JP6317679B2 - 磁気誘導装置用の三相磁芯およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三相磁気誘導装置、この装置に用いる磁気回路芯、およびこれらの製造方法に関する。

磁気誘導装置（例えば変圧器、チョークなど）は、相互誘導効果に基づいて誘導的に結合された巻かれた導電体（コイル）間で電気エネルギを伝達するよう設計される。例えば、変圧器では変圧器の芯に誘導結合された一次巻線に供給される交流電流が、芯内に磁束を形成し、変圧器の芯に誘導結合された二次巻線内に起電力（ＥＭＦ）または電圧を生じさせる。

三相変圧器は一般に、磁芯回路と、当該磁芯回路に誘導結合された３つのコイルブロックとを具える。各コイルブロックは、通常、一次巻線と二次巻線からなる。最先端の三相変圧器は、一般に「Ｅ＋１」と呼ばれる磁芯構造を用いる（コイルが磁芯の「Ｅ」型フレームの３本の脚部に設けられ、その後に芯の「１」型のヨークで閉じられる）。この「Ｅ＋１」の磁芯構造は、幾つかの相互接続する磁芯ヨークと脚部エレメントが単一面に配置された平坦な芯構造を提供する。

例えば、米国特許６，６６８，４４４は、非結晶金属片でなる平坦な磁芯構造を有する三相変圧器を開示する。この平坦な磁芯構造は、芯の脚部の上にコイルを通すための開口を設けて、その後磁芯回路を閉じるべくジョイントを閉じるように設計された「階段状」のジョイントを用いる。この製造技術はしかしながら、磁束分布に非効率的な平坦な磁芯構造となり、磁気回路を閉じるのに複雑な技術を必要とし、実質的に重量が大きい磁芯となる。特に、これらの平坦な変圧器の構造の平坦な磁芯構造では、磁束分布が非対称となる問題を解消するのは不可能であった。

平坦な三相変圧器構造の考えられる代替案は、三角型の磁芯の磁気システムである。例えば、米国特許６，６８３，５２４は、三角形（デルタ）構造の三相変圧器を開示する。この解決法では、変圧器の芯が３つのフレームでなり、それぞれが一定幅の磁気材料片で編まれたいくつかのリングを具える。これらのフレームは、２つの三角ヨーク構造がこれらの角の間に延在する縦の脚部を有するように形成され、これらの脚部が互いに対して上にスライド、オフセット、あるいは斜めになるように、芯に組み上げられる。この構造により、変圧器の脚部が多角形の断面形状となるが、非常に製造が複雑で、その構造的な構成は磁気損失を増大させるものであった。

米国特許公開２０１０／０１９４５１５は、六辺形の脚部（ｈｅｘａｆｏｒｍｅｒとしても知られる）を構成すべく組み合わされた３つのフレームで構成される三角形の三相変圧器を開示し、これはオフセットさせた巻き技術を用いて得られる先後沿ったリング構造を用いている。この公開公報では、芯フレームを部分的に編んだ非結晶リボンで作成し、部分的に電気スチールで作成することを提案するが、これらの材料は厚さが異なり、機械強度が異なり、編み込みに異なる引っ張り強さが必要となるため、非常に難しいことであった。このため、このようなフレーム構造は、磁気システムの主なパラメータの一つである高密度の巻回ができない。さらに、このような複合型芯フレームを用いると、非結晶材料と比べて電気スチールの磁気損失が増大するため、負荷損失が大きくなる。この公開文献はさらに、芯フレームの機械ストレッチングを示唆するが、必要な力がフレームに用いる電気スチールの量により決まるため非常に問題があった。さらに、これらの力による非結晶リボンと電気スチールの同時移動は、非結晶金属リボンを破損させる蛍光があり、無負荷電流の増大に繋がることとなる。

欧州特許ＥＰ２，３９５，５２１は、非結晶金属リボンでなる三角形の変圧器の芯の製造方法を開示し、ここでは磁芯の脚部が三角構造に配列され、芯の脚部の断面が円形または多角形である。必要な脚部の断面形状を得るために、芯フレームは複数層の連続的な編みバンドから構成され、バンドの幅は芯の脚部の各層に応じてレーザーカッティングにより調整される。しかしながら、一般にこのような非結晶リボンのレーザカッティング中に形成される溶解材料が、切り刃に沿って形成されるリボン材料のくっきりした溶融落滴を生じ、編むときに磁気リボンの層に隙間が生じてしまう。さらに、このようなくっきりした溶融落滴は、磁気システムの運用時に回路短絡を生じる状況を作る。このような断面が可変の磁芯の製造方法は非常に複雑で実現が困難である。

米国特許６，８０９，６２０は、３つのフレームで組み立てられた三角形のケージ芯を有する三相変圧器を開示する。この３つのフレームアセンブリは、三角形のヨーク構造を形成し、その角部は３本の脚部で連結され、ここで芯フレームは複数の片で編まれており、各片は隣接する片とオフセットされ、偏菱形のフレーム断面が得られる。磁芯は、磁気材料のワイヤまたは片でなる交互配置されたリング構造でなり、各リングが脚部の２本の部分を構成する。しかしながら、この特許提案された交互配置されたリング構造は、特に電力の変圧器を製造するのに非常に複雑な製造技術が必要となる。

本発明は一般に、３つのほぼ矩形の磁芯フレーム、すなわち側部とヨーク部とを有するフレームを具える磁気誘導装置（例えば変圧器やチョーク）の三相磁芯に関し、例えば側部とヨーク部を有する３つの概ね矩形の磁芯フレームを具える。これらのフレームはほぼ三角形の角柱（五面体）構造に配置され、各フレームはその側部の内側面と外側面の一方または双方に沿って階段構造を有する。２つの局所的に隣接するフレームは、上にコイルが設けられる脚部を構成すべく結合されている。芯全体として、一律に結合された隣接フレームで構成される３本の脚部を有し、その上に三相磁気誘導装置の３つのコイルが配置される。

磁芯フレームは一般に空間的な形状（ｓｐａｔｉａｌ ｓｈａｐｅ）である。上述のように、内側面と外側面のいずれか一方（例えば内側面）は各々突出面を形成する階段構造であり、他方の面（外側面）は同様の構造であってもよいし、平坦でも、曲面でも、設計要求により他の適切な形状でもよい。この磁芯は一般に、このような磁芯フレームを３つ互いに隣接配置（すなわち、局地的に隣接）させ、局地的に隣接する階段状の側部が等しく結合して芯の脚部を構成するように組み立てられる。

フレームの側部に沿った階段状突出面を規定する条規構成は、隣接するフレーム（すなわち、磁芯の脚部に沿っての）均一な結合を提供する。この構成はさらに、（フレームの結合する側部として規定された）幾何学／形状と、芯の脚部に配置されるべき対応するコイルの内面との間の最適な調和を提供する。これによりコイルを担持／面する領域に沿った脚部の磁芯材料の断面占有が最適（最大）となり、例えば幾何学的寸法を減少したり、磁芯材料の量や重量を減らす等といった効率や多様な芯の特性が向上する。

例えば、いくつかの実施例では、階段構造が約３０°のピッチの階段の配置／配列を用いており、各フレームは互いに６０°の角度で配向され、これにより多面体（例えば三角形プリズム五面体）を形成し、ここで上側／底側ベースの二等辺三角形の形状がヨーク部分により規定される。

１またはそれ以上の芯フレームは、磁気リボンでなる複数の多層ループから作成されてもよい。この芯フレームは異なる幅の複数の磁気リボンから構成されてもよく、各リボンは多層ループを構成すべく巻かれ、巻かれたループは次から次へと巻かれて階段面を構成する。あるいは、多層ループは個別に用意され、それぞれが巻かれた磁気リボンからなり、芯フレームは次から次へとループを同軸で重ねて作成して、所望の芯フレームの階段構造を構成することができる。

いくつかの実施例では、磁芯フレームは磁気材料リボンを連続的に巻いて、次から次へ重ねて配置された多層ループを構成し、連続的に幅が減少または増大する連続的な多層ループ磁気材料リボンに用いることができる。例えば、多層ループはそれぞれ、所定の長さと幅の磁気リボンを巻いて準備し、各リボンを順に上へとほぼ整列するように巻いて階段構造における１の段を形成し、この段の段厚はリボンの巻き数によって規定され、各ループの磁気リボンはその厚さが順に上へとなるにつれ少なくなるように巻くことにより、フレームの少なくとも内側面に所望の階段構造が得られる。従って、本例では、最も内側の多層ループを最も幅のあるリボンで巻かれ、最も外側の多層ループを最も幅の小さなリボンで巻かれる。

