JP2010080907A - リアクトル集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧動作や降圧動作に加えて、ソフトスイッチングを行えながら、小型なリアクトル集合体を提供する。
【解決手段】リアクトル集合体1Aは、並列された一対のコイル巻回部と、端部コア10eとを有する環状のコア10と、一対の主コイル11a,11bを有する主コイル部11と、一対の副コイル12a,12bを有する副コイル部12とを具える。主コイル11aと副コイル12aとは、一方のコイル巻回部に同軸に隣り合って配置され、主コイル11bと副コイル12bとは、他方のコイル巻回部に同軸に隣り合って配置される。主コイル部11の巻線11wの一端部11e₁と副コイル部12の巻線12wの一端部12e₁とが接合されている。主コイル部11と副コイル部12とに共通にコア10を利用することで、共振用リアクトルを別部材とする場合と比較して、リアクトル集合体を小型にできる。
【選択図】図1

Description

本発明は、ハイブリッド自動車などの車両に搭載されるDC-DCコンバータといった電力変換装置の構成部品に好適なリアクトル集合体に関するものである。特に、小型なリアクトル集合体に関する。

モータを駆動源や回生時の発電源に利用するハイブリッド自動車や電気自動車といった車両の車載部品として、モータと電源との間で昇圧動作や降圧動作を行う電力変換装置がある。電力変換装置は、電力の大きさを変えるコンバータを具える。

車載用コンバータとして、双方向DC-DCコンバータがある(特許文献1 図6)。このコンバータの構成部品として、スイッチング素子のON/OFFのスイッチング動作により発生する電流を平滑化するリアクトルがある。リアクトルLは、図5に示すように磁性材料からなる環状のコア100と、巻線111を巻回してなり、コア100の外周に配置される一対のコイル110a,110bを有するコイル部110とを具える構成が代表的である(特許文献1 図1)。コア100は、コイル110a,110bにそれぞれ挿入される一対のコイル巻回部(図示せず)と、並列されたコイル巻回部を挟むように配置される一対の端部コア100eとを具える。リアクトルLは、例えば、図示しないケースに収納されてポッティング樹脂で封止され(特許文献1 図3)、このケースが冷却ベースに固定されて利用される。

近年、従来のコンバータよりもスイッチング損失が少ない、ソフトスイッチングが可能な共振形のDC-DCコンバータが検討されている(特許文献2,3)。このコンバータは、平滑用のリアクトルに加えて、共振用のリアクトル及び共振用のスイッチング素子を具える補助回路を具える。特許文献3は、インダクタL1及びインダクタL2と、両インダクタL1,L2に比して小さなインダクタンス値を有するインダクタLrとを有する構成を開示している(特許文献3 図1)。インダクタL1が平滑用リアクトルとして機能し、インダクタL2及びLrにより、ソフトスイッチングを実現する。

特開2007-116066号公報 特開2003-033013号公報 特開2007-043852号公報

しかし、特許文献2,3では、ソフトスイッチングが可能なリアクトル(インダクタンス、インダクタ)の具体的な構造を開示していない。例えば、平滑用リアクトルと共振用リアクトルとを独立した別部材とすることが考えられる。ところが、この構成は、双方のリアクトルを設置するスペースが必要となるため、設置面積が小さく、小型であることが望まれる車載部品などに好ましくない。

そこで、本発明の目的は、小型なリアクトル集合体を提供することにある。

本発明は、平滑用リアクトルとして機能するコイルが配置されるコアに、共振用リアクトルとして機能するコイルも配置する構成とすることで上記目的を達成する。

本発明リアクトル集合体は、環状のコアと、この環状のコアの外周に配置される主コイル部及び副コイル部とを具える。環状のコアは、並列された一対のコイル巻回部と、両コイル巻回部を挟むように配置される一対の端部コアとを有する。主コイル部は、巻線を巻回してなり、上記コイル巻回部の外周に配置される少なくとも一つの主コイルを有する。副コイル部は、上記主コイル部を構成する巻線とは別の巻線を巻回してなり、上記コアの外周に配置される少なくとも一つの副コイルを有する。特に、上記主コイルと上記副コイルとは、重なり合うことなく上記コアの外周に配置されている。そして、上記主コイル部を構成する巻線の一端部と、上記副コイル部を構成する巻線の一端部とが接合されている。

上記構成によれば、例えば、主コイル部及びコアを平滑用リアクトルとして機能させ、副コイル部及び同じコアを共振用リアクトルとして機能させることで、昇圧動作や降圧動作に加えて、ソフトスイッチングを行える。特に、上記構成によれば、主コイル部の主コイル及び副コイル部の副コイルが、共通のコアを利用しているため、平滑用リアクトルと共振用リアクトルとを独立した別部材とする場合と比較して、設置面積が小さく、小型である。

本発明の一形態として、主コイル部は、上記各コイル巻回部の外周にそれぞれ配置される一対の主コイルを有し、上記副コイル部は、上記各コイル巻回部の外周にそれぞれ配置される一対の副コイルを有する形態が挙げられる。このとき、例えば、各コイル巻回部にそれぞれ、各主コイルが配置され、各端部コアにそれぞれ、各副コイルが配置された形態(以下、交互配置形態と呼ぶ)とすることができる。或いは、例えば、一方のコイル巻回部に、上記主コイル部の一方の主コイルと上記副コイル部の一方の副コイルとが同軸に隣り合って配置され、上記他方のコイル巻回部に、上記主コイル部の他方の主コイルと上記副コイル部の他方の副コイルとが同軸に隣り合って配置された形態(以下、隣接配置形態)とすることができる。

