JP2012079951A - リアクトル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器に組み込まれるリアクトル装置であって、磁気ギャップ近傍のコイルの発生損失を低減する。また、放熱性を向上して温度上昇を低減し、コイル素線導体のエナメル被覆の絶縁性劣化を抑えて寿命を長くすると共に、製造の容易化と低コスト化を図った車載用途に適するリアクトル装置を提供する。
【解決手段】コア７におけるコイルの巻装領域に少なくとも１つの磁気ギャップＧが設けられたリアクトル装置１であって、上記コイルの巻回部６２は、上記磁気ギャップに対応する位置において、巻回密度が他よりも粗とした部分を有してなることを特徴とする。磁気ギャップ部の磁路と垂直な外周範囲ではコイルの巻回密度を粗としたことにより、漏れ磁束の鎖交による渦電流に起因した損失が低減される。
【選択図】図７

Description

本発明は電力変換器に用いられるリアクトル装置、特にコイル部分の発生損失の低減と放熱性の向上を図った車載用途などに好適なリアクトル装置に関するものである。

車載用のリアクトルは、その配置可能な空間と重量に関する要件が厳しいため、特に小型、軽量であることが求められるため、他用途のリアクトルと比較して、より高い電力密度、高い電流密度を達成すべく設計される。リアクトルの扱う電力はインダクタンス値Ｌ、導通電流ｉＬに関して、およそＬ×（ｉＬ）^２／２に比例する。このため、電力密度を高めるには、大きな電流が導通してもコアが磁気飽和を起こしてインダクタンス値Ｌが低下しないよう、磁気ギャップを設けて磁気抵抗が増加する設定とする。コアに磁気ギャップを設けることで、電流量によるインダクタンス値Ｌの変化を小さく抑え、小電流から大電流までのインダクタンス特性（直流重畳特性）が安定化する効果も得ることができる。特にリアクトルを搭載するＤＣ／ＤＣ電圧変換器が、一次側電圧と二次側電圧の変換比を、ＤＣ／ＤＣ電圧変換器につながる電気機器の負荷電力量などの動作点に適応して、さまざまに変化させる場合においても、ＤＣ／ＤＣ電圧変換器の一次側や二次側に生じる電圧リップルの大きさを所定の範囲内に抑え、電圧変動による電気機器の誤動作の発生や、電圧リップルを平滑化する平滑キャパシタの極度の発熱による劣化を防止できる。
従来のハイブリッド車や電気自動車の駆動用ＤＣ／ＤＣ電圧変換器に適用されるリアクトル装置として、コアが複数の磁性体と複数のギャップとを接合して構成され、コアとコイルとの間に筒形形状の樹脂部材を介挿することにより、リアクトルの組立作業性の向上及びコイルの位置ずれ防止等を図り、コイルは、コアのギャップが介挿された部分を完全に覆うように外装されているものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２９４８２９号公報（第１頁要約、図１）

リアクトル装置がＤＣ／ＤＣ電圧変換器に適用される場合、ＤＣ／ＤＣ電圧変換器のパワー半導体のスイッチング周波数を、より高周波数に設定することによっても小型化、軽量化が図られる。しかしながら、上記従来のリアクトル装置では磁気ギャップを設けるが故、コイル部分での損失が増大するという問題があった。すなわち、素線導体を巻回してコイルを形成する際に高電流密度となるよう密に巻回するが、コアの磁気ギャップ部で磁路と垂直の外周範囲に漏れ磁束が生じており、この漏れ磁束がコイルの巻回部に鎖交する。漏れ磁束はスイッチングによって交番して方向が切り替わり、これがコイル部分に鎖交することによってコイルに渦電流が生じて損失が発生し発熱する。渦電流による損失Ｅｌｏｓｓは漏れ磁束の鎖交周波数ｆｓに関してＥｌｏｓｓ∝（ｆｓ）^２と、略二乗で比例する関係であり、鎖交周波数ｆｓの増加に対してＥｌｏｓｓは著しく増大することとなる。鎖交周波数ｆｓはパワー半導体のスイッチング周波数に比例する。コイルの渦電流による損失Ｅｌｏｓｓが増えると、リアクトルの効率が低下すると共に、稼動時のコイルの温度が高温となってしまう。

