WO2023112418A1 - 積層鉄心 - Google Patents

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WO2023112418A1
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electromagnetic steel
core
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健 大村
義悠 市原
聡一郎 吉▲崎▼
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Jfeスチール株式会社
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    • C21D8/12Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of articles with special electromagnetic properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • H01F27/24Magnetic cores
    • H01F27/245Magnetic cores made from sheets, e.g. grain-oriented
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    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a laminated core, and more particularly to a core for transformers and rotating machines made by laminating electromagnetic steel sheets.
  • Iron cores for transformers and rotating machines are manufactured by processing electromagnetic steel sheets (magnetic steel sheet coils), which are raw materials, into a predetermined shape according to the shape of the core, and laminating the electromagnetic steel sheets (core material) processed into the predetermined shape. produced.
  • electromagnetic steel sheets electromagnetic steel sheet coils
  • core material electromagnetic steel sheets
  • As a method for working into the predetermined shape generally, punching is used for rotary machines, and beveling is used for transformers.
  • punching is used for rotary machines
  • beveling is used for transformers.
  • Patent Documents 1 to 3 are available as techniques for reducing the variation in iron loss.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200001 focuses on strain introduced during processing as a cause of variations in iron loss, and proposes a method of removing plastic strain by annealing a workpiece after punching.
  • Patent Document 2 focuses on the strain as in Patent Document 1, and proposes a method of removing the strain by shaving. Focusing on stacking accuracy, Patent Literature 3 discloses a technique of reducing variations in stacking accuracy by controlling the shape of steel sheets after bevel processing within a predetermined range.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laminated core with good iron loss characteristics.
  • the present inventors found that a short circuit due to insulation breakdown occurred around the machined portion of the electromagnetic steel sheet, which is the core material constituting the laminated core. was the main factor in the increase in iron loss.
  • the present inventors found that the occurrence of the short circuit is caused by a crack penetrating the insulating coating around the processed portion, and that the iron loss characteristics of the laminated core can be improved by controlling the occurrence of this crack. showed that it could be significantly improved.
  • the amount of air gaps around the worked portion affects iron loss deterioration due to short circuits, and that the amount of air gaps can be controlled by controlling the amount of sagging on both sides of the electromagnetic steel sheet caused by working.
  • the present invention is made based on the above findings. That is, the gist and configuration of the present invention are as follows.
  • the laminated core according to [1] wherein the total amount of droop on both sides of the electromagnetic steel sheets due to the working is 30% or less of the thickness of the electromagnetic steel sheets.
  • the processed edge is a point where the insulating coating no longer exists in the region of the processed edge of the electromagnetic steel sheet.
  • the droop amount is the distance in the plate thickness direction between the processed end portion and a horizontal portion of the surface of the electromagnetic steel sheet which is sufficiently distant from the processed end portion toward the center of the plate.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram (schematic diagram) for explaining the processed end portion of an electromagnetic steel sheet and the droop amount.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram (schematic diagram) explaining cracks occurring in an insulating coating.
  • Fig. 3 shows the relationship between [iron core loss/material iron loss] and [frequency of cracks in the processed edge region (pieces/mm)/frequency of cracks in regions other than the processed edge (pieces/mm)].
  • FIG. 4 is a diagram showing; FIG. 4 is a diagram showing the relationship between [iron core loss/material iron loss] and [total droop on both sides of the electromagnetic steel sheet/plate thickness].
  • the first point in the present invention is to prevent the occurrence of cracks penetrating the insulating coating (hereinafter simply referred to as cracks) in the region around the processed end of the electromagnetic steel sheet that is the core material, which is the main cause of the deterioration of iron loss characteristics. It is to suppress. Cracks that occur during punching, which is a common processing method, are generated when the periphery of the processed part is pulled by the shear stress during processing, and the insulation coating is pulled by the tensile stress, and the crack cannot withstand the stress (Fig. 2). .
  • a specific example of a processing method that does not generate stress around the processed part is a processing method that uses shock waves.
  • a shock wave it is necessary to generate plasma on the surface of the steel plate, which is the material to be worked. Therefore, when processing using a short pulse laser or continuous laser with a pulse width of nanoseconds or more, the laser is applied to the work material (steel plate) in water or in a state where a water film exists on the surface of the steel plate (work material). ).
  • the method is not limited to this method, and there is no problem even if a method of controlling processing using a conventional blade with high precision and high frequency is adopted.
  • processing into a predetermined shape means processing an electromagnetic steel sheet as a material into a shape that matches the shape of the iron core to be manufactured.
  • the laser irradiation conditions are the same, and the work materials (material electromagnetic steel sheets) with different film adhesion of the insulating coating are processed into a predetermined shape, and the crack generation amount is changed.
  • Magnetic steel sheets (iron core materials) was made.
  • an electromagnetic steel sheet (iron core material) was produced by processing a workpiece (an electromagnetic steel sheet as a raw material) into a predetermined shape by punching using a blade, which is a conventional method. Furthermore, each core material was laminated to produce a core.
  • a workpiece an electromagnetic steel sheet as a raw material
  • a blade which is a conventional method.
  • each core material was laminated to produce a core.
  • conditions other than the conditions described above were the same.
  • the plate center direction refers to a direction (normal direction) orthogonal to the working direction (cutting line) at the working end and the direction from the working end to the steel plate side.
  • a region within 100 ⁇ m in the plate center direction from the processed end portion of the electromagnetic steel sheet, which is the iron core material, is also referred to as a processed end region.
  • a region of more than 100 ⁇ m and less than 500 ⁇ m from the processed edge of the electromagnetic steel sheet in the plate center direction is also referred to as a region other than the processed edge.
  • FIG. 3 shows the [iron core loss/material iron loss] and [frequency of cracks in the processed end region (pieces/mm)/frequency of cracks in regions other than the processed end (pieces/mm) obtained above. ].
