JP5418311B2 - ギャップ付き単相リアクトル鉄心 - Google Patents

Description

本発明は、電気回路に接続されて使用されるリアクトルの鉄心に関するもので、特に、単相リアクトルで用いられるギャップ付き鉄心に関するものである。

リアクトルは、電気機器あるいは電気部品として電力系統などの電気回路に接続されるもので、その誘導性リアクタンスを利用して回路のインピーダンスを調整するなど、様々な作用を発生させるものである。その磁気回路として鉄心を用いた場合、十分なインダクタンスを確保できたり、あるいはリアクトル本体の小型化が可能となったりする。
しかし欠点として、鉄心に用いる磁性材料の飽和磁化特性のために、一定電流以上ではインダクタンスが急減し、また磁化特性の非線形性によって電圧や電流波形が歪む問題が発生する。

この問題に対処するために、ギャップ付き鉄心が用いられている。これは図１で示す様に、鉄心の巻線７が施される鉄心脚２を、ギャップ３を設けながら積層された複数のブロック鉄心１で構成し、磁気回路に非磁性層を入れることで飽和特性と非線形性を緩和するものである。
このギャップ付き鉄心では前述のメリットが得られるが、一方で様々な問題点も発生する。その一つが図１に示す上下ヨーク５での損失増大である。巻線電流によって鉄心脚２に発生する磁束の一部を図１では破線６で示すが、これはヨーク５に流入する。この磁束のヨーク内の状態は図１に示す様に、最初はほぼ垂直となっていたものが次第に磁気回路の方向である水平方向へ流れていく。

ところで、鉄心材料としては通常は方向性電磁鋼板が用いられるが、これは製造工程での圧延方向で良好な磁気特性、すなわち低鉄損特性を持つ。一方、圧延方向以外での鉄損は圧延方向の鉄損よりも高い特性を持つ。従って方向性電磁鋼板を用いる場合は、可能な限り、磁束が圧延方向に沿って流れるように鉄心構造を考慮することで低鉄損を得ることが可能となる。これは、図１の上下ヨーク５の場合では、圧延方向を水平方向とすることを意味する。

ところが前述の様に磁束がヨークに流入した直後では、その方向は垂直方向すなわち圧延方向の直角に近い方向に磁束が流れ、次第に圧延方向に向いていく。従って磁束がヨークに流入した直後の部分では鉄損が増大しており、鉄心全体の損失を増加させる要因となっている。更に、方向性電磁鋼板は透磁率も鉄損と同様に圧延方向でより良好な特性を持つため、図１に示す様に磁束は早く圧延方向に流れようとする。
その結果、上下ヨーク５ではほぼ全長に亘って幅方向に磁束の偏りが発生し、鉄心の内周部で磁束密度が高くなるため、その部分での鉄損が高くなる。このような局部的に高い鉄損は鉄心を部分的に熱膨張させるが、これが鉄心内に応力を発生させ、鉄心が発生する騒音と関係のある磁歪を増加させることになり、鉄心の騒音特性も劣化させることになる。

これらの問題への対策として次の方法が考案されている。
特許文献１では、ヨーク内の鉄心脚に対向する部分のみ、電磁鋼板の方向性が垂直方向になるように配置する方法が示されている。これによってその部分の発生損失と温度上昇を低減できるとしている。また特許文献２では、ヨーク内の鉄心脚に対向する部分に三角形状の抜き板をはめ込み、その部分の圧延方向を上下方向とすることで、ヨーク幅方向の磁束分布を均一化できることが開示されている。

特開平６−３０２４４２号公報 特開平９−１５３４１６号公報 特開昭５９−２１７３１０号公報

特許文献１の方法を用いると、鉄心脚からヨークに進入してきた磁束は、その部分では圧延方向が垂直方向に配置されているため、垂直方向に磁束が流れても鉄損は増加しない。しかし磁束は最終的には磁気回路に沿って流れるため、いずれは水平方向に転換せざるを得ず、結局、圧延方向以外に磁束が流れるため、鉄損の増加を招く。よって、より良い鉄心配置を考案して鉄損低減を図ることが課題となる。

