JP5490318B1 - インバータ装置、変圧器及び変圧器の製造方法 - Google Patents

インバータ装置、変圧器及び変圧器の製造方法 Download PDF

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Abstract

高周波の騒音を低減させることが可能なインバータ装置などを提供する。インバータ装置は、インバータ回路から出力される交流電力の電圧を変換して出力する変圧器１０４を備える。インバータ回路から出力される交流電力の電圧を変換して出力する第１〜第３のコイル部１１１〜１１３の各々は、第１〜第３のコア部１１７〜１１９の周囲に巻き回される内側コイル１２２と外側コイル１２３とを含む。第１〜第３のコア部１１７〜１１９の各々は、Ｙ方向の軸を有する柱状であって、Ｘ方向に並べて設けられる。隣り合うコイル部１１１と１１２，１１２と１１３の間には、非磁性体の押圧部材１１４，１１５が設けられており、押圧部材１１４，１１５のそれぞれは、隣り合うコイル部１１１と１１２，１１２と１１３を押圧する。

Description

本発明は、インバータ装置、変圧器及び変圧器の製造方法に関する。
インバータ装置が搭載された電車では、インバータ装置が備える変圧器から発せられる騒音のために乗客が不快に感じることがある。変圧器の低騒音化を図るために、鉄心の磁歪運動によって発生する振動を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１７５０５３号公報
鉄心の振動に起因する騒音は主に低周波であるので、特許文献１に記載の技術によって鉄心の振動を抑制しても、高周波の騒音を低減することはほとんどできない。人が一般的に耳障りに感じるのは、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高周波の騒音であるので、高周波の騒音を低減することが特に重要である。
本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、高周波の騒音を低減させることが可能なインバータ装置、変圧器及び変圧器の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係るインバータ装置は、
直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を出力するインバータ回路と、
インバータ回路から出力される交流電力の電圧を変換し、その変換した電圧の交流電力を出力する変圧器とを備える鉄道車両用のインバータ装置であって、
変圧器は、
各々が第１方向の軸を有する柱状であって、第１方向と垂直な第２方向に並べて設けられる複数個のコア部を有する鉄心と、
各コア部の周囲に巻き回される内側コイルとその内側コイルの周囲に巻き回される外側コイルとを各々が含み、インバータ回路から出力される交流電力の電圧を変換し、その変換した電圧の交流電力を出力する複数個のコイル部と、
隣り合うコイル部の間のすべてに圧入することによって設けられており、隣り合うコイル部の各々を、隣り合うコイル部のそれぞれが巻き回されるコア部へ向けて、高調波電流のために隣り合うコイル部の各々の内側コイル及び外側コイルに発生する力の最大値以上の力で押圧する厚さを有する非磁性体の押圧部材と、
両端に位置するコイル部を第２方向の外側から挟んで設けられ、高調波電流のために両端に位置するコイル部に含まれる内側コイル及び外側コイルの各々に発生する力の最大値以上の力で、各々が巻き回されるコア部へ向けて押圧する挟持部とを備え、
鉄心が、矩形の穴が設けられた矩形の薄い平板を積み重ねて形成され、
挟持部は、
両端に位置するコイル部の一方の外側面に当接する当接部と、この当接部から第１方向とその反対方向との両方向に延びて設けられる延在部とを有する平板状の第１の当接部材と、
両端に位置するコイル部の他方の外側面に当接する当接部と、この当接部から第１方向とその反対方向との両方向に延びて設けられており、第１の当接部材の延在部と対向して配置される延在部とを有する平板状の第２の当接部材と、
両端に位置するコイル部の外側面の間の距離より短い長さで、第１及び第２の当接部材の対向する各延在部の間に配設される取付部材と、
取付部材の両端部のそれぞれを近くに位置する延在部に締結するボルト及びナットとを備え、
ボルト及びナットは、予め定められた締め付け力で締め付けられており、それによって、両端に位置するコイル部の各々の外側面が、平板状の第１の当接部材と平板状の第２の当接部材とにより上記最大値以上の力で、各々が巻き回されるコア部へ向けて押圧される。
本発明によれば、押圧部材が隣り合うコイル部を押圧する。これによって、それらコイル部を流れる高調波電流に起因する高周波の振動を抑制することができる。したがって、高周波の騒音を低減させることが可能になる。
本発明の一実施の形態に係るインバータ装置の回路構成を示す図である。 インバータ回路から出力される交流電力の電圧波形の一例を示す図である。 インバータ回路から出力される交流電力の電流波形の一例を示す図である。 一実施の形態に係る変圧器の外観斜視図である。 一実施の形態に係る変圧器のＸＹ面における断面図である。 一実施の形態に係る鉄心の外観斜視図である。 第１のコイル部を拡大して示す斜視図である。 第１のコイル部の外側において発生する力を説明するための図である。 第１のコイル部の内側コイルと外側コイルとのそれぞれに発生する力を説明するための図である。 第１〜第３のコイル部を鉄心に設けた状態を示す斜視図である。 第１及び第２の押圧部材を設けた状態を示す斜視図である。 鉄心に取付部材を設けた状態を示す斜視図である。 一変形例に係る第１の押圧部材のＸＹ面における断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。全図を通じて同一の要素には同一の符号を付す。
