JP7106003B2

JP7106003B2 - リアクトル

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Publication number: JP7106003B2
Application number: JP2021524678A
Authority: JP
Inventors: 義明野▲崎▼; 康博五十嵐; 充生荒殿
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2022-07-25
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: WO2020246108A1; US20220093308A1; JPWO2020246108A1; DE112020002565T5; CN113826176A; CN113826176B

Description

本発明は、リアクトルに関し、詳しくは、電流センサと一体型のリアクトルに関する。

特許文献１には、リアクトルの構成部材を利用して電流センサをコイルに固定することができ、かつリアクトルの組立作業に伴って電流センサをコイルに固定することができるリアクトルが開示されている。かかるリアクトルは、巻線を巻回してなるコイルと、このコイルに配置されるコアと、巻線に取り付けられ、コイルに流れる電流を検出する電流センサと、コイルの外周の少なくとも一部を覆う樹脂部とを備える。そして、リアクトルは、電流センサが樹脂部に一体成形されている。この構成により、電流センサを取り付ける際、リアクトルの構成部品とは別に電流センサの設置部品を必要とせず、リアクトル自体の組み立て工程とは別に電流センサの設置工程を必要としない。

特開２０１０－２７２７７２号公報

文献１に開示されるリアクトルでは、巻線端部の周囲にホール素子型の電流センサが配置されて、巻線端部を流れる電流を電流センサが測定している。ここで、電流センサの検出素子が、ホール素子型など磁気を検知する磁気検知素子である場合には、この磁気検知素子は外乱磁界の影響を受けやすい。特に、磁気検知素子が磁気抵抗効果素子である場合には、検知感度に優れるが、その反面、外乱磁界の影響を受けやすい。リアクトルがトロイダルコイルの場合には、コイルからの誘導磁界に基づく漏れ磁束が検出素子の外乱磁界となり得る。

本発明は、トロイダルコイルおよびその巻線を流れる電流を測定する電流センサを有するリアクトルにおいて、電流センサの検知素子が外乱磁界の影響を受けにくい構造を有するリアクトルを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、一態様において、環状外形を有するように巻回された巻線を有するトロイダルコイルと、前記巻線の一方の端部と電気的に接続するバスバーと、前記バスバーを流れる電流を測定する電流センサと、を備えるリアクトルであって、前記バスバーは、前記環状外形の内側面の内側の領域および当該領域を前記環状外形の中心軸に沿った方向に延ばした領域からなる中央領域を通る交差部を有し、前記電流センサは前記中央領域に配置されて、前記交差部を流れる電流を測定することを特徴とするリアクトルである。

本発明に係るリアクトルの中央領域では、巻線を流れる電流が作る誘導磁界が打ち消し合うため、巻線を流れる電流量が増えてもトロイダルコイルに由来する外乱磁界が大きくなりにくい。したがって、その中央領域に電流センサを配してバスバーの交差部を流れる電流を電流センサによって測定することにより、リアクトルの近傍に位置しながら正確に電流を測定できる電流センサを有するリアクトルを得ることができる。

上記のリアクトルにおいて、前記電流センサは、前記交差部を流れる電流が作る誘導磁界を測定する磁気検知素子を備えてもよい。電流センサが磁気検知素子を備える場合には、磁気検知素子は外乱磁界の影響を受けやすいが、上記のとおり、本発明の一態様に係るリアクトルは、電流センサを中央領域に配置するため、電流センサは、トロイダルコイルの漏れ磁束に基づく外乱磁界の影響を受けにくい。したがって、電流センサが磁気検知素子を備える場合であっても、電流センサはバスバーの交差部を流れる電流をより正確に測定することができる。

前記磁気検知素子は、磁気抵抗効果素子からなるものであってもよい。磁気抵抗効果素子の具体例として、巨大磁気抵抗効果素子およびトンネル磁気抵抗効果素子が挙げられる。磁気抵抗効果素子は、他の磁気検知素子（例えばホール素子）に比べて、感度が高いが、その分、外乱磁界の影響を受けやすい。したがって、電流センサを中央領域に配置することにより、電流センサの磁気検知素子が磁気抵抗効果素子であっても、交差部を流れる電流を正確に測定することができる。

