JP2005300211A

JP2005300211A - 加工鉄心性能の推定方法

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Publication number: JP2005300211A
Application number: JP2004113114A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kaido; 力開道; Takashi Mogi; 尚茂木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】本発明は鉄心性能の推定法を提供する。
【解決手段】加工した磁性材料及びその磁性材料を組み合わせた鉄心の性能を推定する方法において、加工部からの距離で磁性材料の加工劣化を表す関数を用いて加工鉄心の性能を推定する。また、加工した磁性材料及びその磁性材料を組み合わせた鉄心の性能を推定する方法において、加工劣化を塑性変形領域と弾性変形領域に分けて、塑性変形領域に対しては前記の磁性材料を圧延した試料の磁気特性を用い、弾性変形領域に対しては、張力下の磁気特性と前記張力と同じ大きさの圧縮力下の磁気特性を同じ磁界で平均した磁気特性を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄心性能の推定法に関するものである。

電磁機器は小型軽量、低損失高効率であることが求められ、鉄心には高透磁率、低鉄損のものが求められる。このためには鉄心素材に高透磁率、低鉄損のものが使用される。しかし、この高性能鉄心材料を用いても所定の鉄心形状にするために打ち抜き加工すると、加工ひずみで鉄心素材特性は劣化し、最終的には電磁機器性能も劣化する。

電磁機器の最適設計のためには、数値解析で磁気回路設計の最適化が行われる。しかし、上記のように、鉄心素材の加工劣化などにより、数値解析による電磁機器性能推定精度は低下し問題がある。

本発明は、加工磁性材料或いはその組み合わせ鉄心の性能を推定する方法を提供する。

本発明の特徴とするところは、
（１）加工した磁性材料及びその磁性材料を組み合わせた鉄心の性能を推定する方法において、加工部からの距離で磁性材料の加工劣化を表す関数を用いる加工鉄心性能の推定方法、
（２）加工した磁性材料及びその磁性材料を組み合わせた鉄心の性能を推定する方法において、加工劣化を塑性変形領域と弾性変形領域に分けて、塑性変形領域に対しては前記の磁性材料を圧延した試料の磁気特性を用い、弾性変形領域に対しては、張力下の磁気特性と前記張力と同じ大きさの圧縮力下の磁気特性を同じ磁界で平均した磁気特性を用いる加工鉄心性能の推定方法、
（３）加工した磁性材料及びその磁性材料を組み合わせた鉄心の性能を推定する方法において、加工劣化を塑性変形領域と弾性変形領域に分けて、塑性変形領域に対しては前記の磁性材料を圧延した試料の磁気特性を用い、弾性変形領域に対しては、［励磁方向応力−（励磁方向と直角方向の二方向の応力の和）／２］を励磁方向応力とした磁気特性を用いる加工鉄心性能の推定方法、
（４）塑性変形領域と弾性変形領域に、各々、（１）記載の推定方法を用いる（２）または（３）記載の加工鉄心性能の推定方法、
（５）加工した磁性材料或いは組み合わせ鉄心を歪み取り焼鈍して用いる場合に、（１）〜（４）のいずれか１項に記載の加工鉄心性能の推定方法を用いて、焼鈍後の加工鉄心性能を推定する加工鉄心性能の推定方法、
（６）加工した磁性材料或いは組み合わせ鉄心を用いた電磁機器の性能について、（１）〜（５）のいずれか１項に記載の加工鉄心性能の推定方法を用いて推定する電磁機器性能の推定法にある。

本発明の加工鉄心性能の推定方法は、数値解析、加工部の結晶粒変形観察、磁区観察、硬度測定をもとに、磁性材料の素材の磁気特性、圧延された磁性材料の磁気特性や磁性材料の応力付加時の磁気特性から、鉄心性能を推定するものであり、従来の加工鉄心性能は実測でしか高精度で評価できなかったものが容易に高精度に可能にするものである。従来の推定法では、殆どが加工部近傍の劣化部と正常部に分けて評価していたが、実際には、塑性変形域と弾性変形域を考慮しないと精度良く推定できなく、本発明では、これらを考慮したことにより高精度の推定ができた。また、本推定方法は加工部からの距離の関数で劣化分布を求めて行うものであり、どのような形状の加工品でも適用可能であり、実際のモータ鉄心に適している。

