JP2018078207A - 積鉄心、その製造方法およびそれを用いた変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】積層作業性を向上し、接合部の損失低減が可能な積鉄心を提供する。【解決手段】単位積鉄心を複数積み重ねてなる積鉄心１００であって、単位積鉄心は、上部ヨーク部積層体１０３ａ、下部ヨーク部積層体１０３ｂおよび上部ヨーク部積層体と下部ヨーク部積層体とを接続する脚部積層体１０４から構成される。上部ヨーク部積層体と下部ヨーク部積層体とは、２種類以上の異なる幅の鉄心素材１０５を、一端が揃うように、かつ、他端が階段状になるように積層したものである。脚部積層体は、２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、両端が階段状になるように積層したものである。単位積鉄心は、上部ヨーク部積層体および下部ヨーク部積層体の階段状の端部と、脚部積層体の階段状の端部とが組み合わされるよう積み重ねたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、アモルファス合金薄帯などにより構成される積鉄心、その製造方法およびそれを用いた変圧器に関する。

変圧器の鉄心の構造の一つとして、けい素鋼板などの板状の磁性材料を所定の厚さに積み重ねて鉄心を構成する積鉄心がある。

積鉄心の一例として、特許文献１には、「横長で矩形の上ヨーク部と、該上ヨーク部と横方向の長さが同じ横長で矩形の下ヨーク部との間に、少なくとも左右一対で縦方向の長さが同じ縦長で矩形の脚部を介設した短冊形の積鉄心構造において、上ヨーク部の下端縁部と脚部の上端縁部とが隙間なく衝合し、脚部の下端縁部と下ヨーク部の上端縁部とが隙間なく衝合してなり、上ヨーク部と下ヨーク部とは、段積みの厚み方向で前後に隣接する各上ヨーク部および下ヨーク部の縦の長さが異なると共に各層の上ヨーク部と下ヨーク部は縦方向の長さの和が同一となっており、上ヨーク部と下ヨーク部は、３種類以上の縦方向の長さの異なるヨーク部材を選択し組み合わせてなることを特徴とする積鉄心構造。」（請求項１）と記載されている。

また、アモルファス合金薄帯を用いた積鉄心として、特許文献２には、「所定の形状に切断したアモルファス合金薄帯を積層した少なくとも二つの鉄心主脚と下部継鉄及び上部継鉄とを接合して閉磁路を形成する変圧器用積鉄心において、前記鉄心主脚と前記下部継鉄と前記上部継鉄は、それぞれ所定の同一位置に位置決め穴を設けて熱硬化性樹脂で一体化した単位積層磁性体を複数組み合せて形成すると共に、前記位置決め穴には貫通支持体を配置した積層鉄心要素で構成され、接合した前記各鉄心主脚と前記下部継鉄との外面形状に合わせて一体化した櫛状鉄心支持部材を、前記鉄心主脚と前記下部継鉄の両面に配置し、前記上部継鉄の両面に板状鉄心支持部材を配置し、前記櫛状鉄心支持部材と前記板状鉄心支持部材間は連結部材により結合し、前記下部継鉄の両面に配置した前記櫛状鉄心支持部材間、及び前記上部継鉄の両面に配置した前記板状鉄心支持部材間は、それぞれ形状保持部材により連結したことを特徴とする変圧器用積鉄心。」（請求項１）と記載されている。

実用新案登録第３１８９４７８号公報 特開２０１３−１１８２５４号公報

特許文献１記載の積鉄心は、段積みの厚み方向で隣接する各上ヨーク部および下ヨーク部の縦の長さ(幅)の異なる鉄心を順次積み重ねるもので、積層作業性に問題があり積層工程に時間が掛かるという課題がある。

また、特許文献２記載の積鉄心は、アモルファス合金薄帯を積層し熱硬化性樹脂で一体化して単位積層磁性体を形成し、これを複数組み合わせた積層鉄心要素により、鉄心主脚、下部継鉄および上部継鉄を構成することが記載されているが、単位積層磁性体を順次積み重ねて積層鉄心要素を形成するもので、やはり作業性に課題がある。

