JPH04252010A - 変圧器用ギャップ付鉄心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、大容量半導体電力変換
装置に使用される変圧器用ギャップ付鉄心に関する。

【０００３】

【従来の技術】半導体電力変換装置に使用される変換器
用変圧器には、直流側巻線と交流側巻線を１つの鉄心に
巻装したユニット変圧器数台で構成され、その直流側巻
線にはＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）とダイオ
ードとからなるブリッジ構成の変換器数台が接続され、
その交流側巻線は数台分を直列に接続して電源または負
荷に接続する、いわゆる直列多重電圧形のインバータま
たはコンバータ用のものがあるが、この方式はその動作
の速応性、電源側の力率び高調波に関して良好な特性が
得られる。ところが、通常の変圧器における鉄心は、け
い素鋼板の抜板接合部の隙間を小さくして磁気抵抗を小
さくし、鉄損，励磁電流及び振動騒音をより小さくする
が、前述の変換器用変圧器では次の２つの理由によりそ
の鉄心にはギャップを設け、磁気抵抗をある程度に大き
くする必要がある。 （１）　ＧＴＯの僅かなオン・オフのタイミングのずれ
や制御上のずれ及び変圧器を含む回路のインピーダンス
特性の差等により、直流成分の電流が発生する。この直
流電流が変圧器巻線に流れると、鉄心には直流偏磁が発
生して鉄心が飽和し、励磁電流が増大するので、電力変
換装置としての特性を悪化させると共に変圧器の損失が
増加し、振動・騒音が大きくなる。この直流偏磁現象を
完全に防止することは困難であるので、鉄心にギャップ
を設けることにより鉄心の磁気抵抗を大きくし、その偏
磁量を小さくして定格電流の１％程度の直流電流が流れ
ても鉄心飽和にならないようにする。このため、直流電
流と偏磁量の関係を満足するように鉄心のギャップを設
計し、工作しなければならない。 （２）　直列接続される交流側巻線の分担電圧が均一と
なるようにしないと、電力変換装置としての動作を良好
に維持できないので、ユニット変換器間でその励磁イン
ピーダンス、即ち鉄心の磁気抵抗を同一にする必要があ
る。 この磁気抵抗を同一にすることは、鉄心の材質による磁
気材質による磁気特性のバラツキや抜板接合部の隙間の
不揃い等が存在するため、通常では困難であるが、ギャ
ップを設け、そのギャップ長を各変圧器で正確に等しく
なるように製造管理することにより、励磁インピーダン
スのバラツキを数％以内にすることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の電力
変換装置では、必要とするユニット変圧器の容量が小さ
く直列にする台数も少なかったので、鉄心をユニット変
圧器ごとに独立させた構造でも特に問題はなかった。し
かしながら、最近注目されている磁気浮上式鉄道用電力
変換装置や、電力系統の安定化を目的として自励式イン
バータを用いた静止形無効電力発生装置等はその容量が
大きくなるため、使用するユニット変圧器の容量も大き
く、直列にする台数も多くなり、装置全体が大規模なも
のとなる。そして、大規模な装置になれば、その変圧器
も大形化しその鉄心も大きく重量が重くなるため、ギャ
ップ長の調整等その工作が困難であった。

【０００５】本発明の目的は、鉄心の磁気抵抗を所望の
値に合せるためのギャップ長の調整が容易にでき、しか
もユニット変圧器の鉄心複数台分を１つの鉄心で構成す
ることにより、変圧器の小形化を可能とした変圧器用ギ
ャップ付鉄心を提供することにある。 ［発明の構成］

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、変圧器巻線を
巻装する複数本の主脚と、変圧器巻線を巻装しない１本
の副脚と、主脚と副脚を接合する下部ヨーク及び上部ヨ
ークとにより構成された変圧器用ギャップ付鉄心におい
て、主脚と上部ヨークとの間に磁気的絶縁物のギャップ
を取付け、且つ、上部ヨークの主脚間及び主脚と副脚間
にラップ接合の継ぎ目部を設けるようにしたものである
。

