(57)【要約】【課題】単純な装置構成を有する信頼性の高いリアクタンス型の限流器を提供する。【解決手段】磁心１１Ａと、磁心１１Ａに巻回されたコイル１２とを備え、磁心１１Ａは、強磁性材料を含む第１のコア２１と、第２の磁性材料を含む第２のコア２２とを含む。第２の磁性材料の磁気特性は、第１軸を磁場とし第２軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第１象限において、第１の磁場強度以下の第１の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第１の値であり、前記第１の磁場強度よりも強い第２の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第１の値よりも大きい第２の値である。本発明によれば、第１のコア２１が強磁性材料によって構成されていることから、第２のコア２２に磁束を集中させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁心と、前記磁心に巻回されたコイルとを備え、
前記磁心は、第１の磁性材料を含む第１のコアと、前記第１の磁性材料とは異なる第２の磁性材料を含む第２のコアとを含み、
前記第１の磁性材料は、強磁性材料であり、
前記第２の磁性材料の磁気特性は、第１軸を磁場とし第２軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第１象限において、第１の磁場強度以下の第１の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第１の値であり、前記第１の磁場強度よりも強い第２の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第１の値よりも大きい第２の値であることを特徴とする限流器。
【請求項２】
前記第１のコアは磁路を分断するギャップを有しており、前記第２のコアは前記ギャップに挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の限流器。
【請求項３】
前記第１のコアは、前記第２のコアと接する面から離れるにしたがって断面積が増大する形状を有していることを特徴とする請求項２に記載の限流器。
【請求項４】
前記第１のコアのうち前記第２のコアと接する接続部は、前記強磁性材料よりも飽和磁束密度の高い別の強磁性材料からなることを特徴とする請求項３に記載の限流器。
【請求項５】
前記第１のコアは、１つの中脚及び２つの側脚を有する２つのＥ型コアの組み合わせからなり、
前記ギャップは、前記２つのＥ型コアの前記中脚が対向する部分に形成されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の限流器。
【請求項６】
前記第２の磁性材料は、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の限流器。
【請求項７】
交流電源から供給される電流を限流する限流回路であって、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の限流器と、
前記限流器に直列に接続されたコンデンサと、を備え、
前記コイルと前記コンデンサは、前記第２のコアに印加される磁場が前記第１の磁場領域である場合に、前記交流電源の周波数帯で共振するＬＣ共振回路を構成することを特徴とする共振型限流回路。
【請求項８】
前記第２のコアに印加される磁場が前記第２の磁場領域である場合における前記ＬＣ共振回路の共振周波数は、前記交流電源の周波数帯と異なることを特徴とする請求項７に記載の共振型限流回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は限流器及びこれを備える共振型限流回路に関し、特に、リアクタンス型の限流器及びこれを備える共振型限流回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統や電気回路において短絡事故が発生すると、短絡箇所において瞬時に大電流が流れ、この電流によって系統機器や回路素子が損傷したり、場合よっては火災が発生したりすることもある。短絡事故発生時におけるこのような大電流を抑制するための機器として、従来から限流器が知られている。限流器は、近年における電力容量の増加や分散型電源の普及に伴って、今後ますます需要が高まるものと予想される。
【０００３】
限流器の具体的な構成は、例えば特許文献１〜４に記載されている。特許文献１及び２に記載された限流器は、サイリスタとダイオードとからなるブリッジ回路にリアクトルを接続した構成を有している。また、特許文献３に記載された限流器は、直列共振回路と並列共振回路を組み合わせた構成を有している。さらに、特許文献４に記載された限流器は、直流電源を用いて可飽和直流リアクトルに磁気バイアスをかける構成を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭４９−５０４４８号公報
【特許文献２】特開平９−２８５０１２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１７０１６号公報
