JP2008510297A - 小型乾式変圧器 - Google Patents

Abstract

外表面に冷却フィン（１１）を有するカバー（１０）からなる第１のヒートシンクが設けられた磁性材料コア（２）からなる小型乾式変圧器（１Ａ）である。変圧器はまた、外表面に冷却フィン（１４）を有する筐体（１２）からなる第２のヒートシンクが設けられたコイル・アセンブリ（３、４）からなる。第２のヒートシンクはさらに、水などの真空状態で低沸点の熱流体を含むヒートパイプ（１７）を有するジャケット（１５）からなる。ヒートパイプは、蒸発器部分と、外表面に冷却フィン（２１）を有する凝縮器部分とからなる。ヒートシンクによって、変圧器の熱放散効率が改善される。

Description

本発明は、小型乾式変圧器に関する。

電気変圧器は、一般に、オイル充填式又は乾式である。オイル充填式変圧器においては、変圧器のオイルは、変圧器のコア及びコイル・アセンブリを冷却するための冷媒である。オイル充填式変圧器は、経済的であり、一般に７０℃から９０℃のオーダの温度で作動する。しかしながら、オイル充填式変圧器は、定期的な保守及びオイル交換を必要とし、火災の危険性がある。変圧器のオイルは、環境汚染物質であり、健康被害の原因になる場合がある。

乾式変圧器は、磁性材料コアと、ターンと層の間に絶縁体を有する巻線を含むコイル・アセンブリとを含む。コイル・アセンブリは、相ごとに樹脂を含浸させ及び／又は樹脂で封入されて、コア上に組み立てられ、保護金属タンク内に配置される。このような変圧器は、一般に屋外用として用いられる。あるいは、コアと、含浸及び／又は封入されたコイル・アセンブリとは共に、さらに樹脂で封入され、保護金属タンクなしで又は保護金属タンクに入れて、屋内用又は屋外用として用いられる。

乾式変圧器は、小型で、環境適合性があり、耐炎性である。乾式変圧器は、定期的な保守を必要とせず、鉱山、人口が密集した居住地域、又は病院などの危険区域に適している。乾式変圧器は、一般に１２０℃から１８０℃のオーダの温度で作動する。周囲を上回る温度上昇は、巻線の導体の抵抗と巻線を通って流れる電流とによって生じる巻線内の損失、及び、磁性材料コア内の損失の影響である。損失を減少させるために、一般に、巻線をより低い電流密度で設計し、導体の断面積をより大きくする。これが、巻線の抵抗を小さくし、したがって損失を減少させる。所与の設計変数の組について、電流密度を低くすると、コアのサイズ及び重量が増加する。コアの重量が増加するほど、無負荷損失が増大する。これが、変圧器のコストも増加させる。したがって、費用効果を考慮すると、乾式変圧器の作動温度を一定限度以下に下げることは許容できない。熱を放散させて変圧器を低温で作動させるための空気などの冷媒の通過を容易にするために、巻線及びコアの内部に又はその間に冷却ダクトを設けることが知られている。ダクトによって、変圧器のサイズが大きくなり、コストが増大する。

本発明の目的は、熱放散効率が改善された、より高い電流密度で作動する小型乾式変圧器を提供することである。

本発明の別の目的は、断面積を小さくした巻線を含み、それによって変圧器のサイズ及び重量を減少させた小型乾式変圧器を提供することである。

本発明の別の目的は、無負荷損失を低下させた小型乾式変圧器を提供することである。

本発明の別の目的は、保護金属タンクを不要としつつ屋内及び屋外の両方の用途に用いることができる小型乾式変圧器を提供することである。

本発明によれば、磁性材料コアと、ターンと層の間に絶縁体を有する樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線で構成され、コア上に組み立てられたコイル・アセンブリとからなり、コアは第１のヒートシンクからなり、コイル・アセンブリは第２のヒートシンクからなる、小型乾式変圧器が提供される。

