(57)【要約】【課題】大きな電圧が印加された直後における電流の立ち上がりを早くし、かつ時間が経過するとともに電流の増加を抑制する。【解決手段】限流コイル１は、通常の温度の下で（超電導ではない）直流給電において使用される。限流コイル１は、差動接続されたコイル１０とコイル２０を有する。コイル１０とコイル２０は、磁束を通しやすい材料で作られたコアに巻き回される。限流コイル１を直流の給電線の途中に挿入することにより、遮断器やヒューズ等の動作時間を短縮するとともに、過大電流が突発的に生じることを防止することができる。【選択図】図１
2017212324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流給電において使用される直流給電用限流コイルであって、
磁束を通しやすい材料で作られたコアと、
前記コアに巻き回され、差動接続された２つのコイルと、
を備えることを特徴とする直流給電用限流コイル。
【請求項２】
前記コアが、対向する第１のヨークおよび第２のヨークと、当該第１のヨークの一方の端部および当該第２のヨークの一方の端部を連結する第１の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部および当該第２のヨークの他方の端部を連結する第２の脚部とを有し、
前記２つのコイルが、前記第１の脚部または前記第２の脚部に重ね巻きされている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直流給電用限流コイル。
【請求項３】
前記コアが、対向する第１のヨークおよび第２のヨークと、当該第１のヨークの一方の端部および当該第２のヨークの一方の端部を連結する第１の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部および当該第２のヨークの他方の端部を連結する第２の脚とを有し、
前記２つのコイルの一つが、前記第１の脚部に巻き回されており、
前記２つのコイルのもう一つが、前記第２の脚部に巻き回されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直流給電用限流コイル。
【請求項４】
前記コアが、対向する第１のヨークおよび第２のヨークと、当該第１のヨークの一方の端部および当該第２のヨークの一方の端部を連結する第１の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部および当該第２のヨークの他方の端部を連結する第２の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部から延長された第１の拡張ヨークと、当該第２のヨークの他方の端部から延長された第２の拡張ヨークと、当該第１の拡張ヨークにおける前記第１のヨークと反対側の端部と当該第２の拡張ヨークにおける前記第２のヨークと反対側の端部とを連結し、中間にギャップを有する第３の脚部とを有し、
前記２つのコイルの一つが、前記第１の脚部に巻き回されており、
前記２つのコイルのもう一つが、前記第２の脚部に巻き回されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直流給電用限流コイル。
【請求項５】
前記コアが、対向する第１のヨークおよび第２のヨークと、当該第１のヨークの一方の端部および当該第２のヨークの一方の端部を連結する第１の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部および当該第２のヨークの他方の端部を連結する第２の脚部と、当該第１のヨークの中間部分と当該第２のヨークの中間部分を連結し、中間にギャップを有する第３の脚部とを有し、
前記２つのコイルの一つが、前記第１の脚部に巻き回されており、
前記２つのコイルのもう一つが、前記第２の脚部に巻き回されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直流給電用限流コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常の温度の下で（超電導ではない）直流給電において使用される直流給電用限流コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
