JP5267802B2

JP5267802B2 - リアクトル集合体

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Publication number: JP5267802B2
Application number: JP2009063581A
Authority: JP
Inventors: 伸一郎山本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: JP2010219254A

Description

本発明は、車載用DC-DCコンバータといった電力変換装置の構成部品に好適なリアクトル集合体に関するものである。特に、小型で、漏れインダクタンスが小さいリアクトル集合体に関する。

電圧の昇圧動作や降圧動作を行う回路の部品の一つに、リアクトルがある。例えば、特許文献1は、ハイブリッド自動車などの車両に載置されるコンバータの構成部品として、スイッチング素子のON/OFFのスイッチング動作により発生する電流を平滑化するリアクトルを開示している。このリアクトルは、環状の磁性コアと、この磁性コアに具える一対のコイル巻回部の外周に横並びにするように配置される一対のコイル素子を有するコイルと、これら磁性コアとコイルとの組合体を収納するケースと、ケース内に充填されて上記組合体を封止する樹脂とを具える。また、このリアクトルは、通電に伴い発熱したコイルなどを冷却できるように冷却ベースに上記ケースを設置して使用される。

近年、従来のコンバータよりもスイッチング損失が少ないソフトスイッチングが可能な共振形のDC-DCコンバータが検討されている(特許文献2)。このコンバータは、平滑用のリアクトルに加えて、共振用のリアクトル及び共振用のスイッチング素子を具える補助回路を具える。

特開2007-116066号公報特開2003-033013号公報

しかし、特許文献2では、ソフトスイッチングが可能なリアクトル(インダクタンス)の具体的な構造を開示していない。例えば、平滑用リアクトルと共振用リアクトルとを独立した別部材とすることが考えられる。ところが、この構成は、双方のリアクトルを設置するスペースが必要となるため、設置面積が小さく、小型であることが望まれる車載部品などに好ましくない。

設置面積を小さくするために環状の磁性コアを平滑用と共振用とで共有して利用する構成を検討した。例えば、図4(I)に示すリアクトルL_Iのように、平滑用コイル110と共振用コイル120とが、磁性コア100のコイル巻回部100cの外周に、同軸に隣り合って配置された縦並び形態を検討した。しかし、縦並び形態では、漏れインダクタンス(リーケージ)が大きくなった。漏れインダクタンスが大き過ぎると、ソフトスイッチングを行うにあたり、例えば、電流のパルス幅が大きくなるなどして、ソフトスイッチングを適切に行えなくなる恐れがある。

一方、図4(II)に示すリアクトルL_IIのように、コイル巻回部100cの外周に平滑用コイル110と共振用コイル120とを同心状に重ねて配置する積層形態を検討した。しかし、積層形態は、上記縦並び形態よりも漏れインダクタンスを小さくできるものの、リアクトルがコイルの軸方向と直交する方向に大型化する。例えば、重ね合わされたコイルを配置できるようにコイル巻回部100c間を広げることで、磁性コア100の幅(コイルの軸方向と直交する方向であって、かつ両コイル素子の並列方向の大きさ(距離))が大きくなることから、結果として、コイルも含めたリアクトルL_IIの幅Wが大きくなる。また、コイルが積み重ねられることで、リアクトルL_IIの高さ(コイルの軸方向と直交する方向であって、かつ両コイル素子の並列方向に直交する方向の大きさ(距離))が大きくなる(嵩高くなる)。そのため、漏れインダクタンスが小さく、かつ小型な構成が望まれる。

そこで、本発明の目的は、小型で、漏れインダクタンスが小さいリアクトル集合体を提供することにある。

本発明は、平滑用リアクトルとして機能するコイルと、共振用リアクトルとして機能するコイルとに共通に磁性コアを具えると共に、両コイルの配置形態を工夫することで上記目的を達成する。

本発明のリアクトル集合体は、環状の磁性コアと、この磁性コアの外周に配置される主コイル部及び副コイル部とを具える。主コイル部は、巻線を巻回してなり、上記磁性コアの外周に配置される少なくとも一つの主コイルを有する。副コイル部は、上記主コイル部を構成する巻線とは別の巻線を巻回してなる少なくとも一つの副コイルを有する。特に、上記副コイルを構成する少なくとも一つのターンが、上記主コイルを構成するターン間に存在するように、当該副コイルは、上記磁性コアに配置されている。そして、上記主コイル部を構成する巻線の一端部と、上記副コイル部を構成する巻線の一端部とが接合されている。

