JP3554850B2 - ベクトル量の性質を利用した電力消費装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
変圧器は磁束の通路となる鉄心と、磁束と鎖交する電流の通路となる巻き線と、これらを絶縁する絶縁物及びこれらの相互位置や機械的強度を保つための締付装置などで変圧器本体を構成している。この変圧器本体を基本として、絶縁強度や冷却効果を高める為の冷却媒体である絶縁油とともに、容器内に収納したものが油入変圧器である。乾式変圧器では、変圧器本体、温度計などの付属装置、必要により設けられる保護枠、風冷装置などで構成されている。
変圧器の交流電源に接続する方の巻き線を一次コイル、負荷側に接続する巻き線を二次コイルと言う。一次コイルを交流電源に接続して、無負荷の場合に一次

ている。
磁束を有効に通す為に鉄心が使われる。鉄心は励磁電流とヒステリシス損及びうず電流損を小さくする為に、透磁率が高く、ヒステリシス係数の小さい、薄鋼板の表面に絶縁皮膜を施して電気抵抗を大きくした材料で、成層して仕上げられる。一般に、鉄心材料にはケイ素鋼帯が使われ、結晶の磁化容易方向を圧延方向にそろえた、方向性ケイ素鋼帯と、結晶方向性の影響が実用的に問題とならないように製造した無方向性ケイ素鋼帯との２種類がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電磁誘導作用によってコイルＣ_２に誘起する起電力Ｅ_２の方向は、コイルＣ_２を貫通する磁束Φ_０の変化を妨げる方向に生じ、誘起起電力Ｅ_２によって、コイルＣ_２に電流が流れると、磁束Φ_０の変化を妨げる方向に磁束Φ_２が生じ、磁束Φ_０は相殺され、誘起電力Ｅ_２は消滅する。この電気回路から電力を消費出来ない。但し、変圧器の様に、一次負荷電流を利用して磁束Φ_２を相殺すれば、電力を消費出来る回路に変わる。所が、常伝導状態、又は、超伝導状態で動作する場合のどちらでも、磁束Φ_２が一次コイルＣ_１を常時、互いに逆向きの方向から貫通するか、又は、常時、貫通しなければ、一次負荷電流は生じない。しかし、一次負荷電流を利用しないで、磁束Φ_２を相殺しても、電力を消費出来る回路に変わる。
又、従来の変圧器は電源側に交流発電機が接続され、この交流電源に外部から供給されるエネルギーと二次側電気回路で消費されるエネルギーが等しいと考え、一次側電気回路の考察は一次側から二次側に電力が伝達されるとしている。むしろ、これは、本来に帰って、一次側電気回路で消費されるエネルギー（発電機の導体を流れる電流が発電機を逆に回転させているエネルギー）が一次側電気回路の交流電源に供給されると考えるべきである。その上で、一次側と二次側の二つの独立した電気回路が電磁結合していると、考えるべきである。
【０００４】
本発明は二次コイルを負荷電流が流れると磁路に生じる磁束が、二次コイルに誘起起電力を与えている一次コイルを貫通しないで、この磁束を効率良く相殺する電力消費装置を得る事を目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
磁界中の鉄棒内の磁気双極子はＮ極が磁界の方向を向くから、鉄棒全体としては磁界方向の端がＮ極、反対の端がＳ極になる様に磁化する。この為、鉄棒内部には加えた磁界と反対向さに磁界（反磁界）を生じる。反磁界は、例えば、鉄棒の磁界方向の寸法が短い時にはＮ，Ｓ極間が短いので、大きい。この様な鉄棒は例え、その透磁率がどんなに大きくても、磁化しにくい。
実は、磁束や磁束密度はこの反磁界を無視出来る様な場合にだけ成り立つ。例えば、十分長い鉄棒をその長さの方向に磁化させる場合や、円形の鉄心を磁化する場合、更に、鉄環の一部に空隙がある場合には反磁界が殆ど現れない。円形の鉄心の場合、磁束が輪の様になるが、これを磁気回路と言い、途中に空気の部分の無い、閉じた磁気回路が出来ると反磁界が生じない為、磁気回路の磁化を弱めない。三輪光雄：物理，昇龍堂出版（昭和３９年）
磁気回路の鉄心と鉄心の途中に空隙があると、殆どの磁束は鉄心の積み方向に直交して貫通するが、空隙の端のところの磁束はフリンジングして、ほぼ鉄心の積み方向に貫通し、大きなうず電流が流れ、鉄心はいたずらに加熱してしまう。これを防ぐには、鉄心端部を積み方向に段々に積層する。磯部昭二：電気工学の周辺，開発社（１９９２）
