JP3784629B2 - 限流器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気回路の短絡事故などで発生する過電流を抑制する限流器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気書院１９６０年刊木村久男監修「変圧器の設計工作法」３０４頁には、短絡電流をインピーダンスのみで制限する目的で、そのリアクタンスがコイルの巻数と形状により決まる空芯リアクトル（ソレノイドコイル）が使用されることが開示されている。
また、オーム社刊「電気工学ハンドブック」６１４頁に、三通りの超伝導限流器が開示されている。その一つは超伝導線と抵抗を並列接続する方法で、正常時は電流が超伝導線を流れ、系統事故時には超伝導線が常伝導転移することにより高抵抗となり、事故電流は抵抗に流れ、限流されることが記載されている。その他の方法は省略するが、いずれの方法も付帯装置として低温冷却装置を必要とする。
さらに、永久磁石を用いたものとしては、例えば、第２０回日本応用磁気学会学術講演概要集（１９９６）２２ｐＢ−４に内磁型構成の限流器が開示されている。
【０００３】
また、外磁型構成の限流器として、本出願人が図１４に示す限流器を出願している（平成１２年２月２５日出願、特願平１２−０４９５６５号）。
図１４において、第１の磁気回路１０ａは、棒状の永久磁石１１ａと、この永久磁石１１ａの両端面にそれぞれ接合されたヨーク１４ａ，１４ｂと、２個のヨーク１４ａ，１４ｂの端面に接合された軟質磁芯１２ａとから構成されている。
また、第２の磁気回路１０ｂは、第１の磁気回路１０ａと同一構造であり、永久磁石１１ｂと、この永久磁石１１ｂの両端面にそれぞれ接合されたヨーク１４ｃ，１４ｄと、２個のヨーク１４ｃ，１４ｄの端面に接合された軟質磁芯１２ｂとから構成されている。
第１の磁気回路１０ａと第２の磁気回路１０ｂとは、軟質磁芯１２ａ，１２ｂが対面するように配設されている。軟質磁芯１２ａ，１２ｂの中間部には導線が巻回されたコイル１３が設けられている。
【０００４】
この限流器は、定常の交流電流に対してはコイル１３のインピーダンスが低いが、事故電流、即ち大電流に対しては、可飽和リアクトルの原理でその半波に対して軟質磁芯の１２ａ，１２ｂの磁気飽和部が磁化反転を起こし、高インピーダンスとなり、全波に渡って限流されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例に記した空芯リアクトルを用いた限流器では、空芯構造のため、インピーダンスが低く限流効率が悪く、且つインピーダンスが電流に依存せず一定のため、限流開始電流が小さいという問題点があった。また、超伝導限流器は低温冷却装置を必要とするため、メインテナンスに費用がかかるという問題点もあった。
【０００６】
また、永久磁石を用いた内磁型構成の限流器では、単相器としては２台を必要とするので大型化し、高価となる問題点があった。
【０００７】
また、図１４に示した外磁型構成の限流器では、コイル１３が一つでよいという利点を有するものの、閉磁気回路として、永久磁石１１ａ，１１ｂ、軟質磁芯１２ａ，１２ｂ、ヨーク１４ａ〜１４ｄを必要として部材点数が多く、また上下の永久磁石１１ａ、１１ｂによる発生磁束の方向が異なるので、軟質磁芯１２ａ，１２ｂでは互いを減磁するという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、メインテナンスフリーであり、小型、安価で、かつ高性能の限流器を得ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る限流器は、対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００１０】
この発明の請求項２に係る限流器では、永久磁石は第１及び第２の磁芯の両端部にそれぞれ配置されている。
【００１１】
この発明の請求項３に係る限流器では、永久磁石は両面が第１及び第２の磁芯の全面に接合された平板状である。
【００１２】
この発明の請求項４に係る限流器では、永久磁石の断面が矩形状、第１及び第２の磁芯の断面がほぼ半円形状、コイルの断面がほぼ円形状である。
【００１３】
この発明の請求項５に係る限流器は、Ｕ形状の磁芯とこの磁芯の両端部間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記磁芯に導線が巻回された構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁化の方向が逆なる前記磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００１４】
この発明の請求項６に係る限流器は、Ｕ形状の第１の磁芯と、この第１の磁芯の内側に配設されたＵ形状の第２の磁芯と、前記第１及び第２の軟質磁芯の端部間にそれぞれ接合された第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回された構成されたコイルを備えた限流器であって前記飽和磁化の方向が逆なる前記第１及び第２の磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００１５】
この発明の請求項７に係る限流器は、対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯の両外側にヨークを介してそれぞれ設けられた第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００１６】
この発明の請求項８に係る限流器では、ヨークと第１及び第２の磁芯とは同一部材で構成されている。
【００１７】
この発明の請求項９に係る限流器では、永久磁石、磁芯及びコイルの断面が矩形である。
【００１８】
