(57)【要約】【課題】変圧器を通る磁束の大きさ、コイルの巻き数比等の仕様に拘わらず、変圧器コアを通る磁束を外部から直接的に検出することができる磁束検出器を提供する。【解決手段】間隙２１ｃを有する変圧器コア２１を通る磁束を、変圧器コア２１の外部から検出する磁束検出器１であって、変圧器コア２１の間隙から漏洩した磁束が流入する第１間隙１１ｃを有する環状の検出器コア１１と、検出器コア１１を通る磁束を検出する検出部１２とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙を有する変圧器コアを通る磁束を、該変圧器コアの外部から検出する磁束検出器であって、
前記変圧器コアの間隙から漏洩した磁束が流入する間隙を有する環状のコアと、
該コアを通る磁束を検出する検出部と
を備える磁束検出器。
【請求項２】
前記コアは、
磁束が流入する前記間隙を有する部位と異なる部位に第２の間隙を有し、
前記検出部は、
前記第２の間隙に配されており、該第２の間隙を通る磁束の向き及び大きさに応じた信号を出力する磁気センサを備える
請求項１に記載の磁束検出器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の磁束検出器と、
間隙を有する変圧器コアと、
非磁性体材料からなり、前記変圧器コアの間隙、及び磁束が流入する前記コアの間隙が対向するように前記コアを支持する支持部と
を備える変圧器。
【請求項４】
前記支持部は、
前記コアを、前記変圧器コア及び前記コアの位置関係を変更可能に支持する
請求項３に記載の変圧器。
【請求項５】
直流を交流に変換するインバータ回路と、
間隙を有する変圧器コアを有し、該インバータ回路にて変換された交流を変圧する変圧器と、
該変圧器にて変圧された交流を直流に整流する整流回路と、
前記変圧器コアを通る磁束を検出する請求項１又は請求項２に記載の磁束検出器と、
該磁束検出器にて検出された磁束に基づいて、前記インバータ回路の動作を制御する制御部と
を備えるインバータ電源装置。
【請求項６】
前記検出部は、前記コアを通る磁束の向きが所定方向である場合、該磁束の大きさに応じた電圧レベルを有する所定極性の第１信号を出力し、磁束の向きが前記所定方向と逆方向である場合、該磁束の大きさに応じた電圧レベルを有する逆極性の第２信号を出力するように構成してあり、
前記制御部は、
前記検出部から出力される第１信号及び第２信号の電圧レベルの絶対値を平衡させるように、前記インバータ回路のスイッチングを制御する
請求項５に記載のインバータ電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器コアを通る磁束を、該変圧器コアの外部から検出する磁束検出器、該磁束検出器を備えた変圧器及びインバータ電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ電源装置は、直流電源から供給された直流をスイッチング制御によって交流に変換するインバータ回路と、変換された交流の電圧値を所要の電圧値に変換する変圧器と、電圧変換された交流を整流して外部の負荷へ供給する整流回路とを備える。インバータ回路のスイッチング動作は制御部によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。具体的には、制御部は、負荷へ供給される直流の電流値が所要の電流値になるようにフィードバック制御を行っている。
【０００３】
インバータ電源装置においては、変圧器の偏磁が問題である。偏磁は、負荷の変動、スイッチング素子の特性のバラツキ等の種々の要因により発生する。例えば、溶接用のインバータ電源装置の場合、負荷が頻繁に大きく変動するため、偏磁が生じ易い。変圧器を構成する変圧器コアの偏磁が進行して磁気飽和に至ると、インバータ回路に過電流が流れ、スイッチング素子が破損する。かかる偏磁の問題を解決する技術として、偏磁が生じないように制御可能な種々のインバータ電源装置、変圧器に生じた偏磁を検出する偏磁検出器、ホール素子を備えた変圧器等が知られている。
【０００４】
特許文献１には、変圧器コアに巻回された検出用コイルに誘起する電圧を時間積分し、積分値の平均がゼロになるようにインバータ回路をＰＷＭ制御するインバータ電源装置が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、変圧器コアを通る磁束の一部を迂回させるＵ字板状の鉄心を変圧器コアに設け、鉄心に検出コイルを巻回してなる偏磁検出器が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、変圧器の一次コイル及び二次コイルの電流をそれぞれ検出し、各コイルの電流値及び巻き数比を用いて偏磁の有無を判定するインバータ電源装置が開示されている。インバータ電源装置は、偏磁が発生していると判定した場合、インバータ回路のスイッチング素子を一定期間オフ状態に制御することによって偏磁を解消する。
【０００７】
特許文献４には、変圧器コアの間隙にホール素子を配置し、間隙に生じた磁束を検出するように構成した変圧器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１８７５７５号公報
【特許文献２】特開平１１−４０４２９号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０５１１号公報
【特許文献４】特開２００４−９６０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１においては、変圧器コアに巻回された検出用コイルの電圧を監視しているため、変圧器コアに生ずる磁束を間接的ないし推定的に検出しているに過ぎず、変圧器コアの残留磁気、即ち磁束の直流成分を検出することはできず、偏磁の問題が十分に解消されないという問題がある。
【００１０】
特許文献２においても、鉄心に巻回された検出コイルを用いて偏磁を検出する構成であるため、特許文献１と同様の問題がある。また、変圧器コアを通る磁束の一部を迂回させる鉄心の断面積を大きくすることが難しいという問題がある。当該鉄心を通る磁束は変圧器コアを通る磁束に対して非常に小さく、磁束の検出は困難である。