  • the crack occurrence frequency was obtained as follows. In a cross section perpendicular to the processed surface (thickness cross section), 50 regions from the processed end to 500 ⁇ m in the direction of the center of the plate were observed with an optical microscope. Then, the number of cracks in the processed end region (region within 100 ⁇ m in the plate center direction from the processed end) and the region other than the processed end (from the processed end to the plate center direction over 100 ⁇ m The number of cracks in the area within 500 ⁇ m) was measured. The average (arithmetic mean) of the number of measured cracks per unit length for each region was taken as the crack generation frequency of each region. In addition, the observation at the 50 points was performed by cutting out an observation sample that allows cross-sectional observation as shown in FIG.
  • the sample cross section was fixed in a resin mold in a direction in which the state of the insulating coating could be observed, and the sample cross section fixed in the resin mold was polished to reduce the thickness by 5 mm or more, and separated from the cut surface (cut out ) were observed. Further, the distance from the processed edge to the plate center direction is the distance in the horizontal direction (the direction orthogonal to the plate thickness direction in the observed cross section) from the processed edge.
  • the crack generation frequency (pieces/mm) in the region within 100 ⁇ m from the processed end of the core material is 3.0 times the crack generation frequency (pieces/mm) in the region other than the processed end. It can be seen that deterioration of the iron loss characteristic of the iron core is greatly suppressed by the following. On the other hand, in the magnetic steel sheet (core material) processed by punching this time, many cracks occurred in the processing edge region under all conditions, and it was not possible to obtain good core loss characteristics of the laminated core.
  • the second point in the present invention is control of the droop amount.
  • the electromagnetic steel sheets after processing are laminated to form an iron core.
  • An increase in the droop amount of the electromagnetic steel sheet, which is the core material means that the amount of deformation of the steel sheet due to working is large. If the amount of deformation is large, the strain introduced into the steel sheet due to working increases, so that the iron loss when used as an iron core deteriorates.
  • an increase in the droop amount of the steel sheets leads to an increase in voids in the laminated portions when the steel sheets are laminated, so that an increase in iron loss due to short-circuiting due to cracks occurring in the processed edge region is suppressed.
  • the effect of suppressing the deterioration of iron loss of the iron core by suppressing the occurrence of cracks in the machined end region is reduced.
  • the effects of the present invention can be maximized under the conditions in which the droop amount is small and iron loss deterioration due to strain introduced is suppressed.
  • the present invention under conditions where the present invention is not applied, that is, when using an electrical steel sheet in which the frequency of crack occurrence in the processed end region is more than 3.0 times the frequency of crack occurrence in regions other than the processed end region, a short circuit occurs. occur. Therefore, the smaller the amount of sagging of the steel sheet, the smaller the amount of strain introduced, but the deterioration of iron loss in the iron core increases due to the influence of the short circuit.
  • the laminated core of the present invention is constructed by laminating a plurality of electromagnetic steel sheets (iron core material) processed into a predetermined shape. I have.
  • the frequency of cracks (pieces/mm) in a region within 100 ⁇ m from the processed end of the magnetic steel sheet that is the core material is more than 100 ⁇ m and within 500 ⁇ m from the processed end (processed end If it is more than 3.0 times the crack occurrence frequency (pieces/mm) in the other regions), a short circuit occurs at the end of the laminated core, degrading the core loss characteristics of the laminated core.
  • the frequency of crack occurrence in the processed end region is 3.0 times or less than the crack generation frequency in regions other than the processed end region. More preferably, it is 2.0 times or less.
  • the lower limit is not particularly limited, and the crack generation frequency in the processed end region may be 0 times the crack generation frequency in regions other than the processed end region.
  • the total amount of droop on both sides of the electrical steel sheet is preferably 30% or less, more preferably 20% or less, of the plate thickness.
  • the total amount of droop may be 0 (0% of the plate thickness).
  • a laminated core using electromagnetic steel sheets having a thickness of more than 30% is also within the scope of the present invention.
  • the crack generation frequency in the processed end region is preferably 60 (pieces/mm) or less, more preferably 30 (pieces/mm) or less.
  • a crack generation frequency of the processed edge region may be 0 (pieces/mm).
  • the magnetic steel sheets used in the present invention may be either oriented magnetic steel sheets or non-oriented magnetic steel sheets.
  • non-oriented electrical steel sheets are used for the cores of rotating machines
  • grain-oriented electrical steel sheets are used for the cores of transformers. .
  • the composition of the electromagnetic steel sheet is also not particularly limited, and for example, a known one can be adopted.
  • the preferred composition range of the grain-oriented electrical steel sheet is described below.
  • Si 2.0 to 8.0% by mass
  • Si is an element effective in increasing the electric resistance of steel and improving iron loss.
  • the Si content is 2.0% by mass or more, the iron loss reduction effect is sufficiently enhanced, while when the Si content exceeds 8.0% by mass, the workability is significantly reduced, and the magnetic flux density is also reduced. become a trend. Therefore, the Si content is preferably in the range of 2.0 to 8.0% by mass.
  • Mn 0.005 to 1.0% by mass
  • Mn is an element necessary for improving hot workability. If the Mn content is less than 0.005% by mass, the addition effect is poor, while if the Mn content exceeds 1.0% by mass, the magnetic flux density of the electrical steel sheet tends to decrease. Therefore, the Mn content is preferably in the range of 0.005 to 1.0% by mass.
  • Ni 0.03 to 1.50% by mass
  • Sn 0.01 to 1.50% by mass
  • Sb 0.005 to 1.50% by mass
  • Cu 0.03 to 3.0% by mass
  • P At least one selected from 0.03 to 0.50% by mass
  • Mo 0.005 to 0.10% by mass
  • Cr 0.03 to 1.50% by mass
  • Ni improves the hot-rolled sheet structure It is an element useful for improving magnetic properties by However, if the Ni content is less than 0.03% by mass, the effect of improving the magnetic properties is small. On the other hand, if the Ni content exceeds 1.50% by mass, the secondary recrystallization tends to become unstable and the magnetic properties tend to deteriorate. becomes. Therefore, when Ni is contained, the Ni content is preferably in the range of 0.03 to 1.50% by mass.