磁性材料は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏあるいはこれらを含む磁性材料で、電磁鋼板、パーマロイ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｖ材などの板状材料、電磁軟鉄、鋳造鉄、Ｆｅ-Ｎｉ材、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｖ材などの塊状、棒状の磁性材料である。

鉄心はこれらを積層したり、束ねたもので、かしめや溶接をされているものも含む。鉄心は、トランス、モータ、発電機、リアクトル、インダクタなどのエネルギー変換機器や、電子電気回路に用いられるトランス、インダクタ、フィルタ、センサー、あるいは磁気シールドとして用いる。

加工は打ち抜き、剪断、曲げ、あるいは放電加工、レーザ加工、エッチング加工である。以後、これらをまとめて、打ち抜きや剪断などを記す。

加工部からの距離とは、加工部からの最短距離ｘであり、磁性材料の加工劣化を表す関数はそのｘを用いて表す。

磁性材料を打ち抜き、剪断すると、加工部に最も近い部分は塑性変形し、ダレなどを形成し、この塑性変形領域部分は磁気特性や硬度が変化する。従って、塑性変形領域は、加工により板厚などの形状が変化している部分、加工断面写真で結晶粒径が変形している部分、或いは硬度が変化している部分であり、打ち抜き加工や剪断加工ではダレなどが生じている部分である。曲げ加工の場合は、上記と同様に、塑性変形領域を定義できる。放電加工、レーザ加工は溶解部分、エッチング加工は化学的に浸食されている部分も塑性変形と同じものとして扱う。塑性変形領域としては最大塑性変形率の１／１０以上変形している部分、或いは加工による硬度上昇分の１／１０以内で硬度が増加している部分、放電加工、レーザ加工の溶解部分としては結晶粒界が溶けている部分、エッチング加工の化学的に浸食されている部分としては腐食されている部分をそれぞれ対象とした。塑性変形領域の最大塑性変形率の１／１０は実施例１で示しているように、塑性変形に対して磁気特性劣化がほぼ飽和する値であり、硬度変化もそれに比例するものと考えた。

弾性変形領域は打ち抜きや剪断などの加工端に連なる塑性変形領域に隣接する部分で、上記の塑性変形領域の変形に基づく弾性応力の影響領域で、放電加工、レーザ加工の溶解により熱歪みを受けている部分であり、実施例１に見られるように、磁区構造に影響を与えている領域である。この領域の幅は、磁区観察、加工の応力数値計算で求めたり、実測データから換算されるものであり、これを基に、同じ加工や同類形状の鉄心に施される同類の加工に適用することができる。

塑性変形領域に用いる磁気特性は、加工される最も変形が大きい変形率以内に相当する当該磁性材料の冷延加工歪みのデータを塑性変形領域の全域に用いる。好ましくは塑性変形域の平均変形率に相当する当該磁性材料の冷延加工歪みのデータを用いると良い。簡便的には、最大変形率の１／２に相当する当該磁性材料の冷延加工歪みのデータを用いても良い。各部の変形率を分布的に用いても良く、加工端からの最短距離ｘの関数を代表的な変形分布を組み込んで、各部変形率ε（ｘ）に対する冷延加工歪みで劣化したデータｆ（ｘ）を用いて、磁性材料、鉄心、更にはこれらを使用した電気機器の性能推定に用いても良い。

