JP7300270B2

JP7300270B2 - 静止誘導電器用鉄心

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Publication number: JP7300270B2
Application number: JP2019006588A
Authority: JP
Inventors: 健岩田; 千絵小林; 瑞小木; 伸也大原; 明山岸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: JP2020115523A

Description

本発明は静止誘導電器用鉄心に係り、特に、変圧器或いはリアクトル等の静止誘導電器の鉄心の一部または全部にアモルファス磁性薄帯を用いたものに好適な静止誘導電器用鉄心に関するものである。

世界の経済成長とともにエネルギー消費量は増加し続け、１９６５年から２０１５年までの約５０年間で３．３倍に達した。

通常、変圧器の鉄心材料には、損失が少なく透磁率の大きいケイ素鋼板が用いられてきたが、近年、エネルギー消費量の増加に伴う省エネニーズの高まりにより、変圧器の鉄心材料に、ケイ素鋼板に替わるアモルファス磁性薄帯を用いた高効率な変圧器（以下、アモルファス変圧器という）の需要が高まっている。

上記アモルファス磁性薄帯は、ケイ素鋼板に比べて電気抵抗率が大きく、板厚が１／１０と薄いため渦電流損が小さい。また、アモルファス磁性薄帯は、非晶質であるため磁壁移動が容易で、かつ、ヒステリシス損が小さいという特徴があることから、変圧器の負荷がないときにも常に発生する無負荷損失が低いという利点を持つ。この利点を生かして、アモルファス変圧器は、運転負荷率の低い配電網への導入効果が高い技術として注目されている。

これまで、アモルファス巻鉄心を用いた変圧器は、生産性の観点から６．６ｋＶ級の比較的小容量の変圧器で製品化されてきた。一方、発電所から需要家に至る電力流通システムにおいて、配電分野の上流に目を向けると、２２ｋＶを超える特別高圧クラスの変電用変圧器の大半は、機械的強度が高く、かつ、大形化が容易なケイ素鋼板を鉄心に用いたケイ素鋼板変圧器が用いられている。

従って、アモルファス変圧器の大型化によって、特別高圧クラスの変圧器をケイ素鋼板からアモルファス磁性薄帯に変更することで大きな省エネルギー効果が期待できる。

例えば，日本の電力流通において発生する送電損失は、世界的に見ても低く約５％であるが、日本の年間総発電量はおよそ１兆ｋＷｈであり、わずか０．０１％の送電効率の向上でも１億ｋＷｈの節電となることから、高効率なアモルファス変圧器の適用は有用であることがわかる。

また、出力が一定ではなく、低負荷率運転時の待機電力が問題となる再生可能エネルギー用途への適用で、無負荷損失の小さいアモルファス変圧器による大きな環境負荷低減が期待できる。

アモルファス巻鉄心を大型化する場合、アモルファス磁性薄帯のように薄い磁性薄帯は、応力に敏感で、かつ、脆いため、一か所に荷重が集中しないようにする必要がある。

その対策のため、例えば、アモルファス巻鉄心を分割して支持する分散支持構造が、特許文献１に記載されている。この特許文献１では、アモルファス巻鉄心を複数のブロックに分けて支持し、アモルファス巻鉄心の自重による内部応力を低減することで、鉄損及び騒音が低減できる構成としている。

アモルファス磁性薄帯は、ケイ素鋼板のように薄帯表面が絶縁材でコーティングされておらず、アモルファス磁性薄帯の表面に形成される酸化膜によって絶縁を保っている。そのため、アモルファス巻鉄心の内外周間の電気抵抗は小さく、鉄心が支持金具のような金属と接触した場合、導通・短絡してしまう可能性がある。

一方、特許文献２には、鉄心内部の磁束を一定にしたり、アモルファス鉄心の強度を上げる目的で、鉄心間に複数部材を重ねることが記載されている。

特許６１９８９７８号公報特開２０１３－２２９５２９号公報

上述したように、アモルファス巻鉄心を大型化した場合に、自重応力による磁気特性の悪化を防ぐための分散支持金具を設けて、鉄心を支持することが行われているが、アモルファス巻鉄心の内外周間の電気抵抗は小さく、鉄心が支持金具等の周辺構造物と接触すると電流が流れ想定外の損失が発生するため、アモルファス鉄心の積層方向の抵抗を上げることが望まれる。

