(57)【要約】【課題】製造コストを抑制しつつ、漏れ磁束による損失を低減できるようにすること。【解決手段】変圧器（１）のタンク（４０）内に収容された巻線（２０）から発生する磁束を遮蔽するためのシールド構造である。巻線の軸方向における少なくとも一端側に磁性体からなる磁性シールド（５０）が配置され、タンクの内面に沿う位置に、非磁性体によって板状をなす非磁性シールド（６０）が配置されている。非磁性シールドは、その外縁を形成する方形領域に対し、非磁性体が存在する本体領域（６１）と、非磁性体が存在しない開口となる非磁性体不在領域（６２）とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク内に収容された巻線から発生する磁束を遮蔽するための変圧器のシールド構造であって、
前記巻線の軸方向における少なくとも一端側に配置され、磁性体からなる磁性シールドと、
前記タンクの内面に沿って配置され、非磁性体によって板状に形成される非磁性シールドとを備え、
前記非磁性シールドは、その外縁を形成する方形領域に対し、前記非磁性体が存在する本体領域と、前記非磁性体が存在しない非磁性体不在領域とを備えていることを特徴とする変圧器のシールド構造。
【請求項２】
前記非磁性シールドは、前記本体領域の面積に比べ、前記非磁性体不在領域の面積の方が広いことを特徴とする請求項１に記載の変圧器のシールド構造。
【請求項３】
前記巻線は鉄心の周りに巻回され、前記巻線の軸方向両端側にて前記鉄心に金属構造物が設けられ、
前記金属構造物と前記巻線の軸方向における少なくとも一端側との間に前記磁性シールドが配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変圧器のシールド構造。
【請求項４】
前記磁性シールドは、前記巻線の軸方向から見て、少なくとも一部が前記巻線の外縁より外側に突出するよう形成されていることを特徴とする請求項３に記載の変圧器のシールド構造。
【請求項５】
前記変圧器は複数の前記巻線が直線上に配置された構造であって、
前記磁性シールドは、前記巻線の軸方向から見た、前記複数の巻線が配置された直線と直交する方向において、前記複数の巻線の外縁より外側に突出するよう形成されていることを特徴とする請求項４に記載の変圧器のシールド構造。
【請求項６】
前記磁性シールドは、環状となる平面形状を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の変圧器のシールド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器のシールド構造に関し、特に、巻線から発生する漏れ磁束がタンク等に入射することを遮蔽することができる変圧器のシールド構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器は、電磁誘導を利用して交流電力の電圧を変換する機器であり、磁気回路を構成する鉄心と、電気回路を構成する巻線とがタンク内に収容されて構成される。変圧器の運転時には巻線からタンク内部に漏れ磁束が発生し、変圧器の低容量化や小型化に伴い、タンク壁に入射する漏れ磁束の量も増加する。このため、タンク壁や鉄心の締付金具、巻線支持構造物等に発生するうず電流損等の漂遊損が増大したり、タンク壁等に局部過熱が発生したりする。かかる漂遊損の低減、局部過熱の発生を回避すべく、特許文献１に開示されるように、タンク壁の内面に銅やアルミニウム製の非磁性体によるシールドを取り付けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−４１９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１にあっては、変圧器が大型になると、シールドが大きくなり、材料費が増大する上に取り付け作業も大がかりになり、製造コストが上昇する、という問題がある。一方、タンクへ侵入する漏れ磁束による漂遊損等の損失を回避するため、本発明者は、種々の試行錯誤を繰り返して鋭意検討した結果、タンクへ侵入する漏れ磁束のうち、巻線の軸方向両端側から発生したものの影響が大きくなることを知見した。この知見に基づき、本発明者は、以下に述べる構成によって、製造コストの上昇を抑えることができ、且つ、漏れ磁束による損失を低減できる技術を発明した。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、製造コストを抑制しつつ、漏れ磁束による損失を低減することができる変圧器のシールド構造を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明における一態様の変圧器のシールド構造は、タンク内に収容された巻線から発生する磁束を遮蔽するための変圧器のシールド構造であって、前記巻線の軸方向における少なくとも一端側に配置され、磁性体からなる磁性シールドと、前記タンクの内面に沿って配置され、非磁性体によって板状に形成される非磁性シールドとを備え、前記非磁性シールドは、その外縁を形成する方形領域に対し、前記非磁性体が存在する本体領域と、前記非磁性体が存在しない非磁性体不在領域とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、非磁性シールドに非磁性体不在領域を形成したので、非磁性シールドを形成する材料を少なくすることができる。