低鐵損和低噪聲晶粒取向電工鋼板及其生產方法

2023-06-11 15:20:01 2

專利名稱：低鐵損和低噪聲晶粒取向電工鋼板及其生產方法
技術領域：
本發明涉及用於變壓器鐵心中的晶粒取向電工鋼板等，更具體的涉及有助於降低鐵損和鐵心噪聲的低鐵損和低噪聲晶粒取向電工鋼板，及其生產方法。
近年來，已經開始要求降低電磁設備的噪聲和振動，例如在變壓器中，現在越來越需要一種用於變壓器中鐵心的晶粒取向電工鋼板，這種材料不但能夠具有低鐵損而且是低噪聲和低振動的。這就是說，晶粒取向電工鋼板的磁致伸縮是導致變壓器噪聲和振動的一個原因。磁致伸縮，在此意味著，當晶粒取向電工鋼板通過交流電磁化時在鋼板的軋制方向產生振動，並且其量值小到約為10-6。然而，現在還未搞清何種類型的磁致伸縮特性對降低變壓器噪聲是有效的。
現在降低噪聲的方法是減少磁致伸縮。眾所周知，磁致伸縮可通過增加二次重結晶晶粒在{110}001取向的積分數而降低。當需要鐵損降低時，採用這種通常的方法。日本專利公開No.平8-269562中公開了一種材料中磁致伸縮被積極降低的方法。在此公開中，試圖通過在退火時故意遺留內部殘餘應變的方式來降低磁致伸縮。然而，採用這種方法，由於殘留應變，磁滯損失增加，將導致鐵損增加。
如上所述，用以降低變壓器的噪聲的鐵心材料的磁致伸縮特性對於尚未得到清楚地解釋，而且材料的那些降低磁致伸縮振動特性幾乎沒有被涉及。本發明的目的是提供一種晶粒取向電工鋼板，非常適於確保同時變壓器的低鐵損和低噪聲性能，也就是，提供同時具有低鐵損和低噪聲特性的包括1.0-4.0重量％矽的晶粒取向電工鋼板，並且提供了生產此產品的方法。
由於精確地研究了晶粒取向電工鋼板的磁致伸縮和變壓器噪聲的關係和不同材料的因素對磁致伸縮的影響，本發明者發現，除了上述的在{110}001取向的積分數外，絕緣膜的張力和通過雷射照射施加的細微應變是非常重要的控制磁致伸縮的因素，而且通過適當的控制這些因素，還開發了一種具有低鐵損，和適於降低噪聲的磁致伸縮特性的鋼板。
本發明的目的如下(1)低鐵損和低噪聲晶粒取向電工鋼板，具有εoc，為相對定義為εo的標準值因形成張力膜導致偏差後的絕對值，該標準值處於張力膜基本上不存在，且未用雷射照射的狀態下得到的，εOL為相對相同的標準值的在形成膜後因雷射照射而導致的偏差的絕對值，並符合下述表達式εoc＜3.0×10-6εOL＜1.0×10-6其中當晶粒取向電工鋼板在軋制方向在50Hz頻率磁化達到飽和磁通量密度時ε0定義為磁致伸縮振動起始峰(zero-peak)值；ε17C，為相對定義為ε17的標準值因形成張力薄膜產生的偏差的絕對值，該標準值是在張力膜基本上不存在、且未用雷射照射的狀態下的得到的，ε17L為相對於相同的標準值在形成膜後因雷射照射產生偏差後的絕對值，並符合下述表達式ε17c＜1.5×10-6ε17L＜0.3×10-6其中ε17定義為在軋制方向，50Hz頻率下，由在飽和磁通密度下的磁致伸縮振動的起始峰值減去在1.7T的磁化磁通密度下的磁致伸縮振動的起始峰值獲得的結果；λ17，為磁化磁通密度為1.7T時磁致伸縮振動的起始峰值，由下面的表達式表示-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6；條件是在軋制方向頻率為50Hz的條件下磁化晶粒取向電工鋼板並且測定在軋制方向上的磁致伸縮振動的起始峰值(0-p值在依據退磁化狀態下的結果確定的某磁化磁通密度下的膨脹或收縮值，該值在膨脹時為正，收縮時為負)。
