JP5343180B1 - 変圧器およびそれを含む変圧装置 - Google Patents

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Abstract

複数の脚部を有する鉄心(６１)と、複数の脚部にそれぞれ巻回された複数の高圧側コイルと、高圧側コイルに対応して設けられ、複数の脚部にそれぞれ巻回された複数の低圧側コイルとを備える。高圧側コイルおよび対応の低圧側コイルにより複数のコイルグループが構成される。複数のコイルグループのうちの第１のコイルグループ(Ｇ１)は、複数の脚部のうちの第１の脚部(３１)に巻回された高圧側コイル(１Ａ)および低圧側コイル(２Ａ)と、複数の脚部のうちの第１の脚部(３１)に隣り合った第２の脚部(３２)に巻回された高圧側コイル(１Ｂ)および低圧側コイル(２Ｂ)とを含む。複数のコイルグループのうちの第２のコイルグループ(Ｇ２)は、第１の脚部(３１)に巻回された高圧側コイル(１１Ａ)および低圧側コイル(１２Ａ)と、第２の脚部(３２)に巻回された高圧側コイル(１１Ｂ)および低圧側コイル(１２Ｂ)とを含む。

Description

本発明は、変圧器およびそれを含む変圧装置に関し、特に、電動車両に搭載される変圧器およびそれを含む変圧装置に関する。
従来、新幹線などの鉄道車両はより速く、かつできるだけ輸送量を多くする要求がある。そのため、車両本体および付属機器の小型化および軽量化が必要となるが、その一方で、付属機器の中で特に質量の大きい車載変圧器は大容量化している。
近年では、バリアフリーの観点から低床化車両の要求が高まっているため、交流電車などの車両の床下に搭載される車載変圧器のような床下機器に対しては、小型化および軽量化の要求だけではなく、車両を低床化するために、高さを低減する要求が強い。
変圧器の高さを低減するとともにリアクタンスの低下を防ぐことが可能な変圧器の構成を開示した先行文献として、国際公開第２０１０／０９２６７６号(特許文献１)がある。特許文献１に記載された変圧器は、互いに間隔を隔てて並ぶ複数の脚部を有する第１の鉄心と、複数の脚部にそれぞれ巻回され、共通の単相交流電力を受ける複数の高圧側コイルと、高圧側コイルに対応して設けられ、対応の高圧側コイルと磁気結合され、複数の脚部にそれぞれ巻回された複数の低圧側コイルとを備えている。この変圧器においては、高圧側コイルおよび対応の低圧側コイルにより複数のコイルグループが構成されている。さらに、変圧器は、隣り合うコイルグループ間に設けられた第２の鉄心を備える。
国際公開第２０１０／０９２６７６号
特許文献１に記載された変圧器においては、第２の鉄心を設けているため、変圧器の軽量化の面で改善の余地がある。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、小型化および軽量化を図るとともにリアクタンスの低下を防ぐことができる、変圧器およびそれを含む変圧装置を提供することを目的とする。
本発明に基づく変圧器は、互いに間隔を隔てて並ぶ複数の脚部を有する鉄心と、複数の脚部にそれぞれ巻回され、共通の単相交流電力を受ける複数の高圧側コイルと、高圧側コイルに対応して設けられ、対応の高圧側コイルと磁気結合され、複数の脚部にそれぞれ巻回された複数の低圧側コイルとを備える。高圧側コイルおよび対応の低圧側コイルにより複数のコイルグループが構成される。複数のコイルグループのうちの第１のコイルグループは、複数の脚部のうちの第１の脚部に巻回された高圧側コイルおよび低圧側コイルと、複数の脚部のうちの第１の脚部に隣り合った第２の脚部に巻回された高圧側コイルおよび低圧側コイルとを含む。複数のコイルグループのうちの第２のコイルグループは、第１の脚部に巻回された高圧側コイルおよび低圧側コイルと、第２の脚部に巻回された高圧側コイルおよび低圧側コイルとを含む。
本発明によれば、小型化および軽量化を図るとともにリアクタンスの低下を防ぐことができる。
比較例に係る変圧装置を備えた交流電車の構成を示す回路図である。 比較例に係る変圧器の構成を示す斜視図である。 図２における変圧器のＩＩＩ−ＩＩＩ断面およびこの変圧器において発生する電流および磁束を示す図である。 比較例に係る変圧器における漏れ磁束を示す図である。 比較例に係る変圧器における片側運転時の主磁束を示す図である。 本発明の一実施形態に係る変圧装置を備えた交流電車の構成を示す回路図である。 同実施形態に係る変圧器の構成を示す斜視図である。 図７における変圧器のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面およびこの変圧器において発生する電流および磁束を示す図である。 同実施形態に係る変圧器における漏れ磁束を示す図である。 同実施形態に係る変圧器における片側運転時の主磁束を示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係る変圧器およびそれを含む変圧装置について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
