CN105027235B - 静止电磁设备用卷铁芯、三相变压器以及三相电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够缩小各铁芯的电极间隔，减少电极布线产生的电压下降、损耗的静止电磁设备用卷铁芯。一种静止电磁设备用三相卷铁芯，其具备卷绕了薄带状磁性材料的两个相邻的内铁芯(2)与以覆盖这些两个内铁芯(2)的外周的方式卷绕了薄带状磁性材料的外铁芯(1)，使外铁芯(1)的薄带磁性材料的宽度比内铁芯(2)的薄带磁性材料的宽度小，使外铁芯(1)的截面积比内铁芯(2)的截面积小，使构成一个磁腿的内铁芯(2)与外铁芯(1)的截面积之差相对于两铁芯(1、2)的截面积之和的百分比在40％以下。

Description

静止电磁设备用卷铁芯、三相变压器以及三相电抗器

技术领域

本发明涉及多相变压器以及电抗器用铁芯，特别是涉及对利用超薄电磁钢板、非晶、纳米结晶合金等磁性薄带而形成的卷铁芯进行组合而构成的多相铁芯的构造。

背景技术

超薄电磁钢板、非晶、纳米结晶合金等低损耗磁性材料为了抑制因在材料内流动的涡流而导致的损耗而呈其厚度为100μm以下的薄带状。使用上述材料的变压器、电抗器等静止电磁设备用的铁芯对将上述材料呈大致圆形或者大致矩形卷绕多圈的卷铁芯进行组合而构成。

以往，作为由卷铁芯构成的三相铁芯，已知有日本特开昭61-248508号公报(专利文献1)所记载的变压器用铁芯。在该变压器用铁芯中，具备将取向硅钢板卷绕为大致矩形环状而成的两个内部铁芯，将由该两个内部铁芯构成的四个腿部内的相邻的两个腿部接合而构成中央腿(中央的磁腿)。通过在两个内部铁芯的外周卷绕取向硅钢板来构成外部铁芯。外部铁芯的两个腿部与分别相邻的内侧铁芯的腿部组合，一方的腿部的组合构成成为外侧的磁腿的M座腿，另一方的腿部的组合构成成为外侧的磁腿的T座腿。内部铁芯的截面积设定为M座腿以及T座腿的必要截面积的大致70％，外部铁芯的截面积设定为M座腿以及T座腿的必要截面积的大致30％。此时，若将M座腿以及T座腿的各截面积设为100，则中央腿的截面积成为140，中央腿的截面积成为M座腿以及T座腿的各截面积的1.4倍。另外，将硅钢板的宽度设为相同，使卷厚变化，从而使外部铁芯的截面积小于内部铁芯的截面积。(参照第二页右上栏至该页左下栏)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭61-248508号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1中，在成为外侧的磁腿的M座腿以及T座腿中，为了确保必要截面积、再使外部铁芯的截面积小于内部铁芯的截面积，而使外部铁芯的卷厚薄于内部铁芯的卷厚。在该情况下，在构成中央腿的两个内侧铁芯的腿部卷厚变厚，其结果，两个内部铁芯的并排方向的尺寸增大。两个内部铁芯的并排方向的尺寸因应用卷铁芯的产品而增大，由此各铁芯的电极间隔变大，向电极的布线长度变长，由此存在电压下降、损耗增加的情况。本发明的目的在于提供一种减小各铁芯的电极间隔，以便能够减少在电极布线产生的电压下降、损耗的静止电磁设备用卷铁芯。

用于解决课题的方法

为了解决上述课题，本发明的静止电磁设备用卷铁芯在由卷绕了薄带状磁性材料的两个相邻的内铁芯与覆盖这些内铁芯的外周的外铁芯构成的三相卷铁芯中，通过改变薄带状磁性材料的宽度，来使外铁芯的截面积比内铁芯的截面积小。在使外铁芯的截面积比内铁芯的截面积小的情况下，可以使内铁芯的截面积比以往的状态大固定量，并使外铁芯的截面积缩小相同的量。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种缩小各铁芯的电极间隔，减少在电极布线产生的电压下降、损耗的静止电磁设备用卷铁芯。另外，对于由三相卷铁芯构成的三相变压器而言，降低空载损耗，从而能够减少连接三相变压器的变电、配电设备的电力损耗。另外，对于由三相卷铁芯构成的三相电抗器而言，减少铁损，从而能够改善使用三相电抗器的电力转换设备的转换效率。

