(57)【要約】【課題】ヒステリシス損失が低減された磁気式故障電流限流器コア及び磁気式故障電流限流器を提供する。【解決手段】少なくとも１つの第１の磁気要素（１２）および少なくとも１つの第２の磁気要素（１４）を備える磁気式故障電流限流器コア（１０ａ）であって、上記磁気要素（１２、１４）がそのほぼ平行な配列を規定するように配置され、上記１つまたは各第１の磁気要素（１２）が軟磁性材料を含み、上記１つまたは各第２の磁気要素（１４）が硬磁性材料を含み、非飽和状態にある上記１つまたは各軟磁性材料が、上記１つまたは各硬磁性材料より高い透磁率を有する、磁気式故障電流限流器コア。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第１の磁気要素および少なくとも１つの第２の磁気要素を備える磁気式故障電流限流器コアであって、
前記各磁気要素がほぼ平行な磁気要素の配列を規定するように配置され、前記１つまたは各第１の磁気要素が軟磁性材料を含み、前記１つまたは各第２の磁気要素が硬磁性材料を含み、
非飽和状態にある前記１つまたは各軟磁性材料が、前記１つまたは各硬磁性材料より高い透磁率を有する、磁気式故障電流限流器コア。
【請求項２】
少なくとも１つの第１の磁気要素が、少なくとも１つの隣接する第２の磁気要素から絶縁体によって分離される、請求項１に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項３】
複数の第１の磁気要素および／または複数の第２の磁気要素をさらに含み、前記磁気要素が、第１および第２の磁気要素の交互１次層を形成するように配置される、請求項１または請求項２に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項４】
少なくとも１つの第１の磁気要素および／または少なくとも１つの第２の磁気要素が、複数の２次磁気材料層を含み、各２次層が、前記１つまたは各隣接する２次層から絶縁体によって分離される、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項５】
中空穴を有する少なくとも１つの磁気要素を含んだ請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コアであって、
少なくとも１つの第１の磁気要素の一部分が、中空穴を有する第２の磁気要素の中空穴の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素の一部分が第１の磁気要素の中空穴の内側に収容される、磁気式故障電流限流器コア。
【請求項６】
封止された中空内部を有する少なくとも１つの磁気要素を含んだ請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コアであって、
少なくとも１つの第１の磁気要素が第２の磁気要素の封止された中空内部の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素が第１の磁気要素の封止された中空内部の内側に収容される、磁気式故障電流限流器コア。
【請求項７】
各磁気要素がロッドまたはバーである、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項８】
各磁気要素の断面の形状が円形、長円形または多面体である、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項９】
少なくとも１つの第１の磁気要素が、少なくとも１つの隣接する第２の磁気要素から空隙によって分離され、少なくとも１つのかかる空隙が電気絶縁材料で充填される、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の１つまたは複数の磁気式故障電流限流器コアと、
コイルを画定するために前記１つまたは各コアの一部分の周りに巻き付けられた少なくとも１つの電気導体と
を備える、磁気式故障電流限流器。
【請求項１１】
前記１つまたは各電気導体が前記第１および第２の磁気要素の周りに巻き付けられる、請求項１０に記載の磁気式故障電流限流器。
【請求項１２】
使用中、前記１つまたは各電気導体が交流電流を伝送する、請求項１１に記載の磁気式故障電流限流器。
【請求項１３】
前記１つまたは各コイルが、使用中、１つまたは複数の電気回路に動作可能に接続される、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器。
【請求項１４】
前記１つまたは各コイルが、使用中、電気回路において、故障によって引き起こされた故障電流を最小限に抑えるようにインピーダンスを形成する、請求項１３に記載の磁気式故障電流限流器。
【請求項１５】
前記１つまたは各コイルがソレノイドまたはトロイダルの形をしている、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気故障電流限流器コアおよび磁気故障電流限流器内でのその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
任意の電気装置を動作させる場合、その装置内を流れる電流は一般に、その電気装置の所定の電流定格の範囲内に維持される。ただし、その電気装置における故障またはその他の異常な動作状態によって、その電気装置の電流定格を超える高い故障電流が発生する可能性がある。例えば、送電網の稼働中、電圧源変換器が場合により、ＤＣ送電線またはケーブル全体にわたって低インピーダンスの短絡をもたらすＤＣ側の故障になりやすい。かかる故障は、絶縁の損傷または故障、導体の移動、またはそれ以外の、導体間の異物による不測の橋絡により発生することがある。
【０００３】
大きな故障電流が発生すると、電気装置の構成部品が損傷するだけでなく、電気装置が一定期間作動しなくなることもある。これにより、損傷を受けた電気装置ハードウェアの修理および保守のコストが増大し、電気装置の働きを利用する使用者に不便が生じる。
【０００４】
この悪影響は、大きな故障電流の大きさを電流限流器を使用して制限することによって防止することができる。
【０００５】
電流限流器の周知の解決策は、磁気式故障電流限流器の形をしている。磁気式故障電流限流器は、可変インダクタのように動作し、正常な動作状態中は低インピーダンスを示し、関連電力系統に結果として大きな故障電流を発生させる故障状態中は、高いインピーダンスを示す。永久磁石材料を用いる磁気式故障電流限流器では、関連電力系統が故障無し状態にある正常な動作状態中も、故障状態中も、磁束が永久磁石材料を通過する。
【０００６】
磁束が永久磁石材料を通過することによって、誘導渦電流と磁気ヒステリシスが生じる。これにより、電流限流器で電力損失が生じるだけでなく、永久磁石材料の温度が上昇する。永久磁石材料は特定の温度を上回ると性能が低下する可能性があるので、この温度上昇は望ましくない。
【０００７】
誘導渦電流の大きさは、永久磁石材料からなる単一の塊を複数の薄板に細分することによって減じることができる。こういった薄板はそれぞれ薄い電気絶縁材料で被覆することができ、次いで機械的および／または接着手段によって互いに接合される。各板の断面が比較的小さいことにより、誘導渦電流の循環が減じられ、それによって誘導渦電流の大きさが最小限に抑えられる。
【０００８】
ヒステリシス損失を低減するために、永久磁石材料を通過する磁束を比較的少量に留めてもよい。というのは、永久磁石材料では、磁束密度が増大すると、より大きな磁気ヒステリシスが生じるからである。ただしこの手法では、特定の電流レベルを超える使用に磁気式故障電流限流器は不適当となり、したがって限流器によってその動作範囲が制限されることになる。
【０００９】
