特開 2023-176086 静止電磁機器用鉄心

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023176086

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】静止電磁機器用鉄心

(51)【国際特許分類】

   H01F 27/26 20060101AFI20231206BHJP

   H01F 27/25 20060101ALI20231206BHJP

   H01F 27/245 20060101ALI20231206BHJP

   H01F 27/24 20060101ALI20231206BHJP

   H01F 27/33 20060101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

H01F27/26 130L

H01F27/25

H01F27/245 155

H01F27/24 J

H01F27/33

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022088176

(22)【出願日】2022-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】小林 千絵

(72)【発明者】

【氏名】栗田 直幸

(72)【発明者】

【氏名】山口 耕平

(72)【発明者】

【氏名】小木 瑞

【テーマコード（参考）】

5E058

【Ｆターム（参考）】

5E058AA08

5E058AA15

(57)【要約】

【課題】
アモルファス鉄心の占積率を維持しながら、アモルファス鉄心を構成するアモルファス薄帯の積層方向への圧縮応力負荷を抑制し、磁歪振動による騒音を低減した静止電磁機器用鉄心を提供する。
【解決手段】
本発明の静止電磁機器用鉄心１０は、アモルファス金属薄帯の積層体１と、積層体１を保持する保持部材２とを備え、保持部材２の幅ｂが、積層体１の積層方向の幅ａ以上であることを特徴とする。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アモルファス金属薄帯の積層体と、前記積層体を保持する保持部材とを備え、
前記保持部材の幅が、前記アモルファス金属薄帯の積層方向の幅以上であることを特徴とする静止電磁機器用鉄心。

【請求項2】

前記保持部材は、前記積層体の積層方向に圧縮応力を負荷しない形状および大きさを有していることを特徴とする請求項１に記載の静止電磁機器用鉄心。

【請求項3】

前記保持部材は、断面形状がコの字型の部材であり、前記積層体の最内周面および最外周面を挟み込むように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の静止電磁機器用鉄心。

【請求項4】

前記積層体は、前記アモルファス金属薄帯を複数枚積層して矩形状に成形し、両端同士をラップ接合させて閉磁路を形成したものであり、
前記保持部材は、前記矩形状の積層体の角部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静止電磁機器用鉄心。

【請求項5】

前記積層体の最内周側の面および最外周側の面のうちの少なくとも一方に珪素鋼板が設けられ、
前記保持部材の一部が前記珪素鋼板に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の静止電磁機器用鉄心。

【請求項6】

前記保持部材は、絶縁体または非磁性体であることを特徴とする請求項１に基材の静止電磁機器用鉄心。

【請求項7】

前記積層体と前記保持部材との間に吸音材または防音材が設けられていることを特徴とする請求項１に基材の静止電磁機器用鉄心。

【請求項8】

前記保持部材の両端面を、前記積層体と前記珪素鋼板との間に挿入したことを特徴とする請求項５に基材の静止電磁機器用鉄心。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静止電磁機器用鉄心に関する。

【背景技術】

【0002】

電力系統における送配電電圧の変換および２系統の電線間の電気的絶縁に用いられる変圧器等の静止電磁機器は、鉄を主成分とする方向性珪素鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の導電性軟磁性材料、あるいはフェライト等の非導電性軟磁性材料により構成された鉄心の磁脚部に、高圧側と低圧側の２系統の巻線が巻回されている。現在、配電用変電所等に用いられる、電力容量（定格容量）がおおむね２ＭＶＡを超える配電用変圧器の鉄心の磁脚部には、機械的強度、コストおよび電力効率のバランスを考慮し、主に方向性電磁鋼板が採用されている。一方、鉄を主成分とする薄帯状のアモルファス合金を積層して構成されるアモルファス鉄心は、方向性電磁鋼板より磁気損失が半分以下で、静止電磁機器の高効率化に極めて有用であり、現在、主に２ＭＶＡ以下の小容量の静止電磁機器に採用されている。

【0003】

アモルファス鉄心を使用した静止電磁機器用鉄心の例として、特許文献１がある。特許文献１には、アモルファス材薄帯を多層に巻回したアモルファス巻鉄心とアモルファス巻鉄心が挿入された複数のコイルを備えるアモルファス巻鉄心変圧器において、アモルファス巻鉄心は、コア部の占積率がヨーク部より高いことを特徴とするアモルファス巻鉄心変圧器が開示されている。特許文献１によれば、巻鉄心のコア部１ａの占積率が高いので鉄損を低下させることができ、そして、この低下分でヨーク部１ｂの占積率の低さによる鉄損の増加分を打ち消すことができるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００－１２４０３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年では、変電所の周辺環境保護の観点から、各設備に対する騒音規制が厳しくなっている。変圧器の騒音の一つに励磁騒音が挙げられ、励磁騒音の主な原因として鉄心の磁歪振動がある。磁歪は、鉄心を形成する鋼板内の磁束密度が変化したときに鋼板の形状がそれに従って変化するものである。この現象によって、鉄心が交流励磁されたときに鉄心が振動し、そのため騒音が発生する。アモルファス薄帯は磁歪が約２７ｐｐｍと一般的な鉄心材料の珪素鋼板に対して１０倍程度大きい。

