JP5093329B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、コンバータなどの部品に用いられるリアクトルと、リアクトルに用いられるコイルとに関するものである。

近年、普及が進みつつあるハイブリッド自動車には、電圧の昇降圧を行うコンバータが用いられ、そのコンバータの部品の一つとして、特許文献１に記載のリアクトルが知られている。

このリアクトルは、磁性材からなる環状のコアと、コアの外周の一部に形成された一対のコイルとを主要構成部材としている。このようなリアクトルは、例えば次のように構成する。予め一連の平角線をエッジワイズ巻きして一対のコイルを形成しておく。両コイルは、平角線の一部をヘアピン状に屈曲した連結部を介して互いに並列状態に配される。この連結部は、コイルのターン部の上面と面一に形成され、かつターン部の軸方向に突出して形成されている。そして、各コイルの内周に、磁性材料からなる複数の中間コア片をはめ込み、各中間コア片の間にギャップ板を介して中間コア片同士を接着し、さらに中間コア片群の端部同士を端部コア片で連結することで、環状のコアを形成する。これにより、コアの一部はコイルに覆われ、残部がコイルから露出されて、この露出されたコアの上面側に、極僅かなギャップを空けて連結部が配されることになる。

特開2008-28290号公報 図3、図4

しかし、上記の構成では、コイルの連結部が、ターン部と面一で、かつターン部からコイルの軸方向に突出しているため、リアクトルの投影面積が大型化するという問題があった。

つまり、コイルの連結部がターン部と面一であるため、コアの上面のうち、コイルに覆われる被覆面とコイルから露出する露出面を面一にせざるを得ない。その結果、コアに必要な体積を確保するには、コアをコイル軸方向に伸延してコイルから露出する部分を大きく採らざるを得ない。

一方、通常、上記のようなコアとコイルの組立体は、容器状のケースに収納して、冷媒が流通される冷却ベース上に装着したり、ケースに収納せずに冷却ベース上に装着される。コアをリアクトルの設置面（ケース底面や冷却ベース）に固定するには、例えば、門型などの取付部材でコアを設置面側に押え付ける。しかし、その際、コアの露出面と連結部とのギャップは極僅かにすぎないため、取付部材は連結部に並列させてコアの露出面を押えるしかなく、コアの露出面は、連結部と取付部材が並列可能な程度の面積を要することになる。その結果、コアは、コイル軸方向へのサイズが一層大きくなり、リアクトルを上方から見た投影面積が大きくならざるを得ないという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、投影面積をより小さくできるリアクトルと、そのリアクトルに用いられるコイルとを提供することにある。

本発明のリアクトルは、一連の巻線から構成されると共に連結部を介して並列された一対のコイルと、一部が両コイルに嵌め込まれ、残部が両コイルから露出する環状のコアとを備える。このリアクトルにおいて、前記コイルの連結部は、並列された前記両コイルのターン部で形成されるターン形成面よりもターン部の外側に突出されている。そして、リアクトルの設置面と実質的に並列関係となるコア表面のうち、コイルから露出する露出面が、コイルに覆われる被覆面よりも連結部側および連結部側とは反対側の少なくとも一方に突出されていることを特徴とする。

この構成によれば、一対のコイルをつなぐ連結部がコイルのターン形成面よりも外側に突出されているため、コア表面のうち、コイルから露出する露出面とコイルに覆われる被覆面を面一にしなくてもよい。その結果、従来のリアクトルと同等体積のコアとする場合、コイルから露出するコア部分の高さを従来のリアクトルに比して大きくし、同コア部分の露出幅（コイル軸方向の長さ）を小さくすることで、リアクトルの投影面積を小さくすることができる。

本発明のリアクトルにおいて、前記コアのうち、露出面が被覆面よりも前記連結部側に突出されていることが好ましい。

この構成によれば、コイルから露出するコア部分の高さを連結部側、例えば上方に突出させ、同コア部分の露出幅を狭めることができ、リアクトルの投影面積を小さくすることができる。

本発明のリアクトルにおいて、前記連結部と露出面との間に、コアをリアクトルの設置面に固定するための取付部材が介在されていることが好ましい。

この構成によれば、連結部と取付部材とを重ねて配することができ、両者を横並びに配する必要がない。そのため、コイルから露出するコア部分の露出幅を狭めることができ、リアクトルの投影面積の狭小化に寄与できる。

