JP2018190769A - 静止誘導機器用巻線 - Google Patents

Abstract

【課題】製造を簡素化することができるとともに、静止誘導機器のコストの高騰を招かない静止誘導機器用巻線を提供する。【解決手段】実施形態の静止誘導機器用巻線である巻線１は、少なくとも２枚以上のシート状導体４と当該シート状導体４間を絶縁する絶縁部材５とを有する積層導体６を環状に巻回したものであり、シート状導体４は、環状に形成された状態における内周側と外周側が、積層導体６の長手方向において入れ替えられている。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、静止誘導機器に用いる静止誘導機器用巻線に関する。

静止誘導機器用巻線の導体中に発生する渦電流損を低減するための一般的な手法として、複数の導体を並列に接続すると共に、各導体の漏洩磁束との鎖交量を均一化することにより並列に接続された導体に発生する循環電流を抑制するいわゆる転位が採用されることがある。

その一方で、例えば特許文献１に記載されているようなシート状導体を採用するものにおいては、導体の断面積が小さいことから単位導体当たりの漏洩磁束の鎖交量が少ないため、転位が採用されることはなかった。

特開昭６３−２５３６０８号公報

さて、高周波領域で用いる比較的大型の静止誘導機器では、シート状導体でも循環電流によって生じる渦電流損が大きくなることから、複数の素線を束ねたリッツ線が用いられてきた。
しかしながら、リッツ線は、製造が複雑であるとともに高価であり、静止誘導機器のコストの高騰を招く要因となっていた。
そこで、製造を簡素化することができるとともに、静止誘導機器のコストの高騰を招かない静止誘導機器用巻線を提供する。

実施形態の静止誘導機器用巻線は、少なくとも２枚以上のシート状導体と当該シート状導体間を絶縁する絶縁部材とを有する積層導体を環状に巻回したものであり、シート状導体は、環状に形成された状態における内周側と外周側が、積層導体の長手方向において入れ替えられている。

実施形態による鉄心への巻線の取り付け態様を模式的に示す図 積層導体の構成を模式的に示す図 シート状導体の内外を入れ替える態様を模式的に示す図その１ シート状導体の内外を入れ替える態様を模式的に示す図その２ 鉄心の他の構成を模式的に示す図 巻線の設置態様を模式的に示す図 環状ブロック内における電気的性質を説明するための図その１ 環状ブロック内における電気的性質を説明するための図その２ シート状導体の内外を入れ替える態様を模式的に示す図その３

以下、実施形態について図１から図９を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の静止誘導機器用巻線（以下、単に巻線１と称する）は、例えば２つの脚部２を有する二脚鉄心３に取り付けられる。なお、脚部２の数は一例であり、３以上の脚部２を有する鉄心であってもよい。これら巻線１および鉄心は、例えばモールド樹脂によってモールドされて静止誘導機器に用いられる。

巻線１は、図２に示すように、シート状導体４と絶縁部材５とで形成された積層導体６を環状に巻回することにより構成されている。なお、図２では、説明のためにシート状導体４および絶縁部材５を意図的に強調して示している。

各シート状導体４は、薄いリボン状に形成されており、その表面が、絶縁層としての薄い絶縁部材５によって覆われている。そして、積層導体６は、このシート状導体４を複数枚、本実施形態で２枚重ねるようにして構成されている。そして、各シート状導体４は、電気的に並列に接続される。なお、シート状導体４の枚数は、少なくとも２枚以上であればよく、３枚等とすることができる。

絶縁部材５は、積層された隣り合うシート状導体４間、および、巻回した状態で隣り合うシート状導体４間、および、後述するように段積みされるブロック間を絶縁する。そのため、絶縁部材５は、シート状導体４の表面を全体的に覆う態様で設けられている。この場合、絶縁部材５は、上記したようにシート状導体４を個別に絶縁する構成以外にも、例えばシート状導体４間に薄いシート状の導体間絶縁部材を設け、シート状導体４と導体間絶縁部材とを表面側から例えばシート状の表面絶縁部材で絶縁する構成としたりすることができる。

以下、本実施形態の巻線１の複数の態様について、それぞれ個別に説明する。なお、各態様において主旨が共通する部位には共通の符号を付して説明する。

＜第１の態様：段積み間での転位＞
第１の態様では、巻線１は、図３に示すように、積層導体６を巻回したものを脚部２の軸方向（図示上下方向）に段積みして形成されている。より具体的には、巻線１は、積層導体６を脚部２の上端側において脚部２の周囲に環状に巻回したのち、その下方においてさらに積層導体６を環状に巻回して形成されている。

