JP2018029103A - 鉄心構造体、トランス、及び磁歪制御方法 - Google Patents
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騒音の原因の一つとして、電磁鋼板の磁歪が挙げられる。磁歪とは、電磁鋼板にかかる磁化に応じて電磁鋼板の形状が変化する現象である。
トランスの騒音を抑制する方法については、種々の検討がなされている。
一方、本発明者らは、騒音の発生源である磁歪伸縮を抑えるため、磁歪の原因となる還流磁区の発生消滅を制御することに着目した。
前記脚部が、電磁鋼板の積層構造を有し、
前記垂直磁場発生部が、前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向の磁場を発生可能に配置されていることを特徴とする。
前記垂直磁場発生部から発生する垂直磁場を調節する垂直磁場調節部とを、更に備えることが、鉄心の磁歪をより制御しやすい点から好ましい。
本発明のトランスにおいては、前記磁歪検出部が、前記脚部における磁束密度を測定する手段を含むものとすることができる。
前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向に、予め所定の磁場を発生させておき、
電磁鋼板の積層構造を有する脚部に発生する磁歪を検出し、
検出された前記磁歪の変化に応じて、前記電磁鋼板の積層方向に対して垂直方向の磁場の強さを変化させることを特徴とする。
なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「垂直」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
まず、本発明により、磁歪を制御するメカニズムについて説明する。図9は、本発明のトランスにおける脚部の一例を概念的に示した図である。
図9の模式図に示されるように、鉄心を構成する脚部2の側面に保持された垂直磁場発生部6と、その外周を巻回する巻線8とを備えている。図9には、積層された個々の電磁鋼板は示されていないが、例えば図3に示すような積層構造を有しており、図9中ではY軸方向に積層されている。
本発明において前記脚部2は、電磁鋼板7の積層構造を有している。一般に鋼板は当該電磁鋼板内に磁束が通り始めると還流磁区が発生する。還流磁区が発生すると、鋼板は一般的に圧延方向に縮む磁歪を生じる。鋼板内を通る磁場が変化すると、当該変化に応じて磁歪伸縮が生じ、これがトランスの騒音の原因となっている。
本発明の鉄心構造体10は、垂直磁場発生部6を用いて、予め脚部2を構成する電磁鋼板の積層方向に対して垂直方向の磁場を発生させておき、電磁鋼板に還流磁区を発生させておく。脚部2の圧延方向(図1の例ではZ軸方向)に磁束が通り始めると、鋼板内の還流磁区の量が増加し始めるが、このときに、垂直磁場を弱めることにより、還流磁区の量を一定に保つことができる。その結果、電磁鋼板を積層してなる脚部に発生する磁歪の変化、すなわち磁歪伸縮が抑制されるので、トランス作動中の振動及び騒音が小さくなる。
なお、本発明において、磁歪の変化を制御するために垂直磁場コイル6に流れる電流は、トランスの巻線8に流れる電流に対してわずかであるため、垂直磁場コイル6がトランスの性能に与える影響は極めて小さいものである。
本発明に係る鉄心構造体は、前記脚部の側面に配置された垂直磁場発生部とを備え、
前記脚部が、電磁鋼板の積層構造を有し、
前記垂直磁場発生部が、前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向の磁場を発生可能に配置されていることを特徴とする。
図1の例に示される鉄心構造体10は、脚部2とヨーク部3とを有する鉄心1と、前記脚部2の周縁に保持された垂直磁場発生部6とを備えている。脚部2は、通常トランスの巻線が巻回される部材であり、ヨーク部3は、複数ある脚部2を並列して固定する部材である。また、垂直磁場発生部6は、一例として、垂直磁場コア4と、垂直磁場コイル5とを有している。
このように、垂直磁場コイル5を、環状の垂直磁場コア4を介して脚部の側面に保持することにより、脚部に積層される電磁鋼板の長手方向に対し、当該垂直磁場コイル5のコイル軸の方向を平行乃至略平行に合わせた状態で、垂直磁場コイル5を脚部の側面に配置することができる。
