(57)【要約】【課題】直流偏磁が起きた場合でも、磁気飽和を避けることができる変圧器を提供する。【解決手段】容量鉄損特性曲線１における鉄損が４．８５×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以上、２７．３×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以下であり、定格電流に対し１％以上の直流成分が重畳した電流を入力しても磁気飽和しない特性を有する変圧器。鉄心３が非晶質金属材料にて構成される。鉄心３は、外部に配置されたソレノイドコイル１１にて磁場を任意の方向に印加しながら焼鈍され、変圧器組立時の巻線により励磁される方向と磁化容易軸が水平でない。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量鉄損特性曲線における鉄損が４．８５×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以上、２７．３×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以下であり、定格電流に対し１％以上の直流成分が重畳した電流を入力しても磁気飽和しない特性を有することを特徴とする変圧器。
【請求項２】
請求項１記載の変圧器において、
前記鉄心が非晶質金属材料にて構成されることを特徴とする変圧器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の変圧器において、
前記鉄心は、外部に配置されたソレノイドコイルにて磁場を任意の方向に印加しながら焼鈍され、変圧器組立時の巻線により励磁される方向と磁化容易軸が水平でないようにされたことを特徴とする変圧器。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の変圧器において、
前記鉄心は、３００℃以下の低温にて焼鈍されたことを特徴とする変圧器。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の変圧器において、
前記鉄心は、無励磁にて焼鈍されたことを特徴とする変圧器。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の変圧器において、
変圧器使用時の巻線１巻当りの電圧が０．２６×（容量（ｋＶＡ））０．４６７（Ｖ）
以下であることを特徴とする変圧器。
【請求項７】
請求項４又は５記載の変圧器において、
前記鉄心は、Ｕ字型に成形され、未焼鈍のままコイルへ挿入され、先端の接合部がラップされた後、焼鈍されたことを特徴とする変圧器。
【請求項８】
請求項４記載の変圧器において、
前記鉄心は、絶縁物で包むようなアモルファス鉄心の破片脱落防止処置を施していない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、絶縁変圧器に係り、特に直流偏磁時の磁気飽和を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電のような分散電源は、系統連系用パワーコンディショナーを介して電力系統に接続される。パワーコンディショナーに使用される素子特性のバラツキにより直流成分が発生する場合も多いため、系統へ直流成分の流出を防止する変圧器が設置される。変圧器の巻線に直流成分が印加された場合、鉄心中の磁束が正負いずれかに偏る直流偏磁が起きる。直流偏磁が起きると、鉄心中の磁束が増加し鉄心が磁気飽和して、巻線に過大電流が流れ、運転を継続できなくなる。
【０００３】
非晶質金属を鉄心に用いる場合、磁場中にて鉄心を焼鈍することで、応力歪を取り、磁化容易軸を設定し、損失を低減している。焼鈍温度は３００℃以上、磁化容易軸は巻線により励磁される方向と水平であれば良好な特性となることが知られている。この場合、鉄心のＢ−Ｈ特性は図２のように矩形型となり、不飽和特性を示す磁界強度の範囲は狭くなり、直流偏磁が起きた場合、磁気飽和しやすい。
【０００４】
不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げることができれば、直流偏磁が起きたとしても磁束変化量を抑制することができ、磁気飽和を避けることができる。
【０００５】
不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げる方法として、従来では以下のようなものがある。（１）鉄心の断面積を増加させることにより、磁束密度を下げる。（２）図３のように、鉄心中にギャップを設けることにより磁気回路の磁気抵抗を増大させる。（３）図４のように、ギャップ付鉄心のギャップ内に鉄心を配置し焼鈍を行い、図５のように巻線により励磁される方向と鉄心の磁化容易軸が水平とならないようにする。
【０００６】
これらの方法により不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げ、直流偏磁が起きた場合の磁束変化量を抑え、磁気飽和を避けていた。（２）は例えば特許文献１に記載されたものがあり、（３）は特許文献２に記載されたものがある。
【特許文献１】特開平８−２２２４５４号公報
