KR101526033B1 - 정지유도기기용 철심과 원통모양 철심 - Google Patents

Abstract

변압기 또는 리액터 등의 정지형 전자유도의 원형철심의 단면 전역에서의 틈새를 저감함과 아울러, 외주면에서의 누설자속에 수반하는 철손을 억제하는 것으로, 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부(211)를 가지는 복수의 자성강판(21)을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C)를 동심원 모양으로 적층하여 형성된 복수의 철심블록(2)을 구비한다.

Description

정지유도기기용 철심과 원통모양 철심{IRON CORE FOR STATIONARY INDUCTION APPARATUS AND CYLINDRICAL IRON CORE}

본 발명은 변압기 또는 리액터(reactor) 등의 정지(靜止)유도기기 및 유도발열 롤러장치 등의 유도가열기기에 이용되는 원형철심(원통모양 철심)에 관한 것이다.

변압기나 리액터 등의 정지유도기기에서 자로(磁路)가 되는 철심의 손실은 기기의 효율저하 및 발열의 원인이 되고 있어, 그 저감이 큰 과제이다. 특히, 누설자속(磁束)에 의한 철심의 와(渦)전류손실은 큰 비율을 차지하며, 이 와전류에 의해 철심이 발열해 버려, 기기의 효율을 저하시켜 버린다. 또, 이것에 감겨 있는 유도코일의 효율저하, 절연저하를 초래하는 요인이 된다. 또한, 와전류의 크기는 자속이 수직으로 들어가는 자성강판의 폭 또는 판두께의 제곱에 비례하여 커지는 것이 알려져 있다.

이 정지유도기기에서 철심에 감아 장착하는 코일도선의 길이를 짧게 하기 위해서 등의 이유로부터 철심을 원기둥 모양으로 하는 경우가 있다. 이 때, 정지유도기기용 철심으로서 폭 치수가 다른 평탄한 자성강판을 적층하여 원기둥 모양으로 구성하는 적(積)철심(특허문헌 1 참조), 평탄한 자성강판을 적층하고, 이것을 둥글게 감아 원기둥 모양으로 구성하는 권(卷)철심(특허문헌 2 참조), 평탄한 자성강판을 방사상으로 적층하여 원기둥 모양으로 구성하는 래이디얼(radial) 철심(특허문헌 3 참조)이 있다. 또한, 이들 철심에서 적당한 자속밀도를 설정하여 소망의 리액턴스를 얻기 위해서 철심 사이에 자기갭을 마련하는 경우가 있다(특허문헌 2 참조).

그렇지만, 특허문헌 1에 나타내는 적철심에서는 정원(正圓)에 가깝게 하기 위해서 폭 치수가 다른 자성강판의 종류를 늘릴 필요가 있어, 제조비용이 높아져 버리거나, 조립작업이 번잡하게 되어 버리는 등의 문제가 있다. 또, 자기갭을 마련한 경우, 당해 갭 근방의 철심에서 지름방향으로 관통하여 외부로 방출되는 누설자속이 증대하지만, 이 누설자속에 의해 와전류가 발생해 버려, 철심이 발열해 버린다고 하는 문제가 있다.

또, 특허문헌 2에 나타내는 권철심에서는 최외주에 설치된 강판의 평면부의 전부가 노출하는 구조가 되어, 누설자속의 관통에 의해 발생하는 와전류의 최대값이 커서, 철손(鐵損)이 증대해 버린다고 하는 문제가 있다. 또, 자기갭을 마련한 경우에, 이 문제는 현저하게 되어 버린다.

또한, 특허문헌 3에 나타내는 래이디얼 철심에서는 누설자속이 통과하는 것은 강판의 단면으로서, 와전류를 작게 할 수 있어 철심의 발열량을 저감시킬 수 있지만, 가는 폭의 자성강판을 일정한 원주에 따라서 방사상으로 늘어놓는 작업은 지극히 번거롭다. 또, 각 자성강판의 내단(內端)을 빽빽하게 늘어놓아도 인접하는 자성강판의 외단의 사이에는 공극(空隙)이 형성되어 버린다. 이 때문에, 철심의 점적률(占積率)을 향상시키기 위해서는, 다른 가는 폭의 자성강판을 그 공극에 끼워 넣는 등 하여, 그 공극을 매립하는 등의 작업이 필요하다.

그런데, 정지유도기기에 이용되는 것은 아니지만, 유도발열 롤러장치라고 하는 유도발열기기에 이용되는 철심으로서, 특허문헌 4에 나타내는 바와 같이, 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부를 가지는 좁은 폭의 자성강판을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 원통모양 철심이 본 출원인에 의해서 고려되고 있다. 이것에 의하면, 누설자속이 자성강판을 관통하는 것에 의한 와전류의 발생을 작게 할 수 있어, 철심의 발열량을 저감시키는 것이 가능하게 된다.

이 원통모양 철심은 좁은 폭의 자성강판을 겹쳐 쌓기 때문에, 자로가 되는 유효 단면적이 작다고 하는 문제가 있어, 점적률을 향상시킨다고 하는 관점에서 말하면, 단순하게 자성강판의 폭 치수를 크게 하는 것을 고려할 수 있다. 그렇지만, 단순하게 폭 치수를 크게 하면 외경이 커지기 때문에 이용되는 용도가 한정되어 버린다고 하는 문제가 있다. 또, 외경을 작게 하기 위해서는, 자성강판을 지름방향에 대해서 가급적 경사지도록 마련하는 것도 생각할 수 있지만, 그렇게 하면, 자성강판의 외부에 노출하는 평면 부분의 면적이 커져 버려, 와전류의 발생을 막을 수 없다고 하는 문제가 있다.

특허문헌 1 : 일본국 실개소62-30317호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특개2001-237124호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특개평5-109546호 공보 특허문헌 4 : 일본국 특개2000-311777호 공보 특허문헌 5 : 일본국 특개평9-232165호 공보 특허문헌 6 : 일본국 등록실용신안 2532986호 공보

그래서 본 발명은 상기 문제점을 일거(一擧)에 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 점적률의 향상 및 와전류의 저감에 의해, 철손 등의 철심의 자기특성의 저하를 가급적 억제하는 것을 그 주된 소기 과제로 하는 것이다.

즉 본 발명에 관한 정지유도기기용 철심은 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부를 가지는 복수의 자성강판을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 복수의 원통모양 철심요소를 동심원 모양으로 적층하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

구체적인 실시형태로서는, 상기 원통모양 철심요소가 원지름의 지름방향에 일정한 곡률로 만곡하고, 상기 지름방향에 대해서 직경의 1/4폭 이하로 한 복수의 자성강판을 겹쳐 쌓아 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 자성강판을 지름방향에 대해서 직경의 1/4폭 이하로 하고 있으므로, 원통모양 철심요소를 동심원 모양으로 지름방향으로 순차 적층하여 구성하므로, 만곡한 자성강판에 의한 단면적이 큰 원형철심을 간단하게 만들 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 철심블록이 원통모양 철심요소를 동심원 모양으로 복수 적층하여 형성된 것으로, 원형철심의 단면 전역의 틈새를 저감하여 점적률을 향상시킬 수 있어, 철손을 저감할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 정지유도기기용 철심은 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부를 가지는 복수의 자성강판을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 복수의 원통모양 철심요소를 동심원 모양으로 적층하여 형성된 복수의 철심블록과, 상기 철심블록 사이에 마련된 자기갭을 구비하는 구성으로 한 이용방법에서 그 효과가 커진다. 이렇게 하면, 갭부재에 의해서 자로 중의 자기저항을 증감시켜 소망의 리액턴스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 자기저항을 크게 한 경우에 지름방향으로 관통하는 누설자속의 자속량은 증가하지만, 이 누설자속은 등가적으로 대략 방사상으로 설치된 자성강판의 폭방향에 따라서 통과하게 되어, 와전류를 저감할 수 있다. 또한, 자성강판을 어긋나게 겹쳐 쌓아 형성된 철심블록 사이에 자기갭을 형성하는 구성에 의해, 제조의 간단화 및 제조비용의 삭감을 실현할 수 있다.

