(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器巻線を巻装した複数の主脚と、前記複数の主脚の両側にそれぞれ配置された側脚と、前記各脚を接合する上部ヨークと下部ヨークとで構成された変圧器鉄心において、前記変圧器巻線は、直流側巻線と交流側巻線とからなり、この交流側巻線を上下振分け構成とし、前記主脚と前記上部ヨークとの間及び前記主脚と前記下部ヨークとの間にそれぞれ磁気的絶縁物のギャップを取り付け、かつ前記上部ヨークの主脚間及び前記主脚と前記側脚間にラップ結合の継ぎ目を設けたことを特徴とする変圧器用ギャップ付鉄心。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は大容量半導体電力変換装置に使用される変換器用変圧器のギャップ付鉄心に関する。
【０００２】
【従来の技術】
変換器用変圧器には、直流側巻線と交流側巻線を巻装した主脚が任意の本数で構成されたギャップ付鉄心を採用しており、直流側巻線はサイリスタが各々独立に接続され、また交流側巻線は直列に接続して電源に接続された構成のものがある。このような変圧器用ギャップ付鉄心は、いわゆる直列多重電圧形の変換装置用のものであり、その動作の速応性，電源側の力率及び高周波に関して良好な特性が得られる。
【０００３】
通常の変圧器では、その鉄心は、けい素鋼板の抜き板接合部を小さくして磁気抵抗を小さくし、鉄損・励磁電流及び振動騒音をより小さくするが、前述の変換器用変圧器では、次の２つの理由により、その鉄心にはギャップを取り付け、磁気抵抗をある程度大きくする必要がある。
（１）サイリスタの僅かなオンタイミングのずれや制御上のずれ及び変圧器を含む回路のインピーダンス特性の差などにより、直流成分の電流が発生する。この直流電流が直流側巻線に流れると、鉄心には直流偏磁が発生して鉄心は飽和し、励磁電流が増大し、電力変換装置としての特性を悪化させると共に変圧器の損失が増加し、振動騒音も大きくなる。
【０００４】
この直流偏磁現象を完全に防止することは困難であるので、鉄心にギャップを設けることにより鉄心の磁気抵抗を大きくして、その偏磁量を小さくし、定格電流の１％程度の直流電流が流れても鉄心は飽和しないようにしている。そのため、直流電流と偏磁量の関係を満足するように鉄心のギャップを設計し、製造しなければならない。
（２）直列接続される交流側巻線の分担電圧を均一となるようにしないと、電力変換装置としての動作を良好に維持できないので、鉄心主脚間でその励磁インピーダンス、すなわち磁気抵抗を同一にする必要がある。
【０００５】
磁気抵抗を同一にすることは、鉄心の材質による磁気特性のバラツキや抜き板接合部の隙間の不揃いなどが存在するため、通常では困難であるが、ギャップを取り付け、そのギャップ厚さを各主脚で正確に等しくなるように製造管理することにより、励磁インピーダンスのバラツキを数％以内にすることができる。
【０００６】
従来、この種の変圧器用ギャップ付鉄心としては、例えば特開平３−２８５３０９号公報に記載されたような変圧器用ギャップ付鉄心があり、図６にそれを示す。
【０００７】
同図に示すように、変圧器用ギャップ付鉄心は、直流側巻線１と交流側巻線２とを巻装した主脚３が３本、側脚４が２本及びそれらの脚を上部ヨーク５と下部ヨーク６とで接合し、主脚３と上部ヨーク５との間にギャップ７が取り付けられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力変換装置では、必要とする変圧器の容量が数十ＭＶＡ程度まであったので、ギャップが１脚当り１個所であってもギャップ厚さが数ｍｍ程度ですみ特に問題はなかった。
【０００９】
しかし、最近は必要とする変圧器の容量が数百ＭＶＡとなるような電力変換装置が検討され実現されようとしている。このような電力変換装置は容量が大きくなるばかりでなく、この電力変換装置を接続する電力系統の電圧が１５４ｋＶ以上であり、いわゆる直落し方式の電力変換装置が採用されている。
