JP2923053B2

JP2923053B2 - 車両搭載用変圧器

Info

Publication number: JP2923053B2
Application number: JP4508703A
Authority: JP
Inventors: 克己児仁井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 1999-07-26
Anticipated expiration: 2014-07-26

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は車両搭載用変圧器に関し、特にパルス幅変
調制御変換装置等の電力変換装置により力行及び回生制
御を行う車両運転電気システムに使用される車両搭載用
変圧器に関するものである。

従来の技術第９図は、特開平1-133311号公報及び特開平2-184007
号公報に記載されている従来の外鉄形の車両搭載用変圧
器４の例を示す概略構成図である。車両搭載用変圧器４
は、外鉄形の鉄心５と、鉄心５に巻かれた入力側巻線６
と、鉄心５及び入力側巻線６に対して磁気誘導関係に配
置された複数の出力側巻線７とを備えている。車両搭載
用変圧器４は更に、入力側巻線６及び出力側巻線７間に
設けられ、鉄心５により囲まれる空間内で空隙を介して
配置された複数の磁性体要素13及びこれら磁性体要素13
を互いにかつ鉄心５及び巻線６および７に対して絶縁支
持する絶縁体14を有する磁性体組立体17を備えている。
磁性体要素13は絶縁体14により間に空隙を形成して絶縁
支持されているので、全体として空隙付磁性体を構成し
ている。

第10図は、第９図の車両搭載用変圧器４を使用した車
両運転電気システムを一部ブロック図で示す回路図であ
る。第10図に於いて、電力はトロリー線１からパンタグ
ラフ２により得られ遮断器３を介して車両搭載用変圧器
４の鉄心５に巻かれた入力側巻線６に供給される。車両
搭載用変圧器４の４つの出力側巻線７は、磁性体13と関
連しており、またそれぞれ直接パルス幅変調（PWM）コ
ンバータ９の入力に接続されている。PWMコンバータ９
の出力はコンデンサ10を介してVVVFインバータ11の入力
に接続されている。VVVFインバータ11の出力は電気車の
車輪を駆動する三相誘導電動機12に接続されている。

車両搭載用変圧器４の負荷運転時に発生する漏れ磁束
は、空隙付磁性体である磁性体組立体17が設けられてい
るので増加し、その結果、漏れインピーダンスが増加す
る。

発明が解決しようとする課題このような構成の従来の車両搭載用変圧器は、軽量か
つコンパクトな構成でありながら必要なリアクティブ電
圧を得ることができる点で優れたものである。しかしな
がら、車両搭載用変圧器として用いる場合には、負荷制
御などの関係から出力側巻線７の分割されているそれぞ
れの巻線が、互いに磁気的に疎結合であることが要求さ
れるにも拘わらず、従来この出力側巻線間の疎結合の要
求を満足させる巻線配置の実現が困難であった。

即ち、車両運転電気システムに用いられるPWMコンバ
ータ制御の電力変換方式では、一般に多相PWMコンバー
タ制御、即ち変圧器の出力巻線にそれぞれ異なる位相で
制御されるコンバータユニットが接続される回路方式が
採用される。例えば、４相PWMコンバータ制御方式で
は、変圧器の出力巻線は４つに分割され、それぞれにコ
ンバータユニットが接続され、それぞれ異なる位相でGT
Oサイリスタのゲート制御がなされる。

この場合、出力巻線相互の磁気的結合が強いと、或る
コンバータユニットの運転により他のコンバータユニッ
トが磁気的干渉を受けてコンバータ入力電流の波形が乱
れ、高調波電流成分の増大による架線側へのノイズ流出
の増大や、電流リップルのピークの増大により、GTO素
子の電流遮断能力を超過し、GTO素子を破損させる等の
不都合を招くことになる。

このような理由から、PWMコンバータ制御に用いられ
る変圧器の出力巻線間の磁気的結合が疎であること、即
ち、変圧器には或る出力巻線の負荷状態により他の出力
巻線が磁気的干渉を受けないような疎結合特性が要求さ
れる。

