专利名称：利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法
技术领域：
本发明涉及适于变压器的、利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造 方法。
背景技术：
在方向性电磁钢板中，沿制造工序的轧制方向(以下称为L方向)具备易磁化轴， L方向的铁损显著降低。另外，在制造方向性电磁钢板时，沿与L方向大致垂直的方向照射 激光时，L方向的铁损进一步降低。并且，这样的方向性电磁钢板主要用作对铁损的要求严 格的大型变压器的铁芯用的材料。图8是表示以往的将激光照射到方向性电磁钢板的表面上的方法的示意图。另 外，图5A是表示一般的变压器的铁芯的制造方法的示意图，图5B是表示铁芯的示意图。如图8所示，在制造利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板时，一边以速 度Vc沿与板宽方向(以下称为C方向)大致平行地扫描，一边将激光照射到方向性电磁钢 板12上，C方向与L方向正交。另外，将方向性电磁钢板12以速度VL沿L方向搬送。其 结果是，与C方向大致平行地延伸的复数个激光照射部17以一定间隔PL排列。并且，在制 造变压器的铁芯4中，如图5A和图5B所示，以构成铁芯4的铁芯元件3的磁化方向M与L 方向一致的方式进行方向性电磁钢板的剪切，层叠由剪切所获得的铁芯元件3。在这样制造的铁芯4中，在大部分的部分中，L方向和磁化方向M—致。因而，铁 芯4的铁损大致与作为原材料的方向性电磁钢板的L方向的铁损成比例。另一方面，在铁芯4中的铁芯元件3彼此的连接部5中，磁化方向M偏离L方向。 因而，连接部5的铁损与作为原材料的方向性电磁钢板的L方向的铁损不同，受到C方向的 铁损的影响。因此，存在铁损高的区域6。特别是在使用了由于激光的照射而使L方向的铁 损大大地降低了的方向性电磁钢板的铁芯中，C方向的铁损的影响相对地变大。变压器被使用在从发电厂到电力消费地的供电设备的多个地方。因此，即使每1 台变压器的铁损仅变化左右，整个供电设备的输电损失也会较大地变动。因而，强烈地 希望有一种能通过激光的照射较低地抑制L方向的铁损、同时也能降低C方向的铁损的方 向性电磁钢板的制造方法。但是，改善C方向的铁损的机理还不清楚，到目前为止，降低L方向和C方向这两 个方向的铁损的方法还未确立。在以往的改善电磁钢板的铁损的方法中，主要着眼于降低L方向的铁损。例如，在 专利文献5中公开了一种方向性电磁钢板的制造方法，其规定激光光束的模式、聚光直径、 功率、光束的扫描速度和照射间距等的范围而照射激光。但是，没有关于C方向的铁损的记载。另外，也提出了着眼于C方向的铁损的改善的方法。在专利文献1中公开了一种沿与L方向平行地照射激光的方法。不过，在该方法 中，虽然C方向的铁损被降低，但L方向的铁损未被降低。如上所述，变压器的铁损大大受到L方向的铁损的影响，因此与垂直于L方向地照射激光来改善了 L方向的铁损的方向性 电磁钢板比较，变压器的铁损变高。在专利文献2中公开了一种平行于L方向和C方向这两个方向照射激光的方法。 不过，在该方法中，由于照射2次激光，因此制造工序变得复杂，而且，生产效率至少降低一 半。在专利文献3和4中公开了如下方法在制造铁芯时，将未照射激光的方向性电磁 钢板剪切成期望的形状之后，针对切断后的每个元件，一边变更照射方向和照射条件，一边 照射激光。不过，在利用该方法所制造的铁芯中，只有L方向的铁损被改善的部分和只有C 方向的铁损被改善的部分混杂在一起，不能说能充分地得到良好的铁损。另外，为了改善L 方向和C方向这两个方向的铁损，需要改变条件来照射2次激光。并且，剪切方向性电磁钢 板之后，对于每个元件，将激光照射到方向性电磁钢板上，因此也存在生产率极低这样的问 题。专利文献1 日本特开昭56-51522号公报专利文献2 日本特开昭56-105454号公报专利文献3 日本特开昭56-83012号公报专利文献4 日本特开昭56-105426号公报专利文献5 国际公开第04/083465号小册子
发明内容
