JP6760085B2 - Current limiter and resonance type current limit circuit equipped with it - Google Patents
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Description
本発明は限流器及びこれを備える共振型限流回路に関し、特に、リアクタンス型の限流器及びこれを備える共振型限流回路に関する。 The present invention relates to a current limiting device and a resonance type current limiting circuit including the same, and more particularly to a reactance type current limiting device and a resonance type current limiting circuit including the reactance type current limiting device.
電力系統や電気回路において短絡事故が発生すると、短絡箇所において瞬時に大電流が流れ、この電流によって系統機器や回路素子が損傷したり、場合よっては火災が発生したりすることもある。短絡事故発生時におけるこのような大電流を抑制するための機器として、従来から限流器が知られている。限流器は、近年における電力容量の増加や分散型電源の普及に伴って、今後ますます需要が高まるものと予想される。 When a short-circuit accident occurs in an electric power system or an electric circuit, a large current flows instantly at the short-circuited part, and this current may damage the system equipment or circuit elements, or even cause a fire. A current limiter has been conventionally known as a device for suppressing such a large current when a short circuit accident occurs. Demand for current limiters is expected to increase in the future as the power capacity increases and distributed power sources become more widespread in recent years.
限流器の具体的な構成は、例えば特許文献1〜4に記載されている。特許文献1及び2に記載された限流器は、サイリスタとダイオードとからなるブリッジ回路にリアクトルを接続した構成を有している。また、特許文献3に記載された限流器は、直列共振回路と並列共振回路を組み合わせた構成を有している。さらに、特許文献4に記載された限流器は、直流電源を用いて可飽和直流リアクトルに磁気バイアスをかける構成を有している。 Specific configurations of the current limiting device are described in, for example, Patent Documents 1 to 4. The current limiters described in Patent Documents 1 and 2 have a configuration in which a reactor is connected to a bridge circuit including a thyristor and a diode. Further, the current limiter described in Patent Document 3 has a configuration in which a series resonance circuit and a parallel resonance circuit are combined. Further, the current limiter described in Patent Document 4 has a configuration in which a saturable DC reactor is magnetically biased by using a DC power supply.
しかしながら、特許文献1〜4に記載された限流器は素子数が多く、装置構成が複雑である。特に、特許文献3に記載された限流器は、ノイズを抑えるためのフィルタ回路を別途設ける必要があることから、さらに回路構成が複雑となる。また、特許文献4に記載された限流器は、磁気バイアスをかけるための直流電源が常に必要であり、直流電源が失われると限流器として機能しないという問題があった。 However, the current limiters described in Patent Documents 1 to 4 have a large number of elements, and the device configuration is complicated. In particular, the current limiter described in Patent Document 3 requires a separate filter circuit for suppressing noise, which further complicates the circuit configuration. Further, the current limiter described in Patent Document 4 always requires a DC power supply for applying a magnetic bias, and has a problem that it does not function as a current limiter when the DC power supply is lost.
このように、従来の限流器は装置構成が複雑であることから、信頼性の確保が難しいばかりでなく、保守負担も大きいという問題があった。しかも、装置構成の複雑さに起因して、十分な応答速度を得ることも困難であった。 As described above, since the conventional current limiter has a complicated device configuration, there is a problem that it is difficult to secure reliability and a heavy maintenance burden. Moreover, it is difficult to obtain a sufficient response speed due to the complexity of the device configuration.
したがって、本発明は、単純な装置構成を有する信頼性の高いリアクタンス型の限流器及びこれを備える共振型限流回路を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a highly reliable reactance type current limiting device having a simple device configuration and a resonance type current limiting circuit including the reactance type current limiting device.
本発明による限流器は、磁心と、前記磁心に巻回されたコイルとを備え、前記磁心は、第1の磁性材料を含む第1のコアと、前記第1の磁性材料とは異なる第2の磁性材料を含む第2のコアとを含み、前記第1の磁性材料は強磁性材料であり、前記第2の磁性材料の磁気特性は、第1軸を磁場とし第2軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第1象限において、第1の磁場強度以下の第1の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第1の値であり、前記第1の磁場強度よりも強い第2の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第1の値よりも大きい第2の値であることを特徴とする。 The current limiting device according to the present invention includes a magnetic core and a coil wound around the magnetic core, and the magnetic core is different from the first core containing the first magnetic material and the first magnetic material. The first magnetic material includes a second core containing two magnetic materials, the first magnetic material is a ferromagnetic material, and the magnetic properties of the second magnetic material are such that the first axis is a magnetic field and the second axis is a magnetic flux density. Alternatively, in the first quadrant of the graph as magnetism, in the first magnetic field region equal to or lower than the first magnetic field strength, the magnetic flux density or the differential value of magnetism with respect to the magnetic field is the first value, which is higher than the first magnetic field strength. The strong second magnetic field region is characterized in that the differential value of the magnetic flux density or magnetism with respect to the magnetic field is a second value larger than the first value.
本発明によれば、コイルを流れる電流が所定値以下である場合には第2のコアが第1の磁場領域で動作することからリアクタンスが小さい一方、コイルを流れる電流が所定値を超えると第2のコアが第2の磁場領域で動作することからリアクタンスが増大する。これにより、電流が所定値以下である場合には、電力系統や電気回路に対して実質的に負荷となることなく、電流が所定値を超えた場合に限流動作を行うことができる。しかも、磁心にコイルを巻回したシンプルな装置構成であることから、低コストで信頼性の高い限流器を提供することが可能となる。さらに、第1のコアが強磁性材料によって構成されていることから、第2のコアに磁束を集中させることができる。第2の磁性材料としては、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料を用いればよい。 According to the present invention, the reactance is small because the second core operates in the first magnetic field region when the current flowing through the coil is equal to or less than a predetermined value, while the reactance is small when the current flowing through the coil exceeds a predetermined value. The reactance is increased because the core of 2 operates in the second magnetic field region. As a result, when the current is equal to or less than the predetermined value, the current limiting operation can be performed when the current exceeds the predetermined value without substantially causing a load on the power system or the electric circuit. Moreover, since it has a simple device configuration in which a coil is wound around a magnetic core, it is possible to provide a low-cost and highly reliable current limiter. Further, since the first core is made of a ferromagnetic material, the magnetic flux can be concentrated on the second core. As the second magnetic material, a metamagnetic material, a permember characteristic material or a synthetic antiferromagnetic material may be used.
本発明において、前記第1のコアは磁路を分断するギャップを有しており、前記第2のコアは前記ギャップに挿入されていることが好ましい。これによれば、磁心を周回する磁束の大部分が第2のコアを通過することから、コイルを流れる電流が所定値以下である場合と所定値を超える場合とでインダクタンスの変化量を十分に確保することが可能となる。 In the present invention, it is preferable that the first core has a gap that divides the magnetic path, and the second core is inserted into the gap. According to this, since most of the magnetic flux orbiting the magnetic core passes through the second core, the amount of change in inductance is sufficient depending on whether the current flowing through the coil is below the predetermined value or exceeds the predetermined value. It becomes possible to secure it.
この場合、前記第1のコアは、前記第2のコアと接する面から離れるにしたがって断面積が増大する形状を有していることが好ましい。これによれば、第1のコアの磁気飽和を防止しつつ、第2のコアに均一な磁束を集中させることが可能となる。さらにこの場合、前記第1のコアのうち前記第2のコアと接する接続部は、前記強磁性材料よりも飽和磁束密度の高い別の強磁性材料からなることもまた好ましい。これによれば、第1のコアの磁気飽和をより効果的に防止することが可能となる。 In this case, it is preferable that the first core has a shape in which the cross section increases as the distance from the surface in contact with the second core increases. According to this, it is possible to concentrate a uniform magnetic flux on the second core while preventing magnetic saturation of the first core. Further, in this case, it is also preferable that the connection portion of the first core in contact with the second core is made of another ferromagnetic material having a saturation magnetic flux density higher than that of the ferromagnetic material. According to this, it becomes possible to prevent the magnetic saturation of the first core more effectively.
