WO2014103579A1 - リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置 - Google Patents

リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置 Download PDF

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伸一郎 山本
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住友電装株式会社
住友電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a reactor that is used in a component such as a converter or a power converter mounted in a vehicle such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, or a fuel cell vehicle.
  • the present invention relates to a small reactor that can adjust the coupling coefficient.
  • Patent Document 1 discloses a reactor for a multiphase converter including a core and a multiphase coil wound around the core and magnetically coupled to each other.
  • a reactor for a two-phase converter (two-phase magnetically coupled reactor) (10) described in Patent Document 1 includes a core (12) and two-phase coils (14, 16) wound around the core (12).
  • the core (12) includes a pair of T-shaped parts (20, 22) having a base part (26) and a central leg part (28) protruding from the center part of the base part (26), and a linear 2 With two I-shaped parts (24).
  • the T-shaped portions (20, 22) are arranged so that the tips of the central leg portions (28) are opposed to each other through the gap space (32).
  • the I-shaped part (24) is coupled to both ends (end leg elements (30)) of the base part (26) in each T-shaped part (20, 22) via a gap plate (18), and is arranged in parallel to each other.
  • two end legs (34) are constituted by I-shaped parts (24) located on both sides of the central leg (28), and a coil ( 14, 16) are arranged respectively.
  • a plurality of coils are arranged on the same core and magnetically coupled to each other, so that the size can be reduced as compared with a single-phase reactor.
  • converters power converters
  • in-vehicle converters power conversion devices
  • the core has three magnetic leg portions including a central leg portion of the T-shaped portion and two end leg portions (I-shaped portion) located on both sides thereof, It is the structure by which a coil is each arrange
  • a coupling magnetic path that magnetically couples the coils is formed by a base portion and end leg portions of the T-shaped portion, and a leakage magnetic path that leaks magnetic flux generated from each coil is formed by the central leg portion.
  • One of the objects of the present invention is to provide a reactor that is small in size and capable of adjusting the coupling coefficient.
  • Another object of the present invention is to provide a converter including the reactor and a power conversion device including the converter.
  • the reactor of the present invention is a reactor including a plurality of coils formed by winding windings and a core that magnetically couples the coils to each other, and the plurality of coils are adjacent to each other on the outer peripheral surfaces. To be arranged in parallel.
  • the core includes a plurality of magnetic leg portions in which the coils are arranged, and a pair of connecting portions that are arranged at both ends of the magnetic leg portions and connect the ends of the magnetic leg portions adjacent to each other. It consists of.
  • Coupling coefficient adjusting means for adjusting a coupling coefficient between the adjacent coils is provided.
  • the reactor of the present invention can be downsized.
  • FIG. 1 is a schematic plan cross-sectional view showing a reactor according to a first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic plan sectional view showing a reactor of a second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan sectional view showing a reactor according to a third embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan sectional view showing a reactor of a fourth embodiment.
  • It is a schematic block diagram which shows the power supply system of a hybrid vehicle. It is a schematic circuit diagram which shows an example of the power converter device of embodiment provided with the converter of embodiment.
  • the reactor of the present invention achieves the above-mentioned object by the core including a magnetic leg portion in which the coil is disposed and a connecting portion that connects the ends of the magnetic leg portions.
  • the reactor according to the embodiment includes a plurality of coils formed by winding a winding and a core that magnetically couples the coils to each other.
  • the plurality of coils are arranged in parallel so that the outer peripheral surfaces of adjacent coils face each other.
  • the core includes a plurality of magnetic leg portions in which the coils are arranged, and a pair of connecting portions that are arranged at both ends of the magnetic leg portions and connect the ends of the magnetic leg portions adjacent to each other.
  • the coupling coefficient adjustment means which adjusts the coupling coefficient between adjacent coils is provided.
  • the core includes the magnetic leg portion in which the coil is disposed and the connecting portion that connects the end portions of the magnetic leg portion. That is, the reactor according to the embodiment does not have a central leg portion that forms a leakage magnetic path in the core in order to adjust the coupling coefficient, unlike the reactor described in Patent Document 1. Therefore, the reactor of embodiment can be reduced in size compared with the conventional reactor. Moreover, it is possible to adjust the coupling coefficient between coils by providing a coupling coefficient adjusting means.
  • Examples of the coupling coefficient adjusting means include the following forms (1) to (4).
  • Form having winding part (3) Form having at least one of adjacent coils a small diameter part having a small winding diameter and a large diameter part having a larger winding diameter than the small diameter part (4) At least one of the connecting parts Form provided with provided magnetic gap part
  • the coupling coefficient is adjusted by providing a magnetic shielding plate disposed between adjacent coils.
  • a magnetic shielding plate disposed between adjacent coils.
  • leakage magnetic flux from one of the magnetic legs passes between the windings of the coil (between turns) to the outside of the coil.
  • Leakage and a part of the leakage magnetic flux may cross between the coils and transfer to the other magnetic leg portion.
  • the magnetic shielding plate disposed between the coils shields and suppresses the leakage magnetic flux that crosses between the coils from one magnetic leg to the other magnetic leg.
  • the coupling coefficient between the coils can be increased. Therefore, the coupling coefficient can be adjusted.
  • a magnetic gap part such as an air gap or a gap material made of a non-magnetic material is provided on the magnetic leg part, or the magnetic leg part is formed of a soft magnetic material having a low permeability so that leakage magnetic flux is generated in the magnetic leg part. If it is easy to generate, the adjustment margin of the coupling coefficient can be increased.
  • the coupling coefficient is adjusted by having a densely wound portion with a dense winding pitch and a loosely wound portion with a smaller winding pitch than the densely wound portion in at least one of adjacent coils.
  • the winding interval is narrow and leakage magnetic flux hardly occurs.
  • the winding interval is wide and leakage magnetic flux is likely to occur.
  • the coupling coefficient between the coils is increased by reducing the leakage magnetic flux when the coil has the densely wound portion at the portion corresponding to the portion where the leakage magnetic flux of the magnetic leg portion is likely to be generated. be able to.
  • the coupling coefficient between the coils can be reduced by increasing the leakage magnetic flux when the coil has the loosely wound portion at the portion corresponding to the portion where the leakage magnetic flux of the magnetic leg portion is likely to be generated. Therefore, the coupling coefficient can be adjusted. For example, when the magnetic leg portion is formed of a uniform soft magnetic material, the magnetic leg portion is likely to generate a leakage magnetic flux. In the case where a gap portion is provided, a magnetic gap portion is exemplified.
  • the coupling coefficient is adjusted by having at least one of the adjacent coils a small diameter portion having a small winding diameter and a large diameter portion having a larger winding diameter than the small diameter portion. Generally, the larger the winding diameter of the coil, the more easily a leakage magnetic flux that does not pass through the magnetic leg portion. According to the form (3), the coupling coefficient between the coils can be reduced by increasing the leakage magnetic flux due to the large diameter portion of the coils. Therefore, the coupling coefficient can be adjusted.
  • the coupling coefficient is adjusted by providing a magnetic gap portion provided in at least one of the connecting portions.
  • the coupling coefficient between the coils can be lowered by increasing the leakage magnetic flux by providing the connecting portion with the magnetic gap portion. Therefore, the coupling coefficient can be adjusted.
  • the above forms (1) to (4) can be used alone or in combination. Further, the coupling coefficient between the coils can be adjusted to 0.4 to 0.9, for example.
  • the converter which concerns on embodiment is provided with the reactor of the said embodiment.
  • the converter according to the embodiment can be reduced in size by including the reactor according to the embodiment that can be reduced in size.
  • the power conversion device according to the embodiment includes the converter according to the above embodiment.
