JP2021520649A

JP2021520649A - 電磁誘導装置用磁気コア、磁気コアを備えた電磁誘導装置、および磁気コアの製造方法

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Publication number: JP2021520649A
Application number: JP2020563686A
Authority: JP
Inventors: ムーサビー，セイエド・アリ
Original assignee: ABB Power Grids Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: EP3567612A1; EP3567612B1; JP7102549B2; WO2019215233A1; CA3094265A1; US20210217551A1; KR102350400B1; CA3094265C; KR20200138783A; CN112041946A; PL3567612T3

Abstract

電磁誘導装置用の磁気コア（１）は、粒子配向材料から作られたリム（５）と、非晶質材料から作られたヨーク（３）と、粒子配向材料から作られた補助接合部材（７）とを含み、補助接合部材（７）は、リム（５）とヨーク（３）とを接合し、リム（５）の粒子配向は、補助接合部材（７）の粒子配向に対して垂直である。

Description

技術分野
本開示は、一般的に変圧器およびリアクトルなどの電磁誘導装置に関し、具体的に電磁誘導装置の磁気コアに関する。

背景
電磁誘導装置、例えば変圧器の磁気コアは、巻線の磁束を容易に鎖交し、エネルギーを伝達する効率的な磁気結合を形成する。

動作時、磁気コアに無負荷損失が形成される。無負荷損失は、磁気コアに通電するために必要な磁化電流によって引き起こされ、負荷電流に依存しない。

無負荷損失を低減することが望ましい。これによって、総所有コストを低減することができ、環境面からも重要である。

磁気コアに非晶質材料を使用することによって、無負荷損失を低減することができる。磁気コアに使用される通常の粒子配向鋼比べて、非晶質材料は、同様の磁束密度の場合に、遥かに低い損失を有する。非晶質材料の欠点は、飽和磁束密度が低いことである。

日本公開特許公報２０１３０８０８５６は、シリコン鋼板を積層することによって作られたリムと、非晶質合金薄帯を積層することによって作られたヨークとを含む静止誘導電気装置用ハイブリッド積層コアを開示している。リムとヨークとの間の接続は、シリコン鋼板と非晶質合金薄帯とを交互に積層することによって形成される。

概要
日本公開特許公報２０１３０８０８５６に開示されたハイブリッド積層コア構成の１つの欠点は、接合領域における追加の損失である。この損失は、磁化電流および無負荷損失を増加させる。この損失は、接合領域の磁束が、曲がることにより粒子配向に交差することに起因して発生する。

さらに、本発明の発明者らは、非晶質材料と粒子配向材料との接合が、ハイブリッド磁気コアを実現するための主な課題の１つであることを認識した。例えば、非晶質材料および粒子配向材料を切断するための切断機の調整は、実際には困難である。また、粒子配向材料に比べて、非晶質材料は、軟質であるため、接合を行う時に取扱にくい。したがって、従来の磁気コア設計に従って、非晶質材料の積層プレートを交互に積層することにより接合を形成することは、困難である。

本開示の目的は、従来技術の既存の問題を解決するまたは少なくとも軽減する磁気コアを提供することである。

したがって、本開示の第１態様によれば、電磁誘導装置用の磁気コアが提供される。この磁気コアは、粒子配向材料から作られたリムと、非晶質材料から作られたヨークと、粒子配向材料から作られた補助接合部材とを含み、補助接合部材は、リムとヨークとを接合し、リムの粒子配向は、補助接合部材の粒子配向に対して垂直である。

補助接合部材によって、磁気コアを容易に製造することができる。さらに、粒子配向に対して垂直な構成は、磁束の曲げを低減する。これによって、無負荷損失を低減することができる。

一実施形態によれば、補助接合部材は、粒子配向材料から構成される。
一実施形態によれば、補助接合部材の粒子配向は、ヨークの長手方向の延長と平行である。したがって、補助接合部材の粒子配向は、ヨークの長手中心軸と平行である。

