特開 2024-135179 巻線機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024135179

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】巻線機器

(51)【国際特許分類】

   H01F 30/10 20060101AFI20240927BHJP

   H01F 27/08 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H01F30/10 S

H01F30/10 A

H01F30/10 C

H01F27/08 150

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023045741

(22)【出願日】2023-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】前地 洋明

(72)【発明者】

【氏名】松原 克夫

【テーマコード（参考）】

5E050

【Ｆターム（参考）】

5E050BA03

5E050JA01

(57)【要約】

【課題】コアの冷却性能を向上させた巻線機器を実現する。
【解決手段】変圧器（１）は、巻線（１１）と、巻線が巻回された鉄心（１３）と、鉄心に接続される第１伝熱板（１４ａ）、第２伝熱板（１４ｂ）、および第３伝熱板（１４ｃ）と、を備え、鉄心は、少なくとも第１鉄心材（１３ａ）と第２鉄心材（１３ｂ）とを含み、第１伝熱板、第１鉄心材、第２伝熱板、第２鉄心材、および第３伝熱板は、この順で積層された積層構造を構成している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

巻線と、
前記巻線が巻回された鉄心と、
前記鉄心にそれぞれ接続される第１伝熱板、第２伝熱板、および第３伝熱板と、
前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板に接続される冷却機構と、を備え、
前記鉄心は、少なくとも第１鉄心材と第２鉄心材とを含み、
前記第１伝熱板、前記第１鉄心材、前記第２伝熱板、前記第２鉄心材、および前記第３伝熱板は、この順で積層された積層構造を構成している巻線機器。

【請求項2】

前記冷却機構は、
前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板の端部に接続され、前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板を互いに連結させる連結板と、
前記連結板に重畳され、前記連結板を介して伝導された熱を外部に放熱する放熱部と、を備える、請求項１に記載の巻線機器。

【請求項3】

前記冷却機構を、前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板の互いに対向する端部に２つ備える、請求項１に記載の巻線機器。

【請求項4】

前記巻線は、内側巻線と、前記内側巻線の外側に巻回された外側巻線とを含み、
前記内側巻線が発する熱を前記冷却機構に伝達する内側巻線伝熱板と、前記外側巻線が発する熱を前記冷却機構に伝達する外側巻線伝熱板とをさらに備え、
前記内側巻線伝熱板は、前記内側巻線の内側に配され、前記外側巻線伝熱板は、前記外側巻線の外側に配されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の巻線機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の一態様は、巻線機器に関する。

【背景技術】

【0002】

巻線およびコアを備える巻線機器では、巻線に電流が流れたときに巻線およびコアに生じるジュール熱および鉄損などを効率よく冷却することが求められている。従来の巻線機器には、水などの冷却媒体を使用して、巻線で発生した熱と熱交換を行うことにより、当該熱を冷却する水冷式の冷却機構を設けたものが知られている（下記特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９‐１１０２０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

巻線機器を大容量化するためには、コアを大型化する必要がある。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、コアを大型化した場合に十分な冷却能力を得られないという問題がある。

【0005】

本開示の一態様は、コアの冷却性能を向上させた巻線機器を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る巻線機器は、巻線と、前記巻線が巻回された鉄心と、前記鉄心に接続される第１伝熱板、第２伝熱板、および第３伝熱板と、前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板に接続される冷却機構と、を備え、前記鉄心は、少なくとも第１鉄心材と第２鉄心材とを含み、前記第１伝熱板、前記第１鉄心材、前記第２伝熱板、前記第２鉄心材、および前記第３伝熱板は、この順で積層された積層構造を構成している。

【発明の効果】

【0007】

本開示の一態様に係る巻線機器によれば、コアの冷却性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の実施形態１に係る変圧器の外観を示す斜視図である。