本発明の実施形態によれば、第１のヒートシンクは、コアを覆って滑りばめされ、外表面に冷却フィンが設けられたカバーからなる。

本発明の実施形態によれば、第２のヒートシンクは、長さに沿って各々にスリットが設けられ、各々の外表面に冷却フィンが設けられた筐体からなる。

本発明の別の実施形態によれば、第２のヒートシンクは、長さに沿って各々にスリットが設けられたジャケットと、各々が、蒸発器部分及び凝縮器部分で構成され、真空状態で低沸点の熱流体を含む、複数のヒートパイプとからなり、蒸発器部分は、ジャケットに沿って半径方向に間隔を空けて設けられたポケット又は穴の中に位置しており、凝縮器部分は、外表面に冷却フィンが設けられている。

本発明の別の実施形態によれば、第２のヒートシンクは、長さに沿ったスリットと一方の端部において巻線の外部に配置された冷却フィンとが各々に設けられたスリーブからなる。

本発明の実施形態によれば、第２のヒートシンクは、コアのリム上の樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされ、長さに沿ったスリットと外表面の冷却フィンとが設けられた筐体からなり、第２のヒートシンクはさらに、コアのリムを覆って挿入され、長さに沿ってスリットが設けられたジャケットと、各々が、蒸発器部分及び凝縮器部分で構成され、真空状態で低沸点の熱流体を含む、複数のヒートパイプとからなり、蒸発器部分は、ジャケットに沿って半径方向に間隔を空けて設けられたポケット又は穴の中に位置しており、凝縮器部分は、ジャケットの外部に配置され、その外表面に冷却フィンが設けられている。

本発明の別の実施形態によれば、第２のヒートシンクは、コアのリム上の樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされ、長さに沿ったスリットと外表面の冷却フィンとが設けられた筐体からなり、第２のヒートシンクはさらに、巻線の間に配置され、長さに沿ったスリットと一方の端部において巻線の外部に配置された冷却フィンとが設けられたスリーブからなる。

本発明の別の実施形態によれば、第２のヒートシンクは、コアのリム上の樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされ、長さに沿ったスリットと外表面の冷却フィンとが設けられた筐体からなる。

以下は、添付図面を参照した本発明の詳細な説明である。
添付図面の図１から図８に示される小型乾式変圧器１Ａは、磁性材料コア２と、相ごとに、一次巻線すなわち低電圧巻線３及び二次巻線すなわち高電圧巻線４を備え、巻線のターンと層の間に絶縁体５を有するコイル・アセンブリとを含む。一次巻線及び二次巻線は、樹脂６を含浸させ及び／又は樹脂６で封入され、コアの３つのリム７、８、及び９の上に組み立てられる。コアは、該コアを覆って滑りばめされ、外表面に冷却フィン１１が設けられたカバー１０を備える第１のヒートシンクを含む。コイル・アセンブリは、長さに沿ったスリット１３と外表面の冷却フィン１４とが各々に設けられた筐体１２を備える第２のヒートシンクを含む。筐体は、コアのリム上の樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされる。第２のヒートシンクはさらに、長さに沿ったスリット１６が各々に設けられたジャケット１５を含む。各々が蒸発器部分１８と凝縮器部分１９とを含む複数のヒートパイプは１７と表記される。ヒートパイプの蒸発器部分は、ジャケットに沿って半径方向に間隔を空けて設けられたポケット又はホール２０の中に位置する。ヒートパイプの凝縮器部分は、ジャケットの外部に配置され、その外表面に冷却フィン２１が設けられる。ジャケットは、コア２のリムを覆って挿入される。ヒートパイプは、水などの真空状態で低沸点の熱流体（図示せず）を含む。コイルキャップは２２と表記される。変圧器の端子は２３と表記される。

添付図面の図９の変圧器１Ｂは、ヒートパイプを有するジャケットがコア２のリム上の樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線の間に挿入されていることを除いて、図１から図８に示される変圧器と同じである。

