JP2002503028A - 動作誘導を増大させた非晶合金 - Google Patents

動作誘導を増大させた非晶合金

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ジエイ. デクリストフアロ,ニコラス
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Abstract

(57)【要約】 鉄損ではなく励起電力を最少にするために非晶質金属合金の大きな磁気コアがアニーリング処理される。磁気コアは60Hzで測定したとき1VA/kgより小さい励起電力と約1.40〜1.45テスラの動作誘導とを持ち、これらの測定が外気温で行われる。このコアは鉄損を最少にするためアニーリング処理される場合に比べ高い動作誘導で動作可能である。磁気コアを含む変圧器の磁気部品の物理的サイズは大幅に低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (クロスリファレンス) 本願は1997年2月5日に出願され「動作誘導を増大させた非晶合金」と題
した米国特許出願第08/796,011号の部分継続出願である。
【0002】 (技術分野) この発明は、動作誘導を増大させた非晶質金属変圧器のコア、特に大型の変圧
器におけるコアの動作誘導を大幅に増大する磁界アニーリング処理法に関する。
【0003】 (背景技術) 変圧器の非晶質金属コアの軟磁特性は磁界の存在下で好適な温度及び時間でも
ってアニーリング処理した結果得られる。このアニーリング処理の目的の1は非
晶合金製造工程と関連する迅速な冷却速度から生じる在留応力の悪影響を低減す
ることにある。別の目的はアニーリング処理している物体内の「磁気容易軸」を
定義する、即ち好ましい磁化配向を定義してアニーリング処理している物体の低
い鉄損及び励起電力を保証することにある。従来このような磁界アニーリング処
理は例えば米国特許第4,116,728号及び第4,528,481号に開示
ており、アニーリング処理した物体の鉄損を最小にするために実施された。磁界
アニーリング処理に加えて、引張応力下で非晶合金をアニーリング処理して軟磁
特性を改良するすることも、例えば米国特許第4,053,331号及び第4,
053,332号に開示されている。引張応力アニーリング処理のサンプル構成
は常に変わらず平担な帯板として設けられている。大型の変圧器の非晶合金コア
の製造における応力アニーリング処理の使用は実行不可能である。
【0004】 変圧器コアの重要な2磁気特性はコア材料の鉄損及び励起電力である。アニー
リング処理した金属グラスの磁気コアが付勢される(即ち、磁界を印加して磁化
される)とある量の入力エネルギがコアにより消費され、熱のように最終的には
失われる。このエネルギ消費は主に磁界の方向に非晶質金属合金内のすべての磁
区を整合するために必要なエネルギにより引き起こされる。この失われるエネル
ギは鉄損と呼ばれ、材料の完全な1磁化サイクル中発生されるB−Hループによ
り外囲された面積として定量的に表される。鉄損は通常W/kgの単位で表され
、実際上周波数、コア誘導レベル及び温度の条件下で材料が1秒で1キログラム
失われるエネルギを示している。
【0005】 鉄損は非晶質金属合金のアニーリング処理の有無により影響される。鉄損は単
に、合金がアンダーアニーリング処理、最適なアニーリング処理あるいはオーバ
ーアニーリング処理されるか否かに左右される。アンダーアニーリング処理され
た合金は焼入された在留応力を有し、磁化中更にエネルギを要求し、磁気サイク
ル中鉄損及び励起電力が増加する。オーバーアニーリング処理した合金は最大原
子「充填」及び/または結晶相を含ませることができ、この結果延性及び/また
は磁区の移動に対する抵抗増加に伴う鉄損の増加のように自然磁気特性が失われ
るものと考えられる。最適のアニーリング処理した合金では延性および磁気特性
の間で最適のバランスが得られる。
【0006】 大型変圧器コア、即ち重量が約40〜400kgの範囲のコアで最適のアニー
リング処理状態を得ることは困難である。コアの大きな熱質量のため、アニーリ
ング処理中一様の熱を与えることが阻止される。特に大きなコアの外層はオーバ
ーアニーリング処理され勝ちであり、一方コアの内部はアンダーアニーリング処
理され勝ちである。これらの条件では、変圧器メーカでは鉄損を最小にすべくコ
アをアニーリング処理しているが、実際上コアの動作誘導を最大にすることはで
きない。この方法では通常、0.37W/kg(60Hz及び1.4T)より小
