JP6658114B2 - 巻鉄心および巻鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、巻鉄心および巻鉄心の製造方法に関する。

巻鉄心は、リアクトルやフィルター、変圧器の磁心として用いられている。
従来、巻鉄心として、例えば、特許文献１〜特許文献４に記載のものがある。
特許文献１には、コーナ部における鉄心材の占積率がコーナ部を除く辺部における鉄心材の占積率よりも低くなっている巻鉄心が記載されている。特許文献１に記載の巻鉄心では、各鉄心材が形成する接合部が開いてしまうことを防止できることから、鉄損の増大を抑制できる。

特許文献２には、金属薄帯を積層させた後、歪取り焼鈍工程を経て巻鉄心を製造するに際し、歪取り焼鈍雰囲気の露点を０℃以下とすることにより、鉄損が低い巻鉄心を製造する技術が記載されている。
特許文献３には、鉄芯を構成する鋼板の表面に、鋼板の圧延方向に概垂直な線状、または点列状の歪みを、レーザ照射により、圧延方向に概一定の間隔で付与することにより、鉄損を低減する技術が記載されている。
特許文献４には、環状に折曲された長さの異なる複数の磁性鋼板を外周方向に重ね合わせて形成された巻鉄心が記載されている。

また、非特許文献１には、鋼板を所定の長さにせん断して円形に巻き取り、プレス加工により所定の形状にする巻鉄心の製造方法が記載されている。また、非特許文献１には、プレス加工により変形した部分の形状が一定の曲率ではない巻鉄心が記載されている。

特開２０１５−１４１９３０号公報 特開平１０−２５６０６５号公報 特開２００３−３４７１２８号公報 実用新案登録第３０８１８６３号公報

Insulation/Circuits July 1975「A Case for Die Formed Transformer Cores」

しかしながら、従来の巻鉄心では、より一層、鉄損を低減することが要求されていた。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、鉄損特性の良好な巻鉄心および巻鉄心の製造方法を提供することを課題とする。

［１］側面視環状の複数の方向性電磁鋼板が板厚方向に積層された巻厚４０ｍｍ以上の巻鉄心であり、
内面側に配置された内側鉄心と、前記内側鉄心の外面側に配置された外側鉄心とからなり、前記内側鉄心の巻厚が、下記式（１）で示される内側寸法であり、
前記方向性電磁鋼板のうち前記内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板は、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有し、
前記外側鉄心は、前記内側鉄心よりも前記方向性電磁鋼板の占積率が高いことを特徴とする巻鉄心。
１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４−０．０５＊ｔ≦ｖ≦１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４＋０．０５＊ｔ・・・（１）
（式（１）において、ｖは内側寸法を示し、ｔは巻鉄心の巻厚を示し、Ｌｎ（）は自然対数を底とした対数を示す。）

［２］前記内側鉄心における隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離が、６ｍｍ以上であることを特徴とする［１］に記載の巻鉄心。
［３］前記折曲部の曲率半径が０．１ｍｍ〜１００ｍｍであることを特徴とする［１］または［２］に記載の巻鉄心。
［４］前記内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板が側面視で、直線部と外面方向に１つの頂点を有する曲線部とが交互に配置されてなる下記の式（２）を満たす曲げ形状を、４つ繋げた形状を有することを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載の巻鉄心。
Φ×ｍ（２≦ｍ）＝９０°
（式（２）において、Φは曲線部を介して隣接する２つの直線部の延在方向の角度差を示し、ｍは曲線部の数を示す。）

［５］［１］〜［４］のいずれかに記載の巻鉄心の製造方法であって、
帯状の複数の方向性電磁鋼板を、それぞれ折り曲げ加工して側面視環状の相似型に成型し、板厚方向に積層することにより、巻厚が下記式（１）で示される内側寸法である内側鉄心を形成する内側鉄心形成工程と、
帯状の方向性電磁鋼板を予め決定した長さにせん断して円形に巻き取り、プレス加工により側面視環状の形状に成型した後、歪取り焼鈍を行って外側鉄心を形成する外側鉄心形成工程と、
前記外側鉄心の中心に前記内側鉄心を填め込み、巻厚４０ｍｍ以上の巻鉄心を形成する填め込み工程とを有する巻鉄心の製造方法。
１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４−０．０５＊ｔ≦ｖ≦１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４＋０．０５＊ｔ・・・（１）
（式（１）において、ｖは内側寸法を示し、ｔは巻鉄心の巻厚を示し、Ｌｎ（）は自然対数を底とした対数を示す。）

［６］不活性ガス雰囲気中、７００℃〜１０００℃の温度で０．０１〜３０時間、前記折り曲げ加工後積層前の前記方向性電磁鋼板、前記外側鉄心の中心に填め込む前の前記内側鉄心、前記填め込み工程後の前記巻鉄心のいずれかを焼鈍する焼鈍工程を含む［５］に記載の巻鉄心の製造方法。
［７］前記方向性電磁鋼板の板温度を３℃以下もしくは２００℃以上として、前記折り曲げ加工を行う［５］または［６］に記載の巻鉄心の製造方法。

本発明の巻鉄心は、巻厚４０ｍｍ以上であり、内面側に配置された内側鉄心と、内側鉄心の外面側に配置された外側鉄心とからなり、内側鉄心の巻厚が、下記式（１）で示される内側寸法であり、内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板が、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有するため、鉄損特性が良好である。
しかも、本発明の巻鉄心では、外側鉄心が、内側鉄心よりも方向性電磁鋼板の占積率が高い。このため、例えば、巻厚を４０ｍｍ以上とした上記の内側鉄心からなる巻鉄心と比較して、優れた鉄損特性が得られる。

