JPS59197106A - 変圧器用磁気鉄心 - Google Patents

変圧器用磁気鉄心

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JPS59197106A
JPS59197106A JP59067813A JP6781384A JPS59197106A JP S59197106 A JPS59197106 A JP S59197106A JP 59067813 A JP59067813 A JP 59067813A JP 6781384 A JP6781384 A JP 6781384A JP S59197106 A JPS59197106 A JP S59197106A
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core
ferromagnetic
grain
magnetic
transformer
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JP59067813A
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ギヤリ−・クラ−ク・ロ−チ
ロバ−ト・フランシス・クロ−ズ
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Westinghouse Electric Corp
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    • H01F41/0206Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0213Manufacturing of magnetic circuits made from strip(s) or ribbon(s)
    • H01F41/0226Manufacturing of magnetic circuits made from strip(s) or ribbon(s) from amorphous ribbons
    • HELECTRICITY
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    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
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    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
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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】
発明の技術□匁づ耽− この発明は、変圧器特に送電及び配電に用いられる変圧
器に関するものである。 従■ 近年、送配電用変圧器の磁気鉄心に用いられる磁性材料
が大いに改良され、変圧器の大きさ及び製造減価の低減
が可能になった。一般に、送配電用変圧器に用いられる
方向性電気鋼は、(1)例えば八ISI M−3乃至M
−8等の約2.03テスラ (2,0,3キロガウス)
の飽和磁束密度の普通方向性珪素鋼と、(2)低損失も
はあるがなお2.03テスラ程度の飽和磁束密度を持つ
高透磁率方向性珪素鋼とに分類できる。 これらの従来型鉄心の鋼は一様には磁化されない。何故
なら磁路の長さ従って磁界は磁界鉄心内の径方向位置に
よって変化するからである。径方向内側の材料は鉄心の
平均磁束密度よりも高い磁束密度で作動し、径方向外側
の材料は平均磁束密度よりも低い磁束密度で作動する。 従って、鉄心の外側部の鋼はその性能を完全には使用さ
れてはおらず、鉄心の鉄損の大部分の原因となっている
。 アモルファス強磁性合金は、ボロン、炭素、燐及び珪素
等のメタロイドと合金された磁性元索即ち鉄、コバルト
及びニッケルからなる群れから選択された遷移金属を含
むものである。遷移金属は一般的には原子%で約80%
の合金を含んでいる。 変圧器用鉄心には、低価格であるので鉄をベースとした
アモルファス合金を用いるのが望ましいことであった。 アモルファス磁性材料は、特に高周波用の低損失変圧器
用鉄心を製作する場合にその大きな電気抵抗が有利であ
る。しかし1.電力周波数用の変圧器用としては、アモ
ルファス材料の飽和磁束密度が比較的低い(方向性珪素
鋼に比較して)ので、より大きい鉄心容量を要し、その
