JP2016066720A - 磁気結合型リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】外部への漏れ磁束を低減した磁気結合型リアクトルを提供する。【解決手段】環状コアは、２つのＵ字形コア１ａ，１ｂと２つのＩ字形コア２ａ，２ｂとから構成され、対向する一対の外脚と、一対の外脚の端部を接続する一対のヨーク部と、ヨーク部と平行に設けられた中脚とを備える。中脚の中央に外脚と平行にギャップを形成する。環状コアに少なくとも２つのコイル３ａ，３ｂを、発生する磁束の方向が異なるように装着する。対向する外脚間の距離Ａとギャップの長さＢとの比であるギャップ長比Ｂ／Ａが０．１以上０．９以下の範囲で、外脚の断面積Ｃと中脚の断面積Ｄとの比である断面積比Ｄ／Ｃが０．１以上１．０以下の範囲が好ましい。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、電気自動車やハイブリッド車などの車両に使用される磁気結合型リアクトルに関する。

従来から、磁束を相殺方向に発生させることでコアが飽和し難くし、且つ、漏れインダクタンスを利用してリップルを抑制することで小型化を可能とした磁気結合型リアクトルが知られている。この種の磁気結合型リアクトルは、図１４（ａ）に示すように、環状コア１の対向する脚部のそれぞれにコイル３−１，３−２を装着したものである。この磁気結合型リアクトルは、前記のような利点を有する反面、磁束を相殺方向に発生させているため、コア１内を通る磁束の通り道がなくなり、リアクトル外部に磁束が漏出し、周辺機器に影響を与えて誤動作を招いたり、金属製部材を磁束が透過する際に渦電流損を発生させ、その発熱を招く問題があった。

そのため、特許文献１や特許文献２では、対向する脚部に装着する２つのコイルとして、２つのコイルが１本の導体を用いて形成された連結コイル３ａ，３ｂを使用したリアクトルが提案されている。この連結コイル３ａ，３ｂを使用した磁気結合型リアクトルは、図１４（ｂ）に示すように、対向する脚部に２つの連結コイル３ａ，３ｂを装着することで、脚部にあたかも４つのコイル３ａ−１〜３ｂ−２が巻回されているような構成である。この連結コイル３ａ，３ｂを使用したリアクトルは、対向する脚部に独立したコイルをそれぞれ巻回した図１４（ａ）のリアクトルに比較すると、外部への漏れ磁束が低減される利点がある。

すなわち、図１４（ａ）のリアクトルは、図１６（ａ）のように左右の外脚の部分の外側に漏れ磁束が大きく広がるのに対して、連結コイル３ａ，３ｂを使用した図１４（ｂ）のリアクトルは、図１６（ｂ）のように、環状コアの内側に漏れ磁束が広がることから、リアクトル周囲への漏れ磁束が低減する利点がある。

特開２００８−１８６９８０号公報 特許３７３７４６１号公報

しかし、前記のような連結コイル３ａ，３ｂを使用した磁気結合型リアクトルは、コイル３ａ，３ｂを漏れ磁束が透過することで大きな渦電流損失が発生し、コイルが異常発熱するおそれがあった。すなわち、図１５（ａ）は図１４（ａ）のリアクトルの銅損を示すグラフであり、図１５（ｂ）は図１４（ｂ）のリアクトルの銅損を示すグラフである。このグラフから分かるように、各外脚に２つのコイルを装着した図１４（ｂ）のリアクトルは、漏れ磁束を低減できるものの、その反面、銅損が大きくなる問題があった。

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。本発明の目的は、外部への漏れ磁束を低減した磁気結合型リアクトルを提案することにある。
本発明の他の目的は、外部への漏れ磁束を低減すると共に、銅損の増加も抑制した磁気結合型リアクトルを提案することにある。

（１）本発明の磁気結合型リアクトルは、次のような構成を有することを特徴とする。
(a) 対向する一対の外脚と、前記一対の外脚の端部を接続する一対のヨーク部と、前記一対の外脚の間に架設された中脚とを備えた環状コア。
(b) 前記中脚に形成されたギャップ。
(c) 発生する磁束の方向が異なるように、前記環状コアに装着された少なくとも２つのコイル。
このようにすると、少なくとも２つのコイルによって発生する異なる方向の磁束が中脚に案内され、リアクトルの内側を通過することになるため、本発明の第１の目的であるリアクトル外部への漏出を大幅に低減することができる。

（２）前記対向する外脚間の距離Ａと前記ギャップの長さＢとの比であるギャップ長比Ｂ／Ａが、０．９以下の範囲にあると良い。
（３）前記ギャップ長比Ｂ／Ａが、０．１以上０．９以下の範囲にあると更に良い。
この（２）とすれば、外部への漏れ磁束を効果的に低減することができことができ、（３）とすれば、漏れ磁束、リップル電流及び銅損を効果的に低減することができ、本発明の第２の目的も達成できる。

