JP2013165187A - 一体化リアクトルおよび一体化リアクトルの作製方法 - Google Patents

一体化リアクトルおよび一体化リアクトルの作製方法 Download PDF

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Takayuki Nakamura
孝行 仲村
Masamichi Ogasa
正道 小笠
Yoshiteru Taguchi
義晃 田口
Takehide Morishima
毅英 森島
Yozo Ueno
陽三 上野
Koji Hanaoka
幸司 花岡
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Railway Technical Research Institute
Toyo Electric Manufacturing Ltd
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Railway Technical Research Institute
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Abstract

【課題】軽量化を達成する一体化リアクトルおよび一体化リアクトルの作製方法を提供する。
【解決手段】第1の巻線(11a、11b、11c、11d)を有する第1のリアクトル素子(11)と、 第2の巻線(12a、12b、12c、12d)を有すると共に第1のリアクトル素子(11)と異なる位相の電流が通電するための第2のリアクトル素子(12)を有し、第1の巻線(11a、11b、11c、11d)と第2の巻線(12a、12b、12c、12d)とは同心に巻かれると共に径方向に重ねて配置された。
【選択図】図4

Description

本発明は、例えば、電車の電源回路用多相チョッパ装置に用いられる一体化リアクトルおよび一体化リアクトルの作製方法に関する。
近年、ブレーキ時の回生電気エネルギーの有効利用を目的とした架線ハイブリッド電車が開発された。架線ハイブリッド電車とは、走行に必要な電力を、架線と車載蓄電装置とから同時に供給することが可能な電車であり、車載蓄電装置のパワーやエネルギー量次第で無架線区間での架線レス走行が可能である。
このような架線ハイブリッド電車において、主電動機等の電源回路はチョッパ装置を採用する。そして、チョッパ装置を多相化することによりチョッパによる電流のリップルの抑制を図っていた(例えば、特許文献1)。
特開2006−340561号公報
しかしながら、チョッパ装置の多相化は、電流リップルを平滑にするリアクトル素子の搭載数を増加させ、車体重量を増加させる。
そこで、本発明の目的は、軽量化を達成する一体化リアクトルおよび一体化リアクトルの作製方法を提供することにある。
以下、符号を付して本発明の特徴を説明する。なお、符号は参照のためであり、本発明を実施形態に限定するものでない。
本発明の第1の特徴に係わる一体化リアクトル(10、10A、10B、10C)は、第1の巻線(11a、11b、11c、11d)を有する第1のリアクトル素子(11)と、第2の巻線(12a、12b、12c、12d)を有する共に第1のリアクトル素子(11)と異なる位相の電流が通電するための第2のリアクトル素子(12)を有し、第1の巻線(11a、11b、11c、11d)と第2の巻線(12a、12b、12c、12d)とは同心に巻かれると共に径方向に重ねて配置された。
以上の第1の特徴において、第1の巻線(11a、11b、11c、11d)と第2の巻線(12a、12b、12c、12d)とは軸方向位置において一致する。
第1の巻線(11a、11b、11c、11d)の一部と第2の巻線(12a、12b、12c、12d)の一部とは軸方向位置において一致する。
第1の巻線と通電する第3の巻線(11e、11f、11g、11h)が第1の巻線(11a、11b、11c、11d)の残りの部分に同心に巻かれると共に径方向に重ねて巻かれた。
第1の巻線(11a、11b、11c、11d)の全部と第2の巻線(12a、12b、12c、12d)の全部とは軸方向位置について一致する。
本発明の第2の特徴に係わる一体化リアクトルの作製方法は、第1の巻線(11a、11b、11c、11d)を有する第1のリアクトル素子(11)を用意し、第2の巻線(12a、12b、12c、12d)を有すると共に第1のリアクトル素子(11)と異なる位相の電流が通電するための第2のリアクトル素子(12)を用意し、第1の巻線(11a、11b、11c、11d)と第2の巻線(12a、12b、12c、12d)とを同心に巻くと共に径方向に重ねて配置した。
本発明の特徴によれば、第1のリアクトル素子、第2のリアクトル素子の電磁結合係数が大きくなり、相互インダクタンスを増加させるので、合成電流リップルを著しく低減させる。これにより、一体化リアクトルの長さ及び巻数を低減させ、一体化リアクトルの軽量化を達成することができる。
