JP6575732B1 - 変圧器用鉄心 - Google Patents

Abstract

鉄心の振動を低減し、変圧器の騒音を改善する。複数の方向性電磁鋼板を積層した変圧器用鉄心であって、前記方向性電磁鋼板の少なくとも１枚が、（１）圧延方向を横切る方向に還流磁区が形成された領域と、還流磁区が形成されていない領域とを有しており、かつ前記方向性電磁鋼板の面積をＳ、前記還流磁区が形成された領域の面積をＳ１、前記還流磁区が形成されていない領域の面積をＳ０、前記還流磁区が形成された領域のうち、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚで圧延方向に励磁したときの最大変位ポイントにおける伸長量が、前記還流磁区が形成されていない領域における伸長量よりも２×１０−７以上大きい領域の面積をＳ１ａとしたとき、（２）Ｓに対するＳ０の比率として定義される面積率Ｒ０が０．１０〜３．０％であり、（３）Ｓ１に対するＳ１ａの比率として定義される面積率Ｒ１ａが５０％以上である、変圧器用鉄心。

Description

本発明は、方向性電磁鋼板を積層した変圧器用鉄心に関し、特に、磁歪振動が低減され、変圧器の騒音を抑制することができる変圧器用鉄心に関する。

変圧器から発生する騒音を低減する様々な技術が、従来検討されている。特に鉄心は無負荷時でも騒音の発生源になっているため、鉄心とこれに用いられる方向性電磁鋼板に関する技術開発は数多くなされ、騒音の改善が進められてきた。

騒音が発生する主な原因は、方向性電磁鋼板の磁歪と、それに起因する鉄心の振動である。そこで、鉄心の振動を抑制する様々な技術が提案されてきた。

例えば、特許文献１、２では、樹脂や制振鋼板を方向性電磁鋼板の間に挟むことにより、鉄心の振動を抑制する技術が提案されている。

また、特許文献３、４では、磁歪が異なる２種類の鋼板を積層することによって鉄心の振動を抑制する技術が提案されている。

さらに、特許文献５では、積層される方向性電磁鋼板同士を接着することにより鉄心の振動を抑制する技術が提案されている。特許文献６では、鋼板全体に微小の内部歪みを残留させ、磁歪振幅を低減する技術が提案されている。

特開２０１３−０８７３０５号公報 特開２０１２−１７７１４９号公報 特開平０３−２０４９１１号公報 特開平０４−１１６８０９号公報 特開２００３−０７７７４７号公報 特開平０８−２６９５６２号公報

特許文献１〜６に記載されている技術は、磁歪の低減や、鉄心の振動低減に一定の効果を奏すると考えられるが、以下に述べるような問題があった。

特許文献１、２で提案されているような、鋼板の間に樹脂や制振鋼板を挟む方法では、鉄心のサイズが大きくなってしまう。

また、特許文献３および４で提案されているような、２種類の鋼板を用いる方法では、使用する鋼板を正確に管理して積層する必要があり、鉄心の生産工程が複雑となり、生産性が劣っている。

さらに、特許文献５で提案されているような、鋼板同士を接着する方法では、接着に時間を要する上、鋼板に不均一な応力がかかって磁気特性が劣化するおそれがある。

特許文献６で提案されているような方法では、振幅は小さくできるものの、磁歪波形の歪みが増大し、磁歪高調波に起因した騒音増大を招くため、騒音抑制効果が小さい。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、従来技術とは異なる機構によって鉄心の振動を低減し、変圧器の騒音を改善することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、鋼板内に磁歪特性が異なる領域を２種類以上存在させることにより、相互干渉により、鉄心全体の磁歪振動が抑制され、変圧器の騒音を低減できることを新規に知見した。

本発明は、上記の新規な知見に立脚するものであり、その要旨構成は、以下のとおりである。

１．複数の方向性電磁鋼板を積層した変圧器用鉄心であって、
前記方向性電磁鋼板の少なくとも１枚が、
（１）圧延方向を横切る方向に還流磁区が形成された領域と、還流磁区が形成されていない領域とを有しており、かつ
前記方向性電磁鋼板の面積をＳ、
前記還流磁区が形成された領域の面積をＳ_１、
前記還流磁区が形成されていない領域の面積をＳ_０、
前記還流磁区が形成された領域のうち、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚで圧延方向に励磁したときの最大変位ポイントにおける伸長量が、前記還流磁区が形成されていない領域における伸長量よりも２×１０^−７以上大きい領域の面積をＳ_１ａ
としたとき、
（２）Ｓに対するＳ_０の比率として定義される面積率Ｒ_０が０．１０〜３．０％であり、
（３）Ｓ_１に対するＳ_１ａの比率として定義される面積率Ｒ_１ａが５０％以上である、
変圧器用鉄心。