  • the power conversion device of the embodiment can be downsized by including the converter of the embodiment including the reactor of the embodiment that can be downsized.
  • the coil and the core which are the basic configuration of the reactor according to the embodiment of the present invention, will be described, and then a specific aspect of the coupling coefficient adjusting means provided in the reactor according to the embodiment of the present invention will be described.
  • Drawing 1 shows an example of the basic composition of the reactor of an embodiment.
  • the reactor 10 includes a first coil 21 and a second coil 22 and an annular core 30 that magnetically couples the first coil 21 and the second coil 22 to each other.
  • 1A is a perspective cross-sectional view in which the coils 21 and 22 and the core 30 are cut in substantially half in the height direction for convenience of explanation.
  • the first coil 21 and the second coil 22 are each formed by winding the winding 2w in a spiral shape, and are arranged in parallel so that the axial directions are parallel to each other and their outer peripheral surfaces face each other. Both coils 21 and 22 are coils of the same shape, and both coils 21 and 22 have a uniform winding pitch and winding diameter from one end side to the other end side in the axial direction.
  • the winding 2w is a covered rectangular wire having an insulating coating such as enamel or polyamide-imide resin on the surface of a rectangular wire made of copper, copper alloy, aluminum, or aluminum alloy.
  • the coils 21 and 22 are edgewise coils formed in a rectangular tube shape by winding the winding 2w of the covered rectangular wire edgewise. One end of each of the coils 21 and 22 is electrically connected.
  • the core 30 magnetically couples the first coil 21 and the second coil 22 to each other.
  • the core 30 is located inside each of the coils 21 and 22, and is disposed at a pair of magnetic leg portions 311 and 312 where the coils 21 and 22 are disposed, and at both ends of the magnetic leg portions 311 and 312, It consists of a pair of connecting portions 321 and 322 that connect the ends of the magnetic leg portions 311 and 312 to each other.
  • the core 30 is formed in an annular shape by connecting the inner end surfaces of the connecting portions 321 and 322 to the end surfaces of the magnetic leg portions 311 and 312 arranged in parallel, respectively, and the magnetic leg portions 311 and 312.
  • the coupling portions 321 and 322 form a coupling magnetic path that magnetically couples the coils 21 and 22.
  • Each of the magnetic leg portions 311 and 312 has a prismatic shape, and is formed by alternately laminating a core piece 31m made of a soft magnetic material and a gap material 31g made of a material having a relative permeability smaller than that of the core piece 31m. Yes.
  • the core piece 31m and the gap material 31g can be integrated with, for example, an adhesive.
  • the connecting portions 321 and 322 have a substantially trapezoidal shape (a trapezoid whose sectional area decreases from the inner end surface connected to the end surfaces of the magnetic leg portions 311 and 312 to the outside), and is a core piece made of a soft magnetic material. is there.
  • the core pieces constituting the magnetic leg portions 311 and 312 and the connecting portions 321 and 322 are formed of a soft magnetic powder represented by an iron group metal such as iron or an alloy thereof, an oxide containing iron, or an insulating material. It is formed of a laminated plate or the like in which a plurality of magnetic thin plates having a coating (for example, electromagnetic steel plates represented by silicon steel plates) are stacked.
  • the molded body include a compacted body, a sintered body, and a composite material obtained by molding a mixture containing soft magnetic powder and resin by injection molding, cast molding, or the like.
  • each core piece (the core piece 31m and the connecting portions 321 and 322) is formed of a compacted body of soft magnetic powder such as iron or steel.
  • the gap material 31g is formed of a nonmagnetic material such as alumina or unsaturated polyester.
  • the relative magnetic permeability of the magnetic leg portions 311 and 312 (core 30) is adjusted by providing the gap material 31g in the magnetic leg portions 311 and 312.
  • the core piece is a composite material having a low magnetic permeability.
  • a predetermined relative magnetic permeability can be realized without providing a gap material, or each of the magnetic leg portions 311 and 312 can be constituted by one core piece.
  • each core piece is made of a uniform material and has the same specifications (a green compact), but the magnetic properties and specifications of the core pieces 31m constituting the magnetic leg portions 311 and 312 may be different, or the core pieces may be different.
  • the gap material 31g can be formed of a material having a lower magnetic permeability than the core piece 31m, for example, a composite material having a low content of soft magnetic powder.
  • the basic configuration of the reactor is the same as that of the reactor 10 shown in FIG. 1 described above, and the differences will be mainly described.
  • Embodiment 1 demonstrates the form provided with the magnetic shielding board arrange
  • the magnetic shielding plate 50 is disposed between the first coil 21 and the second coil 22 disposed in the magnetic leg portions 311 and 312.
  • the magnetic shielding plate 50 is made of a nonmagnetic metal material, and for example, stainless steel, aluminum, or an aluminum alloy can be suitably used.
  • an aluminum plate is disposed between the coils 21 and 22 along the longitudinal direction of the magnetic leg portions 311 and 312.
  • the magnetic shielding plate 50 By arranging the magnetic shielding plate 50 between the two coils 21 and 22, the other magnetic leg portion (312 or 311) traverses between the coils 21 and 22 from one magnetic leg portion (311 or 312). ) Can be absorbed and suppressed by the magnetic shielding plate 50. Thereby, the coupling coefficient between the coils 21 and 22 can be increased.
  • the coupling coefficient can be adjusted by changing the thickness, area, or position of the magnetic shielding plate 50.
  • the thickness of the magnetic shielding plate 50 can be appropriately set as long as it can be disposed between the coils 21 and 22 and the leakage magnetic flux can be suppressed. In general, the distance between the coils 21 and 22 is about 2 mm. Further, as the thickness of the magnetic shielding plate 50 is increased, the effect of suppressing the leakage magnetic flux is improved. However, even if the skin thickness is more than twice the frequency of the current flowing through the coils 21 and 22, the leakage magnetic flux is suppressed. The improvement in effect is small. Therefore, the thickness of the magnetic shielding plate 50 is preferably 1 to 2 times the skin thickness, for example, 1 mm to 2 mm.
  • the magnetic flux passing through the magnetic shielding plate 50 can be reduced by 1 / e (e ⁇ 2.71) times, that is, about 63%.
  • the magnetic flux can be reduced by 1 / e 2 times, that is, about 87%.
  • the length of the magnetic shielding plate 50 is increased, the area of the magnetic shielding plate 50 interlinked with the leakage magnetic flux increases, so that the amount of leakage magnetic flux absorbed by the magnetic shielding plate 50 increases and the coil 21, 22 is connected.
  • the coupling coefficient can be increased. Even if the height of the magnetic shielding plate 50 is increased, the area of the magnetic shielding plate 50 linked to the leakage magnetic flux increases, so that the coupling coefficient between the coils 21 and 22 can be increased.
  • the coupling coefficient can be adjusted by changing the position of the magnetic shielding plate 50.
  • the gap members 31g are provided on the magnetic leg portions 311 and 312 as in this example, leakage magnetic flux from the gap material 31g is likely to be generated, and thus corresponds to the gap material 31g of the magnetic leg portions 311 and 312. Leakage magnetic flux can be effectively suppressed by arrange
  • the magnetic leg portions 311 and 312 are each formed of a composite material having a low magnetic permeability as described above and configured with one core piece, the magnetic flux leakage at the central portion in the longitudinal direction of the magnetic leg portions 311 and 312 Therefore, if the magnetic shielding plate 50 is intensively arranged at a position corresponding to the central portion of the magnetic leg portions 311 and 312, it is easy to effectively suppress the leakage magnetic flux.
  • the magnetic shielding plate 50 may be previously fixed to the bottom plate of the case with an insulating adhesive.
