特許第6871731号(P6871731)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6871731
(24)【登録日】2021年4月20日
(45)【発行日】2021年5月12日
(54)【発明の名称】変圧器
(51)【国際特許分類】
   H01F 30/10 20060101AFI20210426BHJP
   H01F 27/24 20060101ALI20210426BHJP
   H01F 27/08 20060101ALI20210426BHJP
   H01F 27/10 20060101ALI20210426BHJP
   H01F 27/245 20060101ALI20210426BHJP
【FI】
   H01F30/10 S
   H01F27/24 P
   H01F27/08 150
   H01F27/10
   H01F27/245 157
   H01F30/10 A
【請求項の数】10
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2016-242263(P2016-242263)
(22)【出願日】2016年12月14日
(65)【公開番号】特開2018-98382(P2018-98382A)
(43)【公開日】2018年6月21日
【審査請求日】2019年10月24日
(73)【特許権者】
【識別番号】513296958
【氏名又は名称】東芝産業機器システム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000567
【氏名又は名称】特許業務法人 サトー国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】霜村 英二
(72)【発明者】
【氏名】塩田 広
(72)【発明者】
【氏名】後藤 博
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 圭史
【審査官】 井上 健一
(56)【参考文献】
【文献】 米国特許出願公開第2012/0139682(US,A1)
【文献】 特開2017−017158(JP,A)
【文献】 特開2011−040529(JP,A)
【文献】 特開2016−219612(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2014/0218147(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01F 30/10
H01F 27/08
H01F 27/10
H01F 27/24
H01F 27/245
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内周部及び外周部を有する筒状に形成された複数の単位鉄心が並列して配置されて構成された鉄心と、
前記鉄心の軸方向の一方の端から他方の端へ向かって設けられ、前記鉄心に取り付けられている冷却部材と、を備え、
前記冷却部材は、薄板長方形の板部及び前記板部の一方の面からこの面に対して前記鉄心の径方向へ突出して設けられる羽根部を備えており、
前記板部は、前記内周部又は前記外周部に対向して配置されるとともに
前記羽根部は、並列する前記単位鉄心の相互の間に挟み込まれている変圧器。
【請求項2】
前記冷却部材を複数備えており、
前記板部が記内周部と接する前記冷却部材と、前記板部が前記外周部に接する前記冷却部材とが、前記鉄心の周方向において交互に隣り合って配置された請求項1に記載の変圧器。
【請求項3】
内周部及び外周部を有する筒状に形成された複数の単位鉄心が並列して配置されて構成された鉄心と、
前記鉄心の軸方向の一方の端から他方の端へ伸びて設けられ、前記鉄心に取り付けられている帯状の冷却部材と、を備え、
前記冷却部材は、前記鉄心の軸方向において、一方の端から他方の端に向かって、隣り合う前記単位鉄心の前記内周部と前記外周部に交互に対向するように蛇行して折り曲げられている変圧器。
【請求項4】
複数の前記冷却部材を備え
前記鉄心の周方向において隣り合う前記冷却部材は、相互に鏡面対称となるように配置されている請求項1又は請求項3に記載の変圧器。
【請求項5】
前記冷却部材は、
前記鉄心の軸方向において、前記単位鉄心の一方の端から他方の端に向かって、隣り合う前記単位鉄心の前記内周部と前記外周部を交互に対向するように蛇行する第1の部分と、
前記鉄心の軸方向において、前記単位鉄心の他方の端から一方の端に向かって、隣り合う前記単位鉄心の前記内周部と前記外周部を交互に対向するように蛇行する第2の部分と、を有し、
前記冷却部材は前記鉄心のに対して傾斜した角度で交差する請求項3に記載の変圧器。
【請求項6】