上記構成によれば、例えば、主コイル部及び磁性コアを平滑用リアクトルとして機能させ、副コイル部及び同じ磁性コアを共振用リアクトルとして機能させることで、昇圧動作や降圧動作に加えて、ソフトスイッチングを行える。特に、上記構成によれば、主コイル部の主コイル及び副コイル部の副コイルが、共通の磁性コアを利用しているため、平滑用リアクトルと共振用リアクトルとを独立した別部材とする場合と比較して、設置面積が小さく、小型である。また、上記構成によれば、上述した縦並び形態と比較して漏れインダクタンスを小さくすることができ、かつ、上述した積層形態と比較して漏れインダクタンスを同等以下にできながら、積層形態よりもリアクトルの幅及び高さを小さくすることができる。従って、本発明リアクトル集合体は、小型で、かつ漏れインダクタンスが小さい。

本発明の一形態として、上記副コイルを構成する複数のターンが一纏まりとなっており、この状態で主コイルをつくるターン間に挟まれた形態が挙げられる。

上記構成によれば、副コイルを構成する複数のターンが一纏まりで主コイルのターンに挟まれるため、両コイル部を形成し易い。特に、副コイルを構成する全てのターンが一纏まりで主コイルのターンに挟まれた形態とすると、つまり、主コイルが上記副コイルを挟むように一対の分割コイルとすると、両コイル部を形成し易く、リアクトルの製造性に優れる。

本発明では、主コイルを構成するターン(以下、主ターンと呼ぶ)間に配置される副コイルを構成するターン(以下、副ターンと呼ぶ)の数、及び副ターン間に挟まれる主ターンの数は、特に問わない。即ち、一方のターン間に存在する他方のターンは、一つでも複数でもよい。また、一方のターン間に他方のターンが存在する箇所が複数存在する場合、一方のターン間にそれぞれ存在する他方のターンの数は同じでも異なっていてもよい。

特に、上記主コイルを構成する各ターンの巻線と、上記副コイルを構成する各ターンの巻線とが1本ずつ交互に配置された形態では、主コイルと副コイルとの組合せを形成し易く、リアクトルの製造性に優れる。また、この形態では、副コイルをつくるターンの一部が、主コイルをつくるターンに交差するように重なり合って配置されることが実質的にない。即ち、この形態は、副コイルのターン全体が主コイルのターンに挟まれるため、リアクトルの幅や高さを小さくすることができる。

主コイル部や副コイル部を構成する巻線には種々の巻線を利用することができる。例えば、平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられたエナメル樹脂などからなる絶縁被覆層とを具える被覆平角線、丸線からなる導体と、この導体の外周にエナメル樹脂などからなる絶縁被覆層とを具える被覆丸線、複数の素線を撚り合わせた撚り線導体と、この撚り線導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆電線などを利用することができる。

本発明の一形態として、上記主コイル部及び上記副コイル部の少なくとも一方は、上記被覆平角線から構成され、当該コイル部のコイルが上記被覆平角線をエッジワイズ巻きして形成されたエッジワイズコイルとすることができる。

巻線に被覆平角線を利用し、上記主コイルや副コイルをエッジワイズコイルとする場合、巻線に被覆丸線などを用いた場合と比較して、コイルの占積率を高められるため、例えば、コイル巻回部の軸方向の長さを短くでき、リアクトル集合体を小型にすることができる。

上記主コイル部の巻線の一端部及び上記副コイル部の巻線の一端部同士の接合には、巻線(導体)同士が直接接合された形態や、上記巻線の一端部にそれぞれ取り付けられた端子部材同士がボルトなどにより接続された形態が挙げられる。

上記導体同士の直接接合には、TIG溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの溶接、その他、圧着、冷間圧接、振動溶着などが利用できる。この直接接合された形態では、接合された一端部同士に対して一つの端子部材を共通に利用できるため、端子部材の数及びその取り付け工程を削減することができる。特に、上記主コイル部及び副コイル部の少なくとも一方が上記被覆平角線から構成されている場合、この直接接合された形態であると、接合のための接触面積を十分に確保できて接合強度を高められる。取り分け、主コイル部及び副コイル部の双方が被覆平角線から構成されると、巻線の一端部同士の接合を行い易い。一方、端子部材の取り付けには、上記溶接や圧着などが利用できる。また、端子部材を介して両コイル部の巻線の端部を接合する形態は、任意の種類の巻線に利用することができる。

上記副コイル部が共振用リアクトルの要素に利用される場合などでは、平滑用リアクトルに用いられる平滑用コイルよりも流される電流値が小さいため、導体断面積が小さい巻線や導体の導電率が低い巻線を利用することができる。例えば、上記副コイル部を構成する巻線の導体として、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものが利用できる。アルミニウムやアルミニウム合金は、銅や銅合金よりも導電率が低いものの軽量であり、リアクトル集合体の軽量化に寄与することができる。

上記主コイル部及び上記副コイル部と、上記磁性コアとの組合体は、そのままでもリアクトル集合体として利用することができる。更に、この組合体の外周を覆う樹脂被覆部を具える構成とすると、ケースを有していない場合でも、組合体を一体物として取り扱い易い上に、上記磁性コアや上記コイル部を粉塵や腐食などの外部環境から保護したり、機械的に保護することができる。

