JP5923908B2

JP5923908B2 - リアクトル

Info

Publication number: JP5923908B2
Application number: JP2011206842A
Authority: JP
Inventors: 元崇佐藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: JP2013069826A

Description

本発明は、リアクトルに係り、特にギャップ付き鉄心型のリアクトルの主脚鉄心とヨーク鉄心との磁気結合部におけるヨーク鉄心の損失を低減するヨーク鉄心構造に関する。

リアクトルの誘導性リアクタンスを利用して、電力系統などの電気回路のインピーダンスを調整することが行われている。例えば、長距離送電や電力ケーブルの採用により、電力系統の対地静電容量が増加したため、深夜などの電力負荷が軽負荷のときにフェランチ効果で送電端電圧よりも受電端電圧が上昇することがある。このような電圧上昇を防止するために、軽負荷時に負荷に分路リアクトルを並列接続して進相無効電力を消費することにより、電圧上昇を抑制することが行われている。

このような分路リアクトル等のリアクトルは、一般に、十分なインダクタンスを確保し、かつ小型化するために磁気回路を鉄心で形成している。また、鉄心の磁気飽和によるインダクタンスの急激な減少及び電圧及び電流の波形歪を抑制するために、巻線を巻回する脚鉄心にギャップ付き鉄心が用いられている。ギャップ付き鉄心は、複数の円盤状に形成したラジアル鉄心パケットを非磁性体である絶縁材を挟んで積層して形成される。そして、ギャップ付き鉄心からなる脚鉄心の両端に絶縁材のギャップ（以下、ギャップ部という。）を介してヨーク鉄心を磁気結合して形成される。

一方、ヨーク鉄心は、複数枚の電磁鋼板（一般には、珪素鋼板）を重ね、重ね面を脚鉄心の軸方向に平行に配列して複数の脚鉄心の両端に架け渡して設けられる。また、ヨーク鉄心は複数の脚鉄心に架け渡す長手方向に、一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を合わせて配置される。ところが、巻線に流れる電流により発生した磁束は、脚鉄心からギャップ部を介してヨーク鉄心の方向性磁性鋼板の磁化容易方向に対して垂直に流入することになるため、ヨーク鉄心には磁束が流入しにくい。そのため、ヨーク鉄心の脚鉄心との磁気結合部の磁束密度が増加するとともに損失が増加し、損失増加による局所加熱によって鉄心を部分的に膨張させ、騒音を増加させるという問題がある。

このようなヨーク鉄心の脚鉄心との磁束結合部の損失増加の問題を解決するため、特許文献１に、ヨーク鉄心の脚鉄心との磁束結合部の部分のみを二方向性電磁鋼板で構成し、他のヨーク鉄心の部分は一方向性電磁鋼板で構成することが提案されている。これによれば、一方向性電磁鋼板で構成する場合に比べて、ヨーク鉄心の脚鉄心との磁束結合部の損失を大幅に低減することができるとしている。

特開２０１０−２５１７２０号公報

しかしながら、特許文献１では、リアクトルの巻線からヨーク鉄心に流入する漏れ磁束によるヨーク鉄心の損失増加や局所加熱について配慮されていない。すなわち、巻線が発生する磁束の大部分は脚鉄心内を流れるが、脚鉄心内に進入しない漏れ磁束の一部にヨーク鉄心に流入する。

特に、分路リアクトル等のリアクトルは、脚鉄心に巻回される巻線が１つであるから、変圧器などのように１次、２次巻線が互いにアンペアターンを打ち消し合うことないため、変圧器に比べて漏れ磁束が大きい。したがって、巻線からヨーク鉄心に流入する漏れ磁束によるヨーク鉄心の損失増加や局所加熱を無視することができない。

本発明が解決しようとする課題は、リアクトル巻線からの漏れ磁束によるヨーク鉄心の損失を低減することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、脚鉄心と、前記脚鉄心の両端に磁気結合されたヨーク鉄心と、前記脚鉄心に卷回された巻線とを有し、前記脚鉄心に磁気結合される前記ヨーク鉄心の磁気結合部は無方向性電磁鋼板により形成され、前記磁気結合部に接合される前記ヨーク鉄心の磁気回路部は前記ヨーク鉄心の長手方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板により形成されてなるリアクトルにおいて、前記ヨーク鉄心の前記磁気結合部の前記無方向性電磁鋼板と前記方向性電磁鋼板とが接合される接合部は、前記脚鉄心に巻回される前記巻線の内径と外径の間に位置させて、前記脚鉄心の軸に平行に設けられてなることを特徴とする。

このように構成することにより、本発明によれば、脚鉄心との磁気結合部におけるヨーク鉄心が無方向性電磁鋼板で形成され、かつ、磁気結合部の無方向性電磁鋼板と方向性電磁鋼板とが接合される接合部の位置が、巻線の内径と外径との間に位置されているから、巻線の漏れ磁束がヨーク鉄心に流れ込み易くなる。また、方向性電磁鋼板の部分に流入するまでの経路の磁束密度及び磁気抵抗を小さくできるから、脚鉄心との磁気結合部におけるヨーク鉄心の損失を大幅に低減できる。この場合において、無方向性電磁鋼板と方向性電磁鋼板との接合部の位置は、巻線の内径と外径の中央部ないし外径側に位置させることが好ましい。