永久磁石材料におけるヒステリシス損失の加熱効果は、冷却システムを磁気式故障電流限流器に追加することによって低減することができる。ただし冷却システムは、電力損失の追加の発生源を形成するだけでなく、冷却システムおよびその各種構成部品（検出／制御機器など）、補助電源が故障する可能性があるために、装置信頼性を低下させる。冷却システムが存在するとまた、ハードウェアのコスト、サイズおよび重量が増大する。
【００１０】
あるいは、永久磁石材料は、表面積を大きくするなど自然冷却を促進するトポロジを取り入れるように設計することができる。ただし、この永久磁石材料は、磁気式故障電流限流器の動作中に十分に冷却されるように、大きなスペースを占める必要があるはずである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、ヒステリシス損失が低減された磁気式故障電流限流器コア及び磁気式故障電流限流器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】
【００１２】
本発明の一態様によると、少なくとも１つの第１の磁気要素および少なくとも１つの第２の磁気要素を備える磁気式故障電流限流器コアであって、上記磁気要素がほぼ平行な磁気要素の配列を規定するように配置され、上記１つまたは各第１の磁気要素が軟磁性材料を含み、上記１つまたは各第２の磁気要素が硬磁性材料を含み、非飽和状態にある上記１つまたは各軟磁性材料が、上記１つまたは各硬磁性材料より高い透磁率を有する、磁気式故障電流限流器コアが提供される。
【００１３】
第１および第２の磁気要素のほぼ平行な配列を提供することによって、磁気式故障電流限流器の正常な動作中に硬磁性材料を通過する磁束の量が最小限に抑えられるので、ヒステリシス損失が低減された磁気式故障電流限流器コアがもたらされる。
【００１４】
使用中、磁気式故障電流限流器を形成するためにコイルが上記コアの周りに巻き付けられている場合、第１および第２の磁気要素のほぼ平行な配置と非飽和軟磁性材料のより高い透磁率により、関連電気回路の正常な動作状態中、磁束の大部分が軟磁性材料を優先的に通過することが可能になる。これは、正常な動作状態中、硬磁性材料を最小限の量の磁束が通過することを意味する。これにより、軟磁性材料が硬磁性材料より低いレベルの磁気ヒステリシスを示すことから、コアにおけるヒステリシス損失が低減される。
【００１５】
関連電気回路での高い故障電流をもたらす故障またはその他の異常な動作状態が生じた場合は、硬磁性材料への磁束通過経路の切り替えにより、コイル内に高いインピーダンスが生じ、この高いインピーダンスが故障電流を制限するように作用する。この磁束通過経路の変更により高レベルの磁気ヒステリシスがもたらされるが、磁束は短期間しか硬磁性材料を通過しない。その結果、硬磁性材料内に生じるヒステリシス損失は最小限に抑えられる。
【００１６】
したがって、第１および第２の磁気要素のほぼ平行な配置により、磁気式故障電流限流器の正常な動作中、硬磁性材料を通過する磁束の量が最小限に抑えられ、それによって磁気式故障電流限流器コアにおけるヒステリシス損失が低減する。
【００１７】
さらに、第１および第２の磁気要素のほぼ平行な配置はまた、磁気式故障電流限流器を通過する磁束の流れの制御が性質上受動的であり、検出および／または切換機器の形での追加の制御を必要としないことを意味する。これにより、ハードウェアのサイズ、重量およびコストが最小限に抑えられるだけでなく、関連する検出および／または制御機器の故障の恐れが取り除かれることによって、電流限流器の信頼性が向上する。
【００１８】
好ましくは、少なくとも１つの磁気要素は少なくとも１つの隣接する第２の磁気要素から絶縁体によって分離される。上記１つまたは各絶縁体は、空隙または、接着剤やワニス、マイカ他同様の材料など、固体の非導電材料にすることができる。
【００１９】
本発明の各実施形態では、上記磁気式故障電流限流器コアは、複数の第１の磁気要素および／または複数の第２の磁気要素をさらに含むことができ、上記磁気要素が、第１および第２の磁気要素の交互１次層を形成するように配置される。
【００２０】
本発明の他の実施形態では、少なくとも１つの第１の磁気要素および／または少なくとも１つの第２の磁気要素が、複数の２次磁気材料層を含むことができ、各２次層が、上記１つまたは各隣接する２次層から絶縁体によって分離される。
【００２１】
磁気要素の１次および／または２次層を提供することは、渦電流の生成の結果生じる電力損失が低減される磁気式故障電流限流器コアを提供するのに役立つ。渦電流は、変化する磁束が磁気要素を通過するとその磁気要素内に誘導されるが、第１のおよび／または第２の磁気要素の各１次および／または２次層の断面を比較的小さくし、その磁気要素を互いに電気絶縁することで、渦電流の循環が制限され、それによって渦電流はいずれもその大きさが大幅に低減される。
【００２２】
上記磁気式故障電流限流器コアは、中空穴を有する少なくとも１つの磁気要素を含むことができ、少なくとも１つの第１の磁気要素の一部分が、中空穴を有する第２の磁気要素の中空穴の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素の一部分が第１の磁気要素の中空穴の内側に収容される。
【００２３】
上記磁気式故障電流限流器コアはまた、封止された中空内部を有する少なくとも１つの磁気要素を含むことができ、少なくとも１つの第１の磁気要素が第２の磁気要素の封止された中空内部の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素が第１の磁気要素の封止された中空内部の内側に収容される。
【００２４】
本発明の各実施形態では、各磁気要素をロッドまたはバーにすることができる。本発明の他の実施形態では、各磁気要素の断面の形状を円形、長円形または多面体にすることができる。
【００２５】
上記磁気式故障電流限流器コアの構造は、磁気式故障電流限流器に関連する用途の要件に応じて異なってよい。
【００２６】
好ましくは、故障電流限流器コアにおいて、少なくとも１つの第１の磁気要素が、少なくとも１つの隣接する第２の磁気要素から空隙によって分離され、少なくとも１つのかかる空隙が電気絶縁材料で充填される。
【００２７】
電気絶縁材料をこのように使用すると、隣接する磁気要素同士の電気絶縁が実現するだけでなく、隣接する磁気要素を定位置に保持するための支持構造も形成される。
【００２８】
本発明の第２の態様によると、上述した実施形態のいずれかによる磁気式故障電流限流器コアおよびコイルを規定するために上記または各コアの一部の周りに巻きつけられる少なくとも１つの電気導体を備える磁気式故障電流限流器が提供される。
【００２９】
上記電流限流器の構造は、製造が簡単であり、１つまたは複数の電流限流器を必要とする任意の装置に組み込むように容易に適合される。
【００３０】
本発明の各実施形態では、上記１つまたは各電気導体を上記第１および第２の磁気要素の周りに巻き付けることができる。
【００３１】
上記１つまたは各電気導体を第１および第２の磁気要素の両方の周りに巻き付けることによって、発生した磁場が磁気要素に対してより大きな作用を有することが可能になり、それによって磁束の通過経路を制御し故障電流を制限する際の電流限流器の効率が改善される。
【００３２】
好ましくは、使用中、上記１つまたは各電気導体が交流電流を伝送する。
【００３３】
好ましくは上記１つまたは各コイルが、使用中、１つまたは複数の電気回路に動作可能に接続される。かかる実施形態では、上記１つまたは各コイルが、使用中、電気回路において、故障によって引き起こされた故障電流を最小限に抑えるようにインピーダンスを形成する。
【００３４】
上記電流限流器は、１つまたは複数の関連電気回路において、その１つまたは複数の関連電気回路の損傷を防止するために、故障状態またはその他の異常な動作状態中に、故障電流を最小限に抑えるために使用することができる。
【００３５】
本発明の他の実施形態では、均一の制御された磁場を提供するために、上記１つまたは各コイルをソレノイドまたはトロイダルの形にすることができる。
【００３６】