この発明の請求項１０に係る限流器では、磁芯は、軟質磁芯である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の限流器Ｘの斜視図、図２は図１の限流器Ｘの正面図、図３は図１の限流器Ｘの側面図、図４は限流器Ｘの軟質磁芯の磁束密度（Ｂ）−磁界（Ｈ）曲線の模式図、図５は限流器Ｘが組み込まれた電気回路図である。
図において、１ａ，１ｂはそれぞれ希土類磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｃｏ系）、フェライト磁石（Ｂａ系、Ｓｒ系）、押し出し磁石（Ｍｎ−Ａｌ系）等から構成されたほぼ同材質、同形状の角柱状の第１及び第２の永久磁石で、保磁力、残留磁束密度の大きい磁気特性を有するものである。
２ａ，２ｂは第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂを挟持したスイッチング用の第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂで、この両軟質磁芯２ａ，２ｂはほぼ同材質、同形状の方向性珪素鋼、パーマロイ（５０Ｎｉ−Ｆｅ）等の積層鉄心、フェライト（Ｍｎ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ）等の焼結磁芯から構成されており、高透磁率、且つ、角形性のよいものである。
３は第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの周囲に銅等の低抵抗材の導線を巻回して構成されたコイルである。コイル３は第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの周囲に直接設けられているが、ボビンを介して設けてもよい。
【００２０】
第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂが接合される面に垂直の方向に着磁される。その着磁方向は、図２において矢印イ，ロの方向であり、第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂと第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂとから構成された閉磁気回路に還流磁束が発生するようになっている。
【００２１】
次に、上記構成の実施の形態１の限流器Ｘの動作について説明する。
第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂは第１及び第２の永久磁石１ａ、１ｂで飽和領域まで磁化されている。そのときの飽和磁化の方向は、図４の磁束密度（Ｂ）−磁界（Ｈ）曲線に示すごとく、第１の軟質磁芯２ａと第２の軟質磁芯２ｂとは逆方向となり、第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂは着磁点Ａ、Ｂに飽和磁化されている。なお、コイル３に誘起される電圧Ｖは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの磁束密度Ｂに比例し、またコイル３に流れる電流Ｉは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの磁界Ｈに比例する関係にある。
【００２２】
コイル３に定常電流が流れているときは、電流が小さいので、第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂは飽和磁化領域から外れず、磁束変化が無いので、コイル３のインピーダンス（リアクタンス）は小さく、コイル３の電圧降下は小さい。従って、図５に示すごとく電源電圧Ｅは、負荷Ｒに印加される（Ｒ≫Ｘ）。
【００２３】
今、負荷Ｒが短絡し、コイル３に故障大電流が流れると、第１及び第２の軟質磁芯２ａ、２ｂは飽和磁化領域から大きく外れ、軟質磁芯２ａ，２ｂは互いに逆方向の磁気飽和領域に磁化反転するので、コイル３のインピーダンス（リアクタンス）は大きくなる。このとき、電源電圧Ｅは殆どがコイル３に印加される（Ｒ≪Ｘ）。このような可飽和リアクトルの原理により、短絡時、全波にわたって限流される。
なお、短絡時のコイル３のリアクタンスは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの寸法比（長さ／断面積）に依存するので、短絡時に流れる電流の値を小さくするにはその寸法比を大きくする必要がある。
【００２４】
なお、図１〜図３の構成で第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂを着磁する際、１台の電磁石で行うと、２個の永久磁石１ａ，１ｂの一方が漏れ磁界で減磁されという問題があるので、２台の電磁石のコイルをシリーズに接続し、２個の永久磁石１ａ，１ｂを同時に着磁するのが望ましい。
【００２５】
実施の形態２．
図６は実施の形態２の限流器の正面図、図７は図６の限流器の側面図である。
なお、以下の各実施の形態では、同一、または相当部材は同一符号を付して、その説明は省略する。
この実施の形態２では、軟質磁芯２２をＵ形状とし、永久磁石２１を角柱（板）状とし、軟質磁芯２２及び永久磁石２１を各々１個で構成している。軟質磁芯２２のストレート部２２ａにコイル２が設けられている。軟質磁芯２２は一体構造のＵ形状の巻き鉄心（例えば、方向性珪素鋼）、焼結磁芯（例えば、フェライト）または接合鉄心で構成される。
飽和磁化の方向が逆なる軟質磁芯２２の両ストレート部２２ａは、回路短絡時にコイル３に流れる大電流により、電流の半周期毎に交互に磁化反転し、コイル３のインピーダンスは大きくなり、電源電圧は殆どがコイル３に印可される。
【００２６】
