WO2021166314A1 - 静止誘導機器および変圧器 - Google Patents

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栗田　直幸
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株式会社日立産機システム
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Definitions

  • the present invention relates to a stationary induction device and a transformer.
  • Soft magnetic materials such as grain-oriented electrical steel sheets, amorphous alloys, and nanocrystal alloys are widely used for iron cores used in static induction devices (static electromagnetic devices) such as transformers and reactors.
  • static induction devices static electromagnetic devices
  • Each of these magnetic materials is used in various static induction devices according to various factors such as their loss (iron loss), saturation magnetic flux density, mechanical strength, and cost.
  • loss iron loss
  • saturation magnetic flux density mechanical strength
  • mechanical strength and cost.
  • grain-oriented electrical steel sheets when comparing grain-oriented electrical steel sheets and amorphous alloys, grain-oriented electrical steel sheets have a high saturation magnetic flux density, so it is easy to miniaturize the iron core, and because they have high mechanical strength, they are transformers for large-capacity power transmission and distribution. Suitable for dexterous steel cores.
  • amorphous alloys have an advantage in improving the efficiency of transformers because they have smaller losses than grain-oriented electrical steel sheets, but they are mainly because their saturation magnetic flux density and mechanical strength are lower than those of grain-oriented electrical steel sheets.
  • Patent Document 1 discloses a technique of a multi-layer transformer core in which an amorphous wound iron core effective for reducing iron loss is arranged on the inside and an electromagnetic steel sheet wound iron core is arranged on the outside.
  • Patent Document 2 WO2016 / 083866A1
  • Patent Document 2 the cross-sectional area ratio of the former having high saturation magnetization in a three-phase wound iron core composed of a soft magnetic amorphous alloy containing iron as a main component and a soft magnetic nanocrystal alloy containing iron as a main component.
  • a technique relating to a transformer composed of a composite wound iron core which satisfies a value of 2 to 50%, preferably 4 to 40%.
  • Patent Document 1 realizes a static induction device having both the high mechanical strength of a grain-oriented electrical steel sheet and the small iron loss of an amorphous alloy.
  • Patent Document 2 combines an amorphous alloy having a higher saturation magnetic flux density than a nanocrystalline alloy and a nanocrystalline alloy having an iron loss smaller than that of the amorphous alloy, and has the superior characteristics of both materials. It realizes a stationary induction device.
  • an object of the present invention is to provide a stationary induction device and a transformer using a composite iron core that has improved performance and enables miniaturization.
  • the present invention is, for example, a static induction device using a composite iron core composed of two or more kinds of magnetic materials, and the magnetic flux density in the magnetic material having the highest saturation magnetic flux density in the composite iron core is determined. From the weighted average value of the magnetic flux density according to the ratio of the cross-sectional areas of the two or more kinds of magnetic materials in the composite iron core, which is less than or equal to the magnetic flux density of the iron core when composed only of the magnetic material having the highest saturated magnetic flux density.
  • This is a static induction device in which the average magnetic flux density in the composite iron core is set so as to increase the value.
  • the present invention it is possible to provide a static induction device and a transformer using a high-performance composite iron core, and it is possible to provide a static induction device and a transformer in which the cross-sectional area of the iron core is reduced.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the three-phase five-legged transformer in Example 1 of this invention. It is a figure which shows the magnetization curve of the amorphous magnetic material and the nanocrystalline magnetic material used for the composite iron core in Example 1 of this invention. It is a figure which shows the relationship between the average magnetic flux density of the composite iron core in Example 1 of this invention, and the magnetic flux density in an amorphous, grain-oriented electrical steel sheet iron core. It is a figure which shows the relationship between the cross-sectional area ratio of the amorphous iron core in the composite laminated iron core of the three-phase five-legged transformer in Example 1 of this invention, and the average magnetic flux density of the composite iron core.
  • Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a three-phase five-legged transformer according to the first embodiment, (a) is a vertical cross-sectional view, and (b) is a cross-sectional view taken along the AA'cross section of (a). Shown.
  • 1 is a composite iron core, and in this example, it is a five-legged iron core.
  • the composite iron core 1 is composed of two types of composite iron cores, a nanocrystal iron core 11 using a thin band-shaped nanocrystal material and an amorphous iron core 12 using an amorphous magnetic material. Further, a composite iron core 1 and a three-phase winding in which a high-pressure winding 21 and a low-pressure winding 22 are superposed and wound around the three magnetic legs are provided.
  • the nanocrystalline iron core 11 and the amorphous iron core 12 are cut into a quadrilateral, pentagonal, or hexagonal shape and combined at the joint portion 15.
