JP4322965B2 - 変圧器などの磁気組立体 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は変圧器その他の電気装置に使用されるような積層した磁気組立体に関する。
発明の背景
周知のように、鉄板材で作られた積層体は各種の電気装置に使用され、磁路を形成している。変圧器では、この積層体は巻線その他の導電体に発生された電流のまわりに磁路を形成する。
或る使用例において、積層組立体が過負荷継電器における電気センサーのコアーとして使用される場合、低電流で線形的に応答すること、および適当な高い飽和レベルを有する一方で所望の電流範囲にわたり線形的な出力を持続することを要求されるので、積層組立体は大きな横断面積で空隙を最小限にされることが要求される。従来よりこれは一般に「Ｕ」または「Ｄ」の形状をした比較的薄い鉄板材で作られた積層体を使用することで達成されている。この積層体は、順々に積層した「Ｕ−Ｕ」または「Ｄ−Ｕ」形式の積層体によって得られる。この形式の構造は、積層体群の間に残された空隙を補償するために、積層体の端部に余分な幅を必要とする傾向がある。また典型的にこの積層体は互いにリベット固定されるか、ワニスまたはエポキシ樹脂を使用して接着することで組付けられており、ばねクリップで互いに保持されることもある。与えられた用途における空間的な条件のためにこの余分な幅を許容されない場合には、空隙を最小限にするために層毎に２つの積層体が使用される。しかしながら余分な幅が除去されて組立体の幅が狭まると、積層体どうしを固定するためにリベットを使用することがますます困難になる。そのうえ組立体が厚くなると、ばねクリップは有効性を失い、接着剤としてワニスおよび（または）エポキシを使用することが汚れを生じる時間の掛かる作業となる。したがって変圧器などに使用するために積層体で作られた磁気組立体は嵩張り、すなわち望ましくないほど大きくなり、この結果としてそれらの磁気組立体を内蔵する機器の体積が増大されたり、あるいは特定の用途のための磁気効率に見合う適当な寸法に作られるとしても、製造が望ましくないほど高価になる。
本発明は変圧器に使用できる形式の、また経済的に製造することのできる小型の磁気組立体を提供することを目的とする。
ＥＰ−Ａ２−０３５３０２９は電磁装置のコアーを作るための補完形の積層体である第１パックおよび第２パックを開示している。
発明の概要
本発明の目的は、変圧器などに使用する新規な、改良された磁気組立体を提供することである。特に本発明の目的は、経済的に製造することができ、しかも与えられた特定の電気機器においてそれが占有する空間を減少するように小さな体積とされることのできる上記組立体を提供することである。
本発明の例示実施例は、鉄材料の薄板でそれぞれ作られて互いに整合関係を有して当接されている実質的に同じ積層体で構成された第１積層群を含んで成る変圧器などの磁気組立体において、上述の目的を達成する。第１積層群は、間隔を隔てて相対する第１面によって側面を定められた第１開口面積部分を含む。第１保持手段がその第１積層群を組立て状態に保持する。実質的に同じ積層体で成る第２積層群が備えられ、その各々の積層体は鉄材料の薄板で作られると共に互いに整合関係を有して当接されている。第２保持手段が第２積層群を組立て状態に保持する。第２積層群における積層体は、第１積層群における積層体に組付けられて一緒になって鉄材料で成る閉ループを形成するような形状に、形成されている。第２積層群の積層体は間隔を隔てて相対する第２面を有しており、第２面は対応する第１面の各々に対して補完形の形状に成形され、その面に当接される。第２積層群に第１積層群が組付けられる前の第１面の間隔距離は第２面の間隔距離より僅かに大きく、または小さく、したがって第１および第２積層群を互いに組立てることによって第１および第２積層群の間には第１面および第２面において締り嵌めが生じ、第１および第２積層群を組立て状態に保持する。第１および第２積層群の少なくとも一方のまわりに電気巻線が配置され、この巻線は開口面積部分を少なくとも部分的に占める。
好ましい実施例において、第１面は互いに向き合うのに対し、第２面は互いに反対方向へ向けられる。
好ましい実施例において、第１面および第２面の一方は凹面とされ、他方は凸面とされる。
他の好ましい実施例において、第１面および第２面は互いにほぼ平行とされる。