一実施形態によれば、補助接合部材およびリムは、リムの長手中心軸に対して斜めにまたは角度付きで、互いに接合される。

補助接合部材の寸法は、リムの長手中心軸に沿ってリムから補助接合部材に向かう方向に、ヨークとの接合部からリムとの接合部まで増加してもよい。

寸法は、線形に増加してもよい。
補助接合部材とヨークとの間の接合部は、リムの長手中心軸に平行または本質的に平行であってもよい。

一実施形態によれば、リムおよび補助接合部材の各々は、複数の積層プレートを含み、補助接合部材とリムとの間の接合は、補助接合部材の積層プレートをリムの積層プレートとを交互に積層することによって形成される。

一実施形態によれば、ヨークおよび補助接合部材の各々は、複数の積層プレートを含み、補助接合部材とヨークとの間の接合は、補助接合部材の積層プレートとヨークの積層プレートとを交互に積層することによって形成される。

一実施形態によれば、補助接合部材とリムとの間の接合は、斜め接合（mitre joint）である。リムおよび補助接合部材の垂直粒子配向構成に併せて、斜め接合を使用することは、特に有利である。磁束は、接合部において方向を約９０°に急激に変化し、したがって、日本公開特許公報２０１３０８０８５６に記載されたように、リムおよびヨークの粒子配向構造に交差しない。これによって、磁束の曲げを改善することができ、無負荷損失を低減することができる。

一実施形態によれば、斜め接合の角度は、４５°である。これは、従来の磁気コアを製造する際に、両方とも粒子配向材料から作られたヨークおよびリムを切断するときの典型的な角度である。４５°の斜め接合を使用することによって、同一の工場で作られた従来の設計用の切断機と同様の設定の切断機を、本発明のハイブリッド設計に使用することができる。

一実施形態によれば、補助接合部材とヨークとの間の接合は、突合せ接合（butt-lap joint）である。これによって、非晶質材料から作られたヨークを、ヨークの長手方向の延長線に対して直角に切断して、補助接合部材と接合することができる。非晶質材料が軟質であるため、ヨークの積層プレートと補助接合部材の積層プレートとの交互積層が容易になる。

一実施形態によれば、ヨークは、リムよりも大きい断面を有する。これによって、ヨークの飽和点を増大させることができる。

本開示の第２態様によれば、第１態様による磁気コアを備える電磁誘導装置が提供される。

一実施形態によれば、電磁誘導装置は、変圧器またはリアクトルである。
一実施形態によれば、電磁誘導装置は、高電圧電磁誘導装置である。

本開示の第３の態様によれば、電磁誘導装置の磁気コアの製造方法が提供される。この方法は、ｂ）粒子配向材料から作られたリムと粒子配向材料から作られた補助接合部材とを、リムの粒子配向が補助接合部材の粒子配向に対して垂直であるように接合する工程と、ｃ）非晶質材料から作られたヨークと補助接合部材とを接合する工程とを含む。

ヨークと補助接合部材との接合は、リムと補助接合部材との接合の後または接合の前に行われてもよく、すなわち、工程ｂ）およびｃ）の順序を入れ替えてもよい。

一実施形態によれば、リム、ヨークおよび補助接合部材の各々は、複数の積層プレートを含み、補助接合部材とリムとの接合は、補助接合部材の積層プレートとリムの積層プレートとを交互に積層することを含み、補助接合部材とヨークとの接合は、補助接合部材の積層プレートとヨークの積層プレートと交互に積層することを含む。

一実施形態は、接合の前に、補助接合部材の粒子配向に対して補助接合部材を斜めに切断する工程を含み、リムと補助接合部材との接合は、斜め接合を形成する。

一実施形態は、接合の前に、補助接合部材の粒子配向に対して補助接合部材を垂直に切断する工程を含み、補助接合部材とヨークとの接合は、突合せ接合を形成する。

一般的に、特許請求の範囲で使用された全ての用語は、本明細書に特に明示的に定義しない限り、技術分野における通常の意味に従って解釈されるべきである。「ある要素、装置、構成要素または手段」の言及は、特に明記しない限り、少なくとも１つの要素、装置、構成要素または手段を意味するとして広義に解釈されるべきである。