【００１１】
特許文献３においては、一次コイル及び二次コイルの巻き数比を用いて偏磁の有無を判定する構成であるため、仕様が異なる変圧器毎に巻き数比の設定を変更する必要があるという問題がある。また、一次コイルに印加される電圧には、インバータ回路のスイッチングノイズが含まれるため、精度良く偏磁を検出することができないという問題がある。
【００１２】
特許文献４においては、変圧器コアを通る磁束が大きい場合、一般的なホール素子ＩＣでは磁束の検出範囲を超えてしまうという問題がある。また、一般的な変圧器の製造工程には、変圧器コアをワニスに含浸させることによって、絶縁性及び機械的強度を向上させる工程が含まれる。従って、ワニスに浸食されず、しかも２００度程度の高温乾燥によっても変形、特性変化が起こらない磁気センサが必要である。また、変圧器の製造段階でホール素子ＩＣを取り付けておく必要があり、製造コストが高くなるという問題がある。
【００１３】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、変圧器を通る磁束の大きさ、コイルの巻き数比等の仕様に拘わらず、変圧器コアを通る磁束を外部から直接的に検出することができる磁束検出器、変圧器及びインバータ電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る磁束検出器は、間隙を有する変圧器コアを通る磁束を、該変圧器コアの外部から検出する磁束検出器であって、前記変圧器コアの間隙から漏洩した磁束が流入する間隙を有する環状のコアと、該コアを通る磁束を検出する検出部とを備える。
【００１５】
本発明にあっては、変圧器コアを通る磁束の一部が変圧器コアの間隙から漏洩し、漏洩した磁束は間隙を通じてコアに流入する。検出部は該コアを通る磁束を検出する。変圧器コアの透磁率は、空気の透磁率に比べて大きいため、一般的に変圧器の間隙から漏洩する磁束は非常に小さく、単純に間隙近傍に検出部を配置しても変圧器コアを通る磁束を検出することができない。しかし、本発明に係る磁束検出器は、間隙を有するコアを備えているため、変圧器コアの間隙と、磁束検出器の間隙とを対向させることにより、変圧器コアの間隙から漏洩する磁束を増大させることができる。なお、間隙を対向させる際、磁束検出器のコアと、変圧器コアとを接触させても良いし、離隔させても良い。検出部は、このように変圧器コアから漏洩してコアに流入した磁束を検出することができる。検出部は、変圧器コアからコアへ流入した磁束を直接的に検出しているため、変圧器コアに残留している直流の磁束も検出することができる。
また、Ｕ字板状の鉄心を用いて変圧器コアの磁束を迂回させる構成に比べて、コアに流入する磁束の大きさを検出部の検出範囲に入るように設計することは容易である。
更に、検出部は、変圧器の一次コイル及び二次コイルに流れる電流を用いて磁束を検出する構成ではないため、変圧器コアに巻回された一次コイル及び二次コイルの巻き数比に拘わらず、変圧器コアを通る磁束を検出することができる。また、本発明に係る磁束検出器は磁束を直接的に検出しているため、インバータ回路のスイッチングノイズが問題になることは無い。
更にまた、変圧器コアの間隙における磁束の大きさが検出部の検出限界を超えている場合であっても、変圧器コアを通る磁束の一部が間隙からコアへ流入し、コアに流入した磁束を変圧器の外部で検出する構成であるため、変圧器コアの磁束を検出することができる。また、検出部は変圧器コアの外部に配置されるため、変圧器の製造工程に耐え得る特殊な磁気センサを用いる必要は無く、低コストで磁束検出器を構成することができる。
なお、コアの間隙は、変圧器コアから漏洩した磁束がコアに流入する構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無い。例えば、コアの一部を完全に断絶させて間隙を形成する必要は無く、コアに溝状又はスリット状部分を形成することによって、部分的に間隙を形成しても良い。
【００１６】
本発明に係る磁束検出器は、前記コアは、磁束が流入する前記間隙を有する部位と異なる部位に第２の間隙を有し、前記検出部は、前記第２の間隙に配されており、該第２の間隙を通る磁束の向き及び大きさに応じた信号を出力する磁気センサを備える構成が好ましい。
【００１７】
本発明にあっては、磁気センサは、コアを通る磁束の向き及び大きさに応じた信号、つまり変圧器コアを通る磁束の向き及び大きさに応じた信号を出力することができる。また、コアの第２の間隙に配された磁気センサによって、コアを通る磁束を検出する構成であるため、コアに検出用巻線を巻回するような構成に比べて、より小さな磁束も検出することができる。
なお、第２の間隙は、コアを通る磁束が第２の間隙から流出入して磁気センサを通る構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無い。例えば、コアの一部を完全に断絶させて第２の間隙を形成する必要は無く、コアに溝状又はスリット状部分を形成することによって、部分的に第２の間隙を形成しても良い。
【００１８】
本発明に係る変圧器は、上述のいずれか一つの磁束検出器と、間隙を有する変圧器コアと、非磁性体材料からなり、前記変圧器コアの間隙、及び磁束が流入する前記コアの間隙が対向するように前記コアを支持する支持部とを備える。
【００１９】
本発明にあっては、変圧器コアの間隙と、磁束検出器のコアの間隙とが対向するように、支持部が磁束検出器のコアを支持している。変圧器は、自身の変圧器コアを通る磁束を、磁束検出器によって検出し、磁束の向き及び大きさに応じた信号を出力することができる。
なお、変圧器コアの間隙は、変圧器コアから磁束検出器のコアに磁束が漏洩する構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無い。例えば、変圧器コアの一部を完全に断絶させて間隙を形成する必要は無く、変圧器コアに溝状又はスリット状部分を形成することによって、部分的に間隙を形成しても良い。