ためにコイルとタンク及び絶縁物に関する価格が従来の
鉄心に比べて大きくなると言う欠点がある。これらのア
モルファス材料は、一般に約1.6テスラ(1,600
(lウス)の飽和磁束密度をもち、この値は温度の上昇
と共に急速に減少する。 変圧器用鉄心の最大動作磁束密度は、10%の過電圧で
励磁電流が充分に低く、温度上昇が所定の限度を越えぬ
ように設定する。このような最大磁束密度で作動される
変圧器は「飽和制限」されていると言われるが、「飽和
」の厳密な意味に於いては[1−0曲線上のこの#0%
過電圧点は物理的飽和点に達していない。例えば、ハイ
パーシル(!(ipersil;方向性鋼材)製の鉄心
は、100%電圧で17.5K(、乃至18.0KGの
磁束密度で動作する。これに対してアモルファス合金M
eLglas 2605 S−2で製作された鉄心は、
現在では、100°Cで10%過電圧になるものと仮定
して、100%電圧で僅か13 K Gで動作するよう
に設計される。上述の旧persilは、ウェスチング
ハウス・エレクトリック社の磁性金属材料の商品名であ
る。また、Metglasは、アフイド社のアモルファ
ス合金の商品名である。 今では、大部分の変圧器がその所有者に係る全D ¥t
 (イニシアルコストと損失コスト)を最小にするよう
な最適化手続きによって設計される。例えは、Hipe
rsil(M 4またはM5級)の普通型の方向性電気
鋼材で製作された鉄心にこのような最適化手続きが適用
されると、その動作磁束密度は総ての意味のある損失見
積りに対して飽和限界よりも充分に低くなり、損失見積
が高ければ高し・はど磁束密度は低くなる。しかし、磁
性アモルファス材料で製作された鉄心にこのような最適
化手続きが適用されると、その鉄心は飽和制限されたも
のとなる。このことは、アモルファス材料の低損失特性
と言う利点が充分に生かされていないことを意味する。 アモルファス材料で制限された飽和磁束密度見上で動作
するよう1子設計できれば、高価なアモルファス材料の
必要量が減り、コストの低い変圧器が得られるであろう
。 発明の目的 本発明の目的は、異なる強磁性材料で形成された改良さ
れた磁気鉄心を得ることである。 発明の構成 従って本発明は、異なる強磁性材料で形成された変圧器
用磁気鉄心に於いて、上記磁気鉄心が、一方が他方の中
に収容された強磁性回路で構成された複合鉄心であり、
がっ強磁性アモルファス材料の少なくとも一つの回路と
、方向性電気鋼の少なくとも一つの回路とを備えでなる
ことを特徴とする変圧器用磁気鉄心に在る。望ましくは
、アモルファス材料の強磁性回路は方向性電気鋼の回路
の隣接外側に配置される。 このような鉄心によればかなりの利点が得られる。即ち
、鉄心を複合型として製作することにより・鉄心の完成
前に、即ちアモルファス材料の強磁性回路とは別に方向
性電気鋼材と共に強磁性回路を応力除去焼きなましする
ことがで詐るので、強磁性回路を方向性電気鋼材には必
要であるがアモルファス材料には有害な比較的高温の焼
きなまし温度に曝す必要が無い。実質的により低いVL
きなまし温度を、必要とするアモルファス材料の強磁性
回路の焼きなましは、方向性鋼の焼きなまし回路との組
み立て前あるいは後に応力除去焼きなましをすることが
できる。アモルファス材料の強磁性磁気回路が複合鉄心
の外側回路即ち外側ループであり、方向性鋼の強磁性磁
気回路が内側回路即ち内側ループであるような望ましい
開成によれば大きな利点が得られる。比較的剛性の方向
性鋼の内側回路即ち内側ループは、比較的弱くかつ非常
に脆いアモルファス材料の強磁性回路即ちループを支持
し、保護することができる。実際、鉄心の製造中また方
向性鋼のループの焼きなましが終わっrv f&で、方
向性鋼は、アモルファス鋼のループを巻くことのできる
芯金あるいは基板の作用をするのである。方向性鋼のル
ープは、鉄心全体の磁気的作用要素であり、又アモルフ
ァス材料のループを支持する作用をするので、アモルフ
ァス材料用に特別な磁気的に不作動の支持構造を吹ける
必要は無く、従って複合鉄心は別個の支持装置を用いる
場合よりも占積率が高い。 更に、またアモルファス材料が方向性鋼よりも飽和磁束
密度が低いことを考慮して、アモルファス材料の強磁性
回路即ちループを飽和電気鋼の回路即ちループの外側に
配置すれば、鉄心のアモルファス材料をアモルファス材
料の飽和制限された磁束密度よりも高い磁束密度で使用
することができるようになる。換言すれば、方向性電気
鋼に対して比較的低い現存のアモルファス材料の飽和磁
化による不必要な欠点無しでアモルファス材料の比較的
低い鉄損を利用することができる。 実施例 次
