JP5700757B2

JP5700757B2 - 巻鉄心

Info

Publication number: JP5700757B2
Application number: JP2010115300A
Authority: JP
Inventors: 重紀岡田; 孝長谷川; 明日向野; 知司座馬; 重嘉酒井; 伊藤　久; 久伊藤; 信夫楢原
Original assignee: タカオカ化成工業株式会社; 株式会社関電工; 株式会社アット東京
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: JP2011243792A

Description

本発明は、巻鉄心に関するものである。

よく知られるように、変圧器は、磁気回路を構成する鉄心に導電回路を構成するコイルを装着して構成される。鉄心の構造は各種のものがあるが、そのうちの一つに、所定の幅にスリットされた珪素鋼板等の鉄心材料からなる磁性薄帯板を巻板機で所定形状に巻き付けて形成される巻鉄心と称されるものがある。

図１，図２は、巻鉄心の一例を示している。巻鉄心５は、ループ状に形成された複数の磁性ブロック１を径方向に積層して構成される。このループ状の形状は、平面が略直方形で４角が円弧状としている。つまり、長辺を構成する平行に配置された一対の第１直線部１ａと、短辺を構成する一対の第２直線部１ｂ，１ｃと、それら両直線部の隣接する端部同士を接続する曲線部１ｄとを有する。この巻鉄心５を用いて変圧器を構成する場合、第１直線部１ａの周囲にコイル９が装着される。

図２（ａ）に拡大して示すように、磁性ブロック１は、複数枚の帯板状の方向性珪素鋼板２を径方向に積層して構成される。そして巻鉄心５は、カット方式（ワンターンカット）であり、各方向性珪素鋼板２は、略Ｃ字状に曲げられ、その両端を近接させることで、ループ状となる。その近接する一枚の方向性珪素鋼板２の両端は、近接するが一定の隙間をおいたカット部分３（ギャップ）が形成される。

さらに、このカット部分３の形成位置は、階段状にずらし、同一の磁性ブロック１を構成する方向性珪素鋼板２のカット部分３は、重ならないようにしている。これにより、方向性珪素鋼板２の一方の先端は、積層方向で隣接する方向性珪素鋼板の両先端間のカット部分を跨ぐ（覆う）配置となる。その結果、ある方向性珪素鋼板２内を流れる磁束は、端部に至るとカット部分３（非磁性のエアギャップ部分）よりも磁気抵抗の小さい隣接する方向性珪素鋼板内を通り、エアギャップ部分を迂回することになる。よって、巻鉄心は、鉄損が少なくなる。

一方、係る巻鉄心は、カット方式のため、カット部分にギャップが生じる。そのようなギャップ入りの巻鉄心において、残留磁束密度を小さくすることによって、電圧印加時の過渡磁束密度の大きさを小さくし励磁突入電流を低減したいという要求があり、従来特許文献１に開示された発明が提案されている。

この特許文献１に開示された発明は、図２（ｂ）に示すように、カット部分３の位置を階段状にずらせた複数枚の方向性珪素鋼板２からなる磁性ブロック１を複数群、径方向に密着させて重ねて形成されるワンターンカット形の巻鉄心において、一群の磁性ブロック１のカット部分群６に、そのカット部分群６より長い長さの第１絶縁体７を配置すると共に、隣接する磁性ブロック１の間にも方向性珪素鋼板同士が接触しないように第２絶縁体８を配置する構成を採る。係る構成を採ると、損失は増えるものの、励磁突入電流の低減の効果は発揮する。

特許第３５７４９５５号公報

上記のように特許文献１に開示された技術では、隣接する磁性ブロック１同士が接触しないようにするため、少なくとも第２絶縁体８は、リング状に形成された磁性ブロック１の全周に渡り配置することになる。

そのため、図２（ｂ）から明らかなように、各隣接する磁性ブロック１間に第１，第２絶縁体７，８が介在することになり、鉄心における磁性体の占有比率が少なくなり、所望の特性を得るためには、大型化・重量化を避けられなくなるといった新たな問題を生じる。

さらに、係る構成の巻鉄心を組み立てるには、磁性ブロック１ごとにそのカット部分３内に第１絶縁体７を装着する処理を行う。そして、第１絶縁体７は、カット部分群６の全長よりも長いため、その第１絶縁体７の両端はそれぞれ磁性ブロック１の表面に突出する。従って、その突出した第１絶縁体７の両端部分が、磁性ブロック１の表面に接触した状態を保ちつつ、隣接する磁性ブロック１間に第２絶縁体８を全面にわたり介在させるように配置する処理を行う。従って、ある隣接する磁性ブロック１間に第２絶縁体８を配置するには、それぞれの磁性ブロック１の表面に突出した第１絶縁体７と、第２絶縁体８が適宜の順に、しかも、相互に密着するように配置する必要があり、その作業は煩雑となる。

