WO2020003552A1 - 静止機器 - Google Patents

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magnetic
wound
core
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賢治 中ノ上
貴郁 日比野
栗田　直幸
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株式会社日立産機システム
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    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F30/06—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F37/00—Fixed inductances not covered by group H01F17/00

Definitions

  • the present invention relates to a stationary device such as a transformer or a reactor, and more particularly to a stationary device effective for reducing iron loss.
  • Loss of stationary equipment consists of load loss and no-load loss.
  • the load factor is small.
  • the load factor of an oil-filled stationary device of 500 kVA or less is evaluated at 40% in JIS standard. Therefore, in order to manufacture a high-efficiency stationary device, it is effective to reduce no-load loss, that is, iron loss, which is a loss generated in an iron core.
  • Patent Literature 1 discloses a low-loss stationary device in which the amount of use of an iron core electromagnetic steel sheet is suppressed.
  • Patent Document 1 describes that the number of turns of an iron core and the width of an electromagnetic steel plate can be suppressed from increasing, and a stationary device with low loss can be realized. As described in the background art, since it is effective to reduce iron loss, a technique having a high effect of reducing iron loss is required.
  • An object of the present invention is to provide a stationary device in which iron loss is reduced without changing the shape of an iron core.
  • a preferred example of the present invention includes a wound core, a coil wound on the wound core, and a magnetic block on which a magnetic material is laminated, and a laminated surface of the magnetic block is the coil of the wound core.
  • the magnetic material block is arranged so that the magnetic material block is in contact with an unwound region or portion and the longitudinal direction of the main surface of the magnetic material is different from the circumferential direction that is the direction in which the wound core is wound. Stationary equipment.
  • a stationary device with reduced iron loss can be realized without changing the iron core shape.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a first embodiment. It is a figure explaining a comparative example.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an arrangement of a magnetic body according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a first arrangement example of a magnetic body according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a second arrangement example of the magnetic bodies according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement of a magnetic body according to a third embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of a first configuration according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of a second configuration of the second embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of a second configuration of the second embodiment.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram of a first configuration of a third embodiment.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a second configuration of the third embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a wound core 1a and a coil 1b of a stationary device such as a transformer or a reactor, in which a magnetic block 1c or the like in which the magnetic material of Example 1 is bundled is installed.
  • FIG. 1A is a plan view of a stationary device viewed from above.
  • FIG. 1B is a front view of the stationary device as viewed from the front.
  • the position where the magnetic material block 1c or the like in which the magnetic material is bundled is set is a region or a part where the coil 1b is not wound in the wound iron core 1a.
  • 1c, 2c, 3c, 4c, and 5c show the position and the method of disposing the magnetic material blocks in which the magnetic materials are bundled.
  • the magnetic block 1c is an example in which the magnetic block 1c is brought into contact with the outer peripheral surface of the wound core 1a.
  • the term “contact” includes a case where the two are bonded via an insulating adhesive in order to fix the magnetic block 1c to the wound core.
  • the magnetic block 2c is an example in which the magnetic block 2c is in contact with the side surface of the wound core 1a. Compared to the magnetic material block 1c, it is fixed inside the wound iron core 1a, and the tip of the magnetic material block 2c, as compared with the magnetic material block 1c, protrudes outward with respect to the wound iron core 1a. Be shorter.
  • the magnetic block 3c and the magnetic block 4c are arranged so as to contact the side surface of the wound core 1a and also the side surface of the coil 1b.
