JPH1064734A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大形のポンプを必要とせず、工数も大して増
やさずに、巻線の高温部分の温度を降下させ得るように
する。 【解決手段】 鉄心及び巻線を冷却媒体に浸漬したもの
において、その巻線を構成する導体２４を内部に空洞部
２５を有する中空状とし、その空洞部２５を導体２４の
両端において開放させるか、又は導体２４の少なくとも
１か所に空洞部２５と交差する貫通孔を形成することに
より、それらから空洞部２５に入り込む冷却媒体の熱膨
張移動によって、巻線の高温部分の温度を降下させ、均
熱化ができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は巻線の冷却構造を改
良した変圧器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２２には内鉄形の車両用変圧器の鉄心
１と巻線２，３との関係を示している。鉄心１はけい素
鋼板が紙面と直角に積層されて構成されており、これの
中央脚部１ａに一次巻線２が両外側脚部１ｂ，１ｃとの
間において巻装され、この一次巻線２を挟んで二つに分
割された二次巻線３が同じく鉄心１の中央脚部１ａに両
外側脚部１ｂ，１ｃとの間において巻装されている。

【０００３】上記一次巻線２及び二次巻線３の一つのユ
ニット巻線５を図２３に示す。ユニット巻線５はそれぞ
れ板状に巻回された上のセクション５ａと下のセクショ
ン５ｂとが渡り部５ｃでつながれ、一つのユニットとな
っている。上下のセクション５ａ，５ｂ間には冷却油を
流す冷却油道６が確保されており、ユニット巻線間にも
同様に冷却油道が確保されている。

【０００４】図２４は上記ユニット巻線５の一部の断面
を示しており、巻線導体７はいずれも中実状で、各外表
面に絶縁被覆８が施されている。更に、図２５は冷却油
道に配置されるスペーサ９を示しており、このスペーサ
９はシート状の絶縁物１０に千鳥状に貼付けられて配置
されている。スペーサ９をこのように複雑に配置する理
由は、冷却油を蛇行させて巻線が均一に冷却されるよう
にするためと、短絡時に生じる機械力に導体７が耐える
ようスペーサ９の間隔が決められ、巻線の各部をそのス
パンで支持する必要があるからである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の変圧器におい
て、スペーサ９が接した巻線部は冷却油との接触がな
く、冷却されないため、局部的に高温となる。この局部
的に高温となった部分の巻線導体は熱劣化の進行が早
く、変圧器の寿命を縮めることになる。このため、スペ
ーサ９の幅を極力小さくして局部的な高温部の温度上昇
を抑えれば、寿命的に有利で、しかも、巻線全体の温度
が平均化され、変圧器の小形化に寄与することになる。

【０００６】しかし、スペーサ９の幅を小さくすると、
前述の短絡時の機械力に耐えるためにスペーサ９の本数
を多くする必要が生じる。スペーサ９の本数が多くなれ
ば、それだけ冷却油の蛇行回数が多くなり、流体抵抗が
増すため、冷却油を循環させるポンプに揚程の大きいも
のが必要となり、大形のポンプが必要となる。又、スペ
ーサ９は前述のごとくシート状の絶縁物１０に貼付けて
使用するので、スペーサ９の本数が多くなれば、その貼
付工程数が増える問題もある。

【０００７】本発明は上述の事情に鑑みてなされたもの
であり、従ってその目的は、大形のポンプを必要とせ
ず、工数も大して増やさずに、巻線の高温部分の温度を
降下させ得て、巻線の均熱化ができる変圧器を提供する
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の変圧器においては、第１に、鉄心と、この
鉄心に巻装された一次巻線及び二次巻線とを具え、これ
ら鉄心及び巻線を冷却媒体に浸漬したものにあって、上
記巻線を構成する導体を中空状とし、その空洞部を導体
の両端において開放させたことを特徴とする。

【０００９】このような巻線導体を使用すると、冷却媒
体が巻線導体の空洞部に入り込み、巻線導体の温度に応
じてその部分の冷却媒体の温度を上昇させる。冷却媒体
例えば冷却油の熱膨張率は８／１００００［１／℃］
で、導体の熱膨張率の６／１０００００［１／℃］に比
較すると各段に大きいため、膨張した冷却油は空洞部の
長さ方向に体積を増し、この結果、高温の冷却油がその
膨張分だけ低温部分に移動することになる。

