JP7381941B2 - 積層コアおよび電気機器 - Google Patents
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Description
本願は、2019年11月15日に、日本に出願された特願2019-206674号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
このような積層コアを構成する電磁鋼板を一方向性電磁鋼板とすると、前述の2つの方向を、磁化容易軸の方向(圧延方向とのなす角度が0°の方向)と、磁化困難軸の方向(圧延方向とのなす角度が90°の方向)に対応させる。一方向性電磁鋼板では、磁化容易軸の方向の磁気特性は良好である。しかしながら、磁化容易軸の方向の磁気特性に対し磁化困難軸の方向の磁気特性は著しく劣化する。従って、コア全体の鉄損が増加する等、コアの性能が劣化する。
(1)本発明の一態様に係る積層コアは、板面同士が相互に対向するように積層された複数の電磁鋼板を有する積層コアであって、前記複数の電磁鋼板の各々は、複数の脚部と、前記積層コアが励磁された際に、前記積層コアにおいて閉磁路が形成されるように、前記脚部の延設方向に対し垂直な方向を延設方向として配置される複数の継鉄部と、を備え、前記複数の脚部を構成する前記電磁鋼板の積層方向と前記複数の継鉄部を構成する前記電磁鋼板の積層方向は、同じであり、前記電磁鋼板は、質量%で、C:0.0100%以下、Si:1.50%~4.00%、sol.Al:0.0001%~1.0%、S:0.0100%以下、N:0.0100%以下、Mn、Ni、Co、Pt、Pb、Cu、Auからなる群から選ばれる1種以上:総計で2.50%~5.00%、Sn:0.000%~0.400%、Sb:0.000%~0.400%、P:0.000%~0.400%、およびMg、Ca、Sr、Ba、Ce、La、Nd、Pr、Zn、Cdからなる群から選ばれる1種以上:総計で0.0000%~0.0100%を含有し、Mn含有量(質量%)を[Mn]、Ni含有量(質量%)を[Ni]、Co含有量(質量%)を[Co]、Pt含有量(質量%)を[Pt]、Pb含有量(質量%)を[Pb]、Cu含有量(質量%)を[Cu]、Au含有量(質量%)を[Au]、Si含有量(質量%)を[Si]、sol.Al含有量(質量%)を[sol.Al]としたときに、以下の(A)式を満たし、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、圧延方向のB50をB50L、圧延方向とのなす角度が90°の方向のB50をB50C、圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向のB50のうち一方の方向のB50、他方の方向のB50を、それぞれ、B50D1、B50D2としたときに、以下の(B)式且つ(D)式を満たし、{100}<011>のX線ランダム強度比が5以上30未満であり、板厚が0.50mm以下であり、前記圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向のうちの何れかの方向が、前記脚部の延設方向および前記継鉄部の延設方向の何れかに沿うように、前記電磁鋼板が配置されており、前記磁気特性が最も優れる2つの方向は、前記圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向であることを特徴とする。
([Mn]+[Ni]+[Co]+[Pt]+[Pb]+[Cu]+[Au])-([Si]+[sol.Al])>0% ・・・(A)
(B50D1+B50D2)/2>1.7T ・・・(B)
(B50D1+B50D2)/2>1.1×(B50L+B50C)/2・・・(D)
ここで、磁束密度B50とは、磁界の強さ5000A/mで励磁したときの磁束密度である。
(2)本発明の一態様に係る積層コアは、板面同士が相互に対向するように積層された複数の電磁鋼板を有する積層コアであって、前記複数の電磁鋼板の各々は、複数の脚部と、前記積層コアが励磁された際に、前記積層コアにおいて閉磁路が形成されるように、前記脚部の延設方向に対し垂直な方向を延設方向として配置される複数の継鉄部と、を備え、前記複数の脚部を構成する前記電磁鋼板の積層方向と前記複数の継鉄部を構成する前記電磁鋼板の積層方向は、同じであり、前記電磁鋼板は、質量%で、C:0.0100%以下、Si:1.50%~4.00%、sol.Al:0.0001%~1.0%、S:0.0100%以下、N:0.0100%以下、Mn、Ni、Co、Pt、Pb、Cu、Auからなる群から選ばれる1種以上:総計で2.50%~5.00%、Sn:0.000%~0.400%、Sb:0.000%~0.400%、P:0.000%~0.400%、およびMg、Ca、Sr、Ba、Ce、La、Nd、Pr、Zn、Cdからなる群から選ばれる1種以上:総計で0.0000%~0.0100%を含有し、Mn含有量(質量%)を[Mn]、Ni含有量(質量%)を[Ni]、Co含有量(質量%)を[Co]、Pt含有量(質量%)を[Pt]、Pb含有量(質量%)を[Pb]、Cu含有量(質量%)を[Cu]、Au含有量(質量%)を[Au]、Si含有量(質量%)を[Si]、sol.Al含有量(質量%)を[sol.Al]としたときに、以下の(A)式を満たし、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、圧延方向のB50をB50L、圧延方向とのなす角度が90°の方向のB50をB50C、圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向のB50のうち一方の方向のB50、他方の方向のB50を、それぞれ、B50D1、B50D2としたときに、以下の(C)式且つ(F)式を満たし、{100}<011>のX線ランダム強度比が5以上30未満であり、板厚が0.50mm以下であり、前記電磁鋼板の磁気特性が最も優れる2つの方向のうちの何れかの方向が、前記脚部の延設方向および前記継鉄部の延設方向の何れかに沿うように、前記電磁鋼板が配置されており、前記磁気特性が最も優れる2つの方向は、前記圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向であることを特徴とする。
([Mn]+[Ni]+[Co]+[Pt]+[Pb]+[Cu]+[Au])-([Si]+[sol.Al])>0%・・・(A)
(B50D1+B50D2)/2>(B50L+B50C)/2・・・(C)
(B50D1+B50D2)/2>1.8T・・・(F)
(3)上記(1)または(2)に記載の積層コアは、以下の(E)式を満たしてよい。
(B50D1+B50D2)/2>1.2×(B50L+B50C)/2・・・(E)
(4)上記(1)~(3)のいずれか一項に記載の積層コアは、前記電磁鋼板は、質量%で、前記Sn:0.020%~0.400%、または、前記Sb:0.020%~0.400%を含有してよい。
(5)上記(1)~(4)のいずれか一項に記載の積層コアは、EIコア、EEコア、UIコア、またはUUコアであってよい。
(6)本発明の一態様に係る電気機器は、上記(1)から(5)の何れか1項に記載の積層コアと、前記積層コアに対して周回するように配置されるコイルとを有することを特徴とする。
まず、後述する実施形態の積層コアに使用する電磁鋼板について説明する。
まず、積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板およびその製造方法で用いられる鋼材の化学組成について説明する。以下の説明において、無方向性電磁鋼板または鋼材に含まれる各元素の含有量の単位である「%」は、特に断りがない限り「質量%」を意味する。また、「~」を挟んで記載する数値限定範囲には、下限値および上限値がその範囲に含まれる。「未満」または「超」と示す数値には、その値が数値範囲に含まれない。積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板および鋼材は、フェライト-オーステナイト変態(以下、α-γ変態)が生じ得る化学組成であって、C:0.0100%以下、Si:1.50%~4.00%、sol.Al:0.0001%~1.0%、S:0.0100%以下、N:0.0100%以下、Mn、Ni、Co、Pt、Pb、Cu、Auからなる群から選ばれる1種以上:総計で2.50%~5.00%、Sn:0.000%~0.400%、Sb:0.000%~0.400%、P:0.000%~0.400%、およびMg、Ca、Sr、Ba、Ce、La、Nd、Pr、Zn、およびCdからなる群から選ばれる1種以上:総計で0.0000%~0.0100%を含有し、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有する。更に、Mn、Ni、Co、Pt、Pb、Cu、Au、Siおよびsol.Alの含有量が後述する所定の条件を満たす。不純物としては、鉱石やスクラップ等の原材料に含まれるもの、製造工程において含まれるもの、が例示される。
Cは、鉄損を高めたり、磁気時効を引き起こしたりする。従って、C含有量は低ければ低いほどよい。このような現象は、C含有量が0.0100%超で顕著である。このため、C含有量は0.0100%以下とする。C含有量の低減は、板面内の全方向における磁気特性の均一な向上にも寄与する。尚、C含有量の下限は特に限定しないが、精錬時の脱炭処理のコストを踏まえ、0.0005%以上とすることが好ましい。
Siは、電気抵抗を増大させて、渦電流損を減少させ、鉄損を低減したり、降伏比を増大させて、鉄心への打ち抜き加工性を向上したりする。Si含有量が1.50%未満では、これらの作用効果を十分に得られない。従って、Si含有量は1.50%以上とする。一方、Si含有量が4.00%超では、磁束密度が低下したり、硬度の過度な上昇により打ち抜き加工性が低下したり、冷間圧延が困難になったりする。従って、Si含有量は4.00%以下とする。
sol.Alは、電気抵抗を増大させて、渦電流損を減少させ、鉄損を低減する。sol.Alは、飽和磁束密度に対する磁束密度B50の相対的な大きさの向上にも寄与する。ここで、磁束密度B50とは、磁界の強さ5000A/mで励磁したときの磁束密度である。sol.Al含有量が0.0001%未満では、これらの作用効果を十分に得られない。また、Alには製鋼での脱硫促進効果もある。従って、sol.Al含有量は0.0001%以上とする。一方、sol.Al含有量が1.0%超では、磁束密度が低下したり、降伏比を低下させて、打ち抜き加工性を低下させたりする。従って、sol.Al含有量は1.0%以下とする。