そこで、組み立て作業が容易に行え、小型化・軽量化を図りつつ励磁突入電流を低減したいという課題がある。

上述した課題を解決するために、本発明に係る巻鉄心は、（１）ループ状の磁性ブロックを径方向に複数個積層して構成され、前記磁性ブロックは、複数の磁性帯板を径方向に積層するとともに、その複数の磁性帯板の両先端間に形成されるカット部分の位置を揃えて形成され、かつ、各磁性ブロックに形成されるカット部分の位置は、周方向にずらす構成を前提とする。

同一の磁性ブロックを構成する磁性帯板の先端位置を揃えることで、同一の磁性ブロックを構成するカット部分の位置が揃う。つまり、各磁性帯板のカット部分は、積層方向で一致し、１つの磁性ブロック全体で見た場合のカット部分は、矩形状の空間が確保される。よって、ある磁性帯板内を進んできた磁束が、矩形状の大きく開いた空間のカット部分の周囲に沿って迂回する比率が抑えられて、そのままカット部分のギャップを通過して対向する磁性帯板内に至る度合いが増える。これにより、磁束は１周回る途中にギャップが確保され、ワンターンカットタイプとなり、残留磁束の低減を図れ、励磁突入電流の低減が期待できる。この構成では、鉄心における磁性体の占有比率がきわめて多くなり、小型軽量化が図れる。

上記の前提において、前記カット部分のみに非磁性部材を配置し、その非磁性部材は前記複数の磁性ブロックの外周から内周に渡るように連続した状態に構成した。このようにすると、磁性ブロック（磁性帯板）の先端で、積層方向に隣接する磁性ブロックのカット部分を跨ぐように配置される部分の表面には、非磁性部材が配置されるため、カット部分を迂回する経路をとっても隣接する磁性ブロック間に介在される非磁性部材を通過させることができる。そして、非磁性部材は、カット部分の位置に連続して配置されることから、それ以外の磁性ブロック・磁性帯板の全面に配置されず、巻鉄心における磁性体の存在比率を多くする（非磁性部材の存在比率を少なくする）ことができ、小型化・軽量化を図ることができる。非磁性部材は、例えば、下記の（３）に記載するように、非磁性のシート部材でも良いし、それ以外にも、非磁性の塗料を塗布などして形成した塗装膜その他の各種のものを利用できる。

（２）前記非磁性部材は、非磁性のシート部材とすることができる。非磁性シート部材の材質は、所望の樹脂フィルムでも良いし、絶縁紙その他の各種の材料からなるシート部材を用いることができる。具体的には、例えば、高分子製フィルム、高分子製繊維シート、表面コーテイングシート、樹脂含浸シート、絶縁紙、不織布、ガラスクロスシート等を用いることができる。適宜に折り曲げることから、延伸性や強度のある樹脂フィルムを用いるのが望ましい。

本発明では、同一の磁性ブロックを構成する複数の磁性帯板の両先端間に形成されるカット部分の位置を揃えて形成したため、小型・軽量化を図りつつ励磁突入電流を低減することができる。そして、磁性帯板のカット部分に連続して非磁性部材を配置した場合には、励磁突入電流の低減効果を高めつつ、鉄心における磁性体の存在比率の低下を抑制し、小型化・軽量化を図ることができる。

従来例を示す図である。従来例を示す図である。本発明の好適な第１実施形態を示す正面図である。その要部拡大断面図である。組み立て方法の一例を示す図である。本発明の好適な第２実施形態の要部拡大断面図である。組み立て方法の一例を示す図である。本発明の別の実施形態を示す図である。

図３は、本発明に係る鉄心の第１実施形態を示す正面図であり、図４は、カット部分付近の拡大断面図である。図に示すように、巻鉄心１０は、ループ状に形成された複数の磁性ブロック１１を径方向に積層して構成される。このループ状の形状は、本実施形態では、平面が略直方形で４角が円弧状としている。つまり、長辺を構成する平行に配置された一対の第１直線部１１ａと、短辺を構成する一対の第２直線部１１ｂ，１１ｃと、それら両直線部の隣接する端部同士を接続する曲線部１１ｄとを有する。この巻鉄心１０を用いて変圧器を構成する場合、第１直線部１１ａの周囲にコイル２０が装着される。

また、図示省略するが、最外周の磁性ブロック１１のさらに外周にはスチールバンドが巻き付けられ、径方向（積層方向）内側に向けて締め付けられる。これにより、積層方向に隣接する磁性ブロック１１同士や、磁性ブロック１１を構成する積層方向に隣接する方向性珪素鋼板１２同士は、密着する。

