JP2016063050A - 磁気結合リアクトル及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気結合リアクトルにおいて、過度に大型化することなく、２つのコイルに逆相電流が流れる場合に、ジュール損を低減するとともに、結合係数が極度に高くなることを防止する。【解決手段】磁気結合リアクトル１０は、結合コア部材２０、第１コイル６０及び第２コイル６１を含む。結合コア部材２０は、磁性材により形成され対向配置される第１コア２１及び第２コア３１と、コイル通路４５と、第１コア及び第２コアの外側部分においてコア間結合部５４が挟み込まれるシート状磁性体５０，５１とを含む。各コイル６０，６１は、コイル通路４５を通って中間脚部２３，３３に巻回され、軸方向に見た場合にコイル通路４５内で互いに交互に重なるように重ね巻きされる。シート状磁性体は、コア間結合部５４からコイル通路４５内に延びて、各コイル６０，６１の軸方向の間に配置されるコイル間配置部５６を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、第１コア及び第２コアを有する結合コア部材と、結合コア部材の脚部に巻回された第１コイル及び第２コイルとを備える磁気結合リアクトルと、この磁気結合リアクトルを備える電力変換装置に関する。

磁気結合リアクトルにおいて、磁気結合度を高めることにより漏れ磁束を低減することが望まれる場合がある。このことを目的として考えられた技術として、特許文献１がある。

特許文献１には、２つの外側コアの間に中間コアが配置され、外側コア及び中間コアに２つのコイルが巻回されることにより形成される磁気結合リアクトルが記載されている。２つのコイルの一方のコイルは、２つの外側コアの一方の外側コア及び中間コアに巻回され、他方のコイルは他方の外側コア及び中間コアに巻回される。各コイルの一部が交互に重ね合わせされることにより重ね巻き部が形成され、その重ね巻き部が中間コアの周囲に配置される。

特開２００９−２８４６４７号公報

磁気結合リアクトルにおいて、２つのコイルに逆方向の電流である逆相電流を流して用いられる場合がある。この場合、２つのコイルが対向する部分でそれぞれが発生する磁束が互いに強め合うため、ジュール損が大きくなるおそれがある。特許文献１に記載された構成のように重ね巻き部が形成される構成では、ジュール損を低減できる可能性はある。しかしながら、この構成では、コイルの軸方向に対し直交する方向における両端の新たなコアと、２つのコアに巻回される伸長した巻線を用意しなければならず、大型化する。これによって、電力変換装置において、漏れインダクタンスを極端に小さくせずに、その漏れインダクタンスを用いて変圧動作できる構造の小型化を図る面から改良の余地がある。

本発明の目的は、過度に大型化することなく、２つのコイルに逆相電流が流れる場合に、ジュール損を低減できるとともに、結合係数が極度に高くなることを防止できる磁気結合リアクトルと、電力変換装置とを提供することである。

本発明に係る磁気結合リアクトルは、磁性材により形成され対向配置される第１コア及び第２コアと、前記第１コア及び前記第２コアの対向面側に２つの脚部の間の凹部によって形成されたコイル通路と、前記２つの脚部のうち、一方の脚部によって形成された外側部分において周辺側のコア間結合部が挟み込まれるシート状磁性体と、を含む結合コア部材と、前記コイル通路を通って前記２つの脚部のうち他方の脚部に巻回される第１コイル及び第２コイルであって、軸方向に見た場合に前記コイル通路内で互いに交互に重なるように重ね巻きされる第１コイル及び第２コイルとを備える。前記シート状磁性体は、前記コア間結合部から前記コイル通路内に延びて、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記軸方向の間に配置されるコイル間配置部を有する。

本発明に係る電力変換装置は、１次回路と、前記１次回路に対し変圧器で磁気結合される２次回路とを備える。前記１次回路または前記２次回路は、直列接続される２つの第１スイッチング素子を有する第１アームと、直列接続される２つの第２スイッチング素子を有する第２アームと、本発明に係る磁気結合リアクトルとを含む。前記第１コイルの一端は、前記第１アームにおいて前記２つの第１スイッチング素子間に接続され、前記第２コイルの一端は、前記第２アームにおいて前記２つの第２スイッチング素子間に接続され、前記第１コイル及び前記第２コイルの他端は、前記変圧器を構成する前記１次回路側の変圧コイルの両端に接続され、前記第１コイル及び前記第２コイルに逆相電流が流れる状態で用いられる。

本発明に係る磁気結合リアクトル及び電力変換装置によれば、過度に大型化することなく、２つのコイルに逆相電流が流れる場合に、ジュール損を低減できるとともに、結合係数が極度に高くなることを防止できる。

本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトルを示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 図２において各コイルの周囲に発生する磁束経路を示す模式図である。 図４のα部において、シート状磁性体を省略した場合での結合コア部材の高さ方向（Ｈ）の位置と各コイルの周囲に発生する磁束密度との関係を示す図である。 比較例の磁気結合リアクトルを示している図４に対応する図である。 第１コイル及び第２コイルが重ね巻きでコアに巻回された磁気結合リアクトルにおいて、各コイルに逆相電流が流れる場合の磁束分布のシミュレーション結果を示す図である。 第１コイル及び第２コイルが軸方向両側に分かれて配置された磁気結合リアクトルにおいて、各コイルに逆相電流が流れる場合の磁束分布のシミュレーション結果を示す図である。 本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトルにおいて、各コイルに逆相電流が流れる場合における、シート状磁性体のコイル間配置部の中央位置での円周方向長さＣＬと各コイルの結合係数ｋとの関係を示す図である。 本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトルにおいて、各コイルに逆相電流が流れる場合における、シート状磁性体のコイル間配置部の中央位置での円周方向長さＣＬと各コイルのジュール損Ｊとの関係を示す図である。 本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトルにおいて、各コイルに逆相電流が流れる場合における、シート状磁性体のコイル間配置部の中央位置での円周方向長さＣＬと各コイルの自己インダクタンスとの関係を示す図である。 本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトルにおいて、各コイルに逆相電流が流れる場合における、結合係数ｋとジュール損Ｊとの関係を示す図である。 本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトルを組み込んだ電力変換装置を示す回路図である。 図１３の電力変換装置において、絶縁型変圧動作を行う場合（ａ）と、非絶縁型変圧動作を行う場合（ｂ）とで、磁気結合リアクトルでの電流流れ方向を示す図である。 本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトルの別例の第１例を示している図３に対応する図である。 本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトルの別例の第２例を示している図４に対応する図（ａ）と、（ａ）のＣ−Ｃ断面図（ｂ）である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施形態につき、詳細に説明する。以下で説明する形状、材質、数量などは説明のための例示であって、磁気結合リアクトルの仕様により変更が可能である。以下では、同様の構成には同一の符号を付して説明する。

