TWI417909B - 變壓器 - Google Patents

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TWI417909B
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Tetsuya Matsuda
Hiroshi Kiuchi
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

變壓器
本發明係關於一種變壓器，尤有關於一種謀求減低高度之變壓器。
以往，新幹線等鐵路車輛係要求更快且儘可能增加運輸量。因此，需要將車輛本體及附屬機器小型化及輕量化，然而另一方面在附屬機器之中，尤其是質量大之車載變壓器卻正大容量化。
近年來，從無障礙空間(barrire free)之觀點來看，因低底盤車輛之要求日漸提高，故對於搭載在交流電車等車輛底盤下之車載變壓器之底盤下機器，不僅要求要小型化及輕量化，而且為了使車輛低底盤化，亦強烈要求降低高度。
例如，在日本特開平9-134823號公報(專利文獻1)中，係揭示一種如以下之內鐵式車載變壓器。亦即，在將冷卻方式設為送油風冷式之變壓器中，係分別在鐵心腳部之外周捲繞低壓繞線、及在低壓繞線之外周捲繞高壓繞線，並且在各繞線間形成冷卻油道，藉此而構成變壓器主體。將此主體以上述冷卻油道形成與槽之底面平行之方式配置在槽內。再者，鐵心具有2個腳部，將低壓及高壓之各繞線分割並捲繞在該各腳部。亦即，由於將繞線分割為2，因此各繞線之容量係成為1/2。伴隨此設計，藉由將繞線導體之尺寸縮小，而使1個繞線之徑方向尺寸減小。因此，可降低整體變壓器之高度，而可謀求小型化。
專利文獻1：日本特開平9-134823號公報
在此，在以例如上述方式分割並捲繞之低壓繞線連接於不同馬達之構成中，當1個馬達故障時，電流將無法經由與故障馬達對應之低壓繞線及高壓繞線而流通。如此一來，在此等低壓繞線及高壓繞線不再產生磁通，而會有與未故障馬達對應之各繞線之電抗(reactance)降低之情形。
然而，在專利文獻1所記載之車載變壓器中，並未揭示有用以解決此種問題之構成。
本發明係為了解決上述問題而研創者，其目的在提供一種可降低變壓器之高度並且可防止電抗降低之變壓器。
本發明一態樣之變壓器係具備：第1鐵心，具有彼此隔開間隔而並列之複數個腳部；複數個高壓側線圈，分別捲繞於複數個腳部，且接受共通之單相交流電力；及複數個低壓側線圈，與高壓側線圈對應設置，且與對應之高壓側線圈磁性耦合，且分別捲繞於複數個腳部；藉由高壓側線圈及對應之低壓側線圈構成複數個線圈群；且進一步具備：設在相鄰之前述線圈群間之第2鐵心。
較佳為，第1鐵心及第2鐵心係彼此分離設置。
較佳為，第1鐵心及第2鐵心係一體化。
較佳為，鐵心係具有至少3個開口部；複數個腳部係分別設於開口部間；各線圈群中之低壓側線圈及高壓側線圈，係通過腳部之兩鄰之各開口部而捲繞於腳部，且疊層於腳部之延伸方向。
較佳為，各線圈群中之低壓側線圈係與不同個負載耦合。
較佳為，腳部並列方向中之第2鐵心的長度最小值，係根據與第2鐵心相鄰之線圈群中之低壓側線圈之捲繞數、經由與第2鐵心相鄰之線圈群中之低壓側線圈而流通之電流、與第2鐵心相鄰之線圈群中之低壓側線圈及高壓側線圈之尺寸、及第2鐵心之飽和磁通密度所決定。
此外，本發明另一態樣之變壓器，係具備：第1鐵心，具有複數個腳部；高壓側線圈；及低壓側線圈；低壓側線圈及高壓側線圈係分為複數個線圈群；複數個線圈群中之低壓側線圈及高壓側線圈係分別捲繞於複數個腳部；各線圈群中之高壓側線圈係接受共通之單相交流電力；各線圈群中之低壓側線圈及高壓側線圈係彼此磁性耦合；且進一步具備：設在相鄰之線圈群間之第2鐵心。
依據本發明，即可降低變壓器之高度並且防止電抗之降低。
以下使用圖式說明本發明之實施形態。另外，對於圖中相同或相等部分係賦予相同符號且省略其說明。
＜第1實施形態＞
首先說明變壓器中之各線圈未分割之構成，之後，再說明變壓器中之各線圈經分割之構成。
第1圖係為顯示本發明第1實施形態之交流電車之構成之電路圖。
參照第1圖，交流電車200係包括集電弓(pantograph)92、變壓裝置100、及馬達MA、MB。變壓裝置100係包括變壓器50、變換器5A、5B、及反相器6A、6B。變壓器50係包括高壓側線圈1、11、及低壓側線圈2、12。
集電弓92係連接於架空線91。高壓側線圈1係具有與集電弓92連接之第1端、及與供給接地電壓之接地節點(node)連接之第2端。高壓側線圈11係具有與集電弓92連接之第1端、及與供給接地電壓之接地節點連接之第2端。
低壓側線圈2係與高壓側線圈1磁性耦合，具有與變換器5A之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5A之第2輸入端子連接之第2端。低壓側線圈12係與高壓側線圈11磁性耦合，具有與變換器5B之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5B之第2輸入端子連接之第2端。
從架空線91所供給之單相交流電壓，係經由集電弓92而供給至高壓側線圈1及11。
藉由供給至高壓側線圈1及11之交流電壓，而於低壓側線圈2及12分別感應交流電壓。
變換器5A係將低壓側線圈2所感應之交流電壓變換為直流電壓。變換器5B係將低壓側線圈12所感應之交流電壓變換為直流電壓。
反相器6A係將從變換器5A接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MA。反相器6B係將從變換器5B接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MB。
