JP2013219160A

JP2013219160A - 複合型リアクトル

Info

Publication number: JP2013219160A
Application number: JP2012088048A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Naito; 豊内藤
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】２つのリアクトルを一体化して小型化でき、鉄損を減少させ直流重畳特性を改善できる複合型リアクトルを提供する。
【解決手段】磁性コア１１に第１のコイル１３が保持された有心コイルで第１のリアクトルが構成され、磁性コア１１の外部に配置されて専用の磁性コアを有しない空心コイルで第２のリアクトルが構成されている。第１のコイル１３と第２のコイル１４は、巻き中心線が直交する向きに配置されており、しかも第２のリアクトルが空心コイルであるため、２つのコイルに電流が与えられたときに、２つのリアクトルの磁束の変化が干渉しにくく、その結果、鉄損を低減でき、直流重畳特性を向上させることができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、２つのリアクトルが組み合わされて構成されたものであり、小型で且つインダクタンス変動と鉄損とを抑制することができる複合型リアクトルに関する。

電源装置の昇圧コンバータなどとして使用される複合型リアクトルは、２つのリアクトルが複合されて構成されている。

特許文献１と特許文献２に記載された複合型リアクトルは、２つのリアクトルが、共に磁性コアとコイルからなる有心コイルで構成されている。

特許文献１に記載された複合型リアクトルは、１つの磁性コアを構成する２つの鉄心のそれぞれにコイルが巻かれて２つのリアクトルが構成されている。特許文献２に記載された複合型リアクトルは、２つのリアクトルが、それぞれ磁性コアとこれに収納されたコイルとで構成されており、２つのリアクトルが非磁性材料であるアルミニウムで形成されたケースに収納されている。

特開平１１−２０４３５５号公報特開２０１０−４５１０９号公報

特許文献１には、磁性コアを構成する鉄心部の突合せ部にギャップスペーサが設けられてコアギャップが形成され、このコアギャップを設けることにより、それぞれのコアとその巻き中心に配置された鉄心とで、２つのリアクトルが機能すると記載されている。

しかし、２つのリアクトルは共通の磁性コアに巻かれたコイルで構成されているため、それぞれのコイルに流れる電流によって磁性コアに発生する磁束が互いに干渉し、インダクタンスが変動しやすくなっている。また、磁性コアを構成する鉄心部に形成されたコアギャップから外部に漏洩する磁束によっても鉄損が増加しやすい。

特許文献２に記載された複合型リアクトルは、それぞれのリアクトルが互いに独立した磁性コアとコイルとで構成されており、それぞれのリアクトルが、ケース内において壁で仕切られた空間のそれぞれに収納されている。そのため、ケースが大型になる。また、前記壁を薄くすると、一方のリアクトルの磁性コアから漏洩する磁界と他方のリアクトルの磁性コアに流れる磁束との干渉により、特許文献１と同様にインダクタンスが変動しやすくなり、鉄損も増加しやすい。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、小型に構成でき、且つ鉄損を少なくでき、インダクタンスの変動を少なくできる構造の複合型リアクトルを提供することを目的としている。

本発明は、第１のリアクトルと、前記第１のリアクトルを支持する磁性コアと、前記第１のリアクトルよりもインダクタンスが低い第２のリアクトルとが組み合わされた複合型リアクトルにおいて、
前記磁性コアは、中心軸と、前記中心軸の両側で前記中心軸と平行に配置された一対の側柱と、一対の前記側柱と前記中心軸のそれぞれの端部どうしを連結する一対の連結部とを有し、前記中心軸とそれぞれの前記側柱との間にコイル封入空間が形成され、
前記第１のリアクトルは、前記中心軸を中心として巻かれて前記コイル封入空間に配置された有心コイルで構成されており、
前記第２のリアクトルは、その巻き中心線が前記有心コイルの巻き中心線と直交する空心コイルで構成されて、前記側柱の外面にギャップを介して配置されていることを特徴とするものである。

本発明の複合型リアクトルは、第１のリアクトルを構成する有心コイルと、第２のリアクトルを構成する空心コイルの巻き中心線が直交しているため、それぞれのコイルで誘導される磁束どうしが互いに干渉しにくい。また、第２のリアクトルを構成するコイルは、専用の鉄心や磁性コアを有しない空心コイルであるため、コア間のギャップからの漏洩磁束がリアクトルどうしで干渉するなどの従来の課題を解決することができる。