特に好ましい実施例は、鉄材料の薄板でそれぞれ作られて互いに整合関係を有して当接された実質的に同じ積層体で構成される第３積層群を含んで成る。第３積層群の積層体は間隔を隔てて相対する第３面によって側面を定められた第２開口面積部分を含む。実質的に同じ積層体で構成され、積層体の各々が鉄材料で作られて整合関係を有して互いに当接されている第４積層群が含まれている。第４積層群の積層体は、第３積層群の積層体に組付けられて一緒になって鉄材料で成る閉ループを形成するような形状に成形されている。第４積層群の積層体は、対応する第３面の各々に対して補完形の形状に成形され且つその面に当接される間隔を隔てて相対する面を有する。第３および第４積層群が組付けられる前の第３面の間隔距離は第４面の間隔距離より僅かに大きく、または小さく、したがって第３および第４積層群を互いに組立てることによって第３および第４積層群の間には第３面および第４面において締り嵌めが生じ、第３および第４積層群を組立て状態に保持する。或る手段が第３積層群の積層体を当接関係に保持しており、また第４積層群の積層体を当接関係に保持するための手段が備えられている。第３積層群の積層体は第１積層群の積層体と異なる形状を有しており、第２積層群の積層体は第４積層群の積層体と異なる形状を有している。或る手段により、組立てられた第３および第４積層群に対して第１および第２積層群が第１および第２の開口面積部分を整合させて組付けられる。この開口面積部分の両方を少なくとも部分的に電気巻線が占め、これにより磁気組立体は２つの積層群でそれぞれ作られた鉄材料で成る２つの閉ループを含んで構成され、一方のループの積層体は他方のループの積層体に重なり、所望される磁気効率を得る。
１実施例において、第１および第４積層群は同じ形状を有し、第２および第３積層群は同じ形状を有する。本発明のこの実施例において、第１および第３積層群は当接関係を有して組立てられ、第２および第４積層群は当接関係を有して組立てられ、大きな空隙の存在を最小限に抑える。
本発明の付加的な目的および利点は、以下の説明に記載され、一部はその説明で明白となり、または本発明を実施することによって知ることができる。本発明のこの目的および利点は、請求の範囲で特に指摘された手段および組合わせによって実現され、達成される。
【図面の簡単な説明】
本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす添付図面は現時点で好ましいとされる本発明の実施例を示しており、また上述で与えられた一般的な説明および以下に与えられる好ましい実施例の詳細な説明と共に本発明の基本を説明するのに役立つ。
図１は本発明を具現した検出変圧器の斜視図であり、
図２はコイルを取り除いた検出コアーの分解図であり、
図３は積層体を一緒にして保持するのに使用されるいわゆる「部分穿孔（partial perfing）」すなわち串刺し固定（stake locking）式の構造の拡大した断片的な断面図であり、
図４は図１に使用された第１および第２積層群の側立面図であり、
図５は図１の実施例に使用された第３および第４積層群の側立面図であり、
図６は本発明の他の実施例の斜視図であり、
図７は図６に示された実施例の分解図であり、
図８は図６および図７に示された実施例に使用された２つの積層組立体の図面であり、
図９は図６の実施例に使用された１つの積層体形状を示す側立面図であり、
図１０は図６の実施例に使用された他の積層体形状を示す側立面図であり、
図１１は図９および図１０の１つの組立体形状を示す側立面図であり、
図１２は図９および図１０の積層体の他の組立体形状を示す側立面図である。
好ましい実施例の説明
例えば過負荷継電器に使用されているような検出コアー変圧器に使用される磁気組立体の代表的な実施例が図１、図２、図４および図５に示されている。これは全体に符号１０を付された第１積層組立体、全体に符号１２を付され、積層組立体１０の一方の側に当接されている第２積層組立体、および全体に符号１４を付され、積層組立体に取付けられた電気コイル組立体を含んでいることが見られる。周知のように検出コアー変圧器には、例えば積層組立体１０，１２を通して延在するように通常の方法で配置される通常のバスバー（図示せず）のようなその他の導電体が典型的に使用される。
コイル組立体１４は一般的なもので、例えばプラスチック材のような通常の絶縁材料で作られたボビン１６を含んでいる。電気コイルを形成するために導電体１８がボビン１６のまわりに巻かれている。
