JP7533755B2 - 積層鉄心の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、積層鉄心の製造方法に関し、特に電磁鋼板が積層された変圧器用鉄心や回転機用鉄心の製造方法に関するものである。
変圧器や回転機用の鉄心は、電磁鋼板を所定の形状に加工した後、それらを積層して作製される。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作製され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し、結果として鋼板接合部の空隙が小さくなり、変圧器鉄心の鉄損、励磁電流、騒音が改善するという技術を開示している。
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、良好な鉄損特性が得られる積層鉄心の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、鉄損が設計値よりも大幅に大きくなった積層鉄心を詳細に分析した結果、２つの原因が存在することを突き止めた。
一つは、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の絶縁破壊による短絡である。積層鉄心は、表面に絶縁被膜を有する電磁鋼板を所定の形状に加工して鉄心素材とし、前記鉄心素材を積層して製造される。ここで、所定の形状に加工するとは、被加工材である表面に絶縁被膜を有する電磁鋼板を、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。短絡発生は、前記加工により、前記鉄心素材の加工部周辺の絶縁被膜を貫通するクラックが発生することが原因であり、このクラックの発生を制御することにより、積層鉄心とした場合の鉄損特性を大幅に改善可能であることが判明した。また、短絡による鉄損劣化には、鉄心素材を積層して積層鉄心とした場合の鉄心素材の加工部周辺の積層間の空隙量が影響を及ぼしており、この空隙量は、鉄心素材の加工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。
もう一つは、積層鉄心では、鉄心素材の加工面同士を突き合わせて鉄心を構成する場合があり、このような突合せ部が存在する積層鉄心では、鉄心の突合せ部での磁気抵抗が非常に大きくなっており、磁束が非常に通過しにくい状態になっていることである。本発明者らは、鉄心素材の加工面の算術平均粗さ（Ｒａ）が磁気抵抗に大きな影響を与えており、磁気抵抗を抑制するためには、加工面の粗さを低下させ、鉄心の接合部（突合せ部）で発生する空隙を小さくすることが非常に重要であることを見出した。さらに、本発明者らは、接合部で発生する空隙（接合面の空隙率）が小さくなった場合は、鉄心素材の加工面に付着する絶縁被膜も磁束の通りに影響を与えることも新たに知見した。
本発明者らは、上述の、鉄心素材の加工部周辺の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）、鉄心素材の加工面のだれ量（以下、単に、だれともいう）、加工面の算術平均粗さ（以下、単に、加工面の粗さともいう）、加工面への絶縁被膜の付着を制御可能な加工方法を検討した。その結果、衝撃波を利用することで、比較的容易にかつ安定的に前述のパラメータ（クラック、だれ、加工面の粗さ、加工面への絶縁被膜の付着）を制御可能であることが判明した。
本発明は、上記した知見に基づき開発されたものである。すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
［１］表面に絶縁被膜を有し、かつ、前記絶縁被膜表面の粗さ係数が２．０以上である電磁鋼板を、
ビーム径が２００μｍ以下、かつ、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザ、または、ビーム径が２００μｍ以下の連続レーザを用いて所定の形状に加工し、
前記加工した電磁鋼板を積層して積層鉄心を製造する、積層鉄心の製造方法。
［２］表面に絶縁被膜を有する電磁鋼板を、
ピコ秒パルスレーザ、または、フェムト秒パルスレーザを用いて所定の形状に加工するか、
もしくは、
水中で、または、表面に水膜がある状態で、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザ、または、連続レーザを用いて所定の形状に加工し、
前記加工した電磁鋼板を積層して積層鉄心を製造する、積層鉄心の製造方法。
