JP2021034478A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、低電流域で損失が小さく、高電流域ではインダクタンスの低下が小さいリアクトルを提供する。【解決手段】本明細書が開示するリアクトルは、第１コア、第２コア、コイルを備えている。第１コアはコイルの内側に配置される。第２コアは、一端と他端が第１コアを挟んで対向しており、コイルの外側でつながっているリング状をなしている。第１コアの透磁率が第２コアの透磁率よりも高い。上述したリアクトルでは、高電流域では、高透磁率の第１コアは磁気飽和するため磁性体としての特性を失う。すなわち高電流域では、第１コアはギャップと同じ効果を奏することでコア全体のインダクタンスの低下を抑制する。また、低電流域では、高透磁率の第１コアがコア全体のインダクタンス値の低下を抑制する。このように、本明細書が開示するリアクトルは、低電流域で損失が小さく、高電流域ではインダクタンスの低下が小さい。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、リアクトルに関する。

例えば電気自動車には、電源出力を駆動力に変換する電力変換器が搭載されている。このような電力変換器は、電源出力を昇圧して、電気自動車の走行用モータに供給する。電力変換器はリアクトルを有している。リアクトルは、磁性体で形成されるコアと、コアに巻回されているコイルで構成される。

近年では、電気自動車の出力が向上し、リアクトルを流れる電流も大きくなっている。リアクトルの損失を低減するため、特許文献１には、リアクトル（特許文献１では、コイル部品と称している）の交流抵抗を低減する技術が開示されている。特許文献１のリアクトルは、高透磁率のコアをコイルの外側に配置し、低透磁率のコアをコイルの内側に配置するとともに、高透磁率と低透磁率の比率を所定の範囲にすることで、コイルの交流抵抗を低減する。特許文献２にも、高透磁率のコアをコイルの外側に配置し、低透磁率のコアをコイルの内側に配置したリアクトルが開示されている。

特開２０１８−１６３９１１号公報 特開２０１３−１７９２６４号公報

電気自動車など、電流値の範囲が広い装置に用いるリアクトルでは、低電流域で損失が小さく、高電流域ではインダクタンスの低下の小さいことが望まれる。

本願の発明者は、上述した従来のリアクトルとは逆に、コイルの内側に高透磁率の別のコアを配置することで、低電流域で損失が小さく、高電流域でインダクタンスの低下が小さくなることを見出した。

本明細書が開示するリアクトルは、第１コア、第２コア、コイルを備えている。第１コアはコイルの内側に配置される。第２コアは、一端と他端が第１コアを挟んで対向しており、コイルの外側でつながっているリング状をなしている。第１コアの透磁率が第２コアの透磁率よりも高い。上述したリアクトルでは、高電流域では、高透磁率の第１コアは磁気飽和するため磁性体としての特性を失う。すなわち高電流域では、第１コアはギャップと同じ効果を奏することでコア全体のインダクタンスの低下を抑制する。また、低電流域では、高透磁率の第１コアがコア全体のインダクタンス値の低下を抑制する。その結果、上述したリアクトルに小さな電流が流れた場合であっても、コア全体の損失は増加しない。このように、本明細書が開示するリアクトルは、低電流域で損失が小さく、高電流域ではインダクタンスの低下が小さい。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のリアクトルの斜視図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩでカットしたリアクトルの断面図である。 ギャップの大きさと第２コアの関係を示す図２同様の断面図である。 ギャップの大きさと第２コアの比率によるインダクタンスの変化を示すグラフである。 第２コアの有無によるリアクトル損失の変化を示すグラフである。 第１変形例のリアクトルの断面図である。 第２変形例のリアクトルの断面図である。

図面を参照して実施例のリアクトルについて説明する。図１は、実施例のリアクトル２の斜視図である。リアクトル２は、例えば電気自動車のバッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータに用いられる。電気自動車の走行用モータは数十キロワットを出力することができ、バッテリから流れる電流は数十アンペアになる。リアクトル２には、そのような大電流が流れるため、内部抵抗の小さい平角線がコイル４として用いられる。