上記構成の限流器は、軟質磁芯２２及び永久磁石２１が各々１個で構成しているので、実施の形態１の限流器と比較して部材点数が減少し、また永久磁石２１の着磁も１台の電磁石で行うことができる。
【００２７】
実施の形態３．
図８は実施の形態３の限流器の正面図、図９は図８の限流器の側面図である。
この実施の形態３では、Ｕ形状の第１の軟質磁芯３２ａの内側にＵ形状の第２の軟質磁芯３２ｂを配設し、第１の軟質磁芯３２ａの端部と第２の軟質磁芯３２ｂの端部との間に角柱の第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂが設けられている。なお、第１及び第２の軟質磁芯３２ａ，３２ｂの材質については、実施の形態２のものと同様である。
飽和磁化の方向が逆なる第１及び第２の軟質磁芯３２ａ，３２ｂのストレート部３２ａ１，３２ｂ１は、回路短絡時にコイル３に流れる大電流により、電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００２８】
上記構成の限流器では、上下の第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂの磁極が同じであるので、電磁石１台で着磁ができる。
また、実施の形態１及び２と比較して、同一設置スペースの条件下では軟質磁芯３２ａ，３２ｂの寸法比（長さ／断面積）を大きくすることができるので、コイル３のインピーダンスを大きくすることができ、短絡時に流れる電流をより低く抑えることができる。
【００２９】
実施の形態４．
図１０は実施の形態４の限流器の正面図、図１１は図１０の限流器の側面図である。
この実施の形態４では、２個の軟質磁芯２ａ，２ｂ間に両面が軟質磁芯２ａ，２ｂの全面に接合された永久磁石４１を配設した点が実施の形態１と異なる。勿論、永久磁石４１の左半分と右半分とでは逆方向に着磁されている。
この実施の形態４では、実施の形態１〜３の限流器と比較して、永久磁石４１の容積が大きいので、磁気エネルギがそれだけ大きく軟質磁芯２ａ，２ｂを深く磁気飽和させることができ、限流開始電流を大きくできる。
【００３０】
実施の形態５．
図１２は実施の形態５の限流器の側面図である。
この実施の形態５では、第１及び第２の軟質磁芯５２ａ，５２ｂの断面が半円形状の半円柱である点が実施の形態１と異なる。この軟質磁芯５２ａ，５２ｂを積層鉄心で構成する場合には、軟質磁芯５２ａ，５２ｂは、外周側面が段差のある半円柱形状となる。
この実施の形態５では、永久磁石１ａ，１ｂ、第１の軟質磁芯５２ａ及び第２の軟質磁芯５２ｂで構成された全体形状が円柱形状であるので、その外周面に導線を円滑に巻回してコイル３が簡単に形成される。
【００３１】
実施の形態６．
図１３は実施の形態６の限流器の側面図である。
この実施の形態６では、第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの両端部が第１ないし第４のヨーク６０ａ〜６０ｄを介して第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂと接合されている点が実施の形態１と異なる。この第１ないし第４のヨーク６０ａ〜６０ｄは、高い限流性能、小型化という観点から、高透磁率、高飽和磁束密度のものが望ましい。また、第１ないし第４のヨーク６０ａ〜６０ｄは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂと同一材質でも所要の性能が実現できる。
【００３２】
この実施の形態６では、コイル３の外側に第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂを配置してある。第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂの保磁力（BＨｃ）は数百Ｏｅから１万Ｏｅを越えるものまで材質により異なる。コイル３内の磁界が大きくなると、磁石保磁力、磁石動作点に依存する減磁問題が生じるが、コイル３の外では磁界は急激に減衰するので、この実施の形態６では、減磁が殆ど起きない。
【００３３】
なお、上記各実施の形態（実施の形態５を除く。）では、永久磁石、磁芯及びコイルの断面が矩形であるが、勿論この形状に限定されない。
また、各実施の形態とも、磁芯として、軟質磁芯を用いたが、軟質磁芯の代わりに、着磁性が低下するものの半硬質磁芯を用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の請求項１に係る限流器によれば、対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっているので、回路短絡時には、コイルのインピーダンスは大きくなり、メインテナンスフリーで高効率で限流される。
【００３５】
また、この発明の請求項２に係る限流器によれば、永久磁石は第１及び第２の軟質磁芯の両端部にそれぞれ配置されているので、簡単に閉磁気回路を形成することができる。
【００３６】
また、この発明の請求項３に係る限流器によれば、永久磁石は両面が第１及び第２の磁芯の全面に接合された平板状であるので、磁気エネルギが大きく、磁芯を深く磁気飽和させることができ、限流開始電流を大きくすることができる。
【００３７】
また、この発明の請求項４に係る限流器によれば、永久磁石の断面が矩形状、第１及び第２の磁芯の断面がほぼ半円形状、コイルの断面がほぼ円形状であるので、導線の巻回作業性が向上し、コイルを形成し易い。
【００３８】
また、この発明の請求項５に係る限流器によれば、Ｕ形状の磁芯とこの磁芯の両端部間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記磁芯に導線が巻回された構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁化の方向が逆なる前記磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっているので、磁芯及び永久磁石が各々１個で構成され、部材点数が減少し、また永久磁石の着磁も１台の電磁石で行うことができる。
