JP2011228394A - コモンモードトランス - Google Patents

Abstract

【課題】実装の容易化とコストの低減を図ることができるコモンモードトランスを提供する。
【解決手段】電力線路（３ａ〜３ｃ）に発生するコモンモード電圧に対応した電圧を一次巻線（９１）に入力し、その二次巻線（９２〜９４）に生成される電圧をコモンモード電圧に対する相殺電圧として記電力線路（３ａ〜３ｃ）に重畳するコモンモードトランスである。ヘリカル状の第１のコア部分（９５Ａ）と、第１のコア部分（９５Ａ）の一端と他端間に介在する第２のコア部分（９５Ｂ）とを有するコア（９５）を備え、第２のコア部分（９５Ｂ）に一次巻線（９１）を巻着するとともに、第１のコア部分（９５Ａ）に電力線路（３ａ〜３ｃ）を貫通させて、その貫通部分を二次巻線（９２〜９４）として用いるように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワーエレクトロニクス機器で発生する伝導性ノイズを低減するための伝導性ノイズアクティブフィルタに使用されるコモンモードトランスに関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体デバイスの発展に伴って、インバータのスイッチング周波数が高周波化している。スイッチング周波数が高周波化されると、インバータの負荷である電動機の騒音や振動が低減するとともに、電圧、電流、トルクなどを制御する能力が向上するが、反面、電動機の巻き線の浮遊容量を介して接地線に高周波漏れ電流（コモンモード電流）が流れることになる。コモンモード電流は、インバータの電流制御に悪い影響を与え、また、漏電ブレーカの誤作動などの電磁障害（ＥＭＩ：Electromagnetic Interference ）を引き起こす恐れがある。

そこで、特許文献１、２に係るノイズアクティブフィルタが提案されている。特許文献１に係るノイズアクティブフィルタは、電力線路に発生するコモンモード電圧を検出するコモンモード電圧検出手段と、このコモンモード電圧に対応する電圧を一次巻線に入力し、その二次巻線に生成される電圧を前記コモンモード電圧に対する相殺電圧として前記電力線路に重畳するコモンモードトランスと、を備えている。
上記電力線路は、電力用半導体素子のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器の入力側線路である。
特許文献２に係るノイズアクティブフィルタも上記のノイズアクティブフィルタに準じた構成を有するが、上記電力線路が上記電力変換器の出力側線路である点で相違する。

図６は、上記従来のノイズアクティブフィルタに使用されているコモンモードトランスの構成を例示したものである。このコモンモードトランス１００は、環状のコア１０１に一次巻線１０２と二次巻線１０３とを巻着した構成を有する。一次巻線１０２には、上記検出したコモンモード電圧に対応する電圧が入力される。また、二次巻線１０３は、上記電力線路の途中に挿入される。もちろん、一次巻線１０２と二次巻線１０３の巻線比は、二次巻線１０３に上記相殺用電圧が誘起されるように設定される。そして、上記電力線路が三相線路である場合には、各相の線路にそれぞれ挿入させる３つの二次巻線１０３が上記コア１０１に巻着される。

特開２０１０−０５７２６８公報 特開平１０−９４２４４公報

上記従来のコモンモードトランスは、二次巻線１０３を電力線路の途中に挿入して接続する手間を要する。また、環状のコア１０１に電力線路の相数に対応する数の二次巻線１０３を巻く必要があるので、その製造に手間を要する。したがって、このようなコモンモードトランスは、実装およびコストの点での改善を必要とする。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、実装の容易化とコストの低減を図ることができるコモンモードトランスを提供することを目的としている。

本発明は、電力線路に発生するコモンモード電圧に対応した電圧を一次巻線に入力し、その二次巻線に生成される電圧を前記コモンモード電圧に対する相殺電圧として前記電力線路に重畳するコモンモードトランスであり、上記目的を達成するため、ヘリカル状の第１のコア部分と、この第１のコア部分の一端と他端間に介在する第２のコア部分とを有するコアを備える。前記第２のコア部分には前記一次巻線が巻着される。前記第１のコア部分に前記電力線路が貫通され、その貫通部分が前記二次巻線となる。