まず、比較例に係る変圧器およびそれを含む変圧装置について説明する。図１は、比較例に係る変圧装置を備えた交流電車の構成を示す回路図である。図２は、比較例に係る変圧器の構成を示す斜視図である。図３は、図２における変圧器のＩＩＩ−ＩＩＩ断面およびこの変圧器において発生する電流および磁束を示す図である。図４は、比較例に係る変圧器における漏れ磁束を示す図である。
図１に示すように、交流電車６００は、パンタグラフ９２と、変圧装置５００と、モータＭＡ，ＭＢとを備える。変圧装置５００は、変圧器５８と、コンバータ５Ａ，５Ｂと、インバータ６Ａ，６Ｂとを含む。変圧器５８は、コイルグループＧ１’，Ｇ２’を含む。コイルグループＧ１’は、高圧側コイル１Ａ，１Ｂと、低圧側コイル２Ａ，２Ｂとを含む。コイルグループＧ２’は、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂと、低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂとを含む。
変圧器５８では、各コイルをコイルグループＧ１’，Ｇ２’に分割している。すなわち、高圧側コイル１Ａ，１Ｂは高圧側コイル１を分割したものであり、低圧側コイル２Ａ，２Ｂは低圧側コイル２を分割したものであり、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂは高圧側コイル１１を分割したものであり、低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂは低圧側コイル１２を分割したものである。
パンタグラフ９２は、架線９１に接続されている。高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂは，互いに並列に接続されている。比較例においては、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル２Ｂとが直列に接続されている。低圧側コイル１２Ａと低圧側コイル１２Ｂとが直列に接続されている。
高圧側コイル１Ａは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。高圧側コイル１Ｂは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。
高圧側コイル１１Ａは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。高圧側コイル１１Ｂは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。
低圧側コイル２Ａは、高圧側コイル１Ａと磁気結合されており、コンバータ５Ａの第１入力端子に接続された第１端と、低圧側コイル２Ｂの第１端と接続された第２端とを有する。低圧側コイル２Ｂは、高圧側コイル１Ｂと磁気結合されており、低圧側コイル２Ａの第２端に接続された第１端と、コンバータ５Ａの第２入力端子に接続された第２端とを有する。
低圧側コイル１２Ａは、高圧側コイル１１Ａと磁気結合されており、低圧側コイル１２Ｂの第２端に接続された第１端と、コンバータ５Ｂの第２入力端子に接続された第２端とを有する。低圧側コイル１２Ｂは、高圧側コイル１１Ｂと磁気結合されており、コンバータ５Ｂの第１入力端子に接続された第１端と、低圧側コイル１２Ａの第１端に接続された第２端とを有する。
架線９１から供給される単相交流電圧は、パンタグラフ９２を介して高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂに供給される。
高圧側コイル１Ａおよび１１Ａに供給される交流電圧により、低圧側コイル２Ａおよび１２Ａにそれぞれ交流電圧が誘起される。高圧側コイル１Ｂおよび１１Ｂに供給される交流電圧により、低圧側コイル２Ｂおよび１２Ｂにそれぞれ交流電圧が誘起される。
コンバータ５Ａは、低圧側コイル２Ａおよび２Ｂに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ５Ｂは、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。
インバータ６Ａは、コンバータ５Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。インバータ６Ｂは、コンバータ５Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。
モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。
図２に示すように、変圧器５８は、たとえば外鉄型(Shell-Type)の変圧器である。変圧器５８は、主鉄心６１をさらに含む。主鉄心６１は、互いに対向する第１側面および第２側面と、第１側面から第２側面へ貫通する窓部Ｗ１〜Ｗ３を有する。また、主鉄心６１は、互いに間隔を隔てて並ぶ脚部３１，３２を有する。脚部３１は、窓部Ｗ１と窓部Ｗ２との間に設けられている。脚部３２は、窓部Ｗ２と窓部Ｗ３との間に設けられている。
