(57)【要約】【課題】  大電流が通電された場合でも、高インピーダンスが保たれ、電流の限流効果を確保できる限流器を得る。【解決手段】  一定の方向に巻かれた第１コイル１１を有する第１回路と、第１コイル１１と同心状で逆方向に巻かれた第２コイル１２と前記第２コイル１２に直列接続されたスイッチ１３とを有し、第１回路と並列接続された第２回路とを備え、第１回路と第２回路とで構成された並列接続部に所定以上の電流が流れたときにスイッチをオフする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の方向に巻かれた第１コイルを有する第１回路と、
前記第１コイルに対して同心状で逆方向に巻かれた第２コイルと前記第２コイルに直列接続されたスイッチとを有し、前記第１回路と並列接続された第２回路とを備え、
前記第１回路と前記第２回路とで構成された並列接続部に所定以上の電流が流れたときに前記スイッチをオフすることを特徴とする限流器。
【請求項２】
前記第１コイルと前記第２コイルとにより構成された組合せコイルの内径側に前記組合せコイルよりも短い鉄芯を挿入したことを特徴とする請求項１記載の限流器。
【請求項３】
前記第２コイルの巻数は前記第１コイルの巻数よりも多いことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の限流器。
【請求項４】
前記第１コイルから発生する磁界と前記第２コイルから発生する磁界とが前記第１コイルの内径の中心部で打ち消し合うように、前記第１コイルに流れる電流、前記第１コイルの巻数、前記第２コイルに流れる電流および前記第２コイルの巻数を設定することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の限流器。
【請求項５】
前記第１コイルと前記第２コイルとは絶縁材料を介して密着するように配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の限流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、機器を保護するために過電流が流れた場合に電流を低減させる限流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の限流器においては、主コイルとサブコイルの２個のコイルが無誘導状態になるようにロの字型の鉄芯を介して結合しており、サブコイルにスイッチが接続されている。スイッチは半導体素子により構成されている。定常時にはスイッチはオンの状態であり、主コイルとサブコイルとに電流が流れ、主コイルから発生する磁界とサブコイルから発生する磁界とは打ち消しあい、無誘導状態となるので、限流器のインピーダンスは低く、負荷への影響は小さい。電流センサで電流の値を測定し、過電流を検出した場合にはスイッチでサブコイルの電流を遮断することで、電流は主コイルのみに流れ、無誘導状態が解消されて高いインピーダンスが得られるので、電流を限流することができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】電気学会技術報告第７０９号（第２３〜２４頁、第２．４９図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の限流器では、鉄芯がロの字型であり、磁気抵抗が小さな閉じた鉄芯に主コイルが巻かれた状態になるので、鉄芯内に反磁界が発生せず、コイルに流れる電流が小さくても鉄芯が飽和する。このため、大電流が通電された場合、限流器のインピーダンスが低減し、電流の限流効果が確保できない問題があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、大電流が通電された場合でも、高インピーダンスが保たれて、電流の限流効果を確保できる限流器を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る限流器においては、一定の方向に巻かれた第１コイルを有する第１回路と、第１コイルに対して同心状で逆方向に巻かれた第２コイルと第２コイルに直列接続されたスイッチとを有し、第１回路と並列接続された第２回路とを備え、第１回路と第２回路とで構成された並列接続部に所定以上の電流が流れたときにスイッチをオフするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、一定の方向に巻かれた第１コイルを有する第１回路と、第１コイルに対して同心状で逆方向に巻かれた第２コイルと第２コイルに直列接続されたスイッチとを有する第２回路とを備え、第１回路と第２回路とを並列接続することにより、大電流が通電された場合でも限流器の高インピーダンスが保たれて、電流の限流効果を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における限流器１を含めた回路図である。図１において、限流器１は電源２および負荷３と接続されている。