(2)一種生產低鐵損和低噪聲的包括1.0-4.0重量％矽的晶粒取向電工鋼板的方法，包括根據由最終退火形成的次膜和由隨後的處理形成的二次膜獲得的張力總量決定雷射照射在鋼板的單位面積上的熱輸入量的步驟。
(3)根據條目(1)的低鐵損和低噪聲晶粒取向電工鋼板，其中εoc和εOL滿足下面的表達式εoc＜2.0×10-6
εoL＜0.8×10-6；和ε17和ε17L滿足下面的表達式ε17c＜1.0×10-6ε17L＜0.3×10-6。
(4)一種生產低鐵損和低噪聲含有Si1.0-4.0重量％晶粒取向電工鋼板的方法，包含的步驟有；施加由最終退火形成的次膜與由後面的處理產生的二次膜得到的大於1Mpa且小於8Mpa的張力總量，和以1-2mJ/mm2的熱輸入量將雷射束照射在特定單位面積的鋼板上。
(5)根據條目(1)的低鐵損和低噪聲的晶粒取向電工鋼板，其中εoc和εOL可由下面的表達式表示1.0×10-6≤εoc＜3.0×10-60.5×10-6≤εoL＜1.0×10-6，和ε17和ε17L可由下面的表達式表示；0.5×10-6≤ε17c＜1.5×10-6ε17L＜0.3×10-6。
(6)一種生產低鐵損和低噪聲的包括Si1.0-4.0重量％的晶粒取向電工鋼板的方法，其包含的步驟有；施加由最終退火形成的次膜與由後面的處理產生的二次膜得到的大於14Mpa的張力總量，和以1.5-3mJ/mm2的熱輸入量將雷射束照射在特定單位面積的鋼板上。


圖1表示基於退磁狀態下的結果隨磁通密度改變的磁致伸縮振動的0-p值曲線。
圖2表示基於飽和磁通密度的結果隨磁通密度改變的磁致伸縮振動的0-p值曲線。
優選實施方案介紹下面將詳細的解釋本發明。
晶粒取向電工鋼板有三個易磁化方向，也就是，[100]，
和
。當磁化方向不同於磁場方向的區域在外加磁場作用下取向於磁場方向或位於磁場方向的區域在另一個易磁化方向取向時，將發生膨脹或收縮，也就是，磁致伸縮在外加磁場的方向上產生。
在理想的晶粒取向電工鋼板中，其晶粒完全排列在{110}001的方向，磁疇結構由僅僅在軋制方向磁化的區域，也就是，只是180°的磁疇構成。因此，在磁化時不會發生磁致伸縮。
然而，實際上，在鋼板中存在稱為矢狀磁疇的閉合疇，以減小取向偏差引起的靜磁能量。進一步，閉合疇存在於產生應變的區域和鋼板的邊緣部分。閉合疇存在在厚度方向上磁化的區域，當這些區域減少時磁致伸縮變為正值(膨脹)，而當它們增加時磁致伸縮變為負值(收縮)。
未形成鎂橄欖石薄膜或張力絕緣薄膜和未進行雷射束照射的晶粒取向電工鋼板的磁致伸縮0-p值，如圖1中曲線1-(A)中所示，其值隨著磁化磁通密度的增加單調增加。這是因為上述的矢狀磁疇的存在依賴於退磁狀態下取向的積分度，因此，它們體積隨施加磁化而減小。
當晶粒取向電工鋼板中使用張力絕緣薄膜時，如圖1中曲線1-(B)所示，在約1.7T或更高的高磁通密度下，磁致伸縮一度減小但進而又增大。原因如下；因為當鋼板上施加張力時，在厚度方向磁化的部分的能量因磁致彈性效應而增加，退磁狀態下的矢狀磁疇的體積相對於未加入張力時減小。當對此施加磁場時，180°磁疇壁會出現位移，由於這增加了表面的靜磁能量，矢狀磁疇增加導致靜磁能量減少。所以，鋼板在此磁場中收縮。當外加磁場進一步加強和180°磁疇壁的位移停止時，磁化繼續進行同時矢狀磁疇消失。這時，鋼板膨脹。
