JP4598321B2 - 磁気特性の優れた方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを照射した鉄損と磁歪特性に優れる方向性電磁鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、方向性電磁鋼板の製造方法において、鋼板表面にグラス皮膜を形成し、更に絶縁コーティングを施した後に板幅方向に線状で、且つ圧延方向に周期的な応力歪みを導入し、還流磁区を形成することで180 °磁壁間隔を細分化し、鉄損を減少させる方法が種々提案されてきた。中でも特開昭55-18566号公報に開示されるように、鋼板の表面にパルスYAG レーザビームを集光照射して、被照射部での皮膜の蒸発反力により歪みを導入する方法は、鉄損改善効果が大きく、且つ非接触加工であることから信頼性・制御性も高い優れた方向性電磁鋼板の製造法である。
【０００３】
ここでレーザ照射による鉄損改善の原理は次のように説明される。方向性電磁鋼板の鉄損は異常渦電流損とヒステリシス損に分離される。鋼板にレーザを照射すると皮膜の蒸発反力により表層に応力歪みが発生する。この歪みを源にして環流磁区が発生し、ここでの静磁エネルギーを最小化にするように180 ゜磁区が細分化される。その結果、180 ゜磁壁間隔に比例した渦電流損が減少し鉄損が低下する。
【０００４】
ところで方向性電磁鋼板の重要な磁気特性として磁歪がある。磁歪は外部磁界に対する鋼板伸縮のパラメータであり、電磁鋼板をトランスの鉄芯に使用する際の騒音発生の原因となる。近年のトランス低騒音化ニーズに応えるため磁歪低減の重要性は非常に高い。レーザ照射により発生する環流磁区は外部磁界を印加した場合、磁界方向に伸縮するため一般に磁歪を増大させる要因となり、特に外部磁界1.7〜1.9Ｔでの高磁場での磁歪の増大が大きい。従ってレーザ照射により環流磁区を形成することで鉄損の低減は図れるものの磁歪を増大させる可能性があった。
【０００５】
鉄損を十分を低下させ、且つ磁歪の増大を極力抑制するためには最適な環流磁区導入条件、すなわち最適レーザ照射条件が存在すると考えられる。しかし、従来の技術では鉄損を低減することのみに着眼し、その照射条件範囲も非常に広範囲である。例えば特開昭56-51528号公報、特公昭61-49366号公報に開示されるレーザ照射条件の範囲は照射ビーム径を0.01〜1mm、圧延方向照射間隔を2.5〜20mm、板幅方向間隔0.3〜1.0mmとなっている。このような広い照射条件範囲でもある程度の鉄損低減効果は得られると考えられる。しかしこれらの独立したパラメータの相関は不明確であり、鉄損改善効果を最大化させる具体的指標はなく、また磁歪性能を無視しているため低鉄損は得られてもトランスの騒音が大きくなるという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明にて解決しようとする課題は、レーザ照射により磁気特性を改善した方向性電磁鋼板として、鉄損改善効果が最大化され、且つ磁歪増加を極力抑制した方向性電磁鋼板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するもので、鋼板表面にグラス皮膜を形成し、更に絶縁コーティングを施した鋼板の一方の表面にパルスレーザを点列に集光照射して、板幅方向に線状で、且つ圧延方向に周期的な応力歪みを導入することにより、還流磁区を形成して鉄損を改善した方向性電磁鋼板であって、レーザ照射痕が円形あるいは楕円形であり、照射痕の圧延方向径をdl、板幅方向径をdc、照射痕の板幅方向間隔をPc、圧延方向間隔をPlとしたとき、以下の条件を全て満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板である。
【０００８】
dl≦0.20mm
0.6≦（dc／Pc）≦1.0
0.040≦（dl／Pl）≦0.050
ただし、dl＝0.2ｍｍ、dc／Pc＝2／3、且つdl／Pl＝0.04のときを除く。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、パルスレーザ照射によって形成される照射痕形状とその間隔を限定することで鉄損もさることながら、特に磁歪特性に優れた方向性電磁鋼板を提供するものである。以下にその限定の根拠と効果について実施例を用いて説明する。
【００１０】
【実施例】
