前の初期形状と巻回後の応力状態の関係を詳細に調べた。
【００１０】
無外部応力下において曲がりの無い薄帯を曲率半径Ｒまで曲げた場合には、図４に示すように薄帯の曲率中心側の面では薄帯長手方向に圧縮応力、その反対側の面では引張り応力が発生する。巻鉄心では薄帯長手方向が励磁方向となるため、中立面よりも曲率中心側にある面では励磁方向に圧縮応力が作用する。
磁歪が正のＦｅ系、あるいはＣｏ系非晶質合金薄帯では、励磁方向に圧縮応力が作用すると鉄損が増加してしまい、ビルディングファクタ−を増加させる原因となる。磁歪が負の非晶質合金薄帯では、反対に、励磁方向に引張り応力が作用する中立面よりも外側において鉄損が増加してしまう。
【００１１】
これらの現象は、曲がりの無い平坦状の薄帯を曲げた場合には必ず生じ、巻回によって薄帯表面に発生する応力は、同じ曲率半径Ｒであるならば、薄帯厚が厚いほど大きくなる。
これらの巻回によって薄帯内に生じる応力は、通常の非晶質合金薄帯に施される巻回後の焼鈍では完全に除去できないために、鉄損劣化が生じてしまう。
【００１２】
そこで、本発明者は、薄帯を曲げる場合に面内に生じる応力は２軸状態になることに注目して、その２軸応力の組み合わせを制御することによって、薄帯を巻回した後においても、巻回によって発生する応力をほとんど生じさせないようにできることを見い出して、本発明を完成させるに至った。
図１を用いて本発明を説明する。図１は、無外部応力状態における樋状の形状を有する薄帯を示している。長手方向に渡って一様に、幅方向に対して曲率半径ｒを有する薄帯であって、幅がｗ、厚さがｔである。ただし、この薄帯は、特開平７−２８３０３５号公報に開示されているような端部が伸びて耳波状態を呈しているものではなく、幅方向のどの部分においても薄帯長手方向の長さは同じである。この樋状薄帯を長手方向に巻回して曲率半径Ｒのトロイダル形状にすると、見かけ上、幅方向の曲率半径は無限大となって、幅方向に平坦化される。この時の薄帯形状の変化の様子を図２および図３に示す。
【００１３】
すなわち、図２は、樋状薄帯が幅方向に平坦化された状態であり、図３は、さらに長手方向に巻回した曲率半径Ｒのトロイダルの一部である。
ここで、図２に示すように、幅方向をｘ軸、長手方向をｙ軸、厚さ方向をｚ軸とし、曲率中心と反対側の薄帯表面を面１、曲率中心側の薄帯表面を面２と定義する。無外部応力下で、図１に示す形状の樋状薄帯が、外部応力によって図２のように平坦化されると、面１には圧縮応力、面２には引張り応力が、それぞれ、ｘ軸、および、ｙ軸方向に生じる。薄帯厚が薄いためｚ軸方向の応力は無視できる。ぞれぞれの面における応力は、次に示すとおりである。
【００１４】
[面１]
ｘ方向（圧縮）
σxr( 面１) ＝−｛Ｅ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２ｒ−ｔ) ｝ ・・・(1)
ｙ方向（圧縮）
σyr( 面１) ＝−｛νＥ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２ｒ−ｔ) ｝ ・・・(2)
[面２]
ｘ方向（引張り）
σxr( 面２) ＝｛Ｅ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２ｒ−ｔ) ｝ ・・・(3)
ｙ方向（引張り）
σyr( 面２) ＝｛νＥ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２ｒ−ｔ) ｝ ・・・(4)
次に、図２に示す平坦化された薄帯が、図３に示す長手方向に曲率半径Ｒを持ったトロイダル形状に変化した場合の発生応力を考えると、面１には引張り応力、面２には圧縮応力が、それぞれ、ｘ軸、および、ｙ軸方向に生じる。ぞれぞれの面における応力は、次に示すとおりである。
［面１]
ｘ方向（引張り）