コイルが高温となれば、素線導体の表面に施されたエナメル被覆の絶縁性が劣化し、ひいては所望の寿命の確保が困難となる。これは、絶縁被覆のエナメル樹脂にて、主材料であるポリイミドやポリアミドイミドなどの高分子材料が高温にさらされて分子鎖が解かれ、絶縁性能が低下してしまうためである。エナメル被覆の絶縁性劣化はコイル巻回部のターン間の電流経路短絡につながり、所期のインダクタンスの特性を保てずに低下してしまう。また、周辺の部材とコイルとの間に有すべき絶縁耐性が失われ、漏れ電流の増加や、絶縁破壊などの障害を引き起こす。

上記のようにコイルが密に巻回されたものでは、コアの磁気ギャップからの漏れ磁束が鎖交して発熱するコイルの巻回部分で、素線導体のそれぞれのエナメル被覆同士が接するように隣接するため、伝熱性が低いエナメル被覆の内側から効率的に熱を取り出して放熱することは困難である。以上の問題は、特にリアクトル装置をハイブリッド車や電気自動車といった電動車両のパワートレイン用ＤＣ／ＤＣ電圧変換器に適用して１０ｋＷ以上の電力を扱い、１０ｋＨｚ以上の周波数でパワー半導体をスイッチングするような場合において顕著となっていた。取り扱い電力を拡大すれば、リアクトル装置が大型となる。これに対してパワー半導体のスイッチング周波数を高周波化することでインダクタンス値を低減し小型化を図ろうとすると、コイル部分の渦電流による損失Ｅｌｏｓｓが増加するという問題が生じる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コアに磁気ギャップが設けられ、スイッチング周波数がより高周波で動作される回路に用いられた場合においても、コイルの発生損失が低減され効率を向上しつつ放熱性が高められた、長寿命で、小型、軽量化し得るリアクトル装置を提供することを目的としている。

本発明に係るリアクトル装置は、コアにおけるコイルの巻装領域に少なくとも１つの磁気ギャップが設けられたリアクトル装置であって、上記コイルの巻回部は、上記磁気ギャップに対応する位置において、巻回密度が他よりも粗とした部分を有してなることを特徴とするものである。

本発明のリアクトル装置によれば、コイルの巻回密度が磁気ギャップに対応する位置において粗となるように形成したことで、コイルの巻回部のうち、磁気ギャップからの漏れ磁束に鎖交する部分でのコイルの延在距離が短縮され、渦電流による損失が低減されると共に、巻回密度が粗の部分では例えば放熱用のモールド樹脂が入り込み易くなるため、放熱性が向上し稼動時のコイルの温度上昇によるエナメル被覆の絶縁劣化を防止できる。また、渦電流による損失が低減されることで、リアクトル装置の稼動時の効率が向上する。このため、高い燃費性能が求められるハイブリッド車や電気自動車といった電動車両の、高周波でスイッチング動作されるパワートレイン用ＤＣ／ＤＣ電圧変換器として適したリアクトル装置が得られる。

本発明の実施の形態１に係るリアクトル装置を示す斜視図。 図１に示されたリアクトル装置の構成部品を展開して示す分解斜視図。 図１に示されたリアクトル装置のコアの組み合わせ状態を示す図。 図３に示されたコアに作用する磁束分布を濃淡で説明する図。 比較例としてのリアクトル装置におけるコイルの各巻回ターン位置に対するコイル損失のＡＣ成分発生量の関係を示す図。 図１に示されたリアクトル装置のコイルの形状を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図１の面Ａにおける内部構造を示す断面図である。 図１に示されたリアクトル装置におけるコイルの各巻回ターン位置に対するコイル損失のＡＣ成分発生量の関係を示す図。 本発明の実施の形態２に係るリアクトル装置を示す斜視図。 図９に示されたリアクトル装置のコイルの形状を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図９の面Ｂにおける内部構造を示す断面図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るリアクトル装置を示す斜視図、図２はこのリアクトル装置の構成部品を展開して示す分解斜視図である。なお、各図を通じて同一符号は同一または相当部分を示す。図に示すように、リアクトル装置１はケース２と、このケース２に収容された誘導体部品３と、ケース２内で誘導体部品３を浸漬するモールド樹脂４とで構成される。さらに、誘導体部品３は分割された絶縁ボビン５ａ、５ｂ、コイル６、分割されたコア７ａ、７ｂが組み合わさって構成されている。なお、図１においてモールド樹脂４は便宜上透明化して示している。また、以下の説明において、絶縁ボビン５ａ、５ｂを包括して絶縁ボビン５と呼ぶ場合がある。同様にコア７ａ、７ｂを、コア７と呼ぶ等、他の部材についても同様である。