従って、この発明の目的は、出力側巻線間相互の磁気
的疎結合特性が安定して得られる車両搭載用変圧器を得
ることである。

課題を解決するための手段上述の課題に鑑み、この発明による車両搭載用変圧器
は、外鉄形の鉄心と、鉄心に巻かれた入力側巻線と、鉄
心に巻かれて入力側巻線に対して磁気誘導関係に配置さ
れた複数の出力側巻線と、更に出力側巻線のうちの隣合
う出力側巻線間に設けられ、鉄心により囲まれる空間内
に配置された空隙無し磁性体を有する疎結合磁性体組立
体を備えている。

所望により、入力側巻線及び出力側巻線間に設けられ
た空隙付のリアクトル磁性体組立体をも備えることがで
きる。

この発明によれば、出力側巻線間に挿入された空隙無
し磁性体により、必要な出力側巻線間相互の安定した疎
結合特性が得られる。

図面の簡単な説明本発明は以下の添付図面に沿った本発明の実施例の説
明からより明確に理解されるであろう。

第１図は本発明の一実施例の車両搭載用変圧器を示す
概略側面断面図、第２図は第１図１の線II-IIに沿った車両搭載用変圧
器の正面断面図、第３図は第１図の車両搭載用変圧器のリアクトル磁性
体組立体を示す斜視図、第４図は第１図の線III-IIIに沿った車両搭載用変圧
器の正面断面図、第５図は第１図の車両搭載用変圧器の疎結合磁性体組
立体を示す斜視図、第６図は第１図乃至第５図に示す車両搭載用変圧器を
用いた車両運転電気システムの概略図、第７図は本発明の車両搭載用変圧器の位相関係を示す
ベクトル図、第８図は本発明の別の実施例の車両搭載用変圧器を示
す概略側面断面図、第９図は従来の車両搭載用変圧器を示す概略側面断面
図、第10図は第９図に示す従来の車両用変圧器を用いた車
両運転電気システムの概略図である。

実施例第１図は、本発明の外鉄形の車両搭載用変圧器の一実
施例を示す概略構成図である。第１図に於いて、本発明
の車両搭載用変圧器4Aの鉄心５及び巻線６及び７の全体
の構成は第９図に示す従来の車両搭載用変圧器４と同様
である。即ち、鉄心５は、幅2Wの主鉄心5aと、この種鉄
心5aの両側に平行に配置された幅Ｗの鉄心脚5bと、これ
ら主鉄心5aおよび鉄心脚5bを結合する幅Ｗの継鉄5cとを
備えている。主鉄心5aには、鉄心５により囲まれた空間
5bの内部で入力側巻線6a及び6bが巻かれ、これら入力側
巻線6a及び6bは巻線の軸方向に離間して配置されて並列
接続されている。主鉄心5aにはまた、鉄心５により囲ま
れた空間5bの内部で４つの出力側巻線7a乃至7dも巻かれ
ており、出力側巻線7a及び7bは入力側巻線6aの両側でこ
れを軸方向に挟むように配置され、出力側巻線7cおよび
7dは入力側巻線6bの両側でこれを軸方向に挟むように配
置されている。

車両用変圧器4Aは、入力側巻線6a及び6bと出力側巻線
7a乃至7dとの間の軸方向空間に設けられたリアクトル磁
性体組立体17を備えている。また、隣合う出力側巻線7b
と7cとの間の軸方向空間に設けられた疎結合磁性体組立
体18をも備えている。

リアクトル磁性体組立体17は、第２図および第３図に
その詳細が表されている如く、中央に鉄心５の主鉄心5a
を受け入れるための略々矩形の孔17aを有する略々矩形
の、適当な剛性を有する絶縁体14と、この絶縁体14内に
埋め込まれて鉄心５により囲まれた空間5d内で空隙付磁
性体13を構成するように、空隙13aを介して平行に配置
された複数の磁性体要素13bとを備えている。各磁性体
要素13bは細長い矩形磁性板を矩形板状コイルを積み重
ねる方向（第１図の矢印Ａ）と同じ方向に積み重ねた積
層体で、この積層体はコイル導体の延びる方向（第２図
の矢印Ｂ）に平行に配置されている。図示の実施例では
磁性体要素13bは主鉄心5aの各側に４本あり、空隙は３
つある。第３図に示す如く、絶縁体14は磁性体要素13b
を間に挟んでこれを絶縁ピン14aにより固定支持する２
枚の絶縁板14bおよび14cと、絶縁板14bおよび14cの間の
空間のうち磁性体要素13bによって占められていない両
端の空間を埋める絶縁物14dと、磁性体要素13b間に挿入
されて空隙13aを形成する絶縁物14eとを備え、全体とし
て空隙を介して配置された磁性体要素13bを互いにかつ
鉄心５並びに巻線６および７に対して絶縁支持してい
る。

