(57)【要約】【課題】小型、軽量化を達成する変圧器を提供する。【解決手段】軸方向（Ａ１）に巻かれた一次側の第１の巻線（１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）と、軸方向（Ａ１）に第１の巻線（１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）と共に巻かれる二次側の第２の巻線（１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）を有するコイル（１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ）を有し、第２の巻線（１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）はコイル（１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ）の軸方向（Ａ１）において第１の巻線（１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）同士の間に配置され、第１の巻線（１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）および第２の巻線（１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）はコイル（１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ）の径方向（Ｒ１）位置について一致する。【選択図】図２
2014022526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に巻かれた一次側の第１の巻線と、前記軸方向に前記第１の巻線と共に巻かれる二次側の第２の巻線を有するコイルを有し、
前記第２の巻線は前記コイルの軸方向において前記第１の巻線同士の間に配置され、
前記第１の巻線および第２の巻線は前記コイルの径方向位置について一致する変圧器。
【請求項２】
前記コイルと直列に配置された別のコイルを有し、
前記別のコイルの巻線は前記コイルの軸方向へ巻かれると共に前記第２巻線と電気的に直列に接続した請求項１に記載の変圧器。
【請求項３】
前記第２の巻線の一部は前記コイルの軸方向に前記第１の巻線同士の間に配置され、前記第２の巻線の他部は前記コイルの軸方向に単独で巻かれた請求項１又は２に記載の変圧器。
【請求項４】
前記コイルの軸方向へ前記第１の巻線および第２の巻線と共に巻かれると共に前記軸方向において前記第１の巻線と第２の巻線の間に配置された第３の巻線を有し、
第３の巻線は前記第２の巻線と電気的に直列に接続した請求項１又は３の何れか１つに記載の変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、交流電車に適用される変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器は、入力側の一次コイルおよび出力側の２次コイルを有する。そして、一次コイルに交流電流を流し、相互誘導により、二次コイルに交流電圧を生じさせ、出力させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記変圧器は、別々に配置された一次コイルおよび二次コイルを有し、一次コイルおよび二次コイルに共通のコア（鉄心）を有するので、装置構成は大型となり、重量も大きくなった。
【０００４】
また、コア（鉄心）が存在すると、鉄損が生じてしまうという問題も生じうる。
【０００５】
さらに、コア（鉄心）が存在した状態において直流が重畳した場合、コア（鉄心）が飽和してしまい定格電流を流せなくなってしまうことがあり、加えて、コア（鉄心）が飽和してしまうと、事故時に高いインダクタンスを保つことができないことも懸念されている。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みなされたものであり、小型、軽量化を達成することが出来るとともに、鉄損が生じることがなく、いわゆる飽和状態となることがなく、よって当該飽和状態になってしまうことに起因する問題が生じ得ない、新たな変圧器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、符号を付して本発明の特徴を説明する。なお、符号は参照のためであり、本発明を実施形態に限定するものでない。
【０００８】
