JP2006128539A - アモルファス鉄心変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファス鉄心の鉄損による損失を更に軽減し、容量の増加を図ることができるアモルファス鉄心形の変圧器を提供する。
【解決手段】アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心２とこの鉄心２に装着した巻線３とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンク１とからなる変圧器において、前記タンク１内の変圧器中身を構成する前記鉄心２に接触して鉄心２の放熱抑制機能を行うシリコーン液１４を、前記タンク１内に封入したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はアモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心変圧器に係わり、更に詳しくはその容量の増加を図ることができるアモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心変圧器に関するものである。

近年、電力需要の要求の増大に伴い、電気機器に接続する変圧器の省エネルギー化が要求されている。その一例として、変圧器を構成する鉄心の鉄損による損失を小さくするために、鉄心にアモルファス磁性薄帯を用いる等の改良が行われている。

この種の変圧器においては、鉄心及びこれに巻回した巻線を、変圧器の容器内に収納し、変圧器の容器内に、鉱油等の絶縁油又はＳＦ_６ガス等の絶縁ガスの絶縁冷却媒体を封入しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。

また、変圧器を構成する鉄心をケーシングで覆い、このケーシング内にシリコーンオイルを充填しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０００−８２６２５号公報 特開平０６−１２００４９号公報

上述したように、変圧器の鉄心に用いられているアモルファス磁性薄帯は、その板厚が０．０３ｍｍ程度と薄く、その電気抵抗率も高いため、通常用いられている珪素鋼板の鉄心と比べ１／３〜１／４の低鉄損化が期待できる優れた磁気特性を有するが、その構成成分上、その磁気飽和磁束密度値は、約１．５６T（テスラー）であり、珪素鋼板のそれ（約２．０１Ｔ）に比べ２０％以上も低い。

そのため、アモルファス鉄心形の変圧器において、その定格電圧値を、珪素鋼板鉄心の変圧器のそれと同程度にするには、必然的に鉄心が大型化する。この鉄心の大型化に伴い、鉄心の周囲に巻回される巻線に対してもその大型化を誘引する。その結果、アモルファス鉄心形の変圧器は、その全体重量が珪素鋼板鉄心形の変圧器に比べ重く、大きくなってしまうという本質的な弱点を有している。

これらの弱点を少しでも緩和すべく、鉄心の製造技術の改善や鉄心構造の改良など多くの試みを行っているが、アモルファス料の本質的な問題に起因しているため、抜本的な改善は難しい状況にある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、アモルファス鉄心の損失（鉄損）による損失を更に軽減し、容量の増加を図ることができるアモルファス鉄心形の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、第１の発明は、アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行う液を、前記タンク内に封入したことを特徴とする。

また、第２の発明は、アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行うシリコーン液を、前記タンク内に封入したことを特徴とする。

更に、第３の発明は、アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱を抑制して鉄心の温度を上昇させる機能を行うシリコーン液を、前記タンク内に封入したことを特徴とする。

また、第４の発明は、アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行うプラスチック系の被覆絶縁材を、前記巻線の外周に設け、前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行うシリコーン液を、前記タンク内に封入したことを特徴とする。

更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、鉄心の放熱抑制機能を行う液は、低粘度のシリコーン油であることを特徴とする。

また、第６の発明は、第５の発明において、前記シリコーン油は、１８０℃から３２０℃の範囲の引火点温度であることを特徴とする。

更に、第７の発明は、第５の発明において、前記シリコーン油は、２０ｃＳｔから５０ｃＳｔの範囲の動粘性係数であることを特徴とする。

また、第８の発明は、第５の発明において、前記シリコーン油は、１８０℃から３２０℃の範囲の引火点温度で、２０ｃＳｔから５０ｃＳｔの範囲の動粘性係数であることを特徴とする。

更に、第９の発明は、アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器の運転方法において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行うシリコーン液を、前記タンク内に封入し、前記シリコーン液を１８０℃から３２０℃の範囲の引火点温度及び／もしくは２０ｃＳｔから５０ｃＳｔの範囲の動粘性係数で運転することを特徴とする。

本発明によれば、アモルファス鉄心の放熱抑制により、これに発生する損失を低減することができるので、変圧器の容量増加を図ることができると共に、アモルファス鉄心変圧器が本来有する省エネルギー特性に加え、防災性や環境性にも優れた特性を持つ変圧器を提供することができる。

本発明の方法によれば、タンク内の変圧器中身を構成する鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行う液を、シリコーン液、特に低粘度のシリコーン液を用いて運転するので、アモルファス鉄心の損失（鉄損）を低減し、アモルファス鉄心変圧器が本来有する省エネルギー特性を更に向上させることができる。

