JPH069176B2 - 変圧器用珪素鋼−非晶質鋼複合鉄心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は電気用変圧器、更に具体的に言えば、方向性珪
素鋼−非晶質鋼の複合体で構成された変圧器用鉄心に関
する。

従来、変圧器用鉄心は結晶配向性の高い珪素鋼の薄板
（ラミネーシヨン）を積層して形成されていた。長年の
間、この様な電気鋼にかなりの改良が加えられ、変圧器
用鉄心の寸法、製造費、及び変圧器用鉄心が配電系統に
持込む損失を減少することが出来る様になつた。電気エ
ネルギのコストが上昇し続けるので、どんな寸法の変圧
器でも、鉄心損失を減らすことが次第に重要な設計上の
考慮すべきことになつている。この理由で、鉄心の運転
損失を目立つて減少する為に、非晶質強磁性材料を変圧
器用鉄心に使うことが積極的に考えられる様になつた。

非晶質金属は、それに対応する結晶質金属の特徴である
原子レベルでの周期的な繰返し構造、即ち結晶格子が事
実上存在しないことを主に特徴としている。非結晶性の
無定形構造は、米国特許第3,856,513号に記載されてい
る様な適当な組成の溶融合金を急冷することによつて作
られる。この急冷速度の為、合金は結晶状態に形成され
ず、それを形成する基になつた液相を表わす準安定の非
結晶性構造を持つ。原子の結晶構造が存在しない為、非
晶質合金は「ガラス状合金」と呼ばれる場合が多い。

製造方法の性格の為に、変圧器用積層鉄心に使うのに適
した非晶質強磁性条片は厚さが極めて薄く、方向性珪素
鋼条片の７乃至１２ミルに対し、１乃至２ミルであるの
が普通である。更に、この様な非晶質鋼の条片は極めて
脆く、その為壊れ易い。こういう特性の為、非晶質条片
を適当な鉄心用薄板（ラミネーシヨン）に加工しその後
変圧器用鉄心を作る為の処理を行なうことが、非常に難
しく、どちらかと言えばコストのかかる手順になる。即
ち、非晶質鋼の条片を所望の鉄心用薄板の寸法に切断す
る為には、特別の切断技術が必要である。更に、電力用
変圧器に使われる様な積重ね鉄心では、珪素鋼の積層鉄
心で使われる従来の薄板の積重ね、端の薄板の挿入及び
締付けの方法は、非晶質金属の薄板にとつては、この材
料が基本的に薄く、脆く、歪みの影響を受け易いので、
全く不向きである。非晶質強磁性鋼の別の、おそらく最
も重要な制約は、方向性珪素鋼より、飽和密度が約２５
％低いことである。この為、非晶質金属の鉄心は、同じ
レベルの磁束を通す為には、珪素鋼の鉄心よりも物理的
に一層大きくしなければならない。この為、非晶質鋼は
珪素鋼よりも材料費が一層高くなるので、特に一層高い
ＫＶＡ定格で鉄心損失を減少する為には、かなり経済的
な負担がかかる。同等な定格の珪素鋼の鉄心に較べて、
非晶質鋼の鉄心を一層大きくすることを必要とする別の
要因は、非晶質鋼の方が詰込み係数が本質的に一層小さ
いこと、即ち、鉄心部材内の強磁性材料の断面積と鉄心
部材の全体的な断面積との比が小さいことである。

上に述べた様な観点から、非晶質強磁性鋼の鉄心のいろ
いろな欠点は、それを用いて達成される鉄心損失の減少
という利点を経済的に帳消しにするというのが、電力用
変圧器の業界に於ける一般的な考えになつている。然
し、電力用変圧器の主たる応用の場所である送電用途と
は対照的に、配電用途に典型的に用いられる物理的に一
層小形の変圧器に非晶鋼を使うことについてはかなりの
活動が行われている。例えば、米国特許第4,364,020号
及び同第4,520,352号には、鉄心のヨークと脚の全体に
わたつて分布した非晶質鋼及び珪素鋼の薄板の組合せを
持つ巻鉄心形配電用変圧器鉄心が記載されている。この
鉄心では、ヨークと脚を結合して、専ら非晶質鋼で構成
される１つ又は更に多くの磁気ループ回路と、専ら珪素
鋼で構成される１つ又は更に多くの磁気ループ回路とが
形成されている。非晶質鋼及び珪素鋼の並列磁束回路の
同じ構成が、米国特許第4,506,248号に積重ね鉄心に示
されている。

