JP7166748B2 - 巻鉄心 - Google Patents
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Description
鉄損は、渦電流損とヒステリシス損とに分類される。さらに、渦電流損は、古典的渦電流損と異常渦電流損とに分類される。
古典的渦電流損を低減するために、上記のように結晶方位が制御された鋼板(地鉄)の表面に絶縁皮膜が形成された方向性電磁鋼板が一般的に知られている。
一方、異常渦電流損を低減するための方法として、圧延方向に交差する方向に延びる歪みを、圧延方向に沿って所定間隔で形成することにより、180°磁区の幅を狭くする(180°磁区の細分化を行う)磁区制御法が知られている。
この磁区制御法は、非破壊的な手段によって上記の歪みを方向性電磁鋼板の鋼板に与える非破壊的磁区制御法と、例えば鋼板の表面に溝を形成するなどの破壊的磁区制御法とに分類される。
非破壊的磁区制御法によって歪みが付与された方向性電磁鋼板を用いて巻コアを製造する場合、歪み取り焼鈍処理の実施によって歪みが消失するので、磁区細分化効果(すなわち、異常渦電流損の低減効果)も消失する。
一方、破壊的磁区制御法によって溝が付与された方向性電磁鋼板を用いて巻コアを製造する場合、歪み取り焼鈍処理の実施によって溝が消失しないので、磁区細分化効果を維持することができる。
従って、巻鉄心に対しては、異常渦電流損を低減するための方法として破壊的磁区制御法が一般的に採用されている。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、鉄損の低い巻鉄心を提供することを目的とする。
前記溝が外巻側に面し、
圧延方向における前記溝の中心線間間隔が2mm以上5mm未満であり、
最内周部の曲げ加工部曲率半径が50mm以下であり、
溝延在方向及び前記板厚方向を含む溝長手断面で前記溝を視た場合に、前記溝の溝底領域の輪郭を成す粗さ曲線の算術平均高さRaが1.1μm以上、2.7μm以下であり、
前記溝底領域の前記輪郭を成す粗さ曲線要素の平均長さRSmが50μm以上、150μm以下であることを特徴とする。
前記溝が外巻側に面し、
圧延方向における前記溝の中心線間間隔が2mm以上5mm未満であり、
最内周部の曲げ加工部曲率半径が50mm以下であり、
溝延在方向及び前記板厚方向を含む溝長手断面で前記溝を視た場合に、前記溝の溝底領域の輪郭を成す粗さ曲線の算術平均高さRaが1.1μm以上、2.7μm以下であり、
前記溝底領域の前記輪郭を成す粗さ曲線要素の平均長さRSmが50μm以上、150μm以下であることを特徴とする。
なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「垂直」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
また、本研究者らは、溝面を外側に配置させた場合であっても、鉄損が劣化し、ビルディングファクタ(BF)が非常に不安定に劣化する場合があることも突き止めた。
そして、本研究者らは、上記鉄損劣化を抑制するためには、鋼板に形成された溝を鉄心の外側になるよう加工すること、及び、溝底の形状(RaおよびRSm)を制御することが極めて重要であることを実験的に明らかにした。
よって、鉄損を低くするためには、巻鉄心の曲げ加工部の曲率半径を所定の範囲の大きさにすることが重要である。
すなわち、巻鉄心の曲げ加工部の曲率半径を所定の範囲の大きさにすること、鋼板表層に形成された溝底の形状を制御すること、及び、溝が巻鉄心の外巻側に面することの相乗効果によって巻鉄心の鉄損をさらに減少させることができると推定される。
一般的に方向性電磁鋼板とは、鋼板中の結晶粒の方位が{110}<001>方位に高度に集積され、磁化容易軸が長手方向に揃った鋼板をいう。磁化容易軸が長手方向に揃っているため、鉄損が少なく磁性に優れるという特性を有する電磁鋼板をいう。
