JP2020088320A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】スペース上の制約があってもインダクタンスを向上させることのできるリアクトルを提供する。【解決手段】少なくとも二本以上の脚部と、当該脚部を繋ぐ一対の連結部１７とを有する環状コア１と、少なくとも何れかの脚部の周囲に装着されるコイル２と、を備え、コイル２は、巻軸Ｃ及び外部と電気的に接続される引出線２１を有し、コイル２の端部は、巻軸Ｃを基準にして、引出線２１が設けられた側である引出側端部２２と、引出線２１が設けられておらず、引出側端部２２より出っ張りの少ない非引出側端部２３とを有し、連結部１７は、脚部の間において、引出側端部２２と対面する対面部１７ａと、少なくとも非引出側端部２３と対面し、脚部が延びる方向に膨出した膨出部１７ｂと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、コアとコイルとを有するリアクトルに関する。

リアクトルは、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動システム等をはじめ、種々の用途で使用されている。例えば、車載用の昇圧回路に用いられるリアクトルとして、コアの周囲に配置した樹脂製のボビンにコイルを巻回したものが多く用いられる。

この種のリアクトルとして、コアには、コイルなどの他の部材との絶縁を図るため、コアの周囲を被覆する樹脂部材が設けられる。この樹脂部材で被覆されたコアは、その一部にコイルが装着された状態で、ケースに収容される。このようなリアクトルは、コイルの巻数を増やす等の手段により、高性能化させることができる。

特開２０１２−２４３９１３号公報

リアクトルは回路を構成する部品の一つであり、当該回路を構築する際にリアクトルを組み付けるスペースに制約が設けられるとともに、できるだけ高いインダクタンスが求められる場合がある。インダクタンス向上のためコイルの巻数を増やすと、リアクトルが大型化してしまい、スペースの制約を満たすことができなくなる虞がある。このように、スペースの制約により、コイルの巻数を増大させることによるインダクタンスの向上を図れないという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スペース上の制約があってもインダクタンスを向上させることのできるリアクトルを提供することにある。

本発明のリアクトルは、少なくとも二本以上の脚部と、前記脚部を繋ぐ一対の連結部とを有する環状コアと、少なくとも何れかの前記脚部の周囲に装着されるコイルと、を備え、前記コイルは、巻軸及び外部と電気的に接続される引出線を有し、前記コイルの端部は、前記巻軸を基準にして、前記引出線が設けられた側である引出側端部と、前記引出線が設けられておらず、前記引出側端部より出っ張りの少ない非引出側端部とを有し、前記連結部は、前記脚部の間において、前記引出側端部と対面する対面部と、少なくとも前記非引出側端部と対面し、前記脚部が延びる方向に膨出した膨出部と、を有すること、を特徴とする。

本発明によれば、スペース上の制約があってもインダクタンスを向上させることのできるリアクトルを得ることができる。

実施形態に係るリアクトルの全体構成を示す平面図である。 実施形態に係る環状コアの構成を示す平面図である。 従来のリアクトルの構成を示す平面図である。 表２の電流０Ａの時の電線幅に対するインダクタンス増加率のグラフである。 表２の電流１３５Ａの時の電線幅に対するインダクタンス増加率のグラフである。 表２の電流２７０Ａの時の電線幅に対するインダクタンス増加率のグラフである。 他の実施形態に係る環状コアの構成を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のリアクトルについて説明する。

［１．実施形態］
［１−１．構成］
図１は、実施形態に係るリアクトルの全体構成を示す平面図である。リアクトルは、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換して蓄積及び放出する部品であり、電圧の昇降圧等に使用される。本実施形態のリアクトルは、例えばハイブリッド自動車や電気自動車の駆動システム等で使用される大容量のリアクトルである。リアクトルは、これら自動車に搭載される昇圧回路の主要部品である。

図２は、環状コア１の構成を示す平面図である。図１及び図２に示すように、本リアクトルは、環状コア１と、コイル２とを備える。コイル２は、ここでは２つのコイル２ａ、２ｂを有する。