データセンタ等でサーバに高電圧直流を給電するシステムが知られている。また、スマートグリッドへの適用を目指して、３８０Ｖ程度の高電圧直流（ＨＶＤＣ：Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）送電の研究開発が進められている。
【０００３】
このような高電圧直流の給電線に短絡事故等が発生すると、過大電流が流れるおそれがある。この過大電流は、給電線の途中にコイルを挿入することにより、抑制することができる。電圧が急激に変化するとき、コイルのインダクタンスが電流の急激な変化を抑制する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、遮断器は、過大電流が流れ始めて時間が経過し、電流の累積値が所定の値に達したときに電流を遮断する。
しかし、短絡事故等が発生して大きな電圧が印加されたとき、短絡事故等の発生直後の電流値は小さく、コイルに流れる電流（磁束密度）は時間とともに徐々に上昇する。このため、電流の累積値が遮断器を動作させる値に達し、遮断器が動作して電流が遮断されるまで時間がかかる。
【０００５】
また、コイルの巻線の抵抗は非常に小さい。短絡箇所の抵抗も小さい場合、電流が遮断される前にコイルが磁気飽和すると、インダクタンスが非常に小さくなり、膨大な電流が瞬時に流れるおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、大きな電圧が印加された直後における電流の立ち上がりを早くし、かつ時間が経過するとともに電流の増加を抑制することができる直流給電用限流コイルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の直流給電用限流コイルは、
直流給電において使用される直流給電用限流コイルであって、
磁束を通しやすい材料で作られたコアと、
前記コアに巻き回され、差動接続された２つのコイルと、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、本発明の直流給電用限流コイルは、
前記コアが、対向する第１のヨークおよび第２のヨークと、当該第１のヨークの一方の端部および当該第２のヨークの一方の端部を連結する第１の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部および当該第２のヨークの他方の端部を連結する第２の脚部とを有し、
前記２つのコイルが、前記第１の脚部または前記第２の脚部に重ね巻きされている、
ことを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、本発明の直流給電用限流コイルは、
前記コアが、対向する第１のヨークおよび第２のヨークと、当該第１のヨークの一方の端部および当該第２のヨークの一方の端部を連結する第１の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部および当該第２のヨークの他方の端部を連結する第２の脚とを有し、
前記２つのコイルの一つが、前記第１の脚部に巻き回されており、
前記２つのコイルのもう一つが、前記第２の脚部に巻き回されている、
ことを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、本発明の直流給電用限流コイルは、
前記コアが、対向する第１のヨークおよび第２のヨークと、当該第１のヨークの一方の端部および当該第２のヨークの一方の端部を連結する第１の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部および当該第２のヨークの他方の端部を連結する第２の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部から延長された第１の拡張ヨークと、当該第２のヨークの他方の端部から延長された第２の拡張ヨークと、当該第１の拡張ヨークにおける前記第１のヨークと反対側の端部と当該第２の拡張ヨークにおける前記第２のヨークと反対側の端部とを連結し、中間にギャップを有する第３の脚部とを有し、
前記２つのコイルの一つが、前記第１の脚部に巻き回されており、
前記２つのコイルのもう一つが、前記第２の脚部に巻き回されている、
ことを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、本発明の直流給電用限流コイルは、