σxR( 面１) ＝｛νＥ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２Ｒ−ｔ) ｝ ・・・(5)
ｙ方向（引張り）
σyR( 面１) ＝｛Ｅ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２Ｒ−ｔ) ｝ ・・・(6)
［面２]
ｘ方向（圧縮）
σxR( 面２) ＝−｛νＥ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２Ｒ−ｔ) ｝ ・・・(7)
ｙ方向（圧縮）
σyR( 面２) ＝−｛Ｅ／( １−ν2)｝・｛ｔ／( ２Ｒ−ｔ) ｝ ・・・(8)
本発明者が着眼した点は、従来の平坦な薄帯を巻回してトロイダル形状の巻鉄心に加工すると、（８）式に示す大きさの圧縮応力が面２の励磁方向に生じてしまうために鉄損が増加し、ビルディングファクタ−が大きくなるが、無外部応力下における薄帯形状を図１に示すような樋状にすることによって、（４）式で示す引張り応力を、面２の励磁方向に作用させることができることである。
【００１５】
すなわち、面２では（４）式、（８）式から
σyr( 面２) ＋σyR( 面２) ≧０
を満たせば、巻回後に鉄損を増加させる圧縮応力は、面２側には作用しないことになる。両式を代入して計算すると、
ｒ≦νＲ＋ｔ（１−ν）／２ ・・・(9)
ここで、面１についてみると、ｒがＲに対して小さすぎる場合には、図２の平坦化時に面１に発生した圧縮応力が、トロイダル化後にも残ってしまう。したがって、面１でもｙ方向の応力が圧縮にならないようにしなければならない。
【００１６】
すなわち、σyr( 面１) ＋σyR( 面１) ≧０、であればよい。（２）式、（６）式を代入して計算すると、
ｒ≧νＲ＋ｔ（１−ν）／２ ・・・(10)
となる。
したがって、面１および面２の両面に関して、巻鉄心に加工した後においても、巻回によって生じる応力を無くすには、（９）式、および、（１０）式から、
ｒ＝νＲ＋ｔ（１−ν）／２ ・・・(11)
を満たすように、巻鉄心の曲率半径Ｒに応じて、樋状薄帯の幅方向の曲率半径ｒを決めればよい。この関係を用いることによって、巻回で生じる圧縮応力を無くすことが可能になって、ビルディ ングファクタ−の増加を抑制することができる。
【００１７】
巻鉄心の曲率中心側が樋状薄帯の幅方向の曲率中心側に一致しない場合には、巻回によって生じる圧縮応力、あるいは、引張り応力を打ち消すことができなくなるため、薄帯の幅方向の曲率中心側を巻鉄心の曲率中心側に一致させなければならない。
実際の非晶質合金薄帯の巻鉄心は、鉄心の巻厚があるために、最内周面と最外周面では、曲率半径Ｒが大きく異なる場合がある。このような場合には、幅方向に同じ曲率半径ｒを持った樋状薄帯では、最内周面と最外周面で同時に（１１）式を満たすことができなくなるため、この樋状薄帯を連続して巻回することはできない。
【００１８】
そこで、本発明者は、（１１）式のｒとＲの関係において、ｒを決めた場合にどの程度のＲの偏差までならば許容できるかを実際に調べた。具体的には、同じ曲率半径ｒの樋状薄帯を巻回して曲率半径Ｒのトロイダルにする際、Ｒの値を種々変えてビルディングファクタ−を求めた。
その結果、Ｒが（１１）式を満たすＲに対して、（Ｒ−３）ｍｍ以上（Ｒ＋３）ｍｍ以下の範囲であるならば、ビルディングファクタ−を１. ３以下まで改善できた状態に押さえることが可能であることがわかった。巻鉄心の曲率半径が（Ｒ−３）より小さい場合、あるいは、（Ｒ＋３）より大きくなる場合には、ビルディングファクタ−が１. ３よりも大きくなって、鉄損低減効果が小さくなってしまう。
【００１９】