本発明リアクトルでは、上述のように主コイル及び副コイルの配置形態として種々の形態をとり得る。また、配置形態を変えることにより、漏れインダクタンスを変化させることができる。従って、所望の漏れインダクタンスに応じて、適宜配置形態を選択することができる。但し、上記交互配置形態では、主コイルに接しないように副コイルを配置する場合、コイル巻回部が主コイルの軸方向に長くなったり、端部コアの外方に副コイルが突出して存在したりするため、リアクトルにおける主コイルの軸方向の長さが長くなり、設置面積が増大する傾向にある。これに対して、上記隣接配置形態では、一つのコイル巻回部に一つの主コイルと一つの副コイルとが同軸に隣り合って配置される、即ち、縦並びに配置されるため、端部コアに副コイルを配置した場合と比較して、リアクトル集合体におけるコイルの軸方向の長さを短くできる。従って、より小型化が望まれる場合、上記隣接配置形態が望ましい。

主コイル部や副コイル部を構成する巻線には種々の巻線を利用することができる。例えば、平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆平角線、丸線からなる導体と、この導体の外周にエナメル樹脂などからなる絶縁被覆層とを具える被覆丸線、複数の素線を撚り合わせた撚り線導体と、この撚り線導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆電線などを利用することができる。

本発明の一形態として、上記主コイル部及び上記副コイル部はそれぞれ、別の上記被覆平角線から構成されており、上記主コイル及び上記副コイルはそれぞれ、上記被覆平角線をエッジワイズ巻きして形成されたエッジワイズコイルとすることができる。

巻線に被覆平角線を利用し、上記主コイルや副コイルをエッジワイズコイルとする場合、被覆丸線を用いた場合と比較して、コイルの占積率を高められるため、コア、代表的にはコイル巻回部の軸方向の長さを短くでき、リアクトル集合体を小型にすることができる。

特に、上記主コイル部及び上記副コイル部がそれぞれ上記被覆平角線から構成されており、両コイル部を構成する被覆平角線の幅が等しい場合、両コイル部を構成するコイルの輪郭形状を等しくすることができる。ここで、共振用リアクトルのコイル(以下、共振用コイルと呼ぶ)は、通常、平滑用リアクトルのコイル(以下、平滑用コイルと呼ぶ)よりも流される電流値が小さいため、共振用コイルを構成する巻線の断面積は、平滑用コイルを構成する巻線よりも小さくてよい。従って、両コイル部を構成する被覆平角線を同幅とする場合、共振用コイルの巻線は、平滑用コイルの巻線よりも厚さを薄くすることができる。そして、薄肉の被覆平角線により形成された共振用コイルは、その軸方向の長さを短くでき、例えば、この共振用コイルがコイル巻回部に配置される場合、共振用コイルが短いため、コイル巻回部の長さも短くできる。従って、この構成によれば、リアクトル集合体をより小型にできる。また、被覆平角線の幅が同じであることで、巻線の一端部同士を接合する際、接触面積を十分に確保することができる。

上述のように主コイル部が一対の主コイルを有し、副コイル部が一対の副コイルを有し、隣接配置形態である場合、本発明の一形態として、以下の形態が挙げられる。主コイル部は、連続した1本の上記被覆平角線から形成されており、各主コイルがそれぞれ上記被覆平角線をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイルであり、両主コイル同士が上記被覆平角線の一部を折り返してなる巻返し部を介して連結された形態が挙げられる。副コイル部は、別の連続した1本の上記被覆平角線から形成されており、各副コイルがそれぞれ上記被覆平角線をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイルであり、両副コイル同士が上記被覆平角線の一部を折り返してなる巻返し部を介して連結された形態が挙げられる。特に、上記主コイル部の巻返し部が一方の端部コア側、上記副コイルの巻返し部が他方の端部コア側に配置された構成とすることが好ましい。

上述のように各コイル部の巻返し部がそれぞれ異なる端部コア側に配置されることで、両コイル部を近接して配置させられる。従って、この構成によれば、コア、特に、コイル巻回部の軸方向の長さを小さくすることができ、リアクトル集合体を小型にできる。

また、上述のように両コイル部が同幅の被覆平角線などの巻線から構成されて、両コイル部のコイルの輪郭形状が等しい場合、上記両コイル部を構成する各コイルの少なくとも設置側の面と、上記コアにおいて上記コイルが配置されていない箇所の少なくとも設置側の面とが面一である構成とすると、リアクトル集合体をより小型にできる。また、この面一な構成の場合、上記コイル部の設置側の面やコアの設置側の面を冷却ベースなどに接触させて、使用時に生じたコイルなどの熱を冷却ベースなどに効率よく放出することができ、放熱性に優れるリアクトル集合体とすることができる。この面一な構成は、コアにおいてコイルが配置される箇所(例えば、コイル巻回部)の外周面よりもコアにおいてコイルが配置されない箇所(例えば、端部コア)の外周面が突出した形状とすることで実現することができる。例えば、上記突出した端部コア(以下、突出端部コアと呼ぶ)を、コイル巻回部の外周面と端部コアの外周面とが面一である端部コア(以下、平坦端部コアと呼ぶ)と同じ体積とすると、突出端部コアは、平坦端部コアをコイルの軸方向に押し縮めた形状となる。従って、突出端部コアを具えたリアクトル集合体は、平坦端部コアを具えた場合よりも更に小型にできる。