本発明の一実施の形態に係るインバータ装置１００は、入力する直流電力を所望の電圧の三相交流電力に変換して出力する装置である。インバータ装置１００は、例えば電気車に搭載される補助電源装置（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）であって、架線１０１から集電器１０２が取り入れる例えば１５００Ｖの直流電力を入力とし、その直流電力を所望の電圧の三相交流電力に変換して、負荷である三相交流モータへ出力する。インバータ装置１００は、その回路構成を図１に示すように、インバータ回路１０３と、変圧器１０４と、交流フィルタ１０５とを備える。
インバータ回路１０３は、入力する直流電力を交流電力に変換して出力する回路であって、６組のスイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７と、それらに並列に接続されたフィルタコンデンサ１０８とを有する。組をなすスイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７は並列に接続されている。スイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７は、２組が直列に接続されている。その直列に接続された２組ずつのスイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７は、並列に３列接続されている。直列に接続されたスイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７の組の間には、変圧器１０４へ出力する配線が接続されている。スイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７は例えば、珪素によって形成される。
インバータ回路１０３には、例えばパンダグラフなどから構成される集電器１０２が架線１０１から取り入れた直流電力が、直流フィルタリアクトル１０９を介して入力する。直流フィルタリアクトル１０９を介することによって、架線１０１から取り入れた直流電力に含まれる高調波電流がインバータ回路１０３へ流入することを抑制できる。
インバータ回路１０３に入力した直流電力は、フィルタコンデンサ１０８によって高周波成分が低減して、スイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７の各組へ流れる。そして、スイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７の各組が、図示しない制御部による制御の下で、ＯＮ／ＯＦＦ動作をする。この動作によって、並列に３列接続されたスイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７の各列から、三相交流の各相に対応する交流電力が、変圧器１０４へ出力する配線を介して出力される。
ここで、インバータ回路１０３から出力される交流電力のうちの１つの電圧波形及び電流波形それぞれの一例を、図２Ａ及び図２Ｂに示す。
インバータ回路１０３から出力される交流電流Ｉ（ｔ）は、式（１）に示すように、基本波である正弦波成分Ｉｆ（ｔ）に高調波成分Ｉｈ（ｔ）を重畳した波形になる。スイッチング素子１０６のＯＮ／ＯＦＦ動作のために、インバータ回路１０３から出力される交流電流Ｉ（ｔ）には図２Ｂに示すように高調波電流が含まれる。
I(T) = If(t) + Ih(t) ・・・式（１）
変圧器１０４は、インバータ回路１０３から出力される交流電力を所定の電圧の交流電力に変換して出力する。本実施の形態に係る変圧器１０４は、インバータ回路１０３から出力される三相交流の電圧を変換し、所定の電圧の三相交流を出力する三相変圧器である。
交流フィルタ１０５は、変圧器１０４により変換された電圧の交流電力の各相を出力する３つの配線の各々に接続される３つのキャパシタから構成される。交流フィルタ１０５は、変圧器１０４から出力される高調波電流をバイパスして、滑らかな交流電流を出力するとともに、出力する交流電圧を成形して滑らかな正弦波にする。
本実施の形態に係る変圧器１０４の物理的な構成を、図を参照して説明する。
図３に変圧器１０４の外観斜視図を示し、図４にＸＹ面における断面をＺ正方向（上方）から見た図を示す。同図に示すように、変圧器１０４は、鉄心１１０と、第１のコイル部１１１と、第２のコイル部１１２と、第３のコイル部１１３と、第１の押圧部材１１４と、第２の押圧部材１１５と、挟持部１１６とを備える。
鉄心１１０は、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３が設けられる鉄製の部材であって、図５に斜視図を示すように２つの矩形の穴が設けられた矩形の薄い平板を積み重ねて形成されており、第１のコア部１１７と、第２のコア部１１８と、第３のコア部１１９と、上連結部１２０と、下連結部１２１とを備える。
第１〜第３のコア部１１７〜１１９の各々は、Ｚ方向に同じ長さを有する角柱状をなし、Ｘ方向に等間隔で並べて設けられる。
上連結部１２０及び下連結部１２１は、それぞれ、第１〜第３のコア部材１１７〜１１９の上端及び下端を連結する部分である。
第１のコイル部１１１は、第１のコア部１１７に巻き回されており、インバータ回路１０３から出力される３相交流のうちの１相の電圧を変換し、変換した電圧の交流電力を出力する。第１のコイル部１１１は、図７に拡大した斜視図を示すように、内側コイル１２２と、外側コイル１２３と、内側スペーサ１２４と、外側スペーサ１２５とを備える。
