JPH04364011A - ヘリカルコイル - 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】

【産業上の利用分野】この発明は、変圧器やリアクトル
などの比較的大電流、低電圧の巻線に多く使用される多
数の並列接続される電線束を転位しながら巻線するヘリ
カルコイルに関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来のヘリカルコイルの構成を示
す模式的な断面図である。電線１０は銅又はアルミなど
の良導体からなる平角線に絶縁紙などで絶縁被覆された
もので図ではその断面形状を正方形にしてあるが、実際
には半径方向の寸法である厚みが小さく軸方向寸法であ
る幅が大きい長方形断面をしている。

【０００３】ヘリカルコイル１は円筒状をしていて図の
左側が内径側であり、上下方向が軸方向、左から右に向
かう方向が半径方向である。ヘリカルコイル１は、軸方
向並べ数ｎｚ　が２、半径方向重ね数ｎｒ　が４で電線
束としての本数は８、転位本数ｍが２である。実際のヘ
リカルコイルでは重ね数ｎｒ　は１０乃至はそれ以上の
大きな数が普通であり、この図は図が複雑になるのを避
けるために単純化してある。

【０００４】電線１０にはそれぞれ１から８の番号を付
してある。４つのブロック１１，１２，１３，１４のそ
れぞれの中では図示のような電線配置となっており、隣
のブロックに渡る位置で図示しない転位が行われて各電
線の配置が変わる。各ブロック１１，１２，１３，１４
それぞれでの同じ電線番号は電気的に直列になっており
、実際の巻線作業時においては１本の電線が連続して巻
回されており、したがってこのヘリカルコイル１では８
本の電線１０からなる電線束を同時に巻回し転位箇所で
転位しながら軸方向に重ねて順次巻回してゆくことによ
って形成されるものである。

【０００５】転位を行うのはそれぞれの電線１０の電流
をなるべく均一にするためである。それぞれの電線１０
に流れる電流が不平衡になる理由は、巻線１、２に流れ
る負荷電流によって生ずる漏れ磁束の鎖交量がそれぞれ
の電線１０によって異なることに起因するものである。 鎖交磁束量が電線１０ごとで異なると誘起電圧に差が生
じこれを打ち消すように循環電流が流れるもので、この
循環電流は誘起電圧の差を電線１０の抵抗で除した値に
なるが、電線１０の抵抗値は非常に小さいので僅かの誘
起電圧の差に対しても無視できない循環電流が流れるの
である。

【０００６】電線番号１の電線１０を以下電線１０１と
称する。同じようにして電線番号２〜８の電線は１０２
〜１０８と称することにする。電線１０１に着目すると
、ブロック１１ではこの電線１０１は上の段の最内径側
に位置している。ブロック１１からブロック１２に移る
過程で図示しない転位が行われ、電線１０１の位置は外
径側に２電線分移動する。この場合の転位は２本の電線
が同時に位置を移動する２本転位としている。したがっ
て、電線１０２の移動数も２となる。ブロック１３で更
に移動して電線１０１は下の段の最外径側になる。ブロ
ック１４では下の段の内径側から２つめに位置する。 もし、もう一度転位すればブロック１１と同じ位置に戻
ることになる。このように電線１０１は上の段を右に移
動し下の段に移って左に移動するという回転するような
移動をする。他の電線も同様に回転移動する。

【０００７】このような回転移動の結果、電線１０１は
ブロック１１で最内径側の位置、ブロック１４で内径側
から２つめ、ブロック１２で３つめ、ブロック１３で４
つめ、言い換えれば最外径側に位置することになり、４
つの異なる半径方向位置に全て位置している。他の電線
１０２〜１０８も同様であり、全ての電線１０は半径方
向位置に関して平等の位置関係になる。漏れ磁束の鎖交
量は主に半径方向に応じて変化することからこのような
転位によって電線１０１〜１０８それぞれの鎖交磁束量
がおおよそ平衡するようになる。また、全ての電線１０
は半径方向位置の関係が平等であるということは電線１
０１〜１０８の長さが同じになっているとも言える。ヘ
リカルコイルに限らず複数の並列電線からなる変圧器の
巻線は巻線の種類に応じた転位が行われるが、巻線の種
類に関係なく殆ど例外なしに並列接続される電線の長さ
が同じになるように転位されている。

