JP2021068865A - 積鉄心適用変圧器及び組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ結晶積鉄心の機械的強度、剛性を確保し、積鉄心の組立性および作業性に優れたナノ結晶積鉄心変圧器を提供する。【解決手段】前記課題を解決するため、ナノ結晶積鉄心変圧器は薄帯が積層された積層ブロックを積層した鉄心を備えた積鉄心変圧器であって、積層ブロックの積層方向に鉄心を挟み込む支持部材と、支持部材の対向面の一方に、積層ブロックの位置決めガイドと、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は積鉄心変圧器に関し、特にナノ結晶積鉄心変圧器に関する。

近年、省エネルギー型変圧器用鉄心として、磁気損失が少なく磁気特性に優れたアモルファス磁性材料が使用されている。変圧器鉄心に用いるアモルファス薄帯は、磁性合金の溶融体を超急冷して製造するもので、磁気損失が非常に小さく、優れた磁気特性を備えている。しかし、鉄心を形成するアモルファス薄帯は、薄くて硬く、脆いという性質がある。そのため、厚さ約0.025ｍｍの薄帯を何千枚も積層して形成しているものの、機械的強度、剛性が十分に得られず、珪素鋼板のように自立させることが困難である。また、アモルファス磁性材料は応力感度が高いため、応力を付与することにより、磁気損失が増加することも知られている。

一方、近年、磁気損失がアモルファス磁性材料の1/2以下という優れた磁気性能を有するナノ結晶材料に注目が集まっている。ナノ結晶材料はアモルファス薄帯を窒素またはアルゴン雰囲気中において結晶化温度以上で熱処理することにより、結晶粒径を10nm程度まで小さくすることで得られる。また、ナノ結晶薄帯は厚さ約0.018ｍｍと極薄であり、アモルファス薄帯よりも脆いという性質があり、従来と同じように何千枚も積層して、鉄心を形成することは困難である。

アモルファス薄帯片を用いた積層磁心を作製する際のアモルファス薄帯片の取り扱い性及びアモルファス薄帯片を用いた積層磁心の組み立て作業を飛躍的に改善する磁心片及び磁心を提供するための技術として、特許文献１がある。特許文献１は、閉磁路を構成する複数の磁心ブロックを有し、磁心ブロックは、複数の磁心片の積層体であり、磁心片は、複数のアモルファス薄帯片が積層された積層構造と、積層構造の積層方向における少なくとも一方の端面に配置された電磁鋼板と、を含み、積層構造及び電磁鋼板が積層面で固定化された磁心、及び磁心片が開示されている。

特開２０１８−６０８３２号公報

特許文献１は、アモルファス薄帯により磁心を構成する技術について開示されているが、この技術をナノ結晶材に適用した場合、ナノ結晶積鉄心の機械的強度、剛性が十分に得られず、積鉄作業、ならびに挿し鉄作業が困難となる、という課題が考えられる。

そこで、本発明は、積鉄心の機械的強度、剛性を確保し、積鉄心の組立性および作業性に優れた積鉄心変圧器を提供する。

上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願明細書は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、積鉄心適用変圧器は、薄帯が積層された積層ブロックを積層した鉄心を備えた積鉄心変圧器であって、積層ブロックの積層方向に鉄心を挟み込む支持部材と、支持部材の対向面の一方に、積層ブロックの位置決めガイドと、を備える。

また、

本発明によれば、積鉄心変圧器において、積鉄心の機械的強度、剛性を確保し、積鉄心の組立性と作業性を向上させることができる。

実施例のナノ結晶積鉄心の支持構造を説明する斜視図である。 実施例のナノ結晶積鉄心のＵ字状に組み立てた状態（積鉄作業）を示す斜視図である。 実施例のナノ結晶積鉄心にコイルを挿入した状態を説明する斜視図である。 実施例のナノ結晶積鉄心を説明する斜視図である。 実施例のＵ字状の下部支持部材の正面図である。 実施例のナノ結晶薄帯の積層ブロックを積層する積鉄作業を説明する平面図である。 実施例のナノ結晶薄帯の積層ブロックの２層目を積層する積鉄作業を説明する平面図である。 実施例のナノ結晶積鉄心の挿し鉄作業を説明する斜視図である。 実施例の位置決めガイドであるＬ字ガイドを説明する斜視図と正面図である。 実施例のナノ結晶積鉄心に用いる位置決めガイド（ガイドピン）を説明する斜視図及び正面図である。 実施例のナノ結晶積鉄心に用いる位置決めガイド（板金の曲げ加工ガイド）を説明する斜視図及び正面図である。 実施例のナノ結晶薄帯の部分接着積層ブロックを説明する正面図及び側面図である。 実施例のナノ結晶薄帯の部分接着積層ブロックの第一の変形例を説明する側面図である。 実施例のナノ結晶薄帯の部分接着積層ブロックの第二の変形例を説明する側面図である。 実施例のナノ結晶積鉄心において、部分接着積層ブロックの重なり方を説明する正面図である。 実施例のナノ結晶積鉄心において、部分接着積層ブロックの重なり方と、ナノ結晶積鉄心の締め付け位置を説明する側面図である。 実施例のナノ結晶積鉄心において、部分接着積層ブロックの非接着部の固定方法を説明する側面図である。

