JP2019179929A - 三相変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、三相が平衡で漏れ磁束が少なく、効率が高い三相変圧器を提供することを目的とする。【解決手段】実施例に係る三相変圧器は、互いに対向するように配置された第１板状鉄心及び第２板状鉄心と、第１板状鉄心及び第２板状鉄心の間に、第１板状鉄心又は第２板状鉄心と接続するように配置された３の倍数の複数の柱状鉄心であって、該複数の柱状鉄心の中心軸から等距離にある軸を中心として回転対称となる位置に配置されている複数の柱状鉄心と、複数の柱状鉄心に個々に巻回された３の倍数の複数の１次コイル及び複数の２次コイルを含むコイルと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、三相変圧器に関する。

これまでに複数の巻線が直線上に配置された静止誘導電器が報告されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の静止誘導電器は、Ｎ相Ｎ脚の主磁路（但し、Ｎは３以上）と、各主脚に巻き回した主巻線を有するとともに、Ｎ個の主脚の交点部位でＮ相の主磁束の何れとも概略直交する方向に大きさが可変な制御磁束を発生させる制御磁束発生手段を設け、当該発生手段により制御磁束の大きさを制御することによりＮ相リアクタンスを可変する。特許文献１に記載の静止誘導電器は、リアクタンスを可変にする静止誘導電器であるが、三相鉄心の形状が非対称形状で、３つの相の磁路の長さを構造的に同じにすることができず、磁束密度など各種値が完全には均等にならないという問題がある。三相が不平衡なため、通常の発熱以外の発熱や、漏れ磁束が発生すると考えられ、結合係数は約０．３程度となっていると考えられている。一般的な変圧器も同様な鉄心構造をしており、漏れ磁束はノイズの源にもなり、例えば、大型の変圧器においては、カバーで囲われているだけでなく、基本的には近づけないようにフェンスなどの囲いをして、人の立入を禁止している。さらに、変圧器には、今般、地球環境のため効率を高めることが強く求められ、そのためには不必要な漏れ磁束を少なくすることが求められている。

また、三相のコイルが円周上に配置された電力変換器も報告されている（例えば、特許文献２）。特許文献２に記載の電力変換器は、２つの対向するヨーク鉄心と、コイルを巻回させ、ギャップ調整手段が設けられている３本の磁脚鉄心と、コイルを巻回させていない３本の零相用磁脚鉄心と、を備え、２つの対向するヨーク鉄心同士を、３本の磁脚鉄心と、３本の零相用磁脚鉄心とで接続し、３本の磁脚鉄心は、ヨーク鉄心の同心軸を基準として、所定の角度をもって円周上に配置され、３本の零相用磁脚鉄心は、ヨーク鉄心の同心軸を基準として、３本の磁脚鉄心の間に円周上に配置されている。また、３本の零相用磁脚鉄心があり、零相用磁脚鉄心に磁束が流れ、他の相への磁束の流れが少なくなるため、相互インダクタンスが低くなる。そのため、相互インダクタンスの利用に関しては、適した構造ではない。一般的な変圧器においても、相互インダクタンス分の磁束を利用する形であるので、適した構造ではない。

また、特許文献２に記載の電力変換器においては、鉄心は薄板をロール状に巻いた構造を備えており、磁束はロール状に流れやすい。そのため、鉄心において、磁束の流れる経路が最短ではなく、相互インダクタンス及び自己インダクタンスが小さくなりやすい。また、製造上、穴やタップの加工等には適していないという製造上及び組立上の問題がある。そのため、例えば、インダクタンス調整機構（ネジなど）を使用することは難しいという問題がある。さらに、コイルから発生する磁束が外部に漏れるのを防ぐことが難しいという問題がある。すなわち、変圧器は磁気抵抗が小さく、磁束が漏れないことが非常に望まれ、方向性電磁鋼板の使用や鉄心の組立て方など、鉄心においても、様々な工夫がなされている。

特開２０１６−０４８７４１号公報 国際公開第２０１２／１５７０５３号

本発明は、三相が平衡で漏れ磁束が少なく、効率が高い三相変圧器を提供することを目的とする。

実施例に係る三相変圧器は、互いに対向するように配置された第１板状鉄心及び第２板状鉄心と、第１板状鉄心及び第２板状鉄心の間に、第１板状鉄心又は第２板状鉄心と接続するように配置された３の倍数の複数の柱状鉄心であって、該複数の柱状鉄心の中心軸から等距離にある軸を中心として回転対称となる位置に配置されている複数の柱状鉄心と、複数の柱状鉄心に個々に巻回された３の倍数の複数の１次コイル及び２次コイルを含むコイルと、を有する。

