JP7356852B2 - 静止誘導電器用鉄心 - Google Patents

Description

本発明は、静止誘導電器用鉄心に関する。

変圧器による送電で発生する損失には無負荷損と負荷損がある。主に鉄心から発生する無負荷損は、負荷率に関係なく常時発生するため、従来から無負荷損低減のための対策が行われてきた。

その一つとして、鉄心材による対策がある。特に無負荷損が小さく磁気特性に優れたアモルファス材を鉄心材として使用したアモルファス変圧器が省エネルギー型変圧器として開発されている。アモルファス材は従来使用されているケイ素鋼板材に比べて、単位重量あたりの無負荷損が約１／３である。そのため、ケイ素鋼板鉄心の変圧器よりもさらに損失を低減させることができる鉄心材として注目されている。

しかし、アモルファス鉄心は１．３Ｔｅｓｌａ程度の磁束密度領域では優れた磁気特性を示すが、飽和磁束密度がケイ素鋼板の８０％程度であるため、アモルファス材のみの鉄心とする場合は、鉄心断面積を大きくするか、巻線の巻回数を増やすなどして磁束密度を低く設計する必要が出てしまう。

また、アモルファス材は一枚当たり数十μｍの薄帯であり、この薄帯を何千枚も積層してアモルファス鉄心を構成するため、鉄心としての剛性が十分に得られず、ケイ素鋼板鉄心のように自立させることが困難である。

そのため、例えば特許文献１に記載されているように、アモルファス鉄心とケイ素鋼板鉄心を組み合わせた構成の鉄心とすることにより、アモルファス鉄心のみで構成された鉄心よりも磁束密度を上げて設計することができ、電線や鉄心の物量を削減することが可能となる。

また、アモルファス鉄心とケイ素鋼板鉄心を組み合わせた鉄心において、内側にアモルファス磁性薄帯を巻き回した鉄心、外側にケイ素鋼板を巻き回したものまたは積層したものを鉄心として構成することにより、アモルファス鉄心の剛性の小ささを剛性の大きいケイ素鋼板鉄心で補うことで、鉄心としての自立を可能にしようとしている。

特開２０１８－１１７０６１号公報

アモルファス鉄心のみで構成された変圧器は、設計磁束密度をケイ素鋼板鉄心のみで構成された変圧器よりも低く設定する必要があるため、鉄心が大形化する傾向にある。特許文献１にあるように、特に輸送時の高さ制限がある場合などは三相５脚鉄心が有効であり、アモルファス巻鉄心とケイ素鋼板積鉄心をそれぞれ三相５脚構成にした状態で組合せたハイブリット鉄心とすることにより、従来のアモルファスのみの鉄心よりも磁束密度を向上させ、鉄心を小形化する技術が提案されている。

しかし、三相５脚構成の鉄心とした場合、鉄心の物量が三相３脚構成の鉄心よりも増加する傾向にあり、また、鉄心物量の増加に伴って無負荷損も増加する傾向にあると考えられる。また、三相３脚鉄心よりも長手方向に長くなるため、ケイ素鋼板積鉄心の支持構造はより強固なものが必要となり、支持部材の物量増加が考えられる。

本発明は、上記事情に鑑み、アモルファス鉄心とケイ素鋼板鉄心を組み合わせた静止誘導電器用鉄心において、従来よりもさらに無負荷損および物量を低減することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の静止誘導電器用鉄心の一態様は、
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

本発明によれば、アモルファス鉄心とケイ素鋼板鉄心を組み合わせた静止誘導電器用鉄心において、従来よりもさらに無負荷損および物量を低減することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の静止誘導電器用鉄心を模式的に示す斜視図 図１ＡのＸ部分の断面図 従来の静止誘導電器用鉄心の磁束密度特性を示すグラフ 本発明の静止誘導電器用鉄心の磁束密度特性を示すグラフ 実施例２の静止誘導電器用鉄心を模式的に示す断面図 実施例３の静止誘導電器用鉄心を模式的に示す断面図

