JP2015185736A

JP2015185736A - 変圧器

Info

Publication number: JP2015185736A
Application number: JP2014061749A
Authority: JP
Inventors: 福井　健二; Kenji Fukui; 健二福井; 北村　徹; Toru Kitamura; 徹北村; 敏広野田; Toshihiro Noda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-22

Abstract

【課題】変圧器の体格を大きくすることなく、鉄心とコイルの両方から発生する振動・騒音を低減することを目的とする。
【解決手段】鉄心２およびコイル３を絶縁油９とともに収納するタンク１の上部に絶縁油９の体積変化を吸収するコンサベータ５を設けた変圧器であって、前記鉄心２および前記コイル３と前記コンサベータ５との間の前記絶縁油９で満たされた領域に、前記鉄心２および前記コイル３が生じる磁励音または励磁振動の周波数で共振する振動板１０を設けた．
【選択図】図１

Description

本発明は変圧器に関するものである。

特許文献１の図１には鉄心およびコイルを絶縁油とともに収納するタンクの上面部に絶縁油の体積変化を吸収するコンサベータを設けた変圧器が示されている。コンサベータは鉄心を収納するタンクの上面を底板として設けられる。絶縁油はタンクの上面に形成された孔を通じてタンクとコンサベータとの間を移動する。

変圧器では、鉄心の磁気歪が原因で発生する振動、騒音と、コイルの電磁力が原因で発生する振動、騒音と、が知られている。これに対して、特許文献２には、変圧器のタンクの側板の上の遮音板に所定のばね定数をもつ薄板に重量体を配設した動吸振器を取り付けて振動、騒音を低減する方法が示されている。また、特許文献３には鉄心の継鉄部を締め付ける締付金具に付加質量を取り付けて、付加質量により騒音エネルギーを吸収させた変圧器が示されている。

実公平１−１３３９１号公報特開昭５９−１６９１１９号公報特開平８−４５７５１号公報

特許文献２のような変圧器では、タンクに振動、騒音を低減するための構造を側面に取付けることで、鉄心とコイルの両方から生じる振動・騒音に対して効果が得られるが、変圧器全体の体格が大きくなるという問題点があった。また、特許文献２のような変圧器では、振動、騒音を低減するための構造を鉄心に取付けているため、鉄心から生じる振動・騒音に対しては低減効果が得られたが、コイルから生じる振動・騒音に対しては低減効果が得られにくいという問題点があった。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、変圧器の体格を大きくすることなく、鉄心とコイルの両方から発生する振動・騒音を低減することを目的とする。

本発明の変圧器は、鉄心およびコイルを絶縁油とともに収納するタンクの上部に絶縁油の体積変化を吸収するコンサベータを設けた変圧器であって、前記鉄心および前記コイルと前記コンサベータとの間の前記絶縁油で満たされた領域に、前記鉄心および前記コイルが生じる磁励音または励磁振動の周波数で共振する振動板を設けたことを特徴とする。

鉄心およびコイルとコンサベータとの間の絶縁油で満たされた領域に、鉄心およびコイルが生じる磁励音または励磁振動の周波数で共振する振動板を設けたことにより、変圧器の体格を大きくすることなく、鉄心とコイルの両方から発生する振動・騒音を低減することができる。

本発明の実施の形態１の変圧器の構造を示す断面図である。本発明の実施の形態１の変圧器の構造を示す上面図である。本発明の実施の形態１の振動板の効果を説明する特性図である。本発明の実施の形態１の変圧器の構造の変形例を示す上面図である。本発明の実施の形態２の変圧器の構造を示す上面図である。本発明の実施の形態３の変圧器の構造を示す上面図である。本発明の実施の形態３の変圧器の変形例の構造を示す上面図である。本発明の実施の形態４の変圧器の構造を示す断面図である。本発明の実施の形態５の変圧器の構造を示す断面図である。本実施の形態５の変圧器の変形例の構造を示す断面図である。

以下に、本発明に係る変圧器の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。技術的な矛盾が生じない範囲で、ある実施の形態で述べた構成の一部と別の実施の形態で述べた構成とを組み合わせてもよい。また、図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。さらに、実施の形態において同じ構成要素は同じ符号を付し、ある実施の形態において説明した構成要素については、別の実施の形態においてその詳細な説明を略すものとする。