【特許文献４】特開２００２−２９１１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１〜４に記載された限流器は素子数が多く、装置構成が複雑である。特に、特許文献３に記載された限流器は、ノイズを抑えるためのフィルタ回路を別途設ける必要があることから、さらに回路構成が複雑となる。また、特許文献４に記載された限流器は、磁気バイアスをかけるための直流電源が常に必要であり、直流電源が失われると限流器として機能しないという問題があった。
【０００６】
このように、従来の限流器は装置構成が複雑であることから、信頼性の確保が難しいばかりでなく、保守負担も大きいという問題があった。しかも、装置構成の複雑さに起因して、十分な応答速度を得ることも困難であった。
【０００７】
したがって、本発明は、単純な装置構成を有する信頼性の高いリアクタンス型の限流器及びこれを備える共振型限流回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による限流器は、磁心と、前記磁心に巻回されたコイルとを備え、前記磁心は、第１の磁性材料を含む第１のコアと、前記第１の磁性材料とは異なる第２の磁性材料を含む第２のコアとを含み、前記第１の磁性材料は強磁性材料であり、前記第２の磁性材料の磁気特性は、第１軸を磁場とし第２軸を磁束密度又は磁化としたグラフの第１象限において、第１の磁場強度以下の第１の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が第１の値であり、前記第１の磁場強度よりも強い第２の磁場領域では、磁場に対する磁束密度又は磁化の微分値が前記第１の値よりも大きい第２の値であることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、コイルを流れる電流が所定値以下である場合には第２のコアが第１の磁場領域で動作することからリアクタンスが小さい一方、コイルを流れる電流が所定値を超えると第２のコアが第２の磁場領域で動作することからリアクタンスが増大する。これにより、電流が所定値以下である場合には、電力系統や電気回路に対して実質的に負荷となることなく、電流が所定値を超えた場合に限流動作を行うことができる。しかも、磁心にコイルを巻回したシンプルな装置構成であることから、低コストで信頼性の高い限流器を提供することが可能となる。さらに、第１のコアが強磁性材料によって構成されていることから、第２のコアに磁束を集中させることができる。第２の磁性材料としては、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料を用いればよい。
【００１０】
本発明において、前記第１のコアは磁路を分断するギャップを有しており、前記第２のコアは前記ギャップに挿入されていることが好ましい。これによれば、磁心を周回する磁束の大部分が第２のコアを通過することから、コイルを流れる電流が所定値以下である場合と所定値を超える場合とでインダクタンスの変化量を十分に確保することが可能となる。
【００１１】
この場合、前記第１のコアは、前記第２のコアと接する面から離れるにしたがって断面積が増大する形状を有していることが好ましい。これによれば、第１のコアの磁気飽和を防止しつつ、第２のコアに均一な磁束を集中させることが可能となる。さらにこの場合、前記第１のコアのうち前記第２のコアと接する接続部は、前記強磁性材料よりも飽和磁束密度の高い別の強磁性材料からなることもまた好ましい。これによれば、第１のコアの磁気飽和をより効果的に防止することが可能となる。
【００１２】
本発明において、前記第１のコアは、１つの中脚及び２つの側脚を有する２つのＥ型コアの組み合わせからなり、前記ギャップは、前記２つのＥ型コアの前記中脚が対向する部分に形成されることが好ましい。これによれば、第２のコアに磁束をより効果的に集中させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明による共振型限流回路は、交流電源から供給される電流を限流する限流回路であって、上記の限流器と、前記限流器に直列に接続されたコンデンサとを備え、前記コイルと前記コンデンサは、前記第２のコアに印加される磁場が前記第１の磁場領域である場合に、前記交流電源の周波数帯で共振するＬＣ共振回路を構成することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、第２のコアに印加される磁場が第１の磁場領域である場合に、ＬＣ共振回路が交流電源の周波数帯で共振することから、通常動作時におけるインピーダンスを大幅に低減（理想的にはゼロに）することが可能となる。
【００１５】
本発明において、前記第２のコアに印加される磁場が前記第２の磁場領域である場合における前記ＬＣ共振回路の共振周波数は、前記交流電源の周波数帯と異なることが好ましい。これによれば、異常時におけるインピーダンスがより大きくなることから、より効果的な限流動作を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明によれば、単純な装置構成を有する信頼性の高いリアクタンス型の限流器及びこれを備える共振型限流回路を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による限流器１０Ａの構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、磁心１１Ａの構造を説明するための斜視図である。