上記主コイル部の巻線の一端部及び上記副コイル部の巻線の一端部同士の接合は、巻線(導体)同士が直接接合された形態や、上記巻線の一端部にそれぞれ取り付けられた端子部材同士がボルトなどにより接続された形態が挙げられる。上記導体同士の直接接合には、TIG溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの溶接、その他、圧着、冷間圧接、振動溶着などが利用できる。この直接接合された形態では、接合された一端部同士に対して一つの端子部材を共通に利用できるため、端子部材の数及びその取り付け工程を削減することができる。特に、上記主コイル部及び副コイル部の少なくとも一方が上記被覆平角線から構成されており、この被覆平角線から構成される当該コイル部のコイルが被覆平角線をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイルである場合、この直接接合された形態であると、小型である上に、接合のための接触面積を十分に確保できて接合強度を高められる。従って、主コイル部及び副コイル部の双方が被覆平角線からなると、巻線の一端部同士の接合を行い易い。一方、端子部材の取り付けには、上記溶接、圧着などが利用できる。また、この端子部材を介して両コイル部を接合する形態は、任意の種類の巻線に利用することができる。

上記副コイル部が共振用リアクトルの要素に利用される場合などでは、上述のように導体断面積が小さい巻線や導体の導電率が低い巻線を利用することができる。例えば、上記副コイル部を構成する巻線の導体として、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものが利用できる。アルミニウムやアルミニウム合金は、銅や銅合金よりも導電率が低いものの軽量であり、リアクトル集合体の軽量化に寄与することができる。

上記コアと、上記主コイル部及び上記副コイル部との組合体は、そのままでもリアクトル集合体として利用することができる。更に、この組合体の外周を覆う樹脂被覆部を具える構成とすると、ケースを有していない場合でも、組合体を一体物として取り扱い易い上に、上記コアや上記コイル部を粉塵や腐食などの外部環境から保護したり、機械的に保護することができる。

本発明の一形態として、一つのコイル巻回部に、上記主コイル部の主コイルと、上記副コイル部の副コイルとが配置され、これら両コイルの間にコイルの軸方向に特定の大きさの隙間を有する構成とすることができる。ここで、特許文献3に記載されるようにインダクタLrによりスイッチング素子のソフトスイッチングを行って、損失を低減することができる。しかし、インダクタLrが平滑用リアクトルと独立した別個の部材である場合、インダクタLrを含めたリアクトル集合体は、インダクタLrの分だけ大きくなる。これに対して、上記両コイル部の主コイルと副コイルとの間に隙間を設けた構成では、コイル部の結合係数kを小さくし、両コイル部の上記コイル間に、いずれか一方のコイル部に基づく漏れ磁束を積極的に生じるようにすることで、この漏れ磁束により規定される漏れインダクタンスをインダクタLrとして利用することができる。従って、この構成は、上述のような別個の部材としてインダクタLrを設ける必要が無く、小型である。漏れインダクタンスは、上記両コイル間の隙間の間隔によって調整することができ、所望のインダクタLrが得られるように上記隙間の間隔を調整するとよい。

本発明リアクトル集合体は、昇圧動作や降圧動作に加えて、ソフトスイッチングを行うことができながら、小型である。

図1は、実施形態1のリアクトル集合体の概略斜視図である。 図2(A)は、実施形態1のリアクトル集合体を構成する環状のコア及びコイルの配置状態を説明する模式説明図、図2(B)は、上記コイルに電流を流した際に生じる磁束が流れる状態を説明する模式説明図である。 図3は、実施形態2のリアクトル集合体の概略を示し、図3(A)は、斜視図、図3(B)は、正面図である。 図4は、別の実施形態のリアクトル集合体の模式説明図であり、図4(A)は、実施形態3、図4(B)は、実施形態4、図4(C)は、実施形態5、図4(D)は、実施形態6を示す。 図5は、従来のリアクトルの一例を示す概略斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(実施形態1)
主として図1,2を参照して、実施形態1のリアクトル集合体1Aを説明する。以下、図中の同一符号は同一名称物を示す。なお、図2及び後述する図3,4では、巻線の端部、巻返し部を含むコイル同士の接続箇所、インシュレータを省略している。

リアクトル集合体1Aは、環状のコア10と、このコア10の外周に配置される主コイル部11及び副コイル部12とを具える。主コイル部11は、一対の主コイル11a,11bを具え、副コイル部12は、一対の副コイル12a,12bを具える。コア10及び主コイル部11は、例えば、コンバータに具えるスイッチング素子のON/OFFのスイッチング動作により発生する電流を平滑化する平滑用リアクトルとして機能する。コア10及び副コイル部12は、上記スイッチング動作の損失を低減するためにソフトスイッチングに利用される共振用リアクトルとして機能する。リアクトル集合体1Aの特徴とするところは、主コイル部11と副コイル部12とに共通してコア10(特に、コイル巻回部10c(図2))を具える点にある。以下、各構成をより詳細に説明する。

[コア10]
コア10は、主コイル部11及び副コイル部12が配置される一対の直方体状のコイル巻回部10c_a,10c_b(図2)と、主コイル部11及び副コイル部12が実質的に配置されない一対の端部コア10eとを有する。このコア10は、離間して並列されるコイル巻回部10c_a,10c_bを挟むように端部コア10eが配置されて閉ループ状(環状)に形成される。また、コア10は、鉄や鋼などの鉄を含有する軟磁性材料からなる磁性体部10m(図2)とアルミナなどの非磁性材料からなるギャップ材(図示せず)とからなる。コイル巻回部10cは、磁性体部10mからなるコア片とギャップ材とを交互に積層して構成される。各コア片は、軟磁性粉末の圧粉成形体や、複数の電磁鋼板を積層した積層体が利用できる。ギャップ材は、インダクタンスの調整のためにコア片間に設けられる隙間に配置される部材である(エアギャップの場合もある)。これらコア片及びギャップ材は、接着剤などで一体に接合される。コア片の分割数やギャップ材の個数は、主コイル部11及び副コイル部12がそれぞれ所望のインダクタンスとなるように適宜選択することができる。

