JPH0484405A - 力率改善用チョーク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、インバータのような電気機器の交流入力部
に用いられる力率改善用のチヨークに関するものでであ
る。

［従来の技術及び課題］ 従来より、たとえばインバータの交流入力部には、交流
電源からの電力を整流する整流回路と、整流された電力
を直流入力としてインバータに供給するコンデンサとが
接続され、さらに、力率改善のために５有鉄心チヨーク
が使用されており、このチョークは、大きなインダクタ
ンスが得られるように、第１３図に示すコアのＢ／Ｈ特
性線図の直線部分ａ−ｂを使用していた。そのため、負
荷（通電量）の大小にかかわらず、そのインダクタンス
は変化しない、その場合、高負荷時の力率改善度を大き
くとると、低負荷時の力率改善度は低下する。

この発明は、従来の技術が持つ上記欠点を解消し、力率
改善の度合を高負荷時も低負荷時も増大させることを目
的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本件発明者は、研究を重ね
た結果、小電流時のインダクタンスを小さく、大電流時
のインダクタンスを大きくすれば、高負荷時も低負荷時
も力率が改善されることを見い出した。これが、この発
明の基礎となっている。

このように小電流時のインダクタンスを小さく、大電流
時のインダクタンスを大きくするために、請求項１の発
明は、交流電源からの電力を整流回路で整流した直流入
力を電気機器に供給するコンデンサと、上記交流電源と
の間に接続されるチョークにおいて、コアに直流磁界を
付加する磁気バイアス手段を設けるとともに、上記コア
の少なくとも一部に、上記直流磁界で磁気飽和点に近づ
き、かつ、通電用の巻線が発生する磁界の大部分を上記
直流磁界と逆方向に通過させる磁束調節部を設けている
。

請求項２においては、上記磁束調節部を、たとえば１対
設け、上記巻線が発生する磁界を、一方の磁束調節部に
は上記直流磁界と同方向に、他方の磁束調節部には上記
直流磁界と逆方向にそれぞれかけるように設定する。

チョークの具体的な構造としては、請求項３のように、
コアをＥＩ型として、そのＥ型の中脚に通電用の巻線を
巻き、この中脚および両側脚の各先端部とＩ型コアとの
間にギャップを設け、上記両側脚の各外側面に、上記直
流磁界を発生する永久磁石を装着し、各永久磁石の外側
面に、一端部がＩコアの端部に接触するヨークを装着し
、上記Ｉコアに、その磁束通路の一部を絞って上記磁束
調節部を形成した構造とすることができる。

また、請求項４のように、コアをやはりＥＩ型として、
そのＥ型の中脚に通電用の巻線を巻き、この中脚の先端
部とＩコアとの間にギャップを設け、Ｉ型コアを２分割
してその分割部に、上記直流磁界を発生する永久磁石を
挿入した構造とすることができる。

さらに、請求項５のように、Ｉコアに永久磁石を挿入す
る代りに、Ｅ型コアの中脚を縦に２分割してその分割部
に、上記直流磁界を発生する永久磁石を挿入した構造と
することもできる。

［作用］ 請求項１〜４の発明によれば、コアの少なくとも一部に
、磁気バイアス手段による直流磁界で磁気飽和点に近づ
き、かつ、通電用の巻線が発生する磁界の大部分を上記
直流磁界と逆方向に通過させる磁束調節部が設けられて
いるので、通電用の巻線を流れる電流が小さい時には、
上記磁束調節部の磁束密度は、まだ磁気飽和点に近い状
態にあるので、インダクタンスが小さくなるのに対し、
上記電流が大きい時には、上記磁束調節部の磁束密度は
、Ｂ／Ｈ特性線図の勾配の大きい直線部分になるので、
インダクタンスが大きくなる。

コンデンサへのチャージ電流は、正弦波の電流波形のゼ
ロ点に近い下部を除いた上部のみとなるので、コンデン
サと交流電源との間にチョークが挿入されていない場合
には、その電流波形は、幅の狭い山形で、正弦波形とは
大きく相違するものになり、その結果、力率が低下する
。これに対し、この発明では、チョークのインダクタン
スが、小電流時には小さく、大電流時には大きいから、
上記幅の狭い電流波形が、その裾部分（小電流部）では
小さく抑制され、頂部（大電流部）では大きく抑制され
る結果、全体として、正弦波に近づくので、力率が向上
する。

