JPS59175110A - 巻鉄心形静止誘導電器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は変圧器やりアクドルの如き巻妖心形静止誘導電
器に係り、特に非晶質磁性金属薄帯の如き磁性材料を用
いた巻鉄心形静止訪導電器に関するものである。

〔発明の背景〕

一般に、溶融金属を急冷して形成する２０〜３０μｍの
非晶質磁性金属薄帯（以下金属薄帯と略称する）は、損
失が硅素鋼板の数分の１以下と小さいため、変圧器など
静止誘導電器の巻鉄心の磁性材料として用いれば、鉄損
を従来のものにくらべ太幅に減少できることから、いく
つかの鉄心構造が提案されている。それらのうち、鉄心
の断面と巻線の断面をほぼ同じ長方形状にして、鉄心と
巻線間の空間をできるだけ小さくした小型軽量なラップ
鉄心構造が知られている。（特開昭５７−３５３０９号
公報参照）このラップ鉄心構造を第１図に示しており、
１は所定長さ寸法の複数枚の金属薄帯を巻回してなる巻
鉄心、２は鉄心１の脚部１人に装着する巻線、鉄心１の
上方の継鉄部ＩＢは所定長さに切断した金属薄板が互い
に突合せ接合させ、しかもその接合個所が順にずれるよ
うにしたラップ部、部分３（以下ステップラップ部と称
する）を備えている。

巻鉄心１は、金属薄帯の複数枚を巻回して構成されてお
り、上部の継鉄部ＩＢにおけるステップランプ部４では
、第２図に示すように複数板の金属薄帯４を一つの単位
として、微小なギャップ５を介して互いに突き合わされ
ており、更に各ギャップ５が階段状になってこれが繰返
されるラップ接合構造とされ、第２図の例ではステップ
ラップ接合が５段となっている。（以下ステップラップ
段数ｎと称する）所定長さ寸法の複数板の金属薄板の集
合がギャップ５を介在させて突き合され、このステップ
ラップ段数ｎ＝５が１ブロツクとなシ、これが何回も繰
シ返され、ステップラップ部３が構成される。

このようなステップラップ部３をもったラップ鉄心構造
は、次に述べるような問題がある。その１つは、第２図
に示すステップラップ部３では、各単位のギャップ５の
ため、金属薄帯４を流れてきた磁束は、矢印のようにギ
ャップ５をはさむ上下の金属薄帯４に分れて流れること
から、実質的に鉄心断面積が小さくなってくる。また別
の問題として金属薄帯４は、現状のものは２０〜３５μ
ｍ程度と薄いから、数枚から数１０枚を１単位として、
あたかも１枚の如く取扱うことが多い。このため、通常
電力用変圧器で使われている３００μｍ程度の硅素鋼板
に比較して、製作時に端部をきつち如揃えることが難し
いし、更に金属薄帯４は表面がすベシ易い性質を持って
いることもあって、ギャップ５ができ易い。このことは
、ギャップ５部でのわたシ磁束の分布を不均一にし、鉄
心の部分飽和を生じさせるので、鉄心としての実効断面
積を一層小さくさせる。

ステップランプ段数ｎを順に変化させ、ステップランプ
ｓ３における鉄心の実効断面積Ｓｍ１−　　と鉄心の脚
部での実効断面積Ｓｃとの比を破線で、また鉄心中の平
均磁束密度ＢｓＬと鉄心の脚部での平均磁束密度Ｂｃと
の比を実線でそれぞれ第３図に示している。ステップラ
ップ段数ｎ−５の場合、ステップラップ部３での実効断
面積ＳｓＬは、鉄心の脚部での実効断面積Ｓｃ値の０．
８倍となシ、平均磁束密度ＢａＬは鉄心の脚部の平均磁
束密度ＢａＯ値の１．２５倍となる。ステップラップ段
数ｎ＝１０と極端に多くした場合でも、鉄心中の平均磁
束密度ＢａＬは１．１１倍と大きくなる。

一方、非晶質磁性金属薄帯のように飽和磁束密度が１．
６Ｔ（テスラ）程度と低く、シかも通常の硅素鋼板に比
べて価格の冒い材料で鉄心を構成する場合、鉄心寸法、
重量をできる限り小さくしなければ経済的でない。それ
故、鉄心としての使用磁束密度Ｂｃはできる限り大きく
シナければならないが、鉄心中の平均磁束密度Ｂｓｔか
、鉄１心Ｏ脚部での平均磁束密度Ｂｃより大きくなるの
を、できるだけ避けたい要望がある。第１表に鉄心の脚
部の平均磁束密度Ｂｃを１．３０Ｔ、１．３５Ｔ。

