JP6819136B2 - トランス - Google Patents

Description

本発明は、トランスに関する。

トランス（変圧器）においては、従来より、高効率化の観点から、低鉄損化が重要な課題の一つとなっており、様々な観点から低鉄損化の検討が行われている。
低鉄損化の一つの手法として、環状の鉄心の周方向に張力を発生させることが知られている。

特許文献１には、非晶質磁性薄板で渦巻状に巻回された巻鉄心における鉄心窓枠の上方および下方に絶縁板を対向して鉄心窓部を貫通するように配設し、この上，下絶縁板間を連結材にて連結し、且つ前記絶縁板の間隔を大なるように締めあげて前記巻鉄心の鉄心レグ部に引張力が加わる状態に保持構成した巻鉄心型変圧器が開示されている。

特許文献２には、コイル状に巻取った非晶質磁性薄帯の内側に、耐熱材料からなる２個の内型と、この内型間にわたる中心棒、及びこの中心棒を囲繞するコイルばね、並びに中心棒に沿い螺進してコイルばねを圧するナットをセットし、このナットの螺進によるコイルばねの圧縮反発により、前記２個の内型に互いに遠ざかる方向の力を加えて非晶質磁性薄帯に拡張力を与え、この状態で焼鈍をする巻鉄心の製造方法が開示されている。

また、特許文献３には、ドラムに巻きつけられた複数の珪素鋼帯の先端部を巻型に固定し、更に他のドラムに巻き付けられた複数のアモルファス・シートの先端部を前記珪素鋼帯の先端部の間に差し込み、この状態で、前記珪素鋼帯に張力を加えながら前記巻型を回転して前記アモルファス・シートを前記珪素鋼帯にはさみつつ前記珪素鋼帯と共に前記巻型に巻回する、巻鉄心製作方法が開示されている。

一方、特許文献４には、絶縁被膜剤によって特定の張力が付与された、磁気特性及び鉄心加工性に優れた高磁束密度方向性電磁鋼板が開示されている。特許文献４によれば、鋼板に高張力被膜を適用することにより、低鉄損の方向性電磁鋼板が得られるとされている。

特開昭６０−１８９０９号公報 特開平４−３１１０１０号公報 特開昭５８−５７８９５号公報 特開平６−１４５９９８号公報

非晶質磁性薄膜を用いて巻鉄心を製造する場合、特許文献１〜３等に開示されているように、通常、非晶質磁性薄膜に張力を加えながら巻回して巻鉄心としている。そのため、非晶質磁性薄膜の巻鉄心は、接合部を有しないものであった。
一方、電磁鋼板を用いて巻鉄心を製造する場合、巻鉄心に巻線を挿入するための接合部が設けられる場合がある。当該接合部を一旦開放し、開放された巻鉄心の端部から巻線に挿入して、前記接合部を再接合することにより、巻鉄心に巻線を容易に巻回することができる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、鉄損が低減されたトランスを提供することを目的とする。

本発明に係るトランスは、電磁鋼板の積層体からなり、接合部を有する矩形環状の巻鉄心と、
前記巻鉄心の柱状部の少なくとも１つに巻回する巻線と、
前記巻鉄心が有する全ての柱状部それぞれに配置され、当該柱状部を前記電磁鋼板の積層方向に加圧する加圧部材と、
前記巻鉄心の少なくとも一つの柱状部に周方向の張力を付与する張力付与部材とを備え、
前記各加圧部材は、柱状部の積層方向両面に配置され、当該柱状部の外周に沿った矩形形状を有する加圧用プレート、及び、当該加圧用プレートを柱状部の積層方向両面から締め付ける加圧用ボルトと加圧用ナットを備え、
柱状部の窓部内に配置された前記加圧用プレートのうち、窓部内の向き合う位置に配置された少なくとも一対の加圧用プレートは、加圧用兼張力付与用プレートとして選ばれ、
前記張力付与部材は、柱状部の窓部内の向き合う位置に配置された少なくとも一対の前記加圧用兼張力付与用プレート、当該一対の加圧用兼張力付与用プレート間を接続する張力付与用スタッドボルト、及び、張力付与用スタッドボルトの両端に配置された一対の張力付与用ナットを備えることを特徴とする。
本発明のトランスにおいては、前記加圧部材の加圧力が０．１ＭＰａ以上であることが好ましい。

