(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁材料における割れの出現の防止を可能とし、かつ、外部環境との熱交換を向上させる電気変圧器を提供する。【解決手段】本電気変圧器１０は、磁心１６と、磁心１６まわりに巻かれて入力部において入力交流を受ける第１コイル巻線１８と、磁心１６まわりに巻かれて出力部において出力交流を与える第２コイル巻線２０と、第１コイル巻線１８と第２コイル巻線２０との間に画定された受容空間２２と、第１コイル巻線１８を第２コイル巻線２０から電気的に絶縁するべく受容空間２２の内部にキャストされた絶縁材料３０とを含む。絶縁材料３０は、複数のアルミナ粒子から構成され、複数のアルミナ粒子を包含するシリコン系エラストマーを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気変圧器（１０）であって、
磁心（１６）と、
前記磁心（１６）まわりに巻かれて入力部において入力交流を受ける第１コイル巻線（１８）と、
前記磁心（１６）に巻かれて出力部において出力交流を与える第２コイル巻線（２０）と、
前記第１コイル巻線（１８）と前記第２コイル巻線（２０）との間に画定された受容空間（２２）と、
前記第１コイル巻線（１８）を前記第２コイル巻線（２０）から電気的に絶縁するべく前記受容空間（２２）の内部にキャストされた絶縁材料（３０）と
を含むタイプの電気変圧器（１０）であって、
前記絶縁材料（３０）は複数のアルミナ粒子から構成され、前記絶縁材料（３０）は、前記複数のアルミナ粒子を包含するシリコン系エラストマーであることを特徴とする電気変圧器（１０）。
【請求項２】
前記シリコン系エラストマーは前記樹脂形態にあるシリコーンであることを特徴とする請求項１に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項３】
前記シリコーン樹脂は、好ましくは引張り強さが０．５Ｎ／ｍｍ２と５Ｎ／ｍｍ２との間にあり、好ましくは２Ｎ／ｍｍ２に実質的に等しいことを特徴とする請求項２に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項４】
前記複数のアルミナ粒子は、好ましくは０．３と０．７との間であり０．５に実質的に等しいのが好ましい絶縁材料の体積との比、及び好ましくは０．５と０．９との間であり０．８に実質的に等しいのが好ましい絶縁材料の重量との比を示すことを特徴とする請求項１から３に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項５】
各アルミナ粒子は、好ましくは直径が１０μｍと１００μｍとの間であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項６】
前記磁心（１６）はトーラスの形態に成形されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項７】
前記第１コイル巻線（１８）における前記入力交流の電圧は、好ましくは２５ｋＶに実質的に等しいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項８】
前記第２コイル巻線（２０）の前記出力交流の電圧は、好ましくは３ｋＶから５ｋＶの間であり３．６ｋＶに等しいのが好ましいことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項９】
前記第２コイル巻線（２０）は、前記絶縁材料（３０）及び前記第１コイル巻線（１８）まわりに巻かれることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項１０】
前記絶縁材料（３０）はまた、前記第２コイル巻線（２０）まわりにキャストされ、前記第２コイル巻線（２０）を前記変圧器（１０）の外部から電気的に絶縁することができるコーティング層（２８）を形成することを特徴とする請求項９に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項１１】
前記変圧器（１０）は鉄道車両の主変圧器であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気変圧器（１０）。