母鋼板は、当該母鋼板中の結晶粒の方位が{110}<001>方位に高度に集積された鋼板であり、圧延方向に優れた磁気特性を有するものである。
本開示において母鋼板は、特に限定されず、方向性電磁鋼板として公知のものの中から、適宜選択して用いることができる。以下、好ましい母鋼板の一例について説明するが、本開示において母鋼板は以下のものに限定されるものではない。
なお、本開示において、「不可避的不純物」とは、母鋼板を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境等から不可避的に混入する元素を意味する。
また、方向性電磁鋼板では二次再結晶時に純化焼鈍を経ることが一般的である。純化焼鈍においてはインヒビター形成元素の系外への排出が起きる。特にN、Sについては濃度の低下が顕著で、50ppm以下になる。通常の純化焼鈍条件であれば、9ppm以下、さらには6ppm以下、純化焼鈍を十分に行えば、一般的な分析では検出できない程度(1ppm以下)にまで達する。
なお、母鋼板の化学成分は、方向性電磁鋼板から後述の方法により後述のグラス皮膜およびリンを含有する絶縁皮膜等を除去した鋼板を母鋼板としてその成分を分析した成分である。
本開示において母鋼板の厚みは特に限定されないが、0.1mm以上0.5mm以下であることが好ましく、0.15mm以上0.40mm以下であることがより好ましい。
グラス皮膜としては、例えば、フォルステライト(Mg2SiO4)、スピネル(MgAl2O4)、及びコーディエライト(Mg2Al4Si5O16)より選択される1種以上の酸化物を有する被膜が挙げられる。
絶縁皮膜は、例えば、コロイダルシリカ及びリン酸塩を含有し、電気的絶縁性だけでなく、張力、耐食性及び耐熱性等を鋼板に与える役割を担っている。
本開示においてグラス皮膜の厚みは特に限定されないが、0.5μm以上3μm以下であることが好ましい。
方向性電磁鋼板の表面に溝を形成する方法は、特に限定されず、従来公知の方法を採用することができる。例えば、破壊的磁区制御法として、電解エッチングによって方向性電磁鋼板の鋼板表面に溝を形成する電解エッチング法(特公昭62-54873号公報参照)、機械的に歯車を方向性電磁鋼板の鋼板表面にプレスすることにより、鋼板表面に溝を形成する歯車プレス法(特公昭62-53579号公報参照)、レーザ照射によって方向性電磁鋼板の鋼板表面に溝を形成するレーザ照射法(特開平6-57335号公報、国際公開第2016/171124号参照)等が挙げられる。
レーザ照射法の場合の照射条件としては、一般的には、レーザ出力を200~2000Wに、レーザの圧延方向における集光スポット径(レーザ出力の86%を含む直径)を10~1000μmに、レーザの板幅方向における集光スポット径を10~1000μmに、レーザ走査速度を5~100m/sに、レーザ走査ピッチ(間隔)を2~10mmに設定することが好ましい。所望の溝形状は、これらのレーザ照射条件を上記範囲で適宜調整することで得ることが出来る。
なお、後述する実施例においてレーザ照射により溝を形成した場合の特性が良好であった条件の一例として、レーザ出力:200W、レーザの圧延方向における集光スポット径(86%径):100μm、レーザの板幅方向における集光スポット径(86%径):400μm、レーザ走査速度:16m/s、レーザ走査ピッチ:4mmが挙げられる。
溝が外巻側に面することにより、溝が内巻側に面する場合よりも、圧縮力が溝周辺で発生するのを抑制し、且つ双晶の発生を抑制することができると推定される。
また、巻鉄心の鉄損を低下させる観点から、当該半径が30mm未満であってもよく、20mm以下であってもよく、10mm未満であってもよく、5mm以下であってもよい。
さらに、製造しやすくする観点から、当該半径は2mm以上であってもよく、3mm以上であってもよい。
巻鉄心の最内周部の曲げ加工部曲率半径の大きさは、従来公知の加工機を用いて適宜調整することができる。