内側コイル１２２は、第１のコア部１１７の周囲に巻き回される巻線で形成されており、例えば変換した電圧の交流電力を出力する二次コイルである。外側コイル１２３は、内側コイルの周囲に巻き回される巻線で形成されており、例えばインバータ回路１０３から出力される３相交流のうちの１相の交流電力が入力する。内側コイル１２２及び外側コイル１２３を形成する巻線の材料は例えば銅である。
内側スペーサ１２４は、角柱状の細長い部材であって、内側コイル１２２のＺ方向の長さよりも長い。内側スペーサ１２４は、その長さ方向をＺ方向に向けて、第１のコア部１１７と内側コイル１２２との間に所定の間隔を空けて複数配設される。これによって、第１のコア部１１７と内側コイル１２２との間にＺ方向に貫通するすき間が形成される。変圧器１０４の動作中に空気がすき間を流通するので、内側コイル１２２で発生する熱を放散させることが可能になる。
外側スペーサ１２５は、角柱状の細長い部材であって、外側コイル１２３のＺ方向の長さよりも長い。外側スペーサ１２５は、その長さ方向をＺ方向に向けて、内側コイル１２２と外側コイル１２３との間に所定の間隔を空けて複数配設される。これによって、内側コイル１２２と外側コイル１２３との間にＺ方向に貫通するすき間が形成される。変圧器１０４の動作中に空気がすき間を流通するので、内側コイル１２２と外側コイル１２３とで発生する熱を放散させることが可能になる。
第２のコイル部１１２と第３のコイル部１１３とは、それぞれ、第１のコイル部１１１と同様に、第２のコア部１１８と第３のコア部１１９の周囲に設けられる内側コイル１２２、外側コイル１２３、内側スペーサ１２４及び外側スペーサ１２５を備える。第１〜第３のコイル部１１１〜１１３のそれぞれがインバータ回路１０３から出力される３相交流の互いに異なる１相の電圧を変換し、変換した電圧の交流電力を出力する。これによって、三相交流を入力とし、電圧が変換された三相交流を出力することができる。
第１の押圧部材１１４は、図３及び図４に示すように、隣り合う第１のコイル部１１１と第２のコイル部１１２との間に介在する平板状の部材であって、ステンレス鋼、陶磁器などの強度がある非磁性体の材料で作られる。非磁性体であることによって、磁界の変化に伴う発熱を抑えることができる。
第１の押圧部材１１４は互いに平行な２つの主面１２６，１２７を有し、一方の主面１２６が第１のコイル部１１１に当接し、他方の主面１２７が第２のコイル部１１２に当接している。このとき、第１のコイル部１１１を第１のコア部１１７へ向けて押圧し、第２のコイル部１１２を第２のコア部１１８へ向けて押圧するように、第１の押圧部材１１４の厚さが決定される。したがって、第１の押圧部材１１４の材料は、第１及び第２のコイル部１１１，１１２を押圧することができるだけの強度のある材料が望ましい。
ここで、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３から高周波の騒音が発生する原理について、第１のコイル部１１１を例に図を参照して説明する。
図７に示すように、外側コイル１２３と内側コイル１２２との間の空間に発生する漏れ磁束の磁束密度をＢａ、外側コイル１２３に流れる電流をＩ１、内側コイル１２２をＹ負方向に流れる電流をＩ２とする。ここで、磁束の正方向はＺ正方向であるし、外側コイル１２３に流れる電流Ｉ１の正方向はＹ正方向であるとし、内側コイル１２２に流れる電流Ｉ２であるとする。
磁束密度Ｂａは式（２）により表される。
Figure 0005490318
Ｅ（ｔ）は、インバータ回路１０３から出力される交流電圧のうち、漏れ磁束分を表す。Ｓは、Ｚ方向から見た場合の、外側コイル１２３と内側コイル１２２との間に設けられた空間の断面積を表す。
インバータ回路１０３から出力される交流電圧Ｅ（ｔ）は、図２Ａに示すように矩形波であり、多くの高調波成分を含む。しかし、磁束密度Ｂａは、式（２）に示すように交流電圧Ｅ（ｔ）を積分した値であるため、交流電圧Ｅ（ｔ）に含まれる高調波成分は磁束密度Ｂａの波形にほとんど表れない。すなわち、磁束密度Ｂａは概ね、基本波である正弦波となる。磁束の一部は、図７に示すように、外側コイル１２３と内側コイル１２２とのそれぞれの中に浸透する。
インバータ回路１０３から出力される交流電流Ｉ（ｔ）は、上述のように、高調波成分Ｉｈ（ｔ）を含む。外側コイル１２３又は内側コイル１２２を流れる交流電流Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ）の高調波成分Ｉｈ１（ｔ），Ｉｈ２（ｔ）は、外側コイル１２３又は内側コイル１２２のリアクタンス成分によって低減するものの、残存する。そのため、外側コイル１２３又は内側コイル１２２を流れる交流電流Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ）は、式（３）、式（４）に示すように、基本波である正弦波成分Ｉｆ１（ｔ），Ｉｆ２（ｔ）に高調波電流成分Ｉｈ１（ｔ），Ｉｈ２（ｔ）を重畳した波形になる。
I1(T) = If1(t) + Ih1(t) ・・・式（３）
I2(T) = If2(t) + Ih2(t) ・・・式（４）
外側コイル１２３の巻線に生じる単位長さ当たりの電磁力Ｆ１は、式（５）に示すように、外側コイル１２３を流れる交流電流Ｉ１（ｔ）と磁束密度Ｂａとのそれぞれを直交座標系でベクトル表記したものの外積により表される。
Figure 0005490318
外側コイル１２３に発生する電磁力Ｆ１は概ね、ＸＹ平面内にて生じる。例えば、外側コイル１２３にはＹ正方向に電流Ｉ１（ｔ）が流れ、Ｚ正方向に磁束密度Ｂａの磁界があるとすると、電磁力Ｆ１は、Ｚ正方向から見た外側コイル１２３の断面図を図８に示すように、外側コイル１２３を外へ広げる方向へ働く。