馬達MA係根據從反相器6B接受之三相交流電壓而驅動。馬達MB係根據從反相器6B接受之三相交流電壓而驅動。
第2圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器之構成之斜視圖。
參照第2圖，變壓器50係例如為外鐵式(Shell-Type)之變壓器。變壓器50係進一步包括鐵心60。鐵心60係具有：彼此相對向之第1側面及第2側面、及從第1側面朝第2側面貫通之窗部W1及W2。
高壓側線圈1、11及低壓側線圈2、12係以通過窗部W1及W2之方式捲繞。
高壓側線圈1、11及低壓側線圈2、12係分別包括例如疊層之圓盤狀之複數個圓盤繞線。相鄰層之圓盤繞線係電性連接。高壓側線圈1、11及低壓側線圈2、12中之各圓盤繞線，係藉由捲繞成大略橢圓狀之矩形導電線路所形成。
高壓側線圈1係設在低壓側線圈2與低壓側線圈12之間且為與低壓側線圈2相對向之位置，且與低壓側線圈2磁性耦合。
高壓側線圈11係與高壓側線圈1並聯連接，且設在低壓側線圈2與低壓側線圈12之間且為與低壓側線圈12相對向之位置，且與低壓側線圈12磁性耦合。
第3圖係為顯示第2圖中之變壓器之III-III剖面及在此變壓器中所產生之電流及磁通之圖。
首先，從架空線91供給交流電壓至集電弓92。從架空線91所供給之交流電壓，係經由集電弓92而施加於高壓側線圈1及11。如此一來，交流電流IH即分別流通於高壓側線圈1及11。
藉由交流電流IH在鐵心60內產生主磁通FH。如此一來，藉由主磁通FH，而使與低壓側線圈2之捲繞數與高壓側線圈1之捲繞數之比對應之交流電流IL及交流電壓在低壓側線圈2產生。此外，藉由主磁通FH，而使與低壓側線圈12之捲繞數與高壓側線圈11之捲繞數之比對應之交流電流IL及交流電壓在低壓側線圈12產生。
在此，由於低壓側線圈2及12之捲繞數分別較高壓側線圈1及11之捲繞數小，因此施加於高壓側線圈1及11之交流電壓經降壓後之交流電壓會分別感應於低壓側線圈2及12。
於低壓側線圈2所感應之交流電壓係供給至變換器5A。此外，於低壓側線圈12所感應之交流電壓係供給至變換器5B。
第4圖(a)係為顯示有變壓器中所產生之電流的變壓器之窗部之剖面圖。第4圖(b)係為顯示變壓器中在鐵心內所產生之漏磁通之曲線圖。在第4圖(b)中，縱軸係顯示漏磁通F之大小。
變壓器50係包括個別的高壓側線圈1及11。再者，在變壓器50中，低壓側線圈2及12係配置在高壓側線圈1及11之兩側。藉由此種構成，可使低壓側線圈2及12成為磁性弱耦合之狀態。
亦即，如第4圖(b)所示，由於低壓側線圈2及12分別所產生之漏磁通彼此不重疊，因此可減低低壓側線圈2及12之磁性干擾，故可使變壓器50之輸出穩定。
然而，在變壓器50中，當線圈之電力容量及繞線數增加時，由於重疊之圓盤繞線之片數增加，因此變壓器之高度(亦即在圓盤捲繞數之疊層方向之變壓器之尺寸)會變大。此外，為了減低變壓器之高度，雖可考慮將線圈之導電線路作成較細，惟線圈中之電力損耗會增大。
因此，在以下說明之變壓器51中，係藉由將線圈分割而解決上述之問題。另外，變壓器51之構成及動作，除以下所說明之內容以外，均與變壓器50相同。
第5圖係為顯示本發明第1實施形態之交流電車之構成之電路圖。
參照第5圖，交流電車201係具備：集電弓92、變壓裝置101、及馬達MA、MB。變壓裝置101係包括變壓器51、變換器5A、5B、及反相器6A、6B。變壓器51係包括線圈群G1、G2。線圈群G1係包括高壓側線圈1A、1B、及低壓側線圈2A、2B。線圈群G2係包括高壓側線圈11A、11B、及低壓側線圈12A、12B。
在變壓器51中，係將變壓器50中之各線圈分割為線圈群G1、G2。亦即，高壓側線圈1A、1B係由高壓側線圈1予以分割者，而低壓側線圈2A、2B係由低壓側線圈2予以分割者，高壓側線圈11A、11B係由高壓側線圈11予以分割者，低壓側線圈12A、12B係由低壓側線圈12予以分割者。
集電弓92係連接於架空線91。高壓側線圈1A係具有與集電弓92連接之第1端、及第2端。高壓側線圈1B係具有與高壓側線圈1A之第2端連接之第1端、及與供給接地電壓之接地節點連接之第2端。高壓側線圈11A係具有與集電弓92連接之第1端、及第2端。高壓側線圈11B係具有與高壓側線圈11A之第2端連接之第1端、及與供給接地電壓之接地節點連接之第2端。
低壓側線圈係與高壓側線圈對應設置，且與對應之高壓側線圈磁性耦合。亦即，低壓側線圈2A係與高壓側線圈1A磁性耦合，且具有與變換器5A之第1輸入端子連接之第1端、及第2端。低壓側線圈2B係與高壓側線圈1B磁性耦合，且具有與低壓側線圈2A之第2端連接之第1端、及與變換器5A之第2輸入端子連接之第2端。低壓側線圈12A係與高壓側線圈11A磁性耦合，且具有與變換器5B之第1輸入端子連接之第1端、及第2端。低壓側線圈12B係與高壓側線圈11B磁性耦合，且具有與低壓側線圈12A之第2端連接之第1端、及與變換器5B之第2輸入端子連接之第2端。
從架空線91供給之單相交流電壓，係經由集電弓92而供給至高壓側線圈1A、1B、11A、11B。
藉由供給至高壓側線圈1A及11A之交流電壓，會於低壓側線圈2A及12A分別感應交流電壓。藉由供給至高壓側線圈1B及11B之交流電壓，而於低壓側線圈2B及12B分別感應交流電壓。
變換器5A係將低壓側線圈2A及2B所感應之交流電壓變換為直流電壓。變換器5B係將低壓側線圈12A及12B所感應之交流電壓變換為直流電壓。
反相器6A係將從變換器5A接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MA。反相器6B係將從變換器5B接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MB。
