JP4895606B2

JP4895606B2 - 変圧器

Info

Publication number: JP4895606B2
Application number: JP2005374489A
Authority: JP
Inventors: 和元福井; 正雄細川
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP2007180135A

Description

本発明は、変圧器の構成に関わり、特に非晶質（アモルファス）金属箔帯を用いた巻鉄心鉄心の構造に関するものである。

本発明に関した従来技術として、例えば、特許文献１や特許文献２がある。前者は非晶質金属箔帯を用いた巻鉄心の製造方法、及び、接合構造に関わる技術が記載されている。後者は非晶質金属箔帯を用いた巻鉄心において、重ね合わせ接合（オーバーラップ）構造を基本接合として有する鉄心製造方法及び接合構造に関する技術が記載されている。
特開平６−８４６５６号公報特開平９−７８４９号公報

図２は変圧器の構成例図を示す。図２において、３は変圧器、４は電気回路を構成する巻線、１は磁気回路を形成する鉄心、５は変圧器を機械的に保護する容器である。鉄心１は例えば０．０２〜０．６０［ｍｍ］の帯状磁性材を複数層積層し形成されている。該複数層に積層される帯状磁性材は、その両端部が互いに重なりながら、環状に形成される。

ここで、鉄心１のような環状の磁気回路において、磁気抵抗Ｒ（ＡＴ／Ｗｂ）は、鉄心の断面積Ａ（ｍ^２）に反比例し、磁路長

（ｍ）に比例する。ここで透磁率をμとすると、磁気抵抗Ｒは次式で表される。
Ｒ＝λ／（μ・Ａ）（ＡＴ／Ｗｂ）
ここで、磁路長λが大きくなったとき、磁気抵抗Ｒは比例して大きくなる。巻鉄心においては内周よりも外周の磁路長が大きいので、磁気抵抗Ｒは内周よりも外周のほうが大きくなる。従って、磁束は磁気抵抗Ｒの小さい鉄心内側に集中して磁束密度が高くなり、外側に向かって磁束密度が低くなる。このとき、内外の磁束密度の差によって磁束波形に歪みが生じ、これが異常損失を発生させ鉄心へ成形したときの特性の悪化を招いている。なお、帯状磁性材に非晶質（アモルファス）金属薄帯を用いた場合は特にこの影響が大きい。

ここで、従来は、特許文献１や特許文献２のように、巻鉄心の接合部を重ね合わせる構造とすることで、鉄心の内外磁路長差による磁束密度の差を調整し、内側の磁束集中を緩和させ特性を改善する方法であった。

図３は、鉄心の成形後に、鉄心成形時に材料内部にかかった機械応力の開放と鉄心の磁化を目的として行われる励磁焼鈍において、非晶質金属箔帯の焼鈍温度と特性の概略図を示す。図３において無負荷損特性は３００〜３６０℃で大きく改善するが、それ以上の温度ではその変化が鈍る。ところが皮相電力特性に関しては、無負荷損特性と異なり、焼鈍温度が上がればさらに改善するということが分かる。これは非晶質金属薄帯の素材透磁率のみが大きく変わっていることを示す。本発明は、非晶質金属箔帯の透磁率が焼鈍温度と時間に密接に関係していることを利用して、巻鉄心の内側から外側に向かって焼鈍条件を良好にさせる加工を行い、巻鉄心内外の透磁率を変化させ、内外の磁気抵抗を一定にし磁束密度の均一化を行い、特性を改善する方法である。