Sは、必須元素ではなく、例えば鋼中に不純物として含有される。Sは、微細なMnSの析出により、焼鈍における再結晶および結晶粒の成長を阻害する。従って、S含有量は低ければ低いほどよい。このような再結晶および結晶粒成長の阻害による鉄損の増加および磁束密度の低下は、S含有量が0.0100%超で顕著である。このため、S含有量は0.0100%以下とする。尚、S含有量の下限は特に限定しないが、精錬時の脱硫処理のコストを踏まえ、0.0003%以上とすることが好ましい。
NはCと同様に、磁気特性を劣化させるので、N含有量は低ければ低いほどよい。したがって、N含有量は0.0100%以下とする。尚、N含有量の下限は特に限定しないが、精錬時の脱窒処理のコストを踏まえ、0.0010%以上とすることが好ましい。
これらの元素は、α-γ変態を生じさせるために必要な元素であることから、これらの元素を総計で2.50%以上含有させる必要がある。一方で、総計で5.00%を超えると、コスト高となり、磁束密度が低下する場合もある。したがって、これらの元素を総計で5.00%以下とする。
([Mn]+[Ni]+[Co]+[Pt]+[Pb]+[Cu]+[Au])-([Si]+[sol.Al])>0% ・・・(1)
SnやSbは冷間圧延、再結晶後の集合組織を改善して、その磁束密度を向上させる。そのため、これらの元素を必要に応じて含有させてもよいが、過剰に含まれると鋼を脆化させる。したがって、Sn含有量、Sb含有量はいずれも0.400%以下とする。また、Pは再結晶後の鋼板の硬度を確保するために含有させてもよいが、過剰に含まれると鋼の脆化を招く。したがって、P含有量は0.400%以下とする。以上のように磁気特性等のさらなる効果を付与する場合には、0.020%~0.400%のSn、0.020%~0.400%のSb、および0.020%~0.400%のPからなる群から選ばれる1種以上を含有することが好ましい。
Mg、Ca、Sr、Ba、Ce、La、Nd、Pr、ZnおよびCdは、溶鋼の鋳造時に溶鋼中のSと反応して硫化物若しくは酸硫化物またはこれらの両方の析出物を生成する。以下、Mg、Ca、Sr、Ba、Ce、La、Nd、Pr、ZnおよびCdを総称して「粗大析出物生成元素」ということがある。粗大析出物生成元素の析出物の粒径は1μm~2μm程度であり、MnS、TiN、AlN等の微細析出物の粒径(100nm程度)よりはるかに大きい。このため、これら微細析出物は粗大析出物生成元素の析出物に付着し、中間焼鈍における再結晶および結晶粒の成長を阻害しにくくなる。これらの作用効果を十分に得るためには、これらの元素の総計が0.0005%以上であることが好ましい。但し、これらの元素の総計が0.0100%を超えると、硫化物若しくは酸硫化物またはこれらの両方の総量が過剰となり、中間焼鈍における再結晶および結晶粒の成長が阻害される。従って、粗大析出物生成元素の含有量は総計で0.0100%以下とする。
次に、積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板の集合組織について説明する。製造方法の詳細については後述するが、積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板はα-γ変態が生じ得る化学組成であり、熱間圧延での仕上げ圧延終了直後の急冷によって組織を微細化することによって{100}結晶粒が成長した組織となる。これにより、積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板は{100}<011>方位の集積強度が5~30となり、圧延方向に対して45°方向の磁束密度B50が特に高くなる。このように特定の方向で磁束密度が高くなるが、全体的に全方向平均で高い磁束密度が得られる。{100}<011>方位の集積強度が5未満になると、磁束密度を低下させる{111}<112>方位の集積強度が高くなり、全体的に磁束密度が低下してしまう。また、{100}<011>方位の集積強度が30を超える製造方法は熱間圧延板を厚くする必要があり、製造が困難という課題がある。
次に、積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板の厚さについて説明する。積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板の厚さは、0.50mm以下である。厚さが0.50mm超であると、優れた高周波鉄損を得ることができない。従って、厚さは0.50mm以下とする。
次に、積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板の磁気特性について説明する。磁気特性を調べる際には、積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板の磁束密度であるB50の値を測定する。製造された無方向性電磁鋼板において、その圧延方向の一方と他方とは区別できない。そのため本実施形態では、圧延方向とはその一方および他方の双方向をいう。圧延方向におけるB50(T)の値をB50L、圧延方向から45°傾いた方向におけるB50(T)の値をB50D1、圧延方向から90°傾いた方向におけるB50(T)の値をB50C、圧延方向から135°傾いた方向におけるB50(T)の値をB50D2とすると、B50D1およびB50D2が最も高く、B50LおよびB50Cが最も低いという磁束密度の異方性がみられる。尚、(T)は、磁束密度の単位(テスラ)を指す。