  • the nanocrystal core 11 is laminated on the central portion (inside) of the composite core 1, and the amorphous iron core 12 is laminated on the outside (ends on both sides).
  • the thickness of the nanocrystalline iron core 11 is a 1
  • the thickness of the composite iron core 1 is a 2
  • the ratio a 1 : a 2 is 75:25 as an example.
  • the meaning of the reference numerals indicating the respective parameters of the transformer in the first embodiment and the values of the respective parameters are as shown in Table 1.
  • FIG. 2 is a magnetization characteristic showing the relationship between the magnetization force and the magnetic flux density of the magnetic material constituting the composite iron core 1 defined in the electromagnetic field analysis.
  • 31 is the magnetization characteristic of the amorphous magnetic material
  • 32 is the magnetization characteristic of the nanocrystal material.
  • the amorphous magnetic material and nanocrystal material used in this analysis the amorphous material and nanocrystal material sold by Hitachi Metals, Ltd. were used.
  • the electrodes of the secondary winding 22 were opened, and a three-phase 50 Hz sine wave voltage was applied to the primary winding 21 to calculate the magnetic flux density distribution in the iron core.
  • FIG. 3 shows the relationship between the average magnetic flux density B m of the entire composite iron core obtained by changing the applied voltage V1 and the magnetic flux densities in the amorphous iron core and the nanocrystal iron core.
  • the calculation results of each iron core are shown by the curves of the magnetic flux density 33 of the amorphous iron core and the magnetic flux density 34 of the nanocrystal iron core in the figure, respectively. That is, the calculation result of the amorphous iron core is as shown in 33, and the calculation result of the nanocrystal iron core is as shown in 34.
  • the effective area of the composite core A C, when the frequency of the applied voltage and f, B m is expressed by the following equation (1).
  • the execution cross-sectional area AC is expressed by Eq. (2).
  • AC b ⁇ (a 1 , S 1 + a 2 , S 2 ) ............ (2)
  • B n, and B a shown in FIG. 3 is a representative value of the magnetic flux density at the stationary induction apparatus, each of the nanocrystal material, with the configured core only amorphous material (stationary electromagnetic device).
  • B m1 shown in the figure is a weighted average value of the magnetic flux densities according to the ratio of the cross-sectional areas of both magnetic materials in the composite iron core, and is the average magnetic flux density of the composite iron core in the conventional design method.
  • the average magnetic flux density B m1 of this composite iron core is expressed by the following equation (3).
  • B m1 (a 1 ⁇ S 1 ⁇ B n + a 2 ⁇ S 2 ⁇ B a ) / (a 1 ⁇ S 1 + a 2 ⁇ S 2 ) ....................colour (3)
  • the magnetic flux density 34 of the iron core reaches magnetic saturation and becomes a constant value.
  • the inclination of the magnetic flux density 33 of the amorphous iron core becomes large. This is a phenomenon that appears when the leakage magnetic flux from the nanocrystalline iron core that has caused magnetic saturation flows through the amorphous iron core, and the average magnetic flux density B m of the composite iron core exceeds the weighted average value B m1 shown in Eq. (3).
  • the magnetic flux density of the amorphous core is also increased average magnetic flux density B m to B m @ 2 to reach the B a, the function as the stationary induction apparatus is maintained.
  • the average magnetic flux density B m of the composite core may be made in B m @ 2 at a maximum. That is, if the average magnetic flux density B m of the composite iron core is set to B m 2 or less in FIG. 3 and larger than the weighted average value B m 1 , the performance of the composite core can be expected to be improved.
  • the magnetic flux density in the magnetic material having the highest saturation magnetic flux density in the composite iron core is static composed only of the magnetic material.
  • the average magnetic flux density in the composite iron core is set so that the magnetic flux density of the induction device is B m2 or less, and the weighted average of the magnetic flux densities according to the ratio of the cross-sectional areas of the two or more kinds of magnetic materials in the composite iron core.
  • the average magnetic flux density of the amorphous iron core 12 having a high internal magnetic flux density of the composite iron core is B m2 .
  • the average magnetic flux density B m @ 2 of the case a weighted average value of 9% from B m1 flux density corresponding to the ratio of the cross-sectional area of two or more magnetic materials high, if the average magnetic flux density B m and B m @ 2, a composite
  • the effective cross-sectional area of the iron core can be reduced by 9% compared to the conventional design method.
  • the effective value of the primary voltage is 3822V as shown in Table 1, according to B m in the conventional design method of a B m1, the dimensions a 1 in Figure 1 244mm, a 2 is 82mm.
  • the dimensions a 1 are 225 mm and a 2 is 75 mm.
  • the outer volume W ⁇ H ⁇ D of the composite iron core is reduced by 9% from the conventional design dimensions.