【００３９】
また、この発明の請求項６に係る限流器によれば、Ｕ形状の第１の磁芯と、この第１の磁芯の内側に配設されたＵ形状の第２の磁芯と、前記第１及び第２の磁芯の端部間にそれぞれ接合された第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回された構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁化の方向が逆なる前記第１及び第２の磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっているので、例えば上下の第１及び第２の永久磁石の磁極が同じにすることができ、電磁石１台で着磁ができる。
また、所定の設置スペースの条件下で軟質磁芯の寸法比（長さ／断面積）を大きくすることができるので、コイルのインピーダンスを大きくすることができ、短絡時に流れる大電流をより低く抑えることができる。
【００４０】
また、この発明の請求項７に係る限流器によれば、対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯の両外側にヨークを介してそれぞれ設けられた第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっているので、第１及び第２の永久磁石は、コイルの外側に配置され、両永久磁石は互いを殆ど減磁しない。
【００４１】
また、この発明の請求項８に係る限流器によれば、ヨークと第１及び第２の磁芯とは同一部材で構成されているので、ヨークと第１及び第２の磁芯とは一体で構成することができ、例えば組立作業性が向上する。
【００４２】
また、この発明の請求項９に係る限流器によれば、永久磁石、軟質磁芯及びコイルの断面が矩形であるので、各部材の成形が簡単であり、製造コストを低減できる。
【００４３】
また、この発明の請求項１０に係る限流器によれば、磁芯は、軟質磁芯であるので、磁芯は高磁界、高磁束密度を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のスイッチング式限流器の構成を示す斜視図である。
【図２】 図１のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図３】 図３のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図４】 図１のスイッチング式限流器の限流動作を説明するための軟質磁芯のＢ−Ｈ曲線の模式図である。
【図５】 実施の形態１の限流器が組み込まれた電気回路図である。
【図６】 この発明の実施の形態２のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図７】 図６のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図８】 この発明の実施の形態３のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図９】 図８のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態４のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図１１】 図１０のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図１２】 この発明の実施の形態５のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図１３】 この発明の実施の形態６のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図１４】 従来のスイッチング式の限流器の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ａ 第１の永久磁石、１ｂ 第２の永久磁石、２ａ，３２ａ，５２ａ 第１の軟質磁芯、２ｂ，３２ｂ，５２ｂ 第２の軟質磁芯、３ コイル、２１，４１永久磁石、２２ 軟質磁芯、２２ａ，３２ａ１，３２ｂ１ ストレート部、６０ａ〜６０ｄ 第１〜第４のヨーク。
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気回路の短絡事故などで発生する過電流を抑制する限流器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気書院１９６０年刊木村久男監修「変圧器の設計工作法」３０４頁には、短絡電流をインピーダンスのみで制限する目的で、そのリアクタンスがコイルの巻数と形状により決まる空芯リアクトル（ソレノイドコイル）が使用されることが開示されている。
また、オーム社刊「電気工学ハンドブック」６１４頁に、三通りの超伝導限流器が開示されている。その一つは超伝導線と抵抗を並列接続する方法で、正常時は電流が超伝導線を流れ、系統事故時には超伝導線が常伝導転移することにより高抵抗となり、事故電流は抵抗に流れ、限流されることが記載されている。その他の方法は省略するが、いずれの方法も付帯装置として低温冷却装置を必要とする。
さらに、永久磁石を用いたものとしては、例えば、第２０回日本応用磁気学会学術講演概要集（１９９６）２２ｐＢ−４に内磁型構成の限流器が開示されている。
【０００３】
また、外磁型構成の限流器として、本出願人が図１４に示す限流器を出願している（平成１２年２月２５日出願、特願平１２−０４９５６５号）。
