JP2001358025A - 三相限流器 - Google Patents

三相限流器

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JP2001358025A
JP2001358025A JP2000174967A JP2000174967A JP2001358025A JP 2001358025 A JP2001358025 A JP 2001358025A JP 2000174967 A JP2000174967 A JP 2000174967A JP 2000174967 A JP2000174967 A JP 2000174967A JP 2001358025 A JP2001358025 A JP 2001358025A
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phase current
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yokes
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Susumu Okada
將 岡田
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F2003/103Magnetic circuits with permanent magnets

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 限流効率が高く、直流電源も必要でなく、か
つ、小型化が図れ、メインテナンスフリーの永久磁石を
用いた安価に製造可能な三相限流器を得る。 【解決手段】 第一の磁気回路1及び第二の磁気回路2
が、それぞれ、永久磁石3と、永久磁石3の両端面に設
けられた2個の第一のヨーク4と、第一のヨーク4の永
久磁石3と反対側の他端間に設けられた磁気的に飽和さ
れた軟質磁芯5とから構成され、第一及び第二の磁気回
路1,2が隙間8を介して軟質磁芯5を対向させて配置
され、両軟質磁芯5の周囲に所定の間隔をおいて三個の
独立したコイル7を巻回し、両軟質磁芯5の磁気飽和の
極性が逆である。また、限流効率改善のために、6対の
L字形状の第二のヨーク6が軟質磁芯5に接合されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は三相限流器に関
し、特に、電気回路の短絡事故などで発生する過電流を
効率よく抑制するための三相限流器に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】例えば、電気書院1960年刊木村久男
監修‘変圧器の設計工作法’304頁には、短絡電流を
インピーダンスのみで制限する目的で、そのリアクタン
スが巻数と形状により決まる空芯リアクトル(ソレノイ
ドコイル)が使用されることが開示されている。
【0003】また、オーム社刊‘電気工学ハンドブッ
ク’614頁に、三通りの超伝導限流器が開示されてい
る。その一つは超伝導線と抵抗を並列接続する方法で、
正常時は電流が超伝導線を流れ、系統事故時には超伝導
線が常伝導転移することにより高抵抗となり、事故電流
は抵抗に流れ、限流されることが記載されている。その
他の方法は省略するが、いずれの方法も付帯装置として
低温冷却装置を必要とする。
【0004】さらに、永久磁石を用いたものとしては、
例えば、第20回日本応用磁気学会学術講演概要集(1
996)22pB−4に単相内磁型構成のものが、ま
た、単相外磁型構成のものとしては、図11(限流効率
改善用ヨークは図示省略)に示すような例えば特願平1
2−49565号に記載されているものがある。
【0005】図11において、101は電源変圧器、1
02は負荷抵抗(R)、103−1及び103−2は対
向して設けられた1対の永久磁石、104−1a,10
4−2a,104−1b,104−2bは、各永久磁石
103−1,103−2の端面に接合されるヨーク、1
05−1及び105−2は、ヨーク104の永久磁石1
03とは反対側の別端面に接合され、対向して設けられ
