JP5029482B2 - リアクトル装置 - Google Patents

Description

本発明は、リアクトル装置に関し、特に、平角線を用いたリアクトル装置に関する。

コアにコイルを捲回することにより形成されるリアクトル装置については、これまで様々な技術が開示されている。例えば、特許文献１〜３である。

特開２００４−３２７５６９号公報 特開２００２−４３１３６号公報 特開２００４−８７６０７号公報

このようなリアクトル装置に、図８に示されるような直流電流が重畳した高周波電流を流す場合には、直流成分Ｉｏについては大電流化に対応できるとともに、交流成分ｉｏについては高周波化に対応できることが必要である。

大電流化に対応するためには、一般的にはコイルを構成する導線の断面積を大きくする。これにより、電流が増加しても発熱を抑制することができる。一方、高周波化に対応するためには、一般的にはコイルを構成する導線の表面積を大きくする。これは、高周波では表皮効果が顕著になる結果、電流が表面へ集中して流れるためである。よって、高周波における損失を低減するためには、表面積を大きくすることが必要になる。

また従来、リアクトル装置については、搭載スペースの制約上、小型化も要求される。

特許文献１では、平角線をコイルに使用している。この構造では、高周波化に対応してリアクトル装置を小型化するために、平角線の厚さを薄くする必要がある。加えて、大電流を流すのに必要な断面積を確保するためには、平角線の幅を大きくする必要がある。しかし、平角線の幅を大きくすると、表皮効果のために、幅方向に電流が不均一になってしまい、中央部には電流が流れにくくなり、電流の流れる有効断面積が減少するため、損失が増大する。

特許文献２では、断面形状が円形の丸線をコイルに使用している。この構造では、表皮効果により中央部に電流が流れにくくなってしまい、有効断面積が減少してしまうことを抑制するために丸線を細くする必要がある。しかし、丸線を細くすると、大電流を流すのに必要な断面積が確保できない。大電流を流せるように、細い丸線を束ねてコイルに加工する方法もあるが、外周側の丸線に電流が集中するため、損失を低減することはできない。さらに、これを解決するために、細い丸線を束ねて撚り合わせたリッツ線を使用する方法もあるが、コストが高いという問題がある。

特許文献３では、平角線をその幅方向に折り曲げてなる平型折曲線をコイルに使用している。この構造では、表皮効果による損失の増大を抑えつつ、大電流を流すためには、平型折曲線の幅を大きくしなければならない。そのため、小型化が要求されるリアクトル装置において、小さいコアに平型折曲線を捲回した場合に、平型折曲線の外周側で絶縁被膜が引っ張られて伸びることにより、薄くなる。その結果、絶縁耐圧性能の低下や、絶縁被膜の破損などのおそれがある。よって、コアの小型化に問題があり、コアを含めたリアクトル装置の外形が大きくなってしまう。

本発明は上記の課題に鑑み提案されたものである。本発明は、直流電流が重畳した高周波電流を流す場合に大電流化及び高周波化に対応することができ、発熱や損失を抑え、小型化が可能なリアクトル装置を提供することを目的とする。

第１の発明に係るリアクトル装置は大電流に対応するリアクトル装置であって、平角線を幅方向に捲回してなるコイルを備える。平角線は、互いに電気的に絶縁された３本の平角線を重ねた３層構造を有する。３層構造の真ん中の平角線の厚さ方向の断面積が３層構造の両端の平角線の厚さ方向の断面積より大きく形成される。

第１の発明によれば、３本の平角線を重ねた３層構造の平角線を、幅方向に、いわゆるエッジワイズに巻いて、コイルが形成される。ここで、平角線とは、断面形状が長方形の導線をいう。これにより、直流成分は主に３層構造の真ん中の平角線を流れ、交流成分は主に３層構造の両端の平角線を流れる。そのため、表皮効果による損失の増大を抑えながら、大電流を流すことができる。

第２の発明に係るリアクトル装置は、第１の発明の構成に加えて、３本の平角線それぞれの厚さは、３層構造の真ん中の平角線の厚さが３層構造の両端の平角線の厚さ以上とされる。

これにより、直流の大電流は主に真ん中の厚い平角線を流れるようにして、高周波電流は主に真ん中の厚い平角線を挟むように巻かれた両端の薄い平角線を流れるようにすることができる。そのため、表皮効果による損失の増大を抑えながら、大電流を流すことができ、また、コイルの小型化が可能となる。

第３の発明に係るリアクトル装置は大電流に対応するリアクトル装置であって、平角線を幅方向に捲回してなるコイルを備える。平角線は、互いに電気的に絶縁された４本以上の平角線を重ねた厚さ方向に対称な多層構造を有する。多層構造の内層側の平角線の厚さ方向の断面積が多層構造の外層側の平角線の厚さ方向の断面積より大きく形成される。