次に、本発明の好ましい実施形態を、非限定的な例として、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態による磁気式故障電流限流器コアの図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による磁気式故障電流限流器コアの図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の第１の実施形態による磁気式故障電流限流器コア１０ａが図１に示されている。
【００３９】
磁気式故障電流限流器コア１０ａは、第１の磁気要素１２および第２の磁気要素１４を備え、磁気要素１２、１４はそのほぼ平行な配列を規定するように配置される。
【００４０】
各第１の磁気要素１２は、軟磁性材料からなる複数の２次層を含む。好ましくは、軟磁性材料は電磁鋼であり、電磁鋼は高い透磁率を有し、低いヒステリシス損失を呈する。
【００４１】
各２次層は、隣接する２次層間に電気絶縁をもたらすために、薄い電気絶縁材料で被膜することができる。こういった被膜した２次層を、機械的かつ／または接着剤を使用して互いに接合して第１の磁気要素１２を形成することができる。本発明の各実施形態では、各２次層を空隙によって各隣接する２次層から分離できることが想定され、いくつかの例では、そのような空隙の少なくとも１つを電気絶縁材料でさらに充填できることが想定される。
【００４２】
２次層を設けると、磁気式故障電流限流器コアに誘導される渦電流に伴う電力損失が低減される。この理由は、渦電流は、変化する磁束が磁気式故障電流限流器コアを通過すると磁気要素内に誘導されるが、各２次層の断面を比較的小さくすることでその渦電流の循環が大幅に縮小され、それによって渦電流はいずれもその大きさが大幅に低減されるからである。
【００４３】
さらに、２次層の互いの電気絶縁が、渦電流の循環を制限する。
【００４４】
第２の磁気要素１４は硬磁性材料を含み、空隙によって第１の磁気要素１２から分離される。その空隙は、他の実施形態では電気絶縁材料で充填してもよい。
【００４５】
本発明の第２の実施形態による磁気式故障電流限流器コア１０ｂが図２に示されている。
【００４６】
磁気式故障電流限流器コア１０ｂは、複数の第１の磁気要素１２および複数の第２の磁気要素１４を備え、第１および第２の磁気要素１２、１４はそれらの交互１次層を形成するように配置される。
【００４７】
各１次層は、隣接する１次層間に電気絶縁をもたらすために、電気絶縁材料で被膜することができる。上で概説したように、こういった被膜した１次層を、機械的かつ／または接着剤を使用して互いに接合して、磁気式故障電流限流器コアを形成することができる。本発明の各実施形態では、各１次層を空隙によって各隣接する１次層から分離できることが想定され、いくつかの例では、そのような空隙の少なくとも１つを電気絶縁材料でさらに充填できることが想定される。
【００４８】
第２の磁気要素１４のそれぞれの厚さは、硬磁性材料の電磁的な表皮深さがより深いために、第１の磁気要素１２の各厚さよりも厚くすることができる。
【００４９】
本発明の各実施形態では、磁気式故障電流限流器コアは任意の数の第１および第２の磁気要素１４を備えることができること、かつ／または少なくとも１つの第１のおよび／または第２の磁気要素１４はそれぞれの磁性材料からなる複数の２次層を含むことができることが想定される。
【００５０】
本発明の他の実施形態では、第１および第２の磁気要素１２、１４の一方または両方の少なくとも１つは中空穴を有することができ、その穴は、少なくとも１つの第１の磁気要素１２の一部分が、中空穴を有する第２の磁気要素１４の中空穴の内側に収容されるように、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素１４の一部分が第１の磁気要素１２の中空穴の内側に収容されるようになっている。
【００５１】
本発明の他の実施形態では、第１および第２の磁気要素１２、１４の一方または両方の少なくとも１つが封止された中空内部を有することができ、少なくとも１つの第１の磁気要素１２が第２の磁気要素１４の封止された中空内部の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素１４が第１の磁気要素１２の封止された中空内部の内側に収容される。
【００５２】
好ましくは、各磁気要素はロッドまたはバーであり、かつ／または各磁気要素の断面は形状が円形、長円形または多面体である。
【００５３】
磁気式故障電流限流器を形成するには、１つまたは複数のコイルを画定するために、例えば導電性のワイヤなどの１つまたは複数の電気導体を、磁気式故障電流限流器コア１０ａ、１０ｂの一部分または全体の周りに巻き付けることができる。好ましくは、上記１つまたは各導電性のワイヤは、硬磁性材料における磁気ヒステリシスがコイルのインピーダンスに対してより大きな作用を有しそれによって電流限流器の効率を改善できるように、第１および第２の磁気要素の周りに巻き付けられる。
【００５４】
上記１つまたは各コイルとコア１０ａ、１０ｂは磁気式故障電流限流器を形成し、その磁気式故障電流限流器は使用中、故障状態またはその他の異常な動作状態時における関連電気回路内の故障電流を制限または消すように機能する。
【００５５】
使用中、上記１つまたは各コイルは、正弦波形またはその他のタイプの波形の形をとることができる交流電流を伝送する。したがって、上記電流限流器を、電力変換器や電気モータなどの交流電流を伝送する１つまたは複数の電気回路と動作可能に関連付けることができる。
【００５６】
関連電気回路の動作中、電流は関連電気回路を通り、コア１０ａ、１０ｂの周りに巻き付けられたコイルを通過する。電流がコイルを通過すると、コイルの内部でコア１０ａ、１０ｂを通過する磁束が発生し、これによって、交流電流がコイルを通過すると、第１および第２の磁気要素１２、１４の磁性材料が磁化、消磁される。
【００５７】
本明細書において、正および負の項は、磁化力および磁束密度の方向を表す。
【００５８】
コイルの周りに第１の磁場を発生させるために、交流電流がコイルを順方向に通過する。順方向への交流電流の大きさが大きくなると、それに対応して正方向の磁化力が大きくなり、それによってコア１０ａ、１０ｂの磁性材料の内部に正の磁束密度が生じる。この正の磁束密度は、順方向における交流電流のピーク値でその最大値に達する。
【００５９】
その順方向における交流電流のピーク値到達後、交流電流はゼロ電流まで低下し始め、それに対応して正方向の磁化力が低下する。ゼロ電流で磁化力はゼロ値を有する。
【００６０】
正方向の磁化力が低下すると、磁性材料内部における正の磁束密度が低減する。ただし、磁性材料は交流電流と磁化力がゼロのときに正の磁束密度を保持することができる。これは、磁性材料に磁化力を印加することによって、磁化力を完全に除去した後でも磁化された状態に留まることができる磁性材料を磁化するからである。磁化力除去後の磁性材料における磁気の保持は、永久磁性と呼ばれる。
【００６１】
コイルの周りに第２の磁場を発生させるために、交流電流がコイルを逆方向に通過する。逆方向への交流電流の大きさが大きくなると、それに対応して負方向の磁化力が大きくなる。ただし、磁性材料における永久磁性とは、負方向における磁化力が磁性材料を消磁するのに十分大きくなるまで、磁性材料における磁束密度が正に留まることを意味する。
【００６２】
磁性材料が消磁された後、逆方向の交流電流の大きさがさらに大きくなり、それによって負方向の磁化力により、磁性材料の内部に負の磁束密度が生じる。磁性材料内部の負の磁束密度は、逆方向の交流電流のピーク値でその最大負の値に達する。
【００６３】
逆方向から順方向へ交流電流の流れが変化する間、正方向の磁化力が磁性材料を消磁するのに十分大きくなるまで、磁性材料は負の磁束密度を保持する。磁性材料が消磁された後、順方向の交流電流の大きさがさらに大きくなり、それによって正方向の磁化力により、磁性材料内部の正の磁束密度は、順方向の交流電流のピーク値でその最大値まで生じる。
