JP6365333B2 - 騒音特性に優れた電気機器鉄心の励磁方法 - Google Patents

Description

本発明は、変圧器などの電気機器鉄心の励磁方法に関し、特に騒音が抑制可能な励磁方法に関するものである。

トランス（変圧器）のような電気機器は、その鉄心（コア）に、方向性電磁鋼板を積層したもの（積鉄心）、あるいは巻いたもの（巻鉄心）を用いるのが普通である。トランスに求められる重要な特性としては、鉄損（無負荷損）特性、励磁電流特性に優れることが挙げられる。さらに、昨今では、トランスが設置される周辺環境への配慮などから、騒音特性に優れる、即ち、低騒音であることも重要となってきている。

トランスの騒音は、鉄心に使用される電磁鋼板の磁歪特性に大きく依存することが知られている。また、非特許文献１に開示されているように、方向性電磁鋼板の磁歪特性は、鋼板が有する磁束密度Ｂ₈（磁界の強さ800Ａ／ｍにおける磁束密度）で決まるとされており、Ｂ₈が高いものほど磁歪（磁歪振幅）が小さいことが知られている。非特許文献２には、この磁歪振幅を小さくした電磁鋼板を用いることで実際の変圧器の騒音レベルが低減された例が示されている。すなわち、低騒音トランスを製造するには、磁歪振幅が小さい方向性電磁鋼板を鉄心に用いるのが普通である。
そして、磁束密度以外で磁歪（磁歪振幅λ）を低減する検討が特許文献１，２および３などで行われている。

また、磁歪振幅以外に騒音に影響を与える磁歪特性として、特許文献４では、磁歪振動の速度波形に注目し、この速度波形を周波数分析して聴感補正を施したパラメータ、すなわち磁歪の速度成分が有する高調波成分に着目したパラメータが変圧器騒音の低減に有効であると述べられている。

特開２００７−２３３４号公報 特開２００９−２３１４７７号公報 特開２００１−１８１８０３号公報 特開２００９−２３６９０４号公報

ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ８（１９７２）ｐ．６７７ 電気学会技術報告第６１６号「静止器の騒音対策技術の現状とその動向」、電気学会、１９９６年

ところで、磁束密度Ｂ₈の高い方向性電磁鋼板や、特許文献１〜３などの開示されている磁歪低減技術を適用して製造した方向性電磁鋼板を用いて、複数台の変圧器を製造した場合、その変圧器の騒音値は、Ｂ₈の低い方向性電磁鋼板や特許文献１〜３などの先行磁歪低減技術を適用しない方向性電磁鋼板と比較すれば、全体としては低い騒音値の変圧器が得られることが分かっている。
しかしながら、騒音ばらつきが大きいなど、必ずしも期待通りの効果が得られるわけではない。

さらに、近年における環境重視型の社会において要求されている変圧器騒音レベルを満足するためには、従来技術では、未だ対応することができない。
また、特許文献４に記載されたパラメータで磁歪特性と変圧器騒音を整理した場合、パラメータの値が同じでも変圧器騒音が異なる場合が多々あり、変圧器騒音が低い方向性電磁鋼板の選択指標とするには不十分である。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、実機変圧器をはじめとする電気機器の騒音特性を低減する励磁方法を提案することを目的とする。

発明者らは、更なる実機変圧器の騒音低減が可能な励磁技術を検討するにあたって、従来の磁歪特性パラメータでは変圧器騒音を十分に説明できないという問題点の原因を探るべく検討を重ねた。その結果、トランスの騒音特性に影響を及ぼす方向性電磁鋼板の因子としては、従来から知られている磁束密度Ｂ₈や磁歪振動の速度成分が有する高調波成分以外に、磁歪振動の速度変化（加減速の頻度や程度）が従来知見のパラメータ以上に変圧器騒音に影響を及ぼしていることを見出した。

具体的には、磁歪振動の速度変化挙動を以下の条件にすることで、従来技術以上に変圧器騒音を低減可能であることを突き止めた。
1)歪の速度レベルdλ/dtにおいて、加減速ポイントが磁歪振動１周期内で４つであること
2)磁歪振動の加速領域または減速領域内における速度レベルの変化が、隣接する極大値と極小値の差で3.0×10^-4sec^-1以下であること

また、磁歪振動の速度変化挙動を上記条件内に収めるためには、励磁電圧に高調波を重畳させることが極めて有効であることを見出した。
以下に、この知見を導くに到った実験結果について述べる。
＜実験１＞
変圧器騒音は磁歪特性と相関があることが知られているので、励磁電圧に高調波を重畳させて磁歪特性を変化させ、変圧器騒音と磁歪特性の関係を調査することを試みた。ここでは、0.27mmの方向性電磁鋼板を用いて、300kVAの実機トランスを組上げ、式１に示すような１次電圧（E(t) ）で励磁し、50Hz、1.7Ｔの条件で騒音を評価した。
(式)１：E(t) = Cos(2πt) +B₁Cos(2πA₁t +θ₁)
θ₁：基本波に対する位相
Ａ₁：重畳する高調波の次数
Ｂ₁：基本波に対する重畳割合
ｔ ：励磁時間（ｓ）