２．前記還流磁区の圧延方向に対する角度が、６０〜９０°である、上記１に記載の変圧器用鉄心。

３．前記還流磁区の、圧延方向における間隔が３〜１５ｍｍである、上記１または２に記載の変圧器用鉄心。

本発明によれば、従来技術とは異なる機構によって鉄心の振動を低減し、変圧器の騒音を改善することができる。

方向性電磁鋼板を、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚの条件で励磁した際の、伸縮挙動の例を示すグラフである。 実験１で用いた鉄心材料としての方向性電磁鋼板の模式図である。 実験１における、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０（％）と、変圧器騒音（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 実験１における、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０（％）と、変圧器鉄損（Ｗ／ｋｇ）との関係を示すグラフである。 実験２で用いた鉄心材料としての方向性電磁鋼板の模式図である。 実験２において、比較のために用いた方向性電磁鋼板の模式図である。 実験２において、方向性電磁鋼板を、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚの条件で励磁した際の、伸縮挙動を示すグラフである。 実験２における、伸長量の差と、変圧器騒音（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 実験３で用いた鉄心材料としての方向性電磁鋼板の模式図である。 実験３における、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が０〜１００％の範囲における前記面積率Ｒ_０（％）と、変圧器騒音（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 実験３における、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が０〜１％の範囲における前記面積率Ｒ_０（％）と、変圧器騒音（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 実験３における、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が０〜１００％の範囲における前記面積率Ｒ_０（％）と、変圧器鉄損（Ｗ／ｋｇ）との関係を示すグラフである。 実験３における、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が０〜１０％の範囲における前記面積率Ｒ_０（％）と、変圧器鉄損（Ｗ／ｋｇ）との関係を示すグラフである。 実施例で用いた方向性電磁鋼板における、還流磁区形成領域のパターンを示す模式図である。

まず初めに、方向性電磁鋼板の磁歪について説明する。

図１は、方向性電磁鋼板を、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚの条件で圧延方向に励磁した際の、圧延方向における伸縮挙動の例を示すグラフである。

鋼板の伸縮挙動は、鋼板板面に垂直方向に延びる成分を持つ、＜１００＞＜０１０＞方向に自発磁化が向く補助磁区と呼ばれる磁区の増減によって発生するのが一般的である。したがって、圧延方向における伸縮を減少させる方法としては、補助磁区の発生を抑制することが考えられる。補助磁区の発生を抑制するためには、圧延方向と［００１］軸のずれ角を低減すればよいが、ずれ角の低減には限界がある。

そこで本発明者等は、別の方法によって鉄心全体の伸縮を抑制する方法を検討した。具体的には、鉄心を構成する方向性電磁鋼板の少なくとも１枚の中に、異なる磁歪特性を有する領域を形成し、その相互干渉により鉄心全体の伸縮を抑制する。ここで、磁歪特性を制御する手段としては、圧延方向を横切る方向に還流磁区を形成する方法を使用した。これは、還流磁区は、圧延直角方向に伸長するため、還流磁区の生成・消滅によって圧延方向には収縮・伸長という変化をもたらすためである。

前記方法による変圧器騒音の低減を検討するために行った実験について以下に説明する。

＜実験１＞
まず、磁区細分化処理が施された方向性電磁鋼板を積層した変圧器用鉄心において、還流磁区が形成されていない領域の存在が変圧器騒音に与える影響について検討した。

図２に、鉄心材料として使用した方向性電磁鋼板１と、該方向性電磁鋼板に設けられた還流磁区の配置を模式的に示す。方向性電磁鋼板１の幅方向（圧延直交方向）における中央部には、方向性電磁鋼板１の圧延方向における一端から他端にわたって延在する帯状の還流磁区形成領域１０を形成した。還流磁区形成領域１０以外の部分、すなわち、方向性電磁鋼板１の幅方向における両端部には、還流磁区が形成されていない領域（還流磁区未形成領域）２０を、圧延方向の一端から他端にわたって延在するように配置した。

変圧器用鉄心材料としての方向性電磁鋼板１は、以下の手順で作製した。まず、磁区細分化処理が施されていない、厚さ０．２７ｍｍの一般的な方向性電磁鋼板を、圧延直交方向における幅が１００ｍｍ幅となるようスリットし、その後、斜角加工を行った。斜角せん断時、斜角せん断ラインの入り側において、鋼板表面にレーザを照射することにより、還流磁区形成領域１０を形成した。レーザは、図２に示したように、圧延方向と直交する方向に、直線状に走査しながら照射した。レーザの照射は、圧延方向に４ｍｍの間隔（照射線間隔）をあけて行った。前記レーザの照射により、レーザが照射された位置には線状歪１１が形成された。

その他のレーザ照射条件は以下の通りとした。
・レーザ：Ｑスイッチパルスレーザ
・出力：３．５ｍＪ／パルス
・パルス間隔（ピッチ間隔）：０．２４ｍｍ
ここで、パルス間隔とは、隣接する照射点の中心間距離を指す。

磁歪特性への影響を調査するために、個々の還流磁区未形成領域２０の圧延直交方向における幅Ｘを０〜５０ｍｍの範囲で変えた方向性電磁鋼板を作製した。マグネットビュアー（シグマハイケミカル社製、ＭＶ−９５）を用いたビッター法による還流磁区観察により、歪み導入部分には狙い通り還流磁区が形成されていることを確認した。すなわち、還流磁区形成領域１０には、直線状に伸びる還流磁区が形成されており、前記還流磁区の圧延方向に対する角度は９０°、圧延方向における間隔は４ｍｍであった。

その後、得られた方向性電磁鋼板１を積層して鉄心とし、前記鉄心を用いて定格容量：１０００ｋＶＡの変圧器を作成した。得られた変圧器のそれぞれについて、周波数：５０Ｈｚ、磁束密度：１．７Ｔの条件で励磁した際の騒音と鉄損とを評価した。

