JP7144340B2 - 変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置の構成の一部である変圧器に関する。

近年、様々な分野で電動化が加速している。特に、移動体(自動車、航空機、建設機械、船舶等)の電動化や再生可能エネルギーの導入における電動化の進展が著しく、これらの電源システムに使用される電力変換装置の需要が高まっている。

電力変換装置の需要が高まるに連れ、電力変換装置に要求される様々な仕様にも迅速に対応しなければならない。電力変換装置に要求される仕様として、基本性能である交流直流入出力や高効率は、勿論、その他にも、小型化、高信頼化、入出力の複数化、高電圧化、蓄電機能搭載などがあり、こうした要求される様々な仕様に対応することができる電力変換装置への需要は、今後増々、増加すると考えられる。

そして、設置スペースに限界がある用途では、特に、電力変換装置の構成の一部である変圧器を小型化することが有効である。一方、変圧器の小型化を進めると、変圧器のエネルギー体積密度が増加するため、放熱性が課題になる。

本技術分野の背景技術として、特開２０１６－２１９６８８号公報（特許文献１）がある。この特許文献１には、巻線部の軸方向両端部にそれぞれ配置された上部仕切板と下部仕切板とを備え、かつ、筺体の上部近傍に排気ファンを配置すると共に、吸気口を形成し、排気ファンの運転により、吸気口から巻線部の周囲に流入した冷却風を、上部仕切板の端部と筺体の内面との間に形成された端部通気口を介して排気ファンの方向に通過させる第１の気流と、吸気口から流入した冷却風を、仕切板内通気口と巻線部の内部とを介して、巻線部の軸方向に沿って排気ファンの方向に通過させる第２の気流と、を形成する変圧器の冷却装置が記載されている（要約参照）。

特開２０１６－２１９６８８号公報

特許文献１には、巻線部の周囲を通過させる第１の気流と、巻線部の内部を通過させる第２の気流と、を形成する変圧器の冷却装置が記載されている。

しかし、特許文献１には、変圧器の放熱性については記載されているものの、変圧器の小型化により、巻線と巻線との間の距離や巻線とコアとの間の距離が縮まることによる絶縁性については記載されていない。

そこで、本発明は、変圧器の小型化に伴う放熱性を解決すると共に、巻線と巻線との間の距離や巻線とコアとの間の距離が縮まることによる絶縁性も解決する変圧器を提供する。

上記課題を解決するため、本発明の変圧器は、コアと、コアを貫通するように形成され、高電位を有する一次巻線と、一次巻線の内側に形成され、低電位を有する二次巻線と、一次巻線を保持する４本の棒状の一次巻線巻枠と、一次巻線巻枠を固定し、風路窓が形成される側板と、を有し、側板に形成される風路窓は、コアと平行な方向の上下に形成される、所定の幅の側板部によって形成され、一次巻線は、コアと平行な方向の長さよりもコアと垂直な方向の長さが長く形成され、側板に形成される風路窓は、コアと平行な方向の長さよりもコアと垂直な方向の長さが長く形成され、側板に形成される風路窓の縦横比は、一次巻線の縦横比よりも大きく形成されることを特徴とする。

本発明によれば、変圧器の小型化に伴う放熱性を解決すると共に、巻線と巻線との間の距離や巻線とコアとの間の距離が縮まることによる絶縁性も解決する変圧器を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、下記の実施例の説明により明らかにされる。

本実施例に記載する変圧器をｙ軸方向から見た正面図である。 本実施例に記載する変圧器のｚｘ断面図である。 本実施例に記載する変圧器をｘ軸方向から見た右側面図である。 本実施例に記載する変圧器のｙｚ断面図である。 本実施例に記載する変圧器をｚ軸方向から見た上面図である。 本実施例に記載する変圧器のｘｙ断面図である。 本実施例に記載する変圧器のｘｙ断面図に風路を加筆した説明図である。 本実施例に記載する変圧器の１次巻線とその巻枠のみを描いた抜粋図である。 実施例２に記載する変圧器の１次巻線とその巻枠のみを描いた抜粋図である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。

図１は、本実施例に記載する変圧器をｙ軸方向から見た正面図である。

ここで正面図とは、ＸＹＺユークリッド座標系において、ｙ軸の負側から正側に向けて視点を取ったときの外観図である。

コア（フェライトコアなどを使用）１は、４つのＵコアから構成される。コア１に取り囲まれたウィンドウ（窓）の内部には、巻線群や絶縁された隔壁などが配置される。つまり、巻線群や絶縁された隔壁などは、コア１のウィンドウ（窓）を貫通するように形成される。