[主コイル部11]
主コイル部11は、1本の連続する巻線11wを巻回してなり、一対の主コイル11a,11bを具える。主コイル11a,11bは、各コイルの軸方向が平行するように並列されている。巻線11wは、銅製の平角線(導体)の表面にエナメル被覆を具える被覆平角線である。両主コイル11a,11bは、この巻線11wをエッジワイズ巻きにして形成されたエッジワイズコイルであり、巻線11wの一部を折り返してなる巻返し部11rを介して連結されている。巻線11wの両端部11e₁,11e₂は、適宜延伸されており、一端部11e₁は、副コイル部12を構成する巻線12wの一端部12e₁に接続され、他端部11e₂は、端子部材(図示せず)が接続される。接続された両端部11e₁,12e₁にも一つの端子部材(図示せず)が接続される。即ち、リアクトル集合体1Aは、主コイル部11と副コイル部12とで共用する端子部材が取り付けられる。これら端子部材を介して、各コイル部11,12に電力供給を行う電源などの外部装置(図示せず)が接続される。上記巻線11w,12wの両端部11e₁,12e₁の接続には、TIG溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの溶接、圧着、冷間圧接、振動溶着を好適に利用することができる。巻線の端部と端子部材との接続には、上記TIG溶接などの溶接の他、圧着などを利用することができる。

[副コイル部12]
副コイル部12は、主コイル部11と同様に1本の連続する巻線12wを巻回してなり、一対の副コイル12a,12bを具える。副コイル12a,12bは、各コイルの軸方向が平行するように並列されている。巻線12wは、巻線11wと同様の形状の被覆平角線であり、両副コイル12a,12bは、この巻線12wをエッジワイズ巻きにして形成されたエッジワイズコイルであり、巻線12wの一部を折り返してなる巻返し部12rを介して接続される。但し、この巻線12wは、主コイル部11を構成する巻線11wと同じ幅であるが、厚さが半分(巻線11wの厚さの1/2)である。両コイル部11,12が同じ幅の被覆平角線から構成されることから、主コイル11a,11b及び副コイル12a,12bは、図1に示すように輪郭形状がほぼ等しい。また、各副コイル12a,12bの巻き数n₂と主コイル部11の各主コイル11a,11bの巻き数n₁との比は、n₂:n₁=1:2である。巻線12wの両端部12e₁,12e₂は、主コイル部11と同様に適宜延伸されて、上述のように端子部材が接続される。特に、一端部12e₁は、上述のように主コイル部11を構成する巻線11wの一端部11e₁に接続される。なお、上記巻線の厚さや巻き数の比は、一例であり、適宜選択することができる。

[コアに対するコイルの配置]
図2に示すように主コイル部11の一方の主コイル11aと、副コイル部12の一方の副コイル12aとがコア10の一方のコイル巻回部10c_aに配置されている。特に、主コイル11aの一方の端面と、副コイル12aの一方の端面とが向かい合うように、同軸に隣り合って配置されている。即ち、主コイル11aの軸と、副コイル12aの軸とが一直線上に並ぶように、両コイル11a,12aが配置されている。また、主コイル部11の他方の主コイル11bと、副コイル部12の他方の副コイル12bとがコア10の他方のコイル巻回部10c_bに配置されている。特に、主コイル11bの一方の端面と、副コイル12bの一方の端面とが向かい合うように、同軸に隣り合って配置されている。即ち、主コイル11bの軸と、副コイル12bの軸とが一直線上に並ぶように、両コイル11b,12bが配置されている。端的に言うと、主コイル11aと副コイル12aとが縦並びし、主コイル11bと副コイル12bとが縦並びした隣接配置形態である。更に、主コイル部11の巻返し部11rが一方の端部コア10e側に、副コイル部12の巻返し部12rが他方の端部コア10e側に配置されるように各コイル11a,11b,12a,12bがコア10に配置されている。即ち、主コイル部11を構成する巻線11wの両端部11e₁,11e₂と、副コイル部12を構成する巻線12wの両端部12e₁,12e₂とが向かい合うように配置されている。

また、主コイル部11の主コイル11aと副コイル部12の副コイル12aとの間、主コイル部11の主コイル11bと副コイル部12の副コイル12bとの間に所定の間隔w(図2(A))の隙間が設けられるように、各コイル11a,11b,12a,12bがコイル巻回部10cに配置されている。この隙間が設けられることで、図2(B)の太線で示す磁束(矢印は磁束の向きを示す)の一部がコア10に流れると共に、磁束の別の一部が両コイル部11,12間に漏れる。この隙間の間隔w(コイルの軸方向の長さ)は、いずれか一方のコイル部11,12に基づく漏れ磁束により規定される所定の漏れインダクタンスが得られる大きさとしている。ここでは、両コイル部11,12の結合係数kが0.9であり、副コイル部12の漏れインダクタンスが5μH以上となるように隙間の間隔wを調整している。なお、結合係数k,漏れインダクタンスの大きさは、一例であり、適宜選択することができる。