【特許文献２】特開２００２−２２２７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術のうち、（１）は鉄心が大型化し、コストも高くなる。（２）は鉄心強度の低下や、鉄損の増大を招く。（３）は大型の焼鈍設備が必要となり、作業性が悪化し、コストも高くなる。本発明では、上記従来技術に鑑み、大型化、鉄損の増大、コストアップ等につながらず、直流偏磁が起きた場合、磁気飽和を避ける技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、鉄心に特別な加工を施すことなく、不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げた変圧器である。
【０００９】
すなわち、本発明は、容量鉄損特性曲線における鉄損が４．８５×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以上、２７．３×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以下であり、定格電流に対し１％以上の直流成分が重畳した電流を入力しても磁気飽和しない特性を有する変圧器である。
【００１０】
また、本発明は、前記鉄心が非晶質金属材料にて構成される変圧器である。
【００１１】
そして、本発明は、前記鉄心が、外部に配置されたソレノイドコイルにて磁場を任意の方向に印加しながら焼鈍され、変圧器組立時の巻線により励磁される方向と磁化容易軸が水平でないようにされた変圧器である。
【００１２】
更に、本発明は、前記鉄心が、３００℃以下の低温にて焼鈍された変圧器である。
【００１３】
また、本発明は、前記鉄心が、無励磁にて焼鈍された変圧器である。
【００１４】
そして、本発明は、変圧器使用時の巻線１巻当りの電圧が０．２６×（容量（ｋＶＡ））０．４６７（Ｖ）以下である変圧器である。
【００１５】
更に、本発明は、前記鉄心は、Ｕ字型に成形され、未焼鈍のままコイルへ挿入され、先端の接合部がラップされた後、焼鈍された変圧器である。
【００１６】
また、本発明は、前記鉄心は、絶縁物で包むようなアモルファス鉄心の破片脱落防止処置を施していない変圧器である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、鉄損を増大させることなく、不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げることができ、直流偏磁が起きた場合でも磁気飽和を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明の変圧器の実施例について、図を用いながら説明する。
【００１９】
本発明の変圧器の鉄心は、図１に示す容量鉄損特性曲線１における鉄損が４．８５×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以上、２７．３×（容量（ｋＶＡ））０．６１３（Ｗ）以下であり、これにより、定格電流に対し１％以上の直流成分が重畳した電流が入力しても磁気飽和しない特性を有する鉄心とすることができる。鉄心は、非晶質金属材料からなる。本発明の鉄心は、以下の実施例で説明する方法で得ることができる。
【実施例１】
【００２０】
実施例１を説明する。図６に本実施例における鉄心の焼鈍処理の一例を示す。ソレノイドコイル１１中に鉄心３を配置し、直流電源７によりソレノイドコイル１１を励磁した状態で、焼鈍を行う。図５に焼鈍後の鉄心状態を示す。鉄心３は変圧器巻線により磁気回路に沿う方向９に励磁されるが、磁化容易軸１０は励磁される方向とほぼ直角の方向をなしている。図７中の実線１２は鉄心３のＢ−Ｈ特性を示す。変圧器巻線により励磁される方向と磁化容易軸が平行の場合、Ｂ−Ｈ特性は図７中の点線２で示すように矩形型となり、不飽和特性を示す磁界強度の範囲は狭くなり、直流偏磁が起きた場合、鉄心は磁気飽和する。
【００２１】
実施例１の鉄心は、図７に示すように、Ｂ−Ｈ特性の勾配が緩やかになる。このため、不飽和特性を示す磁界強度の範囲は広くなり、直流偏磁が起きた場合でも鉄心３は磁気飽和しない。Ｂ−Ｈ特性で曲線が占めている面積はどちらもほぼ等しいため、鉄損は変わらない。したがって、直流偏磁が起きた際の磁気飽和を抑制しつつも鉄損が増大しない変圧器を提供できる。
【実施例２】
【００２２】
実施例２を説明する。図８は本実施例における鉄心の焼鈍温度と時間の関係を示したものである。通常は点線１３のように３００℃以上の高温で焼鈍するが、実施例２では実線１４のように３００℃以下の低温で焼鈍する。本実施例では、応力歪はとれるが、磁気抵抗は大きくなるので、鉄損は低減しつつも、不飽和特性を示す磁界強度の範囲は広くなる。したがって、直流偏磁が起きた際の磁気飽和を抑制しつつも鉄損が増大しない変圧器を提供できる。
【実施例３】
【００２３】
実施例３を説明する。本実施例は、無励磁にて鉄心を焼鈍するものである。無励磁にて焼鈍することにより、磁化容易軸は設定されず、鉄心は無方向性となる。その場合、磁気抵抗は大きくなり、不飽和特性を示す磁界強度の範囲は広くなる。したがって、直流偏磁が起きた際の磁気飽和を抑制できる。
【実施例４】
【００２４】
