JP5324867B2 - 円筒状鉄心、誘導発熱ローラ装置及び静止誘導機器 - Google Patents

Description

本発明は、円筒状鉄心、誘導発熱ローラ装置及び静止誘導機器に関するものである。

変圧器やリアクトルといった静止誘導機器、又は誘導発熱ローラ装置といった誘導発熱機器などの電磁誘導機器において、磁路となる鉄心の損失は、電磁誘導機器の効率低下及び発熱の原因となっており、その低減が大きな課題である。

特に、漏洩磁束による鉄心の渦電流損は大きな比率を占め、この渦電流により鉄心が発熱してしまい、機器の効率を低下させてしまう。また、これに巻回されている誘導コイルの効率低下、絶縁低下を招く要因となる。なお、渦電流の大きさは、磁束が垂直に入る磁性鋼板の幅、又は板厚の二乗に比例して大きくなることが知れられている。さらに、鉄心の占積率により鉄心の性能が決まることから、鉄心の占積率を向上させる必要もある。

従来、特許文献１及び特許文献２などに示すように、幅方向断面が湾曲形状をなす湾曲部を有する複数の磁性鋼板を、幅方向にずらして積み重ねることにより形成された円筒状鉄心が本出願人によって考えられている。

しかしながら、この円筒状鉄心は、内径及び磁性鋼板の板厚により、積層可能な最大枚数が決定されるところ、鋼板枚数を少なくすると円筒状鉄心の断面内の隙間が大きくなり、占積率が悪くなってしまうという問題がある。

そして、このような円筒状鉄心において、占積率を可及的に大きくするための磁性鋼板の板厚及び幅寸法、円筒状鉄心の内径及び外径の関係に着目したものはない。
登録実用新案２５３２９８６号公報 特開２０００−３１１７７７号公報

そこで本発明は、磁性鋼板の板厚、その幅寸法、磁性鋼板の内径及び外径の関係に着目して初めてなされたものであり、磁性鋼板の占積率を可及的に大きくすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る円筒状鉄心は、幅方向断面が湾曲形状をなす湾曲部を有する複数の磁性鋼板を、幅方向にずらして積み重ねることにより形成された円筒状鉄心であって、前記磁性鋼板の幅方向内径側端部が円筒状鉄心の径方向に対して傾斜しており、前記円筒状鉄心の内径Φ_Ａ、外径Φ_Ｂ、前記磁性鋼板の板厚ｔ及び径方向幅寸法ｌが、

（なお、三角関数の単位はラジアン（ｒａｄ）である。）の関係をなすことを特徴とする。

このようなものであれば、占積率を可及的に大きくすることができる。

また、本発明の円筒状鉄心を誘導発熱ローラ装置に用いることが望ましく、特に、誘導発熱ローラ装置が、円筒状鉄心の外側周面に誘導コイルを巻装して構成される磁束発生機構と、前記磁束発生機構を収容するとともに、前記磁束発生機構に対して相対的に回転可能に設けられ、前記磁束発生機構の磁束により生じる誘導電流によって発熱する中空円筒状の発熱ロール体と、を備え、前記円筒状鉄心と前記発熱ロール体との間に非磁性体又は所定間隔の空隙を介在させていることが望ましい。ここで、非磁性体とは、アルミニウムのような磁性を示さない物質であり、セラミックス又は硝子なども含む。また、所定間隔の空隙とは、発熱ロール体の有効面長部分のみが発熱し、その他の部分が発熱しにくいようにする程度の間隔を有する空隙であり、真空又は大気であっても良い。

このように、円筒状鉄心と発熱ロール体との間に非磁性体又は所定間隔の空隙を介在させることにより、磁気抵抗を大きくして磁束が通りにくくすることにより、発熱ロール体の有効面長部分のみが発熱し、その他の部分（例えば発熱ロール体に接続されたジャーナル部分など）が発熱しにくいようにしている。

さらに、本発明の円筒状鉄心を静止誘導機器に用いることが望ましい。特に、円筒状鉄心を用いて構成された脚鉄心を備え、前記円筒状鉄心の軸方向両端部の少なくとも一方に非磁性体を設けていることが望ましい。例えば、静止誘導機器のうちリアクトルに用いた場合には、磁路中の磁気抵抗を大きくすることができ、所定のリアクタンスを得ることができる。