【００２０】
本発明に係る変圧器は、前記支持部は、前記コアを、前記変圧器コア及び前記コアの位置関係を変更可能に支持する構成が好ましい。
【００２１】
本発明にあっては、変圧器コア及びコアの位置関係を変更することが可能である。従って、変圧器コアの間隙と、コアの間隙との位置関係を変更することが可能であり、変圧器コアの間隙からコアへ流入する磁束の大きさを調整することができる。従って、コアを通る磁束の大きさを検出部の検出範囲に調整することができる。よって、変圧器コアを通る磁束の大きさに関わらず、変圧器コアを通る磁束を精度良く検出することができる。
【００２２】
本発明に係るインバータ電源装置は、直流を交流に変換するインバータ回路と、間隙を有する変圧器コアを有し、該インバータ回路にて変換された交流を変圧する変圧器と、該変圧器にて変圧された交流を直流に整流する整流回路と、前記変圧器コアを通る磁束を検出する上述のいずれか一つに記載の磁束検出器と、該磁束検出器にて検出された磁束に基づいて、前記インバータ回路の動作を制御する制御部とを備える。
【００２３】
本発明にあっては、インバータ電源装置を構成する変圧器コアの磁束を、磁束検出器によって検出することができ、制御部は、インバータ回路の動作を、磁束検出器にて検出された磁束に応じて制御することができる。
【００２４】
本発明に係るインバータ電源装置は、前記検出部は、前記コアを通る磁束の向きが所定方向である場合、該磁束の大きさに応じた電圧レベルを有する所定極性の第１信号を出力し、磁束の向きが前記所定方向と逆方向である場合、該磁束の大きさに応じた電圧レベルを有する逆極性の第２信号を出力するように構成してあり、前記制御部は、前記検出部から出力される第１信号及び第２信号の電圧レベルの絶対値を平衡させるように、前記インバータ回路のスイッチングを制御する構成が好ましい。
【００２５】
本発明にあっては、検出部は、コアを通る磁束の向き及び大きさに応じた第１信号及び第２信号を出力し、制御部は、検出部から出力された第１信号及び第２信号の電圧レベルの絶対値を平衡させるように、インバータ回路のスイッチングを制御する。例えば、制御部は、第１信号の絶対値が第２信号の絶対値に比べて大きい傾向にある場合、コアを通る所定方向の磁束が減少し、又は該所定方向と逆方向の磁束が増大するように、スイッチングを制御する。同様に、制御部は、第２信号の絶対値が第１信号の絶対値に比べて大きい傾向にある場合、コアを通る所定方向の磁束が増大し、又は該所定方向と逆方向の磁束が減少するように、スイッチングを制御する。第１信号及び第２信号の電圧レベルの絶対値が平衡している状態は、変圧器のコアに偏磁が生じていない状態に対応する。従って、制御部は、変圧器コアに偏磁が発生しないようにインバータ回路のスイッチングを制御することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、変圧器コアを通る磁束の大きさ、コイルの巻き数比等の仕様に拘わらず、変圧器コアを通る磁束を外部から直接的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態１に係る磁束検出器の一構成例を示す斜視図である。
【図２】本実施形態１に係る磁束検出器の一構成例を示す正面図である。
【図３】検出部の一構成例を示す回路図である。
【図４】本実施形態２に係る変圧器の一構成例を示す斜視図である。
【図５】磁束検出器を取り外した状態において変圧器コアに生成される磁束を示した磁束密度分布図及びグラフである。
【図６】変圧器コアの間隙と、検出器コアの第１間隙の向きを一致させた状態における変圧器コア及び検出器コアを示す斜視図である。
【図７】変圧器コアの間隙と、検出器コアの第１間隙の向きを一致させた状態において、検出器コアに流入した磁束を示した磁束密度分布図及びグラフである。
【図８】変形例に係る支持部の一構成例を示す側面図及び上面図である。
【図９】変圧器コアの間隙と、検出器コアの第１間隙の向きを傾けた状態における変圧器コア及び検出器コアを示す斜視図である。
【図１０】変圧器コアの間隙と、検出器コアの第１間隙の向きを傾けた状態において、検出器コアに流入した磁束を示した磁束密度分布図及びグラフである。
【図１１】実施形態３に係るインバータ電源装置の一構成例を示す回路図である。
【図１２】制御部の一構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施形態１）
図１は本実施形態１に係る磁束検出器１の一構成例を示す斜視図、図２は本実施形態１に係る磁束検出器１の一構成例を示す正面図である。本発明の実施形態１に係る磁束検出器１は、アルミニウム、ステンレス鋼、樹脂等の非磁性体材料からなる扁平略直方体形状の筐体１０を備え、該筐体１０は変圧器コア２１の間隙２１ｃから漏洩した磁束が流入する検出器コア１１と、該検出器コア１１を通る磁束を検出する検出部１２とを収容している。
【００２９】
検出器コア１１は、正面視が略Ｕ字状をなす第１検出器コア半体１１ａと、該第１検出器コア半体１１ａと略同形の第２検出器コア半体１１ｂとを有する。第１及び第２検出器コア半体１１ａ、１１ｂは、第１検出器コア半体１１ａの各端部と、第２検出器コア半体１１ｂの各端部とがそれぞれ離隔して対向し、全体として環状をなす姿勢で筐体１０内に固定されている。検出器コア１１は、フェライト、磁性金属、積層鋼板、磁性粉の圧粉体等からなる軟磁性体にて構成すると良い。以下、第１検出器コア半体１１ａの一端部と、第２検出器コア半体１１ｂの一端部とが対向してなり、変圧器コア２１の間隙２１ｃから漏洩した磁束が流入する離隔部位を第１間隙１１ｃという。また、第１検出器コア半体１１ａの他端部と、第２検出器コア半体１１ｂの他端部とが対向してなり、検出部１２が配される離隔部位を第２間隙１１ｄという。
【００３０】
筐体１０は、正面視において略長方形状をなす板部１０ａと、該板部１０ａの長辺部分に設けられた第１側壁１０ｂ及び第２側壁１０ｃと、短辺部分に設けられた第３側壁１０ｄ及び第４側壁１０ｅとを有する。筐体１０に収容された検出器コア１１の第１間隙１１ｃは第１側壁１０ｂに近接して対向し、第２間隙１１ｄは第２側壁１０ｃに近接して対向している。
