JPS61180410A - 鉄心の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は変圧器などに用いられる非晶質磁性合金板から
なる鉄心に焼鈍を行なう鉄心の製造方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近時、変圧器などに用いる巻鉄心の材料として、非晶質
磁性合金板を用いることが検討されつつある。非晶質磁
性合金板は、金属（Ｆｅ、　Ｃｏ。

Ｎ１等）と半金属元素（Ｂ、Ｃ，Ｓｔ、Ｐ等）を主成分
として超急冷法により製造されたもので、従来からの鉄
心材料であるけい素鋼板に比して鉄損（損失）が１／３
〜１／４と小さく、磁気特性に優れている。

しかし、非晶質磁性合金板は、超急冷法により製造する
ために、急冷時の歪により鉄損の増大など磁性特性が極
端に低下しており、本来の優れた磁気特性が得られない
。このため、非晶質磁性合金板からなる鉄心は、鉄心組
立後に歪取シ焼鈍を行なって非晶質磁性合金板の歪を除
去し、鉄損の減少などの非晶質磁性合金本来の磁気特性
の回復を図っている。この焼鈍は、鉄心を磁場中に置い
て磁気異方性を与えて、磁気特性の改善を図る方法であ
る。

この場合、非晶質磁性合金薄板は適正な焼鈍温度条件の
範囲が狭い。例えば代表的な非晶質磁性材料である米国
アライト０社製のＭＥＴＧＬＡＳ２６０５８２　（商品
名）は、第１０図で示すように焼鈍温度が約４００℃で
、その温度範囲が±１５℃と狭い。また焼鈍必要時間も
短く、これが長い場合には非晶質磁性合金薄板の結晶化
が進んでし寸うことになる。このため、非晶質磁性合金
薄板をこの材料が本来布している優れた磁気特性を損な
うことなく歪取り焼鈍するためには、鉄心の各部分を短
時間で各々適正な焼鈍温度範囲に均一に加熱することが
必要である。

従来、非晶質磁性合金薄板からなる鉄心に対する歪取り
焼鈍は外部加熱方式が採用されている。すなわち、第１
１図で示すように例えば非晶質磁性合金薄板２を巻回し
てなる巻鉄心である鉄心７に磁界印加用の磁界コイル３
を巻装し、この鉄心１を電熱ヒータ（図示せず）を熱源
とする恒温槽４の内部に収容する。そして、直流電源５
により磁界コイル３に直流電流を流して鉄心１に磁界を
印加するとともに、電熱ヒータの発熱により恒温槽４内
部を所定の焼鈍温度まで上昇させて鉄心１を加熱するこ
とにより焼鈍を行なっている。

しかしながら、このような焼鈍方法においては、鉄心１
を電熱ヒータの輻射熱により外部から加熱するので、鉄
心１内部まで良好に加熱できず鉄心１表面と鉄心１内部
とでは温度分布が。

不均一となる。第１２図は従来の焼鈍方法により鉄心型
ｔ６０に９の巻鉄心を焼鈍温度４００　’Ｃで加熱した
場合における鉄心各部の加熱時間と温度上昇との関係を
示す線図である。第１３図は鉄心において温度を測定し
た箇所を示す説明図である。第１３図においてＡ点は鉄
心１の薄板巻厚方向中央部、Ｂ点は薄板巻厚方向外周部
、６点は鉄心１の外表面を各々示している。なお、Ｄ点
は恒温槽４の内部空間を示している。第１１図によれば
鉄心１を加熱して３時間経過した時点において、鉄心１
のＢ点では約２８０℃に温度上昇するが、Ａ点では約２
３０℃までしか温度上昇せず両者間に約５０℃の温度差
を生じる。

また鉄心１の６点では約３９０℃まで温度上昇し、Ａ点
との間で約１６０℃の温度差を生じた。

このように鉄心１表面は鉄心１内部に比して温度上昇が
大きく、鉄心１全体として温度分布が不均一になる。そ
して、鉄心１全体を均一な温度にするためにはさらに鉄
心１を長時間加熱することになり、その結果温度が早く
上昇する鉄心１表面は長時間高温にさらされることにな
り、非晶質磁性合金薄板の磁気特性が劣化する。従って
、従来の焼鈍方法によれば鉄心！全体を短時間で均一な
温度に加熱することが困難であシ、その結果非晶質磁性
合金薄板２の磁気特性が劣化して本来の優れた磁気特性
を回復できないという問題がある。

しかして、最近非晶質磁性合金薄板からなる鉄心に巻回
したコイルに励磁用高周波電流を通して鉄心を励磁し、
この励磁により鉄心に生ずる損失で鉄心自身を発熱昇温
させて焼鈍する方法が開発されている。