前記コアが、対向する第１のヨークおよび第２のヨークと、当該第１のヨークの一方の端部および当該第２のヨークの一方の端部を連結する第１の脚部と、当該第１のヨークの他方の端部および当該第２のヨークの他方の端部を連結する第２の脚部と、当該第１のヨークの中間部分と当該第２のヨークの中間部分を連結し、中間にギャップを有する第３の脚部とを有し、
前記２つのコイルの一つが、前記第１の脚部に巻き回されており、
前記２つのコイルのもう一つが、前記第２の脚部に巻き回されている、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、大きな電圧が印加された直後における電流の立ち上がりを早くし、かつ時間が経過するとともに電流の増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る直流給電用限流コイルの構成の一例を示す模式図である。
【図２】図１の直流給電用限流コイルに印加される電圧とそこに流れる電流の一例を示す図である。
【図３】図１の直流給電用限流コイルの具体的な磁気回路の構成の一例を示す図である。
【図４】図３の磁気回路に電圧Ｅが印加されたときの電流の時間経過の一例を示す図である。
【図５】矩形状のコアの左側の脚部に２つのコイルが重ね巻きされた限流コイルの構成の一例を示す図である。
【図６】矩形状のコアの左側の脚部と右側の脚部に２つのコイルがそれぞれ巻き回された限流コイルの構成の一例を示す図である。
【図７】矩形部に隣接して漏れ磁束の経路が付加されたコアを有する限流コイルの構成の一例を示す図である。
【図８】矩形部の中間に漏れ磁束の経路が付加されたコアを有する限流コイルの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係る直流給電用限流コイルについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る直流給電用限流コイル１の構成の一例を示す。図３は、図１の直流給電用限流コイル１の具体的な磁気回路の構成の一例を示す。
限流コイル１は、コイル１０と、コイル２０と、コア３０とを有する。
コイル１０とコイル２０は、端子Ｔ１と端子Ｔ２の間に直列に差動接続されている。コイル１０とコイル２０の自己インダクタンスをそれぞれＬ１とＬ２、相互インダクタンスをＭとすると、限流コイル１の合成インダクタンスはＬ１＋Ｌ２−２Ｍとなる。
コイル１０とコイル２０は、コア３０に巻かれている。コイル１０とコイル２０の巻線の巻数が同じ場合、Ｌ１＝Ｌ２となる。
コア３０は、鉄のような磁束を通しやすい材料で作られている。ただし、コア３０は、磁束を通しやすい材料であれば、鉄以外の材料で作られていてもよい。
【００１６】
限流コイル１は、直流の給電線の途中に挿入される。短絡事故等が起こり、例えば、図２に示すように、端子Ｔ１と端子Ｔ２をそれぞれ正側と負側として電圧Ｅが印加されると、端子Ｔ１から端子Ｔ２に向けてコイル１０とコイル２０に電流ｉが流れる。
このとき、図３に示すように、電流ｉによって、コア３０の内部に、コイル１０による磁束ΦＭ１とコイル２０による磁束ΦＭ２とが生じる。そして、磁束ΦＭ１と磁束ΦＭ２によってコイル１０とコイル２０にそれぞれ電圧Ｅ１と電圧Ｅ２が生じる。Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２である。コイル１０とコイル２０は差動接続されているため、磁束ΦＭ１と磁束ΦＭ２は互いに打ち消し合う。このため、コイル１０とコイル２０の自己インダクタンスＬ１とＬ２から相互インダクタンス２Ｍが減算される形となり、限流コイル１の合成インダクタンスは小さくなる。
図４に示すように、電圧Ｅが印加された直後は、Ｅ／（Ｌ１＋Ｌ２−２Ｍ）の傾きで電流ｉは増加する。このように、電流ｉの立ち上がりは早い。
【００１７】
また、図３に示すように、電流ｉが流れると、コイル１０からの漏れ磁束ΦＬ１とコイル２０からの漏れ磁束ΦＬ２とが生じる。漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２は、例えば空気中を通る。漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２により、それぞれに対応する漏れインダクタンスが生じる。時間が経過するとともに電流ｉが増加し、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２が増加する。それに起因して磁気回路における磁束の状態が変化し、図４に示すように、電流ｉの増加率は減少し、電流ｉの増加が抑制される。
