JPWO2015025392A1

JPWO2015025392A1 - 変圧器

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Publication number: JPWO2015025392A1
Application number: JP2014504508A
Authority: JP
Inventors: 敏弘野田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2017-03-02
Also published as: WO2015025392A1

Abstract

第１脚部(１１１)および第２脚部(１１２)を有する鉄心(１１０)と、第１脚部(１１１)に巻回された複数の高圧側コイル、および、複数の低圧側コイルを含む第１コイルグループ(Ｇ１)と、第２脚部(１１２)に巻回された複数の高圧側コイル、および、複数の低圧側コイルを含む第２コイルグループ(Ｇ２)と、鉄心、第１コイルグループ(Ｇ１)および第２コイルグループ(Ｇ２)を絶縁油に浸漬した状態で収容するタンク(１３０)と、絶縁油を冷却する冷却器(１４０)と、絶縁油を循環させるポンプ(１５０)と、第１脚部(１１１)と第２脚部(１１２)との間に位置する金属板(１３５)とを備える。第１コイルグループ(Ｇ１)の低圧側コイルと第２コイルグループ(Ｇ２)の低圧側コイルとは別個の負荷に結合されている。金属板(１３５)においては、金属板(１３５)の少なくとも一端がタンク(１３０)の側壁(１３８)に接続されるように延在している。ポンプ(１５０)は、上記一端側の金属板(１３５)によって隔てられているタンク(１３０)内の第１コイルグループ(Ｇ１)側と第２コイルグループ(Ｇ２)側との間において、絶縁油を冷却器(１４０)を通過させて移動させる。

Description

本発明は、変圧器に関し、特に、車載用変圧器に関する。

隣り合うコイルグループ間に鉄心が設けられた変圧器を開示した先行文献として、特許第４５２３０７６号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された変圧器においては、隣り合うコイルグループ間に鉄心を設けることにより、高さを低減して小型化を図りつつリアクタンスの低下を防止している。

タンクの内部を２分するように仕切部材を設けて小型化および軽量化を図った車両用変圧器を開示した先行文献として、国際公開第２００８／００７５１３号公報(特許文献２)がある。特許文献２に記載された車両用変圧器においては、仕切部材によって巻線の内部を流れる冷媒の流路を第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とに分割している。

タンクの一端側で第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とを連通させ、タンクの他端側に第１の冷媒流路および第２の冷媒流路の各々に接続した冷却装置を配置して、冷媒が第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とを循環して流れるようにしている。

特許第４５２３０７６号公報国際公開第２００８／００７５１３号公報

変圧器の小型化および軽量化のために、タンクの薄型化が図られている。タンクの側壁には、絶縁油を循環冷却するためにタンク外に設けられた冷却器およびポンプとタンクとを連結する配管が接続される。この配管が接続された側壁には、配管を通じて振動が伝播する。この振動に耐えられる強度を有するように側壁を形成した場合、側壁が厚くなってタンクの薄型化の障害となる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、タンクを薄型化しつつタンクの側壁の強度を確保して小型化および軽量化を図るとともにリアクタンスの低下も防止できる変圧器を提供することを目的とする。

本発明に基づく変圧器は、互いに間隔を置いて並ぶ第１脚部および第２脚部を有する鉄心と、第１脚部に巻回された複数の高圧側コイル、および、この高圧側コイルに対応して設けられて対応の高圧側コイルと磁気結合された複数の低圧側コイルを含む第１コイルグループと、第２脚部に巻回された複数の高圧側コイル、および、この高圧側コイルに対応して設けられて対応の高圧側コイルと磁気結合された複数の低圧側コイルを含む第２コイルグループと、鉄心、第１コイルグループおよび第２コイルグループを絶縁油に浸漬した状態で収容するタンクと、絶縁油を冷却する冷却器と、絶縁油を循環させるポンプと、第１脚部と第２脚部との間に位置する金属板とを備える。各高圧側コイルは共通の単相交流電力を受ける。第１コイルグループの低圧側コイルと第２コイルグループの低圧側コイルとは別個の負荷に結合されている。金属板においては、金属板の少なくとも一端がタンクの側壁に接続されるように延在している。ポンプは、上記一端側の金属板によって隔てられているタンク内の第１コイルグループ側と第２コイルグループ側との間において、絶縁油を冷却器を通過させて移動させる。

本発明によれば、タンクを薄型化しつつタンクの側壁の強度を確保して変圧器の小型化および軽量化を図るとともにリアクタンスの低下も防止できる。

本発明の実施形態１に係る変圧器の構成を示す平面断面図である。図１の変圧器の内部構成を矢印ＩＩで示す方向から見た斜視図である。比較例に係る変圧器の構成を示す平面断面図である。同実施形態に係る変圧器と比較例に係る変圧器とにおいて、タンク内を流れる絶縁油の圧力および流量を比較したグラフである。同実施形態に係る変圧器を含む交流電車の構成を示す回路図である。図２における変圧器本体部のＶＩ−ＶＩ断面およびこの変圧器本体部において発生する電流および磁束を示す図である。同実施形態に係る変圧器における漏れ磁束を示す図である。同実施形態に係る変圧器における片側運転時の主磁束を示す図である。同実施形態に係る変圧器が金属板を備えないと仮定した構成における片側運転時の漏れ磁束を示す図である。同実施形態に係る変圧器における片側運転時の漏れ磁束を示す図である。本発明の実施形態２に係る変圧器を含む交流電車の構成を示す回路図である。本発明の実施形態３に係る変圧器を含む交流電車の構成を示す回路図である。本発明の実施形態４に係る変圧器の構成を示す平面断面図である。図１３の変圧器の内部構成を矢印ＸＩＶで示す方向から見た斜視図である。

