(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣り合う複数の鉄心積層体を含む第１鉄心群と、
前記第１鉄心群と間隔を設けて向かい合うように配置され、前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体にそれぞれ向かい合うように配置された複数の鉄心積層体を含む第２鉄心群と、
前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体と、前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体にそれぞれ向かい合う前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体とにそれぞれ跨って巻回された複数の巻線部とを備え、
前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々と前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々は、互いに積み重ねられた複数の環状鉄心を含み、
前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体は、第１方向に沿って並ぶように配置され、前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体は、前記第１鉄心群と並列に前記第１方向に沿って並ぶように配置され、
前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々および前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々は、前記第１方向と交差する第２方向に貫通した鉄心窓を有し、
前記複数の巻線部の各々は、前記第１方向と交差しかつ前記第２方向と交差する第３方向において互いに隣り合う前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々と前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々とに跨がるように、前記複数の鉄心積層体の各々の前記鉄心窓を通して巻回され、
前記複数の巻線部の各々は、第１の巻線および第２の巻線を含み、
複数の前記第１の巻線は、複数の第１の交流端子とそれぞれ接続され、
複数の前記第２の巻線は、複数の第２の交流端子とそれぞれ接続され、
複数の前記第１の交流端子は、複数のＤＣ／ＡＣ変換器とそれぞれ接続され、
複数の前記第２の交流端子は、複数のＡＣ／ＤＣ変換器とそれぞれ接続される、変圧器。
【請求項２】
互いに隣り合う複数の鉄心積層体を含む第１鉄心群と、
前記第１鉄心群と間隔を設けて向かい合うように配置され、前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体にそれぞれ向かい合うように配置された複数の鉄心積層体を含む第２鉄心群と、
前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体と、前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体にそれぞれ向かい合う前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体とにそれぞれ跨って巻回された複数の巻線部とを備え、
前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々と前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々は、互いに積み重ねられた複数の環状鉄心を含み、
前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体は、第１方向に沿って並ぶように配置され、前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体は、前記第１鉄心群と並列に前記第１方向に沿って並ぶように配置され、
前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々および前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々は、前記第１方向と交差する第２方向に貫通した鉄心窓を有し、
前記複数の巻線部の各々は、前記第１方向と交差しかつ前記第２方向と交差する第３方向において互いに隣り合う前記第１鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々と前記第２鉄心群の前記複数の鉄心積層体の各々とに跨がるように、前記複数の鉄心積層体の各々の前記鉄心窓を通して巻回され、
前記複数の鉄心積層体は、前記第１方向において互いに直接的または非磁性の材料を含む絶縁物を介して互いに間接的に接触するように設けられる、変圧器。
【請求項３】
前記複数の巻線部の各々は、前記第１の巻線としての一対の低圧巻線と、前記一対の低圧巻線に挟まれた前記第２の巻線としての高圧巻線とを含み、
前記高圧巻線は、前記一対の低圧巻線の各々と間隔を設けて配置され、
前記一対の低圧巻線の各々と前記鉄心積層体とは、前記低圧巻線に発生する電位と前記鉄心積層体に存在する電位の差に応じた絶縁距離が保たれ、
前記高圧巻線と前記鉄心積層体とは、前記低圧巻線に発生する電位と前記鉄心積層体に存在する電位の差に応じた絶縁距離が保たれ、
前記一対の低圧巻線の各々と前記高圧巻線との間に、前記一対の低圧巻線の各々と前記高圧巻線とで発生する電位の差に応じて適切な絶縁距離が保たれる、請求項１に記載の変圧器。
【請求項４】
前記複数の環状鉄心の各々は、芯材を含み、
前記芯材は、アモルファス材を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項５】
前記複数の環状鉄心の各々は、前記芯材の少なくとも一部を覆う絶縁層を含み、
前記絶縁層は、酸化物および樹脂の少なくともいずれかを含む、請求項４に記載の変圧器。
【請求項６】
前記第１鉄心群および前記第２鉄心群並びに前記複数の巻線部を収容するタンクと、
前記タンクに充填された絶縁油とをさらに備え、
前記タンク内で前記第１鉄心群および前記第２鉄心群並びに前記複数の巻線部が前記絶縁油に浸漬されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項７】
非磁性の材料を含む絶縁物をさらに備え、
前記絶縁物は、前記第１鉄心群および前記第２鉄心群の各々の前記複数の鉄心積層体の各々の間に挟み込まれており、かつ前記複数の環状鉄心の各々の間に挟み込まれている、請求項１に記載の変圧器。
【請求項８】
前記複数の環状鉄心の各々は、一対の半環状部を含み、
前記複数の環状鉄心の各々は、前記一対の半環状部を互いに接続することにより環状となるように構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項９】
非磁性の材料を含む第１バインド材をさらに備え、
前記第１バインド材は、前記一対の半環状部の各々を締め付けて固定している、請求項８に記載の変圧器。
【請求項１０】
前記第１バインド材は、非磁性の金属、樹脂、プラスチックおよびガラス繊維を含む、請求項９に記載の変圧器。
【請求項１１】
非磁性の材料を含む固定部材をさらに備え、
