JP4558664B2 - 配電用アモルファス変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、アモルファス合金薄帯からなる鉄心と巻線を備えた変圧器に関し、特に鉄心の材質及び鉄心の焼鈍処理に特徴のある配電用アモルファス変圧器に関する。

従来、アモルファス合金を鉄心材として使用したアモルファス変圧器が知られている。アモルファス合金箔帯を積層してＵ字状に曲げ、両先端部を突合せまたは重ね合わせて巻鉄心としており、従来の電磁鋼板を使用した変圧器よりも、鉄損を小さくすることができた。

しかしながら、巻鉄心構造では材料を曲げると応力が生じ、それが原因で磁気特性が悪化するため、鉄心に磁場中での焼鈍処理を施し、応カを開放して特性を改善する必要がある、これはアモルファス合金も電磁鋼板も同等であるが、アモルファス合金では焼鈍処理を行うことで素材内部の再結晶化が始まり、これが脆化を招く。このとき、焼鈍条件は合金の組成と関係しており、従来材であるＭｅｔｇｌａｓ（Ｒ）２６０５ＳＡ１では３３０℃を超え、３０分以上で焼鈍を行っていた。また、特許文献１では独自の式を用いて、その焼鈍条件を決めている。
特開昭５８−３４１６２号公報

本願出願人の一人より従来の一般材とは異なった組成で、飽和磁束密度が高く、かつ、より低損失なアモルファス合金が開発され特許出願中であるが、この新材料の特許に関しては主に組成について述べられており、詳細な焼鈍条件については触れられていない。しかし、組成が異なるため、上記アモルファス合金は、従来の焼鈍とは異なる可能性がある。
したがって、本発明では、新材料に最適な焼鈍条件を選定し、従来のアモルファス合金を採用した変圧器よりも低損失な配電用アモルファス変圧器を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、アモルファス合金薄帯からなる鉄心と巻線を備えた配電用アモルファス変圧器において、前記アモルファス合金薄帯は、アモルファス合金が合金組成ＦｅａＳｉｂＢｃＣｄ（Ｆｅ鉄、Ｓｉ珪素、Ｂホウ素、Ｃ炭素）で表され、原子％で８０≦ａ≦８３％、０＜ｂ≦５％、１２≦ｃ≦１８％、０．０１≦ｄ≦３％及び不可避不純物からなり、さらに、Ｓｉ量ｂとＣ量ｄが、ｂ≦（０．５×ａ−３６）×ｄ ^１／３ を満足し、前記鉄心は、鉄心成形後の焼鈍時の鉄心中心部温度が３１０〜３４０℃で、３０〜１５０分の保持時間となる焼鈍処理がなされ、鉄心成形後の焼鈍時の磁界強度が８００Ａ／ｍ以上であることを特徴とする。

さらに、本発明の前記アモルファス合金薄帯は、アモルファス合金が合金組成ＦｅａＳｉｂＢｃＣｄ（Ｆｅ鉄、Ｓｉ珪素、Ｂホウ素、Ｃ炭素）で表され、原子％で８０≦ａ≦８３％、０＜ｂ≦５％、１２≦ｃ≦１８％、０．０１≦ｄ≦３％及び不可避不純物からなるものが好ましく、この組成のアモルファス合金薄帯であれば、高いＢｓと角形性に優れており、焼鈍温度が低くても従来材料よりも特性の優れた磁心とすることができる。アモルファス合金薄帯のフリー面及びロール面、表面から内部にかけてｃの濃度分布を測定すると、２〜２０ｎｍの深さの範囲内にＣの濃度分布のピーク値が存在するものが配電用アモルファス変圧器用のアモルファス合金薄帯として好ましい。

組成を限定する理由を以下に示す。以下、単に、％と記載するものは原子％である。
Ｆｅ量ａは８０％少ないと鉄心材料として十分な飽和磁束密度が得られず、また、８３％以上では熱安定性が低下し、安定したアモルファス合金薄帯が製造できなくなるためです。さらに、Ｆｅ量の５０％以下をＣｏ、Ｎｉの１種または２種で置換してもよく、高飽和磁束密度を得るためには置換量をＣｏは４０％以下、Ｎｉは１０％以下とするのが好ましい。
Ｓｉ量ｂは、アモルファス形成能に寄与する元素で、飽和磁束密度を向上させるためには５％以下であることが好ましい。
Ｂ量ｃは、アモルファス形成能に最も寄与し、８％未満では熱安定性が低下してしまい、１８％より多く添加してもアモルファス形成能などの改善効果は見られない。また、高飽和磁束密度のアモルファスの熱安定性を保つには１２％以上であることが好ましい。
Ｃは，角形性および飽和磁束密度の向上に効果があり、Ｃ量ｄは０．０１％未満ではほとんど効果がなく、３％より多くすると脆化と熱安定性が低下する。
また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂの１種以上の元素を０．０１〜５％含んでも良く、不可避な不純物としてＭｎ，Ｓ，Ｐ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｔｉから少なくとも１種以上の元素を０．５０％以下を含有しても良い。

