JP2005045133A - 電磁機器 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気回路の構造及び巻線の巻装構造が簡単で、インダクタンスを可変でき、電力系統に直列に接続可能な電磁機器の製作を、容易に、かつ低コストに提供する。
【解決手段】対称的に四つの閉磁路で田の字状磁路を形成する磁心を有し、主磁束が前記田の字状磁路における十字状磁路の第１の直線磁路を通り、該十字の交点で対向して対称的に四つの閉磁路を還流するように交流主巻線１ａ，１ｂが巻回され、制御磁束が前記十字状磁路の第２の直線磁路を一方向に通って対称的に二つの磁路を還流するように直流制御巻線２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが巻回され、前記制御磁束の制御により主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を調整する。前記田の字状磁路を形成する磁心がその十字状磁路の前記第２の直線磁路の中心で分割され、田の字状磁路が磁気回路的に間隙７をもって分割されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、主巻線の励磁電流に影響されることなく、高調波歪みを低減し、リアクタンスを可変できる電磁機器、さらには、電力系統に直列に接続可能な電磁機器に関する。

主巻線の励磁電流に影響されることなく、高調波歪みを低減し、リアクタンスを可変でき、電力系統に直列に接続可能な従来の技術としては、本出願人が先に提案した電磁機器（特許文献１）がある。

図８は、本出願人が先に提案した電磁機器（特許文献１）の一例を説明するための接続図である。この電磁機器は、田の字状磁心３３に第１主巻線３１ａ、第２主巻線３１ｂ、制御巻線３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄを巻回し、直列に接続した制御巻線の開放端子側に制御回路３４を接続した構成である。

主巻線の開放端に交流電源を接続し、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄにおいて、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御磁束φｃ３１及びφｃ３２と主磁束φ３１ａ、φ３１ａ’及びφ３１ｂ、φ３１ｂ’が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。
特開２００３−０６８５３９号公報

上述のごとき田の字状磁心を用いた電磁機器を、電力用電磁機器として製作する一般的な方法としては、図９（Ａ）に示すような、２つのＥ型磁心４１，４２と１つのＩ型磁心４３を突き合わせて、図９（Ｂ）に示すように構成して製作するが、この場合、構成する磁心は、従来の標準ＥＩ型磁心とは異なり、Ｉ型磁心４３の幅（２ｔ）が標準Ｅ型磁心４１の幅（ｔ）の２倍程度となるため、低コストの標準ＥＩ型磁心を適用することができなかった。

本発明は、上述のごとき実情に鑑み、磁気回路の構造及び巻線の巻装構造が簡単で、インダクタンスを可変でき、電力系統に直列に接続可能な電磁機器の製作を、容易に、かつ低コストに提供することを課題とする。

対称的に四つの閉磁路で田の字状磁路を形成する磁心を有し、主磁束が前記田の字状磁路における十字状磁路の第１の直線磁路を通り、該十字の交点で対向して対称的に四つの閉磁路を還流するように交流主巻線が巻回され、制御磁束が前記十字状磁路の第２の直線磁路を一方向に通って対称的に二つの磁路を還流するように直流制御巻線が巻回され、前記制御磁束の制御により主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を調整する電磁機器であって、前記田の字状磁路を形成する磁心がその十字状磁路の前記第２の直線磁路の中心で分割され、田の字状磁路が磁気回路的に間隙をもって分割されていることを特徴としたものである。

本発明によれば、磁気回路の構造及び巻線の巻装構造が簡単で、タップを設けることなく、負荷電流の有無に拘わらず、高調波電流を抑制し、広範囲にリアクタンスを可変する電磁機器の製作を、容易に、かつ低コストに実現することができ、近年の電力需要の増大や負荷の多様化により、系統電圧の変動等負荷の多様化に対応できるフレキシブルな電力設備の提供がはかられ、電力系統の電圧の安定化に寄与できる。

図８に示した田の字状磁路を考察すると、主磁束φ３１ａ、φ３１ａ’とφ３１ｂ、φ３１ｂ’が対向して互いに左右に分流する十字路を構成する水平磁路の水平軸に対して、電磁鉄心の物理構造及び、磁束の流れを含めた磁気回路が対称的である。さらに、上記水平磁路部の磁束の流れは原理的に水平磁路を構成する鉄心の長手方向と平行になっている。

