JPS5856961B2 - クウシンリアクトルツキデンリユウヘンカンキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、転流リアクトルとして設けられ、かつ各コイ
ルターンごとに互いに絶縁されたある数の単位導体から
なり、中周波電流用として構成された変換器用空心リア
クトルに関するものである。

直流調整器や他の変換器例えば自励式インバータの転流
回路には、変換器の運転にとって転流電流が好ましい時
間的経過をとるようにするために、しばしば上記形式の
空心リアクトルが用いられる。

その場合、かかるリアクトルには、数ｋＡの振幅をもち
、しかもその周波数スペクトルが通常は０．１ないし２
０ｋＨｚの中周波数範囲にある短い時間幅の電流パルス
が流れる。

交流損失を小さく保持するために、実用上上記形式のり
アクドルでは導体材料として、互いに絶縁された円形断
面の複数の単位導体から成るいわゆる中周波撚線、例え
ば銅撚線がしばしば用いられる。

このようにして前記形式の電流変換器が構成される。

この中周波撚線は、入手する上に高価であり、しかも個
々の巻線を結合し、かつリアクトルとして必要な機械的
強度を付与するために、特別な支持構造を必要とする。

種々の観点から、変換器における転流リアクトルとして
中実導体を巻回して作ったりアクドルを用いることが好
ましいと考えられる。

しかしながらそのような中実導体から成るリアクトルは
動作時に生ずる損失のため電流値の小さな場合にしか用
いることができず、ｋＡ範囲の大きな電流値の場合には
用いることができない。

計算上の検討によれば、中実導体コイルにおける損失は
複数の成分から成っており、その成分は次の通りである
。

１）外部から流される電流がリアクトルのオーム抵抗に
生ずる電圧降下により生ずる損失（オーム抵抗損） ２）個々のコイルターンにおいてそのコイルターンに流
れる電流の交番磁界によって誘導される電流による損失
（表皮効果損） ３）個々のコイルターンにおいて他のコイルターンの交
番磁界によって誘導される電流による損失（うず電流積
） 上記第１項ないし第３項の損失の割合は、実際上、リア
クトルを流れる電流の波形及び周波数、並びにリアクト
ル及び導体の寸法に強く依存する。

リアクトル及び導体の寸法を適当なものとすることによ
って、上記第２項の表皮効果損を、避けることのできな
い第１項のオーム抵抗損よりも小さくするか、または少
なくとも同じオーダの大きさにすることができる。

これに対して第３項のうず電流積は大抵より大きなオー
ダである。

本発明の目的は、冒頭で述べた形式の変換器用空心リア
クトルにおいて、動作時にリアクトルに生ずるうず電流
積（前記第３項）を中周波範囲の大きな電流負荷の場合
でも十分抑制しうるように構成することにある。

この目的は本発明により、各コイルターンを、互に平行
に配置された複数の帯状の単位導体から構成し、その空
心リアクトルの半径方向に測られた厚さが軸方向に測ら
れた幅よりも実質的に小さくすることによって達成され
る。

従ってリアクトルコイルを構成する導体は、互に絶縁さ
れた矩形断面のある数の単位導体が用いられる。

導体のこのような配置構成は、うず電流の通路をしゃ断
し、かつ導体断面の平均電流密度を大幅に減少させると
いう結果をもたらす。

それによって前記第３項のうず電流積を大幅に減少させ
ることができる。

単位導体を帯状の形状にすること、また上記の寸法関係
にすることによって、前記第２項の表皮効果損を前記第
１項の避けることのできないオーム抵抗損よりも小さく
することができることになる。

薄条帯を２ターンまたはそれ以上巻回してコイルを構成
することは既にドイツ連邦共和国特許第２００３５０号
明細書並びに同国特許第２０４６０１号明細書により公
知である。

この銅または他の導電材料から成る薄条帯は薄く選定さ
れ、その幅はコイルの巻線幅に対応している。

しかしながらそこでは鉄心付きのコイルを対象とし、巻
線空間をできるだけ減少させるようにすることを目的と
している。

このような薄条帯を平行に配置して構成したコイルは個
々の薄条帯間に絶縁層を介在させることなしに構成され
る。

本発明を更に発展させたものによれば、リアクトルの半
径方向から見て、各コイルターンの内側及び外側の単位
導体の厚さをそれらの間に配置されている単位導体の厚
さよりも薄くするのがよい。