馬達MA係根據從反相器6A接受之三相交流電壓而驅動。馬達MB係根據從反相器6B接受之三相交流電壓而驅動。
第6圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器之構成之斜視圖。
參照第6圖，變壓器51係例如為外鐵式(Shell-Type)之變壓器。變壓器51係進一步包括主鐵心61、及副鐵心15。主鐵心61係具有：彼此對向之第1側面及第2側面、及從第1側面朝第2側面貫通之窗部W1至W3。此外，主鐵心61係具有彼此隔以間隔並列之腳部31、32。腳部31係設在窗部W1及W2間。腳部32係設在窗部W2及W3間。
高壓側線圈1A、1B、11A、11B及低壓側線圈2A、2B、12A、12B係包括例如疊層之圓盤狀之複數個圓盤繞線。相鄰層的圓盤繞線係電性連接。高壓側線圈1A、1B、11A、11B及低壓側線圈2A、2B、12A、12B中之各圓盤繞線，係藉由捲繞成大致橢圓狀之矩形導電線路所形成。
高壓側線圈1A係設在低壓側線圈2A與低壓側線圈2B之間且為與低壓側線圈2A相對向之位置，且與低壓側線圈2A磁性耦合。
高壓側線圈1B係與高壓側線圈1A並聯連接，且設在低壓側線圈2A與低壓側線圈2B之間且為與低壓側線圈2B相對向之位置，且與低壓側線圈2B磁性耦合。
高壓側線圈11A係設在低壓側線圈12A與低壓側線圈12B之間且為與低壓側線圈12A相對向之位置，且與低壓側線圈12A磁性耦合。
高壓側線圈11B係與高壓側線圈11A並聯連接，且設在低壓側線圈12A與低壓側線圈12B之間且為與低壓側線圈12B相對向之位置，且與低壓側線圈12B磁性耦合。
各線圈群中之高壓側線圈及低壓側線圈，係通過腳部之兩側相鄰之各窗部而捲繞在該腳部，且疊層在該腳部之延伸方向。亦即，高壓側線圈1A及1B以及低壓側線圈2A及2B，係以被窗部W1、W2間之腳部31所貫穿之方式通過窗部W1、W2而捲繞，且疊層在腳部31之貫通方向。高壓側線圈11A與11B以及低壓側線圈12A與12B，係以被窗部W2、W3間之腳部32所貫穿之方式通過窗部W2、W3而捲繞，且疊層在腳部32之貫通方向。
副鐵心15係設在線圈群G1及G2間。主鐵心61及副鐵心15係彼此分離設置。
如此，藉由將副鐵心15作成獨立之結構體，且在主鐵心61與副鐵心15之間設置間距，即可容易製造副鐵心15。此外，可將副鐵心15依間距之量而獲得輕量化。
第7圖係為顯示第6圖中之變壓器之Ⅶ-Ⅶ剖面及在此變壓器中所產生之電流及磁通之圖。
首先，從架空線91供給單相交流電壓至集電弓92。從架空線91供給之交流電壓，係經由集電弓92而施加於高壓側線圈1A、1B、11A、11B。亦即，各線圈群中之高壓側線圈係接受共通之單相交流電力。如此一來，交流電流IH即通過高壓側線圈1A、1B、11A、11B而流通。
藉由流經高壓側線圈1A、1B之交流電流IH，在主鐵心61內產生主磁通FH1。如此一來，藉由主磁通FH1，會使與低壓側線圈2A之捲繞數與高壓側線圈1A之捲繞數之比對應之交流電流IL1及交流電壓在低壓側線圈2A產生。此外，藉由主磁通FH1，會使與低壓側線圈2B之捲繞數與高壓側線圈1B之捲繞數之比對應之交流電流IL1及交流電壓在低壓側線圈2B產生。
在此，由於低壓側線圈2A及2B之捲繞數係分別較高壓側線圈1A及1B之捲繞數為小，因此施加於高壓側線圈1A及1B之交流電壓經降壓後之交流電壓會分別感應於低壓側線圈2A及2B。
同樣地，藉由流經高壓側線圈11A、11B之交流電流IH，而產生主磁通FH11。如此一來，藉由主磁通FH11，而使與低壓側線圈12A之捲繞數與高壓側線圈11A之捲繞數之比對應之交流電流IL11及交流電壓在低壓側線圈12A產生。此外，藉由主磁通FH11，而使與低壓側線圈12B之捲繞數與高壓側線圈11B之捲繞數之比對應之交流電流IL11及交流電壓在低壓側線圈12B產生。
在此，由於低壓側線圈12A及12B之捲繞數係分別較高壓側線圈11A及11B之捲繞數小，因此施加於高壓側線圈11A及11B之交流電壓經降壓後之交流電壓會分別感應於低壓側線圈12A及12B。
低壓側線圈2A及2B所感應之交流電壓係供給至變換器5A。此外，低壓側線圈12A及12B所感應之交流電壓係供給至變換器5B。
變換器5A係將從低壓側線圈2A及2B供給之交流電壓變換為直流電壓，且輸出至反相器6A。此外，變換器5B係將從低壓側線圈12A及12B供給之交流電壓變換為直流電壓，且輸出至反相器6B。
反相器6A係將從變換器5A接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MA。此外，反相器6B係將從變換器5B接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MB。
馬達MA係根據從反相器6A接受之三相交流電壓而旋轉。此外，馬達MB係根據從反相器6B接受之三相交流電壓而旋轉。
如此，在變壓器51中，係將低壓側線圈及高壓側線圈分割為複數個線圈群，且於每個線圈群設置腳部。再者，將複數個線圈群中之低壓側線圈及高壓側線圈分別捲繞於複數個腳部。藉由此種構成，即可將變壓器之高度(亦即腳部之延伸方向之變壓器長度)減低。此外，不需增大線圈之導體線路之剖面積，即可防止線圈中之電力損耗之增大。
亦即，由於在變壓器51中，係將變壓器50中之低壓側線圈2、12及高壓側線圈1、11分割為2個線圈群，因此各線圈群之電力容量成為1/2。在此，供給電壓係為一定，從電力容量=電壓×電流，當各線圈群之電力容量成為1/2時，則流經各線圈之電流即成為1/2。藉此，即可減少在各線圈中所重疊之圓盤繞線之片數，故可減低變壓器之高度。或者，亦可取代減少圓盤繞線之片數，而藉由將高壓側線圈1A、1B、11A、11B及低壓側線圈2A、2B、12A、12B之導體線路之剖面積減小，而使各線圈群之高度變低，以減低變壓器整體之高度。