【００６４】
上述の周期的動作により、磁化力と磁束密度の関係を表す閉じたヒステリシス・ループが規定される。磁気ヒステリシス・ループの形状および大きさは、コイルによって関連電気回路に形成されるインピーダンスに影響を及ぼす。
【００６５】
コイルのインピーダンスは、コイル抵抗とリアクタンスの関数である。
【００６６】
磁気材料の磁気ヒステリシスに打ち勝つためには追加のエネルギーが必要である。この追加のエネルギーの消費がコイル抵抗の増大に寄与する。したがってコイル抵抗は、コアにおける磁気ヒステリシスのレベルと共に増大する。
【００６７】
コイル・リアクタンスはコイル・インダクタンスの関数であり、コイル・インダクタンスは磁性材料の透磁率に比例する。透磁率は磁化力に対する磁束密度の変化率と等しく、この変化率は磁気ヒステリシス・ループの形状および大きさに依存する。ヒステリシス・ループが幅広いと、交流電流がその正または負のピーク値に近づくときに、磁化力に対する磁束密度の変化率が急勾配になり、それによって透磁率の値がより高くなる。透磁率の値がより高くなると、コイル・インダクタンスが上昇し、それによってコイル・リアクタンスが上昇する。
【００６８】
正常な動作状態中、上記１つまたは各第１の磁気要素１２の軟磁性材料は、非飽和状態であるときに、上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料よりも高い透磁率を有する。したがって透磁率のこの差により、磁束の大部分がコア１０ａ、１０ｂの上記１つまたは各第１の磁気要素１２の軟磁性材料を優先的に通過するのが可能になり、それによってコアの上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料を通過する磁束の量が最小限に抑えられる。
【００６９】
これにより、軟磁性材料が硬磁性材料よりも低レベルの磁気ヒステリシス、したがって狭いヒステリシス・ループを呈することから、関連電気回路の正常な動作中、コア１０ａ、１０ｂにおけるヒステリシスに関連する電力損失が低減される。この軟磁性材料によってもたらされる低レベルの磁気ヒステリシスによってまた、比較的低い電流レベルと相まって、上記１つまたは各コイルは、関連電気回路の正常な動作中、関連電気回路に低いインピーダンスを形成し、それによって交流電流の流れに対する影響が最小限になる。
【００７０】
関連電気回路での高い故障電流をもたらす故障またはその他の異常な動作状態の場合は、コア１０ａ、１０ｂにおける磁束レベルが上昇する。上記１つまたは各第１の磁気要素１２の軟磁性材料が飽和に達するまで、磁束は上記１つまたは各第１の磁気要素１２を優先的に通過し続ける。上記１つまたは各軟磁性材料が飽和すると、その第１の磁気要素１２の比透磁率が１の方に下落する。
【００７１】
この段階で、上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料は、上記１つまたは各第１の磁気要素１２の飽和された軟質の材料よりも高い透磁率を有する。これにより、電流を伝送するコイルによって発生した磁束が上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料を優先的に通過する。上記１つまたは各飽和された第１の磁気要素１２から上記１つまたは各第２の磁気要素１４への、この磁束通過媒体の変更により、関連電流における故障電流を制限するように作用する変化がコイルのインピーダンスに生じる。
【００７２】
この理由は、硬磁性材料におけるより高いレベルの磁気ヒステリシスにより、比較的高い故障電流レベルと相まって、磁気ヒステリシス・ループ面積がより広くなり、したがって高い故障電流がその正または負のピーク値に近づくときに、磁化力に対する磁束密度の磁束の変化率がより急勾配になるからである。これにより、上で概説したように、コイル抵抗およびリアクタンスが上昇する。したがって、故障またはその他の異常な動作状態中に故障電流のピーク値を制限するように、コイルによって高いインピーダンスが関連電気回路に形成される。
【００７３】
コア１０ａ、１０ｂにおける硬磁性材料を提供することによって、磁気式故障電流限流器が故障電流の制限することになる場合のその効率が改善される。これは、より大きいコイルのインピーダンスが、硬磁性材料における、軟磁性材料と比較してより高いレベルの磁気ヒステリシスによって生じるからである。本来なら、上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料がないと、上記１つまたは各第１の磁気要素１２の軟磁性材料を提供することでコイルのインピーダンスが低くなり、これは故障電流の制限には不十分である可能性がある。
【００７４】
好ましくは、故障状態中に関連電気回路に形成される高いインピーダンスは、関連電気回路の様々な構成部品を保護するために、故障電流のピーク値が関連電気回路の電流定格の範囲内に保たれるようなものである。
【００７５】
本発明の各実施形態では、電流限流器の設計は、外部のサーキット・ブレーカが回路を開放しそれによって故障電流を消すように作動するまでの短い期間に、故障電流の大きさを制限するようにすることができる。
【００７６】
磁束は短い期間に上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料のみを通過するので、硬磁性材料に結果として生じるヒステリシス損失および温度上昇は最小限に抑えられる。
【００７７】
したがって、第１および第２の磁気要素１２、１４のほぼ平行配列を提供することによって、使用時、磁気式故障電流限流器動作中のヒステリシス損失の低減と低い温度上昇を示し、したがって高電流レベルの電気回路と組み合わせて使用できる、磁気式故障電流限流器コア１０ａ、１０ｂがもたらされる。したがってこれにより、コアにおけるヒステリシス損失および温度上昇に対処するための冷却システムの設置またはコア・トポロジ利用の必要がないことから、ハードウェアのコスト、サイズおよび重量が低減される。
【００７８】
この構成によりまた、磁気式故障電流限流器コア１０ａ、１０ｂを通過する磁束を制御する受動的な方法が提供される。これにより、コア１０ａ、１０ｂを通過する磁束の流れの能動的な制御を提供するための検出および／または切換機器の必要がなくなる可能性がある。電流限流器の動作の受動的な性質は、関連電気回路内部の電流を監視かつ制御するために通常用いられる検出および／または制御機器の使用を最小限に抑えるまたは無くすことが可能になるかもしれないことを意味する。
【００７９】
好ましくは、上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料は、硬磁性材料における飽和を実現するのに必要な磁化力が、故障電流から生じる磁化力よりも高くなるように選択される。上記１つまたは各第２の磁性材料１４の硬磁性材料が飽和に達するということは、そのことでその透磁率が低減し、それによりコイルのインピーダンスが低くなり、それによって電流限流器の動作が不完全になる可能性があることから、望ましくない可能性がある。
【符号の説明】
【００８０】
１０ａ：コア、１０ｂ：コア、１２：第１の磁気要素、１４：第２の磁気要素
【図１】
2013532909.tif 000003
【図２】
2013532909.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月4日(2012.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁気要素（１２）および第２の磁気要素（１４）を備える磁気式故障電流限流器コア（１０ｂ）であって、
前記各磁気要素がほぼ平行な磁気要素の配列を規定するように配置され、各第１の磁気要素（１２）が軟磁性材料を含み、各第２の磁気要素（１４）が硬磁性材料を含み、
前記各磁気要素が、第１および第２の磁気要素の交互１次層を形成するように配置され、