図１４において、第１の磁気回路１０ａは、棒状の永久磁石１１ａと、この永久磁石１１ａの両端面にそれぞれ接合されたヨーク１４ａ，１４ｂと、２個のヨーク１４ａ，１４ｂの端面に接合された軟質磁芯１２ａとから構成されている。
また、第２の磁気回路１０ｂは、第１の磁気回路１０ａと同一構造であり、永久磁石１１ｂと、この永久磁石１１ｂの両端面にそれぞれ接合されたヨーク１４ｃ，１４ｄと、２個のヨーク１４ｃ，１４ｄの端面に接合された軟質磁芯１２ｂとから構成されている。
第１の磁気回路１０ａと第２の磁気回路１０ｂとは、軟質磁芯１２ａ，１２ｂが対面するように配設されている。軟質磁芯１２ａ，１２ｂの中間部には導線が巻回されたコイル１３が設けられている。
【０００４】
この限流器は、定常の交流電流に対してはコイル１３のインピーダンスが低いが、事故電流、即ち大電流に対しては、可飽和リアクトルの原理でその半波に対して軟質磁芯の１２ａ，１２ｂの磁気飽和部が磁化反転を起こし、高インピーダンスとなり、全波に渡って限流されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例に記した空芯リアクトルを用いた限流器では、空芯構造のため、インピーダンスが低く限流効率が悪く、且つインピーダンスが電流に依存せず一定のため、限流開始電流が小さいという問題点があった。また、超伝導限流器は低温冷却装置を必要とするため、メインテナンスに費用がかかるという問題点もあった。
【０００６】
また、永久磁石を用いた内磁型構成の限流器では、単相器としては２台を必要とするので大型化し、高価となる問題点があった。
【０００７】
また、図１４に示した外磁型構成の限流器では、コイル１３が一つでよいという利点を有するものの、閉磁気回路として、永久磁石１１ａ，１１ｂ、軟質磁芯１２ａ，１２ｂ、ヨーク１４ａ〜１４ｄを必要として部材点数が多く、また上下の永久磁石１１ａ、１１ｂによる発生磁束の方向が異なるので、軟質磁芯１２ａ，１２ｂでは互いを減磁するという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、メインテナンスフリーであり、小型、安価で、かつ高性能の限流器を得ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る限流器は、対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００１０】
この発明の請求項２に係る限流器では、永久磁石は第１及び第２の磁芯の両端部にそれぞれ配置されている。
【００１１】
この発明の請求項３に係る限流器では、永久磁石は両面が第１及び第２の磁芯の全面に接合された平板状である。
【００１２】
この発明の請求項４に係る限流器では、永久磁石の断面が矩形状、第１及び第２の磁芯の断面がほぼ半円形状、コイルの断面がほぼ円形状である。
【００１３】
この発明の請求項５に係る限流器は、Ｕ形状の磁芯とこの磁芯の両端部間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記磁芯に導線が巻回された構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁化の方向が逆なる前記磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００１４】
この発明の請求項６に係る限流器は、Ｕ形状の第１の磁芯と、この第１の磁芯の内側に配設されたＵ形状の第２の磁芯と、前記第１及び第２の軟質磁芯の端部間にそれぞれ接合された第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回された構成されたコイルを備えた限流器であって前記飽和磁化の方向が逆なる前記第１及び第２の磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００１５】
この発明の請求項７に係る限流器は、対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯の両外側にヨークを介してそれぞれ設けられた第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００１６】
この発明の請求項８に係る限流器では、ヨークと第１及び第２の磁芯とは同一部材で構成されている。
【００１７】
この発明の請求項９に係る限流器では、永久磁石、磁芯及びコイルの断面が矩形である。
【００１８】
この発明の請求項１０に係る限流器では、磁芯は、軟質磁芯である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の限流器Ｘの斜視図、図２は図１の限流器Ｘの正面図、図３は図１の限流器Ｘの側面図、図４は限流器Ｘの軟質磁芯の磁束密度（Ｂ）−磁界（Ｈ）曲線の模式図、図５は限流器Ｘが組み込まれた電気回路図である。
図において、１ａ，１ｂはそれぞれ希土類磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｃｏ系）、フェライト磁石（Ｂａ系、Ｓｒ系）、押し出し磁石（Ｍｎ−Ａｌ系）等から構成されたほぼ同材質、同形状の角柱状の第１及び第２の永久磁石で、保磁力、残留磁束密度の大きい磁気特性を有するものである。
２ａ，２ｂは第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂを挟持したスイッチング用の第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂで、この両軟質磁芯２ａ，２ｂはほぼ同材質、同形状の方向性珪素鋼、パーマロイ（５０Ｎｉ−Ｆｅ）等の積層鉄心、フェライト（Ｍｎ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ）等の焼結磁芯から構成されており、高透磁率、且つ、角形性のよいものである。