接著說明變壓器之電抗降低之問題及其解決方法。第8圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器中之漏磁通之圖示。
參照第8圖，在變壓器51中，除因流經高壓側線圈之交流電流IH而產生之主磁通FH1及FH11之外，還產生未流經主鐵心61之漏磁通FKH1及FKH11。此外，因流經低壓側線圈之交流電流IL1及IL11，而產生未流經主鐵心61之漏磁通FKL1及FKL11。
第9圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器中之單側運轉時之主磁通之圖。
在變壓器51中，例如於馬達MB故障時，亦可使用線圈群G1而單獨運轉馬達MA。在此種單側運轉時，由於高壓側線圈11A、11B及低壓側線圈12A、12B不會發揮功能，亦即電流不會流經高壓側線圈11A、11B及低壓側線圈12A、12B，因此主磁通FH11不會產生。
第10圖係為顯示假定本發明第1實施形態之變壓器不具備副鐵心之構成在單側運轉時之漏磁通之圖。
參照第10圖，例如當馬達MB故障，而電流不流經高壓側線圈11A、11B及低壓側線圈12A、12B時，即不會產生漏磁通FKH11及漏磁通FKL11。
在此，由於第10圖所示之變壓器不具備副鐵心15，因此漏磁通FKH1及FKL1會在窗部W2內擴展，而使磁路長度變長。因此，相較於第8圖所示之狀態，窗部W2中之磁通勢成為1/2，亦即窗部W2中之漏磁通之大小成為1/2，因此低壓側線圈2A、2B及高壓側線圈1A、1B之電抗會降低。
在此，由安培(Ampere)定律來看，磁場之強度係與磁路長度成反比。磁場變弱，意味磁通密度變小，而線圈之自感應(self-inductance)變小。此外，電抗會受到洩漏磁場所導致之洩漏電感甚大之影響。因此，磁場會由於磁路長度變長而變弱，而使線圈之自感應降低。如此一來，電抗即會由於洩漏電感降低而降低。
另外，在第8圖所示之普通運轉時，會將漏磁通FKH1及FKH11合成，而且將漏磁通FKL1及FKL11合成，而使窗部W2中之磁通勢相較於第10圖所示之狀態變為2倍。因此，即使漏磁通FKH1及FKH11以及漏磁通FKL1及FKL11之磁路長度成為與第10圖所示之狀態相同長度，高壓側線圈1A、1B、11A、11B及低壓側線圈2A、2B、12A、12B之電抗亦不會降低。
第11圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器中之單側運轉時之漏磁通之圖。
參照第11圖，例如當馬達MB故障，而電流不流經高壓側線圈11A、11B及低壓側線圈12A、12B時，即不會產生漏磁通FKH11及漏磁通FKL11。
因此，窗部W2中之磁通勢相較於第8圖所示之狀態變為1/2。然而，在變壓器51中，漏磁通FKH1及FKL1係流過副鐵心15。因此，漏磁通FKH1及FKL1不會在窗部W2內擴展，故相較於第10圖所示之狀態，可將漏磁通FKH1及FKL1之磁路長度設為1/2。因此，低壓側線圈2A、2B及高壓側線圈1A、1B之電抗成為與第8圖所示之狀態相同。因此，在變壓器51中，在單側運轉時，亦可防止低壓側線圈2A、2B及高壓側線圈1A、1B之電抗降低，並可獲得穩定之電抗。
在此，在三相變壓器中，為了流通主磁通，而在例如各相之線圈間設置鐵心(相間鐵心)。相對於此，本發明第1實施形態之變壓器係為單相變壓器。在單相變壓器中，通常不需要如三相變壓器之相間(interphase)鐵心。然而，在本發明第1實施形態之變壓器中，除主鐵心外另設置副鐵心，以防止例如於一方馬達故障，而僅運轉另一方馬達時磁路長度變長，且防止電抗降低。
接著說明本發明第1實施形態之變壓器中之副鐵心之寬度計算方法。
當副鐵心15之寬度過小時會產生磁性飽和，而無法發揮作為鐵心之功能。另一方面，當副鐵心15之寬度過大時，則變壓器將大型化。因此，副鐵心15之寬度，係以設定為在漏磁通不飽和之最小值為較佳。
在本發明第1實施形態之變壓器中，副鐵心15之寬度(亦即腳部之並列方向)中之副鐵心15之長度之最小值，係根據與副鐵心15相鄰之線圈群中之低壓側線圈之捲繞數、流經與副鐵心15相鄰之線圈群中之低壓側線圈之電流、與副鐵心15相鄰之線圈群中之低壓側線圈及高壓側線圈之尺寸、及副鐵心15之飽和磁通密度來決定。
第12圖(a)係為顯示有變壓器中產生之電流的變壓器之窗部之剖面圖。第12圖(b)係為顯示在變壓器中於鐵心內所產生之漏磁通之曲線圖。在第12圖(b)中，縱軸係顯示漏磁通密度FK。
參照第12圖(a)及(b)，副鐵心之寬度之計算例係如以下所示。
首先，將低壓側線圈2A、12A之捲繞數M設為150、流過低壓側線圈2A、12A之電流I設為500A(安培)、窗部W1之寬度W設為0.3m、低壓側線圈2A、12A之高度HL設為50mm、低壓側線圈2A及高壓側線圈1A間之距離及低壓側線圈12A及高壓側線圈11A間之距離D設為15mm、高壓側線圈1A、11A之高度HH設為100mm。
另外，線圈之捲繞數及流過線圈之電流係具有反比之關係。低壓側線圈之捲繞數及電流為上述之數值時，例如，高壓側線圈1A、11A之捲繞數M係為500，而流過高壓側線圈11A之電流I係為150A(安培)。因此，若將低壓側線圈之捲繞數及電流值使用在以下公式(1)，則亦將可獲得關於高壓側線圈1A、11A之磁通密度。
若將真空之導磁率設為μ，單側運轉時(亦即僅運轉馬達MA、MB之一方時)之漏磁通密度BDL係以下列公式(1)來表示。
BDL=μ×√2×M×I/W‧‧‧(1)
μ=4×π×10-7
當將上述各數值代入公式(1)時，則成為
BDL=4×π×10-7 ×√2×150×500/0.3=0.444(T)
