JP2007189157A

JP2007189157A - 変流器

Info

Publication number: JP2007189157A
Application number: JP2006007580A
Authority: JP
Inventors: Hideshi Okubo; 英志大久保; Shoji Kusui; 昭二楠井; Iami Hara; 偉吾実原
Original assignee: Sanyo Electronic Industries Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electronic Industries Co Ltd
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】本発明の課題は、１次側の直流電流によって磁気コアが飽和しにくく、且つギャップの効果を機械的構造内に安定して調整可能な変流器を提供する。
【解決手段】ギャップを有する複数の中空の磁性コアを、互いのギャップが散在するように中空を共通に積み重ねると共に、各磁性コアの間に中空の非磁性体を介在せしめて中空積層コアを構成し、これに２次巻き線を施すことを特徴とした変流器。このさい、それぞれの前記磁性コアは、互いのギャップが中空中心からみて等角度に配置されるように積み重ねられている。なお、複数個の磁性コアは、それぞれ非磁性ケースに入れてから積み重ねて前記積層コアを構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は直流成分を含有する電流の交流成分のみを検出し同一波形で大きさの異なる交流電流または交流電圧信号を得る変流器に関する。

変流器は、リング状、矩形状もしくは多角形状の中空磁性コア（例えば、環状鉄心）に２次巻き線を施し、中空部分に１回または複数回交差する１次側の交流電流を、２次側で検出する。従来の一般変流器では鉄心を極めて大きくして若干の直流成分が１次側にあっても磁気飽和しないようにする方法と、図１のように磁路にギャップ（空隙）を設けて磁気飽和しないようにする方法があった。図１（ａ）は環状鉄心１にギャップ２を設けた例である。この方法ではギャップを大きくすれば大きな直流成分があっても磁気飽和せず、交流成分のみを変流できるが、ギャップとその近くのコイルに外部磁界が作用すると直接影響を受け変流誤差が生じる。そのため磁気シールドが必要になった。そこで図１（ｂ）のように１８０度の反対側にも同一ギャップ２を設けて外部磁界に対して逆の作用を受けさせ相互に打ち消させる方法も考えられる。しかし、これでは鉄心が２分割されるので所定の寸法のギャップになるよう正確に鉄心を固定することは極めて困難であり実用上難しい。

特開昭５２−１５４０２６号公報

本発明の課題は、１次側の直流電流によって磁気コアが飽和しにくく、且つギャップの効果を機械的構造内に安定して調整可能な変流器を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために、単一のギャップを有する複数の中空の磁性コアを、互いのギャップが散在するように中空を共通に積み重ねている。ギャップは各コアで１つのみであるため、ギャップに正確に設定し得る。さらに、各磁性コアの間に中空の非磁性体を介在させているので、ある磁性コアのギャップからの磁束は隣接する磁性コアに分流する。このために、ギャップによる磁気飽和が低減されると共に、ギャップの効果を磁性コア同士の空隙でもって調整可能となる。

本考案によれば、１次側の直流電流によって磁気コアが飽和しにくく、且つギャップの効果を機械的構造的に安定して調整可能となる。

以下、図面を用いて本実施例を説明する。
本実施例では、磁性コアとしてリング状の単一ギャップ環状鉄心が用いられる。この環状鉄心を複数個用いて、中空積層コアを構成する。各ギャップとその近くの巻き線に作用する外部磁界に対して逆の作用を受けさせ相互に打ち消させるためには、例えば図２のように単一ギャップ環状鉄心１を２個用いた場合には、それぞれギャップが１８０度反対に配置されるように積み重ねるのが良い。これにより、「新しい１個の環状鉄心」としての中空積層コアを構成せしめ、これに巻き線を施すことにより各ギャップとその近くの巻き線に作用する外部磁界の影響を相殺できる。同様に、単一ギャップ環状鉄心を３個使用する場合は鉄心の中心（中空中心）を軸として等角度即ち１２０度ごとに各ギャップを配置せしめる。同様にＮ個の環状鉄心を用いる場合には、３６０／Ｎ度ごとに各ギャップを配置せしめる。また、このような関係に配置された複数の環状鉄心を、複数組み用意して積層しても良い。例えば単一ギャップ環状鉄心を４個使用する場合は１８０度反対に配置したものを２組として積層する。このように、各組みの各環状鉄心を混在して積層しても、組み同士で独立して積層することも設計に応じて可能である。