［１］表面に絶縁被膜を有し、かつ、前記絶縁被膜表面の粗さ係数が２．０以上である電磁鋼板を、
ビーム径が２００μｍ以下、かつ、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザ、または、ビーム径が２００μｍ以下の連続レーザを用いて所定の形状に加工し、
前記加工した電磁鋼板を積層して積層鉄心を製造する、積層鉄心の製造方法。
［２］表面に絶縁被膜を有する電磁鋼板を、
ピコ秒パルスレーザ、または、フェムト秒パルスレーザを用いて所定の形状に加工するか、
もしくは、
水中で、または、表面に水膜がある状態で、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザ、または、連続レーザを用いて所定の形状に加工し、
前記加工した電磁鋼板を積層して積層鉄心を製造する、積層鉄心の製造方法。
本発明によれば、良好な鉄損特性が得られる積層鉄心の製造方法を提供することができる。
以下、本発明について具体的に説明する。
被加工材である電磁鋼板を所定の形状に加工する加工方法を説明する前に、各パラメータの推定発生メカニズムを述べる。図１に、一般的な打ち抜き加工時の模式図を示す。クラックの発生原因は、前記加工の際、電磁鋼板の加工部周辺に引張応力が発生し、その応力に耐え切れなくなって該鋼板表面の絶縁被膜にクラックが発生することによる。よって、クラックを低減するには、加工の際の引張応力の発生を極力抑制することが好ましい。引張応力の発生を抑制するには、引張応力を発生させている加工部に導入される応力を低減することが有効である。
次に、だれに関しては、加工部に、加工による応力が長時間付与されることで、電磁鋼板（被加工材）が大きく変形して発生する。より具体的には、だれは、電磁鋼板の加工部に、加工による応力が長時間付与されることで、加工部周辺の電磁鋼板表面が湾曲することで発生する。だれの防止は、加工により導入される応力の低減に加えて、加工時間を極力短くして電磁鋼板を変形させないことが重要である。
加工面の粗さは、加工部周辺の応力によって電磁鋼板にクラックが発生し、そのクラックが伝播することによって電磁鋼板が延性破壊を起こすことで増大する。よって、加工面の粗さの増大を抑制するには、加工部周辺に発生する応力の発生領域および大きさを極力抑制し、電磁鋼板に発生するクラックを抑制することが重要である。
最後に、加工面への絶縁被膜の付着であるが、これも絶縁被膜に発生するクラックと同様で、加工の際、電磁鋼板の加工部周辺に発生する引張応力によって絶縁被膜が加工部に引き込まれることで発生する。加工面における絶縁被膜の付着量を低減するには、引張応力の発生面積および大きさを低減することが有効である。
以上より、電磁鋼板を所定の形状に加工する加工方法を選定するにあたり重要なポイントは、（ｉ）加工部で発生する応力の影響面積および大きさを低減すること、（ｉｉ）加工時間を極力短くすること、である。
電磁鋼板を所定の形状に加工する際の加工方法としては、刃を鋼板に接触させて加工する打ち抜き加工や斜角加工、非接触で鋼板に熱を導入して加工する大気中でのレーザ加工などが一般的である。刃を鋼板に接触させて加工する加工方法は、非接触の加工方法と比べて、加工時間は相対的に長くなる。また、刃を鋼板に接触させて加工する加工方法は、加工の際に鋼板に導入される加工部周辺の応力も大きい。一方、大気中でのレーザ加工の場合は、相対的には短時間の加工が可能ではある。しかしながら、熱によって鋼板を加工するので、加工部周辺の広範囲にわたって熱伝達によって熱が伝わり、加熱・収縮によって該加工部周辺の広範囲で応力が発生するという問題があった。
従来より採用されてきた電磁鋼板の加工方法では、上述の重要なポイントを十分に満足しない。本発明では、電磁鋼板の加工方法として、電磁鋼板の加工ではこれまで着目されていなかった衝撃波を利用する加工方法を検討した。衝撃波を利用する加工方法では、所定の条件を満足すれば非常に良好な加工が可能であった。以下、衝撃波を利用する加工方法における加工条件のポイントを述べる。
（電磁鋼板表面の粗さ係数の制御）
第１のポイントは、被加工材である電磁鋼板表面の粗さ係数の制御である。なお、本発明における電磁鋼板は、表面に絶縁被膜を有するため、電磁鋼板表面の粗さ係数は、絶縁被膜表面の粗さ係数を意味する。衝撃波は、電磁鋼板表面にプラズマを発生させ、このプラズマの膨張を抑制することで発生する。このプラズマの膨張を抑制するには水を利用することが好適である。電磁鋼板表面の粗さ係数が大きいということは、絶縁被膜に割れ等が発生し、電磁鋼板表面の表面積が大きくなっていることを意味している。電磁鋼板表面には大気中の水分が吸着されるので、電磁鋼板表面の表面積を大きくすることで水分の吸着量が増大し、ある一定量を超えるとプラズマの膨張を抑制する効果が出現する。具体的に加工状態が良好になる電磁鋼板表面の粗さ係数を導出した実験を次に説明する。