또, 자기갭의 형성을 간단하게 하여, 정지유도기기용 철심의 조립을 한층 간단하게 하기 위해서는, 상기 자기갭이 비자성체로 이루어지는 갭부재를 상기 철심블록 사이에 끼워 넣음으로써 형성되어 있는 것이 바람직하다.

최대 와전류값을 가급적 작게 하기 위해서는, 상기 철심블록의 지름방향 최외측에 마련된 원통모양 철심요소를 구성하는 자성강판의 적층 측 측면에서의 외부노출부의 폭방향 길이가 상기 자성강판의 판두께 이하인 것이 바람직하다.

외부노출부의 폭방향 길이 s를 상기 자성강판의 판두께 t 이하로 하기 위한 구체적인 실시형태로서는 상기 철심블록의 지름방향 최외측에 마련된 원통모양 철심요소의 내경 Φ_A, 외경 Φ_B 및 상기 자성강판의 판두께 t가,

(여기서, α는 원통모양 철심요소의 내측 원의 지름방향에 대한 자성강판의 경사각도이며, θ'는 인접하는 자성강판의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심이 이루는 중심각도이다. 또한, 삼각함수의 단위는 라디안(rad)이다.)에서,

상기 중심각도 θ'가 상기 자성강판의 경사각도가 제로인 경우의 중심각도 θ₀와 동일하게 될 때의 자성강판의 경사각도 α를 θ_X로 하고,

자성강판의 경사각도 α가 θ_X 이하인 경우에는,

자성강판의 경사각도 α가 θ_X보다도 큰 경우에는 상기 (식 1)을 만족하는 중심각도 θ'를 이용하여

의 관계를 이루는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 점적률의 향상 및 와전류의 저감에 의해, 철손 등의 철심의 자기특성의 저감을 가급적 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 정지유도기기용 철심의 사시도이다.
도 2는 같은 실시형태의 정지유도기기용 철심의 평면도이다.
도 3은 같은 실시형태의 자성강판을 나타내는 단면도이다.
도 4는 외부노출부 및 자성강판의 판두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 자성강판의 폭방향 내경 측 단부를 나타내는 확대 모식도(θ_21a = 0)이다.
도 6은 외부노출부의 폭방향 길이 및 자성강판의 판두께를 동일하게 한 경우의 외측각 a - c의 거리를 나타내는 도면이다.
도 7은 자성강판의 폭방향 내경 측 단부를 나타내는 확대 모식도(0 < θ_21a)이다.
도 8은 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 각도 θ_X의 도출을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 자성강판의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 12는 제2 실시형태의 원통모양 철심을 이용한 유도발열 롤러장치의 모식적 구성도이다.
도 13은 같은 실시형태의 원통모양 철심의 단면도이다.
도 14는 같은 실시형태의 자성강판을 나타내는 단면도이다.
도 15는 외부노출부 및 자성강판의 판두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 제2 실시형태의 원통모양 철심을 이용한 리액터의 모식적 구성도이다.
도 17은 편지지식의 유도발열 롤러장치의 모식적 구성도이다.
도 18은 종래의 적철심의 구성을 나타내는 단면도이다.

<제1 실시형태>

다음으로, 본 발명에 관한 정지유도기기용 철심(1)의 일실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도 1은 본 실시형태의 정지유도기기용 철심(1)의 구성의 대략을 나타내는 사시도이며, 도 2는 정지유도기기 철심(1)의 평면도이다.

본 실시형태에 관한 정지유도기기용 철심(1)은, 예를 들면 리액터 또는 변압기에 이용되는 원형철심이며, 도 1에 나타내는 바와 같이, 복수의 철심블록(2)과, 이들 철심블록(2) 사이에 마련되는 자기갭(3)을 구비한다.

철심블록(2)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 복수(본 실시형태에서는 3개)의 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C)를 동심원 모양으로 지름방향으로 적층하여 형성된 것이다. 지름방향에서 인접하는 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C)는 접촉하여 설치되어 있다. 즉, 인접하는 한쪽의 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C)의 외경과 인접하는 다른 쪽의 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C)의 내경은 대략 동일하다. 구체적으로, 3개의 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C) 가운데, 내경 측에 설치되어 있는 철심요소를 제1 철심요소(2A), 중간에 설치되어 있는 철심요소를 제2 철심요소(2B), 외경 측에 설치되어 있는 철심요소를 제3 철심요소(2C)로 하는 경우에, 예를 들면 제1 철심요소(2A)의 외경과 제2 철심요소(2B)의 내경은 대략 동일하다. 또한, 각 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C) 사이에는 절연층(미도시)이 마련되어 있다.

원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 복수의 자성강판(21)을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 원통형으로 형성된 것이다.

자성강판(21)은 길이가 긴 형상을 이루는 것으로, 도 3에 나타내는 바와 같이, 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부(211)를 가진다. 이 자성강판(21)은, 예를 들면 표면에 절연피막이 시행된 규소강판에 의해 형성되어 있고, 그 판두께는, 예를 들면 약 0.3㎜이다.

만곡부(211)는 전체에 걸쳐 일정한 곡률로 만곡하고 있는 것, 또는, 연속하여 곡률이 변화하면서 만곡하는 것을 고려할 수 있으며, 예를 들면 인벌류트(involute) 곡선의 일부를 이용한 인벌류트 형상, 부분 원호형상 또는 부분 타원 형상 등을 고려할 수 있다.

그리고, 자성강판(21)의 만곡부(211)에 의해 형성된 오목부에 다른 자성강판(21)의 만곡부(211)에 의해 형성된 볼록부를 끼워넣도록, 또한 각 자성강판(21)이 폭방향으로 어긋나도록 하여, 동일 형상을 이루는 다수 매의 자성강판(21)을 겹친다. 이 때, 자성강판(21)의 폭방향 단부(21a, 21b)가 인접하는 자성강판(21)의 오목 측 측면 또는 볼록 측 측면으로 접촉하도록 하고 있다. 이와 같이 하여 원통 형상을 이루는 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C)가 형성된다.

자기갭(3)은 비자성체로 이루어지는 갭부재를 철심블록(2) 사이에 철심블록(2)이 대략 동축이 되도록 끼워 넣음으로써 형성되어 있다. 갭부재는 알루미늄, 세라믹, 유리 등의 비자성체로 형성되어 있고, 평판 모양을 이루는 것이라도 되며, 기둥 모양을 이루는 것이라도 된다. 본 실시형태에서는 상기 철심블록(2)의 평면시(平面視)에서의 형상과 대략 동일 형상의 링 모양을 이룬다.

다음으로, 본 실시형태의 정지유도기기용 철심(1)의 제조방법에 대해서 설명한다.

