(57)【要約】      （修正有）【課題】鉄心の接合面での渦電流損を低減することによって、鉄心の温度上昇曲線が飽和する傾向を有するようにし、長時間の使用によっても熱暴走を抑制することができる変圧器を提供する。【解決手段】略Ｕ字型を呈する２個の鉄心半部１２ａ、１２ｂが付き合わされることにより構成され、中心に窓部を有し、略矩形を呈する巻鉄心１２と、鉄心１２に組み付けられた複数の巻線２２、２２と、を有している。２個の鉄心半部１２ａ、１２ｂが付き合わされる接合部１４において、絶縁シート１６が挟在しており、商用周波数を超える高周波領域において運転される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略Ｕ字型を呈する２個の鉄心半部が接合部において付き合わされることにより構成され、中心に窓部を有し、略矩形を呈する巻鉄心と、
前記巻鉄心に組み付けられた複数の巻線と、を有し、
前記２個の鉄心半部が付き合わされる接合部において、絶縁シートが挟在しており、
商用周波数を超える高周波領域において運転される変圧器。
【請求項２】
さらに、前記巻鉄心の周囲に巻きつけられた締付けバンドが設けられており、
前記巻鉄心の熱膨張係数は、前記締付けバンドの熱膨張係数よりも大きい請求項１に記載の変圧器。
【請求項３】
さらに、前記巻鉄心の周囲に巻きつけられた締付けバンドが設けられており、
前記巻鉄心の熱膨張係数は、前記締付けバンドの熱膨張係数よりも小さい請求項１に記載の変圧器。
【請求項４】
前記巻鉄心は、アモルファス薄帯により形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の変圧器。
【請求項５】
前記高周波領域は、５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚである請求項１から４のいずれか一項に記載の変圧器。
【請求項６】
前記高周波領域は、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚである請求項１から４のいずれか一項に記載の変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワエレクトロニクスの進展により、商用周波数（５０Ｈｚ、又は６０Ｈｚ）を超える高周波領域で電力を変成する大形の変圧器が求められるようになった。従来一般的であった電子回路用の変圧器に比べて、大形の変圧器を高周波領域で運転するには種々の注意が必要であるが、鉄心で発生する損失もその一つである。鉄心中で発生する損失には周波数に比例するヒステリシス損と、周波数の２乗に比例する渦電流損とがある。従って、高周波領域においては特に渦電流損への配慮が必要となる。渦電流損を削減するには、使用する磁性体の厚さを薄くすることが有効であり、厚さの薄い磁性体を用いる場合は、薄板の磁性体を巻回して構成される巻鉄心を用いることが製造面から有利となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−２２０９４１号公報
【特許文献２】特開２０００−１６４４２８号公報
【特許文献３】特開２００８−２１０９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鉄心の接合面での渦電流損を低減することによって、鉄心の温度上昇曲線が飽和する傾向を有するようにし、長時間の使用によっても熱暴走を抑制することができ、高周波電力の変成に適した大形の変圧器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態に係る変圧器は、略Ｕ字型を呈する２個の鉄心半部が接合部において付き合わされることにより構成され、中心に窓部を有し、略矩形を呈する巻鉄心と、前記巻鉄心に組み付けられた複数の巻線と、を有している。前記２個の鉄心半部が付き合わされる接合部において、絶縁シートが挟在しており、商用周波数を超える高周波領域において運転される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態による変圧器の一例を示す上面図