３は第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの周囲に銅等の低抵抗材の導線を巻回して構成されたコイルである。コイル３は第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの周囲に直接設けられているが、ボビンを介して設けてもよい。
【００２０】
第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂが接合される面に垂直の方向に着磁される。その着磁方向は、図２において矢印イ，ロの方向であり、第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂと第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂとから構成された閉磁気回路に還流磁束が発生するようになっている。
【００２１】
次に、上記構成の実施の形態１の限流器Ｘの動作について説明する。
第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂは第１及び第２の永久磁石１ａ、１ｂで飽和領域まで磁化されている。そのときの飽和磁化の方向は、図４の磁束密度（Ｂ）−磁界（Ｈ）曲線に示すごとく、第１の軟質磁芯２ａと第２の軟質磁芯２ｂとは逆方向となり、第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂは着磁点Ａ、Ｂに飽和磁化されている。なお、コイル３に誘起される電圧Ｖは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの磁束密度Ｂに比例し、またコイル３に流れる電流Ｉは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの磁界Ｈに比例する関係にある。
【００２２】
コイル３に定常電流が流れているときは、電流が小さいので、第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂは飽和磁化領域から外れず、磁束変化が無いので、コイル３のインピーダンス（リアクタンス）は小さく、コイル３の電圧降下は小さい。従って、図５に示すごとく電源電圧Ｅは、負荷Ｒに印加される（Ｒ≫Ｘ）。
【００２３】
今、負荷Ｒが短絡し、コイル３に故障大電流が流れると、第１及び第２の軟質磁芯２ａ、２ｂは飽和磁化領域から大きく外れ、軟質磁芯２ａ，２ｂは互いに逆方向の磁気飽和領域に磁化反転するので、コイル３のインピーダンス（リアクタンス）は大きくなる。このとき、電源電圧Ｅは殆どがコイル３に印加される（Ｒ≪Ｘ）。このような可飽和リアクトルの原理により、短絡時、全波にわたって限流される。
なお、短絡時のコイル３のリアクタンスは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの寸法比（長さ／断面積）に依存するので、短絡時に流れる電流の値を小さくするにはその寸法比を大きくする必要がある。
【００２４】
なお、図１〜図３の構成で第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂを着磁する際、１台の電磁石で行うと、２個の永久磁石１ａ，１ｂの一方が漏れ磁界で減磁されという問題があるので、２台の電磁石のコイルをシリーズに接続し、２個の永久磁石１ａ，１ｂを同時に着磁するのが望ましい。
【００２５】
実施の形態２．
図６は実施の形態２の限流器の正面図、図７は図６の限流器の側面図である。
なお、以下の各実施の形態では、同一、または相当部材は同一符号を付して、その説明は省略する。
この実施の形態２では、軟質磁芯２２をＵ形状とし、永久磁石２１を角柱（板）状とし、軟質磁芯２２及び永久磁石２１を各々１個で構成している。軟質磁芯２２のストレート部２２ａにコイル２が設けられている。軟質磁芯２２は一体構造のＵ形状の巻き鉄心（例えば、方向性珪素鋼）、焼結磁芯（例えば、フェライト）または接合鉄心で構成される。
飽和磁化の方向が逆なる軟質磁芯２２の両ストレート部２２ａは、回路短絡時にコイル３に流れる大電流により、電流の半周期毎に交互に磁化反転し、コイル３のインピーダンスは大きくなり、電源電圧は殆どがコイル３に印可される。
【００２６】
上記構成の限流器は、軟質磁芯２２及び永久磁石２１が各々１個で構成しているので、実施の形態１の限流器と比較して部材点数が減少し、また永久磁石２１の着磁も１台の電磁石で行うことができる。
【００２７】
実施の形態３．
図８は実施の形態３の限流器の正面図、図９は図８の限流器の側面図である。
この実施の形態３では、Ｕ形状の第１の軟質磁芯３２ａの内側にＵ形状の第２の軟質磁芯３２ｂを配設し、第１の軟質磁芯３２ａの端部と第２の軟質磁芯３２ｂの端部との間に角柱の第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂが設けられている。なお、第１及び第２の軟質磁芯３２ａ，３２ｂの材質については、実施の形態２のものと同様である。
飽和磁化の方向が逆なる第１及び第２の軟質磁芯３２ａ，３２ｂのストレート部３２ａ１，３２ｂ１は、回路短絡時にコイル３に流れる大電流により、電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている。
【００２８】
上記構成の限流器では、上下の第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂの磁極が同じであるので、電磁石１台で着磁ができる。
また、実施の形態１及び２と比較して、同一設置スペースの条件下では軟質磁芯３２ａ，３２ｂの寸法比（長さ／断面積）を大きくすることができるので、コイル３のインピーダンスを大きくすることができ、短絡時に流れる電流をより低く抑えることができる。
