JP2005294698A - 直流リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】 一つの永久磁石でコイル磁束に対抗する磁束を発生するようにして、コンパクトな直流リアクトルを提供する。
【解決手段】 Ｕ型コア１０は、その脚部１０ａ，１０ｂの先端から内向きに形成されたリップ部１１，１２を備え、リップ部１１，１２は、磁気的ギャップを構成する第１の空隙Ｇ１を挟んで互いに対向している。Ｌ型鉄心２１，２２と永久磁石３１は、Ｕ型コア１０の第１の空隙Ｇ１を跨ぐ態様で、Ｕ型コア１０の脚部１０ａ，１０ｂの先端との間で第２の空隙Ｇ２をもって保持されている。Ｕ型コア１０には、コイル磁束を発生する電磁コイル５が巻回してある。永久磁石３１のバイアス磁束により、Ｕ型コア１０の内部でコイル磁路とは反対向きの永久磁石磁路が形成される。そして、第１の空隙Ｇ１の間隔を第２の空隙Ｇ２の間隔より短く構成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータ等の交直流変換装置の直流回路と直列に接続され、直流電流に含まれる高調波成分を平滑化する直流リアクトルに関し、とくに永久磁石の減磁を効果的に防止するようにした直流リアクトルに関する。

一般に、インバータ出力が短絡電流や急激な負荷の印加によって、コイルに過大電流が流れるような場合には、コイル磁束によって磁気バイアスをしている永久磁石が減磁される。そこで、このような減磁を防止するために、コイル磁束が永久磁石の内部を通らないようにする必要がある。

永久磁石で磁気バイアスをする直流リアクトルについては、特許文献１、特許文献２などに記載がある。特許文献１に記載されているインダクタンス素子の発明は、磁心空隙に永久磁石を挿入して、磁気バイアスを与えるようにして、インダクタンスの低下を少なくしたものである。また、特許文献２に記載されている発明は、同じく永久磁石で磁気バイアスをする直流リアクトルにおいて、脈動電圧の平滑等に適した小型のインダクタス素子を提供するものである。

また、これらの発明に共通する課題として、コイル磁束による永久磁石の減磁が生じるという問題点があった。永久磁石の減磁を抑制するための方法については、特許文献３ないし５には、例えば一対の永久磁石による磁気バイアス式では、磁石磁束を磁気的空隙でバイパスさせるものの記載がある。

さらに、特許文献６のような外鉄型リアクトルでは、外側磁心の開口部の両側リップ部に永久磁石を取り付けて、巻線の作る磁束と永久磁石の作る磁束が、リップ部で分岐するようにしている。
特開昭５４−３２６９６号公報 特開昭６１−１９０９８号公報 特開２００３−３１８０４６号公報 特許第３３１４９０８号公報 特許第３２３０６４７号公報 特開平０９−２１３５４６号公報

しかし、従来の直流リアクトルでは、一つの永久磁石だけのバイアス磁束による磁気バイアスとなっていなかったため、装置が大型化しやすいという課題があった。また、永久磁石の減磁を確実に防止することが困難であった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、一つの永久磁石でコイル磁束に対抗する磁束を発生するようにして、コンパクトな直流リアクトルを提供することを目的とする。

本発明の第１の直流リアクトルは、第１の空隙を介して互いに対向するリップ部を有するＵ型コアと、前記Ｕ型コアに形成された閉磁路のうち、前記第１の空隙を含まない位置に配置され、前記閉磁路に所定の磁束を発生させる磁束発生手段と、前記Ｕ型コアの両脚部先端と第２の空隙を介して対向する位置にそれぞれ一端が設けられ、他端に板状の永久磁石を挟み込んで前記第１の空隙を跨ぐように磁気回路を構成する２つのＬ型コアと、を備え、前記第２の空隙の間隔を前記第１の空隙の間隔より広く構成することによって、前記磁束発生手段の磁束が前記永久磁石を通過しないようにしたことを特徴とする。

また、本発明の第２の直流リアクトルは、前記磁束発生手段が、前記Ｕ型コアの両脚部にそれぞれ配置され、前記閉磁路内に同一方向の磁束を形成する一対の電磁コイルであることを特徴とする。

また、本発明の第３の直流リアクトルは、第１の空隙を介して中央脚の側面にそれぞれ対抗する一対のリップ部を有するＥ型コアと、前記Ｅ型コアに形成された２つの閉磁路のうち、前記第１の空隙を含まない位置に配置され、前記閉磁路に所定の磁束を発生させる磁束発生手段と、前記Ｅ型コアの両側脚部先端と第２の空隙を介して対向する位置に設けられ、前記Ｅ型コアの中央脚先端との間に板状の永久磁石を挟み込んで前記第１の空隙を跨ぐように２つの磁気回路を構成するＣ型コアと、を備え、前記第２の空隙の間隔を前記第１の空隙の間隔より広く構成することによって、前記磁束発生手段の磁束が前記永久磁石を通過しないようにしたことを特徴とする。

