JP5310952B2 - リアクトル - Google Patents

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Description

この発明は、電力変換装置に接続する、あるいは電力変換装置に組み込まれるリアクトルに関する。
リアクトルは、電力変換装置を系統電源や太陽電池などの電圧源に接続するために用いられる。電圧型の電力変換装置を他の電圧源と直接接続する場合、その電位差によって大きな電流が流れ、電力変換装置が破損したり、電圧源に異常が発生したりする。そこで、電圧型の電力変換装置は、リアクトルを介して電圧源と接続する。場合によっては、リアクトルに印加する電圧を調整して電流を制御し、電力変換装置と電圧源との間で、有効電力や無効電力のやりとりを行う。
一方、電力変換装置の高周波化に伴ってリアクトルの鉄心で発生するヒステリシス損失の増大や、電力変換装置で発生する高周波電流がリアクトルの巻線に流れると巻線の表面で電流密度が高くなる表皮効果による銅損の増大が問題となる場合がある。このような問題を解決するために、流れる電流の基本波電流に対して抵抗が小さい主巻線と高周波電流に対して抵抗が小さい補助巻線とを並列に鉄心に巻きつける巻線構造がある(例えば、特許文献1参照)。また、トランスやチョーク等のボビンまたはコアに、単線とリッツ線とを巻きつけて並列接続した巻線構造がある(例えば、特許文献2参照)。
特開平5−243060号公報(第3−4頁、第1,3図) 特開2001−297922号公報(第2−3頁、第1,3図)
従来のリアクトルでは、鉄心にギャップを含み、このギャップのまわりにも巻線構造が形成される場合、ギャップからの漏れ磁束によって、巻線で渦電流損失が発生し、電力損失が増加するという問題があった。そして、渦電流損失の低減のために巻線を細くすると抵抗損失が増加するという問題があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、鉄心のギャップからの漏れ磁束によって生じる巻線での渦電流損失の低減と巻線抵抗の低減が両立できるリアクトルを得るものである。
この発明に係るリアクトルは、対向する少なくとも一組の脚部を有し、一組の脚部によってギャップが形成される鉄心と、一組の脚部の延伸方向に沿って一組の脚部に巻回され、かつ、延伸方向に略垂直な方向に重なるように多重に巻回される巻線とを備え、ギャップを囲む領域において、巻線の最内周が素線を多数撚り合わされたリッツ線で構成され、巻線の最外周が、リッツ線の外径と略等しく、かつ、巻線に流れる主電流の周波数領域における電気抵抗がリッツ線よりも小さい単線で構成されるものである。
この発明は、鉄心のギャップを囲む領域において、巻線の最内周が素線を多数撚り合わされたリッツ線で構成され、巻線の最外周が、リッツ線の外径と略等しく、かつ、巻線に流れる主電流の周波数領域における電気抵抗がリッツ線よりも小さい単線で構成されるので、鉄心のギャップからの漏れ磁束によって生じる巻線での渦電流損失の低減と巻線抵抗の低減が両立できるリアクトルを得ることができる。
本発明の実施の形態1におけるリアクトルを適用した電力変換装置の一例を示す回路図である。 本発明の実施の形態1におけるリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態1における図2に示したリアクトルの巻線結線を示す回路図である。 本発明の実施の形態1における図2に示したリアクトルの漏れ磁束が流れる様子を示す図である。 本発明の実施の形態1における別のリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態1における図5に示したリアクトルの巻線結線を示す回路図である。 本発明の実施の形態1における図5に示したリアクトルの漏れ磁束が流れる様子を示す図である。 本発明の実施の形態2におけるリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態2における図8に示したリアクトルの漏れ磁束が流れる様子を示す図である。 本発明の実施の形態2における別のリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態3におけるリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態3における図11に示したリアクトルの巻線結線を示す回路図である。 本発明の実施の形態3における図11に示したリアクトルの別の巻線結線を示す回路図である。 本発明の実施の形態3におけるリアクトルを適用した電力変換装置の一例を示す回路図である。 本発明の実施の形態3における別のリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態3における図15に示したリアクトルの巻線結線を示す回路図である。 本発明の実施の形態3における図15に示したリアクトルの別の巻線結線を示す回路図である。 本発明の実施の形態4におけるリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態4における別のリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態5におけるリアクトルの断面図である。 本発明の実施の形態1〜5における巻線配置の一例を示す断面図である。
実施の形態1.