図３に、還流磁区未形成領域２０の面積率Ｒ_０（％）と、変圧器騒音（ｄＢ）との関係を示す。ここで、還流磁区未形成領域２０の面積率Ｒ_０とは、使用した方向性電磁鋼板１の面積Ｓに対する、還流磁区未形成領域２０の面積Ｓ_０の比率を指すものとする。また、方向性電磁鋼板１の面積Ｓとは、還流磁区形成領域１０と還流磁区未形成領域２０とが設けられている方向性電磁鋼板の主面の面積（方向性電磁鋼板１の、図２に示されている面の面積）を指すものとする。

図３に示した結果より、還流磁区未形成領域２０をわずかでも形成することにより、還流磁区未形成領域２０が存在しない場合に比べて変圧器騒音を低減できることが分かる。ここで、還流磁区未形成領域２０が存在しないとは、方向性電磁鋼板の全面に還流磁区形成領域１０が形成されていることを意味する。なお、従来の非耐熱型磁区細分化処理においては、このように方向性電磁鋼板全面に還流磁区形成領域１０が形成され、還流磁区未形成領域２０は存在しない。また、図３に示した結果から、還流磁区未形成領域２０の面積率Ｒ_０が高すぎると、かえって変圧器騒音が増大することが分かる。

また、図４に、還流磁区未形成領域２０の面積率Ｒ_０（％）と、変圧器鉄損（Ｗ／ｋｇ）との関係を示す。還流磁区未形成領域を設けると言うことは、還流磁区が形成された領域、すなわち、磁区細分化処理が施された領域が減少することを意味する。したがって、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０を増加させると、図４に示すように変圧器鉄損は増大する。しかし、図４に示した結果から分かるように、面積率Ｒ_０が小さい場合には、変圧器鉄損の増加は極めて小さい。

以上の結果より、方向性電磁鋼板に磁歪特性が異なる２つの領域、すなわち、還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域とを形成し、かつ、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０を特定の範囲に制御することにより、鉄損を大幅に増加させることなく騒音を低減できることが分かった。

なお、還流磁区未形成領域の存在によって変圧器騒音が改善した理由は次のように考えられる。還流磁区が形成された領域では、還流磁区の生成・消滅および補助磁区の消滅・生成によって鋼板の伸縮が発生する。そして、還流磁区は励磁により消滅するため、還流磁区形成領域では励磁に伴って鋼板が圧延方向に伸長する。これに対し、還流磁区が形成されていない領域では、補助磁区の消滅・生成が鋼板の伸縮を支配する。そして、補助磁区は励磁によって生成するため、還流磁区未形成領域では励磁に伴って鋼板が圧延方向に収縮する。このように、還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域とは、反対方向の伸縮挙動を示す。そのため、１つの鋼板の中に還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域とを共存させると、鋼板全体の収縮が抑制され、騒音が低減される。

また、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が小さい場合に変圧器鉄損がほとんど増加しなかった理由は次のように考えられる。単独の方向性電磁鋼板の磁気特性を評価する単板磁気特性試験（Single Sheet Test）では、鋼板を正弦波で圧延方向に励磁して鉄損が測定される。そのため、還流磁区未形成領域、すなわち、磁区細分化されていない領域が少しでも存在すると、鉄損が顕著に低下する。これに対して実際の変圧器では、励磁波形歪みや、励磁方向の圧延方向からのずれなど、還流磁区未形成領域の存在以外にも鉄損を増加させる要因が存在する。そのため、変圧器においては、還流磁区未形成領域の存在が鉄損に及ぼす影響が相対的に低く、その結果、還流磁区未形成領域の導入による影響が単板の場合ほど顕著には表れなかったものと考えられる。

＜実験２＞
次に、還流磁区形成領域における磁歪波形が変圧器の騒音に与える影響について検討した。様々なパラメータについて検討した結果、１．７Ｔ、５０Ｈｚにおける磁歪波形の最大変位ポイントの伸長量を特定の範囲に制御することによって、効果的に変圧器騒音を低減できることが分かった。以下、その実験について説明する。

図５に、鉄心材料として使用した方向性電磁鋼板１と、該方向性電磁鋼板に設けられた還流磁区の配置を模式的に示す。方向性電磁鋼板１の幅方向（圧延直交方向）における両端には、方向性電磁鋼板１の圧延方向の一端から他端にわたって延在する還流磁区形成領域１０を形成した。還流磁区形成領域１０以外の領域は、還流磁区が形成されていない領域（還流磁区未形成領域）２０である。還流磁区未形成領域２０の、圧延方向と直交する方向における幅は１５ｍｍとした。

変圧器用鉄心材料としての方向性電磁鋼板１は、以下の手順で作製した。まず、磁区細分化処理が施されていない、厚さ０．２３ｍｍの一般的な方向性電磁鋼板を１５０ｍｍ幅にスリットし、その後、斜角加工を行った。斜角せん断時、斜角せん断ラインの入り側において、鋼板表面にレーザを照射することにより、還流磁区形成領域１０を形成した。レーザは、図５に示したように、圧延方向と直交する方向に、直線状に走査しながら照射した。レーザの照射は、圧延方向に５ｍｍの間隔（照射線間隔）をあけて行った。前記レーザの照射により、レーザが照射された位置には線状歪１１が形成された。その際、レーザの出力を１００〜２５０Ｗの間で変化させることにより、還流磁区形成領域における伸長量が異なる複数の方向性電磁鋼板を作製した。

