JPH0362007B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、方向性けい素鋼からなる電気誘導装
置に関するものである。 電力および送配電用トランスのユーザにより指
定される損失評価レベルは現在高いので電力およ
び送配電トランスの無負荷時の損失すなわちコア
損失を低くすることは、極めて重要になりつつあ
る。このため電力および送配電トランスのコア損
失を低減するための努力がなされている。 過去において、電気用鋼メーカーは、電気用鋼
の鉄損を低減するため方向性の程度を大きくする
ことにより鋼の透磁率を増加した。これら努力の
結果、(1)AISI Ｍ−３〜Ｍ−８までのような規則
的方向性けい素鋼および(2)規則的方向性けい素鋼
よりも透磁率が大きく、鉄損も少ない高透磁率方
向性けい素鋼が開発された。 方向性鋼の主要面に絶縁性応力コーテイングを
使用することにより更に鉄損W_Iが改善され、こ
れら材料の磁区の寸法を小さくするため横方向
（すなわち圧延方向に対して横方向）にスクライ
ブ（スクラツチ）することにより絶縁状態にコー
テイングされた方向性鋼について更に改善がなさ
れた。 しかしながら業務用トランスコアにおける測定
されたコア損失W_C（鉄のワツト／ポンド（又はワ
ツト／Kg））は、コアを構成する電気用鋼の測定
された鉄損値W_I（鉄のワツト／ポンド）よりも大
幅に高いことが当業界で経験されている。従つ
て、方向性電気用鋼における上記の各種改善によ
る鉄損低減は、これら材料を使用する業務用トラ
ンスにおけるコア損失の等価的低減として完全に
は実現されていない。 トランスコアにおける各種平行磁気通路間のリ
ラクタンスの変化は、これら通路間において磁束
密度の大きな変化を生じさせる。リラクタンスの
変化はコアの幾何学的形状（通路長さ、横断面）、
空〓、およびコア鋼自体の透磁率の変化によつて
生じ得る。この結果磁束密度が不均一であると、
損失が大きくなる。しかしながら、不均一な分布
を適当に制御すれば、２つの異なる鋼から成るコ
アの損失は予想より小さくできる。このような現
象を利用するためこれまで種々の組合された鋼コ
ア案が提案されている。例えば、米国特許第
4205288号は、規則型方向性けい素鋼と高透磁率
方向性けい素鋼を組合わせている。本明細書で
は、米国特許第4205288号の明細書を参照する。 更に三相スタツク式トランスコアのＴジヨイン
ト部におけるコア損失を低下する方法として圧延
方向に平行にレーザスクライブすることが開示さ
れている（仏特許出願第8022231号、1981年４月
30日に公衆閲覧された公告第2468191号を参照の
こと）。 本発明者達は、単一トランスコア積層体又は同
一電気鋼の積層体の間における磁気特性を変える
よう２つ以上の態様で横方向にスクライブした方
向性電気鋼をトランス内で組合わせれば改良され
たトランスおよびトランス用コアを製造できるこ
とを発見した。 本発明の一実施態様によれば、磁束密度Ｂで作
動するよう設計され、強磁性コアと誘導するよう
配置された電気巻線を有するトランスが得られ
る。強磁性コアは、層状に重ねられた絶縁コーテ
イングされた方向性鋼板から構成される上記鋼板
のうち１つのグループ即ち第１部分は、容易に磁
化する方向にA_Cピーク透磁率を大幅に低下しか
つスクライブ前の鉄損W_IよりもΔW_ISだけ小さい
鉄損W_ISにするよう横方向にスクライブされて互
いに離間した複数のスクライブラインを有するも
のである。これら鋼板の第２グループ即ち第２部
分は容易に磁化する方向に実質的に従来通りの
A_Cピーク透磁率および鉄損W₂を特徴とする。こ
の鋼板の第２グループはスクライブされていない
状態のものでもよいが、透磁率を大幅に低下する
ことなく鉄損を減少するように横方向にレーザス
クライブしたものであることが好ましい。この強