前記固定部材は、前記一対の半環状部を互いに接続することにより環状となるように固定している、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項１２】
前記複数の環状鉄心の各々は、複数の薄帯状体を含み、
前記複数の薄帯状体は、非磁性の材料を含み、かつ互いに積層されており、
前記複数の薄帯状体の一方端部と他方端部とが接合されることによりラップ部が構成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項１３】
非磁性の材料を含む第２バインド材をさらに備え、
前記第２バインド材は、前記ラップ部を締め付けて固定している、請求項１２に記載の変圧器。
【請求項１４】
前記第２バインド材は、非磁性の金属、樹脂、プラスチックおよびガラス繊維を含む、請求項１３に記載の変圧器。
【請求項１５】
前記複数の環状鉄心の各々は、前記ラップ部が交互に１８０度ずつずれるように積み重ねられている、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項１６】
前記複数の巻線部の各々は、素線絶縁を備えた導体素線を複数より合わせたリッツ線を含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の変圧器と、
直流電圧を出力する第１端子と、
直流電圧を出力する第２端子と、
複数のＤＣ／ＡＣ変換器と、
複数のＡＣ／ＤＣ変換器とを備え、
前記複数のＤＣ／ＡＣ変換器の各々の直流端子は並列に接続され、かつ前記第１端子に並列に接続され、
前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々の直流端子は直列に接続され、かつ前記第２端子に並列に接続され、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器の交流端子は上記変圧器の低圧側交流端子に接続され、
前記ＡＣ／ＤＣ変換器の交流端子は上記変圧器の高圧側交流端子に接続されている、電力変換装置。
【請求項１８】
前記ＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記ＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器および前記ＡＣ／ＤＣ変換器の各々の半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子を制御する駆動回路と、
前記変圧器の磁気回路とは、ＤＣ／ＤＣ変換器を構成している、請求項１７に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記ＤＣ／ＡＣ変換器および前記ＡＣ／ＤＣ変換器の各々は、前記直流端子に並列に接続された直流キャパシタと、前記半導体スイッチング素子が直列接続された２つのスイッチングレグからなるブリッジ回路を含み、
前記半導体スイッチング素子の各々にはスナバキャパシタが並列に接続されている、請求項１８に記載の電力変換装置。
【請求項２０】
前記ＤＣ／ＡＣ変換器および前記ＡＣ／ＤＣ変換器における、前記半導体スイッチング素子は、６１Ｈｚ以上の周波数でスイッチングするように構成されている、請求項１８または１９に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器および電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大容量の電力を扱うために、少容量の電力変換装置を多重化することにより、電力変換装置を大容量化することが検討されている。この多重化された電力変換装置には多重変圧器が適用されている。この多重変圧器が適用された電力変換装置は、たとえば特開２０００−５０６４２号公報（特許文献１）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−５０６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の公報に記載された電力変換装置における多重変圧器は、複数の巻線の共通の磁路となる１つの鉄心を備えている。このため、鉄心のサイズが大きくなる。【０００５】
変圧器の鉄心における損失として、変圧器を励磁する交流電圧の周波数に比例するヒステリシス損が知られている。また、ヒステリシス損の低い材料としてアモルファス（非晶質）材が知られている。このアモルファス材を用いた鉄心の大きさには製造上の制約による上限があるため、アモルファスを用いた鉄心のサイズを大きくすることは困難である。【０００６】
したがって、上記の公報に記載された複数の巻線の共通の磁路となる１つの鉄心に、アモルファス（非晶質）材を用いた鉄心を適用することは困難である。このため、変圧器の鉄心におけるヒステリシス損を抑制することは困難である。【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大容量化することができ、かつ変圧器の鉄心におけるヒステリシス損を抑制することができる変圧器およびそれを備えた電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の変圧器は、第１鉄心群と、第２鉄心群と、複数の巻線部とを備えている。第１鉄心群は、互いに隣り合う複数の鉄心積層体を含む。第２鉄心群は、第１鉄心群と間隔を設けて向かい合うように配置され、第１鉄心群の複数の鉄心積層体にそれぞれ向かい合うように配置された複数の鉄心積層体を含む。複数の巻線部は、第１鉄心群の複数の鉄心積層体と、第１鉄心群の複数の鉄心積層体にそれぞれ向かい合う第２鉄心群の複数の鉄心積層体とにそれぞれ跨って巻回されている。第１鉄心群の複数の鉄心積層体の各々と第２鉄心群の複数の鉄心積層体の各々は、互いに積み重ねられた複数の環状鉄心を含む。第１鉄心群の複数の鉄心積層体は、第１方向に沿って並ぶように配置され、第２鉄心群の複数の鉄心積層体は、第１鉄心群と並列に第１方向に沿って並ぶように配置されている。第１鉄心群の複数の鉄心積層体の各々および第２鉄心群の複数の鉄心積層体の各々は、第１方向と交差する第２方向に貫通した鉄心窓を有している。複数の巻線部の各々は、第１方向と交差しかつ第２方向と交差する第３方向において互いに隣り合う第１鉄心群の複数の鉄心積層体の各々と第２鉄心群の複数の鉄心積層体の各々とに跨がるように、複数の鉄心積層体の各々の鉄心窓を通して巻回される。複数の巻線部の各々は、第１の巻線および第２の巻線を含んでいる。複数の第１の巻線は、複数の第１の交流端子とそれぞれ接続される。複数の第２の巻線は、複数の第２の交流端子とそれぞれ接続される。複数の第１の交流端子は、複数のＤＣ／ＡＣ変換器とそれぞれ接続される。複数の第２の交流端子は、複数のＡＣ／ＤＣ変換器とそれぞれ接続される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の変圧器は、第１鉄心群と第２鉄心群とに亘って巻回された複数の巻線部を備えている。このため、変圧器を多重化することにより大容量化することができる。また、第１鉄心群および第２鉄心群の各々は互いに隣り合う複数の鉄心積層体を含み、複数の鉄心積層体の各々は互いに積み重ねられた複数の環状鉄心を含んでいる。このため、複数の環状鉄心を使用して変圧器の鉄心を構成することができる。したがって、アモルファス（非晶質）材などの製造上の制約により鉄心のサイズに上限があるヒステリシス損の低い材料を鉄心に適用することができる。