た1対の軟質磁芯、107は、軟質磁芯105−1,1
05−2に巻回されたコイルである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来例として最初に記
した空芯リアクトルを用いる方法は空芯構造のためイン
ピーダンスが低く、且つ、インピーダンスが電流に依存
せず一定のため、限流効率が悪く、三相の場合は3台必
要となり体格がますます大きくなるという欠点を有す
る。
【0007】また、従来例として2番目に記載した超伝
導限流器は、低温冷却装置を必要とするため、メインテ
ナンスに費用がかかるという問題を有する。
【0008】また、従来例として3番目に記載したよう
に、永久磁石を用いたもので単相構成のものは存在する
が、永久磁石を用いたもので三相構成のものは開示され
ていない。通常、空芯の限流リアクトルのごとく、単相
構造のものを三台、三相のU、V、W相に適用すること
が想定されるが、同じものを三台製作するため、コスト
が高くなるとともに、全体の構成が大きくなってしまう
という問題を有する。
【0009】本発明は、かかる問題点を解決するために
なされたものであり、限流効率が高く、直流電源も必要
でなく、かつ、小型化が図れ、メインテナンスフリーの
永久磁石を用いた三相の限流器を安価に提供することを
目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明は、略々同材質
及び同形状の第一及び第二の磁気回路を備えた三相限流
器であり、第一及び第二の磁気回路が、それぞれ、永久
磁石と、永久磁石の両端面に設けられた2個のヨーク
と、ヨークの永久磁石と反対側の他端間に設けられた磁
気的に飽和された軟質磁芯とから構成され、第一及び第
二の磁気回路が所定の隙間を介して軟質磁芯を対向させ
て配置され、両軟質磁芯の周囲に所定の間隔をおいて三
個の独立したコイルを巻回し、両軟質磁芯の磁気飽和の
極性が逆である。
【0011】また、第一及び第二の磁気回路が平面的に
配置されている。
【0012】また、第一及び第二の磁気回路が、上記永
久磁石、上記ヨーク、上記軟質磁芯が対向するように重
層的に配置されている。
【0013】また、軟質磁芯に一方の端面により接合さ
れた6対の第二のヨークをさらに備え、各対を構成する
第二のヨークの他方の端面間が所定の隙間を介して離間
して配置されている。
【0014】また、軟質磁芯に一方の端面により接合さ
れた6個の第二のヨークをさらに備え、各第二のヨーク
の他方の端面と軟質磁芯との間に所定の隙間を有してい
る。
【0015】また、軟質磁芯が凹形状コアであり、短冊
形状コアのジョイントラップ接合の積層板である。
【0016】また、軟質磁芯が角形ヒステレシス特性を
有する。
【0017】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1は本発明の実
施の形態1の三相限流器の構成を示す正面図である。同
図において、3−1は希土類磁石(Sm−Co系、Nd
−Fe−B系)、フェライト磁石(Ba系、Sr系)、
ボンド磁石(フェライト系、Nd−Fe−B系)、鋳造
磁石(Al−Ni−Co系、Fe−Cr−Co系)、圧
延磁石(Fe−Mn系、Fe−Cr−Co系)、押し出
し加工磁石(Mn−Al)等からなる角柱状の永久磁
石、4−1a及び4−1bは永久磁石3−1の端面に接
合される純鉄、珪素鋼、鉄・コバルト合金(49Co−
2V−Fe)等の角柱塊状または角柱積層の(飽和磁束
密度の高い)軟質磁芯からなるL字形状の着磁用の第一
のヨーク、5−1は第一のヨーク4の永久磁石3と反対
側の端面に接合される方向性珪素鋼、パーマロイ(50
Ni−Fe)、アモルファス合金、ファインメット(ナ
ノ結晶磁性材料)、フェライト等からなる高透磁率の角
形ヒステレシス特性を有するスイッチング用軟質磁芯、
6−1a,6−1b,6−1c、6−1d、6−1e、
6−1fはスイッチング用軟質磁芯5−1に接合される
珪素鋼、鉄・コバルト合金、フェライト等の高透磁率の
軟質磁芯からなるL字形状の限流効率改善用の第二のヨ
ーク群で、6−1a、6−1bは三相U相対応、6−1
c、6−1dはV相対応、6−1e、6−1fはW相対
