JPS6140016A - 鉄心の製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は変圧器などに用いられる非晶質磁性合金薄板か
らなる鉄心に焼鈍を行なう鉄心の製造方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近時、変圧器などに用いる巻鉄心および積層鉄心の材料
として、非晶質磁性全金薄板を用いることが検討されつ
つある。非晶質磁性合金薄板は、金属（Ｆａｒ　Ｃｏｏ
　Ｎｉ等）と半金属元素（Ｂ。

ｃ　、　ｓｉ、　ｐ等）を主成分として超急冷法により
製造されたもので、従来からの鉄心材料であるけい素鋼
板に比して鉄損（損失）がＩＡ〜１／４と小さく、磁気
特性に優れている。

しかし、非晶質磁性合金薄板は、超急冷法により製造す
るために、急冷時の歪により鉄損の増大など磁気特性が
極端に低下しておシ、本来の優れた磁気特性が得られな
い。このため、非晶質磁性合金薄板からなる鉄心は、鉄
心組立後に歪取シ焼鈍を行なって非晶質磁性合金薄板の
歪を除去し、鉄損の減少などの非晶質磁性合金本来の磁
気特性の回復を図っている。この焼鈍は、鉄心を磁場中
に置いて磁気異方性を与えて、磁気特性の改善を図る方
法である。

しかして、この焼鈍を行なう場合には、次の点が重要で
ある。非晶質磁性合金薄板は焼鈍温度条件が狭く、鉄心
内部の温度分布が均一になるように昇温しないと、熱応
力により磁気特性が低下して、その本来の優れた磁気特
性の回復を図ることが′できない。また、非晶質磁性合
金薄板は焼鈍後に脆化する性質があるので、焼鈍後にお
いて鉄心を取扱う時に、非晶質磁性合金薄板が外力によ
り破損（割れや破片の発生）し、変圧器使用中に絶縁破
壊などを起すなどの虞れがアシ・鉄心の品質上好ましく
ない。このため、鉄心を組立てる作業を焼鈍の前工程に
行ない、焼鈍後における組立て工程数を減少して、非晶
質磁性合金薄板に外力が加わる機会を減らすことが必要
である。この場合、鉄心に変圧器コイルを巻回する作業
は、鉄心に応力が加わる度合が大である。

従来、非晶質磁性合金薄板からなる鉄心の焼鈍は、外部
熱源により鉄心を加熱する方式が採用されている。すな
わち、第４図で示すように非晶質磁性合金薄板２からな
る鉄心１、例えば非晶質磁性合金薄板２を巻回してなる
巻鉄心に磁界印加用のコイル３を巻回し、この鉄心１を
電熱ヒータ（図示せず）を熱源とする恒温槽４の内部に
収容する。そして、直流電源５によりコイル３に直流電
流を通電して鉄心１に磁界を印加するとともに、電熱ヒ
ータの加熱により恒温槽４内部を所定の焼鈍温度に上昇
させて鉄心１を加熱することにより焼鈍を行なう。

非晶質磁性合金材料の焼鈍温度は、その種類によっても
異なるが、現在変圧器用鉄心材料として最も適切とされ
ているアライド社製部ＴＧＬＡＳ２６０５８２では、３
９０〜４１０℃程度が適切でおる。また、焼鈍温度保持
時間は２時間程度が適切とされている。

