JPH04103109A - 変圧器用ギャップ付鉄心 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は大容量半導体電力変換装置に使用される変圧器
用ギャップ付鉄心に関する。

（従来の技術） 半導体電力変換装置に使用される変換器用変圧器は直流
側巻線と交流側巻線を１つの鉄心に巻装したユニット変
圧器数台で構成し、その直流側巻線にはサイリスタ数台
が並列に接続され、その交流側巻線は数台を直列に接続
して電源あるいは負荷に接続する、いわゆる直列多重電
圧形のインバータあるいはコンバータ用のものがあるが
、この方式は、その動作の速溶性、電源側の力率および
高周波に関して良好な特性が得られる。

通常の変圧器では、その鉄心は、けい素鋼板の抜板接合
部のギャップを小さくして磁気抵抗を小さくし、鉄損、
励磁電流および振動騒音をより小さくするが、前述の変
換器用変圧器では、次の２つの理由により、その鉄心に
はギャップを付は磁気抵抗をある程度に大きくする必要
がある。

■　サイリスタの僅かなオンタイミングのずれや制御上
のずれ、および変圧器を含む回路のインピーダンス特性
の差などにより、直流成分の電流が発生する。この直流
電流が変圧器巻線に流れると、鉄心には直流偏磁が発生
して鉄心は飽和し、励磁電流が増大し電力変換装置とし
ての特性を悪化させると共に、変換器用変圧器は損失が
増加し、振動騒音が大きくなる。

この直流偏磁現象を完全に防止することは困難であるの
で定格電流の１％程度の直流電流が流れても、鉄心にギ
ャップを設けることにより鉄心の磁気抵抗を大きくし、
その偏磁量を小さくし鉄心飽和にならないようにする。

そのため直流電流と偏磁量の関係を満足するように、鉄
心のギャップを設計し、工作しなければならない。

（２）直列接続される交流側巻線の分担電圧を均一とな
るようにしないと電力変換装置としての動作を良好に維
持できないので、ユニット変圧器間でその励磁インピー
ダンスすなわち鉄心の磁気抵抗を同一にする必要がある
。

磁気抵抗を同一にすることは、鉄心の材質による磁気特
性のバラツキや抜板接合部の隙間の不揃などに起因し通
常では困難であるが、ギャップをつけ、そのギャップ長
を各変圧器ごと正確に等しくなるように製造管理するこ
とにより、励磁インピーダンスのバラツキを数％以内に
することができる。

（発明が解決しようとする課題） 従来の電力変換装置では、必要とするユニット変圧器の
容量が小さく、直列にする台数も少なかったので、その
鉄心をユニット変圧器毎に独立させた方法でも問題はな
かった。

しかし、磁気浮上式鉄道用電力変換装置および電力系統
の安定化を目的として自励式インバータを用いた静止形
無動電力発生装置などは、その容量が大きくなるため、
そのユニット変圧器の容量も大きく、直列にする台数も
多くなり、大規模なものとなる。

大規模な機器になればその鉄心も大きくなりギャップ長
の調整などその工作が困難となり、変換器用変換器とし
ても、その外形寸法が大きく、重量が重くなるのでその
価格は高くなる。

本発明は上述の課題を解決すべくなされたものであり、
鉄心の磁気抵抗を仕様値に合せるためのギャップ長の調
整が容易にでき、ユニット変圧含鉄心数台分を１つの鉄
心で構成し、変換器用変圧器をコンパクト化できる変圧
器用ギャップ付鉄心を提供することを目的とするもので
ある。

〔発明の構成〕

ｃｍ題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、直流側巻線と交流
側巻線を巻装する複数の主脚と、との主脚の両脇に配置
された側脚および、それらの主脚とＶ字状接合部を介し
て接合する下部ヨークと上部ヨークとで構成し、主脚と
上部ヨークとのＶ字状接合部の間に磁気的絶縁物のギャ
ップを取付け、かつ上部ヨークの主脚部および主脚と側
脚間にラップ接合の継ぎ目部を設けたことを特徴とする
ものである。