添付の図面を参照して、例示として、本発明の発想を示す特定の実施形態を説明する。

一例の磁気コアの隅部分を概略的に示す断面図である。別の例の磁気コアの隅部分を概略的に示す断面図である。３相用途の磁気コアの一例を概略的に示す図である。磁気コアを可視化するように電磁誘導装置を概略的に示す断面図である。磁気コアの製造方法を示すフローチャートである。

詳細な説明
以下、例示的な実施形態を示している添付の図面を参照して、本発明の発想をより詳しく説明する。しかしながら、本発明の発想は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を徹底的且つ完全に説明し、本発明の発想の範囲を当業者に完全に伝えるように、例示として提供される。本明細書の全体において、同様の番号は、同様の要素を指す。

図１は、一例として、電力変圧器、配電変圧器またはリアクトルなどの電磁誘導装置用の磁気コア１の左上隅を示す。

磁気コア１は、上部ヨーク３と、リム５と、補助接合部材７とを含む。図示していないが、磁気コアは、少なくとも材料の種類および接合に関して、上部ヨーク３およびリム５と同様の下部ヨークおよび別のリムを含む。

ヨーク３は、非晶質材料から作られる。特に、ヨーク３は、非晶質材料から構成されてもよい。材料は、例えば、非晶質鋼であってもよい。ヨーク３は、複数の積層プレートまたはリボンを含む。各プレートは、好ましくは、非晶質材料から作られる。

リム５は、粒子配向材料から作られる。特に、リム５は、粒子配向材料から構成されてもよい。粒子配向材料は、例えば、シリコン鋼であってもよい。リム９の粒子配向は、矢印Ｇ１によって示されるように、好ましくはリム９の長手方向と平行な第１配向を有することができる。

リム５は、複数の積層プレートを含む。各プレートは、好ましくは、粒子配向材料から作られる。

補助接合部材７は、粒子配向材料から作られる。特に、補助接合部材７は、粒子配向材料から構成されてもよい。粒子配向材料は、例えば、シリコン鋼であってもよい。補助接合部材７の粒子配向は、矢印Ｇ２によって示されるように、好ましくはヨーク３の長手方向に平行であり且つ第１配向に垂直である第２配向を有することができる。したがって、好ましくは、補助接合部材７の粒子配向とリム５の粒子配向とは、垂直である。

補助接合部材７は、複数の積層プレートを含む。各プレートは、好ましくは、粒子配向材料から作られる。

補助接合部材７は、ヨーク３とリム５とを接合する。したがって、補助接合部材７は、ヨーク３とリム５とを接続する。補助接合部材７は、ヨーク３とリム５との間に配置されている。補助接合部材７は、多面体形状を有してもよく、ヨーク３は、補助接合部材７の第１面に接合され、リム５は、補助接合部材７の第１面に隣接する第２面に接合されてもよい。

補助接合部材７とヨーク３とは、ヨーク３の積層プレート／リボンと補助接合部材７の積層プレートとを交互に積層することによって接合される。このようにして得られた摩擦力は、補助接合部材７とヨーク３とを一体として保持する。

補助接合部材７とリム５とは、リム５の積層プレートと補助接合部材７の積層プレートとを交互に積層することによって接合される。このようにして得られた摩擦力は、補助接合部材７とリム５とを一体として保持する。

ヨーク３は、リム３よりも大きい断面積を有してもよく、好ましくはヨーク３の長手方向延在に沿って任意箇所で得られた断面においてリム３よりも大きい断面積を有してもよい。ヨーク３の断面積は、リム５の粒子配向材料に比べて非晶質材料のより低い飽和点を補償するように選択されてもよい。これによって、ヨーク３は、通常動作中に飽和しない。

補助接合部材７とリム５との接合は、斜め接合であってもよく、段付き斜め接合であってもよい。斜め接合または段付き斜め接合の角度αは、例えば、約４５°、例えば４５°±１°〜２°であってもよく、または正確に４５°であってもよい。角度αは、補助接合部材７の第１面と第２面との間の角度である。

