JP7092643B2 - 静止誘導機器用積層鉄心 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、静止誘導機器用積層鉄心に関する。

静止誘導機器例えば変圧器の鉄心においては、ケイ素鋼板等の磁性材を複数枚積層して構成される積層鉄心が知られている（例えば特許文献１参照）。この積層鉄心においては、上下の継鉄部と、それらをつなぐ脚部との突合せ接合部分において、磁性材を交互にずらせながら積層することが行われる。更に、継鉄部と脚部とを接合する継ぎ目部分に、非磁性のシート部材が配置される。これにより、積層鉄心の継ぎ目部分にシート部材の厚みに相当するエアギャップが確保され、残留磁束密度を低減させて、励磁突入電流の抑制が図られるようになっている。

特開２０１０－２８７７５６号公報

ところで、上記のような積層鉄心のエアギャップ部分に非磁性のシート部材を設ける構成にあっては、シート部材の厚み寸法がギャップ寸法に該当し、そのギャップ寸法を調整することによって、磁気的特性を制御することが可能となる。ところが、上記特許文献１の構成では、積層された磁性材の板面同士が重なり合う部分にも、シート部材が配置されることになり、シート部材の厚み寸法に相当する隙間ができてしまう。そのため、磁性材同士間に無駄な隙間が発生し、積層鉄心の積層方向の大型化を招いてしまう不具合がある。特に、シート部材の厚み寸法が大きくなった場合に、隙間が大きくなってしまう。

そこで、磁性材を積層して構成されるものであって、積層方向の大型化を招くことなく、磁気的特性を制御するための適切なエアギャップを設けることが可能な静止誘導機器用積層鉄心を提供する。

実施形態に係る静止誘導機器用積層鉄心は、板状の磁性材を複数枚積層して構成される上下の継鉄部を備えると共に、板状の磁性材を複数枚積層して構成され前記上下の継鉄部の両端部を上下に繋ぐ少なくとも２本の脚部を備え、それら継鉄部と脚部とが突合せ接合されることにより構成される積層鉄心であって、前記継鉄部と脚部とが接合される接合面は、複数枚の磁性材から形成される凸部と複数枚の磁性材から形成される凹部とを交互に有し、前記継鉄部と脚部とは、前記凸部と凹部とが互いに噛合う形態で、突合せて構成されると共に、それら凸部及び凹部間の突合せ接合部分に、シート状の磁気的絶縁物が、その突合せラインに沿って蛇腹状に曲折した形態で配置されてエアギャップが設けられ、前記凸部を形成する磁性材の積層枚数と、前記凹部を形成する磁性材の積層枚数との関係が、前記磁気的絶縁物の厚みに対応して、前記凸部を形成する磁性材の積層枚数が前記凹部に比べて少なくされている。

第１の実施形態を示すもので、積層鉄心の全体構成を概略的に示す正面図 積層鉄心の下半部の分解状態の正面図 継鉄部と脚部との接合部の拡大断面図 接合面に絶縁物を装着する様子を示す分解斜視図 第２の実施形態を示すもので、継鉄部と脚部との接合部の拡大断面図 第３の実施形態を示すもので、積層鉄心の全体構成を概略的に示す正面図

（１）第１の実施形態
以下、静止誘導機器としての三相用の変圧器に適用した第１の実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る変圧器用の積層鉄心１の全体構成を示している。この積層鉄心１は、図で左右方向に延びる上部継鉄部２、下部継鉄部３、上下方向に延びそれら継鉄部２、３間を上下に繋ぐ第１、第２、第３の３個の脚部４、５、６を備えている。各脚部４、５、６には、図示しない巻線が装着される。尚、以下の説明で方向を言う場合には、図１の状態を正面図として説明する。

積層鉄心１を構成する継鉄部２、３及び各脚部４、５、６は、夫々板状の磁性材としての例えばケイ素鋼板７(図３参照)を、図で前後方向に複数枚積層して構成される。そして、それら継鉄部２、３及び各脚部４、５、６が突合せ接合されることにより、積層鉄心１全体が構成される。尚、本実施形態では、図３に示すように、ケイ素鋼板７の１枚の厚みを、寸法ｔとしている。具体例をあげると、厚み寸法ｔは、例えば０．２～０．３ｍｍとされる。

