JP4974992B2

JP4974992B2 - 空心リアクトル

Info

Publication number: JP4974992B2
Application number: JP2008254765A
Authority: JP
Inventors: 延浩兼井; 晴之米谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010087247A

Description

本発明は、交流電圧の印加される空心リアクトルに関するものである。

回路に流れる高調波電流の軽減など回路特性の改善が目的で使用されるリアクトルにおいて、コイル電流による発熱を抑制し、コイル温度を低減することで、高効率かつ冷却設備の簡素化が推進される。

リアクトルのコイルに１００Ｈｚ程度以下の低周波の交流電流が流れた場合、リアクトルの１コイルを構成する複数個の素線間に鎖交磁束が発生し、素線間に誘起電圧差が生じる。この誘起電圧差に比例して、素線間に循環電流が流れるため、素線ごとのジュール損失がアンバランスになり、発熱量が大きくなるという問題があった。例えば鉄道車両に用いられる、交流き電の主変圧器とＰＷＭコンバータの間に設置されるリアクトルなどにおいては、主変圧器側から流れる低周波の基本波交流電流のほかに、ＰＷＭコンバータのキャリア高調波や、回路のＬＣ共振周波数付近の高調波電流が多く含まれる。そのため、交流き電で使用されるリアクトルには、基本波交流電流による循環電流損失および高調波電流による渦電流（循環電流）損失が発生する。

例えば特許文献１では、コイル素線に転位を設け、この転位回数を３回とすることで電流分布を平滑化し、素線間の誘起電圧差を低減して、低周波電流による循環電流損失を低減している。

特開昭６４−２７２１３号公報

コイル温度の低減の推進に当たっては、交流リアクトルにて発生する基本波交流電流による循環電流損失および高調波電流による渦電流損失を低減することに加えて、冷却効果を向上させ、コイル温度の均一化を図る必要があった。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、交流リアクトルに発生する低周波の循環電流損失および高調波の渦電流損失などによる発熱に対し、冷却効果を向上させコイル温度を低減させることが可能な空心リアクトルを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る空心リアクトルは、複数の素線を含んで形成されたコイルを軸方向に複数列、径方向に複数段巻回して構成されたソレノイド状の空心リアクトルにおいて、前記コイルの前記軸方向における列間間隙は、前記軸方向の中央部で最大であるとともに、前記軸方向の中央部から端部へ向けて大小交互に変動しながらも減少することを特徴とする。

この発明によれば、空心リアクトルに交流電圧が印加され、低周波の循環電流損失および高調波の渦電流損失によりコイルの発熱が増大した場合でも、コイルの軸方向の列間間隙を不等ピッチとし、中央部から端部へ向けて大小交互に変動しながらも減少するように構成することで、列間間隙を等ピッチとする場合に比べて、冷却効果が向上しコイル温度の低減が可能になる、という効果を奏する。

以下に、本発明に係る空心リアクトルの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、交流き電方式の鉄道車両駆動システムの概略回路図である。図１に示すように、鉄道車両駆動システムは、交流架線電圧を所定の電圧に変換する主変圧器３と、主変圧器３に接続され高周波ノイズを除去するＬＣフィルタ２と、ＬＣフィルタ２を介して主変圧器３から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ５と、コンバータ５により生成される直流電圧を用いて鉄道車両駆動トルクを制御するインバータ６と、インバータ６に接続され鉄道車両駆動トルクを生成するモータ７と、を備えている。また、ＬＣフィルタ２はＡＣリアクトル１とコンデンサ４から構成されている。

ＡＣリアクトル１は、ソレノイド状の空心リアクトルである。また、コンバータ５は、例えばＰＷＭコンバータである。

ＡＣリアクトル１には主変圧器３側から基本波交流電流が印加されるだけでなく、コンバータ５側から、キャリア周波数に起因する高調波電流、および同時に回路を形成してＬＣフィルタ２を形成するコンデンサ４とのＬＣ共振周波数付近の高調波電流が流れ込む。なお、基本波交流電流の周波数は１００Ｈｚ程度以下である。

図２は、ＡＣリアクトル１に発生した鎖交磁束１０を示す図である。図２では、コイル８を中空円筒状に巻回して形成されたＡＣリアクトル１の断面のうち半分のみが示されている。同図中、軸方向はＡＣリアクトル１の回転対称軸方向であり、径方向はＡＣリアクトル１の径方向である。また、ＡＣリアクトル１は、例えば８つの素線９を含んで構成されるコイル８を、軸方向に複数ターン（または複数列）巻回するとともに、径方向に複数周（または複数段）巻回して構成されている。また、コイル８は、例えば、径方向に４段、軸方向に２列の素線９を含んで構成されている。