【００１８】
以下に説明するように、限流コイル１は、コア３０の形状やコイル１０とコイル２０の巻き方を変えることにより、磁気回路における磁束の状態を変えることができる。
図５は、矩形状のコア３０Ａの左側の脚部Ｐ１に２つのコイル１０Ａとコイル２０Ａが重ね巻きされた限流コイル１Ａの構成の一例を示す。
限流コイル１Ａは、コイル１０Ａと、コイル２０Ａと、コア３０Ａとを備える。
コア３０Ａは、ヨークＹ１と、ヨークＹ２と、脚部Ｐ１と、脚部Ｐ２とを有する。ヨークＹ１とヨークＹ２は対向している。脚部Ｐ１は、ヨークＹ１の左の端部とヨークＹ２の左の端部を連結する。脚部Ｐ２は、ヨークＹ１の右の端部とヨークＹ２の右の端部を連結する。
コイル１０Ａとコイル２０Ａの巻線は、脚部Ｐ１に同一の方向（例えば、右回り）に重ね巻きされている。ヨークＹ１側に配置されているコイル１０Ａの一方の端部とコイル２０Ａの一方の端部（コイル１０Ａの巻き初めとコイル２０Ａの巻き初め）にそれぞれ端子Ｔ１と端子Ｔ２が設けられる。コイル１０Ａの他方の端部とコイル２０Ａの他方の端部（コイル１０Ａの巻き終わりとコイル２０Ａの巻き終わり）は接続される。
限流コイル１Ａは、コイル１０とコイル２０の結合係数が１に近く、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２が少ない。
なお、コイル１０Ａとコイル２０Ａの巻線は、脚部Ｐ１ではなく、脚部Ｐ２に同一の方向に重ね巻きされていてもよい。
【００１９】
図６は、矩形状のコア３０Ａの左側の脚部Ｐ１と右側の脚部Ｐ２に２つのコイル１０Ｂとコイル２０Ｂがそれぞれ巻き回された限流コイル１Ｂの構成の一例を示す。
限流コイル１Ｂは、コイル１０Ｂと、コイル２０Ｂと、コア３０Ａとを備える。
限流コイル１Ｂのコア３０Ａは、限流コイル１Ａのものと同一である。
コイル１０Ｂの巻線は、脚部Ｐ１に右回りに巻き回されている。コイル２０Ｂの巻線は、脚部Ｐ２に左回りに巻き回されている。コイル１０ＢのヨークＹ１側の端部とコイル２０ＢのヨークＹ１側の端部（コイル１０Ｂの巻き初めとコイル２０Ｂの巻き初め）にそれぞれ端子Ｔ１と端子Ｔ２が設けられている。コイル１０ＢのヨークＹ２側の端部とコイル２０ＢのヨークＹ２側の端部（コイル１０Ｂの巻き終わりとコイル２０Ｂの巻き終わり）は接続される。
限流コイル１Ｂは、コイル１０Ｂとコイル２０Ｂの結合係数が限流コイル１Ａのものよりも小さく、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２が限流コイル１Ａよりも多い。
【００２０】
図７は、矩形部に隣接して漏れ磁束の経路が付加されたコア３０Ｂを有する限流コイル１Ｃの構成の一例を示す。
限流コイル１Ｃは、コイル１０Ｂと、コイル２０Ｂと、コア３０Ｂとを備える。
コア３０Ｂは、ヨークＹ１と、ヨークＹ２と、拡張ヨークＹ３と、拡張ヨークＹ４と、脚部Ｐ１と、脚部Ｐ２と、脚部Ｐ３とを有する。ヨークＹ１とヨークＹ２は対向している。拡張ヨークＹ３はヨークＹ１が延長されたものである。拡張ヨークＹ４はヨークＹ２が延長されたものである。脚部Ｐ１は、ヨークＹ１の左の端部とヨークＹ２の左の端部を連結する。脚部Ｐ２は、ヨークＹ１の右の端部とヨークＹ２の右の端部、すなわち、ヨークＹ１と拡張ヨークＹ３の接続部分およびヨークＹ２と拡張ヨークＹ４の接続部分を連結する。脚部Ｐ３は、拡張ヨークＹ３の右の端部と拡張ヨークＹ４の右の端部（拡張ヨークＹ３におけるヨークＹ１と反対側の端部と拡張ヨークＹ４におけるヨークＹ２と反対側の端部）を連結する。ただし、脚部Ｐ３は、中間にギャップ（隙間）ＡＧ１を有する。
【００２１】
限流コイル１Ｃにおけるコイル１０Ｂとコイル２０Ｂは限流コイル１Ｂのものと同一である。すなわち、コイル１０Ｂの巻線は、脚部Ｐ１に右回りに巻き回されている。コイル２０Ｂの巻線は、脚部Ｐ２に左回りに巻き回されている。コイル１０ＢのヨークＹ１側の端部とコイル２０ＢのヨークＹ１側の端部（コイル１０Ｂの巻き初めとコイル２０Ｂの巻き初め）にそれぞれ端子Ｔ１と端子Ｔ２が設けられる。コイル１０ＢのヨークＹ２側の端部とコイル２０ＢのヨークＹ２側の端部（コイル１０Ｂの巻き終わりとコイル２０Ｂの巻き終わり）は接続される。
