JP2006108477A - 圧粉鉄心リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】 電力用リアクトルにおける鉄心の磁気ギャップを無くし、磁気騒音の発生を防ぎ、特殊なインダクタンス−電流特性をもつリアクトルの設計製作を容易にする。
【解決手段】 磁気ギャップをそなえていない閉磁路を形成した圧粉鉄心を用いる。透磁率が異なる複数個の圧粉鉄心１Ａ、１Ｂを磁気遮蔽層２を介して重ねた鉄心構造体１を構成する。前記鉄心構成体１の圧粉鉄心１Ａ、１Ｂに共通に巻回したコイル２、３、４（３相の場合）をそなえる。前記コイルに流れる電流により、それぞれの圧粉鉄心１Ａ、１Ｂに、鉄心特性によって異なる値の磁束を生じさせ、コイル端子間のインダクタンスを電流値により変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は電力用電気機器の回路に挿入される電流抑制用のリアクトル、とくにサイリスタレオナード回路に流れるリップル電流制御用ＤＣリアクトル、ＰＷＭインバータの交流入力回路の高調波電流制御用ＡＣリアクトル、ＰＷＭインバータの交流出力回路の高調波漏れ電流の抑制、高調波リップル電流制御の抑制用ＡＣリアクトルあるいはＰＷＭインバータの直流中間回路に用いられる直流リップル電流抑制用リアクトルに関する。

従来、電力用のリアクトルは、電磁鋼板を積層した鉄心や、リボン状電磁鋼板をロール状に巻いた鉄心の一部に、磁気ギャップを設けて必要なインダクタンスを得るようにしており、高周波回路に適用するためには、高周波損失の少ない極薄の電磁鋼板や高ケイ素の電磁鋼板が採用されているが、リアクトル特有の磁気ギャップを省略することができなかった。
たとえばアモルファス合金軟磁性材料を巻いたリングコアで構成したものにおいても、高透磁率材料からなる環状磁路と、高透磁率材料からなり一部を磁気ギャップにより局部破断した環状磁路とを、磁気遮蔽板を介して同軸心に接合させ、両方の環状磁路に共通に鎖交するコイル巻線をそなえている。（特許文献１参照）

また、軟磁性結晶質の材料からなる断面コ字状の円環状槽と、この槽の中に槽の材料とは透磁率を異にする粉末または薄片の非晶質またはナノクリスタル粒子を収納させ、蓋を設けたリアクトル用のリングコアが提案されている（特許文献２参照）が、これは軟磁性体の円環状槽に透磁率の高い粒子を充填して、２つの透磁率の異なる軟磁性体から成るリングコアを形成するもので、構造が複雑化し、従来の圧粉鉄心とは構成を異にしており、半導体回路の無線妨害抑制のためのリアクトルに用いている。
特開２００３−２７２９３７号公報 特開平９−２４６０４９号公報

通信用や騒音抑制用フイルタに用いられるリアクトルでは、前記特許文献２に示すようにギャップのないリングコアがあるが、インバータの入力や出力回路のリアクトルでは特性の相違から、特許文献１のように磁路の一部に必ず磁気ギャップを設けてリアクタンスを調整するようにしている。
すなわち、磁気ギャップのないリアクトルでは、リアクトルに蓄えられる磁気エネルギーは、主に鉄心の中に蓄えられる。これに対して磁気ギャップ付きで設計されたリアクトルでは、磁気エネルギーがギャップ部に蓄えられる。このため、ギャップ付きのリアクトルでは磁気回路の磁気抵抗がほとんどギャップで決定され、インダクタンスが鉄心の磁気抵抗に影響されず、電流に対して一定のインダクタンス値を得ることができる。したがって、電流変化に対してインダクタンス変化が少ないリアクトルを設計するためには、磁路に磁気ギャップを挿入しなければならなかった。このため、使用状態において磁気ギャップ部分で磁気騒音が発生する問題があった。

この騒音対策として、設計磁束密度の引き下げや鉄心の構成、磁気ギャップ部の構造、磁気ギャップ部に挿入する絶縁材料などについて改善と工夫がされてきたが、磁気ギャップをなくすことができないためその対策に限界があった。
また、ＰＷＭインバータの出力回路には、数ＫＨｚから１５ＫＨｚの高周波リップル電流が生じるため、この回路に用いるリアクトルは高周波損失が増加し、ギャップ部の鉄心が過熱されるだけでなく騒音発生の原因になり、小形化の障害になっている。
本発明は、磁路の磁気ギャップをなくして、必要なインダクタンス−電流特性が得られるリアクトルを提供するものである。

このため、磁性粉の配分やバインダの量および成形圧力の調整などにより、透磁率−磁界の強さ特性が異なり、いずれも磁気ギャップをそなえない閉磁路を形成した複数個の圧粉鉄心を製作して、この圧粉鉄心相互を磁気遮蔽層を介して重ねた鉄心構造体を構成し、この鉄心構造体を形成するそれぞれの圧粉鉄心に共通に巻回したコイルをそなえ、前記コイルに流れる電流によって、それぞれの圧粉鉄心に鉄心特性によって異なる値の磁束を生じさせ、コイル端子間のインダクタンスを電流値により変化させるようにしている。
なお、単相交流回路、直流回路においては、前記の鉄心構造体に２個の独立した巻線を同一の鉄心にその起磁力が互いに打ち消すように巻回することにより、コモンモードリアクトルを構成できる。
また、三相交流回路においては、３個の独立した巻線を鉄心構造体の鉄心に、各相の起磁力が加わるように共通に巻回させ、合成起磁力をゼロにすることにより、三相回路のコモンモードリアクトルを構成できる。

