特許 7167779 鉄芯、巻鉄芯の製造方法、積鉄芯の製造方法及び鉄芯用電磁鋼板の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-31

(45)【発行日】2022-11-09

(54)【発明の名称】鉄芯、巻鉄芯の製造方法、積鉄芯の製造方法及び鉄芯用電磁鋼板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 27/245 20060101AFI20221101BHJP

   H01F 41/02 20060101ALI20221101BHJP

   B21B 3/02 20060101ALI20221101BHJP

【ＦＩ】

H01F27/245

H01F41/02 A

H01F41/02 B

B21B3/02

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019045264

(22)【出願日】2019-03-12

(65)【公開番号】P2020150089

(43)【公開日】2020-09-17

【審査請求日】2021-11-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002675

【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂井 辰彦

(72)【発明者】

【氏名】濱村 秀行

【審査官】秋山 直人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－３４０６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－１２００４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２３３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－３７５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－３２０９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１５３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１０８１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１２４６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－５７２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－４３０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１８０１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－２１９３２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ２７／２４５

Ｈ０１Ｆ ４１／０２

Ｂ２１Ｂ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の鋼板片が積層された積層体からなるトランス用の鉄芯において、
前記鋼板片は、表面に圧延方向と交差する溝を有しており、
前記鋼板片は、前記溝の深さ、前記溝の幅、及び前記溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、前記鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向かって、式（１）で表される溝断面積比率ηが連続的又は段階的に変化する、鉄芯。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
ここで、πは円周率、ｄは前記溝の深さ、Ｗは前記溝の幅、Ｐは前記溝のピッチ、ｔは前記鋼板片の厚みである。

【請求項2】

前記鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される任意の前記閉磁路のそれぞれにおいて、前記閉磁路に沿った磁気抵抗が略同一である、請求項１に記載の鉄芯。

【請求項3】

複数の鋼板片が積層された積層体からなるトランス用の巻鉄芯の製造方法において、
方向性電磁鋼板のフープから複数の前記鋼板片を切断する切断工程と、
切断された前記鋼板片に、前記鋼板片の圧延方向と交差する溝を形成する溝形成工程と、
前記鋼板片を積層し、積層された積層体を巻回した後に加圧成型して前記巻鉄芯とする成型工程と、
を有し、
前記溝形成工程は、前記溝の深さ、前記溝の幅、及び前記溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、前記巻鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向かって、式（１）で表される溝断面積比率ηを連続的又は段階的に変化させる、巻鉄芯の製造方法。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
ここで、πは円周率、ｄは前記溝の深さ、Ｗは前記溝の幅、Ｐは前記溝のピッチ、ｔは前記鋼板片の厚みである。

【請求項4】

複数の鋼板片が積層された積層体からなるトランス用の積鉄芯の製造方法において、
方向性電磁鋼板のフープから複数の前記鋼板片を切断する切断工程と、
切断された前記鋼板片に、前記鋼板片の圧延方向と交差する溝を形成する溝形成工程と、
前記鋼板片を積層して前記積鉄芯とする成型工程と、
を有し、
前記溝形成工程は、前記溝の深さ、前記溝の幅、及び前記溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、前記積鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向かって、式（１）で表される溝断面積比率ηを連続的又は段階的に変化させる、積鉄芯の製造方法。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
ここで、πは円周率、ｄは前記溝の深さ、Ｗは前記溝の幅、Ｐは前記溝のピッチ、ｔは前記鋼板片の厚みである。

【請求項5】

複数の鋼板片が積層された積層体からなるトランス用の鉄芯のための鉄芯用電磁鋼板の製造方法において、
前記複数の鋼板片となる複数の鋼板片領域にそれぞれ複数の溝を形成する溝形成工程を有し、
前記溝形成工程は、前記溝の深さ、前記溝の幅、及び前記溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、前記鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向かって、式（１）で表される溝断面積比率ηを連続的又は段階的に変化させる、鉄芯用電磁鋼板の製造方法。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
ここで、πは円周率、ｄは前記溝の深さ、Ｗは前記溝の幅、Ｐは前記溝のピッチ、ｔは前記鋼板片の厚みである。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄芯、巻鉄芯の製造方法、積鉄芯の製造方法及び鉄芯用電磁鋼板の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

トランス用の鉄芯の材料として、磁化容易軸が一方向に揃った方向性電磁鋼板（以下、鋼板という）が利用されている。鉄芯では、鉄損の低減が求められており、鉄損を低減する技術として、鋼板の磁区の幅を小さくする磁区細分化の技術が知られている。この磁区細分化の技術では、例えば方向性電磁鋼板の表面にレーザ照射して歪みを導入する手法や鋼板の表面に所定の間隔で複数の溝を形成する手法が知られている。

【0003】

巻鉄芯は、鋼板を積層したものを巻回した後に、所定の形状に加圧成型する。このときに鋼板に生じる不要な歪みを除去するために、加圧成型後の巻鉄芯に対して焼鈍を行う。この焼鈍によって、磁区細分化のための歪みも除去されてしまうことから、巻鉄芯では、一般的に溝を形成することにより磁区細分化を行っている。

【0004】

一方、巻鉄芯の内周部と外周部とで、異なる磁気特性の鋼板を使用することにより、巻鉄芯全体における鉄損を改善する技術が知られている（特許文献１～３を参照）。特許文献１、２では、鉄芯の内周部の鋼板として、外周部の鋼板よりも透磁率が低いものを用いることで、鉄芯内の磁束密度の分布を均一化している。また、特許文献３では、鉄芯の内周部の鋼板の０－ｐｅａｋ法による磁気歪みが外周部の鋼板の磁気歪み以下となるように構成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平６－１２００４４号公報

