(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】
(24)【登録日】2022-11-14
(45)【発行日】2022-11-22
(54)【発明の名称】変圧器
(51)【国際特許分類】
H01F 27/36 20060101AFI20221115BHJP
H01F 27/02 20060101ALI20221115BHJP
H01F 30/10 20060101ALI20221115BHJP
【FI】
H01F27/36 151
H01F27/02 Z
H01F30/10 G
(21)【出願番号】P 2018167582
(22)【出願日】2018-09-07
【審査請求日】2021-08-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100132067
【氏名又は名称】岡田 喜雅
(74)【代理人】
【識別番号】100120444
【氏名又は名称】北川 雅章
(72)【発明者】
【氏名】富岡 章
【審査官】秋山 直人
(56)【参考文献】
【文献】特開平10-116741(JP,A)
【文献】特開平09-115747(JP,A)
【文献】特開2016-063100(JP,A)
【文献】実開昭58-148920(JP,U)
【文献】実開昭59-098628(JP,U)
【文献】特開2003-163121(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01F 27/36
H01F 27/02
H01F 30/10
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉄心と、前記鉄心の周りに巻回された巻線と、前記鉄心及び前記巻線を収容するタンクと、前記タンクの内面に沿って設けられて該タンク側に向かう磁束を遮蔽するシールドとを備えた変圧器であって、
前記シールドは、
高抵抗珪素鋼板及び低抵抗珪素鋼板を含んで相対的に固有抵抗が異なる複数の珪素鋼板を積層して構成され
、
前記高抵抗珪素鋼板は前記低抵抗珪素鋼板よりも前記巻線に近い位置に配置され、
前記低抵抗珪素鋼板は、前記高抵抗珪素鋼板と比べて磁束が流れる方向の長さが短く形成されていることを特徴とする変圧器。
【請求項2】
前記高抵抗珪素鋼板及び前記低抵抗珪素鋼板は、それぞれ前記タンクより固有抵抗が高いことを特徴とする請求項
1に記載の変圧器。
【請求項3】
前記高抵抗珪素鋼板は、前記低抵抗珪素鋼板と比べて積層方向の厚みが小さく形成されていることを特徴とする請求項1
または請求項2に記載の変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、変圧器に関し、特に、巻線から発生する漏れ磁束がタンク等に入射することをシールドで遮蔽することができる変圧器に関する。
【背景技術】
【0002】
変圧器は、電磁誘導を利用して交流電力の電圧を変換する機器であり、磁気回路を構成する鉄心と、電気回路を構成する巻線とがタンク内に収容されて構成される。変圧器の運転時には、巻線からタンク内部に漏れ磁束が発生する。この漏れ磁束が鎖交するタンク壁では渦電流が生じ、タンク壁での局部過熱等の渦電流損失が発生する。このようなタンク壁での渦電流損失の発生を回避あるいは抑制すべく、特許文献1に開示されるように、タンク壁の内面と巻線との間に珪素鋼板を所定の厚みに積層した磁気シールドを設け、磁気シールドに漏れ磁束を誘導している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1にあっては、磁気シールドによってタンク壁に入射する漏れ磁束の量を抑制しているが、磁気シールドにおいても漏れ磁束が入射して渦電流損失が発生している。特に、大容量変圧器や高インピーダンス変圧器などでは漏れ磁束が大きく、また、巻線とタンク壁との距離を小さくする場合には磁気シールドに印加される漏れ磁束が大きくなるので、磁気シールドで大きな渦電流が発生して損失が大きくなる。ここで、本発明者は、磁気シールド全体の固有抵抗を高くすることで、渦電流を小さくして渦電流損失を抑制することを検討したが、この場合、材料費が増大して製造コストが上昇する、という問題がある。そこで、本発明者は、製造コストの上昇を抑えることができ、且つ、シールドでの漏れ磁束による渦電流損失を低減できる構成を発明した。
