JP2018148034A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び放熱性の向上を図ったリアクトルを提供する。【解決手段】コイル２０の非巻回部である周壁部１２及びヨーク部１３には、コイル２０の外周部の一部及びコイル２０の上下の端面を露出させる開口部１４が向かい合って形成されている。開口部１４は、周壁部１２からヨーク部１３にかけて一体的に、平面視で矩形状に形成されている。開口部１４は、幅を中脚部の幅と同一とし、コイル２０の端面を矩形に露出させるように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動システム等に使用される車載用等のリアクトルに関するものである。

従来からリアクトルは多種多様の用途に使用されている。代表的なリアクトルだけでも、電動機回路に直列に接続し短絡時の電流を制限する直列リアクトル、並列回路間の電流分担を安定させる並列リアクトル、短絡時の電流を制限しこれに接続される機械を保護する限流リアクトルなどが知られている。

これらのリアクトルは、各用途に応じて最適な仕様を有するように製品化されるため、様々な形状や寸法あるいは構造のものが提案されている。例えば、コアのタイプとしては、ポット形状を持つポットコアなどがあり、ユーザーの仕様に合わせて設計されるものも多い。

特開２００６−３１０５５０号公報

リアクトルには所望のインダクタンスを効率よく確保して、小型化を図ることが期待されている。また、リアクトルの多様化が進む近年、各リアクトルには性能の向上が求められている。例えば、ポットコアを有するリアクトルでは、放熱性を高めることが要請されている。特に、大電流化などにより発熱量が大きくなり、周囲温度が高温化する使用環境であれば、より良好な放熱性を発揮するリアクトルが望まれている。

本発明は、上記の課題を解決するために提案されたものであり、コアに開口部を形成するという構成により、小型化及び放熱性の向上を図ったリアクトル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、本発明は、コイル及びコアを備えたリアクトルにおいて、前記コアは、前記コイルが巻回される中脚部と、前記中脚部の周囲に配置され前記コイルが巻回されない周壁部及びヨーク部と、を有しており、前記周壁部及び前記ヨーク部に開口部を平面視で矩形状に形成し、当該開口部にて前記コイルを露出させる。

また、前記中脚部の水平断面積Ａａに対する前記ヨーク部の垂直断面積２Ｂｂの比率をＤｂ＝２Ｂｂ／Ａａとし、前記中脚部の水平断面積Ａａに対する前記周壁部の水平断面積２Ｂｃの比率をＤｃ＝２Ｂｃ／Ａａとして、ＤｂとＤｃとの平均値Ｄａｖｅ＝（Ｄｂ＋Ｄｃ）／２は、０．５≦Ｄａｖｅ≦０．９であってもよい。

開口部の幅を中脚部の幅と同一としてもよい。また、開口部はコイルの端面を矩形に露出させるように形成してもよい。周壁部はコイルの外周を覆うように設けてもよい。さらに、ヨーク部は中脚部と周壁部を繋ぐように設けてもよい。

本発明に係るリアクトルによれば、コイルが巻回されない周壁部及びヨーク部に開口部を平面視で矩形状に形成し、当該開口部にてコイルを露出させることで、インダクタンスを効率よく確保しつつ体積を減らして小型化を図ることができ、且つコイルの周囲に熱が籠ることなく、放熱性が向上する。

第１の実施形態の斜視図。 第１の実施形態の分解斜視図。 第１の実施形態の要部斜視図。 第１の実施形態においてリアクトル各部の面積比率（平均値）と体積比との関係を示すグラフ。 第１の実施形態及び比較例において体積と放熱性との関係を示すグラフ。

［第１の実施形態］
［構成］
図１〜図３を用いて、第１の実施形態の構成について具体的に説明する。図１は第１の実施形態を適用したリアクトルの斜視図、図２は同分解斜視図、図３は同要部斜視図である。第１の実施形態はコイルを収納することで漏れインダクタンスを削減するポットコアに適用したものである。

図１〜図３に示すように、リアクトル１には、円筒状のコイル２０と、コイル２０を収納するポットコア１０が設置されている。ポットコア１０は、上下に２分割された２つの中脚部１１及び周壁部１２と、リアクトル１の上面部及び下面部となるヨーク部１３とから構成されている。

中脚部１１は、ポットコア１０の中央に配置されており、上下に２分割された部分が突き合わされることで円柱状に形成されている。周壁部１２は、中脚部１１を左右方向から囲むようにして向かい合って配置されており、上下に２分割された部分が突き合わされることで略円弧状に形成されている。また、周壁部１２はコイル２０の外周部を覆うようにして形成されている。なお、中脚部１１及び周壁部１２の突き合わせ部分にはスペーサを設けても良いし、接着剤を塗布しても良い。