図１はパルスレーザの点列照射痕の模式図である。圧延方向径ｄｌ、板幅方向径dcの照射痕の点列が圧延方向に間隔Pl、板幅方向に間隔Pcで形成される。照射痕径はレーザ集光ビーム径にほぼ一致する。レーザ照射による歪みを起点として環流磁区が形成され、その環流磁区幅は照射径にほぼ一致する。
【００１１】
まず、照射痕の板幅方向径ｄcと板幅方向間隔Pcの関係について説明する。効果的な鉄損改善効果を得るためには板幅方向に連続した環流磁区を形成することが好ましく、従って板幅方向に隣り合う環流磁区が接するかあるいは重なることが好ましい。そこで点列照射により形成される環流磁区を磁区観察用電子顕微鏡にて詳細に観察したところ、点列間隔が大きくなり、照射痕の板幅方向径ｄcと板幅方向照射間隔Pcが0の関係がｄc／Pc＜0.6の範囲では図２（ａ）に示すように隣り合う環流磁区が接しなくなるため、連続した環流磁区が形成されないことがわかった。また、図2（ｃ）に示す様に隣り合う照射痕が重なり合う場合、すなわちｄc／Pc＞1.0の範囲では一度歪みが付与された場所に更に不必要な歪みを与えることになり非効率的であるばかりでなく、過大な歪みによりヒステリシス損の大幅な増大につながる。従って、板幅方向に切れ目なく連続した環流磁区を効率的に形成するには図2（ｂ）に示す様な点列配置であり、ｄcとPcの関係は0.6≦（ｄc／Pc）≦1.0となることが最適である。
【００１２】
【表１】
【００１３】
次に、照射痕の圧延方向径ｄlの最適な範囲について説明する。表１はｄc／Pc＝0.67に固定し、ｄlとPlをパラメータにレーザ照射を行った際の鉄損改善率ηと磁歪λの測定結果である。ここでηは周波数50Hz、最大磁束密度1.7Tにおける鉄損Ｗ17/50の改善率であり、次式で定義される。尚、鉄損改善量は素材に大きく依存するため改善率の絶対値も素材によって変化する。しかし、同じ素材を用いる限りは改善効果は改善率の相対値で比較することが可能である。
η=（レーザ照射前鉄損−レーザ照射後鉄損）／（レーザ照射前鉄損）×100（％）
また、磁歪λは磁束密度1.9Ｔ、周波数50Hz、圧縮応力0.3kg/mm2での鋼板伸縮全幅の鋼板全長に対する比率で定義される。
【００１４】
この実施例ではＱスイッチYAGレーザを使用した。パルスエネルギーは4mJである。出力されるレーザビーム形状は僅かに楕円化しており、dc／dl＝1.1である。レーザビームを球面レンズで集光照射する場合、dcとdlの比率は常に一定である。よってdlを変化させる結果、同時にdcも変化する。そこで、本実施例ではｄc／Pc＝0.67に固定するためにdcの変化に合わせてPcも調整した。
【００１５】
この結果より、ｄl≦0.20mmの範囲では適当な圧延方向間隔Plを選ぶことで容易に鉄損改善率が10％を越えることがわかったが、dl＞0.20mmでは改善率はせいぜい10％以下であった。これはdlが大きくなると環流磁区幅の圧延方向幅も増加し、その結果ヒステリシス損失が増大するためであると考えられる。従って、dl＞0.20mmの範囲では鉄損改善効果が低くくなる問題があり、従ってdlの範囲はｄ≦0.20mmが最適である。
【００１６】
次に、Plとｄlの比率の最適範囲について述べる。表１よりdlが0.20mm以下においてｄl／Plと鉄損改善率ηの関係に注目するとdl／Pl＜0.04の範囲においてηは10％に達せず、鉄損改善効果は低い。磁区細分化効果は圧延方向に隣り合う環流磁区個々の細分化効果が繋がることにより効果が増大すると考えられる。従って、ある一定の環流磁区の圧延方向幅に対して間隔Plが広くなりすぎると、その繋がりの効果が減少し、鉄損改善率も減少するものと考えられる。ｄl／Pl≧0.04の範囲においては隣り合う環流磁区の細分化効果が繋がり、その結果、高い鉄損改善率が得られる。
【００１７】
一方、磁歪λはdl／Plの増加に伴いの増加することがわかった。環流磁区は圧延方向に加わる交番磁界に対してその方向に伸縮する性質を持つ。従って、環流磁区の量が増加すると伸縮量も増え、磁歪λが増大する。ｄl／Plが大きいということは鋼板に占める環流磁区体積の割合が大きいことを示すため、従って、ｄl／Plの増加に伴いλは増加するものである。表１の結果からｄl／Plに対してλの変化は非常に敏感であることがわかり、ｄl／Pl＞0.05にてその増加量が顕著であった。従って、磁歪の観点でのｄl／Pl≦0.05が最適な範囲である。このように、0.04≦ｄ／Pl≦0.05が鉄損と磁歪の両特性において同時に高い性能を得る範囲である。
【００１８】
