JP2007123596A - 直流リアクトルおよびインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で高効率な直流リアクトル、および小型で商用電源に対する高調波電流の抑制レベルが高いインバータ装置を提供する。
【解決手段】 ２個のコア１１、１２が所定の磁気的空隙２を介して対向し、閉磁気回路をなすコア構体と、このコア構体の少なくとも一方のコアに巻回されたコイル３１と、前記コア構体に設けられた永久磁石４１を含むバイアス用磁気回路４とからなる直流リアクトルにおいて、コイル３１の２回路分を独立かつ同じ巻数で巻回し、２回路のコイル３１、３２の巻回方向はコイル３１、３２が作る磁束Φｅが前記永久磁石の作る磁束Φｍの逆方向となるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ回路に設ける磁石バイアス方式の直流リアクトルおよび直流リアクトル内蔵型のインバータ装置に関する。

コアを磁気的空隙を介して対向させ、そのコアにコイルを巻回した直流リアクトルは、電流の小さい領域ではインダクタンスが大きく、電流が大きい領域ではインダクタンスが小さい特性を有する。大電流域でのインダクタンスの低下は、コイルの作る磁束によりコアが磁気飽和することに起因している。
磁石バイアス方式の直流リアクトルは、２個以上のコアを磁気的空隙を介して対向させ、そのコアにコイルを巻回した直流リアクトルに、永久磁石を配置することによってバイアス磁界を与えることにより、コイルの作る磁束と永久磁石の作る磁束が相殺され、コアが磁気飽和しにくくなり、より大電流域までインダクタンスを大きなままにでき、リアクトルの動作電流範囲を広げることができる。また、コアが磁気飽和しにくくなることからコアの断面積を小さくすることができるので、結果として直流リアクトルは小型化できる。（例えば、特許文献１、２、３、４、５および６参照）

例えば、Ｅ型コアとＩ型コアを対向させ、Ｅ型コアの中央脚とＩ型コアの間の空隙に永久磁石を配置した磁石バイアス方式の直流リアクトルがある。（例えば、特許文献１参照）

図５（特許文献１の第３図ａに相当）において、１３はＥ型コア、１４はＩ型コア、３はコイル、４１は永久磁石である。Ｅ型コア１３の中央脚とＩ型コア１４の間の空隙に配置された永久磁石４１は、コイル３によって生じる磁束を相殺するようなバイアス磁束を発生しているので、可変リアクタンスを得る巻線３３には、制御電流の変化に比例して増減する可変インダクタンスが得られる。
なお、１台の直流リアクトルに２回路のコイルが巻回されているが、コイル３が制御電流の巻線であるのに対し、３３は可変リアクトルを得る巻線であるので等価ではない。

また、２個のＥ型コアを対向させ、双方のコアの中央脚の間の空隙に永久磁石を配置した磁石バイアス方式の直流リアクトルがある。（例えば、特許文献２参照）

図６（特許文献２の第１図に相当）において、１３はＥ型コア、３はコイル、４１は永久磁石である。Ｅ型コア１３とコイル３からなる磁気回路の一部に、コイル３による磁束を打ち消すだけのバイアス磁界を与える永久磁石４１を組み込むことにより、コアの特性を有効に利用できる。

また、Ｅ型コアとＩ型コアを対向させ、永久磁石を介して第２のＩ型コアを配置した磁石バイアス方式の直流リアクトルがある。（例えば、特許文献３）

図７（特許文献３の第２図に相当）において、１３はＥ型コア、１４はＩ型コア、１５は第２のＩ型コア、３はコイル、４１は永久磁石である。Ｅ型コア１３とＩ型コア１４と第２のＩ型コアとコイル３とで直流リアクトルを形成し、Ｉ型コア１４と第２のＩ型コア１５の間の空隙に磁気バイアス用の永久磁石４１を配置することにより、電流の小さい領域では大きなインダクタンス値を、電流の大きな領域では小さなインダクタンス値を得ることができる。