また、本発明において、前記ヨーク鉄心は、前記無方向性電磁鋼板と前記方向性電磁鋼板をそれぞれ複数枚重ね合わせて形成され、前記磁気結合部における前記接合部は、前記無方向性電磁鋼板と前記方向性電磁鋼板を互い違いに噛み合わせたラップ構造に形成され、前記ラップ構造における前記無方向性電磁鋼板の少なくとも突出側の端部を前記巻線の内径と外径の間に位置させて形成することができる。さらに、ラップ構造における無方向性電磁鋼板の突出側の端部を、巻線の内径と外径の中央部から外径までの間に位置させるように形成することが好ましい。

また、本発明において、前記脚鉄心は、複数の円盤状のラジアル鉄心パケットが非磁性体を挟んで積層され、前記ヨーク鉄心との磁気結合部との間にも非磁性体が介装されてなるギャップ付き鉄心を適用することができる。

本発明によれば、リアクトルの巻線からの漏れ磁束によるヨーク鉄心の損失を低減することができる。

本発明の一実施形態の分路リアクトルのヨーク鉄心を含む構造を示す模式図である。分路リアクトルの脚鉄心とヨーク鉄心との磁気結合部の磁束の流れを説明する図である。

本発明のリアクトルを適用した分路リアクトルの一実施形態を、図１を参照して説明する。図１は、三相の分路リアクトル１の鉄心及び巻線部の断面を模式的に示している。分路リアクトル１は、長距離送電や電力ケーブルの採用によって電力系統の対地静電容量が増加したことにより、深夜などの電力負荷が軽負荷のときに送電端電圧よりも受電端側の電圧上昇を抑制する調相装置である。つまり、分路リアクトル１を負荷に並列に接続して、進相無効電力を消費することにより電圧上昇を抑制することができる。

図１に示すように、分路リアクトル１は、三相分の脚鉄心２と、脚鉄心２の上下の両端に磁気結合された上部及び下部のヨーク鉄心３と、三相分の脚鉄心２にそれぞれ卷回された三相分の巻線４とを有して構成されている。三相分の脚鉄心２は、それぞれ同一に構成され、複数の円盤状のラジアル鉄心パケット５が磁気ギャップ６を介して積層されたギャップ付き鉄心として形成されている。なお、図示していないが、磁気ギャップ６には非磁性体である絶縁材が介装されている。また、脚鉄心２の上下の両端とヨーク鉄心３との間にも、非磁性体である絶縁材が介装された磁気ギャップ７がそれぞれ設けられ、非磁性体である絶縁材が介装されている。そして、脚鉄心２は、上部及び下部のヨーク鉄心３に図示していない締め付け部材により、強く締め付けて挟持されている。

ここで、本発明の実施形態の特徴部の構成について説明する。本実施形態のヨーク鉄心３の脚鉄心２との磁気結合部は、無方向性珪素鋼板８を用いて構成され、その磁気結合部を除く部位のヨーク鉄心３は、方向性珪素鋼板９を用いて構成されている。つまり、ヨーク鉄心３は複数枚の無方向性珪素鋼板８と複数枚の方向性珪素鋼板（一方向性珪素鋼板ともいう。）９をそれぞれ重ね合わせて形成されている。また、重ね合わせ面を脚鉄心２の軸方向に平行にして、脚鉄心２に磁気結合されている。無方向性珪素鋼板８と方向性珪素鋼板９の接合部は、互い違いに噛み合わせたラップ部１０を有する構造に形成されている。つまり、双方の端部を互い違いに突出させて櫛の歯状にし、それらの櫛の歯を噛み合わせて形成されている。ラップ部１０における無方向性珪素鋼板８の少なくとも突出側の端部を巻線４の内径と外径の間に位置させて形成している。なお、これに変えて、ラップ部１０における無方向性珪素鋼板８の突出側の端部を、巻線４の内径と外径の中央部から外径までの間に位置させて形成してもよい。

このように構成される分路リアクトル１の動作を説明する。まず、図２を参照して、ヨーク鉄心３１の全体を方向性珪素鋼板により構成した場合を例にして、磁束の流れを説明する。図中に白抜き矢印１２で示した方向が方向性珪素鋼板の磁化容易方向である。分路リアクトル１において、各巻線４に流れる電流により発生する主磁束１１は、脚鉄心２とヨーク鉄心３とからなる磁気回路を通って、各相の瞬時電圧の差に応じて他の巻線４の脚鉄心２に流れ込む。

ところが、巻線に流れる電流により発生した主磁束１１は、脚鉄心２から磁気ギャップ７を介してヨーク鉄心３１の方向性磁性鋼板の磁化容易方向１２に対して垂直に流入することになる。そのため、ヨーク鉄心３１には主磁束１１が流入しにくいから、侵入深さが抑えられながら磁化容易方向１２に沿う方向に曲げられて透過する。その結果、ヨーク鉄心３１の脚鉄心２との磁気結合部の磁束密度が増加するとともに損失が増加し、損失増加による局所加熱によって鉄心を部分的に膨張させ、騒音を増加させるという問題につながる。