【００２９】
実施の形態４．
図１０は実施の形態４の限流器の正面図、図１１は図１０の限流器の側面図である。
この実施の形態４では、２個の軟質磁芯２ａ，２ｂ間に両面が軟質磁芯２ａ，２ｂの全面に接合された永久磁石４１を配設した点が実施の形態１と異なる。勿論、永久磁石４１の左半分と右半分とでは逆方向に着磁されている。
この実施の形態４では、実施の形態１〜３の限流器と比較して、永久磁石４１の容積が大きいので、磁気エネルギがそれだけ大きく軟質磁芯２ａ，２ｂを深く磁気飽和させることができ、限流開始電流を大きくできる。
【００３０】
実施の形態５．
図１２は実施の形態５の限流器の側面図である。
この実施の形態５では、第１及び第２の軟質磁芯５２ａ，５２ｂの断面が半円形状の半円柱である点が実施の形態１と異なる。この軟質磁芯５２ａ，５２ｂを積層鉄心で構成する場合には、軟質磁芯５２ａ，５２ｂは、外周側面が段差のある半円柱形状となる。
この実施の形態５では、永久磁石１ａ，１ｂ、第１の軟質磁芯５２ａ及び第２の軟質磁芯５２ｂで構成された全体形状が円柱形状であるので、その外周面に導線を円滑に巻回してコイル３が簡単に形成される。
【００３１】
実施の形態６．
図１３は実施の形態６の限流器の側面図である。
この実施の形態６では、第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂの両端部が第１ないし第４のヨーク６０ａ〜６０ｄを介して第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂと接合されている点が実施の形態１と異なる。この第１ないし第４のヨーク６０ａ〜６０ｄは、高い限流性能、小型化という観点から、高透磁率、高飽和磁束密度のものが望ましい。また、第１ないし第４のヨーク６０ａ〜６０ｄは第１及び第２の軟質磁芯２ａ，２ｂと同一材質でも所要の性能が実現できる。
【００３２】
この実施の形態６では、コイル３の外側に第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂを配置してある。第１及び第２の永久磁石１ａ，１ｂの保磁力（BＨｃ）は数百Ｏｅから１万Ｏｅを越えるものまで材質により異なる。コイル３内の磁界が大きくなると、磁石保磁力、磁石動作点に依存する減磁問題が生じるが、コイル３の外では磁界は急激に減衰するので、この実施の形態６では、減磁が殆ど起きない。
【００３３】
なお、上記各実施の形態（実施の形態５を除く。）では、永久磁石、磁芯及びコイルの断面が矩形であるが、勿論この形状に限定されない。
また、各実施の形態とも、磁芯として、軟質磁芯を用いたが、軟質磁芯の代わりに、着磁性が低下するものの半硬質磁芯を用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の請求項１に係る限流器によれば、対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっているので、回路短絡時には、コイルのインピーダンスは大きくなり、メインテナンスフリーで高効率で限流される。
【００３５】
また、この発明の請求項２に係る限流器によれば、永久磁石は第１及び第２の軟質磁芯の両端部にそれぞれ配置されているので、簡単に閉磁気回路を形成することができる。
【００３６】
また、この発明の請求項３に係る限流器によれば、永久磁石は両面が第１及び第２の磁芯の全面に接合された平板状であるので、磁気エネルギが大きく、磁芯を深く磁気飽和させることができ、限流開始電流を大きくすることができる。
【００３７】
また、この発明の請求項４に係る限流器によれば、永久磁石の断面が矩形状、第１及び第２の磁芯の断面がほぼ半円形状、コイルの断面がほぼ円形状であるので、導線の巻回作業性が向上し、コイルを形成し易い。
【００３８】
また、この発明の請求項５に係る限流器によれば、Ｕ形状の磁芯とこの磁芯の両端部間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記磁芯に導線が巻回された構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁化の方向が逆なる前記磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっているので、磁芯及び永久磁石が各々１個で構成され、部材点数が減少し、また永久磁石の着磁も１台の電磁石で行うことができる。
【００３９】
また、この発明の請求項６に係る限流器によれば、Ｕ形状の第１の磁芯と、この第１の磁芯の内側に配設されたＵ形状の第２の磁芯と、前記第１及び第２の磁芯の端部間にそれぞれ接合された第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回された構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁化の方向が逆なる前記第１及び第２の磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっているので、例えば上下の第１及び第２の永久磁石の磁極が同じにすることができ、電磁石１台で着磁ができる。
また、所定の設置スペースの条件下で軟質磁芯の寸法比（長さ／断面積）を大きくすることができるので、コイルのインピーダンスを大きくすることができ、短絡時に流れる大電流をより低く抑えることができる。
【００４０】
また、この発明の請求項７に係る限流器によれば、対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯の両外側にヨークを介してそれぞれ設けられた第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路、並びに前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルを備えた限流器であって、前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっているので、第１及び第２の永久磁石は、コイルの外側に配置され、両永久磁石は互いを殆ど減磁しない。