しかしながら、このような焼鈍方法においては、鉄心１
は熱源である電熱ヒータの輻射熱により外部から加熱さ
れるので、鉄心内部まで良好に加熱されず、鉄心１表面
と内部の温度分布が不均一になる。このため、鉄心１の
非晶質磁性合金薄板２は熱応力により磁気特性が低下し
て、本来の磁気特性を回復することが困難である。また
、電熱ヒータにより鉄心１を所定の焼鈍温度すなりち４
００℃程度まで加熱するために、恒温槽イ内部も同温度
まで昇温するので、仮夛に変圧器コイルを巻回した鉄心
１を恒温槽４の内部に入れて焼鈍を行なうと、変圧器コ
イルも一緒に外部から４００℃まで加熱される。しかる
に、一般に変圧器コイルの絶縁被覆に用いる絶縁物は、
耐熱性の限度が低く、４００℃の温度まで加熱されると
、絶縁物が損傷して実用性がなくなる。このため、焼鈍
前の工程で鉄心１に変圧器コイルを巻回してミその後に
焼鈍を行なうことは、変圧器コイルの破損を伴うので困
難でアシ、焼鈍後の工程で鉄心ＩＫ変圧器コイルを巻回
することになる。しかし、焼鈍後の鉄心１は非晶質磁性
合金薄板２の脆化現象を伴うので、焼鈍後に鉄心１にコ
イルを巻回する組立作業を行なうと、非晶質磁性合金薄
板２が外力により破損する機会が増大して、鉄心１０品
質を低下させる仁とになる。

〔発明の目的〕

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、非晶質磁性
合金薄板からなる鉄心に対して良好な焼鈍を効率良く行
ない、非晶質磁性合金本来の優れた磁気特性を充分発揮
できる品質の良い鉄心を得ることができる鉄心の製造方
法を提供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明の鉄心の製造方法は、非晶質磁性合金薄板からな
る鉄心の表面を断熱部材で覆い、この鉄心に巻回したコ
イルに励磁用交流電ｉを通して鉄心を励磁し、この励磁
に伴い鉄心に壺する損失により鉄心自身を発熱昇温させ
て焼鈍するものである。すなわち、非晶質磁性合金薄板
からなる鉄心を焼鈍する忙際して、鉄心を均一な温度分
布で加熱して且つ鉄心に巻回し九−圧器コイルを損傷す
ることなく焼鈍を行なうことができ、焼鈍後における組
立工数を減少させるものである。また、鉄心を断熱部材
で覆うことにより、鉄心の発熱分の放出を有効に抑え蓄
積して焼鈍を迅速に行なうとともに、断熱部材表面温度
を低下させて焼鈍の熱に対して変圧器コイルを保護する
ことができるものである。

〔発明の実施例〕 以下本発明を図面で示す実施例について説明する。

第１図および第２図は本発明方法の一実施例を示すもの
で、この実施例では、非晶質磁性合金薄板を巻回してな
る２組の巻鉄心を並べ、各巻鉄心の中央の脚部に共通に
変圧器コイルを巻回したものを対象にしている。

巻鉄心Ｊ　Ｊ　、　−１１は帯状の非晶質磁性合金薄板
１２を矩形状に巻回して形成する。

巻鉄心１１’、１１０表面は第２図で示す断熱部材１３
．１４で覆う。断熱部材１３は、第２図（ａ）で示すよ
うに巻鉄心１ノの内周表面を覆り矩形の筒部１３ａと、
この筒部１３ｍの両端に形成されて巻鉄心１１の両端表
面を覆うフランジ部ＪＪｂとからなるもので、非晶質磁
性合金薄板１２を巻取る巻型を兼用することができる。

断熱部材１４は、第２図（ｂ）で示すように巻鉄心１ノ
の外周表面を覆う矩形の筒状をなすものである。断熱部
材１３．１４は熱伝導率が小さく且つ巻鉄心１１の焼鈍
温度である４００℃以上の熱に耐え得る耐熱性を有する
断熱材で形成する。例えばアルミナ（ＡＡ、Ｏ，）とシ
リカ（８１０２）を溶融して繊維化したセラミックス繊
維を材料とした成形品を用いる。