＜実施の形態１＞
図１は本実施の形態１の変圧器１００の構造を示す断面図である。変圧器１００は鉄心２およびコイル３を絶縁油９とともに収納するタンク１を有している。鉄心２およびコイル３はタンク１に直接接しないように絶縁スペーサ４を介してタンク１に締め付けられ固定されている。タンク１内のコイル３には図示しない入力用の電線および出力用の電線によってタンク１外からが電流が入出力される。鉄心２には入力用および出力用のコイル３が巻かれ、入力用の電線から入力用のコイル３に流された交流電流によって鉄心２内に磁束が励起され、この磁束によって出力用のコイル３に電流が発生して出力用の電線から出力される。入力用のコイル３と出力用のコイル３との巻き数の違いによって、入力された電流は入力電圧と異なる電圧に変換されて出力される。

変圧器１００の上部には絶縁油９の体積変化を吸収するコンサベータ５が設けられている。コイル３に流れる電流で発生するジュール熱、また鉄心２内で生じる渦電流および磁気ヒステリシスで発生する熱により、変圧器の内部温度は変化する。タンク１内を満たすシリコーン油、鉱油などの絶縁油９の熱膨張係数はステンレスなどの金属からなるタンク１に比べて大きい。従って、タンク１内で発生する熱、または外部温度の変化による絶縁油９の熱膨張による体積変化はタンク１の体積変化よりも大きい。タンク１は密閉された構造であるため、絶縁油９の体積変化はタンク１の変形、絶縁油９の漏えいの原因となる。そこで、本実施の形態１ではコンサベータ５で絶縁油９の体積変化を吸収し、この問題を解決している。

コンサベータ５は絶縁油９の体積変化を吸収し、かつ、絶縁油９が外気と接して劣化することを防止するものである。一般に、コンサベータ５は変形が容易な膜、薄板等により絶縁油９と空気とを仕切る構造を有し、膜、薄板等に絶縁油９の重さがかからないようにタンク１内の最上部に設置される。本実施の形態１のコンサベータ５は天板６とベローズ７を取りつけた薄板（以下、ベローズ部と省略する）で構成される。ベローズ７および薄板はステンレス板などからなる。タンク１に設けた開口部にベローズ部が内側となるようにして天板６を取り付け、天板６によって開口部を閉じた構造である。従って、コンサベータ５の天板６はタンク１の上部の一部を構成する。ベローズ部と天板６との間には空気８が満たされ、ベローズ部により絶縁油９とは空気８から遮断されている。ベローズ部と天板６との間の空気８の体積が変化することによりベローズ７が伸縮して、絶縁油９の体積変化を吸収する。空気８は絶縁油９よりも圧力変化による体積変化が容易であるため、ベローズ部と天板６との間の空気８は密閉された構造としてもよいが、天板６に図示しない穴を設けて空気８がタンク外の空気と流通し、空気８が常に大気圧に保たれるようにしてもよい。また、変形が容易な構造としてベローズ７を用いたが、体積変化が容易な構造であれば必ずしもベローズでなくてもよい。

ベローズ部は接触しないように鉄心２およびコイル３から適度な距離離れて保持される。本実施の形態１ではベローズ部と鉄心２およびコイル３との間の絶縁油９で満たされた領域に、振動板１０を設けた。この振動板１０はタンク１の内壁に固定され、タンク１の壁から伝わる振動によって受動的に振動する板である。振動板１０は、その形状、サイズ、材質特性、質量などによって決まる固有振動数を有し、タンク１から伝わった振動のエネルギーによって固有振動数で共振する。振動板１０は弾性がある耐熱性の材料で構成されるとよく、タンク１を構成するのと同様の金属を用いてもよい。タンク１への固定は溶接、接着、ねじ止めなどの方法で行うことができる。