実施例４を説明する。本実施例は、巻線の巻数を下げたものである。巻数をｎ、直流成分をＩｄｃとすると、直流偏磁が起きた場合、磁束はｎ×Ｉｄｃだけ増加する。巻数を下げると、磁束変化量も減少するので、磁気飽和を抑制できる。巻数を下げた場合、（巻数）×（１巻当りの電圧）は変わらないので、１巻当りの電圧は増加する。図９に通常の変圧器における１巻当りの電圧１５を示す。通常の変圧器では、１巻当りの電圧が０．２６×（容量（ｋＶＡ））０．４６７（Ｖ）となるように設計することが好ましい。巻数を下げ、１巻当りの電圧を図９に示される値以上とした場合、直流偏磁が起きた際の磁気飽和を抑制できる。
【実施例５】
【００２５】
実施例５を説明する前に、通常のアモルファス変圧器の製造工程について、図１０を用いて説明する。通常の製造工程においては、鉄心材料を切断後、鉄心３をＵ字型に成形し、鉄心３の先端部を突合せ若しくは重ね、接合部をラップすることにより矩形型の鉄心３の磁路を形成し、次に励磁焼鈍する。焼鈍によりアモルファス材は脆化が進むため、鉄心コア部およびヨーク部を絶縁物で包みこみ破片の脱落防止処置を施す。その後、鉄心３の接合部を開放し、鉄心３をコイル１６へ挿入し、再ラップ後、接合部の脱落防止処置を施し、締金具等を取付、組立完了となる。この通常の製造工程では一度接合した接合部を開放しなければならず、工数が多くなり、さらに鉄心３へ応力を加えるため特性の悪化も招く。
【００２６】
実施例５の変圧器の製造工程について、図１１を用いて説明する。鉄心材料を切断後、鉄心３をＵ字型に成形し、コイル１６へ挿入し、先端部を突合せ若しくは重ね、接合部をラップし、３００℃以下、無励磁にて焼鈍する。鉄心コア部、ヨーク部及び接合部を絶縁物で包みこむ破片の脱落防止処置を施す。その際コイル１６は、各種絶縁紙を耐熱性絶縁物(ノーメックス等)で、一次、二次電線は耐熱性電線(ポリアミドイミド線(AIW)、ポリイミド線(IMW))で構成し、接着材、テープ等も耐熱性の高いものを選定する。このような構成とすることで、焼鈍温度に耐えるコイル１６とし、工程の簡略化が可能となる。最後に、鉄心コア部、ヨーク部及び接合部を絶縁物で包みこみ破片の脱落防止処置を施す。そして、通常と同様に組み立てて完了となる。
【００２７】
本実施例の変圧器は、鉄心の焼鈍条件を変更したことにより、不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げ、直流偏磁が起きた場合の磁束変化量を抑え、磁気飽和を避けることができる。
【実施例６】
【００２８】
実施例６を説明する。実施例６の変圧器の製造工程を図１２に示す。本実施例は実施例５とほとんど同じであるが、本実施例では脱落防止処置を使用しない点で相違する。アモルファス鉄心は高温で焼鈍することにより脆化が起こり組立時に破片が発生し、脱落防止処置が必要となり、製造コストを増加させている。３００℃以下の低温では脆化が進まないため、組立時に破片が発生することはない。またＵ字形に成形した鉄心３をコイル１６へ挿入後に焼鈍することにより、接合部の再ラップがないため、破片の発生する工程がない。鉄心３を絶縁物で包む等の脱落防止処置が不要となるので、製造コストが削減できる。また焼鈍条件を変更したことにより、不飽和特性を示す磁界強度の範囲を広げ、直流偏磁が起きた場合の磁束変化量を抑え、磁気飽和を避けることができる。
【００２９】
以上説明したように、本発明の各実施例によれば、鉄損を増大させることなく、磁気飽和を抑制でき、高効率かつ直流偏磁に耐えうる変圧器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の変圧器の容量と鉄損の関係の説明図。
【図２】従来の変圧器の鉄心のＢ−Ｈ特性の説明図。
【図３】従来の変圧器のギャップ付鉄心の構造図。
【図４】従来の巻線より励磁される方向と磁化容易軸が直角となる鉄心の焼鈍状況の説明図。
【図５】巻線より励磁される方向と磁化容易軸が直角となる鉄心の説明図。
【図６】実施例１におけるソレノイドコイルを用いた鉄心の焼鈍状況の説明図。
【図７】実施例１における鉄心の飽和特性のＢ−Ｈ特性の説明図。
【図８】実施例２における鉄心の焼鈍温度と時間の説明図。
【図９】実施例４における鉄心の容量と巻線１巻当り電圧の関係の説明図。
【図１０】通常のアモルファス変圧器の製造工程の説明図。
【図１１】実施例５におけるアモルファス変圧器の製造工程の説明図。
【図１２】実施例６におけるアモルファス変圧器の製造工程の説明図。
【符号の説明】
【００３１】
１  鉄損
２  通常鉄心のＢ−Ｈ特性
３  鉄心
４  ギャップ
５  励磁用鉄心
６  励磁用コイル
７  直流電源
８  発生磁束
９  巻線により励磁される方向
１０  磁化容易軸
１１  ソレノイドコイル
１２  不飽和特性を示す鉄心のＢ−Ｈ特性
１３  通常鉄心の焼鈍状況
１４  低温焼鈍の焼鈍状況
１５  巻線１巻当り電圧の特性
１６  コイル
【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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【図８】
2008177517.tif 000010
【図９】
2008177517.tif 000011
【図１０】
2008177517.tif 000012
【図１１】
2008177517.tif 000013
【図１２】
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