JP6871731B2 - 変圧器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、変圧器に関する。

高周波誘導機器として例えば変圧器の鉄心は、主としてうず電流損失による発熱量が多いため、温度上昇が問題となる。そのため、水冷方式などのように冷却媒体を使用して強制冷却したり、鉄心の動作磁束密度を低く抑えて磁束密度に比例する損失を低減したりすること等で対応が図られている。

しかし、冷却媒体を使用して変圧器を冷却する場合は、鉄心等とは別に冷却ユニットが必要となるため、変圧器全体のコストが上昇する。また、水冷方式では水漏れなどが発生する場合があるため、これを防止するためのメンテナンスが必要となる等の課題がある。また、動作磁束密度を低く抑えるため、例えば鉄心を複数配列した複数配列鉄心を採用した場合は、鉄心が大型化し設置空間が大きくなるため、設置場所の確保が困難となる。また、鉄心を複数配列とすると、内側に配置された鉄心は、両外側に配置された鉄心より冷却効率が悪くなるためその部分だけ温度上昇が大きくなる。冷却効率向上のため、鉄心を並列配置して鉄心の間に空間(ダクト)を設けて冷却面積を増やす方法も考えられるが、ダクト内の冷媒の流れを確保するために鉄心間に空隙を設けることが必要となるため、変圧器がさらに大型化してしまうという課題がある。

実公昭６１−２５２２４号公報

実施形態は、鉄心の冷却効率を向上させた変圧器を提供することを目的とする。

実施形態に係る変圧器は、複数の単位鉄心が並列して配置されて構成された鉄心と、前記鉄心に対向して配置される冷却部材と、を備える。前記冷却部材は、薄板長方形の板部及び前記板部の一方の面から垂直に突出して設けられる羽根部を備えている。前記板部は前記鉄心の内周部又は外周部に対向して配置され、前記羽根部は前記単位鉄心間に狭在する位置に配置される。

第１実施形態に係る変圧器の模式的斜視図 変圧器の脚部に設けられた冷却部材の模式的斜視図 変圧器のヨーク部に設けられた冷却部材の模式的斜視図 図１のＡＡ線における概略横断面図 図１のＢＢ線における概略縦断面図 第２実施形態に係る変圧器の模式的斜視図 変圧器の脚部に設けられた冷却部材の模式的斜視図 図６のＣＣ線における概略横断面図 図６のＤＤ線における概略横断面図 第３実施形態に係る変圧器の模式的斜視図 変圧器の脚部に設けられた冷却部材の模式的斜視図 図１０のＥＥ線における概略横断面図 図１０のＦＦ線における概略横断面図 図１０のＧＧ線における概略横断面図 図１０のＨＨ線における概略横断面図 第４実施形態に係る変圧器の模式的斜視図 変圧器の脚部に設けられた冷却部材の模式的斜視図 図１６のＫＫ線における概略横斜め断面図

以下、実施形態について図面に基づいて説明する。実施形態の説明において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る変圧器１０を模式的に示す斜視図、図２は変圧器１０の脚部１３ａに設けられた冷却部材２０を取り出して模式的に示す斜視図、図３は変圧器１０のヨーク部１３ｂに設けられた冷却部材２０を取り出して模式的に示す斜視図、図４は図１のＡＡ線における概略横断面図、図５は図１のＢＢ線における概略縦断面図である。

図１に示すように変圧器１０は、鉄心１２を備えている。鉄心１２は例えば角部が丸くラウンドした矩形を呈しており、二つの長辺部及び短辺部を備えて構成されている。鉄心１２は、単位鉄心１１（１１ａ〜１１ｄ）を幅方向に複数個並列して配置することにより構成されている。実施形態では鉄心１２は偶数個この場合４つの単位鉄心１１ａ〜１１ｄを用いて構成されている例を示している。長辺部は脚部１３ａ、短辺部はヨーク部１３ｂとなっている。

単位鉄心１１は複数枚の鉄心材が巻回されて構成されており、中心に窓部を有している。鉄心材は例えばアモルファス材を用いて構成されている。アモルファス材としては、例えばアモルファス合金の薄い帯状の金属磁性体（以下、アモルファス薄帯という）が用いられる。単位鉄心１１を構成するアモルファス薄帯の膜厚を薄くすることは渦電流損の低減に有効である。このように、膜厚が薄いアモルファス薄帯を用いて単位鉄心１１を形成することにより、渦電流損を抑制することができる。各単位鉄心１１間には僅かに間隙が設けられることによりダクトが形成されており、このダクトを介して空気が通過することにより鉄心１２を冷却している。