図１は、本実施形態の磁気結合リアクトル１０を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ断面図である。

磁気結合リアクトル１０は、結合コア部材２０と、第１コイル６０及び第２コイル６１とを備える。結合コア部材２０は、第１コア２１、第２コア３１及び２つの中間コア４０と、２つずつの第１シート状磁性体５０，５１及び第２シート状磁性体５２，５３とを含む。結合コア部材２０は、第１コア２１、第２コア３１、各中間コア４０及び各シート状磁性体５０，５１，５２，５３を一体的に結合することにより構成される。また、結合コア部材２０は、後述する第１コイル通路４５及び第２コイル通路４６を有する。

なお、図１から図３では、結合コア部材２０の互いに直交する３方向である高さ方向、長さ方向、幅方向をそれぞれＨ，Ｌ，Ｗで示している。高さ方向Ｈは、後述する各コイル６０，６１及び結合コア部材２０の軸方向である中心軸Ｏ方向と一致する。

第１コア２１は、ベース部２２、中間脚部２３、外側端脚部２４ａ、及び第２外側端脚部２４ｂを有する。ベース部２２は、高さ方向Ｈに見た形状が蝶ネクタイ状である板状に形成される。中間脚部２３は、ベース部２２の高さ方向Ｈ一方面（図１の下面）の長さ方向Ｌ中間部から突出する。２つの端脚部２４ａ，２４ｂは、ベース部２２の高さ方向Ｈ一方面の長さ方向Ｌ両端部から突出する。

中間脚部２３は、中心軸Ｏを中心とする円柱状に形成される。各端脚部２４ａ、２４ｂは、断面矩形で中間脚部２３側の内側面が円弧形に窪んだ曲面状に形成される。中間脚部２３の高さＨ１は各端脚部２４ａ，２４ｂの高さＨ２よりも大きい。ベース部２２の高さ方向Ｈ一方面において外側端脚部２４ａと中間脚部２３との間には凹部２５ａが形成される。ベース部２２の高さ方向Ｈ一方面（図２の下側面）において第２外側端脚部２４ｂと中間脚部２３との間には第２凹部２５ｂが形成される。２つの凹部２５ａ、２５ｂは、同一の円周上の円弧形に形成される。第２コア３１は、ベース部３２、中間脚部３３、外側端脚部３４ａ、及び第２外側端脚部３４ｂを有し、第１コア２１と同様に構成される。ベース部３２の高さ方向Ｈ他方面（図２の上側面）には、凹部２５ａ及び第２凹部２５ｂと同様に、凹部３５ａ及び第２凹部３５ｂが形成される。

第１コア２１及び第２コア３１は、結合コア部材２０の高さ方向Ｈ両端部において、高さ方向Ｈに対向配置される。第１コア２１及び第２コア３１は、それぞれの中間脚部２３，３３及び各端脚部２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂが対向するように配置される。後述するように、結合コア部材２０の長さ方向Ｌ一方側（図２の左側）の外側端脚部２４ａ，３４ａで、２つの第１シート状磁性体５０，５１と中間コア４０とを挟んでいる。また、結合コア部材２０の長さ方向Ｌ他方側（図２の右側）の第２外側端脚部２４ｂ，３４ｂで、２つの第２シート状磁性体５２，５３と中間コア４０とを挟んでいる。また、各コア２１，３１の中間脚部２３，３３の先端の間には、高さ方向Ｈの隙間Ｇ１が形成される。第１シート状磁性体５０及び第２シート状磁性体５２は図２の上側に配置され、第１シート状磁性体５１及び第２シート状磁性体５３は図２の下側に配置される。

中間コア４０は、２つのシート状磁性体５０，５１（または５２，５３）の高さ方向Ｈの間に配置される。中間コア４０は、各コア２１，３１の端脚部２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂと同様の断面形状を有するブロック状に形成される。中間コア４０は、内周側を第２コイル６１の外周と対向するように切り欠いた直方体状の形状を有している。

第１コア２１、第２コア３１及び各中間コア４０は、鉄または鋼などの磁性を有する金属である磁性材により形成される。第１コア２１は、磁性粉末と樹脂バインダとの混合材料を加圧成形することにより形成されてもよい。

各シート状磁性体５０，５１，５２，５３は、鉄または鋼などの磁性材により薄板状のシート状に形成される。各第１シート状磁性体５０，５１は、コア間結合部５４と、後述するコイル間配置部５６とを有する。各第２シート状磁性体５２，５３は、第２コア間結合部５５と、後述する第２コイル間配置部５７とを有する。

第１シート状磁性体５０，５１の周辺側のコア間結合部５４は、長さ方向Ｌ一端部の中間コア４０を介して第１コア２１及び第２コア３１の長さ方向Ｌの一端部で挟み込まれる。第２シート状磁性体５２，５３の周辺側の第２コア間結合部５５は、長さ方向Ｌ他端部の中間コア４０を介して第１コア２１及び第２コア３１の長さ方向Ｌの他端部で挟み込まれる。各コア間結合部５４，５５は、端脚部２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂの断面形状と同じ形状を有する。

