JP6823990B2 - 外鉄形変圧器、半巻鉄心及び外鉄形変圧器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、外鉄形変圧器、半巻鉄心、及び外鉄形変圧器の製造方法に関する。

電力変換に用いられる変圧器は、その構造上の分類として、内鉄形変圧器と外鉄形変圧器とに大別される。内鉄形変圧器は、鉄心の外周に一次巻線及び二次巻線を同心状に巻回することで一次コイル及び二次コイルが形成されたものであり、その構造が比較的単純であることから広く一般的に用いられている。また、外鉄形変圧器は、筒状に構成された２つの鉄心を連結するように、その筒状の鉄心の内側に一次巻線及び二次巻線を通して巻回することで板状の一次コイル及び二次コイルが形成されたものである。この場合、板状の一次コイル及び二次コイルは、鉄心の軸方向に対して直角方向に沿って積み重ねられている。

外鉄形変圧器は、外周部分が変形し難い鉄部材で構成されることから、外形を精度良く形成することができる。そのため、外鉄形変圧器では、鉄心及び巻線を収容するタンクに、鉄心の外形形状に高精度で合わせたいわゆるフォームフィット式のものを採用することができる。このため、外鉄形変圧器は、タンク内のデッドスペースを極力抑制して小型化が可能となり、また、小型化によってタンク内に貯留される冷却媒体の量を削減することができるため、軽量化を図ることができる。したがって、外鉄形変圧器は、例えば電車や電気機関車に搭載される車両用変圧器のように、小型軽量化を重要視される箇所に多用される。

特開２００１−２３７１２８号公報

しかしながら、従来の外鉄形変圧器では、一般的に積鉄心が用いられている。この場合、積鉄心は、１層を構成する薄板を更に複数の部品に分割し、その部品を巻線の周囲を囲むように組み立てながら薄板を積み上げていく。このため、従来の外鉄形変圧器は、その構造が複雑になり易く、その結果、多大な組立工数を要していた。

そこで、構造を極力単純化して組立作業を容易にすることができる外鉄形変圧器、及び外鉄形変圧器の製造方法を提供する。

実施形態の外鉄形変圧器は、一次巻線を板状に巻回した一次コイルと二次巻線を板状に巻回した二次コイルとを交互配置して構成されたコイルユニットと、筒状に形成されてその筒状の内側に前記コイルユニットの巻線を通す巻鉄心と、を備える。前記巻鉄心は、磁性を有する薄板をその薄板の厚み方向に折り曲げて筒状に形成された外径寸法の異なる複数の単位鉄心を積層して構成されている。前記単位鉄心の積層方向は、前記二次コイルにおいて短絡事故を生じた際に発生する電磁機械力の方向に沿っている。各前記単位鉄心の両端部を接続した接続部は、前記コイルユニットの積層方向に沿って直線上に配置されている。前記巻鉄心の周囲は、電気絶縁性を有する樹脂によって固められている。

また、実施形態の外鉄形変圧器の製造方法は、帯状の電磁鋼板を折り曲げると共に切断して単位鉄心を形成する工程と、外径の異なる前記単位鉄心を複数積層した溝状の半巻鉄心を形成する工程と、前記半巻鉄心の周囲を、先端部を除いて電気絶縁性を有する樹脂によって固める工程と、一次巻線を板状に巻回した一次コイルと二次巻線を板状に巻回した二次コイルとを交互配置して構成されたコイルユニットに前記溝状の半巻鉄心を挿入する工程と、前記溝状の半巻鉄心を折り曲げて前記単位鉄心の両端部を突き合わせて接続することで筒状の巻鉄心を構成する工程と、を備える。

一実施形態による外鉄形変圧器の一例を示す斜視図 一実施形態による外鉄形変圧器の一例を示す正面図 一実施形態による外鉄形変圧器について、図２のＸ３−Ｘ３線に沿って示す断面図 一実施形態による外鉄形変圧器について、図２のＸ４−Ｘ４線に沿って示す断面図 一実施形態による外鉄形変圧器の製造工程を示すフローチャート 一実施形態による外鉄形変圧器の製造工程において用いられる、単位鉄心製造装置の概略構成を示す図 一実施形態による外鉄形変圧器について、製造工程の途中を示す図（その１） 一実施形態による外鉄形変圧器について、製造工程の途中を示す図（その２） 外鉄形変圧器の他の例を示す図４相当図（その１） 外鉄形変圧器の他の例を示す図４相当図（その２）

