JP6717874B2 - 多相変圧器および多相変圧器組立体 - Google Patents

Description

本発明は、多相変圧器に関し、特に複数のコイルを備えた多相変圧器に関する。

通常、三相変圧器は３つの鉄心と、これら鉄心に巻回された３つのコイルとを有している。特許文献１には、３つの磁気サブアセンブリが三角形の形態で配置されている統合型磁気デバイスが開示されている。

特開２０１３−５２９３９３号公報

従来の多相変圧器において、コイルのターン数（巻数）を減らすと電源投入時の突入電流が増加するため、小型化できないという問題がある。

本開示の多相変圧器は、外周部鉄心と、外周部鉄心の内面側において周方向に間隔をおいて配列された少なくとも６個の脚部鉄心と、少なくとも６個の脚部鉄心のそれぞれに巻回されたコイルと、を具備している。少なくとも６個の脚部鉄心のそれぞれは、コイルの巻き軸線の方向における一方の端部が外周部鉄心に磁気的に結合されると共に、巻き軸線の方向における他方の端部が、少なくとも６個の脚部鉄心のうちの他の脚部鉄心における他方の端部に磁気的に結合するように配置されている。少なくとも６個のコイルは、多相変圧器の各相に複数個ずつ割り当てられている。

本開示の多相変圧器によれば、コイルのターン数が削減され、多相変圧器の小型化、軽量化が可能となる。

極数が３個の３相の変圧器の平面図である。 多相変圧器のターン数を減らす前と減らした後における、電源投入後の多相変圧器に流れる突入電流の時間的変化を示すグラフである。 実施例１に係る極数が６個の多相変圧器の平面図である。 一般的な磁気回路の構成図である。 実施例１の変形例に係る極数が１２個の多相変圧器の平面図である。 実施例１に係る多相変圧器への入力電圧の時間的変化を示すグラフである。 実施例１に係る多相変圧器へ交流電圧を印加した場合に形成される磁界の分布図である。 実施例２に係る多相変圧器の斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る多相変圧器について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

まず、図１を用いて、従来の極数が３個の３相の変圧器について説明する。従来の３相の変圧器１０００は、外周部鉄心１００１と、３個の脚部鉄心２００１〜２００３と、脚部鉄心２００１〜２００３に巻回されたコイル３００１〜３００３と、を備えている。例えば、コイル３００１〜３００３をそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相用のコイルとしてもよい。

多相変圧器の小型化を行う場合、コイルのターン数（巻数）を削減する方法が考えられる。しかしながら、単純にターン数を減少させると多相変圧器への電源投入時の突入電流が増加するという問題が生じる。以下この問題について説明する。

図２に多相変圧器のターン数を減らす前と減らした後における、電源投入後の多相変圧器に流れる突入電流の時間的変化を示す。図２において、ターン数を減らす前の突入電流を破線で示し、ターン数を減らした後の突入電流を実線で示す。図２からわかるように、ターン数を減少させると突入電流が増加してしまうため、単純にターン数を減少させるという方法では多相変圧器を小型化することはできないという問題がある。

図３に実施例１に係る極数が６個の多相変圧器の平面図を示す。実施例１に係る多相変圧器１０は、外周部鉄心１と、外周部鉄心１の内面側において周方向に間隔をおいて配列された６個の脚部鉄心２１〜２６と、６個の脚部鉄心２１〜２６のそれぞれに巻回されたコイル３１〜３６と、を具備している。図３に示した外周部鉄心１は複数個の外周部鉄心部分からなっていてもよい。

６個の脚部鉄心２１〜２６のそれぞれは、コイル３１〜３６の巻き軸線の方向における一方の端部が外周部鉄心１に磁気的に結合されると共に、巻き軸線の方向における他方の端部が、６個の脚部鉄心２１〜２６のうちの他の脚部鉄心における他方の端部に磁気的に結合するように配置されている。

６個のコイル３１〜３６は、多相変圧器１０の各相に複数個ずつ割り当てられている。例えば、多相変圧器１０のＲ相には、コイル３１及び３２が割り当てられるようにしてもよい。また、多相変圧器１０のＳ相には、コイル３３及び３４が割り当てられるようにしてもよい。さらに、多相変圧器１０のＴ相には、コイル３５及び３６が割り当てられるようにしてもよい。

６個の脚部鉄心２１〜２６は、その数が多いほど、各相の脚部鉄心に形成される磁路長が短くなるように構成されていることが好ましい。したがって、例えば脚部鉄心を６個とした場合の磁路長は、脚部鉄心が３個の場合の磁路長よりも短くなるように構成されている。一例として、多相変圧器の磁束密度を一定（例えば１．６５［Ｔ］）とし、電圧降下を一定（例えば、８７［Ｖ］）とした場合において、脚部鉄心が３個の場合の磁路長を７５１ｍｍとした場合、脚部鉄心が６個の場合の磁路長は４５０ｍｍとなり、磁路長は約４０％減少する。

