JP2012028642A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線の上端部および下端部における径方向への漏洩磁束を減少させることによって、巻線の外径寸法に対し高さ寸法の比を小さくした場合であっても、漏洩磁束により発生する巻線内の上端部および下端部の渦電流損失を低減させた変圧器を提供する。
【解決手段】低圧巻線４および高圧巻線５の上端部と上部ヨーク２の間には上部磁気シールド７ａが設けられ、低圧巻線４および高圧巻線５の下端部と下部ヨーク３の間には下部磁気シールド７ｂが設けられている。これら磁気シールド７ａ、７ｂは、帯状の強磁性体板を巻いたリング状部材から構成され、巻線４、５の径方向全周にわたって形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻線の外径寸法に対し高さ寸法の比を小さくした変圧器に係り、特に、巻線内の上端部および下端部で発生する渦電流損失を低減させた変圧器に関する。

大容量の電力用変圧器として、内鉄形変圧器が広く用いられている。内鉄形変圧器においては、鉄心主脚に対し円筒状または円板状の複数の巻線（低圧巻線や高圧巻線、場合によってはタップ巻線など）が同心状に配置されている。このような変圧器の構成部材のうち、巻線に関しては平角銅線が使用されている。

平角銅線は通常、巻線の高さ方向の寸法を大きくし、外径方向の寸法を小さくしたものが選定されている。つまり、巻線は外径寸法に対し高さ寸法が高くなるように構成されている。これを、巻線の高さ寸法に対する外径寸法の比（外径寸法／高さ寸法）という点から考えると、この比を小さくしたことになる。このような細長い外観の巻線を採用することで、巻線を周回して流れる漏洩磁束を減少させ、漏洩磁束により発生する渦電流損失の低減化を図っている。

渦電流損失の原因となる漏洩磁束は、巻線を取り囲むように周回して流れるが、巻線間の主間隙にかなりの量が生じる。このため、漏洩磁束対策を施した技術は、種々提案されている。例えば、特許文献１は、巻線の端部にまたがって漏洩磁束に対する磁気回路を配置し、この磁気回路により各巻線の漏洩磁束を相殺するようにしたものである。

また、特許文献２では、巻線の上下に対向配置した磁気シールドの構成に改良を加えることで、漏洩磁束の吸引効果が長期にわたって続くようにしている。さらに特許文献３のように、鉄心締付金具への漏洩磁束の進入を防止する磁気シールドを備えたものも知られている。

ところが近年では、巻線の高さ寸法を高くしたり、外径寸法／高さ寸法の比を小さくしたりするのではなく、反対に、巻線の高さ寸法を低くする、もしくは高さ寸法／外径寸法の比（巻線の外径寸法に対する高さ寸法の比）を小さくした変圧器が求められるケースがある。つまり、巻線の外観で言えば、細長いものではなく、太くて短いものが要求されている。このような巻線が要求される理由としては、変圧器の容量や設置場所などにもよるが、変圧器本体を輸送する時の高さ制限は厳しくなったことや、ガス絶縁変圧器では変圧器の収納用タンクを横方向に配置する場合があることなどがある。

ここで、図６を参照して、巻線の高さ寸法を低くした変圧器について、具体的に説明する。すなわち図６では、低圧巻線４および高圧巻線５の高さ寸法が、高圧巻線５の外径寸法に対して小さい場合を示している。図６に示すように、鉄心主脚１の上部および下部には上部ヨーク２および下部ヨーク３が配置されており、これら３つの部材から鉄心が構成される。鉄心主脚１には低圧巻線４および高圧巻線５が同心状に巻装されている。低圧巻線４が内周側、高圧巻線５が外周側に配置されている。

図６中の符号６が漏洩磁束であって、巻線４、５を周回して流れている。より詳しくは、巻線４、５において高さ方向の中心部分では、漏洩磁束６は巻線４、５の高さ方向に流れる。また、巻線４、５の上端部および下端部では、漏洩磁束６は巻線４、５の径方向に湾曲した流れとなる。

このような変圧器によれば、高圧巻線５の外径寸法に対し、巻線４、５の高さ寸法を低くすることで、変圧器本体を輸送する際の高さ制限を確実にクリアすることができる。また、変圧器の収納用タンクを横方向に配置するようなガス絶縁変圧器にも対応可能である。