本发明的目的是提供一种利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造 方法，其能容易地确保高的生产率，同时能够降低L方向和C方向这两个方向的铁损。本发明的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法，其特征在 于，其具有如下工序对于一边将聚光的连续波激光沿从所述方向性电磁钢板的轧制方向 倾斜的方向扫描，一边将所述聚光的连续波激光照射到方向性电磁钢板的表面上的步骤， 将该步骤在以规定的间隔移动所述连续波激光所扫描的部分的同时反复进行，将所述连续波激光的平均功率表示为P，其单位是W，将所述扫描的速度表示为Vc，其单位是mm/s，将所述规定的间隔表示为PL，其单位是mm，将平均照射能量密度Ua定义为Ua = P/Vc/PL、其单位是mj/mm2时，PL和Ua满足 以下关系1. Omm ^ PL ^ 3. Omm,0. 8mJ/mm2 彡 Ua 彡 2. OmJ/mm2。另外，将上述连续波激光在上述扫描的方向上的直径表示为dc (mm)、将上述连续 波激光在与上述扫描的方向正交的方向上的直径表示为dL(mm)，将上述连续波激光的照射 功率密度Ip定义为Ip= (4/ji) XP/(dLXdc) (kff/mm2)时，PL和Ip优选满足以下关系(88-15 X PL) kff/mm2 ^ Ip ^ (6. 5-1. 5 X PL) kff/mm21. Omm ^ PL ^ 4. Omm。
图1是表示照射间距PL、L方向铁损WL和C方向铁损WC之间的关系的曲线图。图2是表示照射间距PL和聚光功率密度Ip的优选范围的图。图3是表示聚光功率密度Ip和L方向铁损WL之间的关系的曲线图。图4是表示平均能量密度Ua与L方向铁损WL和C方向铁损WC之间的关系的曲 线图。图5A是表示一般的变压器的铁芯的制造方法的示意图。图5B是表示铁芯的示意图。图6是表示在本发明的实施方式中将激光照射到方向性电磁钢板的表面上的方 法的示意图。图7A是表示照射激光前的方向性电磁钢板的磁区结构的示意图。图7B是表示照射激光后的方向性电磁钢板的磁区结构的示意图。图8是表示以往的将激光照射到方向性电磁钢板的表面上的方法的示意图。
具体实施例方式首先，参照图7A和图7B说明通过激光照射来改善方向性电磁钢板的铁损的原理。 图7A是表示照射激光前的方向性电磁钢板的磁区结构的示意图，图7B是表示照射激光后 的方向性电磁钢板的磁区结构的示意图。在方向性电磁钢板内，被称为180°磁区的磁区9 与L方向平行地形成。在图7A和图7B中，磁区9被示意性地图示为涂黑的部分和涂白的 部分，在涂黑的部分和涂白的部分中，磁化方向互逆。磁化方向互逆的磁区彼此的边界部被称为磁壁。即，在图7A和图7B中，涂黑的部 分和涂白的部分之间的边界部存在磁壁10。180°磁区相对于L方向的磁场容易被磁化，相 对于C方向的磁场难以被磁化。因此，180°磁区的L方向铁损WL比C方向铁损WC小。而 且，L方向铁损WL被分类成古典式的涡流损耗、异常涡流损耗和磁滞损耗。已知在它们中， 180°磁区间的磁壁(180°磁壁)的间隔Lm越窄，异常涡流损耗越减少。将激光照射到方向性电磁钢板上时，由于激光所导致的局部的迅速加热和迅速冷 却的影响、以及方向性电磁钢板的表面的膜蒸发时起作用的反作用力，方向性电磁钢板产 生局部的应变。并且，在应变的正下方，存在很多细小的磁区，并产生处于静磁能量增高的 状态的环流磁区8。因此，为了缓和整个方向性电磁钢板的能量，如图7B所示，180°磁区增加，间隔Lm 变窄。因而，减少了异常涡流损耗。在这样的作用下，通过激光的照射，L方向铁损WL减少。另外，磁滞损耗随着方向性电磁钢板的应变的增加而增大。并且，过度地照射激光 时，会引起超过异常涡流损耗的降低的磁滞损耗的增加，结果，增加了整个L方向铁损WL。 另外，过度地照射激光时，产生过度的应变，方向性电磁钢板的磁致伸缩特性降低，变压器 的噪音就增加。而且，古典式的涡流损耗是与钢板的板厚成比例的铁损，是在照射激光前后不发 生变化的损失。另一方面，由于激光的照射而产生的环流磁区8是容易沿C方向磁化的磁区。因 此，预测C方向铁损WC随着环流磁区8的产生而减少。