添付図面の図１０及び図１１の変圧器１Ｃは、第２のヒートシンク以外は図１から図８の変圧器と同じであり、第２のヒートシンクは、コアのリム上の樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされた筐体１２と、長さに沿ったスリット２５及び一方の端部において巻線の外部に配置された冷却フィン２６が各々に設けられたスリーブ２４とを含む。スリーブは、コアのリム上の樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線の間に挿入される。

添付図面の図１２の変圧器１Ｄは、第２のヒートシンク以外は図１から図８の変圧器と同じであり、第２のヒートシンクは、コア２のリムの上の樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされた筐体１２を含む。

変圧器のカバー、筐体、ジャケット、又はスリーブは、アルミニウム又は銅などの熱伝導性の良い非磁性材料でできている。アルミニウムは、経済的で入手が容易であり、鋳造特性及び大量生産性に優れているため、カバー、筐体、ジャケット、又はスリーブにとって好ましい。渦電流損失を最小にするために、カバー、筐体、ジャケット、又はスリーブの典型的な厚さは、２ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。カバー、筐体、ジャケット、又はスリーブのスリットは、電流の流れを不連続にし、それにより変圧器内の短絡を防止する。

変圧器の作動中に、コア及び巻線の両方に熱が発生する。コアの熱は、カバーによって運び出され、カバーの外表面の冷却フィンによって放熱及び対流により周囲に放散される。巻線及びコアの熱は、筐体によって運び出され、筐体の外表面のフィンによって放熱及び対流により周囲に放散される。同様に、巻線及びコアの熱はまた、スリーブによって運び出され、スリーブの一方の端部にある冷却フィンによって放熱及び対流により周囲に放散される。ヒートパイプの蒸発器部分の熱流体は、巻線及びコアの熱によって蒸発し、蒸気は、巻線及びコアの熱を除去するヒートパイプの凝縮器部分に移動する。蒸気は、ヒートパイプの凝縮器部分で凝縮し、熱を周囲に放出する。ヒートパイプの凝縮器部分の外表面にあるフィンは、放熱及び対流による周囲への熱伝達を容易にする。したがって、変圧器の熱放散効率が向上する。

従来の乾式変圧器と本発明に係る変圧器との間のコンピュータ・シミュレーションによる比較研究を行い、その結果は、以下の表に示されるようなものであった。

表

表から、本発明の変圧器のコア及び巻線の温度上昇は、従来の変圧器のコア及び巻線の温度上昇と比較して同等であると評価されることが分かる。表は、本発明の変圧器の巻線の断面積が従来の変圧器の巻線の断面積と比べて小さいことも示している。本発明の変圧器の改善された熱放散効率によって、変圧器をより高い電流密度で作動させることが可能である。巻線の断面積を小さくしたことによって、コア及びコイル・アセンブリのサイズ及び重量が減少する。したがって、変圧器は小型であり、無負荷損失は低下する。本発明は、保護金属タンクを不要とする。カバー及び筐体は、コア及び巻線を環境から保護する。したがって、本発明の変圧器は、屋内及び屋外の両方の用途に用いることができる。

変圧器は、単相又は多相とすることができ、コイル・アセンブリは、それに応じて巻線を含むことができる。本発明のこのような変形は、本発明の範囲内のものとして解釈され、理解される。

本発明の実施形態による小型乾式変圧器の正面図である。 図１の変圧器の上面図である。 図２のＡ−Ａにおける断面図である。 図１、２、及び３の変圧器の第１のヒートシンクのカバーの等角図である。 図１、２、及び３の変圧器の第２のヒートシンクの筐体の等角図である。 図１、２、及び３の変圧器の第２のヒートシンクのジャケットの等角図である。 図１、２、及び３の変圧器の第２のヒートシンクのヒートパイプの等角図である。 図１、２、及び３の変圧器のコアのリム上に取り付けられた巻線の１つの断片断面図である。 本発明の別の実施形態による小型乾式変圧器の断面図である。 本発明の別の実施形態による小型乾式変圧器の断面図である。 図１０の変圧器の第２のヒートシンクのスリーブの等角図である。 本発明の別の実施形態による小型乾式変圧器の断面図である。