本発明のリアクトルにおいて、前記露出面が被覆面よりも前記連結部側とは反対側に突出されていることが好ましい。

この構成によれば、コイルから露出するコア部分の高さを連結部と反対側、例えば下方に突出させ、同コア部分の露出幅を狭めることができ、リアクトルの投影面積を小さくすることができる。特に、コアの上部側の被覆面と同露出面とを面一にした場合でも、コアの下部側の露出面を同被覆面よりも突出させることができ、リアクトルの投影面積の狭小化に寄与できる。

本発明のリアクトルにおいて、前記連結部が、コイルのターン形成面上に重なるように形成されていることが好ましい。

この構成によれば、連結部がコイルのターン形成面上に重なっているため、連結部はターン部の軸方向に突出しておらず、コイルから露出するコア部分の高さを任意に選択することができる。それに伴って、コイルから露出するコア部分の露出幅を広い自由度で狭めることができ、リアクトルの投影面積を小さくすることができる。

一方、本発明のリアクトル用コイルは、一連の巻線から構成されると共に連結部を介して並列された一対のコイルを備える。そして、前記連結部が、並列された前記両コイルのターン部で形成されるターン形成面よりもターン部の外側に突出されていることを特徴とする。

この構成によれば、一対のコイルをつなぐ連結部がコイルのターン形成面よりも外側に突出されているため、コア表面のうち、コイルから露出する露出面とコイルに覆われる被覆面を面一にする必要がない。その結果、従来のリアクトルと同等体積のコアとする場合、コイルから露出するコア部分の高さを従来のリアクトルに比して大きくし、同コア部分の露出幅（コイル軸方向の長さ）を小さくすることで、リアクトルの投影面積を小さくすることができる。

本発明のリアクトルによれば、リアクトルの投影面積をより小さくすることができ、リアクトルの設置に要する占有面積を小さくできる。

また、本発明のリアクトル用コイルによれば、投影面積の小さいリアクトルを構成することができる。

実施例１に係る本発明コイルを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。 実施例１に係る本発明リアクトルを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。 実施例に係るリアクトルと従来のリアクトルとを対比して示し、（Ａ）は従来リアクトルの模式説明図、（Ｂ）はコイルの連結部がターン形成面よりも外側に突出されたリアクトルの模式説明図である。 参考例１のリアクトルの側面図である。 参考例２に係るコイルの斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１を参照して本発明の実施例に係るコイルを、図２を参照して図１のコイルを用いたリアクトルを説明する。

＜コイル＞
まず、図１に示すように、コイル10は、絶縁被覆を有する平角銅線（巻線）をらせん状にエッジワイズ巻きして構成され、その軸方向と直交する方向に並列される第一コイル10Aと第二コイル10Bの一対から構成される。第一・第二コイル10A、10Bは、互いに同一巻数で、軸方向から見た形状がほぼ矩形のコイルである。また、これら両コイル10A、10Bは、接合部のない一本の巻線で構成されている。即ち、コイル10の一端側において、巻線の始端11と終端12が上方に引き出され、コイル10の他端側において、巻線をヘアピン状に屈曲した連結部13を介して第一コイル10Aと第二コイル10Bとを連結している。連結部13は、上方に向けて立ち上がる第一コイル10Aの終端部を、同コイル10Aの巻回方向に沿ってエッジワイズ曲げして第二コイル10Bから離れる方向に巻線を伸延し、続いて巻線をフラットワイズ曲げして第二コイル10B側に折り返して第一コイル10Aの側方に引き出させることで形成している。そして、この第一コイル10Aの側方に引き出された巻線は、下方にエッジワイズ曲げすることで第二コイル10Bへとつながっている。この構成により、第一コイル10Aと第二コイル10Bの巻回方向は同一となっている。

ここで、図１（Ｂ）に示すように、コイルのうち、連結部13以外の箇所、すなわち巻線を巻回してターンが形成された箇所をターン部14とし、両コイル10A、10Bのターン部14の上面を含む平面を上部ターン形成面15Uとし、これに対向するターン部14の下面を含む平面を下部ターン形成面15Lとする。本例のコイルは、連結部13が上部ターン形成面15Uよりも上方に突出している。より具体的には、平角銅線の幅の半分程度、連結部13を上部ターン形成面15Uよりも上方に突出させている。この構成により、連結部13が上部ターン形成面15Uと面一に形成された従来のコイルに比べて、連結部13の下方には平角銅線の幅の半分程度の高さに相当する余分のスペースが形成される。