実公昭５４−１７７６８号公報 特公平７−６０７７２号公報 特開２００２−７５７５２号公報

ところで、図６に示した変圧器のように、高圧巻線５の外径寸法に対し巻線４、５の高さ寸法の比を小さくした場合、巻線４、５の高さ寸法と比べて、巻線４、５の径方向の寸法が大きくなる。そのため、巻線４、５間の主間隙に流れる漏洩磁束６は、巻線４、５の上端部および下端部において径方向に湾曲した流れとなり、漏洩磁束６の磁束成分が増える。したがって、巻線４、５の導体内に発生する渦電流が増加し、発生損失も増大した。その結果、局部加熱が起き易くなり、変圧器の性能や耐久性の低下を招くおそれがあった。

本発明は、以上の課題を解決するために提案されたものであり、巻線の上端部および下端部における径方向への漏洩磁束を減少させることによって、巻線の外径寸法に対し高さ寸法の比を小さくした場合であっても、漏洩磁束により発生する巻線内の上端部および下端部の渦電流損失を低減させた変圧器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、鉄心主脚に複数の巻線を同心状に巻装し、前記鉄心主脚の上部および下部に上部ヨークおよび下部ヨークを配置した変圧器において、前記巻線の上端部と前記上部ヨークとの間および前記巻線の下端部と前記下部ヨークと間に、強磁性体で構成された磁気シールドが設置され、前記磁気シールドは前記巻線の径方向全周にわたって形成されたことを特徴としている。

本発明の変圧器によれば、巻線の径方向全周にわたって強磁性体製の磁気シールドを設けたことで、漏洩磁束が磁気材料を通過して上部ヨークまたは下部ヨークに流れるため、巻線の径方向に流れる漏洩磁束を大幅に減少させることができ、巻線の外径寸法に対し高さ寸法の比を小さくした場合であっても、漏洩磁束によって発生する巻線内の上端部および下端部の渦電流損失を低減させることが可能となる。

本発明に係る第１の実施形態の断面図。 第１の実施形態の側面図。 本発明に係る第２の実施形態の断面図。 本発明に係る第３の実施形態の断面図。 本発明に係る他の実施形態の平面図。 従来の変圧器の断面図。

以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照して説明する。なお、下記の実施形態はいずれも、巻線の外径寸法に対し高さ寸法の比を小さくした変圧器であって、理解の容易化を図るために、２つの巻線を有する変圧器とする。すなわち、図６に示した従来例と同じく、鉄心主脚１の上下に上部ヨーク２および下部ヨーク３を配置した鉄心に、同心状に低圧巻線４と高圧巻線５が巻装されている。

（１）第１の実施形態
［構成］
図１は本発明に係る変圧器の第１の実施形態の断面図、図２は同じく第１の実施形態の概略側面図である。

図１、図２に示すように、低圧巻線４および高圧巻線５の上端部と上部ヨーク２の間には上部磁気シールド７ａが設けられ、低圧巻線４および高圧巻線５の下端部と下部ヨーク３の間には下部磁気シールド７ｂが設けられている。これら磁気シールド７ａ、７ｂは、帯状の強磁性体板を巻いたリング状部材から構成され、その外径寸法は高圧巻線５の外径寸法とほぼ同じに設定されている。すなわち、磁気シールド７ａ、７ｂは巻線４、５の径方向全周にわたって形成されている。

また、上部ヨーク２と上部磁気シールド７ａとの間、さらに下部ヨーク３と下部磁気シールド７ｂとの間には、強磁性体板を複数積層した磁気シャント８が配置されている。磁気シャント８において、磁気シールド７ａ、７ｂと向かい合う側の外側縁部は直線状に形成されている。

一方、磁気シャント８において、上部ヨーク２または下部ヨーク３と向かい合う側の内側縁部は、上部ヨーク２側または下部ヨーク３の断面形状と合致するように階段状に形成されている。つまり、磁気シャント８は、上部ヨーク２および下部ヨーク３の凹んだ形状に嵌め込まれるようになっている。これにより上部ヨーク２および下部ヨーク３における磁気シールド７ａ、７ｂへの対向面は、垂直方向に平坦な形状となっている。

