JP2010267700A

JP2010267700A - リアクトル

Info

Publication number: JP2010267700A
Application number: JP2009116386A
Authority: JP
Inventors: Miwako Hayashi; 美和子林
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】シールドケースを使用することなく放射ノイズを低減することができるリアクトルを提供する。
【解決手段】第１の端子１５と第２の端子１６間に直列に介在させた巻線部１３と導体部１４を備える。前記導体部１４は、前記巻線部１３の軸線に平行する形態で配置され、前記導体部１４は、前記巻線部１３の外周側に隣接配置することができる。この場合、前記導体部１４は、例えば前記巻線部１３の一端から他端に亘って延設される。この構成によれば、前記導体部１４を流れる電流に基づいて放射ノイズが低減される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電子機器に使用されるリアクトルに関する。

リアクトルからの放射ノイズを低減する手段として、該リアクトルをシールドする方法がある。すなわち、例えば特許文献１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータでは、リアクトルの放射ノイズを低減するため、該リアクトルを他の電子部品やプリント基板と共にフェライトコアを兼ねたフェライトケース（シールドケース）内に収納している。

特開平１１−２９９２２５号公報（図１）

しかしながら、上述した従来技術は、リアクトル全体をシールドケースで覆う必要がるため、リアクトルが組込まれる電子機器の全体形状が大型化する。また、リアクトルを放熱する手段が複雑化・大型化するなどの問題も生じる。

本発明の目的は、このような状況に鑑み、シールドケースを使用することなく放射ノイズを低減することができるリアクトルを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、第１の端子と第２の端子間に直列に介在させた巻線部と導体部を備え、前記導体部を前記巻線部の軸線に平行する形態で配置するようにしている。この構成によれば、前記導体部を流れる電流に基づいて放射ノイズが低減される。

前記導体部は、前記巻線部の外周側に隣接配置することができる。この場合、前記導体部は、例えば前記巻線部の一端から他端に亘って延設される。
一方、前記導体部は、前記巻線部の一端に直列接続されて該巻線部の中間部位に向って延びる第１の導体部と、前記巻線部の他端に直列接続されて該巻線部の前記中間部位に向って延びる第２の導体部とを備えることができる。
この場合、前記第１の導体部と前記第２の導体部は、一形態として、前記巻線部の周方向についての位置が一致するように設けられ、他の形態として、前記巻線部の周方向についての位置がずれるように設けられる。

前記巻線部は、層数が奇数である多層巻構造を有することができる。また、前記導体は、前記巻線部の内部を貫通する形態で配置しても良い。

前記第１の端子と第２の端子間の距離ｄ１は、端子間浮遊容量を低減するために、これらの端子に接続された導線の半径ａに対してｄ１＞４ａの関係を満たすように設定することが望ましい。

本発明によれば、シールドケースを使用することなく放射ノイズを低減することができるので、小型化、軽量化、放熱手段の簡単化、ならびに低廉化を図ることが可能となる。

リアクトルの一例を示す斜視図である。図１のリアクトルに流れる電流をモデル化して示す模式図である。本発明に係るリアクトルの実施形態の構成とその作用を示す斜視図である。本発明に係るリアクトルの第２の実施形態の構成とその作用を示す斜視図である。図３に示すリアクトルのノイズ低減効果を検証するためのシミュレーション結果を示すグラフである。寸法等を変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。端子間に生じる浮遊容量を示す部分拡大斜視図である。導体間（２線間）の浮遊容量を説明するための模式図である。ｄ／２ａ（ｄ：導体間距離，ａ：導体半径）と浮遊容量との関係を示すグラフである。本発明の第３の実施形態に係るリアクトルの構成と作用を示す斜視図である。本発明の第４の実施形態に係るリアクトルの構成と作用を示す斜視図である。本発明の第５の実施形態に係るリアクトルの構成と作用を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
まず、本発明の原理について説明する。図１に示すリアクトル１は、電流が流れる部位がノイズ２を放射するアンテナとしての機能をもつ。
このリアクトル1の巻線部３には、図示のように螺旋状に電流が流れる。この電流は、図２に示すように、巻線部３の巻数に対応する個数のループ電流Ｉ_１と巻線の軸方向に流れる電流Ｉ_２の和と考えることができる。したがって、リアクトル１の放射ノイズ２も、上記２つの電流成分（上記各ループ電流Ｉ_１と軸方向電流Ｉ_２）に基づく各放射ノイズの和と考えることができる。
本発明は、この様な考察に基づき、上記軸方向電流Ｉ_２を打ち消す手段を設けることによって上記放射ノイズ２を低減するものである。