上述以外的课题、结构以及效果能够通过以下的实施方式的说明变得明确。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的三相卷铁芯的立体图。

图2是以往的三相卷铁芯的俯视图。

图3是将以往例与本发明的第一实施例相比的三相卷铁芯的剖视图。

图4A是以往的卷铁芯内的磁通密度振幅的图表。

图4B是本发明的第一实施例的卷铁芯内的磁通密度振幅的图表。

图5是表示本发明的第一实施例的铁芯的截面积的偏移量As与铁芯的空载损耗的关系的图表。

图6是表示本发明的第一实施例的铁芯的截面积的偏移量As与铁芯的空载损耗以及线圈的负载损耗的合计值的关系的图表。

图7是本发明的第二实施例的三相卷铁芯的剖视图。

图8是本发明的第三实施例的三相卷铁芯的剖视图。

图9是本发明的第四实施例的三相卷铁芯的剖视图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。

实施例1

图1以及图3(b)表示本发明的第一实施例的三相卷铁芯。图3(a)所示的以往的三相卷铁芯卷绕具有大致相同的宽度的薄带状磁性材料，来制作两个内铁芯与一个外铁芯。然后，组合两个内铁芯与一个外铁芯来构成三相卷铁芯。与此相对，在本实施例中，如图1所示，采取如下结构，使内铁芯2的宽度增大固定量，而使外铁芯1的宽度缩小与增大内铁芯2的宽度的量相同的量。

使用表示铁芯的剖视图的图3对本实施例的结构进行说明。图3是沿着图2中的线X-X’剖切的图。其中，图2是表示以往的卷铁芯的结构的俯视图。针对铁芯的尺寸，如图2那样定义高度方向H、宽度方向W以及厚度方向a。其中，铁芯的厚度方向a是相对于图2的纸面垂直的方向。

图3(a)表示以往的卷铁芯的截面。在图3(a)中，磁性材料的宽度为与内铁芯200、外铁芯100均相同的值a，卷厚为b/2。磁性材料的宽度为a，由此铁芯的厚度成为a。各磁腿对内铁芯200与外铁芯100进行组合而构成，因此其几何截面积表示为a·b。在图中由虚线表示的是三相线圈，300a、300b、300c分别相当于U相、V相、W相的线圈。在三相变压器中，在卷铁芯的三条磁腿分别卷绕有三相的一次线圈以及二次线圈。

在图3(b)所示的本实施例中，相对于图3(a)的以往的结构，使内铁芯2的薄带的宽度向两侧延长长度D，使外铁芯1的薄带的宽度向两侧缩小长度D。其结果，两端的U相以及W相的磁腿的截面积与以往例相同，但中央的V相的磁腿的截面积变得比以往例大2Db。

接下来，使用图2、图4、图5、图6对关于本实施例的效果的计算结果进行说明。在图2所示的以往的三相卷铁芯中，将铁芯的宽度设为W，将高度设为H，将薄带的宽度设为a，将卷铁芯的卷厚设为b/2。另外，将铁芯的窗部的高度设为Wa，将宽度设为Wb。将上述的各尺寸、一次线圈、二次线圈的匝数、一次侧、二次侧的电流、电压的条件如表1所示地进行模拟而来求得铁芯的磁通密度分布、空载损耗以及由线圈产生的负载损耗。铁芯材料假定为ZDMH(23P80)硅钢板的特性。

[表1]

参数	值
		W	696mm
H	676mm
		a	280mm
b	112mm
		Wa	454mm
Wb	180mm
		一次线圈匝数	353圈
二次线圈匝数	19圈
		一次线圈电阻	255.6mΩ
二次线圈电阻	1.04mΩ
		一次侧电压	3900Vrms
一次侧电流	43Arms
		二次侧电压	210Vrms
二次侧电流	794Arms
		铁芯材料	ZDMH(23P80)