限流器１は一定の方向に巻かれた第１コイル１１を有する第１回路と、第１コイル１１に対して同心状で逆方向に巻かれた第２コイル１２と第２コイル１２に直列接続されたスイッチ１３とを有する第２回路と、電流を検知する電流センサ１４と、スイッチ１３を制御する制御回路１５と、エネルギーを蓄積するためのサージアブソーバー２０とで構成されている。第１コイル１１と第２コイル１２とを合せたものが組合せコイル２１となる。また、第１回路と第２回路とは並列接続されている。第１回路と第２回路とで構成される並列接続部に負荷３が接続され、ここに所定以上の電流が流れたときに、制御回路１５によりスイッチ１３をオフにする。スイッチ１３はトランジスタ１６、１７とダイオード１８、１９を組合せたものである。トランジスタ１６、１７としてはパワー半導体であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を使用する。なお、スイッチ１３の構成は本実施の形態と異なる別の構成でもよい。
【０００９】
図２は、実施の形態１における第１コイル１１と第２コイル１２の配置図である。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は断面図である。第１コイル１１と第２コイル１２とは、２つの空芯コイルを同心として配置したもので、第２コイル１２は内側に配置されている。図２（ａ）および図２（ｂ）に示した矢印は電流の流れる方向を示している。図２（ａ）において、空芯の軸方向の第１コイル１１の長さと第２コイル１２の長さは同一であるが、必要な磁界が発生できれば第１コイル１１の長さと第２コイル１２の長さが同一でなくてもよい。
【００１０】
次に、動作について説明する。定常時は、第１コイル１１と第２コイル１２は同心配置で逆極性になるように並列接続されているので、第１コイル１１から発生する磁界と第２コイル１２から発生する磁界とは打ち消しあい、組合せコイル２１は無誘導状態に近い状態になる。このため、組合せコイル２１のインダクタンスが低くなり、限流器１に流れる電流の損失を抑えることができる。一方、負荷３に流れる電流が増大し、第１回路と第２回路とで構成される並列接続部に所定以上の電流が流れると、電流センサ１４で過電流を検出し、制御回路１５により第２コイル１２に直列に接続したスイッチ１３をオフにする。そして、電流は第１コイル１１のみに流れ、無誘導状態が消滅するため、組合せコイル２１のインダクタンスが高くなり、限流器１の高インピーダンスが保たれて、負荷３に流れる電流は限流される。なお、第２コイル１２に蓄積されたエネルギーはサージアブソーバー２０により吸収される。
【００１１】
また、電流の限流効果を高めるためには、第１コイル１１単体での励磁時のインダクタンスは高い方がよい。そこで、第１コイル１１の内径の半径を大きくし、第１コイル１１の巻数を多くすれば、コイルのインダクタンスが大きくなり、限流器１として高いインピーダンスを得ることが可能になる。なお、図２では、第１コイル１１を第２コイル１２よりも外側に配置しているが、第１コイル１１が内側で第２コイル１２が外側でもよい。
【００１２】
以上のように、一定の方向に巻かれた第１コイル１１を有する第１回路と、第１コイル１１と同心状で逆方向に巻かれた第２コイル１２と第２コイル１２に直列接続されたスイッチ１３とを有し、第１回路と並列接続された第２回路とを備えたことにより、大電流が通電された場合でも限流器１の高インピーダンスが保たれて、電流の限流効果を確保できる。
【００１３】
ところで、第２コイル１２へ流れる電流が大きくなると、スイッチ１３へ流れる電流も大きくなるので、スイッチ１３には大電流に耐えるトランジスタ１６、１７が必要となる。そこで、第２コイル１２の巻数を第１コイル１１の巻数よりも多くすることにより、第２コイル１２のインダクタンスが第１コイル１１のインダクタンスよりも大きくなり、第２コイル１２に流れる電流が第１コイル１１に流れる電流よりも小さくなる。この結果、スイッチ１３内のトランジスタ１６、１７へ流れる電流も小さくなる。これにより、トランジスタ１６、１７として、ＩＧＢＴなどのパワー半導体以外の小電流用半導体素子を使用することができる。
【００１４】
また、定常時の電流の損失をできる限り低減するために、組合せコイル２１のインダクタンスを低減する必要がある。そこで、第１コイル１１から発生する磁界と第２コイル１２から発生する磁界とが第１コイル１１の内径の中心部で打ち消し合うように第１コイル１１に流れる電流値、第１コイル１１の巻数、第２コイル１２に流れる電流値および第２コイル１２の巻数を設定することで、組合せコイル２１のインダクタンスが低減されるので、定常時の限流器１のインピーダンスを低減することができる。
【００１５】