すなわち、本発明は、非晶質金属箔帯を複数層に環状に積層した鉄心と励磁用のコイルを備えて成る変圧器であって、上記鉄心は、積層方向に２つ以上に分割されて積層され、内側に積層される分割鉄心と、外側に積層される分割鉄心を有し、各分割鉄心ごとに励磁磁界が与えられ、分割鉄心に与える励磁磁界は、より内側に配置される分割鉄心ほど、より低透磁率となるよう適正条件から離れた条件で焼鈍され、より外側に配置される分割鉄心ほど、より適正条件に近い励磁焼鈍を施すことで、上記分割鉄心に与えられる熱エネルギーは、内側に配置される分割鉄心が低透磁率となるように熱エネルギーを小さく、外側に配置される分割鉄心が、高透磁率となるように熱エネルギーを大きくし、鉄心の内側から外側に向かって分割鉄心の透磁率を高くし、各分割鉄心の単位長さ当りの周方向の磁気抵抗と一周長さとの積の値が均一化されるようにされるとともに、前記鉄心は、当該鉄心を構成する複数層について、前記非晶質金属箔帯の単位長さ当りの周方向磁気抵抗と一周長さとの積の値が最小又はほぼ最小の層が２層以上ある変圧器である。

また、本発明は、上記鉄心は、非晶質金属箔の両端の重ね合わせ部を巻き回す方向へずらされて配置される変圧器である。

そして、本発明は、上記鉄心は、励磁焼鈍時に内周側の入熱を少なく、外周側を多くすることで、内周から外周に向かって非晶質金属箔帯の透磁率を高くし、各層すべての単位長さ当りの周方向磁気抵抗と一周長さとの積の値の均一化がなされている変圧器である。

更に、本発明は、上記鉄心は、積層方向に２つ以上の分割鉄心からなり、分割鉄心ごとに熱エネルギーが与えられ、分割鉄心に与える熱エネルギーは、より内側に配置される分割鉄心ほど、より低透磁率となるよう適正焼鈍条件より入熱エネルギーが小さく、より外側に配置される分割鉄心ほど、より適正焼鈍条件に近い励磁焼鈍を施すことで、鉄心の内側から外側に向かって分割鉄心ごとに透磁率を高くし、各分割鉄心すべての単位長さ当りの周方向磁気抵抗と一周長さとの積の値の均一化がなされている変圧器である。

また、本発明は、上記鉄心は、積層方向に２つ以上の分割鉄心からなり、各分割鉄心ごとに励磁磁界が与えられ、分割鉄心に与える励磁磁界は、より内側に配置される分割鉄心ほど、より低透磁率となるよう適正条件から離れた条件で焼鈍され、より外側に配置される分割鉄心ほど、より適正条件に近い励磁焼鈍を施すことで、鉄心の内側から外側に向かって分割鉄心ごとに透磁率を高くし、各分割鉄心すべての単位長さ当りの周方向磁気抵抗と一周長さとの積の値の均一化がなされている変圧器である。

そして、本発明は、上記鉄心は、非晶質金属箔の両端の重ね合わせ部を巻き回す方向へずらされて配置される変圧器である。

従来の方法では巻鉄心の内外の薄帯長さを細かく調整する必要があったが、本発明では、励磁焼鈍での作業を工夫することで特性を改善させることが可能であり、また、同一の組成材料による磁束密度の均一化を図った鉄心を用いた変圧器を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明の変圧器の実施例について、図面を用いて説明する。

実施例１を説明する。図１、２、４は本発明の第１の実施例を示す。図１において、巻鉄心１を励磁焼鈍する際に巻鉄心の内外から成形するための成形型２を使用するが、この内側の成形型そのもの、または図４のように成形型のさらに内側へ断熱材６を設けることで、巻鉄心の内側からの熱の流入を減らす構造とする。これにより、意図的に内側へ向かうほど非晶質金属箔帯の焼鈍温度を低下させて焼鈍不足が起こり、内側での透磁率を悪化させることができる。このようにして得た鉄心は、内側に配置される非晶質金属箔帯の透磁率が外側に配置される非晶質金属箔帯の透磁率より低くなり、変圧器使用時の鉄心内側への磁束集中が緩和される。

なお、図５は成形型の内側に断熱材を設けたときの試作鉄心の実測データであり、断熱材を設けずに同じ焼鈍条件で行った鉄心よりも特性が５％ほど改善されていた。また、磁束密度が低い領域ほど非常に有効であることが分かる。