図1は、本発明のリアクトルが適用された電力変換装置の一例を示す回路図である。図1において、電力変換装置は、電力変換器104、リアクトル103、およびコンデンサ102で構成されている。電力変換器104は、リアクトル103を介して三相系統電源101に接続される。リアクトル103には、単相リアクトルを3台使用する方が一般的であるが、三相分が一体となった三相リアクトルを用いてもよい。
例えば、電力変換器104が電圧型の電力変換器であり、リアクトル103を介すことなく三相系統電源101に接続した場合、電力変換器104と三相系統電源101との電位差によって生じる過電流によって、電力変換器104を構成する半導体素子が破壊したり、電力系統に悪影響を及ぼす。このため、電力変換器104が電圧型である場合、リアクトル103を接続することは必須である。なお、リアクトル103が使用される場合には、フィルタコンデンサなどのコンデンサ102などと組み合わせて接続される場合もある。
図1において、リアクトル103に流れる電流は、三相系統電源101の商用周波数の電流成分と、電力変換器104を構成する半導体素子がスイッチングを行っている周波数(スイッチング周波数)領域の電流成分とを含む。例えば、商用周波数は、50Hzあるいは60Hzの低周波であり、スイッチング周波数は一般的に1kHz以上の高周波である。本発明のリアクトルは、このような低周波数成分の電流および高周波数成分の電流の両方が流れる用途で使用されることを前提としており、図1に示すような直流/交流変換を行う電力変換器104の出力端子に接続するリアクトル103として使用してもよいし、交流/交流変換を行う電力変換器の入力端子あるいは出力端子に接続するリアクトルとして使用してもよいし、交流/直流変換を行う電力変換器の入力端子に接続するリアクトルとして使用してもよいし、直流/直流変換を行う入力端子あるいは出力端子に接続するリアクトルとして使用してもよい。また、電力変換器は、図1に示すような2レベル電圧を出力する2レベル変換器でもよいし、3レベル以上の電圧を出力するマルチレベル変換器でもよい。
さらに、電力変換器104を構成する半導体素子には、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)を使用してもよいし、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やIEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)、GCT(Gate Commutated Turn−off)サイリスタ、JFET(Junction Field Effect Transistor)などの他の半導体素子を使用してもよい。
また、電力変換器104を構成する半導体素子の材料としては、一般的には珪素が使用できるが、珪素よりバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体材料、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム、またはダイヤモンドなどを使用してもよい。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いた電力変換器では、珪素を用いた電力変換器と比べてスイッチング損失の低減が可能となり高周波で駆動されることになる。一方、電力変換器の高周波駆動化に伴って、リアクトルの鉄心で発生するヒステリシス損失が増大し、電力変換器が発生する高周波電流がリアクトルの巻線に流れると表皮効果が発生して銅損が増大する。つまり、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いることによって電力変換器における電力損失が低減する一方で、リアクトルにおける損失が増大することになる。本発明のリアクトルは、電力変換器の高周波駆動化に対して、損失を低減できるので、ワイドバンドギャップ半導体材料を電力変換器に用いた場合でも、ワイドバンドギャップ半導体材料の特徴を活かして、低損失の電力変換装置を得ることができる。
図2は、本発明の実施の形態1におけるリアクトルの断面図である。図3は、図2に示したリアクトルの巻線結線を示す回路図である。図2において、リアクトル10は、磁性材料で形成された2つのE形鉄心11およびE形鉄心12が向かい合うように配置され、ギャップ13を設けた中央脚14には巻線1および巻線2が巻回されて(巻きつけられて)構成されている。巻線1、巻線2は、多重に巻回される巻線のうちのそれぞれ一重分の巻線である。中央脚14は、対向する一組の脚部14p、14qで構成され、一組の脚部14p、14q間にギャップ13が形成される。本発明の実施の形態において、ギャップ13はエアギャップであるが、このギャップ部に透磁率が小さい材料を設けても良い。E形鉄心11、12の磁性材料には、珪素鋼板、珪素含有量が6.5%の鋼板(スーパーEコア)、フェライトコア、アモルファスコア、鉄・アルミ・珪素を混ぜ合わせたダストコア、ナノ結晶柔磁性材料のファインメットコアなどが使用できる。なお、E形鉄心11、12の2つの鉄心を使用しているが、これは巻線加工を容易にするためであって、E形鉄心11、12が一体となった鉄心を用いてもよい。さらには、鉄心の形は限定しておらず、巻線を施す鉄心の脚にギャップが含まれることが特徴である。
巻線1および巻線2は、中央脚14(一組の脚部14p、14q)の延伸方向に沿って中央脚14のまわりを同じ巻数Cターンで巻回されている。そして、巻線1および巻線2は、延伸方向に略垂直な方向に重なるように多重に巻回される。巻線1は、中央脚14に近接する内周側に巻回されている。巻線2は、中央脚14に遠い外周側に巻回されている。図3に示すように、巻線1と巻線2の端部は、巻線1と巻線2の両者のインダクタンスが消失しない、つまりインダクタンスを損なわない巻き方向で並列に接続されている。図3において、ドット(●)は、各巻線の極性を表すものである。ギャップ13の長さ、および巻数Cターンは、所望のインダクタンス値に応じて決定される。例えば、ギャップ長を3mm、巻数を16ターンと決定される。
