JP7593733B2 - 静止誘導機器用ギャップ付鉄心 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、静止誘導機器用ギャップ付鉄心に関する。

静止誘導機器、例えば半導体電力変換装置に用いられる三相用の変圧器の鉄心においては、各相の巻線が夫々巻装される３本の脚部と、それらを上下に繋ぐように設けられる上下部の継鉄部とを備えて構成される。これら各脚部及び継鉄部は、電磁鋼板を複数枚積層して構成される。また、各脚部の上端部と、上部継鉄部の下面との間には、ギャップが設けられ、そのギャップ部分に非磁性材からなる絶縁物が配置されることにより、磁気飽和特性の改善等が図られるようになっている。

特開平６－２８３３５１号公報

上記のようなギャップ付の変圧器においては、ギャップ部分を挟んで、鉄心の脚部の上端部と上部継鉄部との間で拡がるように空間に漏れる漏れ磁束が生ずる。ところが、その漏れ磁束の拡がりは、３本の脚部のうち、中央部の脚部において、左右の脚部よりも大きくなるといった分布のばらつきがある。そのような漏れ磁束の分布のばらつきにより、各相のコイルインピーダンスが変るため、変圧器の特性変動をきたす虞がある。この場合、ギャップの位置を脚部のより下方にずらせることも考えられるが、ギャップが巻線の内側に隠れると製造工程が複雑になる、鉄心の自重等によりギャップの幅が均一化できなくなる、漏れ磁束によって巻線や他の構造部材の局部加熱等の影響を与える等の不具合があり、ギャップは脚部の上部に設けることが好ましい。

そこで、脚部の上端部にギャップを設けたものにあって、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑えることができる静止誘導機器用ギャップ付鉄心を提供する。

実施形態に係る静止誘導機器用ギャップ付鉄心は、巻線が巻装される複数本の脚部と、それら複数本の脚部が接合される上部及び下部の継鉄部とを備えると共に、前記各脚部の上端部と前記上部継鉄部との突合せ接合部分にギャップが設けられ、前記各脚部の上端部の側面は、前記ギャップに向けて幅狭となる傾斜面状に構成されている。

第１の実施形態を示すもので、変圧器の構成を概略的に示す斜視図 変圧器の上部を示す正面図 各種寸法の庇部における励磁電流の変動率を調べた試験結果を示す図 庇部の脚部側面からの長さ寸法Ｓを説明するための上部継鉄部の右端部の正面図（ａ）、平面図（ｂ）、上部継鉄部を取除いた平面図（ｃ） 庇部の各種寸法ａ～ｄを説明するための上部継鉄部の右端部の正面図（ａ）及び平面図（ｂ） 第２の実施形態を示すもので、変圧器の構成を概略的に示す正面図 第３の実施形態を示すもので、変圧器の構成を概略的に示す正面図 第４の実施形態を示すもので、変圧器の構成を概略的に示す正面図 １つの脚部の上端部分の斜視図 第５の実施形態を示すもので、変圧器の構成を概略的に示す斜視図 変圧器の側面図 １つの脚部の平面図 第６の実施形態を示すもので、変圧器の構成を概略的に示す斜視図 変圧器の正面図 上部部分の側面図

以下、例えばパワーエレクトロニクス用の三相用変圧器に適用したいくつかの実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、複数の実施形態間で、同一部分には同一符号を付して、繰り返しの説明を省略する。

（１）第１の実施形態
第１の実施形態について、図１から図５を参照して説明する。図１は、本実施形態の静止誘導機器としての三相用の変圧器１の要部構成を概略的に示している。この変圧器１は、本実施形態に係るギャップ付鉄心２（以下単に「鉄心２」という）に、３個の巻線３を装着して構成される。

前記鉄心２は、図で左右方向に延びる上部継鉄部４及び下部継鉄部５を備えると共に、それら継鉄部４、５間を上下に繋ぐ３本の脚部６を備えている。これら継鉄部４、５及び各脚部６は、例えばケイ素鋼板からなる電磁鋼板を、図で前後方向（厚み方向）に複数枚積層して構成される。それら継鉄部４、５と各脚部６とが突合せ接合されることにより、鉄心２全体が構成される。尚、下部継鉄部５と３個の脚部６とを一体に設ける、つまり、Ｅ字状の電磁鋼板を積層する構成としても良い。また、前記電磁鋼板としては、例えば方向性電磁鋼板が用いられる。