【００１０】１本の導体にはこの高・低温部が数十か所
あるため、各高温部の膨張により、その各部の冷却油が
開放端方向に押出され、冷却油の移動が生じる。このた
め、高温部の冷却油が導体低温部に接触し、その部分の
導体を昇温するが、高温部には低温部の冷却油が流入
し、導体温度を低下させるものであり、かくして巻線温
度の均一化が行われる。

【００１１】モデル的に説明すると、巻線導体を図７に
示すように１本の真直ぐな線に伸ばして考える。低温部
の温度をｔ［℃］、高温部の温度を（ｔ＋Δｔ）［℃］
とすると、冷却油の温度上昇はΔｔ［Ｋ］である。従っ
て、冷却油は（８×Δｔ）×１０^−４膨張する。

【００１２】ここで、（８×Δｔ）×１０^−４＝２αと
すると、導体の一方の開放端と他方の開放端との間の中
央部にある高温部ｎにおいては、冷却油はそれぞれ開放
端方向に距離αずつ膨張する。この高温部ｎの冷却油の
膨張によって、高温部ｎ＋１及びｎ−１の冷却油は距離
αだけ開放端方向に押出される。又、その高温部ｎ＋１
及びｎ−１においても同様に冷却油の温度上昇がΔｔ
［Ｋ］あるため、それぞれ距離２αの冷却油の膨張があ
る。これが高温部ｎからの冷却油の距離αの押出しに加
わるため、結局、高温部ｎ＋１及びｎ−１の開放端側の
油面（温度境界面）は開放端方向に距離３α移動する。

【００１３】このため、冷却油は図８に示すように開放
端方向にα、３α、５α…と漸次２αずつ距離を増して
押出されていく。これを式にして表すと、ある高温部ｘ
（ｘ＝ｎ＋１，ｎ＋２，…）の導体中央側の温度境界面
の移動距離は、 ２α×（｜ｘ｜−ｎ）−α ある高温部ｘ（ｘ＝ｎ＋１，ｎ＋２，…）の開放端側の
温度境界面の移動距離は、 ２α×（｜ｘ｜−ｎ）＋α たゞし、高温部ｎの温度境界面の移動距離はαとなる。

【００１４】この冷却油の温度境界面の移動により、図
９に示すように高温部に移動してきた低温の冷却油は高
温部の導体から熱を吸収するため、温度上昇し膨張す
る。又、低温部に移動してきた高温の冷却油は低温部の
導体に熱を放出するため、温度降下し収縮する。かくし
て、導体温度が均一化され、局部的な高温部がなくな
る。

【００１５】本発明の変圧器においては、第２に、鉄心
と、この鉄心に巻装された一次巻線及び二次巻線とを具
え、これら鉄心及び巻線を冷却媒体に浸漬したものにあ
って、上記巻線を構成する導体を中空状とし、且つ導体
の少なくとも１か所にその空洞部と交差する貫通孔を形
成したことを特徴とする。このものでは、導体の開放端
から開放端までの長さが短くなったことに相当する。従
って、導体内部の冷却油が、比較的均一に冷却された導
体外部の冷却油との接触を増し、より低温での導体温度
の均一化が行われる。

【００１６】モデル的に説明すると、巻線導体を図１２
に示すように１本の真直ぐな線に伸ばして考える。冷却
油道を流れている冷却油の温度をＰ1 ［℃］とし、導体
空洞部の低温部の温度をＰ2 ［℃］とすると、Ｐ2
［℃］は導体内部に閉じ込められた部分の冷却油である
ため、Ｐ1 ＜Ｐ2 となり、導体空洞部と交差する貫通孔
付近では、図１３に示すように、冷却油が膨張すると、
空洞部内の冷却油が空洞部外に押出される。又、図１４
に示すように、冷却油が収縮すると、冷却油道を流れて
いる冷却油は空洞部内に引き込まれる。

【００１７】このように空洞部で冷却油の押出し、又は
引き込みを繰返すことにより、導体の冷却効果が向上
し、より低温での導体温度の均一化が行われる。たゞ
し、この場合、導体の絶縁被覆にも孔をあけなければな
らないため、適用は低圧巻線など、被覆にあまり絶縁を
期待しない巻線に限定される。

【００１８】しかして、上記第１及び第２のいずれの手
段においても、中空状の導体は、巻線の部分的に高温と
なる導体部に使用すると良い。すなわち、比較的均一に
冷却された部分を除き、効果の大きい部分にのみ中空状
の導体を使用することにより、導体温度の均一化効果が
効率良く得られるものである。又、導体の空洞部と交差
する貫通孔は、巻線から他の巻線への渡り部分の導体に
形成しても良い。

