JP2023167199A - Surge recovery structure, electrical machinery equipment for aircraft and electrical machinery equipment for wind power generation - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、サージ回収構造、航空機用電機機器および風力発電用電機機器に関する。 The present disclosure relates to a surge recovery structure, electrical equipment for aircraft, and electrical equipment for wind power generation.
電力変換装置の一つに、たとえば、インバータ装置がある。インバータ装置は、ある電圧と周波数と有する交流を直流に変換し、さらに、その直流を、所望の電圧および周波数を有する交流に変換する機能を有する。そのようなインバータ装置を備えた電機機器では、インバータ装置の内部および外部において生じるサージを回収する構造が設けられている(特許文献1および特許文献2)。
One example of power conversion devices is an inverter device. An inverter device has the function of converting alternating current having a certain voltage and frequency into direct current, and further converting the direct current into alternating current having a desired voltage and frequency. Electrical equipment including such an inverter device is provided with a structure for recovering surges generated inside and outside the inverter device (
特に、特許文献1では、インバータ装置の出力端にケーブルを介して接続されたモータを駆動するモータ駆動システムにおいて、サージ等の伝導性ノイズを低減するために、接地線をインバータ装置の筺体に接続し、サージを大地に逃がさないようにする構造が提案されている。
In particular, in
従来のサージを回収する構造では、サージ(伝導性ノイズ)を大地に逃がさないようにするために、インバータ装置の筺体と接地線と併用することで、サージが大地を流れる場合よりもインピーダンスが低くなる経路が形成されている。 In conventional surge recovery structures, in order to prevent surges (conducted noise) from escaping to the ground, the impedance is lower than when surges flow through the ground by using the inverter housing and grounding wire together. A path has been formed.
ところが、筺体として、たとえば、炭素繊維強化プラスチック等の非金属材料を含む筺体を適用する場合がある。炭素繊維強化プラスチック等の導電率は、金属の導電率の数千分の一程度とされる。このため、非金属材料を含む筺体では、筺体と接地線とを併用するだけでは、サージが大地を流れる場合よりもインピーダンスの低い経路を形成することが困難であるという問題がある。 However, as the housing, for example, a housing containing a non-metallic material such as carbon fiber reinforced plastic may be used. The electrical conductivity of carbon fiber reinforced plastics and the like is said to be about one thousandth of that of metal. Therefore, with a case including a non-metallic material, there is a problem in that it is difficult to form a path with lower impedance than when a surge flows through the ground, just by using the case and a grounding wire together.
また、非金属材料を含む筺体を適用する場合には、非金属材料を含む筺体のインピーダンスによって生じるサージが、インバータ装置と負荷とに印加されないようにするために、耐量の大きなサージ対策部品を設ける必要があり、製造コストが増大するおそれがある。また、そのようなサージ対策部品を設置する場所を確保する必要があり、小型化を阻害するおそれがある。 In addition, when applying a housing containing non-metallic materials, a surge countermeasure component with a large withstand capacity is provided to prevent surges caused by the impedance of the housing containing non-metallic materials from being applied to the inverter device and the load. This may increase manufacturing costs. Furthermore, it is necessary to secure a place to install such surge countermeasure components, which may impede miniaturization.
本開示は、非金属材料を含む筺体を用いた場合のサージの回収に生じる問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、非金属材料を含む筺体を用いた場合でも、サージを回収することができる、製造コストが抑えられたサージ回収構造を提供することであり、他の目的は、そのようなサージ回収構造を備えた航空機用電機機器を提供することであり、さらに他の目的は、そのようなサージ回収構造を備えた風力発電用電機機器を提供することである。 The present disclosure has been made in order to solve the problems that occur in surge recovery when a casing containing a non-metallic material is used, and one purpose is to It is an object of the present invention to provide a surge recovery structure capable of recovering surges and which has a reduced manufacturing cost.Another object is to provide an aircraft electrical equipment equipped with such a surge recovery structure. Another object is to provide electrical equipment for wind power generation equipped with such a surge recovery structure.
本開示に係るサージ回収構造は、筺体と、電源、インバータおよび負荷と、配線と、一つ以上の抵抗体と、抵抗体‐配線間容量とを備えている。筺体は、第1導電率を有する非金属材料を含み、大地および雷雲の少なくともいずれかと電気的に接続されている。電源、インバータおよび負荷は、筺体内にそれぞれ収容されている。配線は、電源とインバータとを電気的に接続する。一つ以上の抵抗体は、負荷に電気的に接続され、第1導電率よりも高い第2導電率を有する。抵抗体‐配線間容量は、抵抗体と配線との間に介在し、抵抗体と配線とを電気的に接続する。負荷から、抵抗体、抵抗体‐配線間容量およびインバータを経て負荷に至る、サージ回収経路が構成される。サージ回収経路の第1インピーダンスは、負荷から、大地および雷雲の少なくともいずれか、大地および雷雲の少なくともいずれかと配線との間の容量およびインバータを経て負荷に至る経路の第2インピーダンスよりも小さい。 A surge recovery structure according to the present disclosure includes a housing, a power source, an inverter, a load, wiring, one or more resistors, and a resistor-wiring capacitance. The housing includes a non-metallic material having a first conductivity, and is electrically connected to at least one of the earth and the thundercloud. A power source, an inverter, and a load are each housed within the housing. The wiring electrically connects the power source and the inverter. The one or more resistors are electrically connected to the load and have a second conductivity higher than the first conductivity. The resistor-wiring capacitance is interposed between the resistor and the wiring, and electrically connects the resistor and the wiring. A surge recovery path is constructed from the load to the load via the resistor, the capacitance between the resistor and the wiring, and the inverter. The first impedance of the surge recovery path is smaller than the second impedance of the path from the load to the load via the ground and/or thunderclouds, the capacitance between the ground and/or the thunderclouds and wiring, and the inverter.
本開示に係る航空機用電機機器は、航空機に搭載され、上記サージ回収構造を備えた航空機用電機機器である。筺体は、航空機の補強構造体を有する。抵抗体は、補強構造体を含む。 The electrical aircraft equipment according to the present disclosure is mounted on an aircraft and includes the surge recovery structure described above. The housing has an aircraft reinforcement structure. The resistor includes a reinforcing structure.