また、本発明の第４の直流リアクトルは、第１の空隙を介して互いに対向するリップ部を有するＵ型コアと、前記Ｕ型コアに形成された閉磁路のうち、前記第１の空隙を含まない位置に配置され、前記閉磁路に所定の磁束を発生させる磁束発生手段と、前記リップ部の前記第１の空隙を跨ぐ位置に第２の空隙を介して埋め込んで設けられ、前記磁束発生手段が発生する磁束に対抗する磁束を前記Ｕ型コア内に形成する板状の永久磁石と、を備え、前記第２の空隙の間隔を前記第１の空隙の間隔より広く構成することによって、前記磁束発生手段の磁束が前記永久磁石を通過しないようにしたことを特徴とする。

また、本発明の第５の直流リアクトルは、前記磁束発生手段が、前記Ｕ型コアの複数箇所にそれぞれ配置され、前記閉磁路内に同一方向の磁束を形成する電磁コイルであることを特徴とする。

さらに、本発明の第６の直流リアクトルは、第１の空隙を介して中央脚が互いに対向配置された一対のＥ型コアと、前記Ｅ型コアの中央脚を跨いで形成された一対の閉磁路にそれぞれ所定の磁束を発生させる磁束発生手段と、前記中央脚の前記第１の空隙を跨ぐ位置に第２の空隙を介して埋め込んで設けられ、前記磁束発生手段が発生する磁束に対抗する磁束を前記一対のＥ型コア内に形成する直方体の永久磁石と、を備え、前記第２の空隙の間隔を前記第１の空隙の間隔より広く構成することによって、前記磁束発生手段の磁束が前記永久磁石を通過しないようにしたことを特徴とする。

本発明では、永久磁石が形成する磁路の磁気抵抗をコイル磁路の磁気抵抗より大きくするように構成したので、永久磁石の減磁を確実に防止できる。
また、磁気抵抗の差は、第１、第２の空隙の間隔、各々の磁路の断面積等を調整して構成し、一つの永久磁石だけでコイル磁束に対抗する磁束を発生することができるので、コンパクトな直流リアクトルを提供できる利点がある。

以下、この発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、この発明の第１の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。
Ｕ型コア１０は、軟磁性体の積層された薄板からなる鉄心であって、Ｕ型コア１０の脚部１０ａ，１０ｂの先端から内向きに形成されたリップ部１１，１２を備えている。これらリップ部１１，１２は、磁気的ギャップを構成する第１の空隙Ｇ１を挟んで互いに対向している。

Ｕ型コア１０には、その両脚部１０ａ，１０ｂの先端と一端が対向するように、それぞれＬ型鉄心２１，２２が配置されている。これらのＬ型鉄心２１，２２の間には直方体の永久磁石３１が挟み込まれている。この永久磁石３１は、Ｌ型鉄心２１側がＮ極に着磁され、Ｌ型鉄心２２側がＳ極に着磁され、それぞれの磁極面がＬ型鉄心２１，２２の端面と接触した状態で一体に構成されている。

Ｕ型コア１０には、電流源４から電流供給されることで所定のコイル磁束を発生する電磁コイル５が巻回してある。この電磁コイル５のコイル磁束により、Ｕ型コア１０の内部には、図中に実線の矢印によって示すように、リップ部１１からリップ部１２の方向に第１の空隙Ｇ１を貫通して、閉じたコイル磁路が形成されている。

一体に構成されたＬ型鉄心２１，２２と永久磁石３１は、Ｕ型コア１０の第１の空隙Ｇ１を跨ぐ態様で、Ｕ型コア１０の脚部１０ａ，１０ｂの先端との間で第２の空隙Ｇ２をもって保持されている。これにより、永久磁石３１のバイアス磁束により、図中に破線の矢印で示すように、Ｕ型コア１０の内部でコイル磁路とは反対向きの永久磁石磁路が形成されている。

図２は、第１の実施形態に係る直流リアクトルの鳥瞰図である。
Ｕ型コア１０は、その両脚部１０ａ，１０ｂとリップ部１１，１２とが同一の断面積Ｓ１となるように形成されている。また、Ｌ型鉄心２１，２２の断面積Ｓ２は、そこに挟み込まれている永久磁石３１の磁極面積と等しく、かつＵ型コア１０の断面積Ｓ１より小さく形成されている。また、第２の空隙Ｇ２の間隔Ｌｇ２は、Ｕ型コア１０における第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ１より広く形成されている。なお、Ｌ１はＵ型コア１０のＵ字部分の長さに比例する磁路長、Ｌ２１，Ｌ２２はそれぞれＬ型鉄心２１，２２の磁路長であり、Ｌ１１，Ｌ１２はリップ部１１，１２の磁路長である。

ここでは、Ｌ２（＝Ｌ２１＋Ｌ２２）をＬ型鉄心２１，２２の合計磁路長、Ｌ３（＝Ｌ１１＋Ｌ１２）をＵ型コア１０のリップ部１１，１２の合計磁路長という。
図３は、直流リアクトルの磁気抵抗を示す等価回路図である。

