JP2016162924A

JP2016162924A - 三相電磁機器

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Publication number: JP2016162924A
Application number: JP2015041381A
Authority: JP
Inventors: 知行彦坂; Tomoyuki Hikosaka; 広和林田; Hirokazu Hayashida; 敬造川西; Keizo Kawanishi; 健司有松; Kenji Arimatsu; 敬大日向; Takashi Ohinata; 大日向　　敬
Original assignee: Tohoku Electric Power Co Inc; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Tohoku Electric Power Co Inc; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-09-05
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: JP6437849B2

Abstract

【課題】主巻線で発生する漏洩磁束を抑制しながら軽量化を図ることができ、主巻線のリアクタンスを可変できる三相電磁機器を提供する。
【解決手段】制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３を個別に装着した３本の平行な巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃと、両脇の巻線磁脚部の外側にそれぞれ形成した帰路磁脚部１４ａ、１４ｂと、巻線磁脚部及び帰路磁脚部の両端を個別に連結する磁気ヨーク部とで構成された第１磁心１１及び第２磁心１２と、第１磁心１１及び第２磁心１２を巻線磁脚部及び帰路磁脚部が互いに対向するように配置した状態で、互いに対向する制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３の組の外周を個別に囲むように装着された３本の主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３とを備える。制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３に供給する直流電流を制御して、主巻線のリアクタンスを可変させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、主巻線と制御巻線とを有し、制御巻線に供給する直流電流を制御して主巻線のリアクタンスを可変する三相電磁機器に関する。

この種の主巻線と制御巻線とを有し、制御巻線に供給する直流電流を制御して主巻線のリアクタンスを可変する三相電磁機器として、例えば特許文献１に記載された電磁機器が知られている。
この電磁機器は、対称的に四つの閉磁路で田の字状磁路を形成する磁心を有し、主磁束が田の字状磁路における十字状磁路の第１の直線磁路を通り、この十字の交点で対向して対称的に四つの閉磁路を還流するように交流主巻線が巻かれ、制御磁束が前記十字磁路の第２の直線磁路を一方向に通って対称的に二つの磁路を還流するように直流制御巻線を巻いて、制御磁束の制御により主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を調整するようにして、主巻線のリアクタンスを連続的に可変している。

特開２００８−４７５４号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、十字状磁路の第１の直線磁路の十字の交点で対称的に四つの閉磁路を還流するように第１の交流主巻線及び第２の交流主巻線を巻いているので、主巻線に通電した際に生じる主磁束の還流路が形成されることにより、主巻線により発生する漏洩磁束を抑制することができる。
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、三相電磁機器を構成する場合には、田の字構造の単相電磁機器を３相分組み込む必要があることから重量が嵩み、軽量化が課題となっている。

そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたものであり、主巻線で発生する漏洩磁束を抑制しながら軽量化を図ることができ、主巻線のリアクタンスを可変できる三相電磁機器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の三相電磁機器は、外周に制御巻線を個別に装着した３本の平行な巻線磁脚部と、両脇の巻線磁脚部の外側にそれぞれ形成した帰路磁脚部と、巻線磁脚部及び帰路磁脚部の両端を個別に連結する磁気ヨーク部とで構成された第１磁心及び第２磁心と、第１磁心及び前記第２磁心を巻線磁脚部及び帰路磁脚部が互いに対向するように配置した状態で、互いに対向する制御巻線の組の外周に対して空間部を形成して個別に囲むように制御巻線と絶縁されて装着された３本の主巻線とを備え、制御巻線に供給する直流電流を制御して主巻線のリアクタンスを可変する。

本発明によれば、第１磁心及び第２磁心の主巻線を装着した３本の巻線磁脚部の外側に帰路磁脚部を形成したので、この帰路磁脚部が外側の主巻線に通電した際に発生する主磁束の還流磁路を形成することができ、外側の主巻線による漏洩磁束の発生を抑制しながら軽量化を図ることができる。

本発明の一態様に係る三相電磁機器の第１の実施形態を示す外観斜視図である。図１の天板及び底板を取り外した状態の斜視図である。図２の平面図である。図２の正面図である。図４のＶ−Ｖ線上の断面図である。図５における主巻線部の拡大図である。主巻線及び制御巻線の接続状態を示す模式図である。主巻線及び制御巻線の等価回路図である。本発明に適用し得る磁心の他の例を示す縦断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するためのものであって、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
まず、本発明の三相電磁機器の第１の実施形態について説明する。