環状コア１は、磁性体を含み構成される。環状コア１としては、フェライトコア、積層鋼板、圧粉磁心、又は、メタルコンポジットコアを用いることができる。メタルコンポジットコアは、磁性粉末と樹脂とが混練され成型されて成るコアである。

環状コア１は、少なくとも二本以上の脚部と、当該脚部を繋ぐ一対の連結部とを有する。具体的には、環状コア１は、図２に示すように、一対のコア部材１１、１２を有する環状のコアである。すなわち、コア部材１１、１２は、接着面１３を有し、各部材１１、１２の接着面１３で接着剤により接着されて環状コア１を形成する。ここでは、コア部材１１、１２は、３本の平行な脚部１４〜１６と、各脚部１４〜１６を繋ぐ連結部１７を備えるＥ字型コアである。接着面１３は、各脚部１４〜１６の先端面、すなわち連結部１７とは反対側の端面である。各部材１１、１２の各脚部１４〜１６の接着面１３同士を突き合わせるようにして接着剤で接着することにより、略θ形状の環状コア１を形成する。

つまり、コア部材１１の脚部１４とコア部材１２の脚部１６、コア部材１１、１２の脚部１５、及びコア部材１１の脚部１６とコア部材１２の脚部１４により三本の脚部を構成し、連結部１７が連結部を構成する。

上記のようなコア部材１１、１２は、同一形状であり、点対称に配置されている。言い換えると、中心点Ｏ周りにコア部材１１を１８０°回転させると、コア部材１２と一致する。中心点Ｏは環状コア１の中心である。

Ｅ字型コアの中央の脚部１５を中脚１５、中央の脚部１５の外側に位置する脚部１４、１６を外脚１４、１６とも称すると、中脚１５、外脚１４、１６は、連結部１７を基端として平行に延びている。コア部材１１、１２の中脚１５の両側の外脚１４、１６は、長さが異なる。図２に示すように、外脚１４は、連結部１７からの長さがＬ１であるのに対し、外脚１６は、連結部１７からの長さがＬ２（＞Ｌ１）であり、外脚１４の方が外脚１６より短い。外脚１４の長さは、連結部１７の脚部１４、１５間の内側面から外脚１４の接続面１３までの長さである。外脚１６の長さは、連結部１７の脚部１５、１６間の内側面から外脚１６の接続面１３までの長さである。

連結部１７は、脚部１４〜１６が並ぶ方向に延びている。ここでは、脚部１４〜１６の延び方向と連結部１７の延び方向とが直交している。

連結部１７は、対面部１７ａと、膨出部１７ｂとを有する。対面部１７ａは、連結部１７の環状コア１の内側に向いた内側面である。具体的には、対面部１７ａは、脚部１５と脚部１６との間において、コイル２の後述する引出側端部２２と対面する連結部１７の内側面である。膨出部１７ｂは、脚部１４と脚部１５との間において、脚部１４〜１６が延びる方向に膨出しており、コイル２の後述する非引出側端部２３と対面する。つまり、膨出部１７ｂは、対面部１７ａと同一平面を基準として、脚部１４〜１６が延びる方向に膨出した連結部１７の部位である。

コア部材１１の連結部１７は、対面部１７ａが一方のコイル２ｂの引出側端部２２と対面し、膨出部１７ｂが他方のコイル２ａの非引出側端部２３と対面する。コア部材１２の連結部１７は、対面部１７ａが他方のコイル２ａの引出側端部２２と対面し、膨出部１７ｂが一方のコイル２ｂの非引出側端部２３と対面する。

コイル２は、絶縁被覆を有する電線で構成される。図１に示すように、本実施形態では、コイル２は、コイル２ａ、２ｂを有する。コイル２ａ、２ｂは、巻軸Ｃを有し、巻軸Ｃを中心軸として平角線の電線が四角筒状に巻かれて成るフラットワイズコイルである。フラットワイズコイルは、１ターン毎に巻き位置を巻軸方向にずらして成り、電線の幅広面が巻軸Ｃに沿って拡がる。

コイル２ａ、２ｂは、電線の厚みｔに対する電線の幅ｗの割合は、１．２以上であることが好ましい。電線の幅ｗは、巻軸Ｃが延びる方向の電線の長さである。電線の厚みｔは、コイル２ａ、２ｂの巻軸Ｃを中心とした外径と内径の差である。なお、コイル２ａ、２ｂは、エッジワイズコイルであっても良い。

