JP5750820B2 - 鉄損測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄損測定方法に関し、具体的には変圧器や発電器の鉄心等に利用される電磁鋼板積層体内の鉄損分布を精度よくかつ広範囲に測定することができる鉄損測定方法に関するものである。

電磁鋼板は、無方向性電磁鋼板と方向性電磁鋼板の２つに大別され、無方向性電磁鋼板は主として回転機等の鉄心材料に、方向性電磁鋼板は主として変圧器やその他の電気機器の鉄心材料に使用されているが、いずれもエネルギーロスを少なくするため、低鉄損の材料であることが求められている。

ここで、上記鉄損値とは、鋼板を交流で磁化した場合に、鋼板内で消費される電力損失と定義されており、方向性電磁鋼板の場合、商用周波数の５０Ｈｚで最大磁束密度１．７Ｔに励磁した時の単位重量当たりの電力損失Ｗ_{１７／５０}で表され、単位はＷ／ｋｇが一般的に用いられている。また、ＪＩＳ Ｃ２５５０には、入力する一次電流と電圧との積と、検出側の二次電流と電圧の積との差で測定することが規定されている。

鉄損値の測定には、通常、エプスタイン試験枠と呼ばれる正方形の測定枠が使用される。その枠の各辺に、一次側の励磁コイルと二次側の検出コイルが巻かれており、その各辺に短冊状に剪断された試料片を挿入して測定が行われる。上記エプスタイン試験は、製造された電磁鋼板の磁気特性を評価する方法として、材料の鉄損性能を保証する上で大変重要である。

方向性電磁鋼板を用いた三相三脚の積み変圧器の場合、方向性電磁鋼板は、一般に、圧延方向が磁化方向と平行となるように剪断され、積層されるが、四隅のコーナー部では、４５°に斜角剪断された電磁鋼板が突き合わされ、さらに数ｍｍ程度ずらしながら積層されるのが普通である。これは、鋼板内を流れる磁束が突き合わせ部分で滞らず、上下に隣接する鋼板に立体的に流れていけるように配慮しているためである。また、中央脚は、ヨーク部とＴ型に突き合わせて接合されるが、この場合の突き合わせ部は、Ｖノッチと呼ばれる切り込みにＶ型に剪断された中央脚の先端が突き合わされるのが普通である。

ところで、変圧器や回転機の鉄心として電磁鋼板が使用された場合の鉄損値を、上記エプスタイン試験で得られる素材の鉄損値で除した値を、一般にビルディングファクター（ＢＦ）またはディストラクションファクター（ＤＦ）と呼んでいるが、実機で消費される電力損失は、素材の電磁鋼板のそれよりも大きくなることが知られている。

その理由は、例えば、方向性電磁鋼板を用いた変圧器が実際に三相交流で励磁されて使用される場合、コーナー部では、磁束は直角に曲がって流れることができないため、上記材料試験とは異なる励磁状態が実現し、局所的に電力損失が上昇する。その結果、Ｔ型の接合部でも同様の現象が起こり、素材の鉄損値よりも、実際の変圧器での鉄損値の方が大きくなってしまうからである。

近年では、方向性電磁鋼板の製造技術の向上によって、磁化容易軸への結晶方位の配向性は、その先鋭度をさらに増しつつあり、ほとんど単結晶に近い材料まで開発されている。しかし、脚部などの圧延方向と平行にしか励磁されない箇所での電力損失は、方位先鋭性が増すほど小さくなるが、コーナー部やＴ型接合部など磁化方向が圧延方向からずれを生じる部分では、材料の磁化はますます困難となるため、局所的な損失が逆に増大する。その結果、変圧器全体の電力損失は、材料の改善ほどには向上し難くなってきている。

この現象は、無方向性電磁鋼板を用いたモータなどの回転機においても同様である。固定子を例に挙げて説明すると、ティース部と呼ばれる励磁巻線を巻く箇所は、細く打ち抜き加工されるのが一般的であり、そこでの磁束の集中による損失増加はよく知られている（例えば、特許文献１参照）。また、積層した無方向性電磁鋼板を固定するためのかしめや焼き嵌め等によってもたらされる外的な応力も、局所的な損失を増大させる要因の一つとなっている。

