JP2020043217A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ磁束による損失を低減できる変圧器を提供する。【解決手段】変圧器（１）は、鉄心（１０）と、鉄心の周りに巻回されて軸方向が鉛直方向に向けられた巻線（２０）と、鉄心及び巻線を収容するタンク（４０）と、巻線から発生する磁束を遮蔽する磁気シールド（５０）とを備えている。磁気シールドは、巻線の上端側及び下端側に配置された上部シールド（５１）及び下部シールド（５２）と、上下方向に沿って延出して巻線とタンクの側壁（４３）との間に配置された側部シールド（５３）とを備えている。上部シールド及び下部シールドは、側部シールドの上端面（５３ａ）及び下端面（５３ｂ）に対向する対向面（５１ａ、５２ａ）を備え、これら対向面と形成面とが近傍に配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、変圧器に関し、特に、巻線から発生する漏れ磁束がタンク等に入射することをシールドで抑制することができる変圧器に関する。

変圧器は、電磁誘導を利用して交流電力の電圧を変換する機器であり、磁気回路を構成する鉄心と、電気回路を構成する巻線とがタンク内に収容されて構成される。また、変圧器にあっては、鉄心や巻線を締め付ける際に使用されるフレーム等の構造物が、巻線の軸方向両側に設けられる。変圧器の運転時には、巻線からタンク内部に漏れ磁束が発生する。この漏れ磁束が鎖交するタンク壁では渦電流が生じ、タンク壁での局部過熱等の渦電流損失が発生する。このようなタンク壁での渦電流損失の発生を回避すべく、特許文献１に開示されるように、タンク壁の内面に沿って磁気シールドを設け、磁気シールドに漏れ磁束を誘導している。

特開平６−６９０５０号公報

特許文献１にあっては、磁気シールドによってタンク壁に入射する漏れ磁束の量を抑制するよう設けられる。一方、フレーム等の構造物もタンクと同様に漏れ磁束が入射すると渦電流損失が発生する。巻線から漏れる磁束は、巻線の半径方向外側であるタンク側のみならず、半径方向内側の鉄心側にも向かうので、漏れ磁束の進行方向で鉄心の手前にあるフレーム等の構造物に入射する。特許文献１の磁気シールドはタンク壁の内面に沿って位置するので、フレーム等の構造物に入射する漏れ磁束をあまり抑制できず、渦電流損失を低減することが困難になる、という問題がある。

また、漏れ磁束による渦電流損失を抑制するため、本発明者は、種々の試行錯誤を繰り返して鋭意検討した結果、漏れ磁束が入射する磁気シールドの位置関係が影響を及ぼすことを知見した。この知見に基づき、本発明者は、以下に述べる構成によって、タンクだけでなくタンク以外の構造物でも漏れ磁束による損失をより良く低減できる技術を発明した。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、漏れ磁束による損失を低減することができる変圧器を提供することを目的の一つとする。

本発明における一態様の変圧器は、鉄心と、前記鉄心の周りに巻回されて軸方向が上下方向に向けられた巻線と、前記鉄心及び前記巻線を収容するタンクと、前記巻線から発生する磁束を遮蔽する磁気シールドとを備えた変圧器であって、前記磁気シールドは、前記巻線の上端側及び下端側に配置された上部シールド及び下部シールドと、上下方向に沿って延出して前記巻線と前記タンクの側壁との間に配置された側部シールドとを備え、前記上部シールド及び前記下部シールドは、前記側部シールドの形成面に対向する対向面を備え、該対向面と該形成面とが近傍に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、巻線とタンクの側壁との間に側部シールドを設け、更に巻線の上下両側に上部シールド及び下部シールドを設けたので、巻線を上下の両方向と側方から囲う位置に磁気シールドを配置することができる。これにより、巻線からタンクに向かう漏れ磁束だけでなく、巻線の上下両側に位置するフレーム等の金属構造物に向かう漏れ磁束を遮蔽でき、広範囲に亘って渦電流及び渦電流損失の発生を抑制することができる。また、側部シールドの形成面と上部シールド及び下部シールドの対向面とが近傍配置されるので、それらの間を跨いで流れる磁束が漏れ難くなり、磁気シールド全体として磁束を効率良く流して損失の発生を低減することができる。

本実施の形態に係る変圧器の要部を示す側面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本実施の形態に係る変圧器の磁束の流れの説明図である。 変形例に係る変圧器の図２と同様の断面図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る変圧器について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、本発明を油入変圧器に適用する場合について説明する。しかしながら、本発明の適用対象は、油入変圧器に限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、乾式変圧器（例えば、モールド変圧器、Ｈ種乾式変圧器等）や、ガス絶縁変圧器に適用することもできる。

