JP4934613B2

JP4934613B2 - モールド変圧器用ボビン及びその製造方法

Info

Publication number: JP4934613B2
Application number: JP2008044726A
Authority: JP
Inventors: 孝平佐藤; 朋宏海津
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009206172A

Description

本発明は、高圧受配電用等のモールド変圧器のコイルを構成するボビン及びその製造方法に関する。

従来、電気絶縁物で被覆した導体を巻回して得た巻線をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂組成物でモールドしたモールドコイルは、機械的強度、絶縁性能及び難燃性に優れているために、主にモールド変圧器に適用されている。高圧受配電用モールド変圧器のモールドコイルの製造については、鉄製の巻型に絶縁物と巻線を巻き付けて製造する場合がある。巻型は、鉄の融液を型に注ぐ注型・融液が凝固する硬化・凝固した巻型を型から剥がす型バラシの工程を経た後に取り出される。そのため、巻型は工程の多くの間、製品とともに流れ、次製品の巻線をする場合は前製品の型バラシが終わるまで巻型を待つ必要がある。こうした待ちを解消するには、巻型の数を増やす必要がある。いずれも、巻型のハンドリングが悪くなるという実情がある。

これに対する対策として、コイル内側に配置される樹脂製ボビンを採用し、樹脂製ボビンにコイルを巻き付けて更に樹脂で固めてモールドコイルとし、ボビンはその一部として製品に組み込んでしまうことが考えられる。こうした対策によれば、巻型を待つこと無くして巻線の実施が可能となり、ハンドリングの向上を図ることができる。

樹脂製ボビンの場合には、ある厚さのガラスロービングクロス基材を型に数回巻きつけてある厚みを持たせて製作される。しかしながら、ボビンが矩形の場合、基材の巻回数が少なく厚さが薄いときには、ボビンはモールドコイルの製造時に樹脂の硬化収縮の力によって内側に座屈することがある。基材の巻回数が多い場合は、投入する材料が増えるために、環境上好ましくない。

薄手（厚さ１ｍｍ未満）の樹脂（熱可塑性樹脂）を巻き付けた変圧器用ボビン（巻枠）において、ある一辺の中央付近に一端部を配置し、他端部を対向する辺の中央部で終わるように構成した変圧器用ボビンが開示されている（特許文献１）。
特開平０５−５０５９１０号公報（請求項１、明細書４頁左上欄及び図３）

そこで、薄手の樹脂製基材の巻き付けて成るモールド変圧器用ボビンにおいて、前提となるボビンの形状を矩形のままとしながらも、樹脂製基材の巻き付け方に工夫を施すことで、材料使用量を節約しつつボビンの強度を確保する点で解決すべき課題がある。

本発明の目的は、上記の問題を解決して、高品質で経済的なモールド変圧器用ボビン及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明によるモールド変圧器用ボビンは、薄手の樹脂製基材を矩形に巻きつけて成るモールド変圧器用ボビンにおいて、前記矩形のある一辺の中央から巻き始めて、前記矩形の当該巻き始めの箇所と対向する辺の中央で巻き終わることから成っている。

また、本発明によるモールド変圧器用ボビンの製造方法は、薄手の樹脂製基材を矩形のある一辺の中央から巻き始めて、前記矩形の当該巻き始めの箇所と対向する辺の中央で巻き終わることから成っている。

このモールド変圧器用ボビン及びその製造方向によれば、ボビンの厚さが基材の厚さ分だけ違う二種類の厚みを持ったボビンが得られる。ボビンのうち、基材の巻回数が多く厚さの厚い部分は、モールドコイルの製造時に樹脂の硬化収縮の力が作用してもボビンが内側に座屈に耐える強度を得ることに寄与し、基材の巻回数が少ない薄い部分は使用する材料の量を少なくするのに寄与している。コイル内側に樹脂製ボビンを適用し、これをコイルの一部として製品に組み込むことで、モールドコイルの製造に際して、巻型を待つこと無くして巻線の実施が可能となり、ハンドリングの向上を図ることができる。