磁性コアは、コア損失W_CSを有するが、この値は
指定状態の絶縁コーテイングされた方向性鋼によ
り全体を構成された同一強磁性コアのコア損失
W_CよりもΔW_CSだけ小さい。本発明者達は、これ
ら強磁性コアでは、レーザスクライブによるコア
損失改善量ΔW_CSは、強磁性コアを構成する鋼板
の２つのグループの鉄損改善量の重み付けされた
平均値よりも大きいかこれに等しくなることを発
見した。 数式で表現すれば ΔW_CSW_I−〔X₁W_IS＋X₂W₂〕 となる。 ここでX₁は第１グループの鋼板の重量分であ
り、 X₂は第２グループの鋼板の重量分であり、
ΔW_CS1.1〔W_I−（X₁W_IS＋X₂W₂）〕であることが
好ましい。 本発明の上記およびそれ以外の特徴は、添附図
面を参照して次の詳細な説明を読めばより明らか
となろう。 本発明者は発明において横方向にレーザスクラ
イブされた方向性電気用鋼およびスクライブされ
ていないが絶縁コーテイングされた同一グレード
の方向性電気用鋼（ここで横方向にレーザスクラ
イブされた鋼は、大幅に低下されたA_Cピーク透
磁率および当該誘動時におけるレーザスクライブ
による鉄損改善の双方を有する）を組合わせるこ
とによりトランスのコア損失を大幅に改善できる
ことを発見した。更に本発明によれば、元のA_C
ピーク透磁率を実質的に維持したまま鉄損を改善
するように別の方向でレーザスクライブされた同
一グレードの絶縁コーテイングされた方向性電気
用鋼と上記横方向にレーザスクライブされた材料
を組合わせしてもよい。。 本明細書で使用する横方向レーザスクライブ法
とは、スクライブラインが鋼板の圧延方向に垂直
な方向（すなわち容易に磁化する方向）の約±
30゜の間に配列されることを意味し、更に本明細
書で使用するA_Cピーク透磁率の大幅低下とは、
レーザスクライブ前の所定誘導時における鋼板の
本来の透磁率が約30％〜約85％の間に低下するこ
とを意味する。 本発明の例示のみを意図した次の実施例を考察
すれば、本発明の前記特徴はより明らかとなろ
う。 まずCARLITE−３をコーテイングされた
TRAN−COR Ｈから成る公称0.28mm（0.011イン
チ）厚の鋼板を入手した。TRAN−COR Ｈは、
２次再結晶の促進をAINを用いて禁止した高透
磁率方向性けい素鋼に対するオハイオ州ミドルタ
ウンのARMCO社の商標であり、CARLITE−３
は、アルミニウム−マグネシウム−フオスフエイ
ト−クロム−シリカから成る絶縁性ガラス応力塗
料に対するARMCO社の商標である。この応力
塗料は、下方のけい素鋼に張力を印加し、磁区の
細分を生じさせる。この開始材料は、３つのグル
ープすなわち制御グループと、大きな透磁率変化
を生じさせないＢ項の処理法（第１表参照）に従
う１つの面上をレーザスクライブした第２制御グ
ループと、大幅な透磁率低下を起こすＡ項の処理
法（第１表参照）に従つて一つの面をレーザスク
ライブされた第３グループに分けられた。

【表】 ＊は概略値。休止時間、入射エネルギー密度およ
び入射パワー密度は、(1)ビームスポツトは
0.013cm×1.3cm(0.005″×0.5″)の矩形であること
(2)ビームパワー密度は全ビームスポツト面に
わたつて一定であると簡略化して仮定したことにも
とづく。
これらの処理に使用されたレーザは、ミシガン
州リボニアのフオトンソース社により製造された
モデルV500型CO₂CWレーザであつた。Ａおよび
Ｂグループの材料は、約0.013cm（0.005インチ）、
幅約1.3cm（0.5インチ）長さの細長い楕円形スポ
ツトに合焦されたレーザビームにより圧延方向に
対して本質的に90゜の角度にてスクライブした。
このときのスポツトの長手方向はレーザ走査方向
に整列された。発生するスクライブラインは約
0.32cm（0.125インチ）だけ離間し、塗膜の絶縁