また、Ｅ型コアとＩ型コアを対向させ、Ｅ型コアの両側脚の外側面に永久磁石を配置し、永久磁石の外側面に一端部がＩ型コアの側端部に接触するヨークを配置した磁石バイアス方式の直流リアクトルがある。（例えば、特許文献４参照）

図８（特許文献４の第２図に相当）において、１３はＥ型コア、１４はＩ型コア、３はコイル、４１は永久磁石、４３はヨークである。これまでの磁気回路中に永久磁石を配置していたものとは異なり、永久磁石４１の発生磁界はＥ型コア１３の中央脚および両側脚を通らず、Ｅ型コアの胴部とＩ型コアを通ることから、Ｉ型コア、特に断面積が小さくなっている磁束調節部が磁気飽和を生じやすくなり、インダクタンスが小電流時には大きく大電流時には小さくなり、力率も改善され、永久磁石は減磁しにくくなる。

また、Ｔ型コアとＣ型コアを磁気的空隙を介して対向させ、磁気的空隙の側面もしくは近傍にバイアス用の永久磁石を配置した磁石バイアス方式の直流リアクトルがある。（例えば、特許文献５、６参照）

図９（特許文献５の図５および特許文献６の図５に相当）において、１１はＴ型コア、１２はＣ型コア、２は磁気的空隙、３はコイル、４１は永久磁石、４２はヨークである。Ｔ型コア１１とＣ型コア１２の組み合わせはＥ型コアとＩ型コアでも良いが、対向部に形成される磁気的空隙２の側面に永久磁石４１とヨーク４２からなるバイアス用磁気回路４を配置することにより、インダクタンスが小電流域では大きく大電流域では小さくなるのに加えて、高性能だが高価な永久磁石４１の使用量を大幅に低減させることができ、永久磁石が減磁せず、磁束がコア中で磁気飽和し難く、小型で廉価な直流リアクトルを得ることができる。

また、１個のコアに２回路のコイルを巻回したリアクトルがある。（例えば、特許文献７参照）

図１０（特許文献７の図１に相当）において、１はコア、３４と３５はコイルである。コア１に巻回しているコイル３４とコイル３５は巻き方向が逆で直列に接続されており、一方のコイル３５に放電装置７３を並列に設けることにより、過大電流の通過によって放電装置が作動し、コイル３５が短絡され、残ったコイル３４が限流作用を果たすことができる。

また、直流リアクトルのインバータ装置などのパワー変換装置への接続については、整流回路と平滑コンデンサの間（例えば、特許文献８、９参照）、もしくは、ダイオード整流回路と平滑コンデンサの間の突入電流抑制用回路の前（例えば、特許文献１０参照）に直流リアクトルが接続されていた。

図１１（特許文献８の図２１および特許文献９の図３５に相当）において、５はダイオード整流回路、６は直流リアクトル、８は平滑コンデンサである。図１２（特許文献１０の図１に相当）において、５はダイオード整流回路、６は直流リアクトル、７１は突入電流抑制抵抗、７２は抑制抵抗短絡用コンタクタ、８は平滑コンデンサ、９はインバータ部である。いずれも場合でも、ダイオード整流回路５と平滑コンデンサ８の間に挿入された直流リアクトル６によって、交流電源側の電流ピークと高調波電流を抑制すると共に、負荷変動時の直流リンク電圧の変動も抑制できる。
挿入された直流リアクトル６は１回路のみで、整流回路と平滑コンデンサの間の配線の片側のみに接続されていた。
特公昭４６−０３７１２８号公報（第１−２頁、第３図ａ） 特開昭５０−０３００４７号公報（第１−２頁、第１図） 特公昭６１−０１９０９８号公報（第２−３頁、第２図） 特開平０４−０８４４０５号公報（第２−６頁、第２図） 特開平０８−３１６０４９号公報（第３−４頁、図５） 特開平０９−２８３３５３号公報（第２−４頁、図５） 特開平１０−０６６２５４号公報（第２−３頁、図１） 特開２００２−０９５２５６号公報（第２−３頁、図２１） 特開２００２−２７２１１３号公報（第２−３頁、図３５） 特開平０９−２６１９７３号公報（第２頁、図１）