更に、第１コイル１１と第２コイル１２とは絶縁材料を介して密着するように配置することで、第１コイル１１と第２コイル１２との間に空洞できる場合に比べて２つのコイルの相対的な配置が固定しやすくなり、電磁界解析を用いて第１コイル１１に流れる電流値、第１コイル１１の巻数、第２コイル１２に流れる電流値および第２コイル１２の巻数をあらかじめ設計した場合に、設計どおりに組合せコイル２１の低インダクタンス化が実現できる。これにより、定常時の限流器１のインピーダンスを低減することができる。
【００１６】
以上のように、第２コイル１２の巻数は第１コイル１１の巻数よりも多いので、第２コイル１２のインダクタンスが第１コイル１１よりも高くなり、第２コイル１２に流れる電流が第１コイル１１に流れる電流よりも小さくなり、スイッチ１３内のトランジスタ１６、１７へ流れる電流も小さくなる。また、第１コイル１１から発生する磁界と第２コイル１２から発生する磁界とが第１コイル１１の内径の中心部で打ち消し合うように第１コイル１１に流れる電流値、第１コイル１１の巻数、第２コイル１２に流れる電流値および第２コイル１２の巻数を決めることにより、定常時の組合せコイル２１のインダクタンスを低減することができる。更に、第１コイル１１と第２コイル１２とは絶縁材料を介して密着するように配置することにより、設計どおりに組合せコイル２１のインダクタンスが低減されるので、定常時の限流器１のインピーダンスを低減することができる。
【００１７】
実施の形態２．
実施の形態１のようにコイルが空芯である場合、大電流が通電されても高インピーダンスを確保するために、コイルのインダクタンスを大きくしようとすると、コイル自体を大きくする必要があり、限流器が大型化する。そこで、コイルを小さくしても大きなインダクタンスが得られるように、コイルに鉄芯を挿入する。コイルのインダクタンスＬは式（１）のように導出することができる。
Ｌ＝ｄφ／ｄｉ＝μ・Ｓ・ｄＨ／ｄｉ    …（１）
ここで、φは鎖交磁束、ｉはコイルに流れる電流、μは透磁率、Ｓはコイルの鎖交面積、Ｈは磁界である。式（１）からわかるように、インダクタンスは透磁率μに比例するので、透磁率μが高い鉄芯を挿入することにより、大きなインダクタンスを得ることができ、限流器を小型化できるか、またはコイルの巻数を少なくすることができる。
【００１８】
図３は、この発明を実施するための実施の形態２における鉄芯３１を挿入した第１コイル１１と第２コイル１２との配置図である。図示していないが、第１回路は一定の方向に巻かれた第１コイル１１で構成され、第２回路は第１コイル１１に対して同心状で逆方向に巻かれた第２コイル１２とスイッチ（図示せず）とで構成され、第２コイル１２とスイッチとは直列接続されている。また、第１回路と第２回路は並列接続されている。図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は断面図である。第１コイル１１と第２コイル１２とにより構成された組合せコイル２２の内径側に、組合せコイル２２よりも短い鉄芯３１が挿入されている。図３（ａ）において、鉄芯の軸方向の第１コイル１１の長さと第２コイル１２の長さは同一であるが、必要な磁界が発生できれば第１コイル１１の長さと第２コイル１２の長さが同一でなくてもよい。なお、鉄芯３１の材料としては、鉄芯３１の内部に流れる渦電流を低減させるために積層鋼鈑を用いてもよい。
【００１９】
図４は、実施の形態２における鉄芯３１を挿入した組合せコイル２２内の磁極および反磁界の模式図である。図４は側面図（断面図）であり、第１コイル１１から発生する磁界３２、鉄芯３１内のプラス磁極３３、マイナス磁極３４、反磁界３５を模式的に示している。鉄芯３１が組合せコイル２２より短い場合、磁界３２の向きに沿った方向に鉄芯３１の端面があると端面にプラス磁極３３とマイナス磁極３４が生じ、これらの磁極により反磁界３５が発生する。反磁界３５は磁界３２とは逆方向の磁界であり、磁界３２を弱める。このため、第１コイル１１に大きな電流を流した場合でも鉄芯３１が飽和しにくくなり、大きなインダクタンスを得ることができるので、限流器の高インピーダンスが保たれて、負荷（図示せず）に流れる電流は限流される。また、コイルの鎖交面積Ｓに占める鉄芯３１の断面積を大きくすることで、インダクタンスを大きくすることができる。つまり、鉄芯３１の断面積が大きい方が反磁界も大きくなり、鉄芯３１が飽和しにくくなる。
【００２０】
一方、鉄芯３１が組合せコイル２２より長い場合、鉄芯３１が組合せコイル２２から突き出した部分はコイルの鎖交磁束φにはほとんど寄与せず無駄な部分になり、鉄芯の体積が増加するだけである。しかし、組合せコイル２２に流れる電流が小電流の場合には、鉄芯３１が長くなるとピークのインダクタンスは高くなる。図５は、実施の形態２における規格化インダクタンスの規格化電流依存性を電磁界解析で計算した結果のグラフである。図５において、横軸は規格化電流、縦軸は規格化インダクタンスである。鉄芯３１が組合せコイル２２より長い場合１０１と、鉄芯３１が組合せコイル２２より短い場合１０２の２通りの場合を示している。鉄芯３１が短い場合の小電流時のインダクタンスを１としてインダクタンスを規格化した。
【００２１】
