JP2939361B2 - 変圧器用ギャップ付鉄心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は変圧器用ギャップ付鉄
心、特に半導体電力変換装置に使用される変換器用変圧
器のギャップ付鉄心に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気浮上式鉄道用の電源などには、電力
会社の電力系統から商用周波数の三相交流を受電し、一
旦、コンバータにより直流に変換し、平滑コンデンサを
充電し、その平滑コンデンサを直流電源としたインバー
タにより任意の可変電圧・可変周波数の電力を得る変換
装置が用いられる。

【０００３】図５は、従来のインバータを用いた変換装
置の一相分を示した回路図であり、出力変圧器と呼ばれ
る変換器用変圧器１の直流側巻線２にＧＴＯ（ゲートタ
ーンオフサイリスタ）とダイオードからなる複数台の変
換器３を介して、直流電圧Ｅ_DCを有する平滑コンデンサ
４に接続されている。交流側巻線５は複数台を直列に接
続し負荷６に接続されている。

【０００４】この方式は直列多重電圧形のインバータで
構成されており、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式と呼ば
れ、変換器３をＰＷＭ制御することにより、負荷６に加
わる電圧・周波数を任意に可変できる装置であり、その
動作の速応性、電源側の力率および高調波に関して良好
な特性が得られる。この装置は負荷６であるリニアモー
タからエネルギーを電源側へ回生させる作用も有してい
る。

【０００５】図５の回路図に示すように、変換器用変圧
器１はＴ１〜ＴＮまでのＮ台のユニット変圧器７から構
成されているが、それは一つの変換器３の容量には限度
があること、および各ユニット変圧器７毎にパルス幅や
位相を調整し、任意の合成電圧を得るためユニット変圧
器７を多数個直列に接続している。

【０００６】ところで、従来のユニット変圧器７は図６
に示すように、単相二脚鉄心の２つの主脚８に夫々直流
側巻線２と交流側巻線５を同軸状に巻装し、両主脚の各
巻線は各々並列接続されている。また、直流側・交流側
両巻線の間には接地シールド９を取付けるが、その役目
は両巻線の混触防止と交流側巻線５から直流側巻線２へ
の移行電圧を低減し、過電圧に弱い変換器３を保護する
ためである。

【０００７】通常の変圧器用鉄心では、できるだけ抜板
接合部のギャップを小さくし、磁気抵抗を小さくして励
磁電流などを小さくするが、このユニット変圧器用の鉄
心は、逆に磁気抵抗をある程度大きくして励磁電流を定
格電流の２〜５％程度にする必要がある。そのため、図
６のユニット変圧器の正面図に示すように、主脚８と上
部ヨーク１０、下部ヨーク１１の４ヶ箇所の接合部に磁
気的絶縁物を取付けたギャップ１２を形成している。

【０００８】このギャップ１２を設け磁気抵抗を大きく
する理由には次の２つがある。変換器３はＰＷＭ制御さ
れるので、僅かなオンタイミングのずれや制御上のず
れ、および変圧器を含む回路のインピーダンス特性の差
などにより直流成分の電流が発生する。この直流電流が
巻線に流れると鉄心には直流偏磁が発生して、鉄心は飽
和し、励磁電流が増大し、電力変換装置としての特性を
悪化すると共に変圧器は損失が増加し、振動・騒音も大
きくなる。しかしながら、この直流偏磁現象を完全に防
止することは困難であるので、定格電流の１％程度まで
の直流電流が流れても、前述のギャップ１２を設けるこ
とにより、鉄心の磁気抵抗を大きくし、直流偏磁量をよ
り小さく抑え、鉄心飽和にならないようにしているのが
第１の理由である。第２の理由はギャップ１２を形成す
ることによりユニット変圧器７間の励磁インピーダンス
のバラツキを数％以内にできることである。すなわち、
鉄心の抜板材質差による磁気特性のバラツキや接合部の
不揃などに起因する励磁インピーダンスのバラツキを、
このギャップ１２を正確に、各ユニット変圧器が同一に
なるように製造することにより改善できるからである。
なお、励磁インピーダンスのバラツキを小さくする理由
は、交流側巻線５から直流側巻線２へ電力を回生する場
合に、直列接続されるＮ台の交流側巻線５に発生する電
圧を各ユニット変圧器間で、ほぼ同一とし電力変換装置
としての動作を良好に維持するためである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力変換装置で
は必要とするユニット変圧器７の容量が小さく、直列に
接続する台数Ｎも少なかったので、その巻線群を２脚に
巻装し、巻線群数を２倍とする方法でも製造上および使
用上で問題はなかった。しかし、電力変換装置が大容量
となり、ユニット変圧器７の容量も大きく、直列にする
台数Ｎも多くなり、全体として大規模な機器となれば、
その鉄心も大きくかつ重くなり、ギャップ長の調整など
その工作も困難となってきた。