一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１及び図２に示す外鉄形変圧器１０は、コイルユニット２０と、２つで１組の巻鉄心３０と、を備えている。なお、詳細は図示しないが、外鉄形変圧器１０は、フォームフィット形のタンクに収納された状態で絶縁油等の絶縁媒体に浸される。また、以下の説明では、図１及び図３に示す矢印Ａ方向をコイルユニット２０の軸方向とし、図１及び図２に示す矢印Ｂ方向を巻鉄心３０の軸方向とする。

図１に示すように、コイルユニット２０は、全体として矩形環状でかつ板状に構成されている。コイルユニット２０は、図３に示すように、複数の一次コイル２１と複数の二次コイル２２とを有している。一次コイル２１は、一次巻線を矩形環状でかつ板状に巻回したものである。二次コイル２２は、二次巻線を矩形環状でかつ板状に巻回したものである。一次コイル２１及び二次コイル２２は、コイルユニット２０の軸方向すなわち一次コイル２１及び二次コイル２２の厚み方向に重ねるようにして交互配置されている。つまり、一次コイル２１及び二次コイル２２は、図１の矢印Ａ方向に沿って交互に配置されている。なお、一次コイル２１及び二次コイル２２の個数や配置順は、図示したものに限られず、外鉄形変圧器１０の具体的な仕様によって適宜変更することができる。

巻鉄心３０は、全体として矩形の筒状に形成されて、その筒状の内側にコイルユニット２０の巻線を通している。巻鉄心３０は、外径寸法の異なる複数の単位鉄心３１を積層して構成されている。各単位鉄心３１は、磁性を有する薄板、この場合、シート状の電磁鋼板を、その電磁鋼板の厚み方向に折り曲げて矩形の筒状に形成されている。単位鉄心３１を構成する電磁鋼板は、例えば珪素の含有率が６％〜７％の珪素鋼板や、鉄系アモルファス素材、又はナノ結晶素材等である。なお、巻鉄心３０を構成する電磁鋼板は、上述したものに限られない。

２つの巻鉄心３０は、各巻鉄心３０の軸方向が平行となるように配置されている。コイルユニット２０の面方向の両側部分は、それぞれ巻鉄心３０の筒状の内側に通されている。各単位鉄心３１は、その両端部分を突き合わせるようにして接続されて、矩形の筒状に構成されている。各単位鉄心３１において、相互に突き合わされて接続された両端部分を接続部３２とする。この場合、各単位鉄心３１の接続部３２は、それぞれコイルユニット２０の積層方向に沿って直線上に配置されている。そして、巻鉄心３０の周囲は、電気絶縁性を有する図示しない樹脂によって固められている。

ここで、二次コイル２２に短絡事故が発生すると、その短絡電流によって巻線同士が相互に反発するように電磁機械力が発生する。例えば二次コイル２２に短絡事故が発生した場合、コイルユニット２０には、コイルユニット２０の積層方向すなわち矢印Ａ方向に向かって大きな電磁機械力が発生する。本実施形態において、巻鉄心３０の各単位鉄心３１は、二次コイル２２において短絡事故を生じた際に発生する電磁機械力の方向に沿って、すなわち矢印Ａ方向に沿って積層されている。換言すれば、各単位鉄心３１は、一次コイル２１及び二次コイル２２の巻線が延びる方向この場合図１の矢印Ｂ方向に対して直角方向に向かって積層されている。

次に、図５から図８も参照して、外鉄形変圧器１０の製造方法について説明する。なお、図５の各工程が実行される前に、コイルユニット２０は他の工程において既に製造されているものとする。図５の製造工程が開始されると（スタート）、まずステップＳ１１に示す単位鉄心製造工程が実行される。単位鉄心製造工程では、図６に示すように、単位鉄心製造装置５０によって外径寸法の異なる複数の単位鉄心３１が製造される。