【図３】図３は、磁心１１Ａの構造を説明するための断面図である。
【図４】図４は、第２のコア２２に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフである。
【図５】図５は、第１及び第２のコア２１，２２に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第１象限（Ｉ）のみを示している。
【図６】図６は、限流器１０Ａのコイル１２に流れる電流ＩとインダクタンスＬとの関係を示すグラフである。
【図７】図７は、コイル１２に電流を流した場合における磁心１１Ａの磁束密度分布を示すシミュレーション結果である。
【図８】図８は、比較例による限流器１０Ｘの構造を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施形態において用いる磁心１１Ｂの構成を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３の実施形態による限流器１０Ｃの構成を示す断面図である。
【図１１】図１１は、限流器１０を用いた電気回路の回路図である。
【図１２】図１２は、限流器１０を用いた電気回路の別の回路図である。
【図１３】図１３は、限流器１０を用いた電気回路のさらに別の回路図である。
【図１４】図１４は、負荷３０に印加される電圧波形を示すシミュレーション結果である。
【図１５】図１５は、限流器１０に流れる電流波形を示すシミュレーション結果である。
【図１６】図１６は、限流器１０の代わりに通常の線形リアクトルを用いた場合において、線形リアクトルに流れる電流波形を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による限流器１０Ａの構成を示す斜視図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態による限流器１０Ａは、磁心１１Ａと磁心１１Ａに巻回されたコイル１２によって構成される。磁心１１Ａには２つの貫通孔が設けられており、この貫通孔にコイル１２が配置される。コイル１２は、抵抗値の低い銅（Ｃｕ）を芯材に用いた被覆導線などを用いることが好ましい。
【００２１】
図２及び図３は、磁心１１Ａの構造を説明するための図であり、図２は斜視図、図３は断面図である。
【００２２】
図２及び図３に示すように、磁心１１Ａは、第１のコア２１と第２のコア２２によって構成されている。第１のコア２１は、２つのＥ型コア２１ａ，２１ｂを組み合わせた構造を有しており、Ｅ型コア２１ａ，２１ｂの中脚が対向する部分に形成されるギャップに第２のコア２２が挿入されている。Ｅ型コア２１ａに設けられた２つの側脚と、Ｅ型コア２１ｂに設けられた２つの側脚については、ギャップを介することなく互いに接続されている。これにより、磁心１１Ａは閉磁路を構成し、閉磁路を周回する磁束は必ず第２のコア２２を通過することになる。第１のコア２１の断面積（磁束に対して垂直な方向における面積）は、第２のコア２２との接続面において第２のコア２２の断面積とほぼ等しいが、その他の領域においては第２のコア２２の断面積よりも大きく、これにより第１のコア２１の磁気飽和が防止されている。Ｅ型コア２１ａ，２１ｂの中脚は、第２のコア２２と接する面から離れるにしたがって断面積が増大する形状を有しており、これによって第１のコア２１の磁気飽和を防止しつつ、第２のコア２２に与えられる磁束密度が高められている。
【００２３】
第１のコア２１を構成する第１の磁性材料は、強磁性材料からなる。強磁性材料の種類については特に限定されないが、パーマロイや電磁鋼板などの透磁率の高い軟磁性材料を用いることが好ましい。これに対し、第２のコア２２を構成する第２の磁性材料は、軟磁性材料とは逆に、磁場強度が所定値以下である場合には透磁率が低く、所定の磁場強度を超えると透磁率が急激に増加する特性を有している。これにより、コイル１２に流れる電流が所定値以下である場合には、第２のコア２２が磁心１１Ａの磁気ギャップとして働くことから、磁心１１Ａ全体の透磁率は相対的に低く、発生するリアクタンスも小さい。そして、コイル１２に流れる電流が所定値を超えると、第２のコア２２の透磁率が急激に増加するため磁気ギャップが消失する。これにより、磁心１１Ａ全体の透磁率が急激に増加し、リアクタンスも急激に増加する。つまり、本実施形態による限流器１０Ａは、コイル１２に流れる電流が所定値を超えると自発的に限流動作を開始する。
【００２４】
このような現象を発現させるべく、本実施形態においては、第２のコア２２の材料として以下に詳述する磁性材料を用いている。
【００２５】
図４は、第２のコア２２に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第１軸である横軸（Ｘ軸）は磁場Ｈを示し、第２軸である縦軸（Ｙ軸）は磁化Ｍを示している。図４において、符号Ａは第２のコア２２の磁気特性を示し、符号ＳＭは一般的な軟磁性材料の磁気特性を示し、符号ＨＭは一般的な硬磁性材料の磁気特性を示している。