尚、本実施例では楕円ビームを用いたが、レーザビーム形状が完全に円形であってもビームを高速スキャンして鋼板に照射する場合も照射痕はスキャン方向に長軸を持つ楕円となる。本発明は鋼板上に形成された照射痕の形状を限定することで磁気特性を大幅に改善した製品であり、特に照射するビームの形状を限定するものではない。また、照射痕がdc＝dlである円形であることも本発明の範囲に含まれることは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、鋼板の一方の表面にパルスレーザを点列に集光照射するに際し、レーザ照射痕の圧延方向径、板幅方向径、照射痕の板幅方向間隔、圧延方向間隔を特定の条件下で制御することで高い鉄損改善効果とともに磁歪の増加を極力抑えた方向性電磁鋼板が得られるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルスレーザを点列照射して磁気特性を改善した方向性電磁鋼板の照射痕の説明図である。
【図２】レーザ照射後の方向性電磁鋼板の磁区構造の模式図で、照射痕の板幅方向間隔Pcと照射痕径dl、deおよび環流磁区構造の関係を示し、（ａ）はdc／Pc＜0.6の場合、（ｂ）は0.6≦（dc／Pc）≦1.0の場合、（ｃ）はdc／Pc＞1.0の場合の環流磁区構造を示す図である。
【符号の説明】
dl…パルスレーザ照射痕の圧延方向径
dc…パルスレーザ照射痕の板幅方向径
Pc…照射痕の板幅方向間隔
Pl…照射痕の圧延方向間隔
Pg…180゜磁区磁壁間隔
η…磁束密度1.7T、周波数50Hzにおける鉄損のレーザ照射による改善率
λ…磁束密度1.9Ｔ、周波数50Hz、圧縮応力0.3kg/mm2における磁歪
１…方向性電磁鋼板
２…レーザ照射痕
３…環流磁区
４…180°磁区
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを照射した鉄損と磁歪特性に優れる方向性電磁鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、方向性電磁鋼板の製造方法において、鋼板表面にグラス皮膜を形成し、更に絶縁コーティングを施した後に板幅方向に線状で、且つ圧延方向に周期的な応力歪みを導入し、還流磁区を形成することで180 °磁壁間隔を細分化し、鉄損を減少させる方法が種々提案されてきた。中でも特開昭55-18566号公報に開示されるように、鋼板の表面にパルスYAG レーザビームを集光照射して、被照射部での皮膜の蒸発反力により歪みを導入する方法は、鉄損改善効果が大きく、且つ非接触加工であることから信頼性・制御性も高い優れた方向性電磁鋼板の製造法である。
【０００３】
ここでレーザ照射による鉄損改善の原理は次のように説明される。方向性電磁鋼板の鉄損は異常渦電流損とヒステリシス損に分離される。鋼板にレーザを照射すると皮膜の蒸発反力により表層に応力歪みが発生する。この歪みを源にして環流磁区が発生し、ここでの静磁エネルギーを最小化にするように180 ゜磁区が細分化される。その結果、180 ゜磁壁間隔に比例した渦電流損が減少し鉄損が低下する。
【０００４】
ところで方向性電磁鋼板の重要な磁気特性として磁歪がある。磁歪は外部磁界に対する鋼板伸縮のパラメータであり、電磁鋼板をトランスの鉄芯に使用する際の騒音発生の原因となる。近年のトランス低騒音化ニーズに応えるため磁歪低減の重要性は非常に高い。レーザ照射により発生する環流磁区は外部磁界を印加した場合、磁界方向に伸縮するため一般に磁歪を増大させる要因となり、特に外部磁界1.7〜1.9Ｔでの高磁場での磁歪の増大が大きい。従ってレーザ照射により環流磁区を形成することで鉄損の低減は図れるものの磁歪を増大させる可能性があった。
【０００５】
鉄損を十分を低下させ、且つ磁歪の増大を極力抑制するためには最適な環流磁区導入条件、すなわち最適レーザ照射条件が存在すると考えられる。しかし、従来の技術では鉄損を低減することのみに着眼し、その照射条件範囲も非常に広範囲である。例えば特開昭56-51528号公報、特公昭61-49366号公報に開示されるレーザ照射条件の範囲は照射ビーム径を0.01〜1mm、圧延方向照射間隔を2.5〜20mm、板幅方向間隔0.3〜1.0mmとなっている。このような広い照射条件範囲でもある程度の鉄損低減効果は得られると考えられる。