その他のレーザ照射条件は以下の通りとした。
・レーザ：シングルモードファイバーレーザ
・偏向速度：５ｍ／ｓｅｃ
・出力：１００〜２５０Ｗ（表１参照）

還流磁区形成領域１０には、直線状に伸びる還流磁区が形成されており、前記還流磁区の圧延方向に対する角度は９０°、圧延方向における間隔は５ｍｍであった。

また、比較のため、図６に示したように、鋼板の全体に還流磁区を形成し、還流磁区未形成領域が存在しない方向性電磁鋼板を作成した。

還流磁区形成部と未形成部それぞれの磁歪特性を把握するために、上記方向性電磁鋼板と同様の条件で全面にレーザを照射した方向性電磁鋼板、およびレーザ照射を行わなかった方向性電磁鋼板を作成した。得られた方向性電磁鋼板を周波数：５０Ｈｚ、最大磁束密度：１．７Ｔの条件で励磁した際の、該方向性電磁鋼板の伸縮運動を、レーザドップラー式振動計を用いて計測した。代表として、３つのレーザ照射条件で得られた各方向性電磁鋼板、およびレーザ照射を行わなかった方向性電磁鋼板における伸長量の測定結果を図７および表１に示す。

測定された伸縮挙動における、変位が最大となる点（最大変位ポイント）における伸長量（以下、単に「伸長量」という）に着目した。各試料における伸長量を表１に示す。また、表１には、還流磁区形成領域における伸長量（λ_１）と還流磁区未形成領域における伸長量（λ_０）との差として定義される「伸長量の差」（Δλ＝λ_１−λ_０）を合わせて示した。なお、マイナスの伸長量の値は、収縮量を示す。

図７および表１に示した結果から、還流磁区形成領域では、レーザの出力増大、すなわち導入歪み量の増加にともなって、最大変位ポイントの伸長量が増加することが分かる。

さらに、得られた方向性電磁鋼板１を積層して鉄心とし、前記鉄心を用いて定格容量：１２００ｋＶＡの変圧器を作成した。得られた変圧器のそれぞれについて、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚの条件で励磁した際の騒音を評価した。

図８は、最大変位ポイントにおける伸長量の差（Δλ）と変圧器騒音の関係を示すグラフである。図８に示した結果から分かるように、Δλが２×１０^−７以上であれば、効果的に変圧器騒音を低減できる。なお、図８における伸長量の差がゼロである点は、図６に示した還流磁区未形成領域が存在しない方向性電磁鋼板における測定値である。

＜実験３＞
次に、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が変圧器の騒音に与える影響について検討した。

図９に、鉄心材料として使用した方向性電磁鋼板１と、方向性電磁鋼板１に設けられた還流磁区の配置を模式的に示す。方向性電磁鋼板１には、方向性電磁鋼板１の圧延方向の一端から他端にわたって延在する還流磁区形成領域１０を２つ形成した。還流磁区形成領域１０以外の領域は、還流磁区が形成されていない領域（還流磁区未形成領域）２０である。２カ所の還流磁区未形成領域２０のうち、一方の圧延直交方向における幅をＸ、他方の還流磁区形成領域の圧延直交方向における幅を２Ｘとした。Ｘの値を変えることにより、０〜１００％の間の様々な還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０を有する方向性電磁鋼板を作製した。なお、面積率Ｒ_０：０％は、還流磁区形成領域のみが存在し、還流磁区未形成領域が存在しないことを意味する。また、面積率Ｒ_０：１００％は、還流磁区未形成領域のみが存在し、還流磁区形成領域が存在しないことを意味する。

変圧器用鉄心材料としての方向性電磁鋼板１は、以下の手順で作製した。まず、磁区細分化処理が施されていない、厚さ０．３０ｍｍの一般的な方向性電磁鋼板を、圧延直交方向における幅が２００ｍｍとなるようスリットし、その後、斜角加工を行った。斜角せん断時、斜角せん断ラインの入り側において、鋼板表面に電子ビームを照射することにより、還流磁区形成領域１０を形成した。電子ビームは、図９に示したように、圧延方向と直交する方向に、直線状に走査しながら照射した。電子ビームの照射は、圧延方向に４ｍｍの間隔（照射線間隔）をあけて行った。前記電子ビームの照射により、電子ビームが照射された位置には線状歪１１が形成された。

なお、ビーム電流は、事前調査の結果に基づいて、２ｍＡまたは１５ｍＡとした。すなわち、上記実験２において示したように、伸長量の差が２×１０^−７以上であれば、効果的に変圧器騒音を低減できる。上記収縮量の差の条件を満たすために必要であった最小のビーム電流が２ｍＡである。一方、ビーム電流を増加させれば収縮量の差はさらに増大するが、ビーム電流が増加しすぎると、照射により鋼板が変形し、鉄心用の素材として用いることが困難となる。鉄心用素材として適用可能な鋼板形状を維持できるビーム電流の上限が１５ｍＡである。したがって、いずれのビーム電流値を用いた場合においても、得られる方向性電磁鋼板における伸長量の差は２×１０^−７以上である。

