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公開番号2021044276
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210318
出願番号2019162574
出願日20190906
発明の名称静止誘導機器
出願人株式会社日立産機システム
代理人青稜特許業務法人
主分類H01F 27/24 20060101AFI20210219BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】
鉄損を低減する鉄心を備えた静止誘導機器を提供することにある。
【解決手段】
静止誘導機器は、2つに並べられた第一の内鉄心と第二の内鉄心と第一の内鉄心と第二の内鉄心を覆うように配置された外鉄心とを含む第一の鉄心を有しており、第一の内鉄心と第二の内鉄心と外鉄心に巻回されたコイルと、第一の鉄心のヨーク部と対向する第一の面と、コイルの上面と対向する第二の面と、第一の面と第二の面との間の第三の面とを有する板状磁性体部材が、第一の鉄心の周方向に向かって積層された第二の鉄心と、を有しており、第二の鉄心のうち第一の鉄心とは反対の面に支持部材が配置されており、支持部材は、第一の内鉄心と第二の内鉄心と外鉄心との間に設けられた空隙を通過する部材を介して接続されていることを特徴とする。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
2つに並べられた第一の内鉄心と第二の内鉄心と前記第一の内鉄心と前記第二の内鉄心を覆うように配置された外鉄心とを含む第一の鉄心を有しており、
前記第一の内鉄心と前記第二の内鉄心と前記外鉄心に巻回されたコイルと、
前記第一の鉄心のヨーク部と対向する第一の面と、前記コイルの上面と対向する第二の面と、前記第一の面と前記第二の面との間の第三の面とを有する板状磁性体部材が、前記第一の鉄心の周方向に向かって積層された第二の鉄心と、
を有しており、
前記第二の鉄心のうち前記第一の鉄心とは反対の面に支持部材が配置されており、
前記支持部材は、前記第一の内鉄心と前記第二の内鉄心と前記外鉄心との間に設けられた空隙を通過する部材を介して接続されていること
を特徴とする静止誘導機器。
続きを表示(約 1,900 文字)【請求項2】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記支持部材と前記貫通する部材はボルトとナットにより締め付けられること
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項3】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記支持部材と前記第二の鉄心との間には、前記第二の鉄心よりも絶縁性が高い部材が配置されており、前記第二の鉄心と前記支持部材とが電気的に絶縁されていること
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項4】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記支持部材の底部には、前記第二の鉄心の底面に倣うように折り曲げられた部分を有すること
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項5】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記支持部材の側部の端面は、前記第二の鉄心の側面に倣うように折り曲げられた部分を有すること
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項6】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記支持部材の上部の端面は、前記第二の鉄心の上部と同一又は上部よりも低い位置に配置されていること
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項7】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第一の鉄心は、正面と背面の両面を有しており、
前記正面及び前記背面に、前記第二の鉄心を有すること
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項8】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第二の鉄心は、複数の板状磁性体部材を積層して構成されており、
前記板状磁性体部材の圧延方向は、略鉛直方向であること
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項9】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第二の鉄心は、いずれかの前記内鉄心のヨークと前記外鉄心のヨークを跨ぐように配置されたこと
