KR20140041867A - 리액터 및 전기 기기 - Google Patents
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Abstract
[과제] 코어의 체적을 삭감하고 전력 손실의 저감이 가능한, 소형화 리액터를 제공한다.
[해결수단] 제 1 자성체와 서로 절연되고, 제 1 자성체와 절연되는 동시에, 제 1 자성체를 둘러싸도록 배치되고, 각각의 일단 사이에 입력된 신호에 따라, 양으로 결합하는 한쌍의 코일을 가지며, 제 1 자성체는 제 1 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 및 제 2 단부는 제 1 자성체가 존재하는 않는 공간을 개재하여 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되고, 한 쌍의 코일의 각각의 일단 사이에 입력된 입력 신호에 기초하여, 한 쌍의 코일의 각각의 타단 사이로부터 출력 신호를 출력하는 리액터로 한다.
[해결수단] 제 1 자성체와 서로 절연되고, 제 1 자성체와 절연되는 동시에, 제 1 자성체를 둘러싸도록 배치되고, 각각의 일단 사이에 입력된 신호에 따라, 양으로 결합하는 한쌍의 코일을 가지며, 제 1 자성체는 제 1 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 및 제 2 단부는 제 1 자성체가 존재하는 않는 공간을 개재하여 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되고, 한 쌍의 코일의 각각의 일단 사이에 입력된 입력 신호에 기초하여, 한 쌍의 코일의 각각의 타단 사이로부터 출력 신호를 출력하는 리액터로 한다.
Description
본 발명은 태양광 발전용 등의 파워 컨디셔너에서 사용되는 리액터, 전기 기기에 관한 것이다.
최근, 태양광 발전용 등의 파워 컨디셔너에서 사용되는 리액터는 파워 컨디셔너의 보급과 함께 저비용화, 소형화가 널리 산업계에서 요구되어 왔다. 최근에는 에너지 절약에 대한 대응으로 더욱 고효율화나 자원 절약 대응으로 재료 삭감한 리액터의 출현이 요망된다.
종래의 리액터는 특허문헌 1에 있는 것과 같은 폐자로(閉磁路) 자성체 구성으로 하는 것이 일반적이었다. 도 10은 종래의 리액터 예이다. 리액터(R4)는 제 1 코일(101), 제 2 코일(102), 제 1 자성체 a(103), 제 2 자성체(104), 제 3 자성체(105), 제 1 자성체 b(106), 종래 리액터의 보빈(109a, 109b)을 가진다. 도 10에 있어서, 제 1 자성체 a(103) 및 코일과의 절연을 확보하기 위한 종래 리액터의 보빈(109a)에 제 1 코일(101)이 권회되어 있다. 제 1 자성체 b(106) 및 코일과의 절연을 확보하기 위한 종래 리액터의 보빈(109b)에 제 2 코일(102)이 권회되어 있다. 여기에서, 종래 리액터의 보빈(109a, 109b)은 각각 제 1 코일(101)과 제 2 코일(102)이 배치 가능하도록, U자상으로 형성되어 있다. 종래 리액터의 보빈(109a)은 제 1 자성체 a(103)의 주위에 장착되어 있고, 종래 리액터의 보빈(109b)은 제 1 자성체 b(106)의 주위에 장착되어 있다. 또한, 제 1 코일(101)과 제 2 코일(102)은 각각 별도의 권선에 의해 서로 절연된 상태로 되어 있다. 또한 제 1 자성체 a(103)의 일단과 제 1 자성체 b(106)의 일단에 제 2 자성체(104)가 배치되고, 제 1 자성체 a(103)와 제 1 자성체 b(106)의 타단에 제 3 자성체(105)가 배치되어 있다. 그러나 이 구조에서는 제 1 코일(101)과 제 2 코일(102)을 근접시키는 것이 어려워 제 1 코일(101)과 제 2 코일(102)의 결합도(m)=0.5 정도가 일반적이며, 코일의 결합을 충분히 크게 할 수 없었다. 또한, 누설 자속이 있는 것의 폐자로 구성을 이용하기 때문에, 코일에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속이 폐자로를 형성하는 자성체 내를 통과함으로써, 자성체에 의한 전력 손실이 발생하고 있었다. 또한, 자성체의 포화 자속을 충분히 얻기 위해서는, 자성체를 대형으로 할 필요가 있고, 그 결과, 리액터가 대형화되어 버린다고 하는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은, 코어의 체적을 삭감하고 전력 손실의 저감이 가능한, 소형 리액터를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제 1 자성체와 서로 절연되고, 상기 제 1 자성체와 절연되는 동시에, 상기 제 1 자성체를 둘러싸도록 배치되고, 각각의 일단 사이에 입력된 신호에 따라, 양(正)으로 결합하는 한 쌍의 코일을 가지고, 상기 제 1 자성체는 제 1 및 제 2 단부를 가지고, 상기 제 1 및 제 2 단부는 상기 제 1 자성체가 존재하지 않는 공간을 개재하여, 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되며, 상기 한 쌍의 코일의 각각의 일단 사이에 입력된 입력 신호에 기초하여 상기 한 쌍의 코일의 각각의 타단 사이로부터 출력 신호를 출력하는 리액터로 한다.
이 리액터는 전력 손실의 저감이 가능해지도록, 제 1 자성체는 제 1 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 및 제 2 단부는 제 1 자성체가 존재하지 않는 공간을 개재하여 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되며, 개자로(開磁路) 구성으로 함으로써, 자성체의 체적을 삭감하고, 제 1 자성체를 둘러싸도록 한 쌍의 코일을 배치하고 있기 때문에 소형 리액터로 할 수 있는 효과가 얻어진다.