これにより、変圧器の鉄心におけるヒステリシス損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る変圧器の第１鉄心群および第２鉄心群の一例を概略的に示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る変圧器の環状鉄心の一例を概略的に示す側面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る変圧器の一例を概略的に示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る変圧器の環状鉄心の一例を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る素線導体の一例を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る変圧器の一例を概略的に示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る変圧器の一例を概略的に示す正面図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る変圧器の第１鉄心群および第２鉄心群の一例を概略的に示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る変圧器の環状鉄心の一例を概略的に示す側面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る変圧器の環状鉄心の一例を概略的に示す平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る磁気回路の製造工程の一例を概略的に示す側面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る磁気回路の製造工程の一例を概略的に示す平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る磁気回路の一例を概略的に示す平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係るラップジョイントコアを概略的に示す平面図である。
【図１５】本発明の実施の形態５に係る磁気回路の製造工程の一例を概略的に示す側面図である。
【図１６】本発明の実施の形態５に係る磁気回路の製造工程の一例を概略的に示す平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態５に係る複数の環状鉄心が積み重ねられた状態を概略的に示す平面図である。
【図１８】本発明の実施の形態６に係る電力変換装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態６に係るＤＣ／ＤＣコンバータの構成の一例を概略的に示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態７に係る素線導線の一例を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。具体的には、変圧器、電力変換装置の実施の形態の一例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施の形態により開示する発明が限定されるものではない。各実施の形態は、内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。以下、同一または相当部分には同一の符号を付し、説明は繰り返さない。
【００１２】
実施の形態１．
図１〜図７を参照して、本発明の実施の形態１に係る変圧器１の構造について説明する。まず、図１〜図３に示すように、本実施の形態に係る変圧器１は、第１鉄心群２０と、第２鉄心群２１と、複数の巻線部３０とを主に備えている。第１鉄心群２０および第２鉄心群２１は互いに間隔を設けて向かい合うように配置されている。複数の巻線部３０は第１鉄心群２０と第２鉄心群２１とに亘って巻回されている。第１鉄心群２０および第２鉄心群２１の各々は、互いに隣り合う複数の鉄心積層体１０，１１を含んでいる。複数の鉄心積層体１０，１１の各々は、互いに積み重ねられた複数の環状鉄心１００を含んでいる。
【００１３】
第１鉄心群２０は、複数の鉄心積層体１０を含んでいる。複数の鉄心積層体１０は、たとえば７個の鉄心積層体１０ａ〜１０ｇを含んでいてもよい。なお、説明の便宜のため、鉄心積層体１０ｅ，１０ｆは図示されていない。これらの鉄心積層体１０ａ〜１０ｇは、第１方向（図１中Ｘ方向）に隣り合うように配置されており、全体として梯子状に構成されている。
【００１４】
第２鉄心群２１は、複数の鉄心積層体１１を含んでいる。複数の鉄心積層体１１は、たとえば７個の鉄心積層体１１ａ〜１１ｇを含んでいてもよい。なお、説明の便宜のため、鉄心積層体１１ｅ、１１ｆは図示されていない。これらの鉄心積層体１１ａ〜１１ｇは、第１方向に隣り合うように配置されており、全体として梯子状に構成されている。
【００１５】
隣り合う鉄心積層体１０同士は、各々の鉄心積層体１０の鉄心窓を含まない側面部が略同じ面に接するようにして一列に水平方向に並べられている。これにより、梯子状の第１鉄心群２０が構成されている。また、隣り合う鉄心積層体１１同士は、各々の鉄心積層体１１の側面部が略同じ面に接するようにして一列に水平方向に並べられている。これにより、梯子状の第２鉄心群２１が構成されている。
【００１６】
なお、本願では方向を示す用語として、水平方向、垂直方向が用いられるが、これらの方向は図１および図２において矢印で示すＸ方向、Ｙ方向をそれぞれ意味する。
【００１７】
第１鉄心群２０および第２鉄心群２１において、鉄心窓を含まない面の内、面積が大きくなる面同士が、環状鉄心１００の１つまたは全てが構造物に触れることなく一定の間隔を設けて互いに向かい合わせて配置されている。つまり、複数の鉄心積層体１０，１１が格子状に配置されている。
【００１８】
複数の鉄心積層体１０，１１の各々では、第２方向（図２中Ｙ方向）に複数の環状鉄心１００が積み重ねられている。複数の鉄心積層体１０，１１の各々では、複数の環状鉄心１００が積み重ねられており、たとえば４個の環状鉄心１００が積み重ねられていてもよい。これら４個の環状鉄心１００は、複数の環状鉄心１００の各々の窓の中心が一致するように積み重ねられており、たとえば、４個の環状鉄心１００の各々の窓の中心が一致するように積み重ねられていてもよい。なお、本実施の形態では、４個の環状鉄心１００が垂直方向に積み重ねられることにより鉄心積層体１０，１１が構成されているが、環状鉄心１００の積み重ねられる個数はこれに限定されない。複数の環状鉄心１００の各々は環状鉄心であってもよい。複数の環状鉄心１００の各々は平面視において略矩形状に構成されていてもよい。
【００１９】
複数の鉄心積層体１０の各々は、複数の環状鉄心１００により構成された脚部を有している。互いに間隔を設けて向かい合う第１鉄心群２０、第２鉄心群２１の各脚部は、各巻線部３０に巻回されるため、磁脚と呼ばれる。一方で、第１鉄心群２０、第２鉄心群２１の鉄心部分のうち磁脚でない部分は、ヨーク部と呼ばれる。
【００２０】
第１鉄心群２０の複数の鉄心積層体１０の各々と第２鉄心群２１の複数の鉄心積層体１１の各々とは、互いに間隔を設けて向かい合うように配置されている。具体的には、第１鉄心群２０の複数の鉄心積層体１０の各々と第２鉄心群２１の複数の鉄心積層体１１の各々とは、第１方向および第２方向の両方に交差する第３方向（図１中Ｚ方向）に互いに間隔を設けて向かい合うように配置されている。