また、特許文献２の三角形状の抜き板を用いた場合には、これが鉄損低減に有効と考えられるが、一方でこの形状が問題となりうると考えられる。それを以下で説明する。
ギャップ付きリアクトル鉄心では特許文献３で示されている様に、鉄心脚中心とヨークを貫通するボルトで鉄心を外側から締付け、鉄心脚のギャップの存在によって発生する振動を抑制し、騒音を低減している。

特許文献２の方法を適用すると、締付けで最も力のかかる部分に三角形の頂点が位置することになる。締付けによってヨークの両側部分が鉄心の外向きにずれると、三角形の頂点が突出してそこに締付け力が集中することとなり、変形することが考えられる。そのような場合は、隣接する電磁鋼板に頂点が接触し、鋼板間の電気絶縁が失われることもありうるため、その部分で積層された鋼板を貫通するうず電流が発生し、損失が増加することも考えられる。よって、そのような三角形の頂点を締付け部分に持たない鉄心構成を考案することが課題となる。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を要旨とする。
（１）複数のブロック鉄心をギャップを介しながら積層して鉄心脚とし、その周りに巻線を巻き回し、鉄心脚の上下にヨークを配置したギャップ付き鉄心形単相リアクトルにおいて、ヨーク内の鉄心脚の幅の部分を２分割し、それらの部分に用いる方向性電磁鋼板の圧延方向が鉄心脚の側から見て外側に広がる様な向きに配置し、かつその圧延方向をヨーク長手方向に対し４５°になる様に配置し、さらに分割した部材とヨークの相対面がヨーク長手方向と直角になる様に配置することを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。
（２）上記（１）に記載の鉄心において、前記方向性電磁鋼板はヨーク内において鉄心脚と相対する位置に配設されていて、ヨーク長手方向の幅が鉄心脚と同幅に形成され、且つ他のヨーク部分から独立させたものであることを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。
（３）複数のブロック鉄心をギャップを介しながら積層して鉄心脚とし、その周りに巻線を巻き回し、鉄心脚の上下にヨークを配置したギャップ付き鉄心形単相リアクトルにおいて、上下ヨークの長手方向での中心部分に用いる二方向性電磁鋼板を、その一つの磁化容易方向がヨークの辺と平行になる様に配置し、上記二方向性電磁鋼板とヨークの相対面がヨーク長手方向と直角になる様に配置することを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。
（４）上記（３）に記載の鉄心において、上下ヨークに用いる二方向性電磁鋼板の使用範囲を、上下ヨークの中心部からヨーク長手方向の一定距離（ｃ）までとし、その距離の鉄心脚幅（ｄ）に対する比率（ｃ／ｄ）を０．４から１．０とすることを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。
（５）上記（４）に記載の鉄心において、鉄心脚と上下ヨークの中心部に締付スタッドを貫通させる穴がある場合の、上下ヨークでの二方向性電磁鋼板の使用範囲は、鉄心脚幅及び二方向性電磁鋼板の使用範囲に、前記穴の幅を含めないで算出することを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。

方向性電磁鋼板２３ＺＤＫＨ（レーザー照射による磁区制御材）で、圧延方向に対して励磁方向を変化させた時の鉄損特性の例を図２に示す。最大磁束密度は１．０Ｔから１．７Ｔまでの４水準とした。いずれの磁束密度でも圧延方向に励磁する場合（励磁角度：０）が最も低鉄損となる。また同様の方法で、励磁磁界を一定とした条件での磁束密度を測定して得た特性の例を図３に示す。これは、特定の磁界を与えた時の透磁率に対応する。８Ａ／ｍから８００Ａ／ｍのいずれの磁界でも圧延方向に励磁する場合（励磁角度：０）が最も磁束密度が高く、高透磁率となる。

