JP2010109001A

JP2010109001A - アモルファス鉄心変圧器

Info

Publication number: JP2010109001A
Application number: JP2008277003A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakanoue; 賢治中ノ上
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: JP5203890B2

Abstract

【課題】
アモルファス鉄心変圧器において、磁気回路断面内での磁束集中や、渦電流損の増大や、焼鈍時に変形防止用治具との間の熱膨張係数の差に起因して発生する応力などを抑える。
【解決手段】
環状の鉄心を、短冊状のアモルファス材の薄板が複数枚積層されて成るブロック状積層体が複数層積層され、環状にされた複数のブロック状積層体の、最内周側からｎ（ｎは２以上の整数）層目のブロック状積層体と、ｎ＋１層目のブロック状積層体との間に、シート状の非磁性の絶縁材が配された構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アモルファス材の薄板が積層された鉄心を備えたアモルファス鉄心変圧器に係り、特に鉄心の構造に関する。

本発明に関連した従来技術であって、特許文献に記載されたものとしては、例えば、特開２０００−１２４０４４号公報（特許文献１）に記載された技術がある。特開２０００−１２４０４４号公報には、騒音を低減する変圧器として、環状の鉄心１に鎖交し該鉄心の周囲に吸音材３と防震材４とを設けた構成が記載されている。

特開２０００−１２４０４４号公報

上記従来技術はあくまでも変圧器における騒音を減らすための技術であり、鉄心１中の鉄損の低減化や、鉄心１がアモルファス鉄心の場合における焼鈍時の磁気特性の劣化の防止などについては記載されていない。すなわち、鉄心１は、励磁されたときに当該鉄心１の内周側に磁束が集中し易く、該内周側に磁束が集中した場合には、該内周側で磁気飽和や磁気抵抗の増大が起き、この結果、磁気回路特性が悪化してヒステリシス損が増大するとともに、１次コイル電流や２次コイル電流の波形歪が発生する。さらに、鉄心１においては、渦電流損も増大し易い。また、鉄心１がアモルファス鉄心である場合には、焼鈍時に熱により結晶化が進んで脆性が高くなる結果、鉄心１内部で微小な破損が発生して磁気特性が劣化するとともに、焼鈍時に鉄心１の外周部や内周部を固定する変形防止用治具との間の熱膨張係数の差による応力が発生する結果、この点からも鉄心１の磁気特性が劣化する。

本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、アモルファス鉄心変圧器において、磁気回路断面の一部への磁束の集中や、渦電流損の増大や、焼鈍時において変形防止用治具との間の熱膨張係数の差に起因して発生する応力などを抑えられるようにすることである。

上記課題点を解決するために、本発明では、アモルファス鉄心変圧器として、環状の鉄心を、短冊状のアモルファス材の薄板が複数枚積層されて成るブロック状積層体が複数層積層され、環状にされた複数のブロック状積層体の、最内周側からｎ（ｎは２以上の整数）層目のブロック状積層体と、ｎ＋１層目のブロック状積層体との間に、シート状の非磁性の絶縁材が配された構成とする。

本発明によれば、アモルファス鉄心変圧器において、鉄心の鉄損の増大や、焼鈍時に鉄心と変形防止用治具との間の熱膨張係数の差に起因して発生する応力による磁気特性の劣化などを抑えることができるとともに、変圧器の運転時の騒音の低減化も図ることができる。

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１〜図３は、本発明のアモルファス鉄心変圧器の第１の実施例の説明図である。図１は、本発明の第１の実施例としてのアモルファス鉄心変圧器の断面図、図２は、図１のアモルファス鉄心変圧器の鉄心を構成するブロック状積層体を積層した状態を示す図、図３は、図２のブロック状積層体を環状にする場合の説明図である。