【0005】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、製造コストを抑制しつつ、シールドにおける損失を低減することができる変圧器を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明における一態様の変圧器は、鉄心と、前記鉄心の周りに巻回された巻線と、前記鉄心及び前記巻線を収容するタンクと、前記タンクの内面に沿って設けられて該タンク側に向かう磁束を遮蔽するシールドとを備えた変圧器であって、前記シールドは、高抵抗珪素鋼板及び低抵抗珪素鋼板を含んで相対的に固有抵抗が異なる複数の珪素鋼板を積層して構成され、前記高抵抗珪素鋼板は前記低抵抗珪素鋼板よりも前記巻線に近い位置に配置され、前記低抵抗珪素鋼板は、前記高抵抗珪素鋼板と比べて磁束が流れる方向の長さが短く形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、高抵抗珪素鋼板及び低抵抗珪素鋼板の2種類の珪素鋼板を積層してシールドを形成したので、シールド全体としての固有抵抗を小さくすることができる。これにより、漏れ磁束が印加されることでシールドに渦電流が発生しても、その電流値を小さくすることができシールドでの損失を低減することができる。しかも、シールドに2種類の珪素鋼板を用いることで、高価に流通される高抵抗珪素鋼板の使用量を抑制でき、材料コストの上昇を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】本実施の形態に係る変圧器の概略構成を示す縦断面図である。
【
図2】本実施の形態のシールドを模式的に示す斜視図である。
【
図3】実施例及び比較例の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の一実施の形態に係る変圧器について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、本発明を油入変圧器に適用する場合について説明する。しかしながら、本発明の適用対象は、油入変圧器に限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、ガス絶縁変圧器に適用することもできる。
【0010】
図1は、本実施の形態に係る変圧器の概略構成を示す縦断面図である。
図1及び
図2に示すように、変圧器1は、磁気回路を構成する鉄心10と、電気回路を構成する巻線20と、これら鉄心10及び巻線20を収容するタンク30とを含んで構成されている。
【0011】
鉄心10は、電磁鋼板を積層及び接合した構成を例示でき、複数本の脚部11(
図1でが1本のみ図示)と、脚部11の上下位置に接合される上ヨーク部12及び下ヨーク部13とを備えている。
【0012】
脚部11の周りに巻線20がそれぞれ巻回されて配置されている。巻線20は、外側巻線21及び内側巻線22が同心に配置されている。外側巻線21及び内側巻線22は、銅やアルミニウム等の導体を絶縁物で被覆してから、コイル状に複数ループ巻回されて形成される。ここで、巻線20の軸方向とは、円筒状となる巻線20の中心軸位置が延在する方向であり、
図1における上下方向となる。
【0013】
タンク30は、鉄心10及び巻線20の上下に位置する頂壁31及び底壁32と、頂壁31及び底壁32の外周間で上下方向に延出する複数の側壁33と、を備えた鉄等の金属製の箱状に形成されている。本実施の形態の変圧器1は、タンク30内に不図示の絶縁油が満たされる油入変圧器であり、鉄心10及び巻線20がタンク30内にて絶縁油に含浸した状態となっている。
【0014】
変圧器1にあっては、運転時に巻線20から漏れ磁束が発生し、かかる漏れ磁束がタンク30に向かって入射する方向に流れるが、漏れ磁束の入射によってタンク30に発生する渦電流損失を回避或いは抑制する必要がある。そこで、変圧器1においては、タンク30の側壁33と巻線20と間にシールド40を備えた構成としている。シールド40は、側壁33の内面に沿って配置されている。シールド40においても、タンク30内にて絶縁油に含浸した状態となっている。
【0015】
変圧器において、シールド40は、巻線20から発生した漏れ磁束をシールド40自体に誘導してタンク30側に向かう漏れ磁束を遮蔽するものである。従って、シールド40においても漏れ磁束が印加され、かかる漏れ磁束によってシールド40に発生する渦電流損失を回避或いは抑制する要請がある。そこで、本実施の形態では、シールド40が
図2に示すような構成を採用している。以下において、シールド40の構成について説明する。
【0016】
図2は、本実施の形態のシールドを模式的に示す斜視図である。
図2に示すように、シールド40は、相対的に固有抵抗が異なる高抵抗珪素鋼板41及び低抵抗珪素鋼板42を積層して構成される。言い換えると、高抵抗珪素鋼板41は、低抵抗珪素鋼板42より高い固有抵抗となるように構成され、それらが積層されることでシールド40が形成されている。なお、高抵抗珪素鋼板41及び低抵抗珪素鋼板42は、それぞれタンク30を形成する金属よりも高い固有抵抗を有している。
【0017】
高抵抗珪素鋼板41及び低抵抗珪素鋼板42は、それぞれ複数枚積層されてシールド40を形成する。高抵抗珪素鋼板41及び低抵抗珪素鋼板42は、無方向性珪素鋼板とされ、透磁率が数千~数万の範囲のものが用いられる。
【0018】
シールド40においては、高抵抗珪素鋼板41が低抵抗珪素鋼板42より巻線20側に配置され、低抵抗珪素鋼板42がタンク30側に配置されている。高抵抗珪素鋼板41は、低抵抗珪素鋼板42と比べて積層方向の厚みが小さく形成されており、好ましくは、シールド40全体の半分以下、より好ましくは1/4の以下の厚みに設定される。
【0019】