前記電力線路は、たとえば、電力用半導体素子のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器の入力側線路あるいは出力側線路である。

前記コアは、前記電力線路に対する取付け取り外しのために、少なくとも前記ヘリカル状の第１のコア部分が分割可能に構成される。この場合、第１のコア部分は、同一形状の複数の分割要素を連接することによって構成されることが望ましい。

前記第２のコア部分は、例えば、前記第１のコア部分の一端部側に位置する前記分割要素に基端部が分離可能に結合されかつ第１のコア部分の外方に向かって突出する第１のアーム部材と、前記第１のコア部分の他端部側に位置する前記分割要素に基端部が分離可能に結合されかつ第１のコア部分の外方に向かって突出する第２のアーム部材と、前記第１、第２のアーム部材の先端部間に介在させた結合部材と、を備え、前記結合部材に前記一次巻線を巻着した構成を有することができる。そして、前記結合部材は、その一端部及び他端部をそれぞれ前記第１、第２のアーム部材の先端部に分離可能に結合することができる。

少なくとも前記第１のコア部分を覆う非磁性材料からなるカバーを更に備えることができ、このカバーの内周面には、少なくとも前記第１のコア部分の各ヘリカルターン部間に挿入させるリブが突設される。
また、少なくとも前記第１のコア部分のヘリカルターン部間に挿入させる凸部を有する間隔保持具を更に備えることができる。この間隔保持具は、前記第１のコア部分の内部、外部にそれぞれ位置される第１、第２の保持部材を備え、１以上の前記ヘリカルターン部を挟む形態でこの第１、第２の保持部材を対向結合するように構成することができる。

本発明によれば、二次巻線を電力線路の途中に挿入して接続する手間が不要となり、また、コアに電力線路の相数に対応する数の二次巻線を巻くことも不要となる。したがって、実装の容易化とコストの低減を図って実用性をより向上することができる。

本発明に係るコモンモードトランスを使用した伝導性ノイズアクティブフィルタを示す回路図である。 本発明に係るコモンモードトランスの構成を示す概念図である。 本発明に係るコモンモードトランスの実施形態を示す斜視図である。 間隔保持具の一構成例を示す断面図である。 間隔保持具の他の構成例を示す断面図である。 モンモードトランスの従来例を示す概念図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１は、伝導性ノイズアクティブフィルタを組み込んだ誘導電動機制御システムを示す。
図１において、三相交流電源１の交流出力は、伝導性ノイズを測定するために設けられたＬＩＳＮ (line impedance stabilization network; 擬似電源回路網)２及び電力線路である三相ケーブル３（Ｕ相ケーブル３ａ，Ｖ相ケーブル３ｂ，Ｗ相ケーブル３ｃ）を介して整流器４に入力され、この整流器４によって直流に変換される。整流器４の直流出力は、平滑用コンデンサ５によって平滑された後、電圧形ＰＷＭインバータ６に入力され、このＰＷＭインバータ６に設けられた電力用半導体素子のスイッチング動作によって三相の交流電圧に変換される。そして、このインバータ６の三相交流出力が誘導電動機７に供給される。なお、誘導電動機７のフレームは接地線を介して接地端子に接続されている。

電圧重畳回路８は、後述のコモンモード電圧を相殺するための電圧をケーブル３に重畳させるものである。この電圧重畳回路８は、後述の構成を有する本発明に係るコモンモードトランス９と、プッシュプル形のエミッタフォロワ回路１０と、オペレーショナルアンプ１１と、正側電源１２及び負側電源１３とを有する。
コモンモードトランス９は、一次コイル９１が電源１２、１３の中性点とエミッタフォロワ回路１０の出力端子との間に接続され、二次コイル９２，９３，９４がケーブル３ａ，３ｂ，３ｃの途中にそれぞれ挿入されている。エミッタフォロワ回路１０は、コンプリメンタリトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２によって構成され、その入力端子にオペレーショナルアンプ１１の出力端子が接続されている。エミッタフォロワ回路１０およびオペレーショナルアンプ１１には、電源１２、１３の正、負出力電圧が印加される。

