JP7344765B2 - 母線の配置構造、閉鎖配電盤 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、配電盤内に母線を配置する母線の配置構造、および、その配置構造で配置された母線を備える閉鎖配電盤に関する。

従来、例えば三相交流電源に接続された水平母線と、その水平母線に接続された垂直母線とを収容する閉鎖配電盤が知られている。このような閉鎖配電盤は、電力が供給された際に母線が発熱することから、例えば特許文献１では、複数組の垂直母線を設けることで発熱を抑えることが提案されている。

特許第６１７３５７９号公報

ところで、近年では、閉鎖配電盤の高集積化に伴って、供給する電力の定格を引き上げることが求められている。

しかしながら、定格を引き上げた場合、新たな問題が発生することが判明した。具体的には、定格を引き上げたことにより母線にはより大きな電流が流れることから、母線自体の発熱に加えて、近傍の導体が誘導加熱されて発熱し、閉鎖配電盤内の温度が要求仕様を超えて上昇してしまうおそれがあることが判明した。

そこで、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる母線の配置構造、および、そのように配置された母線を備える閉鎖配電盤を提供する。

実施形態の母線の配置構造は、配電盤に複数の水平母線を配置するための構造であって、複数の水平母線は、配電盤内において、上端と下端とが他の部材によって制限されている配置可能領域内に配置されているとともに、配置可能領域の上端の部材と下端の部材との間において、それぞれの水平母線が互いに等間隔で上下方向に配置されており、上端の部材および下端の部材のうち少なくとも一方は、導体で形成されている。

また、実施形態の閉鎖配電盤は、上記した母線の配置構造で配置された水平母線と、導体で形成され、水平母線を配置することができる配置可能領域の上端および下端の少なくとも一方に設けられている部材と、を備える。

実施形態の母線の配置構造および閉鎖配電盤を側面視にて模式的に示す図 母線の配置構造および閉鎖配電盤を背面側から視た状態を模式的に示す図 母線の配置構造および閉鎖配電盤を平面視にて模式的に示す図 他の母線の配置構造を模式的に示す図 水平母線の設置時の許容範囲を模式的に示す図

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態による閉鎖配電盤１は、図１に示すように上下方向に長く、図２および図３に示すように前後方向および左右方向が概ね同じ長さに形成された直方体状の筐体２を備えている。以下、図１から図３に示すように、閉鎖配電盤１の上下方向を縦方向とも称し、前後方向を奥行き方向とも称して説明する。

この閉鎖配電盤１は、図１に示すように、前板２ａ側に機器収容室３を備えており、例えばモータ制御装置等の機器を上下方向に複数個収容可能になっている。また、閉鎖配電盤１は、後板２ｂ側に母線収容室４が設けられている。そして、各機器に電力を供給するための導体である水平母線５と垂直母線６とは、この母線収容室４の内部に収容されている。このとき、各水平母線５は、詳細は後述するが、所定の配置可能領域（Ｈ）内に収まるように、且つ、所定の母線構造となるように配置されている。

閉鎖配電盤１の後板２ｂつまりは閉鎖配電盤１において水平母線５と対向する側の外板には、下端側に位置して外部に連通する吸気口７と、上部側に位置して外部に連通する排気口８とが設けられている。これら吸気口７および排気口８は、例えば後板２ｂにスリットを形成したり、後板２ｂに開口を形成して網部材やフィルタ部材等により目張り可能にしたりすること等によって形成されている。

このとき、排気口８は、配置する水平母線５の数にもよるものの、例えば図１のように４本の水平母線５を配置する場合には、最上段に配置される水平母線５よりも上方に位置するように設けることができる。また、吸気口７は、配置する水平母線５の数にもよるものの、最下段に配置される水平母線５よりも下方に位置するように設けることができる。これにより、導入された空気により各水平母線５を冷却することが可能になるとともに、各水平母線５を冷却した空気が排出されることから、冷却効率を向上させることができる。