また、磁歪振動は、レーザドップラ振動計を用いて評価した。図１に磁歪波形の測定結果を磁歪振幅で示す。ここでは５次の高調波を０〜40％の割合で、位相を基本波に対して同位相または180°逆位相で重畳した。従来、騒音に影響を与えていると考えられていた磁束密度については、同じ素材を使用しているので、同じ磁歪振幅に関し、大きな差は認められなかった。にもかかわらず、表１に示す騒音測定結果から、励磁条件によっては騒音が大きく変動しているものがあることが確認できる。

これは、従来には知られていない変圧器騒音に大きな影響を及ぼす磁歪特性パラメータが存在することを意味している。同時に、励磁電圧への高調波重畳によって磁歪特性を制御することが可能であることも判明した。

＜実験２＞
騒音を増大させる原因のうち、磁歪振幅以外の因子として、磁歪振動の速度変化に着目した。ここでは、加減速を繰り返しながら振動することは騒音を増大させる原因になり得ると考え、図２に示す磁歪振動１周期における加減速ポイントの頻度と騒音の関係を調査した。周波数50Hzで評価したので１周期の間隔は0.02secである。
ここで、図２中では、加減速ポイントは、８つ認められるが、磁歪振動が理想的な正弦波の場合、加減速ポイント(dλ/dt=0)は４つ存在するので、加減速ポイントの最小値は４つである。

さらに、実験１で示した５次の高調波だけでなく、さまざまな高調波を単独または複数重畳した実験を実施した。
騒音は、0.30mmの方向性電磁鋼板を用いて、1000kVAの実機トランスを組上げ、50Hz、1.7Ｔの条件で騒音を評価した。また、磁歪振動はレーザドップラ振動計を用いて評価した。図３に加減速ポイントの数と実機変圧器騒音の関係を示すが、ポイント数の増加によって騒音は増加する傾向を示し、加減速ポイントの数は最小値である４個にする必要があることが判明した。

ついで、加速領域または減速領域における速度変化の実機変圧器騒音への影響を調査した。ここでは速度変化の評価パラメータとして隣接する極大値と極小値の差を用いた（図４参照）。ここで注目したのは、加速/減速領域内の速度変化であり、両方の領域にわたる速度変化は含まない。また、本発明では、速度変化の極大値と極小値を速度変化ポイントとも言う。

磁歪波形１周期の中には、極大値と極小値は図４に示すように複数存在する。
そして、隣接する極大値と極小値の磁歪の速度レベルの差（速度レベル変化量）の最大値と実機変圧器騒音の関係を調査した結果を図５に示す。同図から、加減速ポイントが４個の条件では、隣接する速度変化ポイント間の速度レベル変化量の最大値が3.0×10^-4sec^-1以下の場合に、良好な実機変圧器の騒音特性が得られた。一方で、速度レベル変化量の最大値が3.0×10^-4sec^-1以下でも、加減速ポイント数が上記条件を満たしていない場合は、良好な騒音が得られないことが判明した。

以上の結果より、実機変圧器の騒音特性を改善するためには、
１）磁歪の速度レベルdλ/dt において、加減速ポイントが磁歪振動１周期内で４つにする
２）磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する速度変化ポイント間の速度レベル変化量を3.0×10^-4sec^-1以下とする
ことが重要であることが分かった。
さらに磁歪特性の制御は、一次電圧に高調波を重畳させることで可能であることが判明した。
本発明は、上記した知見に基づき成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．励磁電圧に高調波を重畳させて、方向性電磁鋼板の磁歪特性を以下の条件ＩおよびIIに示す範囲に制御することを特徴とする電気機器鉄心の励磁方法。
Ｉ 磁歪の速度レベル：dλ/dtにおいて、加減速ポイントを磁歪振動１周期内で４とする。
ＩＩ 磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する磁歪の速度レベル変化ポイント間の速度レベル変化量を3.0×10^-4sec^-1以下とする。

本発明によれば、より実機変圧器の騒音特性に優れた電気機器鉄心の励磁が可能になる。

レーザドップラ振動計を用いた磁歪波形の測定結果を示す図である。 磁歪振動１周期における加減速ポイントの頻度と騒音の関係を調査した結果を示す図である。 加減速ポイントの数と実機変圧器騒音の関係を示す図である。 磁歪振動の隣接する速度変化ポイント間の速度レベル変化量を示す図である。 速度レベル変化量の最大値と騒音の関係を示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明の構成用件の限定理由について述べる。
実機変圧器の騒音は、従来から知られているパラメータ以上に、磁歪振動の速度変化が大きな影響を及ぼしていることが明らかになった。
理由は明らかになっていないものの、加減速を繰り返しながら鋼板伸縮運動をするにはより大きなエネルギーが必要であるところから、この伸縮エネルギーの増大が騒音増大の原因になっているものと推測している。

