(57)【要約】【課題】本発明は、装置を大型化させない鉄心コイル構造をもつ複数段構えのＡＣリアクトルを提供することを目的とする。【解決手段】鉄心コイルで構成された複数段構えのＡＣリアクトルにおいて、少なくとも二段のＡＣリアクトルのコイル（２Ａ、３Ａ）が同一鉄心（１２−１、１２−２、１２−３  ）に巻回されている、ように構成にする。【選択図】図１
2008066529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心コイルで構成された複数段構えのＡＣリアクトルであって、
少なくとも二段のＡＣリアクトルのコイルが同一鉄心に巻回されている、
ことを特徴とする複数段構えのＡＣリアクトル。
【請求項２】
前記二段のＡＣリアクトルのコイルの中心軸は、共に一致している、
ことを特徴とする請求項１に記載の複数段構えのＡＣリアクトル。
【請求項３】
前記二段のＡＣリアクトルのコイルにおいて、第一のＡＣリアクトルのコイル及び第二のＡＣリアクトルのコイルは、前記中心軸の方向に、互いに並べて配置されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の複数段構えのＡＣリアクトル。
【請求項４】
前記二段のＡＣリアクトルのコイルにおいて、第一のＡＣリアクトルのコイル及び第二のＡＣリアクトルのコイルは、前記コイルの半径方向に、互いにコイル半径を異ならせて並べて配置されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の複数段構えのＡＣリアクトル。
【請求項５】
インバータ及びＡＣリアクトルを複数段構えで備える補助電源装置であって、
少なくとも二段のＡＣリアクトルのコイルが同一鉄心に巻回されている、
ことを特徴とする補助電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄心コイルを用いてＡＣリアクトルを複数段構えに構成する場合の鉄心コイル構造、及び該鉄心コイル構造を有する補助電源装置、特に直流用電車の補助電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から直流電圧を交流電圧へ変換する場合にインバータが使用される。インバータの出力側には、その回路構成やその装置の使用状況により高調波が重層される場合があり、この高調波が後段の他の制御回路などへ悪影響を及ぼす。このため、インバータの入力側又は出力側に、その高調波を低減するＡＣフィルタが構成される。通常は、そのＡＣフィルタはそのインバータの出力側に構成される。
【０００３】
このＡＣフィルタは、上記インバータの出力側にＡＣリアクトルを直列に接続して構成する。この構成により、インバータの出力側の高調波の含有率を低下させることができ、そのインバータの出力波形を正弦波形に近づけることができる。
【０００４】
また、上記高調波が十分に抑圧できない場合は、更にＡＣリアクトルの出力側に並列にＡＣコンデンサを追加する。
インバータにおけるこのような構成は、例えば、直流用電車の補助電源装置などにおいて採用されている。
【０００５】
この直流用電車の補助電源装置は、直流架線からパンタグラフで集電された直流電圧１５００Ｖを入力源としている。この直流電圧を、上記インバータ、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いた三相ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータなどを動作させて正弦波形の三相交流電圧を出力する。そして更に、その後段に構成された出力トランスを介して上記三相交流電圧を降圧して負荷に供給する。
【０００６】
また、冗長性をもたせたシステムにおいて、２郡のインバータ回路に対して上記ＡＣフィルタ及び上記出力トランスを共用化させた構成もある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３３８８５号公報（段落「０００５」、段落「０００６」、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、インバータの出力波形を正弦波形に近づけるためには、ＡＣリアクトルをインバータに直列に接続する必要がある。
また、そのような装置は、待機冗長や並列冗長などの冗長性が要求されるものも多いため、通常、上記インバータと上記ＡＣリアクトルとからなる系を複数段構えにして備えている。
