JPWO2017002225A1 - 変圧器 - Google Patents

Abstract

変圧器(１００)は、一方向に積層された複数の第１磁性板(１０)を含む鉄心(１１０)と、鉄心(１１０)に巻回された巻線(１２０)と、複数の第１磁性板(１０)の積層方向と直交する方向に積層された複数の第２磁性板を含む磁気シールド(１５０)とを備える。磁気シールド(１５０)は、複数の第１磁性板(１０)の積層方向において巻線(１２０)の内周面と対向する鉄心(１１０)の主表面と巻線(１２０)の内周面とに直接接して、鉄心(１１０)と巻線(１２０)とを互いに固定している。

Description

本発明は、変圧器に関し、特に、車載用変圧器に関する。

従来、新幹線などの鉄道車両には、高速化および大量輸送の実現が要求されている。その要求を満たすために、鉄道車両に搭載される付属機器の小型化および軽量化が必要となる。その一方で、高速化および大量輸送の実現の要求を満たすために、車載用変圧器が大容量化している。

近年、バリアフリーの観点から低床化車両の要求が高まっている。このため、車載用変圧器のような、車両の床下に搭載される機器に対しては、小型化および軽量化の要求が強くなっている。

磁気シールドを備えた変圧器の構成を開示した先行文献として、実開昭６３−２００３１２号公報(特許文献１)がある。特許文献１の図８，９に従来技術として記載された変圧器においては、磁気シールド鉄心の薄板積層方向をレッグ鉄心の積層方向と９０°異なった方向にし、コイル絶縁群とレッグ鉄心とを適正な強さで締付固定させるためのブロック、および、ブロック挿入のための保護板を備えている。

実開昭６３−２００３１２号公報

特許文献１に記載の変圧器のように、鉄心と巻線とを互いに固定するためのブロックを備える構成においては、ブロックの配置スペースが必要となり、巻線の全長が長くなる。これにより、変圧器の小形化および軽量化が阻害されるとともに、巻線の電気抵抗が大きくなって変圧器の大容量化が阻害される。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、小型化および軽量化されつつ、大容量化された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、一方向に積層された複数の第１磁性板を含む鉄心と、鉄心に巻回された巻線と、複数の第１磁性板の積層方向と直交する方向に積層された複数の第２磁性板を含む磁気シールドとを備える。磁気シールドは、複数の第１磁性板の積層方向において巻線の内周面と対向する鉄心の主表面と巻線の内周面とに直接接して、鉄心と巻線とを互いに固定している。

本発明によれば、ブロックの配置スペースを削減して、巻線の全長を短くすることにより、変圧器を小型化および軽量化しつつ大容量化できる。

本発明の一実施形態に係る変圧器の外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る変圧器が備える、鉄心、巻線および磁気シールドの組立構造を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る変圧器が備える、鉄心、巻線、磁気シールド、タンクおよび通油プレートの組立構造を示す斜視図である。 図３の組立構造をＩＶ−ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態に係る変圧器が備える磁気シールドの構成を示す斜視図である。 本実施形態の第１変形例に係る変圧器が備える磁気シールドの構成を示す斜視図である。 図６の磁気シールドを矢印ＶＩＩ方向から見た図である。 本実施形態の第２変形例に係る変圧器が備える磁気シールドの構成を示す斜視図である。 本実施形態の第３変形例に係る変圧器が備える磁気シールドの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態に係る変圧器について図面を参照して説明する。なお、図中の同一または相当する部分については同一符号を付してその説明を繰り返さない。

図１は、本発明の一実施形態に係る変圧器の外観を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る変圧器１００は、鉄道車両に搭載される。図２は、本発明の一実施形態に係る変圧器が備える、鉄心、巻線および磁気シールドの組立構造を示す斜視図である。図３は、本発明の一実施形態に係る変圧器が備える、鉄心、巻線、磁気シールド、タンクおよび通油プレートの組立構造を示す斜視図である。図４は、図３の組立構造をＩＶ−ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。図５は、本発明の一実施形態に係る変圧器が備える磁気シールドの構成を示す斜視図である。図１，２においては、後述する通油プレート１４０を図示していない。図３，４においては、後述するタンク１３０の第２ハウジング１３２を取り外した状態を示している。

図１〜５に示すように、本発明の一実施形態に係る変圧器１００は、鉄心１１０と、１次巻線(高圧側コイル)１２１および２次巻線(低圧側コイル)１２２を含む巻線１２０と、タンク１３０と、通油プレート１４０と、磁気シールド１５０とを備える。