ヨーク部１３は、上下方向に向かい合う２つのオーバル形状の部分から構成されている。上側のヨーク部１３は中脚部１１の上端部と周壁部１２の上端部とを繋ぐように設けられており、下側のヨーク部１３は中脚部１１の下端部と周壁部１２の下端部とを繋ぐように設けられている。これら上下のヨーク部１３はコイル２０の上下の端面と向かい合って配置されている。

ポットコア１０では、中脚部１１にコイル２０が巻回される。つまり、中脚部１１がコイル２０の巻回部であり、中脚部１１が磁束発生部となる。また、周壁部１２とヨーク部１３とがコイル２０の巻回されない非巻回部であり、周壁部１２及びヨーク部１３によって、２つの閉磁路が形成される。このようにポットコア１０では、中脚部１１で発生した磁束がリアクトル１の幅方向の２方向に分かれ、それぞれ上側のヨーク部１３、左右の周壁部１２、下側のヨーク部１３の順で流れて、中脚部１１に戻る。

リアクトル１は、ポットコア１０にコイル２０を収納した後、図示しないケースに入れて充填材を流し込むことで形成されている。充填材としては、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの熱伝導性の高い樹脂が適しており、複数種類の樹脂を混合したものを用いても良い。また、放熱性を向上させる観点から真空中で撹拌脱泡した充填材を用いても良い。

コイル２０は、例えばエナメル被覆した銅線であって、絶縁被膜を有する導線であれば良く、平角線のエッジワイズコイルなどが好適である。コイル２０は円柱状の中脚部１１に巻回されているので、その平面視形状は円形である。コイル２０が中脚部１１に巻回する時、コイル２０の中心は中脚部１１の中心に一致するように配置される。

ポットコア１０には、ポットコア１０を直接冷却する冷却手段を設置するようにしてもよい。ポットコア１０は、圧粉磁心やフェライト磁心、ケイ素鋼板などからなる。このうち、圧粉磁心は高い飽和磁束密度を持つため、ポットコア１０は直流重畳特性に優れたものとなる。

また、ポットコア１０にケイ素鋼板を用いる場合は、直流重畳特性の向上を図るべく、上下方向に向かい合って突き合わされる中脚部１１同士の間に、ギャップを設けることが一般的である。なお、ポットコア１０にダストコアを使用した場合は、コアの中に分散された微小なギャップを有することから、ギャップを別に設けなくても良い。

周壁部１２及びヨーク部１３には、開口部１４が平面視で矩形状に形成されている。開口部１４は、コイル２０の外周部の一部及びコイル２０の上下の端面を露出させるものである。ポットコア１０において、開口部１４は、左右方向に向かい合うようにして２か所に形成されている。

開口部１４は、周壁部１２からヨーク部１３にかけて一体的に、正面から見て四角形に形成されている。開口部１４において平面視で矩形状の部分は、コイル２０端面の任意の２点を結ぶ中央の長辺部と、この長辺部の両端部から直角に延ばした左右の短辺部とに囲まれて形成される。

矩形状である開口部１４において、長辺部はヨーク部１３に形成され、短辺部は周壁部１２に形成される。前述したように、上下２つのヨーク部１３はコイル２０の上下の端面と向かい合って配置するので、ヨーク部１３に開口部１４を形成したことでコイル２０の上下の端面が露出されることになる。

また前述したように、左右２つの周壁部１２はコイル２０の外周部を覆うようにして配置したので、周壁部１２に開口部１４の短辺部を形成したことで、コイル２０の外周部の一部が露出されることになる。なお、開口部１４の短辺部が形成される周壁部１２は、開口部１４の長辺部がヨーク部１３に形成されている分だけ、ポットコア１０の中心から見て外方に突出するように形成されている。つまり、ヨーク部１３の形状は２つの開口部１４が形成された平面視で略分銅状となる。