本発明は、前記第１のリアクトルが昇圧用として機能し、前記第２のリアクトルが共振用として機能して、共振型コンバータとして使用される。
また、前記磁性コアは、例えば磁性粉末をバインダで結着する圧粉コアで形成される。

本発明の複合型リアクトルは、第１のリアクトルと第２のリアクトルを構成するそれぞれのコイルで誘導される磁束どうしが互いに干渉しにくい。また、コア間のギャップからの漏洩磁束がリアクトルどうしで干渉するなどの従来の課題を解決することができる。そのため、鉄損が小さく、直流重畳特性が良好な複合型リアクトルを構成することができる。

本発明の実施の形態の複合型リアクトルの外観を示す斜視図、複合型リアクトルの主要部である複合体を筐体から外した状態で示す側面図、複合型リアクトルの主要部である複合体を筐体から外した状態で示す左端面図、複合型リアクトルの回路図、実施の形態の複合型リアクトルを使用した電源回路の一例を示す回路図、図５に示す電源回路において複合型リアクトルに流れる電流波形図、（Ａ）は前記実施の形態の複合型リアクトルの構造を示す斜視図、（Ｂ）は縦断面図、（Ａ）は第１の比較例の複合型リアクトルの構造を示す斜視図、（Ｂ）は縦断面図、（Ａ）は第２の比較例の複合型リアクトルの構造を示す斜視図、（Ｂ）は縦断面図、前記実施の形態の特性を示す線図であり、（Ａ）は第１のリアクトルのインダクタンスの変化を示し、（Ｂ）は第２のリアクトルのインダクタンスの変化を示す、第１の比較例の特性を示す線図であり、（Ａ）は第１のリアクトルのインダクタンスの変化を示し、（Ｂ）は第２のリアクトルのインダクタンスの変化を示す、第２の比較例の特性を示す線図であり、（Ａ）は第１のリアクトルのインダクタンスの変化を示し、（Ｂ）は第２のリアクトルのインダクタンスの変化を示す。

図１に示す複合型リアクトル１は、電源装置において電圧を昇圧する共振型コンバータなどとして使用される。

複合型リアクトル１は筐体２を有している。筐体２は合成樹脂材料やアルミニウムなどの非磁性材料で形成されている。筐体２の収納領域３は立方体形状の空間であり、収納領域３の内部に仕切り壁は設けられていない。

収納領域３に、複合体１０が収納されている。図１では、収納領域３の上方が開放されているが、実際は収納領域３の上部は非磁性材料で形成された蓋体で塞がれている。

図２と図３ならびに図７に示すように、複合体１０は磁性コア１１を有している。磁性コア１１は、中心軸１１ａと、中心軸１１ａの両側に位置して中心軸１１ａと平行に配置された側柱１１ｂならびに側柱１１ｃを有している。中心軸１１ａと側柱１１ｂ，１１ｃの下端どうしは下部連結部１１ｄで連結されており、中心軸１１ａと側柱１１ｂ，１１ｃの上端どうしは上部連結部１１ｅで連結されている。

中心軸１１ａと左側の側柱１１ｂとの間に、コイル封入空間１２ａが形成され、中心軸１１ａと右側の側柱１１ｃとの間に、コイル封入空間１２ｂが形成されている。

磁性コア１１は磁性粉とバインダとで形成されたいわゆる圧粉コアである。例えば、中心軸１１ａと側柱１１ｂ，１１ｃと下部連結部１１ｄとが一体に形成され、第１のリアクトルを構成する第１のコイル１３がコイル封入空間１２ａ，１２ｂに装着された後に、上部連結部１１ｅが連結される。

磁性コア１１を構成する圧粉コアは、Ｆｅ基金属ガラス合金（Ｆｅ基非晶質合金）の粉末が結着材（バインダ）により固化成形されたものである。

Ｆｅ基金属ガラス合金（Ｆｅ基非晶質合金）は、例えば、組成式が、Ｆｅ_{100-a-b-c-x-y-z-t}Ｎｉ_aＳｎ_bＣｒ_cＰ_xＣ_yＢ_zＳｉ_tで示され、０ａｔ％≦ａ≦１０ａｔ％、０ａｔ％≦ｂ≦３ａｔ％、０ａｔ％≦ｃ≦６ａｔ％、６．８ａｔ％≦ｘ≦１０．８ａｔ％、２．２ａｔ％≦ｙ≦９．８ａｔ％、０ａｔ％≦ｚ≦４．２ａｔ％、０ａｔ％≦ｔ≦３．９ａｔ％である。