進入副鐵心之磁通BS係為由低壓側線圈2A及高壓側線圈1A所產生之磁通，相當於第12圖(b)之曲線圖之左側之梯形面積。另外，進入副鐵心之磁通最強的是，由低壓側線圈2A及高壓側線圈1A所產生之磁通合成在副鐵心之位置。進入副鐵心之磁通BS係以下列公式來表示。
BS=0.444×(15＋(50＋15＋100))/2=39.96(T‧mm)
再者，若將副鐵心之飽和磁通密度(將外部磁場施加到磁性體時，幾乎不增加磁化時之磁性體的磁通密度)設為BSD，則副鐵心之寬度之最小值WS係以下列公式來表示。
WS=BS/BSD
在此，若設為BSD=1.5(T)，則副鐵心之寬度WS即成為
WS=39.96/1.5=26.64(mm)
亦即，藉由將副鐵心之寬度設定在26.64(mm)以上之儘量較小值，即可防止單側運轉時線圈之電抗之降低，且可謀求變壓器之小型化。
另外，飽和磁通密度係依據副鐵心之材質來決定之值。以上述公式之BSD而言，係設定為例如對於飽和磁通密度而言具有某程度餘裕(margin)之較小值。
如上所述，在本發明實施形態之變壓器中，係具備：主鐵心61，具有彼此隔開間隔而並列之複數個腳部；高壓側線圈1A、1B、11A、11B，分別捲繞於複數個腳部，且接受共通之單相交流電力；及複數個低壓側線圈2A、2B、12A、12B，與高壓側線圈對應設置，且與對應之高壓側線圈磁性耦合，並分別捲繞於複數個腳部；並且，藉由高壓側線圈及對應之低壓側線圈而構成線圈群G1、G2。再者，具備設在相鄰之複數個線圈群間之副鐵心15。藉由此種構成，即可減低變壓器之高度，且防止因為漏磁通之磁路長度變大所導致之電抗降低。
接著使用圖式說明本發明其他實施形態。另外，對於圖中相同或相等部分係賦予相同符號且省略其說明。
＜第2實施形態＞
本實施形態係關於一種相較於第1實施形態之變壓器將其副鐵心之結構改變之變壓器。以下所說明之內容以外均與第1實施形態之變壓器相同。
第13圖係為顯示本發明第2實施形態之變壓器之構成之斜視圖。第14圖係為顯示第13圖中之變壓器之XIV-XIV剖面及在此變壓器中所產生之電流及磁通之圖。
參照第13圖及第14圖，相較於本發明第1實施形態之變壓器，變壓器52係取代副鐵心15而具備副鐵心14。副鐵心14係設在線圈群G1及G2間，具有與主鐵心61連接之兩端部。亦即，副鐵心14係與主鐵心61一體化。
如此，藉由將主鐵心與副鐵心一體化，而使主鐵心及副鐵心間之間距消失。藉此，即可進一步防止單側運轉時之漏磁通之磁路長度變大，且可進一步防止電抗之降低。
另外，副鐵心14雖係形成具有與主鐵心61連接之兩端部之構成，惟不限定於此，亦可為副鐵心之一端與主鐵心連接，且另一端開放之構成。
其他構成及動作係與第1實施形態之變壓器相同，因此在此不重複詳細之說明。
接著使用圖式說明本發明之其他實施形態。另外，對於圖中相同或相等部分係賦予相同符號且省略其說明。
＜第3實施形態＞
本實施形態係關於一種相較於第1實施形態之變壓器將線圈之分割數增加之變壓器。以下所說明之內容以外均與第1實施形態之變壓器相同。
第15圖係為顯示本發明第3實施形態之變壓器之構成圖。
參照第15圖，變壓器53係包括線圈群G1、G2、G3。線圈群G1係包括高壓側線圈1A、1B、及低壓側線圈2A、2B。線圈群G2係包括高壓側線圈11A、11B、及低壓側線圈12A、12B。線圈群G3係包括高壓側線圈41A、41B、及低壓側線圈42A、42B。
變壓器53係為例如外鐵式(Shell-Type)之變壓器。變壓器53係進一步包括主鐵心62、及副鐵心15、16。主鐵心62係具有：彼此對向之第1側面及第2側面、及從第1側面朝第2側面貫通之窗部W1至W4。此外，主鐵心62係具有腳部31、32、33。腳部31係設在窗部W1及W2間。腳部32係設在窗部W2及W3間。腳部33係設在窗部W3及W4間。
高壓側線圈41A、41B及低壓側線圈42A、42B，係分別包括例如疊層之圓盤狀之複數個圓盤繞線。相鄰層之圓盤繞線係電性連接。高壓側線圈41A、41B及低壓側線圈42A、42B中之各圓盤繞線，係由捲繞成大致橢圓狀之矩形導電線路所形成。
高壓側線圈41A係設在低壓側線圈42A與低壓側線圈42B之間並與低壓側線圈42A相對向之位置，且與低壓側線圈42A磁性耦合。
高壓側線圈41B係與高壓側線圈41A並聯連接，且設在低壓側線圈42A與低壓側線圈42B間並與低壓側線圈42B相對向之位置，且與低壓側線圈42B磁性耦合。
高壓側線圈41A及41B、低壓側線圈42A、42B係以被窗部W3、W4間之腳部33貫穿之方式通過窗部W3、W4而捲繞，且疊層於腳部33之貫通方向。
副鐵心15及16係設在相鄰之複數個線圈群間。亦即，副鐵心15係設在線圈群G1及G2間。副鐵心16係設在線圈群G2及G3間。
如此，由於在本發明第3實施形態之變壓器中，係將低壓側線圈及高壓側線圈分割為3個線圈群，因此各線圈群之電力容量成為1/3。在此，從電力容量=電壓×電流來看，供給電壓係為固定，因此流通於各線圈之電流成為1/3。藉此，相較於本發明第1實施形態之變壓器，即可進一步降低各線圈群之高度，而可降低變壓器整體之高度。
其他構成及動作係與第1實施形態之變壓器相同，在此不重複詳細之說明。
接著使用圖式說明本發明之其他實施形態。另外，對於圖中相同及相等部分係賦予相同符號且省略其說明。
＜第4實施形態＞
本實施形態係關於一種相較於第3實施形態之變壓器將線圈之分割數增加之變壓器。以下所說明之內容以外均與第3實施形態之變壓器相同。
第16圖係為顯示本發明第4實施形態之變壓器之構成圖。
參照第16圖，變壓器54係包括線圈群G1、G2、G3、G4。線圈群G1係包括高壓側線圈1A、1B、及低壓側線圈2A、2B。線圈群G2係包括高壓側線圈11A、11B、及低壓側線圈12A、12B。線圈群G3係包括高壓側線圈41A、41B、及低壓側線圈42A、42B。線圈群G4係包括高壓側線圈43A、43B、及低壓側線圈44A、44B。