以下、実施例を、図面を用いて説明する。

実施例１では、ナノ結晶積鉄心の機械的強度、剛性を確保し、かつ組立性および作業性に優れたナノ結晶積鉄心変圧器の例を説明する。

図１は、実施例のナノ結晶積鉄心の支持構造を説明する斜視図である。Ｕ字状の下部支持部材（当て板）１の隅に、位置決めガイドであるＬ字ガイド２ａ〜２ｊを配置したものである。L字ガイド２ａ〜２ｊの高さは鉄心の厚さに相当する。下部支持部材は、L字ガイドが配置され、左右の脚鉄５、３と下継鉄４とでＵ字状に一体に形成され、積層ブロック１３（図２参照）を支持する。

図２は、実施例１のナノ結晶積鉄心のＵ字状に組み立てた状態（積鉄作業）を示す斜視図である。ナノ結晶薄帯の積層ブロック１３を、脚鉄（右側）３、下継鉄４、脚鉄（左側）５に対し、積層ブロックの幅寸法だけ交互に位置をずらしながら積層する。また、積層ブロック１３をＬ字ガイド２ａ〜２ｊで位置決めしながらＵ字状に組み立てる（積鉄作業）。支持部材は、L字ガイドが配置され、左右の脚鉄５、３と下継鉄４とでＵ字状に一体で、積層ブロック１３を支持する下部支持部材１と、下部支持部材１に対向する上部支持部材６（図３参照）とを有する。積層ブロック１３は、厚さ約0.018ｍｍのナノ結晶薄帯を１０枚程度積層したものである。但し、ナノ結晶薄帯の枚数は、これに限るものではなく、図２のように組み立て得るものであれば良い。また、積層ブロック１３は、アモルファス薄帯を用いることもできる。

図３は、Ｕ字状のナノ結晶積鉄心３１を、上部支持部材（当て板）６で挟み込んで固定し、コイル２０を２個、軸方向から挿入した状態を示す。脆弱なナノ結晶積鉄心３１を、２枚の支持部材（当て板）で挟み込むことにより、機械的強度と、剛性を確保する。ナノ結晶積鉄心３１は、積層ブロック１３を積層ブロックの幅寸法だけずらしながら積層した部材である。

図４は、ナノ結晶積鉄心を説明する斜視図である。図４は、ナノ結晶薄帯の積層ブロック７を、積層ブロック１３の幅寸法だけ交互に位置をずらしながらＵ字状のナノ結晶積鉄心３１の空隙部に挿し込んで組み立てた状態（挿し鉄作業）を示す。これによりナノ結晶積鉄心変圧器３０が完成する。

ここで、Ｕ字状のナノ結晶積鉄心３１の挿し鉄作業の詳細について説明する。

図５は、Ｕ字状の下部支持部材（当て板）１の正面図である。Ｌ字ガイド２ａ〜２ｊを位置決めガイドとして使うことにより、ナノ結晶薄帯の積層ブロック１３（例えば、ナノ結晶薄帯を１０枚積層して構成）の位置を精度良く組み立てることが可能であり、作業性も向上する。

例えば、図６に示すように、ナノ結晶薄帯の積層ブロック１３を積層する積鉄作業の１層目を、脚鉄（右側）３、下継鉄４、脚鉄（左側）５に対する順番で組み立てた場合、点線で示した上継鉄７は積鉄作業では本来、存在しないがあえて図示した。後の挿し鉄作業で、この空隙部２１に、ナノ結晶薄帯積層ブロック７を挿し込む必要がある。

