JP4343448B2 - 変圧器の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、変圧器に係り、特にコアの直流偏磁を改善する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
サイリスタ等を1次側または2次側に接続した変圧器では、コアに直流偏磁が起こる場合が多い。該直流偏磁は、コイルに直流成分が発生する結果、コア中を通る磁束がB−H特性(B−H曲線の特性)上で正負いずれかの極性側に偏る現象である。図1は、変圧器の2次側にサイリスタ等の負荷4を接続した場合における該直流偏磁の説明図である。図1に示すように、例えば1次側巻線2に正弦波状の電圧v1を印加したとき、2次側巻線3には正弦波状の電圧が誘起し、該負荷4によって半波整流された電流i2が流れ、点線で示すような直流成分レベルを形成する。この電流の直流成分レベルは正または負側(図では正側としている)に偏った磁界を発生させ、コア1を該コア1のB−H特性(B−H曲線の特性)上で一方に偏った状態で励磁する(直流偏磁)。該直流偏磁が起きると、コア内でのヒステリシス損等の損失が増加する。また、多くの場合、該直流偏磁によってコア1が磁気飽和状態に達し、磁気ひずみにも高調波成分が発生する等して振動や騒音も増大する。また、場合によっては、1次側巻線に過大電流が流れ、接続されている素子等を破損させる。
変圧器の直流偏磁の抑制策としては、コアのB−H特性を、図2中の曲線6に示すような不飽和状特性にする技術が有効である。比較のために示した曲線5は一般的なコアのおおよその特性曲線である。B−H特性を該曲線6のような不飽和状特性を示す磁界強度の範囲を広げることによって、直流偏磁が発生した場合の磁束変化量を減らせる。従来は、この不飽和状B−H特性を実現するために、(1)コアの断面積を増やすことにより磁束密度を下げるようにしたり、(2)コアの磁気回路中に空隙部を設け磁気回路の磁気抵抗を増やして磁束量を抑えるようにしたりしていた。(2)については、例えば特開平8−222454号公報に記載されたものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のうち(1)は、コア材の量が増えるため変圧器の体積や重さが増加しコストも高くなる。場合によっては鉄損も増える。また、(2)は、コア強度の低下や、空隙部に働く磁気吸引力による騒音の増加等を招く。特に、3相変圧器では空隙のばらつきにより各相の励磁特性が異なるなどの不都合が生ずる。また、空隙部の磁気吸引力は、場合により、コアの損傷や、コア材破片の飛散等を引き起こす。
本発明の課題点は、上記従来技術に鑑み、変圧器において(1)コアに空隙を設けることなく直流偏磁を抑制できるようにすること、(2)大きさや重さの増大につながらないこと、(3)コストアップにならないこと、等である。
本発明の目的は、かかる課題点を解決できる技術を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題点を解決するために、本発明では、変圧器の製造方法として、非晶質金属から成り磁気回路に沿う方向に対し傾き角θを成す方向の磁化容易軸を磁気回路上の複数箇所に有する変圧器用コアと、該変圧器用コアに巻かれた1次側巻線及び2次側巻線とを備えて成る変圧器の製造方法であって、上記変圧器用コアの上記磁気回路上の複数箇所において、該変圧器用コアを軸方向に貫通した励磁用導体に直流電流を供給し該変圧器用コア内に直流磁界を発生させるとともに、励磁用電磁石の励磁用コイルに直流電流を供給し該励磁用電磁石のコアの磁極部間に直流磁界を発生させ、該変圧器用コア内の直流磁界と、該励磁用電磁石のコアの磁極部間の直流磁界との合成磁界を発生させ、該合成磁界の方向に該変圧器用コアを励磁するステップと、上記励磁状態で上記変圧器用コアを焼鈍し、上記磁気回路上の複数箇所において、上記合成磁界の方向に上記磁化容易軸を形成するステップと、を備え、上記変圧器用コアに上記磁化容易軸を形成するようにする。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例につき図面を用いて説明する。
図3及び図4は本発明の変圧器の第1の実施例を示し、うち図3は該変圧器の全体構成、図4は該変圧器用コアの構成を示す。
本第1の実施例は、変圧器用コアの磁化容易軸の方向を、該コアの長手方向(=変圧器の磁気回路に沿う方向)に対し略直角な方向に向け、該変圧器の磁気回路の磁気抵抗を増大させることによりコアのB−H特性を通常より広い磁界強度範囲にわたり不飽和状の特性とするようにした場合の例である。