  • the numerical values in the above description are calculation results when the geometric cross-sectional area ratio a 1 : a 2 of the nanocrystalline iron core and the amorphous iron core constituting the three-phase five-legged composite iron core is 75:25. This ratio is changed from 0: 100 to 100: 0, the change in the average magnetic flux density B m obtained by the same calculation method is shown in FIG. 4, and the change in the outer volume W ⁇ H ⁇ D of the composite iron core is shown in FIG. show.
  • the horizontal axis of both figures is the ratio of the amorphous iron core to the geometrical cross-sectional area of the entire composite iron core. .. First, 39 shown in FIG.
  • Example 4 corresponds to a weighted average value B m1 of the magnetic flux density according to the ratio of the cross-sectional area of the nanocrystalline iron core and the amorphous iron core, and represents the magnetic flux density of the composite iron core in the conventional design method.
  • B m obtained by the method in the Example of this invention.
  • the method of the embodiment of the present invention can increase the magnetic flux density as compared with the case of the conventional design method based on the weighted average value.
  • the external volume W ⁇ H ⁇ D of the composite iron core designed from this result was obtained, and the relative volume with the amorphous transformer as 100% is shown in FIG. It can be seen that in Example 1 of the present invention, the effect of reducing the external volume 42 can be obtained in a wide range of iron core ratios, as compared with the result 41 of the conventional design method, in response to the increase in B m. ..
  • Example 2 The principles and effects of the present invention in Example 1 can also be widely obtained in composite iron cores for stationary induction devices of other shapes.
  • FIG. 6 is a central cross-sectional view of the three-phase five-legged transformer according to the second embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals (numbers), and the description thereof will be omitted.
  • two types of iron cores a thin band-shaped nanocrystalline iron core 11 and an amorphous iron core 12, are alternately laminated one by one or in units of a plurality of cores to form a composite iron core.
  • Example 1 By designing the ratio of the cross-sectional area of the nanocrystalline iron core 11 and the amorphous iron core 12 and the magnetic flux density in the same manner as shown in Example 1, the same effect as in Example 1 can be obtained, and the outer volume of the composite iron core can be reduced. can do.
  • Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. 7A and 7B are cross-sectional views of a single-phase transformer showing Example 3 of the present invention, in which FIG. 7A is a vertical cross-sectional view, and FIG. The figure is shown. Since the constituent devices shown by the respective reference numerals (numbers) in FIG. 7 have already been described, the description thereof will be omitted here.
  • the high-pressure winding 21 and the low-pressure winding 22 are superposed on the composite iron core 1 composed of two types of iron cores, a thin band-shaped nanocrystalline iron core 11 and an amorphous iron core 12, and the three magnetic legs. It is equipped with a wound single-phase winding.
  • the nanocrystalline iron core 11 and the amorphous iron core 12 are cut into a trapezoidal shape and combined at the joint portion 15.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a three-phase tripod type transformer showing Example 4 of the present invention, (a) is a vertical cross-sectional view, and (b) is a cross section along the AA'cross section of (a). The top view is shown. Since the constituent devices shown by the respective reference numerals (numbers) in FIG. 8 have already been described, the description thereof will be omitted here.
  • a composite iron core composed of two types of iron cores, a nanocrystal iron core 11 made of a thin band-shaped nanocrystal material and an amorphous iron core 12 made of an amorphous magnetic material, is used.
  • a three-phase tripod type composite core is composed of two inner wound cores 1a and one outer wound core 1b that covers the outer circumference of the inner wound core.
  • the three magnetic legs are provided with a three-phase winding in which a high-pressure winding 21 and a low-pressure winding 22 are wound in an overlapping manner to form a transformer.
  • the nanocrystal core 11 and the amorphous core 12 are cut and laminated to a predetermined length, the outer shape is formed into a substantially rectangular shape, and the cut ends are connected to each other by a wrap joint 16 to form an annular wound core.
  • the composite iron core of the static induction device in the present invention is formed by cutting two or more kinds of thin band-shaped magnetic materials and stacking a plurality of iron cores in which each thin band-shaped magnetic material is continuously laminated in the stacking direction. Can be done.
  • the composite iron core of the stationary induction device of the present invention can be constructed by cutting two or more kinds of thin strip-shaped magnetic materials and alternately laminating them.
  • the composite iron core of the static induction device of the present invention can be composed of a wound iron core in which two or more kinds of thin strip-shaped magnetic materials are cut and laminated, formed into an annular shape, and the cut ends are lap-bonded to each other.
  • the composite iron core of the static electromagnetic device of the present invention is provided in parallel with three parallel magnetic leg groups having three-phase windings and on both outer sides of the magnetic leg groups, and is not provided with windings. It can be a three-phase five-leg type laminated iron core composed of two side legs, a magnetic leg group, and a yoke portion connecting both ends of the side legs.