図１において、１ａは、本発明の第１の実施例としてのアモルファス鉄心変圧器、１１は、アモルファス材から成り、アモルファス鉄心変圧器１ａの磁気回路を構成する環状の鉄心、１２ａ、１２ｂはそれぞれ、鉄心１１を励磁するコイル、２１は、シート状の非磁性の絶縁材であって例えば４００℃以上の温度に耐えるもの、１１ａは、鉄心１１の一部であってシート状の非磁性の絶縁材２１の内周側に配される内周側鉄心部分、１１ｂは、鉄心１１の一部であってシート状の非磁性の絶縁材２１の外周側に配される外周側鉄心部分である。内周側鉄心部分１１ａ、外周側鉄心部分１１ｂはそれぞれ、例えば厚さが約０．０２５×１０^−３ｍの短冊状のアモルファス材（以下、アモルファスシート材という）が複数枚積層されて成るブロック状積層体がさらに複数層積層された構成を有する。すなわち、耐熱性を有するシート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１の最内周側からｎ（ｎは２以上の整数）層目のブロック状積層体と、ｎ＋１層目のブロック状積層体との間に配される。シート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１の断面内での磁束の集中や、渦電流損の増大や、焼鈍時において変形防止用治具（図示なし）との間の熱膨張係数の差に起因して発生する応力などを抑えられるようにする。すなわち、（１）シート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１の内周側鉄心部分１１ａと外周側鉄心部分１１ｂとの間に非磁性層を形成し、該非磁性層により、鉄心１１の磁気回路を、内周側鉄心部分１１ａに形成される磁気回路と、外周側鉄心部分１１ｂに形成される磁気回路とに分ける。このため、コイル１２ａ、１２ｂの通電による励磁によって鉄心１１内に発生した磁束は、それぞれの磁気回路内に分散して流れる。この結果、内周側鉄心部分１１ａ側への磁束の集中が抑えられるまたは該磁束の集中の度合いが緩和される。これにより、内周側鉄心部分１１ａ側で磁気飽和や磁気抵抗の増大が抑えられ、磁気回路特性の悪化やヒステリシス損の増大が抑えられる。また、磁気回路特性の悪化が阻止されることで、１次コイル電流や２次コイル電流の波形歪の発生も抑えられる。（２）シート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１の断面内において、内周側鉄心部分１１ａと外周側鉄心部分１１ｂとの間に絶縁層を形成し、該内周側鉄心部分１１ａと該外周側鉄心部分１１ｂとの間を電気的に分離する。このため、鉄心１１の断面内の電気抵抗が増大し、鉄心１１内を流れる磁束の時間的変化すなわち交番磁界によって鉄心１１の断面内に発生する渦電流の増大が抑えられる。（３）焼鈍時、例えば、鋼材から成る変形防止用治具（図示なし）を鉄心１１の内周部及び外周部にそれぞれ取付けた状態で、該鉄心１１及び該変形防止用治具を、例えば約４００℃まで温度上昇させた場合、鉄心１１のアモルファス材と変形防止用治具（図示なし）の鋼材とは熱膨張係数が大きく異なる（アモルファス材の熱膨張係数は小さく、鋼材の熱膨張係数の約１／４〜１／２）ため、鉄心１１は、変形防止用治具の熱膨張による変形によって内部に応力が発生した状態となり、アモルファスシート材間の焼き付きや、磁気特性の劣化を引き起こすが、シート状の非磁性の絶縁材２１は、その変形性や緩衝性などにより、該鉄心１１内において内周側鉄心部分１１ａと外周側鉄心部分１１ｂとの間に、応力を吸収する層を形成し、これによって、変形防止用治具によって鉄心１１内に発生する応力を吸収し、鉄心１１の磁気特性の劣化や、アモルファスシート材間の焼き付きなどを抑える。
以下、説明中で用いる図１の構成の構成要素には、図１の場合と同じ符号を付して用いる。

図２は、図１のアモルファス鉄心変圧器１ａの鉄心１１を構成するブロック状積層体を複数積層した状態を示す図である。
図２において、１１ａ_１１、１１ａ_１２、…、１１ａ_１ｎ、１１ｂ_１１、１１ｂ_１２、…、１１ｂ_１ｐはそれぞれ、例えば厚さが約０．０２５×１０^−３ｍの短冊状のアモルファスシート材が複数枚（例えば２０枚）積層されて成るブロック状積層体、１１ａ_１は、ブロック状積層体１１ａ_１１、１１ａ_１２、…、１１ａ_１ｎが積層され、鉄心１１の内周側鉄心部分１１ａ（図１）を構成する内周側のブロック状積層体群、１１ｂ_１は、ブロック状積層体１１ｂ_１１、１１ｂ_１２、…、１１ｂ_１ｐが積層され、鉄心１１の外周側鉄心部分１１ｂ（図１）を構成する外周側のブロック状積層体群である。ブロック状積層体１１ａ_１ｎは、環状の鉄心１１の最内周側からｎ（ｎは２以上の整数）層目のブロック状積層体を構成し、ブロック状積層体１１ｂ_１１は、ｎ＋１層目のブロック状積層体を構成する。シート状の非磁性の絶縁材２１は、ブロック状積層体群１１ａ_１、１１ｂ_１間すなわちブロック状積層体１１ａ_１ｎとブロック状積層体１１ｂ_１１との間に積層される。
以下、説明中で用いる図２の構成の構成要素には、図の場合と同じ符号を付して用いる。