【０００８】実際には漏れ磁束の分布は後述するように
軸方向位置よって変化している。特に軸方向端部では漏
れ磁束が拡散するために電線の鎖交量が小さくなること
から、前述のように半径方向位置を平等にしてもそれぞ
れの電線の鎖交磁束が完全に平衡することはない。

【０００９】図３は変圧器の巻線断面配置と漏れ磁束分
布を示す模式図である。この図において鉄心３に挿入さ
れる形で低圧巻線としてのヘリカルコイル１が設けられ
、その外径側に所定の間隔を隔てて高圧巻線２が配置さ
れている。実際の変圧器ではヘリカルコイル１と鉄心３
との間に三次巻線が配置された３巻線変圧器もある。 また、三次巻線がヘリカルコイルのこともある。

【００１０】これらの巻線１，２に誘起される電圧の殆
どは鉄心３に流れる磁束によるものである。一方、巻線
１，２に負荷電流が流れると漏れ磁束が発生する。この
図での点線で示す磁束線３がおおよその漏れ磁束の分布
を示している。

【００１１】Ａ−Ａ線で示す巻線１，２の軸方向中央部
では磁束線４は一様に軸方向に向いており、Ｂ−Ｂ線で
示す巻線１，２の端部近傍では左右に広がる分布となっ
ている。

【００１２】図４は図３のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線での漏れ
磁束の磁束密度の分布を示すグラフである。この図にお
いて、Ａ−Ａ線上の磁束密度分布Ａは台形状をしており
、左側の右上がりの傾斜部はヘリカルコイル１の内部の
、右側の右下がりの傾斜部は高圧巻線２の磁束密度のそ
れぞれ分布であり、これらの間の平坦部は高圧巻線２と
ヘリカルコイル１との間の電流が流れない空間の分布で
ある。Ｂ−Ｂ線上の磁束密度分布Ｂは磁束密度分布Ａに
比べて値が約２分の１になっている。これは２つの対向
する巻線の高さ位置が一致している場合に共通して成立
していることである。

【００１３】図５はヘリカルコイル１の電線１０の半径
方向位置の違いによる鎖交磁束量の違いを説明する説明
図である。この図において、上の図は図２の一部を取り
出した電線束の断面図、中央の図は図４の一部を取り出
した磁束密度分布図、下の図は鎖交磁束分布をそれぞれ
示すグラフである。この図の横軸はヘリカルコイル１の
内径を原点にした半径方向座標ｘ、下の図の縦軸はｘ＝
０を基準にしたｘ点での鎖交磁束Φである。

【００１４】図示のように、最内径位置の電線の中心座
標をｘ１　、２つめをｘ２　、３つめをｘ３　、４つめ
をｘ４　とし、それぞれに対応する鎖交磁束Φの値をΦ
１　、Φ２　、Φ３　、Φ４　とする。

【００１５】鎖交磁束Φは磁束密度Ｂをｘで積分した値
である。ヘリカルコイル１内での磁束密度Ｂは実用上ｘ
に比例するとしてよいので、これをｘで積分して得られ
る鎖交磁束Φはｘの二乗に比例する。したがって、次式
が成立する。ｋは比例係数である。 Φ１　＝ｋｘ１２、Φ２　＝ｋｘ２２、Φ２　＝ｋｘ２
２、Φ３　＝ｋｘ３２、Φ４　＝ｋｘ４２　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（１）