【００１０】
この直落し方式は、従来の降圧用変圧器で一度６６ｋＶ程度に降圧する２段階方式に比べ、降圧用変圧器が不要となるため装置全体の製造価格が安くなり、それらの装置が占めるスペースも狭くでき、かつ発生損失も低減できるという利点がある。
【００１１】
このような大容量の変換器用変圧器の鉄心は大形となり、ギャップ厚さを１０ｍｍ以上としなければならないので、ギャップ部での磁束の広がりが大きくなり、鉄心端面に垂直に入るフリンジング磁束成分が多くなり、局所加熱が増大し、そして１個所のギャップに蓄えられる磁気エネルギーが大きくなり、振動騒音を増大し、実製品として設計・製造することがかなり困難となり、不経済となる。
【００１２】
従来の１脚当たり１個所のギャップである鉄心の場合には、交流側巻線を上下振分けに構成することを次の理由により採用していなかった。
万一、交流側巻線を図７に示すように、上下振分けに構成したとすると、交流電源８を接続し、励磁した場合に流れる励磁電流ＩＯの大きさは、上部配置の交流側巻線２Ａに流れ励磁電流ＩＯＡと、下部配置の交流側巻線２Ｂに流れる励磁電流ＩＯＢとが異なってしまう欠点がある。すなわち、一方の巻線２Ａに流れる励磁電流ＩＯＡは、巻線２Ａがギャップ７に近いため励磁電流ＩＯのほとんどを流してしまい、他方の巻線２Ｂに流れる励磁電流ＩＯＢは巻線２Ｂがギャップ７に遠いためほとんど流れない。このように励磁電流ＩＯＡ，ＩＯＢが大幅に異なることは特性上好ましくない。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、交流側巻線を上下振分け構成することを可能とし、かつ鉄心が大形となっても局部過熱と振動騒音を抑制する変圧器用ギャップ付鉄心を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の変圧器用ギャップ付鉄心は、変圧器巻線を巻装した複数の主脚と、前記複数の主脚の両側にそれぞれ配置された側脚と、前記各脚を接合する上部ヨークと下部ヨークとで構成された変圧器鉄心において、前記変圧器巻線は、直流側巻線と交流側巻線とからなり、この交流側巻線を上下振分け構成とし、前記主脚と前記上部ヨークとの間及び前記主脚と前記下部ヨークとの間にそれぞれ磁気的絶縁物のギャップを取り付け、かつ前記上部ヨークの主脚間及び前記主脚と前記側脚間にラップ結合の継ぎ目を設けたことを特徴とする。
【００１５】
【作用】
本発明によると、主脚部にギャップを２個所形成できるので、１個所当りのギャップ厚さを約半分にできる。ギャップ厚さが大きくならなければ局部過熱と振動騒音は従来と同じであり問題にならないので、製品として価格増を押さえて製造することができる。また、交流側巻線を上下振分け構成にする場合、主脚の上下部にギャップがあるためギャップと交流側巻線の相対位置が上下対称となるので、励磁電流は上部配置巻線と下部配置巻線にほぼ同等に分流し、特性上の不都合は生じない。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。
図１は本発明の一実施例の正面図である。
同図に示すように、本実施例の変圧器用ギャップ付鉄心は、直流側巻線１と交流側巻線２とを巻装した主脚３で３本備え、その両側に側脚４を配置する。これらの主脚３と側脚４は上部ヨーク５と下部ヨーク６とで接合され、各主脚３と上部ヨーク５との間に磁気的絶縁物の上部ギャップ９が取り付けられている。また各主脚３と下部ヨーク６との間に磁気的絶縁物の下部ギャップ１０が取り付けられている。さらに、上部ヨーク５の主脚３間及び主脚３と側脚４間には各々ラップ接合された継ぎ目１１が設けられている。
【００１７】
図示されていないが、主脚３及び側脚４を構成する抜き板の端面には各々当て板が取り付けられ、上部ヨーク５及び下部ヨーク６を構成する抜き板の端面にはクランプが取り付けられてボルト締め付け、あるいはガラステープなどによりバインド締め付けされている。
