JP5432078B2

JP5432078B2 - 変圧器

Info

Publication number: JP5432078B2
Application number: JP2010157530A
Authority: JP
Inventors: 晃司山下; 和元福井; 洋二松田; 和男西山; 正雄細川
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: JP2010263233A

Description

本発明は、磁性材を多層に巻回した巻鉄心を有する変圧器に関し、特に鉄心の接合部の構造に関する。

本発明に関連した従来技術として、例えば特許文献１〜３がある。特許文献１には非晶質合金（アモルファス）薄帯を用いた巻鉄心の製造方法及び接合構造に関する技術が記載され、特許文献２には非晶質合金（アモルファス）薄帯を用いた巻鉄心において、重ね合わせ接合（オーバーラップ）を基本接合構造として有する鉄心の製造方法及び、接合構造に関する技術が記載されている。特許文献３には段積みに当って事前に間隔寸法を調整する技術が記載されている。

特開平６−８４６５６号公報特開平９−７８４９号公報特開平１１−８１４７号公報

従来の巻鉄心においては、鉄心材の内外磁路長差により、鉄心内側では磁束密度が高く、外周側に向かうにつれて磁束密度は低下していく。このため、磁束集中による磁束波形の歪を生じ、異常損失が発生し特性の悪化を招いている。

本発明の課題は、鉄心内部の磁束分布を改善することであり、鉄心特性の向上した変圧器を提供することが目的である。

本発明において、巻鉄心の各ユニット（または層）を積層するごとに、接合部分の重なり代を増加させることで、外周側の磁気抵抗を従来の巻鉄心よりも低下させ、鉄心の内外周での磁束密度の差を緩和することができる。

すなわち、本発明は、板状磁性材を複数積層し環状に成形した巻鉄心と励磁用コイルとを備える変圧器において、前記巻鉄心は、板状磁性材が積層されて形成された板状磁性材ブロックがその両端部を互いに重ね合わされて接合部分となるよう環状に巻回され、当該環状に巻回された板状磁性材ブロックが更に積層されて形成されており、前記板状磁性材ブロックの接合部分を、隣接する板状磁性材ブロックの接合部分に対し内層側から外層側にかけて徐々に巻回方向へずらして３段以上の階段状に積層してなるユニットを、２以上積層し環状に成形し、前記板状磁性材ブロックの接合部分の重なり代の巻回方向の幅が、同一ユニットの層でほぼ同一の長さであり、かつ、最内側のユニットで最小とするとともに、最外側のユニットに向かって積層するごとに各ユニットで増加させ、前記巻鉄心は、接合部分が励磁用コイルの枠外又は枠内にあり、かつ、内鉄形又は外鉄形であることを特徴とする変圧器である。

そして、本発明は、上記巻鉄心は、接合部分が励磁用コイルの枠外にあり、かつ、内鉄形である変圧器である。

更に、本発明は、上記巻鉄心は、接合部分が励磁用コイルの枠内にあり、かつ、内鉄形である変圧器である。

また、本発明は、上記巻鉄心は、接合部分が励磁用コイルの枠外にあり、かつ、外鉄形である変圧器である。

そして、本発明は、上記巻鉄心は、接合部分が励磁用コイルの枠内にあり、かつ、外鉄形である変圧器である。

更に、本発明は、上記巻鉄心は、複数の接合部分のうちの一部が励磁用コイルの枠外にあり、残りの接合部分が励磁用コイルの枠内にあり、かつ、外鉄形である変圧器である。

本発明によれば、上記手段を用いて鉄心内の磁気抵抗の均一化を図ることで、磁束集中による磁束波形の歪を抑制し、鉄心特性の向上を図った変圧器を得ることができる。

実施例１の変圧器の構造を示す図。実施例１の変圧器の巻鉄心接合構造を示す図。実施例２の変圧器の巻鉄心接合構造を示す図。従来技術の変圧器の巻鉄心を示す図。実施例１、２及び従来技術の変圧器の巻鉄心内部の磁束密度分布を表す図。実施例３の変圧器の構造を示す図。実施例４の変圧器の構造を示す図。実施例５の変圧器の構造を示す図。実施例６の変圧器の構造を示す図。実施例７の変圧器の構造を示す図。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。以下に本発明の変圧器の実施例につき、図面を用いて説明する。