さな値の鉄損及び約1.26〜1.4テスラの範囲内の動作誘導が得られる。
【0007】 励起電力はあるレベルの誘導(B)を金属グラス内で得るのに十分な強度の磁
界を発生するに必要な電気エネルギである。励起電力は所定の磁界(H)に正比
例し、従って一次コイルを流れる電流に正比例する。連続する鉄分の多い非晶質
金属合金は幾分過度に剪断されるB−Hループを示す。アニーリング処理中、連
続注型する異方性及び鋳込応力は除去され、B−Hループは最適アニーリング処
理されるまで連続注型するループ形状に比べより良好な方形となりより狭隘にな
る。オーバーアニーリング処理時、B−Hループは歪に対する公差が小さくなっ
て広くなり、オーバーアニーリング処理の程度により結晶相が存在する傾向にあ
る。従ってある合金に対しアニーリング処理がアンダーアニーリング処理から最
適のアニーリング処理及びオーバーアニーリング処理へ進むに応じ、あるレベル
の磁化に対する励起電力の値は最初減少し、次に最適(最低)値に達し、その後
増加する。一方非晶質金属合金の励起電力を最適(最低)値にするアニーリング
処理条件は最低鉄損にする条件とは一致しない。この結果鉄損を最小にするよう
アニーリング処理された非晶質金属合金の励起電力は最適ではない。
【0008】 最適のアニーリング処理の際の異る配合物の非晶合金に対しおよび所定の各特
性に対し異ることは明らかであろう。この結果「最適」のアニーリング処理はあ
る用途で必要な特性の組合間の最適バランスを引き起こすアニーリング処理であ
るものと一般に考えられる。大型の変圧器コアを製造する場合、メーカは使用す
る合金に対し「最適」であるアニーリング処理の特定時間及び温度を決定する。
【0009】 (発明の開示) 本発明によれば、磁気非晶合金からなる大型の変圧器内の動作誘導を最大にす
る方法が提供される。一般に磁気非晶合金はアニーリング処理され、鉄損を最小
にするのではなく動作誘導を最大にする。本発明の方法によれば、励起電力が最
小にされ、より高い動作誘導で「熱暴走」の可能性を大幅に押さえる。このよう
に高い動作誘導をすることにより、変圧器の鉄損延いてはコストが大幅に減少さ
れる。
【0010】 特に顕著な点は鉄損を最小にするに必要なソーク時間より大幅に長いソーク時
間にしてコアをアニーリング処理すると、動作誘導が最大にされることが判明し
た。一般にアニーリング処理は(a)印加磁界の存在下でコアをピーク温度まで
加熱する工程と、(b)磁界の存在下で電力損失を最小にするに必要な場合より
少なくとも50%長いソーク時間の間ピーク温度にコアを保持する工程と、(c
)約0.1〜10℃/min.の範囲の冷却速度でピーク温度より約100℃低
い温度までコアを冷却する工程とからなる。
【0011】 また本発明によれば60Hz及び1.40〜1.45ステラの範囲内の動作誘
導で測定されるとき、1VA/kgより小さな励起電力を有する大きな磁気非晶
質金属合金が提供される。更に本発明によれば約0.25W/Kgより小さな電
力損失を有する強磁性非晶質金属合金が提供される。
【0012】 (発明を実施するための最良の形態) 本発明を添付の図面に従って以下に詳細するにつれ、本発明がより理解され更
なる利点も明らかとなろう。
【0013】 ここで使用する用語「非晶質金属合金」は実質的に長期の範囲注文に欠けるが
、液体あるいは無機酸化物グラスに対し観察されるものと定性的に同様にX線回
析強度が最大であることを特徴とする金属合金を意味する。
【0014】 ここで使用する用語「帯板」は横方向の寸法が長手方向より大幅に小さい細長
い物体を意味する。従って帯板は断面が一定であるものも一定でないものもすべ
てのリボン及びシートを含む。
【0015】 本明細書及び請求項全体を通してここで使用する用語「アニーリング処理」は
例えば熱エネルギを与えて有用な特性を得るために磁界の存在下で材料を加熱す
ることを指す。これら特性を得るために各種のアニーリング法が使用できる。
【0016】 ここで使用する用語「直線帯板」は磁気特性の測定を受けるサンプルの構成を
示す。サンプルは直線帯板として実際にテストされ、この場合その長さは磁界対
検出コイルの長さより大幅に長い。またテストを受ける材料が簡単な変圧器コア
の第4の脚部として使用される場合、より好適な長さのサンプルが使用できる。
【0017】 ここで使用する用語「大きな磁気コア」は多くの電気用途及び装置に使用され
、重量範囲が約40〜400kgにある磁気部品を指す。磁気コアは通常磁気帯
板あるいは磁気粉末から作成される。
