JP5258455B2 - 空心リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、コイルを構成する素線に転位を施した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（渦電流）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。

この低周波の交流電流による循環電流損失を軽減する方法として、例えば特許文献１に示されるように、コイル素線を転位することにより、素線間の誘起電圧差を低減し、循環電流損失を低減する方法がある。また、特許文献１では、転位回数を３回とすることで、電流分布を平滑化（循環電流を低減）するなどの工夫がなされている。

また、特許文献２では、この転位を行う位置を１箇所とし、これを電圧方程式に基づき決定する方法が示されている。

特開昭６４−２７２１３号公報 特開２００７−１５７９８７号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２による検討は、低周波の交流電流である基本波電流による循環電流を抑制する効果を図ったものであり、リアクトルに流れるより周波数の高い高調波電流に対する損失を軽減するものではなかった。

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。これらの高調波電流に対する損失を電磁界数値解析により検討した結果、これらの高調波電流による損失が無視できない程度に大きくなることが判明した。すなわち、リアクトルの高効率化および温度低減を推進するに当たって、基本波循環電流損失を低減することだけが課題ではなく、高調波電流による損失を低減することが必要であるという課題があることが判明した。さらに、この高調波電流による損失（以下、高調波による渦電流損失ともいう。）は、転位回数を多くするほど大きくなり、また、転位位置によって大きく変化することが判明した。

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、高調波による渦電流損失を効果的に低減することが可能な転位構造を備えた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、コイルを軸方向に複数列、径方向に複数段巻回して形成された中空円筒状のコイル体からなり、前記コイル体を形成するコイルは、前記軸方向に複数かつ径方向に複数配列された素線を含んで構成され、前記コイル体を形成するコイルの素線に施す転位の回数を１回とし、１８０°転位を施すとともに、この転位位置が、前記コイル体の前記径方向の中央位置より内径側であり、かつ、前記コイル体の内径側から前記コイル体の径方向長１／６の位置より外径側であることを特徴とする。

この発明によれば、空心リアクトルに流れる高調波電流による渦電流損失を低減し、かつ基本波電流による循環電流損失を低減することができ、高効率化することができる、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
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、鉄道車両駆動トルクを生成するモータ７と、を備え、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、本実施の形態にかかる鉄道車両用の空心リアクトルである。なお、本実施の形態は、鉄心リアクトルに対しても同様に適用することができる。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、径方向に例えば４段、軸方向に例えば２列の素線９を絶縁部材１１により被覆して構成されている。

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、図３では、素線９に流れる循環電流の向きを明示しており、コイル８の左側の素線９を流れる循環電流の向きと、右側の素線９を流れる循環電流の向きとが互いに反対になっている。

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、素線に施された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１〜８の番号を付して区別している。コイル８の手前側断面における素線９の番号と奥側断面における素線９の番号とを対比すると、手前側断面の番号１→奥側断面の番号２、手前側断面の番号２→奥側断面の番号３、・・・、手前側断面の番号８→奥側断面の番号１、というように各番号が一ずれており、これは１段の転位を示す例となっている。このように、転位は、素線９を互いに交差させてその位置を入れ替えるものである。なお、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り、これは図４に示す例とは異なるものである。すなわち、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°捻った配置構成に相当するものである。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内に循環電流が発生する。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。

なお、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。

この高調波による渦電流は、素線９内部で発生しているため、転位を完全（１８０°）にして各素線９の高調波電流を等しくすると、かえってトータル損失が増大する傾向にある。すなわち、一つの素線９内で渦電流が流れるので、その電流を均一にすると高調波による渦電流損失がかえって増大し基本波による損失まで含めたトータル損失が増大することとなる。この高調波による渦電流は、素線９に鎖交する磁束が変化する部分で折り返す循環電流と考えられるため、コイル８における径方向段をまたぐ部分又は転位部分で折り返す循環電流である。

したがって、多くの部分で転位を施すと、高調波による渦電流損失は増大すると考えられる。例えば、従来例（特許文献１参照）のように３箇所で転位を施すと、高調波による渦電流が増大するので、全体として損失が大きくなる。そこで、高調波による渦電流損失を低減するためには、転位を数箇所とするより、１箇所とし１８０°の転位とすることが効果的であると考えられる。なお、前述のように１８０°の転位は基本波による損失を低減させるために必要な転位である。このように、高調波による渦電流損失は、転位回数による影響を受けることが、詳細な検討により判明した。

以上の検討に基づき、本実施の形態では、ＡＣリアクトル１に施す転位を１箇所とする。すなわち転位回数を１回とすることで、高調波による渦電流損失を低減することができる。