【文献】特開２００６－１８５９９９号公報

【文献】特開平８－２０３７４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献１～３のような鉄芯を作製する場合には、磁気特性の異なる複数の鋼板が必要であり、またこれら複数種類の鋼板を積層して巻鉄芯を作製する必要がある。このため、巻鉄芯の製造工程が煩雑化するという問題があった。また、磁気特性を細かく調整した複数の鋼板を製造することは容易ではなく、鉄損の低減効果を十分に得られないという問題もあった。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、容易に鉄損を低減することができる鉄芯、巻鉄芯の製造方法、積鉄芯の製造方法及び鉄芯用電磁鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の鉄芯は複数の鋼板片が積層された積層体からなるトランス用の鉄芯において、前記鋼板片は、表面に圧延方向と交差する溝を有しており、前記鋼板片は、前記溝の深さ、前記溝の幅、及び前記溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、前記鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向かって、式（１）で表される溝断面積比率ηが連続的又は段階的に変化するものである。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
ここで、πは円周率、ｄは前記溝の深さ、Ｗは前記溝の幅、Ｐは前記溝のピッチ、ｔは前記鋼板片の厚みである。

【0009】

本発明の巻鉄芯の製造方法は、複数の鋼板片が積層された積層体からなるトランス用の巻鉄芯の製造方法において、方向性電磁鋼板のフープから複数の前記鋼板片を切断する切断工程と、切断された前記鋼板片に、前記鋼板片の圧延方向と交差する溝を形成する溝形成工程と、前記鋼板片を積層し、積層された積層体を巻回した後に加圧成型して前記巻鉄芯とする成型工程と、を有し、前記溝形成工程は、前記溝の深さ、前記溝の幅、及び前記溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、前記巻鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向かって、式（１）で表される溝断面積比率ηを連続的又は段階的に変化させるものである。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
ここで、πは円周率、ｄは前記溝の深さ、Ｗは前記溝の幅、Ｐは前記溝のピッチ、ｔは前記鋼板片の厚みである。

【0010】

本発明の積鉄芯の製造方法は、複数の鋼板片が積層された積層体からなるトランス用の積鉄芯の製造方法において、方向性電磁鋼板のフープから複数の前記鋼板片を切断する切断工程と、切断された前記鋼板片に、前記鋼板片の圧延方向と交差する溝を形成する溝形成工程と、前記鋼板片を積層して前記積鉄芯とする成型工程と、を有し、前記溝形成工程は、前記溝の深さ、前記溝の幅、及び前記溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、前記積鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向かって、式（１）で表される溝断面積比率ηを連続的又は段階的に変化させるものである。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
ここで、πは円周率、ｄは前記溝の深さ、Ｗは前記溝の幅、Ｐは前記溝のピッチ、ｔは前記鋼板片の厚みである。

【0011】

本発明の鉄芯用電磁鋼板の製造方法は、複数の鋼板片が積層された積層体からなるトランス用の鉄芯のための鉄芯用電磁鋼板の製造方法において、前記複数の鋼板片となる複数の鋼板片領域にそれぞれ複数の溝を形成する溝形成工程を有し、前記溝形成工程は、前記溝の深さ、前記溝の幅、及び前記溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、前記鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向かって、式（１）で表される溝断面積比率ηを連続的又は段階的に変化させるものである。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
ここで、πは円周率、ｄは前記溝の深さ、Ｗは前記溝の幅、Ｐは前記溝のピッチ、ｔは前記鋼板片の厚みである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、鋼板片に形成される溝の深さ、溝の幅、及び溝のピッチの少なくともいずれか一つを変化させることで、鋼板片の溝断面積比率を、鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路と交差する方向の内側から外側に向かって、連続的または段階的に小さくするので、容易に、鉄芯の内部で発生する磁束密度の分布を改善して鉄損を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態に係る巻鉄芯の外観を示す斜視図である。

【図2】巻鉄芯を構成する鋼板片の長手方向に沿って溝が複数形成された鋼板片を示す説明図である。

【図3】巻鉄芯の各鋼板片に形成された各溝を示す巻鉄芯の断面図である。

【図4】溝の深さ、幅、及びピッチを説明する鋼板片の断面図である。

【図5】巻鉄芯を製造する工程の一例を示す説明図である。

【図6】方向性電磁鋼板の連続処理設備に設けた溝形成装置の一例を示す斜視図である。

【図7】第２実施形態に係る積鉄芯の外観を示す斜視図である。

【図8】積鉄芯の各鋼板片に形成された溝を示す説明図である。

【図9】内周から外周に向って溝の深さを漸減する例を示す説明図である。

【図10】鋼板片を幅方向に区分した各部を異なる溝断面積比率とした例を示す説明図である。

【図11】積鉄芯を製造する工程の一例を示す説明図である。

【図12】実施例で測定された溝断面積比率と実効透磁率と鉄損との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

