JP2008187015A - 高電圧樹脂モールド変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂モールドコイル外表面と鉄心間に高電圧がかからないようにして、部分放電を防止し、変圧器の長期寿命を確保すること。
【解決手段】鉄心と、該鉄心に巻装され、前記鉄心とともに一体に樹脂モールドされた一次コイルおよび二次コイルを含む樹脂モールドコイルであって、低電圧となる一次コイルが内側に巻き回され、該一次コイルの外周に樹脂絶縁層を介して高電圧となる二次コイルが巻き回され、更に前記二次コイルの外周および両端面部の少なくとも一方に前記樹脂絶縁層を介して接地電位手段を接地することを特徴とする高電圧樹脂モールド変圧器。この電位接地手段としては、一次コイル及び二次コイルとともに樹脂モールドされたシールド擬似コイル又はモールドコイルの外表面に形成されたシールド塗装層がある。
【選択図】図１

Description

本発明は巻き線を樹脂に埋め込んだ樹脂モールド変圧器において、特に一次コイルと二次コイルとの間で１０００Ｖ以上の高電圧を絶縁する高電圧樹脂モールド変圧器に関する。

従来の高電圧樹脂モールド変圧器は、使用電圧が１０００ボルト未満であったので、部分放電の発生もなく、電気絶縁に関する観点からの検討が不必要であった。このために一次コイルと二次コイル間に絶縁材のフィルムを巻いただけの構造でも十分に絶縁として有効であった。

しかし、１０００ボルトを超える高い電圧が一次コイルと二次コイルにかかる変圧器が必要になった。１０００ボルトを越すと一次コイルと二次コイル間をフィルム材料で絶縁するだけでは、十分な絶縁性能が得られなくなり、一次コイルと二次コイルおよびその間のフィルムを含めて樹脂で埋め込む樹脂モールドが必要になった。一次コイルと二次コイルとそれらを絶縁するフィルムなどの絶縁距離を保つスペーサとをまとめて樹脂モールドすることによって２０００ボルト程度の絶縁まで十分な絶縁性能を保つことができた。これらに関しては、特許文献１及び特許文献２に詳しい。

特開平０６−１９６３３６号公報 特開平１０−１７２８３３号公報

３０００ボルトを超える電圧を一次コイルと二次コイル間で絶縁する必要性が出始めた。しかし一次コイルと二次コイルとの間の絶縁距離を大きくすることは、変圧器の寸法を大きくすることであり、製品として好ましくない。従って、形状をそれほど大きくすることなく、３０００ボルトを超える電圧を一次コイルと二次コイルの間で耐えなければならない。従来技術による高電圧樹脂モールド変圧器の断面図を図６に示す。

高電圧樹脂モールド変圧器は、一次コイル２と二次コイル３がそれぞれ別途に樹脂モールドされ、樹脂モールドされた一次コイル２と二次コイル３との間に幅の広い一次コイル−二次コイル間に厚さｄ１の空気層４がある。また樹脂モールドされた二次コイル３と鉄心１との間にも鉄心―二次コイル側面間に厚さｄ２の空気層５があり、二次コイル３の端面と鉄心１の間にも鉄心―二次コイル端面に厚さｄ３の空気層６がある。高電圧絶縁は、これらの空気層が主に担っている。従って、これらの空気層では空気の絶縁破壊電界である３ｋＶ／ｍｍよりも低い電界となるように製作されている。この結果として、高電圧樹脂モールド変圧器の形状が大きくなる。

そこで一次コイル２と二次コイル３を一体に樹脂モールドすることが考えられる。この場合は、一次コイルと二次コイルとの間はモールド樹脂で絶縁されるので高い電界値まで許容され、例えば１５ｋＶ／ｍｍ程度の高い電界値まで電界を上げられるため、絶縁空間を縮小することができる。しかし、外周側の二次コイル３を覆うモールド樹脂の外表面と鉄心１との間は同様に大きな空気層ｄ２が必要になる。従って、従来技術の樹脂モールドのみでは高い絶縁耐圧を実現することができない。