図３は、上記原理に基づいて放射ノイズを低減するように構成した本発明に係るリアクトルの一実施形態を示す。このリアクトル１０−１は、導線を柱形状に巻いた単層巻構造の巻線部１３と、この巻線部１３の外周側に隣接配置された導体部１４とを備えている。
巻線部１３の一端は、該巻線部１３の径外方向に導出されたリード部１３ａを介して端子１５に接続されている。一方、導体部１４の一端は、上記リード部１３ａに近接、平行するリード部１４ａを介して端子１６に接続されている。そして、導体部１４は、巻線部１３の軸線に平行する形態で該巻線部１３の一端側から他端側に亘って延びた後、巻線部１３の他端に接続されている。

本実施形態のリアクトル１０−１は、上記端子１５、１６を介して信号が入力される。リアクトル１０−１の巻線部１３は、図１の巻線部３に対応するので、上記信号の入力に伴って該巻線部１３に流れる電流には、図２の軸方向電流Ｉ_２に対応する軸方向電流Ｉ_２０が含まれることになる。
ここで、導体部１４に流れる電流をＩ_３０とすると、この電流Ｉ_３０は、軸方向電流Ｉ_２０に対して向きが逆であるので、該電流Ｉ_２０を打ち消すように作用する。したがって、本実施形態のリアクトル１０−１によれば、軸方向に流れる電流成分を減少して、この軸方向に流れる電流に起因する放射ノイズを低減することができる。

図４に別の実施形態に係るリアクトル１０−２を示す。このリアクトル１０−２は、２つの導体部１４−１，１４−２を備える点において図３に示したリアクトル１０−１と相違している。
導体部１４−１，１４−２は、巻線部１３に隣接する形態で該巻線部１３の外周側に配置されている。各導体部１４−１，１４−２は、巻線部１３の軸線に平行する同一の直線上に位置される形態で、つまり、巻線部１３の周方向に付いての位置が一致する形態で、それぞれ巻線部１３の一端、他端から該巻線部１３の長手方向中間部位に向って延びている。そして、導体部１４−１，１４−２の先端は、巻線部１３の径外方向に導出された互いに平行するリード部１４−１ａ，１４−２ａを介してそれぞれ端子１５，１６に接続されている。

上記の構成を有する本実施形態のリアクトル１０−２によれば、導体部１４−１，１４−２に流れる電流Ｉ_３０がそれぞれ軸方向電流Ｉ_２０を打ち消すように作用するので、図３に示したリアクトル１０−１と同様に、軸方向に流れる電流成分を減少して、この軸方向に流れる電流に起因する放射ノイズを低減することができる。
なお、導体部１４−１，１４−２の長さは互いに等しく設定しなくても良いが、それらの長さの和が巻線部１３の軸長にほぼ等しくなるように設定することが望ましい。

図５は、電磁界シミュレーションを用いて図３に示したリアクトル１０−１のノイズ低減効果を検証した結果を示している。この図５において、横軸は入力信号の周波数を、縦軸は放射電界強度（放射ノイズ強度）を、実線Ａは上記リアクトル１０−１の放射電界強度特性を、点線Ｂは上記リアクトル１０−１から導体部１４を除いた場合の放射電界強度特性、つまり、図１に示す従来構成のリアクトルの放射電界強度特性をそれぞれ示している。なお、図５において、例えば周波数値１．００Ｅ＋０６は、１×１０^６Ｈｚ（１ＭＨｚ）を意味している。
以下に、このシミュレーションの対象としたリアクトル１０−１の寸法等を示す。
巻線部１３の軸長ｌ：２１ｍｍ
巻線部１３の巻線半径ｒ：１７ｍｍ
巻線部１３のターン数Ｎ：３
ピッチ長：ｌ／（Ｎ−１）＝１０．５ｍｍ

特性Ａ、Ｂの対比から明らかなように、上記導体部１４を備える上記リアクトル１０−１によれば、広い周波数帯域に亘って放射ノイズを低減することができる。
図６は、寸法等を下記のように設定したリアクトル１０−１についての上記と同様のノイズ低減効果の検証結果を示している。
巻線部１３の軸長ｌ：７０ｍｍ
巻線部１３の巻線半径ｒ：１７ｍｍ
巻線部１３のターン数Ｎ：１０
ピッチ長：ｌ／（Ｎ−１）＝７０／９（ｍｍ）
図６から明らかなように、リアクトル１０−１は、寸法等が変更された場合でも、良好な放射ノイズ低減特性を有する。
なお、図４に示したリアクトル１０−２は、上記リアクトル１０−１に準じた構成を有するので、該リアクトル１０−１と同等の放射ノイズ低減特性を有する。