また、ある層の厚さをｄとし、一周長さをＬとし、単位長さ当りの周方向磁気抵抗をｒとし、そして、鉄心の形状が長方形かつ角部分が円弧であり、両端重ね合わせ部の磁気抵抗が無視できる程度に小さいとすると、１つ外側の層の一周長さはＬ＋２πｄであるから、１つ外側の層の単位長さ当りの周方向磁気抵抗をｄＬ／（Ｌ＋２πｄ）とすれば、２つの層の全磁気抵抗の値は均一となる。単位長さ当りの周方向磁気抵抗を調整して均一化する際に、値に幅を持たせることは可能であり、製造コストや磁気特性などを考慮して９９％〜１０１％としてもほぼ均一であり、磁束集中を緩和させることができる。

鉄心を構成する複数層について、非晶質金属箔帯の単位長さ当りの周方向磁気抵抗と一周長さとの積の値が最小又はほぼ最小の層が２層以上、好ましくは全層の３分の１以上、更に好ましくは半分以上とするのが良い。

実施例２を説明する。図６は本発明の第２の実施例を示す。図６において、非晶質金属箔帯巻鉄心１を内外で複数ブロックに分けた、または、組み合わせると一つになるように別々のブロックで製作した分割巻鉄心１ａ，１ｂ，１ｃにおいて、内側のブロック１ｃでは焼鈍温度を低く、または時間を短くし、外側のブロックへ移るほど適正な焼鈍温度または時間に近い条件で別々に励磁焼鈍を行った後、それらのブロックを組み合わせて巻鉄心１にする。実施例１と同様、内側から外側のブロックへ向かうほど焼鈍条件を適正にして処理しており、内外の磁気抵抗を均一化して特性を改善させることができる。

実施例３を説明する。本実施例は、実施例２と同様に非晶質金属箔帯巻鉄心を内外で複数ブロックに分けた、または組み合わせると一つになるように別々のブロックとして製作した巻鉄心１ａ，１ｂ，１ｃにおいて、内側のブロックでは印加する磁界強度を弱め、外側のブロックへ移るほど適正な磁界強度に近い条件で別々に励磁焼鈍を行った後、それらのブロックを組み合わせて巻鉄心１にする。実施例２と同様、内側から外側へ向かうほど透磁率を変化させることができ、内外の磁気抵抗を均一化して特性を改善させることが可能となる。

実施例１における鉄心の説明図である。実施例１の変圧器の構造図である。非晶質金属における焼鈍温度と特性の概略図である。実施例１における鉄心の焼鈍処理の説明図である。実施例１で製作した巻鉄心の特性値の説明図である。実施例２、３における鉄心の説明図である。

符号の説明

１鉄心
１ａ，１ｂ，１ｃ分割巻鉄心
２成形型
３変圧器
４巻線
５変圧器タンク
６断熱材

Claims

非晶質金属箔帯を複数層に環状に積層した鉄心と励磁用のコイルを備えて成る変圧器であって、
上記鉄心は、積層方向に２つ以上に分割されて積層され、内側に積層される分割鉄心と、外側に積層される分割鉄心を有し、各分割鉄心ごとに励磁磁界が与えられ、分割鉄心に与える励磁磁界は、より内側に配置される分割鉄心ほど、より低透磁率となるよう適正条件から離れた条件で焼鈍され、より外側に配置される分割鉄心ほど、より適正条件に近い励磁焼鈍を施すことで、
上記分割鉄心に与えられる熱エネルギーは、内側に配置される分割鉄心が低透磁率となるように熱エネルギーを小さく、
外側に配置される分割鉄心が、高透磁率となるように熱エネルギーを大きくし、
鉄心の内側から外側に向かって分割鉄心の透磁率を高くし、各分割鉄心の単位長さ当りの周方向の磁気抵抗と一周長さとの積の値が均一化されるようにされるとともに、前記鉄心は、当該鉄心を構成する複数層について、前記非晶質金属箔帯の単位長さ当りの周方向磁気抵抗と一周長さとの積の値が最小又はほぼ最小の層が２層以上あることを特徴とする変圧器。
請求項１に記載の変圧器において、
上記鉄心は、非晶質金属箔の両端の重ね合わせ部を巻き回す方向へずらされて配置されることを特徴とする変圧器。