そこで、この磁気回路の水平磁路の磁束について、田の字状磁路の上部を構成する主巻線３１ａ、制御巻線３２ａ、３２ｂによる磁束φ３１ａ、φ３１ａ’、φｃ３１の上側磁束と、同下部を構成する主巻線３１ｂ、制御巻線３２ｃ、３２ｄによる磁束φ３１ｂ、φ３１ｂ’、φｃ３２の下側磁束に着目すると、両者の磁束は鉄心構造及び磁気回路構成が対称的であることから、基本的にその値等は同一であり、両磁束は互いに近接した磁路を通過し、相互に同一の影響、干渉を受けていると考えられる。

上記の考察に基づいて、図１に示すように、田の字状磁路の上記水平磁路を構成する鉄心を水平面で分割した状態を考えると、この分割田の字状磁路は分割面上の水平軸に対して電磁鉄心の物理構造及び、磁束の流れを含めた磁気回路は対称的であり、本来の田の字状磁路と同一である。

また、水平磁路部の磁束を考察すると、分割された水平磁路部の上側を上側磁束φ１ａ、φ１ａ’、φｃ１が、同下側を下側磁束φ１ｂ、φ１ｂ’、φｃ２が互いに分割面で形成される間隙７に漏洩する磁束によって影響、干渉を受けて通過しているものと考えられる。

すなわち、上記の間隙７を介した上記上側磁束と下側磁束の影響、干渉とリアクタンスの制御特性との関係が確認できれば、例えば、図１に示すように、従来の汎用されているＥＩ鉄心を用いて簡単に、田の字状磁路の電磁機器を構成できる。

図１は、従来汎用されているＥＩ鉄心を用いて本発明による電磁機器を構成した例であり、田の字状磁心は、第１のＥ型磁心４ａと第１のＩ型磁心５ａを、鉄心窓部が２個所形成されるように構成した三脚磁心と、第２のＥ型磁心４ｂと第２のＩ型磁心５ｂを、鉄心窓部が２個所形成されるように構成した三脚磁心を、磁路が田の字状になるように、間隙７を介して対向させ、第１のＥ型磁心４ａとＩ型磁心５ａの接合面及び第２のＥ型磁心４ｂと第２のＩ型磁心５ｂの接合面は、磁心を構成する各々の積層鋼板を平行になるように突き合わせて構成する。

第１のＥ型磁心４ａの中央脚に第１主巻線１ａを巻回し、第２のＥ型磁心４ｂの中央脚に第２主巻線１ｂを巻回す。主巻線１ａ及び１ｂを、両主巻線から生じる磁束φ１ａ及びφ１ｂがＩ型磁心５ａ及び５ｂに向かって同方向になるように直列に接続する。

第１のＥ型磁心４ａの外脚には制御巻線２ａ及び２ｂを巻回し、第２のＥ型磁心４ｂの外脚には制御巻線２ｃ及び２ｄを巻回し、主巻線による磁束で制御巻線２ａ及び２ｂ、２ｃ及び２ｄに生じる誘起電圧がそれぞれ打ち消されるように全制御巻線を直列に接続し、その開放端子側に制御回路６を接続する。

なお、制御巻線は、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのうち、任意の２巻線を、生じる誘起電圧がそれぞれ打ち消されるように接続した一組と、同様に接続した、残る２巻線一組を直列または並列接続とし、その開放端子側に制御回路６を接続することもできる。

また、第１のＥ型磁心４ａと第１のＩ型磁心５ａにより構成した三脚磁心と、第２のＥ型磁心４ｂと第２のＩ型磁心５ｂにより構成した三脚磁心の構成方法は、Ｅ型磁心およびＩ型磁心の上下関係を反転させても同様の機能を実現できることは明らかであり、要は上側と下側の閉磁路が対称的に形成されることである。

図１において、主巻線の開放端に交流電源を接続し、図示矢印方向の電流ＩＬ１が流れていたとする。なお、電流ＩＬ１を正サイクルとした場合、負サイクルでは電流ＩＬ２が流れる。電流ＩＬ１が流れると、磁路には主巻線１ａによる主磁束φ１ａ及び主磁束φ１ａ’、並びに主巻線１ｂによる主磁束φ１ｂ及び主磁束φ１ｂ’がそれぞれ発生する。逆に、電流ＩＬ２が流れた場合についてはそれぞれ前記と逆向きの主磁束が発生する。

発生した主磁束は、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流さない場合にはそれぞれ四つの閉磁路を通過し、主巻線には巻数と鉄心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが発生する。制御巻線を巻回した鉄心部及びＩ型磁心部は、制御磁束φｃと主磁束との共通磁路となる。

