JP2012507161A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも一つのコア脚（２２）を備えた変圧器（１１）に係り、このコア脚の上に、３本の巻線（３２）が互いに隣り合わせに配置され、それらの巻線の送出部（２８，３０）は、互いに絶縁されるようにデザインされ、ここで、各巻線（３２）は、コアに近い低電圧巻線（３４）により形成され、各低電圧巻線には、対応する高電圧巻線（３６）がそれぞれ巻かれている。低電圧巻線（３４）の送出部（３０）は、巻線（３２）の互いに対する横方向の間隔が最小化されるように、軸方向にデザインされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも一つのコア肢を有する変圧器に係り、このコア肢の上に３本の巻線が互いに隣り合わせに配置され、これらの巻線の送出ラインは、互いから絶縁された状態で、それぞれ引き出されている。

電力コンバータ（即ち、整流器またはインバータ）のために必要な変圧器は、それぞれ、複数の巻線を有していて、それらの巻線は、低電圧巻線及び高電圧巻線から構成され、それぞれの２相または３相交流電圧を所望の電圧水準に変換するために使用される。

このようにして整流された電流は、規則的に、残留リップル、即ち、供給電圧が整流器により整流されそしてキャパシタにより平滑化された後、および／または、電圧調整器により低いレベルに減少された後に、当初の供給電圧のまだ残っている交流電圧成分を有している。

この残留リップルを更に減らすため、１２位相、１８位相及び２４位相の整流器回路が、しばしば使用されている。その結果として、平滑化キャパシタを完全に省略することが、しばしば可能である。他の大きな優位性は、実質的に正弦波形の入力電流、及び、その結果としての歪無効電力を備えた低い電源／変圧器負荷である。

巻くことがより複雑であって、且つ第二に、それぞれ同一のポール電圧を備えたデルタ巻線及びスター巻線を有している変圧器は、弱点を有している。この配置は、１２位相で３０度の位相シフトをもたらす。１８位相で２０度の位相シフト、または２４位相で１５度の位相シフトに対して、隣接する二つの位相が、対応して加えられなければならない。その結果として、要求される変圧器が、より一層複雑になる。その理由は、一本の完全な巻線、即ち、別個の送出ラインを備えた低電圧巻線及び高電圧巻線が、各位相に対してそれぞれ要求されるからである。

もし、そのような巻線が、共通の肢（limb）の上に互いに隣り合わせに配置されている場合、十分に大きい中間スペース（従って、巻線導体の要求される絶縁された引き出しために必要になるスペース）が、互いに隣り合わせに配置された巻線の間に設けられる必要がある。これは、これらの変圧器の対応する空間的広がりを、対応するスペース要求とともにもたらす。

しかしながら、それにより要求されるスペースは、しばしば、調達可能でなく、それは、かなりのスペース問題をもたらすか、あるいは、よりシンプルな回路変種のみを可能にし、後者の場合には、好ましくない残留リップルによる不都合、即ち交流電圧の残存分を伴う。

上記の従来技術に基づき、本発明の目的は、冒頭に挙げたタイプの変圧器であって、技術的な対策によりスペースのより効率の良い使用を可能にし、かくして、巻線の可能な最大数が、可能な最小の物理的な体積で配置されることを可能にする変圧器を提供することにある。

この目的は、本発明に基づき、請求項１の特徴部分により実現される。

従って、準備措置が、コアに近い低電圧巻線により形成される各巻線に対してなされ、この低電圧巻線は、その周りに巻かれた対応する高電圧巻線を、それぞれ有していて、この準備措置は、巻線の間の軸方向の距離が最小化されるため、且つ低電圧巻線の送出ラインが軸方向に引き出されるためである。この場合に、高電圧巻線の送出ラインは、常に、径方向に外側に引き出されることが可能である。

本発明に基づき提供されるスペース問題に対するソリューションは、かくして、３本の巻線の間の軸方向の距離を最小限まで減少させることにより実現され、これらの３本の巻線は、それぞれ、コア肢（core limb）の上に互いに隣り合わせに配置されていて、上記最小の距離は、巻線の間に要求される絶縁距離により、及び電気的な反応の結果としてもたらされる相互の影響により決定される。