本実施形態の巻鉄心を方向性電磁鋼板の側面側から見た模式図である。 図１に示す巻鉄心の内側鉄心を形成している１枚の方向性電磁鋼板の一部を側面視した拡大図である。 図１に示す巻鉄心の内側鉄心を形成している１枚の方向性電磁鋼板の一部を側面視した拡大図である。 本実施形態の巻鉄心の製造方法において、内側鉄心形成工程を説明するための説明図である。 本実施形態の巻鉄心の製造方法において、外側鉄心形成工程を説明するための説明図である。 （鉄心Ｂ’−１）に用いた内側鉄心（鉄心Ｂ）を形成している方向性電磁鋼板の光学顕微鏡写真である。 （鉄心Ｂ’−２）に用いた内側鉄心（鉄心Ｂ−１）を形成している方向性電磁鋼板の光学顕微鏡写真である。 （鉄心Ａ）を形成している方向性電磁鋼板の光学顕微鏡写真である。

本発明者らは、上記課題を解決するために、帯状の方向性電磁鋼板を予め決定した長さにせん断して円形に巻き取り、プレス加工により側面視環状の形状に成型した後、歪取り焼鈍を行って形成する巻鉄心について鋭意検討し、以下に示す知見を得た。

上記の製造方法によって得られた巻鉄心では、歪取り焼鈍を行っているにも関わらず、内面側に配置された方向性電磁鋼板の加工歪が十分に解放されていない場合があった。巻鉄心の内面側は、磁気抵抗が小さくなるため、磁束が集中する。したがって、巻鉄心の内面側に配置された方向性電磁鋼板に残留する加工歪は、鉄損劣化の要因となりやすい。

また、上記の製造方法によって得られた巻鉄心では、内面側に配置された方向性電磁鋼板における側面視曲線状の部分のみに加工歪が残留している場合があった。方向性電磁鋼板に残留する加工歪は、磁歪を劣化させる。このため、巻鉄心を励磁することにより、加工歪が残留する部分の体積が局所的に膨張し、その外面側に配置された方向性電磁鋼板に応力を及ぼして、鉄損劣化を招く場合があった。

そこで、本発明者らは、内面側に配置された方向性電磁鋼板に残留する加工歪に起因する鉄損劣化を抑制すべく、鋭意検討した。
その結果、巻鉄心の内面側を、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有する方向性電磁鋼板（以下「双晶含有鋼板」という場合がある。）を複数板厚方向に積層した鉄心で形成すればよいことを見出した。また、巻鉄心の内面側に用いる各双晶含有鋼板は、方向性電磁鋼板を折り曲げ加工して側面視環状に成型することにより得られることを見出した。

しかし、複数の双晶含有鋼板を板厚方向に積層してなる鉄心は、方向性電磁鋼板の占積率が低い。このため、巻鉄心の内面側を、上記の双晶含有鋼板を板厚方向に積層した鉄心で形成した場合、巻鉄心の巻厚中における上記の双晶含有鋼板からなる鉄心の巻厚の割合を多くしすぎると、巻鉄心全体の方向性電磁鋼板の占積率が低くなって、巻鉄心の鉄損特性が劣化する。

そこで、本発明者らは、巻鉄心の外面側を、上記の双晶含有鋼板を板厚方向に積層した鉄心よりも方向性電磁鋼板の占積率が高い鉄心で形成し、外面側の鉄心と内面側の鉄心との境界の位置を最適化すべく検討した。
すなわち、方向性電磁鋼板の占積率の点からは、外面側の鉄心と内面側の鉄心との境界の位置を内面側にするほど好ましい。しかし、外面側の鉄心と内面側の鉄心との境界の位置を内面側にしすぎると、外面側の鉄心において、内面側に配置された方向性電磁鋼板の側面視形状が小さくなる。このため、外面側の鉄心における内面側に配置された方向性電磁鋼板の加工歪を十分に小さくできなくなり、方向性電磁鋼板の加工歪に起因する鉄損劣化を十分に抑制できなくなる。

そこで、本発明者らは、さらに検討を重ね、巻鉄心の巻厚を４０ｍｍ以上とすることにより、外面側の鉄心の内面側に配置された方向性電磁鋼板の側面視形状を十分に大きくしつつ、巻鉄心全体における外面側の鉄心の割合を十分に確保した上で、内面側の鉄心の巻厚を下記式（１）で示される内側寸法とした。この場合、外面側に形成した鉄心の内面側に配置された方向性電磁鋼板の加工歪を抑制できることによる鉄損特性の向上効果が、内面側の鉄心の占積率が低いことによる鉄損特性の劣化を大きく上回り、優れた鉄損特性を有する巻鉄心が得られる。

以下、本発明の巻鉄心および巻鉄心の製造方法について詳細に説明する。
「巻鉄心」
図１は、本実施形態の巻鉄心を方向性電磁鋼板の側面側から見た模式図である。
図１に示す本実施形態の巻鉄心１０は、側面視環状の相似型を有する複数の方向性電磁鋼板が板厚方向に積層されたものである。
巻鉄心１０は、図１に示すように、内面１１側に配置された内側鉄心１３と、内側鉄心１３の外面側に配置された外側鉄心２３とからなる。

巻鉄心１０の巻厚ｔは４０ｍｍ以上である。本実施形態における巻厚ｔ（全巻厚）とは、鉄心全重量ｍ（ｋｇ）を、鉄心長ｌ（ｍ）と電磁鋼板密度ρ（＝７６５０ｋｇ／ｍ^３）と使用した鋼板の板幅ｗ（ｍ）との積で割った値で定義される（ｔ＝ｍ／（ｌ＊ρ＊ｗ））。ここで鉄心長ｌ（ｍ）は、鉄心の最外周と最内周との平均値である。
巻鉄心１０の巻厚ｔは、内側鉄心１３および外側鉄心２３を形成している方向性電磁鋼板の厚みと積層枚数とによって変化させることができる。巻厚ｔは、４０ｍｍ以上であればよく、巻鉄心１０に励磁させる際の電圧（容量）に応じて適宜決定できる。

