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公開番号2021044401
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210318
出願番号2019165615
出願日20190911
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 30/12 20060101AFI20210219BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】
三相三脚型巻鉄心に巻回された巻線で発生する負荷損失を低減するとともに、巻鉄心内で発生する無負荷損失を抑制することにより、全損失を低減し、効率特性が優れた静止誘導機器を提供する。
【解決手段】
幅を断続的に変えた複数の薄板状磁性材の先端を接合しながら積層し、略矩形に成形した2つの内側巻鉄心と、それらを囲む1つの外側巻鉄心からなる三相三脚型巻鉄心と、該巻鉄心の磁脚部に巻回した三相巻線から構成される静止誘導機器において、前記巻鉄心の断面の外接図形が、略楕円形等、外側に凸な曲線で構成されていること、を特徴とするものである。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
幅を断続的に変えた複数の薄板状磁性材の先端を接合しながら積層し、略矩形に成形した2つの内側巻鉄心と、それらを囲む1つの外側巻鉄心からなる三相三脚型巻鉄心と、該巻鉄心の磁脚部に巻回した三相巻線から構成される静止誘導機器において、
前記巻鉄心の断面の外接図形が、外側に凸な曲線で構成されていること、を特徴とする静止誘導機器。
続きを表示(約 970 文字)【請求項2】
請求項1に記載の静止誘導機器において、
前記三相三脚型巻鉄心の断面の外接曲線が、略楕円形であること、を特徴とする静止誘導機器。
【請求項3】
請求項2に記載の静止誘導機器において、
前記楕円形の長軸に対する短軸比が、0.4から0.85の範囲内であること、を特徴とする静止誘導機器。
【請求項4】
請求項3に記載の静止誘導機器において、
前記楕円形の長軸に対する短軸比が、略0.6であること、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、
前記三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心の磁性材料の積層枚数が、外側巻鉄心の磁性材料の積層枚数以上であること、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、
前記三相三脚型巻鉄心を構成する外側巻鉄心の磁性材料の幅を、内側巻鉄心の最大幅と同一の一定値とし、
内側巻鉄心の断面の外接図形は、外側に凸な曲線で構成されているとともに、外側巻鉄心の断面外形を矩形としたこと、を特徴とする静止誘導機器。
【請求項7】
請求項6に記載の静止誘導機器において、
前記内側巻鉄心の断面積を、前記外側巻鉄心の断面積以上としたこと、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、
前記三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心の磁性材料の幅を、外側巻鉄心の最大幅と同一の一定値とし、
外側巻鉄心の断面の外接図形は、外側に凸な曲線で構成されているとともに、内側巻鉄心の断面外形を矩形としたこと、を特徴とする静止誘導機器。
【請求項9】
請求項8に記載の静止誘導機器において、
前記外側巻鉄心の断面積を、前記内側巻鉄心の断面積と同じにしたこと、を特徴とする静止誘導機器。
【請求項10】
請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の静止誘導機器において、
前記三相三脚型巻鉄心を構成する磁性材料は、方向性珪素鋼板、アモルファス合金、またはナノ結晶合金を用いたこと、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、リアクトル等の静止誘導機器に用いられる鉄心と巻線の構造に関し、特に、電磁鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の薄板状の磁性材料からなる複数の環状巻鉄心から構成される、三相三脚型巻鉄心を用いた静止誘導機器の低損失化技術に関するものである。