ここで、請求項２のように、上記磁束調節部を１対設け
て、上記巻線が発生する磁界を、一方の磁束調節部には
上記直流磁界と同方向に、他方の磁束調節部には上記直
流磁界と逆方向にそれぞれかけるように設定しておけば
、磁気バイアスの方向を一定にしておいても、巻線に流
れる交流の極性の反転に応じて交互に、いずれか一方の
磁束調整部が、巻線の発生する磁界の大部分を上記直流
磁界と逆方向に通過させる磁束調節部として作用する。

また、請求項３のように、コアをＥＩ型とし、Ｅ型コア
の前側脚の外側面に永久磁石を装着すれば、２つの永久
磁石によって、大きな磁気バイアスを容易にかけること
ができる。しかも、巻線電流による磁界は、主としてＥ
Ｉ型コアの中を通り、永久磁石を通りにくいから、永久
磁石を減磁させる力が小さい。

さらに、請求項４のように、コアをＥＩ型として、その
Ｉ型コアを中央部で２分割した分割部に上記永久磁石を
挿入すれば、小型の永久磁石１つで磁気バイアスをかけ
ることが可能になる。また、巻線電流による磁界は、永
久磁石をその磁化方向に横切ることがないので、永久磁
石を減磁させる力が小さい。

他方、請求項５のように、コアをＥＩ型として、そのＥ
型コアの中脚を縦に２分割し、その分割部に永久磁石を
挿入すれば、上記中脚の面積の大きい分割面で永久磁石
を挟み込むので、永久磁石が強固に保持されるとともに
、上記分割面が大きい分だけ永久磁石が大型になるので
、請求項４の永久磁石と比較して、磁束密度は低いが安
価な材料からなる永久磁石を用いることができる。また
、請求項４の場合と同一の理由で、永久磁石の減磁が少
ない。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第１ａ図において、１０は電気機器の一種であるインバ
ータであり、交流電源１１からの電力を整流する整流回
路１２と、平滑用のコンデンサ１３とを介して直流入力
を受ける、いわゆるコンデンサーインプット型である。

このインバータ１０は、コンデンサ１３からの直流入力
を交流出力に変換して、負荷１４に供給する。

上記交流電源１１と整流回路１２との間には、この発明
のチヨーク２１が介挿されている。このチョーク２１は
、第１ｂ図に示すように、整流回路１２とコンデンサ１
３との間に接続してもよい。

上記チョーク２１は、第２図に示すように、Ｅ型コア２
２、Ｉ型コア２３、左右１対のＬ型ヨーク２４、上記Ｅ
型コア２２の中脚２５に巻かれた通電用の巻［２６、お
よびＥ型コア２２の前側脚２７．２７の各外側面２７ａ
に装着された永久磁石２８．２８からなる磁気バイアス
手段を備えており、上記り型ヨーク２４は、その一端部
２４ａがＩ型コア２３の端部２３ａに接触した状態で、
永久磁石２８の外側面２８ａに装着されている。

Ｉコア２３と、Ｅ型コア２２の中脚２５および前側脚２
７の各先端部との間には、それぞれギャップ２９．３０
が設けられている。

上記Ｉ型コア２３には、磁束通路の一部を絞るために、
部分的に断面積を減少させた磁束調節部３１．３２が左
右１対設けられており、永久磁石２８の直流磁界によっ
て、上記磁束調節部３１゜３２が磁気飽和点に近づいて
いる。チョーク２１は全体として、中心線３３を挟んで
左右対称な構造となっている。

ここで、「磁気飽和点に近づく」とは、第３図のＢ／Ｈ
曲線の直線部分ａ−ｂ（厳密には若干の曲りがある）か
ら外れることをいう。

上記第２図の構成において、永久磁石２８による直流磁
界は、Ｅ型コアとＩ型コア２３の間にギャップ２９．３
０があるから、８塁コア２２の３つの脚部２５，２７．
２７を通らずに、Ｅ型コア２２の胴部４８，Ｉコア２３
およびＬｆｉヨーク２４内を矢印Ａのように通り、この
磁気通路内における比較的面積の小さい磁束調節部３１
，３２が、磁気飽和点に近づく、つまり、第３図のＢ／
Ｈ特性線図の直線部分ａ−ｂから外れた領域にあるＣ点
に達する。ここで、上記永久磁石２８は２つ設けられて
いるから、大きな磁気バイアスを容易にかけることがで
きる。

この状態で、巻線２６の両端子３５．３６間に交流を通
電したとき、一方の端子３５に正、他方の端子３６に負
の電圧がかかった場合１巻線２６の上向きにＮ極が生じ
るように磁界Ｂ１が発生する。この磁界Ｂ１は、ギャッ
プ２９．３０を通過し、Ｅ型コア２２とＩコア２３の中
を通るが、永久磁石２８が磁界Ｂ１に対してギャップと
して働くことから、ヨーク２４および永久磁石２８を通
りにくい、したがって、磁界Ｂｌによる永久磁石２８の
減磁は少ない。

