JP4343448B2

JP4343448B2 - 変圧器の製造方法

Info

Publication number: JP4343448B2
Application number: JP2001018226A
Authority: JP
Inventors: 亮西水; 秀樹増原; 洋一天兒; 正尚桑原
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: US20020101321A1; JP2002222718A; US20030137386A1; CN1199206C; CN1367503A; US6769169B2; SG99367A1; TW521285B; US6611191B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変圧器に係り、特にコアの直流偏磁を改善する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サイリスタ等を１次側または２次側に接続した変圧器では、コアに直流偏磁が起こる場合が多い。該直流偏磁は、コイルに直流成分が発生する結果、コア中を通る磁束がＢ−Ｈ特性（Ｂ−Ｈ曲線の特性）上で正負いずれかの極性側に偏る現象である。図１は、変圧器の２次側にサイリスタ等の負荷４を接続した場合における該直流偏磁の説明図である。図１に示すように、例えば１次側巻線２に正弦波状の電圧ｖ₁を印加したとき、２次側巻線３には正弦波状の電圧が誘起し、該負荷４によって半波整流された電流ｉ₂が流れ、点線で示すような直流成分レベルを形成する。この電流の直流成分レベルは正または負側（図では正側としている）に偏った磁界を発生させ、コア１を該コア１のＢ−Ｈ特性（Ｂ−Ｈ曲線の特性）上で一方に偏った状態で励磁する（直流偏磁）。該直流偏磁が起きると、コア内でのヒステリシス損等の損失が増加する。また、多くの場合、該直流偏磁によってコア１が磁気飽和状態に達し、磁気ひずみにも高調波成分が発生する等して振動や騒音も増大する。また、場合によっては、１次側巻線に過大電流が流れ、接続されている素子等を破損させる。
変圧器の直流偏磁の抑制策としては、コアのＢ−Ｈ特性を、図２中の曲線６に示すような不飽和状特性にする技術が有効である。比較のために示した曲線５は一般的なコアのおおよその特性曲線である。Ｂ−Ｈ特性を該曲線６のような不飽和状特性を示す磁界強度の範囲を広げることによって、直流偏磁が発生した場合の磁束変化量を減らせる。従来は、この不飽和状Ｂ−Ｈ特性を実現するために、（１）コアの断面積を増やすことにより磁束密度を下げるようにしたり、（２）コアの磁気回路中に空隙部を設け磁気回路の磁気抵抗を増やして磁束量を抑えるようにしたりしていた。（２）については、例えば特開平８−２２２４５４号公報に記載されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のうち（１）は、コア材の量が増えるため変圧器の体積や重さが増加しコストも高くなる。場合によっては鉄損も増える。また、（２）は、コア強度の低下や、空隙部に働く磁気吸引力による騒音の増加等を招く。特に、３相変圧器では空隙のばらつきにより各相の励磁特性が異なるなどの不都合が生ずる。また、空隙部の磁気吸引力は、場合により、コアの損傷や、コア材破片の飛散等を引き起こす。
本発明の課題点は、上記従来技術に鑑み、変圧器において（１）コアに空隙を設けることなく直流偏磁を抑制できるようにすること、（２）大きさや重さの増大につながらないこと、（３）コストアップにならないこと、等である。