次に、保護回路１５について説明する。上記三相ケーブル３ａ，３ｂ，３ｃには、互いに等しい容量を有する３つの接地コンデンサ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの一端がそれぞれ接続されている。分圧・保護回路１５は、相互に接続された各接地コンデンサ１４ａ，１４ｂ，１４ｃの他端と接地点との間に接続された分圧用コンデンサ１６と、この分圧用コンデンサ１６に並列接続された分圧用コンデンサ１７，１８の直列回路と、分圧用コンデンサ１７に並列接続されたツェナダイオード１９，２０の直列回路とを備えている。互いの方向が逆となる形態で接続されたツェナダイオード１９，２０は、電圧リミッタを構成し、正負の過大電圧がオペレーショナルアンプ１１の入力に加わるのを防止する電圧リミッタとして機能する。
なお、接地コンデンサ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、通常は接地点に直接接続されるが、図示の伝導性ノイズアクティブフィルタでは、この接地コンデンサ１４ａ，１４ｂ，１４ｃをコモンモード電圧の検出手段として用いているので、上記分圧用コンデンサ１６〜１８を介して接地されている。
この分圧・保護回路１５によれば、接地コンデンサ１４ａ，１４ｂ，１４ｃで検出されるコモンモード電圧に対応した電圧を得ることができ、かつ、該コモンモード電圧よってオペレーショナルアンプ１１、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２などの能動素子が破壊されることを防止することができる。

周知のように、ＰＷＭインバータ６は、スイッチング動作する毎にＥｄ／３の大きさでステップ状に変化する零相電圧、すなわちコモンモード電圧Ｖinvを出力する。接地コンデンサ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、このコモンモード電圧Ｖinvに基づいてケーブル３ａ，３ｂ，３ｃに発生するコモンモード電圧（ＰＷＭインバータ６が発生するコモンモード電圧Ｖinvよりも低い値を示す）を検出し、また分圧・保護回路１５は、その検出した電圧をコンデンサ１６〜１８によって分圧する。

分圧・保護回路１５から出力される分圧電圧は、オペレーショナルアンプ１１によって反転増幅された後、エミッタフォロワ回路１０を介してコモンモードトランス９の一次巻線９１に入力される。オペレーショナルアンプ１１には、差動増幅型のものや反転増幅型のものなどを用いることができる。コモンモードトランス９は、このとき、接地コンデンサ１４ａ，１４ｂ，１４ｃで検出される電圧とは極性が逆で大きさが等しい電圧が二次巻線９２，９３，９４に誘起されるようにその巻線比が設定される。コモンモードトランス９の二次巻線９２，９３，９４に誘起されたこの電圧は、ケーブル３ａ，３ｂ，３ｃにおけるコモンモード電圧を相殺するための電圧として該ケーブル３に重畳され、この結果、ケーブル３におけるコモンモード電圧が相殺されて、電源１側への漏れ電流が補償される。

コモンモードトランス９の巻数比は、オペレーショナルアンプ１１のゲイン値を調整することにより変更することができる。
例えば、オペレーショナルアンプ１１のゲイン値を１、コモンモードトランスの一次側：二次側の巻数比を１：４としていたものに対し、オペレーショナルアンプ１１のゲイン値を２に変更すれば、コモンモードトランス９の一次側：二次側の巻数比を１：２とすることができる。

次に、本発明に係るコモンモードトランス９の具体的な構成について説明する。図２は、このコモンモードトランス９の構成を概念的に示したものである。
フェライトからなるこのコモンモードトランス９のコア９５は、ヘリカル状の第１のコア部分９５Ａと、この第１のコア部分９５Ａの一端と他端間に介在する第２のコア部分９５Ｂとを有する。
図３に示すように、第１のコア部分９５Ａは、分割可能な構成を有する。すなわち、第１のコア部分９５Ａは、同一形状の複数の分割要素９５１を連接することによって構成されている。各分割要素９５１は、ヘリカル状ラインのワンターンに沿った形状を有し、ホゾとホゾ穴からなる結合手段を用いて互いに連接されている。