リアクトル２は、矩形筒状に巻回されたコイル４と、コイル４の周囲を囲むとともにコイル４の内側を通過しているリング状のリングコア１０と、を備えている。コイル４は、２本の引き出し線６、８を備えている。２本の引き出し線は、不図示の外部機器に接続される。コイル４は、一方の引き出し線６に接続される外部機器から電流を取込み、他方の引き出し線８から別の外部機器に電流を送る。リングコア１０は、一対のコア１２ａ、１２ｂで構成されている。一対のコア１２ａ、１２ｂは、ともに磁性体によって形成されている。

図２を参照してリアクトル２の構造の詳細について説明する。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿ってリアクトル２をカットした断面図である。リングコア１０を構成している一対のコア１２ａ、１２ｂは、ともにＥ字形状に形成されている。一対のコア１２ａ、１２ｂは、Ｅ字形状の棒状部が互いに対向するように配置されている。

図２に示すように、一対のコア１２ａ、１２ｂの中央の棒状部は、コイル４の内側に挿入されている。一対のコア１２ａ、１２ｂの両端の棒状部の端面は、コイル４の外側で互いに当接している。すなわち、リングコア１０は、コイル４の外側でつながっている。一方、コア１２ａの端面１６ａとコア１２ｂの端面１６ｂは、互いに離間している。また、端面１６ａと端面１６ｂの間には、高透磁率コア２０が配置されている。すなわち、リングコア１０の一端（端面１６ａ）と、他端（端面１６ｂ）は、高透磁率コア２０を挟んで対向している。高透磁率コア２０の透磁率は、リングコア１０の透磁率よりも高い。例えば、リングコア１０の透磁率は、数十［Ｈ／Ｍ］である。リングコア１０は、例えば圧粉系コアである。それに対し、高透磁率コア２０の透磁率は、数千［Ｈ／Ｍ］である。高透磁率コア２０は、例えばフェライトコアである。

高透磁率コア２０は、コイル４の内側に配置されている。本願の発明者は、外側のリングコア１０よりも透磁率の高い高透磁率コア２０をコイル４の内側に配置することで、コア全体で低電流域で損失が小さく、高電流域でインダクタンスの低下が小さくなることを見出した。以下、コイル４の内側に配置される高透磁率コア２０が、実施例のリアクトル２にもたらす効果について説明する。

図３及び図４を参照して、端面１６ａと端面１６ｂの間における高透磁率コア２０が占める割合（以下、高透磁率コア占有率と表現する）によって、リングコア１０のリアクトルがどのように変化するかについて説明する。図３は、図２と同じリアクトル２の断面図であるが、説明の都合上、リングコア１０の端面１６ａ、１６ｂと、高透磁率コア２０の間に隙間を描いてある。また、図３では、端面１６ａから端面１６ｂまでの距離を寸法Ｘ、その間に挟まれる高透磁率コア２０のＸ軸方向の長さを厚みＹとして示している。高透磁率コア占有率は、寸法Ｘと厚みＹを用いて、厚みＹ／寸法Ｘ×１００（％）と表すことができる。

図４は、高透磁率コア占有率とインダクタンスの関係を示すグラフである。図４の縦軸は、インダクタンス値Ｌであり、横軸は電流値Ｉである。図４では、インダクタンス値Ｌの値は、上側ほど大きくなる。電流値Ｉの値は、右側ほど大きくなる。理解を助けるため、図４では、電流の大きさの範囲について、低電流域Ｉ_Ｌと、高電流域Ｉ_Ｈと、を設けている。

図４の各曲線４（Ａ）〜４（Ｅ）は、それぞれ異なる高透磁率コア占有率を有するリアクトルにおけるインダクタンス値Ｌと電流値Ｉの関係を示している。図４では、理解を助けるために、線種を変えて各曲線４（Ａ）〜４（Ｅ）を記載している。太線で示される曲線４（Ａ）は、高透磁率コア占有率がゼロであり、かつ寸法Ｘ（図３参照）が小さいリアクトルのインダクタンス値Ｌと電流値Ｉの関係を示している。一点鎖線で示される曲線４（Ｅ）は、高透磁率コア占有率がゼロであり、かつ寸法Ｘ（図３参照）が大きいリアクトルのインダクタンス値Ｌと電流値Ｉの関係を示している。