本発明のトランスにおいては、前記電磁鋼板が、張力被膜を有しないことが、低鉄損化の点、及び電磁鋼板の製造コストを抑制する点から好ましい。

また、本発明のトランスにおいては、前記電磁鋼板が、表面酸化層を有することが、積層された電磁鋼板間の絶縁性が確保されて過電流が抑制され、より低鉄損化が図れる点から好ましい。

本発明によれば、鉄損が低減されたトランスを提供することができる。

本発明に係るトランスの一実施形態を示す模式図である。 図１の実施形態における、接合部３を含むヨーク部の一例を示す斜視図である。 図２とは別の角度から見た、ヨーク部の一例を示す斜視図である。 接合部３の開放状態３（Ａ）と、接合状態３（Ｂ）を説明するための模式図である。 本発明に係るトランスの別の一実施形態を示す模式図である。

以下、本発明に係るトランスついて詳細に説明する。
なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「垂直」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

本発明に係るトランスは電磁鋼板の積層体からなり、接合部を有する矩形環状の巻鉄心と、
前記巻鉄心の柱状部の少なくとも１つに巻回する巻線と、
前記接合部を有する柱状部を前記電磁鋼板の積層方向に加圧する加圧部材と、
前記巻鉄心の少なくとも一つの柱状部に周方向の張力を付与する張力付与部材とを備えることを特徴とする。

従来より、電磁鋼板を用いた巻鉄心においては、巻線を挿入するための接合部が設けられたものが知られている。このような巻鉄心に用いられる電磁鋼板は、周方向への張力を確保するために、張力被膜が設けられていることが多かった。しかしながら、張力被膜では、周方向への十分な張力が得られなかった。
そこで本発明者らは、巻鉄心に周方向の張力を付与するための張力付与部材を設けることを検討した。しかしながら、接合部を有する巻鉄心に周方向の張力を加えると、当該接合部が張力に耐え切れずに剥がれてしまうという問題が生じた。そこで、接合部を有するヨーク部に、電磁鋼板の積層方向に加圧することにより、接合部の剥がれを解決し、鉄損が低減されたトランスを得ることができた。
本発明によれば、張力被膜を用いることなく巻鉄心に周方向の張力を付与することができる。そのため、張力被膜を有しない電磁鋼板を用いてもよく、電磁鋼板の製造コストを抑えることができる。更に、電磁鋼板の表面を酸化処理して表面酸化層を形成する等、簡易な方法で表面の絶縁処理を行うことにより、電磁鋼板の製造コストを抑えながら、更に電磁鋼板の積層方向に生じる渦電流も抑制できるため、より鉄損が抑制されたトランスが得られる。

本発明のトランスについて、図を参照して説明する。図１は、本発明に係るトランスの一実施形態を示す模式図である。図２及び図３は、それぞれ、図１の実施形態における接合部３の一例を示す斜視図である。また、図４は、接合部３の解放状態３（Ａ）及び接合状態（Ｂ）を説明するための模式図である。また、図５は、本発明に係るトランスの別の一実施形態を示す模式図である。
図１の例に示されるトランスは、４つの柱状部を有する矩形環状の巻鉄心１を備え、巻線２ａ又は巻線２ｂが巻回された対向する２つの柱状部と、接合部３を有する柱状部とを有している。巻線２ａ及び巻線２ｂは、巻鉄心１に巻回しているものであるが、説明の都合上、図１では柱状部付近の断面図としている。巻線が巻回された柱状部と接合部３を有する柱状部とが同一の柱状部であってもよいが、接合部３の再接合の容易性や、トランスの性能の点から、接合部３を有する柱状部に隣接する柱状部に巻線が巻回されていることが好ましい。接合部の接合方式は特に限定されず、従来公知のいずれの方式であってもよいが、接合部の機械強度の点から、バットラップ接合、又はステップラップ接合であることが好ましく、中でも図３に示されるステップラップ接合であることが好ましい。

本発明においては、接合部３を有する柱状部に電磁鋼板の積層方向に加圧する加圧部材が備えている。図１の例では、加圧部材として、加圧用プレート４、４ａ、加圧用ボルト５及び加圧用ナット６が用いられている。図１の例では、接合部３を有する柱状部の積層方向（Ｘ軸方向の）両面に加圧用プレート４及び４ａが配置され、加圧用ボルト５及び加圧用ナット６により、均一に締め付けることにより、前記電磁鋼板の積層方向に加圧する。加圧用プレートの形状は、電磁鋼板の積層方向に均一に加圧可能な形状であれば特に限定されず、例えば平板であってもよいが、強く均一に締め付けが可能な点から、図３及び図４に示されるような柱状部の外周に沿った矩形形状を有する加圧プレートを用いることが好ましい。本発明においては、少なくとも接合部を有する柱状部を加圧すればよいものであるが、加圧により鉄損が改善する点から、矩形環状の巻鉄心１が有する４つの柱状部それぞれに加圧部材が配置され、加圧されていることが好ましい。
電磁鋼板の積層方向にかかる圧力は、特に限定されないが、接合部の剥がれを抑制する点から、０．１ＭＰａ以上であることが好ましく、更に鉄損を低減する点から、０．３ＭＰａ以上であることがより好ましく、０．４ＭＰａ以上であることが更により好ましい。一方、圧縮力を加える治具の小型化の点から、３０ＭＰａ以下であることが好ましい。