본 발명의 바람직한 형태로서는 상기 한 쌍의 코일 중 한쪽이 다른쪽으로 피복되는 리액터이다.
이 리액터는 상기 한 쌍의 코일의 한쪽을 권회하고, 그 위에 다른쪽의 코일을 권회하는 것으로 코일을 감기 쉬운 효과가 있다. 또한, 한 쌍의 코일이 서로 포개진 구조로 되어 있기 때문에, 제 1 자성체의 체적의 더욱 소형화가 가능하다.
본 발명의 바람직한 형태로서는, 상기 한 쌍의 코일이 상기 제 1 자성체의 중심선의 방향으로 병설하여 배치하는 리액터로 할 수도 있다.
이 리액터는 상기 한 쌍의 코일이 상기 제 1 자성체의 중심선 방향으로 병설하여 배치함으로써 코일간의 부유 용량이 적어지는 것 등에 의해, 한 쌍의 코일에 있어서의 인덕턴스의 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 형태로서는, 상기 한 쌍의 코일은 바이파일러 권선으로 하는 리액터로 할 수도 있다.
이 리액터는 바이파일러 권선으로 함으로써 권선을 용이하게 하는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 형태로서는, 상기 제 1 자성체가 상기 한 쌍의 코일로 둘러싸인 상기 제 1 자성체에 대한 플랜지부를 가지고, 상기 플랜지부가 상기 한 쌍의 코일과 절연된 리액터로 할 수 있다.
이 리액터는 플랜지부를 형성함으로써 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 증가시키는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 형태로서는 상기 제 1 및 제 2 단부에 대향하고, 상기 제 1 자성체와는 상이한 재질의 제 2 및 제 3 자성체를 배치하여 접속한 리액터로 할 수 있다.
이 리액터에서는 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 조정하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 형태로서는, 상기 제 2 및 제 3 자성체가 상기 코일로 피복된 상기 제 1 자성체에 대한 플랜지부가 되고, 상기 플랜지부가 상기 한 쌍의 코일과 절연된 리액터로 할 수 있다.
이 리액터는 플랜지부를 형성한 제 2 및 제 3 자성체에 의해 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 증가시키는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 형태로서는, 상기 제 1 자성체의 포화 자속 밀도가 상기 제 2 및 제 3 자성체의 포화 자속 밀도보다 크고, 상기 제 1 자성체의 투자율이 상기 제 2 및 제 3 자성체의 투자율보다 작은 리액터로 할 수 있다.
본 리액터에 의하면, 전류를 크게 한 경우에도, 교류 동작시의 포화 자속 밀도가 높아(즉 직류 중첩 특성이 양호), 한 쌍의 코일의 인덕턴스가 높은 리액터로 하는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 형태로서는 상기 양으로 결합하는 한 쌍의 코일간의 결합도가 0.8 이상인 리액터로 할 수 있다.
결합도를 높게 함으로써 양으로 결합한 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 높게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 형태로서는, 상기 입력 신호가 복수의 양 및 음의 펄스 신호이며, 상기 출력 신호가 교류 신호인 리액터로 할 수 있다.
이 리액터는 상기 입력 신호가 복수의 양 및 음의 펄스 신호이고 이 리액터에 의해 상기 출력 신호를 교류 신호로 변환하는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 형태로서는 이 리액터를 갖는 전기 기기로 할 수 있다.
본 리액터를 갖는 회로로서 스위칭 파형을 평활화하는 회로 등이 있다. 또 상기 회로를 갖는 기기로서 파워 컨디셔너나 인버터 전원, DC-DC 컨버터 등이 있고, 다양한 전기 기기로 할 수 있다.
본 리액터는 제 1 자성체를 둘러싸도록 한 쌍의 코일을 배치하고, 또한 개자로 구성에 의해 자성체의 체적을 삭감함으로써 전력 손실을 삭감하고, 소형의 리액터로 할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태를 도시하는 리액터(R1)의 단면도
도 2는 본 발명의 다른 실시형태를 도시하는 리액터(R2)의 단면도
도 3은 본 발명의 다른 실시형태를 도시하는 리액터(R3)의 단면도
도 4는 제 1 자성체의 다른 형태예
도 5는 제 1 자성체의 다른 형태예
도 6은 제 1 자성체의 다른 형태예
도 7은 제 1 자성체의 다른 형태예
도 8은 제 1 자성체의 다른 형태예
도 9는 제 1 자성체의 다른 형태예
도 10은 종래의 리액터(R4)의 단면도
도 11은 리액터의 접속예
도 12는 본 실시형태의 리액터와 종래 리액터의 직류 중첩 특성
도 2는 본 발명의 다른 실시형태를 도시하는 리액터(R2)의 단면도
도 3은 본 발명의 다른 실시형태를 도시하는 리액터(R3)의 단면도
도 4는 제 1 자성체의 다른 형태예
도 5는 제 1 자성체의 다른 형태예
도 6은 제 1 자성체의 다른 형태예
도 7은 제 1 자성체의 다른 형태예
도 8은 제 1 자성체의 다른 형태예
도 9는 제 1 자성체의 다른 형태예
도 10은 종래의 리액터(R4)의 단면도
도 11은 리액터의 접속예
도 12는 본 실시형태의 리액터와 종래 리액터의 직류 중첩 특성
이하, 본 발명의 실시형태를 도 1에서부터 도 9에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태의 리액터(R1)의 실시형태의 단면도이다. 리액터(R1)는 제 1 코일(1), 제 2 코일(2), 제 1 자성체(3), 제 2 자성체(4), 제 3 자성체(5), 칸막이를 설치한 분할 코일용 보빈(7)을 가진다.