【００４１】
また、この発明の請求項８に係る限流器によれば、ヨークと第１及び第２の磁芯とは同一部材で構成されているので、ヨークと第１及び第２の磁芯とは一体で構成することができ、例えば組立作業性が向上する。
【００４２】
また、この発明の請求項９に係る限流器によれば、永久磁石、軟質磁芯及びコイルの断面が矩形であるので、各部材の成形が簡単であり、製造コストを低減できる。
【００４３】
また、この発明の請求項１０に係る限流器によれば、磁芯は、軟質磁芯であるので、磁芯は高磁界、高磁束密度を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のスイッチング式限流器の構成を示す斜視図である。
【図２】 図１のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図３】 図３のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図４】 図１のスイッチング式限流器の限流動作を説明するための軟質磁芯のＢ−Ｈ曲線の模式図である。
【図５】 実施の形態１の限流器が組み込まれた電気回路図である。
【図６】 この発明の実施の形態２のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図７】 図６のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図８】 この発明の実施の形態３のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図９】 図８のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態４のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図１１】 図１０のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図１２】 この発明の実施の形態５のスイッチング式限流器の構成を示す側面図である。
【図１３】 この発明の実施の形態６のスイッチング式限流器の構成を示す正面図である。
【図１４】 従来のスイッチング式の限流器の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ａ 第１の永久磁石、１ｂ 第２の永久磁石、２ａ，３２ａ，５２ａ 第１の軟質磁芯、２ｂ，３２ｂ，５２ｂ 第２の軟質磁芯、３ コイル、２１，４１永久磁石、２２ 軟質磁芯、２２ａ，３２ａ１，３２ｂ１ ストレート部、６０ａ〜６０ｄ 第１〜第４のヨーク。
Claims (10)
- 対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路と、
前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルとを備えた限流器であって、
前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている限流器。 - 永久磁石は第１及び第２の磁芯の両端部にそれぞれ配置されている請求項１に記載の限流器。
- 永久磁石は両面が第１及び第２の磁芯の全面に接合された平板状である請求項１に記載の限流器。
- 永久磁石の断面が矩形状、第１及び第２の磁芯の断面がほぼ半円形状、コイルの断面がほぼ円形状である請求項１ないし請求項３の何れかに記載の限流器。
- Ｕ形状の磁芯とこの磁芯の両端部間に接合された永久磁石とから構成された閉磁気回路と、
前記永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルとを備えた限流器であって、
前記飽和磁化の方向が逆なる前記磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている限流器。 - Ｕ形状の第１の磁芯と、この第１の磁芯の内側に配設されたＵ形状の第２の磁芯と、前記第１及び第２の軟質磁芯の端部間にそれぞれ接合された第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路と、
前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回された構成されたコイルとを備えた限流器であって、
前記飽和磁化の方向が逆なる前記第１及び第２の磁芯のストレート部は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている限流器。 - 対向した一対の第１及び第２の磁芯と、この第１及び第２の磁芯の両外側にヨークを介してそれぞれ設けられた第１及び第２の永久磁石とから構成された閉磁気回路と、
前記第１及び第２の永久磁石により発生する飽和磁束が還流する前記第１及び第２の磁芯に導線が巻回されて構成されたコイルとを備えた限流器であって、
前記飽和磁束の方向が逆なる前記第１の磁芯及び前記第２の磁芯は、回路短絡時に前記コイルに流れる電流により、前記電流の半周期毎に交互に磁化反転するようになっている限流器。 - ヨークと第１及び第２の磁芯とは同一部材で構成された請求項７に記載の限流器。
- 永久磁石、磁芯及びコイルの断面が矩形である請求項１〜３，５〜８の何れかに記載の限流器。
- 磁芯は、軟質磁芯である請求項１ないし請求項９の何れかに記載の限流器。
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