JP5447353B2 - 整流器用変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を生成する整流器に、電力を供給するための整流器用変圧器の、巻線の冷却構造に関する。

電鉄用に直流電力を供給するための整流器用変圧器では、従来から絶縁性のある冷却媒体として、鉱油系絶縁油が用いられてきた。近年になっては、より引火点の高いシリコーン液と耐熱性の高い絶縁材料を用いて、整流器用変圧器の運転温度を高めることにより、コンパクトで難燃性の変圧器が開発されてきている。

一方、電鉄用の整流器用変圧器は短時間ではあるが、定格の数倍以上の電流を負荷に供給することもある。このような短時間大電流負荷の供給時でも、変圧器の内部を所定の温度範囲に収める冷却設計が必要である。

よって、熱の発生源である巻線の局部的な温度上昇を避け、できるだけ巻線を均一に冷却する必要がある。例えば、巻線を構成しているディスクコイル間にスペーサを挟んで積み上げ、更に所々に折流板と呼ばれるガイドを、冷却媒体が流れる方向を変化させるように配置しているものもある。これらの折流板により、冷却媒体が偏って流れるのを防ぎ、巻線全体をできるだけ均一に冷却をするような構造としているのである。

下記特許文献１では、折流板である水平スペーサの形状を工夫することにより、冷却媒体の流れを変化させ、巻線の局部的な温度上昇を低減している。また特許文献２では、冷却媒体流路内の所々に流路を狭める部材を設け、冷却媒体の流速分布を均一化させて、局部的な温度上昇を低減している。

特開平６−１５１２０６号公報 特開平１０−１０６８４８号公報

特許文献１で述べられている水平スペーサを用いることにより、所々で冷却媒体流路を閉塞させて、冷却媒体をディスクコイルの冷却に効果のある水平流を発生させ、ディスクコイルの冷却をすることは可能である。

しかし、図８に示した一般的な電鉄用の整流器用変圧器では、鉄心１から外側に向かって、絶縁筒４ａ、冷却媒体流路８ａ、低圧巻線２（一般的に上側低圧巻線と下側低圧巻線で構成されている）、冷却媒体流路８ｂ、絶縁筒４ｂ、高圧巻線部位６のような構成をしている。

また、このような構成になっている整流器用変圧器では、低圧巻線２から引き出されたリード線７は、外部端子に接続するために、構造上どうしても冷却媒体流路８ａを通らなければならない。

更に前記リード線７と鉄心１及び低圧巻線２の間は、製品仕様を満足するための絶縁距離を確保する必要もある。つまり前記のような整流器用変圧器では、冷却媒体流路８ａの流路幅ｄ１は、低圧巻線２と絶縁筒４ｂで作る冷却媒体流路８ｂの流路幅ｄ２よりも広くなってしまうのである。つまり流路幅ｄ１≫流路幅ｄ２となるのである。

そこで、特許文献１に示したような対策が、上記のような整流器用変圧器に対して効果が期待できるか、シミュレーションモデルで検証してみた。これを図９に示した。検証した項目は、ディスクコイルの温度上昇と冷却媒体の流速である。シミュレーションでは、リード線７の占める体積割合は極わずかであるため省略した。巻線を構成するディスクコイルには、ａ１からａ８まで記号を割り当て、またディスクコイルの隙間である水平流路にも、ｂ１からｂ７までの記号を割り当てて、流速と温度上昇を調べてみた。

その結果、図５のグラフに実線で示したように、水平流路ｂ１からｂ７を流れる冷却媒体の流速は、折流板ｂに近いほど遅く、必ずしも流速は均一ではないことがわかった。また温度に関しても、図４のグラフに示したように、折流板ｂ付近のディスクコイルａ１の温度が、局部的に上昇するという問題が判明した。