図3において、11はコア、12は1次側巻線、13は2次側巻線、10は磁化容易軸方向を示す矢印、14はコア11の長手方向(=磁気回路に沿う方向)を示す矢印である。本構成において、コア11をコア11の長手方向(=磁気回路に沿う方向)に励磁した場合、該励磁磁界の方向に対しコアの磁化容易軸の方向が略直角な方向となっていて該励磁磁界の方向にコアの磁化容易軸の方向が一致していないため、該両方向(励磁磁界の方向と磁化容易軸の方向)が一致している場合よりも本磁気回路の磁気抵抗が増大し、B−H特性の勾配が緩やかになる。このため、磁界によって発生する磁束の密度が低くなり、コア11のB−H特性(B−H曲線)は上記図2中の曲線5のような通常より広い磁界強度範囲にわたり不飽和状特性となる。従って、該コア11は、1次側巻線12及び2次側巻線13に流れる差電流によって励磁され、該不飽和状のB−H特性に従い磁束を発生する。このため、該差電流には直流成分が含有され、直流偏磁が発生した場合でも、該コア11内での磁束量変化は少なく、多くの場合、飽和領域に達することもない。このため、該コアを用いた変圧器では、ヒステリシス損失等損失も少なく、磁気ひずみの高調波成分等による振動や騒音の増大も抑えられる。
【0006】
図4は図3の変圧器に用いるコア11の概観図である。本コア11は、薄帯状の磁性材を積み重ねたり巻き重ねたりして成る積層構成である。コア材としては非晶質金属等も使用可能である。また、本実施例では、コア11の磁化容易軸10の方向は、磁気回路の全周にわたって該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し略直角な方向としてあるが、本発明はこれに限定されず、該磁化容易軸10の方向は、該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し略直角以外の角を成す方向であってもよいし、磁気回路上の全周ではなく一部において該磁化容易軸10の方向を該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し傾けるようにしてもよい。
【0007】
図5は本発明の第2の実施例であって、変圧器用コアに用いるコア材の他の構造例であって、磁化容易軸10の方向を、上記第1の実施例の場合とは異なり、該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し略直角以外の角θを成す方向とした場合の例である。図5において、10は磁化容易軸、11aはコア材、15は励磁磁界の方向である。該角θが大きくなるにつれ、コア材11aのB−H特性における磁化曲線の傾斜は緩やかになり(小さくなり)、略直角のとき(上記第1の実施例の場合がこれに該当)に最小となる。本コア材11aを環状にして変圧器用コアが構成される。磁化容易軸10を、該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し角θ傾ける本構成の場合も、磁気回路上の全周にわたってかかる磁化容易軸を有するようにしてもよいし、または磁気回路上の一部においてかかる傾いた磁化容易軸を有するようにしてもよい。全周にわたって該磁化容易軸を傾ける構成の場合は、部分的な位置で磁化容易軸を傾ける構成の場合よりも磁気抵抗が大きいために、B−H特性における磁化曲線の傾斜は緩やかになる(小さくなる)。
B−H特性の勾配の大きさは、コア材の結晶構造等によると考えられており、コア材を固定された場合は、コアの長手方向と磁化容易軸の成す角θや、該磁化容易軸の領域が磁気回路上で占める割合等により異なる。従って、これらを変えることにより変圧器用コアのB−H特性を制御することができる
上記図3〜図5の実施例では、磁化容易軸の方向は、磁気回路上の一部または全周部分において略一定方向(磁化回路に沿う方向に対し略直角方向または角θの方向)としたが、本発明はこれに限定されず、この他、例えば、磁気回路上のA位置では磁化容易軸の方向がθAの方向、Bの位置ではθBの方向、Cの位置ではθCの方向というように、磁気回路上の位置によって該磁化容易軸の方向を変えるようにしてもよい。
本第1、第2の実施例構成によれば、直流偏磁が発生した場合でも、コア11内での磁束量変化は少なくでき、このため、コアに空隙を設けることなく該直流偏磁を抑制できる。また、磁気ひずみの高調波成分等を減らして振動や騒音を低減化できる。さらに、多くの場合、飽和領域に達することなく、ヒステリシス損失等の損失も少なくできる。
【0008】
図6は本発明の第3の実施例を示し、本発明の変圧器の製造工程においてコアの磁化容易軸を形成するための技術の説明図である。
磁性材においては、焼鈍により、加工時に生じた残留応力等を除いて材料本来の磁気特性が得られるようにする場合が多い。本発明の場合も該焼鈍を行う。特に本発明ではコアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し交叉する方向の磁界を印加した状態で焼鈍し、これによって該コアの磁化容易軸を該印加磁界の方向に形成する。
本第3の実施例は、変圧器用コアの全周にわたって、該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し略直角な方向の磁化容易軸を形成する場合の例である。
