JP2020096100A - 静止誘導機器用鉄心及び静止誘導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部部分の磁気抵抗に起因する損失を小さく抑える。【解決手段】実施形態に係る静止誘導機器用鉄心は、電磁鋼板を複数枚積層して構成されるものであって、前記各電磁鋼板は、該電磁鋼板の端部同士が突き合わされる接合部を、ずらして配置しながら積層されると共に、前記各電磁鋼板の端部表面における他の電磁鋼板の接合部とのラップしている部分に位置して、歪みにより磁区微細分化がなされた磁区微細分化処理部が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、静止誘導機器用鉄心及び静止誘導機器に関する。

静止誘導機器例えば変圧器の鉄心においては、ケイ素鋼板等の電磁鋼板を複数枚積層して構成されるいわゆる積鉄心が知られている。例えば三相変圧器用の積鉄心にあっては、３本の脚部と上下の継鉄部とが接合されるが、特に中央の脚部と継鉄部との間の接合部分において、電磁鋼板の圧延方向とは異なる方向の回転磁束が生ずるため、損失（鉄損）が大きくなることが指摘されている。そこで、特許文献１においては、積鉄心を構成する電磁鋼板の表面に対し、その圧延方向に関して縦横方向に格子状にレーザ照射を行う磁区微細分化処理を施すことにより、磁区微細分化制御を行い、損失の低減を図ることが提案されている。

特開２０１５−１０６６３１号公報

ところで、変圧器の鉄心には、帯板状の電磁鋼板を、一巻きごとに少なくとも１箇所の突合せ接合部を設けながら複数枚巻き重ねて構成される、いわゆるワンターンカット型の巻鉄心と称されるものがある。このものでは、例えば下部の継鉄部に位置して突合せ接合部を設け、その接合部において、電磁鋼板を階段状にずらしていきながら巻き重ねることが行われる。このとき、例えば、接合部に非磁性のシート部材が配置され、一定の幅のエアギャップが設けられる。

ところが、このように階段状にずれながら設けられた接合部ひいてはエアギャップを有する鉄心にあっては、鉄心を流れる磁束が、エアギャップ部分で積層方向に隣り合う電磁鋼板に渡るようにしながら流れることになる。そのため、接合部で磁気抵抗が大きくなって損失が生ずる問題がある。この場合、巻鉄心だけでなく、電磁鋼板を複数枚積層して継鉄部及び脚部を夫々形成し、それらを接合部で額縁状に突き合せて構成される積鉄心においても、継鉄部と脚部との突合せ接合部分を、積層方向に階段状にずれていくステップラップ接合部としたものがあり、同様に接合部で損失が発生する問題がある。

そこで、電磁鋼板を複数枚積層して構成され、電磁鋼板の端部同士が突き合わされる接合部をずらして配置しながら積層されるものにあって、接合部部分の磁気抵抗に起因する損失を小さく抑えることができる静止誘導機器用鉄心及び静止誘導機器を提供する。

実施形態に係る静止誘導機器用鉄心は、電磁鋼板を複数枚積層して構成されるものであって、前記各電磁鋼板は、該電磁鋼板の端部同士が突き合わされる接合部を、ずらして配置しながら積層されると共に、前記各電磁鋼板の端部表面における他の電磁鋼板の接合部とのラップしている部分に位置して、歪みにより磁区微細分化がなされた磁区微細分化処理部が設けられている。

第１の実施形態を示すもので、巻鉄心の全体構成を概略的に示す正面図 接合部部分の拡大正面図 電磁鋼板の端部の拡大底面図 損失の試験結果を示す図 第２の実施形態を示すもので、積層鉄心の全体構成を概略的に示す正面図 図５のＡ−Ａ線に沿う接合部部分の拡大横断面図 電磁鋼板の端部の拡大正面図 第３の実施形態を示すもので、接合部部分の拡大正面図