(B50D1+B50D2)/2>1.7T ・・・(2)
(B50D1+B50D2)/2>(B50L+B50C)/2・・・(3)
(B50D1+B50D2)/2>1.1×(B50L+B50C)/2・・・(4)
更に、以下の(5)式のように、磁束密度の異方性がより高いことが好ましい。
(B50D1+B50D2)/2>1.2×(B50L+B50C)/2・・・(5)
更に、以下の(6)式のように、B50D1およびB50D2の平均値が1.8T以上となることが好ましい。
(B50D1+B50D2)/2>1.8T ・・・(6)
次に、積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板の製造方法の一例について説明する。積層コアに使用する電磁鋼板の一例である無方向性電磁鋼板を製造する際には、例えば、熱間圧延、冷間圧延(第1の冷間圧延)、中間焼鈍(第1の焼鈍)、スキンパス圧延(第2の冷間圧延)、仕上焼鈍(第3の焼鈍)、歪取焼鈍(第2の焼鈍)等が行われる。
なお、本実施形態においてAr1温度は、1℃/秒の平均冷却速度で冷却中の鋼材(鋼板)の熱膨張変化から求める。また、本実施形態においてAc1温度は、1℃/秒の平均加熱速度で加熱中の鋼材(鋼板)の熱膨張変化から求める。
溶鋼を鋳造することにより、以下の表1から表2に示す成分のインゴットを作製した。ここで、式左辺とは、前述の(1)式の左辺の値を表している。その後、作製したインゴットを1150℃まで加熱して熱間圧延を行い、板厚が2.5mmになるように圧延した。そして、仕上げ圧延終了後に水冷し熱間圧延鋼板を巻き取った。この時の仕上げ圧延の最終パスの段階での温度(仕上温度)は830℃であり、すべてAr1温度より大きい温度だった。尚、γ-α変態が起こらないNo.108については、仕上温度を850℃とした。また、巻取り温度については表1に示す条件にて行った。
溶鋼を鋳造することにより、以下の表3に示す成分のインゴットを作製した。その後、作製したインゴットを1150℃まで加熱して熱間圧延を行い、板厚が2.5mmになるように圧延した。そして、仕上げ圧延終了後に水冷し熱間圧延鋼板を巻き取った。この時の仕上げ圧延の最終パスの段階での仕上温度は830℃であり、すべてAr1温度より大きい温度だった。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、特に断りがなければ、電磁鋼板は、(積層コアに使用する電磁鋼板)の項で説明した無方向性電磁鋼板であるものとする。尚、以下の説明では、(積層コアに使用する電磁鋼板)の説明において、圧延方向から45°傾いた方向と、圧延方向から135°傾いた方向を、必要に応じて、圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向と総称する。尚、当該45°は、時計回りおよび反時計回りの何れの向きの角度も正の値を有するものとして表記したものである。時計回りの方向を負の方向とし、反時計回りの方向を正の方向とする場合、圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向は、圧延方向となす角度が45°、-45°となる2つの方向となる。その他、圧延方向からθ°傾いた方向を、必要に応じて、圧延方向となす角度がθ°の方向と称する。このように、圧延方向からθ°傾いた方向と、圧延方向となす角度がθ°の方向は、同じ意味である。また、以下の説明において、長さ、方向、位置等が同じである(一致する)ことは、(厳密に)同じである(一致する)場合の他、発明の主旨を逸脱しない範囲内(例えば、製造工程において生じる誤差の範囲内)で同じである(一致する)ことも含むものとする。また、各図において、X-Y-Z座標は、各図における向きの関係を示すものである。○の中に●が付されている記号は、紙面の奥側から手前側の向かう方向を示す。
まず、第1の実施形態を説明する。本実施形態では、積層コアがEIコアである場合を例に挙げて説明する。
図1は、積層コア100の外観構成の一例を示す図である。尚、図1において、Z軸方向に並べて示す「・・・」は、図示されているものがZ軸の負の方向に連続して繰り返し配置されることを指す(このことはその他の図でも同じである)。図2は、積層コア100の各層における電磁鋼板の配置の一例を示す図である。図2(a)は、上から(Z軸の正の方向側から数えて)奇数番目の電磁鋼板の配置の一例を示す図である。図2(b)は、上から偶数番目の電磁鋼板の配置の一例を示す図である。
積層コア100は、X軸方向を長手方向(延設方向)とし、Y軸方向において間隔を有して配置される3つの脚部210a~210cと、Y軸方向を長手方向(延設方向)とし、X軸方向において間隔を有して配置される2つの継鉄部220a~220bと、を有する。3つの脚部210a~210cの長手方向(X軸方向)の一端に2つの継鉄部220a~220bのうちの一方が配置される。3つの脚部210a~210cの長手方向(X軸方向)の他端に2つの継鉄部220a~220bのうちの他方が配置される。3つの脚部210a~210cと2つの継鉄部220a~220bは、磁気的に結合されている。図2(a)および図2(b)に示すように、積層コア100の同一の層における板面の形状は、概ね、EとIを組み合わせた日の字状(四角ばった8の字状、squarish eight shape)となる。