本発明に係わる変圧器（１０、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）は、軸方向（Ａ１）に巻かれた一次側の第１の巻線（１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）と、軸方向（Ａ１）に第１の巻線（１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）と共に巻かれる二次側の第２の巻線（１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）を有するコイル（１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ）を有し、第２の巻線（１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）はコイル（１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ）の軸方向（Ａ１）において第１の巻線（１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）同士の間に配置され、第１の巻線（１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）および第２の巻線（１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）はコイル（１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ）の径方向（Ｒ１）位置について一致する。
【０００９】
以上において、コイル（１２Ｄ）と直列に配置された別のコイル（１２Ｅ）を有し、別のコイル（１２Ｅ）の巻線（１６、１７）はコイル（１２）の軸方向（Ａ１）へ巻かれると共に第２の巻線（１４Ｄ）と電気的に直列に接続した。第２の巻線（１４Ｂ）の一部（１４Ｂ１）はコイル（１２Ｂ）の軸方向（Ａ１）に第１の巻線（１３Ｂ）同士の間に配置され、第２の巻線（１４Ｂ）の他部（１４Ｂ２）はコイル（１２Ｂ）の軸方向（Ａ１）に単独で巻かれた。
【００１０】
コイル（１２Ｃ）の軸方向（Ａ１）へ第１の巻線（１３Ｃ）および第２の巻線（１４Ｃ）と共に巻かれると共に軸方向（Ａ１）において第１の巻線（１３Ｃ）と第２の巻線（１４Ｃ）の間に配置された第３の巻線（１５Ｃ）を有し、第３の巻線（１５Ｃ）は第２の巻線（１４Ｃ）と電気的に直列に接続した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の変圧器によれば、その構成としてコア（鉄心）を有していないため、当該コアの分だけ、変圧器の小型・軽量化を達成することができる。また、コア（鉄心）を有していないため、鉄損が発生することはない。さらに、コア（鉄芯）を有していないので、これが飽和状態となることがなく、したがって、飽和状態となることに起因する種々の問題、例えば定格電流を流すことができなくなる問題や事故時に高いインダクタンスが保てなくなる問題が生じることがない。
【００１２】
また、本発明の変圧器は、コイルの巻線の配置により、磁束の漏れを減少させることができ、高効率の変圧器を実現することがする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る交流電車の概要図である。
【図２】図１に示す変圧器の概要構成図である。
【図３】図２に示す変圧器の等価回路図である。
【図４】図２に示すコイルの概要図である。
【図５】変形形態に係わるコイルの概要図である。
【図６】第２の実施形態に係わる変圧器の概要構成図である。
【図７】図６に示す変圧器の等価回路図である。
【図８】第３の実施形態に係わる変圧器の概要構成図である。
【図９】図８に示す変圧器の等価回路図である。
【図１０】図８に示すコイルの概要図である。
【図１１】第４の実施形態に係わる変圧器の概要構成図である。
【図１２】図１１に示すコイルの概要構成図である。
【図１３】第５の実施形態に係わる変圧器の概要構成図である。
【図１４】図１３に示す変圧器の等価回路図である。
【図１５】図１３に示すコイルの概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
第１の実施形態
図１に示すように、交流電車１００は、パンタグラフＰ１を介在して架線Ｔ１と電気的に接続した変圧器１０と、変圧器１０と電気的に接続した交流直流コンバータ２０と、交流直流コンバータ２０と電気的に接続したインバータ３０と、インバータ３０と電気的に接続したモータ４０を有する。
