JP2013118254A - 変圧器用積鉄心 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファス合金薄帯を積層した積鉄心の形状の保持や製作が容易で、無負荷損等の磁気特性に悪影響を与えない変圧器用積鉄心を提供する。
【解決手段】変圧器用積鉄心１０は、アモルファス合金薄帯を積層した少なくとも二つの鉄心主脚１１と下部継鉄１２及び上部継鉄１３を接合し、閉磁路を形成する。鉄心主脚１１と下部及び上部継鉄１２、１３は、所定の同一位置に位置決め穴１５を設けて一体化した単位積層磁性体２０の複数を組み合せて形成し、位置決め穴１５に貫通支持体１４を配置する積層鉄心要素３０で構成する。各鉄心主脚１１と下部継鉄１２の外面形状に合わせて一体化した櫛状鉄心支持部材１６を両面に配置し、上部継鉄１３の両面に板状鉄心支持部材１７を配置し、櫛状及び板状鉄心支持部材１６、１７間は連結材１６ｃと結合ボルト１６ｄで結合し、櫛状鉄心支持部材１６間及び板状鉄心支持部材１７間は、形状保持部材１８、１９で連結する。
【選択図】図１

Description

本発明は変圧器鉄心に係り、アモルファス合金薄帯を用いて積層して構成する変圧器用積鉄心に関する。

近年の地球温暖化の問題への意識の高まりや、一部地域における急速な経済発展による電力需要の急増に伴い、変電所に使用する変圧器の場合は、変圧器の損失、特に鉄損である無負荷損を低減することに関心が高まっている。

通常の大形の変圧器は、方向性の珪素鋼板を用いて積鉄心を形成することが一般的である。これに対して、小形の配電用変圧器では、アモルファス合金薄帯の無負荷損が珪素鋼板の１／３〜１／４であることを利用し、巻鉄心を用いた構造にして実用化されている。

アモルファス合金薄帯で形成する鉄心を用いた変圧器は、大容量化が進んでおり、例えば特許文献１には大形の変圧器に使用可能なアモルファス積鉄心が提案され、珪素鋼板を用いた積鉄心と類似する構造にしている。特許文献１のアモルファス積鉄心は、数枚のアモルファス合金薄帯を接着や溶接で一体化して単位重合体を形成し、この単位重合体の複数を長さ方向に位置をずらして段積みして集めて積層ブロックを形成し、積層ブロックを構成した単位重合体を順にとって積層することにより、脚部及び継鉄部を形成してラップ接合やバット接合により一体の構成している。

また、輸送時の重量や寸法の制約を受ける大形変圧器は、変圧器中身を構成する積鉄心と巻線を分解して輸送し、現地において再組立することが行われている。分解輸送形の変圧器の積鉄心は、例えば特許文献２や特許文献３に記載されているような積鉄心が提案されている。

上記特許文献２に記載された積鉄心の鉄心脚は、積層した鋼板とこの上下に配置する当板を貫通する締付穴に、支持部材となる締付ボルトを挿通して締付固定しており、締付ボルトの配置のない長手方向の数箇所は締付部材となるガラステープによってバインドして構成し、鉄心のずれや外接円径の増大を防いだものである。更に、特許文献３に記載された積鉄心は、鋼板の複数枚を結束接着剤で結束した２つ以上のブロック部分と、それ等の中間の接合部とに分けて輸送し、ブロック間の接合部は接合部に対応する形状の鋼板を現地において挿入して構成し、更には結束作業単位の結束を溶接によって鋼板の側端面の一箇所で行い、組み立て時間を短縮するものである。

特開平１１−１８６０８２号公報 特開平５−６２８４０号公報 特開平８−２７５４６８号公報

変圧器にアモルファス合金薄帯の鉄心を用いると無負荷損が小さくできるから、一層大容量化するためにアモルファス合金薄帯の積鉄心にする場合、製作する上で種々の配慮がされている。即ち、アモルファス合金薄帯は約２５μｍと非常に薄いため、取扱いが難しいことから製作工数が増大する懸念があるし、アモルファス合金薄帯の無負荷損が小さいという磁気特性とするには、磁気歪を取る焼鈍を行う熱処理が必要である。しかし、熱処理するとアモルファス合金薄帯は脆化して割れ易くなる上、割れた破片は変圧器の絶縁等に悪影響を及ぼす恐れがある。