磁路長が短縮された場合に多相変圧器を小型化できる点について説明する。図４に一般的な磁気回路の構成図を示す。図４の磁気回路は鉄心１００にコイル２００がｎ回巻回されている。コイル２００には、電圧Ｖが印加され、電流ｉが流れている。鉄心１００の平均磁路長をｌ_i、磁束が通る鉄心の断面積をＳとする。このとき磁気抵抗Ｒ_mは、以下の式（１）で求められる。
Ｒ_m＝ｌ_i／（μ_rμ₀Ｓ） （１）
ただし、μ_rは比透磁率、μ₀は真空の透磁率である。断面積Ｓは一定である。

また、インダクタンスＬは、以下の式（２）で求められる。
Ｌ＝ｎ²／Ｒ_m （２）
式（１）より、磁路長ｌ_iが短くなると、磁気抵抗Ｒ_mが減少する。さらに、式（２）において、磁気抵抗Ｒ_mが減少すると、インダクタンスＬが増加する。

インダクタンスＬの増加により、多相変圧器に流れる突入電流を減少させることができる。また、式（２）から、インダクタンスＬを一定に保つ場合には、磁気抵抗Ｒ_mが減少した分だけターン数ｎを小さくすることができる。

一例として、３極構造の変圧器の１次コイルが２０４ターンであり、２次コイルが１７０ターンであったとする。この場合、突入電流が同程度（１９２［Ａ］）となるようにターン数を調整した結果、実施例１に係る多相変圧器である６極構造の変圧器の１次コイルは１８５ターン、２次コイルは１５４ターンとなり、１割程度ターン数を減少させることができる。その結果、実施例１に係る多相変圧器である６極構造の変圧器は、３極構造の変圧器に比べて、体積で０．６倍、重量で０．８倍に小型化することができる。

このことは、６極構造から１２極構造へ極数、即ち、脚部鉄心の数を増加させても同じように多相変圧器を小型化できる。図５に実施例１の変形例に係る極数が１２個の多相変圧器の平面図を示す。実施例１の変形例に係る多相変圧器２０は、外周部鉄心１と、外周部鉄心１の内面側において周方向に間隔をおいて配列された１２個の脚部鉄心２０１〜２１２と、１２個の脚部鉄心２０１〜２１２のそれぞれに巻回されたコイル３０１〜３１２と、を具備している。

１２個の脚部鉄心２０１〜２１２のそれぞれは、コイルの巻き軸線の方向における一方の端部が外周部鉄心１に磁気的に結合されると共に、巻き軸線の方向における他方の端部が、１２個の脚部鉄心のうちの他の脚部鉄心における他方の端部に磁気的に結合するように配置されている。例えば、１２個の脚部鉄心２０１〜２１２のうちの１つの脚部鉄心２０１は、該１つの脚部鉄心に隣接する他の脚部鉄心２０２に接触している。

１２個のコイル３０１〜３１２は、多相変圧器２０の各相に複数個ずつ割り当てられている。例えば、多相変圧器２０のＲ相には、コイル３０１〜３０４が割り当てられるようにしてもよい。また、多相変圧器２０のＳ相には、コイル３０５〜３０８が割り当てられるようにしてもよい。さらに、多相変圧器２０のＴ相には、コイル３０９〜３１２が割り当てられるようにしてもよい。

１２個の脚部鉄心２０１〜２１２は、その数が多いほど、各相の鉄心に形成される磁路長が短くなるように構成されている。したがって、例えば脚部鉄心を１２個とした場合の磁路長は脚部鉄心が６個の場合の磁路長よりも短くなるように構成されている。

上述したように、磁路長を短くすることによって、ターン数を減少させることができる。その結果、多相変圧器の重量及び設置面積を減少させることができ、多相変圧器を小型化することができる。

上記のように多相変圧器の例として、脚部鉄心を６個または１２個設けた例を示したがこのような例には限られず、少なくとも６個の脚部鉄心は３の倍数個設けられていることが好ましい。したがって、コイルは、９個、１５個、２１個等のように奇数個設けるようにしてもよいし、１８個、２４個等のように偶数個設けるようにしてもよい。ただし、多相変圧器の対向する位置に配置されたコイルを同相とする場合には、多相変圧器は対称な配置を有することが好ましい。そのような場合には、少なくとも６個のコイルは６の倍数個設けられていることが好ましい。

次に、多相変圧器の各相へのコイルの割り当てについて説明する。具体的には、多相変圧器の各相のコイルの配置と磁路長との関係について説明する。

まず、多相変圧器における磁路長は、多相変圧器に印加する交流電圧の位相によって変化する点について説明する。図６に、実施例１に係る多相変圧器への入力電圧の時間的変化を示す。一例として、Ｓ相の入力電圧が０［Ｖ］となる位相を位相（１）とし、Ｓ相の入力電圧が最大となる位相を位相（２）とする。