本開示に係る風力発電用電機機器は、風力発電装置に搭載され、上記サージ回収構造を備えた風力発電用電機機器である。筺体は、風力発電機を収容したナセルを含む。抵抗体は、ナセルを含む。 An electrical device for wind power generation according to the present disclosure is an electrical device for wind power generation that is mounted on a wind power generation device and includes the above-mentioned surge recovery structure. The housing includes a nacelle containing a wind power generator. The resistor includes a nacelle.
本開示に係るサージ回収構造によれば、負荷から、抵抗体、抵抗体‐配線間容量およびインバータを経て負荷に至る、サージ回収経路が構成される。サージ回収経路の第1インピーダンスは、負荷から、大地および雷雲の少なくともいずれか、大地および雷雲の少なくともいずれかと配線との間の容量およびインバータを経て負荷に至る経路の第2インピーダンスよりも小さい。これにより、非金属材料を含む筺体を有する電機機器において、製造コストが抑えられたサージ回収構造を得ることができる。 According to the surge recovery structure according to the present disclosure, a surge recovery path is configured from the load to the load via the resistor, the capacitance between the resistor and the wiring, and the inverter. The first impedance of the surge recovery path is smaller than the second impedance of the path from the load to the load via the ground and/or thunderclouds, the capacitance between the ground and/or the thunderclouds and wiring, and the inverter. As a result, it is possible to obtain a surge recovery structure with reduced manufacturing costs in an electrical device having a casing containing a non-metallic material.
本開示に係る航空機用電機機器によれば、上記サージ回収構造を備えていることで、製造コストが抑えられた航空機用電機機器を得ることができる。 According to the electrical equipment for an aircraft according to the present disclosure, by including the surge recovery structure described above, it is possible to obtain an electrical equipment for an aircraft with reduced manufacturing costs.
本開示に係る風力発電用電機機器によれば、上記サージ回収構造を備えていることで、製造コストが抑えられた風力発電用電機機器を得ることができる。 According to the electrical equipment for wind power generation according to the present disclosure, by including the surge recovery structure described above, it is possible to obtain an electrical equipment for wind power generation with reduced manufacturing costs.
実施の形態1.
実施の形態1に係る、インバータ装置11を有する電機機器10におけるサージ回収構造について説明する。図1に示すように、インバータ装置11は、直流の電源15、インバータ17および負荷23を含んでいる。インバータ17と負荷23とが電気的に接続されている。負荷23の駆動が、インバータ17によって制御される。インバータ17は、たとえば、半導体素子としてのスイッチング素子とダイオードとによって構成される。
A surge recovery structure in
電源15とインバータ17とが、配線19によって電気的に接続されている。配線19は、第1配線19aと第2配線19bとを含む。電源15の正極とインバータ17とが、第1配線19aによって電気的に接続されている。電源15の負極とインバータ17とが、第2配線19bによって電気的に接続されている。インバータ17と負荷23とは、シールドケーブル27によって電気的に接続されている。シールドケーブル27は、シールド線27aを有している。
Power supply 15 and
電源15、インバータ17および負荷23は、筺体13内に収容されている。筺体13は、たとえば、炭素繊維強化プラスチック等の非金属材料を含む。さらに、電源15およびインバータ17は、インバータ筺体21内に収容されている。負荷23は、負荷筺体25内に収容されている。
Power source 15,
負荷23と負荷筺体25とが、接地線35aによって電気的に接続されている。負荷筺体25と筺体13とが、接地線35bによって電気的に接続されている。インバータ筺体21と筺体13とが、接地線35cによって電気的に接続されている。
The
筺体13は、配線またはアークによる等価インピーダンス37を介して、大地39または雷雲によって構成される基準電位と電気的に接続されている。また、大地39と配線19とが、大地‐配線間容量47を介して電気的に接続されている。大地‐配線間容量47は、大地‐第1配線間容量47aと大地‐第2配線間容量47bとを有する。
The
インバータ筺体21内には、負荷23と電気的に接続された抵抗体31が配置されている。このインバータ装置11では、負荷23と抵抗体31とは、負荷浮遊容量51と、負荷筺体25と抵抗体31とを電気的に接続する接続線29とを介して電気的に接続されている。接続線29は、抵抗体31の一端側に接続されている。なお、負荷浮遊容量51とは、負荷23として想定しているモータの巻き線と、モータのフレームとの間に形成される浮遊容量である。
A
抵抗体31の他端側と配線19とが、抵抗体‐配線間容量41を介して電気的に接続されている。抵抗体‐配線間容量41は、抵抗体‐第1配線間容量41aと抵抗体‐第2配線間容量41bとを有する。抵抗体31の他端側と第1配線19aとが、抵抗体‐第1配線間容量41aを介して電気的に接続されている。抵抗体31の他端側と第2配線19bとが、抵抗体‐第2配線間容量41bを介して電気的に接続されている。
The other end side of the
筺体13と配線19とが、筺体‐配線間容量43を介して電気的に接続されている。筺体‐配線間容量43は、筺体‐第1配線間容量43aと筺体‐第2配線容量43bとを有する。インバータ筺体21と配線19とが、インバータ筺体‐配線間容量49を介して電気的に接続されている。インバータ筺体‐配線間容量49は、インバータ筺体‐第1配線間容量49aとインバータ筺体‐第2配線間容量49bとを有する。
The
なお、抵抗体‐配線間容量41、筺体‐配線間容量43、インバータ筺体‐配線間容量49は、セラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサ等の静電容量が望ましいが、構造上生じる浮遊容量であってもよい。
Note that the resistor-to-
図2に示すように、上述したインバータ装置11を備えた電機機器10では、サージ回収構造として、負荷23から、負荷浮遊容量51、抵抗体31、抵抗体‐配線間容量41およびインバータ17を経て負荷23に至るサージ回収経路61が構成される(太い実線を参照)。なお、図面の煩雑さを避けるために、インバータ17では、代表的に、三相分のうちの一相分に実線が付されている。後述する対応する図面においても同様である。