実施例１を説明する。図１は、本発明の第１の実施例の変圧器の構成例図、図２は、実施例１の変圧器に用いる鉄心の接合部分の断面構成図である。図１において、１は実施例１の変圧器、２は電気回路を形成するための励磁用コイル、３は磁気回路を形成するための巻鉄心、４は変圧器を機械的に保護する容器である。鉄心３は、例えば０．０２×１０^−３ｍ〜０．６０×１０^−３ｍ程度の板状磁性材を複数層に積層し環状に積層して成る。複数層に積層した板状磁性材をＵ字形に変形し、その両端部を互いに重ね合わせて環状に形成する。

図２において、３は巻鉄心、Ｂ_１，Ｂ_２・・・・Ｂ_Ｎは巻鉄心を構成する板状磁性材による層、Ｕ_１，Ｕ_２・・・Ｕ_Ｎは層Ｂ_Ｎの端部を巻回する方向へずらしながら積層して形成されたユニット、Ｌ_Ｎは巻鉄心３の接合部における層Ｂ_Ｎの両端部が互いに重なり合う巻回方向での長さ（重なり代）である。ただし、Ｎは巻鉄心の最内周側からＮ番目（Ｎ＝１，２，３，・・・）に配置されていることを意味する。

本実施例において、巻鉄心Ｃの接合部分における層Ｂ_Ｎの重なり代Ｌ_Ｎが、層Ｂ_Ｎが積層されるごとに巻回方向への長さを増加していく構造（Ｌ_Ｎ＜Ｌ_Ｎ＋１）を示す。重なり代Ｌ_Ｎは、巻鉄心Ｃの積層方向に対し外周側で増加していく。この接合構造は、従来の巻鉄心に比べ、内周側から外周側へ向けての磁気抵抗の増加を抑制することができ、巻鉄心Ｃの内外周差での磁束密度差を従来よりも均一に揃え、鉄心特性の改善を図った接合構造である。層Ｂ_Ｎは、外周側に向かうにつれて、その両端部の重なり代Ｌ_Ｎが増加しているため、外周側での磁路長増分に対する磁気抵抗の増加を抑制することが可能となり、従来の巻鉄心に比べ外周側での磁束密度を高めることができる。

また、鉄心特性を表す数値として鉄損があるが、理想として巻鉄心の接合構造を１００％上記実施例の様に接合した場合、鉄損が最小となる。しかし、他の接合構造（例えばバットスッテップラップ方式やオーバーラップ方式）をラップ部分に組み合わせて用いた場合でも、鉄損は増加していくが、その増加傾向は接合数に対して、必ずしも比例的なものではなく接合構造や接合方式の配置に影響されるため、好ましくは全接合数の１／２以上が上記の第１の実施例に示す接合構造をとることができ、例えば一部の重なり代について、Ｌ_Ｎ＝Ｌ_Ｎ＋１としてもよい。このようにしても、実施例１とほぼ同等の鉄心特性を有することがわかっている。

実施例２を説明する。図３は本発明の第２の実施例の説明図であり、変圧器に用いる巻鉄心３の接合断面構成図である。図３において、図２と同様、３は巻鉄心、Ｂ_１，Ｂ_２・・・・Ｂ_Ｎは巻鉄心を構成する板状磁性材による層、Ｕ_１，Ｕ_２・・・・Ｕ_Ｎは層Ｂ_Ｎが巻回する方向へずらされながら積層していき形成されたユニット、Ｌ_Ｎは巻鉄心Ｃの接合部における層Ｂ_Ｎの両端部が互いに重なり合う巻回方向での長さである。ただし、Ｎは巻鉄心の最内周側からＮ番目（Ｎ＝１，２，３，・・・）に配置されていることを意味する。

実施例２の巻鉄心３は、例えば厚さ２０μｍ〜３００μｍ程度の板状磁性材料が１〜数十枚重ねられてなる複合構造の板状磁性材層を複数層に積層し環状に成形して成る。複数層に積層される板状磁性材のうち、接合部における層Ｂ_Ｎは、その両端部が互いに重ね合わして環状に成る。

実施例２では、層Ｂ_Ｎの両端部の巻回方向での重なり長さＬ_Ｎは、同一のユニットＵ_Ｎ内では、ほぼ同じ重なり代Ｌ_Ｎを持ち、内周側から外周側の層になるに従い、重なり代Ｌ_Ｎが増加していく構造を示す。重なり代Ｌ_Ｎが内周から外周にかけて増加することにより、従来技術の巻鉄心に比べ、積層方向に対する外周側での磁気抵抗の増加が抑制することにより、鉄心の内外周差での磁束密度差を従来技術の巻鉄心よりも均一に揃え、巻鉄心全体の平均磁束密度を向上させることが可能となり、鉄心特性の改善を図ると同時に、磁性材の使用量を最小限に抑え、接合作業の効率化を実現できる接合構造である。