ところで、図７に示すように、リアクトル１０−１の端子１５，１６間には浮遊容量Ｃ１が生じる。この浮遊容量Ｃ１は、巻線部１３のインダクタンスと共にＬＣ共振を発生することがあり、その場合、共振周波数以上の周波数帯域において上記インダクタンスが意図せぬ値を示すことになる。そこで、上記浮遊容量Ｃ１の値は、共振周波数を高くするため、できるだけ小さいことが好ましい。

図８に示すように、平行する２本の導体（導線）１７の半径をａ［ｍ］、距離をｄ［ｍ］とし、これらの導体１７間に介在する誘電体の誘電率（この例では空気の誘電率）をεとすると、該導体１７、１７間の浮遊容量Ｃは下式で与えられる（例えば、「マグロウヒル大学演習電磁気学」２４９、２５９頁 Joseph A. Edminister著平成１２年１月３０日株式会社オーム社発行参照）。

図９は、上記式におけるｄ／２ａと浮遊容量Ｃとの関係を示したものである。この関係から明らかなように、浮遊容量Ｃは、ｄ／２ａが大きいほど小さくなる傾向を示す。なお、この図９において、例えば浮遊容量の値２０Ｅ−１２は、２０×１０^−１２［Ｆ／ｍ］を意味している。
上記距離ｄおよび浮遊容量Ｃは、それぞれ図７における端子１５，１６間の距離（リード部１３ａ，１４ａ間の距離）ｄ１および浮遊容量Ｃ１に対応する。したがって、上記リアクトル１０−１においては、端子１５，１６間の距離ｄ１を大きくすることによって浮遊容量Ｃ１が低減され、それに伴って高周波に対するインタダクタンス特性が向上することになる。
なお、図４に示したリアクトル１０−２も、リアクトル１０−１と同様に端子１５，１６間に浮遊容量を生じるので、この端子１５，１６間の距離を大きくしてこの浮遊容量を低減することが望ましい。

図１０および図１１は、端子間距離をより大きく設定することが可能な構成を有する本発明の他の実施形態をそれぞれ示す。
図１０に示すリアクトル１０−３は、導体部１４を巻線部１３の内周側に隣接配置した点、換言すれば、巻線部１３内を貫通する形態で隣接配置した点において図３に示したリアクトル１０−１と構成が異なっている。
このリアクトル１０−３においても、巻線部１３および導体部１４の一端がそれぞれリード部１３ａおよび１４ａを介して端子１５および端子１６に接続されている。リード部１３ａ，１４ａは、いずれも巻線部１３の軸線に平行する形態で導出され、かつ、該軸線を含む同一の平面に位置されている。
導体部１４は、そのリード部１４ａが上記軸線に対して上記リード部１３ａとは反対の側に位置されるように設けられている。したがって、リード部１３ａ，１４ａ（端子１４ａ，１５ａ）は、上記軸線を挟む形態で離隔している。

上記の構成を有する本実施形態のリアクトル１０−３によれば、端子間距離ｄ１を図３のリアクトル１０−１におけるそれよりも大きく設定することが可能であるので、端子間浮遊容量Ｃ１を低減して、高周波に対するインタダクタンス特性の向上を図ることができる。また、巻線部１３の全域に亘って導体部１４が隣接は位置されることから、高い放射ノイズ低減効果が得られることになる。

図１１に示すリアクトル１０−４は、図４に示したリアクトル１０−２と同様に、巻線部１３の軸線に平行する形態で該巻線部１３の外周側に位置された２つの導体部１４−１，１４−２を備えている。
上記導体部１４−１，１４−２は、上記軸線を含む同一の面内において上記軸線上の点に対して点対象の関係が成立する形態で、つまり、巻線部１３の周方向に１８０°ずれて位置する形態で、それぞれ巻線部１３の一端および他端から該巻線部１３の長手方向中間部位に向って延設され、それらの先端に端子１５，１６がそれぞれ接続されている。