内側鉄心１３の巻厚は、下記式（１）で示される内側寸法ｖである。
１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４−０．０５＊ｔ≦ｖ≦１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４＋０．０５＊ｔ・・・（１）
（式（１）において、ｖは内側寸法を示し、ｔは巻鉄心の巻厚を示し、Ｌｎ（）は自然対数を底とした対数を示す。）

内側鉄心１３の巻厚は、内側鉄心１３に使用する方向性電磁鋼板の厚みと積層枚数との積である。内側鉄心１３の巻厚は、以下に示す状態であることが好ましい。
すなわち、内側鉄心１３に使用されている方向性電磁鋼板の積層枚数が、下記式（３）で示される値が最小となる枚数である。
｜ｖ_０−ｋ×ｎ｜・・・（３）
（式（３）において、ｖ_０は下記式（５）で示される目標内側寸法を示し、ｋは方向性電磁鋼板の厚みを示し、ｎは方向性電磁鋼板の積層枚数を示し、｜ ｜は絶対値を示す。）
ｖ_０＝１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４・・・（５）
（式（５）において、ｖ_０は目標内側寸法を示し、ｔは巻鉄心の巻厚を示し、Ｌｎ（）は自然対数を底とした対数を示す。）

図１に示す巻鉄心１０では、方向性電磁鋼板のうち内側鉄心１３を形成している方向性電磁鋼板が、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有する双晶含有鋼板となっている。図２は、図１に示す巻鉄心１０の内側鉄心１３を形成している１枚の方向性電磁鋼板（双晶含有鋼板１７）の一部を側面視した拡大図である。図２には、双晶含有鋼板１７の有する複数の折曲部のうちの１つの折曲部１８とその周囲を示す。本実施形態における折曲部とは、双晶含有鋼板１７の側面視曲線状の部分それぞれにおける図２に示す双晶含有鋼板１７上の点Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇで囲まれた領域ｓを意味する。

図２に示す折曲部１８（領域ｓ）は、以下に示すように決定される。まず、図２に示す双晶含有鋼板１７の側面視曲線状の部分における曲率半径ｒ（折曲部１８の曲率半径）の中心点Ａと、側面視曲線状の部分の両側にそれぞれ配置された側面視直線部分の延在方向との交点Ｂとを線で結ぶ。そして、曲率半径ｒの中心点Ａと上記交点Ｂとを結んだ線が、双晶含有鋼板１７の内面と交わる点を原点Ｃと定義する。次に、双晶含有鋼板１７の内面に沿って原点Ｃの両側に下記式（４）で示される距離ｍで移動した点を、それぞれ点Ｄおよび点Ｅとする。そして、双晶含有鋼板１７の外面から点Ｄおよび点Ｅそれぞれに向かって引いた垂直線と、双晶含有鋼板１７の外面との交点を、それぞれ点Ｆおよび点Ｇとする。
ｍ＝ｒ＊（１＋π／４）・・・（４）
（式（４）において、ｍは距離を示し、ｒは曲率半径を示す。）

双晶含有鋼板１７の折曲部の金属組織に含まれる双晶の密度は、特に限定されない。
双晶含有鋼板１７の折曲部の金属組織に双晶が含まれているか否かは、双晶含有鋼板１７の断面を光学顕微鏡で観察することにより確認できる。光学顕微鏡としては、市販されている一般的な光学顕微鏡を用いることができる。双晶含有鋼板１７の断面を光学顕微鏡で観察する際には、双晶含有鋼板１７から断面を観察面とする試料を切り出し、観察面を鏡面研磨してから酸で腐食し、対象試料の粒界が観察できる程度に処理すればよい。

双晶含有鋼板１７の金属組織には、方向性電磁鋼板を折り曲げ加工したことに起因する転位が存在している場合がある。双晶含有鋼板１７の金属組織には、転移が存在していてもよいし、転移が存在していなくてもよい。双晶含有鋼板１７の金属組織に転移が存在していない場合、より一層優れた鉄損特性が得られるため好ましい。

双晶含有鋼板１７の金属組織に転位が存在するか否かは、折曲部の金属組織に双晶が含まれているか否かを確認する場合と同様に、双晶含有鋼板１７の断面を光学顕微鏡で観察することにより確認できる。光学顕微鏡としては、市販されている一般的な光学顕微鏡を用いることができる。双晶含有鋼板１７の断面を光学顕微鏡で観察する際には、双晶含有鋼板１７から断面を観察面とする試料を切り出し、観察面を鏡面研磨してから酸で腐食し、対象試料の粒界が観察できる程度に処理すればよい。

内側鉄心１３における隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離は、６ｍｍ以上であることが好ましい。上記の距離が６ｍｍ以上であると、方向性電磁鋼板を折り曲げ加工することにより導入された歪が、隣接する折曲部を形成するために導入した歪と重なり合って抜けにくくなることが防止される。このため、より一層優れた鉄損特性が得られる。

