JP2012256681A - 直流リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】主巻線に通電される主巻線電流の直流成分および交流成分に係る歪みを改善することができ、かつ小型な直流リアクトルを得る。
【解決手段】コア１と、コア１に巻回された主巻線２と、主巻線２を避けてコア１に巻回され、主巻線２の磁路と共通の磁路を含む補助巻線３と、主巻線２の作る磁束の大きさに応じて、この磁束を打ち消すような磁束を作る補助巻線電流を補助巻線３に通電する電流通電部４とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、電源の電流波形を改善するために、インバータ装置等に用いられる直流リアクトルに関する。

従来から、例えばインバータ装置の直流平滑部に直流リアクトルを挿入することにより、インバータ装置の整流回路の動作に起因して発生する電流歪みを改善している。この直流リアクトルは、平滑電流が小さな領域では大きなインダクタンスを発生し、平滑電流が大きな領域では小さなインダクタンスを発生する。

ここで、平滑電流が大きな領域におけるインダクタンスの低下は、直流リアクトルの巻線に通電される電流が巻線のコアの内部に磁束を発生させ、コアが磁気飽和することに起因している。

そこで、コアの磁気飽和を防止するために、脚に巻線を巻回した第１の磁心（コア）と、この第１の磁心と組み合わせて閉鎖磁気回路を構成する第２の磁心（コア）と、巻線の作る磁束と対向するように着磁したバイアス用の永久磁石とを備え、永久磁石の作る磁束により、巻線の作る磁束を打ち消す直流リアクトルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この直流リアクトルにおいて、第２の磁心には、第１の磁心の脚を間挿する開口部と、この開口部の両側に、巻線に過大な電流が流れても飽和しない断面積を有するリップ部とが形成され、開口部の側面と第１の磁心の脚の側面との間に磁気的空隙が形成され、巻線が第２の磁心の内部空間に設けられ、永久磁石が第２の磁心のリップ部の外側に設けられて、巻線の作る磁束と永久磁石の作る磁束とが、リップ部で分岐するようになっている。

また、バイアス用の永久磁石を用いてコアの磁気飽和を防止する代わりに、田の字状磁路を形成する磁心（コア）と、この磁心の中心線上（田の中央の縦棒）に巻回されて、交流主電流が通電される交流主巻線と、この磁心の交流主巻線の両側（田の両側の縦棒）に巻回されて、直流制御電流が通電される直流制御巻線とを備え、直流制御巻線が構成する電磁石の作る磁束により、交流主巻線の作る磁束を打ち消す交流リアクトルが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−２１３５４６号公報 特開２０１０−１２３５８７号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１の直流リアクトルでは、永久磁石により逆方向の磁束を与えているので、与えられる逆方向の磁束の大きさは、常に一定値となる。ところが、インバータ装置の平滑電流は、直流成分だけでなく、交流成分も含んでいる。また、巻線に通電される電流は、広い範囲の値をとるので、巻線の作るコア内部の磁束の大きさも広い範囲の値をとる。

そのため、特許文献１の直流リアクトルでは、インバータ装置の平滑電流が交流成分を多く含んだ高調波歪みの大きな電流である場合には、平滑電流の交流成分によって巻線の作る磁束を打ち消すことができず、コアの磁気飽和が発生する恐れがあるという問題がある。また、巻線の作る磁束の大きさが大きい場合には、永久磁石の大きさが大きくなり、直流リアクトルが大型化するという問題もある。

また、特許文献２の交流リアクトルでは、交流主巻線に通電される交流主電流の高調波による歪みを改善することはできるものの、交流主電流は、交流成分だけでなく、直流成分も含んでいる。そのため、交流主電流が直流成分を多く含んだ、オフセット量の大きな電流である場合には、平滑電流の直流成分によって交流主巻線の作る磁束を打ち消すことができず、コアの磁気飽和が発生する恐れがあるという問題がある。

すなわち、永久磁石を用いた場合であっても、電磁石を用いた場合であっても、インバータ装置の平滑電流における直流成分および交流成分に係る歪みの両方を改善することができない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、主巻線に通電される主巻線電流の直流成分および交流成分に係る歪みを改善することができ、かつ小型な直流リアクトルを得ることを目的とする。

この発明に係る直流リアクトルは、コアと、コアに巻回された主巻線と、主巻線を避けてコアに巻回され、主巻線の磁路と共通の磁路を含む補助巻線と、主巻線の作る磁束の大きさに応じて、この磁束を打ち消すような磁束を作る補助巻線電流を補助巻線に通電する電流通電部とを備えたものである。

この発明に係る直流リアクトルによれば、電流通電部は、コアに巻回された主巻線の作る磁束の大きさに応じて、この磁束を打ち消すような磁束を作る補助巻線電流を、主巻線を避けてコアに巻回されて主巻線の磁路と共通の磁路を含む補助巻線に通電する。
そのため、主巻線に通電される主巻線電流の直流成分および交流成分に係る歪みを改善することができ、かつ小型な直流リアクトルを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。 この発明の実施の形態２に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。 この発明の実施の形態３に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。 この発明の実施の形態４に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。 この発明の実施の形態５に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。

