JP6758522B2 - 変圧器および電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、変圧器および変圧器を有する電力変換装置に関する。

電気鉄道車両には、入力される直流電力または交流電力を所望の電力に変換して出力する電力変換装置が搭載されている。例えば、補助電源装置は、架線からの入力電力を変換して、空調機器、照明機器等の負荷装置に適した所望の電力を出力する。電力変換装置は、例えば特許文献１に開示される変圧器を有する。

特開平８−１０２４２３号公報

電力変換装置が電力変換を行う際に、変圧器が発熱する。電気鉄道車両に搭載される電力変換装置は、一般産業用の電力変換装置よりも容量が大きく、変圧器の発熱量も大きい。そこで変圧器を冷却するために、変圧器を外気にさらすこと、ブロアを設けて変圧器に空気を送風すること等が行われる。上述のように変圧器を冷却しても、変圧器の冷却が不十分である場合、例えば、より冷却性能の高いブロアを用いることで冷却性能を高める必要がある。あるいは、コアを大きくする、またはコイルの巻数を多くすることで変圧器における損失を低減し、発熱を抑制する必要がある。上述のように変圧器の冷却性能を高めること、および発熱を抑制することは可能であるが、一方で、変圧器およびブロアの体積および重量が増大してしまうという課題が生じる。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、変圧器の大型化を抑制しながら、冷却性能を向上させることが目的である。

上記目的を達成するために、本発明の変圧器は、板状部材であるベース部、コア、複数のコイル、複数のコイル端子、および固定フレームを備える。コアは、ベース部の第１の面に取り付けられる。複数のコイルは、コアに巻回される。複数のコイル端子のそれぞれは、互いに異なる複数のコイルのいずれかの一端に電気的に接続され、コアが取り付けられるベース部の第１の面と反対側の第２の面に設けられる。固定フレームは、コアに対してベース部と反対側に設けられ、コアが固定される。ベース部の第１の面は鉛直方向に伸びる。固定フレームは、鉛直方向に伸びる板状部材であって、鉛直方向下端において、ベース部から離れる方向に伸び、先端の鉛直方向の位置が固定フレームの鉛直方向下端より高いスライド部を有する。

本発明によれば、変圧器の大型化を抑制しながら、冷却性能を向上させることが可能である。

本発明の実施の形態に係る変圧器の斜視図 実施の形態に係る電力変換装置の断面図 実施の形態に係る変圧器を密閉部から見た図 実施の形態に係る変圧器の第１の変形例の斜視図 実施の形態に係る変圧器の第２の変形例の斜視図 実施の形態に係る変圧器の第３の変形例の斜視図 実施の形態に係る変圧器の他の設置例を示す図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る変圧器の斜視図である。図２は、実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。変圧器１を有する電力変換装置３０は、電気鉄道車両に搭載される。図２は、電力変換装置３０を鉛直方向上側から見た図である。電力変換装置３０は、例えば、図示しない吊り金具によって、電気鉄道車両の床下に取り付けられる。

変圧器１は、板状部材であるベース部１１、ベース部１１の第１の面１１ａに取り付けられるコア１２、コア１２に巻回される複数のコイル１３、ベース部１１の第２の面１１ｂに取り付けられるコイル端子１４、およびコア１２に熱的に接続され、コア１２から伝達された熱を放熱する冷却部１６を備える。ベース部１１の第１の面１１ａは、鉛直方向に伸びる。図１の例では、ベース部１１の第１の面１１ａは、鉛直方向に平行であり、変圧器１は、複数のコア１２を備える。複数のコイル１３は、コア１２に巻回される。図１の例では、複数のコイル１３は、ベース部１１の第１の面１１ａと直交する方向を中心軸として、コア１２に巻回される。複数のコイル端子１４のそれぞれは、互いに異なるコイル１３のいずれかの一端に電気的に接続される。コイル端子１４は、コア１２が取り付けられるベース部１１の第１の面１１ａと反対側の第２の面１１ｂに設けられる。コイル１３の一端は、絶縁部材１７の内部およびベース部１１を通り、第２の面１１ｂに設けられるコイル端子１４に接続される。冷却部１６は、コア１２に対してベース部１１と反対側に設けられる。