變壓器54係為例如外鐵式(Shell-Type)之變壓器。變壓器54係進一步包括主鐵心63、及副鐵心15、16、17。主鐵心63係具有：彼此對向之第1側面及第2側面、及從第1側面朝第2側面貫通之窗部W1至W5。此外，主鐵心63係具有腳部31、32、33、34。腳部34係設在窗部W4及W5間。
高壓側線圈43A、43B及低壓側線圈44A、44B，係分別包括例如疊層之圓盤狀之複數個圓盤繞線。相鄰之層之圓盤繞線係電性連接。高壓側線圈43A、43B及低壓側線圈44A、44B中之各圓盤繞線，係由捲繞成大致橢圓狀之矩形導電線路所形成。
高壓側線圈43A係設在低壓側線圈44A與低壓側線圈44B之間並與低壓側線圈44A相對向之位置，且與低壓側線圈44A磁性耦合。
高壓側線圈43B係與高壓側線圈43A並聯連接，且設在低壓側線圈44A與低壓側線圈44B間並與低壓側線圈44B相對向之位置，且與低壓側線圈44B磁性耦合。
高壓側線圈43A及43B、低壓側線圈44A、44B係以被窗部W4、W5間之腳部34貫穿之方式通過窗部W4、W5而捲繞，且疊層於腳部34之貫通方向。此外，副鐵心17係設在線圈群G3及G4間。
如此，由於在本發明第4實施形態之變壓器中，係將低壓側線圈及高壓側線圈分割為4個線圈群，因此各線圈群之電力容量成為1/4。在此，從電力容量=電壓×電流來看，供給電壓係為固定，因此流通於各線圈之電流成為1/4。藉此，相較於本發明第3實施形態之變壓器，即可進一步降低各線圈群之高度，而可降低變壓器整體之高度。
其他構成及動作係與第3實施形態之變壓器相同，在此不重複詳細之說明。
接著使用圖式說明本發明之其他實施形態。另外，對於圖中相同及相等部分係賦予相同符號且省略其說明。
＜第5實施形態＞
本實施形態係關於一種相較於第1實施形態之變壓器將其線圈群之構成予以變更之變壓器。以下所說明之內容以外均與第1實施形態之變壓器相同。
第17圖係為顯示本發明第5實施形態之交流電車之構成之電路圖。
參照第17圖，交流電車205係具備：集電弓92、變壓裝置105、及馬達MA、MB、MC、MD。變壓裝置105係包括：變壓器55、變換器5A、5B、5C、5D、及反相器6A、6B、6C、6D。變壓器55係包括線圈群G1、及G2。線圈群G1係包括高壓側線圈1A、1B、及低壓側線圈2A、2B。線圈群G2係包括高壓側線圈11A、11B、及低壓側線圈12A、12B。
在變壓裝置105中，低壓側線圈2A、2B、12A、12B係與不同個負載耦合。亦即，低壓側線圈2A係與高壓側線圈1A磁性耦合，具有與變換器5A之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5A之第2輸入端子連接之第2端。低壓側線圈2B係與高壓側線圈1B磁性耦合，具有與變換器5C之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5C之第2輸入端子連接之第2端。低壓側線圈12A係與高壓側線圈11A磁性耦合，具有與變換器5B之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5B之第2輸入端子連接之第2端。低壓側線圈12B係與高壓側線圈11B磁性耦合，具有與變換器5D之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5D之第2輸入端子連接之第2端。
從架空線91供給之單相交流電壓係經由集電弓92而供給至高壓側線圈1A、1B、11A、11B。
藉由供給至高壓側線圈1A、11A之交流電壓，而於低壓側線圈2A及12A分別感應交流電壓。藉由供給至高壓側線圈1B及11B之交流電壓，而於低壓側線圈2B及12B分別感應交流電壓。
變換器5A係將低壓側線圈2A所感應之交流電壓變換為直流電壓。變換器5B係將低壓側線圈12A所感應之交流電壓變換為直流電壓。變換器5C係將低壓側線圈2B所感應之交流電壓變換為直流電壓。變換器5D係將低壓側線圈12B所感應之交流電壓變換為直流電壓。
反相器6A係將從變換器5A接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MA。反相器6B係將從變換器5B接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MB。反相器6C係將從變換器5C接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MC。反相器6D係將從變換器5D接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MD。
馬達MA係根據從反相器6A接受之三相交流電壓而驅動。馬達MB係根據從反相器6B接受之三相交流電壓而驅動。馬達MC係根據從反相器6C接受之三相交流電壓而驅動。馬達MD係根據從反相器6D接受之三相交流電壓而驅動。
其他構成及動作係與第1實施形態之變壓器相同，因此在此不重複詳細之說明。
因此，在本發明第5實施形態之變壓器中，係與本發明第1實施形態之變壓器相同，可將變壓器之高度減低並且防止電抗之降低。
接著使用圖式說明本發明之其他實施形態。另外，對於圖中相同或相等部分係賦予相同符號且省略其說明。
＜第6實施形態＞
本實施形態係關於一種相較於第1實施形態之變壓器將線圈群之構成變更之變壓器。以下所說明之內容以外均與第1實施形態之變壓器相同。
第18圖係為顯示本發明第6實施形態之交流電車之構成之電路圖。