在使用上述的参数的三相变压器中，图4A、图4B表示图2所明示的点A、点B的磁通密度的相位变化的计算结果。两个点A、B分别是连结U相与V相的磁轭部分的、内铁芯与外铁芯的中心点。图4A所示的是使用了以往例的三相卷铁芯的变压器，图4B所示的是本实施例中将D＝40mm情况下的三相卷铁芯用于变压器的结果。在内铁芯与外铁芯产生的磁通密度的强度均产生相位差。其最大振幅在以往例中为±1.72T，在本实施例中为±1.66T。应用了本实施例的三相变压器的磁通密度振幅减少，因此铁芯产生的空载损耗相应地减少。

图5是对内铁芯与外铁芯的薄带的宽度的变化量和三相变压器的空载损耗的变化量的相关进行计算的结果。此处，将内铁芯与外铁芯的截面积的差的百分比定义为As，并用于图的横轴。As使用以往例的铁芯的宽度a与薄带的宽度的变化量D，表示为As＝2D/a×100[％]。As＝0％意味着以往例的卷铁芯，As＝100％意味着不存在外铁芯而仅使内两个铁芯相邻的三相卷铁芯。空载损耗伴随着As的增加而减少，As在60％以上大致恒定。

在本实施例中，为了增大三相卷铁芯的V腿的截面积，而增长V相线圈3b的周长。另外，对于U相线圈3a、W相线圈3c而言，也增大内铁芯2的宽度，而外铁芯1的宽度变小，因此其形状如在图3(b)由点划线表示的那样成为大致五边形，周长增长。因此，线圈产生的负载损耗相应地增加。图6示出了在变压器的负载率为100％、50％、40％、25％四种情况下，上述的As和本实施例的三相变压器的空载损耗与负载损耗的合计值的变化量亦即总损耗比的相关。总损耗比与以往例相比减少的区域，是负载率为50％以下并且As为大致40％以下的区域。在超过上述范围的区域中，线圈产生的负载损耗的增加量超过在铁芯产生的空载损耗的减少量，因此总损耗增加。因此，本实施例优选在负载率为50％以下，As为大致40％以下的区域应用。此外，在三相变压器的平均负载率小于40％的事例中，即使将As的值设定为40％以上，也能够获得总损耗减少的效果。

实施例2

图7表示本发明的第二实施例。图7是与沿着表示以往的三相卷铁芯的图2的线X-X’剖切的图对应的图。在本实施例中，使内铁芯2的薄带的宽度与以往例的a相比向两侧各扩大D而成为a+2D。另外，使外铁芯1的薄带的宽度连续地变化，而使最内周的宽度成为a+2D，最外周的宽度成为a-6D的梯形形状。其结果，使两侧的U相以及W相的内铁芯与外铁芯对齐的磁腿的截面积成为与以往例相同的a·b，从而能够获得与实施例1相同的效果。

实施例3

图8表示本发明的第三实施例。图8是与沿着表示以往的三相卷铁芯的图2的线X-X’剖切的图对应的图。在本实施例中，使内铁芯2的薄带的宽度与以往例的a相比向两侧各扩大D而成为a+2D。另外，准备两种外铁芯1的薄带的宽度，如图所示那样卷绕为阶梯状而构成。在图中由点划线表示的是构成为实施例2所记载的梯形形状的外铁芯1的形状，在本实施例中构成为，使外铁芯1的截面积成为与该梯形相同。其结果，两侧的U相以及W相的磁腿的截面积成为与以往例相同的a·b，从而能够获得与实施例1以及实施例2相同的效果。图8示出了外铁芯1的薄带的宽度为两种的情况，但也可以准备三种以上的宽度的薄带，卷绕为阶梯状而构成。

实施例4

图9表示本发明的第四实施例。图9是与沿着表示以往的三相卷铁芯的图2的线X-X’剖切的图对应的图。在本实施例中，使内铁芯2的薄带的宽度与以往例的a相比向两侧各扩大D而成为a+2D。另外，使卷厚与以往例的b/2相比增大d，使V相的磁腿的宽度成为b+2d。另外，使外铁芯1的薄带的宽度与以往例的a相比向两侧各缩小D而使宽度成为a-2D，并且使卷厚与以往例的b/2相比缩小d。于是，U相以及W相的磁腿的截面积与以往例相同，从而能够获得与实施例1～3相同的效果。