As shown in FIG. 2, in the
ここで、サージ回収経路61における抵抗体31(抵抗値)について説明する。サージ回収経路61における抵抗体31(抵抗値)は、サージの主な周波数成分である数kHz~数十MHzの高周波帯域において、サージ回収経路61をサージが流れる場合のインピーダンスが、サージが大地を流れる場合のインピーダンスよりも低いインピーダンスとなるように設定されている。
Here, the resistor 31 (resistance value) in the
具体的には、図3に示される、負荷23から、接地線35a、接地線35b、筺体13、大地39または雷雲、大地‐配線間容量47およびインバータ17を経て負荷23に至る経路(太い点線を参照)のインピーダンスよりも、サージ回収経路61のインピーダンスが低いインピーダンスとなるように、抵抗体31が設定されている。
Specifically, as shown in FIG. 3, the path from the
これにより、筺体13として、金属の導電率よりも数千分の1以下の導電率を有する、たとえば、炭素繊維強化プラスチックまたはプラスチック等の非金属材料を含むものを適用した場合でも、サージが大きくなるのを阻止することができ、また、サージ対策用の部品の大型化を抑制することができ、安価なサージ回収構造が得られる。
As a result, even if the
次に、その抵抗体31の具体的な構造例について説明する。図4または図5に示すように、抵抗体31として、半導体素子53等から発生する熱を放出する放熱器55を適用してもよい。図4では、放熱器55が、インバータ筺体21内に収容された場合が示されている。図5では、放熱器55が、インバータ筺体21の外側に配置された場合が示されている。
Next, a specific structural example of the
また、図6に示すように、抵抗体31として、基板54に配置されたスペーサ57とシールド板56とを適用してもよい。図6では、シールド板56は、基板54にスペーサ57を介在させて、半導体素子53等を覆うように配置された場合が示されている。
Further, as shown in FIG. 6, a spacer 57 and a shield plate 56 arranged on a
さらに、図7に示すように、抵抗体31として、基板54に設けられた接地パターン58(グランドパターン)を適用してもよい。また、図5~図7のそれぞれに示すように、シールドケーブル27のシールド線27aを電気的に接続させてもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 7, a ground pattern 58 (ground pattern) provided on the
次に、上述した電機機器10におけるサージ回収経路61(サージ回収構造)によるサージ低減効果について、雷電流を筺体13に印加した場合のサージを、電磁解析によって評価した。
Next, regarding the surge reduction effect of the surge recovery path 61 (surge recovery structure) in the
まず、電磁解析の条件について説明する。航空機向け雷試験規格(SAE APR5412-B)によって定められている雷電流波形を、非金属材料を含む筺体13に印加した。インバータ17と筺体13との間の筺体‐配線間容量43を各相あたり100pFとした。また、負荷浮遊容量51を10nFとした。さらに、筺体13として、炭素繊維プラスチック(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)の最も導電率が低い板厚方向の導電率を5.58×102S/mと仮定した。
First, the conditions for electromagnetic analysis will be explained. A lightning current waveform defined by the lightning test standard for aircraft (SAE APR5412-B) was applied to the
次に、この条件ものとでサージの電磁解析を行って得られた特性図について説明する。図8(比較例)に示すように、インバータ装置11の位置では、およそ-10kV程度のピーク値を有するサージが出現していることがわかった。これに対して、図9に示すように、サージ回収経路61を有する場合には、およそ-8kV程度のピーク値を有するサージが出現し、比較例と比べて、サージを抑制できることが確認された。
Next, a characteristic diagram obtained by performing an electromagnetic analysis of a surge under these conditions will be described. As shown in FIG. 8 (comparative example), it was found that a surge having a peak value of about -10 kV appeared at the position of the
なお、上述した電機機器10では、電源15として、直流電源を例に挙げて説明したが、交流電源を直流電源に変換する場合についても、抵抗体31を有するサージ回収経路61を適用することが可能である。また、負荷筺体25に負荷23が収容されて、負荷23と負荷筺体25とが接地線35aによって電気的に接続されている場合を例に挙げて説明したが、必ずしも、負荷筺体25を設ける必要はなく、この場合には、接地線35aは不要とされる。さらに、インバータ筺体21としては、通常、金属製のインバータ筺体21が適用されるが、たとえば、プラスチック等の非金属材料から形成されたインバータ筺体21を適用してもよい。
In the
実施の形態2.
前述した電機機器10では、一つの抵抗体31を適用した場合について説明した。ここでは、複数の抵抗体31を備えた電機機器10について説明する。
Embodiment 2.
In the
図10に示すように、電機機器10では、抵抗体31として、抵抗体31aと抵抗体31bとが設けられている。2つの抵抗体31の具体的な構造の一例として、2つの放熱器52を電気的に並列に接続させた構成を図11に示す。
As shown in FIG. 10, in the
図10および図11に示すように、抵抗体31aの一端側には、接続線29が電気的に接続されている。抵抗体31aの他端側と配線19とが、抵抗体‐配線間容量41を介して電気的に接続されている。抵抗体‐配線間容量41は、抵抗体‐第1配線間容量41aと抵抗体‐第2配線間容量41bとを有する。
As shown in FIGS. 10 and 11, a
抵抗体31bの一端側には、接続線29が電気的に接続されている。抵抗体31bの他端側と配線19とが、抵抗体‐配線間容量41を介して電気的に接続されている。抵抗体‐配線間容量41は、容量41cと容量41dとを有する。
A connecting
抵抗体31(31a、31b)は、サージの主な周波数成分である数kHz~数十MHzの高周波帯域において、負荷23から、負荷浮遊容量51、抵抗体31(31a、31b)、抵抗体‐配線間容量41(41a、41b、41c、41d)およびインバータ17を経て負荷23に至るサージ回収経路61のインピーダンスが、サージが大地を流れる場合(図3の太い点線を参照)のインピーダンスよりも低いインピーダンスとなるように設定されている。なお、これ以外の構成については、図1に示す電機機器10の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
The resistor 31 (31a, 31b) connects the
上述した電機機器10では、複数の抵抗体31が電気的に並列に接続されている。抵抗体31が、複数(たとえば、N個)の抵抗体31から構成される場合、抵抗体31の全体としては、インピーダンスは1/Nに低減される。これにより、金属の導電率の数千分の1以下の導電率を有する非金属材料を含む筺体13を適用した場合においても、サージを抑制することができる。また、サージ対策部品の大型化を防ぐことができる。なお、金属の導電率の数千分の1以下の導電率を有する非金属材料としては、たとえば、炭素繊維強化プラスチックまたはプラスチック等がある。
In the
実施の形態3.
