JP2012195227A - 高インダクタンス電線 - Google Patents

Abstract

【課題】コアやコイルを必要とせず、電力を供給するための電線自体により高いインダクタンスを得ることができ、回路の小型化や省スペース化を図ることができる高インダクタンスを提供すること。
【解決手段】電流を供給する複数の導体素線と、前記複数の導体素線のそれぞれの外周表面を覆う磁性層と、前記複数の導体素線及び前記磁性体の外周を電気絶縁材料で覆う絶縁層とを備えており、導体の表面に近接して設けられた磁性層とを備え、導体素線の表面と近くの磁性層の面積が大きくなるように配置されており、その外周が電気絶縁材料で覆われている。これにより、効率的に高いインダクタンスを得ることができるため、電線の軽量化を図ることが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、高いインダクタンスを得ることができる高インダクタンス電線に関する。

電気回路や電子回路において、基本的で重要な素子の一つとして、インダクタ（コイル）が存在する。従来、インダクタは透磁率の高い材料に銅線を多重巻にして生成するのが一般的であり、その構造からある程度の大きさを必要とする。その中でも、本発明は電圧を変化させる昇圧／降圧用のインダクタ、特に、低い電圧から高い電圧に変換する昇圧回路（昇圧コンバータ）などに用いることができるインダクタに関するものである。しかし、本発明の高インダクタンス電線の用途はこれらに限定されるものではなく、以下の用途は例示である。

例えばモータの駆動力によって走行するハイブリッド自動車、電気自動車等のようなモータ駆動車両は、電池電圧を昇圧し、昇圧した電圧をモータ駆動回路に出力する昇圧コンバータを備えている。

昇圧コンバータは、昇圧インダクタ、昇圧インダクタに流れる電流をスイッチングする
スイッチング回路等を備えており、昇圧インダクタは電流のスイッチングにより誘導起電力を発生する。昇圧コンバータは、入力電圧に誘導起電力を加えた昇圧電圧をモータ駆動回路に出力する。これによって、昇圧コンバータは、電池電圧より大きい電圧をモータ駆動回路に出力することができる。

これらの昇圧コンバータに用いられる昇圧インダクタは、車両のエンジンコンパートメントに配置されることが多い。昇圧インダクタは、コアと、コアに巻き付けられる昇圧コイルとを備える。コアの体積が大きい場合、エンジンコンパートメントの容積を大きくする必要が生じ、車室を狭くせざるを得ない場合がある。そのため、車両搭載用の昇圧コンバータに用いられる昇圧インダクタのコアの総体積を低減するためのマルチコアフェーズコンバータ（特許文献１）が提案されている。また、従来のインダクタは薄型化が困難であることから薄型で加工性の良い高インダクタンスを得るためのインダクタが提案されている（特許文献２）。

特開２０１０−２５２５３９号公報 特開平８−４５７４３号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２のいずれに記載の発明も、高インダクタンスを得るためのインダクタとしてコアとコイルを必要としており、そのため、一定の厚み（高さ）と大きな体積を占有するものとなっており、これらが昇圧回路の小型を阻害する要因となっていた。

本願発明は、このような従来技術のインダクタの問題点に鑑みてなされたもので、インダクタンスを必要とする場合に、従来のようなインダクタ固有の形状のコアやコイルを必要とせず、電力を供給するための電線自体により高いインダクタンスを得ることができ、昇圧回路等の小型化や省スペース化を図ることができる高インダクタンス電線を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る高インダクタンス電線は、電流を供給する複数の導体素線と、前記複数の導体素線のそれぞれの外周表面を覆う磁性層と、
前記複数の導体素線及び前記磁性体の外周を電気絶縁材料で覆う絶縁層と、を備えていることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る高インダクタンス電線は、前記複数の導体素線は互いに接触しないように近接して配置されており、前記磁性層は、該複数の導体素線の間を埋めるように設けけられた前記磁性層からなることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る高インダクタンス電線は、前記導体素線と、該導体素線の外周を同心円状に覆う磁性層からなる複数のインダクタンス素線と、前記インダクタンス素線を複数本束ねて、該束ねた複数のインダクタンス素線の外周を前記絶縁層で被覆したことを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る高インダクタンス電線は、前記複数のインダクタンス素線をスパイラル上に捩じって束ね、捩じって束ねた該複数のインダクタンス素線の外周を前記電気絶縁材料で被覆したことを特徴とする。