上述的本实施例的静止电磁设备用卷铁芯在由卷绕了薄带状磁性材料的两个相邻的内铁芯与覆盖这些内铁芯的外周的外铁芯构成的三相卷铁芯中，使两个内铁芯的截面积比以往的状态大固定量，而使外铁芯的截面积缩小相同的量。

另外，通过改变薄带状磁性材料的宽度，来使外铁芯1的截面积比内铁芯2的截面积小。由此，抑制铁芯的宽度方向的尺寸W的增加，从而能够缩小各铁芯的电极间隔。而且，能够提供一种减少电极布线产生的电压下降、损耗的静止电磁设备用卷铁芯。特别地在变压器中，存在各铁芯的电极间隔因铁芯的宽度方向的尺寸W的增加而增大的趋势。

另外，静止电磁设备用卷铁芯本来宽度尺寸就比厚度尺寸大。因此，通过相比于增大铁芯的宽度尺寸更多地增大厚度尺寸，来提高设置时的稳定性。

此外，本发明不限定于上述的各实施例，还包括各种变形例。例如，为了容易理解本发明而对上述的实施例详细地进行了说明，但未必限定于具备全部的结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换成其他的实施例的结构，另外，也能够对某实施例的结构添加其他的实施例的结构。另外，也能够针对各实施例的结构的一部分，追加、删除、置换其他结构。

上述的全部的实施例假定将该卷铁芯应用为三相变压器用的铁芯的情况，但即使应用为三相电抗器用铁芯，也能够通过适当地变更磁腿的截面积来使总损耗减少，同样获得本发明的效果。

作为上述的薄带状磁性材料，能够使用硅钢板、非晶磁性薄带、或者纳米结晶磁性薄带。

符号说明

1—外铁芯，2—内铁芯，3a—U相线圈，3b—V相线圈，3c—W相线圈。

Claims (8)

1.一种静止电磁设备用三相卷铁芯，具备卷绕了薄带状磁性材料的两个相邻的内铁芯和以覆盖这些两个内铁芯的外周的方式卷绕了薄带状磁性材料的外铁芯，上述静止电磁设备用三相卷铁芯的特征在于，

通过使上述外铁芯的薄带磁性材料的宽度比上述内铁芯的薄带磁性材料的宽度窄，来使上述外铁芯的截面积比上述内铁芯的截面积小，

使构成一个磁腿的上述内铁芯与上述外铁芯的截面积之差相对于两铁芯的截面积之和的百分比在40％以下，

在使上述外铁芯的截面积比上述内铁芯的截面积小的情况下，使上述内铁芯的截面积增大固定量，并使上述外铁芯的截面积缩小与该固定量相同的量。

2.根据权利要求1所述的静止电磁设备用三相卷铁芯，其特征在于，

构成为使上述外铁芯的薄带状磁性材料的最内周的宽度与上述内铁芯相同，并朝向最外周变小。

3.根据权利要求2所述的静止电磁设备用三相卷铁芯，其特征在于，

使上述外铁芯的薄带状磁性材料的宽度连续缩小，使截面呈梯形形状。

4.根据权利要求2所述的静止电磁设备用三相卷铁芯，其特征在于，

使上述外铁芯的薄带状磁性材料的宽度从内周朝向外周分成多个阶段地缩小。

5.根据权利要求1所述的静止电磁设备用三相卷铁芯，其特征在于，

使上述外铁芯的薄带状磁性材料的卷厚比上述内铁芯的薄带状磁性材料的卷厚小。

6.根据权利要求1所述的静止电磁设备用三相卷铁芯，其特征在于，

上述薄带状磁性材料由硅钢板、非晶磁性薄带或纳米结晶磁性薄带中的任一种构成。

7.一种三相变压器，其特征在于，

在权利要求1所述的静止电磁设备用三相卷铁芯的三条磁腿上分别卷绕三相的一次线圈以及二次线圈而构成。

8.一种三相电抗器，其特征在于，

在权利要求1所述的静止电磁设备用三相卷铁芯的三条磁腿上分别卷绕三相的线圈而构成。