JP2018133352A - 静止誘導電器用鉄心 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファス磁性薄帯とケイ素鋼板を用いた鉄心が大型化した場合であっても、機械的強度が高く、磁気損失が小さいことは勿論、鉄心を均一に締付けると共に、鉄心の保護が可能なこと。【解決手段】本発明の静止誘導電器用鉄心は、上記課題を解決するために、鉄心内部に配置されるアモルファス磁性薄帯で形成されたアモルファス鉄心と、該アモルファス鉄心の側面に配置されるケイ素鋼板で形成されたケイ素鋼板鉄心と、該ケイ素鋼板鉄心の最外周面に配置された当板と、前記アモルファス鉄心と前記ケイ素鋼板鉄心の間を含む前記アモルファス鉄心の周囲に配置されたアモルファス鉄心用枠と、前記当板を介して前記アモルファス鉄心及び前記ケイ素鋼板鉄心を支持、固定する支持枠とを備えていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は静止誘導電器用鉄心に係り、特に、変圧器或いはリアクトル等の静止誘導電器の鉄心にアモルファス磁性薄帯とケイ素鋼板を用いたものに好適な静止誘導電器用鉄心に関するものである。

世界の経済成長とともにエネルギー消費量は増加し続け、１９６５年から２０１４年までの約５０年間で３．３倍に達した。

通常、変圧器の鉄心材料には、損失が少なく透磁率の大きいケイ素鋼板が用いられてきたが、近年、エネルギー消費量の増加に伴う省エネニーズの高まりにより、変圧器の鉄心材料に、ケイ素鋼板に替わる鉄基アモルファス合金を用いた高効率な変圧器（以下、アモルファス変圧器という）の需要が高まっている。

上記鉄基アモルファス合金は、ケイ素鋼板に比べて電気抵抗率が大きく、板厚が１／１０と薄いため渦電流損が小さい。また、鉄基アモルファス合金は、非晶質であるため磁壁移動が容易で、かつ、ヒステリシス損が小さいという特徴があることから、変圧器の負荷がないときにも常に発生する無負荷損失が低いという利点を持つ。この利点を生かして、アモルファス変圧器は、運転負荷率の低い配電網への導入効果が高い技術として注目されている。

ところで、アモルファス変圧器の鉄心に用いられているアモルファス磁性薄帯は、磁性合金の溶融体を超急冷して製造される。そして、アモルファス磁性薄帯を用いて変圧器鉄心を製造する場合、切断したアモルファス磁性薄帯を積層断面がコの字をなすように積層し、巻線を挿入した後、バットジョイントやラップジョイントと呼ばれる方法で左右のアモルファス磁性薄帯を交互に重ね合わせることにより、閉磁路を形成する鉄心が作製される。また、巻線を鉄心に挿入する作業前には、アモルファス磁性薄帯の積層作業に起因する応力の影響を除去するため、巻鉄心を成形した状態で磁場中焼鈍を行う工程が入る。

更に、鉄心を形成するアモルファス磁性薄帯は、上記した利点がある一方、硬くて脆いという性質があり、厚さ数十μｍの薄帯を何百枚と積層して形成しているため、機械的強度、剛性が十分に得られず、ケイ素鋼板のような自立が困難である。小容量の変圧器（例えば柱上変圧器）であれば、鉄心の脚部とヨーク部の大きさの比も小さく、巻線の剛性などで鉄心の形状保持を図ることができるが、大容量の変圧器（例えば電力用変圧器）では、鉄心の脚部がヨーク部に対して大きくなり、自重も大きくなるため、強固で、かつ、大がかりな保持部材を設けて鉄心を保持する必要が生じてしまう。

また、大容量の変圧器で一般に使用されているケイ素鋼板を用いた鉄心では、ケイ素鋼板の厚みが数百μｍと厚く、自立が容易である。更に、当板を用いて鉄心を直接支持するなどの加工も容易である。一方、アモルファス磁性薄帯は、加工も難しく、応力に敏感に磁気損失が悪化するため、支持方法も工夫する必要がある。

例えば、特許文献１では、多相変圧器鉄心を構成する材料として、内側鉄心に磁気損失の低減に有効なアモルファス磁性薄帯を巻回したものを、外側鉄心にケイ素鋼板を巻回または積層したものを使用し、両鉄心の複合構造として、磁気損失の特性と鉄心の機械的強度及び剛性の向上の両立を図り、組立作業時の加工性を確保しようとすることが記載されている。