図５より、鉄芯３１を短くした方が大電流まで大きなインダクタンスを得ることができるが、小電流でのインダクタンスは小さくなることがわかる。大電流まで高インダクタンスが必要な場合には、鉄芯３１の長さを組合せコイル２２より短くすることが有効である。一方、小電流でのピークのインダクタンスが必要な場合は鉄芯３１の長さを組合せコイル２２より長くすることが有効である。どちらを採用するかは、限流器に接続する負荷３の仕様などによって決めることができる。
【００２２】
以上のように、第１コイル１１と第１コイル１１に対して同心状で逆方向に巻かれた第２コイル１２とにより構成される組合せコイル２２の内径側に、組合せコイル２２よりも短い鉄芯３１を挿入したことにより、大電流が通電された場合でも鉄芯３１が飽和しにくく、第１コイル１１のインダクタンスを大きくすることができ、限流器の高インピーダンスが保たれ、電流の限流効果を確保しながら限流器を小型化できる。
【００２３】
実施の形態３．
図６は、この発明を実施するための実施の形態３における鉄芯を挿入した第１コイル４１と第２コイル４２との配置図である。図６は側面図（断面図）で、第１コイル４１と第２コイル４２を同心上で横に並べた組合せコイル４３が構成され、この組合せコイル４３に鉄芯３１が挿入されている。図６において、第１コイル４１の外径および内径と第２コイル４２の外径および内径はそれぞれ同一であるが、必要な磁界が発生できれば第１コイル４１の外径および内径と第２コイル４２の外径および内径がそれぞれ同一でなくてもよい。図示していないが、第１回路は一定の方向に巻かれた第１コイル４１で構成され、第２回路は第１コイル４１に対して同心状で逆方向に巻かれた第２コイル４２とスイッチ（図示せず）とで構成され、第２コイル４２とスイッチとは直列接続されている。また、第１回路と第２回路は並列接続されている。このような構成により、第１コイル４１および第２コイル４２は共に組合せコイル４３の内径の中心部に近い位置に配置することができる。このため、効率的に第１コイル４１から発生する磁界と第２コイル４２から発生する磁界とが打ち消され、組合せコイル４３のインダクタンスが低減されるので、定常時の限流器のインピーダンスを低減することができる。
【００２４】
以上のように、第１コイル４１と第２コイル４２を同心上で横に並べることにより、効率的に各コイルから発生する磁界が打ち消され、定常時の限流器のインピーダンスを低減することができる。
【００２５】
実施の形態４．
図７は、この発明を実施するための実施の形態４における鉄芯を挿入した第１コイルと第２コイルとの配置図である。図７は側面図（断面図）で、内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とで第１コイル５３を挟んだ組合せコイル５４が構成され、この組合せコイル５４に鉄芯３１が挿入されている。図７において、鉄芯の軸方向の内側の第２コイル５１の長さと外側の第２コイル５２の長さと第１コイル５３の長さは同一であるが、必要な磁界が発生できればそれぞれのコイルの長さが同一でなくてもよい。図示していないが、第１回路は一定の方向に巻かれた第１コイル５３で構成され、第２回路は第１コイル５３に対して同心状で逆方向に巻かれた内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とスイッチ（図示せず）とで構成され、内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とスイッチとは直列接続されている。また、第１回路と第２回路は並列接続されている。
【００２６】
定常時に、組合せコイル５４のインダクタンスを低くするには、各コイルのコイル径（外径と内径の差）、各コイルに流れる電流値および各コイルの巻数を調整し、内側の第２コイル５１の内径の中心部で各コイルから発生する磁界が打ち消されるようにする。第２コイルを内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とに分割することにより、内側の第２コイル５１のコイル径、巻数および外側の第２コイル５２のコイル径、巻数を自由に変更できるので、効率的に内側の第２コイル５１から発生する磁界および外側の第２コイル５２から発生する磁界の和と第１コイル５３から発生する磁界とが打ち消され、組合せコイル５４のインダクタンスが低減されるので、定常時の限流器のインピーダンスを低減することができる。また、コイル作製の自由度が増えて、コイルの生産性が向上する。
【００２７】
また、内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とを並列に接続した場合、内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とのそれぞれに流れる電流を低減できるので、コイルの発熱を抑えることができる。また、内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とに、それぞれ独立したスイッチ（図示せず）を直列に接続し、内側の第２コイル５１およびスイッチと外側の第２コイル５２およびスイッチとを並列に接続する場合でも、内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とのそれぞれに流れる電流を低減できるので、コイルの発熱を抑えることができる。更に、スイッチのトランジスタ（図示せず）へ流れる電流も小さくすることができる。