これは、先と同様に、低電圧巻線の送出ラインが、径方向に引き出されることがないと言うことにより可能にされ、そのような径方向への引き出しは、巻線の間の軸方向の距離をかなり増大させることになる。これに対して、本発明によれば、低電圧巻線と高電圧巻線との間の領域内で、軸方向に、即ち巻線の軸に対して平行に巻線が引き出される。

この場合に、好ましくも、特に好ましいと判明したところによれば、軸方向に、即ち、巻線の軸または前記コア肢に対して平行に引き出された送出ラインに、絶縁として及び保護として、シュリンク・チューブがそれぞれ設けられる。この絶縁は、電気的な負荷に対応するやり方で、デザインされ、その負荷は、例えば、２ｋＶの定格電圧、２０ｋＶの試験電圧、及び、約５ＭＶＡのトータル電力に対して６０ｋＶの衝撃電圧であり、この絶縁は、好ましくは、少なくとも５ｍｍ（好ましくは６ｍｍ）絶縁厚さ（＝壁の厚さ）を有していて、それに導電体の厚さが加えられる。

設置に都合の良いデザインを実現するために、本発明の一つの好ましい実施形態は、低電圧巻線の送出ラインが、片側で前記コア肢に対して平行に引き出されることをもたらし、即ち、低電圧巻線の全ての電気的な接続が、このようにしてデザインされた変圧器の片側に配置される。

それに替わって、本発明の他の実施形態は、外側に配置された１本の低電圧巻線送出ラインが、片側に引き出され、他の２本の低電圧巻線送出ラインが、前記コア肢に対して軸方向に平行に反対側に引き出されることをもたらすことも可能であり。この改良は、特に、十分なスペースが利用可能であるときに考慮される。

電気的な及び機械的な性質に関する対称性の理由のために、円形の巻線形状が好ましい。もし、内側の低電圧巻線の送出ラインが、今や、軸方向に、即ち周囲に沿って巻線の軸に対して平行に、外側に引き出される場合には、不可避的に、周囲に欠陥が生じ、外側でその周りに巻かれた高電圧巻線の場合に、不可避的に、円形形状からの局所的な偏差を、例えば、卵形の巻線断面をもたらすことになる。

この場合には、既に、好ましいと判明しているところによれば、低電圧巻線の送出ラインが、周囲で、互いに対して１２０度オフセットされた状態で、前記コア肢に対して平行に引き出される。これは、少なくとも、巻線の外周を、凡そ均一化する。それと同時に、可能性のある相互の電気的な影響の危険性が、異なる低電圧巻線の送出ラインの、周囲での空間的な分布により、大幅に減少されることが可能である。

円形の形状の代わりに、言うまでもなく、矩形の形状または楕円形の形状が、本発明に基づくコイル断面のデザインために使用されることもまた可能である。しかしながら、この場合にも、可能な限り均一な巻線の幾何学的形態が、好ましくは、常に追求される。

全ての完全な巻線の、即ち、低電圧巻線及び高電圧巻線からなる巻線の、可能な限り均一な形状を得るために、本発明に基づく改良の一つの好ましい発展は、絶縁材料で作られたシェル状のスペーサが、部分的な巻線の間の領域内で、即ち低電圧巻線と高電圧巻線との間の領域内で、周囲の上に均一に分布された状態で配置されることをもたらす。

これらのスペーサは、巻線送出ラインにより占められていないスペースを満たすために使用され、かくして、追求される均一な形状からの、巻線の偏差を補償し、かくして、先ず第一に、好ましくない偏差が作り出されることを回避する。これらの絶縁シェルの厚さは、従って、送出ラインの厚さにほぼ対応する程度の厚さである。

巻線の間に配置されたシェル状のスペーサのそれぞれは、好ましくは、周囲で隣接する、間隔確保用のシェルの間に、それぞれ間隙が残るような幅を、周方向に有していて、この間隙の中に、関連する送出ラインが挿入されることが可能である。この場合には、そのような間隔確保用のシェルは、例えば、覆われずに残る領域（その幅は、３本の送出ラインの幅に対応している）が、三つの間隔を間隔確保用のシェルの場合に、もたらされるように、最大で外周の上を伸びる。

