(57)【要約】【課題】  方向性電磁鋼板を使用して製作される変圧器やリアクトルの巻鉄心の騒音を低減することができる材料選択方法を提供すること。【解決手段】  方向性電磁鋼板を巻回して作製される変圧器やリアクトル用の鉄心で、固定のために鉄心の外周に１本ないし数本のバンドを掛けて締める時のバンド張力の合計値をｆ（Ｎ）、鉄心の断面積をＳ（ｍ２）、鉄心の最大磁束密度をＢｍ（Ｔ）としたときに、４．６×ｆ／Ｓ（Ｐａ）の圧縮力を方向性電磁鋼板の圧延方向にかけて磁束密度Ｂｍで交流励磁して測定した磁歪波形の振幅がＢｍ×０．５×１０-６以下である方向性電磁鋼板を用いる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向性電磁鋼板を巻回して作製される鉄心で、固定のために鉄心の外周に１本ないし数本のバンドを掛けてバンド張力の合計値をｆ（Ｎ）として締める鉄心において、鉄心の断面積をＳ（ｍ２）、鉄心の最大磁束密度をＢｍ（Ｔ）としたときに、４．６×ｆ／Ｓ（Ｐａ）の圧縮力を方向性電磁鋼板の圧延方向にかけて磁束密度Ｂｍで交流励磁して測定した磁歪波形の振幅がＢｍ×０．５×１０-６以下である方向性電磁鋼板を選択することを特徴とする変圧器またはリアクトル用巻鉄心の材料選択方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変圧器やリアクトルに用いる、方向性電磁鋼板を巻回して作製する、いわゆる巻鉄心に関するものであり、特に騒音、振動低減のための材料選択方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
巻鉄心を用いる変圧器やリアクトルの一般的な構造を、図１に示す。まず方向性電磁鋼板を巻回して鉄心１を形成し、それを成型してコイル２を設置する。この巻鉄心方式の変圧器やリアクトルは、小型から中型の配電用変圧器や電力機器用のリアクトルとして多用されており、その設置場所は電柱上や路上のみならず、オフィスビルやマンションの電気室等にまで至っている。このような設置場所の多様化によって発生している課題として、低騒音化や低振動化がある。すなわち、変圧器やリアクトルの設置場所の近隣に人の居住区域がある場合、直接そこに到達する騒音や、振動が建物を伝播して離れたところで発生する騒音が、居住環境を悪化させるものとして問題となる。
【０００３】
この騒音、振動の発生原因の一つに、鉄心材料として用いられている方向性電磁鋼板の磁歪現象がある。磁歪は、方向性電磁鋼板を外部から磁化させる時に、磁化の強さすなわち磁束密度の変化に伴って鋼板の寸法が変化するものであり、通常は最も変化が顕著に現れる鋼板の長手方向の長さの変化率を磁歪としている。変圧器やリアクトルの鉄心で発生する磁歪は、接続された電気系統の電圧周波数の２倍の周波数をもつ基本波とその高調波で構成される。
【０００４】
磁歪の低減については古くから方向性電磁鋼板の改善という形で研究開発が続けられている。例えば、特許文献１では鋼板の結晶構造について、特許文献２では鋼板の皮膜について、特許文献３では鋼板へのレーザー光線照射について、それぞれ磁歪低減のための技術開発が行われている。これらは方向性電磁鋼板の磁歪を変化させる鋼板自身の要因、すなわち内的要因に関するものである。これに対し、磁歪を変化させる外的要因の一つとして、外部から鋼板の圧延方向にかかる圧縮力が挙げられる。例えば非特許文献１では、圧延方向に３（ＭＰａ）の圧縮力をかけることで磁歪が１０倍程度に増加する例が示されている。このため、鉄心で鋼板の圧延方向に圧縮力がかかった場合は磁歪特性が変化し、場合によっては増加するため、騒音、振動の増加現象が発生する。特に巻鉄心の場合、この外部からの圧縮力が問題となる。その理由を次に説明する。
【特許文献１】特開平６−３４６２０３号公報
【特許文献２】特開平１０−１７７９号公報
【特許文献３】特許第３３６１７０９号
【非特許文献１】「方向性電磁鋼板の磁区構造と低磁歪化」  日本応用磁気学会誌  Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．４−１，１９９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