さらに、Ra及びRSmについて、Raが1.3μm以上、2.5μm以下、且つ、RSmが60μm以上、130μm以下の場合に鉄損低減効果が大きくなる。
表面粗さパラメータ(Ra、RSm)が上記の範囲を満たすことにより、溝底領域が一定度合いの粗面となり、曲げ加工部の曲率半径を適当に変えることで鉄の溶融による溝内部で発生する応力が、還流磁区の発生を抑制する張力の作用を有することとなり、巻鉄心の鉄損を低減させることができると推定される。
また、上記曲げ加工部において発生する応力が、巻鉄心の鉄損低減に関与することから、巻鉄心の最内周部の曲げ加工部の曲率半径を上記所定の範囲の大きさにすること、表面粗さパラメータ(Ra、RSm)が上記の範囲を満たすこと、及び、溝が巻鉄心の外巻側に面することの相乗効果によって巻鉄心の鉄損はさらに減少すると推定される。
また、溝底領域の表面粗さを示す表面粗さパラメータ(Ra、RSm)の測定には、レーザ式表面粗さ測定器(キーエンス社製のVK-9700)を用いることができる。
溝延在方向の長さは、特に限定されないが、磁区細分化の効果を好ましく得るためには、250~350μmであってもよい。
溝の溝深さDは、特に限定されないが、磁区細分化の効果を好ましく得るためには、5μm以上40μm以下であってもよい。
溝の溝幅Wは、特に限定されないが、磁区細分化の効果を好ましく得るためには、10μm~250μmであってもよい。
図1は、本実施形態に係る方向性電磁鋼板1の平面図である。
図2は、図1のA-A線における矢視断面図である。
図3は、図1のB-B線における矢視断面図である。
なお、図1~図3において、方向性電磁鋼板1の圧延方向をX、方向性電磁鋼板1の板幅方向(同一平面内で圧延方向に直交する方向)をY、方向性電磁鋼板1の板厚方向(XY平面に直交する方向)をZと定義する。
図1~3に示すように、方向性電磁鋼板1は、冷間圧延処理と焼鈍処理との組み合わせによって、結晶粒の磁化容易軸と圧延方向Xとが一致するように結晶方位が制御された鋼板(地鉄)2と、鋼板2の表面(鋼板表面2a)に形成されたグラス皮膜3と、グラス皮膜3の表面に形成された絶縁皮膜4とを備えている。なお、図3に示すように、本実施形態では、絶縁皮膜4は、強度向上の観点から、円相当径が0.1μm以上2μm以下である鉄含有粒子6を含んでいてもよい。
すなわち、図2は、1つの溝5を、溝延在方向及び板厚方向Zを含む断面で視た図である。
また、図3は、1つの溝5を、溝延在方向に直交する断面で視た図である。
なお、溝5は、圧延方向Xと交差するように設けられていればよく、必ずしも、溝延在方向と圧延方向Xとが直交している必要はない。
本開示の巻鉄心においては、溝5が方向性電磁鋼板1の圧延方向と交差する方向の角度が、圧延方向に対して0<θ≦90°であってもよく、還流磁区を制御しやすくする観点から、圧延方向に対して0<θ≦60°であってもよく、0<θ<30°であってもよい。
ただし、本実施形態では、説明の便宜上、溝延在方向と圧延方向Xとが直交している場合を例示する。また、溝5は、板厚方向Zから視た場合(溝5を平面視した場合)に、弓状の形状を有してもよい。ただし、本実施形態では、説明の便宜上、直線形状を有する溝5を例示する。
観察範囲50は、溝5の延在方向における端部を除く領域(すなわち、溝底の形状が安定している領域)に設定することが望ましい。
例えば、観察範囲50は、溝延在方向の長さが300μm程度となるような観察領域とすればよい。
次に、レーザ式表面粗さ測定器等を用いて、溝5の表面粗さを仮想線L1に沿って測定すると、図5に示すように、溝5の溝延在方向の輪郭を成す測定断面曲線MCL1が仮想線L1に沿う形で得られる。
上記のように仮想線L1について得られた測定断面曲線MCL1に低域フィルタ(カットオフ値λs)を適用して断面曲線を得た後、その断面曲線に帯域フィルタ(カットオフ値λf、λc)を適用して、断面曲線から長い波長成分と短い波長成分を除去すると、図6に示すように、溝5の溝延在方向の輪郭を成すうねり曲線LWC1が仮想線L1に沿う形で得られる。