現時点における最高級グレードの方向性電磁鋼板の鉄損は、Ｗ_{１７／５０}値で０．７Ｗ／ｋｇ、実変圧器の鉄損で１．０Ｗ／ｋｇ程度であり、一方、最高級の無方向性電磁鋼板の鉄損はＷ_{１５／５０}値で２．０Ｗ／ｋｇ、回転器内では局所的にその数倍になる部分があると考えられている。

そのため、前述したビルディングファクターの改善をふまえた上で材料開発を進めるにあたっては、鉄心等における局所的な損失評価を行うことはきわめて重要であると考えられる。さらに、変圧器なり回転機なりの実使用条件下での局所的な損失測定を行えることが理想である。しかし、エプスタイン試験に代表される一般的な磁気測定法は、装置の構成上、励磁コイルあるいは検出コイル内の平均的な鉄損値しか評価できない上、試料の形状も測定装置に合わせる必要があるため、制限される。

電力損失は、結果的に発熱という形で失われるエネルギーであることから、基礎的な研究レベルでは、高性能の半導体サーミスタを用いて、直接温度変化を精密に測定し損失を評価する研究がなされている（例えば、非特許文献１参照）。

特許第３５０１０１６号公報

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２５４−２５５（２００３）ｐ．６０−６３．

しかしながら、非特許文献１で電力損失の測定に用いているサーミスタは接触式であり、接触した一点の温度変化しか知ることができないので、ある程度の広い範囲にわたる損失分布を温度変化として捉えるには、数多くの測定が必要となる。しかも、その測定中には、励磁状態あるいは周囲の温度条件が均一に保たれている必要がある。したがって、この技術は、局所的な電力損失を測定するには必ずしも有効な手段ではない。

また、変圧器内の各部では、励磁状態の相違により電力損失すなわち発熱量は微小な差違を生ずるはずであるが、鋼板はそもそも熱伝導率が良いため、長時間励磁された場合には温度分布が均一化してしまい、局所的な損失の変化を分離して評価することは難しくなるため、短時間での測定が望まれている。

そこで、本発明の目的は、損失が最も小さく、部位によるその変動も小さいと考えられる変圧器鉄心等を構成する電磁鋼板積層体内における電力損失分布を簡便かつ精度良く測定することができる鉄損測定方法を提案することにある。

しかしながら、近年では、赤外線サーモグラフィと呼ばれる赤外波長を用いた温度計の開発が進み、前述した半導体サーミスタの性能には及ばないものの、温度分解能は大きく改善されつつある。そこで、発明者らは、上記赤外線サーモグラフィを用いて変圧器鉄心内における損失分布を測定する方法について鋭意検討を重ねた。その結果、励磁条件と検出条件を最適条件に制御して赤外線サーモグラフィ等を用いて温度上昇を測定することで、電磁鋼板内あるいはその積層体内の損失分布を定量的に評価できることを知見し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、電磁鋼板またはその積層体を被測定物とし、その表面の温度上昇速度から被測定物の交流鉄損値をサーモグラフィにより測定する方法において、所定の励磁条件に到達するまでの昇磁速度を０．００４〜０．１Ｔ／秒とし、上記励磁条件に到達後から４０秒後までの間において、測定時間を１秒以上４０秒以内として被測定物の温度上昇速度を測定することを特徴とする電磁鋼板積層体の鉄損測定方法を提案する。

本発明によれば、稼働状態にある変圧器や回転機の鉄心等における鉄損分布を非接触で、かつ広い範囲にわたり測定することが可能となる。したがって、本発明の鉄損測定方法は、電磁鋼板を用いたあらゆる電気機器の電力損失の原因究明や、それに対応した新規材料開発の一手段として極めて有効である。