１．４０Ｔに選定した場合に、金属薄板で形成する巻鉄
心ｌのステップラップ部３の平均磁束密度Ｂｇｔ　が、
どのような値となるかを示している。

この第１表よシ、鉄心の脚部の平均磁束密度Ｂｃが、比
較的低い値である１、３０Ｔで使用した場合を考えてみ
ると、ステップラップ段数ｎ＝５ではステップラップ部
３の平均磁束密度Ｂａｔは１．６３Ｔと飽和磁束密度を
越えることになる。このため、ステップランプ部３で鉄
心１が部分的に飽和し、この部分で、鉄心よりタンクや
締金具や巻線なすに磁束が漏れ、この結果、ステップラ
ップ部３での損失、励磁容量が急激に増大し、鉄心１の
全体としての磁気特性も著るしく悪くなる。更に、ステ
ップラップ部３からの漏れ磁束によシ、変圧器を構成す
る上述した各部材に渦電流損を発生させ、励磁時の損失
すなわち無負荷損を増大させることになる。ステップラ
ップ段数ｎ＝１０と極端に多くした場合でも、平均磁束
密度Ｂａｔは１．４４　Ｔである。現状の金属薄帯の特
性では、１．４０Ｔを越えた付近よυ急に磁気特性が悪
くなることが多いため、鉄心の脚部で１．３０　Ｔと特
性の良好な付近に設定したとしても、鉄心１全体の特性
を悪化させることになる。従来のステップラップ構造で
は、上述したような問題が金属薄帯を用いて形成した巻
鉄心では著るしく表われてくる。

こうした問題点を補なう手段として第１には、ステップ
ラップ構造で巻鉄心全体にわたシ断面積を大きくする方
式があるが、これは巻鉄心が大型化し重量が増加するの
で利点が少ない。また、第２の手段としては、巻線２を
脚部ＩＡに装着する巻鉄心１の形成に用いる所定長さ寸
法の複数枚の金属薄帯４は、ヌテンプラツプ方式のもの
より長く切断しておき、この各金属薄帯４を巻回して鉄
心１を形成する際に、上方の継鉄相当部分ＩＢにおいて
順に所定寸法を重ね合せる重ね接合方式がおる。（特開
昭５７−１０６０１１号参照）このような巻鉄心１０重
ね接合部６では実質的に鉄心の実効断面積ＳａＬは、巻
線２を装着する鉄心１の脚部ＩＡの実効断面積８ｃの２
倍、平均磁束密度は脚部１人での半分となる。この結果
、重ねラップ部６での損失は大幅に減少し、重ね接合部
６では鉄心外に漏れる磁束はほとんどなくなる。

しかし、重ね接合部６ではその厚さが鉄心１の脚部ＩＡ
厚さの２倍となシ、継鉄部ＩＢの寸法、重量が増加し、
鉄心全体を大型重量化する欠点がめるし、重ね接合部６
０両端では金属薄帯４とギャップ７が交互にならび、櫛
歯状になっているため、向応力による歪を受は易く、金
属薄帯４の特性劣化を招き易い恐れもある。

〔発明の目的〕

本発明の巻鉄心形静止誘導電器の目的は、複数（９） 枚の磁性材料を用いて構成する静止誘導電器を小形軽量
化すると共に、よ多像損失化を図シ製作できるようにす
ることにおる。

〔発明の概要〕

本発明では、所定寸法に切断した複数枚の磁性材料を巻
回して巻鉄心を形成し、この巻鉄心に巻線を装着して巻
鉄心形静止誘導電器を構成する際に、この巻鉄心は少な
くとも２つの接合方式の異なるブロックから形成するよ
うになし、これらブロックは所定長さの磁性材料を一単
位として突き合せ接合し、かつ各単位は突き合せ接合部
が順にずれるステップラップ接合にて形成するものと、
所定長さの磁性材料を一単位とし、かつ各単位はそれぞ
れ接合部を重ね接合としたものとを組合せるようにした
ものであシ、この２種の接合方式の適切な組合せによる
巻鉄心構造によシ、所期の目的を達成するようにしたも
のである。