上記のリアクトルにおいて、前記トロイダルコイルは、その周囲を前記巻線が巻回する環状のトロイダルコアをさらに備えていてもよい。トロイダルコアを有することにより、リアクトルのインダクタンスの設定自由度が高まる。

上記のリアクトルにおいて、前記トロイダルコイルと前記バスバーとを固定する絶縁性の台座をさらに備えていてもよい。トロイダルコイルとバスバーとの相対位置を固定することにより、バスバーの所定の位置を測定するようにバスバーに対して固定されている電流センサとトロイダルコイルとの相対位置も固定される。その結果、トロイダルコイルから発生し電流センサに及ぶ外乱磁界と電流センサが計測する電流との相関関係が固定され、電流センサの測定精度をさらに高めることが可能となる。

前記台座は、前記トロイダルコイルおよび前記バスバーを一体化する成形品であることが、トロイダルコイルとバスバーとの相対位置をより確実に固定する観点から好ましく、リアクトルの生産性を高める観点からも好ましい。

前記台座に前記電流センサは埋設され、前記台座の表面の一部は導電性を有することが、電流センサの周囲の外乱磁界を減少させる観点から好ましい。

本発明によれば、付設された電流センサの検出素子が外乱磁界の影響を受けにくい構造を有する、電流センサ一体型リアクトルが提供される。

本発明の第１実施形態に係るリアクトルの外観を示す説明図である。本発明の第１実施形態に係るリアクトルの構造を示す、Ｚ方向からみた説明図である。本発明の第１実施形態に係るリアクトルの構造を示す、Ｙ方向からみた説明図である。本発明の第１実施形態に係るリアクトルの電流センサによる電流測定の概要を示す、Ｚ方向からみた説明図である。本発明の第１実施形態に係るリアクトルの電流センサによる電流測定の概要をトロイダルコイルからの漏れ磁束と共に示す、Ｚ方向からみた説明図である。本発明の第１実施形態に係るリアクトルがプリント基板に取り付けられた状態を示す説明図である。シミュレーションにおける各部品の配置図である。シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束のベクトル図（Ｘ－Ｙ平面図）である。シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束のＸ１－Ｘ２方向の強さを示すコンター図である。シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束のＹ１－Ｙ２方向の強さを示すコンター図である。シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束のＺ１－Ｚ２方向の強さを示すコンター図である。（ａ）シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束のベクトル図（Ｘ－Ｚ平面での断面図）、（ｂ）シミュレーションにおける各部品の配置図（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ２側からＺ１側に見た図）、（ｃ）シミュレーションにおける各部品の配置図（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ１側からＺ２側に見た図）である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るリアクトルの外観を示す説明図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るリアクトルの構造を示す、Ｚ方向からみた説明図である。図３は、本発明の第１実施形態に係るリアクトルの構造を示す、Ｙ方向からみた説明図である。図２および図３では、内部構造が理解しやすいように台座を２点鎖線で示し、台座に覆われる構造を透視している。図４は、本発明の第１実施形態に係るリアクトルの電流センサによる電流測定の概要を示す、Ｚ方向からみた説明図である。図５は、本発明の第１実施形態に係るリアクトルの電流センサによる電流測定の概要をトロイダルコイルから外乱磁界と共に示す、Ｚ方向からみた説明図である。

図１から図３に示されるように、本発明の一態様に係るリアクトル１００は、環状外形を有するように巻回された巻線１１を有するトロイダルコイル１０を有する。巻線１１に電流が流れることにより磁束が発生するが、外形が環状であることにより、発生した磁束が比較的外部に影響を及ぼしにくい。トロイダルコイル１０は、その周囲を巻線１１が巻回する環状のトロイダルコア１２をさらに備える。トロイダルコア１２の透磁率μを変更することにより、トロイダルコイル１０のインダクタンスを変更することができる。