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接着，详细地说明本发明的实施方式所涉及的制造方法。图6是表示在本发明的实施方式中将激光照射到方向性电磁钢板的表面上的方 法的示意图。对作为方向性电磁钢板的未照射激光的方向性电磁钢板2实施了最终退火、 平坦化退火和表面绝缘涂敷。因而，在方向性电磁钢板2的表面上例如存在退火时所形成 的玻璃膜和绝缘膜。从激光器射出的连续波的激光(激光束)被扫描反射镜(未图示)反射，并且在 被聚光透镜(未图示)聚光之后，一边以速度Vc沿与C方向(与L方向垂直的方向) 大致平行地进行扫描，一边被照射到钢板2上。其结果是，在激光照射部17的正下方，以由 激光所导致的应变为起点，产生环流磁区。钢板2在连续制造生产线上以恒定的速度VL沿L方向搬送。因此，激光照射的间 隔PL恒定，例如根据速度VL和C方向扫描频率来调整。聚光光束在钢板2的表面上的形 状是圆形或椭圆形。另外，所谓C方向扫描频率是指每1秒钟的激光沿C方向扫描的次数。本发明人等对激光照射的应变付与效果进行了研究。即，对整个钢板上的平均照 射能量密度Ua、L方向铁损WL和C方向铁损WC之间的关系进行了研究。另外，将平均能量 密度表示为Ua，使用激光的功率P、扫描速度Vc和间隔PL，用式(1)定义了平均能量密度 Ua0Ua = P/(Vc X PL) (mj/mm2) (1)图4是表示平均能量密度Ua与L方向铁损WL和C方向铁损WC之间的关系的曲线 图。另外，将间隔PL设定为4mm，将聚光光束的L方向的直径dL设定为0. 1mm，将聚光光束 的C方向的直径dc设定为0. 2mm，将扫描速度Vc设定为32m/s，将输送速度VL设定为Im/ S。而且，平均能量密度Ua随着功率P的调整而变化。另外，图4的纵轴所示的L方向铁损 WL是沿L方向施加最大磁束密度为1. 7T且50Hz的交替磁场时的铁损的数值，C方向铁损 WC是沿C方向施加最大磁束密度为0. 5T且50Hz的交替磁场时的铁损的数值。在此，使评价C方向铁损WC时的磁束密度减小的原因在于，将在变压器的铁芯的 连接部处的磁场强度的C方向成分估计为L方向成分的1/3左右。从图4所示的结果可知，平均能量密度Ua存在能够使L方向铁损WL处于极小值 及其附近的范围，C方向铁损WC则随着平均能量密度Ua的增加而大致单调地减少。并且， 从图4所示的结果可知，为了使L方向铁损WL和C方向铁损WC这两者降低，优选平均能量 密度 Ua 为 0. 8mJ/mm2 彡 Ua 彡 2. OmJ/mm2,更优选为 1. lmj/mm2 彡 Ua 彡 1. 7mJ/mm2。可以认为，得到图4所示的结果的理由之一在于，在平均能量密度Ua低的情况下， 环流磁区少，180°磁壁的间隔难以变小，异常涡流损耗难以减少。另外，可以认为，另一个 理由在于，在平均能量密度Ua高的情况下，虽然异常涡流损耗减少，但过度地投入激光的 能量，导致磁滞损耗增加。据认为，在平均能量密度Ua高的情况下，C方向铁损WC单调地减少，因此L方向 铁损WL有一定程度牺牲，而铁芯的铁损被一定程度地改善。不过，磁致伸缩特性降低，因而 变压器的噪音增大。另外，也需要使制造所需的激光的功率和激光的台数增大。因此，在本发明中，将平均能量密度Ua限定为0. 8mJ/mm2 ^ Ua ^ 2. OmJ/mm2的范 围Ra，将L方向铁损WL维持在极小值附近，且降低了 C方向铁损WC。本发明人等假定了 C方向铁损WC因环流磁区的产生而降低，因此通过在钢板整个面上尽可能缜密地产生环流磁区，使C方向铁损WC不会进一步降低。即，通过使照射间 距(激光照射部的间隔)PL变窄，C方向铁损WC进一步降低。但是，单纯地缩小照射间距 PL时，根据式(1)，平均能量密度Ua就增大，L方向铁损WL就增大。因此，对在将平均能量 密度Ua固定在范围Ra内、并且缩小照射间距PL的同时使扫描速度Vc增加的方法进行了 研究。图1是表示照射间距PL与L方向铁损WL和C方向铁损WC之间的关系的曲线图。 另外，将平均能量密度Ua固定为1. 3mJ/mm2，将功率P设定为200W、将直径dL设定为0. Imm, 将直径dc设定为0. 2mm。而且，照射间距PL随着扫描速度Vc的调整而以反比例变化。从图1所示的结果可以判明，通过缩小照射间距PL，即使固定平均能量密度Ua，C 方向铁损WC也会大大地减少。另外，虽然L方向铁损WL随着照射间距PL的缩小有少许增 加，但在1. Omm以上的照射间距PL的情况下，L方向铁损WL是低的。但是，照射间距PL超 过3. Omm时，C方向铁损WC变得过大，因此照射间距PL的上限为3. 0mm。另外，从提高C方 向的磁特性的观点出发，优选PL小于2. Omm,更优选小于1. 