  • the composite iron core of the stationary induction device of the present invention is a three-phase tripod type composed of three parallel magnetic legs having three-phase windings and a yoke portion connecting both ends of the magnetic legs. It can be a laminated iron core.
  • the composite iron core of the stationary induction device has a frame shape, and it is also possible to use a single-phase laminated iron core having single-phase windings on one side or two opposing sides of the iron core.
  • a single-phase laminated iron core having single-phase windings on one side or two opposing sides of the iron core.
  • four wound cores made of two or more kinds of magnetic materials having substantially the same size are arranged in parallel, and three-phase windings are provided on three magnetic legs adjacent to each other. It can also be a three-phase five-legged winding iron core provided.
  • the composite iron core of the stationary induction device is composed of one wound core made of two or more kinds of magnetic materials, and is provided with a single-phase winding on one or two magnetic legs of the wound core. It can also be a molded iron core.

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Abstract

複数の鉄心材料が持つ低損失，高磁束密度特性等の優位性を兼ね備え、小型化を実現できる変圧器等の静止誘導機器を提供する。　２種以上の磁性材料から構成された複合鉄心を用いる静止電磁機器であり、この複合鉄心の平均磁束密度を適切に選定する。すなわち、２種以上の磁性材料から構成される複合鉄心内で、最も飽和磁束密度が高い磁性材料内の磁束密度が、前記最も飽和磁束密度が高い前記磁性材料のみで構成した静止電磁機器の磁束密度以下であり、かつ前記複合鉄心における前記２種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定する。このように設定することにより、２種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値に選定する従来の静止電磁機器よりも性能が向上し、小型化を実現できる。

Description

静止誘導機器および変圧器
　本発明は、静止誘導機器および変圧器に関する。
　変圧器やリアクトル等の静止誘導機器(静止電磁機器)に用いられる鉄心には、方向性電磁鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の軟磁性材料が広く用いられている。これらの各磁性材料は、それらの損失（鉄損）、飽和磁束密度、機械的強度、コスト等の諸要因に応じて各種の静止誘導機器に使われる。静止誘導機器の一種である変圧器を例に取ると、これらの各磁性材料は、小容量の受配電向けから大容量の送配電向けの変圧器まで、その用途に合わせて使い分けがなされている。
　例えば、方向性電磁鋼板とアモルファス合金を比較した場合、方向性電磁鋼板は飽和磁束密度が高いので鉄心の小型化が容易であり、かつ機械的強度が高いので、大容量の送配電向けの変圧器用鉄心に好適である。これに対して、アモルファス合金は、方向性電磁鋼板より損失が小さいので変圧器の高効率化に優位性があるが、飽和磁束密度と機械的強度は方向性電磁鋼板に比べて低いため、主に、小容量～中容量の受配電向け変圧器用鉄心として実用化されている。
　ここで，前記したような２種類以上の鉄心材料を組み合わせた「複合鉄心」を使用することにより、性能が高く小型化が容易な電磁誘導機器を実現することが可能となる場合がある。例えば、方向性電磁鋼板における高い飽和磁束密度と機械的強度と、アモルファス合金の低い損失を兼ね備えた性能の高い静止誘導機器（例えば、変圧器）が実現できる可能性がある。このような考えに基づく先行技術として、特開平８－８８１２８号公報（特許文献１）が知られている。この特許文献１には、鉄損の低減に有効なアモルファス巻鉄心を内側にし、電磁鋼板巻鉄心を外側に配置した多層変圧器鉄心の技術が開示されている。