応のヨークである。なお、第二のヨーク6は、後述する
コイルが巻回される軟質磁芯5の各コイル端近傍部から
磁気回路が周回するように設けられたものである。1は
該永久磁石3−1,第1のヨーク4−1a、4−1b、
スイッチング軟質磁芯5−1、第2のヨーク6−1a、
6−1b、6−1c、6−1d、6−1e、6−1fか
らなる第1の磁気回路である。
【0018】すなわち、第一の磁気回路1の構成につい
てさらに詳細に説明する。まず、図に示すように、角柱
型の永久磁石3−1の両端面に2個のL字形状の第一の
ヨーク4−1a及び4−1bが接合されて、全体として
コの字形状を形成している。次に、当該コの字形状の両
端面(すなわち、L字形状の第一のヨーク4−1a及び
4−1bの他方の端面)にスイッチング用軟質磁芯5−
1が跨設して設けられて、全体としてロの字形状を形成
している。ロの形状の内部に収容されるように、3対の
L字形状の第二のヨーク6−1a〜fがスイッチング用
軟質磁芯5−1に接合されている。3対の第二のヨーク
6は、それぞれ、図に示すように、一方の端面が軟質磁
芯5−1に接合され、他方の端面が対の相手方の端面と
対向するように所定の隙間を空けて設けられている。
【0019】また、図1において、3−2は3−1とほ
ぼ同材質、同形状の永久磁石、4−2a及び4−2b
は、4−1a及び4−1bとほぼ同材質、同形状の第1
のヨーク、5−2は5−1とほぼ同材質、同形状のスイ
ッチング用軟質磁芯、6−2a、6−2b、6−2c、
6−2d、6−2e、6−2fは6−1a、6−1b、
6−1c、6−1d、6−1e、6−1fとほぼ同材質
の、同形状の第2のヨーク群である。2は永久磁石3−
2,第1のヨーク4−2a、4−2b、スイッチング用
軟質磁芯5−2、第2のヨーク群6−2a、6−2b、
6−2c、6−2d、6−2e、6−2fからなる第2
の磁気回路である。第2の磁気回路の構成については、
第一の磁気回路と同様であるため、ここでは説明を省略
する。
【0020】また、図において、7a,7b、7cは、
第1の磁気回路のスイッチング用軟質磁芯5−1と、当
該軟質磁芯5−1と隙間8を介して対向配置される第2
の磁気回路のスイッチング用軟質磁芯5−2との両軟質
磁芯の周囲に所定の間隔をおいて巻回された3個の独立
したコイルであり、三相のU相、V相、W相対応のコイ
ルである。8は第1の磁気回路と第2の磁気回路間の隙
間であり、なんらかの非磁性部材を用いても良い。本実
施の形態においては、図1に示すように、第一及び第二
の磁気回路1及び2は、隙間8を介して、軟質磁芯5−
1及び5−2を対向させて、平面的に配置されている。
【0021】同図ではコイル7a,7b,7cは、軟質
磁芯5−1及び5−2に直接巻回されているが、ボビン
コイルを用いてもよい。その場合は、ボビンコイルに軟
質磁芯を挿入する。
【0022】図2は図1の破線y−y´からx方向(紙
面で左右)を見た断面側面図(コイル図示省略)で、図
中の各符号は図1と同部材・同材質を示す。
【0023】次に実施の形態1の三相限流器の動作につ
いて説明する。図1において、磁気回路1及び磁気回路
2の軟質磁芯5−1及び5−2は永久磁石3−1及び3
−2により飽和領域まで磁化されており、磁化の方向
(すなわち、磁気飽和の極性)は図中、上下角形ヒステ
レシス特性を有する軟質磁芯5−1及び5−2でお互い
に逆向きである。コイル7に定常電流(小電流)が通電
している時は、両軟質磁芯5−1及び5−2は同じ方向
の磁気飽和領域にあるので、コイル7のインピーダンス
は小さいが、いずれかのコイル7に短絡電流(大電流)
が流れると、短絡電流が通電している二個の軟質磁芯5
部はお互い逆方向の磁気飽和領域に磁化反転する。従っ
て、コイル7のインピーダンスは大きくなり、全波にわ
たって限流されるものである。このとき、反転磁束の大
部分は軟質磁芯5のコイル7が巻回されているコイル端
近傍部分から第二のヨーク6及び各対になっているヨー
ク6間の隙間を還流する。なお、この隙間が零である
と、ヨーク6部の磁気抵抗が格段に小さくなり、永久磁
石3による直流磁束のヨーク6への還流量が増え、軟質
磁芯5の磁気飽和が不十分となるので望ましくない。
尚、短絡電流通電時の反転磁束により、ヨーク6が磁気