【図2】図１における一部の構成要素を省略した斜視図である。

【図3】図２にＩＩＩ－ＩＩＩ線として表された位置での変圧器の切断部端面図である。

【図4】内側巻線および外側巻線の構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

〔実施形態１〕
以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。

【0010】

図１は、本開示の実施形態１に係る変圧器１の外観を示す斜視図である。図２は、図１における一部の構成要素を省略した斜視図である。図３は、図２にＩＩＩ－ＩＩＩ線として表された位置での変圧器１の切断部端面図である。図３には、図２においては省略されている構成要素についても現れている。変圧器１は、本開示に係る巻線機器の一例である。ただし、本開示に係る巻線機器は、巻線、鉄心、鉄心伝熱板、および冷却機構を有する物であれば特に限定されない。

【0011】

図１から図３に示すように、変圧器１は、巻線１１、巻線伝熱板１２、鉄心１３、第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、第３伝熱板１４ｃ、および冷却機構２０を備える。本明細書では、第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃを総称して鉄心伝熱板１４と称する場合がある。

【0012】

巻線１１は、例えば、リッツ線などの被覆された導電線を用いて構成されている。巻線１１は、内側巻線１１ａと、内側巻線１１ａの外側に巻回された外側巻線１１ｂとを含む。内側巻線１１ａおよび外側巻線１１ｂのうち、一方が１次巻線として機能し、他方が２次巻線として機能する。

【0013】

図４は、内側巻線１１ａおよび外側巻線１１ｂの構成を示す斜視図である。図４において、符号４０１は、内側巻線１１ａの斜視図であり、符号４０２は、外側巻線１１ｂの斜視図である。図３においては、内側巻線１１ａおよび外側巻線１１ｂがそれぞれ２か所に現れている。しかし、内側巻線１１ａおよび外側巻線１１ｂは、図４に示すように環状の部材であり、図３の２か所に現れている内側巻線１１ａおよび外側巻線１１ｂは、それぞれ同一の構成要素である。このため、図３においては、内側巻線１１ａおよび外側巻線１１ｂについては符号を１箇所のみ付している。

【0014】

内側巻線１１ａは、封止樹脂１５ａにより封止されていてもよい。また、外側巻線１１ｂは、封止樹脂１５ｂにより封止されていてもよい。封止樹脂１５ａ，１５ｂは、例えばエポキシ樹脂などの合成樹脂と、アルミナまたはシリカなどのフィラーとを含んでいてよい。封止樹脂１５ａ，１５ｂは、例えば、モールド注型によって形成されてよい。

【0015】

巻線伝熱板１２は、巻線１１が発する熱を冷却機構２０に伝導する。巻線伝熱板１２は、高い熱伝導性を有する金属で形成された板状の部材であってよい。巻線伝熱板１２の材料の具体例として、銅またはアルミニウムが挙げられる。巻線伝熱板１２は、内側巻線１１ａが発する熱を冷却機構２０に伝達する内側巻線伝熱板１２ａと、外側巻線１１ｂが発する熱を冷却機構２０に伝達する外側巻線伝熱板１２ｂとを含む。図４には、内側巻線伝熱板１２ａおよび外側巻線伝熱板１２ｂも図示されている。

【0016】

内側巻線伝熱板１２ａの、内側巻線１１ａに当接する箇所は、内側巻線１１ａとともに封止樹脂１５ａにより封止されている。また、外側巻線伝熱板１２ｂの、外側巻線１１ｂに当接する箇所は、外側巻線１１ｂとともに封止樹脂１５ｂにより封止されている。

【0017】

巻線伝熱板１２の、巻線１１に当接する面に、高熱伝導樹脂または高熱伝導プリプレグにより絶縁層（図示せず）が形成されていてもよい。この場合、巻線１１で発生した熱を、絶縁層を介して冷却機構２０に効率よく伝えることができる。