本発明の目的は、かかる課題点を解決できる技術を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題点を解決するために、本発明では、変圧器の製造方法として、非晶質金属から成り磁気回路に沿う方向に対し傾き角θを成す方向の磁化容易軸を磁気回路上の複数箇所に有する変圧器用コアと、該変圧器用コアに巻かれた１次側巻線及び２次側巻線とを備えて成る変圧器の製造方法であって、上記変圧器用コアの上記磁気回路上の複数箇所において、該変圧器用コアを軸方向に貫通した励磁用導体に直流電流を供給し該変圧器用コア内に直流磁界を発生させるとともに、励磁用電磁石の励磁用コイルに直流電流を供給し該励磁用電磁石のコアの磁極部間に直流磁界を発生させ、該変圧器用コア内の直流磁界と、該励磁用電磁石のコアの磁極部間の直流磁界との合成磁界を発生させ、該合成磁界の方向に該変圧器用コアを励磁するステップと、上記励磁状態で上記変圧器用コアを焼鈍し、上記磁気回路上の複数箇所において、上記合成磁界の方向に上記磁化容易軸を形成するステップと、を備え、上記変圧器用コアに上記磁化容易軸を形成するようにする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例につき図面を用いて説明する。
図３及び図４は本発明の変圧器の第１の実施例を示し、うち図３は該変圧器の全体構成、図４は該変圧器用コアの構成を示す。
本第１の実施例は、変圧器用コアの磁化容易軸の方向を、該コアの長手方向（＝変圧器の磁気回路に沿う方向）に対し略直角な方向に向け、該変圧器の磁気回路の磁気抵抗を増大させることによりコアのＢ−Ｈ特性を通常より広い磁界強度範囲にわたり不飽和状の特性とするようにした場合の例である。
図３において、１１はコア、１２は１次側巻線、１３は２次側巻線、１０は磁化容易軸方向を示す矢印、１４はコア１１の長手方向（＝磁気回路に沿う方向）を示す矢印である。本構成において、コア１１をコア１１の長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に励磁した場合、該励磁磁界の方向に対しコアの磁化容易軸の方向が略直角な方向となっていて該励磁磁界の方向にコアの磁化容易軸の方向が一致していないため、該両方向（励磁磁界の方向と磁化容易軸の方向）が一致している場合よりも本磁気回路の磁気抵抗が増大し、Ｂ−Ｈ特性の勾配が緩やかになる。このため、磁界によって発生する磁束の密度が低くなり、コア１１のＢ−Ｈ特性（Ｂ−Ｈ曲線）は上記図２中の曲線５のような通常より広い磁界強度範囲にわたり不飽和状特性となる。従って、該コア１１は、１次側巻線１２及び２次側巻線１３に流れる差電流によって励磁され、該不飽和状のＢ−Ｈ特性に従い磁束を発生する。このため、該差電流には直流成分が含有され、直流偏磁が発生した場合でも、該コア１１内での磁束量変化は少なく、多くの場合、飽和領域に達することもない。このため、該コアを用いた変圧器では、ヒステリシス損失等損失も少なく、磁気ひずみの高調波成分等による振動や騒音の増大も抑えられる。
【０００６】
図４は図３の変圧器に用いるコア１１の概観図である。本コア１１は、薄帯状の磁性材を積み重ねたり巻き重ねたりして成る積層構成である。コア材としては非晶質金属等も使用可能である。また、本実施例では、コア１１の磁化容易軸１０の方向は、磁気回路の全周にわたって該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し略直角な方向としてあるが、本発明はこれに限定されず、該磁化容易軸１０の方向は、該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し略直角以外の角を成す方向であってもよいし、磁気回路上の全周ではなく一部において該磁化容易軸１０の方向を該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し傾けるようにしてもよい。
【０００７】
図５は本発明の第２の実施例であって、変圧器用コアに用いるコア材の他の構造例であって、磁化容易軸１０の方向を、上記第１の実施例の場合とは異なり、該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し略直角以外の角θを成す方向とした場合の例である。図５において、１０は磁化容易軸、１１ａはコア材、１５は励磁磁界の方向である。該角θが大きくなるにつれ、コア材１１ａのＢ−Ｈ特性における磁化曲線の傾斜は緩やかになり（小さくなり）、略直角のとき（上記第１の実施例の場合がこれに該当）に最小となる。本コア材１１ａを環状にして変圧器用コアが構成される。磁化容易軸１０を、該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し角θ傾ける本構成の場合も、磁気回路上の全周にわたってかかる磁化容易軸を有するようにしてもよいし、または磁気回路上の一部においてかかる傾いた磁化容易軸を有するようにしてもよい。全周にわたって該磁化容易軸を傾ける構成の場合は、部分的な位置で磁化容易軸を傾ける構成の場合よりも磁気抵抗が大きいために、Ｂ−Ｈ特性における磁化曲線の傾斜は緩やかになる（小さくなる）。