【００３１】
筐体１０を構成する板部１０ａの外面の適宜箇所には、非磁性体材料からなり、磁束検出器１を変圧器に固定（図４参照）するための固定部１３が形成されている。例えば固定部１３は、板部１０ａの第１側壁１０ｂ寄り、長手方向略中央部に形成されている。固定部１３は、第１側壁１０ｂと略面一をなす平板部１３ａを有し、該平板部１３ａにはネジ止め用の孔部１３ｂが形成されている。
【００３２】
検出部１２は、第２間隙１１ｄに配されている。検出器コア１１を通る磁束は、第１検出器コア半体１１ａ及び第２検出器コア半体１１ｂの一方の端部から流出して、検出部１２を通り、他方の端部に流入する。検出部１２は、第２間隙１１ｄにおいて自身を通る磁束、つまり検出器コア１１の磁束を検出する。
【００３３】
図３は、検出部１２の一構成例を示す回路図である。検出部１２は、第２間隙１１ｄに配されており、第２間隙１１ｄを通る磁束の向き及び大きさに応じた磁束信号を出力する磁気センサ１２ａを備える。磁気センサ１２ａは、例えばホール素子を有するホールＩＣである。磁気センサ１２ａは、制御電流を流すための一対の入力端子と、磁束センサに加えられた磁束の大きさ及び方向並びに制御電流の大きさに応じた電圧を出力する一対の出力端子とを有する。一の入力端子は電源電位Ｖｃｃに接続され、他の入力端子は定電流回路１２ｂを介してグランド電位に接続されている。磁気センサ１２ａの出力端子は、増幅器１２ｃの入力端子に接続されており、増幅器１２ｃは磁気センサ１２ａから出力された電圧を増幅し、増幅して得られる磁束信号を出力端子から外部へ出力する。磁束信号を外部出力するための図示しない端子又は信号線は、変圧器コア２１からの漏洩磁束の影響を避けるために、第２側壁１０ｃ側に設けると良い。
このように構成された磁気センサ１２ａの出力端子から出力及び増幅された磁束信号の電圧レベルは、磁気センサ１２ａを通る磁束の大きさ、換言すると変圧器コア２１を通る磁束に比例する。また、磁束信号の極性は、磁束の向きによって異なる。磁束信号は、検出器コア１１を通る磁束の向きが所定方向である場合、正電圧であり、検出器コア１１を通る磁束の向きが前記所定方向と逆方向である場合、負電圧である。所定方向は、例えば、図２中、磁束が第２間隙１１ｄを上方から下方へ流れる方向である。
【００３４】
このように構成された磁束検出器１にあっては、図２に示すように、変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとを対向させると、間隙２１ｃから漏洩する磁束が増大し、当該磁束の一部が、変圧器コア２１の間隙２１ｃから第１間隙１１ｃを通じて検出器コア１１に流入する。検出器コア１１に流入した磁束は、第１及び第２検出器コア半体１１ａ、１１ｂを通り、第２間隙１１ｄにも磁束が発生する。検出部１２は、第２間隙１１ｄに配されているため、検出器コア１１を通る磁束、言い換えると変圧器コア２１を通る磁束の向き及び大きさに応じた極性及び電圧レベルを有する磁束信号を出力する。
【００３５】
以上の通り、本実施形態１に係る磁束検出器１によれば、変圧器コア２１を通る磁束を変圧器コア２１の外部から直接的に検出することができる。具体的には、磁束検出器１の検出部１２は、検出器コア１１を通る磁束の向き及び大きさに応じた磁束信号、つまり変圧器コア２１を通る磁束の向き及び大きさに応じた極性及び電圧レベルを有する磁束信号を出力することができる。
なお、本実施形態１に係る磁束検出器１にあっては、変圧器コア２１を通る磁束を変圧器コア２１の外部から非接触で直接的に検出することができるが、変圧器コア２１に検出器コア１１を接触させて磁束を検出することもできる。ただし、変圧器コア２１と、検出器コア１１とを離隔させて磁束を検出する方が好ましい。検出器コア１１の発熱の問題があるためである。
【００３６】
また、磁束検出器１は、変圧器２を通る磁束の大きさ、コイルの巻き数比等の仕様に拘わらず、変圧器コア２１の磁束を検出することができる。
【００３７】
更に、検出部１２は、変圧器コア２１から検出器コア１１へ流入した磁束を直接的に検出しているため、変圧器コア２１に残留している直流の磁束も検出することができる。
【００３８】
更にまた、検出部１２又は磁気センサ１２ａは、変圧器コア２１の外部に配されるため、変圧器コア２１の間隙２１ｃにおける磁束の大きさが検出部１２の検出限界を超えている場合であっても、変圧器コア２１の磁束を検出することができる。
【００３９】
更にまた、検出部１２は変圧器コア２１の外部に配置されるため、変圧器２の製造工程に耐え得る特殊な検出部１２又は磁気センサ１２ａを用いる必要は無く、低コストで磁束検出器１を構成することができる。
【００４０】
更にまた、検出器コア１１の第２間隙１１ｄに配された磁気センサ１２ａによって、コアを通る磁束を検出する構成であるため、小さな磁束も検出することができる。
【００４１】
なお、実施形態１においては、磁気センサ１２ａとしてホール素子を説明したが、ホール素子は一例であり、磁束によって特性が変化する磁気抵抗素子、ファラデー素子、その他の公知のセンサを採用しても良い。
【００４２】
また、検出部１２を構成する回路を筐体１０の内部に収容する例を説明したが、検出部１２を構成する磁気センサ１２ａ以外の回路を筐体１０の外部に配置しても良い。
【００４３】
更に、磁気センサ１２ａを検出器コア１１の第２間隙１１ｄに配置する例を説明したが、検出器コア１１を通る磁束を検出可能な位置であれば、第２間隙１１ｄの外部に磁気センサ１２ａを配置しても良い。この場合、検出器コア１１を第１間隙１１ｃのみを有する略Ｃ字状に形成しても良い。
【００４４】
更にまた、検出器コア１１の第１間隙１１ｃは、磁束検出器１から漏洩した磁束が検出器コア１１に流入する構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無く、検出器コア１１に溝状又はスリット状部分を形成することによって、部分的に第１間隙１１ｃを形成しても良い。第２間隙１１ｄも、第１間隙１１ｃと同様、検出器コア１１の第２間隙１１ｄから磁束が流出入して磁気センサ１２ａを通る構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無い。