特開平８−８８１２８号公報

静止誘導電器用鉄心の機械的強度、剛性の不足を克服する技術として、特許文献１では、内側鉄心に磁気損失の低減に有効なアモルファス磁性薄帯を巻回したもの、また、外側鉄心にケイ素鋼板を巻回または積層したものを使用し、両鉄心の複合構造とすることで、磁気損失の特性と鉄心の機械的強度及び剛性の向上の両立を図っている。

ところが、アモルファス磁性薄帯の５０Ｈｚにおける飽和磁束密度は約１．６Ｔであり、ケイ素鋼板の飽和磁束密度は約２．０Ｔであるため、鉄心内の磁束密度分布を平均化するためには、アモルファス磁性薄帯を磁路長の短くなる内側鉄心に配置した方が有利であり、このような構成が一般的である。

しかし、鉄心を大型化した場合には、アモルファス磁性薄帯を内側鉄心に配置することにより、内側のアモルファス鉄心が空間部分の窓内に向かって崩れやすくなり、自立が困難となるため、頑丈な保持部材が必要となってしまう。また、頑丈な保持部材を用いると保持部材により、漂遊損が増加する可能性もある。更に、アモルファス磁性薄帯にケイ素鋼板の圧縮応力が掛かるため、荷重により磁気損失が増加する恐れがある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、アモルファス磁性薄帯とケイ素鋼板を用いた鉄心が大型化した場合であっても、機械的強度が高く、磁気損失が小さいことは勿論、鉄心を均一に締付けると共に、鉄心の保護が可能な静止誘導電器用鉄心を提供することにある。

本発明の静止誘導電器用鉄心は、上記目的を達成するために、鉄心内部に配置されるアモルファス磁性薄帯で形成されたアモルファス鉄心と、該アモルファス鉄心の側面に配置されるケイ素鋼板で形成されたケイ素鋼板鉄心と、該ケイ素鋼板鉄心の最外周面に配置された当板と、前記アモルファス鉄心と前記ケイ素鋼板鉄心の間を含む前記アモルファス鉄心の周囲に配置されたアモルファス鉄心用枠と、前記当板を介して前記アモルファス鉄心及び前記ケイ素鋼板鉄心を支持、固定する支持枠とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、アモルファス磁性薄帯とケイ素鋼板を用いた鉄心が大型化した場合であっても、機械的強度が高く、磁気損失が小さいことは勿論、鉄心を均一に締付けると共に、鉄心の保護が可能な静止誘導電器用鉄心を得ることができる。

本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例１を示す斜視図である。 図１の実施例１の静止誘導電器用鉄心をＡ−Ａ´線に沿って断面した斜視図である。 図１の静止誘導電器用鉄心の実施例１を構成する鉄心の最小単位を示す図である。 本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例２を示す斜視図である。 本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例３を示す斜視図である。 図５の実施例３の静止誘導電器用鉄心をＡ−Ａ´線に沿って断面した斜視図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の静止誘導電器用鉄心を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１及び図２に、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例１を示す。

該図に示すように、本実施例の静止誘導電器用鉄心は、鉄心内部に配置されるアモルファス磁性薄帯で形成されたアモルファス鉄心１と、このアモルファス鉄心１の両側（両側面）に配置されるケイ素鋼板で形成されたケイ素鋼板鉄心２と、このケイ素鋼板鉄心２の最外周面に配置された当板３と、アモルファス鉄心１とケイ素鋼板鉄心２の間を含むアモルファス鉄心１の周囲に配置されたアモルファス鉄心用枠４と、当板３を介してアモルファス鉄心１及びケイ素鋼板鉄心２を、締付け冶具（例えばボルト）６で締付けて支持、固定する支持枠５とで概略構成されている。

上記支持枠５は、当板３の外周面の上下部に横方向に配置され、この上下の横方向に配置された支持枠５が、当板３を介してアモルファス鉄心１とケイ素鋼板鉄心２を締付け冶具６で締付けることにより支持、固定している。また、当板３の外周面の上下部に横方向に配置された支持枠５は、その支持枠５の上下間に配置された第２の支持枠７で連結されている。