このとき、前記各脚部６は、図４（ｃ）に一部示すように、上面から見てほぼ八角形をなすように、前後左右の縁部がいわゆる面取りされた形態に構成されている。具体的には、図４（ｃ）に一部示すように、前後方向（積層方向）にほぼ等分の厚みの３つの部分からなり、そのうち中央部においては、同等の幅寸法の電磁鋼板が積層されている。厚み方向の前部においては、前方に向けて段階的に幅狭になる形態で電磁鋼板が積層され、後部においては、後方に向けて段階的に幅狭になる形態で電磁鋼板が積層されている。

前記巻線３は、詳しく図示はしないが、低圧側である内周側巻線３ａと、高圧側である外周側巻線３ｂを有して構成されている。図１に示すように、三相分（３個）の巻線３が、前記各脚部６の外周に巻装されている。この場合、前記各脚部６の前後左右の縁部がいわゆる面取りされた形態とされることにより、各脚部６の外形が円形に近い形態となり、巻線３を巻装した際の巻線３の内周面と脚部６との間の隙間が小さくなるよう構成されている。

さて、本実施形態の鉄心２においては、図１、図２に示すように、前記各脚部６の上端部と前記上部継鉄部４の下面との突合せ接合部分に、ギャップ７が形成されている。このギャップ７は、前記巻線３の上端部から露呈した上方部に位置している。図示はしないが、このギャップ７部分には、例えば所定厚みの絶縁紙等の非磁性材料からなる絶縁物が挿入されている。そして、前記上部継鉄部４の両端部には、両端に位置する前記脚部６よりも側方にはみ出す庇部８、８が一体に設けられている。

本実施形態では、前記庇部８、８は、上部継鉄部４と同じ断面、即ち同じ厚み及び高さ寸法で、図で左右両側に延長するように設けられている。このとき、図４、図５は、右側の庇部８を代表させて示しており、庇部８の、脚部延長６の側面からの突出長さ寸法Ｓは、平面視で少なくとも前記内周側巻線３ａに掛かる程度に延び、これと共に、平面視で少なくとも前記外周側巻線３ｂの外周縁部を越えない程度に延びている。左側の庇部８も、右側と左右対称的に設けられている。

次に、上記構成の作用・効果について、図３～図５も参照して述べる。上記構成の変圧器１においては、鉄心２の各脚部６の上端部と上部継鉄部４との間にギャップ７が設けられているので、そのギャップ７部分を挟んで、脚部６の上端部と上部継鉄部４との間で拡がるように空間に漏れる漏れ磁束が生ずる。この場合、３本の脚部６間で、漏れ磁束の分布のばらつきが生じていると、巻線３に鎖交する磁束が相違することにより、各相のコイルインピーダンスが変り、変圧器１の特性変動をきたす虞がある。

ところが、本実施形態では、上部継鉄部４の両端部に、両端に位置する脚部６よりも側方にはみ出す庇部８を設ける構成とした。これにより、左右両端に位置する脚部６、６と、中央部に位置する脚部６とが、ギャップ７を挟んで上部継鉄部４と向き合う形態、つまり上部継鉄部４との位置関係や形状を、全ての脚部６で同等とすることができる。その結果、ギャップ７部分で空間に拡がる漏れ磁束が生ずる事情があっても、漏れ磁束の分布状態．つまり脚部６と上部継鉄部４との間で空間を渡る形態は、各脚部６つまり各相において均等となり、漏れ磁束の分布のばらつきに起因した不具合の発生を未然に防止することができる。