【図２】実施形態による変圧器の巻鉄心の一例を示す上面図
【図３】比較例による変圧器の温度上昇特性を説明するための図
【図４】実施形態による変圧器の温度上昇特性を説明するための図
【図５】実施形態による変圧器の製造方法を説明するための図
【図６】実施形態による変圧器の製造方法を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。実施形態の説明において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１は、本実施形態に係る変圧器１０を模式的に示した上面図（平面図）の一例である。図２は、本実施形態に係る変圧器１０に用いられる巻鉄心１２を模式的に示した上面図（平面図）の一例である。
【０００８】
変圧器１０は巻鉄心１２を有している。巻鉄心１２は例えば角部が丸くラウンドした矩形を呈しており、二つの長辺部２４ａ及び短辺部２４ｂを有している。巻鉄心１２は複数枚の鉄心材が巻回されて構成されており、中心に窓部１３を有している。鉄心材は例えばアモルファス材を用いて構成されている。アモルファス材としては、例えばアモルファス合金の薄い帯状の金属磁性体（以下、アモルファス薄帯という。）が用いられる。アモルファス薄帯の膜厚は、例えば約０．０５ｍｍ以下の膜厚を有しており、本実施形態では例えば０．０３ｍｍ程度の膜厚を有するアモルファス薄帯を用いた。渦電流の大きさは板厚の２乗に比例するため、巻鉄心１２を構成するアモルファス薄帯の膜厚を薄くすることは渦電流損の低減に有効である。このように、膜厚が薄いアモルファス薄帯を用いて巻鉄心１２形成することにより、渦電流損を抑制することができる。
【０００９】
ここで、変圧器１０の鉄損としては、ヒステリシス損と渦電流損がある。ヒステリシス損は周波数に比例する。一方、渦電流損は周波数の２乗に比例する。従って、高周波領域においては、渦電流損の比率が大きくなるため、渦電流損に対する改善を行うと、その効果が顕著に表れる。例えば、運転周波数が、５００Ｈｚ以上、又は、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚというような高周波領域（商用周波数を超える高周波領域）で、上述のような膜厚の薄いアモルファス薄帯を用いた変圧器１０を用いると、渦電流損を効果的に抑制することができる。本実施形態に係る変圧器１０は、運転周波数が、５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度、又は、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度というような、高周波領域に用いて好適である。
【００１０】
巻鉄心１２は長辺部２４ａにおいて、鉄心半部１２ａ及び鉄心半部１２ｂに切断されており、切断部は接合部１４となっている。鉄心半部１２ａ、及び１２ｂは、それぞれが略Ｕ字型を呈している。接合部１４において、鉄心半部１２ａ、１２ｂの脚部１５は、その切断面を互いに向かい合わせるようにして付き合わされている。すなわち巻鉄心１２は、カットコア構造を有している。
【００１１】
巻鉄心１２には、その長辺部２４ａにおいて、複数の巻線２２（コイル）が組みつけられている。巻線２２は中心部に窓部を有している。鉄心半部１２ａ、１２ｂは、その脚部１５が当該窓部内を貫通して付き合わされるように接合されている。巻線２２は少なくとも二つ以上が組みつけられている。本実施形態では２つの巻線２２が組みつけられている。
【００１２】
接合部１４において、鉄心半部１２ａ、１２ｂ間の接合面に密着するように絶縁シート１６が挟在（介在）している。ここで、絶縁シート１６としては、例えば厚さ０．１ｍｍのアラミド紙を用いることができる。鉄心半部１２ａ、１２ｂ間の接合部１４に、膜厚の薄い絶縁シート１６が挟在するようにして巻鉄心１２を構成すると、渦電流損を小さくできる。従って、変圧器１０の鉄損を小さくできる。渦電流損は周波数の２乗に比例するため、高周波領域での渦電流損の抑制効果が高くなる。本実施形態に係る変圧器１０は、運転周波数が、例えば５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度、又は、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度というような高周波領域に用いて好適である。