  • Sn, Sb, Cu, P, Mo, and Cr are elements useful for improving magnetic properties, respectively. Exceeding the above upper limit of each component hinders the development of secondary recrystallized grains. Therefore, when the above elements are contained, it is preferable to contain them within the above content ranges.
  • the balance is preferably Fe and unavoidable impurities. In addition, it is preferable to reduce the amount of components other than the above components as much as possible.
  • Si should be 0.5% by mass or more
  • Al should be 0.1% by mass or more
  • Mn should be 0.05% by mass or more
  • P should be 0.01% by mass or more. is preferred.
  • the upper limits of the contents of these elements are Si: 6.5 mass%, Al: 3.0 mass%, and Mn: 3.0 mass%, respectively. %, and P: 0.5% by mass.
  • Si less than 0.5% by mass
  • Al less than 0.1% by mass
  • Mn less than 0.05% by mass
  • P Even if it is less than 0.01% by mass, there is no problem.
  • Sb, Sn, and Cr known as elements for improving magnetic properties can be added singly or in combination of two or more.
  • the contents of these elements are preferably Sn: 0.5% by mass or less, Sb: 0.5% by mass or less, and Cr: 5.0% by mass or less. This is because even if the content exceeds the above range, the effect of improving the magnetic properties is saturated, and no effective effect of improving the magnetic properties can be expected, and the effect of improving the magnetic properties commensurate with the increase in the alloy cost cannot be obtained. be.
  • the balance is preferably Fe and unavoidable impurities. In addition, it is preferable to reduce the amount of components other than the above components as much as possible.
  • the electromagnetic steel sheet used in the present invention has an insulating coating on its surface (front and back surfaces).
  • the insulating coating is not particularly limited for both grain-oriented electrical steel sheets and non-oriented electrical steel sheets, and for example, known insulating coatings can be applied.
  • insulating coatings of grain-oriented electrical steel sheets include insulating coatings composed of forsterite coatings mainly composed of MgO and tensile coatings composed mainly of magnesium phosphate or aluminum phosphate. Further, for example, an insulating coating made of a ceramic coating made of nitride, carbide, or carbonitride formed by physical vapor deposition or chemical vapor deposition can be mentioned.
  • Examples of insulating coatings for non-oriented electrical steel sheets include composite insulating coatings that are mainly composed of inorganic substances and further contain organic substances.
  • the composite insulating coating is mainly composed of at least one of metal salts such as metal chromates and metal phosphates, or inorganic substances such as colloidal silica, Zr compounds, and Ti compounds, and fine organic resins are dispersed. Insulating coatings with
  • the thickness of the insulating coating is preferably 1 ⁇ m or more from the viewpoint of improving the crack resistance because the thicker the insulating coating, the larger the cross-sectional area and the smaller the stress applied per unit area. However, if the thickness of the insulating coating is too thick, the space factor will decrease, so the thickness of the insulating coating is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the thickness of the insulation coating in the iron core material is the thickness of the insulation coating at a portion where the surface of the electromagnetic steel sheet is horizontal, sufficiently distant from the processed end portion toward the center of the plate.
  • the manufacturing method of the electromagnetic steel sheet which is the core material that constitutes the laminated core, is not particularly limited, and the control parameters of each manufacturing method may be adjusted to control within the scope of the present invention.
  • a preferred method is to irradiate a laser with a pulse width of nanoseconds or more (including continuous wave laser) in water or in a state where there is a water film on the surface of the steel plate (work material).
  • One example is a processing method using shock waves. This is because the use of shock waves minimizes the stress that is introduced into the processed portion, and thus cracks and droops are less likely to occur in the processed edge region. Furthermore, search for laser irradiation conditions is easy, and stable processing becomes possible.
  • the processing method is not limited to the laser processing method described above.
  • the nanosecond pulse laser means a laser with a pulse width of 1 nanosecond or more and less than 1000 nanoseconds
  • the microsecond pulse laser means a laser with a pulse width of 1 microsecond or more and less than 1000 microseconds.
  • a method for manufacturing a laminated core includes a lamination step of laminating magnetic steel sheets (core material) to form a laminated core.
  • the frequency of cracks penetrating the insulating coating in a region within 100 ⁇ m from the processing end in the plate center direction (number/mm) is more than 100 ⁇ m and within 500 ⁇ m in the plate center direction from the processing end.
  • the magnetic steel sheet as a material is worked so that the frequency of cracks penetrating the insulating coating in the region (cracks/mm) is 3.0 times or less.
  • the raw material magnetic steel sheet is preferably worked so that the total amount of droop on both sides of the magnetic steel sheet is 30% or less of the thickness of the magnetic steel sheet.
  • Example 1 C: 0.05 mass%, Si: 4.2 mass%, Mn: 0.05 mass%, Ni: 0.03 mass%, Al: 200 mass ppm, N: 85 mass ppm, Se: 100 mass ppm and A steel slab containing 5 ppm by mass of S, with the balance being Fe and unavoidable impurities, was produced by continuous casting. After heating the steel slab to 1480° C., it was hot-rolled into a hot-rolled sheet having a thickness of 2.6 mm, and then subjected to hot-rolled sheet annealing at 1200° C. for 120 seconds.
  • a sample for evaluating the iron loss characteristics of the material was taken from the electromagnetic steel sheet coil produced as described above, subjected to strain relief annealing at 800° C. for 3 hours, and then the iron loss characteristics of the material were measured according to JIS C2550. evaluated.
  • the produced coil was processed in accordance with the shape of the core of the transformer, and the electromagnetic steel sheets (core material) after being processed into a predetermined shape were laminated to achieve 1000 kVA.
  • a three-phase, three-legged transformer core with a core weight of 800 kg was produced. Primary and secondary windings were provided on three legs and excited at 1.7 T/50 Hz with a phase shift of 120° to measure the core loss of the transformer (laminated core).