第１コイル通路４５は、結合コア部材２０の長さ方向Ｌ一方側に配置される。第２コイル通路４６は、結合コア部材２０の長さ方向Ｌ他方側に配置される。第１コイル通路４５は、各コア２１，３１のベース部２２，３２の対向面側に、中間脚部２３，３３と外側端脚部２４ａ、３４ａとの間に形成された凹部２５ａ，３５ａと、中間コア４０の内側面とを含む部分によって形成される。第２コイル通路４６は、各コア２１，３１のベース部２２，３２の対向面側に、中間脚部２３，３３と第２外側端脚部２４ｂ、３４ｂとの間に形成された第２凹部２５ｂ，３５ｂと、中間コア４０の内側面とを含む部分によって形成される。各ベース部２２，３２の対向面側は、内側面側である。これによって、第１シート状磁性体５０，５１のコア間結合部５４は、第１コア２１及び第２コア３１の長さ方向Ｌの一端部（図２の左端部）において挟み込まれる。第１コア２１及び第２コア３１の長さ方向Ｌの一端部は、外側端脚部２４ａ、３４ａと一方（図２の左方）の中間コア４０とによって形成された外側部分である。外側端脚部２４ａ、３４ａは、各コア２１，３１で、外側端脚部２４ａ、３４ａ及び中間脚部２３，３３の一方の脚部である。一方、中間脚部２３，３３は、他方の脚部である。また、第２シート状磁性体５２，５３の第２コア間結合部５５は、第１コア２１及び第２コア３１の長さ方向Ｌの他端部（図２の右端部）において挟み込まれる。第１コア２１及び第２コア３１の長さ方向Ｌの他端部は、第２外側端脚部２４ｂ、３４ｂと他方（図２の右方）の中間コア４０とによって形成された第２外側部分である。

図３に示すように、各コイル通路４５，４６は、高さ方向Ｈに対し直交する方向に切断した状態で、中心軸Ｏを中心として径方向幅を有する円形の一部となっている。これによって、後述のように各コイル通路４５，４６に円形のコイル６０，６１が配置された状態で、コイル通路４５，４６の壁面とコイル６０，６１の内外両周縁との間の各隙間Ｇ２をコイル通路４５，４６の長さ方向に沿ってほぼ均一にできる。このため、各コイル６０，６１に電流が流れることでこの隙間Ｇ２に漏れ出る漏れ磁束を調整しやすい。

各シート状磁性体５０，５１，５２，５３のコイル間配置部５６，５７は、コア間結合部５４，５５からコイル通路４５（または４６）内に延びている。各コイル間配置部５６，５７は、三角形状または円弧状に形成される。各コイル配置部５６，５７の先端面は断面円弧の曲面状に形成され、各コア２１，３１の中間脚部２３，３３の外周面に密に接触している。これによって、各シート状磁性体５０，５１，５２，５３は、中心軸Ｏ方向に見た場合に結合コア部材２０と重なる部分にのみ配置される。

第１シート状磁性体５０，５１及び第２シート状磁性体５２，５３は、２つの中間脚部２３，３３のうち、１つの中間脚部２３（または３３）を挟んで、結合コア部材２０の長さ方向Ｌ中間部で分離される。

また、各シート状磁性体５０，５１，５２，５３のコイル間配置部５６，５７は、中心軸Ｏ方向に見た場合にコイル通路４５，４６の両端開口の間を遮断する。また、各コイル間配置部５６，５７は、各コイル通路４５，４６の両端開口間の一部のみに配置される。ここで、中心軸Ｏを中心とする円弧の半径方向において、コイル通路４５，４６の幅の中央位置でのコイル間配置部５６，５７の中心軸Ｏ周りの円周方向長さがＣＬと規定される。そして、円周方向長さＣＬは、コイル通路４５，４６の幅の中央位置での両端開口間の円周方向長さＣａよりも小さい。コイル間配置部５６，５７は、コイル通路４５，４６の円周方向長さＣａ全体にわたって配置され、円周方向長さＣＬが円周方向長さＣａと同じ大きさとなってもよい。

第１コイル６０及び第２コイル６１は、２つのターン部Ｔ１，Ｔ２を有する。各ターン部Ｔ１，Ｔ２は、断面矩形で概略円形に形成される。各コイル６０，６１は、各ターン部Ｔ１，Ｔ２の円周方向一端が互いに接続されることにより形成される。第１コイル６０及び第２コイル６１は、軸方向に見て両者が重なった状態で２ターン巻回された構成を有している。各コイル６０，６１は、各コア２１，３１の中間脚部２３，３３の周囲に、各コイル通路４５，４６を通って巻回される。第１コイル６０及び第２コイル６１は、互いに巻き方向が同じになるように配置されるが、互いに巻き方向が逆になるように配置されてもよい。

また、第１コイル６０及び第２コイル６１は、中心軸Ｏ方向に見た場合にコイル通路４５，４６内で互いに交互に重なるように重ね巻きされる。各シート状磁性体５０，５１，５２，５３のコイル間配置部５６，５７は、各コイル６０，６１のターン部Ｔ１，Ｔ２の間に配置される。各コイル間配置部５６，５７は、各コイル６０，６１のターン部Ｔ１，Ｔ２で挟まれる。なお、各コイル間配置部５６，５７は、ターン部Ｔ１，Ｔ２から離れる構成としてもよい。