値又は材料のスタツキングフアクタのいずれにも
悪影響しなかつた。係属中の米国特許出願第
435444号、第435822号および第435443号（すべて
1980年10月20日出願）を参照すれば同等の技術の
みならず使用するレーザスクライブ技術の広範な
能力がより明らかとなろう。これら出願は、レー
ザスクライブ用装置のみならず絶縁コーテイング
された強磁性鋼板をレーザスクライブするための
方法、その結果製造される製品について記載して
いる。米国特許出願第435444号および第435822号
の明細書も(1)透磁性を大幅に低下又は低下せずに
鉄損（すなわちコア損失）を低下しかつ(2)鉄損を
大幅に変えることなく透磁性を低下するレーザス
クライブ法を開示している。上記３つの出願のす
べての明細書を本明細書で参照する。 表はＡおよびＢ項に従つてレーザスクライブ
することにより生じた透磁率変化％および鉄損特
性を示す。Ａ項に従い処理された材料は、15およ
び17キロガウスすなわち最大業務用磁束密度では
鉄損（すなわち単一シートコア損失）がＢ項で処
理された材料と同じ程度に大きく改善されなかつ
たが、これら磁束密度におけるＡ項の材料は、Ｂ
項材料の元の透磁率に大きな変化がないのに透磁
率は大幅に低下した。

【表】 第１図に平面図を示す小型の三レツグ型三相積
層トランス用コアのエレメントを形成するため３
つのグループの各々からの材料をせん断した。各
エレメントの両端は、第１図の矢印５の示す圧延
方向（すなわち容易に磁化する方向）に対して
45゜にせん断した。トランスのコア１は、７層に
重ねて構成した。第１図では、明瞭に示すた最上
層１０と最下層７０（点線で示す）しか示してな
い。各層を構成する各エレメントすなわち細長い
鋼は、約7.6および14.0cm（3.0および5.5インチ）
にそれぞれ等しい寸法ａおよびｂを有する窓を形
成するよう充分な長さおよび7.6cm（3.0インチ）
の幅Ｗを有していた。第１図に示すように鋼の長
さ方向の隣接端に形成されたジヨイント部７５は
圧延方向に対してすべて45゜をなし、第１図に一
仮想線で略図で示すように従来のようにトランス
のコアの各レツグのまわりに対にした１次および
２次電気巻線７７，７８，７９が誘導自在に配置
さした。 第２図に示すように階段ラツプジヨイント形状
８０を形成するように重ね合わせた強磁性層１
０，２０，３０，４０，５０，６０および７０内
に絶縁的にコーテイングした高透磁性方向性けい
素鋼の隣接端の間に形成されたジヨイント部７５
が配置されている。階段状ラツプジヨイント形状
８０とは、重ね合わされた各層に形成されたジヨ
イントが隣接する次の層内のジヨイント部の位置
から同一方向に実質的に固定された距離ｌだけず
れていることを意味する。このようにすると例え
ば層２０内の細長いコーテイングされた鋼２０１
は、その直下の層３０内の対応するエレメント３
０と接触し、コーテイングされていない端部３０
５のエレメント３０３はエレメント３０１のコー
テイングされていない端部３０７に隣接する。層
２０の直ぐ上の層１０ではエレメント２０１はこ
のジヨイント形状８０内の対応するエレメント１
０１に接触するだけであり、本実施例で製造した
このモデルトランス用コア１ではｌを約2.3mm
（0.09インチ）であると計算した。 一つの層内の絶縁状にコーテイングした方向性
電気鋼の長さ方向のコーテイングされていない隣
接端の間には、開口すなわちギヤツプ９０が形成
される。ギヤツプ９０の寸法すなわち距離はジヨ
イントごとおよび層ごとに変えることができる。
試験したモデルトランスではギヤツプ９０は空気
を含んでいた。 他のジヨイント形状も可能であるが、コア損失
を最小にするには階段状ラツプジヨイント形状が
好ましい。 これら実施例で試験したモデルコアの形状につ
いて説明したので、各グループの材料から完全に