  • the processing of the above iron core material was performed by an underwater laser method, and the laser used was a continuous wave single mode fiber laser with a beam diameter of 80 ⁇ m.
  • the laser output was varied from 0.5 to 5 kW, and the processing speed was varied from 5 mpm to 50 mpm.
  • Table 1 shows specific laser outputs and processing speeds.
  • the frequency of crack occurrence in the working edge region and the area other than the working edge and the total droop amount of the front and back surfaces of the iron core material (magnetic steel sheet) were evaluated as described above.
  • the iron loss increase ratio is larger than those having a crack occurrence ratio within the range of the present invention and a droop amount ratio within the preferred range of the present invention.
  • the insulating film is formed by baking at 300 ° C., and the magnetic steel sheet (magnetic steel sheet coil) as a material is applied. ) was manufactured.
  • the iron core material was processed by laser processing with a water curtain of 5 ⁇ m on the surface of the steel plate, using shock waves to create a predetermined shape. After that, the core materials were piled up to form a laminated core (stator and rotor). The no-load loss of the manufactured motor was measured at a rotation speed of 2500 rpm using a motor characteristic evaluation device comprising a brake motor, a tachometer, a torque meter, a power meter, and the like.
  • the laser used for processing the iron core material shape was a nanosecond pulse laser with a beam diameter of 50 ⁇ m.
  • the laser output was varied from 3.0 to 8.0 kW, and the processing speed was varied from 50 mpm to 120 mpm.
  • Table 2 shows specific laser outputs and processing speeds.
  • the frequency of crack occurrence in the working edge region and the area other than the working edge and the total droop amount of the front and back surfaces of the iron core material (magnetic steel sheet) were evaluated as described above.
  • the iron loss increase ratio of the no-load loss of the laminated core to the core iron loss of the material is large compared to the case where the crack occurrence ratio is within the range of the present invention and the droop amount ratio is within the preferred range of the present invention.

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Abstract

鉄損特性が良好な積層鉄心を提供する。 本発明の積層鉄心は、所定の形状に加工された電磁鋼板が積層されてなり、前記電磁鋼板は、表面に絶縁被膜を有し、加工端部から板中央方向に100μm以内の領域において前記絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)が、加工端部から板中央方向に100μm超500μm以内の領域において前記絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)の3.0倍以下である。

Description

積層鉄心
 本発明は、積層鉄心に関し、特に、電磁鋼板を積層して作製される変圧器や回転機用鉄心に関するものである。
 変圧器や回転機用の鉄心は、素材となる電磁鋼板(電磁鋼板コイル)を鉄心形状に合わせて所定の形状に加工し、前記所定の形状に加工した電磁鋼板(鉄心素材)を積層して作製される。前記所定の形状に加工する方法としては、一般的には、回転機用では打ち抜き加工、変圧器用では斜角加工が用いられる。打ち抜き加工や斜角加工によって加工された鉄心素材を積層した積層鉄心を用いて変圧器や回転機を作製すると、鉄損のばらつきが大きいという問題がある。