ギャップ付き鉄心形単相リアクトルを示す図。 励磁方向を圧延方向から変更した条件での鉄損特性を示す図。 励磁方向を圧延方向から変更した条件での磁束密度特性を示す図。 本発明の例を示すギャップ付き鉄心形単相リアクトルを示す図。 本発明の例を示すギャップ付き鉄心形単相リアクトルを示す図。 実施例で使用したリアクトルを示す図。 一方向性電磁鋼板（１）及び二向性電磁鋼板（２）の磁気特性測定方向を示す図。 一方向性電磁鋼板（１）及び二向性電磁鋼板（２）の実測された磁化特性を示す図。 本発明の例を示すギャップ付き鉄心形単相リアクトルを示す図。 本発明の例を示すギャップ付き鉄心形単相リアクトルを示す図。 二方向性電磁鋼板使用範囲と鉄損改善率の関係を示す図。 実施例で使用したリアクトルを示す図。

本発明はギャップ付き単相リアクトル鉄心に関するものである。
即ち、上下のヨーク間に鉄心脚を配設し、該鉄心脚は複数のブロック鉄心をギャップを介しながら積層し、その周りに巻線を巻回してなるものであり、ヨーク内において相対する鉄心脚の幅に相当する部分、即ちヨーク中央部分を２分割し、それらの部分に用いる方向性電磁鋼板の圧延方向が、鉄心脚側から見て外側に広がるような向きに配置され、かつその圧延方向をヨーク長手方向に対して４５°になるように設置するものである。
上記ヨーク内のヨーク中央部分で用いる方向性電磁鋼板は、ヨーク内の他の部分から独立した部分にあって、相対する鉄心脚の幅の部分に相当し、ヨーク長手方向での幅を鉄心脚の幅と同等にしている。

また、本発明の別のギャップ付き単相リアクトル鉄心は、上下ヨークの長手方向での中心部分に二方向性電磁鋼板を用いるものであり、該電磁鋼板の一つの磁化容易方向がヨークの辺と平行になるように配置するものであり、またこの二方向性電磁鋼板の使用範囲を上下ヨークの中心部からヨーク長手方向の一定距離（ｃ）とし、その距離の鉄心脚幅（ｄ）に対する比率（ｃ／ｄ）を０．４〜１．０とするものである。
さらに、上記鉄心で鉄心脚と上下ヨークの中心部に締付スタッドを貫通させる穴がある場合の、上下ヨークでの二方向性電磁鋼板の使用範囲を算出する際は、鉄心脚幅及び二方向性電磁鋼板使用範囲に穴の幅を含めないことが推奨される。

本発明を適用した例としての鉄心脚２の最上部と上ヨーク５部分を図４に示す。
図４において、矢印１０は各部分の圧延方向を示す。ヨーク中央部８は圧延方向が４５°に、その外側となるヨーク部分９は圧延方向１０が水平方向となるように鋼板が配置されている。磁束線６を破線で示す様に、鉄心脚中心部から出る磁束はヨーク中央部８で透磁率の最も高い圧延方向に沿って流れ、ヨーク部分９の外寄りに達する。
また、鉄心脚周縁部から出る磁束もヨーク中央部８で透磁率の最も高い圧延方向に沿って流れ、ヨーク部分９の内寄りに達する。ヨーク中央部８ではほとんどの磁束が圧延方向に流れるため、図２から明らかなように最も低鉄損となることがわかる。いずれの部分でも磁束は圧延方向に流れるため、ヨーク部分９の幅方向での磁束密度は均一となり、局部的に高い鉄損が発生することはなく、鉄心の部分的熱膨張を回避することができる。

図４に示すヨーク中央部８の幅ａについては次の様に考えられる。
ａを鉄心脚の幅ｂよりも狭くすると、鉄心脚中心部から出た磁束はヨーク部分９の外寄りまで到達せず、ヨーク部分９で幅方向に磁束密度不均一が発生してしまう。また、鉄心脚周縁部から出た磁束は直接、ヨーク部分９に進入するため、圧延方向から外れた方向に磁束が流れることになる。
次にａをｂよりも広くすると、鉄心脚中心部から出た磁束はヨーク中央部８で外寄りまで到達した後、ヨーク中央部８をヨーク長手方向すなわち圧延方向から４５°の方向に流れることになる。また、鉄心脚周縁部から出た磁束も、ヨーク中央部８に入った後、圧延方向から４５°の方向に流れることになる。