形成したコアについて行つた試験を結果を表に
示す。表から、15および17キロガウスでは、Ａ
項の処理された材料（低下した透磁率）はＢ項の
材料（実質的に従来の透磁率）に比較して優れた
コア損失の測定値を示し、その差は15KGでは約
0.018W/Kg（0.008ワツト／ポンド）で17KGでは
約0.033W/Kg（0.015ワツト／ポンド）である。
単一シートの試験では、Ａ項の材料はＢ項の材料
に比較して劣つた鉄損を有していた（表を参
照）ことを思い出すであろう。

【表】

【表】 中心レツグ８１をコアの他の部分、すなわち頂
部および底部ヨークおよび外側レツグの材料と異
なるグループからの積層体から構成されるように
表に示すように３つのグループの材料を組合わ
せて第１図および第２図に示すように３脚型トラ
ンスコア形状とした。表を検討すれば、Ｂ項の
材料（実質的に元のすなわち従来の透磁率）を中
心レツグ８１に配置し、コアの残部をＡ項の材料
（低透磁率）から構成したとき、表に示された
１グループの材料から全体を構成したコアのみな
らず表に示した他の組合わせ式コアに比較して
コア損失ΔW_CSは最大限改善されることが判る。 表の組合わせコアの結果を検討しても、レー
ザスクライブした材料をスクライブしていない材
料と組合わせ、スクライブしていない材料にて中
心レツグを構成し、コアの残部をスクライブした
材料で構成すると、最大のΔW_CSが得られること
が判る。しかしながら予想していないことに、コ
アの残部を形成するスクライブされた材料がグル
ープＡタイプ（低透磁率）であるとき、15および
17KGでのコア損失の改善率は、単一シートに重
み付けされた平均改善率ΔW_Iをそれぞれ1.1およ
び1.2だけ明らかに上まわる。表に示すように
コアの残部をＢ項のスクライブされた材料から構
成すると、約0.6〜0.7の改善率しか得られない。 表は中心レツグをスクライブされた材料から
構成し、コアの残部を非スクライブ材料で形成す
ると、ΔW_CSの絶対値は比較的低いが、13および
15KGにおけるこれらコア形状に対する改善率は
比較的大きく、中心レツグを低透磁率材料で形成
したとき最大となる。 別の実施態様は、頂部および底部ヨークおよび
中心レツグを改善された鉄損および大幅に低下し
た透磁率の双方を有する横方向にスクライブされ
た積層体（例えば、Ａ項の材料）で構成し、一方
改善された鉄損を有するが実質的に元の（予めス
クライブした）透磁率を有する横方向にスクライ
ブした（例えばＢ項の材料）から外側のレツグを
構成した三相用積層コアを実施する。 先の実施例は、積層体間で透磁率が異なる積層
体の組合わせに関連して本発明の実施態様のいく
つかを図示した。次の実施例は、各積層体の位置
ごとに変化する容易に磁化する方向にA_Cピーク
透磁率を有する積層体の処理法およびその使用法
に関連して本発明を図解するのに役立つであろ
う。 我々は、レーザスクライブした方向性けい素鋼
では、鉄損改善率を比較的一定に保持しながら容
易に磁化する方向にA_Cピーク透磁率を大レンジ
にて変化し得ることを発見した。この効果は、他
のスクライブパラメータ、例えば電力、ビーム形
状および寸法およびスクライブラインの間隔を一
定に保持したきスクライブ速度の関数として鉄損
改善率（％）およびA_Cピーク透磁率を示す第３
図のグラフにより略図にて図解されている。例え
ば、点４０２と４０４の間では、鉄損改善率４０
６は比較的一定で最大値近傍に留まる一方、透磁
率４０８はレーザスクライブ速度と共に低下する
ことが判る。レーザスクライブ速度をおそくする
と、レーザスクライブライン中に発生される損傷
ゾーンの幅が大きくなり、この結果透磁率が低下
することが観察される。透磁率は、他のパラメー
タを一定に保持したままビームの入射パワーを増
加しても低下できる。又透磁率は、スクライブ間