 この鉄損のばらつきを低減する技術としては、例えば特許文献1~3がある。特許文献1では、鉄損のばらつきの原因として加工時に導入される歪に着目し、打ち抜き加工後の被加工材を焼鈍して塑性歪を除去する方法が提案されている。特許文献2では、特許文献1と同様に歪に着目し、この歪をシェービング加工で除去する方法が提案されている。特許文献3では、積み精度に着目し、斜角加工後の鋼板形状を所定の範囲内に制御することで積み精度のばらつきが低下するという技術を開示している。
特開平7-298570号公報 特開2011-217565号公報 特開2014-86597号公報
 上記従来の技術を適用することで、ある程度の積層鉄心の鉄損の特性向上が実現可能であるが、更なる特性向上が求められているのが現状である。
 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、鉄損特性が良好な積層鉄心を提供することを目的とする。
 本発明者らは、鉄損劣化が発生した積層鉄心を詳細に分析した結果、積層鉄心を構成している鉄心素材である電磁鋼板の加工部周辺で絶縁破壊による短絡が発生し、これが積層鉄心の鉄損増大の主要因であることを突き止めた。本発明者らは、さらに調査を進めることで、前記短絡の発生は前記加工部周辺の絶縁被膜を貫通するクラックが原因であり、このクラックの発生を制御することにより積層鉄心の鉄損特性を大幅に改善可能であることを明らかにした。また、短絡による鉄損劣化には、加工部周辺の空隙量が影響を及ぼしており、この空隙量は加工により生じる電磁鋼板両面のだれ量を管理することで制御できることが分かった。
 本発明は、上記した知見に基づきなされたものである。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
[1]所定の形状に加工された電磁鋼板が積層されてなる積層鉄心であって、
前記電磁鋼板は、表面に絶縁被膜を有し、加工端部から板中央方向に100μm以内の領域において前記絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)が、加工端部から板中央方向に100μm超500μm以内の領域において前記絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)の3.0倍以下である、積層鉄心。
[2]前記加工による前記電磁鋼板両面のだれ量の合計が、前記電磁鋼板の板厚の30%以下である、[1]に記載の積層鉄心。
 図1に示すように、本発明において、加工端部とは、加工が施された電磁鋼板端部の領域において、絶縁被膜が存在しなくなる点である。また、だれ量とは、前記加工端部と、当該加工端部から板中央方向に十分に離れた電磁鋼板表面の水平部との板厚方向の距離である。
 本発明によれば、鉄損特性が良好な積層鉄心を提供することができる。本発明によれば、回転機や変圧器用鉄心の鉄損特性を大幅に改善させることが可能になる。
図1は、電磁鋼板の加工端部、だれ量について説明する説明図(模式図)である。 図2は、絶縁被膜に発生するクラックについて説明する説明図(模式図)である。 図3は、[鉄心の鉄損/素材鉄損]と[加工端部領域のクラック発生頻度(個/mm)/加工端部以外の領域のクラック発生頻度(個/mm)]との関係を示す図である。 図4は、[鉄心の鉄損/素材鉄損]と[電磁鋼板両面のだれ量合計/板厚]との関係を示す図である。
 以下、本発明について具体的に説明する。
 本発明における第一のポイントは、鉄損特性劣化の主要因である鉄心素材となる電磁鋼板の加工端部周辺領域において、絶縁被膜を貫通するクラック(以下、単に、クラックともいう)の発生を抑制することである。一般的な加工方法である打ち抜き加工時に発生するクラックは、加工時のせん断応力によって加工部周辺が引っ張られ、その引張応力によって絶縁被膜が引っ張られ、その応力に耐え切れず発生する(図2)。
 打ち抜き加工や斜角加工のように刃を用いた加工の場合、加工条件の調整によってクラックの発生原因である引張応力の調整は可能であるが、刃の摩耗などの影響でその適正条件は連続的に変化する。よって、刃を用いた加工ではなく、できる限り加工部周辺に応力を発生させない加工方法を選択する方がより好ましい。
 加工部周辺に応力を発生させない加工方法として、具体的には、衝撃波を利用した加工方法が挙げられる。衝撃波を発生させるためには、加工が施される被加工材である鋼板表面にプラズマを生成させる必要がある。そのため、パルス幅がナノ秒以上の短パルスレーザあるいは連続レーザを用いて加工する場合では、水中で、または鋼板(被加工材)表面に水膜がある状態で、前記レーザを被加工材(鋼板)に照射する。これにより、水分によってプラズマの膨張が抑制され、衝撃波を発生させることが可能になる。前述したような方法で加工することが好ましいが、この方法に限定されるわけではなく、従来の刃を用いた加工などを高精度・高頻度に制御する方法を採用しても問題はない。
 今回、連続波レーザ(連続レーザ)を使用して水中で被加工材(素材となる電磁鋼板)に照射することで衝撃波を発生させて所定の形状の電磁鋼板(鉄心素材)とする加工を実施した。ここで、所定の形状に加工するとは、素材となる電磁鋼板を、作製する鉄心形状に合わせた形状に加工することを意味する。このときのレーザ照射条件は同じとし、絶縁被膜の被膜密着性の異なる被加工材(素材となる電磁鋼板)を所定の形状に加工して、クラック発生量を変化させた電磁鋼板(鉄心素材)を作製した。比較として、従来法である刃を用いた打ち抜き加工でも被加工材(素材となる電磁鋼板)を所定の形状に加工して、電磁鋼板(鉄心素材)を作製した。さらに前記各鉄心素材をそれぞれ積層して鉄心を作製した。ここで、上記に記載した条件以外の条件は同じとした。
 鉄心の鉄損と、鉄心素材である電磁鋼板の鉄損(素材鉄損)を測定し、その割合(鉄心の鉄損/素材鉄損)を求めた。また、鉄心素材である電磁鋼板の加工端部から板中央方向に100μm以内の領域において絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)と、100μm超500μm以内の領域において絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)を測定し、その割合を求めた。なお、板中央方向とは、加工端部での加工方向(切断線)に対して直交する方向(法線方向)かつ加工端部から鋼板側の方向をいう。また、以下、鉄心素材である電磁鋼板の加工端部から板中央方向に100μm以内の領域を、加工端部領域ともいう。また、前記電磁鋼板の加工端部から板中央方向に100μm超500μm以内の領域を、加工端部以外の領域ともいう。
 図3に、上記で求めた、[鉄心の鉄損/素材鉄損]と[加工端部領域のクラック発生頻度(個/mm)/加工端部以外の領域のクラック発生頻度(個/mm)]との関係を示す。