上記の磁気結合リアクトル１０は、後述の図１３に示す電力変換装置７０に組み込むなどにより、各コイル６０，６１に逆方向の電流（逆相電流）が流れる状態で用いることも、各コイル６０，６１に同方向の電流（同相電流）が流れる状態で用いることも、いずれも可能である。磁気結合リアクトル１０は、各コイル６０，６１に逆相電流が流れる場合に、各コイル６０，６１が結合係数１未満で磁気結合され、等価回路的にトランス及びリアクトルの両方の機能を有する。

上記の磁気結合リアクトル１０によれば、各コイル６０，６１が重ね巻きされているので、第１コイル６０及び第２コイル６１に逆相電流が流れる場合に、ジュール損を低減できる。

また、各シート状磁性体５０，５１，５２，５３のコア中心から見て外側に位置するコア間結合部５４，５５が第１コア２１及び第２コア３１の長さ方向Ｌの両端部で挟み込まれる。また、コイル間配置部５６，５７は、コア間結合部５４，５５からコイル通路４５，４６に延出され各コイル６０，６１の間に配置される。このため、各コイル６０，６１の周囲で生じる漏れ磁束の経路の磁気抵抗をシート状磁性体５０，５１，５２，５３によって低くできる。したがって、シート状磁性体５０，５１，５２，５３から第１コア２１、第２コア３１、及び中間コア４０に漏れ磁束が流れて、その分、各コイル６０，６１に鎖交する漏れ磁束を少なくできる。このため、ジュール損をさらに低減できるとともに、磁気結合リアクトル１０の結合係数ｋが極度に高くなることを防止できる。

また、本実施形態では、シート状磁性体５０，５１，５２，５３が第１コア２１及び第２コア３１に隙間をあけて非接触で配置される構成の場合に比べて、ジュール損及び結合係数ｋを低減できる。また、ジュール損低減のために、高価なリッツ線を用いる必要がない。この結果、所望の特性を持つ磁気結合リアクトル１０を低コストで実現できる。シート状磁性体５０，５１，５２，５３は、いずれか１つ、２つまたは３つのみが設けられてもよい。

また、後述のように磁気結合リアクトル１０を組み込んだ電力変換装置７０において、電圧の変換効率が向上する。また、ジュール損の低減によって、電力変換装置７０の動作周波数を容易に高くできる。また、磁気結合リアクトル１０の自己インダクタンスの低下を抑制できるとともに、ジュール損低減のために第１コイル６０及び第２コイル６１の間隔を過度に大きくする必要がない。さらに、特許文献１に記載された構成の場合と異なり、各コイルの軸方向に対し直交する方向に離れた２つのコアに巻回される伸長した巻線を用意する必要がない。このため、磁気結合リアクトル１０の体格を小さくできるので、電力変換装置７０の小型化を図れる。これによって、電力変換装置７０は過度に大型化することがない。

次に、重ね巻きによるジュール損の低減効果を説明する。第１コイル６０及び第２コイル６１に逆相電流が流れる場合には、図４に示すように、各コイル６０，６１のターン部Ｔ１，Ｔ２の周囲に矢印Ｐ，Ｑ方向に流れる磁束が発生する。図４では丸に点を付したものにより図４の表側に電流が流れることを示しており、丸にＸを付したものにより図４の裏側に電流が流れることを示している。このため、図４で隣り合うターン部Ｔ１，Ｔ２で磁束流れが交互に逆方向になる。したがって、各ターン部Ｔ１，Ｔ２の間で互いに磁束が同方向になることで磁束を強め合うが、その強め合った磁束の磁束密度は過度に大きくならない。

図５は、図４のα部において、結合コア部材２０の高さ方向（Ｈ方向）の位置と各コイル６０，６１の周囲に発生する磁束密度との関係を示している。図５は、図４でシート状磁性体５０，５１，５２，５３を省略した場合の磁束密度を実線ｍ１で示している。図５のＨ方向位置におけるα１、α２、α３は、図４のターン部Ｔ１，Ｔ２間の点α１、α２、α３の位置に対応する。図５に示すように、α１、α３で磁束密度は高くなるがその大きさは小さい。

図６は、比較例の磁気結合リアクトル１０を示している図４に対応する図である。比較例では、図４に示した構成において、シート状磁性体を省略している。第１コイル６０は、各コイル通路４５，４６を通じて図２の上側の中間脚部２３の周囲に巻回される。第２コイル６１は、各コイル通路４５，４６を通じて図２の下側の中間脚部３３の周囲に巻回される。これによって、各コイル６０，６１は重ね巻きでは配置されず、高さ方向Ｈ両側に分かれて配置される。

図６では、第１コイル６０及び第２コイル６１に逆相電流が流れる場合に、各第１ターン部Ｔ１でＰによって示す磁束流れが同方向になり、各第２ターン部Ｔ２でＱによって示す磁束流れが同方向になる。これによってターン部Ｔ１，Ｔ２のそれぞれで対向する部分で磁束が相殺される。一方、２つのターン部Ｔ１，Ｔ２のＰ方向及びＱ方向の磁束はそれぞれＲ方向及びＳ方向の大きな磁束となって、それらの磁束が第１コイル６０及び第２コイル６１の間位置であるα２で強め合う。

図５では、図６の比較例の磁束密度を破線ｍ２で示している。図５で示す比較例では磁束密度の最大値が実施形態の場合よりも大きくなるので、各コイル６０，６１に鎖交する磁束が大きくなるおそれがある。これによって、比較例ではジュール損が増大する可能性がある。本実施形態では、各コイル６０，６１を重ね巻きで配置しているのでこのような不都合を防止でき、ジュール損を低減できる。

