JP2018082106A - 変圧器、鉄心及びアモルファス金属部材 - Google Patents

Abstract

【課題】占積率のバラつきが小さい鉄心を有する変圧器を提供する。【解決手段】代表的な本発明の変圧器は、巻鉄心と、巻鉄心に巻き回されたコイルとを有する変圧器であって、巻鉄心は、板状の金属部材の集合体が積層されており、板状の金属部材の集合体は、隣り合う金属部材が間隙を介して２つ以上並べられた第１の層と、第２の層とを有し、第１の層の金属部材と接触する第２の層の金属部材とが重なりあう部分に接合部２１を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、変圧器に関する。

鉄心幅を大きく取るアモルファス鉄心変圧器が特許文献１に記載されている。この特許文献１には、「アモルファス磁性薄帯からなるアモルファス鉄心と、該アモルファス鉄心を挿入するコイルとを組み立ててなる鉄心コイル組立体を収納したアモルファス鉄心変圧器において、前記アモルファス鉄心は、幅の異なる複数種のアモルファス磁性薄帯をそれぞれ突き合わせて並べて積層するとき、該並べて積層したアモルファス磁性薄帯の突き合わせ面がずれるように並べる位置を交互に換えて積層してアモルファス鉄心を構成することを特徴とするアモルファス鉄心変圧器。」と記載されている（請求項１参照）。

特開２０１３−９８３４９号公報

変圧器に使用される巻鉄心は、積層された鉄心材料の一部を開き、開かれた部分に巻線コイルを挿入する。その後、鉄心材料の開かれた部分をラッピングされる。鉄心材料にアモルファス磁性薄帯（以下、単にアモルファス薄帯またはアモルファス材と呼ぶ）を用いた鉄心がアモルファス鉄心である。アモルファス鉄心を有するアモルファス変圧器の大容量化には鉄心幅を大きくする必要がある。

しかし、アモルファス薄帯は、幅が広いものを製造することが困難であるため数十ｍｍから２００ｍｍ程度の幅である。これより幅が広い薄帯は、薄帯の厚みや大きさにばらつきが出るため、アモルファス薄帯の幅より大きな幅を持つアモルファス鉄心の製造は困難である。

特許文献１には、幅の異なる複数種のアモルファス磁性薄帯をそれぞれ突き合わせて並べることで鉄心幅が大きくするアモルファス鉄心を有する変圧器が記載されている。

しかし、特許文献１は、アモルファス薄帯同士を突き合わせて並べるが人手を介して行うため、間隙をより小さくすることが考慮されていない。

本発明の目的は、並べられたアモルファス薄帯同士の間隙が小さい鉄心を有する変圧器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の一例であるアモルファス変圧器は、巻鉄心と、巻鉄心に巻き回されたコイルとを有する変圧器であって、巻鉄心は、板状の金属部材の集合体が積層されており、板状の金属部材の集合体は、隣り合う金属部材が間隙を介して２つ以上並べられた第１の層と、第２の層とを有し、第１の層の金属部材と接触する第２の層の金属部材とが重なりあう部分に接合部を有していることを特徴とする。

本発明により、安定した磁気特性を有する変圧器を提供することができる。

３相３巻線で構成された鉄心と巻き線コイルを示す斜視図である。 本発明の実施例に係る４枚１組のアモルファス薄帯を積層し、鉄心の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例に係る４枚１組のアモルファス薄帯の構成を示す平面図である。 本発明の実施例に係る４枚１組のアモルファス薄帯の構成を示す断面図である。 本発明の実施例に係る４枚１組のアモルファス薄帯の構成を示す断面図である。 本発明の実施例に係るアモルファス薄帯を示す図である。 本発明の実施例に係る鉄心の断面図である。 本発明の実施例に係る鉄心の断面図である。 本発明の実施例に係る鉄心の製造装置の一例を示す図である。 本発明の実施例に係る１組のアモルファス薄帯の断面図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。なお、全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

また、以下の実施例において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。

以下本発明の実施の形態を図１を用いて説明する。
図１は、３相３巻線で構成した３相３脚式のアモルファス鉄心と巻線コイル組立体３０を示す斜視図である。
アモルファス鉄心と巻線コイル組立体３０は、外鉄心３０ａと内鉄心３０ｂに巻線コイル４０ａが、内鉄心３０ｂと内鉄心３０ｃに巻線コイル４０ｂが、内鉄心３０ｃと外鉄心３０ａに巻線コイル４０ｃが、それぞれ巻き回されている。

実施例１について図２から図５を用いて説明する。
図２には内鉄心３０ｂを示す。詳細な説明の便宜上、巻線コイル４０ａと巻線コイル４０ｂを非表示とした図である。ｃ−ｃ’断面とｄ−ｄ’断面については図４ａ、図４ｂを用いて後述する。内鉄心３０ｂを例に説明するが、下記の説明内容は外鉄心３０ａ及び内鉄心３０ｃにも実施可能である。