以下、本発明のアモルファス鉄心変圧器の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明のアモルファス鉄心変圧器の一実施の形態を示す縦断正面図、図２は図１のII−II線矢視から見た側面図で、これらの図１及び図２において、１は変圧器のタンクで、このタンク１の上部には後述する鉄心２とこの鉄心２に巻回した巻線３とからなる変圧器中身を出し入れ可能にする開口部を有している。４はタンク１の開口部を塞ぐ蓋体、５，６は蓋体４に設けた引出端子で、この引出端子は巻線３に接続している。

７はタンク１内の底部に設けた下締金具で、この下締金具７はタンク１内の底部に固定される下部材７ａとこの下部材７ａの両端にそれぞれ設けた立上がり部材７ｂとこの立上がり部材７ｂの上端の長手方向中間部に設けたフランジ７ｃとで構成されている。８は下締金具７の立上がり部材７ｂ内側に設けた巻線下側支え部材、９は下締金具７における下部材７ａに設けた防震材で、この防震材９上に鉄心２が載置される。

１０は巻線３の上端と鉄心２との間の空間に挿入される板材、１１はこの板材１６の両端に設けたフランジ、１２は板材１０の下面と巻線３の上端との間に設けた巻線上側支え部材、１３は下締金具７のフランジ７ｃと板材１０のフランジ１１との間にそれぞれ設けた締付具である。前述した巻線上側支え部材１２と巻線下側支え部材８との間に、変圧器中身を構成する巻線３を挟み込み、締付具１３の締込みにより、変圧器中身はタンク１内に防震支持される。

変圧器中身は、タンク１内に投入した絶縁冷却及び鉄心の放熱抑止機能を果たす絶縁冷却及び断熱液としてのシリコーン液１４中に浸漬されている。このシリコーン液１４は、前述した絶縁冷却の機能に加えて、鉄心の放熱を抑止して鉄心を高温に保持する放熱抑止機能を果たすとともに防災性・環境性などの面から、低粘度のものが用いられ、その物性として例えば引火点が１８０℃から３２０℃の範囲で、その動粘性係数が２０から５０ｃＳｔの範囲内のものを選定することが好ましい。更には、引火点が２５０℃以上で動粘性係数が２０ｃＳｔのシリコーン液を使用するのが最も好ましい。

図３は本発明のアモルファス鉄心変圧器の一実施の形態を構成する変圧器中身の鉄心２の一例を示す正面図で、この図３において、鉄心２は、積層した複数のアモルファス磁性薄帯２ａを巻いた後、一度開き、この状態のものを巻線３に挿入し、このアモルファス磁性薄帯２ａの開いた部分を再度巻いて形成されている。

図４は本発明のアモルファス鉄心変圧器の一実施の形態を構成する変圧器中身の巻線３の一例を示す正面図で、この図４において、巻線３は、内側に低圧電線３ａをコイル状に巻き、その外側に高圧電線３ｂをコイル状に巻き、各電線３ａ、３ｂの各層間に層間絶縁材３ｃを配設して構成されている。

また、巻線３の表面は各電線３ａ、３ｂの露出部分があるので、この露出部分は、従来のセルロース系絶縁材に比べ、例えば３０Ｋ（ケルビン）以上の耐熱特性を有するプラスチック系の被覆絶縁材３ｄで覆われている。このプラスチック系の被覆絶縁材３ｄとしては、例えば芳香族ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニリンサルファイド、ポリイミド等が用いられる。前述したプラスチック系の被覆絶縁材３ｄにおける鉄心２の外周面に接する部分は、巻線３の被覆絶縁機能を発揮すると共に、鉄心２の放熱抑止機能をも発揮する。

次に、上述した本発明のアモルファス鉄心変圧器及びその運転方法の一実施の形態の動作を説明する。
巻線３の低圧電線３ａに、交流電圧を印加すると、低圧電線３ａには交流電流が流れ、鉄心２内に磁束が発生する。この磁束発生により、高圧電線３ｂには電磁誘導作用により誘起電圧が発生する。これにより、供給された電源電圧が変圧されて出力される。

上述した電圧変換時、鉄心２には、ヒステリシス損や渦電流損などの鉄損によって熱が発生するが、この発生熱は鉄心２の外表面に接触するシリコーン液１４によって放熱を抑止される。この実施の形態においては、巻線３におけるプラスチック系の被覆絶縁材３ｄによっても、鉄心２の放熱が抑止されている。