以下、本発明の実施形態１に係る変圧器について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る変圧器の構成を示す平面断面図である。図２は、図１の変圧器の内部構成を矢印ＩＩで示す方向から見た斜視図である。図１，２に示すように、本発明の実施形態１に係る変圧器１００は、外鉄型(Ｓｈｅｌｌ−Ｔｙｐｅ)の変圧器である。

変圧器１００は、互いに間隔を置いて並ぶ第１脚部１１１および第２脚部１１２を有する鉄心１１０を備える。鉄心１１０は、積層された磁性鋼板によって構成されている。鉄心１１０は、互いに対向する一方の側面および他方の側面と、一方の側面から他方の側面へ貫通する窓部Ｗ１、窓部Ｗ２および窓部Ｗ３とを有する。第１脚部１１１は、窓部Ｗ１と窓部Ｗ２との間に位置する。第２脚部１１２は、窓部Ｗ２と窓部Ｗ３との間に位置する。

変圧器１００は、第１脚部１１１に巻回された複数の高圧側コイル１Ａ，１Ｂ、および、高圧側コイル１Ａ，１Ｂに対応して設けられて対応の高圧側コイル１Ａ，１Ｂと磁気結合された複数の低圧側コイル２Ａ，２Ｂを含む第１コイルグループＧ１を備える。

また、変圧器１００は、第２脚部１１２に巻回された複数の高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂ、および、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂに対応して設けられて対応の高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂと磁気結合された複数の低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂを含む第２コイルグループＧ２を備える。

高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂの各々は、たとえば、複数積層された円盤巻線を含む。互いに隣り合う円盤巻線同士は、電気的に接続されている。高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂにおける各円盤巻線は、略楕円状に巻回された横断面矩形状の導電線によって形成されている。

高圧側コイル１Ａは、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル２Ｂとの間であって低圧側コイル２Ａに対向する位置に設けられ、低圧側コイル２Ａと磁気結合されている。高圧側コイル１Ｂは、低圧側コイル２Ａと低圧側コイル２Ｂとの間であって低圧側コイル２Ｂに対向する位置に設けられ、低圧側コイル２Ｂと磁気結合されている。

高圧側コイル１１Ａは、低圧側コイル１２Ａと低圧側コイル１２Ｂとの間であって低圧側コイル１２Ａに対向する位置に設けられ、低圧側コイル１２Ａと磁気結合されている。高圧側コイル１１Ｂは、低圧側コイル１２Ａと低圧側コイル１２Ｂとの間であって低圧側コイル１２Ｂに対向する位置に設けられ、低圧側コイル１２Ｂと磁気結合されている。

各コイルグループにおける高圧側コイルおよび低圧側コイルは、脚部の両隣の各窓部を通してこの脚部に巻回され、この脚部の延伸方向に積層されている。すなわち、第１コイルグループＧ１において、高圧側コイル１Ａおよび１Ｂならびに低圧側コイル２Ａおよび２Ｂは、窓部Ｗ１および窓部Ｗ２を通して第１脚部１１１に巻回され、第１脚部１１１の延伸方向に積層されている。

第２コイルグループＧ２において、高圧側コイル１１Ａおよび１１Ｂならびに低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂは、窓部Ｗ２および窓部Ｗ３を通して第２脚部１１２に巻回され、第２脚部１１２の延伸方向に積層されている。

変圧器１００は、鉄心１１０、第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２を絶縁油に浸漬した状態で収容するタンク１３０と、絶縁油を冷却する冷却器１４０と、絶縁油を循環させるポンプ１５０とを備える。冷却器１４０としては、空冷方式または水冷方式などの冷却器を用いることができる。

タンク１３０は、互いに対向する一方の側壁１３８と他方の側壁１３９とを有する。一方の側壁１３８および他方の側壁１３９に直交する方向と、鉄心１１０を構成する磁性鋼板の積層方向とが略平行になるように、タンク１３０の内部に鉄心１１０が配置されている。

タンク１３０の一方の側壁１３８に開口１３１および開口１３４が形成されている。タンク１３０の他方の側壁１３９に開口１３２および開口１３３が形成されている。タンク１３０の内部には、鉄心１１０と高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂと低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂとを冷却する絶縁油が封入されている。

本実施形態に係る変圧器１００においては、冷却器１４０は、タンク１３０の外部において一方の側壁１３８側に位置する。冷却器１４０の流出口とタンク１３０の開口１３１とが、配管１６１によって接続されている。冷却器１４０の流入口とタンク１３０の開口１３４とが、配管１６４によって接続されている。

ポンプ１５０は、タンク１３０の外部において他方の側壁１３９側に位置する。ポンプ１５０の吸込口とタンク１３０の開口１３２とが、配管１６２によって接続されている。ポンプ１５０の吐出口とタンク１３０の開口１３３とが、配管１６３によって接続されている。

変圧器１００は、鉄心１１０の第１脚部１１１と第２脚部１１２との間に位置する金属板１３５を備える。図２に示すように、鉄心１１０と第１コイルグループＧ１と第２コイルグループＧ２と金属板１３５とから、変圧器本体部５１が構成されている。

金属板１３５によって窓部Ｗ２が、第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２とに２分割されている。本実施形態においては、金属板１３５は磁性体で構成されている。

