JP4906323B2 - 磁気シールド装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流が流れるケーブルから漏洩する磁場をシールドする磁気シールド装置に関し、特に、単相又は三相交流が流れるケーブルから漏洩する磁場をシールドする磁気シールド装置に関する。

例えば電力用の３相交流ケーブルが敷設されている電気室は、従来はビルの地下に配置されて他の部屋からは隔離されていたので、このような３相交流ケーブルからの磁気の漏れを考慮する必要性は少なかった。また変電所なども、人口密度の低い郊外に設置されていて、電力ケーブルからの磁気の漏れを防ぐような対策を講ずる必要はなかった。

しかし近年、高層ビルなどでは、配線長や出水を考慮して、電気室を地下から中層階に配置する設計が多くなっている。また、市街地でも自家発電設備の変電所が設けられる場合もある。３相交流ケーブルは、３相が平衡になるように各ケーブルが配置されていれば磁気の漏れは少ないが、変圧器から他の機器へは、３本のケーブルが一平面を形成するように並んで、不平衡な結線となる場合が多く、磁場の漏れが多くなる。これにより、人体特にペースメーカなど磁場の影響を受けやすい機器を内蔵している場合、および他の機器特に情報機器に対する漏洩磁場の影響を無視できなくなりつつある。特に、病院などでは、大きな電力を必要とする医療機器ならびに高性能測定機器が増え、交流ケーブルからの漏洩磁場の影響が高性能測定機器をはじめとした他の機器へ及ぶことを懸念する声もある。また、社会生活の高度化により、ＩＴ機器をはじめとした高機能機器では漏洩磁場に対して誤動作を起こす場合も懸念される。

このような電力ケーブル等からの漏洩磁場対策として、電磁鋼板を積層した磁性体フレームを電力ケーブルの周囲に所定間隔で配置して、磁気シールドする開放型シールド構造が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、磁性体フレームをどのように支持するかについて、具体的な検討はなされていなかった。例えば、磁性体フレームを支持するために、磁性体フレームの鋼板に穴を開けたりすると、そこで磁束の旋回が起こり、漏れ磁場が多くなる。また、鋼板を点支持すると、そこを支点に鋼板が撓み、応力が鋼板に作用し、これにより逆磁歪効果によって鋼板の軟磁気特性が劣化し、やはり漏れ磁場が多くなる。

国際公開第２００４／０８４６０３号パンフレット

本発明は、上記問題点に鑑み、磁気シールド装置の磁性体の磁気特性の劣化をもたらすことのない磁性体支持構造を有する磁気シールド装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による、電流が流れるケーブルから漏洩する磁場をシールドする磁気シールド装置は、前記ケーブルの長手方向に所定間隔をあけて配置した、前記ケーブルを囲む複数の磁性体フレームと、それぞれが、前記複数の磁性体フレームそれぞれの全周を覆う、複数の導電体ケースと、を備え、該導電体ケース内には、前記導電体ケースに渦電流が発生するのを防ぐ、前記ケーブルを囲む少なくとも１つのギャップが設けられることを特徴とする。

このギャップには、絶縁体を配置してもよく、また、前記導電体ケースの前記ケーブルに近い面と遠い面とに設けてもよい。さらに、前記導電体ケースは、金属建築部材であるアルミ材、銅材、磁性鋼材、又は非磁性ステンレス材からなるようにできる。

本発明によると、複数の磁性体フレームはそれぞれ、絶縁体ケース、又はケーブルを囲む少なくとも１つのギャップを有する導電体ケースで覆われているので、磁気シールド性能を維持しつつ、カバー内の磁性体に対しては面支持構造となり、逆磁歪効果による軟磁性の劣化を引き起こさないで磁性体フレームを支持することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１（a）（ｂ）及び図２に、本発明の第一の実施形態である磁気シールド装置を示す。図１（a）に示すように、本実施形態の磁気シールド装置は、３本のケーブル２０Ｕ，２０Ｖ、２０Ｗを有する三相交流ケーブル２０を磁気シールドするもので、フレーム状に構成された磁性体フレーム１０を収容した複数のアルミケース１５が、ケーブルの長手方向に所定の間隔をあけて配置されている。理解を容易にするために、磁性体フレーム１０−１を収容したアルミケース１５−１だけ、分解斜視図で示している。本実施形態では、アルミケース１５は、上下のケース間にギャップを設けて、そのギャップに絶縁体を配置して構成される。アルミケース１５−２、１５−３のギャップに配置された絶縁体３２−２、３２−３を示す。

