(57)【要約】【課題】流れる磁束が局所的に磁気飽和しないで時間高調波を含まない磁束を流すことができる巻き鉄芯およびそれを用いた変圧器の変換効率が高い変圧器を提供する。【解決手段】方向性電磁鋼板を長手方向に巻いて構成された巻き鉄芯であって、該鉄芯を巻いた状態における前記方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗が均一であることを特徴とする巻き鉄芯およびそれを用いた変圧器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向性電磁鋼板を長手方向に巻いて構成された巻き鉄芯であって、該鉄芯を巻いた状態における前記方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗が、巻きの内外で均一であることを特徴とする巻き鉄芯。
【請求項２】
前記巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板の透磁率を小さくし、該巻き鉄芯の外側に配置される方向性電磁鋼板の透磁率を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の巻き鉄芯。
【請求項３】
前記巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に磁区制御のために付与される、圧延方向に垂直な点状または線上の歪の間隔を長く若しくは無くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板に磁区制御のために付与される、圧延方向に垂直な点状または線上の歪の間隔を短くしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の巻き鉄芯。
【請求項４】
前記巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に磁区制御のために付与される点状または線上の歪の方向を圧延方向に対して斜めにし若しくはなくし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板に磁区制御のために付与される点状または線上の歪の方向を圧延方向に対して垂直に近くしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の巻き鉄芯。
【請求項５】
前記巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板を薄くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板を厚くしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の巻き鉄芯。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載の巻き鉄芯を用い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、方向性電磁鋼板を長手方向に巻いて構成された巻き鉄芯およびそれを用いた変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板を長手方向に巻いて構成された巻き鉄芯に関しては、従来から種々の提案がなされており、例えば、特開２００３−３４７１２８号公報に、方向性電磁鋼板を用いて形成し、歪み取り焼鈍を行って製造された巻き鉄芯であって、鉄芯を構成する鋼板の全て、あるいは一部の表面に、鋼板の圧延方向に概垂直な線状、または点列状の歪みが圧延方向に概一定の間隔で付与されていることを特徴とする巻き鉄芯が提案されている。
【０００３】
この特開２００３−３４７１２８号公報の巻き鉄芯は、磁区制御された方向性電磁鋼板を巻き鉄芯に使用することを可能ならしめ、磁気特性にすぐれた巻き鉄芯とその製造方法を提供するために、方向性電磁鋼板を形成し、歪み取り焼鈍を行って製造された巻き鉄芯において、焼鈍工程後に鉄芯を構成する鋼板の全て、あるいは一部の表面に、鋼板の圧延方向に概垂直な線状歪みを圧延方向に概一定の間隔で付与する巻き鉄芯の製造方法と当該方法によって製造される巻き鉄芯であり、特に、レーザ照射により線状歪みを付与することを特徴としている。
しかし、特開２００３−３４７１２８号公報の巻き鉄芯は、巻きコアの内側と外側とで、磁路長が異なるにもかかわらず、材料の磁気特性が同じであるために、内側と外側との磁気抵抗の違いにより、内側に磁束が集中して磁気飽和してしまい、外側には磁束があまり流れないという状況にある。内側では、磁束が集中しているため、磁束密度の波形が歪んで、高調波歪み成分を含んでしまい、その結果変圧器と使用すると二次側に歪んだ電流が流れて、変圧器として機能的に問題を含んでしまう。また、外側では、磁束があまり流れないので、鉄芯が効率よく使用されているとはいえない。そのため、全体として、磁束に高調波歪みを含み、また、磁束密度が鉄芯に均一に流れないので鉄芯が効率よく使用されず、その結果として、変換効率のよい巻き鉄芯およびそれを用いた変圧器を実現することができなかった。
【特許文献１】特開２００３−３４７１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、流れる磁束が局所的に磁気飽和しないで高調波歪みが小さな磁束を流し、かつ鉄芯に磁束を均一に流して鉄芯の利用効率を高めることができる巻き鉄芯、および、それを用いた変換効率が高い変圧器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果、内側と外側との磁路長の差からくる磁気抵抗の差を解消することで、巻き鉄芯の内側と外側とで磁束の流れを均一にし、流れる磁束が局所的に磁気飽和しないで高調波歪みが小さな磁束を流すことができる巻き鉄芯およびそれを用いた変圧器の変換効率が高い変圧器を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）方向性電磁鋼板を長手方向に巻いて構成された巻き鉄芯であって、該鉄芯を巻いた状態における前記方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗が、巻きの内外で均一であることを特徴とする巻き鉄芯。
（２）前記巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板の透磁率を小さくし、該巻き鉄芯の外側に配置される方向性電磁鋼板の透磁率を大きくしたことを特徴とする（１）に記載の巻き鉄芯。
