JP7308726B2

JP7308726B2 - 静止誘導電機

Info

Publication number: JP7308726B2
Application number: JP2019206441A
Authority: JP
Inventors: 千絵小林; 直幸栗田; 諒介御子柴; 純一五百川; 孝平佐藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: JP2021082632A

Description

本発明は、変圧器やリアクトル等の静止誘導電機に関するものである。

静止誘導電機、例えば変圧器において、熱の発生する主な要因は、変圧器を構成する巻線の熱による銅損、鉄心のヒステリシス損失や渦電流損といった鉄損が挙げられる。これらの熱が適切に放熱されないと変圧器内部が温度上昇をし続けるため、変圧器本体に損傷を与え、変圧器の寿命が著しく低下する要因となる。

そのため、変圧器は一般的に、巻線と鉄心からなる変圧器本体をタンク内に配置し、タンク内に絶縁油などの冷却媒体を充填させ、変圧器本体が発生する熱を冷却媒体で冷却している。冷却媒体による自然冷却では変圧器内部で生じた温度勾配を利用して発生する自然対流が冷却に利用される。冷却媒体の対流循環では、巻線の周囲の冷却媒体が温度上昇を起し、高温となった冷却媒体がタンクの上部に移動し、タンクを介して空気中に熱を放散する。冷えた冷却媒体はタンクの下部に、温まった冷却媒体はまたタンクの上部に移動するため、タンク内部で熱の循環が発生し、全体が徐々に冷却される。冷却性能の向上は、静止誘導電機の小型化、重量軽減を図る上で極めて重要であり、従来から冷却性能向上を図った種々の静止誘導電機が開発されている。

例えば、実開平５－８７９２０号公報（特許文献１）には、変圧器本体の熱を効果的にタンク内の冷却媒体で冷却するために、無垢の金属導体で構成されるリードバーを管状とし、その管状内をヒートパイプ構造とする技術が開示されている。この構造により、変圧器本体内部の熱（巻線内部の熱）をタンク内の冷却媒体により冷却可能な位置にまで輸送し、冷却性能を向上させることが可能となる。

実開平５－８７９２０号公報

特許文献１の技術は、巻線で発生した熱をヒートパイプ構造のリードバーにより輸送し、冷却媒体による冷却を効果的に行うので、冷却性能を向上させることができる。

しかし、この特許文献１の技術では、リードバーによる熱輸送は、タンク内に留まっている。そのため、熱はタンク内の冷却媒体に伝達され、冷却媒体による熱をタンクの外壁を介して間接的に大気（外気）に放熱する構造になっている。一般的に、変圧器のタンク内の冷却媒体の温度は、８０℃以上であるが、外気の温度はその温度よりはるかに低い。そのため、変圧器本体で発生する熱をタンク内の冷却媒体により冷却するだけでなく、効率的に外部に熱輸送（移動）させることができれば、冷却性能は大幅に向上する。特許文献１には、変圧器本体内で発生した熱を直接的に外部空間（大気中）に熱輸送させることに関する記載はなく、冷却性能を向上する点での技術課題を残している。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成でありながら冷却性能を向上させることができる静止誘導電機を提供することである。

本発明は、その一例を挙げると、鉄心と巻線とを有する静止誘導機器本体と、前記静止誘導機器本体を収容し冷却媒体を有するタンクと、前記巻線と前記タンクの外部の架線とを接続するための接続線とを備えた静止誘導電機であって、前記接続線は、前記巻線と接続されており、内部にヒートパイプを有する巻線側接続線と、上端部がタンク外に露出しており内部にヒートパイプを有する接続端子と、前記巻線側接続線と前記接続端子との間を導体で接続した静止誘導電機である。

本発明は、簡単な構成でありながら冷却性能を向上させた静止誘導電機を実現することができる。

本発明の実施例1における変圧器の構成を示す図である。実施例1における要部構成を示す図である。本発明の実施例２における変圧器の構成を示す図である。本発明の実施例３における変圧器の要部構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（実施例）について図面を用いて説明する。以下の説明では、同じ機器や、同じ動作処理などには同一符号（番号）を付し、すでに説明した機器や動作は、後に説明する図面の説明では省略する場合がある。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

≪本発明の実施例１≫
次に、本発明の実施例１について説明する。図１は、本発明の実施例１における変圧器の構造を示す図である。図２は、図１に示す実施例１の要部（接続線）を示す図である。