これらの水平母線５は、銅材料で形成されており、三相４線式の配線にて図示しない単一系統の電源に接続されている。また、本実施形態では、水平母線５はいわゆるＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相分の３本と、中点に対応するＮ相の１本のとの合計４本が設けられている。図１では、Ｒ相の水平母線５を５（Ｒ）と示し、Ｓ相の水平母線５を５（Ｓ）と示し、Ｔ相の水平母線５を５（Ｔ）と示し、Ｎ相の水平母線５を５（Ｎ）と示している。これらの水平母線５は、図２に示すように、閉鎖配電盤１の左右方向に延びているとともに、接続導体９によってそれぞれ対応する垂直母線６に電気的に接続されている。なお、図２では、垂直母線６の図示を省略している。

そして、本実施形態の場合、水平母線５は、閉鎖配電盤１の天板２ｃと底板２ｄとの間、つまりは、上端と下端とが他の部材である天板２ｃと底板２ｄとによって物理的に制限つまりは物理的に規定された配置可能領域（Ｈ）内に配置されている。このとき、天板２ｃおよび底板２ｄのうち少なくとも一方は、導体で形成されている。本実施形態の場合、天板２ｃおよび底板２ｄの双方が導体で形成されており、その導体として洗浄鋼板を採用している。この洗浄鋼板は、炭素含有率が０．１％程度の鉄合金である。ただし、導体の構成は一例であり、電気的に同等の特性を有するものであれば、例えば炭素含有率が異なる鉄合金を採用することができる。

各水平母線５は、互いの間隔が第１距離（Ｘ）だけ離間して等間隔に配置されているとともに、最上段の水平母線５が天板２ｃから第２距離（Ｙ）だけ離間しており、最下段の水平母線５が底板２ｄから第２距離（Ｙ）だけ離間した状態で配置されている。ただし、第２距離（Ｙ）は、安全規格等により予め定められている絶縁距離を確保できる値以上に設定されている。

また、各垂直母線６は、図３に示すように断面視にてＬ字状に形成されており、上下方向に配設された個別のダクト１０内にそれぞれ配置されている。このダクト１０は、閉鎖配電盤１内を鉛直方向に延びる概ね細長い四角筒状に形成されている。つまり、ダクト１０は、暖められた空気が対流によって上方に移動しやすい構造となっている。また、ダクト１０には、機器の接続端子に対応する位置にそれぞれ開口が形成されている。これにより、機器収容室３に収容される機器を前方から挿入して後方へ押し込むことによって、端子部分が垂直母線６のＬ字状の短辺と噛み合って電源を供給することができる。

次に、上記した構成の作用について説明する。
前述のように、閉鎖配電盤１の定格を引き上げた場合、母線にはより大きな電流が流れることから、母線自体の発熱に加えて、近傍の導体が誘導加熱されて発熱し、閉鎖配電盤１内の温度が要求仕様を超えて上昇してしまうおそれがあるという問題がある。そのため、誘導加熱による影響つまりは発熱を抑制するためには、ある水平母線５が他の水平母線５に与える影響が小さくなるような配置とすればよいことになる。

さて、ある導体の近傍に他の導体が存在している場合、電流が流れた際の磁束の変化によって他の導体に影響を与えるエネルギーは、導体間の距離に反比例することが知られている。そのため、他の導体に影響を与えるエネルギーを低減するためには、水平母線５間の距離をなるべく広くすればよいことが分かる。そして、上端および下端が他の部材によって制限されている配置可能領域（Ｈ）に配置する場合であれば、各水平母線５を最大限に離間させた状態で配置するためには、水平母線５間の距離である第１距離（Ｘ）を均等にすればよいことが分かる。

そのため、本実施形態では、水平母線５間の第１距離（Ｘ）を均等にし、配置可能領域（Ｈ）内において各水平母線５を上下方向に等間隔で配置している。これにより、水平母線５同士の影響によるエネルギーを最小にすることができ、誘導加熱によって生じる発熱を抑制することができる。