도 1에 있어서, 제 1 자성체(3), 및 코일과의 절연을 확보하기 위한 칸막이를 설치한 분할 코일용 보빈(7)에 한 쌍의 코일, 즉, 제 1 코일(1) 및 제 2 코일(2)이 권회되어 있다. 여기에서, 칸막이를 설치한 분할 코일용 보빈(7)은 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)이 배치 가능하도록, 분할된 각각의 보빈이 U자상으로 형성되고, 또한, 일체로 된 구조로 되어 있고, 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)이 칸막이를 설치한 분할 코일용 보빈(7)에 의해, 서로 절연된 상태로 되어 있다. 즉, 제 1 코일(1), 제 1 코일(2)이 제 1 자성체(3)의 중심선의 방향으로 병설하여 배치되어 있다. 여기에서, 중심선이란 제 1 자성체(3)의 코일이 감기는 방향의 중심인 제 1 자성체(3)의 선분 및 그 연장을 가리킨다. 또한, 칸막이를 설치한 분할 코일용 보빈(7)은 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 자성체(3)의 주위에 장착되어 있다. 또한, 제 1 단부에 제 2 자성체(4)를 배치하고, 제 2 단부에는 제 3 자성체(5)가 배치되어 있다.
여기에서, 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)는 제 1 자성체(3)의 제 1 단부 및 제 2 단부에 각각이 접하여 배치되는 동시에, 제 1 단부 및 제 2 단부보다 그 최대가 되는 폭이 넓게 형성되어 있다. 따라서, 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)는 제 1 코일(1) 및 제 2 코일(2)이 배치되는 코일의 중심선의 길이 방향의 영역을 규정하게 된다. 또한, 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)의 최대가 되는 폭이 제 1 단부 및 제 2 단부보다 넓어지는 영역은 제 1 자성체(3)의 전체 주위 방향의 전방향인 것이 바람직하다.
단, 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)를 안정적으로 고정 배치하는 등의 요구에 따라, 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)를 다각형 구조로 하는 경우에 있어서는, 적어도 다각형 구조를 형성하는 평면의 단부인 직선부가 제 1 단부 및 제 2 단부와 접하는 구조로 해도 좋고, 다각형 구조를 형성하는 평면 내부에 제 1 단부, 및 제 2 단부가 존재하도록 형성되어 있어도 좋다. 즉, 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)가 플랜지부를 형성해도 좋다. 이와 같이, 제 1 자성체(3)가 코일로 둘러싸인 제 1 자성체(3)에 대한 플랜지부를 가지고, 플랜지부가 한 쌍의 코일과 절연되어 있기 때문에, 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 증가시키는 것이 가능해지고 있다.
여기에서, 본 실시형태의 리액터(R1)에 있어서는, 제 1 자성체(3)의 양 단부가, 제 1 자성체(3)가 존재하지 않는 공간을 개재하여, 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되어 있다. 즉, 개자로 구성으로 함으로써, 폐자로를 형성하는 일반적인 코어 형상과는 달리, 제 1 자성체(3)의 체적이 저감되고 있다. 따라서, 한 쌍의 코일에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자계에 의한 제 1 자성체(3)에 의한 전력 손실을 종래보다도 저감시키는 것이 가능해지고 있다.
또한, 본 리액터(R1)에 있어서는, 제 1 코일(1), 제 2 코일(2)이 제 1 자성체(3)의 중심선의 방향으로 병설하여 배치되어 있기 때문에, 제 1 코일(1) 및 제 2 코일(2)간의 부유 용량을 저감시키는 것도 가능해지고 있다. 여기에서, 중심선이란 제 1 자성체(3)의 코일이 권회되는 방향의 중심인 제 1 자성체(3)의 선분 및 그 연장을 가리킨다.
또한, 본 리액터(R1)에 있어서는, 예를 들면 제 1 자성체(3)로서 포화 자속 밀도가 높은 압분재(壓粉材)에 의한 자성체(예를 들면, 철분에 의한)를 사용하고, 제 2 자성체(4), 및, 제 3 자성체(5)로서, 제 1 자성체(3)보다도 포화 자속 밀도가 낮지만 투자율이 높고, 제 1 자성체(3)보다도 전력 손실이 적은 페라이트를 사용함으로써, 한 쌍의 코일에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속에 있어서, 자속이 많은 코일 내부에 배치된 제 1 자성체(3)의 포화 자속 밀도가 높은 특징을 살릴 수 있기 때문에, 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 양호하게 하여 전력 손실을 적게 하는 것이 가능해진다. 또한, 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)는 코일 내부에 배치된 제 1 자성체(3)보다도 자속이 적기 때문에 코일 내부에 배치된 제 1 자성체(3)보다도 포화 자속 밀도가 적어도 되는 페라이트의 특징을 살릴 수 있다. 즉, 제 1 자성체(3)의 양 단부에 대향하여 배치되는 동시에, 제 1 자성체(3)와는 상이한 재질의 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)는 제 1 자성체(3)보다 투자율이 높고, 또한 제 2 자성체(4) 및 제 3 자성체(5)가 플랜지부를 형성하고, 자성체가 자속이 흐르는 방향으로 연신되는 것에 의한 반자장 계수의 저감에 의해, 인덕턴스를 크게 할 수 있다. 그 결과, 제 1 자성체의 포화 자속 밀도가 제 2 및 제 3 자성체의 포화 자속 밀도보다 크고, 전류를 크게 한 경우에도, 교류 동작시의 포화 자속 밀도가 높아(즉 직류 중첩 특성 양호), 한 쌍의 코일의 인덕턴스가 높은 리액터로 하는 것이 가능해진다.