薄帯厚さは、それが０．０１ｍｍ未満の場合、もしくは、０．１ｍｍ超になると安定して非晶質合金薄帯を鋳造することが難しくなるため、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下がよい。０．０１ｍｍ以上０．０７ｍｍ以下がより薄帯鋳造が安定するため好ましい。薄帯幅は、５ｍｍ未満になると樋状の薄帯にすることが難しくなり、２５０ｍｍ超になると、鋳造自体が難しくなるために、５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下がよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の薄帯は所定の合金成分を溶解し、溶湯を移動している冷却基板上にスロットノズルを通して噴出させて、該合金を急冷凝固させる方法、例えば、冷却基板にエンドレスタイプのベルトを使うベルト法などによって製造することができる。これらの鋳造の際に、例えば、ベルト法であるならば、ベルト表面の形状とスロットノズルの形状をベルト幅方向に対して、所定の曲率半径ｒを持つように湾曲させることによって、本発明の薄帯を製造することができる。
【００２１】
ただし、溶湯が冷却されるベルト部位は、ベルト回転方向に対して湾曲しないようにする必要がある。なぜならば、単ロール法のように冷却面が回転方向に曲率を有している場合には、鋳造後の薄帯長さが薄帯幅方向中央部と端部で異なってしまうからである。合金組成は、Ｆｅ系、Ｃｏ系などの公知の組成を用いることができる。
【００２２】
本発明の薄帯を用いて、巻初めと巻き終わりで曲率半径Ｒが大きく異なる巻厚の厚い鉄心を作製する場合には、巻鉄心の曲率半径が（Ｒ−３）ｍｍ以上（Ｒ＋３）ｍｍ以下を１ユニットとして、このユニットを構成する樋状薄帯の幅方向の曲率半径を（１１）式で得られるｒにすればよい。数ユニットから数十ユニットを組み合わせることによって、一つの巻鉄心を作製できる。これらの各ユニットから巻鉄心への加工には公知の方法を用いることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例を使って詳細に説明する。
（実施例１）
幅方向に種々の曲率半径ｒを有する樋状のＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系の非晶質合金薄帯をべルト法で鋳造した。鋳造の際、ベルト幅方向のベルトおよびノズルの形状を、曲率半径ｒを有した形状にすることによって、樋状薄帯を作製した。薄帯の幅は２５ｍｍ、薄帯厚は０．０２５ｍｍと０．０５０ｍｍである。ここで、０．０５０ｍｍの薄帯にする場合には、公知の多重スロットノズルを用いた。
【００２４】
比較のために、同じ合金を用いて、薄帯厚０．０２５ｍｍと０．０５０ｍｍの従来の平坦状の薄帯を鋳造した。
先ず、従来の平坦状薄帯を３６０℃で１時間、磁場中アニ−ルした後に単板磁気測定器（ＳＳＴ）を用いて５０Ｈｚ、１．３Ｔの条件で鉄損を評価した。このＳＳＴで評価した鉄損を、ビルディングファクタ−を計算する場合の基準値とした。
【００２５】
次に、本発明の樋状薄帯を幅方向の曲率中心側と長手方向に巻回してトロイダルにした場合の曲率中心側が一致するように１周分のトロイダルを作り、３６０℃で１時間アニ−ルした。アニ−ルの際には、周方向に磁場を印加した。トロイダルを作る際には、その曲率半径Ｒを種々変えてビルディングファクタ−を比較した。このトロイダルをプラスチック製のケ−スに入れて、Ｂ−Ｈアナライザ−で５０Ｈｚ、１．３Ｔの条件で鉄損を評価した。比較材として、従来の平坦状薄帯も同様に１周分のトロイダルを作って鉄損を評価した。
【００２６】
ビルディングファクタ−（ＢＦ）は、（トロイダルの鉄損）／（単板の鉄損）で評価した。
結果を表１に示す。ただし、ポアソン比を０．３とした。
【００２７】
【表１】