図２は本実施の形態１の変圧器の構造を示す上面図であり、コンサベータ５を取り外して振動板１０が見える状態とした図である。この振動板１０はその周囲がタンク１に固定されている。また、振動板１０の下側の鉄心２およびコイル３側から上側のコンサベータ５側に絶縁油９が流通するための穴１１が設けられている。振動板１０は板材１２と穴１１とで形成されている。本実施の形態１では穴１１を２本の平行なスリット状とした。スリット状の穴１１に挟まれてできた方形の部分は対向する２辺が固定され、他の対向する２辺が自由である、両端支持の四角形型振動部分となる。このように本実施の形態１は、振動板１０は周囲がタンク１の内壁に固定された板上に形成されている。また、その板は、絶縁油９が通過する穴１１を有し、その穴の形状によって振動板の振動部分が形成されている構成である。また、振動板１０の振動部分はコンサベータ５の直下にあり、振動板１０の主面がコンサベータ５に対向するように配置されている。

振動板１０の周囲は上述のように絶縁油９で満たされている。また、穴１１の開口面積は振動板１０の面積に対して非常に小さい。振動板１０が振動した際に、振動部分が上下に変位に伴って、コンサベータ５と振動板１０との間の体積が変化するが、絶縁油９が穴１１を上下に流通することでその体積変化が吸収される。絶縁油９は適度に粘性のある材料であるため、振動部分の上下変位に伴う絶縁油９の変位、および、小さい開口面積の穴１１を介した絶縁油９の流通は振動に対する粘性抵抗となり、振動を減衰する作用がある。このようにして、振動板１０に伝わったタンク１の振動が減衰するので振動板１０がタンク１の振動を吸収することができる。タンク１の内壁から伝わる騒音、振動だけでなく、すぐ下の鉄心２およびコイル３から絶縁油９を介して直接伝わる騒音、振動を吸収することもできる。

変圧器１００のコイル３に交流が流れた際に発生した磁界によって鉄心２が磁歪によりわずかに膨張、収縮する。その体積変化により鉄心２には振動が発生する。また、鉄心２には複数のコイル３が巻かれているため、コイル間に電磁力が発生する。このため、コイル３も磁力によって励起された振動を生じる。これらの振動は絶縁油９、絶縁スペーサ４などを通じてタンク１に伝わり、さらにタンク１から外部の空気、タンク１の固定箇所に伝わる。コイル３に流される交流が一定の周波数であり、上記のような磁力で励起された励磁振動の周波数が、人の耳に聞こえる周波数である場合には磁励音と呼ばれる騒音となる。通常、磁励音の周波数は交流の周波数の２倍となる。

振動板１０の固有振動数が、磁励音または励磁振動（以下、磁励音等と略す。）の周波数と同じ場合、振動板１０は磁励音等の周波数で共振し、そのエネルギーは絶縁油９の粘性によって減衰することができる。振動板１０の固有振動数は磁励音等の周波数と完全に同じである必要はない。本実施の形態１では振動板１０が磁励音等の周波数で共振するように振動板１０の材質、厚み、穴１１の形状を調整した。

本実施の形態１の振動部分を両端単純支持梁とみなすと、１次の固有振動数ｆ_１は以下の数１式にて求められる。

ここで、ｌは梁の長さ、Ｅは梁の縦弾性係数、Ｉは梁の断面二次モーメント、ρは梁の材料密度、Ａは梁の断面積である。本実施の形態１の場合は数１式より基本的な設計が可能である。なお、１次の固有振動数が磁励音等の周波数と一致することが最も望ましいが、高次の固有振動数が磁励音等の周波数と一致する場合でも、振動板１０が磁励音等の周波数で共振することが可能である。また、振動板１０全体が粘性のある絶縁油９で覆われているため、共振できる周波数帯域が広がり、タンク１内の温度変化で絶縁油９の粘性が変化した場合でも、振動のエネルギーを吸収することができる。

図３は本実施の形態１の振動板１０が振動を低減する効果を説明する特性図である。実線が振動板１０のある場合の応答倍率を示し、点線が振動板１０のない場合の応答倍率を示す。なお、応答倍率はタンク１の上部の取付け部の振動の振幅に対応する。低減したい周波数ｆ_０に振動板１０の振動周波数ｆ_１が一致するように、数１式を基に設計した振動板１０を設けることで、周波数ｆ_０における振動のエネルギーを吸収し、低減することができる。