【００１９】図１９に示すように、冷却油道の油温は板
状巻線部に近いほど高く、板状巻線部と板状巻線部との
中央部で低い。このため、導体の空洞部と交差する貫通
孔をその板状巻線部と板状巻線部との間に位置する渡り
部分（通常は板状巻線の最内周側）にあけると、冷却に
最も良い（温度が低い）部分の冷却油が導体の空洞部に
入ることになり、より冷却性能が向上する。又、この場
合、隣接する導体との絶縁距離も確保できるため、高圧
巻線にも適用できる。更に、渡り部分は一巻線当たり１
か所であるため、導体の空洞部と交差する貫通孔の形成
数が少なくなるものの、いずれの巻線にも採用できる特
長を有する。

【００２０】加えて、中空状の導体はタップ巻線に使用
しても良い。タップ巻線部は電流の流れている部分と電
流の流れていない空タップ部分とが混在し、温度の高低
部分が分かれるため、高温部の冷却油が低温部に流入
し、更に低温部の冷却油が高温部に流入して導体温度を
低下させることによる巻線温度の均一化がより効果的に
行われる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施例につ
き、図１ないし図９を参照して説明する。まず図２には
変圧器装置の全体構成を示しており、変圧器本体１１を
収納したタンク１２の出口部１２ａに接続管１３によっ
て電動の送油ポンプ１４を接続し、送油ポンプ１４には
接続管１５によって油冷却器１６を、そして油冷却器１
６には接続管１７によってタンク１２の入口部１２ｂを
それぞれ接続していて、その経路の全部（タンク１２内
を含む）に冷却媒体である絶縁性に優れた冷却油（特に
はシリコーン油）１８を充填している。

【００２２】この構成で、送油ポンプ１４を作動させる
ことにより、タンク１２内の変圧器本体１１が発した熱
を帯びた冷却油１８が、油冷却器１６に送られて冷却さ
れ、その後にタンク１２内に送り込まれるようになって
いる。

【００２３】前記変圧器本体１１は、詳細には図３に示
すように、鉄心１９と、これに巻装した一次巻線２０及
び二次巻線２１から成っており、そのうち、鉄心１９は
けい素鋼板を紙面と直角に積層して例えば三脚形に構成
し、その中央脚部１９ａに一次巻線２０を両外側脚部１
９ｂ，１９ｃとの間において巻装し、この一次巻線２０
を挟んで二つに分割した二次巻線２１を同じく中央脚部
１９ａに両外側脚部１９ｂ，１９ｃとの間において巻装
している。

【００２４】図４は上記一次巻線２０及び二次巻線２１
の一つのユニット巻線２２を示しており、このユニット
巻線２２はそれぞれ板状に巻回した上のセクション２２
ａと下のセクション２２ｂとを一体の渡り部２２ｃでつ
なぎ、一つのユニットとしている。又、ユニット巻線間
も一体の渡り部でつないでおり、すなわち、この場合の
一次巻線２０及び二次巻線２１はともに連続巻線で構成
している。上記ユニット巻線２２の上下のセクション２
２ａ，２２ｂ間には冷却油を流す冷却油道２３を確保し
ており、ユニット巻線間にも同様に冷却油道を確保して
いる。

【００２５】図１は上記ユニット巻線２２の一部の断面
を示しており、巻線導体２４はいずれも内部に空洞部２
５を有する中空状で、各外表面に絶縁被覆２６を施して
いる。又、空洞部２５は図５に開放部２５ａで代表して
示すように、導体２４の両端において開放しており（他
端部も図５同様である）、導体２４の両端部は又、受電
接続用あるいはタップ接続用等の導体２７と圧着端子２
８及び端子板２９を介して接続している。図６は上記冷
却油道に配置されるスペーサ３０を示しており、このス
ペーサ３０はシート状の絶縁物３１に千鳥状に貼付けて
配置している。

【００２６】さて、上述のごとく構成したものの場合、
変圧器本体１１（鉄心１９、一次巻線２０、二次巻線２
１）はタンク１２内で冷却油１８中に浸漬されるもの
で、これにより、巻線導体２４の空洞部２５にも冷却油
１８が導体２４両端の開放部２５ａから入り込む。この
巻線導体２４の空洞部２５に入り込んだ冷却油１８は、
導体２４の温度に応じ各部で温度上昇する。そして、こ
の温度上昇した冷却油１８は膨張して空洞部２５の長さ
方向に体積を増し、その膨張分だけ空洞部２５内を低温
部分に移動する。