続きを表示(約 7,300 文字)【背景技術】
【0002】
変圧器、リアクトル等の静止誘導機器の鉄心に用いられる、方向性電磁鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の低損失磁性材料は、材料内に流れる渦電流による損失を抑制するため、厚さがおおむね0.3mm以下の薄板状の形態を持つ。それらの材料を規定の長さに切断して多数枚を重ね、一端が開放されたU字型とし、該開放部に巻線を挿入して開放部を閉じ、バットジョイントやラップジョイント等の接合部を備えた、略円形、あるいは略矩形の巻鉄心が構成される。
【0003】
電力容量がおおむね500kVA以下の小〜中容量の三相静止誘導機器では、上記の巻鉄心(内側巻鉄心)を2個並べ、その外周に1個の巻鉄心(外側巻鉄心)を備えた三相三脚型の巻鉄心に三相の巻線を備えて構成されるのが一般的である。該三相三脚型の静止誘導機器は、鉄心の製造コストが低廉で製作性も良好なため、現在広く用いられているが、同一の幅の磁性材料で巻鉄心を構成すると、その断面形状は矩形となり、その周囲に巻回される巻線の断面形状も略矩形となる。それにより巻線が長尺化して負荷損失(銅損)が増える。
【0004】
そのため、特許文献1では、薄板状の磁性材料を交互にずらして積層し、鉄心の断面外形を略六角形として、周長が短縮された円形巻線を巻回するとともに、鉄心との間隙を低減させ、変圧器を小型化する技術が開示されている。
【0005】
また、三相三脚型巻鉄心の無負荷損失(鉄損)を低減するため、特許文献2では、外側巻鉄心を構成する磁性材料の幅を内側巻鉄心より小さくする技術が開示されている。この構成により中央の磁脚内の磁束密度を両端の磁脚内の磁束密度とほぼ同一とすることができ、鉄心全体で平均した無負荷損失密度を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2019−29553号公報
特開2015−8238号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1で開示されている技術は、薄板状磁性材料を積層して構成した巻鉄心の断面外形を多角形とすることにより、その周囲を巻回させる巻外形を円形とし、静止誘導機器の負荷損失が低減されるとともに小形化も可能である。しかし、三相三脚型巻鉄心への適用については言及されておらず、三相磁脚間の無負荷損失分布の偏りは改善されない課題がある。
【0008】
また、特許文献2で開示されている技術により、三相三脚型巻鉄心内で発生する損失の分布が平準化され、静止誘導機器の無負荷損失は低減されるが、鉄心と巻線の間隙が増加するので巻線長は短縮されず、負荷損失の低減効果は得られない課題がある。そのため損失低減効果が得られるのは、静止誘導機器の負荷率がおおむね50%以下の条件であることが言及されている(当該文献2、段落[0020]参照)。
【0009】
本発明は、三相三脚型巻鉄心に巻回された巻線で発生する負荷損失(銅損)を低減するとともに、巻鉄心内で発生する無負荷損失(鉄損)を抑制することにより、全損失を低減し、効率特性が優れた静止誘導機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載された構成を採用する。本願は上記課題を解決する複数の手段を含んでいるが、その一例を挙げるならば、幅を断続的に変えた複数の薄板状磁性材の先端を接合しながら積層し、略矩形に成形した2つの内側巻鉄心と、それらを囲む1つの外側巻鉄心からなる三相三脚型巻鉄心と、該巻鉄心の磁脚部に巻回した三相巻線から構成される静止誘導機器において、前記巻鉄心の断面の外接図形が、外側に凸な曲線で構成されていること、を特徴とするものである。
【発明の効果】
【0011】
本発明により、三相三脚型巻鉄心の磁脚に巻回される巻線の平均周長が短縮され、静止誘導機器の負荷損失が低減される。また、巻鉄心の断面形状を楕円形とすることで、鉄心が小形化され、鉄心で発生する無負荷損失を抑制することができる。これにより、全損失を低減し、静止誘導機器の効率を向上させることができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本発明の第1の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図。