上記Ｆｅ基金属ガラス合金は、主成分としてのＦｅと、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｃ、Ｂ、Ｓｉ（ただし、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｉの添加は任意）とを添加してなる軟磁性合金である。

Ｆｅ基金属ガラス合金は、優れた軟磁気特性を備え、Ｆｅ基金属ガラス合金を使用することで、高いインダクタンスとともに優れた直流重畳特性を有するコイル封入圧粉コアにできる。

上記Ｆｅ基金属ガラス合金は、アトマイズ法により粉末状形成される。バインダは、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、シリコーンゴム、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、アクリル樹脂などである。

磁性コア１１に第１のコイル１３が保持されている。第１のコイル１３は、表面が絶縁層で被覆された銅帯線または銅線が巻かれて構成されており、その巻き中心穴が磁性コア１１の中心軸１１ａに挿通され、コイル本体部が、コイル封入空間１２ａ，１２ｂの内部に設置されている。第１のコイル１３は、巻き中心穴に中心軸１１ａが挿通された有心コイルであり、第１のコイル１３と中心軸１１ａとで形成された有心コイルで第１のリアクトルＬ１が構成されている。

磁性コア１１の左側の側柱１１ｂの外側に第２のコイル１４が配置されている。第２のコイル１４は、第１のコイル１３と同様に、表面が絶縁層に被覆された銅帯線または銅線が巻かれて構成されている。第２のコイル１４の巻き中心線の向きは、第１のコイル１３の巻き中心線の向きと直交している。なお、ここでの直交とは、第１のコイル１３の巻き中心線と第２のコイル１４の巻き中心線とが１点で直角に交わっていることのみを意味するのではなく、互いに交わることなく直角に交差している状態も含まれる。

第２のコイル１４は、巻き中心部に磁性コアが挿入されておらず、また周囲が専用の磁性コアで囲まれたものではない空心コイルである。この空心コイルで第２のリアクトルＬ２が構成されている。図２と図７（Ｂ）に示すように、第２のコイル１４と、第１のリアクトルを構成する磁性コア１１の左側の側柱１１ｂの外面との間にギャップδが形成されている。このギャップは空間ギャップであってもよいし、第２のコイル１４を側柱１１ｂの外面に固定する接着剤層や、あるいはプラスチックなどの非磁性材料で形成された支持具であってもよい。

図１に示すように、第１のコイル１３を構成する銅帯線の一端１３ａは、図４に示す回路図での端子１６となり、第１のコイル１３を構成する銅帯線の他端１３ｂと、第２のコイル１４を構成する銅帯線の一端１４ａとが接合されて端子１７となり、第２のコイル１４を構成する銅帯線の他端１４ｂが端子１８となっている。

磁性コア１１と第１のコイル１３および第２のコイル１４が複合された複合体１０は小型であり、この複合体１０が、筐体２の仕切り壁の無い収納空間３に収納されることにより、複合型リアクトル１を小型に構成することができる。

図５に示す電源回路２０は、前記複合型リアクトル１を含んでいる。電源回路２０では、有心コイルである第１のコイル１３を有する第１のリアクトルＬ１が昇圧用として機能し、空心コイルである第２のコイル１４を有する第２のリアクトルＬ２が共振用として機能する。

図５に示す電源回路２０では、直流電源２１からの電圧が、複合型リアクトル１の端子１８に印加されている。複合型リアクトル１の端子１６は第１のスイッチ素子２２を介して接地電位に接続可能であり、第１のスイッチ素子２２にはダイオード２３が並列に接続されている。ダイオード２３はカソード側が端子１６に接続されている。第２のスイッチ素子２４と端子１６との間にダイオード２５が、第２のスイッチ素子２４と端子１７との間にダイオード２６が設けられている。

第１のスイッチ素子２２がＯＮになると端子１６が接地される。第２のスイッチ素子２４がＯＮになると、ダイオード２５のカソード側がダイオード２６のアノード側に接続され、ダイオード２６のカソード側が端子１７に接続される。ダイオード２５は充放電用のコンデンサ２７を介して接地されている。

端子１６には出力ダイオード２８のアノード側が接続されており、出力ダイオード２８のカソード側が平滑コンデンサ２９を介して接地されている。平滑コンデンサ２９で平滑された昇圧された電圧Ｅが負荷３１に与えられる。

第１のスイッチ素子２２と第２のスイッチ素子２４は、トランジスタで構成されており、タイミング制御部３２から第１のスイッチ素子２２と第２のスイッチ素子２４に個別にタイミング信号が与えられて、第１のスイッチ素子２２と第２のスイッチ素子２４が所定の周期で開閉動作を繰り返す。