ここでは、非金属材料を含む筺体において、金属部と非金属部とが特定されている筺体を適用した電機機器について説明する。
Embodiment 3.
Here, a description will be given of an electrical device to which a housing including a non-metallic material is applied, in which a metal portion and a non-metallic portion are specified.
図12に示すように、電機機器10では、非金属材料を含む筺体13において、金属部13aと非金属部13bとが特定されている。その金属部13aが、抵抗体として機能する。金属部13aの一端側と抵抗体31の他端側とが、接続線30によって電気的に接続されている。
As shown in FIG. 12, in the
金属部13aの他端側と配線19とが、筺体‐配線間容量45を介して電気的に接続されている。筺体‐配線間容量45は、筺体‐第1配線間容量45aと筺体‐第2配線間容量45bとを有する。金属部13aの他端側と第1配線19aとが、筺体‐第1配線間容量45aを介して電気的に接続されている。金属部13aの他端側と第2配線19bとが、筺体‐第2配線間容量45bを介して電気的に接続されている。
The other end side of the metal portion 13a and the wiring 19 are electrically connected via a
非金属部13bと配線19とが、筺体‐配線間容量45を介して電気的に接続されている。筺体‐配線間容量45は、筺体‐第1配線間容量45cと筺体‐第2配線間容量45dとを有する。非金属部13bと第1配線19aとが、筺体‐第1配線間容量45cを介して電気的に接続されている。非金属部13bと第2配線19bとが、筺体‐第2配線間容量45dを介して電気的に接続されている。
The non-metallic portion 13b and the wiring 19 are electrically connected via a
図13に示すように、上述した電機機器10では、サージ回収構造としてのサージ回収経路61は、サージ回収経路61aとサージ回収経路61bとを備えている。サージ回収経路61aは、負荷23から、負荷浮遊容量51、抵抗体31、抵抗体‐配線間容量41(41a、41b)およびインバータ17を経て負荷23に至る経路である。サージ回収経路61bは、負荷23から、負荷浮遊容量51、抵抗体31、金属部13a、筺体‐配線間容量45(45a、45b)およびインバータ17を経て負荷23に至る経路である。抵抗体31は、サージの主な周波数成分である数kHz~数十MHzの高周波帯域において、そのサージ回収経路61のインピーダンスが、サージが大地を流れる場合(図3の太い点線を参照)のインピーダンスよりも低いインピーダンスとなるように設定されている。
As shown in FIG. 13, in the
なお、これ以外の構成については、図1に示す電機機器10の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
Note that the configuration other than this is the same as the configuration of the
上述した電機機器10では、サージ回収経路61に、筺体13の金属部13aが含まれている。これにより、サージ回収経路61に新たに抵抗体31を設ける数を抑えることができ、その結果、サージ回収構造(サージ回収経路61)の生産コストを抑えることができる。
In the
実施の形態4.
ここでは、サージ回収構造を備えた電機機器として、航空機に搭載される航空機用電機機器について説明する。図14に示すように、航空機71の胴体等には、フレーム74とストリンガー75とを備えた補強構造73が採用されている(図15参照)。フレーム74は、胴体の長手方向に沿って配置されている。ストリンガー75は、フレーム74と交差するように、胴体の周方向に沿って配置されている。
Embodiment 4.
Here, as an electrical equipment equipped with a surge recovery structure, an aircraft electrical equipment mounted on an aircraft will be described. As shown in FIG. 14, a reinforcing
航空機用電機機器72では、補強構造73が、サージ回収構造としてのサージ回収経路の抵抗体として適用される。図15に示すように、フレーム74とストリンガー75とによって形成された補強構造73は、金属部73aと非金属部とを含む。補強構造73において、金属部73aが抵抗体31として適用される。補強構造73は、図1等に示される非金属材料を含む筺体13に相当する。その筺体13としての補強構造73内に、インバータ筺体21と負荷筺体25とが収容されている。
In the aircraft electrical equipment 72, the reinforcing
抵抗体31としての金属部73aの一端側には、接続線29が電気的に接続されている。金属部73aの他端側と配線19とが、抵抗体‐配線間容量45を介して電気的に接続されている。筺体‐配線間容量45は、筺体‐第1配線間容量45aと筺体‐第2配線間容量45bとを有する。なお、これ以外の構成については、図1等に示す電機機器10の構成と実質的に同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
A connecting
図16に示すように、上述した航空機用電機機器72では、負荷23から、負荷浮遊容量51、抵抗体31としての金属部73a、筺体‐配線間容量45およびインバータ17を経て負荷23に至る、サージ回収構造としてのサージ回収経路61が形成される。
As shown in FIG. 16, in the above-described aircraft electrical equipment 72, the
サージ回収経路61のインピーダンスは、図17に示される比較例としての航空機用電機機器における、負荷23から、負荷浮遊容量51、等価インピーダンス37、大地39または雷雲、大地‐配線間容量47およびインバータ17を経て負荷23に至る経路161a(太い点線を参照)のインピーダンスよりも低いインピーダンスとなるように設定されている。大地‐配線間容量47は、大地‐第1配線間容量47aと大地‐第2配線間容量47bとを有する。
The impedance of the
また、サージ回収経路61のインピーダンスは、図17に示される比較例としての航空機用電機機器における、負荷23から、負荷浮遊容量51、非金属73b、筺体‐配線間容量45およびインバータ17を経て負荷23に至る経路161b(太い点線を参照)のインピーダンスよりも低いインピーダンスとなるように設定されている。筺体‐配線間容量45は、筺体‐第1配線間容量45cと筺体‐第2配線間容量45dとを有する。
Further, the impedance of the
上述した航空機用電機機器72では、補強構造73における金属部73aを抵抗体31として適用することで、新たな抵抗体を用意することなく、サージ回収構造としてのサージ回収経路61を安価に構成することができる。
In the above-described aircraft electrical equipment 72, by using the
サージ回収経路61における抵抗体31としては、補強構造73とは別に、実施の形態1において説明したように、放熱器、シールドケーブルのシールド線、シールド板等を適用してもよい。この場合には、補強構造にサージ電流が流れるのを防いで、補強構造のサージ電流の印加に伴う劣化を防ぐことができる。
As the
なお、航空機へ雷サージが印加される場合、配線またはアークによる等価インピーダンス37は、航空機と雷雲との間のアーク抵抗値となる。一般論として、筺体が、配線によるインダクタンス成分または抵抗を介して接地される場合、筺体の接地インピーダンスに応じて、サージ(電圧)が大きくなってしまう。また、筺体が接地されている場合、筺体自体のインピーダンスが、たとえ高い値であってとしても、筺体から接地点までのインピーダンスが低ければ、サージの問題は発生しにくい。
Note that when a lightning surge is applied to an aircraft, the