【０００８】
しかし、ＡＣリアクトルとして鉄心コイルを使用する場合、上記のようにＡＣリアクトルを複数段構えにするとその段数だけ上記鉄心が必要となり、装置全体が大型化する。
図６は、鉄心コイルで構成した複数段構えのＡＣリアクトルの構造図である。
【０００９】
同図は、一例として、３相のＡＣリアクトルを２段構えの構成にした場合の構造を示している。
鉄心１Ａに構成されている３本の鉄柱（１２−１、１２−２、１２−３）の各鉄柱周りに一つずつコイル２が巻回されており、一個の鉄心１あたり３相のＡＣリアクトル（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を構成している。
【００１０】
そして、これとは別の鉄心１Ｂの３本の鉄柱（１２−１、１２−２、１２−３）の各鉄柱周りにも上記と同様に一つずつコイル３が巻回されており、３相のＡＣリアクトル（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を構成している。
【００１１】
このように、２段構えのＡＣリアクトルを構成する場合、二個の鉄心１Ａ、１Ｂを使用しているため、装置が大型化してしまう。
特に電車の場合、限られたスペースに数多くの機器を搭載することが要求されるため、そのような装置の大型化は問題になる。
【００１２】
また、特許文献１のような待機冗長型のシステムではコイルを共用化させているので、そのコイルが故障すると、それを使用する全てのインバータから出力された交流電圧には高調波が重層されることになり、問題である。
【００１３】
そこで本発明は、上記問題を鑑みてなされた発明であり、装置を大型化させない鉄心コイル構造をもつ複数段構えのＡＣリアクトル、及び該複数段構えのＡＣリアクトルを備えた補助電源装置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】
【００１４】
本発明は上記課題を解決するために以下のように構成する。
本発明の複数段構えのＡＣリアクトルの態様の一つは、鉄心コイルで構成された複数段構えのＡＣリアクトルにおいて、少なくとも二段のＡＣリアクトルのコイルが同一鉄心に巻回されている、ように構成にする。
【００１５】
なお、前記二段のＡＣリアクトルのコイルの中心軸は、共に一致している、ことが好ましい。
そして、その場合に、前記二段のＡＣリアクトルのコイルにおいて、第一のＡＣリアクトルのコイル及び第二のＡＣリアクトルのコイルは、前記中心軸の方向に、互いに並べて配置しても良い。
【００１６】
また、前記二段のＡＣリアクトルのコイルにおいて、第一のＡＣリアクトルのコイル及び第二のＡＣリアクトルのコイルは、前記コイルの半径方向に、互いにコイル半径を異ならせて並べて配置しても良い。
【００１７】
本発明の補助電源装置の態様の一つは、インバータ及びＡＣリアクトルを複数段構えで備える補助電源装置を前提に、少なくとも二段のＡＣリアクトルのコイルが同一鉄心に巻回されている、ように構成する。
【００１８】
本発明では、少なくとも二段のＡＣリアクトルのコイルが同一鉄心に巻回されるため、複数の鉄心を一本化でき、鉄心の総数を減らすことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、複数の鉄心を一本化でき、鉄心の総数を減らすことができる。その結果、装置の大型化を抑制できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の複数段構えのＡＣリアクトルがもつ鉄心コイル構造の図（その一）である。
【００２１】
本発明は、ＡＣリアクトルが単相であっても三相であっても同様にして実施できる。また、二段構えだけでなくその他の複数段構えの構成でも同様にして実施できる。
同図は、三相ＡＣリアクトルを二段構えに構成した場合の構造を示している。
【００２２】
同図に示したように、当該二段構えの三相ＡＣリアクトルを構成する鉄心コイルには、一個の鉄心（例えばフェライトなどの磁性材料でできた鉄心）１が使用される。
同図の鉄心１は、平行する二本の鉄柱（同図では左右に平行する二本の鉄柱）１０とこれらの鉄柱１０の両端及び中心を繋ぐ平行する三本の鉄柱（同図では上下に平行する三本の鉄柱）１２−１、１２−２、１２−３よりなる。同図左右には、複数の鉄柱に囲まれて開口窓１４−１、１４−２が並んで形成されている。
【００２３】