従来の磁石バイアス方式の直流リアクトルは、１台の直流リアクトルに１回路のコイルだけが巻回されていた。１台のリアクトルまたは１個のコアに２回路のコイルが巻回されたものもあるが、２回路中の１回路は別目的の巻線であるか、２回路のコイルが互いに直列に接続されていた。つまり、１台の直流リアクトルに２回路の同じ巻数のコイルが独立して巻回されておらず、インバータ装置に挿入する場合、ダイオード整流回路と平滑コンデンサの間の配線の片側だけにしかリアクトルを挿入できないので、交流電源側の電流ピークや高調波電流の抑制や、負荷変動時の直流リング電圧の変動抑制も十分ではなかった。

さらなるレベルでの高調波電流の抑制のために、ダイオード整流回路と平滑コンデンサの間の配線の両側に各々直流リアクトルを挿入すると、十分な抑制効果は得られるものの、直流リアクトルが２台必要となり、設置にスペースが必要となり、内蔵するインバータ装置が大きくなるという問題点があった。

本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、小型で高効率な直流リアクトル、および小型で商用電源に対する高調波電流の抑制レベルが高いインバータ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１記載の発明は、２個のコアが所定の磁気的空隙を介して対向し、閉磁気回路をなすコア構体と、このコア構体の少なくとも一方のコアに巻回されたコイルと、前記コア構体に設けられた永久磁石を含むバイアス用磁気回路とからなり、前記永久磁石を含むバイアス用磁気回路を前記磁気的空隙の側面に前記２個のコアに密着して配置させ、前記コア構体内では前記コイルが作る磁束と逆向きの磁束が生じるように前記永久磁石が着磁されている直流リアクトルにおいて、前記コイルの２回路分を独立かつ同じ巻数で巻回し、前記２回路分のコイルの巻回方向は該コイルが作る磁束が前記永久磁石の作る磁束の逆方向となるようにしたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の直流リアクトルにおいて、前記２個のコアがＴ型コアとＣ型コアからなり、前記永久磁石を含むバイアス用磁気回路を前記Ｔ型コアとＣ型コアを対向させて形成した磁気的空隙の側面に前記Ｔ型コアとＣ型コアに密着して配置させ、前記Ｔ型コアの中央脚に２回路分のコイルを独立かつ同じ巻数で巻回したことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の直流リアクトルにおいて、前記２個のコアがＥ型コアとＩ型コアからなり、前記永久磁石を含むバイアス用磁気回路を前記Ｅ型コアとＩ型コアを対向させて形成した磁気的空隙の側面に前記Ｅ型コアとＩ型コアに密着して配置させ、前記Ｅ型コアの中央脚に２回路分のコイルを独立かつ同じ巻数で巻回したことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、３相入力端子を有するダイオード整流回路と、そのダイオード整流回路の直流出力が直流リアクトルと、突入電流抑制抵抗および抑制抵抗短絡用コンタクタの突入電流抑制用回路を介して供給される平滑コンデンサと、その平滑コンデンサに接続されたインバータ部およびその出力端子を有するインバータ装置において、前記直流リアクトルが、磁気的空隙を介して対向させた２個のコアと、その磁気的空隙の側面に前記２個のコアに密着して配置させた永久磁石を含むバイアス用磁気回路と、前記コアに独立かつ同じ巻数で巻回した２回路分のコイルとで構成されることを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項４記載のインバータ装置において、前記ダイオード整流回路、前記直流リアクトル、前記突入電流抑制用回路、前記平滑コンデンサ、前記インバータ部の全てを装置内に内蔵してなることを特徴とするものである。

