JP2004500697A - 高スタック率のアモルファス金属リボン及び変圧器コア - Google Patents
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Abstract
本発明は、高スタック率のアモルファス金属変圧器コア、及び高スタック率アモルファス金属変圧器コアを構成する方法に関する。この方法は、高いラミネーション率のアモルファス金属リボン（用語、ラミネーション率は、リボンの平滑性及び均一性を表すのに一般的に使用され、一方、用語、スタック率はリボンから製造されるコアに対して適用される。）、すなわち、リボンの幅に沿って測定して高平滑性表面及び高均一性厚みを有するアモルファス金属リボンを使用する。高スタック率アモルファス金属リボンは、ワインディングまたはスタッキング操作によって緻密な変圧器コア成形体に、効率的にパックされ得る。次いで変圧器コアは締め付けられて、さらに全体の寸法を減少され、そしてアニールされて、残留する機械的応力を解放し、また最終的磁気特性を害すること無く所望の磁気的異方性を発生させることができる。
Description
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、高スタック率のアモルファス金属変圧器コア、及び高スタック率アモルファス金属変圧器コアを構成する方法に関する。この方法は、高いラミネーション率のアモルファス金属リボン（用語、ラミネーション率は、リボンの平滑性及び均一性を表すのに一般的に使用され、一方、用語、スタック率はリボンから製造されるコアに対して適用される。）、すなわち、リボンの幅に沿って測定して高平滑性表面及び高均一性厚みを有するアモルファス金属リボンを使用する。高スタック率アモルファス金属リボンは、ワインディングまたはスタッキング操作によって緻密な変圧器コア成形体に、効率的にパックされ得る。次いで変圧器コアは締め付けられて、さらに全体の寸法を減少され、そしてアニールされて、残留する機械的応力を解放し、また最終的磁気特性を害すること無く所望の磁気的異方性を発生させることができる。
【０００２】
高スタック率のアモルファス金属変圧器コアは、従来のアモルファス金属変圧器コアと比較して、より小さな構造寸法を有するものの、なお同一のコアのネット面積を維持するであろう。そのより小さなコア構造は、より小さなアモルファス金属変圧器コアをもたらすことになり、これは次いで、変圧器の他の構成部材の寸法または量の低減を可能とすることとなろう。例えば、高スタック率アモルファス金属変圧器は、より少ないコイル巻き数となるであろう、より小さいタンクに収容されるであろう、そして液体充填変圧器で使用されるならば、より少ない油で満たされよう。これらの要素は、低減されたアモルファス金属変圧器コストに寄与する。
【０００３】
２．先行技術の説明
アモルファス金属変圧器コアは、単一のアモルファス金属リボンを巻き付けることにより、アモルファス金属リボンの複数の層からなるパッケージを環の形に巻くことにより製作できる。この環体は次いで、一つの半径線に沿って切断されて、一つのジョイントを生じさせる。環体は、そのジョイントのところで開かれ、第１次及び第２次コイルの配置のために適応させ、次いで最初の環体を再度構成するように閉じられる。
【０００４】
アモルファス金属変圧器コアを製作の別のアプローチは、予め定められた長さに、単一アモルファス金属リボンを切断すること、またはアモルファスリボンの複数の層からなるパッケージを切断することである。切断されたアモルファス金属リボンは、マンドレルの周りに巻かれ、または積み重ねられそしてマンドレルの周りに巻かれて、強固に巻かれたコア形状を生じさせる。個々の長さのアモルファス金属リボンは、マンドレルの周りに、多数の切断端部がコアの局部域において整列された、一連の分布されたジョイントを形成するように巻かれる。次いで、それらの分布されたジョイントを引き離すことにより、開かれて第１次及び第２次コイルの配置のために適応させ、次いで最初の環体を再度構成するように閉じられる。