  • FIG. 3 includes a closely wound portion 20a and a closely wound portion 20a having a dense winding pitch in the first coil 21 and the second coil 22 disposed on the magnetic leg portions 311 and 312. And a sparsely wound portion 20b having a sparse winding pitch.
  • a densely wound portion 20a, a loosely wound portion 20b, and a densely wound portion 20a are formed in this order from one end side to the other end side in the axial direction.
  • the loosely wound portion 20b is provided at a location corresponding to the central portion including the gap material 31g.
  • the total number of turns of the densely wound portion 20a at both end portions is the same as the total number of turns of the loosely wound portion 20b at the central portion.
  • each coil 21 and 22 has the sparsely wound portion 20b at a portion corresponding to a portion (gap material 31g) where the leakage magnetic flux of the magnetic leg portions 311 and 312 is likely to be generated, the leakage magnetic flux increases, and the coil 21 , 22 can be reduced.
  • the densely wound portion 20a is intensively provided at a location corresponding to a portion where the leakage magnetic flux of the magnetic leg portions 311 and 312 is likely to be generated (gap material 31g)
  • the leakage magnetic flux is reduced.
  • the coupling coefficient can be increased.
  • the coupling coefficient can be adjusted by changing the winding pitch, the number of turns, or the position of the densely wound portion 20a and the loosely wound portion 20b in both the coils 21 and 22.
  • the winding pitches of the densely wound portion 20a and the loosely wound portion 20b in both the coils 21 and 22 can be appropriately set within a range where they can be arranged on both magnetic leg portions 311 and 312.
  • the interval (turn interval) between the windings 2w in the coils 21 and 22 is about 0.3 mm.
  • the interval between the windings 2w in the loosely wound portion 20b is, for example, +0.1 mm or more and less than +0.5 mm
  • the interval between the windings 2w in the densely wound portion 20a is, for example, ⁇ 0.1 mm or more ⁇ It may be less than 0.3 mm. That is, the winding pitch of the loosely wound portion 20b is made sparser than the densely wound portion 20a so that the interval between the windings 2w in the loosely wound portion 20b is, for example, 0.2 mm or more and less than 0.8 mm wider than the densely wound portion 20a. Can be mentioned.
  • the interval between the windings 2w can be reliably maintained.
  • the bobbin for example, a spacer may be formed on the outer peripheral surface of the substrate.
  • the coil has a small diameter portion and a large diameter portion
  • a mode in which at least one of adjacent coils has a small diameter portion having a small winding diameter and a large diameter portion having a larger winding diameter than the small diameter portion will be described.
  • the reactor 13 according to the third embodiment shown in FIG. 4 has a first coil 21 and a second coil 22 arranged on the magnetic leg portions 311 and 312 and a smaller diameter portion 20m having a smaller winding diameter and a winding diameter smaller than that of the smaller diameter portion 20m.
  • a large-diameter portion 20n having a large diameter.
  • a large-diameter portion 20n and a small-diameter portion 20m are formed in this order from one end side in the axial direction to the other end side, and in the other second coil 22, in the axial direction
  • a small diameter portion 20m and a large diameter portion 20n are formed in this order from one end side to the other end side. That is, in the first coil 21 and the second coil 22, the positions of the small diameter portion 20m and the large diameter portion 20n are staggered.
  • the section of the small diameter portion 20m and the section of the large diameter portion 20n in the axial direction are the same.
  • the coupling coefficient can be adjusted by changing the winding diameters and sections of the small diameter portion 20m and the large diameter portion 20n in both the coils 21 and 22.
  • the winding diameter of the large-diameter portion 20n in both the coils 21 and 22 is increased, the leakage magnetic flux increases, so that the coupling coefficient between the coils 21 and 22 can be lowered.
  • interval spreads and the core 30 (reactor 13) enlarges. Therefore, for example, the winding diameter of the large-diameter portion 20n is larger than the small-diameter portion 20m by 1 mm or more and less than 5 mm.
  • the coupling coefficient between the coils 21 and 22 can be lowered. If the section of the large diameter portion 20n is more than half of the length, the large diameter portions 20n may interfere with each other. As in this example, the section of the large diameter portion 20n in each of the coils 21 and 22 is made half or less of the axial length, and the positions of the small diameter portion 20m and the large diameter portion 20n are staggered in both coils 21 and 22. Thus, the distance between the magnetic leg portions 311 and 312 can be reduced as much as possible while avoiding interference between the large diameter portions 20n.
  • Embodiment 4 demonstrates the form provided with the magnetic gap part provided in at least one of the connection part as a coupling coefficient adjustment means.
  • the reactor 14 according to the fourth embodiment shown in FIG. 5 is provided at an intermediate portion between the connecting portions 321 and 322 that connect the ends of the magnetic leg portions 311 and 312 where the first coil 21 and the second coil 22 are arranged.
  • a magnetic gap portion 32g is provided.
  • the magnetic gap part 32g is formed of a gap material made of a nonmagnetic material, like the gap material 31g of the magnetic leg parts 311 and 322.
  • a gap material (magnetic gap part 32g) is arranged between two core pieces 32m constituting the connecting parts 321 and 322 and integrated with an adhesive.
  • the gap material it is also possible to use a material having a lower magnetic permeability than the core piece 32m, for example, a composite material containing less soft magnetic powder.
  • the coils 21 and 22 or the connecting portions 321 and 322 (core pieces) are placed on a plate-like member (not shown) on which the reactor 14 is placed so that a space is formed between the core pieces 32 m of the connecting portions 321 and 322.
  • the magnetic gap portion may be an air gap by fixing the lower surface of 32 m) with a fastening member such as an adhesive or a bolt and providing an air gap between the core pieces 32m.
  • a leakage magnetic flux can increase and the coupling coefficient between the coils 21,22 can be lowered
  • the coupling coefficient can be adjusted by changing the size (gap length) of the magnetic gap portion 32g of each of the connecting portions 321 and 322.
  • one magnetic gap portion 32g is provided for each of the connecting portions 321 and 322.
  • the connecting portions 321 and 322 are further divided into a plurality of core pieces 32m, and a magnetic gap is provided between the core pieces 32m.
  • the portion 32g it is possible to provide a plurality of magnetic gap portions 32g in each of the connecting portions 321 and 322.
  • the magnetic gap part 32g is provided in both the connection parts 321 and 322, the magnetic gap part 32g may be provided only in one connection part (321 or 322), and the magnetic gap in both the connection parts 321 and 322 is provided.
  • the size and number of the parts 32g may be varied.
  • the forms of the coupling coefficient adjusting means shown in FIGS. 2 to 5 described in the first to fourth embodiments can be implemented independently or in combination.
  • the coupling coefficient between the coils 21 and 22 that are magnetically coupled to each other is adjusted to, for example, 0.4 to 0.9 by each coupling coefficient adjusting means. Is mentioned.
  • the reactors 11 to 14 of the first to fourth embodiments can be used, for example, as a component part of a converter mounted on a vehicle or the like, or a component part of a power conversion device including this converter.
  • the reactor has, for example, applications in which energization conditions are, for example, maximum current (DC): about 100 A to about 1000 A, average voltage: about 100 V to about 1000 V, and operating frequency: about 5 kHz to about 100 kHz, typically a hybrid vehicle or an electric It can be suitably used for a component for an in-vehicle converter such as an automobile or an in-vehicle power converter.
  • a vehicle 1200 such as a hybrid vehicle or an electric vehicle is used for traveling by being driven by a main battery 1210, a power converter 1100 connected to the main battery 1210, and power supplied from the main battery 1210 as shown in FIG.
  • the motor (load) 1220 is provided.
  • the motor 1220 is typically a three-phase AC motor, which drives the wheel 1250 when traveling and functions as a generator during regeneration.
  • vehicle 1200 includes an engine in addition to motor 1220.