（１）第１の実施形態
以下、静止誘導機器としての単相の変圧器を構成する巻鉄心に適用した第１の実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る静止誘導機器用鉄心としての変圧器用の巻鉄心１の全体構成を示している。この巻鉄心１は、図で上下方向に延びる２本の脚部２、２と、それら脚部２、２の上端部同士、下端部同士を左右につなぐ継鉄部３、３とを有した、コーナー部が丸みを帯びた矩形環状に構成されている。各脚部２、２には、夫々巻線４（想像線で示す）が装着される。尚、以下の説明で方向を言う場合には、図１の状態を正面図として説明する。

図２にも示すように、この巻鉄心１は、帯状の電磁鋼板例えばケイ素鋼板からなる帯板材５を、一巻きごとの所要寸法に切断し、それら１枚１枚の帯板材５を、端部同士が突き合わされる接合部６を設けながら、内外周方向に複数枚巻き重ねて構成される、いわゆるワンターンカット型のものとされている。各帯板材５には方向性電磁鋼板が用いられ、長手方向（巻回方向）が圧延方向とされている。

本実施形態では、前記接合部６は、下部の継鉄部３の中央部分に来るように構成されると共に、接合部６を、帯板材５の巻き重ね方向（径方向）に階段状に一定のピッチｐでずらしてラップさせながら積層するように構成される。この場合、巻鉄心１の下部の継鉄部３において、接合部６を、内周側から外周側に向けて図で右側に順にずらして配置していくことが行われる。また、継鉄部３は、巻き重ね方向に複数個のブロック、図では２つのブロックに分けられ、接合部６が階段状に配置されることが繰返される。図示はしないが、前記各接合部６には、シート状の磁気的絶縁物が配置されて所定寸法のエアギャップが設けられる。

さて、本実施形態では、図２及び図３に示すように、前記各帯板材５の端部表面における他の帯板材５の接合部６とラップしている部分に位置して、歪みにより磁区微細分化がなされた磁区微細分化処理部７が設けられている。図２に便宜上細かいギザギザな線で示すように、磁区微細分化処理部７は、帯板材５のうち、端部の一方の面である図で下面側の、接合部６の片側この場合右側に位置して、一定の範囲、例えば帯板材５の幅方向全体に渡り、接合部６のずれのピッチｐの２倍程度の長さ寸法の範囲で設けられている。この範囲は、帯板材５の端部の表面のうち、重なり合う別の帯板材５に対し磁束Φ（上の４枚の帯板材５にのみ細線で示す）が渡る範囲とされている。

より具体的には、図３に示すように、磁区微細分化処理部７は、帯板材５の端部下面に対し、連続した線状に延びるレーザ照射処理を、互いに交差する二方向に格子状に施して構成される。これにより、帯板材５の端部下面には、レーザ照射による線状痕Ｌ１、Ｌ２が形成されている。そのうち線状痕Ｌ１は、帯板材５の圧延方向に延びて、所定の間隔ｓを有して多数本が平行に形成されている。これに対し、線状痕Ｌ２は線状痕Ｌ１に交差する方向、この場合帯板材５の圧延方向と直交する方向に延びて、やはり所定の間隔ｓを有して多数本が平行に形成されている。

この場合、線状痕Ｌ１、Ｌ２が形成される間隔ｓは、例えば２．０ｍｍ以下とされている。尚、電磁鋼板（帯板材５）に対するレーザ照射処理は、周知の一般的なレーザ照射装置により行うことができる。このときのレーザ照射処理の条件等については、例えば特開２０１５−１０６６３１号公報（段落［００２３］、図８）等で公知であり、ここでの説明は省略する。

次に、上記構成の巻鉄心１の作用・効果について、図４も参照して述べる。まず、上記巻鉄心１の組立手順について簡単に述べる。即ち、巻鉄心１を組立てるにあたっては、所定幅の帯板材５を所要の長さ寸法に裁断し、裁断した帯板材５の端部の表面（下面となる側）にレーザ照射処理を施し磁区微細分化処理部７を形成する。そして、磁区微細分化処理部７を設けた帯板材５を、例えば内周側のものから順に、端部を下部の継鉄部３に位置させるようにしながら、帯板材５を四角形の環状に巻くように折曲げる。この場合、内周側の帯板材５から外周側に向けて１枚ずつ密着させながら巻き重ねていく。