鉄心２の放熱が抑止されると、鉄心２の温度が上昇し高温に保持される。この鉄心２の高温化により、鉄心２はその内部の電気抵抗が大きくなり、鉄心２に発生する渦電流損は減少し、その結果、鉄損が減少する。このアモルファス鉄心２に発生する損失（鉄損）は、図５に示すように鉄心２の温度上昇と共に低下する。これはアモルファス鉄心２の渦電流損の低下が主因であるが、概ね室温時の鉄損に対し100℃の温度下では、5％以上の損失低減を図ることができる。

上述した鉄心２の鉄損低減は、アモルファス鉄心２の本質的な問題に起因している高磁束密度化の難点を改善することができるので、例えば本発明の変圧器を従来のアモルファス鉄心形の変圧器と同一サイズに構成した場合、変圧器の運転温度を、従来に比べ１５Ｋから７５Ｋ高い１２０℃から１８０℃に高めることができるとともに、その容量を増加することができる。

また、従来のアモルファス鉄心形の変圧器と同容量に設定した場合、鉄心２の小型化が図れ、さらに鉄心２に装着される巻線３にも波及し、巻線３の小型化が大きく促進される。そして、アモルファス鉄心型の変圧器の巻線３へのプラスチック系の被覆絶縁材３ｄ及びシリコーン液１２の適用は、変圧器中身全体の高温化を可能とし、低電圧巻線３ａや高電圧巻線３ｂ間の冷却流路の大幅な縮小化にも繋がり、巻線３の小型・軽量化を一層助長することができる。

さらに、変圧器全体の高温化は、巻線３と鉄心２間や巻線３とタンク１間といった他の冷却流路の寸法低減も可能とし、アモルファス鉄心２のみならず、変圧器全体の小型・軽量化に大きな効果を発揮する。

上述したように、本発明の実施の形態によれば、アモルファス鉄心２の本質的な問題に起因している高磁束密度化の難点を改善して、容量を増加することができる。また、同一容量を持つ従来の変圧器と比べた場合、変圧器全体の小型・軽量化を図ることができる。

図６及び図７は、本発明のアモルファス鉄心変圧器の他の実施の形態を示すもので、これらの図において、図１及び図２と同符号のものは同一部分であるので、その説明は省略する。

１５は鉄心２の上側に配置される上締金具で、この上締金具１５は鉄心２の上側に位置する上部材１５ａとこの上部材１５ａの両端にそれぞれ設けた立下がり部材１５ｂとこの立下がり部材１５ｂの下端の長手方向中間部に設けたフランジ１５ｃとで構成されている。１６は上締金具１５の立上がり部材１５ｂ内側に設けた巻線上側支え部材である。

１７は上締金具１５における上部材１５ａに設けた防震材で、この防震材１７は鉄心２の上部に接触し、前述した下側の防震材９と協働して変圧器中身を防震する。変圧器中身は、前述した下締金具７と上締金具１５との間に、挟み込まれ、締付具１３の締込みにより、タンク１内に防震支持される。

１８は下締金具７における立上がり部材７ｂ、巻線下側支え部材８、上締金具１５における上部材１５ａ、立下がり部材１５ｂ、巻線上側支え部材１６のそれぞれに設けた開口部で、この開口部１８はシリコーン液１４の鉄心２方向への多少の通過を許容するものである。

この実施の形態においては、鉄心２の下側と上側とは、それぞれ下締金具７と上締金具１５とで覆われ、また鉄心２の中間部は巻線３で覆われているので、鉄心２へのシリコーン液１４の流通が抑えられ、鉄心２の放熱が抑止される。これにより、鉄心２の温度上昇を効率良く制御することができる。この鉄心２の鉄損が減少し、変換効率をさらに向上させることができる。

この実施の形態によれば、前述した実施の形態と同様にアモルファス鉄心２の本質的な問題に起因している高磁束密度化の難点を改善して、容量を増加することができる。また、同一容量を持つ従来の変圧器と比べた場合、変圧器全体の小型・軽量化をさらに改善することができる。

図８及び図９は、本発明のアモルファス鉄心変圧器の更に他の実施の形態を示すもので、これらの図において、図６及び図７と同符号のものは同一部分もしくは相当する部分であるので、その説明は省略する。この実施の形態は、図６，図７に示す実施の形態における上締金具１５及び下締金具７に設けた開口部１８を取り除いた構成にし、鉄心２の下側と上側とを、それぞれ下締金具７と上締金具１５とで覆い、また鉄心２の中間部を巻線３で覆い、鉄心２へのシリコーン液１４の流通を更に抑制したものである。

これにより、鉄心２の放熱が更に抑止される。これにより、鉄心２の温度上昇を更に効率良く制御することができる。その結果、鉄心２の鉄損が更に減少し、変換効率をさらに向上させることができる。