実施例に係る三相変圧器によれば、三相が平衡で漏れ磁束が少なく、効率が高い三相変圧器が得られる。

実施例１に係る三相変圧器の斜視図である。 実施例１に係る三相変圧器の平面図である。 実施例１に係る三相変圧器の第１板状鉄心における磁気解析結果を示す図である。 実施例１に係る三相変圧器の鉄心コイルの磁束線図である。 実施例２に係る三相変圧器の斜視図である。 実施例２に係る三相変圧器の第２板状鉄心並びに第２板状鉄心に設けられた柱状鉄心及びコイルの斜視図である。 実施例２に係る三相変圧器において第１板状鉄心を回転させた後の斜視図である。 実施例２に係る三相変圧器において、１次コイルが２次コイルＡと組み合わされた場合の三相変圧器の等価回路である。 実施例２に係る三相変圧器において、１次コイルが２次コイルＢと組み合わされた場合の三相変圧器の等価回路である。 実施例３に係る三相変圧器の斜視図である。 実施例３に係る三相変圧器のカバーを構成する基材の斜視図である。 実施例３に係る三相変圧器のカバーの斜視図である。 実施例４に係る三相変圧器の断面図である。 実施例５に係る三相変圧器の斜視図である。 実施例５に係る三相変圧器の側面図である。 実施例５の変形例に係る三相変圧器を構成する第１板状鉄心の斜視図である。 実施例５の変形例に係る三相変圧器の斜視図であって、インダクタンスが大きい状態を示す図である。 実施例５の変形例に係る三相変圧器の斜視図であって、インダクタンスが小さい状態を示す図である。 実施例７に係る三相変圧器の斜視図である。 実施例７の変形例に係る三相変圧器の斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る三相変圧器について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

まず、実施例１に係る三相変圧器について説明する。図１に実施例１に係る三相変圧器の斜視図を示す。実施例１に係る三相変圧器１０１は、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２と、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）と、複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）及び複数の２次コイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）を含むコイルと、を有する。１次コイル４１ａ及び２次コイル４１ｂをＵ相用コイル、１次コイル４２ａ及び２次コイル４２ｂをＶ相用コイル、１次コイル４３ａ及び２次コイル４３ｂをＷ相用コイルとして三相変圧器を構成することができる。

第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２は、互いに対向するように配置された鉄心である。図１に示した例では第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の形状を円盤状としているが、このような例には限られず、楕円盤状や多角形状でもよい。第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２は磁性体から構成されることが好ましい。第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２には、後述するギャップ調整機構に用いるネジ穴（１ａ，１ｂ，１ｃ，２ａ（図示せず），２ｂ，２ｃ）が設けられている。

複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）は、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の間に、少なくとも第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の一方と接続するように配置された３の倍数の複数の柱状鉄心である。複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）は、複数の柱状鉄心の中心軸（３１ｙ，３２ｙ，３３ｙ）から等距離にある軸を中心として回転対称となる位置に配置されている。

複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）及び２次コイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）は、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）に個々に巻回された３の倍数のコイルである。１次コイルの電圧をＶ₁、巻数をＮ₁とし、２次コイルの電圧をＶ₂、巻数をＮ₂とすると、変圧比αは以下の式で求められる。
α＝Ｖ₁／Ｖ₂＝ｋ×Ｎ₁／Ｎ₂
ただし、ｋは１次コイルと２次コイルの結合係数で理想的には１である。

図１に示した例では柱状鉄心の数を３個としたが、このような例には限られない。例えば、柱状鉄心を６本、線対称に配置し、直列または並列に結線し、１つの変圧器としてもよいし、そのまま、６本の配線を設け、２つの変圧器としてもよい。また、単相の場合は柱状鉄心の数を２つとしてもよい。複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）及び複数の２次コイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）は、対向するように配置された第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の端部より内側に配置されていることが好ましい。

図１に示した例では複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）の形状を円柱状としたが、楕円柱状または多角柱状としてもよい。

図２に実施例１に係る三相変圧器の平面図を示す。図２は図１に示した三相変圧器を第１板状鉄心１側から見た平面図を示している。複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）は、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）の中心軸（３１ｙ，３２ｙ，３３ｙ）から等距離にある軸を回転軸Ｃ₁として回転対称となる位置に配置されている。図２に示すように、柱状鉄心が３つの場合は、柱状鉄心（３１，３２，３３）は、それぞれの中心軸（３１ｙ，３２ｙ，３３ｙ）が１２０度ずつずれた位置に回転軸Ｃ₁に対して回転対称となるように配置される。このような構成とすることにより、三相における非平衡状態をなくすことができる。即ち、三相変圧器に負荷電流を流した場合、１次コイルの磁束と２次コイルの磁束は理想的には打ち消し合うが、三相変圧器が対称形状を有していないとアンバランスや磁束漏れが生じる。本実施例のように三相変圧器を対称形状にすることにより、アンバランスがなくなり、漏れ磁束も少なくなり、効率が良くなる。

また、回転軸Ｃ₁が第１板状鉄心１または第２板状鉄心２の中心軸と一致していてもよい。

図３に実施例１に係る三相変圧器の第１板状鉄心における三相交流のある位相の磁気解析結果を示す。柱状鉄心３１に巻かれた１次コイル４１ａに最大電流が流れ、柱状鉄心３２及び３３には、向きが逆で最大電流の半分の電流が流れる位相である。そのため、磁束は柱状鉄心３１から、柱状鉄心３２及び３３へ向かう。柱状鉄心３１の周辺で磁束密度が高く、柱状鉄心３１から離れるにしたがって磁束密度が低くなっている。第一板状鉄心全体を広く無駄なく利用しており、磁気飽和が緩和され、インダクタンスが下がりにくい。柱状鉄心（３１，３２，３３）には、通常の三相の磁束が発生するため、ある柱状鉄心の磁束は別の柱状鉄心も通ることになり、自己インダクタンスだけでなく、相互インダクタンスも積極的に利用している。従って、インダクタンスは次式によって算出される。
インダクタンス＝自己インダクタンス＋相互インダクタンス
その結果、相互インダクタンスの磁束を有効に活用することができる。

また、図３に示すように、第１板状鉄心１の中心部も磁束が通るような構成とすることにより、柱状鉄心３１から第１板状鉄心１に達した磁束は直線的に他の柱状鉄心（３２，３３）に流れ、磁束の流れる効率が良く、相互インダクタンスの向上にも繋がる。