Ｕ型コア１０のＵ字の底辺部分に設けた電磁コイル５による起磁力（コイル起磁力）をＮＩ１とするとき、Ｕ型コア１０の閉磁路は、Ｕ字部分の磁気抵抗Ｒ１と、リップ部１１，１２の磁気抵抗Ｒ３と、第１の空隙Ｇ１の磁気抵抗Ｒｇ１により構成される。このうち磁気抵抗Ｒ１は、磁路長Ｌ１に比例し、磁気抵抗Ｒ３は合計磁路長Ｌ３に比例し、磁気抵抗Ｒｇ１は第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ１に比例するものであって、いずれも断面積Ｓ１に反比例する。

また、永久磁石３１の起磁力（永久磁石起磁力）をＮＩ２とするとき、Ｌ型鉄心２１，２２には、合計磁路長Ｌ２に比例する磁気抵抗Ｒ２と、第２の空隙Ｇ２の磁気抵抗Ｒｇ２からなる磁路が形成される。そして、以下に説明するように、コイル磁路の磁気抵抗Ｒ１，Ｒｇ１と永久磁石磁路の磁気抵抗Ｒ２，Ｒｇ２とを、それぞれ第１、第２の空隙Ｇ１，Ｇ２の間隔と各磁路が形成されるＵ型コア１０とＬ型鉄心２１，２２の断面積Ｓ１，Ｓ２とを操作することで、コイル磁束が永久磁石を通らないように設定できる。

図３において、コイル起磁力ＮＩ１によるコイル磁束が磁気抵抗Ｒ１→磁気抵抗Ｒ３→磁気抵抗Ｒｇ１の経路を通り、永久磁石起磁力ＮＩ２による磁束が磁気抵抗Ｒ２→磁気抵抗Ｒｇ２→磁気抵抗Ｒ１の経路を通るとすれば、以下の不等式が成立する。

Ｒ３＋Ｒｇ１＜Ｒ２＋Ｒｇ２…（１）
Ｒ１＜Ｒ３＋Ｒｇ１…（２）
いま、真空の透磁率をμ₀、鉄の比透磁率をμｒとすると、鉄心の透磁率μ（＝μ₀・μｒ）となり、鉄の比透磁率μｒは１０³程度の大きさがあるため、鉄心の透磁率μについては、
μ＞＞μ₀
という関係がある。

ここで、上記（２）式の左右の値はＵ型コア１０の形状のみによって決まることから、（２）式を満たすためには、そのような形状でＵ型コア１０が設計されていればよく、Ｌ型鉄心２１，２２とは無関係に対処することができる。

これに対して、上記（１）式では、磁気抵抗Ｒ３，Ｒｇ１，Ｒ２，Ｒｇ２がそれぞれ、
Ｒ３＝Ｌ３／μ・Ｓ１
Ｒｇ１＝Ｌｇ１／μ₀・Ｓ１
Ｒ２＝Ｌ２／μ・Ｓ２
Ｒｇ２＝Ｌｇ２／μ₀・Ｓ２
となるから、（１）式が成立するためには、下記の（３）、（４）式を同時に満足することが必要になる。

Ｌ３／Ｓ１＜Ｌ２／Ｓ２…（３）
Ｌｇ１／Ｓ１＜Ｌｇ２／Ｓ２…（４）
ところで、Ｌ型鉄心２１，２２の断面積Ｓ２は、Ｕ型コア１０の断面積Ｓ１より小さく構成されているから、ここでは第２の空隙Ｇ２の間隔Ｌｇ２を第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ１より広く構成するだけで、磁気抵抗Ｒｇ２が磁気抵抗Ｒｇ１より大きくなるから、上記（４）式は確実に満足される。

また、（３）式については、図１や図２に示す実施形態１の構成において、永久磁石３１の幅を短くしたり、あるいはＬ型鉄心２１，２２の高さを大きくしたりすれば、Ｕ型コア１０のリップ部１１，１２の合計磁路長Ｌ３が、Ｌ型鉄心２１，２２の合計磁路長Ｌ２より短くなるが、そのようにしなくても、あらかじめＬ型鉄心２１，２２の断面積Ｓ２を十分に小さく設定することによって満足することができる。

このように、第１の実施形態に係る直流リアクトルでは、第２の空隙Ｇ２の間隔を第１の空隙Ｇ１の間隔より広く構成することにより、上記（３）、（４）式が同時に満足され、永久磁石３１の減磁を確実に防止することができる。また、一つの永久磁石３１だけでコイル磁束に対抗する磁束を発生するようにしたので、コンパクトな直流リアクトルを提供できる。さらに、Ｕ型コア１０の断面積Ｓ１をＬ型鉄心２１，２２の断面積Ｓ２より大きく構成することによって、永久磁石３１の幅を十分に大きく設計することができ、しかもＬ型鉄心２１，２２の高さを大きくしなくてもよくなる。

つぎに、別の直流リアクトルについて説明する。図４は、この発明の第２の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。
この直流リアクトルは、第１の実施形態のものと同様に、Ｕ型コア１０と、その両脚部１０ａ，１０ｂの先端と一端が対向するように配置されたＬ型鉄心２１，２２と、それらの間に挟み込まれた直方体の永久磁石３１とから構成され、このＵ型コア１０の両脚部１０ａ，１０ｂに、電流源４から電流供給される２つの電磁コイル５ａ，５ｂが巻回されている。

