JP2017216390A - 巻鉄心、巻鉄心の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄損や励磁電流の増加を抑制することができる巻鉄心、巻鉄心の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態の巻鉄心１０は、薄板状の磁性材１４を積層して環状に形成したものであって、磁性材１４の層間にレジン１２を含浸して固化した含浸領域Ｓと、磁性材１４の層間にレジンを含浸しない非含浸領域とを設けたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、薄板状の磁性材を積層して形成された巻鉄心、巻鉄心の製造方法に関する。

従来、薄板状の磁性材を積層して形成した巻鉄心が知られている。このような巻鉄心は、例えば特許文献１に開示されているように、磁性材を環状に積層したものを切断することにより、複数に分割可能な構造になっているものがある。この分割構造は、コイルの挿入が容易であること、また、分割した鉄心同士を接合することで容易に環状にすることができるため組立工程が容易であること等の理由により、広く採用されている。

特開２０１５−８２３８号公報

従来の巻鉄心は、その全体を、磁性材の層間にレジンを含浸して固化していた。この場合、レジンが固化する過程において機械的な圧縮や曲げなどにより生じた応力は、レジンが固化すると、そのまま残留応力として残存してしまう。その結果、レジンが固化した状態の巻鉄心は、磁性材を巻回しただけの状態と比べて、鉄損や励磁電流が増加するという問題があった。
そこで、鉄損や励磁電流の増加を抑制することができる巻鉄心、巻鉄心の製造方法を提供する。

実施形態の巻鉄心は、薄板状の磁性材を積層して環状に形成したものであって、磁性材の層間にレジンを含浸して固化した含浸領域と、磁性材の層間にレジンを含浸しない非含浸領域とを設けたことを特徴とする。

実施形態の巻鉄心の製造方法は、薄板状の磁性材を巻回した巻回鉄心を形成する巻回工程と、磁性材の層間にレジンを含浸して固化する含浸領域を設定する設定工程と、含浸領域にレジンを含浸する含浸工程と、レジンが固化した状態において巻回鉄心を含浸領域内の所定の切断位置にて切断する切断工程と、を含むことを特徴とする。

実施形態による巻鉄心を模式的に示す図 含浸領域の断面を模式的に示す図 非含浸領域の断面を模式的に示す図 巻鉄心の製造工程を模式的に示す図

以下、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に示すように、本実施形態の巻鉄心１０は、互いに接合することで略環状をなす２つの分割鉄心１１を備えている。この巻鉄心１０は、例えば非晶質材（アモルファス材）あるいはナノ結晶材を薄板状に形成した磁性材１４を環状に巻回することにより形成されている。また、巻鉄心１０は、分割鉄心１１の接合面（後述する切断位置Ｐに相当する）において、互いに分割可能な構造となっている。このため、この巻鉄心１０を例えば変圧器等に用いる場合には、切断位置Ｐにて分割鉄心１１に分割することにより、容易に図示しないコイルに挿入することが可能となる。

各分割鉄心１１は、詳細は後述する図４にて説明するが、磁性材１４を環状に巻回して形成された巻回鉄心１１Ａ（図４参照）を、所定の切断位置Ｐにて切断することにより概ねＵ字状に形成されている。そして、互いの分割鉄心１１を切断位置Ｐにて接合することにより、コーナーが面取りされた略長方形の環状の巻鉄心１０を形成する。

この巻鉄心１０は、巻回により積層された状態の磁性材１４の層間にレジン１２（図２参照）を含浸して固化した含浸領域Ｓと、磁性材１４の層間にレジン１２を含浸しない非含浸領域とを設けている。
本実施形態の場合、含浸領域Ｓは、環状の巻鉄心１０において、切断位置Ｐとなる箇所を挟んだ所定の範囲内にのみ設けられている。換言すると、環状の巻鉄心１０において含浸領域Ｓを除く領域が、非含浸領域となっている。

より具体的には、図２に示すように、例えば図１のＩＩ−ＩＩ線における含浸領域Ｓの断面では、磁性材１４の層間にレジン１２が含浸しており、磁性材１４とレジン１２とが交互に積層した状態となっている。このため、このレジン１２が固化することにより、含浸領域Ｓにおいては、積層されている磁性材１４は、強固にその形状および位置が固定されている。なお、図２では説明の簡略化のために積層端面１１ａにレジン１２が存在しない状態を例示しているが、積層端面１１ａつまりは巻鉄心１０の表面および裏面の防錆対策として積層端面１１ａをレジン１２で覆う構成としてもよい。