請求項１〜請求項３に記載の発明によると、１台の直流リアクトルに２回路分のコイルが独立かつ同じ巻数で巻回されているので、大きさをほとんど変えることなく直流リアクトル２台分の商用電源に対する高調波電流抑制が可能となり、小型で高効率な直流リアクトルが実現できる。

請求項４、請求項５に記載の発明によると、インバータ装置に、１台で２回路を有する直流リアクトルをダイオード整流回路と平滑コンデンサの間の配線の両方に挿入しているので、小型で商用電源に対する高調波電流の抑制レベルが高いインバータ装置が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１における直流リアクトルの正面図である。ここで、１１はＴ型コア、１２はＣ型コアでこの２つのコアでコア構体を形成する。また、２は磁気的空隙、３１と３２はコイル、４１は永久磁石、４２はヨークである。

本発明が特許文献１、２、３、４、５および６と異なる部分は、１台に２回路のコイルを独立させて同じ巻数で巻回している部分である。また、本発明が特許文献７と異なる部分は、バイアス用永久磁石を配置し、２回路のコイルを独立かつ同じ巻数で巻回している部分である。すなわち、図１に示したように、積層電磁鋼板からなるＴ型コア１１とＣ型コア１２を磁気的空隙２を介して対向させ、コア構体を構成した。所定のインダクタンスを得るため、Ｃ型コアの側面脚の長さをＴ型コア１１の中央脚の長さよりも短くし、磁気的空隙２を作成した。その磁気的空隙２の側面に永久磁石４１とヨーク４２からなるバイアス用磁気回路４を２個のコアに密着して各々配置した。ここで永久磁石４１は板状のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石であり、ヨーク４２とともに磁気回路を形成する。また、永久磁石４１の板の長手方向および板厚方向のおのおのに片側２極になるように着磁し、対向するもの同士が同極性になるように、Ｎ極とＳ極が入れ代わる中性線を磁気的空隙２の中心線と一致させた。

Ｔ型コア１１の中央脚に、コイル３１とコイル３２を巻回した。ここで、コイル３１とコイル３２は等価となるように同じ巻数とし、結線することなく独立させたままとした。この時、コイル３１とコイル３２の巻回方向（通電方向）は、インバータ装置中の回路に接続したとき、コイルが作る磁束Φｅと永久磁石による磁束Φｍが互いに逆方向となるように決定される。なお、永久磁石によるバイアス方式を採用することにより、コアが磁気飽和し難くなるため、コアの断面積を小さくでき、リアクトルを小型にできた。また、永久磁石を磁気的空隙の側面に配置することにより、コイルによる磁束が永久磁石内を通らないため、永久磁石の渦電流が大幅に低減でき、コイルに突発的な大電流が流れても、永久磁石が減磁することがないため、保磁力が低くより高性能な永久磁石を選択できたり、永久磁石量を低減することができた。

図２は、本発明の実施例２における直流リアクトルの正面図である。ここで、コアはＥ型コア１３とＩ型コア１４であり、他は実施例１と同じ構成の直流リアクトルを作成した。

以上の本発明の実施例１、２の説明では、コアとしてＴ型コアとＣ型コアからなるコア構体またはＥ型コアとＩ型コアからなるコア構体の例を示したが、その他の形態のコアの組み合わせでも同様の効果が得られ、本発明はコアの形態に限定されない。

また、コアとして積層電磁鋼板の例を示したが、本発明で用いるコアとしては、フェライト、アモルファス、純鉄、電磁軟鉄、パーマロイなどあらゆる軟磁性材料が使用可能であり、コアの種類に限定されない。

また、永久磁石としてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いたが、本発明で用いる永久磁石としては、希土類磁石、フェライト磁石、鋳造磁石、ボンド磁石などが使用可能であり、永久磁石の種類に限定されない。