【００１８】
また、本実施例のギャップ付鉄心では、上，下部ギャップ９，１０を通過する磁束によりギャップ部には磁気エネルギーが蓄えられ、ギャップの上下面間に磁気吸引力が働き振動騒音が発生するので、上部ヨーク５，上部ギャップ９，主脚３，下部ギャップ１０及び下部ヨーク６が上下方向に締付スタッドにより強固に締め付けられている。
【００１９】
更に、第２図の上部ヨークの拡大平面図に示す通り、上部ヨーク５はけい素鋼板の抜き板を積層して構成されており、その継ぎ目１１は抜き板が寸法Ａでラップジョイントされ、左右の上部ヨーク５は磁気的には接合されているが上下方向には相対的に移動が可能となるように構成されている。
【００２０】
次に、本実施例の作用について説明する。
仮に、上部ヨーク５が継ぎ目１１がない１枚ものであれば製造上の誤差等により接合部には隙間が生じたり、上，下部ヨーク５，６が突っ張ったりして上部ギャップ９と下部ギャップ１０は適切な圧力で締め付けられず、振動・騒音が増加する恐れがある。
【００２１】
しかし、本実施例では上部ヨーク５には継ぎ目１１があり、各脚毎に分割されて上下方向に移動が可能であるので、前述の誤差等を吸収して締付力が均一に加わるようになり振動・騒音の増加を抑制することができる。
【００２２】
また、本実施例では、ギャップが上部ギャップ９と下部ギャップ１０の２個所で形成できるので、１個所当りのギャップ厚さを従来方式の１個所にて形成する場合に比べ約半分となる。ギャップ厚さが半分になり、１０ｍｍ程度以下にできればギャップ部での磁束の広がる。すなわち、フリンジング磁束成分が増大せず局部過熱上も問題が生じないように対応が可能となる。さらに、鉄心が大形となると、１個所のギャップ部に蓄えられる磁気エネルギーは増大するが、ギャップの面積が広くなっているので、単位面積当りの磁気吸引力は、さほど大きくならず振動・騒音上も問題が生じないように対応が可能となる。
【００２３】
次に、本発明においては交流側巻線を上下振分けに構成しても特性上の不都合を生じないことを図３により説明する。
同図に示されるように、上部ギャップ９のギャップ厚さＧ１  と下部ギャップ厚さＧ２  が同じであれば、上部配置の交流側巻線２Ａと下部配置の交流側巻線２Ｂ及び上部ギャップ９と下部ギャップ１０の相対位置が上下で対称となっている。このように上下で対称となっていれば、交流電源８を接続し、励磁した場合に流れる励磁電流ＩＯ  は巻線２Ａと巻線２Ｂとで同じとなり、ＩＯ  ／２づつが流れるので交流側巻線を上下振分け構成としても何等不都合は起こらない。
【００２４】
本実施例の変圧器用ギャップ付鉄心を主に適用する直落し方式の変換器用変圧器では、前述したように交流側巻線の電圧が高く、かつ容量が大きいため電流も大きくなり、巻線構成上で上下振分け構成が採用できることは非常に好都合なことである。
（他の実施例）
本発明は前述した実施例にのみ限定されるものではなく、主脚の本数は１本から６本程度までの変圧器用ギャップ付鉄心に適用可能である。また鉄心以外の他の部分も変更することができる。例えば、図１において、矢印１２で示す方向は、方向性けい素鋼板の圧延方向であり、前記実施例では、その方向に磁束が流れるようにして磁気抵抗を小さくし、発生損失を少なくしているが、下部ヨーク６より下部ギャップ１０を通って主脚３へ流れる磁束及び主脚３より上部ギャップ９を通って上部ヨーク５へ流れる磁束については下部ヨーク６と上部ヨーク５の部分ではその圧延方向と直角方向に流れる磁束があるため、その部分の発生損失が多くなり局部過熱の原因になる。
【００２５】