Ｂ−Ｈ特性の勾配の大きさは、コア材の結晶構造等によると考えられており、コア材を固定された場合は、コアの長手方向と磁化容易軸の成す角θや、該磁化容易軸の領域が磁気回路上で占める割合等により異なる。従って、これらを変えることにより変圧器用コアのＢ−Ｈ特性を制御することができる
上記図３〜図５の実施例では、磁化容易軸の方向は、磁気回路上の一部または全周部分において略一定方向（磁化回路に沿う方向に対し略直角方向または角θの方向）としたが、本発明はこれに限定されず、この他、例えば、磁気回路上のＡ位置では磁化容易軸の方向がθ_Aの方向、Ｂの位置ではθ_Bの方向、Ｃの位置ではθ_Cの方向というように、磁気回路上の位置によって該磁化容易軸の方向を変えるようにしてもよい。
本第１、第２の実施例構成によれば、直流偏磁が発生した場合でも、コア１１内での磁束量変化は少なくでき、このため、コアに空隙を設けることなく該直流偏磁を抑制できる。また、磁気ひずみの高調波成分等を減らして振動や騒音を低減化できる。さらに、多くの場合、飽和領域に達することなく、ヒステリシス損失等の損失も少なくできる。
【０００８】
図６は本発明の第３の実施例を示し、本発明の変圧器の製造工程においてコアの磁化容易軸を形成するための技術の説明図である。
磁性材においては、焼鈍により、加工時に生じた残留応力等を除いて材料本来の磁気特性が得られるようにする場合が多い。本発明の場合も該焼鈍を行う。特に本発明ではコアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し交叉する方向の磁界を印加した状態で焼鈍し、これによって該コアの磁化容易軸を該印加磁界の方向に形成する。
本第３の実施例は、変圧器用コアの全周にわたって、該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し略直角な方向の磁化容易軸を形成する場合の例である。
図６において、１１は変圧器用コア、２０は励磁用電磁石、２１は該電磁石２０の励磁用コイル、２３ａ、２３ｂはそれぞれ該励磁用電磁石２０のコアの磁極部、２２は該励磁用電磁石２０が発生する直流磁界、１００は励磁用コイル２１に直流電流を供給するための電源である。該励磁用電磁石２０のコア材としてはキュリー温度が焼鈍時の最高温度より高い磁性材料を用いる。例えば、変圧器用コア１１に鉄系アモルファス材を用いた場合は、該励磁用電磁石２０のコア材に電磁鋼板等を用いるようにする。変圧器用コア１１は該励磁用電磁石２０のコアの磁極部２３ａ、２３ｂ間に配される。電源１００から電磁石２０の励磁用コイル２１に直流電流が供給されると、該電磁石２０はコアの磁極部２３ａ、２３ｂ間に励磁用の直流磁界２２を発生して変圧器用コア１１を、該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）１４に対し略直角な方向（直流磁界２２の方向）に励磁する。該励磁状態で焼鈍を行う。これによって、変圧器用コア１１は該コア１１の長手方向（＝磁気回路に沿う方向）１４に対し略直角な方向に磁化容易軸が形成される。
本第３の実施例によれば、直流偏磁が発生した場合でも、コア内での磁束量変化を少なくして該直流偏磁を抑制できるコア及び変圧器を、空隙を設けないコア構成で形成できる。焼鈍時の励磁作業も簡易であり、コアや変圧器のコストアップにもつながらないようにできる。
【０００９】
図７及び図８は本発明の第４の実施例を示し、本発明の変圧器の製造工程においてコアの磁化容易軸を形成する他の技術の説明図である。
本第４の実施例は、変圧器用コアの一部において、磁化容易軸を該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し角θを成す方向に形成する場合の例である。