ここでは、コイル２ａは、コア部材１１の脚部１４とコア部材１２の脚部１６とで構成される脚部の周囲に装着され、コイル２ｂは、コア部材１１の脚部１６とコア部材１２の脚部１４とで構成される脚部の周囲に装着されている。

コイル２ａ、２ｂは、引出線２１を有する。引出線２１は、電線が四角筒状に巻かれた巻回部から突出した部分であり、外部と電気的に接続される。ここでは、引出線２１は、コイル２ａ、２ｂを構成する電線の端部で構成されている。但し、外部と電気的に接続するために、絶縁被覆は剥がされている。この引出線２１は、本実施形態では、脚部１４〜１６の延び方向及び連結部１７の延び方向の双方と直交する方向からリアクトル外部に引き出されている。

コイル２ａ、２ｂの端部は、引出側端部２２と非引出側端部２３とを有する。引出側端部２２は、巻軸Ｃを基準にして、引出線２１が設けられた側の端部であり、非引出側端部２３は、巻軸Ｃを基準にして、引出線２１が設けられていない側の端部である。引出側端部２２は、引出線２１が設けられている分、非引出側端部２３より出っ張っている。ここでは、コイル２ａ、２ｂがフラットワイズコイルであるので、１ターン毎に巻き位置を巻軸Ｃの延びる方向にずれるので、引出側端部２２は、例えば、巻軸Ｃが延びる方向に電線の幅分出っ張る。言い換えると、非引出側端部２３は、引出線２１が設けられていない分、引出側端部２２より出っ張りが少ない。

引出側端部２２は、連結部１７の対面部１７ａと対面する。非引出側端部２３は、連結部１７の膨出部１７ｂと対面する。

［１−２．作用・効果］
（１）本実施形態のリアクトルは、少なくとも二本以上の脚部と、当該脚部を繋ぐ一対の連結部１７とを有する環状コア１と、少なくとも何れかの脚部の周囲に装着されるコイル２と、を備え、コイル２は、巻軸Ｃ及び外部と電気的に接続される引出線２１を有し、コイル２の端部は、巻軸Ｃを基準にして、引出線２１が設けられた側である引出側端部２２と、引出線２１が設けられておらず、引出側端部２２より出っ張りの少ない非引出側端部２３とを有し、連結部１７は、脚部の間において、引出側端部２２と対面する対面部１７ａと、少なくとも非引出側端部２３と対面し、脚部が延びる方向に膨出した膨出部１７ｂと、を有するようにした。

これにより、スペース上の制約があってもインダクタンスを向上させることができる。すなわち、図３に示すように、従来のリアクトルは、環状コアを構成する一対のＥ字型コア１１１、１１２の３本の脚部１１６が同じ長さであると、コイル２ａ、２ｂが、引出線２１が設けられた引出側端部２２と、引出側端部２２より出っ張りの少ない非引出側端部２３とを有するので、Ｅ字型コア１１１側を見ると、コイル２ｂの引出側端部２２が連結部１１７の内側面と対面する一方、コイル２ａの非引出側端部２３と連結部１１７の内側面との間の隙間が空いてしまう。すなわち、デッドスペースが生じてしまう。特に、コイル２ａ、２ｂがフラットワイズコイルである場合、電線幅以上のデッドスペースとなる。

これに対し、本実施形態では、非引出側端部２３と対面する連結部１７に膨出部１７ｂを設けたので、コイル２ａ、２ｂで発生した磁束を効率良く環状コア１内に通すことができ、インダクタンスを向上させることができる。特に環状コア１内の磁束は環状コア１の内側により多く通る傾向にあり、連結部１７の非引出側端部２３と対面する脚部１４、１５間の膨出部１７ｂが設けられる箇所は、磁束がより多く通る傾向にある箇所と合致する。つまり、環状コア１の内側に膨出部１７ｂが設けられるので、環状コア１の外形の大きさは変化させずにインダクタンスを向上させることができる。