本発明リアクトル集合体は、昇圧動作や降圧動作に加えて、ソフトスイッチングを行うことができる上に、小型で、漏れインダクタンスが小さい。

図1は、実施形態1のリアクトル集合体を構成する環状の磁性コア及びコイルの配置状態を説明する模式説明図である。図2は、実施形態2のリアクトル集合体を構成する環状の磁性コア及びコイルの配置状態を説明する模式説明図である。図3は、実施形態3のリアクトル集合体を構成する環状の磁性コア及びコイルの配置状態を説明する模式説明図である。図4は、平滑用コイルと共振用コイルとを具えるリアクトルにおいて、環状の磁性コア及びコイルの配置状態を説明する模式説明図であり、図4(I)は、縦並び形態、図4(II)は、積層形態を示す。

(実施形態1)
以下、図1を参照して、実施形態1のリアクトル集合体1Aを説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。また、図において、主コイルを□、副コイルを○で示す。リアクトル集合体1Aは、環状の磁性コア10と、このコア10の外周に配置される主コイル部11及び副コイル部12とを具える。主コイル部11は、一対の主コイル11a,11bを具え、副コイル部12は、一対の副コイル12a,12bを具える。磁性コア10及び主コイル部11は、例えば、コンバータに具えるスイッチング素子のON/OFFのスイッチング動作により発生する電流を平滑化する平滑用リアクトルとして機能する。磁性コア10及び副コイル部12は、上記スイッチング動作の損失を低減するためにソフトスイッチングに利用される共振用リアクトルとして機能する。リアクトル集合体1Aの特徴とするところは、主コイル部11と副コイル部12とに共通して磁性コア10を具える点、及び主コイル部11及び副コイル部12の配置形態にある。以下、各構成をより詳細に説明する。

[磁性コア10]
磁性コア10は、主コイル部11及び副コイル部12が配置される一対の直方体状のコイル巻回部10c_a,10c_bと、主コイル部11及び副コイル部12が実質的に配置されない一対の端部コア10eとを有する。このコア10は、離間して並列されるコイル巻回部10c_a,10c_bを挟むように端部コア10eが配置されて閉ループ状(環状)に形成される。また、磁性コア10は、鉄や鋼などの鉄を含有する軟磁性材料からなる磁性体部10mとアルミナなどの非磁性材料からなるギャップ材(図示せず)とからなる。コイル巻回部10cは、磁性体部10mからなるコア片とギャップ材とを交互に積層して構成される。各コア片は、軟磁性粉末の圧粉成形体や、複数の電磁鋼板を積層した積層体が利用できる。ギャップ材は、インダクタンスの調整のためにコア片間に設けられる隙間に配置される部材である(エアギャップの場合もある)。これらコア片及びギャップ材は、接着剤などで一体に接合される。コア片の分割数やギャップ材の個数は、主コイル部11及び副コイル部12がそれぞれ所望のインダクタンスとなるように適宜選択することができる。

[主コイル部11]
主コイル部11は、1本の連続する巻線を巻回してなり、一対の主コイル11a,11bを具える。主コイル11a,11bは、各コイルの軸方向が平行するように並列されている。ここでは、巻線として、銅製の平角線(導体)の表面にエナメル樹脂からなる絶縁被覆層を具える被覆平角線を利用している。両主コイル11a,11bは、上記巻線をエッジワイズ巻きにして形成されたエッジワイズコイルであり、巻線の一部を折り返してなる巻返し部(図示せず)を介して連結されている。

主コイル部11を構成する巻線の両端部(図示せず)は、適宜延伸されており、一端部(導体)は、副コイル部12を構成する巻線の一端部(導体)に接続され、他端部は、端子部材(図示せず)が接続される。接続された主コイル部11の巻線の端部と副コイル部12の巻線の端部とにも一つの端子部材(図示せず)が接続される。即ち、リアクトル集合体1Aでは、主コイル部11と副コイル部12とで共用する端子部材が取り付けられる。これら端子部材を介して、各コイル部11,12に電力供給を行う電源などの外部装置(図示せず)が接続される。上記両コイル部の巻線の端部同士の接続には、TIG溶接、レーザ溶接、抵抗溶接などの溶接、その他、圧着、冷間圧接、振動溶着を好適に利用することができる。巻線の端部と端子部材との接続には、上記TIG溶接などの溶接の他、圧着などを利用することができる。