鉄心１２は長辺部において、上下半分に切断されており、それぞれが略Ｕ字型を呈している。切断部は接続部１２ａとなっている。略Ｕ字型の鉄心１２は脚部１３ａを備え、脚部１３ａは切断面を互いに上限から向かい合わせるようにして付き合わされている。すなわち鉄心１２は、カットコア構造を有している。

鉄心１２は、接続部１２ａにおいて絶縁物１２ｂが接合面に密着して狭在するように設けられている。絶縁物１２ｂとしては例えばアラミド紙を用いることができる。鉄心１２には、その長辺部において、図示しない複数の巻線（コイル）が組みつけられて変圧器１０を構成する。

図１から図５に示すように、変圧器１０の鉄心１２には金属製の冷却部材２０が鉄心１２（すなわち単位鉄心１１）に対向するようにして設けられている。冷却部材２０としては、例えば、銅、アルミニウムなどの金属を用いることができる。冷却部材２０と鉄心１２との間には図示しない絶縁物（例えばアラミド紙）が設けられている。冷却部材２０は薄板で長方形の板部２０ａと、板部２０ａから垂直に突出した羽根部２０ｂを備えている。羽根部２０ｂの突出量は、鉄心１２の厚さを超えない程度の寸法となっている。

冷却部材２０は、図２、図３に示すように、一枚の帯状金属板を折り曲げて、板部２０ａ及び羽根部２０ｂを形成するように構成してもよいし、板部２０ａを構成する長方形金属板に、例えば溶接等の接続技術を用いて、板部２０ａに対して垂直方向に指向する羽根部２０ｂを形成してもよい。実施形態に係る冷却部材２０は、一枚の金属板を折り曲げて構成した例を示している。一枚の帯状金属板を折り曲げて板部２０ａ及び羽根部２０ｂを形成するようにしたほうが冷却部材２０の表面積を大きくできるため、冷却効率を高くすることができる。

第１実施形態においては、鉄心１２の脚部１３ａにおいて、冷却部材２０は接続部１２ａを挟んで上下に配置され、冷却部材２０の板部２０ａは、鉄心１２の内周部１３ｃに対向するようにして配置されている。羽根部２０ｂは複数の単位鉄心１１間の空隙に狭在する位置に設けられている。羽根部２０ｂの板部２０ａ表面からの突出量は単位鉄心１１の厚さ以下となっているので、単位鉄心１１の外周部１３ｄの外側に突出することはない。

また、ヨーク部１３ｂにおいても、冷却部材２０が設けられており、板部２０ａは内周部１３ｃに対向するように配置され、羽根部２０ｂは複数の単位鉄心１１間に狭在するように設けられている。なお、冷却部材２０は接続部１２ａに対向する位置に配置してあっても差し支えない。

第１実施形態に係る変圧器１０によれば以下の効果を奏する。
第１実施形態に係る変圧器１０によれば、変圧器１０を構成する複数の鉄心１２の内周部１３ｃに板部２０ａが対向するように配置され、単位鉄心１１間に羽根部２０ｂが狭在するように冷却部材２０が設けられている。鉄心１２においては、内周部１３ｃの温度が上昇しやすいが、これにより、鉄心１２の冷却効率を向上させることができる。

また、複数の単位鉄心１１を並列に配置して構成した鉄心１２においては、内側の単位鉄心１１（第１実施形態においては、前後の単位鉄心１１ａ及び１１ｄに挟まれた内側二つの単位鉄心１１ｂと１１ｃ）の温度が上昇しやすい。第１実施形態に係る変圧器１０においては、冷却部材２０の板部２０ａは内周部１３ｃに対向し、羽根部２０ｂは複数の単位鉄心１１の間に狭在するように配置される。これにより、変圧器１０の鉄心１２のうち温度が上昇しやすい箇所を効率よく冷却することができるため、鉄心１２全体の温度分布を均一とすることができ、変圧器１０の信頼性が向上する。

また、羽根部２０ｂが単位鉄心１１間に狭在する突出量は単位鉄心１１の厚さ以下となっている。すなわち羽根部２０ｂの先端位置は単位鉄心１１間に存在する。これにより、変圧器１０の駆動時に、冷却部材２０の高電圧発生箇所が余裕をもって離間されるため、冷却部材２０に電流が流れることが抑制され、変圧器１０の信頼性が向上する。