다음에, 리액터(R1)의 동작에 관해서, 설명한다. 한 쌍의 코일의 각각의 일단 사이에는 입력 신호가 입력되고, 이 입력 신호에 기초하여 한 쌍의 코일의 각각의 타단 사이로부터 출력 신호를 얻는 것이 가능해지고 있다. 여기에서, 입력 신호는 연속적인 교류 신호, 또는, 직사각형파를 이용하는 펄스 신호라도 좋고, 또는, 직사각형파를 이용하는 경우에는, 양 및 음의 직사각형파 양자를 입력 신호로 해도 좋다. 연속적인 교류 신호를 입력 신호로 하는 경우, 출력 신호도 연속적인 교류 신호로 하는 것이 가능하다. 또한, 직사각형파를 이용하는 펄스 신호를 입력 신호로 하는 경우에는, 한 쌍의 출력단 사이에 콘덴서를 접속함으로써, 출력단 사이로부터의 출력 신호의 고주파 성분을 저감시킨 신호로 하는 것이 가능해지고 있다. 또한, 양 및 음의 직사각형파 양자를 입력 신호로 하는 경우도, 또한, 한 쌍의 출력단 사이에 콘덴서를 접속함으로써, 출력 신호의 고주파 성분을 저감시키는 것이 가능해지기 때문에, 적절히 콘덴서의 값을 조정함으로써, 고주파 성분(리플, 노이즈 성분)이 저감된 원하는 출력 신호를 얻는 것이 가능해지고 있다. 또한, 원하는 신호를 출력할 수 있는 경우, 콘덴서를 출력단 사이에 접속하지 않아도 좋다.
여기에서, 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)의 한 쌍의 코일의 각각의 입력단 사이에 입력 신호가 입력되고, 한 쌍의 코일의 각각의 출력단 사이로부터 출력 신호를 출력함에 있어서, 한 쌍의 코일은 양으로 결합하도록 구성되어 있다. 따라서, 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 높이는 것이 가능해지고 있다.
여기에서, 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)의 한 쌍의 코일의 각각의 입력단 사이에 입력 신호가 입력되고 한 쌍의 코일의 각각의 출력단 사이로부터 출력 신호를 출력할 때, 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)에 전류가 흐른다. 이 때 흐르는 전류에 의해 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)에 자속이 발생하지만, 각각의 자속이 서로 강화시키도록 상태가 양으로 결합한다고 한다. 즉 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)의 인덕턴스가 각각 L1=L2=L이면, 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)로 이루어지는 한 쌍의 코일의 직렬 인덕턴스(Ls)=L1+L2+2m√(L1·L2)가 되도록 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)이 접속된다. 여기에서, m은 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)의 결합도이다(m은 0 내지 1).
본 리액터에 의하면, 제 1 자성체(3)와 서로 절연되고, 제 1 자성체(3)와 절연되는 동시에, 제 1 자성체(3)를 둘러싸도록 배치되고, 각각의 일단 사이에 입력된 신호에 따라, 양으로 결합하는 한 쌍의 코일을 가지고, 제 1 자성체(3)는 제 1 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 및 제 2 단부는 제 1 자성체(3)가 존재하지 않는 공간을 개재하여, 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되고, 한 쌍의 코일의 각각의 일단 사이에 입력된 입력 신호에 기초하여, 한 쌍의 코일의 각각의 타단 사이로부터 출력 신호를 출력하고 있기 때문에, 전력 손실의 저감이 가능해지도록, 제 1 자성체(3)는 제 1 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 및 제 2 단부는 제 1 자성체(3)가 존재하지 않는 공간을 개재하여, 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되고, 제 1 자성체(3)를 둘러싸도록 한 쌍의 코일을 배치하고 있기 때문에 소형의 리액터로 할 수 있다.
또한, 제 1 자성체(3)가 코일로 둘러싸인 제 1 자성체(3)에 대한 플랜지부를 가지고, 플랜지부가 한 쌍의 코일과 절연되어 있기 때문에, 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 증가시키는 것이 가능해지고 있다.
또한, 제 1 코일(1), 제 2 코일(2)이 제 1 자성체의 중심선의 방향으로 병설하여 배치되어 있기 때문에, 제 1 코일(1) 및 제 2 코일(2) 사이의 부유 용량을 저감시키는 것도 가능해지고 있다.
도 2는 본 실시형태의 다른 실시형태인 리액터(R2)의 단면도이다. 도 1과 상이한 것은 제 1 코일(11), 제 2 코일(12), 및 보빈(18)의 구조이기 때문에, 이하에 설명한다. 또한, 도 1의 구조와 동등 부분에 관한 기재는 생략한다. 리액터(R2)는 제 1 코일(11), 제 2 코일(12), 제 1 자성체(13), 제 2 자성체(14), 제 3 자성체(15), 칸막이가 없는 보빈(18)을 가진다.
도 2에 있어서, 보빈(18)에 코일(11)이 권회되고, 또한 그 위에 코일(12)이 권회되어 있다. 제 1 코일(11)의 권회 후에, 제 1 코일(11)과 제 2 코일(12) 사이의 절연을 강화하기 위해 제 1 코일(11)과 제 2 코일(12) 사이에 층간 테이프를 권회해도 좋다. 여기에서, 보빈(18)은 권회되는 제 1 코일(11)과 제 2 코일(12)이 배치 가능하도록 보빈(18)이 U자상으로 형성되어, 자성체와 한 쌍의 코일의 절연이 가능해지고 있다. 또한, 보빈(18)은 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 자성체(13)의 주위에 장착되어 있다. 또한, 제 1 단부에 제 2 자성체(14)를 배치하고 제 2 단부에는 제 3 자성체(15)를 배치한다.