主巻線に電流ＩＬ１、ＩＬ２を流した状態で制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおいて、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで、制御磁束φｃ１及びφｃ２と主磁束φ１ａ、φ１ａ’及びφ１ｂ、φ１ｂ’が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。

主巻線電流ＩＬ１、ＩＬ２あるいは直流制御電流Ｉｃを増加させることにより共通磁路が磁気飽和状態に近づくと、主巻線１ａ及び１ｂより発生する主磁束がＩ型磁心５ａ及び５ｂに向かって同方向になるように主巻線を分割して接続しているため、増加する主磁束φ１ａ及び主磁束φ１ａ’と増加する主磁束φ１ｂ及び主磁束φ１ｂ’は、間隙７を介して互いに相殺される。一対の主巻線１ａ及び１ｂによる主磁束の増加分が閉磁路を環流しないので、互いの主巻線の起磁力を相殺することになる。

また、主巻線電流ＩＬ１、ＩＬ２が増加しても、共通磁路が一定の磁束密度に保たれるように、増加する主巻線１ａによる主磁束と主巻線１ｂによる主磁束は間隙７を介して相殺されるため、直流制御電流Ｉｃを制御することにより主磁束が制御でき、リアクタンスを可変することができる。即ち、主巻線電流に拘わらず、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すことでリアクタンスを可変することができる。

さらに、Ｉ型磁心５ａ及び５ｂを同一の構成とすることで、主磁束φ１ａ及びφ１ｂ、主磁束φ１ａ’及びφ１ｂ’、制御磁束φｃ１及びφｃ２によるＩ型磁心５ａ及び５ｂ間の磁位はそれぞれ同一となるため、間隙部には電磁力が加わらず、騒音などの増大がなく、フィルムなどにより容易に間隙を作成することができる。

また、間隙７を施設しても、主磁束φ１ａ、φ１ａ’及び制御磁束φｃ１はＩ型磁心５ａ部を介して還流し、主磁束φ１ｂ、φ１ｂ’及び制御磁束φｃ２はＩ型磁心５ｂ部を介して還流することから、間隙７を設けることによる各々の磁束に対応した磁気回路の磁気抵抗は増加しないため、リアクタンス制御特性に対する間隙の影響は少ない。

図２（Ａ）は、本発明によるリアクタンスの制御特性例を示したもので、縦軸はリアクタンス、横軸は制御電流Ｉｃを表している。直流制御電流Ｉｃを増加させることにより、間隙を設けても、ほぼ同等のリアクタンスを可変できる。

図２（Ｂ）は、本発明による電磁機器に電圧を印加した場合の、励磁電流の高調波歪み率特性例を示したもので、縦軸は高調波歪み率、横軸は制御電流Ｉｃを表している。
間隙を設けても、高調波歪み率特性の悪化は見られず、むしろ、高調波歪み率が低下する。これは、間隙がない場合においては、共通磁路部が鉄などの非線形な磁気回路のみで構成されていたものが、間隙を設けることにより、共通磁路の一部が線形性の高い空間磁気回路と鉄などの非線形な磁気回路の並列回路になることから、非線形性が改善されるためである。

上述のように、本発明によれば、主巻線１ａ及び制御巻線２ａ、２ｂを巻き回したＥ型磁心４ａ及びＩ型磁心５ａで構成される磁心部と、主巻線１ｂ及び制御巻線２ｃ、２ｄを巻き回したＥ型磁心４ｂ及びＩ型磁心５ｂで構成される磁心部を、それぞれ別個に製作することが可能となり、磁気回路の構造及び巻線の巻装構造が簡単で、主巻線電流の影響を受けずに、リアクタンスを高速且つ連続的に可変できる電磁機器の製作を、容易に、かつ低コストに実現できる。なお、図１において、電磁機器の説明をＥ型磁心とＩ型磁心で構成される例で示したが、短冊形鋼板を積層した積鉄心においても同様の機能を有する磁心を構成できる。

図３は、前記間隙７を施した二組の三脚磁心について、該間隙７を拡大させることにより電磁機器を構成した例であり、中央脚に主巻線１ａを巻回し、外脚に制御巻線２ａ及び２ｂを巻回した第一の三脚磁心３ａと、中央脚に主巻線１ｂを巻回し、外脚に制御巻線２ｃ及び２ｄを巻回した第二の三脚磁心３ｂを空間的に対称に配置したものである。