 ここで、クラック発生頻度は、以下のように求めた。加工面と垂直方向の断面(板厚断面)において、加工端部から板中央方向に500μmまでの領域を光学顕微鏡で50カ所観察した。そして、電磁鋼板の両面(表裏面)における加工端部領域(加工端部から板中央方向に100μm以内の領域)のクラック数および加工端部以外の領域(加工端部から板中央方向に100μm超500μm以内の領域)におけるクラック数を計測した。計測したクラック数を単位長さあたりの個数に換算したものを、それぞれの領域について平均(相加平均)したものを、それぞれの領域のクラック発生頻度とした。なお、前記50カ所の観察は、同一の条件で加工が施された鉄心素材について、図1に示されるような断面観察が可能な観察用サンプルを切り出し、任意の50カ所についてその断面を光学顕微鏡で観察することで行った。その際、絶縁被膜の状態が変化しないよう前記サンプル断面が観察可能な方向で樹脂モールドに固め、前記樹脂モールドに固めたサンプル断面を研磨して5mm以上減厚し、切り出し面から離れた(切り出しの影響を受けていない)箇所を観察した。また、加工端部から板中央方向への距離は、加工端部からの水平方向(観察断面において板厚方向と直交する方向)の距離である。鉄心の鉄損と、鉄心素材である電磁鋼板の鉄損(素材鉄損)の割合(鉄心の素材/素材鉄損)が小さいということは、鉄心作製時に発生する鉄損増大が抑制されていることを意味する。この結果(図3)より、鉄心素材の加工端部から100μm以内の領域におけるクラック発生頻度(個/mm)を、加工端部以外の領域におけるクラック発生頻度(個/mm)の3.0倍以下とすることで、鉄心の鉄損特性劣化が大幅に抑制されていることが分かる。一方、今回は打ち抜き加工により加工した電磁鋼板(鉄心素材)では全条件で加工端部領域にクラックが多発し、良好な積層鉄心の鉄損特性を得ることができなかった。
 本発明における第二のポイントは、だれ量の制御である。加工後の電磁鋼板は積層されて鉄心とされる。鉄心素材である電磁鋼板のだれ量が大きくなるということは、加工による前記鋼板の変形量が大きいことを意味している。前記変形量が大きいと、加工による前記鋼板内部への導入歪が増大するため、鉄心とした場合の鉄損が劣化する。一方、前記鋼板のだれ量の増大は、前記鋼板を積層した場合の積層部分の空隙部の増大を招くため、加工端部領域におけるクラック発生による短絡起因の鉄損増大は抑制される。このため、加工端部領域のクラック発生抑制による鉄心の鉄損劣化抑制効果は小さくなる。本発明による効果を最大限享受できるのは、だれ量が少なく、導入歪による鉄損劣化が抑制された条件においてである。この場合、本発明を適用しない条件、すなわち、加工端部領域のクラック発生頻度が、加工端部以外の領域のクラック発生頻度の3.0倍超である電磁鋼板を用いた場合は、短絡が発生してしまう。そのため、前記鋼板のだれ量が小さくなるほど導入歪量は小さくなるが、短絡の影響で鉄心の鉄損劣化は大きくなる。一方、本発明を適用した条件、すなわち、加工端部領域のクラック発生頻度が、加工端部以外の領域のクラック発生頻度の3.0倍以下である電磁鋼板を用いた場合は、導入歪量の低減に加えて、短絡防止も実現される。そのため、前記鋼板のだれ量が小さくなるにつれて徐々に鉄心の鉄損劣化は小さくなり、低鉄損で、鉄損のばらつきが小さい鉄心が得られる。今回、マイクロ秒パルスレーザを使用して、被加工材の表面に水分を付着させた状態で衝撃波を利用した加工を実施した。このとき、レーザ出力を変化させて加工による電磁鋼板両面のだれ量を変化させた。加工端部領域のクラックの発生頻度が本発明の範囲内の電磁鋼板を用いた場合であれば、だれ量によらず鉄心の鉄損劣化抑制効果は確認できるが、だれ量が板厚の30%以下の範囲で最も高い鉄損劣化抑制効果が得られることが判明した(図4)。なお、比較となる加工端部領域のクラックの発生頻度が本発明の範囲外の電磁鋼板は、刃を用いた打ち抜き加工によって作製した。
 次に、本発明に係る積層鉄心に関して具体的に説明する。
 本発明の積層鉄心は、所定の形状に加工された電磁鋼板(鉄心素材)を複数枚積層することで構成され、変圧器用は継鉄部と脚部、回転機用はロータ部とステータ部を備えている。積層鉄心において、鉄心素材である電磁鋼板の加工端部から100μm以内の領域(加工端部領域)におけるクラック発生頻度(個/mm)が、加工端部から100μm超500μm以内の領域(加工端部以外の領域)におけるクラック発生頻度(個/mm)の3.0倍より大きくなると、積層鉄心端部で短絡が発生し、積層鉄心の鉄損特性が劣化してしまう。そのため、鉄心素材である電磁鋼板において、加工端部領域のクラック発生頻度を加工端部以外の領域のクラック発生頻度の3.0倍以下にすることが重要である。より好ましくは2.0倍以下である。なお、下限は特に限定されず、加工端部領域のクラック発生頻度は、加工端部以外の領域のクラック発生頻度の0倍であってもよい。
 また、加工による電磁鋼板両面(表裏面)のだれ量の合計が板厚の30%より大きくなると、積層間の空隙が大きくなるため、短絡により積層鉄心の積層方向に渡る磁束の量が減少する。その結果、本発明において電磁鋼板の加工端部領域に発生するクラック数を制御することによる鉄損改善効果が減少する。よって、本発明の効果を最大限享受するためには、電磁鋼板両面におけるだれ量の合計が、板厚の30%以下であることが好ましく、20%以下であることがより好ましい。前記だれ量の合計は0(板厚の0%)であってもよい。ただし、前記だれ量の合計が板厚の30%超であっても、電磁鋼板の加工端部領域におけるクラック数を抑制することによる鉄損劣化抑制効果は得られるので、前記だれ量の合計が板厚の30%超の電磁鋼板を用いた積層鉄心も本発明範囲内である。
 なお、加工端部領域のクラック発生頻度は、60(個/mm)以下が好ましく、30(個/mm)以下がより好ましい。前記加工端部領域のクラック発生頻度は、0(個/mm)であってもよい。
 本発明で使用される電磁鋼板は、方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板どちらでもよい。一般的には回転機用の鉄心には無方向性電磁鋼板、変圧器用の鉄心には方向性電磁鋼板が使用されるが、例外も存在するので特にどちらの電磁鋼板を使用するかは限定されない。
 電磁鋼板の組成も特に限定されず、例えば公知のものを採用することができる。以下に、方向性電磁鋼板の好適な組成範囲を述べる。
 Si:2.0~8.0質量%
 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。Si含有量が2.0質量%以上であると鉄損低減効果が十分に高められ、一方、Si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傾向となる。そのため、Si含有量は2.0~8.0質量%の範囲とすることが好ましい。
 Mn:0.005~1.0質量%