この場合でも、電磁コイル５ａ，５ｂのコイル磁束により、Ｕ型コア１０の内部には、図中に実線の矢印によって示すように、リップ部１１からリップ部１２の方向に第１の空隙Ｇ１を貫通して、閉じたコイル磁路が形成される。また、永久磁石３１のバイアス磁束により、図中に破線の矢印で示すように、Ｕ型コア１０の内部でコイル磁路とは反対向きの永久磁石磁路が形成される。

ここでは詳細な説明を省略するが、第１の実施形態のものと同様に、第２の空隙Ｇ２の間隔を第１の空隙Ｇ１の間隔より広く構成することにより、上記（３）、（４）式を同時に満足して、永久磁石３１の減磁を確実に防止することができる。また、一つの永久磁石３１だけでコイル磁束に対抗する磁束を発生するようにしたので、コンパクトな直流リアクトルを提供できる。

つぎに、さらに別の直流リアクトルについて説明する。図５は、この発明の第３の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。
この直流リアクトルは、Ｅ型コア４０とＣ型鉄心５０と矩形の永久磁石３２とから構成されている。Ｅ型コア４０は、軟磁性体の積層された薄板からなる鉄心であって、Ｅ型コア４０の両側脚部４０ａ，４０ｂの先端からそれぞれ内向きに、中央脚４０ｃに対して第１の空隙Ｇ１を介して対抗するように一対のリップ部４１，４２が形成されている。

Ｅ型コア４０には、その両側脚部４０ａ，４０ｂの先端と対向するようにＣ型鉄心５０が配置されている。Ｅ型コア４０の中央脚４０ｃとＣ型鉄心５０との間には、矩形の永久磁石３２が挟み込まれている。この永久磁石３２は、Ｃ型鉄心５０側がＳ極に着磁され、Ｅ型コア４０側がＮ極に着磁され、それぞれの磁極面がＣ型鉄心５０とＥ型コア４０の中央脚４０ｃ先端面と接触した状態で、一体に構成されている。

Ｅ型コア４０の中央脚４０ｃには、電流源４から電流供給されることで所定のコイル磁束を発生する電磁コイル５が巻回してある。この電磁コイル５のコイル磁束により、Ｅ型コア４０の内部には、図中に実線の矢印によって示すように、中央脚４０ｃからそれぞれ第１の空隙Ｇ１を貫通してリップ部４１、リップ部４２に向かう、２組の閉じたコイル磁路が形成されている。

Ｃ型鉄心５０は、Ｅ型コア４０の両側脚部４０ａ，４０ｂ先端で第２の空隙Ｇ２を介して対向する位置に保持されている。そして、Ｅ型コア４０の中央脚４０ｃ先端との間に挟み込まれた永久磁石３２のバイアス磁束により、図中に破線の矢印で示すように、それぞれ第１の空隙Ｇ１を跨ぐように２つの磁気回路が構成される。これらは、Ｅ型コア４０の内部でコイル磁路とは反対向きの永久磁石磁路を形成している。

また、Ｅ型コア４０は、各脚部４０ａ，４０ｂ，４０ｃとリップ部４１，４２とが同一の断面積Ｓ１となるように形成されている。また、Ｃ型鉄心５０の断面積Ｓ２は、Ｅ型コア４０の断面積Ｓ１より小さく形成されている。さらに、第２の空隙Ｇ２の間隔Ｌｇ２は、Ｅ型コア４０における第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ１より長く形成されている。

したがって、第３の実施形態では上述した第１、第２の実施形態のものと同様に、それぞれ２つコイル磁路の磁気抵抗Ｒ１，Ｒｇ１と永久磁石磁路の磁気抵抗Ｒ２，Ｒｇ２とを、それぞれ第１、第２の空隙Ｇ１，Ｇ２の間隔と各磁路が形成されるＥ型コア４０とＣ型鉄心５０の断面積Ｓ１，Ｓ２とを操作することでコイル磁束が永久磁石３２を通らないように設定できる。しかも、１つの永久磁石３２だけでコイル磁束に対抗する磁束による２つの永久磁石磁路を形成するとともに、第２の空隙Ｇ２の間隔を第１の空隙Ｇ１の間隔より広く構成することにより、上記（３）、（４）式を同時に満足して、永久磁石３２の減磁を確実に防止することができる。

つぎに、第４の実施形態に係る直流リアクトルについて、図６ないし図８を参照して説明する。図６は、この発明の第４の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図、図７は、図６に示す直流リアクトルの鳥瞰図である。

Ｕ型コア６０は、軟磁性体の積層された薄板からなる鉄心であって、Ｕ型コア６０の脚部６０ａ，６０ｂのそれぞれ先端には、内向きのリップ部６０ｃ，６０ｄを備えている。これらリップ部６０ｃ，６０ｄの途中から、２つに分岐したリップ部６１と６２、および６３と６４が延長形成され、リップ部６１と６２、および６３と６４がそれぞれに磁気的ギャップを構成する第１の空隙Ｇ１を挟んで、互いに対向するとともに上下方向で互いに並行に形成されている。