次いで、巻鉄心１、１１を焼鈍する前工程において、巻
鉄心１、１１を並べてその中央０脚部を囲む断熱部材１
３．１４に共通に変圧器コイル１５を巻回する。

そして、巻鉄心１、１１を焼鈍するに際しでは、各巻鉄
心１、１１の外側の脚部を囲む　　　　　“断熱部材１
３．１４に励磁用交流電流を流すための仮巻コイル１６
．１６を夫々巻回（仮巻）する。これら仮巻コイル１６
．１６は互いに巻回方向を逆にして巻回し、切換スイッ
チ１７を介して高周波交流電源１８と直流電源１９に夫
々接続する。図中２０は高周波交流電源１８の電圧を調
整する電圧調整器である。仮巻コイル□□ ｘｅ、ｘｅに紘無機蜀緑被覆電線例えばセラミ、り電線
等を使用するヒとにより耐電圧、耐熱的にも十分耐える
ことができる。

ここで、仮巻コイル、６．１６は巻回数に応じた電圧が
加わるため、巻回数を少なくシ、絶縁耐力上問題のない
巻回数を選定する。

そして、巻鉄心１’ｌ　、’１１の焼鈍を行なうために
は、切換スイッチ１２により仮巻コイル１６．１６を高
周波交流電源１８側へ接続し、電圧調整器２０によりミ
圧を調整して仮巻コイル１６．１６に励磁用の高周波交
流電流を通電′　する。この交流電流の周波数は例えば
２〜４ｋＨｚに選定する。仮巻コイル１６．１６に交流
電流を通すと磁束の発生により巻鉄心１１゜１１にうず
電流が流れ、このうず電流に伴う電力損失によって巻鉄
心１、１１にジュール熱が発生する。このため、巻鉄心
１、１１はそれ自身の内部発熱により加熱きれて温度上
昇する。

巻鉄心１、１１の温度が非晶質磁性合金薄板１２の適正
焼鈍温度の４００℃まで上昇すれば、電圧調整器２０で
高周波交流電源１７の電圧を調整することにより、巻鉄
心１１，１ノ０温度４００℃を適正な温度保持時間で一
定に保持する。この温度保持時間状３０分外ら２時間で
返る。なお、仮巻コイル１６．１６を互いに逆極性に接
続しであるので、仮巻コイル１６゜１６に交流電流を流
して巻鉄心１１，１１を励磁した時に、巻鉄心１１，１
１０中央側脚部における磁束の方向が互いに逆向きにな
シ、この中央側脚部に巻回した変圧器コイル１５には磁
束による誘起電圧が生じない。また、仮巻コイル１６．
１６を互いに逆直列に接続しても同じ効果が得られる。

次いで、・切換スイッチ１２の切換操作により仮巻コイ
ル１６．１６を交流電源１８側から切シ離して、直流電
源１９側へ接続する。このため、仮巻コイル１６．１６
への交流電流の通電がしゃ断されて、巻鉄心１、１１の
励磁が停止し、巻鉄心１、１１が冷却を始める。同時に
直流電源１９から直流電流が仮巻コイル１６．１６に流
れ、巻鉄心１、１１に対して磁場を形成する。このよう
にして巻鉄心１１゜１１を磁場中にて冷却する。この場
合、外部熱源を有していないために熱容量が少なく、冷
却速度のコントロールを容易に行なえる。焼鈍後に仮巻
コイル１６”、１６を巻鉄心ＪＪ’、ＪＪから外す。