このとき、本実施形態の積層鉄心１においては、突合せ部分のうち、継鉄部２、３の左右の両端部と第１、第３の脚部４、６の上下端部とが接合される上下左右の４つの角部が、斜めほぼ４５度に切込まれたいわゆる額縁状の突合せ形態とされる。また、継鉄部２、３の中央部と第２の脚部５の上下両端部との接合は、第２の脚部５の上下部をＶ字状の凸部とした、凹凸の突合せ形態、いわゆるラップジョイント方式の接合方式とされている。

図３及び図４に一部示すように、前記継鉄部２、３と第１、第２、第３の脚部４、５、６との突合せ部分は、双方の接合面が、ケイ素鋼板７の積層方向に、凸部８と凹部９とを交互に有した形態とされる。そして、継鉄部２、３と脚部４、５、６とは、合計８か所の接合部分（第２の脚部５の一方のＶ字状部分で２か所と数える）で、図３に示すように、凸部８と凹部９とが互いに噛合う形態に突合せ接合され、いわゆるラップジョイント方式の接合方式が採用されている。

より具体的には、本実施形態では、図３に示すように、積層枚数がｎ枚例えば２枚のケイ素鋼板７からなる凸部８が形成されている。また、積層枚数がｍ枚例えば４枚のケイ素鋼板７からなる凹部９が形成されている。この場合、各継鉄部２、３及び脚部４、５、６は、夫々、予め所定寸法に裁断された多数枚のケイ素鋼板７を、所定の順序で位置合せしながら積層することにより、接合部に複数組の凸部８及び凹部９が交互に形成されたものとされる。

例えば、１個の脚部４に関してみると、上下両端部に接合部が設けられるが、ここでは、積層方向に両端部で同じ位置に凸部８が配置されている。上下両端部で積層方向に逆の順序で凸部８、凹部９が形成されていても良い。接合する相手側の継鉄部２、３の接合部の凸部８及び凹部９は、それと対応する関係つまり凹凸が噛合う関係に設けられることは勿論である。このとき、本実施形態では、両端部の双方が凸部８となるケイ素鋼板７、両端部の双方が凹部９となるケイ素鋼板７、一方が凸部８で他方が凹部９となるケイ素鋼板７、の多くとも３種類の長さのケイ素鋼板７を用意しておけば済む。積層方向に両端部で逆の順序で凸部８、凹部９が形成される場合には、一方が凸部８で他方が凹部９となるケイ素鋼板７と両端部の双方が凹部９となるケイ素鋼板７の２種類の長さのケイ素鋼板７で済ませることができる。

さて、本実施形態では、図３、図４に示すように、継鉄部２、３と脚部４、５、６との間には、突合せラインが、蛇腹状に曲折しながら積層方向に延びる形態、つまり直角に屈曲されながら凹凸が順に連続的に繰り返されるが如き形状に形成される。図３では、第１の脚部４と、下部継鉄部３との接合部を代表させて示している。そして、その突合せラインに沿って、蛇腹状に曲折したシート状の磁気的絶縁物１０が配置されることにより、エアギャップが設けられる。磁気的絶縁物１０は、例えばアラミド紙等の絶縁紙からなり、例えばケイ素鋼板７の厚み寸法ｔと同等の厚み寸法ｇを有している。これにて、磁気的絶縁物１０の厚み寸法ｇに対応したエアギャップが設けられる。

従って、エアギャップは、凸部８の先端面と凹部９の底面との間、凸部８の側面と凹部９の内側面との間に、直角に屈曲されながらコ字状に凸凹が順に連続的に繰り返されるが如き形状に形成される。この場合、磁気的絶縁物１０は、図４に示すように、予め、一枚のシートを蛇腹状に曲折した形態に整形して構成され、例えば脚部４、５、６の突合せ面に、凸部８及び凹部９を覆うように嵌合される。その後、継鉄部２、３と脚部４、５、６とが結合される。