소정의 외경을 가지는 원기둥 부재 또는 원통 부재(이하, 원기둥 부재 등이라 함.)를 준비하고, 그 외측 주위면에 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)를 맞닿게 하면서, 외측 주위면을 따라서 차례차례 겹쳐서 제1 철심요소(2A)를 형성한다. 그리고, 이 제1 철심요소(2A)를 스트레스 릴리빙 어닐링 처리 후, 바니시(varnish)나 절연물 등에 의해 고정 및 절연처리를 시행한다. 다음으로, 고정 및 절연처리를 시행한 제1 철심요소(2A)의 외측 주위면에 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)를 맞닿게 하면서, 제1 철심요소(2A)의 외측 주위면을 따라서 차례차례 겁쳐서 제2 철심요소(2B)를 형성한다. 이 형상을 유지한 채로 제2 철심요소(2B)로부터 제1 철심요소(2A) 및 원기둥 부재 등을 빼내고, 제2 철심요소(2B)를 스트레스 릴리빙 어닐링 처리한 후, 다시 제1 철심요소(2A)를 제2 철심요소(2B) 내에 삽입해, 제2 철심요소(2B)를 제1 철심요소(2A)의 외측 주위면을 따라서 적층한다. 그리고 바니시나 절연물 등에 의해 고정 및 절연처리를 시행함으로써, 제1 철심요소(2A) 및 제2 철심요소(2B)에 의한 2층 철심이 형성된다. 또한, 다층 형성하는 경우에는, 제2 철심요소(2B)의 외측 주위면에 상기의 공정을 반복하여 시행함으로써, 임의의 층수의 철심블록(2)을 형성할 수 있다. 이와 같이 하여 형성된 철심블록(2) 사이에 갭부재를 개재시켜 각 철심블록(2)이 대략 동축이 되도록 겹쳐 쌓아 고정함으로써 정지유도기기용 철심(1)이 형성된다.

얻어진 정지유도기기용 철심(1)은 이것을 구성하고 있는 자성강판(21)이 등가적으로 방사상으로 늘어놓은 것이 되고, 이 정지유도기기용 철심(1)의 외주에 코일을 감아 장착하여도 단락전류가 발생하지 않으며, 또 누설자속은 방사상 철심과 마찬가지로 자성강판(21)의 내부를 그 폭방향에 따라서 통과하게 되어, 자성강판을 그 두께방향으로 통과하지 않게 된다. 이것에 의해 누설자속에 의한 와전류의 발생이 억제된다. 또, 철심의 단면이 대략 정원이 되므로, 감아 장착하는 코일도선의 길이를 보다 짧게 할 수 있어 자원절약을 도모할 수 있다.

그러나, 본 실시형태의 정지유도기기용 철심(1)은, 도 4의 부분 확대도에 나타내는 바와 같이, 철심블록(2)의 지름방향 최외측에 마련된 원통모양 철심요소( 제3 철심요소)(2C)를 구성하는 자성강판(21)의 적층 측 측면에서의 외부노출부(21x)의 폭방향 길이 s가 자성강판(21)의 판두께 t 이하가 되도록 자성강판(21)을 적층하고 있다. 즉, 자성강판(21)의 판두께 t가 0.3㎜이면, 외부노출부(21x)의 폭방향 길이 s는 0.3㎜ 이하가 되도록 하고 있다.

자성강판(21)의 적층 측 측면은 인접하는 자성강판(21)과 대향하는 측면(21m, 21n) 가운데, 만곡부(211)의 볼록 측 측면(21n)이다. 그리고, 이 적층 측 측면에서 접촉하는 자성강판(21)의 폭방향 외경 측 단부(21b)보다도 외측에 형성되는 면이 외부노출부(21x)이다.

또한, 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 폭방향 내경 측 단부(21a)의 중심선의 기울기가 제3 철심요소(2C)의 내측 원의 지름방향에 대해서 경사각도 θ_21a를 가지도록 마련되어 있다. 즉, 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)가 인접하는 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)로부터 외경방향을 향하여 판두께 t 이하의 위치에 접촉하도록 마련되어 있다.

또 본 실시형태의 제3 철심요소(2C)는 제3 철심요소(2C)의 내경 Φ_A, 외경 Φ_B 및 상기 자성강판(21)의 판두께 t가,

(여기서, α는 제3 철심요소(2C)의 내측 원의 지름방향에 대한 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a이며, θ'는 인접하는 자성강판(21)의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심이 이루는 중심각도이다. 또한, 삼각함수의 단위는 라디안(rad)이다.)에서, 상기 중심각도 θ'가 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 제로인 경우의 중심각도 θ₀와 동일하게 될 때의 자성강판(21)의 경사각도 α(= θ_21a)를 θ_X로 하고, 자성강판(21)의 경사각도 α가 θ_X 이하인 경우에는,

자성강판(21)의 경사각도 α가 θ_X보다도 큰 경우에는, 상기 (식 1)을 만족하는 중심각도 θ'를 이용하여

의 관계가 되도록 구성되어 있다.

이 관계식 (식 2) 및 관계식 (식 3)은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 외부노출부(21x)의 폭방향 길이 s와, 자성강판(21)의 판두께 t가 s≤t가 되는 제3 철심요소(2C)의 내경 Φ_A 및 외경 Φ_B의 관계를 나타내는 것이다. 여기서, 제3 철심요소(2C)의 내경 Φ_A는 각 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)에 내접하는 원의 직경이며, 제3 철심요소(2C)의 외경 Φ_B는 각 자성강판(21)의 폭방향 외경 측 단부(21b)에 외접하는 원의 직경이다(도 2 참조).

간단하게 하기 위해 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)가 제3 철심요소(2C)의 내경 Φ_A에 대해서 수직으로(폭방향 내경 측 단부(21a)의 중심선의 경사각도 θ_21a가 제로(θ_21a = 0)) 하여 그 설명도를 도 5에 나타낸다. 이 때, 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)의 모서리 및 원중심(O)을 잇는 직선과 자성강판(21)의 중심선(직선으로 간주하고 있다.)과의 이루는 각도를 θ₀/2(rad)로 하면, 다음의 관계식이 성립된다.

자성강판(21), 한 장당의 중심각도는, θ₀가 되고, 내경 Φ_A의 제3 철심요소(2C)의 자성강판(21)의 매수를 N₀로 하여, 각 자성강판(21)의 폭방향 내경 측 단부(21a)를 서로 접촉시켜 틈새 없이 빽빽하게 배치한 경우에는,

가 된다.

또, 도 6에 나타내는 바와 같이, 외부노출부(21x)의 폭방향 길이 s가 판두께 t와 동일하게 한 경우에는, 자성강판(21)의 폭방향 외경 측 단부(21b)의 정점 a 및 정점 c 사이의 거리는 근사적으로 φ_Bπ/N₀가 된다. 여기서, 직각 이등변 삼각형 abc에서,

이 된다.

여기서, (식 5)를 (식 6)에 대입하여,

양변을 정리하면,

이 된다.

그리고, (식 7)에 (식 4)의 변형식 θ₀/2 = tan^{- 1}(t/Φ_A)를 대입하면, 상기 관계식 (식 2)에서의 등호식이 얻어진다.

다음으로, 경사각도 θ_21a가 제로(θ_21a = 0)의 경우에, s<t가 되기 위한 조건을 고려한다.

이 때, 직각 삼각형 abc에서,

이 된다.

여기서, (식5)를 (식8)에 대입하면,

가 된다.

그리고, (식9)에 (식4)의 변형식 θ₀/2 = tan^{- 1}(t/Φ_A)를 대입하면, 상기 관계식 (식2)에서의 부등식이 얻어진다.

또, 경사각도 θ_21a가 0 < θ_21a < θ_X인 경우에, s=t가 되기 위한 조건을 고려한다.