一方、積鉄作業の２層目では図７に示すように、積層ブロックの幅寸法だけずらす必要があり、脚鉄（右側）３’、下継鉄４’、脚鉄（左側）５’に対する順番で組み立てる。この場合、点線で示した上継鉄７’も積層ブロック１３の幅寸法だけずれた位置に存在する必要があり、この点線部が空隙部となる。積鉄作業の３層目は１層目のくり返しである。積鉄作業の４層目は２層目のくり返しである。下部支持部材１は、L字ガイドが配置され、左右の脚鉄５、３と下継鉄４とでＵ字状に一体に構成され、積層ブロック１３を支持する。積鉄作業は、下部支持部材１上に、積層ブロック１３をL字ガイドによって、短手方向である幅分だけ長手方向に交互にずらされた状態で積層する。

このように、位置決めガイドに隣接する積層ブロック１３同士は、位置決めガイドによって所定間隔（位置決めガイドであるL字ガイドの幅寸法）だけ、空けた状態で積層される。位置決めガイドにより所定間隔が精度良く保たれるので、鉄心の磁気性能を設計通り実現することができる。位置決めガイドに隣接する積層ブロック１３は、間隔を空けずに積層した方が、一般的に磁気特性が優れると考えられる。しかしながら、積層ブロック１３を精度よく積層することは困難であるため、所望の鉄心の磁気特性を得ることが困難である。そこで、発明者らは、位置決めガイドを用いることで精度よく積層ブロックを積層した。敢えて、位置決めガイドにより、隣接する積層ブロック１３同士が所定間隔だけ隔てて積層することで、積層ブロックよく積層した鉄心を得ることができ、設計通りの磁気特性を有する鉄心を得ることができる。

図８は、ナノ結晶積鉄心の挿し鉄作業を説明する斜視図である。図８に示すように、挿し鉄作業はナノ結晶薄帯の積層ブロック７を、積層ブロックの幅寸法だけ交互に位置をずらしながらＵ字状のナノ結晶積鉄心３１の空隙部に挿し込んで組み立てる作業といえる。上継鉄を構成する積層ブロックを、左右の脚鉄５、３上に構成された積層ブロックの接続位置まで刺す。

図９は、位置決めガイドであるＬ字ガイド２ａの斜視図と正面図である。Ｌ字ガイド２ａは下部支持部材（当て板）１に配置されたL字の柱状構造であるため、ナノ結晶薄帯の積層ブロック（例えば、ナノ結晶薄帯を１０枚積層して構成）を積層方向に支持することが可能である。Ｌ字ガイド２ａは、所定の幅寸法７１を有する。所定の幅寸法７１は、鉄心の磁気特性や積層ブロック１３の支持強度を考慮して、0.5ｍｍ程度とする。これにより、隣接する積層ブロック１３同士を、所定間隔だけ、空けた状態で積層することができる。

図１０は、Ｌ字ガイドの第一の変形例であり、ガイドピン８ａ、８ｂの斜視図と正面図である。ガイドピン８ａ、８ｂは、下部支持部材（当て板）１’に、直角に配置された２本の円柱状ピンであり、ナノ結晶薄帯積層ブロック（例えば、ナノ結晶薄帯を１０枚積層して構成）を位置決めする。ガイドピン８ａは、所定の直径(0.5ｍｍ程度)を有する。これにより、隣接する積層ブロック１３同士を、所定間隔だけ空けた状態で積層することができる。

図１１は、Ｌ字ガイドの第二の変形例であり、曲げ加工ピン９ａ、９ｂの斜視図と正面図である。下部支持部材（当て板）１’’を板金曲げ加工することで曲げ加工ピン９ａ、９ｂを製作し、ナノ結晶薄帯の積層ブロック（例えば、ナノ結晶薄帯を１０枚積層して構成）１３を位置決めすることが可能である。曲げ加工ピン９ａは、幅方向に所定の寸法（0.5ｍｍ程度）を有する。これにより、隣接する積層ブロック１３同士を、所定間隔だけ空けた状態で積層することができる。