第1の実施形態に係る電気車両システムの概要図である。 図1に示す2相多重チョッパ回路図である。 図1に示す一体化リアクトルの斜視図である。 (A)は図3に示す一体化リアクトルの立面図であり、(B)は(A)に示すIVB−IVBに沿った断面図である。 (A)は図3に示す一体化リアクトルの第4の巻線ユニットを示し、(B)は同図の第3の巻線ユニットを示し、(C)は同図の第2の巻線ユニットを示し、(D)は同図の第1の巻線ユニットを示す。 (A)は第2の実施形態に係わる一体化リアクトルの立面図であり、(B)は(A)に示すVIB−VIBに沿った断面図を示す。 (A)は第3の実施形態に係わる一体化リアクトルの立面図であり、(B)は(A)に示すVIIB−VIIBに沿った断面図を示す。 (A)は第4の実施形態に係る一体化リアクトルの立面図であり、(B)は(A)に示すVIIIB−VIIIBに沿った断面図を示す。
以下、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。
第1の実施形態
図1に示すように、電気車両システム100は、一体化リアクトル10を有すると共に架線T1からパンタグラフP1を経由する直流電流を制御する2相多重チョッパ20と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ30と、交流電圧によって駆動してレールR1上の車輪W1の車軸にトルクを付与する電機子群40を有する。
図2に示すように、2相多重チョッパ20は、並列に接続した第1、第2のチョッパ回路21、22を有する。第1のチョッパ回路21は、直列に接続されたスイッチとしてのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)21a、21bと、IGBT21a、21bと並列に接続されたダイオード21c、21dを有する。第2のチョッパ回路22は、直列に接続されたスイッチとしてのIGBT22a、22bと、IGBT22a、22bと並列に接続されたダイオード22c、22dを有する。IBGT21a、21b、22a、22bのスイッチングのタイミングを制御することにより、異なる位相のU相、V相のパルス電圧を発生する。
一体化リアクトル10は、互いに並列に接続された第1のリアクトル素子11と、第2のリアクトル素子12を有する。第1のリアクトル素子11は第1のチョッパ回路21に接続される。第2のリアクトル素子12は第2のチョッパ回路22に接続される。
図3、図4(A)に示すように、円柱形の一体化リアクトル10は、円筒形の第1の巻線ユニット51と、第1の巻線ユニットの51の径方向外側にエアギャップG1を介在して配置された円筒形の第2の巻線ユニット52と、第2の巻線ユニット52の径方向外側にエアギャップG2を介在して配置された円筒形の第3の巻線ユニット53と、第3の巻線ユニット53の径方向外側にエアギャップG1を介在して配置された円筒形の第4の巻線ユニット54を有する。
図4(B)に示すように、第1の巻線ユニット51は、径方向最内側に配置された第1のリアクトル素子11の螺旋状の第1の巻線11aと、第1の巻線11aに対して同心に巻かれると共に径方向外側に配置された第2のリアクトル素子12の第2の巻線12aを有する(図5(D)参照)。第1の巻線11aと第2の巻線12aとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において一致する。具体的には、第1の巻線ユニット51の中央部は、第1の巻線11aの一部と第2の巻線12aの一部とを径方向に重ねて配置した重ね巻部51aを有する。第1の巻線ユニット51の軸方向端部は、第1の巻線11aまたは第2の巻線12aを単独で配置した単独巻部51b、51cを有する。
第2の巻線ユニット52は、第1のリアクトル素子11の環状の第3の巻線11bと、第3の巻線11bに対して同心に巻かれると共に径方向内側に配置された第2のリアクトル素子12の第4の巻線12bを有する(図5(C)参照)。第3の巻線11bと第4の巻線12bとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において一致する。具体的には、第2の巻線ユニット52の中央部は、第3の巻線11bの一部と第4の巻線12bの一部とを径方向に重ねて配置した重ね巻部52aを有する。第2の巻線ユニット52の軸方向端部は、第2の巻線11bまたは第4の巻線12bを単独で配置した単独巻部52b、52cを有する。
第3の巻線ユニット53は、第1のリアクトル素子11の第5の巻線11cと、第5の巻線11cに対して同心に巻かれると共に径方向内側に配置された第2リアクトル素子12の第6の巻線12cを有する(図5(B)参照)。第5の巻線11cと第6の巻線12cとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において一致する。具体的には、第3の巻線ユニット53の中央部は、第5の巻線11cの一部と第6の巻線12cの一部を径方向に重ねて配置した重ね巻部53aを有する。第3の巻線ユニット53の軸方向端部は、第5の巻線11cまたは第6の巻線12cを単独で配置した単独巻部53b、53cを有する。