【0006】

また、アモルファス薄帯は応力に敏感であり、数千枚の薄帯を重ねて形成したアモルファス鉄心では、鉄心の積層方向が圧縮されると、各薄帯で発生する磁歪振動が合成されて大きな騒音が発生する。従って、アモルファス鉄心の薄帯の積層方向に圧縮応力が付加されない鉄心構造とする必要がある。しかし、これまでの鉄心製作では、占積率＝（（薄帯枚数×薄帯厚さ）／鉄心積層方向の幅）が高いほど変圧器を小形に作ることができるため、占積率を上げる、つまり薄帯方向に圧縮が生じる鉄心の製作方法が採用されてきた。例えば、上述した特許文献１では、アモルファス鉄心の磁脚の占積率をヨーク部より上げるため、成形型３および締付治具４ａを用いてアモルファス金属薄帯を積層方向に締め付けている。また、締付治具などを設けない場合でも、変圧器タンクに挿入後、鉄心を固定する必要があるため、絶縁物などを鉄心巻線間に挿入することが一般的である。従って、変圧器を製作する工程でアモルファス鉄心の積層方向に圧縮応力を付加せざるを得ない。また、変圧器の容量が大きくなるにつれて、上述した圧縮応力も大きくなるため、騒音増加が顕著となる。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑み、アモルファス鉄心を用いた静止電磁機器用鉄心において、アモルファス鉄心の占積率を維持しながら、アモルファス鉄心を構成するアモルファス薄帯の積層方向への圧縮応力負荷を抑制し、磁歪振動による騒音を低減した静止電磁機器用鉄心を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するための本発明の一態様は、アモルファス金属薄帯の積層体と、積層体を保持する保持部材とを備え、保持部材の幅が、アモルファス金属薄帯の積層方向の幅以上であることを特徴とする静止電磁機器用鉄心である。

【0009】

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

【発明の効果】

【0010】

本発明の構成によれば、アモルファス鉄心を用いた静止電磁機器用鉄心において、アモルファス鉄心の占積率を維持しながら、アモルファス鉄心を構成するアモルファス薄帯の積層方向への圧縮応力負荷を抑制し、磁歪振動による騒音を低減した静止電磁機器用鉄心を提供することができる。

【0011】

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】実施例１のアモルファス鉄心の模式図

【図1B】保持部材の模式図

【図2A】実施例１のアモルファス鉄心を用いた三相五脚鉄心を示す平面図

【図2B】実施例１のアモルファス鉄心を用いた三相五脚鉄心を示す正面図

【図3A】従来のアモルファス鉄心を用いた三相五脚鉄心の一例を示す平面図

【図3B】従来のアモルファス鉄心を用いた三相五脚鉄心の一例を示す正面図本発明を実施しない場合の例を示す、三相五脚鉄心の説明図。

【図4】本発明のアモルファス鉄心の製造フローを示す図

【図5】アモルファス鉄心の占積率、騒音および体格の関係を示すグラフ

【図6】実施例２のアモルファス鉄心の模式図

【図7】実施例３の静止電磁機器の正面透視図

【図8】図７のＡ－Ａ´線断面図

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【実施例0014】

図１Ａは実施例１の静止電磁機器用鉄心（アモルファス鉄心）の模式図である。図１は変圧器内に挿入される鉄心のみを取り出した図である。図１に示すように、本発明のアモルファス鉄心１０は、アモルファス金属薄帯の積層体（以下、単に「積層体」とも称する。）１と、このアモルファス金属薄帯の積層体１を保持する保持部材２を有する。保持部材２は、積層体１の積層方向（図１の矢印Ｘおよび矢印Ｙの方向）に圧縮応力が負荷されないように設置されている。保持部材２の積層方向の幅ｂは、アモルファス鉄心１０の幅ａと同じか、それ以上とする。つまりｂ≧ａである。

【0015】

アモルファス鉄心１０の最内周側の面と最外周側の面には珪素鋼板４ａ，４ｂが配置され、欠けやすいアモルファス金属薄帯を保護している。また、アモルファス鉄心１０は薄板状の磁性材料であるアモルファス金属薄帯を複数枚積層して略矩形に成形し、該アモルファス金属薄帯の両端同士をラップ部３でラップ接合させて閉磁路を形成している。