この方法は従来の外部加熱方式による焼鈍法に比して巻
鉄心を均一゛に温度上昇させることができ、さらに変圧
器コイルの巻回作業や変圧器中身の組立作業の大部分を
焼鈍の前工程として行なうことができ、焼°鈍により非
晶質磁性合金薄板が脆化した後の鉄心の取扱いを極力少
なくして非晶質磁性合金薄板に外力が加わる機会を少な
くできる利点がある。

しかしながら、このような高周波励磁による焼鈍方法に
おいても、未だ巻鉄心全体を均一に温度上昇させること
が不十分である。第１４図は従来において高周波励磁焼
鈍方法により巻鉄心を温度上昇させた場合における鉄心
各部の温度上昇と励磁時間との関係を示す線図である。

第１５図は第１４図の線図の巻鉄心における円周方向の
温度測定点を示す説明図であシ、この図においてＸ点は
巻鉄心１のけい鉄部、Ｙはコーナ部、２は脚部を各々示
している。なお、各点は巻鉄心１における薄板巻厚方向
の中央部である。第１４図によれば巻鉄心１を高周波励
磁して約３０分経過した時点において、巻鉄心１のコー
ナ部Ｙ点では４００℃に温度上昇するが、けい鉄部Ｘ点
では３７０℃、脚部２点では３００°Ｃまでしか温度上
昇せず、特にＹ点と２点との間では約１００℃の温度差
が生じる。このように高周波励磁焼鈍法においても、巻
鉄心のコーナ部の温度上昇の度合が高く巻鉄心全体とし
て温度分布に不均一が生じるので、非晶質磁性合金薄板
の内部歪を十分除去できず、優れた磁気特性を有する鉄
心を得ることがむづかしいという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、非晶質磁性
合金薄板からなる巻鉄心に対する歪取り焼鈍を良好に行
ない、非晶質磁性合金本来の優れた磁気特性を発揮でき
る巻鉄心を得ることができる鉄心の製造方法を提供する
ことを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の鉄心の製造方法は、非晶質磁性合金薄板からな
る巻鉄心のコーナ部における薄板の層間に磁性材を設け
、巻鉄心に巻回したコイルに高周波電流を通して巻鉄心
を励磁し鉄心自身の発熱により焼鈍を行なうことにより
、鉄心コーナ部の昇温を抑制して巻鉄心を均一な温度分
布で焼鈍を行なえるようにするものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明を図面で示す実施例について説明する。

第１図および第２図は本発明方法の一実施例を示すもの
で、この実施例は巻鉄心を２組並べて歪取シ焼鈍する場
合を対象にしている。まだこの実施例は巻鉄心のコーナ
部に設ける絶縁材としてシート状のものを用いている。

まず、第２図で示すように帯状をなす非晶質磁性合金薄
板１２を矩形状に巻回してノーカット形または１ターン
カツト形（図面ではノーカット形を示す）巻鉄心１１を
形成する。この巻鉄心１１を形成するに際して、非晶質
磁性合金薄板１２を所定巻回数巻回する都度に巻鉄心１
１の各コーナ部毎に、非晶質磁性合金薄板１２と略々同
幅のシート状絶縁材１３を薄板１２の層間に挿入する。

これにより巻鉄心１１の各コーナ部において、巻厚方向
に等間隔を存した複数箇所の非晶質磁性合金薄板１２の
巻回層間にシート状絶縁材１３を介在して配置する。な
お巻鉄心１１のけい鉄部を挾んで隣シ合う各コーナ部の
間隔が短いので、この実施例ではシート状絶縁材１３を
巻鉄心１１の各コーナ部およびこれらコーナ部に挾まれ
るけい鉄部にわたって共通に設けるようにしている。こ
れは、巻鉄心１１を形成する時にシート状絶縁材１３を
非晶質磁性合金薄板１２の眉間に容易に挿入できるよう
にするためである。シート状絶縁材１３としては、非晶
質磁性材料の焼鈍温度４００℃に耐える絶縁材料で形成
し、例えばポリイミドフィルム（耐熱温度約４７０℃、
宇部興産製、商品名ユーピレックス）やセラミックス＜
　−ｚ母（耐熱温度約７００℃、朝日石綿製、商品名：
セラミックスファインペー・４）、あるいは非晶質磁性
合金薄板に無機質コーティング処理（ＭｇＯ処理など）
を施したものを用いる。