ところが、大型化による応力分散のために導入した特許文献１に記載されている鉄心支持部材は、鉄心を支持するという性質上、剛性の高い金属で形成されるため、鉄心と接触して短絡してしまう可能性がある。

一方、上述した特許文献２では、鉄心内部の磁束を一定にしたり、アモルファス鉄心の強度を上げる目的で、鉄心間に複数部材を重ねることは記載されているが、支持金具など周辺構造物との間の電気抵抗に関する記載はされていない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、アモルファス鉄心の積層方向の抵抗を上げ、損失の発生を防ぐことが可能な静止誘導電器用鉄心を提供することにある。

アモルファス磁性薄帯が複数枚積層されて構成されるアモルファス鉄心を、支持金具で支持している静止誘導電器用鉄心であって、
前記アモルファス磁性薄帯の積層間に、該アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材が少なくとも１つ配置され、
前記アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材は、前記アモルファス磁性薄帯の積層方向と直角の方向の幅が、前記アモルファス磁性薄帯の幅より長く、前記アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材の長い部分が油流路内で油流の案内をし、かつ、前記アモルファス磁性薄帯の積層方向と直角の方向の幅が前記アモルファス磁性薄帯の幅より長い部分が、他の部分の前記アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材より厚く形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、アモルファス鉄心の積層方向の抵抗を上げ、損失の発生を防ぐことが可能となる。

本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例１が採用されるアモルファス鉄心を用いた三相変圧器の概略構成図である。図１に示した三相変圧器における、閉磁路を成すアモルファス鉄心を示す模式図である。図２に示すアモルファス鉄心のＡ－Ａ′線に沿った断面図である。本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例２としてのアモルファス鉄心を示し、図３に相当する図である。本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例３としてのアモルファス鉄心を示し、図３に相当する図である。本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例４としてのアモルファス鉄心を示し、図２に相当する図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の静止誘導電器用鉄心を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１は、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例１が採用されるアモルファス鉄心を用いた三相変圧器の概略構成図である。

図１に示すように、三相変圧器は、タンク１内に、トラック状にアモルファス磁性薄帯が複数枚積層されて構成された閉磁路を成すアモルファス鉄心（巻鉄心）２を４個並べて構成され、アモルファス鉄心２内に高圧側巻線３及び低圧側巻線４が配置されている。

高圧側巻線３と高圧側ブッシング（図示しない）の間は高圧リード線５で、低圧側巻線４と低圧側ブッシング（図示しない）の間は低圧リード線６で、それぞれ連結されている。

一方、閉磁路を成すアモルファス鉄心２は、アモルファス磁性薄帯２１（図２参照）で概略構成され、オーバーラップ部２３で閉磁路が形成される。

この閉磁路を成すアモルファス鉄心２について、図２を用いて説明する。図２は、本実施例の三相変圧器における、閉磁路を成すアモルファス鉄心２を示す模式図である。

図２に示すように、アモルファス鉄心２の上部には、アモルファス鉄心２を支持するために支持金具８が取り付けられており、この支持金具８でアモルファス鉄心２の内側側面を支えている。そして、本実施例では、アモルファス磁性薄帯２１の積層間に、このアモルファス磁性薄帯２１より抵抗の高い部材であるケイ素鋼板２２が、少なくとも１つ配置されているものである。

この詳細を、図３を用いて説明する。図３は、図２に示すアモルファス鉄心２のＡ－Ａ′線に沿った断面を示す。

図３に示すように、アモルファス磁性薄帯２１を複数枚積層し、このアモルファス磁性薄帯２１の積層間に、アモルファス磁性薄帯２１より抵抗の高いケイ素鋼板２２を１枚積層し、更に、これを繰り返すことにより、アモルファス鉄心２が形成される。