トロイダルコイル１０の巻線１１の一方の端部１１１には、バスバー２０が電気的に接続されている。図２および図３に示されるように、バスバー２０は、その法線がＺ１－Ｚ２方向に沿った主面を有する板状の部材からなる板状部２１と、板状部２１の一方（Ｘ１－Ｘ２方向Ｘ２側）の端に設けられＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側に伸びる接続部２２とから構成され、板状部２１の一部（具体的には板状部２１のＸ１－Ｘ２方向Ｘ１側）に板厚方向に貫通孔が設けられ、トロイダルコイル１０の巻線１１の一方の端部１１１がこの貫通孔に挿通されて、バスバー２０と電気的に接続している。

バスバー２０は、トロイダルコイル１０の環状外形の内側面の内側の領域および当該領域を環状外形の中心軸Ｏに沿った方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に延ばした領域からなる中央領域ＣＡ（図２および図３では一点鎖線により表されている。）を通る交差部２１Ｃを有する。

図４に示されるように、バスバー２０を流れる電流を測定する電流センサ３０は、交差部２１Ｃを流れる電流Ｃ１を測定する。本発明の一態様に係るリアクトル１００の電流センサ３０は、交差部２１Ｃを流れる電流Ｃ１が作る誘導磁界を測定する磁気検知素子を備える。一例において、磁気検知素子は磁気抵抗効果素子からなり、その具体例として、巨大磁気抵抗効果素子およびトンネル磁気抵抗効果素子が挙げられる。

こうした磁気抵抗効果素子を有する電流センサは、小型でありながら巻線を流れる電流を間接的に高精度で測定することができるが、磁気抵抗効果素子は外乱磁界の影響を受けやすい。トロイダルコイル１０は、コイル（巻線１１）を流れる電流が作る磁束の漏れが比較的発生しにくい構造を有するが、磁気抵抗効果素子の感度が高く巻線１１の巻き密度が低い場合には、漏れ磁束が外乱磁界として測定に及ぼす影響が無視できなくなることが懸念される。

そこで、本発明の一態様に係るリアクトル１００では、図２から図５に示されるように、バスバー２０の交差部２１Ｃを流れる電流Ｃ１を測定するように電流センサ３０を配置する。交差部２１Ｃは、トロイダルコイル１０の環状外形における内側面およびこの内側面をＺ１－Ｚ２方向に伸ばして得られる筒状の面の内側の領域である中央領域ＣＡに位置する。図５に示されるように、中央領域ＣＡでは、トロイダルコイル１０の巻線１１からの漏れ磁束Ｂは互いに打ち消し合うため、小さくなる。図５には一例として、Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ１側からＺ２側へとみたときに、トロイダルコイル１０の内側の巻線１１から反時計回りの漏れ磁束Ｂが発生している状態が示されている。トロイダルコイル１０の環状外形における内側面に並ぶ巻線１１のそれぞれから磁束が生じるため、内側面の内側では、Ｘ－Ｙ平面内方向の漏れ磁束Ｂは互いに打ち消し合う。このため、中央領域ＣＡでは、Ｘ－Ｙ平面内方向の外乱磁界の強度は小さくなる。中央領域ＣＡの中心部、すなわち環状外形の中心軸Ｏの周辺ではこの傾向が顕著となり、外乱磁界の影響が特に少なくなる。

したがって、トロイダルコイル１０の環状外形の中心軸Ｏ（Ｚ１－Ｚ２方向）に沿った方向を法線とする面（Ｘ－Ｙ平面）の面内方向（具体的にはＸ１－Ｘ２方向）に電流Ｃ１が流れるように、バスバー２０の交差部２１Ｃが配置されると、電流Ｃ１が作る誘導磁界は、交差部２１ＣのＺ１－Ｚ２方向側においてＸ－Ｙ平面の面内方向（具体的にはＹ１－Ｙ２方向）となる。このＸ－Ｙ面内方向では外乱磁界の影響を受けにくいため、電流センサ３０の磁気検知素子の検知軸Ｐ１をＸ－Ｙ平面の面内方向（具体的にはＹ１－Ｙ２方向）とすることにより、電流センサ３０による電流測定が外乱磁界の影響を受けにくくなる。