（４）前記外脚の断面積Ｃと中脚の断面積Ｄとの比である断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上であると良い。
（５）前記断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上１．０以下の範囲にあると更に良い。
この（４）とすれば、リップル電流及び銅損を低減することができ、（５）とすれば、漏れ磁束、リップル電流及び銅損を効果的に低減することができ、本発明の第２の目的も達成できる。

（６）前記ギャップ長比Ｂ／Ａが、０．９以下の範囲で、前記断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上であると良い。
（７）前記ギャップ長比Ｂ／Ａが、０．１以上０．９以下の範囲で、前記断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上１．０以下の範囲にあると更に良い。
この（６）とすれば、ギャップ長比と断面積比の両者を適正な値とすることで、外部への漏れ磁束をより効果的に低減することができ、（７）とすれば、漏れ磁束、リップル電流及び銅損をより効果的に低減することができる。

（８）前記対向する一対の外脚がそれぞれＩ字形コアを有するものであり、前記中脚がＩ字形コアから構成され、前記一対の外脚が前記中脚を構成するＩ字形コアより接続され、中脚を構成するＩ字形コアに前記ギャップを形成すると良い。
このようにすると、外脚と中脚を別形状のコアから構成することができ、両者の寸法、形状、断面積などを、要求される磁気結合型リアクトルの性能に合わせて容易に調整することが可能となる。

（９）前記対向する一対の外脚が複数のコアを外脚の長さ方向に接合して構成され、前記中脚がＩ字形コアから構成され、前記外脚を構成する複数のコアの間に中脚を構成するＩ字形コアの基部が挟持され、この中脚を構成するＩ字形コアに前記ギャップを形成すると良い。
このようにすると、Ｉ字形コアを積層して脚部を構成する際に、中脚も同時に作製できるので、リアクトルの製造工数が削減できる。中脚が脚部を構成するＩ字形コアによって挟持されるため、環状コア全体の強度も高い。

（１０）前記ギャップが、エアギャップであると良い。ギャップは、中脚にスペーサを配置することで形成しても良いが、エアギャップであるとスペーサの用意や中脚との貼り合わせが不要であり、リアクトルの製造工数を削減できる。

（１１）前記中脚の両側に配置された外脚にそれぞれ巻回された個々のコイルは、前記中脚の両側において対向する外脚の一方に巻回された第１のコイルと、対向する他方の外脚に巻回された第２のコイルを１本の導体から構成した連結コイルであると良い。連結コイルの使用により、漏れ磁束を低減することが可能になる。

（１２）前記外脚には、前記中脚を挟んでその両側にそれぞれコイルが装着され、前記中脚の両側に装着された前記コイルの巻き数が等しいと良い。
（１３）前記連結コイルが、対向する一方の外脚と他方の外脚で、その巻き数が等しいと良い。
この（１２）（１３）のように、中脚の両側に配置されたコイルや連結コイルの巻き数や巻き方が同じであると、漏れ磁束や銅損の発生が各脚部で均等になるので、リアクトル外部で発熱する可能性がある金属部品などを対称形に配置することが可能になり、リアクトルの設置が容易になる。一方、金属製品が存在する方向についての漏れ磁束が少なくなるように、コイルの巻き方を積極的に異ならせることで、漏れ磁束量を調整することも可能である。

（１４）前記対向する外脚の一方にのみコイルが装着されていると良い。このようにすると、環状コイルに対するコイルの装着が容易になると共に、漏れ磁束をリアクトルの片側に寄せることができ、漏れ磁束によって発熱などの影響を受ける金属部品などを、漏れ磁束の密度が低い箇所に配置することが可能になる。

（１５）前記複数のコイルが、互いに反対方向に巻回され、各コイルに通電する電流の向きが同一方向に設定されていると良い。このようにすると、各コイルに給電する電気回路が単純になる利点がある。

（１６）前記複数のコイルが、同一方向に巻回され、各コイルに通電する電流の向きが反対方向に設定されていると良い。このようにすると、巻回方向が異なるコイルを複数種類用意する必要がなく、リアクトルの部品点数の削減に繋がる。

本発明によれば、環状コアの内側にギャップを有する中脚を設けることで、相殺方向に発生した磁束が中脚に案内され、リアクトルの内側を通過することになるため、リアクトル外部への磁束の漏出を大幅に低減することができる。
また、断面積比Ｄ／Ｃやギャップ長比Ｂ／Ａを適切に選定した場合には、外部への漏れ磁束を低減すると共に、銅損の増加も抑制することができる。