二段のうち一段目の三相ＡＣリアクトルは、三本の鉄柱１２−１、１２−２、１２−３の各鉄柱周りにコイル２Ａを巻回させて構成している。
また、二段目の三相ＡＣリアクトルは、各鉄柱周りの上記コイル２Ａの直下または下方側に更に別のコイル３Ａを巻回させて構成している。
【００２４】
すなわち、一段目のＡＣリアクトルと二段目のＡＣリアクトルとは共通の鉄柱（つまり鉄心１）を使用した鉄心コイル構造をとっている。
なお、本構造図（その一）では、一段目のＡＣリアクトルのコイル２Ａと二段目のＡＣリアクトルのコイル３Ａの中心軸を共に一致させている。そして、それぞれのコイル２Ａ、３Ａをその中心軸方向に互いに並べて配置させている。
【００２５】
また、上記各コイル２Ａ、３Ａは、各鉄柱１２−１、１２−２、１２−３周りに例えば不図示のスペーサを介してコイル線を巻回して構成している。
上記鉄心１や各鉄柱周りの上下二つのコイル２Ａ、３Ａは、所定のインダクタンスをとるように例えば次式に従って構造設計する。
【００２６】
インダクタンス（Ｌ）＝４π×Ｎ＾２×Ｓ×μ／ｌｍ  ・・・（式１）
但し、「Ｎ」はコイル線の巻数、「Ｓ」は鉄柱の断面積、「μ」は鉄柱の透磁率、「ｌｍ」は鉄柱の磁路長とする。
【００２７】
上記式１によると、鉄柱の長さを長くすればするほどその磁路長が長くなるので、所定のインダクタンスに合わせるには、それに比例して鉄柱の断面積又はコイル線の巻き数の二乗値を大きくしなければならない。従来と比較すると、鉄柱周りに巻回されるコイル数がその軸の方向に増えるため、鉄柱を長くする必要が生じてくる。よって、この場合は、装置の大型化を最大限抑止できるように考慮しながら、鉄柱の断面積又はコイル線の巻き数を増やすようにする。例えば鉄柱の断面積が小さい方が装置の小型化に大きく貢献する場合は、断面積をできる限り小さく抑えてその代わりにコイル線の巻き数を増やすようにする。
【００２８】
図２（ａ）は、本発明の複数段構えのＡＣリアクトルがもつ鉄心コイル構造の図（その二）である。
図２（ａ）の鉄心（例えばフェライトなどの磁性材料でできた鉄心）は、図１と同様に、平行する二本の鉄柱（同図では左右に平行する二本の鉄柱）１０とこれらの鉄柱の両端及び中心を繋ぐ平行する三本の鉄柱（同図では上下に平行する三本の鉄柱）１２−１、１２−２、１２−３よりなる。同図左右には、複数の鉄柱に取り囲まれてなる窓１４−１、１４−２が並んで形成される。
【００２９】
そして、本構造図（その二）において、二段のうちの一段目の三相ＡＣリアクトルは、三本の鉄柱の各鉄柱周りにコイル２Ｂを巻回させて構成している。
また、二段目の三相ＡＣリアクトルは、上記各コイル２Ｂの外周側を囲むように別のコイル３Ｂをそれぞれのコイル２Ｂ周りに巻回させて構成している。
【００３０】
図２（ｂ）は、鉄柱一つに対する二つのコイルの装着方法を示した図である。
上記一段目のＡＣリアクトル用のコイル２Ｂは、鉄柱１２−１周りに例えば不図示のスペーサを介してコイル線を巻回して構成する。また、二段目のＡＣリアクトル用のコイル３Ｂは、一段目のコイル２Ｂの外周側面周りにこれまた不図示のスペーサを介してコイル線を巻回して構成する。
【００３１】
すなわち、この場合も図１と同様に、一段目のＡＣリアクトルと二段目のＡＣリアクトルとは共通の鉄柱（つまり鉄心１）を使用した鉄心コイル構造をとる。
なお、本構造図（その二）では、一段目のＡＣリアクトルのコイル２Ｂと二段目のＡＣリアクトルのコイル３Ｂの中心軸を共に一致させるようにして、各コイル２Ｂ、３Ｂのコイル半径を互いに変えてコイル半径方向に並べて構成している。このため、一段目のコイル２Ｂと二段目のコイル３Ｂでは、二段目のコイル３Ｂの方がコイル径が大きくなっている。
【００３２】
また、上記鉄心１や上記内側及び外側の二つのコイル２Ｂ、３Ｂの外形形状や材料等は、所定のインダクタンスをとるように例えば上述の式１に従って構造設計すればよい。
なお、以上に示した二つの構造図は一例である。
【００３３】
従って、例えば、一段目のＡＣリアクトルを構成するコイルと二段目のＡＣリアクトルを構成するコイルの配置を相互に変えて構成しても良い。
また、使用用途に応じて、横に平行している二本の鉄柱にコイルを構成する設計としても良い。
【００３４】
また、形状や太さを所々変えた鉄心を使用しても良い。
以上のように、少なくとも二段のＡＣリアクトルのコイルを同一鉄心に巻回することで、複数の鉄心を一本化でき、鉄心の総数を減らすことができる。
その結果、その鉄心コイル構造を備えた装置では、適宜、鉄心の断面積やコイルの巻数を調節するなどして大型化を抑制できる。