リアクトル装置１は、ＤＣ／ＤＣ電圧変換器（図示省略）へ適用する場合にコイル６へ電流が導通され、誘導体としてエネルギを蓄積、放出する機能を持つ。コア７（７ａ、７ｂ）は軟磁性材料を加工成形したものであり、例えば鉄ダスト圧粉磁心、電磁鋼板、フェライト、センダストやパーマロイなどが用いられる。コイル６を構成する素線導体は、エナメル材料で絶縁被覆した断面が略長方形状の平角導線からなる。コイル６はこれを幅広方向に巻回したいわゆるエッジワイズ巻きしたものであり、コア７におけるコイル６の巻装領域である柱状部７２（７２ａ、７２ｂ）を絶縁ボビン５（５ａ、５ｂ）を介して覆うように配置される。素線導体の始端及び終端は、リアクトル装置１の電流導通用の端子６１ａ、６１ｂとなるよう加工されている。コイル６の一方の端子６１ａと他方の端子６１ｂとの間に印加する電圧を変化させることによって、端子間に電流が流れる。

ＤＣ／ＤＣ電圧変換器へ適用したリアクトル装置１は、端子に接続されるパワー半導体（図示省略）がスイッチングして開放状態、短絡状態の何れかに切り替わることで、コイル６の端子６１ａ、６１ｂ間の電位差が調整される。電位差の調整によってコイル６に導通する電流の増加量、減少量が制御され、ひいてはリアクトル装置１に蓄えられるエネルギの蓄積、放出が調整されて電圧変換する。この時、コイル６に導通する電流の増減や極性の切り替わり等が生じ、コア７内の磁路を通る磁束量が変化する。

コア７の磁性材料の動作点は、磁束量が変化することで磁束密度（Ｂ）と磁界の強さ（Ｈ）の関係を示すＢ−Ｈ特性線上を移動するが、磁気のヒステリシス性によって、この動作点の移動軌跡で表わされる領域の面積に相当する損失が、コアのヒステリシス損として生じる。また、コア内部を通る磁束（Φｃｒ）の時間的な変化ｄΦｃｒ／ｄｔに対し、この磁束の変化を和らげようとする渦状の電流がコアの内部に流れ、この渦状の電流路での電気抵抗により渦電流損として損失が生じる。このヒステリシス損と渦電流損を合わせて鉄損と称され、これによってコアは発熱する。

コア７の渦電流損を低減するため、コアの磁性材料として例えば電磁鋼板を用いる場合には、鋼板を薄板としてその表層に絶縁被膜を形成し積層することで渦電流のループ径を小さくし、渦電流損を低減するよう工夫されている。また、コアの磁性材料として例えば鉄ダスト圧粉磁心を用いる場合には、鉄ダスト材料の粒径を１００μｍ程度以下の小径にして、各粒子の表面に絶縁被膜を形成し、粒子間を絶縁することで渦電流損を低減するよう工夫されている。

また、コイル６には電流の導通に対する電気抵抗によって損失が生じる。損失には直流状の電流の導通に対応するＤＣ成分と、電流の増加、減少の変化による交流状の電流の導通に対応するＡＣ成分がある。
ＡＣ成分の要因には、電流の増加、減少を妨げるようコイル６の素線導体に誘起される磁束（Φｉ）の時間的な変化ｄΦｉ／ｄｔによって、素線導体の内部に発生する渦電流に起因して素線導体の中心部分に電流が導通しにくくなる表皮効果と呼ばれる現象、また、コイル６の巻回部分で素線導体同士が隣接している事により、それぞれ素線導体の表面部分に偏って電流が流れようとする近接効果と呼ばれる現象、さらに上述のように、コアの磁気ギャップ部での漏れ磁束がコイル６の素線導体に鎖交することによって素線導体に発生する渦電流に起因して損失が生じる現象がある。
電流の増加、減少の周波数が高くなるほど、漏れ磁束の鎖交周波数ｆｓが高くなることに相当しており、コイルの損失のＡＣ成分は増加することとなる。このコイルの損失のＤＣ成分とＡＣ成分を合わせたものは銅損と称され、これによってコイル６は発熱する。