【こ添付図面に示す本発明の実施例に沿って本発明を
説明する。 アモルファス強磁性材料及び方向性電気鋼で桶成された
本発明の複合強磁性鉄心に於いては、アモルファス材料
は、本発明の電気鋼の物理的飽和磁束密度よりも相当に
低い物理的飽和磁束密度を有しており、一般的には、方
向性電気鋼の物理的飽和磁束密度の約80%以下である
。アモルファス材料の透磁率は、約15 K、Gまでの
磁束密度で方向性電気鋼の透磁率の少なくとも約50%
であり、望ましくは、約15にGまでの磁束密度での方
向性電気鋼の透磁率の約50%以上である。望ましくは
、方向性電気鋼は粉末ガラス(mill  Hlass
)および応力被覆(stress coating)の
少なくとも一方でよい絶縁被覆をその表面上に備えてい
る。アモルファス鋼料は絶縁被覆を持っていても持って
いなくとも良い。 第1図に於いて、巻鉄心型の強磁性鉄心16と誘導関係
に配置された一次及び二次巻線12および14を有する
変圧器10が示されている。−一次巻線12は交流電源
18に接続され、二次巻#114は負荷回路20tこ接
続されている。 第2図に分解斜視図で示した強磁性鉄心16は、共通の
軸心Z6に関して一方が他方の中に入って同心に配置さ
れた内側及び外側部分即ちループ22及び24を備えて
いる。内側及外側ループ22および24は物理的磁気飽
和が異なる強磁性板材料、であり、一つのループがアモ
ルファス強磁性材料で、他方のループが方向性電気鋼で
形成されている。望ましくは、外側ループ24にアモル
ファス材料即ち低飽和材料を用い、内側ループ22に高
飽和であり物理的に強い方向性電気鋼を用いるのが望ま
しし)。 強磁性板材料は重ねて巻いた多数の巻回を形成するよう
に巻かれる。従って、内側ループ22の板ヰ4料は符号
28で始まり、多数の巻回を形成してふご30で終わっ
ていて、ループ22全体で内側開口即ち窓34を形成し
所定の外径を有する鉄心部分を形成している。外側ルー
プ24の板材料は内側ループ22の板材料の終わりに隣
接した符号30の部分で始まり、多数の巻回40を形成
して符号38で終わり、ループ24全体で外側ループ2
2の外径に実質的に相当する直径の開口42を形成する
鉄心部分となっている。 内側ループ22及び外側ループ24は、−次巻線12に
より強磁性鉄心16に発生させられた磁束のための並列
の強磁性磁気回路を形成しており、内側ループ22の平
均長すは外側ループ24の長さよりも短い。 本発明の複合変圧器鉄心を製造するに当たっては、方向
性電気鋼で形成されたループを巻外次にアモルファスル
ープとは別個に応力除去焼きなましをする。アモルファ
スループは方向性ループの焼きなましに必要な温度に耐
えることが出来ないノテアル。アモルファス材料は心金
」二に巻くことができ、あるいは、方向性材料が望まし
い実施例に於ける如く内側ループ22を備えていたなら
ば焼きなましした方向性ループの回りに巻くことができ
る。アモルファス材料ループは、方向性ループとは別個
にあるいは方向性ループと組み合わされた後に焼きなま
しすることができ、この焼きなまし中1こ磁界を掛けて
も掛けなくとも良い。本発明の鉄心の総てを方向性電気
鋼で形成した鉄心あるいは総てをアモルファス材料で形
成した鉄心と比較しての利点は、次ぎの実験データから
容易に明らかになるであろう。 表に示す如く、第1図及び第2図に示すものとほぼ同じ
4個のトロイダル巻き変圧器ループを製作した。珪素鋼
ループは高透磁率方向性珪素鋼を動力心金に巻き付けて
製作した。珪素鋼は、呼称寸法11m1ll(約0.2
79 man)の厚さで、1in(約2.54 cm)
の幅の粉末がフス被覆されたTRN−COR11であっ
た。TRN−CORIfは、米国のARMCO社の商標
である。 巻いた後に各珪素鋼ループを乾燥した水素雰囲気中で2
時間800 ′Cで焼きなましした。 2つのアモルファスループは、呼称厚j  l m1l
lで幅1inのコーティングしてないMETGLAS合
金2605 SCリボンを、動力駆動心金に巻き付けて
製作された。METGLΔS合金2605 SCは、呼
称成分として原子%で鉄81%、ボロン13.5%、珪
素3.5%及び炭素2%を含んでいる。巻回後に各アモ
ルファスループは、ループの回りに巻いた10巻回のコ
イルに与えた直流15Aの電流による磁界中に置かれ、
アルゴン雰囲気中で2時間400°Cに保持されて磁界
内焼きなましが行なわれた。 表 大 一珂清糾〜−−8,0910,63671,93,23
2,9993小 一一社彫叱−5,678,00458,32,962,
7894大 だ基77玉 8,00 10,53 461.1 3.
