JP7150418B2 - 巻鉄心および巻鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、巻鉄心および巻鉄心の製造方法に関する。

近年、ＣＯ₂の排出量の削減や、省エネルギー化のために、電気機器の高効率化が求められている。そこで、変圧器やリアクトル等の電気機器で使用される巻鉄心の鉄損を低減することが求められている。そこで、巻鉄心を構成する方向性電磁鋼板等の軟磁性材料自体の鉄損を低減する技術の開発が精力的に進められている。しかしながら、このような素材の低鉄損化のみでは、電気機器における最終的な損失を十分に低減することができない。このため、巻鉄心としての低損失化が強く求められている。

巻鉄心の損失を低減するための技術として特許文献１、２に記載の技術がある。
特許文献１、２には、片方の表面に線状の溝を形成した一方向性電磁鋼板を、当該溝が外巻き側または内巻き側に位置するように巻き重ねて構成された巻鉄心が開示されている。

特開昭６１－１５３０９号公報 特公平６－２２１７９号公報 特開２００８－１６６６３６号公報

ところで、巻鉄心には、励磁巻線等のコイルを巻鉄心に挿入すること等を目的として、突き合わせ部が形成される。突き合わせ部は、軟磁性帯（帯状の軟磁性体）を巻き回して歪み取り焼鈍を行った後、軟磁性帯をその厚み方向に切断することにより形成される、軟磁性帯の巻回方向の端部である。コイルを挿入した後、突き合わせ部同士が突き合わされて巻鉄心が構成される。突き合わせ部同士が突き合わさる部分には空隙が生じ、この空隙の部分の透磁率は軟磁性帯の透磁率よりも小さい。このため、突き合わせ部（軟磁性帯の巻回方向の端部）では、磁束の集中が起こりやすい。
しかしながら、特許文献１、２に記載の技術では、突き合わせ部（軟磁性帯の巻回方向の端部）における磁束の集中を考慮していない。従って、鉄心の鉄損を十分に低減することが容易ではない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、巻鉄心を構成する軟磁性帯の巻回方向の端部における磁束の集中を抑制することを目的とする。

本発明の巻鉄心は、巻回された軟磁性帯を有する巻鉄心であって、前記巻回された前記軟磁性帯の巻回方向に、相互に対向する第１の端部および第２の端部を有し、前記軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の前記第１の端部および前記第２の端部の形状は、屈曲部を少なくとも一つ有する形状であり、前記第１の端部および前記第２の端部の、前記軟磁性帯の巻回方向における位置は、前記第１の端部および前記第２の端部を前記軟磁性帯の巻回方向および厚み方向に垂直な方向に沿って見た場合に、階段状にずれていることを特徴とする。
本発明の巻鉄心の製造方法は、前記巻鉄心の製造方法であって、軟磁性帯を巻回して前記軟磁性帯を中空形状にする工程と、前記中空形状にした軟磁性帯に対して歪み取り焼鈍を行う工程と、前記歪み取り焼鈍が行われた各軟磁性帯を切断することにより、前記第１の端部および前記第２の端部を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、巻鉄心を構成する軟磁性帯の巻回方向の端部における磁束の集中を抑制することができる。

図１は、巻鉄心の構成の一例を示す図である。 図２は、軟磁性帯の巻回方向の端部を、軟磁性帯の短手方向に沿って見た図である。 図３は、軟磁性帯の巻回方向の端部を、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た図である。 図４は、軟磁性帯の巻回方向の端部を突き合わせる様子の一例を示す斜視図である。 図５は、軟磁性帯の端部の形状の比較例を示す図であり、軟磁性帯の巻回方向の端部を、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た図である。 図６は、軟磁性帯の巻回方向の端部の形状の比較例を示す図であり、軟磁性帯の端部の形状を示す斜視図である。 図７は、軟磁性帯の巻回方向の端部の形状の第１の変形例を示す図であり、軟磁性帯の端部を、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た図である。 図８は、軟磁性帯の巻回方向の端部の形状の第２の変形例を示す図であり、軟磁性帯の端部を、軟磁性帯の短手方向に沿って見た図である。 図９は、軟磁性帯の巻回方向の端部の形状の第２の変形例を示す図であり、軟磁性帯の巻回方向の端部を突き合わせる様子の一例を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。尚、各図において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、各図における向きの関係を示すものである。○の中に●を付したものは、紙面の奥側から手前側に向く方向を示し、○の中に×を付したものは、紙面の手前側から奥側に向く方向を示す。