【0018】 ここで使用する用語「ピーク温度」はアニーリング処理サイクル中変圧器コア
の一部が達する最大温度を指す。
【0019】 ここで使用する用語「ソーク時間」はコアが実際アニーリング処理温度である
期間を指し、このソーク時間にはコア加熱時間及びコア冷却時間は含まれない。
【0020】 ここで使用する用語「飽和誘導」及び「動作誘導」はコア材料及びその動作に
関連した2磁気誘導レベルを指す。飽和誘導は材料で入手可能な最大誘導量であ
る。動作誘導は変圧器コアの動作に使用された磁気誘導量である。非晶質金属合
金の場合、飽和誘導は合金化学及び温度により決定される。温度が増加されるに
伴い、飽和誘導は減少する。
【0021】 磁気材料の動作誘導は飽和誘導により決定される。変圧器は、飽和誘導より低
い磁気誘導レベルで動作するように構成される。この設計要件の主な事項は磁気
コア材料の誘電率(μ)である。誘電率は磁気誘導(B)と材料をその誘導まで
駆動するに必要な磁界(H)との比、即ちμ=B/Hとして定義される。磁気誘
導が飽和誘導に近いレベルまで増加されるに伴い、誘電率は減少する。変圧器コ
アがコア材料の飽和誘導に対し相当に近い磁気誘導で動作される場合、更なる磁
気誘導を得るために不釣り合いなほど大きな磁界が必要とされる。変圧器内では
一次コイルに電流を流すことにより磁界が加えられる。従って所定の磁界を大き
く増加するには、一次コイルを流れる電流を大きく増加させる必要がある。
【0022】 変圧器の一次電流に大きく増加することは多くの理由から望ましいことではな
い。単一の変圧器を介して大きく電流が変化するとき、隣接する電力送電網を流
れる電力の品質が劣化される。また一次電流が増加するとき、一次コイル内のジ
ュール熱(IR)が増加する。熱への変換により失われる電気エネルギにより
、変圧器の効率が低下される。更に過度の電流により、一次コイルが過度に加熱
され、これによりコイル内に使用される電気絶縁が物理的に劣化あるいは破壊さ
れる。電気絶縁が破壊すると、変圧器が直接破壊されることになる。また一次コ
イルに発生される熱により、変圧器の磁気コアが加熱される。
【0023】 上述した後者の効果即ち変圧器の磁気コアの加熱により、「熱暴走」といわれ
る状態になる。磁気コアの温度が増加されるに応じ、磁気材料の飽和誘導が減少
する。変圧器が一定の動作誘導で動作している場合、飽和誘導の熱による減少に
より、動作誘導の増加の際と同じ効果が得られる。更に一次コイルに電流が流さ
れると、ジュール熱が発生する。変圧器の磁気コアの温度が更に増加すると、事
態を一層悪化させる。「熱暴走」に関して変圧器温度が制御できずに増加するこ
とは変圧器コア破壊の別の一般的な理由である。
【0024】 この不都合な事態を避けるため、変圧器は通常、標準条件下でコアの動作誘導
がコア材料の飽和誘導の約80〜90%であるように構成される。
【0025】 本発明によれば熱暴走を引き起こすことなく動作誘導を増加させ励起電力を減
少させる非晶質金属合金でなる大きな磁気コアをアニーリング処理する方法が提
供される。出来るだけ高い誘導レベルで大きな磁気コアを動作させコアの断面を
最小にすることが望ましい。即ち変圧器コアは磁束密度(誘導)ではなく磁束線
の数に基づいて動作する。動作磁束密度を増加可能であるので、同一の磁束を使
用する場合磁気コアの断面は小さくて済む。これにより同じ定格の変圧器の場合
、小さな磁気コアサイズが製造できるという大きな利点が得られる。
【0026】 上述のように変圧器製造に現在使用される非晶質金属合金に対し最適のアニー
リング処理温度及びアニーリング処理時間は、アニーリング処理温度が合金の結
晶化温度より低い140〜100℃の範囲内であり、アニーリング処理時間は最
小鉄損に対し1.5〜2.5時間の範囲内にある。
【0027】 2時間アニーリング処理した後のMETLAS合金2605SA−1の直線帯
板サンプルに対するアニーリング処理温度による磁気鉄損の依存性が図1aに示
されている。低い温度では、アニーリング処理が不十分なため鉄損は高く、この
ため磁気容易軸は十分に定義されない。これに対し高い温度にすることにより非
晶質金属合金の結晶化開始のため鉄損は高い。直線帯板サンプルに対し約360
℃での結果として最低鉄損が観察される。図1bは2時間の間アニーリング処理
した後METLAS合金2605SA−1の直線帯板サンプルに関し、励起電力
のアニーリング処理温度に対する依存性を示す。この場合最適(最小)励起電力
が約375℃で2時間、アニーリング処理したときの結果として識知される。両
方の技術的特許文献は鉄損のみを最適化するために非晶質金属合金をアニーリン