電子ビーム照射に関する他の条件は以下の通りとした。
・加速電圧：６０ｋＶ
・走査速度：１０ｍ／ｓｅｃ

還流磁区形成領域１０には、直線状に伸びる還流磁区が形成されており、前記還流磁区の圧延方向に対する角度は９０°、圧延方向における間隔は４ｍｍであった。

得られた方向性電磁鋼板１を積層して鉄心とし、前記鉄心を用いて定格容量：２０００ｋＶＡの変圧器を作成した。得られた変圧器のそれぞれについて、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚの条件で励磁した際の騒音および変圧器鉄損を評価した。

図１０は、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０（％）と、変圧器騒音（ｄＢ）との関係を示すグラフである。また、図１１は、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が０〜１％の範囲における前記面積率Ｒ_０（％）と、変圧器騒音（ｄＢ）との関係を示すグラフである。すなわち、図１１は、図１０の一部を拡大したものである。図１０、１１に示した結果から分かるように、前記面積率Ｒ_０が０．１０％以上であれば、ビーム電流、すなわち、歪み導入量にかかわらず、効果的に変圧器騒音を低減できる。

図１２は、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０（％）と、変圧器鉄損（Ｗ／ｋｇ）との関係を示すグラフである。また、図１３は、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が０〜１０％の範囲における前記面積率Ｒ_０（％）と、変圧器鉄損（Ｗ／ｋｇ）との関係を示すグラフである。すなわち、図１３は、図１２の一部を拡大したものである。図１２、１３に示した結果から分かるように、前記面積率Ｒ_０が３．０％以下であれば、ビーム電流、すなわち、歪み導入量にかかわらず、変圧器鉄損の増加を抑制できる。

以上の結果から分かるように、還流磁区未形成領域の面積率Ｒ_０が０．１０％以上、３．０％以下であれば、歪み導入量にかかわらず、変圧器鉄損の増加を抑制しつつ、変圧器騒音を低減できる。

以下、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は本発明の好適な実施形態について説明するものであり、本発明は以下の説明に限定されない。

［変圧器用鉄心］
本発明の一実施形態における変圧器用鉄心は、複数の方向性電磁鋼板を積層した変圧器用鉄心であり、前記方向性電磁鋼板の少なくとも１枚が、後述する条件を満たす。変圧器用鉄心の構造などは特に限定されず、任意のものとすることができる。

［方向性電磁鋼板］
前記変圧器用鉄心の材料となる方向性電磁鋼板の少なくとも１枚は、後述する条件を満たす還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域とを有するものである必要がある。上述したように、還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域とでは、鋼板の磁歪特性が異なる。このように、１枚の鋼板の中に磁歪特性が異なる部分を有する方向性電磁鋼板を鉄心用素材として使用することにより、鉄心の伸縮を抑制し、変圧器騒音を低減することができる。なお、それ以外の方向性電磁鋼板としては、任意のものを用いることができる。

前記方向性電磁鋼板としては、鉄心のサイズに加工したものを使用すればよい。加工前の方向性電磁鋼板（原板）が還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域とを有していたとしても、該原板のどの部分から鉄心用素材としての方向性電磁鋼板を切り出すかによって、前記方向性電磁鋼板が、還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域のいずれか一方しか有さないものとなってしまう場合がある。そのため、後述する条件を満たすように、鉄心用素材としての方向性電磁鋼板を作製する必要がある。

本発明において鉄心を構成する方向性電磁鋼板の板厚は、特に限定されることなく、任意の厚さとすることができる。鋼板の板厚が変化しても、還流磁区の消滅量および補助磁区の生成量は変化しないため、板厚にかかわらず、騒音低減効果を得ることができるからである。しかし、鉄損を低減するという観点からは、方向性電磁鋼板の板厚は薄いことが望ましい。そのため、方向性電磁鋼板の板厚は、０．３５ｍｍ以下とすることが好ましい。一方、方向性電磁鋼板がある程度以上の厚さを有していれば、取り扱いが容易となり、鉄心の製造性が向上する。そのため、方向性電磁鋼板の板厚は、０．１５ｍｍ以上とすることが好ましい。

・還流磁区
前記還流磁区は、方向性電磁鋼板の圧延方向を横切る方向に形成する。言い換えると、前記還流磁区は、圧延方向と交差する方向に延在するように設けられる。前記還流磁区は通常、直線状であってよい。前記還流磁区の圧延方向に対する角度（傾斜角度）は、特に限定されないが、６０〜９０°とすることが好ましい。ここで、前記還流磁区の圧延方向に対する角度とは、直線状に延在する還流磁区と、方向性電磁鋼板の圧延方向とのなす角を指す。

前記還流磁区は、方向性電磁鋼板の圧延方向に、間隔をあけて設けることが好ましい。還流磁区の圧延方向における間隔（線間隔）は、特に限定されないが、３〜１５ｍｍとすることが好ましい。ここで、還流磁区の間隔とは、１つの還流磁区と、前記還流磁区に隣接する還流磁区との間隔を指す。前記還流磁区の間隔はそれぞれ異なっていても良いが、等間隔とすることが好ましい。