図１は、巻鉄心１００の構成の一例を示す図である。
図１において、本実施形態の巻鉄心１００は、所定の幅にスリット剪断された軟磁性帯（帯状の軟磁性体）を芯金に巻き回して中空のトラック状にし、中空のトラック状にした軟磁性帯に対して歪み取り焼鈍を行った後、当該中空のトラック状の軟磁性帯が一カ所で分離される（巻回方向において分断される）ように、各軟磁性帯を切断することにより構成される。そうすると、各軟磁性帯には、その巻回方向（周方向）において、相互に対向する２つの端部（第１の端部および第２の端部）が形成される。図１では、領域Ａ内に示す縦線（Ｚ軸方向に延びる線）と、最外周の軟磁性帯の帯面上に示す線（Ｖ字状の線）とが、軟磁性帯の巻回方向の端部を示す部分である。

尚、巻鉄心１００を構成する軟磁性帯は、方向性電磁鋼帯、無方向性電磁鋼帯、アモルファス磁性材料等、巻鉄心として使用可能なものであれば、どのようなものであってもよい。また、巻鉄心の形状は、トラック状に限定されず、円環状やドーナツ状等、巻軸に沿う方向の両端が開口する中空形状であれば、どのような形状であってもよい。また、本実施形態の巻鉄心１００は、例えば、変圧器やリアクトル等、巻鉄心を使用する電気機器であれば、どのような電気機器であっても適用することができる。また、本実施形態では、軟磁性帯の巻回方向において相互に対向する２つの端部（第１の端部および第２の端部）が一箇所において形成される場合を例に挙げて説明する。しかしながら、軟磁性帯の巻回方向において相互に対向する２つの端部（第１の端部および第２の端部）が二箇所において形成されていてもよい。この場合、軟磁性帯の巻回方向において相互に対向する２つの端部に関する以下の説明は、これら二箇所のうちの少なくとも何れか一方において適用することができる。

図２は、図１の領域Ａの部分を拡大して示す図であり、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊを、軟磁性帯の短手方向に沿って見た図である。尚、軟磁性帯の短手方向は、Ｙ軸方向であり、軟磁性帯の巻回方向（図２ではＸ軸方向）と、軟磁性帯の帯面に垂直な方向（図２ではＺ軸方向）とに垂直な方向である。図３は、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａを、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た図である。図４は、軟磁性帯の巻回方向の端部を突き合わせる様子の一例を示す斜視図である。尚、図３では、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａのみを示すが、その他の端部２０１ｂ～２０１ｊについても、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見たときの形状は、図３に示す端部２０１ａの形状と同じである。

図４に示すように、巻回方向において相互に対向する一方の端部と他方の端部（第１の端部および第２の端部）は、白抜きの矢印線で示す方向に接近し、突き合わされる。このようにして突き合わされた軟磁性帯の各層において、巻回方向（周方向）の一方の端部と他方の端部（第１の端部および第２の端部）は、相互に対向する。尚、巻回方向において相互に対向する２つの端部（第１の端部および第２の端部）の間にできる空隙が可及的に小さくなるように当該２つの端部を密着させるのが好ましい。巻回方向において相互に対向する２つの端部の間の磁気抵抗を小さくすることができるからである。尚、図２および図３では、巻回方向において相互に対向する２つの端部（第１の端部および第２の端部）を纏めて端部２０１ａ～２０１ｊと表記している（以下の説明では、これら巻回方向において相互に対向する２つの端部を必要に応じて端部と総称する）。

図１、図２、および図４に示すように、本実施形態では、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの接合（突き合わせ）の方式がステップラップ接合である場合を例に挙げて説明する。図１、図２、及び図４に示すように、ステップラップ接合は、軟磁性帯の短手方向（軟磁性帯の巻回方向および厚み方向に垂直な方向）に沿って軟磁性帯を見た場合（即ち、軟磁性帯の厚み部分を見た場合）に、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの位置が、周期的に階段状にずれるように軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊを配置することにより実現される。図１、図２、および図４に示す例では、軟磁性帯の短手方向に沿って軟磁性帯を見た場合に、軟磁性帯の厚み方向で隣接する５つの軟磁性帯毎に、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊのそれぞれの位置が、周期的に階段状にずれるようにする場合を示す。尚、図１、図２、および図４に示す例では、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの位置を、１つの軟磁性帯毎にずらす場合を示すが、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの位置を、複数の軟磁性帯毎にずらすようにしてもよい。