ところで、閉鎖配電盤１の筐体２は一般的に鋼板等で形成されていることから、水平母線５の近傍には、他の水平母線５以外にも導体が存在していることになる。そして、筐体２が誘導加熱された場合にも、閉鎖配電盤１内の温度上昇を招くことになる。そのため、水平母線５に隣り合うように配置されている他の導体、ここでは、配置可能領域（Ｈ）の上端と下端とを制限している天板２ｃや底板２ｄに対する影響も考慮すれば、より一層発熱を低減する効果を期待できると考えられる。

そこで、本実施形態では、他の各水平母線５へ影響を抑制するために第１距離（Ｘ）で等間隔に各水平母線５を配置するとともに、最上段の水平母線５（Ｒ）と天板２ｃとの間、ならびに、最下段の水平母線５（Ｎ）と天板２ｃとの間の距離である第２距離（Ｙ）を、以下のようにして設定している。

最上段に配置されている水平母線５（Ｒ）に着目してみると、隣り合う水平母線５（Ｓ）に影響を与えるエネルギー（Ｐ１）はＰ１＝α×（１／Ｘ）＾２であり、天板２ｃに影響を与えるエネルギー（Ｐ２）はＰ２＝β×（１／Ｙ）＾２である。そのため、水平母線５（Ｒ）については、外部の導体に影響を与えることになるエネルギー（Ｐｒ）は、Ｐｒ＝α×（１／Ｘ）＾２＋β×（１／Ｙ）＾２となる。なお、α、βは導体の形状や性質による係数であり、「＾」は自乗を示す。

また、両隣が他の水平母線５（Ｒ、Ｔ）に挟まれている水平母線５（Ｓ）が隣り合う２本の水平母線５に影響を与えるエネルギー（Ｐｓ）、および、両隣が他の水平母線５（Ｓ、Ｎ）に挟まれている水平母線５（Ｔ）が隣り合う２本の水平母線５に影響を与えるエネルギー（Ｐｔ）は、それぞれＰｓ＝Ｐｔ＝２×α×（１／Ｘ）＾２となる。また、最下段に配置されている水平母線５（Ｎ）に着目してみれば、最上段の水平母線５（Ｒ）と同様に、エネルギー（Ｐｎ）は、Ｐｎ＝α×（１／Ｘ）＾２＋β×（１／Ｙ）＾２となる。

そして、上記の母線構造において他の導体に影響を与える際の総エネルギー（Ｐ）は各エネルギーの総和として求めることができることから、銅材料で形成した水平母線５の電気的特性に基づいてαを設定し、洗浄鋼板で形成した天板２ｃおよび底板２ｄの電気的特性に基づいてβを設定することにより、総エネルギー（Ｐ）を、ＸとＹの関数として求めることができる。

このとき、水平母線５の数をｎ本とした場合には、Ｈ＝（ｎ－１）×Ｘ＋２×Ｙの関係が成立する。そして、配置可能領域（Ｈ）は実質的に閉鎖配電盤１の高さと見なせることから、ＸとＹとの関係を求めることができる。換言すると、ＹをＸの関数として、Ｙ＝（Ｈ－（ｎ－１）×Ｘ）／２と表すことができる。なお、ＸをＹの関数として表すこともできるが、最終的に求まる配置は同じものになる。

そして、総エネルギー（Ｐ）が最小となるＸは、例えば演算によって、あるいは、表計算ソフトに総エネルギー（Ｐ）の演算式を設定してＸを例えば数ｍｍや数ｃｍ単位で変化させることによって求めることができる。また、Ｘが求まれば、上記の関係からＹを特定することができる。これにより、発熱量を最小にすることができるＸとＹの値、つまりは、発熱量を最小にすることができる水平母線５の配置を特定することができる。

さて、上記した総エネルギー（Ｐ）が最小となるＸ、Ｙを求めた場合、ＸをＹで除した比（Ｘ／Ｙ）は、概ね２．６４となることが判明した。換言すると、第１距離（Ｘ）と第２距離（Ｙ）の比（Ｘ／Ｙ）が概ね２．６４となるように水平母線５を配置すれば、発熱量を最小にすることができることが判明した。