［第１実施形態］
図１において、巻鉄芯１０は、内周から外周に向って順にＭ（Ｍは２以上）層の鋼板片１４_１～１４_Ｍ（図３参照）を積層したものである。鋼板片１４_１～１４_Ｍの圧延方向の長さは互いに異なり、巻鉄芯１０の内周側となる鋼板片から外周側となる鋼板片に向って漸増しており、最内周の鋼板片１４_１の長さが最も短く、最外周の鋼板片１４_Ｍの長さが最も長い。ｉを１、２・・・Ｍとして、鋼板片１４_ｉには、その表面に複数の溝１６_ｉ（図３参照）が形成されている。なお、以下の説明では、鋼板片１４_１～１４_Ｍを区別しない場合には、これらを鋼板片１４と総称する。同様に、溝１６_１～１６_Ｍを区別しない場合には、溝１６と総称する。

【0015】

巻鉄芯１０は、中空部を有する略四角筒状に成型されている。巻鉄芯１０の四隅は、所定の曲率で曲げられたＲ形状になっている。巻鉄芯１０は、例えば一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとが巻かれることによりトランスとされ、鋼板片１４_１～１４_Ｍのそれぞれが、一次巻線Ｐまたは二次巻線Ｓに電流を流したときに中空部の周りを環流する磁束の磁気回路すなわち閉磁路を形成する。

【0016】

鋼板片１４_１～１４_Ｍとしては、方向性電磁鋼板が用いられる。方向性電磁鋼板は、製造時の圧延方向に結晶粒の磁化容易軸（体心立方晶の＜１００＞方向）の方向がほぼ揃っている電磁鋼板であって、圧延方向に磁化が向いた複数の磁区が磁壁を挟んで配列した構造を有する。このような方向性電磁鋼板は、磁力線が一定な方向を向くトランス用の鉄芯材料として適している。なお、鋼板片１４_１～１４_Ｍの磁化容易軸は、巻鉄芯１０の周方向（中空部の周りを環流する方向）である。

【0017】

図２に示すように、鋼板片１４_ｉは、圧延方向（矢印Ａ方向）に長い矩形状である。鋼板片１４_ｉには、表面に複数の溝１６_ｉが形成されている。各溝１６_ｉは、鋼板片１４_ｉの圧延方向と直交する板幅方向（矢印Ｂ方向）に延在する。複数の溝１６_ｉは、鋼板片１４_ｉの圧延方向に所定のピッチで形成されている。ここで、溝１６の形成方向は、溝１６と圧延方向とがなす角θが、直角すなわち９０°であることが好ましい。しかしながら、巻鉄芯を作製する場合には、曲げ加工を行う箇所において、溝１６を起点に割れが発生する可能性があるため、そうした場合には、溝１６と圧延方向とがなす角θを、９０°未満としてもよい。また、溝１６と圧延方向とのなす角θが、４５°より大きければ、鉄損改善特性の大きな劣化を抑制できる。したがって、溝１６と圧延方向とがなす角θは、４５°より大きく９０°以下とするのが好ましい。

【0018】

溝１６_ｉは、例えばレーザ光の照射によって形成される。ただし、溝１６_ｉの形成手法は、レーザ光の照射によるものに限定されず、エッチング法、機械加工法等を用いることもできる。レーザ光の照射による溝１６_ｉの形成手法は、レーザの出力、集光径、走査速度等の変更によって、容易に溝形状、ピッチを制御可能であり、好ましい手法である。

【0019】

なお、この例では、溝１６_ｉを鋼板片１４_ｉの圧延方向の全領域に所定のピッチで形成しているが、巻鉄芯１０の四隅に対応した領域に溝１６_ｉを形成しない構成とすることもできる。このような構成は、巻鉄芯１０の形状に鋼板片１４_１～１４_Ｍを曲げ加工する際に、鋼板片１４_１～１４_Ｍの割れを防止する上で有利である。なお、例えば浅い溝や、幅方向に対して傾斜した方向に延在する溝を鋼板片１４_１～１４_Ｍに形成することも、鋼板片１４_１～１４_Ｍの割れを抑制する上で有効である。

【0020】

図３において、上述のように、巻鉄芯１０は、当該巻鉄芯１０がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向って、鋼板片１４_１、１４_２、・・・１４_Ｍが層設された積層体になっている。この例では、鋼板片１４_１～１４_Ｍとしては、その厚み及び幅が同じものを用いている。溝１６_ｉは、各鋼板片１４_ｉの少なくとも一方の面に形成すればよく、この例では、巻鉄芯１０の内周側となる面に形成されているが、外周側となる面に形成してもよい。また、巻鉄芯１０に層設される各鋼板片１４_ｉで、溝１６_ｉが形成された面を内周側又は外周側に揃えずに、内周側に溝１６_ｉを形成した鋼板片１４_ｉと外周側に溝１６_ｉを形成した鋼板片１４_ｉとを組み合わせるようにしても良い。鋼板片１４_ｉは、それらの表面に絶縁膜（図示省略）が形成されているが、溝１６_ｉは、鋼板片１４_ｉそのものに形成されている。溝１６_ｉは、絶縁膜で覆われていることが好ましい。

【0021】

巻鉄芯１０は、その鉄損を低減するために、巻鉄芯１０がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の方向（以下、単に磁路の方向とも称する）と交差する方向に形成される各閉磁路について、閉磁路に沿った磁気抵抗を互いに概ね等しく（略同一に）している。すなわち、巻鉄芯１０では、内周と外周との間で鋼板片１４_１～１４_Ｍを積層しているので、鋼板片１４_１～１４_Ｍの各磁気抵抗を略同一にしている。磁気抵抗を略同一にするために、鋼板片１４_１～１４_Ｍの実効透磁率を内周から外周に向って連続的ないし段階的に小さくしている。