側板３０は、コア１と巻線群（１次巻線（リッツ線などを使用）１０および２次巻線（リッツ線などを使用）２０）とを隔離するように左右（図中、巻線群に対して両側）に配置される。

コア－１次巻線隔壁４０は、コア１と１次巻線１０とを隔離するように上下に配置される。つまり、コア－１次巻線隔壁４０は、コア１と一次巻線１０との間に形成される。また、１次巻線巻枠（絶縁物）１５は、１次巻線１０を固定するための巻枠である。なお、１次巻線１０の内側には、２次巻線２０が配置される。

コア－１次巻線隔壁４０は、コア１の電位と１次巻線１０の電位との間には、大きな電位差が発生することがあるため、樹脂などの絶縁物で形成され、耐圧を上昇させるために必要な厚さを有する隔壁である。さらに、１次巻線１０とコア１との間には、コア－１次巻線隔壁４０のみならず、空隙を有する。

この空隙の１つの目的は、部分放電を防ぐための電界緩和層としての役割である。また、この空隙の他の目的は、１次巻線１０を冷却するための風路として役割である。さらに、１次巻線１０とコア１とを隔離することにより、１次巻線１０とコア１との互いの発熱による煽（あお）り熱を防止することもできる。

図２は、本実施例に記載する変圧器のｚｘ断面図である。

１次巻線－２次巻線隔壁５０は、１次巻線１０と２次巻線２０とを隔離するように１次巻線１０と２次巻線２０との間に配置される。コア－２次巻線隔壁６０は、コア１と２次巻線２０とを隔離するようにコア１と２次巻線２０との間に配置される。

１次巻線－２次巻線隔壁５０は、樹脂などの絶縁物で形成され、コア－１次巻線隔壁４０と同じような効果が期待される。コア－２次巻線隔壁６０は、樹脂などの絶縁物で形成され、コア－１次巻線隔壁４０と同じような効果を期待している。ただし、コア－２次巻線隔壁６０は、コア１と２次巻線２０との間の電位差が比較的小さいため、コア－１次巻線隔壁４０や１次巻線－２次巻線隔壁５０と同じような厚さでなくても良く、電界緩和層として役割のための空隙も僅かで良い。

図３は、本実施例に記載する変圧器をｘ軸方向から見た右側面図である。

ここで右側面図とは、ＸＹＺユークリッド座標系において、ｘ軸の正側から負側に向けて視点を取ったときの外観図である。

本実施例に記載する変圧器は、右側面から見た場合、コア１が中心に配置される。そして、コア１のウィンドウ（窓）を貫通するように、外側から内側に、コア－１次巻線隔壁４０、１次巻線１０、１次巻線－２次巻線隔壁５０、２次巻線２０、コア－２次巻線隔壁６０が配置される。

また、１次巻線１０は、４本の棒状の１次巻線巻枠１５に配置（保持）される。この４本の棒状の１次巻線巻枠１５は、側板３０に固定される。

なお、一次巻線１０は所定の電位（高電位）を有し、二次巻線２０は、一次巻線１０の内側に形成され、所定の電位よりも低い電位（低電位）を有する。

特に、本実施例に記載する変圧器は、右側面から見た場合、コア－１次巻線隔壁４０、１次巻線１０は、長方形に形成される。つまり、コア－１次巻線隔壁４０、１次巻線１０は、コア１と平行な方向（ｚ方向：図中上下方向）の長さよりも、コア１と垂直な方向（ｙ方向：図中左右方向）の長さが、長く形成される。

また、４本の棒状の１次巻線巻枠１５は、コア１と平行な方向（ｚ方向：図中上下方向）の２本間の間隔よりも、コア１と垂直な方向（ｙ方向：図中左右方向）の２本間の間隔が、長く形成される。

これらは、いずれも、巻線と巻線との間の距離や巻線とコアとの間の距離を考慮し、絶縁性も解決するためのものである。

また、側板３０には、穴（風路窓）が形成される。そして、この穴（風路窓）には、１次巻線風路窓３１と２次巻線風路窓３２が形成される。そして、側板３０は、コア１と平行な方向（ｚ方向：図中上下方向）の上下に、所定の幅の側板部を有する。つまり、側板３０に形成される穴は、コア１と平行な方向（ｚ方向：図中上下方向）の長さよりも、コア１と垂直な方向（ｙ方向：図中左右方向）の長さが、長く形成され、コア－１次巻線隔壁４０、１次巻線１０の縦横比よりも、側板３０に形成される穴の縦横比は、大きく形成される。