更に、本発明の前記アモルファス合金薄帯は、原子％でＳｉ量ｂとＣ量ｄが、ｂ≦（０．５×ａ−３６）×ｄ^１／３を満足する配電用アモルファス変圧器である。

また、本発明は、前記アモルファス合金薄帯は、アニール後の飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上である配電用アモルファス変圧器である。

そして、本発明は、前記鉄心は、アニール後の外部磁界８０Ａ／ｍの磁束密度が１．５５Ｔ以上である配電用アモルファス変圧器である。

更に、本発明は、前記鉄心は、アニール後の磁束密度１．４Ｔ，周波数５０Ｈｚでのトロイダル試料の鉄損Ｗ_{１４／５０}が０．２８Ｗ／Ｋｇ以下である配電用アモルファス変圧器である。

また、本発明は、前記鉄心は、アニール後の破壊歪εが０．０２０以上である配電用アモルファス変圧器である。

本発明によれば、従来の一般材とは異なったＦｅＳｉＢＣ（Ｆｅ鉄、Ｓｉ珪素、Ｂホウ素、Ｃ炭素）の組成で、飽和磁束密度が高く、かつ、より低損失なアモルファス合金について、焼鈍温度が低くても従来材料よりも特性の優れた磁心から成る配電用アモルファス変圧器を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明の配電用アモルファス変圧器の実施例について、図面を用いて説明する。

実施例１を説明する。本実施例の配電用アモルファス変圧器は、アモルファス合金箔帯を積層してＵ字状に曲げ、両先端をつき合わせ又は重ね合わせた鉄心と、巻線とを備えている。

本実施例の鉄心に使用するアモルファス合金薄帯は、アモルファス合金が合金組成ＦｅａＳｉｂＢｃＣｄ（Ｆｅ鉄、Ｓｉ珪素、Ｂホウ素、Ｃ炭素）で表され、原子％で８０≦ａ≦８３％、０＜ｂ≦５％、１２≦ｃ≦１８％、０．０１≦ｄ≦３％及び不可避不純物からなり、アモルファス合金薄帯のフリー面及びロール面、表面から内部にかけてＣの濃度分布を測定すると２〜２０ｎｍの深さの範囲内にＣの濃度分布のピーク値が存在する。そして、鉄心成形後の焼鈍時の鉄心中心部温度が３２０±５℃、６０±１０分での焼鈍がなされている。鉄心成形後の焼鈍時の磁界強度が８００Ａ／ｍ以上である。

本実施例のアモルファス合金薄帯は、原子％でＳｉ量ｂとＣ量ｄが、ｂ≦（０．５×ａ−３６）×ｄ^１／３を満足することが好ましい。図４に示すように、Ｃ量に依存するところはあるが、一定のＣ量に対して、ｂ／ｄを小さくすることで応力緩和度が高く、磁束飽和密度が高い組成となり、電力用変圧器材料として最も適する。さらに、高Ｃ量添加時のような脆化や表面結晶化、熱安定性の低下も抑制される。

本実施例の鉄心は、アニール後の外部磁界８０Ａ／ｍの磁束密度が１．５５Ｔ以上である。また、本実施例の鉄心は、アニール後の磁束密度１．４Ｔ，周波数５０Ｈｚでのトロイダル試料の鉄損Ｗ_{１４／５０}が０．２８Ｗ／Ｋｇ以下である。そして、本実施例の鉄心は、アニール後の破壊歪εが０．０２０以上である。

本実施例のアモルファス変圧器の鉄心の焼鈍条件について、説明する。実施例の鉄心として、合金組成ＦｅａＳｉｂＢｃＣｄ（Ｆｅ鉄、Ｓｉ珪素、Ｂホウ素、Ｃ炭素）で表され、原子％で８０≦ａ≦８３％、０＜ｂ≦５％、１２≦ｃ≦１８％で表されるアモルファス合金を使用した。また、比較例として合金組成ＦｅａＳｉｂＢｃＣｄ（Ｆｅ鉄、Ｓｉ珪素、Ｂホウ素、Ｃ炭素）で表され、原子％で７６≦ａ≦８１％、５＜ｂ≦１２％、８≦ｃ≦１２％、０．０１≦ｄ≦３％及び不可避不純物で表されるアモルファス合金を使用した。焼鈍処理を異なる条件で実施した。焼鈍時間は、１時間である。図１は、横軸が焼鈍温度であり、縦軸は処理後に得られた保持力Ｈｃである。図２は、横軸が焼鈍温度であり、縦軸はＢ８０と呼ばれる焼鈍時の磁化力を８０Ａ／ｍとしたときの磁束密度である。実施例の鉄心及び比較例の鉄心で用いたアモルファス合金とも焼鈍条件によって得られる磁気特性が変わっている。本実施例のアモルファス合金は、比較例のものと比較して、焼鈍温度が低くても、保持力Ｈｃを低くすることができる。実施例のアモルファス合金は、焼鈍温度が３００〜３４０℃が良好であり、特に３００〜３３０℃の範囲でより良好である。また、Ｂ８０について、実施例のアモルファス合金は、比較のものと比較して、高くすることができ、しかも焼鈍温度が低くても良い特性を得ることができた。実施例のアモルファス合金は、焼鈍温度が３１０〜３４０℃が良好である。したがって、両方の磁気特性を良好とするために、実施例のアモルファス合金は、焼鈍温度を３１０〜３３０℃とするのが好ましい。この焼鈍温度は、比較例でのアモルファス合金より２０〜３０℃程度低くなっている。焼鈍温度を低くすることは、焼鈍処理で使用するエネルギーの消費を低くすることとなるため、実施例のアモルファス合金は、この点でも優れている。なお、比較例のアモルファス合金は、この焼鈍温度では、良好な磁気特性を得られない。また、焼鈍時間は、０．５ｈ以上が好ましい。０．５ｈ未満では十分な特性を得ることができない。また、１５０分を超えると消費したエネルギーほどの特性を得ることができない。特に、４０〜１００分が好ましく、５０〜７０分が好ましい。