図１の例では、変圧器１は、複数のコア１２を備え、複数のコア１２が固定される固定フレーム１５をさらに備える。固定フレーム１５は、コア１２で生じた熱を冷却部１６に伝達するために必要な熱伝導率を有し、コア１２を固定するために必要な強度を有する部材、例えばステンレスで形成される。冷却部１６は、フィンの形状を有し、固定フレーム１５を介してコア１２から伝達された熱を放熱する。図１の例では、冷却部１６は、水平方向に伸びる複数のフィン１６ａを有する。複数のフィン１６ａは、鉛直方向に間隔を空けて固定フレーム１５に取り付けられる。冷却部１６は、変圧器１に求められる冷却性能に応じた部材、例えばアルミニウムで形成される。

固定フレーム１５は、図１に示すように、鉛直方向に伸びる板状部材であり、鉛直方向下端において、ベース部１１から離れる方向に伸び、先端の鉛直方向の位置が固定フレーム１５の鉛直方向下端より高いスライド部１８を有してもよい。スライド部１８が、変圧器１の鉛直方向下部のスライド面を形成することで、取っ手１９を押して、変圧器１を水平方向に移動することが容易になる。スライド部１８に加え、ベース部１１の第１の面１１ａおよび第２の面１１ｂと直交する鉛直方向下側の面である第３の面１１ｃが変圧器１の鉛直方向下部のスライド面を形成してもよい。また固定フレーム１５に、図１の例のように、係止部材２０を設けてもよい。係止部材２０には、係止孔２０ａが形成される。例えば、係止部材２０が、電力変換装置３０が有する図示しない突起に係止孔２０ａで係止することで、変圧器１が電力変換装置３０の内部で移動することが抑制される。

電力変換装置３０は、図１に示す変圧器１および電子回路３８を収容する筐体３１を有する。筐体３１は、仕切り部材３２によって、外気が流入する開放部３３と、外気が流入しない密閉部３４とに分けられる。仕切り部材３２には開口３５が形成される。開放部３３に面する筐体３１の面には通風口３６が形成される。開放部３３には、ブロワ３７が設けられる。ブロワ３７が作動することで、通風口３６から流入した空気が冷却部１６と接触し、冷却部１６は、コア１２から伝達される熱を空気に放熱する。ブロワ３７を設けずに、電力変換装置３０が搭載される鉄道車両が走行する際に生じる走行風によって、変圧器１を自然冷却してもよい。フィン１６ａの向きは、開放部３３における空気の流れに応じて定めることができる。密閉部３４には、電子回路３８が収容される。電子回路３８は、例えば銅バーである導体３９でコイル端子１４に電気的に接続される。電子回路３８は、例えば、変圧器１の一次側に設けられるフィルタ回路、変圧器１の二次側に設けられるインバータ回路等である。

変圧器１は、コア１２、コイル１３、および冷却部１６が開放部３３に位置し、コイル端子１４が密閉部３４に位置する状態で筐体３１に収容され、変圧器１のベース部１１は仕切り部材３２に形成された開口３５を塞ぐ。変圧器１が上述のように収容されることで、冷却が必要なコア１２は、開放部３３に位置し、絶縁保護が必要なコイル端子１４は、密閉部３４に位置する。変圧器１は、筐体３１に形成される、図示しない点検口から電力変換装置３０の内部に挿入される。上述のように、スライド部１８がスライド面を形成することで、容易に変圧器１を電力変換装置３０の内部に押し込むことが可能であり、電力変換装置３０のメンテナンス性が向上する。上述のようにスライド部１８の一端の鉛直方向の位置が、固定フレーム１５の鉛直方向下端より高いため、変圧器１を電力変換装置３０の内部に押し込む際に、変圧器１が筐体３１の底面に引っかかることが抑制される。例えば、変圧器１は、図２において下側に位置する筐体３１に形成される点検口から、電力変換装置３０の内部に挿入され、ベース部１１の第１の面１１ａが仕切り部材３２に当接するまで押し込まれる。