図４に柱状鉄心コイルの磁束線図を示す。図４には１次コイル４１ａが巻回された柱状鉄心３１から生じる磁束線６１が示されている。図４から、１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）の上部に第１板状鉄心１を配置し、通常、コイル上部から漏れる磁束をどのコイルに対しても拾うことにより、自己インダクタンスだけではなく相互インダクタンスの向上に繋げられることがわかる。また、２次コイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）を設けた第２板状鉄心２に関しても同様である。さらに、磁束漏れを後述するカバーで遮断することができる。

また、図３の磁気解析結果から、柱状鉄心（３１，３２，３３）の周りの磁束や、柱状鉄心間における膨らむような磁束の流れから、柱状鉄心が二つの単相でも、第１板状鉄心１を介して相互インダクタンスを増加させることができることがわかる。

さらに、後述するギャップ調整機構に用いるネジ穴（１ａ，１ｂ，１ｃ）やタップ穴などは、図３から分かるように、磁束に影響のない位置に設ければ、インダクタンスを小さくすることはない。

また、図３からわかるように、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２は柱状鉄心（３１，３２，３３）の軸方向に電磁鋼板を積層することにより、巻鉄心を使用する場合に比べて磁束が流れやすい構成とすることができる。

第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２と柱状鉄心（３１，３２，３３）との結合方法には、本発明の構造では以下の方法が考えられる。
（１）第１板状鉄心１または第２板状鉄心２に凹部を設け柱状鉄心を差込む嵌め合い
（２）柱状鉄心にネジ穴を設け、第１板状鉄心１または第２板状鉄心２に貫通穴を設けるネジ止め
（３）第１板状鉄心１または第２板状鉄心２及び柱状鉄心に穴を設け、ピンを圧入する方法等
例えば、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２に柱状鉄心（３１，３２，３３）を嵌め合わせるための穴を設けておき、この穴に柱状鉄心（３１，３２，３３）を嵌め合わせるようにしてもよい。ただし、用途による変圧器の大きさも鑑み、他の方法により結合させるようにしてもよい。例えば、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２をネジで固定するようにしてもよい。

以上の説明においては、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２に穴が設けられていない構成について説明したが、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の少なくとも一方の中心部には穴が設けられている構成としてもよい。

また、以上の説明においては、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）にギャップが形成されていない構成について説明したが、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）の少なくとも１つには、第１ギャップを設けて、空気によるギャップにより、インダクタンスを発生させた構成としてもよい。空気は比透磁率が１であり、鉄心の比透磁率と大きく異なることで、一定のインダクタンスを得るために積極的に利用する場合がある。ここで、「第１ギャップ」とは、柱状鉄心を複数の柱状鉄心部分に分離した際に、対向する柱状鉄心部分に形成されるギャップをいう。第１ギャップは、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）の長手方向と直交する面で対向するようにして設けることができる。また、第１ギャップは、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）のそれぞれの１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）が巻回された領域と２次コイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）が巻回された領域の間に設けることが好ましい。また、磁気抵抗は磁路の長さ／透磁率／断面積で求まり、柱状鉄心の透磁率が空気の１０００倍程度であるため、ギャップ付き鉄心型変圧器とギャップなし鉄心型変圧器では、前者がギャップを形成する空気層が主たる磁気抵抗となり、鉄心部の磁気抵抗は無視できるのに対して後者は鉄心部の磁気抵抗が主体となる。このようにギャップに空気層を設けるだけでも、透磁率の差により、磁束の流れ方の物性が大きく異なってくることにより、用途が異なってくる。また、鉄心が飽和する時の電流も大きく異なり、ギャップの有無で変圧器としての用途は異なってくる。

変圧器においては、磁束が打ち消し合わない状況が少しでもあると、変圧比だけでなく、電磁波、効率など、さまざまな影響が生じるため、三相交流電流と同様、磁束も３つ足し合わせると常に０になることが求められる。実施例１に係る三相変圧器によれば、柱状鉄心の配置と第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の形状により、３相の磁気抵抗を等しく、かつ小さくでき、三相分、同時に共通に磁束が走る第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２において、磁束の合計は０である。また、励磁電流が１次コイルに流れる時は、柱状鉄心に磁束が流れ、漏れ磁束を少なくすることができ、三相分、同時に共通に磁束が走る第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２において、磁束の合計は０である。

次に、実施例２に係る三相変圧器について説明する。図５に実施例２に係る三相変圧器の斜視図を示す。図６に実施例２に係る三相変圧器の第２板状鉄心並びに第２板状鉄心に設けられた柱状鉄心及びコイルの斜視図を示す。実施例２に係る三相変圧器１０２が、実施例１に係る三相変圧器１０１と異なっている点は、複数の柱状鉄心のそれぞれは、１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）が巻回された第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）及び２次コイルＡ（４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ）が巻回された第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）に分離可能に構成され、第２板状鉄心２は、複数の第３柱状鉄心部分（３４，３５，３６）及び該複数の第３柱状鉄心部分に個々に巻回された、２次コイルＡとは巻数が異なる複数の２次コイルＢ（４４，４５，４６）を有し、第１板状鉄心１または第２板状鉄心２は、回転軸を中心にして回転可能に構成され、１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）と２次コイルＡ（４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ）との組み合わせ及び１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）と２次コイルＢ（４４，４５，４６）との組み合わせが選択的に変更可能となるように構成されている点である。実施例２に係る三相変圧器１０２におけるその他の構成は、実施例１に係る三相変圧器１０１における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