第１実施形態の全体形状を示す斜視図。 第１実施形態の分解斜視図。 第１実施形態のＵ字形コア部分を示す分解斜視図。 第１実施形態のＩ字形コア部分を示す分解斜視図。 第１実施形態におけるＩ字形コア用樹脂成型品の断面図。 第１実施形態の環状コアを示す斜視図。 第１実施形態の連結コイルを示す斜視図。 第１実施形態の環状コアにおけるギャップ長比Ｂ／Ａと断面積比Ｄ／Ｃを示す平面図。 第１実施形態における漏れ磁束の測定ポイントを示す平面図。 ギャップ長比Ｂ／Ａと漏れ磁束の関係を示すグラフ。 断面積比Ｄ／Ｃと漏れ磁束の関係を示すグラフ。 ギャップ長比Ｂ／Ａとリップル電流及び銅損との関係を示すグラフ。 断面積比Ｄ／Ｃとリップル電流及び銅損との関係を示すグラフ。 環状コアに対するコイルの装着状態を示す平面図。 連結コイルを使用した磁気結合型リアクトルの銅損の特性を示すグラフ。 環状コアにおいてコイルの配置と漏れ磁束との関係を示す平面図。 第１実施形態におけるギャップの有無と片側リップル電流の関係を示すグラフ。 本発明の他の実施形態を示す平面図。 本発明の更に他の実施形態を示す平面図。

［１．第１実施形態］
［１．１ 構成］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態の磁気結合型リアクトルは、２つのＵ字形コア１ａ，１ｂと、２つのＩ字形コア２ａ，２ｂを組み合わせて成るθ形の環状コアと、環状コアの対向する外脚にそれぞれ巻回された２つの連結コイル３ａ，３ｂとを備える。

（１）環状コア
図２及び図６に示すとおり、θ形の環状コアは、Ｕ字形コア１ａ，１ｂの両端部の間にＩ字形コア２ａ，２ｂの基部（Ｉ字形コアの一方の端部）が挟持され、Ｉ字形コア２ａ，２ｂの先端（Ｉ字形コアの他方の端部）の間に外脚と略平行にギャップ４が形成されている。これにより、環状コアには、対向する一対のヨーク部と、ヨーク部と平行に設けられた中央の中脚と、中脚の両側にそれぞれ設けられた一対の外脚が形成されている。

図８（ａ）に示すように、環状コアにおいては、対向する外脚間の距離Ａとギャップの長さＢとの比であるギャップ長比Ｂ／Ａが、０．１以上０．９以下の範囲に設定されている。図８（ｂ）に示すように、外脚の断面積Ｃと中脚の断面積Ｄとの比である断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上０．９以下の範囲に設定されている。本実施形態において、中脚を構成するＩ字形コア２ａ，２ｂの一部は、図６の斜視図に示すように、外脚を構成するＵ字形コア１ａ，１ｂの表面よりも突出した形状であり、外脚に挟持された側には磁束が流れにくい部分のコアを除去した面取り部分が設けられている。従って、本実施形態において、中脚の断面積Ｄとは、この外脚に挟持されていない部分、すなわち、Ｉ字形コア２ａ，２ｂにおける環状コアの中脚を構成する部分の断面積を言う。

本実施形態のＵ字形コア１ａ，１ｂ及びＩ字形コア２ａ，２ｂとしてはダストコアを使用するが、その他フェライトコアやケイ素鋼を積層した積層コアを用いることができる。この場合、Ｕ字形コア１ａ，１ｂとＩ字形コア２ａ，２ｂを同一材料から構成しても良いし、異なる材料から構成しても良い。Ｕ字形コア１ａ，１ｂの両端部とＩ字形コア２ａ，２ｂの基部との接合面は、両者を直接接着剤で固定しても良いし、スペーサを介して接合しても良い。ギャップ４も、エアギャップでも、スペーサを設けたギャップでも良い。

（２）コイル
図１及び図２に示すように、２つの連結コイル３ａ，３ｂは、Ｕ字形コア１ａ，１ｂの外脚を構成する部分に、中脚を挟んでその両側にそれぞれ装着されている。各連結コイル３ａ，３ｂは、図７に示すように、１本の導体を使用して２つのコイル３ａ−１，３ａ−２または３ｂ−１，３ｂ−２を形成したもので、環状コアに装着した状態では、１本の導体が一方の外脚の外周に巻回されて第１のコイル３ａ−１，３ｂ−１を形成し、同じ導体が反対側の外脚に巻回されて第２のコイル３ａ−２，３ｂ−２を形成している。そのため、図１及び図２に示すように、１つのコイル３ａ，３ｂの巻き始めの端部５と巻き終わりの端部６が、中脚の両側に一つずつ設けられている。コイル３ａ，３ｂの巻き始めの端部５と巻き終わりの端部６には、それぞれバスバーが溶接され、そのバスバーの端部にリアクトルの外部配線が接続される。２つのコイル３ａ−１，３ａ−２または３ｂ−１，３ｂ−２の連結部７は、コイルの巻軸方向と垂直な面において、平角線が同一平面上で連結されている。