以下、積層導体６を環状に巻回した部位を、便宜的に環状ブロック７と称する。図３の場合、２つの環状ブロック７Ａおよび環状ブロック７Ｂが示されている。なお、環状ブロック７の数つまりは段積みの数は、３以上であってもよい。

環状ブロック７Ａでは、積層導体６は、図４にも示すように、２枚のシート状導体４のうち実線にて示すシート状導体４Ａが内周側に配置され、破線にて示すシート状導体４Ｂが外周側に配置された態様で巻回されている。このため、環状ブロック７Ａの最内周側が、積層導体６の巻始め端（Ｓ）となる。この巻始め端（Ｓ）は、三相交流電源の例えばＵ相に接続される。

そして、積層導体６は、環状ブロック７Ａと環状ブロック７Ｂとの間を接続する接続部位８、つまりは、段積み間を接続する部位において、シート状導体４Ａとシート状導体４Ｂとが、内周側と外周側とで入れ替えられている。つまり、積層導体６は、接続部位８において転位されている。以下、シート状導体４を内周側と外周側とで入れ替えることを、便宜的に内外で入れ替えるとも称する。なお、図３では説明のために接続部位８の幅を意図的に広く示しているが、接続部位８の幅は積層導体６の厚み程度があればよい。

転位された積層導体６は、環状ブロック７Ａの図示下方側において脚部２側から順次巻回されることにより、環状ブロック７Ｂを形成する。このため、環状ブロック７Ｂでは、積層導体６は、２枚のシート状導体４のうちシート状導体４Ｂが内周側に配置され、シート状導体４Ａが外周側に配置された態様で巻回されている。このため、環状ブロック７Ｂの最外周側が、積層導体６の巻終わり端（Ｅ）となる。この巻終わり端（Ｅ）は、三相交流電源の例えばＶ相に接続される。

このように、積層導体６は、巻始め端（Ｓ）と巻終わり端（Ｅ）との間において、つまりは、長手方向における両端間において、シート状導体４を内外で入れ替えて転位させている。これにより、各シート状導体４の漏洩磁束との鎖交量が均一化され、並列に接続されたシート状導体４間に発生する循環電流を抑制することができる。
これにより、リッツ線のような複雑且つ高価な導体を用いることなく巻線１を製造できるため、製造を簡素化することができるとともに静止誘導機器のコストの高騰を招くことがない。

また、積層導体６を段積み間の接続部位８において転位させているため、図３に示すように折り曲げるだけで転位させることができ、製造をより容易に行うことができる。
また、転位させるために必要となる厚みは概ね積層導体６の厚み程度であるため、リッツ線や平角導体を用いる場合に比べて接続部位８に必要とされる幅を小さくでき、巻線１の小型化を図ることができる。

また、周波数が商用周波数よりも高い静止誘導機器に用いる場合であっても、循環電流（I)を抑制でき、渦電流損を低減できることから、リッツ線を用いる必要がなく、巻線１の製造を容易にすることができるとともに小型化を図ることができる。

＜第２の態様：脚部間での転位＞
第２の態様では、積層導体６は、複数の脚部２を有する鉄心に巻回されるものであり、各脚部２間を接続する部位においてシート状導体４が内外で入れ替えられている。

具体的には、例えば図１に示す二脚鉄心３を想定し、一方の脚部２に積層導体６を巻回したものを巻線１Ａとし、他方の脚部２に積層導体６を巻回したものを巻線１Ｂとする。この場合、巻線１Ａは、図４に示す環状ブロック７Ａに相当する態様で巻回されており、巻線１Ｂは、環状ブロック７Ｂに相当する態様で巻回されており、それらを接続する接続部位８が、脚部２間を接続する部位に相当する。

このような態様によっても、長手方向における両端間においてシート状導体４を内外で入れ替えて転位させていることから、積層導体６の長手方向において各シート状導体４の漏洩磁束との鎖交量が均一化され、並列に接続されたシート状導体４間に発生する循環電流を抑制することができる等、上記した第１の態様と同様の効果を得ることができる。
また、本態様では各脚部２間を接続する部位において転位させている。このため、巻線１Ａおよび巻線１Ｂは、単体で見ると、単純に積層導体６を巻回することにより容易に製造することができる。