三相電磁機器は、図１〜図５に示すように、第１磁心１１及び第２磁心１２を有する。これら第１磁心１１及び第２磁心１２は、無方向性珪素鋼板、方向性珪素鋼板、６．５％珪素鋼板等の電磁鋼板を使用した積鉄心構造あるいは電磁鋼板、Ｆｅ系アモルファス、ナノ結晶軟磁性材料等を使用した巻鉄心構造で構成される。
第１磁心１１は、互いに平行に配置された３本の棒状の巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃと、両脇の巻線磁脚部１３ａ及び１３ｃの外側にこれらと平行に配置された棒状の帰路磁脚部１４ａ及び１４ｂと、巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂの両端を個別に連結する上部磁気ヨーク部１５ｕ及び下部磁気ヨーク部１５ｄとを備えている。

巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂは所定厚みを有し、所定長さを有して断面矩形の棒状に形成された珪素鋼板を幅方向に積層した鉄心で構成されている。同様に、上部磁気ヨーク部１５ｕ及び下部磁気ヨーク部１５ｄも巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂと同様の厚さで長い棒状の珪素鋼板を幅方向に積層した鉄心で構成されている。

ここで、巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃは、図４に示すように、上下方向の両端部にテーパー形状の突出部１６が形成されている。同様に帰路磁脚部１４ａ及び１４ｂは、上下方向の両端部に巻線磁脚部１３ａ及び１３ｃに対向する側が傾斜面とされた突出部１７が形成されている。一方、上部磁気ヨーク部１５ｕには、下面側に巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃの突出部１６と帰路磁脚部１４ａ及び１４ｂの突出部１７とが嵌まり合う凹部１８が形成されている。また、下部磁気ヨーク部１５ｄには、上面側に巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃの突出部１６と帰路磁脚部１４ａ及び１４ｂの突出部１７とが嵌まり合う凹部１９が形成されている。

また、第２磁心１２は、上述した第１磁心１１と同一の構成を有するので、第１磁心１１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
これら第１磁心１１及び第２磁心１２の組立方法は、図１に示すように、まず、敷板２１上にチャネル材２２を、開口部を下側として平行に配置し、これらチャネル材２２の上に底板２３を載置する。そして、底板２３上に、第１磁心１１及び第２磁心１２の下部磁気ヨーク部１５ｄを、凹部１９を上側として所定間隔（制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３の厚みの２倍程度）を保って平行に配置する。

次いで、第１磁心１１について、巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを、下部磁気ヨーク部１５ｄ上に下側の突出部１６を凹部１９に嵌め合わせて載置する。これと同時に下部磁気ヨーク部１５ｄ上の両端位置に帰路磁脚部１４ａ及び１４ｂを、それぞれの突出部１７を凹部１９に嵌め合わせて載置する。このとき、下部磁気ヨーク部１５ｄ上に巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂを垂直に保持するために治具を使用するようにしてもよい。

次いで、巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃの外周面に絶縁被覆した導線を所定方向に必要巻数巻いた制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３を装着する。この場合、各巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃへの制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３の装着は、予め導線を巻いて矩形のコイル形状に形成した状態で装着することにより行うことができる。あるいは巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃの外周に直接導線を巻いて制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３を装着してから巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを下部磁気ヨーク部１５ｄ上に下側の突出部１６を凹部１９に嵌め合わせて載置するようにしてもよい。

次いで、第２磁心１２について巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを、下部磁気ヨーク部１５ｄ上に下側の突出部１６を凹部１９に嵌め合わせて載置する。これと同時に下部磁気ヨーク部１５ｄ上の両端位置に帰路磁脚部１４ａ及び１４ｂを、それぞれの突出部１７を凹部１９に嵌め合わせて載置する。このとき、下部磁気ヨーク部１５ｄ上に巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂを垂直に保持するために治具を使用するようにしてもよい。

次いで、巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃの外周面に絶縁被覆した導線を第１磁心１１の制御巻線とは逆方向に巻いた制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３を装着する。この場合、各巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃへの制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３の装着は、第１磁心１１の場合と同様にして行うことができる。
次いで、図６に拡大図示するように、第１磁心１１及び第２磁心１２の互いに対向する制御巻線ＣＷ１（ＣＷ２，ＣＷ３）の４隅に例えば絶縁紙を圧縮成形したプレスボードで構成される棒状の絶縁部材３１をスペーサとして仮固定する。その後、仮固定して絶縁部材３１の外周側を第１磁心１１及び第２磁心１２の制御巻線ＣＷ１（ＣＷ２，ＣＷ３）を個別に囲むように絶縁被覆された導線を同一方向に巻いて矩形コイル形状に形成した主巻線ＭＷ１（ＭＷ２，ＭＷ３）を装着する。なお、図６において矢印は巻線方向を示している。

このようにして、主巻線ＭＷ１、ＭＷ２及びＭＷ３のそれぞれを絶縁部材３１の外側から装着することにより、図５及び図６に示すように、制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３と主巻線ＭＷ１、ＭＷ２及びＭＷ３との間に上下方向に延長し、上下端部で開口する空間部３２が形成される。
次いで、巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃの上部の突出部１６と帰路磁脚部１４ａ及び１４ｂの上部の突出部１７とに凹部１８が係合するように上部磁気ヨーク部１５ｕを配置する。