コイル３ａ，３ｂとしては、各種の導体を巻回したものを使用することができるが、本実施形態では、平角線の導体をエッジワイズ巻きしたエッジワイズコイルを使用する。各コイル３ａ，３ｂの巻き始めと巻き終わりの端部５，６は、コイル３ｂのように中脚側に設けても良いし、コイル３ａのようにヨーク部側に設けても良いものであって、２つのコイル３ａ，３ｂの両方を中脚側かヨーク部側のいずれかに設けても良い。

２つのコイル３ａ，３ｂは、そこから発生する直流磁束が互いに打ち消される方向で巻回されている。２つのコイル３ａ，３ｂから発生する直流磁束が互いに打ち消される方向で巻回するため、本実施形態では、コイルに通電する電流の方向を同一とし、コイルの巻回方向を逆にしたが、コイルの巻回方向は同一として、通電する電流の方向を反対にしても良い。各コイル３ａ，３ｂは、樹脂成型品に埋設されたＵ字形コア１ａ，１ｂとＩ字形コア２ａ，２ｂをθ形に接着する際に、予め筒状に巻回したコイル３ａ，３ｂを外脚に嵌め込むことにより、コアに巻回されている。

（３）樹脂成型品
Ｕ字形コア１ａ，１ｂとＩ字形コア２ａ，２ｂは、それぞれ専用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂまたは１１内部に埋設されている。各コアは、それぞれの樹脂成型品の金型内にセットされた状態で、金型中に樹脂を注入・固化することにより、樹脂成型品と一体的に形成されている。樹脂成型品は、各コアと連結コイル３ａ，３ｂを絶縁する部材であると共に、リアクトルを別途用意したケースや設置箇所に固定するための支持部材を埋設した部材でもある。樹脂成型品の主材料としては、例えば、不飽和ポリエステル系樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ＢＭＣ（バルクモールディングコンパウンド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラート）等を用いることができる。

図２及び図３に示すとおり、Ｕ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂは、Ｕ字形コア１ａ，１ｂの左右の脚部を覆うコイル装着部１２と、Ｕ字形コア１ａ，１ｂのヨーク部を覆うヨーク被覆部１３とを備える。コイル装着部１２におけるＵ字形コア１ａ，１ｂとＩ字形コア２ａ，２ｂとの接合面に相当する部分には、Ｕ字形コア１ａ，１ｂの端面が露出する開口部１４が設けられ、この開口部１４の周囲にはＩ字形コア用の樹脂成型品１１の端部に設けられたリブ１９を挿入するための凹部１５が設けられている。

ヨーク被覆部１３の上部の中央部には、リアクトルをケースその他の部材に固定するための支持金具１６の基部が埋設されている。支持金具１６の基部は、Ｕ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂの成型加工時に、Ｕ字形コア１ａ，１ｂと共に金型内にセットされ、モールド成型される。この支持金具１６は断面がＳ字形の板状の部材で、Ｓ字形の部分が弾力的に変形することにより、熱膨張などでリアクトルに加わる応力を吸収する。

図２及び図４に示すとおり、Ｉ字形コア用の樹脂成型品１１は、２つのＩ字形コア２ａ，２ｂの全体を被覆すると共に、２つのＩ字形コア２ａ，２ｂをその間にギャップ４が形成されるように保持するものである。そのため、図５の断面図のとおり、樹脂成型品１１内部には、ギャップ４の寸法に合わせた厚みの隔壁１７が形成され、この隔壁１７を挟んで２つのＩ字形コア２ａ，２ｂが対向している。この樹脂成型品１１におけるＵ字形コア１ａ，１ｂ側の端面は、内部のＩ字形コア２ａ，２ｂの端面が露出する開口部１８になっている。この開口部１８の周囲には、Ｕ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂに設けた凹部１５に嵌合するリブ１９が形成されている。

図２に示すとおり、Ｉ字形コア用の樹脂成型品１１の中脚と反対側には、リアクトル本体１をケースやその他の部材に固定する際に、固定用のボルトを挿入するカラー２０が埋設されている。このカラー２０は、Ｕ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂの成型加工時に、Ｕ字形コア１ａ，１ｂと共に金型内にセットされ、モールド成型される。

Ｕ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂとＩ字形コア用の樹脂成型品１１は、各コアの突き合わせ部分を除き各コアの周囲を被覆するものであるが、各コアや支持金具を金型内に位置決めするための治具を使用する必要がある。そのため、図２及び図３に示すとおり、樹脂成型品１０ａ，１０ｂ，１１において、治具に相当する部分には樹脂が存在しない開口部２１が形成され、その部分に各コアの表面が露出している。