補助接合部材７とリム５との間の接合の角度付き構造および両者の垂直な粒子配向により、磁束Φは、実質的にリム５または補助接合部材７の粒子配向に交差しない。その逆、磁束Φの方向は、結合部において実質的に垂直に変更され、補助結合部材７の粒子配向と同様になる。

補助接合部材７とヨーク３との間の接合は、突合せ接合であってもよい。したがって、ヨーク３は、ヨーク３の長手延在方向に対して垂直な切断端面３ａを有する。

図１の例では、ヨーク３は、リム５よりも大きい断面積を有する。したがって、側面視の場合、補助接合部材７は、台形形状を有する。

図１に示すように、磁気コア１のリム５の周囲に巻線９を巻回することができる。
図２は、別の例の磁気コアを示している。磁気コア１′は、図１の磁気コア１と非常に類似している。しかしながら、補助接合部材７′は、図１に示された４５°または約４５°の角度とは異なる角度で切断される。図２の例において、斜め接合または段付き斜め接合の角度αは、例えば２０°＜α＜４５°および４５°＜α＜７０°の範囲にある。

図３は、３相用途の磁気コア１′′の一例を概略的に示す。磁気コア１′′は、３相電磁誘導装置に使用されるように構成されている。磁気コア１′′は、側方に配置された２つのリム５と、２つの側方リム５の間に配置されたリム５′′とを含む。３つのリム５、５′′は、互いに平行に配置されている。全ての３つのリム５、５′′の断面寸法は、細くなるまで同様である。全ての３つのリム５、５′′は、粒子配向材料から作られ、その粒子配向は、リムの長手延長方向と平行である。リム５、５′′は、積層プレートから形成されてもよい。

さらに、ヨーク３′′は、第１ヨーク部材４ａと、第２ヨーク部材４ｂとを含む。第１ヨーク部材４ａおよび第２ヨーク部材４ｂは各々、非晶質材料から作られる。第１ヨーク部材４ａは、上述したように、補助接合部材７または７′を介して、左側のリム５に接続される。第２ヨーク部材４ｂは、上述したように、補助接合部材７または７′を介して、右側のリム５に接続される。

磁気コア１′′は、さらに、追加の補助結合部材７′′を含む。補助接合部材７′′は、以下「中央リム」と称されるリム５′′と第１ヨーク部材４ａおよび第２ヨーク部材４ｂとの間の接続を形成するように構成される。

中央リム５′′は、先細端部を有する。この先細上端は、図３に示される。図３の例によれば、先細形状は、リム５′′の長手中心軸に対して対称である。先細端部は、三角形または角錐形状であり、等辺三角形の形状を形成する。三角形の頂角βは、リム５と補助接合部材７との間の斜め接合または段付き斜め接合の角度αの２倍に等しくてもよい。

以下、「中央補助接合部材」と称される補助接合部材７′′は、中央リム５′′の先細端部を受け入れるように構成される。このため、中央補助接合部材７′′は、三角形の先細端部に対応する形状の切欠きを有する。

中央補助接合部材７′′は、粒子配向材料から作られ、その粒子配向は、中央リム５′′の粒子配向に対して垂直である。

中央補助接合部材７′′は、第１ヨーク部材５ａと第２ヨーク部材４ｂとの間に延在する粒子配向プレートを積層することによって形成された単一の部品であってもよく、粒子配向プレートを積層することによって形成された２つ以上の部品であってもよい。この場合、２つ以上の部品は、頂点の頂角βと交差する垂直線に沿って接合されてもよい。接合は、２つ以上の部品の積層プレートを交互に積層することによって形成されてもよい。

中央補助接合部材７′′の積層プレートは、第１ヨーク部４ａの積層プレートと第２ヨーク部４ｂの積層プレートとに交互に積層されていてもよい。これによって、中央補助接合部材７′′を第１ヨーク部４ａおよび第２ヨーク部４ｂに接合することができる。同様に、中央補助接合部材７′′の積層プレートは、中央リム５′′の積層プレートと交互に積層されてもよい。