【００４５】
（実施形態２）
図４は本実施形態２に係る変圧器２の一構成例を示す斜視図である。本発明の実施形態２に係る変圧器２は変圧器コア２１及び実施形態１に係る磁束検出器１とを備える。変圧器コア２１は、正面視が略Ｕ字状をなす第１変圧器コア半体２１ａと、該第１変圧器コア半体２１ａと略同形の第２変圧器コア半体２１ｂとを備え、第１及び第２変圧器コア半体２１ｂは、第１変圧器コア半体２１ａの各端部と、第２変圧器コア半体２１ｂの各端部とが間隙２１ｃを有してそれぞれ対向し、全体として環状をなす姿勢で固定されている。変圧器コア２１は、フェライト、磁性金属、積層鋼板、磁性粉の圧粉体等からなる軟磁性体にて構成すると良い。第１変圧器コア半体２１ａには、一次コイル２２が巻回され、第２変圧器コア半体２１ｂには二次コイル２３が巻回されている。
【００４６】
なお、変圧器コア２１の間隙２１ｃは、変圧器２から磁束が漏洩し、検出器コア１１へ流入する構成であれば、変圧器コア２１の構成及び間隙２１ｃの形状は特に限定されない。例えば、変圧器コア２１はＥＩ型、ＥＥ型であっても良く、ＥＩ型コアのセンター脚の間隙、スペーサを介装させることによって形成したその他の間隙から磁束が漏洩し、検出器コア１１に流入するように構成しても良い。また、変圧器コア２１に溝状又はスリット状部分を形成することによって、部分的に間隙２１ｃを形成しても良い。
【００４７】
また、変圧器２は、変圧器コア２１を支持すると共に、変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとが対向するように磁束検出器１を支持する支持部２０を備える。支持部２０は、アルミニウム、ステンレス鋼、樹脂等の非磁性体材料にて形成されており、地面、水平台等に固定される略長方形状の基板２０ａを備える。該基板２０ａの両端部には、変圧器コア２１を挾持するように支持する第１及び第２支持板２０ｂ、２０ｃが略垂直に形成されており、変圧器コア２１は２つの間隙２１ｃが第１及び第２支持板２０ｂ、２０ｃの内面にそれぞれ近接して対向し、間隙２１ｃの面が略水平になる姿勢で第１及び第２支持板２０ｂ、２０ｃに固定されている。なお、支持部２０の形状及び変圧器２の支持姿勢は一例であり、これに限定されるものではない。
第２支持板２０ｃの外面には磁束検出器１が固定されている。例えば、第２支持板２０ｃの外面に、磁束検出器１の筐体１０を構成する第１側壁１０ｂ及び固定部１３の平板部１３ａを面接触させた状態で、孔部１３ｂにネジを挿通させて筐体１０が第２支持板２０ｃにネジ止めされている。
【００４８】
図５は磁束検出器１を取り外した状態において変圧器コア２１に生成される磁束を示した磁束密度分布図及びグラフである。図５Ａは一次コイル２２に電流を流したときに生成される磁束密度を３次元有限要素法解析によって解析した結果を示す磁束密度分布図であり、図５Ｂは変圧器コア２１に生成される磁束密度の大きさを示すグラフである。図５Ｂに示すグラフの横軸は、図５Ａ中、２点鎖線で示すように変圧器コア２１の２つの各間隙２１ｃの中心を通る直線上の位置を示している。グラフの縦軸は、当該直線上における磁束密度の大きさを示している。磁束密度の単位はテスラである。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、変圧器コア２１から磁束検出器１が取り外されている状態においては、変圧器コア２１を通る磁束密度が約１２０ｍＴであるのに対して、変圧器コア２１の間隙２１ｃから外部へ漏洩する磁束は僅かであり、その磁束密度は数ｍＴ程度である。
【００４９】
図６は変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃの向きを一致させた状態における変圧器コア２１及び検出器コア１１を示す斜視図、図７は変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃの向きを一致させた状態において、検出器コア１１に流入した磁束を示した磁束密度分布図及びグラフである。図７Ａ及び図７Ｂは、図５と同様の磁束密度分布図及びグラフである。
図６に示すように、側面視において変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとを、その向きが一致するように対向配置させると、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、変圧器コア２１の間隙２１ｃから漏洩する磁束が増大し、漏洩した磁束が第１間隙１１ｃを通じて検出器コア１１に流入していることが分かる。また、検出器コア１１に磁束が流入すると、検出器コア１１の第２間隙１１ｄにも磁束が発生する。第２間隙１１ｄには、２０ｍＴ程度の磁束が発生している。検出部１２は、第２間隙１１ｄに発生した磁束を検出し、磁束検出器１は、変圧器コア２１を通る磁束の向き及び大きさに応じた極性及び電圧レベルを有する磁束信号を出力することができる。
【００５０】
以上の通り、本実施形態２に係る変圧器２によれば、支持部２０に支持された磁束検出器１によって、自身の変圧器コア２１を通る磁束を検出し、検出された磁束の向き及び大きさを示す磁束信号を外部出力することができる。磁束信号は、偏磁の検出、検出された偏磁に応じた各種制御に利用することができる。
なお、本実施形態２では、変圧器コア２１及び検出器コア１１を非接触配置する構成を例示したが、変圧器コア２１と、検出器コア１１とが接触するように構成しても良い。ただし、実施形態１で説明したように、変圧器コア２１と、検出器コア１１とを離隔させる構成が好ましい。
【００５１】
（変形例）
上述の実施形態２においては、変圧器コア２１及び検出器コア１１の位置関係が所定位置に固定されている例を説明したが、支持部２０は、磁束検出器１を、検出器コア１１及び変圧器コア２１の位置関係を変更可能に支持するように構成しても良い。
【００５２】