【0022】

鋼板片１４_ｉにおける、閉磁路に沿った磁気抵抗Ｒ_ｉは、鋼板片１４_ｉの実効透磁率をμｅ_ｉ、磁路長をＬ_ｉ（鋼板片１４ｉの長さ）、鋼板片１４_ｉの断面積をｓ_ｉとすると、「Ｒ_ｉ＝Ｌ_ｉ／（μｅ_ｉ×ｓ_ｉ）」で表すことができる。

【0023】

上述のように鋼板片１４_１～１４_Ｍの圧延方向の長さは、内周から外周に向って漸増しているので、鋼板片１４_１～１４_Ｍによってそれぞれ形成される閉磁路の長さである磁路長は、巻鉄芯１０の内周から外周に向って漸増しており、最内周の磁路長が最も短く、最外周の磁路長が最も長い。このため、磁路長Ｌ_ｉが短い内周側の鋼板片１４_ｉほど実効透磁率μｅ_ｉを大きくし、磁路長Ｌ_ｉが長い外周側の鋼板片１４_ｉほど実効透磁率μｅ_ｉを小さくすることで、鋼板片１４_１～１４_Ｍの磁気抵抗を互いに略同一とすることができる。

【0024】

このため、鋼板片１４_１～１４_Ｍの磁気抵抗を略同一とすることにより、鋼板片１４_１～１４_Ｍの発生する磁束密度が均一化されるため、磁束密度の二乗に比例する鉄損を低減することができる。

【0025】

鋼板片１４の実効透磁率μｅ_ｉは、鋼板片１４_ｉに形成する溝１６_ｉの深さ、幅、ピッチの少なくともいずれか１つを変化させることによって増減できる。発明者らは、溝１６の溝断面積比率（詳細後述）を規定し、この溝断面積比率を変化させたときに、鉄損がほぼ変化しない範囲であっても、実効透磁率は変化し得ることを見出した。このことから、溝断面積比率、すなわち溝１６_ｉの深さ、幅、ピッチを調整することで実効透磁率μｅ_ｉを増減させた鋼板片１４_１～１４_Ｍを用いて、実効透磁率μｅ_ｉの順に積層して巻鉄芯１０を構成することにより、その巻鉄芯１０の内部の磁路に沿った磁気抵抗を均一化（各磁路に沿った磁気抵抗を同一化）することで、鉄損をより低くできることを見出した。

【0026】

溝１６の溝断面積比率ηは、例えば式（１）により求めることができる。
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ） ・・・（１）
すなわち、１枚の鋼板片１４_ｉに注目すると、溝１６_ｉの溝断面積比率η_ｉは、式（１ａ）により求めることができる。
η_ｉ＝（π・ｄ_ｉ・Ｗ_ｉ）／（２・Ｐ_ｉ・ｔ） ・・・（１ａ）

【0027】

図４に示すように、式（１ａ）中の、値Ｗ_ｉは、溝１６_ｉの幅であり、鋼板片１４_ｉの表面における閉磁路に沿った方向の開口の長さである。また、値Ｐ_ｉは、閉磁路に沿った方向の溝１６_ｉのピッチであり、閉磁路に沿った方向の隣接する溝１６_ｉの対応する部分同士の間隔の長さである。値ｄ_ｉは、溝１６_ｉの深さであり、鋼板片１４_ｉの表面から溝１６_ｉの底部までの長さである。値ｔは鋼板片１４_ｉの厚み（板厚）である。より正確には、製造ばらつきに起因して、鋼板片１４_ｉ上にある複数の溝１６_ｉのそれぞれで、幅Ｗ_ｉ、ピッチＰ_ｉ、深さｄ_ｉの値が異なる（不均一となる）ことが考えられるが、そうした場合には、鋼板片１４_ｉ上の複数の溝１６_ｉについて各値の平均値を求めることで、その平均値を、式（１ａ）に用いる、幅Ｗ_ｉ、ピッチＰ_ｉ、深さｄ_ｉの値であるとすることもできる。巻鉄芯１０の四隅に対応した領域に溝１６_ｉを形成しない場合のように、鋼板片１４_ｉ上の部分ごとの幅Ｗ_ｉ、ピッチＰ_ｉ、深さｄ_ｉの値を意図的に異なるものとした場合についても、それら平均値を、式（１ａ）に用いる幅Ｗ_ｉ、ピッチＰ_ｉ、深さｄ_ｉの値とすることができる。

【0028】

深さｄ_ｉを大きくするほど、幅Ｗ_ｉを大きくするほど、またピッチＰ_ｉを小さくするほど、溝断面積比率η_ｉが大きくなり、鋼板片１４_ｉの実効透磁率を小さくできる。これは、溝１６_ｉの形成によって、鋼板片１４_ｉの表面に透磁率の低い空隙ができることにより実効的な透磁率が低下するからである。

【0029】

所要とする各実効透磁率に対して、鋼板片１４_１～１４_Ｍに形成すべき溝１６_１～１６_Ｍの深さ、幅、ピッチは、例えば実験的に決めることができる。図４に示す例では、同一の鋼板片１４_ｉに形成された各溝１６_ｉの深さｄ_ｉ及び幅Ｗ_ｉは同じであり、複数の溝１６_ｉ間のピッチＰ_ｉは一定である。

【0030】

なお、図４に示す例では、上述のように１枚の鋼板片１４_ｉにおける各溝１６_ｉの深さｄ_ｉ、幅Ｗ_ｉ、ピッチＰ_ｉはそれぞれ一定であるが、１枚の鋼板片１４_ｉにおいて、各溝１６_ｉの深さｄ_ｉ、幅Ｗ_ｉが異なってもよく、ピッチＰ_ｉが変化してもよく、実効透磁率が所要の値となるように設定すればよい。

