特開 2024-135180 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】P2024135180

(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 C

H01F30/10 A

H01F27/08 150

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023045742

(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】巻線機器に発生する渦電流損を低減する。
【解決手段】１次巻線（１１）と、２次巻線（１２）と、１次巻線および２次巻線が巻回された環状の鉄心（１３）と、１次巻線に接続された第１伝熱板（１４）と、２次巻線に接続された第２伝熱板（１５）と、を備え、１次巻線および２次巻線は、鉄心の、互いに異なる位置に巻回され、第１伝熱板および第２伝熱板は、１次巻線と２次巻線とに挟まれた領域には位置しない。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

１次巻線と、
２次巻線と、
前記１次巻線および前記２次巻線が巻回された環状の鉄心と、
前記１次巻線に接続された第１伝熱板と、
前記２次巻線に接続された第２伝熱板と、を備え、
前記１次巻線および前記２次巻線は、前記鉄心の、互いに異なる位置に巻回され、
前記第１伝熱板および前記第２伝熱板は、前記１次巻線と前記２次巻線とに挟まれた領域には位置しない、巻線機器。

【請求項2】

前記第１伝熱板に接続された第１冷却機構と、
前記第２伝熱板に接続された第２冷却機構と、をさらに備え、
前記第１冷却機構および前記第２冷却機構は、前記鉄心に対して互いに逆側に位置する、請求項１に記載の巻線機器。

【請求項3】

前記第１伝熱板および前記第２伝熱板は、前記１次巻線および前記２次巻線の一方から他方へ向かう方向に平行であるように配されている、請求項１に記載の巻線機器。

【請求項4】

前記第１伝熱板は、前記１次巻線の内側に接するように配され、
前記第２伝熱板は、前記２次巻線の内側に接するように配されている、請求項１に記載の巻線機器。

【請求項5】

前記鉄心に接続された鉄心伝熱板をさらに備え、
前記鉄心伝熱板は、前記１次巻線および前記２次巻線の一方から他方へ向かう方向に平行であるように配されている、請求項１に記載の巻線機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、巻線機器に関する。

【背景技術】

【0002】

巻線を備える巻線機器では、巻線に電流が流れたときに生じるジュール熱などを効率よく冷却することが求められている。下記特許文献１には、内側巻線および外側巻線と、鉄心と、内側巻線を冷却する第１冷却ジャケットと、外側巻線を冷却する第２冷却ジャケットとを備える変圧器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２３－１４６８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の変圧器では、１次巻線と２次巻線とが同心状に配されている。さらに、１次巻線と２次巻線との間での漏れ磁束が、第１冷却ジャケットおよび第２冷却ジャケットに鎖交する。このため、大きな渦電流損が発生する可能性がある。

【0005】

本開示の一態様は、巻線間に発生する漏れ磁束に起因する渦電流損を低減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、１次巻線と、２次巻線と、前記１次巻線および前記２次巻線が巻回された環状の鉄心と、前記１次巻線に接続された第１伝熱板と、前記２次巻線に接続された第２伝熱板と、を備え、前記１次巻線および前記２次巻線は、前記鉄心の、互いに異なる位置に巻回され、前記第１伝熱板および前記第２伝熱板は、前記１次巻線と前記２次巻線とに挟まれた領域には位置しない。

【発明の効果】

【0007】

本開示の一態様によれば、巻線間に発生する漏れ磁束に起因する渦電流損を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態に係る変圧器の外観を示す斜視図である。

【図2】本開示の一実施形態に係る変圧器を、Ｙ軸方向に見たＸ－Ｚ平面図である。

【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】図２にＩＶ－ＩＶ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5】１次巻線および２次巻線の構成を示す斜視図である。

【図6】図４に示した断面での、１次巻線と２次巻線との間隙に生じる漏れ磁束を表す端面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。以下の説明において、図面には、互いに直行するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の座標軸を示している。この座標軸において、変圧器１の高さ方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に直行する平面において変圧器１（巻線機器）の奥行方向をＹ軸方向とし、Ｚ軸およびＹ軸と互いに直行する方向をＸ軸方向とする。