また、本発明者らは、庇部８を設けるに際し、脚部６の側面からどの程度の長さ側方延ばすようにすれば、励磁電流の変動が抑えられるかを調べる試験を行った。その試験結果を、図３に示す。ここでは、庇部８の脚部６側面からの延長長さ寸法をＳとし、図５にも示すように、長さＳの値が、－１０ｍｍ、０ｍｍ、ａ（４０）ｍｍ、ｂ（８５）ｍｍ、ｃ（１３０）ｍｍ、ｄ（１７５）ｍｍの、６つの試料について、励磁電流の最大変動率を調べた。図３の試験結果は、横軸を脚部６の側面からの距離（ｍｍ）とし、縦軸を励磁電流の最大変動率として示している。

この結果から、寸法Ｓの値が－１０ｍｍ、０ｍｍの場合、即ち、庇部８を設けない場合には、励磁電流の最大変動率は比較的大きいものとなっていた。これに対し、ａの脚部６側面から４０ｍｍ程度、即ち平面視で内周側巻線３ａに掛かる程度の長さの庇部８では、励磁電流の最大変動率を比較的小さくすることができた。同様に、ｂ、ｃについても同等の試験結果が得られた。更に、平面視で外周側巻線３ｂの外周端部を越えるまで長くしたｄについても、効果としてはそれより短いものとさほど変わらないものとなった。

このように本実施形態の鉄心２によれば、脚部６の上端部にギャップ７を設けたものにあって、上部継鉄４部の両端部に庇部８を設けたので、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑えることができるという優れた効果を得ることができる。特に本実施形態では、庇部８の長さを、平面視で少なくとも内周側巻線３ａに掛かる程度としたので、ギャップ７における漏れ磁束の分布状態を均等化するに十分な効果を得ることができる。更に本実施形態では、庇部８の長さを、外周側巻線３ｂを越えない程度とすることにより、庇部８を徒に大型化することなく、十分な効果を得ることができる。

（２）第２の実施形態
図６は、第２の実施形態に係る変圧器１１を示している。この変圧器１１の鉄心１２は、やはり積層鉄心からなり、上部継鉄部１４及び下部継鉄部１５を備えると共に、それら継鉄部１４、１５間を上下に繋ぐ３本の脚部１６を備えている。このとき、各脚部１６の上部には、前記上部継鉄部１４に脚部１６の上端部の一部１６ａが接合された状態で、その下方にギャップ１７が設けられている。尚、上部継鉄部１４の両端部は、庇部が設けられておらず、平面視にて、脚部１６の側面にほぼ一致している。

この第２の実施形態においては、ギャップ１７の位置が、上部継鉄部１４の下面の真下でなく、それよりやや下方となる。そのため、脚部１６の途中にギャップ１７が存在する形態となり、漏れ磁束が流れる際の上部継鉄部１４までの高さ方向の距離が遠くなる。この結果、全ての脚部１６において、漏れ磁束は、ギャップ１７を挟んだ両側間で空間を膨らんで流れるように分布し、漏れ磁束の分布は各脚部で均等となる。従って、本実施例によっても、脚部１６の上端部にギャップ１７を設けたものにあって、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑えることができるという効果を得ることができる。

（３）第３の実施形態
図７は、第３の実施形態に係る変圧器２１を示している。この変圧器２１の鉄心２２は、やはり積層鉄心からなり、上部継鉄部２４及び下部継鉄部２５を備えると共に、それら継鉄部２４、２５間を上下に繋ぐ３本の脚部２６を備えている。各脚部２６の上端面と上部継鉄部２４の下面との間に、ギャップ２７が設けられている。このとき本実施形態では、各脚部２６のうち、ギャップ２７の下部に位置する一部分２６ａに関しては、圧延方向を上下方向とした方向性電磁鋼板が用いられている。そして、鉄心２２のそれ以外の部分では、無方向性の電磁鋼板が用いられている。尚、上部継鉄部２４の両端部は、庇部が設けられておらず、平面視にて、脚部２６の側面にほぼ一致している。

この第３の実施形態においては、脚部２６のうちギャップ２７の下部の一部分２６ａでは、上下方向に磁束が流れやすくなり、空間に拡がる方向に漏れ磁束が発生しにくくなる。従って、本実施形態によれば、漏れ磁束の発生自体を抑制することができ、脚部２６の上端部にギャップ２７を設けたものにあって、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑えることができるという効果を得ることができる。