このように、側板３０に、側板部を形成することにより、コア１と１次巻線１０との間の空間距離や１次巻線１０と２次巻線２０との間の空間距離を確保することができる。この空間距離を確保することにより、耐圧を向上させることができ、放電電路の形成を抑制することができる。一方、本実施例では、２次巻線２０とコア１とは、その間の電位差が比較的小さいため、側板３０の側板部のような空間距離を確保する部材は有しない。

なお、４本の棒状の１次巻線巻枠１５は、側板３０の側板部に固定される。

このように、本実施例に記載する変圧器は、特に、１次巻線１０を４本の棒状の１次巻線巻枠１５に配置し、この４本の棒状の１次巻線巻枠１５を側板３０の側板部に固定することにより、変圧器が小型化され、変圧器のエネルギー体積密度が増加する場合であっても、放熱性が解決される。更に、変圧器が小型化され、１次巻線１０と２次巻線２０との間の距離や１次巻線１０とコア１との間の距離が縮まる場合であっても、絶縁性が解決される。

そして、このように、絶縁性や放熱性が解決される本実施例に記載する変圧器は、変圧器を高周波で駆動し、この高周波変圧器と半導体素子とを組み合わせるSolid State Transformer型電力変換装置に有効である。特に、電力変換装置の設置スペースに限界がある用途に有効である。

また、絶縁性や放熱性が解決される本実施例に記載する変圧器は、より高周波化が実現でき、変圧器のコア１の断面積を低減（小型化（小スペース化））することができ、そして、１次巻線１０や２次巻線２０の巻数を低減（低コスト化）することもできる。

図４は、本実施例に記載する変圧器のｙｚ断面図である。

１次巻線１０は、１次巻線巻枠１５により固定される。これにより、１次巻線１０は、その大部分が空気に包まれ（１次巻線風路３１０が形成され）、１次巻線１０の冷却効率が向上し、放熱性が解決する。特に、１次巻線１０は、励磁電流が流れるため、銅損が大きくなる可能性があるため、１次巻線１０を４本の棒状の１次巻線巻枠１５に配置することにより、放熱性が解決することができる。なお、１次巻線風路３１０は、１次巻線－２次巻線隔壁５０と１次巻線１０との間、コア－１次巻線隔壁４０と１次巻線１０との間に形成される。

一方、本実施例では、２次巻線２０は、励磁電流が流れず、銅損が抑制されるため、２次巻線２０を４本の棒状の巻枠に配置しないが、２次巻線２０も、空気に包まれ（２次巻線風路３２０が形成され）、２次巻線２０の冷却効率も向上し、放熱性が解決する。なお、２次巻線風路３２０は、２次巻線２０と１次巻線－２次巻線隔壁５０との間に形成される。

図５は、本実施例に記載する変圧器をｚ軸方向から見た上面図である。

ここで上面図とは、ＸＹＺユークリッド座標系において、ｚ軸の正側から負側に向けて視点を取ったときの外観図である。

本実施例に記載する変圧器は、上面から見た場合、コア１が中心に配置される。そして、コア１のウィンドウ（窓）を貫通するように、コア－１次巻線隔壁４０、１次巻線１０、１次巻線巻枠１５、１次巻線－２次巻線隔壁５０、２次巻線２０が配置される。

１次巻線１０は、棒状の１次巻線巻枠１５に配置され、この棒状の１次巻線巻枠１５は、側板３０に固定される。そして、１次巻線１０が、棒状の１次巻線巻枠１５に固定されることにより、１次巻線１０は、その大部分が空気に包まれ、１次巻線１０の冷却効率が向上し、放熱性が解決する。

図６は、本実施例に記載する変圧器のｘｙ断面図である。

本実施例に記載する変圧器は、上面から見た場合、コア１を貫通するように、コア－１次巻線隔壁４０、１次巻線１０、１次巻線－２次巻線隔壁５０、２次巻線２０、コア－２次巻線隔壁６０が配置される。

１次巻線１０は、棒状の１次巻線巻枠１５に配置され、この棒状の１次巻線巻枠１５は、側板３０に固定される。そして、１次巻線１０が、棒状の１次巻線巻枠１５に固定されることにより、１次巻線１０は、その大部分が空気に包まれ、１次巻線１０の冷却効率が向上し、放熱性が解決する。

