JP5988712B2

JP5988712B2 - 変圧器

Info

Publication number: JP5988712B2
Application number: JP2012129058A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　聡; 聡渡辺; 良文南井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: JP2013254827A

Description

本発明は、変圧器に関する。

変圧器で発生する損失には、主に鉄心で発生する無負荷損と、主に巻線で発生する負荷損とがあり、特に、負荷率に関係なく常時発生する無負荷損については、従来から低減のための努力が行われてきた。

その一つが珪素鋼帯によるものであり、通常設定される磁束密度域(１．５〜１．７Ｔｅｓｌａ)において、単位重量当たりの損失が通常材料に比べて６０〜７０％程度に低減されたものがある。この低損失珪素鋼帯は、特定機器に対応する変圧器、いわゆるトップランナー変圧器に使用されているほか、更に損失を低減した一部の省エネタイプの変圧器にも使用されている。

一方、鉄心材としては、珪素鋼帯よりも更に低損失な非晶質合金薄帯がある。非晶質合金薄帯は、単位重量当たりの損失が、同条件の珪素鋼帯の１／３程度と、非常に良好な損失特性を有しており、通常の変圧器よりも更に損失を低減することができる鉄心材として注目されている。

変圧器に対する省エネ要求は年々高まっており、珪素鋼帯の改良や非晶質合金薄帯の適用拡大が期待されるが、どちらの鉄心材にも問題がある。以下、夫々の鉄心材の問題について説明する。

珪素鋼帯は、従来から変圧器の鉄心材として使用されてきた材料であり、１．７Ｔｅｓｌａ程度の磁束密度域で変圧器に適用できる反面、現状以上の低損失化については、劇的な改良が難しい状況にあり、特に、変圧器負荷の低い使用条件において必要とされる従来よりも極端に低い無負荷損失については実現が困難である、という問題がある。

一方、非晶質合金薄帯は、１．３Ｔｅｓｌａ程度の比較的に低磁束密度域においては、非常に優れた磁気特性を有するものの、使用することのできる磁束密度の最大値が珪素鋼帯の７５％程度で低いため、変圧器の鉄心として機能させるためには、珪素鋼帯に対してより大きな断面積の鉄心とするか、もしくは、巻線の巻回数増加という、磁束密度低減対策が必要であり、その結果、機器の大形化や重量増を招いている。

従来、非晶質合金薄帯で巻いた巻鉄心を内側鉄心とし、この内側鉄心の幅方向両側に、前記内側鉄心の積層面形状に合わせて珪素鋼帯を巻回した巻鉄心を配置して外側鉄心とし、この内側及び外側鉄心の継鉄部周囲を絶縁テープにより縛って一体に構成した誘導電器鉄心が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、珪素鋼帯と非晶質合金薄帯とを交互に積層し巻線した磁心コイルが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

実開昭６３−１３７９１７号公報実開昭５８−０３９０２０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の技術によれば、非晶質合金薄帯で巻いた内側鉄心が、誘導電器鉄心の大部分を占めているので、鉄心の磁束密度を高くすることができず、磁束密度低減対策が必要であり、その結果、機器の大形化や重量増を招く、という問題がある。

また、上記特許文献２に開示された従来の技術によれば、珪素鋼帯と非晶質合金薄帯とを交互に積層しているので、比較的低温（４５０℃〜６５０℃）で焼鈍して非晶質合金薄帯の歪を除去することはできるが、比較的高温（７５０℃〜８４０℃）を必要とする珪素鋼帯の焼鈍ができない、という問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、無負荷損を低減し、所定の高温で焼鈍して珪素鋼帯巻鉄心の歪を除去した小形の変圧器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、所定幅の珪素鋼帯を積層巻帯して矩形リング状に形成し、所定の高温で焼鈍して歪を除去した珪素鋼帯巻鉄心と、前記珪素鋼帯と略同一幅の非晶質合金薄帯を積層巻帯して前記珪素鋼帯巻鉄心と略同一形状の矩形リング状に形成し、所定の低温で焼鈍して歪を除去し、前記珪素鋼帯巻鉄心の幅方向側部に重ねて配置した非晶質合金巻鉄心と、を備え、脚部と継鉄部を有する複合鉄心と、前記複合鉄心の脚部に外嵌された巻芯と、前記巻芯に外嵌された二次巻線と、前記二次巻線に外嵌された一次巻線と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、無負荷損を低減し、所定の高温で焼鈍して珪素鋼帯巻鉄心の歪を除去した小形の変圧器が得られる。

図１は、本発明の変圧器の実施の形態を示す斜視図である。図２は、実施の形態の変圧器の脚部の断面図である。図３は、珪素鋼帯巻鉄心、非晶質合金巻鉄心及び実施の形態の複合鉄心の磁化特性を示す図である。

以下に、本発明にかかる変圧器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明の変圧器の実施の形態を示す斜視図であり、図２は、実施の形態の変圧器の脚部の断面図であり、図３は、珪素鋼帯、非晶質合金薄帯及び実施の形態の複合鉄心の磁化特性を示す図である。

図１及び図２に示すように、実施の形態の変圧器９０は、所定幅の珪素鋼帯を積層巻帯して矩形リング状に形成した珪素鋼帯巻鉄心１１と、前記珪素鋼帯と略同一幅の非晶質合金薄帯を積層巻帯して、珪素鋼帯巻鉄心１１と略同一形状の矩形リング状に形成し、珪素鋼帯巻鉄心１１の幅方向側部に重ねて配置した非晶質合金巻鉄心１２と、を備えている。珪素鋼帯巻鉄心１１と非晶質合金巻鉄心１２とで複合鉄心１０を構成している。