一方、図３に示すように、例えば図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における非含浸領域の断面では、磁性材１４の層間にレジン１２は存在していない。つまり、非含浸領域では、磁性材１４の層間にレジンを含浸させていない。このため、非含浸領域においては、磁性材１４は、その形状や位置のある程度の変動が許容される。また、非含浸領域では、磁性材１４の積層端面１１ａつまりは磁性材１４を製造した際の切断面が、コーティング材１３によりコーティングすることにより防錆対策が施されている。

このコーティング材１３は、レジン１２よりも柔軟な材料であり、レジン１２と比較して高い粘度を有する材料、換言すると、流動性が低くある程度の膜厚を形成可能であって磁性材１４の層間に含浸し難い材料で構成されている。コーティング材１３としては樹脂材料等が挙げられるが、例えば接着剤や防錆塗料等であってもよい。

次に、上記した構成の作用について説明する。
まず、近年の技術動向について説明する。例えば配電用の変圧器においては、国内で言えばいわゆるトップランナー制度の適用に代表されるように、世界的に高効率を求める規格や規制が定められる等、省エネおよび高効率化が強く求められている。中でも、鉄心に生じる損失である無負荷損（いわゆる鉄損）を低減する努力が求められており、各メーカは、素材や構造の改良により鉄損の改善に注力している。

さて、鉄心を形成する際の磁性材として鉄系の非晶質材（アモルファス材）を用いる場合には、その磁性材は、一般的には溶融した原料を回転ロールに当てて急冷することにより製造されている。このため、磁性材は、素材の段階では数十ミクロン程度の薄い板状あるいはリボン状を成している。
そして、そのような薄い磁性材を変圧器等に用いるために、磁性材を巻回・積層し、レジン等で固化した鉄心を構成することが広く行われている。なお、磁性材としてナノ結晶材を薄板状に形成したものを用いる場合や、一般的なケイ素鋼を薄板状に形成したものを用いる場合も、同様の構成の鉄心を構成することが多い。

さて、非晶質材やナノ結晶材で形成された磁性材は、層間にレジンを含浸する際や含浸したレジンが固化する際に、機械的な圧縮や曲がりなどの応力が発生する。そして、レジンが固化することによって磁性材の変形が規制されることにより、発生した応力は、そのまま残留応力として残存する。その結果、鉄心となった場合には、磁性材を巻回しただけの状態に比べて、鉄損や励磁電流が増加する。

以下、このような省エネおよび高効率化が強く求められている現状に対し、磁電流の増加を抑制することができる本実施形態の巻鉄心１０について、その製造方法とともに説明する。
図４に示すように、巻鉄心１０は、薄板状の磁性材１４を巻回して巻回鉄心１１Ａを形成する巻回工程と、磁性材１４の層間にレジン１２を含浸して固化する含浸領域Ｓを設定する設定工程と、含浸領域Ｓにレジン１２を含浸する含浸工程と、非含浸領域をコーティング材１３によりコーティングするコーティング工程と、含浸領域Ｓにレジン１２を含浸して固化する含浸工程と、レジン１２が固化した状態において巻回鉄心１１Ａを含浸領域Ｓ内の所定の切断位置Ｐにて切断する切断工程と、を含む製造方法にて製造されている。

巻回工程では、薄板状の磁性材１４を図示しない治具を用いて巻回することにより、磁性材１４が環状に積層された状態の巻回鉄心１１Ａが形成される。なお、この巻回鉄心１１Ａは、切断位置Ｐにて切断されることにより、複数の分割鉄心１１となる。

設定工程では、巻回鉄心１１Ａの所定の位置を、締結治具２０により、磁性材１４の厚さ方向つまりは積層方向に圧力を掛けながら、巻鉄心１０を強固に締結する。これにより、締結治具２０により締結されている部位では、磁性材１４の層間が密に接触することになる。このため、次の含浸工程において含浸領域Ｓにレジン１２を含浸させる際には、締結治具２０を超えて含浸領域Ｓ外にレジン１２が含浸することが抑制される。つまり、設定工程では、レジン１２を含浸させる範囲である含浸領域Ｓを設定する。

また、設定工程では、本実施形態では破線にて示す切断位置Ｐとなる箇所を含む範囲、より厳密に言えば、切断位置Ｐとなる箇所を挟んだ所定の範囲が、含浸領域Ｓとして設定される。この所定の範囲は、本実施形態では、少なくとも巻回鉄心１１Ａを切断するのに必要な幅に設定されている。また、本実施形態では、所定の範囲は、であって、レジン１２が巻回鉄心１１ＡのＲ状のコーナーに到達しない範囲、換言すると、磁性材１４を巻回する際に巻き締まりによる応力が発生し易いコーナーを除いた範囲に設定されている。