特にアモルファス合金薄帯で形成する積鉄心は、大きな圧力がかかると無負荷損や励磁容量が増加するため、珪素鋼板を用いた積鉄心の如く上下の継鉄部分を鉄心締付金具で締付ることや、ガラステープ等の締付部材を使用できない問題がある。

本発明の目的は、アモルファス合金薄帯を積層した積鉄心の形状の保持や製作が容易で、無負荷損等の磁気特性に悪影響を与えない変圧器用積鉄心を提供することにある。

本発明の変圧器用積鉄心は、所定の形状に切断したアモルファス合金薄帯を積層した少なくとも二つの鉄心主脚と下部継鉄及び上部継鉄とを接合して閉磁路を形成するとき、前記鉄心主脚と前記下部継鉄と前記上部継鉄は、それぞれ所定の同一位置に位置決め穴を設けて熱硬化性樹脂で一体化した単位積層磁性体の複数を組み合せて形成すると共に、前記位置決め穴に貫通支持体を配置した積層鉄心要素で構成され、接合した前記各鉄心主脚と前記下部継鉄の外面形状に合わせて一体化した櫛状鉄心支持部材を前記鉄心主脚と前記下部継鉄の両面に配置し、前記上部継鉄の両面に板状鉄心支持部材を配置し、前記櫛状鉄心支持部材と前記板状鉄心支持部材間は連結部材により結合し、前記下部継鉄の両面に配置した前記櫛状鉄心支持部材間、及び前記上部継鉄の両面に配置した前記板状鉄心支持部材間は、それぞれ形状保持部材により連結したことを特徴としている。

好ましくは、前記鉄心主脚と前記下部継鉄と前記上部継鉄を形成する前記単位積層磁性体は、端部形状を階段状に形成したことを特徴としている。

本発明のように構成すれば、アモルファス合金薄帯を積層した積鉄心は、鉄心貫通支持体と櫛状鉄心支持部材及び板状鉄心支持部材、更に形状保持部材を用いて形状を保持されているため、積鉄心を構成する鉄心主脚と下部継鉄及び上部継鉄のアモルファス合金薄帯には過度な締め付け圧力が加わらなくなるから、締め付けに伴う励磁電流がおおきくならないため、無負荷損の増加のない良好な磁気特性の変圧器用積鉄心にできる利点がある。

本発明の変圧器用積鉄心の一実施例を示す斜視図である。 （ａ）は図１の変圧器用積鉄心の平面図、（ｂ）は（ａ）の底面図である。 （ａ）は図２に用いる変圧器用積鉄心に用いる積層鉄心要素を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の底面図である。 本発明の変圧器用積鉄心に用いる単位積層磁性体を示す平面図である。 本発明の変圧器用積鉄心の製作方法の一例を示す流れ図である。 図５の製作方法で用いる単位積層磁性体の作製工程を説明する概略図である。 （ａ）は単位積層磁性体の積層方向形状を示す概略断面図、（ｂ）は積層鉄心要素の積層方向形状を示す概略断面図である。 本発明の変圧器用積鉄心の製作方法における別の例を示す流れ図である。 図８の製作方法に用いる単位積層磁性体の作製工程を説明する概略図である。 図９の単位積層磁性体を用いた積層鉄心要素の積層方向の形状を示す概略断面図である。