この実施の形態によれば、前述した実施の形態と同様にアモルファス鉄心２の本質的な問題に起因している高磁束密度化の難点を改善して、容量を増加することができる。また、同一容量を持つ従来の変圧器と比べた場合、変圧器全体の小型・軽量化をさらに改善することができる。

なお、上述した実施の形態において、シリコーン液１４による鉄心２の放熱抑制が十分に発揮できる場合には、アモルファス鉄心型の変圧器の巻線３にプラスチック系の被覆絶縁材３ｄを使用せずに、例えばクラフト紙等の絶縁紙を用いることができる。

また、上述した実施の形態において、鉄心の放熱抑制機能を行う液（シリコーン液）を、低粘度のシリコーン液とすることにより、このシリコーン液が気化し燃焼すると、シリカ層を形成し、更にこのシリカ層の下にシリコーンゲル層が形成されて、酸素の供給を遮断し燃焼を抑制するという自己消炎性が高い。その結果、変圧器の屋内外の使用に最適であり、消火設備の簡略化にも寄与する。

更に、低粘度のシリコーン液は、大気中で加水分解してけい石に戻り、生態系にやさしく、再利用可能であり、その経済性も良好である。

本発明のアモルファス鉄心変圧器の一実施の形態を示す縦断面図である。 図１に示す本発明のアモルファス鉄心変圧器の一実施の形態をII−II矢視から見た断面図である。 図１に示す本発明のアモルファス鉄心変圧器の一実施の形態を構成するアモルファス鉄心の正面図である。 図１に示す本発明のアモルファス鉄心変圧器の一実施の形態を構成する巻線の縦断面図である。 本発明のアモルファス鉄心変圧器における鉄心の温度と鉄損変化との関係を示す特性図である。 本発明のアモルファス鉄心変圧器の他の実施の形態を示す縦断面図である。 図６に示す本発明のアモルファス鉄心変圧器の他の実施の形態をVII−VII矢視から見た断面図である。 本発明のアモルファス鉄心変圧器の更に他の実施の形態を示す縦断面図である。 図８に示す本発明のアモルファス鉄心変圧器の更に他の実施の形態をIX−IX矢視から見た断面図である。

符号の説明

１ 変圧器のタンク
２ 鉄心
３ 巻線
４ 蓋体
５ 引出端子
６ 引出端子
７ 下締金具
８ 巻線下側支え部材
９ 防震材
１０ 上締金具
１２ 巻線上側支え部材
１３ 締付具
１４ シリコーン液
１５ 上締金具
１６ 巻線上側支え部材

Claims (9)

1. アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行う液を、前記タンク内に封入したことを特徴とするアモルファス鉄心変圧器。
2. アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行うシリコーン液を、前記タンク内に封入したことを特徴とするアモルファス鉄心変圧器。
3. アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱を抑制して鉄心の温度を上昇させる機能を行うシリコーン液を、前記タンク内に封入したことを特徴とするアモルファス鉄心変圧器。
4. アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行うプラスチック系の被覆絶縁材を、前記巻線の外周に設け、前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行うシリコーン液を、前記タンク内に封入したことを特徴とするアモルファス鉄心変圧器。
5. 鉄心の放熱抑制機能を行う液は、低粘度のシリコーン油であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアモルファス鉄心変圧器。
6. 前記シリコーン油は、１８０℃から３２０℃の範囲の引火点温度であることを特徴とする請求項５記載のアモルファス鉄心変圧器。
7. 前記シリコーン油は、２０ｃＳｔから５０ｃＳｔの範囲の動粘性係数であることを特徴とする請求項５記載のアモルファス鉄心変圧器。
8. 前記シリコーン油は、１８０℃から３２０℃の範囲の引火点温度で、２０ｃＳｔから５０ｃＳｔの範囲の動粘性係数であることを特徴とする請求項５記載のアモルファス鉄心変圧器。
9. アモルファス磁性薄帯を鉄心に用いたアモルファス鉄心とこの鉄心に装着した巻線とを有する変圧器中身と、この変圧器中身を収納するタンクとからなるアモルファス鉄心変圧器の運転方法において、前記タンク内の変圧器中身を構成する前記鉄心に接触して鉄心の放熱抑制機能を行うシリコーン液を、前記タンク内に封入し、前記シリコーン液を１８０℃から３２０℃の範囲の引火点温度及び／もしくは２０ｃＳｔから５０ｃＳｔの範囲の動粘性係数で運転することを特徴とするアモルファス鉄心変圧器の運転方法。

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