(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの鉄心脚を対向して配置し、前記鉄心脚の上部及び下部の継鉄部で連結し、各鉄心脚には一次巻線及び二次巻線を同心状に巻回し、これら一次巻線及び二次巻線をそれぞれ並列または直列接続した単相変圧器において、
一方の前記鉄心脚には前記一次巻線を外周側に、前記二次巻線を内周側にそれぞれ巻回し、
前記他方の鉄心脚には前記一次巻線を内周側に、前記二次巻線を外周側にそれぞれ巻回し、
さらに、二つの前記鉄心脚中に形成される主磁束の方向が互いに逆向きになり、
前記外周側の前記一次巻線と、前記外周側の前記二次巻線とを流れる電流の方向が、互いに逆向きとなるように構成したことを特徴とする単相変圧器。
【請求項２】
前記一次巻線を直列巻線とし、前記二次巻線を分路巻線として単巻変圧器としたことを特徴とする請求項１記載の単相変圧器。
【請求項３】
前記一次巻線また前記は二次巻線もしくはその両方を２つ以上に分割し、
分割した巻線は前記鉄心脚の内側から外側へ交互に巻回したことを特徴とする請求項１または２に記載の単相変圧器。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の単相変圧器を用いたことを特徴とする配電系統。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二脚鉄心を採用した場合の巻線の配置及び巻方向に改良を施した単相変圧器及びそれを用いた配電系統に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、新幹線などの交流き電系統では、き電線側に生じる電圧降下の補償対策が重要である。そのため、交流き電の電圧補償システムに関しては様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１）。このようなシステムにおいて、単相変圧器は基本的な構成要素であり、高い信頼性が求められている。
【０００３】
以下、二脚鉄心を採用した単相変圧器の従来例について、図８、図９を用いて説明する。図８は従来の単相変圧器の断面図、図９は図８のＡ−Ａ断面図である。図８に示すように、単相変圧器には第１の鉄心脚１及び第２の鉄心脚２が互いに対向して配置されている。
【０００４】
これら鉄心脚１、２は、その上部及び下部が継鉄部で連結されている。第１の鉄心脚１及び第２の鉄心脚２にはそれぞれ、まず二次巻線３ａ、３ｂが巻回され、さらにその外周に一次巻線４ａ、４ｂが同心状に巻回されている。つまり、鉄心脚１、２から見て、外周側に一次巻線４ａ、４ｂが巻かれ、内周側に二次巻線３ａ、３ｂが巻かれている（図９参照）。これらの巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂはそれぞれ、並列あるいは直列に接続して構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−８１３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、単相変圧器の二次側で短絡が生じると、通常時に流れる定格電流の数倍から十数倍もの大きさの短絡電流が巻線に流れる。そのため、巻線には強大な電磁力が発生し、巻線に対する機械力が増大する。既に述べたように、従来の単相変圧器では、一次巻線４ａ、４ｂ及び二次巻線３ａ、３ｂを同心状に構成している。
【０００７】
この場合、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂに発生する電磁力の方向としては、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの半径方向に対し、内側の二次巻線３ａ、３ｂでは内側へ向かい、外側の一次巻線４ａ、４ｂでは外側へ向かうことになる。これら巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの半径方向への電磁力（以下、半径方向電磁力）の大きさは、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂと鎖交する軸方向漏れ磁束の密度に比例する。
【０００８】
すなわち、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの軸方向漏れ磁束が、巻線周方向に均等に分布しているのであれば、半径方向電磁力も巻線周方向に均等である。したがって、短絡電流の発生に伴って半径方向電磁力が増大したとしても、この力は巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂに対して均等に作用する。そのため、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの円形状態を変形させ易い機械力が、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂに加わる心配はない。