［１．２ 製造方法］
前記のような構成を有する本実施形態のリアクトルは次のようにして製造する。
まず、樹脂成型品の金型内にＵ字形コア１ａ，１ｂまたはＩ字形コア２ａ，２ｂと、その支持金具１６またはカラー２０をセットし、その後、金型内に樹脂を注入し、固化することで、Ｕ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂとＩ字形コア用の樹脂成型品１１を作製する。

次いで、図１に示すように、内部にコアと支持金具が埋設された２つのＵ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂの外脚部分をコイル３ａ，３ｂの内側に挿入し、次いで、２つのＵ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂの間に、Ｉ字形コア用の樹脂成型品１１を挟持して、各樹脂成型品１０ａ，１０ｂ及び１１の開口部１４，１８に露出しているＵ字型コア１ａ，１ｂとＩ字形コア２ａ，２ｂの端面同士を接着して、全体をθ形に接合することより、リアクトルを作製する。その場合、樹脂成型品から露出している各コアの端面を接着剤により固定すると共に、Ｕ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂの端部に設けた凹部１５の外周に、Ｉ字形コア用の樹脂成型品１１の端部に設けたリブ１９を嵌め込む。これにより、各樹脂成型品及びコアの正確な位置決めが可能になる。

このようにして作製されたリアクトルは、Ｉ字形コア用の樹脂成型品１１に設けたカラー２０内にボルトなどの固定部材を挿入し、別途用意したケースやリアクトル設置箇所の部材に締結することで固定する。この場合、Ｕ字形コア用の樹脂成型品１０ａ，１０ｂに設けた弾性部を有する支持金具１６をケースなどに締結することで、通電時の発熱などによりリアクトルとケースなどとの間に生じた線膨張差を吸収できる。

［１．３ 作用効果］

（１）ギャップ長比Ｂ／Ａと断面積比Ｄ／Ｃ
本実施形態の磁気結合型リアクトルを昇圧用コンバータとして使用した場合において、下記の条件でギャップ長比Ｂ／Ａと漏れ磁束との関係を測定した。漏れ磁束の測定点は、図９に示す通り、リアクトルの外周面から１０mm離れた８箇所のポイントについて、代表値である(1)〜(3)の漏れ磁束と、(1)〜(8)の全周囲の漏れ磁束の合計値を測定した。
なお、本発明は、中脚にギャップ４を設けることを前提としているが、比較のために、ギャップ長比Ｂ／Ａ＝０．０（中脚にギャップを設けない）の場合の漏れ磁束も測定した。
巻数：４０ターン（連結コイル１個当たりの巻回数、各外脚に２０ターンずつ）
電流：平均電流９５Ａ（各コイルに対して）
電圧：ＤＣ２５０Ｖ（入力）⇔ＤＣ６３０Ｖ（昇圧後の出力）
周波数：８ｋＨｚ
Ｕ字形コアの断面積：１１．１４ｃｍ２
対向する外脚の間隔：２５．９ｍｍ
対向するヨーク部の間隔：９６．６４ｍｍ
巻線の肉厚：１．３ｍｍ 幅：８．０ｍｍ
コアの材質：合金系ダストコア

その結果、図１０のグラフに示すように、ギャップ長比Ｂ／Ａが０．０〜０．９の範囲が漏れ磁束が低減され、０．０〜０．６５の範囲がより低減され、０．０〜０．３５の範囲で更に低減されていることが確認できた。同様な条件で、断面積比Ｄ／Ｃと漏れ磁束との関係を確認したところ、図１１に示すように、断面積比Ｄ／Ｃが０．１以上の場合に、漏れ磁束が低減されていることが確認できた。特に、断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上が良く、０．７以上が更に良く、１．０以上が最も良いことが確認できた。

この図１０と図１１の結果から、本実施形態においては、ギャップ長比Ｂ／Ａが０．０〜０．９の範囲で、且つ断面積比Ｄ／Ｃが０．１以上の場合に漏れ磁束が低減され、ギャップ長比Ｂ／Ａが０．０〜０．３５の範囲で、断面積比Ｄ／Ｃが１．０以上の範囲で最も低減されることが判明した。特に、本実施形態のリアクトルは対称形に構成されているので、各場所の漏れ磁束は、(1)と(5)は同等、(2)と(4)(6)(8)は同等で、(1)と(5)及び(2)(4)(6)(8)のポイントが漏れ磁束が少ないことが確認された。