本発明の目的は、従来技術で実現できなかった一次コイル２と二次コイル３を一体に樹脂モールドした小型の変圧器で３０００ボルト以上の耐電圧性能を実現することである。

本発明によれば、鉄心と、該鉄心に巻装され、前記鉄心とともに一体に樹脂モールドされた一次コイルおよび二次コイルを含み低電圧となる一次コイルが内側に巻き回され、該一次コイルの外周に樹脂絶縁層を介して高電圧となる二次コイルが巻き回され、更に前記二次コイルの外周および両端面部の少なくとも一方に前記樹脂絶縁層を介して接地電位手段を接地することを特徴とする高電圧樹脂モールド変圧器が提供される。

本発明によれば、高電圧樹脂モールド変圧器に部分放電を生ずることもなく、長期間の信頼性を保持でき、長期間の運転を可能にする。また、従来技術の変圧器と同等の大きさで高電圧まで使用することができるので、変圧器の小型化を実現できる。

本発明による高電圧樹脂モールド変圧器において、前記一次コイル、二次コイル及び前記接地電位手段がそれぞれ対向する領域には実質的に空気層が存在しないことが好ましい。また、前記接地電位となる手段の例が、前記樹脂絶縁層を介して前記二次コイルの一端に接地電位と接続した外周側シールド擬似コイルである。この場合、前記二次コイルの巻き芯の軸方向における長さ（ｌ_１）が、前記一次コイルと二次コイル間の樹脂絶縁層の長さ（Ｌ）の５０％以下であることが望ましい。

前記接地電位となる手段の他の例が、前記樹脂絶縁層を介して前記二次コイルの一端に接地電位と接続した端部側シールド擬似コイルである。また、前記接地電位となる手段が、前記樹脂絶縁層を介して前記二次コイルの両端に接地電位と接続した端部側シールド擬似コイルであることができる。前記二次コイルの巻き芯の軸方向における長さ（ｌ_２）が、前記一次コイルと二次コイル間の樹脂絶縁層の長さ（Ｌ）の５０％以上であることが望ましい。

二次コイルの巻き数が大きいときは、前記接地電位となる手段が、前記外周側シールド擬似コイルと、前記端部側シールド擬似コイルの両者であることが好ましい。これにより、一時及び二次コイルの端部における電位を緩和することができる。

前記接地電位となる手段の更に他の例として、前記樹脂モールドコイルの樹脂外表面の鉄心と対向する部分に形成された導電性塗料層及びその両側に形成された半導電性塗料層からなるシールド塗装層の形成である。上記半導電性塗料層は上記導電性塗料層の端部における電解緩和の作用をする。

とって本発明は、鉄心と、該鉄心に巻装され、前記鉄心とともに一体に樹脂モールドされた一次コイルおよび二次コイルを含み、低電圧となる一次コイルが内側に巻き回され、該一次コイルの外周に樹脂絶縁層を介して高電圧となる二次コイルが巻き回され、更に前記二次コイルの外周および両端面部の少なくとも一方に前記樹脂絶縁層を介して接地電位となる導電性塗料及びその外側に形成された半導電性塗料を形成したことを特徴とする高電圧樹脂モールド変圧器を提供するものである。前記一次コイル、二次コイル及び前記接地電位手段の対向する領域には実質的に空気層が存在しないことが望ましい。

高電圧樹脂モールド変圧器を小型のままで実現するためには、高電圧を全て樹脂で絶縁するような構造とすればよい。一次コイルと二次コイルとの間は樹脂で一体にモールドすることで実現できる。残された箇所は、（１）一体化コイルの外周面と鉄心との間、および（２）鉄心と一体化コイルの端面との間である。これらの部分の絶縁をモールド樹脂内にかかるようにすれば許容電界値が高いので相当な小型化が可能になる。モールド樹脂部で電圧を負担させるには、高電圧になる二次コイルの外側に低電圧または接地電位のシールドを配置し、そのシールドごと樹脂モールドすれば、モールド樹脂の部分で電圧を負担するので、モールド樹脂の許容電界まで高い電界で使用できるので、絶縁距離を縮めることができ、小型の高電圧樹脂モールド変圧器を得ることができる。