図８は変形例に係る支持部１２０の一構成例を示す側面図及び平面図である。変形例に係る第２支持板１２０ｃは、側面視において変圧器コア２１の間隙２１ｃと略同じ高さの位置にネジ孔１２０ｄを有する。好ましくは、ネジ孔１２０ｄを用いて磁束検出器１を第２支持板１２０ｃに固定した場合に、側面視において変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとが同一方向を向き、変圧器コア２１の幅方向中央部に検出器コア１１が位置するように、ネジ孔１２０ｄを形成すると良い。
【００５３】
また、第２支持板１２０ｃは、側面視においてネジ孔１２０ｄと同じ高さで、幅方向略中央の位置を中心にして、ネジ孔１２０ｄと等距離にある複数の他のネジ孔１２０ｅ，１２０ｆを有する。ネジ孔１２０ｅは、前記幅方向略中央の位置を中心にして、ネジ孔１２０ｄを通る水平面から所定の第１角度（例えば、約２０度）をなす位置に設けられており、ネジ１２０ｆは、所定の第２角度（例えば、約４５度）をなす位置に設けられている。
【００５４】
更に、第２支持板１２０ｃと、磁束検出器１との間には、図８Ｂに示すように検出器コア１１と、変圧器コア２１との距離を調整するための位置調整板２４が交換可能に介装されている。なお、図８Ａにおいては、作図の便宜上、位置調整板２４の図示を省略した。
【００５５】
図８Ａに示すように、ネジ孔１２０ｄを用いて磁束検出器１を第２支持板１２０ｃに固定し、変圧器コア２１の間隙２１ｃ及び検出器コア１１の第１間隙１１ｃの中心を合わせることによって、側面視において間隙２１ｃと、第１間隙１１ｃとを同方向に一致させることができる。この場合、検出器コア１１に流入する磁束の大きさが最大になり、変圧器コア２１を通る磁束が小さくても、当該磁束を検出することができる。
また、ネジ孔１２０ｅを用いて磁束検出器１を第２支持板１２０ｃに固定し、変圧器コア２１の間隙２１ｃ及び検出器コア１１の第１間隙１１ｃの中心を合わせることによって、側面視において、変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとが第１角度をなすようにすることができる。同様に、ネジ孔１２０ｆを用いることによって、側面視において変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとが第２角度をなすようにすることができる。このように、側面視において、変圧器コア２１の間隙２１ｃに対して検出器コア１１の第１間隙１１ｃを傾けることにより、変圧器コア２１から検出器コア１１に流入する磁束の大きさを調整することが可能になる。
更に、図８Ｂに示すように介装された位置調整板２４を厚みが異なる他の位置調整板２４に交換し、又は位置調整板２４を着脱することにより、変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとの距離を変更することができ、変圧器コア２１から検出器コア１１に流入する磁束の大きさを調整することができる。
【００５６】
以下、検出器コア１１及び変圧器コア２１の位置関係を変更することにより、検出器コア１１の第２間隙１１ｄを通る磁束が変化することを説明する。特に、変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとの傾きによって、第２間隙１１ｄの磁束が変化することを説明する。変圧器コア２１及び検出器コア１１の距離によって磁束が変化することは容易に予想されるため、詳細な説明を省略する。
【００５７】
図９は変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃの向きを傾けた状態における変圧器コア２１及び検出器コア１１を示す斜視図である。検出器コア１１及び変圧器コア２１は、側面視において変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃとが略４５度の角度をなすような位置関係で対向している。
【００５８】
図１０は変圧器コア２１の間隙２１ｃと、検出器コア１１の第１間隙１１ｃの向きを異なる向きにした状態において、検出器コア１１に流入した磁束を示した磁束密度分布図及びグラフである。図１０Ａ及び図１０Ｂは、図５と同様の磁束密度分布図及びグラフである。図９に示すような位置関係で検出器コア１１及び変圧器コア２１を対向配置させると、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、変圧器コア２１を通る磁束密度は、当該変圧器コア２１の間隙２１ｃから第１間隙１１ｃを通じて検出器コア１１に流入するが、図７と比較して、第２間隙１１ｄを通る磁束密度が小さくなっていることが分かる。具体的には、図７及び図１０を比較すると、第２間隙１１ｄにおける磁束密度が約５０％低減している。
【００５９】
以上の通り、変形例に係る変圧器２によれば、検出器コア１１及び変圧器コア２１の位置関係を調整することによって、第２間隙１１ｄを通る磁束密度の大きさを所要の大きさに調整することができる。従って、検出器コア１１に流入する磁束の量を調整し、検出部１２を通る磁束の大きさを調整することができる。よって、変圧器コア２１を通る磁束の大きさに関わらず、変圧器コア２１を通る磁束を精度良く検出することができる。
【００６０】
なお、変形例においては、検出器コア１１及び変圧器コア２１の位置関係を調整する方法を説明したが、言うまでもなく、設計段階で変圧器コア２１の間隙２１ｃの離隔距離を調整することによって、検出器コア１１に流入する磁束の大きさを調整しても良い。同様に、検出器コア１１の第１間隙１１ｃの離隔距離を調整することによって、検出器コア１１に流入する磁束の大きさを調整しても良い。
【００６１】
（実施形態３）
図１１は実施形態３に係るインバータ電源装置３の一構成例を示す回路図である。本発明の実施形態３に係るインバータ電源装置３は、絶縁型であり、例えば、溶接用電源として利用される。インバータ電源装置３は、制御部３０と、第１整流回路３１及び平滑コンデンサＣ１と、インバータ回路３２と、変圧器２と、第２整流回路３３と、直流リアクトル３４及び平滑コンデンサＣ２と、出力電流検出部３５とを備える。