【請求項１２】
電気変圧器（１０）を製造する製造方法であって、
前記変圧器（１０）は、磁心（１６）と、入力部において入力交流を受ける第１コイル巻線（１８）と、出力部において出力交流を与える第２コイル巻線（２０）と、前記第１コイル巻線（１８）と前記第２コイル巻線（２０）との間に画定された受容空間（２２）と、複数のアルミナ粒子及びシリコン系エラストマーから構成された絶縁材料（３０）とを含み、
前記方法は、
前記磁心（１６）まわりに前記第１コイル巻線（１８）を巻くステップ（４０）と、前記第１コイル巻線（１８）を前記第２コイル巻線（２０）から電気的に絶縁するべく前記受容空間（２２）の内部に前記絶縁材料（３０）をキャストするステップ（４２）とを含み、
前記方法は、
前記受容空間（２２）の内部において前記絶縁材料（３０）を硬化させるステップ（４４）と、
前記絶縁材料（３０）及び前記第１コイル巻線（１８）まわりに前記第２コイル巻線（２０）を巻くステップ（４６）と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記第２コイル巻線（２０）まわりに前記絶縁材料（３０）をキャストするステップ（４８）と、
前記第２コイル巻線（２０）まわりで前記絶縁材料（３０）を硬化させるステップ（５０）と
をさらに含み、
前記第２コイル巻線（２０）まわりで硬化された前記絶縁材料（３０）はコーティング層（２８）を形成し、前記第２巻線（２０）を前記変圧器（１０）の外部から電気的に絶縁することができることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、以下のタイプの電気変圧器に関する。すなわち、磁心と、当該磁心まわりに巻かれて入力部において入力交流を受ける第１コイル巻線と、当該磁心まわりに巻かれて出力部において出力交流を与える第２コイル巻線と、第１コイル巻線と第２コイル巻線との間に画定された受容空間と、第１コイル巻線を第２コイル巻線から電気的に絶縁するべく当該受容空間の内部にキャストされた絶縁材料とを含む電気変圧器であって、当該絶縁材料は複数のアルミナ粒子から構成される電気変圧器である。
【０００２】
本発明はまた、かかる変圧器を製造する製造方法にも関する。
【０００３】
以下の記載において、用語「一次巻線」は第１コイル巻線を言及するべく使用され、用語「二次巻線」は第２コイル巻線を言及する。
【背景技術】
【０００４】
上述したタイプの変圧器は既知である。かかる変圧器は、内部環境に配電を行う乾式変圧器として使用される場合が多い。このタイプの変圧器において、絶縁材料は、特にアルミナ粒子を含むエポキシ樹脂である。
【０００５】
かかる絶縁材料は特に、変圧器の一次巻線と二次巻線との間に有効な誘電絶縁をもたらすことができる。この誘電絶縁は、その優秀な耐火性を考慮すれば、変圧器の火災リスクに対する多大な保護を与えるともいえる。この誘電絶縁はまた、例えばほこり又は化学薬剤のような工業環境における大気媒介物による攻撃に対し、変圧器を有効に保護することができる。
【０００６】
しかしながら、かかる変圧器は、屋外若しくは野外の環境で又は極端な熱条件で使用されると、屋内環境よりもかなり大きな振動又は膨張現象を受ける。これらの現象により、巻線と絶縁材料との界面に高い機械的応力が発生する。これにより、絶縁材料に使用されるエポキシ樹脂は、この界面において割れが生じやすくなる。かかる割れは、変圧器の適切な機能にとって有害となる。電気絶縁不良が表れやすくなるからである。加えて、かかる変圧器の冷却の有効性は最適ではない。変圧器と外部環境との間の熱交換が、この場合はエポキシ樹脂である使用絶縁材料の性質によって制限されるからである。その結果、局所的なホットスポットが変圧器の外表面に現れやすくなり、エポキシ樹脂の劣化につながる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、これらの欠点を、絶縁材料における割れの出現の防止を可能とし、かつ、外部環境との熱交換を向上させる電気変圧器を与えることによって克服することにある。
【０００８】
このために、本発明の目的は、絶縁材料が、複数のアルミナ粒子を包含するシリコン系エラストマーを含むことを特徴とする上述のタイプの電気変圧器に関する。
