JP5216536B2 - 静止機器用鉄心 - Google Patents

Description

本発明は変圧器やリアクトルといった静止機器の構成に関わる、特に鉄心の構造に関するものである。

本発明に関した従来技術として、例えば、特許文献1（特開平10-270263号公報）では異なる磁気特性をもつアモルファスシートを重ねて形成することが開示されている。すなわち、文献1においては異なる磁気特性をもつ非晶質金属を混ぜ合わせて使用する内容であるが、ここでの磁気特性の改善はあくまでも製造時のばらつきを抑えるために、材料の素材ロットが異なる材料の組み合わせを行ってバラつきを抑えるという内容であり、巻鉄心内周への磁束の集中には触れておらず、その状態を改善するという点においては、全くの効果を持っていないと判断できる。

また、特許文献2（特開2007-180135号公報）では内側に配置される非晶質金属箔帯の透磁率が外側に配置される非晶質金属箔帯の透磁率よりも低くすることが開示されている。特許文献2においては、非晶質金属薄帯の特徴である焼鈍温度による磁気特性の変化をわざとつけることで、巻鉄心内側の透磁率を低くし、外側へ磁束が流れやすくするという内容である。この効果は非晶質金属が焼鈍により熱が加わったことで内部に微細な結晶化を起こし、磁気特性が変化することに由来する。従って、結晶質である電磁鋼板を使用している巻鉄心では焼鈍を行っても本効果は得られない。
特許文献3は、特許文献2と同様な視点で透磁率を内周から外周にかけて高くすることで磁束密度分布の均一化を図っている。これらは電磁鋼板を積層させて構成される巻鉄心に適用している。

特許文献４では、電磁鋼板と非晶質金属薄帯を混ぜ合わせた巻鉄心が示されている。しかし、材料の透磁率を比べた際、電磁鋼板は0.1H/m程度であり、非晶質金属薄帯は0.6H/m程度である。よって、この透磁率の差がある限り、電磁鋼板と非晶質金属薄帯には同じような磁束は流れず、電磁鋼板で使用している磁束密度の範囲（約1.5〜1.7T程度）では非晶質金属薄帯に磁束が集中するが、材料の飽和磁束密度領域となり、組み合わせた以上の悪化を招く。逆に非晶質金属薄帯の領域（1.2〜1.3T程度）でも非晶質金属薄帯に磁束が集中するため、組み合わせた以上の悪化を招く。従って、特許文献6の方法では全く磁気特性が改善することはない。

特開平10-270263号公報 特開2007-180135号公報 特開平6-120044号公報 特開昭57-143808号公報

静止機器の代表として図2に柱上変圧器の外観図を示し、内部が分かるように部分的断面図を示す。1は柱上変圧器の全体、2は巻線、3は巻鉄心、4は変圧器の本体容器、５は本体容器の蓋、６は中身固定金具、７は巻鉄心を固定する鉄心締金具、８は一次ブッシングである。この柱上変圧器の本体容器及び蓋は、一般に鉄製で表面を塗装して製造している。また、柱上変圧器１において使用している巻鉄心３は図３に示す構造である。

図４は、巻鉄心３の１／４カット図で、巻線と鎖交する部分（以後、脚部という）における磁束密度分布を示す。

一般的に巻鉄心内部を通る磁束は、磁路の短い内周側に集中する傾向があり、鉄心断面において磁束は不均一である。

このように巻鉄心の内周側に磁束が集中すると、損失が大きくなる。

本発明の目的は、巻鉄心の内側に磁束分布が集中しないように、ほぼ均一になるように構成した鉄心を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、透磁率の異なる2種類以上の磁性材料を用い、それらを単板、または複数枚重ねあわせて積層ブロックを構成し、前記透磁率の異なる積層ブロックを内周より交互に配置して鉄心を構成した。

このように、透磁率の異なる磁性材料を用いると、透磁率の高い材料は、磁束をよく流し、透磁率の低い材料は、高い材料に比較すると磁束が流れにくい性質がある。

従って、透磁率の高い材料と低い材料を規則的に配列して並べた場合、磁路の短い内周側に磁束が集中しにくく、均一化される。

また、巻鉄心は磁性材料の成形時に生じる応力を取り除くために、焼鈍を行ったことを特徴とする。

従来の方法では巻鉄心の構造によって、磁束が磁路の短い内周側に集中していたが、本発明を使用することで、磁束分布の不均一を起こさせ、内周側の過度の磁束集中を抑える効果をもたせ、より低損失な鉄心を提供できる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図1は、透磁率の異なる4種類の電磁鋼板を用いた巻鉄心３の部分断面図を示す。巻鉄心３を構成する4種類の電磁鋼板の透磁率をμ１、μ２、μ３及びμ４とし、各電磁鋼板にμ１＜μ２＜μ３＜μ４の関係があるとき、鉄心の内側に透磁率の小さい電磁鋼板（透磁率μ１）を配置し、次の外側の層に透磁率μ２の電磁鋼板を配置し、その次の外側の層に透磁率μ３の電磁鋼板を配置し、さらにその外側の層に透磁率μ４を配置し、この４種類の電磁鋼板の層を１ブロックとし、このブロックを繰り返して鉄心を構成する。