〔発明の実施例〕

本発明を巻鉄心形質圧器に適用した各実施例を第５図か
ら第８図に従来と同一部分は同符号でそ（１０） れぞれ示している。これらの実施例のうち第５図に示す
ものは、巻線２を装着する巻鉄心１は、従来と同様に所
定長さ寸法に切断した複数枚の金属薄板４を一単位とし
て、この複数単位を巻回して形成し、この例における巻
鉄心１での接合部分は上方の継鉄１８部分に位置させて
いる。この巻鉄心１は、接合方式の異なる２つのブロッ
ク１０゜１１から構成されており、この一方である内側
のブロック１１は、金属薄帯４の積層である各単位を突
き合せ接合でしかもその接合部分が順にずれるようにし
たステップラップ接合方式にて形成され、他方の外側の
ブロック１０は、複数枚の金属薄帯４の積層である各単
位を順に重ね接合する接合方式にて形成されている。し
たがって、巻鉄心１の継鉄部ＩＢとしてみると、ステッ
プラップ接合方式と重ね接合方式とが共存したハイブリ
ット接合部となっている。

このハイブリット接合部をなす外側のブロックｌＯの重
ね接合部は、巻鉄心１の内側から外側にゆくに従って太
きくしておシ、シかも重ね接合部（１１） において、巻鉄心１の内側での重ね接合の寸法Ｌｃは、
巻鉄心ｌの窓内幅寸法Ｌｗよシ太きくし、これによって
巻鉄心１の接合部分のずれをなくすようにしている。ま
た内側のブロック１１の各単位におけるステップラップ
接合部は、第５図ではステップランプ段数ｎ−５の構造
である。

いま、巻鉄心１のステップラップ接合部の鉄心厚さをＴ
　ｓ　ｔｃ、重ね接合部の厚さをＴｔＣ，巻鉄心の脚部
ＩＡでの鉄心厚さをＴｃとし、説明を簡単にするため、
巻鉄心１は全て同じ幅Ｗを持つ金属ｆ＃帯４で構成され
ているとする。

巻鉄心１の脚部ＩＡの断面積のうち、継鉄部ｌＢで重ね
接合にするブロック１０の割合いをハイブリッド比Ｐ（
０＜Ｐ＜１．０）とすると、継鉄ＩＢのハイブリッド部
での平均磁束密度Ｂｙｔは、脚部ＩＡの平均磁束密度Ｂ
ｅ、ステップラップ段数０１ハイブリツド比Ｐから、次
の（１）式で表わされる。

ｅ Ｂ□−１・・・・・・・・・（１） （１−−＋Ｐ） （１２） 前述したように、金属薄帯でｉｄ：　］、、　４　Ｔを
越えると、磁気特性が急激に悪くなることから、接合部
での磁束密度はせいぜい１．４５Ｔ以下に設定されるか
ら、（１）式は次の（２）式となる。

上記の（２）式よシ脚部の平均磁束密度Ｂｅをパラメー
タとして、ステップラップ段数ｎとハイブリッド比Ｐの
値の組合せが決定される。実用的な脚部の平均磁束密度
ＢａＯ値は１．３〜１．４Ｔ、ステラ、　　　　　　ス
テップ段数ｎは３〜７段でめシ、これらに対してハイブ
リッド比Ｐの値を示すと次の第２表に示すようになる。

第　２表 ステップラップ段数ｎ−３の場合も考えられるが、実用
的にはステップラップ段数ｎ＝５〜７脚部の平均磁束密
度Ｂｃ＝１．３〜１．４Ｔの範囲であシ、この時のハイ
ブリッド比Ｐの値すなわち重ね接合構造にする割合いは
５％（Ｐ−０，０５）程度よシ大きくすれば十分で、か
つ上限で２０Ｘ籾度でよいことになる。この時、ハイブ
リッド部分での継鉄ＩＢの厚さＴアｔは、下記の（３）
式で表わされる。

Ｔｙ　ｔ−Ｔｓ　＋Ｔｓｔｃ Ｔｙ　ｓ　＝　（１＋　Ｐ　）　Ｔｃ　　　　　・・・
・・・・・・・・・（３）第２表中に示すようにＴアｔ
は巻鉄心ｌの脚部ＩＡの厚さＴｃの５〜２０％増加だけ
で済むこと（１４） になる。この値は、従来の第４図に示す巻鉄心の全ての
重ね接合構造における１００％増加に比較して、１／２
０〜１１５であシ、大幅な寸法低減が図れることになる
。