【００１０】
図７は、変圧器用コアと励磁用電磁石を組合わせた場合の構成図、図８は該変圧器用コアの図である。
図７及び図８において、１１ｂは変圧器用コア、３０は励磁用電磁石、３１は該電磁石３０の励磁用コイル、３３ａ、３３ｂはそれぞれ該励磁用電磁石３０のコアの磁極部、３２は該励磁用電磁石３０が発生する直流磁界、３４は変圧器用コア１１ｂを軸方向に貫通する励磁用導体、３５は該励磁用導体３４に流れる直流が変圧器用コア１１ｂに発生する直流磁界、３６は変圧器用コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）の一部であって、該励磁用電磁石３０のコアの磁極部３３ａ、３３ｂ間に配される部分、１００は励磁用コイル３１に直流電流を供給するための電源、１０１は励磁用導体３４に直流電流を供給するための電源である。電源１００から電磁石３０の励磁用コイル３１に直流電流が供給されると、該電磁石３０はコアの磁極部３３ａ、３３ｂ間に励磁用の直流磁界３２を発生し、また、電源１０１から直流電流が励磁用導体３４に供給されると、該励磁用導体３４は変圧器用コア１１ｂに直流磁界３５を発生する。変圧器用コア１１ｂにおいて励磁用電磁石３０のコアの磁極部３３ａ、３３ｂ間の領域では該直流磁界３２と該直流磁界３５とが作用し合成磁界３９（図８（ｂ））が発生する。該合成磁界３９は該領域３６で変圧器用コア１１ｂを、該合成磁界方向すなわち該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）１４に対し角θを成す方向に励磁する。該励磁状態で焼鈍を行うと、変圧器用コア１１ｂはその磁気回路上の一部（領域３６）において該コア１１ｂの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）１４に対し角θを成す方向に磁化容易軸が形成され、磁気回路上の他の部分では直流磁界３５の方向に磁化容易軸が形成される。領域３６における磁化容易軸の傾き角θは、合成磁界３９の傾きを直流磁界３２と直流磁界３５とにより変えることによって変化させることができる。
上記第４の実施例では、傾いた磁化容易軸を変圧器用コア１１ｂの磁気回路上の１箇所の部分３６にのみ形成するようにしたが、該コアの磁気回路上の複数箇所に該傾いた磁化容易軸を形成するようにしてもよい。また、例えば、該励磁用電磁石３０のコアの磁極部３３ａ、３３ｂを変圧器用コア１１ｂの磁気回路上の全周部分にわたる構成とし、該全周部分に該傾いた磁化容易軸を形成するようにしてもよい。
本第４の実施例によれば、上記第３の実施例技術と同様、直流偏磁が発生した場合でも、コア内での磁束量変化を少なくして該直流偏磁を抑制できるコア及び変圧器を、空隙を設けないコア構成で形成できる。焼鈍時の励磁作業も簡易であり、コアや変圧器のコストアップにもつながらないようにできる。さらに、本第４の実施例技術では、磁化容易軸の傾き角θを、直流磁界３２と直流磁界３５とにより制御できる。
【００１１】
通常、非晶質金属では磁化容易軸が存在しないが、上記第３の実施例、第４の実施例のような処理によりに磁化容易軸が形成される。
なお、上記上記第３の実施例及び第４の実施例では励磁用に電磁石またはコイルを用いているが、本発明はこれに限定されず、永久磁石等を用いてもよい。
【００１２】
図９及び図１０は本発明の第５の実施例を示し、本発明の変圧器の製造工程におけるコア製作の他の技術を説明する図である。
本第５の実施例は、ある方向に磁化容易軸を有する磁気素材から、打ち抜き加工等の技術により該磁化容易軸が変圧器用コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対して交叉方向となるようにコア部品を材料取り（素材から打ち抜き加工等で部品取りするという意味）し、これを用いて変圧器用コアを構成する場合の例である。
図９は、磁気素材とコア部品の材料取りの説明図、図１０は材料取りした該コア部品を用いて構成した変圧器用コアの図である。
図９において、５０は方向性電磁鋼板等の磁気素材、１０は該磁気素材５０の磁化容易軸方向を示す矢印、５１〜５４は打ち抜き加工等によって材料取りするコア部品である。