【００１３】
巻鉄心１２の外周には、締付けバンド１８が当該外周に添うように巻かれている。締付けバンド１８は、その両端において緊締具２０によって引っ張られることによって巻鉄心１２を締付け、これにより鉄心半部１２ａ及び１２ｂは、その接合部１４において絶縁シート１６を挟むようにして強く押圧されて密着している。巻鉄心１２と巻線２２は変圧器１０を構成している。
【００１４】
次に、図３及び図４を参照して、本実施形態の効果について説明する。図３及び図４は巻鉄心１２を励磁した場合の温度の時間変化を示したものである。図３は比較例を示したものであり、図４は本実施形態を適用した場合を例示したものである。図３に係る変圧器１０は、その巻鉄心１２において、接合部１４に絶縁シート１６が挟在していない。図４に示す変圧器１０は、その巻鉄心１２において、接合部１４に絶縁シート１６が挟在している。
【００１５】
図３及び図４において、横軸は時間（ｍｉｎ）であり、縦軸は巻鉄心１２の温度（℃）である。励磁は、周波数が１０ｋＨｚ、磁束密度が０．２Ｔの条件にて行った。巻鉄心１２の温度は、巻鉄心１２表面の任意の４か所において測定した。
【００１６】
図３に示すように、比較例においては、巻鉄心１２の温度は、鉄心が大形化したことで発熱量が増加したことにより、時間の経過とともに上昇し続け、飽和傾向（温度上昇の傾きが０に近づくこと）を示さなかった。これは、時間の経過とともに鉄損（渦電流損）が増加したためであると考えられる。このように、時間の経過とともに鉄損が増加する特性を有する場合は、熱暴走を招く可能性があるため、長時間の変圧器１０の使用については熱暴走を抑制するための配慮が必要となる。
【００１７】
一方、図４に示すように、本実施形態の適用例においては、巻鉄心１２の温度は、初めのうちは時間の経過とともに上昇し続けるが、経過時間１５０ｍｉｎを超え、２００ｍｉｎ付近では飽和傾向を示した。すなわち２００ｍｉｎ付近ではグラフ線の傾きは略０（ゼロ）となっている。これは、本実施形態における変圧器１０においては、時間が経過しても鉄損（渦電流損）は一定か又は減少しており、これにより温度上昇は所定の温度で飽和し、それ以上は温度が上昇しないという特性を有するに至ったものと考えられる。すなわち、本実施形態に係る変圧器１０の巻鉄心１２は絶縁シート１６を挟在しており、これにより、鉄心の温度上昇曲線が飽和する傾向を有する。従って、本実施形態に係る変圧器１０を用いれば、長時間の使用によっても熱暴走を抑制することができるという優れた効果を有する。
【００１８】
ここで、締付けバンド１８の熱膨張係数を、巻鉄心１２の熱膨張係数よりも小さくすることができる。締付けバンド１８の熱膨張係数を、巻鉄心１２の熱膨張係数よりも小さくすると、変圧器１０稼働時に、巻鉄心１２の温度上昇による膨張量に対して、締付けバンド１８の熱膨張量の方が小さくなる。そうすると、巻鉄心１２を締付けバンド１８がより強く締め付けることになり、これによって接合部１４において絶縁シート１６がより押圧されて、脚部１５間距離がより小さくなる。すると、接合部１４において、磁束のフリンジングが抑制され、これにより渦電流損を効果的に抑制することができる。従って、変圧器１０の鉄損をより効果的に抑制することが可能となる。
【００１９】
逆に、巻鉄心１２が、締付けバンド１８によってより強く巻きつけられると、巻鉄心１２の接合部１４が過剰に押圧されて脚部１５の付き合わせ部が捩れたり、あるいは、巻鉄心１２を構成する個々の鉄心材同志が相互に食い込んだりする場合がある。そして、これにより接合部１４近傍で磁束が乱れ、磁束のフリンジングが増加し、渦電流損が増加する。この場合は、上述の絶縁シート１６の押圧によって渦電流損が抑制される比率よりも、過剰な押圧によって渦電流損が増加する比率のほうが大きくなる。
【００２０】