高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂの各々は、たとえば積層された円盤状の複数の円盤巻線を含む。隣り合う層の円盤巻線は、電気的に接続されている。高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂにおける各円盤巻線は、略楕円状に巻回された矩形状の導電線路によって形成されている。
高圧側コイル１Ａは、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル２Ｂとの間であって低圧側コイル２Ａに対向する位置に設けられ、低圧側コイル２Ａと磁気結合されている。
高圧側コイル１Ｂは、高圧側コイル１Ａと並列に接続され、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル２Ｂとの間であって低圧側コイル２Ｂに対向する位置に設けられ、低圧側コイル２Ｂと磁気結合されている。
高圧側コイル１１Ａは、低圧側コイル１２Ａと低圧側コイル１２Ｂとの間であって低圧側コイル１２Ａに対向する位置に設けられ、低圧側コイル１２Ａと磁気結合されている。
高圧側コイル１１Ｂは、高圧側コイル１１Ａと並列に接続され、低圧側コイル１２Ａと低圧側コイル１２Ｂとの間であって低圧側コイル１２Ｂに対向する位置に設けられ、低圧側コイル１２Ｂと磁気結合されている。
各コイルグループにおける高圧側コイルおよび低圧側コイルは、脚部の両隣の各窓部を通してこの脚部に巻回され、この脚部の延伸方向に積層されている。すなわち、高圧側コイル１Ａおよび１Ｂならびに低圧側コイル２Ａおよび２Ｂは、窓部Ｗ１と窓部Ｗ２との間の脚部３１に貫通されるように窓部Ｗ１および窓部Ｗ２を通して巻回され、脚部３１の貫通方向に積層されている。
高圧側コイル１１Ａおよび１１Ｂならびに低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂは、窓部Ｗ２と窓部Ｗ３との間の脚部３２に貫通されるように窓部Ｗ２および窓部Ｗ３を通して巻回され、脚部３２の貫通方向に積層されている。
以下、上記の構成を有する比較例に係る変圧装置５００の動作について説明する。
まず、架線９１からパンタグラフ９２へ単相交流電圧が供給される。架線９１から供給される交流電圧は、パンタグラフ９２を介して高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂに印加される。すなわち、各コイルグループにおける高圧側コイルは共通の単相交流電力を受ける。そうすると、高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂを通して交流電流ＩＨが流れる。
図３に示すように、高圧側コイル１Ａ，１Ｂを通して流れる交流電流ＩＨにより、主鉄心６１内に主磁束ＦＨ１が発生する。そうすると、主磁束ＦＨ１により、低圧側コイル２Ａの巻数と高圧側コイル１Ａの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１および交流電圧が低圧側コイル２Ａに発生する。また、主磁束ＦＨ１により、低圧側コイル２Ｂの巻数と高圧側コイル１Ｂの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１および交流電圧が低圧側コイル２Ｂに発生する。
ここで、低圧側コイル２Ａおよび２Ｂの巻数はそれぞれ高圧側コイル１Ａおよび１Ｂの巻数より小さいことから、高圧側コイル１Ａおよび１Ｂに印加される交流電圧が降圧された交流電圧が低圧側コイル２Ａおよび２Ｂにそれぞれ誘起される。
同様に、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂを通して流れる交流電流ＩＨにより、主磁束ＦＨ１１が発生する。そうすると、主磁束ＦＨ１１により、低圧側コイル１２Ａの巻数と高圧側コイル１１Ａの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１１および交流電圧が低圧側コイル１２Ａに発生する。また、主磁束ＦＨ１１により、低圧側コイル１２Ｂの巻数と高圧側コイル１１Ｂの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１１および交流電圧が低圧側コイル１２Ｂに発生する。
ここで、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂの巻数はそれぞれ高圧側コイル１１Ａおよび１１Ｂの巻数より小さいことから、高圧側コイル１１Ａおよび１１Ｂに印加される交流電圧が降圧された交流電圧が低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂにそれぞれ誘起される。
低圧側コイル２Ａおよび２Ｂに誘起された交流電圧は、コンバータ５Ａに供給される。また、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂに誘起された交流電圧は、コンバータ５Ｂに供給される。