21  2.18  68小 ゑ!じフ各 5,74 7,99 298.2 2,8
6  1.89  66表に示された寸法を有する4個
のループを角いて、大ループと小ループとがらなり総て
が方向性珪素鋼からなる鉄心、総てがアモルファス合金
からなる鉄心、及び本発明による複合鉄心を任意に組み
合わせて製作することができる。 直径と重量及び密度(珪素鋼は7.65g/cm3、ア
モルファス材料は7.30H/cm3)から断面積を計
算した。 占積率は1/2[(外径)−(内径)]×(幅)で与え
られる呼称面積に対する計算で得られた面積の比として
得たものである。アモルファス材料についての占積率は
珪素鋼の占積率よりもがなり小さく、従って同じ磁束密
度及び鉄心即ちループ呼称寸法に対しては、アモルファ
ス材料を通る磁束が珪素鋼を通る磁束よりも少ないこと
に注意すべきである。(実際には幾分かは大ぎな占積率
が得られるカ、ツレでもなお珪素鋼よりも小さい。)こ
のことは、低い飽和度と言う問題を更に悪化させるアモ
ルファス材料の欠点を示すものであるが、この問題は本
発明の最も望ましい実施例ではアモルファス材料を磁束
が集中している内側ループでなく外側ループに用いるこ
とにより克服できたのである。 第3閃は、表に示す2つのループを組み合わせて製造し
た上述の鉄心の全即ち呼称鉄心磁束密度の函数として鉄
損(6QlzJIat1./にビ)を示すものである。 (それぞれのループについての測定値はそれぞれの材料
1:対して良い一致を示した。)この試験では、本発明
による複合鉄心は両方共に約15kPiまでの磁束密度
で全部が珪素鋼である鉄心より低い鉄13を示し、2つ
の複合鉄心の内の外側がアモルファス材料であるものよ
りも鉄損が少ない。例えば、14KGの磁束密度で複合
鉄心(外側にアモルファス材料を有するもの)の鉄損は
、総てがT薗N−C0RI+である鉄心の鉄損よりも2
2%も低い。TltAN−CORIIだげの鉄心では、
同じ鉄損にするためには動作磁束密度を1.2 K G
程度にまで下げなければならない(第3図参照)。 METGl、AS 2605 SCは約16KGで飽和
磁束密度を有し、従って室温飽和磁束密度の85%に当
たる約13゜6KGの制限された飽和磁束密度である。 16Kに以上ででも、第3図に示されるように外側にア
モルファス材料を有する複合鉄心は、総てがTRAN−
CORIIで出来た鉄心よりも鉄損の点に於いて有利で
あることが判った。このように、磁気アモルファス材料
をその制限された飽和磁束密度よりも高い磁束密度で動
作される鉄心に使用できることは、本発明の優れた効果
の−っである。 磁気アモルファス合金の透磁率は、合金によって異なり
、また特定の合金の透磁率も磁束密度の函数として変化
する。成る場合には、高透磁率方向性珪素鋼のものより
も高いこともあるが、そうで無い場合もある。本発明の
目的が鉄損を減少させることだけにあるのなら、本発明
に用いるアモルファス材料は透磁率が高いものでも低い
ものでも使用できる。しかしながら、アモルファス材料
の制限された飽和磁束密度より高い磁束密度で動作する
複合鉄心を得るためには、アモルファス材料は、約15
KGまでの磁束密度で複合鉄心の他のループを形成する
普通型あるいは高透磁率の方向性珪素鋼の透磁率の少な
くとも50%の透磁率を有するのが望ましい。最も望ま
しくは、アモルファス材料は約1.5 K Gまでの磁
束密度で方向性鋼の透磁率とほぼ等しいかそれより大き
い透磁率であるべきである。上述の試験のMETGLA
S 2605 SC及び他の同様のアモルファス合金は
、約1 ’5 K Gまでの磁束密度での高透磁率方向
性珪素鋼よりも高い透磁率を持っている。これは、第4
図に示す本発明の複合鉄心の2種の材料間の磁束分布と
なる。14図は表に示すループで組み立てた複合鉄心に
より得られた試験結果に基づいたものである。第4図か
らはNETにLAS合金ループの磁束密度が約1.5 
K にの全磁束密度に達する本ではTRAN−CORH
のループの磁束積度よりも高いことが判る。約15Kに
以」二では、アモルファス合金ループの磁束密度はほぼ
一定に留どまっており、一方TRAN−COR11の磁
束密度は増加し続ける。第4図の対角線は複合鉄心全体
の呼称動作磁束密度を示すものである。方向性鋼ループ
と組み合わされた強磁性アモルファス合金ループを有す
る複合鉄心に於いては、方向性鋼は大部分の過電圧磁束
を吸収するので、アモルファス材料をその制限された飽
和磁束より高い磁束で動作させることができる。 以上の説明は本発明の磁気鉄心、即ちアモルファス材料
の少なくとも一つの強磁性回路即ちループと、望ましく
は鉄心の最内側に配置される方向性鋼の少なくとも一つ
の強磁性回路即ちループとを備えた磁気鉄心の利点を説
明した。方向性ループは普通方向性鋼であるいは高透磁
率方向性鋼で形成して良く、あるいは普通方向性鋼のル
ープおよび高透磁率方向性鋼のループを米国特許第4,
205゜288号に記載されている如く配置しても良い
。 第5図に於いて本発明は積層構造の強磁性鉄心110に
適用されている。この図は概略斜視図であり、変圧器1
00は、積層磁気積層板112と、図では交流電源10
8に接続されていて強磁性鉄心106に磁束を発生させ