【０００９】
しかしながら、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの軸方向漏れ磁束が、巻線周方向に偏っていると、半径方向電磁力にも偏りを生じる。この場合には、短絡電流が発生すると、強い半径方向電磁力が巻線の半径方向に不均一に働き、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの円形状態を変形させ易い、斜め方向の機械力が巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂに加わってしまう。
【００１０】
この点に関して、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０では、上記の図８、図９に示した単相変圧器において、電流方向と漏れ磁束を示している。図１０に示すように、二次巻線３ａ、３ｂ中には二次電流６ａ、６ｂが流れ、一次巻線４ａ、４ｂ中には一次電流７ａ、７ｂが流れている。各電流の方向は白抜きの矢印及び丸で囲まれたクロス（×）またはドット（・）にて表す。
【００１１】
二次電流６ａ及び一次電流７ａによって漏れ磁束８ａが発生し、二次電流６ｂ及び一次電流７ｂによって漏れ磁束８ｂが発生する。漏れ磁束８ａ、８ｂは斜線入りの矢印にて示している。ここで、鉄心脚１、２に対する一次巻線４ａ、４ｂと二次巻線３ａ、３ｂの内外の位置関係は、二つの鉄心脚１、２において同一である。
【００１２】
このように、一次側と二次側との位置関係が等しいコイル同士が対向したとき、これらコイル同士が対向する場所の近傍では、漏れ磁束８ａと漏れ磁束８ｂとは、互いに同じものとなる。したがって、コイル同士が向かい合う場所における漏れ磁束８ａ、８ｂの磁路長は、他の場所の漏れ磁束８ａ、８ｂの磁路長に比べて、実質的に半分となる。
【００１３】
そのため、コイル同士が対向する場所近傍では、他の場所と比べて、磁気抵抗も１／２になる。この結果、図１１に示すごとく、磁気抵抗が小さい箇所つまりコイル同士が向かい合う場所では漏れ磁束８ａ、８ｂの密度が高くなり（図１１の一点鎖線で囲んだＡ部分）、それ以外の場所では漏れ磁束８ａ、８ｂの密度は低くなる（図１１の二点鎖線で囲んだＢ部分）。
【００１４】
以上述べたように、二組のコイルにおいて、一次側と二次側との位置関係が等しい場合、コイル同士の向かい合う場所と、それ以外の場所とでは、漏れ磁束８ａ、８ｂの密度に違いがある。したがって、漏れ磁束８ａ、８ｂの密度に比例する内側半径方向電磁力は、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの半径方向に偏って作用することになる。
【００１５】
特に、鉄心脚の外周側に位置する巻線では、外側半径方向電磁力を巻線の導体に生じる引張応力でのみ耐える必要がある。このため、外側半径方向電磁力が巻線の周方向に偏って強く作用すれば、外周側に位置する巻線は円形状態を保つことが困難となり、巻線が変形する原因となっていた。
【００１６】
本発明は、かかる従来の事情に鑑みて提案されたものであって、その目的は、軸方向漏れ磁束の分布を巻線の周方向に均等化して、変圧器の二次短絡時に生じる半径方向電磁力を巻線の周方向に均等にすることで巻線の変形を防止し、これにより耐短絡機械力の向上を図って、信頼性の高い単相変圧器及びそれを用いた配電系統を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明に係る単相変圧器は、二つの鉄心脚を対向して配置し、前記鉄心脚の上部及び下部の継鉄部で連結し、各鉄心脚には一次巻線及び二次巻線を同心状に巻回し、これら一次巻線及び二次巻線をそれぞれ並列または直列接続した単相変圧器において、一方の前記鉄心脚には前記一次巻線を外周側に、前記二次巻線を内周側にそれぞれ巻回し、前記他方の鉄心脚には前記一次巻線を内周側に、前記二次巻線を外周側にそれぞれ巻回し、さらに、二つの前記鉄心脚中に形成される主磁束の方向が互いに逆向きになり、前記外周側の前記一次巻線と、前記外周側の前記二次巻線とを流れる電流の方向が、互いに逆向きとなるように構成したことを特徴とする。
【００１８】