上記の構成を有する本実施形態のリアクトル１０−４によれば、導体部１４−１，１４−２に流れる電流Ｉ_３０がそれぞれ軸方向電流Ｉ_２０を打ち消すように作用するので、軸方向に流れる電流成分を減少して、この軸方向に流れる電流に起因する放射ノイズを低減することができる。
また、このリアクトル１０−４では、端子１４ａ，１５ａが巻線部１３を挟む形態で離隔されるので、端子間距離ｄ１を図４のリアクトル１０−２および図１０のリアクトル１０−３におけるそれよりも大きく設定することが可能である。したがって、端子間浮遊容量Ｃ１をより一層低減して、高周波に対するインタダクタンス特性の向上を図ることができる。
なお、導体部１４−１，１４−２の長さは互いに等しく設定しなくても良いが、それらの長さの和が巻線部１３の軸長にほぼ等しくなるように設定することが望ましい。
また、上記導体部１４−１，１４−２は、巻線部１３の周方向に１８０°ずれて位置する形態で設けられているが、そのずれ角度を１８０°より小さく設定してもよい。

ところで、図９から明らかなように、端子間浮遊容量を十分に低減するには、目安として上記端子間距離ｄ１を（ｄ１／２ａ）＞２、つまり、ｄ１＞４ａの関係が満たされるように設定すればよいことになる。ただし、図７に示すリアクトル１０−１においては、端子間距離ｄ１をあまり大きく設定することは望ましくない。なぜなら、導体部１４の長さが減少して、該導体部１４による放射ノイズの低減作用が低下するからである。

図１２は、多層巻（重ね巻）構造の巻線部１３を備える本発明のさらに別の実施形態をそれぞれ示す。
本実施形態に係るリアクトル１０−５は、巻線部１３が内層、中層および外層からなる３層構造を有し、内層１３−１の内部を貫通する形態で導体１４を隣接配置した構成を有する。つまり、このリアクトル１０−５は、図１０に示すリアクトル１０−３における単層巻構造の巻線部１３を多層巻構造の巻線部１３に置き換えた構成を有する。

本実施形態に係るリアクトル１０−５によれば、内層、外層にそれぞれ同一方向の軸方向電流成分Ｉ_２１，Ｉ_２３が生じるとともに、中層１３−２にこれらの電流成分Ｉ_２１，Ｉ_２３とは方向が逆である軸方向電流成分Ｉ_２２が生じる。一方、導体部１４には電流Ｉ_３０が流れ、この電流Ｉ_３０は上記電流成分Ｉ_２１，Ｉ_２３と打ち消し合うことになる。この結果、本実施形態によれば、軸方向に流れる電流成分Ｉ_２１〜Ｉ_２３の和が減少されて、この軸方向に流れる電流に起因する放射ノイズが低減される。
なお、上記放射ノイズの低減効果は、巻線部１３の層数が３以上の奇数である場合に得ることができる。

本発明は、上記各実施形態に限定されず種々の変形例を含むものである。
すなわち、上記各実施形態では、空芯構造の巻線部１３を使用しているが、本発明は巻線部１３をコア（鉄心）付き構造にした場合でも有効に適用することができる。
また、図３、図４および図１１に示す実施形態では、導体部１４を巻線部１３の延長部である導線によって形成しているが、例えば、この導体部１４を巻線部１３が実装されるプリント基板上のプリントパターンによって形成するようにしても良い。

１０−１〜１０−５リアクトル
１３巻線部
１３ａリード部
１４、１４−１、１４−２導体部
１４ａ、１４−１ａ、１４−２ａリード部
１５、１６端子

Claims

第１の端子と第２の端子間に直列に介在させた巻線部と導体部を備え、
前記導体部を前記巻線部の軸線に平行する形態で配置したことを特徴とするリアクトル。
前記導体部が前記巻線部の外周側に隣接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。
前記導体部が前記巻線部の一端から他端に亘って延設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。
前記導体部が前記巻線部の一端に直列接続されて該巻線部の中間部位に向って延びる第１の導体部と、前記巻線部の他端に直列接続されて該巻線部の前記中間部位に向って延びる第２の導体部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載のリアクトル。
前記第１の導体部と前記第２の導体部は、前記巻線部の周方向についての位置が一致していることを特徴とする請求項４に記載のリアクトル。
前記第１の導体部と前記第２の導体部は、前記巻線部の周方向についての位置がずれていることを特徴とする請求項４に記載のリアクトル。
前記巻線部は、層数が奇数である多層巻構造を有することを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
前記導体が、前記巻線部の内部を貫通する形態で配置されていることを特徴とする請求項１または７に記載のリアクトル。
前記第１の端子と第２の端子間の距離ｄ１がこれらの端子に接続された導線の半径ａに対してｄ１＞４ａの関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のリアクトル。