弾性変形領域に用いる磁気特性は、弾性変形領域では圧縮力と張力が同等に混在するので、同じ大きさの張力と圧縮下の磁気特性を同磁界で合成した磁気特性（以後、張力圧縮併合の磁気特性と記す。）、あるいは［励磁方向応力−（励磁方向と直角方向の二方向の応力の和）／２］を励磁方向応力とした場合の磁気特性データを板厚方向に平均した磁気特性（以後、三次元併合の磁気特性と記す。）を用いる。各部の弾性応力を分布的に用いても良く、加工端からの最短距離ｘの関数を代表的な弾性変形分布を組み込んで、各部の張力、圧縮の大きさσ（ｘ）に対する張力圧縮併合や三次元併合の磁気特性の磁気特性データｇ（ｘ）を用いて、磁性材料、鉄心、更にはこれらを使用した電気機器の性能推定に用いても良い。

加工した磁性材料或いは組み合わせ鉄心を歪み取り焼鈍して用いる場合にも適用できる。この場合は、塑性変形歪により再結晶される領域が塑性変形領域に対応する。この場合には、各部のε（ｘ）は残留する応力歪みσと再結晶後の粒径Ｄに影響されるものであり、残留応力歪みは焼鈍温度Ｔと時間ｔで、σ_０［１−exp（−Ｔ_０／Ｔ）・ｔ／ｔ_０］で表し、ε（ｘ）はσに比例するものとし、或いはε（ｘ）は加工前の結晶粒径をＤ_０とし１／Ｄ^Ｎ−１／Ｄ_０ ^Ｎに比例するとし、定数や比例計数は実験や実測値により求める。別途、冷延加工したものを歪み取り焼鈍条件で焼鈍し、求められる磁気特性データをｆ（ｘ）としても良い。

加工した磁性材料或いは組み合わせ鉄心を用いた電気機器の性能を推定する場合に用いる。電気機器は、家電、工場、鉄道、自動車、事務機器などに用いられるモータ、発電機、リアクトル、シールド材、また、発電所や発電機機に用いられる発電機など、あらゆる電気機器、電磁装置に適用できる。

シャー加工劣化による鉄心性能推定の実例、磁化曲線の推定法を挙げる。磁界Ｈにおける端部からの距離ｘにおける磁化曲線をＢ（ｘ，Ｈ）、加工歪みがない状態の磁化曲線をＢ_０（Ｈ）とする。加工端部から距離ｗ_Ｐまでの領域を塑性変形部として、この領域の磁化曲線は一定で、実測例より、
Ｂ（ｘ，Ｈ）＝Ｂ_Ｐ（Ｈ）＝０．４４・ln（Ｈ）−２ …（１）
とする。加工端部からの距離ｗ_Ｐからｗ_Ｅまでの領域を弾性変形部として、
Ｂ（ｘ，Ｈ）＝Ｂ_Ｐ（Ｈ）＋｛Ｂ_０（Ｈ）−Ｂ_Ｐ（Ｈ）｝（ｘ−ｗ_Ｐ）／（ｗ_Ｅ−ｗ_Ｐ）
…（２）
で表せると仮定する。加工幅がｗである試料全体の磁化特性は測定した場合、ｗ＞２ｗ_Ｅのとき、磁化曲線は
Ｂａ（ｗ）＝［２Ｂ_Ｐ（Ｈ）ｗ_Ｐ＋｛Ｂ_Ｐ（Ｈ）＋Ｂ_０（Ｈ）｝（ｗ_Ｅ−ｗ_Ｐ）
＋Ｂ_０（Ｈ）（ｗ−２ｗ_Ｅ）］／ｗ
＝Ｂ_０（Ｈ）−［Ｂ_０（Ｈ）−Ｂ_Ｐ（Ｈ）］（ｗ_Ｐ＋ｗ_Ｅ）／ｗ …（３）
となる。従って、加工幅ｗ（ｍｍ）における一定の磁界での平均磁束密度を
Ｂａ（ｗ）＝ｂ−ａ／ｗ …（４）
で表せると仮定して、板厚０．５ｍｍの電磁鋼板において剪断幅を変化させて磁化曲線を測定した結果、図１をもとに求めてみる。
磁界Ｈ＝８００Ａ／ｍにおいて、Ｂａ（１．１）＝０．７３Ｔ、Ｂａ（１．６）＝０．８５Ｔ、Ｂａ（３）＝１．１８Ｔ、Ｂａ（６）＝１．４２Ｔ、Ｂａ（１５）＝１．５Ｔであったので、回帰解析より、
Ｂａ（ｗ）＝１．５３−０．４７／ｗ …（５）
となる。式（３），（５）より、（ｗ_Ｐ＋ｗ_Ｅ）を求めると、ｗ_Ｐ＋ｗ_Ｅ＝０．８３ｍｍとなる。ｗ_Ｐは板厚の半分として０．２５ｍｍとすると、ｗ_Ｅ＝０．７８ｍｍとなった。
結局、剪断幅ｗ（ｍｍ）の電磁鋼板の場合、剪断加工後の磁化特性は次の式で推定できることとなる。
Ｂａ（ｗ）＝Ｂ_０（Ｈ）−０．８３［Ｂ_０（Ｈ）−０．４４・ln（Ｈ）＋２］／ｗ
…（６）