＜リアクトル＞
次に、図２に基づいて、上記コイルにコアを組み合わせた本発明の実施例に係るリアクトル100を説明する。

このコア20は、各コイル10A、10B内に嵌め込まれる複数の中間コア片21と、各コイル10A、10Bの端部に露出される一対の端部コア片22とを組み合わせて環状に構成されている。例えば、一つのコイルに対して３つの中間コア片21を嵌め込み、両コイル10A、10B内に位置する中間コア片21の端部同士を端部コア片22で連結する。中間コア片21は、磁性材からなって各コイル10A、10B内に収納可能な断面のブロックであり、端部コア片22も磁性材からなって両コイル10A、10Bの端部をほぼ覆うような広さの扁平ブロックである。いずれのコア片21,22も、磁性粉末の圧粉成形体や電磁積層鋼板などで構成できる。一般に、リアクトルのインダクタンスを調整するため、各コア片21,22の間には、アルミナなどの非磁性材からなるギャップ板（図示略）が介在される。各コア片21,22の分割数やギャップ板の数或いはこれら部材の形状は、特に限定されない。これら各コア片21,22とギャップ板は、適宜な接着剤で接合される。

ここで、図２（Ｂ）に示すように、コア20のうち、端部コア片22の上面を上部露出面22U、下面を下部露出面22L、中間コア片21の上面を上部被覆面21U、下面を下部被覆面21Lとする。これら上部被覆面21Uおよび下部被覆面21Lが、リアクトルの設置面（ケースの底面や冷却ベース表面で図示略）と実質的に並列関係となる面である。本例のリアクトル100は、連結部が上部ターン形成面と面一に形成されたコイルを用いた従来のリアクトルに比べて、連結部13の下面と上部被覆面21Uとの間に、平角銅線の幅の半分程度の高さに相当する余分のスペースが形成される。そのため、上部露出面22Uと上部被覆面21Uを面一にする必要がなく上部露出面22Uを上部被覆面21Uよりも高くして、上記スペースに相当する高さ以内の範囲で、端部コア片22の高さを大きくすることができる。それに伴って端部コア片22の幅W₂₂を狭めることができるため、従来のリアクトルのコアと同等の体積を確保しながらも、リアクトル100を上方から見た際の投影面積を小さくすることができる。

なお、本例のリアクトル100では、コアの下部露出面22Lを下部被覆面21Lよりも下方に突出させ、かつ下部露出面22Lをコイルの下部ターン形成面15Lよりも下方に突出させている。そのため、コア20をリアクトル100の設置面に固定する場合、下部露出面22Lを設置面に面接触させることができ、コイル10の熱を中間コア片21、端部コア片22を介して設置面側に効率的に放熱することができる。さらに、設置面と下部ターン形成面15Lとの間に、窒化珪素などの熱伝導率の高い放熱板（図示略）を介在させ、下部露出面22Lと放熱板の下面を面一にすれば、下部ターン形成面15Lからも放熱板を介して設置面に放熱することができ、一層リアクトル100の放熱性を高めることができる。もちろん、下部露出面22Lと下部ターン形成面15Lを面一にして、両面がリアクトル100の設置面に面接触するようにしてもよい。

以上の本発明リアクトルのメリットを、図３の模式図に基づいてより具体的に説明する。

従来のリアクトルでは、図３（Ａ）に示すように、コイル10の上部ターン形成面15Uと連結部13が面一に構成されている。そのため、コア20の上部被覆面21Uと上部露出面22Uとを面一にせざるを得ない。その結果、コア20が所定の体積を確保するには、端部コア22の幅を大きくせざるを得ず、リアクトルの投影面積が大きくなる。つまり、リアクトルの幅W_LCが広くなってしまう。