うねり曲線は、後述の粗さ曲線RCとともに輪郭曲線の一種であるが、粗さ曲線RCが特に輪郭の表面粗さを精度良く示すのに適した輪郭曲線であるのに対して、うねり曲線は輪郭の形状そのものを滑らかな線で単純化するのに適した輪郭曲線である。
なお、鋼板表面2aと溝5の輪郭(うねり曲線LWC1)との間の距離を測定するためには、Z方向における鋼板表面2aの位置(高さ)を予め測定しておく必要がある。
例えば、観察範囲50内の鋼板表面2aにおける複数箇所のそれぞれについて、レーザ式表面粗さ測定器を用いてZ方向の位置(高さ)を測定し、それらの測定結果の平均値を鋼板表面2aの高さとして利用してもよい。
上記溝基準線BLの溝平均深さを溝5の溝深さD(単位はμm)と定義する。
例えば、図7に示すように、仮想線L1~Lnのそれぞれについて得られた溝平均深さD1~Dnのうち、溝平均深さD3が最大である場合、仮想線L3が溝基準線BLと定義され、仮想線L3の溝平均深さD3が溝5の溝深さDと定義される。
なお、磁区細分化の効果を好ましく得るためには、本実施形態における溝5の溝幅Wが10μm~250μmであることが好ましい。この溝幅Wは、溝延在方向に直交する溝短手断面での溝5のうねり曲線上で、鋼板表面2aから板厚方向Zに溝5の表面に向かう深さが、溝5の溝深さDに対し0.05×Dとなる2つの点を結ぶ線分の長さ(溝開口部)として求めればよい(図10参照)。
本実施形態では、図8に示すように、溝基準線BL及び板厚方向Zを含む溝長手断面で溝5を視た場合に、観察範囲50に現れる溝5の輪郭を溝底領域5aと定義する。
粗さ曲線RCは、溝基準線BLについて得られた測定断面曲線にカットオフ値λsの低域フィルタを適用して断面曲線を得た後、その断面曲線に高域フィルタ(カットオフ値λc)を適用して、断面曲線から長い波長成分を除くことで得られる。
以下では、溝短手断面で溝5を視た場合における溝5と鋼板表面2aとの境界Gの特定方法の一例について説明する。
図10に示すように、溝短手断面で溝5を視た場合に、溝短手断面に現れる溝5の輪郭を成す測定断面曲線をうねり曲線に変換したものを溝短手うねり曲線SWCと定義する。
図10に示すように、XY平面内において溝基準線BLに直交する仮想線Lsを仮想的に設定し、レーザ式表面粗さ測定器等を用いて、溝5を含む鋼板2の表面粗さを仮想線Lsに沿って測定すると、溝短手断面における溝5の輪郭を成す測定断面曲線が仮想線Lsに沿う形で得られる。
溝短手断面に現れる溝短手うねり曲線SWCは、上記のように仮想線Lsについて得られた測定断面曲線に低域フィルタ(カットオフ値λs)を適用して断面曲線を得た後、その断面曲線に帯域フィルタ(カットオフ値λf、λc)を適用して、断面曲線から長い波長成分と短い波長成分を除くことで得られる。
本実施形態では、図10に示すように、溝短手うねり曲線SWCにおいて、下記条件式(1)を満足する領域を溝領域5bと定義し、溝領域5b以外の領域を鋼板領域2bと定義する。
溝領域5bと鋼板領域2bとの境界が、溝5と鋼板表面2aとの境界Gとして特定される。
なお、溝領域5bの幅が、溝幅Wに相当する。
fi ≧ 0.05×D …(1)
(ただし、iは、1~pの整数)
巻鉄心は、従来公知の方法で製造することができる。
例えば、巻鉄心は、フープをせん断してドーナツ状に巻き取った後、コーナー部をプレスし、矩形に成形し焼鈍を行い、歪取と形状保持を行うことによって製造される。
そして、鋼板の突合せ部分となる接合部が形成される。突合せ部分での磁気抵抗の上昇による鉄損劣化を抑えるため、この突合せは通常、ステップ状に配置される。
巻鉄心は、必要に応じて結束バンド等、公知の締付具等を用いて固定されていてもよい。
本開示においては、巻鉄心のコーナー部の形状は特に限定されない。