本発明の第５の態様に係る高インダクタンス電線は、前記磁性層が前記導体素線よりも細い複数の磁性体素線からなり、前記各導体素線の外周を前記複数の磁性体素線で覆うように配置して束ねたことを特徴とする。

本発明の第６の態様に係る高インダクタンス電線は、前記磁性層が前記導体素線よりも細い複数の磁性体素線からなり、前記導体素線の外周を覆うように前記第磁性体素線をスパイル上に巻き付けたインダクタンス素線を複数束ねたことを特徴とする。

本発明の第７の態様に係る高インダクタンス電線は、前記磁性層及び前記導体が可撓性を有することを特徴とする。

本発明の第８の態様に係る高インダクタンス電線は、前記磁性層は磁性材料と樹脂の混合物であることを特徴とする。

以上述べたように、本発明によれば、電力を供給する電線から高いインダクタンスを得ることができるので、例えば電気自動車のように低電圧のバッテリー電圧から高い駆動電圧を得るために狭い空間で昇圧しなければならないなどの制約がある場合等に、昇圧回路に電力を供給する電線の長さを利用して高いインダクタンスを得ることができるので、昇圧回路に大きな体積のインダクタを設ける必要がなく、昇圧回路自体を軽量化することが可能となるとともに、昇圧する際に発生するスイッチングノイズ等の雑音を低減することが可能となる。

電流を流すための導体の周りを磁性体で覆った状態を示す断面図である。 インダクタンスと磁性層の厚さ及び重量の関係を示すグラフである。 （ａ）本発明に係る高インダクタンス電線の第１の実施形態に係る断面図を示し、（ｂ）はその一部を示す斜視図である。 （ａ）本発明に係る高インダクタンス電線の第２の実施形態に係る断面図を示し、（ｂ）はその一部を示す斜視図である。 （ａ）本発明に係る高インダクタンス電線の第３の実施形態に係る断面図を示し、（ｂ）はその一部を示す斜視図である。 （ａ）本発明に係る高インダクタンス電線の第４の実施形態に係る断面図を示し、（ｂ）は（ａ）に示す高インダクタンス電線構成するインダクタンス素線の一部を示す斜視図である。

以下図面を参照して、本発明の各種実施形態を説明する。
まず、図１を用いて、本発明の基本的な考え方を説明する。図１は、電流を流すための導体の周りを磁性体で覆った状態を示す断面図であり、グラフは導体から磁性体までの距離と磁界の強さ（磁束密度）の関係を示している。

磁束密度は式１のように変化する。
Ｈ＝Ｉ_max／２πｒ＝Ｂ_max／μ ・・・・・・（式１）
Ｈ：磁界の強さ、ｒ：導体中心から磁性体までの距離、Ｂ：磁束密度、μ：透磁率
図１のグラフ（Ｈ−r曲線）及び式１からわかるように直線導体５０ａを磁性層５０ｂで覆った線状の電線では、磁性層５０ｂが厚くなりが導体５０ａから離れるほど（ｒが大きくなるほど）インダクタンス増に対する寄与率が低下する。このため、磁性層を厚くしても、インダクタンスは純増しないが電線の重量は指数的に増加する。また、導体に流せる最大電流は磁性材の最大磁束密度で決定され、最大磁束密度は導体表面において発生する。

磁気飽和をさせないためには、導体表層で最大磁束密度となるよう電流を制限することになるため、図１のような構造で磁性体を増やすと、導体表層以外の磁性体はその性能を最大限発揮せず、重量増に貢献することとなる。そのため、図１のような構造では、インダクタンスを増やそうと磁性材料を増やすと、磁性材料により重量が大きくなり電流が小さくなるということが問題となる。