  • an inlet is shown as a charge location of the vehicle 1200, it can also be set as the form which provides a plug.
  • the power conversion device 1100 includes a converter 1110 connected to the main battery 1210 and an inverter 1120 connected to the converter 1110 and performing mutual conversion between direct current and alternating current.
  • converter 1110 boosts the DC voltage (input voltage) of main battery 1210 of about 200V to 300V to about 400V to 700V and supplies power to inverter 1120 when vehicle 1200 is traveling.
  • converter 1110 steps down DC voltage (input voltage) output from motor 1220 via inverter 1120 to DC voltage suitable for main battery 1210 during regeneration, and causes main battery 1210 to be charged.
  • the inverter 1120 converts the direct current boosted by the converter 1110 into a predetermined alternating current when the vehicle 1200 is running, and supplies the motor 1220 with electric power. During regeneration, the alternating current output from the motor 1220 is converted into direct current and output to the converter 1110. is doing.
  • converter 1110 includes a plurality of switching elements Q1 to Q4, a drive circuit (not shown) that controls the operation of switching elements Q1 to Q4, and a reactor L, and is repeatedly turned on and off.
  • the input voltage is converted (step-up / down in this case) by (switching operation).
  • a power device such as a field effect transistor (FET) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT) can be used.
  • the reactor L has the function of smoothing the change when the current is going to increase or decrease by the switching operation by utilizing the property of the coil that prevents the change of the current to flow through the circuit.
  • reactor L As the reactor L, the reactors 11 to 14 of the first to fourth embodiments described above are used, and the coupling coefficient between the coils 21 and 22 that are magnetically coupled to each other by the coupling coefficient adjusting means described in the first to fourth embodiments. Has been adjusted. Since reactors 11-14 are small in size, converter 1110 and power converter 1100 including reactors 11-14 can be miniaturized.
  • one end side of the coils 21 and 22 constituting the reactor L is connected to the positive electrode side of the main battery 1210.
  • the other end of one coil 21 is connected to the midpoint of a series switching circuit formed by connecting switching elements Q1 and Q2 in series, and the other end of the other coil 22 is connected to switching elements Q3 and Q4 in series. Is connected to the midpoint of the series switching circuit. Then, by switching the switching elements Q1 to Q4 by the drive circuit, the currents flowing through the coils 21 and 22 are shifted from each other by 180 degrees, and both the coils 21 and 22 are magnetically reversely coupled to each other.
  • Vehicle 1200 is connected to converter 1110, power supply converter 1150 connected to main battery 1210, sub-battery 1230 serving as a power source for auxiliary machinery 1240, and main battery 1210.
  • An auxiliary power supply converter 1160 for converting the high voltage to the low voltage is provided (FIG. 6).
  • the converter 1110 typically performs DC-DC conversion, while the power supply device converter 1150 and the auxiliary power supply converter 1160 perform AC-DC conversion. Some power supply device converters 1150 perform DC-DC conversion.
  • the reactor of the power supply device converter 1150 and the auxiliary power supply converter 1160 has the same configuration as the reactors 11 to 14 of the above-described first to fourth embodiments, and can use a reactor whose size and shape are appropriately changed. . Further, the reactors 11 to 14 of the first to fourth embodiments described above can be used for a converter that performs conversion of input power and that only performs step-up or only performs step-down.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, but is shown by the scope of claims and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of claims.