【００２１】
複数の巻線部３０は、たとえば７個の巻線部３０ａ〜３０ｇを含んでいてもよい。なお、説明の便宜のため、巻線部３０ｅ，３０ｆは図示されていない。複数の巻線部３０の各々は、複数の鉄心積層体１０の各々の脚部と複数の鉄心積層体１１の各々の脚部とに巻回されている。複数の巻線部３０ａ〜３０ｇの各々は、複数の鉄心積層体１０ａ〜１０ｆの各々の脚部と複数の鉄心積層体１１ａ〜１１ｆの各々の脚部とにそれぞれ巻回されている。複数の巻線部３０は、第１方向（図１中Ｘ方向）に互いに間隔を設けて配置されている。
【００２２】
複数の巻線部３０の各々は、一対の低圧巻線４０と、高圧巻線５０とを含んでいる。高圧巻線５０は、一対の低圧巻線４０に挟まれている。高圧巻線５０は、一対の低圧巻線４０の各々と間隔を設けて配置されている。複数の巻線部３０ａ〜３０ｇの各々は、一対の低圧巻線４０ａ〜４０ｇの各々と、高圧巻線５０ａ〜５０ｇの各々とをそれぞれ含んでいる。一対の低圧巻線４０ａ〜４０ｇの各々と、高圧巻線５０ａ〜５０ｇの各々とは一組の巻線部３０ａ〜３０ｇをそれぞれ構成している。一組の巻線部３０ａ〜３０ｇは同一の鉄心窓内を通過するように各鉄心積層体１０，１１の各脚部をまたぐように巻き付けられている。磁気回路６０ａ〜６０ｇは、鉄心積層体１０ａ〜１０ｇ，１１ａ〜１１ｇ、低圧巻線４０ａ〜４０ｇおよび高圧巻線５０ａ〜５０ｇからそれぞれ構成されている。
【００２３】
以下では、各低圧巻線４０に入力される電圧の位相は完全に一致しており、各高圧巻線５０に入力される電圧の位相は完全に一致していると仮定して説明する。
【００２４】
図３に示すように、一対の低圧巻線４０は低圧側交流端子４１に導体４２により接続されている。具体的には、一対の低圧巻線４０ａ〜４０ｇの各々は、低圧側交流端子４１ａ〜４１ｇの各々に導体４２ａ〜４２ｇの各々により接続されている。高圧巻線５０は高圧側交流端子５１に導体５２により接続されている。具体的には、高圧巻線５０ａ〜５０ｇの各々は、高圧側交流端子５１ａ〜５１ｇの各々に導体５２ａ〜５２ｇの各々により接続されている。低圧巻線４０および高圧巻線５０を備える１組の巻線部３０は、同一の鉄心窓を通るように脚部に巻回される。
【００２５】
一対の低圧巻線４０は、同一の鉄心窓内で高圧巻線５０を挟むように配置される。一対の低圧巻線４０の各々と鉄心積層体１０，１１の各々とは、低圧巻線４０に発生する電位と鉄心積層体１０，１１に存在する電位の差に応じて適切な絶縁距離が保たれている。高圧巻線５０と鉄心積層体１０，１１とは、高圧巻線５０に発生する電位と鉄心積層体１０，１１に存在する電位の差に応じて適切な絶縁距離が保たれている。一対の低圧巻線４０の各々と高圧巻線５０との間には、一対の低圧巻線４０の各々と高圧巻線５０とで発生する電位の差に応じて適切な絶縁距離が保たれている。
【００２６】
各低圧側交流端子４１には、それぞれ交流電圧が印加される。これにより、各環状鉄心１００が励磁される。また、各高圧側交流端子５１には、それぞれ交流電圧が印加される。これにより、各環状鉄心１００が励磁される。したがって、一対の低圧巻線４０の各々と鉄心積層体１０，１１との絶縁距離は、各低圧側交流端子４１に印加される電圧によって決まる。一方で、高圧巻線５０と鉄心積層体１０，１１との絶縁距離は各高圧側交流端子５１に印加される電圧によって決まる。また、低圧巻線４０と高圧巻線５０との間の絶縁距離は、低圧側交流端子４１に印加される交流電圧と高圧側交流端子５１に印加される交流電圧の電位差で決まる。
【００２７】
必要な絶縁距離は、電位差が大きくなるほど、長くなる。つまり、高圧巻線５０と鉄心積層体１０，１１との間に必要な絶縁距離は、低圧巻線４０と鉄心積層体１０，１１との間に必要な絶縁距離に比べて長くなる。したがって、高圧巻線５０を一対の低圧巻線４０の間に挟むように配置しない場合には、長い絶縁距離が必要となるため、変圧器１が大型化する。しかし、図３に示すように、一対の低圧巻線４０の間に高圧巻線５０を配置することで、水平方向には、鉄心積層体１０，１１と低圧巻線４０との絶縁距離のみで良くなるため、変圧器１を小型化することが可能となる。
【００２８】
さらに、一対の低圧巻線４０と高圧巻線５０の間に存在する水平方向の距離を調整することで、変圧器１の漏れインピーダンスを調節することができる。変圧器１の漏れインピーダンスは変圧器１の巻数を増減させることでも調整可能であるが、巻線数を増加させた場合、導線の使用量が増加し、損失が増加してしまうことが懸念される。しかし、図３に示すように一対の低圧巻線４０の間に高圧巻線５０とが配置されることで、一対の低圧巻線４０の各々と高圧巻線５０の間に存在する水平距離をそれぞれ調整することが可能となる。これにより、変圧器１の漏れインピーダンスを調整する自由度が増えるため、損失を抑えながら、変圧器１の漏れインピーダンスを設計値に合わせることが可能となる。
【００２９】
図４に示すように、複数の環状鉄心１００の各々は、芯材１００ａ含んでいる。この芯材１００ａはアモルファス（非晶質）材を含んでいる。この芯材１００ａは、たとえば、アモルファス（非晶質）材による薄帯状磁性材を複数枚重ねて構成されたものであってもよい。
【００３０】
複数の環状鉄心１００の各々は、芯材１００ａの少なくとも一部を覆う絶縁層１００ｂを含んでいる。つまり、各環状鉄心１００は、全面または一部に絶縁層１００ｂを備えている。この絶縁層１００ｂは、酸化物および樹脂の少なくともいずれかを含んでいる。この樹脂は、たとえばエポキシ等の樹脂である。
【００３１】
図５は、一対の低圧巻線４０および高圧巻線５０を構成する導線７０の一例を示している。図５に示すように、導線７０は、複数の導体素線７１を備えている。一対の低圧巻線４０および高圧巻線５０の電流は、導体素線７１に分かれて流れている。図５に示すように、各導体素線７１は、素線絶縁７２を備えている。各導体素線７１と素線絶縁７２とが共通絶縁７３により束ねられて積層されることで導線７０が構成されている。変圧器１の漏れ磁束が巻線に鎖交することで発生する巻線の渦電流損は、導体素線７１の厚みが薄いほど、小さくなることが知られている。一方で、導体素線７１の厚みが細くなると、通電可能な電流量が減少し、大容量化の妨げとなる。しかし、導線７０を図５に示すような構成とすることで、細くて小さい導体素線７１を使用した場合でも、導体素線数を増加させることで大電流に対応させることが容易となる。
【００３２】
図６および図７は、本発明の実施の形態１に係る変圧器１のタンク８０内の構造の一例を模式的に示している。なお、図６では見やすくするために絶縁油６００は図示されていない。また、図７では見やすくするために絶縁油６００の液面のみが図示されている。タンク８０は、第１鉄心群２０および第２鉄心群２１並びに複数の巻線部３０を収容する。つまり、第１鉄心群２０および第２鉄心群２１並びに複数の巻線部３０は筐体であるタンク８０内に格納されている。変圧器１は同一のタンク８０内に格納されている。
【００３３】
タンク８０内に絶縁油６００が充填されている。タンク８０内で第１鉄心群２０および第２鉄心群２１並びに複数の巻線部３０が絶縁油６００に浸漬されている。この絶縁油６００は、空気よりも絶縁性が高い。この絶縁油６００は、絶縁油６００に適した流速でタンク８０内を循環している。具体的には、ポンプ５００により絶縁油はタンク内を循環している。タンク８０内に絶縁油６００を充填することで、空気中と比べて絶縁が強化される。したがって、鉄心積層体１０，１１と一対の低圧巻線４０および高圧巻線５０との間に必要な絶縁距離は短くて良いため、変圧器１を小型化することが可能となる。
