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公開番号2021132091
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210909
出願番号2020025974
出願日20200219
発明の名称静止誘導機器および変圧器
出願人株式会社日立産機システム
代理人青稜特許業務法人
主分類H01F 27/24 20060101AFI20210813BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】
複数の鉄心材料が持つ低損失,高磁束密度特性等の優位性を兼ね備え、小型化を実現できる変圧器等の静止誘導機器を提供する。
【解決手段】
2種以上の磁性材料から構成された複合鉄心を用いる静止電磁機器であり、この複合鉄心の平均磁束密度を適切に選定する。すなわち、2種以上の磁性材料から構成される複合鉄心内で、最も飽和磁束密度が高い磁性材料内の磁束密度が、前記最も飽和磁束密度が高い前記磁性材料のみで構成した静止電磁機器の磁束密度以下であり、かつ前記複合鉄心における前記2種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定する。このように選定することにより、2種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値に選定する従来の静止電磁機器よりも性能が向上し、小型化を実現できる。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
2種以上の磁性材料から構成された複合鉄心を用いる静止誘導機器であって、
前記複合鉄心内で最も飽和磁束密度が高い磁性材料内の磁束密度が、前記飽和磁束密度が最も高い磁性材料のみで構成した鉄心の磁束密度以下であり、かつ前記複合鉄心における前記2種以上の前記磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定した静止誘導機器。
続きを表示(約 1,500 文字)【請求項2】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、2種以上の薄帯状磁性材料を切断し、それぞれの薄帯状磁性材料を連続して積層した複数の鉄心同士を積層方向に重ねて構成したことを特徴とする静止誘導機器。
【請求項3】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、2種以上の薄帯状磁性材料を切断し、交互に積層して構成したことを特徴とする静止誘導機器。
【請求項4】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、2種以上の薄帯状磁性材料を切断,積層し、環状に成形して切断端同士をラップ接合した巻鉄心により構成したことを特徴とする静止誘導機器。
【請求項5】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、三相巻線を備えた3本の並列した磁脚群と、該磁脚群の両外側に並列に備えられ、巻線が備えられていない2本の側脚と、前記磁脚群および側脚の両端部同士を接続するヨーク部から構成される三相五脚型積層鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
【請求項6】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、三相巻線を備えた3本の並列した磁脚群と、該磁脚群の両端部を接続するヨーク部から構成された三相三脚型積層鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
【請求項7】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、額縁状であり、鉄心の1辺,または対向する2辺に単相巻線を備えた単相型積層鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
【請求項8】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、2種以上の前記磁性材料からなる4つの略同寸法の巻鉄心を並列させ、巻鉄心同士が隣接する3か所の磁脚部に三相巻線が備えられた三相五脚型巻鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
【請求項9】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、2種以上の磁性材料からなる2つの並列させた略同寸法の巻鉄心と、2つの巻鉄心の外周を覆う1つの前記巻鉄心からなり、巻鉄心同士が隣接する3か所の磁脚部に三相巻線が備えられた三相三脚型巻鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
【請求項10】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心は、2種以上の前記磁性材料からなる1つの巻鉄心からなり、該巻鉄心の1か所または2か所の磁脚部に単相巻線を備えた単相型巻鉄心であることを特徴とする静止誘導機器。
【請求項11】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記複合鉄心をアモルファス鉄心とナノ結晶鉄心とで構成し、前記アモルファス鉄心の磁束密度が、前記アモルファス鉄心のみで構成した場合の鉄心の磁束密度以下であり、前記磁束密度が前記アモルファス鉄心と前記ナノ結晶鉄心の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きい値となるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定したことを特徴とする静止誘導機器。
【請求項12】
2種以上の磁性材料から構成された複合鉄心と、前記複合鉄心に高圧巻線と低圧巻線を重ねて巻回してなる変圧器であって、
前記複合鉄心内で飽和磁束密度が最も高い磁性材料内の磁束密度が、前記飽和磁束密度が最も高い磁性材料のみで構成した鉄心の磁束密度以下であり、かつ前記複合鉄心における前記2種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定した変圧器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、静止誘導機器および変圧器に関する。
続きを表示(約 7,700 文字)【背景技術】
【0002】
