JP2012248673A - 変圧器用コイルおよびそれを用いた変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を招くことなく電気的ノイズの伝播を抑制する変圧器用コイルおよびそれを用いた変圧器を提供する。
【解決手段】実施形態の変圧器用コイルは、１／２電圧を出力する中間口出しを備えた変圧器用コイルであって、複数の薄板状の導体を互いの間を絶縁しながら同心的に巻回し、これらの導体が直列につながるように互いの巻始め端と巻終り端とを接続し、そのうち直接接続された２つの導体を出力端子として用いる。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、変圧器用コイルおよびそれを用いた変圧器に関する。

例えばインバータ装置などのパワーエレクトロニクス機器は、スイッチングサージやＰＷＭ制御時のキャリア周波数およびその側帯波成分からなる高周波成分等の電気的ノイズを発生する。このような電気的ノイズがパワーエレクトロニクス機器に接続されている電源系統に流出すると、その電源系統に接続された他の機器の誤動作などを招く要因となる。そのため、パワーエレクトロニクス機器に交流電源を供給する変圧器において電気的ノイズの低減が図られている。

特開２００６−２９４８０３号公報

本発明が解決しようとする課題は、大型化を招くことなく電気的ノイズの伝播を抑制する変圧器用コイルおよびそれを用いた変圧器を提供することである。

実施形態の変圧器用コイルは、１／２電圧を出力する中間口出しを備えた変圧器用コイルであって、複数の薄板状の導体を互いの間を絶縁しながら同心的に巻回し、これらの導体が直列につながるように互いの巻始め端と巻終り端とを接続し、そのうち直接接続された２つの導体を出力端子として用いる。

第１実施形態の変圧器用コイルを適用した内接三角結線変圧器の全体構成を模式的に示す図 第１実施形態の変圧器用コイルの構成を模式的に示す図 第１実施形態の図２のＩＩＩ領域を示す図 第１実施形態の変圧器用コイルの出力端子の配置を示す図 第２実施形態による図４相当図 第３実施形態による図２相当図

以下、変圧器用コイルおよびそれを用いた変圧器の複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態による変圧器用コイルおよびそれを用いた変圧器について、図１から図４を参照しながら説明する。第１実施形態では、変圧器として内接三角結線変圧器を想定している。

図１に示すように、内接三角結線変圧器１は、三相三脚の積層鉄心２、および複数相（本実施形態では三相）のコイル３、４、５を備えている。積層鉄心２は、例えばケイ素鋼板を積層して形成されており、三本（三相分）の脚部６と、それらの脚部６を接続する二本の継鉄部７とを有している。脚部６は、継鉄部７の両端部および中央部にて二本の継鉄部７を接続している。具体的には、積層鉄心２は、継鉄部７の図１の図示左右方向の両端部に配置されている各脚部６と中央部の脚部６とにより、各継鉄部７を接合して形成されている。この積層鉄心２は、左右の脚部６と継鉄部７との接合部が概ね４５度に形成されたいわゆる額縁型に形成されているとともに、中央の脚部６と各継鉄部７との接合部がＶ字状をなすいわゆるＶノッチ型に形成されている。なお、積層鉄心２の構成は上記したものに限らず、いわゆる短冊形などであってもよい。

コイル３は一次コイル３１と二次コイル３２とを備え、コイル４は一次コイル４１と二次コイル４２とを備え、コイル５は一次コイル５１と二次コイル５２とを備えている。一次コイル３１、４１、５１は、導体を巻回して形成されており、図示しない商用電源から交流電圧が印加される。なお、一次コイル３１、４１、５１の構成は周知のものと同様であるので、詳細な説明は省略する。

二次コイル３２、４２、５２は、図２に示すように、複数（本実施形態では３つ）の導体としての第一導体１１、第二導体１２および第三導体１３を備えている。なお、各二次コイル３２、４２、５２の構成は共通であるので、以下では二次コイル３２を例にして説明する。各導体１１、１２、１３は、相互間に図示しない絶縁シートを介して同心状に巻回されている。この図２では、第一導体１１を一点鎖線で示し、第二導体１２を太い実線で示し、第三導体１３を破線で示している。以下、第一導体１１、第二導体１２および第三導体１３を総称して、符号を付さず単に各導体とも称する。各導体は、銅やアルミニウム製の薄板などによりシート状に形成され、それぞれの巻始め端１１ａ、１２ａ、１３ａと隣接する導体の巻終り端１１ｂ、１２ｂ、１３ｂとが接続されている。具体的には、第一導体１１の巻始め端１１ａと第二導体１２の巻終り端１２ｂとが接続され、第二導体１２の巻始め端１２ａと第三導体１３の巻終り端１３ｂとが接続されている。つまり、各導体は、直列につながるように互いに接続されている。なお、第一導体１１については、巻終り端１１ｂは開放状態（未接続状態）となっている。