【００３４】
さらに、第１鉄心群２０、第２鉄心群２１、低圧巻線４０および高圧巻線５０は変圧器１に電力を入力することで損失が発生し発熱する。しかしながら、タンク８０内を絶縁油が適した流速で循環することで、第１鉄心群２０、第２鉄心群２１、低圧巻線４０および高圧巻線５０が冷却されるため、変圧器１の信頼性が向上する。
【００３５】
また、図６および図７に示すように、各低圧巻線４０はタンク８０の外部にある各低圧側交流端子４１と各導体４２で接続され、各高圧巻線５０はタンク８０の上部にある各高圧側交流端子５１と各導体５２で接続されている。
【００３６】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の変圧器１は、第１鉄心群２０と第２鉄心群２１とに亘って巻回された複数の巻線部３０を備えている。このため、変圧器１を多重化することにより大容量化することができる。また、第１鉄心群２０および第２鉄心群２１の各々は互いに隣り合う複数の鉄心積層体１０，１１を含み、複数の鉄心積層体１０，１１の各々は互いに積み重ねられた複数の環状鉄心１００を含んでいる。このため、複数の環状鉄心１００を使用して変圧器１の鉄心を構成することができる。したがって、アモルファス（非晶質）材などの製造上の制約により鉄心のサイズに上限があるヒステリシス損の低い材料を鉄心に適用することができる。これにより、変圧器１の鉄心におけるヒステリシス損を抑制することができる。
【００３７】
本実施の形態の変圧器１によれば、高圧巻線５０は、一対の低圧巻線４０に挟まれており、一対の低圧巻線４０の各々と間隔を設けて配置されている。これにより、高圧巻線５０と環状鉄心１００との間で必要な絶縁距離を短くすることができるため、変圧器１を小型化することができる。
【００３８】
本実施の形態１の変圧器１によれば、複数の環状鉄心１００の各々の芯材１００ａは、アモルファス（非晶質）材を含んでいる。アモルファス（非晶質）材はヒステリシス損が低い材料であるため、複数の環状鉄心１００の各々のヒステリシス損を抑制することができる。
【００３９】
本実施の形態１の変圧器１によれば、複数の環状鉄心１００の各々の芯材１００ａの少なくとも一部を覆う絶縁層１００ｂは、酸化物および樹脂の少なくともいずれかを含んでいる。これにより、芯材１００ａ同士が絶縁層１００ｂにより絶縁されるため、過電流損失を低減することができる。
【００４０】
本実施の形態１の変圧器１によれば、タンク８０内で第１鉄心群２０および第２鉄心群２１並びに複数の巻線部３０が絶縁油６００に浸漬されている。したがって、絶縁油６００により空気中と比べて絶縁が強化されるため、鉄心積層体１０，１１と一対の低圧巻線４０および高圧巻線５０との間に必要な絶縁距離を短くすることができる。これにより、変圧器１を小型化することができる。また、絶縁油６００により第１鉄心群２０、第２鉄心群２１、一対の低圧巻線４０および高圧巻線５０を冷却することができるため、変圧器１の信頼性を向上させることができる。
【００４１】
実施の形態２．
上記の実施の形態１では、各低圧巻線４０に入力される電圧の位相は完全に一致しており、各高圧巻線５０に入力される電圧の位相は完全に一致しているとして、説明した。しかし、実際の使用状況によっては、各低圧巻線４０および各高圧巻線５０の電圧は必ずしも位相が一致しておらず、電圧の最大値も必ずしも一致していない。さらに、環状鉄心１００の各面の絶縁層１００ｂは、経年による劣化および鉄心積層体１０，１１の構成時に環状鉄心１００同士が触れることで、一部剥離することがある。このような状況下では変圧器１の絶縁が不十分となるため、環状鉄心１００の渦電流損失が増加したり、隣接する環状鉄心１００同士の絶縁が低下したりする。これらは変圧器１の信頼性を低下させる一因となり得る。
【００４２】
図８および図９を参照して、本発明の実施の形態２に係る変圧器１の構成について説明する。図８および図９に示すように、本実施の形態の変圧器１は絶縁物１０１を備えている。この絶縁物１０１は非磁性の材料を含んでいる。
【００４３】
絶縁物１０１は、第１鉄心群２０および第２鉄心群２１の各々の複数の鉄心積層体１０，１１の各々の間に挟み込まれている。つまり、絶縁物１０１は、複数の鉄心積層体１０のそれぞれの間に挿入されており、複数の鉄心積層体１１それぞれの間に挿入されている。また、絶縁物１０１は、複数の環状鉄心１００の各々の間に挟み込まれている。つまり、絶縁物１０１は、積み重ねられた環状鉄心１００同士の間に挿入されている。
【００４４】
本実施の形態の変圧器１によれば、絶縁物１０１が複数の鉄心積層体１０，１１の各々の間に挟み込まれている。したがって、鉄心積層体１０，１１、低圧巻線４０および高圧巻線５０から構成される磁気回路からの漏れ磁束が、他の磁気回路に及ぼす影響が低減されるため、変圧器１の信頼性が向上する。さらに、絶縁物１０１は、複数の環状鉄心１００の各々の間に挟み込まれている。したがって、磁気回路内の漏れ磁束が鉄心積層体１０，１１に鎖交して発生する渦電流損失を小さくすることができるため、変圧器１の効率が向上する。
【００４５】
実施の形態３．
上記の実施の形態１および実施の形態２では、環状鉄心１００の一部を分離する個所がないため、低圧巻線４０および高圧巻線５０を鉄心積層体１０および鉄心積層体１１に適切な絶縁距離を確保しながら、直接巻回するしかない。したがって、変圧器１の加工性が悪い。これにより、低圧巻線４０および高圧巻線５０と鉄心積層体１０，１１の適切な絶縁が確保できないため、信頼性が低下する一因となり得る。
【００４６】
図１０を参照して、本発明の実施の形態３に係る変圧器１の構成について説明する。図１０に示すように、複数の環状鉄心１１０の各々は、一対の半環状部１１０ａを含んでいる。一対の半環状部１１０ａの各々はコの字型またはＵ字型に構成されていてもよい。複数の環状鉄心１１０の各々は、一対の半環状部１１０ａを互いに接続することにより環状となるように構成されている。つまり、半環状部１１０ａの開口同士が接続されることにより、環状鉄心１１０が構成されている。
【００４７】
環状鉄心１１０は２つの半環状部１１０ａに分離可能なカット部１１１を備えている。環状鉄心１１０が鉄心窓の中心が一致するように積み上げられることで鉄心積層体１０，１１が構成されている。さらに、環状鉄心１１０は全面または一部に絶縁層１１２を備えている。なお、この絶縁層１１２は酸化物またはエポキシ等の樹脂で構成されている。
【００４８】
各環状鉄心１１０は、一対の半環状部１１０ａに分離することが可能である。したがって、低圧巻線４０および高圧巻線５０を脚部に直接巻回する必要が無い。よって、あらかじめ別の製造工程で低圧巻線４０および高圧巻線５０を製造しておき、低圧巻線４０および高圧巻線５０に環状鉄心１１０をそれぞれ挿入すれば良いため、加工性が向上する。これにより、製造期間の短縮が図れる。なお、このような環状鉄心１１０はカットコアと称される。
【００４９】
図１１および図１２は、鉄心積層体１０，１１、低圧巻線４０および高圧巻線５０から構成される磁気回路６０の製造方法を示している。環状鉄心１１０はカット部１１１で２つに分離される。分離された環状鉄心１１０の各々の半環状部１１０ａは、非磁性の絶縁物１０１を介して、環状鉄心１１０の各辺が一致するように積み上げられる。
【００５０】