　また、２種類の磁性材料を組み合わせた複合鉄心を用いた変圧器に関する先行技術として、ＷＯ２０１６／０８３８６６Ａ１公報（特許文献２）が知られている。この特許文献２には、鉄を主成分とする軟磁性アモルファス合金と、鉄を主成分とする軟磁性ナノ結晶合金から構成される三相巻鉄心において、高い飽和磁化を有する前者の断面積比率が２～５０％，好ましくは４～４０％であることを満たす複合巻鉄心からなる変圧器に関する技術が開示されている。
特開平８－８８１２８号公報 ＷＯ２０１６／０８３８６６Ａ１公報
　特許文献１で開示されている技術は、方向性電磁鋼板の持つ高い機械的強度とアモルファス合金の持つ小さな鉄損を兼ね備えた静止誘導機器を実現するものである。特許文献２で開示されている技術は、ナノ結晶合金より高い飽和磁束密度を持つアモルファス合金と，アモルファス合金よりさらに小さい鉄損を持つナノ結晶合金を組み合わせて、両材料の優位な特性を兼ね備えた静止誘導機器を実現するものである。
　一方、両文献とも，複合鉄心を構成する２つの磁性材料の利点を生かすための具体的な設計条件を定量化しておらず、複合鉄心の仕様によっては、各磁性材料の十分な特性を生かしきれず、結果的に性能の高い静止誘導機器を実現できていない可能性がある。
　そこで、本発明の目的は、性能を高め小型化を可能にした複合鉄心を用いた静止誘導機器および変圧器を提供することである。
　本発明は、その一例を挙げると、２種以上の磁性材料から構成された複合鉄心を用いる静止誘導機器であって、前記複合鉄心内で最も飽和磁束密度が高い磁性材料内の磁束密度が、前記最も飽和磁束密度が高い磁性材料のみで構成した場合の鉄心の磁束密度以下であり、かつ前記複合鉄心における前記２種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定した静止誘導機器である。
　本発明によれば、性能の高い複合鉄心を用いた静止誘導機器および変圧器を提供することができ、鉄心の断面積の小型化を実現した静止誘導機器および変圧器を提供することができる。
本発明の実施例1における三相五脚型変圧器を示す図である。 本発明の実施例１における複合鉄心に用いるアモルファス磁性材料とナノ結晶磁性材料の磁化曲線を示す図である。 本発明の実施例１における複合鉄心の平均磁束密度とアモルファス，方向性電磁鋼板鉄心内の磁束密度の関係を示す図である。 本発明の実施例１における三相五脚型変圧器の複合積層鉄心に占めるアモルファス鉄心の断面積比率と、複合鉄心の平均磁束密度の関係を示す図である。 本発明の実施例１における三相五脚型変圧器の複合鉄心に占めるアモルファス鉄心の断面積比率と、複合積層鉄心の外形相対体積の関係を示す図である。 本発明の実施例２における三相五脚型変圧器の中央横断面を示す図である。 本発明の実施例３における単相変圧器の正面図および中央横断面図である。 本発明の実施例４における三相三脚型巻鉄心を用いた変圧器の正面図および中央横断面図である。
　以下，本発明を実施するための形態（実施例）について、図面を用いて詳細に説明する。以下の実施例では、静止誘導機器の一例である「変圧器」を例にとり説明するが、本発明は変圧器に限定されるものではなく、静止誘導機器全般に適用できる発明である。なお、以下の説明では、同じ機器や、同じ動作処理などには同一符号（番号）を付し、すでに説明した機器や動作は、後に説明する図面の説明では省略する場合がある。
　≪実施例１≫
　最初に、本発明の実施例１について、図１から図５を用いて説明する。
  まず、図１により、実施例1の全体構成を説明する。図１は、実施例１における三相五脚型変圧器の断面図を示し、（ａ）は縦断面図を、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ’断面に沿った横断面図を示している。
　図１において、１は複合鉄心であり、この例では五脚の鉄心としている。複合鉄心１は、薄帯状のナノ結晶材料を用いたナノ結晶鉄心１１とアモルファス磁性材料を用いたアモルファス鉄心１２の２種の複合鉄心により構成する。さらに、複合鉄心１と、その３箇所の磁脚部に高圧巻線２１と低圧巻線２２を重ねて巻回した三相巻線が備えられている。ナノ結晶鉄心１１およびアモルファス鉄心１２は、四辺形，五角形，あるいは六角形状に切り出し、接合部１５で組み合わされる。ナノ結晶鉄心１１は、複合鉄心１の中央部（内側）に，アモルファス鉄心１２は外側（両側の端部）にそれぞれ積層される。ナノ結晶鉄心１１の厚さはａ１、複合鉄心１の厚さはａ２であり、その比率ａ１：ａ２は一例として７５：２５としている。
  ここで、この実施例１における変圧器の各パラメータ示す符号の意味、および各パラメータの値は、表１に示した通りである。
　表１
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　次に、表１に示すパラメータによる実施例１の複合鉄心１内の磁束密度分布の電磁界解析の結果を説明する。