【００２６】
図４において符号ＳＭで示すように、一般的な軟磁性材料は、低磁場領域においては透磁率が高く容易に磁化される一方、磁場強度が所定値を超えると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。言い換えれば、磁気飽和しない磁場領域では、磁場Ｈに対する磁化Ｍの微分値が大きく、磁気飽和する磁場領域では、磁場Ｈに対する磁化Ｍの微分値が小さくなる。また、一般的な軟磁性材料は、ヒステリシスが無い、或いは、ヒステリシスが非常に小さいことから、符号ＳＭで示す特性曲線は、グラフの原点又はその近傍を通る。したがって、符号ＳＭで示す特性曲線は、グラフの第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）に現れ、第２象限（ＩＩ）及び第４象限（ＩＶ）には実質的に現れない。
【００２７】
図４において符号ＨＭで示すように、一般的な硬磁性材料は大きなヒステリシスを有しており、磁場がゼロであっても磁化された状態が維持される。このため、符号ＨＭで示す特性曲線は、グラフの第１象限（Ｉ）〜第４象限（ＩＶ）の全てに現れる。
【００２８】
これらの一般的な強磁性材料に対し、本実施形態において第２のコア２２に用いる磁性材料は、グラフの第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）において符号Ａで示すように、低磁場領域においては透磁率が低いためほとんど磁化されず、中磁場領域においては透磁率が高くなって容易に磁化され、さらに、強磁場領域になると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。選択する材料によっては、第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）内において僅かにヒステリシスが存在するが、残留磁化はゼロ又は非常に小さいため、符号Ａで示す特性曲線は実質的にグラフの原点を通る。符号Ａで示す特性曲線が厳密にグラフの原点を通らない場合であっても、横軸又は縦軸の原点近傍を通ることになる。このことは、当該磁性材料が初期状態であるか、或いは、繰り返し磁場を印加した後の状態であるかにかかわらず、同じ磁気特性が得られることを意味する。このため、当該磁性材料を用いた限流器１０Ａは繰り返し使用することができ、且つ、限流動作が完了した後、自動復旧する。
【００２９】
図５は、第１及び第２のコア２１，２２に用いられる磁性材料の磁気特性を示すグラフであり、第１象限（Ｉ）のみを示している。第１軸である横軸（Ｘ軸）は磁場Ｈを示し、第２軸である縦軸（Ｙ軸）は磁束密度Ｂを示している。図５において、符号Ａは第２のコア２２の磁気特性を示し、符号Ｂは第１のコア２１の磁気特性を示している。いずれも、便宜上、ヒステリシスのない状態を表している。
【００３０】
図５を用いて第２のコア２２の磁気特性についてより具体的に説明すると、磁場Ｈが無い状態から磁場を高めていくと、第１の磁場強度Ｈ１までの領域（第１の磁場領域ＭＦ１）においては透磁率が低く、このため磁束密度Ｂの増加は僅かである。第１の磁場強度Ｈ１における磁束密度Ｂの値はＢ１である。グラフの傾き、つまり、磁場Ｈに対する磁束密度Ｂの微分値は透磁率を示す。第１の磁場領域ＭＦ１における透磁率は非磁性材料の透磁率と同程度であり、したがって、第１の磁場領域ＭＦ１においては実質的に非磁性材料として振る舞う。
【００３１】
一方、第１の磁場強度Ｈ１から第２の磁場強度Ｈ２までの領域（第２の磁場領域ＭＦ２）においては透磁率が急激に高くなり、磁束密度Ｂの値は大幅に増加する。つまり、磁場を高めていくと、第１の磁場強度Ｈ１を境として透磁率が急激に増加する。第２の磁場強度Ｈ２における磁束密度Ｂの値はＢ２である。第２の磁場領域ＭＦ２における透磁率は軟磁性材料の透磁率に近く、したがって、第２の磁場領域ＭＦ２においては軟磁性的に振る舞う。
【００３２】
さらに磁場を高めることによって第２の磁場強度Ｈ２を超えると（第３の磁場領域ＭＦ３）、磁気飽和を起こし、グラフの傾き、つまり透磁率は再び低下する。
【００３３】
また、第２のコア２２を構成する磁性材料には残留磁化がほとんど存在しないため、磁場Ｈを一旦ゼロ近辺に戻せば、再び上述した特性と同じ特性が得られる。
【００３４】
第２のコア２２を構成する磁性材料としては、上述した磁気特性を有する磁性材料であれば特に限定されないが、一例として、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料を挙げることができる。第２のコア２２を構成する磁性材料は、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料の単体であっても構わないし、これらの組み合わせても構わない。
【００３５】
一方、第１のコア２１を構成する磁性材料（強磁性材料）については、図５において符号Ｂで示すように極めて急峻な磁気特性を有し、第１の磁場強度Ｈ１に達する前に飽和する。第１のコア２１が磁気飽和する際の磁束密度Ｂの値はＢ３である。Ｂ３の値は、Ｂ１よりも大きければ特に限定されない。特に限定されるものではないが、本実施形態においては、Ｂ３の値がＢ２の値よりもやや小さい。