同じ層に配置されるE型の電磁鋼板110とI型の電磁鋼板120との間隔は短いほど好ましい。同じ層に配置されるE型の電磁鋼板110が構成する3つの脚部210a~210cの先端の板厚部分とI型の電磁鋼板120が構成する継鉄部220a~220bの板厚部分とは接触しているのがより好ましい。
I型の電磁鋼板120の磁気特性が最も優れる方向は、I型の電磁鋼板120が構成する継鉄部220a~220bの長手方向(Y軸方向)と一致する。
以下の説明では、磁気特性が最も優れる方向を、必要に応じて磁化容易方向と称する。
図3において、一点鎖線で示す仮想線310は、電磁鋼帯の圧延方向(以下、圧延方向310ともいう)を示す。破線で示す仮想線320a~320bは、電磁鋼帯の磁化容易方向(以下、磁化容易方向320a~320bともいう)を示す。尚、図3において、仮想線310に平行な方向は、全て電磁鋼帯の圧延方向であり、仮想線320a~320bに平行な方向は、全て電磁鋼帯の磁化容易方向である。
また、3つの脚部210a~210cの先端同士が合うように2つのE型の電磁鋼板110を構成する領域330a、330bを電磁鋼帯から切り抜くと、2つのE型の電磁鋼板110が構成する3つの脚部210a~210cの間のI型の領域340a~340bも切り抜かれる。I型の領域340a~340bの長手方向は、電磁鋼帯の2つの磁化容易方向320a~320bのうちの一方の磁化容易方向320aに一致する。そこで、本実施形態では、I型の領域340a~340bを用いてI型の電磁鋼板120を形成する。
以上のように、E型の電磁鋼板110が構成する3つの脚部210a~210cの間の領域を、I型の電磁鋼板120として利用することにより、電磁鋼帯の領域のうち、E型の電磁鋼板110にもI型の電磁鋼板120にもならない領域を削減することができる。
なおこのように、1枚のE型の電磁鋼板110と1枚のI型の電磁鋼板120とを組み合わせた1つの層(単層)が、E型の電磁鋼板110の脚部210a~210cの先端が向く方向が交互に180°反対向きになるように積層されていてもよい。この単層での積層方法では、以下に示す複数層での積層方法とは異なり、そのまま電磁鋼板の向きを変えずに積層する構造が不要となるため、製造設備を簡素化できる。さらには、前述の層が、E型の電磁鋼板110の脚部210a~210cの先端が向く方向を合わせて複数層、積層された第1の積層体と、前述の層が、E型の電磁鋼板110の脚部210a~210cの先端が向く方向が180°反対向きになるように複数層、積層された第2の積層体と、が交互に積層されていてもよい。この複数層での積層方法を適用すると、コア製作の効率が向上する。
一次コイル410の両端には、入力電圧(励磁電圧)が印加される。二次コイル420の両端には、一次コイル410と二次コイル420の巻数比に応じた出力電圧が出力される。電気機器400の励磁周波数(一次コイル410に流す励磁電流の周波数)は、商用周波数であっても、商用周波数を上回る周波数(例えば、100Hz以上10kHz未満の範囲の周波数)であってもよい。
一次コイル410の厚みと二次コイル420の厚みの合計値は、積層コア100の3つの脚部210a~210cのうち相互に隣り合う2つの脚部210a~210b、210b~210cの(Y軸方向の)間隔を下回る。
また、(積層コアに使用する電磁鋼板)の項で説明したように、積層コア100に対して歪取焼鈍が行われる。
次に、第2の実施形態を説明する。第1の実施形態では、積層コアがEIコアである場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、積層コアがEEコアである場合を例に挙げて説明する。このように本実施形態と第1の実施形態は、積層コアを構成する電磁鋼板が主として異なる。従って、本実施形態の説明において、第1の実施形態と同一の部分については、図1~図4に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
図5および図6において、積層コア500は、複数のE型の電磁鋼板510を有する。
積層コア500は、X軸方向を長手方向とし、Y軸方向において間隔を有して配置される3つの脚部610a~610cと、Y軸方向を長手方向とし、X軸方向において間隔を有して配置される2つの継鉄部620a~620bと、を有する。3つの脚部610a~610cの長手方向(X軸方向)の一端に2つの継鉄部620a~620bのうちの一方が配置される。3つの脚部610a~610cの長手方向(X軸方向)の他端に2つの継鉄部620a~620bのうちの他方が配置される。3つの脚部610a~610cと2つの継鉄部620a~620bは、磁気的に結合されている。図6に示すように、積層コア500の同一の層における板面の形状は、概ね、2つのEを組み合わせた日の字状となる。