【0031】

鋼板片１４_１～１４_Ｍにおける磁束密度の変動幅を抑制するためには、磁気抵抗の変動幅が小さいことが好ましく、磁気抵抗の変動率が、例えば５％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましい。

【0032】

上記のように本実施形態では、溝１６_ｉの深さｄ_ｉ、溝１６_ｉの幅Ｗ_ｉ、及び溝１６_ｉのピッチＰ_ｉの少なくともいずれか一つを変化させ、鋼板片１４_１～１４_Ｍの実効透磁率を制御することで、巻鉄芯１０における各鋼板片１４間の圧延方向と交差する方向の磁気抵抗を略同一にしている。これにより、巻鉄芯１０の各層の鋼板片１４_１～１４_Ｍの磁束密度が均一となり鉄損が低くなる。そして、鋼板片１４_１～１４_Ｍの実効透磁率は、溝断面積比率、すなわち溝１６_１～１６_Ｍの深さ、幅、ピッチによって調整されるから、容易に、所要とする実効透磁率を得ることができ、巻鉄芯１０の鉄損を低減できる。

【0033】

この例では、鋼板片１４ごとに実効透磁率を変えているが、巻鉄芯１０の内周から外周に向う方向で、巻鉄芯１０を構成する鋼板片１４を複数のグループに分け、グループごとに実効透磁率を設定し、変えるようにしてもよい。この場合には、グループ内の各鋼板片１４の実効透磁率を同じにするが、内周から外周に向ってグループごとの実効透磁率が小さくなるようにする。グループは、１枚または複数枚の鋼板片１４で構成される。

【0034】

次に巻鉄芯１０の製造方法について、図５を参照して説明する。なお、以下に説明する製造方法は、一例であり、巻鉄芯１０の製造方法を限定するものではない。まず、図５（Ａ）に示されるように、フープ３１を用意する。フープ３１は、溝１６を形成していない長尺の方向性電磁鋼板３２をロール状にしたものである。フープ３１の方向性電磁鋼板３２の幅は、例えば鋼板片１４の幅と同じにされており、方向性電磁鋼板３２は、その長手方向が圧延方向である。次にフープ３１から方向性電磁鋼板３２を巻き出して、方向性電磁鋼板３２を、鋼板片１４_１～１４_Ｍの各長さで順次に切断して、鋼板片１４_１～１４_Ｍを得る（切断工程）。例えば、切断する長を順次に短くしていくことで、最外周の鋼板片１４_Ｍから順番に最内周の鋼板片１４_１までが順番に得られる。

【0035】

方向性電磁鋼板３２から切断された鋼板片１４は、レーザ装置３３からのレーザ光が幅方向に走査されることで、幅方向に延在した圧延方向と交差する溝１６が形成される（溝形成工程）。例えば、鋼板片１４_ｉを連続的に圧延方向に移動しながら、溝１６_ｉのピッチＰ_ｉに応じた走査周波数でレーザ光を板幅方向に走査する。これにより、鋼板片１４_ｉ毎に、対応するピッチＰ_ｉで複数の溝１６_ｉが形成される。また、鋼板片１４_ｉ毎に決められたレーザ出力及び集光径に調節されたレーザ光を照射することで、鋼板片１４_ｉ毎に、対応する深さｄ_ｉ及び幅Ｗ_ｉで溝１６_ｉが形成される。走査周波数は、例えばレーザ光走査機構である回転ポリゴンミラーやガルバノモータミラーの回転、振動周波数で調整できる。レーザ光の集光径は、例えば集光レンズあるいは集光ミラーの移動によるフォーカス調整で実現できる。なお、調整装置、調整方法はこれらに限られない。

【0036】

このように切断工程の直後に溝１６_ｉを形成することにより、確実かつ容易に、鋼板片１４_１～１４_Ｍのそれぞれに対して決められた溝断面積比率とする溝１６_１～１６_Ｍを形成することができる。なお、フープ３１から巻き出されている方向性電磁鋼板３２に対して溝１６を形成し、その後に方向性電磁鋼板３２を切断して鋼板片１４とすることも好ましい。なお、鋼板片１４には積層鋼板間の絶縁性を高めるために絶縁コーティングを行ってもよい。その場合には、溝１６を形成した後次の積層工程までの間に、絶縁コーティングを形成すればよい。

【0037】

図５（Ｂ）に示されるように、溝１６_１～１６_Ｍが形成された鋼板片１４_１～１４_Ｍを順次に積層して積層体３５とする（積層工程）。積層体３５は、図５（Ｃ）に示されるように、ロール状に巻回される（巻回し工程）。この後、図５（Ｄ）に示されるように、ロール状の積層体３５は、加圧成型されて、中空部を有する略四角筒状の巻鉄芯１０とされる（成型工程）。なお、成型工程では、加圧成型した後に、変形部の歪みを取るために巻鉄芯１０が焼鈍される。

【0038】

このように、個々の巻鉄芯１０の製造段階における過程で、鋼板片１４_１～１４_Ｍに、それに応じた溝１６_１～１６_Ｍを形成することで、巻鉄芯１０を製造できる。

【0039】

上記の例では、フープ３１から巻き出した方向性電磁鋼板３２を切断した鋼板片１４に対して、溝１６を形成しているが、フープ３１あるいはその元の方向性電磁鋼板のコイルの製造過程で溝１６を形成してもよい。