図４に拡大して示すように、磁性ブロック１１は、複数枚の帯板状の方向性珪素鋼板１２を径方向に積層して構成される。そして巻鉄心１０は、カット方式（ワンターンカット）であり、各方向性珪素鋼板１２は、略Ｃ字状に曲げられ、その両端が近接させることで、ループ状となる。その近接する一枚の方向性珪素鋼板１２の両端は、近接するが一定の隙間をおいたカット部分１３が形成される。１枚の方向性珪素鋼板１２は、例えば、その厚さが０．２８〜０．３ｍｍの薄鋼板を用い、カット部分１３のギャップ（対向する両端の間隔）は、５ｍｍ程度とする。もちろん、この寸法は任意であり、他の構成もとれる。また、各方向性珪素鋼板２は、その両面に絶縁皮膜が成膜されており、積層された複数枚の方向性珪素鋼板１２は、積層方向では電気的に絶縁されている。

通常のこの種のワンターンカット形の巻鉄心では、カット部分１３の形成位置は、階段状にずらし、同一の磁性ブロック１１を構成する方向性珪素鋼板１２のカット部分１３は、重ならないようにする。これに対し本発明では、同一の磁性ブロック１１を構成する方向性珪素鋼板１２の先端同士をそろえている。これにより、図４に拡大して示すように、同一の磁性ブロック１１を構成する各方向性珪素鋼板１２のカット部分１３は、積層方向で一致し、１つの磁性ブロック１１全体で見た場合のカット部分１３は、矩形状の空間が確保されることになる。そして、図では、１つの磁性ブロック１１を構成する方向性珪素鋼板１２の積層枚数（Ｎ）を４枚としているが、実際には、１０枚〜２０枚程度の多数枚を積層して構成する。すると、上述したように、１枚の方向性珪素鋼板１２の厚さが０．３ｍｍとすると、同一の磁性ブロック１１内のカット部分３の矩形状の空間は、厚さ（高さ）が３〜６ｍｍ程度で、長さが５ｍｍ程度の寸法となる。よって、ある方向性珪素鋼板１２内を進んできた磁束が、矩形状の大きく開いた空間のカット部分１３の周囲に沿って迂回する比率が抑えられて、そのままカット部分１３のギャップを通過して対向する方向性珪素鋼板１２内に至る度合いが増える。これにより、磁束は１周回る途中にギャップが確保され、ワンターンカットタイプとなり、残留磁束の低減を図れ、励磁突入電流の低減が期待できる。さらに、この構成では、特許文献１のように絶縁体を配置しないので、鉄心における磁性体の占有比率がきわめて多くなり、小型軽量化が図れる。また、カット部分１３の長さを短くしたり、積層枚数を増やすなどすると、カット部分１３の矩形状の空間の形状は、積層方向に細長くなり、磁束がより迂回しにくくなる。よって、それらの寸法を適宜調整することで、励磁突入電流の低減効果がより発揮しやすくなる。

係る構成の鉄心は、以下に示す手順により構成することができる。まず、図５に示すように、略Ｃ字状で、両端が開いた状態のものが製造される。このとき、同一の磁性ブロック１１を構成する複数の方向性珪素鋼板１２は、積層方向で徐々に全長寸法が異なることも相まって、重ねた状態でそれぞれの先端が揃うようにカットしたものを積層する。さらに、個々の磁性ブロック１１の先端位置は、階段状に徐々にずれるようにする。

この両端のラップ面が開いた状態の巻鉄心に対し、第１直線部１１ａにコイルを装着後、両先端を閉じて、対向する磁性ブロック１１（方向性珪素鋼板１２）同士が近接するように組み付けて所定間隔をおいたカット部分１３を構成する。

図６は、本発明の第２実施形態の要部を示している。本実施形態では、図６に示すように、カット部分１３に連続した絶縁性・非磁性のシート部材１６を配置した。このシート部材１６は、薄い樹脂フィルムや、絶縁紙等の適宜折り曲げ等容易に変形できる材質のものを用いて構成できる。

これにより、隣接する方向性珪素鋼板１２のカット部分１３付近の方向性珪素鋼板１２の先端部同士の対向する表面間には、少なくともシート部材１６の膜厚のギャップが確保される。そして、方向性珪素鋼板１２の一方の端部から他方の端部へと流れる磁束は、その非磁性のシート部材１６を通過して移動することになる。

