JP2007043040A - 静止機器用鉄心 - Google Patents

Abstract

【課題】
静止機器用巻鉄心内の磁束分布は、全積厚に対し磁路が短く磁気抵抗が小さい内周側に磁束が偏り、磁束が集中している内周側は高磁束密度となり鉄損が増加することから、同一巻鉄心内で磁束分布を均一化するため磁気特性の異なる電磁鋼板を任意の積厚比率で配置することにある。
【解決手段】
静止機器用巻鉄心内の磁束分布を均一化するため、磁路長が短く磁気抵抗が小さい内周側に外周側よりも磁気特性の劣る電磁鋼板を、磁路長が長く磁気抵抗が大きい外周側に内周側よりも磁気特性の優れた電磁鋼板を配置することで、鉄心の断面積内の磁束分布を均一化する構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は変圧器やリアクトルなどの静止機器用巻鉄心に関り、磁気特性（以下、鉄損、透磁率を示す）を有する電磁鋼板を任意の積厚配分比で同一鉄心内に積層した巻鉄心を有する静止機器に関するものである。

変圧器用巻鉄心には、同一鉄心内に同一の磁気特性を有する同種の電磁鋼板を積層している。近年、地球温暖化対策の一環として、変圧器は低損失化の方向に向かっており鉄心で発生する鉄損(無負荷損)、またコイルで発生する銅損(負荷損)を低減するために、前者は電磁鋼板投入量を増大し鉄心の断面積を多く確保することでの低磁束密度化、または高価な低損失電磁鋼板を使用する設計となっており、鉄心の大形化、及びコストアップを招いている。

また特許文献１（特開平１０−２７０２６３号公報）にはアモルファスシートブロック材の成形において磁気特性の比較的低質の材料を内側に、比較的良質の材料を外側にしたアモルファスシートブロック材を用いてアモルファス鉄心を成形することが記載されている。

特開平１０−２７０２６３号公報

静止機器用巻鉄心内の磁束分布は、積層される電磁鋼板の磁路長が短く磁気抵抗が小さい内周側に磁束が偏っていることが一般的に知られている。よって磁束が集中している巻鉄心の内周側は高磁束密度となり鉄損が悪化することから、低損失化を図るには、巻鉄心内の磁束分布を均一化することが重要である。

本発明の目的は、同一巻鉄心内で磁束分布を均一化するため、磁気特性の異なる電磁鋼板を任意の積厚比率で配置した静止機器用鉄心を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では磁路長が短く磁気抵抗が小さい内周側に外周側よりも磁気特性の劣る電磁鋼板を、磁路長が長く磁気抵抗が大きい外周側に内周側よりも磁気特性の優れた電磁鋼板を配置することで、鉄心の断面積内の磁束分布を均一化し、巻鉄心内周側の高磁束密度化を防止することで鉄損を改善する。

鉄心の鉄損は、各電磁鋼板固有の鉄損(Ｗ／Ｋｇ)特性と使用質量(Ｋｇ)の積で求まる。
同一鉄心内に磁気特性が異なる電磁鋼板を積層した場合においても、理論上では各電磁鋼板固有の鉄損(Ｗ／Ｋｇ)特性と使用質量(Ｋｇ)の積の和で求まると考えられる。

しかし、本発明によれば巻鉄心内周側に、外周側よりも磁気特性の劣る電磁鋼板を任意の積厚比率で配置することで、前記計算の鉄損理論値より小さい鉄損値を得ることができ、安価で磁気特性の劣る電磁鋼板を使用しながらも鉄損増加率を抑えた低価格な巻鉄心を製造することができる。

以下、本発明に関わる巻鉄心構造の実施例について図を用いて説明する。

従来、変圧器用巻鉄心は図２に示すように、同一鉄心内に同一の磁気特性を有する同種の電磁鋼板を積層して製造され、この巻鉄心４内の磁束分布は、図３に示すように積層される電磁鋼板の磁路が短く磁気抵抗が小さい内周側に磁束が偏っている。よって磁束が集中している巻鉄心の内周側は高磁束密度となり鉄損が増加する。

そこで本発明では、巻鉄心において磁路長が短い内周側に磁気特性の劣る電磁鋼板を、磁路長が長い外周側に内周側よりも磁気特性の優れた電磁鋼板を配置することで、鉄心の断面積内の磁束分布を均一化する構造とする。