  • the present invention can be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention.
  • a two-phase magnetic coupling reactor including two coils 21 and 22 and magnetically coupled to each other has been described as an example.
  • the present invention can also be applied to a reactor including three or more coils.
  • the currents flowing through the coils 21 and 22 may be in phase, or the coils 21 and 22 may be magnetically forward-coupled to each other.
  • the reactor of the present invention includes various converters such as an in-vehicle converter (typically a DC-DC converter) and an air conditioner converter mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle, a plug-in hybrid vehicle, an electric vehicle, and a fuel cell vehicle. It can utilize suitably for the component of a power converter device.
  • an in-vehicle converter typically a DC-DC converter
  • an air conditioner converter mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle, a plug-in hybrid vehicle, an electric vehicle, and a fuel cell vehicle. It can utilize suitably for the component of a power converter device.

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Abstract

　小型でかつ結合係数を調整することが可能なリアクトルを提供する。　巻線（２ｗ）を巻回してなる複数のコイル（２１，２２）と、これらコイル（２１，２２）を互いに磁気的に結合するコア（３０）とを備えるリアクトル（１１）であって、複数の前記コイル（２１，２２）は、隣り合う互いの外周面が対向するように並列に配置され、前記コア（３０）は、前記各コイル（２１，２２）が配置される複数の磁脚部（３１１，３１２）と、これら前記磁脚部（３１１，３１２）の両端部に配置されると共に互いに隣り合う前記各磁脚部（３１１，３１２）の端部同士を連結する一対の連結部（３２１，３２２）とからなり、隣り合う前記コイル（２１，２２）間の結合係数を調整する結合係数調整手段（５０）を備える。

Description

リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置
　本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車といった車両に搭載されるコンバータや電力変換装置の構成部品などに利用されるリアクトルに関する。特に、小型でかつ結合係数を調整することが可能なリアクトルに関する。
　電圧の昇圧や降圧を行う電圧変換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には、コアと、コアに巻装され、互いに磁気結合された複数相のコイルとを含む複数相コンバータ用リアクトルが開示されている。特許文献１に記載の２相コンバータ用リアクトル（２相磁気結合リアクトル）（１０）では、コア（１２）と、コア（１２）に巻装された２相のコイル（１４，１６）とを備える。コア（１２）は、基部（２６）と基部（２６）の中央部から突出する中央脚部（２８）とを有するＴ字状の一対のＴ形部（２０，２２）と、直線状の２つのＩ形部（２４）と備える。また、各Ｔ形部（２０，２２）は、中央脚部（２８）の先端同士がギャップ空間（３２）を介して互いに対向するように配置される。Ｉ形部（２４）は、各Ｔ形部（２０，２２）における基部（２６）の両端部（端脚要素（３０））にギャップ板（１８）を介して結合され、互いに平行に配置される。そして、コア（１２）において、中央脚部（２８）を挟んで両側に位置するＩ形部（２４）により２つの端脚部（３４）を構成し、各端脚部（３４）にコイル（１４，１６）がそれぞれ配置されている。このリアクトルでは、複数のコイルを同一のコアに配置して互いに磁気的に結合することで、単相リアクトルに比較して小型化できる。
特開２０１２－６５４５３号公報
　コンバータ（電力変換装置）において、更なる小型化が求められている。特に、車載用のコンバータ（電力変換装置）では、設置スペースに厳しい制約があることから、より一層の小型化が望まれる。
　複数のコイルを同一のコアに配置して互いに磁気的に結合するリアクトルでは、インダクタンスの他、コイル間の結合係数も重要なパラメータになっている。特許文献１に記載のリアクトルでは、上記したように、Ｔ形部の中央脚部とその両側に位置する２つの端脚部（Ｉ形部）との３つの磁脚部をコアが有し、各端脚部にコイルがそれぞれ配置される構成である。コアには、Ｔ形部の基部及び端脚部によりコイル同士を磁気的に結合する結合磁路と、中央脚部により各コイルから生じる磁束が漏れる漏れ磁路とが形成される。そして、このリアクトルでは、中央脚部に設けられたギャップ空間により、インダクタンスや結合係数を調整することが可能である。しかし、このリアクトルでは、コイルが配置される端脚部以外に、結合係数を調整するための中央脚部をコアが有するため、更なる小型化が難しい。
　本発明の目的の一つは、小型でかつ結合係数を調整することが可能なリアクトルを提供することにある。また、本発明の別の目的は、このリアクトルを備えるコンバータ、このコンバータを備える電力変換装置を提供することにある。
　本発明のリアクトルは、巻線を巻回してなる複数のコイルと、これらコイルを互いに磁気的に結合するコアとを備えるリアクトルであって、複数の前記コイルは、隣り合う互いの外周面が対向するように並列に配置される。前記コアは、前記各コイルが配置される複数の磁脚部と、これら前記磁脚部の両端部に配置されると共に互いに隣り合う前記各磁脚部の端部同士を連結する一対の連結部とからなる。隣り合う前記コイル間の結合係数を調整する結合係数調整手段を備える。
　本発明のリアクトルは、小型化が可能である。
本発明の実施形態に係るリアクトルの基本構成の一例を説明する図であり、（Ａ）はコイル及びコアを示す概略斜視断面図であり、（Ｂ）は、概略平面断面図である。 実施形態１のリアクトルを示す概略平面断面図である。 実施形態２のリアクトルを示す概略平面断面図である。 実施形態３のリアクトルを示す概略平面断面図である。 実施形態４のリアクトルを示す概略平面断面図である。 ハイブリッド自動車の電源系統を示す概略構成図である。 実施形態のコンバータを備える実施形態の電力変換装置の一例を示す概略回路図である。
　［本発明の実施形態の説明］
　本発明のリアクトルは、コアが、コイルが配置される磁脚部と、磁脚部の端部同士を連結する連結部とからなることで、上述の目的を達成する。最初に、本発明の実施態様を列記して説明する。
　実施形態に係るリアクトルは、巻線を巻回してなる複数のコイルと、これらコイルを互いに磁気的に結合するコアとを備える。複数のコイルは、隣り合う互いの外周面が対向するように並列に配置される。コアは、各コイルが配置される複数の磁脚部と、これら磁脚部の両端部に配置されると共に互いに隣り合う各磁脚部の端部同士を連結する一対の連結部とからなる。そして、隣り合うコイル間の結合係数を調整する結合係数調整手段を備える。
　上記実施形態のリアクトルによれば、コアが、コイルが配置される磁脚部と、磁脚部の端部同士を連結する連結部とからなる。つまり、実施形態のリアクトルは、特許文献１に記載のリアクトルのように、結合係数を調整するためにコアに漏れ磁路を形成する中央脚部を有していない。したがって、実施形態のリアクトルは、従来のリアクトルに比較して、小型化できる。また、結合係数調整手段を備えることで、コイル間の結合係数を調整することが可能である。
　上記結合係数調整手段としては、以下に示す（１）～（４）の形態が挙げられる。
　（１）隣り合うコイル間に配置される磁気遮蔽板を備える形態