本発明において、前記第1のコアは、1つの中脚及び2つの側脚を有する2つのE型コアの組み合わせからなり、前記ギャップは、前記2つのE型コアの前記中脚が対向する部分に形成されることが好ましい。これによれば、第2のコアに磁束をより効果的に集中させることが可能となる。 In the present invention, the first core is composed of a combination of two E-type cores having one middle leg and two side legs, and the gap is a portion where the middle legs of the two E-type cores face each other. It is preferably formed in. According to this, the magnetic flux can be more effectively concentrated on the second core.
また、本発明による共振型限流回路は、交流電源から供給される電流を限流する限流回路であって、上記の限流器と、前記限流器に直列に接続されたコンデンサとを備え、前記コイルと前記コンデンサは、前記第2のコアに印加される磁場が前記第1の磁場領域である場合に、前記交流電源の周波数帯で共振するLC共振回路を構成することを特徴とする。 Further, the resonance type current limiting circuit according to the present invention is a current limiting circuit that limits the current supplied from the AC power supply, and the above-mentioned current limiting device and a capacitor connected in series with the current limiting device are connected. The coil and the capacitor are characterized in that they form an LC resonance circuit that resonates in the frequency band of the AC power supply when the magnetic field applied to the second core is in the first magnetic field region. To do.
本発明によれば、第2のコアに印加される磁場が第1の磁場領域である場合に、LC共振回路が交流電源の周波数帯で共振することから、通常動作時におけるインピーダンスを大幅に低減(理想的にはゼロに)することが可能となる。 According to the present invention, when the magnetic field applied to the second core is in the first magnetic field region, the LC resonance circuit resonates in the frequency band of the AC power supply, so that the impedance during normal operation is significantly reduced. It can be (ideally zero).
本発明において、前記第2のコアに印加される磁場が前記第2の磁場領域である場合における前記LC共振回路の共振周波数は、前記交流電源の周波数帯と異なることが好ましい。これによれば、異常時におけるインピーダンスがより大きくなることから、より効果的な限流動作を行うことが可能となる。 In the present invention, it is preferable that the resonance frequency of the LC resonance circuit when the magnetic field applied to the second core is in the second magnetic field region is different from the frequency band of the AC power supply. According to this, since the impedance at the time of abnormality becomes larger, it becomes possible to perform a more effective current limiting operation.
このように、本発明によれば、単純な装置構成を有する信頼性の高いリアクタンス型の限流器及びこれを備える共振型限流回路を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a highly reliable reactance type current limiting device having a simple device configuration and a resonance type current limiting circuit including the reactance type current limiting device.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態による限流器10Aの構成を示す斜視図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the current limiting device 10A according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態による限流器10Aは、磁心11Aと磁心11Aに巻回されたコイル12によって構成される。磁心11Aには2つの貫通孔が設けられており、この貫通孔にコイル12が配置される。コイル12は、抵抗値の低い銅(Cu)を芯材に用いた被覆導線などを用いることが好ましい。 As shown in FIG. 1, the current limiting device 10A according to the present embodiment is composed of a magnetic core 11A and a coil 12 wound around the magnetic core 11A. The magnetic core 11A is provided with two through holes, and the coil 12 is arranged in the through holes. As the coil 12, it is preferable to use a coated lead wire or the like using copper (Cu) having a low resistance value as a core material.
図2及び図3は、磁心11Aの構造を説明するための図であり、図2は斜視図、図3は断面図である。 2 and 3 are views for explaining the structure of the magnetic core 11A, FIG. 2 is a perspective view, and FIG. 3 is a cross-sectional view.
図2及び図3に示すように、磁心11Aは、第1のコア21と第2のコア22によって構成されている。第1のコア21は、2つのE型コア21a,21bを組み合わせた構造を有しており、E型コア21a,21bの中脚が対向する部分に形成されるギャップに第2のコア22が挿入されている。E型コア21aに設けられた2つの側脚と、E型コア21bに設けられた2つの側脚については、ギャップを介することなく互いに接続されている。これにより、磁心11Aは閉磁路を構成し、閉磁路を周回する磁束は必ず第2のコア22を通過することになる。第1のコア21の断面積(磁束に対して垂直な方向における面積)は、第2のコア22との接続面において第2のコア22の断面積とほぼ等しいが、その他の領域においては第2のコア22の断面積よりも大きく、これにより第1のコア21の磁気飽和が防止されている。E型コア21a,21bの中脚は、第2のコア22と接する面から離れるにしたがって断面積が増大する形状を有しており、これによって第1のコア21の磁気飽和を防止しつつ、第2のコア22に与えられる磁束密度が高められている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the magnetic core 11A is composed of a first core 21 and a second core 22. The first core 21 has a structure in which two E-type cores 21a and 21b are combined, and the second core 22 is placed in a gap formed in a portion where the middle legs of the E-type cores 21a and 21b face each other. It has been inserted. The two side legs provided on the E-type core 21a and the two side legs provided on the E-type core 21b are connected to each other without a gap. As a result, the magnetic core 11A forms a closed magnetic path, and the magnetic flux orbiting the closed magnetic path always passes through the second core 22. The cross-sectional area of the first core 21 (area in the direction perpendicular to the magnetic flux) is substantially equal to the cross-sectional area of the second core 22 at the connection surface with the second core 22, but in other regions, the first core 21 has a cross section. It is larger than the cross section of the core 22 of 2, which prevents the magnetic saturation of the first core 21. The middle legs of the E-shaped cores 21a and 21b have a shape in which the cross-sectional area increases as the distance from the surface in contact with the second core 22 increases, thereby preventing magnetic saturation of the first core 21 while preventing magnetic saturation. The magnetic flux density given to the second core 22 is increased.
第1のコア21を構成する第1の磁性材料は、強磁性材料からなる。強磁性材料の種類については特に限定されないが、パーマロイや電磁鋼板などの透磁率の高い軟磁性材料を用いることが好ましい。これに対し、第2のコア22を構成する第2の磁性材料は、軟磁性材料とは逆に、磁場強度が所定値以下である場合には透磁率が低く、所定の磁場強度を超えると透磁率が急激に増加する特性を有している。これにより、コイル12に流れる電流が所定値以下である場合には、第2のコア22が磁心11Aの磁気ギャップとして働くことから、磁心11A全体の透磁率は相対的に低く、発生するリアクタンスも小さい。そして、コイル12に流れる電流が所定値を超えると、第2のコア22の透磁率が急激に増加するため磁気ギャップが消失する。これにより、磁心11A全体の透磁率が急激に増加し、リアクタンスも急激に増加する。つまり、本実施形態による限流器10Aは、コイル12に流れる電流が所定値を超えると自発的に限流動作を開始する。 The first magnetic material constituting the first core 21 is made of a ferromagnetic material. The type of the ferromagnetic material is not particularly limited, but it is preferable to use a soft magnetic material having a high magnetic permeability such as permalloy or an electromagnetic steel plate. On the other hand, the second magnetic material constituting the second core 22 has a low magnetic permeability when the magnetic field strength is equal to or less than a predetermined value, and exceeds the predetermined magnetic field strength, contrary to the soft magnetic material. It has the property that the magnetic permeability increases sharply. As a result, when the current flowing through the coil 12 is equal to or less than a predetermined value, the second core 22 acts as a magnetic gap of the magnetic core 11A, so that the magnetic permeability of the entire magnetic core 11A is relatively low and the reactance generated is also generated. small. When the current flowing through the coil 12 exceeds a predetermined value, the magnetic permeability of the second core 22 rapidly increases, so that the magnetic gap disappears. As a result, the magnetic permeability of the entire magnetic core 11A sharply increases, and the reactance also sharply increases. That is, the current limiting device 10A according to the present embodiment spontaneously starts the current limiting operation when the current flowing through the coil 12 exceeds a predetermined value.
このような現象を発現させるべく、本実施形態においては、第2のコア22の材料として以下に詳述する磁性材料を用いている。 In order to exhibit such a phenomenon, in the present embodiment, a magnetic material described in detail below is used as the material of the second core 22.
図4は、第2のコア22に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第1軸である横軸(X軸)は磁場Hを示し、第2軸である縦軸(Y軸)は磁化Mを示している。図4において、符号Aは第2のコア22の磁気特性を示し、符号SMは一般的な軟磁性材料の磁気特性を示し、符号HMは一般的な硬磁性材料の磁気特性を示している。 FIG. 4 is a graph showing the magnetic characteristics of the magnetic material used for the second core 22, the horizontal axis (X axis) which is the first axis shows the magnetic field H, and the vertical axis (Y axis) which is the second axis. ) Indicates the magnetization M. In FIG. 4, reference numeral A indicates the magnetic characteristics of the second core 22, reference numeral SM indicates the magnetic characteristics of a general soft magnetic material, and reference numeral HM indicates the magnetic characteristics of a general hard magnetic material.