【００１３】
図１０において、（ａ）の変圧器用コアは、図９におけるコア部品５１を複数個積層して構成され、（ｂ）の変圧器用コアは、図９におけるコア部品５２、５４をそれぞれ複数個積層して構成される。（ａ）は、矩形状の磁気回路の長辺部において、磁化容易軸の方向がコアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し略直角な方向となっており、短辺部では磁化容易軸の方向と該コアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）とが略同じ方向となっている。これに対し、（ｂ）の変圧器用コアでは、矩形状の磁気回路の長辺部、短辺部とも、磁化容易軸の方向がコアの長手方向（＝磁気回路に沿う方向）に対し略直角な方向となっている。
なお，上記第５の実施例においては、磁気素材５０の磁化容易軸の方向に対し、コア部品の磁化容易軸が略直角または略平行となるように材料取りしているが、この他、コア部品の磁化容易軸が、磁気素材５０の磁化容易軸に対し、これ以外の角θを成すように材料取りしてもよい。また、長辺部、短辺部とも、磁化容易軸の方向が実施例の場合と異なるようにしてもよい。
本第５の実施例によれば、簡易な加工により、直流偏磁を抑制できるコア及び変圧器を構成できる。
【００１４】
上記実施例の技術によれば、変圧器の寸法や重量の増大を抑えた状態で、損失及び振動・騒音の低減化を図ることができる。コストの増大も抑えられる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明よれば、コアに空隙を設けることなく直流偏磁を抑制できる。変圧器の寸法や重量の増大を抑えた状態で振動や騒音を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の説明図である。
【図２】変圧器コアのＢ−Ｈ特性の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施例の変圧器の全体構成例を示す図である。
【図４】図３の変圧器に用いるコアを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施例としてコアの磁化容易軸を形成する説明図である。
【図７】本発明の第４の実施例としてコアの磁化容易軸を形成する他の技術の説明図である。
【図８】図７の技術における磁化容易軸形成用磁界の説明図である。
【図９】本発明の第５の実施例の説明図であって、コア部品の材料取りを示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施例としての変圧器用コアの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１、１１、１１ａ、１１ｂ…変圧器用コア、１０…磁化容易軸の方向、２、１２…１次側コイル、３、１３…２次側コイル、１４…コアの長手方向、２０、３０…励磁用電磁石、３２、３５…直流磁界、３４…励磁用導体、３９…合成磁界、５０…磁気素材、１００、１０１…電源。

Claims

非晶質金属から成り、磁気回路に沿う方向に対し傾き角θを成す方向の磁化容易軸を磁気回路上の複数箇所に有する変圧器用コアと、該変圧器用コアに巻かれた１次側巻線及び２次側巻線とを備えて成る変圧器の製造方法であって、
上記変圧器用コアの上記磁気回路上の複数箇所において、該変圧器用コアを軸方向に貫通した励磁用導体に直流電流を供給し該変圧器用コア内に直流磁界を発生させるとともに、励磁用電磁石の励磁用コイルに直流電流を供給し該励磁用電磁石のコアの磁極部間に直流磁界を発生させ、該変圧器用コア内の直流磁界と、該励磁用電磁石のコアの磁極部間の直流磁界との合成磁界を発生させ、該合成磁界の方向に該変圧器用コアを励磁するステップと、
上記励磁状態で上記変圧器用コアを焼鈍し、上記磁気回路上の複数箇所において、上記合成磁界の方向に上記磁化容易軸を形成するステップと、
を備え、上記変圧器用コアに上記磁化容易軸を形成することを特徴とする変圧器の製造方法。