【００１
６】電線１０の半径方向寸法をｂとすると、ｘ１　＝（
１／２）ｂ、ｘ２　＝（３／２）ｂ、ｘ３　＝（５／２
）ｂ、ｘ４　＝（７／２）ｂ　　‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（２）であるか
ら、 Φ１　＝（１／４）ｋｂ２　、Φ２　＝（９／４）ｋｂ
２　、Φ３　＝（２５／４）ｋｂ２　、Φ４　＝（４９
／４）ｋｂ２　　　‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥
‥‥（３）となる。

【００１７】図６は漏れ磁束の強さの軸方向分布を示す
グラフである。この図において、横軸は図３のＡ−Ａ線
の位置を原点とした軸方向寸法をヘリカルコイル１の軸
方向寸法である巻線高さを１とした比率で表しており、
縦軸はヘリカルコイル１の半径方向の中心部の軸方向磁
束密度を原点での値を１とした比率で表してある。鎖交
磁束Φはこの磁束密度に比例するとしてよいから、この
グラフは同時に鎖交磁束の強さの軸方向分布を表してい
ることになる。

【００１８】図から明らかなように、磁束密度は原点か
ら離れて巻線端部に近づくと急激に減少し巻線端部であ
るｘ＝０．５の点で約０．５になっている。

【００１９】今、仮に図２のブロック１２と１３のそれ
ぞれの電線の鎖交磁束Φは（３）式に従い、ブロック１
１，１４はこれらの２分の１、すなわち（３）式の比例
係数ｋに対して（１／２）ｋであるとする。すなわち、
ブロック１２，１３の４本の電線の鎖交磁束を内径側か
らΦＡ１，ΦＡ２，ΦＡ３，ΦＡ４、ブロック１１，１
４の４本の電線の鎖交磁束を内径側からΦＢ１，ΦＢ２
，ΦＢ３，ΦＢ４とすると、 ΦＡ１＝（１／４）ｋｂ、ΦＡ２＝（９／４）ｋｂ、Φ
Ａ３＝（２５／４）ｋｂ、ΦＡ４＝（４９／４）ｋｂ、
ΦＢ１＝（１／８）ｋｂ、ΦＢ２＝（９／８）ｋｂ、Φ
Ｂ３＝（２５／８）ｋｂ、ΦＢ４＝（４９／８）ｋｂ　
　‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（４）である。

【００２０】電線１０１〜１０８のそれぞれの鎖交磁束
の和を以上の関係式から求めると次表になる。ただし、
（ｋｂ／８）の記載を省略し分数の分子だけで表示して
ある。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表１　　　　━━━━━━━━━━
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━　　　　
　　フ゛ロック番号　　　　　　　　　　　　　　　　
電線番号　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１　　　
　２　　　　３　　　　４　　　　５　　　　６　　　
　７　　　　８　　　　　　────────────
───────────────────　　　　　　
　　１１　　　　　１　　　　　９　　　　２５　　　
　４９　　　　４９　　　　２５　　　　　９　　　　
　１　　　　　　　　　　１２　　　　５０　　　　９
８　　　　９８　　　　５０　　　　１８　　　　　２
　　　　　２　　　　１８　　　　　　　　　　１３　
　　　９８　　　　５０　　　　１８　　　　　２　　
　　　２　　　　１８　　　　５０　　　　９８　　　
　　　　　　　１４　　　　　９　　　　　１　　　　
　１　　　　　９　　　　２５　　　　４９　　　　４
９　　　　２５　　　　　　────────────
───────────────────　　　　　　
合計　　　　　１５８　　　１５８　　　１４２　　　
１１０　　　　９４　　　　９４　　　１１０　　　１
４２　　　　　　　　━━━━━━━━━━━━━━━
━━━━━━━━━━━━━━━━