[インシュレータ13]
コア10と主コイル部11及び副コイル部12との組合体には、インシュレータ13(図1)も設けられている。インシュレータ13は、各コイル巻回部10cの外周を覆う筒状部(図示せず)と、主コイル部11において巻返し部11r側の端面に当接される第1の枠状部13f₁と、副コイル部12において巻返し部12r側の端面に当接される第2の枠状部13f₂と、一面が主コイル部11に当接され、対向する他面が副コイル部12に当接される第3の枠状部(図示せず)とを具える。筒状部は、半割れの角筒片同士を係合する構成とすることで、コイル巻回部10cの外周を容易に覆うことができる。第1の枠状部13f₁は、筒状部の一端部に配置される矩形枠であり、一方の端部コア10eに配置されて、巻返し部11rが載置される台部13b₁を具える。第2の枠状部13f₂は、筒状部の他端部に配置される矩形枠であり、他方の端部コア10eに配置されて、巻返し部12rが載置される台部13b₂を具える。第3の枠状部は、筒状部の中間部に挿通配置される矩形枠である。主コイル部11と副コイル部12との間を絶縁できれば、第3の枠状部のような枠状としなくてもよく、両コイル部11,12間に単に絶縁部材を挟み込んでもよい。インシュレータや絶縁部材は、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、液晶ポリマー(LCP)などの絶縁材料が利用できる。

[ケース又は樹脂被覆部]
コア10と主コイル部11及び副コイル部12との組合体は、例えば、アルミニウム製のケース(図示せず)に収納し、更にケース内に絶縁性のポッティング樹脂(図示せず)を充填した構成とすることができる。帯状のステー(図示せず)などを用いて、端部コアをケースに固定したり、端部コアにボルト孔を設けて、このボルト孔にボルトをねじ込むことにより組合体をケースに固定してもよい。

或いは、上記組合体をケースに収納せず、絶縁性樹脂により被覆し、樹脂被覆部(図示せず)を具える構成としてもよい。樹脂被覆部の構成樹脂は、絶縁性樹脂、具体的には、エポキシ樹脂やウレタン樹脂、PPS樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)樹脂などが利用できる。ケースを省略することで、リアクトル集合体を小型にできる。また、樹脂被覆部からコアの一部やコイルの一部、特に、リアクトル集合体を設置したときに設置側(冷却ベース側)となる面を露出させた構成とすると、コアやコイルの熱を冷却ベースなどに放出し易く、放熱性を高められる。リアクトル集合体1Aでは、両コイル部11,12の主コイル11a,11b、副コイル12a,12bの輪郭形状が等しいことから、両コイル部11,12の設置側の面が面一になる。そのため、コア10や両コイル部11,12の設置側の面を樹脂被覆部から露出させることで、コイルやコアを冷却ベースに接触させることができ、放熱性に優れる。更に、ケースを省略して樹脂被覆部を具える構成とする場合、両コイル部の巻線の端部を任意の箇所に引き出すことができ、端子部材が接続される箇所の設計の自由度を大きくすることができる。

なお、巻線11wの両端部11e₁,11e₂、及び巻線12wの両端部12e₁,12e₂は、ポッティング樹脂や樹脂被覆部からから露出させて、巻線同士を接続したり、端子部材が接続できるようにする。ケースに収納したり、樹脂被覆部を具えることで、コア10や主コイル部11、副コイル部12を外部環境から保護したり、機械的に保護したり、組合体を一体に取り扱える。これらケースや樹脂被覆部は、後述する実施形態にも適用することができる。

[リアクトル集合体の組立]
上記構成を具えるリアクトル集合体は、以下のようにして形成することができる。

まず、コア片やギャップ材を接着剤などで固定してコイル巻回部10cを形成し、この外周にインシュレータ13の筒状部を配置する。巻線11wを巻回して別途作製しておいた主コイル部11の主コイル11a(11b),第3の枠状部,巻線12wを巻回して別途作製しておいた副コイル部12の副コイル12a(12b)が順に並べられた状態で配置されるように、これらを筒状部が配されたコイル巻回部10cに挿入配置する。次に、主コイル11a,11bの端面に第1の枠状部13f₁及び一方の端部コア10eを当接させ、副コイル12a,12bの端面に第2の枠状部13f₂及び他方の端部コア10eを当接させ、両端部コア10eでコイル11a,11b,12a,12bを挟むように枠状部13f₁,13f₂及び端部コア10eを配置して、接着剤などで端部コア10eと両コイル巻回部10cとを接合する。この工程により、環状のコア10と主コイル部11及び副コイル部12との組合体が形成される。

得られた組合体は、ケースに収納してポッティング樹脂を充填したり、樹脂被覆部で被覆したりする。上記工程により、リアクトル集合体1Aが組み立てられる。

[効果]
リアクトル集合体1Aは、双方向DC-DCコンバータの構成部品として組み付けられた場合、主コイル部11を具えることで、昇圧動作や降圧動作を行え、かつ副コイル部12を具えることで、上記動作にあたり、ソフトスイッチングを行えるため、スイッチング動作に伴う損失を低減することができる。その上、リアクトル集合体1Aは、主コイル部11の各主コイル11a,11bと、副コイル部12の各副コイル12a,12bとが、環状のコア10のコイル巻回部10c_a,10c_bに、重なり合うことなく、かつ同軸に縦並びして配置された構成であることから、共振用リアクトルを別に設けた場合と比較して、小型である。