特に、アモルファス積鉄心は、約２５μｍと非常薄い薄帯であるアモルファス合金薄帯で構成されるため、けい素鋼板で構成される積鉄心と質量同等とした場合、膨大な枚数の鉄心材料が必要となる。そのため、積層工程や鉄心材料のスリット工程に時間が掛かるという問題がある。

本発明の目的は、積層作業性を向上し、接合部の損失低減が可能な積鉄心を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の積鉄心の一つは、２種類以上の異なる材料幅のブロックを材料幅が長いまたは短いブロックから順に積層して構成したヨーク部積層体と脚部積層体を基本部品として、これを積層して積鉄心を構成することにより達成される。

本発明の積鉄心の一例を挙げるならば、単位積鉄心を複数積み重ねてなる積鉄心であって、前記単位積鉄心は、上部ヨーク部積層体、下部ヨーク部積層体、および前記上部ヨーク部積層体と前記下部ヨーク部積層体とを接続する脚部積層体から構成され、前記上部ヨーク部積層体と前記下部ヨーク部積層体とは、２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、一端が揃うように、かつ他端が階段状になるように積層したものであり、前記脚部積層体は、２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、両端が階段状になるように積層したものであり、前記単位積鉄心は、前記上部ヨーク部積層体および前記下部ヨーク部積層体の階段状の端部と、前記脚部積層体の階段状の端部とが組み合わされるよう積み重ねたものである。

本発明の積鉄心の製造方法の一例を挙げるならば、単位積鉄心を複数積み重ねてなる積鉄心の製造方法であって、２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、一端が揃うように、かつ他端が階段状になるように積層して上部ヨーク部積層体と下部ヨーク部積層体を形成するステップと、２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、両端が階段状になるように積層して脚部積層体を形成するステップと、前記上部ヨーク部積層体および前記下部ヨーク部積層体の階段状の端部と、前記脚部積層体の階段状の端部とが組み合わされるように重ねるステップと、を備えるものである。

本発明によれば、積層工程での従来の１ブロック毎の積層作業が不要となり、数ブロック単位で単純に積み重ねることで積鉄心を構成することが可能であるため、積層工程での作業性が向上される。また、複数のブロックを積層して構成した積層体を基本部品として積層作業前に用意しておくことで、積層工程での積み作業の回数が低減でき、作業性が向上できる。

鉄心特性については、脚部とヨーク部の接合部を１ブロック毎にずらすことができ、１ブロックを積層単位とするステップラップ接合となるため、接合部の磁束の渡りによる損失を低減することが可能である。

本発明の実施例１の積鉄心を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の積鉄心の積層体１段目のヨーク部積層体、脚部積層体を示す斜視図である。 本発明の実施例１の積鉄心の製造工程を示す図である。 本発明の実施例２の積鉄心を示す側面図である。 コイル挿入後の積鉄心における上部ヨーク部の挿し作業を示す側面図である。 本発明の実施例３の積鉄心を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の実施例４の変圧器の一例を示す概略正面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の構成要素にはなるべく同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図１に、本発明の実施例１の積鉄心を示し、図１（ａ）は正面図を、図１（ｂ）は側面図を示す。積鉄心１００は、上部ヨーク部１０１ａと下部ヨーク部１０１ｂと、これらを接続する脚部１０２とで構成されている。図１（ｂ）に示すように、上部ヨーク部１０１ａおよび下部ヨーク部１０１ｂは、ヨーク部積層体１０３を複数積層して構成されている。同様に、脚部１０２は、脚部積層体１０４を複数積層して構成されている。図において符号１０７は、１積層体厚さを示す。下部ヨーク部１０１ｂを構成するヨーク部積層体１０３ｂは、横幅がＸと一定で、下端から上端までの距離（縦幅）がＹ１〜Ｙ３と異なる複数の磁性材料のブロック（鉄心素材）１０５を、下端を揃えて積層することにより構成している。同様に、上部ヨーク部１０１ａを構成するヨーク部積層体１０３ａは、横幅が一定で、上端から下端までの距離（縦幅）が異なる複数の磁性材料のブロック（鉄心素材）１０５を、上端を揃えて積層することにより構成している。