【００６２】
第１整流回路３１は、例えばダイオードブリッジ回路である。ダイオードブリッジは図示しない２つの順接続されたダイオードからなる直列回路を３組並列させた回路構成である。第１整流回路３１の入力端子は３相交流電源４に接続されており、第１整流回路３１の出力端子対には平滑コンデンサＣ１の各端子が接続されている。第１整流回路３１は、３相交流電源４から供給される交流を全波整流し、平滑コンデンサＣ１にて平滑化された直流をインバータ回路３２へ出力する。
【００６３】
インバータ回路３２は、第１整流回路３１及びコンデンサＣ１にて整流及び平滑化された直流を高周波の交流に変換して変圧器２へ出力する回路であり、第１乃至第４スイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄで構成される。第１乃至第４スイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等のパワーデバイスである。以下、本実施形態では第１乃至第４スイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄをＩＧＢＴとして説明する。なお、第１乃至第４スイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄには、図示しない還流ダイオードが設けられている。平滑コンデンサＣ１の正極側端子には第１及び第３スイッチング素子３２ａ、３２ｃのコレクタが接続している。第１スイッチング素子３２ａ及び第３スイッチング素子３２ｃのエミッタはそれぞれ第２及び第４スイッチング素子３２ｂ、３２ｄのコレクタに接続し、第２及び第４スイッチング素子３２ｂ、３２ｄのエミッタは平滑コンデンサＣ１の負極側端子に接続している。
【００６４】
変圧器２は、インバータ回路３２から出力された交流の電圧値を所要の電圧値に変圧し、変圧された交流を第２整流回路３３へ出力するものである。変圧器２は、変圧器コア２１に巻回され、磁気結合した一次コイル２２及び二次コイル２３を備える。変圧器２の構成は実施形態２において説明した通りであり、変圧器２には変圧器コア２１を通る磁束を検出し、検出した磁束に応じた磁束信号を制御部３０へ出力する磁束検出器１が設けられている。一次コイル２２の一端は第１スイッチング素子３２ａのエミッタ及び第２スイッチング素子３２ｂのコレクタに接続され、一次コイル２２の他端は第３スイッチング素子３２ｃのエミッタ及び第４スイッチング素子３２ｄのコレクタに接続されている。
【００６５】
第２整流回路３３は、変圧器２から出力された交流を整流する回路であり、整流された直流は平滑コンデンサＣ２及び直流リアクトル３４により平滑化されて出力端子から負荷５へ出力される。負荷５は、例えば溶接に係るアーク負荷である。第２整流回路３３は、例えばセンタータップを用いた全波整流回路である。第２整流回路３３の正極出力端子には、直流リアクトル３４の一端部が接続されている。直流リアクトル３４の他端部及び第２整流回路３３の負極出力端子には平滑コンデンサＣ２の各端子が接続され、平滑コンデンサＣ２の各端子はインバータ電源装置３の出力端子に接続されている。
【００６６】
出力電流検出部３５は、例えば、第２整流回路３３の負極出力端子に接続されており、インバータ電源装置３から負荷５へ流れる電流を検出し、検出した電流値を示す出力電流値信号を制御部３０へ出力する回路である。
【００６７】
制御部３０は、インバータ回路３２を構成する第１乃至第４スイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄのオンオフをＰＷＭ制御する回路である。具体的には、制御部３０は、第１及び第４スイッチング素子３２ａ、３２ｄをオン状態にした導通状態と、第２及び第３スイッチング素子３２ｂ、３２ｃをオン状態にした導通状態とを交互に切り替えることにより、インバータ回路３２から交流を出力させる。制御部３０には、出力電流検出部３５から出力された出力電流値信号と、磁束検出器１から出力された磁束信号とが入力される。制御部３０は、出力電流検出部３５から出力される出力電流値信号の電圧レベルが、設定された所要の電流値に応じた電圧になるように第１乃至第４スイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄのオン時間を増減させる。また、制御部３０は、磁束検出器１から出力される磁束信号の正負が平衡するように、第１及び第４スイッチング素子３２ａ、３２ｄのオン時間と、第２及び第３スイッチング素子３２ｂ、３２ｃのオン時間とを増減させる。つまり、制御部３０は、変圧器コア２１に生じた偏磁が解消されるように、第１乃至第４スイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄのオン時間のバランスを調整する。
【００６８】
図１２は制御部３０の一構成例を示す回路図である。制御部３０は、基準信号発振回路３０ａ、基準信号変調回路３０ｂ、積分回路３０ｃ、パルス幅変調回路３０ｄ、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）補償器３０ｅ、出力電流設定回路３０ｆ、同期回路３０ｇ及び駆動回路３０ｆを備える。
【００６９】
基準信号発振回路３０ａは、インバータ回路３２のオンオフ周期の２倍の周期で三角波の基準信号を基準信号変調回路３０ｂ及び同期回路３０ｇへ出力する回路である。積分回路３０ｃは、磁束検出器１から出力された磁束信号を積分し、積分して得られる積分信号を基準信号変調回路３０ｂへ出力する回路である。
ここでは、第１及び第４スイッチング素子３２ａ、３２ｄがオン状態である場合、検出器コア１１を通る磁束の向きが所定方向で磁束信号が正電圧となり、第２及び第３スイッチング素子３２ｂ、３２ｃがオン状態である場合、検出器コア１１を通る磁束の向きが前記所定方向と逆方向で磁束信号が負電圧になるものとする。