いくつかの実施例では、磁芯フレームは、少なくとも幾つかのリボン材料を上に行くにつれリボン幅が大きくなるように巻き、その後その上に少なくともいくつかの別の磁気リボンを上に行くにつれリボン幅が小さくなるように巻いて構成される。これによると、磁気フレームの脚部において、フレームの一方の面（内側面）では階段状となり、フレームの他方の面（外側面）では湾曲した断面となるよう構成される。脚部をこのように構成すると、フレームの階段状側部を結合させて湾曲した芯の脚部の構造が提供され（例えば、磁芯の断面の外接曲線が円形となる）、三角形プリズム型の芯構造が構築される。

代替的に、１またはそれ以上の磁芯フレームが複数の多層ループで構成され、各ループが個別に巻かれた磁気材料リボンで作成され、（ループの巻き数を規定することにより）所定のループ幅と所定の中央開口を有する多層ループが提供される。多層ループはそれぞれ、所定の長さと幅の磁気リボンで構成され、ここでループ（階段）の厚みはリボン幅で規定され、各ループの巻きが順に整列して、実質的に平坦なループ面が得られる。このような実装において、多層ループはそれぞれループに対して互いの上に同軸上で重ねられ（すなわち、隣接するループの平坦面が当接する関係）、所望の階段状構造をフレームの少なくとも１の面（内側面）で得られ、一方で重なったループの中央開口の同軸構造により中央窓が規定される。フレームの中央開口の寸法は、三相磁気誘導装置のコイルを収容できるように調整され、これらはフレームにより構成される磁芯の脚部の上に配置される。

例えば、可能な実施例では、多層ループがそのループ幅が順に小さくなるように互いの上に重ねられ、フレームの内側面に所望の階段状構造を得る。この場合、最も底部の多層ループ（すなわちフレームの外側面）は最も幅の大きいループとなり、最も上のループは最も幅の小さいループとなる（すなわちフレームの内側面）。

磁気材料リボンは、各多層ループに中央開口が形成されるように、三角ループ構造を構成するように巻かれることが好ましく、各フレームのループは、ループの中央開口が同軸揃うように整列されて、フレームの中央三角窓を形成するように構成される。磁芯フレームの中央窓は、局所的に隣接配置される磁芯フレームの連結された脚部の側部により構成される磁芯脚部の上にプロセスの後段で配置される、磁気誘導装置のコイル部材を収容するよう構成される。

可能な実施例では、少なくともいくつかのループの中央開口が異なる寸法であり、磁芯フレームの断面が湾曲するように設計されてもよい。例えば、多層ループはその中央開口の寸法に対してループ幅が上に行くにつれ順に大きくなるように同軸上に重ねられ、いくつかの別の多層ループがその上に、中央開口の寸法に対してループ幅が小さくなるように（互いの上に）同軸上に重ねられ、これによりフレームの内側面の湾曲した構造と、フレーム脚部の外側および／または中間の側の湾曲した断面形状が得られる。

可能な応用例では、磁芯フレームは上述したループの巻きと重ねの技術を組み合わせて構成することができる。例えば、１以上の磁芯フレームが、いくつかの多層ループを順に上に連続的に巻いていき、１またはそれ以上の別個に準備された多層ループをその上に（巻いたループの頂部に）同軸上に重ねることにより作成されてもよい。

いくつかの可能な実施例では、磁芯回路の磁芯フレームは、例えば軟質で強磁性の合金や、ナノ水晶合金から作成される非結晶金属リボンで構成され、例えば高周波変圧器に用いられる。あるいは、磁芯フレームはケイ素鋼の薄いリボンから構成される。

いくつかの実施例では、コイル部材は磁芯脚部の上に、磁芯フレームを予行方向に切って配置されて、各フレームの上側および底側フレーム部分が得られ、底側フレーム部分を組み合わせてこれらの階段状脚部を結合させて三角形の構造（のヨーク）を形成し、これにより磁芯脚部の底部を構成し、これを磁芯コイルの底部の上に配置し、その後フレームの上側部分がそれぞれの底部に取り付けられフレームの三角構造に戻される。

可能な実施例では、多層磁気誘導装置は、以下のように製造することができる：
・巻いた磁気材料リボン（軟質で強磁性を有する）で作成された複数の多層ループでなる複数の磁芯フレームを用意するステップと、
・前記フレームが非結晶リボンでなる場合、任意で前記磁芯フレームに熱処理を施すステップ（例えば３６０°Ｃから４００°Ｃでアニーリングし、その後にアニーリングオーブンでフレームをゆっくり徐々に冷却する）と、
・前記フレームを、有機結合剤（例えば有機ケイ素化合物のラッカーまたはエポキシワニス）に含浸させ、その後にフレームを乾燥させるステップと、
・フレームを横方向に、上部と底部に切断するステップと、
・前記フレームの底部の脚部の階段状側部が連結するように、部品を次から次へと隣接するように三角形状に配置することによりフレームの底部を装置基部に縦に搭載するステップと、
・底部フレーム部品の連結した脚部の各ついにコイルブロックを設けるステップと、
・フレームが三角形に戻るように磁芯フレームの３つの対応する上部を上に載せるステップと、
・フレームの連結した脚部間に電気絶縁材料を適用するステップと、
・（電気的絶縁材料で作成された）上側クランピングプレートを設けるステップと、
・外に出た配線を電気接続詞、装置をドロースタッドで固定するステップ。

本願技術は多様な利点を提供する。例えば、三角形の多層ループを用いた磁芯のフレームの階段状構造は、各相における磁芯脚部の所望の断面形状（例えば湾曲した輪郭や多面体形状）をなして、無負荷損が最小となるように設計できる。さらに、デバイスの磁芯をモジュラー構造とすると、その組立と分解が簡単になり、デバイスの製造とメンテナンスが容易になる。磁芯脚部を所望の断面形状に構成すると、コイルが巻かれた磁芯の断面積を脚部の磁気材料で効果的に充填し、これによりコイルの直径と重量が減少し、したがってコイルの電気的損失が減少する。

本書に開示する磁気誘導装置の設計は、製造するリボン材料が少なく、変圧器の磁芯が軽量で、デバイスの効率が向上する。特に、本発明の技術を採用した磁気誘導装置は以下の利点を有する。
・効率係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が高い（例えば、変圧器の効率増加が９９．２％）
・磁芯が軽量（例えば、従来の三相変圧器より３０％−４０％低い）
・電力ユニットごとの材料量が少ない（例えば、約３０％−４０％）
・従来の三相三角形変圧器と比べてメンテナンス性が向上

このように、本発明の一態様によると、三相磁気誘導装置用の磁芯が提供され、この磁芯は、各々が内側面と外側面を有する３つの磁芯フレームを具え、ここで各フレームの少なくとも内側面はフレームの側部に沿って延在する階段構造を具え、前記磁芯フレームは前記磁芯内にその内側面が互いに面するように配置され、これにより、各フレームの階段押の側部が局所的に隣接するフレームの階段状側部と結合するようにして三角プリズム構造が構成され、これにより装置の上にコイルを設けるための磁芯の３つの磁芯脚部が構成される。例えば、フレームの内側面の階段構造は、階段状のピラミッド構造（ｆｒｕｓｔｏ−ｓｔｅｐｐｅｄ−ｐｙｒａｍｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成するように構成できる。

いくつかの実施例では、階段構造は約３０°のピッチであり、フレームは互いに６０°の角度で配向されている。

磁芯フレームは、それぞれ巻いた（非結晶金属、ケイ素鋼、ナノ結晶合金、または任意の他の適切な材料でなる）磁気材料リボンでなり、階段構造の特定の段に関連する複数の多層ループを具えてもよい。例えば、いくつかの実施例では、多層ループはそれぞれ予め規定されたリボン幅の磁気材料リボンでなり、少なくともいくつかの多層ループは異なるリボン幅のリボンでなり、ここでリボンはそのリボン幅に関して連続的に順に上に巻かれ、これにより階段構造が形成される。選択的に、少なくともいくつかのリボンはその幅が小さくなる順に上に巻かれる。この方法では、磁芯脚部は断面形状が多面体に構成される。