以上から、試料Ｎｏ．４、１０および１７に示す（１１）式のｒ＝νＲ＋ｔ（１−ν）／２の関係を満たす場合には、ビルディングファクタ−は１. １以下の小さな値になることがわかる。本来、（１１）式を満たす場合には、巻回による応力は入らないはずであり、ＢＦ＝１となるはずであるが、実際には測定トロイダル試料作製の際に局所的な応力が入ってしまったために、ＢＦ≠１になったものと考えられる。
【００２９】
また、試料Ｎｏ．３、５、９、１１、１６および１８に示すように、（１１）式によるＲに対して、トロイダルの曲率半径が（Ｒ−３）ｍｍ以上（Ｒ＋３）ｍｍ以下の範囲であれば、ＢＦ≦１. ３の小さなビルディングファクタ−を維持することができることがわかる。これらの結果に対して、比較例として示した試料Ｎｏ．１、２、６、７、８、１２、１３、１４、１５、１９、２０および２１は、全てビルディングファクタ−が１. ３を超えた値になっている。
【００３０】
従来の平坦材をトロイダルにした場合の試料Ｎｏ．２２および２３では、巻回によって生じる応力が大きくなるため、ビルディングファクタ−が２を超えた値になっていることがわかる。
（実施例２）
実施例１で鋳造した薄帯厚さｔ＝０．０２５ｍｍ、幅Ｗ＝２５ｍｍ、幅方向の曲率半径ｒ＝１８ｍｍの樋状薄帯を用いて、内径５７．５ｍｍ、外径６２．５ｍｍの巻鉄心を作製した。実施例１と同様な熱処理後、Ｂ−Ｈアナライザ−で、５０Ｈｚ、１．３Ｔの条件で鉄損を評価した。比較のために、従来の平坦状の薄帯でも試した。
【００３１】
その結果、ビルディングファクタ−は、従来の平坦材では２．２８と大きい値であったが、本発明の樋状薄帯では１．２９と小さな値となり、本発明の薄帯がビルディングファクタ−の低減に有効であることが確認できた。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に従って、無外部応力下における薄帯の幅方向の曲率半径を巻鉄心の薄帯の曲率半径に応じて決めることによって、巻鉄心に加工した後でも巻回によって発生する応力（ひずみ）を低減でき、ビルディングファクタ−を改善することが可能になった。
【００３３】
これによって、巻鉄心のエネルギ−損失が低減されるとともに、例えば、巻鉄心の発熱によって生じる周囲の素子などへの悪影響も軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無外部応力状態における樋状の形状を有する薄帯を示す図である。
【図２】樋状薄帯が外部応力によって平坦化された状態を示す図である。
【図３】樋状薄帯を薄帯長手方向に巻回したトロイダル状薄帯（曲率半径Ｒ）を示す図である。
【図４】従来の平坦状薄帯を巻回した場合に生じる薄帯断面内の応力分布を示す図である。
Claims (4)
- 無外部応力下で薄帯の幅方向に対して曲率半径ｒを有する厚さｔの樋状非晶質合金薄帯であって、
ｒ= νR ＋ｔ（１−ν）／２〔ただし、νはポアソン比、Ｒは該薄帯を長手方向に巻回したときの巻鉄心の曲率半径〕の関係を満たすことを特徴とする巻鉄心用非晶質合金薄帯。 - 前記薄帯の厚さが０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下、幅が５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の巻鉄心用非晶質合金薄帯。
- 薄帯の長手方向に対して曲率半径Ｒを有する巻鉄心に巻回された巻鉄心であって、薄帯の幅方向の曲率中心側が巻鉄心の曲率中心側に一致していることを特徴とする請求項１または２記載の巻鉄心用非晶質合金薄帯を用いた巻鉄心。
- 前記薄帯の長手方向に対して、（Ｒ−３）以上（Ｒ＋３）以下の曲率半径〔単位はｍｍ〕を有する巻鉄心に巻回されたことを特徴とする請求項３記載の巻鉄心。
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