図３は、図１に示す巻鉄心１０の内側鉄心１３を形成している１枚の方向性電磁鋼板（双晶含有鋼板１７）の一部を側面視した拡大図である。図３には、双晶含有鋼板１７の有する複数の折曲部のうちの２つの折曲部１８、１８’とその周囲を示す。図３において、図２と同じ部材については、図２と同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施形態において、内側鉄心１３における隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離とは、隣接する折曲部間それぞれにおける図３に示す双晶含有鋼板１７の内面上の点Ｃ、Ｃ’間の双晶含有鋼板１７の内面に沿う距離のうち、最も短い距離を意味する。図３に示す双晶含有鋼板１７の内面上の原点Ｃ’は、原点Ｃと同様にして決定される。すなわち、折曲部１８に隣接する折曲部１８’の曲率半径ｒ’の中心点Ａ’と、側面視曲線状の部分の両側にそれぞれ配置された側面視直線部分の延在方向との交点Ｂ’とを線で結ぶ。そして、曲率半径ｒ’の中心点Ａ’と上記交点Ｂ’とを結んだ線が、双晶含有鋼板１７の内面と交わる点を原点Ｃ’と定義する。

なお、内側鉄心１３は、側面視環状の相似型に成型された複数の双晶含有鋼板１７が板厚方向に積層されたものであるため、隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離は各双晶含有鋼板１７によって異なる。本実施形態における隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離とは、内側鉄心１３を形成している双晶含有鋼板１７のうち、最も内面側に配置された双晶含有鋼板１７の有する上記の点Ｃ、Ｃ’間の双晶含有鋼板１７の内面に沿う距離のうち、最も短い距離を意味する。

折曲部の曲率半径は０．１ｍｍ〜１００ｍｍであることが好ましい。折曲部の曲率半径が０．１ｍｍ以上であると、折り曲げ加工により導入された鋼板表層の微細な形状起伏（凹凸）によって、双晶含有鋼板１７に施されている絶縁被膜が剥離することを防止できる。また、折曲部の曲率半径が０．１ｍｍ以上であると、双晶含有鋼板１７を積層することにより各双晶含有鋼板１７の表層に存在する微細な形状起伏が重なって、巻鉄心の使用時に巨大な渦電流を発生させ、特性を劣化させることを防止できる。また、折り曲げ加工により成型した折曲部の曲率半径が１００ｍｍ以下である場合、双晶含有鋼板１７に双晶が十分に導入されているため、より一層優れた鉄損特性が得られる。さらに、折曲部の曲率半径が１００ｍｍ以下であると、折り曲げ加工により導入された歪量が少ないために、双晶含有鋼板１７を積層する際に折曲部が弾性変形して応力が発生し、鉄損を劣化させることを防止できる。

内側鉄心１３を形成している各双晶含有鋼板１７は、図１に示すように、側面視で、直線部１４と外面方向に１つの頂点を有する曲線部１５とが交互に配置されてなる下記の式（２）を満たす曲げ形状１６を、４つ繋げた形状を有することが好ましい。
Φ×ｍ（２≦ｍ）＝９０°
（式（２）において、Φは曲線部を介して隣接する２つの直線部の延在方向の角度差を示し、ｍは曲線部の数を示す。）

図１〜図３に示すように、本実施形態では、各双晶含有鋼板１７が、側面視で、曲線部１５を介して隣接する２つの直線部１４、１４の延在方向の角度差Φが４５°であり、曲線部１５の数が２である曲げ形状１６を４つ繋げた形状を有している。上記の角度差Φは、曲線部１５の数が２以上となればよく、例えば、３０°であってもよいし、１０°であってもよい。上記の角度差Φが４５°または３０°である場合（すなわち曲線部１５の数が２または３である場合）、より一層優れた鉄損特性が得られるため好ましい。上記の角度差Φが４５°以上であると、方向性電磁鋼板を折り曲げ加工したことに起因する加工歪が大きくなり、双晶含有鋼板１７が焼鈍したものであっても折曲部に加工歪が残留しやすくなるため、好ましくない。

巻鉄心１０を形成している外側鉄心２３は、内側鉄心１３よりも方向性電磁鋼板の占積率が高い。外側鉄心２３および内側鉄心１３の占積率とは、巻鉄心の断面積に対し鉄心材が占める面積の割合を示すものであり、その定義は以下の通りである。
本実施形態における占積率は、実質の断面積Ｓ_ｅｆｆを、鉄心の見かけの断面積Ｓ_ｉｍで除したＳ_ｅｆｆ／Ｓ_ｉｍの値に１００を掛けた数値（％）である。ここで実質の断面積Ｓ_ｅｆｆは、鉄心全重量ｍ（ｋｇ）と電磁鋼板密度ρ（＝７６５０ｋｇ／ｍ^３）との積を、鉄心長ｌ（ｍ）で除した数値（Ｓ_ｅｆｆ=ｍ＊ｌ＊ρ）である。鉄心長ｌ（ｍ）は、鉄心の最外周と最内周との平均値である。また、鉄心の見かけの断面積Ｓ_ｉｍは、公称板厚κと、板幅ｗと、積層枚数ｎとの積（Ｓ_ｉｍ=κ＊ｗ＊ｎ）である。

また、外側鉄心２３は、図１に示すように、側面視略矩形であって、４つのコーナー部２５が一定の曲率半径を有していることが好ましい。

「巻鉄心の製造方法」
次に、本実施形態の巻鉄心１０の製造方法について説明する。
図１に示す本実施形態の巻鉄心１０を製造するには、内側鉄心１３を形成する内側鉄心形成工程と、外側鉄心２３を形成する外側鉄心形成工程と、外側鉄心２３の中心に、内側鉄心１３を填め込む填め込み工程とを行う。

