JP2020088347A

JP2020088347A - リアクトル

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Publication number: JP2020088347A
Application number: JP2018225755A
Authority: JP
Inventors: 亨和二宮; Yukikazu Ninomiya; 直紀井上; Naoki Inoue; 優斗岡戸; Yuto Okado
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: JP7169181B2

Abstract

【課題】低損失であり、小型化を図ることができるリアクトルを提供する。
【解決手段】直線状に延びる脚部を有するコア２と、脚部に電線が巻回されたコイル３と、を備えたリアクトル１であって、コイル３の巻軸は、直線状に延び、同一の前記脚部には、コイル３が１つ巻回され、下記数式（１）によって算出されるλの値が、０．７５≦λ≦Ｘ（但し、Ｘは下記数式（２）によって求める。）である。

（上記数式（１）及び数式（２）において、Ｎは「コイルの巻数」を、ｐは「コアに巻回されるコイルの数」を、ｔは「コイルの巻軸方向の電線の厚み」を、ｗは「コイルの巻軸方向と直交する方向の電線の幅」を、表す。）
【選択図】図１

Description

本発明は、リアクトルに関する。

リアクトルは、コアと、電線からなるコイルと、を備え、コイルがコアに巻回されている。リアクトルは、ハイブリッド自動車、電気自動車や燃料電池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。そのため、リアクトルは、各用途に応じて最適な仕様、寸法が求められる。特に、近年では、リアクトルを設置するスペースが小さくなっており、リアクトルの小型化が望まれる一方で、低損失なリアクトルが求められている。

特開２００９−９９５９６号公報

コアに巻回する電線は、種々の形状がある。例えば、コイルの巻軸方向の電線の厚みとコイルの巻軸方向と直交する方向の電線の幅の組み合わせは様々である。このコイルの巻軸方向の電線の厚みをコイルの巻軸方向と直交する方向の電線の幅で除した比率を電線のアスペクト比という。

そのため、当該リアクトルに求めるインダクタンス値が決まり、コイルの巻数が決定できたとしても、小型化かつ低損失なリアクトルとなる最適な電線のアスペクト比を求めることは困難であり、リアクトルの大型化、直流抵抗の増大により損失の増加を招くおそれがある。また、リアクトルの設計者が、試行錯誤の末に最適な電線のアスペクト比を求めることになり、作業効率の低下を招くおそれがある。

本発明の発明者は、電線のアスペクト比、コアに巻回されたコイルの数及びコイルの巻数の関係性について鋭意検討した。その結果、これらの要素によって、小型化かつ低損失なリアクトルを導くことができることを発見した。

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、低損失であり、小型化を図ることが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、直線状に延びる脚部を有するコアと、前記脚部に電線が巻回されたコイルと、を備えたリアクトルであって、前記コイルの巻軸は、直線状に延び、同一の前記脚部には、前記コイルが１つ巻回され、下記数式（１）によって算出されるλの値が、０．７５≦λ≦Ｘ（但し、Ｘは下記数式（２）によって求める。）であることを特徴とする。

（前記数式（１）及び数式（２）において、Ｎは「コイルの巻数」を、ｐは「コアに巻回されるコイルの数」を、ｔは「コイルの巻軸方向の電線の厚み」を、ｗは「コイルの巻軸方向と直交する方向の電線の幅」を、表す。）

前記巻軸方向の電線の厚みｔの値は、前記巻軸方向と直交する電線の幅ｗの値よりも大きくしてもよい。また、前記数式（１）におけるλの値が、２≦λ≦３としてもよい。

本発明によれば、低損失であり、小型化を図ることができるリアクトルを得ることができる。

第１の実施形態のリアクトルの斜視図である。電線の厚みｔ及び電線の幅ｗを示す模式図である。第２の実施形態のリアクトルの斜視図である。実施例１の３回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例１の６回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例１の１２回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例１の１８回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例１の２４回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例２の３回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例２の６回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例２の１２回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例２の１８回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。実施例２の２４回巻のコイルにおけるリアクトルの体積及び直流抵抗を示すグラフである。他の実施形態のリアクトルの斜視図である。