【0040】

図６は、幅広な方向性電磁鋼板４１に溝１６を形成する例を示している。方向性電磁鋼板４１は、例えば巻鉄芯１０を構成する鋼板片１４の数倍の幅（例えば１ｍ～１．５ｍ）を有している。溝形成装置４２は、この方向性電磁鋼板４１を連続的に通板して処理し、例えば最終的にコイル状にする連続処理設備に設けられている。方向性電磁鋼板４１は、それを通板する方向が圧延方向である。

【0041】

溝形成装置４２は、複数のレーザ装置３３、マーカ装置４３、プロセスコンピュータ４４、トラッキング装置４５等で構成されている。複数のレーザ装置３３は、方向性電磁鋼板４１の幅方向に並べて配置されており、それらで方向性電磁鋼板４１を幅方向に分割して溝１６を形成する。プロセスコンピュータ４４には、巻鉄芯１０の各鋼板片１４の長さと幅、各鋼板片１４の溝１６の深さ、幅、ピッチ等とからなる制御データが予め入力されている。

【0042】

トラッキング装置４５は、例えば方向性電磁鋼板４１の搬送に従動回転する搬送ロール４６に取り付けられたエンコーダ等で構成されており、搬送ロール４６の回転数を検出信号として出力する。プロセスコンピュータ４４は、トラッキング装置４５からの検出信号と各レーザ装置３３のレーザ光の照射位置に基づいて、各照射位置上にある方向性電磁鋼板４１の通板方向の通板位置をそれぞれ特定する。同様に、プロセスコンピュータ４４は、トラッキング装置４５からの検出信号と、マーカ装置４３によるマーキング位置に基づいて、マーキング位置上にある方向性電磁鋼板４１の通板位置を特定する。

【0043】

プロセスコンピュータ４４は、上記のように特定するレーザ光の照射位置上の方向性電磁鋼板４１の通板位置に基づいて、方向性電磁鋼板４１の各鋼板片１４に対応する各鋼板片領域に溝１６を形成するように各レーザ装置３３をそれぞれ制御する。これにより、各々のレーザ装置３３によって、鋼板片１４_１に対応する鋼板片領域、鋼板片１４_２に対応する鋼板片領域・・・鋼板片１４_Ｍに対応する鋼板片領域が通板方向に順番に並んで形成される。各鋼板片領域には、レーザ装置３３によって、対応する鋼板片１４_ｉの溝１６_ｉがそれぞれ形成される。各々のレーザ装置３３は、１セット分の鋼板片１４_１～１４_Ｍに対応した各鋼板片領域を形成した後、次の１セット分の鋼板片１４_１～１４_Ｍに対応した各鋼板片領域を形成する。このようにして溝１６が方向性電磁鋼板４１に形成される。

【0044】

また、プロセスコンピュータ４４は、特定される通板位置に基づいて、マーカ装置４３を駆動することで、例えば各鋼板片領域の境界にマークを記録する（マーキング工程）。このマーカには、例えばスプレーされたペイントのように目視やカメラで確認できるものが用いられる。また、個々の鋼板片領域を自動識別できるようなパターンでマーカを記録してもよい。さらに、各鋼板片領域の境界とする一定区間でレーザ装置３３によるレーザ光の照射を停止することで溝１６の非形成区間を形成し、この非形成区間を各鋼板片領域の境界としてマーカとしてもよい。

【0045】

巻鉄芯１０の作製の際には、上記のように製造されたマーカに基づいて鉄芯用電磁鋼板としての方向性電磁鋼板４１がその長手方向（通板方向）に切断され、さらに鋼板片１４の幅に切断されて幅方向に分割される。これにより、複数の巻鉄芯１０を作製するための複数組の鋼板片１４_１～１４_Ｍが得られる。このように、方向性電磁鋼板４１のコイルの製造段階で、巻鉄芯１０の鋼板片１４に合わせて溝１６を形成するので、鉄損が低減された特性の優れる巻鉄芯を容易に製造できる。

【0046】

上記では巻鉄芯の鋼板片に溝を形成する場合について説明したが、同様な手法により、連続処理設備において、後述する積鉄芯の鋼板片に溝を形成することができる。

【0047】

［第２実施形態］
第２実施形態は、積鉄芯の鉄損の低減を図るものである。図７において、積鉄芯５０は、鉄芯脚である中央脚５１及び一対の側脚５２と、中央脚５１と各側脚５２とをそれぞれ連絡する４つのヨーク（継鉄）５３とから構成される。中央脚５１と各側脚５２とは、一対の側脚５２がそれらの間に中央脚５１を挟むように一方向に並んで配置されている。中央脚５１は、Ｎ（Ｎは２以上）枚の鋼板片５１ａを積層したものである。同様に各側脚５２、各ヨーク５３は、それぞれＮ枚の鋼板片５２ａ、５３ａを積層したものである。

【0048】

図８に示すように、鋼板片５１ａ～５３ａは、磁化容易軸すなわち圧延方向が積鉄芯５０内に内部を環流する閉磁路と平行となるように、方向性電磁鋼板から切り出されて作製される。なお、この場合の閉磁路は、積鉄芯５０がトランスに用いられた場合に、積層された鋼板片のうちの鋼板片５１ａ、５２ａ、５３ａからなる１層の中において形成される（閉）磁力線を意味し、当該１層の中に、複数本の閉磁路が生じることを想定している。