いくつかの実施例では、少なくともいくつかのリボンが順に上にその幅が小さくなるように巻かれる。したがって、フレームは、いくつかの内側の多層ループを順に上にそのリボン幅が大きくなるように巻き、いくつかの外側の多層ループをその上に、順に上にその幅が小さくなるように巻くことにより、磁芯脚部の円形の断面輪郭を有するように作成される（すなわち、局地的に隣接するフレームの階段状側部を連結することにより得られる）。

いくつかの可能な実施例では、多層ループは、各ループが予め規定されたループ幅と予め規定された中央開口を有するように、同じリボン幅の磁気材料リボンで編まれ、ここで少なくともいくつかのループは異なるループ幅であり、各フレームは前記ループを順に上に同軸に重ねることで構築され、これにより所望の階段構造が形成される。例えば、階段構造は、少なくともいくつかの多層ループを順に上に、その幅が小さくなるように同軸上に重ねることにより得られる。

いくつかの可能な実施例では、少なくともいくつかのループの中央ループ開口の幾何学的面積は異なっている。したがって、少なくともいくつかの多層ループを、それらの中央開口の幾何学的面積に対し順に上に幅が大きくなるように重ね、それらの中央開口の幾何学的面積に対してそれらの幅が小さくなる順に上に重ねることにより、磁芯脚部の円形の断面輪郭が得られる（すなわち、局所的に隣接するフレームの階段状側部を結合させた後）。

他の態様では、３つの磁芯フレームを有する磁芯を具える三相時期誘導装置が提供され、各フレームが内側面と外側面を有し、少なくとも内側面が、前記フレームの側部に沿って延在する階段構造を構成するように形成され、前記磁芯フレームは前記磁芯内でその内側面が互いに向かい合うように配置されて三角形のプリズム構造を形成し、各フレームの階段状の側部が局所的に隣接するフレームの階段状側部と連結して３つの磁芯脚部を構成する。この装置はさらに３つのコイルブロックを具え、それぞれのコイルブロックが磁芯脚部のうちの１つに搭載されている。

装置の１以上の磁芯フレームが、巻いた磁気材料リボンでなる複数の多層ループを具えてもよく（例えば、非晶金属、ケイ素鋼、または任意の他の適切な材料でなる）、各ループが予め規定されたリボン幅の磁気材料リボンで構成されてもよい。階段構造は、多層ループの磁気材料リボンをそのリボン幅に関して順に上に巻くか、多層ループをそのループ幅に関して順に上に同軸に重ねて得ることができる。この方法では、フレームが所望の磁芯脚部の断面形状を提供するように設計される。例えば、いくつかの実施例において、フレームは、断面が多面体の磁芯脚部となるか、別の可能な実施例では円形の断面輪郭（例えば磁芯脚部の円形の境界／外郭）となるよう設計される。

いくつかの応用例では、それぞれ内側面と外側面および非晶金属リボンでなる複数の多層ループを有する３つの磁芯フレームを有する磁芯を具える三相時期誘導装置が提供され、これらのループはそのリボン幅に関して順に上に連続的に巻かれるか、そのループ幅に関して順に上に同軸に重ねられ、これによりフレームの側部に沿って延在する階段構造を形成し、前記磁芯フレームは前記磁芯内にその内側面が互いに向かい合って三角形のプリズム構造を形成するように配置され、ここでは各フレームの階段状側部が局所的に隣接するフレームの階段状側部と結合して３つの磁芯脚部を形成する。この装置はさらに３つのコイルブロックを具え、各コイルブロックが磁芯脚部のうちの一つに設けられる。

さらに別の態様では、三相時期誘導装置の磁芯の製造方法が提供され、この方法は、複数の多層ループを有する三相磁芯磁芯フレームを用意するステップであって、このフレームは当該フレームの側部に沿って延在する所望の階段構造を有し、各ループは、予め規定されたリボン幅の磁気材料リボンで巻かれている、ステップと、局所的に隣接するフレームの階段状側部を結合させて三角形のプリズム構造を形成するように前記フレームを配置して磁芯を構成するステップとを含む。この方法により、結合された局所的に隣接するフレームの階段状側部が、前記三相時期誘導装置のコイルできつく囲まれた３つの磁芯脚部を形成する。１またはそれ以上（あるいは全部）のフレームは、複数の磁気材料リボンをそのリボンのリボン幅に関して順に上に連続的に巻くことにより用意される。あるいは、フレームは、磁気材料リボンで複数の多層ループを個別に編み、ここで少なくともいくつかのループはループ幅が異なっており、これらの多層ループをそのループ幅に関して順に上に同軸に重ねることにより用意される。これらのフレームを用意する技術は個別に用いてもよいし、組み合わせてもよい（個別に編んだいくつかのループを、リボンが順に上に巻かれた多層ループの上に重ねてもよい）。

いくつかの可能な実施例では、フレームの用意がアニーリングステップを含む。この方法はさらに、フレームを接着剤に浸すステップを具えてもよい。磁芯の製造はまた、１またはそれ以上の電気絶縁材料の層を、局所的に隣接するフレームの結合させた階段状領域の間に適用するステップを含んでもよい。

さらなる別の態様では、三相時期誘導装置を用意する方法が提供され、この方法は、複数の多層ループを有する磁芯フレームを用意するステップであって、前記ループがそれぞれ予め規定されたリボン幅の磁気材料リボンで編まれ、前記ループはフレーム内で当該フレームの側部に沿って伸びる階段構造となるように配置され、各フレームを横方向に上側部分と下側部分に切断し、フレームの下側部分が角形のプリズム構造を形成して前記フレームの局所的に隣接した下側部分の階段状側部を結合させて磁芯の３つの下側脚部を得て、下側脚部の各々にコイルを配置し、そしてフレームの上側部分を各下側部分の上に取り付ける。

フレームの準備は、磁気材料リボンをリボン幅に関して順に上に連続的に巻いて複数の多層ループを形成するステップを含んでもよい。あるいは、この準備は、磁気材料リボンから複数の多層ループを個別に編んで、そのループ幅に関して順に上に多層ループを同軸上に重ねるステップを具えてもよい。任意で、これらのフレーム製造技術を組み合わせてもく、これは例えばリボンが順に上に巻かれた多層ループの頂部に個別に巻かれたいくつかのループを重ねるようにしてもよい。

本発明を理解し、どのようにして実践されるかを見るために、いくつかの実施例を、非限定的な例としてのみ、添付の図面を参照しながら説明し、ここで同じ参照番号は対応する部品を示すものとして用いる。
図１Ａ、１Ｂは、いくつかの実施例にかかる三相時期誘導装置の図であり、図１Ａは斜視図であり、図１Ｂは装置の平面図である。 図２Ａ−２Ｃは、いくつかの実施例にかかる三相変圧器の概略図であり、図２Ａは変圧器の側面図とその磁芯脚部の長い区画を示し、図２Ｂは変圧器の平面とその磁芯脚部の断面図を示し、図２Ｃは変圧器において図２ＡのＡ−Ａ線でとった部分図であり、装置の断面を示す。 図３Ａ−３Ｃは、階段構造を有する多層型三角フレームの概略図であり、図３Ａはフレームの正面図、図３Ｂはフレームの側面図、および図３Ｃは図３ＡのＢ−Ｂ線でとった断面図である。 図４Ａ−４Ｅは、いくつかの実施例にかかる三相時期誘導装置の概略図であり、磁芯のフレームが円形の断面輪郭を有する磁芯脚部を提供するように構成されており、図４Ａは側面図および装置の磁芯脚部の長い区画であり、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ線でとった断面図、図４Ｃは装置の磁芯フレームの断面斜視図であり、図４Ｄはフレームの正面図、図４Ｅはフレームの側面図であって上側と下側部分が取り去られている。 図５Ａ−５Ｃは、いくつかの実施例にかかる磁気誘導装置の概略図であり、装置の磁芯が磁芯ループを重ねて構成され、図５Ａは磁気誘導装置の断面図、図５Ｂは装置で利用可能な磁芯フレームの正面図、図５Ｃは磁芯フレームの平面図とその脚部の断面図である。 図６は、いくつかの可能な実施例にかかる三相時期誘導装置の可能な製造プロセスを示すフローチャートである。 図７Ａ−７Ｄは、いくつかの可能な実施例にかかる磁芯フレームの概略図であり、図７Ａは磁芯フレームの製造に利用可能な巻いたリボンでなる矩形の多層ループの斜視図であり、図７Ｂ、７Ｃは磁芯フレームを上側部分と下側部分にそれぞれ切断する例であり、図７Ｄは図７Ｃの磁芯フレームの切断後の下側部分の斜視図である。