次いで、第１図で示すように焼鈍工程の前段階において
２個の巻鉄心１１を並べて各巻鉄心１１の内側の脚部に
共通に変圧器コイル１９を装着する。

次いで、第１図で示すように各巻鉄心１１の外側の脚部
に励磁コイル１４を互いに逆向きにして巻回する。励磁
コイル１４の巻回数は適宜設定する。励磁コイル１４は
切換スイッチ１５を介して高周波交流電源１６と直流電
源Ｉ７とに接続する。図中１８は高周波交流電源１６の
電圧を調整する電圧調整器である。

そして、巻鉄心１１の歪取り焼鈍を行なう場合には、切
換スイッチ１５により励磁コイル１４を高周波交流電源
１６へ接続し、電圧調整器１８によりミ圧を調整して励
磁コイル１４に高周波交流電流を流す。この交流電流の
周波数は５００肚以上、例えば２〜７ｋＨｚに選定する
。励磁コイル１４に交流電流を流すと磁束の発生により
巻鉄心１１における非晶質磁性合金薄板１２にうず電流
が流れ、このうず電流に伴う電力損失により非晶質磁性
合金薄板１２に熱が発生して温度上昇する。非晶質磁性
合金薄板１２の温度が適正な焼鈍温度４００　’Ｃまで
上昇すれば、電圧調整器１８で交流電流の電圧を調整し
て温度４００℃を一定時間保持する。このようにして巻
鉄心１ノ全体の非晶質磁性合金薄板１２が均一な温度分
布で短時間に焼鈍温度４００℃まで上昇する。

その後に、切換スイッチ１５の操作で励磁コイル１４を
交流電源１６から直流電源１７に切換え接続する。これ
により、巻鉄心１１は交流による励磁が停止され冷却を
始める。

同時に直流電源１７から励磁コイル１４に直流電流が流
れ、巻鉄心１ノに対して磁場を形成する。このようにし
て巻鉄心１ノを磁場中にて冷却する。

なお、巻鉄心１１の焼鈍が終了した後は励磁コイル１４
を巻鉄心１１から取り外す。なお、シート状絶縁材１３
は巻鉄心１ノに設けたままの状態とする。

しかして、このような方法で＠鉄心１１の焼鈍を行なう
と、巻鉄心１ノのコーナ部の薄板層間にシート状絶縁材
１３を配置したことにより、コーナ部の発生損失が減少
して発熱が抑制されるので、巻鉄心１１の周方向の温度
分布の温度差、特にコーナ部と脚部の温度差が小さくな
り温度分布が均一される。このため、巻鉄心１１全体を
均一な温度分布で適正な焼鈍温度４００゛Ｃに濫読上昇
させて焼鈍を行ない、非晶質磁性合金薄板１２の本来の
優れた磁気特性を回復させることができる。また、各コ
ーナ部に挾まれで、けい鉄部の発生損失も減少させて巻
鉄心１１の温度分布の均一化に役立つ。実験結果の一例
では、巻鉄心のコーナ部において非晶質磁性合金薄板を
約３０〜４０巻回する毎にシート状絶縁材を挿入して巻
鉄心の高周波励磁焼鈍を行なった一場合に、巻鉄心の周
方向の最大温度差を２０℃以下にすることができ、また
シート状絶縁材を挿入しないものに比して巻鉄心の鉄損
を約１５チ向上できた。

これらの点について更に詳細に説明する。非晶質磁性合
金薄板を巻回したま＼の鉄心、すなわち歪取り焼鈍前の
鉄心において発生する鉄損（Ｗ／ｋｐ）をヒステリシス
損と渦電流損に分離（実測例よシ求める）すると、鉄心
を商用周波数（５０１１ｚ、　６０Ｈｚ）で励磁した場
合に於いてはヒステリシス損が大部分を占めているが、
励磁周波数が５　ＫＨｚになると両者の比率は略等しく
なる。非晶質磁性合金薄板は適正な熱処理を行なうこと
によって鉄損が減少する。特に高周波域での熱処理効果
は大きい。これは非晶質磁性合金薄板の製作時に急冷に
よって生じた歪を熱処理により取シ除いてヒステリシス
損を減少させると共に、熱処理によって非晶質磁性合金
薄板に生じた微細な結晶相によって磁区が細分化され、
磁壁付近に生じた異常渦電流損が減少するためであシ、
高周波領域では後者の影響が大きいと言われている。

