JP4249594B2 - 変圧器および変圧器の巻鉄心 - Google Patents

Description

本発明は、鉄損の低減を図った変圧器および変圧器の巻鉄心に関する。

従来より、三相変圧器に用いられる巻鉄心としては、エバンス鉄心と五脚鉄心とがある。図４に示すように、エバンス鉄心１１は、同一形状の二つの内鉄心１２，１２が脚部で隣接し、その内鉄心１２，１２の周りを取り囲むように内鉄心１２と略同一の鉄心積厚を持つように外鉄心１３が配設されて構成される（例えば特許文献１参照）。
図５に示すように、五脚鉄心１４は、前記内鉄心１２と同一形状の二つの内鉄心１５，１５が脚部で隣接し、その内鉄心１５，１５の両脚部に内鉄心１５と略同一の鉄心積厚をもつ側脚鉄心１６，１６が配設されて構成される（例えば特許文献２参照）。
特開平０８−６４４４０号公報（図４） 特開２０００−１２４０４６号公報（図７）

巻鉄心の磁気抵抗ｒは、鉄心断面積をＳ、鉄心透磁率をμ、平均磁路長をＬとした場合、ｒ＝Ｌ／μＳで表される。従来の構成では、後述するように内鉄心１２，１２および１５，１５の平均磁路長と外鉄心１３および側脚鉄心１６，１６の平均磁路長との差が大きく生じることから、磁束分布が不均衡となり、鉄損の増加が生じるという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内側および外側に位置する鉄心の平均磁路長の差を低減することができる変圧器および変圧器の巻鉄心を提供するにある。

本発明の変圧器の巻鉄心は、隣接する二つの内鉄心と、これらの内鉄心の外周を覆う外鉄心と、この外鉄心の両側部のそれぞれに配設された側脚鉄心とを具備し、前記外鉄心と前記側脚鉄心との積厚の和は、前記内鉄心の積厚と略等しくなるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、内鉄心の平均磁路長と外鉄心および側脚鉄心の平均磁路長の和との差を低減させることで、磁束分布の不均衡を緩和させ、鉄損を低減できるという効果を奏する。

（第１の実施例）
以下本発明の第１の実施例について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、三相変圧器の巻鉄心１は、二つの内鉄心２，２が脚部で隣接し、その内鉄心２，２の周りを取り囲むように外鉄心３が配設され、その外鉄心３の両脚部に隣接して、それぞれ側脚鉄心４，４が設けられて構成されている。そして、外鉄心３と側脚鉄心４の鉄心積厚の和は内鉄心２の鉄心積厚と略同一になるように設定されている。尚、内鉄心２，２、外鉄心３および側脚鉄心４，４は、所定幅の帯状の珪素鋼板を巻いて構成されたもので、ラップ接合方式が採用されている。

巻鉄心１は、外鉄心３の平均磁路長と側脚鉄心４の平均磁路長の和を比較し、平均磁路長が長い方の鉄心積厚（巻鉄心の断面積）を順次減らすとともに、平均磁路長が短い方の鉄心積厚（巻鉄心の断面積）を順次増やしていくようにしつつも、常に外鉄心３の鉄心積厚と側脚鉄心４の鉄心積厚の和が内鉄心２の鉄心積厚と略同じになるように、それぞれの鉄心積厚の比率を変化させる。

そして、外鉄心３の鉄心積厚と側脚鉄心４の鉄心積厚が略等しく（外鉄心３の鉄心積厚と側脚鉄心４の鉄心積厚の比が略１：１）なるように設定する。
以下、本実施例の作用について説明する。ここで、図１、図４および図５において、内鉄心２，１２，１５の窓高および側脚鉄心４，１６の窓高をＡ、内鉄心２，１２，１５の窓幅をＢ、鉄心積厚（巻鉄心１の場合は外鉄心３の鉄心積厚と側脚鉄心４の鉄心積厚の和、エバンス鉄心１１の場合は外鉄心１３の鉄心積厚、五脚鉄心１４の場合は側脚鉄心１６の鉄心積厚を表し、それぞれの鉄心積厚は、内鉄心２，１２，１５のそれぞれの鉄心積厚と等しい。）をＣ、側脚鉄心４，１６の窓幅をＤ、内鉄心２，１２，１５の内周コーナ半径をＲで示す。