飽和状態にある前記軟磁性材料が、前記硬磁性材料より低い透磁率を有し、
非飽和状態にある前記１つまたは各軟磁性材料が、前記１つまたは各硬磁性材料より高い透磁率を有する、磁気式故障電流限流器コア。
【請求項２】
少なくとも１つの第１の磁気要素（１２）が、少なくとも１つの隣接する第２の磁気要素（１４）から絶縁体によって分離される、請求項１に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項３】
少なくとも１つの第１の磁気要素（１２）および／または少なくとも１つの第２の磁気要素（１４）が、複数の２次磁気材料層を含み、各２次層が、前記１つまたは各隣接する２次層から絶縁体によって分離される、請求項１または請求項２に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項４】
中空穴を有する少なくとも１つの磁気要素を含んだ請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コアであって、
少なくとも１つの第１の磁気要素の一部分が、中空穴を有する第２の磁気要素の中空穴の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素の一部分が第１の磁気要素の中空穴の内側に収容される、磁気式故障電流限流器コア。
【請求項５】
中空の封止された内部を有する少なくとも１つの磁気要素を含んだ請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コアであって、
少なくとも１つの第１の磁気要素が第２の磁気要素の封止された中空内部の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素が第１の磁気要素の封止された中空内部の内側に収容される、磁気式故障電流限流器コア。
【請求項６】
各磁気要素がロッドまたはバーである、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項７】
各磁気要素の断面の形状が円形、長円形または多面体である、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項８】
少なくとも１つの第１の磁気要素が、少なくとも１つの隣接する第２の磁気要素から空隙によって分離され、少なくとも１つのかかる空隙が電気絶縁材料で充填される、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器コア。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の１つまたは複数の磁気式故障電流限流器コアと、
コイルを画定するために前記１つまたは各コアの一部分の周りに巻き付けられた少なくとも１つの電気導体と、
を備える、磁気式故障電流限流器。
【請求項１０】
前記１つまたは各電気導体が前記第１および第２の磁気要素の周りに巻き付けられる、請求項９に記載の磁気式故障電流限流器。
【請求項１１】
使用中、前記１つまたは各電気導体が交流電流を伝送する、請求項１０に記載の磁気式故障電流限流器。
【請求項１２】
前記１つまたは各コイルが、使用中、１つまたは複数の電気回路に動作可能に接続される、請求項９から１１のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器。
【請求項１３】
前記１つまたは各コイルが、使用中、電気回路において、故障によって引き起こされた故障電流を最小限に抑えるようにインピーダンスを形成する、請求項１２に記載の磁気式故障電流限流器。
【請求項１４】
前記１つまたは各コイルがソレノイドまたはトロイダルの形をしている、請求項９から１３のいずれか一項に記載の磁気式故障電流限流器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気故障電流限流器コアおよび磁気故障電流限流器内でのその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
任意の電気装置を動作させる場合、その装置内を流れる電流は一般に、その電気装置の所定の電流定格の範囲内に維持される。ただし、その電気装置における故障またはその他の異常な動作状態によって、その電気装置の電流定格を超える高い故障電流が発生する可能性がある。例えば、送電網の稼働中、電圧源変換器が場合により、ＤＣ送電線またはケーブル全体にわたって低インピーダンスの短絡をもたらすＤＣ側の故障になりやすい。かかる故障は、絶縁の損傷または故障、導体の移動、またはそれ以外の、導体間の異物による不測の橋絡により発生することがある。
【０００３】
大きな故障電流が発生すると、電気装置の構成部品が損傷するだけでなく、電気装置が一定期間作動しなくなることもある。これにより、損傷を受けた電気装置ハードウェアの修理および保守のコストが増大し、電気装置の働きを利用する使用者に不便が生じる。
【０００４】
この悪影響は、大きな故障電流の大きさを電流限流器を使用して制限することによって防止することができる。
【０００５】
電流限流器の周知の解決策は、磁気式故障電流限流器の形をしている。磁気式故障電流限流器は、可変インダクタのように動作し、正常な動作状態中は低インピーダンスを示し、関連電力系統に結果として大きな故障電流を発生させる故障状態中は、高いインピーダンスを示す。永久磁石材料を用いる磁気式故障電流限流器では、関連電力系統が故障無し状態にある正常な動作状態中も、故障状態中も、磁束が永久磁石材料を通過する。
【０００６】
磁束が永久磁石材料を通過することによって、誘導渦電流と磁気ヒステリシスが生じる。これにより、電流限流器で電力損失が生じるだけでなく、永久磁石材料の温度が上昇する。永久磁石材料は特定の温度を上回ると性能が低下する可能性があるので、この温度上昇は望ましくない。
【０００７】
誘導渦電流の大きさは、永久磁石材料からなる単一の塊を複数の薄板に細分することによって減じることができる。こういった薄板はそれぞれ薄い電気絶縁材料で被覆することができ、次いで機械的および／または接着手段によって互いに接合される。各板の断面が比較的小さいことにより、誘導渦電流の循環が減じられ、それによって誘導渦電流の大きさが最小限に抑えられる。
【０００８】
ヒステリシス損失を低減するために、永久磁石材料を通過する磁束を比較的少量に留めてもよい。というのは、永久磁石材料では、磁束密度が増大すると、より大きな磁気ヒステリシスが生じるからである。ただしこの手法では、特定の電流レベルを超える使用に磁気式故障電流限流器は不適当となり、したがって限流器によってその動作範囲が制限されることになる。
【０００９】
永久磁石材料におけるヒステリシス損失の加熱効果は、冷却システムを磁気式故障電流限流器に追加することによって低減することができる。ただし冷却システムは、電力損失の追加の発生源を形成するだけでなく、冷却システムおよびその各種構成部品（検出／制御機器など）、補助電源が故障する可能性があるために、装置信頼性を低下させる。冷却システムが存在するとまた、ハードウェアのコスト、サイズおよび重量が増大する。
【００１０】
あるいは、永久磁石材料は、表面積を大きくするなど自然冷却を促進するトポロジを取り入れるように設計することができる。ただし、この永久磁石材料は、磁気式故障電流限流器の動作中に十分に冷却されるように、大きなスペースを占める必要があるはずである。
【００１１】
日本国特許第２００３−１９７４３６Ａ号には、軟磁性材料を含んだ第１の磁気要素および硬磁性材料を含んだ第２の磁気要素を備える磁気式故障電流限流器コアが開示されている。上記磁気要素はほぼ平行な磁気要素の配列を規定するように配置される。
【００１２】
英国特許第２４１５８３３Ａ号は、交流電流用故障電流限流器などの磁気回路における永久磁石の使用に関する。この永久磁石の構成は、互いに並列に接続された複数の永久磁石を含む。
【００１３】