また、環状コア１の外形の大きさが同じであっても、インダクタンスを向上させることができるので、同じインダクタンスであれば、環状コア１の外形の大きさを小さくすることができ、リアクトルを小型化することができる。

このようなリアクトルとしては、例えば、二本の脚部には、コイル２ａ、２ｂがそれぞれ装着され、一方の連結部１７は、対面部１７ａが一方のコイル２ｂの引出側端部２２と対面し、膨出部１７ｂが他方のコイル２ａの非引出側端部２３と対面し、他方の連結部１７は、対面部１７ａが他方のコイル２ａの引出側端部２２と対面し、膨出部１７ｂが一方のコイル２ｂの非引出側端部２３と対面するリアクトルとして構成することができる。

（２）環状コア１は、同一形状の一対のコア部材１１、１２を有し、一対のコア部材１１、１２は、点対称に配置するようにした。これにより、同じ金型でコア部材１１、１２及び環状コア１を作製することができるので、異なる形状のコア部材で環状コア１を作製する場合と比べて製造コストを削減することができる。

（３）コア部材１１、１２は、Ｅ字型コアであり、Ｅ字型コアの３本の脚部のうち両側の脚部は、長さが異なるようにした。これにより、３本の中央の脚部１５と短い脚部１４との間の連結部１７の断面積が、中央の脚部１５と長い脚部１６との間の連結部１７の断面積よりも大きくできるので、インダクタンス値を大きくすることができる。

（４）コイル２は、フラットワイズコイルとした。これにより、コイル２をエッジワイズコイルとした場合と比べて、引出側端部２２の出っ張りが大きくなるので、膨出部１７ｂの突出長さをより大きくする。その結果、より大きなインダクタンスを得ることができる。

（５）コイル２は、コイル２を構成する電線の厚みｔに対する電線の幅ｗの割合は１．２以上とした。これにより、より大きいインダクタンスのリアクトルを得ることができる。

［１−３．実施例］
本発明の実施例を表１、２及び図４〜図６を参照して、（１）電流を変化させた場合のインダクタンス、（２）電線幅を変化させた場合のインダクタンス増加率の観点から説明する。なお、下記の実施例及び比較例は、下記の条件により得られるリアクトルのコンピュータによるシミュレーション結果である。

（ａ）解析モデル
解析モデルは、実施例１、２及び比較例１のモデルを用いた。実施例１、２は、上記実施形態と同様に、コア部材１１、１２がＥ字型コアであり、外脚１４、１６の周囲にコイル２ａ、２ｂが装着されたリアクトルである。実施例２は、実施例１のリアクトルの体積、すなわち環状コア１の体積を１１％低減させたリアクトルである。

比較例１は、図３に示すように、コア部材１１１、１１２がＥ字型コアであり、外側の二本の脚部１１６の周囲にコイル２ａ、２ｂが装着されたリアクトルである。比較例１は、実施例１の膨出部１７ｂを設けていないリアクトルである。

（ｂ）解析条件
実施例１は、膨出部１７ｂの突出長さを電線幅ｗの１．２倍の長さとした。膨出部１７ｂの突出長さは、対面部１７ａと同一平面を基準として、脚部１４〜１６が延びる方向の長さである。実施例１の体積は、４２０．３ｃｍ^３とした。ここでいう体積は、リアクトルの外形的な体積をいい、図１のＬ１×Ｌ２の四角面を底面とし、コイル２ａ、２ｂの高さを乗算した体積である。長さＬ１は、コイル２ａ、２ｂの外側側面間の距離であり、長さＬ２は、コア部材１１、１２の連結部１７の背面間の距離である。コイル２ａ、２ｂの高さの長さは、上記Ｌ１×Ｌ２の四角面に直交する方向のコイル２ａ、２ｂの長さである。

実施例２は、実施例１の脚部１４〜１６の長さ及び膨出部１７ｂの突出長さをそのままにして、環状コア１の体積を１１％低減させたものである。具体的には、環状コア１の連結部１７の背面部分、すなわち連結部１７の脚部１４〜１６とは反対側の面を削減したものである。