本発明によれば、基材をある一辺の中央から巻き始めて、巻き始めの箇所と対向する辺の中央で巻き終わる構成であるので、ボビンの厚さが基材の厚さ分だけ違う二種類の厚みを持ったボビンが得られる。製造時に樹脂材料の冷却に伴って収縮力がボビンに生じても、必要な強度が確保されているのでボビンが座屈することがなく、しかも材料使用量の少ないモールド変圧器用ボビンとその製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明によるモールド変圧器用ボビンの実施例を説明する。図１は、この発明によるボビンが適用されるモールド変圧器の一例を示す図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。図２は図１に示すモールド変圧器の平面６０について矢印６１の方向から見た断面図である。図３は図２に示すモールド変圧器に用いられる樹脂製ボビンの実施例を示す図である。

高圧受配電用モールド変圧器１９は、図１、図２に示すように、主として、中心に配置される鉄心１、鉄心１の周囲に配置されて交番磁界を発生する一次（高圧側；巻数多）コイル２、鉄心１と一次コイル２との間に配置される二次（低圧側；巻数少）コイル２０、一次コイル２の接続端子として変圧器１９の外側に引き出されている一次端子１０、二次コイル２０の接続端子として変圧器１９の外側に引き出されている二次端子１１、変圧器１９の金具１２等より構成される。一次コイル２と二次コイル２０との間は、絶縁と冷却を兼ねる空気層となっている。金具１２は、鉄心１とコイルとを上方と下方とから締め付けて支持する上締金具と下締金具とから成っている。

一次コイル２は、図２に示すように、最外側に設けられるレジン２１、レジン２１の内側に設けられる巻線２２、巻線２２の内周に配置される樹脂製ボビン２３等より成る。

変圧器１９においては、電気的に分離した一次コイル２と二次コイル２０が鉄心１によって磁気的に結合した状態にある。そのため、変圧器１９によれば、一次コイル２と二次コイル２０の巻数比がそのまま電圧比となって電圧変換される。最も標準的な受配電用モールド変圧器では、一次端子１０に６６００Ｖで受電し、二次端子１１に電圧２１０Ｖが誘起される。変圧器ユーザは、二次端子１１に負荷を接続して使用する。

樹脂製ボビン２３は通常、図３（ａ）（ｂ）に示すように基材（ガラスロービングクロス基材；厚さ約０．５ｍｍ）を短辺から巻き始め、数回巻きまわし、巻き始めた辺と同じ短辺で巻き終えて製作される。即ち、図３（ａ）に図示の樹脂製ボビン２３ａでは、基材は巻き付け始端２３ａｓから６回巻きまわされて巻き付け終端２３ａｅで終わっており、図３（ｂ）に図示の樹脂製ボビン２３ｂでは基材は巻き付け始端２３ｂｓから５回巻きまわされて巻き付け終端２３ｂｅで終わっている。ボビン２３ａ，２３ｂの厚さは、この短辺部で一層分の厚みが増す以外、均一になるように製作されている。

一方、この樹脂製ボビン２３を使用してモールドコイルを製作する場合、ボビン２３に巻き線２２を巻き付けた後に外型を用いてレジン２１を注型し、硬化炉で所定の温度と時間をかけて硬化した後に出炉する。出炉後のコイルにおいてもレジンは硬化収縮を続けており、この硬化収縮によりコイルの内周側に応力が加わる。ボビンが十分厚く製作される場合はボビンの強度が増すため座屈は起こらないが、使用材料量が増すので製造コストが上昇する。一方、ボビンを薄くすると、上記のレジンが硬化収縮する際に、ボビンが内側に向かって座屈を生じる場合がある。変圧器の規模にもよるが、６回巻きのボビン２３ａでは座屈が生じず、５回巻きのボビン２３ｂでは強度不足で座屈を生じることがある。

図３（ｃ）は、本発明による樹脂製ボビンの実施例を示す図である。図３（ｃ）に示すボビン２３ｃは、基材を矩形の長辺中央部において巻き付け始端２３ｃｓから巻き始めて５回半巻き付け、始端２３ｃｓが存在する長辺中央部と対向する長辺中央部において巻き付け終端２３ｃｅで巻き終えて製作されている。長辺中央より上側は図３（ａ）と同じ厚さ（６回巻き）となり、長辺中央より下側は図３（ｂ）と同じ厚さ（５回巻き）となる。このような構成とすることにより、図３（ａ）よりも投入する基材や樹脂の量を低減しながらも、座屈強度については、図３（ｂ）に比べて増加させ、図３（ａ）と比較して遜色ない座屈強度を有するボビンを提供することが可能となる。