參照第18圖，交流電車206係具備：集電弓92、變壓裝置106、及馬達MA、MB、MC、MD。變壓裝置106係包括：變壓器56、變換器5A、5B、5C、5D、及反相器6A、6B、6C、6D。變壓器56係包括線圈群G1、及G2。線圈群G1係包括高壓側線圈1A、1B、及低壓側線圈2A、2B。線圈群G2係包括高壓側線圈11A、11B、及低壓側線圈12A、12B。
在變壓裝置106中，高壓側線圈1A、1B、11A、11B係彼此並聯連接，且低壓側線圈2A、2B、12A、12B與不同個負載耦合。亦即，高壓側線圈1A係具有與集電弓92連接之第1端、及與供給接地電壓之接地節點連接之第2端。高壓側線圈1B係具有與集電弓92連接之第1端、及與供給接地電壓之接地節點連接之第2端。高壓側線圈11A係具有與集電弓92連接之第1端、及與供給接地電壓之接地節點連接之第2端。高壓側線圈11B係具有與集電弓92連接之第1端、及與供給接地電壓之接地節點連接之第2端。
低壓側線圈2A係與高壓側線圈1A磁性耦合，具有與變換器5A之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5A之第2輸入端子連接之第2端。低壓側線圈2B係與高壓側線圈1B磁性耦合，具有與變換器5C之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5C之第2輸入端子連接之第2端。低壓側線圈12A係與高壓側線圈11A磁性耦合，具有與變換器5B之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5B之第2輸入端子連接之第2端。低壓側線圈12B係與高壓側線圈11B磁性耦合，具有與變換器5D之第1輸入端子連接之第1端、及與變換器5D之第2輸入端子連接之第2端。
從架空線91供給之單相交流電壓係經由集電弓92而供給至高壓側線圈1A、1B、11A、11B。
藉由供給至高壓側線圈1A及11A之交流電壓，於低壓側線圈2A及12A分別感應交流電壓。藉由供給至高壓側線圈1B及11B之交流電壓，於低壓側線圈2B及12B分別感應交流電壓。
變換器5A係將低壓側線圈2A所感應之交流電壓變換為直流電壓。變換器5B係將低壓側線圈12A所感應之交流電壓變換為直流電壓。變換器5C係將低壓側線圈2B所感應之交流電壓變換為直流電壓。變換器5D係將低壓側線圈12B所感應之交流電壓變換為直流電壓。
反相器6A係將從變換器5A接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MA。反相器6B係將從變換器5B接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MB。反相器6C係將從變換器5C接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MC。反相器6D係將從變換器5D接受之直流電壓變換為三相交流電壓，且輸出至馬達MD。
馬達MA係根據從反相器6A接受之三相交流電壓而驅動。馬達MB係根據從反相器6B接受之三相交流電壓而驅動。馬達MC係根據從反相器6C接受之三相交流電壓而驅動。馬達MD係根據從反相器6D接受之三相交流電壓而驅動。
其他構成及動作係與第1實施形態之變壓器相同，因此在此不重複詳細之說明。
因此，在本發明第6實施形態之變壓器中，係與本發明第1實施形態之變壓器相同，可將變壓器之高度減低並且防止電抗之降低。
此次所揭示之實施形態之所有點均為例示性者，並非用以限制本發明。本發明之範圍係依申請專利範圍所示，而非依上述之說明，在與申請專利範圍均等之涵義及範圍內均包括各種變更。
1、1A、1B、11、11A、11B、41A、41B．．．高壓側線圈
2、2A、2B、12、12A、12B、42A、42B．．．低壓側線圈
5A、5B、5C、5D．．．變換器(converter)
6A、6B、6C、6D．．．反相器(inverter)
15、16、17．．．副鐵心
31、32、33、34．．．腳部
50、51、53、54、55、56．．．變壓器
60．．．鐵心
61、62、63．．．主鐵心
91．．．架空線
92．．．集電弓(pantograph)
100、101、105、106．．．變壓裝置
200、201、205、206．．．交流電車
MA、MB、MC、MD．．．馬達
W1、W2、W3、W4、W5．．．窗部
G1、G2、G3、G4．．．線圈群
第1圖係為顯示本發明第1實施形態之交流電車之構成之電路圖。
第2圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器構成之斜視圖。
第3圖係為顯示第2圖中之變壓器之III-III剖面及在此變壓器中所產生之電流及磁通之圖。
第4圖(a)係為顯示在變壓器中所產生之電流之變壓器窗部之剖面圖。(b)係為顯示在變壓器中於鐵心內所產生之漏磁通之曲線圖。
第5圖係為顯示本發明第1實施形態之交流電車之構成之電路圖。
第6圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器之構成之斜視圖。
第7圖係為顯示第6圖中之變壓器之Ⅶ-Ⅶ剖面及在此變壓器中所產生之電流及磁通之圖。
第8圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器中之漏磁通之圖。
第9圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器中之單側運轉時之主磁通圖。
第10圖係為顯示假定本發明第1實施形態之變壓器不具備副鐵心之構成中單側運轉時之漏磁通之圖。
第11圖係為顯示本發明第1實施形態之變壓器中單側運轉時之漏磁通之圖。