本発明の実験で用いた変圧器の鉄心構造を説明する模式図である。 三相三脚変圧器を本発明の条件で励磁したときにおける、中央脚付け根のＴ型接合部近傍の温度変化を示したグラフである。 昇磁速度と２点の昇温速度から計算した鉄損差との関係を示すグラフである。 昇磁速度と到達磁束密度との関係を示すグラフである。 三相三脚変圧器の中央脚の鉄損値と、赤外線サーモグラフィで得られた鋼板昇温速度との関係を示したグラフである。 三相三脚変圧器のＴ型接合部近傍の昇温速度分布を測定した結果の一例を示した図である。 三相三脚変圧器のＴ型接合部近傍における鉄損の二次元分布図の一例である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
板厚０．２３ｍ、鉄損Ｗ_{１７／５０}の保証値が０．８０Ｗ／ｋｇの方向性電磁鋼板を用いて、図１に示すような５００ｍｍ角の三相三脚の変圧器鉄心を作製した。脚およびヨークの幅は１００ｍｍで、脚間隔も１００ｍｍである。積層枚数は７０枚とし、シフト量２ｍｍ、２枚ペアの５段ステップラップ積み構造とした。鉄心重量は、およそ２０ｋｇである。この鉄心の各脚に５０ターンの一次励磁コイルと二次コイルをそれぞれ巻き付け、５０Ｈｚの三相励磁を行えるようにした。

上記鉄心の一番上の鋼板には、鋼板表面の放射率を高め、かつ、一定とするため、つや消しの黒色スプレーを吹き付けた。また、温度測定に用いる赤外線サーモグラフィは、感度が非常に高く、積層直後は作業者の手跡でも温度分布の違いとしてはっきりと検出されてしまうので、積層作業後、１時間程度、温度変化の少ない部屋に放置した上で、測定に供した。

次いで、１．７Ｔ、５０Ｈｚでの電力損失値（Ｗ_{１７／５０}）を測定するために、予め三脚の励磁電圧を、それぞれの脚について測定した。赤外線サーモグラフィによる温度測定は、先に測定した、測定磁束密度である１．７Ｔとなる電圧（励磁電圧）まで、電圧を一定速度で上昇させ、１．７Ｔ到達後は、一定時間保持し、その後、励磁電圧を一挙に零まで落とし、このときの一連の温度変化を測定し、記録した。

図２は、その結果の一例として、中央脚の付け根のＴ型接合部近傍（図１中に□で示した２０ｍｍ角の範囲）の温度変化を示したものである。ここで、図２における、区間ａは、昇磁前のバックグラウンド、区間ｂは、一定速度で励磁電圧を上昇している過程、区間ｃは、１．７Ｔに到達後、一定時間保持している過程、区間ｄは、励磁電圧を零まで降圧した後における温度を示している。

この図２で重要な点は二つある。一つは、区間ｃでの温度上昇速度が一定となっていること、すなわち傾きが一定であることである。この区間での鋼板温度の上昇は、そのまま電力損失により鋼板が加熱されていることと対応しており、昇温速度が電力損失に比例すると考えられる。

もう一つは、区間ｄでは温度変化がなくなり、鋼板が一定の温度に保たれていることである。前述したように、板面内の伝熱による温度分布の均一化とは別に、変圧器から外気（周囲）への温度放出が顕著であれば、損失による発熱は奪われていることを意味し、損失は少なく見積もられてしまう可能性がある。逆に、計測できるのは最外層の板だけであるが、鉄心内部と比較して温度変化が遅ければ、励磁終了後にもかかわらず復熱する可能性があるが、鋼板間の熱伝達は、電磁鋼板の場合、非常に速く、復熱は考え難い。結果的に、区間ｄにおいては、鋼板の温度はほぼ一定であることから、外気あるいは鉄心内部と熱のやりとりはなく、ほぼ準断熱的な計測が行われているものと考えられる。すなわち、区間ｄに近接する区間ｃでは、鉄心での電力損失による発熱はすべて鉄心の温度上昇に反映されていると考えられる。

この鉄損測定に必要な励磁条件は、種々の実験検討結果から以下のようになる。
まず、計測励磁条件までの昇磁速度は０．００４〜０．１Ｔ／秒の範囲であることが必要である。０．００４Ｔ／秒より小さい場合には、昇磁速度が遅すぎて板面内の伝熱が十分に進んでしまう。図３は、前記したＴ型接合部近傍での２点間の昇温速度から算出した鉄損差を示したものであるが、昇磁速度が０．００４Ｔ／秒より小さくなると、伝熱の影響により、昇温速度から算出した鉄損差が縮まってしまい、電磁鋼板内あるいはその積層体内の部位ごとの鉄損評価はできなくなる。逆に、０．１Ｔ／秒より大きい場合には、図４に示すように、励磁自体が間に合わず、計測励磁条件まで磁束密度を安定して到達させることができない。