第4の巻線ユニット54は、第1のリアクトル素子11の第7の巻線11dと、第7の巻線11dに対して同心に巻かれると共に径方向内側に配置された第2リアクトル素子12の第8の巻線12dを有する(図5(A)参照)。第7の巻線11dと第8の巻線12dとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において一致する。具体的には、第4の巻線ユニット54の中央部は、第7の巻線11dの一部と第8の巻線12dの一部を径方向に重ねて配置した重ね巻部54aを有する。第4の巻線ユニット54の端部は、第7の巻線11dまたは第8の巻線12dを単独で配置した単独巻部54b、54cを有する。
第1の巻線11a、第3の巻線11b、第5の巻線11c、第7の巻線11dは、通電のために結線される。第2の巻線12a、第4の巻線12b、第6の巻12c線、第8の巻線12dは、通電のために結線される。各巻線の巻数、重なり部分の巻線の巻数は任意に設定してよい。
次に、電気車両システム100の動作について説明する。
図1、2において、直流電流が架線T1からパンタグラフP1を経由して2相多重チョッパ20に入力される。IGBT21a、21b、22a、22bのスイッチのタイミングを制御して、IGBT21a、21bはU相、IGBT22a、22bはV相のパルス電圧を生じさせる。このとき、各リアクトル素子11、12は、電流リップルを低減する。インバータ30は直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧は電機子群40を駆動する。
ここで、図4において、第1の巻線11a、第3の巻線11b、第5の巻線11c、第7の巻線11dにU相の電流が流れるとき、それぞれの巻線11a、11b、11c、11dは自己誘導により起電力を生じる。一方、第2の巻線12a、第4の巻線12b、第6の巻線12c、第8の巻線12dは相互誘導により起電力を生じる。同様に、第2の巻線12a、第4の巻線12b、第6の巻線12c、第8の巻線12dにV相の電流が通過するとき、それぞれの巻線12a、12b、12c、12dは自己誘導により起電力を生じる。一方、第1の巻線11a、第3の巻線11b、第5の巻線11c、第7の巻線11dは相互誘導により起電力を生じる。
第1、第3、第5の巻線、第7の巻線11a、11b、11c、11dおよび第2、第4、第6、第8の巻線12a、12b、12c、12dのそれぞれにおいて、自己誘導による起電力と相互誘導による起電力とは合わされて、各相電流リップルを低減する。
このとき、重ね巻部51a−54aは、電磁結合係数(自己インダクタンスに対する相互インダクタンスの割合)を増加させ、効率的な相互誘導を達成し、合成電流リップルを大きく低減させる。合成電流リップルとは、それぞれの相電流リップルを合わせたものである。
以上の実施形態によれば、第1のリアクトル素子11、第2のリアクトル素子12の電磁結合係数が大きくなり、相互インダクタンスを増加させるので、合成電流リップルを著しく低減させる。これにより、一体化リアクトル10の長さ及び巻数を低減させ、一体化リアクトル10の軽量化を達成することができる。
また、重ね巻部51a−54aおよび単独巻部51b−54b、51c−54cを任意の巻き数に設定することにより、電磁結合係数を調整して、合成電流リップルのみならず、各相電流リップルも減少させることができる。
また、巻線11a−11d、12a−12dは、任意の数だけ径方向に重ねてもよい。
第2の実施形態
図6(A)、(B)に示すように、一体化リアクトル10Aは、エアギャップG1、G2、G3を介在して径方向内側から外側へ順に、第1の巻線ユニット61、第2の巻線ユニット62、第3の巻線ユニット63、第4の巻線ユニット64を有する。
第1の巻線ユニット61は、第1のリアクトル素子11の第1の巻線11aと、第1の巻線11aに対して同心に巻かれると共に径方向内側に配置された第2のリアクトル素子12の第2の巻線12aを有する。第1の巻線11aと第2の巻線12aとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において一致する。具体的には、第1の巻線ユニット61の中央部は、第1の巻線11aの一部と第2の巻線12aの一部とを径方向に重ねて配置した重ね巻部61aを有する。第1の巻線ユニット61の軸方向端部は、第1の巻線11aまたは第2の巻線12aを単独で配置した単独巻部61b、61cを有する。
第2の巻線ユニット62は、第1のリアクトル素子11の第3の巻線11bと、第3の巻線11bに対して同心に巻かれると共に径方向内側に配置された第2のリアクトル素子12の第4の巻線12bを有する。第3の巻線11bと第4の巻線12bとは径方向位置において相違し且つ軸方向位置において一致する。具体的には、第2の巻線ユニット62の中央部は、第3の巻線11bの一部と第4の巻線12bの一部とを径方向に重ねて配置した重ね巻部62aを有する。第2の巻線ユニット62の軸方向端部は、第2の巻線11bまたは第4の巻線12bを単独で配置した単独巻部62b、62cを有する。