以上の構成を有する本発明では、漏れ磁束の巻線周方向分布を決定する磁気抵抗の値は、巻線の周方向で均等になる。したがって、軸方向漏れ磁束密度に比例する半径方向電磁力もまた、巻線の周方向で均等化される。これにより、変圧器の二次側で短絡が発生して半径方向電磁力が増大しても、この電磁力が巻線の周方向に偏って作用することはなく、外周側に位置する巻線の円形状態が変形するおそれがない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、軸方向漏れ磁束の分布を巻線の周方向に均等化することにより、変圧器の二次側で短絡が発生した場合でも、生じる強力な半径方向電磁力を巻線の周方向に均等に作用させて、耐短絡機械力の向上を図って巻線の変形を防止することができ、信頼性を高めた単相変圧器及びそれを用いた配電系統を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の断面図。
【図２】第１の実施形態における巻線の巻回状況を示す説明図。
【図３】第１の実施形態の断面図（電流の方向と漏れ磁束を含む）。
【図４】第１の実施形態において漏れ磁束の周方向分布を示す平面図。
【図５】本発明に係る第２の実施形態の断面図。
【図６】第２の実施形態の断面図（電流の方向と漏れ磁束を含む）。
【図７】第２の実施形態において漏れ磁束の周方向分布を示す平面図。
【図８】従来の単相変圧器の断面図。
【図９】図８のＡ−Ａ断面図。
【図１０】従来の単相変圧器の断面図（電流の方向と漏れ磁束を含む）。
【図１１】従来の単相変圧器において漏れ磁束の周方向分布を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（１）第１の実施形態
［構成］
以下、本発明に係る第１の実施形態について、図１〜図４を参照して具体的に説明する。第１の実施形態は、新幹線などの交流き電系統に用いられる単相変圧器に適用されている。
【００２２】
図１は第１の実施形態を示す鉄心と巻線の断面図、図２は巻線の巻回状況を示す説明図、図３は第１の実施形態における電流の方向を示す断面図、図４は第１の実施形態における漏れ磁束の周方向の分布を示す平面図である。なお、図８〜図１１にて示した従来例と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。
【００２３】
第１の実施形態の構成上の特徴は次の点にある。すなわち、第１の鉄心脚１では外周側に一次巻線４ａが、内周側に二次巻線３ａがそれぞれ巻回されている。また、第２の鉄心脚２では第１の鉄心脚１の配置とは反対に、内周側に一次巻線４ｂが、外周側に二次巻線３ｂがそれぞれ巻回されている。
【００２４】
図１中において二重丸で囲まれたクロス（×）及びドット（・）は、各巻線の端子Ｕ（またはｕ）から端子Ｖ（またはｖ）へ向かう巻方向を示しており、図１に示した一次巻線４ａ、４ｂの巻方向を模式的に表現すると図２のようになる。
【００２５】
図１及び図２から判るように、第１の鉄心脚１に巻回した二次巻線３ａ、一次巻線４ａと、第２の鉄心脚２に巻回した二次巻線３ｂ、一次巻線４ｂでは、その巻方向が二つの鉄心脚１、２で逆にしてある。これは、第１の鉄心脚１中に誘起する主磁束５ａの向きと、第２の鉄心脚２中に誘起する主磁束５ｂの向きを、互いに上下逆にすることで、鉄心脚１、２からなる鉄心中に主磁束５ａ、５ｂを循環させるためである。なお、一次巻線４ａ、４ｂ及び二次巻線３ａ、３ｂ中に流れる一次電流７ａ、７ｂ及び二次電流６ａ、６ｂは、互いのアンペアターンを打ち消す方向に流れるようになっている。
【００２６】
［作用効果］
以上の構成を有する第１の実施形態の作用効果は次の通りである。図３では図２の構成における巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ中の電流の方向を示している。ここでは、前記図１０と同様、各電流６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂの方向は白抜きの矢印及び丸で囲まれたクロス（×）またはドット（・）にて表し、漏れ磁束８ａ、８ｂは斜線入りの矢印にて表している。
【００２７】
第１の実施形態では、鉄心脚１、２における一次巻線４ａ、４ｂと二次巻線３ａ、３ｂの内外の位置関係が反対である。このため、コイル同士が対向する場所つまり鉄心脚１、２から見て最外周に位置する一次巻線４ａ及び二次巻線３ｂの近傍では、図１０に示した従来例と異なり、漏れ磁束８ａと漏れ磁束８ｂとは相違している。
【００２８】
したがって、漏れ磁束８ａ、８ｂの磁路長は、コイル同士が向かい合う場所あっても、他の場所のそれと変わりがなく、磁気抵抗も同じである。この結果、図４に示すように、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの全周において磁気抵抗が均等であり、漏れ磁束８ａ、８ｂは図４に示すように巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの周方向に対し均等に分布することになる。