なお焼鈍作業は、巻鉄心ＪＪ　、ｉｌの酸化を防止する
ために不活性ガス雰囲気中、例えば窒素ガス（Ｎ２）中
にて行なうことが好ましい。

このようにして巻鉄心１、１１を焼鈍する。

この焼鈍方法において巻鉄心１、１１を加熱する場合に
は、高周波加熱による損失に伴い巻鉄心１、１１をそれ
自体の内部からの発熱により温度上昇させるので、巻鉄
心１、１１全体を充分且つ均一に加熱して、鉄心表面と
内部の温度分布を均一にできる。このため、巻鉄心１、
１１の非晶質磁性合金薄板１２には熱応力による歪が発
生せず、その磁気特性の低下を防止できる。また、巻鉄
心１、１１ｆ）加熱方式は巻鉄心１、１１単独でそれ自
体の発熱により行なう方式であシ、外ｉ熱源からの輻射
熱′により巻鉄心７７．１１全体を外部かａ焼鈍温度ま
で加熱する方式ではない。仁のため、巻鉄心ｚ　ｘ　、
　Ｊ’Ｊを加熱する時に、巻鉄心１１゜外＼外＼ １１に巻回した変圧器コイル１５が、外部から強制的に
焼鈍温度（４００℃）に加熱されることがなく、高温に
よる変圧器コイル１５の損傷を防止できる。

次に巻鉄心１’ｌ、１１０表面を覆う断熱部材１３．１
４の焼鈍時における作用について説明する。断熱部材１
３．１４は焼鈍時に巻鉄心１１０発熱分の放出（放熱）
を抑えて鉄心内部に蓄積（蓄熱）し、短時間に巻鉄心１
１を温度上昇させて焼鈍を行ない、また断熱部材１３．
１４自体の表面温度を変圧器」イル１５の絶縁物の耐熱
温度以下となるように温度を降下させている。

説明を加えると、巻鉄心１１を励磁して巻鉄心１１をそ
れ自身の発熱で昇温する場合、熱の一部が巻鉄心ｚｚ’
４ｈら放熱し他の一部が巻鉄心７．内部よ蓄ゎヶｉ５ ここで、巻鉄心１１の発熱量をＱｌ　（ｋｍ）、巻鉄心
１１からの放熱量ｔ　Ｑ　！　（ｋａＩｔ）、巻鉄心１
１内部への蓄熱量をＱｓ　０Ｃｃｔｔ）とすると、Ｑｓ
　＝Ｑｓ　−Ｑｍ　　　　・”　　（１）となる。

Ｑｒ　　、Ｑｓ　　、Ｑｓは次式で表わされる。

Ｑ１＝ｋｓ　ｖｒｑｔ　ｔ　　・・・（２）・・・（３
） Ｑｓ＝ＣＷ（θｍ−＃（Ｅ）　　　　　　・（４）また
巻鉄心ノーを覆った断熱部材１３．１４の温度降下量Ｔ
（℃）は、 δ Ｔ＝−Ｗ　　　　　　　　　　　・・・（５）λ となる。但し、 ｋｘ　ｅｋ＊　、に′；比例定数 冨 Ｗ；巻鉄心重量（ｋｇ） ｑｌ；巻鉄心単８位重量、単位時間１）の発熱量り、ｍ
１Ａｉ　−ｈ ｔ；コイルへの通電時間（ｈ） ｇ；重力の加速度（ｍ／畠） β；雰囲気ガスの膨張係数 シ：同上の動粘性係数（ｍ／ｓ） ｔ：巻鉄心の代表長さくｍ） Ｐｒ；プラントル数 θω：断熱部材表面壁温（Ｃ） θω；静止雰囲気ガス温度（’Ｃ） ＡＣ；対流による放熱面積（悄） Ａｒ：輻射による放熱面積（ｍ２） Ｃ：巻鉄心の比熱（ｋａＩｔ／ｋｇ℃）θｍ巻鉄心平均
温度（℃） δ；断熱部材厚さくｍ） λ；断熱部材熱伝導率（ｋ−レ’ｍ　ｈ　℃）ω；熱流
密度（ｋｍ／ｈ−ｍ　） である。

これらの各式かられかるように、巻鉄心平均温度θｍを
４００℃程度に昇温させるため発熱量Ｑ１を有効に蓄熱
量Ｑａに供するには放熱量Ｑ！を小さくすればよい。従
って、断熱部材１３．１４により巻鉄心１１における放
熱を抑えれば、発熱量を巻鉄心１１内部に有効に蓄熱す
ることができる。