変圧器１は、非磁性の材料を含むバインド材（第１バインド材）１１３を備えていてもよい。半環状部１１０ａは、積み上げられた後、紐状またはテープ状のバインド材１１３により締め付け固定されて一体化される。これにより、鉄心積層体１０，１１が構成される。バインド材１１３は、一対の半環状部１１０ａの各々を締め付けて固定している。この締め付け固定用のバインド材１１３は、非磁性の金属、樹脂、プラスチック、ガラス繊維等を含んでいる。
【００５１】
なお、図１１および図１２では、鉄心積層体１０，１１においてバインド材１１３は合計１０個所に描かれているが、環状鉄心１１０の大きさおよび重量に応じて適切な強度を持ち、適切な数で固定するものであれば、その材質および数は限定されない。また、非磁性の絶縁物１０１は渦電流損失等を抑制するために設けられたものであるが、非磁性の絶縁物１０１は無くても良い。
【００５２】
図１１および図１２に示すように、鉄心積層体１０，１１をあらかじめ、別の製造工程で製造された低圧巻線４０および高圧巻線５０に各々適切な絶縁距離を保ちながら差し込むことで、磁気回路６０が構成される。
【００５３】
この磁気回路６０をさらに非磁性の絶縁物１０１を間に挟んで併設し、タンク８０に格納する。また、差し込んだ、鉄心積層体１０，１１各々は、カット部１１１のカット面が一致するように付きあわされる。こうすることで、カット部１１１の鉄心断面積が減少することが無くなり、カット部１１１での損失増加を抑制できる。
【００５４】
なお、本実施の形態では鉄心積層体１０，１１をあらかじめ別の製造工程で製造された低圧巻線４０および高圧巻線５０に差し込むことで磁気回路６０を構成していたが、４つある鉄心積層体１０，１１のいずれかの内、１つの鉄心積層体１０，１１から構成する１組に低圧巻線４０および高圧巻線５０を適切な絶縁距離を保ちながら差し込み、その後、もう一方の鉄心積層体１０および鉄心積層体１１から構成する１組をカット部１１１のカット面が一致するように付きあわせても良い。
【００５５】
本実施の形態の変圧器１によれば、複数の環状鉄心１１０の各々は、一対の半環状部１１０ａを互いに接続することにより環状となるように構成されている。したがって、別の製造工程で製造された低圧巻線４０および高圧巻線５０に一対の半環状部１１０ａをそれぞれ挿入することで環状鉄心１１０を構成することができる。このため、加工性を向上することができる。よって、製造期間を短縮することが可能となる。
【００５６】
本実施の形態の変圧器１によれば、バインド材１１３で一対の半環状部１１０ａの各々を固定することができる。このため、加工性を向上することができる。よって、製造期間を短縮することが可能となる。
【００５７】
本実施の形態の変圧器１によれば、バインド材１１３は、非磁性の金属、樹脂、プラスチックおよびガラス繊維を含んでいる。これにより、バインド材１１３によって発生する過電流損失を抑制することができる。
【００５８】
実施の形態４．
上記の実施の形態３では、鉄心積層体１０，１１を構成する複数の環状鉄心１１０がバインド材１１３により締め付け固定されており、カット部１１１のカット面が一致するように付き合わされている。
【００５９】
変圧器１の低圧巻線４０または高圧巻線５０に接続されている系統または電力変換器で短絡事故が発生した場合、あるいは、低圧巻線４０または高圧巻線５０で巻線短絡が発生した場合に、低圧巻線４０および高圧巻線５０には過大な短絡事故電流（例えば、定格電流の１０倍）が流入する。過大な短絡事故電流が低圧巻線４０または高圧巻線５０に流入すると、低圧巻線４０に環状鉄心１１０に近づく方向に短絡電磁力が発生し、環状鉄心１１０に低圧巻線４０が衝突する。環状鉄心１１０に低圧巻線４０が衝突するとカット部１１１で付きあわされていた鉄心積層体１０，１１は分離するおそれがある。この場合、磁気回路６０が構成できなくなる。さらに、低圧巻線４０が衝突することにより分離した鉄心積層体１０，１１が隣接する他の磁気回路６０を構成している鉄心積層体１０，１１に衝突すると、その衝撃で、カット部１１１のカット面がずれるおそれがある。この場合、磁気回路６０の特性が悪くなる等の障害が発生する。つまり、短絡事故が除去された後に変圧器１を使用した運転が不可能になるため、電力の送電の再開には新たな変圧器１の交換が必要になる。
【００６０】
図１３を参照して、本発明の実施の形態４に係る変圧器１の構成について説明する。図１３に示すように、変圧器１は非磁性の固定部材１１４を備えている。固定部材１１４は、一対の半環状部１１０ａを互いに接続することにより環状となるように固定している。
【００６１】
固定部材１１４は、固定冶具１１４ａ、締め付けボルト１１４ｂおよびナット１１４ｃとを含んでいる。固定冶具１１４ａは環状鉄心１１０の外周を覆うように構成されている。固定冶具１１４ａは外周の一部に隙間を挟んで向かい合う取付け部を有している。取付け部には貫通孔が設けられており、この貫通孔に締め付けボルト１１４ｂが挿入された状態で締め付けボルト１１４ｂにナット１１４ｃが取り付けられている。この状態で締め付けボルト１１４ｂが締め付けられることにより環状鉄心１１０が固定される。固定部材１１４は、カット部１１１でカット面が完全に一致するように付き合わせた状態を保持する。なお、固定冶具１１４ａ、締め付けボルト１１４ｂおよびナット１１４ｃは非磁性の絶縁物であってもよい。
【００６２】
複数の環状鉄心１１０が非磁性の絶縁物１０１を挟んで積み重ねられることで鉄心積層体１０，１１が構成される。鉄心積層体１０，１１が低圧巻線４０および高圧巻線５０に各々適切な絶縁距離を保ちながら差し込まれることで磁気回路が構成される。その後、鉄心積層体１０，１１における各環状鉄心１１０が固定部材１１４により締め付け固定される。環状鉄心１１０の締め付け固定が完了した後、バインド材（第１バインド材）１１３により鉄心積層体１０，１１における半環状部１１０ａの各々が締め付け固定される。これにより、低圧巻線４０および高圧巻線５０に短絡事故電流が流入することで短絡電磁力が発生し、低圧巻線４０が環状鉄心１１０に衝突しても、鉄心積層体１０，１１は分離しないため、磁気回路は形状を保持できる。したがって、他の磁気回路へ影響を及ぼすことが無くなり事故除去後の運転再開がスムーズになる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、鉄心積層体１０，１１における半環状部１１０ａの各々が固定部材１１４で固定された後、バインド材１１３により鉄心積層体１０，１１が締め付け固定された。しかし、先にバインド材１１３により、鉄心積層体１０，１１が締め付け固定された後、半環状部１１０ａの各々が固定部材１１４で固定されてもよい。また、固定部材１１４により半環状部１１０ａの各々が固定されたが、バインド材１１３で締め付け固定された鉄心積層体１０，１１がまとめられて、固定部材１１４で固定されてもよい。
【００６４】
本実施の形態の変圧器１によれば、固定部材１１４により短絡事故発生時に変圧器１内に事故が波及することを抑制することができる。これにより、事故除去後の運転再開をスムーズにすることが可能となる。
【００６５】
実施の形態５．
図１４を参照して、本発明の実施の形態５に係る変圧器１の構成について説明する。図１４に示すように、複数の環状鉄心１２０の各々は、複数の薄帯状体１２０ａを含んでいる。複数の薄帯状体１２０ａは、非磁性の材料を含んでいる。複数の薄帯状体１２０ａは互いに積層されている。複数の薄帯状体１２０ａの一方端部と他方端部とが接合されることによりラップ部１２１が構成されている。
【００６６】