また、図１及び図２の構成要素であるアモルファス鉄心１は、アモルファス磁性薄帯を略矩形に巻回したアモルファス巻鉄心であるが、長尺アモルファス磁性薄帯を積層した後両端を突合わせて略矩形に成形したアモルファス積鉄心でも良い。また、ケイ素鋼板鉄心２は、複数のケイ素鋼板を積層し、角部にステップラップ接合構造を形成したケイ素鋼板積鉄心であるが、ケイ素鋼板を略矩形に巻回して形成したケイ素鋼板巻鉄心でも良い。

また、アモルファス用鉄心枠４はアモルファス鉄心１の磁脚を囲むように構成されるため、ＳＵＳ、Ａｌ、木材、樹脂などの非磁性の材料で構成するか、或は磁脚を磁性体で１周囲むことがないように、磁性体の一部に樹脂などの非磁性材を介在させる構成が望ましい。また、アモルファス用鉄心枠４に鉄などの材料を用いる場合は、アモルファス鉄心１とアモルファス用鉄心枠４が直接接することのないように、両者間にプレスボードなどの絶縁物を介在させることが望ましい。

当板３は、ケイ素鋼板鉄心２の形状に合わせて鉄心の窓８に相当する部分を切り抜いた四角形であり、一体に形成されているかまたは複数に分割されていても良い。当板３の材質は、鉄で構成しても良いが、ＳＵＳ、Ａｌ、木材、樹脂などの非磁性の材料で構成しても良い。当板３を鉄で構成する場合は、当板３にスリットを入れることで鎖交磁束による渦電流損が軽減されるため、当板３の発熱を防ぐことができる。

また、支持枠５は鉄心を囲むように構成されるため、ＳＵＳ、Ａｌ、木材、樹脂などの非磁性の材料で構成するか、或は磁脚を磁性体で１周囲むことがないよう磁性体の一部に樹脂などの非磁性材を介在させる構成が望ましい
通常、アモルファス磁性薄帯は１枚の厚さが数十μｍと薄く、これを何百枚も積層するため、自立が困難である。一方、ケイ素鋼板はアモルファス磁性薄帯の約１０倍の厚みを有するため、自立が可能である。従って、アモルファス鉄心１の外周にケイ素鋼板鉄心２を配置し、更に当板３を用いて、アモルファス鉄心１及びケイ素鋼板鉄心２を締付、固定することで、アモルファス鉄心１の形状変形を抑制することが可能となる。また、当板３を用いて締付、固定することで、アモルファス鉄心１及びケイ素鋼板鉄心２を均一に締め付けることができると共に、アモルファス鉄心１及びケイ素鋼板鉄心２に直接締付け力が加わることがないので、アモルファス鉄心１及びケイ素鋼板鉄心２を保護することが可能となる。

更に、アモルファス鉄心１は応力に敏感なため、直接締圧を加えた場合、鉄損が大きくなってしまう。特に、大型の鉄心は支持枠で鉄心を支持する必要があるが、本実施例の構成であれば、アモルファス鉄心１を直接圧迫する必要がないため、鉄損悪化を防止できる。

なお、１枚の分割されていない一体物の当板３を用いることで、鉄心の剛性をさらに強化することができる。

図３は、図１及び図２に示したアモルファス鉄心１とケイ素鋼板鉄心２からなる静止誘導電器用鉄心の最小単位（図１の左半分）を示したものである。

図３に示すように、静止誘導電器用鉄心を最小単位で分割生産して組み合わせることで、単相でも三相でも同じ鉄心を用いて変圧器を構成することができるため、生産性を向上することができる。

このように本実施例の構成によれば、アモルファス磁性薄帯とケイ素鋼板を用いた鉄心が大型化した場合であっても、機械的強度が高く、磁気損失が小さい静止誘導電器用鉄心を得ることができる。

図４に、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例２を示す。

該図に示す本実施例の静止誘導電器用鉄心は、実施例１で説明した構成に対して、ケイ素鋼板鉄心２と支持枠５の間に配置された当板３の形状を変更したものである。

即ち、本実施例は、図４に示すように、当板３を複数に分割（本実施例では８分割）したもので、この分割した当板３を用いることで、一枚当たりの当板３の大きさを小さくできるため、組立時の操作が容易となる。

なお、当板３は、鉄で構成しても良いが、ＳＵＳ、Ａｌ、木材、樹脂などの非磁性の材料で構成しても良い。当板３を鉄で構成する場合は、当板３にスリットをいれることで鎖交磁束による渦電流損が軽減されるため、当板３の発熱を防ぐことができる。