また、二次コイル３２は、出力端子としての端子１４、端子１５および端子１６を備えている。これらのうち、端子１４は第二導体１２の巻始め端１２ａと第三導体１３の巻終り端１３ｂとに接続され、端子１５は第一導体１１の巻始め端１１ａと第二導体１２の巻終り端１２ｂとに接続され、端子１６は第三導体１３の巻始め端１３ａに接続されている。つまり、端子１４および端子１５は、直列的に直接接続されている２つの導体（例えば端子１４の場合には第二導体１２および第三導体１３の２つ）において、それらの導体の接続部分に設けられている。また、端子１６は、直接接続されている２つの導体である第二導体１２および第三導体１３のうち、第三導体１３の端部に設けられている。そして、端子１４が、端子１５と端子１６との間に出力される出力電圧（端子間電圧）の１／２電圧を出力する出力端子である中間口出しに相当する。つまり、二次コイル３２では、直接接続されている２つの導体を出力端子として用いており、それらの各導体に出力端子が設けられている。これらの二次コイル３２、４２、５２が、本実施形態における変圧器用コイルに相当する。

二次コイル３２は、各導体の巻回数をｎとし、１巻回当たりに誘起される電圧を１とした場合、各導体間に静電容量Ｃｋが生じる。また、各導体間には、巻回数に応じて図３に示した値（０、ｎ、ｎ＋１など）の電圧が誘起され、数値の差に応じた電位差に相当する導体間電圧Ｖｋが生じる。この場合、各導体間に蓄えることができる静電エネルギーＥｋは、以下の（１）式で表される。

但し、本実施形態ではｋ＝１、２、３
ｋ＝１：第一導体１１と第二導体１２間の電位差Ｖ_１＝ｎ−０＝ｎ、静電容量Ｃ_１
ｋ＝２：第二導体１２と第三導体１３間の電位差Ｖ_２＝２ｎ−ｎ＝ｎ、静電容量Ｃ_２
ｋ＝３：第三導体１３と第一導体１１間の電位差Ｖ_３＝２ｎ−（−１）＝２ｎ＋１、静電容量Ｃ_３

また、各導体全体が蓄える静電エネルギー、すなわち、二次コイル３２において蓄えることができる静電エネルギーＥ_０は、以下の（２）式のように、各導体間に蓄えられる静電エネルギーＥｋの総和として表される。

そして、二次コイル３２のそれぞれの静電容量Ｃ_０は、端子１５と端子１６との間の電位差（端子間電圧）をＶ_０とすると、以下の（３）式で表される。

このように、二次コイル３２の静電容量Ｃ_０は、各導体間の電位差である導体間電圧Ｖｋの２乗に比例して大きくなる。そして、複数の導体（１１，１２、１３）を巻回して形成した二次コイル３２は、単一の導体を巻回して構成されたコイル（以下、便宜的に単一巻回コイルと称する）と比較すると、導体間電圧Ｖｋが大きくなる。このため、二次コイル３２は、出力端子間に蓄えられる静電エネルギーＥ_０が、単一巻回コイルが蓄える静電エネルギーよりも増加する。その結果、二次コイル３２の静電容量Ｃ_０、換言すると、商用電源から供給される高周波電圧を短絡する静電容量Ｃ_０が増加する。これにより、二次コイル３２は、電気的ノイズを効果的に低減することができるようになる。また、本実施形態の二次コイル３２、４２、５２は、単相１０５Ｖの出力端子間、すなわち、端子１４と端子１５との間および端子１４と端子１６との間のそれぞれの磁気結合が密になり、単三平衡度を小さく（電圧のバランスをよく）することができる。なお、二次コイル４２、５２においても同様である。

ところで、二次コイル３２は、端子１５と端子１６との間の端子間電圧をＶ_０とした場合（図３において端子１６の２ｎ＝Ｖ_０とした場合）、端子１５と端子１４間および端子１４と端子１６間には、その半分の１／２Ｖ_０の電圧が出力される。この場合、上記したように第一導体１１と第二導体１２間の電位差Ｖ_１はｎ（＝１／２Ｖ_０）となり、第二導体１２と第三導体１３間の電位差Ｖ_２はｎ（＝１／２Ｖ_０）となり、第三導体１３と第一導体１１間の電位差Ｖ_３は２ｎ＋１（＝約Ｖ_０）となる。つまり、本実施形態の場合、二次コイル３２、４２、５２における各導体間の電位差は、最大で約Ｖ_０になっている。このため、このような二次コイル３２、４２、５２を図４および図１に示す内接三角結線変圧器１の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に用いた場合、以下に説明するように、絶縁シートおよび変圧器そのものを小型化することができる。