一方では、特許文献２に記載されているように、巻線と絶縁筒で作る冷却媒体流路部に流路幅を狭める部材を設け、垂直方向に流れる冷却媒体の流量を減少させ、水平方向への流量を増加させる方法も検討されている。しかし、特許文献１のように、所々で冷却媒体流路を閉塞させる場合に比べ、垂直流路を流れる冷却媒体の流量が多くなり、逆に水平流が少なくなるので、必ずしもディスクコイルの冷却に、十分な効果が得られるとは限らない。

これらの事より、ディスクコイルやその付近にある絶縁物が熱により劣化し、信頼性が低下する可能性がある。また、温度上昇を抑えるために冷却装置の容量を増やして、強制的に冷却する方法も考えられるが、結果として製品のコスト上昇が避けられない。

本発明は、以上のような問題点を鑑みてなされたもので、鉄心と高圧巻線間に低圧巻線を配置した整流器用変圧器で、複数のディスクコイルで構成された低圧巻線の温度上昇を均一化する冷却構造を持った、整流器用変圧器を提供することにある。

本発明は、鉄心と高圧巻線部位の間に低圧巻線を配置した整流器用変圧器であって、前記鉄心と前記低圧巻線間には、前記鉄心を包括するように絶縁筒が配置され、一方前記低圧巻線の鉄心とは反対側に、前記低圧巻線を包括するように絶縁筒が配置され、前記低圧巻線はディスクコイル間にスペーサ及び折流板を挟み込んで積み上げ、前記低圧巻線の上下を巻線支持部材で固定して構成されおり、前記低圧巻線から引き出されたリード線が、前記鉄心を包括するように配置された絶縁筒と、前記低圧巻線との間の冷却媒体流路に配置されたものにおいて、間隔調整部材を前記冷却媒体流路内に配置してできた冷却媒体流路８ｃの流路幅と、前記低圧巻線を包括するように配置された絶縁筒との間の冷却媒体流路８ｂの流路幅が、略等しくなるようにしたことを特徴とする。

また本発明は、間隔調整部材としてコルゲートボード使用したことを特徴とする。

更に本発明は、間隔調整部材としてプレスボードを使用したことを特徴とする。

本発明の間隔調整部材により、鉄心側の絶縁筒と低圧巻線間の冷却媒体流路幅が狭まり、低圧巻線に対して垂直方向に流れる冷却媒体の流速が早まる。その影響で、ディスクコイルに対して水平方向に流れる冷却媒体の流速も増し、特に折流板付近の流速が早まり、局部的なディスクコイルの温度上昇を低減することができる。よって、巻線を構成するディスクコイルや絶縁物の高温劣化を抑制し、信頼性を維持することができる。

また、温度上昇が抑制できるため、温度に関して許容値からの十分な裕度が確保できる場合は、冷却装置の容量を上げずに、実使用温度を上げての運用も可能となる。つまり、製造コストを上げずに変圧器の容量を上げることも可能なのである。

更に、プレスボードが配置されることで上記の効果に加え、変圧器内の冷却媒体の量を削減することができ、価格の高い冷却媒体の場合、例えばシリコーン液などを使用した場合は、大幅な製造コストの低減も可能になる。

図１は、実施例１の整流器用変圧器の縦断面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１のＢ部拡大及び冷却媒体流模擬図である。 図４は、ディスクコイルの温度上昇を示すグラフである。 図５は、冷却媒体の流速分布を示すグラフである。 図６は、実施例２の整流器用変圧器の縦断面図である。 図７は、図６のＣ−Ｃ断面図である。 図８は、従来の整流器用変圧器の縦断面図である。 図９は、従来例のシミュレーションモデル及び冷却媒体流模擬図である。 図１０は、図３のディスクコイル積み上げ状態を示す図である。

本発明の実施例１について説明する。図１は、本発明を適用した整流器用変圧器の縦断面図であり、巻線とその冷却構造のみを示している。鉄心１と高圧巻線部位６間には、鉄心１側から絶縁筒４ａが鉄心１を包括するように配置されている。その外側に本発明の間隔調整部材２０が絶縁筒４ａを包括するように配置してあり、冷却媒体流路８ｃの間隔をおいて低圧巻線２が配置され、更に冷却媒体流路８ｂの間隔をおいて、低圧巻線２を包括するように絶縁筒４ｂが配置されている。

