(57)【要約】      （修正有）【課題】磁化反転しにくいアモルファスなどの磁性材料における磁区の磁化方向を制御することで、損失および騒音を低減できる変圧器を提供する。【解決手段】変圧器は、巻鉄心（内鉄心５１ａ）を有し、巻鉄心は、主面５２に開口部を有する。開口部は、巻鉄心の幅方向１４よりも磁路の方向１３に長い形状を有する。主面の厚みとは異なる深さの開口部であり、長辺と短辺または長軸と短軸を有する。また、開口部は、巻鉄心の金属部材に設けられたスリット１０であり、巻鉄心はアモルファス箔で構成される。【選択図】図６
2020013840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻鉄心を有する変圧器であって、
前記巻鉄心は、主面に開口部を有し、前記開口部は、前記巻鉄心の幅方向よりも磁路の方向に長い形状を有することを特徴とする変圧器。
【請求項２】
請求項１に記載の変圧器において、
前記巻鉄心は、前記主面の厚みとは異なる深さの前記開口部を有することを特徴とする変圧器。
【請求項３】
請求項１に記載の変圧器において、
前記開口部は、長辺と短辺または長軸と短軸を有することを特徴とする変圧器。
【請求項４】
請求項１に記載の変圧器でおいて、
前記開口部は、前記巻鉄心の端面とは異なる部分に設けられたことを特徴とする変圧器。
【請求項５】
請求項３に記載の変圧器において、
前記開口部の長辺は、前記巻鉄心の端面に接触することを特徴とする変圧器。
【請求項６】
請求項２に記載の変圧器において、
前記開口部は、前記巻鉄心の部材の厚みよりも短い深さを有することを特徴とする変圧器。
【請求項７】
請求項１に記載の変圧器において、
前記開口部は、前記巻鉄心の一枚の金属部材の上面と下面とを貫通する孔であることを特徴とする変圧器。
【請求項８】
請求項３に記載の変圧器において、
前記開口部の短辺または短軸は、前記巻鉄心の金属部材の上面側よりも下面側の方が短いことを特徴とする変圧器。
【請求項９】
請求項７に記載の変圧器において、
前記巻鉄心は、前記開口部とは異なる部分が接続されている一枚の金属部材を有することを特徴とする変圧器。
【請求項１０】
請求項１に記載の変圧器において、
前記開口部は、前記巻鉄心の金属部材に設けられたスリットであることを特徴とする変圧器。
【請求項１１】
請求項１に記載の変圧器において、
前記巻鉄心はアモルファス金属部材であることを特徴とする変圧器。
【請求項１２】
請求項３に記載の変圧器において、
前記開口部は、前記巻鉄心を構成する金属部材の主面に対して略垂直な断面を有することを特徴とする変圧器。
【請求項１３】
請求項１０に記載の変圧器において、
前記スリットは、スリット長がスリットピッチの長さ以上であることを特徴とする変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器に関し、特に、騒音と損失を低減する変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、変圧器に用いられる鉄心は、方向性電磁鋼板、アモルファス等、高透磁率で、かつ磁束密度の大きい磁性材料が使用されている。特に、アモルファス箔は、保磁力については、電磁鋼板の1/10から1/100ときわめて小さく、かつ箔比抵抗が、方向性電磁鋼板の１０倍であり、渦電流損失についても優位にある。
【０００３】
しかし、アモルファスも方向性電磁鋼板も磁歪定数が、軟磁性材料のたとえばＣ級パーマロイに比べ大きく、この結果、磁性体励磁に伴う磁歪振動が大きく、鉄心から発生する騒音が大きいという問題がある。
【０００４】
磁歪現象は、消磁状態の磁性体が磁化して飽和することにより、磁性体の長さが変化することである。磁歪定数が、正であれば磁性体は磁歪定数の比率分伸びることを示す。また、伸縮は飽和する極性方向によらないため、ある磁極方向に飽和したものが磁化反転に伴い反対磁極方向に飽和する過程において、励磁方向と磁化方向が一致しない状態を経ることにより伸縮し、振動すると考えられる。消磁状態でばらばらであった磁性体内部の細かい磁区が、磁化すると一方向に揃うことによる構造の変化を反映している。
【０００５】