金属板１３５においては、金属板１３５の少なくとも一端がタンク１３０の側壁に接続されるように延在している。本実施形態においては、金属板１３５の延在方向の一端は、タンク１３０の互いに対向する一方の側壁１３８に接続されている。金属板１３５の延在方向の他端は、タンク１３０の互いに対向する他方の側壁１３９に接続されている。

具体的には、金属板１３５の一端とタンク１３０の一方の側壁１３８とは、溶接されて互いに固定されている。金属板１３５の他端とタンク１３０の他方の側壁１３９とは、溶接されて互いに固定されている。

金属板１３５によって、タンク１３０の内部の空間が、第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２側とに２分割されている。タンク１３０の開口１３１および開口１３２は、第１コイルグループＧ１側に位置している。タンク１３０の開口１３３および開口１３４は、第２コイルグループＧ２側に位置している。

その結果、ポンプ１５０が作動することにより、矢印１０で示すように開口１３１からタンク１３０内の第１コイルグループＧ１側に流入した絶縁油は、矢印１１で示すように窓部Ｗ１、および窓部Ｗ２の第１コイルグループＧ１側を通過して開口１３２からポンプ１５０の吸込口に到達する。

吸込口からポンプ１５０内に吸い込まれた絶縁油は、加圧されて矢印１２で示すように吐出口に向けて送出される。ポンプ１５０の吐出口から吐き出された絶縁油は、矢印１３で示すように開口１３３からタンク１３０内の第２コイルグループＧ２側に流入し、矢印１４で示すように窓部Ｗ２の第２コイルグループＧ２側および窓部Ｗ３を通過して開口１３４から冷却器１４０の流入口に到達する。

流入口から冷却器１４０内に流入した絶縁油は、冷却されつつ矢印１５で示すように流出口に向けて流れる。冷却器１４０の流出口から流出した絶縁油は、矢印１０で示すように開口１３１からタンク１３０内の第１コイルグループＧ１側に流入する。

このように、ポンプ１５０は、金属板１３５の一端側によって隔てられているタンク１３０内の第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２側との間において、絶縁油を冷却器１４０を通過させて移動させる。冷却器１４０によって冷却された絶縁油を循環させることにより、第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２を順次冷却することができる。

なお、絶縁油の流動方向は逆でもよい。すなわち、冷却器１４０によって冷却された絶縁油が開口１３４からタンク１３０内の第２コイルグループＧ２側に流入するようにしてもよい。また、ポンプ１５０をタンク１３０の外部において一方の側壁１３８側に位置させてもよい。この場合、配管１６２と配管１６３とが互いに接続される。

ここで、比較例に係る変圧器の構成について説明する。図３は、比較例に係る変圧器の構成を示す平面断面図である。図３に示すように、比較例に係る変圧器９００においては、タンク９３０の一方の側壁９３８に開口９３１が形成されている。タンク９３０の他方の側壁９３９に開口９３２が形成されている。

比較例に係る変圧器９００においては、冷却器１４０は、タンク９３０の外部において一方の側壁９３８側に位置する。冷却器１４０の流出口とタンク９３０の開口９３１とが、配管１６１によって接続されている。ポンプ１５０は、タンク９３０の外部において他方の側壁９３９側に位置する。ポンプ１５０の吸込口とタンク９３０の開口９３２とが、配管１６２によって接続されている。ポンプ１５０の吐出口と冷却器１４０の流入口とが、タンク９３０の外側を引き回された配管９６３によって接続されている。

変圧器９００は、鉄心１１０の第１脚部１１１と第２脚部１１２との間に位置する金属板９１５を備える。金属板９１５の延在方向の一端は、タンク９３０の互いに対向する一方の側壁９３８に対して離間している。金属板９１５の延在方向の他端は、タンク９３０の互いに対向する他方の側壁９３９に対して離間している。具体的には、金属板９１５は、鉄心１１０の一方の側面から他方の側面まで延在している。このように、比較例に係る変圧器９００においては、タンク９３０の内部の空間が分割されていない。

よって、ポンプ１５０が作動することにより、矢印９０で示すように開口９３１からタンク９３０内に流入した絶縁油は、矢印９３で示すように各窓部を通過して開口９３２からポンプ１５０の吸込口に到達する。

吸込口からポンプ１５０内に吸い込まれた絶縁油は、加圧されて矢印９４で示すように吐出口に向けて送出される。ポンプ１５０の吐出口から吐き出された絶縁油は、配管９６３内を流れて冷却器１４０の流入口に到達する。

流入口から冷却器１４０内に流入した絶縁油は、冷却されつつ矢印９５で示すように流出口に向けて流れる。冷却器１４０の流出口から流出した絶縁油は、矢印９０で示すように開口９３１からタンク９３０内に流入する。

このように、比較例に係る変圧器９００においては、タンク９３０内の絶縁油を第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２側とに分割することなく循環させる。よって、絶縁油は、一方の側壁９３８側から他方の側壁９３９側に向けてタンク９３０内を一様に流れる。

図４は、本実施形態に係る変圧器と比較例に係る変圧器とにおいて、タンク内を流れる絶縁油の圧力および流量を比較したグラフである。図４においては、縦軸に圧力、横軸に流量を示している。また、ポンプ１５０の吐出流量(Ｑ)と吐出圧力(Ｐ)との関係を示す曲線を実線１で、本実施形態に係る変圧器１００の絶縁油の流路の抵抗曲線を実線２で、比較例に係る変圧器９００の絶縁油の流路の抵抗曲線を点線３で示している。