しかしこれらの独立したパラメータの相関は不明確であり、鉄損改善効果を最大化させる具体的指標はなく、また磁歪性能を無視しているため低鉄損は得られてもトランスの騒音が大きくなるという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明にて解決しようとする課題は、レーザ照射により磁気特性を改善した方向性電磁鋼板として、鉄損改善効果が最大化され、且つ磁歪増加を極力抑制した方向性電磁鋼板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するもので、鋼板表面にグラス皮膜を形成し、更に絶縁コーティングを施した鋼板の一方の表面にパルスレーザを点列に集光照射して、板幅方向に線状で、且つ圧延方向に周期的な応力歪みを導入することにより、還流磁区を形成して鉄損を改善した方向性電磁鋼板であって、レーザ照射痕が円形あるいは楕円形であり、照射痕の圧延方向径をdl、板幅方向径をdc、照射痕の板幅方向間隔をPc、圧延方向間隔をPlとしたとき、以下の条件を全て満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板である。
【０００８】
dl≦0.20mm
0.6≦（dc／Pc）≦1.0
0.040≦（dl／Pl）≦0.050
ただし、dl＝0.2ｍｍ、dc／Pc＝2／3、且つdl／Pl＝0.04のときを除く。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、パルスレーザ照射によって形成される照射痕形状とその間隔を限定することで鉄損もさることながら、特に磁歪特性に優れた方向性電磁鋼板を提供するものである。以下にその限定の根拠と効果について実施例を用いて説明する。
【００１０】
【実施例】
図１はパルスレーザの点列照射痕の模式図である。圧延方向径ｄｌ、板幅方向径dcの照射痕の点列が圧延方向に間隔Pl、板幅方向に間隔Pcで形成される。照射痕径はレーザ集光ビーム径にほぼ一致する。レーザ照射による歪みを起点として環流磁区が形成され、その環流磁区幅は照射径にほぼ一致する。
【００１１】
まず、照射痕の板幅方向径ｄcと板幅方向間隔Pcの関係について説明する。効果的な鉄損改善効果を得るためには板幅方向に連続した環流磁区を形成することが好ましく、従って板幅方向に隣り合う環流磁区が接するかあるいは重なることが好ましい。そこで点列照射により形成される環流磁区を磁区観察用電子顕微鏡にて詳細に観察したところ、点列間隔が大きくなり、照射痕の板幅方向径ｄcと板幅方向照射間隔Pcが0の関係がｄc／Pc＜0.6の範囲では図２（ａ）に示すように隣り合う環流磁区が接しなくなるため、連続した環流磁区が形成されないことがわかった。また、図2（ｃ）に示す様に隣り合う照射痕が重なり合う場合、すなわちｄc／Pc＞1.0の範囲では一度歪みが付与された場所に更に不必要な歪みを与えることになり非効率的であるばかりでなく、過大な歪みによりヒステリシス損の大幅な増大につながる。従って、板幅方向に切れ目なく連続した環流磁区を効率的に形成するには図2（ｂ）に示す様な点列配置であり、ｄcとPcの関係は0.6≦（ｄc／Pc）≦1.0となることが最適である。
【００１２】
【表１】
次に、照射痕の圧延方向径ｄlの最適な範囲について説明する。表１はｄc／Pc＝0.67に固定し、ｄlとPlをパラメータにレーザ照射を行った際の鉄損改善率ηと磁歪λの測定結果である。ここでηは周波数50Hz、最大磁束密度1.7Tにおける鉄損Ｗ17/50の改善率であり、次式で定義される。尚、鉄損改善量は素材に大きく依存するため改善率の絶対値も素材によって変化する。しかし、同じ素材を用いる限りは改善効果は改善率の相対値で比較することが可能である。
η=（レーザ照射前鉄損−レーザ照射後鉄損）／（レーザ照射前鉄損）×100（％）
また、磁歪λは磁束密度1.9Ｔ、周波数50Hz、圧縮応力0.3kg/mm2での鋼板伸縮全幅の鋼板全長に対する比率で定義される。
【００１４】
この実施例ではＱスイッチYAGレーザを使用した。パルスエネルギーは4mJである。出力されるレーザビーム形状は僅かに楕円化しており、dc／dl＝1.1である。レーザビームを球面レンズで集光照射する場合、dcとdlの比率は常に一定である。よってdlを変化させる結果、同時にdcも変化する。そこで、本実施例ではｄc／Pc＝0.67に固定するためにdcの変化に合わせてPcも調整した。
【００１５】