以上説明した変形例を含むＬ字ガイドは、鉄心として磁気の乱れを防止し、必要な強度を得るため、ステンレス、アルミニウムなど非磁性の材料で構成することが望ましい。

実施例２では、ナノ結晶積鉄心の機械的強度、剛性を確保できるナノ結晶積鉄心変圧器の例を説明する。

図１２は、部分接着積層ブロック１０（例えば、ナノ結晶薄帯を１０枚積層して構成）の正面図と側面図である。部分接着積層ブロック１０は、薄帯層間に接着剤を介して、複数のナノ結晶薄帯１１の長手方向両端部の一定長さが選択的に接着されている。ここで長手方向の接着寸法を所定の長さＤ２とすると、積層ブロックの幅寸法Ｄ１に対し、Ｄ１＜Ｄ２となるように接着する。積層ブロック１３は、長手方向両端部が薄帯及び接着剤の切断面となりナノ結晶薄帯の表面の欠けを防止することができる。なお、接着材１２は機械的強度、剛性を確保するため、全体を接着してもよいし、スポット状に接着してもよいことはもちろんである。ナノ結晶薄帯の接着部は機械的強度、剛性が向上し、珪素鋼板のように自立させることができる。また、接着材に限らず、スポット溶接で薄帯層間を接合してもよい。ここで、複数のナノ結晶薄帯１１の長手方向両端部を接着した別の効果として、積鉄作業において、部分接着積層ブロック１０を、作業者が容易にハンドリングできる利点がある。

図１３は、部分接着積層ブロックの第一の変形例の側面図である。接着材１２が部分接着積層ブロック１３（例えば、ナノ結晶薄帯を１０枚積層して構成）の表面にもあることが特徴である。つまり、積層ブロック１３の薄帯１１の表面に、接着材による層を有する。これは部分接着積層ブロックの製造する工程において、部分接着積層ブロックの両端部を切断する際に、ナノ結晶薄帯の表面の欠けを防止することができる。従って、ここで説明する部分接着積層ブロックの長手方向両端部は切断面となる。

図１４は、部分接着積層ブロックの第ニの変形例の側面図である。アモルファス薄帯１４を部分接着積層ブロック１５の表面に配置したことが特徴である。これも部分接着積層ブロックの両端部を切断する際に、ナノ結晶薄帯の表面の欠けを防止する別の方法である。

図１５は、部分接着積層ブロック１０を、積鉄作業でＵ字状に組み立てた状態を示す正面図であり（上部支持部材（当て板）６は図示せず）、部分接着積層ブロックの重なり方を説明する図である。

図１６は、その側面図であり、ナノ結晶積鉄心において、部分接着積層ブロックの重なり方と、ナノ結晶積鉄心の締め付け位置を説明する側面図である。図１５、図１６を用いて、ナノ結晶積鉄心における部分接着積層ブロック１０の重なり方を説明する。前述した通り、部分接着積層ブロック１０は、接着寸法Ｄ１、Ｄ２とすると、Ｄ１＜Ｄ２の関係が成立する。積鉄作業後では、図１５に示すように脚鉄（右側）において、部分接着積層ブロック１０の接着範囲が一部重なっていることが確認できる。この重なり方は下継鉄、脚鉄（左側）においても同様である。ここで重なり部分の寸法は（Ｄ２−Ｄ１）となる。そこで図１６に示すように、この重なり部分（Ｄ２−Ｄ１）は、接着剤が必ず存在する部分であるため、強度が高い。この重なり部分（Ｄ２−Ｄ１）を締め込むことにより、ナノ結晶積鉄心の機械的強度、剛性を向上させることができる。さらにこの重なり部分（Ｄ２−Ｄ１）は挿し鉄作業時において、挿し鉄のストッパとして機能する。

実施例３では、ナノ結晶積鉄心において、非接着部の固定方法の例を説明する。
図１７は部分接着積層ブロック１０を、積鉄作業でＵ字状に組み立てた状態を示す側面図である。実施例のナノ結晶積鉄心において、部分接着積層ブロックの非接着部の固定方法を示している。

前述した通り、部分接着積層ブロック１０の重なり方から、中心部に非接着部が集中し、その部分でナノ結晶薄帯は固定されておらず、脆弱なままである。積層ブロックで接着剤によって接着されていない領域に対し、上部支持部材（当て板）６’に穴を空け、そこに圧入ピン１６で、下部支持部材１の方向に締め込むことにより、部分接着積層ブロック１０の非接着部を積層方向に固定する。これにより、ナノ結晶積鉄心の機械的強度、剛性を向上させることができる。また、図示していないが、上継鉄においても支持部材（当て板）を両側にあてがい、上記と同じように圧入ピンを締め込むことで固定できるのはもちろんである。

