JP4977563B2

JP4977563B2 - 三相乾式変圧器

Info

Publication number: JP4977563B2
Application number: JP2007231173A
Authority: JP
Inventors: 光雄川並
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP2009064941A

Description

本発明は、イオン注入用電源等の対地電位から高電位に位置する機器に電力を供給するために使用する三相乾式変圧器に関するものである。

三相乾式変圧器が使用されているイオン注入装置を図９に示す。イオン注入装置のシールドケースは、対地から約１００ｋＶの電位に保って使用されている。このような装置に使用される高耐圧で高絶縁の三相乾式変圧器は、一般的に１次〜２次間の耐絶縁電圧が５０〜２００ｋＶＤＣで、容量が５〜５０ｋＶＡ、１次電圧が２００〜４００Ｖ、２次電圧が１００〜４００Ｖのものが用いられる。このような高耐圧および高絶縁を満足させるため、従来は、樹脂モールドされた２次巻線と、その２次巻線の外側に絶縁された１次巻線とを同心円状に配置して形成された３台の単相乾式絶縁変圧器を直列配置し、これら各単相乾式絶縁変圧器の２次巻線の引出部をそれぞれ樹脂で被覆、固定させた構成にされている（特許文献１）。

特開２００２−３５９１２４号公報

上記従来の構成であれば、負荷として接続される高電位点の先端（例えば図９のＵ、Ｖ、Ｗ、Ｎ相の各出力端子）と被接地物との間で火花放電が起こり、負荷短絡により巻線が温度上昇した場合であっても、乾式の変圧器では絶縁油が含まれていないので着火し難いものとすることができるが、設置場所や設備費用の観点から、従来の着火し難いという長所を維持しながら、小形化および安価であることが望まれていた。

本発明は、上記技術的課題に鑑み、高耐圧で、小形化および安価に構成することができる三相乾式変圧器の提供を目的とする。

本発明は上記の課題を解決するものであり、第１の樹脂でモールドされた２次巻線と、該２次巻線の外側に絶縁された１次巻線とを同心円状に配置して形成された３台の単相乾式絶縁変圧器を三角配置した三相乾式変圧器であって、前記３台の単相乾式絶縁変圧器は、各単相乾式絶縁変圧器の前記１次および２次巻線の巻軸方向が互いに平行となる状態で三角配置されており、前記３台の単相乾式絶縁変圧器の２次巻線の引出部が、前記三角配置した領域内に集約され、集約された前記引出部の周囲を囲むように前記巻軸方向に延設された絶縁ブッシングと、前記絶縁ブッシングを囲むように配置された樹脂ケースとを備え、前記樹脂ケース内に充填された第２樹脂によって前記引出部が固定されている。

上記の構成によれば、３台の単相乾式絶縁変圧器を三角配置することによって、２台の単相乾式絶縁変圧器間に、残りの単相乾式絶縁変圧器の一部が接するように配置することができる。これにより、従来のように３台の単相乾式絶縁変圧器を直列配置していた場合よりも、隣接する単相乾式絶縁変圧器間の距離を減少させることができることから、三相乾式変圧器を小形化することができる。

さらに、各単相乾式絶縁変圧器の２次巻線の引出部を三角配置した領域内に集約し、集約された引出部を樹脂で被覆、固定することによって、従来のように直列配置された単相乾式絶縁変圧器の引出部を個々に樹脂で被覆していた場合と比較して、樹脂の量を削減できると共に、引出部を樹脂で被覆する際の作業量を減少させることができる。この結果、三相乾式変圧器を低コストで小形化したものにすることができる。

本発明における第１および第２の樹脂は、熱硬化性樹脂であってもよい。この構成によれば、耐吸水性や耐トラッキング性等の樹脂固有の特性および電気特性について優れたものにすることができる。

また、本発明は、前記２次巻線の引出部から該引出部に接続された高圧端子部までが樹脂で一体化されていてもよい。この構成によれば、２次巻線の引出部から該高圧端子部までが樹脂にて一体化されることにより高耐圧を実現することができる。

以上に示す本発明によれば、三相乾式変圧器は、３台の単相変圧器を三角配置し、各々２次巻線の引出部を三角配置した領域内に集約して樹脂で被覆することによって、高耐圧の三相乾式変圧器を実現でき、また小形化および低コスト化を実現することができる。

本発明の三相乾式変圧器は、上記のように、第１の樹脂でモールドされた２次巻線と、その２次巻線の外側に窒素ガス等の絶縁ガスや空気等で絶縁された１次巻線とを同心円状に配置して形成された３台の単相乾式絶縁変圧器を三角配置し、これら各単相乾式絶縁変圧器の２次巻線の引出部を三角配置した領域内に集約して第２の樹脂で被覆されている。そして、上記の第１および第２の樹脂が熱硬化性樹脂であり、２次巻線の引出部から高圧端子部までが樹脂にて一体化されている。以下に実施例を示す。
［実施例]