図５に示すように、複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）が巻回された複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）は、複数の２次コイルＡ（４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ）が巻回された複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）とは分離可能に構成されている。複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）は、第１板状鉄心１に固定されている。一方、図６に示すように、複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）及び複数の２次コイルＢ（４４，４５，４６）が巻回された複数の第３柱状鉄心部分（３４，３５，３６）は第２板状鉄心２に固定されている。

複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）は、複数の第１柱状鉄心部分の中心軸から等距離にある軸を中心として回転対称となる位置に配置されている。図５及び図７に示した例では、複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）は、それぞれの中心軸が１２０度ずつずれた位置に回転軸に対して回転対称となるように配置されている。

同様に、複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）は、複数の第２柱状鉄心部分の中心軸から等距離にある軸を中心として回転対称となる位置に配置されている。図５〜図７に示した例では、複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）は、それぞれの中心軸が１２０度ずつずれた位置に回転軸に対して回転対称となるように配置されている。ここで、図５に示すように、第１板状鉄心１を所定の位置に配置させたとき、複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）は、複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）と重なるように配置される。

さらに、複数の第３柱状鉄心部分（３４，３５，３６）は、複数の第３柱状鉄心部分の中心軸から等距離にある軸を中心として回転対称となる位置に配置されている。図５〜図７に示した例では、複数の第３柱状鉄心部分（３４，３５，３６）は、それぞれの中心軸が１２０度ずつずれた位置に回転軸に対して回転対称となるように配置されている。ここで、図７に示すように、第１板状鉄心１を回転させて他の所定の位置に配置させたとき、複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）は、複数の第３柱状鉄心部分（３４，３５，３６）と重なるように配置されることが好ましい。例えば、複数の第３柱状鉄心部分（３４，３５，３６）は、複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）を６０度回転させた位置に配置する。

複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）は、複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）とは分離可能に構成されているため、第１板状鉄心１は第２板状鉄心２に対して回転させることができる。また、第１板状鉄心１は、ネジ穴（１ａ，１ｂ，１ｃ）を介してネジ等によりカバー５２に固定することができる。第１板状鉄心１は、回転させた後に新たな位置でネジ等によりカバー５２に固定することができる。

第１板状鉄心１を、回転軸を中心にして回転させることにより、１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）と２次コイルＡ（４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ）との組み合わせ、及び１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）と２次コイルＢ（４４，４５，４６）との組み合わせが選択的に変更可能となり、変圧比を変えることができる。図５に示した例では、１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）が２次コイルＡ（４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ）と組み合わされている。この時、１次コイルの鉄心と２次コイルＡの鉄心は接触した状態である。１次コイルの電圧をＶ₁、巻数をＮ₁とし、２次コイルＡの電圧をＶ₂、巻数をＮ₂とすると、変圧比αは、以下の式で求められる。
α＝Ｖ₁／Ｖ₂＝ｋ×Ｎ₁／Ｎ₂
ただし、ｋは１次コイルと２次コイルＡの結合係数で理想的には１である。

図７に実施例２に係る三相変圧器において第１板状鉄心１を時計と反対方向に６０度回転させた後の斜視図を示す。図７に示した例では、１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）が２次コイルＢ（４４，４５，４６）と組み合わされている。１次コイルの電圧をＶ₁、巻数をＮ₁とし、２次コイルＢの電圧をＶ₃、巻数をＮ₃（≠Ｎ₂）とすると、変圧比βは、以下の式で求められる。
β＝Ｖ₁／Ｖ₃＝ｋ´×Ｎ₁／Ｎ₃
ただし、ｋ´は１次コイルと２次コイルＢの結合係数で理想的には１である。

結合係数ｋ及びｋ´がほぼ等しいとすると、２次コイルＡの巻数Ｎ₂と２次コイルＢの巻数Ｎ₃が異なるため、変圧比αとβは異なる値となる。従って、１次コイルと組み合わせるコイルを２次コイルＡと２次コイルＢとの間で切り替えることにより、変圧比をαまたはβに切り替えることができる。
なお、１次コイルと２次コイルＡが組み合わさり、鉄心が接触した状態の時、２次コイルＢの２つの端子は解放される。２次コイルＢの鉄心はどの鉄心とも接触していない状態である。実施例２に係る三相変圧器の等価回路を図８Ａ及び図８Ｂに示す。図８Ａは１次コイルが２次コイルＡと組み合わされた場合の三相変圧器の等価回路であり、図８Ｂは１次コイルが２次コイルＢと組み合わされた場合の三相変圧器の等価回路である。図８Ａ及び図８Ｂにおいてｋ＝ｋ´＝１としている。鉄心の接触、非接触により、磁気回路として、機能している鉄心と機能していない鉄心ができ、変圧器が機械式に切り替わる形となる。

なお、図５及び図７に示した例では、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の外周部にカバー５２を設けた例を示したが、カバーを設けない構成であっても変圧比を変えることができる。カバー５２を設けない場合は、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２をネジ等により直接固定するようにしてもよい。