そして、１次巻線－２次巻線隔壁５０は、１次巻線１０と２次巻線２０とを隔離するように１次巻線１０と２次巻線２０との間に配置され、コア－２次巻線隔壁６０は、コア１と２次巻線２０とを隔離するようにコア１と２次巻線２０との間に配置される。

１次巻線１０は、その大部分が空気に包まれ、１次巻線１０の冷却効率が向上し、放熱性が解決することがわかる。また、２次巻線２０も、空気に包まれ、２次巻線２０の冷却効率も向上し、放熱性が解決することがわかる。

図７は、本実施例に記載する変圧器のｘｙ断面図に風路を加筆した説明図である。

このように、風路（１次巻線風路３１０および２次巻線風路３２０）が形成される。そして、１次巻線風路３１０は、１次巻線－２次巻線隔壁５０と１次巻線１０との間、コア－１次巻線隔壁４０と１次巻線１０との間に形成され、１次巻線１０の両面冷却を可能としている。また、２次巻線風路３２０は、２次巻線２０と１次巻線－２次巻線隔壁５０との間に形成される。

これにより、１次巻線１０は、その大部分が空気に包まれ、１次巻線１０の冷却効率が向上し、放熱性が解決する。また、２次巻線２０も、空気に包まれ、２次巻線２０の冷却効率も向上し、放熱性が解決する。

なお、１次巻線風路３１０および２次巻線風路３２０に供給される空気は、ファンなどにより強制的に供給されることが好ましい。つまり、強制空冷であることが好ましい。

図８は、本実施例に記載する変圧器の１次巻線とその巻枠のみを描いた抜粋図である。

このように、本実施例に記載する変圧器は、１次巻線１０は、４本の棒状の１次巻線巻枠１５に配置される。この４本の棒状の１次巻線巻枠１５は、側板３０に固定される。

そして、本実施例に記載する変圧器は、１次巻線１０は長方形に形成される。つまり、１次巻線１０は、ｚ方向（図中上下方向）の長さよりも、ｙ方向（図中左右方向）の長さが、長く形成される。また、４本の棒状の１次巻線巻枠１５は、ｚ方向（図中上下方向）の２本間の間隔よりも、ｙ方向（図中左右方向）の２本間の間隔が、長く形成される。これらは、いずれも、巻線と巻線との間の距離や巻線とコアとの間の距離を考慮し、絶縁性と放熱性とを解決するためのものである。

また、側板３０には、１次巻線風路窓３１と２次巻線風路窓３２とを形成する穴を有する。

そして、側板３０は、ｚ方向（図中上下方向）の上下に、所定の幅の側板部を有する。つまり、側板３０に形成される穴は、ｚ方向（図中上下方向）の長さよりも、ｙ方向（図中左右方向）の長さが、長く形成され、１次巻線１０の縦横比よりも、側板３０に形成される穴の縦横比は、大きく形成される。なお、本実施例では、側板３０の強度を考慮し、穴のｚ方向（図中上下方向）に、２本のリブを有するが、穴のｙ方向（図中左右方向）の長さは、この２本のリブの幅を含めたものである。

このように、側板３０に、側板部を形成することにより、コア１（図示なし）と１次巻線１０との間の空間距離や１次巻線１０と２次巻線２０（図示なし）との間の空間距離を確保することができる。この空間距離を確保することにより、耐圧を向上させることができ、放電電路の形成を抑制することができる。

なお、４本の棒状の１次巻線巻枠１５は、側板３０の側板部に固定される。

このように、本実施例に記載する変圧器は、特に、長方形に配置される４本の棒状の１次巻線巻枠１５に、１次巻線１０を配置し、この４本の棒状の１次巻線巻枠１５を、側板部を有する側板３０に固定することにより、変圧器が小型化され、変圧器のエネルギー体積密度が増加する場合であっても、放熱性が解決されると共に、１次巻線１０と２次巻線２０（図示なし）との間の距離や１次巻線１０とコア１（図示なし）との間の距離が縮まる場合であっても、絶縁性が解決される。

図９は、実施例２に記載する変圧器の１次巻線とその巻枠のみを描いた抜粋図である。

実施例１に記載する変圧器は、１次巻線１０は、４本の棒状の１次巻線巻枠１５に配置される。一方、本実施例に記載する変圧器は、１次巻線１０は、２つ（２枚）の板状の１次巻線巻枠（絶縁物）１６に配置される。そして、この１次巻線巻枠１６は、側板３０に固定（保持）される。