第１のポイントは、被加工材である電磁鋼板表面の粗さ係数の制御である。なお、本発明における電磁鋼板は、表面に絶縁被膜を有するため、電磁鋼板表面の粗さ係数は、絶縁被膜表面の粗さ係数を意味する。衝撃波は、電磁鋼板表面にプラズマを発生させ、このプラズマの膨張を抑制することで発生する。このプラズマの膨張を抑制するには水を利用することが好適である。電磁鋼板表面の粗さ係数が大きいということは、絶縁被膜に割れ等が発生し、電磁鋼板表面の表面積が大きくなっていることを意味している。電磁鋼板表面には大気中の水分が吸着されるので、電磁鋼板表面の表面積を大きくすることで水分の吸着量が増大し、ある一定量を超えるとプラズマの膨張を抑制する効果が出現する。具体的に加工状態が良好になる電磁鋼板表面の粗さ係数を導出した実験を次に説明する。
＜実験１＞
Ｓｉ：３．０質量％、Ｍｎ：０．１５質量％、Ａｌ：０．２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た。前記鋼スラブを、熱間圧延により１．６ｍｍの熱延板とした後、９５０℃×６０ｓｅｃの熱延板焼鈍を施した。その後、冷間圧延により板厚０．３５ｍｍとし、続いて９８０℃×１０ｓｅｃ、Ｎ２：Ｈ２＝９０：１０（体積比）、露点－３５℃の条件で仕上げ焼鈍を行った。その後、仕上げ焼鈍後の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コーティング液を塗布し、３５０℃で焼き付けて絶縁被膜を形成し、電磁鋼板コイルを製造した。コーティング液を塗布するとき、塗布量（ｗｅｔ膜厚）を１～１０μｍの範囲で変化させた。
Ｓｉ：３．０質量％、Ｍｎ：０．１５質量％、Ａｌ：０．２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た。前記鋼スラブを、熱間圧延により１．６ｍｍの熱延板とした後、９５０℃×６０ｓｅｃの熱延板焼鈍を施した。その後、冷間圧延により板厚０．３５ｍｍとし、続いて９８０℃×１０ｓｅｃ、Ｎ２：Ｈ２＝９０：１０（体積比）、露点－３５℃の条件で仕上げ焼鈍を行った。その後、仕上げ焼鈍後の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コーティング液を塗布し、３５０℃で焼き付けて絶縁被膜を形成し、電磁鋼板コイルを製造した。コーティング液を塗布するとき、塗布量（ｗｅｔ膜厚）を１～１０μｍの範囲で変化させた。
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（鉄心素材）を切り出し、ＪＩＳ Ｃ ２５５０で定める方法により鉄心素材の鉄損（素材鉄損）Ｗ１５／５０を評価した。素材鉄損の評価後に、その鉄心素材の比表面積をＫｒガスを用いたガス吸着法により測定した。そして、その結果から表面の微小な凹凸を含めた真の表面積を算出し、表面が完全に平滑であるとした場合の見かけの表面積で割ることで電磁鋼板表面の粗さ係数を導出した。並行して、前述の方法で作製した電磁鋼板コイルより、レーザ加工にてＥＩコア用のばら鉄心を作製し、前記ＥＩコア鉄心の鉄損（ＥＩコア鉄損）を測定した。レーザ加工条件は、連続レーザ（連続波レーザ）を使用し、出力５００Ｗ、加工速度２ｍｐｍ、ビーム径１００μｍで実施した。図２に、素材鉄損とＥＩコア鉄損の比率に及ぼす鉄心素材である電磁鋼板表面の粗さ係数の影響を示す。電磁鋼板表面の粗さ係数が２．０以上の場合は、素材鉄損に対するＥＩコア鉄損の増大が抑制されていることが分かる。鉄損増分が抑制されたのは、鋼板表面に付着した水分によって、プラズマの膨張が抑制され、加工が熱から衝撃波に変化し、前述したクラック、だれ、加工面の粗さ、加工面への絶縁被膜の付着が抑制されたためと考えられる。
＜実験２＞