（第１の実施形態）
本実施形態に係るリアクトルの構成について図面を参照しつつ説明する。図１は、第１の実施形態に係るリアクトルの斜視図である。リアクトル１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電磁気部品であり、電圧の昇降圧等に使用される。図１に示すように、本実施形態のリアクトル１は、コア２及びコイル３を備える。

コア２は、一対のＥ字型コア２１により構成される。Ｅ字型コア２１は、巻軸方向と平行に延びた中脚部２２と、中脚部２２と同方向に延び、中脚部２２の両側に配置された外脚部２３と、中脚部２２及び外脚部２３と直交し、中脚部２２の端部及び外脚部２３の端部を繋ぐ連結部２４を有する。Ｅ字型コア２１は、圧粉磁心、フェライトコア、又は積層鋼板などの磁性体からなる。

コア２は、概略θ形状を有する。つまり、コア２は、一対のＥ字型コア２１の外脚部２３及び中脚部２２を向かい合わせ、互いの外脚部２３及び中脚部２２の端部同士が接合されることで、概略θ形状となる。また、コア２は、直線状に延びた脚部を有する。外脚部２３及び中脚部２２の端部同士を接合させることで、１つの脚部を構成する。つまり、本実施形態では、１つの中脚部２２と２つの外脚部２３によって、コア２は、３つの脚部を有する。

コイル３は、コア２が有する脚部に巻回される。本実施形態では、中脚部２２によって構成される脚部に巻回されている。同一の脚部には、コイルが１つ巻回される。換言すれば、１つの脚部に２つ以上のコイル３が巻回されない。コイル３は、絶縁被膜された電線である。コイル３の巻軸は、直線状に延びている。即ち、コイル３は、１巻きごとに巻き位置を巻軸方向にずらした筒形形状を有する。電線は、断面が矩形状の平角線である。コイルの矩形断面積は一定である。

コイル３は、下記数式（１）によって算出されるλの値が、０．７５≦λ≦Ｘの範囲となるように、コア１に巻回されている。Ｘの値については、下記数式（２）により算出する。

ただし、上記数式（１）及び数式（２）において、Ｎは「コイル３の巻数」を、ｐは「コア２に巻回されるコイル３の数」を、表す。また、図２に示すように、ｔは「コイル３の巻軸方向の電線の厚み」を、ｗは「コイル３の巻軸方向と直交する方向の電線の幅」を、表す。

上記数式（１）及び（２）に基づいて算出されたλの値が、０．７５≦λ≦Ｘの範囲となる場合、後述するように、低損失化を図りつつ、リアクトル１の小型化を図ることができる。

つまり、コイル３の巻数及びコア２に巻回するコイル３の数が決まれば、上記数式（２）によって、λの上限値であるＸを算出することができる。Ｘの値を算出できると、λの範囲が定まる。λの範囲が定まれば、電線の厚みｔと電線の幅ｗとの比である電線のアスペクト比の範囲が定まる。電線の断面積が一定である場合には、電線のアスペクト比が定まれば、電線の厚みｔと電線の幅ｗの値を算出することができる。

このように、上記数式（１）によって算出されるλの値が、０．７５≦λ≦Ｘ（Ｘは上記数式（２）によって求める）とすることで、リアクトル１の設計者は試行錯誤することなく、容易に小型化及び低損失化を図ることができるリアクトルの電線の厚みｔ及び電線の幅ｗを求めることができる。

コイル３の巻軸方向の電線の厚みｔの値は、コイル３の巻軸方向と直交する方向の電線の幅ｗの値より大きい方が好ましい。電線の厚みｔの値を電線の幅ｗの値より大きくすることで、電線に流れる電流の経路を短くすることができ、直流抵抗を低減させることができ、低損失なリアクトル１を得ることができる。