この結果より、ｄl≦0.20mmの範囲では適当な圧延方向間隔Plを選ぶことで容易に鉄損改善率が10％を越えることがわかったが、dl＞0.20mmでは改善率はせいぜい10％以下であった。これはdlが大きくなると環流磁区幅の圧延方向幅も増加し、その結果ヒステリシス損失が増大するためであると考えられる。従って、dl＞0.20mmの範囲では鉄損改善効果が低くくなる問題があり、従ってdlの範囲はｄ≦0.20mmが最適である。
【００１６】
次に、Plとｄlの比率の最適範囲について述べる。表１よりdlが0.20mm以下においてｄl／Plと鉄損改善率ηの関係に注目するとdl／Pl＜0.04の範囲においてηは10％に達せず、鉄損改善効果は低い。磁区細分化効果は圧延方向に隣り合う環流磁区個々の細分化効果が繋がることにより効果が増大すると考えられる。従って、ある一定の環流磁区の圧延方向幅に対して間隔Plが広くなりすぎると、その繋がりの効果が減少し、鉄損改善率も減少するものと考えられる。ｄl／Pl≧0.04の範囲においては隣り合う環流磁区の細分化効果が繋がり、その結果、高い鉄損改善率が得られる。
【００１７】
一方、磁歪λはdl／Plの増加に伴いの増加することがわかった。環流磁区は圧延方向に加わる交番磁界に対してその方向に伸縮する性質を持つ。従って、環流磁区の量が増加すると伸縮量も増え、磁歪λが増大する。ｄl／Plが大きいということは鋼板に占める環流磁区体積の割合が大きいことを示すため、従って、ｄl／Plの増加に伴いλは増加するものである。表１の結果からｄl／Plに対してλの変化は非常に敏感であることがわかり、ｄl／Pl＞0.05にてその増加量が顕著であった。従って、磁歪の観点でのｄl／Pl≦0.05が最適な範囲である。このように、0.04≦ｄ／Pl≦0.05が鉄損と磁歪の両特性において同時に高い性能を得る範囲である。
【００１８】
尚、本実施例では楕円ビームを用いたが、レーザビーム形状が完全に円形であってもビームを高速スキャンして鋼板に照射する場合も照射痕はスキャン方向に長軸を持つ楕円となる。本発明は鋼板上に形成された照射痕の形状を限定することで磁気特性を大幅に改善した製品であり、特に照射するビームの形状を限定するものではない。また、照射痕がdc＝dlである円形であることも本発明の範囲に含まれることは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、鋼板の一方の表面にパルスレーザを点列に集光照射するに際し、レーザ照射痕の圧延方向径、板幅方向径、照射痕の板幅方向間隔、圧延方向間隔を特定の条件下で制御することで高い鉄損改善効果とともに磁歪の増加を極力抑えた方向性電磁鋼板が得られるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルスレーザを点列照射して磁気特性を改善した方向性電磁鋼板の照射痕の説明図である。
【図２】レーザ照射後の方向性電磁鋼板の磁区構造の模式図で、照射痕の板幅方向間隔Pcと照射痕径dl、deおよび環流磁区構造の関係を示し、（ａ）はdc／Pc＜0.6の場合、（ｂ）は0.6≦（dc／Pc）≦1.0の場合、（ｃ）はdc／Pc＞1.0の場合の環流磁区構造を示す図である。
【符号の説明】
dl…パルスレーザ照射痕の圧延方向径
dc…パルスレーザ照射痕の板幅方向径
Pc…照射痕の板幅方向間隔
Pl…照射痕の圧延方向間隔
Pg…180゜磁区磁壁間隔
η…磁束密度1.7T、周波数50Hzにおける鉄損のレーザ照射による改善率
λ…磁束密度1.9Ｔ、周波数50Hz、圧縮応力0.3kg/mm2における磁歪
１…方向性電磁鋼板
２…レーザ照射痕
３…環流磁区
４…180°磁区
Claims (1)
- 鋼板表面にグラス皮膜を形成し、更に絶縁コーティングを施した鋼板の一方の表面にパルスレーザを点列に集光照射して、板幅方向に線状で、且つ圧延方向に周期的な応力歪みを導入することにより、還流磁区を形成して鉄損を改善した方向性電磁鋼板であって、レーザ照射痕が円形あるいは楕円形であり、レーザ照射痕の圧延方向長さをdl、板幅方向長さをdc、照射痕の板幅方向間隔をPc、圧延方向間隔をPlとしたとき、以下の条件を全て満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
dl≦0.20mm
0.6≦（dc／Pc）≦1.0
0.040≦（dl／Pl）≦0.050
ただし、dl＝0.2ｍｍ、dc／Pc＝2／3、且つdl／Pl＝0.04のときを除く。
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