JP6948170B2 - 限流リアクトル用コアおよび限流リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、直流電路を流れる電流を限流する限流リアクトルに含まれる限流リアクトル用コア、限流リアクトルおよび限流リアクトル用コアの製造方法に関する。

電磁式の引外し装置を備えた接点と限流リアクトルとが直列に接続された直流遮断器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
引外し装置は、直流電路に流れる電流が所定の電流値を超えると、接点を開く。接点が開くと電流が遮断される。
この限流リアクトルは、主コイルと短絡コイルが共通のコアに巻かれている。主コイルは、直流電路に挿入されている。短絡コイルは、巻線の巻始めと巻終わりとが短絡されている。主コイルと短絡コイルとは電磁結合している。直流電路に短絡事故が起きたとき、この限流リアクトルは、引外し装置によって接点が開かれる所定の電流値付近まで直流電路の電流を迅速に増加させ、その電流値を超えると電流の増加を抑制する。

また、変圧器、モータ、発電機等は、コア（鉄心）とコイルを有する。コアは、電磁鋼板、ソフトフェライト、鉄粉等を材料として形成される。
変化する磁界中にコアが置かれると、磁束の変化を妨げるようにコア内に渦電流が生じ、熱として消費され損失（鉄損）となる。変圧器、モータ、発電機等の用途では、発熱を防止するためにも渦電流を抑制することが望ましい。そのため、例えば、表面に絶縁被膜を有する強磁性体粉末を圧縮・成形した圧粉磁心がコアの材料として用いられる（例えば、非特許文献１参照）。粒子の表面に形成された絶縁被膜により、粒子間の渦電流を抑制することができる。

特開２０１６−１８１６８６号公報

三谷宏幸、「次世代磁性材料「磁性鉄粉」への期待」、神戸製鋼技報、２０１５年、Ｖｏｌ．６５、Ｎｏ．２、ｐｐ．１２−１５．

特許文献１に記載の限流リアクトルでは、直流電路の短絡事故時のように突然大きな電圧が印加されて主コイルの生じる磁界が増加すると、短絡コイルに渦電流が生じる。この渦電流により生じる磁界に起因して、主コイルの電流（直流電路の電流）が所定の電流値付近まで迅速に増加し、その電流値を超えると電流の増加が抑制される。
しかし、限流リアクトルのコアに短絡コイルを外付けすると、限流リアクトルの形状が制限され、その製造コストが増加する。
また、変圧器、モータ、発電機等の用途で用いられるコアと異なり、限流リアクトルに含まれるコアは、より多くの渦電流を生じさせる方が望ましい。

本発明の目的は、多くの渦電流を生じさせることができる限流リアクトル用コア、限流リアクトルおよび限流リアクトル用コアの製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の限流リアクトル用コアは、
磁性体で形成された限流リアクトル用コアであって、
前記磁性体よりも電気抵抗率の低い素材で形成された埋込部材であって、第１の主面から当該第１の主面に対向する第２の主面まで貫通する貫通孔を有する複数の埋込部材が埋め込まれており、
前記埋込部材の貫通孔の方向と一致する第１の方向と、前記第１の方向に垂直な第２の方向と、前記第１および第２の方向に垂直な第３の方向の各方向において、複数の前記埋込部材が互いに間隔を空けて埋め込まれている、
ことを特徴とする。

好ましくは、本発明の限流リアクトル用コアは、
前記磁性体が、鉄系であり、
前記埋込部材が、金、銀、銅、またはアルミニウムで形成されている、
ことを特徴とする。

また、本発明の限流リアクトルは、
上述した限流リアクトル用コアと、
前記限流リアクトル用コアに巻かれたコイルと、
を備え、
前記コイルに電流が流れるときに生じる磁界が、前記埋込部材の前記第１の主面および第２の主面と鎖交する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、限流リアクトル用コア内に多くの渦電流を生じさせることができる。