여기서, 우선 각도 θ_X에 대해서 설명한다. 이 각도 θ_X는 인접하는 자성강판(21)의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심(O)과의 이루는 각도를 θ'가 중심각도 θ₀와 동일하게 될 때의 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a이며,

에서 중심각도 θ'가 중심각도 θ₀와 동일하게 될 때의 자성강판(21)의 경사각도이다. 이 θ_X는 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 0<θ_21a<θ_X의 경우에는 각도 θ'는 중심각도 θ₀보다도 작다. 한편, 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 θ_X<θ_21a의 경우에는 각도 θ'는 중심각도 θ₀보다도 크다. 또한, (식1) 및 θ_X의 도출에 대해서는 마지막에 설명한다.

이 때, 자성강판(21)의 적층 매수를 N＇로 하면, N＇>N₀이며, 도 7에 나타내는 바와 같이, 인접하는 자성강판(21)의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심(O)과의 이루는 각도를 θ'로 하면, θ'<θ₀이다.

그렇게 하면,

또,

이 된다.

(식 10) 및 (식 11)로부터,

양변을 정리하면,

가 된다.

이 (식 12)는,

가 된다.

즉, 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 0<θ_21a<θ_X의 범위에서 s=t가 되기 위한 외경 Φ_B를 만족하는 범위는 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 θ_21a = 0인 경우의 s=t가 되기 위한 외경 Φ_B를 만족하는 범위를 포함한다. 따라서, 내경 Φ_A, 외경 Φ_B 및 판두께 t가 상기 관계식 (식 2)의 부등식을 만족하는 경우에는, 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 0<θ_21a<θ_X의 범위에 있는 경우에도 s=t로 할 수 있다.

다음으로, 경사각도 θ_21a가 0<θ_21a<θ_X인 경우에, s<t가 되기 위한 조건을 고려한다.

이 때, 직각 삼각형 abc에서,

이 된다.

(식11)을 (식13)에 대입하면,

가 된다.

이 (식14)는,

가 된다.

즉, 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 0<θ_21a<θ_X의 범위에서 s<t가 되기 위한 외경 Φ_B를 만족하는 범위는 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 θ_21a=0인 경우의 것 s<t가 되기 위한 외경 Φ_B를 만족하는 범위를 포함한다. 따라서, 내경 Φ_A, 외경 Φ_B 및 판두께 t가 상기 관계식 (식2)의 부등식을 만족하는 경우에는, 자성강판(21)의 경사각도 θ_21a가 0<θ_21a<θ_X의 범위에 있는 경우에도 s<t로 할 수 있다.

다음으로, 경사각도 θ_21a가 θ_21a=θ_X인 경우에, s=t, s<t가 되기 위한 조건을 고려한다. 이 때, θ_X=θ₀이므로, 각각의 경우에, 상술하면 θ_21a=0의 경우에서의s=t, s<t이 되기 위한 조건과 같다.

다음으로, 경사각도 θ_21a가 θ_X보다도 큰(θ_21a>θ_X) 경우에, s=t가 되기 위한 조건을 고려한다.

이 때, 자성강판(21)의 적층 매수를 N＇로 하면, N＇<N₀이며, 도 7에 나타내는 바와 같이, 인접하는 자성강판(21)의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심(O)과의 이루는 각도를 θ'로 하면, θ'>θ₀이다. 또, 정점 A 및 정점 A＇의 거리를 가상 판두께 t＇로 하면,

따라서,

또,

이 된다.

(식 16) 및 (식 17)로부터,

양변을 정리하면,

이 된다.

(식 18)을 (식 15)에 대입하면,

가 된다.

여기서, 삼각형 OAA＇에서 여현(餘弦, 코사인) 정리에 의해,

이고,

이 된다.

그리고, (식 19)에 (식 20)을 대입하면, 상기 관계식 (식 3)에서의 등호식이 얻어진다.

다음으로, 경사각도 θ_21a가 θ_X보다 큰(θ_21a>θ_X) 경우에, s<t가 되기 위한 조건을 고려한다.

이 때, 직각 삼각형 abc에서,

이 된다.

(식17)을 (식21)에 대입하면,

가 된다.

그리고, (식22)에 (식15) 및 (식20)을 대입하면, 상기 관계식 (식3)에서의 부등식이 얻어진다.

이상으로부터, 상기 관계식을 만족하는 제3 철심요소(2C)의 내경 Φ_A, 외경 Φ_B, 판두께 t를 선택함으로써, s≤t가 되는 제3 철심요소(2C)를 제작할 수 있다.

구체적인 예로서, 자성강판(21)의 경사각도 α가 θ_X 이하인 경우에, 예를 들면 제3 철심요소(2C)의 내경 Φ_A를 550(㎜), 외경 Φ_B를 600(㎜) 및 자성강판(21)의 판두께 t를 0.3(㎜)로 한 경우에는, 외경 Φ_B(=600)<777.8≒√2×0.3/(tan^-1(0.3/550))이 된다. 따라서, 자성강판(21)의 경사각도 α가 θ_X 이하의 조건하에서 판두께 t가 0.3(㎜)의 자성강판(21)을 이용하여, 내경 Φ_A 550(㎜), 외경 Φ_B 600(㎜)의 제3 철심요소(2C)를 제작한 경우, 외부노출부(21x)의 폭방향 길이 s가 판두께 t보다도 작은 제3 철심요소(2C)가 가능하다.

또, 자성강판(21)의 경사각도 α가 θ_X보다도 큰 경우에, 예를 들면 제3 철심요소(2C)의 내경 Φ_A를 550(㎜), 외경 Φ_B를 600(㎜), 자성강판(21)의 판두께 t를0.3(㎜) 및 상기 (식1)로부터 구해지는 가상 판두께 t＇가 0.35(㎜)인 경우, 외경 Φ_B(=600)<666.7≒√2×0.3/(tan^-1(0.35/550))이 된다. 따라서, 자성강판(21)의 경사각도 α가 θ_X보다도 큰 조건하에서, 판두께 t가 0.3(㎜)의 자성강판(21)을 이용하여, 내경 Φ_A 550(㎜), 외경 Φ_B 600(㎜)의 제3 철심요소(2C)를 제작한 경우에, 외부노출부(21x)의 폭방향 길이 s가 판두께 t보다 작은 제3 철심요소(2C)가 가능하다.

또한, s=t로 한 경우의 내경 Φ_A 및 외경 Φ_B의 관계를 나타내기 위해서, 도 8에 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이 도 8은 외경 Φ_B를 60으로 고정하여, 인벌류트 곡선(x = a(cosθ+θsinθ), y = a(sinθ-θcosθ))에서, 계수 a를 변화시켰을 경우에서의 내경 Φ_A의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, s=t가 되기 위한 θ는 1.25π, 3.25π, 5.25π이다.

이 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 외경 Φ_B가 60인 경우, 내경 Φ_A의 최소값은 약 42.6(=21.3×2)이 된다. 즉, s=t으로 하기 위한 내경/외경의 비는, Φ_A/Φ_B > 42.6/60=0.71이다.

또한, 2s=t로 한 경우의 내경 Φ_A 및 외경 Φ_B의 관계를 나타내기 위해서, 도 9에 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이 도 9는, 상기도 8과 마찬가지로, 외경 Φ_B를 60으로 고정하여, 인벌류트 곡선(x = a(cosθ+θsinθ), y = a(sinθ-θcosθ))에서 계수 a를 변화시킨 경우에서의 내경 Φ_A의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 2 s=t가 되기 위한 θ는 1.25π, 3.15π, 5.15π이다.

이 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 외경 Φ_B가 60인 경우, 내경 Φ_A의 최소값은 약 53.7(= 26.85×2)이 된다. 즉, 2s=t로 하기 위한 외경/내경의 비는, Φ_A/Φ_B > 53.7/60=0.895이다. 이와 같이, 시뮬레이션의 결과로부터, s≤t가 되기 위한 내경/외경의 비는, Φ_A/Φ_B > 0.71인 것이 필요하다고 생각된다.