また、鉄心１２の前面及び背面すなわち単位鉄心１１ａの奥側の裏面と単位鉄心１１ｄの手前側の前面には羽根部２０ｂが配置されていない。この部分は鉄心１２において外方に位置するため冷却効率が高く、そのためこの部分にも羽根部２０ｂを配置すると、単位鉄心１１ａ及び１１ｄが、単位鉄心１１ｂ、１１ｃよりも冷却されやすくなってしまい、鉄心１２全体として温度分布が不均一となってしまう。そこで、鉄心１２（単位鉄心１１）の前面及び裏面には羽根部２０ｂを配置しないことで、鉄心１２全体の温度分布の均一化を図っている。これによっても変圧器１０の信頼性が向上する。

また、単位鉄心１１間には冷却部材２０の羽根部２０ｂが配置されことにより、単位鉄心１１間において冷却効率が向上されるとともに、単位鉄心１１間の間隙幅が羽根部２０ｂの厚さによって規定されるため、単位鉄心１１間の間隙幅すなわちダクトの大きさを極力小さくすることが可能となる。このため、変圧器１０の大型化を抑制しつつ冷却効率を高めることができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。図６は第２実施形態に係る変圧器１０を模式的に示す斜視図、図７は変圧器１０の脚部１３ａに設けられた冷却部材２０を取り出して模式的に示す斜視図である。図８は図６のＣＣ線における概略横断面図、図９は図６のＤＤ線における概略横断面図である。

第２実施形態においては、変圧器１０を構成する鉄心１２の接続部１２ａより上部の脚部１３ａに複数、この場合４つの冷却部材２０が配置され、片側の脚部１３ａの上下方向又は左右方向に隣接する冷却部材２０はその向きが逆方向を指向して互いに鏡面対称となるように配置されている。また、左右両方の脚部１３ａの冷却部材２０もその向きが逆方向を指向して互いに鏡面対称となるように配置されている。すなわち、複数の冷却部材２０は、鉄心１２の内周部１３ｃ及び外周部１３ｄに対して交互に対向するように配置され、隣接する冷却部材２０は逆向きすなわち鏡面対称となるように配置される。他の構成は第１実施形態における変圧器１０と同じ構成である。なお、図においてはヨーク部１３ｂに配置された冷却部材２０は省略して示しているが、冷却部材２２を脚部１３ａだけでなくヨーク部１３ｂにも配置させるようにしてもよい。なお、羽根部２０ｂの板部２０ａ表面からの突出量は単位鉄心１１の厚さ以下となっているので、単位鉄心１１の内周部１３ｃの内側、又は外周部１３ｄの外側に突出することはない。

以上の構成により、第２実施形態に係る変圧器１０は第１実施形態と同様の効果を奏する。また、隣接する冷却部材２０は逆向きすなわち鏡面対称となるように配置されることにより変圧器１０の冷却がより一層均一化されるため、変圧器１０の信頼性が向上する。

（第３実施形態）
次に第３実施形態について説明する。図１０は第３実施形態に係る変圧器１０を模式的に示す斜視図、図１１は変圧器１０の脚部１３ａに設けられた冷却部材２２を取り出して模式的に示す斜視図である。図１２は図１０のＥＥ線における脚部１３ａの概略横断面図、図１３は図１０のＦＦ線における脚部１３ａの概略横断面図である。図１４は図１０のＧＧ線における概略縦断面図、図１５は図１０のＨＨ線における概略縦断面図である。

第３実施形態においては、冷却部材２２は帯状であり、鉄心１２を構成する単位鉄心１１の一方の端から他方の端に向かって、隣接する単位鉄心１１の内周部１３ｃと外周部と外周部１３ｄに交互に対向するように蛇行して折り曲げられて配置される。図１２において、左側の脚部１３ａの断面部を参照すれば、図１２において上側（すなわち図１０において奥側）から下側（すなわち図１０において手前側）に向かって、単位鉄心１１ａの右側面から左側に屈曲し、単位鉄心１１ａ―１１ｂ間の間隙を通過して手前方向に屈曲して単位鉄心１１ｂの左側面に対向し、さらに右に屈曲して単位鉄心１１ｂ−１１ｃ間の間隙を通過し、単位鉄心１１ｃ右側面に対向し、さらに左に屈曲して次の単位鉄心１１ｃ−１１ｄ間の間隙を通過して、左に屈曲し単位鉄心１１ｄの左側面に対向したところで終端する。

