JP5387976B2 - リアクトルおよびノイズフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、ノイズ低減技術に関するもので、電力線や接地線に挿入されるリアクトルや、ノイズフィルタに用いられるリアクトルに関するものである。

以下に電力変換装置を例に説明する。
電力変換装置は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子の動作に伴い、伝導性のノイズや放射性のノイズを発生することが知られている。これらのノイズは、同一系統に接続される機器や、電力変換装置から電力を供給するモータ等の負荷、および周辺の機器に誤動作、劣化、損傷などの悪影響を及ぼす。

上記問題の解決策として、以下のような手法１〜手法４が提案されている。これらの手法は、異なるモードの電流に対して低減効果がある。
手法１：
電力線の各相にリアクトルを接続する（ノーマルモードリアクトル）。
この手法により、電力線各相を流れるノイズ成分を低減することができる。すなわち、一般にノーマルモード電流と呼ばれる電流成分のノイズを低減することができる（例えば、特許文献１参照）。
手法２：
電力線にコモンモードリアクトルを接続する (コモンモードリアクトル) 。
この手法により、コモンモード電流と呼ばれる電流成分の伝導ノイズを低減することができる。
手法３：
接地線にリアクトルを接続する (接地線リアクトル) 。
この手法によれば、手法２と同等に、コモンモード電流と呼ばれる電流成分の伝導ノイズを低減することができる（例えば、特許文献２参照）。
手法４：
電力線と接地線とを貫通穴のある磁性材に巻線する (漏洩電流リアクトル) 。
この手法により、電力線全相と接地線とを一方向に流れる電流成分（漏洩電流という）を低減することができる（例えば、特許文献３参照）。

また、電力変換装置から出力されるノーマルモード電流は、一般的にコモンモード電流や漏洩電流に比べて圧倒的に大きい。したがって、ノーマルモードリアクトルは、コモンモードリアクトルや漏洩電流に対するリアクトルに比べ磁気飽和が起こりやすい。
そこで、従来においては一般に、ノーマルモード電流に適合するノーマルモード用リアクトル、コモンモード電流に適合するコモンモード用リアクトル、および漏洩電流に適合するリアクトルを個別に作成している。
一方、前記手法１〜３のうちの２つを組み合わせた手法も提案されている。なお、手法１と手法２の機能を有するリアクトルは、例えば特許文献４に示され、また、手法２と手法４の機能を有するリアクトルは、例えば特許文献５に示されている。

特開２００７−１３５２８０号公報 特開２００８−９８９４５号公報 特開２００１−８６７３４号公報 特開２００９−１３５２７１号公報 特開２００３−３４８８１８号公報

前記手法を組み合わせれば、高いノイズ抑制効果が得られる。しかし、この場合、上記の複数のリアクトルが併用されることになるので、配置スペース、部品点数ならびに費用が増加するという問題が生じる。
そこで、本発明の課題は、上記手法１〜４のすべての機能を併せ持つノイズ抑制効果の高いリアクトルを、配置スペース、部品点数ならびに費用の増大を伴うことなく提供すること、およびこのリアクトルを用いたノイズフィルタを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のリアクトルは、コアと、前記コアに磁路を形成するように配置された単相あるいは多相の電力線と接地線とを備える。前記コアは、ループ状の第１の部材と、前記第１の部材との間にギャップが形成される形態で該第１の部材の対向する辺間に介在させた第２の部材と、前記第１の部材との間に前記ギャップが形成されない形態で該第１の部材の対向する辺間に介在させた第３の部材と、を備え、前記コアの前記第１、第２の部材によって形成される空間部と、前記コアの前記第１、第２および第３の部材によって形成される空間部とに前記各相の電力線をそれぞれ挿通するとともに、前記コアの前記第１、第３の部材によって形成される空間部に前記接地線を挿通する。前記電力線のコモンモード電流により生成される磁路に対して前記コアが閉磁路コアとしての機能を持ち、前記電力線のノーマルモード電流により生成される磁路に対して前記コアが開磁路コアとしての機能を持ち、前記接地線の電流により生成される磁路に対して前記コアが閉磁路コアとしての機能を持ち、前記電力線と接地線を一方向に流れる電流（漏洩電流という）により生成される磁路に対して前記コアが閉磁路コアとしての機能を持つ。