図４に見られるように積層組立体１０は、屈曲部２６で連結された相対するほぼ平行な脚２２，２４を有してなるＵ字形の積層体２０から作られる。この結果、中央開口面積部分２８が形成される。図示したように、開口面積部分２８は多少拡大された上端３０を有する。図１に見られるように、ボビン１６は脚２４を差し通されており、拡大された面積部分３０を除いて中央開口面積部分２８を実質的に満たすようになされる。拡大された面積部分３０は先に説明したバスバー（図示せず）用に残されている。
脚２２はそれぞれ対向凹面３２，３４で終端している。脚２２，２５の端部は開示される目的のためにノッチ３６も備えている。
凹面３２，３４の間には第２積層群の積層体３８が延在されており、この積層体は第１積層群の積層体２０とともに鉄材料製の閉ループを形成している。積層体３８は反対方向に向いた凸面４０，４２で終端しており、これらの凸面は図４に最も良く見られるように凹面３２，３４の補完形で、互いに係合されている。
図５に最も良く見られるように第２積層組立体１２は、先の場合と同じように拡大された開口端部３０を有する中央開口面積部分２８を有する一群のほぼＵ字形の積層体５０も含んでいる。この開口面積部分２８は、積層体５０の脚５４，５６を差し渡す第４積層群の積層体５２で閉じられており、再び述べるが鉄材製の閉ループを形成している。
積層組立体１０の向かい合う面３２，３４の間隔距離は、積層体３８の両端の反対方向へ向かう面４０，４２の間隔距離より僅かに小さいことに留意することが重要である。典型的にこの距離の差は０．５０８ｍｍ（０．００２０インチ）程度である。これは、面３２が面４０に当接され、面３４が面４２に当接されるときに締り嵌めが生じ、積層体３８を積層体２０に組付けて保持するようにする手段を与えている。
組立てられ、整合された関係にある個々の積層体２０を保持するために、それらの積層体は部分穿孔すなわち串刺し固定として知られた構造によって典型的に保持される。串刺し固定の１例が図３に示されている。積層状態における最外端の積層体６０は開口６２を含む。隣接する積層体６４，６６，６８，７０の全ては、隣の積層体内へ変位された穿孔をそれぞれ有する。したがって、積層体６４は開口６２の内部へ変位された穿孔７２を有し、積層体６６は穿孔７２の内部へ変位された穿孔７４を有する。積層体６８は穿孔７４の内部へ変位された穿孔７６を有し、積層体７０は穿孔７６の内部へ変位された穿孔７８を有する。この形式の構造は当分野で周知であり、本明細書ではこれ以上説明しない。部分穿孔すなわち串刺し保持を形成する装置は、例えば米国イリノイ州、エルク・グローブ・ビレッジのスワンブロ・コーポレーションまたは米国インディアナ州、フォルト・ウェインのエル・エッチ・カーバイドから入手できる。
図２に最も良く見られるように、第２積層組立体１２の一部を形成する積層体５０は互いに組立てられ、また第１積層組立体１０の一部を形成する積層体２０に対して組立てられて、その全てが所定状態で符号８０で示されるような位置において今説明した形式の固定手段によって保持される。符号８０で示すが同様な構造が積層体５２を互いに、また積層体３８に対して固定するのに使用できる。
図１〜図５を通じて示される実施例において、第１積層組立体１０の脚２２，２４はノッチ３６に工具を配置し、拡張力を加えることで僅かに広げることができる。これは、勿論のことながら巻線組立１４が両積層組立体を差し通した後に、積層体３８で形成された積層組立体１０の一部、および積層体５２で形成された積層組立体１２の一部が所定位置に横方向へ挿入されることを可能にする。ノッチ３６に加えられた拡張力が解除されたとき、締り嵌めが生じる。
本発明のこの実施例に置いては、積層体２０の形状は積層体５０のそれと異なり、積層体５０の形状は積層体３８のそれと異なり、積層体３８の形状は積層体５２のそれと異なることを特に観察しなければならない。組立てられたとき、積層体３８は一般に積層体５２と整合されるのに対して、積層体２０は積層体５０と整合される。しかしながら形状が異なることから、組立体の磁気効率に悪影響を及ぼすことになるいずれか１つの連続した空隙が形成されるのを防止するために、かなりのオーバーラップが形成されることになる。各組立体１０，１２の積層体の枚数を適当に選定することで存在する空隙が調整され、そのコアーが使用される特定機器に望まれるアンペア数の範囲に対してそのシステムの設定が行われる。