このように本発明によれば、磁性鋼板の占積率を可及的に大きくすることができる。

次に、本発明の円筒状鉄心３１を用いた誘導発熱ローラ装置１の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態の誘導発熱ローラ装置１の構成の概略を示す断面図である。

＜装置構成＞
本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１は、例えば樹脂フィルム、紙、布、不織布、金属箔などのシート材又はウエブ材の連続熱処理工程又は合成繊維の熱延伸処理工程等において用いられるものであり、図１に示すように、回転可能に設けられた中空円筒状の発熱ローラ体２と、この発熱ローラ体２内に収容される磁束発生機構３と、を備えている。

発熱ローラ体２の両端部には、ジャーナル４が取り付けられている。このジャーナル４は、中空の駆動軸５と一体に構成されており、駆動軸５は、転がり軸受等の軸受６を介して基台７に回転自在に支持されている。

磁束発生機構３は、円筒形状をなす円筒状鉄心３１と、当該円筒状鉄心３１の外側周面に巻装された誘導コイル３２とから構成されている。円筒状鉄心３１の両端にはそれぞれ、支持ロッド８が取り付けられている。この支持ロッド８は、それぞれ駆動軸５の内部に挿通されており、転がり軸受等の軸受９を介して駆動軸５に対して回転自在に支持されている。これにより、磁束発生機構３は、発熱ローラ体２の内部において、宙づり状態で支持されることになる。誘導コイル３２には、リード線１０が接続されており、このリード線１０には、交流電圧を印加するための交流電源（図示しない）が接続されている。

また、円筒状鉄心３１と発熱ロール体２又はジャーナル４との間に所定間隔の間隙又は非磁性体（図示しない）を設けている。具体的には、図１に示すように、円筒状鉄心３１の両端と、ジャーナル４の鉄心側側面４ａとの間に所定間隔の空隙Ｇを設けている。このように空隙Ｇを設けることにより、磁気抵抗を大きくして磁束が通りにくくし、発熱ロール体２のみが発熱し、ジャーナル４などが発熱しにくいようにしている。

しかして本実施形態の円筒状鉄心３１は、図２に示すように、複数の磁性鋼板３１１を、幅方向にずらして積み重ねることにより円筒状に形成されたものである。

磁性鋼板３１１は、長尺形状をなすものであり、図３に示すように、幅方向断面が湾曲形状をなす湾曲部３１１１を有する。この磁性鋼板３１１は、例えば表面に絶縁皮膜が施されたケイ素鋼板により形成されており、その板厚は、例えば約０．３ｍｍである。

湾曲部３１１１は、全体に亘って一定の曲率で湾曲しているもの、又は、連続して曲率が変化しながら湾曲するものが考えられ、例えばインボリュート曲線の一部を用いたインボリュート形状、部分円弧形状又は部分楕円形状などが考えられる。

そして、磁性鋼板３１１の湾曲部３１１１により形成された凹部に、他の磁性鋼板３１１の湾曲部３１１１により形成された凸部を嵌め込むように、尚かつ各磁性鋼板３１１が幅方向にずれるようにして、同一形状をなす多数枚の磁性鋼板３１１を重ね合わせる。このとき、磁性鋼板３１１の幅方向端部３１１ａ、３１１ｂが、隣接する磁性鋼板３１１の凹側側面３１１ｍ又は凸側側面３１１ｎに接触するようにしている。このようにして円筒形状をなす円筒状鉄心３１が形成される。

また、円筒状鉄心３１は、円筒状鉄心の内径Φ_Ａ、外径Φ_Ｂ、磁性鋼板３１１の板厚ｔ及び径方向幅寸法ｌが、

（なお、三角関数の単位はラジアン（ｒａｄ）である。）

の関係となるように構成されている。つまり、鉄心３１の性能低下防止を目的として、鉄心内径Φ_Ａに対して積層可能な最大磁性鋼板枚数Ｎとしたときの鉄心外径Φ_Ｂの取り得る範囲を規定するものである。