変圧器鉄心の鉄損を求める一般式として下記がある。

鉄損　Ｗ／ｙ　＝　Ｋｌ　ｆ　Ｂｍ　＋に２ｆ”　Ｂｍ
”　ｔ”但し　ｆ＝周波数（Ｈｚ）　　Ｂｍ　＝最大磁
束密度ｔ＝磁性材料の厚さ　Ｋ１＋Ｋｔｔｎ：定数上式
で前項に示すヒステリシス損は周波数に比例して増加す
るが、後項の渦電流損は周波数の２乗に比例する。これ
らのことから高周波域での歪取り焼鈍においては、渦電
流損の影響が大きくなる。特に矩形状の巻鉄心において
は、コーナ一部の非晶質磁性合金薄板の面圧が薄板の巻
き締まりにより鉄心脚部のそれにくらべて高くなる。こ
のため、非晶質磁性合金薄板は絶縁皮膜がないために眉
間抵抗が低いことから、コーナ一部の渦電流が、高周波
になるほど増加し鉄損の悪化を招いていた。本発明はこ
の現象に着目して、巻鉄心のコーナ部の薄板層間に絶縁
材を設けることにより、コーナ部の眉間抵抗を増大して
渦電流損の低減を図るようにしている。

次に巻鉄心のコーナ部において薄板巻厚方向に所定定間
隔を存した非晶質磁性合金薄板の層間にシート状絶縁材
を設ける点について説明する。第３図は巻鉄心１１を巻
厚方向にａブロックからｇブロックまでの複数のブロッ
クに分割した状態を示している。なお、ａブロックが鉄
心最内周側、ｇブロックが最外周側である。そして巻鉄
心にサーチコイル（図示せず）を巻回して周波数５　Ｋ
Ｈｚで巻鉄心を励磁し、巻鉄心の巻厚方向の磁束分布を
測定した。測定結果の一例を第４図の線図で示す。この
線図においてＢは分割した各ブロックの磁束密度、Ｂｍ
は巻鉄心全体の磁束密度を示す。磁束密度０．３テ）う
σ）では巻鉄心の内周側のブロックはど磁束密度が高い
が、磁束密度０．７テスラσ）では巻鉄心の内周側と外
周側の磁束密度の差はほとんどない。

高周波励磁焼鈍法では、巻鉄心自身の損失により昇温さ
せるため、ある程度高い磁束密度（０，３〜１．０テス
ラ付近）で巻鉄心を励磁するので、巻鉄心の巻厚方向の
磁束密度を一定とみなすことができる。従って、巻鉄心
のコーナ部に設けるシート状絶縁材は、略均等巻厚毎の
薄板層間に配置すれば良いといえる。

第５図ないし第７図は本発明の他の実施例を示すもので
、第１図および第２図と同一部分は同一符号を付して示
している。この実施例は巻鉄心に設けるコーナ部に設け
る絶縁材として、巻鉄心１１を形成する非晶質磁性合金
薄板１２０表面に絶縁被膜を形成したものである。

まず、第６図で示すように帯状の非晶質磁性合金薄板１
２を巻回し、谷コーナ部において各巻回層の非晶質磁性
合金薄板１１の両面に絶縁層２０を形成した矩形状の巻
鉄心１１を形成する。この巻鉄心１ノは例えば第７図で
示す方法により形成する。フーグ状に巻回した非晶質磁
性合金薄板１２を繰出して、無機質の酸化被膜溶液２１
を入れた浴槽２２の上方を通過させる。

この浴槽２２の上方には間欠的に上下動する押えロー２
２３を設け、この押えローラ２３が下降することにより
巻鉄心１１の各コーナ部に相当する非晶質磁性合金薄板
１２の部分を押し下げて浴槽２２の酸化被膜溶液２１中
に浸漬させ、非晶質磁性合金薄板１２の両側表面に溶液
２１を付着させる。ざらに非晶質磁性合金薄板１２を乾
燥装置２４に通し、該薄板１２に付着した酸化被膜溶液
２１を乾燥させて無機質酸化被膜すなわち絶縁被膜２０
を形成し、その後非晶質磁性合金薄板１２を巻取機２５
により矩形状に巻取る。このように巻鉄心１１の各コー
ナ部に相当する部分の両面に絶縁被膜２０を順次形成し
ながら非晶質磁性合金薄板１２を巻回して巻鉄心１ノを
形成することにより、巻鉄心１１の各コーナ部において
各非晶質磁性合金薄板１２の層間に絶縁被膜２０を形成
する。なお、この実施例では非晶質磁性合金薄板１２に
絶縁被膜２０を形成することを容易にするために、巻鉄
心１１のけい鉄部およびその両側に位置する各コーナ部
にわたって絶縁被膜２０を形成するようＫしている。