電磁鋼板では、磁区幅が狭いほど磁区の平均移動距離が縮小し、低損失化及び低騒音化するといわれている。アモルファスでの低騒音化に関する技術としては、電磁鋼板に習ったものが多い。特許文献１は、レーザにて、浅い穴を規則的に開け、低損失および低皮相電力を有する軟磁性アモルファス合金薄帯を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１１／０３０９０７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電磁鋼板と異なり、アモルファスの磁区は、幅の広い磁区となっていることが知られている。また、アモルファスの磁区は、磁化反転しにくいと考えられる。
【０００８】
特許文献１に開示された技術では、レーザ光を照射して凹部とドーナッツ状の突起部を形成することで、低鉄損はなされたが、低騒音化の効果に関しては、不明であると思われる。
【０００９】
そこで、磁化反転しにくいアモルファスなどの磁性材料における磁区の磁化方向を制御することで、磁化反転を容易にすることができ、損失および騒音を低減できると、発明者らは考えた。
【００１０】
本発明の目的は、損失および騒音を低減できる変圧器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の好ましい一例は、巻鉄心を有する変圧器であって、前記巻鉄心は、主面に開口部を有し、前記開口部は、巻鉄心の幅方向よりも磁路の方向に長い形状を有する変圧器である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、変圧器の損失及び騒音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１におけるアモルファス箔を示す図である。
【図２】実施例２におけるスリット形成法と磁気特性の関係を示す図である。
【図３】実施例３を説明する図である。
【図４】実施例４におけるスリット形状と磁気特性の関係図である。
【図５】実施例５における変圧器を示す図である。
【図６】実施例５における変圧器の構成部品を示す図である。
【図７】変圧器の外観を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図を用いて、実施例を説明する。
【実施例１】
【００１５】
まず、アモルファス箔に、スリット１０を設ける形状についての定義を説明する。図１は、実施例１のアモルファス箔を示す平面図である。スリット１０は、アモルファス箔に切れ込みを入れることで実現できる。開口部であるスリット１０は、アモルファス箔面の片側から反対面に向かい、直線状に、アモルファス箔の厚さを減少させることで、スリット１０に平行と垂直での磁化し易さを変える効果があり、スリット１０に平行方向の印加磁界Ｈｍを減少させる。また、スリット１０に垂直方向の磁化飽和磁界値が、磁気異方性を表す。図１の符号１３は、磁路を示し、符号１４は、アモルファス箔の幅方向を示す。符号１２は、スリット間隔を示す。また、印加磁界Ｈｍは、最大磁束密度Ｂｍを測定する際に、印加する磁界を示す。
【００１６】
特に、スリット１０を、アモルファス箔を貫通する程度まで深くすることで、アモルファス箔面内に、適度な磁気異方性を付与し、磁化を安定させる効果がある。スリット１０は、アモルファス箔面に沿って長いほど、印加磁界Ｈｍを低減させるが、アモルファス箔を切断するほど長くする必要はない。スリット１０が、アモルファス箔の端面まで達していない場合には、アモルファス箔の強度を高く保つことができる。
【００１７】
スリット１０を、一定長さ（スリット長）とし、次々に、スリット１０を形成して長いスリット１０と同じ効果を得られる。このスリット１０間の長さ（スリットピッチ１１）は、短いほどアモルファス箔を切断し易くするため、強度を保つためにはスリット長とスリットピッチ１１の比を１：１から１０：１の間に保つのが良い。このようなスリット形状とすることで、アモルファス箔を破断させることなく変圧器鉄心形状加工できる。
【００１８】
アモルファス箔に、適当な大きさの磁気異方性を付与し、磁区方向を均一化した磁区構造とし、磁化反転を容易に実現できる。その結果として、損失低減、および磁歪振動を低減させることができる。磁性体に磁気異方性を付与する手段として最も有効なのは、形状異方性を利用することである。これは、磁性体を異方的な形状、例えば、棒状にしたとき、棒の長さ方向に向かい磁化しやすくなることである。このことは、棒が空間に単独に存在しても、均一な磁性体の内部に空間として存在しても同じ効果を表す。実施例１は、アモルファス箔に切れ込みをいれ、アモルファス箔に磁気異方性を付与した例である。