変圧器やリアクトル等の静止誘導機器(静止電磁機器)に用いられる鉄心には、方向性電磁鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の軟磁性材料が広く用いられている。これらの各磁性材料は、それらの損失(鉄損)、飽和磁束密度、機械的強度、コスト等の諸要因に応じて各種の静止誘導機器に使われる。静止誘導機器の一種である変圧器を例に取ると、これらの各磁性材料は、小容量の受配電向けから大容量の送配電向けの変圧器まで、その用途に合わせて使い分けがなされている。
【0003】
例えば、方向性電磁鋼板とアモルファス合金を比較した場合、方向性電磁鋼板は飽和磁束密度が高いので鉄心の小型化が容易であり、かつ機械的強度が高いので、大容量の送配電向けの変圧器用鉄心に好適である。これに対して、アモルファス合金は、方向性電磁鋼板より損失が小さいので変圧器の高効率化に優位性があるが、飽和磁束密度と機械的強度は方向性電磁鋼板に比べて低いため、主に、小〜中容量の受配電向け変圧器用鉄心として実用化されている。
【0004】
ここで,前記したような2種類以上の鉄心材料を組み合わせた「複合鉄心」を使用することにより、性能が高く小型化が容易な電磁誘導機器を実現することが可能となる場合がある。例えば、方向性電磁鋼板における高い飽和磁束密度と機械的強度と、アモルファス合金の低い損失を兼ね備えた性能の高い静止誘導機器(例えば、変圧器)が実現できる可能性がある。このような考えに基づく先行技術として、特開平8−88128号公報(特許文献1)が知られている。この特許文献1には、鉄損の低減に有効なアモルファス巻鉄心を内側にし、電磁鋼板巻鉄心を外側に配置した多層変圧器鉄心の技術が開示されている。
【0005】
また、2種類の磁性材料を組み合わせた複合鉄心を用いた変圧器に関する先行技術として、特表2018−502446号公報(特許文献2)が知られている。この特許文献2には、鉄を主成分とする軟磁性アモルファス合金と、鉄を主成分とする軟磁性ナノ結晶合金から構成される三相巻鉄心において、高い飽和磁化を有する前者の断面積比率が2〜50%,好ましくは4〜40%であることを満たす複合巻鉄心からなる変圧器に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開平8−88128号公報
特表2018−502446号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1で開示されている技術は、方向性電磁鋼板の持つ高い機械的強度とアモルファス合金の持つ小さな鉄損を兼ね備えた静止誘導機器を実現するものである。特許文献2で開示されている技術は、ナノ結晶合金より高い飽和磁束密度を持つアモルファス合金と,アモルファス合金よりさらに小さい鉄損を持つナノ結晶合金を組み合わせて、両材料の優位な特性を兼ね備えた静止誘導機器を実現するものである。
【0008】
一方、両文献とも,複合鉄心を構成する2つの磁性材料の利点を生かすための具体的な設計条件を定量化しておらず、複合鉄心の仕様によっては、各磁性材料の十分な特性を生かしきれず、結果的に性能の高い静止誘導機器を実現できていない可能性がある。
【0009】
そこで、本発明の目的は、性能を高め小型化を可能にした複合鉄心を用いた静止誘導機器および変圧器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、その一例を挙げると、2種以上の磁性材料から構成された複合鉄心を用いる静止誘導機器であって、前記複合鉄心内で最も飽和磁束密度が高い磁性材料内の磁束密度が、前記最も飽和磁束密度が高い磁性材料のみで構成した場合の鉄心の磁束密度以下であり、かつ前記複合鉄心における前記2種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定した静止誘導機器である。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、性能の高い複合鉄心を用いた静止誘導機器および変圧器を提供することができ、鉄心の断面積の小型化を実現した静止誘導機器および変圧器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本発明の実施例1における三相五脚型変圧器を示す図である。
本発明の実施例1における複合鉄心に用いるアモルファス磁性材料とナノ結晶磁性材料の磁化曲線を示す図である。
本発明の実施例1における複合鉄心の平均磁束密度とアモルファス,方向性電磁鋼板鉄心内の磁束密度の関係を示す計算結果を示す図である。
本発明の実施例1における,三相五脚型変圧器の複合積層鉄心に占めるアモルファス鉄心の断面積比率と、複合鉄心の平均磁束密度の関係を示す計算結果を示す図である。
本発明の実施例1における,三相五脚型変圧器の複合鉄心に占めるアモルファス鉄心の断面積比率と、複合積層鉄心の外形相対体積の関係を示す計算結果を示す図である。
本発明の実施例2における三相五脚型変圧器の中央横断面を示す図である。
本発明の実施例3における単相変圧器の正面図および中央横断面図である。
本発明の実施例4における三相三脚型巻鉄心を用いた変圧器の正面図および中央横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下,本発明を実施するための形態(実施例)について、図面を用いて詳細に説明する。以下の実施例では、静止誘導機器の一例である「変圧器」を例にとり説明するが、本発明は変圧器に限定されるものではなく、静止誘導機器全般に適用できる発明である。なお、以下の説明では、同じ機器や、同じ動作処理などには同一符号(番号)を付し、すでに説明した機器や動作は、後に説明する図面の説明では省略する場合がある。
【0014】
≪実施例1≫
最初に、本発明の実施例1について、図1から図5を用いて説明する。
まず、図1により、実施例1の全体構成を説明する。図1は、実施例1における三相五脚型変圧器の断面図を示し、(a)は縦断面図を、(b)は(a)のA−A’断面に沿った横断面図を示している。
【0015】
図1において、1は複合鉄心であり、この例では五脚の鉄心としている。複合鉄心1は、薄帯状のナノ結晶材料を用いたナノ結晶鉄心11とアモルファス磁性材料を用いたアモルファス鉄心12の2種の複合鉄心により構成する。さらに、複合鉄心1と、その3箇所の磁脚部に高圧巻線21と低圧巻線22を重ねて巻回した三相巻線が備えられている。ナノ結晶鉄心11およびアモルファス鉄心12は、四辺形,五角形,あるいは六角形状に切り出し、接合部15で組み合わされる。ナノ結晶鉄心11は、複合鉄心1の中央部(内側)に,アモルファス鉄心12は外側(両側の端部)にそれぞれ積層される。ナノ結晶鉄心11の厚さはa