このとき、本実施形態では、上記凸部８を形成するケイ素鋼板７の積層枚数ｎと、凹部９を形成するケイ素鋼板７の積層枚数ｍとの関係は、ｍ＝（ｎ＋２ｋ）となる。ｋは、ケイ素鋼板７の１枚の厚み寸法ｔに対する、前記磁気的絶縁物１０の厚み寸法ｇの関係、つまり、磁気的絶縁部１０の厚み寸法ｇが、ケイ素鋼板７の何枚（ｋ枚）分に相当するかを示す値であり、自然数からなる。本実施形態では、ｋ＝１となる。従って、ｍ＝（ｎ＋２）枚となり、ｎが２枚であれば、ｍは４枚となる。このように、凸部８を形成するケイ素鋼板７の積層枚数が、凹部９を形成するケイ素鋼板７の積層枚数に比べて少なくされていることにより、凸部８と凹部９との間に、磁気的絶縁物１０がほぼ密に配置される。

次に、上記構成の積層鉄心１の組立手順について簡単に述べる。積層鉄心１を構成する上部継鉄部２、下部継鉄部３、３本の脚部４、５、６は、夫々、予め所要形状に裁断された複数枚のケイ素鋼板７が積層され、例えば接着により固着一体化されて得られる。このとき、脚部４、５、６の各接合面は、凸部８と凹部９とを積層方向に交互に有する形態され、継鉄部２、３の各接合面は、それら凸部８及び凹部９に対応した形態、つまり互いに噛合う形態で、凹部９及び凸部８が形成されている。

そして、図４に示すように、例えば脚部４、５、６の各接合面には、凸部８と凹部９とに合わせて予め蛇腹状に整形された磁気的絶縁物１０が嵌合配置される。次いで、図２に示すように、下部継鉄部３の上部の接合部に、凸部８と凹部９とが互いに噛合うようにして、夫々脚部４、５、６の接合面が突合せ接合される。この後、各脚部４、５、６に対して夫々図示しない巻線が装着され、その後、同様に凸部８と凹部９とが互いに噛合うようにして、上部継鉄部２が突合せ接合される。この際の接合は、例えばクランプ部材或いは締結部材を用いた周知の方法を採用することができる。

これにて、図３に示すように、継鉄部２、３と脚部４、５、６との接合部分においては、積層方向に交互に設けられる凸部８と凹部９とが互いに噛合う形態で、いわゆるラップジョイント方式によって突合せ接合される。その接合部分では、突合せラインが、蛇腹状に曲折しながら積層方向に延びる形態に形成され、その突合せラインに沿ってシート状の磁気的絶縁物１０が配置されることにより、接合部にエアギャップが設けられる。予め蛇腹状に整形した磁気的絶縁物１０を、接合面に組付ければ良く、磁気的絶縁物１０の組付けが容易となることは勿論である。尚、磁気的絶縁物１０を、継鉄部２、３側に嵌合配置しておき、脚部４、５、６側と突合せ接合しても良い。

このような本実施形態の積層鉄心１によれば、次のような作用・効果を得ることができる。即ち、上記構成の積層鉄心１においては、ケイ素鋼板７を積層して構成される継鉄部２、３と、脚部４、５、６との間に、磁気的絶縁物１０が配置され、エアギャップが設けられている。このとき、凸部８を形成するケイ素鋼板７の積層枚数と、凹部９を形成するケイ素鋼板７の積層枚数との関係が、磁気的絶縁物１０の厚み寸法ｇに対応して、凸部８を形成するケイ素鋼板７の積層枚数が、凹部９を形成するケイ素鋼板７の積層枚数に比べて少なくされている。