ジェイ・エル・レイソロンジャナハリィ（J. -L. Rasolonjanahary）他著、「デザイン・アンド・コンストラクション・オブ・ア・マグネチック・フォールト・カレント・リミッタ（Design and Construction of a Magnetic Fault Current Limiter）」に、永久磁石を使用する故障電流限流器が開示されている。この論文は、定格回路までの電流に対しては低インピーダンスを有するが故障電流に対しては高インピーダンスを有する、直列接続するための理想的故障電流限流器に関する。
【００１４】
米国特許第２００４／０１３４５６５号は、多成分またはコア・シェル構造磁気ナノ粒子をナノ複合材料に自己組織化するプロセスに関する。より詳細には、交換結合される、単相材料よりかなり高いエネルギー積を有する、磁気的に硬相および軟相を含む磁性ナノ複合材料を自己組織化するプロセスに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】日本国特許第２００３−１９７４３６Ａ号
【特許文献２】英国特許第２４１５８３３Ａ号
【特許文献３】米国特許第２００４／０１３４５６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、ヒステリシス損失が低減された磁気式故障電流限流器コア及び磁気式故障電流限流器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】
【００１７】
本発明の一態様によると、少なくとも１つの第１の磁気要素および少なくとも１つの第２の磁気要素を備える磁気式故障電流限流器コアであって、上記磁気要素がほぼ平行な磁気要素の配列を規定するように配置され、上記１つまたは各第１の磁気要素が軟磁性材料を含み、上記１つまたは各第２の磁気要素が硬磁性材料を含み、非飽和状態にある上記１つまたは各軟磁性材料が、上記１つまたは各硬磁性材料より高い透磁率を有する、磁気式故障電流限流器コアが提供される。
【００１８】
第１および第２の磁気要素のほぼ平行な配列を提供することによって、磁気式故障電流限流器の正常な動作中に硬磁性材料を通過する磁束の量が最小限に抑えられるので、ヒステリシス損失が低減された磁気式故障電流限流器コアがもたらされる。
【００１９】
使用中、磁気式故障電流限流器を形成するためにコイルが上記コアの周りに巻き付けられている場合、第１および第２の磁気要素のほぼ平行な配置と非飽和軟磁性材料のより高い透磁率により、関連電気回路の正常な動作状態中、磁束の大部分が軟磁性材料を優先的に通過することが可能になる。これは、正常な動作状態中、硬磁性材料を最小限の量の磁束が通過することを意味する。これにより、軟磁性材料が硬磁性材料より低いレベルの磁気ヒステリシスを示すことから、コアにおけるヒステリシス損失が低減される。
【００２０】
関連電気回路での高い故障電流をもたらす故障またはその他の異常な動作状態が生じた場合は、硬磁性材料への磁束通過経路の切り替えにより、コイル内に高いインピーダンスが生じ、この高いインピーダンスが故障電流を制限するように作用する。この磁束通過経路の変更により高レベルの磁気ヒステリシスがもたらされるが、磁束は短期間しか硬磁性材料を通過しない。その結果、硬磁性材料内に生じるヒステリシス損失は最小限に抑えられる。
【００２１】
したがって、第１および第２の磁気要素のほぼ平行な配置により、磁気式故障電流限流器の正常な動作中、硬磁性材料を通過する磁束の量が最小限に抑えられ、それによって磁気式故障電流限流器コアにおけるヒステリシス損失が低減する。
【００２２】
さらに、第１および第２の磁気要素のほぼ平行な配置はまた、磁気式故障電流限流器を通過する磁束の流れの制御が性質上受動的であり、検出および／または切換機器の形での追加の制御を必要としないことを意味する。これにより、ハードウェアのサイズ、重量およびコストが最小限に抑えられるだけでなく、関連する検出および／または制御機器の故障の恐れが取り除かれることによって、電流限流器の信頼性が向上する。
【００２３】
好ましくは、少なくとも１つの磁気要素は少なくとも１つの隣接する第２の磁気要素から絶縁体によって分離される。上記１つまたは各絶縁体は、空隙または、接着剤やワニス、マイカ他同様の材料など、固体の非導電材料にすることができる。
【００２４】
本発明の各実施形態では、上記磁気式故障電流限流器コアは、複数の第１の磁気要素および／または複数の第２の磁気要素をさらに含むことができ、上記磁気要素が、第１および第２の磁気要素の交互１次層を形成するように配置される。
【００２５】
本発明の他の実施形態では、少なくとも１つの第１の磁気要素および／または少なくとも１つの第２の磁気要素が、複数の２次磁気材料層を含むことができ、各２次層が、上記１つまたは各隣接する２次層から絶縁体によって分離される。
【００２６】
磁気要素の１次および／または２次層を提供することは、渦電流の生成の結果生じる電力損失が低減される磁気式故障電流限流器コアを提供するのに役立つ。渦電流は、変化する磁束が磁気要素を通過するとその磁気要素内に誘導されるが、第１のおよび／または第２の磁気要素の各１次および／または２次層の断面を比較的小さくし、その磁気要素を互いに電気絶縁することで、渦電流の循環が制限され、それによって渦電流はいずれもその大きさが大幅に低減される。
【００２７】
上記磁気式故障電流限流器コアは、中空穴を有する少なくとも１つの磁気要素を含むことができ、少なくとも１つの第１の磁気要素の一部分が、中空穴を有する第２の磁気要素の中空穴の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素の一部分が第１の磁気要素の中空穴の内側に収容される。
【００２８】
上記磁気式故障電流限流器コアはまた、封止された中空内部を有する少なくとも１つの磁気要素を含むことができ、少なくとも１つの第１の磁気要素が第２の磁気要素の封止された中空内部の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素が第１の磁気要素の封止された中空内部の内側に収容される。
【００２９】
本発明の各実施形態では、各磁気要素をロッドまたはバーにすることができる。本発明の他の実施形態では、各磁気要素の断面の形状を円形、長円形または多面体にすることができる。
【００３０】
上記磁気式故障電流限流器コアの構造は、磁気式故障電流限流器に関連する用途の要件に応じて異なってよい。
【００３１】
好ましくは、故障電流限流器コアにおいて、少なくとも１つの第１の磁気要素が、少なくとも１つの隣接する第２の磁気要素から空隙によって分離され、少なくとも１つのかかる空隙が電気絶縁材料で充填される。
【００３２】
電気絶縁材料をこのように使用すると、隣接する磁気要素同士の電気絶縁が実現するだけでなく、隣接する磁気要素を定位置に保持するための支持構造も形成される。
【００３３】
本発明の第２の態様によると、上述した実施形態のいずれかによる磁気式故障電流限流器コアおよびコイルを規定するために上記または各コアの一部の周りに巻きつけられる少なくとも１つの電気導体を備える磁気式故障電流限流器が提供される。
【００３４】
上記電流限流器の構造は、製造が簡単であり、１つまたは複数の電流限流器を必要とする任意の装置に組み込むように容易に適合される。
【００３５】
本発明の各実施形態では、上記１つまたは各電気導体を上記第１および第２の磁気要素の周りに巻き付けることができる。
【００３６】
上記１つまたは各電気導体を第１および第２の磁気要素の両方の周りに巻き付けることによって、発生した磁場が磁気要素に対してより大きな作用を有することが可能になり、それによって磁束の通過経路を制御し故障電流を制限する際の電流限流器の効率が改善される。
【００３７】
好ましくは、使用中、上記１つまたは各電気導体が交流電流を伝送する。
【００３８】