本発明の変圧器用積鉄心は、所定の形状に切断したアモルファス合金薄帯を積層した少なくとも二つの鉄心主脚と下部継鉄及び上部継鉄とを接合して閉磁路を形成する。前記鉄心主脚と前記下部継鉄と前記上部継鉄は、それぞれ所定の同一位置に位置決め穴を設けて熱硬化性樹脂で一体化した単位積層磁性体の複数を組み合せて形成すると共に、前記位置決め穴に貫通支持体を配置した積層鉄心要素で構成される。接合した前記各鉄心主脚と前記下部継鉄の外面形状に合わせて一体化した櫛状鉄心支持部材を、前記鉄心主脚と前記下部継鉄の両面に配置し、また前記上部継鉄の両面に板状鉄心支持部材を配置し、前記櫛状鉄心支持部材と前記板状鉄心支持部材間は連結部材により結合する。前記下部継鉄の両面に配置した前記櫛状鉄心支持部材間、及び前記上部継鉄の両面に配置した前記板状鉄心支持部材間は、それぞれ形状保持部材により連結している。

以下、本発明の変圧器用積鉄心を、図１から図１０を用いて説明する。図１及び図２に示すように本発明の変圧器用積鉄心１０は、後述する如く約２５μｍ程度のアモルファス合金薄帯を所定の形状に切断して使用する。このアモルファス合金薄帯を積層してなる鉄心主脚１１と下部継鉄１２及び上部継鉄１３を組み合わせて変圧器用積鉄心１０を構成している。この例では、鉄心主脚１１と下部継鉄１２及び上部継鉄１３間の接合は、４５度のステップラップ接合で閉磁路を形成している。

鉄心主脚１１と下部及び上部継鉄１２、１３のそれぞれは、図４に示すようにアモルファス合金薄帯を台形等の所定の形状に切断するときに、予め定めた所定の同一位置に位置決め穴１５を設けて複数枚、例えば６枚を重ねて積層し、一体に形成した単位積層磁性体２０を用いている。

単位積層磁性体２０は、この複数個を図３に示す下部継鉄１２の例で示すように、円柱状積層ガイド（図示せず）を使用して位置決め穴１５を一致させ、かつ少しずつずらしながら積層して端面が階段状となるようにすることにより、樹脂で一体化した積層鉄心要素３０を形成している。そして、この積層鉄心要素３０を用いて鉄心主脚１１、下部及び上部継鉄１２、１３としている。

積層鉄心要素３０で形成した鉄心主脚１１、下部及び上部継鉄１２、１３は、図１に示すように組み合わせてから、鉄心主脚１１と下部継鉄１２の両側には、これらの結合時の形状に合わせて一体化した櫛状鉄心支持部材１６を配置し、また上部継鉄１３の両側面には、板状鉄心支持部材１７を配置している。なお、櫛状鉄心支持部材１６は、鉄心主脚１１の外面に配置する縦支持部材１６ａと、下部継鉄１２の外面に配置する横縦支持部材１６ｂとを溶接等によって一体化して形成したものである。

そして、鉄心主脚１１に巻線（図示せず）を巻回してから、各鉄心主脚１１に上部継鉄１３を挿入して組み合わせて連結し、閉磁路を形成する。この後、櫛状鉄心支持部材１６と板状鉄心支持部材１７間は、縦支持部材１６ａに設けた連結部材となる連結材１６ｃ及び結合ボルト１６ｄを用いて、着脱可能に結合している。しかも、鉄心主脚１１、下部及び上部継鉄１２、１３は、図１に示す如く各位置決め穴１５に貫通支持体１４をアモルファス合金薄帯の積厚方向に貫通配置している。この貫通支持体１４によって、積鉄心各部分の重量を支えられるので、比較的小さい締付力で積鉄心の形状を保持することができる。なお、各貫通支持体１４は、積層するアモルファス合金薄帯同士が導通するのをするため、各位置決め穴１５の内面に接する部分は絶縁できるように構成する。