また、本発明においては、巻鉄心の少なくとも一つの柱状部に周方向の張力を付与する張力付与部材を備えている。柱状部に周方向の張力が付与されることにより、鉄損が低減される。図１の例では、張力付与部材として、張力付与用プレート４ａと、張力付与用スタッドボルト７、張力付与用ナット８が用いられている。図１の例に示されるように張力付与用プレート４ａは、前記加圧用プレートと一体として用いられていてもよく、張力付与用プレートと加圧用プレートとは異なるものであってもよい。図１の例では、巻線２ａ及び巻線２ｂが巻回された対向する２つの柱状部にＸ軸方向の張力が付与されている。また、図５の例では、巻線を有しない対向する２つの柱状部にＺ軸方向の張力が付与されている。
巻鉄心の柱状部にかかる張力は、特に限定されないが、鉄損を低減する点から、０．１Ｐａ以上であることが好ましく、０．２Ｐａ以上であることがより好ましく、０．５ＭＰａ以上であることが更により好ましい。一方、張力を加える治具の小型化の点から、１０ＭＰａ以下であることが好ましい。

本発明において、電磁鋼板は、従来公知の電磁鋼板の中から適宜選択して用いればよく、例えばケイ素を０．１質量％以上４．５質量％以下含有するケイ素鋼よりなる電磁鋼板などが挙げられる。本発明において電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板であっても、方向性電磁鋼板であってもよいが、一般的なトランスにおいて好ましく用いられる方向性電磁鋼板を用いることが好ましい。本発明は磁歪の変化を抑制可能であるため、磁歪が比較的大きい方向性電磁鋼板を用いても低騒音化が可能である。また、電磁鋼板の厚みは特に限定されないが、例えば、通常０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の電磁鋼板が好適に用いられ、中でも、０．１５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の電磁鋼板が好ましい。

また、本発明において電磁鋼板は、表面が絶縁処理されていることが好ましい。表面が絶縁処理されていることにより、電磁鋼板の積層方向に生じる渦電流を抑制することができる。電磁鋼板表面の絶縁処理方法としては、従来公知の方法の中から適宜選択することができる。例えば、電磁鋼板表面に公知の張力被膜を形成してもよく、電磁鋼板の表面を酸化処理して形成された表面酸化層を有していてもよい。張力被膜としては、例えば、コロイド状シリカと、リン酸塩とを含有する処理溶液の塗膜等が挙げられ、当該処理溶液は更に有機系の樹脂を含有するものであってもよい。一方、磁気特性等の観点から、電磁鋼板の被膜は薄い方が好ましく、被膜を有しないことがより好ましい。このような観点からは、本発明のトランスに用いられる電磁鋼板は、張力被膜を有しないことが好ましい。
本発明のトランスに用いられる電磁鋼板は、積層方向に生じる過電流を抑制し、磁気特性にも優れる点から、中でも、表面酸化層を有するものが好ましい。

本発明のトランスにおいて巻鉄心１の大きさは特に限定されず、用途に応じて所望の大きさとすることができる。例えば、鉄心の長さ（図１におけるＸ軸方向の全長）は、５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とすることができ、１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下とすることが好ましい。鉄心の幅（図１におけるＺ軸方向の全長）は、５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とすることができ、１００ｍｍ以上５００ｍｍ以下とすることが好ましい。鉄心を構成する電磁鋼板の幅（図１におけるＹ軸方向の長さ）は、１０ｍｍ以上４００ｍｍ以下とすることができ、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下とすることが好ましい。また鉄心を構成する積層体の積層厚は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とすることができ、２０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下とすることが好ましい。
例えば、２０ｋＶＡのトランスであれば、中心の窓部分が１４０ｍｍ×７０ｍｍ、積層厚が６０ｍｍ、板の幅が１５０ｍｍである巻鉄心などが好ましい一実施形態として挙げられる。
また、巻鉄心のその他の構成としては、一般的にトランス用巻鉄心として用いられる公知の構成とすることができる。