そうすることによって、コイルターンの外側の円単位導
体の平均電流密度を減少させ、それによって導体全体の
平均電流密度を一層減少させ、特にうず電流積をなお一
層減少させることができる。

多数の単位導体が存在する場合には、それらの厚さを内
側から外側へと段階的に減少させるのがよい。

個々のコイルターン相互間にはスペーサを配置するのが
よい。

そうすることによってリアクトルコイル熱の放散を良好
に行なわせることができる。

即ち、冷却風は、各コイルターン間に通すか、或は冷却
ファンによって送りこむことができる。

ドイツ連邦共和国特許第５１０２２２号明細書により、
変圧器の円板コイルにおいて各ターン間にスペーサを配
置することは既に公知である。

このような構成は液状冷却媒体、例えば油が各コイルタ
ーンを洗いうるということを保証するものでなげればな
らない。

また上記のスペーサは電気絶縁材料で作らなければなら
ない。

本発明によるリアクトルは中実コイルの利点、即ち低価
格、機械的安定性、並びに高い電流及び温度負荷性とい
う利点を、中周波撚線を巻回して作ったりアクドルの利
点、即ちうず電流による損失が少ないという利点と共に
もっているものである。

次に図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。

第１図にはドイツ連邦共和国特許第１２４２２８９号明
細書により公知である直流電流調整装置が示されている
。

ここでこの直流電流調整装置は従来技術において公知で
ありしかも少なくとも転流リアクトルを含む多くの変換
器の代表例として示されている。

第１図の装置では直流電動機Ｍは直流電流調整器Ｇを介
して直流電源Ｂに接続され、直流電源Ｂは例えば蓄電池
でありうる。

主可制御電気弁ｖ１は例えば１個のサイリスタまたは並
列接続された複数個のサイリスタから成り、直流電源Ｂ
の電流通流方向に合せた極性で接続されている。

この主電気弁■１には消弧コンデンサＫ及び可制御の消
弧用電気弁ｖ２の直列回路を含む消弧装置が付設されて
いる。

消弧用電気弁■２もやはりサイリスタを用いることがで
きる。

消弧用電気弁■２にはこの電気弁■２と逆極性の非制御
形の逆充電用電気弁Ｄ１ と逆充電用リアクトルＬ１
との直列回路が並列に接続されている。

さらに主電気弁Ｖ１には帰還振動用リアクトルＬ２ と
主電気弁■１に対して逆極性の非制御形の帰還振動用電
気弁Ｄ２との直列回路が並列に接続されている。

この直流電流調整装置を始動するにはまず消弧用電気弁
■２が点弧され、この消弧用電気弁■２及び直流電動機
Ｍを介して消弧用コンデンサには直流電源Ｂの電圧に充
電される。

これによって消弧用コンデンサにの、主電気弁■１ に
対向する側の電極は、第１図における図示とは反対に正
電位に、また消弧用電気弁■２に対向する側の電極は負
電位を得る。

消弧用コンデンサにの充電が終了すると直ちに消弧用電
気弁■２は阻止状態となる。

主電気弁■１内の電流を消すためには、消弧用コンデン
サにの極性を逆にすることが必要である。

消弧用コンデンサにのこの逆充電は主電気弁■１の点弧
後に逆充電用のりアクドルＬ１及び電気弁Ｄ１を介して
行われる。

主電気弁■１の電流が消されるべき場合には、消弧用電
気弁■２が改めて点弧され、主電気弁Ｖ１ のカソード
は正電位を得主電気弁■１の電流はこの主電気弁■１を
介して逆向きに流れる消弧電流によって消される。

消弧用コンデンサＫになお蓄えられているエネルギーは
帰還振動用のりアクドルＬ２及び電気弁Ｄ２を介して消
弧用コンデンサＫに帰還され、主電気弁■、の消弧後に
直流電動機Ｍを介して実質的にはもはや放電が行われる
ことはない。