、複合鉄心1の厚さはa

であり、その比率a

:a

は一例として75:25としている。
ここで、この実施例1における変圧器の各パラメータ示す符号の意味、および各パラメータの値は、表1に示した通りである。
【0016】
表1
【0017】
次に、表1に示すパラメータによる実施例1の複合鉄心1内の磁束密度分布の電磁界解析の結果を説明する。
【0018】
図2は、電磁界解析において定義した複合鉄心1を構成する磁性材料の磁化力と磁束密度の関係を示す磁化特性である。図2において、31はアモルファス磁性材料の磁化特性であり、32はナノ結晶材料の磁化特性である。なお、この解析に用いたアモルファス磁性材料およびナノ結晶材料には、日立金属株式会社から販売されているアモルファス材料およびナノ結晶材料を用いた。
この電磁界解析では、2次巻線22の電極を開放状態とし、1次巻線21に三相50Hzの正弦波電圧を印加して、鉄心内の磁束密度分布を計算した。
【0019】
次に、図3は、印加電圧V1を変化させて求めた複合鉄心全体の平均磁束密度B

と、アモルファス鉄心,およびナノ結晶鉄心内の磁束密度の関係を示している。各鉄心の計算結果は,それぞれ図中のアモルファス鉄心の磁束密度33,ナノ結晶鉄心の磁束密度34のカーブで示されている。すなわち、アモルファス鉄心の計算結果は33のようになり、ナノ結晶鉄心の計算結果は34のようになる。ここで、複合鉄心の実効断面積をA