鉄心１１０は、一方向に積層された複数の第１磁性板１０を含む。鉄心１１０は、主脚部１１１、主脚部１１１と間隔を置いて平行に並ぶ、側脚部１１２および側脚部１１３を含む。主脚部１１１の両端は、互いに平行に設けられた２つの接続部１１４によって、側脚部１１２の両端とそれぞれ接続されている。主脚部１１１の両端は、互いに平行に設けられた２つの接続部１１５によって、側脚部１１３の両端とそれぞれ接続されている。

主脚部１１１、側脚部１１２および２つの接続部１１４によって、鉄心１１０に窓部Ｗ１が形成されている。主脚部１１１、側脚部１１３および２つの接続部１１５によって、鉄心１１０に窓部Ｗ２が形成されている。

巻線１２０(１次巻線１２１および２次巻線１２２の各々)は、鉄心１１０に巻回され、窓部Ｗ１および窓部Ｗ２の各々に通されている。１次巻線１２１の上側に２次巻線１２２が配置され、１次巻線１２１の下側に他の２次巻線１２２が配置されている。１次巻線１２１および２次巻線１２２の各々は、たとえば、同一平面内で巻かれたアルミニウムなどからなるコイル導体により構成された平板コイルを含んでいる。

タンク１３０は、鉄心１１０、巻線１２０、通油プレート１４０および磁気シールド１５０を収容している。タンク１３０の内部は、図示しない絶縁油によって満たされている。すなわち、鉄心１１０、巻線１２０、通油プレート１４０および磁気シールド１５０の各々は、絶縁油に浸漬されている。

図１に示すように、タンク１３０は、第１ハウジング１３１および第２ハウジング１３２とから構成されている。第１ハウジング１３１および第２ハウジング１３２の各々は、内側に収容空間が形成されるように有底筒状の外形を有し、端部にフランジが設けられている。第２ハウジング１３２の周壁の全周に亘って、鉄心押さえ部１３３が設けられている。第１ハウジング１３１のフランジと第２ハウジング１３２のフランジとが接合されることにより、一体のタンク１３０が構成されている。

図３に示すように、複数の第１磁性板１０の積層方向と直交する鉄心１１０の両方の主表面の各々に、通油プレート１４０が配置されている。通油プレート１４０は、後述するように磁気シールド１５０と接する部分の鉄心１１０の主表面には配置されていない。

鉄心１１０の一方の主表面と第１ハウジング１３１のフランジの内周部との間に通油プレート１４０が挟まれている。鉄心１１０の他方の主表面と第２ハウジング１３２の鉄心押さえ部１３３との間に通油プレート１４０が挟まれている。

通油プレート１４０には、通油プレート１４０の幅方向に貫通した溝部が形成されている。通油プレート１４０の溝部と第１ハウジング１３１のフランジとによって囲まれた空間は、絶縁油の流路となる。通油プレート１４０の溝部と第２ハウジング１３２の鉄心押さえ部１３３とによって囲まれた空間は、絶縁油の流路となる。通油プレート１４０は、プレスボードで構成されている。

第１ハウジング１３１のフランジの外周部と第２ハウジング１３２のフランジとが接合された状態において、鉄心１１０が通油プレート１４０を間において第１ハウジング１３１のフランジと第２ハウジング１３２の鉄心押さえ部１３３とによって、複数の第１磁性板１０の積層方向の両側から挟まれている。

図５に示すように、磁気シールド１５０は、複数の第１磁性板１０の積層方向と直交する方向に積層された複数の第２磁性板１５１を含む。磁気シールド１５０は、略直方体状の外形を有している。磁気シールド１５０は、通油プレート１４０より薄いことが好ましい。

本実施形態においては、磁気シールド１５０は、複数の第２磁性板１５１の積層方向において複数の第２磁性板１５１を両側から挟む１対の補強板１５２をさらに含む。複数の第２磁性板１５１および１対の補強板１５２は、接着剤によって互いに接着されて一体に構成されている。磁気シールド１５０は、１対の補強板１５２を含むことにより、強度が増加している。補強板１５２は、たとえば、第２磁性板１５１より厚く外形が僅かに大きい鉄板である。