すなわち、内接三角結線変圧器１においては、二次コイル３２はＵ相、二次コイル４２はＶ相、二次コイル５２はＷ相に設けられており、二次コイル３２、４２、５２は内接三角結線により接続されている。この場合、端子間電圧Ｖ_０を２１０Ｖとすると、端子Ｕ１と端子Ｖ１との間、端子Ｖ１と端子Ｗ１との間、および端子Ｗ１と端子Ｕ１との間には、それぞれ２１０Ｖの電圧が出力される。一方、端子Ｕ１と端子Ｕ２との間、端子Ｖ１と端子Ｖ２との間、端子Ｗ１と端子Ｗ２との間には、端子間電圧Ｖ_０の１／２である１０５Ｖがそれぞれ出力される。

この場合、上記したように導体間電圧Ｖｋが最大で約２１０Ｖ程度であることから、各二次コイル３２、４２、５２に設けられている図示しない絶縁シートは、２１０Ｖ程度の絶縁耐性をもつものを利用することができる。ここで、比較例として中間口出しを設けずに静電容量を大きくした構成のコイル、すなわち、端子１４と端子１５との間にｎ＝２１０Ｖを出力する構成のコイル（導体間電圧の最大値は２ｎ＋１＝約４２０Ｖ）と比べると、二次コイル３２、４２、５２の絶縁シートの絶縁耐圧は約１／２でよいことになる。そして、絶縁シートは、一般的に絶縁耐圧が下がる程薄く形成することができることから、二次コイル３２、４２、５２の薄型化、すなわち、二次コイル３２、４２、５２自体の小型化を図ることができる。

そして、内接三角結線変圧器１のように三相の脚部６に二次コイル３２、４２、５２を設けた場合、二次コイル３２，４２、５２を小型化できることから、内接三角結線変圧器１全体の小型化をも図ることができる。
また、中間口出し（端子１４）を備えた二次コイル３２、４２、５２は、導体間電圧Ｖｋの最大値が端子間電圧Ｖ_０とほぼ同じ２１０Ｖ程度であることから、部分放電が発生するおそれが少ないと考えられる。このように部分放電が発生するおそれを低減できる構成は、言わば内接三角結線変圧器１自体の絶縁特性が向上することと等価となり、変圧器の信頼性の向上につながるものである。

さて、このような内接三角結線変圧器１は、例えば図示しないインバータ装置などのパワーエレクトロニクス機器に接続される。内接三角結線変圧器１の一次コイル３１，４１、５１に商用電源電圧が印加されると、それぞれの二次コイル３２、４２、５２に交流電圧が誘起され、この交流電圧が例えばインバータ装置に供給される。このインバータ装置は、例えば図示しない回転電機などを制御するものであり、インバータ主回路がＰＷＭ制御されることにより発生するスイッチングサージや高周波成分等の電気的ノイズを発生する。そして、発生した電気的ノイズが内接三角結線変圧器１側に出力される。

このような状況において、電気的ノイズは、二次コイル３２、４２、５２の等価的な静電容量Ｃ_０により短絡されて減衰する。これにより、二次コイル３２、４２、５２を介して一次コイル３１、４１、５１に電気的ノイズが伝播することが抑制される。また、逆に、商用電源側からの電気的ノイズが一次コイル３１、４１、５１を介して二次コイル３２、４２、５２に伝播されたとしても、その電気的ノイズは、二次コイル３２、４２、５２の等価的な静電容量Ｃ_０により短絡されて減衰する。これにより、インバータ装置側には、商用電源からの電気的ノイズも伝播されることがない。このように、本実施形態による変圧器用コイルである二次コイル３２、４２、５２を用いた内接三角結線変圧器１は、コンデンサやリアクトルなどの大型の電気部品を組合せたノイズフィルタを用いることなく、パワーエレクトロニクス機器側から商用電源側への電気的ノイズの伝播、および、商用電源側からパワーエレクトロニクス機器側への電気的ノイズの伝播の双方を抑制することができる。