特に、リアクトル集合体1Aは、両コイル部11,12がそれぞれ被覆平角線で構成されていることから、占積率を高められるため、コイル巻回部10cにおけるコイルの軸方向の長さを短くすることができ、小型にできる。取り分け、比較的電流量の小さい副コイル部12を構成する被覆平角線の幅を、主コイル部11を構成する被覆平角線の幅と等しくしているため、被覆平角線の断面積を一定とする場合、副コイル部12を構成する被覆平角線として、厚さが薄いものが利用できる。このような厚さが薄い被覆平角線で副コイル部12の副コイル12a,12bを形成したことで、副コイル12a,12bの軸方向の長さを短くできる。従って、副コイル12a,12bが配置されるコイル巻回部10cにおいてコイルの軸方向の長さを短くすることができるため、リアクトル集合体1Aは、更に小型である。

また、リアクトル集合体1Aは、両コイル部11,12に具える巻返し部11r,12rがそれぞれ別の端部コア10eに配置されるように、両コイル部11,12をコア10に配置させている。この構成により、いずれかの巻返し部がコイル巻回部に配置されるように各コイル部をコアに配置する場合と比較して、巻返し部の配置分だけ、コイル巻回部をコイルの軸方向に短くすることができる。従って、リアクトル集合体1Aは、更に小型である。

更に、リアクトル集合体1Aは、接合する巻線11wの一端部11e₁と巻線12wの一端部12e₁とが近接して配置されるため、両巻線11w,12wを接合し易い。かつ、接続された両巻線11w,12wに対して、一つの端子部材を共用できるため、端子部材の個数を低減でき(ここでは、合計3個の端子部材を具える構成)、部品点数の削減及び端子部材の取り付け工程の削減を図ることができる。また、巻線11w,12wが被覆平角線であるため、接触面積(溶接面積)を十分に確保できる。なお、主コイル部をつくる巻線の各端部、及び副コイル部をつくる巻線の各端部にそれぞれに端子部材を取り付け、主コイル部の巻線と副コイル部の巻線とを、端子部材を介して接続した構成、即ち、合計4個の端子部材を具える構成としてもよい。この場合、両コイル部をつくる巻線の種類が異なっていても、ボルトなどを利用することで、主コイル部の巻線と副コイル部の巻線とを簡単に接合することができる。

加えて、リアクトル集合体1Aは、主コイル部11と副コイル部12との間に所定の大きさの隙間を具えて、漏れ磁束により所定の漏れインダクタンスが得られる構成である。そのため、別部材としてインダクタLrを配置することなく、ソフトスイッチングを行うことができる。また、上記隙間を調整することで、漏れインダクタンスの大きさを容易に変化させることができる。

(実施形態2)
以下、図3を参照して実施形態2のリアクトル集合体1Bを説明する。リアクトル集合体1Bは、基本的構成は実施形態1のリアクトル集合体1Aと同様であり、異なる点は、端部コアの形状にある。以下、この点を詳細に説明し、その他の点は説明を省略する。

[端部コア20]
リアクトル集合体1Bに具える環状のコア20は、一対のコイル巻回部20cと、離間して並列されたコイル巻回部20cを挟むように配置される一対の端部コア20eとを具える。一方のコイル巻回部20cには、主コイル部11の一方の主コイル11a及び副コイル部12の一方の副コイル12aが同軸に隣り合って配置され、他方のコイル巻回部20cには、主コイル部11の他方の主コイル11b及び副コイル部12の他方の副コイル12bが同軸に隣り合って配置されている。端部コア20eには、実質的にコイルが配置されない。両コイル部11,12を構成する巻線11w,12wは、同じ幅で、厚さが異なる被覆平角線(巻線12wの厚さ＝巻線11wの1/2)であり、各コイル11a,11b,12a,12bは、上記被覆平角線をエッジワイズ巻きして形成されたエッジワイズコイルである。同じ幅の巻線11w,12wで形成されていることで、各コイル11a,11b,12a,12bは、輪郭形状が等しく、外周面が面一である(図3(B))。そして、リアクトル集合体1Bでは、これら面一なコイル11a,11b,12a,12bと面一になるように端部コア20eが構成されている。即ち、端部コア20eは、端部コア20eを構成する面のうち、対向する二面がコイル巻回部20cよりも突出している。具体的には、図3(B)において端部コア20eの上面20e_u、及びこの上面と対向する下面20e_dの双方がコイル巻回部20cよりも突出しており、コイル11a,11b,12a,12bの外周面と面一である。

[コイルの形状]
両コイル部11,12は、実施形態1のように巻返し部を具える形態とする場合、端部コア20eをコイル11a,11b,12a,12bと面一とするために、巻返し部を端部コア20eの上方に引き上げ、コイル側に折り返したり、巻返し部をコイルの軸方向に押し潰したりする構成が利用できる。その他、端部コアの一部に切欠を設けて、巻返し部を配置できるようにする構成が利用できる。この場合、端部コアの一部のみがコイル巻回部よりも突出した形状となる。

或いは、実施形態1のように1本の連続する巻線で主コイル部、副コイル部をそれぞれ形成するのではなく、主コイル部の各主コイルをそれぞれ別の巻線で形成して、各主コイルの巻線の一端部同士を接合すると共に、副コイル部の各副コイルをそれぞれ別の巻線で形成して、各副コイルの巻線の一端部同士を接合する構成(以下、この構成を接合コイルと呼ぶ)としてもよい。即ち、巻き返し部を有しない構成としてもよい。特に、接合する巻線の端部を適宜取り回して、接合箇所がコイルの上方空間に位置するようにすると、端部コアを突出させ易い上に、接合箇所を含んだコイル部の軸方向の長さを短くすることができる。そのため、コイル巻回部を短くでき、リアクトル集合体をより小型にできる。巻線の一端部同士の接合には、TIG溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの溶接、その他、圧着、冷間圧接、振動溶着などが利用できる。また、巻線の一端部同士の接続には、別途接続用の板材などを利用してもよいが、両端部をできる限り近付けた形状とし、直接接合させた構成とすると、接合箇所及び接合工程を低減することができる。また、巻線が被覆平角線の場合は、接触面積が大きくとり易いことから、溶接などにより直接接合し易い。接合コイルは、実施形態1、及び後述する実施形態のうち、一つのコイル部が一対のコイルを具える形態のいずれにも適用することができる。