　図２は、電磁界解析において定義した複合鉄心１を構成する磁性材料の磁化力と磁束密度の関係を示す磁化特性である。図２において、３１はアモルファス磁性材料の磁化特性であり、３２はナノ結晶材料の磁化特性である。なお、この解析に用いたアモルファス磁性材料およびナノ結晶材料には、日立金属株式会社から販売されているアモルファス材料およびナノ結晶材料を用いた。
  この電磁界解析では、２次巻線２２の電極を開放状態とし、１次巻線２１に三相５０Ｈｚの正弦波電圧を印加して、鉄心内の磁束密度分布を計算した。
　次に、図３は、印加電圧Ｖ１を変化させて求めた複合鉄心全体の平均磁束密度Ｂｍと、アモルファス鉄心，およびナノ結晶鉄心内の磁束密度の関係を示している。各鉄心の計算結果は、それぞれ図中のアモルファス鉄心の磁束密度３３、ナノ結晶鉄心の磁束密度３４のカーブで示されている。すなわち、アモルファス鉄心の計算結果は３３のようになり、ナノ結晶鉄心の計算結果は３４のようになる。ここで、複合鉄心の実効断面積をＡＣ，印加電圧の周波数をｆとすると、Ｂｍは次の（１）式のように表される。また、実行断面積ＡＣは(２)式のように表される。
  Ｂｍ＝Ｖ１／（４．４４・ｆ・Ｎ１・ＡＣ）　……（１）
  ＡＣ＝ｂ・（ａ１・Ｓ１＋ａ２・Ｓ２）　…………（２）
　図３に示したＢｎ，およびＢａは，それぞれナノ結晶材の、アモルファス材のみで構成された鉄心を持つ静止誘導機器(静止電磁機器)における磁束密度の代表値である。そして、同図中に示したＢｍ１は、複合鉄心における両磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値であり、従来の設計方法における複合鉄心の平均磁束密度である。この複合鉄心の平均磁束密度Ｂｍ１は、次の（３）式のように表される。
  Ｂｍ１＝（ａ１・Ｓ１・Ｂｎ＋ａ２・Ｓ２・Ｂａ）／（ａ１・Ｓ１＋ａ２・Ｓ２）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　    ………………………………（３）
　さて、図３において、複合鉄心内の各鉄心（ナノ結晶鉄心とアモルファス鉄心）の磁束密度の変化を見ると、平均磁束密度Ｂｍの増加により、まず、アモルファス鉄心より飽和磁束密度が小さいナノ結晶鉄心の磁束密度３４が磁気飽和に達して一定値になる。このとき、アモルファス鉄心の磁束密度３３の傾きが大きくなることがわかる。これは、磁気飽和を起こしたナノ結晶鉄心からの漏洩磁束がアモルファス鉄心を流れることにより現れる現象であり、複合鉄心の平均磁束密度Ｂｍが（３）式に示した加重平均値Ｂｍ１を超えても、複合鉄心の外部への磁束の漏洩は起こらないという現象である。すなわち、アモルファス鉄心の磁束密度がＢａに達するＢｍ２まで平均磁束密度Ｂｍを高くしても、静止誘導機器としての機能が維持される。このような新たな知見によれば、複合鉄心の平均磁束密度Ｂｍを最大でＢｍ２になるようにしても良いことがわかる。すなわち、複合鉄心の平均磁束密度Ｂｍを図３におけるＢｍ２以下で加重平均値Ｂｍ１よりも大きくなるようにすれば、複合鉄心の性能が向上することが期待できる。
　このように、２種以上の磁性材料から構成された複合鉄心を用いる静止誘導機器において、該複合鉄心内で最も飽和磁束密度が高い磁性材料内の磁束密度が、該磁性材料のみで構成した静止誘導機器の磁束密度Ｂｍ２以下となるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定し、かつ前記複合鉄心における前記２種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値Ｂｍ１よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定することにより、従来よりも性能が高く小型化できる静止誘導機器を実現することが可能になる。
　この実施例１においては、複合鉄心の内磁束密度が高いアモルファス鉄心１２の平均磁束密度Ｂｍ２とする。この場合の平均磁束密度Ｂｍ２は、２種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値Ｂｍ１より９％高く、平均磁束密度ＢｍをＢｍ２とすれば、複合鉄心の実効断面積を、従来の設計方法より９％小さくすることができる。１次電圧の実効値が表１に示した３８２２Ｖのとき、ＢｍをＢｍ１とする従来の設計方法によれば、図１中の寸法ａ１は２４４ｍｍ，ａ２は８２ｍｍである。これに対し、ＢｍをＢｍ２とする本発明の実施例１によれば、寸法ａ１は２２５ｍｍ，ａ２は７５ｍｍとなる。これに伴い，複合鉄心の外形体積Ｗ×Ｈ×Ｄは，従来の設計寸法より９％小型化される。
　以上の説明における数値は、三相五脚型複合鉄心を構成するナノ結晶鉄心とアモルファス鉄心の幾何断面積比率ａ１：ａ２が７５：２５の場合の計算結果である。この比率を０：１００から１００：０まで変化させ、同様の計算方法により求めた平均磁束密度Ｂｍの変化を図４に示し、複合鉄心の外形体積Ｗ×Ｈ×Ｄの変化を図５に示す。両図の横軸は、複合鉄心全体の幾何断面積に占めるアモルファス鉄心の比率であり、０％はナノ結晶鉄心のみの場合、１００％はアモルファス鉄心のみで構成した静止誘導機器の計算結果である。まず、図４に示した３９は、ナノ結晶鉄心とアモルファス鉄心の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値Ｂｍ１に対応し、従来の設計法における複合鉄心の磁束密度を表す。そして、４０が本発明の実施例における方法により求めたＢｍである。図から分かるように、本発明の実施例の方法は、従来の加重平均値による設計方法の場合に比べて、磁束密度を高くすることができる。次に、この結果より設計した複合鉄心の外形体積Ｗ×Ｈ×Ｄを求め、アモルファス変圧器を１００％とした相対体積を示したのが図５である。Ｂｍが高くなることに対応し、従来の設計方法による結果４１に比べて、本発明の実施例１においては外形体積４２が小型化される効果が広い鉄心比率の範囲で得られることがわかる。