このように本発明は、複数個の透磁率が異なり磁気ギャップをそなえていない圧粉鉄心を、磁気遮蔽層を介して重ねた鉄心構造体を用い、それぞれの圧粉鉄心に共通に巻回したコイルをそなえ、前記コイルに流れる電流によって、それぞれの圧粉鉄心に鉄心特性によって異なる値の磁束を生じさせ、その結果としてコイル端子間のインダクタンスを電流値により変化させるようにしているため、磁気回路に磁気ギャップを設けることがなく、鉄心構成は通常に製作される圧粉鉄心を用い、その磁気特性を調整することにより簡単に製作できるとともに、すべての鉄心は磁気ギャップを設ける必要がなく磁気騒音を生じることがない。
また、圧粉鉄心を用いるため鉄心の透磁率を任意の値に選択でき、必要な特性のリアクトルの設計および製作を簡単に行い得る効果がある。

図１および図２は、インバータの入力回路用交流リアクトルに適用した実施例を示している。１は鉄心構造体で、通常の圧粉鉄心からなり磁気ギャップのない閉磁路を形成する主脚鉄心１Ａ、透磁率を主脚鉄心１Ａのほぼ５倍にした圧粉鉄心からなり磁気ギャップのない閉磁路の補脚鉄心１Ｂ、および主脚鉄心１Ａと補脚鉄心１Ｂで構成されるそれぞれの磁気回路を分離する磁気遮蔽層たとえば非磁性板２で構成されている。３、４、５は主脚鉄心１Ａと補脚鉄心１Ｂに共通に巻回したＲ、Ｓ、Ｔ相のコイル、６は各相コイルの端子である。
７は上部および下部の当て板で、それぞれ締め付けボルト８で圧粉鉄心相互を締め付けている。なお、圧粉鉄心相互の締め付けは実施例の構造に限られるものではない、

このように、主脚鉄心１Ａに低透磁率の圧粉鉄心を用い、補脚鉄心１Ｂに高透磁率の圧粉鉄心を使用したときのインダクタンス−電流特性を図３に実線で示しており、低電流時に高インダクタンス値となる特性が得られる。
また、主脚鉄心１Ａに高透磁率の圧粉鉄心を用い、補脚鉄心１Ｂに低透磁率の圧粉鉄心を使用したときのインダクタンス−電流特性を図４に実線で示しており、主脚鉄心１Ａの高透磁率の圧粉鉄心により、高電流時にインダクタンスの低下が少ない特性を得ることができる。

つぎに、本発明によって、図３および図４に示すようなインダクタンス−電流特性が得られる理由を説明する。
図５、図６は圧粉鉄心のＢ−Ｈ特性、およびμｒ−Ｈ特性を示している。圧粉鉄心１Ａ、１Ｂのインダクタンスを、公知の（１）式で磁束密度Ｂを求める。

この磁束密度Ｂとコイルの巻数Ｎから、（２）式によりインダクタンスＬを計算することができる。

すなわち、電流を設定し、電流と巻数の積によってアンペアターンを求め、図６から比透磁率μｒを読み取り（１）式で磁束密度Ｂを計算する。つぎに、この磁束密度Ｂを用いて（２）式でインダクタンスＬを計算する。この計算を主脚鉄心１Ａと補脚鉄心１Ｂで別々に行い、両者の値を合計することによって図３および図４に示すインダクタンス−電流特性が求められる。ただし、図３および図４の横軸に示す電流（p.u.）は、（３）式のように定格電流に対する実際の通電電流との比を示している。

本発明の実施例を示す正面図で、一部を切り欠いである。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 主値鉄心に低透磁率の圧粉鉄心、補脚鉄心に高透磁率の圧粉鉄心を使用したときの例を示すインダクタンス−電流特性例である。 主脚鉄心に高透磁率の圧粉鉄心、補脚鉄心に低透磁率の圧粉鉄心を使用したときの例を示すインダクタンス−電流特性例である。 圧粉鉄心の磁束密度−磁化力特性図である。 圧粉鉄心の比透磁率−磁化力特性図である。

符号の説明

１ 鉄心構造体
１Ａ 主脚鉄心
１Ｂ 補脚鉄心
２ 磁気遮蔽層
３、４、５ コイル
６ 端子
７ 当て板
８ 締め付けボルト

Claims (3)

1. それぞれ磁気ギャップをそなえていない閉磁路を形成し、透磁率が異なる複数個の圧粉鉄心を磁気遮蔽層を介して重ねた鉄心構造体と、前記鉄心構造体の圧粉鉄心に共通に巻回したコイルをそなえ、前記コイルに流れる電流により、それぞれの圧粉鉄心に鉄心特性によって異なる値の磁束を生じさせ、コイル端子間のインダクタンスを電流値により変化させることを特徴とする圧粉鉄心リアクトル。
2. それぞれ磁気ギャップをそなえていない閉磁路を形成し、透磁率が異なる複数個の圧粉鉄心を磁気遮蔽層を介して重ねた鉄心構造体と、前記鉄心構造体の圧粉鉄心に共通に巻回した２個の独立したコイルをそなえ、前記コイルが同一鉄心の起磁力を互いに打ち消すように巻回され、単相交流回路および直流回路におけるコモンモードリアクトルを構成することを特徴とする圧粉鉄心リアクトル。
3. それぞれ磁気ギャップをそなえていない閉磁路を形成し、透磁率が異なる複数個の圧粉鉄心を磁気遮蔽層を介して重ねた鉄心構造体と、前記鉄心構成体の圧粉鉄心に共通に巻回した３相のコイルをそなえ、前記３相コイルの各相の起磁力が加わるようにして合成起磁力をゼロにし、３相回路のコモンモードリアクトルを構成することを特徴とする圧粉鉄心リアクトル。
   

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