内鉄心３０ｂには、幅が広いアモルファス薄帯１と、幅が狭いアモルファス薄帯２が並べられている。幅が広いアモルファス薄帯１は幅が狭いアモルファス薄帯２よりも幅が広いという意味である。また、アモルファス薄帯には接合点２１が複数箇所に配置されている。内鉄心３０ｂのコーナ部ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４が示される。接合点２１は所定間隔で配置されている。

本明細書において、鉄心に用いられるものはアモルファス金属部材のうち薄いリボン状のものを用いるため、単にアモルファス薄帯と呼ぶ。

コーナ部ｃ２とｃ３の間は、アモルファス薄帯１、２がラッピングされる部分であるラップ部である。ラッピング方法は、オーバーラップやステップラップまたはこれらを組み合わせたものを用いることができる。

コーナ部ｃ１からｃ４に接合点２１を配置しないことで、内周側よりも外周側が引っ張られるため、内周側と外周側でのズレを生じにくくなる。詳細は後述する。

図３ａから図３ｃを用いて、接合点２１とアモルファス薄帯１から４の関係について説明する。内鉄心３０ｂは４枚１組のアモルファス薄帯１０が積層されている。４枚１組のアモルファス薄帯１０を内鉄心３０ｂとしてラッピングする前の状態を図３ａに示す。

上層である第１層にはアモルファス薄帯１と２が、図３ａは平面図であるため図示されないが、第１層の下層である第２層にはそれぞれアモルファス薄帯３と４が配置されている。第１層上側には水平方向に開かれた幅広のアモルファス薄帯１、下側には幅が狭いアモルファス薄帯２が略並行に突き合わせられて並べられている。また、第２層上側には幅が狭いアモルファス薄帯４、下側には幅が広いアモルファス薄帯３が同様に並べられている。突き合わせて並べられたアモルファス薄帯の側面を突き合わせ面と呼ぶ。

第１層の幅が広いアモルファス薄帯１と幅が狭いアモルファス薄帯２との突き合わせ面同士の間に間隙２２ａが実線で、第２層の幅が広いアモルファス薄帯３と幅が狭いアモルファス薄帯４との突き合わせ面同士の間に間隙２２ｂが破線で示されている。このように所定距離の間隙２２ａ，２２ｂを設けることでアモルファス薄帯同士の重なりを防止することができる。

図３ｂは、図３ａに示されるａ−ａ’の断面を示す図である。上層である第１層に幅が狭いアモルファス薄帯３と下層である第２層に幅が狭いアモルファス薄帯４が示されている。図示されない奥側には、第１層に幅が広いアモルファス薄帯１と、第２層に幅が広いアモルファス薄帯３が配置されている。

図３ｃは、図３ａのｂ−ｂ’断面であり、矢印方向から見た状態を示す。第１層の図右側に示される第１の端部５０ａ側から幅が広いアモルファス薄帯１と幅が狭いアモルファス薄帯２が間隙２２ａを介して並べられている。

また、第２層の第１の端部５０ａ側から幅が狭いアモルファス薄帯４が間隙２２ｂを介してアモルファス薄帯３が並べられている。この幅が広いアモルファス薄帯１及び４の幅をＷｌとし、幅が狭いアモルファス薄帯２及び３の幅をＷｓとする。

間隙２２ａと２２ｂの幅は、Ｗｓよりも小さな値、すなわち、幅の狭いアモルファス薄帯２と３の幅よりも小さければ実施できる。アモルファス薄帯１から４は側面部、つまり突き合わせ面側にうねりを有しているため、間隙２２ａと２２ｂの幅をうねりよりも大きくすることでアモルファス薄帯同士が重なり合うことを防止できる。

上述のうねりについて図３ｄを用いて説明する。図３ｄには、幅が広いアモルファス薄帯１ａと幅が狭いアモルファス薄帯２ａが長辺方向に並べられている。短辺方向は一部省略し、長辺を拡大した例を示している。

うねりは個体ごとにバラつきはあるが、品質のよいアモルファス薄帯ではサブミリ程度（０．１から０．９ｍｍ程度）である。このようなうねりを考慮して人手で突き合わせを行うのは困難である。

したがって、うねりを考慮して図３ｂに示されるように間隙２２ａと２２ｂは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下としてアモルファス薄帯１と２を並べることで、人手を介して突き合わせるよりも間隙を小さくすることができる。ひいては、鉄心の占積率を高くすることができる。

ここで、占積率とは、積層された鉄心全体の厚みに対する鉄心部材の厚さの総計の比率である。つまり、鉄心内部に空隙が少ないほど占積率は高くなり、鉄心の磁気特性が向上する。
また、間隙２２ａと２２ｂを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の幅とすると、製造ラインで自動配置等が可能となり生産性が高くなる。また、うねりよりも大きな値であるため、アモルファス薄帯同士の重なりを容易に防止できる。なお、１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下でも実施できるが、できるだけ間隙は小さい方がよい。

第１層のアモルファス薄帯１と２と間隙２２ａの総和と、第２層のアモルファス薄帯３と４と間隙２２ｂの総和が等しい場合には、第１の端部５０ａと第２の端部５０ｂとでアモルファス薄帯の端面が揃うこととなる。すなわち、第１層のＷｌ＋Ｗｓ＋間隙２２ａの幅＝第２層のＷｌ＋Ｗｓ＋間隙２２ｂの幅の関係である。鉄心のうち巻線コイル４０ａ，４０ｂに接触する端面が平らになるため占積率を向上させることに寄与する。端面が揃うことで、巻鉄心３０ｂの側面を平らにすることができる。