具体的には、図３に示すように、磁気的絶縁物１０の厚み寸法ｇが、１枚（ｋ＝１）のケイ素鋼板７の厚み寸法ｔに対応しているのに対し、ｎ枚この場合２枚のケイ素鋼板７から凸部８を形成し、（ｎ＋２）枚、この場合４枚のケイ素鋼板７から凹部９を形成した。これにより、凸部８と凹部９との間に、突合せラインに沿ってシート状の磁気的絶縁物１０が密に配置される空間が形成され、磁気的絶縁物１０が蛇腹状に曲折した形態でその空間内に配置されてエアギャップが設けられるようになる。

これにより、ケイ素鋼板７を密着して積層した状態でも、積層方向に余分な隙間が形成されることがなく、積層鉄心１の各パーツが大型となることを抑制することができる。この結果、本実施形態によれば、ケイ素鋼板７を積層して構成されると共に、凸部８と凹部９との噛合せ状態で接合されるものにあって、積層方向の大型化を招くことなく、磁気的特性を制御するための適切なエアギャップを設けることが可能となるという優れた効果を得ることができる。

また、特に本実施形態では、継鉄部２、３と脚部４、５、６との接合部分は傾斜状態で突合せられ、額縁状の接合とするように構成したので、接合面の面積をより大きくすることができ、ひいては、磁路面積を大きくして磁気抵抗を小さくすることが可能となる。尚、変圧器としては、例えばデータセンタ等で用いられるパワエレ用変圧器に適用することが可能で、省スペース化、高効率化、信頼性の向上を図ることができる。

（２）第２の実施形態
図５は、第２の実施形態を示すものであり、例えば左側の脚部１１と、下部継鉄部１２との接合部の構成を示している。この第２の実施形態が、上記第１の実施形態と異なるところは、凸部１３と凹部１４との間に配置されるシート状の磁気的絶縁物１５の厚み寸法ｇ、つまりエアギャップの寸法にある。

即ち、本実施形態では、磁気的絶縁物１５の厚み寸法ｇが、磁性材としての１枚のケイ素鋼板７の厚み寸法ｔの２倍（ｋ＝２）に対応している。これと共に、凸部１３は、ｎ枚この場合３枚のケイ素鋼板７から形成され、凹部１４は、（ｎ＋２ｋ）枚、この場合７枚のケイ素鋼板７から形成されている。これにより、凸部１３と凹部１４との間に、突合せラインに沿ってシート状の磁気的絶縁物１５が密に配置される幅寸法が２ｔ（＝ｇ）の空間が形成され、磁気的絶縁物１５が蛇腹状に曲折した形態でその空間内に配置されてエアギャップが設けられるようになる。

従って、この第２の実施形態においても、上記第１の実施形態と同様に、ケイ素鋼板７を積層して構成されると共に、凸部１３と凹部１４との噛合せ状態で接合されるものにあって、積層方向の大型化を招くことなく、磁気的特性を制御するための適切なエアギャップを設けることが可能となるという優れた効果を得ることができる。

そして、このように、磁気的絶縁物１５の厚み寸法ｇ、即ちエアギャップの寸法を、板状の磁性材としてのケイ素鋼板７の１枚の厚み寸法ｔの整数倍に対応したものとすることができる。これにより、ケイ素鋼板７の１枚の厚み寸法に対応したエアギャップを設けることができることは勿論、厚みの大きい、即ちケイ素鋼板７の１枚の厚み寸法の整数倍の厚み寸法の磁気的絶縁物１５を採用して、エアギャップの大小を調整することが可能となる。この結果、励磁電流の大きさを要求に応じてコントロールすることが可能となる。

（３）第３の実施形態、その他の実施形態
図６は、第３の実施形態を示すものであり、積層鉄心２１の全体構成を概略的に示している。この積層鉄心２１は、やはり、上部、下部の継鉄部２２、２３、それら継鉄部２２、２３間を上下に繋ぐ３個の脚部２４、２５、２６を備えている。これら継鉄部２２、２３及び各脚部２４、２５、２６は、夫々板状の磁性材としての例えばケイ素鋼板７を、図で前後方向に複数枚積層して構成される。

