JP6830409B2 - 静止誘導電器 - Google Patents

Description

本発明は、静止誘導電器に関し、特に静止誘導電器の巻線からの漏れ磁束を収集し鉄心に帰還させる磁束制御構造に関するものである。

鉄心脚部及び鉄心継鉄部からなる鉄心と、その鉄心脚部の回りに巻かれた複数の巻線とで構成される静止誘導電器において、特に大型の鉄心を用いる場合は、鉄心を積厚方向の両側から、上下の鉄心締付け金具で締付け、鉄心形状をしっかりと保持するとともに、同金具を利用して巻線を保持することが行われる。

そして静止誘導電器を駆動した場合巻線から発生する漏れ磁束は、静止誘導電器内構造物の損失や巻線に発生する電磁機械力発生の原因となることが知られている。具体的には、巻線からの漏れ磁束の多くが鉄心継鉄部に到達する前に、空間に拡散して上下の鉄心締付け金具に入るため、締付け金具に渦電流が発生して、損失となる。

この問題を解決する方法の一つとして、特開平０２−１４８８１１号では、鉄心脚部の回りに巻かれた複数の巻線の上下に単一の磁性体リングを設置する構造が開示されている。この構成を用いると巻線端部から漏れ出した磁束は空間に拡散する前に磁性体リングに吸収されて、その後、磁束は磁性体リング内部を入射角度方向に流れて、鉄心締付け金具に磁束が到達する前に鉄心継鉄部に到達するため、締付け金具での渦電流の発生を抑制して損失を低減する効果が示されている。

一方、漏れ磁束による巻線に発生する電磁機械力発生を低減するために、特公昭５３−２５０９２号では、半径の異なる積層された円盤状磁性体を、一つの磁脚の低電圧巻線および高電圧巻線端部にそれぞれ独立に設置する構造が提案されている。この構成を用いると巻線端部から漏れ出した磁束は空間に拡散する前に磁性体リングに吸収されて、鉄心継鉄部に到達するため、巻線端部での磁束分布が変化する。よって磁性体リングを設けない場合に比べ、電磁機械力が低減することが開示されている。また、当該磁性体リングは低電圧巻線と高電圧巻線の端部にそれぞれ独立して配置されているため、好適な絶縁特性が得られることが開示されている。

特開平０２−１４８８１１号公報 特公昭５３−２５０９２号公報

ここで、特許文献１の構造では漏れ磁束を集める磁性体リングを巻線から絶縁上問題のない程度に離して配置させれば損失低減には一定の効果が期待できるが、電磁機械力低減に必要な巻線端部で好適な磁束密度分布を得るのは容易ではない。

一方、特許文献２に開示された構成は、磁性体リングを巻線の近くに配置でき電磁機械力低減に好適な巻線部磁場が得られる。しかしながら、特許文献２では、磁性体リングを含む磁束制御部材の固定方法および冷却方法については開示されていない。巻線締付構造では軸方向（垂直方向）の電磁力のほかに、半径方向の電磁力が発生する。この場合、磁性体リングを含む磁束制御部材と巻線上端面との間の摩擦力のみで、前記電磁力に抗して磁束制御部材を所定の位置に保持するのは容易ではない。また、磁束制御部材内の磁性体リング中には磁束が流れ、鉄損が発生する可能性がある。そのため磁性体リングの温度を維持することが求められ、適切な冷却を行う必要がある。

そこで本発明では、各巻線の端部に適切に保持及び冷却された磁性体リングを配置し電磁機械力が低減し信頼性を向上させた静止誘導電気を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するための本発明に係る静止誘導電器では、鉄心と、前記鉄心外側に巻回された巻線と、前記巻線を前記鉄心の長手方向から挟持する複数の鉄心締付け金具と、前記鉄心外側に巻回された珪素鋼板から成る磁性体リングと前記磁性体リングの外周に絶縁体を設け、前記絶縁体の外周に導電体を設け、前記巻線と前記鉄心締付け金具との間に配置される積層磁性体複合リングと、前記巻線と前記積層磁性体複合リングとの間に配置される保持冷却構造と、を有する静止誘導電器であって、前記保持冷却構造は、前記巻線と前記積層磁性体複合リングとの間から突出している部分は前記長手方向に延在し、前記巻線と前記積層磁性体複合リングに対して凹型であることを特徴とする。