在上述的1-(A)和1-(B)曲線中，因為飽和磁化狀態與磁化組元在除軋制方向之外的方向消失時的狀態相同，所以磁疇結構的變化可以容易地通過採用基於此狀態的膨脹或收縮來進行研究。
圖2表示，在飽和磁化下設置磁致伸縮0-p值為零時磁致伸縮0-p值與磁通密度的依賴關係。假設未對鋼板使用張力薄膜，如2-(A)曲線所示，磁致伸縮0-p值單一地隨磁通密度的減少而減少。另一方面，假設對鋼板使用張力薄膜，如2-(B)所示，磁致伸縮0-p值一度減小但至最小值後又增加。在退磁狀態，與2-(A)的鋼板相比，2-(B)的鋼板的膨脹量為εoc，如圖所示。
進一步，關於最小值，0-p值變為最小值時的磁通密度則依賴於鋼板在{110}001方向上的取向程度，並且本發明人對傳統的晶粒取向電工鋼板進行研究，結果發現在0-p值變為最小時磁通密度值約為1.7T。因此，在以前定義的ε17中，2-(B)的鋼板與2-(A)鋼板比較在2-(B)的最小值時的膨脹量為ε17c。可通過改變絕緣膜張力的方法自由地控制εoc和ε17c值。
進一步，本發明人發現在鋼板上形成張力膜之後，可通過雷射束照射的方法來自由控制磁致伸縮特性。將在下文中解釋其作用。
雷射照射在帶有張力膜的由圖1中的1-(B)曲線表示的鋼板上時，磁致伸縮曲線0-p值單調增加。據認為，這是因為當雷射在鋼板上產生應變時，閉合疇形成，然後在實施磁化時閉合疇消失。
圖2表示採用飽和磁化狀態為基礎時的情形。曲線2-(C)為雷射照射的帶有張力膜的鋼板時隨著磁通密度的降低而下降和，在退磁狀態，與曲線2-(B)相比，鋼板的收縮量為εoL，如圖所示。就利用1.7T定義的ε17而言，鋼板收縮量為ε17L。可通過改變雷射照射能量自由地控制εoL和ε17L值。
此外，本發明人還認真的研究了如何設定晶粒取向電工鋼板的磁致伸縮特性以降低變壓器噪聲和類似的問題，結果發現其最重要的特徵是控制預定的λ17的值，該值是在1.7T時定義的磁通密度值時的磁致伸縮0-p值，目的是除振動振幅減至最小還要使電器噪聲降低。換句話說，不一定必須控制λ17值滿足下面的表達式；-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6當λ17值小時，磁致伸縮振動的高頻諧波成分增加。另一方面，當λ17值大時，磁致伸縮振動增大。這些現象會使變壓器的噪聲增加。同時也發現，為獲得這樣一種材料，要求充分控制薄膜張力和雷射照射能量以使上述的εOC，εOL，ε17C和ε17L處於在以下範圍內，εOC＜3.0×10-6εOL＜1.0×10-6ε17C＜1.5×10-6ε17L＜0.3×10-6，而λ17，為磁化磁通密度為1.7T時的0-p值，滿足下面的表達式，-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6
當薄膜張力降低時，εOC和ε17c降低。然而，當薄膜張力降低過多時，變壓器在運輸或裝配期間鋼板受到應力的作用會增加磁致伸縮性能劣化並且隨後鐵心的損失也將增大。因此，εOC和ε17C的設置值最好均大於0.1×10-6。進一步，因為這些值的上限值由取向的積分數決定，εOC和ε17C設置值應分別小於3.0×10-6和小於1.5×10-6。
當雷射照射能量加強時εOL和ε17L變大。因此，εOL設置值大於0.1×10-6而ε17L不小於0。另一方面，當雷射照射能量過大時，磁致伸縮振動的振幅變大而且當鋼板組裝入變壓器時其噪聲變大。因此，要求設置εOL值小於1.0×10-6而ε17C小於0.3×10-6。