図面に表す実施例は必ずしも縮尺通りではなく、理解と記述の簡略のために線図で描いている。

本発明は一般に、限定しないが、三相チョークや三相変圧器のような三相時期誘導装置用の磁芯回路に関する。本発明の三相磁芯回路は、３つの磁芯フレームで構成され、これらはフレームの少なくとも１の面に形成されその側部に沿って延在する階段構造を有する。磁芯回路は、局所的に隣接するフレームを互いに隣接配置して三角（三角プリズム）構造を形成し、ここで各フレームの階段状側部が均等に隣接配置されたフレームの階段状側部に結合する。この均等に結合したフレーム側部が磁芯脚部を構成し、その上に磁気誘導装置のコイルブロックが配置される。

以下の開示から理解されるように、このような磁芯の設計によると、磁芯回路内の磁束分布が向上し、磁芯内で典型的に生じる電磁損失が低減する。さらに、このような磁芯の構成によると、製造時の磁芯材料が少なくなり、変圧器の磁芯が計量となり、磁気誘導装置の効率が向上する。

図１Ａ、１Ｂは、いくつかの可能な実施例にかかる三相磁気誘導装置６０を示す。本例では装置６０の磁芯回路１は、３つの概ね矩形の多層磁芯フレーム２ａ、２ｂ、２ｃから構成され（まとめてフレーム２と称する。）、ここでフレーム２の内側面Ｉ１２がフレーム側部に沿って延在する階段構造を形成するよう構成されている。図１Ｂに最もよく見えるように、局所的に隣接するフレーム２の階段状側部は均等に結合して磁芯１の磁芯脚部４ａｂ、４ｂｃ、４ｃａを構成し（まとめて磁芯脚部４と称する。）、その上にそれぞれコイルブロック１３ａｂ、１３ｂｃ、１３ｃａ（まとめてコイルブロック１３と称する。）が配置される。

一般に、磁芯フレーム２はそれぞれ、フレームの側部で規定される２つの横方向脚部Ｌ１２（図２Ａに示す）と、フレームの上部および底部で規定される２つのヨーク部Ｙ１２と、これらの脚部とヨーク部で囲まれる矩形の中央窓Ｗ１２とを具える。フレームとその中央窓Ｗ１２はの角は丸くてもよい。各フレーム２は、外側面Ｅ１２と内側面Ｉ１２とを有し、フレーム２の少なくとも内側面は階段構造を具える。

例えば、磁芯回路１は、磁芯フレーム２を、これらのヨーク部が正三角形をなすように配置して構成することができる。この構成では、磁芯フレーム２を互いに６０°の角度で配置することにより三角プリズム（五面体）構造が得られ、これにより隣接配置された磁芯フレームの階段状脚部を結合（合致）させて磁芯脚部４が組み上がる。この磁芯１の三角構造は、通常上側と下側の三角形のヨーク構造を有し、この三角形のヨーク構造の角部は磁芯脚部４で連結される。したがって、三角形の磁芯の脚部はそれぞれ、隣接配置される磁芯フレーム２の２つの結合される階段状脚部Ｌ１２により構成される。

図１Ａ、１Ｂに例示するように、脚部Ｌ１２の幾何学的寸法は、コイルブロック１３を配置するのに適した磁芯脚部４の断面形状を提供すべく構成される。さらに、フレーム２内に設けられる中央窓Ｗ１２の寸法は、窓Ｗ１２が間に挟まれる磁芯脚部４に設けられるコイルブロックが収まるように構成されなければならない。

図２Ａ−２Ｃは、いくつかの可能な実施例にかかる三相変圧器１０の概略図である。変圧器１０の磁芯回路１１は、３つの矩形の多層磁芯フレー美羽１２ａ、１２ｂ、１２ｃ（まとめて磁芯フレーム１２と称する）。上に例示したように、磁芯フレーム１２は、各フレームが互いに６０°の角度をなすように配置され、近接する磁芯フレーム１２の脚部Ｌ１２が結合されて磁芯脚部１４ａｂ、１４ｂｃ、１４ｃａを構成し（まとめて磁芯脚部１４と称する。）、この上にコイルブロック１３が設けられる。

図２Ｃは、磁芯回路１１と、その磁芯脚部１４上に配置されるオイルブロック１３を示す断面図である。図示するように、３つのコイルブロック１３ａｂ、１３ｂｃ、１３ｃａは対応する磁芯脚部１４ａｂ、１４ｂｃ、１４ｃａの上に設けられ、各コイルブロックが三相変圧器１０のそれぞれの電気的な相に関連する。例えば、変圧器の第１相に関連するコイルブロック１３ａｂは、磁芯フレーム１２ａ、１２ｂが結合した脚部１４ａｂの上に配置され、変圧器の第２相に関連するコイルブロック１３ｂｃは磁芯フレーム１２ｂ、１２ｃが結合した脚部１４ｂｃの上に配置され、変圧器の第３相に関連するコイルブロック１３ｃａは磁芯フレーム１２ｃ、１２ａが結合した脚部１４ｃａの上に配置される。

図２Ａ−２Ｃに示すように、各コイルブロック１３ａｂ、１３ｂｃ、１３ｃａはそれぞれ、一次コイル巻線１５ａｂ、１５ｂｃ、１５ｃａ（まとめて一次コイル巻線１５と称す。）と、それぞれ二次コイル巻線１６ａｂ、１６ｂｃ、１６ｃａ（まとめて二次コイル巻線１６と称す。）とを有する。いくつかの実施例では、二次コイル巻線１６は同軸で一次コイル巻線１５に囲まれている。

いくつかの実施例では、隣接配置された磁芯フレーム１２ａ、１２ｂ、１２ｃの合体した脚部Ｌ１２は、脚部Ｌ１２の間の階段状領域の上に配置された１またはそれ以上の電気絶縁材料１７（例えばガラスファイバまたは樹脂）で互いに電気的に絶縁されている。したがって、三相変圧器１０の各々の電気相は、上に対応するコイルブロック１３ａｂ、１３ｂｃ、１３ｃａを有する磁芯脚部１４ａｂ、１４ｂｃ、１４ｃａでそれぞれ構成される。

図２Ａに戻ると、三相変圧器１０は、当該三相変圧器１０が上に搭載される基部１８を具える。この基部１８は、変圧器１０をある場所から別の場所に移動させるためのホイール１９を具えてもよい。変圧器１０はさらに、電気的絶縁材料（例えばＫＲＥＭＰＬＥＲカタログ、ＰｒｅｇｎｉｔＧＧＢＥ）でなる頂部クランピングプレート２０を具え、その中に二次巻線１６のリードアウト線２１が提供されてもよい。

動作時に、電流がコイル１３の一次巻線１５を通って対応する磁束が生成され、これが対応する磁芯脚部１４に沿って伝搬する。各脚部１４を伝わる磁束は、各フレーム１２の連結された脚部に接続されたそれぞれのヨーク部Ｙ１２へと別れる。例えば、図２Ｂ、４Ｂでは、磁芯脚部１４ｃａ内で発生する磁束２７が２つの等しい磁束２７ｃ、２７ａに別れ、それぞれ磁芯フレーム１２ｃ、１２ａのヨーク部Ｙ１２を通る。同様に、磁芯脚部１４ａｂ、１４ｂｃ内で発生する磁束は均等に分けられ、それぞれの磁芯フレーム（１２ａ、１２ｂ）と（１２ｂ、１２ｃ）の各ヨーク部Ｙ１２を通る。

図３Ａ−３Ｃを参照すると、いくつかの実施例の磁芯フレーム１２は、複数のほぼ矩形の多層ループから構成され、ここで各ループは磁気材料リボンを編んで作成される。本例では、多層ループのリボンは、フレーム１２の少なくとも内側面Ｉ１２上に順に上に階段構造をなすように巻かれる。この方法により、フレームの脚部とヨーク部の双方に階段状デザインが形成され、フレーム１２の内側面Ｉ１２の上に階段状のピラミッド構造が構成される。一例では、多層ループは、異なるリボン幅の磁気材料リボンを、その幅が小さくなる順に連続的に上に巻き、フレームの階段構造を形成するようにする。したがって、各ループの巻き数がループ／段の厚さを規定することとなり、これはすべてのループ／段で等しいことが好ましい。