隔又はビームスポツト寸法又は幾何学的形状によ
つても変化できる。これら効果のいくつかは、表
およびおよび次の実施例に明瞭に示されてい
る。次の実施例では、すべての標本はCARLITE
−３の塗膜を有する12ミルのTRAN−CORHの
応力緩和されたエプシユタインセツトであり、連
続波CO₂レーザを使用した。すべてのデータは
15KG、60Hzのものであり、パーセント変化とし
て表現してある。他に注釈がなければ、スクライ
ブラインはストリツプの両側での対応する位置に
いて0.25インチ離間していた。 実施例 １ 他の条件を一定に保持したまま走査速度を変え
た。 ビーム電力：２ワツト レンズの焦点距離：2.5インチ デフオーカス：焦点位置（ ） 入射ビーム寸法：（0.002インチ径） 表は各種走査速度に対する鉄損およびピーク
透磁率のパーセント変化を示す。

【表】 このシリーズでは、コア損失の改善率を一定に
した状態で大レンジにて透磁率を変化できた。実
際にこの効果を利用するには、積層体内の異なる
位置で走査速度を変えればよい。例えば、幅方向
にわたつて透磁率を変えかつ回転走査ミラーを使
用する場合、ミラーアセンブリの回転速度を変え
ずに幅方向の一部におけるビーム走査を他の部分
よりも速くするよう走査ミラーの形状を設計でき
る。 実施例 ２ デフオーカス量（スポツト寸法）を変えてビー
ムスポツト径を変え、他の条件を一定にした。 ビームパワー：５ワツト レンズの焦点距離：５インチ 表は、２つのデフオーカス条件および２つの
走査速度に対する鉄損およびピーク透磁率のパー
セント変化を示す。

【表】 デフオーカス量を変える方法は、鋼板の幅方向
および／または鋼板長さに沿う透磁率を制御する
簡単な方法であり、透磁率を望み通り変えるには
焦点面から鋼板を傾斜させるだけで充分である 第４図には本発明に係る単相積み重ねトランス
用コア４２０の一実施態様が示されている。この
強磁性コアは、頂部ヨーク４２２、底部ヨーク４
２４、および前記頂部および底部ヨークを接合す
る２つのレツグ４２６および４２８から成る部材
により形成される。これら部分の各々の接合点
は、ジヨイント領域４３０となつている。各部材
は重ねられた層４４０内の絶縁コーテイングされ
た方向性けい素鋼板から構成することが好まし
く、各部材内の重ねられた強磁性鋼板４４０は、
ジヨイント領域４３０内の隣接部材内の重ねられ
た強磁性鋼板４４０と合致し、好ましくは階段状
ラツプジヨイント形状を形成する。本発明のこの
実施態様では、各積層体は不均一状に横方向レー
ザスクライブしたものであることが好ましい。例
えば、第５図には、横方向レーザスクライブライ
ン４５０を示す積層体４４０の拡大平面図が示さ
れている。このスクライブライン４５０は、裸眼
には見えないことが好ましいが、これらラインは
容易に観察でき、当業者には公知の磁区像増感法
を使用すればその幅Ａを測定できる。これらスク
ライブラインは、絶縁コーテイングされた方向性
強磁性鋼板の圧延方向に対して横方向にレーザビ
ームを繰返し走査し、幅Ａを有し、圧延方向に距
離Ｌだけ離間したスクライブライン４５０を発生
することにより形成される。各走査ラインの幅Ａ
はスクライブラインの長手方向に沿つて所定の関
係に変化する。第４図および第５図に示す実施態
様では、幅Ａはコア４２０の窓４６０に隣接する
積層体４４０の内縁部にて最大となり、積層体の
外縁部４６５に達するまで各スクライブライン４
５０の長手方向に沿つて連続的に減少することが
好ましい。本実施態様では、内縁部４５５からコ
ア４２０を形成する各積層体の外縁部４６５まで
移動する際透磁率は増加するる。例えば、内縁部
４５５近傍の材料の透磁率は、レーザスクライブ
前の値の約1/3〜1/2に減少できるが、外縁部４６
５近傍の材料は従来通りの透磁率を有するか、先
に述べた透磁率の約2/3から約3/4まで減少した。 第６図に本発明の別の実施態様を示す。この図