上記直流電流調整装置において、帰還振動用リアクトル
Ｌ２が本発明の対象とする転流リアクトルとみなされる
。

これに生ずる損失、特にうず電流積はできるだけ小さく
しなげればならない。

第２図はかかる転流リアクトルの機械的構造を斜視図と
して示したもので、この転流リアクトルは鉄心をもって
おらず、またこの転流リアクトルは電流を一つの電気弁
から他の電気弁に転流させるために設けられるものであ
る。

第２図から分かるように、リアクトルＤとして巻回され
ている導体は、例えば銅またはアルミニウムのような良
導電性の材料から戒る、互いに平行に配置された帯状の
ｚ ＝ ３個の単位導体Ｅ１Ｅ２及びＥ３で構成されて
いる。

単位導体Ｅ１Ｅ２及びＥ３は、第２図には示されていな
いが、薄いワニス層によるか、または薄い絶縁帯を介挿
することによって互いに絶縁されている。

アルミニウムから成る単位導体Ｅ１ 、Ｅ２ 、Ｅ３の
場合には、上記絶縁は陽極酸化による被膜によって形成
することもできる。

このようにしてこの導体は矩形断面の多層帯状導体と見
られる。

上記の場合、各単位導体Ｅ１．Ｅ２及びＥ３はそれぞれ
同じ厚さｄ／３を持ち、その結果全体の厚さはｄとなる
。

リアクトルＤの半径方向に測定される単位導体Ｅ１ 、
Ｅ２及びＥ３の厚さｄ／３は、それぞれリアクトルの軸
心Ａの方向に測定される幅すよりも本質的に小さくなっ
ている。

導体全体の厚さｄは例えば２〜１０ｍの範囲にあり、幅
すは約１０ｃｒｎかまたはそれ以上に作られる。

その場合幅すはリアクトルＤに流れる最大電流に従って
定められる。

単位導体Ｅ１．Ｅ２及びＥ３の数２は大抵１０以下であ
るが、通常は５のことが多い。

最適の数Ｚ及び最適の全体厚さｄの選定については後で
第７図を参照しながら詳述する。

リアクトルＤの両端には接続端子Ｚ１ないしＺ２が接続
され、これらの接続端子Ｚ１ 、ｚ２にはそれぞれ接続
用孔０１ないし９２があげられている。

第３図にはりアクドルコイルに巻回された厚さｄの中実
導体Ｅの導体断面における電流密度Ｓの分布を示す。

その分布は半径方向Ｘにとられている。

この図から分かるように、両縁部の電流密度Ｓ即ちＸ二
〇及びｘ ＝ ｄの位置における電流密度Ｓは、表皮効
果及び誘導うず電流のために著しく大きな値となる。

この電流密度Ｓに基づく平均電流密度Ｓの値も図示の破
線の如く著しく大きなものとなる。

半径方向の位置Ｘにおける導体Ｅの単位体積当りのうず
電流積は、電流密度５（ｘ）の２乗と固有抵抗との積と
して計算することができる。

第４図は、第３図との比較において、ｚ ＝ ３の帯状
単位導体Ｅ１．Ｅ２及びＥ３から戒る第２図の導体を巻
回して作ったりアクドルにおいて、半径方向Ｘの電流密
度Ｓの分布を示すものである。

この図から分かるように、第３図の場合に比較して縁部
Ｘ二〇及びｘ ＝ ｄにおける電流密度Ｓの値は著しく
減少している。

そのため平均電流密度Ｓも第３図の中実導体Ｅの場合よ
りも実質的に小さくなっている。

即ち、リアクトルの導体を互いに絶縁した帯状のある数
の単位導体Ｅ０．Ｅ２゜Ｅ３に分割することによって、
導体断面の平均電流密度Ｓを大幅に減小させることがで
きるのである。

しかもなお重要なことは、単位体積当りのうず電流損は
、上述のように、電流密度Ｓの２乗に比例して大幅に減
少するということである。

第４図からさらに、合成された導体の縁部Ｘ−０及びｘ
＝ ｄにおける電流密度Ｓは内部に存在する個々の単
位導体間の境界部Ｘ１及びＸ２における電流密度よりも
なお大きいことが分かる。

この大きな値をも減少させるためには、リアクトルＤの
半径方向Ｘに見て、当該コイルターンの最内側及び外側
の単位導体Ｅ１ないしＥ３の厚さを、これらの単位導体
間に置かれた単位導体Ｅ２のそれよりも薄くするように
するのがよい。