好ましくは上記１つまたは各コイルが、使用中、１つまたは複数の電気回路に動作可能に接続される。かかる実施形態では、上記１つまたは各コイルが、使用中、電気回路において、故障によって引き起こされた故障電流を最小限に抑えるようにインピーダンスを形成する。
【００３９】
上記電流限流器は、１つまたは複数の関連電気回路において、その１つまたは複数の関連電気回路の損傷を防止するために、故障状態またはその他の異常な動作状態中に、故障電流を最小限に抑えるために使用することができる。
【００４０】
本発明の他の実施形態では、均一の制御された磁場を提供するために、上記１つまたは各コイルをソレノイドまたはトロイダルの形にすることができる。
【００４１】
次に、本発明の好ましい実施形態を、非限定的な例として、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態による磁気式故障電流限流器コアの図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による磁気式故障電流限流器コアの図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の第１の実施形態による磁気式故障電流限流器コア１０ａが図１に示されている。
【００４４】
磁気式故障電流限流器コア１０ａは、第１の磁気要素１２および第２の磁気要素１４を備え、磁気要素１２、１４はそのほぼ平行な配列を規定するように配置される。
【００４５】
各第１の磁気要素１２は、軟磁性材料からなる複数の２次層を含む。好ましくは、軟磁性材料は電磁鋼であり、電磁鋼は高い透磁率を有し、低いヒステリシス損失を呈する。
【００４６】
各２次層は、隣接する２次層間に電気絶縁をもたらすために、薄い電気絶縁材料で被膜することができる。こういった被膜した２次層を、機械的かつ／または接着剤を使用して互いに接合して第１の磁気要素１２を形成することができる。本発明の各実施形態では、各２次層を空隙によって各隣接する２次層から分離できることが想定され、いくつかの例では、そのような空隙の少なくとも１つを電気絶縁材料でさらに充填できることが想定される。
【００４７】
２次層を設けると、磁気式故障電流限流器コアに誘導される渦電流に伴う電力損失が低減される。この理由は、渦電流は、変化する磁束が磁気式故障電流限流器コアを通過すると磁気要素内に誘導されるが、各２次層の断面を比較的小さくすることでその渦電流の循環が大幅に縮小され、それによって渦電流はいずれもその大きさが大幅に低減されるからである。
【００４８】
さらに、２次層の互いの電気絶縁が、渦電流の循環を制限する。
【００４９】
第２の磁気要素１４は硬磁性材料を含み、空隙によって第１の磁気要素１２から分離される。その空隙は、他の実施形態では電気絶縁材料で充填してもよい。
【００５０】
本発明の第２の実施形態による磁気式故障電流限流器コア１０ｂが図２に示されている。
【００５１】
磁気式故障電流限流器コア１０ｂは、複数の第１の磁気要素１２および複数の第２の磁気要素１４を備え、第１および第２の磁気要素１２、１４はそれらの交互１次層を形成するように配置される。
【００５２】
各１次層は、隣接する１次層間に電気絶縁をもたらすために、電気絶縁材料で被膜することができる。上で概説したように、こういった被膜した１次層を、機械的かつ／または接着剤を使用して互いに接合して、磁気式故障電流限流器コアを形成することができる。本発明の各実施形態では、各１次層を空隙によって各隣接する１次層から分離できることが想定され、いくつかの例では、そのような空隙の少なくとも１つを電気絶縁材料でさらに充填できることが想定される。
【００５３】
第２の磁気要素１４のそれぞれの厚さは、硬磁性材料の電磁的な表皮深さがより深いために、第１の磁気要素１２の各厚さよりも厚くすることができる。
【００５４】
本発明の各実施形態では、磁気式故障電流限流器コアは任意の数の第１および第２の磁気要素１４を備えることができること、かつ／または少なくとも１つの第１のおよび／または第２の磁気要素１４はそれぞれの磁性材料からなる複数の２次層を含むことができることが想定される。
【００５５】
本発明の他の実施形態では、第１および第２の磁気要素１２、１４の一方または両方の少なくとも１つは中空穴を有することができ、その穴は、少なくとも１つの第１の磁気要素１２の一部分が、中空穴を有する第２の磁気要素１４の中空穴の内側に収容されるように、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素１４の一部分が第１の磁気要素１２の中空穴の内側に収容されるようになっている。
【００５６】
本発明の他の実施形態では、第１および第２の磁気要素１２、１４の一方または両方の少なくとも１つが封止された中空内部を有することができ、少なくとも１つの第１の磁気要素１２が第２の磁気要素１４の封止された中空内部の内側に収容され、かつ／または少なくとも１つの第２の磁気要素１４が第１の磁気要素１２の封止された中空内部の内側に収容される。
【００５７】
好ましくは、各磁気要素はロッドまたはバーであり、かつ／または各磁気要素の断面は形状が円形、長円形または多面体である。
【００５８】
磁気式故障電流限流器を形成するには、１つまたは複数のコイルを画定するために、例えば導電性のワイヤなどの１つまたは複数の電気導体を、磁気式故障電流限流器コア１０ａ、１０ｂの一部分または全体の周りに巻き付けることができる。好ましくは、上記１つまたは各導電性のワイヤは、硬磁性材料における磁気ヒステリシスがコイルのインピーダンスに対してより大きな作用を有しそれによって電流限流器の効率を改善できるように、第１および第２の磁気要素の周りに巻き付けられる。
【００５９】
上記１つまたは各コイルとコア１０ａ、１０ｂは磁気式故障電流限流器を形成し、その磁気式故障電流限流器は使用中、故障状態またはその他の異常な動作状態時における関連電気回路内の故障電流を制限または消すように機能する。
【００６０】
使用中、上記１つまたは各コイルは、正弦波形またはその他のタイプの波形の形をとることができる交流電流を伝送する。したがって、上記電流限流器を、電力変換器や電気モータなどの交流電流を伝送する１つまたは複数の電気回路と動作可能に関連付けることができる。
【００６１】
関連電気回路の動作中、電流は関連電気回路を通り、コア１０ａ、１０ｂの周りに巻き付けられたコイルを通過する。電流がコイルを通過すると、コイルの内部でコア１０ａ、１０ｂを通過する磁束が発生し、これによって、交流電流がコイルを通過すると、第１および第２の磁気要素１２、１４の磁性材料が磁化、消磁される。
【００６２】
本明細書において、正および負の項は、磁化力および磁束密度の方向を表す。
【００６３】
コイルの周りに第１の磁場を発生させるために、交流電流がコイルを順方向に通過する。順方向への交流電流の大きさが大きくなると、それに対応して正方向の磁化力が大きくなり、それによってコア１０ａ、１０ｂの磁性材料の内部に正の磁束密度が生じる。この正の磁束密度は、順方向における交流電流のピーク値でその最大値に達する。
【００６４】
その順方向における交流電流のピーク値到達後、交流電流はゼロ電流まで低下し始め、それに対応して正方向の磁化力が低下する。ゼロ電流で磁化力はゼロ値を有する。
【００６５】
正方向の磁化力が低下すると、磁性材料内部における正の磁束密度が低減する。ただし、磁性材料は交流電流と磁化力がゼロのときに正の磁束密度を保持することができる。これは、磁性材料に磁化力を印加することによって、磁化力を完全に除去した後でも磁化された状態に留まることができる磁性材料を磁化するからである。磁化力除去後の磁性材料における磁気の保持は、永久磁性と呼ばれる。
【００６６】
コイルの周りに第２の磁場を発生させるために、交流電流がコイルを逆方向に通過する。逆方向への交流電流の大きさが大きくなると、それに対応して負方向の磁化力が大きくなる。ただし、磁性材料における永久磁性とは、負方向における磁化力が磁性材料を消磁するのに十分大きくなるまで、磁性材料における磁束密度が正に留まることを意味する。
【００６７】