従つて、本発明の目的は、鉄心損失特性を改善した新規
な変圧器用鉄心を提供することである。

本発明の別の目的は、商業的に競争力のある形で非晶質
鋼薄板を利用する様に構成された新規な変圧器様鉄心を
提供することである。

本発明の別の目的は、低損失特性を持つ複合鉄心を構成
するように非晶質鋼及び珪素鋼の薄板を組合せた新規な
変圧器用鉄心を提供することである。

本発明の別の目的は、設計効率がよく、製造し易さが改
善され、長い使用寿命にわたつて信頼性がある、新規な
非晶質鋼−珪素鋼複合体より成る変圧器用積層鉄心を提
供することである。

本発明のその他の目的は一部分は明らかであろうし、一
部分は以下の説明から明らかになろう。

発明の要約 本発明では、少なくとも鉄心の巻線用の脚（１つ又は複
数）が複数個の珪素鋼薄板で構成され、少なくともヨー
クが複数個の非晶質鋼薄板で構成されている変圧器用鉄
心を提供する。ヨーク及び脚は珪素鋼−非晶質鋼薄板の
継手によつて直列に結合されて、磁気回路ループを作
り、こうして積層珪素鋼薄板だけで構成された電力変圧
器用鉄心に較べて、鉄心損失特性を目立つて改善した変
圧器用鉄心を提供する。

本発明は、以下詳しく説明する様な構造の特徴、要素の
組合せ及び部品の配置を有し、本発明の範囲は特許請求
の範囲に記載してある。

本発明の性質及び目的は十分理解される様に、次に図面
について詳しく説明する。

詳しい説明 第１図及び第２図には本発明を実施した２つの脚を持つ
単相電力変圧器用鉄心を全体的に１０で示してある。こ
の鉄心１０は１対の巻線用の脚１２を有し、これらの脚
は上側ヨーク１４及び下側ヨーク１６と、それぞれの接
続部で、全体を１８で示した磁気抵抗の小さい段つき重
ね継手（第２図に詳しく示す）によつて磁気ループ回路
を形成するように相互接続される。各々の脚には巻線２
０が巻装される。本発明の重要な特徴として、巻線用の
脚は普通の複数個の方向性珪素鋼薄板１２で構成されて
おり、これに対してヨークは複数個の非晶質鋼薄板２４
で構成されている。こういう非晶質鋼薄板はアライド・
コーポレーシヨン社からメツトグラス（ＭＥＴＧＬＡ
Ｓ）の商品名で製造販売されている形式のものであって
よい。アライド・コーポレーション社は所謂パワー・コ
ア・ストリツプ（Power Core Strip）も開発しており、
これは特に本発明に用いることが出来る。このパワー・
コア・ストリツプは夫々厚さ１ミルの６個の非晶質鋼の
リボンで構成されており、それを厚さ５ミルの一体の条
片又は薄板に圧縮したものである。非晶質鋼のリボンは
典型的には厚さが１乃至２ミルにすぎないから、各々の
個別の段つき重ね継手のヨーク側半部１８ａは、第２図
に示す様に、典型的には１枚の珪素鋼薄板２２（厚さ７
乃至１１ミル）で構成された個別の段つき重ね継手の脚
側半部１８ｂと正しく合せる為に、複数個の非晶質鋼薄
板２４で構成される。