図１は、本実施の形態に係る変圧器の要部を示す側面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図１及び図２に示すように、変圧器１は、磁気回路を構成する鉄心１０と、電気回路を構成する巻線２０と、鉄心１０及び巻線２０を支持するフレーム部３０と、これら鉄心１０、巻線２０及びフレーム部３０を収容するタンク４０とを含んで構成されている。図１においては、直線上に配置された３つの巻線２０に挿入した鉄心１０の一部を上下一対のフレーム３０（３１、３２）に固定した３相３脚構造の変圧器１を示している。なお、本発明の適用対象となる変圧器の構造については、これに限定されるものではなく、３相５脚構造等の任意の構造を有する変圧器１に適用可能である。

鉄心１０は、電磁鋼板を積層及び接合する構成を例示でき、３本の脚部１１と、脚部１１の上下位置に接合される上ヨーク部１２及び下ヨーク部１３とを備えている。

３本の脚部１１の周りに巻線２０がそれぞれ巻回されて配置されている。巻線２０は、外側巻線２１及び内側巻線２２（図２では不図示）が同心に配置されている。外側巻線２１及び内側巻線２２は、銅やアルミニウム等の導体を絶縁物で被覆してから、コイル状に複数ループ巻回されて形成される。ここで、巻線２０の軸方向とは、円筒状となる巻線２０の中心軸位置が延在する方向であり、図１における上下方向となる。巻線２０は、不図示のスペーサ部材を介してフレーム部３０（３１、３２）との間で位置決めされている。巻線２０の上下両側には、外側巻線２１及び内側巻線２２に接続される配線が延在する口出し部２３（図２では不図示）が設けられる。なお、口出し部２３は、巻線２０の上下両側の何れか一方に設けられるようにしてもよい。

フレーム部３０は、鉄心１０の上端部に設けられた上部フレーム３１と、鉄心１０の下端部に設けられた下部フレーム３２とを備えている。

上部フレーム３１及び下部フレーム３２は、鉄心１０の図２中左右両側にそれぞれ設けられ、鉄心１０の上部領域が一対の上部フレーム３１によって、鉄心１０の下部領域が一対の下部フレーム３２によって挟み込まれるようにして支持される。各フレーム３１、３２は、断面がコ字状（Ｕ字状）に形成されて長手方向に延出する鋼材や板金加工材等の金属構造物により構成される。

タンク４０は、鉄心１０及び巻線２０の上下に位置する頂壁４１及び底壁４２と、頂壁４１及び底壁４２の外周間で上下方向に延出する複数の側壁４３と、を備えた鉄製の箱状に形成されている。本実施の形態の変圧器１は、タンク４０内に不図示の絶縁油が満たされる油入変圧器であり、鉄心１０、巻線２０及びフレーム部３０がタンク４０内にて絶縁油に含浸した状態となっている。

図３は、本実施の形態に係る変圧器の磁束の流れの説明図であり、図２における磁気シールドを省略して図示している。図３に示すように、変圧器１にあっては、運転時に巻線２０から漏れ磁束が発生し、かかる漏れ磁束がタンク４０やフレーム部３０に向かって入射する方向に流れるようになる（図３の太線矢印で図示。なお、図３中左半部は図示省略）。具体的には、巻線２０からの漏れ磁束は、巻線２０の半径方向外側と内側へ回り込むような向きとなり、半径方向外側ではタンク４０の側壁４３側へ、半径方向内側では上部フレーム３１側へ向かって入射するようになる。漏れ磁束の入射によって、タンク４０やフレーム部３０に発生する渦電流損等の漂遊損や局部過熱による損失を回避或いは抑制する必要がある。そこで、本実施の形態の変圧器１は、図１及び図２に示すように、巻線２０を上下両側と側方とから囲うように磁気シールド５０を配置している。

磁気シールド５０は、３体の巻線２０それぞれに同様に設けられ、ここでは、１体の巻線２０に設けられた磁気シールド５０について説明する。

磁気シールド５０は、巻線２０からの磁束を遮蔽及び誘導できるものであれば特に限定されるものでないが、透磁率が数千〜数万の範囲にある珪素鋼板等の磁性体によって形成されている。磁気シールド５０は、巻線２０の上端側に配置された上部シールド５１と、巻線２０の下端側に配置された下部シールド５２と、巻線２０の側方に配置された側部シールド５３とを備えている。

図１の左右方向において、磁気シールド５０の幅は、巻線２０の幅から鉄心１０の脚部１１の幅を差し引いて１／２を乗じた値より小さく形成されている。従って、磁気シールド５０は、脚部１１の左右両端から離れつつ巻線２０の左右両端から外方にはみ出さない位置及び幅に設けられている。