ハイブリッド部での平均磁束密度Ｂｙｔの上限値を１．
４５Ｔよυ１．４０Ｔとした場合は、第２表のハイブリ
ッド比Ｐの値はほぼ０．０３づつ大きくなる。例えば例
１では脚部の平均磁束密度Ｂｃ＝１．３０Ｔｓステンプ
ランプ段数ｎ＝７のときノ・イプリヅド比Ｐ＝０．０７
、例２では脚部の千５均磁束密度Ｂｅ−１，４０、ステ
ップランプ段数ｎ＝５のときハイブリッド比Ｐ　＝　０
．２０となる。この時でも継鉄ＩＢの厚さＴｙｔは、は
ぼ脚部ＩＡでの値の７％〜２０％程度の増加に収まって
いる。

すなわち、巻鉄心ｌに第５図に示す如きノ・イブリッド
接合構造を用いれば、例３のステップラップ段数ｎ−３
の場合を除き、継鉄ＩＢの接合部の厚さを５〜２０％増
すだけで、継鉄ＩＢの接合部での磁束密度を損失、励磁
容量が急激に大きくなる直前の、かつ巻鉄心からの漏れ
磁束も生じさせ（１５） ぬ程度の適切な値に設定できるようになる。これは、全
てを重ね接合構造とするものにくらべ、巻鉄心ｌの全体
にわたシ磁束密度をほぼ同一とした設計が可能となるこ
とを示しておシ、小型軽量でかつ低損失の変圧器を得る
ことかできることとなる。また、金属薄帯４は一般に高
価であるから、巻鉄心の小型化は、変圧器の価格低減に
も効果がある。更に、金属薄帯を用いてステップラップ
接合構造の巻鉄心を構成する場合、ゆるみのためステッ
プラップ部での各ギャップが大きくなシがちで磁気特性
悪化を招き、経年安定性を悪化させる恐れがあるのに対
して、本発明の巻鉄心では外側のブロック１０の重ね接
合構造が、ステップラップ部のゆるみを防ぐ役目をする
ので、この欠点をなくすことができる。また、重ね接合
部での重なり部寸法Ｌｃが、巻鉄心の窓内幅Ｌｗよυ大
きくしたり、重ね接合の寸法を巻鉄心の内側より外側の
単位にゆくにつれて順に大きくすれば、重ね接合部分の
ギャップ７の長さを、全て同一の重ね接合にする場合よ
り著るしく小さくする効果かめる。

（１６） その結果、曲げ応力による歪をうけにくくなり、低損失
化、低励磁容量化が更に可能になると共に、製作にとも
なう磁気特性劣化、並びに運転にともなう経年劣化の要
因を少なくするため、信頼度の高い変圧器を得ることが
できる利点がめる。

上記においては巻鉄心幅を同一として説明したが、本発
明では巻鉄心の内側、中央、外側においてその幅が異な
る場合でもステップラップ接合のブロックと重ね接合の
ブロックの構成比率を多少変化させるだけで同様の効果
を達成することができる。

更にまた、第５図の巻鉄心１の例では外側のブロック１
０を重ね接合、内側のブロック１１をステップランプ接
合とした場合で説明したが、この接合方式を内側及び外
側で逆にし、ハイブリッド比Ｐを適切に選定して製作し
ても、小型軽量で低損失の巻鉄心形変圧器を製作するこ
とができる。

本発明の他の実施例である第６図に示すものは、巻鉄心
１を外側、中央、内側の３つのブロック１０．１１．１
２から構成するようにしたもので、（１７） 外側ばかシでなく内側の両ブロック１０．１２の各単位
を重ね接合として、中央のステップラップ接合のブロッ
ク１１を双方で挾持する構造としたものでおり、このよ
うな構造とすれば上述の効果を達成できるばかりか、ス
テップラップ接合部分のゆるみによるギャップ５のずれ
が生じにくくなるから、巻鉄心の磁気特性がより安定す
るようになる効果がある。

巻鉄心を構成する接合方式の異なるブロックの数は、巻
鉄心の磁気特性及び製作のし易さなどを考慮して適切に
選定する。

本発明の変形例でおる第７図及び第８図に示す巻鉄心１
は、第５図の例と同様に２つのブロック１０．１１から
構成されるものであるが、ブロック１１のステップラッ
プ接合部のギャップ５の位置、或いは個数を内側よシ外
側にゆくに従がって、変化させたものである。ブロック
１１のステップラップ接合部を、第７図のようにギャッ
プ５の数は同一でもその位置を変化させると、ステップ
ラップ接合構造の短所である巻鉄心の実効断面積を（１
８） 大きくとることができる。従がって、第２表に示した重
ね接合部のノ・イブリッド比Ｐを更に小さくでき、巻鉄
心１をより小型軽量化できる。また、縞８図はブロック
１１のステップラップ接合によるギャップ５の数を、内
側では少ない４個所、外側に行くに従かい５個所、６個
所と増したもので、この場合においても第７図の実施例
と同じような効果を達成できる。