なお、各主コイルをそれぞれ別の巻線で形成し、両主コイルの巻線の一端部同士を上記溶接などにより接合させた形態(以下、接合コイルと呼ぶ)としてもよい。巻返し部を有する場合、磁性コア10の端部コア10eに巻返し部を配置させる領域を設けると、この領域分だけ磁性コアにおけるコイルの軸方向の長さが大きくなり、結果として、リアクトル集合体が大きくなる。これに対して、接合コイルでは、各コイル素子の巻線の端部を適宜取り回すことで、磁性コアにおいてコイル素子同士の接合部分を配置させる領域を小さくすることができ、リアクトル集合体をより小型にすることができる。

[副コイル部12]
副コイル部12は、主コイル部11を構成する巻線とは別の1本の連続する巻線を巻回してなり、一対の副コイル12a,12bを具える。副コイル12a,12bは、各コイルの軸方向が平行するように並列され、巻線の一部からなる連結部(図示せず)を介して連結されている。ここでは、巻線として、複数の銅製の素線を撚り合わせた撚り線導体と、この撚り線導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆電線であって、主コイル部11を構成する巻線と同程度の幅を有するものを利用している。被覆電線の絶縁被覆層には、例えば、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、シリコンゴムなどが挙げられる。被覆電線を利用することで、主コイル部11と副コイル部12との間の絶縁を高められる。ここでは、副コイル12a,12bの巻き数(ターン数)を主コイル部11の各主コイル11a,11bの巻き数よりも少なくしている。なお、上記巻線の厚さや幅、巻き数は、適宜選択することができる。

副コイル部12を構成する巻線の両端部(図示せず)は、主コイル部11と同様に適宜延伸されて、上述のように端子部材が接続される。特に、副コイル部12を構成する巻線の一端部(導体)は、上述のように主コイル部11を構成する巻線の一端部(導体)に接続される。

[両コイル部の配置]
主コイル部11の一方の主コイル11aと、副コイル部12の一方の副コイル12aとが磁性コア10の一方のコイル巻回部10c_aに配置されている。特に、主コイル11aを構成するターン間に、副コイル12aを構成する各ターンが介在されている。従って、主コイル11aと副コイル12aとは、各軸方向が一直線上に重複するように、一方のコイル巻回部10c_aに配置される。また、主コイル部11の他方の主コイル11bと、副コイル部12の他方の副コイル12bとが磁性コア10の他方のコイル巻回部10c_bに配置されている。特に、主コイル11bを構成するターン間に、副コイル12bを構成する各ターンが介在されている。従って、主コイル11bと副コイル12bとは、各軸方向が一直線上に重複するように、他方のコイル巻回部10c_bに配置される。ここでは、主コイル11a(11b)を構成する各ターンの巻線と、副コイル12a(12b)を構成する各ターンの巻線とが1本ずつ交互に配置されており、主コイルのターン間に副コイルのターンが介在される箇所が複数存在する。但し、副コイル12a(12b)の巻き数が主コイル11a(11b)の巻き数より少ないため、副コイル12a(12b)は、主コイル11a(11b)の一部にのみ存在している。

なお、ここでは、主コイル部11と副コイル部12との組合せコイル体の両端が主コイル部11を構成する巻線としているが、上記組合せコイル体の一端、或いは両端が副コイル部を構成する巻線により構成されていてもよい。

[コイルの形成]
上記主コイル部11及び副コイル部12は、以下のようにして形成することができる。例えば、主コイル部11を形成した後、主コイル11a(11b)のターン間に副コイル12a(12b)を構成する巻線を巻回して、主コイル11a(11b)のターン間に副コイル12a(12b)のターンを存在させる方法が挙げられる。このとき、主コイル部11の主コイル11a(11b)のターン間を広げることで、副コイル12a(12b)の巻線を巻回し易い。スプリングバックにより、主コイルのターン間の間隔が自然に広がった状態となっている場合もある。或いは、主コイル部11を構成する巻線と副コイル部12を構成する巻線とを同時に巻回することが挙げられる。副コイル部の巻き数が主コイル部の巻き数よりも少ない場合、途中で主コイル部のみを形成する工程を含む。

[インシュレータ]
磁性コア10の外周面と主コイル部11及び副コイル部12の内周面との間にインシュレータ(図示せず)が設けられていると、磁性コアとコイルとの間の絶縁性を高められる。インシュレータは、各コイル巻回部10cの外周を覆う筒状部(図示せず)と、主コイル部11と副コイル部12との組合せコイル体の各端面に当接される一対の枠状部(図示せず)とを具える構成が挙げられる。筒状部は、半割れの角筒片同士を係合する構成とすると、コイル巻回部10cの外周を容易に覆うことができる。各枠状部は、筒状部の一端部に配置される矩形枠であり、一方の枠状部に主コイル部11の巻返し部が載置される台部を具えると、磁性コアとコイルとの間の絶縁性を高められる。インシュレータの構成材料には、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、液晶ポリマー(LCP)などの絶縁材料が利用できる。