初めに曲線４（Ａ）と、曲線４（Ｅ）と、を比較する。曲線４（Ａ）は低電流域Ｉ_Ｌではインダクタンス値Ｌが高いが、高電流域Ｉ_Ｈでは、インダクタンス値Ｌが低下している。一方、曲線４（Ｅ）は、低電流域Ｉ_Ｌではインダクタンス値Ｌは低いが、高電流域Ｉ_Ｈでは、インダクタンス値Ｌは曲線４（Ａ）ほど低下していない。すなわち、高電流域Ｉ_Ｈでのインダクタンス値Ｌの低下を抑制するためには、図３に示す寸法Ｘを広くするべきであるが、背反として低電流域Ｉ_Ｌでのインダクタンス値Ｌが低下する。また、低電流域Ｉ_Ｌでのインダクタンス値Ｌの低下を抑制するためには、図３に示す寸法Ｘを狭くするべきであるが、背反として高電流域Ｉ_Ｈでのインダクタンス値Ｌが低下する。

先に述べたように、図３に示す実施例のリアクトル２は、端面１６ａと端面１６ｂの間（すなわち、寸法Ｘで示される部位）に、高透磁率コア２０を備えている。破線で示される曲線４（Ｂ）は、高透磁率コア占有率が６７％の場合のインダクタンス値Ｌと電流値Ｉの関係を示している。二点鎖線で示される曲線４（Ｃ）は、高透磁率コア占有率が５０％の場合のインダクタンス値Ｌと電流値Ｉの関係を示している。細線で示される曲線４（Ｄ）は、高透磁率コア占有率が２５％の場合のインダクタンス値Ｌと電流値Ｉの関係を示している。

図４に示すように、曲線４（Ｂ）〜４（Ｄ）の低電流域Ｉ_Ｌにおけるインダクタンス値Ｌは、曲線４（Ｅ）の低電流域Ｉ_Ｌにおけるインダクタンス値Ｌよりも高くなっている。また、曲線４（Ｂ）〜４（Ｄ）を比較すると、高透磁率コア占有率が高いほど、低電流域Ｉ_Ｌにおけるインダクタンス値Ｌは高くなっている。すなわち、実施例のリアクトル２は、寸法Ｘで示される部位に高透磁率コア２０を配置することで、低電流域Ｉ_Ｌでのインダクタンス値Ｌの低下を抑制することができる。

また、図４に示すように、曲線４（Ｂ）〜４（Ｄ）の高電流域Ｉ_Ｈにおけるインダクタンス値Ｌは、曲線４（Ａ）の高電流域Ｉ_Ｈにおけるインダクタンス値Ｌよりも高くなっている。すなわち、実施例のリアクトル２は、寸法Ｘで示される部位に高透磁率コア２０を配置することで、高電流域Ｉ_Ｈでのインダクタンス値Ｌの低下を抑制することができる。

図５を参照して、実施例のリアクトル２の低電流域における損失について説明する。グラフ５Ａは、高透磁率コア占有率がゼロであり、かつ寸法Ｘ（図３参照）が大きいリアクトルの低電流域における損失を示している。グラフ５Ｂは、高透磁率コア占有率５０％であり、かつ寸法Ｘ（図３参照）が大きいリアクトルの低電流域における損失を示している。グラフ５Ａのリアクトルと、グラフ５Ｂのリアクトルの寸法Ｘは同じ長さである。図５では、図５の右側に示すように、リアクトルの損失の原因となる損失の発生源によってハッチングの種類を変更している。損失５４は、コイル４（図３参照）に直流電流が流れた場合の損失である。損失５３は、コイル４に交流電流が流れた場合の損失である。損失５２は、リングコア１０（図３参照）から発生する損失である。損失５１は、その他の損失である。

図５に示すように、グラフ５Ｂは、グラフ５Ａに対して、損失５３及び損失５２が低減している。その結果、グラフ５Ｂのリアクトル損失は、グラフ５Ａに対して約４０％まで低減している。すなわち、高透磁率コア２０（図３参照）をコイル４の内側に配置することで、低電流域におけるリアクトル損失が低減される。

図４を参照して説明したように、コイル４（図３参照）の内側に高透磁率コア２０を配置することで、低電流域Ｉ_Ｌでのインダクタンス値Ｌの低下が抑制される。これにより、コイル４に交流電流が流れたときの電流リプルを低減することができる。その結果、コイルに過電流が発生しづらくなる。そのため、リングコア１０およびコイル４の損失が低減する。また、リングコア１０のギャップ（すなわち、寸法Ｘ）が大きい場合にコイル４に鎖交していた磁束が、高透磁率コア２０を通ることによって、鎖交が解消される。その結果、図５で示したように、コイル４に交流が流れた際のコイル４の過電流損失も低減される。