薄帯状体１２０ａは薄帯状の磁性材料が多数枚重ねられて構成されている。薄帯状体１２０ａが既定の長さで重ねられてラップ部１２１で接合された環状鉄心１２０を鉄心窓の中心が一致するように積み上げ鉄心積層体１０，１１が構成されている。さらに、環状鉄心１２０は、ラップ部１２１を除いた面に絶縁層１２２を備えている。なお、この絶縁層１２２は酸化物またはエポキシ等の樹脂で構成されている。環状鉄心１２０は、ラップ部１２１で開口することが可能であり、Ｕ字に変形することができる。したがって、環状鉄心１２０では、低圧巻線４０および高圧巻線５０を直接磁脚に巻回する必要が無い。そのため、あらかじめ別の製造工程で低圧巻線４０および高圧巻線５０を製造しておき、低圧巻線４０および高圧巻線５０にラップ部１２１で開口しＵ字に変形した環状鉄心１２０を挿入し、再度ラップ部１２１で閉じて環状にすればよいため、加工性が向上する。よって、製造期間の短縮を図ることが可能となる。なお、このような環状鉄心１２０はラップジョイントコアと称される。
【００６７】
図１５および図１６に鉄心積層体１０、鉄心積層体１１、低圧巻線４０および高圧巻線５０から構成される磁気回路６０の製造方法を示す。図１５および図１６に示すように、環状鉄心１２０はラップ部１２１でＵ字に変形することができる。２つのＵ字に変形した環状鉄心１２０は、あらかじめ別の製造工程で製造された低圧巻線４０および高圧巻線５０にそれぞれ、適切な絶縁距離を保ちながら差し込み、再度ラップ部１２１で閉じて環状にする。この状態からさらに、追加でＵ字に変形した環状鉄心１２０を適切な絶縁距離を保ちながら、先に低圧巻線４０および高圧巻線５０に挿入された環状鉄心１２０と鉄心窓の中心が一致するように積み上げるように設置する。これを数回繰り返し、鉄心積層体１０および鉄心積層体１１を構成し、鉄心積層体１０、鉄心積層体１１、低圧巻線４０および高圧巻線５０から構成される磁気回路６０が製造される。この磁気回路６０がさらに非磁性の絶縁物１０１を間に挟んで併設され、タンク８０に格納される。
【００６８】
また、環状鉄心１２０を積み上げて鉄心積層体１０，１１が構成された後、紐状またはテープ状のバインド材（第２バインド材）１１３により環状鉄心１２０が締め付け固定されてもよい。
【００６９】
さらに、鉄心積層体１０，１１における各環状鉄心１２０のラップ部１２１の各々について、紐状またはテープ状のバインド材１１３により締め付けてもよい。こうすることで、短絡事故が発生した等にラップ部１２１に環状鉄心１２０がＵ字に変形するような力が働いた際でも形状を保持できるため、事故除去後にも変圧器１を引き続き使用できる。よって、信頼性が向上する。
【００７０】
図１７を参照して、鉄心積層体１０，１１において、ラップ部１２１の位置が１８０度ずれるように環状鉄心１２０を積み重ねられても良い。複数の環状鉄心１２０の各々は、ラップ部１２１が交互に１８０度ずつずれるように積み重ねられている。このようにすることで、ラップ部１２１の位置を分散させることができる。これにより、変圧器１の全体の騒音と振動とを低減することができる。また、鉄心冷却性能を向上させることができる。さらに局所的な温度上昇を緩和することができる。
【００７１】
本実施の形態の変圧器１によれば、複数の環状鉄心１２０をラップ部１２１で接合することができるため、加工性が向上する。よって、製造期間の短縮が図れる。
【００７２】
本実施の形態の変圧器１によれば、バインド材１１３により、短絡事故が発生した等にラップ部１２１に環状鉄心１２０がＵ字に変形するような力が働いた際でも形状を保持できるため、事故除去後にも変圧器１を引き続き使用できる。よって、信頼性が向上する。
【００７３】
本実施の形態の変圧器１によれば、バインド材１１３は、非磁性の金属、樹脂、プラスチックおよびガラス繊維を含んでいる。これにより、バインド材１１３によって発生する過電流損失を抑制することができる。
【００７４】
本実施の形態の変圧器１によれば、複数の環状鉄心１２０の各々は、ラップ部１２１が交互に１８０度ずつずれるように積み重ねられている。このため、ラップ部１２１の位置を分散させることができるため、変圧器１の全体の騒音と振動とを低減することができる。また、鉄心冷却性能を向上させることができる。さらに局所的な温度上昇を緩和することができる。
【００７５】
実施の形態６．
図１８は実施の形態５に係る電力変換装置２を示している。電力変換装置２は、直流電力を出力する第１端子３と、直流電力を出力する第２端子４と、複数のＤＣ／ＡＣ変換器２００と、複数のＡＣ／ＤＣ変換器３００とを備えている。複数のＤＣ／ＡＣ変換器２００は、たとえば７個のＤＣ／ＡＣ変換器２００ａ〜２００ｇを含んでいる。複数のＡＣ／ＤＣ変換器３００は、たとえば７個のＡＣ／ＤＣ変換器３００ａ〜３００ｇを含んでいる。複数のＤＣ／ＡＣ変換器２００の各々は直流端子２０１を備えている。複数の直流端子２０１は、たとえば７個の直流端子２０１ａ〜２０１ｇを含んでいる。直流端子２０１同士は、各々並列に接続されており、第１端子３と並列に接続されている。さらに、各々の交流端子は、低圧側交流端子４１（図３参照）に接続されている。
【００７６】
複数のＡＣ／ＤＣ変換器３００の各々は直流端子３０１を備えている。複数の直流端子３０１は、たとえば７個の直流端子３０１ａ〜３０１ｇを含んでいる。直流端子３０１同士は、直列に接続されており、直列接続された直流端子３０１各々は第２端子４に並列に接続されている。さらに、各々の交流端子は高圧側交流端子５１（図３参照）に接続されている。すなわち、電力変換装置２は、変圧器１を備えた、直流電力を直流電力に変換するＤＣ／ＤＣ変換器であり、ＤＣ／ＡＣ変換器２００、磁気回路６０およびＡＣ／ＤＣ変換器３００から構成されるＤＣ／ＤＣ変換器セル４００を複数備えた構成となる。なお、実施の形態５における変圧器１は、実施の形態１から実施の形態４に示す変圧器１のいずれかであり、磁気回路６０ａ〜６０ｇを備えている。図１８では、見やすくするために、ＤＣ／ＤＣ変換器セル４００が７個の場合を示しているがこれに限定されない。
【００７７】
このＤＣ／ＤＣ変換器セル４００は、低圧側直流端子２０１に印加される直流電圧を、ＤＣ／ＡＣ変換器２００、磁気回路６０およびＡＣ／ＤＣ変換器３００を介して、高圧側直流端子３０１に印加される直流電圧に変換する回路であり、双方向の電力変換が自由に制御可能である。磁気回路６０の巻数比、つまり低圧巻線４０と高圧巻線５０の比ｎは、１次側の直流電圧と２次側の直流電圧との比率に合わせるのが望ましい。なお、ＤＣ／ＤＣ変換器セル４００は、通常動作として低圧側直流端子２０１の直流電圧を昇圧して、高圧側直流端子３０１に直流電圧を出力する。したがって、電力変換装置２において、例えば第１端子３にＶｉｎが入力された場合、第２端子４にはＶｉｎのｎ×７倍の電圧に変換された直流電圧が出力される。
【００７８】
電力変換装置２をこのような構成にすることで、高電圧大容量の電力変換装置とすることができる。
【００７９】
図１９に、ＤＣ／ＤＣ変換器セル４００の回路図を示す。図１９に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換器セル４００は、ＤＣ／ＡＣ変換器２００とＡＣ／ＤＣ変換器３００と磁気回路６０を備えている。ＤＣ／ＡＣ変換器２００は、直流端子２０１に並列に接続された直流キャパシタＣｄｃ１と、それぞれ正極側と負極側の半導体素子としての半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を直列接続してなる２つのスイッチングレグからなるフルブリッジ回路（第１フルブリッジ回路）とを含んでいる。一方でＡＣ／ＤＣ変換器は、直流端子３０１に並列に接続された直流キャパシタＣｄｃ２と、それぞれ正極側と負極側の半導体素子としての半導体スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２４を直列接続してなる２つのスイッチングレグからなるフルブリッジ回路（第２フルブリッジ回路）とを含んでいる。ＤＣ／ＡＣ変換器２００と各スイッチングレグの中間接続点と、変圧器１の低圧側交流端子４１が接続され、ＡＣ／ＤＣ変換器３００の各スイッチングレグの中間接続点と変圧器１の高圧側交流端子５１が接続されており、磁気回路６０が接続されている。