グ処理すること教示しており、変圧器コア破壊の理由は高い励起電力であるので
、最適化温度の差は極めて重要である。
【0028】 図2a及び図2bのデータは、データが電力利用変圧器の磁気コアに関する点
を除き、図1a及び図1bのデータと同様である。高温で直線帯板サンプルをア
ニーリング処理する利点はこれらの磁気コアに対し実現されることにある。これ
は本発明の商業的利用を示す。
【0029】 本発明の別の方法が図3に示される。図3の曲線は示した時間及び温度に従っ
てアニーリング処理した直線帯板サンプルに対する励起電力の誘導レベル依存性
を示す。高温アニーリング処理の利点は明確である。例えばある励起電力が選択
される場合、高い温度でアニーリング処理されたサンプルに対し高い動作誘導が
使用できる。図3のデータは最大5%の増加の動作誘導が実現出来ることを示し
ている。
【0030】 別の利点が図4に示されており、この場合直線帯板サンプルのサンプルテスト
温度と励起電力の依存性が示される。本発明によれば高いサンプル温度でも大き
いことが図4から容易に明らかであろう。これは変圧器が周囲温度より高い温度
で動作し、過負荷状態に入るとより高い温度に達する点で、重要な利点になる。
従って本発明による技術事項の開示は特に有用な利点と言える。
【0031】 アニーリング処理は時間・温度の処理である。図5は磁気コアのアニーリング
処理中の「ソーク時間」と励起電力の依存性を示す。またソーク時間が増加する
と励起電力は減少する点が重要である。これは本発明の方法を商業ベースで実施
するためソーク時間あるいは温度のアニーリングサイクル処理を使用することが
可能になることをオプションとして示している。図3と同様に、図6は異るソー
ク時間を用いてアニーリング処理した磁気コアに対し励起電力と誘導の依存性を
示している。
【0032】 実験例1 市販の配電変圧器に使用する単相巻き磁気コアを6個、公称の化学式Fe80
11Siを有し、幅が6.7インチ(約17.02cm)のMETGLAS
合金SA−1を用いて製造した。各コアの重量は約75kgであった。これらの
6個のコアを4群に別け、各群を約355℃で別のソーク時間でアニーリング処
理した。最少鉄損を得るためのベースラインソーク時間を約20分にした。他の
群はそれぞれソーク時間が50%、100%、150%の増加を示す30、40
、60分のソーク時間でアニーリング処理した。これらのコアのすべてに対する
結果を図5及び図6に示した。ソーク時間を増加したそれぞれの場合に比べ励起
電力が大幅に減少したことは明らかであろう。更にソーク時間を長くすると励起
電力は低くなることが判明した。
【0033】 実験例2 市販の配電変圧器に使用する単相巻き磁気コアを6個、公称の化学式Fe80
11Siを有し幅が6.7インチ(約17.02cm)のMETGLAS合
金SA−1を用いて製造した。各コアの重量は約118kgであり、加熱中及び
冷却中コアの熱勾配効果を最少にするよう留意した。これらの3個のコアは20
分のソーク時間と通常使用される約355℃のピーク温度ではなく約370℃に
してアニーリング処理した。高い温度でアニーリング処理した各コアに対する励
起電力及び鉄損の測定結果がそれぞれ、図2a及び図2bに、従来の方法でアニ
ーリング処理したコアと比較して示される。コアのアニーリング処理中使用した
ピーク温度を増加したとき、励起電力が大幅に減少され、鉄損が僅かに増加する
だけであることは明らかであろう。ピーク温度を上昇させた温度でのアニーリン
グ処理により得られた実験例2の結果はソーク時間を延ばしアニーリング処理し
た実験例1で得た結果と同様であった。
【0034】 実験例3 公称の化学式Fe8011Siを有し幅が6.7インチのMETGLAS
合金SA−1を用いて実験サンプルとしての直線帯板サンプルを製造した。これ
らの直線帯板サンプルに対し、2時間の等時間アニーリング処理が各種の温度で
磁界内で行なった。これらの直線帯板実験サンプルに対し測定した励起電力及び
鉄損の結果を図1a及び図1bに温度関数として示した。アニーリング処理のピ
ーク温度を少なくとも5℃だけ増大したとき、励起電力を大幅に減少することも
明らかであろう。
【0035】 実験例4 公称化の学式Fe8O11Siを有し幅が6.7インチのMETGLAS
合金SA−1を用いて実験サンプルとしての直線帯板サンプルを製造した。これ
らの直線帯板サンプルに対し、2時間の等時間アニーリング処理を各種の温度で
磁界内において行なった。図4はアニーリング処理した温度で測定した励起電力