【0010】

〔変圧器１〕
図１は、本開示の一実施形態に係る変圧器１の外観を示す斜視図である。図２は、変圧器１を、Ｙ軸方向から見たＸ－Ｚ平面図である。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４は、図２にＩＶ－ＩＶ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。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、冷却機構、および巻線が発する熱を冷却機構に伝熱する伝熱板を有する物であれば特に限定されない。

【0011】

図１から図４に示すように、変圧器１は、１次巻線１１と、２次巻線１２と、鉄心１３と、第１伝熱板１４と、第２伝熱板１５と、鉄心伝熱板１６と、第１冷却機構１７と、第２冷却機構１８と、を備える。

【0012】

〔１次巻線１１および２次巻線１２〕
１次巻線１１および２次巻線１２は、それぞれ鉄心１３に巻回される巻線である。１次巻線１１および２次巻線１２は、導電材で形成されており、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る。１次巻線１１および２次巻線１２は、例えば角環状に鉄心１３に巻回されていてよい。

【0013】

１次巻線１１および２次巻線１２の各部寸法は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に、それぞれ互いに略同寸法であってよい。また、１次巻線１１および２次巻線１２の外観も、互いに略同形であってよい。１次巻線１１および２次巻線１２の、各部寸法および外観が互いに同じであれば、１次巻線１１と２次巻線１２とを同一の部材として製造できる。したがって、例えば１次巻線１１の外側に２次巻線１２が巻回される場合と比較して、１次巻線１１および２次巻線１２の製造コストを低減できる。

【0014】

１次巻線１１は、封止樹脂１１１により封止されていてもよい。また、２次巻線１２は、封止樹脂１２１により封止されていてもよい。封止樹脂１１１および封止樹脂１２１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１１１および封止樹脂１２１は、例えばモールド注型によって形成されていてよい。

【0015】

〔鉄心１３〕
鉄心１３は、１次巻線１１および２次巻線１２が巻回された環状のコアである。鉄心１３は、例えば角環状であってよい。鉄心１３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。

【0016】

鉄心１３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、鉄心１３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、鉄心１３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、鉄心１３の構造はこれに限られない。また、鉄心１３は、上下方向における中央において、上下に分割可能である。

【0017】

１次巻線１１および２次巻線１２は、鉄心１３の互いに異なる位置に巻回されている。これは、１次巻線１１と、２次巻線１２とが、鉄心１３における任意の部位を共有しないと換言できる。図１において、１次巻線１１は、鉄心１３の手前側の部位に配されている。２次巻線１２は、鉄心１３の奥行側の部位に配されている。このとき、１次巻線１１および２次巻線１２は、Ｙ－Ｚ平面における鉄心１３の対角線の交点を中心として、互いに対向する位置に配される。ただし、１次巻線１１と２次巻線１２との位置関係はこれに限られない。

【0018】

〔第１伝熱板１４および第２伝熱板１５〕
第１伝熱板１４は、１次巻線１１が発する熱を第１冷却機構１７に熱伝導するための板状部材である。第１伝熱板１４は、１次巻線１１に接続されている。第２伝熱板１５は、２次巻線１２が発する熱を第２冷却機構１８に熱伝導するための板状部材である。第２伝熱板１５は、２次巻線１２に接続されている。第１伝熱板１４および第２伝熱板１５は、高い熱伝導性を有する金属で形成されてよい。第１伝熱板１４および第２伝熱板１５を形成する金属の具体例として、銅またはアルミニウムが挙げられる。

【0019】

図５は、１次巻線１１、２次巻線１２、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５の構成を示す斜視図である。第１伝熱板１４および第２伝熱板１５は、１次巻線１１と２次巻線１２とに挟まれた、他の領域よりも漏れ磁束が大きい領域には位置しない。

【0020】

第１伝熱板１４および第２伝熱板１５は、１次巻線１１および２次巻線１２の一方から他方へ向かう方向に平行であるように配されていてよい。ただし、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５の配置はこれに限られない。