また、それぞれの鉄心の脚部に巻かれた巻線（図示せず）間の距離を２０（ｍｍ）、内鉄心内周コーナ半径Ｒ＝５（ｍｍ）とすると、側脚鉄心窓幅Ｄ＝Ｂ／２＋１０（ｍｍ）で表すことができ、内鉄心と外鉄心および側脚鉄心、内鉄心同士のクリアランスを無視して考えたとした場合、巻鉄心１の外鉄心３と側脚鉄心４，４の二個分平均磁路長の和の平均磁路長ＬＰは、以下の（１）式のようになる。

エバンス鉄心１１の外鉄心１３の平均磁路長Ｌｅは、以下の（２）式のようになる。

五脚鉄心１４の側脚鉄心１６，１６の二個分の平均磁路長Ｌｆは、以下の（３）式のようになる。

そして、エバンス鉄心１１に対する本実施例の巻鉄心１の平均磁路長低減の効果は、Ｌｅ−ＬＰで表され、以下の（４）式のようになる。

同様にして、五脚鉄心１４に対する本実施例の巻鉄心１の平均磁路長の低減効果は、Ｌｆ−ＬＰで表され、以下の（５）式のようになる。

上記（４）および（５）式から明らかなように、平均磁路長の低減効果は、鉄心窓高Ａ、窓幅Ｂおよび鉄心積厚Ｃ等の寸法に左右されるものであり、例えば、エバンス鉄心１１の外鉄心１３の平均磁路長Ｌｅと五脚鉄心１４の側脚鉄心１６，１６の二個分の平均磁路長Ｌｆは等しく、巻鉄心１の鉄心積厚の比率が等しい場合、平均磁路長の低減効果は、最大となり、以下の（６）式のようになる。

このように本実施例によれば、エバンス鉄心１１の外鉄心１３および五脚鉄心１４の側脚鉄心１６，１６を巻鉄心１の外鉄心３と側脚鉄心４とに分割し、それぞれの平均磁路長の長い方の鉄心積厚を順次減らし、外鉄心３の鉄心積厚を内鉄心２の鉄心積厚の１／２になるように、かつ、側脚鉄心４の鉄心積厚を同様に１／２になるように設定したので、平均磁路長を最大限に低減させることができ、内鉄心２の平均磁路長と外鉄心３および側脚鉄心４，４の平均磁路長の和との差を低減させることができ、磁束分布の不均衡が緩和され励磁特性が向上し、以って、鉄損を低減させることが可能となる。

そして、外鉄心３および側脚鉄心４の積厚をそれぞれ内鉄心２の積厚の１／２に設定するようにしたことにより、これらの平均磁路長を従来に比し低減させるようにしたので、巻鉄心１の軽量化および鉄心材料費の低減を図ることができる。
（第２の実施例）
巻鉄心１は、外鉄心３の平均磁路長と側脚鉄心４の平均磁路長を比較し、平均磁路長が短い方の巻鉄心の珪素鋼板には、平均磁路長が長い方の珪素鋼板に比べて透磁率が高い種類を用いて構成する。その他の構成は、第１の実施例と同様である。

このような構成によると、磁気抵抗はｒ＝Ｌ／μＳで表すことができるため、平均磁路長Ｌが短い方の材料に透磁率μが高い材料を用いていることで、磁気抵抗ｒを減らすことができ、平均磁路長が短い方に磁束を通りやすくし、以って、単位質量あたりの損失を低減することで、鉄損を低減することができる。その他の作用、効果は第１の実施例と同様である。