ここで、アモルファス薄帯の幅が等しいは、アモルファス薄帯の製品規格上の幅が同じであることを意味する。アモルファス薄帯の側面部には歪み等の誤差があるため、実際の幅が完全に一致という意味ではない。

第１層には第１の端部５０ａ側から幅の異なる２種類のアモルファス薄帯が幅Ｗｌ、Ｗｓの順に並べられ、第２層の第１の端部５０ａ側から幅Ｗｓ，Ｗｓの順に互い違いに並べられている。第１層と第２層で互い違いに配置することにより、突き合わせ面の間隙２２ａと２２ｂの位置は上下の層で異なる位置となる。

４枚１組のアモルファス薄帯１０は、レーザ或いは電気抵抗などで溶接される。第１層と第２層のアモルファス薄帯の重なりあう部分の一部が溶接された箇所を接合点２１が示される。接合点２１は、溶接条件により溶接部の大きさが異なるため、接合部とも呼ぶ。

接合点２１の接合は、図３ａで示されるｂ−ｂ’方向に連続的に接合ラインとして形成
してもよい。すなわち、長辺方向に長さを持つように接合してもよい。これらの接合方法は特に限定されることなく、レーザ接合であればパルス照射で断続的に接合する方法で実施できる。

また、電気抵抗接合を用いる場合には、回転電極を用いたシーム接合方法を採用してもよい。電気抵抗を加える方法も連続である必要が無く、断続して電気を加え接合しても良い。さらに、電気抵抗溶接の一つであるスポット溶接により、４枚１組のアモルファス薄帯１０がバラバラにならない程度に固定できる数の接合数とするとよい。

接合すると非晶質のアモルファス薄帯が結晶化されることとなるが、第１の層と第２の層で金属接合されるため、単なるアモルファス薄帯同士の接触に比べて強固な接続となる。なお、接合面積によりその強度は調整可能である。

接合点２１の面積を小さくすることで、アモルファス薄帯を溶接することで生じる結晶化領域を小さくでき、磁気回路の流れを低減し、損失を増加させる働きを小さくすることができる。

接合点２１の断面の幅は１ｍｍ以下とするとよい。幅が狭いアモルファス薄帯２と４の幅を１００ｍｍ、幅が広いアモルファス薄帯１と３の幅を２００ｍｍとすると、幅広にアモルファス薄帯を広げたときの全幅（アモルファス薄帯の幅の総和）は約３００ｍｍとなる。

接合ライン１箇所の接合幅を１ｍｍとすると、接合点２１は３つあるので、合計３ｍｍとなる。アモルファス薄帯の全幅３００ｍｍに対し、磁気回路の流れを阻害する接合点２１の幅の総和は３ｍｍであるため、アモルファス薄帯の全てを非晶質としたときに比べると１％程度の損失に抑えることができる。他のパラメータに比べて小さい影響である。

また、本実施例では第１層と第２層のアモルファス薄帯を１枚ずつの層として説明しているが、第１層と第２層のアモルファス薄帯を層方向に１０枚ずつ束ねることもできる。このように各層の枚数を増やした場合には、鉄心のラッピング作業時間を低減させることができる。１０枚に限定されず他の数枚としてもよい。

鉄心３０ｂとして組み立てた際のコーナ部ｃ１からｃ４の間にある平面領域に少なくとも２点ずつ接合点２１を設けることで実施できる。コーナ部ｃ１とコーナ部ｃ２間の水平方向の２点を接合することで平面領域の間隙の位置ズレを生じにくくできる。

平面領域とは鉄心として組み立てた際に、アモルファス薄帯が鉛直又は水平方向になる部分をいう。また、コーナ部とは鉄心として組み立てた際に、平面部分よりもアモルファス薄帯が曲率を持つ領域をいう。すなわち、組立後の鉄心のアモルファス薄帯のうち曲げられた領域がコーナ部であり、平面領域とは、曲げられていない領域である。

よって、４枚１組のアモルファス薄帯１０の長手方向には接合点２１が異なる間隔で設けられている。鉄心として組み立てた際の径方向に異なる間隔で接合点２１が配置されるということである。

異なる間隔とは、第１の間隔であるコーナ部ｃ１等の接合点２１の広い間隔と第２の間隔であるコーナ部ｃ１とｃ２間の接合点２１が狭い間隔であり、異なる間隔である。場合により、鉄心内周側の４枚１組のアモルファス薄帯１０は、平面領域よりもコーナ部ｃ１の方が接合点２１の間隔が短くなる場合がある。内周側は曲率が小さいため、コーナ部ｃ１の領域が狭いからである。いずれの場合もアモルファス薄帯の長手方向の接合点２１の数は平面領域の方が多い。

ここで、４枚１組のアモルファス薄帯１０を積層し鉄心３０ｂとして組み立てたときの磁気回路の流れは、図３ｃの奥行き方向である。磁気回路の流れを妨げないようにするには、ｂ−ｂ’断面に投影したときの接合点２１の水平方向の接合面積が小さいほど良い。