三脚磁心３ａ及び３ｂは、三脚磁心３ａの主巻線１ａによる主磁束φ１ａ及びφ１ａ’の向きと、三脚磁心３ｂの主巻線１ｂによる主磁束φ１ｂ及びφ１ｂ’の向きが互いに対称になり、主磁路が磁気飽和状態になった時に発生する主巻線１ａ及び１ｂによる漏洩磁束同士が干渉しあうように、両三脚磁心を隣接して配置する。

主巻線１ａ及び１ｂを直列に接続し、主巻線１ａによる主磁束φ１ａ及びφ１ａ’で制御巻線２ａ、２ｂに生じる誘起電圧がそれぞれ打ち消されるように、また、主巻線１ｂによる主磁束φ１ｂ及びφ１ｂ’で制御巻線２ｃ、２ｄに生じる誘起電圧がそれぞれ打ち消されるように全制御巻線を直列に接続し、その開放端子側に制御回路６を接続したものである。

なお、制御巻線は、生じる誘起電圧がそれぞれ打ち消されるように接続した一組と、同様に接続した、残る２巻線一組を、直列または並列接続とし、その開放端子側に制御回路６を接続することもできる。

三脚磁心に発生した主磁束は、制御巻線に直流制御電流を流さない場合にはそれぞれの閉磁路を通過し、主巻線には巻数と鉄心の磁気抵抗に応じたリアクタンスが発生する。
制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、前述と同様に、起磁力が発生することで、制御磁束φｃ１及びφｃ２と主磁束φ１ａ、φ１ａ’及びφ１ｂ、φ１ｂ’が同方向となる共通磁路部分の磁束密度が大となって透磁率が変化し、主磁束が制御されリアクタンスが低下する。

主巻線電流あるいは直流制御電流を増加させることにより共通磁路が磁気飽和状態に近づくと、増加する主磁束φ１ａ及びφ１ａ’と、増加する主磁束φ１ｂ及びφ１ｂ’は、漏洩磁束となって二組の三脚磁心間の空間を介して互いに相殺される。このため、直流制御電流Ｉｃを制御することにより主磁束が制御でき、リアクタンスを可変することができる。即ち、主巻線電流に拘わらず、制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すことでリアクタンスを可変することができる。

二組の三脚磁心を配置する方法として、図３に記載したように、対称軸に対して上下に配置する方法を示したが、漏洩磁束が干渉しあう空間的な配置であれば、両三脚磁心を並行して配置するなど、様々な配置方法が可能である。

図４（Ａ）は、両三脚磁心を並置した場合のリアクタンスの制御特性例を示したもので、従来の間隙なしとほぼ同等のリアクタンスを可変できる。
図４（Ｂ）は、同様に高調波歪み率特性例を示したもので、若干の高調波歪み率の悪化が見られるものの、ほぼ同等の高調波歪み率となる。

上述のように、要は、二組の三脚磁心から生じた各々の漏洩磁束が干渉するように隣接して配置することが重要であり、特に空間的に対称に設置することにより漏洩磁束が効率的に干渉し合い、特性の優れた電磁機器を実現することができる。

なお、二組の三脚磁心を対称に配置した場合においても、漏洩磁束の干渉度合いは両磁心間距離により影響を受けるため、磁心間距離を大きくすることにより干渉度合いは低下し、リアクタンスの変化率は低下する。

図５は、中央脚に主巻線１ａを、外脚に制御巻線２ａ及び２ｂを巻回した第１のＥ型カットコア１０ａと第２のＥ型カットコア１０ｂを対向させて形成した三脚磁心と、中央脚に主巻線１ｂを、外脚に制御巻線２ｃ及び２ｄを巻回した第３のＥ型カットコア１０ｃと第４のＥ型カットコア１０ｄを対向させて形成した三脚磁心の、２組の三脚磁心を、間隙７を介して接して磁路が田の字状になるように対向させて構成したものである。

本構成によれば、高磁束密度鋼板を適用したＥ型カットコアが使用できることから、コアの設計磁束密度を高くすることができ、機器のコンパクト化が図れるとともに、低コストの電磁機器を実現することができる。

（適用例）
図６は、本発明の電磁機器の無効電力補償装置への適用例を示した図で、電磁機器１１と電力用コンデンサ１２を並列接続し、送電線路に並列に挿入し、電磁機器の制御により、系統に生じる遅相から進相の無効電力を連続的に補償するようにしたものである。