可通過調整在最終退火後形成的鎂橄欖石薄膜的量和在其上施加的絕緣膜的量和成分來控制薄膜的張力。通過使用CO2雷射或YAG雷射進行雷射照射。從鐵心損失減少的觀點來看，理想的是，由雷射產生的應變區域呈長窄形狀延伸到垂直於鋼板的軋制方向，並且應變帶在軋制方向循環產生。
此外，已發現所要求的磁特性依照設計的磁通密度變化。當設計的磁通密度相對小時，相對弱的薄膜張力對平滑鋼板磁致伸縮的波形，降低較高的振動諧波成分，並因此降低變壓器的噪聲相當有效。然而，這意味著導致芯損特性變壞。通過適當的雷射照射和使用磁疇控制已成功實現低磁致伸縮和低芯損失。鋼板為電工鋼板，其中εOC和εOL分別控制在以下範圍εOC＜2.0×10-6和εOL＜0.8×10-6，和，ε17C，ε17L和λ17分別在以下範圍ε17C＜1.0×10-6，ε17L＜0.3×10-6和-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-5。
此外，可通過控制總張力大於1Mpa且小於8Mpa的鎂橄欖石薄膜和絕緣薄膜，並將鋼板的特定單位面積上的熱輸入雷射照射能量值控制在1-2mJ/mm2來生產上述的電爐鋼板。
當絕緣薄膜的張力小時，變壓器在運輸或裝配期間鋼板受到應力作用會增加磁致伸縮性能劣化並且隨後鐵心的損失也將增大。因此，張力的設置值不能低於1Mpa。另一方面，當張力太強時，高次諧波成分將大量包含在磁致伸縮振動的波形中，並且因此張力的設置值要小於8Mpa。
另一方面，當設計的磁通密度值大時，需要增大用於鋼板的張力，而且需要控制根據所施用的薄膜張力所採用的雷射照射能量的熱輸入量在適當的數值。結果，λ17值設置為預定值。另外，磁致伸縮振動在從高磁通密度到低磁通密度範圍內可以得到少量降低。理想的是，控制εOC，εOL，ε17C，ε17L和λ17滿足以下表達式；1.0×10-6≤εOC＜3.0×10-60.5×10-6≤εOL＜1.0×10-60.5×10-6≤ε17C≤1.5×10-6ε17L＜0.3×10-6，和-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6。
為實現上述的特性，通過施加由最終退火形成的次膜以及由隨後的處理形成的二次膜獲得的大於14Mpa的總張力，以及將熱輸入量為1.5-3mJ/mm2的雷射束照射在特定面積的鋼板上的步驟來實施一種製備方法。
實施例1在採用傳統方法處理至最終退火的0.23mm厚含有1.0-4.0重量％矽的晶粒取向電工鋼板中，控制鎂橄欖石膜的厚度和絕緣張力膜的塗覆量而且膜張力可變。此外，在軋制方向使用5mm照射間距的雷射束照射鋼板並且同時改變脈衝能量在橫向方向以0.03mm間距照射。一種YAG雷射用於此項試驗中。照射能量採用引入單位面積鋼板的能量表示。雷射都卜勒型的磁致伸縮測量儀用於測量磁致伸縮並且在每種條件測量了十個試樣。表1顯示準備測試的試樣的條件和十個測試樣的磁致伸縮測試的平均結果。
此外，採用每種條件的鋼板製造出大小為750mm×750mm的三相位三鐵心柱(鐵心)疊片鐵心並且測量噪聲。鋼板的寬度為150mm，鋼板疊片數為180。如果薄膜張力為零，即使用不產生張力的絕緣膜。其結果表2中所示。使用本發明中的鋼板，將得到低噪聲的變壓器。鐵心的鐵損也在此表中並且從中可以看出本發明提供了令人滿意的鐵損。
表1
表2