比較例１では、Ｅ字型コアの三本の脚部１１６の長さが同一であり、かつ、脚部１６の長さと同一である。比較例１の体積は、実施例１と同じである。すなわち、比較例１の外形的な大きさは実施例１と同じである。

上記のように、実施例１及び比較例１は、環状コア１の形状、すなわち膨出部１７ｂの有無を変化させた以外は、共通の条件である。実施例１及び２は、環状コア１の体積を変化させた以外は、共通の条件である。コイル２ａ、２ｂの巻数を、８巻きとし、コイル２ａ、２ｂを構成する電線の幅ｗを５．５ｍｍ、電線の厚みｔを２．５ｍｍとした。

（１）電流を変化させた場合のインダクタンス
以上のような実施例１、２及び比較例１のコイル２ａ、２ｂに対し、０Ａ〜２８５Ａの範囲で１５Ａずつ変化させて電流を流した場合のインダクタンスＬをそれぞれ算出した。

各電流に対するインダクタンスの関係を表１に示す。

表１に示すように、実施例１は、０Ａ〜２８５Ａの全ての電流値において比較例１よりもインダクタンス値が上回っている。このことから、膨出部１７ｂを設けたことにより、インダクタンス値が向上することが確認できる。また、実施例１と比較例１の体積は同等であるから、体積が同等であってもインダクタンス値が向上することが分かる。例えば、電流０Ａのとき、インダクタンス値の増加率は８．４％である。

また、実施例２と比較例１を比べると、０Ａ〜２８５Ａの全ての電流値において、インダクタンス値が同等である。このことから、膨出部１７ｂを設けることにより、インダクタンス値が同等であれば、体積が小さくて済むので、リアクトルが小型化できることが分かる。

（２）電線幅を変化させた場合のインダクタンス増加率
実施例１及び比較例１の解析モデルにおいて、電線の幅を２．０ｍｍ〜９．０ｍｍの範囲で１ｍｍずつ変化させた場合のインダクタンス増加率を算出した。コイル２ａ、２ｂに流す電流は０Ａ、１３５Ａ、２７０Ａとした。つまり、解析モデルは、電線幅と電流を変化させた以外は、実施例１、比較例１と同じである。インダクタンス増加率は、各電線幅、電流値において、「（実施例１の解析モデルにおけるインダクタンス値−比較例１の解析モデルにおけるインダクタンス値）／比較例１の解析モデルにおけるインダクタンス値」に基づいて算出した。

電線幅に対するインダクタンス増加率の解析結果を表２及び図４〜図６に示す。表２は、各電線幅に対する電流０Ａ、１３５Ａ、２７０Ａの時のインダクタンス増加率の解析結果である。図４は、表２の電流０Ａの時の電線幅に対するインダクタンス増加率のグラフである。図５は、表２の電流１３５Ａの時の電線幅に対するインダクタンス増加率のグラフである。図６は、表２の電流２７０Ａの時の電線幅に対するインダクタンス増加率のグラフである。表２の「アスペクト比」は、電線の幅ｗを電線の厚みｔで除した値（ｗ／ｔ）である。

表２及び図４〜図６に示すように、電線幅が増加する程、インダクタンス増加率が向上することが確認できる。電線幅を２．０ｍｍ以上とすることでインダクタンス増加率が向上する。言い換えると、アスペクト比が０．８以上であればインダクタンス増加率が向上する。つまり、コイル２ａ、２ｂが、アスペクト比が１以上のフラットワイズコイルであっても、アスペクト比が０．８以上のエッジワイズコイルであってもインダクタンス増加率が向上する。

図４及び図５に示すように、電線幅３．０ｍｍの時のインダクタンス増加率の点が変曲点になっており、電線幅を３．０ｍｍ以上、つまり、アスペクト比を１．２以上とすることでインダクタンス増加率が更に向上する。

また、図５及び図６に示すように、電線幅５．５ｍｍの時のインダクタンス増加率の点が変曲点になっており、電線幅を５．５ｍｍ以上、つまり、アスペクト比を２．２以上とすることでインダクタンス増加率が更に向上する。