【実施例２】
【００１９】
図１のスリットを形成する手法には、シャー加工、ダイアモンドカッター加工、レーザ加工などがある。実施例２では、１辺５０ｍｍ四方のアモルファス箔を使用した。図２（a）は、実施例２におけるアモルファス箔の平面図を示す。図２（b）は、実施例２のスリット形成法と磁気特性を示す表１を示す。
【００２０】
図２（a）に示すように、スリット間隔は３０ｍｍで、アモルファス箔の端部から４５ｍｍまでスリットを形成し、異なる形成法による磁気特性を比較した。
【００２１】
スリットの形成には、パルスレーザおよびシャーにより切断したものを比較した。レーザは、ピコ秒励起パルスレーザを用い、出力を３８Ｗとして一定に保ち、スリットを繰り返しスキャンし、スキャン速度と、繰り返し数を変えてスリットを作成した。
【００２２】
試料は、スリットを形成した後、熱処理により加工歪みを除去した。また、比較のため熱処理のみの試料（ダミー）を準備した。磁気特性は、アモルファス箔を、５０Ｈｚで、１Ｔまで励磁した際の損失であるW10/50と、印加磁界Ｈｍである。図２(a)に示したように、計測範囲21は、３６ｍｍの間をスリットの方向に測定した。
【００２３】
表１に、測定値を示す。比較用ダミーに対し、2m/sのスキャン速度で、１３回で切断した場合では、W10/50の損失は、４０％増加し、かつ熱応力でアモルファス箔が破壊した。
【００２４】
スキャン速度を4m/ｓに上げた場合では、スキャン回数が２５回では、アモルファス箔の破壊はないが、W10/50の損失は６０％増加した。
【００２５】
これに対し、スキャン速度を8m/sと早くした場合では、スキャン回数を５０回とすると、W10/50の損失はダミーと同程度となった。これに対し、シャーを使った場合では、W10/50の損失は２０％低下となった。
【００２６】
ここで、レーザでスリットを形成する場合には、レーザの照射側のアモルファス箔の主面から、反対側の主面に向かってＶ字形状のテーパの有る断面が形成される。シャーを用いてスリットを形成する場合では、スリットの加工面は、アモルファス箔の主面に対して、ほぼ垂直な断面形状で、シャーの方が、磁気異方性が高くなり、騒音低減効果は高くなる。一方、レーザを使う場合の方が加工はしやすい。
【００２７】
また、印加磁界Ｈｍについてもダミーに対し、スキャン速度が2m/sの場合では、印加磁界Ｈｍは増加した。スキャン速度が4m/s、8m/sの場合、およびシャーを用いた場合では、ダミーと比べて、印加磁界Ｈｍは、低い値である。これより適度な条件でのスリット形成は、印加磁界を低減する効果があることがわかる。
【００２８】
一定の磁化に要する印加磁界を低減できるということは、磁化反転を容易にできることに対応する。これは変圧器における励磁容量の低減と等しい。つまり、実施例２によれば、磁化反転を容易にすることができ、そのため、アモルファス箔を鉄心に用いた場合の騒音を低減することができる。
【実施例３】
【００２９】
アモルファス箔に連続的にスリットを形成する手法としては、損失の小さいシャーであれば、スリット長に刃長さを揃え、連続プレスで箔を送り、スリット形成する方法がある。
【００３０】
一方、レーザを使う場合には、加工幅をプログラミングにより自由に変更でき、簡便である。そこで、スリットの磁気特性への影響を把握するため、実施例２で求めた損失及び印加磁界が小さいスキャン速度8m/sとしたレーザ加工条件によるスリット加工を行った。
【００３１】
図３(a)は、実施例３におけるアモルファス箔の平面図を示す。スリット長を１２ｍｍ、スリットピッチを３ｍｍで、３箇所に形成した。さらに、スリット間隔３０ｍｍで、別に２箇所を形成し、計６箇所にスリットを形成した。スリットを形成したアモルファス箔と、磁気測定部位を図３（a）に示す。なお、試料は熱処理をした。測定部位としては、図３（a）に示した幅３６ｍｍのスリットありと、スリット無しで示した部分を測定して、比較した。
【００３２】
このような比較を行った理由は、アモルファス箔は、特に、飽和付近の磁束密度で印加磁界が大きくなる。このため飽和付近の印加磁界の比較は、アモルファス箔の厚さを厳密にそろえる必要があり、同一箔の半分を加工し、スリットありの加工部と、スリットなしの無加工部の磁気特性を比較することで、スリット有無の効果を判断した。