本発明の第１実施例になる高電圧樹脂モールド変圧器の一部断面正面図を図１に、斜視図を図２に示す。一体に樹脂モールドした一次コイル１および二次コイル３の外周に、１端のみ接地した外周シールド擬似コイル８を一次コイル２と二次コイル３との間のモールド樹脂層の厚みと等しく（ｄ４＝ｄ５）、二次コイルとの間にモールド樹脂層７を設ける。このようにすることにより、二次コイル３と鉄心１との間の空間にかかっていた高電圧を二次コイル３と外周シールド擬似コイル８との間のモールド樹脂７で等しく担う構造となる。二次コイル３は、一次コイル２と異なりコイルの軸方向で中心部分に纏めて巻き線する。これは絶縁樹脂層の端面まで電圧が加わらないようにするためである。即ち、図１，２に示す変圧器の場合は、二次コイルの軸方向の長さ（ｌ_１）は、一次コイルの長さ（Ｌ）の５０％以下とするのが好ましい。

外周シールド擬似コイル８の両端部については、一端を接地電位と接続するが他端は誘導電位が発生するので開放状態とする。図７に従来技術になる高電圧樹脂モールド変圧器の電界解析例を示す。外周枠が鉄心１の内側で、低電圧の一次コイル２を電位０％とし、高電圧の二次コイル３を電位１００％とした場合の電位差５％毎の等電位線９を示したものである。一次コイル２と二次コイル３とを包むモールド樹脂７の部分は空気層５に比して誘電率が大きく、それだけ分担電圧が小さく空気層５に殆どの電圧がかかる様子が明白である。このような状態では、空気層５の電界が３ｋＶ／ｍｍを越えるので部分放電が起こり、モールド樹脂層が放電によって徐々に劣化し、最終的に絶縁破壊に至る。

一方、図３に本発明になる高電圧樹脂モールド変圧器の電界解析結果を示す。鉄心１の大きさは図６の従来技術による高電圧樹脂モールド変圧器と同じである。一次コイル２と二次コイル３の外周に、外周シールドコイル８を配置し、それらを一体にモールドするモールド樹脂７で包含している。その結果として、等電位線９は空気層５に飛び出すことなく、空気層５は電圧を分担していない。従って、空気層５での部分放電を生ずることはない。

図４に本発明の第２の実施例になる高電圧樹脂モールド変圧器の一部断面正面図を示す。二次コイル３の巻き線量が多いと、幅広のコイルになる。この場合は二次コイル３の端面側にも端面シールド擬似コイル１０を巻き、その一端のみを接地する。他の一端は接続しないで、開放とする。二次コイル３と端面シールド擬似コイル１０との間のモールド樹脂層の絶縁長さは、一次コイル２と二次コイル３の絶縁厚さと同程度以上とすることで絶縁信頼性が著しく向上する。

上記外周シールド擬似コイル８及び端部シールド擬似コイル１０は、その一端が接地電位となるように、例えば図２のリード線１４により鉄心１に電気的に接続され、他端は開放している。そのために、構造的にはコイルのように構成されているがコイルとしての機能は持たないので、シールドコイルを、擬似コイルと表記した。

図５に本発明の第３の実施例になる高電圧樹脂モールド変圧器の斜視図を示す。樹脂モールド部分の鉄心と対向するモールドコイル１３の端面および外周部分を、鉄心１の幅（ｌ３）以上にサンドブラストまたは研磨紙などで粗化し、そこに電気抵抗値が１〜１０^８Ω・ｍである導電性塗料１１を塗り、その両端に電気抵抗値が１０^６〜１０^１２Ω・ｍの半導電性塗料１２を塗る。このようにすることにより、シールド擬似コイルを巻くことと同様な効果が得られ、樹脂モールドコイルと鉄心の間で部分放電などを起こすことはない。この実施例では、モールド樹脂の外表面で処理できるので、処理が容易である。しかし、モールド樹脂の表面は製作時に離型剤が残るので、それを除去し、更に塗料の接着力を増すために塗布面をサンドブラストまたは研磨粉などで研磨することが重要である。

前記第１の実施例においては、高電圧樹脂モールド変圧器に外周面コイル、端面シールド擬似コイルなどを巻き回し、各コイルの１端を接地電位に接続することで二次コイルにかかる高電圧が鉄心と樹脂モールドコイルの外側にある空気層に電圧がかかることなく、従って部分放電を生ずることもないので、長期間の信頼性を保持でき、長期間の運転を可能にする。また、これらのシールド擬似コイルを巻き回すことで、従来技術の変圧器と同等の大きさで高電圧まで使用することができるので、変圧器の小型化を実現できる。