他の非常に好ましい実施例が図６〜図１２を通じて示されている。この実施例においては、コイル組立体１４が再び使用され、ボビン１６をそれに付与された電気巻線１８とともに含んでいる。全体に符号１００，１０２を付された２つの積層組立体が本発明のこの実施例に使用されている。その各々は複数の積層体１０４が複数の積層体１０６と組立てられた状態で締り嵌めされて作られている。図示したように、積層組立体１００，１０２の各々に使用される積層体の枚数は全ての積層体で同じであり、各積層体は鉄材、通常は鋼材の薄板で作られる。しかしながら、幾つかの例で、特定の磁気特性を発生するために、異なる数の積層体、および（または）異なる厚さの組立体１００，１０２を使用できる。
各組立体１００，１０２はさらに積層体１０４の積層群ならびに積層体１０６の積層群で作られ。積層体１０４の形状は図９に示されており、これは基本的に脚１１２，１１４で側面を定められた中央屈曲部１１０を有する浅いＵ字形とされている。脚１１２，１１４は向かい合ったほぼ平行な面１１６，１１８をそれぞれ有する。
脚１１２，１１４の間隔空間は図１１に見られるように中央開口面積部分１２０を形成し、この面積部分は磁気材料の閉ループを形成するために図１１に見られるように積層体１０４に積層体１０６を組付けることで閉じられる。再び述べるが、開口面積部分１２０はバスバーなどを受入れるために拡大された上端１２２を有しており、開口面積部分１１２のそれ以外の面積部分がボビン１６の一部を受入れる。
各積層体１０６も多少Ｕ字形をしているが、この場合は２つの脚１２４は脚１１２よりも互いに多少狭く配置され、脚１１２，１１４内に嵌入するような寸法とされている。これに関して、脚１２４，１２６は反対方向に向かうほぼ平行な面１２８，１３０を有しており、これらの面は積層体１０４の脚１１２，１１４の面１１６，１１８と締り嵌めするようになされる。面１２８，１３０は所望の締り嵌めを得るために面１１６，１１８よりも約０．５０８ｍｍ（０．００２０インチ）ほど広く隔てられている。
積層体１０６の各々の屈曲部１３２は脚１２４，１２６を僅かに超えて延在して延長部分１３４，１３６を形成しており、これらの延長部分は脚１１２，１１４の外面と一緒になって図１１および図１２に見られるように四角形の形状を形成する。
図１１は積層体１０４，１０６が第１積層組立体１００を形成するように配置される様子を示し、図１２は第２積層組立体１０２を形成する積層体１０４，１０６の配置を示している。
脚１２４，１２６の最外角隅は符号１４０で示されるように僅かに面取りされるのが好ましい。組立てを助けるために同様な面取り１４２が脚１１２，１１４の内側角隅に形成されており、面１１６，１２８および面１１８，１３０の間に所望の締り嵌めを得るために、脚１１２，１１４は脚１２４，１２６によって僅かに広げられるようになされる。
典型的には、符号１４４で示されるように、また一般的に第１実施例に関連して説明したように、保持手段として串刺し保持形態が使用される。串刺し保持形態は積層体１０４，１０６を互いに当接状態に保持するのに使用されるだけでなく、組立体１００，１０２を組立て状態に保持するためにそれらの境界面にも使用できる。
図６〜図１２に示された実施例は、２つの異なる積層形状のみ必要とされる、すなわち積層体１０４，１０６の積層体形状のみ必要とする点で好ましい実施例である。対照的に、図１〜図５の実施例では４つの異なる積層体形状が必要とされ、このことは工具設備・作業が一層大費用になることを意味する。
図６〜図１２に示された実施例においては、異なる形状の積層体１０４，１０６を作り、図面に示したように組立１００を組立体１０２に当接させて積層体が積層されるときにそれらの並び形状を反対にすることで、空隙損失を制御するためのオーバーラップが簡単に達成される。
前述の説明から、本発明により作られる変圧器用コアーは比較的小さい寸法で作れるということが認識されよう。リベットによって積層体を組立てできるようにするためにこれまで必要とされていた幅の広い積層体部品は回避される。与えられた積層群において個々の積層体を互いに組立てるために串刺し保持手段を使用することは、これまで使用されていたばねクリップまたは接着剤のような他の固定方法を排除する手段を与える。同時に、コイルが少なくとも部分的に占める鉄材料製の閉ループを形成するために、積層部品を固定するのに締り嵌めを使用することは従来の取り付け方法を回避できるようにする他の方法を提供することになる。結局、使用された独特な構造および方法は、経済的な、さらにまた比較的嵩が小さい、したがって小さな寸法であることを必要とする電気装置に対して容易且つ有利に組み入れられることのできる構造の検出コイルを生み出す。
さらに、異なる形状の積層体による独特な構造は、検出コアーが取付けられる最終的な使用例に応じて望まれる磁気効率を達成するために、組立体全体における空隙を制御することができるようにする。