まず前記低圧巻線２の構成を説明する。低圧巻線は、一般的に上側低圧巻線と下側低圧巻線で構成されているが、上下の巻線は巻線方向が違う以外、ほぼ同じ構成である。よって、下側低圧巻線の説明だけで、上側低圧巻線の構成説明は省略する。

Ｂ部拡大を図３に示し、ディスクコイル積み上げ状態を図１０に示した。まず折流板５ｂと折流板５ａで挟まれた区間を折流区と呼ぶ。図１０に示したように、ディスクコイル２ａの間にスペーサ９を挟んで、ディスクコイル２ａを複数段積み上げ、１つの折流区を作る。

この折流区を複数積み上げたものが、下側低圧巻線である。なおディスクコイル２ａを積み上げて行く際には、後述の間隔調整部材と高さをあわせながら積み上げることが好ましい。このようにして、下側低圧巻線及び上側圧巻線を積み上げ、最後に巻線支持部材３と図示しない固定具で低圧巻線２を固定する。

次に本発明に使用する間隔調整部材２０であるが、円筒状であって絶縁筒４ａの外周にできるだけ絶縁筒４ａとは隙間無く配置し、少なくとも低圧巻線２の折流区に対向する範囲において、絶縁筒４ａを包括するように配置する。

間隔調整部材２０について更に詳しく説明をする。これは、絶縁部材を筒状に加工して複数積み上げたものであって、例えばコルゲートボードを積み上げて構成されている。

まず固定部材上に折流板５ｂを配置し、さらにコルゲートボード２０ａを積み上げ、またその上に折流板５ｂを配置し、またコルゲートボード２０ａを積み上げ、このように複数のコルゲートボード２０ａを積み上げる。この際、前記低圧巻線２と高さを合わせながら積み上げることが好ましい。そして最後に、間隔調整部材２０の上下を支持部材で固定する。

このようにすると、間隔調整部材２０と低圧巻線２との間には、冷却媒体流路８ｃが形成される。本発明では、鉄心方向に対して冷却媒体流路８ｃの流路幅ｄ２と冷却媒体流路８ｂの流路幅ｄ３が略同一になるように、間隔調整部材２０の寸法を調整して配置することが特徴である。

ここで、図３を使い冷却媒体の流れを説明する。冷却媒体は、折流区の下方より冷却媒体流路８ｂに流れ込み、積み上げられたディスクコイル２ａの水平流路に分流する。分流した冷却媒体は、それそれのディスクコイル２ａで発生した熱を奪いながら、再び冷却媒体流路８ｃに結流して次の折流区へ向かう。

シミュレーションで確認した本実施例による冷却改善の効果を、従来技術と比較して説明する。図５は、従来例の最高流速を１００％として、各ディスクコイル２ａ間の流速を比較表示している。点線は本実施例、実線は従来例による結果である。従来例では、水平流路ｂ１、ｂ２での流速が遅かったが、本実施例では最大で１０％程度流速が増した。

図４は、低圧巻線２のディスクコイル２ａの温度分布である。従来例の最高温度上昇を１００％として比較表示している。点線は本実施例、実線は従来例による結果である。従来例ではディスクコイルａ１で、局部的に温度上昇した部分が見られたが、本実施例では最大で約１０％以上の温度上昇が抑制できた。

巻線の局部的な温度上昇が抑制できる理由を説明する。図５より従来例では水平流路ｂ７において、冷却媒体の流速が最高になり、折流区の中央から上の水平流路に多くの冷却媒体が流れる傾向が見られた。