一般的に高調波電流成分Ｉｈ１（ｔ），Ｉｈ２（ｔ）は、一般的に基本波成分Ｉｆ１（ｔ），Ｉｆ２（ｔ）より小さく、２０％以下が通常である。そのため、式（５）を参照すると、電磁力Ｆ１に含まれる成分のうち、基本波（例えば、６０Ｈｚ成分）による力Ｉｆ１×Ｂａが、高調波による力Ｉｈ１×Ｂａよりも大きい値になる。しかし、一般的に、低周波の音の場合、人はあまり耳障りには感じず、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高周波の音の場合、人は小さい音であっても敏感に、耳障りに感じる。例えば基本波電流Ｉｆ１が６０Ｈｚの場合、それによって振動する外側コイル１２３が発する音は低周波であるため、騒音としてはあまり問題にならない。これに対して、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高調波電流Ｉｈ１によって振動する外側コイル１２３が発する音は高周波であるため、低減させる必要性の高い騒音となる。
低減させるべき高周波の騒音は、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高調波電流Ｉｈ１によって外側コイル１２３に生じる力Ｆｈ１（＝Ｉｈ１×Ｂａ）に起因する。したがって、外側コイル１２３をＦｈ１以上の大きさの力で押さえつけることによって、高調波電流Ｉｈ１による外側コイル１２３の振動を抑制して、高周波の騒音を低減させることができる。なお、この力Ｆｈ１の大きさは、例えば１００ｋＶＡクラスの変圧器１０４において巻線に銅線を採用し、高調波電流Ｉｈ１が約１０［Ａ］であり、磁束密度Ｂａが１〜２［Ｗｂ／ｍ２］である場合、数１０ｋｇ程度となる。
内側コイル１２２の巻線に生じる単位長さ当たりの電磁力Ｆ２は、式（６）に示すように、内側コイル１２２を流れる交流電流Ｉ２（ｔ）と磁束密度Ｂａとのそれぞれを直交座標系でベクトル表記したものの外積により表される。
Figure 0005490318
内側コイル１２２に発生する電磁力Ｆ２は概ね、ＸＹ平面内にて生じる。例えば、内側コイル１２２にはＹ負方向に電流Ｉ２（ｔ）が流れ、Ｚ正方向に磁束密度Ｂａの磁界があるとすると、電磁力Ｆ２は、Ｚ正方向から見た内側コイル１２２の断面図を図８に示すように、内側コイル１２２を中へ縮める方向へ働く。
式（６）を見ると、内側コイル１２２についても、外側コイル１２３についての考察と同様に、低減させるべき高周波の騒音は、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の高調波電流Ｉｈ２によって内側コイル１２２に生じる力Ｆｈ２（＝Ｉｈ２×Ｂａ）に起因する。したがって、内側コイル１２２をＦｈ２以上の大きさの力で押さえつけることによって、高調波電流Ｉｈ２による内側コイル１２２の振動を抑制して、高周波の騒音を低減させることができる。
このような高周波の騒音の発生原理から分かるように、高調波電流のために第１のコイル部１１１に発生する力Ｆｈ１，Ｆｈ２の最大値以上の力Ｆで第１のコイル部１１１を押圧することで、高調波電流による第１のコイル部１１１の振動を抑制することができる。第２のコイル部１１２についても、同様に、力Ｆで第２のコイル部１１２を押圧することで、高調波電流による第２のコイル部１１２の振動を抑制することができる。したがって、第１の押圧部材１１４の厚さには、力Ｆで第１及び第２のコイル部１１１，１１２を押圧することができるものが決定されるとよい。これによって、高調波電流のために第１及び第２のコイル部１１１，１１２が振動することによって発生する高周波の騒音を低減することが可能になる。
また、第１の押圧部材１１４自体が振動し難くするために、第１の押圧部材１１４は重いことが望ましい。そのため、第１の押圧部材１１４は、強度があって重い非磁性体であるステンレス鋼で作られることが望ましい。
第２の押圧部材１１５は、図３及び４に示すように、隣り合う第２のコイル部１１２と第３のコイル部１１３との間に介在する平板状の部材である。第２の押圧部材１１５は、第１の押圧部材１１４と同様にステンレス鋼、陶磁器などの強度がある非磁性体の材料で作られ、望ましくは重いステンレス鋼で作られる。
第２の押圧部材１１５は互いに平行な２つの主面１２８，１２９を有し、一方の主面１２８が第２のコイル部１１２に当接し、他方の主面１２９が第３のコイル部１１３に当接している。このとき、第２のコイル部１１２を第２のコア部１１８へ向けて押圧し、第３のコイル部１１３を第３のコア部１１９へ向けて押圧するように、第２の押圧部材１１５の厚さが決定される。詳細には、第１の押圧部材１１４と同様に、第２の押圧部材１１５の厚さには、高調波電流のために第２及び第３のコイル部１１２，１１３の内側コイル及び外側コイルに発生する力の最大値以上の力Ｆで第２及び第３のコイル部１１２，１１３を押圧することができるものが決定されるとよい。
挟持部１１６は、Ｘ方向に並ぶ第１〜第３のコイル部１１１〜１１３のうち、両端に位置する第１及び第３のコイル部１１１，１１３をそれぞれ、第１及び第３のコア部１１７，１１９へ向けてＦ以上の大きさの力で押圧するように、Ｘ方向の外側から挟む部材である。挟持部１１６は、第１の当接部材１３０と、第２の当接部材１３１と、取付部材１３２と、締結具１３３とを備える。
第１の当接部材１３０は、第１のコイル部１１１の外側面に当接する当接部１３４と、この当接部１３４から上下方向（Ｚ正方向及びＺ負方向）に延びる延在部１３５とを有する。この延在部１３５には、例えば締結具１３３としてのボルトの軸を貫通させる孔が設けられる。