【０００５】
米国特許第４、７３４、９７５号及び第５、３２９、２７０号はアモルファス金属リボンの群から構成され、予め定められた長さに切断され、そしてマンドレルの周りに、分布されたジョイントコアを形成するように巻かれたアモルファス金属変圧器コアを開示している。これらの特許はどのようにアモルファス金属変圧器コアを製作するかについてのそれらの教示を参照するためにここに導入される。
【０００６】
従来のアモルファス金属リボンを用いてこれらの方法によって製作されるコアは、約８６％またはそれ以下のスタック率へ限定される。従って、このような限定を持つコアの構造は、従来の珪素鋼変圧器よりもはるかに大きく、より多くのアモルファス金属、第１次及び第２次コイルのためのより多くの導体（銅またはアルミニウム）、タンクのためのより多くの鋼、そして液体充填変圧器で使用されるならば、タンクを満たすためのより多くの油、を使用する。これらの因子全ては、変圧器製作における大量の材料使用、及び大きな変圧器コストに寄与する。製造コスト不利は２０ないし５０％（あるいはそれ以上）の範囲である。
【０００７】
さらには、変圧器の大きな寸法は、スペースが制限されている多くの場所及び応用において望ましくない。コスト及び寸法の不利は、応用の数を制限し、かくしてアモルファス金属変圧器についての市場規模を制限する。
【０００８】
本発明
アモルファス金属リボンは、ＡＳＴＭ Ａ９００−１によって測定して約０．８０ないし０．８６のラミネーション率を有して、商業的規模で製造されてきた。このリボンは米国特許第４、１４２、５７１号に記載されるように、単一ロール、単一ノズルスロット法によって製造されてきた。米国特許第４、８６５、６４４号及び第５、３０１、７４２号は、約０．８５ないし０．９５の空間率（ラミネーション率）が相互に近接して配置された複数スロットを有するノズルの使用によって アモルファス金属リボンにおいて達成されうること、しかし従来法で処理された アモルファス金属リボンが約０．７５ないし０．８５のラミネーション率に限定されることを教示している。
【０００９】
本発明のアモルファス金属リボンは、単一ローラー、単一スロット法によって製造されるが、予想外にも、０．８６よりも大きなラミネーション率を示す。（用語、ラミネーション率は、リボンの平滑性及び均一性を表すのに一般的に使用され、一方、用語、スタック率はリボンから製造されるコアに対して適用される）。実際に、９２％のような高いラミネーション率が達成されている。これは、リボンの幅に沿って測定して高平滑性リボン表面及び高均一性厚みを創り出すことにより達成される。
【００１０】
リボンの幅に沿っての高均一性厚みは、ノズルスロット幾何形状の慎重な制御によって維持される。リボンの中央からリボン端縁への厚みの均一性は、ノズルスロットが実質的に直角に留まることを確保することにより維持される。ノズル材料、設計及び取付けは、熱機械的変形を抑制して、スロット幅がその長さ方向でやく％以上変化しないように、選定された。本来寸法安定性であるノズルを採用するのが望ましいけれども、変形を最小化するようにノズルを締め付けることは、スロット寸法の追加的制御を与えることが判明した。
【００１１】
リボン端縁からリボン端縁までの高度に均一な厚みを維持するためには、ノズルとホイールとの間の距離を制御して、スロットの一端縁から他端縁まで約５％より変動しないようにすることも必要である。本発明は、キャストされたリボンの端縁から端縁までの測定値に基づいてホイールに相対してのノズル位置を調整する手段を採用し、端縁から端縁までの厚み変動を最小化させるようにした。
【００１２】