図６は、転位の施されたＡＣリアクト１の巻線構造を示す図である。図６に示すように、ＡＣリアクトル１は、コイル８を軸方向に例えば１２列（または１２ターン）巻回するとともに径方向に例えば１２段（または１２周）巻回してなる中空円筒状のコイル体として構成される。なお、図６では、ＡＣリアクトル１の断面の半分だけが示されている。また、径方向に巻回したコイル８を「段」により区別することとし（図中、径方向段と記載）、内径側から外径側へ向かって径方向段として＃１〜＃１２を付している。さらに、軸方向に巻回したコイル８を「列」により区別することとし（図中、軸方向列と記載）、下方から上方へ向かって軸方向列として＃１〜＃１２を付している。

また、前述のように、コイル８は例えば８つの素線からなり、これら８つの素線は径方向に４段、軸方向に２列の配列構造となっている。一般に、コイル８は、複数段、複数列に配列された素線を含んで構成される。

図６において、コイル８の巻回順序は、（軸方向列、径方向段）＝（＃１、＃１）→（＃１２、＃１）→（＃１２、＃２）→（＃１、＃２）→（＃１、＃３）→・・・→（＃１２、＃１２）→（＃１、＃１２）という順序である。

図６では、転位を径方向段＃４−＃５間に施した場合、または径方向中央である径方向段＃６−＃７間に施した場合のそれぞれの転位位置を矢印で示している。ただし、これらの転位は説明上同時に２箇所示したものであり、前述のように実際には、転位は一箇所に施す。

また、転位の軸方向の位置は、ともに例えば軸方向列＃１としている。すなわち、素線９を転位する位置は、例えば、（径方向段、軸方向列）＝（＃４、＃１）で指示されるコイル８の位置から、（径方向段、軸方向列）＝（＃５、＃１）で指示されるコイル８の位置へとわたる渡り線内（すなわち、コイル８の渡り部分）で形成されている。転位位置をコイル８の軸方向端部における径方向への渡り部分としたのは次の理由による。実際の転位では、素線９を１８０°捻るため、コイル８は転位位置で膨らむことになり、このため、軸方向中段で転位を行った場合、コイルの膨らみによりコイル間隙間が小さくなり、通風冷却など冷却性能が低下する。また、軸方向端部で転位をした方が、工作性が向上する。これらの理由から、図６のように、コイル８の軸方向端部における径方向段の変わり目で転位を施す構造が好ましい。図９は、１８０°転位を径方向段＃４−＃５間に施した例を示す図である。図９では、径方向段＃４に配置されたコイル８を構成する各素線９に１〜８の番号を付し、これらの番号を付した素線９が、径方向段＃５に配置されたコイル８の素線９の番号位置に転位された様子を説明するものである。

図７は、高調波に対して転位位置を変化させた場合の電磁界解析による損失計算結果を示す図である。また、図８は、基本波および高調波に対して転位位置を変化させた場合の電磁界解析による損失計算結果を示す図である。なお、図７、図８の計算は、図６の構成のもとで実行されたものである。

図７は、渦電流による損失のうち、高調波によるものを転位位置に対して表示したものであり、横軸は転位位置（段）を表し、例えば＃２−＃３は転位位置を径方向段の＃２−＃３間に設けた場合を表している。なお、軸方向列は＃１である。また、図７の縦軸は循環電流（渦電流）による損失を表し、特に、転位位置を径方向段の中央である＃６−＃７間に設けた場合の損失を１００％とし、その他の箇所に転位を設けた場合の損失を相対値にて表示している。

図７に示すように、損失は、転位位置（段）が＃６−＃７（中央）から内径側に向かうにしたがい＃４−＃５まで単調に減少した後、＃３−＃４、＃２−＃３に進むにつれて増大する。また、転位位置が＃３−＃４、＃４−＃５、＃５−＃６の場合の損失は、転位位置が＃６−＃７（中央）の場合よりも低減している。また、転位位置が＃７−＃８の場合の損失は、転位位置が＃６−＃７（中央）の場合よりも増大している。このように、高調波による循環電流（渦電流）損失は、転位位置により大きく変動し、しかも、転位位置が＃６−＃７（中央）より内径側に、損失をより小さくする転位位置（＃３−＃４、＃４−＃５、＃５−＃６）が存在することがわかった。

図８は、基本波および高調波による循環電流損失の総和を表示したものであり、横軸および縦軸は図７と同様である。図８に示すように、基本波および高調波による循環電流損失の総和は、高調波による循環電流損失（図７）と同様の傾向を示している。つまり、転位位置を＃６−＃７（中央）より内径側の＃３−＃４、＃４−＃５、＃５−＃６としたほうが、損失がより小さくなることがわかった。なお、基本波に対しては、転位が完全であればコイル８のどの位置でも一様に電流が流れるので損失密度は均一となり、図８の基本波による損失はこの傾向を示している。転位位置が径方向段＃３−＃４、＃４−＃５、または＃５−＃６である場合、これらの転位位置は、コイル体の径方向の中央位置（径方向段＃６−＃７）より内径側であり、かつ、コイル体の内径側からコイル体の径方向長１／６の位置（径方向段＃２−＃３）より外径側に位置している。図７および図８に例示された転位位置（段）と損失との関係は、図６の構成に限定されず、一般的に成り立つと考えられる。