この場合は、締付けバンド１８の熱膨張係数を、巻鉄心１２の熱膨張係数よりも大きくすることが有効である。締付けバンド１８の熱膨張係数を大きくすると、変圧器１０の運転時に、巻鉄心１２の温度上昇による膨張量に対して、締付けバンド１８の熱膨張量の方が大きくなる。従って、温度が上昇するにつれて締付けバンド１８が緩む方向に作用し、巻鉄心１２の接合部１４が過剰に押圧されることを抑制することができる。これにより、脚部１５の付き合わせ部において、巻鉄心１２を構成する鉄心材が捩れたり、鉄心材同志が食い込んだりすることを抑制することができ、ひいては渦電流損を抑制することができる。締付けバンド１８の熱膨張係数は、上述の要素を考慮し、適切な材料を選択するなどして適宜調整すればよい。
【００２１】
（製造方法）
以下に図５及び図６を参照し、適宜、図１及び図３も参照しつつ、実施形態に係る変圧器１０の製造方法を示す。図５に示すように、製造装置１００は、アモルファス薄帯１０２のロール体Ｍをフィーダ１０１によって順次送る構成である。製造装置１００は、ロール体Ｍから得られたアモルファス薄帯１０２を、円形の巻き取り型１０３に順次巻き取ることにより、中心部に窓部を有する巻回体１１を形成する。
【００２２】
次に、図６に示すように、以下に説明する方法で巻回体１１を成型する。まず、巻回体１１の内側の４箇所と外側の４箇所に成形型１０４、１０５を当接させるようにセットする。次に、成形型１０４、１０５により、巻回体１１の４箇所を積層方向に沿って適宜プレスする。巻回体１１の４箇所がプレスされることにより、プレスされる部分（成形型１０４、１０５によって挟まれた部分）にそれぞれ辺部２４ａ、２４ｂが形成され、それ以外の部分、つまり、プレスされない部分（成形型１０４、１０５によって挟まれていない部分）にそれぞれコーナ部２６が形成される。
【００２３】
成形型１０４、１０５は、二組の長辺成形型１０４ａ、１０５ａと、二組の短辺成形型１０４ｂ、１０５ｂとからなる。ここで、成形型１０４、１０５というように、成形型を総称して指し示す場合は符号に添え字を設けないこととする。個々の成形型を指し示す場合は、長辺成形型１０４ａ、１０５ａ、短辺成形型１０４ｂ、１０５ｂのように、符号に添え字を記載することとする。長辺成形型１０４ａ、１０５ａによってプレスされる部分に長辺部２４ａが形成され、短辺成形型１０４ｂ、１０５ｂによってプレスされる部分に短辺部２４ｂが形成される。接合部１４は、長辺部２４ａに位置して形成されるように設定されている。即ち、各巻回体１１は、接合部１４を形成する部分が長辺成形型１０４ａ、１０５ａの間に挟まれた状態でプレスされる。その後、巻回体１１を、成形型１０４、１０５によってプレスされた状態で焼鈍する場合もある。
【００２４】
次に、巻回体１１を樹脂等で一体化した後、カットソー等を用いて、図１及び図２に示すように、巻回体１１の長辺部２４ａの中央部において、巻回体１１を切断する。巻回体１１は二つに分断され、鉄心半部１２ａ及び１２ｂに分けられる。切断部は接合部１４となる。鉄心半部１２ａ及び１２ｂは、それぞれが略Ｕ字型を呈している。鉄心半部１２ａ及び１２ｂは脚部１５を有し、脚部１５の端部は切断面であり、後述するように接合部１４となる。すなわち、鉄心半部１２ａ、１２ｂを接合してなる巻鉄心１２は、カットコア構造の巻鉄心となる。
【００２５】
ここで、切断面については、通常は凹凸を除去する研磨工程を行い、鏡面研磨される。この研磨工程は、非常に薄いアモルファス薄帯１０２を巻回したものを切断した際の凹凸をなくし、接合部１４の全面に亘って平面度を確保するために、高精度に研磨することが求められる。このため、研磨作業には長時間を要し、非常な手間となっていた。本実施形態においては、この研磨工程は必ずしも必要ではなく、研磨工程を行わないという選択も可能である。これは、後の工程で、接合部１４に絶縁シート１６を挟在させるため、鉄心半部１２ａと１２ｂを付き合わす際に、絶縁シート１６がクッションの役割を担い、切断面の凹凸を吸収することができるためである。本実施形態において、研磨工程を削除した場合は、長時間を要し、高精度が求められる研磨工程を行う手間がなくなるため、製造工程が簡単になり、製造コストが低減されるという効果を有する。