疎結合磁性体組立体18は、第４図および第５図にその
詳細が示されている如く、中央に鉄心５の主鉄心5aを受
け入れるための略々矩形の孔18aを有する略々矩形の、
適当な剛性を有する絶縁体16と、この絶縁体16内に埋め
込まれて鉄心５により囲まれた空間5d内に配置された空
隙無し磁性体15とを備えている。空隙無し磁性体15はコ
イル導体の延長方向（矢印Ｂ）に直角な方向に配置さ
れ、互いに絶縁体16eによりコイル導体の延長方向に隔
てられた複数（図示の例の場合は４個）の磁性体要素15
bを備えている。各磁性体要素15bもリアクトル磁性体組
立体17の磁性体要素13bと同様に磁性体要素間がガラス
エポキシ等の絶縁物16eにより隔てられているが、これ
は磁性体15の面に垂直に侵入する漏れ磁束により磁性体
15内に発生する渦電流損失を最小限にするものであっ
て、隔てられている方向が異なり、磁気的には空隙無し
磁性体と考えられる。各磁性体要素15bは矩形磁性板を
矩形板状コイルを積み重ねる方向（矢印Ａ）と同じ方向
に積み重ねた積層体である。

第５図に示す如く、絶縁体16は、磁性体要素15bを間
に挟んでこれを絶縁ピン16aにより固定支持する２枚の
絶縁板16bおよび16cと、絶縁板16bおよび16cの間の空間
のうち磁性体要素15bによって占められていない両端の
空間を埋める絶縁物16dと、磁性体要素15b間に挿入され
た絶縁物16eとを備え、全体として磁性体15を鉄心５並
びに巻線６および７に対して絶縁支持している。絶縁ピ
ン16aは、磁性体要素15bと絶縁板16b、16cとに形成され
た穴に挿入されている。このように組み立てられた疎結
合磁性体組立体18はワニス含浸して一体化されている。

疎結合磁性体組立体18の絶縁体16の外形形状は、リア
クトル磁性体組立体17の絶縁体14と同様であって、疎結
合及びリアクトル磁性体組立体17及び18が巻線６および
７の間に積み重ねられてコイルグループを構成し、鉄心
５により支持されるようになっている。従って、コイル
グループ製作時にはコイルと同様に取り扱い積み重ねる
ことができ、主鉄心の組立工程およびコイルグループの
組立工程に於いては、従来使用して来たのと同様の変圧
器組立方法を使用して容易に組立をすることができる。

第１図に示す如く、このように構成されたリアクトル
磁性体組立体17は、出力側巻線7aと入力側巻線6aとの
間、入力側巻線6aと出力側巻線7bとの間、出力側巻線7c
と入力側巻線6bとの間及び入力側巻線6bと出力側巻線7d
との間にそれぞれ挟まれて支持されている。それぞれの
組立体17の磁性体要素13bは剛性の絶縁板14内に埋め込
まれて支持されているので、充電部分に対して絶縁され
ると同時に、鉄心５と巻線６及び７とにより鉄心５内の
所定の位置に機械的に支持されている。疎結合磁性体組
立体18は、出力側巻線7bと隣接の出力側巻線7cとの間に
挟まれて支持されている。疎結合磁性体組立体18の磁性
体15も剛性の絶縁体16により電気的に絶縁されると同時
に、鉄心５と巻線６及び７とにより鉄心５内の所定位置
に機械的に支持されている。

その他の構成については、第９図に示す従来の車両搭
載用変圧器の構成と同じで良い。

第６図は、第１図乃至第５図に示す本発明の車両搭載
用変圧器を使用した車両運転電気システムを一部ブロッ
ク図で示す回路図である。第４図に於いて、電力はトロ
リー線１からパンタグラフ２により得られ遮断器３を介
して車両搭載用変圧器4Aの鉄心５に巻かれた入力側巻線
６に供給される。車両搭載用変圧器4Aの４つの出力側巻
線7a乃至7dは、第１及び第２磁性体組立体17及び18と関
連しており、またそれぞれ直接パルス幅変調（PWM）コ
ンバータ９の入力に接続されている。PWMコンバータ９
の出力はコンデンサ10を介してVVVFインバータ11の入力
に接続されている。VVVFインバータ11の出力は電気車の
車輪を駆動する三相誘導電動機12に接続されている。