（応用例）
図７は、本発明の電磁機器を多機能変圧器へ適用した応用例を説明するための図で、図１で示した本発明の電磁機器において、主巻線を一次巻線８ａ、８ｂとし、さらに一次巻線８ａ、８ｂを巻回した脚それぞれに、二次巻線９ａ、９ｂを巻回して一次巻線と同様に接続して構成した多機能変圧器である。

図７において、一次巻線に交流電源を接続し二次巻線には負荷を接続し、二次巻線に図示矢印方向の二次電流ＩＬ２が流れたとする。直流制御電流を流さない場合には、一次巻線８ａ及び８ｂには、上記二次電流で発生した磁束を打ち消すように一次電流ＩＬ１が流れ、全体として変圧器動作を示す。

制御巻線に直流制御電流Ｉｃを流すと、制御巻線の巻数と直流制御電流Ｉｃの積で表される起磁力が発生することで透磁率が変化し、主磁束が制御される。制御電流の増加に伴い、一次巻線８ａによる主磁束φ１ａ及びφ１ａ’と一時巻線８ｂによる主磁束φ１ｂ及びφ１ｂ’はそれぞれが互いに逆向きの磁束であるため間隙７を介して相殺され、その結果、一次巻線と鎖交する主磁束が減少する。

このため、一次巻線には直流制御電流の制御に伴う主磁束の減少に応じて、一次巻線の端子間電圧を維持するために必要な主磁束を発生させる遅れ無効電流である励磁電流が増加する。
即ち、変圧器としての機能に加えて、直流制御電流を調整することで一次側に流入する無効電流の調整が可能な多機能変圧器を実現することができる。

なお、多機能変圧器を請求項１の電磁機器に適用して説明したが、本発明で記載した他の電磁機器についても適用可能なことは明らかである。

本発明による単相形電磁機器の基本構成の一例を示す接続図である。 電磁機器の制御特性例を示す図である。 本発明による電磁機器の他の基本構成例を示す接続図である。 電磁機器の制御特性例を示す図である。 本発明による電磁機器の他の基本構成例を示す接続図である。 本発明を無効電力補償装置に適用した例を示す接続図である。 本発明を多機能変圧器へ適用した例を示す接続図である。 本出願人が先に提案した電磁機器の一例を示す接続図である。 本出願人が先に提案した電磁機器の製作方法の一例を示す図である。

符号の説明

１（１ａ，１ｂ）…主巻線、２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）…制御巻線、３（３ａ，３ｂ）…三脚磁心、４（４ａ，４ｂ）…Ｅ型磁心、５（５ａ，５ｂ）…Ｉ型磁心、６…制御回路、７…間隙、８（８ａ，８ｂ）…一次巻線、９（９ａ，９ｂ）…二次巻線、１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）…Ｅ型カットコア、１１…電磁機器、１２…電力用コンデンサ、３１（３１ａ，３１ｂ）…主巻線、３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）…制御巻線、３３…田の字状磁心、３４…制御回路、４１，４２…Ｅ型磁心、４３…Ｉ型磁心。

Claims (5)

1. 対称的に四つの閉磁路で田の字状磁路を形成する磁心を有し、
   主磁束が前記田の字状磁路における十字状磁路の第１の直線磁路を通り、該十字の交点で対向して対称的に四つの閉磁路を還流するように交流主巻線が巻回され、
   制御磁束が前記十字状磁路の第２の直線磁路を一方向に通って対称的に二つの磁路を還流するように直流制御巻線が巻回され、
   前記制御磁束の制御により主磁束と制御磁束の共通磁路の磁気抵抗を調整する電磁機器であって、
   前記田の字状磁路を形成する磁心がその十字状磁路の前記第２の直線磁路の中心で分割され、田の字状磁路が磁気回路的に間隙をもって分割されていることを特徴とする電磁機器。
2. 請求項１において、前記磁心は、Ｉ字状磁心とＥ字状磁心で形成される三脚磁心二組を重ねて田の字状に構成されていることを特徴とする電磁機器。
3. 請求項１において、前記磁心は、Ｅ形カットコアを対向させた三脚磁心二組を重ねて田の字状に構成されていることを特徴とする電磁機器。
4. 請求項２又は３において、二組の三脚磁心が空隙を介して重ねられて田の字状に構成されていることを特徴とする電磁機器。
5. 請求項２又は３において、重ねられる二組の三脚磁心が並置されていることを特徴とする電磁機器。

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