Ｕ型コア６０の左右のリップ部６０ｃ，６０ｄの間には、上段のリップ部６１，６２と下段のリップ部６３，６４とに挟まれた所定の空間部分が形成され、このＵ型コア６０の空間部分に板状の永久磁石３３が挟み込まれている。永久磁石３３は、脚部６０ａ側がＮ極に着磁され、脚部６０ｂ側がＳ極に着磁されており、例えば非磁性体によってそれぞれの磁極面がＵ型コア６０と離間した状態で保持されている。

Ｕ型コア６０には、電流源４から電流供給されることで所定のコイル磁束を発生する電磁コイル５が巻回してある。この電磁コイル５のコイル磁束により、Ｕ型コア６０の内部には、図中に実線の矢印によって示すように、第１の空隙Ｇ１を貫通してリップ部６０ｃからリップ部６０ｄの方向に向かって閉じたコイル磁路が形成されている。

また、永久磁石３３はリップ部６１と６２、および６３と６４との間に形成された第１の空隙Ｇ１を跨ぐ態様で、Ｕ型コア６０の脚部６０ａ，６０ｂの先端との間で第２の空隙Ｇ２をもって保持されている。これにより、永久磁石３３のバイアス磁束により、図中に破線の矢印で示すように、Ｕ型コア６０の内部でコイル磁路とは反対向きの永久磁石磁路が形成されている。

図７において、Ｌ６はＵ型コア６０のＵ字部分とリップ部６０ｃ，６０ｄとを加えた長さに比例する磁路長、Ｌ６１，Ｌ６２はそれぞれリップ部６１とリップ部６２の磁路長であって、合計磁路長Ｌ７はリップ部６１，６２を加算した長さに比例する磁路長（Ｌ７＝Ｌ６１＋Ｌ６２）である。同様に、下側のリップ部６３，６４の磁路長は、それぞれＬ６１，Ｌ６２と等しい。

Ｕ型コア６０内の永久磁石３３は、その磁極面がそれぞれリップ部６０ｃ，６０ｄに対して第２の空隙Ｇ２だけ離れた状態で保持されている。この第２の空隙Ｇ２の間隔Ｌｇ４は、Ｕ型コア６０における第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ３より大きく形成されている。断面積Ｓ６３より大きな断面で第２の空隙Ｇ２を有している。そして、永久磁石３３の磁極断面積Ｓ６３は、リップ部６１，６２の断面積Ｓ６１，Ｓ６２と等しい大きさに構成されている。

Ｕ型コア６０は、図７に示すように、その両脚部６０ａ，６０ｂとリップ部６０ｃ，６０ｄとがいずれも同一の断面積Ｓ６に形成されている。また、永久磁石３３を挟む上段のリップ部６１，６２と下段のリップ部６３，６４は、それぞれ断面積Ｓ６１、断面積Ｓ６２となっていて、これらの断面積Ｓ６１、断面積Ｓ６２は互いにほぼ等しいものである。なお、上下段のリップ部６１と６３の合計断面積をＳ７（＝Ｓ６１＋Ｓ６２）としている。

図８は、直流リアクトルの磁気抵抗を示す等価回路図である。
Ｕ型コア６０のＵ字の底辺部分に設けた電磁コイル５による起磁力（コイル起磁力）をＮＩ３とするとき、Ｕ型コア６０の閉磁路として、Ｕ字部分の磁気抵抗Ｒ６と、リップ部６１，６２および６３，６４の合成磁気抵抗Ｒ７と、２つの空隙Ｇ１の合成磁気抵抗Ｒｇ３とによりコイル磁路が構成される。このうち磁気抵抗Ｒ６は磁路長Ｌ６に比例し、かつＵ型コア６０の断面積Ｓ６に反比例する。また、合成磁気抵抗Ｒ７は合計磁路長Ｌ７に比例し、磁気抵抗Ｒｇ３は第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ３に比例し、かつ上下段のリップ部６１と６３の合計断面積Ｓ７に反比例する。

また、永久磁石３３の起磁力（永久磁石起磁力）をＮＩ４とするとき、永久磁石磁路はＵ字部分の磁気抵抗Ｒ６と２つの空隙Ｇ２の合計磁気抵抗Ｒｇ４とから形成される。ここでは、以下に説明するように、コイル磁路の磁気抵抗Ｒ６，Ｒ７，Ｒｇ３の大きさと、永久磁石磁路の磁気抵抗Ｒ６，Ｒｇ４の大きさは、それぞれ第１、第２の空隙Ｇ１，Ｇ２の間隔と各磁路の断面積Ｓ６，Ｓ６３，Ｓ７とを操作して、コイル磁束が永久磁石を通らないように設定できる。