第3の巻線ユニット63は、第1のリアクトル素子11の第5の巻線11cと、第5の巻線11cに対して同心に巻かれると共に径方向外側に配置された第2リアクトル素子12の第6の巻線12cを有する。第5の巻線11cと第6の巻線12cとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において一致する。具体的には、第3の巻線ユニット63の中央部は、第5の巻線11cの一部と第6の巻線12cの一部を径方向に重ねて配置した重ね巻部63aを有する。第3の巻線ユニット63の軸方向端部は、第5の巻線11cまたは第6の巻線12cを単独で配置した単独巻部63b、63cを有する。
第4の巻線ユニット64は、第1のリアクトル素子11の第7の巻線11dと、第7の巻線11dに対して同心に巻かれると共に径方向外側に配置された第2リアクトル素子12の第8の巻線12dを有する。第7の巻線11dと第8の巻線12dとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において一致する。具体的には、第4の巻線ユニット64の中央部は、第7の巻線11dの一部と第8の巻線12dの一部を径方向に重ねて配置した重ね巻部64aを有する。第4の巻線ユニット54の端部は、第7の巻線11dまたは第8の巻線12dを単独で巻いた単独巻部64b、64cを有する。
各巻線ユニット61、62、63、64において、単独巻部61b、61c、62b、62c、63b、63c、63d、63dの外殻との間の空間には樹脂が充填される。
第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。
第3の実施形態
図7(A)、(B)に示すように、一体化リアクトル10Bは、径方向の内側から外側へ順に、エアギャップG1、G2、G3を介在して第1の巻線ユニット71、第2の巻線ユニット72、第3の巻線ユニット73、第4の巻線ユニット74を有する。各巻線ユニット71、72、73、74は、第1の重ね巻部71a、72a、73a、74a、第2の重ね巻部71b、72b、73b、74b、および、第3の重ね巻部71c、72c、73c、74cを有する。つまり、巻線ユニット71、72、73、74は、第2の実施形態の巻線ユニット61、62、63、64の樹脂充填部分を巻線に置き換えたものである。
第1の巻線ユニット71は、第2の実施形態の第1の巻線ユニット61と同様の基本構造を有する。第1の巻線ユニット71の一方の軸方向端部は、第1の巻線11aに対して同心に径方向内側に重ねて配置した巻線11eを有する。巻線11eは、第1の巻線11aと軸方向位置について一致し、第2の巻線12aと径方向位置について一致する。第1の巻線ユニット71の他方の軸方向端部は、第2の巻線12aに対して同心に巻かれると共に径方向外側に重ねて配置された巻線12eを有する。巻線12eは、第1の巻線11aと径方向位置について一致し、第2の巻線11aと軸方向位置について一致する。第1の巻線11aと巻線11eとは結線される。第2の巻線12aと巻線12eとは結線される。
第2の巻線ユニット72は、第2の実施形態の第2の巻線ユニット62と同様の基本構造を有する。第2の巻線ユニット72の一方の軸方向端部は、第3の巻線11bに対して同心に巻かれると共に径方向内側に重ねて配置された巻線11fを有する。巻線11fは、第3の巻線11bと軸方向位置について一致し、第4の巻線12bと径方向位置について一致する。第2の巻線ユニット72の他方の軸方向端部は、第4の巻線に対して同心に巻かれると共に径方向外側に重ねて配置された巻線12fを有する。巻線12fは、第3の巻線11bと径方向位置について一致し、第4の巻線12bと軸方向位置について一致する。第3の巻線11bと巻線11fとは結線されている。また、第4の巻線12bと巻線12fとは結線されている。
第3の巻線ユニット73は、第2の実施形態の第3の巻線ユニット63と同様の基本構造を有する。第3の巻線ユニット73の一方の軸方向端部は、第5の巻線11cに対して同心に巻かれると共に径方向外側に重ねて配置された巻線11gを有する。巻線11gは、第5の巻線11cと軸方向位置について一致し、第6の巻線12cと径方向位置について一致する。第3の巻線ユニット73の他方の軸方向端部は、第6の巻線12cに対して同心に巻かれると共に径方向内側に重ねて配置された巻線12gを有する。巻線12gは、第5の巻線11cと径方向位置について一致し、第6の巻線12cと軸方向位置について一致する。第5の巻線11cと巻線11gとは結線されている。また、第6の巻線12cと巻線12gとは結線されている。
第4の巻線ユニット74は、第2の実施形態の第4の巻線ユニット64と同様の基本構造を有する。第4の巻線ユニット74の一方の軸方向端部は、第7の巻線11dに対して同心に巻かれると共に径方向外側に重ねて配置された巻線11hを有する。巻線11hは、第7の巻線11cと軸方向位置について一致し、第8の巻線12dと径方向位置について一致する。第4の巻線ユニット74の他方の軸方向端部は、第8の巻線12dに対して同心に巻かれると共に径方向内側に重ねて配置された巻線12hを有する。巻線12hは、第7の巻線11dと径方向位置について一致し、第8の巻線12dと軸方向位置について一致する。巻線11hは第7の巻線11dと結線されている。また、第8の巻線12hと巻線12dと結線されている。
