JP7420326B1 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法並びに変圧器用鉄心 - Google Patents
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Abstract
Description
励磁突入電流とは、変圧器を投入した瞬間や、瞬時電圧低下、瞬時停電など、無励磁状態の変圧器に電圧を印加した瞬間に発生する過渡的な励磁電流のことであるが、その励磁電流の電流量は、定格電流の数倍~数十倍に達することがある。また、瞬間に発生する過渡的なものとはいえ、このような大電流が流れると、設備が誤動作し、緊急停止などの大規模トラブルにつながる場合があり得る。
ここで、励磁突入電流を発生させる主原因は、鉄心内の残留磁束なので、鉄心を構成している方向性電磁鋼板自体の残留磁束特性を制御すれば、励磁突入電流が制御可能になるものと考え、方向性電磁鋼板自体の残留磁束密度と励磁突入電流の関係を詳細に検討することにした。
次いで、鉄心内部が磁束密度:1.70Tとなるタイミングで励磁電源をOFFし、電源を遮断した。かかる電源の遮断時から励磁突入電流が最も大きくなる位相が180°ずれた状態で電源を再投入し、その時に発生した一次側電流値である励磁突入電流を評価した。なお、定常電流および励磁突入電流は、一次巻き線に装着した電流センサーにより計測した。
単相巻鉄心毎の評価結果を表1に示す。
すなわち、一つ目の残留磁束密度は、交流励磁時の交流ヒステリシス曲線における磁化力ゼロ時の磁束密度とした(図1参照)。以下、かかる磁化力ゼロ時の磁束密度を定常残留磁束密度と表記する。
また、二つ目の残留磁束密度は、磁束が最大となった時に電源を遮断し、磁束密度変化が飽和する遮断した時から0.1s後の磁束密度とした(図2参照)。以下、かかる遮断した時から0.1s後の磁束密度を、特に遮断残留磁束密度Brと表記する。
ところが、上記検討において、通常のレーザ照射条件を組み合わせるだけでは、励磁突入電流の抑制効果が不十分であることを併せて知見した。そこで、発明者らは、更なる遮断残留磁束密度Brの低下策の検討を行った。
ある出力で発振器から出たレーザの強度は、レーザ内において均一ではなく、中心部の方が高強度で、レーザ品質が良好と考えられる。そこで、レーザ品質が遮断残留磁束密度Brおよび励磁突入電流に及ぼす影響を調査した。レーザ品質の変更手段として、レーザ経路にオリフィスをセットし、外周部(品質が悪いと考えられる箇所)のレーザを除去した後に、レーザを収束させて鋼板に照射した(図4参照)。すなわち、レーザを除去する際に、オリフィス径を変化させることで、収束させるレーザ品質を変化させた。
発明者らは、このような透過するビーム品質の違いも少なからず影響を及ぼすのではないかと考え、透過したビーム内の強度分布と遮断残留磁束密度Brの関係を調査した。
記
遮断残留磁束密度Br:方向性電磁鋼板の圧延方向に50Hzの正弦波で変化する磁化を発生させ、かかる磁化が1.50Tとなった時に電源を遮断し、かかる遮断から0.1s後の磁束密度
記
遮断残留磁束密度Br:方向性電磁鋼板の圧延方向に50Hzの正弦波で変化する磁化を発生させ、かかる磁化が1.50Tとなった時に電源を遮断し、かかる遮断から0.1s後の磁束密度
本発明の方向性電磁鋼板では、50Hz/1.50Tの条件で交流励磁しているときに、磁束密度が最大になるタイミングで電源を遮断した際に、かかる遮断から0.1s後の鋼板内部の残留磁束密度、すなわち遮断残留磁束密度Brが1.00T以下であることが必要である。すなわち、遮断残留磁束密度Brが1.00T超になると、励磁突入電流が大きくなって、瞬間に発生する過渡的なものとはいえ、このような大電流が流れると、設備が誤動作し、緊急停止などの大規模トラブルにつながる場合があり得る。遮断残留磁束密度Brは、好ましくは0.60T以下である。一方、その下限は特に限定されず、0.00Tであってもよいが、工業的には0.10T程度が好ましい。
