JP2023028394A - 静止電磁機器 - Google Patents

Abstract

【課題】板状導電材を巻回した巻線を適用した変圧器等の静止電磁電器において，該巻線に交流電流が流れる際に発生する漏洩磁界が，該板状導電材を鎖交して生じる渦電流損失を低減させる方法を提供する。【解決手段】鉄心２と，該鉄心２の磁脚部の周囲に板状導電材３０を巻回した第１の巻線３１と，該第１の巻線３１の外側に板状導電材３０を巻回した第２の巻線３２からなる静止電磁機器１において，該板状導電材３０の上下端部４の厚さを，端部に向かって連続的に減少させ，該板状導電材３０の上下端部４に，巻回方向に対して一定，または不等間隔で切り込み５を備える。【選択図】図３

Description

本発明は，変圧器等の静止電磁機器を構成する鉄心に巻回された，板状導電材からなる巻線から発生する漏洩磁界に起因する渦電流損失の低減技術に関する。

電力系統における送配電電圧の変換，および２系統の電線間の電気的絶縁に用いられる変圧器等の静止電磁機器は，鉄を主成分とする方向性珪素鋼板，アモルファス合金，ナノ結晶合金等の導電性軟磁性材料，あるいはフェライト等の非導電性軟磁性材料により構成された鉄心の磁脚部に，高圧側と低圧側の２系統の巻線が巻回されている。これらの巻線に交流電流が流れる際には，周囲に漏洩磁界が発生し，これが巻線を鎖交して渦電流が生じることにより発熱し，電力の損失（渦電流損失）が生じる。

静止電磁機器への新たな構造の追加や，巻線の構成の変更により，上述した渦電流損失を低減させる技術が開示されている。例えば特許文献１には，鉄心と鉄心脚に巻かれたコイルからなる静止電磁機器において，該コイルの上方同士および下方同士を共通して覆うように配置されるシールドを備え，コイルからの漏洩磁界により発生する渦電流損失を低減する技術が開示されている。また特許文献２では，巻線の上端部および下端部に導体を切り欠いた切り欠け部が形成されて，漏洩磁界による渦電流損失を低減させる技術が開示されている。

特開２０１９－６７９９３号公報 特開２０１６－１５７９１５号公報

特許文献１で開示されている技術では，静止誘導機器の巻線の上方と下方に，巻線部を覆うシールド材を備える必要があるため，静止誘導機器の重量，コストが増加する課題がある。また，特許文献２で開示されている技術は，巻線内で漏洩磁界が特に集中する箇所の導電材を選択的に除去して構成するものである。よって該巻線の巻数を一定に保つためには，漏洩磁界が集中しない箇所に導電材を新たに巻回する必要があるため，該巻線が大形化する可能性がある。さらに，例えば板状の導電材を巻回して構成される巻線の場合，該導電材の内部に発生する渦電流損失は低減されない課題がある。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

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，鉄心と，その磁脚部の周囲に板状導電材を巻回した第１の巻線と，その外側に巻回した第２の巻線からなる静止電磁機器において，該板状導電材の上下端部の厚さを，端部に向かって連続的に減少させたこと，を特徴とする。

また，板状導電材の上下端部に一定，または不等間隔で切り込みを備えるのがよい。

また，板状導電材の上下端部の厚さを，端部に向かって連続的に減少させ，かつ，該板状導電材の上下端部に一定，または不等間隔で切り込みを備えるのがよい。

なお，板状導電材の上下端部の厚さを，端部に向かって連続的に減少させる構成は，該板状導電材の表裏両面に適用してもよいし，表裏のどちらか一方のみに適用してもよい。

なお，板状導電材の上下端部の厚さを，一定の値に薄くしてもよい。

なお，上記の構造を適用した板状導電材から構成される巻線は，鉄心の磁脚部の周囲に巻回された第１の巻線と，その外側に巻回された第２の巻線の両方に適用してもよいし，前記第１の巻線のみに上記の構造を適用し，前記第２の巻線には，リッツ線，平角線等の，従来の導電材を適用してもよい。