  • the magnetic block 5c is arranged so as to contact the outer peripheral surface of the wound core 1a and the side surface of the coil 1b.
  • FIG. 2 shows a comparative example in which the main surface 21 of the magnetic block 7c is arranged in parallel to the installation surface of the wound core 1a.
  • the configuration of Patent Document 1 is a similar configuration.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the arrangement of the magnetic blocks 8c in the first embodiment.
  • the laminated surface 20 on which the magnetic bodies are laminated is arranged so as to be in contact with the circumferential direction, which is the winding direction of the wound core 1a.
  • the magnetic body block 8c is arranged such that the longitudinal direction of the main surface 21 of the magnetic body is different from the circumferential direction which is the winding direction of the wound core 1a.
  • the longitudinal direction of the main surface 21 of the magnetic body is arranged so as to be substantially perpendicular to the circumferential direction.
  • the main surface 21 refers to one plane of one magnetic body.
  • the main surface 21 has a rectangular shape including a side in the longitudinal direction and a side in the short direction adjacent to the side.
  • a surface on which a plurality of magnetic materials are stacked in the thickness direction of the magnetic material, which is a direction substantially perpendicular to the main surface 21, is referred to as a laminated surface 20.
  • substantially perpendicular includes vertical, and deviations due to the roughness of the installation surface of the core 1a and the surface of the magnetic body, and deviations when interconnecting via an adhesive layer are allowed.
  • the magnetic body may be made of a grain-oriented electrical steel sheet.
  • the grain-oriented electrical steel sheet is arranged so that the rolled direction (eg, the longitudinal direction of the main surface) is substantially perpendicular to the winding direction of the wound core 1a.
  • the magnetic body may be made of an amorphous material.
  • Example 1 Although the principle is unknown, it is possible to reduce iron loss as compared with the comparative example, and it is not necessary to change the configuration of the wound iron core 1a.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example (first) of an arrangement of the magnetic blocks 9c according to the second embodiment.
  • FIG. 4A is a plan view
  • FIG. 4B is a side view.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example (second) of the arrangement of the magnetic blocks 10c according to the second embodiment.
  • FIG. 5A is a plan view
  • FIG. 5B is a side view.
  • FIG. 7 shows a case where the main surface of the magnetic material almost overlaps the iron core surface when the magnetic material block 11c is eliminated from the outer wound core 3.
  • FIG. 7A is a plan view
  • FIG. 7B is a side view.
  • FIG. 8 shows a state in which the laminated surface of the magnetic block 11c hardly overlaps the surface of the outer wound core 3.
  • FIG. 8A is a plan view
  • FIG. 8B is a side view. Assuming that the effect of reducing iron loss in the state shown in FIG. 7 is 100, the effect of reducing iron loss in the state shown in FIG. 8 was 182.
  • FIG. 9 shows a state in which the magnetic block 11c is set up.
  • FIG. 9A is a plan view
  • FIG. 9B is a side view. Assuming that the effect of reducing iron loss in the state shown in FIG. 7 is 100, the effect of reducing iron loss in the state shown in FIG. 9 was 205.
  • the core loss can be reduced without changing the configuration of the wound core.
  • FIG. 6 is a diagram showing the third embodiment.
  • the third embodiment has a configuration in which an insulator 1d is interposed between an outer wound core 3 and a magnetic block 11c in which a magnetic material is bundled.
  • FIG. 6A is a plan view
  • FIG. 6B is a side view.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of the first configuration of the third embodiment.
  • FIG. 10 shows a state in which an insulator 2d having a thickness of 0.1 mm is sandwiched between the magnetic block 11c and the outer wound core 3.
  • FIG. 10A is a plan view
  • FIG. 10B is a side view.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of the second configuration of the third embodiment.
  • FIG. 11 shows a state in which an insulator 3d having a thickness of 6 mm is sandwiched between the magnetic block 11c and the outer wound core 3.
  • FIG. 10A is a plan view
  • FIG. 10B is a side view.
  • the iron loss can be further reduced as compared with the second embodiment.
  • the magnetic material block 11c can be fixed to the outer wound core 3 by using an insulating adhesive.
  • 1a wound core
  • 3 outer wound core
  • 1b coil