図３は、図２のブロック状積層体群を環状にする場合の説明図である。
図３において、３１は、ブロック状積層体群１１ａ_１、１１ｂ_１及びシート状の非磁性の絶縁材２１を環状にするための環状化用治具である。ブロック状積層体群１１ａ_１、１１ｂ_１及びシート状の非磁性の絶縁材２１は、ブロック状積層体群１１ａ_１、シート状の非磁性の絶縁材２１、ブロック状積層体群１１ｂ_１の順に環状化用治具３１の周囲に巻き付けられる。環状化用治具３１は、例えば鋼材で構成される。ブロック状積層体１１ａ_１１、１１ａ_１２、…、１１ａ_１ｎ、１１ｂ_１１、１１ｂ_１２、…、１１ｂ_１ｐはそれぞれ、その長さ方向の先端面と終端面とが突き合わされまたは重ね合わされる。シート状の非磁性の絶縁材２１も、その長さ方向の先端面と終端面とが突き合わされた状態とされる。

ブロック状積層体群１１ａ_１、１１ｂ_１及びシート状の非磁性の絶縁材２１は環状にされた状態で鉄心１１としての焼鈍処理が行われる。該焼鈍処理は、例えば、鋼材から成る変形防止用治具（図示なし）を、ブロック状積層体群１１ａ_１の内周部及びブロック状積層体群１１ｂ_１の外周部にそれぞれ取付けた状態で、環境温度を例えば約４００℃まで上昇させる。ブロック状積層体群１１ａ_１の内周部に設ける変形防止用治具には、環状化用治具３１を用いてもよい。焼鈍処理時、シート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１内において内周側鉄心部分１１ａと外周側鉄心部分１１ｂとの間において変形防止用治具の熱膨張によって鉄心１１内に発生した応力を吸収し、鉄心１１の磁気特性の劣化や、アモルファスシート材間の焼き付きなどを抑える。焼鈍処理が終わると、ブロック状積層体群１１ａ_１、１１ｂ_１及びシート状の非磁性の絶縁材２１はそれぞれ、環状状態を解かれ、長さ方向の両端が開放された状態とされる。

上記本発明の第１の実施例のアモルファス鉄心変圧器１ａによれば、鉄心１１の鉄損の増大や、焼鈍時に鉄心１１と変形防止用治具との間の熱膨張係数の差に起因して発生する応力による鉄心１１の磁気特性の劣化などを抑えることができるとともに、該アモルファス鉄心変圧器１ａの運転時の騒音の低減化も図ることができる。

図４〜図５は、本発明のアモルファス鉄心変圧器の第２の実施例の説明図である。図４は、本発明の第２の実施例としてのアモルファス鉄心変圧器の断面図、図５は、図４のアモルファス鉄心変圧器の鉄心を焼鈍するときの状態を示す図である。本第２の実施例のアモルファス鉄心変圧器は、鉄心内において、ブロック状積層体群間だけでなく、鉄心の内周側及び外周側にもシート状の非磁性の絶縁材を設ける。