なお，上記の構造を板状導電材に適用するために，該板状導電材を研磨してもよいし，圧延してもよい。

なお，静止電磁機器の鉄心は鉄を主成分とする方向性珪素鋼板，アモルファス合金，ナノ結晶合金等の導電性軟磁性材料，あるいはフェライト等の非導電性軟磁性材料により構成され，第１の巻線および第２の巻線は，銅，アルミニウム，または両材料の組み合わせにより構成するのがよい。

本発明の構成によれば，板状導電材を巻回した巻線を適用した変圧器等の静止電磁電器において，該巻線に交流電流が流れる際に発生する漏洩磁界が，該板状導電材を鎖交して生じる渦電流損失が低減され，静止電磁電器の電力損失が低減する効果を奏する。なお，本発明の構成は，周波数が１ｋＨｚを超える高周波電流が巻線に流れる，高周波変圧器において特に好適である。

本発明の第１の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と巻線の縦断面図。 本発明の第２の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と巻線の縦断面図。 本発明の第３の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と巻線の縦断面図。 本発明の効果を説明するために設計した変圧器の上面図。 本発明の効果を説明するために設計した変圧器の正面図。 本発明の効果を説明するために設計した変圧器の巻線の縦断面図。 本発明の効果を説明するために設計した第１の実施例の板状導電材の寸法図。 本発明の効果を説明するために設計した第３の実施例の板状導電材の寸法図。 本発明の効果を説明するために設計した変圧器の巻線損失の周波数特性の比較図。 本発明の第４の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と巻線の縦断面図。 本発明の第５の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と巻線の縦断面図。 本発明の第６の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と巻線の縦断面図。 比較例を示す，静止電磁機器の斜視図と巻線の縦断面図。

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。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

本発明の第１の実施例の構成と効果について，図１と図１０（比較例）を比較しながら説明する。図１は、第１の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と，斜視図中Ａで示した面における巻線の縦断面図である。図１０は比較例を示す，静止電磁機器の斜視図と，斜視図中Ａで示した面における巻線の縦断面図である。

図１と図１０において、単相静止電磁機器１、１ｒは，鉄心２、２ｒの磁脚部２ａ、２ｂ，２ａｒ、２ｂｒの周囲に第１の巻線３１、３１ｒが巻回され，さらに第１の巻線３１、３１ｒの外側に，第２の巻線３２、３２ｒが巻回され，両巻線３１、３１ｒ，３２、３２ｒには，互いに逆向きの交流電流が流れる。特に周波数が１ｋＨｚ以上の交流電流が流れる高周波変圧器の場合，単相静止電磁機器１、１ｒの２つの巻線３１、３１ｒ，３２、３２ｒは，表皮効果，および近接効果による電気抵抗の増加を抑制するため，比較例は図１０の（ａ）に示したように板状導電材３０ｒで構成したり，図１０の（ｂ）に示したように，絶縁材で被覆された複数の細線を撚ったリッツ線３２ａｒで構成したり，あるいは両者を組み合わせて構成される。

比較例（図１０の（ａ））で用いられる板状導電材３０ｒは，電流密度を高くできるので，巻線３１ｒ，３２ｒおよび静止電磁機器１ｒが小形化できる一方，漏洩磁界が該板状導電材３０ｒを鎖交して生じる渦電流損失に起因する電力損失が大きくなる。これに対してリッツ線３２ａｒで生じる渦電流損失は，板状導電材３０ｒに比べて抑制されるため，静止電磁機器１ｒの電力損失が低減される一方，リッツ線３２ａｒは絶縁材で被覆された複数の細線から構成されているため電流密度が低く，巻線３１ｒ，３２ｒおよび静止電磁機器１ｒが大形化する。かつ，リッツ線３２ａｒ自体の価格が高く，電極と接続させるための工数が多いので，静止電磁機器１ｒのコストが高くなる。