次に、レーザの種類を変更して加工する実験を行った。電磁鋼板コイルを製造する際のｗｅｔ膜厚を１．５μｍ、９．５μｍとして電磁鋼板コイルを製造した。前記電磁鋼板コイルから切り出した試験片（鉄心素材）表面の粗さ係数はそれぞれ１．２、６．３であった。本実験では、電磁鋼板コイルにレーザ加工を施して鉄心素材とする際のレーザの種類（パルス幅）を変更した。それ以外の条件はすべて前述の実験１と同じ方法で評価した。結果を図３に示す。図３に示すように、パルス幅がナノ（１×１０－９）秒未満（図３では、1.E-09と表記）のパルスレーザを用いて加工した場合では、鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数依存性は確認できず、両条件ともに鉄損増大は抑制されていた。これは、パルス幅がナノ秒未満のパルスレーザでは非常にエネルギー集中が高くなり、水分の助けがなくても大気中で衝撃波が発生したためと考えられる。一方、パルス幅がナノ秒以上（連続波含む）のレーザでは、鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数が本発明の範囲内の条件の場合に鉄損増大が抑制された。
次に、レーザの種類を変更して加工する実験を行った。電磁鋼板コイルを製造する際のｗｅｔ膜厚を１．５μｍ、９．５μｍとして電磁鋼板コイルを製造した。前記電磁鋼板コイルから切り出した試験片（鉄心素材）表面の粗さ係数はそれぞれ１．２、６．３であった。本実験では、電磁鋼板コイルにレーザ加工を施して鉄心素材とする際のレーザの種類（パルス幅）を変更した。それ以外の条件はすべて前述の実験１と同じ方法で評価した。結果を図３に示す。図３に示すように、パルス幅がナノ（１×１０－９）秒未満（図３では、1.E-09と表記）のパルスレーザを用いて加工した場合では、鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数依存性は確認できず、両条件ともに鉄損増大は抑制されていた。これは、パルス幅がナノ秒未満のパルスレーザでは非常にエネルギー集中が高くなり、水分の助けがなくても大気中で衝撃波が発生したためと考えられる。一方、パルス幅がナノ秒以上（連続波含む）のレーザでは、鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数が本発明の範囲内の条件の場合に鉄損増大が抑制された。
＜実験３＞
本実験では、レーザビーム径の影響を調査した。ここでは電磁鋼板コイルを製造する際のｗｅｔ膜厚を５．０μｍとして電磁鋼板コイルを製造した。前記電磁鋼板コイルから切り出した試験片（鉄心素材）表面の粗さ係数は３．３であった。本実験では、電磁鋼板コイルにレーザ加工を施して鉄心素材とする際、前記コイルに、大気中、水中、電磁鋼板表面に水膜を形成（水膜形成）した条件の３条件で、レーザビーム径を５０～３００μｍの範囲で変更させて、レーザ加工を行った。ここでレーザビーム径は、被加工材である電磁鋼板表面でのレーザビーム径である。それ以外の実験条件は実験１と同じである。大気中での加工では、ビーム径が２００μｍ超では、鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数が本発明の範囲内でも積層鉄心とした後の鉄損増分は大きくなる傾向が確認され、ビーム径は２００μｍ以下にする必要があることが分かった。これは、被加工材である電磁鋼板表面に付着した水分では、プラズマの膨張を抑制する効果が、水中や電磁鋼板表面に水膜を形成させた場合に比べて低く、衝撃波の発生には、ビーム径の小径化による更なるエネルギー集中が必要であったためと推定している。一方、電磁鋼板表面に水膜を形成して加工した場合や水中で加工を施した場合は、プラズマの膨張抑制効果が高いため、レーザビーム径によらず衝撃波が発生し、衝撃波を利用した加工が施されたため、積層鉄心とした後の鉄損増分が抑制されたと考えられる。
本実験では、レーザビーム径の影響を調査した。ここでは電磁鋼板コイルを製造する際のｗｅｔ膜厚を５．０μｍとして電磁鋼板コイルを製造した。前記電磁鋼板コイルから切り出した試験片（鉄心素材）表面の粗さ係数は３．３であった。本実験では、電磁鋼板コイルにレーザ加工を施して鉄心素材とする際、前記コイルに、大気中、水中、電磁鋼板表面に水膜を形成（水膜形成）した条件の３条件で、レーザビーム径を５０～３００μｍの範囲で変更させて、レーザ加工を行った。ここでレーザビーム径は、被加工材である電磁鋼板表面でのレーザビーム径である。それ以外の実験条件は実験１と同じである。大気中での加工では、ビーム径が２００μｍ超では、鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数が本発明の範囲内でも積層鉄心とした後の鉄損増分は大きくなる傾向が確認され、ビーム径は２００μｍ以下にする必要があることが分かった。これは、被加工材である電磁鋼板表面に付着した水分では、プラズマの膨張を抑制する効果が、水中や電磁鋼板表面に水膜を形成させた場合に比べて低く、衝撃波の発生には、ビーム径の小径化による更なるエネルギー集中が必要であったためと推定している。一方、電磁鋼板表面に水膜を形成して加工した場合や水中で加工を施した場合は、プラズマの膨張抑制効果が高いため、レーザビーム径によらず衝撃波が発生し、衝撃波を利用した加工が施されたため、積層鉄心とした後の鉄損増分が抑制されたと考えられる。