【０００７】

【作用】変圧器巻線を巻装する複数本の主脚を備えてい
るので、ユニット変圧器１台分の変圧器巻線を１本の主
脚に巻装することができ、ユニット変圧器２台分以上を
１つの鉄心で構成することができる。また、主脚と上部
ヨークとの間に磁気的絶縁物のギャップを取付けている
ので、鉄心の磁気抵抗が大きくでき、しかもそのギャッ
プの取付位置が変圧器巻線より上部であるから上部ヨー
クの取外しだけでギャップ長の調整が容易にできる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例を示す正面図である
。同図に示すように、変圧器用ギャップ付鉄心１は、直
流側巻線２と交流側巻線３を巻装した主脚４，４の中央
に巻線を巻装していない副脚５を１本設け、これら主脚
４と副脚５の上部及び下部をそれぞれ下部ヨーク６及び
上部ヨーク７で接合し、特に各主脚４と上部ヨーク７の
間には磁気的絶縁物であるギャップ８が取付けられてい
る。また、上部ヨーク７の主脚４と副脚５の間には、ラ
ップ接合の継ぎ目部９が設けられている。そして、主脚
４と副脚５を構成する抜板の表面には、それぞれ図示し
ない当て板が取付けられ、下部ヨーク６及び上部ヨーク
７を構成する抜板の表面には、図示しないクランプが取
付けられ、ボルトの締付またはガラステープ等によりバ
インド締付けされている。また、ギャップ８を通過する
磁束により、ギャップ部に磁気的吸引力が作用し振動・
騒音が発生するので、下部ヨーク６，主脚４，ギャップ
８及び上部ヨーク７には、上下方向に図示しない締付ス
タッドにより強固に締付けられている。さらに、図２の
拡大平面図に示すように上部ヨーク７は、けい素鋼板の
抜板を積層して構成されており、その継ぎ目部９では抜
板が寸法Ａでラップ接合され、左右の上部ヨーク７は磁
気的に接合されているが、上下方向には相対的に移動が
可能となるように構成されている。

【０００９】次に、以上のように構成されている実施例
の作用を説明する。もし、上部ヨーク７が継ぎ目部９の
ない１体のものであれば、下部ヨーク６と上部ヨーク７
を上下に締付けることによって主脚４とギャップ８及び
副脚５には圧縮力が作用するが、製作上の寸法公差、組
立上の誤差等により接合部には隙間が生じたり、上下部
ヨークが突っ張ったりし、また、主脚４、副脚５の上下
方向の寸法にバラツキがあると、ギャップ８が適切な圧
力で締付けられず、振動・騒音が増加する恐れがある。 しかしながら、本実施例では上部ヨーク７には継ぎ目部
９があり上記した各誤差を吸収して締付力が均一に加わ
るので、振動・騒音の増加を抑制することができる。特
に、変圧器を運転した場合に鉄心の温度が高くなると、
主脚４と副脚５の間で熱膨張による伸びの差が生じ、上
部ヨーク７を押し曲げたりして過度の応力や圧縮応力が
発生し、磁気歪が大きくなり振動・騒音が増大るするが
、本実施例の構成では継ぎ目部９の作用によって過度の
力は発生しないので、磁気歪による振動・騒音の増大を
抑制することができる。また、ギャップ長の調整方法は
、まず、主脚４と副脚５を下部ヨーク６で接合し主脚４
に巻線２，３を挿入し、主脚４の上部にはギャップ８を
取付けた後上部ヨーク７を取付け組立てる。そして、各
脚の励磁イピーダンスを測定し所望の値を満足しない場
合には、一旦組立てた上部ヨーク７を取外してギャップ
８の寸法Ｇを調整し、再度上部ヨーク７を組立て、励磁
インピーダンスが所望の値を満足するように調整する。 このようにギャップ８の寸法Ｇを調整することにより主
脚４とギャップ８の合計高さが他脚間で異なっても上部
ヨーク７には継ぎ目部９があるので上部ヨーク７を上下
方向に相対的に移動させればよい。次に、本実施例の鉄
心が従来の複数台のユニット変圧器で別鉄心とした場合
と同様な作用を果たすことを図３により説明する。 即ち、図３は、図１に示すギャップ付鉄心１の等価回路
図で、電源表示のＥａ　，Ｅｂ　は、その主脚に磁束を
流すための励磁電流とその励磁電流が流れる巻線の巻回
数の積で求められる起磁力でる。抵抗表示のＲ１とＲ２
は、各磁路の磁気抵抗で、Ｒ１は主脚４，ギャップ８，
下部ヨーク６と上部ヨーク７で主脚４と副脚５の間に相
当する磁気回路分、Ｒ２は副脚５に相当する磁気回路分
である。ここで、抵抗Ｒ１は、ギャップ８を有するため
、ギャップを有しない抵抗Ｒ２よりはるかにその値は大
きい。もし抵抗Ｒ２が小さく、抵抗Ｒ１に比べ無視でき
る程度の値であり、図３で例えば左側の主脚にのみ起磁
力Ｅａ　が発生し磁束φａ　が流れる場合について考え
ると、副脚５に流れる磁束φ０　が大きくなり、右側の
主脚４に流れる磁束φｂ　は小さく無視できることにな
る。同様に右側の主脚にのみ起磁力Ｅｂ　が発生した場
合の磁束φｂ　の流れ方も磁束φ０　が大きく、φａ　
は小さく無視できることになる。したがって、次のこと
が云える。即ち、１つの主脚に発生した磁束は、他の主
脚には流れず、副脚５を通って流れるので、主脚間では
磁気的結合が無視でき従来のユニット変圧器で別鉄心に
した場合と同等になり、各主脚ごとの巻線で別々の電圧
制御即ちパルス幅制御またはパルス位相制御の方式とし
ても支障はない。なお、副脚５に流れる磁束φ０　は、
磁束φ０　は磁束φａ　と磁束φｂ　のベクトル差であ
るから、磁束φ０　が小さくなるように主脚４に巻装す
る巻線の巻き方向を選択する。 この変換装置の運転条件には、起磁力Ｅａ　，Ｅｂ　の
大きさが異なる場合と等しくなる場合とがある。Ｅａ　
とＥｂ　が等しくなる場合には磁束φａ　，φｂ　が略
同じとなり、磁束φ０　は小さく副脚５の部分の鉄損が
少なくなり、鉄心全体での発生鉄損が少なくできる利点
がある。