이 리액터는 한 쌍의 코일의 한쪽을 권회하고, 그 위에 다른쪽의 코일을 권회하는 것으로 코일을 감기 쉬운 효과가 있다. 또한, 한 쌍의 코일이 서로 포개진 구조로 되어 있기 때문에, 제 1 자성체의 체적의 더욱 소형화가 가능해지고 있다.
도 3은 본 실시형태의 다른 실시형태인 리액터(R3)의 단면도이다. 또한, 도 1의 구조와 동등 부분에 관한 기재는 생략한다. 리액터(R3)는 제 1 코일(21), 제 2 코일(22), 제 1 자성체(23), 제 2 자성체(24), 제 3 자성체(25), 칸막이가 없는 보빈(28)을 가진다.
도 3에 있어서, 보빈(28)에 제 1 코일(21)과 제 2 코일(22)이 바이파일러로 권회되어 있다. 여기에서, 보빈(28)은 바이파일러에 의해 권회되는 제 1 코일(21)과 제 2 코일(22)이 배치 가능하도록 보빈(28)이 U자상으로 형성되어, 자성체와 한 쌍의 코일의 절연이 가능하게 되어 있다. 또한, 보빈(28)은 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 자성체(23)의 주위에 장착되어 있다. 또한 제 1 단부에 제 2 자성체(24)를 배치하고 제 2 단부에는 제 3 자성체(25)를 배치한다.
이 리액터는 바이파일러 권선으로 함으로써 권선을 용이하게 하는 효과가 있다.
여기에서, 리액터(R1), 리액터(R2), 리액터(R3)에 있어서, 제 1 자성체는 단면이 원, 타원, 정방형, 장방형, 다각형 등 제조상의 편의 등으로부터 다양한 형태가 있다. 또한, 제 2 자성체, 제 3 자성체도, 또한, 원, 타원, 정방형, 장방형, 다각형 등의 판상의 것에서부터 블록상의 것 등 다양한 형태를 취할 수 있다. 여기에서, 제 2 자성체 및 제 3 자성체의 최대가 되는 폭이 제 1 자성체의 제 1 단부 및 제 2 단부보다 넓어지는 영역은 제 1 자성체의 전체 주위 방향의 전방향인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 자성체의 제 1 단부 및 제 2 단부보다 넓어지는 영역의 바람직한 최대 외주는 한 쌍의 코일의 최대 외주와 동일하지만, 상이해도 좋다.
단, 제 2 자성체 및 제 3 자성체를 안정적으로 고정 배치하는 등의 요구에 따라, 제 2 자성체 및 제 3 자성체를 정방형, 장방형, 다각형 구조로 하는 경우에 있어서는, 적어도 정방형, 장방형, 다각형 구조를 형성하는 평면의 단부인 직선부가 제 1 단부 및 제 2 단부와 접하는 구조로 해도 좋고, 정방형, 장방형, 다각형 구조를 형성하는 평면 내부에 제 1 단부, 및 제 2 단부가 존재하도록 형성되어 있어도 좋다.
도 4 내지 도 9는 제 1 자성체의 다른 실시형태 예이다. 도 4는 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 자성체에 있어서 제 1 단부에 제 2 자성체(34), 제 2 단부에 제 3 자성체(35)가 배치되고, 또한 제 1 자성체의 중앙에서, 중심선과 직교하는 평면에서, 제 1 자성체 분할 1a(33a), 제 1 자성체 분할 2b(33b)로 2분할되어 있다. 또한, 제 1 자성체는 2분할 이상으로 복수로 분할할 수도 있다. 또한, 분할 개소는 등분으로 하지 않아도 좋다.
도 5는 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 자성체에 있어서 제 1 단부 및 제 2 단부가 플랜지부가 되고, 또한 코일이 권회된 부분의 자성체 중앙에서, 중심선과 직교하는 평면에서 제 1 자성체 분할 a(43a), 제 1 자성체 분할 b(43b)로 동일하게 분할된 경우이다. 또한, 분할 개소는 특별히 한정되지 않는다.
예를 들면, 도 6과 같이, 분할은 중앙에 한하지 않고 제 1 자성체(3)의 중앙이 아닌 부분에 있어서, 중심선과 직교하는 평면에서 제 1 자성체 분할 a(53a), 제 1 자성체 분할 b(53b)로 분할되어도 좋다.
또한, 제 1 자성체를 사용한 코일에서는 자성체의 분할부에 틈을 형성함으로써, 코일에 대전류를 사용하는 경우에 있어서, 자속의 포화가 발생하지 않도록 하기 위해서, 인덕턴스를 감소시키고 또한 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 개선할 수 있다. 이것을 이용하여 인덕턴스나 인덕턴스의 직류 중첩 특성을 조정하는 경우가 있는데, 상기 구성에 있어서도 분할부의 틈은 조절 가능하다. 또한, 도 1 내지 도 4, 도 6의 구성에서는 제 1 자성체와, 제 2 자성체 및/또는 제 3 자성체와의 사이에 틈을 형성해도 좋다.
