JP2021044401A - 静止誘導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】三相三脚型巻鉄心に巻回された巻線で発生する負荷損失を低減するとともに、巻鉄心内で発生する無負荷損失を抑制することにより、全損失を低減し、効率特性が優れた静止誘導機器を提供する。【解決手段】幅を断続的に変えた複数の薄板状磁性材の先端を接合しながら積層し、略矩形に成形した２つの内側巻鉄心と、それらを囲む１つの外側巻鉄心からなる三相三脚型巻鉄心と、該巻鉄心の磁脚部に巻回した三相巻線から構成される静止誘導機器において、前記巻鉄心の断面の外接図形が、略楕円形等、外側に凸な曲線で構成されていること、を特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、変圧器、リアクトル等の静止誘導機器に用いられる鉄心と巻線の構造に関し、特に、電磁鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の薄板状の磁性材料からなる複数の環状巻鉄心から構成される、三相三脚型巻鉄心を用いた静止誘導機器の低損失化技術に関するものである。

変圧器、リアクトル等の静止誘導機器の鉄心に用いられる、方向性電磁鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の低損失磁性材料は、材料内に流れる渦電流による損失を抑制するため、厚さがおおむね０．３ｍｍ以下の薄板状の形態を持つ。それらの材料を規定の長さに切断して多数枚を重ね、一端が開放されたＵ字型とし、該開放部に巻線を挿入して開放部を閉じ、バットジョイントやラップジョイント等の接合部を備えた、略円形、あるいは略矩形の巻鉄心が構成される。

電力容量がおおむね５００ｋＶＡ以下の小〜中容量の三相静止誘導機器では、上記の巻鉄心（内側巻鉄心）を２個並べ、その外周に１個の巻鉄心（外側巻鉄心）を備えた三相三脚型の巻鉄心に三相の巻線を備えて構成されるのが一般的である。該三相三脚型の静止誘導機器は、鉄心の製造コストが低廉で製作性も良好なため、現在広く用いられているが、同一の幅の磁性材料で巻鉄心を構成すると、その断面形状は矩形となり、その周囲に巻回される巻線の断面形状も略矩形となる。それにより巻線が長尺化して負荷損失（銅損）が増える。

そのため、特許文献１では、薄板状の磁性材料を交互にずらして積層し、鉄心の断面外形を略六角形として、周長が短縮された円形巻線を巻回するとともに、鉄心との間隙を低減させ、変圧器を小型化する技術が開示されている。

また、三相三脚型巻鉄心の無負荷損失（鉄損）を低減するため、特許文献２では、外側巻鉄心を構成する磁性材料の幅を内側巻鉄心より小さくする技術が開示されている。この構成により中央の磁脚内の磁束密度を両端の磁脚内の磁束密度とほぼ同一とすることができ、鉄心全体で平均した無負荷損失密度を低減することができる。

特開２０１９−２９５５３号公報 特開２０１５−８２３８号公報

特許文献１で開示されている技術は、薄板状磁性材料を積層して構成した巻鉄心の断面外形を多角形とすることにより、その周囲を巻回させる巻外形を円形とし、静止誘導機器の負荷損失が低減されるとともに小形化も可能である。しかし、三相三脚型巻鉄心への適用については言及されておらず、三相磁脚間の無負荷損失分布の偏りは改善されない課題がある。

また、特許文献２で開示されている技術により、三相三脚型巻鉄心内で発生する損失の分布が平準化され、静止誘導機器の無負荷損失は低減されるが、鉄心と巻線の間隙が増加するので巻線長は短縮されず、負荷損失の低減効果は得られない課題がある。そのため損失低減効果が得られるのは、静止誘導機器の負荷率がおおむね５０％以下の条件であることが言及されている（当該文献２、段落［００２０］参照）。