図7において、一点鎖線で示す仮想線710は、電磁鋼帯の圧延方向(以下、圧延方向710ともいう)を示す。破線で示す仮想線720a~720bは、電磁鋼帯の磁化容易方向(以下、磁化容易方向720a~720bともいう)を示す。尚、図7において、仮想線710に平行な方向は、全て電磁鋼帯の圧延方向であり、仮想線720a~720bに平行な方向は、全て電磁鋼帯の磁化容易方向である。また、図7では、説明の都合上、切り抜かれた電磁鋼板に対応する脚部610a~610cおよび継鉄部620a~620bを併せて示す。
図7に示す例では、E型の電磁鋼板510が構成する3つの脚部610a~610cの長手方向が、電磁鋼帯の2つの磁化容易方向720a~720bのうちの一方の磁化容易方向720aに一致し、且つ、E型の電磁鋼板510が構成する継鉄部620a~620bの長手方向が、電磁鋼帯の2つの磁化容易方向720a~720bのうちの他方の磁化容易方向720bに一致するように、E型の電磁鋼板510を構成する領域730a~730eを電磁鋼帯から切り抜く。図7において、実線が切り抜き位置を示す。尚、表記の都合上、図7では、E型の電磁鋼板510を構成する領域730d~730eの一部の図示を省略する。
以上のように、E型の電磁鋼板510が構成する3つの脚部610a~610cの間の領域を、当該E型の電磁鋼板510とは別のE型の電磁鋼板510が構成する3つの脚部610a~610cのうち一方の端の脚部として利用することにより、電磁鋼帯の領域のうち、E型の電磁鋼板510にならない領域を削減することができる。
また、(積層コアに使用する電磁鋼板)の項で説明したように、積層コア500に対して歪取焼鈍が行われる。
尚、本実施形態においても、第1の実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
次に、第3の実施形態を説明する。第1の実施形態では、積層コアがEIコアであり、第2の実施形態では、積層コアがEEコアである場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、積層コアがUIコアである場合を例に挙げて説明する。このように本実施形態と第1~第2の実施形態は、積層コアを構成する電磁鋼板が主として異なる。従って、本実施形態の説明において、第1~第2の実施形態と同一の部分については、図1~図7に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
積層コア800は、X軸方向を長手方向とし、Y軸方向において間隔を有して配置される2つの脚部910a~910bと、Y軸方向を長手方向とし、X軸方向において間隔を有して配置される2つの継鉄部920a~920bと、を有する。2つの脚部910a~910bの長手方向(X軸方向)の一端に2つの継鉄部920a~920bのうちの一方が配置される。2つの脚部910a~910bの長手方向(X軸方向)の他端に2つの継鉄部920a~920bのうちの他方が配置される。2つの脚部910a~910bと2つの継鉄部920a~920bは、磁気的に結合されている。図9(a)および図9(b)に示すように、積層コア800の同一の層における板面の形状は、概ね、UとIを組み合わせた口の字状(矩形状、square shape)となる。
同じ層に配置されるU型の電磁鋼板810とI型の電磁鋼板820との間隔は短いほど好ましい。同じ層に配置されるU型の電磁鋼板810が構成する2つの脚部910a~910bの先端の板厚部分とI型の電磁鋼板820が構成する継鉄部920a~920bの板厚部分とは接触しているのがより好ましい。
I型の電磁鋼板820の磁化容易方向は、I型の電磁鋼板820が構成する継鉄部920a~920bの長手方向(Y軸方向)と一致する。
図10において、一点鎖線で示す仮想線1010は、電磁鋼帯の圧延方向(以下、圧延方向1010ともいう)を示す。破線で示す仮想線1020a~1020bは、電磁鋼帯の磁化容易方向(以下、磁化容易方向1020a~1020bともいう)を示す。尚、図10において、仮想線1010に平行な方向は、全て電磁鋼帯の圧延方向であり、仮想線1020a~1020bに平行な方向は、全て電磁鋼帯の磁化容易方向である。
図10に示す例では、U型の電磁鋼板810が構成する2つの脚部910a~910bの長手方向が、電磁鋼帯の2つの磁化容易方向1020a~1020bのうちの一方の磁化容易方向1020aに一致し、且つ、U型の電磁鋼板810が構成する継鉄部920a~920bの長手方向が、電磁鋼帯の2つの磁化容易方向1020a~1020bのうちの他方の磁化容易方向1020bに一致するように、U型の電磁鋼板810を構成する領域1030a、1030bを電磁鋼帯から切り抜く。図10において、実線が切り抜き位置を示す。
また、2つの脚部910a~910bの先端同士が合うように2つのU型の電磁鋼板810を構成する領域1030a~1030bを電磁鋼帯から切り抜くと、2つのU型の電磁鋼板810が構成する2つの脚部910a~910bの間のI型の領域1040も切り抜かれる。I型の領域1040の長手方向は、電磁鋼帯の2つの磁化容易方向1020a~1020bのうちの一方の磁化容易方向1020aに一致する。そこで、本実施形態では、I型の領域1040を用いてI型の電磁鋼板820を形成する。