以下、この発明に係る直流リアクトルの好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、以下の各実施の形態では、直流リアクトルがインバータ装置の直流平滑部に挿入されている場合を例に挙げて説明するが、直流リアクトルは、スイッチング電源等、主巻線に通電される主巻線電流が直流成分および交流成分を含むものに用いられてもよい。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。図１において、この直流リアクトルは、コア１と、主巻線２と、補助巻線３と、電流通電部４とを備えている。

コア１は、山の字を上下逆さまに接合したような断面形状を有する珪素鋼板等の電磁鋼板を積層して形成されている。また、コア１は、磁気飽和を防止するためのギャップを有している。主巻線２は、コア１に巻回され、端部がインバータ装置の直流平滑部に接続されている。主巻線２には、主巻線電流としてインバータ装置の平滑電流が通電され、主巻線２の作る磁束は、コア１の中央部から左右の周回路（磁路）を回るようになっている。

補助巻線３は、主巻線２を避けてコア１に巻回され、主巻線２の磁路と共通の磁路を含んでいる。電流通電部４は、主巻線２の作る磁束の大きさに応じて、この磁束を打ち消すような磁束を作る補助巻線電流を補助巻線３に通電する。すなわち、電流通電部４は、補助巻線３が主巻線２の作る磁束とは逆方向の磁束を作るように、補助巻線３に対して補助巻線電流を通電する。

ここで、上述したように、主巻線２に通電される主巻線電流は、直流成分および交流成分を含んでいる。そこで、補助巻線３に通電される補助巻線電流は、直流成分および交流成分を含み、コア１を磁気飽和させることがなく、主巻線２に通電される主巻線電流に応じて、インバータ装置に対する適切なインダクタンスを発生するような電流とする。

この実施の形態１では、主巻線電流をあらかじめ測定し、測定された主巻線電流に基づいて得られた補助巻線電流を、補助巻線電流パターンとして電流通電部４に記憶させておく。これにより、主巻線２に、直流成分（オフセット成分）だけでなく、交流成分（リップル成分）が重畳された主巻線電流が通電された場合であっても、コア１の磁気飽和を防止し、適切なインダクタンスを発生することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、電流通電部は、コアに巻回された主巻線の作る磁束の大きさに応じて、この磁束を打ち消すような磁束を作る補助巻線電流を、主巻線を避けてコアに巻回され、主巻線の磁路と共通の磁路を含む補助巻線に通電する。
そのため、主巻線に通電される主巻線電流の直流成分および交流成分に係る歪みを改善することができ、かつ小型な直流リアクトルを得ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、電流通電部４が補助巻線電流パターンを記憶し、補助巻線電流パターンに応じて補助巻線３に補助巻線電流を通電すると説明したが、主巻線２に通電される主巻線電流が変化する場合には、コア１の磁気飽和を防止し、適切なインダクタンスを発生することが困難になる。そこで、この実施の形態２では、主巻線２に通電される主巻線電流に基づいて、電流通電部４が補助巻線電流を補助巻線３に通電する場合について説明する。

図２は、この発明の実施の形態２に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。図２において、この直流リアクトルは、図１に示した直流リアクトルに加えて、主巻線配線５と、電流検出器６とを備えている。ここで、主巻線配線５および電流検出器６は、電流検出部を構成している。

主巻線配線５は、インバータ装置の直流平滑部に接続された主巻線２に繋げて配線されている。電流検出器６は、主巻線配線５の電流値を測定することにより、主巻線２に通電される主巻線電流を検出する。電流通電部４は、検出された主巻線２に通電される主巻線電流に基づいて、補助巻線電流を補助巻線３に通電する。

具体的には、電流通電部４は、検出された主巻線電流に基づいて、半導体素子等を用いたフィードバック制御により、直流成分および交流成分を含み、コア１を磁気飽和させることがなく、インバータ装置に対する適切なインダクタンスを発生するような補助巻線電流を生成し、補助巻線３に通電する。

これにより、例えば、主巻線２に通電される主巻線電流が小さい場合に、補助巻線３の作る逆方向の磁束が小さくなるような補助巻線電流を通電して、直流リアクトルのインダクタンスを大きくすることができる。また、主巻線２に通電される主巻線電流が大きい場合に、補助巻線３の作る逆方向の磁束が大きくなるような補助巻線電流を通電して、直流リアクトルのインダクタンスを小さくすることができる。すなわち、主巻線電流に応じて、直流リアクトルのインダクタンスを自在に制御することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、電流検出部は、主巻線に通電される主巻線電流を検出し、電流通電部は、検出された主巻線電流に基づいて、補助巻線電流を補助巻線に通電する。
そのため、実施の形態１と同様の効果を得られるとともに、主巻線に通電される主巻線電流が広い範囲で変化した場合であっても、主巻線電流に応じて、コアの磁気飽和を防止し、所望のインダクタンスを発生することができる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。図３において、この直流リアクトルは、図２に示した直流リアクトルに加えて、コア１のギャップ部分の側面に取り付けられた永久磁石７を備えている。