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  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)
  • Manufacturing Cores, Coils, And Magnets (AREA)

Abstract

静止機器は、巻鉄心と、巻鉄心に巻かれたコイルと、磁性体を積層した磁性体ブロックとを有し、磁性体ブロックの積層面は、巻鉄心のうちコイルが巻かれていない領域または部分に接触するとともに、磁性体の主面の長手方向と巻鉄心の巻かれた方向である周方向とが異なる方向になるように磁性体ブロックが配置される。

Description

静止機器
　本発明は、変圧器やリアクトル等の静止機器に関し、特に、鉄損の低減に有効な静止機器に関する。
　静止機器の損失は負荷損と無負荷損からなっている。変圧器においては負荷率が小さく例えば、JIS規格において500kVA以下の油入静止機器の負荷率は40％で評価されている。そのため高効率静止機器を製作するためには無負荷損、つまり、鉄心で発生する損失である鉄損を低減することが有効である。
　特許文献１には、鉄心の電磁鋼板の使用量を抑制し、低損失の静止機器が開示されている。
特開２００２－２０８５１８号公報
　一般的な静止機器の鉄損低減方法としては、鉄心材料をハイグレード材へ変更する。静止機器の設計磁束密度を低減する方法がある。しかし、元々ハイグレード材を使用している静止機器では、材料による鉄損低減は不可能である。また、設計磁束密度を低減すると鉄心の断面積が増大し、静止機器の体積、質量が増大してしまう。
　特許文献１には、鉄心の巻回数や、電磁鋼板の幅が大きくなることを抑制し、低損失の静止機器を実現できると記載されている。背景技術に記載したように、鉄損を低減することは有効であるため、さらに、鉄損の低減効果の高い技術が求められる。
　本発明の目的は、鉄心形状を変更しないで、鉄損を低減した静止機器を提供することにある。
　本発明の好ましい一例は、巻鉄心と、前記巻鉄心に巻かれたコイルと、磁性体を積層した磁性体ブロックとを有し、前記磁性体ブロックの積層面は、前記巻鉄心のうち前記コイルが巻かれていない領域または部分に接触するとともに、前記磁性体の主面の長手方向と前記巻鉄心の巻かれた方向である周方向とが異なる方向になるように前記磁性体ブロックが配置された静止機器である。
　鉄心形状を変更しないで、鉄損を低減した静止機器を実現することができる。
実施例１の概要を示す図である。 比較例を説明する図である。 実施例１における磁性体の配置を説明する図である。 実施例２の磁性体の第１の配置例を示す図である。 実施例２の磁性体の第２の配置例を示す図である。 実施例３の磁性体の配置を説明する図である。 実施例２の第１の構成についての説明図である。 実施例２の第２の構成についての説明図である。 実施例２の第２の構成についての説明図である。 実施例３の第１の構成についての説明図である。 実施例３の第２の構成についての説明図である。
　以下、実施例を、図面を用いて説明する。
　図１は、実施例１の磁性材料を束ねた磁性体ブロック1cなどを設置した、変圧器やリアクトル等の静止機器の巻鉄心1aとコイル1bを示す図である。図１(a)は、静止機器を上部から見た平面図である。図１（b）は、静止機器の前面から見た正面図である。
　磁性材料を束ねた磁性体ブロック1cなどを設置する位置は、巻鉄心1aにおいて、コイル1bが巻かれていない領域または部分が対象となる。また、磁性材料を束ねた磁性体ブロックの設置の位置、配置の仕方としては、図１に示したように、1c、2c、3c、4c、5cに示すとおりである。
　磁性体ブロック1cは、巻鉄心1aの外周面に接触させた例である。ここで接触とは、磁性体ブロック1cを巻鉄心に固定するために、絶縁体の接着剤を介して、両者を接着した場合を含む。磁性体ブロック2cは、巻鉄心1aの側面に接触させた例である。磁性体ブロック1cに比べて、巻鉄心1aの内側に固定しており、磁性体ブロック2cの先端部は、磁性体ブロック1cに比べて、巻鉄心1aに対して外側に突き出た長さは、短くなる。
　磁性体ブロック3cと磁性体ブロック4cは、巻鉄心1aの側面に接触するとともに、コイル1bの側面にも接触するように配置されている。磁性体ブロック5cは、巻鉄心1aの外周面に接触するとともに、コイル1bの側面に接触するように配置されている。
　図２は、磁性体ブロック7cの主面21を、巻鉄心1aの設置面に対して平行に配置した場合の比較例を示す。特許文献１の構成は、同様な構成である。