마지막으로, 각도 θ_X의 도출에 대해서 도 10을 참조하여 설명한다. 우선, 기하학적 정보를 해석학적으로 기술한다.

도 10에 나타낸 제1 자성강판의 점 A(R(=Φ_A/2), 0)을 통과하는 면 L₁을

L₁ : f(x, y) = 0

으로 둔다.

또, 제1 자성강판에 인접하는 제2 자성강판의 면 L₂는 중심의 회전각 θ'를 이용하여,

L₂ : g(f(x, y), θ') = 0

으로 나타낼 수 있다.

이 면 L₂가 제1 자성강판과 점 B(x_b, y_b)에서 접하고 있는 것으로부터,

g(f(x_b, y_b), θ') = 0

이 성립한다.

이하, 면 L₁, L₂의 단면 형상이 직선이라고 가정한다. L₁과 x축과의 이루는 각도를 α로 두면, 기하학적으로 함수 f는 다음 식이 된다.

L₁ : f(x,y) = y-(x-R)tan(-α) = 0

따라서, L₂는 다음 식이 된다.

L₂ : g(f(x,y), θ') = y-Rsinθ'(s-Rsinθ')tan(θ'-α) = 0

또, 강판의 두께를 t로 하면, 점 B의 좌표는 (R+tsinα, tcosα)가 된다. 이 점 B의 좌표값을 식 L₂에 대입하면,

tcosα-Rsinθ-(R+tsinα-Rcosθ)tan(θ-α) = 0

이 된다.

이 식에 의해, 내경 R(=Φ_A/2), 판두께 t를 주고, θ'=θ₀으로 함으로써 구해진 α가 θ_X가 된다.

<제1 실시형태의 효과>

이와 같이 구성한 본 실시형태에 관한 정지유도기기용 철심(1)에 의하면, 철심블록(2)이 원통모양 철심요소(2A, 2B, 2C)를 동심원상에 복수 적층하여 형성된 것이고, 점적률을 향상시킬 수 있어 철손을 저감할 수 있다. 또, 갭부재(3)에 의해서 자로 중의 자기저항을 증감시켜 소망의 리액턴스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 자기저항을 크게 한 경우에 지름방향으로 관통하는 누설자속의 자속량은 증가하지만, 이 누설자속은 등가적으로 대략 방사상으로 설치된 자성강판(21)의 폭방향에 따라서 통과하게 되어, 와전류를 저감할 수 있다. 또한, 자성강판(21)을 어긋나게 겹쳐 쌓아 형성된 철심블록(2) 사이에 갭부재(3)를 끼워 넣는다는 구성에 의해, 제조의 간단화 및 제조비용의 삭감을 실현할 수 있다.

<그 외의 변형 실시형태>

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 상기 실시형태에 대응하는 부재에는 동일한 부호를 부여하는 것으로 한다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 각 원통모양 철심요소가 겹쳐 쌓는 방향이 동일하지만, 각 원통모양 철심요소 사이에서 겹쳐 쌓는 방향을 역방향으로 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 철심블록은 3개의 원통모양 철심요소에 의해 구성되어 있지만, 2개의 원통모양 철심요소 또는 4개 이상의 원통모양 철심요소로 구성되는 것이라도 된다. 즉, 정지유도기기용 철심은 그 용도에 맞추어 2 이상의 원통모양 철심요소로 구성되어 있는 것이면 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 자성강판(21)이 만곡부(211)만으로 이루어지는 것이었지만, 도 11에 나타내는 바와 같이, 만곡부(211)와, 당해 만곡부(211)의 폭방향에서의 내경 측 단부에 연속하여 형성된 굴곡부(212)로 이루어지는 것이라도 된다. 이 때, 굴곡부(212)의 만곡부(211)에 대한 굴곡각 θ는 예를 들면 30도로 되고, 그 길이는 가능한 한 짧은 것이 좋으며, 예를 들면 자성강판(21)의 두께의 3 ~ 10배 정도가 바람직하다. 이와 같이 굴곡부(212)를 구비하는 것이면, 각 자성강판(21)을 겹쳐 쌓는 작업을 용이하게 하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 자성강판(21)이 지름방향 외부에 발탈(拔脫)되는 것을 바람직하게 방지할 수 있다.

<제2 실시형태>

다음으로, 와전류를 바람직하게 억제할 수 있는 원통모양 철심, 유도발열 롤러장치 및 정지유도기기에 관한 제2 실시형태에 대해서 설명한다.

변압기나 리액터라고 하는 정지유도기기 또는 유도발열 롤러장치라고 하는 유도발열기기 등의 전자유도기기에서 자로가 되는 철심의 손실은 전자유도기기의 효율저하 및 발열의 원인이 되고 있어, 그 저감이 큰 과제이다.

특히, 누설자속에 의한 철심의 와전류손실은 큰 비율을 차지하며, 이 와전류에 의해 철심이 발열해 버려, 기기의 효율을 저하시켜 버린다. 또, 이것에 감겨 있는 유도코일의 효율저하, 절연저하를 초래하는 요인이 된다. 또한, 와전류의 크기는 자속이 수직으로 들어가는 자성강판의 폭 또는 판두께의 제곱에 비례하여 커지는 것이 알려있다.

종래, 일반적으로 이용되고 있는 대략 원형철심으로서는, 특허문헌 5(일본국 특개평9-232165호 공보)에 나타내는 적철심이 있다. 이 적철심은, 도 18에 나타내는 바와 같이, 복수 매의 자성강판을 적층함으로써, 폭 치수가 다른 복수 종류의 강판블록(200)을 형성하고, 이 강판블록(200)을 대략 원형모양이 되도록 겹쳐 쌓음으로써 형성되고 있다.

그렇지만, 적층방향 양단(도 18에서 상하 양단)에 위치하는 강판블록(200)의 단면(200a)이 커져 버려, 이 단면(200a)에서 큰 와전류가 생겨 버린다고 하는 문제가 있다. 또, 각 강판블록(200)의 적층면의 외부노출부분(200b)에서도 와전류가 생겨 버린다고 하는 문제가 있다.

여기서, 와전류를 작게 하기 위해서는, 단순히 각 강판블록(200)에서의 자성강판의 적층 매수를 줄임과 아울러, 폭 치수가 다른 강판블록(200)의 종류를 늘려, 강판블록(200)의 상하 양단에 위치하는 강판블록(200)의 단면(200a) 및 철심의 외면에 형성되는 외부노출부(200b)를 작게 하는 것을 고려할 수 있다.

그렇지만, 강판블록(200)의 종류를 늘려 버리면, 제조비용이 높아져 버리거나, 작업이 번잡하게 되어 버리는 등의 문제가 있다.

또, 최근, 가는 폭으로 절단한 길이가 긴 평판모양을 이루는 다수 매의 자성강판을 방사상으로 늘어놓는 것에 의해서 통 모양으로 구성한 것이 고려되고 있다. 이것에 의하면, 누설자속이 자성강판을 관통하는 것에 의한 와전류의 발생을 작게 할 수 있어 철심의 발열량을 저감시키는 것이 가능하게 된다.

그렇지만, 가는 폭의 자성강판을 일정한 원주에 따라서 방사상으로 늘어놓는 작업은 지극히 번거롭다. 또, 각 자성강판의 내단을 빽빽하게 늘어놓아도 인접하는 자성강판의 외단의 사이에는 공극이 형성되어 버린다. 이 때문에, 또 다른 가는 폭의 자성강판을 그 공극에 끼워 넣는 등 하여, 그 공극을 매립하는 등의 작업이 필요하다.