前記第２の部材と前記第３の部材の少なくとも一方は、前記第１の部材を構成する磁性材料とは異なる磁性材料で別体に形成しても良い。

前記コアのギャップには、構造的な安定度を増すためのスペーサを嵌合することができる。
前記電力線と接地線は、ブスバーによって形成することも可能である。また、前記電力線と接地線をプリント基板上にプリント形成することも可能である。
前記単相あるいは多相の電力線のターン数および前記接地線のターン数は、１以上に設定される。

本発明のリアクトルは、例えば、電力変換装置と該電力変換装置の出力によって駆動される負荷との間、または前記電力変換装置と系統との間に介在さされる。

本発明のリアクトルは、前記単相あるいは多相の電力線および接地線が接続される入出力配線接続用の導体端子板を備えた電子機器用端子台を使用し、前記コアを前記導体端子板に組み合わせることによっても構成することもできる。

本発明は、前記リアクトルを用いて構成したノイズフィルタも提供する。

本発明に係るリアクトルは、ノーマルモード用リアクトルの機能、コモンモード用リアクトルの機能、接地線用リアクトルの機能および漏洩電流リアクトルの機能を併せ持つので、それらの機能を得るための個別のリアクトルを併用する必要がなく、その結果、配置スペース、部品点数ならびに費用の低減を図ることができる。本発明に係るノイズフィルタも同様の利点が得られる。

本発明に係るリアクトルの実施形態を示す斜視図である。 図１のリアクトルのノーマルモードリアクトルとしての作用を示す断面図である。 図１のリアクトルのコモンモードリアクトル、接地線リアクトルとしての作用を示す断面図である。 図１のリアクトルの漏洩電流リアクトルとしての作用を示す断面図である。 ２種類のコア材を用いる実施形態を示す断面図である。 形状の異なるコアを用いる実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るリアクトルの使用例を示す回路図である。 三相用１ターン構成の実施形態を示す斜視図である。 図８のリアクトルのノーマルモードリアクトルとしての作用を示す断面図である。 図８のリアクトルのコモンモードリアクトル、接地線リアクトルとしての作用を示す断面図である。 図８のリアクトルの漏洩電流リアクトルとしての作用を示す断面図である。 単相用複数ターン構成の実施形態を示す斜視図である。 図１２のリアクトルのノーマルモードリアクトルとしての作用を示す断面図である。 図１２のリアクトルのコモンモードリアクトル、接地線リアクトルとしての作用を示す断面図である。 図１２のリアクトルの漏洩電流リアクトルとしての作用を示す断面図である。 本発明に係るノイズフィルタの構成例を示した回路図である。 端子台に構成した本発明に係るリアクトルの実施形態を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

以下，図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係るリアクトルは、ターン数に制限を設けないが、１ターンの場合と多ターンの場合とではその構造が異なることから、それぞれの場合について説明する。また、相数にも制約を設けないので、単相と三相の場合についてそれぞれ説明する。

第１の実施形態（１ターンの場合 -単相-）
・構成
図１に、第１の実施形態に係るリアクトル１−１を示す。このリアクトル１−１は、コア２−１に単相の配線３を相通した構成を有する。
コア２−１は、四角状のループ部２１と、このループ部２１の下辺から上辺に向かってそれぞれ延びる脚部２２、２３とを有する。脚部２２は、その先端と上記ループ部の上辺との間にギャップ２４が介在するように形成され、また脚部２３は、上記ループ部の下辺から上辺に至るように形成されている。
配線３は、Ｕ相電力線３（Ｕ）、Ｖ相電力線３（Ｖ）および接地線３（Ｅ）を有する。そして、Ｕ相電力線３（Ｕ）は、上記ループ部２１の左辺と脚部２２間に形成された空間部に、Ｖ相電力線３（Ｖ）は、上記脚部２２、２３間に形成された空間部に、接地線３（Ｅ）は、上記脚部２３とループ部２１の右辺間に形成された空間部にそれぞれ挿通されている。