巻鉄心は鋼板を巻回して作製することは前述したが、使用される方向性電磁鋼板は通常は板厚が０．３ｍｍ以下であるため剛性が低く、そのままでは巻きの弛みや鋼板のずれが生じる。これを防ぐために採られる一般的な方策は「変圧器の設計工作法」（電気書院）に示されているが、図２のように巻鉄心１の外周部に鋼製のバンド３をかけて締め上げるというものである。この時、輸送時などに発生する可能性のある衝撃にも耐える様に、比較的強い力をかけて締め上げる。この力はそのまま巻鉄心に使われる方向性電磁鋼板に対する圧延方向の圧縮力となることは明らかである。これによって磁歪特性が変化し、場合によっては増加することも多々あると考えられ、騒音、振動が増加すると考えられる。
【０００６】
鉄心への圧縮力に着目した例としては特開２００２−６９５９４号公報がある。しかしここでは鉄心に実際にかかっている圧縮力の考察は行っていない。実用的な技術としては、巻鉄心で外周部にかけて締め上げるバンドの張力と、鉄心に使用されている方向性電磁鋼板の圧延方向への圧縮力の関係を明確にし、それに基づいて適当な磁歪特性を持つ方向性電磁鋼板を選択する手法を確立することが、バンドの締め上げによる騒音、振動の増加の抑制には必須である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る方向性電磁鋼板を巻回して作製される変圧器やリアクトル用の鉄心では、固定のために鉄心の外周に１本ないし数本のバンドを掛けて締める時のバンド張力の合計値をｆ（Ｎ）、鉄心の断面積をＳ（ｍ２）、鉄心の最大磁束密度をＢｍ（Ｔ）としたときに、４．６×ｆ／Ｓ（Ｐａ）の圧縮力を方向性電磁鋼板の圧延方向にかけて磁束密度Ｂｍで交流励磁して測定した磁歪波形の振幅がＢｍ×０．５×１０-６以下である方向性電磁鋼板を選択することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明した本発明に係る巻鉄心を用いることで、鉄心が発する騒音を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
まず最初に本発明の根拠となる、巻鉄心のバンド張力とそれによる方向性電磁鋼板の圧延方向への圧縮力の関係を明確化するため、圧縮力によって鉄損が増加する現象を利用した次のような実験を行った。励磁用のコイルを施した巻鉄心を用意し、これにロードセルによって張力の測定が可能なバンドを掛け、コイルに交流電圧を加えて実際に励磁し、バンド張力を変化させながら鉄心で発生する鉄損を電力計を用いて測定した。この作業によってバンド張力と鉄損増加率の関係が得られる。
【００１０】
次に、同じ種類の方向性電磁鋼板の鉄損を単板の状態で圧延方向に圧縮力をかけて磁気特性測定装置で測定し、圧縮力と鉄損増加率の関係を得る。この鉄損増加率と先の巻鉄心での鉄損増加率を対応させることで、巻鉄心のバンド張力と単板での圧縮力の関係を得ることができた。これは請求項１に記載されているが、式で示すと次のようになる。
Ｃ＝４．６×ｆ／Ｓ
ここで、Ｃは単板での圧縮力（Ｐａ）、ｆはバンド張力の合計値（Ｎ）、Ｓは鉄心の断面積（ｍ２）である。なお、バンド張力と単板での圧縮力の関係を得るのに鉄損特性を用いた理由は、鉄損は圧縮力の増加に伴なって単調増加する比較的単純な挙動を示すためである。
【００１１】
以上の結果を用いた本発明の具体的な実施方法を説明する。最初に変圧器やリアクトルに要求される仕様に基づき巻鉄心を設計する。その鉄心の大きさや重量に基づいて、方向性電磁鋼板を十分固定するのに必要となるバンドの本数と張力を決定する。この値からバンド張力の合計値ｆが求まるが、これと鉄心断面積Ｓを請求項１で示した式に代入することで巻鉄心を形成する方向性電磁鋼板の圧延方向にかかる圧縮力が求められる。
【００１２】
次に、方向性電磁鋼板の圧延方向の磁歪を測定できる方法を準備する。一例として特許第１８７４２５０号で示された方法がある。これらの方法を用いて、先に求めた圧縮力を圧延方向にかけながら、最大磁束密度が巻鉄心のＢｍと等しくなるように交流励磁して、様々な方向性電磁鋼板の磁歪を測定する。なお、この時の励磁周波数は巻鉄心が実際に使用されるときの電圧周波数に同じとすることが望ましい。この測定で得られた磁歪波形の振幅がＢｍ×０．５×１０-６以下である方向性電磁鋼板を巻鉄心に用いることで、騒音や振動の少ない鉄心を得ることができる。