本実施の形態の特徴的な点は、中央脚14に近接する内周側に巻回される巻線1は、細い線径の素線を多数撚り合わせたリッツ線で構成され、その外周側に巻きつける巻線2は、単線で構成され、巻線1および巻線2を二重に巻回している点である。巻線2の単線の線径を、巻線1のリッツ線の仕上がり径と同線径としてもよい。例えば、巻線1には、線径0.3mmの外周表面が絶縁された素線を38本撚り合わせたリッツ線を用いる。リッツ線には仕上がり断面が円形を維持する目的で外周にテトロンを巻きつけてもよい。この場合、巻線1のリッツ線の仕上がり径は約2.4mmとなるので、巻線2には、2.4mmの単線を用いる。図2において、巻線は二重巻きとなっているので、ギャップ13を囲む領域において、巻線の最内周がリッツ線(巻線1)で構成され、巻線の最外周が単線(巻線2)で構成されている。なお、図2においては、特に、巻線1および巻線2は、ギャップ13および中央脚14を囲む全ての領域において、巻線の最内周がリッツ線(巻線1)で構成され、巻線の最外周が単線(巻線2)で構成されている。
図4は、リアクトルの漏れ磁束が流れる様子を示す図であり、図2のギャップ13の周辺に注目して、磁束15を示した図である。ギャップ13以外の鉄心部分には、真空に対して非透磁率が高い磁性材料を用いているので、ほぼ全ての磁束15は鉄心(図4では脚部14p、14q)の中を通る。なお、鉄心を通過する磁束15によって、レンツの法則により、鉄心中に磁束15を妨げる方向に電流が流れようとする。しかしながら、鉄心に、珪素鋼板に代表されるような、磁束の通過方法を面方向として周囲が絶縁された薄い鋼板の積層構造、あるいはダストコアのような周囲が絶縁された細かな粒状の磁性材料を押し固めた構造を用いることは公知である。このような構造を採用し、この渦電流が流れようとする方向の面積を低減することによって、無視できる範囲にまで渦電流損失を低減している。
一方、図4に示すように、ギャップ13部分の磁束は、鉄心の延伸方向に沿って直線的にはならず、巻線が巻回されている部分にまで広がる。従来のように単線のみを巻線に利用したリアクトルでは、巻線に磁束15が鎖交した時に、巻線にはこの磁束15を妨げようとする方向に電流が流れる。たとえば線径が2.4mmのような単線では、この漏れ磁束による渦電流が流れる面積が広いため、渦電流損失が無視できなくなる。そこで、本実施の形態では、ギャップ13を囲む領域における漏れ磁束が顕著に鎖交する内周側に巻回する巻線1として細い素線を多数撚り合わせたリッツ線を使用している。リッツ線は、素線の外周表面に絶縁が施されている。例えば、素線0.3mmを用いたリッツ線では、漏れ磁束が鎖交した時に渦電流が流れる面積が狭いため、渦電流損失を無視できる範囲にまで低減することが可能である。
このように、リッツ線には、漏れ磁束による渦電流損失を低減できるという利点があるが、細い素線が多数撚られた構造によって巻線の断面に占める導体の割合である占積率が低下する。このため、50Hzあるいは60Hzなどの商用周波数領域において、リッツ線の巻線抵抗が同じ仕上がり径の単線の巻線抵抗よりも大きくなり、抵抗損失が増加するという欠点がある。そこで、本実施の形態では、ギャップ13を囲む領域における漏れ磁束が少ない外周側に巻回する巻線2として単線を使用し、商用周波数領域での巻線抵抗を低減している。
なお、前述の図2による説明では、巻線全体は、巻線1と巻線2をそれぞれ一重に巻回した二重巻きとなっているが、三重以上の多重巻きにしてもよい。図5は、本発明の実施の形態1における別のリアクトルの断面図である。図6は、図5に示したリアクトルの巻線結線を示す回路図である。また、図7は、図5に示したリアクトルの漏れ磁束が流れる様子を示す図である。図5に示したリアクトル20と図2に示したリアクトル10との相違点は、巻線の構成である。図5において、巻線全体は、同一巻数Cターンの巻線をn重巻きにして構成される。この場合、中央脚14に近接する内周側に巻回されるx重(x:整数かつ1≦x<n)の巻線(図5における巻線1から巻線j)は、細い線径の素線を多数撚り合わせたリッツ線で構成され、その外周側に巻回されるy重(y=n−x)の巻線(図5における巻線kから巻線n)は、単線で構成され、全体でn重(n=x+y)に巻回している。巻線kから巻線nの単線の線径を、巻線1から巻線jのリッツ線の仕上がり径と同線径としてもよい。図6に示すように、巻線1から巻線nの端部は、インダクタンスを損なわない巻き方向で並列に接続されている。図5において、ギャップ13を囲む領域において、巻線の最内周がリッツ線(巻線1)で構成され、巻線の最外周が単線(巻線n)で構成されている。
巻線全体の多重巻数nを増やすことによって、鉄心における巻線を施すことが可能なスペースを有効利用できるので、巻線抵抗をさらに低減できる。また、図7に示すように、ギャップ13からの漏れ磁束の広がりに応じて、リッツ線を使用する巻線1から巻線jまでの多重巻数xを調整すれば、高周波数領域での巻線部分の渦電流損失の低減と、低周波数領域での巻線抵抗の低減とを両立でき、より低損失なリアクトルを実現することができる。
以上のように、単線と素線が多数撚り合わされたリッツ線とを多重に巻回し、ギャップ13を囲む領域において巻線全体の最内周がリッツ線で構成され、巻線全体の最外周が単線で構成されるので、鉄心11、12のギャップ13からの漏れ磁束によって生じる巻線での渦電流損失の低減と巻線抵抗の低減が両立できるリアクトルを得ることができる。
実施の形態2.