を示す。この結果は変圧器コアが動作する室温より高い温度で一層大きく励起電
力が減少されることを表している。
【0036】 このように本発明を詳述したが、本発明はこの詳細な説明だけに制限されるも
のではなく、添付の請求項に定義され本発明の範囲内に含まれる当業者による各
種の設計変更を含むことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1a】 図1aは温度関数として鉄損を示すグラフであり、各種の温度で磁界内におい
て2時間、アニーリング処理した実験サンプルとしての直線帯板の鉄損依存性を
示す。
【図1b】 図1bは温度関数としての励起電力を示すグラフであり、各種の温度で磁界内
において2時間のアニーリング処理した実験サンプルとしての直線帯板の励起電
力依存性を示す。
【図2a】 図2aは温度関数として鉄損を示すグラフであり、各種の温度で磁界内におい
て2時間のアニーリング処理した実際の変圧器コアの鉄損依存性を示す。
【図2b】 図2bは温度関数としての励起電力を示すグラフであり、各種の温度で磁界内
において2時間のアニーリング処理した実際の変圧器コアの励起電力依存性を示
す。
【図3】 図3は誘導関数として励起電力を示すグラフであり、異なる条件でアニーリン
グ処理した直線帯板サンプルの励起電力の誘導レベル依存性を示す。
【図4】 図4はテスト温度の関数として励起電力を示すグラフであり、異なる条件でア
ニーリング処理した直線帯板サンプルのテスト温度での励起電力依存性を示す。
【図5】 図5はソーク時間の関数としての励起電力を示すグラフであり、変圧器コアの
励起電力のソーク時間依存性を示す。
【図6】 図6は誘導の関数としての励起電力を示すグラフであり、異なるソーク時間を
用いて磁界内でアニーリング処理した実際の変圧器のコアに対する励起電力の誘
導レベル依存性を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GE,GH,GM,HR ,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG, KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,L U,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO ,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG, SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,U G,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 デクリストフアロ,ニコラス ジエイ. アメリカ合衆国 ニユー ジヤージイ州 07928,チヤザン,リンコルン アベニユ ー 33 Fターム(参考) 4K042 AA25 BA12 DA03 DC03 5E041 AA02 BD03 CA02 HB11 NN11 【要約の続き】

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 60Hzで測定したとき1VA/kgより小さい励起電力と
    約1.40〜1.45テスラの動作誘導とを持ち、これらの測定が外気温で行わ
    れる非晶質金属合金の磁気コア。
  2. 【請求項2】 鉄損が約0.25W/kgより小さい請求項1記載の磁気コ
    ア。
  3. 【請求項3】 鉄損を最少にするに必要な場合に比べ少なくとも50%長い
    ソーク時間を用いてアニーリング処理されてなる請求項2記載の磁気コア。
  4. 【請求項4】 鉄損を最少にするに必要な場合より少なくとも100%長い
    ソーク時間を用いてアニーリング処理されてなる請求項2記載の磁気コア。
  5. 【請求項5】 鉄損を最少にするに必要な場合より少なくとも150%長い
    ソーク時間を用いてアニーリング処理されてなる請求項2記載の磁気コア。
  6. 【請求項6】 鉄損を最少にするに必要な場合より少なくとも5℃高いピー
    ク温度を用いてアニーリング処理されてなる請求項2記載の磁気コア。
  7. 【請求項7】 鉄損を最少にするに必要な場合に比べ少なくとも15℃高い
    ピーク温度を用いてアニーリング処理されてなる請求項2記載の磁気コア。
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