コンバータ５Ａは、低圧側コイル２Ａおよび２Ｂから供給された交流電圧を直流電圧に変換し、インバータ６Ａへ出力する。また、コンバータ５Ｂは、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂから供給された交流電圧を直流電圧に変換し、インバータ６Ｂへ出力する。
インバータ６Ａは、コンバータ５Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。また、インバータ６Ｂは、コンバータ５Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。
モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて回転する。また、モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて回転する。
このように、変圧器５８では、低圧側コイルおよび高圧側コイルを複数のコイルグループに分割し、コイルグループごとに脚部を設ける。そして、複数のコイルグループにおける低圧側コイルおよび高圧側コイルを複数の脚部にそれぞれ巻回する。このような構成により、変圧器の高さすなわち脚部の延伸方向における変圧器の長さを低減することができる。また、コイルの導体線路の断面積を大きくする必要がなくなり、コイルにおける電力損失の増大を防ぐことができる。
すなわち、変圧器５８では、低圧側コイル２，１２および高圧側コイル１，１１を２つのコイルグループに分割しているため、各コイルグループの電力容量は１／２となる。ここで、供給電圧は一定であり、電力容量＝電圧×電流より、各コイルグループの電力容量が１／２になると各コイルを通して流れる電流が１／２になる。これにより、各コイルにおいて積み重ねる円盤巻線の枚数を減らすことができるため、変圧器の高さを低減することができる。あるいは、円盤巻線の枚数を減らす代わりに、高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂの導体線路の断面積を小さくすることにより、各コイルグループの高さが低くなり、変圧器全体の高さを低減することができる。
次に、変圧器５８におけるリアクタンスの低下の問題について説明する。
図４に示すように、変圧器５８では、高圧側コイルを通して流れる交流電流ＩＨによって発生する主磁束ＦＨ１およびＦＨ１１に加えて、主鉄心６１を通して流れない漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＨ１１が発生する。また、低圧側コイルを通して流れる交流電流ＩＬ１およびＩＬ１１によって、主鉄心６１を通して流れない漏れ磁束ＦＫＬ１およびＦＫＬ１１が発生する。
図５は、比較例に係る変圧器における片側運転時の主磁束を示す図である。変圧器５８では、たとえばモータＭＢが故障した場合でも、コイルグループＧ１’を用いてモータＭＡを単独で運転することが可能である。このような片側運転時では、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂが機能しない、すなわち高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂを通して電流が流れないため、主磁束ＦＨ１１は発生しない。
図５に示すように、たとえばモータＭＢが故障し、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂを通して電流が流れなくなると、漏れ磁束ＦＫＨ１１およびＦＫＬ１１が発生しなくなる。
漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＬ１は、窓部Ｗ２内で広がって磁路長が長くなる。このため、図４に示す状態と比べて窓部Ｗ２における起磁力が１／２になる。すなわち窓部Ｗ２における漏れ磁束の大きさが１／２になることから、低圧側コイル２Ａ，２Ｂおよび高圧側コイル１Ａ，１Ｂのリアクタンスが低下してしまう。
ここで、アンペールの法則より、磁場の強さは磁路長に反比例する。磁場が弱くなるということは、磁束密度が小さくなり、コイルの自己インダクタンスが小さくなるということである。また、リアクタンスは漏れ磁場による漏れインダクタンスの影響を大きく受ける。したがって、磁路長が長くなることにより磁場が弱くなってコイルの自己インダクタンスが低下する。そうすると、漏れインダクタンスが低下することにより、リアクタンスが低下することになる。
そこで、本発明の一実施形態に係る変圧装置１００においては、コイルグループにおける分割したコイルの配置を比較例に係る変圧装置５００とは変更している。以下、本発明の一実施形態に係る変圧装置１００について図面を参照して説明する。なお、比較例に係る変圧装置５００と同様の構成については、説明を繰り返さない。
図６は、本発明の一実施形態に係る変圧装置を備えた交流電車の構成を示す回路図である。図７は、本実施形態に係る変圧器の構成を示す斜視図である。図８は、図７における変圧器のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面およびこの変圧器において発生する電流および磁束を示す図である。図９は、本実施形態に係る変圧器における漏れ磁束を示す図である。