【００２１】この表
から明らかなように電線間に鎖交磁束の差が出ているの
が分かる。その原因はブロック１１，１４がブロック１
２，１３に比べて小さいからである。この表で鎖交磁束
が最も大きいのは電線１０１、１０２であり、これらは
鎖交磁束が大きなブロック１２，１３で外径側に位置す
るために鎖交磁束が大きくなり、電線１０５，１０６は
ブロック１１，１４で鎖交磁束の小さな外径側に位置す
るために鎖交磁束が小さくなったものである。

【００２２】実際のヘリカルコイル１は前述のように電
線１０の重ね数は１０かそれ以上が普通である。したが
って、それぞれのブロックごとの鎖交磁束の大きさは図
６のようにブロックごとに異なるのであるが、巻線端部
のブロックの鎖交磁束が中央部のブロックに比べて小さ
いという点は共通であり、その結果電線１０ごとに鎖交
磁束が異なるという現象が生ずる点も同様である。

【００２３】このような電線１０ごとの鎖交磁束の差が
生ずるために電線１０間に循環電流が流れて電流の分担
が不平衡になり、この不平衡度が大きくなると負荷損の
増大、電線の温度上昇の過大など重大な問題が生ずる。

【００２４】図２に示す転位はヘリカルコイル１全体で
電線位置が１回転することから１回転位と呼ばれている
。このような１回転位の場合に鎖交磁束の差が大きくて
電流の不平衡の程度が過大になる場合には電線位置の移
動を２回転させる２回転位が採用される。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、１回転
位では電流の不平衡が過大になるために２回転位を採用
すると、１回転位の場合に比べて転位箇所が約２倍にな
る。例えば、重ね数ｎＲ　が１０、並べ数ｎＺ　が２、
転位本数ｍが２の場合、１回転位では転位箇所が９に対
して２回転位の場合は１９になる。

【００２６】転位は電線１０を延びたＳ字状に折り曲げ
ることによって軸方向位置を変えることによって構成さ
れるが、このような転位部の形成にかなりの加工工数を
要すること、電線１０を折り曲げることによる絶縁耐力
や、機械的強度などの低下の要因となることなどから、
転位箇所はなるべく少ないのが望ましい。したがって、
電流の不平衡の程度と転位箇所の増大とを勘案して適切
な転位回数が決定される。

【００２７】前述のように１回転位では電流の不平衡が
過大になってしまう場合には２回転位が採用されること
になるが、転位箇所が約倍になるために前述のように加
工工数の増大、信頼性低下の要因の増大という問題があ
る。

【００２８】この発明の目的は、このような問題を解決
し、転位回数を増大することなしに電流の不平衡を効果
的に低減することのできるヘリカルコイルを提供するこ
とにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、絶縁被覆された平角導体からな
る電線を軸方向に複数本並べ、これを半径方向に複数本
重ねて構成された電線束を、所定の位置で前記電線束の
それぞれの電線の相対位置が回転するように変わる転位
を行いながら巻回し、軸方向に積層して円筒状に成形し
前記電線束を電気的に並列接続してなるヘリカルコイル
において、軸方向並べ数をｎｚ　、半径方向重ね数をｎ
ｒ　、転位を同時に行う電線の本数である転位本数をｍ
としたとき、転位箇所の数ｎｔ　が（ｎｚ　×ｎｒ　／
ｍ）の整数倍であるものとする。

【００３０】

【作用】この発明の構成において、ヘリカルコイルが転
位箇所によって区分けされた部分をブロックと称し、ヘ
リカルコイルの軸方向の両端のブロックが漏れ磁束を鎖
交する量は中央部のブロックよりも小さいために、電線
間の鎖交磁束の不平衡とこれに伴う電流の不平衡が生ず
るが、転位箇所の数ｎｔ　を従来よりも１増やして、（
ｎｚ　×ｎｒ　／ｍ）の整数倍にすることにより、巻始
めの最初のブロックと最後のブロックとの電線の配置が
同じになるので、鎖交磁束の不平衡を補償することにな
って鎖交磁束の不平衡の程度が小さくなる。