図３の例において、角度αは、例えば４５°であるが、４５°と異なる角度であってもよい。角度４５°は、例えば、２０°＜α＜４５°および４５°＜α＜７０°であってもよい。

図４は、電磁誘導装置１１の一例を概略的に示す。電磁誘導装置１１は、例えば、電力変圧器または配電変圧器などの変圧器、またはリアクトルであってもよい。

電磁誘導装置１１は、例えば、高電圧直流（ＨＶＤＣ）誘導装置などの高電圧誘導装置であってもよく、または中電圧誘導装置であってもよい。

電磁誘導装置１１は、磁気コア１と、リム５に巻回された巻線９および１０と、各巻線９および１０に各々電気的に接続されたブッシング１３とを含む。図示には、１つのみのブッシング１３が示されている。

図４は、一例として、２相の電磁誘導装置１１を示しているが、磁気コア１は、代替的に、さらなる電気相、例えば３相用途のために、さらなるリムを備えてもよい。

図５は、磁気コア１、１′を製造する方法のフローチャートを示す。
工程ａ）において、補助接合部材７、７′の粒子配向に対して補助接合部材７、７′を斜めに切断することによって、リム５と接合するための第２面を形成する。また、補助接合部材７、７′の粒子配向に対して補助接合部材７、７′を垂直に切断することによって、ヨーク３と接合するための第１面を形成する。第１面と第２面とは、角度αを形成する。２つの切断工程は、任意の順序で行われてもよい。

工程ｂ）において、補助接合部材７、７′をリム５に接合する。特に、補助接合部材７、７′の積層プレートは、リム５の積層プレートと交互に積層されている。このようにして、斜め接合または段付き斜め接合が形成される。

工程ｃ）において、補助接合部材７，７′をヨーク３に接合する。特に、補助接合部材７、７′の積層プレートは、ヨーク３の積層プレートと交互に積層されている。このようにして、突合せ接合が形成される。また、工程ｂ）およびｃ）は、任意の順序で行われてもよい。

上記ａ）〜ｃ）の工程は、磁気コア１、１′に含まれる全ての補助接合部材７、７′に対して行われる。

以上、いくつかの例を参照しながら、本発明の発想を概ね説明した。しかしながら、当業者によって容易に理解されるように、上記で開示されたもの以外の他の実施形態も、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の発想の範囲内で同様に可能である。

ヨーク３は、リム５よりも大きい断面積を有してもよく、好ましくはヨーク３の長手方向延在に沿って任意箇所で得られた断面においてリム５よりも大きい断面積を有してもよい。ヨーク３の断面積は、リム５の粒子配向材料に比べて非晶質材料のより低い飽和点を補償するように選択されてもよい。これによって、ヨーク３は、通常動作中に飽和しない。

さらに、ヨーク３′は、第１ヨーク部材４ａと、第２ヨーク部材４ｂとを含む。第１ヨーク部材４ａおよび第２ヨーク部材４ｂは各々、非晶質材料から作られる。第１ヨーク部材４ａは、上述したように、補助接合部材７または７′を介して、左側のリム５に接続される。第２ヨーク部材４ｂは、上述したように、補助接合部材７または７′を介して、右側のリム５に接続される。

中央補助接合部材７′′は、第１ヨーク部材４ａと第２ヨーク部材４ｂとの間に延在する粒子配向プレートを積層することによって形成された単一の部品であってもよく、粒子配向プレートを積層することによって形成された２つ以上の部品であってもよい。この場合、２つ以上の部品は、頂点の頂角βと交差する垂直線に沿って接合されてもよい。接合は、２つ以上の部品の積層プレートを交互に積層することによって形成されてもよい。