各環状鉄心の積み重ね間に側面空隙３が設けられる。ギャップを通る磁束は、隣接する鉄心に分流するため、等価的にギャップを小さくさせることができる。側面空隙３の加減によりギャップ効果を調節できる。この理論を図３により以下に説明する。

図３において既に述べたように１はギャップ付き環状鉄心、２はギャップ、３は隣接する各鉄心間の側面空隙である。４はギャップを通過する磁束Φ１、５は鉄心を通過する分流磁束Φ２である。ここで「新しい１個の環状鉄心」として全磁束Φは数式１で示される。

数式１に示された鉄心自体の比透磁率μ_Ｓは極めて大きいので分母第１項を無視すると、数式２、数式３、数式４、数式５のように表される。

ここに、Φは全磁束、Ｂは磁束密度、Ｑ_Ｆは各鉄心断面積、Ｎ_Ｉは１次巻線回数（Ｎ_Ｉ＝１，２，３，・・・）、Ｉ_Ｉは１次電流、ｌ_Ｆは鉄心磁路長、μ_０は真空（空気）の透磁率、μ_Ｓは比透磁率、ｇは側面空隙の間隔（各環状鉄心のギャップ長も加味）、Ｑ_ｇは側面空隙の間隔（各環状鉄心のギャップ面積も加味）、Ｈは磁界である。

従って、「新しい１個の環状鉄心」としての等価比透磁率μ_Ｓは磁路長ｌ_Ｆ隣接側面の空隙面積Ｑ_ｇに比例し、各鉄心断面積Ｑ_Ｆ及び側面空隙の間隔ｇに反比例する。故に各ギャップ付き環状鉄心を例えばプラスチックケースに入れてから積み重ねれば必然的に側面空隙が生じることになる。プラスチックケース無く直接鉄心同士を接触させればギャップ２のみとなり等価的に非常に狭いものとなり等価透磁率は極めて大きなものとなる。

図４は上記理論を実証する実験結果であり、横軸に重畳直流電流、縦軸に誤差変化を示す。実線は側面空隙の間隔の大きい場合で鉄心はなかなか飽和しないから大きな直流電流でも誤差変化が無い。これに対し鎖線で示す曲線は側面空隙の極めて小さい場合で、小さい直流電流でも鉄心はすぐ飽和して誤差が早くマイナスになることを示す。

本実施例では、各ギャップとその近くの巻き線に作用する外部磁界に対して逆の作用を受けさせ相互に打ち消すようにギャップを配置したが、等価的にギャップを小さくしたり、ギャップ効果を調節可能なようにするためには、少なくともある環状鉄心のギャップと隣接する環状鉄心のギャップがずれていれば良い。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は側面から見たものである。図５（ａ）の実施例では、１は薄いギャップ付き環状鉄心（例えば鉄板から打ち抜いた薄い打ち抜き環状鉄心でもよい）でこの積み重ね間に環状鉄心とほぼ同径の環状非磁性体３’を交互に挿入する。
これ全体をプラスチックケース６に入れたものである。この環状非磁性体の厚さが側面空隙の間隔になり所定の値に設定される。図５（ｂ）の実施例では、１が環状鉄心でこれをプラスチックケース６に直接入れてから積み重ねる。これによって側面空隙３ができる。この場合はケースを直接接触させているので、側面空隙の間隔はケースの厚さの２倍となる。図５（ｃ）の実施例においては環状非磁性体３’を更に挿入したもので側面空隙の間隔は更に大きくなるなど必要に応じて加減できる。これらは機械的構造的に極めて安定である。