【0021】

また、変圧器１が備える第１伝熱板１４および第２伝熱板１５の数は、それぞれ２枚である。図１などに示すように、２枚の第１伝熱板１４は、互いに平行であるように配されていてよい。また、２枚の第２伝熱板１５は、互いに平行であるように配されていてよい。ただし、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５の数および位置関係は、上記の例に限られない。

【0022】

図１などに示したように、第１伝熱板１４は、１次巻線１１の内側に接するように配されていてよい。また、第２伝熱板１５は、２次巻線１２の内側に接するように配されていてよい。これにより、第１伝熱板１４が１次巻線１１の外側に接し、第２伝熱板１５が２次巻線１２の外側に接する場合と比較して、鉄心伝熱板１６と第１伝熱板１４および第２伝熱板１５との間の距離が近くなるため、後述する第１連結板１７１を小さくできる。ただし、第１伝熱板１４は、１次巻線１１の外側に接していてもよい。また、第２伝熱板１５は、２次巻線１２の外側に接していてもよい。

【0023】

第１伝熱板１４と１次巻線１１とは、例えば第１伝熱板１４と１次巻線１１とを接触させた状態で、それらを封止樹脂１１１で固定することで互いに接続されてよい。第２伝熱板１５と２次巻線１２とについても、封止樹脂１２１で固定することで互いに接続されてよい。

【0024】

第１伝熱板１４の、１次巻線１１に当接する面、および、第２伝熱板１５の、２次巻線１２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（不図示）が形成されていてもよい。この場合、１次巻線１１で発生した熱を、絶縁層を介して第１冷却機構１７に効率よく伝えることができる。また、２次巻線１２で発生した熱を、絶縁層を介して第２伝熱板１５に効率よく伝えることができる。

【0025】

〔鉄心伝熱板１６〕
鉄心伝熱板１６は、鉄心１３が発する熱を、第１冷却機構１７および第２冷却機構１８に熱伝導するための板状部材である。鉄心伝熱板１６は、鉄心１３に接続されている。鉄心伝熱板１６は、高い熱伝導性を有する金属で形成されてよい。鉄心伝熱板１６を形成する金属の具体例として、銅またはアルミニウムが挙げられる。

【0026】

本実施形態においては、変圧器１が備える鉄心伝熱板１６の数は２組４枚である。２組の鉄心伝熱板１６は、鉄心１３を挟むように、かつ互いに平行であるように配されている。さらに、１組の鉄心伝熱板１６は、上下２分割可能な鉄心１３の、上下の部位のそれぞれに対応して、上下に配置されている。また、図３に示すように、鉄心伝熱板１６は、１次巻線１１および２次巻線１２の一方から他方へ向かう方向に平行であるように配されていてもよい。ただし、鉄心伝熱板１６の数および配置はこれに限られない。

【0027】

鉄心１３と鉄心伝熱板１６とは、高熱伝導プリプレグにより接着されていてもよい。これにより、鉄心１３から鉄心伝熱板１６への熱伝導性を向上させると共に、鉄心伝熱板１６の接触による鉄心１３の損傷を防ぐことができる。

【0028】

〔第１冷却機構１７および第２冷却機構１８〕
第１冷却機構１７は、第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６から伝導された熱を外部に放熱する冷却機構である。第１冷却機構１７は、第１連結板１７１および第１放熱部１７２を備える。第２冷却機構１８は、第２伝熱板１５および鉄心伝熱板１６から伝導された熱を外部に放熱する冷却機構である。第２冷却機構１８は、第２連結板１８１および第２放熱部１８２を備える。

【0029】

第１連結板１７１および第２連結板１８１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連結板１７１および第２連結板１８１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、第１連結板１７１および第２連結板１８１の材料は、第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６の材料と同じであっても異なっていてもよい。

【0030】

第１連結板１７１は、第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６の端部に接続される。第２連結板１８１は、第２伝熱板１５および鉄心伝熱板１６の端部に接続される。第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６の端部への第１連結板１７１の接続、並びに、第２伝熱板１５および鉄心伝熱板１６の端部への第２連結板１８１の接続の方法は、例えばボルト締めであってよいが、これに限られない。