そのため、図３ａ及び図３ｃに示すように、４枚１組のアモルファス薄帯１０の接合点２１はアモルファス薄帯の短辺方向に３箇所あれば実施できる。
すなわち、第１層の幅が広いアモルファス薄帯１と第２層のアモルファス薄帯４の重なり合う部分が接合され、第１層の幅が広いアモルファス薄帯１と第２層の幅が広いアモルファス薄帯３の重なりあう部分が接合され、第１層の幅が狭いアモルファス薄帯２と第２層の幅が広いアモルファス薄帯３の重なりあう部分が接合されていれば、４枚１組のアモルファス薄帯１０はバラけずに固定することができる。つまり、互い違いに並べられた第１の層のアモルファス薄帯と第２の層のアモルファス薄帯が接合部２１を介して交互に接続される関係である。

重なりあう部分の接合点２１は１箇所に限定されず、アモルファス薄帯の短辺方向に２箇所以上設けてもよい。

アモルファス薄帯の厚みは一般的な鉄心材である珪素鋼板の厚さの十分の一以下で、代表的な厚さは５０μｍ以下である。アモルファス薄帯で変圧器の鉄心を形成する場合、鉄心の厚さを例えば１００ｍｍとすると、積層枚数は２０００枚以上になる。

従来のように、アモルファス薄帯同士を接合せずに、幅広に並べたアモルファス薄帯を２０００枚程度積層することは原理上可能であるが、実際には巻線コイルの組み込み作業と巻鉄心のラッピング作業により、アモルファス薄帯の位置はズレてしまう。これにより鉄心の占積率が低下する場合がある。

このとき、手作業等で間隙２２ａと２２ｂや端部同士の位置ズレを修正する必要がある。このような手作業は効率が悪く生産コストがかさむこととなる。また、手作業で間隙２２ａと２２ｂの幅や各層の端部を揃えることは困難である。

一方、上記した本発明の実施例の構成により、４枚１組のアモルファス薄帯１０を一体として１枚のアモルファス薄帯のように扱うことができる。よって、ラッピング作業の際に、間隙２２ａと２２ｂの位置ズレを考慮せずに、鉄心の組み立て作業を行うことができる。

次に、接合点２１の厚みについて説明する。接合点２１の厚みは、接合点２１の厚みが第１層と第２層のアモルファス薄帯の厚みの和にできるだけ近づくことが望ましい。接合点２１の接合箇所が盛り上がらないようにすることで、４枚１組のアモルファス薄帯１０の厚みがフラットになる。

これにより、鉄心として組み立てた際に占積率の低下を防ぐことができる。レーザや電気抵抗溶接の溶接条件により接合点２１の厚みは、アモルファス薄帯の厚みより厚くならずに接合できる。なお、接合点２１に厚みが生じた場合であっても、４枚１組のアモルファス薄帯１０ごとに接合点２１の位置を異なるように配置することで厚みを小さくすることができる。

また、接合点２１を設けたため、突き合わせたアモルファス薄帯に巻線コイルを挿入する際に、突き合わせ面がラッピング作業前後で動かないように固定することできる。すなわち、ラッピング作業の前後で、突き合わせられたアモルファス薄帯間の間隙が変化することを抑制することができる。

上記した４枚１組のアモルファス薄帯１０に接合点２１を設けることにより、ラッピングの際にアモルファス薄帯のコーナ部の位置ズレや間隙２２ａと２２ｂの幅の変化を防止することができる。鉄心として組み上げた際に占積率が安定する。ひいては、鉄心の占積率が安定することにより、磁気特性が安定した変圧器を提供することが可能となる。磁気特性とは、鉄心材料の透磁率と占積率により定められる鉄心の特性のひとつである。

次に、コーナ部ｃ１からｃ４の構成の一例について説明する。図２及び図３ａに示すようにコーナ部には接合点２１を設けていない例である。

コーナ部ｃ１からｃ４に接合点２１がある場合も実施可能であるが、無い場合に比べて、接合点２１を中心にひずみが大きくなり、上下方向(層方向)にうねりが伴いやすくなるからである。上下面を接合した状態で曲げを加えると、上下の薄帯の曲率半径が異なるため接合点の間隔が上下で差が生じる。すなわち、接合点２１を一定の間隔で配置した場合に、第２層のアモルファス薄帯に比べて第１層のアモルファス薄帯には引張応力が生じる。

よって、接合点２１に力が加わりひずみの発生で上下方向にうねりが伴う。コーナ部ｃ１からｃ４に接合点２１を設けたアモルファス薄帯を２０００枚程度積層すると、上下（層）方向のうねりが増幅されるため、コーナ部ｃ１からｃ４に厚みが生じ、占積率の低下を招く。

本実施例の構成であるコーナ部ｃ１からｃ４に接合点２１を設けない場合には、鉄心として組み立てた際にコーナ部に曲げを加えても、上下面の曲率半径の違いを周方向にずれて吸収するため、該接合点がある場合に生じたひずみが発生しない。従って、コーナ部で占積率の低下は生じにくくなる。ひいては、コーナ部に接合点を設ける場合に比べて鉄心としての磁気特性を向上させることができる。