또한, 자성강판의 외단의 공극을 없애기 위해, 방사상으로 늘어놓은 자성강판의 내단을 파이프의 외주에 용접에 의해서 고착하고, 상기 파이프를 회전시키면서 자성강판의 외단으로부터 가압하여, 자성강판을 만곡시키는 것도 고려할 수 있지만, 용접작업, 파이프의 회전작업, 가압작업 등을 필요로 한다. 이들 작업은 대형의 철심(예를 들면, 축방향 길이가 7m)을 제조하는 경우에는 지극히 곤란하다.

게다가, 특허문헌 4(일본국 특개2000-311777호 공보) 및 특허문헌 6(일본국 등록실용신안 2532986호 공보) 등에 나타내는 바와 같이, 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부를 가지는 복수의 자성강판을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 원통모양 철심이 본 출원인에 의해서 고려되고 있다.

그렇지만, 어느 원통모양 철심에서도 자성강판을 원통모양으로 겹쳐 쌓는다고 하는 생각에 그치고 있으며, 구체적으로 자성강판을 어떻게 겹쳐 쌓을지에 착안한 것, 즉 자성강판의 판두께와 자성강판의 적층 측 측면에서의 외부노출부의 폭방향 길이와의 관계에 착안한 것은 아니다.

그래서 본 발명은 자성강판의 판두께와 자성강판의 적층 측 측면에서의 외부노출부의 폭방향 길이와의 관계에 착안하고 처음으로 이루어진 것으로, 상기 문제점을 일거에 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 간단한 구성 또한 제조비용의 삭감을 도모하면서, 자성강판에 발생하는 누설자속에 의한 와전류를 가급적 억제하는 것을 그 주된 소기 과제로 하는 것이다.

즉 본 발명에 관한 원통모양 철심은 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부를 가지는 복수의 자성강판을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 원통모양 철심으로서, 상기 자성강판의 적층 측 측면에서의 외부노출부의 폭방향 길이가 상기 자성강판의 판두께 이하인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것으로 하면, 원통모양 철심에서 외부노출부의 폭방향 길이를 s로 하고, 자성강판의 판두께를 t로 한 경우에, s≤t가 되도록 구성되고, 와전류가 발생하는 부분의 폭이 최대에서도 자성강판의 판두께와 동일하게 되므로, 최대 와전류값을 가급적 작게 할 수 있다. 따라서, 자성강판을 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 간단한 구성 또한 제조비용의 삭감을 실현하면서, 와전류의 발생에 의해 발생하는 철손 등의 원통모양 철심의 자기특성의 저하를 방지할 수 있고, 또한, 유도코일의 전기특성 및 절연특성의 저하 등의 기기의 효율저하 및 발열을 방지할 수 있다.

외부노출부의 폭방향 길이 s를 상기 자성강판의 판두께 t 이하로 하기 위한 구체적인 실시형태로서는, 상기 원통모양 철심의 내경 Φ_A, 외경 Φ_B 및 상기 자성강판의 판두께 t가,

(여기서, α는 원통모양 철심의 내측 원의 지름방향에 대한 경사각도이며, θ'는 인접하는 자성강판의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심이 이루는 중심각도이다. 또한, 삼각함수의 단위는 라디안(rad)이다.)에서, 상기 중심각도 θ'가 상기 자성강판의 경사각도가 제로인 경우의 중심각도 θ₀와 동일하게 될 때의 자성강판의 경사각도 α를 θ_X로 하고, 자성강판의 경사각도 α가 θ_X 이하인 경우에는,

자성강판의 경사각도 α가 θ_X 보다 큰 경우에는 상기 (식 1)을 만족하는 중심각도 θ'를 이용하여

의 관계를 이루는 것이다.

외부노출부의 폭방향 길이 s를 상기 자성강판의 판두께 t 이하로 하기 위한 상기 원통모양 철심의 외경 Φ_B에 대한 상기 원통모양 철심의 내경 Φ_A의 비(Φ_A/Φ_B)는, 0.71 이상이다.

또, 본 발명의 원통모양 철심을 유도발열 롤러장치에 이용하는 것이 바람직하고, 특히, 유도발열 롤러장치가 원통모양 철심의 외측 주위면에 유도코일을 감아 장착하여 구성되는 자속발생기구와, 상기 자속발생기구를 수용함과 아울러, 상기 자속발생기구에 대해서 상대적으로 회전 가능하게 설치되어 상기 자속발생기구의 자속에 의해 발생하는 유도전류에 의해서 발열하는 중공 원통형의 발열롤체를 구비하며, 상기 원통모양 철심과 상기 발열롤체와의 사이에 비자성체 또는 소정간격의 공극을 개재시키고 있는 것이 바람직하다. 여기서, 비자성체란, 알루미늄과 같은 자성을 나타내지 않는 물질이며, 세라믹스 또는 유리 등도 포함한다. 또, 소정간격의 공극이란, 발열롤체의 유효 면길이 부분만이 발열하고, 그 외의 부분이 발열하기 어렵게 하는 정도의 간격을 가지는 공극이며, 진공 또는 대기라도 된다.

이와 같이, 원통모양 철심과 발열롤체와의 사이에 비자성체 또는 소정간격의 공극을 개재시킴으로써, 자기저항을 크게 하여 자속이 통과하기 어렵게 함으로써, 발열롤체의 유효 면길이 부분만이 발열하고, 그 외의 부분(예를 들면 발열롤체에 접속된 저널 부분 등)이 발열하기 어렵게 하고 있다.

이 때, 원통모양 철심과 발열롤체와의 사이에 비자성체 또는 소정간격의 공극을 마련하는 것에 의해서 원통모양 철심의 외측 주위면에서 반경방향으로 관통하여 외부로 방출되는 누설자속의 자속량은 증가한다. 그러나, 본 발명의 원통모양 철심을 이용하는 것에 의해서, 누설자속에 의한 와전류손실, 즉 철손을 억제하여, 자속발생기구 자체의 자기발열은 방지된다.

또한, 본 발명의 원통모양 철심을 정지유도기기에 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 원통모양 철심을 이용하여 구성된 각(脚)철심을 구비하고, 상기 원통모양 철심의 축방향 양단부 중 적어도 한쪽에 비자성체를 마련하고 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 정지유도기기 중 리액터에 이용한 경우에는, 자로 중의 자기저항을 크게 할 수 있어 소정의 리액턴스를 얻을 수 있다. 또, 자기저항을 크게 함으로써, 각철심의 외측 주위면에서 반경방향으로 관통하여 외부로 방출되는 누설자속의 자속량은 증가하지만, 본 발명의 원통모양 철심을 이용하는 것에 의해서, 와전류의 발생을 가급적 억제할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 간단한 구성 또한 제조비용의 삭감을 도모하면서, 자성강판에 발생하는 누설자속에 의한 최대 와전류값을 가급적 억제하여, 와전류의 발생에 의해 발생하는 철심의 자기특성, 유도코일의 전기특성 및 절연특성의 저하를 해결할 수 있다.

다음으로, 제2 실시형태의 원통모양 철심을 이용한 유도발열 롤러장치에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 상기 제1 실시형태와는 다른 부호를 이용하여 설명한다.

<장치구성>

본 실시형태에 관한 유도발열 롤러장치(1)는, 예를 들면 수지필름, 종이, 천, 부직포, 금속박 등의 시트재 또는 웹재(web member)의 연속 열처리공정 또는 합성섬유의 열연신 처리공정 등에서 이용되는 것으로, 회전 가능하게 설치된 중공 원통형의 발열롤체(2)와, 이 발열롤체(2) 내에 수용되는 자속발생기구(3)를 구비하고 있다.