１枚の方向性電磁鋼板は、１または２以上の還流磁区形成領域を備えることができる。１枚の方向性電磁鋼板に複数の還流磁区形成領域を設ける場合、各還流磁区形成領域における前記傾斜角度および線間隔は、還流磁区形成領域ごとに異なっていても良く、同じであってもよい。また、還流磁区形成領域を有する方向性電磁鋼板を複数用いる場合、各方向性電磁鋼板の還流磁区形成領域における前記傾斜角度および線間隔は、それぞれ異なっていても良く、同じであってもよい。

本発明における「還流磁区が形成された領域」とは、圧延方向を横切る方向に延在する還流磁区が、圧延方向に間隔を開けて複数存在する領域を指す。例えば、図２に示したように、方向性電磁鋼板１の圧延方向における一端から他端にわたって、間隔を開けて連続的に還流磁区が形成されている場合には、それら一群の還流磁区が形成されている帯状の領域（斜線部）を「還流磁区が形成された領域」とする。なお、本明細書において、「還流磁区形成領域」との用語は、「還流磁区が形成された領域」と同じ意味で用いられる。

本発明の変圧器用鉄心を構成する方向性電磁鋼板の少なくとも１枚は、還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域とを有しており、かつ、面積率Ｒ_０および面積率Ｒ_１ａが以下に述べる条件を満たす必要がある。

・面積率Ｒ_０：０．１０〜３．０％
前記方向性電磁鋼板の面積をＳ、前記還流磁区が形成されていない領域の面積をＳ_０としたとき、Ｓに対するＳ_０の比率として定義される面積率Ｒ_０が０．１０〜３．０％である必要がある。面積率Ｒ_０が０．１０％未満であると、還流磁区未形成領域と還流磁区形成領域との相互作用による騒音低減効果が不十分である。一方、面積率Ｒ_０が３．０％を超えると、還流磁区形成領域の割合が低下する結果、磁区細分化の効果が不十分となり、鉄損が増大する。

・面積率Ｒ_１ａ：５０％以上
前記還流磁区が形成された領域の面積をＳ_１、前記還流磁区が形成された領域のうち、伸長量が、前記還流磁区が形成されていない領域における伸長量よりも２×１０^−７以上大きい領域の面積をＳ_１ａとしたとき、Ｓ_１に対するＳ_１ａの比率として定義される面積率Ｒ_１ａが５０％以上である必要がある。言い換えると、還流磁区形成領域のうち、還流磁区形成領域における伸長量（λ_１）と還流磁区未形成領域における伸長量（λ_０）との差として定義される「伸長量の差」（Δλ＝λ_１−λ_０）が２×１０^−７以上である部分の、還流磁区形成領域全体に対する面積率Ｒ_１ａが５０％以上である必要がある。ここで、伸長量とは、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚで圧延方向に励磁したときの最大変位ポイントにおける伸長量を指すものとする。

先に述べたように、方向性電磁鋼板を励磁すると、板厚方向に伸長する補助磁区が生成し、その結果、該方向性電磁鋼板は圧延方向に収縮する。一方、還流磁区は圧延直角方向に伸長しており、還流磁区の存在により鋼板は圧延方向に収縮している。そのため、励磁によって還流磁区が消滅する過程において、鋼板は圧延方向に伸長する。この還流磁区の伸長によって、補助磁区の生成による収縮を打ち消すことにより、方向性電磁鋼板の圧延方向における収縮を効果的に低減することができる。そしてその結果、変圧器の騒音を抑制することができる。

上記騒音抑制効果を得るためには、前記面積率Ｒ_１ａを５０％以上とする必要がある。より高い効果を得るという観点からは、前記面積率Ｒ_１ａを７５％以上とすることが好ましい。一方、面積率Ｒ_１ａの上限は特に限定されず、１００％であってもよい。

・伸長量の差：２×１０^−７以上
前記面積率Ｒ_１ａは、伸長量の差が２×１０^−７以上である領域の面積率として定義される。前記伸長量の差が２×１０^−７未満であると、上述した振動抑制効果が小さく、変圧器騒音を十分に低減することができない。一方、収縮量の差の上限は特に限定されないが、差が大きすぎる場合は、少なくとも一方の磁歪の絶対値が大きいことになるので、騒音の増加を招くことがある。また、収縮量の差が大きくなる条件では鋼板が変形し、鉄心用の素材として用いることが困難となる場合がある。そのため、前記収縮量の差は５×１０^−６以下とすることが好ましい。

変圧器用鉄心を構成するすべての方向性電磁鋼板のうち、少なくとも１枚が上記条件を満たせば良い。しかし、すべての方向性電磁鋼板のうち上記条件を満足する方向性電磁鋼板の割合が高いほど、鉄心全体としての伸縮をさらに低減し、より高い騒音低減効果を得ることができる。そのため、前記割合は、５０％以上とすることが好ましく、７５％以上とすることがより好ましい。一方、前記割合の上限は特に限定されず、１００％であってもよい。なお、ここで前記割合は、変圧器用鉄心を構成するすべての方向性電磁鋼板の合計質量に対する、本発明の条件を満たす方向性電磁鋼板の質量の割合と定義する。