なお、被加工材である電磁鋼板表面に水膜がある状態は、レーザ加工の際にレーザが照射される電磁鋼板表面のレーザ照射面（レーザ加工が施される領域）が水膜で覆われた状態を意味する。前記電磁鋼板表面に水膜がある状態は、前記電磁鋼板表面の全面が水膜で覆われるようにしてもよいし、前記電磁鋼板表面の一部、すなわち、前記電磁鋼板表面のレーザ照射面を含む前記電磁鋼板表面の一部の領域が水膜で覆われるようにしてもよい。また、水膜の形成方法は、特に限定されないが、例えば、スプレーノズル等を用いて水を前記電磁鋼板表面に供給する方法等が挙げられる。
次に、本発明に係る積層鉄心の製造条件に関して具体的に説明する。
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。
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。
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。
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、表面に絶縁被膜を有する。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。ただし、大気中で、パルス幅がナノ秒以上のレーザ（連続レーザを含む）で加工を行う場合、電磁鋼板表面にミクロな凹凸を付与し、電磁鋼板表面の粗さ係数を２．０以上にすることが必要である。電磁鋼板表面の粗さ係数を２．０以上にする方法は、特には限定されない。好適手法としては、方向性電磁鋼板で一般的な張力を付与する絶縁被膜を形成する場合は、絶縁張力被膜形成用のコーティング液を塗布する際にｗｅｔ膜厚を３μｍ以上とし、焼き付け温度を８５０℃以上として絶縁被膜を形成する手法が挙げられる。また、無方向性電磁鋼板で一般的な無張力の絶縁被膜を形成する場合は、張力を付与しない絶縁被膜形成用のコーティング液を塗布する際にｗｅｔ膜厚を３μｍ以上とし、焼き付け温度を２００℃以上として絶縁被膜を形成する手法が挙げられる。方向性電磁鋼板の絶縁張力被膜としては、例えば、シリカを含有し、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。
被加工材である電磁鋼板から、鉄心素材である電磁鋼板を加工する際の製造方法は、一般的な斜角加工や打ち抜き加工といった刃を使用した加工ではなく、レーザ加工に限定する。レーザ加工で衝撃波を発生させるために、被加工材である電磁鋼板に加工を施す場合は、ピコ秒パルスレーザまたはフェムト秒パルスレーザを用いることが好適である。ピコ秒パルスレーザまたはフェムト秒パルスレーザを用いる場合の加工雰囲気は、特に限定されない。ピコ秒パルスレーザまたはフェムト秒パルスレーザを用いる場合は大気中で加工することが好ましいが、これに限定されず、窒素ガス中や不活性ガス中など、その他の雰囲気中で加工してもよい。また、水中や鋼板表面に水膜がある状態で加工してもよい。パルス幅がナノ秒以上のレーザ（連続レーザを含む）を使用する場合は、水中または被加工材の電磁鋼板表面に水膜がある条件とするか、あるいは、水中や水膜がある条件でなくとも（例えば大気中）、電磁鋼板表面の粗さ係数が２．０以上の電磁鋼板を使用した上で、レーザビーム径を２００μｍ以下にする条件とする。これにより、衝撃波を発生させることが可能になり、衝撃波を利用した加工が可能となる。なお、この場合、電磁鋼板表面の粗さ係数の上限は特に限定されない。一例として、電磁鋼板表面の粗さ係数は１２．０以下である。また、この場合、レーザビーム径の下限は特に限定されない。一例として、前記レーザビーム径は１０μｍ以上である。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、ピコ秒パルスレーザとは、パルス幅が１ピコ秒以上１０００ピコ秒未満のレーザ、フェムト秒パルスレーザとは、パルス幅が１フェムト秒以上１０００フェムト秒未満のレーザを意味する。