図１２の右側の脚部１３ａで、冷却部材２２は外周部１３ｄ→単位鉄心１１間→内周部１３ｃ→単位鉄心１１間→外周部１３ｄ→単位鉄心１１間→外周部１３ｄの順に蛇行するように配置される。図１２の左側の脚部１３ａでは、冷却部材２２は、単位鉄心１１ａの内周部１３ｃ→単位鉄心１１ａ−１１ｂ間→単位鉄心１１ｂの外周部１３ｄ→単位鉄心１１ｂ−１１ｃ間→単位鉄心１１ｂの内周部１３ｃ→単位鉄心１１ｃ−１１ｄ間→単位鉄心１１ｄの内周部１３ｃの順に蛇行するように配置される。

鉄心１２の接続部１２ａより下側に設けられた冷却部材２２では、図１３に示すように、上述の図１２とは逆向きすなわち鏡面対称となるように蛇行して配置される。また、ヨーク部１３ｂに配置される冷却部材２２も、図１４、図１５に示すように、相互に逆向きすなわち鏡面対称となるように蛇行して配置される。いずれにおいても、隣接する冷却部材２２は相互に鏡面対称となるように配置される。その他の構成は第１実施形態又は第２実施形態に係る変圧器１０と同じ構成である。

以上の構成により、第３実施形態に係る変圧器１０は第１及び第２実施形態と同様の効果を奏する。また、単位鉄心１１は偶数個、この場合４つが組み合わされて鉄心１２が構成されており、冷却部材２０は偶数個この場合４つの単位鉄心１１間を蛇行するようにして、すべての単位鉄心１１に対向するように配置されている。これにより、冷却部材２２に誘起される電圧は冷却部材２２内で相殺されるため、冷却部材２２内の近接する部位の相互間の耐電圧又は隣接する冷却部材２２間の耐電圧を気にすることなく冷却部材２２を近接して配置構成することができる。従って、変圧器１０の冷却効率を向上させることができる。

（第４実施形態）
次に第４実施形態について説明する。図１６は第４実施形態に係る変圧器１０を模式的に示す斜視図、図１７は変圧器１０の脚部１３ａに設けられた冷却部材２４を取り出して模式的に示す斜視図である。図１８は図１６のＫＫ線における概略横斜め断面図である。

第４実施形態においては、冷却部材２４は、鉄心１２を構成する単位鉄心１１の間を縫うようにして内周部１３ｃと外周部１３ｄに交互に対向するように配置される。冷却部材２４は単位鉄心１１に対して斜め方向を指向して蛇行し、端部に位置する単位鉄心１１の外回りを半巻回するように向きを反転させて折り返している。冷却部材２４は、並列する単位鉄心１１間を蛇行し、端部の単位鉄心１１で折り返して、これを繰り返し、最終的には、前端又は後端で終端するように構成されている。

図１６及び図１７を参照すると、冷却部材２４は、鉄心１２を構成する単位鉄心１１の一方の端（ここでは鉄心１２の後端とする）から他方の端（ここでは鉄心１２の前端とする）に向かって、単位鉄心１１に対して斜め方向を指向している。冷却部材２４は、隣接する単位鉄心１１ａ〜１１ｄの内周部１３ｃと外周部１３ｄに交互に対向するように蛇行して配置されている。冷却部材２４は、他方の端に達した後に、折り返し部３０において単位鉄心１１の前面又は後面（ここでは前面）を半巻回して折り返し、さらに逆向きに指向して単位鉄心１１の内周部１３ｃと外周部１３ｄを交互に蛇行するように配置される。さらに、冷却部材２４は、一端（ここでは後端）に達した後に、折り返し部３０において裏面側を巻回して折り返し、さらに手前方向に指向して単位鉄心１１の内周部１３ｃと外周部１３ｄに交互に対向するように蛇行して配置される。その後、冷却部材２４は他端（ここでは前端）に達したところで終端する。

図１６、図１７において、冷却部材２４は単位鉄心１１の内周部１３ｃと外周部１３ｄを蛇行しながら、端部の単位鉄心１１の正面側及び裏面側の側面を半巻回して２回折り返して構成されている。この際、冷却部材２４は一端と他端の折り返し部３０間において、４つの単位鉄心１１ａ〜１１ｄ間を斜めすなわち脚部１３ａに対して直角以外の角度に指向して蛇行するように構成されている。鉄心１２の左右の脚部１３ａに配置される冷却部材２４は、相互に鏡面対称となるように配置される。