[効果]
上記構成を具えるリアクトル集合体1Bは、双方向DC-DCコンバータの構成部品として組み付けられた場合、実施形態1のリアクトル集合体1Aと同様に両コイル部11,12を具えることで、昇圧動作や降圧動作が行え、かつソフトスイッチングを実現できる上に、小型である。その他、リアクトル集合体1Aと同様の効果を奏する。

特に、リアクトル集合体1Bは、端部コア20eが両コイル部11,12のコイル11a,11b,12a,12bの外周面と面一となるようにコイル巻回部20cよりも突出した形状である。そのため、端部コアとコイル巻回部とが面一である端部コアと、実施形態2のリアクトル集合体1Bの端部コア20eとを同じ体積とすると、端部コア20eは、コイルの軸方向(図3(B)の矢印の方向)の長さが短い。従って、リアクトル集合体1Bは、より小型である。また、リアクトル集合体1Bは、端部コア20eがコイル11a,11b,12a,12bの外周面と面一であることで、外観が平滑であり、コイルがコアから突出していることで生じる無駄な空間を低減することができる。更に、リアクトル集合体1Bを設置した状態において、端部コア20eの設置側の面(ここでは、下面20e_d)と、両コイル部11,12の設置側の面とが面一であることで、これら設置側の面を冷却ベースに接触させることができ、リアクトル集合体1Bは、放熱性に優れる。特に、コア20と主コイル部11及び副コイル部12との組合体の外周を樹脂被覆部で覆う場合、上記端部コア20eの設置側の面及び両コイル部11,12の設置側の面を樹脂被覆部から露出させて、冷却ベースに接触できるようにすると、放熱性に優れて好ましい。

(実施形態3〜6:主コイルと副コイルの配置)
以下、図4を参照して別の実施形態のリアクトル集合体1C〜1Fを説明する。リアクトル集合体1C〜1Fの特徴とするところは、主コイルと副コイルの配置形態にあるため、配置形態を中心に説明し、その他の点は基本的に実施形態1と同様であるため説明を省略する。

[実施形態3]
実施形態1では、主コイル部11及び副コイル部12の双方がコイル巻回部10cの外周に配置された構成を説明した。図4(A)に示すリアクトル集合体1Cのように、主コイル部11の主コイル11a,11bがそれぞれ各コイル巻回部10cの外周に配置され、副コイル部12の副コイル12a,12bがそれぞれ各端部コア10eの外周に配置された形態とすることができる。このリアクトル集合体1Cでは、コイル巻回部10cに縦並びに両コイル部11,12が配置されないため、各コイル部11,12をコア10に配置し易い。特に、各コイル部11,12を上述した接合コイルとすると、コア10への配置が容易である。

[実施形態4]
或いは、図4(B)に示すリアクトル集合体1Dのように、主コイル部11の主コイル11a,11bがそれぞれ各コイル巻回部10cの外周に配置され、副コイル部12の一方の副コイル12aが一方のコイル巻回10cの外周に配置され、他方の副コイル12bが一方の端部コア10eの外周に配置された形態とすることができる。また、主コイル11a,11bのターン数を異ならせることができる。このリアクトル集合体1Dも、少なくとも副コイル部12を上述した接合コイルとすると、コア10への配置が容易である。

[実施形態5]
或いは、図4(C)に示すリアクトル集合体1Eのように、副コイル部12の副コイルを一つとすることができる。この場合、例えば、図4(C)に示すように主コイル部11の主コイル11a,11bがそれぞれ各コイル巻回部10cの外周に配置され、副コイル部12が一方のコイル巻回10cの外周に配置された形態としたり、副コイル部12が一方の端部コア10eに配置された形態とすることができる。副コイル部12に具える副コイルが一つであることで、コア10への配置が容易である。

[実施形態6]
或いは、図4(D)に示すリアクトル集合体1Fのように、主コイル部11の主コイル及び副コイル部12の副コイルの双方を一つとすることができる。この場合、例えば、図4(D)に示すように主コイル部11が一方のコイル巻回部10c(又は端部コア10e)の外周に配置され、副コイル部12が他方のコイル巻回10c(又は端部コア10e)の外周に配置された形態としたり、主コイル部11がコイル巻回部10cの外周に配置され、副コイル部12が端部コア10eの外周に配置された形態とすることができる。両コイル部11,12に具えるコイルが一つであることで、コア10への配置が容易である。

上述した実施形態3〜6は、実施形態1のリアクトル集合体1Aとコイルの配置形態が異なることで、漏れインダクタンスが異なる。特に、図4(B)〜図(D)に示す実施形態4〜6は、漏れインダクタンスが大きい傾向にあり、図4(A)に示す実施形態3は、実施形態4〜6よりも漏れインダクタンスが小さく、実施形態1のリアクトル集合体1Aよりも漏れインダクタンスが大きい傾向にある。従って、所望の漏れインダクタンスとなるように、コイルの配置形態を種々選択することができる。