上記巻線２６による磁界Ｂ１は、左側の磁束調節部３１
には、上記直流磁界Ａと逆方向にかかり、右側の磁束調
節部３２には、直流磁界Ａと同方向にかかる。その結果
、上記磁界Ｂ１のうち、右側の磁束調節部３２を通る磁
束は制限され、左側の磁束調節部３１を通る磁束が増大
するので、巻線２６がつくる磁界Ｂ１は、その大部分が
左側の磁束調節部３１を通る閉磁路内に収まる。この磁
界Ｂ１が通る閉磁路には、ギャップ３０が存在するので
、閉磁路は巻線２６の大きな電流値に対しても、飽和し
にくい特性となる。

ここで、巻線２６に通電される電流が小電流である場合
、磁界Ｂｌの閉磁路を構成する左側の磁束調節部３１の
磁化強さは、第３図のＣ点とｂ点の間になるので、磁束
調節部３１の透磁率（Ｂ／Ｈ曲線の勾配に相当）は低く
、他方、大電流である場合には、磁束調節部３１の磁化
強さがｂ点とａ点の間になるので、磁束調節部３１の透
磁率が高くなる。したがって、チョーク２１のインダク
タンスは、小電流領域では小さく、大電流領域では大き
くなる。

つぎに、交流電圧が反転して、第４図に示すように、一
方の端子３５に負、他方の端子３６に正の電圧がかかっ
た場合、巻線２６の下向きにＮ極が生じるように磁界Ｂ
２が発生する。この場合には、第２図の場合とは逆に、
左側の磁束調節部３１を通る磁束が制限され、右側の磁
束調節部３２を通る磁束が増大するので、磁界Ｂ２は、
その大部分が右側の磁束調節部３２を通る閉磁路内に収
まり、やはり、この磁束調節部３２の透磁率の変化によ
って、チョーク２１のインダクタンスは、小電流時に小
さく、大電流時に大きくなる。

つまり、交流が両端子３５．３６に加えられた場合、そ
の極性が反転するたびに、その交流が作る磁力線の主た
る通過経路が、両磁束調節部３１．３２間で切り換わる
。したがって、千璽−り２１が左右対称に作られている
かぎり、永久磁石２８による磁気バイアスの方向を一定
にしておいても、巻線電流の正、負の反転に対して同様
に機能する。このチョーク２１のインダクタンス特性を
第５図に示す。

つぎに、インダクタンスを第５図のように変化させると
、第１ａ図または第１ｂ図のインバータｌＯへの供給電
力の力率が向上する理由を説明する。

まず、低負荷時には、コンデンサ１３に蓄積されている
電荷が多いから、交流電源１１から整流回路１２を経て
コンデンサ１３に供給される供給電流は、正弦波の電流
波形の頂部のみとなるので、この発明のチョーク２１が
ない場合には、第６図に示すように、交流電源１１から
の正弦波である供給電圧４１と比べて、供給電流は１幅
の狭い急俊な波形４２となる。

これに対し、この発明のチョーク２１を用いた場合、電
流波形４２における小電流時、つまり波形の裾の部分４
２ａにおいては、インダクタンスが小さいので、電流は
若干抑制されるだけであるが、大電流時、つまり波形の
頂部４２ｂにおいては、インダクタンスが大きいので、
電流が強く抑制される。したがって、第７図に示すよう
に、裾部分４２ａが若干下がり、頂部４２ｂが大きく下
がって、出力電圧４１の正弦波に近い波形４３が得られ
る。その結果、力率が向上する。

他方、従来のように、電流の大小にかかわらずにインダ
クタンスが一定なチョークを用いた場合には、第８図に
示すように、電流波形の全体が一様に抑制されるので、
この発明のチョーク２１を用いた場合のような力率の向
上は望めない。

つぎに、高負荷時には、コンデンサ１３に蓄積されてい
る電荷が少ないから、コンデンサ１３への供給電流は、
正弦波の電流波形の頂部と、その下方の中間部、つまり
、ゼロ点に近い下部を除いた部分となるので、この発明
の千厘−り２１がない場合の供給電流は、第９図に示す
ように、若干幅の広い滑らかな波形４２となるが、それ
でも、この波形４２は、正弦波とはかなり大きく相違し
ている。