図７に実施例１に係る多相変圧器へ交流電圧を印加した場合に形成される磁界の分布図を示す。外周部鉄心の中心点を挟んで対向する２つのコイルが同相である配置を「タイプＡ」とする。具体的には、図７の上段の図において、コイル３１及び３４をＲ相用コイルとし、コイル３３及び３６をＳ相用コイルとし、コイル３２及び３５をＴ相用コイルとした配置をタイプＡと呼ぶ。

また、少なくとも６個のコイルのうちの１つのコイルが、隣接する他のコイルと同相である配置を「タイプＢ」とする。具体的には、図７の下段の図において、コイル３１及び３６をＲ相用コイルとし、コイル３４及び３５をＳ相用コイルとし、コイル３２及び３３をＴ相用コイルとした配置をタイプＢと呼ぶ。

タイプＡの場合、位相（１）において２つの磁路が形成される。それらをｌ_A11、ｌ_A12とすると平均の磁路長（ｌ_A11＋ｌ_A12）／２は４５０ｍｍと求められる。一方、同じタイプＡの場合、位相（２）においても２つの磁路が形成される。それらをｌ_A21、ｌ_A22とすると平均の磁路長（ｌ_A21＋ｌ_A22）／２は５６５ｍｍと求められる。

これに対して、タイプＢの場合、位相（１）において２つの磁路が形成される。それらをｌ_B11、ｌ_B12とすると平均の磁路長（ｌ_B11＋ｌ_B12）／２は５１５ｍｍと求められる。一方、同じタイプＢの場合、位相（２）においても２つの磁路が形成される。それらをｌ_B21、ｌ_B22とすると平均の磁路長（ｌ_B21＋ｌ_B22）／２は５９０ｍｍと求められる。このようにタイプＡのように対角に同相コイルを配置することで、タイプＢのように同相のコイルを横並びにした場合に比べて、磁路長を８７％〜９５％に短縮することができる。

上記のように、複数のコイルへの多相変圧器の各相の割り当て方によって磁路長の長さが変わることがわかる。さらに、タイプＢに比べてタイプＡの方が磁路長を短くすることができ、多相変圧器をより小型化できることがわかる。

次に、実施例２に係る多相変圧器について説明する。図８に実施例２に係る多相変圧器の斜視図を示す。実施例２に係る多相変圧器２０００が実施例１に係る多相変圧器１０と異なっている点は、実施例２に係る多相変圧器２０００は、２つの多相変圧器１１及び１２を直列に接続して垂直方向に積層して配置して、２段構造としている点である。実施例２に係る多相変圧器におけるその他の構成は実施例１に係る多相変圧器における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

実施例２に係る多相変圧器によれば、２つの多相変圧器１１及び１２を垂直方向に積層して配置しているため、設置面積を増やさずに多相変圧器の容量を増加させることができる。

１ 外周部鉄心
１０ 多相変圧器
２１〜２６ 脚部鉄心
３１〜３６ コイル

Claims (6)

1. 多相変圧器において、
   外周部鉄心と、
   前記外周部鉄心の内面側において周方向に間隔をおいて配列された少なくとも６個の脚部鉄心と、
   前記少なくとも６個の脚部鉄心のそれぞれにのみ巻回されたコイルと、を具備し、
   前記少なくとも６個の脚部鉄心のそれぞれは、前記コイルの巻き軸線の方向における一方の端部が前記外周部鉄心に磁気的に結合されると共に、前記巻き軸線の方向における他方の端部が、前記少なくとも６個の脚部鉄心のうちの他の脚部鉄心における前記他方の端部に磁気的に結合するように配置され、
   少なくとも６個のコイルは、多相変圧器の各相に複数個ずつ割り当てられており、
   各相のコイルに対応する前記脚部鉄心に形成される磁路長は、前記脚部鉄心および前記コイルの数が３個である場合よりも短くなるように構成されており、
   前記多相変圧器に流れる突入電流が変化しない範囲で前記コイルのターン数を減らすようにした、多相変圧器。
2. 前記少なくとも６個のコイルは３の倍数個設けられている、請求項１に記載の多相変圧器。
3. 前記少なくとも６個のコイルは６の倍数個設けられている、請求項１に記載の多相変圧器。
4. 前記外周部鉄心の中心点を挟んで対向する２つのコイルは同相である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多相変圧器。
5. 前記少なくとも６個のコイルのうちの１つのコイルは、隣接する他のコイルと同相である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多相変圧器。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載された第一の多相変圧器と、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載された第二の多相変圧器と、を具備し、
   前記第一の多相変圧器と前記第二の多相変圧器とは直列に接続されて垂直方向に積層して配置されている、多相変圧器組立体。