本発明は、三相三脚型巻鉄心に巻回された巻線で発生する負荷損失（銅損）を低減するとともに、巻鉄心内で発生する無負荷損失（鉄損）を抑制することにより、全損失を低減し、効率特性が優れた静止誘導機器を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載された構成を採用する。本願は上記課題を解決する複数の手段を含んでいるが、その一例を挙げるならば、幅を断続的に変えた複数の薄板状磁性材の先端を接合しながら積層し、略矩形に成形した２つの内側巻鉄心と、それらを囲む１つの外側巻鉄心からなる三相三脚型巻鉄心と、該巻鉄心の磁脚部に巻回した三相巻線から構成される静止誘導機器において、前記巻鉄心の断面の外接図形が、外側に凸な曲線で構成されていること、を特徴とするものである。

本発明により、三相三脚型巻鉄心の磁脚に巻回される巻線の平均周長が短縮され、静止誘導機器の負荷損失が低減される。また、巻鉄心の断面形状を楕円形とすることで、鉄心が小形化され、鉄心で発生する無負荷損失を抑制することができる。これにより、全損失を低減し、静止誘導機器の効率を向上させることができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図。 本発明の第１の実施例における三相三脚型静止誘導機器の磁脚の断面拡大図。 本発明の第１の実施例における三相三脚型静止誘導機器の鉄心を構成する磁性材料の幅と積層枚数の関係を示す図。 本発明の第２の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図。 本発明の第１および第２の実施例における三相三脚型静止誘導機器の磁脚断面形状と相対損失の関係を示す図。 従来例の三相三脚型変圧器の寸法の相対値の一例を表す表。 本発明の第３の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図。 本発明の第４の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図。 従来の三相三脚型静止誘導機器の断面図。

以下、本発明の複数の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図１は本発明の第１の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は図（ａ）中の線Ａ−Ａ’に沿った横断面図を示す。本実施例の構成と特徴を、図９に示した従来の三相三脚型静止誘導機器の断面図と比較しながら説明する。

図９（ａ）は従来の三相三脚型静止誘導機器の縦断面図、同図（ｂ）は図（ａ）中の線Ａ−Ａ’に沿った横断面図である。方向性珪素鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の薄板状磁性材料を略矩形に巻いて成形した２個の内側巻鉄心１２と、その外周に備えた１個の外側巻鉄心１１からなる三相三脚型巻鉄心と、該巻鉄心の３本の磁脚に巻回した、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線２１，２２，２３から構成される。なお、該静止誘導機器がリアクトルの場合、上記巻線２１，２２，２３はそれぞれ１つの巻線から構成される。また、該静止誘導機器が変圧器の場合、上記巻線２１，２２、２３は、それぞれが一次巻線と二次巻線の２つの巻線から構成される。

従来例の三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心１２と外側巻鉄心１１はともに、幅２ｂｓの薄板状磁性材料を厚さがａｓとなるまで積層し、略矩形に成形される。その結果、該三相三脚型巻鉄心の断面形状は、断面積が２ａｓ×２ｂｓの矩形となり、その周囲に巻回される巻線２１，２２，２３の断面形状も略矩形となる。なお、図９（ａ）では、該三相三脚型巻鉄心の窓の幅をＷ１、窓の高さをＷ２と定義している。図９（ｂ）中に破線で示したのは、Ｕ相巻線２１の平均周長であり、その長さをＬと定義している。上記巻鉄心の断面積が一定の場合、その断面形状を円形とすれば、巻線の平均周長Ｌは最小となり、該巻線で発生する負荷損失を最小とすることができる。一方、該巻鉄心の断面形状を円形とすると、鉄心が大形化し、鉄心で発生する無負荷損失が従来例に比べて増加する。