多層ループはほぼ矩形のループであり、通常はフレーム１２内に矩形の中央窓Ｗ１２が得られるように順に上に巻かれる。したがって、ループを順に上に連続的に巻くと、階段状のピラミッド構造がフレームの少なくとも一方の面に形成され（例えば、基部とピラミッドの両側の間の角度が３０°）、そして中央窓Ｗ１２が設けられ、この中央窓Ｗ１２の両側に配置された脚部１４の上にコイル１３を納めるのに適合している。

本例では、フレーム１２の階段状の面Ｉ１２は８段であり、これが図３Ａ−Ｃに符号ｒ_１−ｒ_８で示されており、ここで最も内側の巻きリボンの段ｒ_１が最も幅が大きく、最も外側の巻きリボンｒ_８が最も幅が小さい。それぞれの段／ループｒｉ（ｉは例えば１≦ｉ≦８の整数）の厚さ３３（Ｔ）は、段／ループの磁気リボン材料の巻き数によって規定され、これはすべてのループで等しくして、すべての段／ループが例えば約２０ｍｍの同じ厚さとなるようにしてもよい。

より具体的には、連続する段ｒ_ｉ＋１の幅ｗ_ｉ＋１は、所望の階段構造を構成すべくそれぞれ減少する。例えば、いくつかの実施例では、階段構造の連続する段ｒ_ｉ＋１のリボン幅ｗ_ｉ＋１は（最初の段ｒ１が最も内側の段）、Ｔ・ｔｇ（３０°）の量で減少し、ここでＴは段ｒ_１−ｒ_８の厚さ３３である。したがって、この３０°ピッチの階段構造における連続する段ｒ_ｉ＋１のそれぞれの厚さは以下のように算出される：

したがって、各段ｒ_ｉの厚さが２０ｍｍであれば、この３０°の階段構造における連続する次の段ｒ_ｉ＋１の厚さｗ_ｉ＋１は、ｗ_ｉ＋１＝ｗ_ｉ−１１．５４ｍｍである。図３Ａ−Ｃの実施例では、最も外側の段ｗ_８（すなわち最も幅の小さな段）は式（１）に当てはまらず、磁芯脚部１４の外泡面を小さくするためにその幅はさらに小さい（例えばｗ_８＜ｗ_７−Ｔ・ｔｇ３０°）。

このようなフレーム１２の階段状の外側面Ｉ１２を用いると、脚部（Ｌ１２）とヨーク部（Ｙ１２）の断面形状が、６０°の鋭角の正の台形（ｒｉｇｈｔ ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ）となる。したがって、磁芯１１の製造時にフレーム１２を組むと、隣接配置されたフレーム１２のそれぞれ対の脚部を連結して得られる磁芯脚部１４の断面形状が、２つの線対称の多角形（例えば、６０°の鋭角の台形）からなり、これにより断面五角形の磁芯脚部１４が得られる。

図３Ｃを参照すると、いくつかの実施例では、磁芯フレーム１２の巻回方法は、最も内側の多層段ｒ１を所定の長さと最大幅２３（ｗ_１）を有する軟質の強磁性リボンを用いて巻くことから開始される。段ｒ１の巻回は、例えば２０ｍｍの所望厚さ３３（Ｔ）が得られるまで進められる。その後、次の多層ループｒ_２をその上に、所定の長さと最初のループに用いたリボンより幅の小さい別の軟質の強磁性リボンを用いて巻くことにより（ｗ_２＜ｗ_１）次の多層段ｒ２を構成し、ｒ_２は所望の段厚３３（Ｔ）が得られるまで巻回される。このプロセスは多層ループ／段ｒ_３−ｒ_８についても同様である。最後の巻きリボンの層は、例えば溶接により隣接する層に固定される。

磁芯の階段状デザインの１の段ｒｉを形成する層の量と、このような段における層の幾何学的寸法は、三相変圧器１０が設計される動作電力に依存する。

磁芯フレーム１２を巻いたら、多層のフレーム１２をアニーリング処理にかけ、そのパラメータ（例えば温度や時間）はフレーム１２の巻回リボンを構成する合金の首里によって決定される。磁芯フレーム１２は、中に心棒が挿入されたままアニーリングされる。このアニーリングの実行は、磁芯フレーム１２に外部磁界を適用してもしなくてもよい。いくつかの実施例では、アニーリングされる磁芯フレームが真空チャンバまたは超音波バスの有機接着剤（例えばエポキシ樹脂）に含浸される。この含浸の後、磁芯フレーム１２を温度管理環境に配置する。次に、心棒を磁芯フレーム１２から除去する。

図２Ｃを参照すると、いくつかの実施例では、局所的に隣接する磁芯フレームの結合される脚部Ｌ１２は１またはそれ以上の電気絶縁層１７で互いに分離されている。コイルブロック１３の階段構造が磁芯１１の磁芯脚部１４の上に配置されると、磁芯脚部１４の五角形の断面形状の上にしっかりフィットするための五角形形状となる。例えば、コイルブロック１３は、例えば木製の心棒を用いた任意の適切な巻き線技術で用意することができる。

図４Ａ−４Ｅは、いくつかの可能な実施例にかかる三相変圧器５９の例であり、ここでは磁芯脚部１４が円形の断面輪郭を有する。本例では、磁芯１１の磁芯フレーム１２が、それぞれ磁気材料リボンを巻いて構成された多層ループで構成され、フレームの内側面Ｉ１２の階段構造と、フレームの外側面Ｅ１２の湾曲した断面形状を提供している。より具体的には、本例では各フレーム１２の内側面Ｉ１２が中央窓Ｗ１２を有する階段状ピラミッド形状（例えば基部と面の間の角度が３０°）に形成され、隣り合うフレーム１２の隣接配置された脚部Ｌ１２の結合された脚部が磁芯脚部１２の円形の断面輪郭を形成するように、フレーム１２の脚部Ｌ１２の外側は曲線の断面形状を規定するよう構成される。図４Ｂに最もよく見えるように、装置５９の各電気相の磁芯脚部の構成によると、磁芯脚部１４の上に配置された（円形の内面寸法を有する）コイル１３で囲まれた占有空間が、フレーム１２の磁芯材料で最大となる。本例では、各段／ループｔ_ｉの厚さＴは最小限となり、ここで厚さＴは、例えば変圧器の出力などの変圧器の出力特性に基づいて決定される。

例えば、このような断面円形の磁芯脚部１４を得るために、いくつかの実施例では、フレーム１２の少なくともいくつかの内側のループ（例えばｔ１−ｔ５）はその厚さが増大する順に上に巻かれ、フレーム１２の少なくともいくつかの外側のループ（例えばｔ６−ｔ１１）はその厚さが減少する順に上に巻かれる。

いくつかの実施例では、磁芯フレームは、巻いた磁気材料リボンのいくつかの矩形の多層ループから作成され、各ループは同じ幅で異なる中央開口を有するリボンから作成され、異なる巻き数である。この構成では、同じ幅の磁気材料リボンを用いて同じ厚さの多層ループが生じるように、リボンの幅が多層ループの厚さ（Ｔ）を規定し、その幅は、図７Ｃに示すように、各ループの巻き数により規定される。この技術では、磁芯フレームは、複数の多層ループをその幅に関して順に上に同軸上に重ね（一緒に載置）、所望の断面形状の磁芯フレームを形成することにより構成される。

誘導コイルのサイズや形状など磁気誘導装置の磁芯の特性が、装置の多くの特性を決定することが知られている。例えば、三相変圧器では、変圧器の設計、変圧器のコイルのサイズと形状、および変圧器全体のサイズが、変圧器の磁芯の幾何学的および構造的な特性に基づいて決定される。

したがって、本発明の磁気誘導装置の多くの特性が、磁芯脚部（図１Ａ−１Ｂの符号４と、図２Ｂ−２Ｃおよび４Ｂの符号１４）の直径Ｄ_ｏｕｔと、これらを構成するフレームの脚部の階段構造とに基づいて有利に定まる。図４Ａ−４Ｅを参照して上記に例示したように、フレームの階段構造は円形の断面輪郭の磁芯脚部を得ることにより調整することができる。