・作用
次に、図２〜図５を参照して、上記リアクトル１の作用を説明する。なお、この図２〜図５において、（・）印および（×）印は、Ｕ相電力線３（Ｕ）、Ｖ相電力線３（Ｖ）および接地線３（Ｅ）に流れる電流の向きを表し、また、コア２−１中の矢印は、その電流によって形成される磁路を表している。

＜ノーマルモードリアクトルとしての作用＞
図２に、Ｕ相電力線３（Ｕ）に流れるノーマルモード電流により生成される磁路５と、Ｖ相電力線３（Ｖ）に流れるノーマルモード電流により生成される磁路６とを示す。上記磁路５、６中には、コア２−１に設けられたギャップ２４が介在している。したがって、このギャップ２４を備える本実施形態に係るリアクトル１−１は、ノーマルモードリアクトルの機能においてはギャップ付きリアクトルとして作用する。
周知のように、ノーマルモード電流は、コモンモード電流、接地線３（Ｅ）を流れる電流および漏洩電流に比べて圧倒的に大きい。したがって、ノーマルモード電流に基づくコア２−１の発生磁界は、コモンモード電流に基づくそれに比して相当に大きくなる。しかし、上記のように、本実施形態に係るリアクトル１は、発生磁界が大きいノーマルモードにおいて、ギャップ付きリアクトルとして作用するので、上記ギャップ２４によってコア２−１の磁気飽和を抑制することができる。

＜コモンモードリアクトルとしての作用＞
図３に、Ｕ相電力線３（Ｕ）およびＶ相電力線３（Ｖ）に流れるコモンモード電流により生成される磁路７と、接地線３（Ｅ）に流れる電流により生成される磁路８とを示す。この磁路７、８中には、上記ギャップ２４が介在しない。したがって、本実施形態に係るリアクトル１は、コモンモードリアクトルの機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。

＜接地線リアクトルとしての作用＞
図３に示す接地線３（Ｅ）を流れる電流により生成される磁路８中には、上記ギャップ２４が介在しない。したがって、本実施形態に係るリアクトル１は、接地線リアクトルの機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。

＜漏洩電流リアクトルとしての作用＞
図４に、Ｕ相電力線３（Ｕ）、Ｖ相電力線３（Ｖ）および接地線３（Ｅ）に流れるコモンモード電流により生成される磁路９を示す。上記磁路９中には上記ギャップ２４が介在しない。したがって、本実施形態に係るリアクトル１は、漏洩電流リアクトルとしての機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。

次に、上記第１の実施形態の変形例について説明する。
「変形例１」
図１〜図４に示すギャップ２４には、必要に応じて、非磁性材料からなるスペーサ（図示せず）が嵌合される。このスペーサを用いれば、コア２−１の構造を安定化して性能の向上を図ることができる。

「変形例２」
図１〜図４に示すコア２−１に代えて、図５に示すようなコア２−２を用いても良い。
コア２−２は、上記コア２−１の脚部２３を脚部２５に置換した構成を有する。脚部２５は、ループ部２１を構成する磁性材料（例えば、Ｎｉ−Ｚｎフェライト）とは異なる磁性材料（例えば、Ｍｎ−Ｚｎフェライト）によって形成されている。なお、脚部２５は、その上下端面をループ部２１の内側面に密接させてある。
この変形例２に係るリアクトル１−２によれば、電力線３（Ｕ）、３（Ｖ）を流れるコモンモード電流および接地線３（Ｅ）を流れる電流に対するリアクタンスの設計自由度を上げることができる。
なお、上記とは逆に、図１〜図４に示す脚部２２を上記ループ部２１を構成する磁性材料とは異なる磁性材料で形成すること、あるいは、同図に示す脚部２２、２３の双方をループ部２１を構成する磁性材料とは異なる磁性材料で形成することも可能である。そして、後者の場合、脚部２２、２３の材料を互いに相違させてもよい。