第１図は、ヨーク１４，１６の幅が脚１２の幅よりもか
なり大きいことを示しているが、その厚みは第２図に見
られる様に等しい。この為、ヨークの断面積は脚の断面
積よりも大きい。本発明のこの特徴は、珪素鋼に較べた
非晶質鋼の磁気飽和が一層小さいことを考慮に入れてい
る。ヨークの断面積と脚の断面積との正しい関係を定め
る上で、複数個の非晶質鋼薄板を用いて安全に達成し得
る詰込み係数が一層小さいことも考慮に入つている。周
知の様に、詰込み係数（これは積重ね係数とも呼ばれ
る）は、鉄心部材の中にある磁束を通す強磁性材料の断
面積と鉄心部材の全体的な断面積との比である。この
為、詰込み係数は、表面の粗さ、ばり等や、薄板の表面
の絶縁被膜によつて薄板間に空所が存在することを考慮
に入れる。非晶質鋼薄板の詰込み係数が一層低いことに
寄与する因子は、所望の厚みを達成する為に必要な枚数
がずつと多く、その為、面間の空所及び絶縁被膜の数が
急増すること、並びに誘起される応力の観点から目立つ
程の締付け圧力に耐えることが出来ないことである。こ
の為、脚１２の断面積に対するヨーク１４，１６の断面
積の適当な関係は、非晶質鋼に対する珪素鋼の飽和イン
ダクタンス及び詰込み係数の比に反比例する様な関係で
ある。例えば、非晶質鋼薄板２４の飽和インダクタンス
が１．７テスラで詰込み係数が０．８０とし、これに対
して珪素鋼薄板２２の飽和インダクタンスが１．９８で
詰込み係数が０．９６とすると、ヨーク断面積Ａ_ｙと脚
の断面積Ａ_ｌとの比は、次の様に計算することが出来
る。

Ａ_ｙ／Ａ_ｌ＝１．９８×０．９６ ／１．７０×０．８０＝１．４０ 計算によるこの面積比は、２種類の材料のこの他の特定
の磁気的な性質及びその相対的な費用を考慮を入れて、
最適にすることが出来る。

本発明においてヨークの非晶質鋼薄板、そして巻線用の
脚に珪素鋼薄板を利用する基本的な理由は、そうする
と、脚の断面積を一層小さくすることが出来、その為、
導体の長さの節約とそれによる巻線２０の電力損失の減
少により、ヨーク１４，１６に非晶質鋼薄板を利用する
時の材料の増加及び製造費の増加を少なくとも一部分打
消すことが出来るからである。こういう根拠にたつて、
本発明を実施した電力変圧器用鉄心で非晶質鋼を利用す
ることによつて得られる鉄心損失の減少が、商業的に競
争力のある方式になる。更に、巻線用の脚の寸法より
も、ヨークの寸法に対しては寸法上の拘束が一層少ない
のが典型的である。典型的には、ヨークは鉄心重量の約
１／３であり、例えば珪素鋼に伴う損失の２０％を持つ
非晶質鋼を利用することにより、非晶質鋼−珪素鋼から
成る本発明の複合鉄心の合計の鉄心損失は、同等の定格
の全部珪素鋼から成る鉄心に較べて、約２５％減少す
る。

第１図及び第２図に見られる継手１８は、ヨークの一層
大きな断面と巻線用の脚の一層小さい断面の間に磁気抵
抗の小さい磁束通路を完成するのに有効である。これら
の継手は、脚を構成する同じ長さの珪素鋼薄板２２を何
組かに分けて配置し、各組中の薄板の夫々の長さの中心
点を長さ方向に一様にずらして、脚の各々の端で、第２
図に見られる様な継手の脚側半部１８ｂの反復的な階段
形パターンを作る。継手のヨーク側半部１８ａの対応す
る階段形パターンを作る為、同じ長さの非晶質鋼薄板２
４を群に分けて配置して、継手の半部１８ａで終端する
様にする。これらの群を組に分けて配置して、夫々の群
の薄板は増分的に異なる幅を持つ様にする。ヨークの外
側に沿つた薄板２４の横方向の縁を整合させ、こうして
第２図に見られる様に、ヨーク１４，１６の内側に沿つ
て継手のヨーク側半部１８ａの反復的な組を達成する。
ヨークを構成する薄板は一様な幅であつてもよく、この
場合、夫々の薄板の縦方向の中心線を横方向にずらし
て、継手の半部１８ａを作る。この結果生ずるヨークの
薄板の外縁の整合外れは、希望によつては、強磁性挿着
体を用いて補うことが出来る。