図５に示す電源回路では、第１のスイッチ素子２２が一定周期でＯＮ−ＯＦＦを繰り返し、これと位相をずらして第２のスイッチ素子２４がＯＮ−ＯＦＦを繰り返す。このとき、コンデンサ２７の充放電と平滑コンデンサ２９の整流機能により、負荷３１に対して昇圧されたＤＣ電圧が印加される。

図６は、電源回路２０が動作しているときに複合型リアクトル１に流れる電流を示している。図６は、第１のスイッチ素子２２と第２のスイッチ素子２４を２５ｋＨｚの周波数で開閉させたときの電流を示している。

図１０では、（Ａ）に第１のリアクトルＬ１に流れる電流値の変化が、（Ｂ）に第２のリアクトルＬ２に流れる電流値の変化が示されている。（Ａ）（Ｂ）の線図は、横軸が時間で縦軸が電流値である。（Ａ）（Ｂ）では、時間に対する電流値の変化からインダクタンスが求められて線図中にその数値が記載されている。図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように、実施の形態の複合型リアクトル１では、第１のコイル１３を有する第１のリアクトルＬ１と第２のコイル１４を有する第２のリアクトルＬ２のそれぞれにおいて、電流値が上昇しているときと下降しているときでのインダクタンスの変化がほとんど発生していないことがわかる。

図７（Ｂ）の模式図に示すように、第１のリアクトルＬ１では、第１のコイル１３が、磁性コア１１の内部に収納されており、第１のコイル１３に通電されると、磁性コア１１の内部で磁束が変化する。一方、第２のリアクトルＬ２を構成する第２のコイル１４は空心コイルであり、専用の磁性コアを有していない。そのため、第１のコイル１３に通電されたときの磁性コア１１の内部の磁束変化と、第２のコイル１４に通電されたときの空間での磁束変化とが干渉しにくい。

また、第１のコイル１３の巻き中心線の向きと第２のコイル１４の巻き中心線の向きとが直交した向きとなっている。第１のコイル１３では、その巻き中心線に沿って第１のコイル１３の外方に向かう磁束が集中するが、第２のコイル１４は、発生する磁束の向きが前記の集中している部分を回避するようにその設置位置と巻き中心方向が設定されていることになる。これにより、第１のコイル１３に起因する磁束と第２のコイル１４に起因する磁束とが干渉しにくい。すなわち鉄損が少なく直流重畳特性が良好となっている。

その結果、図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように、インダクタンスが安定している。なお、図１０は、直流電源２１における入力電圧が１２０V、負荷３１に対して出力された電圧が２７０Vで電流が３０Aであった。また、複合リアクトル１の鉄損が４．２Ｗであった。

図８に第１の比較例が示され、図９に第２の比較例が示されている。
図８（Ａ）（Ｂ）に示す第１の比較例の複合型リアクトル１０１では、図７（Ａ）に示す実施の形態と同じ構造の磁性コア１１が使用されており、この磁性コア１１に第１のコイル１３が保持されて、第１のリアクトルＬ１が構成されている。

第２のリアクトルＬ２を構成する第２のコイル１４は専用の磁性コアを有しない空心コイルである。この空心コイルは、磁性コア１１の上部連結部１１ｅの上方にギャップを介して配置されている。

図８（Ｂ）に示すように、第１の比較例の複合型リアクトル１０１は、第２のコイル１４が空心コイルであるため、磁性コア間の磁束どうしの干渉が発生しにくいが、一方において、第２のコイル１４の巻き中心線が、第１のコイル１３の巻き中心の向きと平行または同一線上となっている。この場合、第１のコイル１３の巻き中心方向の外方に出て集中する磁束によって、第２のコイル１４が影響を受けやすくなる。そのため、第１のコイル１３に通電されて磁性コア１１の内部に発生した磁束の変化と、第２のコイル１４に通電されて発生した磁束の向きとが干渉しやすくなり、実施の形態の複合型リアクトル１に比べて鉄損が比較的大きくなり、直流重畳特性が悪化する。