また、励磁条件到達後、その励磁電圧を保持した状態で、温度上昇速度を計測するが、その測定時間は、励磁条件到達後、１〜４０秒の範囲内として行うことが必要である。１秒より短い場合、温度上昇速度の測定誤差が大きく、鉄損値を正確に評価することは難しい。逆に、４０秒より長くなると、鋼板内の伝熱が進んで均熱化し、損失分布を正確に評価することが困難となる。なお、上記昇温速度の測定は、所定の励磁条件到達後、１０秒以内に開始する必要がある。１０秒を超えると、やはり鋼板内の伝熱が進んで均熱化し、損失分布を正確に評価することが困難となるからである。

図５は、三相三脚変圧器の中央脚にＢコイルとＨコイルをそれぞれ設置し、中央脚のみの局所鉄損を算出し、その鉄損値と同位置での赤外線サーモグラフィで得られた鋼板昇温速度との関係を示したものであり、この図５の直線が昇温温度−鉄損の校正線となる。なお、一次直線の傾き等は、測定条件等によって変動はあるが、同一の測定条件下で行っている場合には、赤外線サーモグラフィで計測した領域の昇温速度分布から鉄損分布を計算することが可能である。

また、図６は、Ｔ型接合部近傍の昇温速度の分布（白いほど昇温速度が大きい）を示したものであり、図７は、０．３０ｍｍ板厚の方向性電磁鋼板で作製した三相三脚変圧器のＴ型接合部付近における鉄損の二次元分布をマッピングして示したものである。これらの図から、従来から知られているように、鋼板を突き合わせた接合部近傍では、鉄損値が局所的に上昇していることがわかる。また、鉄心の素材である方向性電磁鋼板の鉄損値がおよそ１．０Ｗ／ｋｇであるのに対し、Ｔ型接合部付近では、鉄損値が部分的におよそ１．６Ｗ／ｋｇまで増大しており、変圧器全体の鉄損値が１．２Ｗ／ｋｇ程度まで上昇している原因を直接、目で確認することができたといえる。

なお、無方向性電磁鋼板（鉄損：Ｗ_{１５／５０}値で３〜４Ｗ／ｋｇ程度）を使用したモータの固定子についても同様の計測を行ったが、損失値は、局所的に１０Ｗ／ｋｇ近くまで上昇している箇所も見られた。無方向性電磁鋼板の場合、損失の絶対値が方向性電磁鋼板の場合と比較して大きく、部位ごとの損失変化の変動も大きい。したがって、本発明の方法を用いることにより、固定子内の温度分布をより簡単に計測することができる。また、実使用条件下における局所的な鉄損分布を、非接触で、かつサーモグラフィの視野に入る部分については、その範囲内の損失分布を一度に計測することができるので、本発明により得られる効果は非常に大きい。

なお、本発明を実施するにあたっては、温度分解能が高い、具体的には、２０ｍｋ程度のサーモグラフィを使用するのが望ましい。また、サーモグラフィは、鋼板の放射率の影響を強く受けるので、感度、再現性その他の観点から、被測定面にはつや消し黒の塗装を施し、反射率をほぼ零にして測定するのが望ましい。放射率が一定の鋼板であれば、黒体にする必要はなく、それに対応する昇温速度−鉄損校正線を作成し、使用すれば問題はない。また、一般的な問題として、サーモグラフィで測定する際の鋼板表面の垂直線からのずれ角、いわゆる視野角は、測温を正確に行う観点から４５度未満とするのが好ましい。

本発明の測定技術は、変圧器やモータの鉄心における鉄損以外に、巻線における銅損の測定にも適用することができる。

Claims (1)

1. 電磁鋼板またはその積層体を被測定物とし、その表面の温度上昇速度から被測定物の交流鉄損値をサーモグラフィにより測定する方法において、所定の励磁条件に到達するまでの昇磁速度を０．００４〜０．１Ｔ／秒とし、上記励磁条件に到達後から４０秒後までの間において、測定時間を１秒以上４０秒以内として被測定物の温度上昇速度を測定することを特徴とする電磁鋼板積層体の鉄損測定方法。

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