JPS60240111A

JPS60240111A - 変庄器

Info

Publication number: JPS60240111A
Application number: JP60095702A
Authority: JP
Inventors: ロバート・マイケル・デルベツチオ; ロバート・フランシス・クラウス
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1984-05-07
Filing date: 1985-05-07
Publication date: 1985-11-29
Also published as: CA1231399A; US4595843A

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】本発明は低鉄損磁束変圧器、特にヒステリシス損失を減
らすように鉄心を飽和させるための回転磁束ベクトルを
持つ変圧器に関するものである。

変圧器鉄心は２つの型の損失、すなわちヒステリシス損
と渦電流損とを持っていることは公知である。ヒステリ
シス損は、鉄心が交番磁界に置かれたとき、鉄心の磁気
モーメントを反転するのに消費されるエネルギを表わす
。ヒステリシス損が、飽和レベルにおいて回転磁気誘導
に磁気鉄心を置くことにより零に減らされることは公知
である。渦電流は磁界を変化させることにより磁気鉄心
内に作られ、エネルギは鉄心内の渦電流の環流による熱
として失われる。フェライトやアモルファス金属のよう
に比抵抗の高い鉄心材料は、当然低い渦電流損を持って
いる。従って回転飽和誘導ベクトルは、これらの材料に
おいて非常に低い全損失を発生する。さらに、アモルフ
ァス金属は、磁気領域の寸法に関連して定方向交番磁束
条件の下で変則的に高い渦電流損を持っている。回転磁
束の飽和において運転することにより、これらの領域と
、関連する損失は除去される。

低ヒステリシス損を与える変圧器を開示する。

低ヒステリシス損は、定方向振動磁束でなく、回転磁束
の使用によっている。はぼ位置を定められた巻線を備え
た円環体が２相配置で使用される。トロイド状鉄心は飽
和またはこれに近くで動作して、低い回転ヒステリシス
損を生じる。

さらに、若し鉄心材料の比抵抗が高ければ、渦電流損も
小さく、低損失変圧器となる。フェライトやアモルファ
ス金属リボンはこの型の変圧器用の有用な鉄心材料であ
り、前者は比抵抗が高いため、後者は比抵抗が可成り高
く、飽和における領域構造がないためである。理想的な
鉄心材料は励磁電流を小さく保つように容易に飽和しな
ければならない。また鉄心材料は、少なくとも誘導ベク
トルが回転する平面内で、はぼ等方性磁気特性を持たね
ばならない、若し磁気的に非等方性であるなら、すべて
の磁束方向において鉄心を飽和させるために２相におい
て異なった励磁電流が必要とされろう単相、２相、およ
び３相変圧器用の飽和させられた鉄心を提供するために
種々の鉄心配置および巻線配置を開示する。ここに開示
されたすべての変圧器実施形態は飽和以下の如可なる誘
導においても変圧器として動作するが、良好な材料の使
用および低損失の利点は完全に実現できないことに注意
する。さらに、どんな相数を持つ回転磁束変圧器も、こ
こに開示された思想を利用して設計することができる。

以下本発明を図面による実施例について説明する。

第１図においては、磁化の関数として直流または非常に
低い周波数の鉄損のグラフが示されている。典型的な変
圧器のときと同様に、交番磁束を有する鉄心に対しては
、損失は増加する磁化の関数として増加し、飽和におい
て著しくなることが判る６回転磁束原理を使用する変圧
器鉄心もある点までは増加する磁化と共に損失が増加す
るが、飽和磁化において損失は無視てきる。本発明はこ
の原理を低損失変圧器鉄心の開発に適用する。

第２図においては、鉄心１２を有する装置１０が示され
ている。鉄心１２は十字形をしているが、磁束帰路ヨー
クは第２図に示されていない。装置１０は鉄心１２の第
１および第２の腕の周りに巻かれて、正弦波電源１６に
接続されたコイル１４を有している。装置１０はまた鉄
心１２の第３および第４の腕の周りに巻かれて、正弦波
電源２０に接続されたコイル１８を有している。

鉄心１２の中心における誘導はコイル１４および１８に
より発生される誘導のベクトル和である。若し正弦波電
源１６および２０が位相として電気角９０°異なり、最
大値が等しく、コイル１４および１８が等しいターン数
を持っていれば、鉄心１２の中心における合成誘導ベク
トル記号２１は、時間と共に回転して円を画く。