また、鉄心３は、図５に示すように、例えば３以上の脚部２を有するものを採用することができる。
この場合、巻線１Ａは、図６に示すように、内周側に設けられる内周側巻線１Ａ１と、その外周側に設けられる外周側巻線１Ａ２とで構成し、例えば内周側巻線１Ａ１を一次側、外周側巻線１Ａ２を二次側とする構成とすることができる。また、巻線１Ｂも、巻線１Ａと同様に、内周側巻線１Ｂ１と外周側巻線１Ｂ２とで構成することができる。

このような構成の場合であれば、内周側巻線１Ａ１と内周側巻線１Ｂ１とを接続する部位、および、外周側巻線１Ａ２と外周側巻線１Ｂ２とを接続する部位において転位させることができる。この場合も、上記したように脚部２間で転位させていることから、上記した第１の態様と同様の効果を得ることができる。

＜第３の態様：環状ブロック内での転位＞
第３の態様では、積層導体６を環状に巻回した部位つまりは環状ブロック７内において転位させている。

まず、環状ブロック７内における循環電流（Ｉ）、起電力（Ｖ）、および漏洩磁束密度（Ｂ）の関係について図７を参照しながら説明する。なお、図７では説明の簡略化のために巻始め端（Ｓ）から接続部位８までの間が三巻き（三ターン）の例を示しているが、実際にはそれ以上の巻き数が想定される。

積層導体６においてシート状導体４Ａとシート状導体４Ｂとの間の漏洩磁束密度（Ｂ）は、周知のように鉄心ここでは脚部２からの距離つまりは積層導体６の巻き数に比例して大きくなる。図７では、シート状導体４間の漏洩磁束密度（Ｂ）を、白丸の中央に黒点を付した記号（以下、便宜的に白丸と称する）により示している。この場合、環状ブロック７の最内周側の漏洩磁束密度（Ｂ）が１つの白丸で示される大きさであったとすると、本態様における最外周側の漏洩磁束密度（Ｂ）は、その３倍となる。

また、各シート状導体４には起電力（Ｖ）が生じる。図７では、起電力（Ｖ）を、シート状導体４に黒塗りの三角形の記号を付して、その向きおよび大きさとともに示している。具体的には、１つの三角形が起電力の大きさを示すとともに、シート状導体４上における頂点の向きが起電力（Ｖ）の向きを示している。

この起電力（Ｖ）は磁束密度を微分値に相当するため、図７の場合、環状ブロック７の最内周側で生じる起電力（Ｖ）が１つの三角形で示される大きさであったとすると、最外周側で生じる起電力（Ｖ）はその３倍となる。つまり、起電力（Ｖ）は、巻き数に比例して増加する。

このような状態において、積層導体６の長手方向、つまりは、積層導体６の巻始め端（Ｓ）から巻終わり端（Ｅ）への方向において漏洩磁束と各シート状導体４との鎖交量のバランスが崩れると、漏洩磁束の変化を打ち消す方向への循環電流（Ｉ）が誘導される。その結果、積層導体６内に渦電流損が生じ、積層導体６の温度上昇や変圧器の損失が増加することになる。図７では、循環電流（Ｉ）を、シート状導体４上に「＜」または「＞」の矢印を付すことによりその向きとともに示している。

これに対して、本態様では、図８に示すように、積層導体６は、環状ブロック７内においてシート状導体４の内外が入れ替えられている。具体的には、積層導体６は、巻始め端（Ｓ）を０ｔ、一巻き目を１ｔ、二巻き目を２ｔ、巻終わり端（Ｅ）に対応する三巻き目を３ｔとすると、２ｔの位置において内外が入れ替えられている。以下、シート状導体４の内外を入れ替えて転位させている位置を、便宜的に転位位置と称する。

より具体的には、図９に示すように、巻始め端（Ｓ）において内周側に位置するシート状導体４Ａは、２ｔの位置においてＡ点からＢ点に向かって折り返されて外周側に位置が変更されている。また、巻始め端（Ｓ）において外周側に位置するシート状導体４Ｂは、２ｔの位置においてＣ点からＤ点に向かって折り返されて内周側に位置が変更されている。つまり、積層導体６は、転位位置である２ｔの位置においてシート状導体４が転位されている。

ただし、図８では説明の簡略化のために巻始め端（Ｓ）から接続部位８までの間が三巻き（三ターン）の例を示しているが、実際にはそれ以上の巻き数が想定される。そのため、図７に示す０ｔから１ｔまでの部位は環状ブロック７全体のうち巻始め端（Ｓ）側から１／３の範囲、１ｔから２ｔまでの部位は環状ブロック７全体のうち内周側の１／３から２／３までの範囲、そして、２ｔから３ｔまでの部位は環状ブロック７全体のうち内周側の２／３から環状ブロック７単体でみた場合における巻終わり端（Ｅ）での範囲に相当する。