ところで、閉鎖配電盤１には、図４に示すように、例えば８本の水平母線５が配置されることがある。このとき、８本の水平母線５を配置した場合における第１距離（Ｘ）は、上記した４本の水平母線５を配置した図２における第１距離（Ｘ）よりも短くなっている。なお、図４の場合、本実施形態では１系統の電源から各相について２本の水平母線５に電源供給する構成を想定しているが、異なる２系統の電源から各相の水平母線５にそれぞれ電源供給する構成とすることもできる。

このような構成であっても、他の導体に与える影響を考慮して総エネルギーを求めて第１距離（Ｘ）と第２距離（Ｙ）とを求めたところ、それらの比（Ｘ／Ｙ）は、概ねＸ／Ｙ＝２．６４になるという結果が得られた。この結果から、配置する水平母線５の数（ｎ）によらず、第１距離（Ｘ）と第２距離（Ｙ）との比（Ｘ／Ｙ）が約２．６４を中心とした範囲となるように各水平母線５を配置すれば、発熱量を最小にすることができることが判明した。

このように、配置可能領域（Ｈ）の上端と下端とが導体によって規定されている場合において、複数の水平母線５を、その数によらず、第１距離（Ｘ）を第２距離（Ｙ）で除した比（Ｘ／Ｙ）が約２．６４を基準とした所定の範囲内となるように配置すれば概ね発熱量を最小にすることができる。

ただし、物理的な制約により、各水平母線５を厳密にＸ／Ｙ＝２．６４となる位置に配置することができない場合も想定される。その場合、図５に許容目標配置として示すように、Ｘ／Ｙ＝約２．６４となる２．６位置を目標とする一方、総エネルギーが閉鎖配電盤１の仕様として許容できる範囲に収まる程度のずれを許容上限と許容下限として設定し、その範囲内に水平母線５を配置することにより、水平母線５の設置位置に過度な精度を必要とすることなく発熱量を低減することができる。

この場合、図５に許容配置として示すように、水平母線５の上端又は下端が２．６位置に掛かるように、つまりは、水平母線５の上下方向の幅（Ｗ）の範囲内に２．６位置が来るように配置することによっても、水平母線５の設置位置に過度な精度を必要とすることなく発熱量を低減することができる。

以上説明した実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
閉鎖配電盤１に設置される複数の水平母線５は、閉鎖配電盤１内において、上端と下端とが他の部材によって制限されている配置可能領域（Ｈ）内に配置されているとともに、上端の部材と下端の部材との間において、それぞれの水平母線５を上下方向に互いに等間隔となるように配置されている。このとき、上端の部材および下端の部材のうち少なくとも一方は、導体で形成されている。

このような母線の配置構造を採用することにより、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる。また、このような母線の配置構造で配置された水平母線５と、導体で形成され、水平母線５を配置することができる配置可能領域の上端および下端の少なくとも一方に設けられている天板２ｃや底板２ｄのような部材と、を備える閉鎖配電盤１によっても、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる。

複数の水平母線５のうち、最上段に配置される水平母線５と上端の部材例えば天板２ｃとの間、および、最下段に配置される水平母線５と下端の部材例えば底板２ｄとの間は、予め定められている絶縁距離だけ離間している。これにより、安全性を確保することができる。

配置可能領域（Ｈ）の上端と下端に配置される部材は、天板２ｃや底板２ｄのような導体であり、それぞれの水平母線５は、互いに第１距離（Ｘ）を存して等間隔に配置されているとともに、最上段に配置されている水平母線５は上端の部材である天板２ｃとの間に第２距離（Ｙ）を存して配置されている。

そして、最下段に配置されている水平母線５は下端の部材である底板２ｄとの間に前記第２距離（Ｙ）を存して配置されており、第１距離（Ｘ）および第２距離（Ｙ）は、距離の２乗に反比例する値であってそれぞれの水平母線５に電流を流した際の磁界の変化によって隣り合う水平母線５および他の部材に影響を与えるエネルギーが最も少なくなる距離に設定されている。これにより、水平母線５の物理的な配置によって母線の発熱による温度上昇を抑制することができる。