そこで図１に示した本実施例では、三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心１２の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に大きくしつつ積層し、外側巻鉄心１１の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に小さくしつつ積層する。本図は、該三相三脚型巻鉄心の三相の磁脚部の断面形状が、長軸ｂ、短軸ａの楕円形状とした例を示している。なお、図１（ａ）では、該三相三脚型巻鉄心の窓の幅Ｗ１と窓の高さをＷ２は、図９（ａ）に示した従来例と同一と定義している。ここで、本実施例の三相三脚型巻鉄心の断面積はπ×ａ×ｂ（πは円周率）と表わされるが、この面積は従来例の断面積２ａｓ×２ｂｓと同一とする。本構成により、巻線の断面形状も楕円形状となり、その平均周長Ｌは従来例に比べて短縮され、巻線の重量が軽減されると同時に、静止誘導機器の負荷損失を低減することができる。また、該巻鉄心の断面形状を楕円形とすることで、円形とした場合に比べて鉄心が小形化され、鉄心で発生する無負荷損失を抑制することができる。そのため、負荷損失と無負荷損失とを合わせたトータルの損失（全損失）を低減し、静止誘導機器の効率を向上させることができる。

図２は、本実施例の三相三脚型静止誘導機器の１つの磁脚の断面図と、その１／４の領域の拡大図の概略を示したものであり、図３は、この領域の薄板状磁性材料の幅と、各幅の磁性材料の積層枚数の関係を示した概略図である。薄板状磁性材料１３は、図２の拡大図の最右端で幅２×ｂ１を持ち、その内側で２×ｂ２（ｂ２＞ｂ１）、さらにその内側で２×ｂ３（ｂ３＞ｂ２）の幅を持ち、最も内側の磁性材料は最大の幅２×ｂｋを持つ。ここで、図３に示したように、幅２×ｂ１，２×ｂ２，・・・，２×ｂｋの磁性材料の積層枚数を順次増やす構成とすることにより、図２に示した、鉄心断面の外接図形１４は外側に凸の曲線となる。ここで、外側に凸の曲線とは、曲線の２点間を直線で結んだとき、曲線が常に直線よりも外側にあることを言う。

本構成により、鉄心の外周に巻回される巻線の平均周長を従来構成より短縮でき、静止誘導電器の負荷損失が低減される効果が得られる。すなわち、図１に示した、鉄心の断面形状を楕円形とした構成はひとつの例に過ぎず、図２および図３を使って説明した、巻鉄心の断面の外接図形が外側に凸な曲線となるという条件を満たす断面形状とすることにより、本発明の効果は同様に得られる。

さらに、本構成により三相三脚型巻鉄心の磁脚に巻回される巻線の外形が外側に凸な曲線で構成されるため、巻線を流れる交流電流により作用する応力（外側に拡がろうとするローレンツ力）が低減され、鉄心と巻線を固定する部品類を減量することができ、静止誘導機器の材料コスト、および該部品類で発生する漂遊損失が低減される効果も得られる。

図４は本発明の第２の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は図（ａ）中の線Ａ−Ａ’に沿った横断面図を示す。なお、本実施例でも、図４（ａ）に示した三相三脚型巻鉄心の窓の幅Ｗ１と窓の高さをＷ２は、図９（ａ）に示した従来例、および図１（ａ）に示した第１の実施例と同一と定義している。

本実施例では、三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心１２の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に大きくしつつ厚さがａになるまで積層し、外側巻鉄心１１の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に小さくしつつ厚さがａ’になるまで積層する。ここで、該内側鉄心１２と該外側鉄心１１の積層厚さは、ａ＞ａ’なる関係とする。本図では、三相の磁脚のうち、楕円形状の中央のＶ相磁脚の断面積はπ×ａ×ｂ（πは円周率）と表わされ、左右の短軸長が異なる楕円形状となる両端のＵ相、およびＷ相磁脚の断面積はπ×ｂ×（ａ＋ａ’）／２と表わされる。本実施例では、前記のＵ相、およびＷ相磁脚の断面積を、図９に示した従来例の磁脚の断面積２ａｓ×２ｂｓと同一とする。よってＶ相磁脚の断面積は、前記従来例の磁脚の断面積より大きくなる。