また、本開示においては、巻鉄心の接合部の数は特に限定されない。
以下、本開示について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載により本開示を制限するものではない。
素材23ZH(鉄損W17/50=0.80W/kg)を溝底形状が変化するように、圧延方向における溝の中心線間間隔が3mmであり、溝延在方向が、素材鋼板の圧延方向に対して10°の角度で交差する溝を形成し、磁区制御した素材を準備した。
表1に示す条件の素材を用いて、溝が外巻側に面するように巻鉄心(鉄心質量:18.76kg、容量:5KVA、寸法は図11に記載(図11において単位はmm))を製造した。
そして、巻鉄心のBFについて、素材鉄損および巻鉄心鉄損をJIS C 2550-1記載の方法で評価し、それぞれの鉄損で除すことで算出した。結果について表1に示す。
表1~3に記載の素材を準備し、実施例1と同様の方法で巻鉄心を製造し、BFを算出した。結果について表1~3に示す。なお、表1~2は、最内周部の曲率半径を3mmに統一して、Ra及びRSmを変化させて測定したデータをまとめたものである。また、表3は、RSmを120μmに統一して、最内周部の曲率半径とRaを変化させて測定したデータをまとめたものである。
表1~2の結果に示されるように、実施例の巻鉄心は、比較例の巻鉄心と比較してビルディングファクターが低減することが明らかとなった。
具体的には、最内周部の曲げ加工部曲率半径が3mmで、Raが1.1μm以上、2.7μm以下であり、RSmが50μm以上、150μm以下であれば、溝が巻鉄心の外巻側に面するように配置することにより、内巻側に面する場合よりも巻鉄心の鉄損を低減することができることがわかった。
また、表3に示すように、最内周部の曲げ加工部曲率半径が3mm以上50mm以下であれば、溝が巻鉄心の外巻側に面するように配置することにより、内巻側に面する場合と同等かそれ以下に巻鉄心の鉄損を低減することができることがわかった。
さらに、表3に示すように、最内周部の曲げ加工部曲率半径が3mm以上30mm以下であれば、溝が巻鉄心の外巻側に面するように配置することにより、内巻側に面する場合よりも巻鉄心の鉄損を低減することができ、3mm以上20mm以下であれば、より巻鉄心の鉄損低減効果が得られることがわかった。
2 鋼板(母鋼板)
2a 鋼板表面
2b 鋼板領域
3 グラス皮膜
4 絶縁皮膜
5 溝
5a 溝底領域
5b 溝領域
6 鉄含有粒子
50 観察範囲
G 境界
BL 溝基準線
MCL1 測定断面曲線
LWC1 溝長手うねり曲線
SWC 溝短手うねり曲線
Ls 仮想線
f 深さ
RC 粗さ曲線
W 溝幅
X 圧延方向
Y 板幅方向
Z 板厚方向
Claims (4)
- 圧延方向と交差する方向に延在し且つ溝深さ方向が板厚方向となる耐SRA磁区制御のための溝が形成された鋼板表面を有する方向性電磁鋼板を含む巻鉄心であって、
前記溝が外巻側に面し、
圧延方向における前記溝の中心線間間隔が2mm以上5mm未満であり、
最内周部の曲げ加工部曲率半径が50mm以下であり、
溝延在方向及び前記板厚方向を含む溝長手断面で前記溝を視た場合に、前記溝の溝底領域の輪郭を成す粗さ曲線の算術平均高さRaが1.1μm以上、2.7μm以下であり、
前記溝底領域の前記輪郭を成す粗さ曲線要素の平均長さRSmが50μm以上、150μm以下であることを特徴とする巻鉄心。 - 前記Raが1.3μm以上、2.5μm以下であって、前記RSmは60μm以上、130μm以下である、請求項1に記載の巻鉄心。
- 前記溝の圧延方向と交差する方向の角度が、圧延方向に対して0<θ<30°である、請求項1又は2に記載の巻鉄心。
- 前記最内周部の曲げ加工部曲率半径が3mm以上、10mm未満である、請求項1~3のいずれか一項に記載の巻鉄心。
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