脚部１０２を構成する脚部積層体１０４は、横幅が一定で、下端から上端までの距離（縦幅）が、異なる複数の磁性材料のブロック１０５を上端および下端が少しずつずれるように積層して構成している。脚部積層体１０４の下端から上端までの距離（縦幅）は、上部ヨーク部１０１ａを構成するヨーク部積層体１０３ａの下端と、下部ヨーク部１０１ｂを構成するヨーク部積層体１０３ｂの上端との距離に応じた幅である。図において符号１０６は、磁性体の１ブロックの厚さを示す。

磁性材料のブロック１０５は、アモルファス薄帯合金を数十枚重ねて１ブロックとしたものでも良いし、或いは、けい素鋼板を１枚で１ブロックとしたもの、或いは複数枚重ねて１ブロックとしたものでも良い。

図２に、幅の異なる複数種類のブロックで構成されたヨーク部積層体１０３ａ、１０３ｂおよび脚部積層体１０４を示す。図１、２では３種類の材料幅のブロックで構成されたヨーク部積層体１０３ａ、１０３ｂおよび脚部積層体１０４の例を示している。材料幅は、例えば、現在市場で販売されている電力用変圧器向け鉄心に使用されるアモルファス材の幅であるＹ１＝１４２ｍｍ、Ｙ２＝１７０ｍｍ、Ｙ３＝２１３ｍｍなどである。スリット加工を行った任意の幅の材料を使用するなど、寸法の組合せ、種類は問わない。

図２に矢印で示すように、上側の端面が揃ったヨーク部積層体１０３ａと下側の端面が揃ったヨーク部積層体１０３ｂを配置し、両ヨーク部積層体を接続するように脚部積層体１０４を積み重ねる。脚部積層体の積層は、ヨーク部積層体の階段状の部分と脚部積層体の階段状の部分が組み合わされて、接合部の間隙が微少となるように行う。

図３に、本実施例の積鉄心の製造工程を示す。
図３（ａ）および（ｂ）は、ヨーク部積層体１０３の製造工程を表し、幅の異なる複数種類のブロック（鉄心素材）１０５を、一端を揃えて積層し、接着剤等で一体化する。符号１０８は、接着箇所を示す。接着箇所は、図に示す積層体の側面でも良いし、ブロック間を接着しても良い。
図３（ｃ）および（ｄ）は、脚部積層体１０４の製造工程を表し、幅の異なる複数種類のブロック（鉄心素材）１０５を、側面を揃えて積層し、接着剤等で一体化する。
なお、ヨーク部積層体１０３や脚部積層体１０４を樹脂やゴムなどのコーティング剤で接着して一体化すればよい。一体化することにより強度が出て、取り扱いが容易となる。

図３（ｅ）〜（ｇ）は、ヨーク部積層体１０３と脚部積層体１０４の積層工程を表す。図２にも記載したとおり、上側の端面が揃ったヨーク部積層体と下側の端面が揃ったヨーク部積層体を配置し、両ヨーク部積層体１０３を接続するように脚部積層体１０４を積み重ねる。ヨーク部積層体１０３と脚部積層体１０４を積層することにより、図３（ｆ）に示す単位積鉄心１１０が得られる。更に、図３（ｇ）に示すように、単位積鉄心１１０上に、順次ヨーク部積層体１０３と脚部積層体１０４を積層することにより、積鉄心が得られる。

本実施例によれば、積鉄心を構成する基本部品として、幅の異なるブロックを積層し一体化したヨーク部積層体１０３および脚部積層体１０４を使用することで、積層工程に使用する部品点数を減らし、積鉄心の課題である積層作業性を改善することができる。そして、外周端面が揃ったヨーク部積層体１０３を設置した後に、脚部積層体１０４を積層することにより、従来１ブロック毎に積層していた作業が不要となり、数ブロック単位で単純に積み重ねることで積鉄心を構成することが可能であるため、積層工程での作業性を向上できる。

また、ヨーク部積層体および脚部積層体を外周の端面を揃えた状態で、コーティング剤などにより接着固定しておくことで、積層工程での位置ずれを抑えることができ、更に作業時間が短縮できる。

また、鉄心特性については、脚部とヨーク部の接合部を１ブロック毎にずらすことができ、１ブロックを積層単位とするステップラップ接合となるため、接合部の磁束の渡りによる損失を低減することができる。