そこで、適用される鉄心が大形になる場合や発生損失を特に少なくする必要がある場合には、図４及び図５に示すように、脚とヨークとの接合部を工夫することで解決できる。すなわち、図４の本発明の他の実施例である主脚部分の構成図に示すように、上部ギャップ９の上と下部ギャップ１０の下に各々三角形の抜き板１３を取り付ける。すなわち、上部ギャップ９に接する上部ヨーク５と下部ギャップ１０に接する下部ヨーク６を三角形に切り欠き、その部分に三角形の抜き板１３を、その圧延方向１２が上下方向になるように取り付ける。
【００２６】
このような構成にすると、ギャップ部を通ってヨーク部へ流れる磁束は、抜き板１３をスムーズに流れ、いずれの場所でも圧延方向に磁束が流れるように改善され、前述の発生損失の増加が少なくなり、局部過熱の防止と低損失化に効果がある。
【００２７】
図５は本発明のさらに他の実施例の主脚部分の構成図である。同図に示すように、主脚１４の上部を上向きの櫛形状に出張らせ、上部ヨーク５をその分切り欠き、その間にギャップ厚さがＧ１  となるような逆Ｖ字形のギャップ１５を取り付け、かつ主脚１４の下部を下向きの櫛形状に出張らせ、下部ヨーク６をその分切り欠き、その間にギャップ厚さがＧ２  になるようなＶ字形のギャップ１６を取り付ける。
【００２８】
本実施例によると、ギャップ部を通ってヨーク部へ流れる磁束はいずれの場所でもほぼ圧延方向に流れるように改善され、前述の発生損失の増加が少なくなり、局部過熱の防止と低損失化に効果がある。
【００２９】
ところで、このようなギャップ付鉄心において、主脚が２本以上の場合に配慮しなければならない点の１つに、ある主脚の磁束が他の主脚に流れ込む程度がある限度以内でなくてはならないこと、すなわち主脚間での磁気的結合が無視できる程度でなければならないことである。そのためには、上部ヨークと下部ヨークと側脚からなる磁気回路の磁気抵抗が、主脚とギャップからなる磁気回路の磁気抵抗に比べてかなり小さくしておかねばならないが、後者の磁気回路にはギャップが直列に入るので、磁気抵抗が非常に大きくなり、結果的に主脚間での磁気結合が無視できる程度になっている。
【００３０】
以上のことから主脚部の磁気抵抗は大きくなってもよいことが分り、かえってそれが大きくなければギャップ部の磁気抵抗、すなわちギャップ厚さをより小さく設計することができるので、好都合である。従って、主脚部分のけい素鋼板を、主脚部分以外の上部ヨーク，下部ヨーク側脚の各部分のけい素鋼板より磁気特性の劣るもの、すなわち材質の劣るものや板厚のより厚いものを採用することができ、低価格とする方法が有益になる場合がある。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の変圧器用ギャップ付鉄心によれば、任意の本数の主脚とその両脇の側脚を上・下ヨークで接合すると共に、各主脚と上・下ヨークとの間にギャップを取り付け、かつ上部ヨークの主脚間及び主脚と側脚間にラップ結合の継ぎ目を設けるという簡単な手段で、直落し方式の大容量で高電圧の変換器用変圧器に適用でき、しかも交流側巻線を上下振分けの構成にすることを可能にする等のすぐれた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の正面図。
【図２】図１の上部ヨークの継ぎ目部分の拡大平面図。
【図３】図１の実施例の作用を説明するための図。
【図４】本発明の他の実施例の構成図。
【図５】本発明のさらに他の実施例の構成図。
【図６】従来の変圧器用ギャップ付鉄心の正面図。
【図７】図６の実施例の作用を説明するための図。
【符号の説明】
１…直流側巻線、２…交流側巻線、２Ａ，２Ｂ…上下振分け構成の交流側巻線、３…主脚、４…側脚、５…上部ヨーク、６…下部ヨーク、７…ギャップ、８…交流電源、９…上部ギャップ、１０…下部ギャップ、１１…継ぎ目、１２…圧延方向、１３…三角形抜き板、１４…出張りつき主脚、１５…逆Ｖ字形、１６…Ｖ字形ギャップ。
【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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