このように、実施例のリアクトル２は、コイル４の内側に高透磁率コア２０を配置することによって、低電流域での損失を低減する。また、図４の曲線４（Ｂ）〜４（Ｄ）に示すように、高電流域Ｉ_Ｈでのインダクタンス値Ｌの低下が抑制されている。すなわち、本明細書が開示するリアクトルは、低電流域で損失が小さく、高電流域ではインダクタンスの低下が小さい。また、図４の曲線４（Ｂ）〜４（Ｄ）に示すように、高透磁率コア占有率によってインダクタンス値Ｌは変化する。そのため、上述したリアクトル２は、流れる電流の大きさ等に合わせて高透磁率コア占有率を変更することで、インダクタンス値Ｌを調整することができる。すなわち、高透磁率コア占有率を変更することで、リアクトル２は、より効率的に損失を低減することができる。また、実施例のリアクトル２が例えば電気自動車のバッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータに用いられる場合には、低電流域でのリアクトル２の損失は、電気自動車の燃費を悪化させる。低電流域での損失を低減することができる上述したリアクトル２を用いた電圧コンバータを電気自動車に搭載することで、電気自動車の燃費の向上を図ることができる。

次いで、図６及び図７を参照して、変形例のリアクトルについて説明する。図６に、第１変形例のリアクトル２ａの断面図を示す。図６は、図２と同じ位置でカットしたリアクトル２ａの断面図である。図６に示すリアクトル２ａのリングコア１０は、図２に示すリアクトル２のリングコア１０と同様である。図２に示したリアクトル２と図６のリアクトル２ａでは、端面１６ａと端面１６ｂの間の構造が異なっている。図６に示すように、リアクトル２ａは、端面１６ａと端面１６ｂの間に、３個の平板状の高透磁率コア２０ａと、２個の平板状のコア１４と、を備えている。高透磁率コア２０ａとコア１４は、Ｘ軸方向に交互に積層されるように端面１６ａと端面１６ｂの間に配置されている。高透磁率コア２０ａの透磁率は、高透磁率コア２０と同等の数千［Ｈ／Ｍ］である。コア１４の透磁率は、リングコア１０と同等の数十［Ｈ／Ｍ］である。すなわち、高透磁率コア２０ａの透磁率は、リングコア１０の透磁率よりも高い。第１変形例のリアクトル２ａも、リアクトル２同様に、高透磁率コア２０ａをコイル４の内側に配置することで、リアクトル損失を低減することができる。

また、図７に示す第２変形例のリアクトル２ｂのように、リングコア１０ｂを構成する一対のコア１２ｃ、１２ｄは、Ｕ字形状であってもよい。この場合、リアクトル２ｂは、２つのコイル４ｂを備える。コア１２ｃの端面１６ｃと、コア１２ｄの端面１６ｄと、の間には、高透磁率コア２０ｂが配置されている。２つの高透磁率コア２０ｂは、２つのコイル４ｂの内側にそれぞれに配置されている。図７に示すように、リングコア１０ｂは、コイル４ｂの外側でつながっている。高透磁率コア２０ｂの透磁率は、リングコア１０ｂの透磁率よりも高い。第２変形例のリアクトル２ｂも、リアクトル２同様に、高透磁率コア２０ａをコイル４の内側に配置することで、リアクトル損失を低減することができる。

実施例の留意点を以下に述べる。実施例のリングコア１０、１０ｂは、ともに一対のコアを接合してリング状を形成しているが、本明細書が開示する技術は、これに限定されず、一体でリング状をなすリングコアを用いてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、２ａ、２ｂ：リアクトル
４、４ｂ：コイル
６、８：引き出し線
１０、１０ｂ：リングコア
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１４：コア
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ：端面
２０、２０ａ、２０ｂ：高透磁率コア

Claims (1)

1. コイルと、
   前記コイルの内側に配置されている第１コアと、
   一端と他端が前記第１コアを挟んで対向しており、前記コイルの外側でつながっているリング状の第２コアと、
   を備えており、
   前記第１コアの透磁率が前記第２コアの透磁率よりも高い、リアクトル。

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