（４）第４の実施形態
図８及び図９は、第４の実施形態を示している。図８に示すように、本実施形態に係る変圧器３１の鉄心３２は、やはり積層鉄心からなり、上部継鉄部３４及び下部継鉄部３５を備えると共に、それら継鉄部３４、３５間を上下に繋ぐ３本の脚部３６を備えている。各脚部３６の上端面と上部継鉄部３４の下面との間に、ギャップ３７が設けられている。このとき、図９にも示すように、各脚部３６の上端部の側面は、ギャップ３７に向けて幅狭となる傾斜面３６ａとされている。尚、上部継鉄部３４の両端部は、庇部が設けられておらず、平面視にて、脚部３６の側面にほぼ一致している。

この第４の実施形態においては、脚部３６の上端部の側面が傾斜面３６ａとされていることにより、傾斜面３６ａと上部継鉄部３４の下面との間の距離が短くなり、空間に拡がる方向に漏れ磁束が発生しにくくなる。従って、本実施形態によれば、漏れ磁束の発生自体、つまり側方空間への膨らみを抑制することができ、脚部３６の上端部にギャップ３７を設けたものにあって、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑えることができるという効果を得ることができる。

（５）第５の実施形態
次に、図１０～図１２を参照して、第５の実施形態について述べる。図１０及び図１１は、第５の実施形態に係る変圧器４１の全体構成を概略的に示している。この変圧器４１の鉄心４２は、やはり積層鉄心からなり、上部継鉄部４４及び下部継鉄部４５を備えると共に、それら継鉄部４４、４５間を上下に繋ぐ３本の脚部４６を備えている。各脚部４６の上端面と、上部継鉄部４４の下面との間には、ギャップ４７が設けられる。このとき、図１２に示すように、前記各脚部４６は、第１の実施形態で説明したと同様に、上面から見てほぼ八角形をなすように、前後左右の縁部がいわゆる面取りされた形態に構成されている。

そして、本実施形態では、図１０及び図１１に示すように、前記上部継鉄部４４は、前後方向（積層方向）にほぼ等分の厚みの３つの部分からなり、そのうち前部及び後部については、同等の幅寸法（高さ寸法）の電磁鋼板が積層されており、そのうち中央部４４ａにおいては、それらよりも大きい幅寸法（高さ方向の寸法）の電磁鋼板が積層されている。これにて、上部継鉄部４４は、厚み方向の中央部が、前部、後部に比べて断面積が大きくなる形状に構成されている。尚、図１１に示すように、下部継鉄部４５についても、上部継鉄部４４と対称的に、中央部４５ａが下方に凸となる形態に構成されている。

この第５の実施形態においては、各脚部４６は、厚み方向中央部の磁気抵抗が、前部及び後部の磁気抵抗よりも小さくなり、厚み方向中央部で磁束が流れやすくなり、前後部において相対的に磁束が流れにくくなる。また、上部継鉄部４４においても、厚み方向中央部４４ａの磁気抵抗が、前部及び後部の磁気抵抗よりも小さくなり、厚み方向中央部４４ａで磁束が流れやすくなり、前後部において相対的に磁束が流れにくくなる。これによって、ギャップ４７部分における空間に拡がる方向に漏れ磁束が発生しにくくなる。

本実施形態によれば、鉄心４２の厚み方向中央部で磁束が流れやすくなり、厚み方向前後部において相対的に磁束が流れにくくなることにより、漏れ磁束の発生自体を抑制することができる。この結果、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑えることができるという効果を得ることができる。

（６）第６の実施形態、その他の実施形態
図１１～図１３は、第６の実施形態を示すものであり、上記第５の実施形態と異なる構成について以下に述べる。この第６の実施形態に係る変圧器５１の鉄心５２は、やはり積層鉄心からなり、上部継鉄部５４及び下部継鉄部５５を備えると共に、それら継鉄部５４、５５間を上下に繋ぐ３本の脚部５６を備えている。各脚部５６の上端面と、上部継鉄部５４の下面との間には、後述のようにギャップ５７が設けられる。