발열롤체(2)의 양단부에는 저널(4)이 장착되어 있다. 이 저널(4)은 중공의 구동축(5)과 일체로 구성되어 있고, 구동축(5)은 구름베어링 등의 베어링(6)을 통하여 기대(7)에 회전 가능하게 지지되어 있다.

자속발생기구(3)는 원통형상을 이루는 원통모양 철심(31)과, 당해 원통모양 철심(31)의 외측 주위면에 감아 장착된 유도코일(32)로 구성되어 있다. 원통모양 철심(31)의 양단에는 각각, 지지로드(8)가 장착되어 있다. 이 지지로드(8)는 각각 구동축(5)의 내부에 삽입 통과되어 있고, 구름베어링 등의 베어링(9)을 통하여 구동축(5)에 대해서 회전 가능하게 지지되어 있다. 이것에 의해, 자속발생기구(3)는 발열롤체(2)의 내부에서 공중에 매달린 상태에서 지지된다. 유도코일(32)에는 리드선(10)이 접속되어 있고, 이 리드선(10)에는 교류전압을 인가하기 위한 교류전원(도시생략)이 접속되어 있다.

또, 원통모양 철심(31)과 발열롤체(2) 또는 저널(4)과의 사이에 소정간격의 틈새 또는 비자성체(도시생략)를 마련하고 있다. 구체적으로는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 원통모양 철심(31)의 양단과, 저널(4)의 철심 측 측면(4a)과의 사이에 소정간격의 공극(G)을 마련하고 있다. 이와 같이 공극(G)을 마련함으로써, 자기저항을 크게 하여 자속이 통과하기 어렵게 하여, 발열롤체(2)만이 발열하며, 저널(4) 등이 발열하기 어렵게 하고 있다.

그러나 본 실시형태의 원통모양 철심(31)은, 도 13에 나타내는 바와 같이, 복수의 자성강판(311)을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 원통형으로 형성된 것이다.

자성강판(311)은 길이가 긴 형상을 이루는 것으로, 도 14에 나타내는 바와 같이, 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부(3111)를 가진다. 이 자성강판(311)은, 예를 들면 표면에 절연피막이 시행된 규소강판에 의해 형성되어 있고, 그 판두께는, 예를 들면 약 0.3㎜이다.

만곡부(3111)는 전체에 걸쳐 일정한 곡률로 만곡하고 있는 것 또는 연속하여 곡률이 변화하면서 만곡하는 것이 고려되며, 예를 들면 인벌류트 곡선의 일부를 이용한 인벌류트 형상, 부분 원호형상 또는 부분 타원형상 등을 고려할 수 있다.

그리고, 자성강판(311)의 만곡부(3111)에 의해 형성된 오목부에 다른 자성강판(311)의 만곡부(3111)에 의해 형성된 볼록부를 끼워넣도록, 또한 각 자성강판(311)이 폭방향으로 어긋나도록 하여, 동일 형상을 이루는 다수 매의 자성강판(311)을 겹쳐 맞춘다. 이 때, 자성강판(311)의 폭방향 단부(311a, 311b)가 인접하는 자성강판(311)의 오목 측 측면(311m) 또는 볼록 측 측면(311n)에 접촉하도록 하고 있다. 이와 같이 하여 원통형상을 이루는 원통모양 철심(31)이 형성된다.

또 원통모양 철심(31)은, 도 13의 부분 확대도에 나타내는 바와 같이, 자성강판(311)의 적층 측 측면에서의 외부노출부(311x)의 폭방향 길이 s가 자성강판(311)의 판두께 t 이하가 되도록 자성강판(311)을 적층하고 있다. 즉, 자성강판(311)의 판두께 t가 0.3㎜이면, 외부노출부(311x)의 폭방향 길이 s는 0.3㎜ 이하가 되도록 하고 있다.

자성강판(311)의 적층 측 측면은 인접하는 자성강판(311)과 대향하는 측면(311m, 311n) 가운데, 만곡부(3111)의 볼록 측 측면(311n)이다. 그리고, 이 적층 측 측면에서 접촉하는 자성강판(311)의 폭방향 외경 측 단부(311b)보다도 외측에 형성되는 면이 외부노출부(311x)이다.

또한, 자성강판(311)의 폭방향 내경 측 단부(311a)는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 폭방향 내경 측 단부(311a)의 중심선의 기울기가 원통모양 철심의 내측 원의 지름방향에 대해서 경사각도 θ_311a를 가지도록 마련되어 있다. 즉, 자성강판(311)의 폭방향 내경 측 단부(311a)가 인접하는 자성강판(311)의 폭방향 내경 측 단부(311a)로부터 외경방향을 향하여 판두께 치수 이하의 위치에 접촉하도록 마련되어 있다.

또 본 실시형태의 원통모양 철심(31)은 원통모양 철심(31)의 내경 Φ_A, 외경 Φ_B 및 상기 자성강판(311)의 판두께 t가,

(여기서, α는 원통모양 철심(31)의 내측 원의 지름방향에 대한 경사각도 θ₃₁₁이며, θ'는 인접하는 자성강판(311)의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심이 이루는 중심각도이다. 또한, 삼각함수의 단위는 라디안(rad)이다.)에서,

상기 중심각도 θ'가 자성강판(311)의 경사각도 θ₃₁₁이 제로인 경우의 중심각도 θ₀와 동일하게 될 때의 자성강판(311)의 경사각도 α(=θ₃₁₁)를 θ_X로 하고,

자성강판(311)의 경사각도 α가 θ_X 이하인 경우에는,

자성강판(311)의 경사각도 α가 θ_X 보다 큰 경우에는, 상기 (식 1)을 만족하는 중심각도 θ'를 이용하여

의 관계가 되도록 구성되어 있다.

이 관계식 (식 A) 및 관계식 (식 B)는, 도 15에 나타내는 바와 같이, 외부노출부(311x)의 폭방향 길이 s와, 자성강판(311)의 판두께 t가, s≤t가 되는 원통모양 철심(31)의 내경 Φ_A 및 외경 Φ_B의 관계를 나타내는 것이다. 여기서, 원통모양 철심(31)의 내경 Φ_A는 각 자성강판(311)의 폭방향 내경 측 단부(311a)에 내접하는 원의 직경이며, 원통모양 철심(31)의 외경 Φ_B는 각 자성강판(311)의 폭방향 외경 측 단부(311b)에 외접하는 원의 직경이다(도 13 참조). 또한, 상기 식의 설명은 제1 실시형태와 동일하여 생략한다.

<제2 실시형태의 효과>

이와 같이 구성한 본 실시형태에 관한 유도발열 롤러장치(1)에 의하면, 원통모양 철심(31)에서 와전류의 최대가 되는 부분의 폭 치수가 자성강판(311)의 판두께 t 이하가 되고, 최대 와전류값을 가급적 작게 할 수 있다. 따라서, 자성강판(311)을 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 간단한 구성 또한 제조비용의 삭감을 실현하면서, 원통모양 철심(31)의 철손을 저감할 수 있고, 그 결과, 기기의 효율저하 및 발열을 막을 수 있다.

또, 원통모양 철심(31)과 발열롤체(2)와의 사이에 공극을 마련하고 있음으로써, 자기저항을 크게 하여 자속이 통과하기 어렵게 하며, 발열롤체(2)의 유효 면길이 부분만이 발열하고, 그 외의 부분(예를 들면 저널(4))이 발열하기 어렵게 하고 있을 뿐만 아니라, 이 때, 증대하는 누설자속에 대해서, 와전류손실, 즉 철손을 억제하여 자속발생기구(3) 자체의 자기발열은 방지할 수 있다. 또한, 발열롤체(2)로부터의 복사 및 대류에 의한 전열로 자속발생기구(3)는 고온화하지만, 비자성체 또는 소정간격의 공극에 의해서 발열롤체(2) 이외의 부분으로의 전열을 저감할 수 있다.