図７、図８は、第１コイル６０及び第２コイル６１が重ね巻きで配置されることによる効果を確認するためのシミュレーション結果を示している。図７は、第１コイル６０及び第２コイル６１が重ね巻きでコア６５に巻回された磁気結合リアクトル１０において、各コイル６０，６１に逆相電流が流れる場合の磁束分布のシミュレーション結果を示している。図８は、第１コイル６０及び第２コイル６１が軸方向両側に分かれて配置された磁気結合リアクトル１０において、各コイル６０，６１に逆相電流が流れる場合の磁束分布のシミュレーション結果を示している。図７、図８に示すシミュレーションモデルでは、第１コア２１及び第２コア３１が軸方向（図７、図８の上下方向）に結合されることでコア６５が形成される。コア６５では、第１コア２１に形成された凹部２５ａ、２５ｂと第２コア３１に形成された凹部３５ａ、３５ｂとが向き合っている。これにより、コア６５の内部には２つの円弧形のコイル通路４５，４６が形成される。第１コイル６０及び第２コイル６１はコイル通路４５，４６を通って、コア６５の中間脚部２３，３３の周囲に巻回される。第１コイル６０及び第２コイル６１は重ね巻きで配置される。コア６５の周囲には空間６６が形成される。図７及び図８のシミュレーションモデルでは重ね巻きの効果に着目するため、中間コア４０及びシート状磁性体５０（図１、図２）を省略している。図７、図８では、中心軸Ｏを含む平面に関して一方側部分だけを示している。また、図７、図８では、磁束密度が最も低い部分を白地で示しており、砂地、斜線部、ほぼ黒地の斜格子部で示す順に磁束密度が高くなっている。黒地で示す部分が最も磁束密度が高い部分である。図７、図８ではコア６５の外部において、中心部にＸを付した丸印と、中心部に点を付した丸印とを示しており、それらの意味は、図４の場合と同様である。

図７に示すように実施形態と同様に各コイル６０，６１が重ね巻きで配置される場合には、磁束密度が高くなる領域は少ない。一方、図８に示すように図６の比較例と同様に、各コイル６０，６１がコア６５の軸方向両側に分かれて配置された場合には、磁束密度が高くなる領域は多い。図７、図８のシミュレーション結果から、本実施形態での重ね巻きによる効果を確認できた。

また、本実施形態ではシート状磁性体５０，５１，５２，５３は、第１シート状磁性体５０，５１と第２シート状磁性体５２，５３とに長さ方向Ｌの両側に分かれて配置される。このため、第１コア２１及び第２コア３１の間の隙間を通じて長さ方向Ｌ両側の２つのシート状磁性体を一体的に結合する必要はない。したがって、各コア２１，３１間の隙間Ｇ１（図２）を小さくできるので、隙間Ｇ１の変更の自由度が高くなる。したがって、所望の特性を有する磁気結合リアクトル１０を容易に実現できる。

また、シート状磁性体５０，５１，５２，５３は、中心軸Ｏ方向に見た場合に、結合コア部材２０と重なる部分にのみ配置される。そして、シート状磁性体５０，５１，５２，５３は、結合コア部材２０の外側のジュール損の低減効果の低い部分には配置されない。このため、ジュール損をより効率的に低減できる。

さらに、シート状磁性体５０，５１，５２，５３は、先端部を中間脚部２３の外周面に突き当てて、中心軸Ｏ方向に見た場合に各コイル通路４５，４６の両端開口の間を遮断する。このため、漏れ磁束の多くがシート状磁性体５０，５１，５２，５３を通じて第１コア２１、中間コア４０、第２コア３１を流れる。これによって漏れ磁束がコイル通路４５，４６の空間に大きく膨らむことを抑制できるので、結合係数ｋをさらに低くできる。

また、シート状磁性体５０，５１，５２，５３のコイル間配置部５６の円周方向長さＣＬの変化に対する磁気結合リアクトル１０の結合係数ｋの感度は高い。このため、円周方向長さＣＬの調整によって結合係数ｋを容易に調整できる。なお、シート状磁性体５０，５１，５２，５３の先端部は、中間脚部２３の外周面に隙間をあけて対向させることもできる。このようにシート状磁性体５０，５１，５２，５３と中間脚部２３との間に隙間をあける場合でも、円周方向長さＣＬの増大によって感度が低くはなるが結合係数ｋを低下させることはできる。

図９から図１１は、各コイル６０，６１に逆相電流が流れる場合における、各コイル間配置部５６，５７の円周方向長さＣＬと各コイル６０，６１の結合係数ｋ、ジュール損、及び自己インダクタンスの関係をそれぞれ示している。各コイル間配置部５６，５７の円周方向長さＣＬは、４つのコイル間配置部５６，５７で互いに同じとしつつ、同時に変化させている。円周方向長さＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３のそれぞれは、図９から図１１で同じ値である。例えばＣＬ１〜ＣＬ３は、円周方向長さＣＬを中心軸Ｏ回りの全周にわたる長さと仮定した場合のほぼ１／１００〜３／１００程度の大きさである。図９に示すように、円周方向長さＣＬを増大させることで結合係数ｋが０．９９近辺の値から０．９２近辺の値にまで大きく低下した。一方、図１０に示すようにジュール損については、円周方向長さＣＬを変化させてもほとんど変化しなかった。また、図１１に示すように自己インダクタンスについては、円周方向長さＣＬの増大によって自己インダクタンスは徐々に増大するが、その増大の程度はかなり小さい。

図１２は、図９及び図１０の関係から求められた結合係数ｋとジュール損との関係を実線γで示している。図１２から分かるように、結合係数ｋを変化させてもジュール損の変化はほとんどない。また、図１２では、黒地の三角形で比較例１を示しており、白地の三角形で比較例２を示している。「比較例１」では、図１から図３の実施形態と同様の構成で、結合コア部材２０の両側に第１コイル６０及び第２コイル６１が分かれて巻回される。「比較例２」では、実施形態と同様の構成でシート状磁性体が省略されている。比較例１ではジュール損が実施形態に比べて大きく上昇した。また、比較例２ではジュール損を比較例１の場合よりも低くはできたが、結合係数ｋは高い一定値であった。実施形態では、ジュール損を比較例１よりも低くできるとともに、結合係数ｋをシート状磁性体５０，５１，５２，５３の円周方向長さＣＬの増大に応じて大きく低下できる。