また、磁気的空隙を両側面脚に設け、永久磁石をその磁気的空隙の側面に設置したが、磁気的空隙を中央脚に設けたり、永久磁石を磁気的空隙部に挿入しても、本発明の効果は失われず、磁気的空隙の形態やバイアス用永久磁石の設置場所に本発明は限定されない。

図３は、本発明の実施例３におけるインバータ装置の構成を説明するブロック図、図４は、直流リアクトルのインバータ装置への結線方法を説明する図である。ここで、５はダイオード整流回路、６２は２回路を内蔵する直流リアクトル、７１は突入電流抑制抵抗、７２は抑制抵抗短絡用コンタクタ、８は平滑コンデンサ、９はインバータ部である。

本発明が特許文献８、９および１０と異なる部分は、１台で２回路を内蔵した磁石バイアス方式の直流リアクトルを用意し、ダイオード整流回路５と平滑コンデンサ８の間の配線の両側に挿入した部分である。すなわち、図３に示したように、ダイオード整流回路５は交流側で３相交流電源（図示していない）に接続され、３相交流電圧を整流し、直流側に３相全波整流電圧を出力する。２回路直流リアクトル６１は、ダイオード整流回路５からの電源高調波を低減する。１台に２回路を内蔵した２回路直流リアクトル６１をダイオード整流回路５と平滑コンデンサ８の間の配線の両側に挿入することにより、この電源高調波を完全になくすことができる。平滑コンデンサ８は、直流リアクトルの出力電圧を平滑し、インバータ部９に出力する。なお、突入電流抑制抵抗７１と抑制抵抗短絡用コンタクタ７２からなる突入電流抑制用回路７は、電源投入時などに発生するダイオード整流回路５から平滑コンデンサ８への突入電流を抑える。

また、２回路を内蔵する直流リアクトルをインバータ装置内で接続する方法を具体的に示したのが図４である。２回路直流リアクトル６１の一方のコイルをダイオード整流回路５と突入電流抑制回路７の間に、残りのコイルをもう片方のダイオード整流回路５と平滑コンデンサ８の間に挿入した。
また、インバータ装置に、１台で２回路を内蔵した磁石バイアス式の直流リアクトルを、ダイオード整流回路、突入電流抑制用回路、平滑コンデンサ、インバータ部と共に全てをインバータ装置に内蔵させた。
１回路の直流リアクトルをダイオード整流回路と平滑コンデンサの間の配線の片側だけに挿入したインバータ装置と比較すると、商用電源に対する高調波抑制効果が大きく、高調波電流を完全になくすことができた。
また、１回路の直流リアクトルを２台用意し、ダイオード整流回路と平滑コンデンサの間の配線の両方に挿入したインバータ装置と比較すると、商用電源に対する高調波抑制効果は同等であったが、直流リアクトル１台分だけインバータ装置が小さくなった。

以上の本発明の実施例３、４の説明では、突入電流抑制抵抗７１と抑制抵抗短絡用コンタクタ７２からなる突入電流抑制用回路７を含んだ回路の例を示したが、突入電流抑制用回路を含まない回路においても同様の効果があり、本発明は突入電流抑制用回路の有無に限定されない。

また、整流回路として３相ブリッジによる全波整流を例に説明したが、例えば１２相整流方式と組み合わせることも可能であり、本発明は整流回路の方式に限定されない。

このように、１台の直流リアクトルに２回路分のコイルが独立かつ同じ巻数で巻回されているので、大きさをほとんど変えることなく直流リアクトル２台分の商用電源に対する高調波電流抑制が可能となり、小型で高効率な直流リアクトルが実現できる。
また、インバータ装置に、１台で２回路を有する直流リアクトルをダイオード整流回路と平滑コンデンサの間の配線の両方に挿入しているので、小型で商用電源に対する高調波電流の抑制レベルが高いインバータ装置が実現できる。