本発明によれば、各巻線の端部に適切に保持及び冷却された磁性体リングを配置し電磁機械力が低減し信頼性を向上させた静止誘導電気を提供することが可能となる。

第１の実施例における変圧器の主要部分を示す縦断面図である。 第１の実施例における変圧器の巻線および保持冷却構造部材を軸方向上側から俯瞰した図である。 第１の実施例における変圧器の巻線、保持冷却構造部材および積層磁性体複合リングを拡大した縦断面を示す図である。 第１の実施例における変圧器の積層磁性体複合リングを構成する珪素鋼板リング１８の俯瞰図である。 第１の実施例における変圧器の積層磁性体複合リングを構成する珪素鋼板リング１８である。 第１の実施例における変圧器の積層磁性体複合リングを構成する珪素鋼板リングを巻回するアルミニウム巻回テープである。 第２の実施例における変圧器の巻線および保持冷却構造部材を軸方向上側から俯瞰した図である。 第２の実施例における変圧器の積層磁性体複合リング内部に発生する電磁機械力を示すグラフである。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。尚、下記はあくまでも実施例であり、本発明の実施態様を下記具体的内容に限定することを意図する趣旨ではない。

図１〜図３を用いて第１の実施例を説明する。図１は本実施例の変圧器の主要部分を示す縦断面図である。図２は、第１の実施例における変圧器の巻線４，５および上部保持冷却構造部材１４，１５を軸方向上側から俯瞰した図である。図３は図１に示す実施例の内、巻線４、保持冷却構造部材１５および積層磁性体複合リング１１を示す拡大縦断面図である。

図１に示すように変圧器の主要部分は、珪素鋼板を多数積層して形成した鉄心脚部と鉄心継鉄からなる鉄心１と、鉄心脚部に巻回された低電圧側巻線４とその外側に巻回された高電圧側巻線５とからなる。鉄心１は、巻線の上方に配置される上部鉄心締付け金具２及び巻線の下方に配置される下部鉄心締付け金具３とで固定されている。

上部鉄心締付け金具２には、張出し構造物９が設けられている。張出し構造物９の下面には巻線押付け部材８が取付けられている。巻線押付け部材８によって巻線周辺の部材を固定している。具体的には上部絶縁剛性部材６、上部積層磁性体複合リング１０及び１１、上部保持冷却構造部材１４及び１５、低電圧側巻線４，高電圧側巻線５、下部保持冷却構造部材１６及び１７、下部積層磁性体複合リング１２及び１３を、下部絶縁剛性部材７に上方から押し付ける事によって全体を軸方向に締め付けて位置決めする構造となっている。

巻線の上方及び下方に配置された上部保持冷却構造部材１４、１５は、図１のように巻線４、５及び上部積層磁性体複合リング１０、１１にそれぞれ挟まれて配置され、上部保持冷却構造部材１４，１５の内径側及び外径側が巻線４、５及び上部積層磁性体複合リング１０及び１１から内径方向および外径方向にはみ出した形状である。はみ出し部分については上下方向に延在しており、図１の縦断面方向から見ると上部保持冷却構造部材はＨ型である。また、はみ出した部分の軸方向における長さは巻線と積層磁性体複合リングの間隔より大きくなっている。巻線下方に配置されている下部保持冷却構造部材１６及び１７についても上部保持冷却構造部材１４及び１５と同様に、巻線４、５及び下部積層磁性体複合リング１２、１３にそれぞれ挟まれて配置され、下部保持冷却構造部材１６，１７の内径側及び外径側が巻線４、５及び下部積層磁性体複合リング１２及び１３から内径方向および外径方向にはみ出した形状である。保持冷却構造部材をこのような構造とする事により保持冷却構造部材のはみ出した部分が上下に存在する物体に対して凹型であり、挟み込んで支えることができるため、上部積層磁性体複合リング１０及び１１と上部保持冷却構造部材１４及び１５と低電圧側巻線４及び高電圧巻線５と下部保持冷却構造部材１６及び１７と下部積層磁性体複合リング１２及び１３を、軸方向のみならず径方向にも強固に固定出来る。