図１（ｂ）は、図１（a）に示す磁気シールド装置の部分断面図であり、ケーブル２０Ｕとその近くのアルミケース１５−１に覆われた磁性体フレーム１０−１の断面が示されている。絶縁体３１−１が、磁気シールドする対象のケーブル２０に近い面のギャップ（前ギャップ）に配置され、遠い面のギャップ（後ギャップ）には、絶縁体３２−１が配置されている。本実施形態では、このような構成はすべてのアルミケースに共通している。なお、図には、３組の磁性体フレーム１０及びそのアルミケース１５を示しているが、その数は、ケーブルの長さ、磁性体フレームの配置間隔に応じて適宜増減できることは当然である。

図２に、アルミケース１５を取り去った、磁気シールド作用を行なう磁性体フレーム１０のみを示す。磁性体フレーム１０は、磁性体の板状部材であって、ケーブル２０に対して直交する方向に板面をそろえるのが望ましい。各磁性体フレーム１０−１〜１０−３はそれぞれ、積層した方向性電磁鋼板の長短２組を互いにつき合わせて矩形に構成されている。電磁鋼板は、磁気特性がよく、鉄損も少ないので、磁気シールド材料として適している。また、方向性電磁鋼板を使用して、矩形の４辺の長手方向が磁化容易方向となるように、４組の方向性電磁鋼板を組み合わせているので、ケーブルに流れる電流により生じる磁場を補足しやすくなっている。さらに、方向性電磁鋼板は積層して磁性体フレーム１０とするので、ケーブルの長手方向には渦電流が流れない。これは、電磁鋼板は通常、絶縁性のコーティングが施されているので、積層しても積層方向には導電性を有さないからである。

ただし、電磁鋼板は磁気特性は優れているが、高価でもあるので、一般の薄板鋼材を使用してもよい。一般の薄板鋼板としては、冷延しやすいようにＳｉ含有量は少なくしてもよく、炭素含有量を低減して飽和磁束密度を上げるようにしてもよい。一般の薄板鋼材の表面には絶縁材が塗布されていなために、積層して使用する場合にはその表面に絶縁物を塗布し、ケーブルに平行な方向には導電性を有さないようにしなければいけない。

本実施形態は、磁性体フレーム１０をアルミケース１５に収容する点に一つの技術的特徴を有している。すなわち、アルミケース１５は、方向性電磁鋼板が積層された磁性体フレーム１０−１〜１０−３を堅固に支持するとともに、アルミケース１５を点支持したとしても、磁性体フレームに対しては面支持となり、電磁鋼板に応力がかかり磁気特性が劣化するのを防いでいる。また、人目に触れる場所のケーブルに本実施形態の磁気シールド装置を適用する場合には、見栄えもよいという効果もある。

本実施形態のもう一つの技術的特徴は、アルミケース１５に設けたギャップである。先に説明したように、アルミケース１５は、絶縁体３１を配置したケーブル２０に近い部分の前ギャップ、絶縁体３２を配置したケーブル２０から遠い部分の後ギャップの２つのギャップを備えている。アルミケース１５は導電体であるので、変化する磁場により渦電流が流れると、ケーブル２０による磁界がアルミケース１５内の磁性体フレーム１０にまでとどかないので、磁性体フレーム１０による磁気シールドの効果が減少する。したがって、本実形態では前述のギャップを設け、渦電流の発生を防ぐようにしている。