このように、コア７とコイル６は発熱するが、これら発熱はモールド樹脂４に伝熱し、ケース２を伝わってヒートシンク１１へ向けて放熱される。ケース２は誘導体部品３の収容とコア７、コイル６の発熱を伝導する役割を担っており、高い放熱性が求められる場合には、熱伝導性を高くする目的から金属が多く用いられる。また、コア７は一部がケース２内部の下面や側面と当接し、この当接部分を経由してもヒートシンク１１へ向けて放熱する。

次に、コア７ａ、７ｂの磁気ギャップＧ部からの漏れ磁束と、これに起因してコイル６に生じる損失について、さらに詳しく説明する。図２に示されるように、コア７ａは柱状部７２ａ、外脚部７３ａ、側端部７４ａからなる。同様にコア７ｂは柱状部７２ｂ、外脚部７３ｂ、側端部７４ｂからなる。さらに、それぞれのコア７ａ、７ｂは図３に示すように突き合わされ、柱状部７２ａ、７２ｂ相互、及び外脚部７３ａ、７３ｂ相互が対向するように配置され、コアの当接面同士が固着するよう組み合わせられて内部に磁路が形成される。また、側端部７４ａ、７４ｂを基準に柱状部７２ａ、７２ｂの長さＬｃｐを外脚部７３ａ、７３ｂの長さＬｃｌよりも短く加工して、コア７ａとコア７ｂを突き合わせた際に、外脚部７３ａと７３ｂは密着する一方、柱状部７２ａと７２ｂは密着せず、非磁性体の磁気ギャップＧを形成する。

コア７の内部に構成された磁路における磁束の分布は、図４に示すようになる。なお、図４は図３に示したコア７において、柱状部７２ａ、７２ｂの中心軸を通り、かつ、紙面と平行方向の断面を見た磁束の分布を説明する図である。図３に示すコア７の柱状部７２ａ、７２ｂ、外脚部７３ａ、７３ｂ、側端部７４ａ、７４ｂ及び磁気ギャップＧからなる磁路において、図４中に、より濃色で表現されるほど、高い磁束密度となっている。なお、図４に示す領域Ｃ１、Ｃ２はコイル６の巻回部６２に対応している。柱状部７２ａと７２ｂの対向箇所にある磁気ギャップＧでの磁路に直交する面方向の外周範囲で磁束が漏れており、領域Ｃ１、Ｃ２の範囲に及んでいることが判る。すなわち、この磁気ギャップＧでの漏れ磁束が、領域Ｃ１、Ｃ２にあるコイル６の巻回部６２に鎖交することとなる。

ここで、本願発明者らは、特にハイブリッド車や電気自動車といった電動車両のパワートレイン用ＤＣ／ＤＣ電圧変換器に適用される例えば１０ｋＷ以上の電力を扱い、１０ｋＨｚ以上の周波数でパワー半導体をスイッチングするリアクトル装置において、磁気ギャップの漏れ磁束によってコイルが受ける発生損失について定量的な把握を試み、新たな知見を得た。以下、これを図５を用いて説明する。

図５は、図３に示すコアを用い、コイルの巻回部が図４の領域Ｃ１、Ｃ２に対応して配置され、総巻回数２０ターンの等ピッチで密に巻回された従来のリアクトル装置に相当する比較例についてシミュレートした結果を示すものであり、コイルの各巻回ターン位置に対するコイル損失のＡＣ成分発生量の関係を示している。なお、コイル巻回位置の１０ターン目と１１ターン目が漏れ磁束の鎖交量が多い磁気ギャップＧの近傍に位置している。図５から明らかなように、磁気ギャップＧの位置に対応するように、１０ターン目と１１ターン目のコイル損失のＡＣ成分の発生量は、隣接する９ターン目や１２ターン目と比較して２倍以上であり、該シミュレーション結果から、損失のＡＣ成分の発生要因としては、表皮効果、近接効果よりも、漏れ磁束によるものが非常に大きいことが判る。これは、次の理由による。

電動車両のパワートレイン用ＤＣ／ＤＣ電圧変換器に適用するリアクトル装置では、小型に構成したいという要求から他の用途のリアクトル装置と比べてコアを高い磁束密度で動作させる傾向があり、磁気ギャップからの漏れ磁束が多く、また、小型化のためにコアとコイルの巻回部との距離を短縮し、漏れ磁束がコイルに鎖交し易くなっている。よって、漏れ磁束に起因した渦電流によるものがコイル損失のＡＣ成分の大部分を占めることとなる。また、パワー半導体のスイッチング周波数が１０ｋＨｚ以上では、漏れ磁束の鎖交周波数が高周波であると見做せ、上述のようにコイル損失のＡＣ成分は漏れ磁束の鎖交周波数が高いほど、周波数の累乗に比例して増加することから、コイル損失の内、ＤＣ成分よりもＡＣ成分の方がはるかに多くなる。従って、コイル損失の全体を見て、漏れ磁束に起因した渦電流による損失が占める割合は大変高い。