,印加電圧の周波数をfとすると、B

は次の(1)式のように表される。また、実行断面積A

は(2)式のように表される。


=V

/(4.44・f・N

・A

) ……(1)


=b・(a

・S

+a

・S

) …………(2)
【0020】
図3に示したB

,およびB

は,それぞれナノ結晶材のみ,アモルファス材のみで構成された鉄心を持つ静止誘導機器(静止電磁機器)における磁束密度の代表値である。そして同図中に示したB
m1
は、複合鉄心における両磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値であり、従来の設計方法における複合鉄心の平均磁束密度である。この複合鉄心の平均磁束密度B
m1
は次の(3)式のように表される。

m1
=(a

・S

・B

+a

・S

・B

)/(a

・S

+a

・S


………………………………(3)
【0021】
さて、図3において、複合鉄心内の各鉄心(ナノ結晶鉄心とアモルファス鉄心)の磁束密度の変化を見ると、平均磁束密度B

の増加により、まず、アモルファス鉄心より飽和磁束密度が小さいナノ結晶鉄心の磁束密度34が磁気飽和に達して一定値になる。このとき、アモルファス鉄心の磁束密度33の傾きが大きくなることがわかる。これは、磁気飽和を起こしたナノ結晶鉄心からの漏洩磁束がアモルファス鉄心を流れることにより現れる現象であり、複合鉄心の平均磁束密度B

が(3)式に示した加重平均値B
m1
を超えても、複合鉄心の外部への磁束の漏洩は起こらないという現象である。すなわち、アモルファス鉄心の磁束密度がB

に達するB
m2
まで平均磁束密度B

を高くしても、静止誘導機器としての機能が維持される。このような新たな知見によれば、複合鉄心の平均磁束密度B

を最大でB
m2
になるようにしても良いことがわかる。すなわち、複合鉄心の平均磁束密度B

を図3におけるB
m2
以下で加重平均値B
m1
よりも大きくなるようにすれば、複合鉄心の性能が向上することが期待できる。
【0022】
このように、2種以上の磁性材料から構成された複合鉄心を用いる静止誘導機器において,該複合鉄心内で最も飽和磁束密度が高い磁性材料内の磁束密度が,該磁性材料のみで構成した静止誘導機器の磁束密度B
m2
以下となるように,前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定し、かつ前記複合鉄心における前記2種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値B
m1
よりも大きくなるように、前記複合鉄心内の平均磁束密度を設定することにより、従来よりも性能が高く小型化できる静止誘導機器を実現することが可能になる。
【0023】
本実施例1の場合においては、複合鉄心の内磁束密度が高いアモルファス鉄心12の平均磁束密度B
m2
とする。この場合の平均磁束密度B
m2
は、2種以上の磁性材料の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値B
m1
より9%高く、平均磁束密度B

をB
m2
とすれば、複合鉄心の実効断面積を,従来の設計方法より9%小さくすることができる。1次電圧の実効値が表1に示した3822Vのとき、B

をB
m1
とする従来の設計方法によれば、図1中の寸法a

は244mm,a

は82mmである。これに対し、B

をB
m2
とする本発明の実施例1によれば、寸法a

は225mm,a

は75mmとなる。これに伴い,複合鉄心の外形体積W×H×Dは,従来の設計より9%小型化される。
【0024】
以上の説明における数値は、三相五脚型複合鉄心を構成するナノ結晶鉄心とアモルファス鉄心の幾何断面積比率a