通過調節薄膜張力和照射的雷射能量，以便將εOC，εOL，ε17C，ε17L和λ17分別控制在指定的範圍內可以製造本發明中的晶粒取向電工鋼板，並能夠確保變壓器同時具有低芯損失和低噪聲。
權利要求
1.低鐵損和低噪聲的晶粒取向電工鋼板，其具有εoc，為因形成張力薄膜獲得的相對於定義為εo的標準值的偏差絕對值，所述εo是在基本上不存在張力膜和雷射未照射狀態下得到的，εOL為在膜形成後通過雷射照射後得到的相對於相同標準值的偏差絕對值，並符合下述表達式εoc＜3.0×10-6εOL＜1.0×10-6其中εoc定義為在軋制方向，50Hz下當晶粒取向電工鋼板磁化達到飽和磁通量密度，磁致伸縮振動的起始峰值；並且ε17C，為因形成張力膜導致的相對於定義為ε17的標準值的偏差絕對值，所述ε17是在基本上不存在張力膜和雷射未照射狀態下得到的，ε17L在膜形成後採用雷射照射而導致的相對於相同標準值的偏差絕對值，並符合下述表達式ε17c＜1.5×10-6ε17L＜0.3×10-6其中ε17定義為在軋制方向，50Hz頻率下，由飽和磁通密度下的磁致伸縮振動的起始峰值減去在1.7T的磁化磁通密度下的磁致伸縮振動的起始峰值獲得的結果λ17，為磁化磁通密度為1.7T時磁致伸縮振動的起始峰值，由下面的表達式表示-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6；條件是在軋制方向頻率為50Hz的條件下磁化晶粒取向電工鋼板並且測定在軋制方向上的磁致伸縮振動的起始峰值(0-p值)。
2.一種生產低鐵損和低噪聲的包括1.0-4.0重量％的Si的晶粒取向電工鋼板的方法，包括根據由最終退火形成的次膜和由隨後的處理形成的二次膜獲得的張力總量確定雷射照射在鋼板的單位面積上的熱輸入量的步驟。
3.根據權利要求1的低鐵損和低噪聲的晶粒取向電工鋼板，其中εoc和εOL可由下面的表達式表示εoc＜2.0×10-6εoL＜0.8×10-6；和ε17c和ε17L可由下面的表達式表示ε17c＜1.0×10-6ε17L＜0.3×10-6。
4.一種生產低鐵損和低噪聲的含有Si1.0-4.0重量％的晶粒取向電工鋼板的方法，包括的步驟有；施加由最終退火時形成的一次膜與由後面的處理產生的二次膜得到的大於1Mpa且小於8Mpa的張力總量，和以1-2mJ/mm2的熱輸入量將雷射束照射在特定單位面積的鋼板上。
5.根據權利要求1的低鐵損和低噪的聲晶粒取向電工鋼板，其中εoc和εOL可由下面的表達式表示1.0×10-6≤εoc＜3.0×10-60.5×10-6≤εoL＜1.0×10-6，和ε17c和ε17L可由下面的表達式表示；0.5×10-6≤ε17c＜1.5×10-60.5≤ε17L＜0.3×10-6。
6.一種生產低鐵損和低噪聲的含有Si1.0-4.0重量％的晶粒取向電工鋼板的方法，其包含的步驟有施加由最終退火時形成次膜與由後面的處理產生的二次膜得到的大於14Mpa的張力總量，和以1.5-3mJ/mm2的熱輸入量將雷射束照射在特定單位面積的鋼板上。
全文摘要
提供低鐵損和低噪聲確保變壓器具有低鐵損和低噪聲特性的晶粒取向電工鋼板。還涉及通過在充分的範圍內相對於ε
文檔編號H01F1/147GK1331348SQ01122889
公開日2002年1月16日 申請日期2001年5月11日 優先權日2000年5月12日
發明者藤倉昌浩, 新井聰, 溝上雅人, 茂木尚, 久保田猛 申請人:新日本制鐵株式會社