図8は、本発明の実施の形態2におけるリアクトルの断面図である。また、図9は、図8に示したリアクトルの漏れ磁束が流れる様子を示す図である。本実施の形態におけるリアクトルも実施の形態1におけるリアクトルと同様に、低周波数成分の電流および高周波数成分の電流の両方が流れる用途で使用されるものである。図8において、実施の形態1と同様に、リアクトル30は、磁性材料で形成された2つのE形鉄心11およびE形鉄心12が向かい合うように配置し、ギャップ13を設けた中央脚14には巻線1aおよび巻線2aが巻回されて(巻きつけられて)構成されている。中央脚14は、対向する一組の脚部14p、14qで構成され、脚部14p、14q間にギャップ13が形成される。
巻線1aおよび巻線2aは、中央脚14のまわりを中央脚14の延伸方向に沿って、同じ巻数Cターンで巻回されている。巻線1aには細い線径の素線を多数撚り合わせたリッツ線を使用し、巻線2aには巻線1aのリッツ線の仕上がり径と同線径の単線を使用する。実施の形態1と異なる点は、リッツ線および単線の鉄心への巻回の仕方である。実施の形態1では、中央脚14の延伸方向の全体において、つまり巻線全体の構成として、中央脚14に近接する内周側にリッツ線を配置し、外周側に単線を配置している。本実施の形態では、少なくともギャップを囲む領域においては、中央脚14に近接する内周側にリッツ線を配置し、外周側に単線を配置しているが、ギャップを囲む領域以外においては、そのような制限がなく、実施の形態1と同じ線種の巻線1aと巻線2aを、中央脚14の延伸方向に沿った途中で入れ替えるように配置している。つまり、一組の脚部14p、14qを囲む一部の領域においては、最内周が単線(巻線2a)で構成され、最外周がリッツ線(巻線1a)で構成されている。
図8を用いて、具体的な一例を説明する。巻線1aおよび巻線2aの巻き始めとなる1ターン目は、巻線1aが外周側に、巻線2aが内周側になるように配置する。巻数がC/4ターン(図8では4ターン)を過ぎたところで、巻線1aが内周側に、巻線2aが外周側になるように入れ替える。そして、巻数が3C/4ターン(図8では12ターン)を過ぎたところで巻線1aが外周側に、巻線2aが内周側になるように入れ替える。なお、C/4ターンや3C/4ターンが整数にならない場合、C/4や3C/4付近の値となるターン数を過ぎたところで入れ替えを行ってもよい。実施の形態1と同様、図3に示すように、巻線1aおよび巻線2aの端部は、巻線1aおよび巻線2aの両者のインダクタンスを損なわない巻き方向で並列に接続されている。
このように単線とリッツ線とを入れ替える巻回の仕方を施すことによって、二重に巻回される巻線のうちの一重分の巻線であるリッツ線(巻線1a)と中央脚14の中心線14cとの間の平均距離を、二重に巻回される巻線のうちの他の一重分の巻線である単線(巻線2a)と中央脚14の中心線14cとの間の平均距離に略等しくすることができる。このため、巻線1aのインダクタンスと巻線2aのインダクタンスとを均等にすることができる。ここで、中央脚14の中心線14cは、脚部14pと脚部14qとが対抗する面のそれぞれの中心を結んで中央脚14の延伸方向に伸ばした線に相当する。また、一重分の巻線と中心線14cとの間の平均距離は、一重分の巻線の各ターン毎に巻線と中心線14cとの間の距離を求め、これらの距離を平均したものである。
巻線1aのインダクタンスと巻線2aのインダクタンスとが均等ではない場合は、巻線1aの電圧降下と巻線2aの電圧降下とが等しくなるように、巻線1aと巻線2aとの間には大きな循環電流が流れてしまう。この結果、銅損の増加を招いてしまう。しかしながら、本実施の形態のように、巻線1aのインダクタンスと巻線2aのインダクタンスとを均等にするような巻回の仕方を施すことによって、このような循環電流を抑制することができる。また、図9に示すように、ギャップ13を囲む領域では、実施の形態1と同様に、漏れ磁束が顕著に鎖交する内周側の巻線にリッツ線を用いた巻線1aが配置されているので、巻線部分での渦電流損失も低減することができる。
なお、図8では、単線とリッツ線との入れ替えを2回行ったが、二重に巻回される巻線のうちの一重分の巻線であるリッツ線(巻線1a)と中央脚14の中心線14cとの間の平均距離が、多重に巻回される巻線のうちの他の一重分の巻線である単線(巻線2a)と中央脚14の中心線14cとの間の平均距離に略等しく、かつ、ギャップ13を囲む領域においてリッツ線を用いる巻線1aが、中央脚14に近接する内周側に配置されれば、単線とリッツ線とを入れ替える回数、入れ替える箇所とは関係なく、同等の効果を得ることができる。