Claims (12)

1. 磁性材料コアと、ターンと層の間に絶縁体を有する樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線で構成され、前記コア上に組み立てられたコイル・アセンブリとからなり、前記コアは第１のヒートシンクからなり、前記コイル・アセンブリは第２のヒートシンクからなることを特徴とする小型乾式変圧器。
2. 前記第１のヒートシンクは、前記コアを覆って滑りばめされ、外表面に冷却フィンが設けられたカバーからなることを特徴とする、請求項１に記載の小型乾式変圧器。
3. 前記第２のヒートシンクは、長さに沿って各々にスリットが設けられ、各々の外表面に冷却フィンが設けられた筐体からなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の小型乾式変圧器。
4. 前記第２のヒートシンクは、長さに沿って各々にスリットが設けられたジャケットと、各々が、蒸発器部分及び凝縮器部分で構成され、真空状態で低沸点の熱流体を含む、複数のヒートパイプとからなり、前記蒸発器部分は、前記ジャケットに沿って半径方向に間隔を空けて設けられたポケット又は穴の中に位置しており、前記凝縮器部分は、外表面に冷却フィンが設けられていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の小型乾式変圧器。
5. 前記第２のヒートシンクは、長さに沿ったスリットと一方の端部において前記巻線の外部に配置された冷却フィンとが各々に設けられたスリーブからなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の小型乾式変圧器。
6. 前記第２のヒートシンクは、前記コアのリム上の前記樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされ、長さに沿ったスリットと外表面の冷却フィンとが設けられた筐体からなり、前記第２のヒートシンクはさらに、前記コアのリムを覆って挿入され、長さに沿ってスリットが設けられたジャケットと、各々が、蒸発器部分及び凝縮器部分で構成され、真空状態で低沸点の熱流体を含む、複数のヒートパイプとからなり、前記蒸発器部分は、前記ジャケットに沿って半径方向に間隔を空けて設けられたポケット又は穴の中に位置しており、前記凝縮器部分は、前記ジャケットの外部に配置され、外表面に冷却フィンが設けられていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の小型乾式変圧器。
7. 前記第２のヒートシンクは、前記コアのリム上の前記樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされ、長さに沿ったスリットと外表面の冷却フィンとが設けられた筐体からなり、前記第２のヒートシンクはさらに、前記巻線の間に配置され、長さに沿ったスリットと一方の端部において前記巻線の外部に配置された冷却フィンとが設けられたスリーブからなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の小型乾式変圧器。
8. 前記第２のヒートシンクは、前記コアのリム上の前記樹脂含浸巻線及び／又は樹脂封入巻線を覆って滑りばめされ、長さに沿ったスリットと外表面の冷却フィンとが設けられた筐体からなることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の小型乾式変圧器。
9. 前記カバー、前記筐体、前記ジャケット、及び前記スリーブは、良熱伝導性の非磁性材料で作られていることを特徴とする、請求項２から請求項８までのいずれかの請求項に記載の小型乾式変圧器。
10. 前記カバー、前記筐体、前記ジャケット、及び前記スリーブは、アルミニウムで作られていることを特徴とする、請求項９に記載の小型乾式変圧器。
11. 前記カバー、前記筐体、前記ジャケット、又は前記スリーブの厚さが２ｍｍから５ｍｍであることを特徴とする、請求項９又は請求項１０に記載の小型乾式変圧器。
12. 添付図面の図１から図８、図９、図１０及び図１１、又は図１２を参照して具体的に詳述された小型乾式変圧器。

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