図１３は、実施形態の磁気結合リアクトル１０が組み込まれる３ポート式の電力変換装置７０の回路図を示している。電力変換装置７０は、１次回路７１と２次回路８１とを備える。２次回路８１は、１次回路７１に対し変圧器９０で磁気結合される。

１次回路７１は、互いに並列に接続される第１アーム７２及び第２アーム７３と、第１ポート７４及び第２ポート７５と、磁気結合リアクトル１０とを含む。

第１アーム７２は、互いに直列接続される２つの第１スイッチング素子Ｓ１と、各第１スイッチング素子Ｓ１に並列接続された第１ダイオードＤ１とを有する。第２アーム７３は、互いに直列接続される２つの第２スイッチング素子Ｓ２と、各第２スイッチング素子Ｓ２に並列接続された第２ダイオードＤ２とを有する。

第１アーム７２及び第２アーム７３は、第１正極母線７６と負極母線７７との間に接続される。各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、ＭＯＳＦＥＴである。各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、ＩＧＢＴなどの他のトランジスタとしてもよい。

第１ポート７４は、第１正極母線７６と負極母線７７との間に設けられる。第１ポート７４は、第１端子Ｕ１及び第２端子Ｕ２を有する。第２ポート７５は、変圧器９０を構成する第１変圧コイル９１の中間点であるセンタータップ９２と、負極母線７７との間に設けられる。第２ポート７５は、第２端子Ｕ２及び第３端子Ｕ３を有する。

コンデンサＣ１，Ｃ２は、第１正極母線７６及び負極母線７７の間と、第１変圧コイル９１のセンタータップ９２及び負極母線７７の間とに接続される。

磁気結合リアクトル１０の第１コイル６０の一端は、第１アーム７２において２つの第１スイッチング素子Ｓ１の間に接続される。第２コイル６１の一端は、第２アーム７３において２つの第２スイッチング素子Ｓ２の間に接続される。

変圧器９０は、第１変圧コイル９１と第２変圧コイル９３とを含む。第１変圧コイル９１及び第２変圧コイル９３は磁気結合される。磁気結合リアクトル１０の第１コイル６０及び第２コイル６１の他端は、第１変圧コイル９１の両端に接続される。

２次回路８１は、互いに並列に接続される第３アーム８２及び第４アーム８３と、第３ポート８４とを含む。第３アーム８２及び第４アーム８３は、第１アーム７２及び第２アーム７３とそれぞれ同様に構成される。

第３ポート８４は、第２正極母線８５と第２負極母線８６との間に設けられる。第３ポート８４は、第４端子Ｕ４及び第５端子Ｕ５を含む。コンデンサＣ３は、第２正極母線８５と第２負極母線８６との間に接続される。

変圧器９０の第２変圧コイル９３の一端は、第３アーム８２において２つの第１スイッチング素子Ｓ１の間に接続される。第２変圧コイル９３の他端は、第４アーム８３において２つの第２スイッチング素子Ｓ２の間に接続される。

また、各アーム７２，７３，８２，８３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチングは図示しない制御装置で制御される。各アーム７２，７３，８２，８３において、２つのスイッチング素子Ｓ１（またはＳ２）は、１８０度位相が異なる状態でスイッチング動作される。

制御装置は、入力された外部信号に応じて、複数のモードから１つのモードを選択する。制御装置はモード選択によって、３つのポート７４，７５，８４から入力側ポートと出力側ポートとを決定する。そして、制御装置は、選択されたモードに応じて、各アーム７２，７３，８２，８３の間でのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の位相差と、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン時間との少なくとも一方を変更する。

このような電力変換装置７０では、選択された２つのポート７４，７５，８４間で双方向の電力伝送が可能となる。また、電力変換装置７０では、絶縁型電力変換動作と非絶縁型変圧動作とを同時に実行することができる。また、電力変換装置７０では、その実行の動作から非絶縁型変圧動作に切り替えて実行することもできる。

絶縁型電力変換動作では、電力変換装置７０は、第１ポート７４または第２ポート７５と、第３ポート８４との間で変圧動作を行いながら電力伝送を行う。例えば第１ポート７４が入力側となり、第３ポート８４が出力側となる。このような変圧動作では、図１４（ａ）に一点鎖線矢印δ１で示すように、磁気結合リアクトル１０の第１コイル６０と第２コイル６１とで逆方向の電流である逆相電流が流れる場合がある。２次回路８１では、第１変圧コイル９１に流れる電流によって第２変圧コイル９３が励磁され、実線矢印δ２方向に電流が流れる。

絶縁型コンバータの設計では、逆相電流に対して働くインダクタンス成分として適度に小さい値のものが必要とされる。第１コイル６０及び第２コイル６１に逆相電流が流れる場合、図４で説明したように各コイル６０，６１が対向する部分の一部のみで磁束が強め合う。一方、各コイル６０，６１の全体としては周囲で磁束が弱め合う。これによって、電力変換装置７０での損失の増加を抑えつつ、漏れインダクタンス成分のみを用いて電力伝送動作が行える。しかしながら、もし結合係数ｋが極度に高くなる場合には漏れインダクタンス成分が極度に小さくなるので、設計上必要なインダクタンス値が得られなくなる。本実施形態では導体への磁束の鎖交による損失の増加を抑えつつ結合係数ｋを低くできるので、電力変換装置７０は、漏れインダクタンス成分を用いて効率よく電力伝送動作を行える。このため、電力変換装置７０において所望の性能を実現できる。