図６に示すように、交流電車２００は、パンタグラフ９２と、変圧装置１００と、モータＭＡ，ＭＢとを備える。変圧装置１００は、変圧器５１と、コンバータ５Ａ，５Ｂと、インバータ６Ａ，６Ｂとを含む。変圧器５１は、コイルグループＧ１，Ｇ２を含む。コイルグループＧ１は、高圧側コイル１Ａ，１Ｂと、低圧側コイル２Ａ，２Ｂとを含む。コイルグループＧ２は、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂと、低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂとを含む。
変圧器５１では、各コイルを第１のコイルグループＧ１および第２のコイルグループＧ２に分割している。すなわち、高圧側コイル１Ａ，１Ｂは高圧側コイル１を分割したものであり、低圧側コイル２Ａ，２Ｂは低圧側コイル２を分割したものであり、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂは高圧側コイル１１を分割したものであり、低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂは低圧側コイル１２を分割したものである。
パンタグラフ９２は、架線９１に接続されている。高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂは，互いに並列に接続されている。ただし、高圧側コイル１Ａと高圧側コイル１Ｂとが直列に接続され、高圧側コイル１１Ａと高圧側コイル１１Ｂとが直列に接続され、かつ、高圧側コイル１Ａ，１Ｂと高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂとが並列に接続されていてもよい。
本実施形態においては、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル２Ｂとが直列に接続されている。低圧側コイル１２Ａと低圧側コイル１２Ｂとが直列に接続されている。ただし、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル２Ｂとが並列に接続され、低圧側コイル１２Ａと低圧側コイル１２Ｂとが並列に接続されていてもよい。
高圧側コイル１Ａは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。高圧側コイル１Ｂは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。
高圧側コイル１１Ａは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。高圧側コイル１１Ｂは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。
低圧側コイル２Ａは、高圧側コイル１Ａと磁気結合されており、コンバータ５Ａの第１入力端子に接続された第１端と、低圧側コイル２Ｂの第１端と接続された第２端とを有する。低圧側コイル２Ｂは、高圧側コイル１Ｂと磁気結合されており、低圧側コイル２Ａの第２端に接続された第１端と、コンバータ５Ａの第２入力端子に接続された第２端とを有する。
低圧側コイル１２Ａは、高圧側コイル１１Ａと磁気結合されており、低圧側コイル１２Ｂの第２端に接続された第１端と、コンバータ５Ｂの第２入力端子に接続された第２端とを有する。低圧側コイル１２Ｂは、高圧側コイル１１Ｂと磁気結合されており、コンバータ５Ｂの第１入力端子に接続された第１端と、低圧側コイル１２Ａの第１端に接続された第２端とを有する。
架線９１から供給される単相交流電圧は、パンタグラフ９２を介して高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂに供給される。
高圧側コイル１Ａおよび１１Ａに供給される交流電圧により、低圧側コイル２Ａおよび１２Ａにそれぞれ交流電圧が誘起される。高圧側コイル１Ｂおよび１１Ｂに供給される交流電圧により、低圧側コイル２Ｂおよび１２Ｂにそれぞれ交流電圧が誘起される。
コンバータ５Ａは、低圧側コイル２Ａおよび２Ｂに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ５Ｂは、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。
インバータ６Ａは、コンバータ５Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。インバータ６Ｂは、コンバータ５Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。
モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。
図７に示すように、変圧器５１は、たとえば外鉄型(Shell-Type)の変圧器である。変圧器５１は、主鉄心６１をさらに含む。主鉄心６１は、互いに対向する第１側面および第２側面と、第１側面から第２側面へ貫通する窓部Ｗ１〜Ｗ３を有する。また、主鉄心６１は、互いに間隔を隔てて並ぶ第１の脚部３１および第２の脚部３２を有する。脚部３１は、窓部Ｗ１と窓部Ｗ２との間に設けられている。脚部３２は、窓部Ｗ２と窓部Ｗ３との間に設けられている。