[ケース又は樹脂被覆部]
磁性コア10と主コイル部11及び副コイル部12との組合体は、例えば、アルミニウム製のケース(図示せず)に収納し、更にケース内に絶縁性のポッティング樹脂(図示せず)を充填した構成とすることができる。

或いは、上記組合体をケースに収納せず、絶縁性樹脂により被覆し、樹脂被覆部(図示せず)を具える構成としてもよい。上記絶縁性樹脂には、エポキシ樹脂やウレタン樹脂、PPS樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)樹脂などが利用できる。ケースを省略することで、リアクトル集合体を小型にできる。また、樹脂被覆部から磁性コアの一部やコイルの一部を露出させた構成とすると、磁性コアやコイルの熱を放出し易く、放熱性を高められる。更に、ケースを省略して樹脂被覆部を具える構成とする場合、両コイル部の巻線の端部を任意の箇所に引き出すことができ、端子部材が接続される箇所の設計の自由度を大きくすることができる。

なお、両コイル部の巻線の両端部は、ポッティング樹脂や樹脂被覆部から露出させて、端子部材が接続できるようにする。ケースに収納したり、樹脂被覆部を具えることで、磁性コア10や主コイル部11、副コイル部12を外部環境から保護したり、機械的に保護したり、組合体を一体に取り扱える。これらケースや樹脂被覆部は、後述する実施形態にも適用することができる。

[リアクトル集合体の組立]
上記構成を具えるリアクトル集合体は、以下のようにして形成することができる。

まず、コア片やギャップ材を接着剤などで固定してコイル巻回部10cを形成し、この外周にインシュレータの筒状部を配置する。上述のように巻線を巻回して、主コイル部11と副コイル部12との組合せコイル体を別途作製しておく。そして、筒状部が配された一方のコイル巻回部10c_aに、上記組合せコイル体の主コイル11a及び副コイル12bを挿入配置し、筒状部が配された他方のコイル巻回部10c_bに、上記組合せコイル体の主コイル11b及び副コイル12bを挿入配置する。次に、上記組合せコイル体の一端面に、インシュレータの一方の枠状部及び一方の端部コア10eを当接させ、組合せコイル体の他端面に、インシュレータの他方の枠状部及び他方の端部コア10eを当接させ、両端部コア10eで組合せコイル体を挟むように枠状部及び端部コア10eを配置して、接着剤などで端部コア10eと両コイル巻回部10c_a,10c_bとを接合する。この工程により、環状のコア10と上記組合せコイル体を具えるリアクトル集合体1Aが得られる。なお、主コイル部11の巻返し部は一方の枠状部の台部に載置する。

得られた環状のコア10と上記組合せコイル体とを具える組合体をケースに収納してポッティング樹脂を充填したり、樹脂被覆部で被覆したりしてもよい。

[試験例]
主コイル部と副コイル部との配置形態を変化させたときの漏れインダクタンスをシミュレーションにより求めた。

この試験では、実施形態1のリアクトル集合体1A(交互配置形態)、図4(I)に示す縦並び形態のリアクトルL_I、図4(II)に示す積層形態のリアクトルL_IIを用意し、それぞれの漏れインダクタンスを求めた。いずれの形態についても両コイル部を構成する巻線は実施形態1のリアクトル集合体1Aと同様のものを利用し、副コイル部の両副コイル:10ターン、主コイル部の両主コイル:60ターンとした。リアクトル集合体1Aでは、主コイルの60ターンのうち、最初の10ターンを副コイルのターンと交互に配置させた。リアクトルL_Iは、結合係数:0.9として、両コイル部を縦並びに配置した。リアクトルL_IIでは、各主コイル(平滑用コイル110)の軸方向の中心位置と、各副コイル(共振用コイル120)の軸方向の中心位置とが揃うように各主コイルの外周にそれぞれ副コイルを配置した。また、この試験では、概ね同じ磁性コアを用いた。

そして、副コイル部をつくる一対の副コイルを短絡させた状態で主コイル部にのみ電流を1A流したときの漏れインダクタンスを求めた。その結果を表1に示す。

表1に示すように、主コイルを構成するターン間に副コイルを構成するターンが介在するリアクトル集合体では、縦並び形態や積層形態に比較して、漏れインダクタンスが小さいことが分かる。

[効果]
リアクトル集合体1Aは、双方向DC-DCコンバータの構成部品として組み付けられた場合、主コイル部11を具えることで、昇圧動作や降圧動作を行え、かつ副コイル部12を具えることで、上記動作にあたり、ソフトスイッチングを行えるため、スイッチング動作に伴う損失を低減することができる。その上、リアクトル集合体1Aは、主コイル部11の各主コイル11a,11bと、副コイル部12の各副コイル12a,12bとに共通に磁性コア10を利用することで、共振用リアクトルを別途設けた場合と比較して、小型である。