打ち抜き加工劣化を推定するに当たり、塑性変形域の幅を打ち抜き形状のダレ部の幅で決め、弾性変形幅は実機を磁区観察結果より決める。図２は加工部のダレ側表面写真であり、結晶粒が浮かび上がった部分が塑性変形部であり、塑性変形幅は板厚の半分であった。図３はダレ側とは反対のカエリ側の写真であり、打ち抜き部に、打ち抜き型の研磨すじがプリントされている部分が塑性変形部分に対応し、この写真から推定される塑性変形幅も板厚の半分であった。以上より、塑性変形幅は板厚の１／２と判定した。図４は、ダレ側とカエリ側の磁区写真であり、磁区に影響（カエリ側：磁壁間隔が狭くなっている部分、ダレ側：磁区が明確に見える部分）を与えている部分が板厚の２倍であり、弾性変形幅を板厚の２倍と判定した。

電磁鋼板素材特性の磁化特性と鉄損を測定し、Ｂ_０（Ｈ）、Ｗ_０（Ｂ）とした。板厚と同じ板幅（塑性変形幅の２倍）に剪断した電磁鋼板の磁気特性を測定して、その結果より、塑性変形部分の磁化特性と鉄損をＢ_Ｐ（Ｈ）、Ｗ_Ｐ（Ｂ）とした。板厚の５倍の幅（塑性変形幅の２倍と弾性変形幅の２倍の和）に剪断した電磁鋼板の磁気特性を測定して、その結果の磁化特性と鉄損をＢ_ＰＥ（Ｈ）、Ｗ_ＰＥ（Ｂ）とした。これより、弾性変形部分の磁化特性と鉄損の平均値Ｂ_Ｅ（Ｈ）、Ｗ_Ｅ（Ｂ）は、
Ｂ_Ｅ（Ｈ）＝｛５Ｂ_ＰＥ（Ｈ）−Ｂ_Ｐ（Ｈ）｝／４
Ｗ_Ｅ（Ｂ_Ｅ（Ｈ））＝｛５Ｗ_ＰＥ（Ｂ_ＰＥ（Ｈ））−Ｗ_Ｐ（Ｂ_Ｐ（Ｈ））｝／４
で表せる。

以上より、本発明推定方法による加工部からの距離ｘの磁気特性は、塑性変形域、弾性変形域の磁気特性はそれぞれその領域で均一と仮定し、板厚をｔとして、
ｘ＜ｔ／２のとき、Ｂ_Ｐ（Ｈ）、Ｗ_Ｐ（Ｂ）
ｔ／２≦ｘ＜２ｔのとき、Ｂ_Ｅ（Ｈ）、Ｗ_Ｅ（Ｂ）
２ｔ≦ｘのとき、Ｂ_０（Ｈ）、Ｗ_０（Ｂ）
とした。