以上より、本発明では、以下の（１）～（３）の積層鉄心の製造方法とする。（１）表面に絶縁被膜を有し、かつ、前記絶縁被膜表面の粗さ係数が２．０以上である電磁鋼板を、ビーム径が２００μｍ以下、かつ、パルス幅がナノ秒以上のレーザ（連続レーザを含む）を用いて所定の形状（鉄心素材の形状）に加工し、前記加工した電磁鋼板（鉄心素材）を積層して積層鉄心とする、（２）表面に絶縁被膜を有する電磁鋼板を、水中で、または、表面に水膜がある状態で、パルス幅がナノ秒以上のレーザ（連続レーザを含む）を用いて所定の形状（鉄心素材の形状）に加工し、前記加工した電磁鋼板（鉄心素材）を積層して積層鉄心とする（この場合、絶縁被膜表面の粗さ係数、レーザビーム径は限定されない）、（３）表面に絶縁被膜を有する電磁鋼板を、ピコ秒パルスレーザ、フェムト秒パルスレーザを用いて所定の形状（鉄心素材の形状）に加工し、前記加工した電磁鋼板を積層して積層鉄心を製造する（この場合、加工雰囲気、絶縁被膜表面の粗さ係数、レーザビーム径は限定されない）。
（実施例１）
Ｃ：０．０２質量％、Ｓｉ：３．０質量％、Ｍｎ：０．０５質量％、Ｎｉ：０．０８質量％、Ａｌ：７０質量ｐｐｍ、Ｎ：３６質量ｐｐｍ、Ｓｅ：５質量ｐｐｍおよびＳ：１２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になる鋼スラブを連続鋳造にて製造した。前記鋼スラブを、１２００℃に加熱後、熱間圧延により板厚：２．４ｍｍの熱延板としたのち、１０５０℃で１２０秒の熱延板焼鈍を施した。ついで、塩酸酸洗により表面のサブスケールを除去したのち、冷間圧延を実施して、板厚：０．２７ｍｍの冷延板とした。
Ｃ：０．０２質量％、Ｓｉ：３．０質量％、Ｍｎ：０．０５質量％、Ｎｉ：０．０８質量％、Ａｌ：７０質量ｐｐｍ、Ｎ：３６質量ｐｐｍ、Ｓｅ：５質量ｐｐｍおよびＳ：１２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になる鋼スラブを連続鋳造にて製造した。前記鋼スラブを、１２００℃に加熱後、熱間圧延により板厚：２．４ｍｍの熱延板としたのち、１０５０℃で１２０秒の熱延板焼鈍を施した。ついで、塩酸酸洗により表面のサブスケールを除去したのち、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ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２＝０．３５、均熱温度：８２０℃で１２０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１２２０℃、５Ｈｒ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％の絶縁張力被膜形成用のコーティング液をｗｅｔ膜厚０．５～５μｍで塗布した後、８９０℃で焼付けて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。
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た。そして、所定の形状に加工した後の電磁鋼板（鉄心素材）を積層して１５００ｋＶＡ、鉄心重量１２００ｋｇ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条件はレーザ出力３．０ｋＷ、加工速度１００ｍｐｍで行った。その他の加工条件については表１に示す。Ｎｏ.１、２、３は、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザまたは連続レーザを用いたレーザ加工方法である。Ｎｏ．１、２、３は、大気中で、前記レーザを用いて加工する場合の鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数が本発明の範囲外であるため、通常の熱エネルギーによる加工となり、積層鉄心とした場合の鉄損特性が大きく劣化している。Ｎｏ.７、９は、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザまたは連続レーザを用いたレーザ加工方法である。Ｎｏ.７、９は、大気中で、前記レーザを用いて加工する場合の鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数は本発明の範囲内であるが、レーザビーム径が本発明範囲よりも大きい。そのため、エネルギー集中が不足した結果、衝撃波が発生せず、通常の熱エネルギーによる加工となったために、積層鉄心とした場合の鉄損特性が大きく劣化した。これら以外の本発明の範囲内で加工した発明例は、積層鉄心の鉄損特性の劣化が抑制され、良好な鉄損特性が得られていることが分かる。