また本発明において巻線は、回路に接続されて用いられるものであり、通常、電源を含む回路に接続された一次コイルと、取出し回路に接続された２次コイルとを有するものである。巻線の材質としては特に限定されないが、銅、アルミニウム等が挙げられる。巻線の構成は、一般的にトランスに用いられる公知の構成とすることができる。また、トランスのその他の構成としては、一般的にトランスに用いられる公知の構成とすることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載により本発明を制限するものではない。

（トランス１の作製）
方向性電磁鋼板を用いて、接合部を有する巻鉄心を作製した。この方向性電磁鋼板は、表面にリン酸塩とコロイダルシリカを主成分とする張力被膜を有するものである。次いで、当該接合部を一旦開放し、開放された巻鉄心の端部を巻線に挿入して、前記接合部を再接合した。前記巻鉄心の２つの脚部と、２つのヨーク部には、それぞれ電磁鋼板の積層方向に加圧する加圧部材を設け、また、巻鉄心の脚部に周方向の張力を付与する張力付与部材を設けて、図１の例に示されるトランス１を作製した。

（トランス２の作製）
前記トランス１の作製において、張力被膜を有する方向性電磁鋼板の代わりに、表面酸化層を有し、張力被膜を有しない方向性電磁鋼板を用いた以外は、トランス１の作成と同様にし、トランス２を作製した。

（鉄損の評価）
前記作製したトランスの積層方向の圧力と、周方向の張力とを、表１に示す組合せに調整し、それぞれ鉄損を評価した。表１中の鉄損低減率は、Ｎｏ．１の鉄損値を基準とし、下記式により算出された値である。
鉄損低減率（％）＝ （Ｐ_１ −Ｐ）／Ｐ_１ ×１００
（式中、Ｐ_１は表１のＮｏ．１における鉄損値、Ｐは表１中の各条件下における鉄損値を表す。）

［結果のまとめ］
表１に示される通り、巻鉄心の周方向に張力を付与し、また、巻鉄心を構成する電磁鋼板の積層方向に加圧することにより、鉄損が低減することが明らかとなった。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７の比較から、周方向の張力を強めることにより、より鉄損が低減することが明らかとなった。また、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１２の比較から、積層方向の圧縮力を高めることで、より鉄損が低減することが明らかとなった。また、Ｎｏ．５とＮｏ．１３との比較などから、周方向に張力を付与する張力付与部材を有する本発明の巻鉄心においては、表面酸化層を有する電磁鋼板を用いることにより、より鉄損が抑制されたトランスが製造できることが明らかとなった。

１ 巻鉄心
２ａ、２ｂ 巻線
３ 接合部
４ 加圧用プレート
４ａ 加圧用プレート、兼、張力付与用プレート
５ 加圧用ボルト
６ 加圧用ナット
７ 張力付与用スタッドボルト
８ 張力付与用ナット

Claims (4)

1. 電磁鋼板の積層体からなり、接合部を有する矩形環状の巻鉄心と、
   前記巻鉄心の柱状部の少なくとも１つに巻回する巻線と、
   前記巻鉄心が有する全ての柱状部それぞれに配置され、当該柱状部を前記電磁鋼板の積層方向に加圧する加圧部材と、
   前記巻鉄心の少なくとも一つの柱状部に周方向の張力を付与する張力付与部材とを備え、
   前記各加圧部材は、柱状部の積層方向両面に配置され、当該柱状部の外周に沿った矩形形状を有する加圧用プレート、及び、当該加圧用プレートを柱状部の積層方向両面から締め付ける加圧用ボルトと加圧用ナットを備え、
   柱状部の窓部内に配置された前記加圧用プレートのうち、窓部内の向き合う位置に配置された少なくとも一対の加圧用プレートは、加圧用兼張力付与用プレートとして選ばれ、
   前記張力付与部材は、柱状部の窓部内の向き合う位置に配置された少なくとも一対の前記加圧用兼張力付与用プレート、当該一対の加圧用兼張力付与用プレート間を接続する張力付与用スタッドボルト、及び、張力付与用スタッドボルトの両端に配置された一対の張力付与用ナットを備える、トランス。
2. 前記加圧部材の加圧力が０．１ＭＰａ以上である、請求項１に記載のトランス。
3. 前記電磁鋼板が、張力被膜を有しない、請求項１又は２に記載のトランス。
4. 前記電磁鋼板が、表面酸化層を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のトランス。