또한, 예를 들면, 원통모양 철심(31)을 정지유도기기에 이용할 수도 있다. 도 16에 의해, 정지유도기기 중 리액터(Z)에 이용한 경우에 대해서 설명한다. 이 리액터(Z)는 1 또는 복수(도 16 중에서는 2개)의 각철심(Z1)과, 당해 각철심(Z1)의 외주에 감아 장착된 코일(Z2)과, 상기 복수의 각철심(Z1)을 상하마다 각 단부에 연결해 닫은 자로를 형성하는 요크(yoke)철심(Z3)을 구비하고 있다. 또한, 도면 중 Z5는 각철심(Z1)을 체결하기 위한 체결 볼트이다. 그리고, 각 각철심(Z1)에는 1 또는 복수의 갭이 형성되어 있다. 구체적으로 각철심(Z1)은 복수의 원통모양 철심(31)으로 형성되어 있다. 각 각철심(Z1)에서 각각의 원통모양 철심(31) 사이에는 절연체로 이루어지는 스페이서 부재(Z4)가 끼워져 있고, 이것에 의해 각철심(Z1)에는 1 또는 복수의 갭이 형성된다. 또, 요크철심(Z3)과 원통모양 철심(31)과의 사이에도 스페이서 부재(Z4)가 배치되어 있다.

이것에 의해, 갭에 의해 자기저항을 조정함으로써 소정의 리액턴스를 얻을 수 있다. 또, 자기저항을 크게 한 경우에는 누설자속이 증대해 버리지만, 자성강판(311)의 외부노출부(311x)의 폭방향 길이가 자성강판(311)의 판두께 t 이하이므로, 와전류의 증대를 가급적 억제할 수 있다.

또, 상기 실시형태의 원통모양 철심을, 게이트 회로를 가지는 반도체소자를 이용한 전기회로에 접속되는 정지유도기기에 이용하는 것도 생각할 수 있다. 게이트회로를 가지는 반도체소자에는 통전스위치로서의 작용이 있지만, 그 통류전류는 정현파 형상이 붕괴된 다량의 고주파 성분을 포함하는 전류가 된다. 이 때문에 정지유전기기의 자기회로에 흐르는 자속에도 다량의 고주파 성분을 포함하게 되고, 원통모양 철심에는 주파수의 제곱에 비례한 와전류손실가 발생해 버린다. 또, 누설자속에 의한 와전류손실도 발생해 버린다. 이 때, 원통모양 철심을 이용하는 것에 의해서 와전류손실을 가급적 억제할 수 있다.

게다가, 상기 실시형태의 원통모양 철심은 지름방향에서 1층의 것이었지만, 특히 리액터 또는 트랜스에 이용하는 경우에는 지름방향에서 다층 구조의 것이라도 된다.

이에 더하여, 상기 실시형태에서는 원통모양 철심과 발열롤체 또는 저널과의 사이에 소정간격의 틈새를 마련하고 있지만, 공극 대신에 비자성체를 마련하는 것이라도 된다. 이 경우, 도 17에 나타내는 편지지식의 유도발열 롤러장치에 적용하는 것을 고려할 수 있다. 즉, 원통모양 철심(31)의 일단부에 플랜지(31f)가 마련되고, 당해 플랜지(31f)를 기대(11)에 예를 들면 나사고정되는 것에 의해 고정된다. 또한, 발열롤체(2)는 원통모양 철심(31)의 내부에 삽입 통과되는 구동축(12)에 의해 회전 가능하게 지지된다.

그 외, 상술하면 실시형태나 변형 실시형태의 일부 또는 전부를 적절히 조합해도 되고, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않으며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

<산업상의 이용 가능성>

본 발명에 의해서, 점적률의 향상 및 와전류의 저감에 의해, 철손 등의 철심의 자기특성의 저하를 가급적 억제할 수 있다.

Claims (7)

1. 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부를 가지는 복수의 자성강판을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 원통모양 철심요소를 복수 구비하고, 이 복수의 원통모양 철심요소를 동심원 모양으로 적층하여 형성된 정지유도기기용 철심.
2. 청구항 1에 있어서,
   폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부를 가지는 복수의 자성강판을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 복수의 원통모양 철심요소를 동심원 모양으로 적층하여 형성된 복수의 철심블록과,
   상기 철심블록 사이에 마련된 자기갭을 구비하는 정지유도기기용 철심.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 자기갭이 비자성체로 이루어지는 갭부재를 상기 철심블록 사이에 끼워 넣음으로써 형성되어 있는 정지유도기기용 철심.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 철심블록의 지름방향 최외측에 마련된 원통모양 철심요소를 구성하는 자성강판의 적층 측 측면에서의 외부노출부의 폭방향 길이가 상기 자성강판의 판두께 이하인 정지유도기기용 철심.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 철심블록의 지름방향 최외측에 마련된 원통모양 철심요소의 내경 Φ_A, 외경 Φ_B 및 상기 자성강판의 판두께 t가,
   [수학식 1]
   

   

   
   (여기서, α는 원통모양 철심요소의 내측 원의 지름방향에 대한 자성강판의 경사각도이고, θ'는 인접하는 자성강판의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심이 이루는 중심각도이다. 또한, 삼각함수의 단위는 라디안(rad)이다.)에 있어서,
   상기 중심각도 θ'가 상기 자성강판의 경사각도가 제로인 경우의 중심각도 θ₀와 동일하게 될 때의 자성강판의 경사각도 α를 θ_X로 하고,
   자성강판의 경사각도 α가 θ_X 이하인 경우에는,
   [수학식 2]
   

   

   
   자성강판의 경사각도 α가 θ_X보다 큰 경우에는 상기 (식 1)을 만족하는 중심각도 θ'를 이용하여
   [수학식 3]
   

   

   
   의 관계를 이루는 정지유도기기용 철심.
6. 폭방향 단면이 만곡형상을 이루는 만곡부를 가지는 복수의 자성강판을 폭방향으로 어긋나게 겹쳐 쌓음으로써 형성된 원통모양 철심으로서,
   상기 자성강판의 폭방향 내경 측 단부가 상기 원통모양 철심의 지름방향에 대해서 경사져 있고,
   상기 자성강판의 적층 측 측면에서의 외부노출부의 폭방향 길이가 상기 자성강판의 판두께 이하인 원통모양 철심.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 원통모양 철심의 내경 Φ_A, 외경 Φ_B 및 상기 자성강판의 판두께 t가,
   [수학식 4]
   

   

   
   (여기서, α는 원통모양 철심의 내측 원의 지름방향에 대한 경사각도이며, θ'는 인접하는 자성강판의 지름방향 최내단의 모서리와 원중심이 이루는 중심각도이다. 또한, 삼각함수의 단위는 라디안(rad)이다.)에 있어서,
   상기 중심각도 θ'가 상기 자성강판의 경사각도가 제로인 경우의 중심각도 θ₀와 동일하게 될 때의 자성강판의 경사각도 α를 θ_X로 하고,
   자성강판의 경사각도 α가 θ_X 이하인 경우에는,
   [수학식 5]
   

   

   
   자성강판의 경사각도 α가 θ_X보다 큰 경우에는 상기 (식 1)을 만족하는 중심각도 θ'를 이용하여
   [수학식 6]
   

   

   
   의 관계를 이루는 원통모양 철심.

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