（実施例２）
Ｓｉ：２．８質量％、Ｍｎ：０．１質量％、Ａｌ：１．２質量％を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鋼スラブを製造した。前記鋼スラブを、熱間圧延により１．６ｍｍの熱延板とした後、９００℃×６０ｓｅｃの熱延板焼鈍を施した。その後、冷間圧延により板厚０．１５ｍｍとし、続いて１０４０℃×１０ｓｅｃ、Ｎ２：Ｈ２＝７０：３０（体積比）、露点－５０℃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ｗｅｔ膜厚０．５～５μｍで塗布した後、３００℃で焼き付けて絶縁被膜を形成した。
Ｓｉ：２．８質量％、Ｍｎ：０．１質量％、Ａｌ：１．２質量％を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鋼スラブを製造した。前記鋼スラブを、熱間圧延により１．６ｍｍの熱延板とした後、９００℃×６０ｓｅｃの熱延板焼鈍を施した。その後、冷間圧延により板厚０．１５ｍｍとし、続いて１０４０℃×１０ｓｅｃ、Ｎ２：Ｈ２＝７０：３０（体積比）、露点－５０℃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ｗｅｔ膜厚０．５～５μｍで塗布した後、３００℃で焼き付けて絶縁被膜を形成した。
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 Ｃ ２５５０－３で定める方法により素材鉄損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て得た電磁鋼板（鉄心素材）を積層させ、かつ、鉄心素材を突き合わせて分割型ステータとした。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６００Ｗ）の一体型ロータ、および前記分割型ステータを用いてモータに組みあげた。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３５００ｒｐｍの無負荷損（Ｗ）を測定した。
鉄心素材への加工条件は、レーザ出力３．０ｋＷ、加工速度１００ｍｐｍで行った。その他の加工条件については表２に示す。Ｎｏ．１、２、３は、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザまたは連続レーザを用いたレーザ加工方法である。Ｎｏ．１、２、３は、大気中で、前記レーザを用いて加工する場合の鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数が本発明の範囲外であるため、通常の熱エネルギーによる加工となり、積層鉄心とした場合の鉄損特性が大きく劣化している。Ｎｏ．７、９は、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザまたは連続レーザを用いたレーザ加工方法である。Ｎｏ.７、９は、大気中で、前記レーザを用いて加工する場合の鉄心素材の電磁鋼板表面の粗さ係数は本発明の範囲内であるが、レーザビーム径が本発明範囲よりも大きい。そのため、エネルギー集中が不足した結果、衝撃波が発生せず、通常の熱エネルギーによる加工となったために、積層鉄心とした場合の鉄損特性が大きく劣化した。これら以外の本発明の範囲内で加工した発明例は、積層鉄心の鉄損特性の劣化が抑制され、良好な鉄損特性が得られていることが分かる。
Claims (2)
- 表面に絶縁被膜を有し、かつ、前記絶縁被膜表面の粗さ係数が２．０以上１２．０以下である電磁鋼板を、
ビーム径が１０μｍ以上２００μｍ以下、かつ、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザ、または、ビーム径が１０μｍ以上２００μｍ以下の連続レーザを用いて所定の形状に加工し、
前記加工した電磁鋼板を積層して積層鉄心を製造する、積層鉄心の製造方法。 - 表面に絶縁被膜を有する電磁鋼板を、
ピコ秒パルスレーザ、または、フェムト秒パルスレーザを用いて所定の形状に加工するか、
もしくは、
水中で、または、表面に水膜がある状態で、パルス幅がナノ秒以上のパルスレーザ、または、連続レーザを用いて所定の形状に加工し、
前記加工した電磁鋼板を積層して積層鉄心を製造する、積層鉄心の製造方法。
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