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項10】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記コイルは、高圧コイルと低圧コイルであって、
高圧の電極取出し側には、前記第二の鉄心を配置していないこと
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項11】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第二の鉄心を構成する板状磁性体部材は、
前記第一の鉄心の磁脚の長手方向に対して略直交する方向に積層されていること
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項12】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第二の鉄心と前記第一の鉄心の間隙部に、絶縁部材を備えたこと
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項13】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第一の鉄心は、三相三脚型巻鉄心であり、
前記第二の鉄心は、矩形の板状磁性体部材を積層して構成され、
前記三相三脚型巻鉄心のヨーク部に、窓部を備えた固定金具を配置し、
前記窓部から差し込まれた板状絶縁部材により、
前記第二の鉄心を、前記三相三脚型巻鉄心のヨーク部に押し付けて固定したこと
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項14】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第一の鉄心は、三相三脚型巻鉄心であり、
前記第二の鉄心は、前記三相三脚型巻鉄心のヨーク部を構成する、前記内巻鉄心と前記外巻鉄心の薄帯状磁性材料の積層面に対向する位置に、配置されたこと
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項15】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第二の鉄心は、複数個を横方向に並べ、前記第一の鉄心のヨーク部の、薄帯状磁性材料の積層面に対向して配置されたこと
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項16】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
静止誘導機器の低圧電極が取り出される面のヨーク部に、複数個の前記第二の鉄心を配置したこと
を特徴とする静止誘導機器。
【請求項17】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記第一の鉄心と前記第二の鉄心は、
方向性珪素鋼板、鉄基アモルファス合金、またはナノ結晶材料から選択された材料で構成され、前記第一の鉄心と前記第二の鉄心とは同一の材料、または互いに異なる材料であること
を特徴とする静止誘導機器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、変圧器、およびリアクトル等の静止誘導機器に関する。
続きを表示(約 5,000 文字)【背景技術】
【0002】
鉄損を低減する静止誘導機器については、特許文献1が知られている。特許文献1には、「長さの異なる電磁鋼板を積層した磁性材6を三相巻鉄心1の継鉄部に配しているので、三相巻鉄心1の脚部から継鉄部に流れた磁束は三相巻鉄心1だけではなく磁性材6にも流れ、継鉄部において磁束密度が低減され、磁性材6が無い場合と比べて鉄損および騒音が低減される。」ことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2002−208518号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1で開示されているように、三相三脚型巻鉄心を持つ静止誘導機器のヨーク鉄心部分に薄帯状磁性材料を追加することでヨーク鉄心の断面積が増加するので、磁束密度が低減され、静止誘導機器の鉄損を低減させることができる。
【0005】
しかしながら、巻鉄心と追加する薄帯状磁性材料間の磁気抵抗が大きいため、巻鉄心から薄帯状磁性材料間に流れる磁束量が小さく、ヨーク鉄心の断面積の増加の効果が限定的であり、鉄損の低減が不十分となる課題がある。
【0006】