以下、電車用の補助電源装置への適用例を示す。
【００３５】
（実施例１）
実施例１では、一つ目のインバータが故障した場合に予備のインバータに切替できる待機冗長型補助電源装置への適用例を示す。
【００３６】
図３は、待機冗長型補助電源装置の回路構成図である。
同図の待機冗長型補助電源装置５には、直流電圧の入力がスイッチ切り替えで選択される二組（二段構え）の三相インバータ装置（三相インバータ装置５０及び三相インバータ装置５１）が構成されている。
【００３７】
これら二組の三相インバータ装置５０、５１の出力は、これまたスイッチ切り替えによりその内の何れか一方が負荷に供給される。
三相インバータ装置５０が選択される場合、三相インバータ装置５０側に各スイッチＳＷ１、２が切り替えられる（スイッチＳＷ１がＯＮし、スイッチＳＷ２がＯＦＦする）。そして、上記直流電圧は三相インバータ装置５０に入力し、その出力が負荷に供給される。また、何らかの原因で三相インバータ装置５０が故障した場合は、これに変わる三相インバータ装置５１側に各スイッチＳＷ１、２が切り替えられる（スイッチＳＷ１がＯＦＦし、スイッチＳＷ２がＯＮする）。そして、上記直流電圧は三相インバータ装置５１に入力し、その出力が負荷に供給されるようになる。
【００３８】
以下、三相インバータ装置５０、５１の構成を説明する。
三相インバータ装置５０、５１は、共に、三相インバータ５００、三相ＡＣフィルタ５０１、及び三相トランス５０２を備えている。
【００３９】
上記三相インバータ５００は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いた三相ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータであり、入力直流電圧を三相交流電圧にして出力する。
【００４０】
また、三相ＡＣフィルタ５０１は、ＡＣリアクトル（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）と本例では更にＡＣコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を追加して構成している。ＡＣリアクトル（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）は、三相インバータ５００の三相交流電圧の出力のそれぞれに直列接続されている。そして、そのＡＣリアクトル（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）の後段にＡＣコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を構成している。この三相ＡＣフィルタ５０１は、高調波を低減して三相交流電圧を正弦波形にしている。
【００４１】
また、三相トランス５０２は、その正弦波形の三相交流電圧を所定の電圧に降圧して負荷に供給する。
当該待機冗長型補助電源装置５において、図１又は図２のＡＣリアクトル構造が三相インバータ装置５０及び５１のそれぞれのＡＣリアクトルに跨って適用されている。
【００４２】
具体的には、同図に二重線で結合したように、各三相インバータ装置５０、５１の上段のＡＣリアクトル（Ｌ１）に共通の鉄柱（例えば図１の鉄柱１０−１）を使い、各三相インバータ装置５０、５１の中段のＡＣリアクトル（Ｌ２）に共通の鉄柱（例えば図１の鉄柱１０−２）を使い、各三相インバータ装置５０、５１の下段のＡＣリアクトル（Ｌ３）に共通の鉄柱（例えば図１の鉄柱１０−３）を使っている。
【００４３】
実施例１では、各三相インバータ装置５０、５１の何れか一つのみが動作する。このため、コイルの鉄心を共通にして各ＡＣリアクトルを構成しても、鉄心及び各コイルは相互影響を無視して設計できる。
【００４４】
例えば、それぞれに電流が流れたときにそれぞれに設定されたインダクタンスの値をとるように、鉄柱およびコイルの構成を式（１）に基づいて決定すれば良い。
このときの共通の鉄柱に巻回した各コイルを流れる電流の向きは同一方向にしても反対方向にしても良い。
【００４５】
なお、図３の三相トランス５０２の出力側に構成した切り替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２をその三相トランス５０２の入力側に移動して、三相トランス５０２を１台に変更してその１台をインバータ装置５０、５２に共有させるように構成しても良い。