この状態で、第１磁心１１及び第２磁心１２の巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂと、上部磁気ヨーク部１５ｕ及び下部磁気ヨーク部１５ｄとを組み立て固定することにより、三相電磁機器を構成することができる。
そして、第１磁心１１及び第２磁心１２の制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３を図７に示すように結線する。すなわち、正極ラインＬｐに第１磁心１１の制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３の一方の端部を並列に接続し、負極ラインＬｎに第１磁心１１の制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３の他方の端部を並列に接続する。

同様に、正極ラインＬｐに第２磁心１２の制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３の他方の端部を並列に接続し、負極ラインＬｎに第２磁心１２の制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３の一方の端部を並列に接続する。さらに、主巻線ＭＷ１を高圧三相交流が入力されるＵ相ラインに接続し、主巻線ＭＷ２をＶ相ラインに接続し、主巻線ＭＷ３をＷ相ラインに接続する。
このように、第１磁心１１及び第２磁心１２の制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３及び主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３を接続することにより、等価回路で図８に示すように、三相５脚鉄心構造型可変リアクトルを構成することができる。

すなわち、正極ラインＬｐ及び負極ラインＬｎに直流制御電圧源４０を接続することにより、この直流制御電圧源４０と並列に制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３が接続され、各制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３に直流制御電流Ｉ_ＣＵ、Ｉ_ＣＶ及びＩ_ＣＷが通電される。
一方、主巻線ＭＷ１は、交流電源４１のＵ相ラインＬｕ及びＶ相ラインＬｖ間に接続され、主巻線ＭＷ２は、交流電源４１のＶ相ラインＬｖとＷ相ラインＬｗとの間に接続され、主巻線ＭＷ３は、交流電源４１のＷ相ラインＬｗ及びＵ相ラインＬｕ間に接続されることにより、Δ結線とされている。

これら第１磁心１１の制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３と主巻線ＭＷ１、ＭＷ２及びＭＷ３とは巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを共通磁路とし、第２磁心１２でも制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３と主巻線ＭＷ１、ＭＷ２及びＭＷ３とは巻線磁脚部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを共通磁路としている。
このため、主巻線ＭＷ１、ＭＷ２及びＭＷ３に３相交流電流を通電することにより、生じる主磁束に対して、第１磁心１１及び第２磁心１２の制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３に直流制御電流Ｉ_ＣＵ、Ｉ_ＣＶ及びＩ_ＣＷを流すと、制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３において、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉ_ＣＵ、Ｉ_ＣＶ及びＩ_ＣＷとの積で表される起磁力φが発生する。この制御巻線ＣＷ１、ＣＷ２及びＣＷ３で発生する起磁力φは、主磁束に対して逆起磁力となって透磁率が変化し、主磁束の通過磁路の磁気抵抗が制御され、主巻線のリアクタンスを連続的に可変される。ここで、漏洩磁束が生ずるが、帰路磁脚部１４ａ及び１４ｂを通って還流することになり、第１磁心１１及び第２磁心１２から外部に放射される漏洩磁束が低減される磁気遮蔽効果を発揮することができるとともに、構造物に渦電流が流れることによる局部過熱の発生を防止することができる。

このように外部への漏洩磁束が低減されるので、第１磁心１１及び第２磁心１２の鉄心材料として透磁率の低い鉄心材料を適用することが可能となり、製造コストをより低減することができる。
また、外部への漏洩磁束が低減されるので、第１磁心１１、第２磁心１２、制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３、主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３で構成される電磁機器本体を、絶縁油を充填したタンク内に固定して可変リアクトルを構成する場合に、タンク内壁と第１磁心１１及び第２磁心１２との間の距離を短くすることが可能となるとともに、絶縁油量も減少させることができ、タンク体積を小さくして小型化及び軽量化を図ることができる。

この場合、絶縁油としてパームヤシ脂肪酸エステル等の植物油を用いてＥ種絶縁とすることにより、通常の鉱油を用いたＡ種絶縁のものよりさらに小型・軽量化が可能となる。しかも、制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３と主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３との間に介在する空間部３２に絶縁油が入り込むので、制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３と主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３との間の絶縁特性を確保することができる。