この巻き重ね時においては、帯板材５の両端部が接近するようにして、接合部６が形成されるのであるが、上記のように、接合部６が階段状に配置されるように、位置決めしながら巻き重ねる。これにて、帯板材５の巻き重ね方向に接合部６が階段状にずれた状態の巻鉄心１が構成される。このとき、図２に示すように、接合部６の上面に位置する帯板材５の下面の磁区微細分化処理部７がその接合部６にラップするように配置される。

上記構成の巻鉄心１においては、図２に示すように、下部の継鉄部３に帯板材５の端部同士が突き合わされる接合部６が設けられているので、上半分のみ示すように、接合部６部分で磁束Φは、積層方向に隣り合う帯板材５に渡るようにしながら流れる。そのため、その接合部６部分で磁気抵抗が大きくなって損失（鉄損）が大きくなる虞がある。ところが、本実施形態では、帯板材５の端部表面には、接合部６にラップする部分に位置して、磁区微細分化処理部７が設けられている。この磁区微細分化処理部７は、帯板材５の表面に対し、磁区微細分化処理を施して歪みにより磁区微細分化がなされたものであり、この部分における磁気抵抗を減少させることができる。ひいては、巻鉄心１全体として損失を少なく済ませることができる。

図４は、帯板材５に磁区微細分化処理部７を設けた本実施形態の巻鉄心１と、磁区微細分化処理部を設けない巻鉄心とにおける損失を調べた試験結果を示している。ここでは、処理のない巻鉄心の損失を基準（１００％）として、各磁束密度において、実施形態の巻鉄心１の損失がどの程度低下しているかをプロットしている。この試験結果から明らかなように、本実施形態の巻鉄心１では、磁区微細分化処理部を設けないものと比べて損失を低減することができ、また、磁束密度が大きいほど損失が小さくなる結果が得られた。

このように、本実施形態によれば、帯板材５を複数枚積層して構成され、帯板材５の端部同士が突き合わされる接合部６を、ずらして配置しながら帯板材５を巻き重ねるものにあって、接合部６の磁気抵抗に起因する損失を小さく抑えることができるという優れた効果を得ることができる。

特に本実施形態では、帯板材５に、交差（直交）する二方向に２．０ｍｍ以下の間隔で平行に格子状のレーザ照射処理を施して、連続した線状の線状痕Ｌ１、Ｌ２を設けることにより、磁区微細分化処理部７を形成した。レーザ照射処理によって、磁区微細分化処理部７を確実に形成することができる。このとき、線状痕Ｌ１、Ｌ２を二方向に格子状に形成し、その際の線状のレーザ処理の間隔を、２．０ｍｍ以下とすることにより、損失の低減率を大きくすることができることも明らかになっている。より好ましくは０．５ｍｍ以下である。この場合、２．０ｍｍを越えた間隔とすると、損失低減効果に劣るようになる。

そして、特に本実施形態では、磁区微細分化処理部７を、帯板材５の端部表面のうち一方の面である下面側に、接合部６の片側に位置して、重なり合う別の帯板材５に対し磁束Φが渡る範囲に設けるようにした。また、磁区微細分化処理部７を、帯板材５の圧延方向に対してほぼ直交する幅方向全体に位置して設けるようにした。これにより、必要以上に処理を行うことなく済ませながら、十分な効果が得られる範囲、つまり必要且つ十分な範囲に、磁区微細分化処理部７を設けることができる。

（２）第２の実施形態
次に、第２の実施形態について、図５〜図７を参照して述べる。この第２の実施形態では、積鉄心に適用している。図５は、本実施形態に係る変圧器用の積鉄心１１の全体構成を示している。この積鉄心１１は、図で左右方向に延びる上部、下部の継鉄部１２、１２、上下方向に延びそれら継鉄部１２、１２間を上下に繋ぐ左右の脚部１３、１３、並びに中央脚部１４を備えている。各脚部１３、１３、１４には、夫々巻線（図示せず）が装着される。尚、以下の説明で方向を言う場合には、図５の状態を正面図として説明する。