도 7은 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 자성체(63)에 있어서 제 1 단부 및 제 2 단부가 플랜지부가 되어 분할하지 않고 일체로 한 것이다. 이 경우에 보빈을 사용하는 경우에는 보빈은 미리 분할되어 있고, 분할된 보빈이 제 1 자성체(63)의 주변에 배치되게 된다.
도 8은 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 자성체(73)에 있어서 제 1 단부 또는 제 2 단부 중 어느 한쪽에만 플랜지부를 형성한 것이다.
도 9는 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 자성체(83)에 있어서 제 1 단부 및 제 2 단부의 양 단부가 플랜지부를 갖지 않는 것이다.
상기한 바와 같이, 도 1 내지 도 9와 같이, 여러 가지 변형을 생각할 수 있고, 이들의 변형을 각각 조합해도 좋다.
또한, 도 1에서부터 도 6의 실시형태에 있어서는, 제 1 및 제 2 단부에 대향하여, 제 1 자성체와는 상이한 재질의 제 2 및 제 3 자성체를 배치하여 접속한 리액터로 해도 좋고, 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 조정하는 것이 가능하다.
또한, 도 1 내지 도 7의 실시형태에서는 제 2 및 제 3 자성체가 코일로 피복된 제 1 자성체에 대한 플랜지부가 되고, 플랜지부가 상기 한 쌍의 코일과 절연된 리액터로 할 수 있기 때문에, 플랜지부를 형성한 제 2 및 제 3 자성체에 의해 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 증가시키는 것이 가능하다.
(실시예 1)
이하, 상기 구성의 동작을 도 1의 구성예로 설명한다. 처음에 참고예로서, 도 10의 리액터의 구성에 관해서 설명한다. 여기에서, 도 10은 종래의 리액터(R4)의 실시형태의 단면도이다.
도 10에 있어서, 제 1 자성체 a(103) 및 코일과의 절연을 확보하기 위한 절연성을 갖는 보빈(109a)에 제 1 코일(101)이 권회되어 있다. 제 1 자성체 b(106) 및 코일과의 절연을 확보하기 위한 절연성을 갖는 보빈(109b)에 제 2 코일(102)이 권회되어 있다. 여기에서, 보빈(109a, 109b)은 각각 제 1 코일(101)과 제 2 코일(102)이 배치 가능하도록, U자상으로 형성되어 있다. 절연성을 갖는 보빈(109a)은 제 1 자성체 a(103)의 주위에 장착되어 있고, 절연성을 갖는 보빈(109b)은 제 1 자성체 b(106)의 주위에 장착되어 있다. 또한 제 1 코일(101)과 제 2 코일(102)은 각각 공간적으로 상이한 장소에 별개의 권선에 의해 서로 절연된 상태로 되어 있다. 또한 제 1 자성체 a(103)의 일단과 제 1 자성체 b(106)의 일단에 제 3 자성체(104)가 배치되고, 제 1 자성체 a(103)와 제 1 자성체 b(106)의 타단에 제 4 자성체(105)가 배치되어 있다.
제 1 코일(101)과 제 2 코일(102)은 각각의 일단 사이에 입력된 신호에 따라 양으로 결합하는 한 쌍의 코일이다. 여기에서, 제 1 코일(101)과 제 2 코일(102)의 인덕턴스가 각각 L1=L2=L이면, 코일끼리가 떨어져 있기 때문에 결합도가 낮다. 결합도(m)=0.5인 경우 한 쌍의 코일의 직렬 인덕턴스(Ls)=L1+L2+2m√(L1·L2)=3L이 된다.
본 실시형태의 도 1에 있어서의 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)도 각각의 일단 사이에 입력된 신호에 따라 양으로 결합하는 한 쌍의 코일이다. 도 11은 리액터를 사용한 회로예이다.
태양광 발전용 등 파워 컨디셔너의 인버터부에서 생성된 도 11의 예에 있는 것과 같은 스위칭 파형을 리액터의 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)의 일단 사이에 입력하고 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)의 타단 사이에 접속된 콘덴서를 개재하여 출력한다. 입력되는 스위칭 파형이란 PWM 변조(펄스폭 변조)된 직사각형파의 집합이다. 여기에서, 실제로 입력하는 스위칭 파형은 주파수 15kHz, 입력 전압 380V이며, 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)의 입력단 사이에 입력하였다. 이 때에 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)에 흐르는 전류에 의한 자속은 서로 강화시키는 양의 결합이 된다. 즉, 등가적으로는 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)을 직렬로 접속하게 된다. 본 실시형태에서는 한 쌍의 코일 즉 제 1 코일(1) 및 제 2 코일(2)이 근접하여 권회되어 있기 때문에 제 1 코일(1)과 제 2 코일(2)의 결합도는 크며 m=0.9 정도가 된다. 본 실시형태에서는 m=0.9인 경우 Ls=3.8L이 되고 동일한 권수인 경우에는 인덕턴스비는 3:3.8(약 26.7% 크다)이 된다.
본 실시예에서는, 상기 양으로 결합하는 한 쌍의 코일간의 결합도가 0.8 이상인 리액터로 할 수 있다. 결합도(m)=0.8인 경우 한 쌍의 코일의 직렬 인덕턴스Ls=L1+L2+2m√(L1·L2)=3.6L이 되어 동일한 권수인 경우에는 인덕턴스비는 3:3.6이 된다. 결합도를 높게 함으로써 양으로 결합한 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 높게 할 수 있는 효과가 있다.