本実施形態においては、主鉄心６１は４つの脚部を有しているが、脚部の数はこれに限られず、複数であればよい。すなわち、主鉄心６１が少なくとも１つの窓部を有していればよい。
図８に示すように、高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂの各々は、たとえば積層された円盤状の複数の円盤巻線を含む。隣り合う層の円盤巻線は、電気的に接続されている。高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂにおける各円盤巻線は、略楕円状に巻回された矩形状の導電線路によって形成されている。
高圧側コイル１Ａは、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル１２Ａとの間であって低圧側コイル２Ａに対向する位置に設けられ、低圧側コイル２Ａと磁気結合されている。
高圧側コイル１Ｂは、高圧側コイル１Ａと並列に接続され、低圧側コイル２Ｂと低圧側コイル１２Ｂとの間であって低圧側コイル２Ｂに対向する位置に設けられ、低圧側コイル２Ｂと磁気結合されている。
高圧側コイル１１Ａは、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル１２Ａとの間であって低圧側コイル１２Ａに対向する位置に設けられ、低圧側コイル１２Ａと磁気結合されている。
高圧側コイル１１Ｂは、高圧側コイル１１Ａと並列に接続され、低圧側コイル２Ｂと低圧側コイル１２Ｂとの間であって低圧側コイル１２Ｂに対向する位置に設けられ、低圧側コイル１２Ｂと磁気結合されている。
各コイルグループにおける高圧側コイルおよび低圧側コイルは、脚部の両隣の各窓部を通してこの脚部に巻回され、この脚部の延伸方向に積層されている。すなわち、高圧側コイル１Ａおよび１１Ａならびに低圧側コイル２Ａおよび１２Ａは、窓部Ｗ１と窓部Ｗ２との間の脚部３１に貫通されるように窓部Ｗ１および窓部Ｗ２を通して巻回され、脚部３１の貫通方向に積層されている。
高圧側コイル１Ｂおよび１１Ｂならびに低圧側コイル２Ｂおよび１２Ｂは、窓部Ｗ２と窓部Ｗ３との間の脚部３２に貫通されるように窓部Ｗ２および窓部Ｗ３を通して巻回され、脚部３２の貫通方向に積層されている。
すなわち、第１のコイルグループＧ１において、第１の脚部３１に巻回された低圧側コイル２Ａと第２の脚部３２に巻回された低圧側コイル２Ｂとはそれぞれ同一の負荷に結合されている。第２のコイルグループＧ２において、第１の脚部３１に巻回された低圧側コイル１２Ａと第２の脚部３２に巻回された低圧側コイル１２Ｂとはそれぞれ同一の負荷に結合されている。
以下、上記の構成を有する本実施形態に係る変圧装置１００の動作について説明する。
まず、架線９１からパンタグラフ９２へ単相交流電圧が供給される。架線９１から供給される交流電圧は、パンタグラフ９２を介して高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂに印加される。すなわち、各コイルグループにおける高圧側コイルは共通の単相交流電力を受ける。そうすると、高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂを通して交流電流ＩＨが流れる。
高圧側コイル１Ａ，１１Ａを通して流れる交流電流ＩＨにより、主鉄心６１内に主磁束ＦＨ１が発生する。そうすると、主磁束ＦＨ１により、低圧側コイル２Ａの巻数と高圧側コイル１Ａの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１および交流電圧が低圧側コイル２Ａに発生する。また、主磁束ＦＨ１により、低圧側コイル１２Ａの巻数と高圧側コイル１１Ａの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１および交流電圧が低圧側コイル１２Ａに発生する。
ここで、低圧側コイル２Ａおよび１２Ａの巻数はそれぞれ高圧側コイル１Ａおよび１１Ａの巻数より小さいことから、高圧側コイル１Ａおよび１１Ａに印加される交流電圧が降圧された交流電圧が低圧側コイル２Ａおよび１２Ａにそれぞれ誘起される。
同様に、高圧側コイル１Ｂ，１１Ｂを通して流れる交流電流ＩＨにより、主磁束ＦＨ１１が発生する。そうすると、主磁束ＦＨ１１により、低圧側コイル２Ｂの巻数と高圧側コイル１Ｂの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１１および交流電圧が低圧側コイル２Ｂに発生する。また、主磁束ＦＨ１１により、低圧側コイル１２Ｂの巻数と高圧側コイル１１Ｂの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１１および交流電圧が低圧側コイル１２Ｂに発生する。