積鉄心１１を構成する継鉄部２、２及び各脚部３、３、４は、例えばケイ素鋼板からなる電磁鋼板１６を、図で前後方向に複数枚積層して構成される。そして、後述するように、それら継鉄部１２、１２及び各脚部１３、１３、１４が突合せ接合されることにより、積鉄心１１全体が構成される。尚、継鉄部１２、１２を構成する電磁鋼板１６としては、方向性電磁鋼板が用いられ、圧延方向が図で左右方向とされている。各脚部１３、１３、１４を構成する電磁鋼板１６としては、やはり方向性電磁鋼板が用いられ、圧延方向が図で上下方向とされている。

積鉄心１１においては、突合せ部分のうち、継鉄部１２、１２の左右の両端部と左右の脚部１３、１３の上下端部とが接合される上下左右の４つの角部が、斜めほぼ４５度に切込まれたいわゆる額縁状の突合せ形態とされる。このとき、図６にも示すように、継鉄部１２、１２と脚部１３、１３とが突き合わされる接合部１７においては、双方の接合面が、電磁鋼板１６の積層方向（図で前後方向）に、順に階段状にずれていくステップラップ接合部とされている。

また、前記中央脚部１４は、一定の幅の板を上下両端部において、中心部分が頂点をなし、そこから左右両側に斜め４５度の角度で切断したＶ字状の凸形態に構成されている。前記継鉄部１２、１２の内側を向く辺部の中央部には、前記中央脚部１４に対応して、角度９０度のＶ字状の切欠き（凹部）が形成されている。詳しく図示はしないが、継鉄部１２、１２の内側を向く辺部の中央部と中央脚部１４の上下端部とが接合される接合部１８についても、双方の接合面が、電磁鋼板１６の積層方向（図で前後方向）に、順に階段状にずれていくステップラップ接合部とされている。

さて、本実施形態では、図６及び図７に示すように、前記継鉄部１２、１２を構成する電磁鋼板１６の端部表面（前面）における接合部１７、１８を構成する部分、つまり重なり合う他の電磁鋼板１６とラップしている部分に位置して、歪みにより磁区微細分化がなされた磁区微細分化処理部１９が設けられている。図６は、図５のＡ−Ａ線に沿う断面を、便宜上ハッチングを省略して示している、図６に便宜上細かいギザギザの線で示すように、磁区微細分化処理部１９は、継鉄部１２、１２を構成する電磁鋼板１６のうち、端部の一方の面である図で前面側に位置して、一定の範囲、例えば電磁鋼板１６の幅方向全体に渡り、接合部１７、１８におけるずれのピッチｐの２倍程度の長さ寸法の範囲で設けられている。この範囲は、電磁鋼板１６の端部の前面のうち、重なり合う別の電磁鋼板１６に対し磁束Φが渡る範囲とされている。

このとき、図７に一部を示すように、磁区微細分化処理部１９は、電磁鋼板１６の表面側の接合部１７、１８構成部分に対し、連続した線状に延びるレーザ照射処理を、互いに交差する二方向に格子状に施して構成される。これにより、電磁鋼板１６の表面には、レーザ照射による線状痕Ｌ１、Ｌ２が形成されている。そのうち線状痕Ｌ１は、電磁鋼板１６の圧延方向に延びて、所定の間隔ｓを有して多数本が平行に形成されている。これに対し、線状痕Ｌ２は線状痕Ｌ１に交差する方向、この場合電磁鋼板１６の圧延方向と直交する方向に延びて、やはり所定の間隔ｓを有して多数本が平行に形成されている。この場合、線状痕Ｌ１、Ｌ２が形成される間隔ｓは、やはり２．０ｍｍ以下とされている。