第12圖(a)係為顯示有變壓器所產生之電流的變壓器之窗部之剖面圖。(b)係為顯示變壓器之鐵心內所產生之漏磁通之曲線圖。
第13圖係為顯示本發明第2實施形態之變壓器構成之立體圖。
第14圖係為顯示第13圖之變壓器之XIV-XIV剖面及在該變壓器中所產生之電流及磁通之圖。
第15圖係為顯示本發明第3實施形態之變壓器之構成圖。
第16圖係為顯示本發明第4實施形態之變壓器之構成圖。
第17圖係為顯示本發明第5實施形態之交流電車之構成之電路圖。
第18圖係為顯示本發明第6實施形態之交流電車之構成之電路圖。
1A、1B、11A、11B‧‧‧高壓側線圈
2A、2B、12A、12B‧‧‧低壓側線圈
15‧‧‧副鐵心
31、32‧‧‧腳部
51‧‧‧變壓器
61‧‧‧主鐵心
G1、G2‧‧‧線圈群
W1、W2、W3‧‧‧窗部

Claims (7)

  1. 一種變壓器，係具備：第1鐵心(61)，具有彼此隔開間隔而並列之複數個腳部(31、32)；複數個高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)，分別捲繞於前述複數個腳部(31、32)，且接受共通之單相交流電力；及複數個低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)，與前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)對應設置，且與對應之前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)磁性耦合，且分別捲繞於前述複數個腳部(31、32)；藉由前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)及對應之前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)構成複數個線圈群(G1、G2)；且進一步具備：設在相鄰之前述線圈群(G1、G2)間之第2鐵心(15)。
  2. 如申請專利範圍第1項之變壓器，其中，前述第1鐵心(61)及前述第2鐵心(15)係彼此分離設置。
  3. 如申請專利範圍第1項之變壓器，其中，前述第1鐵心(61)及前述第2鐵心(15)係一體化。
  4. 如申請專利範圍第1項之變壓器，其中，前述鐵心係具有至少3個開口部(W1、W2、W3)；前述複數個腳部(31、32)係分別設於前述開口部(W1、W2、W3)間；各前述線圈群(G1、G2)中之前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)及前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)，係通過前述腳部(31、32)之相鄰兩側之各前述開口部(W1、W2、W3)而捲繞於前述腳部(31、32)，且疊層於前述腳部(31、32)之延伸方向。
  5. 如申請專利範圍第1項之變壓器，其中，各前述線圈群(G1、G2)中之前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)係與不同個負載耦合。
  6. 如申請專利範圍第1項之變壓器，其中，前述腳部(31、32)之並列方向之前述第2鐵心(15)之長度之最小值，係根據與前述第2鐵心(15)相鄰之前述線圈群(G1、G2)中之前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)之捲繞數、流經與前述第2鐵心(15)相鄰之前述線圈群(G1、G2)中之前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)之電流、與前述第2鐵心(15)相鄰之前述線圈群(G1、G2)中之前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)及前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)之尺寸、及前述第2鐵心(15)之飽和磁通密度所決定。
  7. 一種變壓器，係具備：第1鐵心(61)，具有複數個腳部(31、32)；高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)；及低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)；前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)及前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)係分割為複數個線圈群(G1、G2)；前述複數個線圈群(G1、G2)中之前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)及前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)係分別捲繞於前述複數個腳部(31、32)；各前述線圈群(G1、G2)中之前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)係接受共通之單相交流電力；各前述線圈群(G1、G2)中之前述低壓側線圈(2A、2B、12A、12B)及前述高壓側線圈(1A、1B、11A、11B)係彼此磁性耦合；且進一步具備：設在相鄰之前述線圈群(G1、G2)間之第2鐵心(15)。
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