JP2022071238A - 静止誘導電器用鉄心 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファス磁性薄帯の巻鉄心と珪素鋼板の積鉄心とを組み合わせた鉄心において、鉄心の機械的強度を十分に確保し、磁気損失の増加を防止することが可能な静止誘導電器用鉄心を提供する。【解決手段】本発明の静止誘導電器用鉄心は、アモルファス巻鉄心（１）と、アモルファス巻鉄心（１）の積層方向端部に設けられた珪素鋼板積鉄心（２）とを備え、珪素鋼板積鉄心（２）のヨーク幅（５）とアモルファス巻鉄心（１）のヨーク幅（４）が等しいことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は静止誘導電器用鉄心に関する。

世界の経済成長とともにエネルギー消費量は増加し続け、１９６５年から２０１５年までの約５０年間で３．３倍に達した。エネルギー消費量の増加に伴い、静止誘導電器（変圧器およびリアクトル等）のさらなる高効率化が望まれている。

従来、変圧器の鉄心材料には、損失が少なく透磁率の大きい珪素鋼板が用いられてきた。近年、エネルギー消費量の増加に伴う省エネニーズの高まりにより、より高効率な変圧器の提供を目指して、珪素鋼板に替えてアモルファス磁性薄帯を鉄心材料に用いた変圧器（以下、「アモルファス変圧器」と称する。）の需要が高まっている。

上記アモルファス磁性薄帯は、珪素鋼板に比べて電気抵抗率が大きく、板厚が１／１０と薄いため、渦電流損が小さい。また、アモルファス磁性薄帯は、非晶質であるため磁壁移動が容易で、かつ、ヒステリシス損が小さいという特徴があることから、変圧器の負荷がないときにも常に発生する無負荷損失が低いという利点を持つ。この利点を生かして、アモルファス変圧器は、運転負荷率の低い配電網への導入効果が高い技術として注目されている。

一方、２２ｋＶを超える特別高圧クラスの変電用変圧器の大半は機械的強度、飽和磁束密度が高く、鋼板を積層して成形する積鉄心が製作可能なことから、大形化が容易な珪素鋼板を鉄心に用いた珪素鋼板積鉄心変圧器が用いられている。

特許文献１では、アモルファス磁性薄帯および珪素鋼板の両鉄心材料の利点を生かして、磁気損失の低減に有効なアモルファス磁性薄帯を巻回した巻鉄心と珪素鋼板を積層した積鉄心を使用し、両鉄心の複合構造とすることで、磁気損失の特性と鉄心の機械的強度及び剛性の向上の両立を図る方法が提案されている。

特開２０１８－１３３３５２号公報

しかしながら、単純に巻鉄心と積鉄心を組み合わせた場合、鉄心の形状が異なることから強度、磁気損失の観点から課題が生じる。以下にその詳細を説明する。巻鉄心は薄帯状の素材を数千枚切断・積層し、切断端同士をラップ接合して環状に成形しており、その積層幅は同一である。そのため、三相五脚鉄心を製作した場合には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の主脚の幅１に対してヨーク部の幅は１／２となる。これは、三相五脚巻鉄心が同一幅の鉄心を４つ並べて製作されるためである。

一方、積鉄心は、三相五脚鉄心の理想的な形状が、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の主脚の幅１に対してヨーク部を１／√３とした形状であることから、ヨーク部を主脚の１／√３の幅となるよう製作される。

従って、両者の鉄心を組み合わせた場合、ヨーク部の幅が約１６％異なるため、両者を組み合わせて鉄心を締め付けるバインド作業の際に、隙間を埋めて強度を保持する強固な金属部材が必要となってしまう。さらに、鉄心付近に金属部材が増えることで、漂遊損も増加する。さらに、アモルファス巻鉄心で製作された三相五脚鉄心よりも大型化してしまう。

上述したように、強度、磁気損失の観点からアモルファス巻鉄心と珪素鋼板積鉄心を組み合わせた方法があるが、ヨーク部の鉄心寸法が異なることにより、強度の保持が困難となる。さらに、強度部材（金属）を追加した場合、鉄心付近に金属部材が増えることで漂遊損の増大を招き、磁気損失が大きくなる可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑み、アモルファス磁性薄帯の巻鉄心と珪素鋼板の積鉄心とを組み合わせた鉄心において、鉄心の機械的強度を十分に確保し、磁気損失の増加を防止することが可能な静止誘導電器用鉄心を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の一態様は、アモルファス巻鉄心と、アモルファス巻鉄心の積層方向端部に設けられた珪素鋼板積鉄心とを備え、珪素鋼板積鉄心のヨーク幅とアモルファス巻鉄心のヨーク幅が等しいことを特徴とする静止誘導電器用鉄心である。