以上、上述した実施例によれば、ナノ結晶積鉄心変圧器において、ナノ結晶積鉄心の機械的強度、剛性を確保し、積鉄心の組立性と作業性を向上させることができる。

1、1’、1’’ ・・・・・・・下部支持部材（当て板）
2a、2b、2c、2d、2e、
2f、2g、2h、2i、2j・・・・・Ｌ字ガイド
3 ・・・・・・・・・・・・・脚鉄（右側）
4 ・・・・・・・・・・・・・下継鉄
5 ・・・・・・・・・・・・・脚鉄（左側）
6、6’・・・・・・・・・・・上部支持部材（当て板）
7 ・・・・・・・・・・・・・上継鉄
8a、8b・・・・・・・・・・・ガイドピン
9a、9b・・・・・・・・・・・曲げ加工ピン
10、10’、10’’、10’’’・部分接着積層ブロック
11・・・・・・・・・・・・・ナノ結晶薄帯
12・・・・・・・・・・・・・接着材
13・・・・・・・・・・・・・部分接着積層ブロックの変形例
14・・・・・・・・・・・・・アモルファス薄帯
15・・・・・・・・・・・・・部分接着積層ブロックの変形例
16・・・・・・・・・・・・・圧入ピン
20・・・・・・・・・・・・・コイル
30・・・・・・・・・・・・・ナノ結晶積鉄心変圧器

Claims (11)

1. 薄帯が積層された積層ブロックを積層した鉄心を備えた積鉄心変圧器であって、
   前記積層ブロックの積層方向に前記鉄心を挟み込む支持部材と、
   前記支持部材の対向面の一方に、前記積層ブロックの位置決めガイドと、を備えている、
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
2. 請求項１に記載の積鉄心変圧器において、
   前記薄帯は、ナノ結晶であり、
   前記位置決めガイドに隣接する前記積層ブロック同士が、所定間隔だけ空けた状態で積層されている、
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
3. ナノ結晶の薄帯が積層された積層ブロックを積層した鉄心を備えた積鉄心変圧器であって、
   前記鉄心を前記積層ブロックの積層方向に挟み込む支持部材と、
   前記支持部材の対向面の一方に、前記積層ブロックの位置決めガイドと、を備え、
   前記支持部材は、
   前記位置決めガイドが配置され、左右の脚鉄と下継鉄とでＵ字状に一体に形成され、前記積層ブロックを支持する下部支持部材と、
   前記下部支持部材に対向する上部支持部材と、を有する、
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
4. 請求項３に記載の積鉄心変圧器において、
   前記位置決めガイドは、ステンレス、アルミニウムなど非磁性である、
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
5. 請求項３に記載の積鉄心変圧器において、
   前記積層ブロックの薄帯は、長手方向両端部の一定長さが、接着剤により選択的に接着されている、
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
6. 請求項５に記載の積鉄心変圧器において、
   前記積層ブロックの薄帯は、短手方向である幅分（D1）よりも長手方向に長く、積層方向に所定長さ(D2)接着され、
   前記積層ブロックは、前記短手方向である幅分（D1）だけ前記長手方向に交互にずらされた状態で積層され、
   上継鉄を構成する積層ブロックは、前記左右の脚鉄上に構成された積層ブロックの接続位置まで刺さっている、
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
7. 請求項５に記載の積鉄心変圧器において、
   前記積層ブロックで前記接着剤によって接着されていない領域を、前記下部支持部材の方向に前記上部支持部材に設けた穴から締め込む圧入ピンと、を有する
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
8. 請求項１に記載の積鉄心変圧器において、
   前記積層ブロックは、長手方向両端部に薄帯及び接着剤の切断面がある
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
9. 請求項８に記載の積鉄心変圧器において、
   前記積層ブロックの前記薄帯の表面に、接着材による層を有する、
   ことを特徴とする積鉄心変圧器。
10. 請求項８に記載の積鉄心変圧器において、
    前記積層ブロックは、前記薄帯をアモルファス薄帯で挟み込んでいる、
    ことを特徴とする積鉄心変圧器。
11. ナノ結晶の薄帯が積層された積層ブロックを積層した鉄心を備えた積鉄心変圧器の組み立て方法であって、
    前記積層ブロックの薄帯は、短手方向である幅分（D1）よりも長手方向に長く、積層方向に所定長さ(D2)接着し、
    位置決めガイドが配置され、左右の脚鉄と下継鉄とでＵ字状に一体に形成された前記積層ブロックを支持する下部支持部材上に、前記積層ブロックを前記位置決めガイドによって、前記短手方向である幅分（D1）だけ前記長手方向に交互にずらされた状態で積層し、
    上継鉄を構成する積層ブロックを、前記左右の脚鉄上に構成された積層ブロックの接続位置まで刺す、
    ことを特徴とする積鉄心変圧器の組み立て方法。

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