【００３６】
第１及び第２のコア２１，２２をこのような磁性材料によって構成すれば、限流器１０Ａのコイル１２に流れる電流Ｉの大きさによってインダクタンスを大きく変化させることが可能となる。ここで、第２のコア２２に与えられる磁場Ｈは、コイル１２の構造及びコイル１２に流れる電流Ｉによって決まり、第２のコア２２の磁路長をＭＬ、コイル１２の巻数をＮとした場合、
Ｈ＝Ｎ×Ｉ／ＭＬ
で定義される。これは、第２のコア２２の第１の磁場強度Ｈ１における第１のコア２１の磁束密度は、第２のコア２２の磁束密度Ｂ１の数分の１という低い値であるために磁気飽和しておらず、従って第１のコア２１の磁場強度は零に近く、第２のコア２２の上面と下面が第１のコア２１により磁気的に理想的に短絡されているとみなすことができるからである。
【００３７】
図６は、限流器１０Ａのコイル１２に流れる電流ＩとインダクタンスＬとの関係を示すグラフである。ここで、図６に示す電流値Ｉ１は、第２のコア２２に与えられる磁場Ｈが第１の磁場強度Ｈ１となる電流値である。また、図６に示す電流値Ｉ２は、第２のコア２２に与えられる磁場Ｈが第２の磁場強度Ｈ２となる電流値である。
【００３８】
図６に示すように、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下であれば、限流器１０Ａのインダクタンスの値はＬ１であり、十分に低い。これは、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１以下である場合、第２のコア２２が第１の磁場領域ＭＦ１にあり、透磁率が十分に低いからである。これにより、限流器１０Ａは電気回路に対してほとんど負荷とならない。
【００３９】
これに対し、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、限流器１０Ａのインダクタンスの値はＬ２（＞Ｌ１）へ急激に増加する。これは、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、第２のコア２２が第２の磁場領域ＭＦ２となるため、透磁率が急激に増加するからである。第１の電流値Ｉ１は限流器１０Ａの動作開始点であり、コイル１２に流れる電流Ｉが第１の電流値Ｉ１を超えると、限流器１０Ａのインダクタンスが急激に増加する。これにより、電気回路に第１の電流値Ｉ１を超える電流が流れると、限流器１０Ａは自発的に限流動作を開始することになる。
【００４０】
そして、コイル１２に流れる電流Ｉが第２の電流値Ｉ２を超えると、限流器１０Ａのインダクタンスの値はＬ３（＜Ｌ２）へ急激に減少する。これは、コイル１２に流れる電流Ｉが第２の電流値Ｉ２を超えると、第２のコア２２が第３の磁場領域ＭＦ３となるからである。
【００４１】
図７は、コイル１２に電流を流した場合における磁心１１Ａの磁束密度分布を示すシミュレーション結果である。図７においては、磁束密度が高い領域ほど白く表示され、磁束密度が低い領域ほど黒く表示されている。
【００４２】
図７に示すように、コイル１２に電流を流すと、コイル１２が挿入される貫通孔に近い部分ほど磁束密度が高くなるとともに、第２のコア２２が設けられた部分において最も磁束密度が高くなっていることが分かる。しかも、第２のコア２２に印加される磁場はほぼ均一である。このため、コイル１２に流れる電流が増加すると、第２のコア２２に印加される磁場は、均一な状態を保ったまま増大する。そして、コイル１２に流れる電流が所定値を超えると、第２のコア２２を構成する第２の磁性材料の透磁率は一度に増加し、インダクタンスが急増する。
【００４３】
図８は、比較例による限流器１０Ｘの構造を示す断面図である。
【００４４】
図８に示す限流器１０Ｘは、磁心１１Ｘがトロイダル型であり、その全体が第２の磁性材料（メタ磁性材料、パーミンバー特性材料又は合成反強磁性材料）によって構成されている。磁心１１Ｘがこのような構造を有している場合、コイル１２Ｘに電流を流すと、トロイダル型の磁心１１Ｘを周回する磁束が発生するが、その磁路長は径方向位置によって相違する。つまり、磁心１１Ｘの外周近傍を周回する磁束の磁路長ＭＬ１は、磁心１１Ｘの内周近傍を周回する磁束の磁路長ＭＬ２よりも長くなる。このため、磁心１１Ｘに生じる磁場は、外周ほど弱く、内周ほど強いという分布が生じる。
【００４５】
その結果、コイル１２Ｘに流れる電流が増加すると、磁心１１Ｘに印加される磁場は磁場勾配をもったまま増大することから、磁心１１Ｘの透磁率が一度に増加することはなく、透磁率の増加する領域が内周側から外周側へと徐々に広がっていく。つまり、図８に示す磁心１１Ｘを用いた場合、コイル１２に流れる電流を増加させても、透磁率の高い部分と低い部分が混在することから、ある電流値を境としてインダクタンスを急増させることができない。
【００４６】
これに対し、本実施形態による限流器１０Ａは、磁心１１Ａが第１のコア２１と第２のコア２２の組み合わせからなり、第２のコア２２の磁路長が均一である。これにより、第２のコア２２に均一な磁束が集中することから、コイル１２に流れる電流が所定値を超えた場合にインダクタンスを急激に増加させることが可能となる。