なお、前述の図8による説明では、巻線全体は二重巻きとなっているが、三重以上の多重巻きにしてもよい。図10は、本発明の実施の形態2における別のリアクトルの断面図である。図10に示すように、リアクトル40の巻線全体を、同一巻数Cターンの巻線をn重巻きに構成し、図6に示すように、巻線1から巻線nの端部がインダクタンスを損なわない巻き方向で並列に接続してもよい。この場合でも、多重に巻回される巻線のうちの一重分の巻線である巻線1aと中央脚14の中心線14cとの間の平均距離が、巻線1a以外の各一重分の巻線(巻線2a(図示せず)〜巻線na)と中央脚14の中心線14cとの間のそれぞれの平均距離と略等しくなるように巻回する。さらに、ギャップ13を囲む領域において、リッツ線を用いるx重の巻線(巻線1aから巻線ja)が中央脚14に近接する内周側に配置されるように、単線を用いるy重の巻線(巻線kaから巻線na)とリッツ線を用いるx重の巻線(巻線1aから巻線ja)との入れ替えを行う。この入れ替えの際に、ギャップ13を囲む領域において最内周に巻回される巻線1aは、最外周に巻回される。また、ギャップ13を囲む領域において最外周に巻回される巻線naは、最内周に巻回される。
このように多重巻数xを調整して並列数を増加すると、ギャップ13からの漏れ磁束による渦電流損失の低減効果とインダクタンスの違いによる循環電流の抑制効果を維持し、巻線部分での渦電流損失も低減したまま、巻線を施すスペースの有効利用が可能となり、さらに巻線抵抗を低減することができる。
実施の形態3.
図11は、本発明の実施の形態3におけるリアクトルの断面図である。図12は、図11に示したリアクトルの巻線結線を示す回路図である。図13は、図11に示したリアクトルの別の巻線結線を示す回路図である。2つのU形鉄心が向かい合うように配置して、ギャップを2箇所設けた脚部を構成し、それぞれの脚部に巻線を巻回した点が実施の形態1と異なる。1つの脚部に対する巻線の巻回の仕方については、実施の形態1と同じである。本実施の形態においても、実施の形態1、2と同様に、低周波成分の電流および高周波成分の電流の両方が流れる用途に使用されるリアクトルを前提としている。
図11において、リアクトル50は、磁性材料で形成された2つのU形鉄心51およびU形鉄心52がギャップ53a、53bを確保して向かい合うように配置されている。ギャップ53aを設けた第1側脚54aには巻線A1および巻線A2が巻回されて構成されている。第1側脚54aは、対向する一組の脚部54ap、54aqで構成され、脚部54ap、54aq間にギャップ53aが形成される。また、ギャップ53bを設けた第2側脚54bには巻線B1および巻線B2が巻回されて構成されている。第2側脚54bは、対向する一組の脚部54bp、54bqで構成され、脚部54bp、54bq間にギャップ53bが形成される。つまり、巻線A1、A2、巻線B1、B2は、複数組の脚部である脚部54ap、54aq、脚部54bp、54bqに対してそれぞれ巻回されている。
本発明の実施の形態において、ギャップ53a、53bはエアギャップであるが、このギャップ部に透磁率が小さい材料を設けても良い。U形鉄心51、52の磁性材料には、珪素鋼板、珪素含有量が6.5%の鋼板(スーパーEコア)、フェライトコア、アモルファスコア、鉄・アルミ・珪素を混ぜ合わせたダストコア、ナノ結晶柔磁性材料のファインメットコアなどが使用できる。なお、鉄心の形は限定しておらず、巻線を施す鉄心の脚にギャップが含まれることが特徴である。
本実施の形態におけるリアクトル50では、実施の形態1で示したリアクトル10への巻線の巻回の仕方と同じように、第1側脚54aに巻線A1、A2を、第2側脚54bに対して巻線B1、B2が巻回されている。巻線A1および巻線A2は、第1側脚54aのまわりを第1側脚54aの延伸方向に沿って、同じ巻数Cターンで巻回されている。巻線A1は、第1側脚54aに近接する内周側に巻回されている。巻線A2は、第1側脚54aに遠い外周側に巻回されている。同様に、巻線B1および巻線B2は、第1側脚54bのまわりを第1側脚54bの延伸方向に沿って、同じ巻数Cターンで巻回されている。巻線B1は、第1側脚54bに近接する内周側に巻回されている。巻線B2は、第1側脚54bに遠い外周側に巻回されている。巻線A1、A2、B1、B2は、多重に巻回される巻線のうちのそれぞれ一重分の巻線である。図12に示すように、巻線A1、A2、B1、B2の端部は、各巻線のインダクタンスを損なわない巻き方向で並列に接続されている。