図４において、１ｂは、本発明の第２の実施例としてのアモルファス鉄心変圧器、１１は、アモルファス材から成り、アモルファス鉄心変圧器１ａの磁気回路を構成する環状の鉄心、２１、２２、２３はそれぞれ、耐熱性を有する（例えば４００℃以上の温度に耐える）シート状の非磁性の絶縁材、１１ａは、鉄心１１内でシート状の非磁性の絶縁材２１の内周側に配される内周側鉄心部分、１１ｂは、鉄心１１内でシート状の非磁性の絶縁材２１の外周側に配される外周側鉄心部分である。内周側鉄心部分１１ａ、外周側鉄心部分１１ｂはそれぞれ、例えば厚さが約０．０２５×１０^−３ｍの短冊状のアモルファスシート材が複数枚積層されて成るブロック状積層体がさらに複数層積層された構成を有する。シート状の非磁性の絶縁材２１は、第１の実施例の場合と同様、内周側鉄心部分１１ａを構成するブロック状積層体群と外周側鉄心部分１１ｂを構成するブロック状積層体群との間すなわち環状の鉄心１１の最内周側からｎ（ｎは２以上の整数）層目のブロック状積層体と、ｎ＋１層目のブロック状積層体との間に設けられる。また、シート状の非磁性の絶縁材２２は鉄心１１の内周側に設けられ、シート状の非磁性の絶縁材２３は鉄心１１の外周側に設けられる。シート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１の断面内での磁束の集中や、渦電流損の増大や、焼鈍時において、その変形性や緩衝性などにより、変形防止用治具（図示なし）との間の熱膨張係数の差に起因して発生する応力などを抑え、シート状の非磁性の絶縁材２２は、その変形性や緩衝性などにより、焼鈍時において、変形防止用治具（図示なし）と鉄心１１の熱膨張係数の差に起因して応力が内周側鉄心部分１１ａに発生するのを抑え、シート状の非磁性の絶縁材２３は、その変形性や緩衝性などにより、焼鈍時において、変形防止用治具（図示なし）と鉄心１１の熱膨張係数の差に起因して応力が外周側鉄心部分１１ｂに発生するのを抑える。すなわち、（１）シート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１の内周側鉄心部分１１ａと外周側鉄心部分１１ｂとの間に非磁性層を形成し、該非磁性層により、鉄心１１の磁気回路を、内周側鉄心部分１１ａに形成される磁気回路と、外周側鉄心部分１１ｂに形成される磁気回路とに分ける。このため、コイル１２ａ、１２ｂの通電による励磁によって鉄心１１内に発生した磁束は、それぞれの磁気回路内に分散して流れる。この結果、内周側鉄心部分１１ａ側への磁束の集中が抑えられるまたは該磁束の集中の度合いが緩和される。これにより、内周側鉄心部分１１ａ側で磁気飽和や磁気抵抗の増大が抑えられ、磁気回路特性の悪化やヒステリシス損の増大が抑えられる。また、磁気回路特性の悪化が阻止されることで、１次コイル電流や２次コイル電流の波形歪の発生も抑えられる。また、シート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１の断面内において、内周側鉄心部分１１ａと外周側鉄心部分１１ｂとの間に絶縁層を形成し、該内周側鉄心部分１１ａと該外周側鉄心部分１１ｂとの間を電気的に分離する。このため、鉄心１１の断面内の電気抵抗が増大し、鉄心１１内を流れる磁束の時間的変化すなわち交番磁界によって鉄心１１の断面内に発生する渦電流の増大が抑えられる。また、鉄心１１の焼鈍時、例えば、鋼材から成る変形防止用治具（図示なし）を鉄心１１の内周部及び外周部にそれぞれ取付けた状態で、該鉄心１１及び該変形防止用治具を、例えば約４００℃まで温度上昇させた場合、鉄心１１のアモルファス材と変形防止用治具（図示なし）の鋼材とは熱膨張係数が大きく異なる（アモルファス材の熱膨張係数は小さく、鋼材の熱膨張係数の約１／４〜１／２）ため、鉄心１１は、変形防止用治具の熱膨張による変形によって内部に応力が発生した状態となり、アモルファスシート材間の焼き付きや、磁気特性の劣化を引き起こすが、シート状の非磁性の絶縁材２１は、その変形性や緩衝性などにより、該鉄心１１内において内周側鉄心部分１１ａと外周側鉄心部分１１ｂとの間に、応力を吸収する層を形成し、これによって、変形防止用治具によって鉄心１１内に発生する応力を吸収し、鉄心１１の磁気特性の劣化や、アモルファスシート材間の焼き付きなどを抑える。（２）シート状の非磁性の絶縁材２２は、その変形性や緩衝性などにより、鉄心１１の焼鈍時、例えば、鋼材から成り該絶縁材２２の内周側に取付けられる変形防止用治具の熱膨張量と鉄心１１自体の熱膨張量との差に基づく変形を吸収し、該変形による応力が内周側鉄心部分１１ａに発生するのを抑える。（３）シート状の非磁性の絶縁材２３は、その変形性や緩衝性などにより、鉄心１１の焼鈍時、例えば、鋼材から成り該絶縁材２３の外周側に取付けられる変形防止用治具の熱膨張量と鉄心１１自体の熱膨張量との差に基づく変形を吸収し、該変形による応力が外周側鉄心部分１１ｂに発生するのを抑える。
以下、説明中で用いる図４の構成の構成要素には、図４の場合と同じ符号を付して用いる。