ここで、本発明では、磁歪の速度レベル：dλ/dtにおいて、加減速ポイント、すなわち、速度変化が極めて大きくなる加減速の発生回数は、上述した実験結果から、理想的な正弦波磁歪振動でも発生する最小値４回に限定する。また、加速領域または減速領域内での隣接する速度変化ポイントの速度レベル変化量についても、上述した実験結果から、小さいほうが好ましく、3.0×10^-4sec^-1以下に限定する。
なお、速度レベル変化量は小さいほど良いが、工業的には、1.0×10^-5sec^-1程度以上が好ましい。

上記範囲内への磁歪特性の制御は、励磁電圧に高調波を重畳させることで可能になる。高調波の組み合わせは特に限定されるものではなく、変圧器の励磁電圧波形を決定する前に、その変圧器の鉄心として使用する電磁鋼板について、単板の磁歪測定をさまざまな高調波重畳条件で行い、騒音特性に好適な磁歪特性となる条件を見出せばよい。

また、高調波の重畳方法としては、特に限定するものではないが、任意波形発生装置を用いて重畳させる方法がより簡易で好適である。それ以外にも、インバータ電源を使用し、そのスイッチング周波数を制御することで重畳される高調波を制御するといった方法が好適に適用できる。

本発明では、上記したように、励磁電圧に高調波を重畳させ、騒音特性の向上に好適な磁歪波形に制御する以外の条件や方法、すなわち使用する方向性電磁鋼板や変圧器については、公知の方法で作製された方向性電磁鋼板を選択し、さらに公知の方法で変圧器を作製すればよい。
また、このような励磁電圧に高調波を重畳させて磁歪波形を前記のような条件で制御する方法は、変圧器だけでなく、電動機や、リアクトルなどの電気機器鉄心を用いた機器の低騒音化にも適用することができる。

公知の方法で製造された方向性電磁鋼板（素材Ａ、Ｂ、Ｃ：成分組成を表２に示す。なお、表中の％は質量％、ppmは質量ppmを示す。）を用いて３相３脚の小型実機変圧器（容量100kVA）を、やはり公知の方法で作製した。この変圧器を励磁電圧にさまざまな高調波を重畳して1.5Ｔ、50Hz／60Hzの騒音を測定した。騒音測定と同時に同じ高調波を単板サンプルにも重畳させて励磁し、そのときの磁歪特性を、レーザドップラ振動計を用いて測定した。表３に高調波重畳条件および磁歪特性・騒音特性結果を示す。

従来の高調波を重畳しないＮｏ．１、10、19を比較して、素材Ａ、Ｂ、Ｃの特徴を述べると、加減速ポイント数：Ａ＜Ｂ＜Ｃ、極小・極大差の最大値（速度レベル変化量）：Ａ＜Ｂ＜Ｃなので、高調波重畳による磁歪波形制御以外の磁歪特性に影響を与えるパラメータ（磁束密度や結晶方位など）は、素材Ａが最も好適で、ついで素材Ｂ、素材Ｃの順であり、本技術適用前の磁歪特性は、素材Ａ、Ｂ、Ｃで異なっており、素材Ａが最も良好であることが分かる。

また、同表より、重畳させる高調波条件が異なっていても、磁歪特性（加減速ポイント数と速度レベル変化量）が本発明の範囲内になっていれば良好な騒音特性が得られていることが分かる。また、Ｎｏ．２と11と20や、Ｎｏ．３と12と21を比較した結果を見ると、重畳する高調波の条件は同じであっても、磁歪特性や騒音特性が異なっていることが分かる。故に、もともとの鋼の特性によって、最適な重畳条件が変化することが分かる。

Claims (1)

1. 励磁電圧に高調波を重畳させて、方向性電磁鋼板の磁歪特性を以下の条件ＩおよびIIに示す範囲に制御することを特徴とする電気機器鉄心の励磁方法。
   Ｉ 磁歪の速度レベル：dλ/dtにおいて、加減速ポイントを磁歪振動１周期内で４とする。
   ＩＩ 磁歪振動の加速領域または減速領域内における隣接する磁歪の速度変化ポイント間の速度レベル変化量を3.0×10^-4sec^-1以下とする。
   ここで、 λ：磁歪振幅
   加減速ポイント：dλ/dt=0
   速度変化ポイント：速度変化の極大値と極小値
   

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