【００１６】
図２に示すように、変圧器１０は、交流電圧よって作動されるコイル１２を有する。コイル１２は、パンタグラフＰ１と接続した第１のリアクトルとしての第１の巻線１３と、交流直流コンバータ２０と接続した第２のリアクトルとしての第２の巻線１４を有する。図３に示すように、第１の巻線１３は変圧器１０の一次側（入力側）に設定され、第２の巻線１４は変圧器１０の二次側（出力側）に設定される。
【００１７】
図４に示すように、第１の巻線１３および第２の巻線１４は、コイル１２の軸方向Ａ１に螺旋状に巻かれ、１巻毎に軸方向Ａ１に隣り合うように交互に配置される。すなわち、第１の巻線１３はコイル１２の軸方向Ａ１に第２の巻線１４同士の間に並列に配置される。第２の巻線１４はコイル１２の軸方向Ａ１において第１の巻線１３同士の間に並列に配置される。第１の巻線１３および第２の巻線１４はコイル１２の径方向Ｒ１の位置について一致する。この構成により、コイル１２の径方向Ｒ１の大きさは減少する。
【００１８】
なお、図５に示すコイル１２Ａを用いてもよい。すなわち、コイル１２Ａは、軸方向Ａ１に２巻毎に交互に並列に配置した第１の巻線１３Ａおよび第２の巻線１４Ａを有する。さらに、第１の巻線および第２の巻線は、３巻又は４巻以上毎に交互に配置してもよい。また、第１の巻線および第２の巻線のそれぞれの巻数を任意に設定し、交互に配置してもよい。
【００１９】
次に、交流電車１００の動作について説明する。
【００２０】
図１に示すように、交流電圧が架線Ｔ１からパンタグラフＰ１を経由して変圧器１０に入力される。変圧器１０は、例えば、２００００Ｖの交流電圧を１０００Ｖに変圧する。変圧した交流電圧は交流直流コンバータ２０によって、例えば、１５００Ｖの直流電圧に変換される。変換した直流電圧はインバータ３０によってそれぞれ１２０°位相の異なる３相交流電圧に変換される。インバータ３０は３相交流電圧によってモータ４０を駆動する。モータ４０は交流電車１００の車輪と接続した輪軸を回転させる。
【００２１】
ここで、図２に示すように、交流電圧を一次側の第１の巻線１３に加えると、第１の巻線１３は逆起電力を生じさせ、コイル１２の軸方向Ａ１に磁束を生成する。第１の巻線１３による磁束は、第２の巻線１４に相互誘導による誘導起電力を生じさせる。
【００２２】
このとき、第１の巻線１３と第２の巻線１４とは共通の磁路を有するので、磁束の漏れを減少させ、効率的な相互誘導を達成する。
【００２３】
以上の実施形態によれば、コイル１２は、第１の巻線１３と第２の巻線１４との配置により、磁束の漏れを減少させ、高効率の変圧器１０を実現する。これにより、コイル１２の軸方向Ａ１の長さ、つまり、第１および第２の巻線１３、１４の巻数を減少させ、変圧器１０の小型化、軽量化を達成する。
【００２４】
第２の実施形態
図６と図７は、前記第１の実施形態と配線が異なる第２の実施形態である。
【００２５】
図６に示すように、二次側（出力側）である第２の巻線１４の先端Ｘと一次側（入力側）である第１の巻線１３の先端Ｙとを接続することにより、いわゆる単巻変圧器とすることができ、例えば単相３線のバランサとして使用することが可能となる。この場合の等価回路図は図７に示す通りである。
【００２６】
第３の実施形態
図８、９、１０に示すように、変圧器１０Ｂのコイル１２Ｂでは、例えば、二次側の第２の巻線１４Ｂは一次側の第１の巻線１３Ｂの巻数の２倍の巻数を有する。一次側の第１の巻線１３Ｂと二次側の第２の巻線１４Ｂの巻数の半分にあたる第１の部位１４Ｂ１は１巻毎に交互に巻かれる。また、第２の巻線１４Ｂの残り半分の巻数にあたる第２の部位１４Ｂ２は、軸方向Ａ１に単独で巻かれ、第１の巻線１３Ｂと直列に配置される。第１の巻線１３Ｂと第２の巻線１４Ｂとは径方向Ｒ１の位置について一致する。
【００２７】
この変圧器１０Ｂによれば、第１の巻線１３Ｂは交流電圧により逆起電力および磁束を生じさせる。第１の巻線１３Ｂによる磁束は、相互誘導により第２の巻線１４Ｂの第１の部位１４Ｂ１のみならず第２の部位１４Ｂ２にも誘導起電力を生じさせる。これにより、より高効率の変圧器１０Ｂを実現する。
【００２８】
第４の実施形態
図１１、１２に示すように、変圧器１０Ｃのコイル１２Ｃは、一次側の第１の巻線１３Ｃと、二次側の第２の巻線１４Ｃ、第３の巻線１５Ｃを有する。第２の巻線１４Ｃと第３の巻線１５Ｃとは電気的に直列に接続され、さらに、交流直流コンバータ２０に電気的に接続される。
【００２９】