図２に示すように、ＡＣリアクトル１に電流が流れると、これに伴い生成された磁束がコイル８に鎖交する（鎖交磁束１０）。

鎖交磁束１０が低周波電流（基本波交流電流に相当）により生成された場合、図３に示すように、鎖交磁束１０は素線９間を通り、素線９間で誘起電圧差が発生し、循環電流（渦電流）が発生する。なお、素線９間は、絶縁素材１１により相互に絶縁されている。

このような低周波電流に起因する誘起電圧差を低減する目的で、素線９に転位を施す技術が知られている。図４は、転位の一例を示す図である。図４では、コイル８を構成する各素線９にそれぞれ１〜８の番号を付し、転位によりこれらの番号を付した各素線９の配置が変化している様子を示している。なお、図４では、１段の転位を示しているが、誘起電圧差を低減する目的では、いわゆる１８０°の転位を施す必要がある。具体的には、１８０°の転位は、図４との対応では、手前側断面の番号１→奥側断面の番号５、手前側断面の番号２→奥側断面の番号６、・・・、手前側断面の番号８→奥側断面の番号４、というようにちょうど素線９を１８０°捻った配置関係に転位するものである。コイル８の素線９に転位を設けることで、各素線９間に均一な電流が流れることとなり、循環電流が低減される効果がある。

一方、ＡＣリアクトル１に流れる高調波電流により生成された高調波磁束においては、その表皮深さが素線の厚さ（図３参照）より薄くなり、図５に示すように、素線９内を鎖交磁束１０が通ることとなる。すなわち、素線９内で渦電流（同図中、循環電流と記載）が発生し、損失を大きくすることになる。つまり、図４では、素線９間を通過する鎖交磁束１０により異なる素線９間に渡って循環電流が発生するのに対して、図５では、一つの素線９内に渦電流が発生する。なお、表皮深さδは、δ＝１／√（πｆμσ）で与えられる。ここで、ｆは周波数、μは透磁率、σは導電率である。これから、周波数ｆが高くなると表皮深さが薄くなるがわかり、この効果により磁束が素線９の内部を透過することとなる。また、高調波の周波数ｆは、コイル８を構成する素線９の厚さをＤ（図３の素線厚）としたときに、表皮深さδ＝１／√（πｆμσ）が素線９の厚さＤよりも小さくなるような周波数として決まる。すなわち、ｆ＞１／（πμσＤ^２）を満たす周波数として定義される。

このような高調波電流による渦電流損失は、転位が設けられた位置より内径側でより大きくなる。そのため、素線９に転位を施し基本波電流による循環電流損失を低減するとともに、高調波電流による渦電流損失を低減するように転位位置、転位回数などを調整したとしても、依然として転位位置より内径側においては高調波電流による渦電流損失が大きく、内径側で発熱が大きい。また、内径側でも、特に軸方向の中央付近で熱がこもりやすく高温になる傾向があることがわかった。したがって、コイル温度の低減を図るためには、適当な箇所に転位を設けることで基本波および高調波による各循環電流損失を低減することに加え、発熱をより効果的に放熱する構造をＡＣリアクトル１に設け、冷却効果の向上を図ることが望ましい。

そこで、本実施の形態では、従来のようにコイル８の軸方向における列間間隙を一定（等ピッチ）とする代わりに、列間間隙を不等ピッチとし、かつ、この列間間隔が、軸方向中央部から端部へ向けて総じて減少する構造を設けることとする。以下、ＡＣリアクトル１の構造について説明する。

図６は、コイル８の軸方向における列間間隙が等ピッチである場合のＡＣリアクトル１の構造を示す断面図であり、従来の構成例に相当するものである。また、図７は、コイル８の軸方向における列間間隙が不等ピッチである場合のＡＣリアクトル１の構造を示す断面図であり、本実施の形態の構成例に相当するものである。図６および図７では、一例として列数＝１２、段数＝６とし、ＡＣリアクトル１は回転対称軸１２を水平となるようにして例えば車両の床下に設置された場合を示している。この場合、径方向の寸法は艤装限界から制限され、また、軸方向の寸法は所望のリアクタンスを実現するように長さ制限が課せられる。