図４に、本発明の実施例２の積鉄心の側面図を示す。実施例２は、実施例１で示した鉄心構造において、ヨーク部積層体１０３および脚部積層体１０４を複数段積層する際に、偶数段毎にヨーク部積層体および脚部積層体を構成するブロックの積層順を逆にして、積層を繰り返したものである。

図に示すように、奇数段のヨーク部積層体は、ブロック１０５を積層する順に次第にブロックの幅が狭くなっていくが、偶数段のヨーク部積層体は、ブロックを積層する順に次第にブロックの幅が広くなる。脚部積層体１０４は、対応して奇数段のヨーク部積層体は、ブロック１０５を積層する順に次第にブロックの幅が広くなっていくが、偶数段のヨーク部積層体は、ブロックを積層する順に次第にブロックの幅が狭くなる。なお、ヨーク部積層体１０３と脚部積層体１０４の積層順序は、奇数段は、２つのヨーク部積層体を配置し、その上に脚部積層体を重ねるが、偶数段は、脚部積層体１０４を配置し、その上にヨーク部積層体１０３を重ねればよい。

図５に、上部ヨーク部の鉄心材料を取り外し、鉄心を自立させ、脚部にコイルを挿入した後に、再度上部ヨーク部の鉄心材料を挿し込む作業を行う場合の図を示す。実施例２の図４の鉄心構造では、偶数段のヨーク部積層体１０３ｄと奇数段のヨーク部積層体１０３ｅを合わせて取り外すことにより、実施例１の図１（ｂ）の鉄心構造より、上部ヨーク部と脚部の接合面の積層方向における挿し部の空間が広くなる。
また、図５に示すように２つの上部ヨーク部積層体１０３ｄ，１０３ｅをコーティング剤などにより接着固定しておくことで、材料に剛性が生まれ挿し易くなり、挿し作業を行う回数も少なくなるため、作業性が向上する。

本実施例によれば、奇数段のヨーク部積層体と偶数段のヨーク部積層体において、積層方向に対する各ブロックの幅の変化が逆になるようにしたので、ヨーク部積層体を取り外し、コイルを挿入した後に再度取り付ける作業が容易になる。

図６に、本発明の実施例３の積鉄心を示し、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は側面図である。実施例３は、実施例１で示した鉄心構造において、積鉄心の最下段および最上段にけい素鋼板を配置したものである。

図６（ｂ）において、符号１１２ｂは積鉄心の最下段に設けたけい素鋼板を、図６（ａ）において、符号１１２ａは積鉄心の最上段に設けたけい素鋼板を示す。

積鉄心の最下段および最上段にけい素鋼板１１２を設けることにより、積鉄心の強度を上げ、保護することができる。特に、アモルファス薄帯を重ねた磁性材料のブロックを用いた積鉄心において、アモルファス薄帯の破れを防止することができる。

図７に、本発明の実施例４の変圧器の一例の概略正面図を示す。本実施例は、実施例１の積鉄心１００とコイル２００を備える変圧器である。

図に示すように、積鉄心１００のそれぞれの脚部１０２に、コイル２００が挿入されて、変圧器を構成している。

１００ 積鉄心
１０１ ヨーク部
１０１ａ 上部ヨーク部
１０１ｂ 下部ヨーク部
１０２ 脚部
１０３ ヨーク部積層体
１０３ｄ 偶数段ヨーク部積層体
１０３ｅ 奇数段ヨーク部積層体
１０４ 脚部積層体
１０５ ブロック（鉄心素材）
１０６ １ブロック厚さ
１０７ １積層体厚さ
１０８ 接着箇所
１０９ 接合部
１１０ 単位積鉄心
１１２ けい素鋼板
２００ コイル

Claims (14)