次いで、第５図で示すように２組の巻鉄心１ノを並べて
巻鉄心１１の内側の脚部に変圧器コイル１９を装着し、
さらに各巻鉄心１１の外側の脚部に励磁コイル１４を巻
回し、この励磁コイル１４を切換スイッチ１５を介して
交流電源１６と直流電源１７に接続する。そして、前述
した実施例の場合と同様に巻鉄心１１を高周波励磁し、
この励磁に伴い巻鉄心１１に生ずる損失により巻鉄心１
１自身を発熱させて焼鈍を行なう。

なお、この焼鈍はＮ、ガス、Ａｒガスなどの不活性ガス
雰囲中において行なう。

しかして、この実施例の方法により焼鈍を行なうと、巻
鉄心１ノのコーナ部における非晶質磁性合金薄板１２の
層間に絶縁被膜２０が存在しているので、コーナ部の発
生損失が減少して発熱が抑制されるので、巻鉄心１１全
体の温度分布を均一化して適正焼鈍温度４００℃にて焼
鈍できる。実験結果の一例では、絶縁被膜処理を施さな
い巻鉄心に比して鉄心周方向の最大温反差を２０℃以下
とすることができ、巻鉄心の鉄損を約１７チも向上でき
た。また、発生損失が犬なるコーナ部の非晶質磁性合金
薄板Ｚ２に部分的に絶縁被膜２０を形成しているので、
巻鉄心１ノ全体の非晶質磁性合金薄板１２に絶縁被膜処
理を施した場合に比して占積率が良好である。

第８図は、巻鉄心１１のコーナ部における各巻回層の非
晶質磁性合金薄板１２０片面に各々絶縁被膜２０を形成
した例を示している。

第９図は、巻鉄心１１のコーナ部において巻厚方向に所
定間隔（例えば１０〜２０巻回）を存して位置する複数
箇所の非晶質磁性合金薄板１２０両面または片面に絶縁
被膜２０を形成した例を示している。

この第８図および第９図で示すように絶縁被膜を形成し
た場合でも、同様な効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の巻鉄心の製造方法によれば
、非晶質磁性合金薄板からなる巻鉄心を均一な温度分布
で温度上昇させて焼鈍を行なうことができるので、磁気
特性に優れた鉄心を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法の一実施例を示す説明図、第
２図は同実施例における巻鉄心を示す斜視図、第３図は
巻鉄心を巻厚方向に分割した状態を示す説明図、第４図
は巻鉄心の巻厚方向の温度分布を示す線図、第５図は本
発明の製造方法の他の実施例を示す説明図、第６図は同
実施例における巻鉄心を示す斜視図、第７図は同実施例
の巻鉄心の製造工程を示す説明図、第８図および第９図
は同実施例の巻鉄心の変形例を示す斜視図、第１０図は
非晶質磁性合金薄板の焼鈍特性を示す線図、第１１図は
従来の外部加熱焼鈍方法を示す説明図、第１２図は従来
の外部加熱焼鈍方法により焼鈍した場合の巻鉄心各部の
温度上昇を示す線図、第１３図は巻鉄心の温度測定点を
示す説明図、第１４図は従来の高周波励磁焼鈍方法によ
り焼鈍した場合の巻鉄心各部の温度上昇を示す線図、第
１５図は巻鉄心の温度測定点を示す説明図である。 １１・・・巻鉄心、１２・・・非晶質磁性合金薄板、１
３・・・シート状絶縁材、１４・・・励磁コイル、１６
・・交流電源、１７・・直流電源、１９・・・変圧器コ
イル、２θ・・絶縁被膜。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１ｖＡ 第３図 第４図 ブロック 第５図 第６図 第７図 ＊ｓｍ １９１ａ ＄　１０図 焼誂温　度じＣ） １１１１図 第１２図 時間（合） 第１３図 第１４図 ｖｆｆ　　間　（介） 第１５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）非晶質磁性合金薄板からなる巻鉄心のコーナ部に
   おける前記非晶質磁性合金薄板の層間に絶縁材を設け、
   前記巻鉄心に巻回したコイルに交流電流を通して前記巻
   鉄心を励磁し、この励磁に伴い前記巻鉄心に生ずる損失
   により巻鉄心自身を発熱昇温させて焼鈍を行なうことを
   特徴とする鉄心の製造方法。
2. （２）絶縁材はシート状のものである特許請求の範囲第
   １項に記載の鉄心の製造方法。
3. （３）絶縁材は巻鉄心を形成する非晶質磁性合金薄板の
   表面に形成した絶縁被膜である特許請求の範囲第１項に
   記載の鉄心の製造方法。