第１の巻線１３Ｃ、第２の巻線１４Ｃ、第３の巻線１５Ｃは、コイル１２Ｃの軸方向Ａ１に螺旋状に巻かれる。第１の巻線１３Ｃは、軸方向Ａ１に第２の巻線１４Ｃと第３の巻線１５Ｃとの間に並列に配置される。第２の巻線１４Ｃは、軸方向Ａ１に第１の巻線１３Ｃと第３の巻線１５Ｃとの間に並列に配置される。第３の巻線１５Ｃは、軸方向Ａ１に第２の巻線１４Ｃと第１の巻線１３Ｃとの間に並列に配置される。第１の巻線１３Ｃ、第２の巻線１４Ｃ、第３の巻線１５Ｃは、コイル１２Ｃの径方向Ｒ１の位置について一致する。
【００３０】
この変圧器１０Ｃによれば、第１の巻線１３Ｃは交流電圧により逆起電力および磁束を発生させる。第１の巻線１３Ｃによる磁束は、相互誘導により第２の巻線１４Ｃおよび第３の巻線１５Ｃに誘導起電力を生じさせる。これにより、より高効率な変圧器１０Ｃを実現する。
【００３１】
第５の実施形態
図１３、１４、１５に示すように、変圧器１０Ｄは、第１のコイル１２Ｄと、第１のコイル１２Ｄの軸方向Ａ１に直列に配置された第２のコイル１２Ｅを有する。
【００３２】
図１３に示すように、第１のコイル１２Ｄは、第１のコイル１２Ｄの軸方向Ａ１に共に螺旋状に巻かれた第１の巻線１３Ｄおよび第２の巻線１４Ｄを有する。第１の巻線１３Ｄは一次側に設定され、第２の巻線１４Ｄは二次側に設定される。
【００３３】
第１の巻線１３Ｄおよび第２の巻線１４Ｄは、１巻毎に軸方向Ａ１に隣り合うように交互に巻かれる。すなわち、第１の巻線１３Ｄは第１のコイル１２Ｄの軸方向Ａ１に第２の巻線１４Ｄ同士の間に並列に配置される。第２の巻線１４Ｄは第１のコイル１２Ｄの軸方向Ａ１において第１の巻線１３Ｄ同士の間に並列に配置される。第１の巻線１３Ｄおよび第２の巻線１４Ｄは第１のコイル１２Ｄの径方向Ｒ１の位置について一致する。
【００３４】
第２のコイル１２Ｅは、第２のコイル１２Ｅの軸方向Ａ２に共に螺旋状に巻かれた第３の巻線１６および第４の巻線１７を有する。軸方向Ａ２は軸方向Ａ１と一致する。第３の巻線１６および第４の巻線１７は第２の巻線１４Ｄに近接して配置される。第３の巻線１６の一端は第２の巻線１４Ｄと接続し、他端は第４の巻線１７の一端と接続する。第４の巻線１７の他端は交流直流コンバータ２０と接続する。
【００３５】
第３の巻線１６および第４の巻線１７は、１巻毎に軸方向Ａ２に隣り合うように交互に巻かれる。すなわち、第３の巻線１６は第２のコイル１２Ｅの軸方向Ａ２に第２の巻線１７同士の間に並列に配置される。第４の巻線１７は同軸方向Ａ２に第３の巻線１６同士の間に並列に配置される。第３の巻線１６および第４の巻線１７は第２のコイル１２Ｅの径方向Ｒ２の位置について一致する。
【００３６】
この変圧器１０Ｄによれば、第１の巻線１３Ｄは交流電圧により誘導起電力および軸方向Ａ１の磁束を生じさせる。第１の巻線１３Ｄの磁束は、相互誘導により第２の巻線１４Ｄ、のみならず、第３の巻線１６、第４の巻線１７に誘導起電力を生じさせる。これにより、より高効率の変圧器１０Ｄを実現する。
【００３７】
なお、コイル１２Ｅは、１つに限らず、複数個のコイル１２Ｅを軸方向Ａ１に直列に配置、接続してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  変圧器
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ  コイル
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ  第１の巻線
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ  第２の巻線
１５Ｃ  第３の巻線
１６  第３の巻線
１７  第４の巻線
２０  交流直流コンバータ
３０  インバータ
４０  モータ
１００  交流電車
【図１】
2014022526.tif 000003
【図２】
2014022526.tif 000004
【図３】
2014022526.tif 000005
【図４】
2014022526.tif 000006
【図５】
2014022526.tif 000007
【図６】
2014022526.tif 000008
【図７】
2014022526.tif 000009
【図８】
2014022526.tif 000010
【図９】
2014022526.tif 000011
【図１０】
2014022526.tif 000012
【図１１】
2014022526.tif 000013
【図１２】
2014022526.tif 000014
【図１３】
2014022526.tif 000015
【図１４】
2014022526.tif 000016
【図１５】
2014022526.tif 000017