図４に示すように、本実施形態に係る変圧器１００においては、実線１と実線２との交点であるポンプ１５０の運転点にて、圧力値がＰ₁、流量がＱ₁である。比較例に係る変圧器９００においては、実線１と点線３との交点であるポンプ１５０の運転点にて、圧力値がＰ₂、流量Ｑ₂である。

本実施形態に係る変圧器１００においては、タンク１３０の内部が第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２側とに分割されているためタンク内を絶縁油が流れる流路が、比較例に係る変圧器９００に比較して長い。一方、比較例に係る変圧器９００においては、配管９６３の長さが長いため、タンク外を絶縁油が流れる流路が、本実施形態に係る変圧器１００に比較して長い。

その結果、ポンプ１５０の運転点において、本実施形態に係る変圧器１００の圧力値Ｐ₁が比較例に係る変圧器９００の圧力値Ｐ₂より僅かに大きい。これにより、ポンプ１５０の運転点において、本実施形態に係る変圧器１００の流量Ｑ₁が比較例に係る変圧器９００の流量Ｑ₂より僅かに小さい。

絶縁油によるコイルの冷却性能は、絶縁油の流量が多いほど大きくなる。本実施形態に係る変圧器１００においては、タンク１３０の内部が第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２側とに分割されているため、第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２の各々に流れる絶縁油の流量は、ポンプ１５０の吐出流量Ｑ₁である。一方、比較例に係る変圧器９００においては、タンク１３０の内部が分割されていないため、第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２の各々に流れる絶縁油の流量は、ポンプ１５０の吐出流量の半分であるＱ₂／２となる。

よって、本実施形態に係る変圧器１００においては、金属板１３５を仕切板として機能させることにより、比較例に係る変圧器９００に比較して第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２の各々に流れる絶縁油の流量を約２倍にして、コイルの冷却効率を向上することができる。

また、本実施形態に係る変圧器１００においては、比較例に係る変圧器９００のように配管９６３をタンク９３０の外側で引き回す必要がないため、比較例に係る変圧器９００に比較してタンク１３０と冷却器１４０とを接続する配管を短くして変圧器１００を小型化できる。

さらに、本実施形態に係る変圧器１００においては、タンク１３０の一方の側壁１３８の開口１３１と開口１３４との間の位置に金属板１３５の延在方向の一端を接続している。タンク１３０の他方の側壁１３９の開口１３２と開口１３３との間の位置に金属板１３５の延在方向の他端を接続している。このように、金属板１３５を補強板として機能させることにより、タンクを薄型化しつつタンクの側壁の強度を確保することができる。その結果、変圧器１００の小型化および軽量化を図ることができる。

図５は、本実施形態に係る変圧器を含む交流電車の構成を示す回路図である。図５に示すように、本実施形態に係る変圧器１００を含む交流電車２０１は、パンタグラフ９２と、変圧装置１０１と、モータＭＡ，ＭＢとを備える。変圧装置１０１は、変圧器本体部５１と、コンバータ５Ａ，５Ｂと、インバータ６Ａ，６Ｂとを含む。

変圧器本体部５１では、各コイルを第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２に分割している。すなわち、高圧側コイル１Ａ，１Ｂは高圧側コイル１を分割したものであり、低圧側コイル２Ａ，２Ｂは低圧側コイル２を分割したものであり、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂは高圧側コイル１１を分割したものであり、低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂは低圧側コイル１２を分割したものである。

パンタグラフ９２は、架線９１に接続されている。高圧側コイル１Ａは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、第２端とを有する。高圧側コイル１Ｂは、高圧側コイル１Ａの第２端に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。高圧側コイル１１Ａは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、第２端とを有する。高圧側コイル１１Ｂは、高圧側コイル１１Ａの第２端に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。

低圧側コイルは、高圧側コイルに対応して設けられ、対応の高圧側コイルと磁気結合されている。すなわち、低圧側コイル２Ａは、高圧側コイル１Ａと磁気結合されており、コンバータ５Ａの第１入力端子に接続された第１端と、第２端とを有する。低圧側コイル２Ｂは、高圧側コイル１Ｂと磁気結合されており、低圧側コイル２Ａの第２端に接続された第１端と、コンバータ５Ａの第２入力端子に接続された第２端とを有する。低圧側コイル１２Ａは、高圧側コイル１１Ａと磁気結合されており、コンバータ５Ｂの第１入力端子に接続された第１端と、第２端とを有する。低圧側コイル１２Ｂは、高圧側コイル１１Ｂと磁気結合されており、低圧側コイル１２Ａの第２端に接続された第１端と、コンバータ５Ｂの第２入力端子に接続された第２端とを有する。

図６は、図２における変圧器本体部のＶＩ−ＶＩ断面およびこの変圧器本体部において発生する電流および磁束を示す図である。まず、架線９１からパンタグラフ９２へ単相交流電圧が供給される。架線９１から供給される交流電圧は、パンタグラフ９２を介して高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂに印加される。すなわち、各コイルグループにおける高圧側コイルは共通の単相交流電力を受ける。そうすると、図６に示すように、高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂを通して交流電流ＩＨが流れる。

高圧側コイル１Ａ，１Ｂを通して流れる交流電流ＩＨにより、鉄心１１０内に主磁束ＦＨ１が発生する。そうすると、主磁束ＦＨ１により、低圧側コイル２Ａの巻数と高圧側コイル１Ａの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１および交流電圧が低圧側コイル２Ａに発生する。また、主磁束ＦＨ１により、低圧側コイル２Ｂの巻数と高圧側コイル１Ｂの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１および交流電圧が低圧側コイル２Ｂに発生する。