含浸工程では、含浸領域Ｓにレジン１２を含浸して固化する。本実施形態では、図示は省略するが、巻回鉄心１１Ａを横向きつまりは積層端面１１ａが重力方向に沿うように設置し、巻回鉄心１１Ａの上方から液状のレジン１２を含浸領域Ｓにたらすことにより、磁性材１４の層間にレジン１２を含浸させている。なお、図４では、磁性材１４の層間に含浸したレジン１２をハッチングにて模式的に示している。

この場合、締結治具２０により締結されている位置が含浸領域Ｓと非含浸領域との境界となる。すなわち、磁性材１４の層間においては、締結治具２０によって磁性材１４同士が密に接触させられることによって含浸領域Ｓの外側へのレジン１２の漏出が抑制される一方、積層端面１１ａにおいては、締結治具２０が堤防として機能することによってコーティング材１３が含浸領域Ｓ側に侵入することが防止される。
コーティング工程では、含浸領域Ｓを除く非含浸領域の積層端面１１ａを、コーティング材１３でコーティングする。

切断工程では、レジン１２が固化した状態において、含浸領域Ｓ内の所定の切断位置Ｐにて巻回鉄心１１Ａを切断する。これにより、２つの分割鉄心１１が形成される。そして、この分割鉄心１１を切断位置Ｐにて互いに接合することにより、環状の巻鉄心１０が形成される。なお、図示は省略するが、切断工程後には、切断面を水平研磨する研磨工程が行われている。

このような製造方法により、全体として環状に形成され、その一部に含浸領域Ｓが設けられてレジン１２を含浸して固化した巻鉄心１０が製造される。このような巻鉄心１０は、従来のようにその全体をレジン１２が固化したものや全体を接着剤等により固着したものに比べて、レジン１２が固化している範囲が小さくなっている。

以上説明した巻鉄心１０によれば、次のような効果を得ることができる。
巻鉄心１０は、薄板状の磁性材１４を積層して環状に形成したものであって、磁性材１４の層間にレジン１２を含浸して固化した含浸領域Ｓと、磁性材１４の層間にレジン１２を含浸しない非含浸領域とを設けている。つまり、巻鉄心１０は、環状の一部に含浸領域Ｓが設けられ、その含浸領域Ｓでは磁性材１４の層間にレジン１２を含浸して固化している一方、含浸領域Ｓを除く部分ではレジン１２を含浸させていない。

このため、巻鉄心１０は、その全体にレジン１２を含浸して固化した従来のものに比べると、レジン１２の含浸および固化に伴って応力が発生する範囲が小さくなっている。さらに、巻鉄心１０は、含浸領域Ｓを除いた部位にはレジン１２を含浸させていないため、含浸領域Ｓを除いた部位では、磁性材１４の変形がある程度許容される。

これにより、巻鉄心１０は、レジン１２を含浸・固化する際に発生する応力そのものを低減することができるとともに、レジン１２が含浸されていない部位では磁性材１４がある程度変形可能なため、発生した応力が残留応力として残存してしまうことを抑制することができる。したがって、鉄損や励磁電流の増加を抑制することができる。

また、巻鉄心１０は、所定の切断位置Ｐにて切断されていて分割可能な構造となっており、その切断位置Ｐは、含浸領域Ｓ内に設けられている。巻回鉄心１１Ａ（図４参照）を切断する場合、磁性材１４が非常に薄いこと、また、例えば非晶質材は一般的に高硬度であることから、切断治具として砥石が使われることが多い。その場合、例えば巻鉄心１０の表面例えば積層端面１１ａだけをレジン１２で固化すると、内部の磁性材１４が大きく変形してしまうおそれがある。

そのため、切断位置Ｐを含浸領域Ｓとすることにより、含浸領域Ｓであれば磁性材１４の層間にレジン１２を含浸して固化していることから、砥石で切断する際の磁性材１４の変形をある程度抑制することができる。したがって、応力の発生を抑制しつつ、また、切断後に磁性材１４がバラバラにならないようにすることができ、製造時およびその後の組立時の作業性を向上させることができる。

巻鉄心１０は、切断位置Ｐとなる箇所を挟んだ所定の範囲内にのみ、含浸領域Ｓを設けている。このとき、所定の範囲は、上記したように切断に必要な幅を少なくとも含んだ範囲に設定されている。これにより、レジン１２を含浸・固化する際に応力が発生する部位を必要最小限に抑えることができ、鉄損や励磁電流の増加を抑制することができる。