第3の実施形態の一体化リアクトル10Bによれば、巻線11e−11h、12e−12hにより、第2の実施形態の一体化リアクトル10Aに対して自己インダクタンスを向上させ、電流リップルをさらに低減させ、さらなる軽量化を達成することができる。
第4の実施形態
図8(A)、(B)に示すように、一体化リアクト10Cは、径方向の内側から外側へ順に、エアギャップG1、G2を介在させた第1の巻線ユニット81、第2の巻線ユニット82、第3の巻線ユニット83を有する。
第1の巻線ユニット81は、第1のリアクトル素子11の第1の巻線11aと、第1の巻線11aに対して同心に巻かれると共に径方向外側に重ねて配置された第2のリアクトル素子12の第2の巻線12aを有する。第1の巻線11aと第2の巻線12aとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において全て一致する。
第2の巻線ユニット82は、第1のリアクトル素子11の第3の巻線11bと、第3の巻線11bに対して同心に巻かれると共に径方向内側に重ねて配置された第2のリアクトル素子12の第4の巻線12bを有する。第3の巻線11bと第4の巻線12bとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において全て一致する。
第3の巻線ユニット83は、第1のリアクトル素子11の第5の巻線11cと、第5の巻線11cに対して同心に巻かれると共に径方向内側に重ねて配置された第2のリアクトル素子12の第6の巻線12cを有する。第5の巻線11cと第6の巻線12cとは、径方向位置において相違し且つ軸方向位置において全て一致する。
第1の巻線11a、第3の巻線11bおよび第5の巻線11cは互いに結線されている。第2の巻線12a、第4の巻線12bおよび第6の巻線12cは互いに結線されている。
第4の実施形態の一体化リアクトル10Cによれば、第1の実施形態の一体化リアクトル10と比較して、第1のリアクトル素子と第2のリアクトル素子との電磁結合係数をさらに増加させ、相互インダクタンスをさらに大きくするので、合成電流リップルをさらに低減させる。これにより、一体化リアクトル10Cのさらなる軽量化を達成する。
なお、本発明は本実施形態に限定されず、また、各実施形態は発明の趣旨を変更しない範囲で変更、修正可能である。
10、10A、10B、10C 一体化リアクトル
11 第1のリアクトル素子
11a 第1の巻線
12 第2のリアクトル素子
12a 第2の巻線
100 電気車両システム

Claims (6)

  1. 第1の巻線を有する第1のリアクトル素子と、
    第2の巻線を有すると共に第1のリアクトル素子と異なる位相の電流が通電するための第2のリアクトル素子を有し、
    第1の巻線と第2の巻線とは同心に巻かれると共に径方向に重ねて配置された
    一体化リアクトル。
  2. 前記第1の巻線と第2の巻線とは軸方向位置において一致する、
    請求項1に記載の一体化リアクトル。
  3. 前記第1の巻線の一部と第2の巻線の一部とは軸方向位置において一致する、
    請求項1又は2に記載の一体化リアクトル。
  4. 第1の巻線と通電する第3の巻線が第1の巻線の残りの部分に同心に巻かれると共に径方向に重ねて巻かれた、
    請求項3に記載の一体化リアクトル。
  5. 前記第1の巻線の全部と第2の巻線の全部とは軸方向位置について一致する、
    請求項1又は2に記載の一体化リアクトル。
  6. 第1の巻線を有する第1のリアクトル素子を用意し、
    第2の巻線を有する共に第1のリアクトル素子と異なる位相の電流が通電するための第2のリアクトル素子を用意し、
    第1の巻線と第2の巻線とを同心に巻くと共に径方向に重ねて配置した、
    一体化リアクトルの作製方法。
JP2012027646A 2012-02-10 2012-02-10 一体化リアクトルおよび一体化リアクトルの作製方法 Pending JP2013165187A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06314624A (ja) * 1993-04-28 1994-11-08 Murata Mfg Co Ltd トランス
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JP2011103455A (ja) * 2009-10-14 2011-05-26 Railway Technical Research Institute 一体化リアクトル及びアクティブフィルタ

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