以上の様にヨーク中央部８の幅ａが鉄心脚の幅ｂと異なると、圧延方向以外に流れる磁束や磁束密度の不均一が発生するため、鉄損増加や局部過熱が生じる。よって、ヨーク中央部８の幅ａを鉄心脚の幅ｂと等しくすることで損失や磁歪の増加が防げる。
ヨーク中央部８の形状は矩形であるため、角がヨーク外側に突出することはなく、鉄心をこの部分で締め付けても問題は生じない。

本発明の実施方法を図４で説明する。ヨーク中央部８は、ヨーク内での鉄心脚に相対する他から独立した部分のヨーク長手方向の幅を有し、その幅が鉄心脚の幅の半分ずつで構成され、圧延方向の４５°方向に切り出された方向性電磁鋼板を用いる必要があるが、その他の部分については従来の鉄心と同様である。４５°方向の切断は、変圧器鉄心製造で用いられる斜角剪断設備を使用すればよい。
ヨーク中央部８は左右２部分からなるため、それらの間には変圧器鉄心で用いられるラップ接合法を用いても良いが、磁気的な結合は不要なので積層端面が平面となるようにして突き合わせても良い。また、ヨーク中央部８とその両側の部分９の間には磁気結合が必要なのでラップ接合法を用いるが、鉄心脚と同様にギャップを設けても良い。
ギャップ付きリアクトル鉄心では鉄心脚の振動抑制のため、鉄心脚中心とヨークの双方を縦方向に貫通するボルトで鉄心を外側から締付ける場合が多い。その場合でも、図５で示す様にヨーク中央部８の中央部に間隙１４を設けるだけで良い。

次に、二方向性電磁鋼板を用いる鉄心に関して以下に説明する。通常の方向性電磁鋼板は製造時の圧延方向のみで高透磁率であるため、一方向性電磁鋼板と表現される。一方、二方向性電磁鋼板は、岡崎「二方向性けい素鋼板の磁気特性」、電気学会論文誌、１１２巻、６号、５１３頁（平成４年）で説明されている様に、特殊な製造方法によって、直交する二方向で同程度の高透磁率が得られる。

一例として、実測された磁化特性を図８に示す。特性測定方向は図７で示す様に、一方向性電磁鋼板では圧延方向とその直角方向、二方向性電磁鋼板では最終圧延の方向ａとそれに直交する方向ｂとした。図８に示される様に、一方向性電磁鋼板の圧延方向では、小磁界で高い磁束密度が得られて高透磁率となるが、その直角方向では低透磁率となる。一方、二方向性電磁鋼板は方向ａとそれに直行する方向ｂがほぼ同じ透磁率となる。

上下ヨークに一方向性電磁鋼板を用いると、圧延方向に磁束が流れやすいため、前述の様に鉄心の内周部で磁束密度が高く、逆に外周部では低くなる状態、すなわちヨーク幅方向での磁束密度不均一が発生する。また、特許文献１の方法、すなわち図４での上下ヨーク中央部８に、鉄心脚１の磁束方向に圧延方向を向けた一方向性電磁鋼板を使用する方法でも、ヨーク幅方向での磁束密度不均一が発生する。
一方、図９で示す様に二方向性電磁鋼板を用いると、磁化容易方向は水平、垂直の二方向なので、鉄心脚周縁部からの磁束はヨーク内ですぐに横方向に流れ、鉄心脚中心部からの磁束はヨークの外側付近まで流れてから横方向に流れる。このため、磁束密度は均一化する。

鉄損特性は磁束密度の累乗の式で近似できるが、その累乗数は２以上であるため、磁束密度が不均一になると、高磁束密度側の鉄損増加量が低磁束密度側の減少量よりも大きく鉄損は増大する。よって、磁束密度不均一が発生する一方向性電磁鋼板の使用はこの鉄損上昇を引き起こすが、二方向性電磁鋼板を使用すると磁束密度均一化の効果で低鉄損になると考えられる。

