CN1475583A - 磁特性优良的单向性电磁钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低铁耗的单向性电磁钢板，不使磁通密度劣化、空间系数降低且能够耐消除应力退火。在与单向性电磁钢板的轧制方向垂直、即板宽方向上，在表面或者两面，在轧制方向上以不小于2mm、不大于5mm的节距周期地形成熔融再凝固层，每个单面熔融再凝固层的纵横比等于深度除以宽度不小于0.20、且深度不小于15μm。另外，使用激光形成上述熔融再凝固层。

Description

磁特性优良的单向性电磁钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种通过对单向性电磁钢板表面进行激光加工以形成熔融再凝固层，耐消除应力退火的磁特性优良、可用于环形铁芯的单向性电磁钢板及其制造方法。

背景技术

从节约能源的角度出发，希望降低单向性电磁钢板的铁耗。其方法已经在日本特公昭58-26405号公报中公开，是通过激光照射对磁畴进行细分的方法。用这种方法降低铁耗是利用激光束照射所产生的热冲击波的反作用，向方向性电磁钢板导入应力应变，对磁畴细分来降低铁耗。但是这种方法有这样的问题，通过激光照射而导入的应力在退火时消失，从而失去磁畴细分的效果。因此，这种方法可以用于制作不需消除应力退火的层压铁芯变压器，但不能用于制作需要消除应力退火的卷绕铁芯变压器。

因此，作为改善在消除应力退火后仍残留降低铁耗值效果的方向性电磁钢板的铁耗的方法，提出了各种对钢板施加超过应力应变级别的形状变化使导磁系数发生变化，从而对磁畴细分的方案。例如，有用齿形压辊按压钢板，在钢板表面形成槽状或点状的凹坑(参照日本特公昭63-44804号公报)的方法；有用化学腐蚀在钢板表面形成凹坑的方法(参照美国专利第4750949号公报)；或者用Q转换CO₂激光在钢板表面形成点阵列槽的方法(参照日本特开平7-220913号公报)。另外，还有用激光在钢板表面形成熔融再凝固层而不形成槽的方法(参照日本特开2000-109961号公报、日本特开平6-212275号公报)。

在上述的现有技术中，使用齿形压辊的机械方法存在由于钢板硬度高，齿形在短时间内就被磨损从而使维修频率高这样的问题。用化学腐蚀的方法虽然没有齿形磨损这样的问题，但需要覆膜、腐蚀处理、去膜的工序，与机械方法相比存在工序复杂的问题。用Q转换CO₂激光在钢板上形成点阵列槽的方法，由于不接触而形成凹坑，故没有齿形磨损、工序复杂这样的问题，但是存在必须在市面上所卖的激光振荡装置中另外追加特殊的Q转换装置这样的问题。另外，形成槽的方法要去除一部分钢板，存在导致空间系数(space factor)降低并影响变压器性能的弱点。另外，形成熔融再凝固层的方法消除了空间系数降低的弱点，但没有充分改善铁耗。

发明内容

本发明提供了一种通过激光加工形成熔融再凝固层、且在耐消除应力退火后还具有优良磁特性的单向性电磁钢板及其制造方法，其与形成槽的方法具有同等的铁耗改善效果，而且磁通密度不会劣化、空间系数不会降低。

本发明的单向性电磁钢板，其特征在于，在单向性电磁钢板的板宽方向上，对单面或表里两面以一定周期在轧制方向上形成节距不小于2mm、不大于5mm的熔融再凝固层，每个面的熔融再凝固层的纵横比等于深度比宽度大于等于0.20、且深度大于等于15μm。

特别是上述熔融再凝固层的宽度最好大于等于30μm、小于等于200μm。

另外，本发明的单向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，通过向单向性性电磁钢板的表面照射激光束，形成熔融再凝固层。

另外，本发明的单向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，通过从激光装置的连续振荡纤维激光器发出的激光束，形成熔融再凝固层。

附图说明

图1所示是本发明的铁耗单向性电磁钢板上所加工的熔融再凝固层的截面纵横比与铁耗改善率的关系的说明图(在钢板两面形成，轧制方向节距为3mm)。

图2所示是所加工的熔融再凝固层的截面照片的示意图。

图3所示是所加工的熔融再凝固层的深度与铁耗改善率的关系的说明图(轧制方向节距为5mm)。

图4所示是熔融再凝固层的截面纵横比与铁耗改善率的关系的说明图(轧制方向节距为5mm)。

图5所示是钢板通板方向的加工周期(L方向节距)与铁耗改善率的关系的说明图。

图6所示是本发明的低铁耗单向性电磁钢板上所加工的熔融再凝固层的截面纵横比与铁耗改善率的关系的说明图(在钢板单面形成、轧制方向节距为3mm)。

图7所示是本发明的低铁耗单向性电磁钢板上所加工的熔融再凝固层的宽度与铁耗改善率的关系的说明图(轧制方向节距为3mm)。

图8所示是本发明的利用激光制造低铁耗单向性电磁钢板的制造方法的说明图。

具体实施方式

本发明人等的想法是，在精加工并退火后或附加了绝缘膜的方向性电磁钢板的单面或两面上、与轧制方向大致垂直地以一定周期形成线状熔融再凝固层来改善铁耗的方法中，通过限定现有技术中未作考虑的截面形状的纵横比和节距、深度、宽度，进行消除应力退火处理后，还可以得到超过现有的熔融再凝固方式及槽方式的铁耗的改善。以下，通过实施例说明本发明的实施例。