一方、本発明のリアクトルでは、図３（Ｂ）に示すように、連結部13をコイル10の上部ターン形成面15Uよりも上方に突出させている。この図では、リアクトルを小型化できるメリットをより明確化するため、連結部13を上部ターン形成面15Uより巻線の幅に相当する高さ分高くしたコイル10を示している。この場合、コア20の上部被覆面21Uと上部露出面22Uとを面一にする必要がないため、上部露出面22Uを上部被覆面21Uよりも上方に突出させて、端部コア22の高さを高く採ることができる。そのため、従来のリアクトルと同様のコア体積を確保するには、端部コア22の幅、つまり上部露出面22Uの幅を小さくすることができる。その結果、本発明リアクトルの幅W_LI＜従来リアクトルの幅W_LCとすることができ、リアクトルの投影面積を小さくすることができる。

＜その他の構成＞
上記の実施例に係るリアクトルには、さらに以下の構成の少なくとも一つを付加することができる。

（ボビン）
通常、コアとコイルとの間、つまり中間コア片とコイルとの間には、絶縁材料からなる筒状ボビンが介在される。例えば、一対の[型のプラスチック成形体を組み合わせて角パイプ状にすることで、コアのうちコイルで覆われる箇所を筒状ボビンで覆う。この筒状ボビンは、コアとコイルとを同軸状に配置する位置合わせと、コアとコイルの絶縁確保とを主たる機能とする。さらに、中間コア片の外側に嵌め込まれ、かつ端部コア片とコイル端部との間に介在される枠状ボビンを用いても良い。この枠状ボビンは、コイルの端部を押えると共に、コイルと端部コア片との絶縁確保にも寄与する。

（ケース）
ケースは、上述したコアとコイルの組立体を収納し、この組立体からの熱を、ケースを介して放熱させる。このケースは、通常、前後左右の各側面および底面を備え、上部が開口した容器状のものが利用される。ケースの構成材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの放熱性の高い金属材料が好適に利用できる。但し、本発明のリアクトルでは、コアとコイルの組立体はケースへ収納することなくそのままリアクトルとして用いても良いし、ケースへ収納して用いても良い。ケースを用いなければ、リアクトルを小型化できる。一方、ケースを用いた場合、コアとコイルの組立体を機械的に保護しやすい。通常、上記組立体とケースとの間には、次述する封止材が充填される。

（封止材）
封止材は、コイルとコアの組立体の周囲を覆い、組立体の機械的保護を図る。その他、封止材の機能には、リアクトルを励磁した際に生じる振動を吸収することや、コイルを覆って機械的・電気的に保護することが挙げられる。また、ケースを用いた場合、コイルとケースとの絶縁性を一層高める機能や、ケースに収納されているコアやコイルなどの構成部材をケース内に保持させる機能、或いはコイルの熱をケースに伝導させる機能も持つ。もちろん、ケースを用いない場合に、コイルとコアの組立体を封止材で覆っても良い。この封止材には、コアやコイルの最高到達温度において、軟化しない絶縁材料が好適に利用できる。例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂などが挙げられる。

［参考例1］
次に、コアをリアクトルの設置面に固定するための取付部材を用いたリアクトルを図４に基づいて説明する。

本例のリアクトル100は、連結部13を上部ターン形成面15Uよりも上方に突出させることで、連結部13と上部被覆面21Uとの間に空間を形成し、その空間内に取付部材30を介在させている。取付部材30は、例えば、門型の金具を利用することができる。より具体的には、コアの上部露出面22Uに面する押圧片31と、押圧片31の両側から端部コア22を挟んで下方に伸びる脚片32とを備え、脚片32の先端にリアクトル100の設置面に面する取付部33が形成されたものが挙げられる。取付部33にはボルト孔を形成しておき、そこにボルトを挿入して、取付部33をリアクトルの設置面に固定する。

本例のリアクトル100によれば、連結部13と取付部材30とを重なった状態に配置することができ、並列する必要がない。そのため、端部コア22の上部露出面22Uを上部ターン形成面21Uよりも上方に突出させ、かつ端部コア22の幅を狭めることで、リアクトル100の投影面積を小さくすることができる。

なお、本例の変形例として、上部露出面22Uを上部被覆面21Uと面一にしてもよい。例えば、端部コアの上部露出面22Uは上部被覆面21Uから上方には突出させず、連結部13と上部露出面22Uの間に取付部材30が介在されるだけとする。この場合、端部コイル22の上部露出面22Uは、上方に突出させることができないが、下部露出面22Lを下方に突出させることで、端部コア22の幅を小さくし、リアクトル100の投影面積を小さくすることができる。