上述した航空機用電機機器72では、サージ回収経路61により、次のような系についても、サージを回収することができる。すなわち、筺体13(補強構造73)が、大地39または雷雲によって構成される基準電位と、配線またはアークによる等価インピーダンス37を介して電気的に接続されていて、筺体13が、サージの数kHz~数十MHzの高周波帯域において接地電位とはならない系についても、サージを回収することができる。
In the above-described aircraft electrical equipment 72, the
サージ回収構造(サージ回収経路61)として、インバータ筺体21が金属製であり、負荷筺体25も金属製である場合、インバータ筺体21と負荷筺体25とを接地線によって電気的に接続することも考えられる。
As a surge recovery structure (surge recovery path 61), if the
ところが、航空機用電機機器の場合、インバータと負荷とは、30m程度離れて配置される場合がある。このような場合には、インバータ筺体と負荷筺体との間を電気的に接続する接地線の重量とコストとが問題となることが想定される。 However, in the case of aircraft electrical equipment, the inverter and the load may be placed approximately 30 meters apart. In such a case, it is assumed that the weight and cost of the grounding wire that electrically connects the inverter housing and the load housing will become a problem.
これに対して、上述した航空機用電機機器72のサージ回収経路61では、抵抗体31として、補強構造となるフレームおよびストリンガー等の金属製の部品(構造体)を適用することで、新たに追加する部品を最小限に抑えることができ、軽量化と低コスト化とを図ることができる。
On the other hand, in the
通常、航空機にCFRPを用いる場合、CFRPに金属メッシュ層を入れて、耐雷性を確保する手法が知られている。このような構造では、抵抗体31として、金属メッシュ層と補強構造(フレームおよびストリンガー)とを組み合わせた部分を適用するようにしてもよい。これにより、新たに設ける抵抗体を少なくすることができ、サージ回収構造(サージ回収経路)の生産コストの低減に寄与することができる。
Generally, when using CFRP in an aircraft, a method is known in which a metal mesh layer is inserted into the CFRP to ensure lightning resistance. In such a structure, the
実施の形態5.
ここでは、サージ回収構造を備えた電機機器として、風力発電装置に搭載される風力発電用電機機器について説明する。図18に示すように、風力発電装置81には、発電機等を収容したナセル83が搭載されている。ナセル83は、金属部83aと非金属部83bとを含む。
Here, an electrical equipment for wind power generation installed in a wind power generator will be described as an electrical equipment equipped with a surge recovery structure. As shown in FIG. 18, the
風力発電用電機機器82では、ナセル83における金属部83aが、サージ回収構造としてのサージ回収経路の抵抗体として適用される。図19に示すように、ナセル83は、図1等に示される非金属材料を含む筺体13に相当する。その筺体13としてのナセル83内に、インバータ筺体21と負荷筺体25とが収容されている。
In the wind power generation
抵抗体31としての金属部83aの一端側には、接続線29が電気的に接続されている。金属部83aの他端側と配線19とが、抵抗体‐配線間容量45を介して電気的に接続されている。抵抗体‐配線間容量45は、抵抗体‐第1配線間容量45aと抵抗体‐第2配線間容量45bとを有する。なお、これ以外の構成については、図1等に示す電機機器10の構成と実質的に同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
A connecting
図20に示すように、上述した風力発電用電機機器82では、負荷23から、負荷浮遊容量51、抵抗体31としての金属部83a、筺体‐配線間容量45およびインバータ17を経て負荷23に至る、サージ回収構造としてのサージ回収経路61が形成される。
As shown in FIG. 20, in the wind power generation
サージ回収経路61のインピーダンスは、図21に示される比較例としての風力発電用電機機器における、負荷23から、負荷浮遊容量51、等価インピーダンス37、大地、大地‐配線間容量47およびインバータ17を経て負荷23に至る経路161a(太い点線を参照)のインピーダンスよりも低いインピーダンスとなるように設定されている。大地‐配線間容量47は、大地‐第1配線間容量47aと大地‐第2配線間容量47bとを有する。
The impedance of the
また、サージ回収経路61のインピーダンスは、図21に示される比較例としての風力発電用電機機器における、負荷23から、負荷浮遊容量51、非金属部83b、筺体‐配線間容量45(45c、45d)およびインバータ17を経て負荷23に至る経路161b(太い点線を参照)のインピーダンスよりも低いインピーダンスとなるように設定されている。なお、筺体‐配線間容量45は、筺体‐第1配線間容量45cと筺体‐第2配線間容量45dとを有する。
In addition, the impedance of the
上述した風力発電用電機機器82では、ナセル83における金属部83aを抵抗体31として適用することで、新たな抵抗体を用意することなく、サージ回収構造としてのサージ回収経路61を安価に構成することができる。
In the wind power generation
なお、風力発電用電機機器へ雷サージが印加される場合、配線またはアークによる等価インピーダンス37は、風力発電用電機機器と大地との間の配線インダクタンスとなる。上述した風力発電用電機機器82では、サージ回収経路61により、次のような系についても、サージを回収することができる。すなわち、筺体13(ナセル83)が、大地によって構成される基準電位と、配線またはアークによる等価インピーダンス37を介して電気的に接続されていて、筺体13が、サージの数kHz~数十MHzの高周波帯域において接地電位とはならない系についても、サージを回収することができる。
Note that when a lightning surge is applied to the electrical equipment for wind power generation, the
なお、各実施の形態において説明したサージ回収構造については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。また、各実施の形態では、電源15が直流の場合について説明したが、電源15が3相3線または3相4線などの交流および整流回路を用いたものであってもよい。 Note that the surge recovery structures described in each embodiment can be combined in various ways as necessary. Further, in each of the embodiments, the case where the power supply 15 is a DC power supply has been described, but the power supply 15 may be one using an AC and rectifier circuit such as a three-phase three-wire or three-phase four-wire system.