Claims

電磁誘導装置（１１）用の磁気コア（１；１′；１′′）であって、
粒子配向材料から作られたリム（５；５′′）と、
非晶質材料から作られたヨーク（３；３′′）と、
粒子配向材料から作られた補助接合部材（７；７′；７′′′）とを含み、
前記補助接合部材（７；７′；７′′）は、前記リム（５；５′′）と前記ヨーク（３；３′′）とを接合し、
前記リム（５；５′′）の粒子配向は、前記補助接合部材（７；７′；７′′）の粒子配向に対して垂直である、磁気コア（１；１′；１′′）。
前記補助接合部材（７；７′；７′′）は、粒子配向材料から構成される、請求項１に記載の磁気コア（１；１′；１′′）。
前記リム（５）および前記補助接合部材（７；７′；７′′）の各々は、複数の積層プレートを含み、
前記補助接合部材（７；７′；７′′）と前記リム（５；５′′）との間の接合は、前記補助接合部材（７；７′；７′′）の前記積層プレートと前記リム（５；５′′）の前記積層プレートとを交互に積層することによって形成される、請求項１または２に記載の磁気コア（１；１′；１′′）。
前記ヨーク（３；３′′）および前記補助接合部材（７；７′；７′′）の各々は、複数の積層プレートを含み、
前記補助接合部材（７；７′；７′′）と前記ヨーク（３；３′′）との間の接合は、前記補助接合部材（７；７′；７′′）の前記積層プレートを前記ヨーク（３；３′′）の前記積層プレートとを交互に積層することによって形成される、先行する請求項のいずれか１項に記載の磁気コア（１；１′；１′′）。
前記補助接合部材（７；７′）と前記リム（５）との間の接合は、斜め接合である、先行する請求項のいずれか１項に記載の磁気コア（１；１′；１′′）。
前記斜め接合の角度（α）は、４５°である、請求項５に記載の磁気コア（ｌ；ｌ′′）。
前記補助接合部材（７；７′）と前記ヨーク（３；３′′）との間の接合は、突合せ接合である、先行する請求項のいずれか１項に記載の磁気コア（１；１′；１′′）。
前記ヨーク（３）は、前記リム（５）よりも大きい断面を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の磁気コア（１；１′；１′′）。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気コア（１；１′；１′′）を備える電磁誘導装置（１１）。
前記電磁誘導装置（１１）は、変圧器またはリアクトルである、請求項９に記載の電磁誘導装置（１１）。
前記電磁誘導装置（１１）は、高電圧電磁誘導装置である、請求項９または１０に記載の電磁誘導装置（１１）。
電磁誘導装置（１１）の磁気コア（１；１′；１′′）の製造方法であって、
ｂ）粒子配向材料から作られた前記リム（５；５′′）と粒子配向材料から作られた前記補助接合部材（７；７′；７′′）とを、前記リム（５；５′′）の粒子配向が前記補助接合部材（７；７′；７′′）の粒子配向に対して垂直であるように接合する工程と、
ｃ）非晶質材料から作られたヨーク（３；３′′）と前記補助接合部材（７；７′；７′′）とを接合する工程とを含む、製造方法。
前記リム（５；５′′）、前記ヨーク（３；３′′）および前記補助接合部材（７；７′；７′′）の各々は、複数の積層プレートを含み、
前記補助接合部材（７；７′；７′′）と前記リム（５；５′′）との接合は、前記補助接合部材（７；７′；７′′）の前記積層プレートと前記リム（５；５′′）の前記積層プレートとを交互に積層することを含み、
前記補助接合部材（７；７′；７′′）と前記ヨーク（３；３′′）との接合は、前記補助接合部材（７；７′；７′′）の前記積層プレートを前記ヨーク（３；３′′）の前記積層プレートとを交互に積層することを含む、請求項１２に記載の方法。
ａ）接合の前に、前記補助接合部材（７；７′；７′′）の粒子配向に対して前記補助接合部材（７；７′；７′′）を斜めに切断する工程を含み、
前記リム（５；５′′）と前記補助接合部材（７；７′；７′′）との接合は、斜め接合を形成する、請求項１２または１３に記載の方法。
ａ）接合の前に、前記補助接合部材（７；７′；７′′）の粒子配向に対して前記補助接合部材（７；７′；７′′）を垂直に切断する工程を含み、
前記補助接合部材（７；７′；７′′）と前記ヨーク（３；３′′）との接合は、突合せ接合を形成する、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。