本構成により、巻線の断面形状も楕円形状となり、Ｕ相巻線２１とＷ相巻線２３の平均周長Ｌ１、およびＶ相巻線２２の平均周長Ｌ２はともに従来例に比べて短縮され、静止誘導機器の負荷損失を低減することができる。さらに、Ｖ相磁脚の断面積が増えることにより該磁脚内の磁束密度が低減し、両端のＵ相、およびＷ相磁脚内の磁束密度とほぼ同一とすることができる。この作用により、鉄心全体で平均した無負荷損失密度が低減される効果も得られる。以上の２つの効果により、静止誘導機器の効率を向上させることができる。

次に、実施例１および実施例２の効果についての計算結果を、図５を使って説明する。図６は、図９の従来例の構造を持つ５００ｋＶＡ三相変圧器において、巻鉄心１１、および１２の積層厚さａｓを１としたときの各部の寸法の相対値の一例である。また、該三相変圧器の無負荷損失と、負荷率４０％における負荷損失の比率を１：２．２とする。

まず、実施例１における三相磁脚の断面積π×ａ×ｂを従来例の磁脚の断面積２ａｓ×２ｂｓと同一とし、楕円形断面の長軸ｂに対する短軸ａの比率（楕円率）ａ／ｂを０．３から１．０の範囲内で変化させて、三相変圧器の無負荷損失と負荷損失の合計値である全損失Ｗｔを計算した。このとき、任意のａ／ｂにおける三相三脚型巻鉄心の体積と、巻線の平均周長Ｌを計算して、従来例の計算値からの相対変化量を求めた。実施例１の三相変圧器の無負荷損失は鉄心の体積に比例し、負荷率４０％における負荷損失は巻線の平均周長Ｌに比例すると仮定した。図５中の曲線３２は、三相三脚型巻鉄心の楕円形状断面におけるａ／ｂと、全損失Ｗｔの相対値の関係の計算結果である。３１は従来例の全損失Ｗｔの相対値１００％を示す。曲線３２は、ａ／ｂ＝０．６で極小値９５．５％を持つ略放物線を呈し、鉄心の断面形状をこの条件に合致する楕円形状とすることで、全損失Ｗｔを従来例の三相変圧器より４．５％低減することができる。また、ａ／ｂが０．４から０．８５の範囲内であれば、実施例１の三相変圧器の全損失Ｗｔを、従来例より３．５％以上低減することができる。なお、図５において、楕円率ａ／ｂが１．０、すなわち円に近づくと負荷損失が減少し、無負荷損失が増加すると共に、楕円率ａ／ｂが０．２に近づくと負荷損失が増加し、無負荷損失が減少する。そして、楕円率ａ／ｂが０．６付近で負荷損失と無負荷損失を合わせた全損失が極小となる。

次に、実施例２におけるＵ相、およびＷ相磁脚の断面積π×ｂ×（ａ＋ａ’）／２を従来例の磁脚の断面積２ａｓ×２ｂｓと同一とし、Ｖ相磁脚の断面積π×ａ×ｂを前記従来例の磁脚の断面積より５％大きくした場合について、楕円形断面の長軸ｂに対する短軸ａの比率ａ／ｂが０．５のときの三相変圧器の無負荷損失と負荷損失の合計値である全損失Ｗｔを計算した。なお、該条件におけるａ’は、ａの０．９倍である。図５中の３３が、該条件における計算値であり、三相変圧器の無負荷損失が低減する効果により、実施例１の計算結果３２より全損失Ｗｔの低減効果が大きくなる。

図７は本発明の第３の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は図（ａ）中の線Ａ−Ａ’に沿った横断面図を示す。なお、本実施例でも、図７（ａ）に示した三相三脚型巻鉄心の窓の幅Ｗ１と窓の高さをＷ２は、図９（ａ）に示した従来例、図１（ａ）に示した第１の実施例、および図４（ａ）に示した第２の実施例と同一と定義している。