本発明において磁歪の変化を、「最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚで励磁したとき」の伸長量に基づいて規定するのは、方向性電磁鋼板を用いた変圧器が、１．７Ｔ程度の磁束密度で使われる場合が多いためである。また、より低磁束密度では騒音は問題になりにくい。さらに、上記励磁条件下では電磁鋼板の結晶配向性や磁区構造による磁歪の特徴が顕著に現れ、当該条件下での伸長量が磁歪特性を表す指標として有効だからである。

ただし、還流磁区の消滅量および補助磁区の生成量は、励磁磁束密度や励磁周波数によって絶対値は変化するが、相対的な割合には変化が生じない。すなわち、還流磁区の消滅量が少ない時は、補助磁区の生成量も少ない。そのため、励磁磁束密度にかかわらず、上記伸縮抑制効果を得ることができる。したがって、本発明の変圧器用鉄心の使用条件は、１．７Ｔ、５０Ｈｚに限定されるものではなく、任意の条件で用いることができる。

また、還流磁区を形成すると、磁区細分化効果により鉄損が低減される。そのため、本発明の条件を満たすように還流磁区を形成した場合、該還流磁区は鉄損を向上させる方向に作用する。したがって、鉄損低減の観点からも、本発明は限定されない。

［還流磁区の形成方法］
前記還流磁区を形成する方法としては、特に限定されることなく任意の方法を用いることができる。還流磁区を形成する方法としては、例えば、還流磁区を形成しようとする位置に、歪を導入する方法が挙げられる。歪を導入する方法としては、例えば、ショットブラスト、ウォータージェット、レーザ、電子ビーム、プラズマ炎などが挙げられる。圧延方向を横切る方向に直線状の歪を導入することにより、圧延方向を横切る方向に還流磁区を形成することができる。

還流磁区未形成領域を設ける方法も特に限定されないが、鋼板の一部分において上記歪みの導入を行わなければその部分を還流磁区未形成領域とすることができる。また、歪を導入するための処理を鋼板の全面に施す場合であっても、鋼板の一部分において処理条件を調整し、歪みが導入されないようにすることにより還流磁区未形成領域を設けることもできる。例えば、レーザや電子ビームを照射する際に、フォーカスを鋼板表面からずらせば、歪みの導入を防止できる。また、ショットブラストやウォータージェットの圧力を低くすることにより、歪みの導入を防止することもできる。

還流磁区の形成は、特に限定されることなく、任意のタイミングで行うことができる。例えば、還流磁区の形成を、方向性電磁鋼板をスリットした後に行ってもよく、スリット前に行ってもよい。還流磁区の形成をスリット前に実施する場合は、面積率Ｒ_０および面積率Ｒ_１ａが上記条件を満たすようにスリットコイルを選定し、スリット位置を調整する必要がある。歩留まりの観点からは、スリット後に還流磁区の形成を行うことが好ましい。

結晶方位や被膜張力を変化させて補助磁区の生成状況を制御することでも磁歪特性を変化させることが可能である。しかし、部分的に結晶方位や被膜張力を制御することは極めて困難であり、工業化レベルでの実現性は低い。これに対し本発明の変圧器用鉄心は、還流磁区を形成するという、極めて簡便な方法によって製造することができるため、生産性の面でも極めて優れている。

還流磁区形成領域は、必ずしも、図２に示したように圧延方向における一端から他端にわたって延在する必要はない。また、還流磁区形成領域の形状は、矩形に限定されず、任意の形状とすることができる。

方向性電磁鋼板の面内における還流磁区形成領域の配置は、特に限定されず、任意の配置とすることができる。しかし、より効果的に伸縮を抑制するという観点からは、還流磁区形成領域と還流磁区未形成領域とが、圧延直交方向に隣接していることが好ましい。言い換えると、還流磁区形成領域と、該還流磁区形成領域に隣接する還流磁区未形成領域との間の境界線が、圧延方向成分を有していることが好ましい。

幅１６０ｍｍで、板厚が０．２３、０．２７、０．３０ｍｍの３種類の方向性電磁鋼板を準備し、前記方向性電磁鋼板に電子ビームを照射して還流磁区を形成した。還流磁区を形成する領域の配置は、図１４に示した（ａ）〜（ｆ）の６パターンから選択した。パターン（ａ）は、１枚の方向性電磁鋼板に１つの還流磁区形成領域が存在するパターンである。パターン（ｂ）、（ｃ）は、２つの還流磁区形成領域が存在するパターンである。パターン（ｅ）、（ｆ）は、３つの還流磁区形成領域を有するパターンである。パターン（ｄ）は、４つの還流磁区形成領域を有するパターンである。いずれのパターンにおいても、還流磁区形成領域以外の部分は、還流磁区未形成領域である。

用いたパターンと、方向性電磁鋼板の面積Ｓに対する還流磁区が形成されていない領域の面積Ｓ_０の比率として定義される面積率Ｒ_０、および各還流磁区形成領域を形成した際のビーム電流を表２〜４に示す。ここで、各還流磁区形成領域の面積率とは、方向性電磁鋼板の面積に対する、各還流磁区形成領域の面積の比率（％）である。なお、Ｎｏ．１１〜１４のサンプルにおいては、その他の条件は同じまま、領域１と領域２の面積を変更することにより面積率Ｒ_１ａを変化させた。