磁気シールド１５０は、複数の第１磁性板１０の積層方向において巻線１２０の内周面と対向する鉄心１１０の主表面と巻線１２０の内周面とに直接接している。具体的には、磁気シールド１５０は、巻線１２０の内周面と対向する鉄心１１０の主表面と巻線１２０の内周面との間に形成された孔部Ｈに嵌入されている。これにより、鉄心１１０と巻線１２０とが、磁気シールド１５０によって互いに固定されている。磁気シールド１５０を設けることにより、巻線１２０を流れる電流により生ずる漏れ磁束が鉄心１１０の主表面に侵入して渦電流損が発生することを抑制できる。

なお、磁気シールド１５０を孔部Ｈに嵌入する際には、磁気シールド１５０の嵌入方向の先端に、楔状の治具を取り付けている。楔状の治具の薄肉部が嵌入方向先端側に、楔状の治具の厚肉部が嵌入方向後端側になるように、楔状の治具が磁気シールド１５０に取り付けられている。この楔状の治具は、磁気シールド１５０を孔部Ｈに嵌入させた後、磁気シールド１５０から取り外される。

本実施形態に係る変圧器１００においては、鉄心１１０と巻線１２０とを磁気シールド１５０によって互いに固定することにより、鉄心１１０と巻線１２０とを互いに固定するためのブロックを不要とすることができる。その結果、ブロックの配置スペースを削減して、変圧器を小形化および軽量化できる。

また、ブロックの配置スペースを削減することにより、巻線１２０の全長を短くすることができる。巻線１２０の電気抵抗(Ω)は、巻線１２０の全長(ｍ)と、巻線１２０の電気抵抗率(Ω／ｍ)との積で表されるため、巻線１２０の全長(ｍ)を短くすることにより、巻線１２０の電気抵抗(Ω)を小さくすることができる。

変圧器１００での損失(Ｗ)は、巻線１２０の電気抵抗(Ω)と、巻線１２０を流れる電流値(Ａ)の２乗の値との積で表されるため、巻線１２０の電気抵抗(Ω)を小さくすることにより、変圧器１００での損失(Ｗ)を低減できる。これにより、変圧器１００を大容量化できる。

本実施形態においては、磁気シールド１５０が１対の補強板１５２を含むことにより磁気シールド１５０の強度が増加しているため、磁気シールド１５０が分解または座屈して変形することを抑制できる。

なお、磁気シールドの構成は、上記に限られない。ここで、本実施形態の各変形例に係る変圧器が備える磁気シールドの構成について説明する。図６は、本実施形態の第１変形例に係る変圧器が備える磁気シールドの構成を示す斜視図である。図７は、図６の磁気シールドを矢印ＶＩＩ方向から見た図である。図８は、本実施形態の第２変形例に係る変圧器が備える磁気シールドの構成を示す斜視図である。図９は、本実施形態の第３変形例に係る変圧器が備える磁気シールドの構成を示す斜視図である。

図６，７に示すように、本実施形態の第１変形例に係る変圧器が備える磁気シールド２５０は、複数の第２磁性板１５１の積層方向に延在して１対の補強板１５２を互いに接続する３つの他の補強板２５２をさらに含んでいる。他の補強板２５２は、たとえば、鉄板である。

他の補強板２５２は、複数の第２磁性板１５１の各々における鉄心１１０との対向面に、接着剤または半田などにより固定されている。他の補強板２５２の一方の主表面が、複数の第２磁性板１５１の各々における鉄心１１０との対向面と接している。なお、他の補強板２５２は、３つ設けられている場合に限られず、少なくとも１つ設けられていればよい。

磁気シールド２５０が他の補強板２５２を含むことにより磁気シールド２５０の強度がさらに増加し、磁気シールド２５０が分解または座屈して変形することをより抑制できる。他の補強板２５２の厚さは、上記の効果を得られる範囲で薄いことが好ましい。

本変形例においては、複数の他の補強板２５２が、他の補強板２５２の延在方向と直交する方向において互いに間隔を置いて並んでいる。磁気シールド２５０は、複数の他の補強板２５２の各々に固定された１枚の摺動板２５１をさらに含んでいる。摺動板２５１は、複数の第２磁性板１５１の各々における鉄心１１０との対向面の全体を覆っている。摺動板２５１は、たとえば、鉄板である。摺動板２５１は、複数の他の補強板２５２の各々における一方の主表面とは反対側の他方の主表面に、接着剤または半田などにより固定されている。

