JP5082966B2 - トランスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、トランスの製造方法に関し、特に、方向性電磁鋼板を用いて騒音の小さいトランスを製造する方法に関するものである。

トランス（変圧器）は、その鉄心（コア）に、方向性電磁鋼板を積層したもの（積鉄心）、あるいは巻いたもの（巻鉄心）を用いるのが普通である。トランスに求められる重要な特性としては、鉄損（無負荷損）特性、励磁電流特性に優れることが挙げられる。さらに、昨今では、トランスが設置される周辺環境への配慮などから、騒音特性に優れる、即ち、低騒音であることも重要となってきている。

トランスの騒音は、鉄心に使用される電磁鋼板の磁歪特性に大きく依存することが知られている。また、方向性電磁鋼板の磁歪特性は、鋼板が有する磁束密度Ｂ_８（磁界の強さ８００Ａ／ｍにおける磁束密度）で決まるとされており、Ｂ_８が高いものほど磁歪（磁気歪みとも言う）が小さいことが知られている（たとえば非特許文献１参照）。そこで、低騒音トランスを製造するには、磁歪が小さい方向性電磁鋼板を鉄心に用いるのが普通である。
ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ８（１９７２）ｐ．６７７

ところで、磁束密度Ｂ_８の高い方向性電磁鋼板を用いて、複数台のトランスを製造した場合、そのトランスの騒音値は、Ｂ_８の低い方向性電磁鋼板を用いて製造した場合と比較して、確かに平均値で見ると低いものが得られる。しかし、個々のトランスの騒音値について見ると、Ｂ_８が同じレベルの方向性電磁鋼板を用いているにもかかわらず、騒音値にかなりのばらつきが見られることがある。

従来、このようなばらつきは、ある程度やむを得ないものとされてきた。しかしながら、近年における環境重視の社会においては、斯かるばらつきは許容されないものとなりつつある。

そこで、本発明の目的は、方向性電磁鋼板を用いてトランスを製造する方法において、低騒音でかつ騒音のばらつきが小さいトランスを安定して得ることができるトランスの製造方法を提案することにある。

発明者らは、従来技術が抱える上記問題点、即ち、Ｂ_８が同じレベルの方向性電磁鋼板を用いているにもかかわらず、製造されたトランスの騒音特性にかなりのばらつきが見られるという問題点の原因を探るべく検討を重ねた。その結果、トランスの騒音特性に影響を及ぼす方向性電磁鋼板の因子としては、従来から知られている磁束密度Ｂ_８以外に、磁歪の高調波成分があり、この高調波成分が大きいほど騒音が大きいこと、そして、上記磁歪の高調波成分を小さくするためには、発明者らが新たに見出した交流磁歪パラメータλ_ｂを適正範囲に制御する必要がある、即ち、低騒音のトランスを安定して製造するには、交流磁歪パラメータλ_ｂを適正範囲に制御した方向性電磁鋼板を用いることが重要であることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、方向性電磁鋼板からなる鉄心を有するトランスの製造方法であって、その鉄心に用いる方向性電磁鋼板について、下記磁歪λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０} およびλ_{０−Ｐ１９／５０}を測定し、下記式；
λ_ｂ＝ｍａｘ（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）＋λ_{０−Ｐ１９／５０}
ここで、上式においては、例えば、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおける磁歪０−ｐｅａｋ値をλ_{０−Ｐ１７/５０}、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおけるｐｅａｋ−ｐｅａｋ値をλ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}のように表す。
で定義される交流磁歪パラメータλ_ｂが１．９１×１０^−６以下のものを用いることを特徴とするトランスの製造方法である。