本発明の第1の実施例における三相三脚型静止誘導機器の磁脚の断面拡大図。
本発明の第1の実施例における三相三脚型静止誘導機器の鉄心を構成する磁性材料の幅と積層枚数の関係を示す図。
本発明の第2の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図。
本発明の第1および第2の実施例における三相三脚型静止誘導機器の磁脚断面形状と相対損失の関係を示す図。
従来例の三相三脚型変圧器の寸法の相対値の一例を表す表。
本発明の第3の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図。
本発明の第4の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図。
従来の三相三脚型静止誘導機器の断面図。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。
【実施例】
【0014】
図1は本発明の第1の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図であり、同図(a)は縦断面図を、同図(b)は図(a)中の線A−A’に沿った横断面図を示す。本実施例の構成と特徴を、図9に示した従来の三相三脚型静止誘導機器の断面図と比較しながら説明する。
【0015】
図9(a)は従来の三相三脚型静止誘導機器の縦断面図、同図(b)は図(a)中の線A−A’に沿った横断面図である。方向性珪素鋼板、アモルファス合金、ナノ結晶合金等の薄板状磁性材料を略矩形に巻いて成形した2個の内側巻鉄心12と、その外周に備えた1個の外側巻鉄心11からなる三相三脚型巻鉄心と、該巻鉄心の3本の磁脚に巻回した、U相、V相、W相の巻線21,22,23から構成される。なお、該静止誘導機器がリアクトルの場合、上記巻線21,22,23はそれぞれ1つの巻線から構成される。また、該静止誘導機器が変圧器の場合、上記巻線21,22、23は、それぞれが一次巻線と二次巻線の2つの巻線から構成される。
【0016】
従来例の三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心12と外側巻鉄心11はともに、幅2bsの薄板状磁性材料を厚さがasとなるまで積層し、略矩形に成形される。その結果、該三相三脚型巻鉄心の断面形状は、断面積が2as×2bsの矩形となり、その周囲に巻回される巻線21,22,23の断面形状も略矩形となる。なお、図9(a)では、該三相三脚型巻鉄心の窓の幅をW1、窓の高さをW2と定義している。図9(b)中に破線で示したのは、U相巻線21の平均周長であり、その長さをLと定義している。上記巻鉄心の断面積が一定の場合、その断面形状を円形とすれば、巻線の平均周長Lは最小となり、該巻線で発生する負荷損失を最小とすることができる。一方、該巻鉄心の断面形状を円形とすると、鉄心が大形化し、鉄心で発生する無負荷損失が従来例に比べて増加する。
【0017】
そこで図1に示した本実施例では、三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心12の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に大きくしつつ積層し、外側巻鉄心11の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に小さくしつつ積層する。本図は、該三相三脚型巻鉄心の三相の磁脚部の断面形状が、長軸b、短軸aの楕円形状とした例を示している。なお、図1(a)では、該三相三脚型巻鉄心の窓の幅W1と窓の高さをW2は、図9(a)に示した従来例と同一と定義している。ここで、本実施例の三相三脚型巻鉄心の断面積はπ×a×b(πは円周率)と表わされるが、この面積は従来例の断面積2as×2bsと同一とする。本構成により、巻線の断面形状も楕円形状となり、その平均周長Lは従来例に比べて短縮され、巻線の重量が軽減されると同時に、静止誘導機器の負荷損失を低減することができる。また、該巻鉄心の断面形状を楕円形とすることで、円形とした場合に比べて鉄心が小形化され、鉄心で発生する無負荷損失を抑制することができる。そのため、負荷損失と無負荷損失とを合わせたトータルの損失(全損失)を低減し、静止誘導機器の効率を向上させることができる。