以上のように、鉄心２およびコイル３とコンサベータ５との間の絶縁油９で満たされた領域に、鉄心２およびコイル３が生じる磁励音または励磁振動の周波数で共振する振動部分を有する振動板９を設けたので、変圧器の体格を大きくすることなく、鉄心とコイルの両方から発生する振動、騒音を低減することができる。また、振動板１０がコンサベータ５の直下にあり、振動板１０の主面がコンサベータ５に対向するように配置されているため、鉄心２およびコイル３とコンサベータ５との間のスペースを有効に利用できる。さらに、コンサベータ５から薄板等の一部が落下した場合も振動板１０によって受け止めることができる。

また、振動板１０はその周囲、特に全周囲がタンク１の内壁に固定されているため、鉄心２およびコイル３からタンク１に伝わった騒音、振動を良好に吸収して減衰できる。また、振動板１０が内壁に固定された板上に形成されているので、構造が単純となり、製造コストを低減できる。また、全周がタンク１の内壁に固定された板が、絶縁油９が通過する穴１１を有し、その穴１１の形状によって振動板の振動部分が形成されているので、構造が単純で、製造コストを低減できる。また、その穴１１は複数のスリットを含み、スリット間で挟まれた梁状部分が共振する構造としたので設計が容易となる。

なお、振動板１０は全体が振動部分である必要はなく振動部分が部分的に形成されていればよい。その場合、振動部分の周囲はタンク１の内壁から振動部分まで振動・騒音を伝える役割を果たす。また、振動部分に直接タンク１の内壁から振動が伝わるように穴１１であるスリットの端がタンク１の内壁に位置するようにしてもよい。振動板１０は１枚の板を加工することでできるものがコスト低減の点で優れるが、複数の部材、板材を組み合わせたものであってもかまわない。たとえば、振動部分のみを弾性の大きな板バネの材料で作製して、剛性の高い枠部分と組み合わせて作製してもよい。また、１枚の板の厚みを変化させて、例えば振動部分の厚みを周囲よりも薄くしてもよい。質量を調整するため振動部分の上に別の板材を貼り付けるなどしてもよい。振動板１０が完全に平坦である必要はなく、たとえば、振動部分、タンク１と接続する周囲部分などが他の部分に比べて、上下にずれるように加工されていてもよいし、全体が緩やかな球面となるように湾曲されていてもよいし、部分的に波板状に加工されていてもよい。

図４は本発明の実施の形態１の変形例である変圧器１０１の構造を示す上面図である。図４は図２と同様にコンサベータ５を取り外して振動板１０が見える状態とした図である。この変形例では穴１１のスリット形状の一部の幅を狭くし、大きく振動する部分である梁の中央領域の厚みを他部分の板材１２よりも薄くして肉薄部１６を形成した。また、肉薄部１６の中央に錘１７を固定した。肉薄部１６は振動板１０を機械的加工、エッチングなどで作製することができる。また、錘１７は板材１２より少し厚い金属板などで作製したものであり、肉薄部１６とは溶接などで固定される。このように振動板１０の一部に肉薄部１６と錘１７とを設けることで振動板を構成すると、振動の振幅がより大きくすることができ、絶縁油９の粘性抵抗による振動減衰効果が大きくなる。さらに、１次の振動モードで振幅が最も大きくなる梁の中央付近の側部でスリットの幅が狭くされていることにより、絶縁油９の粘性抵抗が増して振動減衰効果が大きくなる。

＜実施の形態２＞
図５は本発明の実施の形態２の変圧器１０２の構造を示す上面図であり、振動板１０が見える状態とした図である。実施の形態１とは穴１１の形状が異なる。本実施の形態２の穴１１は大きく蛇行するスリットとそのスリットの一部に形成された複数の短いスリットで構成される。大きく蛇行するスリットは角が略直角であるＳ字状の形状である。Ｓ字の内部には２つの矩形の片持ちの梁が逆方向に平行に並んだ形状となる。また、蛇行するスリットの両側それぞれに設けた短い３本のスリットの間には短い矩形の片持ちの梁が２つずつできた形状となる。実施の形態２ではこのような大小６個の梁が振動することでタンク１から伝わる振動を吸収する。このような構成によれば、それぞれの振動部位の寸法により、異なる複数の周波数に対して振動エネルギーを吸収することができる。図４の例では、振動エネルギーを吸収する部位の寸法が２種類あるため、２つの周波数に対して振動エネルギーを吸収することができる。矩形の振動部分を片持ち梁とみなすと、１次の固有振動数は以下の数２式にて求められる。