保持冷却構造部材１５について更に説明する。上部保持冷却構造部材１５は上部積層磁性体複合リング１１と低電圧側巻線４の軸方向の間に設置される。上部保持冷却構造部材１５は、水平部材と両端に垂直に設けられた垂直部材で構成され、図３の拡大縦断面図では、Ｈ形の形状をしている。同図の紙面に垂直な方向の寸法は、電磁機械力と冷却を考慮し、所定の長さに設定している。低電圧側巻線４の上方に上部保持冷却構造部材１５を嵌め合わせるように配置し、その上に積層磁性体複合リング１１を配置する。上部保持冷却構造部材１５は金属で製作しており、隣接する絶縁体保護のための保護部材２６，２７を設けている。図示はしていないが、上部保持冷却構造部材１５及び上部積層磁性体複合リング１１は電気的に接続されて等電位となっている。これにより低電圧巻線４と積層磁性体複合リング１１間の電位差を小さくした状態で積層磁性体複合リング１１の実装を可能にする事が出来る。なお、電気機械力の大きさによっては、保持冷却構造部材は金属ではなく絶縁体（繊維強化プラスチックなど）を用いてもよい。上述した保持冷却構造部材の構造は、上部保持冷却構造部材（高圧巻線側）１４、下部保持冷却構造部材１６，１７についても同様である。

次に図１に示した本実施例の変圧器の縦断面図の中で、電磁気特性に特に関係する部分の機能を説明する。電磁気特性に関係する部材は、鉄心１、上部締め金具２、下部締め金具３、低電圧側巻線４、高電圧側巻線５、上部高電圧側積層磁性体複合リング１０、上部低電圧側積層磁性体複合リング１１、下部高電圧側積層磁性体複合リング１２及び下部低電圧側積層磁性体複合リング１３である。ここで積層磁性体複合リングの磁気作用について説明する。例えば、巻線４から上方に漏れ出した磁束は積層磁性体複合リング１１に入り積層磁性体複合リング１１の内部を入射角度方向に流れた後、鉄心１に入る。つまり、積層磁性体複合リング１１は巻線４の端部と鉄心１の間を磁気的に短絡させる作用を有する。

図２に図１に示した実施例の内、変圧器を上方から見た図を示す（但し、保持冷却構造部材及び巻線のみ記載したものである）。保持冷却構造部材１４，１５は図２における変圧器の真ん中を中心に放射状に分散して配置されている。このような配置を採ることによって、変圧器周辺に充鎮されている変圧器を冷却する油などの流体の流れを妨げず変圧器の冷却特性を保持することができ、同時に巻線４及び５を径方向に固定する事が出来る。更に変圧器を冷却する油などの流体によって保持冷却構造部材１４，１５自体も冷却することが出来る。

図３を用いて本発明の実施例における積層磁性体複合リングおよび保持冷却構造部材を詳しく説明する。低電圧側巻線４の上部には上部積層磁性体複合リング１１が配置されている。上部積層磁性体複合リング１１は一般的には珪素鋼板等を鉄心１に関して同心に巻回している。上部積層磁性体複合リング１１の最も内側は磁性体リング１８を構成し、磁性体リング１８の周囲を絶縁体１９で覆う。次いで、絶縁体１９の外側を導電体２０で覆い、導電体２０の外側を一般的には絶縁紙２１を巻回して覆い絶縁する。更に導電体２０に電気的な引き出し線２２を設けこれを低電圧側巻線４に電気的に接続して、低電圧側巻線４と積層磁性体複合リング１１を等電位とする。これにより低電圧巻線４と積層磁性体複合リング１１間の電位差を小さくした状態で積層磁性体複合リング１１の実装を可能にする事が出来る。

図４および図５を用いて積層磁性体複合リングを構成する磁性体リングの構造について説明する。図４は磁性体リング１８を斜め方向から見たものであり図５は上方から見たものである。本実施例では磁性体リング１８は帯状の珪素鋼鈑を同心円状に巻回して積層させ、樹脂で固着して形成している。なお、帯状の珪素鋼鈑は長さ方向を磁化容易軸方向の珪素鋼鈑を用いており、巻線４の端部から漏れ出て磁性体リング１８に入った磁束を効率的に入射角度方向に流すようにしている。

次に、積層磁性体複合リングを構成する導電体の詳細ついて述べる。図６は、導電体を設けた後の部材を斜めから見たものである。積層磁性体複合リングは、図４に示した前記珪素鋼板リング１８を絶縁体１９で覆い、更に、導電体２０で覆うことにより製作される。具体的には、アルミ二ウムなどの導電性の高いテープを絶縁体で覆われた珪素鋼板リング１８に巻回する事により、導電体２０を構成する。更に、同様の手法で絶縁紙テープを巻回することにより、絶縁層２１を構成する。また、図示していないが導電体２０と巻線４を電気的に接続して等電位とし、導電体２０と巻線４の間の電位差を小さくして積層磁性体複合リング１１の実装を可能にする事が出来る。