この低鉄損化効果を、数値解析を用いて単相リアクトル鉄心の鉄損を算出することによって確認した。解析モデルとしては、図１０で示す様に、鉄心脚１と上下ヨーク８の中心部に締付スタッドを貫通させる穴１５がある鉄心を使用した。上下ヨーク中心部からの、二方向性電磁鋼板の使用範囲（ヨークの穴の幅を除く）を表すｃと、鉄心脚の穴の幅を除いた幅ｄとの比であるｃ／ｄ値に、０．２５、０．３７５、０．５、０．６５６、０．８１３、１．０６３、１．６２５の７種の値を適用して解析を実施した。なお、図１０においては、鉄心脚の中心部（穴の幅を除く）から一端までの長さをｄ／２として表示している。

同時に特許文献１に示された、上下ヨーク中央部８に、鉄心脚１の磁束方向に圧延方向を向けた一方向性電磁鋼板を使用する方法についても解析を行い、鉄損値を得た。その鉄損値を基準として、二方向性電磁鋼板を適用した場合に得られる鉄損改善率を算出し、図１１に示す。この図から、ｃ／ｄを０．４から１．０の範囲とした時に十分な改善が得られることが分かる。

ｃ／ｄが０．４以下で効果が得られない理由は、二方向性電磁鋼板の適用範囲が過小で磁束密度均一化効果が十分得られていないためと思われる。また、ｃ／ｄが１．０以上でも効果が得られない理由は、以下の様に考えられる。磁束密度は、ｃ／ｄが１．０以内の範囲で既にほぼ均一化されており、それ以上の範囲での二方向性電磁鋼板の磁束均一化効果は少ないと考えられる。一方、二方向性電磁鋼板の素材鉄損は一方向性電磁鋼板の圧延方向での素材鉄損よりも高く、例えば今回使用した材料の１．７Ｔでの鉄損は、一方向性電磁鋼板は０．７９Ｗ／ｋｇ，二方向性電磁鋼板は１．２５Ｗ／ｋｇである。以上から、必要以上に二方向電磁鋼板の適用範囲を延ばすと、二方向性電磁鋼板の高鉄損性でかえって鉄心の鉄損は増加してしまうと考えられる。

図６は本実施例に用いたギャップ付きリアクトル鉄心であって、該鉄心について、数値解析で鉄心全体に発生する鉄損値を求めた。鉄心は、脚中心と上下ヨーク中心に縦方向に貫通穴を設けて貫通ボルトで上下方向から締付ける構造とした。図６は鉄心積層方向での中央部分を示す。用いる材料は２３ＺＤＫＨとした。ヨーク中央部８の幅ａは、鉄心脚の幅ｂと同じとした。図中の長さを示す数値の単位はｍである。
ヨーク中央部８の材料の圧延方向が水平方向（θ＝０°）あるいは垂直方向（θ＝９０°）となる構成とした鉄心を従来技術として、本発明の適用例となるθ＝４５°の場合と比較した。表１に単位重量あたりに換算した、本鉄心の鉄損値を示す。
この結果から本発明の適用例が最も低鉄損となることがわかる。

図６に示すギャップ付きリアクトル鉄心について、数値解析で鉄心全体に発生する鉄損値を求めた。用いる材料は２３ＺＤＫＨとした。ヨーク中央部８の材料の圧延方向が、本発明を適用したθ＝４５°となる様に配置し、その幅ａを変更して鉄心脚の幅ｂとの比ａ／ｂが０．８、１、１．２５となる３種類の場合を相互比較した。表２に単位重量あたりに換算した鉄損値を示す。
この結果から、本発明に適合するａ／ｂ＝１が最も低鉄損となることがわかる。

図１２に示すギャップ付きリアクトル鉄心について数値解析を用いて、鉄心全体に発生する鉄損値および鉄心内側１２と外側１３の最大磁束密度を求めた。鉄心は、脚中心と上下ヨーク中心に縦方向に貫通穴１５を設けて、貫通ボルトで鉄心を上下方向から締付ける構造とした。図１２は鉄心積層方向での中央部の断面を示す。ブロック鉄心１と横ヨーク４には一方向性電磁鋼板２３ＺＤＫＨを用いた。