【００２７】導体２４の１本には上述の高・低温部が数
十か所あるため、各高温部の膨張により、その各部の冷
却油１８が開放端（開放部２５ａ）方向に押出され、冷
却油１８の移動が生じる。このため、高温部の冷却油１
８が導体２４の低温部に接触し、その部分の導体２４を
昇温するが、高温部には低温部の冷却油１８が流入し、
導体２４の温度を低下させるものであり、かくして巻線
温度が均一化される（図７ないし図９参照）。

【００２８】以上に対して、図１０ないし図１４は本発
明の第２実施例を示すもので、巻線導体２４の数か所に
空洞部２５と交差する貫通孔４１を形成したものを示し
ている。このものでは、導体２４の開放端から開放端ま
での長さが短くなったことに相当する。従って、導体２
４内部の冷却油が、比較的均一に冷却された導体２４外
部の冷却油との接触を増し、より低温での導体温度の均
一化が行われる（図１２ないし図１４参照）。

【００２９】なお、貫通孔４１は巻線導体２４の数か所
に限られず、少なくとも１か所に形成されていれば良
い。又、導体２４は貫通孔４１だけを有していても良い
し、開放部２５ａも併せて有していても良い。

【００３０】図１５ないし図１７は本発明の第３実施例
を示すもので、内部に空洞部５１を有する中空状の導体
５２を巻線２２の部分的に高温となる導体部例えば外周
部に使用し、他の導体５３は中実状のままとしたものを
示している。又、この場合、中空状の導体５２と中実状
の導体５３との接続は溶接等にて、中空状の導体５２の
開放端（開放部５１ａ）を塞ぐことのないように行う。

【００３１】この場合、比較的均一に冷却された部分を
除き、効果の大きい部分にのみ中空状の導体５２を使用
することにより、導体温度の均一化効果が効率良く得ら
れるものである。なお、中空状の導体５２には第２実施
例の貫通孔４１同様に空洞部５１と交差する貫通孔を少
なくとも１か所に形成しても良い。

【００３２】図１８及び図１９は本発明の第４実施例を
示すもので、中空状の導体６１の空洞部６２と交差する
貫通孔６３を、ユニット巻線６４の上セクション６４ａ
から下セクション６４ｂへの渡り部分６４ｃに形成した
ものを示している。

【００３３】このものによると、冷却に最も良い（温度
が低い）部分の冷却油１８が導体６１の空洞部６２に入
ることになり、より冷却性能が向上する（図１９参
照）。又、この場合、隣接する導体との絶縁距離も確保
できるため、高圧巻線にも適用できる。更に、渡り部分
６４ｃは一巻線当たり１か所であるため、導体６１の空
洞部６２と交差する貫通孔６３の形成数が少なくなるも
のの、いずれの巻線にも採用できる特長を有する。

【００３４】図２０及び図２１は本発明の第５実施例を
示すもので、鉄心１９の中央脚部１９ａに一次巻線２０
及び二次巻線２１と共にタップ巻線７１を巻装し、この
タップ巻線７１に内部に空洞部７２を有する中空状の導
体７３を使用したものを示している。この場合、導体７
３はその両端に空洞部７２の開放部を有するか、又はそ
の途中部に空洞部７２と交差する貫通孔を有するもので
あり、もしくはその両方を有するものである。

【００３５】このものによると、タップ巻線７１は電流
の流れている部分と電流の流れていない空タップ部分と
が混在し、温度の高低部分が分かれるため、高温部の冷
却油が低温部に流入し、更に低温部の冷却油が高温部に
流入して導体７３の温度を低下させることによる巻線温
度の均一化がより効果的に行われる。このほか、本発明
は上記し且つ図面に示した実施例にのみ限定されるもの
ではなく、特に冷却媒体は冷却油に限られず不活性ガス
等であっても良いなど、要旨を逸脱しない範囲内で適宜
変更して実施し得る。

【００３６】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおりのもので、
下記の効果を奏する。請求項１の変圧器によれば、巻線
導体の端部開放部分から内部の空洞部に入り込んだ冷却
油の熱膨張移動により巻線の均熱化ができるから、大形
のポンプを必要とせず、工数も大して増やさずに、巻線
の高温部分の温度を降下させることができる。これによ
り、局部的な高温部がなくなり、最高温度を低くできる
ため、寿命を延ばすことができる。又、平均温度を下げ
得るため、平均温度を上げる設計が可能となり、巻線を
小形化できて、全体の小形化も可能となる。