実施例２では、重なり代Ｌ_Ｎが内周から外周にかけて増加することにより、従来の巻鉄心に比べ、積層方向に対する外周側での磁気抵抗の増加が抑制され、鉄心の内外周差での磁束密度差が従来の巻鉄心よりも均一に揃い、巻鉄心全体の平均磁束密度を向上させることが可能となる。これにより、鉄心特性の改善を図ると同時に、同一ユニット内での重なり代Ｌ_Ｎを揃えることで、磁性材の使用量を最小限に抑え、接合作業の効率化を実現できる接合構造である。そして、実施例２は実施例１と同様に、好ましくは全接合数の１／２以上が上記実施例の接合となることが望ましい。

なお上記実施例１、２において、第１の層Ｂ_Ｎの重なり代Ｌ_Ｎは、変圧器の容量５ｋＶＡ〜２０００ｋＶＡに対して、１ｍｍ≦Ｌ_Ｎ≦２５０ｍｍ程度が最適である。最内周側の第１の層Ｂ_１での重なり代Ｌ_１＝０となることが理想だが、現実の製造工程や製作精度を考慮するとＬ_１は１ｍｍ以上となるのが好ましい。また、変圧器容量が大きくなると巻鉄心自体も大きくなり、最外周側のＬ_ｎは最外周側での磁路長に対する割合は減少し、磁束密度差を均一にする効果は薄れてくる。このため、現実的な作業性やコストバランスを考慮すると最外周側でのＬ_ｎは２５０ｍｍ程度に抑えることが好ましい。

図５は、実施例１、２及び従来技術の巻鉄心内の磁束分布の説明図である。図５において、イは、実施例１（図２参照）の巻鉄心３内の磁束分布特性であり、ロは、実施例２（図３参照）の巻鉄心３内の磁束分布特性であり、ハは、従来技術（図４参照）の巻鉄心におけるＡ−Ａ’部の磁束分布特性を示したものである。実施例１、２の巻鉄心では、磁気抵抗の増加が緩和され、特性イ、ロのように、外周側での磁束密度を高く保つことが可能となる。このため、鉄心内の磁束密度分布は従来技術の巻鉄心よりも一様な分布となり、鉄心特性を向上させることができる。なお、実施例１の巻鉄心では、磁気抵抗の増加が緩和され、特性イのように、平均磁束密度が高くなるため、鉄心内の磁束密度分布は従来技術の巻鉄心よりも一様な分布となり、鉄心特性は向上する。実施例２の巻鉄心の特性ロは、実施例１の巻鉄心の特性イに比べ、外周側での磁束密度は低いが、磁性材料の切断長（使用量）を最小限に抑えることができ、かつ、接合作業が最も容易である。従って、実施例２によれば、鉄心内の磁束分布の改善と鉄心製作作業の効率化とを併せて実現できる。

実施例３を説明する。図６は、本発明の第３の実施例の説明図で、本実施例の変圧器を構成する巻鉄心とコイルの関係を示した図である。図６において、５はコイルと鉄心の関係が内鉄形であることを示し、２は励磁用のコイル、３は巻鉄心、６は巻鉄心のラップ部分をそれぞれ示している。巻鉄心３は、実施例１又は２と同様とする。実施例３では鉄心のラップ部分が励磁用コイルの枠外に配置されているためラップ合せ作業が容易であり、また内鉄形であるため巻鉄心は一脚でラップ合せ作業に要する時間は少ない。このように、実施例３では鉄心特性を向上させかつ、作業時間の大きな低減を実現できる。

実施例４を説明する。図７は、本発明の第４の実施例の説明図で、本実施例の変圧器を構成する巻鉄心とコイルの関係を示した図である。図７において、５はコイルと鉄心の関係が内鉄形であることを示し、２は励磁用のコイル、３は巻鉄心、６は巻鉄心のラップ部分をそれぞれ示している。巻鉄心３は、実施例１又は２と同様とする。実施例４では巻鉄心のラップ部分が励磁用コイルの枠内に配置される構造となる。このため、ラップ合せ作業は困難となるが、鉄心高さ寸法は約５％縮めることが可能となる。このように、実施例４では鉄心特性を向上させかつ、変圧器のコンパクト化を合せて実現できる。