（第２実施形態、第３実施形態）
以下、第２実施形態および第３実施形態による変圧器用コイルを用いた変圧器について、図５および図６を参照しながら説明する。第２実施形態および第３実施形態では、鉄心に設ける変圧器用コイルの数が第１実施形態の内接三角結線変圧器１と異なっている。

図５に示すように、第２実施形態の変圧器は、三相２１０Ｖの商用電源から電灯用の単相１０５Ｖの出力および動力用の三相２１０Ｖの出力を取り出す構成の動力／電灯用変圧器１００である。この動力／電灯用変圧器１００は、端子Ｕと端子Ｏとの間および端子Ｏと端子Ｖとの間には単相１０５Ｖが出力され、端子Ｕと端子Ｖとの間、端子Ｖと端子Ｗとの間および端子Ｗと端子Ｕとの間には三相２１０Ｖが出力される。このような構成の場合であっても、Ｕ相の二次コイル３２を第１実施形態と同様の構成とすることにより、電気的ノイズの電波を抑制しつつ、動力／電灯用変圧器１００自体の小型化を図ることができる。

また、図６に示すように、第３実施形態の変圧器は、三相２１０Ｖの商用電源から単相１０５Ｖの出力を取り出す構成の単相三線用変圧器２００である。この単相三線用変圧器２００は、積層鉄心２の二相分（Ｕ相およびＶ相）の脚部６に、変圧器用コイルとしての二次コイル３２、４２が設けられている。なお、図６では一次コイル３１、４１、５１の図示を省略している。二次コイル３２、４２は、脚部６（図１参照）に対して、幾何学的な配置が互いに対称になるように配置されている。このため、Ｕ相およびＶ相の電圧のバランスを向上させることができる。

このように、三本の脚部６のうち１本（一相分）または２本（二相分）に変圧器用コイルとしての二次コイル３２（および二次コイル４２）を設けた構成であっても、変圧器用コイル（二次コイル３２、４２）や変圧器（動力／電灯用変圧器１００、単相三線用変圧器２００）自体の大型化を招くことなく、負荷装置である電灯やパワーエレクトロニクス機器などと商用電源との間の電気的ノイズの伝播を抑制することができる。

（その他の実施形態）
各実施形態では３つの導体を巻回して二次コイル３２、４２、５２を形成したが、４つ以上の導体を相互間に絶縁シートを介して同心状に巻回することにより二次コイルを形成してもよい。
端子１６を第三導体１３の巻始め端１３ａに設け、第一導体１１の巻終り端１１ｂを開放状態としたが、端子１６を第一導体１１の巻終り端１１ｂに設け、第三導体１３の巻始め端１３ａを開放状態とする構成としてもよい。

負荷装置であるパワーエレクトロニクス機器の例としてインバータ装置を示したが、パワーエレクトロニクス機器の種類はこれに限定されない。
実施形態の変圧器用コイルは、１／２電圧を出力する中間口出しを備え、複数の薄板状の導体を互いの間を絶縁しながら同心的に巻回し、これらの導体が直列につながるように互いの巻始め端と巻終り端とを接続し、そのうち直接接続された２つの導体に出力端子を設ける。これにより、導体間にかかる電位差の最大値を抑制することが可能となり、導体間に設けられる絶縁材の小型あるいは薄型のものを採用できる。したがって、大型化を招くことなく電気的ノイズの伝播を抑制することができる。また、この変圧器用コイルを用いることにより、変圧器の大型化を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は内接三角結線変圧器、２は積層鉄心（鉄心）、６は脚部、１１は第一導体（導体）、１２は第二導体（導体）、１３は第三導体（導体）、１１ａ、１２ａ、１３ａは巻始め端、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは巻終り端、１００は動力／電灯用変圧器、２００は単相三線用変圧器を示す。

Claims (4)

1. １／２電圧を出力する中間口出しを備えた変圧器用コイルであって、
   複数の薄板状の導体を互いの間を絶縁しながら同心的に巻回し、これらの前記導体が直列につながるように互いの巻始め端と巻終り端とを接続し、そのうち直接接続された２つの前記導体を出力端子として用いることを特徴とする変圧器用コイル。
2. 請求項１記載の変圧器用コイルを、三相の脚部を有する鉄心のそれぞれの前記脚部に設けたことを特徴とする内接三角結線変圧器。
3. 請求項１記載の変圧器用コイルを、三相の脚部を有する鉄心の少なくとも一相の前記脚部に設け、単相三線用に使用することを特徴とする動力／電灯用変圧器。
4. 請求項１記載の変圧器用コイルを、三相の脚部を有する鉄心の二相の前記脚部に設けたことを特徴とする単相三線用変圧器。

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