本実施例は図１に示したように，該板状導電材３０の上下の端部４の厚さを，端部４の先端側に向かって減少させ，断面形状をナイフ様とする。加工方法は，銅，あるいはアルミニウム製の板状導電材３０を研磨，または圧延するのが好適である。高周波変圧器の巻線を流れる高周波電流により生じる漏洩磁界が，該板状導電材３０を鎖交して発生する渦電流損失は，前記高周波電流の周波数が高いほど，上下の端部４に集中する特性がある。また，前記渦電流損失は，漏洩磁界が鎖交する該板状導電材３０の厚さに比例して増加する特性がある。本実施例は，これら２つの電磁気学的特性に基づき考案されたもので，該板状導電材３０内で，渦電流が集中する上下の端部４の厚さを選択的に薄くすることで，該板状導電材３０で発生する渦電流損失を効果的に低減させることができる。

本発明の第２の実施例の構成と効果について，図２を用いて説明する。実施例１の説明にて述べたものと同一の記号については，その説明を省略する。

図２は本発明の第２の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と，斜視図中Ａで示した面における巻線の縦断面図である。本実施例では，巻線３１と３２を構成する板状導電材３０の上下の端部４に，巻回方向に対して一定，または不定間隔（または、不等間隔）で切り込み５を設ける。本実施例の構成により，該板状導電材３０内の渦電流が流れる経路長が長尺化し，渦電流損失が低減する効果が得られる。

本発明の第３の実施例の構成と効果について，図３から図６を用いて説明する。

図３は本発明の第３の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と，斜視図中Ａで示した面における巻線の縦断面図である。本実施例では，前記第１の実施例と同様に，板状導電材３０の上下の端部４の厚さを，端部４の先端側に向かって減少させ，断面形状をナイフ様とするとともに，前記第２の実施例と同様に，該板状導電材３０の上下の端部４に，巻回方向に対して一定，または不定間隔（不等間隔）で切り込み５を設ける。本実施例の構成により，第１，および第２の実施例と比較して，さらに渦電流損失が低減する効果が得られる。

次に，本実施例の適用による静止電磁機器の巻線で発生する損失の低減効果を，電力容量５００ｋＶＡの単相高周波変圧器を例にとり，有限要素法による電磁界解析の計算結果を示しながら説明する。図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃは，上記単相高周波変圧器の形状と寸法を示したものであり，図４Ａは上面図，図４Ｂは正面図，そして図４Ｃは，図４Ｂ中にＢで示した平面における巻線の縦断面図である。該高周波変圧器の鉄心２は，例えば、（株）日立金属製の２６０５ＨＢ１Ｍアモルファス薄帯を積層し，環状に成型したものを利用できる。静止電磁機器１の鉄心２は鉄を主成分とする方向性珪素鋼板，アモルファス合金，ナノ結晶合金等の導電性軟磁性材料，あるいはフェライト等の非導電性軟磁性材料により構成するのがよい。また、第１の巻線３１および第２の巻線３２は，銅，アルミニウム，または両材料の組み合わせにより構成するのがよい。該鉄心２の磁脚部２ａ，２ｂには，銅の抵抗率を持つ板状導電材３０で構成された第１の巻線３１と，第２の巻線３２を，２か所に分けて重ねて巻回している。なお，前記２つの巻線３１，３２の巻数は，それぞれ１か所あたり１５回，２か所を合わせた合計値は３０回である。該第１の巻線３１の電極には，実効値２０８Ａ，周波数１００Ｈｚから１０ｋＨｚの正弦波電流源を接続し，該第２の巻線３２の電極を短絡した際に，前記２つの巻線３１，３２で発生する損失値を，表皮効果と近接効果による増加分，および漏洩磁界に起因する渦電流損失による増加分を考慮して計算した。