図８において、コイル起磁力ＮＩ３によるコイル磁束が磁気抵抗Ｒ６→合成磁気抵抗Ｒ７→合成磁気抵抗Ｒｇ３の経路を通り、永久磁石起磁力ＮＩ４による磁束が磁気抵抗Ｒｇ４→磁気抵抗Ｒ６の経路を通るとすれば、以下の不等式が成立する。

Ｒ７＋Ｒｇ３＜Ｒｇ４…（５）
Ｒ６＜Ｒ７＋Ｒｇ３…（６）
ここで、真空の透磁率をμ₀、鉄の比透磁率をμｒとすると、鉄心の透磁率μ（＝μ₀・μｒ）となり、鉄の比透磁率μｒは１０³程度の大きさがあるため、鉄心の透磁率μについては、
μ＞＞μ₀
という関係がある。

ここで、上記（５）、（６）式における磁気抵抗Ｒ３，Ｒｇ１，Ｒ２，Ｒｇ２がそれぞれ、
Ｒ６＝Ｌ６／μ・Ｓ６
Ｒｇ３＝Ｌｇ３／μ₀・Ｓ７
Ｒ７＝Ｌ７／μ・Ｓ７
Ｒｇ４＝Ｌｇ４／μ₀・Ｓ６３
となる。そこで上記（５）式については
Ｌ７／μｒ・Ｓ７＋Ｌｇ３／Ｓ７＜Ｌｇ４／Ｓ６３…（７）
と書き換えることができる。

（７）式では、鉄の比透磁率μｒが１０³程度の大きさであることから、その不等式の左辺第１項を無視することができる。そこで、（７）式から
Ｌｇ３／Ｓ７＜Ｌｇ４／Ｓ６３
が導かれる。すなわち、
Ｌｇ３・Ｓ６３＜Ｌｇ４・Ｓ７
となり、いま、上下段のリップ部６１と６３の合計断面積Ｓ７が永久磁石３３の磁極断面積Ｓ６３より大きい（Ｓ６３＜Ｓ７）ことから、
Ｌｇ３＜Ｌｇ４
であればよいことがわかる。

したがって、第４の実施形態の直流リアクトルにおいては、第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ３を第２の空隙Ｇ２の間隔Ｌｇ４より短く構成すれば、上記（５）式の条件を満たすことがわかる。

また、（６）式については、
Ｌ６・（Ｓ７／Ｓ６）＜Ｌ７＋μｒ・Ｌｇ３…（８）
と書き換えることができる。

（８）式については、Ｕ型コア６０の設計寸法と第１の空隙Ｇ１の大きさを調整することによって、満足させることが可能であって、永久磁石３３の大きさを限定するものではない。

以上のように、第４の実施形態に係る直流リアクトルは、第１の空隙Ｇ１を介して互いに対向するリップ部６０ｃ，６０ｄを有するＵ型コア６０と、Ｕ型コア６０に形成された閉磁路のうち、第１の空隙Ｇ１を含まない位置に配置され、閉磁路に所定の磁束を発生させる電磁コイル５と、リップ部６０ｃ，６０ｄの第１の空隙Ｇ１を跨ぐ位置に第２の空隙Ｇ２を介して埋め込んで設けられ、電磁コイル５が発生する磁束に対抗する磁束をＵ型コア６０内に形成する板状の永久磁石３３と、を備え、第２の空隙Ｇ２の間隔を第１の空隙Ｇ１の間隔より広く構成することによって、電磁コイル５の磁束が永久磁石３３を通過しないようにした。したがって、上記（８）式を満たすように、第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ３と、上下段のリップ部６１と６３の合計断面積Ｓ７とを決定すれば、永久磁石３３の減磁を確実に防止することができる。また、一つの永久磁石３３だけでコイル磁束に対抗する磁束を発生するようにしたので、コンパクトな直流リアクトルを提供できる。さらに、Ｕ型コア６０の設計寸法に応じて、永久磁石３３の幅を十分に大きく設計することができる。

なお、Ｕ型コア６０に挟み込まれる永久磁石３３は、その両極端面を除いて非磁性体によって包んでおくことで、永久磁石磁路を確保することができる。また、Ｕ型コア６０の断面積Ｓ６は、コイル５の巻数、電流、永久磁石３３の起磁力、鉄心の透磁率等から決まることは言うまでもない。

つぎに、別の直流リアクトルについて説明する。図９は、この発明の第５の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。
この直流リアクトルは、第４の実施形態のものと同様に、Ｕ型コア６０と、その両脚部６０ａ，６０ｂに形成された内向きのリップ部６０ｃ，６０ｄに挟み込まれた板状の永久磁石３３とから構成され、このＵ型コア６０の両脚部６０ａ，６０ｂに、電流源４から電流供給される２つの電磁コイル５ａ，５ｂを巻回したものである。

この場合でも、電磁コイル５ａ，５ｂのコイル磁束により、Ｕ型コア６０の内部には、図中に実線の矢印によって示すように、リップ部６０ｃから６０ｄの方向に第１の空隙Ｇ１を貫通して、閉じたコイル磁路が形成される。また、永久磁石３３のバイアス磁束により、図中に破線の矢印で示すように、Ｕ型コア６０の内部でコイル磁路とは反対向きの永久磁石磁路が形成される。