図１６から図１８では、冷却部材２４が脚部１３ａに配置されている例を示しているが、さらに折り返しと蛇行を繰り返して、第１及び第３実施形態のように冷却部材２４を脚部１３ａ及びヨーク部１３ｂに配置させるようにしてもよい。

以上の構成により、第４実施形態に係る変圧器１０は第１から第３実施形態と同様の効果を奏する。また、鉄心１２は偶数個の単位鉄心１１により構成されているため冷却部材２４に誘起される電圧は冷却部材２４内で相殺する。このため、冷却部材２４を近接して複数回折り返して蛇行配置することができ、変圧器１０の冷却効率を向上させることができる。

上述のように、第１の実施形態１から第４の実施形態を例示して説明したが、さらに、冷却部材２０、２２、２４に接続するように、冷媒が通じる冷却パイプを設けてもよい。あるいは、冷却部材２０、２２、２４に接続するように、さらに放熱フィン等を備えた放熱パネルを設けてもよい。これにより、冷却部材２０、２２、２４による冷却効率が向上するため、変圧器１０の信頼性がさらに向上する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら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。

１０…変圧器、１１…単位鉄心、１２…鉄心、１２ａ…接続部、１２ｂ…絶縁物、１３ａ…脚部、１３ｂ…ヨーク部、１３ｃ…内周部、１３ｄ…外周部、１４…ダクト、２０、２２、２４…冷却部材、２０ａ…板部、２０ｂ…羽根部

Claims (10)

1. 内周部及び外周部を有する筒状に形成された複数の単位鉄心が並列して配置されて構成された鉄心と、
   前記鉄心の軸方向の一方の端から他方の端へ向かって設けられ、前記鉄心に取り付けられている冷却部材と、を備え、
   前記冷却部材は、薄板長方形の板部、及び前記板部の一方の面からこの面に対して前記鉄心の径方向へ突出して設けられる羽根部を備えており、
   前記板部は、前記内周部又は前記外周部に対向して配置されるとともに、
   前記羽根部は、並列する前記単位鉄心の相互の間に挟み込まれている変圧器。
2. 前記冷却部材を複数備えており、
   前記板部が前記内周部と接する前記冷却部材と、前記板部が前記外周部に接する前記冷却部材とが、前記鉄心の周方向において交互に隣り合って配置された請求項１に記載の変圧器。
3. 内周部及び外周部を有する筒状に形成された複数の単位鉄心が並列して配置されて構成された鉄心と、
   前記鉄心の軸方向の一方の端から他方の端へ伸びて設けられ、前記鉄心に取り付けられている帯状の冷却部材と、を備え、
   前記冷却部材は、前記鉄心の軸方向において、一方の端から他方の端に向かって、隣り合う前記単位鉄心の前記内周部と前記外周部とに交互に対向するように蛇行して折り曲げられている変圧器。
4. 複数の前記冷却部材を備え、
   前記鉄心の周方向において隣り合う前記冷却部材は、相互に鏡面対称となるように配置されている請求項１又は請求項３に記載の変圧器。
5. 前記冷却部材は、
   前記鉄心の軸方向において、前記単位鉄心の一方の端から他方の端に向かって、隣り合う前記単位鉄心の前記内周部と前記外周部とを交互に対向するように蛇行する第１の部分と、
   前記鉄心の軸方向において、前記単位鉄心の他方の端から一方の端に向かって、隣り合う前記単位鉄心の前記内周部と前記外周部とを交互に対向するように蛇行する第２の部分と、を有し、
   前記冷却部材は、前記鉄心の軸に対して傾斜した角度で交差する請求項３に記載の変圧器。
6. 前記冷却部材と前記鉄心間には絶縁物が配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の変圧器。
7. さらに内部に冷媒が通じる冷却パイプを備えており、前記冷却部材は前記冷却パイプに接続される請求項１から６のいずれか一項に記載の変圧器。
8. 前記冷却部材が接続される放熱パネルをさらに備える請求項１から７のいずれか一項に記載の変圧器。
9. 前記冷却部材は、前記鉄心の脚部及びヨーク部に配置される請求項１から８のいずれか一項に記載の変圧器。
10. 前記単位鉄心は偶数個である請求項１から９のいずれか一項に記載の変圧器。

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