具体的には、電磁鋼板を用いた場合、最内周側の鉄心素材１４は無方向性電磁鋼板を用い、次の外側の層は無方向性電磁鋼板より透磁率の大きい磁区制御電磁鋼板を用い、更に次の層には磁区制御電磁鋼板より透磁率の大きい一方向性電磁鋼板を用い、次の層には、一方向性電磁鋼板より透磁率の大きい高配向性電磁鋼板を用いる。

これらの電磁鋼板を1ブロックとして、交互に繰り返して積層し、鉄心を構成する。
ここで、それぞれの電磁鋼板の透磁率を見ると、一般に無方向性電磁鋼板は0.016以下（新日鐵製品名35H210）、磁区制御電磁鋼板は0.08以下（同製品名23ZDKH）、一方向性電磁鋼板は0.10以下（同製品名23Z110）、高配向性電磁鋼板は0.11以下（同製品名23ZH90）である。また、図1は、説明を分かり易くするために電磁鋼板を単枚毎に積層した拡大図を示しているが、透磁率の同じ電磁鋼板を複数枚使用しても良い。

このような構成において、鉄心内の磁束分布は図１に示しているとおり、最内周側の磁束密度は低く、次の外周側の積層部に近づくにつれて磁束密度は高くなり、積層部の中央部では低くなり、次の第３層目に近づくと磁束密度は高くなり、第３層目の中央部では低くなり、第４層目に近づくと磁束密度は高くなる。第４層目の中央部では低くなり、第５層目は最内周の第１層目と同じになるため、第４層目から第５層目に近づく場合、磁束密度は中央部より低くなる。

そして、第１層目から第４層目までの中間部の磁束密度の値は相対的に僅かではあるが高くなり、第５層目からは、第１層目から第４層目までの特性を繰り返す。
すなわち、透磁率は高い方がよく磁束を流し、低ければ逆の効果を得られるため、図1のように透磁率の高い材料と低い材料を規則的な配列で並べた場合、透磁率の不均一が起こる。鉄心全体で見た場合、磁路の短い内周部に磁束が集まりやすくなるが、透磁率が不均一であるため、透磁率の高い部分に流れている磁束は透磁率の低い部分を越えづらくなる。従って、同一材料で構成された巻鉄心と比較し、磁束が通っている磁路を周回方向で細分化することができ、磁路長差による鉄心内周部に磁束が極端に集中することを防ぐ効果をもたせることができる。この効果を利用し、透磁率の高い材料が低損失である場合、局所的な磁束集中が抑えることにより、その材料単一で構成された鉄心では内周側に集中することで過励磁を起こして損失を悪化させていた分が緩和され、材料単板での低損失性を維持でき、低損失な鉄心を提供することができる。

なお、透磁率を変化させることは透磁率が異なる材料を組み合わせることで実現できるが、非晶質金属に限っては、材料種類が異なれば同一の焼鈍温度であっても透磁率は変化させることができるため、材料を組み合わせたまま一括に焼鈍することでも同効果を得ることができる。

図５（ａ）は、透磁率の異なる２種類の材料を積層して鉄心を構成した図を示す。
透磁率の異なる２種類の材料として、アモルファス材のＳＡ１（日立金属製品名2605SA1）と、ＳＡ１よりも高磁束密度のアモルファス材ＨＢ１（日立金属製品名2605HB1）を用いた場合を検討した。

図５において、鉄心内周側の鉄心１５は、鉄心をある温度で焼鈍した際に透磁率が小さくなるアモルファス材を用い、次の層には透磁率が大きくなるアモルファス材を積層し、これを繰り返してアモルファス鉄心を構成した。