図５Ａ、図５Ｂに示したのは，本発明の２つの実施例１，３を施した板状導電材３０の寸法図である。図５Ａは第１の実施例、図５Ｂは第３の実施例を適用した図である。下記の一覧は，以上説明した図４Ａ、図４Ｂ，図４Ｃ、図５Ａおよび図５Ｂ中に示した寸法の記号と意味，および各寸法値（ｍｍ）の一覧である。

一覧
記号：意味：寸法値（ｍｍ）
ａ：鉄心の厚さ：９０
ｂ：鉄心の幅：２１３
ｃ：巻線の厚さ：７８
ｄ１：巻線と鉄心の距離：３５
ｄ２：巻線同士の距離：４０
ｄ３：巻線端部と鉄心の距離：５０
ｄ：第１，第２巻線の距離：２０
ｄｓ：板状導電材間の距離：１
ｔ：板状導電材の厚さ：０．５
ｈ：板状導電材の高さ：２００
ｈ１：上下端部の厚さ変更部の高さ：５
ｔ１：板状導電材の最薄部の厚さ：０．０４
Ｌ：切り込みの長さ：１０
Ｓ：切り込みの幅：１
Ｇ：切り込みの間隔：２０
ここで、上下端部４の厚さ変更部の高さｈ１は板状導電材３０の厚さｔと比較して大きくされている（ｈ１＞ｔ）。この様に、ｈ１＞ｔの関係とすることにより、漏洩磁界が鎖交する導体の厚さが減り，渦電流による損失を効果的に減少させることができる。

図６は，以上説明した高周波変圧器の巻線で発生する損失の計算値の，周波数に対する依存性を比較した図である。６０は図１０の（ａ）に示した，比較例の板状導電材３０ｒで構成した巻線で発生する損失を示す。そして６１は図５Ａに示した，板状導電材３０の上下の端部４の先端部から５ｍｍ（ｈ１に対応する）の領域の厚さを，端部４の先端部に向かって連続的に減少させた，第１の実施例（図１参照）を適用した巻線３１，３２の損失を，６２は図５Ｂに示した，前記第１の実施例に加えて，板状導電材３０の上下の端部４に，一定間隔で切り込み５を備えた，第３の実施例(図３参照）を適用した巻線３１，３２の損失を示す。本発明の２つの実施例を適用した巻線の損失６１および６２は，ともに１ｋＨｚ以上の周波数範囲で，比較例を適用した巻線の損失６０より低減される。例えば周波数３ｋＨｚにおいて，比較例の結果６０と比較して，第１の実施例を適用した巻線の損失６１は１４％，第３の実施例を適用した巻線の損失６２は１９％，それぞれ低減される効果が得られる。

図７は本発明の第４の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と，斜視図中Ａで示した面における巻線の縦断面図である。本実施例では，該板状導電材３０の上下の端部４の片面のみの厚さを，端部４の先端部に向かって減少（一方の任意の面を薄肉化）させ，断面形状をナイフ様とするとともに，前記第２の実施例と同様に，該板状導電材３０の上下の端部に，巻回方向に対して一定，または不定間隔（不等間隔）で切り込み５を設ける。板状導電材３０の上下の端部４を研磨，または圧延することにより、板状導電材３０の上下の端部４の先端部の形状を加工することができる。本実施例の構成により，前記第３の実施例と同様に，渦電流損失が低減する効果が得られる。また，図７中に示した切り込み５を設けない構成でも，前記第１の実施例と同様の，渦電流損失の低減効果が得られる。

端部４の先端部の断面形状は、拡大して示すように、板状導電材３０の断面形状において左辺側が端部４の先端部に向かって減少する第１形状７１、または、右辺側が端部４の先端部に向かって減少する第２形状７２とされてもよい。巻線３１，３２の端部４の先端部のすべてが第１形状７１とされる場合、巻線３１，３２の端部４の先端部のすべてが第２形状７２とされる場合、巻線３１の端部４の先端部が第１形状７１または第２形状７２の一方とされ巻線３２の端部４の先端部が第１形状７１または第２形状７２の他方とされる場合なども、同様な効果を得ることができる。さらに、板状導電材３０の上側の端部の先端部が第１形状７１または第２形状７２の一方とされ、板状導電材３０の下側の端部の先端部が第１形状７１または第２形状７２の他方とされてもよい。