【0018】

図３および図４に示すように、内側巻線伝熱板１２ａは、内側巻線１１ａの内側に配されている。また、外側巻線伝熱板１２ｂは、外側巻線１１ｂの外側に配されている。このため、内側巻線伝熱板１２ａおよび外側巻線伝熱板１２ｂには、内側巻線１１ａと外側巻線１１ｂとの間で生じる漏れ磁束が鎖交しにくい。したがって、漏れ磁束が内側巻線伝熱板１２ａまたは外側巻線伝熱板１２ｂに鎖交することで内側巻線伝熱板１２ａまたは外側巻線伝熱板１２ｂに生じてしまう渦電流に起因する損失が低減される。

【0019】

鉄心１３は、巻線１１が巻回されたコアである。鉄心１３は、第１鉄心材１３ａと第２鉄心材１３ｂとを含み、これらが積層された後述する積層構造を構成する。第１鉄心材１３ａおよび第２鉄心材１３ｂは、例えば、珪素鋼板、フェライト、アモルファス合金、またはナノ結晶軟磁性材料などの強磁性材料を用いて構成されていてよい。

【0020】

第１鉄心材１３ａおよび第２鉄心材１３ｂは、帯状の材料を渦巻き状に巻いた構造を有していてよい。この場合、第１鉄心材１３ａおよび第２鉄心材１３ｂの厚さ方向が、帯状の材料の平面に沿う方向に含まれる。この場合、第１鉄心材１３ａおよび第２鉄心材１３ｂにおいては、厚さ方向における熱伝導性が、帯状の材料の平面に沿わない方向における熱伝導性よりも高くなる。ただし、第１鉄心材１３ａおよび第２鉄心材１３ｂの構造はこれに限られない。

【0021】

第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃは、鉄心１３で発生した熱を冷却機構２０に伝導する。第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃは、高い熱伝導性を有する金属で形成された板状の部材であってよい。第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃの材料の具体例として、銅またはアルミニウムが挙げられる。

【0022】

第１伝熱板１４ａおよび第３伝熱板１４ｃは、第１鉄心材１３ａと第２鉄心材１３ｂとが積層される方向における、鉄心１３の両側に位置する。また、第２伝熱板１４ｂは、第１鉄心材１３ａと第２鉄心材１３ｂとが積層される方向における、第１鉄心材１３ａと第２鉄心材１３ｂとの間に位置する。すなわち、第１伝熱板１４ａ、第１鉄心材１３ａ、第２伝熱板１４ｂ、第２鉄心材１３ｂ、および第３伝熱板１４ｃは、この順で積層された積層構造を構成している。

【0023】

互いに隣接する第１鉄心材１３ａまたは第２鉄心材１３ｂと第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、または第３伝熱板１４ｃとの間は、高熱伝導プリプレグまたは高熱伝導樹脂により接着されていてよい。これにより、第１鉄心材１３ａまたは第２鉄心材１３ｂから第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃへの熱伝導性を向上させると共に、鉄心伝熱板１４との擦れ等による鉄心１３の損傷を防ぐことができる。

【0024】

鉄心１３は、上下方向における中央において２分割可能に構成されていてよい。鉄心１３上下方向における中央において２分割可能である場合、第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃも、上下方向における中央において２分割可能に構成されていてよい。

【0025】

冷却機構２０は、鉄心伝熱板１４から伝達された熱を外部に放熱する冷却機構である。冷却機構２０は、連結板２１および放熱部２２を備える。。

【0026】

連結板２１は、鉄心伝熱板１４の端部に接続され、当該鉄心伝熱板１４を連結させる。連結板２１は、高い熱伝導性を有する金属で形成された板状の部材であってよい。連結板２１の材料の具体例として、銅またはアルミニウムが挙げられる。また、連結板２１の材料は、鉄心伝熱板１４の材料と同じであっても異なっていてもよい。