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

本発明によれば、アモルファス磁性薄帯の巻鉄心と珪素鋼板の積鉄心とを組み合わせた鉄心において、鉄心の機械的強度を十分に確保し、磁気損失の増加を防止することが可能な静止誘導電器用鉄心を提供できる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の静止誘導電器用鉄心を用いた静止誘導電器（変圧器）の一例を示す模式図 図１の静止誘導電器用鉄心を示す図 鉄心の各部位（珪素鋼板主脚および珪素鋼板ヨーク部）の磁束密度を示すグラフ 鉄心の磁気損失を示すグラフ 鉄心の各部位（珪素鋼板主脚および珪素鋼板ヨーク部）の磁束密度を示すグラフ アモルファス巻鉄心および珪素鋼板積鉄心の磁束密度を示すグラフ

以下、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１は実施例１の静止誘導電器の一例を示す模式図であり、図２は図１の静止誘導電器用鉄心を示す図（上面図、正面図および側面図）である。図１では静止誘導電器として、変圧器を図示している。図１に示すように、変圧器１００は、絶縁油が満たされたタンク１２と、タンク１２に収容された静止誘導電器用鉄心３（以下、単に「鉄心」とも称する。）とを有する。鉄心３には、巻線１１が巻回されている。

図２に示すように、本発明の鉄心３は、アモルファス巻鉄心１と、アモルファス巻鉄心の積層方向端部に設けられた珪素鋼板積鉄心２とで構成されたハイブリッド鉄心である。以後、静止誘導電器用鉄心３をハイブリッド鉄心３とも称する。

アモルファス巻鉄心１は、アモルファス磁性薄帯を略矩形に巻回して構成されている。また、珪素鋼板積鉄心２は、複数のケイ素鋼板を積層し、角部にステップラップ接合構造を形成して構成されている。

本発明では、珪素鋼板積鉄心２のヨーク幅とアモルファス巻鉄心１のヨーク幅を等しくする。言い換えると、鉄心３の主脚の幅４は、ヨーク部の幅５に対して２倍となる。すなわち、ヨーク部の幅５＝１／２ａとすると、主脚の幅４＝ａで表現される。また、ハイブリッド鉄心３の材料比率を１とした場合、珪素鋼板積鉄心２の材料費率は０．２以下とする。

一般に、三相五脚鉄心の理想的な形状は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の主脚の幅１に対してヨーク部の幅（ヨーク幅）を１／√３とした形状である。しかし、巻鉄心では、原理的にヨーク部の幅を１／２としか製作できない。本実施例では、珪素鋼板積鉄心のヨーク部の幅を、アモルファス巻鉄心１のヨーク幅と同じく、主脚の１／２とする。

ここで、材料比率と両者の磁気抵抗の違いを利用することで，ハイブリッド鉄心の磁束密度を制御し、ハイブリッド化することのメリットを阻害することなく、鉄心を成立させることが可能である。

ハイブリッド鉄心とした場合のメリットは、高強度化と高磁束密度化と磁気損失の低減である。高強度な珪素鋼板積鉄心２を用いることで、強度の弱いアモルファス巻鉄心１の強度不足を補う。また、珪素鋼板積鉄心２は、飽和磁束密度が約２．０Ｔとアモルファス巻鉄心１の約１．６Ｔに対して２割程大きい。従って、両者を組み合わせた場合、鉄心の設計磁束密度を高く設定できるため、鉄心、巻線の大型化を抑制できることから、小型化できるという利点がある。さらに、低損失のアモルファス巻鉄心１を採用することで、磁気損失を大幅に低減できる。

図３は鉄心の各部位（珪素鋼板主脚および珪素鋼板ヨーク部）の磁束密度を示すグラフであり、図４は鉄心の磁気損失を示すグラフである。上記の利点を阻害せずに、珪素鋼板積鉄心のヨーク部の幅を１／２とするためには、２つの条件を満たす必要がある。１つ目は、図３に示したように、珪素鋼板積鉄心のヨーク部の磁束密度７が主脚の磁束密度６以下であることである。２つ目は、図４に示したように、ヨーク部の幅を１／２としたことにより増加するヨーク部の磁気抵抗による磁気損失８の増加が、鉄心全体の磁気損失に影響を与えないことである。

以上のことを満たす条件は、ハイブリッド鉄心３の材料比率を１とした場合、珪素鋼板積鉄心２の材料費率を０．２以下とすることである。ここで、珪素鋼板積鉄心２の材料比率とは、ハイブリッド鉄心３の断面積における珪素鋼板積鉄心２の面積の割合のことである。

以下、上記条件化で鉄心を構成した場合の磁気抵抗の変化について説明する。上記条件で鉄心３を構成した場合、ヨーク部の幅を１／２としたことで珪素鋼板積鉄心２のヨーク部は磁束密度の増加は最大１０％程度と小さい。これは、磁気抵抗の小さいアモルファス巻鉄心１の比率が多く、アモルファス巻鉄心１に多くの磁束が流れるためである。