［作用効果］
一般に、低圧巻線４と高圧巻線５に流れる負荷電流によって、巻線４、５の周囲には漏洩磁束６が生じる。このとき、低圧巻線４および高圧巻線５の上端部および下端部では、低圧巻線４と高圧巻線５との間に生じる漏洩磁束６が、巻線４、５の径方向に流れようとする。

ところが、第１の実施形態においては、巻線４、５の上端部および下端部に巻線４、５の径方向の全周にわたり、透磁率の大きい磁気シールド７ａ、７ｂを配置している。このため、漏洩磁束６は、巻線４、５の径方向に向かって流れるのではなく、磁気シールド７ａ、７ｂに向かって流れることになる。

また、磁気シールド７ａ、７ｂには磁気シャント８が近接して設けられているが、この磁気シャント８は上部ヨーク２または下部ヨーク３の階段形状部分に嵌め込まれており、上部ヨーク２および下部ヨーク３における磁気シールド７ａ、７ｂへの対向面は平坦な形状となっている。したがって、漏洩磁束６は、磁気シールド７ａ、７ｂを抜けて磁気シャント８を通過し易くなり、上部ヨーク２または下部ヨーク３にスムーズに流れるようになる。その結果、巻線４、５の径方向に流れる漏洩磁束６は大幅に減少する。

以上述べたように、第１の実施形態によれば、巻線４、５の外径寸法に対し高さ寸法の比を小さくした変圧器において、磁気シールド７ａ、７ｂおよび磁気シャント８といった磁気材料を備えたことで、巻線４、５の上端部および下端部では、巻線４、５の径方向全周にわたって、漏洩磁束６が大幅に減少する。したがって、巻線４、５の上端部および下端部にて生じる渦電流損失を低減することができる。これにより、巻線５の外径寸法に対し巻線４、５の高さ寸法の比を小さくした変圧器であっても、局部加熱を十分に抑えることができ、変圧器の性能や耐久性の向上に寄与することができる。

（２）第２の実施形態
［構成］
次に、本発明に係る第２の実施形態について、図３を用いて説明する。図３に示すように、第２の実施形態は、上部ヨーク２および下部ヨーク３において、磁気シールド７ａ、７ｂに対向する面を平坦な形状とし、さらに磁気シャント８を省いたことを特徴としている。

［作用効果］
以上の構成を有する第２の実施形態では、上記第１の実施形態と同様、低圧巻線４および高圧巻線５の上端部および下端部に、透磁率の大きい磁気シールド７ａ、７ｂを配置したことで、漏洩磁束６は巻線４、５の径方向に流れるのではなく、磁気シールド７ａ、７ｂに向かって流れる。しかも、上部ヨーク２および下部ヨーク３における磁気シールド７ａ、７ｂへの対向面は平坦な形状であるため、漏洩磁束６は、磁気シールド７ａ、７ｂを通過して、上部ヨーク２または下部ヨーク３にまでスムーズに流れる。

このため、巻線４、５の径方向に流れる漏洩磁束６を大幅に減少させることができ、巻線４、５の上端部および下端部にて生じる渦電流損失の低減化を図ることができる。しかも、第２の実施形態では、上記第１の実施形態と比べて、磁気シャント８を省略可能なので、構成の簡略化を進めることができるといったメリットがある。

（３）第３の実施形態
［構成］
続いて、本発明に係る第３の実施形態について、図４を用いて説明する。図４は、第３の実施形態の断面図である。第３の実施形態は上部ヨーク２ａおよび下部ヨーク３ａに特徴がある。すなわち図４に示すように、上部ヨーク２ａおよび下部ヨーク３ａは、その積み厚さ寸法が、両側ともに、高圧巻線５の外径寸法とほぼ同等な厚さに設定されている。なお、上部ヨークａ２および下部ヨーク３ａは、透磁率の大きい材料から構成される。

第３の実施形態では、上記第１の実施形態と異なり、磁気材料である磁気シールド７ａ、７ｂおよび磁気シャント８をいずれも省いている。そして、上部ヨーク２ａおよび下部ヨーク３ａの積み厚さを厚くするだけで、漏洩磁束６が十分に上部ヨーク２ａおよび下部ヨーク３ａに流れるようにした点に特徴がある。