ここで、低圧側コイル２Ａおよび２Ｂの巻数はそれぞれ高圧側コイル１Ａおよび１Ｂの巻数より小さいことから、高圧側コイル１Ａおよび１Ｂに印加される交流電圧が降圧された交流電圧が低圧側コイル２Ａおよび２Ｂにそれぞれ誘起される。

同様に、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂを通して流れる交流電流ＩＨにより、主磁束ＦＨ１１が発生する。そうすると、主磁束ＦＨ１１により、低圧側コイル１２Ａの巻数と高圧側コイル１１Ａの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１１および交流電圧が低圧側コイル１２Ａに発生する。また、主磁束ＦＨ１１により、低圧側コイル１２Ｂの巻数と高圧側コイル１１Ｂの巻数との比に応じた交流電流ＩＬ１１および交流電圧が低圧側コイル１２Ｂに発生する。

ここで、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂの巻数はそれぞれ高圧側コイル１１Ａおよび１１Ｂの巻数より小さいことから、高圧側コイル１１Ａおよび１１Ｂに印加される交流電圧が降圧された交流電圧が低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂにそれぞれ誘起される。

低圧側コイル２Ａおよび２Ｂに誘起された交流電圧は、コンバータ５Ａに供給される。また、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂに誘起された交流電圧は、コンバータ５Ｂに供給される。

コンバータ５Ａは、低圧側コイル２Ａおよび２Ｂから供給された交流電圧を直流電圧に変換し、インバータ６Ａへ出力する。また、コンバータ５Ｂは、低圧側コイル１２Ａおよび１２Ｂから供給された交流電圧を直流電圧に変換し、インバータ６Ｂへ出力する。

インバータ６Ａは、コンバータ５Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。また、インバータ６Ｂは、コンバータ５Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。

モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。また、モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。このように、第１コイルグループＧ１の低圧側コイル２Ａ，２Ｂと第２コイルグループＧ２の低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂとは別個の負荷に結合されている。

変圧器本体部５１においては、低圧側コイルおよび高圧側コイルを複数のコイルグループに分割し、コイルグループごとに脚部を設ける。そして、複数のコイルグループにおける低圧側コイルおよび高圧側コイルを複数の脚部にそれぞれ巻回する。このような構成により、変圧器の高さすなわち脚部の延伸方向における変圧器の長さを低減することができる。また、コイルの導電線の断面積を大きくする必要がなくなり、コイルにおける電力損失の増大を防ぐことができる。

すなわち、変圧器本体部５１においては、低圧側コイル２，１２および高圧側コイル１，１１を２つのコイルグループに分割しているため、各コイルグループの電力容量は１／２となる。ここで、供給電圧は一定であり、電力容量＝電圧×電流より、各コイルグループの電力容量が１／２になると各コイルを通して流れる電流が１／２になる。これにより、各コイルにおいて積み重ねる円盤巻線の枚数を減らすことができるため、変圧器の高さを低減することができる。あるいは、円盤巻線の枚数を減らす代わりに、高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂの導電線の断面積を小さくすることにより、各コイルグループの高さが低くなり、変圧器全体の高さを低減することができる。

次に、変圧器におけるリアクタンス低下の問題およびその解決手段について説明する。図７は、本実施形態に係る変圧器における漏れ磁束を示す図である。図７に示すように、変圧器本体部５１では、高圧側コイルを通して流れる交流電流ＩＨによって発生する主磁束ＦＨ１およびＦＨ１１に加えて、鉄心１１０を通して流れない漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＨ１１が発生する。また、低圧側コイルを通して流れる交流電流ＩＬ１およびＩＬ１１によって、鉄心１１０を通して流れない漏れ磁束ＦＫＬ１およびＦＫＬ１１が発生する。

図８は、本実施形態に係る変圧器における片側運転時の主磁束を示す図である。図８に示すように、変圧器本体部５１では、たとえば、モータＭＢが故障した場合でも、コイルグループＧ１を用いてモータＭＡを単独で運転することが可能である。このような片側運転時では、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂが機能しない、すなわち高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂを通して電流が流れないため、主磁束ＦＨ１１は発生しない。

図９は、本実施形態に係る変圧器が金属板を備えないと仮定した構成における片側運転時の漏れ磁束を示す図である。図９に示すように、たとえば、モータＭＢが故障して高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂを通して電流が流れなくなると、漏れ磁束ＦＫＨ１１およびＦＫＬ１１が発生しなくなる。

ここで、図９に示す変圧器は、金属板１３５を備えないことから、漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＬ１が窓部Ｗ２内で広がり、磁路長が長くなる。このため、図７に示す状態と比べて窓部Ｗ２における起磁力が１／２になる。すなわち窓部Ｗ２における漏れ磁束の大きさが１／２になることから、低圧側コイル２Ａ，２Ｂおよび高圧側コイル１Ａ，１Ｂのリアクタンスが低下する。

ここで、アンペールの法則より、磁場の強さは磁路長に反比例する。磁場が弱くなるということは、磁束密度が小さくなり、コイルの自己インダクタンスが小さくなるということである。また、リアクタンスは漏れ磁場による漏れインダクタンスの影響を大きく受ける。したがって、磁路長が長くなることにより磁場が弱くなってコイルの自己インダクタンスが低下する。そうすると、漏れインダクタンスが低下することにより、リアクタンスが低下することになる。