【０００９】
本発明の他の有利な側面によれば、電気変圧器は、以下の特徴的な機能の一以上を、個別に考慮に入れて、又は技術的に可能な組み合わせによって含む。
・シリコン系エラストマーは、樹脂の形態にあるシリコーンである。
・このシリコーン樹脂は、好ましくは引張り強さが０．５Ｎ／ｍｍ２（ニュートン／平方メートル）と５Ｎ／ｍｍ２との間にあり、好ましくは２Ｎ／ｍｍ２に実質的に等しい。
・複数のアルミナ粒子は、好ましくは０．３と０．７との間であり０．５に実質的に等しいのが好ましい絶縁材料の体積との比、及び好ましくは０．５と０．９との間であり０．８に実質的に等しいのが好ましい絶縁材料の重量との比を示す。
・各アルミナ粒子は、好ましくは直径が１０μｍと１００μｍとの間である。
・磁心は、トーラスの形態に成形される。
・第１コイル巻線における入力交流の電圧は、好ましくは２５ｋＶに実質的に等しい。
・第２コイル巻線の出力交流の電圧は、好ましくは３ｋＶと５ｋＶとの間であり、３．６ｋＶが好ましい。
・第２コイル巻線は絶縁材料及び第１コイル巻線まわりに巻かれる。
・絶縁材料はまた、第２コイル巻線まわりにキャストされ、第２コイル巻線を変圧器の外部から電気的に絶縁することができるコーティング層を形成する。
・変圧器は鉄道車両の主変圧器である。
【００１０】
本発明の目的はまた、電気変圧器を製造する製造方法に関し、当該変圧器は、磁心と、入力部において入力交流を受ける第１コイル巻線と、出力部において出力交流を与える第２コイル巻線と、第１巻線と第２コイル巻線との間に画定された受容空間と、複数のアルミナ粒子及びシリコン系エラストマーから構成される絶縁材料とを含む。この方法は、磁心まわりに第１コイル巻線を巻くステップと、第１コイル巻線を第２コイル巻線から電気的に絶縁するべく受容空間の内部に絶縁材料をキャストするステップとを含み、以下のステップを含むことを特徴とする。
・受容空間の内部の絶縁材料を硬化することと、
・絶縁材料及び第１コイル巻線まわりに第２コイル巻線を巻くことである。
【００１１】
本発明の他の有利な側面によれば、方法は、第２コイル巻線まわりに絶縁材料をキャストすることと、第２コイル巻線まわりの絶縁材料を硬化することとを含み、これにより第２コイル巻線まわりで硬化された絶縁材料は、第２巻線を変圧器の外部から電気的に絶縁することができるコーティング層を形成する。
【００１２】
添付図面を参照して以下の記載を読むことにより、単なる例として与えられる、本発明の特徴的な機能及び利点が明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る電気変圧器の模式的な図である。
【図２】図１に示された電気変圧器の横断面図である。
【図３】図１に示された電気変圧器の斜視図である。
【図４】本発明に係る電気変圧器を製造する製造方法を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、入力単相交流を出力単相交流に変換する電気変圧器１０を表す。本実施形態の例では、変圧器１０は、一方で入力単相交流を与える電流変換器１２に接続され、他方で出力単相交流を与える電圧変換器１４に接続される。この実施形態の例では、変圧器１０は、鉄道車両用の乾式主変圧器である。変圧器１０は、２９０ｋＶＡに実質的に等しい値を有する電力を示す。
【００１５】
電流変換器１２は、例えば、鉄道車両の車体の下に搭載され、カテナリー式架線１５との接続が可能となっている。カテナリー式架線１５は電流を供給し、例えば２５ｋＶに等しい値の高電圧、及び例えば５０Ｈｚに等しい値の周波数が現れる。変換器１２が供給する入力単相交流の電圧は、２５ｋＶに実質的に等しい値を示す。
【００１６】
電圧変換器１４もまた、例えば、鉄道車両の車体の下に搭載され、鉄道車両に搭載された電気モータとの接続が適切かつ可能とされる。変圧器１０が供給する出力単相交流は、例えば３ｋＶと５ｋＶとの間の値、典型的には３．６ｋＶのオーダーの値の低電圧低電圧を示す。
【００１７】
変圧器１０は、磁心１６、一次巻線１８、及び一次巻線１８に磁気的に結合された二次巻線２０を含む。一次巻線１８は、電流変換器１２に接続され、入力部において入力単相交流を受ける。二次巻線２０は、電圧変換器１４に接続され、出力部において出力単相交流を与える。
【００１８】