単位鉄心製造装置５０は、フィーダ５１と、切断部５２と、折り曲げ部５３と、を備えている。フィーダ５１は、ロール状に構成された帯状の電磁鋼板９０を、切断部５２及び折り曲げ部５３側へ順次送る。折り曲げ部５３は、フィーダ５１から送られてきた電磁鋼板９０を所定の位置で折り曲げる。切断部５２は、折り曲げ部５３で折り曲げた電磁鋼板９０を、所定の位置で切断する。これにより、全体として溝形状に折り曲げられた単位鉄心３１が形成される。この場合、単位鉄心製造装置５０は、フィーダ５１によって電磁鋼板９０を送る長さを変更することで、折り曲げ部５３による折り曲げ位置及び切断部５２による切断位置を実質的に変更し、これにより単位鉄心３１の外径寸法を変更することができる。すなわち、単位鉄心製造装置５０は、図７に示すように、外径寸法が異なる複数種類の単位鉄心３１を製造することができる。

次に、図５のステップＳ１２に示すように、積層工程が実行される。積層工程では、ステップＳ１１で形成された外径寸法が異なる複数の単位鉄心３１を同心状に積層し、これにより、図７に示すように、各単位鉄心３１の両端部が開放された半巻鉄心３０１、すなわち全体として溝形状となる半巻鉄心３０１が形成される。

次に、図５のステップＳ１３に示すように、挿入工程が実行される。挿入工程では、図７から図８にかけて示すように、コイルユニット２０の筒状の内側に対して、両端部が開放された溝形状の半巻鉄心３０１の一辺部を挿入する。この場合、半巻鉄心３０１の周囲は、図８に示す二点鎖線Ｃから先端側の部分を除いて電気絶縁性を有する樹脂によって固められている。二点鎖線Ｃは、図４等に示す矩形筒状の巻鉄心３０の角部となる部分である。

その後、図５のステップＳ１４に示すように、折り曲げ及び接続工程が実行される。折り曲げ及び接続工程では、図８に示す二点鎖線Ｃ部分を支点に、各単位鉄心３１の両端部、すなわち半巻鉄心３０１の両端部を閉じるようにして折り曲げる。そして、各単位鉄心３１の両端部を突き合わせて接続することで接続部３２が形成され、これにより、矩形筒状に閉じられた巻鉄心３０が形成される。その後、図８に示す二点鎖線Ｃから先端側の部分も、電気絶縁性を有する樹脂によって固められる。これにより、図４等に示す外鉄形変圧器１０が完成する。

以上説明した実施形態によれば、外鉄形変圧器１０は、コイルユニット２０と、巻鉄心３０と、を備えている。コイルユニット２０は、一次巻線を板状に巻回した一次コイル２１と、二次巻線を板状に巻回した二次コイル２２と、を交互配置して構成されている。巻鉄心３０は、筒状に形成されてその筒状の内側にコイルユニット２０の巻線が通されている。そして、巻鉄心３０は、外径寸法の異なる複数の単位鉄心３１を積層して構成されている。単位鉄心３１は、磁性を有する薄板をその薄板の厚み方向に折り曲げて筒状に形成されている。

これによれば、コイルユニット２０に対して両端部が開放された巻鉄心３０を巻き付けることで、外鉄形変圧器１０を製造することができる。すなわち、本実施形態によれば、外鉄形変圧器１０を製造する際、従来の積鉄心のように、１層を構成する薄板を更に複数の部品に分割し、その部品を巻線の周囲を囲むように組み立てながら薄板を積み上げていく必要がない。そのため、外鉄形変圧器１０は、従来の積鉄心に対して、少なくとも図３の二点鎖線で示す領域１００部分の重量を削減することができる。これにより、外鉄形変圧器１０は、小型軽量化し易い外鉄形変圧器の利点を得つつ、比較的簡単な構造にして組立工数も低減することができる。

また、各単位鉄心３１の積層方向は、二次コイル２２において短絡事故を生じた際に発生する電磁機械力の方向に沿っている。すなわち、各単位鉄心３１の積層方向は、一次コイル２１及び二次コイル２２の巻線が延びる方向に対して直角方向に向かって積層されている。これによれば、二次コイル２２において短絡事故を生じた際に発生する電磁機械力は、各単位鉄心３１の面に対して直角方向に働く。したがって、巻鉄心３０は、コイルユニット２０に発生する電磁機械力を各単位鉄心３１の面全体で受けることができる。その結果、二次コイル２２において短絡事故が生じて各巻線に電磁機械力が発生した場合、その電磁機械力によって巻鉄心３０の各単位鉄心３１が変形等してしまうことを極力抑制することができる。