上記の説明では、３つの柱状鉄心を備えた第１板状鉄心１を回転させることにより、変圧比を変える構成について説明したが、第１板状鉄心１に６つ、またはそれ以上の柱状鉄心を配置してもよい。例えば、第１板状鉄心１に複数の１次コイルＢを巻回した複数の第１柱状鉄心部分Ｂ（図示せず）を設け、複数の１次コイルＢを複数の２次コイルＡまたは複数の２次コイルＢと組み合わせることにより、変圧比をさらに２通り（γ，δ）に変えることができ、合計４通りに変えることができる。さらに、各コイルに接続された配線の繋ぎ方を直列または並列とすることにより、１つの変圧器とすることもできるし、２つ以上の変圧器とすることもできる。また、例えば、各国により電源電圧が異なっており、変圧器を接続する電気機器または電気機械の移動に伴い、変圧比を変える必要がある。変圧比を変えることを可能とすることにより、変圧比が異なる他の変圧器を新たに用意する必要がなくなり、不必要になる変圧器もなくすことができる。

次に、実施例３に係る三相変圧器について説明する。図９に実施例３に係る三相変圧器の斜視図を示す。実施例３に係る三相変圧器１０３が、実施例１に係る三相変圧器１０１と異なっている点は、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の外周部に設けられ、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）、複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）及び複数の２次コイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）を包囲するカバー５をさらに有する点である。実施例３に係る三相変圧器１０３におけるその他の構成は、実施例１に係る三相変圧器１０１における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

変圧器は、柱状鉄心にギャップを設けた場合、ギャップ部分で柱状鉄心の軸方向に大きな吸引力が生じる。また、ギャップなしの変圧器でも、鉄心の磁歪により、音が騒音に繋がると言われている。磁歪は、鉄心中の磁束の変化により、鉄心に応力、変形が生じ、騒音に繋がるとされている。そのため、この吸引力を構造的に支えるため、カバー５を設けることが好ましい。カバー５の材料は鉄、アルミ、及び樹脂のいずれでも良い。あるいは、カバーは磁性体または導体であってもよい。

図１０Ａに実施例３に係る三相変圧器のカバーを構成する基材の斜視図を示す。基材５０には強磁性体シートを用いることが好ましい。強磁性体シートとして、例えば、電磁鋼板を用いることができる。また、基材５０の表面には絶縁処理を施すことが好ましい。また、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）及びカバー５のうちの少なくとも１つが巻鉄心で構成されるようにしてもよい。

図１０Ｂに実施例３に係る三相変圧器のカバーの斜視図を示す。図１０Ａに示すような長方形の基材５０を第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の外周部に沿って巻くことによって、図１０Ｂに示すような円筒形状のカバー５を形成することができる。径が小さい変圧器の場合は、筒状の部材の回りに、基材５０を巻くようにして円筒形状のカバー５を形成することができる。また、カバーは、電磁鋼板の他に、炭素鋼等を用いることもできる。円筒の場合、旋盤で加工しやすいため、安価に、精度良く加工、製造できるという利点もある。また、円筒の場合、同じ外周長で円筒内の体積が最大になり、柱状鉄心やコイル等を最大限配置でき、使用する部材の量を少なくすることができ、製品のライフサイクルの面で合理的であるという点で好ましい。

第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の外周部の形状も円又は楕円であることが好ましい。カバー５と同様、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２も円又は楕円等の単純な形状とすることにより、精度良く、加工し、製造することができる。そのため、精度良く加工された柱状鉄心（３１，３２，３３）、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２、カバー５を組み合わせることにより、柱状鉄心間のギャップの管理が容易になり、ギャップの寸法も一定に保ちやすいため、ギャップに働く吸引力によるギャップ長の変動を小さくすることができる。ギャップのない変圧器でも、積層鋼板を積層したり、組立てることにより、小さなギャップや空気層が存在し、磁気抵抗になっており、精度良く加工できる構造により、低減することができる。ただし、カバー５は円筒には限られず、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の形状は円または楕円形状以外であっても、本機能を発揮することができる。

カバー５を鉄やアルミ等で形成することにより、磁束や電磁波を外部に漏えいしないようにすることができる。カバー５を鉄等の磁性体で形成することにより、磁束の通り道にもなり、漏れ磁束を外部に出さないようにすることができる。即ち、カバー５を鉄等の透磁率の高い材料を用いて作製することにより、柱状鉄心からの磁束が第１板状鉄心１、カバー５、第２板状鉄心２を通る経路を形成することができる。さらに、カバー５を鉄やアルミ等で形成することにより、渦電流を低減させたり、磁束の通り易さを向上させたりすることができる。

カバー５をアルミ等、透磁率は低いが、抵抗率の小さい材料で形成することにより、電磁波を遮断することができる。一般に、三相交流電流は、ＩＧＢＴ素子などのスイッチング素子で作られ、矩形波の電磁波がＥＭＣ試験等で問題になることがある。また、カバー５を樹脂等で形成することにより、液体や異物等の侵入を防ぐことができる。

ここで、直流の磁束が三相交流に何からの理由で重畳している場合が考えられる。従来技術では、零相すなわち、三相交流ではなく、直流の磁束の対策のために、零相用磁脚鉄心を設ける例が報告されている。一方、図３の磁気解析結果に示すように、本実施例では外周部のカバー５までは磁束は到達しない。しかしながら、カバー５を磁性体で形成し、直流の磁束が流れた場合、漏れ磁束と同様、アンバランスな磁束がカバーの方まで流れることも考えられる。このような場合に、磁性体で形成されたカバーでアンバランスな磁束を吸収し、悪影響を与えないようにすることも可能である。