には、三相トランス用コアの中心レツグジヨイン
ト領域（すなわちＴジヨイント）内の積層体のう
ちの一つの層が示されている。中心レツグ積層体
６０１は底部ヨーク積層体６０３および６０５と
交差し、各積層体は、各積層体の長手方向に沿う
容易に磁化する方向にA_Cピーク透磁率が変化す
るように横方向にスクライブした。この透磁率の
変化は、図示したスクライブラインの幅変化によ
つて示されている。スクライブライン６０７は、
Ｔジヨイント領域から離れたスクライブライン６
０９を有する領域内の積層体６０１，６０３およ
び６０５内の透磁率に比してジヨイント領域内に
より低い透磁率を発生した。コアのうちの各Ｔジ
ヨイント内の各積層体は、第６図に示すようにス
クライブすることが好ましい。スクライブライン
６０７およびスクライブライン６０９を有する積
層体の双方の領域は改善された鉄損を有する。 当業者であれば、本明細書を検討したり、ここ
に開示された発明を実施すれば本発明の他の実施
態様が明らかになるであろう。本明細書および実
施例は、単に例示にすぎず、本発明の範囲と精神
は特許請求の範囲に表示されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るトランスの一実施態様
の平面図、第２図はジヨイント形状の好ましい実
施態様を示す第１図のトランスコアの矢視−
に沿う部分断面図、第３図は他の走査パラメータ
を一定に保持状態における鉄損およびピーク透磁
率の改善パーセントに対するレーザスクライブ速
度の効果を示す略式グラフ、第４図は単相スタツ
ク式トランスコアの一実施例を示す斜視図、第５
図は第４図に示された強磁性コアを構成する本発
明に係る絶縁コーテイングされた方向性鋼板の一
つの一実施例を示す拡大部分平面図、第６図は本
発明に係る三相スタツク式トランスコアの中心レ
ツグジヨイント領域のまわりを示す部分平面図で
ある。 ５…圧延方向、１０…最上層、７０…最下層、
７２…窓、７５…ジヨイント部、７７，７８，７
９…巻線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 強磁性コアと、 前記強磁性コアに対して誘導関係に配置された
   電気巻線とを備え、 前記強磁性コアは、重ねた層状の絶縁コーテイ
   ングされた方向性強磁性鋼板から構成され、 前記鋼板の第１部分は横方向に延びて互いに離
   間した複数のスクライブラインを有するもので、
   磁束密度Ｂにて容易に磁化する方向に大幅に低下
   されたA_Cピーク透磁率および前記磁束密度Ｂに
   てスクライブ前の鉄損W_Iよりも△W_IS量だけ低い
   鉄損W_ISを特徴とし、 前記鋼板の第２部分は磁束密度Ｂにて容易に磁
   化する方向に実質的に従来通りのA_Cピーク透磁
   率および鉄損W₂を特徴とし、 前記強磁性コアは、指定状態の前記コーテイン
   グされた方向性鋼から全体を構成した同一強磁性
   コアのコア損失W_Cよりも磁束密度Ｂにて△W_CS
   だけ低いコア損失W_CSを有し、 △W_CSは、 △W_CS≧W_I−〔X₁W_IS＋X₂W₂〕 （ここで、X₁は前記コアを構成する前記鋼板
   の前記第１部分の重量分に等しく、X₂は前記コ
   アを構成する前記鋼板の前記第２部分の重量分に
   等しい） である磁束密度Ｂにて作動するようになつている
   電気誘導装置。 ２ 前記鋼板の前記第２部分は鉄損を減少させる
   ため横方向にスクライブされたものである特許請
   求の範囲第１項記載の電気誘導装置。 ３ 前記スクライブラインの幅は、スクライブラ
   インの長手方向に沿つて直線的に変化しており、
   もつて透磁率をスクライブラインの長手方向に変
   化させてなる特許請求の範囲第１項記載の電気誘
   導装置。