したがって、第５の実施形態の直流リアクトルにおいても、第２の空隙Ｇ２の間隔を第１の空隙Ｇ１の間隔より広く構成することにより、上記（７）、（８）式を同時に満足して、永久磁石３３の減磁を確実に防止することができる。また、一つの永久磁石３３だけでコイル磁束に対抗する磁束を発生するようにしたので、コンパクトな直流リアクトルを提供できる。

つぎに、さらに別の直流リアクトルについて説明する。図１０は、この発明の第６の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。
この直流リアクトルは、２つのＥ型コア７０ａ，７０ｂを上下方向から合体したコア７０と、このコア７０の中央の空間部分に挟み込まれた板状の永久磁石３４とから構成されている。Ｅ型コア７０ａ，７０ｂは、いずれも軟磁性体の積層された薄板からなる鉄心であって、それらの中央脚７０ｃ，７０ｄの先端には永久磁石３４を挟むように、左右の分岐脚７１，７２と７３，７４が互いに平行に形成されている。そして、中央脚７０ｃの分岐脚７１，７３と、中央脚７０ｄの分岐脚７２，７４とが、それぞれ磁気的ギャップを構成する第１の空隙Ｇ１を挟んで対向している。

コア７０の２つの中央脚７０ｃと７０ｄの間の空間部分には、永久磁石３４が保持され、その中央脚７０ｃ側がＮ極に着磁され、中央脚７０ｄ側がＳ極に着磁され、例えば非磁性体によってそれぞれの磁極面がＵ型コア６０と離間した状態で保持されている。また、コア７０の中央脚７０ｃ，７０ｄには、電流源４から電流供給されることで所定のコイル磁束を発生する電磁コイル５が巻回してある。この電磁コイル５のコイル磁束により、コア７０の内部には、図中に実線の矢印によって示すように、中央脚７０ｃから第１の空隙Ｇ１を貫通し、中央脚７０ｄを介してそれぞれ左右に分かれる２組の閉じたコイル磁路が形成されている。

また、永久磁石３４は、第１の空隙Ｇ１を跨ぐ態様で、Ｅ型コア７０ａ，７０ｂの中央脚７０ｃと７０ｄの先端との間で第２の空隙Ｇ２をもって保持されている。これにより、永久磁石３３のバイアス磁束によって、図中に破線の矢印で示すように、コア７０の内部でコイル磁路とは反対向きの永久磁石磁路が形成される。

なお、Ｅ型コア７０ａ，７０ｂは、それらの各中央脚７０ｃ，７０ｄを含めていずれも同一の断面積Ｓ７となるように形成されている。また、第２の空隙Ｇ２の間隔Ｌｇ４は、第１の空隙Ｇ１の間隔Ｌｇ３より広く形成されている。

この実施形態のコア７０は、第４の実施形態に示すＵ型コアを、それぞれ左右から２つ合体させた形状をなしており、中央で共有される電磁コイル５によって左右に形成されたコイル磁路に対して、１つの永久磁石３４が設けられて直流リアクトルを構成している。そこで、第４の実施形態について説明したものと比較すれば明らかなように、第２の空隙Ｇ２の間隔を第１の空隙Ｇ１の間隔より広く構成することにより、上記（７）、（８）式を同時に満足して、永久磁石３１の減磁を確実に防止することができる。

この発明の第１の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。 第１の実施形態に係る直流リアクトルの鳥瞰図である。 第１の実施形態に係る直流リアクトルの磁気抵抗を示す等価回路図である。 この発明の第２の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。 この発明の第３の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。 この発明の第４の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。 第４の実施形態に係る直流リアクトルの鳥瞰図である。 第４の実施形態に係る直流リアクトルの磁気抵抗を示す等価回路図である。 この発明の第５の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。 この発明の第６の実施形態に係る直流リアクトルを示す側面断面図である。

符号の説明

４ 電流源
５ 電磁コイル
１０，６０ Ｕ型コア
１０ａ，１０ｂ，６０ａ，６０ｂ 脚部
１１，１２ リップ部
２１，２２ Ｌ型鉄心
３１，３２，３３，３４ 永久磁石
４０，７０ａ，７０ｂ Ｅ型コア
５０ Ｃ型鉄心
７０ コア

Claims (14)