　（２）隣り合うコイルのうち少なくとも一方に、巻ピッチが密な密巻部と、密巻部よりも巻ピッチが疎な疎巻部とを有する形態
　（３）隣り合うコイルのうち少なくとも一方に、巻径が小さい小径部と、小径部よりも巻径が大きい大径部とを有する形態
　（４）連結部の少なくとも一方に設けられた磁気ギャップ部を備える形態
　上記（１）の形態では、隣り合うコイル間に配置される磁気遮蔽板を備えることにより、結合係数を調整するものである。例えば、磁気結合される一対のコイルが隣り合うようにそれぞれ磁脚部に配置されている場合、一方の磁脚部からの漏れ磁束がコイルの巻線間（ターン間）を通ってコイル外部に漏れ、その漏れ磁束の一部がコイル間を横断して他方の磁脚部に乗り移ることがある。上記（１）の形態によれば、コイル間に配置された磁気遮蔽板により、一方の磁脚部からコイル間を横断して他方の磁脚部に乗り移る漏れ磁束を遮蔽して抑制することで、コイル間の結合係数を上げることができる。よって、結合係数を調整することができる。例えば、磁脚部にエアギャップや非磁性材料からなるギャップ材などの磁気ギャップ部を設けたり、磁脚部を低透磁率の軟磁性材料で形成するなどして、磁脚部に漏れ磁束が生じ易くしておくと、結合係数の調整代を大きくとることができる。
　上記（２）の形態では、隣り合うコイルのうち少なくとも一方に、巻ピッチが密な密巻部と、密巻部よりも巻ピッチが疎な疎巻部とを有することにより、結合係数を調整するものである。一般に、コイルの巻ピッチが密な密巻部では、巻線の間隔（ターンの間隔）が狭く、漏れ磁束が生じ難い。一方で、コイルの巻ピッチが疎な疎巻部では、巻線の間隔（ターンの間隔）が広く、漏れ磁束が生じ易い。上記（２）の形態によれば、磁脚部の漏れ磁束が生じ易い部分に対応する箇所にコイルが密巻部を有することにより、漏れ磁束が減少することで、コイル間の結合係数を上げることができる。或いは、磁脚部の漏れ磁束が生じ易い部分に対応する箇所にコイルが疎巻部を有することにより、漏れ磁束が増加することで、コイル間の結合係数を下げることができる。よって、結合係数を調整することができる。磁脚部の漏れ磁束が生じ易い箇所としては、例えば、磁脚部が一様な軟磁性材料で形成されている場合は磁脚部の長手方向の中央部分や、磁脚部に上記した磁気ギャップ部が設けられている場合は磁気ギャップ部が挙げられる
　上記（３）の形態では、隣り合うコイルのうち少なくとも一方に、巻径が小さい小径部と、小径部よりも巻径が大きい大径部とを有することにより、結合係数を調整するものである。一般に、コイルの巻径が大きくなるほど、磁脚部を通らない漏れ磁束が生じ易い。上記（３）の形態によれば、コイルに有する大径部により、漏れ磁束が増加することで、コイル間の結合係数を下げることができる。よって、結合係数を調整することができる。
　上記（４）の形態では、連結部の少なくとも一方に設けられた磁気ギャップ部を備えることにより、結合係数を調整するものである。この形態によれば、連結部に磁気ギャップ部を設けることにより、漏れ磁束が増加することで、コイル間の結合係数を下げることができる。よって、結合係数を調整することができる。
　上記（１）～（４）の形態は、単独又は組み合わせて使用することができる。また、コイル間の結合係数は、例えば０．４～０．９に調整することが挙げられる。
　実施形態に係るコンバータは、上記実施形態のリアクトルを備える。実施形態のコンバータは、小型化が可能な実施形態のリアクトルを備えることで、小型化を図ることができる。
　実施形態に係る電力変換装置は、上記実施形態のコンバータを備える。実施形態の電力変換装置は、小型化が可能な実施形態のリアクトルを備える実施形態のコンバータを備えることで、小型化を図ることができる。
　［本発明の実施形態の詳細］
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的に説明する。各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
　ここでは、まず、本発明の実施形態に係るリアクトルの基本構成であるコイル及びコアについて説明し、次いで、本発明の実施形態に係るリアクトルに備える結合係数調整手段の具体的な態様について説明する。
　（リアクトルの基本構成）
　図１は、実施形態のリアクトルの基本構成の一例を示す。リアクトル１０は、第１コイル２１及び第２コイル２２と、これら第１コイル２１及び第２コイル２２を互いに磁気的に結合する環状のコア３０とを備える。なお、図１（Ａ）では、説明の便宜上、コイル２１，２２及びコア３０を高さ方向に略半分に切断した斜視断面図である。
　第１コイル２１及び第２コイル２２はそれぞれ、巻線２ｗを螺旋状に巻回してなり、軸方向が互いに平行で且つ互いの外周面が対向するように並列に配置されている。両コイル２１，２２は、同一形状のコイルであり、また、両コイル２１，２２は、軸方向の一端側から他端側に亘って巻ピッチ及び巻径が一様である。巻線２ｗは、銅又は銅合金やアルミニウム又はアルミニウム合金からなる平角線の表面に、エナメルやポリアミドイミド樹脂などの絶縁被覆を有する被覆平角線である。そして、両コイル２１，２２は、被覆平角線の巻線２ｗをエッジワイズ巻きして角筒状に形成されたエッジワイズコイルである。両コイル２１，２２は、一端同士が電気的に接続される。
　コア３０は、第１コイル２１及び第２コイル２２を互いに磁気的に結合する。コア３０は、各コイル２１，２２の内側に位置し、各コイル２１，２２が配置される一対の磁脚部３１１，３１２と、これら磁脚部３１１，３１２の両端部に配置されると共に、各磁脚部３１１，３１２の互いの端部同士を連結する一対の連結部３２１，３２２とからなる。コア３０は、並列に配置された両磁脚部３１１，３１２の各端面にそれぞれ各連結部３２１，３２２の内端面が連結されることによって環状に構成されており、これら磁脚部３１１，３１２及び連結部３２１，３２２により、コイル２１，２２同士を磁気的に結合する結合磁路が形成される。
　磁脚部３１１，３１２はそれぞれ、角柱状であり、軟磁性材料からなるコア片３１ｍと、コア片３１ｍよりも比透磁率の小さい材料からなるギャップ材３１ｇとを交互に積層して形成されている。コア片３１ｍとギャップ材３１ｇとは、例えば接着剤によって一体化することができる。連結部３２１，３２２は、略台形状（磁脚部３１１，３１２の端面に連結される内端面から外方に向かって断面積が小さくなる台形状）であり、軟磁性材料からなるコア片である。
　磁脚部３１１，３１２や連結部３２１，３２２を構成するコア片は、鉄などの鉄族金属やその合金、鉄を含む酸化物などに代表される軟磁性粉末を用いた成形体や、絶縁被膜を有する磁性薄板（例えば、ケイ素鋼板に代表される電磁鋼板）を複数積層した積層板体などで形成されている。上記成形体としては、圧粉成形体、焼結体、軟磁性粉末と樹脂とを含む混合物を射出成形や注型成形などによって成形した複合材料などが挙げられる。このような成形体、特に複合材料では、例えば軟磁性粉末の含有量を減らすことで、比透磁率が５～５０といった低透磁率とすることも可能である。この例では、各コア片（コア片３１ｍ及び連結部３２１，３２２）は、鉄や鋼などの軟磁性粉末の圧粉成形体で形成されている。
　ギャップ材３１ｇは、アルミナや不飽和ポリエステルなどの非磁性材料で形成されている。この例では、磁脚部３１１，３１２にギャップ材３１ｇを設けることで、磁脚部３１１，３１２（コア３０）の比透磁率を調整しているが、例えばコア片を低透磁率の複合材料で形成すれば、ギャップ材を設けずに所定の比透磁率を実現したり、磁脚部３１１，３１２をそれぞれ１つのコア片で構成することも可能である。また、各コア片を一様な材質で同一の仕様（圧粉成形体）としているが、磁脚部３１１，３１２を構成する複数のコア片３１ｍの磁気特性や仕様を異ならせたり、コア片３１ｍと連結部３２１，３２２とで磁気特性や仕様を異ならせることも可能である。その他、ギャップ材３１ｇは、コア片３１ｍよりも低透磁率の材料、例えば軟磁性粉末の含有量が少ない複合材料などで形成することも可能である。
　次に、隣り合うコイル間の結合係数を調整する結合係数調整手段の具体的な形態について説明する。なお、以下の実施形態１～４では、リアクトルの基本構成は上記した図１に示すリアクトル１０と同じであり、相違点を中心に説明する。
　［実施形態１：コイル間に磁気遮蔽板を配置する］
　実施形態１では、結合係数調整手段として、隣り合うコイル間に配置される磁気遮蔽板を備える形態を説明する。図２に示す実施形態１に係るリアクトル１１は、各磁脚部３１１，３１２に配置された第１コイル２１と第２コイル２２との間に、磁気遮蔽板５０が配置されている。磁気遮蔽板５０は、非磁性の金属材料で形成されており、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム又はアルミニウム合金が好適に利用できる。この例では、両コイル２１，２２間にアルミニウム板（磁気遮蔽板５０）を磁脚部３１１，３１２の長手方向に沿って配置している。このように、両コイル２１，２２間に磁気遮蔽板５０を配置することで、一方の磁脚部（３１１又は３１２）からコイル２１，２２間を横断して他方の磁脚部（３１２又は３１１）に乗り移る漏れ磁束を磁気遮蔽板５０により吸収して抑制することができる。これにより、コイル２１，２２間の結合係数を上げることができる。