本発明の実施形態に係る限流リアクトルの一例を示す斜視図である。 図１のコアのＡ−Ａ線断面図である。 図１のコアの縦断面図である。 埋込部材に生じる渦電流とそれにより生じる磁束の一例を示す図である。図４（Ａ）は、環状の埋込部材の一例を示す。図４（Ｂ）は矩形状の埋込部材の一例を示す。 コアの製造方法の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る限流リアクトル用コア、限流リアクトルおよび限流リアクトル用コアの製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る限流リアクトル１の構造の一例を示す。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１のコアの縦断面図である。図２と図３は、コアの内部構造の一例を示す。
限流リアクトル１は、コア１０と、コイル２０とを有する。
コイル２０は、コア１０に巻かれている。コイル２０の一端と他端は、それぞれ端子Ｔ１と端子Ｔ２に接続される。コイル２０は直流電路に挿入され、例えば端子Ｔ１から端子Ｔ２に向けて電流ｉが流れる。

コア１０は、磁性体で形成される。コア１０は、ヨークＹ１と、ヨークＹ２と、脚部Ｐ１と、脚部Ｐ２とを有する。ヨークＹ１とヨークＹ２は対向している。脚部Ｐ１は、ヨークＹ１の左の端部とヨークＹ２の左の端部を連結する。脚部Ｐ２は、ヨークＹ１の右の端部とヨークＹ２の右の端部を連結する。
コイル２０は、その一部、例えば脚部Ｐ１に巻かれる。

図２と図３に示すように、コア１０は、その内部に多数の小さな埋込部材３０が埋め込まれている。
図４に示すように、埋込部材３０は、例えば環状または矩形状の部材である。埋込部材３０は、第１の主面３１と、それに対向する第２の主面３２とを有し、所定の厚さである。埋込部材３０は、第１の主面３１から第２の主面３２まで貫通する貫通孔３３を有する。埋込部材３０は、金、銀、銅、またはアルミニウムのような電気抵抗率の小さな素材で形成されている。埋込部材３０は、例えば、金、銀、銅、またはアルミニウムのような金属の線でできたリング（輪）であってもよい。

埋込部材３０は、短絡コイルとして機能する。図１と図３に示すように、コイル２０に電流ｉが流れると、コア１０の内部に磁束Φｍが生じる。図４に示すように、磁界Φｍは、個々の埋込部材３０の第１の主面３１および第２の主面３２と鎖交する。このとき、磁界Φｍは埋込部材３０の第１の主面３１および／または第２の主面３２とできるだけ垂直に近い角度で鎖交することが望ましい。
コイル２０の電流ｉが変化する（すなわち、磁束Φｍが変化する）と、埋込部材３０に渦電流ｉｅが流れる。埋込部材３０の電気抵抗はコア１０を形成する磁性体よりも小さいため、大きな渦電流ｉｅが流れる。渦電流ｉｅにより、磁束Φｍの変化を抑制する向きに磁束Φｅが生じる。このため、埋込部材３０が無い場合に比べて磁束Φｍが飽和しにくくなる。

埋込部材３０を埋め込む位置とその密度は、コア１０内における磁束Φｍの抑制の程度に応じて調整される。例えば、図３に示すように、コイル２０が巻かれている脚部Ｐ１以外のヨークＹ１とヨークＹ２と脚部Ｐ２とに埋込部材３０を埋め込んでもよい。また、脚部Ｐ１に対向する脚部Ｐ２にのみ埋込部材３０を埋め込んでもよい。ヨークＹ１とヨークＹ２と脚部Ｐ１と脚部Ｐ２全てに埋込部材３０を埋め込んでもよい。
また、埋込部材３０の外形を比較的小さくすることにより、コア１０の形状の自由度を高くすることができる。