もし適切な場合には、これらの絶縁シェルは、モジュラー式にまたはビルディング・ブロックを使用して、デザインされても良く、その結果として、関連する送出ラインのそれぞれの位置は、巻線を作成する際、既に前もって決定される。

例えば、それぞれの送出ラインを片側に引き出すために、以下のような準備措置がなされても良く、即ち、巻線の外周（中間スペースが無い）が、それ自身の送出ラインから離れて、第一の巻線（接続側から最も遠い）のために設けられ、一つの中間スペース（それぞれ第一及び中央の送出ラインのための）が、次の、中央の巻線のために設けられ、そして、全部で三つの中間スペースが、第三の巻線（接続側に最も近い）のために設けられる。この場合には、それぞれ設けられた中間スペースは、隣接する巻線の間の対応する中間スペースに対して揃えられる。

本発明の他の好ましい改良によれば、冷却チャネルのための間隙が、それぞれの低電圧巻線の送出ラインのために、中間スペースに対して平行なシェル状のスペーサの中に設けられても良く、この冷却チャネルを通って、ガス、例えば空気、または他の流体が、冷媒として流れまたは循環する。

他の好ましい変形例の実施形態によれば、完全な巻線を、即ち、低電圧巻線と高電圧巻線から形成された巻線を、送出ラインの絶縁とともに、合成樹脂に埋め込むことが、適切であることが判明していて、その結果、完全な巻き付けが終了した後、個々の巻線の損傷または欠陥を処理する必要が無くなる。

原則的に、本発明に基づく変圧器は、３本またはそれ以上のコア肢を有していても良く、これらのコア肢には、それぞれ、互いに隣り合わせに配置された３本またはそれ以上の（例えば４本の）低電圧巻線、及び低電圧巻線の上に巻かれた高電圧巻線が設けられ、それらの肢の端部は、ヨークによりそれぞれ接続される。この場合には、個々のコア肢を、共通の平面の中に互いに隣り合わせに配置することが好ましいことが判明している。

それぞれのコア肢に対して、４本またはそれ以上の巻線がある場合には、送出ラインは、既に以上において説明されたように、それぞれの低電圧巻線の周囲で、同様にサイドに引き出され、正確に言えば、例えば、片側のみまたは両側に対称的に引き出される。

従属請求項は、これらの及び更なる及び本発明の好ましい改良及び改善に係る。

図１は、従来技術に基づく、従来の巻線配置を有する変圧器の、側面からの模式図を示している。 図２は、本発明に基づく、３本の巻線を備えた変圧器を示していて、これらの巻線は、コア肢の上に互いに隣り合わせに配置されている。 図３は、図２の中の切断線Ａ−Ａによる、巻線の断面を示していて、引き出された低電圧巻線の送出ラインを備えている。

本発明、好ましい本発明の改善及び改良、並びに本発明の特別な優位性が、添付図面に示された本発明の代表的な実施形態を使用して、より詳細に説明され且つ記載されるように意図されている。

図１は、例えば、整流器またはインバータでの使用のための、変圧器１０の側面からの模式図を示していて、この変圧器は、従来技術に基づき、巻線１から９の従来の配置で形成され、この変圧器の中で、３本の巻線１２が、それぞれ、共通のコア肢の上に互いに隣り合わせに配置されている。全部で３本のコア肢２２が設けられ、それらは、それぞれ、それらの周りに巻かれた巻線１２（１から９の参照符号が付された）を有している。これらの巻線１２は、それぞれ、低電圧巻線１４、及び低電圧巻線に径方向に隣接する高電圧巻線１６から構成されている。

図１に示された従来技術からの例において、変圧器のコアの構造は、３本のコア肢２２から構成され、それらは互いに平行に配置され、且つその端部で、連続するヨーク２４が、それぞれ、磁気回路を閉じている。