 Mnは、熱間加工性を良好にする上で必要な元素である。Mn含有量が0.005質量%未満ではその添加効果に乏しく、一方、Mn含有量が1.0質量%を超えると電磁鋼板の磁束密度が低下する傾向となる。そのため、Mn含有量は0.005~1.0質量%の範囲とすることが好ましい。
 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%のうちから選んだ少なくとも1種
 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含有量が0.03質量%未満では磁気特性の向上効果が小さく、一方、Ni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傾向となる。そのため、Niを含有する場合、Ni含有量は0.03~1.50質量%の範囲とするのが好ましい。
 また、Sn、Sb、Cu、P、MoおよびCrはそれぞれ磁気特性の向上に有用な元素であるが、いずれも上記した各成分の下限に満たないと、磁気特性の向上効果が小さく、一方、上記した各成分の上限を超えると、二次再結晶粒の発達が阻害される。そのため、上記元素を含有する場合、それぞれ上記含有量の範囲で含有させることが好ましい。
 残部は、Feおよび不可避的不純物であることが好ましい。また、上記成分以外の成分に関しては、できる限り低減することが好ましい。
 次に、無方向性電磁鋼板の好適な組成範囲を述べる。
 Si、Al、Mn、Pを含有することで、電気抵抗を高めることが可能で、本発明の趣旨を損なうことなく、更なる鉄損の改善が達成できる。鉄損低減効果をより享受するためには、Siは0.5質量%以上、Alは0.1質量%以上、Mnは0.05質量%以上、Pは0.01質量%以上含有させることが好ましい。一方、これらの元素を大量に添加すると加工性が劣化するので、これらの元素の含有量の上限は、それぞれSi:6.5質量%、Al:3.0質量%、Mn:3.0質量%、P:0.5質量%とすることが好ましい。ただし、これらの元素を添加しなくても、本発明の効果は十分に得られるので、Si:0.5質量%未満、Al:0.1質量%未満、Mn:0.05質量%未満、P:0.01質量%未満であっても問題はない。
 また、上記成分に加えて、磁気特性の改善元素として知られるSb、Sn、Crを単独でまたは2種以上を組み合わせて添加することが出来る。これらの元素の含有量は、それぞれSn:0.5質量%以下、Sb:0.5質量%以下およびCr:5.0質量%以下とすることが好ましい。なぜなら、前記含有量の範囲を超えて添加しても磁気特性改善効果は飽和して、効果的な磁気特性改善効果は期待できず、合金コストアップに見合った磁性改善効果が得られないからである。
 残部は、Feおよび不可避的不純物であることが好ましい。また、上記成分以外の成分に関しては、できる限り低減することが好ましい。
 本発明で使用する電磁鋼板は、表面(表裏面)に絶縁被膜を有する。前記絶縁被膜は方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板ともに特に限定されることはなく、例えば公知の絶縁被膜を適用することができる。
 方向性電磁鋼板の絶縁被膜としては、例えばMgOを主体としたフォルステライト被膜とリン酸マグネシウムあるいはリン酸アルミニウムを主成分とする張力被膜とからなる絶縁被膜が挙げられる。また、例えば、物理蒸着法、化学蒸着法により形成される、窒化物、炭化物、炭窒化物からなるセラミック被膜からなる絶縁被膜が挙げられる。
 無方向性電磁鋼板の絶縁被膜としては、例えば、無機物を主体として、さらに有機物を含んだ複合絶縁被膜が挙げられる。複合絶縁被膜としては、例えばクロム酸金属塩、リン酸金属塩などの金属塩、または、コロイダルシリカ、Zr化合物、Ti化合物等の無機物の少なくとも1種を主体とし、微細な有機樹脂が分散している絶縁被膜が挙げられる。
 絶縁被膜の膜厚は、厚い方が断面積が大きくなって単位面積当たりにかかる応力が小さくなるので、耐クラック性を高める観点からは、1μm以上が好ましい。しかしながら、絶縁被膜の膜厚が厚すぎると占積率の低下を招くので、絶縁被膜の膜厚は、10μm以下が好ましい。なお、鉄心素材における絶縁被膜の膜厚は、加工端部から板中央方向に十分に離れた電磁鋼板表面が水平となった箇所における絶縁被膜の膜厚である。
 積層鉄心を構成する鉄心素材である電磁鋼板の製造方法は、特に限定されず、各製造方法の制御パラメータを調整して本発明の範囲に制御すればよい。好ましい方法としては、パルス幅がナノ秒以上(連続波レーザ含む)のレーザを、水中で、または鋼板(被加工材)表面に水膜がある状態で、鋼板の加工部に照射することで発生する衝撃波を用いた加工方法が挙げられる。衝撃波を使用することで、加工部に導入される応力が最小化されるため、加工端部領域のクラックの発生やだれの発生がそもそも発生しにくいためである。さらに、レーザ照射条件の探索も容易で安定的な加工が可能になる。ただし、その他の従来より用いられてきた打ち抜き加工や斜角加工でも高精度・高頻度に制御パラメータを制御すれば、本発明の範囲内に加工端部領域のクラック発生頻度、だれ量を制御することは可能である。よって、上記レーザによる加工方法に限定されることはない。なお、ナノ秒パルスレーザとは、パルス幅が1ナノ秒以上1000ナノ秒未満のレーザ、マイクロ秒パルスレーザとは、パルス幅が1マイクロ秒以上1000マイクロ秒未満のレーザを意味する。
 本発明の積層鉄心の製造方法の一例としては、表面に絶縁被膜を有する電磁鋼板(素材となる電磁鋼板)を所定の形状に加工する工程(加工工程)と、前記工程で所定の形状に加工した電磁鋼板(鉄心素材)を積層して積層鉄心とする積層工程を含む、積層鉄心の製造方法が挙げられる。そして、前記加工工程では、加工端部から板中央方向に100μm以内の領域において前記絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)が、加工端部から板中央方向に100μm超500μm以内の領域において前記絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)の3.0倍以下となるように、素材となる電磁鋼板に加工を施す。また、前記加工工程では、加工された電磁鋼板両面のだれ量の合計が、当該電磁鋼板の板厚の30%以下となるように、素材となる電磁鋼板に加工を施すことが好ましい。
 (実施例1)
 C:0.05質量%、Si:4.2質量%、Mn:0.05質量%、Ni:0.03質量%、Al:200質量ppm、N:85質量ppm、Se:100質量ppmおよびS:5質量ppmを含有し、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成からなる鋼スラブを連続鋳造にて製造した。前記鋼スラブを1480℃に加熱後、熱間圧延により板厚:2.6mmの熱延板としたのち、1200℃で120秒の熱延板焼鈍を施した。ついで、冷間圧延により中間板厚:1.0mmとし、酸化度PHO/PH=0.36、温度:1000℃、時間:60秒の条件で中間焼鈍を実施した。その後、塩酸酸洗により表面のサブスケールを除去したのち、再度、冷間圧延を実施して、板厚:0.27mmの冷延板とした。