［参考例2］
次に、実施例１とは異なる構成のコイルを図５に基づいて説明する。このコイル10は、コイルの連結部13がターン部の上に重なるように構成されている点で図１のコイルと相違する。他の構成は、図１のコイルと共通であるため、以下の説明は相違点を中心に行う。

本例のコイルの連結部13は、次のように構成されている。まず、上方に向けて立ち上がる第一コイル10Aの終端部を、同コイル10Aのターン部上に重なるようにほぼ直角にフラットワイズ曲げしてコイル一端側（始端側）に伸延し、次にその巻線をほぼ直角にエッジワイズ曲げして第二コイル10B側に伸延する。さらに、その巻線をほぼ直角にエッジワイズ曲げしてコイル他端側に伸延し、続いて巻線をほぼ直角にフラットワイズ曲げして、下方に伸延させる。そして、この下方に伸延する巻線が第二コイル10Bを形成してゆく。この構成によれば、リアクトルを平面視した場合（上部ターン形成面15Uと直交する方向から見た場合）、連結部13は、両コイル10A、10Bの上部に間隔を空けて重なって位置するため、両コイル10A、10Bの軸方向に突出されることがない。そのため、端部コアの上部露出面は、連結部13に干渉されることが全くなく、任意の高さに設定することができる。

つまり、本例のコイルによっても、実施例１や参考例１と同様に、コアの上部被覆面と上部露出面とを面一にする必要がない。そのため、上部露出面を上部被覆面よりも上方に突出させて、端部コアの高さを高く採ることができ、投影面積の小さなリアクトルを構成できる。もちろん、コアの下部露出面を下部被覆面よりも下方に突出させても良い。

また、本例のコイル10によれば、連結部13を構成する平角銅線の幅方向が上部ターン形成面15Uに沿っているため、上部ターン形成面15U上に突出する連結部13の高さを小さく押えることもできる。

なお、上述した各例は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、コイルの巻線は平角線に限らず、断面が円や多角形の線でも良い。また、図２における連結部をさらに上方に位置させ、コアの上部露出面をコイルの上部ターン形成面と面一にしてもよい。

上述のコイルは、リアクトルの構成部品として利用することができ、本発明のリアクトルは、コンバータなどの部品として利用することができる。特に、ハイブリッド自動車や電気自動車などの自動車用リアクトルとして好適に利用することができる。

100 リアクトル
10 コイル
10A 第一コイル 10B 第二コイル
11 始端 12 終端 13 連結部 14 ターン部
15U 上部ターン形成面 15L 下部ターン形成面
20 コア
21 中間コア片 22 端部コア片
21U 上部被覆面 21L 下部被覆面 22U 上部露出面 22L 下部露出面
30 取付部材
31 押圧片 32 脚片 33 取付部

Claims (7)

1. 一連の巻線から構成されると共に連結部を介して並列された一対のコイルと、一部が両コイルに嵌め込まれ、残部が両コイルから露出する環状のコアとを備えるリアクトルであって、
   前記各コイルは、平角線を具える巻線をエッジワイズ巻きして構成され、
   前記コイルの連結部は、前記巻線をヘアピン状に屈曲して構成されており、並列された両コイルのターン部で形成されるターン形成面よりもターン部の外側に突出され、
   リアクトルの設置面と実質的に並列関係となるコア表面のうち、コイルから露出する露出面が、コイルに覆われる被覆面よりも連結部側および連結部側とは反対側の少なくとも一方に突出され、
   前記コイルの連結部が前記コア表面の露出面の上方に配置されていると共に、この連結部が配置されている露出面が前記ターン形成面よりも下方に配置されていることを特徴とするリアクトル。
2. 前記コア表面のうち、連結部側に配置される露出面と被覆面とが面一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. 前記露出面が被覆面よりも前記連結部側に突出されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
4. 前記コイルの連結部の下面が、前記ターン形成面よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリアクトル。
5. 前記コアは、両コイルから露出する一対の端部コア片を具えており、
   前記各端部コア片の連結部側の露出面は、前記被覆面に対する突出高さが異なることを特徴とする請求項１又は３に記載のリアクトル。
6. 前記コイルの連結部は、前記ターン形成面よりも前記平角線の幅の半分程度突出していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載のリアクトル。
7. 前記露出面が被覆面よりも前記連結部側とは反対側に突出されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のリアクトル。

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