図１は磁気特性の異なる２種類の電磁鋼板から製造した巻鉄心１であり、巻鉄心１の内周側には高配向性けい素鋼板２を、外周側には高配向性けい素鋼板２より磁気特性の優れた磁区制御けい素鋼板３を配置した巻鉄心である。ここで高配向性けい素鋼板とは、材料の圧延方向と磁束の通る方向が揃っているけい素鋼板である。磁区制御けい素鋼板とは、高配向性けい素鋼板を素材とし、その表面に浅い溝を造り磁区を細分化したけい素鋼板であり、その磁気特性は高配向性けい素鋼板よりも優れている。この巻鉄心構造において、各電磁鋼板２、３の積厚比率を変えたものを図４のＮｏ．１〜Ｎｏ．４に示す。図４のＮｏ．１の巻鉄心は鉄損特性比較のために磁区制御けい素鋼板３のみより製造したものである。これに対しＮｏ．２の巻鉄心は内周側に高配向性けい素鋼板２を積厚比率２５％になるように配置し、外周側には高配向性けい素鋼板２より磁気特性の優れた磁区制御けい素鋼板bを積厚比率７５％になるように配置したものである。Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の巻鉄心においては、Ｎｏ．２同様に内周側の高配向性けい素鋼板２の積厚比率がそれぞれ５０％、７５％になるように配置したものである。以下にこれらの巻鉄心における鉄損特性を検証した結果について説明する。

図５は、図４のＮｏ．１〜Ｎｏ．４の各鉄心における鉄損の励磁特性試験結果を示し、横軸は磁束密度、縦軸は鉄損の相対値である。図５において磁束密度１．５５Ｔから１．８５Ｔまで変化させたとき、鉄損の特性は、Ｎｏ．２、Ｎｏ．１、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の順に劣化していることが分かる。

また、図６は、磁束密度１．７０Ｔにおける各鉄損値の比較で、Ｎｏ．１の鉄損値を１００％とした場合の各鉄損の相対値(測定周波数５０Ｈｚ)を示している。図６のおいて、最も良好な鉄損値を示したのはＮｏ．２の巻鉄心であり、Ｎｏ．１の磁区制御けい素鋼板３のみから成る巻鉄心の鉄損値よりも磁束密度１．７０Ｔで約２％改善されている。また内周側の高配向性けい素鋼板２の積厚比率が５０％以上になると鉄損は大きく増加傾向を示している。

巻鉄心内の磁束は、全積厚に対し磁路が短く磁気抵抗が小さい内周側に偏ることが一般的に知られている。本検証では巻鉄心の内周側に高配向性けい素鋼板２を配置し、外周側には高配向性けい素鋼板２より磁気特性の優れたすなわち透磁率が高い磁区制御けい素鋼板３を配置することにより、鉄心の断面積内の磁束分布が均一化され鉄損が改善されている。しかし、本試験結果より内周側に外周側よりも磁気特性の劣る高配向性けい素鋼板２を配置しても、その積厚比率を５０％以上とした巻鉄心では、高配向性けい素鋼板２の投入量が多くなり鉄損は増加傾向を示すことが確認できる。以上のことより内周側に配置する外周側よりも磁気特性の劣る高配向性けい素鋼板bの積厚比率は４０％以下になることが望ましい。

鉄心の鉄損は、各電磁鋼板固有の鉄損(Ｗ／Ｋｇ)特性と使用質量(Ｋｇ)の積で求まる。
同一鉄心内に磁気特性が異なる電磁鋼板を積層した場合においても、理論上では各電磁鋼板固有の鉄損(Ｗ／Ｋｇ)特性と使用質量(Ｋｇ)の積の和で求まると考えられる。しかし、巻鉄心内周側に、外周側よりも磁気特性の劣る電磁鋼板を適切な積厚比率で配置することで、鉄心断面積内の磁束分布が均一化され、前記の鉄損理論値より小さい鉄損値を得ることが検証できた。よって、巻鉄心の内周側には安価で磁気特性の劣る電磁鋼板を使用しながらも、鉄損増加率を抑えた低価格な巻鉄心を製造することが可能である。

図７は２個の内側巻鉄心５ａと、それらを囲むように配置された１個の外側巻鉄心６ａからなる三相三脚巻鉄心であり、各巻鉄心の内周側には方向性けい素鋼板７ａ、９ａを、外周側には方向性けい素鋼板よりも磁気特性の優れた高配向性けい素鋼板８ａ、１０ａを配置した巻鉄心である。図7の三相三脚巻鉄心は内側鉄心５ａ、外側鉄心６ａ共に各巻鉄心の内周側の方向性けい素鋼板７ａ、９ａの積厚比率が２５％になるように配置したものである。また図7の三相三脚巻鉄心においてのＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚全体での積厚比率は、どの脚においても方向性けい素鋼板が２５％となる。