5mm。因而，通过将平均能量密度Ua限制在范围Ra内并限定为1. Omm ^ PL ^ 3. Omm,能 够高水平地兼顾降低L方向铁损WL和C方向铁损WC的效果。而且，将平均能量密度Ua限 制在范围Ra内，因此对整个钢板投入的能量难以变化，从而能抑制因投入过度的能量所导 致的磁致伸缩特性的降低。此外，本发明人等对在照射间距PL的范围Rb内进一步改善L方向铁损WL的方法 进行了研究。如先前所述的考察那样，C方向铁损WC降低的理由之一在于环流磁区的均勻 分布。为了使L方向铁损WL降低，优选进一步缩小180°磁壁的间隔。因此，本发明人等认 为激光的每单位照射线的应变强度很重要。另外，在图1的表示结果的实验中，由于与照射 间距PL的缩小成反比地增加了扫描速度Vc，因此随着每单位照射线的迅速加热和迅速冷 却的效果减少，降低了应变强度。因此，想出了与扫描速度Vc的增加相对应地增加聚光功率密度的方法。将聚光功 率密度表示为Ip，用式(2)定义了聚光功率密度Ip。即，聚光功率密度Ip是功率P除以光 束截面积所得到的数值。Ip= (4/ π ) X P/ (dL X dc) (ff/mm2) (2)图3是表示聚光功率密度Ip与L方向铁损WL之间的关系的曲线图。另外，将功 率P固定为200w，将平均能量密度Ua固定为1. 3mJ/mm2。将照射间距PL设定为范围Rb内 的lmm、2mm、3mm。另外，以各照射间距PL来调整直径dL和dc，从而使聚光功率密度Ip变 化。从图3所示的结果可以判明，依赖于照射间距PL存在优选的聚光功率密度Ip的 范围。如图3所示，范围A C是在各照射间距PL下的聚光功率密度Ip的优选范围。这 些范围是由式(3)和式(4)来规定的。另外，该范围能够如图2所示那样进行图示。88-15 X PL ^ Ip ^ 6. 5-1. 5 X PL (kff/mm2) (3)1. 0 ^ PL ^ 4. 0(mm) (4)另外，为了实现这样的聚光功率密度Ip，优选将聚光光束直径dL设定为0. Imm以 下。另外，为了使聚光光束直径dL为0. Imm以下，优选使用光纤激光器。如以上说明的那样，根据本发明，基于有关激光的照射所产生的L方向铁损WL和C方向铁损WC的降低机理的新的见解，规定了平均能量密度Ua、照射间距PL和聚光功率密 度Ip，因此能高水平地降低L方向铁损WL和C方向铁损WC。因此，使用由这样的方法所制 造的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板而形成的变压器的铁芯，能够实现比以 往的铁芯低的铁损。而且，本发明的激光的照射也能在以往的方向性电磁钢板的连续制造 生产线上使用，因此也有生产率高这样的优点。(实施例)接着，对于属于本发明范围的实施例，在与本发明范围之外的比较例进行比较的 同时对其进行说明。首先，制作了含有Si :3. 1%、剩余部分包含Fe和其他微量的杂质、且板厚为 0. 23mm的单方向性电磁钢板。之后，以表1所示的条件将激光照射到单方向性电磁钢板的 表面上。[表 1] 并且，对照射激光后所得到的各单方向性电磁钢板，测量了 L方向铁损WL和C方 向铁损WC。其结果表示在表2中。[表 2] 如表2所示，属于本发明范围的实施例No. 1 No. 3与本发明范围之外的比较例 No. 4 No. 8进行比较，几乎不损害L方向铁损WL就能得到良好的C方向铁损WC。根据本发明，能够得到使轧制方向以及与轧制方向正交的板宽方向这两个方向上 的铁损适当地降低的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板。因此，与以往相比，能 降低利用这样的方向性电磁钢板所制造的变压器的铁损。而且，由于本发明能够在连续制 造生产线上实施，因此也能够得到良好的生产率。
权利要求
一种利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，其具有下述工序对于一边将聚光的连续波激光沿从所述方向性电磁钢板的轧制方向倾斜的方向扫描，一边将所述聚光的连续波激光照射到方向性电磁钢板的表面上的步骤，将该步骤在以规定的间隔移动所述连续波激光所扫描的部分的同时反复进行，将所述连续波激光的平均功率表示为P，其单位是W，将所述扫描的速度表示为Vc，其单位是mm/s，将所述规定的间隔表示为PL，其单位是mm，将平均照射能量密度Ua定义为Ua＝P/Vc/PL、其单位是mJ/mm2时，PL和Ua满足以下关系1.0mm≤PL≤3.0mm，0.8mJ/mm2≤Ua≤2.0mJ/mm2。