同様にして、ギャップ長比Ｂ／Ａ及び断面積比Ｄ／Ｃと、リップル電流及び銅損の関係について検証した。図１２に示すように、ギャップ長比Ｂ／Ａが０．１〜０．９の範囲で、リップル電流及び銅損が低減していることが確認できた。特に、ギャップ長比Ｂ／Ａが０．１〜０．６５が良く、０．１〜０．３５が更に良いことが確認できた。また、図１３に示すように、断面積比Ｄ／Ｃが０．１．〜１．０の範囲で、リップル電流及び銅損が低減していることが確認できた。特に、０．１〜０．７５が更に良く、０．４〜０．７５が最も良いことが確認できた。図１２及び図１３において、片側リップルは一方のコイルに流れるリップル電流を、合成リップルとは両方のコイルに流れるリップル電流の合成値を言う。この図１２と図１３の結果から、本実施形態においては、ギャップ長比Ｂ／Ａが０．１〜０．９の範囲で、且つ断面積比Ｄ／Ｃが０．１〜１．０の場合に、リップル電流と銅損が最も少なくなることが判明した。

以上の図１０〜図１３の結果から、本実施形態において、漏れ磁束、リップル電流及び銅損のいずれもが低減するギャップ長比Ｂ／Ａは０．１〜０．９の範囲であり、漏れ磁束、リップル電流及び銅損のいずれもが低減する断面積比Ｄ／Ｃは０．１〜１．０であることが判明した。その結果、ギャップ長比Ｂ／Ａと断面積比Ｄ／Ｃとの両方を、前記範囲内とすれば、漏れ磁束、リップル電流及び銅損のいずれをも効果的に低減することのできる磁気結合型リアクトルを得られることが確認できた。

（２）コイル
本実施形態では、環状コアの外脚に装着するコイルとして連結コイル３ａ，３ｂを使用している。この連結コイル３ａ，３ｂが銅損の低減に与える影響について、図１４（ａ）〜（ｃ）の各リアクトルについて検証した。
図１４（ａ）は、２つのＵ字形コア１ａ，１ｂから成る環状コアの脚部にコイル３−１，３−２を装着したリアクトル。
図１４（ｂ）は、２つのＵ字形コア１ａ，１ｂから成る環状コアの脚部に２つの連結コイル３ａ，３ｂを装着することにより、環状コアの脚部に４つのコイル３ａ−１〜３ｂ−２を装着したリアクトル。
図１４（ｃ）は、本実施形態のリアクトルであって、２つのＵ字形コア１ａ，１ｂに２つのＩ字形コア２ａ，２ｂを組み合わせることで、中脚を有するθ形の環状コアを形成し、その外脚に連結コイル３ａ，３ｂを装着することで、中脚を有する環状コアの脚部に４つのコイル３ａ−１〜３ｂ−２を装着したものである。

これら３つのリアクトルについて、前記（１）と同条件で、測定ポイント(1)における外部への漏れ磁束を計測したところ、図１４（ａ）のリアクトルは４０ｍＴ、（ｂ）のリアクトルは１８ｍＴ、（ｃ）のリアクトルは１５ｍＴと、連結コイルの使用が外部への漏れ磁束の低減に効果があることが確認された。また、図１５に示すように、図１４（ａ）〜（ｃ）のリアクトルについて、コイル１ターン毎の損失を測定したところ、（ｃ）の連結コイル１ａ，１ｂと中脚の組み合わせが、ターン数の大小にかかわらず、銅損を低く抑えることができることを確認した。このように、中脚を有するθ形の環状コアを有する磁気結合型リアクトルにおいて、連結コイル３ａ，３ｂは漏れ磁束と銅損の低減に効果がある。なお、図１５において、コイルのターン数が２０となっているのは、連結コイル３ａ，３ｂの片側のコイル３ａ−１，３ｂ−１のデータのみを示したものである。

（３）ギャップの有無
本実施形態では、中脚にギャップ４を設けている。このギャップの存在が、リアクトルの特性に与える影響について説明する。図１７は、前記図１４（ｃ）に示す磁気結合型リアクトルにおいて、各コアの形状やコイルの巻き数などは同一として、対向するＩ字形コア２ａ，２ｂの間にギャップ４を設けた場合と、設けない場合について、その片側リップル電流を計測した結果を示すものである。図１７から分かるように、ギャップがないと結合係数が下がり、コアが飽和しやすくなるため、リップル電流が大きくなるのに対して、本実施形態のようにギャップ４を設けた場合には、リップル電流が低下する。具体的には、ギャップがない場合は８２Ａｐ−ｐ（ピーク・ツー・ピーク値）であるのに対して、ギャップがある場合のリップル電流は６９Ａｐ−ｐに低下している。

（４）コイルの巻き方
図１６は、図１４（ａ）の対向する外脚にひとつずつコイルを装着したリアクトルと、図１４（ｂ）の対向する外脚のそれぞれに２つずつコイルを装着したリアクトルの漏れ磁束のパターンである。この図１６から明らかなように、各外脚に２つずつコイルを装着すると、磁束が環状コアの内側を通過するため、リアクトル外部に漏出する磁束が減少していることが分かる。