　図３は、実施例１における磁性体ブロック8cの配置を説明するための図である。実施例１では、磁性体を積層した積層面20を、巻鉄心1aの巻き方向である周方向に接触させて配置する。さらに、磁性体の主面21の長手方向が、巻鉄心1aの巻き方向である周方向に対して、異なる方向となるように、磁性体ブロック8cが配置される。ここでは、磁性体の主面21の長手方向は、周方向に対して略直角な方向となるように、配置される。
　主面21は、一枚の磁性体の一平面をいう。主面21は、長手方向の辺と、その辺と隣接する短手方向の辺からなる矩形の形状である。主面21と略垂直な方向である磁性体の厚み方向に、複数の磁性体を重ねた面を、積層面20とよぶことにする。ここで、略垂直とは、垂直を含むとともに、巻鉄心1aの設置面や磁性体の面の粗さに起因したずれや、接着層を介して相互に接続する場合のずれは許容されることを意味する。
　磁性体は、方向性電磁鋼板で構成されてもよい。方向性電磁鋼板を使う場合には、方向性電磁鋼板の圧延された方向（例えば、主面の長手方向）が、巻鉄心1aの巻き方向と略垂直になるような関係に配置する。磁性体は、非晶質の材料で構成されてもよい。
　実施例１によれば、原理は不明であるが、比較例に比べて鉄損を低減することができるとともに、巻鉄心1aの構成を変える必要はない。
　図４は、実施例２における磁性体ブロック9cの配置例（第１）を示す図である。図４（a）は、平面図であり、図４（b）は、側面図である。図５は、実施例２の磁性体ブロック10cの配置例（第２）を示す図である。図５（a）は、平面図であり、図５（b）は、側面図である。
　図４、図５に示すように、磁性材料の主面21を構成する各辺の長さを、L1、L2、L3、L4とした場合、主面21の周囲の全長はL1+L2+L3+L4である。磁性体ブロックの積層面と巻鉄心1aの面とが重なっている場合に、重なった主面21における寸法L5とした時に、(L1+L2+L3+L4)>(4×L5)という関係になるように磁性材料を束ねた磁性体ブロックを、巻鉄心1aの面に設置する。
　上記した、主面21を構成する辺の全長と、主面21における重なった部分の寸法との関係における鉄損低減の効果の根拠となる実測例について、以下に説明する。
　図７は、外側巻鉄心3に対して磁性体ブロック11cを廃止したときに、磁性体の主面が鉄心面とほとんど重なっている場合を示す。図７（a）は、平面図であり、図７（b）は、側面図である。
　図８は、磁性体ブロック11cの積層面が、外側巻鉄心3の面にほとんど重ならないようにした状態の時の図を示す。図８（a）は、平面図であり、図８（b）は、側面図である。図７に示した状態の時の鉄損低減の効果を100としたとき、図８に示す状態の鉄損低減の効果は182であった。
　また、図９は、磁性体ブロック11cを立てた状態の時の図を示す。図９（a）は、平面図であり、図９（b）は、側面図である。図７に示した状態の時の鉄損低減の効果を100としたとき、図９に示す状態の鉄損低減の効果は205であった。
　実施例２によれば、巻鉄心の構成を変えることなく、鉄損を低減できる。
　図６は、実施例３を示す図である。実施例３は、外側巻鉄心3と、磁性材料を束ねた磁性体ブロック11cの間に、絶縁体1dを挟む構成である。図６（a）は、平面図であり、図６（b）は、側面図である。
　実施例３における、磁性材料を束ねた磁性体ブロックと鉄心間に絶縁体を挟んだ場合の鉄損低減効果の根拠となる実測例を説明する。
　図１０は、実施例３の第１の構成についての説明図である。図１０は、厚さ0.1ｍｍの絶縁体2dを、磁性体ブロック11cと外側巻鉄心3との間に、はさんだ状態を示す。図１０（a）は、平面図であり、図１０（b）は、側面図である。
　図１１は、実施例３の第２の構成についての説明図である。図１１は、厚さ6ｍｍの絶縁体3dを、磁性体ブロック11cと外側巻鉄心3との間に、はさんだ状態を示す。図１０（a）は、平面図であり、図１０（b）は、側面図である。
　外側巻鉄心3に対して磁性材料を束ねた磁性体ブロック11cを設置した図９の状態での鉄損低減の効果を100とすると、図１０の状態での鉄損低減の効果は126であり、図１１の状態での鉄損低減の効果は100であった。
　実施例３によれば、実施例２に比べて、さらに、鉄損を低減することができる。また、絶縁体の接着剤を用いることで、磁性体ブロック11cを外側巻鉄心3に固定することができる。
1a:巻鉄心、3:外側巻鉄心、1b:コイル、
1c、2c、3c、4c、5c、6c、7c、8c、9c、10c、11c: 磁性体ブロック