図３は、実施の形態に係る変圧器を密閉部から見た図である。変圧器１のベース部１１が開口３５を塞ぐことで、開放部３３と密閉部３４とを隔てることができる。すなわち、開放部３３と密閉部３４とを隔てるために別部材を設ける必要がない。また開放部３３の粉塵、水等の密閉部３４への進入を遮断するための部材、例えばケーブルグランドが必要ない。そのため、電力変換装置３０の小型化、軽量化、およびメンテナンス性の向上が可能である。開放部３３と密閉部３４とを隔てることができれば、ベース部１１を形成する部材は任意である。ベース部１１は、金属の部材で形成されてもよいし、非金属の部材で形成されてもよい。第３の面１１ｃを含む、第１の面１１ａおよび第２の面１１ｂに直交するベース部１１の全ての面にパッキンを取り付けることで、密閉部３４の密閉性能を向上させることが可能である。あるいは、開口３５の周囲にパッキンを取り付けることで、密閉部３４の密閉性能を向上させることが可能である。

図４は、実施の形態に係る変圧器の第１の変形例の斜視図である。図４に示す変圧器２は、図１に示す変圧器１が有する冷却部１６に代えて、冷却部２１を有する。冷却部２１は、格子状の形状を有する。冷却部２１の表面積は、フィンの形状を有する冷却部１６の表面積よりも大きいため、変圧器２の冷却性能が向上する。

図５は、実施の形態に係る変圧器の第２の変形例の斜視図である。図５に示す変圧器３は、図１に示す変圧器１が有する冷却部１６に代えて、冷却部２２を有する。冷却部２２は、内部に冷媒が封入されている複数のヒートパイプ２３、およびそれぞれが複数のヒートパイプ２３に取り付けられた複数のフィン２４を有する。

図６は、実施の形態に係る変圧器の第３の変形例の斜視図である。図６に示す変圧器４は、図１に示す変圧器１が有するコア１２に代えて、１つのコア２５を有する。コア２５は、ベース部１１の第１の面１１ａと平行に伸びる一対の端部２６、および一対の端部２６を接続する複数の脚部２７を有する。また図６に示す変圧器４は、図１に示す変圧器１が有する冷却部１６に代えて、冷却部２８を有する。冷却部２８は、コア２５に直接取り付けられ、コア２５から伝達された熱を放熱する。図６の例では、冷却部２８は、水平方向に伸びる複数のフィン２８ａを有する。複数のフィン２８ａは、鉛直方向に間隔を空けてコア２５に取り付けられる。フィン２８ａの向きは、開放部３３における空気の流れに応じて定めることができる。冷却部２８の形状は、フィンの形状に限られず、図４に示す変圧器２が有する冷却部２１のように格子状の形状でもよい。また冷却部２８は、図５に示す冷却部２２のように、複数のヒートパイプ２３および複数のフィン２４を備えてもよい。

以上説明したとおり、実施の形態に係る変圧器１，２，３によれば、コア１２に熱的に接続され、コア１２から固定フレーム１５を介して伝達された熱を放熱する冷却部１６，２１，２２を備えることで、変圧器１，２，３の大型化を抑制しながら、冷却性能を向上させることが可能である。また実施の形態に係る変圧器４によれば、１つのコア２５に直接接続され、コア２５から伝達された熱を放熱する冷却部２８を備えることで、変圧器４の大型化を抑制しながら、冷却性能を向上させることが可能である。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。変圧器１の設置方向は上述の例に限られない。図７は、実施の形態に係る変圧器の他の設置例を示す図である。変圧器１は、ベース部１１の第１の面１１ａおよび第２の面１１ｂが鉛直方向と直交する向きで設置されてもよい。変圧器２，３，４についても同様である。図７に示す変圧器１を備える電力変換装置３０は、鉛直方向上部に開放部３３を有し、鉛直方向下部に密閉部３４を有する。変圧器１は、電力変換装置３０の筐体３１の鉛直方向下面に形成された点検口から電力変換装置３０の内部に挿入されてもよい。コア１２，２５の形状は、上述の例に限られない。コイル１３の数は２以上の任意の数である。またコイル１３をコア１２，２５に巻回する方法は、上述の例に限られない。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１，２，３，４ 変圧器、１１ ベース部、１１ａ 第１の面、１１ｂ 第２の面、１１ｃ 第３の面、１２，２５ コア、１３ コイル、１４ コイル端子、１５ 固定フレーム、１６，２１，２２，２８ 冷却部、１６ａ，２４，２８ａ フィン、１７ 絶縁部材、１８ スライド部、１９ 取っ手、２０ 係止部材、２０ａ 係止孔、２３ ヒートパイプ、２６ 端部、２７ 脚部、３０ 電力変換装置、３１ 筐体、３２ 仕切り部材、３３ 開放部、３４ 密閉部、３５ 開口、３６ 通風口、３７ ブロワ、３８ 電子回路、３９ 導体。