図4において符号SMで示すように、一般的な軟磁性材料は、低磁場領域においては透磁率が高く容易に磁化される一方、磁場強度が所定値を超えると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。言い換えれば、磁気飽和しない磁場領域では、磁場Hに対する磁化Mの微分値が大きく、磁気飽和する磁場領域では、磁場Hに対する磁化Mの微分値が小さくなる。また、一般的な軟磁性材料は、ヒステリシスが無い、或いは、ヒステリシスが非常に小さいことから、符号SMで示す特性曲線は、グラフの原点又はその近傍を通る。したがって、符号SMで示す特性曲線は、グラフの第1象限(I)及び第3象限(III)に現れ、第2象限(II)及び第4象限(IV)には実質的に現れない。 As shown by reference numeral SM in FIG. 4, a general soft magnetic material has high magnetic permeability in a low magnetic field region and is easily magnetized, while magnetic saturation occurs when the magnetic field strength exceeds a predetermined value, and more than that. It exhibits the property of being hardly magnetized. In other words, in the magnetic field region where the magnetism is not saturated, the differential value of the magnetization M with respect to the magnetic field H is large, and in the magnetic field region where the magnetism is saturated, the differential value of the magnetization M with respect to the magnetic field H is small. Further, since a general soft magnetic material has no hysteresis or has a very small hysteresis, the characteristic curve indicated by the symbol SM passes through the origin of the graph or its vicinity. Therefore, the characteristic curve represented by the reference numeral SM appears in the first quadrant (I) and the third quadrant (III) of the graph, and does not substantially appear in the second quadrant (II) and the fourth quadrant (IV).
図4において符号HMで示すように、一般的な硬磁性材料は大きなヒステリシスを有しており、磁場がゼロであっても磁化された状態が維持される。このため、符号HMで示す特性曲線は、グラフの第1象限(I)〜第4象限(IV)の全てに現れる。 As shown by the reference numeral HM in FIG. 4, a general hard magnetic material has a large hysteresis, and the magnetized state is maintained even when the magnetic field is zero. Therefore, the characteristic curve represented by the symbol HM appears in all of the first quadrant (I) to the fourth quadrant (IV) of the graph.
これらの一般的な強磁性材料に対し、本実施形態において第2のコア22に用いる磁性材料は、グラフの第1象限(I)及び第3象限(III)において符号Aで示すように、低磁場領域においては透磁率が低いためほとんど磁化されず、中磁場領域においては透磁率が高くなって容易に磁化され、さらに、強磁場領域になると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。選択する材料によっては、第1象限(I)及び第3象限(III)内において僅かにヒステリシスが存在するが、残留磁化はゼロ又は非常に小さいため、符号Aで示す特性曲線は実質的にグラフの原点を通る。符号Aで示す特性曲線が厳密にグラフの原点を通らない場合であっても、横軸又は縦軸の原点近傍を通ることになる。このことは、当該磁性材料が初期状態であるか、或いは、繰り返し磁場を印加した後の状態であるかにかかわらず、同じ磁気特性が得られることを意味する。このため、当該磁性材料を用いた限流器10Aは繰り返し使用することができ、且つ、限流動作が完了した後、自動復旧する。 In contrast to these common ferromagnetic materials, the magnetic material used for the second core 22 in this embodiment is low, as indicated by reference numeral A in the first quadrant (I) and third quadrant (III) of the graph. In the magnetic field region, the magnetic permeability is low, so it is hardly magnetized. In the medium magnetic field region, the magnetic permeability is high and it is easily magnetized. Furthermore, in the strong magnetic field region, magnetic saturation occurs, and it is hardly magnetized beyond that. Is shown. Depending on the material selected, there is a slight hysteresis in the first quadrant (I) and the third quadrant (III), but the residual magnetization is zero or very small, so the characteristic curve indicated by reference numeral A is substantially a graph. Pass through the origin of. Even if the characteristic curve indicated by reference numeral A does not pass exactly through the origin of the graph, it passes near the origin on the horizontal axis or the vertical axis. This means that the same magnetic properties can be obtained regardless of whether the magnetic material is in the initial state or in the state after repeatedly applying a magnetic field. Therefore, the current limiting device 10A using the magnetic material can be used repeatedly, and automatically recovers after the current limiting operation is completed.
図5は、第1及び第2のコア21,22に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第1象限(I)のみを示している。第1軸である横軸(X軸)は磁場Hを示し、第2軸である縦軸(Y軸)は磁束密度Bを示している。図5において、符号Aは第2のコア22の磁気特性を示し、符号Bは第1のコア21の磁気特性を示している。いずれも、便宜上、ヒステリシスのない状態を表している。 FIG. 5 is a graph showing the magnetic properties of the magnetic materials used for the first and second cores 21 and 22, and shows only the first quadrant (I). The horizontal axis (X-axis), which is the first axis, indicates the magnetic field H, and the vertical axis (Y-axis), which is the second axis, indicates the magnetic flux density B. In FIG. 5, reference numeral A indicates the magnetic characteristics of the second core 22, and reference numeral B indicates the magnetic characteristics of the first core 21. In each case, for convenience, it represents a state without hysteresis.
図5を用いて第2のコア22の磁気特性についてより具体的に説明すると、磁場Hが無い状態から磁場を高めていくと、第1の磁場強度H1までの領域(第1の磁場領域MF1)においては透磁率が低く、このため磁束密度Bの増加は僅かである。第1の磁場強度H1における磁束密度Bの値はB1である。グラフの傾き、つまり、磁場Hに対する磁束密度Bの微分値は透磁率を示す。第1の磁場領域MF1における透磁率は非磁性材料の透磁率と同程度であり、したがって、第1の磁場領域MF1においては実質的に非磁性材料として振る舞う。 To explain the magnetic characteristics of the second core 22 more specifically with reference to FIG. 5, when the magnetic field is increased from the state where there is no magnetic field H, the region up to the first magnetic field strength H1 (first magnetic field region MF1). ), The magnetic permeability is low, and therefore the increase in the magnetic flux density B is slight. The value of the magnetic flux density B at the first magnetic field strength H1 is B1. The slope of the graph, that is, the differential value of the magnetic flux density B with respect to the magnetic field H, indicates the magnetic permeability. The magnetic permeability in the first magnetic field region MF1 is about the same as the magnetic permeability of the non-magnetic material, and therefore behaves substantially as a non-magnetic material in the first magnetic field region MF1.
一方、第1の磁場強度H1から第2の磁場強度H2までの領域(第2の磁場領域MF2)においては透磁率が急激に高くなり、磁束密度Bの値は大幅に増加する。つまり、磁場を高めていくと、第1の磁場強度H1を境として透磁率が急激に増加する。第2の磁場強度H2における磁束密度Bの値はB2である。第2の磁場領域MF2における透磁率は軟磁性材料の透磁率に近く、したがって、第2の磁場領域MF2においては軟磁性的に振る舞う。 On the other hand, in the region from the first magnetic field strength H1 to the second magnetic field strength H2 (second magnetic field region MF2), the magnetic permeability increases sharply, and the value of the magnetic flux density B increases significantly. That is, as the magnetic field is increased, the magnetic permeability sharply increases with the first magnetic field strength H1 as a boundary. The value of the magnetic flux density B at the second magnetic field strength H2 is B2. The magnetic permeability in the second magnetic field region MF2 is close to the magnetic permeability of the soft magnetic material, and therefore behaves softly magnetically in the second magnetic field region MF2.
さらに磁場を高めることによって第2の磁場強度H2を超えると(第3の磁場領域MF3)、磁気飽和を起こし、グラフの傾き、つまり透磁率は再び低下する。 When the second magnetic field strength H2 is exceeded by further increasing the magnetic field (third magnetic field region MF3), magnetic saturation occurs, and the slope of the graph, that is, the magnetic permeability decreases again.