このような構成によれば、図２（ｂ）で示すように、内鉄心２、外鉄心３および側脚鉄心４の脚部に巻線５を巻装したときに、巻線５が段付部２ｃの部分で円弧状になる。段付部４ｃ部分でも同様である。これにより、図２（ｃ）に示すように、段付部２ｃ，４ｃがない場合に比し、巻線５の平均周長を小にすることができ、巻線５の銅損を低減することができる。このことは、内鉄心２，２の脚部に巻装される巻線についても同様である。
（第４の実施例）
図３は、本発明第４の実施例であり、前記第１の実施例と異なるところを説明する。内鉄心２、外鉄心３は、従来と同様に継鉄部にラップ接合方式による継ぎ目部を有するものであるが、この実施例では、側脚鉄心４は、巻鉄心の巻装されない外側の脚部にラップ接合方式による継ぎ目部６（図３（ｂ）参照）が設けられる。その他の構成は、第１の実施例と同様である。

このような構成によれば、一般的に側脚鉄心４窓高Ａは窓幅Ｂに対して大きく設定されているため、継鉄部に比べて脚部の方が長くなっている。その為、継ぎ目部を継鉄部に設ける場合は、継ぎ目の範囲が狭くなり磁束集中が起こりやすくなるが、継ぎ目部６を外側の脚部に設けることにより、継ぎ目部６の範囲を広く取ることができ、磁束集中を緩和させることができる。
（その他の実施例）
第１ないし４の実施例は個別にてそれぞれ特徴の構成を有しているが、第１ないし４の実施例を一つにまとめた構成としてもよく、その場合の作用、効果は第１ないし４の実施例と同様である。

第１の実施例では、鉄心積厚の比を略等しい（外鉄心３の鉄心積厚と側脚鉄心４の鉄心積厚の比が１：１）としているが、鉄心積厚の比率は、外鉄心３の鉄心積厚が２Ｃ／３、側脚鉄心４の鉄心積厚がＣ／３（外鉄心３の鉄心積厚と側脚鉄心４の鉄心積厚の比が１：２）等のように設定してもよい。
第４の実施例では、脚部および継鉄部に段付部２ｃ，４ｃを設ける構成としたが、脚部または継鉄部のどちらか一方に段付部を設ける構成としてもよい。

本願発明の第１の実施例を示す断面図 本願第３の実施例を示し、（ａ）は図１相当図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う拡大断面図、（ｃ）は比較例の（ｂ）相当図 本願第４の実施例を示し、（ａ）は図１相当図、（ｂ）は継ぎ目部の部分拡大図 従来例のエバンス鉄心を示す断面図 従来例の五脚鉄心を示す断面図

符号の説明

図面中、１は巻鉄心、２，１２，１５は内鉄心、３，１３は外鉄心、４，１６は側脚鉄心、５は巻線、２ａ，４ａは第１の鉄心、２ｂ，４ｂは第２の鉄心、４ｃは段付部、６は継ぎ目部、１１はエバンス鉄心、１４は五脚鉄心である。

Claims (6)

1. 隣接する二つの内鉄心と、
   これらの内鉄心の外周を覆う外鉄心と、
   この外鉄心の両側部のそれぞれに配設された側脚鉄心とを具備し、
   前記外鉄心と前記側脚鉄心との積厚の和は、前記内鉄心の積厚と略等しくなるように設定されていることを特徴とする変圧器の巻鉄心。
2. 外鉄心の平均磁路長と二つの側脚鉄心の平均磁路長の和とを比較して、平均磁路長の長い方の鉄心の断面積が他方のそれよりも小に設定されていることを特徴とする請求項１記載の変圧器の巻鉄心。
3. 外鉄心の平均磁路長と二つの側脚鉄心の平均磁路長の和とを比較して、平均磁路長の短い方の鉄心材料が他方の鉄心材料よりも透磁率が高く設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の変圧器の巻鉄心。
4. 前記内鉄心および前記側脚鉄心の内側面に段付き部を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の変圧器の巻鉄心。
5. 前記側脚鉄心の外側の脚部に、継ぎ目部を設けることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の変圧器の巻鉄心。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の巻鉄心を用いたことを特徴とする変圧器。

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