これに対し、この発明のチョーク２１を用いた場合には
、やはり電流波形４２の裾部分４２ａが若干押し下げら
れ、頂部４２ｂが大きく押し下げられるので、正弦波に
近い波形４７となる結果、力率が向上する。この高負荷
時にも、従来のようにインダクタンスが一定のチョーク
を用いた場合には、上記低負荷時と同様に、やはり正弦
波に近い波形が得られないので、力率は十分向上しない
。

実際、インダクタンスが一定の従来のチョークと、第５
図に示した特性を持つこの発明のチョーク２１とを用い
てインバータ１０への供給電力の力率を比較したところ
、第１０図に示した結果が得られた。この第１０図から
れかるように、低負荷（１００Ｖ、８Ａ）　テ３ポイン
ト、高負荷（１００Ｖ、１Ｉ３Ａ）テ４ポイント、それ
ぞれ力率の改善が見られた。

ところで、上記第２図に示した実施例では、永久磁石２
８が２つ必要になるうえに、両側部にＬ型ヨーク２４も
必要になるので、チョーク２１が大型化する。

これに対し、第１１図に示す実施例では、Ｅ型コア２２
の中脚２５の先端部とＩ型コア２３との間に一ギャップ
２９を設けるとともに、ＩＮコア２３を上記中脚２５の
先端部に対向する中央部で２分割して、その分割部に、
直流磁界を発生する永久磁石２８を挿入している。また
、この例では、ＥＪココア２の胴部４８をＥ型コア２２
の他の部分およびＩコア２３よりも細くして、磁束調節
部３１．３２としている。

この第１１図の構成によれば、第２図のＬ型ヨーク２４
を省略でき、しかも１つの小型の永久磁石２８によって
磁気バイアスをかけることが可能になるので、チョーク
２１が小型化される。ここで、永久磁石２８が小型であ
ることから、永久磁石２８の材料として、強い磁力の得
られるサマリウム、コバルトのような希土類を用いるの
が好ましい。

また、永久磁石２８がＩ型コア２３の中央部に位置して
いるから、巻線２６の電流による交番磁界Ｂｌ、Ｂ２は
、永久磁石２８をその磁化方向（第１１図の左右方向）
に横切らないので、上記磁界Ｂｌ、Ｂ２による永久磁石
２８の減磁は少ない。

第１２図はさらに他の実施例を示すもので、同図におい
て、Ｅ型コア２２の中脚２５を縦に２分割し、その分割
部に永久磁石２８を挿入している。また、Ｉ型コア２３
をＥ型コア２２よりも細く形成して、これを磁束調節部
３１．３２としている。

第１２図の実施例によれば、やはりチョーク２１が小型
化されるほか、上記中脚２５の面積の大きい分割面４９
で永久磁石２８を挟み込むので、永久磁石２８が強固に
保持される。しかも、永久磁石２８は第１１図の場合よ
りも大型になるので、上記希土類よりも磁束密度は低い
が安価な材料、たとえば、フェライト磁石を用いること
ができる。また、巻線２６の電流による交番磁界Ｂ１、
Ｂ２は、やはり、永久磁石２８をその磁化方向に横切ら
ないので、上記磁界Ｂｌ　、Ｂ２による永久磁石２８の
減磁は少ない。

なお、上記各実施例では、コアの一部のみを細くして、
磁束調ｗｉ部としたが、これは、コアの他の部分を太く
することによって、磁気回路全体の磁気抵抗を小さくす
るためである。したがって、巻線２６が作る磁束密度が
さほど高くない場合には、コア全体を細くして、コア全
体が永久磁石２８の直流磁界によって磁気飽和点に近づ
くように設定してもよい。

また、磁気バイアス手段としては、直流で励磁される巻
線を持つ電磁石を用いることもできる。

さらに、この発明は、インバータに限らず、整流回路を
持つコンデンサーインプットｆｆｉの他の電気機器にも
、力率改善用として使用できる。

［発明の効果］ 上述のとおり、請求項１〜４の発明によれば、千票−り
のインダクタンスが小電流時には小さく、大電流時には
大きくなるから、正弦波の電圧波形よりも幅の狭い電流
波形が、その裾部分（小電流部）では小さく抑制され、
頂部（大電流部）では大きく抑制される結果、全体とし
て、正弦波に近づくので、力率が向上する。

請求項２の発明によれば、磁気バイアスの方向を一定に
しておいても、巻線に流れる交流の極性の反転に応じて
交互に、いずれか一方の磁束調整部が、巻線の発生する
磁界の大部分を上記直流磁界と逆方向に通過させる磁束
調節部として作用するので、チョークの構造が簡単にな
る。