本実施例では、三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心１２の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に大きくしつつ厚さがａになるまで積層し、外側巻鉄心１１の薄板状磁性材料の幅を２ｂで一定とし、厚さがａ’’になるまで積層する。ここで、該内側巻鉄心１２の断面積をＳｉｎ（＝π×ａ×ｂ／２）、該外側巻鉄心１１の断面積をＳｏｕｔ（＝２×ａ’’×ｂ）としたとき、Ｓｉｎ≧Ｓｏｕｔなる関係とする。本実施例では、三相の磁脚のうち、断面が半楕円形と矩形を組み合わせた形状となる両端のＵ相、およびＷ相磁脚の断面積Ｓｉｎ＋Ｓｏｕｔを、図９に示した従来例の磁脚の断面積２ａｓ×２ｂｓと同一とする。三相の磁脚のうち、断面が楕円形状の中央のＶ脚の断面積２×Ｓｉｎは、前記従来例の磁脚の断面積以上となる。

本構成においてＳｉｎ＝Ｓｏｕｔなる条件では、Ｕ相巻線２１とＷ相巻線２３の平均周長Ｌ１、およびＶ相巻線２２の平均周長Ｌ２はともに従来例に比べて短縮され、静止誘導電器の負荷損失が低減される効果が得られる。また、Ｓｉｎ＞Ｓｏｕｔなる条件においては上記の効果に加えて、Ｖ相磁脚の断面積が増え、該磁脚内の磁束密度が低減し、両端のＵ相、およびＷ相磁脚内の磁束密度とほぼ同一とすることができる。この作用により、鉄心全体で平均した無負荷損失密度が低減される効果も得られる。以上の２つの効果により、静止誘導機器の効率を向上させることができる。

また、外側巻鉄心１１は、同一幅の従来の巻鉄心と同様であるので、外側巻鉄心１１の巻き付け作業が簡単になる。

図８は本発明の第４の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図であり、同図（ａ）は縦断面図を、同図（ｂ）は図（ａ）中の線Ａ−Ａ’に沿った横断面図を示す。なお、本実施例でも、図８（ａ）に示した三相三脚型巻鉄心の窓の幅Ｗ１と窓の高さをＷ２は、図９（ａ）に示した従来例、図１（ａ）に示した第１の実施例、図４（ａ）に示した第２の実施例、および図７（ａ）に示した第３の実施例と同一と定義している。

本実施例では、三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心１２の薄板状磁性材料の幅を２ｂで一定とし、厚さがａになるまで積層し、外側巻鉄心１１の薄板状磁性材料の幅を、外側から内側に向かって断続的に大きくしつつ厚さがａ’’になるまで積層する。ここで、該内側巻鉄心１２の断面積をＳｉｎ（＝２×ａ×ｂ）、該外側巻鉄心１１の断面積をＳｏｕｔ（＝π×ａ’’×ｂ／２）としたとき、Ｓｉｎ＝Ｓｏｕｔなる関係とする。本実施例では、三相すべての磁脚の断面積を、図９に示した従来例の磁脚の断面積２ａｓ×２ｂｓと同一とする。

本構成により、Ｕ相巻線２１とＷ相巻線２３の平均周長Ｌ１は従来例に比べて短縮され、静止誘導機器の負荷損失が低減される効果が得られる。さらに、該巻線２１および２３の外形が外側に凸な曲線で構成されるため、巻線を流れる交流電流により作用する応力（外側に拡がろうとするローレンツ力）が低減されるため、鉄心と巻線を固定する部品類を減量することができ、静止誘導機器の材料コスト、および該部品類で発生する漂遊損失が低減される効果も得られる。