なお、非絶縁型変圧動作では、電力変換装置７０は、第１ポート７４及び第２ポート７５の間で変圧動作を行いながら電力伝送を行う。例えば、第２ポート７５が入力側となり、第１ポート７４が出力側となる。このような変圧動作では、図１４（ｂ）に一点鎖線矢印δ３で示すように、磁気結合リアクトル１０の第１コイル６０及び第２コイル６１で同方向の電流である同相電流が流れる。そして、第１コイル６０及び第２コイル６１の間で磁束が弱め合い、全体としては周囲で磁束が強め合う。これによって、電力変換装置７０は、漏れインダクタンス成分と励磁インダクタンス成分との合計の成分を用いて変圧動作を行える。

上記では、磁気結合リアクトル１０を３ポート式の電力変換装置７０の１次回路７１に組み込んで用いる場合を説明したが、磁気結合リアクトル１０は２次回路８１に組み込んで用いてもよい。２次回路８１は１次回路７１と同様に形成できる。また、磁気結合リアクトル１０は、２ポート式または４ポート式の電力変換装置７０に用いられてもよい。

図１５は、本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトル１０の別例の第１例を示している図３に対応する図である。本例の構成では、結合コア部材２０は、中心軸Ｏ方向に見た場合の形状が矩形状である。また、結合コア部材２０には、互いに平行に断面矩形状の第１コイル通路４５及び第２コイル通路４６が形成される。また、第１コイル６０及び第２コイル６１は、中心軸Ｏ方向に見た場合の形状が矩形状に形成される。各シート状磁性体５０，５１は、矩形状のコア間結合部５４，５５からコイル通路４５，４６に向けて矩形状のコイル間配置部５６，５７が突出形成される。コイル間配置部５６，５７は、コイル通路４５，４６内において第１コイル６０及び第２コイル６１の間に配置される。

本例の構成では、コイル間配置部５６，５７の幅方向Ｗの長さＷＬを変えることで磁気結合リアクトル１０の結合係数ｋを調整することができる。その他の構成及び作用は、図１から図４、図１３の構成と同様である。

図１６は、本発明に係る実施形態の磁気結合リアクトル１０の別例の第２例を示している図４に対応する図（ａ）と、（ａ）のＣ−Ｃ断面図（ｂ）である。本例の構成の場合も、図１５の構成と同様に、結合コア部材２０、第１コイル６０及び第２コイル６１の中心軸Ｏ方向に見た場合の形状が矩形である。また、結合コア部材２０の第１コア２１及び第２コア３１の中間脚部２３，３３は、各端脚部２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂとそれぞれ同じ長さに形成される。これによって、各中間脚部２３，３３の先端の間には図４の構成に比べて高さ方向Ｈの大きい隙間Ｇ１ａが形成される。

結合コア部材２０は、高さ方向Ｈに離れて配置された２つのシート状磁性体１００を含む。各シート状磁性体１００は、第１コア間結合部１０１及び第２コア間結合部１０２と、第１コイル間配置部１０３及び第２コイル間配置部１０４と、中間連結部１０５とを有する。

第１コア間結合部１０１は、第１コア２１及び第２コア３１において、外側端脚部２４ａ，３４ａによって形成された外側部分である長さ方向Ｌの一端部（図１６の左端部）で挟み込まれる。第２コア間結合部１０２は、第１コア２１及び第２コア３１において、第２外側端脚部２４ｂ，３４ｂによって形成された第２外側部分である長さ方向Ｌの他端部（図１６の右端部）で挟み込まれる。第１コイル間配置部１０３は、第１コア間結合部１０１から第１コイル通路４５内に延びて、第１コイル６０及び第２コイル６１のターン部Ｔ１，Ｔ２の中心軸Ｏ方向の間に配置される。第２コイル間配置部１０４は、第２コア間結合部１０２から第２コイル通路４６内に延びて、第１コイル６０及び第２コイル６１のターン部Ｔ１，Ｔ２の中心軸Ｏ方向の間に配置される。

中間連結部１０５は、第１コイル間配置部１０３及び第２コイル間配置部１０４を連結する。中間連結部１０５は、中間脚部２３の断面形状と同じ矩形の断面形状を有する。また、中間連結部１０５は、第１コア２１または第２コア３１の中間脚部２３，３３の先端に重ね合されて、第１コア２１及び第２コア３１の中間脚部２３，３３の先端の間の隙間内に配置される。

このような本例の構成では、シート状磁性体１００の個数を少なくできるので、組み付け時の手間を低減できる。その他の構成及び作用は、図１から図４、図１３の構成、または図１５の構成と同様である。

なお、上記の各例において、第１コイル６０及び第２コイル６１は中心軸Ｏ方向に見た場合に、完全に同じ形状で重なる必要はない。例えば図１６に示した構成で、第１コイル６０及び第２コイル６１を中心軸Ｏ方向に見た場合に、第１コイル６０の幅方向Ｗ長さを第２コイル６１の幅方向Ｗ長さよりも大きくしてもよい。この構成でも、第１コイル６０及び第２コイル６１は、各コイル通路４５，４６内で互いに交互に重なるように配置される。また、上記の各例では、結合コア部材２０に２つのコイル通路４５，４６が形成される場合を説明したが、コイル通路は１つのみが形成されてもよい。例えば、図２の構成において、第１コア２１及び第２コア３１において、右半部の構成を省略し、図２の方向に見た結合コア部材の形状が概略矩形となる構成としてもよい。この構成では、各コア２１，３１の対向面側の両端部に外側端脚部２４ａ、３４ａと中間脚部２３，３３とに相当する２つの端脚部がそれぞれ形成される。第２外側端脚部２４ｂ、３４ｂ及び他方（図２の右方）の中間コア４０に相当する部分は省略される。コイル通路は、第１コア２１及び第２コア３１において、２つの端脚部の間の凹部２５ａ、３５ａによって形成される。第１コイル６０及び第２コイル６１は、中間脚部２３，３３に巻回される。この構成では、第２シート状磁性体５２，５３は省略される。このような構成でも、過度に大型化することなく、各コイル６０，６１に逆相電流が流れる場合に、ジュール損を低減できるとともに、結合係数ｋが極度に高くなることを防止できる効果を得られる。