図８は本発明の第５の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と，斜視図中Ａで示した面における巻線の縦断面図である。本実施例では，板状導電材３０の上下の端部４の厚さを，上下の端部４において両面を薄肉化することで、一定の値に減少させて断面形状を段状とするとともに，前記第２の実施例と同様に，該板状導電材３０の上下の端部４に，巻回方向に対して一定，または不定間隔で切り込み５を設ける。板状導電材３０の上下の端部４を研磨，または圧延することにより、板状導電材３０の上下の端部４の先端部の形状を加工することができる。本実施例の構成により，前記第３，および第４の実施例と同様に，渦電流損失が低減する効果が得られる。また，図８中に示した切り込み５を設けない構成でも，前記第１の実施例と同様の，渦電流損失の低減効果が得られる。

端部４の先端部の断面形状は、拡大して示すように、端部４の厚さｔを，一定の値ｔ１に左右の辺側から均等に減少させて断面形状を段状にした第１形状８１の他、端部４の厚さｔを，一定の値ｔ１に左辺側を減少させて断面形状を段状にした第２形状８２、あるい、端部４の厚さｔを，一定の値ｔ１に右辺側を減少させて断面形状を段状にした第３形状８３とされてもよい。

巻線３１，３２の端部４の先端部のすべてが第２形状８２とされる場合、巻線３１，３２の端部４の先端部のすべてが第３形状８３とされる場合でも、同様な効果を得ることができる。

また、巻線３１の端部４の先端部の形状と巻線３２の端部４の先端部の形状とを異ならせてもよい。つまり、巻線３１の端部４の先端部のすべての形状を第１形状８１、第２形状８２および第３形状８３から選択された１つの形状とし、巻線３２の端部４の先端部のすべての形状を、前記選択された１つの形状と異なる第１形状８１、第２形状８２および第３形状８３から選択された他の１つの形状とされてもよい。この場合も、同様な効果を得ることができる。

また、巻線３１（又は巻線３２）の上側の端部４の先端部の形状と、巻線３１（又は巻線３２）の下側の端部４の先端部の形状とを異ならせてもよい。上側の端部４の先端部の形状を第１形状８１、第２形状８２および第３形状８３から選択された１つの形状とし、下側の端部４の先端部の形状を前記選択された１つの形状と異なる第１形状８１、第２形状８２および第３形状８３から選択された他の１つの形状とする。この場合も、同様な効果を得ることができる。

図９は本発明の第６の実施例を示す，静止電磁機器の斜視図と，斜視図中Ａで示した面における巻線の縦断面図である。本実施例では，鉄心２の磁脚部に巻回された第１の巻線３１を板状導電材３０で構成し，該板状導電材３０の上下の端部４の厚さを，第１の実施例と同様に端部に向かって減少させ，断面形状をナイフ様とする。さらに，第１の巻線３１の外側に巻回される第２の巻線３２を，従来から用いられるリッツ線３２ａで構成する。

２系統の巻線から構成される変圧器において，第１の巻線を流れる電流は第２の巻線を流れる電流より大きいのが一般的である。本実施例のように，第１の巻線３１のみに本発明を適用した，電流密度を高くできる板状導電材３０を適用し，第２の巻線３２に，渦電流損失が抑制できるリッツ線３２ａを適用することで，静止電磁機器の電力損失の低減と，小形化，低コスト化の効果を得ることができる。また，第２の巻線３２に，平角線等の従来の導電材を用いても，該巻線に流れる電流が小さいので，発生する渦電流損失は，第１の巻線３１に比べて小さいので，静止電磁機器の電力損失の低減効果は得ることができる。

なお，本実施例では，第１の巻線３１に，第１の実施例と同様の構造を適用しているが，第４，第５の実施例の構造を適用しても，同等の効果が得られる。さらに，図９には図示していないが，巻線３１の板状導電材３０の上下の端部４に，図３で説明したように、巻回方向に対して一定，または不定間隔で切り込み５を設ければ，渦電流損失がさらに低減される効果は当然得られる。

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。また，本明細書で示した実施例は，いずれも単相変圧器をひとつの例として示したが，三相変圧器，および単相，三相リアクトル等の，他の形態の静止電磁機器に対しても，本発明の効果は同様に得られる。

１：静止電磁機器
２：鉄心
３０：板状導電材
３１：第１の巻線
３２：第２の巻線
３２ａ：リッツ線
４：板状導電材の端部
５：切り込み
６０：比較例の巻線損失の周波数特性
６１：第１の実施例の巻線損失の周波数特性
６２：第３の実施例の巻線損失の周波数特性

Claims (9)

1. 鉄心と，
   前記鉄心の磁脚部の周囲に板状導電材を巻回した第１の巻線と，
   該第１の巻線の外側に板状導電材を巻回した第２の巻線と、を有し、
   該板状導電材の上下の端部の厚さを，前記端部に向かって連続的に減少させたこと，を特徴とする静止電磁機器。
2. 鉄心と，
   前記鉄心の磁脚部の周囲に板状導電材を巻回した第１の巻線と，
   該第１の巻線の外側に板状導電材を巻回した第２の巻線と、を有し、
   該板状導電材の上下端部に，巻回方向に対して一定，または不等間隔で切り込みを備えたこと，を特徴とする静止電磁機器。
3. 鉄心と，
   前記鉄心の磁脚部の周囲に板状導電材を巻回した第１の巻線と，
   該第１の巻線の外側に板状導電材を巻回した第２の巻線と、を有し、
   該板状導電材の上下端部の厚さを，端部に向かって連続的に減少させ，
   該板状導電材の上下端部に，巻回方向に対して一定，または不等間隔で切り込みを備えたこと，を特徴とする静止電磁機器。
4. 請求項１および請求項３のいずれか一項に記載の静止電磁機器において，
   前記板状導電材の上下端部の厚さを，一定の値に薄くして，断面形状を段状としたこと，を特徴とする静止電磁機器。
5. 請求項４に記載の静止電磁機器において，
   前記板状導電材の上下端部の厚さを，該板状導電材の上下端部の両面を薄肉化することにより，端部に向かって連続的に減少させ，または一定の値に薄くして断面形状を段状としたこと，を特徴とする静止電磁機器。
6. 請求項１および請求項３のいずれか一項に記載の静止電磁機器において，
   前記板状導電材の上下端部の厚さを，該板状導電材の一方の任意の面を薄肉化することにより，端部に向かって連続的に減少させ，または、一定の値に薄くして断面形状を段状としたこと，を特徴とする静止電磁機器。
7. 請求項１および請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の静止電磁機器において，
   前記板状導電材の上下端部の厚さを，該板状導電材を研磨，または圧延することにより，端部に向かって連続的に減少させ，または一定の値に薄くして断面形状を段状としたこと，を特徴とする静止電磁機器。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の静止電磁機器において，
   前記第１の巻線の外側に巻回された前記第２の巻線を，該板状導電材から、平角線，またはリッツ線に変更して構成したこと，を特徴とする静止電磁機器。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の静止電磁機器において，
   前記鉄心は、鉄を主成分とする方向性珪素鋼板，アモルファス合金，ナノ結晶合金等の導電性軟磁性材料，あるいはフェライト等の非導電性軟磁性材料により構成され，
   前記第１の巻線および前記第２の巻線は，銅，アルミニウム，または両材料の組み合わせにより構成されたこと，を特徴とする静止電磁機器。

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