第３図は、米国特許4,520,556号に記載されているよう
な別の継手構造の断面図である。この米国特許は、上側
ヨークと巻線用の脚の間の隅の継手を完全にする為に強
磁性挿着体を使う改良された積重ね電力変圧器用鉄心組
立体を対象としている。これによつて、ヨーク１４，１
６の厚みになるまで、予備組立て区域で水平面の上に個
別に又は群に分けて、脆い非晶質鋼薄板２４を注意深く
積上げることが出来る。その後、珪素鋼薄板２２を切取
り、第２図に示す段つき重ね継目１８を利用して脚と下
側ヨーク１６との間に、そして第３図に示す継目パター
ンを用いて脚と上側ヨーク１４との間に完全な整合を達
成する様に、高い精度で積重ねる。これらの図から判る
様に、脚の１つおきの珪素鋼薄板２２が、２６で示す様
に、上側ヨークのそれと整合した１群の非晶質鋼薄板２
４と突合せになる。脚の残りの中間の薄板及び整合した
１群の上側ヨークの薄板は、互いに対し手前で終端する
様になつていて、空間を残し、この空間に強磁性材料、
好ましくは珪素鋼の挿着体２８を収容する。挿着体２８
が脚の珪素鋼薄板２２と上側ヨークの非晶質鋼薄板２４
との間に段つき重ね継手を作ることが判る。その後、脚
及びヨークの薄板を、第１図に示すように、エポキシ樹
脂を含浸した硝子テープ巻付け体３０の様な適当な手段
によつて締付ける。これらの全ての組立て工程は、鉄心
が水平面上にある間に行なわれる。その後挿着体２８を
引張り、上側ヨーク１４を注意深く運び去る。上側ヨー
クを除いた鉄心を直立にして、脚１２に巻線２２を組付
け易くする。ホイストにより、上側ヨークを脚の上の所
定位置に吊下げ、挿着体２８を再び挿入して、それらの
間に磁気抵抗の小さい継手を完成する。この製造手順は
個々の非晶質鋼薄板の取扱いを最小限に抑え、こうして
それが損傷する惧れを少なくし、こうして本発明の非晶
質鋼−珪素鋼の複合変圧器用鉄心が、製造費の観点から
見ても競争力のあるものにする。

第４図及び第５図に示す単相鉄心３２は複数個の珪素鋼
薄板で構成された１対の脚３４、及び上側及び下側ヨー
ク３８，４０を有する。これらのヨークの各々は複数個
の非晶質鋼薄板４２を用いて一層大きな断面に構成され
ている。３０で示す様に、これらのヨークと脚の積層し
た薄板をバンド締めにする。これらの薄板の端を対角線
で切つて、脚とヨークの斜め継手を作る。少なくとも上
側ヨーク３８に関係する継手は、第５図に示す様に、そ
して前掲米国特許第4,520,556号に記載されている様
に、珪素鋼の挿着体４４を含む。この米国特許は上側ヨ
ークと巻線用の脚の斜め継手に強磁性挿着体を用いるこ
とによつて得られる製造上の利点を利用出来る様に、３
つの脚を持つ非晶質鋼−珪素鋼の複合鉄心をどの様に作
るかをも教示している。