１０ 磁気結合リアクトル、２０ 結合コア部材、２１ 第１コア、２２ ベース部、２３ 中間脚部、２４ａ 外側端脚部、２４ｂ 第２外側端脚部、２５ａ 凹部、２５ｂ 第２凹部、３１ 第２コア、３２ ベース部、３３ 中間脚部、３４ａ 外側端脚部、３４ｂ 第２外側端脚部、３５ａ 凹部、３５ｂ 第２凹部、４０ 中間コア、４５ 第１コイル通路、４６ 第２コイル通路、５０，５１ 第１シート状磁性体、５２，５３ 第２シート状磁性体、５４ コア間結合部、５５ 第２コア間結合部、５６ コイル間配置部、５７ 第２コイル間配置部、６０ 第１コイル、６１ 第２コイル、６５ コア、６６ 空間、７０ 電力変換装置、７１ １次回路、７２ 第１アーム、７３ 第２アーム、７４ 第１ポート、７５ 第２ポート、７６ 第１正極母線、７７ 負極母線、８１ ２次回路、８２ 第３アーム、８３ 第４アーム、８４ 第３ポート、８５ 第２正極母線、８６ 第２負極母線、９０ 変圧器、９１ 第１変圧コイル、９２ センタータップ、９３ 第２変圧コイル、１００ シート状磁性体、１０１ 第１コア間結合部、１０２ 第２コア間結合部、１０３ 第１コイル間配置部、１０４ 第２コイル間配置部、１０５ 中間連結部。

Claims (7)

1. 磁性材により形成され対向配置される第１コア及び第２コアと、前記第１コア及び前記第２コアの対向面側に２つの脚部の間の凹部によって形成されたコイル通路と、前記２つの脚部のうち、一方の脚部によって形成された外側部分において周辺側のコア間結合部が挟み込まれるシート状磁性体と、を含む結合コア部材と、前記コイル通路を通って前記２つの脚部のうち他方の脚部に巻回される第１コイル及び第２コイルであって、軸方向に見た場合に前記コイル通路内で互いに交互に重なるように重ね巻きされる第１コイル及び第２コイルとを備え、
   前記シート状磁性体は、前記コア間結合部から前記コイル通路内に延びて、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記軸方向の間に配置されるコイル間配置部を有する、磁気結合リアクトル。
2. 請求項１に記載の磁気結合リアクトルにおいて、
   前記結合コア部材は、
   前記２つの脚部の一方の脚部である外側脚部と、他方の脚部である中間脚部と、前記第１コア及び前記第２コアの対向面側に前記中間脚部と第２外側脚部との間の第２凹部によって形成された第２コイル通路と、前記第２外側脚部によって形成された第２外側部分において周辺側の第２コア間結合部が挟み込まれる第２シート状磁性体とを含み、
   前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記コイル通路及び前記第２コイル通路を通って前記中間脚部に巻回され、
   前記第２シート状磁性体は、前記第２コア間結合部から前記第２コイル通路内に延びて、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記軸方向の間に配置される第２コイル間配置部を有する、磁気結合リアクトル。
3. 請求項１に記載の磁気結合リアクトルにおいて、
   前記結合コア部材は、
   前記２つの脚部の一方の脚部である外側脚部と、他方の脚部である中間脚部と、前記第１コア及び前記第２コアの対向面側に前記中間脚部と第２外側脚部との間の第２凹部によって形成された第２コイル通路と、前記第２外側脚部によって形成された第２外側部分とを含み、
   前記シート状磁性体は、
   前記第１コア及び前記第２コアにおいて、前記第２外側部分で挟み込まれる第２コア間結合部と、
   前記第２コア間結合部から前記第２コイル通路内に延びて、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記軸方向の間に配置される第２コイル間配置部と、
   前記第１コア及び前記第２コアの間の隙間内に配置され、前記コイル間配置部及び前記第２コイル間配置部を連結する中間連結部とを有し、
   前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記コイル通路及び前記第２コイル通路を通って前記中間脚部に巻回される、磁気結合リアクトル。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の磁気結合リアクトルにおいて、
   前記シート状磁性体は、前記軸方向に見た場合に、前記結合コア部材と重なる部分にのみ配置される、磁気結合リアクトル。
5. 請求項４に記載の磁気結合リアクトルにおいて、
   前記シート状磁性体は、前記軸方向に見た場合に前記コイル通路の両端開口の間を遮断する、磁気結合リアクトル。
6. 請求項５に記載の磁気結合リアクトルにおいて、
   前記シート状磁性体は、前記軸方向に見た場合に前記コイル通路の両端開口間の一部にのみ配置される、磁気結合リアクトル。
7. １次回路と、前記１次回路に対し変圧器で磁気結合される２次回路とを備える電力変換装置であって、
   前記１次回路または前記２次回路は、
   直列接続される２つの第１スイッチング素子を有する第１アームと、
   直列接続される２つの第２スイッチング素子を有する第２アームと、
   請求項１から請求項６のいずれか１に記載の磁気結合リアクトルとを含み、
   前記第１コイルの一端は、前記第１アームにおいて前記２つの第１スイッチング素子間に接続され、
   前記第２コイルの一端は、前記第２アームにおいて前記２つの第２スイッチング素子間に接続され、
   前記第１コイル及び前記第２コイルの他端は、前記変圧器を構成する前記１次回路側の変圧コイルの両端に接続され、
   前記第１コイル及び前記第２コイルに逆相電流が流れる状態で用いられる、電力変換装置。

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