以上のように、U型の電磁鋼板810が構成する2つの脚部910a~910bの間の領域を、I型の電磁鋼板820として利用することにより、電磁鋼帯の領域のうち、U型の電磁鋼板810にもI型の電磁鋼板820にもならない領域を削減することができる。
一次コイル1110a~1110bは、直列または並列に接続される。直列または並列に接続された一次コイル1110a~1110bの両端には入力電圧(励磁電圧)が印加される。二次コイル1120a~1120bは、直列または並列に接続される。直列または並列に接続された二次コイル1120a~1120bの両端には、直列または並列に接続された一次コイル1110a~1110bと直列または並列に接続された二次コイル1120a~1120bの巻数比に応じた出力電圧が出力される。
一次コイル1110a~1110bの厚みと二次コイル1120a~1120bの厚みの合計値は、積層コア800の2つの脚部の(Y軸方向の)間隔を下回る。
尚、積層コア800の固定は、第1の実施形態で説明したように、公知の方法で実現することができる。また、(積層コアに使用する電磁鋼板)の項で説明したように、積層コア800に対して歪取焼鈍が行われる。
尚、本実施形態において、U型の電磁鋼板810の角部は直角であり(屈曲しており)、厳密にはU型ではないが、このような形状もU型に含まれるものとする(角部が曲率を有する(湾曲している)形状もU型に含まれる)。
また、本実施形態においても、第1~第2の実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
次に、実施例を説明する。本実施例では、(積層コアに使用する電磁鋼板)の項で説明した電磁鋼板を用いてEIコアとした積層コアと、公知の無方向性電磁鋼板を用いてEIコアとした積層コアとを比較した。何れの電磁鋼板も、厚さは0.25mmである。公知の無方向性電磁鋼板として、W10/400が12.8W/kgの無方向性電磁鋼板を用いた。W10/400は、磁束密度が1.0T、周波数が400Hzのときの鉄損である。また、当該公知の無方向性電磁鋼板は、圧延方向の磁気特性が最も優れており、磁気特性の異方性は比較的小さい。以下の説明では、当該公知の無方向性電磁鋼板を、必要に応じて素材Aと称する。また、(積層コアに使用する電磁鋼板)の項で説明した電磁鋼板であって、本実施例の積層コアに用いた電磁鋼板を、必要に応じて素材Bと称する。
一方、素材Aでは、圧延方向となす角度が45°~90°近傍においてB50比率は小さくなる。
一方、素材Aでは、W15/50比率は、圧延方向となす角度が0°であるときに最も小さく、圧延方向となす角度が45°~90°近傍において大きくなる。
以上のように素材Bでは、圧延方向となす角度が45°の方向(磁化容易方向)における磁気特性が最も優れる。一方、圧延方向となす角度が0°、90°の方向(圧延方向、および、圧延方向に直交する方向)における磁気特性が最も劣る。
尚、圧延方向から、圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が90°になる方向までの4つの領域(すなわち、0°~22.5°の領域、22.5°~45°の領域、45°~67.5°の領域、67.5°~90°の領域)の磁気特性は、理論的には対称な関係を有する。
素材BのE型の電磁鋼板については、第1の実施形態で説明したように、E型の電磁鋼板が構成する3つの脚部の長手方向と、E型の電磁鋼板が構成する継鉄部の長手方向との2つの方向が2つの磁化容易方向の何れかと一致するようにした。素材BのI型の電磁鋼板についても、第1の実施形態で説明したように、I型の電磁鋼板が構成する継鉄部の長手方向が2つの磁化容易方向の何れかと一致するようにした。
それぞれの積層コアに配置した一次コイルの両端に、周波数および実効値が同じ励磁電流を流し(即ち、それぞれの積層コアを同一の励磁条件で励磁し)、それぞれの積層コアの中央の脚部における磁束密度を測定すると共に鉄損を測定した。また、一次コイルに流れる励磁電流を測定し一次銅損を導出した。
Claims (6)
- 板面同士が相互に対向するように積層された複数の電磁鋼板を有する積層コアであって、
前記複数の電磁鋼板の各々は、
複数の脚部と、
前記積層コアが励磁された際に、前記積層コアにおいて閉磁路が形成されるように、前記脚部の延設方向に対し垂直な方向を延設方向として配置される複数の継鉄部と、を備え、
前記複数の脚部を構成する前記電磁鋼板の積層方向と前記複数の継鉄部を構成する前記電磁鋼板の積層方向は、同じであり、
前記電磁鋼板は、
質量%で、
C:0.0100%以下、
Si:1.50%~4.00%、
sol.Al:0.0001%~1.0%、
S:0.0100%以下、
N:0.0100%以下、
Mn、Ni、Co、Pt、Pb、Cu、Auからなる群から選ばれる1種以上:総計で2.50%~5.00%、
Sn:0.000%~0.400%、
Sb:0.000%~0.400%、
P:0.000%~0.400%、および
Mg、Ca、Sr、Ba、Ce、La、Nd、Pr、Zn、Cdからなる群から選ばれる1種以上:総計で0.0000%~0.0100%を含有し、
Mn含有量(質量%)を[Mn]、Ni含有量(質量%)を[Ni]、Co含有量(質量%)を[Co]、Pt含有量(質量%)を[Pt]、Pb含有量(質量%)を[Pb]、Cu含有量(質量%)を[Cu]、Au含有量(質量%)を[Au]、Si含有量(質量%)を[Si]、sol.Al含有量(質量%)を[sol.Al]としたときに、以下の(A)式を満たし、