図２は、インダクタンス電線のインダクタンスと磁性層の厚さ及び重量の関係を示す。インダクタンスは次の式２であらわされる。

Le：外部インダクタンス、ａ：導体中心から表面までの距離、ｂ：導体中心から磁性層表面までの距離、μ₀：真空中の透磁率、μ_１：磁性体の透磁率、ｌ：電線の長さ

図２及び式（２）からわかるように、磁性体の厚さが増えていくと、インダクタンスは所定の厚さを超えてもほとんど増えず、電線の重量のみが増加する。すなわち、導体表面からの距離が所定の距離を超えた時点で磁性層の厚さを増やしても電線の重量が重くなるだけで、インダクタンスへの寄与度は少ない。
以上の知見に基づき、本願発明では、電線全体の重量をできるだけ軽くしつつ、効率的にインダクタンスを増やすために、電流を分散させることにより、磁性層をできるだけ電流が流れる導体表面に近づくように配置して、磁性材をインダクタンス増に寄与する構造とした。

図３乃至図６を用いて、本願発明の高インダクタンス電線の各種の実施形態を説明する。
図３乃至図６は、本発明に係る高インダクタンス電線の第１の実施形態及び第４の実施形態を示す断面図（ａ）及びその一部を示す斜視図（ｂ）である。なお、図３〜図６に破線で示すように、いずれの図も外周は周知又は公知の電気絶縁材料からなる絶縁層１５，２５，３５、４５で被覆されている。

図３に示す本発明の第１の実施形態に係る高インダクタンス電線１０は、複数の導体素線１１の周りを磁性層１２で覆い、その外側を絶縁層１５で覆った構造となっている。導体素線１１としては例えば、銅やアルミニウム等の電導性の高い材料を用いることができ、磁性層１２の材料としては例えば純鉄、軟鉄線、珪素鋼、パーマロイ、センダスト等の磁性材料を用いることができる。特に、キュリー温度及び透磁率が高く、加工し易い材料が好ましい。
また、磁性層１２は磁性材と樹脂の混練材とすることも可能である（以下の実施形態においても同様である）。これにより、電線全体の重量を軽量化することができる。
なお、図３等では、断面が円形状の導体素線を示しているが、導体素線の断面形状は。円形に限らず、多角形状または帯状の形態であってもかまわない。高インダクタンス電線において、導体素線の間隔は等間隔であることが好ましい。正確に等間隔でなくとも良いがほぼ等間隔であることに望ましい。このように、略等間隔にすることにより、磁性体材料の増加分を効率良くインダクタンスの増加に反映させることが可能となる。

複数の導体素線１１は、互いに接触しないように近接して配置される。できるだけ互いの導体素線１１の間隔が等しくなるように均等に配置されることが望ましい。また、高インダクタンス電線１０を構成する導体素線１１の本数および導体素線の断面の直径、各導体素線の間隔の最短距離等は、高インダクタンス電線に流す許容電流の量により適宜設定することができる。
例えば、電気自動車等においては、直径２０ｍｍ程度、全長２．５ｍ程度高インダクタンス電線で、インダクタンス２５０μＨ以上が要求されるので、これらの要求に適合するように、導体素線の数、導体素線直径、導体素線間の距離（磁性体の厚み）等を決定する。

また、環境に合わせて高インダクタンス電線を配線するためには、磁性層は可撓性を有することが好ましい。しかし、可撓性がなくとも直線または所望の形状に加工した高インダクタンス電線とすることも可能であり、可撓性が必須の要件ではない。

次に図４を用いて本発明の第２の実施形態に係る高インダクタンス電線２０を説明する。第２の実施形態にかかる高インダクタンス電線２０においては、各導体素線２１がそれぞれ磁性層２２で被覆されたインダクタンス素線２３が複数集められた構成となっており、外側が電気絶縁材料からなる絶縁層２５で覆われている。