なお、図３では、アモルファス磁性薄帯２１は３層であるが、実使用時には少なくとも１層形成されていれば良い。また、ケイ素鋼板２２は、アモルファス磁性薄帯２１の積層方向（図３のＸ方向）と直角の方向（図３のＹ方向）の幅（Ｈ１）を、アモルファス磁性薄帯２１の幅（Ｈ２）より長くしている。

このように、アモルファス磁性薄帯２１にケイ素鋼板２２を挟んで積層することにより、アモルファス鉄心２の積層方向（図３のＸ方向）の抵抗が高くなり、電流が流れづらくなるので、アモルファス鉄心２と支持金具８等の金属部材が接触した際に導通・短絡し、損失が発生することを防ぐことができる。

また、ケイ素鋼板２２の幅（Ｈ１）がアモルファス磁性薄帯２１の幅（Ｈ２）より長いため、ケイ素鋼板２２の長い部分が油流路内で油流の案内の役目をするので、放熱性が高くなり、しかも、冷却用の油が流れ易くなるので冷却性能を上げることができる。

更に、周辺構造物（支持金具８、外側ケース、内側鉄心等）に対し、ケイ素鋼板２２が接触しやすく、アモルファス磁性薄帯２１が接触する可能性は低くなり導通、短絡を防ぐことができる。

上述した本実施例によれば、アモルファス鉄心２を形成するアモルファス磁性薄帯２１の間に高抵抗のケイ素鋼板２２を挟むことで、アモルファス鉄心２の積層方向の抵抗を上げることが可能となることは勿論、周辺構造物とケイ素鋼板２２間での導通・短絡による損失をなくし、冷却性能を向上させたアモルファス鉄心２を形成することが可能となる。

なお、本実施例では、アモルファス磁性薄帯２１より抵抗の高い部材としてケイ素鋼板２２を用いているが、表面が絶縁処理されている磁性体の部材や絶縁物（例えば、プレスボード、絶縁シート等）などでも良く、ケイ素鋼板２２に限定するものではない。

図４は、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例２としてのアモルファス鉄心２を示すものである。

図４に示す本実施例は、実施例１の図２及び図３で説明した構成に対して、ケイ素鋼板２２の幅（Ｈ１）をアモルファス磁性薄帯２１の幅（Ｈ２）より短くした構成とするものである。即ち、アモルファス磁性薄帯２１より抵抗の高いケイ素鋼板２２は、アモルファス磁性薄帯２１の積層方向（図４のＸ方向）と直角の方向（図４のＹ方向）の幅（Ｈ１）が、アモルファス磁性薄帯２１の幅（Ｈ２）より短い構成とした。

このように、アモルファス磁性薄帯２１にケイ素鋼板２２を挟んで積層することにより、実施例１と同様な理由により、アモルファス鉄心２の積層方向（図４のＸ方向）の抵抗が高くなり、アモルファス鉄心２と支持金具８等の金属部材が接触した際に導通・短絡し損失が発生することを防ぐことができる。

また、ケイ素鋼板２２がアモルファス磁性薄帯２１より短いため、アモルファス磁性薄帯２１とケイ素鋼板２２の間に隙間ができ、冷却用の油が流れやすくなることで冷却性能を上げることができる。

図５は、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例３としてのアモルファス鉄心２を示すものである。

図５に示す本実施例は、実施例１の図２及び図３で説明した構成に対して、ケイ素鋼板２２のアモルファス磁性薄帯２２より長い部分２２ａを厚くした構成としたものである。即ち、アモルファス磁性薄帯２１より抵抗の高いケイ素鋼板２２は、アモルファス磁性薄帯２１の積層方向（図５のＸ方向）と直角の方向（図５のＹ方向）の幅（Ｈ１）がアモルファス磁性薄帯２１の幅（Ｈ２）より長いケイ素鋼板の部分２２ａが、他の部分のケイ素鋼板２２より厚く形成されている。

このように、アモルファス磁性薄帯２１にケイ素鋼板２２を挟んで積層することにより、実施例１と同様な理由により、アモルファス鉄心２の積層方向（図５のＸ方向）の抵抗が高くなり、アモルファス鉄心２と支持金具８等の金属部材が接触した際に導通・短絡し損失が発生することを防ぐことができる。