図6において、11は変圧器用コア、20は励磁用電磁石、21は該電磁石20の励磁用コイル、23a、23bはそれぞれ該励磁用電磁石20のコアの磁極部、22は該励磁用電磁石20が発生する直流磁界、100は励磁用コイル21に直流電流を供給するための電源である。該励磁用電磁石20のコア材としてはキュリー温度が焼鈍時の最高温度より高い磁性材料を用いる。例えば、変圧器用コア11に鉄系アモルファス材を用いた場合は、該励磁用電磁石20のコア材に電磁鋼板等を用いるようにする。変圧器用コア11は該励磁用電磁石20のコアの磁極部23a、23b間に配される。電源100から電磁石20の励磁用コイル21に直流電流が供給されると、該電磁石20はコアの磁極部23a、23b間に励磁用の直流磁界22を発生して変圧器用コア11を、該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)14に対し略直角な方向(直流磁界22の方向)に励磁する。該励磁状態で焼鈍を行う。これによって、変圧器用コア11は該コア11の長手方向(=磁気回路に沿う方向)14に対し略直角な方向に磁化容易軸が形成される。
本第3の実施例によれば、直流偏磁が発生した場合でも、コア内での磁束量変化を少なくして該直流偏磁を抑制できるコア及び変圧器を、空隙を設けないコア構成で形成できる。焼鈍時の励磁作業も簡易であり、コアや変圧器のコストアップにもつながらないようにできる。
【0009】
図7及び図8は本発明の第4の実施例を示し、本発明の変圧器の製造工程においてコアの磁化容易軸を形成する他の技術の説明図である。
本第4の実施例は、変圧器用コアの一部において、磁化容易軸を該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し角θを成す方向に形成する場合の例である。
【0010】
図7は、変圧器用コアと励磁用電磁石を組合わせた場合の構成図、図8は該変圧器用コアの図である。
図7及び図8において、11bは変圧器用コア、30は励磁用電磁石、31は該電磁石30の励磁用コイル、33a、33bはそれぞれ該励磁用電磁石30のコアの磁極部、32は該励磁用電磁石30が発生する直流磁界、34は変圧器用コア11bを軸方向に貫通する励磁用導体、35は該励磁用導体34に流れる直流が変圧器用コア11bに発生する直流磁界、36は変圧器用コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)の一部であって、該励磁用電磁石30のコアの磁極部33a、33b間に配される部分、100は励磁用コイル31に直流電流を供給するための電源、101は励磁用導体34に直流電流を供給するための電源である。電源100から電磁石30の励磁用コイル31に直流電流が供給されると、該電磁石30はコアの磁極部33a、33b間に励磁用の直流磁界32を発生し、また、電源101から直流電流が励磁用導体34に供給されると、該励磁用導体34は変圧器用コア11bに直流磁界35を発生する。変圧器用コア11bにおいて励磁用電磁石30のコアの磁極部33a、33b間の領域では該直流磁界32と該直流磁界35とが作用し合成磁界39(図8(b))が発生する。該合成磁界39は該領域36で変圧器用コア11bを、該合成磁界方向すなわち該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)14に対し角θを成す方向に励磁する。該励磁状態で焼鈍を行うと、変圧器用コア11bはその磁気回路上の一部(領域36)において該コア11bの長手方向(=磁気回路に沿う方向)14に対し角θを成す方向に磁化容易軸が形成され、磁気回路上の他の部分では直流磁界35の方向に磁化容易軸が形成される。領域36における磁化容易軸の傾き角θは、合成磁界39の傾きを直流磁界32と直流磁界35とにより変えることによって変化させることができる。
上記第4の実施例では、傾いた磁化容易軸を変圧器用コア11bの磁気回路上の1箇所の部分36にのみ形成するようにしたが、該コアの磁気回路上の複数箇所に該傾いた磁化容易軸を形成するようにしてもよい。また、例えば、該励磁用電磁石30のコアの磁極部33a、33bを変圧器用コア11bの磁気回路上の全周部分にわたる構成とし、該全周部分に該傾いた磁化容易軸を形成するようにしてもよい。
本第4の実施例によれば、上記第3の実施例技術と同様、直流偏磁が発生した場合でも、コア内での磁束量変化を少なくして該直流偏磁を抑制できるコア及び変圧器を、空隙を設けないコア構成で形成できる。焼鈍時の励磁作業も簡易であり、コアや変圧器のコストアップにもつながらないようにできる。さらに、本第4の実施例技術では、磁化容易軸の傾き角θを、直流磁界32と直流磁界35とにより制御できる。
【0011】
通常、非晶質金属では磁化容易軸が存在しないが、上記第3の実施例、第4の実施例のような処理によりに磁化容易軸が形成される。