コア１０は、例えば、鉄粉のような磁性体の粒子を含む粉末の中に多数の埋込部材１１を埋め込み、圧縮・成形して製造される。
コア１０の製造に用いられる磁性体粉末は、粒子の表面に絶縁被膜が形成されたものであってもよいが、粒子の表面に絶縁被膜が形成されていないものが望ましい。表面に絶縁被膜が形成されていない粒子を用いて製造されたコア１０は、粒子間にも渦電流が生じる。

コア１０の製造に用いられる粉末の素材は、鉄系の磁性体であることが好ましい。例えば、純鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金（センダスト合金）、鉄アモルファス系材料、微細結晶材料等の粉末を用いてコア１０を製造することができる。

図５は、コア１０の製造方法の一例を示す。
コア１０を製造する際には、まず、磁性体の粒子を含む粉末を、その中に複数の埋込部材３０を埋め込みながら、金型に投入する（Ｓ１）。ここで、粉末に含まれる粒子は、その表面に絶縁被膜が形成されていないものが望ましい。次に、埋込部材３０が埋め込まれた粉末をプレス機で圧縮し、成形する（Ｓ２）。
コア１０が圧縮・成形された後に、埋込部材３０が変形したとても、それが閉道をなしている限り問題はない。
また、圧縮・成形中に埋込部材３０が変形することを防ぐために、ヨークＹ１とヨークＹ２と脚部Ｐ１と脚部Ｐ２とを別々に角柱として圧縮・成形により製造し、その後に４個の角柱を矩形に接合することとしてもよい。この場合、圧縮・成形の際に角柱の長手方向に沿って力を加えることにより、埋込部材３０の第１の主面３１と第２の主面３２に垂直に力が加わることとなり、埋込部材３０の変形を防ぐことができる。

なお、上述した実施形態では矩形状のコア１０の例を示したが、これに限らず、コア１０は棒状や環状等他の形状であってもよい。また、上述した実施形態では環状または矩形状の埋込部材３０の例を示したが、これに限らず、渦電流を生じる形状であれば、埋込部材３０は他の形状であってもよい。

本発明によれば、限流リアクトル用コア内に多数の短絡コイル（埋込部材）が配置されるため、多くの渦電流が生じる。更に、表面に絶縁被膜が形成されていない粒子を用いて製造されたコアは、粒子間にも渦電流が生じる。従って、本発明に係る限流リアクトル用コアは、短絡コイルを外付けしなくても、直流電路の短絡事故時のように突然大きな電圧が印加されたとき、コイルの電流（直流電路の電流）を所定の電流値付近まで迅速に増加させ、その電流値を超えると電流の増加を抑制することができる。
また、多数の短絡コイルが並列に配置されるため、限流リアクトル用コアの周波数特性が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。

１…限流リアクトル、１０…コア、２０…コイル、３０…埋込部材、３１…埋込部材の第１の主面、３２…埋込部材の第２の主面、３３…埋込部材の貫通孔

Claims (3)

1. 磁性体で形成された限流リアクトル用コアであって、
   前記磁性体よりも電気抵抗率の低い素材で形成された埋込部材であって、第１の主面から当該第１の主面に対向する第２の主面まで貫通する貫通孔を有する複数の埋込部材が埋め込まれており、
   前記埋込部材の貫通孔の方向と一致する第１の方向と、前記第１の方向に垂直な第２の方向と、前記第１および第２の方向に垂直な第３の方向の各方向において、複数の前記埋込部材が互いに間隔を空けて埋め込まれている、
   ことを特徴とする限流リアクトル用コア。
2. 前記磁性体が、鉄系であり、
   前記埋込部材が、金、銀、銅、またはアルミニウムで形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の限流リアクトル用コア。
3. 請求項１または請求項２に記載の限流リアクトル用コアと、
   前記限流リアクトル用コアに巻かれたコイルと、
   を備え、
   前記コイルに電流が流れるときに生じる磁界が、前記埋込部材の前記第１の主面および第２の主面と鎖交する、
   ことを特徴とする限流リアクトル。

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