（３）前記巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に磁区制御のために付与される、圧延方向に垂直な点状または線上の歪の間隔を長く若しくは無くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板に磁区制御のために付与される、圧延方向に垂直な点状または線上の歪の間隔を短くしたことを特徴とする（１）または（２）に記載の巻き鉄芯。
（４）前記巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に磁区制御のために付与される点状または線上の歪の方向を圧延方向に対して斜めにし若しくは無くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板に磁区制御のために付与される点状または線上の歪の方向を圧延方向に対して垂直に近くしたことを特徴とする（１）乃至（３）に記載の巻き鉄芯。
（５）前記巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板を薄くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板を厚くしたことを特徴とする（１）乃至（４）に記載の巻き鉄芯。
（６）（１）乃至（５）に記載の巻き鉄芯を用いることを特徴とする変圧器。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、内側と外側との磁路長の差からくる磁気抵抗の差を解消することで、巻き鉄芯の内側と外側とで磁束の流れを均一にし、流れる磁束が局所的に磁気飽和しないで高調波歪みが小さな磁束が流れることにより、変換効率を向上させることができる巻き鉄芯およびそれを用いた高効率な変圧器を提供することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の巻き鉄芯およびそれを用いた変圧器を実施するための最良の形態について図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の巻き鉄芯式の変圧器の実施形態を例示する図である。
図１に示すように、方向性電磁鋼板（ＧＯ材）を長手方向に巻いて巻き鉄芯が構成されており、この巻き鉄芯に一次コイルおよび二次コイルを巻き付け、一次コイルに電圧を印加して二次コイルから電圧を取り出すことによって変圧器を構成することができる。
ここに、方向性電磁鋼板とは、磁化容易方向が特定の方向である磁気特性が優れた電磁鋼板であり、磁化容易方向を鋼板の長手方向としこの方向に巻いて巻き鉄芯を構成にすることによって磁束の流れを円滑にして巻き鉄芯における鉄損を効果的に低減することができる。
【０００８】
この巻き鉄芯式の変圧器では、巻き鉄芯の内側と外側との物理的長さ、つまり磁気回路でいうところの磁路長が異なり、内側は半径が短いので磁路は短いが、外側は半径が長いので磁路は長い。
ここで、一般的に、磁気回路における支配方程式は以下のごとくになる。
【数１】
2005340619.tif 000003
ここで、n:励磁コイルの巻き数、ｉ：励磁コイルの電流、Ｂ：磁束密度、
Ｓ：断面積、Ｒm：磁気抵抗、ｌ：磁路長、：透磁率、
ｎｉ：起磁力  である。
【０００９】
巻き鉄芯の磁路長が、内側と外側とで異なるということは、磁性材料の透磁率が同じであれば、上記(2)式の磁気抵抗が異なるので、上記(1)式のＢＳ（起磁力は同じになる）が異なり、断面積が同じであれば、磁束密度が異なることになる。
巻き鉄芯の内側と外側を対比した結果を下記の表１に示す。
【表１】
2005340619.tif 000004
特に方向性電磁鋼板を用いた変圧器では、交流励磁時の最大磁束密度は磁気飽和領域の近くまで設定されているので、磁束密度が内側と外側とで異なると、磁束密度が非線形領域で動作することになり、そのために、磁束密度は、高調波を含んだ歪波形になる。
【００１０】
一般に、高調波を含むと、渦電流損失が増え、また変圧器としての正常な機能（出力に高調波が含まれる）として動作しないので、よい変圧器とはいえない。
そこで、本発明においては以下の表２の方式１および/または方式２のようにすることが好ましい。
【表２】
2005340619.tif 000005
【００１１】
本発明は、方向性電磁鋼板を長手方向に巻いて構成された巻き鉄芯であって、該鉄芯を巻いた状態における前記方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗が均一であることを特徴とする。
すなわち、（周回長さｌ）／（（透磁率μ）＊（断面積Ｓ））＝磁気抵抗Ｒmが同じになるようにすることによって、巻き鉄芯の内側と外側に磁束を均一に流すことができ、流れる磁束が局所的に磁気飽和しないで、高調波歪みを含まない、磁化曲線の線形領域で磁束が流れ、巻き鉄芯および変圧器の変換効率が向上し、高効率な変圧器を実現することができる。
また、鉄芯を巻いた状態における方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗を均一にする方法として、巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板の透磁率を小さくし、該巻き鉄芯の外側に配置される方向性電磁鋼板の透磁率を大きくすることが好ましい。
磁路長が短い巻き鉄芯の内側に配置する方向性電磁鋼板の透磁率を小さくし、磁路長が長い巻き鉄芯の外側に配置される方向性電磁鋼板の透磁率を大きくすることによって、両者の磁路長の差を透磁率の差で相殺することによって磁気抵抗を均一にすることができる。
【００１２】
また、鉄芯を巻いた状態における方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗を均一にする方法として、巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に付与される、圧延方向に垂直な点状または線上の歪の間隔を長く若しくは無くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板に付与される、圧延方向に垂直な点状または線上の歪の間隔を短くすることが好ましい。
図２は、本発明における巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に付与される、圧延方向に垂直な線上の歪の間隔を長くした実施形態を示す図である。