【００４７】
しかも、図８に示す磁心１１Ｘにおいては、第２の磁性材料の磁路長が長いため、第１の磁場強度Ｈ１に達するために必要な電流値が非常に大きい。第１の磁場強度Ｈ１に達するために必要な電流値を下げるためには、コイル１２Ｘの巻回数を増やす必要があるが、コイル１２Ｘの巻回数を増やすと、図８に示すように、トロイダルの内径部に位置するコイル１２Ｘが多層巻きされてしまい、上層（つまり、より中心に近い部分）に巻回されたコイル１２Ｘから生じる磁束は、磁心１１Ｘを通ることなく、その大部分が空間を通過してしまう。このような磁束は、磁心１１Ｘの磁場強度の増加に寄与しない。
【００４８】
これに対し、本実施形態による限流器１０Ａは、第２のコア２２の磁路長が短いため、コイル１２の巻回数を抑えつつ、より小さな電流値によってインダクタンスを急増させることが可能となる。このことは、コイル１２によって生じる銅損が最小限に抑えられることを意味する。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態による限流器１０Ａは、第１のコア２１が２つのＥ型コア２１ａ，２１ｂの組み合わせからなり、これらの中脚間に設けられたギャップに第２のコア２２が挿入された構造を有していることから、第２のコア２２が第１の磁場強度Ｈ１に達するのに必要な電流値を下げることができるとともに、第２のコア２２の全体の透磁率を一度に増加させることが可能となる。これにより、通常動作時におけるインダクタンスと異常時におけるインダクタンスの比（Ｌ２／Ｌ１）を十分に確保することが可能となる。
【００５０】
既に説明した通り、第２のコア２２を構成する磁性材料としては、メタ磁性材料、パーミンバー特性材料及び合成反強磁性材料を挙げることができる。どの磁性材料を使用するかは、限流器１０Ａに求められる諸特性（主に、第１の磁場強度Ｈ１の値）に応じて適宜選択すればよい。
【００５１】
メタ磁性材料とは、磁場により常磁性（ＰＭ：Ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ）もしくは反強磁性（ＡＦＭ：Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）から強磁性（ＦＭ：Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）に一次相転移する材料を指す。磁場による一次相転移とは、磁場に関する磁化の変化が不連続になる点をもつことを指す。メタ磁性材料において一次相転移が生じる磁場は、通常１〜１０Ｔと比較的大きな磁場であるため、これを第２のコア２２の材料として用いる限流器１０Ａとしては、電力系統、大容量コンデンサ回路、電力用トランス回路といった大電流用の用途が好適である。尚、一部の反強磁性材料も、磁場Ｈを著しく高めれば磁束密度Ｂが急激に増加する特性が得られるが、そのような変化をもたらす磁場強度（つまり、第１の磁場強度Ｈ１）は１０〜１００Ｔと極めて強く、限流器１０Ａのコイル１２によってそのような磁場を作ることは現実的に不可能である。このため、第２のコア２２の材料として反強磁性材料を用いても、事実上、限流器として機能させることは困難である。
【００５２】
メタ磁性材料は、磁場により常磁性から強磁性に転移する常磁性強磁性転移型（ＰＭ−ＦＭ転移型）と、反強磁性から強磁性に転移する反強磁性強磁性転移型（ＡＦＭ−ＦＭ転移型）に分類される。ＰＭ−ＦＭ転移型は、キュリー温度の近傍でのみ一次相転移が生じることから、限流器１０Ａの動作温度もキュリー温度付近に限られる。これに対し、ＡＦＭ−ＦＭ転移型は、反強磁性状態が消失するネール温度以下であれば一次相転移が生じるため、より幅広い温度で限流器１０Ａを動作させることが可能となる。
【００５３】
メタ磁性材料の具体例としては、Ｌａ（ＦｅＳｉ）１３系、Ｌａ（ＦｅＳｉ）１３Ｈ系、ＭｎＡｓ系、Ｍｎ（ＡｓＳｂ）系、ＭｎＡｌ系、ＦｅＲｈ系、ＮｉＭｎＩｎ系、Ｍｎ３ＧａＣ系、Ｍｎ３ＳｎＣ系、Ｍｎ３ＳｎＢ系材料が挙げられる。特に、室温近傍において一次相転移が生じるＬａ（ＦｅＳｉ）１３Ｈ系、ＭｎＡｓ系、Ｍｎ（ＡｓＳｂ）系、ＭｎＡｌ系材料が好ましく、最も好ましいのは、ＡＦＭ−ＦＭ転移型メタ磁性材料であるＭｎＡｌ系材料である。室温近傍において一次相転移が生じない材料を使用する場合は、ヒーターもしくは冷却装置を用いて、一次相転移が生じる温度帯に維持すればよい。
【００５４】
次に、パーミンバー特性材料とは、パーミンバーと呼ばれるＮｉ４５ｗｔ％Ｃｏ２５ｗｔ％Ｆｅ残で確認された特殊なＢＨ特性を示す材料である。具体的には、パーミンバー、Ｍｏパーミンバー、超パーミンバー、イソパーム、センパームなどが挙げられる。また、ＮｉＺｎフェライトやＣｏＢ系アモルファス材料もパーミンバー特性材料として挙げられる。
【００５５】
パーミンバー特性材料は、比較的低い磁場ではヒステリシスがなく、且つ、傾きの小さい直線的なＢＨ特性を示し、ある磁場（第１の磁場強度Ｈ１）を超えると、傾きの大きなＢＨ特性を示す。パーミンバー特性材料を用いた場合、第１の磁場強度Ｈ１は、メタ磁性材料の１／１００〜１／１０００であるため、これを第２のコア２２の材料として用いれば、小電力用の限流器を構成することが可能となる。
【００５６】