なお、図５及び図７に示すように、実施例２に係る三相変圧器にカバー５２を設けるようにしてもよい。即ち、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の外周部に設けられ、複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）、複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）、複数の第３柱状鉄心部分（３４，３５，３６）、複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）、複数の２次コイルＡ（４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ）及び複数の２次コイルＢ（４４，４５，４６）を包囲するカバー５２をさらに有するようにしてもよい。また、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２、複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）、複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）、複数の第３柱状鉄心部分（３４，３５，３６）及びカバー５２のうちの少なくとも１つが巻鉄心で構成されるようにしてもよい。カバー５２は、磁性体または導体であることが好ましい。カバー５２を設けることにより、１次コイル、２次コイルＡ、及び２次コイルＢから電磁波が漏えいするのを防止することができる。

次に、実施例４に係る三相変圧器について説明する。図１１に実施例４に係る三相変圧器の断面図を示す。図１１は図９において複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）が巻かれた複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）における任意の位置での第１板状鉄心１と水平な面で切断した断面図を示している。実施例４に係る三相変圧器１０４が、実施例１に係る三相変圧器１０１と異なっている点は、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）の中心軸（３１ｙ，３２ｙ，３３ｙ）から等距離にある軸（回転軸Ｃ₁）を中心軸とするように配置された棒状体６をさらに有する点である。実施例４に係る三相変圧器１０４におけるその他の構成は、実施例１に係る三相変圧器１０１における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

棒状体６は、複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）が巻かれた複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）の配置と第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の形状から、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）の中心軸（３１ｙ，３２ｙ，３３ｙ）から等距離にある軸（回転軸Ｃ₁）を中心軸とするように配置することが好ましい。棒状体６は磁性体または導体であることが好ましい。

また、変圧器の場合、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）にギャップを設けた場合、ギャップ間に働く吸引力は大きく、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の中心を支えることにより、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の撓みを効果的に抑えることができる。また、吸引力はギャップで向き合う柱状鉄心が引き合う方向にしか働かないため、荷重の向きからも、効果的に撓み（ひいてはギャップの変動）を抑えることができる。

図１１に示した例では、三相変圧器１０４にカバー５及び棒状体６が設けられた構成を示しているが、カバー５を設けずに棒状体６を設けるようにしてもよい。この場合、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２をネジ等により直接固定するようにしてもよい。

さらに、図５に示した三相変圧器において、複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）の中心軸から等距離にある軸を中心軸とする固定補助用の棒状体（図示せず）を設けるようにしてもよい。棒状体は、磁性体または導体であることが好ましい。棒状体を設けることにより、第１板状鉄心１を第２板状鉄心２に対して回転させる際に安定性を向上させることができる。

上記の実施例に係る三相変圧器において、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２、複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）、及び棒状体６のうちの少なくとも１つは巻鉄心で構成されるようにしてもよい。さらに巻鉄心の中心部には棒状の中心部鉄心が配置されるようにしてもよい。巻鉄心を用いることにより、励磁電流や鉄損を小さくすることができる。

図５に示した三相変圧器において、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２、複数の第１柱状鉄心部分（３１ａ，３２ａ，３３ａ）及び複数の第２柱状鉄心部分（３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）及び棒状体（図示せず）のうちの少なくとも１つは巻鉄心で構成されることが好ましい。さらに、巻鉄心の中心部には棒状の中心部鉄心が配置されているようにしてもよい。巻鉄心を用いることにより、励磁電流や鉄損を小さくすることができる。

次に、実施例５に係る三相変圧器について説明する。図１２に実施例５に係る三相変圧器の斜視図を示す。図１３に実施例５に係る三相変圧器の側面図を示す。実施例５に係る三相変圧器１０５が、実施例１に係る三相変圧器１０１と異なっている点は、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の少なくとも一方と、複数の柱状鉄心（３１０，３２０，３３０）の少なくとも１つとの間に第２ギャップが設けられ、第２ギャップの長さｄを調整するギャップ調整機構（７１，７２，７３）が設けられている点である。実施例５に係る三相変圧器１０５におけるその他の構成は、実施例１に係る三相変圧器１０１における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

ギャップ調整機構（７１，７２，７３）として、第１板状鉄心１に設けたネジを用いることができる。ネジの先端面がカバー５に当接し、第１板状鉄心１にもネジ穴が設けられている。ギャップ調整機構（７１，７２，７３）であるネジを回転させることにより、第１板状鉄心１を上下に動かすことができる。第１板状鉄心１と複数の柱状鉄心（３１０，３２０，３３０）の先端間に第２ギャップｄを形成することができ、第２ギャップｄの大きさをネジにより調整することができる。ここで、「第２ギャップ」とは、第１板状鉄心１または第２板状鉄心２と複数の柱状鉄心（３１０，３２０，３３０）の先端との間に形成されるギャップをいう。第２ギャップｄの大きさを調整することにより、インダクタンスの大きさの調整を行うことができる。このようにして、異なる大きさのインダクタンスを１つの変圧器で形成することが可能となる。

上述のようにギャップ調整機構（７１，７２，７３）であるネジのみでも第１板状鉄心１を固定することは可能である。しかしながら、第２ギャップｄに働く磁気吸引力のために、カバー５にネジ山を切り、第１板状鉄心１にもネジ山を切った穴を設け、第１固定ネジ（８１，８２，８３）にて、第１板状鉄心１とカバー５を固定し、結合を強固にするようにしてもよい。一方、第２固定ネジ（９１，９２，９３）にて、第２板状鉄心２とカバー５を固定し、結合を強固にするようにしてもよい。