このとき、本実施形態の積層鉄心２１においては、突合せ部分のうち、継鉄部２２、２３の左右の両端部においては、Ｌ字型に切込まれた形態とされ、第１、第３の脚部２４、２６の上下端部が接合される。第１、第３の脚部２４、２６の上下端部は、夫々、継鉄部２２、２３と接合されるＬ字型をなす２面が接合面とされる。一方、継鉄部２２、２３の中央部においては、コ字型に切込まれた形態とされ、第２の脚部２５の上下端部が接合される。第２の脚部２５の上下両端部においては、夫々、継鉄部２２、２３と接合されるコ字型をなす３面が接合面とされる。

詳しく図示はしないが、それら継鉄部２２、２３と脚部２４、２５、２６との突合せ部分は、双方の接合面が、ケイ素鋼板７の積層方向に、凸部８と凹部９とを交互に有した形態とされる。継鉄部２２、２３と脚部２４、２５、２６とは、凸部８と凹部９とが互いに噛合う形態に突合せ接合される。図示は省略するが、この場合も、上記第１の実施形態等と同様に、凸部８と凹部９とが互いに噛合う突合せラインに沿って、蛇腹状に曲折したシート状の磁気的絶縁物１０が配置されることにより、エアギャップが設けられる。

そして、凸部８を形成するケイ素鋼板７の積層枚数ｎと、凹部９を形成するケイ素鋼板７の積層枚数ｍとの関係が、磁気的絶縁物１０の厚みに対応して、凸部８側の積層枚数ｎが凹部９側の積層枚数ｍに比べて２ｋ枚だけ少なくされている。従って、この第３の実施形態によっても、ケイ素鋼板７を積層して構成されると共に、凸部８と凹部９との噛合せ状態で接合されるものにあって、積層方向の大型化を招くことなく、磁気的特性を制御するための適切なエアギャップを設けることが可能となるという優れた効果を得ることができる。

尚、上記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、磁性材の積層枚数ｎ、ｍの値や、ｋの値についても種々の変更が可能である。また、静止誘導機器としては、三相の変圧器に限らず、三相以外の例えば単相の変圧器であっても良く、更にはリアクトルに適用することもできる。以上説明した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１、２１は積層鉄心、２、２２は上部継鉄部、３、１２、２３は下部継鉄部、４～６、１１、２４～２６は脚部、７はケイ素鋼板（磁性材）、８、１３は凸部、９、１４は凹部、１０、１５は磁気的絶縁物を示す。

Claims (3)

1. 板状の磁性材を複数枚積層して構成される上下の継鉄部を備えると共に、板状の磁性材を複数枚積層して構成され前記上下の継鉄部の両端部を上下に繋ぐ少なくとも２本の脚部を備え、それら継鉄部と脚部とが突合せ接合されることにより構成される積層鉄心であって、
   前記継鉄部と脚部とが接合される接合面は、複数枚の磁性材から形成される凸部と複数枚の磁性材から形成される凹部とを交互に有し、前記継鉄部と脚部とは、前記凸部と凹部とが互いに噛合う形態で、突合せて構成されると共に、
   それら凸部及び凹部間の突合せ接合部分に、シート状の磁気的絶縁物が、その突合せラインに沿って蛇腹状に曲折した形態で配置されてエアギャップが設けられ、
   前記凸部を形成する磁性材の積層枚数と、前記凹部を形成する磁性材の積層枚数との関係が、前記磁気的絶縁物の厚みに対応して、前記凸部を形成する磁性材の積層枚数が前記凹部に比べて少なくされている静止誘導機器用積層鉄心。
2. 前記継鉄部と脚部との接合部分は傾斜状態で突合せられ、額縁状の接合とされる請求項１記載の静止誘導機器用積層鉄心。
3. 前記磁気的絶縁物の厚み寸法は、前記磁性材の１枚の厚み寸法に対応している、又は前記磁性材の１枚の厚み寸法の整数倍に対応している請求項１又は２記載の静止誘導機器用積層鉄心。

Images