（ｉ） 傾斜角度θ_３１１ａが、θ_３１１ａ＝０、θ_３１１ａ≧θ_Ｘの場合において、磁性鋼板３１１の積層枚数が最大となるのは、θ_３１１ａθ＝０、θ_Ｘの場合である。このときの磁性鋼板３１１の最大積層枚数をＮ_０とする。

ここで、まず角度θ_Ｘについて説明する。この角度θ_Ｘは、隣接する磁性鋼板３１１（傾斜角度θ_３１１ａ≧０）の径方向最内端の角と円中心Ｏとのなす角度をθ’とし、磁性鋼板３１１の傾斜角度θ_３１１ａがゼロの場合の中心角度をθ_０としたときに、当該角度θ’が中心角度θ_０と等しくなるときの磁性鋼板３１１の傾斜角度θ_３１１ａである。

ここで、θ_３１１ａ＝αとおくと、傾斜角度α（＝θ_３１１ａ）及び角度θ’の関係は次式で示される。

磁性鋼板３１１の傾斜角度θ_３１１ａが０＜θ_３１１ａ＜θ_Ｘの場合には、角度θ’は中心角度θ_０よりも小さい。一方、磁性鋼板３１１の傾斜角度θ_３１１ａがθ_Ｘ＜θ_３１１ａの場合には、角度θ’は中心角度θ_０よりも大きい。なお、（式１）及びθ_Ｘの導出については最後に説明する。

磁性鋼板３１１の幅方向内径側端部３１１ａの中心線の傾斜角度θ_３１１ａがゼロ（θ_３１１ａ＝０））、つまり、磁性鋼板３１１の幅方向内径側端部３１１ａが、円筒状鉄心３１の内径Φ_Ａに対して垂直であるとして、その説明図を図４に示す。このとき、磁性鋼板３１１の幅方向内径側端部３１１ａの角及び円中心Ｏを結ぶ直線と磁性鋼板３１１の中心線（直線とみなしている。）とのなす角度をθ_０／２（ｒａｄ）とすると、次の関係式が成り立つ。

ｔａｎ（θ_０／２）＝（ｔ／２）／（Φ_Ａ／２）＝ｔ／Φ_Ａ
であり、

θ_０／２＝ｔａｎ^−１（ｔ／Φ_Ａ） ・・・（式２）
となる。

磁性鋼板３１１、一枚当たりの中心角度は、θ_０となり、内径Φ_Ａの円筒状鉄心３１の磁性鋼板３１１の枚数をＮ_０として、各磁性鋼板３１１の幅方向内径側端部３１１ａを互いに接触させて隙間なく密に配置した場合には、

Ｎ_０＝２π／θ_０ ・・・（式３）
となる。ここで、Ｎは小数点以下切り捨ての整数とする。

円筒状鉄心３１の有効断面積（積層される磁性鋼板３１１の総断面積）をＳ１とすると、各磁性鋼板３１１の断面積がｔｌと近似できるので、
Ｓ１＝ｔｌＮ_０＝２πｔｌ／θ_０ ・・・（式４）
となる。ここで、径方向幅寸法ｌは、例えば磁性鋼板３１１の径方向に沿った側面の幅方向長さとすることができる。なお、径方向幅寸法ｌを磁性鋼板３１１の径方向中心を通る幅方向長さとしても良い。

一方、内径Φ_Ａの内側円及び外径Φ_Ｂの外側円からなる内面積（磁性鋼板３１１が積層される領域の面積）Ｓ２は、

Ｓ２＝（Φ_Ｂ ^２―Φ_Ａ ^２）π／４ ・・・（式５）
となる。

ここで、Ｓ２＞Ｓ１が成立するので、（式４）及び（式５）から
（Φ_Ｂ ^２―Φ_Ａ ^２）π／４＞２πｔｌ／θ_０

この不等式を、上記（式２）及び（式３）を用いて整理すると、Φ_Ｂ＞０であることから、

が得られる。

なお、θ_３１１ａ＝θ_Ｘの場合も上記と同様である。

（ｉｉ） 次に、傾斜角度θ_３１１ａが、０＜θ_３１１ａ＜θ_Ｘの場合において、磁性鋼板３１１の最大積層枚数をＮ’とすると、Ｎ’＞Ｎ_０であり、図５に示すように、隣接する磁性鋼板３１１の径方向最内端の角と円中心Ｏとのなす角度をθ’とすると、θ’＜θ_０である。