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本開示は上記で説明した範囲ではなく、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および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is an example and is not limited thereto. The present disclosure is indicated by the claims, not the scope described above, and is intended to include all changes within the meaning and range equivalent to the claims.
なお、本開示は、以下の態様を含む。
(付記1)
第1導電率を有する非金属材料を含み、大地および雷雲の少なくともいずれかと電気的に接続された筺体と、
前記筺体内にそれぞれ収容された、電源、インバータおよび負荷と、
前記電源と前記インバータとを電気的に接続する配線と、
前記負荷に電気的に接続され、前記第1導電率よりも高い第2導電率を有する一つ以上の抵抗体と、
前記抵抗体と前記配線との間に介在し、前記抵抗体と前記配線とを電気的に接続する抵抗体‐配線間容量と、
を備え、
前記負荷から、前記抵抗体、前記抵抗体‐配線間容量および前記インバータを経て前記負荷に至る、サージ回収経路が構成され、
前記サージ回収経路の第1インピーダンスは、前記負荷から、前記大地および前記雷雲の少なくともいずれか、前記大地および前記雷雲の少なくともいずれかと前記配線との間の容量および前記インバータを経て前記負荷に至る経路の第2インピーダンスよりも小さい、サージ回収構造。
Note that the present disclosure includes the following aspects.
(Additional note 1)
a casing that includes a non-metallic material having a first conductivity and is electrically connected to at least one of the earth and a thundercloud;
a power source, an inverter, and a load, each housed in the housing;
Wiring that electrically connects the power source and the inverter;
one or more resistors electrically connected to the load and having a second conductivity higher than the first conductivity;
a resistor-wiring capacitance interposed between the resistor and the wiring and electrically connecting the resistor and the wiring;
Equipped with
A surge recovery path is configured from the load to the load via the resistor, the resistor-wiring capacitance, and the inverter,
The first impedance of the surge recovery path is a path from the load to the load via at least one of the ground and the thundercloud, a capacitance between the ground and/or the thundercloud and the wiring, and the inverter. A surge recovery structure that is smaller than the second impedance of.
(付記2)
前記インバータは、
回路基板と、
前記回路基板に実装されたパワー半導体素子と
を含む、付記1記載のサージ回収構造。
(Additional note 2)
The inverter is
a circuit board;
The surge recovery structure according to
(付記3)
前記インバータは、前記パワー半導体素子から発生する熱を放熱する放熱器を有し、
前記抵抗体は、前記放熱器を含む、付記2記載のサージ回収構造。
(Additional note 3)
The inverter has a heat radiator that radiates heat generated from the power semiconductor element,
The surge recovery structure according to supplementary note 2, wherein the resistor includes the heat radiator.
(付記4)
前記インバータは、前記回路基板上に導電性スペーサを介して、前記回路基板を覆うように配置された導電性シールド板を有し、
前記抵抗体は、前記導電性スペーサおよび前記導電性シールド板を含む、付記2または3に記載のサージ回収構造。
(Additional note 4)
The inverter has a conductive shield plate disposed on the circuit board via a conductive spacer so as to cover the circuit board,
The surge recovery structure according to appendix 2 or 3, wherein the resistor includes the conductive spacer and the conductive shield plate.
(付記5)
前記インバータは、前記回路基板に形成された接地パターンを有し、
前記抵抗体は、前記接地パターンを含む、付記2~4のいずれか1項に記載のサージ回収構造。
(Appendix 5)
The inverter has a ground pattern formed on the circuit board,
The surge recovery structure according to any one of Supplementary Notes 2 to 4, wherein the resistor includes the ground pattern.
(付記6)
前記インバータと前記負荷とを電気的に接続する、シールド線を含むシールドケーブルを有し、
前記抵抗体は、前記シールド線を含む、付記2~5のいずれか1項に記載のサージ回収構造。
(Appendix 6)
A shielded cable including a shielded wire electrically connects the inverter and the load,
The surge recovery structure according to any one of Supplementary Notes 2 to 5, wherein the resistor includes the shield wire.
(付記7)
前記抵抗体は、一の抵抗体と他の抵抗体とを含み、
前記一の抵抗体と前記他の抵抗体とは電気的に並列に接続された、付記1~6のいずれか1項に記載のサージ回収構造。
(Appendix 7)
The resistor includes one resistor and another resistor,
The surge recovery structure according to any one of
(付記8)
前記筺体と前記配線との間に介在し、前記筺体と前記配線とを電気的に接続する筺体‐配線間容量を含み、
前記筺体は、
前記非金属材料から形成された非金属部と、
金属材料から形成された金属部と
を含み、
前記抵抗体は、前記負荷と前記金属部との間に電気的に接続され、
前記筺体‐配線間容量は、金属部‐配線間容量を含む、付記1~7のいずれか1項に記載のサージ回収構造。
(Appendix 8)
A case-to-wiring capacitor interposed between the case and the wiring and electrically connecting the case and the wiring,
The casing is
a nonmetallic part formed from the nonmetallic material;
A metal part formed from a metal material,
the resistor is electrically connected between the load and the metal part,
The surge recovery structure according to any one of
(付記9)
前記筺体‐配線間容量は、非金属部‐配線間容量を含み、
前記負荷と前記筺体とを電気的に接続する接地線を含み、
前記抵抗体は、前記第1インピーダンスが、前記負荷から、前記接地線、前記筺体、前記筺体の基準電位、前記非金属部‐配線間容量、前記インバータを経て、前記負荷に至る経路の第3インピーダンスよりも低くなるように設定された、付記8記載のサージ回収構造。
(Appendix 9)
The capacitance between the casing and the wiring includes the capacitance between the non-metallic part and the wiring,
including a grounding wire that electrically connects the load and the casing;
The resistor is configured such that the first impedance is a third impedance of a path from the load to the load via the ground wire, the casing, the reference potential of the casing, the capacitance between the nonmetallic part and the wiring, and the inverter. The surge recovery structure according to appendix 8, which is set to be lower than the impedance.