なお、上記上記第3の実施例及び第4の実施例では励磁用に電磁石またはコイルを用いているが、本発明はこれに限定されず、永久磁石等を用いてもよい。
【0012】
図9及び図10は本発明の第5の実施例を示し、本発明の変圧器の製造工程におけるコア製作の他の技術を説明する図である。
本第5の実施例は、ある方向に磁化容易軸を有する磁気素材から、打ち抜き加工等の技術により該磁化容易軸が変圧器用コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対して交叉方向となるようにコア部品を材料取り(素材から打ち抜き加工等で部品取りするという意味)し、これを用いて変圧器用コアを構成する場合の例である。
図9は、磁気素材とコア部品の材料取りの説明図、図10は材料取りした該コア部品を用いて構成した変圧器用コアの図である。
図9において、50は方向性電磁鋼板等の磁気素材、10は該磁気素材50の磁化容易軸方向を示す矢印、51〜54は打ち抜き加工等によって材料取りするコア部品である。
【0013】
図10において、(a)の変圧器用コアは、図9におけるコア部品51を複数個積層して構成され、(b)の変圧器用コアは、図9におけるコア部品52、54をそれぞれ複数個積層して構成される。(a)は、矩形状の磁気回路の長辺部において、磁化容易軸の方向がコアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し略直角な方向となっており、短辺部では磁化容易軸の方向と該コアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)とが略同じ方向となっている。これに対し、(b)の変圧器用コアでは、矩形状の磁気回路の長辺部、短辺部とも、磁化容易軸の方向がコアの長手方向(=磁気回路に沿う方向)に対し略直角な方向となっている。
なお,上記第5の実施例においては、磁気素材50の磁化容易軸の方向に対し、コア部品の磁化容易軸が略直角または略平行となるように材料取りしているが、この他、コア部品の磁化容易軸が、磁気素材50の磁化容易軸に対し、これ以外の角θを成すように材料取りしてもよい。また、長辺部、短辺部とも、磁化容易軸の方向が実施例の場合と異なるようにしてもよい。
本第5の実施例によれば、簡易な加工により、直流偏磁を抑制できるコア及び変圧器を構成できる。
【0014】
上記実施例の技術によれば、変圧器の寸法や重量の増大を抑えた状態で、損失及び振動・騒音の低減化を図ることができる。コストの増大も抑えられる。
【0015】
【発明の効果】
本発明よれば、コアに空隙を設けることなく直流偏磁を抑制できる。変圧器の寸法や重量の増大を抑えた状態で振動や騒音を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術の説明図である。
【図2】変圧器コアのB−H特性の説明図である。
【図3】本発明の第1の実施例の変圧器の全体構成例を示す図である。
【図4】図3の変圧器に用いるコアを示す図である。
【図5】本発明の第2の実施例を示す図である。
【図6】本発明の第3の実施例としてコアの磁化容易軸を形成する説明図である。
【図7】本発明の第4の実施例としてコアの磁化容易軸を形成する他の技術の説明図である。
【図8】図7の技術における磁化容易軸形成用磁界の説明図である。
【図9】本発明の第5の実施例の説明図であって、コア部品の材料取りを示す図である。
【図10】本発明の第5の実施例としての変圧器用コアの構成例を示す図である。
【符号の説明】
1、11、11a、11b…変圧器用コア、 10…磁化容易軸の方向、 2、12…1次側コイル、 3、13…2次側コイル、 14…コアの長手方向、20、30…励磁用電磁石、 32、35…直流磁界、 34…励磁用導体、39…合成磁界、 50…磁気素材、 100、101…電源。
Claims (1)
- 非晶質金属から成り、磁気回路に沿う方向に対し傾き角θを成す方向の磁化容易軸を磁気回路上の複数箇所に有する変圧器用コアと、該変圧器用コアに巻かれた1次側巻線及び2次側巻線とを備えて成る変圧器の製造方法であって、
上記変圧器用コアの上記磁気回路上の複数箇所において、該変圧器用コアを軸方向に貫通した励磁用導体に直流電流を供給し該変圧器用コア内に直流磁界を発生させるとともに、励磁用電磁石の励磁用コイルに直流電流を供給し該励磁用電磁石のコアの磁極部間に直流磁界を発生させ、該変圧器用コア内の直流磁界と、該励磁用電磁石のコアの磁極部間の直流磁界との合成磁界を発生させ、該合成磁界の方向に該変圧器用コアを励磁するステップと、
上記励磁状態で上記変圧器用コアを焼鈍し、上記磁気回路上の複数箇所において、上記合成磁界の方向に上記磁化容易軸を形成するステップと、
を備え、上記変圧器用コアに上記磁化容易軸を形成することを特徴とする変圧器の製造方法。
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