Al、N、SおよびSeの含有量を制限しているインヒビターを使用しない成分系の場合は、鋼素材におけるAl、N、SおよびSe量はそれぞれ、Al:100質量ppm以下、N:50質量ppm以下、S:50質量ppm以下、Se:50質量ppm以下に抑制することが好ましい。
一方、インヒビターを利用する場合、例えばAlN系インヒビターを利用する場合であればAlおよびNを、またMnSやMnSe系インヒビターを利用する場合であればMnとSeおよび/またはSを、それぞれ適量鋼素材に含有させればよい。勿論、両インヒビターを併用してもよい。
これらインヒビターを利用する場合、鋼素材におけるAl、N、SおよびSeの好適含有量はそれぞれ、Al:0.01~0.065質量%、N:0.005~0.012質量%、S:0.005~0.03質量%およびSe:0.005~0.03質量%である。
Cは、熱延板組織の改善のために添加をするが、含有量が0.08質量%を超えると、磁気時効が起こらない50質量ppm以下まで製造工程中にCを低減することが困難になる。そのため、Cの含有量は、0.08質量%以下とすることが好ましい。なお、Cの含有量の下限は、Cを含まない素材でも二次再結晶が可能であるので特に設ける必要はないが、熱延板組織の改善の観点からは、0.01質量%以上が好ましい。
Siは、鋼の電気抵抗を高め、鉄損を改善するのに有効な元素であるが、含有量が2.0質量%に満たないと、十分な鉄損低減効果が達成できないおそれがある。一方、Siの含有量が8.0質量%を超えると、加工性が著しく低下し、また磁束密度も低下する。よって、Siの含有量は、2.0~8.0質量%の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、Siの含有量は2.0質量%以上である。また、より好ましくは、Siの含有量は4.0質量%以下である。
Mnは、熱間加工性を良好にする上で必要な元素であるが、含有量が0.005質量%未満ではその添加効果に乏しい。一方、Mnの含有量が1.0質量%を超えると、製品板の磁束密度が低下する。よって、Mnの含有量は、0.005~1.0質量%の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、Mnの含有量は0.01質量%以上である。また、より好ましくは、Mnの含有量は0.1質量%以下である。
Ni:0.03~1.50質量%、Sn:0.01~1.50質量%、Sb:0.005~1.50質量%、Cu:0.03~3.0質量%、P:0.03~0.50質量%、Mo:0.005~0.10質量%およびCr:0.03~1.50質量%
Niは、熱延板組織を改善して磁気特性を向上させるために有用な元素である。しかしながら、Niの含有量が0.03質量%未満では、磁気特性の向上効果が小さい。一方、Niの含有量が1.50質量%を超えると、二次再結晶が不安定になり磁気特性が劣化するおそれがある。よって、Niを含有する場合のその含有量は、0.03~1.50質量%の範囲とすることが好ましい。
他方、方向性電磁鋼板において、Cは一次再結晶焼鈍で脱炭され、Al、N、SおよびSeは仕上げ焼鈍において純化されるため、仕上げ焼鈍後の鋼板(製品板)では、Alが0.01質量%以下、C、N、SおよびSeは、いずれも0.005質量%以下に低減される。
前述したとおり、本発明は、遮断残留磁束密度Brがビーム等の品質に大きな影響を受けることが判明したので、ビーム等の光源よりビーム等が射出されてからかかるビーム等を収束させるまでの間に、ビーム等の強度が低い(ビーム等の品質が悪いと考えられる)部分を除去するためのオリフィスを設置することが肝要である。
例えば、ビーム等の照射方向(照射によって形成される還流磁区が延びる方向)は、非耐熱型の磁区細分化材の圧延方向(長手方向、図9のRD方向)を横切る方向とし、好適には圧延方向に対し60~90°の方向とする。なお、前記90°の方向は、圧延直角方向(図9のTD方向)に相当する。また、例えば、レーザビームの照射の出力は、100W~8kWとすることが好ましい。また、レーザビームの偏向速度は、生産性の観点から10m/s以上とすることが好ましい。同様に、電子ビームの照射の出力は、50W~5kWとすることが好ましい。また、電子ビームの偏向速度は、生産性の観点から10m/s以上とすることが好ましい。レーザビームと電子ビームとでは、鋼板のエネルギー吸収効率が異なるため、上述の通り出力の好ましい範囲が異なる。