以下、本発明の静止誘導電器用鉄心の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１Ａは実施例１の静止誘導電器用鉄心を模式的に示す斜視図であり、図１Ｂは図１ＡのＸ部分の断面図である。なお、本実施例の静止誘導電器用鉄心において、図１ＡのＸ軸方向を横方向、Ｙ軸方向を縦方向、Ｚ軸方向を幅方向と定義する。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本実施例の静止誘導電器用鉄心１０は、第１の鉄心（内側鉄心）１と、この内側鉄心１の横方向に沿って、第１の鉄心１の側面２０の両側を挟みこむようにして配置された第２の鉄心（外側鉄心）２とを有する。第１の鉄心１は、アモルファス磁性薄帯を巻き回した巻鉄心１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを４つ並べて構成した５脚鉄心である。第２の鉄心２は、ケイ素鋼板を一定量ずらしながら積層して形成された積鉄心２ａ，２ｂである。第２の鉄心２は、第１の鉄心の５脚鉄心のうち、５脚鉄心の両端を構成する側脚７以外の３脚（主脚６）の両側面を挟むように設けられている。

第１の鉄心１は、各巻鉄心１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにて構成され、第１の鉄心１と第２の鉄心２との間に配置された第１の鉄心用支持部材５によって支持されている。第２の鉄心２は、第２の鉄心用支持部材３によって支持されている。そして、第１の鉄心１、第２の鉄心２および第２の鉄心用支持部材３は、鉄心用支持部材４によって支持されている。

アモルファス薄帯は、薄帯一枚あたりの厚みが数十μｍでありこれを何枚も重ねたもので鉄心を構成するため、ケイ素鋼板に比べると鉄心の剛性が小さい。一方、ケイ素鋼板は鉄板一枚当たりの厚みがアモルファス薄帯の約１０倍であるため、鉄心を構成した際に剛性が大きく自立可能な構成とすることが可能である。ゆえに、アモルファス磁性薄帯で構成された第１の鉄心１の幅方向にケイ素鋼板で構成された第２の鉄心２を、第１の鉄心１を挟み込むようにして配置することにより、第１の鉄心１の形状変形を抑制することが可能となり、静止誘導電器用鉄心１０全体の剛性を大きくすることができる。

また、第２の鉄心２を、第１の鉄心１の側脚７には配置せず、主脚６のみを覆うように配置することで、ケイ素鋼板鉄心物量が削減可能となり、その結果、静止誘導電器用鉄心１０の無負荷損を低減することができる。さらに、側脚７部分の支持部材４を除くことができることから、支持部材４の物量も低減できる。

図２は従来の静止誘導電器用鉄心における磁束密度特性を示すグラフであり、図３は本発明の静止誘導電器用鉄心の磁束密度特性を示すグラフである。図２は上述した特許文献１の構成を有する静止誘導電器用鉄心の磁束密度特性を示すグラフである。図２および図３に示すように、アモルファス巻鉄心については主脚側鉄心と側脚側鉄心で発生する磁束密度の差は小さいが、ケイ素鋼板積鉄心については、主脚鉄心よりも側脚鉄心の方が発生する磁束密度は小さくなる。したがって、このケイ素鋼板積鉄心を、側脚箇所を取り除いた鉄心３脚構成とすることにより、設計磁束密度は変化させずにケイ素鋼板積鉄心の物量を低減させることが可能である。

アモルファス鉄心は、直接鉄心に応力がかかると損失が大きくなってしまう特性がある。そのため、大型のアモルファス鉄心についてはアモルファス巻鉄心１ａ～１ｄに巻鉄心用支持部材（鉄心枠）５を用い、アモルファス巻鉄心１ａ～１ｄに直接応力がかからない構成とすることで、応力による損失の増加を防止することが可能となる。この第１の鉄心用支持部材５は非磁性材料で形成されたものか、磁脚を磁性体で１周囲まないよう鉄心枠の一部に非磁性材を介在させることが望ましい。

また、側脚部分のケイ素鋼板積鉄心が無くなることによって、ケイ素鋼板積鉄心継鉄部分に配置される支持部材４と、第１の鉄心用支持部材５の間にギャップができる可能性がある。そのため、ケイ素鋼板積鉄心継鉄部分に配置される支持部材４と第１の鉄心用支持部材５との間に絶縁物などを配置することで、第２の鉄心２の継鉄部分を固定する構造とすることが望ましい。

図４は実施例２の静止誘導電器用鉄心例を模式的に示す断面図である。本実施例の静止誘導電器用鉄心は、図４に示すように、鉄心断面あたりの第２の鉄心２の断面積を増加させ、第１の鉄心１の断面積を減らしたものである。