第６図及び第７図に示す変圧器用鉄心５０は上側ヨーク
５２及び下側ヨーク５４を持ち、その各々が非晶質鋼薄
板５６で構成されており、更に珪素鋼薄板６０で構成さ
れた１対の巻線用の脚５８を有する。第１図及び第４図
の積重ね鉄心とは対照的に、鉄心５０の折層した薄板は
その横方向の縁が鉄心の面で露出している。この為、こ
の鉄心の構造は、配電用変圧器の設計に普通の巻線心と
同様である。この場合も、非晶質鋼のヨークの断面積は
珪素鋼の脚の断面積よりも大きい。鉄心５０は全体を６
２で示した独特な磁気抵抗の小さい継手を利用して、断
面積が一層小さい珪素鋼の脚から断面積が一層大きい非
晶質鋼のヨークへの移行部を作つている。第７図に一番
よく示されている様に、積層した珪素鋼薄板６０の各々
の端にある末端部分は、６０ａに示す様に、薄板の平面
に対して直角に曲げられている。外側の隅から始まっ
て、第１群の若干Ｕ字形の脚の珪素鋼薄板が入れ子式に
なつていて、それらの真直ぐな切断した端が、６４に示
す様に、ヨークの第１群の非晶質鋼薄板５６と突合せに
なると共に、６６に示す様に、ヨークの直ぐ隣合う第２
群の非晶質鋼薄板と重ね合される。更に、このヨークの
第２群の非晶質鋼薄板の切断した端が、６８に示す様
に、脚の入れ子式に配置された第１群のＵ字形珪素鋼薄
板の内の一番内側の薄板と突合せになり、またヨークの
第２群の薄板の端部が７０で、第２群の積層珪素鋼板の
９０゜曲げられた端部６０ａと重なる。この継手パター
ンを長さが次段に短くなる脚の積層した珪素鋼薄板の後
続の群に対して繰返され、これらが長さが次第に短くな
るヨークの積層した非晶質鋼薄板の相次ぐ群と突合せ且
つ重なる。ヨークと脚の所望の断面積の関係を達成する
為には、６０ｂに示す様に、一番内側の１群の真直ぐな
脚の珪素鋼薄板を追加することが必要になることがあ
り、その切断した端を５６ａに示す様に、一番内側の１
群のヨークの非晶質鋼薄板と重ねる。

以上、変圧器用鉄心のヨークを積層した非晶質鋼薄板だ
けで構成するものとして説明したが、脆い積層した非晶
質鋼薄板を支持並びに保持する様に一部に幾つかの珪素
鋼薄板を配置することが望ましいことがある。例えば、
第１図及び第４図の鉄心のヨークの前面及び後面の薄板
を珪素鋼薄板にしてもよく、第６図の鉄心の一番内側及
び一番外側のヨークの薄板を珪素鋼薄板にしてもよい。

本発明は外鉄形変圧器用鉄心の場合の様な１個の巻線用
の脚だけを持つ電力変圧器用鉄心にも同じ様に適用する
ことが出来ることが理解されよう。このような鉄心の巻
線を設けない脚（１つ又は複数）はヨークの延長部とみ
なされ、典型的には磁束戻り脚と呼ばれる。これら磁束
戻り脚は、ヨークと共に、場所が許せば、非晶質鋼薄板
で作る。そうでない場合は、巻線用の脚及び磁束戻り脚
は珪素鋼薄板で作る。

以上の説明から、本発明が、非晶質鋼の低損失特性を実
用的な最大限まで利用する様な複合体の変圧用鉄心を提
供したことが理解されよう。鉄心のヨークに、そして可
能であれば、磁束戻り脚にだけ非晶質鋼を用いることに
より、強磁性材料の断面積に必要な増加も、鉄心の物理
的な全体的な寸法を許容し難い程増大せずに達成するこ
とが出来る。鉄心の巻線用の脚（１つ又は複数）だけに
珪素鋼を用いて、その断面を一層小さくすることが出来
る様にすることにより、巻線導体の費用及び電力損失の
低減が実現される。これと併せて、変圧器用鉄心の損失
が大幅に減少することにより、商業的にみても、非晶質
鋼のヨークによる材料の増加及び製造費の増加を埋合せ
てあまりがある。

従つて、以上の説明から明らかになる様な目的を含め
て、最初に記載した目的が効率よく達成されたことが理
解されよう。本発明の範囲内で上に述べた構造に種々の
変更を加えることが出来るから、以上説明したこと又は
図面に示したことは、本発明を例示するものであつて、
本発明を制約するものと解してはならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に従つて構成された積重ね電
力変圧用鉄心の側面図、第２図は第１図の線２−２で切
つた部分断面図で、変圧器用鉄心に用いられる継手構造
を示す断面図、第３図は第１図の変圧器用鉄心に用いる
ことが出来る別の継手構造を示す部分断面図、第４図は
本発明の別の実施例に従つて構成された積重ね変圧器用
鉄心の側面図、第５図は第４図の線５−５で切つた部分
断面図で、この変圧器用鉄心に用いられる継手構造を示
す断面図、第６図は本発明の更に別の実施例に従つて構
成された変圧器用鉄心の側面図、第７図は第６図の変圧
器用鉄心の右上隅の継手領域の拡大部分図である。 （主な符号の説明） １２：巻線用の脚、１４，１６：ヨーク、１８：段つき
重ね継手、１８ａ：継手のヨーク側半部、１８ｂ：継手
の脚側半部、２２：珪素鋼薄板、２４：非晶質鋼薄板、
２８：挿着体