図８の三相三脚巻鉄心は、２個の内側巻鉄心５ｂと、それらを囲むように配置された1個の外側巻鉄心６ｂからなり、内側巻鉄心５ｂの内周側には方向性けい素鋼板７ｂを、外周側には高配向性けい素鋼板８ｂを配置し、外側巻鉄心６ｂの内周側には高配向性けい素鋼板配置１０ｂを、外周側には方向性けい素鋼板９ｂを配置したものである。図８の三相三脚巻鉄心は内側巻鉄心５ｂの内周側に配置された方向性けい素鋼板７ｂの積厚比率が２５％に、外側巻鉄心６ｂの外周側に配置された方向性けい素鋼板９ｂの積厚比率が２５％になるように配置したものである。また図８の三相三脚巻鉄心においてのＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚全体での積厚比率は、どの脚においても方向性けい素鋼板が２５％となる。

図９の三相三脚巻鉄心は、２個の内側巻鉄心５ｃと、それらを囲むように配置された１個の外側巻鉄心６ｃからなり、内側巻鉄心５ｃの内周側には方向性けい素鋼板７ｃを、外周側には高配向性けい素鋼板８ｃを配置し、外側巻鉄心６ｃには全て高配向性けい素鋼板１０ｃを配置したものである。尚、この内側巻鉄心５ｃは、内周側に配置された方向性けい素鋼板７ｃの積厚比率が５０％になるように配置したものである。また図９の三相三脚巻鉄心においてのＵ脚、Ｖ脚、Ｗ脚全体での積厚比率は、方向性けい素鋼板の積厚比率でＵ脚２５％、Ｖ脚５０％、Ｗ脚２５％となる。

本発明の巻鉄心構造斜視図である。 従来の巻鉄心構造斜視図である。 従来の巻鉄心における磁束分布図である。 本発明に関わる特性検証用鉄心の正面図である。 本発明に関わる鉄損特性検証結果である。 本発明に関わる１．７０Ｔにおける鉄損特性比較図である。 本発明に関わる三相三脚巻鉄心の一実施例を示す正面図である。 本発明に関わる三相三脚巻鉄心の一実施例を示す正面図である。 本発明に関わる三相三脚巻鉄心の一実施例を示す正面図である。

符号の説明

１・・巻鉄心
２・・高配向性けい素鋼板
３・・磁区制御けい素鋼板
４・・従来構造の巻鉄心
５ａ、５ｂ、５ｃ・・三相三脚巻鉄心の内側巻鉄心
６ａ、６ｂ、６ｃ・・三相三脚巻鉄心の外側巻鉄心
７ａ、７ｂ、７ｃ、９ａ、９ｂ、９ｃ・・方向性けい素鋼板
８ａ、８ｂ、８ｃ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ・・高配向性けい素鋼板

Claims (4)

1. 電磁鋼板を積層して成る静止機器用巻鉄心において、
   磁路長が短く磁気抵抗が小さい内周側に外周側よりも磁気特性の劣る電磁鋼板を、磁路長が長く磁気抵抗が大きい外周側には内周側よりも磁気特性の優れた電磁鋼板を配置したことを特徴とする静止機器用鉄心。
2. 請求項1の静止機器用巻鉄心において、
   磁路長が短く磁気抵抗が小さい内周側に外周側よりも磁気特性の劣る電磁鋼板を巻鉄心の積層全厚さの４０％以下となるように配置し、その外周側に内周側よりも磁気特性の優れた電磁鋼板を配置したことを特徴とする静止機器用鉄心。
3. 請求項1の静止機器用巻鉄心において、
   該巻鉄心の内周側の電磁鋼板を高配向性けい素鋼板とし、その外周側の電磁鋼板を磁区制御けい素鋼板としたことを特徴とする静止機器用鉄心。
4. ２脚の内鉄心、１脚の外鉄心からなる三相三脚巻鉄心において、
   U脚、V脚、W脚のうち少なくとも1脚が磁気特性の異なる電磁鋼板が組合さるように各鉄心を成形し、
   1脚の積厚全厚さのうち、磁気特性の劣った磁性材料が５０％以下となるように各鉄心を成形した
   ことを特徴とする三相三脚巻鉄心。
   

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