次に、上記構成の積鉄心１１の作用・効果について述べる。まず、上記積鉄心１１１の組立手順について簡単に述べる。即ち、積鉄心１１を組立てるにあたっては、上下の継鉄部１２、１２、左右の脚部１３、１３、中央脚部１４は、夫々、予め必要形状に裁断された複数枚の電磁鋼板１６が積層され、例えば接着により固着一体化されてブロックとされる。尚、上下の継鉄部１２、１２は同等のものが共用化でき、左右の脚部１３、１３についても同等のものが共用化できる。

このとき、上下の継鉄部１２、１２に関しては、予め、電磁鋼板１６のうち、接合部１７、１８構成部分に対しレーザ照射処理を施し磁区微細分化処理部１９を形成しておき、磁区微細分化処理部１９を設けた電磁鋼板１６が積層されて構成される。積鉄心１１の組立にあたっては、まず、例えば下部の継鉄部１２に対し、ブロック状とされた左右の脚部１３、１３及び中央脚部１４が、各接合部１７、１８において接合（ステップラップ接合）される。この際の接合は、例えばクランプ部材や締結部材を用いた周知の方法を採用することができる。この後、各脚部１３、１３、１４に対して夫々図示しない巻線が装着される。その上で、各脚部１３、１３、１４の上端に対し、ブロック状とされた上部の継鉄部１２が、各接合部１７、１８において接合（ステップラップ接合）される。

これにて、図５に示すように、上下の継鉄部１２、１２と、左右の脚部１３、１３及び中央脚部４１とが突合せ接合された積鉄心１１が得られる。図６は、積鉄心１１のうち、図５で左下部の下部の継鉄部１２と左側の脚部１３との接合部１７の横断面形状を、代表させて示している。脚部１３を構成する電磁鋼板１６と、継鉄部１２を構成する電磁鋼板１６と両端部が接近して突き合せられ、接合部１７が形成されるのであるが、接合部１７が階段状に配置される。このとき、図６に示すように、接合部１７の後面側に位置する電磁鋼板１６の前面の磁区微細分化処理部１９がその接合部１７にラップするように配置される。

上記構成の積鉄心１１においては、図６に示すように、継鉄部１２、１２と脚部１３、１３、１４とが突き合わされる接合部１７、１８が設けられているので、接合部１７、１８部分では磁束Φは、積層方向に隣り合う電磁鋼板１６に渡るようにしながら流れる。そのため、その接合部１７、１８部分で磁気抵抗が大きくなって損失が大きくなる虞がある。ところが、本実施形態では、継鉄部１２、１２を構成する電磁鋼板１６には、接合部１７、１８にラップする部分に位置して、磁区微細分化処理部１９が設けられている。この磁区微細分化処理部１９により、電磁鋼板１６間を磁束Φが渡る際の磁気抵抗を減少させることができる。ひいては、積鉄心１１全体として損失を少なく済ませることができる。

このように本実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様に、電磁鋼板１６を複数枚積層して構成され、電磁鋼板１６の端部同士が突き合わされる接合部１７、１８をずらして配置しながら積層されるものにあって、磁区微細分化処理部１９を設けたことにより、接合部１７、１８部分の磁気抵抗に起因する損失を小さく抑えることができる等の優れた効果を得ることができる。また、特に本実施形態では、上下部の継鉄部１２、１２のみに磁区微細分化処理部１９を設ける構成としたことにより、十分な損失低減効果を得ながらも、簡単な構成で済ませることができ、磁区微細分化処理（レーザ照射処理）も容易になる。

（３）第３の実施形態、その他の実施形態
図８は、第３の実施形態を示すものであり、巻鉄心３１の接合部３２部分の構成を示している。この巻鉄心３１においても、電磁鋼板からなる帯板材３３を、端部同士が突き合わされる接合部３２を設けながら、内外周方向に複数枚巻き重ねて構成される。この第３の実施形態が上記第１の実施形態と異なる点は、磁区微細分化処理部３４を、帯板材３３の端部のうち、図で上下両面に、接合部３２の両側に位置して設けた構成にある。