実施の形態1と同様に、第1側脚54aに近接する内周側に巻回される巻線A1は、細い線径の素線を多数撚り合わせたリッツ線で構成され、その外周側に巻きつける巻線A2は、単線で構成され、巻線A1および巻線A2を二重に巻回している。巻線A2の単線の線径を、巻線A1のリッツ線の仕上がり径と同線径としてもよい。同様に、第2側脚54bに近接する内周側に巻回される巻線B1は、細い線径の素線を多数撚り合わせたリッツ線で構成され、その外周側に巻きつける巻線B2は、単線で構成され、巻線B1および巻線B2を二重に巻回している。巻線B2の単線の線径を、巻線B1のリッツ線の仕上がり径と同線径としてもよい。図11において、巻線は二重巻きとなっているので、ギャップ53aを囲む領域において、巻線の最内周がリッツ線(巻線A1)で構成され、巻線の最外周が単線(巻線A2)で構成され、ギャップ53bを囲む領域において、巻線の最内周がリッツ線(巻線B1)で構成され、巻線の最外周が単線(巻線B2)で構成されている。
実施の形態1と同様に、ギャップ53a、53bを囲む領域において、巻線の最内周をリッツ線で構成することによって、漏れ磁束による渦電流損失を低減でき、巻線の最外周を単線で構成することによって商用周波数領域での巻線抵抗を低減することができる。このような効果に加えて、本実施の形態では、巻線の並列数を増加できるので、巻線抵抗をさらに低減することができる。
また、第1側脚54aに巻回した巻線A1、A2と、第1側脚54bに巻回した巻線B1、B2とを並列接続せずに、図13のように巻線A1、A2、B1、B2を接続してもよい。つまり、巻線A1、A2、巻線B1、B2のそれぞれは、複数の側脚54a、54b(複数組の脚部である脚部54ap、54aq、脚部54bp、54bq)のそれぞれに対して巻回され、かつ、それぞれの側脚54a、54b(それぞれの組の脚部)に巻回された巻線毎に、インダクタンスを損なわない方向で並列に接続されることなる。このように巻線A1、A2、巻線B1、B2を接続することによって、図14に示すような単相の電力変換装置において、1台のリアクトル113にて電力変換器114と単相系統電源111とを接続することが可能である。
なお、図11では、巻線を二重に巻回した場合について示したが、巻線は三重以上であってもよい。図15は、本発明の実施の形態3における別のリアクトルの断面図である。図16は、図15に示したリアクトルの巻線結線を示す回路図である。図17は、図15に示したリアクトルの別の巻線結線を示す回路図である。図15に示したリアクトル60と図11に示したリアクトル50との相違点は、巻線の構成である。図15においては、対向する一組の脚部に対する巻線の巻回の仕方は実施の形態1の図5と同様である。図15において、巻線全体は、同一巻数Cターンの巻線をn重巻きにして構成される。この場合、側脚54a、54bに近接する内周側に巻回されるx重(x:整数かつ1≦x<n)の巻線(図15における巻線A1から巻線Aj、巻線B1から巻線Bj)は、細い線径の素線を多数撚り合わせたリッツ線で構成され、その外周側に巻回されるy重(y=n−x)の巻線(図15における巻線Akから巻線An、巻線Bkから巻線Bn)は、単線で構成され、全体でn重(n=x+y)に巻回されている。巻線Akから巻線An、巻線Bkから巻線Bnの単線の線径を、巻線A1から巻線Aj、巻線B1から巻線Bjのリッツ線の仕上がり径と同線径としてもよい。図16に示すように、巻線A1から巻線Bnの端部は、インダクタンスを損なわない巻き方向で並列に接続されている。
また、第1側脚54aおよびに巻回した巻線A1からAnと、第1側脚54bに巻回した巻線B1からBnとを、並列接続せずに、図17のように巻線A1からAn、B1からBnを接続してもよい。このように巻線を接続することによって、前述のとおり、図14に示すような単相の電力変換装置において、1台のリアクトル113にて電力変換器114と単相系統電源111とを接続することが可能である。
巻線全体の多重巻数nを増やすことによって、鉄心における巻線を施すことが可能なスペースを有効利用できるので、巻線抵抗をさらに低減できる他に、ギャップ53a、53bからの漏れ磁束の広がりに応じて、リッツ線を使用する巻線A1から巻線Ajまで(巻線B1から巻線Bjまで)の多重巻数xを調整すれば、高周波数領域での巻線部分の渦電流損失の低減と、低周波数領域での巻線抵抗の低減を両立でき、より低損失なリアクトルを実現することができる。
実施の形態4.