以上説明した複数の実施例は本発明の構成を限定するものではなく、任意の複数の実施例を組み合わせても、本発明が提供する効果は同様に得られる。

１１：三相三脚型鉄心を構成する外側巻鉄心
１２：三相三脚型鉄心を構成する内側巻鉄心
１３：薄板状磁性材料
１４：磁脚断面における外接曲線
２１：Ｕ相巻線
２２：Ｖ相巻線
２３：Ｗ相巻線
３１：従来の三相三脚型静止誘導機器の損失値
３２：本発明の第１の実施例における三相三脚型静止誘導機器の磁脚形状と損失の関係
３３：本発明の第２の実施例における三相三脚型静止誘導機器の磁脚形状と損失の関係
ａｓ：従来の三相三脚型静止誘導機器を構成する巻鉄心の積層厚さ
ｂｓ：従来の三相三脚型静止誘導機器を構成する磁性材料の幅の１／２
ａ、ａ’、ａ’’：本発明の三相三脚型静止誘導機器を構成する巻鉄心の積層厚さ
ｂ：本発明の三相三脚型静止誘導機器を構成する巻鉄心の最大幅の１／２
Ｌ：三相三脚型静止誘導機器の巻線の平均周長
Ｌ１：三相三脚型静止誘導機器の巻線のうち、Ｕ相、およびＷ相の平均周長
Ｌ２：三相三脚型静止誘導機器の巻線のうち、Ｖ相の平均周長
Ｗ１：三相三脚型巻鉄心の窓の幅
Ｗ２：三相三脚型巻鉄心の窓の高さ
Ｗｔ：三相変圧器の無負荷損失と負荷率４０％における負荷損失の合計値

Claims (10)

1. 幅を断続的に変えた複数の薄板状磁性材の先端を接合しながら積層し、略矩形に成形した２つの内側巻鉄心と、それらを囲む１つの外側巻鉄心からなる三相三脚型巻鉄心と、該巻鉄心の磁脚部に巻回した三相巻線から構成される静止誘導機器において、
   前記巻鉄心の断面の外接図形が、外側に凸な曲線で構成されていること、を特徴とする静止誘導機器。
2. 請求項１に記載の静止誘導機器において、
   前記三相三脚型巻鉄心の断面の外接曲線が、略楕円形であること、を特徴とする静止誘導機器。
3. 請求項２に記載の静止誘導機器において、
   前記楕円形の長軸に対する短軸比が、０．４から０．８５の範囲内であること、を特徴とする静止誘導機器。
4. 請求項３に記載の静止誘導機器において、
   前記楕円形の長軸に対する短軸比が、略０．６であること、を特徴とする静止誘導機器。
5. 請求項１に記載の静止誘導機器において、
   前記三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心の磁性材料の積層枚数が、外側巻鉄心の磁性材料の積層枚数以上であること、を特徴とする静止誘導機器。
6. 請求項１に記載の静止誘導機器において、
   前記三相三脚型巻鉄心を構成する外側巻鉄心の磁性材料の幅を、内側巻鉄心の最大幅と同一の一定値とし、
   内側巻鉄心の断面の外接図形は、外側に凸な曲線で構成されているとともに、外側巻鉄心の断面外形を矩形としたこと、を特徴とする静止誘導機器。
7. 請求項６に記載の静止誘導機器において、
   前記内側巻鉄心の断面積を、前記外側巻鉄心の断面積以上としたこと、を特徴とする静止誘導機器。
8. 請求項１に記載の静止誘導機器において、
   前記三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心の磁性材料の幅を、外側巻鉄心の最大幅と同一の一定値とし、
   外側巻鉄心の断面の外接図形は、外側に凸な曲線で構成されているとともに、内側巻鉄心の断面外形を矩形としたこと、を特徴とする静止誘導機器。
9. 請求項８に記載の静止誘導機器において、
   前記外側巻鉄心の断面積を、前記内側巻鉄心の断面積と同じにしたこと、を特徴とする静止誘導機器。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の静止誘導機器において、
    前記三相三脚型巻鉄心を構成する磁性材料は、方向性珪素鋼板、アモルファス合金、またはナノ結晶合金を用いたこと、を特徴とする静止誘導機器。

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