しかし本発明による間隔調整部材２０を配置すると、図５の点線で示したように水平流路ｂ１、ｂ２付近の流速が上がることにより、この付近の水平流量も増加したものと考えられる。このことにより、図４の点線で示したように、ディスクコイルａ１及至ａ４付近での温度上昇が抑制されるものと考えられる。逆に水平流路ｂ４及至ｂ７の流速はわずかに低減が見られるので、ディスクコイルａ５及至ａ８にもわずかな温度上昇が見られる。しかし、大幅な温度上昇にはなっていない。つまり、ディスクコイル全体の温度上昇が平均化したのである。

よって、本発明を適用することにより低圧巻線２の局部的な温度上昇が低減でき、絶縁物の高温劣化を抑制し、信頼性を維持することができる。また、許容温度の裕度を十分に確保できる場合は、冷却装置の容量を変えることなく、変圧器の容量が大きくできる。つまり製造コストを上げずに、容量の大きな変圧器を提供することも可能なのである。

なお、間隔調整部材２０は、コルゲートボード２０ａを４部位に分けて構成したが、部位数は製品に合わせて適宜調整加工してもよい。また本発明では、折流区内は８枚のディスクコイル２ａで検証した。一般的に折流板が増えれば水平流を増やすことは可能であるが、コストが増加する。一方、折流板を減らすと効果が薄れる。よって、実用的な範囲として、１つの折流区内は８枚程度のディスクコイルで構成する事が好ましい。

なお、実施例１で使用した間隔調整部材２０は、コルゲートボード２０ａであって、図２に示したように低圧巻線２から引き出されたリード線７は、コルゲートボード２０ａの空隙を利用して、上下に引き出す構成としている。

図６は、実施例２の縦断面図である。実施例１では、間隔調整部材としてコルゲートボード２０ａを用いたが、その他の部材で構成することもできる。例えば、間隔調整部材３０として、プレスボード３０ａを配置することも可能である。この場合、低圧巻線２から引き出されたリード線７は、プレスボード３０ａに切り欠き部を設け、その間隙を通して引き出す構造としている。その他の構成は、実施例１と同じである。

このようにするとプレスボード３０ａは体積も占有するため、実施例１の効果に加え、変圧器内の冷却媒体の量を削減することもできる。つまり、価格の高い冷却媒体の場合、例えばシリコーン液などを使用した場合は、大幅な製造コスト低減も可能になる。

１ 鉄心
２ａ ディスクコイル
２ 低圧巻線
３ 巻線支持部材
４ａ、４ｂ 絶縁筒
５ａ、５ｂ 折流板
６ 高圧巻線部位
７ リード線
８ｂ、８ｃ 冷却媒体流路
９ スペーサ
２０ａ コルゲートボード
２０ 間隔調整部材
３０ａ プレスボード
３０ 間隔調整部材
ｄ１、ｄ２、ｄ３ 流路幅

Claims (3)

1. 鉄心と高圧巻線部位の間に低圧巻線を配置した整流器用変圧器であって、前記鉄心と前記低圧巻線間には、前記鉄心を包括するように絶縁筒が配置され、前記低圧巻線の鉄心とは反対側に、前記低圧巻線を包括するように絶縁筒が配置され、前記低圧巻線はディスクコイル間にスペーサ及び折流板を挟み込んで積み上げ、前記低圧巻線の上下を巻線支持部材で固定して構成されおり、空隙を有する間隔調整部材を、前記低圧巻線と、前記鉄心を包括するように配置された絶縁筒との間に配置し、前記低圧巻線から引き出されたリード線は前記間隔調整部材の空隙を通して引き出し、前記低圧巻線と前記間隔調整部材の間に形成された冷却媒体流路８ｃの流路幅と、前記低圧巻線と前記低圧巻線を包括するように配置された絶縁筒との間の冷却媒体流路８ｂの流路幅が、略等しくなるようにしたことを特徴とする整流器用変圧器。
2. 請求項１に記載の整流器用変圧器であって、前記間隔調整部材としてコルゲートボードを使用した整流器用変圧器。
3. 請求項１に記載の整流器用変圧器であって、前記間隔調整部材としてプレスボードを使用した整流器用変圧器。

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