本発明の車両搭載用変圧器4Aを使用した第４図の車両
運転電気システムに於いては、トロリー線１からパンタ
グラフ２と遮断器３を介して受電された電圧が、車両搭
載用変圧器4Aの入力側巻線６に入力され、変圧されて車
両搭載用変圧器4Aの出力側巻線７に出力される。この出
力側巻線７の出力は交流リアクトル８を通してPWMコン
バータ９に供給され、ここで単相交流が直流に変換され
る。この直流にはコンデンサ10によって平滑化された後
にVVVFインバータ11に給電され、ここで直流が三相交流
に変換される。この三相交流は、三相誘導電動機12を駆
動してその車両の車輪（図示してない）を駆動するよう
になっている。

ここで、車両搭載用変圧器4Aの負荷運転時に発生する
漏れ磁束は、空隙付磁性体であるリアクトル磁性体組立
体17により増加させられ、その結果、漏れインピーダン
スが増加する。リアクトル磁性体組立体17の磁性体要素
13bおよび空隙13aの個数および寸法を適当に選定するこ
とにより、所要のリアクティブ電圧V_Iを得ることができ
るような漏れインピーダンスZ_TAが得られる。

従って、PWMコンバータ９の入力側端子電圧（コンバ
ータ電圧と呼ぶ）V_Cと同一変圧比に換算した車両搭載用
変圧器4Aの入力電圧Ｖとの位相関係は、第５図に示すベ
クトル図のようである。即ち、車両搭載用変圧器4Aの漏
れインピーダンスZ_TA及びPWMコンバータ９の入力電流Ｉ
との積（Z_TA・Ｉ）で力率＝１の力行時に生じるリアク
ティブ電圧V_I及びコンバータ電圧V_Cのベクトル合成和が
車両搭載用変圧器4Aの入力電圧Ｖとなるのである。

また、出力側巻線7bおよび7c間に配置された空隙無し
鉄心である疎結合磁性体組立体18により、これら出力側
巻線7b及び7cが磁気的に遮蔽されてパルス幅変調制御に
適した疎結合が実現できる。

第８図は６つの出力側巻線37a乃至37fを備え、疎結合
磁性体組立体18が２個設けられた本発明の更に別の実施
例の車両搭載用変圧器4Cを示す。このように、第１図乃
至第５図に示す実施例では出力側巻線が４つに分割され
ているが、本発明は出力側巻線が４つ以上に分割されて
いる場合にも同様に適用できて、同様の優れた効果を奏
する。

発明の効果以上説明した通り、この発明によれば、隣合う出力側
巻線間に挿入されて絶縁体により支持された磁性体を有
する疎結合磁性体組立体を備えることにより、パルス幅
変調コンバータ制御に必要な出力側巻線間の磁気的疎結
合特性が電気的機械的に安定して得られる。

また、入力側巻線及び出力側巻線間に設けられて鉄心
により囲まれる空間内で空隙を介して配置された複数の
磁性体要素を有するリアクトル磁性体組立体をも備える
ことにより、パルス幅変調コンバータ制御に必要なリア
クティブ電圧を同時に得ることができる。