つまり、本態様では、積層導体６は、１つの環状ブロック７でみた場合において、その全巻き数をＮとすると、内周側から（２／３）×Ｎ巻き目の位置において転位されている。この場合、全巻き数（Ｎ）は必ずしも３の倍数にならない場合も想定されることから、転位位置は、内周側から概ね２／３の位置、つまりは、（２／３）×Ｎ巻き目の位置を含む所定の範囲内とすることができる。このとき、所定の範囲は、例えば１〜２巻きを設定することもできるし、全巻き数（Ｎ）に対する割合を設定することもできる。

さて、本態様では、環状ブロック７の内周側から２／３の位置において積層導体６を転位させていることから、転位位置よりも前段側の起電力（Ｖ）の向きと、転位位置よりも後段側の起電力（Ｖ）の向きとが逆になっている。また、上記したように起電力（Ｖ）は積層導体６の巻き数に比例して増加することから、図８に簡易的に示しているように、転位位置よりも前段側における起電力（Ｖ）の総量は、転位位置よりも後段側における起電力（Ｖ）の総量と理論上等しく、且つ、その向きが逆になる。

そのため、環状ブロック７の内周側の２／３の範囲と外周側の１／３の範囲とにおいて、循環電流が互いに打ち消される向きに誘導されることになり、循環電流の発生を抑制することができる。

このような態様によっても、長手方向における両端間においてシート状導体４を内外で入れ替えて転位させていることから、積層導体６の長手方向において各シート状導体４の漏洩磁束との鎖交量が均一化され、並列に接続されたシート状導体４間に発生する循環電流を抑制することができる等、上記した第１の態様と同様の効果を得ることができる。
また、本態様では環状ブロック７内で積層導体６を転位させているため、環状ブロック７毎に循環電流の発生を抑制することができる。

また、シート状導体４を用いているため、導体を転位させるために必要となるスペースを小さくすることができ、巻線１の小型化を図ることができる。
また、本態様は、上記した第１態様と組み合わせることができる。具体的には図３に示す環状ブロック７Ａおよび環状ブロック７Ｂとして、環状ブロック７内で転位させたものを採用することができる。

また、本態様は、必須では無いものの、上記した他の態様と組み合わせることができる。つまり、積層導体６が長手方向においてシート状導体４が内外で入れ替えられている態様とは、積層導体６の全長における両端の間、環状ブロック７単体でみた場合の巻始め端（Ｓ）と巻終わり端（Ｅ）との間、積層導体６の全長のうち電源端子と中性点との間、環状ブロック７の間、および脚部２の間のいずれの態様も含んでいる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１、１Ａ、１Ａ１、１Ａ２、１Ｂ、１Ｂ１、１Ｂ２は巻線（静止誘導器機用巻線）、２は脚部（鉄心）、３は二脚鉄心（鉄心）、４、４Ａ、４Ｂはシート状導体、５は絶縁部材、６は積層導体、７、７Ａ、７Ｂは環状ブロック（環状に巻回された部位）、８は接続部位を示す。

Claims (5)

1. 少なくとも２枚以上のシート状導体と当該シート状導体間を絶縁する絶縁部材とを有する積層導体を環状に巻回した静止誘導機器用巻線であって、
   前記シート状導体は、環状に形成された状態における内周側と外周側が、前記積層導体の長手方向において入れ替えられていることを特徴とする静止誘導機器用巻線。
2. 前記積層導体は、鉄心の脚部の軸方向に段積みされるものであり、
   前記シート状導体は、段積み間を接続する部位において、内周側と外周側とが入れ替えられていることを特徴とする請求項１に記載の静止誘導機器用巻線。
3. 前記積層導体は、複数の脚部を有する鉄心に巻回されるものであり、
   前記シート状導体は、各脚部間を接続する部位において、内周側と外周側とが入れ替えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の静止誘導機器用巻線。
4. 前記シート状導体は、１つの環状に巻回された部位において、当該部位の内周側から２／３の位置を含む所定の範囲内において、内周側と外周側とが入れ替えられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の静止誘導機器用巻線。
5. 周波数が商用周波数よりも高い静止誘導機器に用い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静止誘導機器用巻線。

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