【0018】
図2は、本実施例の三相三脚型静止誘導機器の1つの磁脚の断面図と、その1/4の領域の拡大図の概略を示したものであり、図3は、この領域の薄板状磁性材料の幅と、各幅の磁性材料の積層枚数の関係を示した概略図である。薄板状磁性材料13は、図2の拡大図の最右端で幅2×b1を持ち、その内側で2×b2(b2>b1)、さらにその内側で2×b3(b3>b2)の幅を持ち、最も内側の磁性材料は最大の幅2×bkを持つ。ここで、図3に示したように、幅2×b1,2×b2,・・・,2×bkの磁性材料の積層枚数を順次増やす構成とすることにより、図2に示した、鉄心断面の外接図形14は外側に凸の曲線となる。ここで、外側に凸の曲線とは、曲線の2点間を直線で結んだとき、曲線が常に直線よりも外側にあることを言う。
【0019】
本構成により、鉄心の外周に巻回される巻線の平均周長を従来構成より短縮でき、静止誘導電器の負荷損失が低減される効果が得られる。すなわち、図1に示した、鉄心の断面形状を楕円形とした構成はひとつの例に過ぎず、図2および図3を使って説明した、巻鉄心の断面の外接図形が外側に凸な曲線となるという条件を満たす断面形状とすることにより、本発明の効果は同様に得られる。
【0020】
さらに、本構成により三相三脚型巻鉄心の磁脚に巻回される巻線の外形が外側に凸な曲線で構成されるため、巻線を流れる交流電流により作用する応力(外側に拡がろうとするローレンツ力)が低減され、鉄心と巻線を固定する部品類を減量することができ、静止誘導機器の材料コスト、および該部品類で発生する漂遊損失が低減される効果も得られる。
【実施例】
【0021】
図4は本発明の第2の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図であり、同図(a)は縦断面図を、同図(b)は図(a)中の線A−A’に沿った横断面図を示す。なお、本実施例でも、図4(a)に示した三相三脚型巻鉄心の窓の幅W1と窓の高さをW2は、図9(a)に示した従来例、および図1(a)に示した第1の実施例と同一と定義している。
【0022】
本実施例では、三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心12の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に大きくしつつ厚さがaになるまで積層し、外側巻鉄心11の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に小さくしつつ厚さがa’になるまで積層する。ここで、該内側鉄心12と該外側鉄心11の積層厚さは、a>a’なる関係とする。本図では、三相の磁脚のうち、楕円形状の中央のV相磁脚の断面積はπ×a×b(πは円周率)と表わされ、左右の短軸長が異なる楕円形状となる両端のU相、およびW相磁脚の断面積はπ×b×(a+a’)/2と表わされる。本実施例では、前記のU相、およびW相磁脚の断面積を、図9に示した従来例の磁脚の断面積2as×2bsと同一とする。よってV相磁脚の断面積は、前記従来例の磁脚の断面積より大きくなる。
【0023】
本構成により、巻線の断面形状も楕円形状となり、U相巻線21とW相巻線23の平均周長L1、およびV相巻線22の平均周長L2はともに従来例に比べて短縮され、静止誘導機器の負荷損失を低減することができる。さらに、V相磁脚の断面積が増えることにより該磁脚内の磁束密度が低減し、両端のU相、およびW相磁脚内の磁束密度とほぼ同一とすることができる。この作用により、鉄心全体で平均した無負荷損失密度が低減される効果も得られる。以上の2つの効果により、静止誘導機器の効率を向上させることができる。
【0024】
次に、実施例1および実施例2の効果についての計算結果を、図5を使って説明する。図6は、図9の従来例の構造を持つ500kVA三相変圧器において、巻鉄心11、および12の積層厚さasを1としたときの各部の寸法の相対値の一例である。また、該三相変圧器の無負荷損失と、負荷率40%における負荷損失の比率を1:2.2とする。