そこで、本実施の形態では、転位位置を、従来例のように径方向の中央位置（径方向段＃６−＃７）とするのではなく、これより内径側の径方向段＃３−＃４、＃４−＃５、＃５−＃６のいずれか、好ましくは損失（高調波による損失または高調波および基本波による損失の総和）が最小となる径方向段＃４−＃５とする。これは、図６の構成に限定されず、他の構成に対しても設計事項に基づいて図６と同様の数値計算を実施し、その計算結果をもとに、径方向の中央位置より内径側であって、損失のより小さくなる径方向段間に転位を設ければよい。

ＡＣリアクトル１では、内径側ほど鎖交磁束が多くなるため、循環電流の原因の一つとなる素線間誘起電圧差が大きくなる。一方、外径側では鎖交磁束は小さくなるがコイル長が長くなる。そこで、従来は径方向の中央部付近にて素線の転位を施し、基本波による循環電流を低減していた。しかしながら、高調波には内径側の誘起電圧差の影響は、外径側のコイル長の影響より大きいということが判明したことから、本実施の形態では、中央部付近より内径側で転位を施す構成とした。

本実施の形態によれば、転位を１回、上記の転位位置に設けることにより、ＡＣリアクトル１に流れる高調波電流による渦電流損失を低減し、かつ基本波電流による循環電流損失を低減することができ、高効率化することができる。

また、転位位置を、コイル体の軸方向端部における径方向へコイル８がわたる渡り部分にて形成することで、素線９を捻るという複雑な工作を容易にでき、冷却性能も確保することができる。

また、本実施の形態において、転位位置より内径側の径方向コイル間隔を、転位位置より外径側の径方向コイル間隔より広くすることが好ましい。高調波による渦電流損失は、転位位置より内径側に集中するため、径方向コイル間隔を外径側より内径側で大きく取ることで、内径側の冷却性能が向上し、信頼性の高いリアクトルを提供することができる。

交流き電に採用されるＡＣリアクトル１は、基本波交流電流だけでなく、コンバータ５が発生するキャリア高調波や、コンデンサ４とのＬＣ共振により増大される周波数の高調波電流が流れる。基本波交流電流による循環電流損失低減には転位を施す必要があるが、高調波電流による渦電流損失低減には転位による損失増大を防止する必要がある。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、効果的に高効率化、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。 素線に施された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。 転位の施されたＡＣリアクトルの巻線構造を示す図である。 高調波に対して転位位置を変化させた場合の電磁界解析による損失計算結果を示す図である。 基本波および高調波に対して転位位置を変化させた場合の電磁界解析による損失計算結果を示す図である。 １８０°転位を径方向段＃４−＃５間に施した例を示す図である。

符号の説明

１ ＡＣリアクトル
２ ＬＣ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 絶縁部材

Claims (6)

1. コイルを軸方向に複数列、径方向に複数段巻回して形成された中空円筒状のコイル体からなり、
   前記コイルは、基本波成分に加えて高調波成分を含む電流が流れるものであり、
   前記コイル体を形成するコイルは、前記軸方向に複数かつ径方向に複数配列された４本以上の素線を含んで構成され、
   前記コイル体を形成するコイルの素線の全体に施す転位の回数を１回とし、１８０°転位を施すとともに、
   この転位位置が、前記コイル体の前記径方向の中央位置より内径側であり、かつ、前記コイル体の内径側から前記コイル体の径方向長１／６の位置より外径側であることを特徴とする空心リアクトル。
2. コイルを軸方向に複数列、径方向に複数段巻回して形成された中空円筒状のコイル体からなり、
   前記コイルは、基本波成分に加えて高調波成分を含む電流が流れるものであり、
   前記コイル体を形成するコイルは、前記軸方向に複数かつ径方向に複数配列された４本以上の素線を含んで構成され、
   前記コイル体を形成するコイルの素線の全体に施す転位の回数を１回とし、１８０°転位を施すとともに、
   この転位位置が、前記コイル体の前記径方向の中央位置より内径側であり、かつ、当該転位位置に転位を施した場合の前記コイル体に発生する循環電流損失の総和が前記転位を前記中央位置に施した場合よりも小さくなるような前記径方向における位置であることを特徴とする空心リアクトル。
3. 前記転位位置を、前記循環電流損失の総和が最小となるような位置としたことを特徴とする請求項２に記載の空心リアクトル。
4. 前記転位位置を、前記コイル体の前記軸方向端部における前記径方向へコイルがわたる渡り部分にて形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空心リアクトル。
5. 前記転位位置より内径側の径方向コイル間隔が、前記転位位置より外径側の径方向コイル間隔より広いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空心リアクトル。
6. 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おいて、
   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１〜５のいずれか１項に記載の空心リアクトル。

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