「変形例３」
コアの形状は、請求項１の技術的範囲を満たすものであれば、図1に示したコア２−１の形状に限定されず、例えば、図６に示すような形状であっても良い。
図６に示すコア２−３は、図１に示すループ部２１、脚部２３にそれぞれ対応するループ部２１'、脚部２３'と、ループ部２１'の左辺の上下中央部から脚部２３'に向って延びる脚部２２'とを有し、脚部２２'の先端と脚部２３'間にギャップ２４'を形成している。
このようなコア２−３を使用するこの変形例３に係るリアクトル１−３においては、図示のように、電力線３（Ｕ）がループ部２１'の下辺と脚部２２'間に形成された空間部に、電力線３（Ｖ）が脚部２２'とループ部２１'の上辺間に形成された空間部に、接地線３（Ｅ）が脚部２３'とループ部２１'の右辺間に形成された空間部にそれぞれ挿通される。

上述した通り、上記第１の実施形態に係るリアクトル１−１およびその変形例１〜３に係るリアクトルは、ノーマルモードリアクトルとしての機能、コモンモードリアクトルとしての機能、接地線用リアクトルとしての機能および漏洩電流リアクトル（放射ノイズ用リアクトル）としての機能を併せ持つ。
したがって、例えばこのリアクトルを、図７に示すインバータ等の電力変換装置２６と負荷（モータ）２７との間、あるいは、電力変換装置２６と図示していない系統とのに挿入することによって、同図に示す個別の複数のリアクトルを設けた場合と同様のノイズ減衰効果を得ることが可能である。これは、配置スペース、部品点数ならびに費用の低減を図る上で有利である。

前述したように、本発明を実施する上において、適用する電力の相数に制約はない。そこで、前記第１の実施形態とは相数が異なる第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態（１ターンの場合 -三相-）
・構成
図８に、第２の実施形態に係るリアクトル１０を示す。このリアクトル１０は、コア２０に三相の配線３０を相通した構成を有する。
コア２０は、四角状のループ部２１０と、このループ部２１０の下辺から上辺に向かってそれぞれ延びる脚部２２０、２２０'および２３０を有する。脚部２２０、２２０'は、それらの先端と上記ループ部２１０の上辺との間にそれぞれギャップ２４０、２４０'が介在するように形成され、また脚部２３０は、上記ループ部２１０の下辺から上辺に至るように形成されている。
配線３０は、Ｕ相電力線３０（Ｕ）、Ｖ相電力線３０（Ｖ）および接地線３０（Ｅ）を有する。そして、Ｕ相電力線３０（Ｕ）は、上記ループ部２１０の左辺と脚部２２０間に形成された空間部に、Ｖ相電力線３０（Ｖ）は、脚部２２０、２２０'間に形成された空間部に、Ｗ相電力線３０（Ｗ）は、脚部２２０'、２３０間に形成された空間部に、接地線３０（Ｅ）は、上記脚部２３０とループ部２１の右辺間に形成された空間部にそれぞれ挿通されている。

・作用
相数が相違するものの、単相の実施形態に係る図１のリアクトル１と原理的に等価な作用をなす。
＜ノーマルモードリアクトルとしての作用＞
図９に、Ｕ相電力線３０（Ｕ）に流れるノーマルモード電流により生成される磁路１１と、Ｖ相電力線３０（Ｖ）に流れるノーマルモード電流により生成される磁路１２と、Ｖ相電力線３０（Ｖ）に流れるノーマルモード電流により生成される磁路１３とを示す。磁路１１にはギャップ２４０が、磁路１２にはギャップ２４０、２４０'が、磁路１３にはギャップ２４０'がそれぞれ介在している。したがって、このリアクトル１０は、ノーマルモードリアクトルの機能においてはギャップ付きリアクトルとして作用する。