つまり、図６に示すように、磁性ブロック１１単位で見た場合、カット部分１３を階段状にずらすことから、ある磁性ブロック１１のカット部分１３を跨ぐように積層方向で隣接する磁性ブロック１１の先端が存在する。よって、本来カット部分１３を流れるべき磁束の一部は、磁気抵抗の隣接する磁性ブロック１１の方向性珪素鋼板１２を迂回するおそれがある。そこで、本実施形態のように、カット部分１３付近で露出する表面に非磁性のシート部材１６を配置することで、シート部材１６が形成されたカット部分１３付近の領域では、当該シート部材１６が介在するので隣接する積層方向で隣接する磁性ブロック１１を構成する方向性珪素鋼板１２同士が接触して磁気的に導通する磁路は形成されずに、シート部材１６の厚み分だけギャップが形成される。よって、ある方向性珪素鋼板１２内を先端まで進んできた磁束は、同じ方向性珪素鋼板１２の他端に進むためには、カット部分１３の空間部分を通過するか、隣接する他の方向性珪素鋼板１２側を迂回しても最終的にシート部材１６により形成されるギャップを通過することになる。よって、磁束は、どの経路を通っても１周回る途中にギャップが確保され、ワンターンカットタイプとなり、残留磁束の低減を図れ、より確実に励磁突入電流の低減を図ることができる。

また、図から明らかなように、シート部材１６を配置するのは、カット部分形成領域１５のみとなり、それ以外の部分では、所定枚数の方向性珪素鋼板１２を積層した磁性ブロック１１である磁性体が存在することになる。よって、特許文献１に示すように、積層方向に隣接する磁性ブロック１１の表面全面に非磁性体を配置するものに比べて鉄心における単位断面積あたりの磁性体の量を大きくすることができる。その結果、小型化・軽量化が図れる。

係る構成の鉄心は、以下に示す手順により構成することができる。通常、この種の巻鉄心は、図７に示すように、略Ｃ字状で、両端が開いた状態のものが製造される。この両端のラップ面が開いた状態の巻鉄心に対し、第１直線部１１ａにコイルを装着後、両先端を閉じて、対向する磁性ブロック１１（方向性珪素鋼板１２）同士が近接するように組み付けて所定間隔をおいたカット部分１３を構成する。

そこで、図７に示すように両端が開いた状態のものに対し、その両先端部分の間に、絶縁性・非磁性のシート部材１６を配置する。次いで、積層方向（径方向）内側或いは外側から順番に、そのシート部材１６を挟んで対向配置させた方向性珪素鋼板１２の先端を互いに突き合わせる。この挿入作業に伴い、シート部材１６は、方向性珪素鋼板１２（磁性ブロック１１）の端面形状に合わせて適宜折れ曲がり、カット部分１３の接合部（つなぎ部）間に連続した形状で配置されることになる。このように、非磁性体としてシート部材１６を用いたため、磁性ブロック１１の両端面の間にシート部材を垂れ下げた状態で配置し、所定の磁性ブロックを順次押し込むことで簡単に組み立てることができる。

しかも、同一の磁性ブロック１１を構成する複数の方向性珪素鋼板１２の先端は揃っているので、シート部材の１６の折り曲げ工程も、磁性ブロック１１の数相当分で済み、容易に行える。

また、上記の実施形態では、シート部材１６を介在させたが、本発明はこれに限ることはなく、磁性ブロック１１の先端側の表面に、非磁性の塗料を塗布し、非磁性膜を成膜して覆うようにしてもよい。このように、先端側表面に非磁性膜を成膜することで、カット部分１３において積層方向で隣接する磁性ブロック１１を構成する方向性珪素鋼板１２側を磁束が迂回することを確実に遮断することができる。また、この構造によれば、図５に示すようにラップ面が開いた状態の巻鉄心に対し、その先端部分に刷毛等で塗料を塗布しても良いし、塗料を充填している容器内に開いた巻鉄心の先端を漬けることでも対応できる。

図８は、さらに別の実施形態を示している。本実施形態では、三相用の巻鉄心に適用した例を示している。すなわち、三相用であるので、２つの内鉄心２１，２１を横に並べると共に、その２つの内鉄心２１の外周を覆うように外鉄心２２を配置している。

そして、内鉄心２１並びに外鉄心２２には、それぞれ同一の磁性ブロック１１では方向性珪素鋼板１２の先端を揃えて形成されるカット部分２３を、磁性ブロック１１ごとに階段状にずらしたカット部分２３が形成されて、ワンターンカットタイプの巻鉄心が構成される。そして、上記の第２実施形態を基本とした場合には、このカット部分２３の形成される領域において、シート部材を介在させたり、非磁性膜を成膜させたりする。

１０巻鉄心
１１磁性ブロック
１２方向性珪素鋼板
１３カット部分
１６シート部材

Claims

ループ状の磁性ブロックを径方向に複数個積層して構成され、
前記磁性ブロックは、複数の磁性帯板を径方向に積層するとともに、その複数の磁性帯板の両先端間に形成されるカット部分の位置を揃えて形成され、
かつ、各磁性ブロックに形成されるカット部分の位置は、周方向にずらすように構成し、
前記カット部分のみに非磁性部材を配置し、その非磁性部材は前記複数の磁性ブロックの外周から内周に渡るように連続した状態に構成したことを特徴とする巻鉄心。
前記非磁性部材は、非磁性のシート部材であることを特徴とする請求項１に記載の巻鉄心。