1. 単位積鉄心を複数積み重ねてなる積鉄心であって、
   前記単位積鉄心は、上部ヨーク部積層体、下部ヨーク部積層体、および前記上部ヨーク部積層体と前記下部ヨーク部積層体とを接続する脚部積層体から構成され、
   前記上部ヨーク部積層体と前記下部ヨーク部積層体とは、２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、一端が揃うように、かつ他端が階段状になるように積層したものであり、
   前記脚部積層体は、２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、両端が階段状になるように積層したものであり、
   前記単位積鉄心は、前記上部ヨーク部積層体および前記下部ヨーク部積層体の階段状の端部と、前記脚部積層体の階段状の端部とが組み合わされるよう積み重ねたものであることを特徴とする積鉄心。
2. 請求項１記載の積鉄心において、
   前記鉄心素材は、アモルファス合金薄帯を複数枚積層したブロックであることを特徴とする積鉄心。
3. 請求項１記載の積鉄心において、
   前記鉄心素材は、１枚のけい素鋼板、或いは複数枚のけい素鋼板を積層したブロックであることを特徴とする積鉄心。
4. 請求項１記載の積鉄心において、
   前記上部ヨーク部積層体、前記下部ヨーク部積層体および前記脚部積層体のそれぞれは、一体化されていることを特徴とする積鉄心。
5. 請求項１記載の積鉄心において、
   前記上部ヨーク部積層体、前記下部ヨーク部積層体および前記脚部積層体のそれぞれは、コーティング剤により接着固定されていることを特徴とする積鉄心。
6. 請求項１記載の積鉄心において、
   前記上部ヨーク部積層体、前記下部ヨーク部積層体および前記脚部積層体は、前記単位積鉄心の積み重ねの奇数段と偶数段とで、前記異なる幅の鉄心素材の幅の変化が逆になるように積層されていることを特徴とする積鉄心。
7. 請求項６記載の積鉄心において、
   少なくとも一部の奇数段の上部ヨーク積層体と偶数段の上部ヨーク積層体とが一体化されていることを特徴とする積鉄心。
8. 請求項１記載の積鉄心において、
   積鉄心の最下段および最上段に、けい素鋼板が取り付けられていることを特徴とする積鉄心。
9. 鉄心の上部側に配置される第一のヨーク部と、前記鉄心の下部側に配置される第二のヨーク部と、前記第一のヨーク部と接続される第一の接続部と前記第二のヨーク部と接続される第二の接続部とを有する脚部を備える積鉄心であって、
   前記鉄心は、手前側の面から奥側の面に向かって鉄心部材が積み重ねられており、
   前記第一のヨーク部の前記第一の接続部と接続される部分は、前記第一のヨーク部上部から下部までの距離が前記手前側の面から前記奥側の面にかけて階段状に長くなるよう並べられており、
   前記第二のヨーク部の前記第二の接続部と接続される部分は、前記第二のヨーク部下部から上部までの距離が前記手前側の面から前記奥側の面にかけて階段状に長くなるよう並べられており、
   前記脚部の、前記第一の接続部の上端と前記第二の接続部の下端との距離が、前記手前側から前記奥側にかけて階段状に短くなるように並べられていること
   を特徴とする積鉄心。
10. 単位積鉄心を複数積み重ねてなる積鉄心の製造方法であって、
    ２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、一端が揃うように、かつ他端が階段状になるように積層して上部ヨーク部積層体と下部ヨーク部積層体を形成するステップと、
    ２種類以上の異なる幅の鉄心素材を、両端が階段状になるように積層して脚部積層体を形成するステップと、
    前記上部ヨーク部積層体および前記下部ヨーク部積層体の階段状の端部と、前記脚部積層体の階段状の端部とが組み合わされるように重ねるステップと、
    を備える積鉄心の製造方法。
11. 請求項１０記載の積鉄心の製造方法において、更に、
    前記上部ヨーク部積層体および前記下部ヨーク部積層体の階段状の端部と、前記脚部積層体の階段状の端部とが組み合わされるように重ねるステップを繰り返す積鉄心の製造方法。
12. 請求項１０記載の積鉄心の製造方法において、
    前記鉄心素材は、アモルファス合金薄帯を複数枚積層したブロックであることを特徴とする積鉄心の製造方法。
13. 請求項１０記載の積鉄心の製造方法において、
    前記鉄心素材は、１枚のけい素鋼板、或いは複数枚のけい素鋼板を積層したブロックであることを特徴とする積鉄心の製造方法。
14. 請求項１〜９の何れか１項に記載の積鉄心と、コイルとを備える変圧器。

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