図２に示すように、方向性電機鋼板において、巻き鉄芯型変圧器の中心部分になるところでは、圧延方向に垂直な点状または線上の歪の間隔が長い（または無い）状態とし、巻き鉄芯型変圧器の外側部分になるところでは、例えば、レーザ照射方法を変えることによって、圧延方向に垂直な点状または線上の歪の間隔が短い状態とすることによって、外側の方を内側に比べて磁区を細分化させ磁気抵抗を小さくすることによって、鉄芯を巻いた状態における方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗を均一にすることができる。
【００１３】
また、鉄芯を巻いた状態における方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗を均一にする方法として、巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に付与される点状または線上の歪の方向を圧延方向に対して斜めにし若しくはなくし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板に付与される点状または線上の歪の方向を圧延方向に対して垂直に近くすることが好ましい。
図３は、本発明における巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に付与される点状または線上の歪の方向を圧延方向に対して斜めにした実施形態を示す図である。
図３に示すように、方向性電機鋼板において、巻き鉄芯型変圧器の中心部分になるところでは、点状または線上の歪が圧延方向の角度が斜め（またはない）状態であり、巻き鉄芯型変圧器の外側部分になるところでは、点状または線上の歪が圧延方向の角度が垂直に近い角度の状態にすることにより、外側の方を内側に比べて磁束が流れ易くさせ磁気抵抗を小さくすることによって、鉄芯を巻いた状態における方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗を均一にすることができる。
【００１４】
さらに、鉄芯を巻いた状態における方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗を均一にする方法として、巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板を薄くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板を厚くすることが好ましい。
図４は、本発明における巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板を薄くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板を厚くした実施形態を示す図である。
図４に示すように、外側に配置される方向性電磁鋼板の板厚を内側より厚くすることによって、外側の方を内側に比べて磁束が流れ易くさせ磁気抵抗を小さくすることによって、鉄芯を巻いた状態における方向性電機鋼板の長手方向の磁気抵抗を均一にすることができる。
なお、一枚の方向性電磁鋼板において、その厚さを急激に変化させて製作することは通常の生産では困難であるので、厚さの異なる複数枚の方向性電磁鋼板を厚さの順に接続すると良い。
【００１５】
なお、本発明においては、巻き鉄芯に用いる方向性電磁鋼板の圧延方向に垂直または斜め方向に点状または線上の歪を付与する方法は問わないが、例えば、以下の方法を用いることが好ましい。
まず、方向性電磁鋼板をロール状に巻き締めた後、所望の角形状に成形する。その後、変形部の歪みを取るための焼鈍を行う。焼鈍温度、時間は例えば８００℃、４時間である。焼鈍工程が完了した後、レーザ照射装置を用いて、鋼板一枚毎に分離し、鋼板の圧延方向（Ｌ方向）に垂直なＣ方向にレーザビームを線状にスキャン照射する。レーザ光は光ファイバー７により導光され、照射装置中の図示されないガルバノモータ駆動のスキャンミラーとｆθレンズによりレーザビームは圧延方向に概垂直にスキャン集光照射される。また、移動装置３により鋼板の外形に沿ってＬ方向に移動し、鋼板全面にレーザビームが照射される。ここでスキャン繰り返し周波数と照射装置の移動速度によりＬ方向照射間隔Ｐlが調整され、線状、または点列状の歪みが得られる。
【００１６】
レーザビームはパルスあるいは連続波レーザであり、また集光形状は点状、あるいは楕円状であり、従来のレーザ歪み導入法で供されてきたいずれの方法であっても構わない。レーザ照射による周期的な歪みにより、方向性電磁鋼板の鉄損は低減される。また特に、レーザ集光ビーム形状、パワー密度、波長、スキャン速度により、被照射部の到達温度を電磁鋼板の表面被膜融点以下に調整することで、表面被膜の剥離が抑制される。この様な特殊な方法によって形成された場合、表面に地鉄が露出しないため、より絶縁性に優れるという利点を有する。レーザ照射の後、各鋼板は分離前と同じ順番で巻き線を挟み込む様に鉄芯に再構成され、最終的な変圧器が製作される。
また巻き鉄芯を製造する別の方法として、圧延方向に長い、一枚の帯状鋼板をロール状に巻き、更に所望の角形状に成型して、歪み取り焼鈍を行う方法がある。この方法で成型した後、鉄芯を一層毎に巻き解くと同時に切断する。本発明ではこの巻き解き工程にて鋼板にレーザ照射を行う。これにより移動する鋼板に対して連続的にレーザ照射を行うことが可能であるため効率的な製造を行える。レーザビームを照射し、切断した後、各鋼板を一枚毎に巻き線に挿入することで変圧器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の巻き鉄芯式の変圧器の実施形態を例示する図である。
【図２】本発明における巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に付与される、圧延方向に垂直な線上の歪の間隔を長くした実施形態を示す図である。
【図３】本発明における巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板に付与される点状または線上の歪の方向を圧延方向に対して斜めにした実施形態を示す図である。
【図４】本発明における巻き鉄芯の内側に配置される方向性電磁鋼板を薄くし、該巻き鉄芯の外側に配置される電磁鋼板を厚くした実施形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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