図３は、実施例のアモルファス合金の鉄心を備えた変圧器の特性（鉄損）であり、Ａ〜Ｅまでの５パターンと焼鈍条件を変えて行った。ここでパターンＣとＤが上記比較例の又はそれに近い材料を使用した例であり、どちらもパターンＡ及びＢよりも鉄損が悪化している。すなわち、図１で確認された傾向と同じであるといえる。なお、パターンＡ及びＢは焼鈍中の印加磁界強度を代えて比較した実施例である。８００Ａ／ｍ以上の磁界強度を印加しても鉄損はほとんど変わらないことが分かる。パターンＢは電流を多く流す必要があるため、最適焼鈍条件はパターンＡとした。また、８００Ａ／ｍ未満の印加磁界強度では、鉄損が増大することが分かった。また、パターンＥにおいて、パターンＡと比較して僅か鉄損が劣るが焼鈍条件として適していることが分かる。

次に実施例２について説明する。本実施例２のアモルファス変圧器は、実施例１と比べ、アモルファス合金薄帯の材料が相違しており、アモルファス合金が合金組成ＦｅａＳｉｂＢｃＣｄ（Ｆｅ鉄、Ｓｉ珪素、Ｂホウ素、Ｃ炭素）で表され、原子％で８０≦ａ≦８３％、０＜ｂ≦５％、１２≦ｃ≦１８％、０．０１≦ｄ≦３％及び不可避不純物であり、アニール後の飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上である。それ以外の数値は、実施例１と同様である。また、焼鈍条件に対応した磁気特性なども実施例１とほぼ同様であった。

実施例１の開発材の焼鈍条件と磁気特性１の説明図。 実施例１の開発材の焼鈍条件と磁気特性２の説明図。 実施例１の開発材の鉄心を備えたアモルファス変圧器の焼鈍条件と磁気特性の説明図。 Ｓｉ量ｂ、Ｃ量ｄと、応力緩和度、破壊歪との関係を示す説明図。

Claims (6)

1. アモルファス合金薄帯からなる鉄心と巻線を備えた配電用アモルファス変圧器において、
   前記アモルファス合金薄帯は、アモルファス合金が合金組成ＦｅａＳｉｂＢｃＣｄ（Ｆｅ鉄、Ｓｉ珪素、Ｂホウ素、Ｃ炭素）で表され、原子％で８０≦ａ≦８３％、０＜ｂ≦５％、１２≦ｃ≦１８％、０．０１≦ｄ≦３％及び不可避不純物からなり、
   さらに、Ｓｉ量ｂとＣ量ｄが、ｂ≦（０．５×ａ−３６）×ｄ^１／３を満足し、
   前記鉄心は、鉄心成形後の焼鈍時の鉄心中心部温度が３１０〜３４０℃で、３０〜１５０分の保持時間となる焼鈍処理がなされ、
   鉄心成形後の焼鈍時の磁界強度が８００Ａ／ｍ以上であることを特徴とする配電用アモルファス変圧器。
2. 前記アモルファス合金薄帯は、焼鈍後の飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上である請求項１に記載の配電用アモルファス変圧器。
3. 前記アモルファス合金薄帯のフリー面及びロール面、表面から内部にかけてＣの濃度分布を測定すると、２〜２０ｎｍの深さの範囲内にＣの濃度分布のピーク値が存在する請求項１または２に記載の配電用アモルファス変圧器。
4. 前記鉄心は、焼鈍後の外部磁界８０Ａ／ｍの磁束密度が１．５５Ｔ以上である請求項１ないし３に記載の配電用アモルファス変圧器。
5. 前記鉄心は、焼鈍後の磁束密度１．４Ｔ，周波数５０Ｈｚでのトロイダル試料の鉄損Ｗ _{１４／５０} が０．２８Ｗ／Ｋｇ以下である請求項１ないし４に記載の配電用アモルファス変圧器。
6. 前記鉄心は、焼鈍後の破壊歪εが０．０２０以上である請求項１ないし５に記載の配電用アモルファス変圧器。

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