本発明の目的は、鉄損を低減する鉄心を備えた静止誘導機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の好ましい一例である静止誘導機器は、2つに並べられた第一の内鉄心と第二の内鉄心と第一の内鉄心と第二の内鉄心を覆うように配置された外鉄心とを含む第一の鉄心を有しており、第一の内鉄心と第二の内鉄心と外鉄心に巻回されたコイルと、第一の鉄心のヨーク部と対向する第一の面と、コイルの上面と対向する第二の面と、第一の面と第二の面との間の第三の面とを有する板状磁性体部材が、第一の鉄心の周方向に向かって積層された第二の鉄心と、を有しており、第二の鉄心のうち第一の鉄心とは反対の面に支持部材が配置されており、支持部材は、第一の内鉄心と第二の内鉄心と外鉄心との間に設けられた空隙を貫通する部材を介して接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明により、鉄損を低減した静止誘導機器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
実施例1の三相三脚型変圧器の全体図と縦断面図である。
実施例1の三相三脚型変圧器の鉄心と補助鉄心の構造図である。
実施例1の補助鉄心と巻鉄心の接続部の断面図である。
三相三脚型変圧器の鉄心の正面図と側面図である。
2種類の補助鉄心の構造の比較図である。
2種類の補助鉄心表面の磁束密度振幅の分布の比較を示す図である。
三相三脚型変圧器の鉄損値の相対比較を示す図である。
実施例2を説明するための三相三脚型変圧器の縦断面図である。
実施例3の全体図と縦断面図である。
実施例3の鉄心と補助鉄心の構造図である。
実施例4の補助鉄心の構造図と三相三脚型鉄心ヨーク部の正面図である。
実施例5における三相三脚型変圧器の上部ヨーク部の正面図と背面図である。
比較例としての三相三脚型変圧器の全体図である。
実施例1の鉄心各部の寸法を記載した表1を示す図である。
実施例6の三相三脚型変圧器の全体図である。
実施例6の三相三脚型変圧器の正面図である。
実施例6の変形例である三相三脚型変圧器の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の複数の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【0011】
図1から図7は、実施例1を説明するための図である。まず、本実施例の構成とその作用について、図13に示した比較例と比較しながら説明する。図13は、本発明の補助鉄心10を有さない比較例としての三相三脚型変圧器を示す図である。
【0012】
図1は、本実施例であり、変圧器やリアクトル等の静止誘導機器の一例である三相三脚型変圧器の全体図、ならびに図1のAで示した面における縦断面図である。変圧器の幅をX軸方向、奥行きをY軸方向、高さをZ軸方向に示す。
【0013】
珪素鋼板やアモルファス金属薄帯に代表される薄帯状磁性材料を巻回して成形した2個の内側巻鉄心1aと、2個の内側巻鉄心1aを覆うように外周に配置される1個の外側巻鉄心1bを示す。これらの内側巻鉄心1aと外側巻鉄心1bをまとめて第一の鉄心と呼ぶ。
【0014】
また、三相三脚型巻鉄心と、鉄心の3本の磁脚に巻回した、3個の低圧側のコイルを構成する低圧巻線2aと、3個の高圧側のコイルを構成する高圧巻線2bとが示される。
【0015】
これに対して本実施例では、三相三脚型変圧器の上下の、コイルを巻かれていない鉄心の一部であるヨーク部の側面に、4個の直方体状に示す第二の鉄心10(補助鉄心10)を密着させて固定させる。以降、本明細書においては、第二の鉄心を単に補助鉄心10と称して説明する。
【0016】
三相三脚型変圧器の鉄心と巻線は、上下に備えた上部側の固定金具3a、および下部側の固定金具3bを、スタッドボルト等(図示せず)で連結して、固定力6aを発生させて各部材を把持する。
【0017】
固定金具3a、3bの断面はコの字型となっており、側面の一部に窓31を備える。この窓31から、板状に成形された絶縁部材である絶縁紙、プレスボード等の板状絶縁部材51を挿入し、補助鉄心10を三相三脚型巻鉄心のヨーク部に押し付ける力を発生させて、窓31側から補助鉄心10を固定する。固定金具3aのZ軸方向に延びる面は、固定金具3aのY軸方向に延びる面に接続される根元部分よりも先端部分が外側巻鉄心1bに近づくように傾斜させるとよい。
【0018】
つまり、根元部分と先端部同士の奥行き方向の距離の関係は、根元部分の奥行き方向の距離≧外側巻鉄心1bの奥行きの距離と2つの板状絶縁部材51の奥行きの距離の総和>先端部同士の距離とするとよい。この関係により根元部分は絶縁部材5を挟み込むことができ、先端部は補助鉄心10と板状絶縁部材51の保持力を向上させることができる。なお、固定金具3a、3bに窓31を設けない場合は板状絶縁部材51を挿入した後に固定金具3a、3bを取り付けるとよい。
【0019】