なお、図７に示す通常運転時では、漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＨ１１が合成され、また、漏れ磁束ＦＫＬ１およびＦＫＬ１１が合成され、窓部Ｗ２における起磁力が図９に示す状態と比べて２倍になる。このため、漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＨ１１ならびに漏れ磁束ＦＫＬ１およびＦＫＬ１１の磁路長が図９に示す状態と同じ長さになっても高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂのリアクタンスは低下しない。

図１０は、本実施形態に係る変圧器における片側運転時の漏れ磁束を示す図である。図１０に示すように、たとえば、モータＭＢが故障して高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂおよび低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂを通して電流が流れなくなると、漏れ磁束ＦＫＨ１１およびＦＫＬ１１が発生しなくなる。

このため、窓部Ｗ２における起磁力は図７に示す状態と比べて１／２になる。しかしながら、変圧器本体部５１では、漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＬ１は、金属板１３５を通して流れる。これにより、漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＬ１は窓部Ｗ２内で広がらないことから、図９に示す状態と比べて漏れ磁束ＦＫＨ１およびＦＫＬ１の磁路長を１／２にすることができる。金属板１３５が磁性体で構成されていることにより、鉄心１１０と同様に磁路を形成することができる。

したがって、低圧側コイル２Ａ，２Ｂおよび高圧側コイル１Ａ，１Ｂのリアクタンスは図７に示す状態と同じになる。したがって、変圧器本体部５１では、片側運転時であっても、低圧側コイル２Ａ，２Ｂおよび高圧側コイル１Ａ，１Ｂのリアクタンスが低下することを防ぐことができ、安定したリアクタンスを得ることができる。

ここで、三相変圧器では、たとえば、主磁束を通すために各相のコイル間に鉄心(相間鉄心)が設けられる。これに対して、本実施形態に係る変圧器は、単相変圧器である。単相変圧器では、三相変圧器のような相間鉄心は通常不要である。しかしながら、本実施形態に係る変圧器では、鉄心に金属板を配置して、たとえば、一方のモータが故障して他方のモータだけを運転する場合において磁路長が長くなることを防ぎ、リアクタンス低下を防いでいる。

以下、本発明の実施形態２に係る変圧器について説明する。本実施形態に係る変圧器は、交流電車において負荷との接続形態のみ実施形態１に係る変圧器１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態２)
図１１は、本発明の実施形態２に係る変圧器を含む交流電車の構成を示す回路図である。図１１に示すように、本発明の実施形態２に係る変圧器を含む交流電車２０５は、パンタグラフ９２と、変圧装置１０５と、モータＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤとを備える。

変圧装置１０５は、変圧器本体部５５と、コンバータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄと、インバータ６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄとを含む。変圧器本体部５５は、コイルグループＧ１，Ｇ２を含む。コイルグループＧ１は、高圧側コイル１Ａ，１Ｂと、低圧側コイル２Ａ，２Ｂとを含む。コイルグループＧ２は、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂと、低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂとを含む。

変圧装置１０５では、低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂが別個の負荷に結合されている。すなわち、低圧側コイル２Ａは、高圧側コイル１Ａと磁気結合されており、コンバータ５Ａの第１入力端子に接続された第１端と、コンバータ５Ａの第２入力端子に接続された第２端とを有する。低圧側コイル２Ｂは、高圧側コイル１Ｂと磁気結合されており、コンバータ５Ｃの第１入力端子に接続された第１端と、コンバータ５Ｃの第２入力端子に接続された第２端とを有する。

低圧側コイル１２Ａは、高圧側コイル１１Ａと磁気結合されており、コンバータ５Ｂの第１入力端子に接続された第１端と、コンバータ５Ｂの第２入力端子に接続された第２端とを有する。低圧側コイル１２Ｂは、高圧側コイル１１Ｂと磁気結合されており、コンバータ５Ｄの第１入力端子に接続された第１端と、コンバータ５Ｄの第２入力端子に接続された第２端とを有する。

架線９１から供給される単相交流電圧は、パンタグラフ９２を介して高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂに供給される。高圧側コイル１Ａおよび１１Ａに供給される交流電圧により、低圧側コイル２Ａおよび１２Ａにそれぞれ交流電圧が誘起される。高圧側コイル１Ｂおよび１１Ｂに供給される交流電圧により、低圧側コイル２Ｂおよび１２Ｂにそれぞれ交流電圧が誘起される。

コンバータ５Ａは、低圧側コイル２Ａに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ５Ｂは、低圧側コイル１２Ａに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ５Ｃは、低圧側コイル２Ｂに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ５Ｄは、低圧側コイル１２Ｂに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。

インバータ６Ａは、コンバータ５Ａから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＡへ出力する。インバータ６Ｂは、コンバータ５Ｂから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＢへ出力する。インバータ６Ｃは、コンバータ５Ｃから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＣへ出力する。インバータ６Ｄは、コンバータ５Ｄから受けた直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータＭＤへ出力する。

モータＭＡは、インバータ６Ａから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。モータＭＢは、インバータ６Ｂから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。モータＭＣは、インバータ６Ｃから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。モータＭＤは、インバータ６Ｄから受けた三相交流電圧に基づいて駆動される。