【００２９】
すなわち、第１の実施形態においては、軸方向磁束密度を巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの周方向に均等化することができ、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂに発生する内側半径方向電磁力及び外側半径方向電磁力は均等になる。そのため、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂへ作用する機械力が、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂを変形させる心配がない。
【００３０】
特に、鉄心脚１の外周側に位置する一次巻線４ａ及び鉄心脚２の外周側に位置する二次巻線３ｂは、外側半径方向電磁力を各巻線４ａ、３ａの導体に生じる引張応力でのみ耐えなくてならないが、電磁力は均等に発生するので、巻線４ａ、３ａが円形状態から変形するおそれがない。以上のように、第１の実施形態によれば、変圧器の二次側で短絡が生じても、巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの変形を確実に防止することができ、耐短絡機械力を向上させて、高い信頼性を得ることができる。
【００３１】
（２）第２の実施形態
［構成］
続いて、本発明に係る単相変圧器の第２の実施形態について、図５〜図７を参照して具体的に説明する。図５は第２の実施形態を示す鉄心と巻線の断面図、図６は第２の実施形態における電流の方向を示す断面図、図７は第２の実施形態における漏れ磁束の周方向の分布を示す平面図である。なお、図１〜図４ならびに図８〜図１１にて示した部材と同一の部材に関しては同一符号を付している。
【００３２】
第２の実施形態では、一次巻線４ａ、４ｂまたは二次巻線３ａ、３ｂもしくは両巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが２つ以上に分割され、さらに、分割した各巻線３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは、鉄心脚１、２の内周側から外周側へ交互に巻回するように構成されている。
【００３３】
図５に示した例では、第１の鉄心脚１の二次巻線３ａと、第２の鉄心脚２の一次巻線４ｂが二分割されている。そして、第１の鉄心脚１では内周側から外周側に向かって、二次巻線３ａ、一次巻線４ａ、二次巻線３ａの順番で巻かれている。また、第２の鉄心脚２では内周側から外周側に向かって、一次巻線４ｂ、二次巻線３ｂ、一次巻線４ｂの順番で巻かれている。
【００３４】
［作用効果］
以上の構成を有する第２の実施形態では、鉄心脚１、２から見て最外周に位置する二次巻線３ａ及び一次巻線４ｂの近傍では、漏れ磁束８ａ、８ｂは図６に示すように、互いに異なっており、漏れ磁束８ａ、８ｂの周方向分布は均等化する（図７参照）。このため、分割した巻線から構成される単相変圧器において、上記第１の実施形態と同様の作用効果を獲得することができる。
【００３５】
（３）他の実施形態
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、各部材の形状などは適宜変更可能である。例えば、本発明は、直列巻線及び分路巻線を有する単巻変圧器にも適用可能である。
【００３６】
すなわち、一次巻線と二次巻線の共通部分ではない直列巻線は、一方の鉄心脚では外周側に、他方の鉄心脚では内周側に巻回する。また、一次巻線と二次巻線の共通部分である分路巻線は、一方の鉄心脚では内周側に、他方の鉄心脚では外周側に巻回する。さらに、二つの鉄心脚中の主磁束の方向を互いに逆向きとする。このような実施形態では、き電系統における変圧器として好適な単巻変圧器において、上記第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３７】
さらには、単巻変圧器とした実施形態の変形例として、直列巻線または分路巻線もしくは両巻線を２つ以上に分割し、分割した各巻線を鉄心脚の内側から外側へ交互に巻回しても良い。なお、巻線の分割数は適宜変更可能であり、分割する対象は一次巻線だけ、または二次巻線だけでは良いし、あるいは両方とも分割して構成しても良い。
【符号の説明】
【００３８】
１…第１の鉄心脚
２…第２の鉄心脚
３ａ、３ｂ…二次巻線
４ａ、４ｂ…一次巻線
５ａ、５ｂ…主磁束
６ａ、６ｂ…二次電流
７ａ、７ｂ…一次電流
８ａ、８ｂ…漏れ磁束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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