前記冷却部材と前記鉄心間には絶縁物が配置されている請求項1から5のいずれか一項に記載の変圧器。
【請求項7】
さらに内部に冷媒が通じる冷却パイプを備えており、前記冷却部材は前記冷却パイプに接続される請求項1から6のいずれか一項に記載の変圧器。
【請求項8】
前記冷却部材が接続される放熱パネルをさらに備える請求項1から7のいずれか一項に記載の変圧器。
【請求項9】
前記冷却部材は、前記鉄心の脚部及びヨーク部に配置される請求項1から8のいずれか一項に記載の変圧器。
【請求項10】
前記単位鉄心は偶数個である請求項1から9のいずれか一項に記載の変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、変圧器に関する。
【背景技術】
【0002】
高周波誘導機器として例えば変圧器の鉄心は、主としてうず電流損失による発熱量が多いため、温度上昇が問題となる。そのため、水冷方式などのように冷却媒体を使用して強制冷却したり、鉄心の動作磁束密度を低く抑えて磁束密度に比例する損失を低減したりすること等で対応が図られている。
【0003】
しかし、冷却媒体を使用して変圧器を冷却する場合は、鉄心等とは別に冷却ユニットが必要となるため、変圧器全体のコストが上昇する。また、水冷方式では水漏れなどが発生する場合があるため、これを防止するためのメンテナンスが必要となる等の課題がある。また、動作磁束密度を低く抑えるため、例えば鉄心を複数配列した複数配列鉄心を採用した場合は、鉄心が大型化し設置空間が大きくなるため、設置場所の確保が困難となる。また、鉄心を複数配列とすると、内側に配置された鉄心は、両外側に配置された鉄心より冷却効率が悪くなるためその部分だけ温度上昇が大きくなる。冷却効率向上のため、鉄心を並列配置して鉄心の間に空間(ダクト)を設けて冷却面積を増やす方法も考えられるが、ダクト内の冷媒の流れを確保するために鉄心間に空隙を設けることが必要となるため、変圧器がさらに大型化してしまうという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】実公昭61−25224号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
実施形態は、鉄心の冷却効率を向上させた変圧器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
実施形態に係る変圧器は、複数の単位鉄心が並列して配置されて構成された鉄心と、前記鉄心に対向して配置される冷却部材と、を備える。前記冷却部材は、薄板長方形の板部及び前記板部の一方の面から垂直に突出して設けられる羽根部を備えている。前記板部は前記鉄心の内周部又は外周部に対向して配置され、前記羽根部は前記単位鉄心間に狭在する位置に配置される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1】第1実施形態に係る変圧器の模式的斜視図
図2】変圧器の脚部に設けられた冷却部材の模式的斜視図
図3】変圧器のヨーク部に設けられた冷却部材の模式的斜視図
図4図1のAA線における概略横断面図
図5図1のBB線における概略縦断面図
図6】第2実施形態に係る変圧器の模式的斜視図
図7】変圧器の脚部に設けられた冷却部材の模式的斜視図
図8図6のCC線における概略横断面図
図9図6のDD線における概略横断面図
図10】第3実施形態に係る変圧器の模式的斜視図
図11】変圧器の脚部に設けられた冷却部材の模式的斜視図
図12図10のEE線における概略横断面図
図13図10のFF線における概略横断面図
図14図10のGG線における概略横断面図
図15図10のHH線における概略横断面図
図16】第4実施形態に係る変圧器の模式的斜視図
図17】変圧器の脚部に設けられた冷却部材の模式的斜視図
図18図16のKK線における概略横斜め断面図
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。実施形態の説明において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係る変圧器10を模式的に示す斜視図、図2は変圧器10の脚部13aに設けられた冷却部材20を取り出して模式的に示す斜視図、図3は変圧器10のヨーク部13bに設けられた冷却部材20を取り出して模式的に示す斜視図、図4図1のAA線における概略横断面図、図5図1のBB線における概略縦断面図である。
【0009】
図1に示すように変圧器10は、鉄心12を備えている。鉄心12は例えば角部が丸くラウンドした矩形を呈しており、二つの長辺部及び短辺部を備えて構成されている。鉄心12は、単位鉄心11(11a〜11d)を幅方向に複数個並列して配置することにより構成されている。実施形態では鉄心12は偶数個この場合4つの単位鉄心11a〜11dを用いて構成されている例を示している。長辺部は脚部13a、短辺部はヨーク部13bとなっている。