他の実施例になる高電圧樹脂モールド変圧器においても、鉄心と対向するモールド樹脂害表面に接地電位となる導電塗料を鉄心の幅以上に塗ることによって、シールド擬似コイルを埋め込んだ場合と同等の効果が得られる。

以上説明した実施例によれば、鉄心１とコイルとの間の空間をゼロ又は限りなくゼロにすることができる。従って、従来技術では空気層５および６が２０ｍｍ程度必要であったものが、横方向及び縦方向寸法で、それぞれ４０ｍｍ程度小さくすることができる。従って、体積ではその３乗分だけ従来よりも小さくすることができる。

本発明の第１実施例になる高電圧樹脂モールド変圧器の一部断面図。 本発明の実施例による高電圧樹脂モールド変圧器の斜視図。 本発明の第１実施例になる高電圧モールド変圧器の等電位線分布図。 本発明の第２の実施例になる高電圧モールド変圧器の一部断面図。 本発明の第３の実施例になる高電圧モールド変圧器の正面図。 従来技術になる高電圧モールド変圧器を示す正面図。 第１の従来技術になる高電圧モールド変圧器の等電位線分布図。

符号の説明

１…鉄心、２…一次コイル、３…二次コイル、４…一次コイルー二次コイル間空気層、５…二次コイルー鉄心間外周空気層、６…二次コイルー鉄心端面空気層、７…モールド樹脂層、８…外周側シールド擬似コイル、９…等電位線、１０…端面側シールド擬似コイル、１１…導電塗料塗布層、１２…半導電塗料塗布層。

Claims (9)

1. 鉄心と、該鉄心に巻装され、前記鉄心とともに一体に樹脂モールドされた一次コイルおよび二次コイルを含み、低電圧となる一次コイルが内側に巻き回され、該一次コイルの外周に樹脂絶縁層を介して高電圧となる二次コイルが巻き回され、更に前記二次コイルの外周および両端面部の少なくとも一方に前記樹脂絶縁層を介して接地電位手段を設け、該接地電位手段を接地したことを特徴とする高電圧樹脂モールド変圧器。
2. 前記一次コイル、二次コイル及び前記接地電位手段の対向する領域に実質的に空気層が存在しないことを特徴とする請求項１記載の高電圧樹脂モールド変圧器。
3. 前記接地電位となる手段が、前記樹脂絶縁層を介して前記二次コイルの一端に接地電位と接続した外周側シールド擬似コイルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高電圧樹脂モールド変圧器。
4. 前記一次コイルと二次コイルとの間の樹脂絶縁層と、前記二次コイルと前記外周側シールド擬似コイルとの間の樹脂絶縁層の厚さが実質的に等しいことを特徴とする請求項３に記載の高電圧樹脂モールド変圧器。
5. 前記二次コイルの巻き芯の軸方向における長さが、前記一次コイルと二次コイル間の樹脂絶縁層の長さの５０％以下であることを特徴とする請求項１〜４記載のいずれかに記載の高電圧樹脂モールド変圧器。
6. 前記接地電位となる手段が、前記樹脂絶縁層を介して前記二次コイルの一端に接地電位と接続した端部側シールド擬似コイルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高電圧樹脂モールド変圧器。
7. 前記二次コイルの巻き芯の軸方向における長さが、前記一次コイルと二次コイル間の軸方向の樹脂絶縁層の長さの５０％以上であることを特徴とする請求項６記載の高電圧樹脂モールド変圧器。
8. 鉄心と、該鉄心に巻装され、前記鉄心とともに一体に樹脂モールドされた一次コイルおよび二次コイルを含み、低電圧となる一次コイルが内側に巻き回され、該一次コイルの外周に樹脂絶縁層を介して高電圧となる二次コイルが巻き回され、更に前記二次コイルの外周および両端面部の少なくとも一方に前記樹脂絶縁層を介して接地電位手段として導電性塗料層及びその外側に形成された半導電性塗料層からなるシールド塗装層を形成したことを特徴とする高電圧樹脂モールド変圧器。
9. 前記一次コイル、二次コイル及び前記シールド塗装層が対向するそれぞれの領域には実質的に空気層が存在しないことを特徴とする請求項８記載の高電圧樹脂モールド変圧器。

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