［２．他の実施形態］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、下記に示す他の実施形態も包含する。また、本発明は、上記実施形態及び下記の他の実施形態を全て又はいずれかを組み合わせた形態も包含する。さらに、これらの実施形態を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、その変形も本発明に含まれる。

（１）上記実施形態では、コア部材１１、１２の接着面１３同士が接着剤により直接接着されるが、接着面１３間にギャップスペーサを設けて間接に接着するようにしても良い。この場合、コア部材１１の接着面１３とギャップスペーサ間、及びコア部材１２の接着面１３とギャップスペーサ間に接着剤が介在する。

（２）上記実施形態では、環状コア１を２つのＥ字型コアにより構成したが、２つのＵ字型コアにより構成するようにしても良い。すなわち、図７に示すように、コア部材１１、１２は、二本の脚部１８、１９と、脚部１８、１９を繋ぐ連結部１７とから成る。脚部１８と連結部１７との境界部分に膨出部１７ｂが設けられ、脚部１９と連結部１７との境界部分に対面部１７ａが設けられる。

（３）上記実施形態では、コイル２ａ、２ｂを脚部１４、１６に装着するようにしたが、コイル２は１つであっても良い。その場合、コイル２は、中脚１５の周囲に装着する。このとき、引出側端部２２が対面部１７ａと対面し、非引出側端部２３が膨出部１７ｂと対面するようにする。

（４）上記実施形態では、特に言及していないが、環状コア１の周囲は樹脂により被覆しても良い。この場合、樹脂で被覆された脚部の周囲にコイル２ａ、２ｂを装着するようにしても良い。上記実施形態のリアクトルをケースに収容しても良いし、更に熱伝導性の高い充填材を充填及び固化してリアクトルの放熱性及び固定を確保するようにしても良い。

１ 環状コア
１１、１２ コア部材
１３ 接着面
１４〜１６ 脚部
１７ 連結部
１７ａ 対面部
１７ｂ 膨出部
１８、１９ 脚部
２ コイル
２ａ、２ｂ コイル
２１ 引出線
２２ 引出側端部
２３ 非引出側端部
Ｃ 巻軸

Claims (7)

1. 少なくとも二本以上の脚部と、前記脚部を繋ぐ一対の連結部とを有する環状コアと、
   少なくとも何れかの前記脚部の周囲に装着されるコイルと、
   を備え、
   前記コイルは、巻軸及び外部と電気的に接続される引出線を有し、
   前記コイルの端部は、前記巻軸を基準にして、前記引出線が設けられた側である引出側端部と、前記引出線が設けられておらず、前記引出側端部より出っ張りの少ない非引出側端部とを有し、
   前記連結部は、前記脚部の間において、前記引出側端部と対面する対面部と、少なくとも前記非引出側端部と対面し、前記脚部が延びる方向に膨出した膨出部と、を有すること、
   を特徴とするリアクトル。
2. 二本の前記脚部には、前記コイルがそれぞれ装着され、
   一方の前記連結部は、前記対面部が一方の前記コイルの前記引出側端部と対面し、前記膨出部が他方の前記コイルの前記非引出側端部と対面し、
   他方の前記連結部は、前記対面部が前記他方の前記コイルの前記引出側端部と対面し、前記膨出部が前記一方の前記コイルの前記非引出側端部と対面すること、
   を特徴とする請求項１記載のリアクトル。
3. 前記環状コアは、同一形状の一対のコア部材を有し、
   前記一対のコア部材は、点対称に配置されていること、
   を特徴とする請求項１又は２記載のリアクトル。
4. 前記コア部材は、Ｅ字型コア又はＵ字型コアであること、
   を特徴とする請求項３記載のリアクトル。
5. 前記コア部材は、Ｅ字型コアであり、
   前記Ｅ字型コアの３本の前記脚部のうち両側の前記脚部は、長さが異なること、
   を特徴とする請求項４記載のリアクトル。
6. 前記コイルは、フラットワイズコイルであること、
   を特徴とする請求項１〜５の何れか記載のリアクトル。
7. 前記コイルは、前記コイルを構成する電線の厚みｔに対する前記電線の幅ｗの割合は１．２以上であること、
   を特徴とする請求項１〜６の何れか記載のリアクトル。

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