また、パーミンバー特性材料は、強磁性が保たれるキュリー温度以下であれば、磁場強度に応じた透磁率の変化が生じるため、室温を含めた幅広い温度での動作が可能である。さらに、パーミンバー特性材料は、磁場印加による磁歪が小さいため、第２のコア２２として用いた場合に高い耐久性を得ることも可能となる。しかも、パーミンバー特性材料を構成する組成は、多くが遷移金属であるため、白金族元素や希土類元素を含んだメタ磁性材料と比較して、材料コストが安いという利点もある。
【００５７】
尚、パーミンバー特性材料は、通常動作時（つまり、第１の磁場領域ＭＦ１）における透磁率がメタ磁性材料と比較して１０〜１００倍以上の値を持つことから、第２のコア２２の材料としてパーミンバー特性材料を用いた限流器１０Ａは、通常動作時にはリアクトルとして利用することも可能である。
【００５８】
次に、合成反強磁性材料とは、強磁性相と強磁性相が反強磁性的に結合することで、反強磁性的な特性を示す材料を指す。合成反強磁性材料は、反強磁性材料とは異なり、反強磁性結合強度が小さいため、ある磁場（第１の磁場強度Ｈ１）を超えると、強磁性的な磁化配列となる。具体的な材料としては、ＦｅＣｏ／Ｒｕ／ＦｅＣｏ薄膜が挙げられる。合成反強磁性材料を用いた場合、第１の磁場強度Ｈ１は、メタ磁性材料の１／１０〜１／１００であるため、これを第２のコア２２の材料として用いれば、中電力用の限流器を構成することが可能となる。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態による限流器１０Ａは、上述した特性を有する磁性材料を含む磁心１１Ａにコイル１２を巻回したものであり、非常にシンプルな構成を有している。これにより、ダイオード及びサイリスタなどの能動素子や、直流電源などを用いることなく、自発的かつ高速に限流動作を行うことができることから、低コスト化及び信頼性の向上を実現することが可能となる。そして、本実施形態においては、磁心１１Ａが第１のコア２１と第２のコア２２の組み合わせによって構成されていることから、第２のコア２２が第１の磁場強度Ｈ１に達するのに必要な電流値を下げることができるとともに、第２のコア２２の全体の透磁率を一度に増加させることが可能となる。
【００６０】
＜第２の実施形態＞
図９は、本発明の第２の実施形態において用いる磁心１１Ｂの構成を示す斜視図である。
【００６１】
図９に示すように、本実施形態において用いる磁心１１Ｂは、第１のコア２１のうち第２のコア２２と接する接続部２３が別の強磁性材料によって構成されている点において、第１の実施形態において用いる磁心１１Ａと相違している。その他の構成は、磁心１１Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６２】
第１のコア２１の接続部２３は、他の部分よりも飽和磁束密度の高い強磁性材料によって構成されている。接続部２３を構成する強磁性材料は、図５において符号Ｃで示す磁気特性を有する。つまり、極めて急峻な磁気特性を有するとともに、磁気飽和する際の磁束密度Ｂの値はＢ４であり、第２のコア２２が磁気飽和する際の磁束密度Ｂ２よりも高い。これにより、第２のコア２２が第２の磁場領域ＭＦ２にある間、つまり、限流動作を行っている間、接続部２３が磁気飽和しないことから、高いインピーダンスを確保することが可能となる。
【００６３】
図９に示すように、第１のコア２１の中脚は第２のコア２２に近づくにつれて断面積が減少するテーパー形状を有しているため、この部分において最も磁束密度が高くなる。しかしながら、本実施形態に置いて用いる磁心１１Ｂは、第２のコア２２との接続部２３が高磁気飽和材料によって構成されていることから、限流動作を行っている間における第１のコア２１の磁気飽和を防止することが可能となる。しかも、高磁気飽和材料を第１のコア２１の一部にのみ使用していることから、材料コストの増加を最小限に抑えることも可能となる。
【００６４】
＜第３の実施形態＞
図１０は、本発明の第３の実施形態による限流器１０Ｃの構成を示す断面図である。
【００６５】
図１０に示すように、本実施形態による限流器１０Ｃは、第１のコア２１が２つのＵ型コア２１ｃ，２１ｄを組み合わせたトロイダル構造を有しており、Ｕ型コア２１ｃ，２１ｄ間に設けられる２つのギャップにそれぞれ第２のコア２２ａ，２２ｂが挿入されている。その他の構成は、第１の実施形態による限流器１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６６】
Ｕ型コア２１ｃ，２１ｄの断面積は周方向において一定ではなく、端部、つまり第２のコア２２と接する部分において断面積が縮小するテーパー形状を有している。これにより、磁心１１Ｃを周回する磁束はこの部分において密度が高められることから、第２のコア２２ａ，２２ｂに対して均一且つ高い磁束を印加することが可能となる。
【００６７】
本実施形態が例示するように、本発明において使用する磁心の形状や構造は特に限定されるものではなく、任意の形状及び構造を採ることが可能である。
【００６８】
＜第４の実施形態＞
図１１は、限流器１０を用いた電気回路の回路図である。限流器１０は、上述した各実施形態において説明した限流器、或いは、その変形構造を有する限流器である。
【００６９】