本実施の形態２の場合は数２式より設計が可能である。図４ではスリットの穴１１として直線を組み合わせて形成したが、曲線で形成してもよい。また、スリットの穴１１は板材１２の中央部から放射状に設けてもよい。

鉄心２の磁励音は電源の周波数の2倍の周波数を基本周波数として、基本周波数の高調波成分が発生するため、振動板１０の異なる振動部位の固有振動数が基本波、高調波それぞれの周波数に一致するようにするとよい。

＜実施の形態３＞
図６は本発明の実施の形態３の変圧器１０３の構造を示す上面図であり、振動板１０が見える状態とした図である。実施の形態１，２では穴１１をスリット状として振動部分を梁形状としたが、本実施の形態３では絶縁油９が通過する穴１１を円形として、振動部分を円形としたものである。図の場合、一様な厚みの振動板１０がタンク１の内壁に固定されて、円形の振動板１０の全体が振動部分となる。このような円板の固有振動数は、単純支持の円板とみなすと、１次の固有振動数は以下の数３式にて求められる。

ここで、Ｒは円板の半径、Dは円板の曲げ剛性、ρ_Ｓは単位面積当たりの質量である。実施の形態３の場合は数３式をもとに設計が可能である。なお、穴１１を形成したことによる数３式のｆ_１からの固有振動数のずれに対して、振動板１０に錘を付加するなどの方法で調整することができる。

円形の振動板１０では中心の振幅が最も大きくなる。その中央部分に開口面積が小さな穴１１を設けたことにより、絶縁油９の粘性抵抗が大きくなり、振動を減衰する効果が大きくなる。また、スリットに比べて形状が単純であり、製造が容易である。

図７は本発明の実施の形態３の変形例である変圧器１０４の構造を示す上面図である。振動板１０の中心の穴１１とタンク１に取り付けた周囲との間に、リング状の肉薄部１６を設けた。また、穴１１の開口部に網１３を取り付けた。絶縁油９が通過可能であれば、網１３の替わりに他の多孔材料を用いてもよい。肉薄部１６は板材１２を機械加工やエッチング加工して形成できる。リング状の肉薄部１６からその外側のタンク１までの間はもとの板材１２の厚い部分を残し、タンク１との取付部位の強度を保つようにした。また、リング状の肉薄部１６からその内側の円形の穴１１までの間にも、もとの板材１２の厚い部分を残し、厚い部分の質量で固有振動数を調整するようにした。なお、肉薄部１６を板材１２と別部材で形成してもよい。このようにリング状の肉薄部１６を設けたことにより、振幅が大きくなり、絶縁油９の粘性抵抗を利用した振動の減衰を大きくすることができる。また、穴１１に網などの多孔材料を設けたため、絶縁油９が通過しにくくなり、粘性抵抗が増すため、さらに振動の減衰を大きくすることができる。また、このような形状の場合、主としてリング状の形状によって固有振動数が決まるため、板材１２の外周の形状が必ずしも円形でなくてもよく、たとえば、多角形、四角形等としてもよい。板材１２の外周の形状をタンク１の開口部の形状に合わせてもよい。

＜実施の形態４＞
図８は本実施の形態４の変圧器１０５の構造を示す断面図である。実施の形態４の変圧器１０５は実施の形態１と同様の構造であるが、振動板１０がタンク１を構成する金属板を用いて形成されている点で異なる。実施の形態１〜３では、開口部を開けたタンク１の開口部内側に別の板材１２の振動板１０を固定したが、タンク１を構成する板１２に穴１１を加工して形成されている。このため、振動部分とタンク１との間に接続部がなく、タンク１からの振動が良好に伝搬し、振動を良好に減衰することができる。固有振動数の調整は実施の形態１〜３と同様に可能である。また、図のように錘１７を付加することで振動数を調整してもよい。なお、コンサベータ５を取り付けるためのリング状のタンク１の一部は、振動板１０が形成された金属板の上に別部材として溶接などで取り付けられる。

