JPH07120586B2 - 変圧器用ギャップ付鉄心 - Google Patents

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換
器用変圧器の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には、
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され、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、その動作の速応性、電源側の力率
及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、
励磁電流及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
ャップを付け、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、及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、変換器用変圧器の損失が増
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、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、定格電流の１％程
度の直流電流が流れても鉄心飽和にならない様にする。

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。

直列接続される交流側巻線の分担電圧を均一となる様
にしないと、電力変換装置としての動作を良好に継持で
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、即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
性のバラツキや抜き板接合部の隙間の不揃いなどが存在
するために、通常では困難であるが、ギャップを付け、
そのギャップ長を各器で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） ところが、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構造で
も特に問題はなかった。

しかし、最近注目されている磁気浮上式鉄道用電力変換
装置や、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効電力発生装置などは、その容量が
大きくなるため、使用する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、装置全体が大規模なも
のとなる。そして、大規模な装置になれば、その変換器
用変圧器も大型化することは避けられず、それに伴って
その鉄心も大きく重量が重くなるために、ギャップ長の
調整などその工作が困難であった。

本発明は、上述の課題を解決するために提案されたもの
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、しかもユニット変圧器鉄心数
台分を１つの鉄心で構成することにより、変換器用変圧
器の小形化を可能とした変圧器用ギャップ付鉄心を提供
することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、以上の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、この主脚の両脇に
配置された側脚及びそれらの脚を接合する下部ヨークと
上部ヨークとを備え、主脚と上部ヨークとの間に磁気的
絶縁物のギャップを取付け、且つ、上部ヨークの主脚間
及び主脚と側脚間にラップ接合の継ぎ目部を設けたこと
を構成上の特徴とするものである。

（作用） このような構成を有する本発明の鉄心は、直流側巻線と
交流側巻線を巻装する複数の主脚を備えているので、ユ
ニット変圧器１台分の巻線を１つの主脚に巻装すること
ができ、ユニット変圧器複数台分を１つの鉄心で構成す
ることが可能になる。そして、主脚部に磁気的絶縁物の
ギャップが形成してあるので、鉄心の磁気抵抗は大きく
でき、しかも磁気的絶縁物のギャップの取付位置は変圧
器巻線より上部であるから、上部ヨークの取り外しだけ
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。

（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。

本実施例の鉄心は、第１図の様に、直流側巻線１と交流
側巻線２とを巻装した主脚３を３本備えたもので、その
両側に側脚４が設けられている。これら３本の主脚３と
両側の側脚４は下部ヨーク５と上部ヨーク６とで接合さ
れ、特に各主脚３と上部ヨーク６との間には磁気的絶縁
物のギャップ７が取り付けられている。また、上部ヨー
ク６の主脚３間及び主脚３と側脚４間には、各々ラップ
接合の継ぎ目８が設けられている。

そして、図示されていないが、主脚３及び側脚４を構成
する抜き板の表面には各々当て板が取り付けられ、また
下部ヨーク５及び上部ヨーク６を構成する抜き板にはク
ランプが取付けられて、ボルト締付け或いはガラステー
プなどによりバインド締付けされている。また、本実施
例の様なギャップ付鉄心では、ギャップ７部を通過する
磁束により、ギャップ７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及び下部ヨーク５が上下
方向に締付スタッドにより強固に締付けられている。

更に、第２図の拡大平面図に示す通り、上部ヨーク６は
けい素鋼板の抜き板を積層して構成されており、その継
ぎ目８は抜き板が寸法Ａでラップジョイントされ、左右
の上部ヨーク６は磁気的には接合されているが、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。

本実施例のギャップ付鉄心は上記の様な構成を有するも
のであるが、次にその作用を説明する。

仮に、上部ヨーク６が継ぎ目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、上下ヨークが突っ張ったりし、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、しかもその継ぎ目８は各脚毎に分割されて
上下方向に相対的に移動が可能なので、前記の各誤差を
吸収して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。特に、変圧器を運転し
た場合に鉄心の温度が高くなると、各主脚間及び側脚間
に熱膨脹による伸びの差が生じ、上部ヨーク６を押し曲
げたりし、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
施例の構成では、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。