図４に示すような構成とすることによって、主脚６を構成する鉄心において、剛性の大きい第２の鉄心２の割合が増えるため、第１の鉄心１の形状変形をより防ぐことが可能となる。また、第２の鉄心２の割合を増やすことによって、鉄心の占積率を向上させることも可能となる。

第２の鉄心の継鉄部分における断面積の割合は、主脚６における第２の鉄心の鉄心断面積以下とすることが好ましい。より具体的には、第２の鉄心の継鉄部分における断面積の割合は、主脚６における第２の鉄心の鉄心断面積に対して８４％以上１００％以下とすることが好ましい。第２の鉄心の継鉄部分の断面積の割合を８４％以上とすることで、第１の鉄心に発生する磁束密度が３～６％低減できるため、第１の鉄心１の飽和を防ぐことができる。

図５は実施例３の静止誘導電器用鉄心を模式的に示す断面図である。本実施例の静止誘導電器用鉄心は、図５に示すように、主脚６を構成する鉄心において、第２の鉄心２の幅を、内側（第１の鉄心１側）から外側（第１の鉄心１と反対側）に向かって、Ｚ方向に沿って小さくした構成としている。また、第１の鉄心１についても、同様に、第１の鉄心１の外周から内周方向に向かってＺ方向に沿って薄帯幅を小さくする構成とした。図５の構成とすることによって、鉄心断面をより円形に近づけることが可能となり、鉄心占積率を向上させることが可能となる。

上述した実施例１～３において、第２の鉄心２の角部にステップラップ接合部が形成されていてもよい。このような構成とすることにより、第１の鉄心１と第２の鉄心２の磁気抵抗をほぼ同一とし、鉄心内磁束密度の偏りを低減することができる。

以上、説明したように、本発明によれば、アモルファス鉄心とケイ素鋼板鉄心を組み合わせた静止誘導電器用鉄心において、従来よりもさらに無負荷損および物量を低減できることが示された。

なお、本発明は上記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。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明したものであり、必ずしも説明した全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ことも可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。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・置換をすることも可能である。

１…第１の鉄心、１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，…巻鉄心、２…第２の鉄心、２ａ，２ｂ…ケイ素鋼板積鉄心、３…第１の鉄心、第２の鉄心および第２の鉄心用支持部材の支持部材、４…第２の鉄心の支持部材、５…第１の鉄心の支持部材、６…第１の鉄心と第２の鉄心の主脚部分、７…第１の鉄心の側脚部分、１０…静止誘導電器用鉄心、２０…第１の鉄心１の側面。

Claims (7)

1. アモルファス金属からなる第１の鉄心と、
   ケイ素鋼からなる第２の鉄心と、を備え、
   前記第１の鉄心は、前記アモルファス金属の箔帯が積層された鉄心が巻回された巻鉄心が４つ並べて構成された５脚鉄心であり、
   前記第２の鉄心は、ケイ素鋼板の積層体であり、
   前記ケイ素鋼板の積層体が、前記第１の鉄心の５脚鉄心のうち、前記５脚鉄心の両端を構成する側脚以外の３脚の両側面を挟むように設けられていることを特徴とする静止誘導電器用鉄心。
2. 前記鉄心の継鉄部分において、前記第２の鉄心の断面積が、前記第２の鉄心の主脚部分の断面積以下であることを特徴とする請求項１に記載の静止誘導電器用鉄心。
3. 前記鉄心の断面において、前記第１の鉄心の外周から内周に向かって幅方向に沿って箔帯幅を小さく構成したことを特徴とする請求項１に記載の静止誘導電器用鉄心。
4. 前記鉄心の断面において、前記第２の鉄心の幅を、前記第１の鉄心側から前記第１の鉄心の反対側に向かって小さく構成したことを特徴とする請求項１に記載の静止誘導電器用鉄心。
5. 前記第１の鉄心と前記第２の鉄心の間に設けられた第１の鉄心用支持部材と、
   前記第２の鉄心を支持する第２の鉄心用支持部材と、
   前記第１の鉄心、前記第２の鉄心および前記第２の鉄心用支持部材を支持する鉄心用支持部材と、を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心。
6. 前記第２の鉄心は、前記ケイ素鋼板が一定の長さをずらしながら積層して構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心。
7. 前記第１の鉄心と前記第２の鉄心との間に絶縁材が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の静止誘導電器用鉄心。

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