この原理を使用する実用的な変圧器は、回転磁束に置か
れる鉄心が多い程、効果が著しくなる。

２和動作用に接続された変圧器２２の断面図が第３図に
示されている。変圧器２２はトロイド状鉄心２４と、そ
れぞれ、トロイド状１次および２次コイル２６および３
０と、それぞれ、ボロイト状１次および２次コイル２８
および３２とを有している。トロイド状１次コイル２６
は相１正弦波電圧（第３図には示されない）に応動し、
ボロイド状１次コイル２８は相２正弦波電圧（第３図に
は示されない）に応動する。

トロイド状およびボロイド状２次コイル３０および３２
は第３図に示されていない負荷へ電流を伝達する。

トロイド状１次コイル２６は、トロイド状鉄心２４の大
きい円に沿って指向する正弦波磁界と、誘導ベクトルと
を発生する。この誘導ベクトルは第４図において誘導ベ
クトル３４として示されているが、これは簡単のために
トロイド状鉄心２４だけを含むものを示している。ボロ
イド状コイル２８はトロイド状鉄心の小さい円にほぼ沿
って指向する正弦波磁界と誘導ベクトルとを発生する。

ボロイド状コイル２８により発生される誘導ベクトルは
第４図における誘導ベクトル３６として示されている。

トロイド状鉄心２４の小さい円が大きい円よりも著しく
小さいときは、ボロイド状１次コイル２８の周りの磁路
は円形である。小さい円の寸法が大きい円に比して増加
すれば、ボロイド状１次コイル２８の曲率の効果のため
に円形から幾分外れる。

第４図に示すように、トロイド状鉄心２４の小さい円と
、大きい円とは直交し、従ってトロイド状およびボロイ
ド状コイル２６および２８に関連する成分誘導ベクトル
は直交する。若しもトロイド状およびボロイド状コイル
２６および２８に関連する相１および２の正弦波電圧が
電気角位相９０６異なれば、トロイド状鉄心２４内の合
成誘導ベクトル（すなわち、成分誘導ベクトルの和）は
３６０’回転する。若しも合成ベクトルの個々の正弦波
誘導成分の最大値が等しいなら、回転誘導ベクトルの先
端は円形を進む。若しも合成誘導ベクトルの大きさがト
ロイド状鉄心２４に対する飽和レベルにあれば、トロイ
ド状鉄心２４は全体で飽和し、磁気領域壁が無くなるよ
うにし、ヒステリシスおよび異常な渦電流損を無くす。

本発明の他の実施形態においては、若しも誘導ベクトル
成分が位相においてほぼ電気角９０°外れていさえすれ
ば、変圧器は満足に動作することを、注意せねばならな
い。この状態は、的に厳密に直交しなくても生じる。若
しもベクトル３４および３６の大きさが等しくないか、
電気角９０°の位相差を持たなければ（空間的に直交し
ていても）、合成誘導ベクトルは楕円をたどることを注
意する。

理想的運転に対して誘導ベクトル３４および３６は大き
さが等しく、電気角９０°の位相差があるべきであるが
、このことは相１および２の正弦波電圧（および負荷電
圧）が等しい大きさであり、電気角９０°の位相差であ
るべきことを意味しない。相１および２の正弦波電圧の
大きさは誘導ベクトル３４および３６の大きさばかりで
なく、トロイド状１次、およびボロイド状１次コイル２
６および２８のターン数によって定められる。さらに変
圧器２２に対する９０°の位相関係は理想変圧器に通用
する。トロイド状１次およびボロイド状１次コイル２６
および２８における抵抗およびインダクタンス電圧降下
は電気角９０゛の相差がなくてもよい。

同様の状態は３相または多相変圧器の実施形態にも起こ
る。

き酸誘導ベクトルは、入力電圧の各サイクル毎に１回、
すなわち６０Ｈｚ入力電圧に対して６０回／秒、繰り返
して３６０’回転することを注意する。どの運転周波数
も、若し渦電流損が過大にならなければ、低鉄損を生じ
る。

第３図について続けると、トロイド状およびボロイド状
１次コイル２６および２８に関連する磁界はＭ　Ｋ　Ｓ
単位で次式から計算できる。

但し、添付ＴおよびＰはそれぞれトロイド状１次コイル
２６およびボロイド状１次コイル２８に関するもので、
Ｎ、はトロイド状１次コイル２６のターン数、ＮＰはボ
ロイド状１次コイル２８のターン数、１丁はトロイド状
１次コイル２６の電流、ＩＰはボロイド状１次コイル２
８の電流、Ｒおよびｒは第４図に定められた半径である
。ＨＰに対する公式は無限に長いワイヤに適用するもの
であるが、今の状態にもほぼ適用できる。