この形態では、導体素線２１を１つずつ均等な厚さの磁性層で覆うことにより、各インダクタンス素線２３が構成されているので、導体素線同士が接触することがなく、また導体素線２１と磁性層２２の厚さの関係を均等に保つことが可能となる。さらに、複数のインダクタンス素線２３を集めて被覆するだけで製造できるので、高インダクタンス電線２０の製造が容易となる。また、各インダクタンス素線２３は、磁性層２２の厚さを容易に変更可能であるので、各導体素線２１の材料や直径、及び磁性層２２の材料に応じて、磁性層２２の最適な厚さとすることが可能である。
インダクタンス素線２３の断面形状は、円形に限らず、例えば正方形、正五角形、正六角形等やその他の多角形としても良い。

次に図５に本発明の第３の実施形態に係る高インダクタンス電線３０を示す。高インダクタンス電線３０では、導体素線３１の周りを導体素線３１より小さな径の磁性材料からなる磁性素線３２が取り囲むにように配置され、外側を電気絶縁層３５で覆われている。機能的には、磁性素線３２の径は小さい方が好ましい。
第３の実施形態においても、インダクタンス素線２３の断面形状は、円形に限らず、例えば正方形、正五角形、正六角形等やその他の多角形とすることができる。

次に図６に本発明の第４の実施形態に係る高インダクタンス電線４０を示す。図５（ａ）は高インダクタンス素線４０の断面図を示し、図６（ｂ）は高インダクタンス電線４０を構成する一単位であるインダクタンス素線４３の斜視図が示されている。高インダクタンス電線４０は、インダクタンス素線４３が複数まとめられ、その周囲が電気絶縁材料からなる絶縁層４５で覆われた構造となっている。
各インダクタタンス素線４３は、導体素線４１の外周を磁性材料からなる磁性体素線４２をスパイラル状に巻き付けた構造となっている。これにより、磁性体素線４２を導体素線４１に巻くことで得られるインダクタンス成分と、式２で得られるインダクタンス成分を得ることができるので、さらに高いインダクタンスを得ることが可能となる。第４の実施形態においても、インダクタンス素線２３の断面形状は、円形に限らず、例えば正方形、正五角形、正六角形等やその他の多角形としても良い。

１０、２０、３０、４０・・・高インダクタンス電線
１１、２１、３１、４１・・・導体素線
１２ ・・・・・・・・・・・磁性層
１５、２５、３５、４５・・・絶縁層
２１ ・・・・・・・・・・・導体素線
２２ ・・・・・・・・・・・磁性材料層、
２３、４３ ・・・・・・・・インダクタンス素線
３２，４２ ・・・・・・・・磁性体素線
５０ａ ・・・・・・・・・・・・導体
５０ｂ ・・・・・・・・・・・・磁性層

Claims (6)

1. 電流を供給する複数の導体素線と、
   前記複数の導体素線のそれぞれの外周表面を覆う磁性層と、
   前記複数の導体素線及び前記磁性体の外周を電気絶縁材料で覆う絶縁層と、
   を備えることを特徴とする高インダクタンス電線。
2. 前記複数の導体素線は互いに接触しないように配置されており、前記磁性層は、該複数の導体素線の間を埋めるように設けけられた前記磁性層からなる請求項１に記載の高インダクタンス電線。
3. 前記導体素線と、該導体素線の外周を同心円状に覆う磁性層からなる複数のインダクタンス素線と、
   前記インダクタンス素線を複数本束ねて、該束ねた複数のインダクタンス素線の外周を前記絶縁層で被覆したことを特徴とする請求項１に記載の高インダクタンス電線。
4. 前記磁性層が前記導体素線よりも細い複数の磁性体素線からなり、前記各導体素線の外周を前記複数の磁性体素線で覆うように配置して束ねたことを特徴とする請求項１に記載の高インダクタンス電線。
5. 前記磁性層が磁性体素線からなり、前記導体素線の外周を覆うように前記磁性体素線をスパイル上に巻き付けたインダクタンス素線を複数束ねたことを特徴とする請求項１に記載の高インダクタンス電線。
6. 前記磁性層は磁性材料と樹脂の混合物であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高インダクタンス電線。

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