このとき、Ｎ’＝２π／θ’ ・・・（式６）
となる。

また、円筒状鉄心３１の有効断面積Ｓ１は、
Ｓ１＝ｔｌＮ_０＝２πｔｌ／θ’ ・・・（式７）
となる。

そうすると、Ｓ２＞Ｓ１から、（式５）及び（式７）を用いて
（Φ_Ｂ ^２―Φ_Ａ ^２）π／４＞２πｔｌ／θ’
となり、

が得られる。

上記（ｉ）θ_３１１ａ＝０、θ_３１１ａ≧θ_Ｘの場合、及び（ｉｉ）０＜θ_３１１ａ＜θ_Ｘの場合を合わせて、上記関係式

が得られる。また、外径Φ_Ｂは、Φ_Ｂ＜Φ_Ａ＋２ｌを満たす。

＜角度θ_Ｘの導出について＞
最後に、角度θ_Ｘの導出について図６を参照して説明する。まず、幾何学的情報を解析学的に記述する。

図６に示した第１の磁性鋼板の点Ａ（Ｒ（＝Φ_Ａ／２），０）を通る面Ｌ_１を
Ｌ_１：ｆ（ｘ、ｙ）＝０
とおく。

また、第１の磁性鋼板に隣接する第２の磁性鋼板の面Ｌ_２は、中心の回転角θ’を用いて、
Ｌ_２：ｇ（ｆ（ｘ，ｙ），θ’）＝０
と表すことができる。

この面Ｌ_２が第１の磁性鋼板と点Ｂ（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ）で接していることから、 ｇ（ｆ（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ），θ’）＝０ が成立する。

以下、面Ｌ_１、Ｌ_２の断面形状が直線であると仮定する。Ｌ_１とｘ軸とのなす角度をαとおくと、幾何学的に関数ｆは次式となる。
Ｌ_１：ｆ（ｘ，ｙ）＝ｙ−（ｘ−Ｒ）ｔａｎ（−α）＝０

したがって、Ｌ_２は次式となる。
Ｌ_２：ｇ（ｆ（ｘ，ｙ），θ’）
＝ｙ−Ｒｓｉｎθ’−（ｓ−Ｒｓｉｎθ’）ｔａｎ（θ’−α）＝０

また、鋼板の厚さをｔとすると、点Ｂの座標は（Ｒ＋ｔｓｉｎα，ｔｃｏｓα）となる。この点Ｂの座標値を式Ｌ_２に代入すると、
ｔｃｏｓα−Ｒｓｉｎθ’−（Ｒ＋ｔｓｉｎα−Ｒｃｏｓθ’）ｔａｎ（θ’−α）＝０
となる。

この式により、内径Ｒ（＝Φ_Ａ／２）、板厚ｔを与え、θ’＝θ_０とすることにより求められたαがθ_Ｘとなる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１によれば、占積率を可及的に大きくすることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、本発明の円筒状鉄心３１を静止誘導機器に用いることもできる。図７により、静止誘導機器のうちリアクトルＺに用いた場合について説明する。このリアクトルＺは、１又は複数（図７中では２個）の脚鉄心Ｚ１と、当該脚鉄心Ｚ１の外周に巻装されたコイルＺ２と、前記複数の脚鉄心Ｚ１を上下毎に各端部に繋ぎ閉じた磁路を形成するヨーク鉄心Ｚ３と、を備えている。なお、図中Ｚ５は、脚鉄心Ｚ１を締め付けるための締め付けボルトである。そして、各脚鉄心Ｚ１には、１又は複数のギャップが形成されている。具体的に脚鉄心Ｚ１は、複数の円筒状鉄心３１から形成されている。各脚鉄心Ｚ１において、それぞれの円筒状鉄心３１間には絶縁体からなるスペーサ部材Ｚ４が挟まれており、これにより脚鉄心Ｚ１には１又は複数のギャップが形成される。また、ヨーク鉄心Ｚ３と円筒状鉄心３１との間にもスペーサ部材Ｚ４が配置されている。