残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、
圧延方向のB50をB50L、圧延方向とのなす角度が90°の方向のB50をB50C、圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向のB50のうち一方の方向のB50、他方の方向のB50を、それぞれ、B50D1、B50D2としたときに、以下の(B)式且つ(D)式を満たし、{100}<011>のX線ランダム強度比が5以上30未満であり、板厚が0.50mm以下であり、
前記電磁鋼板の磁気特性が最も優れる2つの方向のうちの何れかの方向が、前記脚部の延設方向および前記継鉄部の延設方向の何れかに沿うように、前記電磁鋼板が配置されており、
前記磁気特性が最も優れる2つの方向は、前記圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向であることを特徴とする積層コア。
([Mn]+[Ni]+[Co]+[Pt]+[Pb]+[Cu]+[Au])-([Si]+[sol.Al])>0% ・・・(A)
(B50D1+B50D2)/2>1.7T ・・・(B)
(B50D1+B50D2)/2>1.1×(B50L+B50C)/2・・・(D) - 板面同士が相互に対向するように積層された複数の電磁鋼板を有する積層コアであって、
前記複数の電磁鋼板の各々は、
複数の脚部と、
前記積層コアが励磁された際に、前記積層コアにおいて閉磁路が形成されるように、前記脚部の延設方向に対し垂直な方向を延設方向として配置される複数の継鉄部と、を備え、
前記複数の脚部を構成する前記電磁鋼板の積層方向と前記複数の継鉄部を構成する前記電磁鋼板の積層方向は、同じであり、
前記電磁鋼板は、質量%で、
C:0.0100%以下、
Si:1.50%~4.00%、
sol.Al:0.0001%~1.0%、
S:0.0100%以下、
N:0.0100%以下、
Mn、Ni、Co、Pt、Pb、Cu、Auからなる群から選ばれる1種以上:総計で2.50%~5.00%、
Sn:0.000%~0.400%、
Sb:0.000%~0.400%、
P:0.000%~0.400%、および
Mg、Ca、Sr、Ba、Ce、La、Nd、Pr、Zn、Cdからなる群から選ばれる1種以上:総計で0.0000%~0.0100%を含有し、
Mn含有量(質量%)を[Mn]、Ni含有量(質量%)を[Ni]、Co含有量(質量%)を[Co]、Pt含有量(質量%)を[Pt]、Pb含有量(質量%)を[Pb]、Cu含有量(質量%)を[Cu]、Au含有量(質量%)を[Au]、Si含有量(質量%)を[Si]、sol.Al含有量(質量%)を[sol.Al]としたときに、以下の(A)式を満たし、
残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、
圧延方向のB50をB50L、圧延方向とのなす角度が90°の方向のB50をB50C、圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向のB50のうち一方の方向のB50、他方の方向のB50を、それぞれ、B50D1、B50D2としたときに、以下の(C)式且つ(F)式を満たし、
{100}<011>のX線ランダム強度比が5以上30未満であり、
板厚が0.50mm以下であり、
前記電磁鋼板の磁気特性が最も優れる2つの方向のうちの何れかの方向が、前記脚部の延設方向および前記継鉄部の延設方向の何れかに沿うように、前記電磁鋼板が配置されており、
前記磁気特性が最も優れる2つの方向は、前記圧延方向となす角度のうち小さい方の角度が45°となる2つの方向であることを特徴とする積層コア。
([Mn]+[Ni]+[Co]+[Pt]+[Pb]+[Cu]+[Au])-([Si]+[sol.Al])>0%・・・(A)
(B50D1+B50D2)/2>(B50L+B50C)/2・・・(C)
(B50D1+B50D2)/2>1.8T・・・(F) - 以下の(E)式を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載の積層コア。
(B50D1+B50D2)/2>1.2×(B50L+B50C)/2・・・(E) - 前記電磁鋼板は、
質量%で、
前記Sn:0.020%~0.400%、または、前記Sb:0.020%~0.400%を含有することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の積層コア。 - 前記積層コアは、EIコア、EEコア、UIコア、またはUUコアであることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の積層コア。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の積層コアと、前記積層コアに対して周回するように配置されるコイルとを有することを特徴とする電気機器。
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