　ここで、結合係数の調整は、磁気遮蔽板５０の厚さや面積、若しくは位置を変更することで可能である。磁気遮蔽板５０の厚さは、コイル２１，２２間に配置でき、かつ、漏れ磁束を抑制できる範囲で適宜設定することができる。一般に、コイル２１，２２間の間隔は２ｍｍ程度である。また、磁気遮蔽板５０の厚さを厚くするほど、漏れ磁束の抑制効果が向上するが、コイル２１，２２に流れる電流の周波数に対する表皮厚さの２倍以上厚くしても、漏れ磁束の抑制効果の向上が小さい。よって、磁気遮蔽板５０の厚さは、表皮厚さの１倍以上２倍以下であることが好ましく、例えば１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることが挙げられる。ここで、磁気遮蔽板５０の厚さが表皮厚さと同じ（１倍）の場合、磁気遮蔽板５０を通過する磁束を１／ｅ（ｅ≒２．７１）倍、即ち約６３％低減でき、表皮厚さの２倍の場合、磁束を１／ｅ２倍、即ち約８７％低減できる。一方、磁気遮蔽板５０の長さを長くするほど、漏れ磁束と鎖交する磁気遮蔽板５０の面積が増えることから、磁気遮蔽板５０による漏れ磁束の吸収量が増え、コイル２１，２２間の結合係数を上げることができる。また、磁気遮蔽板５０の高さを高くしても、漏れ磁束と鎖交する磁気遮蔽板５０の面積が増えることから、コイル２１，２２間の結合係数を上げることができる。
　さらに、磁気遮蔽板５０の位置を変更することでも、結合係数を調整することが可能である。この例のように、磁脚部３１１，３１２にギャップ材３１ｇが設けられている場合は、ギャップ材３１ｇからの漏れ磁束が生じ易いことから、磁脚部３１１，３１２のギャップ材３１ｇに対応する箇所に磁気遮蔽板５０を配置することで、漏れ磁束を効果的に抑制できる。例えば、上記したように磁脚部３１１，３１２をそれぞれ低透磁率の複合材料で形成し、１つのコア片で構成した場合などは、磁脚部３１１，３１２の長手方向の中央部分で漏れ磁束が生じ易いことから、磁脚部３１１，３１２の中央部分に対応する箇所に磁気遮蔽板５０を集中的に配置すると、漏れ磁束を効果的に抑制し易い。なお、リアクトル１１をケース（図示せず）に収納する場合は、コイル２１，２２間に磁気遮蔽板５０を配置した後、封止樹脂で封止することで、磁気遮蔽板５０を固定することができる。或いは、ケースの底板に磁気遮蔽板５０を絶縁性の接着剤で予め固定しておいてもよい。
　［実施形態２：コイルに密巻部と疎巻部とを有する］
　実施形態２では、結合係数調整手段として、隣り合うコイルのうち少なくとも一方に、巻ピッチが密な密巻部と、密巻部よりも巻ピッチが疎な疎巻部とを有する形態を説明する。図３に示す実施形態２に係るリアクトル１２は、各磁脚部３１１，３１２に配置された第１コイル２１及び第２コイル２２において、巻ピッチが密な密巻部２０ａと、密巻部２０ａよりも巻ピッチが疎な疎巻部２０ｂとを有する。この例では、両コイル２１，２２において、軸方向の一端側から他端側に向かって密巻部２０ａ、疎巻部２０ｂ、密巻部２０ａが順に形成されており、磁脚部３１１，３１２のギャップ材３１ｇを含む中央部分に対応する箇所に疎巻部２０ｂが設けられている。また、両コイル２１，２２において、両端部分の密巻部２０ａの合計巻数と中央部分の疎巻部２０ｂの合計巻数は同じである。このように、磁脚部３１１，３１２の漏れ磁束が生じ易い部分（ギャップ材３１ｇ）に対応する箇所に各コイル２１，２２が疎巻部２０ｂを有することで、漏れ磁束が増加し、コイル２１，２２間の結合係数を下げることができる。逆に、磁脚部３１１，３１２の漏れ磁束が生じ易い部分（ギャップ材３１ｇ）に対応する箇所に密巻部２０ａを集中的に設けると、漏れ磁束が減少するので、コイル２１，２２間の結合係数を上げることができる。
　ここで、結合係数の調整は、両コイル２１，２２における密巻部２０ａ及び疎巻部２０ｂの巻ピッチや巻数、若しくは位置を変更することで可能である。両コイル２１，２２における密巻部２０ａ及び疎巻部２０ｂの巻ピッチは、両磁脚部３１１，３１２に配置できる範囲で適宜設定することができる。一般に、コイル２１，２２における巻線２ｗの間隔（ターンの間隔）は、０．３ｍｍ程度である。これを基準の間隔とするとき、例えば、疎巻部２０ｂにおける巻線２ｗの間隔を例えば＋０．１ｍｍ以上＋０．５ｍｍ未満、密巻部２０ａにおける巻線２ｗの間隔を例えば－０．１ｍｍ以上－０．３ｍｍ未満とすることが挙げられる。つまり、疎巻部２０ｂにおける巻線２ｗの間隔が密巻部２０ａよりも例えば０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ未満広くなるように、疎巻部２０ｂの巻ピッチを密巻部２０ａよりも疎にすることが挙げられる。なお、両コイル２１，２２における密巻部２０ａ又は疎巻部２０ｂにおいて、巻線２ｗの間に絶縁性のスペーサなどを介在させると、巻線２ｗの間隔を確実に維持することができる。例えば、両コイル２１，２２を筒状の絶縁性ボビン（図示せず）に巻回して、各コイル２１，２２と各磁脚部３１１，３１２との間にボビンを配置する場合は、このボビンの外周面にスペーサを形成しておくことが挙げられる。
　［実施形態３：コイルに小径部と大径部とを有する］
　実施形態３では、結合係数調整手段として、隣り合うコイルのうち少なくとも一方に、巻径が小さい小径部と、小径部よりも巻径が大きい大径部とを有する形態を説明する。図４に示す実施形態３に係るリアクトル１３は、各磁脚部３１１，３１２に配置された第１コイル２１及び第２コイル２２において、巻径が小さい小径部２０ｍと、小径部２０ｍよりも巻径が大きい大径部２０ｎとを有する。この例では、一方の第１コイル２１において、軸方向の一端側から他端側に向かって大径部２０ｎ、小径部２０ｍが順に形成されており、他方の第２コイル２２において、軸方向の一端側から他端側に向かって小径部２０ｍ、大径部２０ｎが順に形成されている。つまり、第１コイル２１と第２コイル２２とでは、小径部２０ｍと大径部２０ｎとの位置が互い違いになっている。また、両コイル２１，２２において、軸方向における小径部２０ｍの区間と大径部２０ｎの区間は同等である。このように、各コイル２１，２２が大径部２０ｎを有することで、漏れ磁束が増加し、コイル２１，２２間の結合係数を下げることができる。
　ここで、結合係数の調整は、両コイル２１，２２における小径部２０ｍ及び大径部２０ｎの巻径や区間を変更することで可能である。両コイル２１，２２における大径部２０ｎの巻径を大きくするほど、漏れ磁束が増えることから、コイル２１，２２間の結合係数を下げることができるが、その分磁脚部３１１，３１２間の間隔が広がり、コア３０（リアクトル１３）が大型化する。そこで、大径部２０ｎの巻径は、小径部２０ｍよりも例えば１ｍｍ以上５ｍｍ未満大きくすることが挙げられる。また、両コイル２１，２２における大径部２０ｎの区間を長くするほど、漏れ磁束が増えることから、コイル２１，２２間の結合係数を下げることができるが、各コイル２１，２２の軸方向の長さに対して大径部２０ｎの区間が半分超であると、大径部２０ｎ同士が干渉し合う虞がある。この例のように、各コイル２１，２２における大径部２０ｎの区間を軸方向の長さに対して半分以下とし、両コイル２１，２２において小径部２０ｍと大径部２０ｎとの位置を互い違いにすることで、大径部２０ｎ同士が干渉し合うことを回避しながら、磁脚部３１１，３１２間の間隔をできるだけ狭めることができる。
　［実施形態４：連結部に磁気ギャップ部を設ける］
　実施形態４では、結合係数調整手段として、連結部の少なくとも一方に設けられた磁気ギャップ部を備える形態を説明する。図５に示す実施形態４に係るリアクトル１４は、第１コイル２１及び第２コイル２２が配置される各磁脚部３１１，３１２の端部同士を連結する両連結部３２１，３２２の中間部に、磁気ギャップ部３２ｇが設けられている。磁気ギャップ部３２ｇは、磁脚部３１１，３２２のギャップ材３１ｇと同様に、非磁性材料のギャップ材で形成されている。この例では、連結部３２１，３２２を構成する２つのコア片３２ｍの間にギャップ材（磁気ギャップ部３２ｇ）を配置し、接着剤によって一体化している。ギャップ材には、コア片３２ｍよりも低透磁率の材料、例えば軟磁性粉末の含有量が少ない複合材料などを用いることも可能である。その他、連結部３２１，３２２のコア片３２ｍ間に空間が形成されるように、リアクトル１４が載置される板状部材（図示せず）にコイル２１，２２又は連結部３２１，３２２（コア片３２ｍ）の下面を例えば接着剤やボルトなどの締結部材で固定し、コア片３２ｍ間にエアギャップを設けることで、磁気ギャップ部をエアギャップとしてもよい。このように、各連結部３２１，３２２に磁気ギャップ部３２ｇを設けることで、漏れ磁束が増加し、コイル２１，２２間の結合係数を下げることができる。
　ここで、結合係数の調整は、各連結部３２１，３２２の磁気ギャップ部３２ｇの大きさ（ギャップ長）を変更することで可能である。また、この例では、磁気ギャップ部３２ｇを各連結部３２１，３２２にそれぞれ１つ設けているが、連結部３２１，３２２を更に複数のコア片３２ｍに分割すると共に、コア片３２ｍ間に磁気ギャップ部３２ｇを設けることで、各連結部３２１，３２２に複数の磁気ギャップ部３２ｇを設けることも可能である。さらに、両連結部３２１，３２２に磁気ギャップ部３２ｇを設けているが、一方の連結部（３２１又は３２２）のみに磁気ギャップ部３２ｇを設けてもよいし、両連結部３２１，３２２における磁気ギャップ部３２ｇの大きさや数を異ならせてもよい。