　≪実施例２≫
　実施例１における本発明の原理と効果は、他の形状の静止誘導機器用の複合鉄心においても広範に得ることができる。
　次に、本発明の実施例２について、図６により説明する。図６は、本発明の実施例２における三相五脚型変圧器の中央横断面図である。この実施例２において、実施例１と同一の構成機器には同一符号（番号）を付しており、その説明は省略する。この実施例２では、薄帯状のナノ結晶鉄心１１とアモルファス鉄心１２の２種の鉄心が、１枚単位，または複数枚単位で交互に積層されて複合鉄心が構成されている。このナノ結晶鉄心１１とアモルファス鉄心１２の断面積の比率と磁束密度を実施例１で示したと同様に設計することで、実施例１と同様の効果が得られ、複合鉄心の外形体積を小型化することができる。
　≪実施例３≫
　次に、本発明の実施例３について図７により説明する。図７は、本発明の実施例３を示す単相型変圧器の断面図であり、（ａ）は縦断面図を，（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ’断面に沿った横断面図を示す。なお、図７の各符号（番号）に示す構成機器は、すでに説明したので、ここでは説明を省略する。
　この実施例３では、薄帯状のナノ結晶鉄心１１とアモルファス鉄心１２の２種の鉄心からなる複合鉄心１と、その３箇所の磁脚部に、高圧巻線２１と低圧巻線２２を重ねて巻回した単相巻線が備えられている。ナノ結晶鉄心１１およびアモルファス鉄心１２は、台形状に切り出し、接合部１５で組み合わされる。ナノ結晶鉄心１１とアモルファス鉄心１２の断面積の比率と磁束密度を実施例１で示したように設計することにより、実施例１と同様の効果が得られ、複合積層鉄心の外形体積を小型化することができる。
　≪実施例４≫
　次に、本発明の実施例４について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施例４を示す三相三脚型変圧器の断面図であり、（ａ）は縦断面図を，（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ’断面に沿った横断面図を示す。なお、図８の各符号（番号）に示す構成機器は、すでに説明したので、ここでは説明を省略する。
　この実施例４では、薄帯状のナノ結晶材料からなるナノ結晶鉄心１１とアモルファス磁性材料からなるアモルファス鉄心１２の２種の鉄心からなる複合鉄心を用いている。２つの内側巻鉄心１ａと、該内側巻鉄心の外周を覆う１つの外側巻鉄心１ｂで三相三脚型の複合鉄心が構成される。その３箇所の磁脚部には、高圧巻線２１と低圧巻線２２を重ねて巻回した三相巻線が備えられ、変圧器が構成されている。ナノ結晶鉄心１１およびアモルファス鉄心１２は既定の長さに切断・積層されており、外形を略矩形に成形して切断端同士をラップ接合部１６にて接続して環状の巻鉄心としている。ナノ結晶鉄心１１とアモルファス鉄心１２の断面積の比率と磁束密度を実施例１で示したと同様に設計することにより、実施例１と同様の効果が得られ、複合巻鉄心の外形体積を小型化することができる。
　≪その他の実施例≫
　上述した本発明の実施例では，アモルファス材料とナノ結晶材料の２種の磁性材料からなる複合鉄心の例を示したが、方向性電磁鋼板などの他の磁性材料を含め、任意の複数の材料からなる複合鉄心についても本発明による設計方法により、鉄心の外形体積を小型化することができる。
　また、本発明は、以上説明した複数の実施例に限定するものではなく、その技術思想の範囲内において各種の代案・変形例をも含む。
　例えば、本発明における静止誘導機器の複合鉄心は、２種以上の薄帯状磁性材料を切断し、それぞれの薄帯状磁性材料を連続して積層した複数の鉄心同士を積層方向に重ねて構成することができる。また、本発明の静止誘導機器の複合鉄心は、２種以上の薄帯状磁性材料を切断し、交互に積層して構成することができる。また、本発明の静止誘導機器の複合鉄心は、２種以上の薄帯状磁性材料を切断，積層し、環状に成形して切断端同士をラップ接合した巻鉄心により構成することができる。また、本発明の静止電磁機器の複合鉄心は、三相巻線を備えた３本の並列した磁脚群と、該磁脚群の両外側に並列に備えられ、巻線が備えられていない２本の側脚と前記磁脚群および側脚の両端部同士を接続するヨーク部から構成される三相五脚型積層鉄心とすることができる。また、本発明の静止誘導機器の複合鉄心は、三相巻線を備えた３本の並列した磁脚群と、該磁脚群の両端部を接続するヨーク部から構成された三相三脚型積層鉄心とすることができる。また、静止誘導機器の複合鉄心は額縁状であり、該鉄心の１辺または対向する２辺に単相巻線を備えた単相型積層鉄心とすることも可能である。また、静止誘導機器の複合鉄心は、２種以上の磁性材料からなる４つの略同寸法の巻鉄心を並列させ、該巻鉄心同士が隣接する３か所の磁脚部に三相巻線が備えられた三相五脚型巻鉄心とすることもできる。また、静止誘導機器の複合鉄心は、２種以上の磁性材料からなる１つの巻鉄心からなり、該巻鉄心の１か所または２か所の磁脚部に単相巻線を備えた単相型巻鉄心とすることもできる。