（５）中脚の存在
図１６（ｂ）に示すように、外脚に２つのコイルを装着した場合、磁束の流れがコイル毎に分割され、環状コアの内側を通過するので、漏れ磁束を低下することが可能になるが、本実施形態では、図１８及び図１９のように２つのコイルに加えて、更に中脚を設けたことにより、発生した磁束が中脚を流れることになり、環状コア外部への漏れ磁束をより効果的に低減することが可能となる。

（６）結論
以上述べた通り、本実施形態によれば、環状コアにギャップ４を有する中脚を設け、ギャップ長比Ｂ／Ａ及び断面積比Ｄ／Ｃを前記の範囲に設定し、更に連結コイル３ａ，３ｂを使用することで、漏れ磁束、銅損及びリップル電流が少ない磁気結合型リアクトルを得ることが可能になる。

［２． 他の実施形態］
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではない。以上の実施形態は例として提示したものであって、その他の様々な形態で実施されることが可能である。発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲、要旨、その均等の範囲に含まれる。以下、その一例を示す。

（１）上記実施形態では、Ｉ字形コアを備えたθ字状の環状コアを使用したが、コアの形状はこれに限らない。たとえば、２つのＪ字形やＬ字形の分割コアと中脚を構成するＩ字形コアを組み合わせたθ字状の環状コアや、２つのＥ字形やＦ字形の分割コアを備えたθ字状の環状コアにも適用可能である。環状コアの中脚は１本に限らず、２本以上の中脚を有する環状コアについても、適用できる。その場合、各外脚に複数のＩ字型コアを配置することで、複数の中脚を構成することができる。また、２つの櫛歯状の分割コアを対向させて配置することで、複数の中脚を有する環状コアを形成しても良い。

（３）また、Ｕ字形コア１ａとＵ字形コア１ｂとの間に段差が設けられた構成であっても良い。この場合、Ｉ字形コア２ａ、２ｂの中央部分に段差が設けられていて、Ｉ字形コアの上面は横方向から見てクランク形状となり、両端がＵ字形コア１ａとＵ字形コア１ｂと接続されている。Ｕ字形コア１ａを含む平面と、Ｕ字形コア１ｂを含む平面とは、垂直方向にずれた異なる平面である。当該構成であっても、それぞれのコイルにおいて、一方の巻線部の周囲に発生する磁束と、他方の巻線部の周囲に発生する磁束とが互いに打ち消し合うよう作用し、磁気結合型リアクトルとして十分に機能する。

（３）図１８は、環状コアの一例を示すもので、図１８（ａ）は、Ｕ字形コアの代わりに、ヨーク部及び外脚をＩ字形コアによって構成したものである。図１８（ｂ）は、対向する外脚を構成する各Ｉ字形コアの内側に、中脚を構成するＩ字形コアをその先端が対向するようにそれぞれ接合し、中脚を構成する各Ｉ字形コアの先端の間に前記ギャップを形成したものである。また、図１８（ｂ）の代わりに、Ｕ字形コアとＩ字形コアを組み合わせて形成した環状コアの内側に、中脚を構成するＩ字形コアを接合して、θ形の環状コアを構成しても良い。

（４）中脚を環状コアの対向するヨークの中央部に設ける代わりに、どちらかのヨーク側に片寄らせて設けることができる。中脚は、ヨーク部と平行に設ける必要はなく、多少傾斜させても、また湾曲させても良い。ギャップ部も中脚の中央部でなく、どちらかの外脚側に片寄らせても良く、ギャップの方向も、図示のような外脚と平行なものでなく、斜めに形成しても良い。中脚は１本でも良く、中脚の一部に孔を開けてギャップを形成しても良い。その場合、孔の形状は、四角や円、楕円など適宜選択することができ、孔の数も一つでも複数でも良い。

（５）コアに巻回するコイルの形状も適宜変更可能であり、θ形のコアの左右の脚部にそれぞれコイルを巻回するものや、θ形のコアのヨーク部分にコイルを巻回しても良い。円形あるいは角形のループ状のコアを使用した場合には、左右の脚部のそれぞれにコイルを巻回しても良いし、２つの脚部の一方のみにコイルを巻回し、他方はコイルを装着しなくても良い。また、コイルをコアに装着する方法としては、樹脂成型品に線材を巻回してコイルとしても良いし、予め巻回したコイルを樹脂成型品にはめ込んでも良い。

（６）コイルは連結コアに限定されるものではなく、独立した４つのコイルを外脚に装着しても良い。複数のコイルは、必ずしも環状コアに対して対称形に装着するする必要はなく、図１８（ｃ）のように、コイルの数や巻き数を非対称形としても良い。その場合、漏れ磁束のパターンが非対称形になるが、リアクトルの周囲に配置する金属部材などの位置を考慮することで、その発熱を防止することができる。