ヨークＹ１とヨークＹ２と脚部Ｐ１と脚部Ｐ２とは矩形部を形成する。拡張ヨークＹ３と脚部Ｐ３と拡張ヨークＹ４は、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２の経路となる。限流コイル１Ｃでは、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２は、空気中だけでなく、拡張ヨークＹ３と脚部Ｐ３と拡張ヨークＹ４を通ることができる。このため、限流コイル１Ｃでは、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２が限流コイル１Ｂよりも更に多く、コイル１０Ｂとコイル２０Ｂの結合係数は限流コイル１Ｂのものよりも更に小さい。
【００２２】
図８は、矩形部の中間に漏れ磁束の経路が付加されたコア３０Ｃを有する限流コイル１Ｄの構成の一例を示す。
限流コイル１Ｄは、コイル１０Ｂと、コイル２０Ｂと、コア３０Ｃとを備える。
コア３０Ｃは、ヨークＹ１と、ヨークＹ２と、脚部Ｐ１と、脚部Ｐ２と、脚部Ｐ４とを有する。ヨークＹ１とヨークＹ２は対向している。脚部Ｐ１は、ヨークＹ１の左の端部とヨークＹ２の左の端部を連結する。脚部Ｐ２は、ヨークＹ１の右の端部とヨークＹ２の右の端部を連結する。脚部Ｐ４は、ヨークＹ１の中間部分とヨークＹ２の中間部分を連結する。ただし、脚部Ｐ４は、中間にギャップ（隙間）ＡＧ２を有する。
限流コイル１Ｄにおけるコイル１０Ｂとコイル２０Ｂは限流コイル１Ｂのものと同一である。すなわち、コイル１０Ｂの巻線は、脚部Ｐ１に右回りに巻き回されている。コイル２０Ｂの巻線は、脚部Ｐ２に左回りに巻き回されている。コイル１０ＢのヨークＹ１側の端部とコイル２０ＢのヨークＹ１側の端部（コイル１０Ｂの巻き初めとコイル２０Ｂの巻き初め）にそれぞれ端子Ｔ１と端子Ｔ２が設けられる。コイル１０ＢのヨークＹ２側の端部とコイル２０ＢのヨークＹ２側の端部（コイル１０Ｂの巻き終わりとコイル２０Ｂの巻き終わり）は接続される。
脚部Ｐ４は、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２の経路となる。限流コイル１Ｄでは、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２は、空気中だけでなく、脚部Ｐ４を通ることができる。このため、限流コイル１Ｄでは、漏れ磁束ΦＬ１と漏れ磁束ΦＬ２が限流コイル１Ｂよりも更に多く、コイル１０Ｂとコイル２０Ｂの結合係数は限流コイル１Ｂのものよりも更に小さい。
【００２３】
なお、図５から図８に示した限流コイル１の構成は、例示であって限定するものではない。これら以外にも様々な構成の限流コイル１があり得る。例えば、コア３０として、ＥＩコア、ＥＥコア、ＵＵコア等の様々な形状のものを用いることができる。
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、大きな電圧が印加された直後における電流の立ち上がりを早くし、かつ時間が経過するとともに電流の増加を抑制することができる。このため、本発明の直流給電用限流コイルを直流の給電線の途中に挿入することにより、遮断器やヒューズ等の動作時間を短縮するとともに、過大電流が突発的に生じることを防止することができる。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、設計上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…限流コイル、１０，１０Ａ、１０Ｂ…コイル、２０，２０Ａ，２０Ｂ…コイル、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…コア、Ｙ１，Ｙ２…ヨーク、Ｙ３，Ｙ４…拡張ヨーク、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…脚部、ＡＧ１，ＡＧ２…ギャップ（隙間）
【図１】
2017212324.tif 000003
【図２】
2017212324.tif 000004
【図３】
2017212324.tif 000005
【図４】
2017212324.tif 000006
【図５】
2017212324.tif 000007
【図６】
2017212324.tif 000008
【図７】
2017212324.tif 000009
【図８】
2017212324.tif 000010