高抵抗珪素鋼板41及び低抵抗珪素鋼板42の面内には、貫通穴43が形成され、該貫通穴43に各珪素鋼板41、42と電気的に短絡しないようにボルト等の締結具(不図示)を挿入して各珪素鋼板41、42が一体化される。それぞれの高抵抗珪素鋼板41及び低抵抗珪素鋼板42の積層間に、樹脂(不図示)を挟むと機械強度がより向上することとなり、また、樹脂に加えて板状部材を挟んでもよい。
【0020】
シールド40においては、巻線20の軸方向が上下方向となるので、巻線20から発生する漏れ磁束が上端側から入射されて下端に向かって通過した後、該下端から巻線20の下端に入射するようになる。従って、各珪素鋼板41、42において漏れ磁束が流れる方向は上下方向となり、該方向にて各珪素鋼板41、42は同じ長さに形成されている。なお、巻線20からの漏れ磁束は、シールド40の上端からだけでなく上端より下方領域でも入射するようになり、シールド40での漏れ磁束の積算量は、上下方向中間部で最大となり、中間部から上下両端に向かって次第に小さくなる。かかる積算量の変化に応じ、使用材料の削減を図るべく、低抵抗珪素鋼板42が高抵抗珪素鋼板41と比べて上下方向の長さが短く形成されるようにしてもよい。
【0021】
ここで、上記シールド40についての効果を確認するため、条件が異なる実施例及び比較例にてシミュレーションを行った。実施例の変圧器では、シールド40にて、高抵抗珪素鋼板41として固有抵抗0.59μΩmの無方向性珪素鋼板(例えば、JIS規格 C2552 種類記号 50A230)を用いた。また、低抵抗珪素鋼板42として固有抵抗0.24μΩmの無方向性珪素鋼板(例えば、JIS規格 C2552 種類記号 50A800)を用いた。シールド40の積層方向の厚さ全体を100%としたときに、高抵抗珪素鋼板41の厚さを約16%、低抵抗珪素鋼板42の厚さを約84%とした。
【0022】
一方、比較例の変圧器では、実施例に対し、シールド40に高抵抗珪素鋼板41を形成しない、つまり、シールド全てで低抵抗珪素鋼板42と同じ固有抵抗0.24μΩmの無方向性珪素鋼板を用いて形成した。シールド以外は、実施例と比較例とで同一構成とした。実施例及び比較例の変圧器について、同一環境下にて、同一条件にて運転し、タンク及びシールドでの漏れ磁束によって発生した損失を測定するシミュレーションを行った。その結果を
図3のグラフに示す。なお、
図3の測定結果は、比較例の変圧器全体での測定結果を「100%」とし、実施例の測定結果を比較例との比率で示す。
図3のグラフ中、網点で表した部分がタンクでの損失であり、斜線で表した部分がシールドでの損失である。
【0023】
実施例と比較例との対比において、変圧器全体の損失は、比較例に対して実施例が約75%となり、高抵抗珪素鋼板41を設けることでシールド40での渦電流及び渦電流損失が抑制されていることが理解できる。これは、固有抵抗を大きくすることで渦電流を小さくでき、シールド40での損失が抵抗と電流の2乗との積になることから、電流の減少によって損失の効果的な抑制を実現できたものである。なお、実施例と比較例とでタンクでの損失は概略同一となり、実施例のように高抵抗珪素鋼板41を設けてもタンクに対する漏れ磁束の遮蔽性能が維持されることも理解できる。
【0024】
このようにシールド40を高抵抗珪素鋼板41及び低抵抗珪素鋼板42によって形成することで、シールド40での渦電流損失を低減することができる。また、低抵抗珪素鋼板42に比べて高価となる高抵抗珪素鋼板41を使用するものの、その使用量を少なくして材料費削減を図り、製造コストを安価にすることができる。すなわち、本実施の形態では、シールド40での損失の抑制と製造コストの削減とを同時に達成することができる。
【0025】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、向きなどについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【0026】
上記実施の形態では、本発明を変圧器に適用した構成について説明したが、上述した作用効果が得られるのであれば、他の電力用静止器や電力変換装置に適用することも可能である。
【0027】
また、上記実施の形態にて図示した内容は、説明用に模式的に表したものであり、上述した作用効果を発揮できれば、鉄心10や巻線20、タンク30の形状等について変更してもよい。
【0028】
また、上記実施の形態では、シールド40として、相対的に固有抵抗が異なる珪素鋼板として高抵抗珪素鋼板41及び低抵抗珪素鋼板42の2種を積層したが、固有抵抗が異なる3種以上の珪素鋼板を積層してもよい。この場合、巻線20に近い位置ほど、固有抵抗を高くしたり、漏れ磁束が流れる方向の長さを長くしたり、積層方向の厚みを小さくしたりしてもよい。
【0029】
また、シールド40の厚さ方向の向きは、低抵抗珪素鋼板42を巻線20側、高抵抗珪素鋼板41をタンク30側に変更してもよい。
【符号の説明】
【0030】
1 変圧器
10 鉄心
20 巻線
30 タンク
40 シールド
41 高抵抗珪素鋼板
42 低抵抗珪素鋼板