いくつかの可能な実施例では、（図４Ｂの）装置の磁芯脚部を囲む円の直径Ｄ_ｏｕｔは、以下のように決定される：

ここで、Ｓ_ｃｏｒｅは算出される磁芯の断面積（ｃｍ、磁気誘導装置に関して電算により求まる）であり、例えば、三相変圧器では、Ｓ_ｃｏｒｅは変圧器の出力、効率、動作周波数や芯材の特性により定まる（例えば、非晶金属をフレームの作成に用いる場合、材料の誘導、非晶リボン内の電気損失等）。
ｂ_１は、多層ループｒ_ｉの厚さＴ（ｃｍ。図３Ｃの符号３３）。
ｎ_１は、ループの数（ｒ_１，ｒ_２，．．．）。
Ｋ_１は、直径Ｄ_ｏｕｔの円領域において磁芯の階段状の断面積が占める率である。Ｋ１は変圧器の出力に基づいて求めることができる。例えば、図４Ａ−４Ｅに例示するいくつかの実施例では、占有係数Ｋ_１は約１．０５−２．０５であり、リボン幅ｂ１＝２０ｍｍの占有係数Ｋ_１ ^（２０）とリボン幅ｂ１＝１０ｍｍの占有係数Ｋ_１ ^（１０）とは二次方程式Ｋ_１ ^（２０）＝（Ｋ_１ ^（１０））^２の関係をもつ。

式（２）は、装置の磁芯脚部の断面の直径Ｄ_ｏｕｔを算出するのに用いられ、したがって磁芯脚部に設けられるコイルブロック１３の幾何学的寸法（すなわちサイズと形状）と、フレーム１２の内側窓Ｗ１２の幾何学的寸法は、算出される磁芯脚部の断面の直径Ｄ_ｏｕｔに基づいて決定される。

図５Ａ−５Ｃは、いくつかの可能な実施例にかかる磁気誘導装置５８を示し、ここでは磁芯フレーム６２ａ、６２ｂ、６２ｃ（まとめてフレーム６２と称す。）が同軸上に順に上に重ねられた複数の多層ループＬ１、Ｌ２、・・・Ｌ８で構成される。本実施例では、複数の多層リボンループＬ_ｉ（すなわち１≦ｉ≦８）が順に上に重ねられ、フレーム６２の内側面７２ｉの階段構造を提供するとともに、コイルブロック６３を収める中央窓Ｗ６２を形成する。例えば、多層ループＬ_ｉは固定の幅Ｔを有するリボンから構成され、このリボンは従って相断行像の段／ループの固定の厚さを規定する。各ループＬ_ｉの巻き数は各ループＬ_ｉの脚部の幅ｗ_ｉを調整すべく異なってもよく、これによりフレーム６２の内側面７２ｉにピラミッド状階段構造が得られる（すなわちピラミッドの基部と面の間の角度が３０°であり、中央窓Ｗ６２を有する）。いくつかの実施例では、各ループＬ_ｉの脚部の幅ｗ_ｉは、異なる幾何学的寸法（例えば高さおよび／または幅）を有する内側開口（図７ＡのＬ１２）を得るべくさらに調整され、これによりフレーム６２の外側面７２ｅと中側７２ｍの断面形状が円形の輪郭形状となる。

図５Ａ−５Ｃに示すように、各フレーム６２は、複数の多層ループＬｉを順に上に同軸上に重ねて組み立てられる。本例の磁芯回路１１は、３つの多ループフレーム６２を互いに６０°の角度で配置し、局所的に隣接する磁芯フレーム６２の脚部の階段状側部を結合させ、これにより正三角形のヨーク部Ｙ６８を得ることで構成される。局所的に隣接するフレーム６２の対の結合した脚部Ｌ６８は、磁芯回路１１の磁芯脚部６４ａｂ、６４ｂｃ、６４ｃａ（まとめて磁芯脚部６４と称する。）を構成する。本例では、コイルブロック６４ａｂ、６３ｂｃ、６３ｃａ（まとめてコイルブロック６３と称する。）がそれぞれ磁芯脚部６４ａｂ、６４ｂｃ、６４ｃａ上に配置され、ほぼ円形（すなわち円形の輪郭を有する）で磁芯脚部６４をきつく取り囲む。コイルブロック６３はそれぞれ一次巻線と二次巻き線を有し、上述したように、二次巻き線が一次巻線によって同軸で囲まれていてもよい。

いくつかの可能な実施例では、少なくともいくつかのループＬ_ｉの多層ループの幅Ｄ_ｉ（すなわち１≦ｉ≦８）および／または内側開口Ｉ１２の幾何学的形状は異なり、構築されるフレーム６２の横の側部領域６６ｓと中間の側部領域６６ｍに湾曲した断面形状が形成されるように、これらのスタックは順に上に同軸上に重ねられる。これにより、ループＬｉの内側開口Ｉ１２の幅Ｄ_ｉと幾何学的形状は、フレーム６２の脚部の階段状側部領域を結合させることにより磁芯脚部６４の円形の断面形状を得て、三角形のプリズム構造の磁芯が形成される。

例えば、可能な実施例では、磁芯フレーム６２は、外側のループ（すなわちループ幅Ｄ_８のループＬ_８）から、１またはそれ以上のループをそのループ幅が増大していくように（すなわちＤＬ_８からＤ_６）同軸上に重ね、その後にループ幅が小さくなるように（すなわちＤ_５からＤ_１）１またはそれ以上のループをその上に同軸上に重ねて構成される。支持部材６８ｙ、６８ｌ（例えば支持バンド）をフレーム６２のヨークおよび／または脚部領域の回りに巻いて、重ねたループＬ_ｉが動かないようにし、これによりフレーム６２の階段構造が維持されるようにする。いくつかの可能な実施例では、各磁芯フレーム６２の重ねたループＬ_ｉはさらにホットメルト接着で互いに接着する。

いくつかの可能な実施例では、装置の磁芯脚部を囲む円の直径Ｄ_ｏｕｔ’（図５Ａに示す）は以下のように決定される：

ここで、Ｓ_ｃｏｒｅは算出される磁芯の断面積（ｃｍ、磁気誘導装置に関して電算により求まる）であり、例えば、三相変圧器では、Ｓ_ｃｏｒｅは変圧器の出力、効率、動作周波数や芯材の特性により定まる（例えば、非晶金属をフレームの作成に用いる場合、材料の誘導、非晶リボン内の電気損失等）。
ｂ_２は、巻かれるリボンの幅Ｔ（ｃｍ。図５Ｃの符号６９）。
ｎ_２は、各フレームのループの数。
Ｋ_２は、直径Ｄ_ｏｕｔ’の円領域において磁芯の階段状の断面積が占める率である。Ｋ_２は変圧器の出力に基づいて求めることができる。

例えば、図５Ａ−５Ｃに例示するいくつかの実施例では、占有係数Ｋ_２は約１．０３−１．２であり、リボン幅ｂ_２＝２０ｍｍの占有係数Ｋ_２ ^（２０）とリボン幅ｂ２＝１０ｍｍの占有係数Ｋ_２ ^（１０）とは二次方程式Ｋ_２ ^（２０）＝（Ｋ_２ ^（１０））^２の関係をもつ。

式（３）は、装置の磁芯脚部の断面の直径Ｄ_ｏｕｔ’を算出するのに用いられ、したがって磁芯脚部に設けられるコイルブロック１３の幾何学的寸法（すなわちサイズと形状）と、フレーム６２の内側窓Ｗ６２の幾何学的寸法は、算出される磁芯脚部の断面の直径Ｄ_ｏｕｔ’に基づいて決定される。

図６は、本発明の磁気誘導装置の可能な製造技術を実行するフローチャートである。１またはそれ以上の磁芯フレームが、同じ幅の複数の磁気材料リボンから、複数の矩形の多層ループＬ_ｉを用意することにより製造され、各ループが同じ厚さ（すなわちリボン幅と同じ）で、任意でこれらの内側開口の幅と寸法が異なり（リボンの巻き数で定まる）、多層ループを順に上に同軸上に重ねてフレームの内側面の階段構造、および／またはフレームの外側面と中間側の湾曲した断面形状を形成し、これがステップ７０−７１に記載されている。

代替的に、１以上の磁芯フレームが、複数の磁気材料リボンを連続的に巻いて製造され、少なくともいくつかのリボンが異なるリボン幅を有し、これらのリボンは連続的にその幅に関して順に上に巻かれ、これによりフレームの内側面の階段構造と、任意でフレームの外側面および中間側に湾曲した断面形状が得られ、これがステップ７２に記載されている。