한 쌍의 코일의 직렬 인덕턴스를 동일하게 하는 경우에는 본 실시형태의 경우에는 권수를 적게 할 수 있다. 그래서, 이하와 같은 구성을 사용한 리액터를 작성하였다. 본 실시형태의 리액터 예는 도 2의 구성과 동등하고 제 1 코일(11)은 52턴(φ1mm 1층 52턴 9층 병렬 접속), 제 2 코일(12)은 52턴(φ1mm 1층 52턴 9층 병렬 접속)이다. 또한, 코일부 내의 제 1 자성체(13)는 φ26mm 길이 75mm의 막대 형상의 자성체를 3분할한 것(각각 φ26mm 길이 25mm)으로 초투자율 120, 포화 자속 밀도 1290mT이다. 제 2 자성체(14) 및 제 3 자성체(15)는 모두 직방체로 46mm×46mm×8mm, 초투자율 2200, 포화 자속 밀도 540mT이다. 여기에서, 제 1 자성체, 제 2 자성체, 제 3 자성체의 각각의 단부끼리를 접촉시켜 배치하였다.
종래 리액터 예는 도 10의 구성이며 제 1 코일(101)은 52턴(φ1mm 1층 52턴 9층 병렬 접속), 제 2 코일(102)은 52턴(φ1mm 1층 52턴 9층 병렬 접속)이다. 또한, 코일부 내의 제 1 자성체(103, 106)는 φ24mm 길이 60mm의 막대 형상의 자성체를 3분할한 것(각각 φ24mm 길이 20mm)으로 초투자율 100, 포화 자속 밀도 1600mT이다. 제 2 자성체(104) 및 제 3 자성체(105)는 모두 직방체로 70mm×24mm×20mm, 초투자율 100, 포화 자속 밀도 1600mT이다.
도 12는 상기 본 실시형태의 도 2의 구성을 사용한 리액터와 종래 리액터의 직류 중첩 특성(전류-인덕턴스)의 비교예이다. 본 실시형태의 리액터에서는 동일한 권수의 코일을 사용하고 있음에도 불구하고, 한 쌍의 코일의 인덕턴스가 크고, 종래 리액터에서는 전류의 증가와 함께 한 쌍의 코일의 인덕턴스가 서서히 저하되고 있지만, 본 실시형태의 리액터 예에서는 전류의 증가에 따르는 한 쌍의 코일의 인덕턴스의 저하가 적다. 이 때의 사용한 자성체의 체적은 본 실시형태의 리액터 예에서 121487입방mm, 종래 리액터 예에서는 78676입방mm로, 코어의 체적을 약 40% 삭감할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 리액터에 있어서의 리액터의 효율은 99.50%, 종래 리액터에서는 리액터의 효율은 99.43%로, 본 실시형태의 리액터의 효율이 양호한, 즉 전력 손실이 적다. 이 결과 코어의 체적을 삭감하여 전력 손실 저감, 리액터의 소형화가 가능해졌다.
또한, 제 1 자성체를 3분할하지 않고 하나의 자성체로 형성된 경우도 같은 결과가 되었다. 또한, 입력 신호는 도 11에 도시된 양 및 음의 펄스 신호를 갖는 15kHz사이클의 PWM 신호(펄스폭 변조 신호)이고, 출력 신호는 50Hz의 정현파 신호(Sin 신호)이다.
도 2에 개시된 실시형태에서도, 상기 양으로 결합하는 한 쌍의 코일간의 결합도가 0.8 이상인 리액터로 할 수 있다. 결합도(m)=0.8의 경우 한 쌍의 코일의 직렬 인덕턴스(Ls)=L1+L2+2m√(L1·L2)=3.6L이 되어 동일한 권수의 경우에는 인덕턴스비는 3:3.6이 된다. 결합도를 높게 함으로써 양으로 결합한 한 쌍의 코일의 인덕턴스를 높게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전류를 크게 한 경우에도, 교류 동작시의 포화 자속 밀도가 높아(즉 직류 중첩 특성이 양호하다), 한 쌍의 코일의 인덕턴스가 높은 리액터로 하는 것이 가능해졌다.
도 1의 리액터에 입력된 스위칭 파형에 의해 제 1 코일(1) 및 제 2 코일(2)에 전류가 흐르고, 이것에 의한 자속이 제 1 코일(1) 및 제 2 코일(2)의 내측에 있는 제 1 자성체를 통과하여 제 1 단부에 접속된 제 2 자성체(4)보다 자성체가 존재하지 않는 공간을 개재하여 제 3 자성체(5)를 경유하여 제 2 단부로부터 제 1 자성체로 되돌아온다. 이 때 자성체가 존재하지 않는 공간을 개재함으로써 종래의 리액터에서는 존재하고 있었던 자속이 통과하는 자성체의 전력 손실이 발생하지 않기 때문에 전력을 경감시킬 수 있고, 자성체가 존재하지 않는 부분의 자성체를 삭감할 수 있다. 즉, 이 리액터는 전력 손실의 저감이 가능해지도록, 제 1 자성체는 제 1 및 제 2 단부를 가지고, 제 1 및 제 2 단부는 제 1 자성체가 존재하지 않는 공간을 개재하여, 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되어, 자성체의 체적을 삭감하고, 제 1 자성체를 둘러싸도록 한 쌍의 코일을 배치하고 있기 때문에, 소형의 리액터로 할 수 있는 효과가 얻어진다. 이것에 의해 재료 삭감, 소형화, 고효율이 가능해졌다.
또한, 제 1 자성체의 포화 자속 밀도가 제 2 및 제 3 자성체의 포화 자속 밀도보다 크고, 제 1 자성체의 투자율이 상기 제 2 및 제 3 자성체의 투자율보다 작게 함으로써, 전류를 크게 한 경우에도, 교류 동작시의 포화 자속 밀도가 높아(즉 직류 중첩 특성이 양호), 한 쌍의 코일의 인덕턴스가 높은 리액터로 하는 것이 가능해졌다.
본 실시형태의 구성예로서 자성체와 코일의 절연을 위해 보빈을 갖는 경우를 기재했지만 에폭시 수지 등으로 자성체를 절연 코팅하여 사용함으로써 보빈을 사용하지 않을 수도 있다. 또한 코일의 절연 피복만을 사용하여 절연을 취함으로써 보빈도 자성체의 절연 코팅도 사용하지 않고 구성할 수도 있다.
본 실시형태의 바람직한 다른 형태로서는 이 리액터를 갖는 전기 기기로 할 수 있다. 본 리액터를 갖는 회로로서 스위칭 파형을 평활화하는 회로 등이 있다. 또한, 상기 회로를 갖는 기기로서 파워 컨디셔너나 인버터 전원, DC-DC 컨버터 등이 있고, 여러가지 전기 기기로 할 수 있다.
1 제 1 코일
2 제 2 코일
3 제 1 자성체
4 제 2 자성체
5 제 3 자성체
7 칸막이를 설치한 분할 코일용 보빈
11 제 1 코일
12 제 2 코일
13 제 1 자성체
14 제 2 자성체
15 제 3 자성체
18 칸막이가 없는 보빈
21 제 1 코일
22 제 2 코일
23 제 1 자성체
24 제 2 자성체
25 제 3 자성체
28 칸막이가 없는 보빈
33a 제 1 자성체 분할 a
33b 제 1 자성체 분할 b
34 제 2 자성체
35 제 3 자성체
43a 제 1 자성체 분할 a
43b 제 1 자성체 분할 b
53a 제 1 자성체 분할 a
53b 제 1 자성체 분할 b
63 제 1 자성체
73 제 1 자성체
83 제 1 자성체
101 제 1 코일
102 제 2 코일
103 제 1 자성체 a
104 제 2 자성체
105 제 3 자성체
106 제 1 자성체 b
109a 종래 리액터의 보빈
109b 종래 리액터의 보빈
R1 본 실시형태의 리액터 R1
R2 본 실시형태의 리액터 R2
R3 본 실시형태의 리액터 R3
R4 종래의 리액터 R4
2 제 2 코일
3 제 1 자성체
4 제 2 자성체
5 제 3 자성체
7 칸막이를 설치한 분할 코일용 보빈
11 제 1 코일
12 제 2 코일
13 제 1 자성체
14 제 2 자성체
15 제 3 자성체
18 칸막이가 없는 보빈
21 제 1 코일
22 제 2 코일
23 제 1 자성체
24 제 2 자성체
25 제 3 자성체
28 칸막이가 없는 보빈
33a 제 1 자성체 분할 a
33b 제 1 자성체 분할 b
34 제 2 자성체
35 제 3 자성체
43a 제 1 자성체 분할 a
43b 제 1 자성체 분할 b
53a 제 1 자성체 분할 a
53b 제 1 자성체 분할 b
63 제 1 자성체
73 제 1 자성체
83 제 1 자성체
101 제 1 코일
102 제 2 코일
103 제 1 자성체 a
104 제 2 자성체
105 제 3 자성체
106 제 1 자성체 b
109a 종래 리액터의 보빈
109b 종래 리액터의 보빈
R1 본 실시형태의 리액터 R1
R2 본 실시형태의 리액터 R2
R3 본 실시형태의 리액터 R3
R4 종래의 리액터 R4
Claims (11)
- 제 1 자성체와, 서로 절연되고, 상기 제 1 자성체와 절연되는 동시에, 상기 제 1 자성체를 둘러싸도록 배치되고, 각각의 일단 사이에 입력된 신호에 따라, 양(正)으로 결합하는 한 쌍의 코일을 가지고, 상기 제 1 자성체는 제 1 및 제 2 단부를 가지고, 상기 제 1 및 제 2 단부는 상기 제 1 자성체가 존재하지 않는 공간을 개재하여, 서로 직접적으로 대향하지 않고 형성되고, 상기 한 쌍의 코일의 각각의 일단 사이에 입력된 입력 신호에 기초하여 상기 한 쌍의 코일의 각각의 타단 사이로부터 출력 신호를 출력하는 리액터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 코일 중 한쪽이 다른쪽으로 피복된 리액터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 코일이 상기 제 1 자성체의 중심선의 방향으로 병설하여 배치된 리액터.
- 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 코일은 바이파일러 권선인 리액터.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 자성체가 상기 코일로 둘러싸인 상기 제 1 자성체에 대한 플랜지부를 가지고, 상기 플랜지부가 상기 한 쌍의 코일과 절연된 리액터.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 단부에 대향하고, 상기 제 1 자성체와는 상이한 재질의 제 2 및 제 3 자성체를 배치하여 접속한 리액터.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 자성체가 상기 코일로 피복된 상기 제 1 자성체에 대한 플랜지부로 되고, 상기 플랜지부가 상기 한 쌍의 코일과 절연된 리액터.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 자성체의 포화 자속 밀도가 상기 제 2 및 제 3 자성체의 포화 자속 밀도보다 크고, 상기 제 1 자성체의 투자율이 상기 제 2 및 제 3 자성체의 투자율보다 작은 리액터.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 신호가 복수의 양 및 음(負)의 펄스 신호이며, 상기 출력 신호가 교류 신호인 리액터.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양으로 결합하는 한 쌍의 코일간의 결합도가 0.8 이상인 리액터.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 리액터를 갖는 전기 기기.
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