【００３７】請求項２の変圧器によれば、巻線導体の空
洞部と交差した貫通孔から空洞部に入り込んだ冷却油の
熱膨張移動により巻線の均熱化がより効果的にできるか
ら、上記延命、小形化等の点について一層の効果を得る
ことができる。

【００３８】請求項３の変圧器によれば、中空状の導体
を巻線の部分的に高温となる導体部に使用したことで、
導体温度の均一化効果が効率良く得られ、延命、小形化
等の点について更に一層の効果を得ることができる。

【００３９】請求項４の変圧器によれば、導体の空洞部
と交差する貫通孔を巻線の渡り部分の導体に形成したこ
とで、冷却に最も良い部分の冷却油が導体の空洞部に入
り、より冷却性能が向上するから、延命、小形化等の点
についてやはり一層の効果を得ることができる。又、こ
の場合、隣接する導体との絶縁距離も確保できるため、
高圧巻線にも適用できるし、更に、いずれの巻線にも採
用できる特長を有する。

【００４０】請求項５の変圧器によれば、中空状の巻線
をタップ巻線に使用したことで、高温部の冷却油が低温
部に流入し、更に低温部の冷却油が高温部に流入して導
体の温度を低下させることによる巻線温度の均一化がよ
り効果的に行われ、従って、やはり延命、小形化等の点
についてやはり一層の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す図４のＡ−Ａ線に沿
う拡大断面図

【図２】変圧器装置全体の概略構成図

【図３】変圧器本体の断面図

【図４】ユニット巻線の斜視図

【図５】巻線端部の正面図

【図６】スペーサの平面図

【図７】作用説明のためのモデル図その１

【図８】作用説明のためのモデル図その２

【図９】作用説明のためのモデル図その３

【図１０】本発明の第２実施例を示すユニット巻線の平
面図

【図１１】図１０のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図

【図１２】異なる作用説明のためのモデル図その１

【図１３】異なる作用説明のためのモデル図その２

【図１４】異なる作用説明のためのモデル図その３

【図１５】本発明の第３実施例を示す図１０相当図

【図１６】図１５のＣ部の拡大図

【図１７】図１５のＤ−Ｄ線に沿う拡大断面図

【図１８】本発明の第４実施例を示す図４相当図

【図１９】更に異なる作用説明のためのユニット巻線の
側面図（ａ）とその温度分布図（ｂ）

【図２０】本発明の第５実施例を示す図３相当図

【図２１】図１相当図

【図２２】従来例を示す図３相当図

【図２３】図４相当図

【図２４】図２３のＥ−Ｅ線に沿う図１相当図

【図２５】図６相当図

【符号の説明】

１１は変圧器本体、１２はタンク、１４は送油ポンプ、
１８は冷却油（冷却媒体）、１９は鉄心、２０は一次巻
線、２１は二次巻線、２２はユニット巻線、２３は冷却
油道、２４は巻線導体、２５は空洞部、２５ａは開放
部、４１は貫通孔、５１は空洞部、５１ａは開放部、５
２，６１は導体、６２は空洞部、６３は貫通孔、６４は
ユニット巻線、６４ａは上セクション（巻線）、６４ｂ
は下セクション（巻線）、６４ｃは渡り部分、７１はタ
ップ巻線、７２は空洞部、７３は導体を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄心と、この鉄心に巻装された一次巻線
   及び二次巻線とを具え、これら鉄心及び巻線を冷却媒体
   に浸漬したものにおいて、前記巻線を構成する導体を中
   空状とし、その空洞部を導体の両端において開放させた
   ことを特徴とする変圧器。
2. 【請求項２】 鉄心と、この鉄心に巻装された一次巻線
   及び二次巻線とを具え、これら鉄心及び巻線を冷却媒体
   に浸漬したものにおいて、前記巻線を構成する導体を中
   空状とし、且つ導体の少なくとも１か所にその空洞部と
   交差する貫通孔を形成したことを特徴とする変圧器。
3. 【請求項３】 中空状の導体を、巻線の部分的に高温と
   なる導体部に使用したこと特徴とする請求項１又は２記
   載の変圧器。
4. 【請求項４】 導体の空洞部と交差する貫通孔を、巻線
   から他の巻線への渡り部分の導体に形成したことを特徴
   とする請求項２記載の変圧器。
5. 【請求項５】 中空状の導体をタップ巻線に使用したこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の変圧器。