ギャップ調整機構として、ネジの代わりに、第１板状鉄心１とカバー５との間にスペーサ等の部材を挟み、固定ネジでギャップを形成するようにしてもよい。

図１２及び図１３に示した例では、カバー５が設けられた例を示したが、カバー５を設けない場合は、第２板状鉄心２まで、ギャップ調整機構（７１，７２，７３）としてのネジ及び固定ネジ（８１，８２，８３）を通すことにより、上記と同様にギャップを調整することができる。

図１４に実施例５の変形例に係る三相変圧器を構成する第１板状鉄心１０の斜視図を示す。ギャップ調整機構として、ネジの代わりに、第１板状鉄心１０の柱状鉄心（図示せず）と対向する面に図１４に示すような突出部（１１，１２，１３）を設ける。突出部（１１，１２，１３）は、第１板状鉄心１０の回転の中心Ｃ₂から距離ｒの位置に沿って設けられ、径方向の長さが時計回りの向きに短くなるように形成されている。また、第１板状鉄心１０には周方向の位置を調整するために複数のネジ穴１４が設けられている。第１板状鉄心１０を回転させることによって、柱状鉄心と第１板状鉄心１０の突出部（１１，１２，１３）との接触面積を意図的に変化させて、インダクタンスの大きさを調整することができる。

図１５に実施例５の変形例に係る三相変圧器１０５１の斜視図であって、インダクタンスが大きい状態を示す。突出部（１１，１２，１３）の径方向の長さが最大となる位置で複数の柱状鉄心（３１０，３２０，３３０）と接している。このときに、インダクタンスが最大となる。

図１６に実施例５の変形例に係る三相変圧器１０５１の斜視図であって、インダクタンスが小さい状態を示す。突出部（１１，１２，１３）の径方向の長さが最小となる位置で複数の柱状鉄心（３１０，３２０，３３０）と接している。このときに、インダクタンスが最小となる。

図１５及び図１６に示した構成において、第１板状鉄心１０、カバー５及び第２板状鉄心２で囲まれた三相変圧器１０５１の内部を密閉構造とする場合には、部材にて隙間を塞ぐようにしてもよい。密閉構造とすることにより、磁束漏れ、電磁波、粉じん等などの対策をとることができる。

次に、実施例６に係る三相変圧器について説明する。実施例６に係る三相変圧器が、実施例３に係る三相変圧器１０３と異なっている点は、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２及びカバー５に囲まれた部分に絶縁油または磁性流体が充填されている点である。実施例６に係る三相変圧器におけるその他の構成は、実施例３に係る三相変圧器１０３における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

図９に示すように、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２及びカバー５に囲まれた部分に絶縁油または磁性流体を充填させる。例えば、第２板状鉄心２にカバー５を設けた後、絶縁油または磁性流体を充填し、第１板状鉄心１をカバー５に設置する。磁性流体の場合、カバー５の中にコイルなどから発生する磁界により、攪拌される効果もある。発熱源は複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）、複数の２次コイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）、及び複数の１次コイル及び２次コイルが巻回されている複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）であり、絶縁油または磁性流体は対流して熱伝導により外部と熱交換を行い、複数の１次コイル、２次コイル、及び複数の柱状鉄心を冷却することができる。

次に、実施例７に係る三相変圧器について説明する。図１７に実施例７に係る三相変圧器１０６の斜視図を示す。実施例７に係る三相変圧器１０６が、実施例３に係る三相変圧器１０３と異なっている点は、複数の柱状鉄心（３１１，３２１，３３１）は空芯構造及び開口部３１１ａを備え、該空芯構造及び開口部３１１ａを介して、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２及びカバー５に囲まれた部分に絶縁油または磁性流体を循環させる点である。実施例７に係る三相変圧器１０６におけるその他の構成は、実施例３に係る三相変圧器１０３における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

複数の柱状鉄心（３１１，３２１，３３１）は、第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２を貫通しており、空芯構造は第１板状鉄心１及び第２板状鉄心２の外部に通じている。従って、第１板状鉄心１側から空芯構造を介して絶縁油または磁性流体を流入させ、第２板状鉄心２側から排出することができる。

また、複数の柱状鉄心（３１１，３２１，３３１）の空芯構造には、冷却水や冷却油を流すようにしてもよい。このような構成とすることにより、三相変圧器１０６の冷却性能を向上させることができる。

さらに、複数の柱状鉄心（３１１，３２１，３３１）は空芯構造及び開口部３１１ａを備え、該空芯構造及び開口部３１１ａを介して、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２及びカバー５に囲まれた部分に絶縁油または磁性流体を循環させるようにしてもよい。また効率よく複数の１次コイル（４１ａ，４２ａ，４３ａ）、複数の２次コイル（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）、及び複数の１次コイル及び２次コイルが巻回されている複数の柱状鉄心（３１，３２，３３）の冷却を行うために、循環中、熱せられた絶縁油または磁性流体を三相変圧器の外部に排出して冷却してから戻すようにしてもよい。図１７には、１つの柱状鉄心３１１に開口部３１１ａを設ける例を示したが、開口部は１つの柱状鉄心に複数個設けてもよいし、複数の柱状鉄心に１つまたは複数の開口部を設けるようにしてもよい。

図１８に実施例７の変形例に係る三相変圧器の斜視図を示す。複数の第１柱状鉄心部分（３１０ａ，３２０ａ，３３０ａ）、複数の第２柱状鉄心部分（３１０ｂ，３２０ｂ，３３０ｂ）、及び複数の第３柱状鉄心部分（３４０，３５０，３６０）のそれぞれに空芯構造を設け、該空芯構造を介して、第１板状鉄心１、第２板状鉄心２及びカバー５に囲まれた部分に絶縁油または磁性流体を循環させるようにしてもよい。