また、電線を折り曲げて使用する場合、コイル３には、湾曲して曲がった湾曲部が生じる。この湾曲部を鋭く曲げて形成すると、曲げた時にかかる応力により電線に塗装された絶縁被膜が割れて絶縁性を劣化させるおそれがある。そして、電線の幅ｗの値が電線の厚みｔの値より大きいと、湾曲部を大きく湾曲させる必要がある。換言すれば、電線の厚みｔの値が電線の幅ｗの値より大きいと、湾曲部を小さく湾曲させることができる。この湾曲部の大きさによって、コア１とコイル３の距離が左右される。よって、電線の厚みｔの値が電線の幅ｗの値より大きいと、コア１とコイル３の絶縁に必要な最低限の距離を保つことができるので、リアクトル１の小型化を図ることができる。特に、コイル３の巻数が少ない場合には、リアクトルの巻軸方向の長さも短くでき、更なる小型化を図ることができる。

また、上記数式（１）におけるλの値が、２≦λ≦３であると好ましい。λの範囲が２以上３以下である場合、後述するように、リアクトル１の体積は最も小さくなる。よって、λの値を２≦λ≦３の範囲にすることにより、より容易にリアクトル１の小型化を図りつつ、低損失なリアクトル１を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図３は、第２の実施形態のリアクトルの斜視図である。図３に示すように、本実施形態では、コア２の形状及びコイル３の数が第１の実施形態と異なる。具体的には、コア２は、一対のＵ字型コア２５により構成される。Ｕ字型コア２５は、巻軸方向と平行に延びた一対の外脚部２６と、一対の外脚部２６を繋ぐ連結部２７を有する。コイル３は、一対の外脚部２６により構成される脚部にそれぞれ巻回されている。即ち、本実施形態では、コア２に巻回されたコイル３は、２つである。

このように、コア２の形状及びコア２に巻回されるコイル３の数を変えた場合であっても、後述するように、上記数式（１）及び（２）に基づいて算出されたλの値が、０．７５≦λ≦Ｘの範囲となる場合に、低損失化を図りつつ、リアクトル１の小型化を図ることができる。

また、本実施形態においても、上記数式（１）におけるλの値が、２≦λ≦３の範囲にある場合、リアクトル１の体積は最も小さくなる。よって、λの値を２≦λ≦３の範囲にすることにより、より容易にリアクトル１の小型化を図りつつ、低損失なリアクトル１を得ることができる。

（実施例１）
次に、実施例１について、表１から表５、図４から図８を参照しつつ説明する。第１の実施形態と同様、２つのＥ字型コア２１を接続させたコア２の中脚部２２にコイル３を巻回したリアクトル１を作製した。即ち、コア２に巻回されるコイルの数ｐは１つである。コイル３の巻数Ｎが、３回巻、６回巻、１２回巻、１８回巻及び２４回巻の５パターンのリアクトル１を作製した。なお、電線の断面積は、１０ｍｍ^２で一定にした。また、５パターン作製した全てのリアクトル１において、コア２の断面積は同一にしている。

この５パターンのコイル３の巻軸方向の電線の厚さｔ、巻軸方向と直交する方向の電線の幅ｗを変えて、即ち、電線のアスペクト比を変えて、リアクトル１の体積及び直流抵抗値を測定した。リアクトル１の体積とは、図１に示す、Ｘ軸方向の最も長い部分のリアクトル１の長さと、Ｙ軸方向の最も長い部分のリアクトル１の長さと、Ｚ軸方向の最も長い部分のリアクトル１の長さと、を乗じた大きさのこという。また、アスペクト比とは、電線の厚みｔを電線の幅ｗで除した値である。

各結果を表１から表５及び図４から図８に示す。なお、図４から図８に示す縦軸と平行な点線は、各巻数における上記数式（２）に基づいて算出した０．７５≦λ≦Ｘの範囲を示し、横軸と平行な点線は、当該巻数のλの範囲におけるリアクトルの体積の最大値を示す。

表１及び図４は、巻数が３回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を測定した結果である。なお、コア２に巻回されたコイルが１つ、コイル３の巻数は３回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、１１．０１となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦１１．０１となる。