 ついで、酸化度PHO/PH=0.50、均熱温度:830℃で60秒保持する脱炭焼鈍を施した。その後、MgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶・フォルステライト被膜形成および純化を目的とした最終仕上げ焼鈍を1250℃、100Hrの条件で実施した。そして、コロイダルシリカとリン酸アルミニウムからなる濃度60質量%の張力被膜形成用のコーティング液を塗布した後、900℃にて焼付けて、フォルステライト被膜と張力被膜からなる絶縁被膜を形成した。この焼付け処理は、平坦化焼鈍も兼ねている。以上のようにして、素材となる電磁鋼板(電磁鋼板コイル)を作製した。
 その後、上記のようにして作製した電磁鋼板コイルより、素材の鉄損特性評価用サンプルを採取し、800℃で3時間の歪取り焼鈍を行った後に、JIS C2550に従って前記素材の鉄損特性を評価した。前記素材の鉄損特性の評価と並行して、作製した上記コイルに変圧器の鉄心形状に合わせた加工を施し、所定の形状に加工した後の電磁鋼板(鉄心素材)を積層させて1000kVA、鉄心重量800kgの3相3脚変圧器鉄心を作製した。3つの脚に一次および二次巻き線を行い、120°ずつ位相をずらして1.7T/50Hzで励磁し、変圧器(積層鉄心)の鉄損を測定した。
 上記鉄心素材の加工は、水中レーザ方式で行い、レーザは連続波であるシングルモードファイバーレーザでビーム径80μmのものを使用した。レーザ出力を0.5~5kW、加工速度を5mpm~50mpmの範囲内で変化させた。具体的なレーザ出力、加工速度に関しては表1に示す。加工後の鉄心素材(電磁鋼板)において、加工端部領域および加工端部以外の領域のクラック発生頻度および鉄心素材(電磁鋼板)の表裏面のだれ量合計を上述のように評価した。
 表1に結果を示す。No.1、4、5、6、9、11は、クラック発生比率が本発明の範囲内に入っており、さらに電磁鋼板両面のだれ量比率が本発明の好適範囲内に入っており、鉄心素材から積層鉄心としたときの鉄損劣化が抑制されていることが分かる。No.3、8、10は、クラック発生比率が本発明の範囲外であることから、非常に鉄損劣化が大きくなっている。No.2、7は、だれ量比率は好適範囲を外れているが、クラック発生比率は本発明範囲内である。No.2、7は、クラック発生比率が本発明の範囲内でかつだれ量比率が本発明の好適範囲内のものに比べると鉄損増加比率が大きい。しかしながら、No.2、7は、クラック発生比率が本発明の範囲外のものより鉄損増加比率は抑制されていることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
 (実施例2)
 Si:3.5質量%、Mn:0.09質量%、Al:0.6質量%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを製造し、熱間圧延により1.6mmの熱延板とした。その後、950℃×60secの熱延板焼鈍の後、冷間圧延により板厚0.25mmの冷延板とし、続いて980℃×10sec、N:H=90:10(体積比)、露点-35℃の条件で仕上げ焼鈍を行った。その後、鋼板表面に重クロム酸アルミニウム、エマルジョン樹脂およびエチレングリコールを混合した絶縁被膜形成用のコーティング液を塗布した後、300℃で焼き付けて絶縁被膜を形成し、素材となる電磁鋼板(電磁鋼板コイル)を製造した。
 かくして得られた電磁鋼板コイルから、圧延方向と圧延直角方向に半量ずつのエプスタイン試験片を切り出しJISで定める方法により素材の鉄損W10/400を評価した。前記素材の評価と並行して、このコイルより所定の形状に加工した電磁鋼板(鉄心素材)を積層させてステータおよびロータとした。前記ステータおよびロータを用いて、3相4極24スロットの分布巻き希土類磁石IPMモータ(定格出力720W)を組みあげた。
 上記鉄心素材の加工は、鋼板表面に5μmの水幕が存在する状態でレーザ加工することで、衝撃波を利用して所定の形状とする加工とした。その後、前記鉄心素材を回し積みして積層鉄心(ステータおよびロータ)とした。作製したモータについて、ブレーキモータと回転計、トルク計、電力計などからなるモータ特性評価装置を用いて回転数2500rpmの無負荷損を測定した。
 鉄心素材形状への加工に使用したレーザは、ナノ秒パルスレーザで、ビーム径50μmのものを使用した。レーザ出力を3.0~8.0kW、加工速度を50mpm~120mpmの範囲内で変化させた。具体的なレーザ出力、加工速度に関しては表2に示す。加工後の鉄心素材(電磁鋼板)において、加工端部領域および加工端部以外の領域のクラック発生頻度および鉄心素材(電磁鋼板)の表裏面のだれ量合計を上述のように評価した。
 表2に結果を示す。No.1、4、5、6、9、11は、クラック発生比率が本発明の範囲内に入っており、さらに電磁鋼板両面のだれ量比率が本発明の好適範囲内に入っており、鉄心素材から積層鉄心としたときの鉄損劣化が抑制されていることが分かる。No.3、8、10は、クラック発生比率が本発明の範囲外であることから、素材鉄損に対する積層鉄心の無負荷損の鉄損増加比率が大きくなっている。No.2、7は、だれ量比率は好適範囲を外れているが、クラック発生比率は本発明範囲内である。No.2、7は、クラック発生比率が本発明の範囲内でかつだれ量比率が本発明の好適範囲内のものに比べると素材鉄損に対する積層鉄心の無負荷損の鉄損増加比率が大きい。しかしながら、No.2、7は、クラック発生比率が本発明の範囲外のものより鉄損増加比率は抑制されていることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

Claims (2)

  1.  所定の形状に加工された電磁鋼板が積層されてなる積層鉄心であって、
    前記電磁鋼板は、表面に絶縁被膜を有し、加工端部から板中央方向に100μm以内の領域において前記絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)が、加工端部から板中央方向に100μm超500μm以内の領域において前記絶縁被膜を貫通するクラックの発生頻度(個/mm)の3.0倍以下である、積層鉄心。
  2.  前記加工による前記電磁鋼板両面のだれ量の合計が、前記電磁鋼板の板厚の30%以下である、請求項1に記載の積層鉄心。
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