これにより、材料費を削減しつつ、軽量化を通じて作業性の改善を図ることができ、ひいては、製造コストを抑えることができる。しかも、磁性シールドによって巻線の端部側から発生する漏れ磁束を遮蔽でき、漏れ磁束による損失の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の変圧器のシールド構造によれば、非磁性シールドに非磁性体不在領域を形成して製造コストを抑制しつつ、磁性シールドによって漏れ磁束による損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る鉄心支持構造が適用される変圧器の要部を示す正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１の矢印Ｂ方向から見た非磁性シールドの一例を示す説明図である。
【図４】非磁性シールドの変形例を示す図３と同様の説明図である。
【図５】実施例１〜３及び比較例１〜４の測定結果を示すグラフである。
【図６】非磁性シールドの他の変形例を示す図３と同様の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施の形態に係る変圧器のシールド構造について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、本発明に係るシールド構造を油入変圧器に適用する場合について説明する。しかしながら、本発明に係るシールド構造の適用対象は、油入変圧器に限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、乾式変圧器（例えば、モールド変圧器、Ｈ種乾式変圧器等）や、ガス絶縁変圧器に適用することもできる。
【００１１】
図１は、本実施の形態に係るシールド構造が適用される変圧器の概略構成を示す平面断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図１及び図２に示すように、変圧器１は、磁気回路を構成する鉄心１０と、電気回路を構成する巻線２０と、鉄心１０を支持するフレーム部３０と、これら鉄心１０、巻線２０及びフレーム部３０を収容するタンク４０とを含んで構成されている。図１においては、直線上に配置された３つの巻線２０に挿入した巻鉄心１０の一部を上下一対のフレーム３０（３１、３２）に固定した３相３脚構造の変圧器１を示している。なお、本発明の適用対象となる変圧器の構造については、これに限定されるものではなく、３相５脚構造等の任意の構造を有する変圧器１に適用可能である。
【００１２】
鉄心１０は、帯状の鉄心材料を多層に巻回した巻鉄心とする構成を例示でき、３本の脚部１１と、脚部１１の上下位置に接合される上ヨーク部１２及び下ヨーク部１３（図１では不図示）とを備えている。３本の脚部１１の周りに巻線２０がそれぞれ巻回されて配置されている。巻線２０は、図１及び図２では簡略化して図示したが、銅やアルミニウム等の導体をコイル状に複数ループ巻回されて形成される。ここで、巻線２０の軸方向とは、円筒状となる巻線２０の中心軸位置が延在する方向であり、図２における上下方向となる。巻線２０は、不図示のスペーサ部材を介してフレーム部３０（３１、３２）との間で位置決めされている。
【００１３】
フレーム部３０は、鉄心１０の下端部に設けられた下部フレーム３１と、鉄心１０の上端部に設けられた上部フレーム３２と、を備えている。
【００１４】
下部フレーム３１及び上部フレーム３２は、鉄心１０の図２中左右両側にそれぞれ設けられ、鉄心１０の下部領域が一対の下部フレーム３１によって、鉄心１０の上部領域が一対の上部フレーム３２によって挟み込まれるようにして支持される。各フレーム３１、３２は、断面がＬ字状に形成されて長手方向に延出する鋼材や板金加工材等の金属構造物により構成される。
【００１５】
タンク４０は、図１中左右方向に長い長方形状の底壁４１及び頂壁４２（図１にて頂壁は不図示）と、底壁４１及び頂壁４２の各長辺間に位置する一対の第１側壁４３と、底壁４１及び頂壁４２の各短辺間に位置する一対の第２側壁４４と、を備えた鉄製の箱状に形成されている。本実施の形態の変圧器１は、タンク４０内に不図示の絶縁油が満たされる油入変圧器であり、鉄心１０、巻線２０及びフレーム部３０がタンク４０内にて絶縁油に含浸した状態となっている。
【００１６】
変圧器１にあっては、運転時に巻線２０から漏れ磁束が発生し、かかる漏れ磁束がタンク４０やフレーム部３０に向かって入射する方向に流れるようになる（図１及び図２の点線矢印で図示。なお、図１中上半部、図２中右半部は図示省略）。漏れ磁束の入射によって、タンク４０やフレーム部３０に発生するうず電流損等の漂遊損や局部過熱による損失を回避或いは抑制する必要がある。これと同時に、変圧器１においては、材料費削減、組み立てや加工作業の負担軽減を通じて製造コストを抑える要請がある。そこで、本実施の形態の変圧器１は、巻線２０の上下方向両側に磁性シールド５０を配置するとともに、タンク４０の内面に沿って非磁性シールド６０を配置している。