第２の当接部材１３１は、第２のコイル部１１２の外側面に当接する当接部１３６と、この当接部１３６から上下方向に延びる延在部１３７とを有する。この延在部１３７には、例えば締結具１３３としてのボルトの軸を貫通させる孔が設けられる。第１の当接部材１３０の延在部１３５と第２の当接部材１３１の延在部１３７とは、Ｘ方向に互いに対向するように配置される。
第１の当接部材１３０及び第２の当接部材１３１は、第１の押圧部材１１４と同様にステンレス鋼、陶磁器などの強度がある非磁性体の材料で作られ、望ましくは重いステンレス鋼で作られる。
取付部材１３２は、枠状の部材であって、変圧器１０４の上下それぞれに配設される。取付部材１３２の内部には、鉄心１１０の上連結部１２０又は下連結部１２１が収容される。取付部材１３２は、Ｘ方向に、第１〜第３コイル部１１１〜１１３の長さよりも短い長さを有し、第１及び第２の当接部材１３０，１３１の延在部１３５，１３７の間に配設される。取付部材１３２の延在部１３５，１３７と対向する端部には、締結具１３３としてのボルトの軸を貫通させる孔が設けられる。
締結具１３３は、例えばボルトとナットで構成される。締結具１３３は、各取付部材１３２のＸ正方向の端部と、その端部の近くに位置する第１及び第２の当接部材１３０，１３１の延在部１３５，１３７の各々とを締結する。詳細には、締結具１３３は、例えば取付部材１３２のＸ正方向の端部と第１の当接部材１３０の延在部１３５との孔に挿設されたボルトがナットに所定の締め付け力で螺合することによって、締結する。同様に、締結具１３３は、各取付部材１３２のＸ負方向の端部と第２の当接部材１３１の延在部１３７との孔に挿設されたボルトが所定の締め付け力でナットに螺合することによって、締結する。
締結具１３３が締結する力は、第１及び第３のコイル部１１１，１１３をそれぞれ第１及び第３のコア部１１７，１１９へ向けて一定以上の力Ｆで押圧することができる大きさが望ましい。この一定以上の力Ｆとは、高調波電流のために第１及び第３のコイル部１１１，１１３の内側コイル及び外側コイルに発生する力の最大値以上の力Ｆである。これによって、高調波電流に起因する第１及び第３のコイル部１１１，１１３の振動を抑制し、高周波の騒音を抑制することが可能になる。
本実施の形態では、取付部材１３２のＸ方向の長さは、上述のように、第１〜第３コイル部１１１〜１１３のＸ方向の長さよりも短い。そのため、締結具１３３がボルトとナットで構成される場合、その締め付け力を適宜設定することによって、第１の当接部材１３０及び第２の当接部材１３１が第１及び第３のコイル部１１１，１１３を押圧する力Ｆを調整することができる。
これまで、本実施の形態に係る変圧器１０４の構成について説明した。
ここで、式（５）を参照すると、第１及び第２のコイル部１１１，１１２の電流密度又は磁束密度Ｂａを小さくすることによっても、第１及び第２のコイル部１１１，１１２に生じる電磁力が小さくなるので、その振動を抑制することができる。しかし、そのために鉄心の寸法を大きくすると変圧器の寸法及び重量が大きくなってしまう。また、振動が発生しにくい材料を使用すると高価である。
本実施の形態に係るインバータ装置１００又は変圧器１０４では、第１の押圧部材１１４によって、第１及び第２のコイル部１１１，１１２の振動を抑制することができる。第１の押圧部材１１４によって、変圧器１０４の寸法はほとんど変わらない。第１の押圧部材１１４による変圧器１０４の重量の増加は、変圧器１０４の重量に比べて小さい。また、第１の押圧部材１１４は、上述のようにステンレス鋼などを材料とすればよいので、安価に製造できる。そのため、第１の押圧部材１１４によって、変圧器１０４の寸法及び重量と、コストとを大きく増加させることなく、第１及び第２のコイル部１１１，１１２から発せられる高周波の騒音を低減することが可能になる。
同様に、第２の押圧部材１１５によって、変圧器１０４の寸法及び重量と、コストとを大きく増加させることなく、第２及び第３のコイル部１１２，１１３から発せられる高周波の騒音を低減することが可能になる。
したがって、各コイル部１１１〜１１３の間のすべてに押圧部材１１４，１１５を設けることによって、変圧器１０４の寸法及び重量と、コストとを大きく増加させることなく、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３のすべてから発せられる高周波の騒音を低減することが可能になる。
挟持部１１６によって、第１及び第３のコイル部１１１，１１３の振動を抑制することができる。挟持部１１６による変圧器１０４の寸法及び重量の増加は比較的僅かである。また、挟持部１１６は、ステンレス鋼などを材料とすればよいので、安価に製造できる。そのため、挟持部１１６によって、変圧器１０４の寸法及び重量と、コストとを大きく増加させることなく、第１及び第３のコイル部１１１，１１３から発せられる高周波の騒音を低減することが可能になる。
第１及び第２の押圧部材１１４，１１５と挟持部１１６とを設けることによって、変圧器１０４の寸法及び重量と、コストとを大きく増加させることなく、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３の各々を両端から押圧することができる。そのため、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３のすべてから発せられる高周波の騒音を著しく低減することが可能になる。例えば、締結具１３３の締結する力にもよるが、第１及び第２の押圧部材１１４，１１５と挟持部１１６とを設けることによって、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３の振動エネルギーを１／２程度に、騒音を３ｄＢ以上低減することができる。