以上のようなステップラップ接合を採用することによって、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊを、軟磁性帯の短手方向に沿って見た場合に、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの位置が、徐々に変化するため、軟磁性帯の端部の厚み方向（図２ではＺ軸方向）の各位置における磁束の集中（即ち、軟磁性帯の端部の厚み方向において磁束が不均一になること）を抑制することができる。

また、本実施形態では、図１、図３、および図４に示すように、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向（図３ではＺ軸方向）に沿って軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊを見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの形状が、Ｖ字状となるようにする。そして、軟磁性帯の巻回方向の端部同士が対向し、当該端部を構成する面（Ｖ字状の部分の面）が相互に平行になるようにすることで、当該端部同士が嵌め合うようにする。このようにすることにより、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊを、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合に、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの位置が、徐々に変化する。また、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの面積を広くすることができる。従って、軟磁性帯の端部２０１ａ～２０１ｊの厚み方向（図２ではＺ軸方向）のみでなく、軟磁性帯の端部２０１ａ～２０１ｊの面内方向（Ｙ軸方向）の各位置における磁束の集中（磁束が不均一になること）を抑制することができる。よって、軟磁性帯の端部全体の磁束の集中を抑制することができる。尚、Ｖ字の頂点の角度（頂角）は任意である（即ち、鋭角であっても鈍角であっても直角であってもよい）。

本実施形態では、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向（図３、図４ではＺ軸方向）から見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの形状は同一である。このようにすることによって、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの形状を統一することができる。従って、軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊを形成する工程を容易にすることができる。ただし、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向から見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部の少なくとも１つの形状が、その他の軟磁性帯の巻回方向の端部の形状と異なっていてもよい。本実施形態では、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向から見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部の形状は、Ｖ字状であるので、Ｖ字の頂点の角度（頂角）や位置を異ならせてもよい。

（実施例）
次に、実施例を説明する。
本実施例では、厚みが０．２３［ｍｍ］の方向性電磁鋼帯を、幅１６０［ｍｍ］にスリット剪断したものを用いて、鉄心高さＨが６００［ｍｍ］、鉄心幅Ｗが４００［ｍｍ］、積層厚みＤが１００［ｍｍ］の巻鉄心を作製した（鉄心高さＨ、鉄心幅Ｗ、積層厚みＤについては、図１を参照）。また、軟磁性帯の端部の接合（突き合わせ）の方式をステップラップ接合とした。

発明例では、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部の形状を、頂角が９０°のＶ字状とした。比較例では、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部の形状を、軟磁性帯の帯幅方向（短手方向）に沿う直線状とした。図５および図６は、比較例を示す図である。図５は、軟磁性帯の巻回方向の端部５０１を、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た図である。図６は、軟磁性帯の巻回方向の端部を突き合わせる様子を示す斜視図である。図５は、図３に対応する図であり、図６は、図４に対応する図である。

発明例および比較例の巻鉄心のそれぞれに対し、その内部の磁束密度が１．６５［Ｔ］になるように、５０［Ｈｚ］の励磁周波数で励磁し、それぞれの巻鉄心の鉄損を測定した。その結果、比較例の巻鉄心の鉄損は２５０［Ｗ］であったのに対し、発明例の巻鉄心の鉄損は２２０［Ｗ］となり、方向性電磁鋼板の板面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性板の巻回方向の端部の形状を三角形にすることにより、鉄損を改善することができた。

（まとめ）
以上のように本実施形態では、軟磁性帯を用いて巻鉄心１００を構成するに際し、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部２０１ａ～２０１ｊの形状をＶ字状にする。従って、軟磁性帯の巻回方向の端部の面内方向の各位置における磁束の集中を抑制することができる。よって、巻鉄心を構成する軟磁性帯の巻回方向の端部における磁束の集中を低減することができる。これにより、巻鉄心の損失（鉄損）を低減することができ、低損失、低騒音の巻鉄心を実現することができる。

（変形例）
＜第１の変形例＞
本実施形態では、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部の形状をＶ字状にする場合を例に挙げて説明した。しかしながら、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部の形状が、屈曲部および湾曲部の少なくとも何れか一方を少なくとも一つ有する形状であれば、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向から見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部の形状はＶ字状に限定されない。