また、本発明は、方向性電磁鋼板からなる鉄心を有するトランスの製造方法であって、その鉄心に用いる方向性電磁鋼板について、下記磁歪λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０} およびλ_{０−Ｐ１９／５０}を測定し、下記式；
λ_ｂ＝ｍａｘ（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）＋λ_{０−Ｐ１９／５０}
ここで、上式においては、例えば、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおける磁歪０−ｐｅａｋ値をλ_{０−Ｐ１７/５０}、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおけるｐｅａｋ−ｐｅａｋ値をλ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}のように表す。
で定義される交流磁歪パラメータλ_ｂが、製造するトランスに許容される騒音値のばらつきから定められるλ_ｂの最大値以下あるいは最大値と最小値の範囲内のものを選択して用いることを特徴とするトランスの製造方法である。

また、本発明における上記鉄心は、積鉄心または巻鉄心であることを特徴とする。

本発明によれば、トランスの実機騒音性能を正確に予測できるパラメータ（交流磁歪パラメータλ_ｂ）を用いて選択した方向性電磁鋼板のみを使用して鉄心を製造するので、同一設計のトランスを複数台製造する場合でも、低騒音でかつ騒音値のばらつきの小さいトランスを安定して製造することが可能となる。

方向性電磁鋼板を鉄心に用いたトランスの騒音性能は、方向性電磁鋼板の磁歪特性に依存し、また、その方向性電磁鋼板の磁歪特性は、鋼板の磁束密度Ｂ_８（磁界の強さ８００Ａ／ｍのときの磁束密度）に依存する。そのため、トランスの騒音特性は、鉄心に用いる鋼板の磁束密度Ｂ_８でほぼ決まるとされてきた。しかし、Ｂ_８レベルがほぼ等しい方向性電磁鋼板を用いたにもかかわらず、製造時期や製造ロッドが異なると、トランスの騒音特性が異なるという現象がしばしば観察された。

発明者らは、上記ばらつきの原因を解明すべく製造時期や製造ロッドが異なる方向性電磁鋼板を複数用意し、素材の磁歪特性を詳しく調べるとともに、モデルトランスを製造して、騒音特性との関係を調査した。その結果、Ｂ_８レベルがほぼ等しい方向性電磁鋼板であっても、製造時期や製造ロッドによって磁歪高調波成分に違いが見られ、この高調波成分の違いとトランスの騒音特性の違いとが対応していることを見出した。

磁歪は、電磁鋼板の磁束密度が変化したときに電磁鋼板の形状（寸法）がそれに従って変化することに起因しているが、磁束密度の変化と形状変化の関係は一般には非線形である。したがって、交流励磁を正弦波形で行い、磁束密度変化を正弦波としても、磁歪波形は歪んだ波形となってしまう。この波形は、接続された電気系統の電圧周波数の２倍の周波数をもつ基本波成分とその整数倍の周波数をもつ高調波成分とで構成される。そして、後者の高調波成分は、空気に伝播すると、耳障りな音として人に感知され、騒音レベルを上昇させることとなる。

従って、低騒音のトランスを製造するには、鉄心に用いる方向性電磁鋼板の磁歪高調波成分を予め測定しておき、高調波成分のレベルを基準として、使用する鋼板を取捨選択すれば、低騒音のトランスを製造することが可能となる。しかし、磁歪高調波成分を実機の生産管理に使用するには、磁歪高調波成分の測定に極めて手間がかかったり、その測定のための新たな設備投資が必要となったりするため好ましくない。

そこで、発明者らは、従来から実機の生産管理に用いている磁歪特性（磁歪０−ｐｅａｋ値およびｐｅａｋ−ｐｅａｋ値）から磁歪高調波成分を予測することができないか、さらに検討を進めた。その結果、例えば、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおける磁歪０−ｐｅａｋ値（磁束密度０の時の磁歪と最大磁歪との差）をλ_{０−Ｐ１７/５０}、ｐｅａｋ−ｐｅａｋ値（最大磁歪と最小磁歪の差）をλ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}のように表すとき、
λ_ｂ＝ｍａｘ（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）＋λ_{０−Ｐ１９／５０}
で定義される交流磁歪パラメータλ_ｂと磁歪高調波特性との間に極めて強い相関があることを見出した。ここで、ｍａｘ（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）は、λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}およびλ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}の中の最大磁歪値を意味する。