（実施例１の構成）
図１および図２において、変圧器本体は、鉄心１と、その鉄心１の周囲に巻かれた巻線２（コイル）とにより構成される。変圧器本体は、タンク３内に収納され、固定されている。タンク３内は、絶縁性の冷却媒体（冷却用絶縁油や冷却用ガスなど）で満たされており、変圧器本体はこの冷却媒体により冷却される。ここで、図１におけるタンク３は、変圧器本体と接続する機器等を配置する上蓋部分のみを示しており、全体の構造は省略している。また、冷却媒体の図示も省略している。タンク３の外部（上蓋の上面）には、変圧器の巻線２の一次側と接続するための一次側端子４と、二次側端子５と、一次側と二次側の電気的絶縁を行うための絶縁体６が配置されている。二次側端子５は、上側の一部がタンク３の外側に突出しており、下方部はタンク３内に位置するように配設されている。なお、この実施例１は、三相の変圧器の例を示しているが、本発明は言うまでもなく単相の変圧器でも同様に実施することができる。

また、巻線２の二次側端部と二次側端子５との間は良導体である接続線で接続される。接続線としては、熱伝導率がよく電気抵抗も小さい銅やアルミニウムなどを用いる。この実施例1における「接続線」は、下端が巻線２と接続され外周面が冷却媒体（図示せず）に浸漬するように配置され内部にヒートパイプ７aを有する巻線側接続線７と、上端部が前記タンク外にまで露出し内部にヒートパイプ５aを有する接続端子５（この例では、二次側端子）とを備えている。「接続線」は、さらに、この巻線側接続線７と二次側端子５の間を接続するフレキシブル導線８を有する構成となっている。フレキシブル導線８は、曲げが可能な導線である。巻線側接続線７および二次側端子５は、夫々、内部に中空部を有しており、この中空部に作動液（例えば、水）を封入し、中空内をウィック構造としたヒートパイプを有する構造としている。つまり、巻線側接続線７および二次側端子５は、夫々ヒートパイプを有している。なお、ヒートパイプの作動液としては、水以外でも、例えば、フロン、メタノール、アンモニアなど公知の作動液を使用することができる。

（実施例１における冷却作用）
変圧器本体（主に、巻線２）において発生した熱は、基本的にはタンク３内に充填された冷却媒体（例えば、冷却油）により冷却されるが、この実施例1では、さらに、変圧器本体で発生した熱を、二次側端子５のタンク３の外側に位置する部分まで熱輸送し、外気に放熱して冷却するようにしている。すなわち、巻線２で発生した熱は、巻線側接続線７のヒートパイプ７aによりその上端部まで輸送され、更に、この輸送された熱はフレキシブル導線８を介して二次側端子５に伝達される。そして、二次側端子５では、内部のヒートパイプ５aにより更に二次側端子５の上部（タンク外の部分）まで熱輸送され、二次側端子のタンク外に突出した部分から外気に放熱される。このように、変圧器内部で発生した熱を直接的にタンクの外部まで輸送し、外気に放熱する構造としたことにより、冷却性能が大幅に向上する。

また、この実施例では、巻線側接続線７と二次側端子５の間はフレキシブル導線８で接続しており、ヒートパイプ構造を有する接続線において変圧器の機器の配置における制約（変圧器外部の二次側端子５の配設位置とタンク３内の巻線２端部の位置との位置ずれを無くすように配置を調整する必要があること）を解消した。すなわち、巻線２の端部位置と二次側端子５の位置とのずれがあっても、フレキシブル導線８により自由に曲げが可能なので、フレキシブル導体の曲げ変形によりこの位置ずれを考慮する必要はなくなる。

なお、上記実施例１では、二次側の「接続線」の構造を、ヒートパイプを有する二次側の巻線側接続線７および二次側端子５と、それらをフレキシブル導線で接続した構造とした例を示したが、一次側の「接続線」を二次側と同様の構成とすることもできる。あるいは、一次側と二次側の両方に同様の「接続線」を用いることもできる。