【００１７】
磁性シールド５０は、透磁率が数千〜数万の範囲にある珪素鋼板等の磁性体によって形成されている。磁性シールド５０は、下部磁性シールド５１と上部磁性シールド５２とを含む。下部磁性シールド５１は、巻線２０の下端側と下部フレーム３１との間に配置され、上部磁性シールド５２は、巻線２０の上端側と上部フレーム３２との間に配置されている。下部磁性シールド５１及び上部磁性シールド５２は、概略同一となる平面形状に形成され、外縁が図１中左右方向に長い長方形状に形成されている。そして、下部磁性シールド５１及び上部磁性シールド５２は、鉄心１０に対応する部分に開口部５１ａ、５２ａが形成され、かかる開口部５１ａ、５２ａ内に鉄心１０が貫通されて配置される。従って、各磁性シールド５１、５２は、長方形の外縁に沿う無端ループ状（環状）となる平面形状を備え、鉄心１０の上下両端側を囲いつつ、巻線２０の上下両端側を塞ぐように設けられている。
【００１８】
磁性シールド５０は、巻線２０の軸方向（図１の紙面直交方向）から見た場合、巻線２０の外縁より図１中上下両端側がはみ出す大きさに形成されている。言い換えると、タンク４０の第２側壁４４と平行となる巻線２０の径方向であって、複数の巻線２０が配置された直線と直交する方向にて、巻線２０の外縁より外側に突出するように（はみ出す大きさに）形成されている。なお、図１では、磁性シールド５０の図１中左右両端から左右の巻線２０がはみ出る位置関係となっているが、これに替え、磁性シールド５０の左右両端側が左右の巻線２０よりはみ出る大きさに形成してもよい。また、図１にて磁性シールド５０の少なくとも一部が巻線２０の外縁より外側に突出するよう形成される他の形態としてもよい。
【００１９】
非磁性シールド６０は、透磁率が１程度である銅やアルミニウム等の非磁性体によって板状に形成されている。非磁性シールド６０は、一対の第１側壁４３及び一対の第２側壁４４の各内面に沿って配置されている。
【００２０】
図３は、図１の矢印Ｂ方向から見た非磁性シールドの一例を示す説明図である。図３に示すように、非磁性シールド６０は、外縁によって横長の長方形（方形）領域を形成しており、外縁と平行となる上下方向及び左右方向に並んでそれぞれ複数の開口を形成する格子状をなしている。言い換えると、非磁性シールド６０は、非磁性体が存在する本体領域６１と、非磁性体が存在せずに開口となる非磁性体不在領域６２とを備えている。本体領域６１は、図３では、帯状の非磁性体６１ａを複数本組み合わせて形成され、左右方向に延在して上下方向に並ぶ複数（図３では３本）の帯状の非磁性体６１ａと、上下方向に延在して左右方向に並ぶ複数（図３では４本）の帯状の非磁性体６１ａとからなる。非磁性体６１ａは、上下方向に等間隔に並び、また、左右方向にも等間隔で並んでいる。従って、非磁性体６１ａによって四方を囲まれて形成される非磁性体不在領域６２は、それぞれが同一となる形状に設けられている。
【００２１】
図３では、タンク４０の第１側壁４３に沿う非磁性シールド６０を図示したが、第２側壁４４に非磁性シールド６０については、上下方向に延在する帯状の非磁性体６１ａの本数を少なくし、全体の左右幅が小さくなるように形成される。
【００２２】
非磁性シールド６０においては、本体領域６１の面積に比べ、非磁性体不在領域６２の面積の方が広いとよい。これにより、非磁性シールド６０の軽量化を図りつつ、後述するタンク４０に対して漏れ磁束を遮蔽する効果を良好に得ることができる。なお、図３にて図示した非磁性シールド６０は、本体領域６１の面積に比べ、非磁性体不在領域６２の面積の方が約２．２倍広くなっている。
【００２３】
なお、図４に示すように、図３に比べて非磁性体６１ａの本数を１本増やして非磁性体不在領域６２の形成数を増やしてもよく、また、図４よりも非磁性体６１ａの本数を増減し、これに応じて非磁性体不在領域６２の形成数を増減するようにしてもよい。
【００２４】
このように磁性シールド５０を形成及び配置することで、巻線２０の上下両端側から漏れる漏れ磁束は、一部は磁性シールド５０に引き寄せられるため、フレーム部３０に鎖交する磁束が低減され、フレーム部３０に発生する損失が低下する。巻線２０の端部から漏れる他の漏れ磁束は、タンク４０の内面に向かうことになるが、鎖交する磁束を打ち消すように非磁性フレーム６０にうず電流が発生する。これにより、発生する磁束によってタンク４０への侵入磁束が打ち消され、タンク４０に発生する損失を低減することができる。
【００２５】
ここで、図３及び図４に示すように、非磁性体６１の幅を幅Ｗａ、非磁性体不在領域６２の幅（左右幅）を幅Ｗｂとする。かかる幅Ｗａと幅Ｗｂとの比については、磁性シールド５０の有無と併せて、実験を行った。以下、かかる実験についての各実施例及び比較例を説明する。