上記のようにコイル６の巻回部６２において、発生損失は漏れ磁束が鎖交するターンで局所的に増大しており、この部分の温度上昇は著しく高温となる。このため、これ以外のターンでは素線導体表面のエナメル被覆の絶縁性が劣化しない程度の温度であったとしても、磁気ギャップＧの近傍での素線導体は高温となり、さらにコイル６が密に巻回されていることで放熱も困難なためエナメル被覆の絶縁性の劣化が進む。エナメル被覆の絶縁性の劣化によってリアクトル装置全体としても絶縁性能の低下が加速し、寿命が短縮するという問題が生じる。

これに対し、本発明ではコイル６の巻回部６２において、磁気ギャップＧに対応する位置、即ち磁気ギャップＧでの磁路と垂直（磁路に直交する面方向）の外周範囲では、これ以外の範囲、即ち磁気ギャップＧを設けていないコア７の柱状部７２と比較してコイル６の巻回密度を粗とするように形成したものである。この実施の形態１の特徴部分の１つであるコイル６の形状を図６に示す。図６（ａ）の平面図は、コイル６を上方（誘導体部品３をケース２に収容した状態で外部よりケース２の開放面を上から垂直に見る方向）から見た図、図６（ｂ）の側面図は、コイル６を図６（ａ）を図示する紙面に対して直交する方向から見た図である。図６において、コイル６は断面の形状が略四角形の素線導体を幅広方向に巻回して巻回部６２を形成しており、その略中央部分では他の部分よりも一巻き当たりの傾斜度を高くしコイルピッチを長く形成することで、巻回密度を粗としている。

さらに、リアクトル装置１の構成について、図２と図７を参照して、詳細に説明する。図７は、図１の切断面Ａでの断面図であって、実施の形態１のリアクトル装置の内部構造を示している。コイル６の中心軸部６ｃに、一組の絶縁ボビン５ａ、５ｂの円筒状の筒状部５２ａ、５２ｂが嵌挿されるように配置され、絶縁ボビン５ａ、５ｂが突き合わされて、筒状部５２ａ、５２ｂの先端部（嵌合部５２ｃ）が嵌合されている。さらにコア７ａ、７ｂの柱状部７２ａ、７２ｂが絶縁ボビン５ａ、５ｂの筒状部５２ａ、５２ｂに嵌挿されている。このとき、絶縁ボビン５ａ、５ｂの平面部５３ａ、５３ｂが、コア７ａ、７ｂの側端部７４ａ、７４ｂの内側面に接触するように取り付けられている。

また、コア７ａの外脚部７３ａとコア７ｂの外脚部７３ｂとは突き合わされ、図示省略している接着剤もしくは固定部材などの固定手段によって固着されている。コイル６と絶縁ボビン５及びコア７とで構成される誘電体部品３はヒートシンク１１が取り付けられたケース２に収容されている。誘導体部品３がケース２の内部に収容された後に、コイル６の大略が埋まる程度にモールド樹脂４が充填され、加温、硬化される。モールド樹脂４としては、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などに熱伝導性を向上させるためのフィラー材（アルミナや水酸化アルミ等）を混合したものが用いられる。

コア７ａ、７ｂの柱状部７２ａ、７２ｂが対向された部分に磁気ギャップＧが形成され、該磁気ギャップＧには、例えば接着剤、モールド樹脂、セラミック、空気等の非磁性の材料が設けられている。柱状部７２ａ、７２ｂ内の磁路は図７の左右方向に発生しており、磁気ギャップＧ付近の磁路と垂直な柱状部７２ａ、７２ｂの外周範囲へ、コイルの巻回部６２の巻回密度が粗な部分が配置されるように絶縁ボビン５ａ、５ｂによってコイル６が位置決めされている。