【００２６】
次に、別途準備した巻線２２を、巻鉄心１２に組み入れる。巻線２２は、その窓部内において、脚部１５が、その切断面を互いに対向させて、付き合わされるように接合される。このようにして巻線２２は巻鉄心１２に組み入れられる。脚部１５の付き合わせ部は、接合部１４となる。接合部１４において、鉄心半部１２ａ−１２ｂ間に絶縁シート１６を挟在させることにより、鉄心半部１２ａと１２ｂとを直接接触させないようにしている。
【００２７】
次に、締付けバンド１８を巻鉄心１２の周囲に巻きつけ、緊締具２０によって締め付ける。これにより、鉄心半部１２ａと１２ｂとが締め付けられ、巻鉄心１２が一体的に保持されると同時に、接合部１４が押圧されて密着する。
【００２８】
以上により、本実施形態に係る変圧器１０が形成される。
以上に説明したように、本実施形態に係る変圧器１０は、略Ｕ字型を呈する２個の鉄心半部が接合部において付き合わされることにより構成され、中心に窓部を有し、略矩形を呈する巻鉄心と、前記巻鉄心に組み付けられた２個以上の巻線と、を有している。前記２個の鉄心半部が付き合わされる接合部において、絶縁シートが挟在しており、商用周波数を超える高周波領域において運転される。本実施形態に係る変圧器１０を用いることにより、高周波領域の使用において渦電流損を効果的に抑制することができ、ひいては鉄損を効果的に抑制することができる。また、鉄心の温度上昇曲線が飽和する傾向を有するようになり、長時間の使用によっても熱暴走を抑制することができるという優れた効果を有し、電力変成用などの大型の変圧器としても最適なものを提供できる。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００３０】
例えば、本実施形態における巻鉄心１２として、アモルファス薄帯１０２によって形成された例を例示して説明したが、これに限らず、例えば０．０５ｍｍ程度以下の膜厚が実現されていれば、珪素鋼板、フェライト、その他の磁性合金など、どのような磁性体薄帯を用いてもよい。
【００３１】
また、絶縁シート１６としては、アラミド紙を例示して説明したが、これに限らず、例えばＰＥＴフィルムなど、他の絶縁材料を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
図面中、１０は変圧器、１１は巻回体、１２は巻鉄心、１３は窓部、１２ａ、１２ｂは鉄心半部、１４は接合部、１５は脚部、１６は絶縁シート、１８は締付けバンド、２２は巻線、２４ａは長辺部、２４ｂは短辺部を示す。
【図１】
2016115836.tif 000003
【図２】
2016115836.tif 000004
【図３】
2016115836.tif 000005
【図４】
2016115836.tif 000006
【図５】
2016115836.tif 000007
【図６】
2016115836.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月20日(2016.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
略Ｕ字型を呈する２個の鉄心半部が接合部において付き合わされることにより構成され、中心に窓部を有し、略矩形を呈する巻鉄心と、
前記巻鉄心に組み付けられた複数の巻線と、を有し、
前記２個の鉄心半部が付き合わされる接合部において、アラミド紙により構成される絶縁シートが挟在しており、
商用周波数を超える高周波領域において運転される変圧器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本実施形態に係る変圧器は、略Ｕ字型を呈する２個の鉄心半部が接合部において付き合わされることにより構成され、中心に窓部を有し、略矩形を呈する巻鉄心と、前記巻鉄心に組み付けられた複数の巻線と、を有している。前記２個の鉄心半部が付き合わされる接合部において、アラミド紙により構成される絶縁シートが挟在しており、商用周波数を超える高周波領域において運転される。