(実施形態7:巻線の導体の材質)
上述の実施形態では、巻線の導体が銅からなるものを説明した。共振用リアクトルに利用される場合などで使用時に副コイル部に流される電流量が少ない場合、副コイル部を構成する巻線の導体として、銅よりも導電率が小さいアルミニウムやアルミニウム合金からなるものを利用してもよい。導体がアルミニウムやその合金からなる巻線を利用することで、リアクトル集合体の軽量化に寄与することができる。

(実施形態8:巻線の種類)
上述の実施形態では、両コイル部を構成する巻線として、被覆平角線を説明した。主コイル部及び副コイル部の少なくとも一方の巻線を被覆平角線以外の巻線、例えば、被覆丸線や被覆電線を利用してもよいし、両コイル部の巻線に被覆丸線や被覆電線を利用してもよい。被覆丸線や被覆電線は、被覆平角線と比較して柔らかく、巻回作業を行い易い。被覆電線の絶縁被覆層の構成材料には、例えば、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、シリコンゴムなどが挙げられ、被覆電線を利用することで絶縁性に優れるコイルが得られる。両コイル部の少なくとも一方の巻線を被覆平角線にすると、両コイル部の巻線の一端部同士の接合を行うに当たり、接触面積が大きく取り易く好ましい。

なお、上述した実施の形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、コイル巻回部と一方の端部コアとが一体に成形されたものを利用することができる。

本発明リアクトル集合体は、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池車といった車両に搭載される双方向ソフトスイッチングDC-DCコンバータといった電力変換装置の構成部品に利用することができる。

1A,1B,1C,1D,1E,1F リアクトル集合体 10,20 コア
10c,10c_a,10c_b,20c コイル巻回部 10e,20e 端部コア 10m 磁性体部
11 主コイル部 11w,12w 巻線 11a,11b 主コイル 11r,12r 巻返し
11e₁,11e₂,12e₁,12e₂ 巻線の端部部 12 副コイル部 12a,12b 副コイル
13 インシュレータ 13f₁,13f₂ 枠状部 13b₁,13b₂ 台部
20e_u 端部コアの上面 20e_d 端部コアの下面
L リアクトル 100 コア 100e 端部コア 110 コイル部
110a,110b コイル 111 巻線

Claims (11)

1. 並列された一対のコイル巻回部と、両コイル巻回部を挟むように配置される一対の端部コアとを有する環状のコアと、
   巻線を巻回してなり、前記コイル巻回部の外周に配置される少なくとも一つの主コイルを有する主コイル部と、
   前記主コイル部を構成する巻線とは別の巻線を巻回してなり、前記主コイルと重なり合うことなく前記コアの外周に配置される少なくとも一つの副コイルを有する副コイル部とを具え、
   前記主コイル部を構成する巻線の一端部と、前記副コイル部を構成する巻線の一端部とが接合されていることを特徴とするリアクトル集合体。
2. 前記主コイル部は、前記各コイル巻回部の外周にそれぞれ配置される一対の主コイルを有しており、
   前記副コイル部は、前記各コイル巻回部の外周にそれぞれ配置される一対の副コイルを有しており、
   前記一方のコイル巻回部に、前記主コイル部の一方の主コイルと前記副コイル部の一方の副コイルとが同軸に隣り合って配置され、前記他方のコイル巻回部に、前記主コイル部の他方の主コイルと前記副コイル部の他方の副コイルとが同軸に隣り合って配置されていることを特徴とする請求項1に記載のリアクトル集合体。
3. 前記主コイル部は、平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える連続した一本の被覆平角線から形成されており、各主コイルはそれぞれ、前記被覆平角線をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイルであり、両主コイル同士は、前記被覆平角線の一部を折り返してなる巻返し部を介して連結されており、
   前記副コイル部は、平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える連続した一本の被覆平角線から形成されており、各副コイルはそれぞれ、前記被覆平角線をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイルであり、両副コイル同士は、前記被覆平角線の一部を折り返してなる巻返し部を介して連結されており、
   前記主コイル部の巻返し部が一方の端部コア側、前記副コイルの巻返し部が他方の端部コア側に配置されていることを特徴とする請求項2に記載のリアクトル集合体。
4. 前記主コイル部及び前記副コイル部はそれぞれ、平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆平角線から構成されており、
   前記両コイル部を構成する被覆平角線は、幅が同じであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
5. 前記両コイル部に具えるコイルの少なくとも設置側の面と、前記コアにおいて前記コイルが配置されていない箇所の少なくとも設置側の面とが面一であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
6. 前記主コイル部及び前記副コイル部の少なくとも一方は、平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆平角線から構成されており、当該コイル部のコイルが前記被覆平角線をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイルであり、
   前記主コイル部の巻線の一端部と、前記副コイル部の巻線の一端部とは、溶接により接合されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
7. 前記主コイル部及び副コイル部はそれぞれ、平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆平角線から構成されており、前記主コイル及び前記副コイルはそれぞれ、前記被覆平角線をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイルであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
8. 前記一つのコイル巻回部に、前記主コイル部の主コイルと、前記副コイル部の副コイルとが配置され、これら両コイルの間にコイルの軸方向に隙間を有しており、
   前記隙間の間隔は、前記主コイル部及び前記副コイル部のうち、いずれか一方のコイル部に基づく漏れ磁束により規定される所定の漏れインダクタンスが得られる大きさであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
9. 前記副コイル部を構成する巻線の導体は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
10. 前記コアと、前記主コイル部及び前記副コイル部との組合体の外周を覆う樹脂被覆部を具えることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
11. 前記リアクトル集合体は、双方向のソフトスイッチングコンバータの構成部品に用いられることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。

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