これらの数式の使用例として、ＲＯ＝０．１１、ｒＯ＝
０．０５肩のトロイド状鉄心２４を仮定し、２つの磁界
成分はＨ７＝Ｈｐ　＝：Ｌ　０ｅ＝Ｂ　０Ａ−ｔ／、で
鉄心材料を飽和させると仮する。

その結果のアンペアターンはＨＴＩＴ＝５０アンペアターンＮｐＩｐ＝２５アンペアターン上記の結果はトロイド状鉄心２４内の正確な位置によっ
て幾分変わるであろうが、トロイド状鉄心２４内の各点
を飽和させるのに必要なアンペアターンを計算すること
が可能である。点Ｒ−Ｒｏ　＋ｒｏ　＝０．１５＊はト
ロイド状１次コイル２６により飽和させるのに最も難し
い点であり、Ｎ丁Ｉ　Ｔ　＝　７５アンペアターンを必要とする。点ｒ＝ｒｏ　はボロイド状１次コイル２
８により飽和させるのに最も難しい点であり、ＮＴＩＴ
は２５アンペアターンである。

これらの値について、トロイド状鉄心２４内の磁界は点
毎に異なるが、各点は飽和誘導となっていて、誘導ベク
トルは円形に回転する。

本例においては、励磁電流が各コイルにおいて１アンペ
アとすれば、所望のターン数はＮｙｒ＝７５ターンＮｐ＝２５ターンである。

トロイド状およびボロイド状２次コイル３゜および３２
からの出力電圧は電気角９０’異なっている。後に述べ
るように、単相および３相運転用の回転誘導ベクトルを
有する同様の変圧器を設計することができる。

本発明の１つめ実施形態においては、トロイ気特性を持
ち、非常に容易に飽和することが望ましい。フェライト
の場合には、鉄心は、恐らくはボロイド状１次および２
次コイル２８および３２の周りに、トロイド状にプレス
加工してもよい。アモルファス材料を使用する変圧器２
２の実施形態は第５図に）示されている。ここでは再び
、トロイド状鉄心２４は断面を示されている。アモルフ
ァスリボン３７は、ボロイド状１次および２次コイル４
０および４２を含むトロイド状心金３８の周りに巻かれ
ている。

トロイド状１次コイル４４およびトロイド状２次コイル
４６も第５図に示されている。アモルファスリボン３７
の包みは円環の小円にほぼ平行していて、裂は目を持っ
ていてもよい。

１次トロイド状およびボロイド状コイル４０および４４
からの誘導成分は積層の平面に制限される。磁界無し、
または回転磁束の存在において焼きもどされると、この
アモルファス金属に対しては、平面内磁気特性はほぼ等
方性である。

本発明の多数の他の実施形態は種々の鉄心形状を使用し
て可能である。トポロジー的に円環形に等価の形状なら
使用可能である。トロイド状鉄心′シ４の断面形状は円
形でなくてもよい；トロイド状鉄心は楕円または方形断
面を持っていてもよい。穴または窓は同じ形状を持つ方
がよい。何故ならばそうでないとボロイド状磁束は、そ
れが穴の周りを進むときに異なった面積に出退うからで
ある。本発明はまた、２つの方向において鉄心を飽−和
させるために等しくない磁化力を使用する等方性でない
材料にも使用される。等方性でない材料を使用するため
の主要条件は、磁束か回転するすべての方向において鉄
心を飽和させるのに充分な正味の磁化力である。

本発明の原理を使用する変圧器の他の実施形態は第６図
に示されている。変圧器４７は平行して置かれた円筒状
鉄心４９および５１を有している。鉄心４９および５１
が長い程、終端効果は重要でなくなる。

また終端効果は鉄心材料で構成された半円形終端キャッ
プ５６および５８で磁束路を完成することにより減らす
ことができる。終端キャップ５６および５は円筒状とし
て、斜め継ぎにより円筒状鉄心４９および５１に接合さ
れてもよい。そのとき重要なのは、変圧器４７は細長い
側部を有するトロイドであって、第３図に示された円形
状トロイドより容易に構成できることである。一般に、
円筒状鉄心４９および５１と、終端キャップ５６および
５８とは円形状断面を持たなくてもよい。

ソレノイド状１次コイル４８と、ソレノイド状２次コイ
ル５０とは鉄心４９および５１の周りに巻かれている。

内部１次コイル５２と、内部２次コイル５４とは終端キ
ャップ５６および５８の中の中心穴を通過してもよい、
変圧器４７の形状はトポロジー的には第３図の変圧器２
２と等価であり、本発明の原理はトロイドにトポロジー
的に等価な他の形状を使用してもよいことに注意する。