磁芯フレーム１２は、装置１０の磁芯回路に求められるのと同様に、軟質の強磁性の合金でなる非晶金属リボンから製造される。非晶リボンは良好な強磁性を有し、装置１０の磁芯回路１１の構造はこれらの特性により装置構造の実践的な実施に利益となる。磁芯フレーム１２は、磁芯フレーム１２の内側窓Ｗ１２に対応する寸法の矩形の心棒の上に磁気材料リボンを巻くための従来型のスプール装置を用いて製造することができ、好適には角が丸まっている。例えば、磁芯フレームはステップ７０−７１に記載のように、約２０ｍｍの厚さＴの多層ループを製造すべく巻かれた厚さ２５ミクロンのリボンを用いて製造されてもよい。非晶リボンは、今日では典型的に２０−２３０ｍｍの幅のものが商業的に入手可能である。

次に、ステップ７３で、磁芯はアニーリング処理にかけられる。例えば、ステップ７０−７１、および／またはステップ７２で得られる巻かれた磁芯は、任意で磁気材料ループが巻かれた心棒とともに、例えば４００°Ｃの温度の炉で熱処理プロセスに掛けられ、炉内に保たれゆっくり冷却される。

ステップ７４で、磁芯フレームはセメントワニス（例えばエポキシ）に浸され、その後、例えば約１３０°Ｃで炉内で乾燥される。磁芯フレームはその後ステップ７５で横方向に切断され、切断フレームの沙汰側部分を搭載してコイルブロックを脚部の上に配置し、これがステップ７６−７７に記載されている。図７Ａ−７Ｄを参照すると、いくつかの実施例では巻かれた磁芯フレーム１２が横軸６１または６２に沿って、上側の∩１２と下側のＵ１２の部分へと切断される。図７Ｃに例示するように、いくつかの可能な実施例では、磁芯フレームはほとんど対称軸６２に沿って、対称な∩形状（∩１２）とＵ形状（Ｕ１２）の部分へと切断される。別の可能な実施例では、図７Ｂに示すようにフレームは当該フレームの中央より上で、非対の∩形状（∩１２）とＵ形状（Ｕ１２）の部分へと切断される。

本例では、図７Ａに示す第１のループの高さＨ１２は約１１２０ｍｍであり、ヨーク部Ｋ１２の幅は約６３６ｍｍである。

ステップ７６で、フレーム１２ａ、１２ｂ、１２ｃの３つのＵ字型の下側切断部Ｕ１２（例えば図７Ｄ）が、装置の基部１８に固定される。基部１８は、互いに６０°の角度で下側切断部Ｕ１２のヨーク部を受けるように構成されこれらを基部１８に搭載するための対応する溝を有する。上述したように、下側の切断部Ｕ１２の脚部の階段状領域は、局所的に隣接する下側切断部Ｕ１２の脚部の階段状領域と結合され、磁芯１１の磁芯脚部１４の下側部分を形成する。その後、ステップ７７で、一次巻き線１５と二次巻き線１６でなる各相のコイルブロック１３が、磁芯脚部１４の対応する下側部分Ｕ１２に設けられる。

その後、ステップ７８で、磁芯フレーム１２の３つの対応する∩形状の上側切断部∩１２が、それぞれの下側切断部Ｕ１２の上に立てに搭載され、磁芯フレーム１２の四角い構造が復活する。次に、ステップ７９で、頂部クランピングプレート２０がこの復活したフレーム１２の頂部に設けられ（図２Ａの符号２０に示すように、上側と下側の切断部は互いにプレート１８、２０および固定ボルトにより取り付けられる。）、最終的に、ステップ８０で、引き出し線と連結バスバーが設けられる。

いくつかの実施例では、４本のドロースタッドを用いて装置の部品を互いに固定する。例えば、中央のドロースタッドと３本の周辺ドロースタッドを用いて装置の部品を固定してもよい。

上記構成によると、装置の構造部品を損傷することなく、複数回装置１０の解体／組立を行うことができる。これによると、必要なときに装置の修理を迅速に行うことができ、労力とこれに必要な材料を節約することができる。

上述したように、いくつかの実施例では、磁芯フレーム１２をケイ素鋼片で製造してもよい。このような例では、磁芯回路１１内で損失が大きくなるが、このような磁芯１１は磁気誘導装置１０の有効性や効率の要求が低い場合に用いることができる。

フレーム１２の窓はスチールの心棒を用いて形成することができる。いくつかの実施例では、心棒の断面形状は矩形であり、磁芯フレーム１２の内側窓Ｗ１２の幾何学的寸法を有する。例えば、心棒の厚さは、最も内側の多層段／ループｒ１の幅（図３Ｃのｗ１）とほぼ等しくてもよい。リボンの機械的張力は、必要な巻き密度係数に応じて設定され、通常は約０．８−０．９である。

本発明の技術により製造された三相変圧器のコンピュータシミュレーションが行われ、その結果が、ケイ素鋼からなる平坦な「Ｅ＋１」型地震構造を有する従来型の三相変圧器で得られたものと比較された。シミュレーションは、作業出力６３０ｋＶＡ、一次電圧２２ｋＶ、二次電圧４００Ｖに設計された三相変圧器で行われた。

シミュレーション結果は、本発明の技術を用いて製造した三相変圧器に有利な特徴を示し、とりわけ顕著なのは以下の特徴であった。
・合計重量が３０−４０％低減した
・無負荷損失が７２−８４．６％の範囲で減少した
・負荷損失が７−１４％減少した
・装置の負荷損が９９．２％まで上昇した
・装置の体積が３０−４０％減少した。

非晶リボンの磁気損失がケイ素鋼片と比べて低いことが知られている。今日では、非晶リボンでなる「Ｅ＋１」磁気システム構造の変圧器の例がいくつか存在し、例えば、ＴＥ７９０／１０．１、ＢＥＺ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｏｒｙ、ブラティスラヴァ、スロバキアがある。このような変圧器は比較的重く（ケイ素鋼片でなる「Ｅ＋１」型変圧器より約１．５倍重い）、また比較的大きな体積となる。しかしながら、これらの非晶リボン変圧器の磁気損失は、非晶材料を用いているため、従来のケイ素鋼変圧器の磁気損失より倍以上少ない。

磁気システムが非晶リボンで構成され、本発明の構造的特徴（すなわち、フレームの少なくとも一方の面に階段構造を有する３つのフレームでなる磁芯を有するもの）を有する変圧器は、従来型の非晶高出力変圧器と比較して以下の利点を有する。
・磁気損失（無負荷損失）が顕著に少ない。従来の非晶高出力変圧器の磁気損失の半分以下であり、
・変圧器の重量が顕著に少ない。本発明の変圧器の重量は約１．８倍少ない。すなわち変圧器の重量が約５５％減少する。

表１は、従来型の三相変圧器と比較した場合の本発明の三相変圧器の種々のパラメータである。
表１（６３０ｋＶａ、２２ｋＶ、ドライ、キャスト樹脂の変圧器）

＊トロイドコア：米国特許第６，７９２，６６６記載の変圧器の構成に基づく。

上述した実施例と記述は説明目的のためだけであり、本発明のいかなる限定とも解されてはならない。当業者は理解するように、本発明の範囲を逸脱することなく、上述の１以上の技術を用いて非常に様々な種類の本発明の実施例を実現することができる。

Claims (12)

1. 三相磁気誘導装置用の磁芯であって、当該磁芯が、上に前記磁気誘導装置のコイルを搭載するための磁芯脚部を構成する３つの磁芯フレームを具え、各磁芯フレームが巻いた磁気材料リボンで作成され、
   各磁芯フレームは、前記磁芯フレーム内に他のループとはループ幅および中央ループ開口の幾何学的寸法が異なる複数の多層ループから構成され、
   前記磁芯フレームの各ループは、当該ループの厚さを規定する所定のリボン幅ｂ２を有する巻いた磁気材料リボンから個別に作成され、
   前記磁芯フレームを構成する複数のループは、前記多層ループの少なくともいくつかが、それらの中央開口の幾何学的な寸法に対してそれらのループ幅が小さい順に重ねられており、前記多層ループの少なくともいくつかが、それらの中央開口部の前記幾何学的な寸法に対してそれらのループ幅が大きい順に重ねられており、これによって一般的には階段状のピラミッド構造を有し、前記磁芯フレームの内側面と外側面に沿って実質的に線形の階段状の構造と、前記磁芯フレームの前記中央ループ開口を迂回する中面に沿った湾曲した階段状の構造と、を有する前記磁芯フレームを形成するように順に上に同軸上に重ねられ、
   前記磁芯フレームは、局所的に隣接する磁芯フレームの内側面の階段状の構造を有する各磁芯フレームの内側面の階段状の構造を結合させることにより三角プリズム構造を形成するように前記磁芯内で配置され、これにより、前記磁芯フレームの前記中面の前記湾曲した階段状の構造によって定義された実質的に円形の断面輪郭形状を有する前記磁芯の３つの磁芯脚部を形成し、
   前記磁芯脚部の直径は、下記式によって決定され、
   