:a

が75:25の場合の計算結果である。この比率を0:100から100:0まで変化させ、同様の計算方法により求めた平均磁束密度B

の変化を図4に示し、複合鉄心の外形体積W×H×Dの変化を図5に示す。両図の横軸は、複合鉄心全体の幾何断面積に占めるアモルファス鉄心の比率であり、0%はナノ結晶鉄心のみの場合、100%はアモルファス鉄心のみで構成した静止誘導機器の計算結果である。まず、図4に示した39は、ナノ結晶鉄心とアモルファス鉄心の断面積の比率に応じた磁束密度の加重平均値B
m1
に対応し、従来の設計法における複合鉄心の磁束密度を表す。そして、40が本発明の実施例における方法により求めたB

である。図から分かるように、本発明の実施例の方法は、従来の加重平均値による設計方法の場合に比べて、磁束密度を高くすることができる。次に、この結果より設計した複合鉄心の外形体積W×H×Dを求め、アモルファス変圧器を100%とした相対体積を示したのが図5である。B

が高くなることに対応し、従来の設計方法による結果41に比べて、本発明の実施例1においては外形体積42が小型化される効果が広い鉄心比率の範囲で得られることがわかる。
【0025】
≪実施例2≫
実施例1における本発明の原理と効果は,他の形状の静止誘導機器用の複合鉄心においても広範に得ることができる。
【0026】
次に、本発明の実施例2について、図6により説明する。図6は、本発明の第2の実施例における三相五脚型変圧器の中央横断面図である。この実施例2において、実施例1と同一の構成機器には同一符号(番号)を付しており、その説明は省略する。この実施例2では、薄帯状のナノ結晶鉄心11とアモルファス鉄心12の2種の鉄心が、1枚単位,または複数枚単位で交互に積層されて複合鉄心が構成されている。このナノ結晶鉄心11とアモルファス鉄心12の断面積の比率と磁束密度を実施例1で示したと同様に設計することで、実施例1と同様の効果が得られ、複合鉄心の外形体積を小型化することができる。
【0027】
≪実施例3≫
次に、本発明の実施例3について図7により説明する。図7は、本発明の実施例3を示す単相型変圧器の断面図であり、(a)は縦断面図を,(b)は(a)のA−A’断面に沿った横断面図を示す。なお、図7の各符号(番号)に示す構成機器は、すでに説明したので、ここでは説明を省略する。
【0028】
この実施例では、薄帯状のナノ結晶鉄心11とアモルファス鉄心12の2種の鉄心からなる複合鉄心1と、その3箇所の磁脚部に、高圧巻線21と低圧巻線22を重ねて巻回した単相巻線が備えられている。ナノ結晶鉄心11およびアモルファス鉄心12は、台形状に切り出し、接合部15で組み合わされる。ナノ結晶鉄心11とアモルファス鉄心12の断面積の比率と磁束密度を実施例1で示したように設計することにより、実施例1と同様の効果が得られ、複合積層鉄心の外形体積を小型化することができる。
【0029】
≪実施例4≫
次に、本発明の実施例4について、図8を用いて説明する。図8は、本発明の実施例4を示す三相三脚型変圧器の断面図であり、(a)は縦断面図を,(b)は(a)のA−A’断面に沿った横断面図を示す。なお、図8の各符号(番号)に示す構成機器は、すでに説明したので、ここでは説明を省略する。
【0030】
この実施例4では、薄帯状のナノ結晶材料からなるナノ結晶鉄心11とアモルファス磁性材料からなるアモルファス鉄心12の2種の鉄心からなる複合鉄心を用いている。2つの内側巻鉄心1aと、該内側巻鉄心の外周を覆う1つの外側巻鉄心1bで三相三脚型の複合鉄心が構成される。その3箇所の磁脚部には、高圧巻線21と低圧巻線22を重ねて巻回した三相巻線が備えられ、変圧器が構成されている。ナノ結晶鉄心11およびアモルファス鉄心12は既定の長さに切断・積層されており、外形を略矩形に成形して切断端同士をラップ接合部16にて接続して環状の巻鉄心としている。ナノ結晶鉄心11とアモルファス鉄心12の断面積の比率と磁束密度を実施例1で示したと同様に設計することにより、実施例1と同様の効果が得られ、複合巻鉄心の外形体積を小型化することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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