その上、櫛状鉄心支持部材１６の横支持部材１６ｂと板状鉄心支持部材１７は、図１に示す例では下部及び上部継鉄１２、１３の両端より突出する長い寸法に形成している。両側の突出した櫛状鉄心支持部材１６の横支持部材１６ｂ間は、これらの内側面に形状保持部材１８を連結し、同様に両側の突出した板状鉄心支持部材１７間も、これらの内側面に形状保持部材１９によって連結している。この形状保持部材１８、１９によって、アモルファス合金薄帯を用いた積鉄心の形状を維持でき、しかもアモルファス合金薄帯に過度な締め付け圧力を増加させないようにすることができる。このため、無負荷損及び励磁容量の増加のない磁気特性に優れた無負荷損の増大を防止した変圧器用積鉄心にできる。

形状保持部材１８、１９による連結は、図１の実施例では下部及び上部継鉄１２、１３の両端より突出させた横支持部材１６ｂ間及び板状鉄心支持部材１７間のそれぞれ内側面に連結する構造に限られず、例えば各横支持部材１６ｂ及び板状鉄心支持部材１７の端部に折り曲げ部を設けておき、この折り曲げ部間に連結しても同様な効果を達成することができる。

次に、変圧器用積鉄心１０は、図５に示すような製作方法の手順によって製作する。即ち、まず単位積層磁性体２０に用いる基本積層体を作製する（ステップ２００）。図６に例示したように、基本積層体は、次に述べる手順で作製する。つまり、複数のアモルファス合金薄帯リボン１００から、６巻の如き複数のアモルファス合金薄帯を重ねて引出し、樹脂塗布装置１１０で耐熱性の高いポリイミド樹脂の如き熱硬化性樹脂を塗布した後、第１熱処理装置１２０で熱処理を行い、熱硬化性樹脂を半硬化状態にする。

その後、穿孔装置１３０で位置決め穴１５を開け、更に、第１切断装置１４０及び第２切断装置１５０で、アモルファス合金薄帯を幅方向に対し４５度のような所定の角度で切断することにより、積層に使用可能な寸法と位置決め穴１５を有する基本積層体を予め作製する。このため、図７（ａ）に示す如く基本積層体４０を積層して形成する単位積層磁性体２０は、アモルファス合金薄帯間が熱硬化性樹脂４１で接着される。

続いて、図７（ａ）に示すように上記の如く作製した基本積層体４０の複数を、位置決め穴１５を一致させて積層して単位積層磁性体２０を積層して積層鉄心要素３０を作製する（ステップ２１０）。ステップ２１０では、作製した単位積層磁性体２０を積層した後（ステップ２２０）、第２の熱処理を行い（ステップ２３０）、熱硬化性樹脂を完全に硬化させ、図７（ｂ）に示す一体化した端面が階段状の積層鉄心要素３０を得る。作製した積層鉄心要素３０も、隣接する基本積層体２０の間は、熱硬化性樹脂５1で接着される。このため、焼鈍後でもアモルファス合金薄帯の破片が生じ難くなり、積鉄作業時の取り扱いが容易になる。

次に、熱処理を施した積層鉄心要素３０を組み合わせ、鉄心の仮組立てを行う（ステップ２４０）。そして、磁路方向に約２０００Ａ／ｍの直流磁界を加えながら、磁気歪をとるため、例えば熱処理温度約３５０℃、保持時間１時間で焼鈍処理を行う（ステップ２５０）。焼鈍後の積層鉄心要素３０で鉄心主脚１１と下部継鉄１２、及び櫛状鉄心支持部材１６を組立てる（ステップ２６０）。焼鈍後の積層鉄心要素３０で組立てる上部継鉄１３は、巻線（図示せず）入れ（ステップ２７０）を行った後、鉄心主脚１１間に積層鉄心要素３０の挿入を行い、板状鉄心支持部材１７を含めた最終組立て（ステップ２８０）を行って積鉄心を完成する。

上記のようにして製作した変圧器用積鉄心１０は、鉄心接合部における磁束密度の上昇を極力抑え、鉄心締付圧力を低減した状態で、積鉄心を固定することが可能となるから、この積鉄心の無負荷損は、方向性珪素鋼板で作製した場合の積鉄心の無負荷損に比較すると、約３４％と大幅に低減できる。また、所定の寸法と階段状の端部形状を有して熱硬化性樹脂で一体化した積層鉄心要素３０で積鉄心を構成することにより、製作時の取り扱いを容易できると共に、絶縁に対する信頼性も向上できる。