实施例1

采用激光束照射法作为形成熔融再凝固层的方法，并详细地研究铁耗改善。图8是本发明所涉及的激光束照射方法的说明图。在本实施例中，如图所示，使用扫描镜4和fθ透镜5，向方向性电磁钢板扫描照射从激光装置3输出的激光束LB。6是圆柱透镜，根据需要用于将激光束的聚光形状从圆形转变成椭圆形。图8只是一台的示例，根据钢板的板宽在板宽方向上配置同样的装置。而且，为了进行两面照射，以夹持钢板的方式在其上下配置同样的装置。

首先，使轧制方向节距PL为5mm，以熔融再凝固层部分的截面深度为参数来研究磁畴控制效果。如图3所示，铁耗改善率η最大为6％左右，这与现有的槽方式以及熔融再凝固方式一样，而且几乎看不出与深度有关。

在此，铁耗W17/50(W/Kg)的改善率(％)的定义是，(激光照射前的铁耗-激光照射后的铁耗)/№激光照射前的铁耗×100。激光照射后的铁耗是消除应力退火800℃×4小时后的测量值。而且，W17/50表示频率为50Hz、最大磁通密度为1.7T时的铁耗。

虽然熔融再凝固层方式的磁畴控制机理现在还未明确，但本发明人等提出这样的假设，通过在熔融再凝固层和非熔融再凝固层的界面产生残留应力，在轧制方向上产生张力，对磁畴细分。基于这样的假设可知，熔融再凝固层深度方向的界面线与轧制方向越接近垂直，应力在轧制方向的分量就越大。而且可以知道，熔融再凝固层部分越深，其效果就越能渗透到板厚内部，磁畴细分效果越好。

一般来讲，熔融再凝固层截面成以表面的激光照射点为起点的半圆形，因此，为了表现熔融再凝固层的分界线对轧制方向的垂直度，如图2所示，本发明人等用熔融再凝固层的深度d和轧制方向的宽度W来定义截面纵横比d/W。用熔融再凝固层截面纵横比这个新变量、并以熔融再凝固层深度d为参数对图3的结果再处理后得到图4。其结果，在熔融再凝固层截面纵横比增加的同时，铁耗改善率η明显上升。另外，在d＜10μm以下时，即使增加熔融再凝固层截面纵横比，铁耗改善率η也几乎不增加。

而且，本发明人等推测，如果熔融再凝固层的张力效果使轧制方向节距PL缩小，那么在该方向的张力效果将成倍地提高。使投入能量和光束扫描速度固定，改变光束聚焦位置，即改变纵横比并以轧制方向节距PL为变量来进行研究，如图5所示，为得到超过槽方式或现有的熔融再凝固层法方式的铁耗改善率，需要具有不小于0.2的纵横比，而且轧制方向节距PL为大于等于2mm小于等于5mm。这被认为，2mm以下时，与由于熔融再凝固层的磁畴细分效果而产生的涡流损耗改善相比，由于因内应力而产生的磁滞损耗变大，因此铁耗不能得到改善，另外，5mm以上时，由于相邻的熔融再凝固层的相互作用变弱，因此不能对磁畴进行充分的细分，铁耗不能得到改善。

另外，本发明人等为了研究必要的熔融再凝固层深度d，使轧制方向节距PL为最佳值3mm，固定投入能量，改变光束扫描速度和光束聚焦位置来研究铁耗改善率η和纵横比、深度d的关系，结果如图1所示。据此，可以知道，为了有效地施加作为产生磁畴细分效果根源的应力或者张力，需要形成具有超出规定值更大的纵横比以及熔融深度的熔融再凝固层。为了得到超过槽方式或者现有的熔融再凝固层法方式的铁耗改善，可以通过形成具有不小于0.2的纵横比、且熔融深度d超过15μm的熔融再凝固层来实现。另外，作为比较，在图1中，将在表里两面以3mm为周期形成具有作为现有技术的特许文献5的实施例中所记述的条件，板厚的5％即板厚0.23mm5％的深度12μm、宽度100μm，即纵横比0.12的熔融再凝固层的结果用●表示。根据实施例，可以知道，激光加工前的铁耗0.8W/Kg由于加工而改善为0.753W/Kg，改善率为6％，由于纵横比以及熔融深度小，因此铁耗可以得到充分的改善。