さらに、５脚の第１磁心１１及び第２磁心１２に制御巻線及び主巻線を装着するだけで三相電磁機器を構成することができるので、前述した従来例のように単相の田の字型電磁機器を３つ併せて三相電磁機器を構成する場合に比較して鉄心重量を半分以下に減少させ、軽量化を図ることができる。
また、本実施形態では、第１磁心１１及び第２磁心１２を、３本の巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃと、２本の帰路磁脚部１４ａ，１４ｂと、上部磁気ヨーク部１５ｕ及び下部磁気ヨーク部１５ｄとを組合せて構成するので、前述したように、組立前の巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃに制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３を装着したり、上部磁気ヨーク部１５ｕを装着する前に第１磁心１１及び第２磁心１２の巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃに、所用巻数に予め巻いた制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３を装着し、その後に絶縁部材３１を介して予め所用巻数に巻かれた主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３を、第１磁心１１及び第２磁心１２の制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３を囲むように装着したりすることができる。このため、制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３の作業及び主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３の装着作業を他の構造物に邪魔されることなく容易に行うことができる。このため、大容量器の組立てを容易に行うことが可能となる。

なお、上記実施形態では、第１磁心１１及び第２磁心１２を巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂ、上部磁気ヨーク部１５ｕ及び下部磁気ヨーク部１５ｄとで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図９に示すように、電磁鋼板を積層して例えば長さが等しい８個の短冊状の積層鉄心５１と、この積層鉄心５１より長さが短い２個の短冊状の積層鉄心５２とを形成し、これらを組み合わせて第１磁心１１及び第２磁心１２を構成することもできる。さらには、櫛歯状に形成した上下の積層鉄心を組み合わせるようにしてもよく、第１磁心１１及び第２磁心１２は任意形状の積層鉄心を組み合わせることにより構成することができる。

この場合も、第１磁心１１及び第２磁心１２としては、電磁鋼板を積層して構成する積層鉄心で構成する場合に限らず電磁鋼板、Ｆｅ系アモルファス、ナノ結晶軟磁性材料等で形成された帯板を螺旋状に巻いて形成した巻鉄心を使用することもできる。
また、上記実施形態においては、主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３をΔ結線する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３をＹ結線することもできる。

また、上記実施形態においては、巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂの断面形状を矩形とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃ及び帰路磁脚部１４ａ，１４ｂの断面形状を円形、楕円形、三角形、多角形等の任意の断面形状とすることができる。また、巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃと帰路磁脚部１４ａ，１４ｂとで異なる断面形状とすることもできる。

さらに、上記実施形態においては、第１磁心１１及び第２磁心１２を、巻線磁脚部１３ａ〜１３ｃと帰路磁脚部１４ａ，及び１４ｂとが同一平面上となるように整列配置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、平面から見て例えば、くの字形状に配置することもできる。
また、上記実施形態においては、第１磁心１１及び第２磁心１２の互いに対向する制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３とこれらを囲む主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３との間に空間部を形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、印加される交流電圧が低い場合には、制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３及び主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３が絶縁被覆を施した導線を巻いて構成されているので、別途絶縁を考慮する必要がなく、空間部を省略することができる。

さらに、上記実施形態においては、第１磁心１１、第２磁心１２、制御巻線ＣＷ１〜ＣＷ３、主巻線ＭＷ１〜ＭＷ３で構成される電磁機器本体を絶縁油中に浸漬させる油中絶縁構造とする場合について説明したが、これに限定されるものではなく、気中絶縁構造としてもよい。

１１…第１磁心、１２…第２磁心、１３ａ〜１３ｃ…巻線磁脚部、１４ａ，１４ｂ…帰路磁脚部、１５ｕ…上部磁気ヨーク部、１５ｄ…下部磁気ヨーク部、ＣＷ１〜ＣＷ３…制御巻線、ＭＷ１〜ＭＷ３…主巻線、３１…絶縁部材、３２…空間部、４０…直流制御電圧源、４１…交流電源

Claims

外周に制御巻線を個別に装着した３本の平行な巻線磁脚部と、両脇の前記巻線磁脚部の外側にそれぞれ形成した帰路磁脚部と、前記巻線磁脚部及び前記帰路磁脚部の両端を個別に連結する磁気ヨーク部とで構成された第１磁心及び第２磁心と、
前記第１磁心及び前記第２磁心を前記巻線磁脚部及び前記帰路磁脚部が互いに対向するように配置した状態で、互いに対向する前記制御巻線の組の外周を個別に囲むように該制御巻線と絶縁されて装着された３本の主巻線とを備え、
前記制御巻線に供給する直流電流を制御して主巻線のリアクタンスを可変させることを特徴とする三相電磁機器。
前記主巻線は、互いに対向する前記制御巻線に対して、空間部を介在させて装着されたことを特徴とする請求項１に記載の三相電磁機器。
前記空間部は、前記制御巻線の外側に当該制御巻線の両端迄延長する棒状の絶縁部材を複数介在させた状態で前記主巻線を装着することにより形成されていることを特徴とする請求項２に記載の三相電磁機器。
前記第１磁心、前記第２磁心、前記制御巻線及び前記主巻線で構成される電磁機器本体が絶縁油を充填したタンク内に浸漬されて固定されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の三相電磁機器。