＜コモンモードリアクトルとしての作用＞
図１０に、Ｕ相電力線３０（Ｕ）、Ｖ相電力線３０（Ｖ）およびＷ相電力線３０（Ｗ）に流れるコモンモード電流により生成される磁路１４と、接地線３（Ｅ）に流れる電流により生成される磁路１５とを示す。この磁路１４、１５中には、ギャップ２４０、２４０'が介在していない。したがって、このリアクトル１０は、コモンモードリアクトルの機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。

＜接地線リアクトルとしての作用＞
図１０に示す接地線３０（Ｅ）を流れる電流により生成される磁路１５中には、ギャップ２４０、２４０'が介在していない。したがって、このリアクトル１０は、接地線リアクトルの機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。

＜漏洩電流リアクトルとしての作用＞
図１１に、Ｕ相電力線３０（Ｕ）、Ｖ相電力線３０（Ｖ）、Ｗ相電力線３０（Ｗ）および接地線（Ｅ）に流れるコモンモード電流により生成される磁路１６を示す。この磁路１６中には、ギャップ２４０、２４０'が介在していない。したがって、このリアクトル１０は、漏洩電流リアクトルとしての機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。
なお、上記リアクトル１０に対しても、前記第１の実施形態に係るリアクトル１−１に適用した変形例１〜３の構成を適用することができる。
また、上記リアクトル１０も、図７に示す用途（ただし、三相用の電力変換器と三相負荷間に介装されることになる）に使用することができる。

前述したように、本発明を実施する上において、配線のターン数に制約はない。そこで、前記第１の実施形態とは配線のターン数が異なる第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態（複数ターンの場合）
・構成
図１２に示すように、この第３の実施形態に係るリアクトル１−１'は、コア２−１のループ部２の下辺に前記Ｕ相電力線３（Ｕ）、Ｖ相電力線３（Ｖ）および接地線３（Ｅ）をそれぞれ複数ターン巻回した点において図１に示す実施形態と相違する。

・作用
配線３のターン数が相違するものの、図１のリアクトル１と原理的に等価な作用をなす。
＜ノーマルモードリアクトルとしての作用＞
図１３に示すように、図２に示す磁路５、６に対応する磁路５'、６'が形成される。したがって、ノーマルモードリアクトルの機能においては、ギャップ付きリアクトルとして作用する。
＜コモンモードリアクトルとしての作用＞
図１４に示すように、図３に示す磁路７、８に対応する磁路７'、８'が形成される。したがって、コモンモードリアクトルの機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。
＜接地線リアクトルとしての作用＞
図１４に示す磁路８'中には、ギャップ２４が介在しない。したがって、接地線リアクトルの機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。
＜漏洩電流リアクトルとしての作用＞
図１５に示すように、図４に示す磁路９に対応する磁路９'が形成される。したがって、漏洩電流リアクトルとしての機能においてはギャップなしリアクトルとして作用する。
なお、多ターン構成の上記リアクトル１−１'においても、前記第１の実施形態に係るリアクトル１−１に適用した変形例１〜３の構成を適用することができる。また、上記リアクトル１−１'も、図７に示す用途に使用することができる。そして、上記多ターン構成は、図８に示した多相用リアクトル１０にも適用することができる。

図１６は、前記リアクトル１−１〜１−３、１−１'のいずれかを用いたノイズフィルタ２８の構成例を示している。
このノイズフィルタ２８は、電力変換装置２６と負荷（モータ）２７との間に介在された上記単相リアクトル（１−１〜１−３、１−１'）と、電力変換装置２６の出力配線間に介在する線間コンデンサ（線間容量）２９とを組み合わせた構成を有し、電力変換装置２６と負荷２７間の配線に含まれるノイズを除去する。
このノイズフィルタ２８によれば，配置スペース，部品点数ならびに費用の低減を図ることができるという効果が得られる。
なお、電力変換装置２６と負荷２７に多相仕様のものが使用される場合には、図８に示した多相用リアクトル１０が上記単相リアクトル（１−１〜１−３、１−１'）に代えて適用される。