【0010】
単位鉄心11は複数枚の鉄心材が巻回されて構成されており、中心に窓部を有している。鉄心材は例えばアモルファス材を用いて構成されている。アモルファス材としては、例えばアモルファス合金の薄い帯状の金属磁性体(以下、アモルファス薄帯という)が用いられる。単位鉄心11を構成するアモルファス薄帯の膜厚を薄くすることは渦電流損の低減に有効である。このように、膜厚が薄いアモルファス薄帯を用いて単位鉄心11を形成することにより、渦電流損を抑制することができる。各単位鉄心11間には僅かに間隙が設けられることによりダクトが形成されており、このダクトを介して空気が通過することにより鉄心12を冷却している。
【0011】
鉄心12は長辺部において、上下半分に切断されており、それぞれが略U字型を呈している。切断部は接続部12aとなっている。略U字型の鉄心12は脚部13aを備え、脚部13aは切断面を互いに上限から向かい合わせるようにして付き合わされている。すなわち鉄心12は、カットコア構造を有している。
【0012】
鉄心12は、接続部12aにおいて絶縁物12bが接合面に密着して狭在するように設けられている。絶縁物12bとしては例えばアラミド紙を用いることができる。鉄心12には、その長辺部において、図示しない複数の巻線(コイル)が組みつけられて変圧器10を構成する。
【0013】
図1から図5に示すように、変圧器10の鉄心12には金属製の冷却部材20が鉄心12(すなわち単位鉄心11)に対向するようにして設けられている。冷却部材20としては、例えば、銅、アルミニウムなどの金属を用いることができる。冷却部材20と鉄心12との間には図示しない絶縁物(例えばアラミド紙)が設けられている。冷却部材20は薄板で長方形の板部20aと、板部20aから垂直に突出した羽根部20bを備えている。羽根部20bの突出量は、鉄心12の厚さを超えない程度の寸法となっている。
【0014】
冷却部材20は、図2図3に示すように、一枚の帯状金属板を折り曲げて、板部20a及び羽根部20bを形成するように構成してもよいし、板部20aを構成する長方形金属板に、例えば溶接等の接続技術を用いて、板部20aに対して垂直方向に指向する羽根部20bを形成してもよい。実施形態に係る冷却部材20は、一枚の金属板を折り曲げて構成した例を示している。一枚の帯状金属板を折り曲げて板部20a及び羽根部20bを形成するようにしたほうが冷却部材20の表面積を大きくできるため、冷却効率を高くすることができる。
【0015】
第1実施形態においては、鉄心12の脚部13aにおいて、冷却部材20は接続部12aを挟んで上下に配置され、冷却部材20の板部20aは、鉄心12の内周部13cに対向するようにして配置されている。羽根部20bは複数の単位鉄心11間の空隙に狭在する位置に設けられている。羽根部20bの板部20a表面からの突出量は単位鉄心11の厚さ以下となっているので、単位鉄心11の外周部13dの外側に突出することはない。
【0016】
また、ヨーク部13bにおいても、冷却部材20が設けられており、板部20aは内周部13cに対向するように配置され、羽根部20bは複数の単位鉄心11間に狭在するように設けられている。なお、冷却部材20は接続部12aに対向する位置に配置してあっても差し支えない。
【0017】
第1実施形態に係る変圧器10によれば以下の効果を奏する。
第1実施形態に係る変圧器10によれば、変圧器10を構成する複数の鉄心12の内周部13cに板部20aが対向するように配置され、単位鉄心11間に羽根部20bが狭在するように冷却部材20が設けられている。鉄心12においては、内周部13cの温度が上昇しやすいが、これにより、鉄心12の冷却効率を向上させることができる。
【0018】
また、複数の単位鉄心11を並列に配置して構成した鉄心12においては、内側の単位鉄心11(第1実施形態においては、前後の単位鉄心11a及び11dに挟まれた内側二つの単位鉄心11bと11c)の温度が上昇しやすい。第1実施形態に係る変圧器10においては、冷却部材20の板部20aは内周部13cに対向し、羽根部20bは複数の単位鉄心11の間に狭在するように配置される。これにより、変圧器10の鉄心12のうち温度が上昇しやすい箇所を効率よく冷却することができるため、鉄心12全体の温度分布を均一とすることができ、変圧器10の信頼性が向上する。
【0019】
また、羽根部20bが単位鉄心11間に狭在する突出量は単位鉄心11の厚さ以下となっている。すなわち羽根部20bの先端位置は単位鉄心11間に存在する。これにより、変圧器10の駆動時に、冷却部材20の高電圧発生箇所が余裕をもって離間されるため、冷却部材20に電流が流れることが抑制され、変圧器10の信頼性が向上する。
【0020】