また、第2のコア22を構成する磁性材料には残留磁化がほとんど存在しないため、磁場Hを一旦ゼロ近辺に戻せば、再び上述した特性と同じ特性が得られる。 Further, since the magnetic material constituting the second core 22 has almost no residual magnetization, once the magnetic field H is returned to near zero, the same characteristics as those described above can be obtained again.
第2のコア22を構成する磁性材料としては、上述した磁気特性を有する磁性材料であれば特に限定されないが、一例として、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料を挙げることができる。第2のコア22を構成する磁性材料は、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料の単体であっても構わないし、これらの組み合わせても構わない。 The magnetic material constituting the second core 22 is not particularly limited as long as it is a magnetic material having the above-mentioned magnetic properties, and examples thereof include a metamagnetic material, a permember characteristic material, and a synthetic antiferromagnetic material. .. The magnetic material constituting the second core 22 may be a simple substance of a metamagnetic material, a permember characteristic material, or a synthetic antiferromagnetic material, or may be a combination thereof.
一方、第1のコア21を構成する磁性材料(強磁性材料)については、図5において符号Bで示すように極めて急峻な磁気特性を有し、第1の磁場強度H1に達する前に飽和する。第1のコア21が磁気飽和する際の磁束密度Bの値はB3である。B3の値は、B1よりも大きければ特に限定されない。特に限定されるものではないが、本実施形態においては、B3の値がB2の値よりもやや小さい。 On the other hand, the magnetic material (ferromagnetic material) constituting the first core 21 has extremely steep magnetic characteristics as shown by reference numeral B in FIG. 5, and is saturated before reaching the first magnetic field strength H1. .. The value of the magnetic flux density B when the first core 21 is magnetically saturated is B3. The value of B3 is not particularly limited as long as it is larger than B1. Although not particularly limited, in the present embodiment, the value of B3 is slightly smaller than the value of B2.
第1及び第2のコア21,22をこのような磁性材料によって構成すれば、限流器10Aのコイル12に流れる電流Iの大きさによってインダクタンスを大きく変化させることが可能となる。ここで、第2のコア22に与えられる磁場Hは、コイル12の構造及びコイル12に流れる電流Iによって決まり、第2のコア22の磁路長をML、コイル12の巻数をNとした場合、
H=N×I/ML
で定義される。これは、第2のコア22の第1の磁場強度H1における第1のコア21の磁束密度は、第2のコア22の磁束密度B1の数分の1という低い値であるために磁気飽和しておらず、従って第1のコア21の磁場強度は零に近く、第2のコア22の上面と下面が第1のコア21により磁気的に理想的に短絡されているとみなすことができるからである。
If the first and second cores 21 and 22 are made of such a magnetic material, the inductance can be greatly changed depending on the magnitude of the current I flowing through the coil 12 of the current limiting device 10A. Here, the magnetic field H applied to the second core 22 is determined by the structure of the coil 12 and the current I flowing through the coil 12, and the magnetic path length of the second core 22 is ML and the number of turns of the coil 12 is N. ,
H = N × I / ML
Defined in. This is because the magnetic flux density of the first core 21 at the first magnetic field strength H1 of the second core 22 is as low as a fraction of the magnetic flux density B1 of the second core 22, so that it is magnetically saturated. Therefore, the magnetic field strength of the first core 21 is close to zero, and it can be considered that the upper surface and the lower surface of the second core 22 are magnetically ideally short-circuited by the first core 21. Is.
図6は、限流器10Aのコイル12に流れる電流IとインダクタンスLとの関係を示すグラフである。ここで、図6に示す電流値I1は、第2のコア22に与えられる磁場Hが第1の磁場強度H1となる電流値である。また、図6に示す電流値I2は、第2のコア22に与えられる磁場Hが第2の磁場強度H2となる電流値である。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the current I flowing through the coil 12 of the current limiting device 10A and the inductance L. Here, the current value I1 shown in FIG. 6 is a current value at which the magnetic field H applied to the second core 22 becomes the first magnetic field strength H1. Further, the current value I2 shown in FIG. 6 is a current value at which the magnetic field H applied to the second core 22 becomes the second magnetic field strength H2.
図6に示すように、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1以下であれば、限流器10Aのインダクタンスの値はL1であり、十分に低い。これは、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1以下である場合、第2のコア22が第1の磁場領域MF1にあり、透磁率が十分に低いからである。これにより、限流器10Aは電気回路に対してほとんど負荷とならない。 As shown in FIG. 6, when the current I flowing through the coil 12 is equal to or less than the first current value I1, the inductance value of the current limiting device 10A is L1, which is sufficiently low. This is because when the current I flowing through the coil 12 is equal to or less than the first current value I1, the second core 22 is in the first magnetic field region MF1 and the magnetic permeability is sufficiently low. As a result, the current limiter 10A has almost no load on the electric circuit.
これに対し、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、限流器10Aのインダクタンスの値はL2(>L1)へ急激に増加する。これは、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、第2のコア22が第2の磁場領域MF2となるため、透磁率が急激に増加するからである。第1の電流値I1は限流器10Aの動作開始点であり、コイル12に流れる電流Iが第1の電流値I1を超えると、限流器10Aのインダクタンスが急激に増加する。これにより、電気回路に第1の電流値I1を超える電流が流れると、限流器10Aは自発的に限流動作を開始することになる。 On the other hand, when the current I flowing through the coil 12 exceeds the first current value I1, the inductance value of the current limiting device 10A sharply increases to L2 (> L1). This is because when the current I flowing through the coil 12 exceeds the first current value I1, the second core 22 becomes the second magnetic field region MF2, so that the magnetic permeability increases sharply. The first current value I1 is the operation start point of the current limiter 10A, and when the current I flowing through the coil 12 exceeds the first current value I1, the inductance of the current limiter 10A sharply increases. As a result, when a current exceeding the first current value I1 flows through the electric circuit, the current limiting device 10A spontaneously starts the current limiting operation.
そして、コイル12に流れる電流Iが第2の電流値I2を超えると、限流器10Aのインダクタンスの値はL3(<L2)へ急激に減少する。これは、コイル12に流れる電流Iが第2の電流値I2を超えると、第2のコア22が第3の磁場領域MF3となるからである。 Then, when the current I flowing through the coil 12 exceeds the second current value I2, the inductance value of the current limiting device 10A sharply decreases to L3 (<L2). This is because when the current I flowing through the coil 12 exceeds the second current value I2, the second core 22 becomes the third magnetic field region MF3.
図7は、コイル12に電流を流した場合における磁心11Aの磁束密度分布を示すシミュレーション結果である。図7においては、磁束密度が高い領域ほど白く表示され、磁束密度が低い領域ほど黒く表示されている。 FIG. 7 is a simulation result showing the magnetic flux density distribution of the magnetic core 11A when a current is passed through the coil 12. In FIG. 7, a region having a high magnetic flux density is displayed in white, and a region having a low magnetic flux density is displayed in black.
図7に示すように、コイル12に電流を流すと、コイル12が挿入される貫通孔に近い部分ほど磁束密度が高くなるとともに、第2のコア22が設けられた部分において最も磁束密度が高くなっていることが分かる。しかも、第2のコア22に印加される磁場はほぼ均一である。このため、コイル12に流れる電流が増加すると、第2のコア22に印加される磁場は、均一な状態を保ったまま増大する。そして、コイル12に流れる電流が所定値を超えると、第2のコア22を構成する第2の磁性材料の透磁率は一度に増加し、インダクタンスが急増する。 As shown in FIG. 7, when a current is passed through the coil 12, the magnetic flux density becomes higher in the portion closer to the through hole into which the coil 12 is inserted, and the magnetic flux density is highest in the portion where the second core 22 is provided. You can see that it is. Moreover, the magnetic field applied to the second core 22 is substantially uniform. Therefore, when the current flowing through the coil 12 increases, the magnetic field applied to the second core 22 increases while maintaining a uniform state. When the current flowing through the coil 12 exceeds a predetermined value, the magnetic permeability of the second magnetic material constituting the second core 22 increases at a time, and the inductance rapidly increases.
図8は、比較例による限流器10Xの構造を示す断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the current limiting device 10X according to a comparative example.