図１１に示す電気回路は、交流電源２０に直列に接続された限流器１０及び負荷３０からなる。交流電源２０は例えば商用電源であり、負荷３０は交流電源２０から供給される電力によって動作する各種電気機器である。限流器１０は、交流電源２０と負荷３０との間に直列に接続され、負荷３０が短絡事故を起こした場合に流れる大電流を抑制する役割を果たす。図１２に示すように、負荷３０に対して遮断器４０を直列に接続しても構わない。遮断器４０を用いれば、負荷３０が短絡事故を起こした場合、限流器１０によって大電流が抑制された状態で遮断器４０による遮断動作を行うことができる。
【００７０】
図１１及び図１２に示すように、限流器１０は単純なリアクトルである。既に説明したように、限流器１０のリアクタンスは、電流Ｉが所定値以下である通常動作時においては十分に小さく、これにより電気回路に与えるインピーダンスは非常に小さい。これに対し、電流Ｉが所定値を超えた異常時においては、限流器１０のリアクタンスが大幅に上昇する。これにより、交流電源２０に対して大きなインピーダンスとして働くことから、電流Ｉの増加が抑制される。このようなリアクタンスの変化はリアクトルの磁心に印加される磁場の変化（電磁誘導の原理）によるものであり、電流Ｉの変化に対して自発的に生じることから、電流値を検出するための素子などは不要である。
【００７１】
尚、通常動作時のリアクタンス成分に起因した電圧降下をより低減させるためには、図１３に示すように、限流器１０と共振するコンデンサ５０を直列に接続すればよい。そして、限流器１０とコンデンサ５０からなる共振回路の共振周波数を交流電源２０の周波数と一致させれば、通常動作時における限流器１０のインピーダンスを大幅に低減することが可能となる。
【００７２】
尚、本実施形態による限流器１０はリアクトル型であることから、交流回路への応用が好適である。しかしながら、リアクタンスには電流増加を遅延させる作用があるため、大電流を遮断する遮断器４０を用いることを前提とすれば、本実施形態による限流器１０を直流回路に使用した場合であっても、遮断器４０の遮断容量（遮断可能な最大電力値）を超えるリスクを軽減することが可能となる。したがって、本実施形態による限流器１０は、直流回路に使用することも可能である。
【００７３】
図１４及び図１５は、図１３に示した限流回路（遮断器４０を省略した場合）の動作波形図であり、図１４は負荷３０に印加される電圧波形を示し、図１５は限流器１０に流れる電流波形を示している。図１４及び図１５とも、交流電源２０が商用電源（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ、実効電圧１００Ｖ、最大電圧１４１Ｖ）であり、時刻ｔ１において短絡事故が発生した場合のシミュレーション結果である。
【００７４】
図１４に示すように、時刻ｔ１以前の期間においては、負荷３０に印加される電圧の最大値が約１４１Ｖであり、交流電源２０から供給される交流電圧がほとんど低下することなく、負荷３０に印加される。これは、限流器１０とコンデンサ５０からなるＬＣ共振回路の共振周波数が交流電源２０の周波数帯に設定されており、当該周波数におけるインピーダンスが非常に低いからである。そして、時刻ｔ１において短絡事故が発生すると、図１４に示すように、負荷３０に印加される電圧はほぼゼロになる。しかしながら、短絡事故が発生すると限流器１０のリアクタンスが瞬時に上昇することから、図１５に示すように電流の増大が抑制される。
【００７５】
図１６は、限流器１０の代わりに通常の線形リアクトルを用いた場合において、線形リアクトルに流れる電流波形を示すシミュレーション結果である。図１６に示すように、限流器１０の代わりに通常の線形リアクトルを用いた場合、時刻ｔ１において短絡事故が発生すると、電流値が急速に増大することが分かる。
【００７６】
これに対し、本実施形態においては、短絡事故が発生すると限流器１０のリアクタンスが瞬時に上昇することから、電流の増大が抑制される。しかも、第２のコア２２に印加される磁場が第２の磁場領域ＭＦ２である場合における共振周波数が交流電源２０の周波数帯と異なっていれば、短絡事故の発生と同時に共振動作も停止することから、インピーダンスをより高めることができる。これらにより、本実施形態による限流器１０を用いれば、短絡事故が発生した場合であっても、系統機器や回路素子の損傷を防止することが可能となる。
【００７７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００７８】
１０，１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｘ    限流器
１１Ａ〜１１Ｃ，１１Ｘ      磁心
１２，１２Ｘ    コイル
２０    交流電源
２１    第１のコア
２１ａ，２１ｂ    Ｅ型コア
２１ｃ，２１ｄ    Ｕ型コア
２２    第２のコア
２３    接続部
３０    負荷
４０    遮断器
５０    コンデンサ
【図１】
2018110492.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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