【００２６】
実施例１〜３では、上記実施の形態と同様の構成とした変圧器１を用意し、非磁性シールド６０の形態を種々の形状とした。具体的には、実施例１〜３について、幅Ｗａを幅Ｗｂで除した値となる幅Ｗａと幅Ｗｂとの比（Ｗａ／Ｗｂ）が下記の表１に記載する条件とした。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
一方、比較例１では、実施例１に対し、非磁性シールド６０に非磁性体不在領域６２を形成しない、つまり、開口が全く存在しない１枚の非磁性体の板部材によって非磁性シールドを形成した。比較例２では、比較例１に対し、磁性シールド５０を省略した構成とした。比較例３及び４では、実施例１及び２に対し、磁性シールド５０を省略した構成とした。各実施例及び各比較例の変圧器について、同一環境下にて、同一条件にて運転し、タンク及びフレーム部を含む変圧器全体での漏れ磁束によって発生した損失を測定した。その測定結果を図５のグラフに示す。なお、図５の測定結果は、比較例１の測定結果を「１」とし、実施例１〜３及び比較例２〜４の測定結果を比較例１との比率で示す。
【００２９】
比較例１及び実施例１、２と、比較例２〜４との対比において、磁性シールドを設けた比較例１及び実施例１、２の方が、損失の発生が大きく抑制されていることが理解できる。また、実施例１〜３は、非磁性体不在領域（開口）の面積が大きくなると、非磁性シールドのうず電流が発生する磁束が鎖交磁束を打ち消せなくなるため損失が増加するが、実施例１では、開口がない比較例１と略同じ損失で抑えられている。また、実施例２及び３も、比較例１に比べ、損失の発生が増加するものの、その増加は微量となり、略同程度の損失量に抑えることができる。
【００３０】
実施例１〜３では、巻線からの漏れ磁束が磁性シールドに引き寄せられるため、タンク方向に向かう磁束を減少することが可能となる。これにより、非磁性シールドの非磁性体の幅Ｗａを非磁性体不在領域の幅Ｗｂの０．８〜９％の幅に設定しても、非磁性体不在領域（開口）がない比較例１に比べ、損失を１．４倍以下に抑えることができる。従って、実施例１〜３は、タンクやフレーム部での損失を抑制しつつ、非磁性シールドでの非磁性体の使用量を少なくして材料費削減、軽量化による作業性改善を図り、製造コストを安価にすることができる。すなわち、実施例１〜３では、タンク等での損失の抑制と製造コストの削減とを同時に達成することができる。
【００３１】
また、本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【００３２】
また、本実施の形態では、本発明を変圧器に適用した構成について説明したが、上述した作用効果が得られるのであれば、他の電力用静止器や電力変換装置に適用することも可能である。
【００３３】
なお、上記実施の形態にて図示した内容は、説明用に模式的に表したものであり、上述した作用効果を発揮できれば、巻線２０やフレーム部３０、タンク４０の形状等について変更してもよい。
【００３４】
また、非磁性シールド６０は、左右方向に並ぶ帯状の各非磁性体６１ａや、上下方向に並ぶ帯状の各非磁性体６１ａの長さは異なるようにしてもよく、例えば、図６に示す形状に変更してもよい。図６の非磁性シールド６０は、図３の非磁性シールド６０に対し、左右両側の非磁性体６１ａをなくし、且つ、上下両側の非磁性体６１ａの長さを短くしている。この場合、図６にて二点鎖線で示した部分も含めて非磁性シールド６０の外縁となる方形領域になり、また、二点鎖線と非磁性体６１ａの外縁とで囲まれる矩形領域が非磁性体不在領域６２ａとなる。つまり、本発明の非磁性体不在領域は、非磁性体６１によって全周が囲まれずに一部が開放した領域としてもよい。
【００３５】
また、磁性シールド５０は、巻線２０からの漏れ磁束を遮蔽できる限りにおいて、種々の変更が可能であり、例えば、図２にて鉄心１０を挟んで左右に分割した形状としてもよい。但し、上記のように環状となる平面形状とした方が、磁束が流れ易くなって磁束を効果的に低減することができる。
【００３６】
また、巻線２０の軸方向（上下方向）両側に磁性シールド５０を設けた場合を説明したが、巻線２０からの漏れ磁束による損失を抑制できるのであれば、巻線２０の軸方向における少なくとも一端側に配置するようにしてもよい。
【００３７】
また、本発明の金属構造物は、鉄心を挟むためのフレーム部３０に限られず、巻線２０を支持したり挟み込んだりする金具を含める等、種々の金属からなる構造物が適用されるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１  変圧器
１０  鉄心
２０  巻線
３０  フレーム部（金属構造物）
４０  タンク
５０  磁性シールド
６０  非磁性シールド
６１  本体領域
６２  非磁性体不在領域
【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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