［作用効果］
漏洩磁束６を上部ヨーク２および下部ヨーク３に流すことは一般的であるが、第３の実施形態では、上部ヨーク２ａおよび下部ヨーク３ａにおける巻線４、５への対向面が、巻線４、５の径方向全周にわたっている。これにより、巻線４、５の上端部および下端部において、巻線４、５の径方向に流れる漏洩磁束６が上部ヨーク２ａまたは下部ヨーク３ａへと確実に流れることになる。

つまり、第３の実施形態では、上部ヨーク２ａおよび下部ヨーク３ａの積み厚さを高圧巻線５の外径寸法とほぼ同等な厚さに設定したことで、上部ヨーク２ａおよび下部ヨーク３ａは、漏洩磁束６はヨーク２ａ、３ａ側に大きく流れ、巻線４、５の径方向に流れる漏洩磁束６は大幅に減少する。

このように、第３の実施形態では、積み厚さ寸法の大きい上部ヨーク２ａおよび下部ヨーク３ａを設けることにより、巻線４、５の上端部および下端部における渦電流損失を低減化することができる。しかも、磁気材料である磁気シールド７ａ、７ｂおよび磁気シャント８を両方とも省くことができるので、構成の簡略化をいっそう進めることができる。

（４）他の実施形態
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、各構成部材の形状や配置などは適宜変更可能であり、例えば、上部ヨーク２および下部ヨーク３の凹んだ形状に嵌め込まれる磁気シャント８に関して、上部ヨーク２および下部ヨーク３側の凹部の形状に合致するものであれば、その形状は適宜変更可能であり、断面が階段状でなくても構わない。

また、磁気シャントの形状としては、短冊形状であってもよい。具体的には図５に示す実施形態のように、３脚鉄心を有した変圧器の場合であって、上部磁気シールド７ａの上部および下部磁気シールド７ｂの下部側に、短冊形状の相間磁気シャント９が設置されている。この実施形態では、前記第１の実施形態にて設けた磁気シャント８を有する必要はない。

図５に示した実施形態によっても、低圧巻線４と高圧巻線５に流れる負荷電流により生じる漏洩磁束６は、低圧巻線４または高圧巻線５の上端部および下端部において、透磁率の大きい材料で構成されている磁気シールド７ａ、７ｂを通り、短冊形状の相間磁気シャント９に流れる。したがって、径方向に流れる磁束が大幅に減少し、巻線４、５の上端部および下端部にて生じる渦電流損失を低減することができる。

１…鉄心主脚
２、２ａ…上部ヨーク
３、３ａ…下部ヨーク
４…低圧巻線
５…高圧巻線
６…漏洩磁束
７ａ…上部磁気シールド
７ｂ…下部磁気シールド
８…磁気シャント
９…相間磁気シャント

Claims (5)

1. 鉄心主脚に複数の巻線を同心状に巻装し、前記鉄心主脚の上部および下部に上部ヨークおよび下部ヨークを配置した変圧器において、
   前記巻線の上端部と前記上部ヨークとの間および前記巻線の下端部と前記下部ヨークと間に、強磁性体で構成された磁気シールドが設置され、
   前記磁気シールドは前記巻線の径方向全周にわたって形成されたことを特徴とする変圧器。
2. 前記上部ヨークおよび前記下部ヨークの側面部に凹部が形成された時、前記凹部には強磁性体で構成された磁気シャントが取り付けられ、
   前記磁気シャントは、当該磁気シャントが前記上部ヨークおよび前記下部ヨークの前記凹部に取り付けられた時、前記上部ヨークおよび前記下部ヨークにおける前記磁気シールドとの対向する面が平坦となるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
3. 前記上部ヨークと前記磁気シールドとの間および前記下部ヨークと前記磁気シールドとの間に、強磁性体で構成された短冊形状の磁気シャントが設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の変圧器。
4. 前記上部ヨークおよび前記下部ヨークは、前記磁気シールドと対向する面が平坦になるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の変圧器。
5. 鉄心主脚に複数の巻線を同心状に巻装し、前記鉄心主脚の上部および下部に上部ヨークおよび下部ヨークを配置した変圧器において、
   前記上部ヨークおよび前記下部ヨークの積み厚さ寸法は両側ともに、前記低圧巻線および前記高圧巻線の外径寸法とほぼ同等な厚さ寸法に設定されたことを特徴とする変圧器。

Images