(付記10)
前記インバータを収容する金属筺体を有し、
前記金属筺体は、前記筺体内に収容された、付記1~9のいずれか1項に記載のサージ回収構造。
(Appendix 10)
having a metal casing that houses the inverter;
The surge recovery structure according to any one of
(付記11)
航空機に搭載され、付記1~10のいずれか1項に記載のサージ回収構造を備えた航空機用電機機器であって、
前記筺体は、航空機の補強構造体を有し、
前記抵抗体は、前記補強構造体を含む、航空機用電機機器。
(Appendix 11)
An electrical aircraft equipment installed on an aircraft and equipped with the surge recovery structure according to any one of
the housing has an aircraft reinforcement structure;
An electrical equipment for an aircraft, wherein the resistor includes the reinforcing structure.
(付記12)
前記筺体は、前記大地および前記雷雲のいずれかによって構成される基準電位と、抵抗を介して電気的に接続された、付記11記載の航空機用電機機器。
(Appendix 12)
12. The aircraft electrical equipment according to
(付記13)
風力発電装置に搭載され、付記1~10のいずれか1項に記載のサージ回収構造を備えた風力発電用電機機器であって、
前記筺体は、風力発電機を収容したナセルを含み、
前記抵抗体は、前記ナセルを含む、風力発電用電機機器。
(Appendix 13)
An electrical equipment for wind power generation, which is installed in a wind power generation device and is equipped with the surge recovery structure according to any one of
The housing includes a nacelle housing a wind power generator,
An electrical equipment for wind power generation, in which the resistor includes the nacelle.
(付記14)
前記風力発電装置は、前記大地に設置され、
前記筺体は、前記大地と前記ナセルとの間を電気的に接続する接地配線によって、前記大地の基準電位と電気的に接続された、付記13記載の風力発電用電機機器。
(Appendix 14)
The wind power generation device is installed on the ground,
14. The electrical equipment for wind power generation according to
本開示は、非金属材料を含む筺体を適用した電機機器のサージ対策に、有効に利用される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure can be effectively used as a surge countermeasure for electrical equipment to which a housing including a non-metallic material is applied.
10 電機機器、11 インバータ装置、13 筺体、13a 金属部、13b 非金属部、15 電源、17 インバータ、19 配線、19a 第1配線、19b 第2配線、21 インバータ筺体、23 負荷、25 負荷筺体、27 シールドケーブル、27a シールド線、29、30 接続線、31、31a、31b 抵抗体、35a、35b、35c 接地線、37 等価インピーダンス、39 大地、41 抵抗体‐配線間容量、41a 抵抗体‐第1配線間容量、41b 抵抗体‐第2配線間容量、41c 抵抗体‐第1配線間容量、41d 抵抗体‐第2配線間容量、43 筺体‐配線間容量、43a 筺体‐第1配線間容量、43b 筺体‐第2配線間容量、45 筺体‐配線間容量、45a 金属部‐第1配線間容量、45b 金属部‐第2配線間容量、45c 非金属部‐第1配線間容量、45d 非金属部‐第2配線間容量、47 大地‐配線間容量、47a 大地‐第1配線間容量、47b 大地‐第2配線間容量、49 インバータ筺体‐配線間容量、49a インバータ筺体‐第1配線間容量、49b インバータ筺体‐第2配線間容量、51 負荷容量、53 半導体素子、54 基板、55 放熱器、56 シールド板、57 スペーサ、58 接地パターン、61 サージ回収構造、71 航空機、72 航空機用電機機器、73 補強構造、73a 金属部、73b 非金属部、74 フレーム、75 ストリンガー、81 風力発電装置、82 風力発電用電機機器、83 ナセル、83a 金属部、83b 非金属部。 10 electrical equipment, 11 inverter device, 13 housing, 13a metal part, 13b non-metallic part, 15 power supply, 17 inverter, 19 wiring, 19a first wiring, 19b second wiring, 21 inverter housing, 23 load, 25 load housing, 27 Shield cable, 27a Shield wire, 29, 30 Connection wire, 31, 31a, 31b Resistor, 35a, 35b, 35c Ground wire, 37 Equivalent impedance, 39 Earth, 41 Resistor-wiring capacitance, 41a Resistor-No. 1 wiring capacitance, 41b resistor-second wiring capacitance, 41c resistor-first wiring capacitance, 41d resistor-second wiring capacitance, 43 casing-wiring capacitance, 43a casing-first wiring capacitance , 43b Capacitance between the housing and the second wiring, 45 Capacitance between the housing and the wiring, 45a Capacitance between the metal part and the first wiring, 45b Capacitance between the metal part and the second wiring, 45c Capacitance between the non-metallic part and the first wiring, 45d Capacitance between metal part and second wiring, 47 Capacitance between earth and wiring, 47a Capacitance between earth and first wiring, 47b Capacitance between earth and second wiring, 49 Capacitance between inverter housing and wiring, 49a Between inverter housing and first wiring Capacity, 49b Inverter housing-second wiring capacitance, 51 Load capacity, 53 Semiconductor element, 54 Substrate, 55 Heatsink, 56 Shield plate, 57 Spacer, 58 Grounding pattern, 61 Surge recovery structure, 71 Aircraft, 72 Aircraft electrical equipment Equipment, 73 Reinforcement structure, 73a Metal part, 73b Non-metal part, 74 Frame, 75 Stringer, 81 Wind power generation device, 82 Electric equipment for wind power generation, 83 Nacelle, 83a Metal part, 83b Non-metal part.