これにより、ギャップにより磁気抵抗を調整することで所定のリアクタンスを得ることができる。

さらに、前記実施形態では、磁性鋼板３１１が湾曲部３１１１のみからなるものであったが、図８に示すように、湾曲部３１１１と、当該湾曲部３１１１の幅方向における内径側端部に連続して形成された屈曲部３１１２とからなるものであっても良い。このように屈曲部３１１２を備えるものであれば、各磁性鋼板３１１を積み重ねる作業を容易にすることができるだけでなく、磁性鋼板３１１が径方向外部に抜脱されることを好適に防止することができる。

その上、前記実施形態の円筒状鉄心は、径方向において一層のものであったが、特にリアクトル又はトランスに用いる場合には、径方向において多層構造のものであっても良い。

加えて、前記実施形態では、円筒状鉄心と発熱ロール体又はジャーナルとの間に所定間隔の間隙を設けているが、空隙の代わりに非磁性体を設けるものであっても良い。この場合、図９に示す片持ち式の誘導発熱ローラ装置に適用することが考えられる。つまり、円筒状鉄心３１の一端部にフランジ３１ｆが設けられ、当該フランジ３１ｆを基台１１に例えばねじ留めされることにより固定される。なお、発熱ロール体２は、円筒状鉄心３１の内部に挿通される駆動軸１２により回転可能に支持される。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の円筒状鉄心を用いた誘導発熱ローラ装置の模式的構成図。 同実施形態の円筒状鉄心の断面図。 同実施形態の磁性鋼板を示す断面図。 磁性鋼板の幅方向内径側端部を示す拡大模式図（θ_３１１ａ＝０）。 磁性鋼板の幅方向内径側端部を示す拡大模式図。 角度θ_Ｘの導出を説明するための図。 本発明の円筒状鉄心を用いたリアクトルの模式的構成図。 磁性鋼板の変形例を示す断面図。 変形実施形態に係る片持ち式の誘導発熱ローラ装置の模式的構成図。

１ ・・・誘導発熱ローラ装置
２ ・・・発熱ロール体
３ ・・・磁束発生機構
３１ ・・・円筒状鉄心
３１１ ・・・磁性鋼板
３１１１・・・湾曲部
ｔ ・・・磁性鋼板の板厚
ｌ ・・・磁性鋼板の径方向幅寸法
Φ_Ａ ・・・円筒状鉄心の内径
Φ_Ｂ ・・・円筒状鉄心の外径
３２ ・・・誘導コイル
Ｚ ・・・静止誘導機器（リアクトル）
Ｚ１ ・・・脚鉄心

Claims (3)

1. 幅方向断面が湾曲形状をなす湾曲部を有する複数の磁性鋼板を、幅方向にずらして積み重ねることにより形成された円筒状鉄心であって、
   前記磁性鋼板の幅方向内径側端部が円筒状鉄心の径方向に対して傾斜しており、
   前記円筒状鉄心の内径Φ_Ａ、外径Φ_Ｂ、前記磁性鋼板の板厚ｔ及び径方向幅寸法ｌが、
   （なお、三角関数の単位はラジアン（ｒａｄ）である。）
   の関係をなす円筒状鉄心。
2. 請求項１記載の円筒状鉄心の外側周面に誘導コイルを巻装して構成される磁束発生機構と、
   前記磁束発生機構を収容するとともに、前記磁束発生機構に対して相対的に回転可能に設けられ、前記磁束発生機構の磁束により生じる誘導電流によって発熱する中空円筒状の発熱ロール体と、を備え、
   前記円筒状鉄心と前記発熱ロール体との間に非磁性体又は所定間隔の空隙を介在させている誘導発熱ローラ装置。
3. 請求項１記載の円筒状鉄心を用いて構成された脚鉄心を備え、
   前記円筒状鉄心の軸方向両端部の少なくとも一方に非磁性体を設けている静止誘導機器。