【0016】

図１Ｂは保持部材の模式図である。本実施例の保持部材２は、断面形状がコの字型の部材であり、積層体１の積層面（複数のアモルファス金属薄帯が積層されて構成された面）を覆い、積層体１の最内周面および最外周面を挟み込むように配置されている。上述したように、保持部材２の積層方向の幅ｂとアモルファス鉄心１０の幅ａとの関係をｂ≧ａとすることで、積層体１の積層方向に圧縮応力が負荷されるのを防ぐ。すなわち、アモルファス鉄心１０の幅ａが外力によって小さくならないように、幅ａ以上の寸法を有する保持部材２で積層体１の一部を覆っている。また、保持部材の材質は、絶縁体または非磁性体が望ましい。漂遊損を抑制するためである。

【0017】

保持部材２は、積層体１に固定するため、アモルファス鉄心１０の最内周側の珪素鋼板４ａまたは最外周側の珪素鋼板４ｂと樹脂で接着することが好ましい。また、保持部材２と珪素鋼板４との接触面を蛇腹構造にして、保持部材２と珪素鋼板４とが引っ掛かるような構造で固定しても良い。さらに、保持部材２の両端面を、積層体１と珪素鋼板４との間に挿入して固定しても良い。さらに、積層体１と保持部材２とが接触する部分の間に図示しないが、吸音材（ゴム等）を配置することで、積層体１からの振動を吸音する構成としても良い。

【0018】

図３Ａおよび図３Ｂは従来のアモルファス鉄心を用いた三相五脚鉄心の一例を示す平面図および正面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、従来のアモルファス鉄心を用いた三相五脚鉄心は、積層体１と巻線５で構成されており、両者の間には絶縁部材６が挿入され、これによって鉄心を固定している。しかし、絶縁部材６を積層体１と巻線５との間に隙間なく埋めることで、柔らかいアモルファス鉄心に圧縮応力が負荷されてしまい、騒音が増加してしまう。

【0019】

図２Ａおよび図２Ｂは実施例１のアモルファス鉄心を用いた三相五脚鉄心を示す平面図および正面図である。本実施例では、積層体１を固定するための絶縁部材６は、保持部材２の外側に配置され、絶縁部材６は積層体１を押し付けることなく、積層体１と巻線５との間に配置した保持部材２を押し付ける構造となるため、積層体１を圧縮することなく固定することが可能となる。

【0020】

このように、本実施例の保持部材２は、積層体１を圧縮応力から保護するために設けるものであり、占積率を向上するために積層体１を締め付ける部材とは目的および効果が異なる。

【0021】

図５は本発明の本発明のアモルファス鉄心の製造フローを示す図である。製造手順としては、図５の（ａ）～（ｃ）に示すように、まず（ａ）アモルファス金属薄帯を積層して焼鈍したアモルファス金属薄帯の積層体１を配置し、（ｂ）アモルファス金属薄帯の積層体１に保持部材２を取り付け、（ｃ）アモルファス鉄心の最内周および最外周の側面に珪素鋼板４ａ，４ｂを取り付けて、保持部材２を挟み込む形状とする。

【0022】

図５はアモルファス鉄心の占積率、騒音および体格の関係を示すグラフである。図４に示すように、アモルファス鉄心の占積率を高めるほど体格は低減するが（図４の点線グラフ）、騒音は増大する傾向にある（図４の実線のグラフ）。すなわち、占積率と騒音の大きさは、トレードオフの関係にある。

【0023】

アモルファス鉄心は、アモルファス金属薄帯を積層した後、残留応力を取り除くために焼鈍する。アモルファス鉄心の焼鈍時には、アモルファス鉄心を支持する必要があるため鉄心を金具で固定するが、その時の鉄心の占積率をｘとした場合、図４に示すように、ｘに対して２％以上占積率を低くした占積率を有するように保持部材の幅を設定するのが望ましい。つまり、保持部材の幅を鉄心の占積率（ｘ－２）％で表現すると、以下の式の通りとなる。
保持部材の幅＝（薄帯枚数×薄帯１枚の厚さ）／（焼鈍後の鉄心の占積率÷１．０２）
占積率は高いほど小形化するため、保持部材の幅を上述した通り鉄心の幅よりも大きくした値とすることで、占積率を維持しながら騒音を低減できる。

【実施例0024】

図６は実施例２のアモルファス鉄心の模式図である。図６示すように、保持部材２をアモルファス金属薄帯の積層体１の四隅に配置しても良い。保持部材２の配置位置は、特に限定されず、アモルファス金属薄帯の積層体１をその位置がずれないように保持できる位置に配置していれば良い。ただし、アモルファス鉄心１０を流れる循環電流を断ち切るために、保持部材２はアモルファス鉄心１０の積層面の全面を覆っていない形状とすることが好ましい。

【0025】

実施例２の構成においても、実施例１の構成と同じく、アモルファス鉄心１０の占積率を維持しつつも、アモルファス鉄心の積層方向に圧縮応力が負荷されることなく、鉄心を成形することが可能となる。