Claims (14)
前記筺体内にそれぞれ収容された、電源、インバータおよび負荷と、
前記電源と前記インバータとを電気的に接続する配線と、
前記負荷に電気的に接続され、前記第1導電率よりも高い第2導電率を有する一つ以上の抵抗体と、
前記抵抗体と前記配線との間に介在し、前記抵抗体と前記配線とを電気的に接続する抵抗体‐配線間容量と、
を備え、
前記負荷から、前記抵抗体、前記抵抗体‐配線間容量および前記インバータを経て前記負荷に至る、サージ回収経路が構成され、
前記サージ回収経路の第1インピーダンスは、前記負荷から、前記大地および前記雷雲の少なくともいずれか、前記大地および前記雷雲の少なくともいずれかと前記配線との間の容量および前記インバータを経て前記負荷に至る経路の第2インピーダンスよりも小さい、サージ回収構造。 a casing that includes a non-metallic material having a first conductivity and is electrically connected to at least one of the earth and a thundercloud;
a power source, an inverter, and a load, each housed in the housing;
Wiring that electrically connects the power source and the inverter;
one or more resistors electrically connected to the load and having a second conductivity higher than the first conductivity;
a resistor-wiring capacitance interposed between the resistor and the wiring and electrically connecting the resistor and the wiring;
Equipped with
A surge recovery path is configured from the load to the load via the resistor, the resistor-wiring capacitance, and the inverter,
The first impedance of the surge recovery path is a path from the load to the load via at least one of the ground and the thundercloud, a capacitance between the ground and/or the thundercloud and the wiring, and the inverter. The surge recovery structure is smaller than the second impedance of the surge recovery structure.
回路基板と、
前記回路基板に実装されたパワー半導体素子と
を含む、請求項1記載のサージ回収構造。 The inverter is
a circuit board;
The surge recovery structure according to claim 1, further comprising a power semiconductor element mounted on the circuit board.
前記抵抗体は、前記放熱器を含む、請求項2記載のサージ回収構造。 The inverter has a heat radiator that radiates heat generated from the power semiconductor element,
The surge recovery structure according to claim 2, wherein the resistor includes the heat radiator.
前記抵抗体は、前記導電性スペーサおよび前記導電性シールド板を含む、請求項2記載のサージ回収構造。 The inverter has a conductive shield plate disposed on the circuit board via a conductive spacer so as to cover the circuit board,
The surge recovery structure according to claim 2, wherein the resistor includes the conductive spacer and the conductive shield plate.
前記抵抗体は、前記接地パターンを含む、請求項2記載のサージ回収構造。 The inverter has a ground pattern formed on the circuit board,
The surge recovery structure according to claim 2, wherein the resistor includes the ground pattern.
前記抵抗体は、前記シールド線を含む、請求項2記載のサージ回収構造。 A shielded cable including a shielded wire electrically connects the inverter and the load,
The surge recovery structure according to claim 2, wherein the resistor includes the shield wire.
前記一の抵抗体と前記他の抵抗体とは電気的に並列に接続された、請求項1記載のサージ回収構造。 The resistor includes one resistor and another resistor,
The surge recovery structure according to claim 1, wherein the one resistor and the other resistor are electrically connected in parallel.
前記筺体は、
前記非金属材料から形成された非金属部と、
金属材料から形成された金属部と
を含み、
前記抵抗体は、前記負荷と前記金属部との間に電気的に接続され、
前記筺体‐配線間容量は、金属部‐配線間容量を含む、請求項1記載のサージ回収構造。 A case-to-wiring capacitor interposed between the case and the wiring and electrically connecting the case and the wiring,
The casing is
a nonmetallic part formed from the nonmetallic material;
A metal part formed from a metal material,
the resistor is electrically connected between the load and the metal part,
2. The surge recovery structure according to claim 1, wherein the capacitance between the casing and the wiring includes a capacitance between the metal part and the wiring.
前記負荷と前記筺体とを電気的に接続する接地線を含み、
前記抵抗体は、前記第1インピーダンスが、前記負荷から、前記接地線、前記筺体、前記筺体の基準電位、前記非金属部‐配線間容量、前記インバータを経て、前記負荷に至る経路の第3インピーダンスよりも低くなるように設定された、請求項8記載のサージ回収構造。 The capacitance between the casing and the wiring includes the capacitance between the non-metallic part and the wiring,
including a grounding wire that electrically connects the load and the casing;
The resistor is configured such that the first impedance is a third impedance of a path from the load to the load via the ground wire, the casing, the reference potential of the casing, the capacitance between the nonmetallic part and the wiring, and the inverter. The surge recovery structure according to claim 8, wherein the surge recovery structure is set to be lower than the impedance.
前記金属筺体は、前記筺体内に収容された、請求項1記載のサージ回収構造。 having a metal casing that houses the inverter;
The surge recovery structure according to claim 1, wherein the metal casing is housed within the casing.
前記筺体は、航空機の補強構造体を有し、
前記抵抗体は、前記補強構造体を含む、航空機用電機機器。 An electrical aircraft equipment mounted on an aircraft and comprising the surge recovery structure according to any one of claims 1 to 10,
the housing has an aircraft reinforcement structure;
An electrical equipment for an aircraft, wherein the resistor includes the reinforcing structure.
前記筺体は、風力発電機を収容したナセルを含み、
前記抵抗体は、前記ナセルを含む、風力発電用電機機器。 An electrical equipment for wind power generation, which is mounted on a wind power generation device and includes the surge recovery structure according to any one of claims 1 to 10,
The housing includes a nacelle housing a wind power generator,
An electrical equipment for wind power generation, in which the resistor includes the nacelle.
前記筺体は、前記大地と前記ナセルとの間を電気的に接続する接地配線によって、前記大地の基準電位と電気的に接続された、請求項13記載の風力発電用電機機器。
The wind power generation device is installed on the ground,
14. The electrical equipment for wind power generation according to claim 13, wherein the housing is electrically connected to a reference potential of the earth through a ground wiring that electrically connects the earth and the nacelle.
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