板厚の電磁鋼板を打ち抜き、２極誘導モータの鉄心を製作した。このモータ鉄心の磁気特性を推定するにあたり、打ち抜きによる形状変形と残留歪（塑性変形）、残留応力（弾性応力）を３次元解析で求め、残留歪による磁気特性への影響は、残留歪を圧延率として電磁鋼板を圧延した試料の磁気特性データを用い、残留応力に対しては、［励磁方向応力−（励磁方向と直角方向の二方向の応力の和）／２］を励磁方向応力とした場合の磁気特性データを用いた。この方法で、無負荷状態のモータ鉄損を求めたところ、本発明の推定によると、（打ち抜き鉄心での鉄損）／（無歪での鉄損）で１．３１倍となった。この推定精度を検証するためモータ鉄損を実測したところ、（打ち抜き鉄心での鉄損）／（放電加工での鉄損）で１．３７倍であり、かなりの精度で推定出来ていることが分かった。

リング鉄心の磁気特性の加工劣化の影響を推定した例を示す。塑性変形域を加工部の結晶粒変形部分とし、その幅をｗ_Ｐとした。板厚に対するダレの大きさの比率の１／２を圧延率とする磁気特性をこの領域の磁気特性とした。弾性変形域は、応力σは加工部からの距離ｘに対してσ_Ｅexp｛（ｗ_Ｐ−ｘ）／ｘ_Ｅ｝で表せるとし、磁気特性は張力σと圧縮力σの磁気特性の平均とした。なお、σ_Ｅとｘ_Ｅは実施例３と同じ様に、加工での残留応力計算より求め、最大の残留応力と応力残留域幅をσ_Ｅとｘ_Ｅとした。

この方法を、無方向性電磁鋼板５０Ａ１０００を打ち抜いた外径１２５ｍｍ、内径１００ｍｍのリングに適用した。加工部の結晶粒変形部分の幅として実測したところ、板厚の１／３であったので、ｗ_Ｐは板厚の１／３とした。板厚に対するダレの大きさの比率は実測より０．３であったので、塑性変形域の平均変形率を０．３の１／２の０．１５とし、塑性変形域の磁気特性は圧延率１５％で圧延した磁気特性（圧延方向）とした。素材の磁気特性と圧延率１５％で圧延した磁気特性より、リング特性を推定した。実測値の鉄損が１５％劣化であったが、推定値では１８％となった。

実施例４に対して、硬度より塑性変形域を求めた。板厚１／２の部分において、マイクロビカースで５ポイント増加した幅を塑性変形域とした。実施例では塑性変形域の幅として板厚の０．４４倍がえられ、鉄損の推定劣化率は１３％となった。

二方向性電磁鋼板をワイヤカットで加工したＥＩコア［加工（磁路）幅は２５ｍｍ］の鉄心推定をした。加工部を磁区観察したところ、加工部で加工された結晶粒の全体が加工方向（加工部に直角方向）に最も近い磁化容易方向に磁化が向いていることが観察された。この加工された結晶粒の磁気特性は、二方向性電磁鋼板を磁界中焼鈍して一方向に磁化を向けた試料の磁気特性の方向依存性より推定した。例えば、ＥＩコアのように加工部に平行に励磁する場合は、加工方向に最も近い磁化容易方向が加工方向より５°であれば、この磁化容易方向は励磁方向に対して８５°となるので、磁界中焼鈍方向に対して８５°の二方向性電磁鋼板の磁気特性を用いる。加工部にあり、加工された結晶粒の磁気特性をこの方法で推定し、それ以外の部分は素材特性を用いて、鉄損を推定したところ、３６％増加となった。