この場合には、それぞれコア肢２２の上に配置された巻線１２の相互の距離は、低電圧巻線１４の送出ライン２０（低電圧巻線の間から径方向に引き出され）のための十分な絶縁が確保されるような距離である。高電圧巻線１６の送出ライン１８は、各巻線１２の外周の上で、同様に径方向に引き出される。

しかしながら、このデザインは、省スペース性が余り良くなく、そのような変圧器のために、かなりの量のスペースが要求される。スペースは、一般的に乏しく、そして、しばしば十分に利用されている。そのため、そのような変圧器のためのより小さい寸法に対する緊急の要望がある。

これが、変圧器１１に係る本発明の出発点であって、この変圧器は、図２の中の、側面からの模式図に同様に示されている。

図２に示された変圧器１１は、同様に、整流器および／またはインバータに対して使用されるように意図されていて、従って、同様に、全部で９本の巻線３２を有していて、それらの巻線は、同様に、即ち変圧器１０と同一のやり方で、図１に示され、参照符号１から９が付けられている。

３本の巻線３２のそれぞれは、それぞれ互いに隣り合わせに配置され、低電圧巻線３４、及び低電圧巻線の外側に径方向に巻かれた高電圧巻線３６から構成され、それらの中心を通って、コア肢２２が到達し、このコア肢は、その両端でヨーク２４に機械的に接続され、かくして、磁気回路を閉じる。

この場合にもまた、高電圧巻線３６の送出ライン２８は、それぞれ、外側で径方向に引き出され、これに対して、低電圧巻線３４の送出ライン３０は、それぞれ、その周囲で、片側に軸方向に引き出され、即ち、その巻線の軸に平行に引き出され、即ち、低電圧巻線３４と高電圧巻線３６との間の領域内で、変圧器１１のコア肢２２の広がりの方向に対して平行に引き出されている。

図３は、図２の中の切断線Ａ−Ａに沿った巻線３２の断面の断面図を示していて、この図２の中に、低電圧巻線３４と高電圧巻線３６との間の上述の領域が、環状の間隙３５の形態で見えている。

この領域は、環状の間隙３５と呼ばれていて、この領域の中に送出ライン３０が引き出されている。この領域は、二つの部分巻線の間の、即ち、異なる電圧レベルの低電圧巻線３４と高電圧巻線３６の間の、電気的な絶縁の理由のために既に要求されている。それに加えて、送出ライン３０もまた、他の巻線３２から絶縁されなければならない。これは、少なくとも２０ｍｍの環状の間隙３５の高さをもたらし、この間隙の中に、送出ライン３０が伸び、そして、この間隙の残りの部分は、スペーサ３８の形態の絶縁材料で満たされている。

本発明によれば、巻線３２の低電圧巻線３４のそれぞれの送出ライン３０は、共通のコア肢の上に互いに隣り合わせに配置されていて、上記環状の間隙３５の中に軸方向に引き出されている。それについては、図３により詳細に示されている。

図２の中に明瞭に示されているように、巻線の軸に対して軸方向に平行な、即ちコア肢２２の長手方向の軸に対して平行な送出ライン３０の本発明の配置のために、巻線３２の間の横方向の距離をかなり減少させることが可能であり、この配置は、本発明によれば、従来技術の、同一の性能を備えた従来の変圧器１０と比較して、かなり小さい幅の変圧器１１をもたらす。

既に述べたように、図３は、図２の中に示された切断線Ａ−Ａに沿う、巻線３２の断面図を示している。この図は、先ず第一に、中央のコア２２の周りの低電圧巻線３４を示している。同様に既に説明され、且つ環状の間隙３５と呼ばれる領域は、前記巻線に隣接していて、低電圧巻線３４の軸方向に伸びる送出ライン３０は、前記領域の周囲に、約１２０度の角度のオフセットで配置されている。

更にまた、スペーサ３８が環状の間隙３５の中に設けられていて、これらのスペーサは、低電圧巻線３４と高電圧巻線３５を互いから電気的に分離するために、且つ、巻線３２の円形形状を得るために使用される。同時に、冷却流体のための軸方向に伸びるチャネル４０もまた、環状の間隙３５の中に配置され、この冷却流体が、その中を流れ、その過程で、巻線３２の電流負荷からもたらされる熱を吸収する。