図１７は、図８の三相リアクトル１０を構成する端子台１７を示す。図１７（ａ）に示すように、この端子台１７は、絶縁基台１７ａと、この絶縁基台１７ａの長手方向に配列する４つの導体端子板１７ｂと、図１７（ｂ）に示すように各導体端子板１７ｂを挿通させたコア２０とを備えている。
各導体端子板１７ｂは、一端側に外部配線（三相電力線と接地線）が接続され、他端側に対応する配線（三相電力線と接地線）が接続される。したがって、各導体端子板１７ｂは、各相の電力線と接地線に対応する導体であり、コア２０と共に図８に示すリアクトル１０を構成する。
この端子台１７によれば、配線をコア２０に取り付ける必要がなくなるので、設置工数や設置時間を削減することができる。また、機器の小型化を図ることができると共に、製造や運搬または実使用時における破損を防止ができる。
なお、本端子台１７の導体端子板１７ｂとコア２０が近接している部分には、それら間に図示しない絶縁皮膜を設けてもよい。この端子台１７は、多相リアクトル１０を構成しているが、前述した単相リアクトルを構成する端子台も同様にして形成することができる。

本発明は、上記の各実施形態に限定されず、種々の変形態様を含むものである。
すなわち、上記の実施形態では、配線３、３０としてケーブルが使用されているが、この配線３、３０を例えば、ブスバーで構成しても良い。また、上記配線３、３０は、プリント基板上に金属箔で形成することも可能である。さらに、上記各実施形態においては、コアとしてコ型コア、Ｅ型コア、Ｉ型コア等を組み合わせた構成のものを適用しても良い。

１−１〜１−３、１−１' 、１０ リアクトル
２−１〜２−３、２０ コア
２１、２１'、２１０ ループ部
２４、２４'、２４０、２４０' ギャップ
２２、２２'、２３，２５、２２０、２２０'、２３０ 脚部
３、３０ 配線
１７ 端子台
１７ａ 絶縁基台
１７ｂ 導体端子板
２６ 電力変換装置
２７ 負荷
２８ ノイズフィルタ
２９ 線間コンデンサ

Claims (9)

1. コアと、前記コアに磁路を形成するように配置された単相あるいは多相の電力線と接地線とを備えるリアクトルであって、
   前記コアは、
   ループ状の第１の部材と、
   前記第１の部材との間にギャップが形成される形態で該第１の部材の対向する辺間に介在させた第２の部材と、
   前記第１の部材との間に前記ギャップが形成されない形態で該第１の部材の対向する辺間に介在させた第３の部材と、
   を備え、
   前記コアの前記第１、第２の部材によって形成される空間部と、前記コアの前記第１、第２および第３の部材によって形成される空間部とに前記各相の電力線をそれぞれ挿通するとともに、前記コアの前記第１、第３の部材によって形成される空間部に前記接地線を挿通し、
   前記電力線のコモンモード電流により生成される磁路に対して前記コアが閉磁路コアとしての機能を持ち、前記電力線のノーマルモード電流により生成される磁路に対して前記コアが開磁路コアとしての機能を持ち、前記接地線の電流により生成される磁路に対して前記コアが閉磁路コアとしての機能を持ち、前記電力線と接地線を一方向に流れる電流（漏洩電流という）により生成される磁路に対して前記コアが閉磁路コアとしての機能を持つことを特徴とするリアクトル。
   
2. 前記第２の部材と前記第３の部材の少なくとも一方は、前記第１の部材を構成する磁性材料とは異なる磁性材料で別体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記ギャップにスペーサを嵌合したことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
4. 前記電力線と接地線がブスバーによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
5. 前記電力線と接地線がプリント基板上にプリント形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
6. 前記単相あるいは多相の電力線のターン数および前記接地線のターン数が１以上であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
7. 電力変換装置と該電力変換装置の出力によって駆動される負荷との間または前記電力変換装置と系統との間に介在させたことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
8. 前記単相あるいは多相の電力線および接地線が接続される入出力配線接続用の導体端子板を備えた電子機器用端子台を使用し、前記コアを前記導体端子板に組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のリアクトルを用いて構成したことを特徴とするノイズフィルタ。
   

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