【0049】

中央脚５１及び側脚５２における閉磁路の方向は、一対のヨーク５３が挟む方向（矢印Ｘ方向）であり、各ヨーク５３における閉磁路の方向は、中央脚５１と各側脚５２が並ぶ方向（矢印Ｙ方向）である。

【0050】

積層されている各鋼板片５１ａには、複数の溝５６がそれぞれ形成されている。各溝５６は、鋼板片５１ａの板幅方向（圧延方向と直交する方向）、すなわち閉磁路と直交する方向に延在し、圧延方向に所定の間隔で設けられている。同様に、各鋼板片５２ａには、その幅方向に延在する複数の溝５７がそれぞれ形成され、各鋼板片５３ａには、その幅方向に延在する複数の溝５８がそれぞれ形成されており、いずれも圧延方向に所定の間隔で設けられている。なお、溝５６は磁路を横切る方向に延設すればよい。

【0051】

積鉄芯５０では、中央脚５１、側脚５２及びヨーク５３で囲まれた各中空部の周りにそれぞれ閉磁路ＣＭがそれぞれ形成される。図８では、便宜的に各中空部の周りそれぞれ１つの閉磁路ＣＭのみを描いてあるが、実際には、各鋼板片５１ａ～５３ａの板幅方向に、それに直交する方向の複数の磁路が並ぶように多くの閉磁路が形成される。また、積鉄芯５０の各層において、そのようになっている。

【0052】

一般に閉磁路の内周側にいく程、閉磁路の周長が短く、磁気抵抗も小さくなるため、内周側程、磁束密度が集中しやすい。そのため、内周側の閉磁路の方が、鉄損が増加することになるが、本実施形態の積鉄芯５０では、鋼板片５１ａ～５３ａには、板幅方向で各閉磁路に沿った磁気抵抗が略同一になるように、溝５６～５８がそれぞれ形成されている。この例では、図９に示すように、各鋼板片５２ａに形成されている溝５７は、その深さが、鉄芯がトランスに用いられた場合に形成される閉磁路の内側から外側に向って漸減する形状にしている。これにより、鋼板片５２ａは、板幅方向における溝５７の幅及びピッチを一定にしながら、磁路の方向の溝断面積比率ηが、内周側から外周側に向って漸減する。同様に、各鋼板片５３ａに形成されている溝５８は、その深さが内周側から外周側に向って漸減する形状である。これにより、鋼板片５３ａは、幅方向における溝５７の溝幅及びピッチを一定にしながら、磁路の方向の溝断面積比率ηを、内周側から外周側に向って連続的に小さくしている。

【0053】

中央脚５１の各鋼板片５１ａに形成されている溝５６については、その溝５６の深さが中央から外側に向かって漸減する形状となっている。すなわち、磁路の方向の溝断面積比率ηを、内周側から外周側に向かって連続的に小さくしている。

【0054】

各鋼板片５１ａ～５３ａに、上記のように溝５６～５８を形成することによって、板幅方向の実効透磁率を制御し、板幅方向の各閉磁路の磁気抵抗を略同一にしている。これにより、各鋼板片５１ａ～５３ａにおける板幅方向における各部の磁束密度が均一化され、鉄損が低くなる。そして、鋼板片５１ａ～５３ａの実効透磁率は、溝断面積比率、すなわち溝５６～５８の深さ、幅、ピッチによって調整されるから、容易に、所要とする実効透磁率を得ることができ積鉄芯５０の鉄損を低減できる。溝断面積比率は、例えば第１実施形態と同様に式（１）によって求めることができる。

【0055】

上記の例では、各鋼板片の溝の深さを内周側から外周側に向って（すなわち、閉磁路と交差する方向に向かって）漸減する形状にして、各閉磁路における磁気抵抗を略同一にしているが、磁気抵抗を略同一にする際には、第１実施形態の場合と同様に、鋼板片に形成する溝の深さ、幅、ピッチを調整することができる。また、磁路の方向の溝断面積比率を段階的に小さくしてもよい。また、上記積鉄芯は、３脚構造であるが、２脚構造のものでもよい。

【0056】

図１０は、鋼板片５２ａを、内周側から順に内周部６１、中間部６２、外周部６３に区分し、内周部６１、中間部６２、外周部６３のそれぞれで、磁路の方向の溝断面積比率を調整している。内周部６１は、鋼板片５２ａ内で溝断面積比率が最も大きく、すなわち中間部６２及び外周部６３よりも溝断面積比率ηが大きくなるように決められた深さ、幅、ピッチで複数の溝６１ａが形成されている。外周部６３は、鋼板片５２ａ内で溝断面積比率が最も小さく、すなわち内周部６１及び中間部６２よりも溝断面積比率ηが小さくなるように決められた深さ、幅、ピッチで複数の溝６３ａが形成されている。中間部６２は、内周部６１と外周部６３との間の溝断面積比率ηとなるように決められた深さ、幅、ピッチで複数の溝６２ａが形成されている。このように、内周部６１、中間部６２、外周部６３にそれぞれ溝６１ａ～６３ａを形成することで、外周部６３、中間部６２、内周部６１の順番で磁気抵抗が高くなるようにして、磁束密度の均一化を図り、鉄損を低減している。