また、アモルファス薄帯のうちコーナ部ｃ１とｃ２間の端面と、コーナ部ｃ２とｃ３間の端面の角度が多少異なる場合であっても、コーナ部ｃ２がズレを吸収することができる。

図４ａと図４ｂは図２の鉄心３０ｂのｃ−ｃ’断面とｄ−ｄ’断面の様子を示す図である。図４ａは、ｃ−ｃ’断面は巻鉄心３０ｂの平面領域の断面の様子を示す。図４ａ上側が内周側であり、下側が外周側である。４枚１組のアモルファス薄帯１０が数千組積層された例の一部を示しており、各々の４枚１組のアモルファス薄帯１０には接合点２１が３箇所(３ライン)形成されている。

図４ｂは、ｄ−ｄ’断面は巻鉄心３０ｂのコーナ部ｃ１の断面の様子を示す。図４ｂ上側が内周側であり、下側が外周側である。４枚１組のアモルファス薄帯１０が数千枚積層されているが、コーナ部ｃ１の内周側(図４ｂ上側)は、接合点２１が形成されていない。

鉄心コーナ部ｃ１の外周側(図４ｂ下側)は、接合点２１が形成されている。コーナ部ｃ１内周側は曲率半径が小さいため、接合点２１周辺のひずみ増大の影響を考慮し、コーナ部ｃ１には接合点２１を設けない４枚１組のアモルファス薄帯１０を配置した。

また、コーナ部ｃ１外周側は曲率半径が大きいため、コーナ部ｃ１に接合点２１があってもひずみが小さく磁気性能へ影響を及ぼしにくいためである。鉄心組立の作業性を考慮し、外周側コーナ部ｃ１には、接合点２１を設けた４枚１組のアモルファス薄帯１０を配置した。他のコーナ部ｃ２からｃ４も同様である。

内周側と外周側のアモルファス薄帯の曲率に合わせて、コーナ部ｃ１等の接合点２１が内周側から外周側へ直線または曲線上に並ぶように配置するとアモルファス薄帯同士の位置ズレが生じにくくなり有効である。

本実施例では、コーナ部ｃ１外周側に接合点２１を設けた４枚１組のアモルファス薄帯１０を配置したが、コーナ部の曲率半径の大きさや鉄心組み立ての作業性などを考慮し、コーナ部外周側に接合点２１を設けていない４枚１組のアモルファス薄帯１０を配置しても良い。つまり、鉄心３０ｂの平面領域を小さくし、コーナ部ｃ１等の領域を大きくするということである。

また、図示しないが、コーナ部内周側に接合点２１を設け、溶接打点数が平面領域の打点数より少ない４枚１組のアモルファス薄帯１０を配置しても良い。つまり、鉄心中央よりも内周側のアモルファス薄帯のコーナ部ｃ１には、平面領域の接合点２１の間隔よりも広い間隔の接合点２１が配置されるということである。

内周側は曲率の影響を受けにくいため、コーナ部ｃ１に平面領域よりも広いピッチで接合点２１を設けることで、位置ズレをより起こしにくくなる。換言すれば、コーナ部ｃ１に接合点２１を設けた場合であっても、接合打点数を少なくすることでコーナ部ｃ１のひずみを小さくできる。

また、平面領域とコーナ部との接合打点間隔、すなわち接合点２１同士の間隔を各積層ごとに調整した４枚１組のアモルファス薄帯１０を配置しても良い。つまり、内周側と外周側アモルファス薄帯で接合点２１の間隔が異なるということである。

他の変形例として、接合点２１同士の間隔を定点で形成した４枚１組のアモルファス薄帯１０配置して積層し、コーナ部ｃ１等の接合点周辺を意図的に引っ張りコーナ部ｃ１等にあたる接合点２１のいくつかを剥がして、曲げを形成したときのひずみを小さくして巻き鉄心を形成しても良い。コーナ部ｃ１に第１層と第２層が接合されていない結晶化部分を有するということである。この場合は、アモルファス薄帯の溶接プロセスが簡便となる。

また、組み立てプロセスにおいてコーナ部ｃ１の接合点２１に強い応力が与えられると剥がれる程度の接合状態とすることで、組み立ての際に応力が与えられた部分は接合点２１が剥がれ、応力が少ない場合には剥がれないこととなるため、組み立ての位置ズレが生じた場合であっても応力を逃がすことができ効果的である。

４枚１組のアモルファス薄帯１０の製造方法について図５を用いて説明する。配置された４枚１組のアモルファス薄帯１０第１層の上部に溶接手段２６が配置され、溶接手段２６からレーザ２７が照射される様子が示される。また、４枚１組のアモルファス薄帯１０を切断する切断手段２８が示される。

まず、４枚１組のアモルファス薄帯１０を製造するため、長手方向の所定の長さに切断された４枚のアモルファス薄帯を第１層と第２層それぞれに間隙２２ａ，２２ｂを設けて互い違いになるように配置する。この配置は、人手を介して配置しても良いが繰り返し同じ作業を行うため、搬送ロボットなどで効率良く並べ、配置すると良い。また、間隙２２ａと２２ｂの幅は、上記した生産性を考慮した大きさにすると良い。