＜実施の形態５＞
図９は本実施の形態５の変圧器１０６の構造を示す断面図である。実施の形態１〜３では、振動板１０の取付け位置がコンサベータ５を取り付けるタンク１の開口部のすぐ下であり、振動板１０が開口部と同程度の小サイズあった。これに対し、本実施の形態４では、さらに開口部より鉄心２およびコイル３側であり、開口部より幅広の領域に振動板１０を設けた。振動板１０は板ばね１４の両端をタンク１に取付けた構造としたが、片端のみをタンク１へ取付けた片持ち梁としてもよい。板ばね１４の両端をタンクへ取付ける場合は、数１式により板ばね１４の固有振動数ｆ_１を低減したい振動の周波数と一致するように設計する。板ばね１４の片端のみをタンク１へ取付ける場合は、数２式により板ばね１４の固有振動数ｆ_１を低減したい振動の周波数と一致するように設計するとよい。実施の形態４では振動部分の長さを大きくできるため、低周波の振動を吸収する場合に有利である。なお、コンサベータ５の下に絶縁油９が流通する穴１３を有する板がコンサベータ５が収容された領域と鉄心２およびコイル３が収容された領域とが区切る板としてあるが、実施の形態４で述べたように区切る板の部分を他の振動板１０としてもよい。また、板ばね１４のかわりに、板材に穴、スリット、切込みを形成した振動板としてもよい。

図１０は本実施の形態４の変形例である変圧器１０７の構造を示す断面図である。上記の実施の形態ではタンク１の上部にコンサベータ５の外形形状にあわせてコンサベータ５を収納するリング状の容器部分を設けたが、本変形例では、その容器部分を設けず、鉄心２およびコイル３側を囲む形状のタンク１の上部に開口部を設けてコンサベータ５を取り付けた。コンサベータ５のベローズ部がタンク１の上部から鉄心２およびコイル３側に突出するため、振動板１０である板ばね１４は、さらにその下側となるようにタンク１に取り付けた。振動板１０はタンク１上面の開口部周辺に固定され、ベローズ部よりも鉄心２およびコイル３側に突出するように、その基部が曲げられている。また図は片持ちの板ばねを示している。このような変形例ではタンク１の形状が単純となり、低コスト化で有利である。

本発明は、振動・騒音を低減した変圧器の実現に利用できる。

１タンク、２鉄心、３コイル、４絶縁スペーサ、５コンサベータ、６振動板、７スリット、８板材、９絶縁油、１０板ばね、１１穴、１２空気、１３天板、１４ベローズ、１６肉薄部、１７錘、１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８変圧器。

Claims

鉄心およびコイルを絶縁油とともに収納するタンクの上部に絶縁油の体積変化を吸収するコンサベータを設けた変圧器であって、
前記鉄心および前記コイルと前記コンサベータとの間の前記絶縁油で満たされた領域に、前記鉄心および前記コイルが生じる磁励音または励磁振動の周波数で共振する振動板を設けたことを特徴とする変圧器。
前記振動板が前記コンサベータの直下にあり、前記振動板の主面が前記コンサベータに対向するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
前記振動板は周囲が前記タンクの内壁に固定された板上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の変圧器。
全周が前記タンクの内壁に固定された板が、前記絶縁油が通過する穴を有し、該穴の形状によって前記振動板の振動部分が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の変圧器。
前記穴は複数のスリットを含み、該スリット間で挟まれた梁状部分が共振することを特徴とする請求項４に記載の変圧器。
前記穴は円形であり、その中央に開けられた穴により穴の周りのリング部分が共振することを特徴とする請求項４に記載の変圧器。
前記振動板は、前記タンクを構成する板に穴を加工して形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の変圧器。
前記振動板の一部の厚みが他の部分に比べて薄くされていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の変圧器。