まず従来法として、特許文献１に示された、上下ヨーク中央部８に、鉄心脚の磁束方向に圧延方向を向けた一方向性電磁鋼板を使用する方法を解析した。また、上下ヨーク中央部８に二方向性電磁鋼板を用いる場合については、図１０で示される二方向性電磁鋼板の使用範囲を表す係数ｃ／ｄを０．２５、０．５、１．６２５の３条件で解析した。この内で本発明に適合する条件は０．５のみである。
以上の方法を用いた時の、単位重量当りの鉄損値と、図１２で示す鉄心内側１２と外側１３の位置の交流励磁中の最大磁束密度を表３に示す。

まず鉄損については、本発明を適用した例が、従来法や本発明範囲外の例と比較して、最も低鉄損となっている。二方向性電磁鋼板を使用しても、本発明の範囲外であるｃ／ｄが０．２５や１．６２５の例では、従来法よりも高鉄損となっている。つまり、図１１で示すｃ／ｄが本発明範囲内である０．４〜１．０の範囲で鉄損値が低く、安定した製品が得られている。
また、鉄心内外の磁束密度差については、従来法とｃ／ｄが０．２５の例で０．２４Ｔであるのに対して、ｃ／ｄが０．５と１．６２５の例では０．０５Ｔから０．０６Ｔとなっており、磁束密度均一化が得られていることがわかる。なお、ｃ／ｄが１．６２５の例で磁束密度が均一化されているにもかかわらず鉄損が高いのは、高鉄損の二方向性電磁鋼板の使用範囲が過大であるためと考えられる。

１：ブロック鉄心
２：鉄心脚
３：ギャップ
４：横ヨーク
５：上下ヨーク
６：磁束線
７：巻線
８：上下ヨーク中央部
９：上下ヨークの側部分
１０：方向性電磁鋼板の圧延方向を示す矢印
１１：二方向性電磁鋼板の磁化容易方向
１２：鉄心内側の磁束密度算出点
１３：鉄心外側の磁束密度算出点
１４：間隙
１５：締付スタッド貫通穴

Claims (5)

1. 複数のブロック鉄心をギャップを介しながら積層して鉄心脚とし、その周りに巻線を巻き回し、鉄心脚の上下にヨークを配置したギャップ付き鉄心形単相リアクトルにおいて、ヨーク内の鉄心脚の幅の部分を２分割し、それらの部分に用いる方向性電磁鋼板の圧延方向が鉄心脚の側から見て外側に広がる様な向きに配置し、かつその圧延方向をヨーク長手方向に対し４５°になる様に配置し、さらに分割した部材とヨークの相対面がヨーク長手方向と直角になる様に配置することを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。
2. 請求項１に記載の鉄心において、前記方向性電磁鋼板はヨーク内において鉄心脚と相対する位置に配設されていて、ヨーク長手方向の幅が鉄心脚と同幅に形成され、且つ他のヨーク部分から独立させたものであることを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。
3. 複数のブロック鉄心をギャップを介しながら積層して鉄心脚とし、その周りに巻線を巻き回し、鉄心脚の上下にヨークを配置したギャップ付き鉄心形単相リアクトルにおいて、上下ヨークの長手方向での中心部分に用いる二方向性電磁鋼板を、その一つの磁化容易方向がヨークの辺と平行になる様に配置し、上記二方向性電磁鋼板とヨークの相対面がヨーク長手方向と直角になる様に配置することを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。
4. 請求項３に記載の鉄心において、上下ヨークに用いる二方向性電磁鋼板の使用範囲を、上下ヨークの中心部からヨーク長手方向の一定距離（ｃ）までとし、その距離の鉄心脚幅（ｄ）に対する比率（ｃ／ｄ）を０．４から１．０とすることを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。
5. 請求項４に記載の鉄心において、鉄心脚と上下ヨークの中心部に締付スタッドを貫通させる穴がある場合の、上下ヨークでの二方向性電磁鋼板の使用範囲は、鉄心脚幅及び二方向性電磁鋼板の使用範囲に、前記穴の幅を含めないで算出することを特徴とするギャップ付き単相リアクトル鉄心。

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