図２に示される実施形態の例では、磁心１６は、細長いトーラスの形態にある。これは、いずれの電位にも接続されず、従来どおり、ガラス織物の（層）厚さで覆われた複数の円筒状トーラスの積層によって形成される。円筒状トーラスはそれぞれが、従来どおり、複数の磁気電気鋼積層板の積層によって形成される。磁心１６は、例えば３０ｃｍに実質的に等しい高さ、例えば１０ｃｍに実質的に等しい内径、及び例えば１９ｃｍに実質的に等しい外径を有する。
【００１９】
一次巻線１８は、例示するまでもなく公知のとおり、磁心１６まわりに巻かれた絶縁された銅線から構成される。一変形例として、一次巻線１８は、導電性金属（例えば銅）の複数の条片から形成され、これらの条片が磁心１６まわりに巻かれる。
【００２０】
二次巻線２０は、従来どおり、絶縁された銅線から構成される。これが、一次巻線１８まわりに一定距離をおいて巻かれる。
【００２１】
一変形例として、磁心１６は電気接地に接続される。このようにして、一次巻線１８はその後、磁心１６まわりに一定距離をおいて巻かれ、絶縁材料３０の層によって磁心１６から分離される。
【００２２】
図２に例示されるように、変圧器１０はまた、一次巻線１８と二次巻線２０との間に配置された空間によって画定された受容空間２２を含む。変圧器１０はまた、絶縁材料３０の第１層２６及び第２層２８を含む。
【００２３】
第１層２６は、受容空間２２の内部にキャストされた絶縁材料３０から形成される。すなわち、二次巻線２０は、絶縁材料の第１層２６によって一次巻線から分離される。この実施形態の例では、第１層２６は、好ましくは１２ｍｍと１４ｍｍとの間にあり、例えば１３ｍｍに実質的に等しい厚さを有する細長い中空トーラスの形態にある。二次巻線２０は有利には、絶縁材料の第１層２６の外表面に巻かれる。
【００２４】
有利には、第２層２８は、二次巻線２０まわりに全体的にキャストされた絶縁材料３０から形成される。すなわち、絶縁材料の第２層２８は、二次巻線２０を変圧器１０の外部から電気的に絶縁することができるコーティングを形成する。この実施形態の例では、第２層２８は、好ましくは５ｍｍに実質的に等しい厚さを有する細長い中空トーラスの形態にある。図３に例示されるように、トーラス２８は、中心において中空の円筒状コンジットを画定する。
【００２５】
示されていない一変形例の実施形態として、絶縁材料３０の第３層が、トーラス２８が画定する円筒状コンジットの内部にキャストされる。
【００２６】
またも示されていない他変形例の実施形態として、一次巻線１８と二次巻線２０との空間配置が反転される。詳しくは、一次巻線１８が二次巻線２０まわりに巻かれ、二次巻線２０自体は、磁心１６まわりに巻かれる。この変形例の実施形態によれば、絶縁材料の第２層２８は、１２ｍｍと１４ｍｍとの間の、例えば１３ｍｍに実質的に等しい厚さを有する細長い中空トーラスの形態となる。
【００２７】
絶縁材料３０は、樹脂の形態のシリコーンとアルミナ粒子とを含む固化混合物から形成される。固化混合物３０は、第１液体化合物と第２液体化合物とを混合させることから得られる。これら２つの液体化合物は、加硫のプロセスに基づいて、互いに接触させられるとすぐに反応することができる。第１液体化合物は、第１のシリコン系試薬及びアルミナ粒子を含む。第２液体化合物は、第２シリコン系試剤と、例えば固体形態の白金から構成される触媒とを含む。固化混合物３は、例えば２Ｎ／ｍｍ２に等しい引張り強さ、例えば２０％に等しい破断点伸び、及び例えば０．５に等しい誘電率を示す。アルミナ粒子は全体が、好ましくは液体混合物の体積に実質的に等しい０．５倍の体積と、好ましくは液体混合物の質量に実質的に等しい０．８倍の質量とを有する。各アルミナ粒子は、好ましくは１０μｍと１００μｍとの間に直径を有する。一変形例として、シリコーン樹脂はいずれかのシリコン系エラストマーによって置き換えられる。
【００２８】
図３は、本発明に係る電気変圧器１０が示す一般的な外見を良好に考慮に入れられるように示される。図面において、絶縁材料の二次巻線２０及び第１層２６は実線で示される。絶縁材料の第２層２８は混合線で示される。平面ＩＩは、図２に示される電気変圧器１０に沿った断面平面に対応する。図３には、変圧器１０の電気接続は示されない。
【００２９】
変圧器１０の動作を以下に説明する。
【００３０】