図8に示す限流器10Xは、磁心11Xがトロイダル型であり、その全体が第2の磁性材料(メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料)によって構成されている。磁心11Xがこのような構造を有している場合、コイル12Xに電流を流すと、トロイダル型の磁心11Xを周回する磁束が発生するが、その磁路長は径方向位置によって相違する。つまり、磁心11Xの外周近傍を周回する磁束の磁路長ML1は、磁心11Xの内周近傍を周回する磁束の磁路長ML2よりも長くなる。このため、磁心11Xに生じる磁場は、外周ほど弱く、内周ほど強いという分布が生じる。 The current limiting device 10X shown in FIG. 8 has a magnetic core 11X of a toroidal type, and the entire magnetic core 11X is composed of a second magnetic material (metamagnetic material, permember characteristic material or synthetic antiferromagnetic material). When the magnetic core 11X has such a structure, when a current is passed through the coil 12X, a magnetic flux orbiting the toroidal type magnetic core 11X is generated, but the magnetic path length thereof differs depending on the radial position. That is, the magnetic path length ML1 of the magnetic flux that orbits the vicinity of the outer circumference of the magnetic core 11X is longer than the magnetic path length ML2 of the magnetic flux that orbits the vicinity of the inner circumference of the magnetic core 11X. Therefore, the magnetic field generated in the magnetic core 11X is weaker toward the outer circumference and stronger toward the inner circumference.
その結果、コイル12Xに流れる電流が増加すると、磁心11Xに印加される磁場は磁場勾配をもったまま増大することから、磁心11Xの透磁率が一度に増加することはなく、透磁率の増加する領域が内周側から外周側へと徐々に広がっていく。つまり、図8に示す磁心11Xを用いた場合、コイル12に流れる電流を増加させても、透磁率の高い部分と低い部分が混在することから、ある電流値を境としてインダクタンスを急増させることができない。 As a result, when the current flowing through the coil 12X increases, the magnetic field applied to the magnetic core 11X increases while maintaining the magnetic field gradient. Therefore, the magnetic permeability of the magnetic core 11X does not increase all at once, and the magnetic permeability increases. The area gradually expands from the inner peripheral side to the outer peripheral side. That is, when the magnetic core 11X shown in FIG. 8 is used, even if the current flowing through the coil 12 is increased, a portion having a high magnetic permeability and a portion having a low magnetic permeability are mixed, so that the inductance can be rapidly increased at a certain current value. Can not.
これに対し、本実施形態による限流器10Aは、磁心11Aが第1のコア21と第2のコア22の組み合わせからなり、第2のコア22の磁路長が均一である。これにより、第2のコア22に均一な磁束が集中することから、コイル12に流れる電流が所定値を超えた場合にインダクタンスを急激に増加させることが可能となる。 On the other hand, in the current limiting device 10A according to the present embodiment, the magnetic core 11A is composed of a combination of the first core 21 and the second core 22, and the magnetic path length of the second core 22 is uniform. As a result, a uniform magnetic flux is concentrated on the second core 22, so that the inductance can be rapidly increased when the current flowing through the coil 12 exceeds a predetermined value.
しかも、図8に示す磁心11Xにおいては、第2の磁性材料の磁路長が長いため、第1の磁場強度H1に達するために必要な電流値が非常に大きい。第1の磁場強度H1に達するために必要な電流値を下げるためには、コイル12Xの巻回数を増やす必要があるが、コイル12Xの巻回数を増やすと、図8に示すように、トロイダルの内径部に位置するコイル12Xが多層巻きされてしまい、上層(つまり、より中心に近い部分)に巻回されたコイル12Xから生じる磁束は、磁心11Xを通ることなく、その大部分が空間を通過してしまう。このような磁束は、磁心11Xの磁場強度の増加に寄与しない。 Moreover, in the magnetic core 11X shown in FIG. 8, since the magnetic path length of the second magnetic material is long, the current value required to reach the first magnetic field strength H1 is very large. In order to reduce the current value required to reach the first magnetic field strength H1, it is necessary to increase the number of turns of the coil 12X. However, when the number of turns of the coil 12X is increased, as shown in FIG. 8, the toroidal The coil 12X located at the inner diameter is wound in multiple layers, and most of the magnetic flux generated from the coil 12X wound in the upper layer (that is, the part closer to the center) passes through the space without passing through the magnetic core 11X. Resulting in. Such magnetic flux does not contribute to the increase in the magnetic field strength of the magnetic core 11X.
これに対し、本実施形態による限流器10Aは、第2のコア22の磁路長が短いため、コイル12の巻回数を抑えつつ、より小さな電流値によってインダクタンスを急増させることが可能となる。このことは、コイル12によって生じる銅損が最小限に抑えられることを意味する。 On the other hand, in the current limiting device 10A according to the present embodiment, since the magnetic path length of the second core 22 is short, it is possible to rapidly increase the inductance with a smaller current value while suppressing the number of turns of the coil 12. .. This means that the copper loss caused by the coil 12 is minimized.
以上説明したように、本実施形態による限流器10Aは、第1のコア21が2つのE型コア21a,21bの組み合わせからなり、これらの中脚間に設けられたギャップに第2のコア22が挿入された構造を有していることから、第2のコア22が第1の磁場強度H1に達するのに必要な電流値を下げることができるとともに、第2のコア22の全体の透磁率を一度に増加させることが可能となる。これにより、通常動作時におけるインダクタンスと異常時におけるインダクタンスの比(L2/L1)を十分に確保することが可能となる。 As described above, in the current limiting device 10A according to the present embodiment, the first core 21 is composed of a combination of two E-type cores 21a and 21b, and the second core is formed in the gap provided between the middle legs. Since the 22 has an inserted structure, the current value required for the second core 22 to reach the first magnetic field strength H1 can be reduced, and the overall transparency of the second core 22 can be reduced. It is possible to increase the magnetic coefficient at once. As a result, it is possible to sufficiently secure the ratio (L2 / L1) of the inductance during normal operation and the inductance during abnormal operation.
既に説明した通り、第2のコア22を構成する磁性材料としては、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料を挙げることができる。どの磁性材料を使用するかは、限流器10Aに求められる諸特性(主に、第1の磁場強度H1の値)に応じて適宜選択すればよい。 As described above, examples of the magnetic material constituting the second core 22 include a metamagnetic material, a permember characteristic material, and a synthetic antiferromagnetic material. Which magnetic material to use may be appropriately selected according to various characteristics (mainly the value of the first magnetic field strength H1) required for the current limiter 10A.
メタ磁性材料とは、磁場により常磁性(PM:Paramagnetic)もしくは反強磁性(AFM:Anti−Ferromagnetic)から強磁性(FM:Ferromagnetic)に一次相転移する材料を指す。磁場による一次相転移とは、磁場に関する磁化の変化が不連続になる点をもつことを指す。メタ磁性材料において一次相転移が生じる磁場は、通常1〜10Tと比較的大きな磁場であるため、これを第2のコア22の材料として用いる限流器10Aとしては、電力系統、大容量コンデンサ回路、電力用トランス回路といった大電流用の用途が好適である。尚、一部の反強磁性材料も、磁場Hを著しく高めれば磁束密度Bが急激に増加する特性が得られるが、そのような変化をもたらす磁場強度(つまり、第1の磁場強度H1)は10〜100Tと極めて強く、限流器10Aのコイル12によってそのような磁場を作ることは現実的に不可能である。このため、第2のコア22の材料として反強磁性材料を用いても、事実上、限流器として機能させることは困難である。 The metamagnetic material refers to a material that undergoes a primary phase transition from paramagnetism (PM: Paramagnetic) or antiferromagnetism (AFM: Anti-Ferromagnetic) to ferromagnetism (FM: Ferromagnetic) due to a magnetic field. The first-order phase transition due to a magnetic field means that the change in magnetization with respect to the magnetic field has a discontinuous point. Since the magnetic field at which the first-order phase transition occurs in the metamagnetic material is usually a relatively large magnetic field of 1 to 10T, the current limiting device 10A using this as the material of the second core 22 includes a power system and a large-capacity capacitor circuit. , Applications for large currents such as transformer circuits for electric power are suitable. In addition, some anti-ferrometric materials also have a characteristic that the magnetic flux density B sharply increases if the magnetic field H is remarkably increased, but the magnetic field strength that causes such a change (that is, the first magnetic field strength H1) is It is extremely strong at 10 to 100 T, and it is practically impossible to create such a magnetic field by the coil 12 of the current limiting device 10A. Therefore, even if an antiferromagnetic material is used as the material of the second core 22, it is practically difficult to make it function as a current limiter.