また、透磁率の小さいアモルファス材１５は、単枚でも複数枚でもよく、透磁率の大きいアモルファス材も単枚でも複数枚でも良い。

図５(ｂ)は、透磁率の異なる２種類のアモルファス材を積層して構成した鉄心の磁束密度分布である。図５（ｂ）の磁束密度の分布は、内周側の第１層目に透磁率μの小さい鉄心材料を用い、外側の第２層目に透磁率の大きい鉄心材料を用い、第２層目の厚みを第１層目より厚くした場合を示し、第１層目の磁束分布は低く、第２層目は高くなる。第３層目からは、第１層目と第２層目の構造を繰り返すため、第２層目の磁束分布は第３層目に近づくにつれて低くなり、この磁束分布の特性を繰り返す。

図５（ｂ）より従来の磁束密度分布と比較すると、アモルファス材１５の磁束密度は小さく、アモルファス材１６では磁束密度が大きくなり、全体として内周側に偏っていた磁束分布が緩和されることによって鉄心の特性が向上する。
次に透磁率の異なる２種類のアモルファス材を用い、図５（ａ）のように積層して鉄心を構成し、ヒステリシス損を計測し、比較した結果を図６に示す。図６は、磁束密度１．３Ｔ，５０Ｈｚでの特性の変化を比較したもので、図６の左側は透磁率の小さいアモルファス薄帯のみで鉄心を構成した場合で、このヒステリシス損を１００とする。

これに対し、透磁率の異なる２種類のアモルファス薄帯を交互に積層して鉄心を構成した場合は、ヒステリシス損８７％となり、１５％程度改善できた。

したがって、鉄心材料として、透磁率の異なるアモルファス薄帯を用いて、内側に透磁率の小さいアモルファス材を、外側に透磁率の大きいアモルファス材を交互に積層し構成した鉄心は、ヒステリシス損が減少する効果を得ることが分かる。

図7は、透磁率の異なる2種類のアモルファス薄帯を積層した鉄心の部分断面図を示す。図7において、内側の鉄心は透磁率の小さいアモルファス薄帯を単枚または複数枚積層し、次に透磁率の大きいアモルファス薄帯を積層し、これを交互に積層し、さらに、透磁率の大きいアモルファス薄帯の積層量を、すなわち厚みを徐々に多くする。アモルファス薄帯１４は、略同じ厚みで、すなわちA1、A２、A３、A４、A５はほぼ等しい値とする。
この透磁率の大きいアモルファス薄帯を積層した厚みは、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４＜Ｌ５ であるが、厚みの量は比例して増加させる。また、図7のように、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＝Ｌ４＜Ｌ５ のように鉄心中央部を略同じ厚みにすることも可能である。

図7に上記鉄心構造の磁束密度分を示す。図7において、アモルファス鉄心の部分断面図を拡大して示し、鉄心内の磁束密度を黒線１００で表している。鉄心内側に集中するのを外側に移すため、A1、A２を狭くする。

図７の構成は、最内周の第１層目を透磁率の小さい鉄心材料で、次の外側の第２層目を透磁率の大きい鉄心材料で、次の外側の第３層目を透磁率の小さい鉄心材料で、次の外側の第４層目を透磁率の大きい鉄心材料で構成し、第５層目以降はこの積層を繰り返して、透磁率の大きい鉄心材料の厚みを徐々に増やしていく。

この構成での磁束密度分布は、第１層目は低く、第２層目に近づくにつれて高くなり、中央部では下がり、第３層目に近づくと低くなり、第３層目では低くなり、さらに第４層目に近づくにつれて高くなり、この磁束密度分布特性を繰り返し、全体として磁束密度の過度の集中が緩和されることによって鉄心の特性が向上する。

以上の説明により、本発明に関して産業上の利用可能性は有望である。

請求項1を説明した巻鉄心の1/4図である。 静止機器の代表として柱上変圧器を示す図である。 巻鉄心を示す図である。 巻鉄心の1/4図と断面の磁束密度分布を示す図である。 実施例2を説明する図である。 実施例2の測定結果から比較した図である。 実施例3を説明する図である。

符号の説明

1‥柱上変圧器容器 2‥巻線 3‥巻鉄心
11〜14‥透磁率の異なる磁性材料 L1〜5‥材料11が構成しているブロック
Ａ１〜５‥材料１４が構成しているブロック

Claims (2)

1. 透磁率の異なる２種類以上の磁性材料を用い、それらを単板、または複数枚重ねあわせて積層ブロックを構成し、前記透磁率の異なる積層ブロックを内周より交互に配置し、
   前記透磁率の異なる２種類以上の磁性材料で構成された積層ブロックのうち、透磁率の高い磁性材料で構成された積層ブロックの厚さは、外周になるにつれて厚くなることを特徴とする静止機器用巻鉄心。
2. 請求項１記載の静止機器用巻鉄心であって、
   前記磁性材料はアモルファスであることを特徴とする静止機器用巻鉄心。

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