実施例４のリング鉄心の歪み取り焼鈍後の磁気特性を推定する。前もって、調べておいた５％冷延後、焼鈍した鉄心素材の再結晶平均粒径と磁気特性の関係を用いて、塑性変形域の歪み取り焼鈍後の磁気特性変化は、歪み取り焼鈍後の塑性変形部の平均結晶粒径より磁気特性を求める。

弾性変形域は、焼鈍温度（Ｋ）と時間（ｈ）をＴ、ｔとして、残留応力が［１−ｔ／ｔ_０・exp（−Ｔ_０／Ｔ）］に比例するとして、歪み取り焼鈍による磁気特性変化を推定する。本実施例では、７００℃では３ｈ、７５０℃では１ｈで比例的に加工による歪が解放されるとして、ｔ_０＝５．２×１０^-１０ｈ，Ｔ_０＝２１９００Ｋとした。［１−ｔ／ｔ_０・exp（−Ｔ_０／Ｔ）］が負になる場合は０として無応力の磁気特性を用いる。６５０℃で５時間焼鈍した場合、塑性変形部の結晶粒の平均粒径で実測し、その平均粒径に最も近い５％冷延材の焼鈍後の再結晶平均粒径に対応する磁気特性との関係を塑性変形部の磁気特性とした。焼鈍後の塑性変形域の透磁率は、無焼鈍で一桁の透磁率の低下に対して、素材の透磁率に比べ１／５程度まだ回復したが、まだ低く、塑性変形域を透る磁束は低いままとなった。一方、弾性変形域の焼鈍による残留応力は１−ｔ／ｔ_０・exp（−Ｔ_０／Ｔ）＝０．５０となり、σ_Ｅが１／２になるとした。従って、透磁率（磁界一定）は約７０％、鉄損（磁束密度一定）は５０％となった。

これらの結果より、鉄心全体での鉄損回復率［＝（加工後鉄損−焼鈍後鉄損）／（加工後鉄損−完全回復時鉄損）］を推定すると、は約３１％となった。実測では鉄損劣化の約２５％回復したので、ほぼ良い一致で推定できた。

磁化曲線に与える剪断歪みの影響を示す線図である。加工部のダレ側表面の写真である。ダレ側とは反対のカエリ側の写真である。ダレ側とカエリ側の磁区写真である。

Claims

加工した磁性材料及びその磁性材料を組み合わせた鉄心の性能を推定する方法において、加工部からの距離で磁性材料の加工劣化を表す関数を用いる加工鉄心性能の推定方法。
加工した磁性材料及びその磁性材料を組み合わせた鉄心の性能を推定する方法において、加工劣化を塑性変形領域と弾性変形領域に分けて、塑性変形領域に対しては前記の磁性材料を圧延した試料の磁気特性を用い、弾性変形領域に対しては、張力下の磁気特性と前記張力と同じ大きさの圧縮力下の磁気特性を同じ磁界で平均した磁気特性を用いる加工鉄心性能の推定方法。
加工した磁性材料及びその磁性材料を組み合わせた鉄心の性能を推定する方法において、加工劣化を塑性変形領域と弾性変形領域に分けて、塑性変形領域に対しては前記の磁性材料を圧延した試料の磁気特性を用い、弾性変形領域に対しては、［励磁方向応力−（励磁方向と直角方向の二方向の応力の和）／２］を励磁方向応力とした磁気特性を用いる加工鉄心性能の推定方法。
塑性変形領域と弾性変形領域に、各々、請求項１記載の推定方法を用いる請求項２または請求項３記載の加工鉄心性能の推定方法。
加工した磁性材料或いは組み合わせ鉄心を歪み取り焼鈍して用いる場合に、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加工鉄心性能の推定方法を用いて、焼鈍後の加工鉄心性能を推定する加工鉄心性能の推定方法。
加工した磁性材料或いは組み合わせ鉄心を用いた電磁機器の性能について、請求項１〜５のいずれか１項に記載の加工鉄心性能の推定方法を用いて推定する電磁機器性能の推定法。