図１１（Ａ）は、第１の比較例の複合型リアクトル１０１が図５に示す電源回路に使用されて駆動されたときに、第１のリアクトルＬ１に流れる電流の変化を示し、図１１（Ｂ）はこのときの第２のリアクトルＬ２に流れる電流の変化を示している。第１の比較例では、鉄損と直流重畳特性によって、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１のリアクトルＬ１のインダクタンスと第２のリアクトルＬ２のインダクタンスに時間的な変動が発生している。このときの直流電源２１の入力電圧と負荷３１に対する出力電圧及び出力電流は、実施の形態と同じ値である。第１の比較例における複合型リアクトル１０１の鉄損を測定した値は４．９Ｗとなり、実施の形態の複合型リアクトル１に比較して大きくなった。

図９（Ａ）（Ｂ）に示す第２の比較例の複合型リアクトル２０１では、第１のリアクトルＬ１が、実施の形態ならびに第１比較例と同様に、磁性コア１１と第１のコイル１３とで構成されている。

第２の比較例では、第２のリアクトルＬ２が、第２のコイル１４とこれを収納する第２の磁性コア４１とで構成されている。磁性コア１１の上部連結部１１ｅの上に非磁性ギャップ層４２を介して、第２の磁性コア４１が接合されている。

図１２（Ａ）は、第２の比較例の複合型リアクトル２０１が、図５に示す電源回路に使用されたときに、第１のリアクトルＬ１に流れる電流の変化を示し、図１２（Ｂ）は、このときに第２のリアクトルＬ２に流れる電流の変化を示している。

図９（Ｂ）に示すように、第２の比較例では、第２のコイル１４の巻き中心線が第１のコイル１３の巻き中心線とが平行または同一線上に位置するために、第１のコイル１３に通電されたときの磁束と第２のコイルに通電されたときの磁束が干渉しやすい。さらに、第２のリアクトルＬ２が第２の磁性コア４１を有しているため、第２の磁性コア４１の内部で変化する磁束が、非磁性ギャップ層４２との境界で外部に漏れやすく、磁性コア１１の内部で変化する磁束も、非磁性ギャップ層４２との境界で外部に漏れやすい。

よって、磁性コア１１の内部で変化する磁束と、第２の磁性コア４１の内部で変化する磁束とが第１の比較例と同様、干渉しやすく、その結果、図１２（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１のリアクトルＬ１と第２のリアクトルＬ２のそれぞれのインダクタンスが、時間の経過において変動しやすくなっている。第２の比較例における複合型リアクトル２０１の鉄損を測定した値は４．１Ｗであり、実施の形態の複合型リアクトル１に比較して小さくなった。しかし、上記のように第１のリアクトルＬ１と第２のリアクトルＬ２のインダクタンスが変動することになり、直流重畳特性が劣化し、さらに、第２のリアクトルＬ２とコンデンサ２７で構成される共振回路の共振周波数が変動するために、ゼロボルトスイッチングとならずスイッチング損失が増大し、電源効率が低下する。なお、直流電源２１の入力電圧と負荷３１に対する出力電圧及び出力電流は、実施の形態と同じ値である。

１複合型リアクトル
２筐体
３収納領域
１１磁性コア
１１ａ中心軸
１１ｂ，１１ｃ側柱
１１ｄ下部連結部
１１ｅ上部連結部
１２ａ，１２ｂコイル封入空間
１３第１のコイル
１４第２のコイル
１６，１７，１８端子
２０電源回路
２２第１のスイッチ素子
２４第２のスイッチ素子
２９平滑コンデンサ
３１負荷
Ｌ１第１のリアクトル
Ｌ２第２のリアクトル

Claims

第１のリアクトルと、前記第１のリアクトルを支持する磁性コアと、前記第１のリアクトルよりもインダクタンスが低い第２のリアクトルとが組み合わされた複合型リアクトルにおいて、
前記磁性コアは、中心軸と、前記中心軸の両側で前記中心軸と平行に配置された一対の側柱と、一対の前記側柱と前記中心軸のそれぞれの端部どうしを連結する一対の連結部とを有し、前記中心軸とそれぞれの前記側柱との間にコイル封入空間が形成され、
前記第１のリアクトルは、前記中心軸を中心として巻かれて前記コイル封入空間に配置された有心コイルで構成されており、
前記第２のリアクトルは、その巻き中心線が前記有心コイルの巻き中心線と直交する空心コイルで構成されて、前記側柱の外面にギャップを介して配置されていることを特徴とする複合型リアクトル。
前記第１のリアクトルが昇圧用として機能し、前記第２のリアクトルが共振用として機能して、共振型コンバータとして使用される請求項１記載の複合型リアクトル。
前記磁性コアが、磁性粉末をバインダで結着する圧粉コアである請求項１または２記載の複合型リアクトル。