   

   ここで、Ｓｃｏｒｅは前記磁芯の算出された断面積であり、ｎ２は、各磁芯フレームにおける多層ループの数であり、Ｋ２は、前記磁芯の前記階段状の断面積による円領域の占有率である、
   ことを特徴とする磁芯。
2. 請求項１の磁芯において、前記多層ループは、非晶金属、非晶合金、およびナノ結晶合金からなる群から選択されることを特徴とする磁芯。
3. 請求項２の磁芯において、前記磁気材料リボンの幅は、１０−２０ｍｍの範囲内であることを特徴とする磁芯。
4. 請求項１乃至３のいずれかの磁芯において、前記多層ループは同じリボン幅を有する磁気材料リボンを巻いてなり、これにより各ループおよび各対応する段がほぼ等しい厚さを規定することを特徴とする磁芯。
5. 前記係数Ｋ_２は１．０３乃至１．２の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁芯。
6. 磁気誘導装置のコイルを搭載するための磁芯脚部を形成すべく構成された３つの磁芯フレームを有する磁芯を具える三相磁気誘導装置において、各磁芯フレームは磁気材料リボンで作成され、
   各磁芯フレームは、当該磁芯フレーム内の別のループとは異なるループ幅および中央ループ開口の幾何学的寸法を有する複数の独立した多層ループから構成され、
   磁芯フレームの各ループは、前記ループの厚さを規定する予め規定されたリボン幅ｂ２を有する巻いた磁気材料リボンから個別に作成され、
   磁芯フレームを構成する複数のループは、前記多層ループの少なくともいくつかが、それらの中央開口の前記幾何学的な寸法に対してそれらのループ幅が小さい順に重ねられており、前記多層ループの少なくともいくつかが、それらの中央開口部の前記幾何学的な寸法に対してそれらのループ幅が大きい順に重ねられており、これによって一般的には階段状のピラミッド構造を有し、前記磁芯フレームの内側面と外側面に沿って実質的に線形の階段状の構造と、前記磁芯フレームの前記中央ループ開口を迂回する中面に沿った湾曲した階段状の構造と、を有する前記磁芯フレームを形成するように順に上に同軸上に重ねられ、
   前記磁芯フレームは、局所的に隣接する磁芯フレームの内側面の階段状の構造を有する各磁芯フレームの内側面の階段状の構造を結合させることにより三角プリズム構造を形成するように前記磁芯内で配置され、これにより、前記磁芯フレームの前記中面の前記湾曲した階段状の構造によって定義された実質的に円形の断面輪郭形状を有する前記磁芯の３つの磁芯脚部を形成し、
   前記磁芯脚部の直径は、下記式によって決定され、
   

   

   ここで、Ｓｃｏｒｅは前記磁芯の算出された断面積であり、ｎ２は、各磁芯フレームにおける多層ループの数であり、Ｋ２は、前記磁芯の前記階段状の断面積による円領域の占有率である、
   ことを特徴とする磁芯。
7. 磁気誘導装置のコイルを搭載するための磁芯脚部を形成すべく構成された３つの磁芯フレームを有する磁芯を具える三相磁気誘導装置において、
   各磁芯フレームは、当該フレーム内の別のループとは異なるループ幅および中央ループ開口の幾何学的寸法を有する複数の独立した多層ループから構成され、
   前記磁芯フレームの各多層ループは、前記ループの厚さを規定する予め規定されたリボン幅ｂ２を有する巻いた磁気材料リボンから個別に作成され、
   前記磁芯フレームを構成する多層ループは、前記多層ループの少なくともいくつかが、それらの中央開口の前記幾何学的な寸法に対してそれらのループ幅が小さい順に重ねられており、前記多層ループの少なくともいくつかが、それらの中央開口部の前記幾何学的な寸法に対してそれらのループ幅が大きい順に重ねられており、これによって一般的には階段状のピラミッド構造を有し、前記磁芯フレームの内側面と外側面に沿って実質的に線形の階段状の構造と、前記磁芯フレームの前記中央ループ開口を迂回する中面に沿った湾曲した階段状の構造と、を有する前記磁芯フレームを形成するように順に上に同軸上に重ねられ、
   前記磁芯フレームは、局所的に隣接する磁芯フレームの内側面の階段状の構造を有する各磁芯フレームの内側面の階段状の構造を結合させることにより三角プリズム構造を形成するように前記磁芯内で配置され、これにより、前記磁芯フレームの前記中面の前記湾曲した階段状の構造によって定義された実質的に円形の断面輪郭形状を有する３つの磁芯脚部を形成し、
   前記磁芯脚部の直径は、下記式によって決定され、
   

   

   ここで、Ｓｃｏｒｅは前記磁芯の算出された断面積であり、ｎ２は、各磁芯フレームにおける多層ループの数であり、Ｋ２は、前記磁芯の前記階段状の断面積による円領域の占有率である、
   ことを特徴とする装置。
8. 三相磁気誘導装置の製造方法において、当該方法が３つの磁芯フレームを用意するステップと、前記磁芯フレームを磁芯内に当該磁芯フレームの内側が互いに面するように配置されて三角プリズム構造が形成され、これにより上に前記装置のコイルを設けるための３つの磁芯脚部が形成されるステップとを含み、
   各磁芯フレームは、複数の多層ループをそのループ幅に関して順に上に同軸上に重ねて構成され、
   少なくともいくつかのループは、異なる中央ループ開口の寸法および異なるループ幅を有し、それらは、前記多層ループの少なくともいくつかが、それらの中央開口の幾何学的な寸法に対してそれらのループ幅が小さい順に重ねられており、前記多層ループの少なくともいくつかが、それらの中央開口部の前記幾何学的な寸法に対してそれらのループ幅が大きい順に重ねられており、これによって一般的には階段状のピラミッド構造を有し、前記フレームの内側面と外側面に沿って実質的に線形の階段状の構造と、前記磁芯フレームの前記中央ループ開口を迂回する中面に沿って形成された湾曲した階段状の構造と、を有する前記磁芯フレームを形成するように同軸上に重ねられ、
   各多層ループは、ループの厚さを規定する予め規定されたリボン幅ｂ２を有する巻いた磁気材料リボンから個別に用意され、
   前記方法は、前記下記式を用いて前記磁芯脚部の直径が決定されることを具備し、
   

   

   ここで、Ｓｃｏｒｅは前記磁芯の算出された断面積であり、ｎ２は、各磁芯フレームにおける多層ループの数であり、Ｋ２は、前記磁芯の前記階段状の断面積による円領域の占有率である、
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項８の方法において、前記磁芯フレームのアニーリングを含むことを特徴とする方法。
10. 請求項８または９のいずれかの方法において、前記フレームを接着剤に浸すステップを含むことを特徴とする方法。
11. 請求項８乃至１０のいずれか一項の方法において、局所的に隣接する磁芯フレームの結合した階段構造間に電気的絶縁材料の１またはそれ以上の層を適用するステップを含むことを特徴とする方法。
12. 請求項８乃至１１のいずれか一項の方法において、
    各磁芯フレームを上側部分と下側部分に横方向に切断するステップと、
    局所的に隣接する磁芯フレームの下側部分の階段構造同士を結合して磁芯の３つの下側脚部を得ることにより、前記磁芯フレームの下側部分が三角プリズム構造を形成するように配置するステップと、
    前記下側脚部にそれぞれ１以上のコイルを配置するステップと、
    それぞれの下側部分に前記磁芯フレームの上側部分を取り付けるステップと、を具えることを特徴とする方法。

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