積分信号の正負及び大きさは変圧器コア２１を通る磁束の向き及び大きさの平均に対応しており、積分信号の電圧レベルが正側又は負側に偏っている場合、変圧器コア２１に偏磁が生じていることになる。基準信号変調回路３０ｂは、基準信号から積分信号を減算及び加算することにより変調し、変調して得られる減算変調基準信号と、加算変調基準信号とをパルス幅変調回路３０ｄへ出力する。
【００７０】
パルス幅変調回路３０ｄには、ＰＩＤ補償器３０ｅが接続されており、ＰＩＤ補償器３０ｅには、出力電流設定回路３０ｆ及び出力電流検出部３５が接続されている。出力電流設定回路３０ｆは、設定された目標電流値に応じた電圧レベルを有する目標電流値信号をＰＩＤ補償器３０ｅへ出力する。ＰＩＤ補償器３０ｅは、出力電流検出部３５から出力された出力電流値信号と、出力電流設定回路３０ｆから出力された目標電流値信号とに基づいて、出力電流値が目標電流値になるよう補償するための出力電流補償信号を算出し、算出された出力電流補償信号をパルス幅変調回路３０ｄへ出力する。パルス幅変調回路３０ｄは、減算変調基準信号と、出力電流補償信号とを比較し、比較結果に応じた減算パルス幅変調信号を同期回路３０ｇへ出力する。具体的には、パルス幅変調回路３０ｄは、減算変調基準信号の電圧レベルが出力電流補償信号の電圧レベルよりも高い場合、ハイレベルの減算パルス幅変調信号を出力し、減算変調基準信号の電圧レベルが出力電流補償信号の電圧レベルよりも低い場合、ローレベルの減算パルス幅変調信号を出力する。同様にして、パルス幅変調回路３０ｄは、加算変調基準信号と、出力電流補償信号とを比較し、比較結果に応じた加算パルス幅変調信号を同期回路３０ｇへ出力する。
【００７１】
同期回路３０ｇは、基準信号発振回路３０ａから出力される基準信号に従って、第１及び第４スイッチング素子３２ａ、３２ｄをオン制御するタイミングで減算パルス幅変調信号を駆動回路３０ｆへ出力し、第２及び第３スイッチング素子３２ｂ、３２ｃをオン制御するタイミングで加算パルス幅変調信号を駆動回路３０ｆへ出力する。
【００７２】
駆動回路３０ｆは、同期回路３０ｇから減算パルス幅変調信号が入力された場合、減算パルス幅変調信号がハイレベルである期間、第１及び第４スイッチング素子３２ａ、３２ｄのゲートへオン信号を出力する。同様に、駆動回路３０ｆは、同期回路３０ｇから加算パルス幅変調信号が入力された場合、加算パルス幅変調信号がハイレベルである期間、第２及び第３スイッチング素子３２ｂ、３２ｃのゲートへオン信号を出力する。
【００７３】
以上の通り、実施形態３に係るインバータ電源装置３によれば、インバータ電源装置３を構成する変圧器コア２１の磁束を、磁束検出器１によって検出することができ、制御部３０は、インバータ回路３２の動作を、磁束検出器１にて検出された磁束に応じて制御することができる。
具体的には、制御部３０は、磁束検出器１から出力される磁束信号の積分値がゼロになるようにインバータ回路３２のスイッチング制御を行うことによって、正電圧の磁束信号と、負電圧の磁束信号を平衡させる。より具体的には、積分値が正になる期間が長い程、第１及び第４スイッチング信号のオン期間が短く、第２及び第３スイッチング信号のオン期間が長くなり、変圧器コア２１及び検出器コア１１に発生する所定方向の磁束が抑えられる。逆に、積分値が負になる期間が長い程、第１及び第４スイッチング信号のオン期間が長く、第２及び第３スイッチング信号のオン期間が短くなり、変圧器コア２１及び検出器コア１１に発生する前記所定方向と逆方向の磁束が抑えられる。要するに、偏磁を抑えるように第１乃至第４スイッチング素子３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄのオン期間をバランスさせることができる。
従って、制御部３０は、変圧器コア２１に偏磁が発生しないようにインバータ回路３２のスイッチングを制御することができる。
【００７４】
また、磁束検出器１は、変圧器コア２１を通る磁束を直接的に検出しているため、インバータ回路３２のスイッチングノイズによって磁束の検出精度が低下することは無い。従って、インバータ電源装置３は、変圧器２の偏磁を精度良く検出し、偏磁が抑えられるようにインバータ回路３２のスイッチング制御を行うことができる。
【００７５】
なお、実施形態３では、主にアナログ回路を用いて制御部３０を構成する例を説明したが、制御部３０の構成は一例であり、マイコン、又はマイコン及びアナログ回路を組み合わせて制御部３０を構成しても良い。
【００７６】
また、磁束信号の積分値がゼロになるようにインバータ回路３２のスイッチング制御を行う例を説明したが、あくまで一例であり、制御部３０の制御方法はこれに限定されるものではない。例えば、制御部３０は、正電圧の磁束信号の絶対値と、負電圧の磁束信号の絶対値との差分が閾値未満になるように、インバータ回路３２のスイッチング制御を行っても良い。
更に、磁束信号を用いた本発明に係る制御部３０の制御内容はスイッチング制御に限定されるものでは無く、偏磁を検出した際、インバータ電源装置３の出力を停止させるような制御も含まれる。
【００７７】
更に、本実施形態３では、溶接用のインバータ電源装置３を説明したが、本発明に係るインバータ電源装置３の用途は特に限定されるものでは無く、プラズマ発生装置用電源、その他の任意の用途に適用しても良い。
【００７８】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７９】
１  磁束検出器
２  変圧器
３  インバータ電源装置
４  ３相交流電源
５  負荷
１０  筐体
１１  検出器コア
１１ｃ  第１間隙
１１ｄ  第２間隙
１２  検出部
１２ａ  磁気センサ
１３  固定部
２０，１２０  支持部
２１  変圧器コア
２１ｃ  間隙
２２  一次コイル
２３  二次コイル
２４  位置調整板
３０  制御部
３１  第１整流回路
３２  インバータ回路
３３  第２整流回路
３４  直流リアクトル
３５  出力電流検出部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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