もちろん、アルミケース１５の電流路を分断するには、スリットは１箇所でもよく、また任意の箇所にギャップを設けることができる。ただし、以下に示すシミュレーションの結果によれば、本実施形態のように、ケーブル２０に近い箇所と遠い箇所に２つのギャップを設ける方が効果が高い。なお、アルミケースに代えて銅又は鋼材のケースを用いてもよく、その他導電性の材料を用いることができる。また、ギャップが開いていても磁性体フレームを覆うケースとして機能する場合には、ギャップに配置される絶縁体は必ずしも必要ではない。

以下、図３〜７を参照して、磁気シールド装置の解析モデルと解析結果を説明する。図３〜５に、参考例として解析モデルを示す。図３は、３相ケーブルによる磁場をシールドする磁気シールド装置の上面図であり、図４は、その正面図である。図６は、図４のＡ−Ａ断面図であり、磁性体フレーム１０−１を収容するアルミケース１５−１の断面を示す。

解析モデルとなる磁気シールド装置は、２枚の磁性体フレーム１５−１、１５−２がそれぞれアルミケース１５−１、１５−２に収納され、５０Ｈzの３相電流が流れるケーブル２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗからなる３相ケーブルを囲っている。励磁電流は３相５０Ｈｚであり、起磁力は１５，７００ＡＴｒｍｓ（２ＡＴｒｍｓ／ｍｍ^２）である。

図３に示すように、ケーブル２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗは、直径１００ｍｍであり、Ｘ方向に並んでいる。ケーブル２０Ｕと２０Ｖ、２０Ｖと２０Ｗの中心間の距離Ｌ１は、２００ｍｍであり、ケーブル２０Ｕ、２０ＷとアルミケースとのＸ方向距離Ｌ２は、それぞれ１０ｍｍである。アルミケースは、幅Ｌ３が８５ｍｍで、長さＬ４が２００ｍｍの部材と、幅Ｌ３が８５ｍｍで、長さＬ５が７７０ｍｍの部材とを組み合わせて作られる。

図４に示すように、アルミケースの厚みＬ６は４２ｍｍであり、アルミケース１５−１と１５−２との中心間の距離は、１５０ｍｍあけてある。

図５に示すように、解析モデルでは、幅Ｍ１が５０ｍｍの電磁鋼板３５ＺＧを２０枚積層して、厚みＭ２が７ｍｍの磁性体フレーム板１０−１を形成し、これを収容するアルミケース１５−１は、厚みＬ７が１５ｍｍのアルミ材からなり、ケース内空間の断面は５５ｍｍ×１２ｍｍである。

図６に、解析モデルで使用する電磁鋼板及びアルミ材の物性値の表を示す。本例の電磁鋼板は、方向性電磁鋼板であって、磁化容易軸方向の比透磁率が８０，０００であり、磁化困難軸方向の比透磁率が５，０００である。

図７は、図４〜図６の磁気シールド装置についてシミュレーションを行なった結果を示すグラフで、図８は、図７のグラフの横軸を解析モデルに関連付けて示す図である。図７のグラフは、図８に示すように、磁気シールド装置中央に配置したケーブル２０Ｖの中心を原点にして、横軸を、アルミケース１５−１の厚み方向（ｚ方向）の中央のライン上にとり、縦軸をｘ方向の各点での磁束密度をとったものである。参考に１００ｍｍごとにｘ_１〜ｘ_７の点を示した。中心から３００ｍｍ（ｘ_１）から３８５ｍｍの範囲がアルミケースであり、３８５ｍｍを越えると、本発明による磁気シールド装置の外部となる。

図７の一点鎖線が、シールド装置なしの場合であり、破線が、渦電流を遮断するギャップをもたないアルミケースに収容した電磁鋼板を使用する場合（参考例）、細線は、渦電流を遮断する前ギャップをもつアルミケースに収容した電磁鋼板を使用する場合（本実施形態）、太線は、渦電流を遮断する前後ギャップをもつアルミケースに収容した電磁鋼板を使用する場合を示す。

図から明らかなように、電磁鋼板を単にアルミケースに収容したものを用いると、磁気シールドを行なわない場合とほとんど区別がつかなくなっている。これに対して、渦電流を遮断するギャップをもつアルミケースに収容した電磁鋼板を使用すると、磁気シールドの効果が表れ、渦電流を遮断するギャップを前後に２箇所もつアルミケースに収容した電磁鋼板を使用すると、磁気シールド効果が１個のギャップのものより大きくなる。

このように、磁気シールドの作用を行なう磁性体フレームをギャップを有するアルミケースで覆うことにより、磁気シールド効果を保持しながら、磁性体フレームへの応力集中を防ぐ支持構造を実現できる。また、磁気シールド装置は開放構造であるから、密閉構造のシールド装置に比較して、放熱効果にすぐれ、また保守点検に有利である。なお、磁性体フレームの外形あるいはアルミケースの外形は、矩形に限定されない。さらに、実施形態として、三相交流５０Ｈｚの電流により生成される磁界をシールドする例を説明したが、これに限定されず、本発明は、数Ｈｚから数ｋＨｚの範囲で有効である。

また、本発明の他の参考例として、上記の磁気フレームを収容するケースが絶縁体である場合を説明する。磁気フレームのシールド効果は上記の第一の実施形態と同様である。また、磁気フレームを面支持するので逆磁歪効果による軟磁性の劣化は小さい。この際、絶縁体としては、フェノール樹脂又は木材を用いる。なお、このとき、上記のギャップは当然不要である。その他、繊維強化樹脂等の樹脂系部材を用いても良い。

（ａ）は、本発明の磁気シールド装置の一実施形態を示す図であり、（ｂ）は、その部分断面を示す図である。 本発明の一実施形態の磁気シールド装置からアルミケースを取り除いで磁性体フレームを示す図である。 本実施形態の磁気シールド装置の解析モデルの上面を示す図である。 本実施形態の磁気シールド装置の解析モデルの正面を示す図である。 解析モデルのアルミケースの断面を示す図である。 解析モデルに使用する材料の物性値を示す図である。 解析モデルのシミュレーション結果のグラフを示す図である。 図７のグラフの横軸と解析モデルとの関係を示す図である。

符号の説明

１０ 磁性体フレーム
１５ アルミケース
２０ 三相交流ケーブル
３１、３２ 絶縁体

Claims (9)

1. 電流が流れるケーブルから漏洩する磁場をシールドする磁気シールド装置であって、
   前記ケーブルの長手方向に所定間隔をあけて配置した、前記ケーブルを囲む複数の磁性体フレームと、
   前記複数の磁性体フレームそれぞれを収容する複数の導電体ケースと、を備え、
   前記複数の導電体ケースには、前記ケーブルを囲む全周にわたって、少なくとも１つのギャップが設けられ、前記少なくとも１つのギャップにより、前記導電体ケースに渦電流が発生するのを防ぐことを特徴とする磁気シールド装置。
2. 前記ギャップには、絶縁体が配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気シールド装置。
3. 前記磁性体フレームは、ケーブルの長手方向に、互いに絶縁された複数の鋼板を積層してなる積層鋼板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気シールド装置。
4. 前記鋼板は、電磁鋼板であることを特徴とする請求項３に記載の磁気シールド装置。
5. 前記電磁鋼板は、前記ケーブルを囲む方向に磁化容易軸をそろえた方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項４に記載の磁気シールド装置。
6. 前記ギャップは、前記導電体ケースの前記ケーブルに近い面に設けられることを特徴とする請求項１〜５に記載の磁気シールド装置。
7. 前記ギャップは、前記導電体ケースの前記ケーブルに近い面と遠い面とに設けられることを特徴とする請求項１〜５に記載の磁気シールド装置。
8. 前記導電体ケースは、導電性の金属建築部材からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気シールド装置。
9. 前記金属建築部材は、アルミ材、銅材、磁性鋼材、又は非磁性ステンレス材であることを特徴とする請求項８に記載の磁気シールド装置。

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