なお、方向性電磁鋼板の磁歪特性を制御する方法としては、特開２００２−６９５９４号公報で用いられている鋼板の皮膜張力を変更する方法や、「レーザー照射による方向性電磁鋼板の磁歪の変化」（日本応用磁気、学会誌Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．４−２，２００１）で示されている鋼板へレーザー光線を照射する方法などがある。
【実施例１】
【００１３】
図３に示す単相巻鉄心を用いて本発明の効果を確認した。外周には幅１３（ｍｍ）のスチールバンドを２本掛けて締め付けた。この鉄心でのバンド１本当たりの張力を４０００（Ｎ）としたので、合計値は８０００（Ｎ）となる。この値と鉄心の厚さ０．０６（ｍ）、鉄心幅０．１２５（ｍ）から算出される断面積０．００７５（ｍ２）を請求項１の圧縮力の計算式に代入すると、圧縮力は２．４５（ＭＰａ）となる。この圧縮力を方向性電磁鋼板のサンプルにかけながら、鉄心の使用条件とした５０（Ｈｚ）、１．７（Ｔ）で励磁して磁歪測定を実施した。材料は結晶方位集積度、皮膜張力、レーザー光線照射条件を変えた磁歪特性の異なるＡ〜Ｄの４種類のものを用意した。この測定結果を表１に示すが、この中でＣの磁歪が最も低くかつ本発明の要件を満たす０．４×１０−６という値となった。
【表１】
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【００１４】
これら４種類の材料を用いて実際に図３の鉄心を製作し、仮コイルを設置して励磁し、騒音測定を実施した。この騒音測定は暗騒音が１６（ｄＢＡ）の無響室内で、騒音計を鉄心表面から０．３（ｍ）の位置に設置し、聴感補正としてＡ特性を使用して行った。その結果を表２に示す。
この結果から磁歪の最も低かったＣが騒音も最も低い結果となり、本発明の効果が実証されている。
【表２】
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【実施例２】
【００１５】
次に、図４に示す単相巻鉄心を用いて本発明の効果を確認した。外周には幅１３（ｍｍ）のスチールバンドを３本掛けて締め付けた。この鉄心でのバンド１本当たりの張力を３０００（Ｎ）としたので、合計値は９０００（Ｎ）となる。この値と鉄心の厚さ０．０６（ｍ）、鉄心幅０．２（ｍ）から算出される断面積０．０１２（ｍ２）を請求項１の圧縮力の計算式に代入すると、圧縮力は３．４５（ＭＰａ）となる。この圧縮力を方向性電磁鋼板のサンプルにかけながら、鉄心の使用条件とした５０（Ｈｚ）、１．７（Ｔ）で励磁して磁歪測定を実施した。材料は結晶方位集積度、皮膜張力、レーザー光線照射条件を変えた磁歪特性の異なるＡ〜Ｄの４種類のものを用意した。この測定結果を表３に示すが、この中でＤの磁歪が最も低くかつ本発明の要件を満たす０．７×１０-６という値となった。
【表３】
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【００１６】
これら４種類の材料を用いて実際に図４の鉄心を製作し、仮コイルを設置して励磁し、騒音測定を実施した。測定環境と条件は実施例１と同一にした。その結果を表４に示す。
この結果から磁歪の最も低かったＢが騒音も最も低い結果となり、本発明の効果が実証されている。
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】巻鉄心の前面図。
【図２】巻鉄心の側面図。
【図３】本発明の実施例として用いた鉄心の正面図と側面図。
【図４】本発明の他の実施例として用いた鉄心の正面図と側面図。
【符号の説明】
【００１８】
１        鉄心
２        コイル
３        バンド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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