第２のコア部分９５Ｂは、第１、第２のアーム部材９５２，９５３と、この第１、第２のアーム部材９５２，９５３の先端部間に介在させた結合部材９５４とを備えている。
前記第１のアーム部材９５２は、第１のコア部分９５Ｂの一端部側に位置する分割要素９５１に基端部が分離可能に結合され、その結合部位から第１のコア部分９５Ａの外方に向かって突出するように形成されている。同様に、第２のアーム部材９５３は、第１のコア部分９５Ｂの他端部側に位置する分割要素９５１に基端部が分離可能に結合され、その結合部位から第１のコア部分９５Ａの外方に向かって第１のアーム部材９５２と同方向に突出している。

結合部材９５４は、その一端部が第１のアーム部材９５２の先端部に分離可能に結合され、その他端部が第２のアーム部材９５３の先端部に分離可能に結合されている。そして、図２に示すように、この結合部材９５４には、ことを特徴とする請求項５に記載のコモンモードトランス。
そして、この結合部材９５４には一次巻線９１が巻かれている。
なお、本実施形態では、分割要素９５１にアーム部材９５２，９５３を結合する手段として、また、アーム部材９５２，９５３に結合部材９５４を結合する手段としてそれぞれホゾとホゾ穴を用いている。なお、ホゾとホゾ穴に代わる他の結合手段を適用することも当然可能である。

ヘリカル状の第１のコア部分９５Ａには、電力線路であるケーブル３ａ，３ｂ，３ｃが貫通する。コア材に導線を巻くことと、導線にコア材を巻くことは等価である。したがって、第１のコア部分９５Ａを貫通するケーブル３ａ，３ｂ，３ｃの部位は、等価的にコモンモードトランス９の二次巻線９２，９３，９４（図１参照）に相当することになる。このことは、このコモンモード・トランス９が図６に示した従来のコモンモードトランスと等価な機能を有することを意味している。

このように、本実施形態に係るコモンモードトランス９によれば、第１のコア部分９５Ａを貫通するケーブル３ａ，３ｂ，３ｃの部位が二次巻線９２，９３，９４に相当するので、該ケーブル３ａ，３ｂ，３ｃの途中に二次巻線９２，９３，９４を挿入して接続するという手間が不要となるので、実装の容易化を図ることができる。また、コア９５に電力線路の相数３に対応する数の二次巻線を巻くことが不要となるので、コストの低減を図ることができる。
更に、本実施形態に係るコモンモードトランス９によれば、第１のコア部分９５Ａが複数の分割要素９５１に分割可能であり、また、アーム部材９５２，９５３が対応する分割要素９５１から分離可能であるので、既設のケーブル３ａ，３ｂ，３ｃに対し容易に実装することができるとともに、その実装後にケーブル３ａ，３ｂ，３ｃから容易に取り除くことができる。

更にまた、上記構成のコモンモードトランス９は、必要に応じて、分割要素９５１の配列数を増減することができる。この分割要素９５１の配列数の増減は、結果的に二次巻線９２，９３，９４の巻数を増減することと等価である。
なお、分割要素９５１の配列数を増減すると、アーム部材９５２，３５３相互の間隔が変化する。そこで、結合部材９５４としては、この間隔の変化に対応するために種々の長さのものが予め用意される。

本実施形態に係るコモンモードトランス９には、必要に応じて図３に示すようなカバー２１が併用される。このカバー２１は、合成樹脂等の非磁性材料で形成された一対の略半円筒状のカバー部材２２、２３を備えている。このカバー２１では、第１のコア部分９５Ａが収容されるようにカバー部材２２、２３が対向結合される。そのさい、カバー部材２２、２３に設けられた係止部２２１，２３１によって結合状態が維持される