【0031】

上述したとおり、変圧器１は、第１伝熱板１４および上側の鉄心伝熱板１６をそれぞれ２枚備える。本実施形態では、第１伝熱板１４および上側の鉄心伝熱板１６の、それぞれの一方が接続される第１連結板１７１と、他方が接続される第１連結板１７１とが互いに別体となっている。ただし、これらの第１連結板１７１は互いに一体であってもよい。

【0032】

また、上述したとおり、変圧器１は、第２伝熱板１５および下側の鉄心伝熱板１６をそれぞれ２枚備える。本実施形態では、第２伝熱板１５および下側の鉄心伝熱板１６の、それぞれの一方が接続される第２連結板１８１と、他方が接続される第２連結板１８１とが互いに別体となっている。ただし、これらの第２連結板１８１は互いに一体であってもよい。

【0033】

第１放熱部１７２は、第１連結板１７１に重畳される。第１放熱部１７２は、第１連結板１７１を介して第１伝熱板１４および上側の鉄心伝熱板１６から伝導された熱を外部に放熱する。第２放熱部１８２は、第２連結板１８１に重畳される。第２放熱部１８２は、第２連結板１８１を介して第２伝熱板１５および下側の鉄心伝熱板１６から伝導された熱を外部に放熱する。

【0034】

第１放熱部１７２および第２放熱部１８２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、第１放熱部１７２は、空気が放熱フィンに沿って流れることにより、１次巻線１１および鉄心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。また、第２放熱部１８２は、空気が放熱フィンに沿って流れることにより、２次巻線１２および鉄心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、第１冷却機構１７は、第１放熱部１７２に送風するための送風機構をさらに備えていてもよい。また、第２放熱部１８２は、第２放熱部１８２に送風するための送風機構をさらに備えていてもよい。

【0035】

ただし、第１冷却機構１７および第２放熱部１８２は、図１に示したヒートシンクに限定されない。例えば第１冷却機構１７および第２放熱部１８２は、熱を水などの液体に放熱する液冷機構であってもよい。

【0036】

第１連結板１７１と第１放熱部１７２との間、および、第２連結板１８１と第２放熱部１８２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、第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６から第１放熱部１７２までの熱伝導性、並びに、第２伝熱板１５および鉄心伝熱板１６から第２放熱部１８２までの熱伝導性を向上させることができる。

【0037】

第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６を、第１放熱部１７２に直接接続する場合、第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６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。そこで、変圧器１の製作では、第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６の位置および角度を規定する治具を使い、当該位置および角度が所定の精度となるよう仕上げる。さらに、第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６を、第１連結板１７１を介して第１放熱部１７２に接続することで、鉄心１３および鉄心伝熱板１６と一体化することができるので、変圧器１の組み立てが容易になる。同じ理由で、第２伝熱板１５および鉄心伝熱板１６を、第２連結板１８１を介して第２放熱部１８２に接続することで、変圧器１の組み立てが容易になる。

【0038】

ただし、変圧器１においては、第１連結板１７１および第２連結板１８１は省略されてもよい。第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６を第１放熱部１７２に直接接続可能な場合は、第１伝熱板１４および鉄心伝熱板１６を第１放熱部１７２に直接接続したほうが、熱伝導性が高くなる。また、第２伝熱板１５および鉄心伝熱板１６の端面を第２伝熱板１５および鉄心伝熱板１６を第２放熱部１８２に直接接続可能な場合は、第２伝熱板１５および鉄心伝熱板１６を第２放熱部１８２に直接接続したほうが、熱伝導性が高くなる。

【0039】

第１冷却機構１７および第２冷却機構１８は、鉄心１３に対して互いに逆側に位置してよい。これにより、第１冷却機構１７および第２冷却機構１８のそれぞれからの放熱量を均一化し、効率よく放熱できる。ただし、第１冷却機構１７および第２冷却機構１８の位置関係は、必ずしもこれに限られない。