永久磁石７は、主巻線２に通電される主巻線電流の直流成分によって主巻線２の作る磁束とは、逆方向の磁束を作るように着磁されている。このとき、電流通電部４は、主巻線２に通電される主巻線電流の交流成分によって主巻線２の作る磁束とは、逆方向の磁束を補助巻線３が作るように、補助巻線３に対して補助巻線電流を通電する。

これにより、主巻線２に通電される主巻線電流の直流成分によって主巻線２の作る磁束によるコア１の磁気飽和は、永久磁石７の作る磁束によって防止され、主巻線電流の交流成分によって主巻線２の作る磁束によるコア１の磁気飽和は、補助巻線３の作る磁束によって防止される。なお、永久磁石７の作る磁束で足りない場合は、電流通電部４が、補足分の直流成分を含む補助巻線電流を補助巻線３に通電することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、主巻線の作る磁束を打ち消すような磁束を作る永久磁石が、コアのギャップ部分に取り付けられている。
そのため、実施の形態２と同様の効果を得られるとともに、補助巻線と永久磁石とを共用することにより、効率的にコアの磁気飽和を防止し、所望のインダクタンスを発生することができ、かつさらに小型な直流リアクトルを得ることができる。

なお、上記実施の形態３では、実施の形態２に示した直流リアクトルに永久磁石７を取り付けた場合について説明したが、これに限定されず、実施の形態１に示した直流リアクトルに永久磁石７を取り付けてもよい。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。図４において、コア１は、数字の６のような、主巻線２の磁路を分岐させる断面形状を有する珪素鋼板等の電磁鋼板を積層して形成されている。また、コア１のギャップは、分岐された磁路（副磁路）に設けられている。

ここで、コア１のギャップ部分には、永久磁石７が取り付けられている。また、補助巻線３は、コア１の分岐されていない方の磁路（主磁路）に、主巻線２を避けて巻回されている。なお、その他の構成および機能は、上述した実施の形態３と同様なので、説明を省略する。

これにより、瞬時停電やインバータ装置の故障等により、直流リアクトルに突発的な大電流が流れた場合であっても、永久磁石７が減磁したり、永久磁石７内部に鉄損が発生したりすることが防止される。

以上のように、実施の形態４によれば、コアは、主巻線の磁路を分岐させる形状を有し、ギャップは、分岐された磁路に設けられている。
そのため、実施の形態３と同様の効果を得られるとともに、信頼性の高い直流リアクトルを得ることができる。

なお、上記実施の形態４では、実施の形態３に示した直流リアクトルについて、コア１の形状および永久磁石７の位置を変更した例を示したが、これに限定されず、実施の形態１のように、主巻線配線５および電流検出器６を有しない直流リアクトルについて、コア１の形状を変更し、ギャップ部分に永久磁石７を取り付けてもよい。

実施の形態５．
図５は、この発明の実施の形態５に係る直流リアクトルを示す概略構成図である。図５において、この直流リアクトルは、図３に示した直流リアクトルに加えて、永久磁石７の側面に取り付けられたバックヨーク８を備えている。

バックヨーク８は、磁性体材料で形成されており、永久磁石７の作る磁束が外部に漏れることを防止する。これにより、永久磁石７の漏れ磁束を防止し、永久磁石７の作る磁束をほぼすべてコア１の内部に与えることができるので、永久磁石７を小型化することができる。

以上のように、実施の形態５によれば、バックヨークが永久磁石の側面に取り付けられている。
そのため、実施の形態３と同様の効果を得られるとともに、永久磁石を小型化して、安価な直流リアクトルを得ることができる。

なお、上記実施の形態５では、実施の形態３に示した直流リアクトルにバックヨーク８を取り付けた場合について説明したが、これに限定されず、実施の形態４に示した直流リアクトルにバックヨーク８を取り付けてもよい。

１ コア、２ 主巻線、３ 補助巻線、４ 電流通電部、５ 主巻線配線（電流検出部）、６ 電流検出器（電流検出部）、７ 永久磁石、８ バックヨーク。

Claims (5)

1. コアと、
   前記コアに巻回された主巻線と、
   前記主巻線を避けて前記コアに巻回され、前記主巻線の磁路と共通の磁路を含む補助巻線と、
   前記主巻線の作る磁束の大きさに応じて、この磁束を打ち消すような磁束を作る補助巻線電流を前記補助巻線に通電する電流通電部と、
   を備えたことを特徴とする直流リアクトル。
2. 前記主巻線に通電される主巻線電流を検出する電流検出部をさらに備え、
   前記電流通電部は、検出された前記主巻線電流に基づいて、前記補助巻線電流を前記補助巻線に通電する
   ことを特徴とする請求項１に記載の直流リアクトル。
3. 前記コアは、ギャップを有し、
   前記ギャップ部分に取り付けられ、前記主巻線の作る磁束を打ち消すような磁束を作る永久磁石をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流リアクトル。
4. 前記コアは、前記主巻線の磁路を分岐させる形状を有し、
   前記ギャップは、分岐された磁路に設けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の直流リアクトル。
5. 前記永久磁石の側面に取り付けられたバックヨークをさらに備えた
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の直流リアクトル。

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