請求項３の発明によれば、２つの永久磁石によって、大
きな磁気バイアスを容易にかけることができる。

請求項４の発明によれば、小型の永久磁石１つで磁気バ
イアスをかけることが可能になるので、チョークが小型
化される。

請求項５の発明によれば、チヨークが小型化されるうえ
に、Ｅ型コアの中脚の面積の大きい分割面で永久磁石を
挟み込むので、永久磁石が強固に保持される。しかも、
上記分割面が大きい分だけ永久磁石が大型になるので、
磁束密度は低いが安価な磁石材料を用いることができる
利点もある。

さらに、請求項３〜５の発明によれば、巻線電流の磁界
による永久磁石の減磁が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図および第１ｂ図はこの発明に係るチョークが用
いられた電気機器の回路を示す回路図、第２図はこの発
明の一実施例を示すチ菖−りの正面図、第３図は同実施
例のチョークのＢ／Ｈ特性を示す特性図、第４図は同実
施例の動作を説明するための正面図、第５図は同実施例
の電流とインダクタンスの関係を示す特性図、第６図は
チョークを用いない場合の低負荷時の電圧波形と電流波
形を示す波形図、第７図は同実施例のチョークを用いた
場合の電流波形を示す波形図、第８図は従来のチョーク
を用いた場合の電流波形を示す波形図、第９図は高負荷
時の電流波形を示す波形図、第１０図は負荷と力率との
関係を示す特性図、第１１図は他の実施例を示すチョー
クの正面図、第１２図はさらに他の実施例を示すチョー
クの正面図、第１３図は従来のチョークのＢ／Ｈ特性を
示す特性図である。 １０・・・インバータ（電気機器）、１１・・・交流電
源、１２・・・整流回路、１３・・・コンデンサ、１４
・・・負荷、２１・・・チョーク、２２・・・Ｅ型コア
、２３・・・Ｉ型コア、２３ａ−・端部、２４−３−り
、２４ａ・・・一端部、２５・・・中脚、２６・・・巻
線、２７・・・側脚、２７ａ・・・外側面、２８・・・
永久磁石（磁気バイアス手段）、２８ａ・・・外側面、
３１．３２・・・磁束調節部。 第 １８図 交流電源 整流回路 コンデンサ チョーク 第１ｂ図 第 図 図 ３１３２、磁束調節部 第１１ 図 第 図 ４日 ｂ 第１３ 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）交流電源からの電力を整流回路で整流した直流入
   力を電気機器に供給するコンデンサと、上記交流電源と
   の間に接続されるチヨークであって、コアと、このコア
   に巻かれた通電用の巻線と、コアに直流磁界を付加する
   磁気バイアス手段とを備え、上記コアの少なくとも一部
   に、上記直流磁界で磁気飽和点に近づき、かつ、上記巻
   線が発生する磁界の大部分を上記直流磁界と逆方向に通
   過させる磁束調節部が設けられている力率改善用チヨー
   ク。
2. （２）請求項１において、磁束調節部は１対設けられ、
   上記巻線が発生する磁界が、一方の磁束調節部には上記
   直流磁界と同方向に、他方の磁束調節部には上記直流磁
   界と逆方向にそれぞれかかるよう設定されている力率改
   善用チヨーク。
3. （３）請求項２において、コアはＥＩ型であり、そのＥ
   型の中脚に通電用の巻線が巻かれて，この中脚および両
   側脚の各先端部とＩ型コアとの間にギャップが設けられ
   、上記両側脚の各外側面に、上記直流磁界を発生する永
   久磁石が装着され、各永久磁石の外側面に、一端部がＩ
   型コアの端部に接触するヨークが装着され、上記Ｉ型コ
   アに、その磁束通路の一部を絞って上記磁束調節部が形
   成されている力率改善用チヨーク。
4. （４）請求項２において、コアはＥＩ型であり、そのＥ
   型の中脚に通電用の巻線が巻かれて、この中脚の先端部
   とＩ型コアとの間にギャップが設けられ、Ｉ型コアが中
   央部で２分割されてその分割部に、上記直流磁界を発生
   する永久磁石が挿入されている力率改善用チョーク。
5. （５）請求項２において、コアはＥＩ型であり、そのＥ
   型の中脚に通電用の巻線が巻かれて、この中脚の先端部
   とＩコアとの間にギャツプが設けられ、上記中脚が縦に
   ２分割されてその分割部に、上記直流磁界を発生する永
   久磁石が挿入されている力率改善用チョーク。