図６に示すように、従来の構成例では、コイル８の列間間隙はすべてｓ１に等しくなっている（等ピッチ）。

また、図６では、ＡＣリアクトル１は、コイルを１２列巻回した一つのリアクトルからなるとしたが、並列に接続された二つのリアクトルを軸方向につき合わせて配置した構成とみなすこともできる。すなわち、６列の等ピッチのコイル８からなるＡＣリアクトル１（列間間隙がすべてｓ１）を二つ、軸方向に間隙ｓ１を隔ててつき合わせて配置しているとみなすこともできる。なお、径方向において、コイル８の３段目と４段目との間に間隙が設けられているが、これはＡＣリアクトル１の内部に発生する熱を外部へ放熱することを目的として設けられたものである。

次に、図７に示すように、本実施の形態の構成例では、コイル８の軸方向中央部の列間間隙をｄ１、中央部から一端部又は他端部に向かってそれぞれ列間間隙を、ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５，ｄ６とし、ｄ１を最も大きくとり、中央部から各端部へ向けてｄ１〜ｄ６が大小交互に変動しながらも減少する不等ピッチの構成とする。軸方向寸法をＬとすると、ｄ１はＬの約５％、ｄ２はＬの約３％、ｄ３はＬの約４％、ｄ４はＬの約３％、ｄ５はＬの約４％、ｄ６はＬの約２％の場合の条件下で、熱解析を実行した結果、冷却効果が最も向上する最適構造を与えることがわかった。一般に、ＡＣリアクトル１の端部は空気に触れ易いことから温度が下がりやすいが、中央部は熱が外部に抜けにくく高温になりやすい。本実施の形態では、中央部付近の列間間隙を大きくするとともに端部の列間間隙を狭くする不等ピッチを採用して冷却効果の向上を図る。

なお、図７においては、図６と同様に、６列の不等ピッチのコイル８を二つ、軸方向に間隙ｄ１を隔ててつき合わせて配置し、これらを並列に接続してＡＣリアクトル１を構成したとみなしてもよいし、単一のＡＣリアクトル１の構造とみなしてもよい。また、図６と同様に、径方向において、コイル８の３段目と４段目との間に間隙が設けられている。

図８は、熱解析によるコイル８の温度分布結果を示す図であり、（ａ）は図６の等ピッチの場合の温度分布であり、（ｂ）は図７の不等ピッチの場合の温度分布である。図８では、等ピッチの温度分布からわかるように、コイル８の軸方向中央部付近の温度が高く、端部では温度が低くなっている。これは、中央部付近で発生した熱が内部にこもりやすいのに対して、端部では空冷により温度が下がるからである。図８より、不等ピッチとするほうが等ピッチとするよりも明らかに冷却効果が高いことがわかる。詳細には、不等ピッチとすることで、コイル８から発生した熱が上方へ抜けやすくなるため、冷却効果が向上し、コイル８の平均温度上昇値が等ピッチの場合と比べて５〜１０％低減され、また、内周部のピークポイントで１０〜１５％低減される。なお、図８では、回転対称軸１２より上方に位置するコイル８の温度が下方に位置するコイル８の温度よりも高いのは熱流が上方に移動することや、車両床面の存在による構造的な影響などによる。

図７においては、本実施の形態の構成例として、コイル８の列間間隙についてｄ１を最も大きくとり、中央部から各端部へ向けてｄ１〜ｄ６が大小交互に変動しながらも減少する不等ピッチの構成とした。しかしながら、この構成例に限定されず、図６の構成と比較して不等ピッチであり、かつ中央部から端部へ向けて列間間隙が減少する構成であれば同様の効果を有する。例えば、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４＞ｄ５＞ｄ６というように列間間隙が単調に減少する構造とすることもできる。ただし、このような構成例は、図７と比べて、冷却効果は低くなる。ＡＣリアクトル１は、設計上要求されるリアクタンス値を満たす必要がある。コイル８の列数を一定として軸方向寸法を大きくするとリアクタンス値は減少する。そのため、列間間隙を一様に広げて冷却効果の向上を図ることは、リアクタンスを減少させることになり、適用することはできない。一定の軸方向寸法のもとで中央部付近の列間間隙を広げて中央部付近の放熱を促進する構造とするためには、不等ピッチとし、端部付近の列間間隙を狭くする必要がある。

本実施の形態では、コイルの軸方向の列間間隙を不等ピッチとし、軸方向中央部の列間間隙を最大として、列間間隙が中央部から端部へ向けて大小交互に変動しながらも減少するように構成する。あるいは、図６の構成と比較して不等ピッチであるとともに、列間間隙が中央部から端部へ向けて減少するように構成する。このような構成によれば、ＡＣリアクトル１に交流電流が通流し、低周波の循環電流損失および高調波の渦電流損失によりコイル８の発熱が増大した場合でも、等ピッチの場合に比べて中央付近の熱を外部に放熱しやすくなり、冷却効果が向上しコイル温度の低減が可能になる、という効果を奏する。