そして、本実施例に記載する変圧器も、１次巻線１０は長方形に形成される。つまり、１次巻線１０は、ｚ方向（図中上下方向）の長さよりも、ｙ方向（図中左右方向）の長さが、長く形成される。また、２つ板状の１次巻線巻枠１６は、ｚ方向（図中上下方向）の間隔よりも、ｙ方向（図中左右方向）の板幅が、長く形成される。つまり、２つ板状の１次巻線巻枠１６は、板状の１次巻線巻枠１６が配置される間隔よりも、板状の１次巻線巻枠１６の板幅が、長く形成される。これらは、いずれも、巻線と巻線との間の距離や巻線とコアとの間の距離を考慮し、絶縁性と放熱性とを解決するためのものである。

なお、側板３０に、１次巻線風路窓３１と２次巻線風路窓３２とを形成する穴（風路窓）を有する点は、実施例１と同様である。

なお、２つ板状の１次巻線巻枠１６は、側板３０の側板部に固定される。

このように、本実施例に記載する変圧器も、特に、長方形に１次巻線１０を配置し、この２つの板状の１次巻線巻枠１６を、側板部を有する側板３０に固定することにより、変圧器が小型化され、変圧器のエネルギー体積密度が増加する場合であっても、放熱性が解決されると共に、１次巻線１０と２次巻線２０（図示なし）との間の距離や１次巻線１０とコア１（図示なし）との間の距離が縮まる場合であっても、絶縁性が解決される。さらに、本実施例に記載する変圧器は、１次巻線１０の強度が向上する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を理解しやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除し、若しくは、他の構成を追加し、他の構成と置換することが可能である。

１ コア
１０ １次巻線
１５ １次巻線巻枠
１６ １次巻線巻枠
２０ ２次巻線
３０ 側板
４０ コア－１次巻線隔壁
５０ １次巻線－２次巻線隔壁
６０ コア－２次巻線隔壁

Claims (6)

1. コアと、前記コアを貫通するように形成され、高電位を有する１次巻線と、前記１次巻線の内側に形成され、低電位を有する２次巻線と、前記１次巻線を保持する４本の棒状の１次巻線巻枠と、前記１次巻線巻枠を固定し、風路窓が形成される側板と、を有し、
   前記側板に形成される風路窓は、前記コアと平行な方向の上下に形成される、所定の幅の側板部によって形成され、
   前記１次巻線は、前記コアと平行な方向の長さよりも前記コアと垂直な方向の長さが長く形成され、
   前記側板に形成される風路窓は、前記コアと平行な方向の長さよりも前記コアと垂直な方向の長さが長く形成され、
   前記側板に形成される風路窓の縦横比は、前記１次巻線の縦横比よりも大きく形成されることを特徴とする変圧器。
2. コアと、前記コアを貫通するように形成され、高電位を有する１次巻線と、前記１次巻線の内側に形成され、低電位を有する２次巻線と、前記１次巻線を保持する２つの板状の１次巻線巻枠と、前記１次巻線巻枠を固定し、風路窓が形成される側板と、を有し、
   前記側板に形成される風路窓は、前記コアと平行な方向の上下に形成される、所定の幅の側板部によって形成され、
   前記１次巻線は、前記コアと平行な方向の長さよりも前記コアと垂直な方向の長さが長く形成され、
   前記側板に形成される風路窓は、前記コアと平行な方向の長さよりも前記コアと垂直な方向の長さが長く形成され、
   前記側板に形成される風路窓の縦横比は、前記１次巻線の縦横比よりも大きく形成されることを特徴とする変圧器。
3. 前記コアと前記１次巻線との間に形成されるコア－１次巻線隔壁と、前記１次巻線と前記２次巻線との間に形成される１次巻線－２次巻線隔壁と、前記コアと前記２次巻線との間に形成されるコア－２次巻線隔壁と、を有し、
   前記コア－１次巻線隔壁と前記１次巻線との間、前記１次巻線－２次巻線隔壁と前記１次巻線との間、前記１次巻線－２次巻線隔壁と前記２次巻線との間に、形成される風路を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の変圧器。
4. 前記コア－１次巻線隔壁は、前記コアと平行な方向の長さよりも、前記コアと垂直な方向の長さが、長く形成されることを特徴とする請求項３に記載の変圧器。
5. 前記４本の棒状の１次巻線巻枠は、前記コアと平行な方向の２本間の間隔よりも、前記コアと垂直な方向の２本間の間隔が、長く形成されることを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
6. 前記２つの板状の１次巻線巻枠は、板状の１次巻線巻枠が配置される間隔よりも、板状の１次巻線巻枠の板幅が、長く形成されることを特徴とする請求項２に記載の変圧器。

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