図６は高精度化の実施例である。複数個のギャップ付き環状鉄心を積み重ねる際の側面空隙を有効利用する目的により、複数個の環状鉄心のうち１部の個数例えば図６に示すように全鉄心４個のうち２個の鉄心１’，１’だけを用い、この２個の鉄心にまとめて補助巻き線８を巻いて前記空隙３の１部分を構成すると共に、この補助巻き線８の出力電流を巻き線７の出力電流に加算せしめる。本実施例におけるギャップ付き環状鉄心は、ギャップの無い純環状鉄心に比し残留磁束が大きく、従って励磁電流も大きくそれにより変流器としての絶対誤差が生じやすい。そこで図６においては補助巻き線８で前記残留磁束の１部を補足して励磁電流分のみを得てこれを前記の全体の主巻き線７の出力に加えてやれば、前記絶対誤差は補償される。１０は負荷抵抗である。必要に応じて図６において増幅器９を設ければ残留磁束は更に小さくなることは明らかである。公知の帰還形等変流器では微小な直流成分ですぐ飽和し、直流を含む交流電流の変流は不可能であった。本実施例はその構成・作用効果が従来と異なり、図６に示すように複数個のギャップ付き環状鉄心を側面空隙を持たせて積み重ねることにより、高精度高感度でありながら直流成分があっても飽和せず交流成分のみを変流できる大きな特長がある。

本変流器を電気的に使用する場合の実施例を図７，８に示す。図７は２次コイル７を開放して用いる例で、この場合は２次コイル電圧は周知のごとく１次電流に比例する鉄心磁束の変化の微分に比例するので、電圧の位相角は側面空隙が大きい場合１次電流より９０度進んでいる。従って微分器１１により９０度遅らせている。図８は一般の変流器のように小さな負荷抵抗１０を２次コイル出力に接続する。この場合は、ギャップのため２次コイルのインダクダンスが小さくなり巻き線出力電圧（負荷抵抗１０の電圧）は負荷抵抗との関係で定まる若干の位相角だけ進む。従ってこれを補正するための移相器１２を図のように設ける。

上記説明したように、２個または複数個のギャップ付き環状鉄心をある程度の側面空隙をもたせて積み重ね、且つこれらギャップの位置を鉄心中心軸に対して等角度に配置せしめることにより外部磁界の影響を減少せしめると共に、その側面空隙の加減により数式５に示すように必要な比透磁率を得る優れた効果がある。前記ギャップとこの側面空隙を作ることにより変流器の１次電流における直流成分を遮断できる大きな作用効果がある。また前記複数個のギャップ付き環状鉄心のうちの１部を利用しそれに補助巻き線を施し、その出力を全体の鉄心の巻き線の出力に加算することにより変流精度を向上させることができる。また２次コイル出力を開放または極めて大きな負荷抵抗を接続する場合には積分器を設け、また逆に２次コイル出力に小さな負荷抵抗を接続する場合は移相器を設けて、１次電流と全く同相の出力を得るという優れた作用効果がある。

尚、上記実施例おいては、リング状の環状鉄心を用いた例を説明したが、変流器の磁性コアとして矩形状（或いは多角形）のものに対しても、単一ギャップを設け、且つ夫々れのギャップ位置に隣接コアの磁性部分を存在せしめて、ギャップを散在させることにより、磁束が分流されるように構成することにより、側面空隙の加減により数式５に示すように必要な比透磁率を得る優れた効果がある。

従来のギャップ付き鉄心を示す。本実施例の基本構成例を示す。本実施例の原理と理論の説明図を示す。上記理論を実施する誤差変化グラフ図を示す。本実施例の構造実施例を示す。本実施例の高精度化の実施例を示す。本実施例の電気回路実施例を示す。本実施例の他の電気回路実施例を示す。

符号の説明

１，１’ 現状鉄心
２ギャップ
３側面空隙
３’ 環状非磁性体
４主磁束
５分流磁束
６プラスチックケース
７２次巻き線
８補助巻き線
９増幅器
１０負荷抵抗
１１積分器
１２移相器

Claims

ギャップを有する複数の中空の磁性コアを、互いのギャップが散在するように中空を共通に積み重ねると共に、各磁性コアの間に中空の非磁性体を介在せしめて中空積層コアを構成し、これに２次巻き線を施すことを特徴とした変流器。
それぞれの前記磁性コアは、互いのギャップが中空中心からみて等角度に配置されるように積み重ねられることを特徴とした請求項１記載の変流器。
前記複数個の磁性コアを、それぞれ非磁性ケースに入れてから積み重ねて前記積層コアを構成することを特徴とした請求項１記載の変流器。
前記中空積層コアを構成する１部の中空磁性コアに補助巻き線を巻き、この補助巻き線の出力を前記２次巻き線の出力に加算せしめることを特徴とした請求項１記載の変流器。