上記のように構成された本実施形態に係る変圧器においても、変圧器の高さを低減するとともにリアクタンスの低下を防ぐことができる。

以下、本発明の実施形態３に係る変圧器について説明する。本実施形態に係る変圧器は、交流電車において負荷との接続形態のみ実施形態１に係る変圧器１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態３)
図１２は、本発明の実施形態３に係る変圧器を含む交流電車の構成を示す回路図である。図１２に示すように、本発明の実施形態３に係る変圧器を含む交流電車２０６は、パンタグラフ９２と、変圧装置１０６と、モータＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤとを備える。

変圧装置１０６は、変圧器本体部５６と、コンバータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄと、インバータ６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄとを含む。変圧器本体部５６は、コイルグループＧ１，Ｇ２を含む。コイルグループＧ１は、高圧側コイル１Ａ，１Ｂと、低圧側コイル２Ａ，２Ｂとを含む。コイルグループＧ２は、高圧側コイル１１Ａ，１１Ｂと、低圧側コイル１２Ａ，１２Ｂとを含む。

変圧装置１０６では、高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂは互いに並列に接続され、低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂが別個の負荷に結合されている。すなわち、高圧側コイル１Ａは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。高圧側コイル１Ｂは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。高圧側コイル１１Ａは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。高圧側コイル１１Ｂは、パンタグラフ９２に接続された第１端と、接地電圧が供給される接地ノードに接続された第２端とを有する。

低圧側コイル２Ａは、高圧側コイル１Ａと磁気結合されており、コンバータ５Ａの第１入力端子に接続された第１端と、コンバータ５Ａの第２入力端子に接続された第２端とを有する。低圧側コイル２Ｂは、高圧側コイル１Ｂと磁気結合されており、コンバータ５Ｃの第１入力端子に接続された第１端と、コンバータ５Ｃの第２入力端子に接続された第２端とを有する。低圧側コイル１２Ａは、高圧側コイル１１Ａと磁気結合されており、コンバータ５Ｂの第１入力端子に接続された第１端と、コンバータ５Ｂの第２入力端子に接続された第２端とを有する。低圧側コイル１２Ｂは、高圧側コイル１１Ｂと磁気結合されており、コンバータ５Ｄの第１入力端子に接続された第１端と、コンバータ５Ｄの第２入力端子に接続された第２端とを有する。

以下、本発明の実施形態４に係る変圧器について説明する。本実施形態に係る変圧器は、金属板がタンクの他方の側壁に対して離間している点のみ実施形態１に係る変圧器１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態４)
図１３は、本発明の実施形態４に係る変圧器の構成を示す平面断面図である。図１４は、図１３の変圧器の内部構成を矢印ＸＩＶで示す方向から見た斜視図である。図１３，１４に示すように、本発明の実施形態４に係る変圧器２００は、外鉄型の変圧器である。

変圧器２００は、鉄心１１０、第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２を絶縁油に浸漬した状態で収容するタンク２３０を備える。タンク２３０は、互いに対向する一方の側壁２３８と他方の側壁２３９とを有する。一方の側壁２３８および他方の側壁２３９に直交する方向と、鉄心１１０を構成する磁性鋼板の積層方向とが略平行になるように、タンク２３０の内部に鉄心１１０が配置されている。

タンク２３０の一方の側壁２３８に開口２３１および開口２３２が形成されている。タンク２３０の内部には、鉄心１１０と高圧側コイル１Ａ，１Ｂ，１１Ａ，１１Ｂと低圧側コイル２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂとを冷却する絶縁油が封入されている。

本実施形態に係る変圧器２００においては、冷却器１４０は、タンク２３０の外部において一方の側壁２３８側に位置する。冷却器１４０の流出口とタンク２３０の開口２３１とが、配管１６１によって接続されている。ポンプ１５０は、タンク２３０の外部において一方の側壁２３８側に位置する。ポンプ１５０の吸込口とタンク２３０の開口２３２とが、配管１６２によって接続されている。ポンプ１５０の吐出口と冷却器１４０の流入口とが、配管２６３によって接続されている。

変圧器２００は、鉄心１１０の第１脚部１１１と第２脚部１１２との間に位置する金属板２３５を備える。図１４に示すように、鉄心１１０と第１コイルグループＧ１と第２コイルグループＧ２と金属板２３５とから、変圧器本体部５２が構成されている。

金属板２３５によって窓部Ｗ２が、第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２とに２分割されている。本実施形態においては、金属板２３５は磁性体で構成されている。

本実施形態においては、金属板２３５の延在方向の一端は、タンク２３０の互いに対向する一方の側壁２３８に接続されている。金属板２３５の延在方向の他端は、タンク２３０の互いに対向する他方の側壁２３９に対して離間している。

具体的には、金属板２３５の一端とタンク２３０の一方の側壁２３８とは、溶接されて互いに固定されている。金属板２３５の他端の面は、鉄心１１０の他方の側面と同一面上に位置している。

金属板２３５によって、タンク１３０の内部において一方の側壁２３８側の空間が、第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２側とに２分割されている。タンク２３０の開口２３１は、第１コイルグループＧ１側に位置している。タンク２３０の開口２３２は、第２コイルグループＧ２側に位置している。

その結果、ポンプ１５０が作動することにより、矢印２０で示すように開口２３１からタンク２３０内の第１コイルグループＧ１側に流入した絶縁油は、矢印２１で示すように窓部Ｗ１、および窓部Ｗ２の第１コイルグループＧ１側を通過する。タンク１３０の内部において他方の側壁２３９側に到達した絶縁油は、矢印２２で示すように、第１コイルグループＧ１側から第２コイルグループＧ２側に流入する。