特に電車に搭載されるインバータ装置１００では、高電圧の電力が流れるため、高調波電流によって第１〜第３のコイル部１１１〜１１３の各々に生じる電磁力は大きくなる。そのため、高周波の騒音も大きくなる傾向がある。
また、インバータ装置１００が搭載される電車の場合、インバータ装置１００は通常、車内の電灯、空調機などへ電力を供給するために、電車が稼働している間は常に作動する。変圧器１０４からの高周波の騒音は、インバータ装置１００の作動中に発せられるから、電車が走行中であるか停車中であるかにかかわらず常に乗客の耳に入ることになる。特に高周波の騒音は人が耳障りに感じるため、インバータ装置１００の変圧器１０４から常時発せられる高周波の騒音を低減させることは、車内の快適性を向上させるために極めて重要である。
従来の変圧器、特に乾式変圧器では高調波によるコイルの振動は、巻線の張力だけであったので、インバータを作動させると、高周波の大きな騒音が出てしまう。本実施の形態に係るインバータ装置によれば、高電圧の電力が流れる場合であっても、押圧部材１１４，１１５及び挟持部１１６によって、各コイル部１１１〜１１３の振動を抑制することができる。そのため、乗客にとって耳障りになる高周波の騒音を低減させて、車内の快適性を著しく向上させることが可能になる。
ここから、本実施の形態に係る変圧器１０４を製造する方法の一例を説明する。
鉄心１１０が準備される（図５参照）。内側スペーサ１２４が、第１〜第３のコア部１１７〜１１９の各々に所定の間隔で当接して配置される。巻線が、内側スペーサ１２４の周囲に直接に巻き回される。これによって、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３の内側コイル１２２が形成される。
外側スペーサ１２５が、内側コイル１２２の各々に所定の間隔で当接して配置される。巻線が、外側スペーサ１２５の周囲に直接に巻き回される。これによって、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３の外側コイル１２３が形成される。図９の斜視図に示すように、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３が設けられる。
第１の押圧部材１１４が、第１及び第２のコイル部１１１，１１２の間に圧入され、第２の押圧部材１１５が、第２及び第３のコイル部１１２，１１３の間に圧入される。ここで圧入とは、例えばハンマなどで挿入方向に力を加えながら挿入することをいう。これによって、図１０の斜視図に示すように、第１及び第２の押圧部材１１４，１１５が取り付けられる。
取付部材１３２が、図１１の斜視図に示すように、鉄心１１０の上部及び下部のそれぞれに配置される。詳細には、取付部材１３２は、その内部の概ね中央に上連結部１２０及び下連結部１２１のそれぞれを収容するように配置される。
第１の当接部材１３０及び第２の当接部材１３１が、取付部材１３２のＸ方向の両端部に延在部１３５，１３７を対向させて、それぞれの孔がＸ方向に揃うように配置される。各孔にボルトを挿入し、ナットで所定の力で締め付けることによって、第１の当接部材１３０及び第２の当接部材１３１のそれぞれと、取付部材１３２とが締結される。これによって、挟持部１１６が取り付けられて、本実施の形態に係る変圧器１０４が製造される（図３参照）。
このように、本実施の形態に係る変圧器１０４において、高周波の騒音を抑えるための工程は、第１及び第２の押圧部材１１４，１１５を取り付ける工程と挟持部１１６を取り付ける工程である。これらの工程では、上述のように、比較的簡単な作業が必要になるだけである。したがって、本実施の形態によれば、高周波の騒音を抑えた変圧器１０４を容易に製造することが可能になる。
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明は、一実施の形態に限定されるものではない。
例えば、本発明に係るインバータ装置１００は電車に限らず、任意の機器、装置などに搭載されてよい。変圧器１０４は、インバータ装置１００に適用されるものに限らず、任意の機器、装置などに搭載されてよい。変圧器１０４は三相変圧器に限られず、単層変圧器などであってもよい。第１及び第２の押圧部材１１４，１１５又は挟持部１１６は、実施の形態に係る変圧器１０４と同様に、一定の方向に並ぶコイルを備えるリアクトルに適用されてもよい。
例えば、第１〜第３のコア部１１７〜１１９の各々は柱状であればよく、Ｚ方向から見た断面の形状は円形などであってもよい。取付部材１３２の延在部１３５，１３７と対向する端部に、ボルトを挿設するための孔に代えて、雌ねじ部が設けられてもよい。この場合、この雌ねじ部とボルトによって締結具１３３は構成されることになる。
本発明は、さらに以下の変形例を含み、実施の形態及び各変形例と均等な技術的範囲をも含む。
（変形例１）
インバータ回路１０３を構成するスイッチング素子１０６又はダイオード素子１０７は、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体によって形成されたワイドギャップ半導体素子であってもよい。この場合、珪素によって形成されるスイッチング素子１０６及びダイオード素子１０７で構成されるインバータ回路１０３よりも小型化が可能になる。また、電力損失が低いため、スイッチング素子１０６又はダイオード素子１０７の高効率化が可能であり、ひいてはインバータ回路１０３の高効率化が可能になる。
ワイドバンドギャップ半導体素子を採用することによって、高速でＯＮ／ＯＦＦ動作をすることができる。そのため、インバータ回路１０３から出力される電流に含まれる高調波電流は大きくなり、高調波電流に起因する高周波の騒音が大きくなるおそれがある。実施の形態で説明した変圧器１０４によれば、ワイドバンドギャップ半導体素子を採用したとしても、高周波の騒音を抑制することができる。したがって、高周波の騒音を低減しつつ、小型で高効率なインバータ装置１００を提供することが可能になる。