いい換えれば、単位導体Ｅ、及びＥ３の厚さＸｌ及び（
ｄ−Ｘ２）をまん中の単位導体Ｅ２の厚さくＸ２−Ｘｉ
）よりも小さくするということである。

第５図は前記と同様にｚ ＝ ３の単位導体Ｅ１゜Ｅ２
及びＥ３から成る導体を巻回して作った空心リアクトル
Ｄの縦断面を示すものである。

このリアクトルは上述の場合と同様に変換器において転
流リアクトルとして用いられるものであるが、この場合
、図を見易くするために３ターンだけしか示されていな
い。

各コイルターン相互間には絶縁スペーサ１が介挿されて
いる。

この絶縁スペーサ１は各コイルターン相互間の間隔保持
体として役立つと同時に、他方ではコイルターン相互間
の絶縁部材として作用し、更に軸Ａに平行に流れる冷却
風が十分に通流しうるようにしている。

検討結果によれば、リアクトルＤの上述の三つの成分か
ら成る合成損失Ｐｖは、導体を２個の単位導体Ｅ１．Ｅ
２・・・Ｅｚに分割することによって、係数２あるいは
それ以上だけ、あるいは避けることのできないオーム抵
抗損のオーダにまで減少させることができる。

このことは第６図及び第７図についての次の各説明から
理解される。

第６図は雑誌「Ｓ ｉｅｍｅｎｓ −Ｚｅｉｔｓｃｈｒ
ｉｆｔ ｌ第４５巻（１９７１年）第３号、第１５４〜
１６１ページ、特に第８図に記載されているパルス式イ
ンバータから取出される電流ｉの時間ｔに対する関数を
示す。

この電流ｉは第２図または第５図によるリアクトルＤに
周期的な電流パルスを供給する。

パルス状電流の周期ＴはほぼＴ＝２．７５ｍ５ｅｃであ
り、電流ｉの最大振幅ｉ。

はほぼｉ。−３ｋＡである。

第７図は第６図に対応する電流変化において求められる
分割導体形リアクトルＤの損失Ｐｖを単位導体の全厚さ
ｄの関数として図示したものである。

この場合、パラメータとして単位導体の数２をとってい
る。

この図から各パラメータ曲線において損失Ｐｖはそれぞ
れ最小値をもっていることが分かる。

各最小値は個々の曲線に×印で示されている。

第６図の電流変化に対応する負荷状態において損失Ｐｖ
をできるだけわずかに保持するためには、リアクトルＤ
をこの最小値に対応する寸法に定めればよい。

即ち、例えば２二５の単位導体数に選定しなげればなら
ない場合には、全厚さｄをほぼ４５Ｍに選べばよい。

即ちリアクトルＤの損失が最小となるためには、個々の
帯状単位導体の厚さはｄ ／ ５ ＝ ０．９ ｒｒａ
ｎとしなげればならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される空心リアクトル付変換器の
一例を示す公知の直流電流調整装置の接続図、第２図は
本発明に係る空心リアクトルの一実施例を示す斜視図、
第３図は中実導体を巻回して作ったりアクドルの導体断
面における電流密度の分布図、第４図は本発明に係るリ
アクトルの導体断面における電流密度の分布図、第５図
は本発明に係る空心リアクトルの他の実施例を示す縦断
面図、第６図は空心リアクトルの負荷電流の一例を示す
電流一時間線図、第７図は本発明に係る空心リアクトル
における単位導体の全厚さと損失との関係の一例を示す
線図である、 Ｄ・・・空心リアクトル、Ｅｌ 、Ｅ２ 、Ｅ３・・・
単位導体、ｄ・・・単位導体の全厚さ、ｂ・・・単位導
体の幅。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流調整器や自励インバータの如き半導体電力変換
   器において転流コンデンサと共に転流回路を形成する転
   流リアクトルとして用いられる空心リアクトルであって
   、両端部をそれぞれ電気的に一括接続され且つ両端部以
   外は互いに絶縁されて重ね合わされている複数の帯状単
   位導体を巻回してなり、リアクトルの半径方向に測られ
   た厚さは軸方向に測られた幅よりも小さくしであること
   を特徴とする変換器用空心リアクトル。