外部環境で使用されると変圧器１０は、絶縁材料３０と一次巻線１８及び二次巻線２０との界面において高い機械的応力を受ける。シリコーンの弾性特性により、絶縁材料３０は、これらの機械的応力の結果として割れが生じることのない態様の大きな程度の可撓性が得られる。
【００３１】
さらに、アルミナ粒子をシリコーン材料の中に付加することにより、絶縁材料３０は、特に１Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１（ワット／メートルケルビン）を超えるような高いレベルの熱伝導率を有する。加えて、絶縁材料３０の高レベルの熱電導性ゆえに、絶縁材料の層２６、２８は、変圧器１０と外部との熱交換を改善させることができる。絶縁材料の層２６、２８はまた、変圧器１０の表面に局所的に超高温のホットスポットを生じさせることのないように、熱損失を広げることができる。
【００３２】
これにより、本発明に係る電気変圧器は、絶縁材料の割れ出現を防止し、かつ、外部環境との熱交換を向上させることができる。
【００３３】
図４は、電気変圧器１０を製造する製造方法を例示する。
【００３４】
初期ステップ４０の間、操作者は、磁心１６まわりに一次巻線１８を巻く。
【００３５】
引き続いてのステップ４２の過程では、操作者は、一次巻線１８まわりのトーラスの形態となるように第１中空金型を配列する。第１中空金型の内部が受容空間２２を画定する。その後、操作者は、第１中空金型の内部に、２つの液体化合物を、例えば実質的に均等の比率でキャストする。
【００３６】
引き続いてのステップ４４の過程では、第１中空金型の内部において液体混合物が周囲温度で硬化され、固化混合物３０が形成される。この硬化ステップの持続時間は、例えば４８時間のオーダーである。ひとたび硬化すれば、絶縁材料３０は絶縁材料の第１層２６を形成する。操作者はその後、第１中空金型を取り外す。
【００３７】
引き続いてのステップ４６の過程では、操作者は、第１層２６まわりに二次巻線を巻く。すなわち、二次巻線２０は、絶縁材料の第１層２６まわりと、一次巻線１８まわりとの双方に巻かれる。
【００３８】
引き続いてのステップ４８の過程では、操作者は、第２中空金型を二次巻線２０まわりのトーラスの形態に配列する。その後、操作者は、第２中空金型の内部に２つの液体化合物をキャストする。
【００３９】
引き続いてのステップ５０の過程では、第２中空金型の内部において液体混合物が周囲温度で硬化され、固化混合物３０が形成される。ひとたび硬化すれば、絶縁材料３０は絶縁材料の第２層２８を形成する。この硬化ステップの持続時間は、例えば４８時間のオーダーである。操作者はその後、第２中空金型を取り外す。例示するまでもなく、操作者はその後、様々な電気接続を有効にする手順を進め、変圧器１０が得られる。
【００４０】
留意すべきことだが、一変形例として、液体混合物を硬化するステップ４４、５０の過程の間、中空金型の近傍に熱源が置かれることにより、硬化プロセスの持続時間が低減される。
【００４１】
本発明に係るこの製造方法により、キャスト操作及び金型操作を単純化するという利点が示される。実際のところ、巻き付けのステップ４０及び４６は、キャストのステップ４２により分離されるので、電気変圧器の製作は、連続する同心円ブロックを構成することによって達成される。この方法はまた、支持スペーサを使用しないで済ますことができる。かかるスペーサが二次巻線を支持するべく適切に配列されるのは、先行技術の製造方法に係る電気変圧器の製作中、ひとたび当該二次巻線が一次巻線まわりに巻かれてからである。しかしながら、かかる変圧器の動作設定中、電流に関連する現象が、かかるスペーサの表面に現れるので、絶縁材料の誘電絶縁能力の劣化がもたらされる。
【００４２】
当業者に理解されることだが、本発明は、例えば配電変圧器又は電力変圧器のような、磁心、一次巻線及び二次巻線を含む任意のタイプの電気変圧器にも同様に、その幾何学的構成及び電気特性にかかわらず、当てはめることができる。特に、本発明は、多相交流を多相交流に変換する電気変圧器に対しても同様に当てはめることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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