疎結合磁性体組立体およびリアクティブ磁性体組立体
はいずれも、鉄心を受け入れるための略々矩形の中心孔
を有して磁性体を埋め込んで絶縁支持する板状の絶縁体
により支持されている。従ってこれら磁性体組立体は従
来の組立作業に於けると同様にコイルと共に積み重ねら
れてコイルグループを構成することができ、変圧器組立
作業も設備を変更する必要なく従来と同様に行うことが
できる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外鉄形鉄心と、上記鉄心に巻かれた入力側
巻線と、上記鉄心及び上記入力側巻線に対して磁気誘導
関係に配置された複数の出力側巻線とを備えた車両搭載
用変圧器に於いて、上記出力側巻線のうちの隣合う出力
側巻線間に設けられて上記鉄心により囲まれる空間内に
配置された空隙無し磁性体を有し、上記隣合う出力側巻
線間を磁気的に疎結合する疎結合磁性体組立体を備えた
ことを特徴とする車両搭載用変圧器。
【請求項２】上記疎結合磁性体組立体が、上記空隙無し
磁性体を上記鉄心及び上記巻線に対して絶縁支持する絶
縁体を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の車両搭載用変圧器。
【請求項３】上記疎結合磁性体組立体の上記絶縁体が、
鉄心を受け入れるための略々矩形の中心孔を有する略々
矩形の板状体であって、上記空隙無し磁性体が、上記絶
縁体内に埋め込まれてコイル導体の延長方向に直角な方
向に配置され、互いに絶縁体によりコイル導体の延長方
向に隔てられた複数の磁性体要素を備えてなる特許請求
の範囲第２項記載の車両搭載用変圧器。
【請求項４】各上記磁性体要素は、矩形磁性板を矩形板
状コイルを積み重ねる方向と同じ方向に積み重ねて形成
した積層体である特許請求の範囲第１項記載の車両搭載
用変圧器。
【請求項５】上記絶縁体は、磁性体要素を間に挟んでこ
れを絶縁ピンにより固定支持する２枚の絶縁板と、絶縁
板間の空間のうち磁性体要素によって占められていない
両端の空間を埋める絶縁物と、磁性体要素間に挿入され
た絶縁物とを備え、全体として磁性体を鉄心並びに巻線
に対して絶縁支持してなる特許請求の範囲第２項記載の
車両搭載用変圧器。
【請求項６】上記入力側巻線及び上記出力側巻線間に設
けられて、上記鉄心により囲まれる空間内で空隙を介し
て配置された複数の磁性体要素からなる磁性体を有する
リアクトル磁性体組立体を備えた特許請求の範囲第１項
記載の車両搭載用変圧器。
【請求項７】上記リアクトル磁性体組立体が、上記磁性
体を上記鉄心及び上記巻線に対して絶縁支持する絶縁体
を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の
車両搭載用変圧器。
【請求項８】上記リアクトル磁性体組立体の上記絶縁体
が、鉄心を受け入れるための略々矩形の中心孔を有する
略々矩形の板状体であって、上記磁性体要素が、上記絶
縁体内に埋め込まれてコイル導体の延長方向に平行な方
向に配置され、互いに絶縁体によりコイル導体の延長方
向に直角な方向に隔てられてなる特許請求の範囲第７項
記載の車両搭載用変圧器。
【請求項９】上記磁性体要素が、矩形磁性板を矩形板状
コイルの積み重ね方向と同方向に積み重ねて形成した積
層体である特許請求の範囲第７項記載の車両搭載用変圧
器。
【請求項１０】上記絶縁体は、上記磁性体要素を間に挟
んで保持する絶縁板と、上記磁性体要素および上記絶縁
板を互いに固定する絶縁ピンと、上記絶縁板間の空間の
うち上記磁性体要素によって占められていない空間を埋
める絶縁物と、上記磁性体要素間に挿入された絶縁物と
を備え、全体として上記磁性体を鉄心および巻線に対し
て絶縁支持してなる特許請求の範囲第７項記載の車両搭
載用変圧器。
【請求項１１】上記疎結合磁性体組立体の外形形状は、
上記リアクトル磁性体組立体の外形形状と略々同じであ
って、上記疎結合磁性体組立体及び上記リアクトル磁性
体組立体が巻線の間に積み重ねられて鉄心に支持される
べきコイルグループを構成してなる特許請求の範囲第６
項記載の車両搭載用変圧器。
【請求項１２】外鉄形鉄心に巻かれるべき入力側巻線
と、上記入力側巻線に対して磁気誘導関係に積み重ねて
配置された複数の出力側巻線と、上記出力側巻線のうち
の隣合う出力側巻線間に設けられた空隙無し磁性体要素
および上記空隙無し磁性体を絶縁支持する絶縁体を有
し、上記隣合う出力側巻線間を磁気的に疎結合する疎結
合磁性体組立体と、上記入力側巻線及び上記出力側巻線
間に設けられた複数の磁性体要素および上記磁性体要素
を互いにかつ上記巻線に対して絶縁支持する絶縁体を有
するリアクトル磁性体組立体とを備えたコイルグルー
プ。