カバー部材２２、２３の内周面には、リブ２２２，２３２がそれぞれ複数条形成されている。リブ２２２，２３２は、カバー部材２２、２３が結合された際に、第１のコア部分９５Ａの隣接する分割要素９５１相互間、隣接するアーム部材９５２と分割要素９５１相互間及び隣接するアームコア部９５３と分割要素９５１相互間に挿入され、これによって、上記隣接するコア要素相互の間隔が保持される。つまり、リブ２２２，２３２はスペーサとしての機能を有する。
なお、カバー部材２２，２３の縁部には、アーム部材９５２との干渉を回避するための切欠部２２３，２３３が形成されるとともに、アーム部材９５３との干渉を回避するための切欠部２２４，２３４が形成されている。

上記隣接するコア要素相互の間隔は、図４に示す２分割式の間隔保持具２５を用いて保持させることも可能である。この間隔保持具２５は、保持部材２６，２７を備え、これらをその内面相互が対向する形態で結合することによって構成される。保持部材２６，２７はホゾとホゾ穴を用いて結合しているが、他の結合手段を用いて結合してもよい。
保持部材２６，２７は、隣接する２つの分割要素９５１を挟む形態で結合される。そして、その結合状態においては、保持部材２６の内面に設けられた２つの凹溝２６１と保持部材２７の内面に設けられた２つの凹溝２７１とによって形成される空間に分割要素９５１が収容される。その際、各凹溝２６１の境界に位置する凸部２６２と、各凹溝２７１の境界に位置する凸部２７２とが各分割要素９５１間に挿入され、これによって、該各分割要素９５１相互の間隔が保持される。そして、保持部材２６，２７の一方の端部２６３，２７３相互が一方の分割要素９５１とそれに隣接する別のコア要素との間に挿入されるとともに、保持部材２６，２７の他方の端部２６４，２７４相互が他方の分割要素９５１とそれに隣接する別のコア要素との間に挿入される。
なお、図４に示した例では、保持部材２６，２７によってコア９５の非分割箇所（ホゾ、ホゾ穴が存在していない箇所）を保持しているが、保持する箇所はこの例に限らない。例えば、保持部材２６，２７をコア９５の分割箇所（ホゾ、ホゾ穴が存在している箇所）を覆うように配置しても良い。
また、図４に示した例では、コア９５の分割要素９５１の２ターン分を一括して保持しているが、図２に示した４ターン分の分割要素９５１を一括して保持するようにしても良い。

図５に示す間隔保持具２８は、保持部材２９の内面に設けられた１つの凹溝２９１と保持部材３０の内面に設けられた１つの凹溝３０１とによって形成される空間に１つの分割要素９５１を収容するようにした点において図４の間隔保持具２５と相違している。この間隔保持具２８によれば、保持部材２９，３０の一方の端部２９２，３０２相互が上記分割要素９５１の一側とそれに隣接するコア要素との間に挿入されるとともに、保持部材２９，３０の他方の端部２９３，３０３相互が上記分割要素９５１の他側とそれに隣接するコア要素との間に挿入されることになる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形態様を含むものである。すなわち、図３に示すカバー部材２２，２３は、互いに分離しているが、両者の一方の縁部相互をヒンジ部材（薄肉の樹脂によって構成可能）を介して結合するようにしてもよい。
また、コア９５の第１のコア部分９５Ａを構成する分割要素９５１の配列数は、前記オペレーショナルアンプ１１のゲイン等に応じて任意数に設定することができ、場合によってはこの配列数を１に設定してもよい。
更に、図４に示す間隔保持具２５は、２つの分割要素９５１を保持部材２６，２７によって挟持するように構成されているが、必要に応じて３つ以上の分割要素９５１を挟持するように構成することも可能である。
更にまた、上記実施形態では、ＰＷＭインバータ６の入力側電力線路（ケーブル３ａ、３ｂ、３ｃ）に発生するコモンモード電圧に対応した電圧を一次巻線９１に入力しているが、ＰＷＭインバータ６の出力側電力線路に発生するコモンモード電圧に対応した電圧を一次巻線９１に入力するようにしてもよい。もちろん、この場合には、接地コンデンサ１４によって上記出力側電力線路に発生するコモンモード電圧が検出され、かつ、コモンモードトランス９の二次巻線９２，９３，９４に誘起される電圧が上記出力側電力線路にコモンモード電圧相殺よう電圧として重畳されることになる。