表２及び図５は、巻数が６回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を算出した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が１つ、コイル３の巻数は６回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、８．７０となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦８．７０となる。

表３及び図６は、巻数が１２回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を算出した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が１つ、コイル３の巻数は１２回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、６．８７となる。即ち、本発明におけるλの値は、０．７５≦λ≦６．８７となる。

表４及び図７は、巻数が１８回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を算出した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が１つ、コイル３の巻数は１８回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、５．９９となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦５．９９となる。

表５及び図８は、巻数が２４回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を算出した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が１つ、コイル３の巻数は２４回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、５．４３となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦５．４３となる。

以上のように、表１から表５、及び図４から図８に示すように、各巻数において算出されたλの範囲のリアクトル１の体積は、小さい結果になるとともに、良好な直流抵抗値を保っている。λの値が、０．７５より小さいとリアクトルの体積が急激に増加するため、リアクトルの大型化を招き望ましくない。また、λの値が、上記数式（２）で算出するＸより大きくなると、λの値の下限である０．７５におけるリアクトルの体積より大きくなるので望ましくない。よって、上記数式（１）で算出したλの値が、０．７５≦λ≦Ｘ（Ｘの値については、上記数式（２）により算出する。）の範囲にある場合に、低損失、かつ、小型化を実現したリアクトルを得ることができる。

特に、３回巻の場合、λが３．００のときに、６回巻の場合、λが２．５０のときに、１２回巻の場合、λが２．００のときに、１８回巻の場合、λが２．００のときに、２４回巻の場合、λが２．００のときに、リアクトル１の体積は最も小さくなっている。

即ち、λの値の範囲が、２．００以上３．００以下の範囲のときにリアクトル１の体積は、最も小さくなる。λの値の範囲を２．００以上３．００以下にすることで、電線のアスペクト比の範囲も狭まるので、電線の厚みｔと電線の幅ｗとをより効率良く組み合わせることができると同時に、リアクトル１の更なる小型化を図ることができる。

また、電線の厚みｔを電線の幅ｗよりも大きくするほど、直流抵抗値を低減している。即ち、電線の厚みｔを電線の幅ｗよりも大きくすることで、リアクトル１の小型化を図りつつ、より直流抵抗値が低い低損失なリアクトル１を得ることができる。

（実施例２）
次に、実施例２について、表６から表１０、図９から図１３を参照しつつ説明する。本実施例では、第２の実施形態と同様、一対のＵ字型形コア２１を接続させたコア２の外脚部２６それぞれにコイル３を巻回したリアクトル１を作製した。即ち、コア２に巻回されるコイルの数ｐは２つである。

コイル３の巻数が、３回巻、６回巻、１２回巻、１８回巻及び２４回巻の５パターンのリアクトル１を作製した。このコイル３の巻数は、２つあるコイル３それぞれが当該巻数巻回されている。この５パターンのコイル３の巻軸方向の電線の厚さｔ、巻軸方向と直交する方向の電線の幅ｗを変えて、リアクトル１の体積及び直流抵抗値を測定した。本実施例においても、電線の断面積は、１０ｍｍ^２で一定にした。また、５パターン作製した全てのリアクトル１において、コア２の断面積は同一にしている。各結果を表６から表１０及び図９から図１３に示す。なお、図９から図１３に示す点線は、実施例１の図４から図８に示したものと同様のものである。

表６及び図９は、巻数が３回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を測定した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が２つ、コイル３の巻数は３回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、１５．５７となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦１５．５７となる。

表７及び図１０は、巻数が６回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を測定した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が２つ、コイル３の巻数は６回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、１２．３０となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦１２．３０となる。

表８及び図１１は、巻数が１２回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を測定した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が２つ、コイル３の巻数は１２回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、９．７２となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦９．７２となる。

表９及び図１２は、巻数が１８回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を測定した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が２つ、コイル３の巻数は１８回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、８．４７となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦８．４７となる。