絶縁部材5の配置について説明する。補助鉄心10の固定金具3a側の面である上面側の面に接触するよう1つ目の絶縁部材5を、固定金具3b側のである下面側の面に接触するよう2つ目の絶縁部材5を配置する。すなわち、2つ目の絶縁部材5は、低圧巻線2aの上端部の面に接触し、補助鉄心10の底面に接触するよう絶縁部材5を配置することで、補助鉄心10の上下方向の位置を固定できる。また、補助鉄心10の側面部は板状絶縁部材51と固定金具3aの窓31よりも低い位置の金具部分によって押さえつけられるため、振動が生じても補助鉄心10は脱落しにくくなる。
【0020】
図2は、本実施例における三相三脚型変圧器の巻鉄心のみを示した全体図と、補助鉄心10の構造図である。図1同様に、変圧器の幅をX軸方向、奥行きをY軸方向、高さをZ軸方向に示す。X軸方向に2つ並べられた内側巻鉄心1aの外周を覆うように外側巻鉄心1bが配置されており、ヨーク部に補助鉄心10が配置されている。
【0021】
第二の鉄心である補助鉄心10は、矩形に切り出した板状磁性体部材11が積層されている。矢印10aは補助鉄心10の板状磁性体部材11を積層する方向を示す。変圧器の幅であるX軸方向に積層されている。すなわち、窓部を挟み込むように巻鉄心の磁脚の長手方向に対して略直交する方向(直交方向を含む)に積層し、固定テープ12を巻回して直方体状に固定する。また、補助鉄心10は、三相三脚型巻鉄心のヨーク部において、内側巻鉄心1aと、外側巻鉄心1bの双方の側面に接して固定する。
【0022】
図3は、本実施例における三相三脚型変圧器の内側巻鉄心1a、および外側巻鉄心1bと、補助鉄心10との接続部の詳細を示す断面図である。補助鉄心10の外周は固定テープ12が巻回されているので、内側巻鉄心1aと外側巻鉄心1bの薄帯状磁性材料の積層面との間には、絶縁部材で構成された固定テープ12の厚さGに相当する間隙が設けられる。Gは、補助鉄心10と内側巻鉄心1aと外側巻鉄心1bとの間の間隙であり、間隙は無いと、内側巻鉄心1aと外側巻鉄心1bとので渦電流が生じるので、所定の間隙が必要である。
【0023】
補助鉄心10は、固定金具3aの内側に配置される。固定金具3aのY軸方向に延び外側巻鉄心1bと対向する面と絶縁部材5の上面とは接触し、1つ目の絶縁部材5の下面と補助鉄心10の上面が接触することで、補助鉄心10の上部側が固定される。補助鉄心10の下面は、コイルを構成する低圧巻線2aの上に配置された絶縁部材5の上部の面と接触することで、補助鉄心10の下方側が固定される。よって、補助鉄心10全体が保持される。
【0024】
図1に示す6bは、図1に示した板状絶縁部材51により発生させた固定力を模擬した矢印であり、補助鉄心10は、変圧器の奥行き方向(図1に示すY軸方向)に固定されるとともに、補助鉄心10を高さ方向(Z軸方向)に挟み込む2つの絶縁部材5により、高さ方向にも固定される。
【0025】
補助鉄心10は、固定金具3aの側面に設けた窓31の位置に対応する位置に配置されている。つまり、補助鉄心10は、内側巻鉄心1aのヨークと外側巻鉄心1bのヨークとの境界を越えるように配置されており、また、窓31から見て、内側巻鉄心1aのヨークと外側巻鉄心1bのヨークを跨ぐような位置に配置される。このように補助鉄心10を配置することで、磁路から漏れる磁束を留めることができる。
【0026】
次に、図4から図7を用いて、本実施例による三相三脚型変圧器の鉄損の低減効果を、三次元有限要素法による電磁界解析の計算結果を用いて説明する。
【0027】
図4は、方向性珪素鋼板により構成した内側巻鉄心1a、外側巻鉄心1bと、補助鉄心10を有する三相三脚型変圧器用鉄心の寸法図である。左側は、正面図をXZ軸で示しで、右側は、側面図をYZ軸で示す。
【0028】
巻鉄心の積層方向の厚さaを基準としたとき、鉄心各部の寸法は、図14の表1に示す通りである。表1の各部の定義は、次のとおりである。
【0029】
巻鉄心の積層方向の厚さaは、内側巻鉄心1aと外側巻鉄心1bの薄帯状磁性材料を積層した方向の厚さ、W1は外側巻鉄心1bの外側の幅、W2は内側巻鉄心1aの内側の幅、W3は内側巻鉄心1aおよび外側巻鉄心1bの厚さ、H1は外側巻鉄心1bの外側の高さ、H2は内側巻鉄心1aの内側の高さ、Sは巻鉄心外周部の段差、Wは補助鉄心10の水平方向の長さ、Hは補助鉄心10の鉛直方向の長さ、Dは補助鉄心10を構成する板状磁性体部材の短い方の辺の長さ、Gは補助鉄心10と内側巻鉄心1aと外側巻鉄心1bとの間の間隙を示す。
【0030】
電磁界解析においては、厚さ0.23mmの方向性珪素鋼板((株)新日鐵住金製23ZH85)の磁化曲線と鉄損特性を定義し、鉄心の占積率は0.97とした。三相の磁脚に所望の磁束密度を発生させるための巻線モデルを追加して、ここに50Hzの正弦波電圧を印加し、鉄心の磁束密度振幅を1.70Tとした際に、巻鉄心、および補助鉄心内の磁束密度分布と、鉄損の合計値を計算した。
(【0031】以降は省略されています)

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