１ 三相交流電源
２ ＬＩＳＮ（擬似電源回路網）
３ａ、３ｂ、３ｃ ケーブル
４ 整流器
５ 平滑用コンデンサ
６ ＰＷＭインバータ
７ 誘導電動機
８ 電圧重畳回路
９ コモンモードトランス
９１ 一次巻線
９２，９３，９４ 二次巻線
９５ コア
９５Ａ 第１のコア部分
９５Ｂ 第２のコア部分
９５１ 分割要素
９５２，９５３ アーム部材
９５４ 結合部材
１０ エミッタフォロワ回路
１２，１３ 電源
１４ 接地コンデンサ
１５ 分圧・保護回路
１６〜１８ 分圧用コンデンサ
１９，２０ ツェナダイオード
２１ カバー
２２，２３ カバー部材
２５、２８ 間隔保持具
２６，２７，２９，３０ 保持部材
２６１，２７１，２９１，３０１ 凹溝
２６２ ２７２ 凸部
２６３，２６４，２７３，２７４，２９２，２９３ 端部
３０２，３０３ 端部
２２１，２３１ 係止部
２２２，２３２ リブ
２２３，２２４，２３３，２３４ 切欠部
Ｔｒ１，Ｔｒ２ トランジスタ

Claims (9)

1. 電力線路に発生するコモンモード電圧に対応した電圧を一次巻線に入力し、その二次巻線に生成される電圧を前記コモンモード電圧に対する相殺電圧として前記電力線路に重畳するコモンモードトランスであって、
   ヘリカル状の第１のコア部分と、この第１のコア部分の一端と他端間に介在する第２のコア部分とを有するコアを備え、
   前記第２のコア部分に前記一次巻線を巻着するとともに、前記第１のコア部分に前記電力線路を貫通させて、その貫通部分を前記二次巻線として用いるように構成されていることを特徴とするコモンモードトランス。
2. 前記電力線路は、電力用半導体素子のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器の入力側線路あるいは出力側線路であることを特徴とする請求項１に記載のコモンモードトランス。
3. 前記コアは、前記電力線路に対する取付け取り外しのために、少なくとも前記ヘリカル状の第１のコア部分が分割可能な構成を有することを特徴とする請求項１に記載のコモンモードトランス。
4. 前記第１のコア部分は、同一形状の複数の分割要素を連接することによって構成されることを特徴とする請求項３に記載のコモンモードトランス。
5. 前記第２のコア部分は、
   前記第１のコア部分の一端部側に位置する前記分割要素に基端部が分離可能に結合されかつ第１のコア部分の外方に向かって突出する第１のアーム部材と、
   前記第１のコア部分の他端部側に位置する前記分割要素に基端部が分離可能に結合されかつ第１のコア部分の外方に向かって突出する第２のアーム部材と、
   前記第１、第２のアーム部材の先端部間に介在させた結合部材と、を備え、
   前記結合部材に前記一次巻線を巻着したことを特徴とする請求項４に記載のコモンモードトランス。
6. 前記結合部材は、その一端部及び他端部がそれぞれ前記第１、第２のアーム部材の先端部に分離可能に結合されていることを特徴とする請求項５に記載のコモンモードトランス。
7. 少なくとも前記第１のコア部分を覆う非磁性材料からなるカバーを更に備え、このカバーの内周面に少なくとも前記第１のコア部分の各ヘリカルターン部間に挿入させるリブを突設したことを特徴とする請求項１に記載のコモンモードトランス。
8. 前記第１のコア部分のヘリカルターン部間に挿入させる凸部を有する間隔保持具を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のコモンモードトランス。
9. 前記間隔保持具は、前記第１のコア部分の内部、外部にそれぞれ位置される第１、第２の保持部材を備え、１以上の前記ヘリカルターン部を挟む形態でこの第１、第２の保持部材を対向結合するように構成されることを特徴とする請求項８に記載のコモンモードトランス。

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