　上記した実施形態１～４で説明した図２～５に示す各結合係数調整手段の形態は、単独で実施する他、組み合わせて実施することも可能である。また、上記した実施形態１～４のリアクトル１１～１４において、互いに磁気結合されるコイル２１，２２間の結合係数は、各結合係数調整手段により、例えば０．４～０．９に調整することが挙げられる。
　［実施形態５］
　実施形態１～４のリアクトル１１～１４は、例えば、車両などに搭載されるコンバータの構成部品や、このコンバータを備える電力変換装置の構成部品に利用することができる。上記リアクトルは、例えば、通電条件が、例えば、最大電流（直流）：１００Ａ～１０００Ａ程度、平均電圧：１００Ｖ～１０００Ｖ程度、使用周波数：５ｋＨｚ～１００ｋＨｚ程度である用途、代表的にはハイブリッド自動車や電気自動車などの車載用コンバータや車載用電力変換装置の構成部品に好適に利用できる。
　（コンバータ（電力変換装置）の構成）
　例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車といった車両１２００は、図６に示すようにメインバッテリ１２１０と、メインバッテリ１２１０に接続される電力変換装置１１００と、メインバッテリ１２１０からの供給電力により駆動して走行に利用されるモータ（負荷）１２２０とを備える。モータ１２２０は、代表的には、３相交流モータであり、走行時、車輪１２５０を駆動し、回生時、発電機として機能する。ハイブリッド自動車の場合、車両１２００は、モータ１２２０に加えてエンジンを具える。なお、図６では、車両１２００の充電箇所としてインレットを示すが、プラグを具える形態とすることもできる。
　電力変換装置１１００は、メインバッテリ１２１０に接続されるコンバータ１１１０と、コンバータ１１１０に接続されて、直流と交流との相互変換を行うインバータ１１２０とを有する。この例では、コンバータ１１１０は、車両１２００の走行時、２００Ｖ～３００Ｖ程度のメインバッテリ１２１０の直流電圧（入力電圧）を４００Ｖ～７００Ｖ程度にまで昇圧して、インバータ１１２０に給電する。また、コンバータ１１１０は、回生時、モータ１２２０からインバータ１１２０を介して出力される直流電圧（入力電圧）をメインバッテリ１２１０に適合した直流電圧に降圧して、メインバッテリ１２１０に充電させている。インバータ１１２０は、車両１２００の走行時、コンバータ１１１０で昇圧された直流を所定の交流に変換してモータ１２２０に給電し、回生時、モータ１２２０からの交流出力を直流に変換してコンバータ１１１０に出力している。
　コンバータ１１１０は、図７に示すように、複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の動作を制御する駆動回路（図示せず）と、リアクトルＬとを備え、ＯＮ／ＯＦＦの繰り返し（スイッチング動作）により入力電圧の変換（ここでは昇降圧）を行う。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのパワーデバイスを利用することができる。リアクトルＬは、回路に流れようとする電流の変化を妨げようとするコイルの性質を利用し、スイッチング動作によって電流が増減しようとしたとき、その変化を滑らかにする機能を有する。このリアクトルＬとして、上述した実施形態１～４のリアクトル１１～１４を利用しており、実施形態１～４で説明した結合係数調整手段により、互いに磁気結合されるコイル２１，２２間の結合係数が調整されている。リアクトル１１～１４は、小型であるので、このリアクトル１１～１４を備えるコンバータ１１１０や電力変換装置１１００を小型化できる。
　この例では、リアクトルＬを構成するコイル２１，２２の一端側がメインバッテリ１２１０の正極側に接続されている。また、一方のコイル２１の他端側がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を直列に接続してなる直列スイッチング回路の中点に接続され、他方のコイル２２の他端側がスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を直列に接続してなる直列スイッチング回路の中点に接続されている。そして、駆動回路によりスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をスイッチングすることによって、コイル２１，２２に流れる電流を互いに１８０度位相をずらした状態とし、両コイル２１，２２が互いに磁気的に逆結合されている。
　なお、車両１２００は、コンバータ１１１０の他、メインバッテリ１２１０に接続された給電装置用コンバータ１１５０や、補機類１２４０の電力源となるサブバッテリ１２３０とメインバッテリ１２１０とに接続され、メインバッテリ１２１０の高圧を低圧に変換する補機電源用コンバータ１１６０を備える（図６）。コンバータ１１１０は、代表的には、ＤＣ‐ＤＣ変換を行うが、給電装置用コンバータ１１５０や補機電源用コンバータ１１６０は、ＡＣ‐ＤＣ変換を行う。給電装置用コンバータ１１５０のなかには、ＤＣ‐ＤＣ変換を行うものもある。給電装置用コンバータ１１５０や補機電源用コンバータ１１６０のリアクトルに、上述した実施形態１～４のリアクトル１１～１４と同様の構成を備え、大きさや形状などを適宜変更したリアクトルを利用することができる。また、入力電力の変換を行うコンバータであって、昇圧のみを行うコンバータや降圧のみを行うコンバータに、上述した実施形態１～４のリアクトル１１～１４を利用することもできる。
　なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図され、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、２つのコイル２１，２２を備え、互いに磁気結合された２相磁気結合リアクトルを例に挙げ説明したが、３つ以上のコイルを備えるリアクトルにも適用可能である。また、両コイル２１，２２に流れる電流を同相にしてもよいし、両コイル２１，２２を互いに磁気的に順結合してもよい。
　本発明のリアクトルは、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車といった車両に搭載される車載用コンバータ（代表的にはＤＣ‐ＤＣコンバータ）や空調機のコンバータなどの種々のコンバータや電力変換装置の構成部品に好適に利用することができる。
　１０，１１，１２，１３，１４　リアクトル
　２１　第１コイル　　２２　第２コイル
　　２ｗ　巻線
　　２０ａ　密巻部　　２０ｂ　疎巻部
　　２０ｍ　小径部　　２０ｎ　大径部
　３０　コア
　　３１１，３１２　磁脚部　　３２１，３２２　連結部
　　３１ｍ，３２ｍ　コア片　　３１ｇ　ギャップ材
　　３２ｇ　磁気ギャップ部
　５０　磁気遮蔽板
　１１００　電力変換装置　　１１１０　コンバータ
　１１２０　インバータ　　１１５０　給電装置用コンバータ
　１１６０　補機電源用コンバータ
　１２００　車両　　１２１０　メインバッテリ
　１２２０　モータ　　１２３０　サブバッテリ
　１２４０　補機類　　１２５０　車輪
　Ｌ　リアクトル　　Ｑ１～Ｑ４　スイッチング素子

Claims (7)

  1. 　巻線を巻回してなる複数のコイルと、これらコイルを互いに磁気的に結合するコアとを備えるリアクトルであって、
    　複数の前記コイルは、隣り合う互いの外周面が対向するように並列に配置され、
    　前記コアは、前記各コイルが配置される複数の磁脚部と、これら前記磁脚部の両端部に配置されると共に互いに隣り合う前記各磁脚部の端部同士を連結する一対の連結部とからなり、
    　隣り合う前記コイル間の結合係数を調整する結合係数調整手段を備えるリアクトル。
  2. 　前記結合係数調整手段は、隣り合う前記コイル間に配置される磁気遮蔽板を備える請求項１に記載のリアクトル。
  3. 　前記結合係数調整手段は、隣り合う前記コイルのうち少なくとも一方に、巻ピッチが密な密巻部と、前記密巻部よりも巻ピッチが疎な疎巻部とを有する請求項１又は請求項２に記載のリアクトル。
  4. 　前記結合係数調整手段は、隣り合う前記コイルのうち少なくとも一方に、巻径が小さい小径部と、前記小径部よりも巻径が大きい大径部とを有する請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のリアクトル。
  5. 　前記結合係数調整手段は、前記連結部の少なくとも一方に設けられた磁気ギャップ部を備える請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のリアクトル。
  6. 　請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のリアクトルを備えるコンバータ。
  7. 　請求項６に記載のコンバータを備える電力変換装置。
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