（作　用） このような構成とすることにより、鉄心はユニット変圧
器毎に独立でなく、ユニット変圧器１台分を１つの主脚
で構成できるので、ユニット変圧器複数台分を１つの鉄
心で可能にできる。そして主脚部にギャップが形成しで
あるので鉄心の磁気抵抗を大きくでき、ギ′ヤップの取
付位置は変圧器巻線より上部であり、上部ヨークの取外
しだけで、磁気抵抗を仕様値に合せるためのギャップ長
の調整が容易に行える。更にギャップの形状を主脚と上
部ヨークとのＶ字状接合部に合せて設けであるので、こ
の接合部に生じがちな鉄心過熱を抑制することができる
。

（実施例） 以下本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。

第１図は直流側巻線１と交流側巻線２を巻装した主脚３
が３つあり、その両脇に側脚４を設け、それらの脚を下
部ヨーク５と上部ヨーク６とでｖ字状接合部を介して接
合し、主脚３と上部ヨーク６とのｖ字状接合部の間に磁
気的絶縁物のギャップ７を取付け、上部ヨーク６の主脚
部および主脚と側脚間に各々ラップ接合の継ぎ目８を設
けている。そして図示されていないが、主脚３および側
脚４には各々に当て板を取付け、下部ヨーク５および上
部ヨーク６にはクランプを取付けて、ボルト締付けある
いはガラステープなどによるパインド締付けとする。

継ぎ目８を上から見た拡大図を第２図に示す。

上部ヨーク６は、けい素鋼板の抜板を積層しており、そ
の継ぎ目８は抜板が寸法Ａでラップジヨイントされ、左
右の上部ヨーク６は磁気的には結合されているが、上下
方向には相対的に移動が可能となるように構成されてい
る。

ギャップ付鉄心ではギャップ部を通過する磁束により、
ギャップの上下面間に磁気吸引力が働き振動騒音が発生
するので図示していないが、上部ヨーク６、ギャップ７
、主脚３および下部ヨーク５を上下方向に締付スタッド
により強固に締付ける。

もし上部ヨーク６に継ぎ目８がない１枚ものであれば、
下部ヨーク５と上部ヨーク６を上下に締付けることによ
って主脚３と側脚４には圧縮力が加わるが製作上の寸法
公差、組立上の誤差により接合部には隙間が生じたり上
下ヨークが突つばったりし、また主脚３、側脚４の上下
方向の寸法にバラツキがあるとギャップ７が適切な圧力
で締付けられず振動騒音が増加する恐れがある。

しかし、本実施例では上部ヨーク６には継ぎ目８があり
、各脚毎に分割されているので、上下方向に相対的に移
動が可能なので前記の各誤差を吸収し、締付力が均一に
加わるようになり、振動騒音の増加を抑制することがで
きる。

次に、この構成によるギャップ長の調整法について説明
する。

ます主脚３と側脚４を下部ヨーク５で結合し、上部より
直流側巻線１と交流側巻線２を挿入した巻線を組立て、
主脚３の上部にギャップ７を取付け、上部ヨーク６を組
込み、クランプと上下締付スタッドを取付は締付ける。

そして直流側巻線１あるいは交流側巻線２に交流電源を
接続し、各脚の励磁インピーダンスを測定する。測定さ
れた励磁インピーダンスが仕様値を満足しない場合には
、いったん組立てた上部ヨーク６を取外しギャップ７の
寸法Ｇを調整し再度上部ヨーク６を組立て、励磁インピ
ーダンスが仕様値を満足するように調整する。このよう
にギャップ７の寸法Ｇを調整することにより主脚３とギ
ャップ７の合計高さが、他脚間で異なっても、上部ヨー
ク６には継ぎ目８があるので、上部ヨーク６を上下方向
に相対的に移動すればよい。

運転することによって、鉄心の温度が高くなると、種々
の条件により、各主脚間および側脚間に熱膨張による伸
びの差が生じ、上部ヨーク６を押し曲げたり、無理な曲
げ応力や圧縮応力が発生し磁気歪が大きくなり磁歪によ
る振動騒音が増加するが、本実施例では上部ヨーク６の
継ぎ目８の作用によって無理な力は発生しないので磁歪
による振動騒音の増加を抑制することができる。

第３図は第１図の鉄心の磁気的な等価回路を示す図であ
り、電源表示のＥａ、Ｅｂ、Ｅｃはその主脚に磁束を流
すための励磁電流とその励磁電流が流れる巻線の巻回数
の積で求められる起磁力である。抵抗表示のＲユ、　Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ，は各磁路の磁気抵抗で、Ｒ１はギャップ
７を含む主脚の磁気回路分、Ｒ２，Ｒ，は下部ヨーク５
、上部ヨーク６で主脚間に相当する磁気回路分、Ｒ４は
主脚と側脚の間の下部ヨーク５と上部ヨーク６および側
脚４に相当する磁気回路分である。