上部シールド５１は、巻線２０の上端側と上部フレーム３１との間に水平方向に向けられて配置される。本実施の形態では、上部シールド５１は、図１にて鉄心１０の脚部１１を挟む両側に配置され、且つ、図２にて鉄心１０を挟む両側に配置されている。従って、上部シールド５１は、巻線２０の上方４箇所位置に配置されている。上部シールド５１にて内側（脚部１１側）の端部は、上部フレーム３１の下方に重なる位置に配設されているが、漏れ磁束の流れ等に応じて上部フレーム３１の下方に重ならないようにしてもよい。上部シールド５１にて外側（脚部１１と反対側）の端部は、巻線２０の外方端よりはみ出る位置に配設されている。

下部シールド５２にあっても、上部シールド５１と同様に形成、配設されるものである。具体的には、下部シールド５２は、巻線２０の下端側と下部フレーム３２との間に水平方向に向けられて配置される。下部シールド５２は、図１にて鉄心１０の脚部１１を挟む両側に配置され、且つ、図２にて鉄心１０を挟む両側に配置されている。従って、下部シールド５２は、巻線２０の下方４箇所位置に配置されている。下部シールド５２にて内側の端部は、下部フレーム３２の上方に重なる位置に配設されているが、漏れ磁束の流れ等に応じて下部フレーム３２の上方に重ならないようにしてもよい。下部シールド５２にて外側の端部は、巻線２０の外方端よりはみ出る位置に配設されている。

側部シールド５３は、巻線２０とタンク４０の側壁４３との間で上下方向に沿って延出して配置され、且つ、上部シールド５１及び下部シールド５２の外側の端部間を連結する位置に設けられている。従って、側部シールド５３においても、図１にて鉄心１０の脚部１１を挟む両側に配置され、且つ、図２にて鉄心１０を挟む両側に配置されている。

側部シールド５３の形成面となる上端面５３ａは、上部シールド５１の下面となる対向面５１ａに対向するように配置されている。言い換えると、上部シールド５１の対向面５１ａと、側部シールド５３の上端面５３ａとが若干の隙間を介して近傍に配置されている。また、側部シールド５３の形成面となる下端面５３ｂは、下部シールド５２の上面となる対向面５２ａに対向するように配置されている。言い換えると、下部シールド５２の対向面５２ａと、側部シールド５３の下端面５３ｂとが若干の隙間を介して近傍に配置されている。

側部シールド５３と、上部シールド５１及び下部シールド５２との間の上述した隙間には、絶縁物となる所定の樹脂材等を介在させてもよいし、タンク４０内の絶縁油だけが存在する状態としてもよい。

なお、上部シールド５１は上部フレーム３１に、下部シールド５２は下部フレーム３２等に絶縁体となる不図示の支持構造物を介して支持されている。また、側部シールド５３は、タンク４０の側壁４３に不図示の支持構造物を介して支持されたり、不図示のスタンドを介して底壁４２上に立設されたりする他、上部シールド５１及び下部シールド５２に支持されるようにしてもよい。

このように磁気シールド５０を形成及び配置することで、巻線２０から矢印で示すように漏れ磁束が発生しても、漏れ磁束が上部シールド５１に引き寄せられて誘導される。上部シールド５１では、巻線２０から漏れ磁束の向きに沿うように外側に向かって漏れ磁束が通過した後、対向面５１ａから近傍に位置する側部シールド５３の上端面５３ａに漏れ磁束が跨って通過するようになる。側部シールド５３では、上から下に向かって漏れ磁束が通過した後、下端面５３ｂから近傍に位置する下部シールド５２の対向面５２ａに漏れ磁束が跨って通過するようになる。そして、下部シールド５２では漏れ磁束が内側に向かって通過して巻線２０の下端側に入射されるようになる。このように、磁気シールド５０にあっては、上部シールド５１、側部シールド５３、下部シールド５２の順序で巻線２０から発生した漏れ磁束を通過させる磁束経路を形成する。なお、巻線２０からの漏れ磁束の向きが上下反転した向きであれば、磁束経路を形成する順序は上述の順序と逆になる。

上記実施の形態によれば、側部シールド５３だけでなく、上部シールド５１及び下部シールド５２を設けたので、タンク４０だけでなく巻線２０の上下に位置するフレーム部３０への漏れ磁束の入射を抑制することができる。これにより、渦電流及び渦電流損失の発生を抑制できる範囲が拡大され、漏れ磁束による損失をより良く低減することができる。

また、上部シールド５１、側部シールド５３、下部シールド５２によって磁束経路を形成するので、巻線２０から発生して透磁率の高い各シールド５１〜５３を通過した後、該巻線２０に戻る漏れ磁束を多くすることができる。これにより、タンク４０やフレーム部３０での渦電流及び渦電流損失の発生を抑制でき、これによっても、漏れ磁束による損失低減を図ることができる。