図18は、本発明の実施の形態4におけるリアクトルの断面図である。図19は、別のリアクトルの断面図である。2つのU形鉄心が向かい合うように配置して、ギャップを2箇所設けた脚部を構成し、それぞれの脚部に巻線を巻回した点が実施の形態2と異なる。1つの脚部に対する巻線の巻回の仕方については、実施の形態2と同じである。
図18において、リアクトル70は、磁性材料で形成された2つのU形鉄心51およびU形鉄心52がギャップ53a、53bを確保して向かい合うように配置されている。ギャップ53aを設けた第1側脚54aには巻線A1aおよび巻線A2aが巻回されて構成されている。第1側脚54aは、対向する一組の脚部54ap、54aqで構成され、脚部54ap、54aq間にギャップ53aが形成される。また、ギャップ53bを設けた第2側脚54bには巻線B1aおよび巻線B2aが巻回されて構成されている。第2側脚54bは、対向する一組の脚部54bp、54bqで構成され、脚部54bp、54bq間にギャップ53bが形成される。
巻線A1aおよび巻線A2aは、第1側脚54aのまわりを第1側脚54aの延伸方向に沿って、同じ巻数Cターンで巻回されている。巻線A1aには細い線径の素線を多数撚り合わせたリッツ線を使用し、巻線A2aには巻線A1aのリッツ線の仕上がり径と同線径の単線を使用する。本実施の形態では、少なくともギャップ53aを囲む領域においては、第1側脚54aに近接する内周側にリッツ線(巻線A1a)を配置し、外周側に単線(巻線A2a)を配置しているが、ギャップを囲む領域以外においては、そのような制限がなく、巻線A1aと巻線A2aを、第1側脚54aの延伸方向に沿った途中で入れ替えるように配置している。巻線B1aおよび巻線B2aについても、巻線A1aおよび巻線A2aと同様に、第2側脚54bのまわりに巻回されている。
実施の形態2と同様に、このように単線とリッツ線とを入れ替える巻回の仕方を施すことによって、二重に巻回される巻線のうちの一重分の巻線であるリッツ線(巻線A1a)と第1側脚54aの中心線54caとの間の平均距離を、二重に巻回される巻線のうちの他の一重分の巻線である単線(巻線A2a)と第1側脚54aの中心線54caとの間の平均距離に略等しくすることができる。このため、巻線A1aのインダクタンスと巻線A2aのインダクタンスとを均等にすることができ、巻線A1aと巻線A2aとの間の循環電流を抑制することができるので、銅損の増加を防ぐことができる。ここで、第1側脚54aの中心線54caは、脚部54apと脚部54aqとが対抗する面のそれぞれの中心を結んで第1側脚54aの延伸方向に伸ばした線に相当する。巻線B1aおよび巻線B2aについても同様に、単線とリッツ線とを入れ替える巻回の仕方を施す。また、ギャップ53a、53bの部分では、実施の形態1と同様に、漏れ磁束が顕著に鎖交する内周側の巻線にリッツ線を用いた巻線A1a、B1aが配置されているので、巻線部分での渦電流損失も低減することができる。さらに、巻線の並列数を増加できるので、巻線抵抗をさらに低減することができる。
図18では、単線とリッツ線との入れ替えを2回行ったが、二重に巻回される巻線のうちの一重分の巻線であるリッツ線(巻線A1a)と第1側脚54aの中心線54caとの間の平均距離が、多重に巻回される巻線のうちの他の一重分の巻線である単線(巻線A2a)と第1側脚54aの中心線54caとの間の平均距離に略等しく、かつ、ギャップ53aを囲む領域においてリッツ線を用いる巻線A1aが、第1側脚54aに近接する内周側に配置されれば、単線とリッツ線とを入れ替える回数、入れ替える箇所とは関係なく、同等の効果を得ることができる。巻線B1aおよび巻線B2aについても、同様の巻回の仕方を施すことによって、同様の効果が得られる。
なお、前述の図18による説明では、巻線全体は二重巻きとなっているが、三重以上の多重巻きにしてもよい。図19は、本発明の実施の形態4における別のリアクトルの断面図である。図19に示すように、リアクトル80では、一側脚あたり任意の多重巻数nを使用し、図16に示すように巻線1から巻線nの端部がインダクタンスを損なわない巻き方向で並列に接続してもよい。この場合でも、多重に巻回される巻線のうちの一重分の巻線である巻線A1aと第1側脚54aの中心線54caとの間の平均距離が、巻線A1a以外の各一重分の巻線(巻線A2a(図示せず)〜巻線Ana)と第1側脚54aの中心線54caとの間のそれぞれの平均距離と略等しくなるように巻回する。さらに、ギャップ53aを囲む領域において、リッツ線を用いるx重の巻線(巻線A1aから巻線Aja)が第1側脚54aに近接する内周側に配置されるように、単線を用いるy重の巻線(巻線Akaから巻線Ana)とリッツ線を用いるx重の巻線との入れ替えを行う。巻線B1aから巻線Bnaについても同様に構成されている。このように多重巻数xを調整して並列数を増加すると、ギャップ53aからの漏れ磁束による渦電流損失の低減効果とインダクタンスの違いによる循環電流の抑制効果を維持したまま、巻線を施すスペースの有効利用が可能となり、巻線抵抗を低減することができる。
本実施の形態において、巻線の接続については実施の形態3と同様に、図12、図16に示すように、インダクタンスを損なわない巻き方向で並列に接続する。また、図13、図17に示すように接続して、単相の電力変換装置に適用してもよい。
実施の形態5.