表１０及び図１３は、巻数が２４回巻のコイル３を巻回したリアクトル１における直流抵抗値及びリアクトル１の体積を測定した結果である。なお、コア２に巻回されたコイル３が２つ、コイル３の巻数は２４回巻なので、上記数式（２）によりＸの値を算出すると、７．６８となる。即ち、本発明におけるλの値の範囲は、０．７５≦λ≦７．６８となる。

以上のように、表６から表１０、及び図９から図１３に示すように、各巻数のλの範囲におけるリアクトルの体積は、小さくなるとともに、良好な直流抵抗値を保っている。λの値が、０．７５より小さいとリアクトルの体積が急激に増加するため、リアクトルの大型化を招き望ましくない。また、λの値が、上記数式（２）で算出するＸより大きくなると、λの値の下限である０．７５におけるリアクトルの体積より大きくなる傾向があるので望ましくない。よって、コア２の形状を変え、コア２に巻回されているコイル３の数を変えた場合であっても、上記数式（１）で算出したλの値が、０．７５≦λ≦Ｘ（Ｘの値については、上記数式（２）により算出する。）の範囲にある場合に、低損失、かつ、小型化を実現したリアクトルを得られることが示されている。

また、３回巻の場合、λが３．００のときに、６回巻の場合、λが３．００のときに、１２回巻の場合、λが２．５０のときに、１８回巻の場合、λが２．５０のときに、２４回巻の場合、λが２．５０のときに、リアクトル１の体積は最も小さくなっている。

即ち、λの値の範囲が、２．００以上３．００以下の範囲のときにリアクトル１の体積は、最も小さくなる。つまり、コア２の形状やコア２に巻回されているコイル３の個数を変えても、リアクトル１の体積が最も小さくなるλの範囲は、２．００以上３．００以下になるということが示されている。

また、表６から表１０に示すように、各巻数におけるリアクトル１の体積が最小になるのは、電線の厚みｔの値が電線の幅ｗの値よりも大きい場合に占める。よって、電線の厚みｔの値を電線の幅ｗの値よりも大きくすることで、リアクトル１を小型化できる範囲をより狭めることができ、より容易にリアクトル１の小型化を図ることができる。

（他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。上記のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

実施例２では、コア２は、一対のＵ字型コア２５により構成し、２つのコイル３を外脚部２６にそれぞれ巻回させたが、コイル３を２つ有する形態はこれに限定されない。例えば、図１４に示すように、コア２は、第１の実施形態のように一対のＥ字型コア２１により構成され、２つ有する外脚部２３にそれぞれコイル３を巻回してもよい。このような形態であっても、各巻数におけるリアクトル１の体積の変化は、実施例２と同様の結果である。つまり、上記数式（１）で算出したλの値が、０．７５≦λ≦Ｘ（Ｘの値については、上記数式（２）により算出する。）の範囲にある場合に、低損失、かつ、小型化を図ることができるリアクトル１を得ることができる。したがって、図１４で示すような形態であっても、上記数式（１）及び（２）を適用することは可能である。

１リアクトル
２コア
２１Ｅ字型コア
２２中脚部
２３外脚部
２４連結部
２５Ｕ字型コア
２６外脚部
２７連結部
３コイル

Claims

直線状に延びる脚部を有するコアと、前記脚部に電線が巻回されたコイルと、を備えたリアクトルであって、
前記コイルの巻軸は、直線状に延び、
同一の前記脚部には、前記コイルが１つ巻回され、
下記数式（１）によって算出されるλの値が、
０．７５≦λ≦Ｘ（但し、Ｘは下記数式（２）によって求める。）
であることを特徴とするリアクトル。

（前記数式（１）及び数式（２）において、Ｎは「コイルの巻数」を、ｐは「コアに巻回されるコイルの数」を、ｔは「コイルの巻軸方向の電線の厚み」を、ｗは「コイルの巻軸方向と直交する方向の電線の幅」を、表す。）
前記巻軸方向の電線の厚みｔの値は、前記巻軸方向と直交する電線の幅ｗの値よりも大きいこと、
を特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
前記数式（１）におけるλの値が、
２≦λ≦３
であることを特徴とする請求項１又は２に記載のリアクトル。