付加的な利点および変更例は、当業者に容易に認識されよう。それ故に、本発明は広義において本明細書にて示され、説明された特定の細部および代表的装置に限定されることはない。したがって、添付請求の範囲およびその等価によって定められる発明の一般的な概念の精神および範囲から逸脱せずに各種変更がなし得る。

Claims (6)

1. 鉄材料の薄板でそれぞれ作られて互いに整合関係を有して当接されている実質的に同じ積層体（２０）で構成された第１積層群を含み、
   前記第１積層群の積層体は間隔を隔てて相対する第１面（４０，４２）によって側面を定められた第１開口面積部分を含んでおり、
   更に、組立てられた関連を有して前記第１積層群を保持するための第１保持手段と、
   鉄材料の薄板でそれぞれ作られると共に互いに整合関係を有して当接されている実質的に同じ積層体（３８）で成る第２積層群と、
   前記第２積層群を組立て状態に保持する第２保持手段とを含み、
   前記第２積層群の積層体（３８）は、前記第１積層群における積層体（２０）に組付けられて一緒になって前記鉄材料で成る閉ループを形成するような形状に形成されており、
   前記第２積層群の積層体（３８）は、対応する前記第１面（４０，４２）の各各に対して補完形の形状に成形されてその面に当接されるようになされる間隔を隔てて反対方向へ向いた第２面（３２，３４）を有しており、
   前記第１および第２面（３２，３４，４０，４２）の一方の間隔距離は、第１積層群および第２積層群が組付けられる前においては、前記第１面および第２面（３２，３４，４０，４２）の他方の間隔距離より僅かに小さく、したがって前記第１および第２積層群を互いに組立てることによって前記第１および第２積層群の間には前記第１面および第２面（３２，３４，４０，４２）において前記第１および第２積層群を組立て状態に保持する締り嵌めが生じるようになされている磁気組立体であって、
   鉄材料の薄板でそれぞれ作られて互いに整合関係を有して当接されている実質的に同じ積層体（５０）で構成された第３積層群を含み、
   前記第３積層群の積層体（５０）は間隔を隔てて相対する第３面によって側面を定められた第２開口面積部分を含んでおり、
   鉄材料の薄板でそれぞれ作られると共に互いに整合関係を有して当接されている実質的に同じ積層体（５２）で成る第４積層群を含み、
   前記第３および第４積層群が組付けられる前の第３面および第４面の一方の間隔距離は第３面および第４面の他方の間隔距離より僅かに小さく、したがって前記第３および第４積層群を互いに組立てることによって、前記第３および第４積層群の間に前記第３面および第４面において前記第３および第４積層群を組立て状態に保持する締り嵌めが生じるのであり、
   第３積層群の積層体を当接関係に保持する手段を含み、
   前記第４群の積層体を当接関係に保持するための手段を含み、
   前記第３積層群の積層体は第１積層群の積層体と異なる形状を有しており、
   前記第２積層群の積層体は第４積層群の積層体と異なる形状を有しており、
   組立てられた第３および第４積層群に対して第１および第２積層群が前記第１および第２の開口面積部分を整合させて組付ける手段を含み、
   電気巻線は前記開口面積部分の両方を少なくとも部分的に占めており、
   これにより、望まれる磁気効率を達成するために一方のループの積層体が他方のループの積層体とオーバーラップしているそれぞれ２つの積層群で作られた鉄材料で成る２つの閉ループを含んでいる磁気組立体。
2. 請求項１に記載された磁気組立体であって、前記第１面および第２面の一方は凹面とされ、他方は凸面とされている磁気組立体。
3. 請求項１に記載された磁気組立体であって、前記第１面および第２面は互いにほぼ平行である磁気組立体。
4. 請求項１に記載された磁気組立体であって、補完形の前記面の各々が平行である磁気組立体。
5. 請求項１または請求項２に記載された磁気組立体であって、前記積層群の全てが異なる形状を有する磁気組立体。
6. 請求項２に従属したときの請求項５に記載された磁気組立体であって、前記第２面が前記第１面と組み合い、前記第１および第３積層群の積層体が全体的にＣ字形であり、前記第１面が前記第３面を超えて延在し、前記第２積層群の積層体が前記第４積層群の積層体より短い磁気組立体。

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