（実施例１の効果）
以上説明したように、本発明の実施例１によれば、変圧器本体で発生した熱を、冷却媒体で冷却するとともに、ヒートパイプおよびフレキシブル導線を使用して積極的に外部に輸送し外気に放熱する構造としたので、冷却性能は飛躍的に向上する。更に、巻線側接続線と外部端子との間をフレキシブル導線による接続する構成を採用したので、巻線端部の位置と外部端子との間の位置ずれの問題も解消することができる。また、この冷却のための構成は、接続線の構造を工夫することのみで行うので、「接続線」とは別個に冷却用の特別な構造を設ける必要がない。そのため、簡単な構成でありながら、高い冷却性能を実現することができる。

≪本発明の実施例２≫
次に、本発明の実施例２について説明する。図３は、本発明の実施例２における変圧器の構成を示す図である。なお、図３では、変圧器の鉄心１、巻線２の記載は省略している。そして、鉄心１、巻線２、タンク３等についての説明も省略する。

図３において、基本的な構成は図１と同様であり、違いは三相の二次側端子５の配置を空気流が二次側端子５に当たり易くして冷却効率が良くなるように、隣接する二次側端子間で互いにずらして配置している点である。この実施例２では、図３に示すように、二次側端子５の位置を互いにずらすように配置するとともに、二次側端子５を斜めに配置（破線で示す方向に対して所定の角度を有するように斜めに配置）している。なお、図３の２本の破線は、二次側端子間で互いにずらして配置していることを分かりやすくするために記載したものでありそれ以外の意味はない。この実施例２では、さらに、絶縁体６と離間して空気整流用の板９を設置し、二次側端子５が絶縁体６と空気整流用の板９との間に配置する構成にしており、空気流が二次側端子５の外気に突出した部分の表面に当たり易くしている。
このような構成にすれば、二次側端子５に当たる空気流が増すので、外気との接触部分（上端部分）まで輸送された熱を空気流により効率的に放熱することができる。

（実施例２の効果）
本発明の実施例２によれば、上述した実施例１と同様の作用効果を有するとともに、さらなる冷却性能の向上が期待できる。

≪本発明の実施例３≫
次に、本発明の実施例３について説明する。図４は、本発明の実施例３における変圧器の要部を示す図である。図４では、変圧器の鉄心１、巻線２、タンク３等の記載を省略している。そして、鉄心１、巻線２、タンク３等についての説明も省略する。

図４において、二次側端子５の上端部の外気と接触する部分に、放熱用のフィン１０を備えている。この構成により、変圧器本体で発生した熱が「接続線」により直接輸送され、フィン１０により大気中に放熱されるので、冷却性能が向上する。また、図４の構造において、フィン１０に空気流を当てるようにファン（図示せず）を設ける構成にすると、フィン１０による冷却性能を更に向上させることができる。

（実施例３の効果）
本発明の実施例３によれば、上述した実施例１と同様の作用効果を有するとともに、さらなる冷却性能の向上が期待できる。

≪本発明のその他の実施例≫
本発明は、上述した本発明の一実施例限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内において種々の変形が含まれる。例えば、本発明は、変圧器だけでなく、他の静止誘導機器（例えば、リアクトル）でも実施可能である。また、上記した実施例１～実施例３は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１…鉄心、２…巻線、３…タンク、４…一次側端子、５…二次側端子、５a…ヒートパイプ、６…絶縁体、７…巻線側接続線、７a…ヒートパイプ、８…フレキシブル導線、９…空気整流用の板、１０…フィン

Claims

鉄心と巻線とを有する静止誘導機器本体と、前記静止誘導機器本体を収容し冷却媒体を有するタンクと、前記巻線と前記タンクの外部の架線とを接続するための接続線とを備えた静止誘導電機であって、
前記接続線は、前記巻線と接続されており、内部にヒートパイプを有する巻線側接続線と、上端部がタンク外に露出しており内部にヒートパイプを有する接続端子と、前記巻線側接続線と前記接続端子との間を導体で接続し、
前記導体はフレキシブル導体である静止誘導電機。
請求項１記載の静止誘導電機において、前記タンク外の前記接続端子の一次側と二次側との間に絶縁体を配置したことを特徴とする静止誘導電機。
請求項１記載の静止誘導電機において、前記接続端子の配置を互いにずらせた構成としたことを特徴とする静止誘導電機。
請求項１記載の静止誘導電機において、前記接続端子の外気と接触する部分にフィンを設けたことを特徴とする静止誘導電機。
請求項４記載の静止誘導電機において、前記フィンに空気流を供給するファンを設けたことを特徴とする静止誘導電機。