また、支持枠５は鉄心を囲むように構成されるため、ＳＵＳ、Ａｌ、木材、樹脂などの非磁性の材料で構成するか、或は磁脚を磁性体で１周囲むことがないように磁性体の一部に樹脂などの非磁性材を介在させる構成が望ましい。

このような本実施例の構成であっても実施例１と同様な効果を得ることができる。

図５及び図６に、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例３を示す。

該図に示す本実施例の静止誘導電器用鉄心は、実施例１で説明した構成において、ケイ素鋼板が積層され、かつ、角部にステップラップ接合構造が形成されたケイ素鋼板積鉄心２の幅を変更したものである。

即ち、ケイ素鋼板積鉄心２を、アモルファス鉄心１側から当板３側に向かって順次幅が小さくなるように構成としたものである。

このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、鉄心の断面を円形に近い形とすることができ、円形の巻線内に無駄なく鉄心を配置することができ、鉄心の巻線内占積率を大きくすることができる。

また、ケイ素鋼板鉄心２のヨーク部のみは同じ幅の板とし、支持枠５で鉄心ヨーク部を締め付ける構成とすることで、締付面積を小さくすることなく、鉄心を締め付けることができる構成としても良い。

なお、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…アモルファス鉄心、２…ケイ素鋼板鉄心、３…当板、４…アモルファス用鉄心枠、５…支持枠、６…締付け冶具、７…第２の支持枠、８…鉄心の窓。

Claims (11)

1. 鉄心内部に配置されるアモルファス磁性薄帯で形成されたアモルファス鉄心と、該アモルファス鉄心の側面に配置されるケイ素鋼板で形成されたケイ素鋼板鉄心と、該ケイ素鋼板鉄心の最外周面に配置された当板と、前記アモルファス鉄心と前記ケイ素鋼板鉄心の間を含む前記アモルファス鉄心の周囲に配置されたアモルファス鉄心用枠と、前記当板を介して前記アモルファス鉄心及び前記ケイ素鋼板鉄心を支持、固定する支持枠とを備えていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
2. 請求項１に記載の静止誘導電器用鉄心において、
   前記アモルファス鉄心は、略矩形に巻回されたアモルファス巻鉄心または長尺アモルファス磁性薄帯を積層した後両端を突合わせて略矩形に成形したアモルファス積鉄心であり、前記ケイ素鋼板鉄心は、前記ケイ素鋼板が積層され、かつ、角部にステップラップ接合構造が形成されたケイ素鋼板積鉄心またはケイ素鋼板を略矩形に巻回して形成したケイ素鋼板巻鉄心であることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
3. 請求項２に記載の静止誘導電器用鉄心において、
   前記ケイ素鋼板積鉄心は、前記アモルファス鉄心側から前記当板側に向かって順次幅が小さくなるように構成されていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心において、
   前記支持枠は、前記当板の外周面の上下部に横方向に配置され、この横方向に配置された前記支持枠が前記当板を介して前記アモルファス鉄心と前記ケイ素鋼板鉄心を支持、固定することを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
5. 請求項４に記載の静止誘導電器用鉄心において、
   前記当板の外周面の上下部に横方向に配置された前記支持枠は、その支持枠の上下間に配置された第２の支持枠で連結されていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心において、
   前記支持枠は非磁性体または磁性体で構成され、前記支持枠が磁性体で構成された際には、前記磁性体の一部に非磁性材が介在されていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心において、
   前記当板は、前記ケイ素鋼板鉄心の形状に合わせて鉄心の窓に相当する部分を切り抜いた四角形であることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心において、
   前記当板は、一体に形成されているかまたは複数に分割されていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心において、
   前記当板は、鉄または非磁性材で構成され、前記当板が鉄で構成された際には、前記当板にスリットが設けられていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心において、
    前記アモルファス鉄心用枠は非磁性体または磁性体で構成され、前記アモルファス鉄心用枠が磁性体で構成された際には、前記磁性体の一部に非磁性材が介在されていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心において、
    前記アモルファス鉄心用枠は鉄で構成され、この鉄製のアモルファス鉄心用枠と前記アモルファス鉄心の間に絶縁物が介在されていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。

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