（三相乾式変圧器１の構成）
本実施例に係る三相乾式変圧器１の全体斜視図を図１に示す。図２は三相乾式変圧器１を正面視した概略構成図であり、図３は図２のＡ−Ａ'線の断面図である。三相乾式変圧器１は、図１〜図３に示すように、３台の単相乾式絶縁変圧器２と、各単相乾式絶縁変圧器２において変圧された２次側電圧を出力する出力部３と、各単相乾式絶縁変圧器２に対して一次側電圧を入力する入力部４と、単相乾式絶縁変圧器２等を収納する外装ケース５とを有している。

単相乾式絶縁変圧器２は、樹脂モールドされた２次巻線６と、２次巻線６の外側に空気層で絶縁されたシールド板９および１次巻線７とを同心円状に配置した状態で備えている。２次巻線６は、平角銅線を円筒形状に巻回することにより形成されている。２次巻線６は、第１樹脂層８により全体を包囲されている。

第１樹脂層８は、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の何れで形成されていてもよいが、耐吸水性や耐トラッキング性等を充分に考慮した樹脂を選択した。これらの樹脂固有の特性と電気特性を比較検討した結果、熱硬化性樹脂が第１樹脂層８の材質として適している。

ここで、熱硬化性樹脂としては、加熱すると三次元の網目状を形成する熱硬化性樹脂を使用することができる。熱硬化性樹脂としては、とくに限定されるものではないが、たとえば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、フラン樹脂、シリコーン樹脂、アリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂、ゴムなどをあげることができる。熱硬化性樹脂は、単一の樹脂、混合物、または、アロイのような複合材料を使用することができる。

熱可塑性樹脂としては、汎用プラスチックのみならずエンジニアリングプラスチックも使用することができる。熱可塑性樹脂としては、とくに限定されるものではないが、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペンテン−１、アイオノマー、ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、メタクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ＥＶＡ、ポリカーボネート、各種ナイロン、各種芳香族または脂肪族ポリエステル、熱可塑性ポリウレタン、セルロース系プラスチック、熱可塑性エラストマー、ポリアリレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニルエーテル、ポリベンズイミダゾール、アラミド、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾールなどをあげることができる。熱可塑性樹脂は、単一の樹脂、混合物、または、アロイのような複合材料を使用することができる。

２次巻線６の周囲には、１次巻線７が配置されている。１次巻線７は、２次巻線６と同様に、平角銅線を円筒状に巻上げることにより形成されている。１次巻線７と２次巻線６との間には、上述の第１樹脂層８と外部にノイズ、電磁波を出さないためのシールド板９とが介装され、さらに空気層が設けられている。よって、１次巻線７および第１樹脂層８の一部は、空気層１０に囲まれている。空気層１０は、空気の温度差による自然対流により１次巻線７および２次巻線６を冷却するようになっている。

上記の２次巻線６の内周側には、鉄心１１が挿通されている。鉄心１１は、環状に形成されており、２次巻線６の内周から１次巻線７の外周を囲むように配置されている。鉄心１１は、巻鉄心のＣ形コアを２個使用した２分割型であり、帯状の鉄心締め金具１３を鉄心１１の周囲に巻回して鉄心締め付けボルト１２で締め付けることにより一体化されている。

上記のように構成された単相乾式絶縁変圧器２は、３台の位置関係が三角配置された状態にされている。２台の単相乾式絶縁変圧器２・２間には、残りの単相乾式絶縁変圧器２の一部が接するように配置されている。また、単相乾式絶縁変圧器２の鉄心１１は、三角配置された領域から放射状に外部に配置されることによって、３台の鉄心１１の組み合わせにより３脚を構成している。

ここで、三角配置とは、円筒形状の単相乾式絶縁変圧器２における円筒軸方向の一方側から見たときに、３台の各単相乾式絶縁変圧器２の中心点を結ぶ線分が三角形状になる配置状態である。尚、三角配置は、単相乾式絶縁変圧器２が１２０度の角度で等分配置されていてもよいし、配置角度がずれていてもよい。これにより、隣接する単相乾式絶縁変圧器２・２間の距離が減少されることによって、三相乾式変圧器１の小形化が実現されている。

３台の単相乾式絶縁変圧器２で囲まれた内周側には、各単相乾式絶縁変圧器２において変圧された２次側電圧を出力する出力部３が配置されている。出力部３は、各単相乾式絶縁変圧器２の２次巻線６のリード線３３が集約され、Ｕ、Ｖ、Ｗの結線が施された２次高圧点２１と、単相乾式絶縁変圧器２の内周側から円筒軸方向の一方側の外部に配置され、２次高圧点２１にリード線３３を介して結線された高圧端子２２と、高圧端子２２に結線された出力端子ボックス２４とを有している。出力端子２３は、出力端子ボックス２４に一部を露出した状態で収納されている。