【００３１】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。 図１はこの発明の実施例のヘリカルコイルの構成を示す
模式的な断面図であり、軸方向並べ数ｎｚ　、半径方向
重ね数ｎｒ　、転位本数をｍは図２のヘリカルコイル１
と共通である。この図の図２との違いはブロックの数が
１１Ａから１５Ａの５つであることであり、ブロック１
１Ａからブロック１４Ａまでの電線の配置は図２と同様
である。図１のヘリカルコイル１Ａは更にもう一度転位
してブロック１５Ａを形成したもので、このブロック１
５Ａの電線の配置はブロック１１Ａと同じである。すな
わち、両端のブロック１１Ａ，１５Ａは同じ電線配置と
なっている。ブロック数が図２に対して１つ多いので巻
数が同じであるとするとブロック１１Ａ〜１５Ａのそれ
ぞれの巻数はブロック１１〜１４のそれの５分の４にな
っている。

【００３２】前述の表１と同様に両端のブロック１１Ａ
，１５Ａが他のブロックに対して２分の１と仮定したと
きの各電線１〜８の鎖交磁束の和は次表となる。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表２　　　　━━━━━━━━━━
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━　　　　
　　フ゛ロック番号　　　　　　　　　　　　　　　　
電線番号　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１　　　
　２　　　　３　　　　４　　　　５　　　　６　　　
　７　　　　８　　　　　　────────────
───────────────────　　　　　　
１１Ａ　　　　　１　　　　　９　　　　２５　　　　
４９　　　　４９　　　　２５　　　　　９　　　　　
１　　　　　　　　１２Ａ　　　　５０　　　　９８　
　　　９８　　　　５０　　　　１８　　　　　２　　
　　　２　　　　１８　　　　　　　　１３Ａ　　　　
９８　　　　５０　　　　１８　　　　　２　　　　　
２　　　　１８　　　　５０　　　　９８　　　　　　
　　１４Ａ　　　　１８　　　　　２　　　　　２　　
　　１８　　　　５０　　　　９８　　　　９８　　　
　５０　　　　　　　　１５Ａ　　　　　１　　　　　
９　　　　２５　　　　４９　　　　４９　　　　２５
　　　　　９　　　　　１　　　　　　───────
────────────────────────　
　　　　　合計　　　　　１６８　　　１６８　　　１
６８　　　１６８　　　１６８　　　１６８　　　１６
８　　　１６８　　　　　　　　━━━━━━━━━━
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

【００３
３】この表から明らかなように全ての電線が同じ鎖交磁
束の和になっている。ただこの結果は、両端のブロック
１１Ａ，１５Ａだけが他のブロック１２Ａ〜１４Ａに対
して鎖交磁束が２分の１であるという仮定から出たもの
であって、この値を０．６にすると電線番号４，５の電
線１０の鎖交磁束の和が最大、電線番号１，８の電線１
０が最小になり、０．８にすると、ブロック１５Ａを設
けたことによって逆に不平衡の程度が大きくなってしま
うという結果になる。

【００３４】実際のヘリカルコイル１は前述のように電
線１０の本数はもっと多くしたがってブロックの数も多
く、それぞれのブロックの鎖交磁束の大きさもブロック
ごとに異なるので、鎖交磁束の和を求めるのは前述のよ
うに簡単ではない。また、転位箇所を１箇所増やしたこ
とによる電線１０間の電流不平衡の改善の程度は異なる
。実際の鎖交磁束や電流はコンピュータを使用しての計
算される。

【００３５】種々の仕様の変圧器のヘリカルコイルにつ
いて電流不平衡を求めた結果によると、転位箇所を１つ
増やすことによって殆どの場合電流不平衡は改善され、
１回転位では電流不平衡が過大になる場合に特に改善の
程度が大きく２回転位の場合よりも電流不平衡率が低下
する場合もある。一方、１回転位でも電流不平衡率が小
さい場合には改善の程度は小さく、場合によってはかえ
って電流不平衡率が大きくなる場合もある。このような
場合には転位箇所を増やす必要がない場合である。