2.根据权利要求1所述的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法， 其特征在于，将所述连续波激光的在所述扫描方向上的直径表示为dc，其单位是mm， 将所述连续波激光的在与所述扫描方向正交的方向上的直径表示为dL，其单位是mm， 将所述连续波激光的照射功率密度Ip定义为Ip = (V^OXPAdLXdc)、其单位是 kff/mm2时，Ip和PL满足以下关系，(88-15XPDkff/mm2 ^ Ip ^ (6. 5-1. 5XPL)kff/mm2,1.Omm ^ PL ^ 4. 0mm。
3.根据权利要求1所述的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法， 其特征在于，所述连续波激光在所述方向性电磁钢板的表面上的形状是圆形或椭圆形。
4.根据权利要求2所述的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法， 其特征在于，所述连续波激光在所述方向性电磁钢板的表面上的形状是圆形或椭圆形。
5.根据权利要求1所述的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法， 其特征在于，将所述扫描方向设定为与所述方向性电磁钢板的轧制方向大致正交的方向。
6.根据权利要求2所述的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法， 其特征在于，将所述扫描方向设定为与所述方向性电磁钢板的轧制方向大致正交的方向。
7.根据权利要求3所述的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法， 其特征在于，将所述扫描方向设定为与所述方向性电磁钢板的轧制方向大致正交的方向。
8.根据权利要求4所述的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法， 其特征在于，将所述扫描方向设定为与所述方向性电磁钢板的轧制方向大致正交的方向。
9.一种利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方法，其通过将聚光成圆 形或椭圆形的连续波激光沿与钢板的轧制方向大致垂直的方向以一定间隔扫描照射来降 低铁损，其特征在于，将激光的平均功率表示为P，其单位是W， 将光束的扫描速度表示为Vc，其单位是mm/s， 将轧制方向的照射间隔表示为PL，其单位是mm，将平均照射能量密度Ua定义为Ua = P/Vc/PL、其单位是mj/mm2时，PL和Ua满足以下 关系
10.根据权利要求9所述的利用激光照射磁区得以控制的方向性电磁钢板的制造方 法，其特征在于，将光束的扫描方向的聚光直径定义为dc，其单位是mm， 将与扫描方向正交的方向的聚光光束直径定义为dL，其单位是mm， 将照射功率密度Ip定义为Ip=(々^父？/^父如^其单位是！^/！^时，Ip和PL 满足以下关系
全文摘要
本发明提供一种通过进行激光照射来降低铁损的方向性电磁钢板的制造方法，其高水平地改善了L、C这两个方向的铁损，简单且生产率高。一种方向性电磁钢板的制造方法，其通过将聚光成圆形或椭圆形的连续波激光沿与钢板的轧制方向大致垂直的方向以一定间隔扫描照射来降低铁损，其中，将激光的平均功率表示为P(W)，将光束的扫描速度表示为Vc(m/s)，将轧制方向的照射间隔表示为PL(mm)，将平均照射能量密度Ua定义为Ua＝P/(Vc×PL)(mJ/mm2)时，PL和Ua的范围如下所述1.0mm≤PL≤3.0mm，0.8mJ/mm2≤Ua≤2.0mJ/mm2。
文档编号B23K26/00GK101896626SQ200880120228
公开日2010年11月24日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月12日
发明者坂井辰彦, 滨村秀行, 籔本政男 申请人:新日本制铁株式会社