また、図１７には、複数の柱状鉄心（３１１，３２１，３３１）に巻回されたコイルの配線１００も示されている。配線１００を三相変圧器１０６の外部に取り出す接続部５１は、磁束に影響しない位置に設けることが好ましい。密閉構造にする場合、接続部５１にコネクタやゴムパッキン、接着材等を用いることにより、気密性を保つことができる。磁束すなわち、インダクタンスに影響を与えない位置であれば、接続部５１をいずれの場所に設けるようにしてもよい。

１，１０ 第１板状鉄心
１１，１２，１３ 突出部
２ 第２板状鉄心
３１，３２，３３ 柱状鉄心
３１ａ，３２ａ，３３ａ 第１柱状鉄心部分
３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ 第２柱状鉄心部分
３４，３５，３６ 第３柱状鉄心部分
４１ａ，４２ａ，４３ａ １次コイル
４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ ２次コイル
４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ ２次コイルＡ
４４，４５，４６ ２次コイルＢ
５，５２ カバー
６ 棒状体
７１，７２，７３ ギャップ調整機構

Claims (14)

1. 互いに対向するように配置された第１板状鉄心及び第２板状鉄心と、
   前記第１板状鉄心及び前記第２板状鉄心の間に、前記第１板状鉄心又は前記第２板状鉄心と接続するように配置された３の倍数の複数の柱状鉄心であって、該複数の柱状鉄心の中心軸から等距離にある軸を中心として回転対称となる位置に配置されている複数の柱状鉄心と、
   前記複数の柱状鉄心に個々に巻回された３の倍数の複数の１次コイル及び複数の２次コイルを含むコイルと、
   を有する三相変圧器。
2. 互いに対向するように配置された第１板状鉄心及び第２板状鉄心と、
   前記第１板状鉄心及び前記第２板状鉄心の間に、前記第１板状鉄心又は前記第２板状鉄心と接続するように配置された３の倍数の複数の柱状鉄心であって、該複数の柱状鉄心の中心軸から等距離にある軸を中心として回転対称となる位置に配置されている複数の柱状鉄心と、
   前記複数の柱状鉄心に個々に巻回された３の倍数の複数の１次コイル及び複数の２次コイルＡを含むコイルと、を有し、
   前記複数の柱状鉄心のそれぞれは、前記１次コイルが巻回された第１柱状鉄心部分及び前記２次コイルＡが巻回された第２柱状鉄心部分に分離可能に構成され、
   前記第２板状鉄心は、複数の第３柱状鉄心部分及び該複数の第３柱状鉄心部分に個々に巻回された、前記複数の２次コイルＡとは巻数が異なる複数の２次コイルＢを有し、
   前記第１板状鉄心または前記第２板状鉄心は、前記回転軸を中心にして回転可能に構成され、前記複数の１次コイルと前記複数の２次コイルＡとの組み合わせ及び前記複数の１次コイルと前記複数の２次コイルＢとの組み合わせが選択的に変更可能となるように構成されている、三相変圧器。
3. 前記複数の１次コイル及び前記複数の２次コイルは、前記第１板状鉄心及び前記第２板状鉄心の端部より内側に配置されている、請求項１に記載の三相変圧器。
4. 前記第１板状鉄心及び前記第２板状鉄心の外周部に設けられ、前記複数の柱状鉄心、前記複数の１次コイル及び前記複数の２次コイルを包囲するカバーをさらに有する、請求項１に記載の三相変圧器。
5. 前記第１板状鉄心及び前記第２板状鉄心の外周部に設けられ、前記複数の第１柱状鉄心部分、前記複数の第２柱状鉄心部分、前記複数の第３柱状鉄心部分、前記複数の１次コイル、前記複数の２次コイルＡ及び前記複数の２次コイルＢを包囲するカバーをさらに有する、請求項２に記載の三相変圧器。
6. 前記カバーは、磁性体または導体である、請求項４または５に記載の三相変圧器。
7. 前記第１板状鉄心、前記第２板状鉄心、前記複数の柱状鉄心及び前記カバーのうちの少なくとも１つは巻鉄心で構成される、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の三相変圧器。
8. 前記複数の柱状鉄心の中心軸から等距離にある軸を中心軸とする固定補助用の棒状体をさらに有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の三相変圧器。
9. 前記棒状体は、磁性体または導体である、請求項８に記載の三相変圧器。
10. 前記第１板状鉄心、前記第２板状鉄心、前記複数の柱状鉄心及び前記棒状体のうちの少なくとも１つは巻鉄心で構成される、請求項８または９に記載の三相変圧器。
11. 前記巻鉄心の中心部には棒状の中心部鉄心が配置されている、請求項１０に記載の三相変圧器。
12. 前記第１板状鉄心及び第２板状鉄心の少なくとも一方と、前記複数の柱状鉄心の少なくとも１つとの間にギャップが設けられ、
    前記ギャップの長さを調整するギャップ調整機構が設けられている、請求項１に記載の三相変圧器。
13. 前記第１板状鉄心、前記第２板状鉄心及び前記カバーに囲まれた部分に絶縁油または磁性流体が充填されている、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の三相変圧器。
14. 前記複数の柱状鉄心は空芯構造及び開口部を備え、該空芯構造及び開口部を介して、前記第１板状鉄心、前記第２板状鉄心及び前記カバーに囲まれた部分に絶縁油または磁性流体を循環させる、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の三相変圧器。