断熱部材１３．１４は表面温度θωを“低くするために
熱伝導率λの小さい材料で、しかも熱的に４００℃に耐
え得る材料を使用する。例えば前記の実施例で用いたセ
ラミックス繊維は、耐熱的には充分であり、熱伝導率が
アルミナとシリカの組成比率により異るが４００℃近く
で０．０５〜０．１３　（ｋｃｏ！／ｍｂ’ｃ）と小さ
く、充分層温度降下が期待できる。

この温度降下量については、たとえば巻鉄心１１の断面
寸法を０．１　（ｍ）　Ｘ　Ｑ、１　（ｍ）　、巻鉄心
発熱量を５００ｋａｔ／ｈ２ｋｇとしえときに断熱部材
厚さδ＝　０．００２　’（ｍ）で約３００　ｄｏｇの
温度降下量となる。このため、断熱部材１３．１４の表
面温度θωが約１００℃以下となり、（３）式よシ巻鉄
心１１からの放熱量が約１／４となって、発熱量が有効
に巻鉄心１１の内部に蓄熱されることになる。

このように断熱部材１３．１４が巻鉄心１１の発熱を巻
鉄心１１内部に蓄熱すると、（２）式より鉄心単位重量
Ｗ１単位時間嶋シの発熱量ｑ１夫々を一定とした場合に
、巻鉄心１１を４０゛０℃程度まで昇温させるに必要な
仮巻コイル１６への通電時間ｔが大幅に短縮されて焼鈍
を能率的に行なえる。また仮巻コイル１６への通電時間
ｔを一定とした場合には、前述の発熱量ｑ１を小さくで
きｑ１＝ｆｎ−Ｂｎであることによって周波数ｆが低く
てもよく、また同一鉄心重量の場合には電源容量が小さ
な設備で良いという利点がある。ま丸巻鉄心１１の放熱
量が減少すると、鉄心内部の温度分布がよシ均−化され
る。

さらに断熱部材１３．１４の表面温度を低く抑制、すな
わち前記のように絶縁物の耐熱温度以下となるように抑
制することができるので、巻鉄心ＪＪ、ＪＪに巻回した
変圧器コイル１５をはじめとする巻鉄心１”’１　、１
１に近接する絶縁物の熱的損傷を防止でき、これら絶縁
物に耐熱グレードの高いものを使用する必要が表い。

さらに巻鉄心Ｊ１の表面を覆う断熱部材１３゜１４は、
焼鈍により脆化した巻鉄心１１の非晶質磁性合金薄板１
２を補強し保護する役目を有している。このため、変圧
′器中身として組立てた巻鉄□心１１に対して外方が加
わった場合に、非晶質磁性合金薄板１２．が破損するこ
とを防止でき、薄板の破片による絶縁破壊を防止できる
。

さらにまた断熱部材１３．１４は、非晶質磁性合金薄板
１２からなる巻鉄心１１から発生する騒音を吸音および
遮音する役目を有している。

すなわち、非晶質磁性合金薄板は従来のけい素鋼板に比
べて磁気歪が大きいの１、この磁気歪、が起因して巻鉄
心１１が騒音を発生する。一般に吸音作用は空気の粒子
運動による摩擦と吸音層の振動による機械的損失即ち、
音の一部が熱エネルギーに変換されるものであシ、断熱
材繊維からなる断熱部材１３．１４は繊維間に多量の微
空間を有しているために、吸音率も高く巻鉄心１１表面
と相対する部材間の音の乱反射による音圧上昇を小さく
できる。また断熱部材ＩＢ、１４の遮音作用としては、
質量法則にょシ面密度に応じた透過損失による減音があ
シ、上記の吸音作用と合せ騒音を低減できる利点を断熱
部材“１３　、　Ｚ　’４は有している。このことは変
圧器運転時のみならず巻鉄心１１を高周波励磁により焼
鈍する時−発生する騒音を低減できる効果も得られ、特
に周波数の高い領域でその効果は顕著である＝ 第３図は巻鉄心（１の一面を覆う断熱部−の他の実施例
を示している。第３図（＆）で示す断熱部＠２３は、巻
鉄心１１の外周面および両端兜を覆うもので２分割型と
なっている。第３図（ｂ）で示す断熱部材２４は巻鉄心
１１の内周面を覆うものである。　　　　。