るように配置された一次巻線102と、図では電気的負
荷110に接続されている二次巻線104とを備えた強
磁性鉄心106を備えている。 強磁性鉄心106は、内側及び外側強磁性回路即ち内側
及び外側ループ114及び116を備えた複合鉄心であ
る点で本発明の実施例である。内側及び外側ループのう
ち一方はアモルファス材料の積層体で形成され、他方は
方向性鋼の積層体で形成されている。鉄損を最小限にす
るためにアモルファス材料を外側ルー1116に使用す
るのが望ましい。 内側ループ114は2つの脚118及び120と2つの
継鉄122及び124とを有し、外側ループは2つの脚
126及び128と2つの継鉄】30及び132とを備
えている。 2つのループの各脚及び継鉄は積層板で形成され、脚1
18及び126の積層板は並置されて複合鉄心の1つの
複合巻線脚を構成し、脚120及び128の積層板は並
置されて複合鉄心の別の巻線脚を構成し、また上部継鉄
122及び130の積Jtり板は並置されて複合鉄心の
上部複合継鉄を構成し、下部継鉄124及び134の積
層板は並置されて複合鉄心の別の複合継鉄を構成してい
る。内側及び外側ループ積層体間には一対一の対応関係
は無いが、これはアモルファス積層木は一般的に厚さが
約0.001乃至0.003111(約0.025乃至
0.076 +n+n)で方向性鋼よりもかなり薄いか
らである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の複合鉄心を用いた変圧器の概略図、 第2図は第1図の変圧器の複合鉄心の分解斜視図、f5
3図は高透磁率方向性材料だけでで多だ鉄心、アモルフ
ァス材料だけでできた鉄心及び高透磁率方向性材料の鉄
心とアモルファス材料の鉄心とでで外だ複合鉄心の磁束
密度対鉄損のグラフ、第4図は本発明の複合鉄心の各部
分の磁束密度を全磁束密度の函数として表したグラフ、
第5図は本発明の別の実施例の複合鉄心を用いた変圧器
の概略図である。 1〇−変圧器    12−一次巻線 14−二次巻線   18−交流電源 2〇−負荷回路   22−内側ループ24−外側ルー
プ FIG、 3 o′1′称訊慇郡諌瞥度KG FIG、 4

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)異なる強磁性材料で形成された変圧器用磁気鉄心
    に於いて、上記磁気鉄心が、一方が他方の中に収容され
    た強磁性回路で構成された複合鉄心であり、かつ強磁性
    アモルファス材料の少なくとも一つの回路と、方向性電
    気鋼の少なくとも一つの回路とを備えてなることを特徴
    とする変圧器用磁気鉄心。
  2. (2)上記アモルファス材料の透磁率が、約15kGま
    での同じ磁束密度レベルにおいて上記方向性電気鋼の透
    磁率の少なくとも約50%である特許請求の範囲第1項
    記載の変圧器用磁気鉄心。
  3. (3)上記強磁性回路が互いに並列である特許請求の範
    囲第1項あるいは第2項記載の変圧器用磁気鉄心。
  4. (4)上記強磁性回路が互いに同心である特許請求の範
    囲第1項乃至fjS3項記載の変圧器用磁気鉄心。
  5. (5)一方が他方の中に収容された強磁性回路で構成さ
    れた複合鉄心であり、かつ強磁性アモルファス材料の少
    なくとも一つの回路と、方向性電気鋼の少なくとも一つ
    の回路とを備えてなる。異なる強磁性材料で形成された
    変圧器用磁気鉄心を、応力除去焼きなまし工程を含む方
    法により製造する変圧器用磁気鉄心製造方法に於いて、
    アモルファス材料の強磁性回路が方向性電気鋼の強磁性
    回路とは別に応力除去焼きなましされ、これら強磁性回
    路が方向性電気鋼の強磁性回路の応力除去焼きなまし後
    に互いに収容された関係に組み立てられることを特徴と
    する変圧器用磁気鉄心の製造方法。
JP59067813A 1983-04-06 1984-04-06 変圧器用磁気鉄心 Pending JPS59197106A (ja)

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US482681 1983-04-06
US06/482,681 US4520335A (en) 1983-04-06 1983-04-06 Transformer with ferromagnetic circuits of unequal saturation inductions

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US (1) US4520335A (ja)
EP (1) EP0121839A1 (ja)
JP (1) JPS59197106A (ja)
KR (1) KR840008516A (ja)
AU (1) AU572496B2 (ja)
BR (1) BR8401546A (ja)
CA (1) CA1245313A (ja)
ES (1) ES531309A0 (ja)
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