「内側鉄心形成工程」
内側鉄心形成工程では、まず、帯状の複数の方向性電磁鋼板を、図４（ａ）に示すように、それぞれ折り曲げ加工して、図４（ｂ）に示すように、側面視環状の相似型に成型する。このことにより、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有する複数の双晶含有鋼板１７を形成する。次いで、得られた双晶含有鋼板１７を板厚方向に積層することにより、巻厚が式（１）で示される内側寸法ｖである内側鉄心１３を形成する。

折り曲げ加工により形成された双晶含有鋼板１７の側面視での形状は、式（２）を満たす曲げ形状１６を、４つ繋げた形状を有することが好ましい。
本実施形態において、折り曲げ加工することにより形成する双晶含有鋼板１７の厚みおよび枚数は、内側鉄心１３の巻厚が、式（１）で示される内側寸法ｖとなるように決定される。具体的には、内側鉄心１３に使用される双晶含有鋼板１７（方向性電磁鋼板）の積層枚数を、上記式（３）で示される値が最小になる枚数とすることが好ましい。
内側鉄心形成工程において、方向性電磁鋼板を折り曲げ加工する際に用いる加工機としては、ユニコア加工機など、従来公知のものを用いることができる。

内側鉄心形成工程では、方向性電磁鋼板の板温度を３℃以下もしくは２００℃以上として、折り曲げ加工を行うことが好ましい。方向性電磁鋼板の板温度が３℃以下もしくは２００℃以上であると、折り曲げ加工によって生じた機械歪が双晶に変化しやすい。このため、折り曲げ加工による機械歪によって、双晶含有鋼板１７の金属組織に転位が形成されることを防止できる。したがって、双晶含有鋼板１７の金属組織に存在する転移による鉄損特性の劣化が抑制され、より一層優れた鉄損特性を有する巻鉄心１０が得られる。

「外側鉄心形成工程」
外側鉄心形成工程では、帯状の方向性電磁鋼板２４（フープ材）（図５（ａ）参照。）を予め決定した長さにせん断して円形に巻き取り（図５（ｂ）参照。）、プレス加工により側面視環状の形状に成型した後、歪取り焼鈍を行って外側鉄心２３（図５（ｃ）参照。）を形成する。
外側鉄心形成工程で行うプレス加工および歪取り焼鈍の条件としては、従来公知の巻鉄心の製造条件と同様の条件を用いることができる。
外側鉄心形成工程では、歪取り焼鈍後に形状矯正を行うことが好ましい。

外側鉄心２３の巻厚は、外側鉄心２３に使用する方向性電磁鋼板の厚みと積層枚数とを調整することにより、内側鉄心１３の巻厚と外側鉄心２３の巻厚との合計寸法が４０ｍｍ以上となるようにする。

「填め込み工程」
次に、外側鉄心２３の中心に、内側鉄心１３を填め込み、巻厚４０ｍｍ以上の巻鉄心１０を形成する。
以上の工程により、図１に示す巻鉄心１０が得られる。

本実施形態の製造方法では、不活性ガス雰囲気中、７００〜１０００℃の温度で０．０１〜３０時間、好ましくは１〜４時間、内側鉄心形成工程において折り曲げ加工後積層前の方向性電磁鋼板（双晶含有鋼板１７）、填め込み工程において外側鉄心の中心に填め込む前の内側鉄心１３、填め込み工程後の巻鉄心１０のいずれかを焼鈍する焼鈍工程を含むことが好ましい。焼鈍工程は、１回のみ行ってもよいし、２回以上行ってもよい。
このような焼鈍工程を行うことで、双晶含有鋼板１７から折り曲げ加工によって生じた機械歪を除去することができ、より一層優れた鉄損特性を有する巻鉄心１０が得られる。

焼鈍工程における温度を１０００℃以下にすることで、双晶含有鋼板１７の金属組織に含まれる双晶を消失させずに、折り曲げ加工によって生じた機械歪を除去できる。また、焼鈍工程における温度を７００℃以上とすることで、双晶含有鋼板１７から折り曲げ加工によって生じた機械歪を十分に除去できる。

また、焼鈍工程における焼鈍時間は、１〜４時間であることが好ましい。焼鈍時間が１時間以上であると、焼鈍工程を行うことによる上記の効果が顕著となる。焼鈍時間が４時間以下であると、効率よく巻鉄心１０を製造できる。
焼鈍工程における不活性ガス雰囲気としては、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気などが挙げられる。また、不活性ガス雰囲気として、窒素および／またはアルゴンと、微量の水素とからなる混合雰囲気を用いてもよい。不活性ガス雰囲気として、水素を含有する雰囲気を用いた場合、焼鈍工程に伴う巻鉄心を形成している鋼板の酸化を抑制でき、好ましい。一方、設備費用および水素ガスの管理に伴う付加を考慮すると、不活性ガス雰囲気として、窒素雰囲気を用いることが好ましい。

本実施形態の巻鉄心１０は、巻厚４０ｍｍ以上であり、内面１１側に配置された内側鉄心１３と、内側鉄心１３の外面側に配置された外側鉄心２３とからなり、内側鉄心１３の巻厚が、式（１）で示される内側寸法であり、内側鉄心１３を形成している方向性電磁鋼板が、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有するため、鉄損特性が良好である。
しかも、本実施形態の巻鉄心１０では、外側鉄心２３が、内側鉄心１３よりも方向性電磁鋼板の占積率が高い。このため、例えば、巻厚を４０ｍｍ以上とした上記の内側鉄心１３からなる巻鉄心と比較して、優れた鉄損特性が得られる。