また、側部シールド５３の上端面５３ａ及び下端面５３ｂと、上部シールド５１の対向面５１ａ及び下部シールド５２の対向面５２ａとが近傍配置されるので、それらの間を跨いで流れる漏れ磁束が各シールド５１〜５３の外部に漏れ難くすることができる。これにより、磁気シールド５０全体として磁束を効率良く通過させることができ、損失の発生をより良好に低減することができる。

また、上部シールド５１及び下部シールド５２の長さを短くすることで、側部シールド５３と巻線２０とを近付けることができる。このように近付けることで、巻線２０から発生する漏れ磁束を効率良く遮蔽することができ、これによっても、漏れ磁束による損失低減を図ることができる。

また、図１にて口出し部２３の左右両側に離れた位置に上部シールド５１及び下部シールド５２を配置している。これを詳述すると、図１中左右両側の上部シールド５１は、鉄心１０側に位置して相対する相対面５１ｃを備え、左右の相対面５１ｃが位置する面の間に口出し部３２が配置される。また、図１中左右両側の下部シールド５２は、鉄心１０側に位置して相対する相対面５２ｃを備え、左右の相対面５２ｃが位置する面の間に口出し部３２が配置される。これにより、各シールド５１、５２と口出し部２３との絶縁距離を容易に確保することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、向きなどについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、本発明を変圧器に適用した構成について説明したが、上述した作用効果が得られるのであれば、他の電力用静止器や電力変換装置に適用することも可能である。

また、上記実施の形態にて図示した内容は、説明用に模式的に表したものであり、上述した作用効果を発揮できれば、鉄心１０や巻線２０、フレーム部３０、タンク４０の形状等について変更してもよい。

また、磁気シールド５０の位置や形状は、上記実施の形態と同様の機能を発揮する限りにおいて、種々の変更が可能である。

例えば、図２にて脚部１１を挟んで左右に位置する２本の上部シールド５１を、鉄心１０の上ヨーク部１２の下方を通過して一体となるように形成してもよく、下部シールド５２においても同様である。

また、上記実施の形態では、側部シールド５３に対して隙間を介して上部シールド５１及び下部シールド５２を設けたが、それらを一体に形成してコ字状（Ｕ字状）部材により磁気シールド５０を形成してもよい。更に、脚部１１を挟んで左右に位置する２本の上部シールド５１、下部シールド５２も一体化することでロ字状部材により磁気シールド５０を形成してもよい。

また、図４に示すように、上部シールド５１及び下部シールド５２の外方端面５１ｂ、５２ｂに、側部シールド５３の形成面となる側面５３ｃが対向しつつ近傍に配置されるようにしてもよい。この場合、外方端面５１ｂ、５２ｂが側部シールド５３の側面５３ｃに対向する対向面とされる。また、上部シールド５１と側部シールド５３、下部シールド５２と側部シールド５３の位置関係としては、一方の端面に対向するように他方の側面を配置するような構成としていればよく、左右や上下で異なる配置を組み合わせてもよい。

１ 変圧器
１０ 鉄心
２０ 巻線
４０ タンク
４３ 側壁
５０ 磁気シールド
５１ 上部シールド（磁束経路）
５１ａ 対向面
５２ 下部シールド（磁束経路）
５２ａ 対向面
５３ 側部シールド（磁束経路）
５３ａ 上端面（形成面）
５３ｂ 下端面（形成面）

Claims (3)

1. 鉄心と、前記鉄心の周りに巻回されて軸方向が上下方向に向けられた巻線と、前記鉄心及び前記巻線を収容するタンクと、前記巻線から発生する磁束を遮蔽する磁気シールドとを備えた変圧器であって、
   前記磁気シールドは、前記巻線の上端側及び下端側に配置された上部シールド及び下部シールドと、上下方向に沿って延出して前記巻線と前記タンクの側壁との間に配置された側部シールドとを備え、
   前記上部シールド及び前記下部シールドは、前記側部シールドの形成面に対向する対向面を備え、該対向面と該形成面とが近傍に配置されることを特徴とする変圧器。
2. 前記磁気シールドは、前記上部シールド、前記側部シールド、前記下部シールドの順序で、または、該順序と逆の順序で前記巻線から発生した磁束を流す磁束経路を形成することを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
3. 前記巻線は口出し部を備え、
   前記上部シールド及び前記下部シールドは前記鉄心を挟む両側に配置され、且つ、該鉄心側に位置して相対する相対面をそれぞれ備え、
   前記口出し部は少なくとも１つが該両側の前記上部シールドの前記相対面が位置する面の間または前記下部シールドの前記相対面が位置する面の間に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変圧器。

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