アモルファス薄帯の長手方向の直線性は、およそサブミリ程度くらいのうねりが伴っている。隙間２２ａを例えば５０μｍ以下でコントロールしようとすると、精度が高い制御とモニタリングが必要となる。場合によってはうねり同士が干渉し、突合せ面が重なる場合があるため、上記した値を取るのがよい。

次に、接合装置２６により第１層と第２層のアモルファス薄帯が重なりあう部分が接合される。接合装置２６は、代表してレーザ接合装置である場合を示し、アモルファス薄帯１に対してレーザ２７が照射されている。接合装置２６は図の上下方向に移動できるものであってもよい。または、３台配置され４枚１組のアモルファス薄帯１０が搬送される際に適宜接合することも可能である。

接合された４枚１組のアモルファス薄帯１０の所定の切断位置まで所定の長さ分を搬送し、切断手段２８を用いて切断する。これにより４枚１組のアモルファス薄帯１０を構成する。

切断手段２８は、レーザや電気抵抗溶接等を用いて熱で切断することができる。レーザや電気抵抗溶接等の場合は、接合装置２６と同一の装置を利用できるため、別途切断装置を設けなくてよい。ダイシングソーやバンドソー等の切断手段を用いた場合には結晶化領域を低減させることができるため有効である。

切断手段２８周辺の短辺方向の接合点数を増やし、切断を容易にすることが可能である。すなわち、平面領域の短辺方向の接合点２１の数は図示されるように３点であるのに対し、切断手段２８の右側をアモルファス薄帯の短辺方向に５点等にするということである。

上記した本発明の４枚１組のアモルファス薄帯１０をラッピングして鉄心３０ｂを構成する。方法の一例として、オーバラップして重ねる。この場合、結晶化した部分は接合点２１だけであるため、結晶化されていない部分同士が接触する面積が大きく、磁気回路の流れが阻害されない。

オーバラップして重ねると４枚１組のアモルファス薄帯１０の厚み分（アモルファス薄帯２枚分の厚さ）が増えるが、下層のオーバラップ箇所をずらしてステップラップ構造とすると数千枚の４枚１組のアモルファス薄帯１０を積層してもその厚み分が増すだけとなる。したがって、鉄心３０ｂは、積層されたアモルファス薄帯の枚数の厚みに４枚１組のアモルファス薄帯１０の厚み分を足した大きさで構成することができ、鉄心の小型化が実現できる。つまり、１０００組の４枚１組アモルファス薄帯１０を用いて、ステップラップ構造とすると２００２枚分の厚みで鉄心を作ることができる。

上記実施例についてアモルファス薄帯を代表例として説明したが、ケイ素鋼板や方向性電磁鋼板等の板状の金属部材であれば、板状金属部材であれば実施可能である。また、アモルファス薄帯やケイ素鋼板を含む概念として４枚１組の板状の金属部材は、板状の金属部材の集合体ということである。

図６を用いて実施例２について説明する。これまで、２種類の幅ＷｌとＷｓのアモルファス薄帯を各層に２枚（合計４枚）を組み合わせた例を説明したが、各層に配置される枚数や配置方法による幅が広いアモルファス薄帯を構成する例である。

（ａ）に示すように、２種類の幅Ｗｌ、Ｗｓのアモルファス薄帯を用いた合計６枚で並べた例の６枚１組のアモルファス薄帯１０ａの断面図を示す。第１層の第１の端部５０ｃから第２の端部５０ｄに向かって、幅Ｗｌのアモルファス薄帯１００が１枚、幅Ｗｓのアモルファス薄帯２００が２枚並べられている。また、第２層の第１の端部５０ｃから第２の端部５０ｄに向かって、幅Ｗｓのアモルファス薄帯４００が２枚、幅Ｗｌのアモルファス薄帯３００が１枚並べられている。

また、第１層の幅Ｗｌのアモルファス薄帯１００と第２層の幅Ｗｓのアモルファス薄帯４００との重なりあう部分の一部が接合点２１で接合されており、これらのアモルファス薄帯１００と４００はバラけないようになっている。他のアモルファス薄帯も異なる層のアモルファス薄帯と重なりあう部分の一部が接合されている。

（ｂ）の例は、（ａ）と異なる順序で並べられた６枚１組のアモルファス薄帯１０ｂの断面図を示す。第１層の第１の端部５０ｃから第２の端部５０ｄに向かって、アモルファス薄帯１００が２枚、アモルファス薄帯２００が１枚並べられ、第２層は、アモルファス薄帯４００が１枚、アモルファス薄帯３００が２枚を順に並べられている。

（ｃ）の例は、（ａ）、（ｂ）とは異なり８枚１組のアモルファス薄帯１０ｃの断面図を示す。第１層の第１の端部５０ｃから第２の端部５０ｄに向かって、アモルファス薄帯１００が２枚、アモルファス薄帯２００が２枚並べられ、第２層は、アモルファス薄帯４００が１枚、アモルファス薄帯３００が１枚、アモルファス薄帯４００が１枚、アモルファス薄帯３００が１枚を順に並べられている。