（変形例２）
内側コイル１２２及び外側コイル１２３を形成する巻線の材料は、銅に限られず、例えばアルミニウムであってもよい。アルミニウム線を採用することによって、銅線などを採用するよりも、コイル部１１１（１１２，１１３）の軽量化と低コスト化が可能になる。コイル部１１１（１１２，１１３）が軽くなると、高調波電流によって振動しやすくなり、高周波の騒音が大きくなる恐れがある。本発明では押圧部材１１４（１１５）と挟持部１１６とによってコイル部１１１（１１２，１１３）の振動を抑制できるので、高周波の騒音が大きくなることを抑制することが可能になる。したがって、変圧器１０４の高周波の騒音を低減させつつ、その軽量化と低コスト化が可能になる。
（変形例３）
締結具１３３はボルトとナットに限らず、例えば、取付部材１３２の端部と、第１又は第２の当接部材１３０，１３１の延在部１３５，１３７とを挟持して固定される器具などであってもよい。これによっても、挟持する力を調整することによって、第１の当接部材１３０及び第２の当接部材１３１が第１及び第３のコイル部１１１，１１３を押圧する力Ｆを調整することができる。
（変形例４）
変圧器１０４は挟持部１１６を備えなくてもよい。これによって、変圧器１０４を簡素な構成にすることができる。この場合、第１〜第３のコイル部１１１〜１１３の振動は、第１及び第２の押圧部材１１４，１１５によって抑制される。したがって、簡素な構成で高周波の騒音を低減させることが可能になる。
（変形例５）
第１の押圧部材１１４は、ＸＹ面における断面を図１２に示すように、図２つの主面１２６，１２７を有する平板部２３８の端部に接続しており、次第に厚さが薄くなるテーパ部２３９を有してもよい。なお、第２の押圧部材１１５についても、同様にテーパ部２３９を有してもよい。これによって、第１の押圧部材１１４（第２の押圧部材１１５）の圧入が容易になるとともに、その時に第１及び第２のコイル部１１１，１１２（第２及び第３のコイル部１１２，１１３）が損傷するおそれを低減させることが可能になる。
本発明は、鉄道車両、産業用機械の電源装置、電気自動車、太陽光発電装置のパワーコンディショナなどに搭載されるインバータ装置及びその製造に利用することができる。また、インバータ装置に搭載される変圧器、発電所、変電所などで使用される変圧器、ポールトランスなど、及びそれらの製造に利用することができる。
１００ インバータ装置、１０３ インバータ回路、１０４ 変圧器、１０６ スイッチング素子、１０７ ダイオード素子、１１０ 鉄心、１１１ 第１のコイル部、１１２ 第２のコイル部、１１３ 第３のコイル部、１１４ 第１の押圧部材、１１５ 第２の押圧部材、１１６ 挟持部、１１７ 第１のコア部、１１８ 第２のコア部、１１９ 第３のコア部、１２０ 上連結部、１２１ 下連結部、１２２ 内側コイル、１２３ 外側コイル、１２４ 内側スペーサ、１２５ 外側スペーサ、１３０ 第１の当接部材、１３１ 第２の当接部材、１３２ 取付部材、１３３ 締結具、１３４，１３６ 当接部、１３５，１３７ 延在部。

Claims (7)

  1. 直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を出力するインバータ回路と、
    前記インバータ回路から出力される前記交流電力の電圧を変換し、当該変換した電圧の交流電力を出力する変圧器とを備える鉄道車両用のインバータ装置であって、
    前記変圧器は、
    各々が第１方向の軸を有する柱状であって、前記第１方向と垂直な第２方向に並べて設けられる複数個のコア部を有する鉄心と、
    前記各コア部の周囲に巻き回される内側コイルと当該内側コイルの周囲に巻き回される外側コイルとを各々が含み、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の電圧を変換し、当該変換した電圧の交流電力を出力する複数個のコイル部と、
    隣り合う前記コイル部の間のすべてに圧入することによって設けられており、前記隣り合うコイル部の各々を、前記隣り合うコイル部のそれぞれが巻き回される前記コア部へ向けて、高調波電流のために前記隣り合うコイル部の各々の前記内側コイル及び前記外側コイルに発生する力の最大値以上の力で押圧する厚さを有する非磁性体の押圧部材と、
    両端に位置する前記コイル部を前記第２方向の外側から挟んで設けられ、高調波電流のために前記両端に位置するコイル部に含まれる内側コイル及び外側コイルの各々に発生する力の最大値以上の力で、各々が巻き回される前記コア部へ向けて押圧する挟持部とを備え、
    前記鉄心が、矩形の穴が設けられた矩形の薄い平板を積み重ねて形成され、
    前記挟持部は、
    前記両端に位置するコイル部の一方の外側面に当接する当接部と、当該当接部から前記第１方向とその反対方向との両方向に延びて設けられる延在部とを有する平板状の第１の当接部材と、
    前記両端に位置するコイル部の他方の外側面に当接する当接部と、当該当接部から前記第１方向とその反対方向との両方向に延びて設けられており、前記第１の当接部材の前記延在部と対向して配置される延在部とを有する平板状の第２の当接部材と、
    前記両端に位置するコイル部の前記外側面の間の距離より短い長さで、前記第１及び前記第２の当接部材の対向する各延在部の間に配設される取付部材と、
    前記取付部材の両端部のそれぞれを近くに位置する前記延在部に締結するボルト及びナットとを備え、