【0040】

〔効果〕
図６は、図４に示した断面での、１次巻線１１と２次巻線１２との間隙に生じる漏れ磁束１３０を表す断面図である。視認性を考慮し、図６においては、図４に現れていた構成要素の一部を省略している。

【0041】

上述したとおり、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５は、１次巻線１１と２次巻線１２とに挟まれた領域には位置しない。具体的には、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５は、図６の紙面に垂直な方向における、紙面よりも手前側および奥側にそれぞれ位置する。このため、１次巻線１１と２次巻線１２とに挟まれた領域に第１伝熱板１４および第２伝熱板１５が位置する場合と比較して、１次巻線１１と２次巻線１２との間隙に生じる漏れ磁束１３０が、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５に鎖交しにくくなる。したがって、漏れ磁束１３０が第１伝熱板１４および第２伝熱板１５に鎖交することに起因する渦電流損が低減される。

【0042】

また、上述したとおり、変圧器１においては、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５は、１次巻線１１および２次巻線１２の一方から他方へ向かう方向に平行であるように配されていてよい。この場合、漏れ磁束１３０が、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５に、より鎖交しにくくなる。

【0043】

また、上述したとおり、変圧器１においては、鉄心伝熱板１６が、１次巻線１１および２次巻線１２の一方から他方へ向かう方向に平行であるように配されていてよい。この場合、漏れ磁束１３０が、第１伝熱板１４および第２伝熱板１５に加えて、鉄心伝熱板１６にも鎖交しにくくなる。

【0044】

また、１次巻線１１と２次巻線１２とを同心状に巻いた場合、外側に位置する巻線の長さは、内側に位置する巻線の大きさによって限定される。すなわち、外側に位置する巻線の線路長を、内側に位置する巻線の線路長よりも長くする必要がある。しかし、線路長を長くすることで、線路における抵抗損が大きくなる。

【0045】

変圧器１においては、１次巻線１１と、２次巻線１２と、が互いに異なる位置に配される。これにより、１次巻線１１および２次巻線１２の長さは、相互の巻線の大きさによって限定されない。したがって、巻線の線路長を短くし、線路長に起因する抵抗損を低減できる。
〔まとめ〕

【0046】

本開示は、以下のようにも表現される。

【0047】

本開示の態様１に係る巻線機器は、１次巻線と、２次巻線と、前記１次巻線および前記２次巻線が巻回された環状の鉄心と、前記１次巻線に接続された第１伝熱板と、前記２次巻線に接続された第２伝熱板と、を備え、前記１次巻線および前記２次巻線は、前記鉄心の、互いに異なる位置に巻回され、前記第１伝熱板および前記第２伝熱板は、前記１次巻線と前記２次巻線とに挟まれた領域には位置しない。

【0048】

本開示の態様２に係る巻線機器は、態様１において、前記第１伝熱板に接続された第１冷却機構と、前記第２伝熱板に接続された第２冷却機構と、をさらに備え、前記第１冷却機構および前記第２冷却機構は、前記鉄心に対して互いに逆側に位置する。

【0049】

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、前記第１伝熱板および前記第２伝熱板は、前記１次巻線および前記２次巻線の一方から他方へ向かう方向に平行であるように配されている。

【0050】

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、前記第１伝熱板は、前記１次巻線の内側に接するように配され、前記第２伝熱板は、前記２次巻線の内側に接するように配されている。

【0051】

本開示の態様５に係る巻線機器は、態様１から４のいずれかにおいて、前記鉄心に接続された鉄心伝熱板をさらに備え、前記鉄心伝熱板は、前記１次巻線および前記２次巻線の一方から他方へ向かう方向に平行であるように配されている。

【0052】

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】

【0053】

１ 変圧器
１１ １次巻線
１２ ２次巻線
１３ 鉄心
１４ 第１伝熱板
１５ 第２伝熱板
１６ 鉄心伝熱板
１７ 第１冷却機構
１８ 第２冷却機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】