【００３３】
図３(b)は、縦軸をW10/50の損失（W/kg）、横軸を磁束密度B（T）とした計測結果である。図３(b)に示すように、黒丸で表したスリットありの場合は、白丸で表したスリットが無い場合よりも、1.5〜1.6T付近の損失が小さく、スリットを設けた効果が出ている。
【００３４】
また、図３(c)は、縦軸を印加磁界Ｈｍ（A/m）、横軸を磁束密度B（T）とした計測結果である。図３(c)に示すように、スリットありの場合には、1.6T付近で印加磁界Ｈｍが、低下している。これは、スリットを形成することで、印加磁界の低下をもたらし、その結果、変圧器での励磁電流の低減が図れることを示している。低電流での励磁が可能であることは、アモルファスへのスリットの形成は、騒音低減に有効であると考えられる。
【実施例４】
【００３５】
図４（a）は、実施例４のアモルファス箔の平面図を示す。実施例４では、スリット間隔を３０ｍｍ、スリットピッチを２０ｍｍとし、スリット間隔を変えて検討した。現状の市販アモルファス箔は幅が、１４２ｍｍから２１３ｍｍの間にあり、この幅にスリットをどう形成すると有効であるかを、最大幅となる幅Ｌが２１３ｍｍのアモルファス箔につき本実施例で検討をした。アモルファス箔の幅２１３ｍｍを、計測できる測定器を用い、計測長さは１５０ｍｍとし、スリット方向に、磁界印加し計測した。なお、試料は、熱処理している。スリット形成は、アモルファス箔面を、どう分割するかという点で表現をした。アモルファス箔の分割は、上下対称とし、分割数を２０まで検討した。たとえば、２分割では、幅Ｄは、１０６ｍｍとなる。ここで小数点以下は切り捨てた。
【００３６】
図４（b）は、実施例４におけるスリット形状と磁気特性の関係を表した表２を示す。表２には、分割数と各幅Ｄの値、それぞれについて、５０Ｈｚで１Ｔの条件での励磁でのW10/50損失と、印加磁界Ｈｍを示した。分割無しの場合である、幅が２１３ｍｍの場合での損失と比べて、４分割から８分割した場合での損失は低下した。また、２分割から１４分割した場合では、印加磁界Ｈｍが低下した。この結果から、適度なスリットの形成は、損失低下と印加磁界の低減に有効であることがわかった。
【実施例５】
【００３７】
図５は、実施例５における３相３脚式変圧器の内部構成図を示す。図７は、変圧器の外観を示す図である。７１は、タンク容器７４の上部に設置された一次側端子で、発電所などから送電された高電圧の電源を接続する端子である。７２は、タンク容器７４の上部に設置された二次端子で、変圧器で昇圧又は降圧した電圧を負荷側に送るために接続する端子である。タンク容器７４の周縁に放熱フィン７３を設けて、コイルや鉄心などから発生する熱を冷却する構造となっている。
【００３８】
変圧器のタンク容器７４内は、外鉄心５０と、内鉄心５１ａ、５１ｂと、ｕ相、ｖ相、ｗ相の１次巻線５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、および２次巻線５４ａ、５４ｂ、５４ｃより成る。本実施例のスリット加工した鉄心は、外鉄心５０及び内鉄心５１ａ、５１ｂのすべて、あるいは、いずれかの外鉄心５０、または内鉄心５１ａ、５１ｂに、本実施例を適用する。
【００３９】
図６（ａ）は、内鉄心５１ａの斜視図である。内鉄心であるが、この鉄心単独に、１次巻線と２次巻線を巻き回すことで単層変圧器として動作させることもできる。本鉄心は、巻鉄心であり、短冊状に切断したアモルファス箔を積層し、これを巻鉄心の一部で組み合わせてラップ部を構成し矩形に成形している。巻鉄心の主面５２には、スリット１０を、図６（b）に示すように、形成する。
【００４０】
図６（ｂ）は、この鉄心を構成するアモルファス箔を示す図である。アモルファス箔もしくは巻鉄心の主面には、長手方向に磁路が形成され、スリット１０が形成されている。
【００４１】
開口部の一例であるスリット１０は、巻鉄心の幅方向１４より磁路の方向１３の方向に長い開口を有する。開口部の形状は、長辺と短辺または長軸と短軸を有する形状としてよい。また、開口部は、巻鉄心の端面と異なる部分に設けてもよいし、開口部の長辺が巻鉄心の端面に接触するように設けてもよい。このような形状にすることで、適度な磁気異方性を付与し、磁化反転を容易にし、損失ならびに騒音の低減を実現できる。
【００４２】