鉄心が入らない時は、コイルの巻き方によって、外部磁界の様子は異なるけれども、鉄心が入ると磁束は殆ど外部の空中へは出ない。（社）日本電気協会編集：電気理論（１），（社）日本電気協会（昭和５６年）
鉄片を磁石に付けると、鉄粉にて示される磁力線は非常に少なくなり、鉄片と磁石の回りの磁気力が非常に弱まり、他の鉄片は引き付けない。原正人：電気の理論，啓学出版（１９７７）
上記を整理して考察すると、鉄心は反磁界を無視出来る場合に相当するものである。途中に空隙のない鉄心は磁気回路を作り、この鉄心にコイルを巻いて電流を流しても、この鉄心の周りに在る鉄心に向かう磁力線は生じない。磁気回路の一部分で、鉄心と鉄心の途中に空隙があっても、鉄心端部を鉄心の積み方向に段々に積層すれば、磁束が鉄心を貫通する事に問題は無い。
【０００６】
鉄心入りの一次コイルが一組の場合、磁気回路（一次磁気回路）が出来る様な、空隙のある鉄心（一次鉄心）に一次コイルＣ_１を巻いて、交流電源とスイッチと一次コイルＣ_１を接続する。一次鉄心の空隙の間に、閉じた鉄心（二次鉄心）を保持し、この鉄心（二次鉄心）の脚に磁力線を与える。鉄心の端部に入る磁力線はフリンジングするので、鉄心端部のうず電流を防止する為に、一次と二次の両鉄心の端部を段々に積層する。閉じた二次鉄心の脚に二次コイルを巻く。常伝導状態で、２脚の鉄心の場合、磁力線を与えられた脚に巻いた二次コイルＣ_２の他二次コイルＣ_２′を他方の脚に巻き、同じ巻き数で、相互インダクタンスが負となる様に接続し、電源（二次コイル電源）とする。３脚の場合、中央脚に磁力線を与え、二次コイルＣ_３を中央脚に巻き、電源（二次コイル電源）とする。この場合、左右の脚にそれぞれコイルＣ_３′，Ｃ_３″を巻く。コイルＣ_３′とスイッチチは一次コイルＣ_１と並列に接続する。コイルＣ_３″とスイッチも一次コイルＣ_１と並列に接続する。但し、コイルＣ_３′とコイルＣ_３″とは同じ巻き数で、それぞれのコイルを励磁電流が流れると磁路に生じる磁束は中央脚で互いに相殺する様に一次コイルＣ_１と並列に接続する。超伝導状態で、２脚の場合、磁力線を与えられた脚に二次コイルＣ_ｓを巻き、電源（二次コイル電源）とする。他方の脚に中空円筒状超導体コイルＣ_ｓ′を巻く。いずれの場合も電源（二次コイル電源）と負荷とスイッチを接続して、二次電気回路を構成する。
【０００７】
【作用】
交流電源（一次電源）とスイッチと一次コイルＣ_１を接続し、この一次電気回路を閉じると、一次コイルＣ_１と鎖交する磁束（一次磁気回路）が生じる。この為、一次電気回路は電圧平衡する。一次磁気回路と鎖交する、閉じた二次鉄心の脚に巻いた二次コイルには誘起起電力が生じる。この二次コイルを電源として、負荷とスイッチと接続して、この電気回路を閉じると負荷電流が流れる。常伝導状態で、二次コイルを負荷電流が流れると、閉じた鉄心（二次鉄心）に磁束（二次磁気回路）が生じる。２脚の鉄心の場合、磁束（二次磁気回路）と鎖交する二次コイルＣ_２と二次コイルＣ_２′は同じ巻き数で、相互インダクタンスが負である為、磁束は相殺されて、見掛け上、磁路に現れない。３脚の場合、二次コイルＣ_３を負荷電流が流れると、二次コイルＣ_３′及び二次コイルＣ_３″と鎖交する磁束（二次磁気回路）が現れる。所が、二次コイルＣ_３′も二次コイルＣ_３″も一次コイルと並列に接続されているので、一次負荷電流と同様に、現れた磁束を相殺する様に電流（相殺電流）が流れる。しかも、二次コイルＣ_３′と二次コイルＣ_３″を励磁電流が流れると磁路に生じる磁束は中央脚で互いに相殺する様に一次コイルＣ_１と接続した場合、一次電気回路の電流の方向を基準にすると、二次コイルＣ_３′と二次コイルＣ_３″を流れる電流（相殺電流）の方向は互いに逆であり、二次コイルＣ_３′と二次コイルＣ_３″を循環して流れ、交流電源（一次電源）を通っては流れない。例えば、実験すると、二次コイルＣ_３′に有効電流のみが流れている時、二次コイルＣ_３″には位相が逆の有効電流が流れる。つまり、交流電源（一次電源）の電圧の向きとは独立して、負荷電流の位相と同期して、電流（相殺電流）が流れる。超伝導状態の場合、二次コイルＣ_ｓを負荷電流が流れると、閉じた鉄心（二次鉄心）に磁束（二次磁気回路）が生じる。中空円筒状超伝導体コイルＣ_ｓ′と鎖交する磁束は遮蔽電流によって相殺される。