この点、本実施形態によれば、ヨーク鉄心３１の脚鉄心２との磁気結合部のヨーク鉄心３が無方向性珪素鋼板８を用いて構成されているから、主磁束１１がヨーク鉄心３に流れ込み易く、かつ侵入深さが深くなる。また、主磁束１１が無方向性珪素鋼板８の磁気結合部の全体に広がって方向性珪素鋼板９の部分に流れることから、方向性珪素鋼板９の部分に流入するまでの経路の磁束密度及び磁気抵抗を小さくできる。その結果、脚鉄心２との磁気結合部におけるヨーク鉄心３の損失を大幅に低減できる。

さらに、図２に示したように、分路リアクトル１の場合は、変圧器などに比べて脚鉄心２に侵入しない巻線４の漏れ磁束１３が多いため、この漏れ磁束１３がヨーク鉄心３１の方向性磁性鋼板の磁化容易方向１２に対して垂直に流入する。この漏れ磁束１３は、ヨーク鉄心３１に流入しにくいから、侵入深さが抑えられながら磁化容易方向１２に沿う方向に曲げられて透過するため、ヨーク鉄心３１の脚鉄心２との磁気結合部の磁束密度が増加するとともに損失が増加して、局部加熱の問題が発生する。

この点、図１の実施形態によれば、ヨーク鉄心３の磁気結合部の無方向性珪素鋼板８が、方向性珪素鋼板９と接合される接合部が、巻線４の内径と外径の間に位置されているから、漏れ磁束１３が磁気結合部に流れ込み易く、かつ侵入深さが深くなる。そのため、漏れ磁束１３による脚鉄心２との磁気結合部におけるヨーク鉄心３の損失を大幅に低減できる。

本実施形態においては、ラップ部１０における無方向性珪素鋼板８の少なくとも突出側の端部を巻線４の内径と外径の間に位置させて形成する例を示したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ラップ部１０における無方向性珪素鋼板８の突出側の端部を、巻線４の内径と外径の中央部から外径までの間に位置させるように形成することが好ましい。さらに好ましくは、無方向性珪素鋼板８の突出側の端部を、巻線４の内径と外径の中央部ないし外径側に位置させるようにすることができる。

本実施形態では、ラップ部１０における無方向性珪素鋼板８と方向性珪素鋼板９の突き合わせ端を、脚鉄心２の軸に平行にした例を示したが、本願発明はこれに限られるものではない。例えば、ラップ部１０における無方向性珪素鋼板８と方向性珪素鋼板９の突き合わせ端を脚鉄心２の軸に対して斜めに傾斜させて形成することができる。この場合も、ラップ部１０における無方向性珪素鋼板８の下部の突出側の端部を、巻線４の内径と外径の中央部から外径までの間に位置させるように形成する。

以上、本発明を三相分路リアクトルを例に説明したが、本発明はこれに限らず、単相リアクトル、三相リアクトルなどに適用しても同様の効果を奏することができる。

１分路リアクトル
２脚鉄心
３ヨーク鉄心
４巻線
５ラジアル鉄心パケット
６，７磁気ギャップ
８無方向性珪素鋼板
９方向性珪素鋼板
１０ラップ部
１１主磁束
１３漏れ磁束

Claims

脚鉄心と、前記脚鉄心の両端に磁気結合されたヨーク鉄心と、前記脚鉄心に卷回された巻線とを有し、前記脚鉄心に磁気結合される前記ヨーク鉄心の磁気結合部は無方向性電磁鋼板により形成され、前記磁気結合部に接合される前記ヨーク鉄心の磁気回路部は前記ヨーク鉄心の長手方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板により形成されてなるリアクトルにおいて、
前記ヨーク鉄心の前記磁気結合部の前記無方向性電磁鋼板と前記方向性電磁鋼板とが接合される接合部は、前記脚鉄心に巻回される前記巻線の内径と外径の間に位置させて、前記脚鉄心の軸に平行に設けられてなることを特徴とするリアクトル。
前記接合部は、前記脚鉄心に巻回される前記巻線の内径と外径の中央部ないし外径側に位置されてなることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
前記ヨーク鉄心は、前記無方向性電磁鋼板と前記方向性電磁鋼板をそれぞれ複数枚重ね合わせて形成され、前記磁気結合部における前記接合部は、前記無方向性電磁鋼板と前記方向性電磁鋼板を互い違いに噛み合わせたラップ構造に形成され、前記ラップ構造における前記無方向性電磁鋼板の少なくとも突出側の端部が前記巻線の内径と外径の間に位置されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のリアクトル。
前記脚鉄心は、複数の円盤状のラジアル鉄心パケットが非磁性体を挟んで積層され、前記ヨーク鉄心との磁気結合部との間にも非磁性体が介装されてなるギャップ付き鉄心であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリアクトル。