JP7246028B2 - リアクトル、コア部材、及び電源回路 - Google Patents

リアクトル、コア部材、及び電源回路 Download PDF

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Description

本開示は、一般にリアクトル、コア部材、及び電源回路に関し、より詳細には磁気結合型のリアクトル、コア部材、及び電源回路に関する。
従来、複数相コンバータ用のリアクトルが開示されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のリアクトルは、コアと、コアに巻かれ、互いに磁気結合された複数相のコンバータコイルとを含む。
コアは、複数のコア材料を組み合わせることにより構成されている。複数のコア材料は、コイル内部コア材料と、コイル外部コア材料と、を含む。コイル内部コア材料は、コアにおいて、コンバータコイルが巻かれた部分の少なくとも一部を構成する。コイル外部コア材料は、コアにおいて、コンバータコイルが巻かれていない部分を構成する。
リアクトルの分野では、リアクトルの更なる小型化が望まれている。
特開2012-65453号公報
本開示は、上記事由に鑑みてなされており、その目的は、リアクトルの小型化を図ることができるリアクトル、コア部材、及び電源回路を提供することにある。
本開示の一態様に係るリアクトルは、第1巻線と、第2巻線と、結合コア部と、第1コア部と、第2コア部と、を備える。前記結合コア部は、前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束、及び前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、前記第1巻線と前記第2巻線とを磁気的に結合し、所定の面である結合面に沿った結合磁路を形成する。前記第1コア部は、前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束が通り、第1面に沿った第1磁路を形成する。前記第2コア部は、前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、第2面に沿った第2磁路を形成する。前記結合面は、前記第1面及び前記第2面と直交している。前記結合コア部における前記結合面の法線方向の寸法は、前記第1コア部における前記第1面の法線方向の寸法、及び前記第2コア部における前記第2面の法線方向の寸法よりも大きい。
本開示の別の一態様に係るリアクトルは、第1巻線と、第2巻線と、結合コア部と、第1コア部と、第2コア部と、を備える。前記結合コア部は、前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束、及び前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、前記第1巻線と前記第2巻線とを磁気的に結合し、所定の面である結合面に沿った結合磁路を形成する。前記第1コア部は、前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束が通り、第1面に沿った第1磁路を形成する。前記第2コア部は、前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、第2面に沿った第2磁路を形成する。前記結合面は、前記第1面及び前記第2面と直交している。前記結合コア部は、前記第1コア部及び前記第2コア部それぞれを構成する材料の透磁率と異なる透磁率の材料で構成されている。
本開示の一態様に係るコア部材は、前記リアクトルの前記結合コア部、前記第1コア部、及び前記第2コア部を備える。
本開示の一態様に係る電源回路は、リアクトルと、制御部と、を備える。前記リアクトルは、第1巻線と、第2巻線と、結合コア部と、第1コア部と、第2コア部と、を備える。前記結合コア部は、前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束、及び前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、前記第1巻線と前記第2巻線とを磁気的に結合し、所定の面である結合面に沿った結合磁路を形成する。前記第1コア部は、前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束が通り、第1面に沿った第1磁路を形成する。前記第2コア部は、前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、第2面に沿った第2磁路を形成する。前記結合面は、前記第1面及び前記第2面と直交している。前記制御部は、前記第1巻線及び前記第2巻線に流れる電流を制御する。前記制御部は、前記第1巻線に流れるリップル電流の位相と、前記第2巻線に流れるリップル電流の位相と、を互いにずらす。
図1は、本開示の実施形態に係るリアクトルの外観斜視図である。 図2は、同上のリアクトルを備える電源回路の回路図である。 図3Aは、同上のリアクトルのA-A線断面図である。図3Bは、同上のリアクトルのB-B線断面図である。図3Cは、同上のリアクトルのC-C線断面図である。図3Dは、同上のリアクトルのD-D線断面図である。 図4は、本開示の実施形態の第1変形例に係るリアクトルの外観斜視図である。 図5は、本開示の実施形態の第2変形例に係るリアクトルの外観斜視図である。 図6Aは、同上のリアクトルのE-E線断面図である。図6Bは、同上のリアクトルのF-F線断面図である。図6Cは、同上のリアクトルのG-G線断面図である。図6Dは、同上のリアクトルのH-H線断面図である。
以下に説明する各実施形態及び変形例は、本開示の一例に過ぎず、本開示は、実施形態及び変形例に限定されない。この実施形態及び変形例以外であっても、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
(実施形態)
(1)概要
本実施形態のリアクトルの外観斜視図を図1に示す。本実施形態のリアクトル1は、2相の磁気結合型リアクトルであり、第1巻線21と第2巻線22とを磁気的に結合する磁気結合機能と、第1巻線21及び第2巻線22それぞれの磁気エネルギを蓄積/放出するインダクタ機能と、を有する。
リアクトル1は、第1巻線21、第2巻線22、及びコア部材3を備えている。コア部材3は、第1巻線21と第2巻線22とが巻かれており、結合コア部30、第1コア部31、及び第2コア部32を有する。結合コア部30は、第1巻線21と第2巻線22とを磁気的に結合する。第1コア部31は、第1巻線21に流れる電流によって発生した磁気エネルギを蓄積/放出する。第2コア部32は、第2巻線22に流れる電流によって発生した磁気エネルギを蓄積/放出する。
本実施形態のリアクトル1は、例えば、自動車、住宅用又は非住宅用のパワーコンディショナ、電子機器等に設けられる電源回路100(図2参照)に用いられる。言い換えれば、本実施形態の電源回路100は、リアクトル1を備えている。本実施形態の電源回路100の回路図を図2に示す。
本実施形態の電源回路100は、入力電圧Viを昇圧して出力するマルチフェーズ型(インターリーブ型)の昇圧チョッパ回路である。電源回路100は、リアクトル1と、2つのスイッチング素子(第1スイッチング素子111,第2スイッチング素子112)と、2つのダイオード(第1ダイオード121,第2ダイオード122)と、コンデンサ131と、制御部141と、を備えている。
本実施形態の電源回路100では、一対の入力端子151,152間に直流の入力電圧Viが印加される。一対の入力端子151,152間には、リアクトル1の第1巻線21及び第1スイッチング素子111の直列回路と、リアクトル1の第2巻線22及び第2スイッチング素子112の直列回路とが、電気的に並列接続されている。
第1巻線21と第2巻線22とは、コア部材3の結合コア部30によって互いに磁気的に結合されている。また、第1巻線21と第2巻線22とは、それぞれの一端が高電位側の入力端子151と電気的に接続されている。
第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112は、例えばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成されている。第1スイッチング素子111は、一端が第1巻線21を介して高電位側の入力端子151に電気的に接続され、他端が低電位側の入力端子152に電気的に接続されている。第2スイッチング素子112は、一端が第2巻線22を介して高電位側の入力端子151に電気的に接続され、他端が低電位側の入力端子152に電気的に接続されている。第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112は、制御部141によってオン/オフが制御される。
第1スイッチング素子111の両端間には、第1ダイオード121とコンデンサ131との直列回路が電気的に接続されている。第2スイッチング素子112の両端間には、第2ダイオード122とコンデンサ131との直列回路が電気的に接続されている。言い換えれば、コンデンサ131の両端間に、第1スイッチング素子111及び第1ダイオード121の直列回路と、第2スイッチング素子112及び第2ダイオード122の直列回路とが、電気的に並列接続されている。
コンデンサ131は、平滑コンデンサであり、一対の出力端子161,162間に電気的に接続されている。第1ダイオード121は、アノードが第1巻線21と第1スイッチング素子111との接続点に電気的に接続され、カソードがコンデンサ131と電気的に接続されている。第2ダイオード122は、アノードが第2巻線22と第2スイッチング素子112との接続点に電気的に接続され、カソードがコンデンサ131と電気的に接続されている。
制御部141は、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112を制御するための制御信号を出力する。制御信号は、直接的に、又は駆動回路を介して、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112のゲートに印加され、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112を個別にオン/オフする。制御部141は、デューティ比を調節可能なPWM(Pulse Width Modulation)方式によって、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112のオン/オフを制御する。制御部141は、例えば、CPU(Central Processing Unit)を含むコンピュータシステム等で構成される。
制御部141は、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112のオン/オフを制御することにより、第1巻線21及び第2巻線22それぞれに流れる電流を制御する。
第1スイッチング素子111がオンすると、第1巻線21に電流が流れて磁束が発生する。第1巻線21の通電時に発生した磁束の一部は、コア部材3の第1コア部31が形成する第1磁路を通る。第1コア部31は、第1巻線21が発生させた磁束を磁気エネルギとして蓄積する。第1スイッチング素子111がオフすると、第1コア部31に蓄積された磁気エネルギが放出され、コンデンサ131に電流が流れて充電される。
第2スイッチング素子112がオンすると、第2巻線22に電流が流れて磁束が発生する。第2巻線22の通電時に発生した磁束の一部は、コア部材3の第2コア部32が形成する第2磁路を通る。第2コア部32は、第2巻線22が発生させた磁束を磁気エネルギとして蓄積する。第2スイッチング素子112がオフすると、第2コア部32に蓄積された磁気エネルギが放出され、コンデンサ131に電流が流れて充電される。
このように、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112がオン/オフすることによって、コンデンサ131の両端間に入力電圧Viを昇圧した出力電圧Voが生成される。
制御部141は、第1スイッチング素子111と第2スイッチング素子112とが交互にオンするように、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112を制御する。つまり、制御部141は、第1巻線21に流れるリップル電流の位相と、第2巻線22に流れるリップル電流の位相とが180°ずれるように、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112を制御する。
また、コア部材3の結合コア部30が形成する結合磁路には、第1巻線21及び第2巻線22それぞれの通電時に発生した磁束の一部が通る。第1巻線21及び第2巻線22は、巻方向が互いに同じ向きとなるようにコア部材3に巻かれており、通電時に第1巻線21及び第2巻線22が結合磁路に発生させる直流磁束(磁束の直流成分)は、互いに逆向きとなり打ち消し合うように構成されている。つまり、本実施形態の電源回路100では、リアクトル1は、磁気相殺型リアクトルとして機能する。なお、第1巻線21及び第2巻線22が通電時に発生させる直流磁束が互いに打ち消し合うように構成されていればよく、第1巻線21の巻方向と第2巻線22との巻方向が互いに逆であってもよい。また、図2に示した第1巻線21及び第2巻線22の回路記号において、巻始めを示すドットが互いに逆であってもよい。
本実施形態の電源回路100では、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112のスイッチング周期に対して、2倍の周期でコンデンサ131が充電と放電とを繰り返す。これにより、コンデンサ131の小型化を図ることができる。また、耐電圧及び耐電流が比較的低い回路部品(コンデンサ131、第1スイッチング素子111、第2スイッチング素子112等)を電源回路100に採用することができる。
(2)リアクトルの構成
以下に、本実施形態のリアクトル1の詳細な構成について、図1、図3A~図3Dを参照して説明する。なお、図1、図3A~図3Dでは、第1巻線21及び第2巻線22を概略的に示しており、実際の巻数とは異なる場合がある。また、図1、図3A~図3Dでは、第1巻線21及び第2巻線22それぞれの両端部の図示を省略している。
本実施形態のリアクトル1は、第1巻線21、第2巻線22、及びコア部材3を備えている。以下では、説明のために第1巻線21及び第2巻線22の軸方向に沿った方向を第1方向D1と定義する。また、第1方向D1と直交し、第1巻線21と第2巻線22とが並ぶ方向を第2方向D2と定義する。また、第1方向D1及び第2方向D2に直交する方向を第3方向D3と定義する。図面中の第1方向D1、第2方向D2、及び第3方向D3それぞれを矢印は説明のために表記しているに過ぎず、実体を伴わない。
コア部材3は、結合コア部30、第1コア部31、及び第2コア部32を有する。本実施形態では、結合コア部30、第1コア部31、及び第2コア部32は、一体に構成されている。ここでいう一体とは、一体成形した構成に限らず、複数部品を接着剤等で接合した構成を含む。コア部材3は、例えば、鉄・ケイ素・アルミニウム(Fe-Si-Al)、鉄・ニッケル(Fe-Ni)、鉄・ケイ素(Fe-Si)等の合金を材料とする圧粉磁心(ダストコア)で構成されている。
結合コア部30は、第3方向D3の両端が開口した角筒状に形成されている。結合コア部30は、第1軸部301と、第2軸部302と、第1接続部303と、第2接続部304と、貫通孔305と、を有する。
第1軸部301は、第1方向D1に沿って形成されており、第1巻線21が巻かれている。第2軸部302は、第1方向D1に沿って形成されており、第2巻線22が巻かれている。第1軸部301と第2軸部302とは、第2方向D2に並んで形成されており、第2方向D2に対向している。図3Aに示すように、第1軸部301及び第2軸部302それぞれにおける第2方向D2及び第3方向D3に沿った断面3011,3021は、第3方向D3を長手方向とする形状である。具体的には、第1軸部301及び第2軸部302それぞれの断面3011,3021は、第3方向D3の両端部が円弧状の楕円状に形成されている。
第1接続部303は、第2方向D2に沿って形成されている。第1接続部303は、第1軸部301及び第2軸部302における第1方向D1の一端部(図3Bでは上端部)同士を接続するように形成されている。第2接続部304は、第2方向D2に沿って形成されている。第2接続部304は、第1軸部301及び第2軸部302における第1方向D1の他端部(図3Bでは下端部)同士を接続するように形成されている。第1接続部303と第2接続部304とは、第1方向D1に並んで形成されており、第1方向D1に対向している。第1接続部303及び第2接続部304それぞれにおける第1方向D1及び第3方向D3に沿った断面は、第3方向D3を長手方向とする矩形状に形成されている。
貫通孔305は、第3方向D3に沿って形成されている。貫通孔305は、第1軸部301、第2軸部302、第1接続部303、及び第2接続部304で囲まれており、開口形状が矩形状である。貫通孔305には、第1軸部301に巻かれた第1巻線21の一部、及び第2軸部302に巻かれた第2巻線22の一部が通っている。
結合コア部30は、第1巻線21及び第2巻線22が巻かれている。結合コア部30は、第1巻線21及び第2巻線22それぞれの通電時に発生する磁束が通る閉磁路として、第1方向D1及び第2方向D2に沿った平面である結合面に沿った結合磁路を形成している(図3B参照)。具体的には、結合磁路は、第1軸部301、第2軸部302、第1接続部303、及び第2接続部304で構成されている。第1巻線21及び第2巻線22は、結合コア部30が形成する結合磁路により、磁気的に結合されている。言い換えれば、結合コア部30は、第1巻線21と第2巻線22とを磁気的に結合している。
第1コア部31は、結合コア部30に対して第3方向D3の一方側(図3Cでは右側)に設けられている。第1コア部31は、C字状に形成されており、結合コア部30と共に第1巻線21の一部を囲むように結合コア部30に接続されている。第1コア部31は、第1巻線21に対応しており、第1巻線21の通電時に発生する磁束が通る閉磁路として、第1方向D1及び第3方向D3に沿った平面である第1面に沿った第1磁路を形成している(図3C参照)。具体的には、第1磁路は、第1コア部31と、結合コア部30における第1軸部301と、で構成されている。つまり、本実施形態では、第1軸部301は、結合磁路と第1磁路とを兼用している。
第1コア部31は、3つのコア片311~313を有している。
コア片311は、第1方向D1に沿った角柱状に形成されている。コア片311は、第1軸部301に対して第3方向D3の一方側(図3Cでは右側)に並べて設けられており、第1軸部301と第3方向D3に対向している。
コア片312は、第3方向D3に沿った角柱状に形成されている。コア片312は、コア片311及び第1軸部301における第1方向D1の一端部(図3Cでは上端部)同士を接続するように形成されている。コア片313は、第3方向D3に沿った角柱状に形成されている。コア片313は、コア片311及び第1軸部301における第1方向D1の他端部(図3Cでは下端部)同士を接続するように形成されている。コア片312とコア片313とは、第1方向D1に対向している。
コア部材3は、第1コア部31と第1軸部301とで囲まれた貫通孔314を有している。貫通孔314は、第2方向D2に沿って形成されており、開口形状が矩形状である。貫通孔314には、第1軸部301に巻かれた第1巻線21の一部が通っている。
結合磁路は、主たる面である結合面に沿って形成され、第1磁路は、主たる面である第1面に沿って形成されている。結合面は、結合コア部30における第1方向D1及び第2方向D2に沿った平面であり(図3B参照)、第1面は、第1コア部31及び第1軸部301における第1方向D1及び第3方向D3に沿った平面である(図3C参照)。したがって、結合面と第1面とは互いに直交している。言い換えれば、結合面の法線方向(第3方向D3)と、第1面の法線方向(第2方向D2)とは互いに直交している。
第2コア部32は、結合コア部30に対して第3方向D3の一方側(図3Dでは右側)に設けられている。第2コア部32は、C字状に形成されており、結合コア部30と共に第2巻線22の一部を囲むように結合コア部30に接続されている。第2コア部32は、第2巻線22に対応しており、第2巻線22の通電時に発生する磁束が通る閉磁路であり、第1方向D1及び第3方向D3に沿った平面である第2面に沿った第2磁路を形成している(図3D参照)。具体的には、第2磁路は、第2コア部32と、結合コア部30における第2軸部302と、で構成されている。つまり、本実施形態では、第2軸部302は、結合磁路と第2磁路とを兼用している。
第2コア部32は、3つのコア片321~323を有している。第2コア部32は、第1コア部31と第2方向D2に対向しており、第1コア部31と第2方向D2に離れて形成されている。
コア片321は、第1方向D1に沿った角柱状に形成されている。コア片321は、第2軸部302に対して第3方向D3の一方側(図3Dでは右側)に並べて設けられており、第2軸部302と第3方向D3に対向している。また、コア片321は、第1コア部31のコア片311と第2方向D2に対向している。
コア片322は、第3方向D3に沿った角柱状に形成されている。コア片322は、コア片321及び第2軸部302における第1方向D1の一端部(図3Dでは上端部)同士を接続するように形成されている。コア片323は、第3方向D3に沿った角柱状に形成されている。コア片323は、コア片321及び第2軸部302における第1方向D1の他端部(図3Dでは下端部)同士を接続するように形成されている。コア片322とコア片323とは、第1方向D1に対向している。また、コア片322及びコア片323は、それぞれコア片312及びコア片313と第2方向D2に対向している。
コア部材3は、第2コア部32と第2軸部302とで囲まれた貫通孔324を有している。貫通孔324は、第2方向D2に沿って形成されており、開口形状が矩形状である。貫通孔324には、第2軸部302に巻かれた第2巻線22の一部が通っている。
結合磁路は、主たる面である結合面に沿って形成され、第1磁路は、主たる面である第2面に沿って形成されている。結合面は、結合コア部30における第1方向D1及び第2方向D2に沿った平面であり(図3B参照)、第2面は、第2コア部32及び第2軸部302における第1方向D1及び第3方向D3に沿った平面である(図3D参照)。したがって、結合面と第2面とは互いに直交している。言い換えれば、結合面の法線方向(第3方向D3)と、第1面の法線方向(第2方向D2)とは互いに直交している。
また、第1面(図3C参照)と第2面(図3D参照)とは互いに平行である。言い換えれば、第1面の法線方向(第2方向D2)と、第2面の法線方向(第2方向D2)とは、互いに同じ方向である。
第1巻線21は、第1軸部301を軸として第1軸部301に巻かれるように形成された平角状の導電線(コイル)である。第2巻線22は、第2軸部302を軸として第2軸部302に巻かれるように形成された平角状の導電線(コイル)である。第1巻線21及び第2巻線22は、それぞれの軸方向(第1方向D1)から見て、第3方向D3を長手方向とする楕円状に巻かれている。第1巻線21の巻数と、第2巻線22の巻数とは、互いに同数である。なお、第1巻線21及び第2巻線22それぞれの巻数は、設計等に応じて適宜変更可能である。第1巻線21の巻数と、第2巻線22の巻数とは、互いに異なる数であってもよい。第1巻線21、及び第2巻線22は、平角状の導電線に限らず、断面が円形の導電線であってもよい。
上述したように、第1巻線21及び第2巻線22は、結合コア部30に巻かれている。したがって、第1巻線21及び第2巻線22それぞれが発生した磁束は、結合コア部30が形成する結合磁路(第1軸部301、第2軸部302、第1接続部303、及び第2接続部304)を通る。これにより、第1巻線21と第2巻線22とが磁気的に結合される。つまり、結合コア部30によって、第1巻線21と第2巻線22とを磁気的に結合する磁気結合機能が実現される。
ここで、第1巻線21及び第2巻線22が発生させる直流磁束の向きは、第1巻線21及び第2巻線22の巻方向、及び第1巻線21及び第2巻線22に流れる直流電流の向きによって決定される。ここでいう直流磁束とは、第1巻線21、及び第2巻線22に流れる直流電流によって発生する磁束である。第1巻線21及び第2巻線22は、互いの巻方向が同じ方向であって、それぞれの一端が電源回路100における高電位側の入力端子151に電気的に接続されている(図2参照)。したがって、結合磁路において、第1巻線21の通電時に第1巻線21が発生させる直流磁束の向きと、第2巻線22の通電時に第2巻線22が発生させる直流磁束の向きとが、互いに逆向きとなる。そのため、結合コア部30が形成する結合磁路において、第1巻線21が発生させる直流磁束と、第2巻線22が発生させる直流磁束とが互いに逆向きとなって打ち消し合う(相殺される)。図3Bでは、結合磁路において、第1巻線21が発生させる直流磁束の向きを破線矢印Y1、第2巻線22が発生させる直流磁束の向きを破線矢印Y2で概念的に示している。なお、図3Bにおいて、破線矢印Y1,Y2で示した第1巻線21及び第2巻線22が発生させる直流磁束の向きは一例であって、それぞれが逆向きであってもよい。
また、本実施形態では、第1巻線21が巻かれた第1軸部301は、結合磁路と第1磁路とを兼用している。したがって、第1巻線21が発生させた磁束は、結合コア部30が形成する結合磁路を通る磁束と、第1コア部31が形成する第1磁路を通る磁束とに分かれる。図3Cでは、第1磁路において、第1巻線21が発生させる直流磁束の向きを破線矢印Y11で概念的に示している。第1コア部31は、第1巻線21が発生させた磁束のうち第1磁路を通る磁束を磁気エネルギとして蓄積する。つまり、第1コア部31によって、第1巻線21が発生させた磁気エネルギを蓄積/放出するインダクタ機能が実現される。また、第1磁路を通る磁束は、第1巻線21が発生させた磁束が支配的であり、第2巻線22が発生させた磁束をゼロとみなすことができる。したがって、第1磁路は、第1巻線21と第2巻線22とを磁気的に結合しない非結合磁路といえる。ここでいう非結合とは、第1磁路による第1巻線21と第2巻線22との結合係数が完全にゼロだけでなく、ゼロとみなすことが許容される範囲内である場合も含める。
また、本実施形態では、第2巻線22が巻かれた第2軸部302は、結合磁路と第2磁路とを兼用している。したがって、第2巻線22が発生させた磁束は、結合コア部30が形成する結合磁路を通る磁束と、第2コア部32が形成する第2磁路を通る磁束とに分かれる。図3Dでは、第2磁路において、第2巻線22が発生させる直流磁束の向きを破線矢印Y21で概念的に示している。第2コア部32は、第2巻線22が発生させた磁束のうち第2磁路を通る磁束を磁気エネルギとして蓄積する。つまり、第2コア部32によって、第2巻線22が発生させた磁気エネルギを蓄積/放出するインダクタ機能が実現される。また、第2磁路を通る磁束は、第2巻線22が発生させた磁束が支配的であり、第1巻線21が発生させた磁束をゼロとみなすことができる。したがって、第2磁路は、第1巻線21と第2巻線22とを磁気的に結合しない非結合磁路といえる。ここでいう非結合とは、第2磁路による第1巻線21と第2巻線22との結合係数が完全にゼロだけでなく、ゼロとみなすことが許容される範囲内である場合も含める。
ここで、第1巻線21が発生させた磁束のうち、結合磁路を通る磁束の割合が、第1巻線21と第2巻線22と磁気結合の結合係数となる。同様に、第2巻線22が発生させた磁束のうち、結合磁路を通る磁束の割合が、第1巻線21と第2巻線22と磁気結合の結合係数となる。
結合係数が高くなるほど、第1磁路及び第2磁路を通る磁束が低減する。したがって、電源回路100(図2参照)において、入力電圧Viを所定の電圧値まで昇圧させるために、例えば第1巻線21及び第2巻線22の巻数を多くしてインダクタンスを増大させる必要がある。また、コア部材3(結合コア部30、第1コア部31、及び第2コア部32)が磁気飽和しないように、コア部材3の体積を増大させる必要がある。その結果、リアクトル1が大型化するおそれがある。
また、電源回路100(図2参照)において、第1スイッチング素子111及び第2スイッチング素子112のデューティ比が例えば75%である場合、リップル電流の実効値は、結合係数が0.5程度で最も低くなる。
本実施形態のリアクトル1は、インダクタンスと磁束密度とのバランスをとり、リップル電流の実効値の低減を図るために、結合係数が0.3~0.7程度に設定される。結合係数を決定するパラメータには、磁路(結合磁路、第1磁路、第2磁路)の長さ、磁路(結合磁路、第1磁路、第2磁路)の断面積、コア部材3を形成する材料等が含まれている。
結合磁路は、第1巻線21と第2巻線22との両方の内側を通るため、1つの巻線(第1巻線21又は第2巻線22)のみを通る第1磁路及び第2磁路に比べて磁路長が長くなる。そのため、結合係数が低くなる要因となる。そこで、本実施形態では結合コア部30における結合磁路の断面(結合断面300)の面積は、第1コア部31における第1磁路の断面(第1断面310)の面積、及び第2コア部32における第2磁路の断面(第2断面320)の面積よりも大きく構成されている。より具体的には、結合コア部30における結合面の法線方向(第3方向D3)の寸法L10は、第1コア部31における第1面(図3C参照)の法線方向(第2方向D2)の寸法L11、及び第2コア部32における第2面(図3D参照)の法線方向(第2方向D2)の寸法L12よりも大きく構成されている(図3A参照)。つまり、結合磁路の幅(寸法L10)を延長することにより、結合磁路の磁気抵抗の低減を図っている。これにより、結合係数が低くなりすぎることを抑制している。
ここでいう結合断面300とは、結合コア部30における結合磁路と直交する断面である。より具体的には、結合断面300とは、結合コア部30における結合磁路と直交する断面のうち、最も面積が小さく磁束密度が高い部分である。本実施形態では、一例として、結合断面300は、第1軸部301及び第2軸部302における第2方向D2及び第3方向D3に沿った断面3011,3021であるとする(図3A参照)。結合コア部30における結合面の法線方向(第3方向D3)の寸法L10は、結合断面300における第3方向D3の寸法に相当する。なお、結合断面300は、第1軸部301及び第2軸部302の断面3011,3021に限らず、第1接続部303又は第2接続部304における第1方向D1及び第3方向D3に沿った断面であってもよい。
同様に、第1断面310とは、第1コア部31における第1磁路と直交する断面であって、最も面積が小さく磁束密度が高い部分である。第2断面320とは、第2コア部32における第2磁路と直交する断面であって、最も面積が小さく磁束密度が高い部分である。本実施形態では、一例として、第1断面310は、第1コア部31のコア片311における第2方向D2及び第3方向D3に沿った断面であるとする(図3A参照)。第2断面320は、第2コア部32におけるコア片321における第2方向D2及び第3方向D3に沿った断面であるとする(図3A参照)。第1コア部31における第1面(図3C参照)の法線方向(第2方向D2)の寸法L11は、第1断面310における第2方向D2の寸法に相当する。第2コア部32における第2面(図3D参照)の法線方向(第2方向D2)の寸法L12は、第2断面320における第2方向D2の寸法に相当する。本実施形態では、寸法L11と寸法L12は同じである。なお、第1断面310は、コア片311の断面に限らず、コア片312又はコア片313における第1方向D1及び第2方向D2に沿った断面であってもよい。また、第2断面320は、コア片321の断面に限らず、コア片322又はコア片323における第1方向D1及び第2方向D2に沿った断面であってもよい。
図3Aに示すように、本実施形態では、第1断面310及び第2断面320は、略正方形状であるのに対して、結合断面300は、第3方向D3に長い形状である。また、結合断面300、第1断面310、及び第2断面320は、それぞれ第2方向D2の寸法が略同じである。したがって、リアクトル1の設計時において、結合断面300(第1軸部301、第2軸部302)の第3方向D3の寸法L10を調整することにより、結合係数を調整することができる。これにより、本実施形態のリアクトル1では、結合係数の調整が容易となり、結合係数を0.3~0.7に設定しやすくなる。
また、本実施形態では、結合磁路が形成する結合面が、第1磁路が形成する第1面、及び第2磁路が形成する第2面と直交するように、コア部材3が構成されている。これにより、本実施形態のリアクトル1は、結合磁路、第1磁路、及び第2磁路それぞれが形成する平面を同一にした構成に比べて、小型化を図ることができる。
また、第1コア部31及び第2コア部32の各々は、結合コア部30に対して結合面の法線方向(第3方向D3)の片側(図3Aでは右側)に設けられている。これにより、本実施形態のリアクトル1は、2つの巻線間に非結合磁路を設けた構成に比べて、結合コア部30における結合磁路の長さが短くすることができ、小型化を図ることができる。
また、コア部材3(結合コア部30、第1コア部31、及び第2コア部32)は、飽和磁束密度が0.6T(テスラ)以上、かつ2.2T(テスラ)以下である材料(本実施形態では、圧粉磁心)で形成されている。一般的に、圧粉磁心は、フェライトよりも飽和磁束密度が高い。つまり、本実施形態のコア部材3は、フェライトで形成する場合に比べて飽和磁束密度が高い。したがって、本実施形態のリアクトル1は、コア部材をフェライトで構成する場合に比べて、コア部材3の体積を低減して小型化を図り、結合係数を0.3~0.7に設定しやすくなる。また、コア部材3に磁気ギャップが不要となる。つまり、コア部材3は、磁気ギャップを有していないギャップレス構造である。言い換えれば、結合磁路、第1磁路、第2磁路の各々は、磁気ギャップを含まない。ここでいう磁気ギャップとは、磁路におけるコア部材3の不連続部分(例えば空間等)であって、コア部材3を構成する複数部品の接合部分(例えば接着剤等)は含まれない。これにより、本実施形態のリアクトル1は、漏れ磁束の低減を図ることができる。したがって、漏れ磁束に起因した第1巻線21及び第2巻線22の渦電流損を抑制することができる。また、リアクトル1の配置場所の周囲に設けられた金属部材(例えば冷却用の放熱板、シャーシ等)の渦電流損を抑制することができる。つまり、本実施形態のリアクトル1は、周囲に設けられた金属部材への影響を抑制することができる。
(3)変形例
以下、実施形態1の変形例について述べる。以下、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(3.1)第1変形例
第1変形例のリアクトル1Aを図4に示す。
本変形例のリアクトル1Aは、第1コア部31と第2コア部32とが連続するように形成された点が、上述した実施形態1のリアクトル1(図1参照)と相違する。
本変形例のコア部材3Aは、第1軸部301、第2軸部302、及び接続部331~333を備えている。接続部331は、矩形板状に形成されている。接続部331は、実施形態1のリアクトル1のコア部材3(図1参照)における第1コア部31のコア片311と、第2コア部32のコア片321と、に相当する部分が連続するように一体化した構成である。接続部332は、矩形板状に形成されている。接続部332は、実施形態1のリアクトル1のコア部材3(図1参照)における結合コア部30の第1接続部303と、第1コア部31のコア片312と、第2コア部32のコア片322と、に相当する部分が連続するように一体化した構成である。接続部333は、矩形板状に形成されている。接続部333は、実施形態1のリアクトル1のコア部材3(図1参照)における結合コア部30の第2接続部304と、第1コア部31のコア片313と、第2コア部32のコア片323と、に相当する部分が連続するように一体化した構成である。
本変形例のリアクトル1Aでは、接続部331~333において、第1軸部301と共に第1巻線21を囲む部分が第1磁路を形成する第1コア部31であり、第1巻線21が発生させた磁束が支配的となる。また、接続部331~333において、第2軸部302と共に第2巻線22を囲む部分が第2磁路を形成する第2コア部32であり、第2巻線22が発生させた磁束が支配的となる。
本変形例のリアクトル1Aでは、第1コア部31と第2コア部32とが連続するように形成されているので、コア部材3Aの機械的な強度の向上を図ることができる。
なお、図4に示す例では、第1コア部31と第2コア部32とが全体的に連続するように形成されているが、このような構成に限らず、部分的に連続するように構成されていてもよい。例えば、接続部331に第3方向D3に貫通した貫通孔を設け、実施形態1のリアクトル1のコア部材3(図1参照)における第1コア部31のコア片311と、第2コア部32のコア片321とに相当する部分が第2方向D2に離れた構成であってもよい。
(3.2)第2変形例
次に、第2変形例のリアクトル1Bを図5、図6A~図6Dに示す。
本変形例のリアクトル1Bは、結合コア部30Bに対して、第1コア部31Bと第2コア部32Bとが互いに反対方向に設けられている点が、上述したリアクトル1,1A(図1、図4参照)と相違する。
本変形例のリアクトル1Bは、結合コア部30Bに対して、結合コア部30Bにおける第1方向D1及び第2方向D2に沿った結合面(図6B参照)の法線方向(第3方向D3)の一方側(図6Cでは左側)に第1コア部31Bが設けられ、第3方向D3の他方側(図6Dでは右側)に第2コア部32Bが設けられている。図6Bでは、結合磁路において、第1巻線21が発生させる直流磁束の向きを破線矢印Y1、第2巻線22が発生させる直流磁束の向きを破線矢印Y2で概念的に示している。また、図6Cでは、第1磁路において、第1巻線21が発生させる直流磁束の向きを破線矢印Y11で概念的に示している。また、図6Dでは、第2磁路において、第2巻線22が発生させる直流磁束の向きを破線矢印Y21で概念的に示している。
また、本変形例のコア部材3Bは、第2方向D2において第1軸部301と第2軸部302との一部同士が重なるように、第1軸部301と第2軸部302とが第3方向D3にずれて形成されている(図6A参照)。具体的には、第3方向D3において、第1軸部301は、第2軸部302よりも第2コア部32B側に形成され、第2軸部302は、第1軸部301よりも第1コア部31B側に形成されている。第1軸部301と第2軸部302とが第3方向D3にずれていることによって、第1巻線21と第2巻線22とも第3方向D3にずれている。これにより、第2方向D2において、第1コア部31と第2巻線22の一部とが重なり、第2コア部32と第1巻線21の一部とが重なるので、リアクトル1Bの小型化を図ることができる。なお、コア部材3Bは、第1面及び第2面の法線方向(第2方向D2)において、第1軸部301と第2軸部302との少なくとも一部同士が重なるように構成されていればよい。これにより、結合コア部30Bにおいて、第1方向D1及び第2方向D2に沿った平面である結合面に沿った結合磁路が形成される。
(3.3)その他の変形例
以下に、その他の変形例について列記する。なお、以下に説明する変形例は、上記実施形態、変形例と適宜組み合わせて適用可能である。
上述した実施形態のリアクトル1では、結合コア部30と第1コア部31と第2コア部32とが一体に構成されていたが、それぞれが別体であってもよい。例えば、上述した例では、第1軸部301は、結合磁路と第1磁路とを兼用するように構成されていたが、結合磁路を形成する軸部と、第1磁路を形成する軸部とに分かれて構成されていてもよい。同様に、第2軸部302は、結合磁路と第2磁路とを兼用するように構成されていたが、結合磁路を形成する軸部と、第2磁路を形成する軸部とに分かれて構成されていてもよい。この場合、第1軸部301(第2軸部302)を構成する2つの軸部が、接着剤等で接合されていてもよい。また、結合コア部30と、第1コア部31及び第2コア部32とが、互いに異なる材料で構成されていてもよい。例えば、リアクトル1の設計時において、結合コア部30を構成する材料と、第1コア部31及び第2コア部32を構成する材料との透磁率を互いに異ならせることによって、結合係数を調整するように構成されていてもよい。
上述した実施形態のリアクトル1では、インダクタ機能を実現するための非結合磁路として第1コア部31と第2コア部32とを備えていたが、第1コア部31と第2コア部32との一方のみを備えた構成であってもよい。
また、リアクトル1は、ボビンを更に備えていてもよい。ボビンは、第1巻線21又は第2巻線22が巻かれ、第1軸部301又は第2軸部302が通るように設けられる。
また、リアクトル1は、樹脂等の封止部材によって、第1巻線21と第2巻線22とコア部材3とが一体に封止された構成であってもよい。これにより、第1巻線21及び第2巻線22の巻ずれを抑制することができる。
(まとめ)
第1態様に係るリアクトル(1,1A,1B)は、第1巻線(21)と、第2巻線(22)と、結合コア部(30,30B)と、第1コア部(31,31B)と、第2コア部(32,32B)と、を備える。結合コア部(30,30B)は、第1巻線(21)の通電時に第1巻線(21)が発生させた磁束、及び第2巻線(22)の通電時に第2巻線(22)が発生させた磁束が通り、第1巻線(21)と第2巻線(22)とを磁気的に結合し、所定の面である結合面に沿った結合磁路を形成する。第1コア部(31,31B)は、第1巻線(21)の通電時に第1巻線(21)が発生させた磁束が通り、第1面に沿った第1磁路を形成する。第2コア部(32,32B)は、第2巻線(22)の通電時に第2巻線(22)が発生させた磁束が通り、第2面に沿った第2磁路を形成する。結合面は、第1面及び第2面と直交している。
この態様によれば、結合コア部(30,30B)に対して、第1巻線(21)と第2巻線(22)とが並ぶ方向とは異なる方向に、第1コア部(31,31B)及び第2コア部(32,32B)が設けられる。したがって、リアクトル(1,1A,1B)の小型化を図ることができる。
第2態様に係るリアクトル(1,1A,1B)では、第1態様において、結合コア部(30,30B)における結合面の法線方向(第3方向D3)の寸法(L10)は、第1コア部(31,31B)における第1面の法線方向(第2方向D2)の寸法(L11)、及び第2コア部(32,32B)における第2面の法線方向(第2方向D2)の寸法(L12)よりも大きい。
この態様によれば、リアクトル(1,1A,1B)の設計時において、結合コア部(30,30B)における結合面の法線方向(第3方向D3)の寸法(L10)を調整することにより、第1巻線(21)と第2巻線(22)との結合係数の調整が可能となる。
第3態様に係るリアクトル(1,1A,1B)では、第2態様において、第1コア部(31,31B)及び第2コア部(32,32B)の各々は、結合コア部(30,30B)に対して結合面の法線方向(第3方向D3)の片側に設けられている。
この態様によれば、結合係数が低くなりすぎることを抑制し、かつリアクトル(1,1A,1B)の小型化を図ることができる。
第4態様に係るリアクトル(1,1A)では、第3態様において、第1コア部(31)及び第2コア部(32)は、互いに結合コア部(30)に対して結合面の法線方向(第3方向D3)の同一側に設けられている。
この態様によれば、リアクトル(1,1A,1B)の小型化を図ることができる。
第5態様に係るリアクトル(1A)では、第4態様において、第1コア部(31)と第2コア部(32)とが連続している。
この態様によれば、第1コア部(31)及び第2コア部(32)の機械的な強度の向上を図ることができる。
第6態様に係るリアクトル(1B)では、第3態様において、第1コア部(31,31B)及び第2コア部(32,32B)は、互いに結合コア部(30,30B)に対して結合面の法線方向(第3方向D3)の反対側に設けられている。
この態様によれば、リアクトル(1B)の小型化を図ることができる。
第7態様に係るリアクトル(1B)では、第6態様において、第1巻線(21)及び第2巻線(22)は、第1面の法線方向(第2方向D2)及び第2面の法線方向(第2方向D2)において一部が重なるように設けられている。
この態様によれば、第1面及び第2面の法線方向(第2方向D2)において、第1巻線(21)の一部と第2コア部(32B)とが重なり、第2巻線(22)の一部と第1コア部(31B)とが重なるように構成することができる。これにより、リアクトル(1B)の小型化を図ることができる。
第8態様に係るリアクトル(1,1A,1B)では、第1~第4態様のいずれかにおいて、結合コア部(30,30B)と第1コア部(31,31B)と第2コア部(32,32B)とは、一体である。
この態様によれば、結合コア部(30,30B)と第1コア部(31,31B)と第2コア部(32,32B)とを同一材料で形成することができる。
第9態様に係るリアクトル(1,1A,1B)では、第1~第7態様のいずれかにおいて、結合コア部(30,30B)は、第1コア部(31,31B)及び第2コア部(32,32B)それぞれを構成する材料の透磁率と異なる透磁率の材料で構成されている。
この態様によれば、リアクトル(1,1A,1B)の設計時において、結合コア部(30,30B)、第1コア部(31,31B)、及び第2コア部(32,32B)それぞれを構成する材料の透磁率を調整することにより、結合係数の調整が可能となる。
第10態様に係るリアクトル(1,1A,1B)では、第1~第9態様のいずれかにおいて、第1巻線(21)と第2巻線(22)との結合係数は、0.3以上かつ0.7以下である。
この態様によれば、リアクトル(1,1A,1B)のサイズとインダクタとのバランスをとることができる。
第11態様に係るリアクトル(1,1A,1B)では、第1~第10態様のいずれかにおいて、結合コア部(30,30B)、第1コア部(31,31B)、及び第2コア部(32,32B)それぞれの飽和磁束密度は、0.6T以上かつ2.2T以下である。
この態様によれば、リアクトル(1,1A,1B)のサイズとインダクタとのバランスをとることができる。
第12態様に係るコア部材(3,3A,3B)は、第1~第11態様のいずれかのリアクトル(1,1A,1B)の結合コア部(30,30B)、第1コア部(31,31B)、及び第2コア部(32,32B)を備える。
この態様によれば、コア部材(3,3A,3B)の小型化を図ることができ、結果的にリアクトル(1,1A,1B)の小型化を図ることができる。
第13態様に係る電源回路(100)は、第1~第11態様のいずれかのリアクトル(1,1A,1B)と、第1巻線(21)及び第2巻線(22)に流れる電流を制御する制御部(141)と、を備える。
この態様によれば、リアクトル(1,1A,1B)の小型化を図ることができ、結果的に電源回路(100)の小型化を図ることができる。
第14態様に係る電源回路(100)は、第13態様において、制御部(141)は、第1巻線(21)に流れるリップル電流の位相と、第2巻線(22)に流れるリップル電流の位相と、を互いにずらす。
この態様によれば、結合コア部(30,30B)の磁気飽和を抑制することができる。
第2~第11態様に係る構成については、リアクトル(1,1A,1B)に必須の構成ではなく、適宜省略可能である。
1,1A,1B リアクトル
21 第1巻線
22 第2巻線
3,3A,3B コア部材
30,30B 結合コア部
31,31B 第1コア部
32,32B 第2コア部
100 電源回路
141 制御部
L10,L11,L12 寸法

Claims (12)

  1. 第1巻線と、
    第2巻線と、
    前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束、及び前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、前記第1巻線と前記第2巻線とを磁気的に結合し、所定の面である結合面に沿った結合磁路を形成する結合コア部と、
    前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束が通り、第1面に沿った第1磁路を形成する第1コア部と、
    前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、第2面に沿った第2磁路を形成する第2コア部と、を備え、
    前記結合面は、前記第1面及び前記第2面と直交しており
    前記結合コア部における前記結合面の法線方向の寸法は、前記第1コア部における前記第1面の法線方向の寸法、及び前記第2コア部における前記第2面の法線方向の寸法よりも大きい、
    リアクトル。
  2. 前記第1コア部及び前記第2コア部の各々は、前記結合コア部に対して前記結合面の法線方向の片側に設けられている、
    請求項1に記載のリアクトル。
  3. 前記第1コア部及び前記第2コア部は、互いに前記結合コア部に対して前記結合面の法線方向の同一側に設けられている、
    請求項2に記載のリアクトル。
  4. 接続コア部を更に備え、
    前記第1コア部と前記第2コア部とが前記接続コア部を介して連続している、
    請求項3に記載のリアクトル。
  5. 前記第1コア部及び前記第2コア部は、互いに前記結合コア部に対して前記結合面の法線方向の反対側に設けられている、
    請求項2に記載のリアクトル。
  6. 前記第1巻線及び前記第2巻線は、前記第1面の法線方向及び前記第2面の法線方向において一部が重なるように設けられている、
    請求項5に記載のリアクトル。
  7. 前記結合コア部と前記第1コア部と前記第2コア部とは、一体である、
    請求項1~3のいずれか1項に記載のリアクトル。
  8. 第1巻線と、
    第2巻線と、
    前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束、及び前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、前記第1巻線と前記第2巻線とを磁気的に結合し、所定の面である結合面に沿った結合磁路を形成する結合コア部と、
    前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束が通り、第1面に沿った第1磁路を形成する第1コア部と、
    前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、第2面に沿った第2磁路を形成する第2コア部と、を備え、
    前記結合面は、前記第1面及び前記第2面と直交しており、
    前記結合コア部は、前記第1コア部及び前記第2コア部それぞれを構成する材料の透磁率と異なる透磁率の材料で構成されている、
    リアクトル。
  9. 前記第1巻線と前記第2巻線との結合係数は、0.3以上かつ0.7以下である、
    請求項1~8のいずれか1項に記載のリアクトル。
  10. 前記結合コア部、前記第1コア部、及び前記第2コア部それぞれの飽和磁束密度は、0.6T以上かつ2.2T以下である、
    請求項1~9のいずれか1項に記載のリアクトル。
  11. 請求項1~10のいずれか1項に記載のリアクトルの前記結合コア部、前記第1コア部、及び前記第2コア部を備えるコア部材。
  12. リアクトルと、
    制御部と、を備え、
    前記リアクトルは、
    第1巻線と、
    第2巻線と、
    前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束、及び前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、前記第1巻線と前記第2巻線とを磁気的に結合し、所定の面である結合面に沿った結合磁路を形成する結合コア部と、
    前記第1巻線の通電時に前記第1巻線が発生させた磁束が通り、第1面に沿った第1磁路を形成する第1コア部と、
    前記第2巻線の通電時に前記第2巻線が発生させた磁束が通り、第2面に沿った第2磁路を形成する第2コア部と、を備え、
    前記結合面は、前記第1面及び前記第2面と直交しており、
    前記制御部は、前記第1巻線及び前記第2巻線に流れる電流を制御し、
    前記制御部は、前記第1巻線に流れるリップル電流の位相と、前記第2巻線に流れるリップル電流の位相と、を互いにずらす、
    電源回路。
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