磁性材料が消磁された後、逆方向の交流電流の大きさがさらに大きくなり、それによって負方向の磁化力により、磁性材料の内部に負の磁束密度が生じる。磁性材料内部の負の磁束密度は、逆方向の交流電流のピーク値でその最大負の値に達する。
【００６８】
逆方向から順方向へ交流電流の流れが変化する間、正方向の磁化力が磁性材料を消磁するのに十分大きくなるまで、磁性材料は負の磁束密度を保持する。磁性材料が消磁された後、順方向の交流電流の大きさがさらに大きくなり、それによって正方向の磁化力により、磁性材料内部の正の磁束密度は、順方向の交流電流のピーク値でその最大値まで生じる。
【００６９】
上述の周期的動作により、磁化力と磁束密度の関係を表す閉じたヒステリシス・ループが規定される。磁気ヒステリシス・ループの形状および大きさは、コイルによって関連電気回路に形成されるインピーダンスに影響を及ぼす。
【００７０】
コイルのインピーダンスは、コイル抵抗とリアクタンスの関数である。
【００７１】
磁気材料の磁気ヒステリシスに打ち勝つためには追加のエネルギーが必要である。この追加のエネルギーの消費がコイル抵抗の増大に寄与する。したがってコイル抵抗は、コアにおける磁気ヒステリシスのレベルと共に増大する。
【００７２】
コイル・リアクタンスはコイル・インダクタンスの関数であり、コイル・インダクタンスは磁性材料の透磁率に比例する。透磁率は磁化力に対する磁束密度の変化率と等しく、この変化率は磁気ヒステリシス・ループの形状および大きさに依存する。ヒステリシス・ループが幅広いと、交流電流がその正または負のピーク値に近づくときに、磁化力に対する磁束密度の変化率が急勾配になり、それによって透磁率の値がより高くなる。透磁率の値がより高くなると、コイル・インダクタンスが上昇し、それによってコイル・リアクタンスが上昇する。
【００７３】
正常な動作状態中、上記１つまたは各第１の磁気要素１２の軟磁性材料は、非飽和状態であるときに、上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料よりも高い透磁率を有する。したがって透磁率のこの差により、磁束の大部分がコア１０ａ、１０ｂの上記１つまたは各第１の磁気要素１２の軟磁性材料を優先的に通過するのが可能になり、それによってコアの上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料を通過する磁束の量が最小限に抑えられる。
【００７４】
これにより、軟磁性材料が硬磁性材料よりも低レベルの磁気ヒステリシス、したがって狭いヒステリシス・ループを呈することから、関連電気回路の正常な動作中、コア１０ａ、１０ｂにおけるヒステリシスに関連する電力損失が低減される。この軟磁性材料によってもたらされる低レベルの磁気ヒステリシスによってまた、比較的低い電流レベルと相まって、上記１つまたは各コイルは、関連電気回路の正常な動作中、関連電気回路に低いインピーダンスを形成し、それによって交流電流の流れに対する影響が最小限になる。
【００７５】
関連電気回路での高い故障電流をもたらす故障またはその他の異常な動作状態の場合は、コア１０ａ、１０ｂにおける磁束レベルが上昇する。上記１つまたは各第１の磁気要素１２の軟磁性材料が飽和に達するまで、磁束は上記１つまたは各第１の磁気要素１２を優先的に通過し続ける。上記１つまたは各軟磁性材料が飽和すると、その第１の磁気要素１２の比透磁率が１の方に下落する。
【００７６】
この段階で、上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料は、上記１つまたは各第１の磁気要素１２の飽和された軟質の材料よりも高い透磁率を有する。これにより、電流を伝送するコイルによって発生した磁束が上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料を優先的に通過する。上記１つまたは各飽和された第１の磁気要素１２から上記１つまたは各第２の磁気要素１４への、この磁束通過媒体の変更により、関連電流における故障電流を制限するように作用する変化がコイルのインピーダンスに生じる。
【００７７】
この理由は、硬磁性材料におけるより高いレベルの磁気ヒステリシスにより、比較的高い故障電流レベルと相まって、磁気ヒステリシス・ループ面積がより広くなり、したがって高い故障電流がその正または負のピーク値に近づくときに、磁化力に対する磁束密度の磁束の変化率がより急勾配になるからである。これにより、上で概説したように、コイル抵抗およびリアクタンスが上昇する。したがって、故障またはその他の異常な動作状態中に故障電流のピーク値を制限するように、コイルによって高いインピーダンスが関連電気回路に形成される。
【００７８】
コア１０ａ、１０ｂにおける硬磁性材料を提供することによって、磁気式故障電流限流器が故障電流の制限することになる場合のその効率が改善される。これは、より大きいコイルのインピーダンスが、硬磁性材料における、軟磁性材料と比較してより高いレベルの磁気ヒステリシスによって生じるからである。本来なら、上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料がないと、上記１つまたは各第１の磁気要素１２の軟磁性材料を提供することでコイルのインピーダンスが低くなり、これは故障電流の制限には不十分である可能性がある。
【００７９】
好ましくは、故障状態中に関連電気回路に形成される高いインピーダンスは、関連電気回路の様々な構成部品を保護するために、故障電流のピーク値が関連電気回路の電流定格の範囲内に保たれるようなものである。
【００８０】
本発明の各実施形態では、電流限流器の設計は、外部のサーキット・ブレーカが回路を開放しそれによって故障電流を消すように作動するまでの短い期間に、故障電流の大きさを制限するようにすることができる。
【００８１】
磁束は短い期間に上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料のみを通過するので、硬磁性材料に結果として生じるヒステリシス損失および温度上昇は最小限に抑えられる。
【００８２】
したがって、第１および第２の磁気要素１２、１４のほぼ平行配列を提供することによって、使用時、磁気式故障電流限流器動作中のヒステリシス損失の低減と低い温度上昇を示し、したがって高電流レベルの電気回路と組み合わせて使用できる、磁気式故障電流限流器コア１０ａ、１０ｂがもたらされる。したがってこれにより、コアにおけるヒステリシス損失および温度上昇に対処するための冷却システムの設置またはコア・トポロジ利用の必要がないことから、ハードウェアのコスト、サイズおよび重量が低減される。
【００８３】
この構成によりまた、磁気式故障電流限流器コア１０ａ、１０ｂを通過する磁束を制御する受動的な方法が提供される。これにより、コア１０ａ、１０ｂを通過する磁束の流れの能動的な制御を提供するための検出および／または切換機器の必要がなくなる可能性がある。電流限流器の動作の受動的な性質は、関連電気回路内部の電流を監視かつ制御するために通常用いられる検出および／または制御機器の使用を最小限に抑えるまたは無くすことが可能になるかもしれないことを意味する。
【００８４】
好ましくは、上記１つまたは各第２の磁気要素１４の硬磁性材料は、硬磁性材料における飽和を実現するのに必要な磁化力が、故障電流から生じる磁化力よりも高くなるように選択される。上記１つまたは各第２の磁性材料１４の硬磁性材料が飽和に達するということは、そのことでその透磁率が低減し、それによりコイルのインピーダンスが低くなり、それによって電流限流器の動作が不完全になる可能性があることから、望ましくない可能性がある。
【符号の説明】
【００８５】
１０ａ：コア、１０ｂ：コア、１２：第１の磁気要素、１４：第２の磁気要素
【国際調査報告】
2013532909.tif 000005
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2013532909.tif 000007