【００３６】前述の実施例では１回転位の場合であるが
、２回転位の場合でも転位箇所を１つ増やすことによっ
て電流不平衡率が改善する。したがって、１回転位のヘ
リカルコイルでこの発明を適用して転位箇所を１つ増や
すことによっても電流不平衡が過大な場合に２回転位を
採用してしかも転位箇所を１つ増やす構成を採用するこ
とができる。

【００３７】従来のヘリカルコイルの転位箇所の数ｎｔ
　は、１回転位の場合、（ｎｚ　×ｎｒ　／ｍ）−１、
２回転位の場合、２×（ｎｚ　×ｎｒ　／ｍ）−１であ
る。したがって、この発明における転位箇所の数ｎｔ　
はこれらの値に＋１して、１回転位の場合、（ｎｚ　×
ｎｒ　／ｍ）、２回転位の場合、２×（ｎｚ　×ｎｒ　
／ｍ）となる。なお、転位箇所の数を更に１つ増やして
従来のヘリカルコイルに対して２つ増やすと電流不平衡
が改善される場合があるが、１つだけ増やす場合に比べ
てその効果は少ないので、実用的には１つ増やすだけで
充分である。

【００３８】

【発明の効果】この発明は前述のように、転位箇所の数
ｎｔ　を、（ｎｚ　×ｎｒ　／ｍ）の整数倍にすること
により、巻始めの最初のブロックと最後のブロックとの
電線の配置が同じになるので、両端部のブロックの鎖交
磁束が中央部のブロックよりも小さいことによって生ず
る電線間の鎖交磁束の不平衡を補償することになって鎖
交磁束の不平衡の程度が小さくなる。その結果、電線間
の循環電流が減少し電流不平衡率が小さくなって循環電
流による損失の低下による負荷損の低下、効率の向上と
いう効果が得られる。更に、電線の温度上昇は流れる電
流の約二乗に比例するが、電流の不平衡率の低下によっ
て電流最大の電線の電流が低下しこれに伴って温度上昇
値が低下し温度上昇の過大による絶縁被覆の劣化が促進
されるということがなくなり信頼性が向上するという効
果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例のヘリカルコイルの模式的な
断面図

【図２】従来のヘリカルコイルの模式的な断面図

【図３
】変圧器の巻線断面配置と漏れ磁束分布を示す模式図

【図４】図３のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線での漏れ磁束の分布
を示すグラフ

【図５】半径方向位置の違いによる鎖交磁束量の違いを
説明する説明図

【図６】漏れ磁束の強さの軸方向分布を示すグラフ

【符号の説明】

１　　　　ヘリカルコイル １Ａ　　ヘリカルコイル １０　　　　電線 １１　　　　ブロック １２　　　　ブロック １３　　　　ブロック １４　　　　ブロック １１Ａ　　ブロック １２Ａ　　ブロック １３Ａ　　ブロック １４Ａ　　ブロック １５Ａ　　ブロック ２　　　　高圧巻線 ３　　　　鉄心

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁被覆された平角導体からなる電線を軸
   方向に複数本並べ、これを半径方向に複数本重ねて構成
   された電線束を、所定の位置で前記電線束のそれぞれの
   電線の相対位置が回転するように変わる転位を行いなが
   ら巻回し、軸方向に積層して円筒状に成形し前記電線束
   を電気的に並列接続してなるヘリカルコイルにおいて、
   軸方向並べ数をｎｚ　、半径方向重ね数をｎｒ　、転位
   を同時に行う電線の本数である転位本数をｍとしたとき
   、転位箇所の数ｎｔ　が（ｎｚ　×ｎｒ　／ｍ）の整数
   倍であることを特徴とするヘリカルコイル。