高度に平滑なリボン表面を維持することは、ノズル表面及びホイール表面が平滑であることを必要とする。平滑ノズル表面は、キャスチング工程中に溶融金属とノズルスロット表面とを接触させて加工して約５ミクロンより小さい表面粗度、Ｒａ、を達成することにより得られた。平滑ノズル表面キャスチング工程中維持されることを確保するために、不活性または還元性ガスの保護雰囲気を採用して、ノズルと最初の表面仕上げを劣化させ得る溶融金属との間の反応を最小化させた。さらに、保護雰囲気の採用は、キャストされるリボンの粗度を大きくするノズル上のスラグ粒子の蓄積を最小化させる。平滑なキャストホイール表面は、平均粒径が６０ミクロンメーターより小さい超微粒子寸法の研磨剤の連続的適用によって維持された。
【００１３】
高ラミネーション率リボンは、本発明の高スタック率変圧器コアの構成を可能とする。高ラミネーション率アモルファス金属リボンを有する変圧器コアは、当業の熟練者に知られている従来のコア構成技法を用いて製造され得る。高ラミネーション率リボンで作られたコアは、次いで、締め付けられて全体的な寸法をさらに低減させ、焼鈍されて残留機械応力を解放し、そして最終磁気特性を害することなく所望の磁気異方性を発生させる。８６％またはそれ以上の高スタック率の本発明の変圧器コアは設計及び生産が可能である。
【００１４】
実施例
実施例１
Ｆｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９ アモルファス金属リボンを米国特許第４、１４２、５７１号にきさいされる方法により、また下記の特定パラメーターを用いてキャストした。
【００１５】
ａ）ノズル及びノズル取付け
ノズル本体は、クレー−ジルコンから加工した。ノズル本体は、一体的に補強されてアモルファス金属キャスチング中の熱−機械的変形を最小化させた。１７０ｍｍ幅、０．５ｍｍ（＋／−０．０８ｍｍ）厚のスロットをノズル本体に機械加工した。機械加工は、スロット表面が表面粗度Ｒｓ（５（ｍを示すように行った。ノズル本体を外部補強枠内に置き、アモルファス金属キャスチング中の熱−機械的変形を最小化させた。
【００１６】
ｂ）ノズルの組付け及び制御
ノズルは、ノズルとキャストホイールとの空隙が５％より大きく変動しないように配置した。この空隙は、アモルファス金属キャスチング中に直接に測定するのは困難であるが、実際のリボン厚みのリアルタイム測定は、ノズル〜ホイール空隙の近似値を与えた。これらの測定は、Ｘ線ゲージまたはキャパシタンス・プローブを用いて行われた。ノズル〜ホイール空隙は、５％未満の変動を維持するように連続的に調整された。
【００１７】
キャストホイールは表面粗度Ｒｓ＜５μｍを達成するために研削、研磨された。溶融金属とキャストホイールとの間の反応を最小化するために、ノズルスロットを囲む領域に還元性ガスを流溢させた。平滑キャストホイール表面を維持するために、アモルファス金属キャスチング中に研磨剤をホイール表面へ当てた。研磨剤粒子寸法は１５０（ｍ未満であった。研磨剤は、ブラシの毛に含まれるかまたはペーパーの表面に取付けられた。
【００１８】
ＡＳＴＭ Ａ９００−９１で測定して下記のラミネーション率を有する１７０ｍｍ幅、０．０２３ｍｍ厚のアモルファス金属リボンを製造した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
実施例２
０．８７３ないし０．８７６の範囲のラミネーション率を有する実施例１に従って製造したアモルファス金属リボンを用いて、米国特許第４，７３４，９７５号，第５，２６１，１５２号及び，第５，３２９，２７０号に記載されるような技法を用いて、アモルファス金属変圧器コアを構成した。ここで使用されるスタック率は、コアの脚（ｌｅｇ）ネット断面積と合計断面積との比として定義され下記のように計算される。
スタック率＝Ｍ／（１／２（Ｌｉ＋Ｌｏ）×ｔ×Ｗ×ρ
Ｍ＝コアの質量
Ｌｉ＝内側ラミネーション長さ
Ｌｏ＝外側ラミネーション長さ
ｔ＝測定脚厚み
Ｗ＝リボン幅
ρ＝リボン密度
【００２１】