１…複合鉄心、１１…ナノ結晶鉄心、１２…アモルファス鉄心、１５…接合部、２１…高圧巻線、２２…低圧巻線

Claims (12)

  1. 　２種以上の磁性材料から構成された複合鉄心を用いる静止誘導機器であって、
    　前記複合鉄心内で最も飽和磁束密度が高い磁性材料内の磁束密度が、前記飽和磁束密度が最も高い磁性材料のみで構成した鉄心の磁束密度以下であり、かつ前記複合鉄心における前記２種以上の前記磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定した静止誘導機器。
  2. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、２種以上の薄帯状磁性材料を切断し、それぞれの薄帯状磁性材料を連続して積層した複数の鉄心同士を積層方向に重ねて構成したことを特徴とする静止誘導機器。
  3. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、２種以上の薄帯状磁性材料を切断し、交互に積層して構成したことを特徴とする静止誘導機器。
  4. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、２種以上の薄帯状磁性材料を切断，積層し、環状に成形して切断端同士をラップ接合した巻鉄心により構成したことを特徴とする静止誘導機器。
  5. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、三相巻線を備えた３本の並列した磁脚群と、該磁脚群の両外側に並列に備えられ、巻線が備えられていない２本の側脚と、前記磁脚群および側脚の両端部同士を接続するヨーク部から構成される三相五脚型積層鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
  6. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、三相巻線を備えた３本の並列した磁脚群と、該磁脚群の両端部を接続するヨーク部から構成された三相三脚型積層鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
  7. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、額縁状であり、鉄心の１辺，または対向する２辺に単相巻線を備えた単相型積層鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
  8. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、２種以上の前記磁性材料からなる４つの略同寸法の巻鉄心を並列させ、巻鉄心同士が隣接する３か所の磁脚部に三相巻線が備えられた三相五脚型巻鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
  9. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、２種以上の磁性材料からなる２つの並列させた略同寸法の巻鉄心と、２つの巻鉄心の外周を覆う１つの前記巻鉄心からなり、巻鉄心同士が隣接する３か所の磁脚部に三相巻線が備えられた三相三脚型巻鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
  10. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心は、２種以上の前記磁性材料からなる１つの巻鉄心からなり、該巻鉄心の１か所または２か所の磁脚部に単相巻線を備えた単相型巻鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
  11. 　請求項１に記載の静止誘導機器において、
    　前記複合鉄心をアモルファス鉄心とナノ結晶鉄心とで構成し、前記アモルファス鉄心の磁束密度が、前記アモルファス鉄心のみで構成した場合の鉄心の磁束密度以下であり、前記磁束密度が前記アモルファス鉄心と前記ナノ結晶鉄心の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きい値となるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定したことを特徴とする静止誘導機器。
  12. 　２種以上の磁性材料から構成された複合鉄心と、前記複合鉄心に高圧巻線と低圧巻線を重ねて巻回してなる変圧器であって、
    　前記複合鉄心内で飽和磁束密度が最も高い磁性材料内の磁束密度が、前記飽和磁束密度が最も高い磁性材料のみで構成した鉄心の磁束密度以下であり、かつ前記複合鉄心における前記２種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定した変圧器。
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