    前記ボルト及びナットは、予め定められた締め付け力で締め付けられており、それによって、前記両端に位置するコイル部の各々の前記外側面が、前記平板状の前記第１の当接部材と前記平板状の前記第２の当接部材とにより前記最大値以上の力で、当該各々が巻き回される前記コア部へ向けて押圧されるインバータ装置。
  2. 前記押圧部材は、ステンレス製である
    請求項１に記載のインバータ装置。
  3. 前記各コイル部は、さらに、
    前記コア部と前記内側コイルとの間で前記コア部の長さ方向に空気を流通させるためのすき間を形成するように、前記コア部と前記内側コイルとの間に設けられる内側スペーサと、
    前記内側コイルと前記外側コイルとの間で前記コア部の長さ方向に空気を流通させるためのすき間を形成するように、前記内側コイルと前記外側コイルとの間に設けられる外側スペーサとを備える
    請求項１又は２に記載のインバータ装置。
  4. 前記インバータ回路は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成される素子を含む
    請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
  5. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである
    請求項４に記載のインバータ装置。
  6. 各々が第１方向の軸を有する柱状であって、前記第１方向と垂直な第２方向に並べて設けられる複数個のコア部を有する鉄心と、
    前記各コア部の周囲に巻き回される内側コイルと当該内側コイルの周囲に巻き回される外側コイルとを各々が含む複数個のコイル部と、
    隣り合う前記コイル部の間のすべてに圧入することによって設けられており、前記隣り合うコイル部の各々を、前記隣り合うコイル部のそれぞれが巻き回される前記コア部へ向けて、高調波電流のために前記隣り合うコイル部の各々の前記内側コイル及び前記外側コイルに発生する力の最大値以上の力で押圧する厚さを有する非磁性体の押圧部材と、
    両端に位置する前記コイル部を前記第２方向の外側から挟んで設けられ、高調波電流のために前記両端に位置するコイル部に含まれる内側コイル及び外側コイルの各々に発生する力の最大値以上の力で、各々が巻き回される前記コア部へ向けて押圧する挟持部とを備え、
    前記鉄心が、矩形の穴が設けられた矩形の薄い平板を積み重ねて形成され、
    前記挟持部は、
    前記両端に位置するコイル部の一方の外側面に当接する当接部と、当該当接部から前記第１方向とその反対方向との両方向に延びて設けられる延在部とを有する平板状の第１の当接部材と、
    前記両端に位置するコイル部の他方の外側面に当接する当接部と、当該当接部から前記第１方向とその反対方向との両方向に延びて設けられており、前記第１の当接部材の前記延在部と対向して配置される延在部とを有する平板状の第２の当接部材と、
    前記両端に位置するコイル部の前記外側面の間の距離より短い長さで、前記第１及び前記第２の当接部材の対向する各延在部の間に配設される取付部材と、
    前記取付部材の両端部のそれぞれを近くに位置する前記延在部に締結するボルト及びナットとを備え、
    前記ボルト及びナットは、予め定められた締め付け力で締め付けられており、それによって、前記両端に位置するコイル部の各々の前記外側面が、前記平板状の前記第１の当接部材と前記平板状の前記第２の当接部材とにより前記最大値以上の力で、当該各々が巻き回される前記コア部へ向けて押圧される鉄道車両用の変圧器。
  7. 各々が第１方向の軸を有する柱状であって、前記第１方向と垂直な第２方向に並べて設けられる複数個のコア部を有し、矩形の穴が設けられた矩形の薄い平板を積み重ねて形成された鉄心を準備し、
    前記各コア部の周囲に巻き回される内側コイルと当該内側コイルの周囲に巻き回される外側コイルとを各々が含む複数個のコイル部を形成し、
    隣り合う前記外側コイルの間のすべてに、前記隣り合うコイル部の各々を、前記隣り合うコイル部のそれぞれが巻き回される前記コア部へ向けて、高調波電流のために前記隣り合うコイル部の各々の前記内側コイル及び前記外側コイルに発生する力の最大値以上の力で押圧する厚さを有する非磁性体の押圧部材を順次圧入し、
    両端に位置する前記コイル部を前記第２方向の外側から挟んで、高調波電流のために前記両端に位置するコイル部に含まれる内側コイル及び外側コイルの各々に発生する力の最大値以上の力で、各々が巻き回される前記コア部へ向けて押圧する挟持部を設け、
    前記挟持部を設けることは、
    前記両端に位置するコイル部の一方の外側面に当接する当接部と、当該当接部から前記第１方向とその反対方向との両方向に延びて設けられる延在部とを有する平板状の第１の当接部材を配置し、
    前記両端に位置するコイル部の他方の外側面に当接する当接部と、当該当接部から前記第１方向とその反対方向との両方向に延びて設けられる延在部とを有する平板状の第２の当接部材を、当該延在部が前記第１の当接部材の前記延在部と対向するように配置し、
    前記両端に位置するコイル部の前記外側面の間の距離より短い長さの取付部材を、前記第１及び前記第２の当接部材の対向する各延在部の間に配設し、
    前記取付部材の両端部のそれぞれを近くに位置する前記延在部に締結するボルト及びナットを予め定められた締め付け力で締め付け、それによって、前記両端に位置するコイル部の各々の前記外側面が、前記平板状の前記第１の当接部材と前記平板状の前記第２の当接部材とにより前記最大値以上の力で、当該各々が巻き回される前記コア部へ向けて押圧される鉄道車両用の変圧器の製造方法。
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