開口部を巻鉄心の端面と異なる部分に設けた場合には、巻鉄心の強度を高く保てる。開口部の長辺を巻鉄心の端面に接触するように設けた場合には、開口部の長さを選びやすくでき、磁気異方性を付与しやすくすることができる。
【００４３】
また、開口部の深さは、巻鉄心の主面の厚さより短くすることで、巻鉄心の強度を保つことができる。開口部が巻鉄心の主面を貫通させた場合には、磁気異方性を付与しやすくすることができる。また、積層するアモルファス箔の一部に、スリットを設けない、開口部とは異なる部分としてのアモルファス箔を接続して配置することで、開口部の深さを巻鉄心の厚さに比べて、短くし、巻鉄心の強度を保つことが出来る。
【００４４】
本実施例では、アモルファス箔を、所定の長さに、パルスレーザ、あるいはシャーにより連続して切断して、スリットを形成する。ここでは、アモルファス箔の幅のパルスレーザを用いた。幅１７０ｍｍのアモルファス箔を用いて、アモルファス箔に、３列のスリット１０を形成した。図６（b）で、符号１３は、巻鉄心の磁路の方向を示し、符号１４は、巻鉄心の幅方向を示す。
【００４５】
この場合、スリット幅は２８ｍｍである。スリット長とスリットピッチは、それぞれ、３０ｍｍ及び１０ｍｍとし、スリット１０が切断部にかからないよう加工開始終了位置を決定している。このアモルファス箔を重ね、ラップを構成して鉄心とした。
【００４６】
巻鉄心は、開口部幅６０ｍｍ、高さ１４０ｍｍとし、巻鉄心の厚さは３０ｍｍとした。その後、鉄心に磁界中で熱処理を行った。その後、この巻鉄心に絶縁紙を巻き、試験用に１次側に３０ターン、２次２０ターンの巻線を行い、１次側に励磁して２次側の巻線出力を計測して磁気特性を測定した。
【００４７】
比較用に、スリット１０を設けていない巻鉄心を準備し、同じ構成の巻線を巻いた状態で、損失値、励磁電流を計測した。その結果、鉄心飽和に近い５０Ｈｚ、平均磁束密度1.5Tでの損失については、スリットありの場合は、スリット無しの場合に比べ、５％の低減をすることできることがわかった。また、励磁に要する電流値も１０％低減でき、効率向上が確認できた。また、励磁電流が低減された結果、巻鉄心より発生する騒音も５ｄＢ低下し、スリット形成は低騒音化にも有効であることがわかった。
【００４８】
アモルファス箔にレーザでスリットを設けた場合には、照射側の開口部に比べて、反対側の主面での開口部の大きさは小さくなる。例えば、開口部の短辺または短軸は、巻鉄心を構成するアモルファス箔の上面側よりも下面側の方が短く、断面は、Ｖ字形状となる。レーザを用いた場合は、シャーを使ってスリットを作成する場合に比べて、作成しやすい。
【００４９】
アモルファス箔に、シャーでスリットを設けた場合には、巻鉄心を構成するアモルファス箔の主面に対して略垂直な断面を有する形状になり、磁気異方性は付与しやすくなる。
【実施例６】
【００５０】
実施例５に示した内鉄心５１ａへのスリット１０の形成は、次の手段によっても実現できる。初めにスリット１０を形成しない巻鉄心を作製した。このとき、鉄心形成に用いる内型にあらかじめスリット１０の形状より幅の広い開口部を形成しておく。次いで、この開口部からレーザにより鉄心内周部にスリット１０を形成した。このとき、スリットは長さ３０ｍｍ、ピッチ１０ｍｍとし、スリット間隔は２５ｍｍとした。レーザでの加工深さは１０ｍｍとした。その後、熱処理をすることで鉄心を構成した。
【００５１】
実施例５と同様の計測を行った結果、損失は、無加工と変らなかったが、励磁電流値は５％低下し、騒音も３ｄＢ低減することがわかった。この場合、レーザ加工断面がＶ字形状となるため、鉄心内側は、体積減少があり、この部分の磁束密度が上昇したため損失としては無加工と変らなかったと考えられる。
【００５２】
なお、このスリット作成法の場合、鉄心加工をダイアモンドカッターによっても可能である。この場合、カッター直径をスリット長さとすることでカッター直径の1/3程度の加工が可能である。しかし、冷却に純水を使用する、あるいは潤滑油を利用するなど、鉄心の酸化防止に留意が必要である。
【符号の説明】
【００５３】
１０：スリット、
１１：スリットピッチ、
１２：スリット間隔、
外鉄心：５０、
内鉄心：５１a  ５１ｂ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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