これらの実施例１で説明した４枚１組のアモルファス薄帯１０や図６の６枚１組のアモルファス薄帯１０ａ，１０ｂ、８枚１組のアモルファス薄帯１０ｃは、それぞれ接合点２１が３、５、５、７点である。

つまり、アモルファス薄帯が４枚の場合は接合点２１が３点であり６枚の場合は５点であることから、各アモルファス薄帯がバラけないようにするための最小の接合点の数は、使用するアモルファス薄帯の枚数をｎとすると、ｎ−１の関係である。つまり、アモルファス薄帯の重なりあう部分を使用枚数より１少ない数で接合することで、幅が広い１枚のアモルファス薄帯として鉄心材料とすることができる。

次に、（ｄ）について説明するが、他の例と異なるのは３種類目の幅Ｗｍのアモルファス薄帯５００を用いる点である。他の例と同様に第１層のアモルファス薄帯と第２の層のアモルファス薄帯が重なりあう部分を有するように配置し、重なりあう部分の一部を接合されている。このようにアモルファス薄帯の幅は２種類だけでなく３種類でも実施できる。また、並べ方は一例を示すものであり、（ａ）、（ｂ）のように他の順序で並べることもできる。また、３種類の幅だけでなく４種類以上であっても同様に実施でき、任意の幅の鉄心材料を構成することができる。

このように（ａ）から（ｃ）の例は、第１層と第２層とで、同一のアモルファス薄帯の幅や枚数の組み合わせで構成されるため、アモルファス薄帯の幅の総和を合わせやすい。つまり、層ごとに並べ順が違っていても、使用するアモルファス薄帯が層ごとに同じ組み合わせであり、端面を揃えることが容易となる。端面を揃えることで鉄心としての占積率が向上する。

次に、（ｅ）の例について説明する。これまでは各層に異なる幅のアモルファス薄帯を用いて１組のアモルファス薄帯を構成する例を説明したが、各層で同じ幅のアモルファス薄帯を用いる例を説明する。

第１層の第１の端部５０ｃから順に、幅Ｗｓのアモルファス薄帯２００が３枚、第２層の第１の端部５０ｃから順に、幅Ｗｌのアモルファス薄帯３００が２枚並べられている。これらの重なりあう部分の一部が接合点２１により接合されている。少なくとも２種類の幅のアモルファス薄帯の組み合わせにより、本発明の思想を実施することができる。

さらに、変形例として（ｆ）の例について説明する。６枚１組のアモルファス薄帯１０ｆの断面を示す。使用するアモルファス薄帯は（ｅ）の例と同様である。違いは、第１層と第２層の第１の端部５０ｃ側が揃っているが、第２の端部５０ｄ側が揃っていない。

この場合は、鉄心として組み立てた際に、第２の端部５０ｄ側を薄くすることができる。鉄心と巻線コイルとの間にスペーサや緩衝部材を挟む等の場合に有効である。このように、端部を第１の端部５０ｃと第２の端部５０ｄは必ずしも一致または揃えなくとも本発明を実施することができる。

また、各層のアモルファス薄帯を全て同じ幅のアモルファス薄帯として実施することも可能である。この場合は第１層と第２層のアモルファス薄帯をそれぞれ重なりあう部分を設けるために、第１の端部と第２の端部が揃わないこととなる。鉄心の両端部に丸みを持たせたる、または端部に段差を有する段付き鉄心とする場合には有効な実施例である。

これらの方法で、幅が広いアモルファス鉄心を製造することができる。また、接合点２１を設けるため、鉄心組み立ての際に、アモルファス薄帯の位置ズレが生じにくくなるため、鉄心性能のバラ付きを低減できる。さらには、人手による突き合わせ面の間隙の調整が不要となるため、生産効率を向上させることが可能となる。

また、幅広に形成し接合した薄帯（４枚１組のアモルファス薄帯１０）は元のアモルファス薄帯の厚みにオーバーラップ分の増加であるため影響は小さく、鉄心の小型化に寄与する。

さらに、４枚１組のアモルファス薄帯１０の接合点２１は結晶化しているが、磁気回路の流れに対して小さな断面積で接合しているため、結晶化した接合箇所の影響を抑えることができる。ひいては鉄心や変圧器として磁気損失の影響は小さくすることができる。

上記した各実施例の構成は、変圧器及び変圧器の鉄心のみならず、鉄心とコイルを有するリアクトル（静止誘導機器）にも本発明を適用可能である。この場合も製造されたリアクトルの鉄心ごとの占積率のバラ付きを小さくすることができ、ひいては、鉄心特性が安定したリアクトルを提供することを実現できる。

１、３…幅が広いアモルファス薄帯、２、４…幅が狭いアモルファス薄帯、１０、１０ａ…４枚１組のアモルファス薄帯、２１、２１ａ…接合点、３０ａ…外鉄心、３０ｂ、３０ｃ…内鉄心、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ…コイル、５０…幅広鉄心の断面、ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４…コーナ部

Claims (20)