なお、上記のように、交流磁歪パラメータλ_ｂと磁歪高調波特性との間に相関がある理由については、必ずしも十分に解明されていないが、上記λ_ｂが方向性電磁鋼板の磁区構造、特に磁歪の原因である９０度磁区の存在量を表す良いパラメータとなっているためと考えられる。

そこで、発明者らは、トランスの騒音の低減目標を、鉄心を５０Ｈｚ−１．７５Ｔで励磁したときに、鉄心表面から３０ｃｍ離れた位置で測定した騒音値が５４ｄＢＡ以下と設定し、この騒音値を達成するために、鉄心の素材となる方向性電磁鋼板が有すべき交流磁歪パラメータλ_ｂを調査した。その結果、λ_ｂ≦１．９１×１０^−６なる関係を満たす方向性電磁鋼板を選択して鉄心を製造すれば、上記騒音目標を達成できること、さらに、λ_ｂ≦１．７１×１０^−６なる関係を満たせば、より低騒音のトランスを製造できることがわかった。

また、λ_ｂ≦１．９１×１０^−６なる関係を満たしていない場合であっても、製造するトランスに許容される騒音値に応じてλ_ｂの許容範囲の上限値を定め、λ_ｂがその許容範囲内にある方向性電磁鋼板のみを選択して鉄心を製造するようにすれば、同一設計で複数台のトランスを製造する場合にも、騒音特性のばらつきを小さくすることが可能であることがわかった。なお、必要に応じて、λ_ｂの許容範囲の上限値だけでなく下限値を設けてもよいことは勿論である。

表１に示したように、製造時期や製造ロッドが異なる板厚が０．３ｍｍの方向性電磁鋼板の中から選択した磁束密度Ｂ_８の値がほぼ等しいＡ〜Ｋの１１種類の鋼板（コイル）を用意し、これらを幅１５０ｍｍにスリット加工したのち斜角切断、Ｖノッチ切断して３相３脚のモデルトランスを作製した。上記モデルトランスは、脚、ヨークの幅は１５０ｍｍ、外寸は７５０ｍｍ×７５０ｍｍの１００枚積みとし、接合はＶノッチ、ステップラップ（２ｂｙ６）とした。

また、上記１５０ｍｍ幅のスリットコイルのそれぞれから、幅１００ｍｍ×長さ４００ｍｍの単板を１０枚ずつ採取し、５０Ｈｚ−１．５Ｔ，１．６Ｔ，１．７Ｔおよび１．８Ｔにおける交流磁歪のｐｅａｋ−ｐｅａｋ値（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）と５０Ｈｚ−１．９Ｔにおける交流磁歪の０−ｐｅａｋ値（λ_{０−Ｐ１９/５０}）を測定し、下式；
λ_ｂ＝ｍａｘ（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）＋λ_{０−Ｐ１９／５０}
から、交流磁歪パラメータλ_ｂを算出し、それぞれ１０枚の平均値を求めた。

また、上記の作製した３相３脚のモデルトランスの騒音特性を、トランスの中央脚センターから３０ｃｍ離れた位置で、５０Ｈｚ−１．７５Ｔにおける騒音値（Ａスケール）を測定した。

上記交流磁歪パラメータλ_ｂおよびトランスの騒音値の測定結果を表１に併記するとともに、その結果を図１および図２に示した。図１から、トランスの騒音値は、磁束密度Ｂ_８に依存しているが、同じＢ_８レベルでも騒音値がばらついていることがわかる。また、図２から、トランス騒音値は、交流磁歪パラメータλ_ｂとよい相関があり、λ_ｂ≦１．９１×１０^−６の条件を満たす方向性電磁鋼板を用いて鉄心を作製すれば、５４ｄＢＡ以下の低騒音トランスを製造することができ、特に、λ_ｂ≦１．７１×１０^−６である方向性電磁鋼板を用いた場合には、５２ｄＢＡ以下という極めて低騒音のトランスを製造することができることがわかる。