Claims (9)

1. 板状部材であるベース部と、
   前記ベース部の第１の面に取り付けられるコアと、
   前記コアに巻回される複数のコイルと、
   それぞれが、互いに異なる前記複数のコイルのいずれかの一端に電気的に接続され、前記コアが取り付けられる前記ベース部の前記第１の面と反対側の第２の面に設けられる複数のコイル端子と、
   前記コアに対して前記ベース部と反対側に設けられ、前記コアが固定される固定フレームと、を備え、
   前記ベース部の前記第１の面は鉛直方向に伸び、
   前記固定フレームは、鉛直方向に伸びる板状部材であって、鉛直方向下端において、前記ベース部から離れる方向に伸び、先端の鉛直方向の位置が前記固定フレームの前記鉛直方向下端より高いスライド部を有する、
   変圧器。
2. 前記コアに対して前記ベース部と反対側に設けられ、前記コアに熱的に接続され、前記コアから伝達された熱を放熱する冷却部をさらに備える、
   請求項１に記載の変圧器。
3. 前記冷却部は、前記固定フレームに取り付けられ、前記コアから伝達された熱を放熱する、
   請求項２に記載の変圧器。
4. 複数の前記コアを備え、
   前記冷却部は、前記複数のコアから前記固定フレームを介して伝達された熱を放熱する、
   請求項３に記載の変圧器。
5. 前記冷却部は、フィンの形状を有する、
   請求項２から４のいずれか１項に記載の変圧器。
6. 前記冷却部は、格子状の形状を有する、
   請求項２から４のいずれか１項に記載の変圧器。
7. 前記冷却部は、内部に冷媒が封入されているヒートパイプを有する、
   請求項２から４のいずれか１項に記載の変圧器。
8. 請求項１に記載の変圧器と、
   前記複数のコイル端子と電気的に接続される電子回路と、
   前記変圧器、および前記電子回路を収容する筐体と、
   を備え、
   前記筐体の内部は、仕切り部材によって、外気が流入する開放部、および外気が流入しない密閉部に分けられ、
   前記仕切り部材には開口が形成され、
   前記電子回路は前記密閉部に収容され、
   前記変圧器は、前記コア、および前記複数のコイルが前記開放部に位置し、前記複数のコイル端子が前記密閉部に位置する状態で前記筐体に収容され、前記変圧器の前記ベース部は前記仕切り部材に形成された前記開口を塞ぐ、
   電力変換装置。
9. 請求項２から７のいずれか１項に記載の変圧器と、
   前記複数のコイル端子と電気的に接続される電子回路と、
   前記変圧器、および前記電子回路を収容する筐体と、
   を備え、
   前記筐体の内部は、仕切り部材によって、外気が流入する開放部、および外気が流入しない密閉部に分けられ、
   前記仕切り部材には開口が形成され、
   前記電子回路は前記密閉部に収容され、
   前記変圧器は、前記コア、前記複数のコイル、および前記冷却部が前記開放部に位置し、前記複数のコイル端子が前記密閉部に位置する状態で前記筐体に収容され、前記変圧器の前記ベース部は前記仕切り部材に形成された前記開口を塞ぐ、
   電力変換装置。

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