２相だけが第６図に示されているが、変圧器４７は、他
の実施形態においては、以下に述べる技術により単相ま
たは３相変圧器として動作できる。

第３図は変圧器２２に対する２相実施形態を示すが、単
相変圧器として変圧器２２を使用することもできる。そ
のような単相実施形態においては、変圧器２２は第３図
に示されたトロイド状１次および２次コイル２６および
３０を持つが、１次ボロイド状コイル２８だけであって
ボロイド状２次コイル３２はない。ボロイド状１次コイ
ル２８は励磁電流だけを通す。電源電圧と励磁電圧とは
位置が９０６異ならなければならない。励磁電圧に対す
る９０６の位相差は、抵抗と容量素子とにより主供給電
圧または他のトロイド状コイルに接続することにより得
られる。ボロイド状１次コイルは励磁電流だけを通すか
ら、小さい寸法のワイヤで作ってもよい。

他の単相形態においては、変圧器２２はボロイド状１次
および２次コイル２８および３２を持っているが１次ト
ロイド状コイル２６だけである。すなわち、第３図のト
ロイド状２次コイル３０はない。

変圧器°２２に対する２相形態は鉄心材料のさらに有効
な使用を提供する。磁束は回転させられていて、常に飽
和状態にあるので、２相において電圧変換するときには
一層有効に使用できる。２相形態における鉄心の利用度
は単相一方向磁束変圧器における鉄心の利用度よりほぼ
２倍高い。

第７Ａ図について見ると、本発明の原理を利用した、３
相系に使用するのに適した３相変圧器６０が示されてい
る。簡単のために、１次コイルを表す１組のコイルだけ
が示されている。

２次コイルは図示された１次コイルと同じ形状を持って
いる。３相変圧器６０は鉄心６２と、鉄心６２の周りに
巻かれたトロイド状巻線６４および６６とを有している
。鉄心６２はそれを貫通する穴を持ち、この穴の中にボ
ロイド状巻線６８．７０　および７２が配置されている
。第７Ｂ図は３相電力供給電圧（第７Ｂ図には示されて
いない）に関して、トロイド状コイル６４および６６と
、ボロイド状コイル６８とのベクトルまたは位相関係を
示している。３組位相関係は次のように与えられる９相ａ−コイル７０　電圧゛相ｂ−コイル６ローコイル７２　電圧和Ｃ−−コイル６４−コイル６８　電圧上式の負符号は
、供給電圧へ接続する前にコイルを反転することにより
得られる。ボロイド状コイル６８および７２に対する符
号はボロイト状コイル７０に相対的であり、トロイド状
コイル６４に対する符号はトロイド状コイル６６に相対
的であり、すなわち、コイル接続を反転することなしに
、ボロイド状６８．７０　および７２は同相にあり、ト
ロイド状コイル６４および６６は同相にある。

第７Ａ図および第７Ｂ図は３相の回転磁束変圧器を使用
する１つの方法だけを示す。他の方法は内部および外部
コイルの役目を交換することである。トロイド状コイル
６４および６６と、ボロイド状コイル６８．７０　およ
び７２とは全部が同じターン数を持っているのではない
ことを注意する。各コイルに対するターン数は異なった
相の間にめられる角度、３相の場合には１２０°により
定められる。３相より大きいときは１２０°より小さい
角度を使用し、トロイド状コイル６４および６６と、ボ
ロイト状コイル６８．７０　および７２（およびそれら
の２次対応部）から考えられるターン数を調節すること
により順応される。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転磁束および交番磁束変圧器の鉄損を示すグ
ラフ、第２図は磁気材料の制限された容積における回転
誘導ベクトルを得るための第１の手段を示す概略図、第
３図は本発明により作られた変圧器の第１の実施形態の
部分斜視図、第４図は第３図の変圧器に関連する誘導ベ
クトルの立体図、第５図は本発明により作られた変圧器
の第２の実施形態の部分斜視図、第６図は本発明により
作られた変圧器の第３の実施形態の平面図、第７Ａ図は
本発明により作られた３相変圧器の部分斜視図、第７Ｂ
図は第７Ａ図の変圧器のコイルに対するベクトルまたは
位相関係を示すグラフである。１２・・・鉄心、１４．１８・・・　コイル、２４・・
・トロイド状鉄心、２６．３０・・・　トロイド状コイ
ル、２８．３２・・・ボロイド状コイル、３７・・・ア
モルファスリボン、３８・・・トロイド状心金、４０・
・・ボロイド状コイル、４４．４６・・・　トロイド状
コイル、４８．５０・・・　ソレノイド状コイル、４９
゜５１・・・円筒状鉄心、５２．５４・・・内部コイル
、５６．５８・・・終端キャップ、６２・・・鉄心、６
４゜６６・・・トロイド状巻線、６８．７０．７２・・
・ボロイド状巻線。ＦＩＧ、　１ＦＩＧ、　４