【0027】

放熱部２２は、連結板２１に重畳され、連結板２１を介して伝導された熱を外部に放熱する。放熱部２２は、図１に示すように、複数の放熱フィンを備えるヒートシンクであってよい。この場合、空気が放熱フィンに沿って流れることにより、鉄心１３で発生した熱を当該空気と熱交換して当該熱を冷却するように構成されている。この場合、冷却機構２０は、放熱部２２に送風するための送風機構をさらに備えていてもよい。ただし、冷却機構２０は、放熱部２２として、ヒートシンクの代わりに、熱を水などの液体に放熱する液冷機構を備えていてもよい。

【0028】

連結板２１と放熱部２２との間には、熱伝導性を向上させるグリスが塗布されていてよい。これにより、鉄心伝熱板１４から放熱部２２までの熱伝導性を向上させることができる。

【0029】

仮に鉄心伝熱板１４の端部が、放熱部２２に直接接続される場合、鉄心伝熱板１４の端面の高さまたは角度にバラツキがあると、鉄心伝熱板１４と放熱部２２との接触面積が小さくなり、熱伝導性が低下する可能性がある。したがって、この場合には、変圧器１の組み立てにおいて、鉄心伝熱板１４の端面の高さおよび角度を高い精度で合わせることが求められる。変圧器１においては、鉄心伝熱板１４が連結板２１を介して放熱部２２に接続される構造とすることで、巻線１１および鉄心１３の製作・組み立て時に連結板２１を治具として代用できる。このため、鉄心伝熱板１４の端面の高さおよび角度を、安価に、容易に、かつ精度よく製作できる。

【0030】

ただし、変圧器１においては、連結板２１は必須ではなく、省略されてもよい。鉄心伝熱板１４の端面の高さおよび角度を、十分に高い精度で合わせられるのであれば、鉄心伝熱板１４の端部が放熱部２２に直接接続されるほうが、鉄心伝熱板１４から放熱部２２までの熱伝導性は高くなる。

【0031】

変圧器１は、冷却機構２０を２つ備える。具体的には、変圧器１は、２つの冷却機構２０を、鉄心伝熱板１４の互いに対向する端部に備える。鉄心伝熱板１４（上下）は、２つの冷却機構２０の両方にそれぞれ接続される。これにより、巻線１１および鉄心１３で発生した熱を均等に放熱できる。ただし、変圧器１は、必ずしも冷却機構２０を上記のとおり備える必要はなく、例えば鉄心伝熱板１４を上下一体化することで、冷却機構２０を１つのみ備える構成でもよい。

【0032】

また、冷却機構２０には、鉄心伝熱板１４だけでなく、巻線伝熱板１２も接続されている。このため、巻線１１で発生した熱も、巻線伝熱板１２を介して冷却機構２０に伝熱され、放熱される。ただし、変圧器１においては、冷却機構２０に巻線伝熱板１２が接続されることは必須ではない。

【0033】

図１および図３に示す例では、内側巻線伝熱板１２ａと外側巻線伝熱板１２ｂとが、互いに異なる冷却機構２０に接続されている。すなわち、内側巻線１１ａで発生した熱と、外側巻線１１ｂで発生した熱とが、互いに異なる冷却機構２０から放熱される。したがって、内側巻線１１ａで発生した熱と、外側巻線１１ｂで発生した熱とが、同じ冷却機構２０から放熱される場合と比較して、効率よく放熱される。ただし、変圧器１においては、内側巻線伝熱板１２ａと外側巻線伝熱板１２ｂとが互いに異なる冷却機構２０に接続されることは必須ではない。

【0034】

図１および図３に示す例では、内側巻線伝熱板１２ａは、連結板２１を介して放熱部２２に接続されている。ただし、内側巻線伝熱板１２ａは、連結板２１を介さずに、放熱部２２に直接接続されてもよい。

【0035】

以上のとおり、変圧器１においては、第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃのそれぞれが、鉄心１３の両側に加えて、第１鉄心材１３ａと第２鉄心材１３ｂとの間に位置する。このため、鉄心１３で発生した熱が鉄心１３の内部を、第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、または第３伝熱板１４ｃまで伝導される経路が短くなる。さらに、鉄心１３が第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃに接触する部分の面積が大きくなる。したがって、第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃのそれぞれが上記のとおり位置しない場合と比較して、鉄心１３の冷却性能を向上させることができる。