【0025】
まず、実施例1における三相磁脚の断面積π×a×bを従来例の磁脚の断面積2as×2bsと同一とし、楕円形断面の長軸bに対する短軸aの比率(楕円率)a/bを0.3から1.0の範囲内で変化させて、三相変圧器の無負荷損失と負荷損失の合計値である全損失Wtを計算した。このとき、任意のa/bにおける三相三脚型巻鉄心の体積と、巻線の平均周長Lを計算して、従来例の計算値からの相対変化量を求めた。実施例1の三相変圧器の無負荷損失は鉄心の体積に比例し、負荷率40%における負荷損失は巻線の平均周長Lに比例すると仮定した。図5中の曲線32は、三相三脚型巻鉄心の楕円形状断面におけるa/bと、全損失Wtの相対値の関係の計算結果である。31は従来例の全損失Wtの相対値100%を示す。曲線32は、a/b=0.6で極小値95.5%を持つ略放物線を呈し、鉄心の断面形状をこの条件に合致する楕円形状とすることで、全損失Wtを従来例の三相変圧器より4.5%低減することができる。また、a/bが0.4から0.85の範囲内であれば、実施例1の三相変圧器の全損失Wtを、従来例より3.5%以上低減することができる。なお、図5において、楕円率a/bが1.0、すなわち円に近づくと負荷損失が減少し、無負荷損失が増加すると共に、楕円率a/bが0.2に近づくと負荷損失が増加し、無負荷損失が減少する。そして、楕円率a/bが0.6付近で負荷損失と無負荷損失を合わせた全損失が極小となる。
【0026】
次に、実施例2におけるU相、およびW相磁脚の断面積π×b×(a+a’)/2を従来例の磁脚の断面積2as×2bsと同一とし、V相磁脚の断面積π×a×bを前記従来例の磁脚の断面積より5%大きくした場合について、楕円形断面の長軸bに対する短軸aの比率a/bが0.5のときの三相変圧器の無負荷損失と負荷損失の合計値である全損失Wtを計算した。なお、該条件におけるa’は、aの0.9倍である。図5中の33が、該条件における計算値であり、三相変圧器の無負荷損失が低減する効果により、実施例1の計算結果32より全損失Wtの低減効果が大きくなる。
【実施例】
【0027】
図7は本発明の第3の実施例を示す、三相三脚型静止誘導機器の断面図であり、同図(a)は縦断面図を、同図(b)は図(a)中の線A−A’に沿った横断面図を示す。なお、本実施例でも、図7(a)に示した三相三脚型巻鉄心の窓の幅W1と窓の高さをW2は、図9(a)に示した従来例、図1(a)に示した第1の実施例、および図4(a)に示した第2の実施例と同一と定義している。
【0028】
本実施例では、三相三脚型巻鉄心を構成する内側巻鉄心12の薄板状磁性材料の幅を、内側から外側に向かって断続的に大きくしつつ厚さがaになるまで積層し、外側巻鉄心11の薄板状磁性材料の幅を2bで一定とし、厚さがa’’になるまで積層する。ここで、該内側巻鉄心12の断面積をSin(=π×a×b/2)、該外側巻鉄心11の断面積をSout(=2×a’’×b)としたとき、Sin≧Soutなる関係とする。本実施例では、三相の磁脚のうち、断面が半楕円形と矩形を組み合わせた形状となる両端のU相、およびW相磁脚の断面積Sin+Soutを、図9に示した従来例の磁脚の断面積2as×2bsと同一とする。三相の磁脚のうち、断面が楕円形状の中央のV脚の断面積2×Sinは、前記従来例の磁脚の断面積以上となる。
【0029】
本構成においてSin=Soutなる条件では、U相巻線21とW相巻線23の平均周長L1、およびV相巻線22の平均周長L2はともに従来例に比べて短縮され、静止誘導電器の負荷損失が低減される効果が得られる。また、Sin>Soutなる条件においては上記の効果に加えて、V相磁脚の断面積が増え、該磁脚内の磁束密度が低減し、両端のU相、およびW相磁脚内の磁束密度とほぼ同一とすることができる。この作用により、鉄心全体で平均した無負荷損失密度が低減される効果も得られる。以上の2つの効果により、静止誘導機器の効率を向上させることができる。
【0030】
また、外側巻鉄心11は、同一幅の従来の巻鉄心と同様であるので、外側巻鉄心11の巻き付け作業が簡単になる。
【実施例】
(【0031】以降は省略されています)

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