かつ、リアクトル集合体1Aは、主コイル11a(11b)を構成する各ターンの巻線と副コイル12a(12b)を構成する各ターンの巻線とが1本ずつ交互に配置されていることで、漏れインダクタンスが小さい。ここで、主コイル11a(11b)において副コイルが配置されていない箇所(以下、単独箇所と呼ぶ)では、隣り合うターン間に実質的に隙間が無い。従って、主コイル11a(11b)の単独箇所におけるターン間の間隔よりも、副コイル12a(12b)のターン間の間隔の方が広いことから、漏れインダクタンスが小さくなる。特に、副コイル12a(12b)のターン間に主コイル11a(11b)のターンが介在することで、副コイル12a(12b)は、ターン間の間隔が広い状態を維持し易く、所定の漏れインダクタンスを維持し易い。また、リアクトル集合体1Aでは、主コイル部11の一端側(図1では左側)に副コイル部12が寄せられていることで、主コイル部11の各主コイル11a,11bの軸方向の中心位置と副コイル部12の各副コイル12a,12bの中心位置とがそれぞれ揃うように配置された場合よりも、漏れインダクタンスが小さい。このように主コイル部11に対する副コイル部12の位置をずらすことでも、漏れインダクタンスを調整することができる。所望の漏れインダクタンスとなるように、副コイル部12の位置を調整するとよい。

また、リアクトル集合体1Aでは、主コイル部11が被覆平角線で構成されていることから、占積率を高められるため、コイル巻回部10cにおけるコイルの軸方向の長さを短くすることができ、小型にできる。更に、リアクトル集合体1Aでは、副コイル部12が被覆電線で構成されていることから主コイル部11との間の絶縁性に優れる上に、巻返し部が無く、磁性コア10において両副コイル12a,12bを繋ぐ接合部分の配置領域が実質的に不要であり、このことからも小型である。その上、リアクトル集合体1Aでは、主コイル11a(11b)の各ターンの巻線と、副コイル12a(12b)の各ターンの巻線とが1本ずつ交互に配置されているため、副コイルのターンの一部が主コイルのターンと交差するように配置される場合と比較して、巻線が出っ張らないことからも小型である。

更に、リアクトル集合体1Aでは、主コイル部11の巻線の一端部と副コイル部12の巻線の一端部とが溶接により接合され、この接合された両巻線の端部に対して、一つの端子部材を共用していることで、端子部材の個数を低減でき(ここでは、合計3個の端子部材を具える構成)、部品点数の削減及び端子部材の取り付け工程の削減を図ることができる。なお、主コイル部11の巻線の各端部、及び副コイル部12の巻線の各端部にそれぞれに端子部材を取り付け、主コイル部の巻線と副コイル部の巻線とを、端子部材を介して接続した構成、即ち、合計4個の端子部材を具える構成とすることができる。リアクトル集合体1Aのように両コイル部をつくる巻線の種類が異なっていても、端子部材を取り付けてボルトなどを利用することで、主コイル部の巻線と副コイル部の巻線とを簡単に接合することができる。

(その他の実施形態)
以下、図2を参照して実施形態2のリアクトル集合体1Bを説明し、図3を参照して実施形態3のリアクトル集合体1Cを説明する。リアクトル集合体1B,1Cは、基本的構成は実施形態1のリアクトル集合体1Aと同様であり、異なる点は、副コイルの配置形態にある。以下、この点を詳細に説明し、その他の点は説明を省略する。

(実施形態2)
リアクトル集合体1Bに具える主コイル部21及び副コイル部22は、実施形態1のリアクトル集合体1Aと同様に、一方の主コイル21a及び一方の副コイル22aの対が磁性コア10の一方のコイル巻回部10c_aに同軸に配置され、他方の主コイル21b及び他方の副コイル22bの対が磁性コア10の他方のコイル巻回部10c_bに同軸に配置されている。そして、主コイル21a(21b)を構成するターン間に、副コイル22a(22b)を構成するターンが介在されている。ここでは、副コイル22a(22b)を構成する各ターンの巻線の間に、主コイル21a(21b)を構成するターンの巻線が3本ずつ存在するように、両コイル部21,22がコイル巻回部10cに配置されている。また、ここでは、副コイル22a(22b)の巻き数が主コイル21a(21b)の巻き数より少ないものの、副コイル22a(22b)の各ターン間が広げられていることで、主コイル21a(21b)の概ね全長に亘って、副コイル22a(22b)が存在している。ここでは、副コイル22a(22b)のターン間の間隔が、実施形態1の副コイル部12の副コイル12a(12b)よりも広げられている、具体的には、主コイルを構成する巻線2本分広いため、リアクトル集合体1Bは、実施形態1のリアクトル集合体1Aよりも漏れインダクタンスが小さい。