本実施形態の巻鉄心１０の製造方法では、帯状の複数の方向性電磁鋼板を、それぞれ折り曲げ加工して側面視環状の相似型に成型し、板厚方向に積層することにより、巻厚が式（１）で示される内側寸法である内側鉄心１３を形成する。また、帯状の方向性電磁鋼板を予め決定した長さにせん断して円形に巻き取り、プレス加工により環状の形状に成型した後、歪取り焼鈍を行うことにより、外側鉄心２３を形成する。そして、得られた外側鉄心２３の中心に、内側鉄心１３を填め込み、巻厚４０ｍｍ以上の巻鉄心を形成することにより、本実施形態の巻鉄心１０が得られる。

なお、上述した実施形態では、内側鉄心１３を形成している方向性電磁鋼板における複数の折曲部の形状が、全て同じである場合を例に挙げて説明したが、内側鉄心１３を形成している方向性電磁鋼板における複数の折曲部の形状は、それぞれ異なる形状であってもよいし、一部または全てが同じ形状であってもよい。

以下、本発明を実施例により、具体的に説明する。
「実施例１」
表１〜４に示す全巻厚である以下に示す（鉄心Ａ）（鉄心Ａ’）（鉄心Ｂ）（鉄心Ｂ−１）（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）の巻鉄心を形成し、以下に示す方法により鉄損特性として「鉄心鉄損」「素材鉄損」を測定し、「ＢＦ」を算出した。その結果を表１〜４に示す。

（鉄心Ａ）
幅１５２．４ｍｍ、厚み０．２３ｍｍの帯状の方向性電磁鋼板を予め決定した長さにせん断して円形に巻き取り、プレス加工により側面視環状の形状に成型した後、歪取り焼鈍を行い、その後、形状矯正行って鉄心Ａを形成した。鉄心Ａは、側面視略矩形であり、４つのコーナー部が一定の曲率半径を有するものとした。鉄心Ａの占積率は、９７％であった。

（鉄心Ａ’）
鉄心Ａの内面側から表１〜４に示す内側巻厚分の厚みで方向性電磁鋼板を除去した。その後、方向性電磁鋼板を除去した後の鉄心Ａの内面形状に沿う外形形状を有する別の鉄心を形成した。別の鉄心は、鉄心Ａと同様にして形成した鉄心を焼鈍して加工歪を完全に除去する方法により形成した。そして、鉄心Ａの方向性電磁鋼板を除去した部分に、別の鉄心を内側鉄心として填め込み、鉄心Ａ’とした。

（鉄心Ｂ）
幅１５２．４ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの帯状の複数の方向性電磁鋼板を、それぞれ常温（２５℃）で折り曲げ加工して側面視曲線状の複数の折曲部を有する環状の相似型に成型し、板厚方向に積層することにより鉄心Ｂを形成した。鉄心Ｂの方向性電磁鋼板は、側面視で、曲線部を介して隣接する２つの直線部の延在方向の角度差Φが４５°であり、曲線部の数が２である式（２）を満たす曲げ形状を４つ繋げた形状を有するものとした。また、鉄心Ｂは、隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離を６ｍｍとし、折曲部の曲率半径を１ｍｍとした。鉄心Ｂの占積率は、９５．５％であった。
（鉄心Ｂ−１）
鉄心Ｂを窒素雰囲気中、８００℃の温度で２時間焼鈍し、鉄心Ｂ−１とした。鉄心Ｂ−１の占積率は、９５．５％であった。

（鉄心Ｂ’−１）
鉄心Ａの内面側から表１〜４に示す内側巻厚分の厚みで方向性電磁鋼板を除去した。その後、方向性電磁鋼板を除去した後の鉄心Ａの内面形状に沿う外形形状を有する別の鉄心を形成した。別の鉄心は、鉄心Ｂと同様にして形成した。そして、鉄心Ａの方向性電磁鋼板を除去した部分に、別の鉄心を内側鉄心として填め込み、鉄心Ｂ’−１とした。

（鉄心Ｂ’−２）
別の鉄心として、鉄心Ｂ−１を形成したこと以外は鉄心Ｂ’−１と同様にして、鉄心Ｂ’−２を形成した。

なお、（鉄心Ａ’）（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）においては、内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板の厚みと積層枚数との積が、表１〜４に示す（鉄心Ａ’）（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）の内側巻厚に最も近い寸法となるように、方向性電磁鋼板の積層枚数を調整して形成した。

「鉄心鉄損」
ＪＩＳ Ｃ ２５５０−１に記載の励磁電流法を用いて、Ｗ１７／５０（Ｗ／ｋｇ）（５０Ｈｚでの設定磁束密度が１．７Ｔの条件）での鉄心の鉄損値を測定した。
「素材鉄損」
鉄心の内面側から表１〜４に示す内側巻厚分の厚みの位置までに配置された方向性電磁鋼板の折曲部以外の部分から幅６０ｍｍ長さ３００ｍｍの単板を採取し、窒素雰囲気中、８００℃の温度で２時間焼鈍した。その後、ＪＩＳ Ｃ ２５５６に記載のＨコイル法によって、単板鉄損を測定した。
なお、（鉄心Ａ）（鉄心Ｂ）（鉄心Ｂ−１）は、別の鉄心を内側鉄心として填め込んだものではなく、内面側から内側巻厚分の厚みの位置までと、その外側とは、同素材である。
「ＢＦ」
上記の方法により測定した鉄心鉄損を上記の方法により測定した素材鉄損で除し、ＢＦ（ビルディングファクタ）（鉄心鉄損／素材鉄損）を算出した。

表１〜４に示す鉄損特性と内側巻厚との関係を評価するために、巻鉄心の巻厚（全巻厚）に対する下記式（５）で示される目標内側寸法ｖ_０の数値を計算した。その結果を表５に示す。
ｖ_０＝１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４・・・（５）
（式（５）において、ｖ_０は目標内側寸法を示し、ｔは巻鉄心の巻厚を示し、Ｌｎ（）は自然対数を底とした対数を示す。）