このとき、各脚部５６は、前後方向（積層方向）にほぼ等分の厚みの３つの部分からなり、そのうち前部及び後部において、上面から見てほぼ八角形をなすように、前後左右の縁部がいわゆる面取りされた形態に構成されている。そして、図１３に示すように、各脚部５６の３つの部分のうち中央部は、高さ寸法が他よりやや小さい電磁鋼板が積層され、これにより、各脚部５６の上端部には、厚み方向の中央部に、凹溝部５６ａが形成されている。

これに対し、上部継鉄部５４の下面部は、厚み方向中央部が、前部及び後部よりも高さ方向に長い（下向きに長い）電磁鋼板が積層されて構成されていることにより、前記凹溝部５６ａに噛合うような、下方に凸状とされた凸部５４ａが設けられている。これにより、各脚部５６の上端面と、上部継鉄部５４の下面部との間に形成されるギャップ５７は、側面から見て凹凸状とされている。更に、上部継鉄部５４の両端部には、庇部５８が一体に設けられている。下部継鉄部５５については、下面がフラットな形態とされている。

このような第６の実施形態によれば、上部継鉄部５４の両端部に庇部５８を設けたことにより、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑えることができる。そして、上記第５の実施形態と同様に、鉄心５２全体として、厚み方向中央部で磁束が流れやすくなり、前後部において相対的に磁束が流れにくくなる。これによって、ギャップ５７部分における空間に拡がる方向に漏れ磁束が発生しにくくなる。この結果、本実施形態によれば、脚部５６の上端部にギャップ５７を設けたものにあって、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑える効果をより高いものとすることができる。これに加えて、上部継鉄部５４を、高さ方向に大きくすることなく、中央部の断面積を大きくすることが可能となる。

尚、上記第６の実施形態では、上部継鉄部５４に、庇部５８を設けるように構成したが、庇部５８がなくとも、各相における漏れ磁束の分布のばらつきを抑える効果を得ることができる。また、上記各実施形態では、静止誘導機器としての三相の変圧器に適用するようにしたが、静止誘導機器として４相以上の変圧器に適用することも可能である。リアクトルに適用することも可能である。その他、継鉄部と脚部との接合構造などについても、様々な変形が可能である。

以上説明した実施形態は、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、１１、２１、３１、４１、５１は変圧器（静止誘導機器）、２、１２、２２、３２、４２、５２は鉄心（ギャップ付鉄心）、３は巻線、４、１４、２４、３４、４４、５４は上部継鉄部、５、１５、２５、３５、４５、５５は下部継鉄部、６、１６、２６、３６、４６、５６は脚部、７、１７、２７、３７、４７、５７はギャップ、８、５８は庇部を示す。

Claims (2)

1. 巻線が巻装される複数本の脚部と、
   それら複数本の脚部が接合される上部及び下部の継鉄部とを備えると共に、
   前記各脚部の上端部と前記上部継鉄部との突合せ接合部分にギャップが設けられ、
   前記各脚部の上端部の側面は、前記ギャップに向けて幅狭となる傾斜面状に構成されている静止誘導機器用ギャップ付鉄心。
2. 巻線が巻装される複数本の脚部と、
   それら複数本の脚部が接合される上部及び下部の継鉄部とを備えると共に、
   前記各脚部の上端部と前記上部継鉄部との突合せ接合部分にギャップが設けられ、
   前記脚部のうち少なくとも両端に位置する脚部は、側面のうち厚み方向の前部において、前方に向けて幅狭になる形状とされ、側面のうち厚み方向の後部において、後方に向けて幅狭になる形状とされ、
   前記上部継鉄部は、厚み方向の中央部が、前部、後部に比べて断面積が大きくなる形状に構成されており、
   前記各脚部の上端部は、厚み方向の中央部が凹溝状に構成されると共に、前記上部継鉄部の下面部は、厚み方向の中央部が凸状に構成され、
   それらの間に前記ギャップが設けられる静止誘導機器用ギャップ付鉄心。
   

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