次に、本実施例におけるギャップ長の調整法について説
明する。まず、主脚３と側脚４を下部ヨーク５で接合
し、上部より直流側巻線１と交流側巻線２を挿入し巻線
を組立て、主脚３の上部にギャップ７を取付けた後、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
付けて締付ける。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良い。

更に、本実施例の鉄心が、従来の複数のユニット変圧器
で別鉄心とした時と同様な作用を果たすことを、第３図
及び第４図により説明する。

即ち、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R₁,R₂,R₃,R
₄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,R₃は下部ヨーク５と上部ヨーク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及び側脚４に相当する磁気回路
分である。ここで、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R₂,R₃,R₄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_４が
大きくなり、中央と右側の主脚３に流れる磁束Φ₂,Φ_３
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、次のことが言える。

即ち、１つの主脚に発生した磁束は他の主脚には流れな
く、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
ット変圧器で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抑制、即ちパルス幅変調方式として
も支障はない。

この場合、抵抗R₂,R₃,R₄の値をより小さくするには、 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。

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良いが、多少大きく
し、その磁束密度がより低くなる様にする。

側脚４と下部ヨーク５及び上部ヨーク６との接合部
は、額縁形ラップ接合とし、更に、必要なら抜き板を階
段状にずらせて接合する、いわゆるステップラップ構造
としても良い。

などの手段を、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。

（他の実施例） 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ばかりでなく、他の部分
の構成も本発明の要旨を変更しない範囲で変更すること
ができるものである。

例えば、第１図において、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、前記実施例では、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
が、主脚３よりギャップ７を通って上部ヨーク６へ流れ
る磁束については、上部ヨーク６の部分ではその圧延方
向と直角方向に流れる成分があるため、その部分の発生
損失が大きくなり、局部過熱の原因になる。そこで、適
用される装置がより大きくなり、その鉄心寸法が大形に
なる場合や、発生損失を特に少なくする必要がある場合
には、第４図に示すように、ギャップ７の上に二等辺直
角三角形の抜き板10を取付ける。即ち、ギャップ７に接
する上部ヨーク６を三角形に切欠き、その部分に抜き板
10をその圧延方向９が上下方向になうように取付ける。
この様な構成とすることにより、主脚３よりギャップ７
を通って上部ヨーク６へ流れる磁束は、抜き板10をスム
ーズに流れ、いずれの場所でも圧延方向に磁束が流れる
ように改善され、前述の発生損失の増加が少なくなり、
局部過熱の防止に効果がある。

［発明の効果］ 以上の通り本発明によれば、任意の数の主脚とその両側
の側脚を上・下部ヨークで接合すると共に、各主脚と上
部ヨークとの間にギャップを取付け、且つ、上部ヨーク
の主脚間及び主脚と側脚間にラップ結合の継ぎ目を設け
るという簡単な手段にもかかわらず、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可能と
なり、変換器用変圧器として小型で、ギャップ長の調整
が容易に行え、しかもギャップ部に発生する磁気吸引力
及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図は本発明による変圧器用ギャップ付鉄心の一実施
例を示す正面図、第２図は第１図における継ぎ目８部分
の拡大平面図、第３図は第１図の実施例の作用を説明す
るための磁気的等価回路図、第４図は本発明の他の実施
例における上部ヨークと主脚との接合部分を示す正面図
である。 １……直流側巻線、２……交流側巻線、３……主脚、４
……側脚、５……下部ヨーク、６……上部ヨーク、７…
…ギャップ、８……継ぎ目、９……圧延方向、10……三
角形上部ヨーク抜き板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変圧器巻線を巻装した複数の主脚と、この
   主脚の両脇に配置された側脚及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ギャッ
   プ付鉄心において、 主脚と上部ヨークとの間に磁気的絶縁物のギャップを取
   付け、且つ、上部ヨークの主脚間及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。