アモルファス巻鉄心１の材料比率が大きいことから、珪素鋼板積鉄心２に流れる磁束が小さく、ヨーク部の変更による影響が小さい。その結果、珪素鋼板積鉄心２のヨーク部の磁束密度が主脚の磁束密度以下を維持することができる。図５は鉄心の各部位（珪素鋼板主脚および珪素鋼板ヨーク部）の磁束密度を示すグラフである。図５は珪素鋼板積鉄心２の材料費率を０．２超であり、このとき珪素鋼板積鉄心のヨーク部の磁束密度７が主脚の磁束密度６よりも大きくなってしまう。

また、珪素鋼板のヨーク部の幅を小さくすることで、ヨーク部の磁気抵抗が大きくなり、アモルファス巻鉄心１と珪素鋼板積鉄心２の磁束密度分担が変化してアモルファス巻鉄心の磁束密度分担がさらに増加する。これにより、磁気損失が減少傾向となる。

さらに、珪素鋼板積鉄心２のヨーク部の磁束密度が増加したことで単位面積当たりの磁気損失は増加するが、ヨーク部の部材が少なくなったことにより、鉄心全体の磁気損失への影響は小さく、数％以下もしくは低減する。

図６はアモルファス巻鉄心および珪素鋼板積鉄心の磁束密度を示すグラフである。図６はハイブリッド鉄心の全体の磁束密度に対する各鉄心の磁束密度を示している。図６を用いて、鉄心をハイブリッド鉄心とすることで鉄心全体の磁束密度を高く設定できる根拠について説明する。励磁磁束密度の上昇に伴い変化するアモルファス巻鉄心の磁束密度９と珪素鋼板積鉄心の磁束密度１０を比較すると、低磁束密度側では磁気抵抗の低いアモルファス巻鉄心１に磁束がながれ、高磁束密度側では飽和磁束密度の高い珪素鋼板積鉄心２に多くの磁束が流れる。アモルファス巻鉄心１のみで鉄心を製作した場合、飽和磁束密度が低いため、一般的には磁束密度が１．４～１．５Ｔの間で設計される。一方、ハイブリッド鉄心とした場合、アモルファス巻鉄心１が飽和磁束密度に近づいても珪素鋼板積鉄心２に磁束が流れるため、鉄心の飽和による大電流は流れない。珪素鋼板積鉄心の磁束密度からハイブリッド鉄心の磁束密度を設計できるため、図６に示すように高磁束密度化が可能となる。鉄心を図２に示すハイブリッド鉄心３の構成とすれば、珪素鋼板積鉄心２の主脚内の磁束密度はほぼ変化がないため、高磁束密度化を妨げることなく、高強度化が可能である。

以上に記載したように、材料の磁気抵抗と比率を制御することで、磁束密度の分担を制御し、ハイブリッド鉄心の利点を阻害することなく、強度を保持した鉄心構成が可能となる。

本発明の鉄心３を用いた静止誘導電器は、ヨーク部を１／２に統一することで、タンク上下の幅を小さくすることが可能となり、小型化できる。また、ヨーク部の高さが異なることによる補強部材（金属）を巻線付近に追加する必要がないため、漂遊損の増加も抑制できる。

以上、説明したように、本発明によれば、アモルファス磁性薄帯の巻鉄心と珪素鋼板の積鉄心とを組み合わせた鉄心において、鉄心の機械的強度を十分に確保し、磁気損失の増加を防止することが可能な静止誘導電器用鉄心を提供できることが示された。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１…アモルファス巻鉄心、２…珪素鋼板積鉄心、３…ハイブリッド鉄心、４…ハイブリッド鉄心主脚の幅、５…ハイブリッド鉄心のヨーク部の幅、６…主脚の磁束密度、７…ヨーク部の磁束密度、８…アモルファス巻鉄心の磁束密度、９…ハイブリッド鉄心の磁束密度、１０…珪素鋼板積鉄心の磁束密度、１１…巻線、１２…タンク。

Claims (4)

1. アモルファス巻鉄心と、前記アモルファス巻鉄心の積層方向端部に設けられた珪素鋼板積鉄心とを備え、
   前記珪素鋼板積鉄心のヨーク幅と前記アモルファス巻鉄心のヨーク幅が等しいことを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
2. 前記珪素鋼板積鉄心のヨーク幅が前記静止誘導電器用鉄心の主脚の幅の１／２であることを特徴とする請求項１に記載の静止誘導電器用鉄心。
3. 前記アモルファス巻鉄心および前記珪素鋼板積鉄心の上面をみたときに、前記静止誘導電器用鉄心の面積における前記珪素鋼板積鉄心の面積の割合が０．２以下であることを特徴とする請求項１に記載の静止誘導電器用鉄心。
4. 前記珪素鋼板積鉄心の主脚の磁束密度が前記珪素鋼板積鉄心のヨーク部の磁束密度よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の静止誘導電器用鉄心。

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