副コイル部22の副コイル22a(22b)において、各ターンをつくる巻線の一部はそれぞれ、主コイル21a(21b)のターン形成部分の外周に、主コイル21a(21b)のターンと交差するように配置されている。ここでは、上記巻線の一部を全て主コイル21a(21b)の外周面の同じ面上に配置している。この配置により、主コイルの外周面の異なる面に各巻線の一部をばらばらに配置した場合に比較して、副コイルを構成する巻線1本分だけ、リアクトルの高さやリアクトルの幅を小さくすることができる。

なお、ここでは、副コイルの各ターン間に存在する主コイルのターン数が等しい場合を説明したが、各ターン間に存在する主コイルのターン数がそれぞれ異なっていてもよい。

(実施形態3)
リアクトル集合体1Cに具える主コイル部31及び副コイル部32は、実施形態1のリアクトル集合体1Aと同様に、一方の主コイル31a及び一方の副コイル32aの対が磁性コア10の一方のコイル巻回部10c_aに同軸に配置され、他方の主コイル31b及び他方の副コイル32bの対が磁性コア10の他方のコイル巻回部10c_bに同軸に配置されている。特に、リアクトル集合体1Cでは、一方の主コイル31aが第一主コイル(分割コイル)31a_α,第二主コイル(分割コイル)31a_βの二組に分割され、他方の主コイル31bが第一主コイル(分割コイル)31b_α,第二主コイル(分割コイル)31b_βの二組に分割されている。そして、副コイル部32の一方の副コイル32aはその両端面を、一方の主コイル31aの第一主コイル31a_α,第二主コイル31a_β間に挟まれ、他方の副コイル32bはその両端面を、他方の主コイル31bの第一主コイル31b_α,第二主コイル31b_β間に挟まれている。つまり、副コイル部32の一方の副コイル32aは全てのターンが一纏まりで、一方の主コイル31aをつくるターン間に挟まれ、副コイル部32の他方の副コイル32bは全てのターンが一纏まりで、他方の主コイル31bをつくるターン間に挟まれている。

副コイル部32は、巻線として、1本の連続する被覆電線を用い、この巻線を巻回して一方の副コイル32aが形成され、巻線の一部からなる連結部(図示せず)を経て引き続いて巻線を巻回して他方の副コイル32bが形成されている。そして、両副コイル32a,32bは、各コイルの軸方向が平行するように横並びに配置されている。

一方、主コイル部31は、1本の連続する巻線ではなく、複数の巻線により形成されている。ここでは、いずれの巻線も被覆平角線としている。具体的には、主コイル部31に具える四つの主コイル31a_α,31a_β,31b_α,31b_βを全て別々の巻線で形成し、一方の主コイル31aに具える両主コイル31a_α,31a_βの巻線の端部同士、及び他方の主コイル31bに具える両主コイル31b_α,31b_βの巻線の端部同士、並びに両主コイル31a,31bの巻線の一端部同士を上述した溶接などにより接合する。一方の主コイル31aに具える両主コイル31a_α,31a_βの巻線の端部同士の接合箇所(図示せず)は、副コイル部32の一方の副コイル32aを跨ぐように副コイル32aの上方に配置し、他方の主コイル31bに具える両主コイル31b_α,31b_βの巻線の端部同士の接合箇所(図示せず)は、同様に他方の副コイル32bを跨ぐように副コイル32bの上方に配置するとよい。本発明では、主コイルを構成するターンとして、このような巻線を接合して形成されるものを含む。

上記巻線の端部同士の接合には、別途接続用の板材などを利用してもよいが、巻線の両端部をできる限り近付けた形状とし、直接接合させた構成とすると、接合箇所及び接合工程を低減することができる。また、接合作業は任意のときに行えるが、第一主コイルと第二主コイルとの接合は、これら主コイルの間に副コイルを配置した後に行うと、副コイルを配置し易い。

なお、一方の主コイル31aに具える第二コイル31a_βと他方の主コイル31bに具える第二コイル31b_βとを連続する1本の巻線で形成してもよい。この場合、接合箇所及び接合工程を低減することができる。

また、実施形態3では、主コイル31a,31bの中央付近に副コイル32a,32bが存在する形態としているが、主コイルの端部側に副コイルが存在するように副コイルの配置位置をずらすことで、漏れインダクタンスが小さくなる傾向にある。この実施形態では、上述のように副コイルの配置位置を調整することで、漏れインダクタンスを簡単に小さくすることができる。

上述した実施形態2,3は、実施形態1のリアクトル集合体1Aとコイルの配置形態が異なることで、漏れインダクタンスが異なる。上述したリアクトル集合体1A,1B,1Cのうち、副コイル部を一纏まりにしたリアクトル集合体1Cが最も漏れインダクタンスが小さい傾向にあり、主コイル部のターンと副コイル部のターンとを交互に配置したリアクトル集合体1Aが漏れインダクタンスが大きい傾向にある。従って、所望の漏れインダクタンスとなるように、コイルの配置形態を種々選択することができる。