変圧器用積鉄心１０は、図８に示すような手順の製作方法によっても製作することができる。この製作方法では、基本積層体４０の作製後（ステップ２００）に、図５の例と同様な焼鈍処理を行っており（ステップ２５０）、続いて行う積層鉄心要素３０の作製（ステップ２１０）が上記した例と異なっている。

単位積層磁性体２０の積層形成に使用する基本積層体４０は、図９に示す如く上述と同様に複数のアモルファス合金薄帯リボン１００を用いて作製する。つまり、複数のアモルファス合金薄帯を重ねて引き出し、圧着装置１６０で圧着処理を行い、これ以後は図６と同様に穿孔装置１３０、第１切断装置１４０、第２切断装置１５０を経て、基本積層体が作製される。この基本積層体を、複数積層して単位積層磁性体２０を作製する。

ステップ２１０で単位積層磁性体２０の複数を用いて積層鉄心要素３０を一体に作製するとき、単位積層磁性体２０の間は、耐熱温度が焼鈍温度に満たないエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂の塗布を行う（ステップ２１０１）。この熱硬化性樹脂の塗布により、図１０に示す如く単位積層磁性体２０間は熱硬化性樹脂６１で接着される。なお、積層鉄心要素３０の上下の表面は、図１０に示すようにガラス布基材６２で強化された樹脂で一体化すると、焼鈍後でもアモルファス合金薄帯の破片が生じ難く、組み立て時の取り扱いが容易になる。

その後、単位積層磁性体２０の積層（ステップ２２０）後、熱処理を施して（ステップ２１０２）完成する。積層鉄心要素３０の作製後は、図５と同様な積層鉄心要素３０と櫛状鉄心支持部材１６の組立て（ステップ２６０）、巻線（図示せず）入れ（ステップ２７０）後、最終組立て（ステップ２８０）を行って積鉄心を完成する。このような変圧器用積鉄心１０の製作方法によっても、上記した例と同様な効果を達成することができる。

１０…変圧器用積鉄心、１１…鉄心主脚、１２…下部継鉄、１３…上部継鉄、１４…貫通支持体、１５…位置決め穴、１６…櫛状鉄心支持部材、１６ａ…縦支持部材、１６ｂ…横支持部材、１６ｃ…連結材、１６ｄ…結合ボルト、１８、１９…形状保持部材、２０…単位積層磁性体、３０…積層鉄心要素。

Claims (2)

1. 所定の形状に切断したアモルファス合金薄帯を積層した少なくとも二つの鉄心主脚と下部継鉄及び上部継鉄とを接合して閉磁路を形成する変圧器用積鉄心において、前記鉄心主脚と前記下部継鉄と前記上部継鉄は、それぞれ所定の同一位置に位置決め穴を設けて熱硬化性樹脂で一体化した単位積層磁性体を複数組み合せて形成すると共に、前記位置決め穴には貫通支持体を配置した積層鉄心要素で構成され、接合した前記各鉄心主脚と前記下部継鉄との外面形状に合わせて一体化した櫛状鉄心支持部材を、前記鉄心主脚と前記下部継鉄の両面に配置し、前記上部継鉄の両面に板状鉄心支持部材を配置し、前記櫛状鉄心支持部材と前記板状鉄心支持部材間は連結部材により結合し、前記下部継鉄の両面に配置した前記櫛状鉄心支持部材間、及び前記上部継鉄の両面に配置した前記板状鉄心支持部材間は、それぞれ形状保持部材により連結したことを特徴とする変圧器用積鉄心。
2. 請求項１において、前記鉄心主脚と前記下部継鉄と前記上部継鉄を形成する前記単位積層磁性体は、端部形状を階段状に形成したことを特徴とする変圧器用積鉄心。

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