表５に示す全巻厚４０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、２５０ｍｍでの式（５）で示される目標内側寸法ｖ_０を参照し、表１〜４のうち特に、式（１）を満たす内側寸法である全巻厚４０ｍｍ、内側巻厚１５ｍｍの結果、全巻厚５０ｍｍ、内側巻厚２０ｍｍの結果、全巻厚１００ｍｍ、内側巻厚３０ｍｍの結果、全巻厚２５０ｍｍ、内側巻厚５０ｍｍの結果に注目すると、（鉄心Ａ）（鉄心Ａ’）（鉄心Ｂ）（鉄心Ｂ−１）（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）のうち、（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）の鉄損特性が優れていることが分かる。

（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）は、鉄心Ｂまたは鉄心Ｂ−１を、鉄心Ａの方向性電磁鋼板を除去した部分に内側鉄心として填め込むことにより形成したものである。鉄心Ｂおよび鉄心Ｂ−１は、折り曲げ加工して側面視曲線状の複数の折曲部を有する環状の相似型に成型し、板厚方向に積層することにより形成したものである。特に、内側鉄心として（鉄心Ｂ）を焼鈍した（鉄心Ｂ−１）を用いた（鉄心Ｂ’−２）では、優れた鉄損特性が得られた。

一方、全巻厚が２０ｍｍである場合、（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）における鉄損特性の向上効果が確認できなかった。
また、内側巻厚が、式（１）で示される内側寸法ｖよりも大きくても小さくても、鉄損特性が劣化する結果となった。

これらのことから、以下の（ア）〜（オ）を満たす巻鉄心とすることにより、優れた鉄損特性が得られることが確認できた。
（ア）全巻厚を４０ｍｍ以上とすること。
（イ）内側鉄心と、内側鉄心の外面側に配置された外側鉄心とからなる巻鉄心とすること。
（ウ）内側巻厚を式（１）で示される内側寸法ｖとすること。
（エ）内側鉄心として（鉄心Ｂ）または（鉄心Ｂ−１）を用いること。
（オ）外側鉄心（鉄心Ａ）として、内側鉄心（鉄心Ｂ）または（鉄心Ｂ−１）よりも方向性電磁鋼板の占積率が高いものを用いること。

また、表１〜４に示す（鉄心Ａ）を形成している方向性電磁鋼板と、（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）に用いた別の鉄心（内側鉄心）を形成している方向性電磁鋼板とにおいて、側面視曲線状の部分の断面を１００倍の倍率で光学顕微鏡（商品名：ＥＣＬＩＰＳＥ ＬＤ１００Ｖ、ニコン社製）により観察した。観察試料は、方向性電磁鋼板から側面視曲線状の部分の断面を観察面とする試料を切り出し、観察面を鏡面研磨してから酸で腐食することにより作製した。その結果を図６〜図８に示す。

図６は、（鉄心Ｂ’−１）に用いた内側鉄心（鉄心Ｂ）を形成している方向性電磁鋼板の光学顕微鏡写真である。図６に示すように、方向性電磁鋼板には双晶を含む金属組織が形成されていた。このことから、折り曲げ加工により、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有する方向性電磁鋼板が得られることが確認できた。また、図６に示すように、方向性電磁鋼板の金属組織には、折り曲げ加工したことに起因する転位が存在していた。

図７は、（鉄心Ｂ’−２）に用いた内側鉄心（鉄心Ｂ−１）を形成している方向性電磁鋼板の光学顕微鏡写真である。図７に示すように、方向性電磁鋼板には、折り曲げ加工により双晶を含む金属組織が形成されていた。しかし、図７に示すように、方向性電磁鋼板の金属組織には、折り曲げ加工したことに起因する転位が存在していなかった。このことから、（鉄心Ｂ）を上記の条件で焼鈍して（鉄心Ｂ−１）とすることにより、金属組織に含まれる双晶を消失させずに、方向性電磁鋼板から折り曲げ加工によって生じた機械歪を除去できることが確認できた。

図８は、（鉄心Ａ）を形成している方向性電磁鋼板の光学顕微鏡写真である。図８に示すように、方向性電磁鋼板の金属組織では、双晶が観察されなかった。このことから、方向性電磁鋼板を予め決定した長さにせん断して円形に巻き取り、プレス加工により側面視環状の形状に成型した後、歪取り焼鈍を行った場合には、方向性電磁鋼板に双晶を含む金属組織が形成されないことが確認できた。

表１〜４および図６〜図８の結果から、（鉄心Ｂ’−１）（鉄心Ｂ’−２）は、内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板が、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有しているため、良好な鉄損特性が得られることが分かった。

「実施例２」
全巻厚８０ｍｍ、内側巻厚３０ｍｍの（鉄心Ｂ’−２）であり、内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板が側面視で、下記の式（２）を満たす表６に示す角度差Φ、曲線部の数ｍである曲げ形状を、４つ繋げた形状を有する巻鉄心をそれぞれ形成した。なお、各内側鉄心における複数の折曲部の曲率半径は、全て表６に示す折曲部の曲率半径とした。
Φ×ｍ（２≦ｍ）＝９０°
（式（２）において、Φは曲線部を介して隣接する２つの直線部の延在方向の角度差を示し、ｍは曲線部の数を示す。）

得られた各巻鉄心について、実施例１と同様にして「鉄心鉄損」を測定した。次いで「鉄心鉄損」を測定した後の各巻鉄心を、窒素雰囲気中、８００℃の温度で２時間焼鈍した。その後、実施例１と同様にして「素材鉄損」を測定し、実施例１と同様にして「ＢＦ」を算出した。その結果を表６に示す。