また、鉄心12の前面及び背面すなわち単位鉄心11aの奥側の裏面と単位鉄心11dの手前側の前面には羽根部20bが配置されていない。この部分は鉄心12において外方に位置するため冷却効率が高く、そのためこの部分にも羽根部20bを配置すると、単位鉄心11a及び11dが、単位鉄心11b、11cよりも冷却されやすくなってしまい、鉄心12全体として温度分布が不均一となってしまう。そこで、鉄心12(単位鉄心11)の前面及び裏面には羽根部20bを配置しないことで、鉄心12全体の温度分布の均一化を図っている。これによっても変圧器10の信頼性が向上する。
【0021】
また、単位鉄心11間には冷却部材20の羽根部20bが配置されことにより、単位鉄心11間において冷却効率が向上されるとともに、単位鉄心11間の間隙幅が羽根部20bの厚さによって規定されるため、単位鉄心11間の間隙幅すなわちダクトの大きさを極力小さくすることが可能となる。このため、変圧器10の大型化を抑制しつつ冷却効率を高めることができる。
【0022】
(第2実施形態)
次に第2実施形態について説明する。図6は第2実施形態に係る変圧器10を模式的に示す斜視図、図7は変圧器10の脚部13aに設けられた冷却部材20を取り出して模式的に示す斜視図である。図8図6のCC線における概略横断面図、図9図6のDD線における概略横断面図である。
【0023】
第2実施形態においては、変圧器10を構成する鉄心12の接続部12aより上部の脚部13aに複数、この場合4つの冷却部材20が配置され、片側の脚部13aの上下方向又は左右方向に隣接する冷却部材20はその向きが逆方向を指向して互いに鏡面対称となるように配置されている。また、左右両方の脚部13aの冷却部材20もその向きが逆方向を指向して互いに鏡面対称となるように配置されている。すなわち、複数の冷却部材20は、鉄心12の内周部13c及び外周部13dに対して交互に対向するように配置され、隣接する冷却部材20は逆向きすなわち鏡面対称となるように配置される。他の構成は第1実施形態における変圧器10と同じ構成である。なお、図においてはヨーク部13bに配置された冷却部材20は省略して示しているが、冷却部材22を脚部13aだけでなくヨーク部13bにも配置させるようにしてもよい。なお、羽根部20bの板部20a表面からの突出量は単位鉄心11の厚さ以下となっているので、単位鉄心11の内周部13cの内側、又は外周部13dの外側に突出することはない。
【0024】
以上の構成により、第2実施形態に係る変圧器10は第1実施形態と同様の効果を奏する。また、隣接する冷却部材20は逆向きすなわち鏡面対称となるように配置されることにより変圧器10の冷却がより一層均一化されるため、変圧器10の信頼性が向上する。
【0025】
(第3実施形態)
次に第3実施形態について説明する。図10は第3実施形態に係る変圧器10を模式的に示す斜視図、図11は変圧器10の脚部13aに設けられた冷却部材22を取り出して模式的に示す斜視図である。図12図10のEE線における脚部13aの概略横断面図、図13図10のFF線における脚部13aの概略横断面図である。図14図10のGG線における概略縦断面図、図15図10のHH線における概略縦断面図である。
【0026】
第3実施形態においては、冷却部材22は帯状であり、鉄心12を構成する単位鉄心11の一方の端から他方の端に向かって、隣接する単位鉄心11の内周部13cと外周部と外周部13dに交互に対向するように蛇行して折り曲げられて配置される。図12において、左側の脚部13aの断面部を参照すれば、図12において上側(すなわち図10において奥側)から下側(すなわち図10において手前側)に向かって、単位鉄心11aの右側面から左側に屈曲し、単位鉄心11a―11b間の間隙を通過して手前方向に屈曲して単位鉄心11bの左側面に対向し、さらに右に屈曲して単位鉄心11b−11c間の間隙を通過し、単位鉄心11c右側面に対向し、さらに左に屈曲して次の単位鉄心11c−11d間の間隙を通過して、左に屈曲し単位鉄心11dの左側面に対向したところで終端する。
【0027】
図12の右側の脚部13aで、冷却部材22は外周部13d→単位鉄心11間→内周部13c→単位鉄心11間→外周部13d→単位鉄心11間→外周部13dの順に蛇行するように配置される。図12の左側の脚部13aでは、冷却部材22は、単位鉄心11aの内周部13c→単位鉄心11a−11b間→単位鉄心11bの外周部13d→単位鉄心11b−11c間→単位鉄心11bの内周部13c→単位鉄心11c−11d間→単位鉄心11dの内周部13cの順に蛇行するように配置される。
【0028】
鉄心12の接続部12aより下側に設けられた冷却部材22では、図13に示すように、上述の図12とは逆向きすなわち鏡面対称となるように蛇行して配置される。また、ヨーク部13bに配置される冷却部材22も、図14図15に示すように、相互に逆向きすなわち鏡面対称となるように蛇行して配置される。いずれにおいても、隣接する冷却部材22は相互に鏡面対称となるように配置される。その他の構成は第1実施形態又は第2実施形態に係る変圧器10と同じ構成である。