電磁鋼板は、従来公知の電磁鋼板の中から適宜選択して用いればよく、例えばケイ素を0.1質量%以上4.5質量%以下含有する電磁鋼板などが挙げられる。本発明において電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板であっても、方向性電磁鋼板であってもよいが、一般的なトランスにおいて好ましく用いられる方向性電磁鋼板を用いることが好ましい。本発明は磁歪の変化を抑制可能であるため、磁歪が比較的大きい方向性電磁鋼板を用いても低騒音化が可能である。また、電磁鋼板の厚みは特に限定されないが、例えば、通常0.1mm以上1mm以下の電磁鋼板が好適に用いられ、中でも、0.15mm以上0.8mm以下の電磁鋼板が好ましい。
また、脚部の長さは、50mm以上1800mm以下とすることができ、300mm以上1200mm以下とすることが好ましい。脚部の幅は、50mm以上1800mm以下とすることができ、300mm以上1200mm以下とすることが好ましい。
また、鉄心のその他の構成としては、一般的にトランス用積鉄心として用いられる公知の構成とすることができる。
なお、電磁鋼板の積層方向に対して垂直方向の磁場とは、電磁鋼板の板面に対して厳密に垂直方向に生じる磁場のみでなく、電磁鋼板の積層方向に対して垂直方向以外の成分を含むものであってもよい。
なお本明細書において、脚部の面積は、トランス用の巻線を巻回し得る範囲2aにおける面積とする。また、コイルの面積は、垂直磁場発生部が有する垂直磁場コアの面積とする。
第2の実施形態は鉄心が巻鉄心よりなる点が、第1の実施形態と相違する。以下、巻鉄心を用いることで前記第1の実施形態と異なる点を説明する。
前記第1の実施形態と、本実施形態では、電磁鋼板の積層方向が異なっている。そのため、本実施形態においては、垂直磁場が、図4におけるY軸方向となるように、垂直磁場コイルが配置される。
第2の実施形態のその他の構成は、前記第1の実施形態と同様のものとすることができる。
本発明に係るトランスは、前記本発明に係る鉄心構造体と、当該鉄心構造体に巻回された巻線とを備える。
本発明に係るトランスは、前記本発明に係る鉄心構造体を備えているため、低騒音化が可能である。
本発明において巻線は、回路に接続されて用いられるものであり、通常、電源を含む回路に接続された一次コイルと、取出し回路に接続された2次コイルとを有するものである。巻線の材質としては特に限定されないが、銅、アルミニウム等が挙げられる。巻線の構成は、一般的にトランスに用いられる公知の構成とすることができる。また、トランスのその他の構成としては、一般的にトランスに用いられる公知の構成とすることができる。
前記垂直磁場発生部から発生する垂直磁場を調節する垂直磁場調節部とを、更に備える構成とすることができる。
垂直磁場調節部は前記磁歪検出部により検出された磁歪の大きさ又は変化量に応じて、前記垂直磁場コイルを通る電流を調節するものであることが好ましい。
当該手段を用いる場合には、予め、磁歪と磁束密度との関係を測定しておくことが好ましい。一例として、磁歪と磁束密度との関係を、図を参照して説明する。図10の例は、脚部における磁歪と磁束密度との関係の一例を示す模式図である。図10中の縦軸は横軸との交点を0(ゼロ)とする磁歪の変化量(μm)を表し、横軸は縦軸との交点を0(ゼロ)とする脚部内の電磁鋼板に係る磁束密度(T)である。図10の例では、脚部にかかる磁束密度の増加により、磁歪はマイナスの値をとり極小値をとった後、0付近まで戻っている。図10における極小値において鋼板は最も縮んでおり、図10の例では、鋼板1mあたり、およそ1μm程度縮んでいることが分かった。このような測定結果を準備しておくことにより、磁歪の変化を好適に見積もることができる。また、更に、トランスの巻線に流れる電流と、脚部における磁束密度との関係を予め測定しておき、トランスの巻線に流れる電流から、脚部の磁束密度を介して、脚部の磁歪との関係を見積もることもできる。
即ち、本発明の磁歪抑制手段は、前記本発明に係るトランスにおける、前記鉄心の磁歪を制御する手段であって、