他の電子ビーム照射条件は、次のとおりとした。
・加速電圧：６０ｋＶ
・走査速度：３２ｍ／ｓｅｃ
・照射線間隔：５ｍｍ

なお、還流磁区の導入量（体積）は、加速電圧、ビーム電流、走査速度、形成間隔などの条件を変えることによって調整可能であるが、本実施例ではビーム電流を変更することによって調整した。鋼板の収縮挙動は還流磁区の導入量によって決まるので、調整するパラメータが異なっても、導入された還流磁区の体積が同じであれば収縮挙動への影響は同じである。なお、比較のため、一部の実施例（Ｎｏ．１、１０、２１）では、電子ビーム照射を行わなかった。

次に、各領域の磁歪特性を評価し、還流磁区形成領域における伸長量（λ_１）と還流磁区未形成領域における伸長量（λ_０）との差として定義される「伸長量の差」（Δλ＝λ_１−λ_０）を評価した。なお、各領域における磁歪特性は、幅１００ｍｍ、長さ５００ｍｍに切断した方向性電磁鋼板の全面に、各実験と同じ条件で電子ビーム照射を行ったサンプルを用いて評価した。前記サンプルを作成するための方向性電磁鋼板としては、各実験で用いたものと同じ方向性電磁鋼板を使用した。前記サンプルを、消磁状態（０Ｔ）から最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚの交流で励磁したときの磁歪（鋼板伸縮）をレーザドップラー振動計で測定した。得られた収縮量の差の値を表２〜４に併記する。

得られた方向性電磁鋼板における、Ｓ_１に対するＳ_１ａの比率として定義される面積率Ｒ_１ａは、表２〜４に示したとおりであった。ここで、Ｓ_１は還流磁区が形成された領域の面積である。また、Ｓ_１ａは前記還流磁区が形成された領域のうち、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚで圧延方向に励磁したときの最大変位ポイントにおける伸長量が、前記還流磁区が形成されていない領域における最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚで圧延方向に励磁したときの最大変位ポイントにおける伸長量よりも２×１０^−７以上大きい領域の面積である。

次に、得られた方向性電磁鋼板を使用して、変圧器用鉄心を作製した。前記変圧器用鉄心は、三相三脚の積鉄心とし、幅１６０ｍｍの方向性電磁鋼板のコイルを斜角切断し、積層することによって作製した。鉄心全体の寸法は、幅：８９０ｍｍ、高さ：８００ｍｍ、積層厚さ：２４４ｍｍとした。

上記手順で得た方向性電磁鋼板の、鉄心全体に対する割合（％）を表２〜４に併記した。前記割合が１００％の鉄心は、上述した手順で電子ビームを照射した方向性電磁鋼板のみを積層して作製したものである。前記割合が１００％未満である鉄心については、図１４に示したパターンで電子ビームを照射した方向性電磁鋼板に加えて、ビーム電流７ｍＡで鋼板全面に電子ビームを照射した方向性電磁鋼板を積層して作製した。

次いで、得られた鉄心に励磁コイルを巻いた後、表５〜１０に示した条件で励磁し、各励磁条件における変圧器騒音および変圧器鉄損（無負荷損失）を測定した。励磁は、周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流で行い、最大磁束密度は１．３Ｔ、１．５Ｔ、１．７Ｔの３条件とした。

騒音は、鉄心の３つの脚それぞれの前面と背面、計６カ所で測定した。測定位置は、高さ４００ｍｍ、鉄心の表面から３００ｍｍの位置とした。前記６カ所で測定された騒音の平均値を表５〜７に示す。また、測定された鉄損を表８〜１０に示す。

表５〜１０に示した結果から分かるように、本発明の条件を満たす変圧器用鉄心は、比較例に比べ騒音が低減されており、また、鉄損の増加も抑制されていた。

１ 方向性電磁鋼板
１０ 還流磁区形成領域
１１ 線状歪
２０ 還流磁区未形成領域

Claims (3)

1. 複数の方向性電磁鋼板を積層した変圧器用鉄心であって、
   前記方向性電磁鋼板の少なくとも１枚が、
   （１）圧延方向を横切る方向に還流磁区が形成された領域と、還流磁区が形成されていない領域とを有しており、かつ
   前記方向性電磁鋼板の面積をＳ、
   前記還流磁区が形成された領域の面積をＳ_１、
   前記還流磁区が形成されていない領域の面積をＳ_０、
   前記還流磁区が形成された領域のうち、最大磁束密度：１．７Ｔ、周波数：５０Ｈｚで圧延方向に励磁したときの最大変位ポイントにおける伸長量が、前記還流磁区が形成されていない領域における伸長量よりも２×１０^−７以上大きい領域の面積をＳ_１ａ
   としたとき、
   （２）Ｓに対するＳ_０の比率として定義される面積率Ｒ_０が０．１０〜３．０％であり、
   （３）Ｓ_１に対するＳ_１ａの比率として定義される面積率Ｒ_１ａが５０％以上である、
   変圧器用鉄心。
2. 前記還流磁区の圧延方向に対する角度が、６０〜９０°である、請求項１に記載の変圧器用鉄心。
3. 前記還流磁区の、圧延方向における間隔が３〜１５ｍｍである、請求項１または２に記載の変圧器用鉄心。
   

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