常伝導状態及び超伝導状態のいずれの場合も、負荷電流が流れても、一次コイルＣ_１を常時、一方向からのみ、貫通する磁束は生じない。その為、交流電源（一次電源）を通って流れる一次負荷電流は生じない。
【０００８】
【実施例】
実施例について図面を参照して説明すると、図１において、磁束の通路となる鉄心と、磁束と鎖交する電流の通路となるコイルと、これらを絶縁する絶縁物及びこれらの相互位置や機械的強度を保つための締付装置などで発明本体を構成しているうち、一次電気回路と二次電気回路及び鉄心と磁束を図示している。
一次電気回路は交流電源１ｇと一次コイル１ｃと開閉器１ｓを導体９で接続して構成する。二次電気回路は二次コイル２ｃと負荷２ｌと開閉器２ｓを導体９で接続して構成する。鉄心は端部積層部８をフリンジングによる渦電流が生じない様に、鉄心の積み方向に段々に積層する。二次鉄心２ｍは結晶方向性の影響が実用的に問題とならない様に積層する。磁束は鉄心の積み方向と直交する方向に通す。二次鉄心２ｍの脚に磁力線を与えて、二次鉄心２ｍに巻かれた二次コイル２ｃに誘起起電力を生じさせる為に、一次鉄心１ｍの空隙部分に二次鉄心２ｍの一方の脚を反磁界が無視出来る様に配置し、保持する。
一次電気回路を閉じて、励磁電流１０ｉが流れると、一次コイル１ｃと鎖交する磁気回路（一次磁束１１ｆ）が出来、一次電気回路が電圧平衡する。二次鉄心２ｍの脚に巻き付けられた二次コイル２ｃを一次磁束１１ｆが貫通する為、二次コイル２ｃには誘起起電力が生じる。この二次コイル２ｃを負荷２ｌと開閉器２ｓと導体９で接続して、開閉器２ｓを閉じると、二次コイル２ｃに負荷電流２ｉが流れる。二次鉄心２ｍの両方の脚に巻くコイルの巻き数を同じにし、相互インダクタンスが負となる様に二次コイル２ｃを結線しておくと、二次コイル２ｃに負荷電流２ｉが流れると、二次磁束２２ｘと相殺磁束２２ｙとが互いに逆向きに生じ、この磁束は相殺されて、二次鉄心２ｍ中に、見掛け上、現れない。
【０００９】
【発明の効果】
二次コイル２ｃを負荷電流２ｉが流れると、磁路に生じるベクトル量である磁束（２２ｘと２２ｙ）が、二次コイル２ｃを常時、互いに逆方向から貫通する。互いに逆向きで大ささの等しいベクトル量の和は常にゼロである性質をこの様に利用すると、見掛け上、磁路に生じる磁束（２２ｘと２２ｙ）は現れない。二次コイルを貫通する磁束は、励磁電流１０ｉが流れると磁路に現れる磁束（１１ｆ）だけであるので、従来の変圧器と同様であり、二次電気回路で電力を消費出来る。又、一次コイル１ｃを常時、一方向からのみ、貫通する磁束も生じない為、交流電源１ｇを通って流れる一次負荷電流も生じない。
本発明と従来の変圧器で同じ電力を消費した場合を較べると、供給するエネルギーは本発明の方が一次負荷電流を供給するエネルギー分少ない。
本発明は一次側電気回路で消費されるエネルギーは一次側電気回路の交流電源に供給されるが、二次側電気回路は独立していて、二次電気回路からの一次電気回路への電磁結合は無い。この為、二次電気回路での電力消費は一次電気回路からの制約を受けない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一次電気回路と二次電気回路及び鉄心と磁束を図示している。
【符号の説明】
１０ｉ 励磁電流 ２ｉ 負荷電流
１ｇ 交流電源 ２ｌ 負荷
１ｍ 一次鉄心 ２ｍ 二次鉄心
１ｃ 一次コイル ２ｃ 二次コイル
１ｓ 開閉器 ２ｓ 開閉器
１１ｆ 一次磁束 ２２ｘ 二次磁束
２２ｙ 相殺磁束
８ 端部積層部
９ 導体

Claims (1)

1. コイルを貫通する第１の磁束を変化させて、前記コイルに変圧器起電力を誘導する変圧器起電力誘導工程と、
   前記コイルを電源とする電気回路を閉じて、前記電気回路の電圧を平衡状態にする電圧平衡工程と、
   前記電気回路を流れる負荷電流からの磁界が同じ大きさで、互いに反対方向の第２の磁束を誘導し、前記コイルを貫通する前記第２の磁束のベクトル量の和をゼロにする磁束相殺工程とを具備する変圧器起電力−負荷電流変換方法。

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