６回巻きボビン、５回巻きボビン、本発明ボビンの各ボビンに対して座屈強度の比較検討を行うために、有限要素法による内部応力解析を行い、座屈時における変位の比較を行った。座屈は主にボビン長辺中央で起こるため、解析モデルは図３（ａ）〜（ｃ）に示すボビンの長辺３ａ、３ｂ、３ｃにおける二次元解析とし、ここでは筒形状であるボビンの高さ方向は考慮しなかった。長辺長さは代表機種のボビン長辺寸法である１９０ｍｍとした。また、座屈時のボビンに発生する力を模擬するため、長辺の両端を固定点とし、長辺中央部に集中荷重を加えて解析を行った。ここで、解析結果である変位及び応力の絶対値に意味を持たせて考えず、あくまで解析の目的をボビン３種類の変位比較としたため、集中荷重の大きさには特別な意味はなく、ここでは５８８．４Ｎとした。
解析結果を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。図４において、斜めの薄い直線は荷重を受ける前のボビン長辺部を示しており、凹みを有した曲線が長辺中央部に集中荷重を受けた状態を示している。同図（ａ）の曲線は６回巻きボビンの変位、同図（ｂ）の曲線は５回巻きボビンの変位、同図（ｃ）の曲線は本発明ボビンの変位を示す。ここで変位は倍率４００倍で表示している。６回巻きボビンの変位が５．３６４×１０^−２ｍｍであるのに対して５回巻きボビンの変位が９．２５４×１０^−２ｍｍと約７３％増加しているが、本発明ボビンは６．９６８×１０^−２ｍｍと約３０％増加に止まっていることが分かる。以上のように、本発明ボビンでは巻き数は６回巻きと比較して少ないが、６回巻きと比較して遜色ない強度を示していることが判る。即ち、等質な構造である場合には、どちらの角部からも距離が等しい矩形の長辺の中央付近で座屈が生じやすいが、座屈荷重が作用する長手方向で見て材料の巻回数が異なるがゆえに異質となり、厚みの厚い部分が座屈に対する抵抗性を示すものと推察される。

本発明を実施することで、モールド変圧器用コイルの製造工程においてボビンが座屈することなく、材料投入量の少ないボビンを提供することができる。

本発明によるボビンが適用されるモールド変圧器の一例を示す図である。図１に示すモールド変圧器に用いられるモールドコイルの断面図である。図２に示すモールドコイルに用いられるモールド変圧器用ボビンとその比較例の構造を示す図である。本発明によるモールド変圧器用ボビンの応力解析結果（変位）の一例を示すグラフである。

符号の説明

１‥鉄心２‥一次コイル
１０‥一次端子１１‥二次端子
１２‥金具１９‥高圧受配電用モールド変圧器、
２０‥二次コイル２１‥レジン
２２‥巻線
２３‥樹脂製ボビン
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ‥樹脂製ボビン
２３ａｓ，２３ｂｓ，２３ｃｓ‥基材の巻き付け始端
２３ａｅ，２３ｂｅ，２３ｃｅ‥基材の巻き付け終端
３ａ‥６回巻きボビンに関する有限要素法の解析範囲
３ｂ‥５回巻きボビンに関する有限要素法の解析範囲
３ｃ‥本発明ボビンに関する有限要素法の解析範囲

Claims

薄手の樹脂製基材を矩形に巻きつけて成るモールド変圧器用ボビンにおいて、前記矩形のある一辺の中央から巻き始めて、前記矩形の当該巻き始めの箇所と対向する辺の中央で巻き終わることから成るモールド変圧器用ボビン。
前記樹脂製基材が巻き始まり且つ巻き終わる前記矩形の前記一辺とそれに対向する前記辺は、前記矩形の長辺であることから成る請求項１に記載のモールド変圧器用ボビン。
前記ボビンの外周に巻線が配置され更にその外側にレジンが設けられることでモールドコイルが形成されることから成る請求項１又は２に記載のモールド変圧器用ボビン。
薄手の樹脂製基材を矩形のある一辺の中央から巻き始めて、前記矩形の当該巻き始めの箇所と対向する辺の中央で巻き終わることから成るモールド変圧器用ボビンの製造方法。