本発明の実施例１における直流リアクトルの正面図 本発明の実施例２における直流リアクトルの正面図 本発明の実施例３におけるインバータ装置の構成を説明するブロック図 本発明の実施例３における直流リアクトルのインバータ装置への結線方法を説明する図 従来技術による可飽和リアクトルの正面図 従来技術によるインダクタンス素子の正面図 従来技術によるインダクタンス素子の正面図 従来技術によるチョークの正面図 従来技術による直流リアクトルの正面図 従来技術による限流リアクトルの正面図 従来技術によるインバータ装置の構成を説明するブロック図 従来技術によるインバータ装置の構成を説明するブロック図

符号の説明

１ コア
１１ Ｔ型コア
１２ Ｃ型コア
１３ Ｅ型コア
１４ Ｉ型コア
１５ 第２のＩ型コア
２ 磁気的空隙
３、３１、３２、３４、３５ コイル
３３ 可変リアクタンスを得る巻線
４ バイアス用磁気回路
４１ 永久磁石
４２、４３ ヨーク
５ ダイオード整流回路
６ 直流リアクトル
６１ ２回路直流リアクトル
７ 突入電流抑制用回路
７１ 突入電流抑制抵抗
７２ 抑制抵抗短絡用コンタクタ
７３ 放電装置
８ 平滑コンデンサ
９ インバータ部
Φｅ コイルの作る磁束
Φｍ 永久磁石の作る磁束

Claims (5)

1. ２個のコアが所定の磁気的空隙を介して対向し、閉磁気回路をなすコア構体と、
   このコア構体の少なくとも一方のコアに巻回されたコイルと、
   前記コア構体に設けられた永久磁石を含むバイアス用磁気回路とからなり、
   前記永久磁石を含むバイアス用磁気回路を前記磁気的空隙の側面に前記２個のコアに密着して配置させ、前記コア構体内では前記コイルが作る磁束と逆向きの磁束が生じるように前記永久磁石が着磁されている直流リアクトルにおいて、
   前記コイルの２回路分を独立かつ同じ巻数で巻回し、前記２回路分のコイルの巻回方向は該コイルが作る磁束が前記永久磁石の作る磁束の逆方向となるようにしたことを特徴とする直流リアクトル。
2. 前記２個のコアがＴ型コアとＣ型コアからなり、
   前記永久磁石を含むバイアス用磁気回路を前記Ｔ型コアとＣ型コアを対向させて形成した磁気的空隙の側面に前記Ｔ型コアとＣ型コアに密着して配置させ、
   前記Ｔ型コアの中央脚に２回路分のコイルを独立かつ同じ巻数で巻回したことを特徴とする請求項１記載の直流リアクトル。
3. 前記２個のコアがＥ型コアとＩ型コアからなり、
   前記永久磁石を含むバイアス用磁気回路を前記Ｅ型コアとＩ型コアを対向させて形成した磁気的空隙の側面に前記Ｅ型コアとＩ型コアに密着して配置させ、
   前記Ｅ型コアの中央脚に２回路分のコイルを独立かつ同じ巻数で巻回したことを特徴とする請求項１記載の直流リアクトル。
4. ３相入力端子を有するダイオード整流回路と、そのダイオード整流回路の直流出力が直流リアクトルと、突入電流抑制抵抗および抑制抵抗短絡用コンタクタの突入電流抑制用回路を介して供給される平滑コンデンサと、その平滑コンデンサに接続されたインバータ部およびその出力端子を有するインバータ装置において、
   前記直流リアクトルが、磁気的空隙を介して対向させた２個のコアと、その磁気的空隙の側面に前記２個のコアに密着して配置させた永久磁石を含むバイアス用磁気回路と、前記コアに独立かつ同じ巻数で巻回した２回路分のコイルとで構成されることを特徴とするインバータ装置。
5. 前記ダイオード整流回路、前記直流リアクトル、前記突入電流抑制用回路、前記平滑コンデンサ、前記インバータ部の全てを装置内に内蔵してなることを特徴とする請求項４記載のインバータ装置。

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