前記脚部における磁歪の変化を検出する手段と、
前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向の磁場を変化させる手段とを備え
前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向の磁場を変化させる手段が前記垂直磁場発生部を含む、ものであることが好ましい。
図11は、前記図10の例において、本発明の磁歪制御方法により制御された磁歪と磁束密度の関係の一例を示す模式図である。
図11の例では、鋼板内の圧延方向の磁束密度が0(ゼロ)の状態で、図10における脚部の磁歪の極小値程度の磁歪が発生するように、予め垂直磁場を加えている。磁束密度が0から極小値までの範囲では、磁束密度の増加に伴い、垂直磁場を弱めることにより、磁歪の変化を抑制することができる。一方、磁束密度が極小値よりも大きい範囲では、磁束密度の増加に伴い、垂直磁場を強めることにより磁歪の変化を抑制することができる。前記垂直磁場発生部を用いる場合には、当該垂直磁場発生部が有する垂直磁場コイルに流れる電流を手動で、又は自動制御により変化させることで、垂直磁場を調整し、磁歪の変化を抑制することができる。
なお、垂直磁場発生部から生じる垂直磁場の周波数は、特に限定されないが、鉄心を流れる主磁束の周波数の2倍の周波数を基本波としてその高調波を合成することが好ましい。
次に本発明に係る磁歪制御方法について説明する。
本発明に係る磁歪制御方法は、脚部とヨーク部とを有する鉄心と、脚部に巻回する巻線とを備え、前記脚部が電磁鋼板の積層構造を有するトランスの、前記鉄心の磁歪を抑制する方法であって、
前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向に、予め所定の磁場を発生させておき、
電磁鋼板の積層構造を有する脚部に発生する磁歪を検出し、
検出された前記磁歪の変化に応じて、前記電磁鋼板の積層方向に対して垂直方向の磁場の強さを変化させることを特徴とする。
すなわち、脚部とヨーク部とを有する鉄心と、前記脚部の側面に配置された垂直磁場発生部とを備え、前記脚部が、電磁鋼板の積層構造を有し、前記垂直磁場発生部が、前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向の磁場を発生可能に配置されている、鉄心構造体を有するトランスを用いる場合には、
当該垂直磁場発生部から前記電磁鋼板の積層方向に対して垂直方向の磁場を持続的に発生させた状態とし、前記脚部に発生する磁歪を検出し、当該検出された前記磁歪の変化に応じて、前記電磁鋼板の積層方向に対して垂直方向の磁場の強さを変化させることにより騒音の発生源である磁歪伸縮を抑えることが可能となるため、トランスの騒音を低減することが可能となる。
以下、本発明に係る磁歪制御方法について図を参照して説明するが、トランスの構成及び磁歪制御手段の各構成は前述のとおりであるため、ここでの説明は省略する。
次いで、通常、トランスを稼働させてから、磁歪の変化を検出するステップを開始する。磁歪の変化の検出は、前述の磁歪変化検出部を用いて行うことができる。磁歪の変化が検出された場合には、次いで、前述の電流制御部により、検出値(磁歪の絶対値又は変化量)に基づいて磁歪の変化を抑制するために垂直磁場コイルに流すべき電流値が決定され、決定された電流が垂直磁場コイルに流れるように電源に指示される。垂直磁場調節部の電源は与えられた指示に従って、電圧等を調節する。この一連の情報処理プロセスにより、垂直磁場コイルから発生する垂直磁場の大きさを、磁歪の変化を抑制する方向に変化させて、磁歪の変化(すなわち磁歪の変動幅)を抑制することができる。
磁歪の変化を検出するステップと、必要に応じて行われる垂直方向の磁場を変化させるステップとは、通常、トランスを停止するまで、連続的に、又は、一定の間隔ごとに繰り返し行うことが好ましい。
以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載により本発明を制限するものではない。
方向性電磁鋼板を用いて、3相3脚、鉄心の長さ:1000mm、幅:1200mm、厚み:200mm、ヨークおよび脚の幅:150mmで、図1の例に示される積鉄心を含む鉄心を作製した。