【0036】

〔実施形態２〕
上述した例では、鉄心１３は、第１鉄心材１３ａおよび第２鉄心材１３ｂという、２つの鉄心材が積層された構造を有していた。しかし、変圧器１において、鉄心１３は、３以上の鉄心材が積層された構造を有していてもよい。鉄心材の数を増加させることで、鉄心１３を大型化させ、変圧器１の容量を増加させることができる。また、変圧器１において、鉄心１３が、３以上の鉄心材が積層された構造を有している場合、変圧器１は、第２伝熱板１４ｂについても複数備えていてもよい。

【0037】

鉄心１３が、３以上の鉄心材が積層された構造を有している場合、第１伝熱板１４ａおよび第３伝熱板１４ｃは、実施形態１と同様、鉄心材が積層される方向における、鉄心１３の両側に位置する。また、第２伝熱板１４ｂは、鉄心材が積層される方向における、隣接する２つの鉄心材の間の少なくとも１箇所に位置してよい。これにより、鉄心材の間に第２伝熱板１４ｂが位置しない場合と比較して、鉄心１３の冷却性能を向上させることができる。

【0038】

特に、変圧器１は、鉄心材の数よりも１だけ少ない数の第２伝熱板１４ｂを備えていてよい。この場合、第２伝熱板１４ｂは、鉄心材の積方方向における、隣接する２つの鉄心材の間のそれぞれに位置してよい。すなわち、鉄心材、第１伝熱板１４ａ、第２伝熱板１４ｂ、および第３伝熱板１４ｃは、鉄心材が積層される方向において、第１伝熱板１４ａと第３伝熱板１４ｃとの間に、鉄心材と第２伝熱板１４ｂとが交互に積層された積層構造を構成していてよい。これにより、鉄心１３の冷却性能を、さらに向上させることができる。

【0039】

〔まとめ〕
本開示の態様１に係る巻線機器は、巻線と、前記巻線が巻回された鉄心と、前記鉄心に接続される第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板と、前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板に接続される冷却機構と、を備え、前記鉄心は、少なくとも第１鉄心材と第２鉄心材とを含み、前記第１伝熱板、前記第１鉄心材、前記第２伝熱板、前記第２鉄心材、および前記第３伝熱板は、この順で積層された積層構造を構成している。

【0040】

本開示の態様２に係る巻線機器は、態様１において、前記冷却機構は、前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板の端部に接続され、前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板を互いに連結させる連結板と、前記連結板に重畳され、前記連結板を介して伝導された熱を外部に放熱する放熱部と、を備える。

【0041】

本開示の態様３に係る巻線機器は、態様１または２において、前記冷却機構を、前記第１伝熱板、前記第２伝熱板、および前記第３伝熱板の互いに対向する端部に２つ備える。

【0042】

本開示の態様４に係る巻線機器は、態様１から３のいずれかにおいて、前記巻線は、内側巻線と、前記内側巻線の外側に巻回された外側巻線とを含み、前記内側巻線が発する熱を前記冷却機構に伝達する内側巻線伝熱板と、前記外側巻線が発する熱を前記冷却機構に伝達する外側巻線伝熱板とをさらに備え、前記内側巻線伝熱板は、前記内側巻線の内側に配され、前記外側巻線伝熱板は、前記外側巻線の外側に配されている。

【0043】

本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0044】

１ 変圧器
１１ 巻線
１２ 巻線伝熱板
１３ 鉄心
１３ａ 第１鉄心材
１３ｂ 第２鉄心材
１４ａ 第１伝熱板
１４ｂ 第２伝熱板
１４ｃ 第３伝熱板
２０ 冷却機構
２１ａ、２２ａ 連結板
２１ｂ、２２ｂ 放熱部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】