メタ磁性材料は、磁場により常磁性から強磁性に転移する常磁性強磁性転移型(PM−FM転移型)と、反強磁性から強磁性に転移する反強磁性強磁性転移型(AFM−FM転移型)に分類される。PM−FM転移型は、キュリー温度の近傍でのみ一次相転移が生じることから、限流器10Aの動作温度もキュリー温度付近に限られる。これに対し、AFM−FM転移型は、反強磁性状態が消失するネール温度以下であれば一次相転移が生じるため、より幅広い温度で限流器10Aを動作させることが可能となる。 The metamagnetic materials are the paramagnetic ferromagnetic transition type (PM-FM transition type) that transitions from normal magnetism to ferromagnetism by a magnetic field and the antiferromagnetic ferromagnetic transition type (AFM-FM) that transitions from antiferromagnetism to ferromagnetism. It is classified as a metastatic type). In the PM-FM transition type, since the primary phase transition occurs only in the vicinity of the Curie temperature, the operating temperature of the current limiter 10A is also limited to the vicinity of the Curie temperature. On the other hand, in the AFM-FM transition type, the first-order phase transition occurs when the temperature is below the Neel temperature at which the antiferromagnetic state disappears, so that the current limiter 10A can be operated at a wider temperature range.
メタ磁性材料の具体例としては、La(FeSi)13系、La(FeSi)13H系、MnAs系、Mn(AsSb)系、MnAl系、FeRh系、NiMnIn系、Mn3GaC系、Mn3SnC系、Mn3SnB系材料が挙げられる。特に、室温近傍において一次相転移が生じるLa(FeSi)13H系、MnAs系、Mn(AsSb)系、MnAl系材料が好ましく、最も好ましいのは、AFM−FM転移型メタ磁性材料であるMnAl系材料である。室温近傍において一次相転移が生じない材料を使用する場合は、ヒーターもしくは冷却装置を用いて、一次相転移が生じる温度帯に維持すればよい。 Meta Specific examples of magnetic materials, La (FeSi) 13 system, La (FeSi) 13 H system, MnAs system, Mn (AsSb) system, MnAl system, FeRh system, NiMnIn system, Mn 3 GAC-based, Mn 3 SnC Examples include Mn 3 SnB materials. In particular, La (FeSi) 13 H system first order phase transition occurs in the vicinity of room temperature, MnAs system, Mn (AsSb) system, preferably MnAl based material, most preferably, MnAl system is AFM-FM transition type meth magnetic material It is a material. When a material that does not cause a primary phase transition near room temperature is used, it may be maintained in a temperature range where a primary phase transition occurs by using a heater or a cooling device.
次に、パーミンバー特性材料とは、パーミンバーと呼ばれるNi45wt%Co25wt%Fe残で確認された特殊なBH特性を示す材料である。具体的には、パーミンバー、Moパーミンバー、超パーミンバー、イソパーム、センパームなどが挙げられる。また、NiZnフェライトやCoB系アモルファス材料もパーミンバー特性材料として挙げられる。 Next, the permember characteristic material is a material called permin bar that exhibits special BH characteristics confirmed with a Ni 45 wt% Co 25 wt% Fe residue. Specific examples thereof include permin bars, Mo permin bars, super permin bars, isopalms, and sempalms. Further, NiZn ferrite and CoB-based amorphous materials are also mentioned as palmin bar characteristic materials.
パーミンバー特性材料は、比較的低い磁場ではヒステリシスがなく、且つ、傾きの小さい直線的なBH特性を示し、ある磁場(第1の磁場強度H1)を超えると、傾きの大きなBH特性を示す。パーミンバー特性材料を用いた場合、第1の磁場強度H1は、メタ磁性材料の1/100〜1/1000であるため、これを第2のコア22の材料として用いれば、小電力用の限流器を構成することが可能となる。 The permember characteristic material has no hysteresis in a relatively low magnetic field and exhibits a linear BH characteristic with a small slope, and exhibits a BH characteristic with a large slope when a certain magnetic field (first magnetic field strength H1) is exceeded. When the permin bar characteristic material is used, the first magnetic field strength H1 is 1/100 to 1/1000 of the metamagnetic material. Therefore, if this is used as the material of the second core 22, the current limit for low power consumption is used. It becomes possible to construct a vessel.
また、パーミンバー特性材料は、強磁性が保たれるキュリー温度以下であれば、磁場強度に応じた透磁率の変化が生じるため、室温を含めた幅広い温度での動作が可能である。さらに、パーミンバー特性材料は、磁場印加による磁歪が小さいため、第2のコア22として用いた場合に高い耐久性を得ることも可能となる。しかも、パーミンバー特性材料を構成する組成は、多くが遷移金属であるため、白金族元素や希土類元素を含んだメタ磁性材料と比較して、材料コストが安いという利点もある。 Further, if the permember characteristic material is below the Curie temperature at which ferromagnetism is maintained, the magnetic permeability changes according to the magnetic field strength, so that the material can operate in a wide range of temperatures including room temperature. Further, since the magnetostrictive material has a small magnetostriction due to the application of a magnetic field, it is possible to obtain high durability when used as the second core 22. Moreover, since most of the compositions constituting the permember characteristic material are transition metals, there is an advantage that the material cost is lower than that of the metamagnetic material containing platinum group elements and rare earth elements.
尚、パーミンバー特性材料は、通常動作時(つまり、第1の磁場領域MF1)における透磁率がメタ磁性材料と比較して10〜100倍以上の値を持つことから、第2のコア22の材料としてパーミンバー特性材料を用いた限流器10Aは、通常動作時にはリアクトルとして利用することも可能である。 Since the permeability characteristic material has a magnetic permeability of 10 to 100 times or more that of the metamagnetic material during normal operation (that is, the first magnetic field region MF1), the material of the second core 22 is used. The current limiting device 10A using the permeable characteristic material can also be used as a reactor during normal operation.
次に、合成反強磁性材料とは、強磁性相と強磁性相が反強磁性的に結合することで、反強磁性的な特性を示す材料を指す。合成反強磁性材料は、反強磁性材料とは異なり、反強磁性結合強度が小さいため、ある磁場(第1の磁場強度H1)を超えると、強磁性的な磁化配列となる。具体的な材料としては、FeCo/Ru/FeCo薄膜が挙げられる。合成反強磁性材料を用いた場合、第1の磁場強度H1は、メタ磁性材料の1/10〜1/100であるため、これを第2のコア22の材料として用いれば、中電力用の限流器を構成することが可能となる。 Next, the synthetic antiferromagnetic material refers to a material that exhibits antiferromagnetic properties by antiferromagnetically coupling the ferromagnetic phase and the ferromagnetic phase. Unlike antiferromagnetic materials, synthetic antiferromagnetic materials have a small antiferromagnetic coupling strength, and therefore, when a certain magnetic field (first magnetic field strength H1) is exceeded, a ferromagnetic magnetization arrangement is formed. Specific examples of the material include FeCo / Ru / FeCo thin films. When a synthetic antiferromagnetic material is used, the first magnetic field strength H1 is 1/10 to 1/100 of that of the metamagnetic material. Therefore, if this is used as the material of the second core 22, it is used for medium power. It is possible to configure a current limiter.
以上説明したように、本実施形態による限流器10Aは、上述した特性を有する磁性材料を含む磁心11Aにコイル12を巻回したものであり、非常にシンプルな構成を有している。これにより、ダイオード及びサイリスタなどの能動素子や、直流電源などを用いることなく、自発的かつ高速に限流動作を行うことができることから、低コスト化及び信頼性の向上を実現することが可能となる。そして、本実施形態においては、磁心11Aが第1のコア21と第2のコア22の組み合わせによって構成されていることから、第2のコア22が第1の磁場強度H1に達するのに必要な電流値を下げることができるとともに、第2のコア22の全体の透磁率を一度に増加させることが可能となる。 As described above, the current limiting device 10A according to the present embodiment has a coil 12 wound around a magnetic core 11A containing a magnetic material having the above-mentioned characteristics, and has a very simple configuration. As a result, it is possible to spontaneously and at high speed limit current operation without using active elements such as diodes and thyristors, DC power supplies, etc., which makes it possible to realize cost reduction and improvement of reliability. Become. Further, in the present embodiment, since the magnetic core 11A is composed of the combination of the first core 21 and the second core 22, it is necessary for the second core 22 to reach the first magnetic field strength H1. The current value can be lowered, and the overall magnetic permeability of the second core 22 can be increased at once.