ここで、低圧側コイル２Ｂおよび１２Ｂの巻数はそれぞれ高圧側コイル１Ｂおよび１１Ｂの巻数より小さいことから、高圧側コイル１Ｂおよび１１Ｂに印加される交流電圧が降圧された交流電圧が低圧側コイル２Ｂおよび１２Ｂにそれぞれ誘起される。
低圧側コイル２Ａおよび２Ｂに誘起された交流電圧は、コンバータ５Ａに供給される。また、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂに誘起された交流電圧は、コンバータ５Ｂに供給される。
コンバータ５Ａは、低圧側コイル２Ａおよび２Ｂから供給された交流電圧を直流電圧に変換し、インバータ６Ａへ出力する。また、コンバータ５Ｂは、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂから供給された交流電圧を直流電圧に変換し、インバータ６Ｂへ出力する。
インバータ６Ａは、コンバータ５Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。また、インバータ６Ｂは、コンバータ５Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。
モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて回転する。また、モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて回転する。
このように、変圧器５１では、低圧側コイルおよび高圧側コイルを複数のコイルグループに分割している。そして、複数のコイルグループにおける低圧側コイルおよび高圧側コイルを複数の脚部にそれぞれ巻回する。このような構成により、変圧器の高さすなわち脚部の延伸方向における変圧器の長さを低減することができる。また、コイルの導体線路の断面積を大きくする必要がなくなり、コイルにおける電力損失の増大を防ぐことができる。
すなわち、変圧器５１では、低圧側コイル２，１２および高圧側コイル１，１１を２つのコイルグループに分割しているため、各コイルグループの電力容量は１／２となる。ここで、供給電圧は一定であり、電力容量＝電圧×電流より、各コイルグループの電力容量が１／２になると各コイルを通して流れる電流が１／２になる。これにより、各コイルにおいて積み重ねる円盤巻線の枚数を減らすことができるため、変圧器の高さを低減することができる。あるいは、円盤巻線の枚数を減らす代わりに、高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂの導体線路の断面積を小さくすることにより、各コイルグループの高さが低くなり、変圧器全体の高さを低減することができる。
次に、変圧器５１におけるリアクタンスについて説明する。
図９に示すように、変圧器５１では、高圧側コイルを通して流れる交流電流ＩＨによって発生する主磁束ＦＨ１およびＦＨ１１に加えて、主鉄心６１を通して流れない漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＨ１１が発生する。また、低圧側コイルを通して流れる交流電流ＩＬ１およびＩＬ１１によって、主鉄心６１を通して流れない漏れ磁束ＦＫＬ１およびＦＫＬ１１が発生する。
図１０は、本実施形態に係る変圧器における片側運転時の主磁束を示す図である。変圧器５１では、たとえばモータＭＢが故障した場合でも、コイルグループＧ１を用いてモータＭＡを単独で運転することが可能である。このような片側運転時では、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂが機能しない、すなわち高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂを通して電流が流れない。
図１０に示すように、たとえばモータＭＢが故障し、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂを通して電流が流れなくなった場合においても、図９に示す状態と同様に、漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＨ１１が合成され、また、漏れ磁束ＦＫＬ１およびＦＫＬ１１が合成されるため、窓部Ｗ２における起磁力は変化しない。さらに、漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＨ１１ならびに漏れ磁束ＦＫＬ１およびＦＫＬ１１の磁路長も変化しない。その結果、高圧側コイル１Ａ，１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂのリアクタンスは低下しない。
モータＭＡが故障した場合においても、同様に、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂのリアクタンスは低下しない。
本実施形態に係る変圧装置１００においては、コイルを上記のように複数のコイルグループに分割することにより、第２の鉄心を設ける必要がなく、小型化および軽量化を図るとともにリアクタンスの低下を防ぐことができる。
なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