図７は、軟磁性帯の巻回方向の端部の形状の第１の変形例を示す図であり、軟磁性帯の巻回方向の端部を、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た図である。図７は、図３に対応する図である。
図７（ａ）に示すように、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部７０１の形状は、Ｗ字状であってもよい。Ｗ字の頂点の角度（頂角）は任意である。また、図７（ｂ）に示すように、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部７０２の形状は、円弧状であってもよい。また、図７（ｃ）に示すように、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部７０３の形状は、軟磁性帯の短手方向（Ｙ軸方向）に複数の円弧を並べた形状であってもよい。また、図７（ｄ）に示すように、軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の各軟磁性帯の巻回方向の端部７０４の形状は、Ｖ字と円弧を並べた形状であってもよい。

＜第２の変形例＞
本実施形態のように、軟磁性帯の巻回方向の端部の接合（突き合わせ）の方式をステップラップ接合とすれば、軟磁性帯の厚み方向で磁束が集中する（不均一になる）ことを抑制することができるので好ましい。しかしながら、軟磁性帯の巻回方向の端部の接合（突き合わせ）の方式は、ステップラップ接合に限定されない。

図８は、軟磁性帯の巻回方向の端部の形状の第２の変形例を示す図であり、軟磁性帯の巻回方向の端部を、軟磁性帯の短手方向に沿って見た図である。図９は、軟磁性帯の端部の形状の第２の変形例を示す図であり、軟磁性帯の巻回方向の端部を突き合わせる様子を示す斜視図である。図８は、図２に対応する図であり、図９は、図４に対応する図である。

図８および図９に示すように、軟磁性帯の端部の接合（突き合わせ）の方式は、コンベンショナル接合であってもよい。コンベンショナル接合は、軟磁性帯の短手方向に沿って軟磁性帯の厚み部分を見た場合に、軟磁性帯の巻回方向の端部８０１ａ～８０１ｊの位置が、第１の位置および第２の位置の２つの位置に交互に配置されるようにすることにより実現される。図８および図９に示す例では、軟磁性帯の短手方向に沿って軟磁性帯の厚み部分を見た場合に、軟磁性帯の厚み方向で隣接する２つの軟磁性帯毎に、軟磁性帯の巻回方向の端部（突き合わせ部）の位置が、第１の位置および第２の位置の２つの位置に交互に配置されるようにする場合を示す。第１の位置および第２の位置は、軟磁性帯の巻回方向（周方向）における位置であり、相互に異なる位置である。このように、巻回された軟磁性帯の各層のそれぞれについて、軟磁性帯の巻回方向の端部の、軟磁性帯の巻回方向における位置は、その他の少なくとも１つの層の軟磁性帯の巻回方向における端部の、軟磁性帯の巻回方向における位置と異なるようにすることができる。

＜その他の変形例＞
以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００：巻鉄心、２０１ａ～２０１ｊ、７０１～７０４、８０１ａ～８０１ｊ：端部

Claims (4)

1. 巻回された軟磁性帯を有する巻鉄心であって、
   前記巻回された前記軟磁性帯の巻回方向に、相互に対向する第１の端部および第２の端部を有し、
   前記軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の前記第１の端部および前記第２の端部の形状は、屈曲部を少なくとも一つ有する形状であり、
   前記第１の端部および前記第２の端部の、前記軟磁性帯の巻回方向における位置は、前記第１の端部および前記第２の端部を前記軟磁性帯の巻回方向および厚み方向に垂直な方向に沿って見た場合に、階段状にずれていることを特徴とする巻鉄心。
2. 前記軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の前記第１の端部および前記第２の端部の形状は、Ｖ字状を含む形状であることを特徴とする請求項１に記載の巻鉄心。
3. 前記軟磁性帯の帯面に対して垂直な方向に沿って見た場合の前記第１の端部および前記第２の端部の形状は、屈曲部を有し湾曲部を有しない形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の巻鉄心。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載の巻鉄心の製造方法であって、
   軟磁性帯を巻回して前記軟磁性帯を中空形状にする工程と、
   前記中空形状にした軟磁性帯に対して歪み取り焼鈍を行う工程と、
   前記歪み取り焼鈍が行われた各軟磁性帯を切断することにより、前記第１の端部および前記第２の端部を形成する工程と、を有することを特徴とする巻鉄心の製造方法。

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