実施の形態２．
本実施の形態では、図７の構成に加えて、径方向におけるコイル８の間隔である段間間隙を、内径側で外径側以上とする。図９は、図７に記載のＡＣリアクトル１の冷却性能をさらに向上させるための構成例を説明するための図である。なお、図９では、軸方向におけるコイル８の列間間隙については記載を省略し、従来の構成例である図６と同様の構成で記載した。

図９では、上段に従来の構成例を示し、下段に本実施の形態の構成例を示している。また、ＡＣリアクトル１の断面のうち半分だけを示している。上段に示す従来の構成は、図６と同様であり、径方向において、その中央部、すなわち、３段目と４段目との間で間隙Ａ１を設け、他の箇所には間隙を設けていない。一方、下段に示す本実施の形態の構成例（図中、改善後と記載）では、回転対称軸１２に最も近い１段目と２段目との間の間隙をＢ３、２段目と３段目との間の間隙をＢ２、３段目と４段目との間の間隙をＢ１とし、Ｂ１＜Ｂ２＝Ｂ３としている。また、径方向の他の箇所には間隙を設けていない。したがって、段間間隙は、内径側では外径側以上の大きさとなっている。なお、Ｂ１〜Ｂ３に対して、Ｂ１＜Ｂ２＜Ｂ３とすることもできる。本実施の形態の構成は、図９の下段に示す径方向の段間間隙構造と、図７に示す軸方向の列間間隙構造とを合わせたものである。

高調波による渦電流損失は、転位位置より内径側でより大きくなるが、本実施の形態によれば、内径側の冷却性能が向上し、温度上昇したコイル８の表面温度を低減することができる。

実施の形態１または２で説明したＡＣリアクトル１を図１の交流き電方式の鉄道車両駆動システムに適用することにより、基本波交流電流による循環電流損失および高調波電流による渦電流損失などによるコイル８から発生した熱を外部に効率よく放熱し、冷却効果を向上させて、ＡＣリアクトル１の信頼性を高めることができる。このように、基本波交流電流および高調波電流が流れるシステムである鉄道車両駆動システムに、本実施の形態の空心リアクトルを適用することで、効果的に温度低減を図ることができる。

本発明は、鉄道車両用リアクトルに好適に適用することができる。

交流き電方式の鉄道車両駆動システムの概略の回路図である。ＡＣリアクトルに発生した鎖交磁束を示す図である。素線間に鎖交磁束が交差する様子を示す図である。転位の一例を示す図である。素線内を鎖交磁束が透過する様子を示す図である。コイルの軸方向における列間間隙が等ピッチである場合のＡＣリアクトルの構造を示す断面図である。コイルの軸方向における列間間隙が不等ピッチである場合のＡＣリアクトルの構造を示す断面図である。熱解析によるコイルの温度分布結果を示す図である。図７に記載のＡＣリアクトルの冷却性能をさらに向上させるための構成例を説明するための図である。

符号の説明

１ＡＣリアクトル
２ＬＣフィルタ
３主変圧器
４コンデンサ
５コンバータ
６インバータ
７モータ
８コイル
９素線
１０鎖交磁束
１１絶縁素材
１２回転対称軸

Claims

複数の素線を含んで形成されたコイルを軸方向に複数列、径方向に複数段巻回して構成されたソレノイド状の空心リアクトルにおいて、
前記コイルの前記軸方向における列間間隙は、第一から第四の４種類の間隙からなり、前記軸方向の中央部の前記第一の間隙が最大であるとともに、前記軸方向の両端部の前記第二の間隙が最小であり、前記軸方向の中間部では、前記第三および第四の大小二種類の間隙が前記中央部から前記各端部へ小大の順に繰り返すことを特徴とする空心リアクトル。
前記コイルの前記径方向における段間間隙は、内径側で外径側以上としたことを特徴とする請求項１に記載の空心リアクトル。
架線電圧を所定の電圧に変換する主変圧器と、この主変圧器から供給される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、このコンバータにより生成される直流電圧を用いて鉄道車両駆動トルクを制御するインバータとを有する交流き電方式の鉄道車両駆動システムに適用される空心リアクトルであって、
前記主変圧器と前記コンバータとの間に配置して用いることを特徴とする請求項１または２に記載の空心リアクトル。