【００２８】
以上のように、第２コイルを内側の第２コイル５１と外側の第２コイル５２とに分離することにより、効率的に各コイルから発生する磁界が打ち消され、定常時の限流器のインピーダンスを低減することができる。
【００２９】
実施の形態５．
図８は、この発明を実施するための実施の形態５における鉄芯を挿入した第１コイルと第２コイルとの配置図である。図８は側面図（断面図）で、内側の第１コイル６１と外側の第１コイル６２とで第２コイル６３を挟んだ組合せコイル６４が構成され、この組合せコイル６４に鉄芯３１が挿入されている。図８において、鉄芯の軸方向の内側の第１コイル６１の長さと外側の第１コイル６２の長さと第２コイル６３の長さは同一であるが、必要な磁界が発生できればそれぞれのコイルの長さが同一でなくてもよい。図示していないが、第１回路は一定の方向に巻かれた内側の第１コイル６１と外側の第１コイル６２とで構成され、内側の第１コイル６１と外側の第１コイル６２とは直列に接続されている。第２回路は内側の第１コイル６１に対して同心状で逆方向に巻かれた第２コイル６３とスイッチ（図示せず）とで構成され、第２コイル６３とスイッチとは直列接続されている。また、第１回路と第２回路は並列接続されている。
【００３０】
定常時に、組合せコイル６４のインダクタンスを低くするには、各コイルのコイル径（外径と内径の差）、各コイルに流れる電流値および各コイルの巻数を調整し、内側の第１コイル６１の内径の中心部で各コイルから発生する磁界が打ち消されるようにする。第１コイルを内側の第１コイル６１と外側の第１コイル６２とに分割することにより、内側の第１コイル６１のコイル径、巻数および外側の第１コイル６２のコイル径、巻数を自由に変更できるので、効率的に内側の第１コイル６１から発生する磁界および外側の第１コイル６２から発生する磁界の和と第２コイル６３から発生する磁界とが打ち消され、組合せコイル６４のインダクタンスが低減されるので、定常時の限流器のインピーダンスを低減することができる。また、コイル作製の自由度が増えて、コイルの生産性が向上する。また、内側の第１コイル６１と外側の第１コイル６２と並列に接続することで、内側の第１コイル６１と外側の第１コイル６２とのそれぞれに流れる電流を低減できるので、コイルの発熱を抑えることができる。
【００３１】
以上のように、第１コイルを内側の第１コイル６１と外側の第１コイル６２とに分離することにより、効率的に各コイルから発生する磁界が打ち消され、定常時の限流器のインピーダンスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態１を示す限流器を含めた回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１における第１コイルと第２コイルとの配置図である。
【図３】この発明の実施の形態２を示す鉄芯を挿入した第１コイルと第２コイルとの配置図である。
【図４】この発明の実施の形態２における鉄芯を挿入したコイル内の磁極と反磁界の模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２における規格化インダクタンスの規格化電流依存性のグラフである。
【図６】この発明の実施の形態３を示す鉄芯を挿入した第１コイルと第２コイルとの配置図である。
【図７】この発明の実施の形態４を示す鉄芯を挿入した第１コイルと第２コイルとの配置図である。
【図８】この発明の実施の形態５を示す鉄芯を挿入した第１コイルと第２コイルとの配置図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  限流器
２  電源
３  負荷
１１、４１、５３  第１コイル
１２、４２、６３  第２コイル
１３  スイッチ
１４  電流センサ
１５  制御回路
１６、１７  トランジスタ
１８、１９  ダイオード
２０  サージアブソーバー
２１、２２、４３、５４、６４  組合せコイル
３１  鉄芯
３２  磁界
３３  プラス磁極
３４  マイナス磁極
３５  反磁界
５１  内側の第２コイル
５２  外側の第２コイル
６１  内側の第１コイル
６２  外側の第１コイル
１０１  鉄芯が組合せコイルより長い場合の規格化インダクタンスの規格化電流依存性
１０２  鉄芯が組合せコイルより短い場合の規格化インダクタンスの規格化電流依存性
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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