また、ケイ素鋼板２２がアモルファス磁性薄帯２１より幅方向の長い部分２２ａを厚くしているため、熱伝導率が上がり実施例１より放熱性を高くすることができる。更に、実施例１と同様な理由により、冷却用の油が流れやすくなることで冷却性能を上げることができる。

また、図５では、ケイ素鋼板２２のアモルファス磁性薄帯２１より長い部分２２ａの表面は平らな形状としているが、蛇腹形状などにして放熱面積を大きくすることで、冷却性能を更に向上させることができる。

なお、本実施例では、アモルファス磁性薄帯２１より抵抗の高い部材としてケイ素鋼板２２を用いているが、表面が絶縁処理されている磁性体の部材や絶縁物（例えば、プレスボード、絶縁シート等）などでも良く、ケイ素鋼板に限定するものではない。

図６は、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施例４としてのアモルファス鉄心２を示すものである。

図６に示す本実施例は、実施例１の図２及び図３で説明した構成に対して、アモルファス磁性薄帯２１にケイ素鋼板２２を挟む箇所を、アモルファス鉄心２の角部２Ａに限定した構成としたものである。即ち、アモルファス磁性薄帯２１の積層間に、アモルファス磁性薄帯２１より抵抗の高いケイ素鋼板２２が少なくとも１つ配置されている部分が、アモルファス鉄心２の角部２Ａとしたものである。

通常、アモルファス鉄心２の角部２Ａは応力がかかりやすく、他の箇所よりアモルファス磁性薄帯２１が密着するので積層方向の抵抗が低くなるが、本実施例のように、ケイ素鋼板２２を挟んでアモルファス鉄心２の角部２Ａに挿入することで、実施例１と同様な理由により、アモルファス鉄心２の角部２Ａにおける積層方向の抵抗が高くなり、アモルファス鉄心２と支持金具８等の金属部材が接触した際に導通・短絡し損失が発生することを防ぐことができる。

また、アモルファス鉄心２の角部２Ａは発熱が他の箇所より大きいが、ケイ素鋼板２２がアモルファス磁性薄帯２１より長いため、ケイ素鋼板２２の長い部分が油流路内で油流の案内の役目をするので、放熱性が高くなり、しかも、冷却用の油が流れ易くなるので冷却性能を上げることができる。

このように、アモルファス磁性薄帯２１にケイ素鋼板２２を挟む箇所を、アモルファス鉄心２の角部２Ａに限定することで、使用する材料を少なくでき、効率よく抵抗を高くでき、冷却性能を上げることができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換える事が可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加える事も可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をする事が可能である。

１…タンク、２…アモルファス鉄心、２Ａ…アモルファス鉄心の角部、３…高圧側巻線、４…低圧側巻線、５…高圧リード線、６…低圧リード線、８…支持金具、２１…アモルファス磁性薄帯、２２…ケイ素鋼板、２２ａ…ケイ素鋼板のアモルファス磁性薄帯より長い部分、２３…オーバーラップ部。

Claims

アモルファス磁性薄帯が複数枚積層されて構成されるアモルファス鉄心を、支持金具で支持している静止誘導電器用鉄心であって、
前記アモルファス磁性薄帯の積層間に、該アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材が少なくとも１つ配置され、
前記アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材は、前記アモルファス磁性薄帯の積層方向と直角の方向の幅が、前記アモルファス磁性薄帯の幅より長く、前記アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材の長い部分が油流路内で油流の案内をし、かつ、前記アモルファス磁性薄帯の積層方向と直角の方向の幅が前記アモルファス磁性薄帯の幅より長い部分が、他の部分の前記アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材より厚く形成されていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
請求項１に記載の静止誘導電器用鉄心であって、
前記アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材の、前記アモルファス磁性薄帯の積層方向と直角の方向の幅が前記アモルファス磁性薄帯の幅より長い部分の表面が、蛇腹状に形成されていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
請求項１又は２に記載の静止誘導電器用鉄心であって、
前記アモルファス磁性薄帯より抵抗の高い部材は、ケイ素鋼板、プレスボード或いは絶縁シートのいずれかであることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。