飽和しないように、十分断面積を大きく取ることが肝要
である。
【0024】以上のように、本実施の形態における3相
限流器においては、1個の永久磁石3−1と、該永久磁
石3−1の両端面に接合される二個のヨーク4−1a及
び4−1bと、該ヨーク4の別端面に接合される磁気的
に飽和された軟質磁芯5とからなる第一の磁気回路1、
該磁気回路1とほぼ同材質・同形状の第二の磁気回路2
で全磁気回路を構成し、両磁気回路を隙間8を介して軟
質磁芯5部分を対向させ、両軟質磁芯5部分の周囲に間
隔をおいて三個の独立したコイル7a,7b,7cを巻
回し、両軟質磁芯5−1及び5−2の磁気飽和の極性が
逆である構成にしたので、インピーダンスが高く、か
つ、インピーダンスが電流に依存するため、限流効率が
高く、また、低温冷却装置や直流電源等の付帯装置も必
要でなく、かつ、単相構造のものを3台用いる方式に比
べて、永久磁石、永久磁石と軟質磁芯とを接合するヨー
ク、及び、軟質磁芯の数を1/3にできるので、小型化
が図れ、メインテナンスフリーの三相限流器を安価に製
造することができる。
【0025】実施の形態2.図3及び図4は本発明の実
施の形態2による三相限流器の構成を示す正面図及び断
面側面図である。図3及び図4において各符号は図1に
記載のものと同部材・同材質を示す。図3の構成の三相
限流器は、図中、符号6で示す第二のヨーク6を紙面に
対し、垂直の方向に配した点が図1の構成の三相限流器
と異なる。すなわち、第二のヨーク6を軟質磁芯5の表
面形状に沿って90゜回転移動させ、実施の形態1にお
いて接合されていた軟質磁芯5の側面に隣接した側面に
接合されている。図4は図3の断面側面図(コイル図示
省略)で、図中の各符号は図3と同部材・同材質を示
す。
【0026】三相限流器の基本的な回路短絡時の限流動
作については、図1のものと同じであるので省略する。
【0027】本実施の形態における三相限流器は、実施
の形態1と同様の効果が得られるとともに、図3から明
らかなように、y方向の幅を短く出来るので着磁用の第
一のヨーク4の長さを短くでき、着磁効率の向上を図れ
るという効果を有する。
【0028】実施の形態3.図5及び図6は本発明の実
施の形態3における三相限流器の構成を示す正面図及び
断面側面図である。図において、各符号は図1に記載の
ものと同一部材・同材質を示す。図5及び図6の構成の
三相限流器は、軟質磁芯5−1及び5−2として、図1
または図3の三相限流器が短冊形状のもの用いているの
に対し、コの字形状(凹形状)のものを用いており、さ
らに、図1または図3の三相限流器では第1の磁気回路
1と第2の磁気回路2が平面的に配置されているのに対
して、第1の磁気回路1と第2の磁気回路2が重層的に
配置されている(図6参照)点が異なる。本実施の形態
においては、図のように、コの字形状の軟質磁芯5の3
つの外側の側面に3対の第二のヨーク6がそれぞれ1つ
ずつ接合されている。
【0029】図5の正面図に対し図6は図5の破線x−
x´に沿った断面からy方向を見た断面側面図(コイル
図示省略)である。
【0030】三相限流器の基本的な回路短絡時の限流動
作については図1に示すものと同じであるので省略す
る。
【0031】本実施の形態における三相限流器は、実施
の形態1と同様の効果が得られるとともに、図5及び図
6から明らかなようにx方向の長さを短くでき、且つ、
着磁用の第一のヨーク4を短くできるので、着磁効率が
高くできるという効果を有する。
【0032】なお、凹形状の軟質磁芯5は打ち抜きコア
を用いると材料歩留まりが悪く高価となるが、図7の
(a)正面図及び(b)側面図に示すごとく短冊形状コ
ア又は額縁形状コア(図示省略)のジョイントラップ接
合による積層コアを用いれば安価に作製できる。
【0033】実施の形態4.図8は本発明の実施の形態
4による三相限流器の構成を示す断面側面図(コイル図
示省略)である。図において、各符号は図1に記載のも
のと同一部材・同一材質を示す。三相限流器の基本的な
回路短絡時の限流動作については図1に示すものと同じ
であるので省略する。本実施の形態における三相限流器
は図5に示した実施の形態3の三相限流器の限流特性改