1. 巻鉄心と、前記巻鉄心に巻き回されたコイルとを有する変圧器であって、
   前記巻鉄心は、板状の金属部材の集合体が積層されており、
   前記板状の金属部材の集合体は、前記金属部材が隣り合うように２つ以上並べられた第１の層と、第２の層とを有し、
   前記第１の層の金属部材と接触する前記第２の層の金属部材とが重なりあう部分に接合部を有していること
   を特徴とする変圧器。
2. 請求項１に記載の変圧器において、
   前記第１の層の金属部材と前記第２の層の金属部材とが前記接合部を介して交互に接続されたこと
   を特徴とする変圧器。
3. 請求項２に記載の変圧器において、
   前記第１の層の金属部材の数と前記第２の層の金属部材の数の和よりも１少ない数以上の前記接合部が前記金属部材の短辺方向に設けられたこと
   を特徴とする変圧器。
4. 請求項２に記載の変圧器において、
   前記第１の層の金属部材は２以上の幅の金属部材を有していること
   を特徴とする変圧器。
5. 請求項４に記載の変圧器において、
   前記第２の層の金属部材は、前記第１の層の金属部材と同じ幅の金属部材を有していることを特徴とする変圧器。
6. 請求項５に記載の変圧器において、
   前記第１の層の金属部材のうち第１の端部側の金属部材の幅と、前記第２の層の金属部材のうち第２の端部側の金属部材の幅が同一であること
   を特徴とする変圧器。
7. 請求項４に記載の変圧器において、
   前記接合部は、前記金属部材の長手方向に異なる間隔で設けられていること
   を特徴とする変圧器。
8. 請求項４に記載の変圧器において、
   前記巻鉄心の径方向に複数の前記接合部が設けられており、
   前記巻鉄心のコーナ部よりも平面領域に前記接合部が多く設けられたこと
   を特徴とする変圧器。
9. 請求項８に記載の変圧器において、
   前記巻鉄心のコーナ部において、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材が接合されていないこと
   を特徴とする変圧器。
10. 請求項４に記載の変圧器において、
    前記巻鉄心の側面である前記第１の層の第１の端部側に配置される金属部材の端面と、前記第２の層の第１の端部側に配置される金属部材の端面が揃うように配置されたこと
    を特徴とする変圧器。
11. 請求項４に記載の変圧器において、
    前記金属部材はアモルファス薄帯であること
    を特徴とする変圧器。
12. 請求項１１に記載の変圧器において、
    前記接合部は、前記アモルファス薄帯が結晶化されていること
    を特徴とする変圧器。
13. 請求項１１に記載の変圧器において、
    前記巻鉄心のラッピング部分は、前記接合部と異なる部分同士が接触されていること
    を特徴とする変圧器。
14. 金属部材が巻き回された鉄心であって、
    前記板状の金属部材の集合体が積層されており、
    前記板状の金属部材の集合体は、前記金属部材が隣り合うように２つ以上並べられた第１の層と、第２の層とを有し、
    前記第１の層の金属部材と接触する前記第２の層の金属部材とが重なりあう部分に接合部を有していること
    を特徴とする鉄心。
15. 金属部材が巻き回された鉄心であって、
    第１の幅の金属部材と前記第１の幅より短い第２の幅の金属部材が第１の層に隣り合うように並べられており、
    第３の幅の金属部材と前記第３の幅より長い第４の幅の金属部材が第２の層に隣り合うように並べられており、
    前記第１の幅の金属部材と接触する前記第３の層の金属部材とが重なりあう部分に接合部を有していること
    を特徴とする鉄心。
16. 請求項１４または１５に記載の鉄心であって、
    前記金属部材はアモルファス金属部材であること
    を特徴とする鉄心。
17. アモルファス金属部材であって、
    前記アモルファス金属部材は、前記アモルファス金属部材が隣り合うように２つ以上並べられた第１の層と、第２の層とを有し、
    前記第１の層のアモルファス金属部材と接触する前記第２の層のアモルファス金属部材とが重なりあう部分に接合部を有していること
    を特徴とするアモルファス金属部材。
18. アモルファス金属部材であって、
    第１の幅のアモルファス金属部材と前記第１の幅より短い第２の幅のアモルファス金属部材が第１の層に隣り合うように並べられており、
    第３の幅のアモルファス金属部材と前記第３の幅より長い第４の幅のアモルファス金属部材が第２の層に隣り合うように並べられており、
    前記第１の幅のアモルファス金属部材と接触する前記第３の層のアモルファス金属部材とが重なりあう部分に接合部を有していること
    を特徴とするアモルファス金属部材。
19. 請求項１８に記載のアモルファス金属部材において、
    前記第２の幅のアモルファス金属部材と接触する前記第３の幅のアモルファス金属部材とが重なりあう部分に接合部を有し、
    前記第１の幅のアモルファス金属部材と接触する前記第４の幅のアモルファス金属部材とが重なりあう部分に接合部を有していること
    を特徴とするアモルファス金属部材。
20. 請求項１９に記載のアモルファス金属部材において、
    前記接合部は、結晶化した領域を有していること
    を特徴とするアモルファス金属部材。

Images