抵抗Ｒ１はギャップ７を有するため、ギャップを有しな
い抵抗Ｒ，，Ｒ，、Ｒ，よりはるかにその値は大きい。

もし抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が小さく抵抗Ｒ１に比べ無視
できる程度の値であれば、第３図で、例えば、左側の主
脚３にのみ起磁力Ｅａが発生し磁束φａが流れる場合に
ついて考えると、両脇の側脚４に流れる磁束φ１．φ、
が大きくなり、中央と右側の主脚３に流れる磁束φ２．
φ３は小さく無視できることになる。他の主脚の場合の
磁束の流れ方も同じことになり、次のことがいえる。

すなわち、１つの主脚に発生した磁束は他の主脚には流
れず、側脚４、下部ヨーク５、上部ヨーク６を通って流
れるので、主脚間では磁気的結合が無視でき、従来のユ
ニット変圧器毎に別鉄心にした場合と同等になり、各主
脚毎の巻線で、別々の電圧制御すなわち、パルス幅変調
方式としても支障はない。

抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の値をより小さくする手段としで
は、 （ａ）側脚４、下部ヨーク５、上部ヨーク６には透磁率
の大きい、より特性の良い高配向性材などを使用する。

（ｂ）下部ヨーク５と上部ヨーク６の断面積は通常の変
圧器鉄心なら主脚の断面積の半分でよいが、多少大きく
し、その磁束密度がより低くなるようにする。

（ｃ）側脚４と下部ヨーク５．上部ヨーク６との接合部
は額縁形ラップ接合とし、さらに必要なら抜板を階段状
にずらせて接合する、いわゆる、ステップラップ構造と
してもよい。

これらの接合手段を、その鉄心の仕様により最適となる
ように組合せて採用する。

第４図は上部ヨーク６と主脚３間のｖ字状接合部におけ
る磁束の流れを示す図である。矢印９で示す方向は、方
向性けい素鋼板の圧延方向であり。

その方向に磁束が流れるようにして発生損失を少なくし
ている。また、主脚３よりギャップ７を通って上部ヨー
ク６へ流れる磁束についても、上部ヨーク６の部分と主
脚３との接合部を４５度の角度をもたせた７字状に接合
しであるので、その圧延方向と直角方向に流れる成分は
生ぜず、その部分の発生損失を小さく抑えられ局部過熱
を生ずる恐れがない。

本発明は上述した実施例のみに限定されるものではなく
主脚の数は任意に変更できるばかりでなくその要旨を変
更しない範囲で適用できるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、１つの多相鉄心
に数組の直流側巻線と交流側巻線を巻装することができ
、変換器用変圧器としてはコンパクト化が可能となり、
またその外形寸法、重量および価格が低減でき、かつギ
ャップ長の調整が容易に行え、合理的な締付方法となる
ため締付力が均一となり、ギャップ部に発生する磁気吸
引力および、けい素鋼板の磁歪による振動騒音を抑制で
きる変圧器用ギャップ付鉄心を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の側面図、第２図は第１図の
接合部の拡大図、第３図は第１図の磁気的等価回路図、
第４図は第１図の上部ヨークと主脚間のＶ字状接合部に
おける磁束の流れを示す説明図である。 １．２・・・直流側巻線、交流側巻線 ３・・・主脚　　　　　　　４・・・側脚５．６・・・
下部、上部ヨーク ７・・・ギャップ　　　　　８・・・継ぎ目９・・・圧
延方向 代理人　弁理士　則　近　憲　佑

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　変圧器巻線を巻装した任意の数の主脚と、この主脚の
   両脇に配置された側脚およびそれらの脚を接合する下部
   ヨークと上部ヨークとで構成された変圧器用鉄心におい
   て、主脚と上部ヨークとのＶ字状の接合部の間に磁気的
   絶縁物のギャップを取付け、かつ、上部ヨークの主脚間
   および主脚と側脚間にラップ接合の継ぎ目部を設けたこ
   とを特徴とする変圧器用ギャップ付鉄心。