【表２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、高スタック率のアモルファス金属変圧器コア、及び高スタック率アモルファス金属変圧器コアを構成する方法に関する。この方法は、高いラミネーション率のアモルファス金属リボン（用語、ラミネーション率は、リボンの平滑性及び均一性を表すのに一般的に使用され、一方、用語、スタック率はリボンから製造されるコアに対して適用される。）、すなわち、リボンの幅に沿って測定して高平滑性表面及び高均一性厚みを有するアモルファス金属リボンを使用する。高スタック率アモルファス金属リボンは、ワインディングまたはスタッキング操作によって緻密な変圧器コア成形体に、効率的にパックされ得る。次いで変圧器コアは締め付けられて、さらに全体の寸法を減少され、そしてアニールされて、残留する機械的応力を解放し、また最終的磁気特性を害すること無く所望の磁気的異方性を発生させることができる。
【０００２】
高スタック率のアモルファス金属変圧器コアは、従来のアモルファス金属変圧器コアと比較して、より小さな構造寸法を有するものの、なお同一のコアのネット面積を維持するであろう。そのより小さなコア構造は、より小さなアモルファス金属変圧器コアをもたらすことになり、これは次いで、変圧器の他の構成部材の寸法または量の低減を可能とすることとなろう。例えば、高スタック率アモルファス金属変圧器は、より少ないコイル巻き数となるであろう、より小さいタンクに収容されるであろう、そして液体充填変圧器で使用されるならば、より少ない油で満たされよう。これらの要素は、低減されたアモルファス金属変圧器コストに寄与する。
【０００３】
２．先行技術の説明
アモルファス金属変圧器コアは、単一のアモルファス金属リボンを巻き付けることにより、アモルファス金属リボンの複数の層からなるパッケージを環の形に巻くことにより製作できる。この環体は次いで、一つの半径線に沿って切断されて、一つのジョイントを生じさせる。環体は、そのジョイントのところで開かれ、第１次及び第２次コイルの配置のために適応させ、次いで最初の環体を再度構成するように閉じられる。
【０００４】
アモルファス金属変圧器コアを製作の別のアプローチは、予め定められた長さに、単一アモルファス金属リボンを切断すること、またはアモルファスリボンの複数の層からなるパッケージを切断することである。切断されたアモルファス金属リボンは、マンドレルの周りに巻かれ、または積み重ねられそしてマンドレルの周りに巻かれて、強固に巻かれたコア形状を生じさせる。個々の長さのアモルファス金属リボンは、マンドレルの周りに、多数の切断端部がコアの局部域において整列された、一連の分布されたジョイントを形成するように巻かれる。次いで、それらの分布されたジョイントを引き離すことにより、開かれて第１次及び第２次コイルの配置のために適応させ、次いで最初の環体を再度構成するように閉じられる。
【０００５】
米国特許第４、７３４、９７５号及び第５、３２９、２７０号はアモルファス金属リボンの群から構成され、予め定められた長さに切断され、そしてマンドレルの周りに、分布されたジョイントコアを形成するように巻かれたアモルファス金属変圧器コアを開示している。これらの特許はどのようにアモルファス金属変圧器コアを製作するかについてのそれらの教示を参照するためにここに導入される。
【０００６】
従来のアモルファス金属リボンを用いてこれらの方法によって製作されるコアは、約８６％またはそれ以下のスタック率へ限定される。従って、このような限定を持つコアの構造は、従来の珪素鋼変圧器よりもはるかに大きく、より多くのアモルファス金属、第１次及び第２次コイルのためのより多くの導体（銅またはアルミニウム）、タンクのためのより多くの鋼、そして液体充填変圧器で使用されるならば、タンクを満たすためのより多くの油、を使用する。これらの因子全ては、変圧器製作における大量の材料使用、及び大きな変圧器コストに寄与する。製造コスト不利は２０ないし５０％（あるいはそれ以上）の範囲である。
【０００７】