Claims (14)

  1. 巻鉄心と、
    前記巻鉄心に巻かれたコイルと、
    磁性体を積層した磁性体ブロックとを有し、
    前記磁性体ブロックの積層面は、前記巻鉄心のうち前記コイルが巻かれていない領域または部分に接触するとともに、前記磁性体の主面の長手方向と前記巻鉄心の巻かれた方向である周方向とが異なる方向になるように前記磁性体ブロックが配置されたことを特徴とする静止機器。
  2. 請求項１に記載の静止機器において、
    前記長手方向は、前記周方向に対して略直角な方向にあることを特徴とする静止機器。
  3. 請求項２に記載の静止機器において、
    前記磁性体の主面は、長方形状であり、短い辺の側が、前記巻鉄心に接触したことを特徴とする静止機器。
  4. 請求項２に記載の静止機器において、
    前記磁性体の主面は、長方形状であり、長い辺が、前記巻鉄心に接触したことを特徴とする静止機器。
  5. 請求項１に記載の静止機器において、
    前記主面を構成する辺の全長の寸法と、前記主面が前記巻鉄心と接触した寸法との関係が所定の関係であることを特徴とする静止機器。
  6. 請求項１に記載の静止機器において、
    前記積層面と前記巻鉄心の間に、絶縁体を配置したことを特徴とする静止機器。
  7. 請求項６に記載の静止機器において、
    前記絶縁体の厚さは、0.1mm以上で6mm以下であることを特徴とする静止機器。
  8. 請求項１に記載の静止機器において、
    前記磁性体ブロックの積層面は、前記巻鉄心の外周面に接触するように配置されたことを特徴とする静止機器。
  9. 請求項１に記載の静止機器において、
    前記磁性体ブロックの積層面は、前記巻鉄心の側面に接触するように配置されたことを特徴とする静止機器。
  10. 請求項１に記載の静止機器において、
    前記磁性体ブロックの積層面は、前記巻鉄心の外周面および前記コイルに接触するように配置されたことを特徴とする静止機器。
  11. 請求項１に記載の静止機器において、
    前記巻鉄心は、非晶質の材料で構成されたことを特徴とする静止機器。
  12. 請求項５に記載の静止機器において、
    前記主面を構成する辺のそれぞれの寸法をL1、L2、L3、L4とし、前記主面が前記巻鉄心と接触した寸法をL5とした場合に、
    (L1+L2+L3+L4)＞(4×L5)の関係にあることを特徴とする静止機器。
  13. 請求項１に記載の静止機器において、
    前記磁性体は、方向性電磁鋼板であることを特徴とする静止機器。
  14. 請求項６に記載の静止機器において、
    前記絶縁体は、接着剤であり、前記絶縁体が、前記磁性体ブロックと前記巻鉄心とを固定することを特徴とする静止機器。
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