ここで、単位鉄心３１の両端部つまり接続部３２は、本来物理的に分離された部分であるため、巻鉄心３０内を通る磁気は、この接続部３２において乱れ易い。そして、各単位鉄心３１の接続部３２が不規則に設けられていると、すなわち各単位鉄心３１において接続部３２の位置がバラバラだと、巻鉄心３０を通る磁気は、より乱れ易くなり、その結果、外鉄形変圧器１０の能力が低下し易くなる。

そこで、本実施形態では、各単位鉄心３１の両端部を接続した接続部３２は、直線上に
配置されている。これによれば、各単位鉄心３１の接続部３２を直線上に揃えることで、
接続部３２に生じる磁気の乱れを一か所に集中させることができる。これにより、巻鉄心
３０を通る磁気の乱れを極力抑制し、その結果、接続部３２による外鉄形変圧器１０の能
力の低下を極力抑制することができる。

なお、本発明の実施形態は上述したものに限られない。
２つの各巻鉄心３０の各接続部３２は、図９に示すように、コイルユニット２０の軸方向つまり矢印Ａ方向に沿って相互に逆向きとなるように設けられていても良い。
また、外鉄形変圧器１０は、図１０に示すように、例えば２つの巻鉄心３０の外側を覆う外側巻鉄心４０を更に備えていても良い。外側巻鉄心４０も、上記した巻鉄心３０と同様に、複数の単位鉄心４１を径方向に重ね合わせて構成されている。この場合、外側巻鉄心４０の接続部４２は、図１０に示すように巻鉄心３０の接続部３２と同一方向に配置しても良いし、図１０とは逆方向に配置しても良い。

以上本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１０は外鉄形変圧器、２０はコイルユニット、２１は一次コイル、２２は二次コイル、３０は巻鉄心、３１は単位鉄心、３２は接続部を示す。

Claims (4)

1. 一次巻線を板状に巻回した一次コイルと二次巻線を板状に巻回した二次コイルとを交互配置して構成されたコイルユニットと、
   筒状に形成されてその筒状の内側に前記コイルユニットの巻線を通す巻鉄心と、を備え、
   前記巻鉄心は、磁性を有する薄板をその薄板の厚み方向に折り曲げて筒状に形成された外径寸法の異なる複数の単位鉄心を積層して構成されており、
   前記単位鉄心の積層方向は、前記二次コイルにおいて短絡事故を生じた際に発生する電磁機械力の方向に沿っており、
   各前記単位鉄心の両端部を接続した接続部は、前記コイルユニットの積層方向に沿って直線上に配置されており、
   前記巻鉄心の周囲は、電気絶縁性を有する樹脂によって固められている、
   外鉄形変圧器。
2. 帯状の電磁鋼板を折り曲げると共に切断して単位鉄心を形成する工程と、
   外径の異なる前記単位鉄心を複数積層した溝状の半巻鉄心を形成する工程と、
   前記半巻鉄心の周囲を、先端部を除いて電気絶縁性を有する樹脂によって固める工程と、
   一次巻線を板状に巻回した一次コイルと二次巻線を板状に巻回した二次コイルとを交互配置して構成されたコイルユニットに前記溝状の半巻鉄心を挿入する工程と、
   前記溝状の半巻鉄心を折り曲げて前記単位鉄心の両端部を突き合わせて接続することで筒状の巻鉄心を構成する工程と、
   を備える外鉄形変圧器の製造方法。
3. 帯状の電磁鋼板を折り曲げて形成された単位鉄心と、
   一次巻線を板状に巻回した一次コイルと二次巻線を板状に巻回した二次コイルとを交互配置して構成されたコイルユニットと、を備え、
   外径の異なる前記単位鉄心は、複数積層されて巻鉄心を形成しており、
   前記巻鉄心は、前記コイルユニットに挿入されて両端部を突き合わせて接続することで筒状を形成しており、
   前記巻鉄心の前記両端部を含む先端部以外の部分は少なくとも電気絶縁性を有する樹脂によって固められている、
   外鉄形変圧器。
4. 外径の異なる単位鉄心が複数積層された溝状の半巻鉄心であって、
   前記単位鉄心は、帯状の電磁鋼板を折り曲げて形成されており、
   前記半巻鉄心の先端部は、折り曲げて接続可能であり、
   前記半巻鉄心の周囲は、前記先端部を除いて電気絶縁性を有する樹脂によって固められている、
   外鉄形変圧器用の巻鉄心のための半巻鉄心。

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