上記のように、実施の形態１では磁気ギャップＧの磁路と垂直な外周範囲における漏れ磁束の影響を受けて大きな損失が生じる部分での一巻き当たりの傾斜度を大きくすることでコイルピッチを大きく形成し、該磁気ギャップＧ部分での巻回部６２の巻回密度を粗とすることで、磁気ギャップＧからの漏れ磁束に鎖交するコイルの延在距離が短縮され、渦電流による損失が大幅に低減される。図８は、実施の形態１の磁気ギャップＧ近傍でコイル６の巻回部６２の巻回密度を粗とした場合におけるコイルの各巻回ターン位置に対するコイル損失のＡＣ成分発生量の関係を示したものである。なお、コイル６は図５の比較例の場合と同様に総数２０ターンであって、巻回部６２が図４の領域Ｃ１、Ｃ２に配置されている。

図８において、コイル巻回位置の１０ターン目が磁気ギャップＧの磁路と垂直の外周範囲に位置しており、漏れ磁束の影響を受けてコイル損失のＡＣ成分の発生量は高いものとなっている。しかし、隣接する９ターン目と１１ターン目は漏れ磁束の影響をあまり受けない範囲に位置するため、コイル損失のＡＣ成分の発生量は１０ターン目と比べて大幅に少ない。図５と比較してＡＣ成分の発生量が高くなる巻回部分が半減しており、この部分で生じる損失が大きく減少することから、コイル６の全体に生じる損失が低減し、リアクトル装置１の効率が向上する。

また、磁気ギャップＧからの漏れ磁束が鎖交するコイル巻回位置の１０ターン目では、従来のものと同程度にコイル損失のＡＣ成分が発生するものの、ターン数が少なくしかも当該部分では巻回密度が粗であることにより、素線導体の周囲にモールド樹脂４が多量に浸透して発生熱を素線導体からケース２へ伝熱し易くなって放熱性が向上することで素線導体の温度上昇が抑えられ、エナメル被覆の絶縁劣化が進むのを回避でき、製品寿命も長くなる。

以上説明したように、実施の形態１によれば、磁気ギャップＧでの磁路と垂直の外周範囲では巻回の軸方向での一巻き当たりの傾斜度を高めてコイルの巻回密度を粗とするよう形成するようにしたため、磁気ギャップＧからの漏れ磁束に鎖交するコイルの延在距離が短縮され、コイルの損失のＡＣ成分にて多数を占める磁気ギャップＧからの漏れ磁束の鎖交による渦電流に起因した損失を大幅に低減でき、リアクトル装置の効率を向上できる。また、コイルは断面が長方形状の素線導体を幅広方向に巻回して形成したため、断面が丸形の素線導体を巻回するものと比較して占積率が向上され、車載用の要求に則し同じインダクタンス値であっても、より小型で、軽量なリアクトル装置を構成することができる。

また、コア７の柱状部７２とコイル６の巻回部６２はコアの側端部７４ａ、７４ｂに絶縁ボビン５の平面部５３ａ、５３ｂを当接することで、絶縁ボビンによって位置決めされている。磁気ギャップＧ部の磁路と垂直の外周範囲にあたるコイルの巻回位置をコイルの巻回部の巻き始めから所定の巻数にて関係付けて、該当位置では一巻き当たりの傾斜度を他の巻回部分よりも高めてコイルピッチを長くした後、この範囲から外れる所で、元の傾斜度、ピッチに戻して巻回する。これにより、容易な工作性で磁気ギャップに対応する部分のコイルの巻回密度を粗とすることを実現しつつ、コアとコイルの位置関係を高精度に定めることで、より効果的に渦電流によるコイルの損失を低減することができる。また、加工が容易であるため、製造時間が短く、低コストに製造可能となる。

さらに、フィラー材を混合したモールド樹脂４が、磁気ギャップＧの近傍のコイル６の巻回密度が粗となる箇所では、浸漬量が増えてエナメル被覆の間に浸透する。このため、モールド樹脂４を介してケース２へ伝熱する経路でコイル６からの放熱性が向上するため、パワー半導体のスイッチング周波数が高く漏れ磁束の鎖交周波数が高い場合であっても発生損失が多く高温となりがちな当該箇所の素線導体からの放熱性が向上して素線導体の温度上昇が抑えられることでエナメル被覆の絶縁性の劣化進行を抑えられる。このため、ハイブリッド車や電気自動車等の電動車両のパワートレイン用で１０ｋＷ以上の電力を扱い、１０ｋＨｚ以上の周波数でパワー半導体をスイッチングするようなＤＣ／ＤＣ電圧変換器にも好適に用いることができ、小型、高効率で、絶縁劣化も抑えられた長寿命なリアクトル装置が得られる。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２に係るリアクトル装置を示す斜視図、図１０は図９に示されたリアクトル装置のコイルの形状を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図１１は図９の面Ｂにおける内部構造を示す断面図である。なお、この実施の形態２は、コイル１２として、コイル長の短い複数（ここでは２つ）の短コイル１２ａ、１２ｂの直列接続体を用い、かつ、その接続部１２１を磁気ギャップＧの磁路と垂直の外周範囲の位置に合致させると共に、接続部１２１におけるコイル１２の巻回密度が粗となるようにしたものである。