この場合、配置可能領域（Ｈ）の上端と下端に配置される部材は、水平母線５と共通する磁気的特性を有する導体であると仮定し、複数の水平母線５を、その数（ｎ）によらず、第１距離（Ｘ）を第２距離（Ｙ）で除した比が２．６４を基準とした所定の範囲内となるように配置することにより、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる配置構造とすることができる。この場合、比が約２．６４であるときのエネルギー量を基準として例えば１０％の範囲内を配置の目標位置としたり、水平母線５の一部が目標位置に掛かる状態で配置したりすることにより、過度に位置精度を必要とすることを抑制でき、生産性や作業性を損なうおそれを低減することができる。

水平母線５と当該水平母線５に直交して配置される垂直母線６との間を接続する接続導体９を設けたことにより、水平母線５の発熱を垂直母線６により放熱することができ、発熱を抑制することができる。このとき、実施形態のように上方に延びるダクト１０内に垂直母線６を配置することで、自然対流による冷却を促すことができ、閉鎖配電盤１内の温度上昇をより一層低減することができる。

また、実施形態では隣り合う導体への影響を考慮した配置としたが、例えば図２において、水平母線５（Ｒ）からの影響を、水平母線５（Ｔ）や水平母線５（Ｎ）あるいは底板２ｄに対しても考慮して各水平母線５の配置構造を決定することもできる。その場合であっても、第１距離（Ｘ）を第２距離（Ｙ）で除した比が２．６４を基準とした所定の範囲内となるように配置することにより、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる配置構造とすることができ、閉鎖配電盤１内の温度上昇を低減することができる。また、上記した母線の配置構造は、閉鎖配電盤１以外の配電盤に適用することもできる。

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。

図面中、１は閉鎖配電盤（配電盤）、２ｃは天板（他の部材）、２ｄは底板（他の部材）、５は水平母線、６は垂直母線、１０はダクトを示す。

Claims (4)

1. 配電盤に複数の水平母線を配置するための母線の配置構造であって、
   複数の前記水平母線は、前記配電盤内において、上端と下端とが他の部材によって制限されている配置可能領域内に配置されているとともに、前記配置可能領域の上端の部材と下端の部材との間において、それぞれの前記水平母線が互いに等間隔で上下方向に配置されており、
   前記上端の部材および前記下端の部材のうち少なくとも一方は、導体で形成されており、
   複数の前記水平母線のうち最上段に配置される前記水平母線と前記上端の部材との間、および、最下段に配置される前記水平母線と前記下端の部材との間は、予め定められている絶縁距離だけ離間しており、
   それぞれの前記水平母線は、互いに第１距離（Ｘ）を存して等間隔に配置されているとともに、最上段に配置されている前記水平母線は、前記上端の部材との間に第２距離（Ｙ）を存して配置され、最下段に配置されている前記水平母線は、前記下端の部材との間に前記第２距離（Ｙ）を存して配置されており、
   前記第１距離（Ｘ）および前記第２距離（Ｙ）は、距離の２乗に反比例する値であってそれぞれの前記水平母線に電流を流した際の磁界の変化によって隣り合う水平母線および他の部材に影響を与えるエネルギーが、最も少なくなる距離に設定されている母線の配置構造。
2. 前記上端の部材および前記下端の部材のうち少なくとも一方は、鋼板で形成されており、
   複数の前記水平母線は、銅材料で形成されており、その数によらず、前記第１距離（Ｘ）を前記第２距離（Ｙ）で除した比が２．６を基準とした所定の範囲内に配置されている請求項１記載の母線の配置構造。
3. 前記水平母線に直交して配置される垂直母線を、前記配電盤内を鉛直方向に延びるダクト内に配置した請求項１または２記載の母線の配置構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項記載の母線の配置構造で配置された水平母線と、
   導体で形成され、前記水平母線を配置することができる配置可能領域の上端および下端の少なくとも一方に設けられている部材と、
   を備える閉鎖配電盤。

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