【００４６】
この場合も本発明の鉄心コイル構造を上記と同様に適用できる。この構成では、その移動した切り替えスイッチを切り替えることにより、インバータ装置５０、５１の何れか一方の出力をその三相トランスで降圧させる。
【００４７】
（実施例２）
実施例２では、複数のインバータを直列に接続して構成する補助電源装置への適用例を示す。
図４は、２段直列接続型補助電源装置の回路構成図である。
通常、インバータに耐圧の低い半導体素子を適用する場合に入力直流電圧を分割して、それぞれにインバータを接続することで構成する。
【００４８】
同図の回路構成図において、二つの三相インバータ装置５０、５１に構成されているそれぞれのインバータ５００は、入力直流電圧に対して直列接続されている。
そして、更に、三相インバータ装置５０、５１のそれぞれから出力される正弦波形の三相交流電圧はトランス６０２を通じて纏められ、負荷に供給される。
【００４９】
当該補助電源装置６において、２台のインバータ５００の出力電圧は同一周波数、同一位相、同一電圧で動作し、そして、図１又は図２のＡＣリアクトル構造は、二つのインバータ５００のそれぞれの出力に接続されたＡＣリアクトル（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）に跨って適用されている。具体的には、同図に二重線で結合したように、二つのインバータ５００の各出力の上段に接続されたＡＣリアクトル（Ｌ１）に共通の鉄柱（例えば図１の鉄柱１０−１）を使い、中段に接続されたＡＣリアクトル（Ｌ２）に共通の鉄柱（例えば図１の鉄柱１０−２）を使い、下段に接続されたＡＣリアクトル（Ｌ３）に共通の鉄柱（例えば図１の鉄柱１０−３）を使っている。
【００５０】
実施例２では、各インバータ５００の出力電圧は同一周波数、同一位相、同一電圧で共に動作する。このため、同一の鉄柱にそれぞれのコイルを構成しても相互影響をなくすようにできる。ただし、実施例１と異なり、共通の鉄柱に巻回した上下または内外の隣り合うコイルが鉄心を異にするときに設定されていたインダクタンスの合計値をとるように鉄心及びコイルを設計する必要がある。
【００５１】
よって、この構成では、共通の鉄柱に巻回した各コイルを流れる電流の向きを同一方向に揃える。そして、それぞれのコイルのインダクタンス値が同じであるので、その２倍のインダクタンス値をとるように式（１）に基づいて鉄柱およびコイルの構成を決定する。
なお、実施例１と比較した場合、鉄心の断面積は２倍になる。また、断面積が大きくなりすぎないようにした場合は、その分だけコイルの巻数が多くなる。
【００５２】
（実施例３）
実施例３では、常に複数のインバータを動作させておく並列型補助電源装置への適用例を示す。
図５は、並列型補助電源装置の回路構成図である。
実施例３は、実施例２で直列接続したインバータ５００を、入力直流電圧に対して並列に接続した場合の例である。
【００５３】
なお、図１又は図２のＡＣリアクトル構造については、実施例２と同様であり、繰り返しの説明になるため、ここでの説明は省略する。
以上のように、図１や図２の鉄心コイル構造を適用することにより、鉄心の断面積やコイルの巻数を適宜調節するなどして補助電源装置の大型化を抑制できる。その結果、小型化、軽量化、及び低価格化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の複数段構えのＡＣリアクトルがもつ鉄心コイル構造の図（その一）である。
【図２】本発明の複数段構えのＡＣリアクトルがもつ鉄心コイル構造の図（その二）である。
【図３】待機冗長型補助電源装置の回路構成図である
【図４】直列接続型補助電源装置の回路構成図である。
【図５】並列型補助電源装置の回路構成図である。
【図６】鉄心コイルで構成した複数段構えのＡＣリアクトルの従来構造である。
【符号の説明】
【００５５】
１        鉄心
１０      二本の鉄柱
１２−１、１２−２、１２−３      三本の鉄柱
１４−１、１４−２      開口窓
２Ａ、３Ａ      コイル
【図４】
2008066529.tif 000003
【図５】
2008066529.tif 000004
【図１】
2008066529.tif 000005
【図２】
2008066529.tif 000006
【図３】
2008066529.tif 000007
【図６】
2008066529.tif 000008