【００１０】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、主脚の本数は任意に変更でき、さら
に他の部分の構成も本発明の要旨を変更しない範囲で種
々変形できる。例えば図１において、矢印１０で示す方
向は、方向性けい素鋼板の圧延方向であり、上述した実
施例ではその方向に磁束が流れるようにして発生損失を
少なくしているが、主脚４によりギャップ８を通って上
部ヨーク７へ流れる磁束については、上部ヨーク７の部
分ではその圧延方向と直角方向に流れる成分があるため
、その部分の発生損失が大きくなり局部過熱の原因にな
る。そこで、本発明を適用する装置がさらに大容量とな
り、その鉄心が大形になる場合や発生損失を特に少なく
する必要がある場合には、図４に示すように構成しても
よい。即ち、図４は、主脚４を３本としたギャップ付鉄
心２０を示し、ギャップ８に接する上部ヨーク７を三角
形に切欠き、その部分に抜板２１，２２をその圧延方向
１０が上下方向になるように取付ける。このような構成
とすることにより、主脚４よりギャップ８を通って上部
ヨーク７へ流れる磁束は、抜板２１，２２をスムーズに
流れ圧延方向に磁束が流れるように改善され、前述した
発生損失の増加が少なくなり、局部過熱の防止に効果が
ある。なお、副脚５に流れる磁束φｂ　は、各主脚４に
流れる磁束φｕ　，φｖ　，φｗ　のベクトル和である
から、φｕ，φｖ　，φｗ　の各大きさが同じで　１２
０度ずつの位相がある三相の運転条件の場合には、磁束
φ０　は零となるので、副脚５の部分には鉄損が発生し
なくなり、鉄心全体での発生鉄損が少なくなる利点があ
る。

【００１１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、複
数本の主脚と１本の副脚を上・下部ヨークで接合すると
共に、各主脚と上部ヨークとの間にギャップを取付け、
且つ、上部ヨークの脚間にラップ結合の継ぎ目部を設け
るようにしているので、簡単な構成にもかかわらず１つ
の多相鉄心に数組の巻線を巻装することが可能となり、
変圧器を小形化しギャップ長の調整が容易に行え、ギャ
ップ部に発生する磁気吸引力及びけい素鋼板の磁気歪に
よる振動・騒音を抑制できる変圧器用ギャップ付鉄心を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す正面図。

【図２】図１の“Ｘ”矢印方向に見た拡大平面図。

【図３】本発明の一実施例の作用を説明する磁気的等価
回路図。

【図４】本発明の他の実施例の構成を示す正面図。

【符号の説明】

２…直流側巻線、３…交流側巻線、４…主脚、５…副脚
、６…下部ヨーク、７…上部ヨーク、８…ギャップ、９
…継ぎ目部、１０…圧延方向。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　変圧器巻線を巻装する複数本の主脚と
   、変圧器巻線を巻装しない１本の副脚と、前記主脚と前
   記副脚を接合する下部ヨーク及び上部ヨークとで構成さ
   れた変圧器用ギャップ付鉄心において、前記主脚と前記
   上部ヨークとの間に磁気的絶縁物のギャップを取付け、
   且つ、前記上部ヨークの前記主脚間び前記副脚間にラッ
   プ接合の継ぎ目部を設けたことを特徴とする変圧器用ギ
   ャップ付鉄心。