さらには、変圧器の大きな寸法は、スペースが制限されている多くの場所及び応用において望ましくない。コスト及び寸法の不利は、応用の数を制限し、かくしてアモルファス金属変圧器についての市場規模を制限する。
【０００８】
本発明
アモルファス金属リボンは、ＡＳＴＭ Ａ９００−１によって測定して約０．８０ないし０．８６のラミネーション率を有して、商業的規模で製造されてきた。このリボンは米国特許第４、１４２、５７１号に記載されるように、単一ロール、単一ノズルスロット法によって製造されてきた。米国特許第４、８６５、６４４号及び第５、３０１、７４２号は、約０．８５ないし０．９５の空間率（ラミネーション率）が相互に近接して配置された複数スロットを有するノズルの使用によって アモルファス金属リボンにおいて達成されうること、しかし従来法で処理された アモルファス金属リボンが約０．７５ないし０．８５のラミネーション率に限定されることを教示している。
【０００９】
本発明のアモルファス金属リボンは、単一ローラー、単一スロット法によって製造されるが、予想外にも、０．８６よりも大きなラミネーション率を示す。（用語、ラミネーション率は、リボンの平滑性及び均一性を表すのに一般的に使用され、一方、用語、スタック率はリボンから製造されるコアに対して適用される）。実際に、９２％のような高いラミネーション率が達成されている。これは、リボンの幅に沿って測定して高平滑性リボン表面及び高均一性厚みを創り出すことにより達成される。
【００１０】
リボンの幅に沿っての高均一性厚みは、ノズルスロット幾何形状の慎重な制御によって維持される。リボンの中央からリボン端縁への厚みの均一性は、ノズルスロットが実質的に直角に留まることを確保することにより維持される。ノズル材料、設計及び取付けは、熱機械的変形を抑制して、スロット幅がその長さ方向でやく％以上変化しないように、選定された。本来寸法安定性であるノズルを採用するのが望ましいけれども、変形を最小化するようにノズルを締め付けることは、スロット寸法の追加的制御を与えることが判明した。
【００１１】
リボン端縁からリボン端縁までの高度に均一な厚みを維持するためには、ノズルとホイールとの間の距離を制御して、スロットの一端縁から他端縁まで約５％より変動しないようにすることも必要である。本発明は、キャストされたリボンの端縁から端縁までの測定値に基づいてホイールに相対してのノズル位置を調整する手段を採用し、端縁から端縁までの厚み変動を最小化させるようにした。
【００１２】
高度に平滑なリボン表面を維持することは、ノズル表面及びホイール表面が平滑であることを必要とする。平滑ノズル表面は、キャスチング工程中に溶融金属とノズルスロット表面とを接触させて加工して約５ミクロンより小さい表面粗度、Ｒａ、を達成することにより得られた。平滑ノズル表面キャスチング工程中維持されることを確保するために、不活性または還元性ガスの保護雰囲気を採用して、ノズルと最初の表面仕上げを劣化させ得る溶融金属との間の反応を最小化させた。さらに、保護雰囲気の採用は、キャストされるリボンの粗度を大きくするノズル上のスラグ粒子の蓄積を最小化させる。平滑なキャストホイール表面は、平均粒径が６０ミクロンメーターより小さい超微粒子寸法の研磨剤の連続的適用によって維持された。
【００１３】
高ラミネーション率リボンは、本発明の高スタック率変圧器コアの構成を可能とする。高ラミネーション率アモルファス金属リボンを有する変圧器コアは、当業の熟練者に知られている従来のコア構成技法を用いて製造され得る。高ラミネーション率リボンで作られたコアは、次いで、締め付けられて全体的な寸法をさらに低減させ、焼鈍されて残留機械応力を解放し、そして最終磁気特性を害することなく所望の磁気異方性を発生させる。８６％またはそれ以上の高スタック率の本発明の変圧器コアは設計及び生産が可能である。
【００１４】
実施例
実施例１
Ｆｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９ アモルファス金属リボンを米国特許第４、１４２、５７１号にきさいされる方法により、また下記の特定パラメーターを用いてキャストした。
【００１５】
ａ）ノズル及びノズル取付け
ノズル本体は、クレー−ジルコンから加工した。ノズル本体は、一体的に補強されてアモルファス金属キャスチング中の熱−機械的変形を最小化させた。１７０ｍｍ幅、０．５ｍｍ（＋／−０．０８ｍｍ）厚のスロットをノズル本体に機械加工した。機械加工は、スロット表面が表面粗度Ｒｓ（５（ｍを示すように行った。ノズル本体を外部補強枠内に置き、アモルファス金属キャスチング中の熱−機械的変形を最小化させた。
【００１６】
ｂ）ノズルの組付け及び制御
ノズルは、ノズルとキャストホイールとの空隙が５％より大きく変動しないように配置した。この空隙は、アモルファス金属キャスチング中に直接に測定するのは困難であるが、実際のリボン厚みのリアルタイム測定は、ノズル〜ホイール空隙の近似値を与えた。これらの測定は、Ｘ線ゲージまたはキャパシタンス・プローブを用いて行われた。ノズル〜ホイール空隙は、５％未満の変動を維持するように連続的に調整された。
【００１７】
キャストホイールは表面粗度Ｒｓ＜５μｍを達成するために研削、研磨された。溶融金属とキャストホイールとの間の反応を最小化するために、ノズルスロットを囲む領域に還元性ガスを流溢させた。平滑キャストホイール表面を維持するために、アモルファス金属キャスチング中に研磨剤をホイール表面へ当てた。研磨剤粒子寸法は１５０（ｍ未満であった。研磨剤は、ブラシの毛に含まれるかまたはペーパーの表面に取付けられた。
【００１８】
ＡＳＴＭ Ａ９００−９１で測定して下記のラミネーション率を有する１７０ｍｍ幅、０．０２３ｍｍ厚のアモルファス金属リボンを製造した。
【００１９】
【表１】
実施例２
０．８７３ないし０．８７６の範囲のラミネーション率を有する実施例１に従って製造したアモルファス金属リボンを用いて、米国特許第４，７３４，９７５号，第５，２６１，１５２号及び，第５，３２９，２７０号に記載されるような技法を用いて、アモルファス金属変圧器コアを構成した。ここで使用されるスタック率は、コアの脚（ｌｅｇ）ネット断面積と合計断面積との比として定義され下記のように計算される。
スタック率＝Ｍ／（１／２（Ｌｉ＋Ｌｏ）×ｔ×Ｗ×ρ
Ｍ＝コアの質量
Ｌｉ＝内側ラミネーション長さ
Ｌｏ＝外側ラミネーション長さ
ｔ＝測定脚厚み
Ｗ＝リボン幅
ρ＝リボン密度
【００２１】
【表２】
Claims (8)
- ＡＳＴＭ Ａ９００−１によって測定して８６％またはそれ以上のラミネーション率を有するアモルファス金属リボン。
- ９０％またはそれ以上のラミネーション率を有する、請求項１記載のアモルファス金属リボン。
- ａ）単一スロットを有するノズルを介して溶融金属をキャストし；
ｂ）その溶融金属を単一ローラー上へキャストして、リボン状形状体を形成し；そして
ｃ）１０５Ｋ／秒の冷却速度でそのリボン状形状体を固化させて該アモルファス金属リボンを形成する；
工程製造される、請求項１記載のアモルファス金属リボン。 - ａ）単一スロットを有するノズルを介して溶融金属をキャストし；
ｂ）その溶融金属を単一ローラー上へキャストして、リボン状形状体を形成し；そして
ｃ）１０５Ｋ／秒の冷却速度でそのリボン状形状体を固化させて該アモルファス金属リボンを形成する；
工程製造される、請求項２記載のアモルファス金属リボン。 - ８６％またはそれ以上のスタック率を有するアモルファス金属変圧器コア。
- ９０％またはそれ以上のスタック率を有するアモルファス金属変圧器コア。
- ８６％またはそれ以上のラミネーション率を有するアモルファス金属リボンから構成される変圧器コア。
- ９０％またはそれ以上のラミネーション率を有するアモルファス金属リボンから構成される変圧器コア。
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