当該鉄心の脚部に対し面積基準で1/3を占める垂直磁場発生部を配置した鉄心構造体(実施例1−1)と、当該鉄心の脚部に対し面積基準で1/3を占める垂直磁場発生部を配置した鉄心構造体(実施例1−2)を準備した。また、比較のため、垂直磁場発生部を配置しない鉄心を準備した(比較例1−1)。
各鉄心構造体及び鉄心にそれぞれ巻線を巻回し、設計磁束密度が1.7Tのトランスを作製した。
板厚が0.27mmの方向性電磁鋼板を用いて巻鉄心を作り、図4の例に示される巻鉄心を含む鉄心を作製した。
当該鉄心の脚部に対し面積基準で1/3を占める垂直磁場発生部を配置した鉄心構造体(実施例2−1)と、当該鉄心の脚部に対し面積基準で1/3を占める垂直磁場発生部を配置した鉄心構造体(実施例2−2)を準備した。また、比較のため、垂直磁場発生部を配置しない鉄心を準備した(比較例2−1)。
各鉄心構造体及び鉄心にそれぞれ巻線を巻回し、設計磁束密度が1.5T、20kVAのトランスを作製した。
実施例1−1及び実施例1−2のトランスについては、鉄心構造体が有する垂直磁場発生部の垂直磁場コイルに、予め、鉄心を通る主磁束の駆動周波数50Hzに対し、その2倍の100Hzとその高調波分で合成した波形で励磁し、垂直磁場を発生させた。
次いで、実施例1−1、実施例1−2、及び比較例1−1の各トランスに励磁磁束密度の1.7Tで励磁し、磁歪に応じて垂直磁場を変化させながら、騒音を測定した。
また、実施例2−1及び実施例2−2のトランスについては、鉄心構造体が有する垂直磁場発生部の垂直磁場コイルに、予め、鉄心を通る主磁束の駆動周波数60Hzに対し、垂直磁場はその2倍の120Hzとその高調波分で合成した波形で励磁し、垂直磁場を発生させた。
次いで、実施例2−1、実施例2−2、及び比較例2−1の各トランスに励磁磁束密度の1.5Tで励磁し、磁歪に応じて垂直磁場を変化させながら、騒音をデシベル(dB)単位で測定した。
それぞれの結果について平均値を表1に示す。
表1の結果に示されるように、本発明に係る鉄心構造体を用いた実施例では、騒音を低減することが可能となった。
2 脚部
2a 脚部の範囲
3 ヨーク部
3a ヨーク部の範囲
4 垂直磁場コア
5 垂直磁場コイル
6 垂直磁場発生部
7 電磁鋼板
8 巻線
10 鉄心構造体
Claims (8)
- 脚部とヨーク部とを有する鉄心と、前記脚部の側面に配置された垂直磁場発生部とを備え、
前記脚部が、電磁鋼板の積層構造を有し、
前記垂直磁場発生部が、前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向の磁場を発生可能に配置されている、鉄心構造体。 - 前記垂直磁場発生部が、環状の垂直磁場コアと、当該垂直磁場コアの外周と内周とを交互に通過するように巻回する垂直磁場コイルとを備える、請求項1に記載の鉄心構造体。
- 前記垂直磁場発生部が、面積基準で前記脚部の1/2以上の範囲を被覆する、請求項1又は2に記載の鉄心構造体。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の鉄心構造体と、当該鉄心構造体の脚部に巻回する巻線とを備える、トランス。
- 前記脚部で発生する磁歪を検出する磁歪検出部と、
前記垂直磁場発生部から発生する垂直磁場を調節する垂直磁場調節部とを、更に備える、請求項4に記載のトランス。 - 前記磁歪検出部が、前記脚部の長さを測定する手段を含む、請求項5に記載のトランス。
- 前記磁歪検出部が、前記脚部における磁束密度を測定する手段を含む、請求項5に記載のトランス。
- 脚部とヨーク部とを有する鉄心と、脚部に巻回する巻線とを備え、前記脚部が電磁鋼板の積層構造を有するトランスの、前記鉄心の磁歪を抑制する方法であって、
前記電磁鋼板の積層方向と、脚部を通る主磁束の方向とに対して垂直方向に、予め所定の磁場を発生させておき、
電磁鋼板の積層構造を有する脚部に発生する磁歪を検出し、
検出された前記磁歪の変化に応じて、前記電磁鋼板の積層方向に対して垂直方向の磁場の強さを変化させる、磁歪抑制方法。
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