（７）図１９（ａ）〜（ｃ）に示すように、対向する外脚の一方にのみ複数のコイルを装着することも可能である。この場合も、図１８（ａ）〜（ｃ）に示した場合と同様に、中脚の両側に装着するコイル３ａ，３ｂの巻回数を同一としたり、中脚を構成するコアを外脚の内面に接合したり、コイルの数や巻き数を非対称形としても良い。

（８）樹脂成型品としては、内部にコアをインサート成型するものの他に、中空になった筒状あるいは箱状の樹脂成型品のみを予め作製し、その内部にコアを嵌合するものや接着剤で固定するものも使用できる。また、分割コアの接合後において、環状になったコアを樹脂成型品内部にインサート成型したり、組み込むこともできる。

（９）本実施形態において、中脚を構成するＩ字形コア２ａ，２ｂは、図６の斜視図に示すように、磁束が流れにくい部分のコアを除去した面取り部分が設けたが、この面取り部を設けることなく、直方体のＩ字形コアを使用することも可能である。また、各コアの断面形状も、四角形に限らず、他の多角形や円形であってもよい。

（１０）本実施形態のリアクトルをアルミニウムなどの金属製や樹脂製のケース内に収納することで、漏れ磁束をより低減すること可能である。

１ａ，１ｂ…Ｕ字形コア
２ａ，２ｂ…Ｉ字形コア
３ａ，３ｂ…連結コイル
４…ギャップ
５…巻き始めの端部
６…巻き終わりの端部
７…連結部
１０ａ，１０ｂ…Ｕ字形コア用の樹脂成型品
１１…Ｉ字形コア用の樹脂成型品
１２…コイル装着部
１３…ヨーク被覆部
１４…開口部
１５…凹部
１６…支持金具
１７…隔壁
１８…開口部
１９…リブ
２０…カラー
２１…開口部

Claims (16)

1. 対向する一対の外脚と、前記一対の外脚の端部を接続する一対のヨーク部と、前記一対の外脚の間に架設された中脚とを備えた環状コアと、
   前記中脚に形成されたギャップと、
   発生する磁束の方向が異なるように、前記環状コアに装着された少なくとも２つのコイルとを有するリアクトル。
2. 前記対向する外脚間の距離Ａと前記ギャップの長さＢとの比であるギャップ長比Ｂ／Ａが、０．９以下の範囲にある請求項１のリアクトル。
3. 前記ギャップ長比Ｂ／Ａが、０．１以上０．９以下の範囲にある請求項２に記載のリアクトル。
4. 前記外脚の断面積Ｃと中脚の断面積Ｄとの比である断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上である請求項１に記載のリアクトル。
5. 前記断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上１．０以下の範囲にある請求項４に記載のリアクトル。
6. 前記ギャップ長比Ｂ／Ａが、０．９以下の範囲で、
   前記断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上である請求項１に記載のリアクトル。
7. 前記ギャップ長比Ｂ／Ａが、０．１以上０．９以下の範囲で、
   前記断面積比Ｄ／Ｃが、０．１以上１．０以下の範囲にある請求項６に記載のリアクトル。
8. 前記対向する一対の外脚がそれぞれＩ字形コアを有するものであり、前記中脚がＩ字形コアから構成され、前記一対の外脚が前記中脚を構成するＩ字形コアより接続され、中脚を構成するＩ字形コアに前記ギャップを形成した請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のリアクトル。
9. 前記対向する一対の外脚が複数のコアを外脚の長さ方向に接合して構成され、前記中脚がＩ字形コアから構成され、前記外脚を構成する複数のコアの間に中脚を構成するＩ字形コアの基部が挟持され、この中脚を構成するＩ字形コアに前記ギャップを形成した請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のリアクトル。
10. 前記ギャップが、エアギャップである請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のリアクトル。
11. 前記中脚の両側に配置された外脚にそれぞれ巻回された個々のコイルは、前記中脚の両側において対向する外脚の一方に巻回された第１のコイルと、対向する他方の外脚に巻回された第２のコイルを１本の導体から構成した連結コイルである請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のリアクトル。
12. 前記外脚には、前記中脚を挟んでその両側にそれぞれコイルが装着され、前記中脚の両側に装着された前記コイルの巻き数が等しい請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のリアクトル。
13. 前記連結コイルが、対向する一方の外脚と他方の外脚で、その巻き数が等しい請求項１１に記載のリアクトル。
14. 前記対向する外脚の一方にのみコイルが装着されている請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のリアクトル。
15. 前記複数のコイルが、互いに反対方向に巻回され、各コイルに通電する電流の向きが同一方向に設定されている請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のリアクトル。
16. 前記複数のコイルが、同一方向に巻回され、各コイルに通電する電流の向きが反対方向に設定されている請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のリアクトル。

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