本発明では、導電性部材を設けた積層磁性体複合リングと巻線端部との間に積層磁性体複合リングと巻線の径方向への位置ずれを防止し、積層磁性体複合リングからの放熱を可能にする保持冷却構造部材を複数に配置する。これによって電磁機械力を低減できるとともに電磁機械力が働いた場合でも、積層磁性体複合リングと巻線の径方向への位置ずれを起こすことはなく十分な冷却が行われることにより、積層磁性体複合リングの温度上昇を低く抑える効果がある。

また本実施例によれば、巻線と積層磁性体複合リングにそれぞれ異なる方向や大きさの電磁機械力が働く場合でも、相対的な変位を保持冷却構造部材で制限することで巻線の機械的障害を防止する。また、保持冷却構造部材の挿入により上部積層磁性体複合リングの冷却面積を増加させ、磁性体リングの温度上昇を保持冷却構造部材を用いない場合に比べ30%程に低減できる効果がある。

次に、図７及び図８を用いて本発明の第２の実施例を述べる。図７は変圧器のうち、低電圧側巻線４、高電圧側巻線５及び上部保持冷却構造部材２３、２４を示した図である。
本実施例の構成は上部保持冷却構造部材２３、２４の個数や配置の疎密は異なる以外は第１の実施例と同様である。

図示していないが本実施例は三相変圧器であり、図７中の座標の原点はＶ相の中心でありｘ軸方向にはＵ，Ｖ，Ｗの各相の脚が並んでいる。変圧器が励磁されてＶ相の電流が最大であるときの上部積層磁性体複合リング１１に発生する電磁機械力２５を図８に示す。同図の横軸は、図７に示した角度である。

図８に示すように、角度θが９０度の場合電磁機械力は最低となり、角度θが約３０度の場合電磁機械力は最大となる。そこで、本実施例の図７では電磁機械力の相対的に大きい部位に多くの保持冷却構造部材を配置している。ここでいう相対的に大きい部位とは電磁機械力が最小の値を示す部位ではない部位をいう。すなわち電磁機械力の大きさの分布に合わせ、保持冷却構造部材を原点からの放射線上に粗密を付けて分散配置している。

本実施例によれば、巻線と積層磁性体複合リングの相対的な変位を保持冷却構造部材で制限することで巻線の機械的障害を防止できるだけでなく、磁性体リングの温度上昇を磁性体リングの温度上昇を保持冷却構造部材を用いない場合の25%程に低減できる。

１ 鉄心
２ 上部鉄心締付け金具
３ 下部鉄心締付け金具
４ 低電圧側巻線
５ 高電圧側巻線
６、７ 絶縁剛性部材
８ 巻線押し付け部材
９ 張り出し構造物
１０，１１ 上部積層磁性体複合リング
１２，１３ 下部積層磁性体複合リング
１４，１５ 上部保持冷却構造部材
１６，１７ 下部保持冷却構造部材
１８ 珪素鋼板リング
１９ 絶縁部材
２０ 導電体
２１ 絶縁紙テープによる絶縁体
２２ 導電線
２３、２４ 上部保持冷却構造部材
２５ 上部積層磁性体複合リング中の珪素鋼板リングにおける電磁機械力
２６、２７ 保護部材

Claims (5)

1. 鉄心と、
   前記鉄心外側に巻回された巻線と、
   前記巻線を前記鉄心の長手方向から挟持する複数の鉄心締付け金具と、
   前記鉄心外側に巻回された珪素鋼板から成る磁性体リングと
   前記磁性体リングの外周に絶縁体を設け、前記絶縁体の外周に導電体を設け、前記巻線と前記鉄心締付け金具との間に配置される積層磁性体複合リングと、
   前記巻線と前記積層磁性体複合リングとの間に配置される保持冷却構造と、を有する静止誘導電器であって、
   前記保持冷却構造は、前記巻線と前記積層磁性体複合リングとの間から突出している部分は前記長手方向に延在し、前記巻線と前記積層磁性体複合リングに対して凹型である静止誘導電器。
2. 請求項１に記載の静止誘導電器であって、
   前記保持冷却構造は前記鉄心を中心に放射線上に配置されていることを特徴とする静止誘導電器。
3. 請求項１または２に記載の静止誘導電器であって、
   前記導電体と前記巻線とを電気的に接続する引き出し線を有することを特徴とする静止誘導電器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静止誘導電器であって、
   前記導電体がアルミニウムであることを特徴とする静止誘導電器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静止誘導電器であって、
   前記静止誘導電器の電磁機械力が相対的に大きい箇所に前記保持冷却構造を配置したことを特徴とする静止誘導電器。

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