１０…変圧器、１１…変圧器、１２…巻線、１４…低電圧巻線、１６…高電圧巻線、１８…高電圧送出ライン、２０…低電圧送出ライン、２２…コア肢、２４…ヨーク、２８…高電圧送出ライン、３０…低電圧送出ライン、３２…巻線、３４…低電圧巻線、３５…環状の間隙、３６…高電圧巻線、３８…スペーサ、４０…冷却チャネル。

Claims (11)

1. 少なくとも一つのコア肢（２２）を有する変圧器（１１）であって、
   このコア肢の上に、３本の巻線（３２）が互いに隣り合わせに配置され、
   これらの巻線の送出ライン（２８，３０）は、互いから絶縁された状態で、それぞれ引き出された、
   変圧器において、
   各巻線（３２）は、コアに近い低電圧巻線（３４）により形成され、且つ、その周りに巻かれた対応する高電圧巻線（３６）をそれぞれ有していること、及び、
   低電圧巻線（３４）の送出ライン（３０）が軸方向に引き出され、その結果、巻線（３２）の間の横方向の距離が最小化されること、
   を特徴とする変圧器。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の変圧器、
   低電圧巻線（３４）の送出ライン（３０）は、低電圧巻線（３４）と高電圧巻線（３６）との間の領域（３５）内で、前記コア肢（２２）に対して平行にそれぞれ引き出されている。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載の変圧器、
   低電圧巻線（３４）の送出ライン（３０）は、その周囲で、互いに対して１２０度オフセットされた状態で、前記コア肢（２２）に対して平行に引き出されている。
4. 下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載の変圧器、
   低電圧巻線（３４）の送出ライン（３０）は、片側で、前記コア肢（２２）に対して平行に引き出されている。
5. 下記特徴を有する請求項１から４の何れか１項に記載の変圧器、
   ヨークの近くに配置された一本の低電圧巻線（３４）の送出ライン（３０）は、片側に引き出され、
   他の二本の低電圧巻線（３４）の送出ライン（３０）は、その反対側で、前記コア肢（２２）に対して軸方向に平行に引き出されている。
6. 下記特徴を有する請求項１から４の何れか１項に記載の変圧器、
   前記コア肢（２２）に対して軸方向に平行に引き出された送出ライン（３０）には、それぞれ、シュリンク・チューブが設けられている。
7. 下記特徴を有する請求項１から５の何れか１項に記載の変圧器、
   シェル状のスペーサ（３８）が、低電圧巻線（３４）と、その周りを取り囲む高電圧巻線（３６）との間に挿入され、
   このスペーサの径方向の寸法は、送出ライン（３０）の厚さにほぼ対応し、
   このスペーサは、このようにして、低電圧巻線（３４）と高電圧巻線（３６）との間に環状の間隙（３５）を作り出す。
8. 下記特徴を有する請求項７に記載の変圧器、
   軸方向に平行な自由間隙が、低電圧巻線（３４）と高電圧巻線（３６）の間に挿入された前記シェル状のスペーサ（３８）のそれぞれの間に、送出ライン（３０）のために残されている。
9. 下記特徴を有する請求項７または８に記載の変圧器、
   低電圧巻線（３４）と高電圧巻線（３６）の間に挿入された前記シェル状のスペーサ（３８）のそれぞれは、１２０度未満の角度範囲に亘って広がるような幅を有している。
10. 下記特徴を有する請求項１から９の何れか１項に記載の変圧器、
    冷却流体が中を流れるための少なくとも一つのチャネル（４０）が、前記環状の間隙（３５）の中に設けられている。
11. 下記特徴を有する請求項１から１０の何れか１項に記載の変圧器、
    それぞれ３本の巻線（３２）が設けられた３本のコア肢（２２）が設けられ、これらの巻線は、互いに隣り合わせに配置され、且つ低電圧巻線（３４）及び高電圧巻線から形成され、これらの肢の端部は、ヨーク（２４）により、両側でそれぞれ接続されている。

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