実施例５を説明する。図８は、本発明の第５の実施例の説明図で、本実施例の変圧器を構成する巻鉄心とコイルの関係を示した図である。図８において、７はコイルと鉄心の関係が外鉄形であることを示し、２は励磁用のコイル、３は巻鉄心、６は巻鉄心のラップ部分をそれぞれ示している。巻鉄心３は、実施例１又は２と同様とする。実施例５では鉄心のラップ部分が励磁用コイルの枠外に配置される構造となる。このため、ラップ合せ作業が容易であり、作業時間の低減効果は大きい。

実施例６を説明する。図９は、本発明の第６の実施例の説明図で、本実施例の変圧器を構成する巻鉄心とコイルの関係を示した図である。図９において、７はコイルと鉄心の関係が外鉄形であることを示し、２は励磁用のコイル、３は巻鉄心、６は巻鉄心のラップ部分をそれぞれ示している。巻鉄心３は、実施例１又は２と同様とする。実施例６では鉄心のラップ部分が励磁用コイルの枠内に配置される構造となる。このため、ラップ合せ作業は困難であるが、鉄心高さ寸法は約５％縮めることが可能となり、鉄心特性を向上させかつ、変圧器のコンパクト化を実現できる構造となる。

実施例７を説明する。図１０は、本発明の第７の実施例の説明図で、本実施例の変圧器を構成する巻鉄心とコイルの関係を示した図である。図１０において、７はコイルと鉄心の関係が外鉄形であることを示し、２は励磁用のコイル、３は巻鉄心、６は巻鉄心のラップ部分をそれぞれ示している。巻鉄心３は、実施例１又は２と同様とする。図１０は外鉄形で片側の鉄心接合部が励磁用コイルの枠外で、巻き回し方向に対して垂直な方向に配置され、もう一方の鉄心の接合部分は、励磁用コイルの枠外でコイル側面側に配置される構造となる。実施例７では巻鉄心のラップ部分が全てコイル枠外に配置されているため、ラップ合せ作業は容易である。

なお、上記実施例１、２の巻鉄心を組み合わせて用いることも可能である。例えば実施例７において、外鉄形で片側の巻鉄心接合構造は１／２を実施例１における接合構造として、１／２をバットステップラップ方式とし、もう一方の巻鉄心接合は実施例２における接合構造とする。これにより作業性の改善と同時に片側の高さ寸法を縮め、作業性と変圧器寸法の最適化を図ることができる。

以上実施例で説明したように、本発明においては、変圧器容量やその仕様に合せてラップ部の配置や接合構造の割合を変化させることにより、巻鉄心の特性向上のみならず、作業性と鉄心特性及び変圧器寸法における相互のバランスを調整し、コストの最適化を図ることも実現できる。

なお、本発明において巻鉄心を形成する板状磁性材は、アモルファス（非晶質）薄帯材や珪素鋼板などに限定されず、他の磁性材であっても良い。

１：変圧器心
２：励磁用コイル
３：鉄心
４：容器
５：内鉄形
６：ラップ部分
７：外鉄形
Ｂ_Ｎ：板状磁性材からなる層。
Ｕ_Ｎ：層Ｂ_Ｎを複数層、ずらしながら積層させて形成されるユニット
Ｌ_Ｎ：層Ｂ_Ｎの巻回する方向に対し、両端部分が重なり合う長さ。
イ：実施例１の鉄心の積層方向での磁束密度分布曲線。
ロ：実施例２の鉄心の積層方向での磁束密度分布曲線。
ハ：従来技術の巻鉄心の積層方向での磁束密度分布曲線。

Claims

板状磁性材を複数積層し環状に成形した巻鉄心と励磁用コイルとを備える変圧器において、
前記巻鉄心は、板状磁性材が積層されて形成された板状磁性材ブロックがその両端部を互いに重ね合わされて接合部分となるよう環状に巻回され、当該環状に巻回された板状磁性材ブロックが更に積層されて形成されており、
前記板状磁性材ブロックの接合部分を、隣接する板状磁性材ブロックの接合部分に対し内層側から外層側にかけて徐々に巻回方向へずらして３段以上の階段状に積層してなるユニットを、２以上積層し環状に成形し、
前記板状磁性材ブロックの接合部分の重なり代の巻回方向の幅が、同一ユニットの層でほぼ同一の長さであり、かつ、
最内側のユニットで最小とするとともに、最外側のユニットに向かって積層するごとに各ユニットで増加させ、
前記巻鉄心は、接合部分が励磁用コイルの枠外又は枠内にあり、かつ、内鉄形又は外鉄形であることを特徴とする変圧器。