磁気シールド２５０が摺動板２５１を含むことにより、複数の他の補強板２５２が磁気シールド２５０の嵌入方向において互いに間隔を置いて配置された場合において、摺動板２５１と鉄心１１０の一方の主表面とを摺動させつつ磁気シールド２５０を孔部Ｈに嵌入することができる。よって、他の補強板２５２同士の間の段差が鉄心１１０と引っ掛かって、磁気シールド２５０を孔部Ｈに嵌入できなくなることを防止できる。摺動板２５１の厚さは、上記の効果を得られる範囲で薄いことが好ましい。

なお、他の補強板２５２同士の間隔が狭い場合、または、１つの他の補強板２５２が複数の第２磁性板１５１の各々における鉄心１１０との対向面の全体を略覆っている場合は、摺動板２５１が設けられていなくてよい。

図８に示すように、本実施形態の第２変形例に係る変圧器が備える磁気シールド３５０は、互いに接着されて一体となった複数の第２磁性板１５１のみから構成されている。本変形例においては、補強板１５２が設けられていないため、磁気シールド３５０を小型化および軽量化できる。ひいては、変圧器１００を小型化および軽量化できる。

図９に示すように、本実施形態の第３変形例に係る変圧器が備える磁気シールド４５０は、帯状の絶縁物４５１により巻かれて一体となった複数の第２磁性板１５１のみから構成されている。絶縁物４５１は、たとえば、プレスボード、アラミド絶縁紙またはポリイミド絶縁テープなどで構成されている。

図９においては、複数の第２磁性板１５１を絶縁物４５１により２ヶ所で束ねているが、複数の第２磁性板１５１の全体に亘って隙間なく絶縁物４５１を巻き付けてもよい。このようにした方が、磁気シールド４５０を孔部Ｈに嵌入する際に、絶縁物４５１が巻線１２０の内周面と鉄心１１０の主表面とに引っ掛かってずれることを抑制できる。本変形例においては、補強板１５２が設けられていないため、磁気シールド４５０を小型化および軽量化できる。ひいては、変圧器１００を小型化および軽量化できる。

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。

１０ 第１磁性板、１００ 変圧器、１１０ 鉄心、１１１ 主脚部、１１２，１１３ 側脚部、１１４，１１５ 接続部、１２０ 巻線、１２１ １次巻線、１２２ ２次巻線、１３０ タンク、１３１ 第１ハウジング、１３２ 第２ハウジング、１３３ 鉄心押さえ部、１４０ 通油プレート、１５０，２５０，３５０，４５０ 磁気シールド、１５１ 第２磁性板、１５２ 補強板、２５２ 他の補強板、２５１ 摺動板、４５１ 絶縁物、Ｈ 孔部、Ｗ１，Ｗ２ 窓部。

Claims (6)

1. 一方向に積層された複数の第１磁性板を含む鉄心と、
   前記鉄心に巻回された巻線と、
   前記複数の第１磁性板の積層方向と直交する方向に積層された複数の第２磁性板を含む磁気シールドとを備え、
   前記磁気シールドは、前記複数の第１磁性板の積層方向において前記巻線の内周面と対向する前記鉄心の主表面と前記巻線の前記内周面とに直接接して、前記鉄心と前記巻線とを互いに固定している、変圧器。
2. 前記磁気シールドは、前記複数の第２磁性板の積層方向において前記複数の第２磁性板を両側から挟む１対の補強板をさらに含む、請求項１に記載の変圧器。
3. 前記磁気シールドは、前記複数の第２磁性板の積層方向に延在して前記１対の補強板を互いに接続する少なくとも１つの他の補強板をさらに含み、
   前記他の補強板は、前記複数の第２磁性板の各々における前記鉄心との対向面に固定されている、請求項２に記載の変圧器。
4. 複数の前記他の補強板が、前記他の補強板の延在方向と直交する方向において互いに間隔を置いて並び、
   前記磁気シールドは、複数の前記他の補強板の各々に固定された１枚の摺動板をさらに含み、
   前記摺動板は、複数の前記他の補強板の各々における前記対向面と固定されている主表面とは反対側の主表面に固定されている、請求項３に記載の変圧器。
5. 前記磁気シールドが、互いに接着されて一体となった前記複数の第２磁性板のみから構成されている、請求項１に記載の変圧器。
6. 前記磁気シールドが、帯状の絶縁物により巻かれて一体となった前記複数の第２磁性板のみから構成されている、請求項１に記載の変圧器。

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