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１および第２電源電圧に応動して２次電圧を与
える変圧器において、磁気鉄心と、第１の電源電圧に応動し、前記磁気鉄心内に第１の磁束
を作るように磁気鉄心に誘導関係に配置された第１の電
気巻線装置と、第２の電源電圧に応動し、前記磁気鉄心
内に第２の磁束を作るように磁気鉄心に誘導関係に配置
された第２の電気巻線装置と、第１の２次電圧を与える
ように前記磁気鉄心に誘導関係に配された第１の２次巻
線装置とを備え、第１および第２の電源電圧は予め定められた大きさと、
予め定められた位相関係とを持ち、前記磁気鉄心は前記第１の電気巻線装置により作られた
正弦波状誘導ベクトルと、前記第２の電気巻線装置によ
り作られた正弦波誘導ベクトルとの和が、第１および第
２の電源電圧の１つの周期の間にほぼ３６０°回転する
ように選択された形状を持っている変圧器。
（２）第１の電気巻線装置により作られた誘導ベクトル
と、第２の電気巻線装置により作られ外誘導ベクトルと
の和が、磁気鉄心をほぼ飽和させる特許請求の範囲第１
項記載の変圧器。
（３）第２の２次電圧を与えるために磁気鉄心と誘導関
係に配置された第２の２次巻線を有する特許請求の範囲
第１項記載の変圧器。
（４）磁気鉄心はトロイド状鉄心を含み、この鉄心はそ
れを貫通してトロイド鉄心の軸線と同心の穴を持ち、第
１の電気巻線装置は前記トロイド状鉄心の周りに巻かれ
た第１のトロイド状巻線を有し、第２の電気巻線装置は
前記穴の中に配置された第１のボロイド状巻線を有する
特許請求の範囲第１項記載の変圧器。
（５）第１の２次巻線装置は穴の中に配置された第２の
ボロイド状巻線を有する特許請求の範囲第４項記載の変
圧器。
（６）第２の２次電圧を与えるためトロイド状鉄心の周
りに巻かれた第２の２次巻線装置を有する特許請求の範
囲第５項記載の変圧器。
（７）互いに等しい位相が１２０°ずれた第１、第２及
び第３の一次電圧に応答して互いに等しく位相が１２０
°ずれた第１、第２及び第３の二次電圧を得る変圧器で
あって、軸心に対して同心に貫通した穴を有するトロイダル磁気
鉄心と、上記トロイダル磁気鉄心に巻かれた第１及び第２の一次
トロイダル巻線と、上記トロイダル磁気鉄心（二巻かれた第１及び第２の二
次トロイダル巻線と、上記穴内に設けられた第１、第２及び第３の一次ボロイ
ダル巻線と、上記穴内に設けられた第１、第２及び第３の二次ボロイ
ダル巻線とを備え、上記第１９−次電圧が上記第１の一次ボロ上記第１の二
次ボロイダル巻線が上記第１の二次電圧を発生させ、上記第すの一次電圧が上記第１の一次トロイダル巻線及
び上記第２の一次ボロイダル巻線の直列接続体に接続さ
れ、上記第２の二次電圧が上記第１の二次トロイダル巻線及
び上記第２の二次ボロイダル巻線の直列接続体に接続さ
れ、第３の一次電圧が上記第２の一次トロイダル巻線及び第
３の一次ボロイダル巻線の直列接続体に接続され、第３の２次電圧が上記第２の二次ボロイダル巻線及び第
３の二次ボロイダル巻線の直列接続体に接続され、上記第１及び第２の一次ボロイダル巻線の巻回数及び上
記第１、第２及び第３の一次トロイダル巻線の巻回数が
、第１、第２及び第３の一次電圧に応答するように選択
され、上記第１及び第２の二次ボロイダル巻線の巻回数
及び上記第１、第２及び第３の二次トロイダル巻線の巻
回数が第１、第２および第３の二次電圧に応答するよう
に選択され、更に、上記第１、第２の一次トロイダル巻
線及び上記第１、第２及び第３のポロイダル巻線により
発生された正弦誘導ベクトルのベクトル和が、第１、第
２及び第３の正弦−次電圧の１サイクル中に約３６０度
回転する特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか記
載の変圧器。