<第2の実施形態>
図9は、本発明の第2の実施形態において用いる磁心11Bの構成を示す斜視図である。
<Second embodiment>
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the magnetic core 11B used in the second embodiment of the present invention.
図9に示すように、本実施形態において用いる磁心11Bは、第1のコア21のうち第2のコア22と接する接続部23が別の強磁性材料によって構成されている点において、第1の実施形態において用いる磁心11Aと相違している。その他の構成は、磁心11Aと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 As shown in FIG. 9, the magnetic core 11B used in the present embodiment is the first in that the connecting portion 23 in contact with the second core 22 of the first core 21 is made of another ferromagnetic material. It is different from the magnetic core 11A used in the embodiment. Since the other configurations are the same as those of the magnetic core 11A, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
第1のコア21の接続部23は、他の部分よりも飽和磁束密度の高い強磁性材料によって構成されている。接続部23を構成する強磁性材料は、図5において符号Cで示す磁気特性を有する。つまり、極めて急峻な磁気特性を有するとともに、磁気飽和する際の磁束密度Bの値はB4であり、第2のコア22が磁気飽和する際の磁束密度B2よりも高い。これにより、第2のコア22が第2の磁場領域MF2にある間、つまり、限流動作を行っている間、接続部23が磁気飽和しないことから、高いインピーダンスを確保することが可能となる。 The connecting portion 23 of the first core 21 is made of a ferromagnetic material having a higher saturation magnetic flux density than the other portions. The ferromagnetic material constituting the connecting portion 23 has the magnetic characteristics indicated by reference numeral C in FIG. That is, it has extremely steep magnetic characteristics, and the value of the magnetic flux density B when magnetically saturated is B4, which is higher than the magnetic flux density B2 when the second core 22 is magnetically saturated. As a result, while the second core 22 is in the second magnetic field region MF2, that is, while the current limiting operation is being performed, the connection portion 23 is not magnetically saturated, so that a high impedance can be secured. ..
図9に示すように、第1のコア21の中脚は第2のコア22に近づくにつれて断面積が減少するテーパー形状を有しているため、この部分において最も磁束密度が高くなる。しかしながら、本実施形態に置いて用いる磁心11Bは、第2のコア22との接続部23が高磁気飽和材料によって構成されていることから、限流動作を行っている間における第1のコア21の磁気飽和を防止することが可能となる。しかも、高磁気飽和材料を第1のコア21の一部にのみ使用していることから、材料コストの増加を最小限に抑えることも可能となる。 As shown in FIG. 9, since the middle leg of the first core 21 has a tapered shape in which the cross-sectional area decreases as it approaches the second core 22, the magnetic flux density is highest in this portion. However, in the magnetic core 11B used in the present embodiment, since the connection portion 23 with the second core 22 is made of a highly magnetically saturated material, the first core 21 during the current limiting operation is performed. It is possible to prevent magnetic saturation of. Moreover, since the highly magnetically saturated material is used only for a part of the first core 21, it is possible to minimize the increase in material cost.
<第3の実施形態>
図10は、本発明の第3の実施形態による限流器10Cの構成を示す断面図である。
<Third embodiment>
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the current limiting device 10C according to the third embodiment of the present invention.
図10に示すように、本実施形態による限流器10Cは、第1のコア21が2つのU型コア21c,21dを組み合わせたトロイダル構造を有しており、U型コア21c,21d間に設けられる2つのギャップにそれぞれ第2のコア22a,22bが挿入されている。その他の構成は、第1の実施形態による限流器10Aと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 As shown in FIG. 10, in the current limiting device 10C according to the present embodiment, the first core 21 has a toroidal structure in which two U-shaped cores 21c and 21d are combined, and between the U-shaped cores 21c and 21d. The second cores 22a and 22b are inserted into the two gaps provided, respectively. Since the other configurations are the same as those of the current limiter 10A according to the first embodiment, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
U型コア21c,21dの断面積は周方向において一定ではなく、端部、つまり第2のコア22と接する部分において断面積が縮小するテーパー形状を有している。これにより、磁心11Cを周回する磁束はこの部分において密度が高められることから、第2のコア22a,22bに対して均一且つ高い磁束を印加することが可能となる。 The cross-sectional area of the U-shaped cores 21c and 21d is not constant in the circumferential direction, and has a tapered shape in which the cross-sectional area is reduced at the end portion, that is, the portion in contact with the second core 22. As a result, the density of the magnetic flux orbiting the magnetic core 11C is increased in this portion, so that a uniform and high magnetic flux can be applied to the second cores 22a and 22b.
本実施形態が例示するように、本発明において使用する磁心の形状や構造は特に限定されるものではなく、任意の形状及び構造を採ることが可能である。 As illustrated by the present embodiment, the shape and structure of the magnetic core used in the present invention are not particularly limited, and any shape and structure can be adopted.
<第4の実施形態>
図11は、限流器10を用いた電気回路の回路図である。限流器10は、上述した各実施形態において説明した限流器、或いは、その変形構造を有する限流器である。
<Fourth Embodiment>
FIG. 11 is a circuit diagram of an electric circuit using the current limiter 10. The current limiting device 10 is the current limiting device described in each of the above-described embodiments, or a current limiting device having a modified structure thereof.
図11に示す電気回路は、交流電源20に直列に接続された限流器10及び負荷30からなる。交流電源20は例えば商用電源であり、負荷30は交流電源20から供給される電力によって動作する各種電気機器である。限流器10は、交流電源20と負荷30との間に直列に接続され、負荷30が短絡事故を起こした場合に流れる大電流を抑制する役割を果たす。図12に示すように、負荷30に対して遮断器40を直列に接続しても構わない。遮断器40を用いれば、負荷30が短絡事故を起こした場合、限流器10によって大電流が抑制された状態で遮断器40による遮断動作を行うことができる。 The electric circuit shown in FIG. 11 includes a current limiter 10 and a load 30 connected in series with the AC power supply 20. The AC power source 20 is, for example, a commercial power source, and the load 30 is various electric devices operated by the electric power supplied from the AC power source 20. The current limiter 10 is connected in series between the AC power supply 20 and the load 30, and plays a role of suppressing a large current flowing when the load 30 causes a short-circuit accident. As shown in FIG. 12, the circuit breaker 40 may be connected in series with the load 30. If the circuit breaker 40 is used, when the load 30 causes a short-circuit accident, the circuit breaker 40 can perform the circuit breaker operation while the large current is suppressed by the current limiting device 10.
図11及び図12に示すように、限流器10は単純なリアクトルである。既に説明したように、限流器10のリアクタンスは、電流Iが所定値以下である通常動作時においては十分に小さく、これにより電気回路に与えるインピーダンスは非常に小さい。これに対し、電流Iが所定値を超えた異常時においては、限流器10のリアクタンスが大幅に上昇する。これにより、交流電源20に対して大きなインピーダンスとして働くことから、電流Iの増加が抑制される。このようなリアクタンスの変化はリアクトルの磁心に印加される磁場の変化(電磁誘導の原理)によるものであり、電流Iの変化に対して自発的に生じることから、電流値を検出するための素子などは不要である。 As shown in FIGS. 11 and 12, the current limiting device 10 is a simple reactor. As described above, the reactance of the current limiter 10 is sufficiently small during normal operation when the current I is equal to or less than a predetermined value, and thus the impedance given to the electric circuit is very small. On the other hand, when the current I exceeds a predetermined value, the reactance of the current limiter 10 increases significantly. As a result, since it acts as a large impedance with respect to the AC power supply 20, an increase in the current I is suppressed. Such a change in reactance is due to a change in the magnetic field applied to the magnetic core of the reactor (principle of electromagnetic induction), and it occurs spontaneously in response to a change in the current I. Therefore, an element for detecting the current value. Etc. are unnecessary.