1. 第１の空隙を介して互いに対向するリップ部を有するＵ型コアと、
   前記Ｕ型コアに形成された閉磁路のうち、前記第１の空隙を含まない位置に配置され、前記閉磁路に所定の磁束を発生させる磁束発生手段と、
   前記Ｕ型コアの両脚部先端と第２の空隙を介して対向する位置にそれぞれ一端が設けられ、他端に板状の永久磁石を挟み込んで前記第１の空隙を跨ぐように磁気回路を構成する２つのＬ型コアと、
   を備え、前記第２の空隙の間隔を前記第１の空隙の間隔より広く構成することによって、前記磁束発生手段の磁束が前記永久磁石を通過しないようにしたことを特徴とする直流リアクトル。
2. 前記Ｌ型コアは、前記永久磁石の磁束が通る断面積を前記Ｕ型コアに形成される前記閉磁路の断面積より小さく構成したことを特徴とする請求項１記載の直流リアクトル。
3. 前記磁束発生手段は、前記Ｕ型コアの両脚部にそれぞれ配置され、前記閉磁路内に同一方向の磁束を形成する一対の電磁コイルであることを特徴とする請求項１記載の直流リアクトル。
4. 第１の空隙を介して中央脚の側面にそれぞれ対抗する一対のリップ部を有するＥ型コアと、
   前記Ｅ型コアに形成された２つの閉磁路のうち、前記第１の空隙を含まない位置に配置され、前記閉磁路に所定の磁束を発生させる磁束発生手段と、
   前記Ｅ型コアの両側脚部先端と第２の空隙を介して対向する位置に設けられ、前記Ｅ型コアの中央脚先端との間に板状の永久磁石を挟み込んで前記第１の空隙を跨ぐように２つの磁気回路を構成するＣ型コアと、
   を備え、前記第２の空隙の間隔を前記第１の空隙の間隔より広く構成することによって、前記磁束発生手段の磁束が前記永久磁石を通過しないようにしたことを特徴とする直流リアクトル。
5. 前記Ｃ型コアは、前記永久磁石の磁束が通る断面積を前記Ｅ型コアに形成される前記閉磁路の断面積より小さく構成したことを特徴とする請求項４記載の直流リアクトル。
6. 前記磁束発生手段は、前記Ｅ型コアの中央脚に配置された電磁コイルであることを特徴とする請求項４記載の直流リアクトル。
7. 第１の空隙を介して互いに対向するリップ部を有するＵ型コアと、
   前記Ｕ型コアに形成された閉磁路のうち、前記第１の空隙を含まない位置に配置され、前記閉磁路に所定の磁束を発生させる磁束発生手段と、
   前記リップ部の前記第１の空隙を跨ぐ位置に第２の空隙を介して埋め込んで設けられ、前記磁束発生手段が発生する磁束に対抗する磁束を前記Ｕ型コア内に形成する板状の永久磁石と、
   を備え、前記第２の空隙の間隔を前記第１の空隙の間隔より広く構成することによって、前記磁束発生手段の磁束が前記永久磁石を通過しないようにしたことを特徴とする直流リアクトル。
8. 前記永久磁石は、前記リップ部と対向する両極の断面積を前記Ｕ型コアにおける互いに対向する前記リップ部の断面積より小さく構成したことを特徴とする請求項７記載の直流リアクトル。
9. 前記Ｕ型コアは、前記リップ部の互いに対向する断面積と前記永久磁石の両極が対向する断面積との比を（Ｓ７／Ｓ６）、前記Ｕ型コアに形成された閉磁路の磁路長をＬ６、前記リップ部の合計磁路長をＬ７、前記第１の空隙の間隔をＬｇ３とし、前記Ｕ型コアの比透磁率をμｒとしたとき、下記の不等式を満たすように構成されていることを特徴とする請求項７記載の直流リアクトル。
   Ｌ６・（Ｓ７／Ｓ６）＜Ｌ７＋μｒ・Ｌｇ３
10. 前記磁束発生手段は、前記Ｕ型コアの複数箇所にそれぞれ配置され、前記閉磁路内に同一方向の磁束を形成する電磁コイルであることを特徴とする請求項７記載の直流リアクトル。
11. 第１の空隙を介して中央脚が互いに対向配置された一対のＥ型コアと、
    前記Ｅ型コアの中央脚を跨いで形成された一対の閉磁路にそれぞれ所定の磁束を発生させる磁束発生手段と、
    前記中央脚の前記第１の空隙を跨ぐ位置に第２の空隙を介して埋め込んで設けられ、前記磁束発生手段が発生する磁束に対抗する磁束を前記一対のＥ型コア内に形成する直方体の永久磁石と、
    を備え、前記第２の空隙の間隔を前記第１の空隙の間隔より広く構成することによって、前記磁束発生手段の磁束が前記永久磁石を通過しないようにしたことを特徴とする直流リアクトル。
12. 前記永久磁石は、前記中央脚と対向する両極の断面積を前記中央脚のそれぞれ互いに対向する断面積より小さく構成したことを特徴とする請求項１１記載の直流リアクトル。
13. 前記Ｅ型コアは、前記中央脚の互いに対向する断面積と前記永久磁石の両極が対向する前記中央脚の断面積との比を（Ｓ９／Ｓ８）、前記Ｅ型コアに形成された前記閉磁路の磁路長をＬ８、前記中央脚の合計磁路長をＬ９、前記第１の空隙の間隔をＬｇ５とし、前記Ｅ型コアの比透磁率をμｒとしたとき、下記の不等式を満たすように構成されていることを特徴とする請求項１１記載の直流リアクトル。
    Ｌ８・（Ｓ９／Ｓ８）＜Ｌ９＋μｒ・Ｌｇ５
14. 前記磁束発生手段は、前記第１の空隙を含む位置に配置された電磁コイルであることを特徴とする請求項１１記載の直流リアクトル。

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