【0029】
以上の構成により、第3実施形態に係る変圧器10は第1及び第2実施形態と同様の効果を奏する。また、単位鉄心11は偶数個、この場合4つが組み合わされて鉄心12が構成されており、冷却部材20は偶数個この場合4つの単位鉄心11間を蛇行するようにして、すべての単位鉄心11に対向するように配置されている。これにより、冷却部材22に誘起される電圧は冷却部材22内で相殺されるため、冷却部材22内の近接する部位の相互間の耐電圧又は隣接する冷却部材22間の耐電圧を気にすることなく冷却部材22を近接して配置構成することができる。従って、変圧器10の冷却効率を向上させることができる。
【0030】
(第4実施形態)
次に第4実施形態について説明する。図16は第4実施形態に係る変圧器10を模式的に示す斜視図、図17は変圧器10の脚部13aに設けられた冷却部材24を取り出して模式的に示す斜視図である。図18図16のKK線における概略横斜め断面図である。
【0031】
第4実施形態においては、冷却部材24は、鉄心12を構成する単位鉄心11の間を縫うようにして内周部13cと外周部13dに交互に対向するように配置される。冷却部材24は単位鉄心11に対して斜め方向を指向して蛇行し、端部に位置する単位鉄心11の外回りを半巻回するように向きを反転させて折り返している。冷却部材24は、並列する単位鉄心11間を蛇行し、端部の単位鉄心11で折り返して、これを繰り返し、最終的には、前端又は後端で終端するように構成されている。
【0032】
図16及び図17を参照すると、冷却部材24は、鉄心12を構成する単位鉄心11の一方の端(ここでは鉄心12の後端とする)から他方の端(ここでは鉄心12の前端とする)に向かって、単位鉄心11に対して斜め方向を指向している。冷却部材24は、隣接する単位鉄心11a〜11dの内周部13cと外周部13dに交互に対向するように蛇行して配置されている。冷却部材24は、他方の端に達した後に、折り返し部30において単位鉄心11の前面又は後面(ここでは前面)を半巻回して折り返し、さらに逆向きに指向して単位鉄心11の内周部13cと外周部13dを交互に蛇行するように配置される。さらに、冷却部材24は、一端(ここでは後端)に達した後に、折り返し部30において裏面側を巻回して折り返し、さらに手前方向に指向して単位鉄心11の内周部13cと外周部13dに交互に対向するように蛇行して配置される。その後、冷却部材24は他端(ここでは前端)に達したところで終端する。
【0033】
図16図17において、冷却部材24は単位鉄心11の内周部13cと外周部13dを蛇行しながら、端部の単位鉄心11の正面側及び裏面側の側面を半巻回して2回折り返して構成されている。この際、冷却部材24は一端と他端の折り返し部30間において、4つの単位鉄心11a〜11d間を斜めすなわち脚部13aに対して直角以外の角度に指向して蛇行するように構成されている。鉄心12の左右の脚部13aに配置される冷却部材24は、相互に鏡面対称となるように配置される。
【0034】
図16から図18では、冷却部材24が脚部13aに配置されている例を示しているが、さらに折り返しと蛇行を繰り返して、第1及び第3実施形態のように冷却部材24を脚部13a及びヨーク部13bに配置させるようにしてもよい。
【0035】
以上の構成により、第4実施形態に係る変圧器10は第1から第3実施形態と同様の効果を奏する。また、鉄心12は偶数個の単位鉄心11により構成されているため冷却部材24に誘起される電圧は冷却部材24内で相殺する。このため、冷却部材24を近接して複数回折り返して蛇行配置することができ、変圧器10の冷却効率を向上させることができる。
【0036】
上述のように、第1の実施形態1から第4の実施形態を例示して説明したが、さらに、冷却部材20、22、24に接続するように、冷媒が通じる冷却パイプを設けてもよい。あるいは、冷却部材20、22、24に接続するように、さらに放熱フィン等を備えた放熱パネルを設けてもよい。これにより、冷却部材20、22、24による冷却効率が向上するため、変圧器10の信頼性がさらに向上する。
【0037】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0038】
10…変圧器、11…単位鉄心、12…鉄心、12a…接続部、12b…絶縁物、13a…脚部、13b…ヨーク部、13c…内周部、13d…外周部、14…ダクト、20、22、24…冷却部材、20a…板部、20b…羽根部
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