这些实施例是在钢板的表里两面形成熔融再凝固层时的结果，在单面形成熔融再凝固层时，进行同样研究得到的结果如图6所示。据此，与两面的情况相比较，铁耗改善率低的通过形成纵横比为不小于0.2、及深度不小于15μm的熔融再凝固层，可以得到与现有技术同样的乃至以上的铁耗改善率。

这样，可以知道，为了有效地施加作为产生磁畴细分效果根源的应力或者张力，得到高铁耗改善率，就需要形成这样的熔融再凝固层，其具有不小于0.2的更大的纵横比、及不小于15μm的熔融再凝固层深度、且轧制方向节距在2mm到5mm之间。

另外，本发明人等为了用连续振荡纤维激光器作激光装置，来研究需要的熔融再凝固层宽度W、深度d、纵横比，而使轧制方向节距PL为最佳值3mm，固定投入能量，通过改变光束扫描速度和光束聚焦位置来研究铁耗改善率和宽度W、深度d的关系，其结果如图7所示。

纤维激光器是以半导体激光器为励磁源、纤维芯本身发光的激光装置，其具有以下特征，由于振荡光束直径受纤维芯径的限制，因此光束品质高，虽然CO₂激光器等在实际应用中聚光直径限于φ100μm左右，但可以得到数十μm的微小聚光。据此，可以在10μm到500μm的大范围内改变熔融再凝固层的宽度。特别是为了在实际应用中形成100μm以下的熔融再凝固层的宽度，使用纤维激光器最适合。

根据图7，可以知道，为了有效地施加作为产生磁畴细分效果根源的应力或者张力，需要形成具有预定范围的熔融宽度、不小于预定的纵横比、及熔融深度的熔融再凝固层。为了得到超过槽方式或者现有的熔融再凝固层法方式的6％铁耗改善的铁耗改善，通过形成具有熔融宽度在不小于30μm到200μm的范围内、纵横比不小于0.2、且熔融深度超过15μm的熔融再凝固层可以实现。熔融宽度在30μm以下时，由于相邻的熔融再凝固层的相互作用弱，因此不能产生充分的磁畴细分效果，铁耗不能得到改善。另外，熔融宽度不小于200μm时，如果形成的熔融深度使纵横比不小于0.2，那么可以推测能得到铁耗改善效果，但像这样为了形成截面积非常大的熔融再凝固层，需要非常大的能量，因此，对于需要考虑成本和高生产性的工业化存在问题。另外，由于熔融体积过度增加，使磁滞损耗增大，因此还存在不能得到大的铁耗改善效果的问题。

另外，为了得到更大的铁耗改善效果，最好形成如下的熔融再凝固层，其具有熔融宽度不小于50μm到150μm的范围、不小于0.2的纵横比、且熔融深度d超过15μm。

而且，从将铁耗改善条件设定为最佳条件附近的视点考虑，为了得到超过9％铁耗改善率的非常高的铁耗改善效果，最好在钢板两面与轧制方向大致垂直且以一定节距PL＝3mm，形成具有熔融宽度在不小于60μm到100μm的范围、不小于0.2的纵横比、且熔融深度d超过30μm的熔融再凝固层。

如以上所述，在形成熔融再凝固层时，通过将截面形状和轧制方向节距限定在上述范围内，本发明具有可以得到超出采用现有的熔融再凝固层方式、或者机械方式、腐蚀方式、利用激光方式形成槽的方式所得到的铁耗改善率这样的优点。另外，只增加了激光处理工序，因此可以高生产性、低成本地制造上述钢板。而且，如果激光装置应用连续振荡纤维激光器，则有缩小熔融再凝固层宽度的可能，因此，有可以减少所需能量，进而以高生产性、低成本制造上述钢板的效果。

Claims (4)

1.一种磁特性优良的单向性电磁钢板，其特征是：在钢板的单面或者两面以与轧制方向大致垂直的方式、且以一定周期形成线状的熔融再凝固层，从而改善铁耗特性的单向性电磁钢板，当熔融再凝固层截面的轧制方向宽度为W、深度为d、轧制方向节距为PL时，满足以下所有条件：

    d≥15μm

    d/W≥0.2

    2mm≤PL＜5mm

2.一种磁特性优良的单向性电磁钢板，其特征是：在钢板的两面以与轧制方向大致垂直的方式、且以一定周期形成线状的熔融再凝固层，从而改善铁耗特性的单向性电磁钢板，当熔融再凝固层截面的轧制方向宽度为W、深度为d、轧制方向节距为PL时，满足以下所有条件：

    30μm≤W≤200μm

    d≥15μm

    d/W≥0.2

    2mm≤PL＜5mm

3.一种磁特性优良的单向性电磁钢板的制造方法，制造如权利要求1或2记载的磁特性优良的单向性电磁钢板，其特征是：通过照射激光束形成熔融再凝固层。

4.如权利要求3记载的磁特性优良的单向性电磁钢板的制造方法，其特征是：激光装置的激光束是从连续振荡纤维激光器输出的。

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