図１０、図１１に示すように、コイル１２は、実施の形態１と同様の断面が長方形状の素線導体を幅広方向に巻回して形成した２つの短コイル１２ａ、１２ｂと、これらを磁気ギャップＧに対応する位置で平角導線を用いて直列に接続する接続部１２１によって構成されている。短コイル１２ａ、１２ｂはそれぞれ巻回密度を一定にした密状態の巻回部１２２ａ、１２２ｂを備えている。短コイル１２ａの一端は端子１２３ａであり、他端は接続部１２１の一端に接続されている。同様に短コイル１２ｂの一端は端子１２３ｂであり、他端は接続部１２１の他端に接続される。

上記接続部１２１はコア７を構成する柱状部７２の中心軸の軸方向に平行となるように配設され、かつ長方形状の断面の短辺側が中心軸に対向するように配置することで、磁気ギャップＧ部でのコイル１２の巻回密度を粗とし、磁気ギャップＧからの漏れ磁束が鎖交する部分での素線導体の延在距離が大幅に短縮されている。ここで接続部１２１は、例えば溶接、半田接合、ろう付け、かしめ接合、導電性接着剤などの接続手段によって導電するように電気的・機械的に接合される。なお、接続部１２１の接続加工は素線導体の表層のエナメル被覆を剥離して行われるため、加工後はコイル１２とケース２、コア７ａ、７ｂの間はエナメル被覆に替わり絶縁性を保つよう、接続部１２１とその近傍のコイル表面を、例えば絶縁材料を基にした塗料、フィルム、構造部材などによって覆われる。その他の構成は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態２においては、コイル１２は接続部１２１がコア７の磁気ギャップＧに対応する位置に配置されるように絶縁ボビン５ａ、５ｂによって位置決めされる。磁気ギャップＧからの漏れ磁束はコイル１２の接続部１２１で鎖交するが、その延在距離は極めて短い。従って、実施の形態１で示したリアクトル装置に比較しても、コイル損失のＡＣ成分において漏れ磁束に鎖交して生じる渦電流に起因した損失が一層大幅に低減され、コイル１２の温度上昇が抑えられリアクトル装置の効率を向上できる。

また、コイル１２は一つ当たりのコイル長さが短い短コイル１２ａ、１２ｂを複数個接続することから、全体を一本の素線導体のままコイルに成形する場合よりもコイルの巻回部分の配置の精度が向上する。巻回部分の配置の精度の向上は、接続部分の配置の精度の向上と等しく、すなわち、磁気ギャップＧにおける磁路と垂直の外周範囲にコイルの接続部１２１を精度良く配置することが可能となる。このため、磁気ギャップＧからの漏れ磁束に起因した渦電流による損失の低減度合いのばらつきを低減できる。これは、コイルの損失による温度上昇のばらつきを低減できることにつながるため、リアクトル装置の稼動時のコイルの発生損失や温度上昇の製品によるばらつきを抑え、大量生産した場合であっても、製品の寿命確保を確実にできるという効果がある。

このように、実施の形態２におけるリアクトル装置では、実施の形態１と同様に、磁気ギャップＧからの漏れ磁束の鎖交による渦電流に起因したコイルの損失を大幅に低減でき、リアクトル装置の効率を向上できると共に、素線導体のエナメル被覆の絶縁性の劣化進行を抑えて、従来のものよりも寿命を長くできるという顕著な効果がある。また、磁気ギャップＧに対応する位置に配設されたコイル１２の接続部１２１においては、巻回密度が粗であることにより素線導体の表層のエナメル被覆に接するように充填されるモールド樹脂４が浸透し易く、多量に充填されるため当該箇所の素線導体からの放熱性が向上して素線導体の温度上昇が低減し、エナメル被覆の絶縁性の劣化を有効に抑えることができる。