第２コイルグループＧ２側に流入した絶縁油は、矢印２３で示すように窓部Ｗ２の第２コイルグループＧ２側および窓部Ｗ３を通過して開口２３２からポンプ１５０の吸込口に到達する。

吸込口からポンプ１５０内に吸い込まれた絶縁油は、加圧されて矢印２４で示すように吐出口に向けて送出される。ポンプ１５０の吐出口から吐き出された絶縁油は、矢印２５で示すように冷却器１４０の流入口に到達する。

流入口から冷却器１４０内に流入した絶縁油は、冷却されつつ矢印２５で示すように流出口に向けて流れる。冷却器１４０の流出口から流出した絶縁油は、矢印２０で示すように開口２３１からタンク２３０内の第１コイルグループＧ１側に流入する。

このように、ポンプ１５０は、金属板２３５の一端側によって隔てられているタンク２３０内の第１コイルグループＧ１側と第２コイルグループＧ２側との間において、絶縁油を冷却器１４０を通過させて移動させる。冷却器１４０によって冷却された絶縁油を循環させることにより、第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２を順次冷却することができる。

なお、絶縁油の流動方向は逆でもよい。すなわち、冷却器１４０によって冷却された絶縁油が開口２３２からタンク２３０内の第２コイルグループＧ２側に流入するようにしてもよい。

本実施形態に係る変圧器２００においても、金属板２３５を仕切板として機能させることにより、比較例に係る変圧器９００に比較して第１コイルグループＧ１および第２コイルグループＧ２の各々に流れる絶縁油の流量を約２倍にして、コイルの冷却効率を向上することができる。

また、本実施形態に係る変圧器２００においても、比較例に係る変圧器９００のように配管９６３をタンク９３０の外側で引き回す必要がないため、比較例に係る変圧器９００に比較してタンク２３０と冷却器１４０とを接続する配管を短くして変圧器２００を小型化できる。変圧器２００においては、タンク２３０の一方の側壁２３８側のみに配管を設けているため、実施形態１に係る変圧器１００に比較してさらに小型化できる。

さらに、本実施形態に係る変圧器２００においては、タンク２３０の一方の側壁２３８の開口２３１と開口２３２との間の位置に金属板２３５の延在方向の一端を接続している。このように、金属板２３５を補強板として機能させることにより、タンクを薄型化しつつタンクの側壁の強度を確保することができる。その結果、変圧器２００の小型化および軽量化を図ることができる。

変圧器本体部５２においても、片側運転時に、低圧側コイル２Ａ，２Ｂおよび高圧側コイル１Ａ，１Ｂのリアクタンスが低下することを防ぐことができ、安定したリアクタンスを得ることができる。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１高圧側コイル、２低圧側コイル、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄコンバータ、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄインバータ、５１，５２，５５，５６変圧器本体部、１００，２００，９００変圧器、９１架線、９２パンタグラフ、１０１，１０５，１０６変圧装置、１１０鉄心、１１１第１脚部、１１２第２脚部、１３０，２３０，９３０タンク、１３１，１３２，１３３，１３４，２３１，２３２，９３１，９３２開口、１３５，２３５，９１５金属板、１３８，１３９，２３８，２３９，９３８，９３９側壁、１４０冷却器、１５０ポンプ、１６１，１６２，１６３，１６４，２６３，９６３配管、２０１，２０５，２０６交流電車、ＦＨ１，ＦＨ１１主磁束、ＦＫＨ１，ＦＫＨ１１，ＦＫＬ１漏れ磁束、Ｇ１第１コイルグループ、Ｇ２第２コイルグループ、ＩＨ，ＩＬ１，ＩＬ１１交流電流、ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＡ，ＭＣ，ＭＤモータ、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３窓部。

Claims

互いに間隔を置いて並ぶ第１脚部および第２脚部を有する鉄心と、
前記第１脚部に巻回された複数の高圧側コイル、および、該高圧側コイルに対応して設けられて対応の前記高圧側コイルと磁気結合された複数の低圧側コイルを含む第１コイルグループと、
前記第２脚部に巻回された複数の高圧側コイル、および、該高圧側コイルに対応して設けられて対応の前記高圧側コイルと磁気結合された複数の低圧側コイルを含む第２コイルグループと、
前記鉄心、前記第１コイルグループおよび前記第２コイルグループを絶縁油に浸漬した状態で収容するタンクと、
前記絶縁油を冷却する冷却器と、
前記絶縁油を循環させるポンプと、
前記第１脚部と前記第２脚部との間に位置する金属板と
を備え、
各前記高圧側コイルは共通の単相交流電力を受け、
前記第１コイルグループの前記低圧側コイルと前記第２コイルグループの前記低圧側コイルとは別個の負荷に結合され、
前記金属板においては、前記金属板の少なくとも一端が前記タンクの側壁に接続されるように延在し、
前記ポンプは、前記一端側の前記金属板によって隔てられている前記タンク内の前記第１コイルグループ側と前記第２コイルグループ側との間において、前記絶縁油を前記冷却器を通過させて移動させる、変圧器。
前記金属板が磁性体で構成されている、請求項１に記載の変圧器。
前記金属板の延在方向の前記一端は、前記タンクの互いに対向する一方の側壁に接続され、
前記金属板の延在方向の他端は、前記タンクの互いに対向する他方の側壁に接続されている、請求項１または２に記載の変圧器。
前記金属板の延在方向の前記一端は、前記タンクの互いに対向する一方の側壁に接続され、
前記金属板の延在方向の他端は、前記タンクの互いに対向する他方の側壁に対して離間している、請求項１または２に記載の変圧器。