尚、通常動作時のリアクタンス成分に起因した電圧降下をより低減させるためには、図13に示すように、限流器10と共振するコンデンサ50を直列に接続すればよい。そして、限流器10とコンデンサ50からなる共振回路の共振周波数を交流電源20の周波数と一致させれば、通常動作時における限流器10のインピーダンスを大幅に低減することが可能となる。 In order to further reduce the voltage drop caused by the reactance component during normal operation, as shown in FIG. 13, a capacitor 50 that resonates with the current limiting device 10 may be connected in series. Then, if the resonance frequency of the resonance circuit including the current limiter 10 and the capacitor 50 is matched with the frequency of the AC power supply 20, the impedance of the current limiter 10 in normal operation can be significantly reduced.
尚、本実施形態による限流器10はリアクトル型であることから、交流回路への応用が好適である。しかしながら、リアクタンスには電流増加を遅延させる作用があるため、大電流を遮断する遮断器40を用いることを前提とすれば、本実施形態による限流器10を直流回路に使用した場合であっても、遮断器40の遮断容量(遮断可能な最大電力値)を超えるリスクを軽減することが可能となる。したがって、本実施形態による限流器10は、直流回路に使用することも可能である。 Since the current limiting device 10 according to the present embodiment is a reactor type, it is suitable for application to an AC circuit. However, since reactance has the effect of delaying the increase in current, assuming that the circuit breaker 40 that cuts off a large current is used, the current limiting device 10 according to the present embodiment is used in the DC circuit. However, it is possible to reduce the risk of exceeding the breaking capacity (maximum power value that can be broken) of the circuit breaker 40. Therefore, the current limiter 10 according to the present embodiment can also be used in a DC circuit.
図14及び図15は、図13に示した限流回路(遮断器40を省略した場合)の動作波形図であり、図14は負荷30に印加される電圧波形を示し、図15は限流器10に流れる電流波形を示している。図14及び図15とも、交流電源20が商用電源(50Hz又は60Hz、実効電圧100V、最大電圧141V)であり、時刻t1において短絡事故が発生した場合のシミュレーション結果である。 14 and 15 are operation waveform diagrams of the current limiting circuit (when the circuit breaker 40 is omitted) shown in FIG. 13, FIG. 14 shows a voltage waveform applied to the load 30, and FIG. 15 is a current limiting circuit. The current waveform flowing through the vessel 10 is shown. 14 and 15 are simulation results when the AC power supply 20 is a commercial power supply (50 Hz or 60 Hz, effective voltage 100 V, maximum voltage 141 V) and a short circuit accident occurs at time t1.
図14に示すように、時刻t1以前の期間においては、負荷30に印加される電圧の最大値が約141Vであり、交流電源20から供給される交流電圧がほとんど低下することなく、負荷30に印加される。これは、限流器10とコンデンサ50からなるLC共振回路の共振周波数が交流電源20の周波数帯に設定されており、当該周波数におけるインピーダンスが非常に低いからである。そして、時刻t1において短絡事故が発生すると、図14に示すように、負荷30に印加される電圧はほぼゼロになる。しかしながら、短絡事故が発生すると限流器10のリアクタンスが瞬時に上昇することから、図15に示すように電流の増大が抑制される。 As shown in FIG. 14, in the period before time t1, the maximum value of the voltage applied to the load 30 is about 141V, and the AC voltage supplied from the AC power supply 20 hardly drops to the load 30. It is applied. This is because the resonance frequency of the LC resonance circuit including the current limiter 10 and the capacitor 50 is set in the frequency band of the AC power supply 20, and the impedance at that frequency is very low. Then, when a short-circuit accident occurs at time t1, the voltage applied to the load 30 becomes almost zero, as shown in FIG. However, when a short-circuit accident occurs, the reactance of the current limiter 10 rises instantaneously, so that the increase in current is suppressed as shown in FIG.
図16は、限流器10の代わりに通常の線形リアクトルを用いた場合において、線形リアクトルに流れる電流波形を示すシミュレーション結果である。図16に示すように、限流器10の代わりに通常の線形リアクトルを用いた場合、時刻t1において短絡事故が発生すると、電流値が急速に増大することが分かる。 FIG. 16 is a simulation result showing a current waveform flowing through the linear reactor when a normal linear reactor is used instead of the current limiting device 10. As shown in FIG. 16, when a normal linear reactor is used instead of the current limiting device 10, it can be seen that the current value rapidly increases when a short-circuit accident occurs at time t1.
これに対し、本実施形態においては、短絡事故が発生すると限流器10のリアクタンスが瞬時に上昇することから、電流の増大が抑制される。しかも、第2のコア22に印加される磁場が第2の磁場領域MF2である場合における共振周波数が交流電源20の周波数帯と異なっていれば、短絡事故の発生と同時に共振動作も停止することから、インピーダンスをより高めることができる。これらにより、本実施形態による限流器10を用いれば、短絡事故が発生した場合であっても、系統機器や回路素子の損傷を防止することが可能となる。 On the other hand, in the present embodiment, when a short-circuit accident occurs, the reactance of the current limiting device 10 rises instantaneously, so that the increase in current is suppressed. Moreover, if the resonance frequency when the magnetic field applied to the second core 22 is in the second magnetic field region MF2 is different from the frequency band of the AC power supply 20, the resonance operation is stopped at the same time as the short circuit accident occurs. Therefore, the impedance can be further increased. As a result, by using the current limiter 10 according to the present embodiment, it is possible to prevent damage to the system equipment and circuit elements even when a short-circuit accident occurs.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention, and these are also the present invention. Needless to say, it is included in the range.
10,10A,10C,10X 限流器
11A〜11C,11X 磁心
12,12X コイル
20 交流電源
21 第1のコア
21a,21b E型コア
21c,21d U型コア
22 第2のコア
23 接続部
30 負荷
40 遮断器
50 コンデンサ
10, 10A, 10C, 10X Current limiter 11A to 11C, 11X Magnetic core 12, 12X Coil 20 AC power supply 21 First core 21a, 21b E type core 21c, 21d U type core 22 Second core 23 Connection part 30 Load 40 circuit breaker 50 capacitor
Claims (8)
前記磁心は、第1の磁性材料を含む第1のコアと、前記第1の磁性材料とは異なる第2の磁性材料を含む第2のコアとを含み、
前記第1の磁性材料は、強磁性材料であり、
前記第2の磁性材料の磁気特性は、第1軸を磁場とし第2軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第1象限において、第1の磁場強度以下の第1の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第1の値であり、前記第1の磁場強度よりも強い第2の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第1の値よりも大きい第2の値であることを特徴とする限流器。 A magnetic core and a coil wound around the magnetic core are provided.
The magnetic core includes a first core containing a first magnetic material and a second core containing a second magnetic material different from the first magnetic material.
The first magnetic material is a ferromagnetic material and
The magnetic properties of the second magnetic material are based on the magnetic field in the first magnetic field region of the first magnetic field strength or less in the first quadrant of the graph in which the first axis is the magnetic field and the second axis is the magnetic flux density or magnetization. In the second magnetic field region where the differential value of the magnetic flux density or the magnetization is the first value and is stronger than the first magnetic field strength, the differential value of the magnetic flux density or the magnetization with respect to the magnetic field is larger than the first value. A current limiting device characterized by having a value of 2.
前記ギャップは、前記2つのE型コアの前記中脚が対向する部分に形成されることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載の限流器。 The first core consists of a combination of two E-shaped cores with one middle leg and two side legs.
The current limiting device according to any one of claims 2 to 4, wherein the gap is formed in a portion where the middle legs of the two E-shaped cores face each other.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の限流器と、
前記限流器に直列に接続されたコンデンサと、を備え、
前記コイルと前記コンデンサは、前記第2のコアに印加される磁場が前記第1の磁場領域である場合に、前記交流電源の周波数帯で共振するLC共振回路を構成することを特徴とする共振型限流回路。 A current limiting circuit that limits the current supplied from an AC power supply.
The current limiter according to any one of claims 1 to 6 and
With a capacitor connected in series with the current limiter,
The coil and the capacitor form a resonance circuit that resonates in the frequency band of the AC power supply when the magnetic field applied to the second core is in the first magnetic field region. Type limiting circuit.
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