JP4913607B2 - 水冷変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却効率が高く、小型化に好適な水冷変圧器の技術分野に関するものである。

従来の水冷変圧器は、図４に示すように、通常は巻数を１とした二次コイル９０１に冷却水路９０２を形成し、この二次コイル９０１を挟んで両側に一次コイル９０３を配設した構造が採られており、この一次コイル９０３への入力電圧、入力電流、及び一次コイル９０３の巻数を変化させて目的とする出力電圧、出力電流が得られるようにしている。

また、従来の水冷変圧器の別の例として、二次コイルが複数配設された水冷変圧器も知られている（特許文献１〜５）。例えば、図５に示すロボット搭載型スポット溶接用水冷変圧器では、内周部に鉄心挿通部９１２を形成した略環状形状の二次コイル部材９１１を複数対並列に配設して二次コイル９１０を構成しており、二次コイル部材９１１には内部を貫通する冷却水路９１５が形成されている。この二次コイル９１０の対をなす二次コイル部材９１１をそれぞれ並列に溶接により接続し、この各二次コイル部材９１１を一次コイルの直列に接続された複数の巻線からなる一次コイル部材で挟着している。

図５に示すロボット搭載型スポット溶接用水冷変圧器は、複数対の二次コイル部材９１１を分割して並列に配設し、それぞれ対をなすコイル部材を並列に接続して二次コイル９１０を形成するようにしたため、二次コイル部材９１１の断面積を大きく拡げて直流抵抗値を下げることができ、また、各二次コイル部材９１１およびその接続部をも貫通した冷却水路９１５に冷却液体を流動させることにより、全体的に均一に冷却効果を高められ、さらに、二次コイル部材９１１は一次コイルとの接触面積が拡大し、表皮効果による交流抵抗値を低減することができる。
特開平５−８２３５７号 特開平５−８２３５８号 実開平５−９５０１８号 実用新案第２５７１６８３号 特許第３１０３７７６号

しかしながら、上記従来の技術では、以下のような問題があった。水冷変圧器は、通常外周が所定の変圧器カバーで覆われており、この変圧器カバーの表面温度に対して基準の温度以下に維持するよう規格が設けられている。水冷変圧器は、この規格に従って変圧器を冷却するために、二次コイルの内部に冷却水を流すようにしたものである。特に、特許文献１〜５に開示されている水冷変圧器では、二次コイルを複数に分割し、それぞれに冷却水路を設けて冷却効果を高めるようにしている。しかし、出力電圧及び出力電流によっては特許文献１〜５に記載の水冷変圧器でも十分な冷却効果が得られず、変圧器カバーの表面温度が基準温度を超えてしまうことがあった。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、変圧器カバーへの熱伝達を抑制して表面温度を低減した水冷変圧器を提供することを目的とする。

この発明の水冷変圧器の第１の態様は、一次コイルと冷却水路が形成された二次コイルとを重ねて配置し、前記一次コイル及び前記二次コイルを貫通してさらにそれらの外周を取り巻くように形成された鉄心と、前記一次コイルと前記二次コイルと前記鉄心とで構成された変圧器本体の外表面を覆う変圧器カバーと、を備えた水冷変圧器であって、前記変圧器本体と前記変圧器カバーとの間に設置された冷却板をさらに備え、前記冷却板が、前記鉄心側から前記二次コイル側に伝熱可能に前記鉄心の外周表面と前記二次コイルの前記鉄心が取り巻く部分を除く外周表面とに接していることを特徴とする。

この発明の水冷変圧器の他の態様は、前記冷却板は、前記鉄心の周方向に分割されて前記鉄心を周方向に取り囲んでいることを特徴とする。

この発明の水冷変圧器の他の態様は、前記冷却板は、前記鉄心の外周表面に伝熱可能に接する第１の冷却部材と、前記二次コイルの外周表面に伝熱可能に接する第２の冷却部材とで構成され、 前記一次コイルと前記二次コイルとを重ねた面と平行な前記鉄心の外周表面上で前記第１の冷却部材と前記第２の冷却部材とが一体に連結されていることを特徴とする。

本発明によれば、変圧器カバーの内面に冷却板を設け、これを冷却水路を備えた二次コイルに接続して排熱させるように構成することにより、鉄心等から放出される熱が変圧器カバーに伝達されるのを抑制して表面温度を低減することが可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における水冷変圧器の構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明の実施の形態に係る水冷変圧器の概略の構成を図１及び図２に示す。図１は、本実施形態に係る水冷変圧器１００の正面図（ａ）及び背面図（ｂ）を示しており、図２は水冷変圧器１００の上面図を示している。

水冷変圧器１００は、略環状形状の２つの二次コイル部材１１１ａと１１１ｂとを並列に配設して構成される二次コイル１１０と、複数の巻線からなる略環状形状の一次コイル部材１２１で二次コイル部材１１１ａ、１１１ｂを挟着している一次コイル１２０とから構成されている。一次コイル１２０及び二次コイル１１０は、銅などの導電材料で形成され、鉄心１３０がそれらを貫通し、さらに外周の一部を取り巻くように配設されている。

一次コイル１２０、二次コイル１１０、及び鉄心１３０とで構成された変圧器本体は、その外表面を変圧器カバー１４０で覆われている。変圧器カバー１４０は、変圧器本体の上面、下面、左右の両側面の４面を覆うように形成されており、二次コイル側端子台１０１、１０２及び１０３を備えた正面側とその背面側は、変圧器カバー１４０が設けられていない。変圧器カバー１４０は、アルミ板で形成することができる。

図２では、水冷変圧器１００の内部構造をわかりやすくするために、変圧器カバー１４０を取り除いた状態の水冷変圧器１００の上面図を示している。同図に示すように、二次コイル１１０の２つの二次コイル部材１１１ａ、１１１ｂには、それぞれ冷却水路１１２が設けられている。二次コイル部材１１１ａ、１１１ｂに設けられた各冷却水路１１２は、途中で接続されて冷却水が両方を通過するように形成されている。冷却水は、二次コイル側端子台１０２に設けられた冷却水注入口１０４から冷却水路１１２に注入され、二次コイル部材１１１ａ及び１１１ｂの内部を通過した後、二次コイル側端子台１０３に設けられた冷却水排出口１０５から外部に排出される。なお、冷却水注入口１０４と冷却水排出口１０５とを、上記とは逆の二次コイル側端子台１０３，１０２に設けるようにしてもよい。

二次コイル部材１１１ａの水平断面図を図３に示す。二次コイル側端子台１０２に設けられた冷却水注入口１０４から注入された冷却水は、二次コイル部材１１１ａに設けられた冷却水路１１２を通過した後、連絡水路１１３から二次コイル部材１１１ｂに設けられた冷却水路１１２を通過する。そして、二次コイル部材１１１ｂの冷却水路１１２を通過した後、二次コイル側端子台１０３に設けられた冷却水排出口１０５から外部に排出される構造としている。

本実施形態の水冷変圧器１００では、上記構成に加えてさらに、変圧器カバー１４０の内面に冷却板１５０を設けることを特徴としている。図１に示すように、冷却板１５０は鉄心１３０を覆っている冷却部材１５０ａと、二次コイル部材１１１ａ、１１１ｂに接続されている冷却部材１５０ｂとから構成されており、主に鉄心１３０から外部に放出される熱を冷却部材１５０ａで吸収し、冷却部材１５０ｂから二次コイル部材１１１ａ、１１１ｂに伝熱する構成としている。

上記説明のように、本実施形態の水冷変圧器１００では、二次コイル１１０が内部に冷却水路１１２を有して効率的に冷却されることから、冷却部材１５０ｂを二次コイル部材１１１ａ、１１１ｂに接続することで、冷却板１５０に伝達された熱を二次コイル１１０を経由して効率的に冷却できるようにしている。冷却部材１５０ｂは、二次コイル部材１１１ａ、１１１ｂにネジ止めして固定することができる。

図２の上面図に示すように、冷却板１５０は鉄心１３０の上部で冷却部材１５０ａと冷却部材１５０ｂとが一体に連結されており、主に鉄心１３０から冷却部材１５０ａに伝達された熱が冷却部材１５０ｂに伝えられ、さらに二次コイル部材１１１ａ、１１１ｂに伝えられて効率よく冷却される。

なお、本実施形態では、冷却部材１５０ｂを水冷変圧器１００の正面側（端子台１０１〜１０３が設置されている側）のみに設けているが、これを水冷変圧器１００の背面側に設けるようにしてもよく、さらに正面側と背面側の両側に設けるようにしてもよい。

冷却板１５０を形成する材料として、熱伝導率の高い金属を用いるのが好ましく、例えば銅板を用いて形成することができる。このような金属を用いた場合、電気的にも伝導率が高いことから、冷却板１５０と鉄心１３０との間を電気的に絶縁する必要がある。また、変圧器カバー１４０がアルミ材等の伝導性の材料で形成されている場合で、変圧器カバー１４０を絶縁する必要がある場合は、冷却板１５０との間も絶縁する必要がある。冷却板１５０の表面に絶縁被膜を形成するために、例えば冷却板１５０をエポキシ樹脂に浸漬する、あるいは冷却板１５０を加熱後にエポキシ樹脂ハウダーを吹き付け塗布して絶縁被膜を形成させることができる。あるいは、絶縁材を冷却板１５０と鉄心１３０及び変圧器カバー１４０（伝導性の材料の場合）との間に挟着させるようにしてもよい。冷却板１５０が鉄心１３０と絶縁されていれば、冷却板１５０と二次コイル１１０とを電気的に絶縁する必要はない。この場合、電気的な接続状態にすることで、より高い伝熱性が得られる。

本発明の変圧器は、溶接機に用いられるものとして特に好適である。とりわけ溶接用ロボットに搭載して用いられる場合は、変圧器の小型化が求められており、本発明は変圧器カバーの温度上昇の抑制を実現しながら小型化を実現するものである。

本実施形態の水冷変圧器１００は、溶接用ロボットに搭載して用いることができる。溶接用ロボット搭載変圧器としては、一次コイル１２０の巻数を例えば５４巻とし、二次コイルの巻数を２巻とすることで低電圧大電流を出力する水冷変圧器として用いることができる。本実施形態の水冷変圧器１００を溶接用ロボット搭載用変圧器に用いることにより、変圧比が大きくなる場合でも、変圧器カバーの表面温度を基準温度以下に維持することが可能となる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る水冷変圧器の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における水冷変圧器の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施形態にかかる水冷変圧器の概略の構成を示す正面図及び背面図である。 本発明の実施形態にかかる水冷変圧器の上面図である。 二次コイル部材の水平断面図である。 従来の水冷変圧器の１例を示す側面図及び正面図である。 従来のロボット搭載型スポット溶接用水冷変圧器を示す正面図である。

符号の説明

１００ 水冷変圧器
１０１、１０２，１０３ 二次コイル側端子台
１０４ 冷却水注入口
１０５ 冷却水排出口
１１０ 二次コイル
１１１ 二次コイル部材
１１２ 冷却水路
１１３ 連絡水路
１２０ 一次コイル
１２１ 一次コイル部材
１３０ 鉄心
１４０ 変圧器カバー
１５０ 冷却板

Claims (3)

1. 一次コイルと冷却水路が形成された二次コイルとを重ねて配置し、前記一次コイル及び前記二次コイルを貫通してさらにそれらの外周を取り巻くように形成された鉄心と、前記一次コイルと前記二次コイルと前記鉄心とで構成された変圧器本体の外表面を覆う変圧器カバーと、を備えた水冷変圧器であって、
   前記変圧器本体と前記変圧器カバーとの間に設置された冷却板をさらに備え、
   前記冷却板が、前記鉄心側から前記二次コイル側に伝熱可能に前記鉄心の外周表面と前記二次コイルの前記鉄心が取り巻く部分を除く外周表面とに接している
   ことを特徴とする水冷変圧器。
2. 前記冷却板は、前記鉄心の周方向に分割されて前記鉄心を周方向に取り囲んでいる
   ことを特徴とする請求項１に記載の水冷変圧器。
3. 前記冷却板は、前記鉄心の外周表面に伝熱可能に接する第１の冷却部材と、前記二次コイルの外周表面に伝熱可能に接する第２の冷却部材とで構成され、
   前記一次コイルと前記二次コイルとを重ねた面と平行な前記鉄心の外周表面上で前記第１の冷却部材と前記第２の冷却部材とが一体に連結されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水冷変圧器。

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