善用の第二のヨーク6を紙面に垂直な面に配置したのが
特徴である。すなわち、図5の正面図に記載されている
ヨーク6を軟質磁芯5の表面形状に沿って90゜回転さ
せ、実施の形態3において接合されていた軟質磁芯5の
側面に隣接した側面に接合されている。本実施の形態に
おいては、図5に示した構成の三相限流器よりもx方向
の長さ、y方向の幅を短くでき、全体の形状をコンパク
トに出来るという効果を有する。
【0034】実施の形態5.図9は本発明の実施の形態
5を示す三相限流器の構成を示す正面図(コイル図示省
略)である。図において、各符号は図1に記載したもの
と同一部材・同一材質を示す。
【0035】三相限流器の基本的な回路短絡時の限流動
作については、図1に示すものと同じであるので省略す
る。
【0036】本実施の形態における三相限流器は図5及
び図6に示す三相限流器の限流効率改善用ヨーク6−1
a、6−1b、6−1e、6−1f、6−2a、6−2
b、6−2e、6−2fを、コの字形状の軟質磁芯5−
1,5−2、永久磁石3−1、3−2,着磁用ヨーク4
−1a、4−1b、4−2a、4−2bの内部に配置す
ることにより、図5及び図6に示したものより、よりコ
ンパクトに構成したことが特長である。
【0037】尚、実施の形態1〜5の三相限流器の限流
特性改善用の第二のヨーク6に関しては、各対を構成す
るL形状のものを所定の隙間を介して対向させて配置す
る例について示したが、その場合に限らず、図10に示
すように、第二のヨーク6の一方の端面を軟質磁芯5に
接合させ、他方の端面と軟質磁芯5との間に所定の隙間
を設けた構成のものを用いるようにしても良い。
【0038】
【発明の効果】この発明は、略々同材質及び同形状の第
一及び第二の磁気回路を備えた三相限流器であり、第一
及び第二の磁気回路が、それぞれ、永久磁石と、永久磁
石の両端面に設けられた2個のヨークと、ヨークの永久
磁石と反対側の他端間に設けられた磁気的に飽和された
軟質磁芯とから構成され、第一及び第二の磁気回路が所
定の隙間を介して軟質磁芯を対向させて配置され、両軟
質磁芯の周囲に所定の間隔をおいて三個の独立したコイ
ルを巻回し、両軟質磁芯の磁気飽和の極性が逆であるよ
うに構成したので、直流電源や低温冷却装置等の付帯装
置が不用なメイテナンスフリーの高効率の永久磁石を用
いたスイッチング式の三相限流器が安価に実現出来る。
また、単相器三台を用いる方式に対して、永久磁石、永
久磁石と軟質磁芯を接合するヨーク、軟質磁芯の数を1
/3にできるので、大幅な小型化を図ることができる。
【0039】また、第一及び第二の磁気回路を平面的に
配置するようにしたので、製造工程が容易になる。
【0040】また、第一及び第二の磁気回路を、上記永
久磁石、上記ヨーク、上記軟質磁芯が対向するように重
層的に配置するようにしたので、正面方向から見た場合
のx方向(水平方向)の長さを短くでき、かつ、ヨーク
の長さを短くできるので、着磁効率を高くすることがで
きる。
【0041】また、軟質磁芯に一方の端面により接合さ
れた6対の第二のヨークをさらに備え、各対を構成する
第二のヨークの他方の端面間が所定の隙間を介して離間
して配置されるようにしたので、コイルが巻回された軟
質磁芯の各コイル端近傍部から磁気回路を周回すること
ができ、限流効率のさらなる改善を図ることができる。
【0042】また、軟質磁芯に一方の端面により接合さ
れた6個の第二のヨークをさらに備え、各第二のヨーク
の他方の端面と軟質磁芯との間に所定の隙間を有してい
るので、コイルが巻回された軟質磁芯の各コイル端近傍
部から磁気回路を周回することができ、限流効率のさら
なる改善を図ることができる。
【0043】また、軟質磁芯が凹形状コアであるため、
装置の小型化が図れ、また、凹形状コアを短冊形状コア
のジョイントラップ接合の積層板から構成するようにし
たので、安価に製造することができる。
【0044】また、軟質磁芯が角形ヒステレシス特性を
有するようにしたので、コイルに定常電流(小電流)が
通電している時は、両軟質磁芯は同じ方向の磁気飽和領
域にあるので、コイルのインピーダンスは小さいが、い
ずれかのコイルに短絡電流(大電流)が流れると、短絡
電流が通電している二個の軟質磁芯部はお互い逆方向の