珪素鋼帯巻鉄心１１は、所定の高温（７５０℃〜８４０℃）で焼鈍して歪を除去し、非晶質合金巻鉄心１２は、所定の低温（４５０℃〜６５０℃）で焼鈍して歪を除去し、両者は別々に異なる温度で焼鈍された後に、重ねられて一つにされ、複合鉄心１０となる。

矩形リング状の複合鉄心１０には、対向する二つの脚部１０ａと、対向する２つの継鉄部１０ｂが形成されている。対向する二つの継鉄部１０ｂのうち、１つの継鉄部１０ｂは、接合部１０ｃ（珪素鋼帯又は非晶質合金薄帯を１枚毎にカットして端部同士を突合せ接合し、接合部を順次階段状にずらしたステップラップジョイント、又は、珪素鋼帯又は非晶質合金薄帯を１枚毎にカットして端部同士を重ね合わせ接合し、接合部を順次階段状にずらしたダブルステップラップジョイント）となっている。

複合鉄心１０の接合部１０ｃの接合を解いて開いた状態で、二つの脚部１０ａ夫々に、内側から順に、同心状に、矩形筒状のスペーサ２０、非磁性金属材料からなる巻芯３０、二次巻線４２及び一次巻線４１を外嵌し、外嵌後に閉じて端部同士を接合する。珪素鋼帯巻鉄心１１と非晶質合金巻鉄心１２とは、二次巻線４２及び一次巻線４１を外嵌後に、図示しないクランプにより一体化される。

スペーサ２０は、変圧器９０組立後の各構成要素（珪素鋼帯巻鉄心１１、非晶質合金巻鉄心１２、巻芯３０、二次巻線４２及び一次巻線４１）の相対変位（位置ずれ）を防止する。巻芯３０は、短絡等の過大電流による電磁機械力により、各構成要素が相対変位（位置ずれ）するのを防止する。

次に、図３を参照して、実施の形態の変圧器９０の磁気特性について説明する。非晶質合金巻鉄心１２は、珪素鋼帯巻鉄心１１に比べ優れた磁気特性を有しているが、磁束密度１．５Ｔｅｓｌａ前後で飽和するため、変圧器の鉄心として機能させるには、磁束密度を最大１．３Ｔｅｓｌａ程度に抑える必要がある。

一方、珪素鋼帯巻鉄心１１の磁気特性は、磁束密度１．５Ｔｅｓｌａ付近までは、非晶質合金巻鉄心１２に劣るが、飽和点が磁束密度１．９〜２．０Ｔｅｓｌａ付近にあるため、磁束密度１．７Ｔｅｓｌａ程度で使用することができる。

周波数、電圧及び巻線の巻数が同一の場合、磁束密度が低ければ鉄心の断面積を大きくする必要があるので、一般的に、非晶質合金巻鉄心１２を用いた変圧器は、無負荷特性（素材の磁気特性に関係する）は優れるが、珪素鋼帯巻鉄心１１を用いた変圧器よりも大きくなる。

図３に示すように、実施の形態の変圧器９０は、一つの巻線に対して、珪素鋼帯巻鉄心１１及び非晶質合金帯巻鉄心１２が鎖交するため、磁気特性は、両者の中間の特性を示す。図３において、一点鎖線で囲んだ領域は、非晶質合金巻鉄心１２が飽和する磁束密度域よりも高く、且つ、珪素鋼帯巻鉄心１１よりも良好な磁気特性が得られる領域であり、実施の形態の変圧器９０は、この領域の磁束密度を利用するものである。

実施の形態の変圧器９０で使用する磁束密度は、上記の一点鎖線で囲んだ領域で、１．４〜１．６Ｔｅｓｌａであり、この領域での使用により、非晶質合金巻鉄心１２のみでは使用し得ない高い磁束密度で、珪素鋼帯巻鉄心１１のみでは達成し得ない良好な無負荷特性（無負荷電流、無負荷損）を有する変圧器９０を得ることができる。

なお、実施の形態の変圧器９０は、単相変圧器であるが、変圧器９０と同様な複合鉄心を用いることにより、本発明は、三相変圧器にも適用することができる。

以上のように、本発明に係る変圧器は、無負荷損を低減しつつ、大形化を抑制した変圧器として有用である。

１０複合鉄心
１０ａ脚部
１０ｂ継鉄部
１０ｃ接合部
１１珪素鋼帯巻鉄心
１２非晶質合金巻鉄心
２０スペーサ
３０巻芯
４１一次巻線
４２二次巻線

Claims

所定幅の珪素鋼帯を積層巻帯して矩形リング状に形成し、所定の高温で焼鈍して歪を除去した１つの珪素鋼帯巻鉄心と、前記珪素鋼帯と略同一幅の非晶質合金薄帯を積層巻帯して前記珪素鋼帯巻鉄心と略同一形状及び同一外形寸法の矩形リング状に形成し、所定の低温で焼鈍して歪を除去し、前記珪素鋼帯巻鉄心の幅方向側部に重ねて配置した１つの非晶質合金巻鉄心と、を備え、脚部と継鉄部を有する複合鉄心と、
前記複合鉄心の脚部に外嵌された巻芯と、
前記巻芯に外嵌された二次巻線と、
前記二次巻線に外嵌された一次巻線と、
を備え、
使用する磁束密度は、１．４〜１．６Ｔｅｓｌａであることを特徴とする変圧器。
前記複合鉄心の継鉄部は、前記複合鉄心の端部同士を接合する接合部となっていて、前記脚部に、前記巻芯、二次巻線及び一次巻線を外嵌するときには接合を解いて開き、外嵌後に閉じて、前記端部同士を接合することを特徴とする請求項１に記載の変圧器。