表６に示すように、式（２）における角度差Φが４５°または３０°（すなわち曲線部１５の数が２または３）である場合、より一層優れた鉄損特性が得られることが分かった。
また、表６に示すように、折曲部の曲率半径が０．１ｍｍ〜１００ｍｍである場合、より一層優れた鉄損特性が得られることが分かった。

「実施例３」
全巻厚８０ｍｍ、内側巻厚３０ｍｍの（鉄心Ｂ’−２）であり、内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板のうち、最も内面側に配置された方向性電磁鋼板の隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離を、表７に示すように異ならせた巻鉄心をそれぞれ形成した。なお、内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板は側面視で、式（２）を満たす角度差Φが４５°、曲線部の数ｍが２である曲げ形状を、４つ繋げた形状を有するものとした。また、各内側鉄心における複数の折曲部の曲率半径は、全て１ｍｍとした。

得られた各巻鉄心について、実施例２と同様にして「鉄心鉄損」「素材鉄損」を測定し、「ＢＦ」を算出した。その結果を表７に示す。

表７に示すように、内側鉄心における隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離が、６ｍｍ以上である場合、より一層優れた鉄損特性が得られることが分かった。

「実施例４」
方向性電磁鋼板の板温度を表８に示す温度として折り曲げ加工を行ったこと以外は、表７に示す実施例３の隣接する折曲部間の距離が６ｍｍである巻鉄心を同様にして、巻鉄心を形成した。
得られた各巻鉄心について、実施例２と同様にして「鉄心鉄損」「素材鉄損」を測定し、「ＢＦ」を算出した。その結果を表８に示す。

表８に示すように、方向性電磁鋼板の板温度を３℃以下もしくは２００℃以上として、折り曲げ加工を行うことで、より一層優れた鉄損特性が得られることが分かった。これは、板温度が３℃以下もしくは２００℃以上であると、折り曲げ加工によって生じた機械歪が双晶に変化しやすいため、方向性電磁鋼板に多くの双晶を導入されることによるものと推定される。

１０ 巻鉄心、１１ 内面、１３ 内側鉄心、１４ 直線部、１５ 曲線部、１６ 曲げ形状、１７ 双晶含有鋼板、１８、１８’ 折曲部、２３ 外側鉄心、ｔ 巻鉄心の巻厚（全巻厚）、ｖ 内側寸法。

Claims (7)

1. 側面視環状の複数の方向性電磁鋼板が板厚方向に積層された巻厚４０ｍｍ以上の巻鉄心であり、
   内面側に配置された内側鉄心と、前記内側鉄心の外面側に配置された外側鉄心とからなり、前記内側鉄心の巻厚が、下記式（１）で示される内側寸法であり、
   前記方向性電磁鋼板のうち前記内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板は、双晶を含む金属組織で形成された側面視曲線状の複数の折曲部を有し、
   前記外側鉄心は、前記内側鉄心よりも前記方向性電磁鋼板の占積率が高いことを特徴とする巻鉄心。
   １９＊Ｌｎ（ｔ）−５４−０．０５＊ｔ≦ｖ≦１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４＋０．０５＊ｔ・・・（１）
   （式（１）において、ｖは内側寸法を示し、ｔは巻鉄心の巻厚を示し、Ｌｎ（）は自然対数を底とした対数を示す。）
2. 前記内側鉄心における隣接する折曲部間の距離のうち最も短い距離が、６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の巻鉄心。
3. 前記折曲部の曲率半径が０．１ｍｍ〜１００ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の巻鉄心。
4. 前記内側鉄心を形成している方向性電磁鋼板が側面視で、直線部と外面方向に１つの頂点を有する曲線部とが交互に配置されてなる下記の式（２）を満たす曲げ形状を、４つ繋げた形状を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の巻鉄心。
   Φ×ｍ（２≦ｍ）＝９０°
   （式（２）において、Φは曲線部を介して隣接する２つの直線部の延在方向の角度差を示し、ｍは曲線部の数を示す。）
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の巻鉄心の製造方法であって、
   帯状の複数の方向性電磁鋼板を、それぞれ折り曲げ加工して側面視環状の相似型に成型し、板厚方向に積層することにより、巻厚が下記式（１）で示される内側寸法である内側鉄心を形成する内側鉄心形成工程と、
   帯状の方向性電磁鋼板を予め決定した長さにせん断して円形に巻き取り、プレス加工により側面視環状の形状に成型した後、歪取り焼鈍を行って外側鉄心を形成する外側鉄心形成工程と、
   前記外側鉄心の中心に前記内側鉄心を填め込み、巻厚４０ｍｍ以上の巻鉄心を形成する填め込み工程とを有する巻鉄心の製造方法。
   １９＊Ｌｎ（ｔ）−５４−０．０５＊ｔ≦ｖ≦１９＊Ｌｎ（ｔ）−５４＋０．０５＊ｔ・・・（１）
   （式（１）において、ｖは内側寸法を示し、ｔは巻鉄心の巻厚を示し、Ｌｎ（）は自然対数を底とした対数を示す。）
6. 不活性ガス雰囲気中、７００℃〜１０００℃の温度で０．０１〜３０時間、前記折り曲げ加工後積層前の前記方向性電磁鋼板、前記外側鉄心の中心に填め込む前の前記内側鉄心、前記填め込み工程後の前記巻鉄心のいずれかを焼鈍する焼鈍工程を含む請求項５に記載の巻鉄心の製造方法。
7. 前記方向性電磁鋼板の板温度を３℃以下もしくは２００℃以上として、前記折り曲げ加工を行う請求項５または請求項６に記載の巻鉄心の製造方法。