磁気飽和領域に磁化反転し、コイルのインピーダンスは
大きくなり、全波にわたって高効率に限流することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1による三相限流器の構
成を示す正面図である。
【図2】 本発明の実施の形態1による三相限流器の構
成を示す断面側面図である。
【図3】 本発明の実施の形態2による三相限流器の構
成を示す正面図である。
【図4】 本発明の実施の形態2による三相限流器の構
成を示す断面側面図である。
【図5】 本発明の実施の形態3による三相限流器の構
成を示す正面図である。
【図6】 本発明の実施の形態3による三相限流器の構
成を示す断面側面図である。
【図7】 本発明の実施の形態3による三相限流器にお
ける軟質磁芯の構成例を示した正面図及び側面図であ
る。
【図8】 本発明の実施の形態4による三相限流器の構
成を示す断面側面図である。
【図9】 本発明の実施の形態5による三相限流器の構
成を示す正面図である。
【図10】 本発明の実施の形態1〜5による三相限流
器の限流効率改善用ヨークの他の構成例を示す正面図で
ある。
【図11】 永久磁石を用いたスイッチング式の従来の
単相限流器の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
1,2 磁気回路、3−1,3−2 永久磁石、4−1
a,4−1b,4−2a,4−2b 第一のヨーク(着
磁用)、5−1,5−2 スイッチング用軟質磁芯、6
−1a,6−1b,6−1c,6−1d,6−1e,6
−1f,6−2a,6−2b,6−2c,6−2d,6
−2e,6−2f 第二のヨーク(限流効率改善用)、
7a,7b,7c コイル、8 隙間。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 略々同材質及び同形状の第一及び第二の
    磁気回路を備え、上記第一及び第二の磁気回路が、それ
    ぞれ、永久磁石と、上記永久磁石の両端面に設けられた
    2個のヨークと、上記ヨークの上記永久磁石と反対側の
    他端間に設けられた磁気的に飽和された軟質磁芯とから
    構成され、 上記第一及び第二の磁気回路が所定の隙間を介して上記
    軟質磁芯を対向させて配置され、両上記軟質磁芯の周囲
    に所定の間隔をおいて三個の独立したコイルを巻回し、
    両上記軟質磁芯の磁気飽和の極性が逆であることを特徴
    とする三相限流器。
  2. 【請求項2】 上記第一及び第二の磁気回路が平面的に
    配置されていることを特徴とする請求項1記載の三相限
    流器。
  3. 【請求項3】 上記第一及び第二の磁気回路が、上記永
    久磁石、上記ヨーク及び上記軟質磁芯が対向するように
    重層的に配置されていることを特徴とする請求項1記載
    の三相限流器。
  4. 【請求項4】 上記軟質磁芯に一方の端面により接合さ
    れた6対の第二のヨークをさらに備え、 各上記対を構成する上記第二のヨークの他方の端面間が
    所定の隙間を介して離間して配置されていることを特徴
    とする請求項1ないし3のいずれかに記載の三相限流
    器。
  5. 【請求項5】 上記軟質磁芯に一方の端面により接合さ
    れた6個の第二のヨークをさらに備え、 各上記第二のヨークの他方の端面と上記軟質磁芯との間
    に所定の隙間を有していることを特徴とする請求項1な
    いし3のいずれかに記載の三相限流器。
  6. 【請求項6】 上記軟質磁芯が凹形状コアであり、短冊
    形状コアのジョイントラップ接合の積層板であること特
    徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載の三相限流
    器。
  7. 【請求項7】 上記軟質磁芯が角形ヒステレシス特性を
    有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに
    記載の三相限流器。
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