図20は、本発明の実施の形態5におけるリアクトルの断面図である。実施の形態1〜4において、鉄心の脚1つに対して1つのギャップが1つ設けられた場合を例にして説明したが、図20のように、鉄心の1つの脚に対して複数のギャップを設けてもよい。図20において、リアクトル90は、ブロック状の磁性材料の鉄心91、92、93、94、95を組合せて構成されている。図20の場合、2つのギャップ96、97が形成されている。
図20に示すように、2つ以上のギャップ96、97が形成されていても、ギャップ96、97を設けた中央脚98に、単線(巻線ka〜na)と素線が多数撚り合わされたリッツ線(巻線1a〜ja)とが多重に巻回されている。ギャップ96、97を囲む領域において巻線全体の最内周がリッツ線で構成され、巻線全体の最外周が単線で構成されるので、高周波数領域での巻線部分の渦電流損失の低減と、低周波数領域での巻線抵抗の低減を両立でき、より低損失なリアクトルを実現することができる。また、図20に示すように、各巻線1a〜naのインダクタンスを均等にするような巻回の仕方を施すことによって、循環電流を抑制することができる。
なお、全ての実施の形態において、巻線を鉄心に直接施すように図示しているが、ボビンに巻線を施してから、鉄心にボビンを装着してもよい。また、全ての実施の形態において、巻線と巻線との間に絶縁紙を挿入することを言及していないが、巻線間の絶縁を確保する目的で巻線間に絶縁紙を挿入してもよい。ただし、巻線を並列に接続する場合は、巻線同士の重なり合う部分はほぼ同電位であり、絶縁紙を挿入せずに、巻線の上に巻線を施すことも可能である。図21に巻線配置の一例を示す断面図である。この場合、図21(a)のように1層目に巻きつけた1層目の巻線(WL1)の真上に2層目の巻線(WL2)を巻き付け、2層目の巻線(WL2)の真上に3層目の巻線(WL3)を巻き付けてもよいが、図21(b)のように1層目の巻線(WL1)の隙間に2層目の巻線(WL2)を巻き付け、2層目の巻線(WL2)の隙間に3層目の巻線(WL3)を巻き付けるようにすれば、導体の占積率が上昇し並列数を増加できるので、巻線抵抗をさらに低減することができる。
1〜j,A1〜Aj,B1〜Bj,1a〜ja,A1a〜Aja,B1a〜Bja 巻線(リッツ線)、2,k〜n,A2,Ak〜An,B2,Bk〜Bn,2a,ka〜na,A2a,Aka〜Ana,B2a,Bka〜Bna 巻線(単線)、10,20,30,40,50,60,70,80,90、103,113 リアクトル、11,12 E形鉄心、51,52 U形鉄心、91,92,93,94,95 鉄心、13,53a,53b,96,97 ギャップ、14,98 中央脚、14c,54ca,54cb 中心線、14p,14q,54ap,54aq,54bp,54bq 脚部、15 磁束、54a 第1側脚、54b 第2側脚、101,111 三相系統電源、102,112 コンデンサ、104,114 電力変換器。

Claims (6)

  1. 対向する少なくとも一組の脚部を有し、前記一組の脚部によってギャップが形成される鉄心と、
    前記一組の脚部の延伸方向に沿って前記一組の脚部に巻回され、かつ、前記延伸方向に略垂直な方向に重なるように多重に巻回される巻線とを備え、
    前記ギャップを囲む領域において、前記巻線の最内周が素線を多数撚り合わされたリッツ線で構成され、
    前記巻線の最外周が、前記リッツ線の外径と略等しく、かつ、前記巻線に流れる主電流の周波数領域における電気抵抗が前記リッツ線よりも小さい単線で構成されることを特徴とするリアクトル。
  2. 前記巻線は、前記ギャップおよび前記一組の脚部を囲む全ての領域において、前記巻線の最内周が前記リッツ線で構成され、前記巻線の最外周が前記単線で構成されることを特徴とする請求項1に記載のリアクトル。
  3. 前記巻線は、前記一組の脚部を囲む一部の領域において、前記巻線の最内周が前記単線で構成され、前記巻線の最外周が前記リッツ線で構成されることを特徴とする請求項1に記載のリアクトル。
  4. 前記一組の脚部が対向する面の中心を前記延伸方向に伸ばした線を前記一組の脚部の中心線とし、
    前記巻線は、前記多重に巻回される巻線のうちの一重分の巻線と前記中心線との間の平均距離が、前記多重に巻回される巻線のうちの他の一重分の巻線と前記中心線との間の平均距離に略等しくなるように構成されることを特徴とする請求項1に記載のリアクトル。
  5. 前記鉄心は、対向する複数組の脚部を有し、前記複数組の脚部によって複数のギャップが形成されるものであり、
    前記巻線は、前記複数組の脚部に対してそれぞれ巻回され、かつ、前記巻線のインダクタンスが消失しない巻き方向で並列に接続されることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のリアクトル。
  6. 前記鉄心は、対向する複数組の脚部を有し、前記複数組の脚部によって複数のギャップが形成されるものであり、
    前記巻線は、前記複数組の脚部に対してそれぞれ巻回され、かつ、前記それぞれの組の脚部に巻回された巻線毎に前記巻線のインダクタンスが消失しない巻き方向で並列に接続されることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のリアクトル。
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