巻鉄心１０は、磁性材１４として、非晶質材あるいはナノ結晶材を薄板状に形成したものを採用している。非晶質材は、高周波での鉄損が鉄心材として広く採用されているケイ素鋼板よりも小さいことから、高周波変圧器等に適している。また、ナノ結晶材も、高周波に特化した素材であるため、高周波変圧器等に適している。したがって、非晶質材あるいはナノ結晶材を採用することにより、変圧器の特性、特には高周波における特性を向上させることができる。

巻鉄心１０は、非含浸領域における磁性材１４の積層端面１１ａを、レジン１２よりも柔軟なコーティング材１３によりコーティングしている。これにより、磁性材１４の端面つまりは薄板状に形成する際の切断面がコーティングされ、錆の発生を防止することができる。また、巻鉄心１０を環状に維持すること、つまりは、分割鉄心１１を略Ｕ字状に維持することができる。

また、薄板状の磁性材１４を巻回する巻回工程と、磁性材１４の層間にレジン１２を含浸して固化する含浸領域Ｓを設定する設定工程と、含浸領域Ｓにレジンを含浸する含浸工程と、レジン１２が固化した状態において含浸領域Ｓ内の所定の切断位置Ｐにて巻回鉄心１１Ａを切断する切断工程と、を含む製造方法によって製造された巻鉄心１０は、上記した鉄損や励磁電流の増加を抑制することができる等の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各実施形態に示した構成や構造を任意に変形あるいは組み合わせることができる。
図２は、磁性材１４とレジン１２とが交互に積層した状態を例示するために磁性材１４やレジン１２の枚数やその厚み等を模式化して示しており、必ずしも厳密な形状を示している訳ではない。同様に、図３は、積層端面１１ａにコーティング材１３が設けられている状態を例示するために磁性材１４やコーティング材１３の枚数や厚み等を模式化して示しており、必ずしも厳密な形状を示している訳ではない。

含浸領域Ｓにレジン１２を含浸させる手法は、実施形態に例示した手法に限定されるものではなく、磁性材１４の層間にレジン１２を含浸させることができれば、他の手法を用いてもよい。

実施形態では含浸工程にてレジン１２を固化することを例示したが、必ずしも含浸工程にてレジン１２が固化するまで待機する必要は無く、レジン１２が固化する時間を利用してコーティング工程を行ってもよい。

含浸工程において含浸領域Ｓを設定するのは、レジン１２が不必要に広い範囲まで含浸してしまうことを抑制するためである。そのため、必ずしも締結治具２０のギリギリまでレジン１２を含浸させる必要はなく、逆に、レジン１２が締結治具２０を若干超える程度まで含浸しても大きな問題とはならない。すなわち、含浸領域Ｓは、切断工程において正しく切断することができる範囲が少なくとも設定されていればよい。

実施形態ではレジン１２が固化した後にコーティング工程を行うことを例示したが、コーティング工程は、上記したようにレジン１２が固化する時間を利用して行ってもよいし、含浸工程の前に行ってもよいし、切断工程後に行ってもよい。ただし、切断工程後には分割鉄心１１が広がる可能性があるため、ハンドリングを容易とするためには切断工程の前に行うことが好ましい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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、１０は巻鉄心、１１は分割鉄心、１１Ａは巻回鉄心、１１ａは積層端面、１２はレジン、１３はコーティング材、１４は磁性材、２０は締結治具、Ｐは切断位置、Ｓは含浸領域を示す。

Claims (6)

1. 薄板状の磁性材を積層して環状に形成した巻鉄心であって、
   前記磁性材の層間にレジンを含浸して固化した含浸領域と、前記磁性材の層間にレジンを含浸しない非含浸領域とを設けたことを特徴とする巻鉄心。
2. 当該巻鉄心は、所定の切断位置にて切断されていて複数の分割鉄心に分割可能であり、
   前記切断位置は、前記含浸領域内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の巻鉄心。
3. 前記含浸領域は、環状の当該巻鉄心において前記切断位置となる箇所を挟んだ所定の範囲内にのみ設けられていることを特徴とする請求項２記載の巻鉄心。
4. 前記磁性材は、非晶質材あるいはナノ結晶材を薄板状に形成したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の巻鉄心。
5. 前記非含浸領域における前記磁性材の積層端面を、レジンよりも柔軟なコーティング材によりコーティングしたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の巻鉄心。
6. 薄板状の磁性材を巻回した巻回鉄心を形成する巻回工程と、
   前記磁性材の層間にレジンを含浸して固化する含浸領域を設定する設定工程と、
   前記含浸領域にレジンを含浸する含浸工程と、
   レジンが固化した状態において前記巻回鉄心を前記含浸領域内の所定の切断位置にて切断する切断工程と、
   を含むことを特徴とする巻鉄心の製造方法。

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