図３に示すように、中脚部１１の水平断面積をＡａ、上下いずれか一方のヨーク部１３の垂直断面積をＢｂ（図３では下側）、左右いずれか一方の周壁部１２の水平断面積をＢｃ（図３では左側）として、中脚部１１の水平断面積Ａａに対するヨーク部１３の垂直断面積２Ｂｂの比率をＤｂ＝２Ｂｂ／Ａａとし、中脚部１１の水平断面積Ａａに対する周壁部１２の水平断面積２Ｂｃの比率をＤｃ＝２Ｂｃ／Ａａとする。第１の実施形態では、比率Ｄｂと比率Ｄｃとの平均値Ｄａｖｅ＝（Ｄｂ＋Ｄｃ）／２を求め、その範囲を、０．５≦Ｄａｖｅ≦０．９とするとよい。さらに望ましくは平均値Ｄａｖｅは、０．７であってもよい。

［実施例］
表１及び図４に示したグラフを参照して、第１の実施形態に係る実施例１〜７について説明する。
（表１）

表１に示すように、実施例１〜７のデータは、中脚部１１及び周壁部１２の水平断面積、ヨーク部１３の垂直断面積を変えつつ、インダクタンス性能がほぼ同等となるようにした解析値である。前記平均値Ｄａｖｅに関しては、実施例１の平均値Ｄａｖｅを１として、実施例２〜７の平均値Ｄａｖｅはそれぞれ、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４である。表１及び図４のグラフに示すように、実施例１の体積比を１００％とすると、実施例２〜７の各体積比はそれぞれ、９９％、９９％、９６％、９８％、９９％、１０２％となる。

［作用と効果］
第１の実施形態の作用及び効果は次の通りである。
(ａ)第１の実施形態は、周壁部１２及びヨーク部１３に、コイル２０を露出させる開口部１４を形成したことで、ポットコア１０の内部に熱が籠ることがない。したがって、大電流化などにより周囲温度が高温化する使用環境下であっても、優れた放熱性を発揮することができ、リアクトル１の性能が安定化する。

ここで、表２及び図５を参照して、本実施形態の効果について具体的に説明する。表２では、比較例１〜４と、第１の実施形態に係る実施例８に関して、コイルの巻数及びインダクタンスを一定とし、比較例及び第１の実施形態における体積と熱解析値の温度との関係を示している。比較例１〜４は、平面視で扇状の開口部を持つＰＱコアである。比較例１〜４の開口角度は、比較例１が１３０°、比較例２が１３５°、比較例３が１４０°、比較例４が１５０°である。なお、表２における温度は、コア及びコイルに表２に示した損失条件を与えた時の熱解析値である。

（表２）

図５のグラフは、比較例１〜４及び実施例８において、体積と放熱性との関係を示している。このグラフから明らかなように、第１の実施形態に係る実施例８の熱解析値は、比較例１〜４において想定されるＰＱコアの熱変化の近似曲線上から、大きく外れた、低い温度となっている。すなわち、第１の本実施形態では、平面視で矩形状に形成した開口部１４を設けることにより、平面視で扇状の開口部を持つＰＱコアよりも高い放熱効果を得ることが可能である。

ＰＱコアは、放熱性については考慮されておらず、その形状はインダクタンスを確保するという観点のみから決定される。そのため、ＰＱコアでは、ヨーク部の磁束の流れが良好となり、且つ周壁部の断面積を多く確保するように、中脚部から周壁部に向かって放射状に広がるヨーク部を用いている。

一方、本実施形態のように、平面視で矩形状となる開口部１４を形成すると、ヨーク部１３の磁束の流れは不均一となるため、インダクタンスの観点からは不利になると言える。つまり、本実施形態では、ＰＱコアのようにインダクタンスの確保だけを考えるのではなく、インダクタンスを確保しつつも放熱性の向上を主眼としたものである。

(ｂ) また、第１の実施形態は放熱性の向上を主眼とするが、インダクタンス確保の効率が低下するということはない。比較例１〜４及び実施例８の体積比について、比較例１における体積比を１００.０％として比べてみると、上記の表２に示したように、比較例４は１０７.１％に達する。

これに対して、第１の実施形態に係る実施例８の体積比は１０５.３％である。つまり、比較例４と比べると、実施例８は放熱性だけではなく、インダクタンス確保の効率性に関しても有利である。以上のように、第１の実施形態では、放熱性とインダクタンス確保の効率性をバランスよく高めることができ、リアクトル１の小型化を安定して実現することができる。

しかも、中脚部１１の水平断面積Ａａに対するヨーク部１３の垂直断面積２Ｂｂの比率をＤｂ＝２Ｂｂ／Ａａとし、中脚部１１の水平断面積Ａａに対する周壁部１２の水平断面積２Ｂｃの比率をＤｃ＝２Ｂｃ／Ａａとして、本実施形態では、ＤｂとＤｃとの平均値Ｄａｖｅ＝（Ｄｂ＋Ｄｃ）／２は０．５〜０．９が望ましいとしている。