本発明の一態様に係るリアクトル１００は、図１に示されるように、トロイダルコイル１０とバスバー２０とを固定する絶縁性の台座４０を備える。本実施形態において、台座４０は、トロイダルコイル１０およびバスバー２０を一体化する、すなわち、相対位置が変動しないように固定する成形品である。図３に示されるように、バスバー２０は支持基板６０の上（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ１側）に固定され、バスバー２０の上（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ１側）に電流センサ３０が固定される。したがって、台座４０によって、支持基板６０および電流センサ３０も固定されている。トロイダルコイル１０は、その一部（具体的にはＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側の一部）が台座４０に埋設されている。このような台座４０は、金型に電流センサ３０などが配置された状態で樹脂成形を行う一体成形によって形成することができる。

図１に示されるように、本実施形態では、支持基板６０、バスバー２０の板状部２１および電流センサ３０は台座４０の内部に埋設されている。そして、台座４０の表面は導電性を有する。台座４０の表面が導電性を有することにより、トロイダルコイル１０から生じた漏れ磁束Ｂ以外に起因する外乱磁界が電流センサ３０に与える影響を少なくすることができる。外乱磁界の影響をより安定的に低減する観点から、台座４０の少なくとも側面（その法線がＸ－Ｙ平面の面内方向に沿った面）の表面が導電性を有することが好ましい。台座４０の表面に導電性を付与する方法は特に限定されない。かかる方法の具体例として、めっきなどのウェットプロセス、スパッタなどのドライプロセス、導電性ペーストの塗布などが挙げられる。

台座４０のＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側の面には、巻線１１の一方の端部１１１、巻線１１の他方の端部１１２、バスバー２０の接続部２２、および電流センサ３０の配線３２１、３２２、３２３が台座４０の表面から突出している。これらの突出する導電性部材が互いに電気的に独立となることを維持できる場合には、台座４０のＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側の面の表面は導電性を有していてもよい。

図６は、本発明の第１実施形態に係るリアクトルがプリント基板に取り付けられた状態を示す説明図である。図６に示されるように、台座４０のＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側に突出する３つの突起５１、５２、５３を位置決めとして、台座４０のＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側にプリント基板７０が設けられている。プリント基板７０には、バスバー２０の接続部２２と電気的に接続される配線７１、巻線１１の他方の端部１１２と電気的に接続される配線７２、および電流センサ３０の配線３２１、３２２、３２３のそれぞれと電気的に接続される一群の配線７３が設けられている。

このように、プリント基板２８におけるフットプリントとしてはトロイダルコイル１０の大きさでありながら、本発明の一態様に係るリアクトル１００は電流センサ３０を備え、しかも、その電流センサ３０は、バスバー２０の交差部２１Ｃを流れる電流Ｃ１を測定するように配置されているため、トロイダルコイル１０からの漏れ磁束Ｂに起因する外乱磁界の影響を受けにくい。しかも、電流センサ３０は、バスバー２０とトロイダルコイル１０とを固定する台座４０の内部に埋設され、台座４０の表面は導電性を有するため、トロイダルコイル１０に起因しない外乱磁界の影響も適切に抑制されている。

以下、リアクトル１００の漏れ磁束Ｂについてシミュレーションした結果について説明する。図７は、シミュレーションにおける各部品の配置図である。図８は、シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束Ｂのベクトル図（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ１側からＺ２側に見たＸ－Ｙ平面図）である。図９は、シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束ＢのＸ１－Ｘ２方向の強さを示すコンター図である。図１０は、シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束ＢのＹ１－Ｙ２方向の強さを示すコンター図である。図１１は、シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束ＢのＺ１－Ｚ２方向の強さを示すコンター図である。図１２（ａ）は、シミュレーションの結果を示す図であって、漏れ磁束Ｂのベクトル図（電流センサ３０を通るＸ－Ｚ平面での断面図）である。図１２（ｂ）は、シミュレーションにおける各部品の配置図（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ２側からＺ１側に見たＸ－Ｙ平面図）である。図１２（ｃ）は、シミュレーションにおける各部品の配置図（Ｚ１－Ｚ２方向Ｚ１側からＺ２側に見たＸ－Ｙ平面図）である。