図５は、図４のアモルファス鉄心変圧器１ｂの鉄心１１を焼鈍するときの状態を示す図である。
図５において、３１'は、シート状の非磁性の絶縁材２２の内周側に配され、内周側鉄心部分１１ａを形成するブロック状積層体群や、外周側鉄心部分１１ｂを形成するブロック状積層体群や、シート状の非磁性の絶縁材２１、２２、２３を環状にするとともに、鉄心１１の焼鈍処理時、該鉄心１１の変形を防止するための環状化用治具兼変形防止用治具、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄはそれぞれ、シート状の非磁性の絶縁材２２の外周側に配され、鉄心１１の焼鈍処理時、該鉄心１１の変形を防止するための変形防止用治具である。環状化用治具兼変形防止用治具３１'、変形防止用治具３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄはそれぞれ、例えば鋼材で構成される。鉄心１１の焼鈍時、シート状の非磁性の絶縁材２１は、鉄心１１内で内周側鉄心部分１１ａと外周側鉄心部分１１ｂとの間において、環状化用治具兼変形防止用治具３１'や変形防止用治具３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの熱膨張量と鉄心１１自体の熱膨張量との差によって鉄心１１内に発生した応力を吸収し、鉄心１１の磁気特性の劣化や、アモルファスシート材間の焼き付きなどを抑える。シート状の非磁性の絶縁材２２は、鉄心１１の焼鈍時、環状化用治具兼変形防止用治具３１'の熱膨張量と鉄心１１自体の熱膨張量との差による変形を吸収し、該変形による応力が内周側鉄心部分１１ａに発生するのを抑える。また、シート状の非磁性の絶縁材２３は、鉄心１１の焼鈍時、変形防止用治具３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの熱膨張量と鉄心１１自体の熱膨張量との差による変形を吸収し、該変形による応力が外周側鉄心部分１１ｂに発生するのを抑える。

上記本発明の第１の実施例のアモルファス鉄心変圧器１ｂによれば、鉄心１１の鉄損の増大や、焼鈍時に，鉄心１１と環状化用治具兼変形防止用治具３１'や変形防止用治具３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄとの間の熱膨張係数の差に起因して発生する応力による鉄心１１の磁気特性の劣化などを抑えることができるとともに、該アモルファス鉄心変圧器１ａの運転時の騒音の低減化も図ることができる。

本発明の第１の実施例としてのアモルファス鉄心変圧器の断面構造を示す図である。図１のアモルファス鉄心変圧器における鉄心のブロック状積層体の積層状態の説明図である。図２のブロック状積層体を環状にする工程の説明図である。本発明の第２の実施例としてのアモルファス鉄心変圧器の断面構造を示す図である。図４のアモルファス鉄心変圧器における鉄心の焼鈍時の状態の説明図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ…アモルファス鉄心変圧器、
１１…鉄心、
１１ａ…内周側鉄心部分、
１１ｂ…外周側鉄心部分、
１１ａ_１１、１１ａ_１２、…、１１ａ_１ｎ、１１ｂ_１１、１１ｂ_１２、…、１１ｂ_１ｐ…ブロック状積層体、
１１ａ_１、１１ｂ_１…ブロック状積層体群、
１２ａ、１２ｂ…コイル、
２１、２２、２３…シート状の非磁性の絶縁材、
３１…環状化用治具、
３１'…環状化用治具兼変形防止用治具、
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ…変形防止用治具。

Claims

短冊状のアモルファス材の薄板が複数枚積層されて成るブロック状積層体が複数層積層され、最内周側からｎ（ｎは２以上の整数）層目のブロック状積層体と、ｎ＋１層目のブロック状積層体との間に、シート状の非磁性の絶縁材が配され、該ブロック状積層体の長さ方向の先端面と終端面とが突き合わされまたは重ね合わされた環状の鉄心と、
上記鉄心を励磁するコイルと、
を備えて成ることを特徴とするアモルファス鉄心変圧器。
上記シート状の非磁性の絶縁材は、コイル内周側に配された上記ブロック状積層体の複数の層と、コイル外周側に配された上記ブロック状積層体の複数の層との間に設けられている請求項１に記載のアモルファス鉄心変圧器。