１，１１，１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ 高圧側コイル、２，１２，２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ 低圧側コイル、５Ａ，５Ｂ コンバータ、６Ａ，６Ｂ インバータ、３１ 第１の脚部、３２ 第２の脚部、５１，５８ 変圧器、６１ 主鉄心、９１ 架線、９２ ０、９２ パンタグラフ、１００，５００ 変圧装置、２００，６００ 交流電車、ＦＨ１，ＦＨ１１ 主磁束、ＦＫＨ１，ＦＫＨ１１，ＦＫＬ１，ＦＫＬ１１ 漏れ磁束、Ｇ１ 第１のコイルグループ、Ｇ２ 第２のコイルグループ、ＩＨ，ＩＬ１，ＩＬ１１ 交流電流、ＭＡ，ＭＢ モータ、Ｗ１〜Ｗ３ 窓部。

Claims (4)

  1. 互いに間隔を隔てて並ぶ複数の脚部(３１，３２)を有する鉄心(６１)と、
    前記複数の脚部(３１，３２)にそれぞれ巻回され、共通の単相交流電力を受ける複数の高圧側コイル(１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ)と、
    前記高圧側コイル(１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ)に対応して設けられ、対応の前記高圧側コイル(１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ)と磁気結合され、前記複数の脚部(３１，３２)にそれぞれ巻回された複数の低圧側コイル(２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ)とを備え、
    前記高圧側コイル(１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ)および対応の前記低圧側コイル(２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ)により複数のコイルグループ(Ｇ１，Ｇ２)が構成され、
    前記複数のコイルグループ(Ｇ１，Ｇ２)のうちの第１のコイルグループ(Ｇ１)は、前記複数の脚部(３１，３２)のうちの第１の脚部(３１)にそれぞれ巻回された前記高圧側コイル(１Ａ)および該高圧側コイル(１Ａ)に対応する前記低圧側コイル(２Ａ)と、前記複数の脚部(３１，３２)のうちの前記第１の脚部(３１)に隣り合った第２の脚部(３２)にそれぞれ巻回された前記高圧側コイル(１Ｂ)および該高圧側コイル(１Ｂ)に対応する前記低圧側コイル(２Ｂ)とを含み、
    前記複数のコイルグループ(Ｇ１，Ｇ２)のうちの第２のコイルグループ(Ｇ２)は、前記第１の脚部(３１)にそれぞれ巻回された前記高圧側コイル(１１Ａ)および該高圧側コイル(１１Ａ)に対応する前記低圧側コイル(１２Ａ)と、前記第２の脚部(３２)にそれぞれ巻回された前記高圧側コイル(１１Ｂ)および該高圧側コイル(１１Ｂ)に対応する前記低圧側コイル(１２Ｂ)とを含み、
    前記第１のコイルグループ(Ｇ１)において、前記第１の脚部(３１)に巻回された前記高圧側コイル(１Ａ)と、前記第２の脚部(３２)に巻回された前記高圧側コイル(１Ｂ)とは隣接して位置し、かつ、前記第１の脚部(３１)に巻回された前記低圧側コイル(２Ａ)と、前記第２の脚部(３２)に巻回された前記低圧側コイル(２Ｂ)とは隣接して位置し、
    前記第２のコイルグループ(Ｇ２)において、前記第１の脚部(３１)に巻回された前記高圧側コイル(１１Ａ)と、前記第２の脚部(３２)に巻回された前記高圧側コイル(１１Ｂ)とは隣接して位置し、かつ、前記第１の脚部(３１)に巻回された前記低圧側コイル(１２Ａ)と、前記第２の脚部(３２)に巻回された前記低圧側コイル(１２Ｂ)とは隣接して位置し、
    前記第１のコイルグループ(Ｇ１)において、前記第１の脚部(３１)に巻回された前記低圧側コイル(２Ａ)と前記第２の脚部(３２)に巻回された前記低圧側コイル(２Ｂ)とはそれぞれ同一の負荷に結合され、
    前記第２のコイルグループ(Ｇ２)において、前記第１の脚部(３１)に巻回された前記低圧側コイル(１２Ａ)と前記第２の脚部(３２)に巻回された前記低圧側コイル(１２Ｂ)とはそれぞれ、前記第１のコイルグループ(Ｇ１)が結合された前記負荷とは異なる他の同一の負荷に結合される、変圧器。
  2. 請求項１に記載の変圧器と、
    前記低圧側コイル(２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ)に現れた交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ(５Ａ，５Ｂ)と
    を備える、変圧装置。
  3. 前記コンバータ(５Ａ，５Ｂ)により変換された直流電圧を３相交流電圧に変換するインバータ(６Ａ，６Ｂ)をさらに備える、請求項２に記載の変圧装置。
  4. 電動車両に搭載される、請求項２または３に記載の変圧装置。
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