なお、接続部１２１の素線導体を柱状部７２ａ、７２ｂの中心軸の軸方向に略平行としたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば中心軸の軸方向に対して斜めに接続しても良い。さらに、短コイル１２ａ、１２ｂと接続部１２１を溶接等の接続手段で接続したが、例えば曲げ加工によって短コイル１２ａ、接続部１２１、短コイル１２ｂを一体ものの素線導体で形成しても差し支えない。

なお、上記の実施の形態１、２では、コアにおけるコイルの巻装領域に磁気ギャップＧが一つ設けられている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、複数の磁気ギャップを有するものであっても良い。磁気ギャップＧが複数存在する場合、各磁気ギャップ、あるいは場合によっては一部の磁気ギャップに対応する部分のコイルの巻回密度を他よりも粗とすることで、実施の形態１、２と同様の効果が期待できる。

なお、上記の実施の形態１、２では、素線導体の断面形状が長方形状のコイルについて説明したが、断面形状が略四角形状、あるいは丸形のコイルであっても、磁気ギャップにおける磁路と垂直の外周範囲でコイルの巻回密度を粗とすることで、渦電流による損失を減らす効果を期待することができる。さらに、磁気ギャップ近傍のコイルの巻回密度を粗とする別な様態として、磁気ギャップにおける磁路と垂直の外周範囲ではコイルの巻回径を大きくするように形成しても良い。この場合、コイルの巻回部への漏れ磁束の鎖交が減少し、渦電流による損失の発生も低減する。

更に、磁気ギャップＧがコア７の柱状部７２に設けられているものを示したが、外脚部７３ａ、７３ｂに設けられていても良い。また、コアの柱状部は円柱形状に限らず角柱形状であっても良い。この場合、コイルは柱状部の角柱形状の周縁に沿って角筒状に巻回される。さらに、上記の実施の形態は本発明の好適な事例を例示したものに過ぎず、これらに限定されるものではなく、本発明の範囲内にある限り、他の形状へ変更や変形を加えて実施してもよい。例えば、実施の形態１ではコイルの巻回密度が粗の部分を、素線導体の巻回数が略１ターンとなる形で構成したが、例えば２分の１ターンでギャップ部を跨ぐようにするなど変形しても差し支えない。さらに、本発明の用途は車載用に限定されない。

１ リアクトル装置、 １１ ヒートシンク、 ２ ケース、 ３ 誘導体部品、 ４ モールド樹脂、 ５（５ａ、５ｂ） 絶縁ボビン、 ５２ａ、５２ｂ 筒状部、 ５３ａ、５３ｂ 平面部、 ６ コイル、 ６ｃ 中心軸部、 ６１ａ、６１ｂ 端子、 ６２ 巻回部、 ７（７ａ、７ｂ） コア、 ７２（７２ａ、７２ｂ） 柱状部、 ７３ａ、７３ｂ 外脚部、 ７４ａ、７４ｂ 側端部、 １２ コイル、 １２ａ、１２ｂ 短コイル、 １２１ 接続部、 １２２ａ、１２２ｂ 巻回部、 １２３ａ、１２３ｂ 端子、 Ｇ 磁気ギャップ。

Claims (6)

1. コアにおけるコイルの巻装領域に少なくとも１つの磁気ギャップが設けられたリアクトル装置であって、上記コイルの巻回部は、上記磁気ギャップに対応する位置において、巻回密度が他よりも粗とした部分を有してなることを特徴とするリアクトル装置。
2. 上記巻回密度が粗の部分は、巻回の一巻き当たりの傾斜度を高めてコイルピッチを大きくしたものであることを特徴とする請求項１記載のリアクトル装置。
3. 上記コイルは、コイル長が短く巻回密度が密である複数の短コイルの直列接続体からなり、かつ、その接続部は上記磁気ギャップの位置に合致されていると共に、該接続部における巻回密度が粗となるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のリアクトル装置。
4. 上記接続部は、隣り合う上記短コイルのコイル端相互を導体によって上記コイルの軸芯方向に平行に接続するようにしたものであることを特徴とする請求項３記載のリアクトル装置。
5. 上記巻回密度が粗の部分は、巻回するときの径を他よりも大にしたものであることを特徴とする請求項１記載のリアクトル装置。
6. 上記コイルを形成する素線の断面は、長方形状をなしており、上記コイルは該長方形状の幅広方向に巻回されていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載のリアクトル装置。

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