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一方が複数個の積層した珪素鋼
   薄板で形成された巻線用の脚である１対の脚と、夫々複
   数個の積層した非晶質鋼薄板で形成された１対のヨーク
   と、前記巻線用の脚の珪素鋼薄板及び前記ヨークの非晶
   質鋼薄板を磁気ループ回路に直列に接続する継手とを有
   する変圧器用鉄心。
2. 【請求項２】特許請求の範囲１）に記載した変圧器用鉄
   心に於て、前記ヨークが前記巻線用の脚よりも断面積が
   一層大きい変圧器用鉄心。
3. 【請求項３】特許請求の範囲２）に記載した変圧器用鉄
   心に於て、前記継手が前記巻線用の脚の珪素鋼薄板と前
   記ヨークの非晶質鋼薄板の間の磁気抵抗の小さい磁束通
   路を作る段つき重ね継手である変圧器用鉄心。
4. 【請求項４】特許請求の範囲３）に記載した変圧器用鉄
   心に於て、前記非晶質鋼薄板の厚さが１乃至２ミルの範
   囲内であり、前記珪素鋼薄板の厚さが７乃至１１ミルの
   範囲であり、前記継手は何れも非晶質鋼薄板の継手半部
   及び珪素鋼薄板の継手半部を互いに合せてそれらを一連
   に繰返すものであり、前記非晶質鋼薄板の継手半部の各
   々にある薄板の数がそれと合さる前記珪素鋼薄板の継手
   半部にある薄板の数より多い変圧器用鉄心。
5. 【請求項５】特許請求の範囲３）に記載した変圧器用鉄
   心に於て、少なくとも前記巻線用の脚及び１つの前記ヨ
   ークの間の継手が着脱自在の強磁性挿着体を含む変圧器
   用鉄心。
6. 【請求項６】特許請求の範囲５）に記載した変圧器用鉄
   心に於て、前記巻線用の脚の珪素鋼薄板は全て同じ長さ
   であって、それらの長さの中心点が長さ方向に増分的に
   ずらされて、前記巻線用の脚の各々の端で脚側継手半部
   の階段形パターンを作り、前記非晶質鋼薄板は別々の群
   に分けられていて、それらの縦方向の縁が横方向にずら
   されて、前記巻線用の脚の脚側継手半部と合せることが
   出来るヨーク側継手半部の階段形パターンを作っている
   変圧器用鉄心。
7. 【請求項７】特許請求の範囲２）に記載した変圧器用鉄
   心に於て、前記巻線用の脚の珪素鋼薄板は角度をなすよ
   うに曲げられた末端部分を持ち、前記巻線用の脚の薄板
   は複数個の群に分けて入れる式に配置され、各群の薄板
   の前記末端部分が前記ヨークの非晶質鋼薄板の末端と突
   合さり且つ重なる様に配置されて前記継手を構成してい
   る変圧器用鉄心。
8. 【請求項８】特許請請求の範囲２）に記載した変圧器用
   鉄心に於て、前記継手が隅の斜め継手の形をしており、
   前記巻線用の脚及び少なくとも１つの前記ヨークの間の
   前記隅の継手が着脱自在の強磁性挿着体を含んでいる変
   圧器用鉄心。
9. 【請求項９】特許請求の範囲２）に記載した変圧器用鉄
   心に於て、前記ヨークの断面積と前記巻線用の脚の断面
   積との比が、前記巻線用の脚の珪素鋼薄板及び前記ヨー
   クの非晶質鋼薄板の相対的な飽和インダクタンス及び詰
   込み係数に比例している変圧器用鉄心。
10. 【請求項１０】特許請求の範囲２）に記載した変圧器用
    鉄心に於て、前記巻線用の脚が前記の積層した珪素鋼薄
    板だけで構成されている変圧器用鉄心。