図７に示されるように、トロイダルコイル１０の中心を原点として座標は定義された。バスバー２０は支持基板６０を介してトロイダルコイル１０のＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側に位置し、電流センサ３０は、バスバー２０のＺ１－Ｚ２方向Ｚ１側に位置する。図８に示されるように、漏れ磁束Ｂの分布は、基本的には、トロイダルコイル１０の中心軸Ｏを中心として対称となる。図９および図１０に示されるように、漏れ磁束ＢのＸ１－Ｘ２方向の強さおよびＹ１－Ｙ２方向の強さは高くなかった。特に、Ｚ１－Ｚ２方向にみてトロイダルコイル１０の内径側の交差部２１Ｃでは、漏れ磁束ＢはＸ－Ｙ面内方向において弱く、漏れ磁束Ｂの交差部２１Ｃの内部でのばらつきは特に低くなった。したがって、検知軸Ｐ１がＸ－Ｙ面内方向である電流センサ３０を交差部２１Ｃの内部に配置することにより、バスバー２０の誘導磁界を漏れ磁束Ｂの影響少なく測定することができることが確認された。

図１１や図１２に示すように、交差部２１Ｃにおける漏れ磁束ＢのＺ１－Ｚ２方向の強さはＸ－Ｙ面内方向の強さに比べると高くなった。しかしながら、電流センサ３０の検知軸Ｐ１がＸ－Ｙ面内方向であれば、Ｚ１－Ｚ２方向の外乱磁界は測定結果に影響を及ぼさない。したがって、電流センサ３０は、交差部２１Ｃの内部であればＺ１－Ｚ２方向のどの位置にあっても、バスバー２０の誘導磁界を漏れ磁束Ｂの影響少なく測定することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、突起５１、５２、５３は、台座４０を構成する成形品の一部であってもよいし、成形品とは別部品から構成されていてもよい。

本発明の一実施形態に係るリアクトルは、小型でありながら外乱磁界の影響を受けにくいため、プリント基板に部品が密に実装される場合などに好適に使用されうる。

１００：リアクトル
１０：トロイダルコイル
１１：巻線
１２：トロイダルコア
２０：バスバー
２１：板状部
２１Ｃ：交差部
２２：接続部
２８：プリント基板
３０：電流センサ
４０：台座
５１：突起
５２：突起
５３：突起
６０：支持基板
７０：プリント基板
７１：配線
７２：配線
７３：配線
１１１：端部
１１２：端部
３２１：配線
３２２：配線
３２３：配線
Ｂ：漏れ磁束
Ｃ１：電流
ＣＡ：中央領域
Ｏ：中心軸
Ｐ１：検知軸

Claims

環状外形を有するように巻回された巻線を有するトロイダルコイルと、
前記巻線の一方の端部と電気的に接続するバスバーと、
前記バスバーを流れる電流を測定する電流センサと、
を備えるリアクトルであって、
前記バスバーは、前記環状外形の内側面の内側の領域および当該領域を前記環状外形の中心軸に沿った方向に延ばした領域からなる中央領域を通る交差部を有し、
前記電流センサは、前記交差部を流れる電流を測定すること
を特徴とするリアクトル。
前記電流センサは、前記交差部を流れる電流が作る誘導磁界を測定する磁気検知素子を備える、請求項１に記載のリアクトル。
前記磁気検知素子は、磁気抵抗効果素子からなる、請求項２に記載のリアクトル。
前記トロイダルコイルは、その周囲を前記巻線が巻回する環状のトロイダルコアをさらに備える、請求項１に記載のリアクトル。
前記トロイダルコイルと前記バスバーとを固定する絶縁性の台座をさらに備える、請求項１に記載のリアクトル。
前記台座は、前記トロイダルコイルおよび前記バスバーを一体化する成形品である、請求項５に記載のリアクトル。
前記台座に前記電流センサは埋設され、前記台座の表面の一部は導電性を有する、請求項５に記載のリアクトル。