同一の磁束密度(B8=1.92T)を有する0.23mm厚の方向性電磁鋼板(仕上げ焼鈍済み)を準備し、適宜オリフィスを用いたレーザまたは電子ビームの照射によって非耐熱型の磁区細分化処理を施した。それぞれの照射条件(手段、出力、偏向速度、ビーム径、照射線間隔、外周部除去割合、外周部除去後のビーム強度ばらつき)を表2に示す。その後、かかる非耐熱型の磁区細分化処理が施された方向性電磁鋼板の鉄損W17/50、遮断残留磁束密度Br(50Hz/1.50T)を導出した。これらも表2に示す。
上記巻鉄心は、1つの平面部にラップ部を有し(一周回中にラップ接合部が1か所)コーナー部に屈曲部を有するユニコア、または、2つの平面部にラップ部を有し(一周回中にラップ接合部が2か所)、コーナー部に屈曲部を有するデュオコアとした。なお、1つの巻鉄心中でのラップ代は一定とした。また、ユニコアおよびデュオコアは、屈曲部の角度を45°にして方向性電磁鋼板を加工した後、積層し巻鉄心とした。
かかる巻鉄心の鉄損W17/50および励磁突入電流(50Hz/1.7T)を測定した。遮断は中央脚(V脚)の磁束が最大(1.7T)になる時に行い、電源再投入は遮断タイミングに対して180°位相をずらした時に実施した。
上記巻鉄心の鉄損W17/50および励磁突入電流と通常電流との割合(電流比)を、表2に併記する。なお、ここでいう電流比は、(励磁突入電流/定常電流)を意味する。
同一の磁束密度(B8=1.92T)を有する0.23mm厚の方向性電磁鋼板(仕上げ焼鈍済み)を準備し、適宜オリフィスを用いたレーザまたは電子ビームの照射によって非耐熱型の磁区細分化処理を施した。それぞれの照射条件(手段、出力、偏向速度、ビーム径、照射線間隔、外周部除去割合、外周部除去後のビーム強度ばらつき)を表3に示す。その後、かかる非耐熱型の磁区細分化処理が施された方向性電磁鋼板の鉄損W17/50、遮断残留磁束密度Br(50Hz/1.50T)を導出した。これらも表3に示す。
かかる積み鉄心の鉄損W17/50および励磁突入電流(50Hz/1.70T)を測定した。遮断は中央脚(V脚)の磁束が最大(1.70T)になる時に行い、電源再投入は遮断時に対して180°位相をずらした時に実施した。
上記積み鉄心の鉄損W17/50および励磁突入電流と通常電流との割合(電流比)を、表3に併記する。なお、ここでいう電流比は(励磁突入電流/定常電流)を意味する。
Claims (4)
- 鋼板の少なくとも一方の表面から鋼板内部に、鋼板圧延方向と交差するように線状に導入された歪によって磁区細分化された方向性電磁鋼板であって、
下記遮断残留磁束密度Brが1.00T以下である方向性電磁鋼板。
記
遮断残留磁束密度Br:方向性電磁鋼板の圧延方向に50Hzの正弦波で変化する磁化を発生させ、かかる磁化が1.50Tとなった時に電源を遮断し、かかる遮断から0.1s後の磁束密度 - 請求項1に記載の方向性電磁鋼板を製造する方法であって、仕上げ焼鈍を経た鋼板の表面に、高エネルギービームを照射して磁区細分化処理を施すに当たり、かかる高エネルギービームの照射の経路にオリフィスを設置することで、かかる高エネルギービームの外周部を除去した後、収束させて鋼板に歪を導入し、下記遮断残留磁束密度Brを1.00T以下にする、方向性電磁鋼板の製造方法。
記
遮断残留磁束密度Br:方向性電磁鋼板の圧延方向に50Hzの正弦波で変化する磁化を発生させ、かかる磁化が1.50Tとなった時に電源を遮断し、かかる遮断から0.1s後の磁束密度 - 前記外周部を除去した後のビームにおけるビーム強度のばらつきを0.80以下とする、請求項2に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 請求項1に記載の方向性電磁鋼板を用いてなる変圧器用鉄心。
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