さらに、出力部３は、リード線３３の周囲を囲むように配置された絶縁ブッシング２５と、絶縁ブッシング２５を囲むように配置されていると共に、端子ボックス２４から２次巻線６およびリード線３３を包囲するように形成された樹脂ケース２６と、樹脂ケース２６内に充填された第２樹脂層２７とを有している。第２樹脂層２７は、第１樹脂層８と同一の材質からなっている。

これにより、出力部３は、各単相乾式絶縁変圧器の２次巻線６の引出部を三角配置した領域内に集約し、集約された引出部を第２樹脂層２７の樹脂で被覆、固定することによって、従来のように直列配置された単相乾式絶縁変圧器の引出部を個々に樹脂で被覆していた場合と比較して、樹脂の量を削減できると共に、引出部を樹脂で被覆する際の作業量を減少させることが可能になっている。

一方、単相乾式絶縁変圧器２における出力部３の配置位置に対する他方側には、１次巻線７の引出部４１が配線されている。１次巻線７の引出部４１は、入力部４の一部を構成している。入力部４は、１次巻線７の引出部４１に接続され、単相乾式絶縁変圧器２と外装ケース５との隙間を通過して配線されたリード線３０と、リード線３０に接続された入力端子２９とを有している。入力端子２９は、外装ケース５に設けられた入力端子ボックス２８に一部を露出した状態で収納されている。

（三相乾式変圧器１の製造方法および動作）
上記の構成において、三相乾式変圧器１の作製方法を説明する。
図４に示すように、先ず、平角銅線を円筒形に巻き上げて、次にその外周を絶縁された銅箔からなるシールド板９で覆い、そしてその周囲を耐電圧に応じた樹脂厚みを確保した金型３４を製作する。この金型３４内に樹脂を真空注入した後、加熱硬化を行うことによって、第１樹脂層８で全体を被覆された２次巻線６およびシールド板９を形成する。

この後、図５に示すように、第１樹脂層８で全体を被覆された２次巻線６を３台三角配置する。次に、図６に示すように、各２次巻線６のリード線３３を引出部４２内の２次高圧点２１に集約し、２次高圧点２１でＵ、Ｖ、Ｗ、Ｎの結線を行う。そして、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｎの配線について、高圧端子２２まで延ばす。２次側のリード線３３の外側に絶縁ブッシング２５を設置する。さらに、絶縁ブッシング２５の外側に樹脂ケース２６を配置し、樹脂ケース２６内に樹脂を注入して固定させる。この後、２次側のリード線３３を負荷側に供給する高圧端子２２と結線し、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｎの出力端子２３とする。

次に、２次巻線に１次巻線を取付けて変圧器を作製する。図７に示すように、２分割された一方の鉄心１１を３方向に１２０度で等分配置することにより三角配置することによって、Ｕ字形状の鉄心１１の組み合わせにより３脚を構成する。各々の脚（鉄心１１）に上記の巻線を含んで被覆させた円筒状の巻線筒を鉄心１１内に挿入して固定する。この後、第１樹脂層８の外周に、シールド板９で包囲する。

また、別に、平角銅線で円筒状に巻き上げて製作した１次巻線７をシールド板９の外側に挿入する。そして、図３に示すように、２分割された他方の鉄心１１を一方の鉄心４に当接させ、環状の鉄心１１を形成した後、鉄心締め付けボルト１２を使用して鉄心締め金具１３で締め付ける。この後、図８に示すように、１次巻線７をΔ結線して入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔとする。

上記のようにして三相乾式変圧器１が製造されると、図３に示すように、外装ケース５の入力端子ボックス２８が上端となるように立設される。そして、設置場所に固定された載置台３４に載置される。この後、入力端子ボックス２８の入力端子２９が図示しない電源に接続されると共に、出力端子ボックス２４の出力端子２３が各種の設備機器に接続されることによって、運転可能（電力供給が可能）な状態にされる。

三相乾式変圧器１が運転されると、例えば２００Ｖの２次電圧が出力端子２３から出力される。この際、出力端子２３に接続された高圧端子２２から２次巻線６の引出部までの２次高圧点２１は、第２樹脂層２７により樹脂で密閉状態にされ、一体的に樹脂化されることによって、高耐圧が実現されている。また、運転により２次巻線６および１次巻線７が温度上昇することになるが、空気層１０における空気の自然対流による冷却により２次巻線６および１次巻線７の過熱が防止される。さらに、負荷として接続される高電位点の先端（図６のＵ、Ｖ、Ｗ、Ｎ相の出力端子）と被接地物間で火花放電が起こることによって、負荷短絡により２次巻線６やリード線３３が温度上昇した場合であっても、第１樹脂層８および第２樹脂層２７の難燃材である熱硬化性樹脂により発火が防止される。本実施例では熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を使用した。