したがって、平均値Ｄａｖｅが０．５〜０．９である上記表１の実施例２〜６では、インダクタンス性能は、ほぼ同等でありながら、平均値Ｄａｖｅ＝１である実施例１の体積比を１００％として、その体積比を１００％未満に抑えることができる。このような第１の実施形態では、非巻回部である周壁部１２及びヨーク部１３の断面積を平均化した上で、その範囲を設定しているため、非巻回部である周壁部１２及びヨーク部１３の寸法の最適化を容易に実現することができる。

（ｃ）第１の実施形態では、平面視で矩形状の開口部１４の短辺部を、周壁部１２に形成するので、開口部１４を形成しつつも、周壁部１２の水平断面積Ｂｃを効率よく確保することができる。その結果、磁束発生源であるコイル２０に対し、磁路の無い領域が発生し難くなり、インダクタンスを容易に得ることが可能である。

［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。その他の様々な形態で実施されることが可能であって、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。これらの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。

例えば、開口部１４の形状は平面視で矩形状とする範囲で適宜選択可能であり、直線的に形成した部分を曲線で形成するようにしてもよい。また、開口部１４は、正面から見て四角形である必要はなく、円形であってもよい。

例えば、開口部１４の幅を中脚部１１の幅と同一としてもよい。中脚部１１の幅より開口部１４の幅を大きくすると、放熱性は向上するものの、周壁部１２の断面積が小さくなり、インダクタンスが低下する。そのため、所望のインダクタンスを確保するためには周壁部１２の幅を大きくせざるを得なくなり、リアクトル１の大型化を招くことになる。一方、中脚部１１の幅より開口部１４の幅を狭くすると、インダクタンスの確保は容易となるが、放熱性が悪化する。そこで、開口部１４の幅を中脚部１１の幅と同一とすることにより、優れた放熱性とインダクタンス確保の容易性をバランスよく得ることができる。

また、上記の実施形態では、ポットコア１０に適用したが、これに限らず、コイル２０の非巻回部に、コイル２０を露出させる開口部を形成するのであれば、開口部の形成対象となるコアの形状は、適宜変更可能である。さらに、上記の実施形態ではいずれも、開口部が向かい合って２つ形成したが、左右方向に均一に２分割する必要はなく、また、３つ以上に分割して、開口部も形成するようにしてもよい。

第１の実施形態において、ヨーク部１３の垂直断面積２Ｂｂと周壁部１２の水平断面積２Ｂｃとは同じ値としてもよいし、異なる値であってもよい。また、上記の実施形態では、開口部を設けてリアクトル１の小型化を進めたが、リアクトル１の小型化に際して、リアクトル１の寸法を削減する部位は、適宜変更可能である。すなわち、リアクトル１の体積を減らす場合に、ヨーク部１３の高さ寸法を減らしてもよいし、リアクトル１の幅方向や奥行方向に関して、寸法を削減するようにしてもよい。

１…リアクトル
１０…ポットコア
１１…中脚部
１２…周壁部
１３…ヨーク部
１４…開口部

Claims (6)

1. コイル及びコアを備えたリアクトルにおいて、
   前記コアは、
   前記コイルが巻回される中脚部と、
   前記中脚部の周囲に配置され前記コイルが巻回されない周壁部及びヨーク部と、を有しており、
   前記周壁部及び前記ヨーク部に開口部を平面視で矩形状に形成し、当該開口部にて前記コイルを露出させることを特徴とするリアクトル。
2. 前記中脚部の水平断面積Ａａに対する前記ヨーク部の垂直断面積２Ｂｂの比率をＤｂ＝２Ｂｂ／Ａａとし、前記中脚部の水平断面積Ａａに対する前記周壁部の水平断面積２Ｂｃの比率をＤｃ＝２Ｂｃ／Ａａとして、
   ＤｂとＤｃとの平均値Ｄａｖｅ＝（Ｄｂ＋Ｄｃ）／２は、
   ０．５≦Ｄａｖｅ≦０．９であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記開口部の幅を前記中脚部の幅と同一としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のリアクトル。
4. 前記開口部は前記コイルの端面を矩形に露出させるように形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリアクトル。
5. 前記周壁部は前記コイルの外周を覆うように設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリアクトル。
6. 前記ヨーク部は前記中脚部と前記周壁部を繋ぐように設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のリアクトル。

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