断熱部材はセラミックス繊維で形成するものに限らず、
ガラス繊維、ロックウール繊維、アスベストなどの耐熱
性を有する断熱材で形成することもできる。また、断熱
部材は、第２図および第３図で示す成形品に限らず、テ
ープ状のものを巻鉄心１ノに巻付けたシ、シート状のも
のを巻鉄心１１に被せることにより構成しても良い。

なお、前述した実施例では巻鉄心を高周波励磁するため
に、巻鉄心に仮巻した仮巻コイルを用いているが、これ
に限定されず巻鉄心に巻回した変圧器コイルを利用して
も良い。但し、この場合高圧用では変圧器フィルの絶縁
の問題が生じるので、低圧用の変圧器に採用することが
可能である・ また巻鉄心を冷却する時に巻鉄心に直流磁界を付与する
ためには仮巻コイルを利用する方法の他に、変圧器コイ
ルを利用することも可能であ少いさらに巻鉄心を加熱さ
せる過程から巻鉄心に直流磁界を付与することも可能で
ある。

焼鈍を行なう鉄心は巻鉄心に限定されず、非晶質磁性合
金薄板を積層してなる積層鉄心も対象にして同等の効果
を得ることができる。

焼鈍を行なう場合には、鉄心に変圧器コイルを巻回して
おくことが品質上および製造上有利である。しかし必ず
しもこれに限らず、鉄心に変圧器コイルを巻回しないで
焼鈍することも可〔発明の効果〕 以上説明したように本発明の鉄心の製造方法によれば、
非晶質磁性合金薄板からなる鉄心を励磁して鉄心自身を
発熱させることにより、鉄心を均一な温度分布で昇温さ
せて焼鈍を行ない、焼鈍による巻鉄心における非晶質磁
性合金薄板の磁気特性の低下を防止でき、特に鉄心を覆
う断熱部材の断熱作用により焼鈍を迅速に行なうことが
できる。また、鉄心を励磁して発熱させ、しかも鉄心を
覆う断熱部材の断熱作用により、鉄心に変圧器フィルを
巻回した状態でも変圧器コイルを損傷することなく焼鈍
を行なうことが可能であシ、焼鈍後に行なう組立工程の
数を減少し、非晶質磁性合金薄板の脆化による破損を防
止できる。従って、磁気特性に優れた品質の良い鉄心を
得ることができる。さらに、断熱部材は鉄心を補強して
剛性をもたせ、また鉄心から発生する騒音を低減する効
果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法の一実施例を示す説明図、第
２図（＆）　、　（ｂ）は各々同実施例に用いる断熱部
材を示す剰視図、第３図（ａ）　（ｂ）は各々断熱部材
の他の例を示す斜視図、第４図は従来の鉄心の焼鈍方法
を示す説明図である。 １・・・鉄心、２・・・非晶質磁性合金薄板、１ノ・・
・巻鉄心、１２・・・非晶質磁性合金薄板、１３゜１４
・・・断熱部材、１５・・・変圧器コイル、１６・・・
仮巻コイル、１８・・・交流電源、１９・・・直流電源
。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２因 ＜ａ）（ｂ’）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非晶質磁性合金薄板からなる鉄心の外表面を断熱部材で
   覆い、この鉄心に巻回したコイルに励磁用交流電流を通
   して前記鉄心を励磁し、この励磁に伴い前記鉄心に生ず
   る損失により前記鉄心自身を発熱させて焼鈍を行なうこ
   とを特徴とする鉄心の製造方法。