(実施形態4)
上述の実施形態では、巻線の導体が銅からなるものを説明した。共振用リアクトルに利用される場合などで使用時に副コイル部に流される電流量が少ない場合、副コイル部を構成する巻線の導体として、銅よりも導電率が小さいアルミニウムやアルミニウム合金からなるものを利用してもよい。導体がアルミニウムやその合金からなる巻線を利用することで、リアクトル集合体の軽量化に寄与することができる。

(実施形態5)
上述の実施形態では、主コイル部を構成する巻線が被覆平角線であり、副コイル部を構成する巻線が被覆電線である構成を説明した。主コイル部及び副コイル部の巻線として、同種のものを利用してもよいし、上記被覆平角線や被覆電線の他、被覆丸線を利用してもよい。被覆丸線は、被覆平角線と比較して曲げ易く、巻回作業を行い易い。

両コイル部の双方の巻線を被覆平角線にする場合、副コイル部の被覆平角線として、主コイル部の被覆平角線と同じ幅で、厚さが薄いもの(例えば、主コイル部の巻線の厚さの半分のもの)を利用することができる。共振用リアクトルに利用される副コイル部が薄肉の被覆平角線により形成されていることで、共振用コイルの軸方向の長さも短くでき、小型化に寄与することができる。また、両コイル部を構成する被覆平角線の幅が同じであることで、巻線の一端部同士を溶接などにより接合する場合、接触面積を十分に確保することができ、接合強度にも優れる。更に、両コイル部を構成する被覆平角線の幅が同じであることで、両コイル部の輪郭形状を等しくすることができる。そのため、両コイル部におけるリアクトルの設置側の面を面一にすることができ、例えば、これらの設置側の面を冷却ベースに接するように配置することで、放熱性を高められる。

なお、上述した実施の形態は、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。

本発明リアクトル集合体は、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池車といった車両に搭載される双方向ソフトスイッチングDC-DCコンバータといった電力変換装置の構成部品に利用することができる。

1A,1B,1C リアクトル集合体 10 磁性コア 10c,10c_a,10c_b コイル巻回部
10e 端部コア 10m 磁性体部 11,21,31 主コイル部
11a,11b,21a,21b,31a,31b 主コイル 31a_α,31b_α 第一主コイル
31a_β,31b_β 第二主コイル 12,22,32 副コイル部
12a,12b,22a,22b,32a,32b 副コイル
L_I,L_II リアクトル 100 磁性コア 100c コイル巻回部
110 平滑用コイル 120 共振用コイル

Claims

巻線を巻回してなり、環状の磁性コアの外周に配置される主コイルを有する主コイル部と、
前記主コイル部を構成する巻線とは別の巻線を巻回してなる副コイルを有する副コイル部とを具え、
前記副コイルを構成する少なくとも一つのターンが前記主コイルを構成するターン間に存在するように、前記副コイルは前記磁性コアに配置されており、
前記副コイルのターン数は、前記主コイルのターン数よりも少なく、
前記主コイル部を構成する巻線の一端部と、前記副コイル部を構成する巻線の一端部とが接合され、
前記主コイル部及び前記磁性コアは、平滑用リアクトルとして機能し、前記副コイル部及び前記磁性コアは、共振用リアクトルとして機能することを特徴とするリアクトル集合体。
前記主コイルを構成する巻線は、平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆平角線であり、
前記副コイルを構成する巻線は、
複数の素線を撚り合わせた撚り線導体と、この撚り線導体の外周に設けられた絶縁被覆とを具える被覆電線、
丸線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆丸線、
又は平角線からなる導体と、この導体の外周に設けられた絶縁被覆層とを具える被覆平角線において、前記主コイルの被覆平角線と同じ幅で、厚さが薄い被覆平角線であることを特徴とする請求項1に記載のリアクトル集合体。
前記副コイルを構成する複数のターンが一纏まりで、前記主コイルをつくるターン間に挟まれてい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集合体。
前記主コイルを構成する各ターンの巻線と、前記副コイルを構成する各ターンの巻線とが1本ずつ交互に配置されてい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集合体。
前記主コイル部の巻線の一端部と、前記副コイル部の巻線の一端部とは、溶接により接合されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
前記主コイル部を構成する巻線の導体は、銅又は銅合金からなり、
前記副コイル部を構成する巻線の導体は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。
前記主コイル部及び前記副コイル部と、前記磁性コアとの組合体の外周を覆う樹脂被覆部を具え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集合体。
前記リアクトル集合体は、双方向のソフトスイッチングコンバータの構成部品に用いられることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のリアクトル集合体。