【００１０】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的は巻線群数を２倍にする必要がな
く、励磁インピーダンスを仕様値に合せるためのギャッ
プ長の調整が容易にでき、より安価な変換器用変圧器を
可能とした変圧器用ギャップ付鉄心を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、変圧器巻線を巻装した主脚と、前記主脚
の両脇に配置された側脚と、前記主脚と前記側脚を接合
する上部ヨークおよび下部ヨークを有し、前記上部ヨー
クの前記主脚と前記側脚の間に設けられ前記上部ヨーク
の中央部分を前記主脚の軸線と平行の方向に相対的に移
動可能とするラップ接合の継ぎ目と、前記主脚の上部と
前記上部ヨークの中央部分との間に設けられた磁気的絶
縁物のギャップとを備えたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の鉄心は上記の如く構成されているの
で、巻線群を１群だけにでき、主脚部に磁気的絶縁物の
ギャップが形成してあるので、鉄心の磁気抵抗を大き
く、励磁インピーダンスをより小さくでき、しかもギャ
ップの取付位置が巻線群より上部であるから、上部ヨー
クの取り外しだけで励磁インピーダンスを仕様値に合せ
るためのギャップ長の調整を容易に行なうことができ
る。また、上部ヨークにその中央部分を主脚の軸線と平
行の方向に相対的に移動することのできるラップ接合の
継ぎ目を設けたので、ギャップ長を調整するにあたって
鉄心に機械的歪みを与えることがなく、磁気損失を増大
させることがない。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図１は本発明の一実施例の正面図である。同図に示
すように、本実施例の鉄心は直流側巻線２、接地シール
ド９および交流側巻線５を巻装した主脚１３とその両脇
に側脚１４が設けられている。これら主脚１３と側脚１
４は上部ヨーク１５と下部ヨーク１６とで接合され、主
脚１３と上部ヨーク１５との間には寸法Ｇの磁気的絶縁
物のギャップ１７が形成されている。また、上部ヨーク
１５の主脚１３と側脚１４間には、ラップ接合の継ぎ目
１８が設けられている。そして図示されていないが、主
脚１３および側脚１４を構成する抜板の表面には各々当
て板が取付けられ、また上部ヨーク１５および下部ヨー
ク１６を構成する抜板の表面には各々クランプが取付け
られ、ボルト締付けあるいはガラステープなどによりバ
インド締付けされている。なお、ギャップ付鉄心では、
ギャップ部を通過する磁束によりギャップ面間に磁気吸
引力が働き振動・騒音が発生するので、ギャップ部は締
付スタッドなどにより強固に締付けられている。

【００１４】更に、図２の拡大平面図に示すように、上
部ヨーク１５はケイ素鋼板の抜板を積層して構成されて
おり、その継ぎ目１８は寸法Ａでラップジョイントさ
れ、左右の上部ヨーク１５は磁気的には接合されている
が、図１に示す寸法Ｂの部分は上下方向には相対的に移
動が可能となるように構成されている。

【００１５】まず、本実施例の変圧器用ギャップ付鉄心
の作用について説明する。仮に上部ヨーク１５が継ぎ目
１８がない一枚もので構成していると、下部ヨーク１６
と上部ヨーク１５を上下に締付けることによって主脚１
３、ギャップ１７および側脚１４には圧縮力が加わる
が、製作上の寸法公差、組立上の誤差により接合部には
隙間が生じたり上部ヨーク１５が突っ張ったりする恐れ
がある。また主脚１３と側脚１４の上下方向の寸法にバ
ラツキがあると、ギャップ１７が適切な圧力で締付けら
れず振動・騒音が増加する恐れがある。

【００１６】しかし、本実施例では上部ヨーク１５には
継ぎ目１８があり、寸法Ｂの部分は上下方向に移動が可
能なので、前記の各誤差を吸収して締付力が均一に加わ
るようにできるので、振動・騒音の増加を抑制すること
ができる。

【００１７】ところで、変圧器を運転した場合に鉄心の
温度が高くなると、主脚と側脚間に熱膨脹による伸びの
差が生じ、上部ヨーク１５を押し曲げたりして無理な曲
げ応力や圧縮応力が発生し磁気歪が大きくなり、磁気歪
による振動・騒音が増加するが、本実施例では継ぎ目１
８の作用によって無理な力は発生しないので、磁気歪に
よる振動・騒音の増加を抑制することができる。