上述した巻鉄心の鉄心材料としては、非晶質磁性金属薄
帯を主体に説明してきたが、溶湯急冷法により作られる
５〜６．５％硅紫含有の高硅素鋼板なども、はぼ非晶質
磁性金属薄帯と同じ特性を持っているので、この１枚以
上を１単位として巻回形成する巻鉄心にしても同様に適
用できるし、また通常の硅素鋼板に適用してこの１枚以
上を１単位として巻回形成するようにしても、その特性
をよシ発揮させ得る。

〔見間の効果〕

本発明のように巻鉄心形静止誘導電器を構成すれば、巻
鉄心の全体にわたり磁束密度はほぼ同一（１９） にできるから、小型軽量でしかも低損失の巻鉄心形静止
誘導電器を製作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の巻鉄心形変圧器を示す彼略正面図、第２
図は第１図の要部拡大図、第３図は巻鉄心のステップラ
ンプ段数と磁束密度及び断面積との関係図、第４図は従
来の別の巻鉄心形変圧器を示す概略正面図、第５図から
第８図はそれぞれ本発明を適用した巻鉄心形変圧器の異
なる例を示す要部拡大図でめる。 ｌ・・・巻鉄心、ｌＡ・・・脚部、ｌＢ・・・継鉄部、
２・・・巻線、３・・・ステップラップ部、４・・・非
晶質磁性金属薄帯、５・・・ギャップ、６・・・重ね接
合部、１０゜（２０） 第４図 ら　　　グ 、　　　　　　、ｔＦ３ １　１　　　１　１ １１じ １１　　ｌ　１　２ １１　　１　（ ２’　　ｌ　　　ｌ　　）−／Δ １　１　　　１　１ １　Ｉ　　　１１ １１　　　　Ｉ　　１ １　　１　　　　　　Ｉ　　　１ １萄戸Ｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定長さ寸法に切断した複数枚の磁性材料を巻回し
   て巻鉄心を形成し、前記巻鉄心に巻線を装着するものに
   おいて、前記巻鉄心はそれぞれ複数枚の磁性材料を巻回
   して形成する少なくとも２つの接合方式の異なるブロッ
   クに区分し、前記ブロックは所定長さ寸法の磁性材料を
   一単位として突き合わせ接合し、かつ各単位の突き合せ
   接合部が順にずれるステップラップ接合にて形成するも
   のと、所定長さ寸法の磁性桐料を一単位として各単位を
   それぞれ重ね接合にて形成したものから構成したことを
   特徴とする巻鉄心形静止誘導電器。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記巻鉄心は接合
   方式の異なる内側及び外側の２つのブロックから成シ、
   外側に位置するブロックを重ね接合にて形成したことを
   特徴とする巻鉄心形静止誘導電器。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記巻鉄心は接合
   方式の異なる内側及び外側の２つのブロックから成シ、
   内側に位置するブロックを重ね接合にて形成したことを
   特徴とする巻鉄心形静止誘導電器。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記巻鉄心は内側
   、中央及び外側の３つのブロックから成シ、内側及び外
   側に位置するブロックを重ね接合にて形成したことを特
   徴とする巻鉄心形静止誘導電器。 ５、特許請求の範囲第１項において、ステップラップ接
   合にて形成するブロックは、所定のステップ枚数を繰返
   す複数の単位から形成したことを特徴とする巻鉄心形静
   止誘導電器。 ６、特許請求の範囲第１項において、ステップラップ接
   合にて形成するブロックは、内側から外側に行くに従か
   いそのステップラップ枚数を増加させたことを特徴とす
   る巻鉄心形静止誘導電器。 ７、％許請求の範囲第１項又は第５項において、ステッ
   プラップ接合にて形成するブロックは、そのステップラ
   ップ接合部を末広状に配置したことを特徴とする巻鉄心
   形静止誘導電器。 ８、特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項又は第
   ４項において、重ね接合にて形成するブロックは、その
   各単位の重ね＋＆台外寸法内側から外側に行くに従かい
   順に太きくしたことを特徴とする巻鉄心形静止誘導電器
   。