【００８０】
半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４には、例えば、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の自己消孤機能を有した半導体スイッチング素子を用いる。半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４は、１００Ｈｚ以上の周波数でスイッチングするように構成されていてもよい。各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４は、電流容量に応じて複数の半導体スイッチング素子を並列に組み合わせて使用してもよい。駆動回路４０１は、ＤＣ／ＤＣ変換器セル４００内の各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４へのゲート信号４０２を生成して各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４のスイッチングを制御する。
【００８１】
この場合、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４にスナバキャパシタＣＳが並列に接続されている。スナバキャパシタＣＳと交流出力線のインダクタンスＬＳとの作用により、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４のソフトスイッチングであるゼロ電圧スイッチングが可能となる。
【００８２】
この場合、各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４がソフトスイッチングすることで、スイッチング損失が低減可能となり、動作周波数を高め、磁気回路６０の小型化が可能となるため、変圧器１の小型化が可能となる。なお、ソフトスイッチングとは、共振現象の利用により、スイッチング過渡期間に半導体スイッチング素子に加わる電圧または電流を軽減し、スイッチング損失や電磁ノイズの低減を行う技術である。また、インダクタンスＬＳは磁気回路６０の漏れインダクタンスを利用してもよい。
【００８３】
また、直流キャパシタＣｄｃ１、Ｃｄｃ２には電解コンデンサやフィルムコンデンサ等を用いる。直流キャパシタＣｄｃ１、Ｃｄｃ２には高周波の電流が流れるが、フィルムコンデンサを用いる場合は、高周波の電流による劣化を抑制でき長寿命化が図れる。
【００８４】
変圧器１を小型化するために各半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４の動作周波数を高め高周波化（例えば６１Ｈｚ以上）を行った場合、変圧器の損失が増加してしまうが、アモルファス（非晶質）材を鉄心材料とすることで高周波化による損失増加を抑制できる。
【００８５】
また、本実施の形態５で用いた半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４には、通常、珪素を使用するが、バンドギャップが珪素より大きいワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素や窒化ガリウムまたはダイヤモンド等を使用した半導体スイッチング素子を利用しても良い。これにより、より高い電圧で利用することが可能となり、さらにスイッチングの高速化が可能であるため変圧器１の小型化が可能となる。
【００８６】
本実施の形態の電力変換装置２によれば、上記の実施の形態１〜４のいずれかの変圧器１を備えているため、高電圧大容量の電力変換装置２を実現することができる。
【００８７】
本実施の形態の電力変換装置２によれば、ＤＣ／ＤＣ変換器を構成することができる。
本実施の形態の電力変換装置２によれば、ゼロ電圧スイッチングが可能となるため、スイッチング損失を低減することができる。
【００８８】
本実施の形態の電力変換装置２によれば、半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２４が１００Ｈｚ以上の周波数でスイッチングしても、アモルファス（非晶質）材などの製造上の制約により鉄心のサイズに上限があるヒステリシス損の低い材料を鉄心に適用することができるため、高周波化による損失増加を抑制できる。
【００８９】
実施の形態７．
図２０は、本発明の実施の形態７に係る導線７０の一例を示している。上記の図５に示す導線７０は細くて小さい導体素線７１を使用して構成したものであり、変圧器１の漏れ磁束が巻線に鎖交することで発生する巻線の渦電流損を小さくすることができる。しかし、電力変換装置２では、低圧巻線４０および高圧巻線５０に入力される電流は６１Ｈｚよりも高周波となる。したがって、導体素線７１では、表皮効果が発生し電流が導体素線７１の表面付近のみを導通することになる。このため、結果的に導体素線７１の抵抗が増加したように作用し、変圧器１の損失が増加してしまう。
【００９０】
図２０に示す導線７０は、素線絶縁７２を備えた導体素線７１をより合わせたリッツ線であり、高周波での表皮効果と近接効果を抑制することができるため、高周波化による損失増加を抑制できる。
【００９１】
導線７０をこのような構成にすることで、変圧器１の損失増加を抑制しつつ高周波化が可能となり、変圧器１の小型化を実現することができる。
【００９２】
本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【００９３】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９４】
１  変圧器、２  電力変換装置、３  第１端子、４  第２端子、１０，１１  鉄心積層体、２０  第１鉄心群、２１  第２鉄心群、３０  巻線部、４０  低圧巻線、４１  低圧側交流端子、４２，５２  導体、５０  高圧巻線、５１  高圧側交流端子、６０  磁気回路、７０  導線、７１  導体素線、７２  素線絶縁、７３  共通絶縁、８０  タンク、１００  環状鉄心、１００ｂ，１１２，１２２  絶縁層、１０１  絶縁物、１１０  環状鉄心（カットコア）、１１１  カット部、１１３  バインド材、１１４  固定部材、１２０  環状鉄心（ラップジョイントコア）、１２１  ラップ部、２００  ＤＣ／ＡＣ変換器、２０１  低圧側直流端子、３００  ＡＣ／ＤＣ変換器、３０１  高圧側直流端子、４００  ＤＣ／ＤＣ変換器セル、４０１  駆動回路、４０２  ゲート信号、Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４，Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４  半導体スイッチング素子、Ｃｄｃ１，Ｃｄｃ２  直流キャパシタ、ＣＳ  スナバキャパシタ、ＬＳ  インダクタンス。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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