【００１８】次に、本実施例におけるギャップ長の調整
法について説明する。まず、主脚１３と側脚１４を下部
ヨーク１６で接合し、主脚１３に巻線群を挿入し、主脚
１３の上部にギャップ１７を取付けた後、上部ヨーク１
５を組込み、クランプと上下締付スタッドを取付け締付
ける。そして、交流側巻線５に交流電源を接続し、励磁
インピーダンスを測定する。測定された励磁インピーダ
ンスが仕様値を満足しない場合には一旦組立てた上部ヨ
ーク１５を取外し、ギャップ１７の寸法Ｇを調整し、再
度上部ヨーク１５を組立て、励磁インピーダンスが仕様
値を満足するように調整する。

【００１９】このようにギャップ１７の寸法Ｇを調整す
ることにより主脚１３とギャップ１７の合計高さが側脚
１４と異なっても継ぎ目１８があるので、その分上部ヨ
ーク１５の寸法Ｂの部分を上下方向に移動すればよい。

【００２０】本実施例は上記のように構成されているの
で、従来形では巻線が２群必要であったが半分の１群に
できる。また、巻線群数を半分にしても１群当りの容量
は２倍となるため容量的には同じであるが容量が半分の
ものを２群製作する従来のものより、容量は２倍である
が１群製作する本実施例の方が、必要とする資材は減少
し、発生する損失も低減できるので、小形軽量化が可能
であり、工作上のメリットが大きい。

【００２１】図３は本発明の他の実施例の部分図であ
る。同図に示すようにギャップ１７の上に三角形の抜板
２０を圧延方向１９が上下方向になるように取付ける。
図の矢印１９で示す圧延方向は方向性珪素鋼板の圧延方
向であり、その圧延方向に磁束が流れるようにして発生
損失を少なくしている。しかし図１の実施例のような鉄
心構成では主脚１３よりギャップ１７を通って上部ヨー
ク１５へ流れる磁束については、上部ヨーク１５の部分
ではその圧延方向と直角方向に流れる成分があるため、
その部分の発生損失が大きくなり、局部過熱の原因にな
る。そこで、適用される装置がより大きくなり、その鉄
心寸法が大形になる場合や発生損失を特に少なくする必
要がある場合がある。ところが、本実施例ではギャップ
１７の上に三角形の抜板２０を圧延方向１９が上下方向
になるように設けているので、磁束は圧延方向のみに流
れ、前述の圧延方向と直角な方向に流れる磁束による発
生損失の増加がなくなり、局部過熱の防止に効果があ
る。

【００２２】図４は本発明のさらに他の実施例の部分図
である。本実施例では主脚１３の上部を山形に出張ら
し、上部ヨーク１５をその分切り欠き、その間に逆Ｖ字
形のギャップ２１を取付けるように構成したものであ
る。したがって、本実施例によると、主脚１３よりギャ
ップ２１を通って上部ヨーク１５へ流れる磁束は圧延方
向のみに流れるようになり、前記のような発生損失の増
加がなくなり局部過熱の防止に役立つ。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１群当りの巻線容量は従来例に比べ２倍となるが巻線群
数を半分にすることができるので、製品としての外形寸
法・重量を小形化・軽量化でき、かつギャップ長の調整
が容易に行えるので、より安価な変換器用変圧器を可能
とする変圧器用ギャップ付鉄心を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の正面図。

【図２】図１における継ぎ目部の拡大平面図。

【図３】本発明の他の実施例の部分図。

【図４】本発明のさらに他の実施例の部分図。

【図５】図５は従来の磁気浮上式鉄道用の電力変換装置
のインバータの結線図。

【図６】従来の変換器用変圧器を構成するユニット変圧
器の正面図。

【符号の説明】

１…変換器用変圧器、２…直流側巻線、３…変換器、４
…平滑コンデンサ、５…交流側巻線、６…負荷、７…ユ
ニット変圧器、８…主脚、９…接地シールド、１０…上
部ヨーク、１１…下部ヨーク、１２…ギャップ、１３…
主脚、１４…側脚、１５…上部ヨーク、１６…下部ヨー
ク、１７…ギャップ、１８…継ぎ目、１９…圧延方向、
２０…三角形抜板、２１…逆Ｖ字形ギャップ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変圧器巻線を巻装した主脚と、前記主脚
   の両脇に配置された側脚と、前記主脚と前記側脚を接合
   する上部ヨークおよび下部ヨークを有し、前記上部ヨー
   クの前記主脚と前記側脚の間に設けられ前記上部ヨーク
   の中央部分を前記主脚の軸線と平行の方向に相対的に移
   動可能とするラップ接合の継ぎ目と、前記主脚の上部と
   前記上部ヨークの中央部分との間に設けられた磁気的絶
   縁物のギャップとを備えたことを特徴とする変圧器用ギ
   ャップ付鉄心。