【0057】

積鉄芯５０を作製する際には、図１１（Ａ）に示すように、例えばフープ３１から巻出された方向性電磁鋼板３２から、順次に鋼板片５１ａ～５３ａを切断して、それらの鋼板片５１ａ～５３ａにレーザ装置３３からのレーザ光をそれぞれ照射して、溝５６～５８を形成する。このときに、所要とする溝断面積比率ηが得られるように溝５６～５８の深さ、幅、ピッチ等を制御する。一般的に、積鉄芯は大型トランスに用いられるため各鋼板片のサイズは大きい。このため、鋼板片の部位毎にレーザの照射条件を変更して溝を形成することは比較的容易である。この後に、図１１（Ｂ）に示すように、溝５６～５８が形成された鋼板片５１ａ～５３ａを積層して積鉄芯５０とする。また、溝形成工程と積層工程の間で層間の絶縁性を高めるための絶縁コーティングを行ってもよい。

【実施例】

【0058】

最初に、板厚ｔが０．２３０ｍｍの方向性電磁鋼板の鋼板片を用意し、鋼板片に、溝の深さ、幅、ピッチを変えた複数のサンプルを作成し、溝断面積比率と実効透磁率及び鉄損Ｗ_{１７／５０}（Ｗ／ｋｇ）の関係を調べた。鉄損Ｗ_{１７／５０}は、最大磁束密度１．７Ｔ、周波数５０Ｈｚの交流磁界で発生する鉄損である。

【0059】

溝の形成には、レーザ装置を用いた。レーザ装置としては、波長１．１μｍのファイバレーザを用い、出力を１０００Ｗ～２０００Ｗ、レーザ光の集光径を０．００５ｍｍ～０．１５０ｍｍ、走査速度を５～５０ｍ／ｓの各範囲内で変更した。この結果、形成された溝の深さは０．００５ｍｍ～０．０５ｍｍ、幅は０．０１ｍｍ～０．２００ｍｍ、ピッチは２ｍｍ～１０ｍｍの範囲となり、溝断面積比率はおおよそ０．０１～０．４００の範囲となった。溝断面積比率は、式（１）により求めた。これら範囲の溝の深さ、幅、ピッチの範囲での組み合わせによる溝断面積比率ηと、実効透磁率μｅと、鉄損Ｗ_{１７／５０}の関係は、図１２に示すようになった。実効透磁率μｅは磁界の強さＨ_８（＝８００（Ａ／ｍ））において発生する磁束密度Ｂ_８（Ｔ）を測定し「μｅ＝Ｂ_８／Ｈ_８」として求めた。

【0060】

上記結果より、溝断面積比率ηと実効透磁率μｅとの関係を式（Ａ）で近似した。また、鉄損Ｗ_{１７／５０}に関しては、溝断面積比率ηの上記範囲内でほぼ一定であった。
μｅ＝０．５６８η^２－０．４６２１η＋２．４００５ ・・・（Ａ）
但し、０．０２＜η＜０．４００
η＝（π・ｄ・Ｗ）／（２・Ｐ・ｔ）

【0061】

次に、実施例１として、巻鉄芯１０を用いたトランスを作製して鉄損Ｗ_{１７／５０}を測定した。磁気抵抗Ｒ_ｉと実効透磁率μｅ_ｉとの関係を示す上述の式「Ｒ_ｉ＝Ｌ_ｉ／（μｅ_ｉ×ｓ_ｉ）」に基づき、鋼板片１４_１～１４_Ｍの磁気抵抗Ｒがほぼ一致するような実効透磁率μｅ_ｉを鋼板片１４_１～１４_Ｍのそれぞれについて求めた。各実効透磁率μｅ_ｉに対応する溝断面積比率η_ｉを式（Ａ）の関係より求め、式（１）に基づいて、求めた溝断面積比率η_ｉとなるように深さ、幅、ピッチを調整して溝１６をそれぞれ形成した。各々の鋼板片１４内における溝断面積比率は一定として。鋼板片１４_１～１４_Ｍの磁気抵抗Ｒの変動範囲は、平均値±５％以内となるように調整した。

【0062】

また、比較例１として、各鋼板片の相互間で溝断面積比率が一定、すなわち各鋼板片の相互間で深さ、幅、ピッチを同じにした巻鉄芯を用いたトランスを作製して鉄損を比較した。比較例１における各鋼板片の溝の深さは０．０２ｍｍ、幅は０．０５ｍｍ、ピッチは５ｍｍとした。その他の比較例１のトランスの条件は、実施例１のトランスのものと同じにした。

【0063】

また、実施例２として、積鉄芯５０を用いたトランスを作製して鉄損を測定した。積鉄芯５０は、図１０に示されるように、各鋼板片５２ａ、５３ａをその幅方向に内周部６１、中間部６２、外周部６３に区分し、内周部６１、中間部６２、外周部６３の順番で溝断面積比率が小さくなるように、各部の溝６１ａ～６３ａの深さ、幅、ピッチを調整したものを用いた。また、比較例２として、溝断面積比率ηが各鋼板片の幅方向で一定な積鉄芯を用いたトランスを作製して鉄損を測定した。その他の比較例２のトランスの条件は、実施例２のトランスのものと同じにした。

【0064】

巻鉄芯１０を用いた実施例１のトランスは、比較例１のトランスに比べ約１０％低い鉄損となった。また、積鉄芯５０を用いた実施例２のトランスは、比較例２のトランスに比べ約８％低い鉄損となった。

【符号の説明】

【0065】

１０ 巻鉄芯
１４、５１ａ～５３ａ 鋼板片
１６、５６～５７ 溝
３１ フープ
３２、４１ 方向性電磁鋼板
５０ 積鉄芯
５６～５７ 溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】