表１の鋼板Ｇ〜Ｋを用いて、それぞれの鋼板から、実施例１と同様にして、３相３脚のモデルトランスを１０台ずつ作製し、実施例１と同様にして、トランスの騒音値を測定し、１０台のトランスの騒音値のばらつき（最大値−最小値）を求めた。それと同時に、各モデルトランスに用いた鋼板から、サンプルを採取し、実施例１と同様にして、５０Ｈｚ−１．５Ｔ，１．６Ｔ，１．７Ｔおよび１．８Ｔにおける交流磁歪のｐｅａｋ−ｐｅａｋ値（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）と５０Ｈｚ−１．９Ｔにおける交流磁歪の０−ｐｅａｋ値（λ_{０−Ｐ１７/５０}）を測定し、交流磁歪パラメータλ_ｂを算出し、各鋼板のλ_ｂのばらつき（最大値−最小値）を求めた。

上記測定の結果を表２に示した。表２から、λ_ｂ≦１．９１×１０^−６の条件を満たしていない鋼板を用いてトランスを製造する場合であっても、鋼板の交流磁歪パラメータλ_ｂのばらつきを小さく抑えることにより、トランスの騒音特性のバラツキを小さくでき、例えば、交流磁歪パラメータλ_ｂを±０．０５×１０^−６の範囲の鋼板を選択してトランスを製造すれば、騒音のばらつきの目標を±１．５ｄＢＡ以下としたとき、これを達成することが可能であることがわかる。

磁束密度Ｂ_８がトランスの騒音に及ぼす影響を示すグラフである。 鋼板の交流磁歪パラメータλ_ｂがトランスの騒音に及ぼす影響を示すグラフである。

Claims (3)

1. 方向性電磁鋼板からなる鉄心を有するトランスの製造方法であって、その鉄心に用いる方向性電磁鋼板について、下記磁歪λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０} およびλ_{０−Ｐ１９／５０}を測定し、下記式で定義される交流磁歪パラメータλ_ｂを求め、このλ_ｂが１．９１×１０^−６以下のものを用いることを特徴とするトランスの製造方法。
   記
   λ_ｂ＝ｍａｘ（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）＋λ_{０−Ｐ１９／５０}
   ここで、上式においては、例えば、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおける磁歪０−ｐｅａｋ値をλ_{０−Ｐ１７/５０}、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおけるｐｅａｋ−ｐｅａｋ値をλ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}のように表す。
2. 方向性電磁鋼板からなる鉄心を有するトランスの製造方法であって、その鉄心に用いる方向性電磁鋼板について、下記磁歪λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０} およびλ_{０−Ｐ１９／５０}を測定し、下記式で定義される交流磁歪パラメータλ_ｂが、製造するトランスに許容される騒音値のばらつきから定められるλ_ｂの最大値以下あるいは最大値と最小値の範囲内のものを選択して用いることを特徴とするトランスの製造方法。
   記
   λ_ｂ＝ｍａｘ（λ_{Ｐ−Ｐ１５／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１６／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}、λ_{Ｐ−Ｐ１８／５０}）＋λ_{０−Ｐ１９／５０}
   ここで、上式においては、例えば、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおける磁歪０−ｐｅａｋ値をλ_{０−Ｐ１７/５０}、５０Ｈｚ−１．７Ｔにおけるｐｅａｋ−ｐｅａｋ値をλ_{Ｐ−Ｐ１７／５０}のように表す。
3. 上記鉄心は積鉄心または巻鉄心であることを特徴とする請求項１または２に記載のトランスの製造方法。

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