この場合も、磁区微細分化処理部３４は、レーザ照射処理により、格子状に線状痕を設けてなり、各帯板材３３の端部の両面における他の帯板材３３の接合部３２とラップしている部分に位置して、一定の範囲即ち重なり合う別の帯板材３３に対し磁束Φが渡る範囲に、帯板材３３の幅方向全体に設けられている。この第３の実施形態においても、上記第１の実施形態と同様に、接合部３２部分の磁気抵抗に起因する損失を小さく抑えることができる等の優れた効果を得ることができる。

尚、上記した各実施形態では、電磁鋼板の表面に対するレーザ照射処理によって磁区微細分化処理部を設けるようにしたが、それ以外にも、プラズマ照射や焼き鏝による刻印により熱的ストレスを与えること、或いは、ギアやプレスにより機械的ストレスを与えることにより磁区微細分化処理部を設けるようにしても良い。磁区微細分化処理部の線状痕は、格子状（交差する二方向）に限定されず、様々な方向に延びるように形成することができる。電磁鋼板の圧延方向に対し斜め方向に傾斜する形態で設けても良い。線状痕を形成する間隔ｓについては、０．５ｍｍ以下とすることがより好ましい。

その他、磁区微細分化処理部は、電磁鋼板の圧延方向に対してほぼ直交する幅方向に対して一部のみ設けた場合でも、損失低減の効果が得られることが確認されている。以上説明した実施形態は、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、１、３１は巻鉄心、２は脚部、３は継鉄部、４は巻線、５、３３は帯板材（電磁鋼板）、６、３２は接合部、７、１９、３４は磁区微細分化処理部、１１は積鉄心、１２は継鉄部、１３は脚部、１４は中央脚部、１６は電磁鋼板、１７、１８は接合部、１９はスクラッ処理部、Φは磁束、Ｌ１、Ｌ２は線状痕を示す。

Claims (9)

1. 電磁鋼板を複数枚積層して構成される静止誘導機器用の鉄心であって、
   前記各電磁鋼板は、該電磁鋼板の端部同士が突き合わされる接合部を、ずらして配置しながら長柄積層されると共に、
   前記各電磁鋼板の端部表面における他の電磁鋼板の接合部とのラップしている部分に位置して、歪みにより磁区微細分化がなされた磁区微細分化処理部が設けられている静止誘導機器用鉄心。
2. 前記磁区微細分化処理部は、前記電磁鋼板の表面に対し、レーザ照射やプラズマ照射、焼き鏝による刻印により熱的ストレスを与えること、或いは、ギアやプレスにより機械的ストレスを与えることにより設けられる請求項１記載の静止誘導機器用鉄心。
3. 前記磁区微細分化処理部は、前記電磁鋼板の表面に対し、交差する二方向に延びて複数本線状痕を形成することにより構成されている請求項１又は２記載の静止誘導機器用鉄心。
4. 前記磁区微細分化処理部は、前記電磁鋼板の端部表面のうち少なくとも一方の面に、前記接合部の片側又は両側に位置して設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の静止誘導機器用鉄心。
5. 前記磁区微細分化処理部は、前記電磁鋼板の端部の表面のうち、重なり合う別の電磁鋼板に対し磁束が渡る範囲に設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の静止誘導機器用鉄心。
6. 前記磁区微細分化処理部は、前記電磁鋼板の圧延方向に対してほぼ直交する幅方向全体又は一部に位置して設けられている請求項１から５のいずれか一項に記載の静止誘導機器用鉄心。
7. 帯板状の電磁鋼板を、一巻きごとに少なくとも１箇所の接合部を設けながら複数枚巻き重ねて構成される巻鉄心である請求項１から６のいずれか一項に記載の静止誘導機器用鉄心。
8. 前記電磁鋼板を複数枚積層して継鉄部及び脚部を夫々形成し、それらを接合部で突き合せて構成される積鉄心である請求項１から６のいずれか一項に記載の静止誘導機器用鉄心。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の静止誘導機器用鉄心を備えている静止誘導機器。

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