（三相乾式変圧器１の概要）
以上のように、本実施例の三相乾式変圧器１は、図２および図３に示すように、樹脂モールドされた２次巻線６と、その２次巻線６の外側に絶縁された１次巻線７とを同心円状に配置して形成された３台の単相乾式絶縁変圧器２を三角配置し、これら各単相乾式絶縁変圧器２の２次巻線６の引出部を三角配置した領域内に集約して樹脂で固定した構成にされている。

上記の構成によれば、３台の単相乾式絶縁変圧器２を三角配置することによって、２台の単相乾式絶縁変圧器２・２間に、残りの単相乾式絶縁変圧器２の一部が接するように配置することができる。これにより、従来のように３台の単相乾式絶縁変圧器を直列配置していた場合よりも、隣接する単相乾式絶縁変圧器２・２間の距離を減少させることができることから、三相乾式変圧器１を小形化することができる。さらに、各単相乾式絶縁変圧器２の２次巻線６の引出部を三角配置した領域内に集約し、集約された引出部を樹脂で被覆、固定することによって、従来のようにして直列配置された単相乾式絶縁変圧器の引出部を個々に樹脂で被覆していた場合と比較して、樹脂の量を減少させることができると共に、引出部を樹脂で被覆する際の作業量を減少させることができる。この結果、三相乾式変圧器１を低コストで小形化したものにすることができる。

また、上記の三相乾式変圧器１における第１および第２の樹脂は、熱硬化性樹脂である。これにより、耐吸水性や耐トラッキング性等の樹脂固有の特性および電気特性について優れた三相乾式変圧器１を得ることが可能になっている。

また、三相乾式変圧器１は、２次巻線６の引出部４２から高圧端子２２までの高圧端子部４３までが一体的に樹脂化されている。これにより、２次巻線６の引出部から２次側の高圧端子２２までが一体的に樹脂化されることにより高耐圧を実現することが可能になっている。

尚、三相乾式変圧器１は、装置の形状や軽量化を目指す要求に応じて、外装ケース５による外形状が種々異なったものにされていてもよい。即ち、外装ケース５の外形状が立方体であってもよいし、ムダな空間を無くすために部分的に段落ちした形状や絞り込み形状としてもよい。

また、本実施例においては、樹脂ケース２６に樹脂を充填することにより第２樹脂層２７を形成したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、第２樹脂層２７は、樹脂ケース２６を用いることなく金型を使って注型モールド化により形成されていてもよい。

以上、本発明の実施例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、各手段等の具体的構成は、適宜設計変更可能である。また、本発明の実施例に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施例に記載されたものに限定されるものではない。

三相乾式変圧器の全体斜視図三相乾式変圧器を正面視した概略構成図図２のＡ−Ａ'線の断面図２次巻線第１の樹脂注形図樹脂注系後の２次巻線の三角配置図第２の樹脂注形図三相乾式変圧器の分解説明図結線状態の説明図三相乾式変圧器を使用したイオン注入装置

符号の説明

１三相乾式変圧器
２単相乾式絶縁変圧器
３出力部
４入力部
５外装ケース
６２次巻線
７１次巻線
８第１樹脂層
９シールド板
１０空気層
１１鉄心
１２締め付けボルト
１３鉄心締め金具
２１２次高圧点
２２高圧端子
２３出力端子（高電位点）
２４出力端子ボックス
２５絶縁ブッシング
２６樹脂ケース
２７第２樹脂層
２８入力端子ボックス
２９入力端子
３０リード線
３３リード線
３４金型
４１１次巻線引出部
４２２次巻線引出部
４３高圧端子部

Claims

第１の樹脂でモールドされた２次巻線と、該２次巻線の外側に絶縁された１次巻線とを同心円状に配置して形成された３台の単相乾式絶縁変圧器を三角配置した三相乾式変圧器であって、
前記３台の単相乾式絶縁変圧器は、各単相乾式絶縁変圧器の前記１次および２次巻線の巻軸方向が互いに平行となる状態で三角配置されており、
前記３台の単相乾式絶縁変圧器の２次巻線の引出部が、前記三角配置した領域内に集約され、
集約された前記引出部の周囲を囲むように前記巻軸方向に延設された絶縁ブッシングと、
前記絶縁ブッシングを囲むように配置された樹脂ケースとを備え、
前記樹脂ケース内に充填された第２樹脂によって前記引出部が固定されていることを特徴とする三相乾式変圧器。
前記第１および第２の樹脂は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の三相乾式変圧器。
前記２次巻線の引出部から該引出部に接続された高圧端子部までが樹脂にて一体化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の三相乾式変圧器。