第３の発明によれば、４本以上の平角線を重ねた厚さ方向に対称な多層構造の平角線を、幅方向に、いわゆるエッジワイズに巻いて、コイルが形成される。これにより、直流成分は主に多層構造の内層側の平角線を流れ、交流成分は主に多層構造の外層側の平角線を流れる。そのため、表皮効果による損失の増大を抑えながら、大電流を流すことができる。

第４の発明に係るリアクトル装置は、第３の発明の構成に加えて、４本以上の平角線それぞれの厚さは、多層構造の内層側の平角線の厚さが多層構造の外層側の平角線の厚さ以上とされる。

これにより、直流の大電流は主に内層側の厚い平角線を流れるようにして、高周波電流は主に内層側の厚い平角線を挟むように巻かれた外層側の薄い平角線を流れるようにすることができる。そのため、電流の各周波数成分ごとに流れる領域を確保し、表皮効果による損失の増大を抑えながら、大電流を流すことができ、また、コイルの小型化が可能となる。

本発明のリアクトル装置によれば、直流電流が重畳した高周波電流を流す場合に大電流化及び高周波化に対応することができ、発熱や損失を抑え、小型化が可能となる。

図１〜図３を参照して、本発明のリアクトル装置の構成について説明する。図１は本発明のリアクトル装置の外観の一例を示す斜視図である。図２は図１に示されるリアクトル装置の正面図である。図３は図１に示されるリアクトル装置の断面図である。図２の正面図において一点鎖線で示された切断線Ｘ−Ｘでリアクトル装置を切断し、その切断面を矢印で示された向きに見た断面図が図３である。

このリアクトル装置１００は、Ｕ字コア１１０、１２０と、４つのＩ字コア１６０と、コイル１３０、１４０とを含む。Ｕ字コア１１０、１２０及びＩ字コア１６０に、コイル１３０、１４０が捲回される。コイル１３０、１４０は、平角線が幅方向に、いわゆるエッジワイズに巻かれて形成される。また、図３に示されるように、Ｕ字コア１１０とＩ字コア１６０との間、Ｉ字コア１６０、１６０間、及びＩ字コア１６０とＵ字コア１２０との間には、それぞれエアギャップ１５０が形成される。

図４を参照して、コイル１３０、１４０について詳細に説明する。図４は本発明のリアクトル装置の第１実施形態に係るコイル１３０、１４０を示す。説明のために、図４ではコイル１３０、１４０の一部が拡大されて示されている。図４に示されるように、第１実施形態では、３本の平角線を重ねた３層構造の平角線がエッジワイズに巻かれて、コイル１３０、１４０が形成される。

図５を参照して、第１実施形態に係るコイル１３０、１４０について、さらに詳細に説明する。図５は第１実施形態に係るコイル１３０、１４０を構成する平角線の側面図である。コイル１３０、１４０を構成する平角線は、平角線Ａを両側から平角線Ｂで挟んだ３層構造を有する。平角線Ａ、Ｂそれぞれの表面には絶縁被膜が施されており、平角線Ａと平角線Ｂとは互いに電気的に絶縁されている。平角線Ａの厚さａと平角線Ｂの厚さｂとは、ａ≧ｂとされる。

このように構成されたコイル１３０、１４０を備えるリアクトル装置の作用について説明する。コイル１３０、１４０を構成する平角線は、互いに電気的に絶縁された、厚さの異なる平角線Ａ、Ｂが重ねられた３層構造を有する。そのため、このリアクトル装置に直流電流が重畳した高周波電流が流れると、直流電流は主に真ん中の厚い平角線Ａを流れ、高周波電流は主に両端の薄い平角線Ｂを流れる。したがって、直流電流、高周波電流それぞれが流れる領域を分けることができる。その結果、高周波電流の表皮効果の影響による損失を抑えることができる。また、直流電流は主に厚い平角線Ａを流れるため、電流が増加しても発熱を抑えることができる。

さらに、平角線Ｂの厚さｂを表皮（浸透）深さ以下とすれば、高周波電流は平角線Ｂの断面をほぼ均一に流れる。そのため、高周波電流の表皮効果の影響が軽減される。よって、平角線Ａの厚さａについては、薄くする必要が相対的に軽減されるため、大電流を流すのに必要な断面積を確保できる。その結果、第１実施形態に係るコイル１３０、１４０では平角線の幅を大きくする必要がなくなり、コイルの小型化が可能となって、リアクトル装置の外形を小さくすることができる。

図６を参照して、本発明のリアクトル装置の第２実施形態に係るコイル１３０、１４０について説明する。図６は第２実施形態に係るコイル１３０、１４０を構成する平角線の側面図である。コイル１３０、１４０を構成する平角線は、平角線Ａを両側から平角線Ｂと平角線Ｃとで挟んだ厚さ方向に対称な５層構造を有する。平角線Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれの表面には絶縁被膜が施されており、平角線Ａと平角線Ｂと平角線Ｃとは互いに電気的に絶縁されている。平角線Ａの厚さａと平角線Ｂの厚さｂと平角線Ｃの厚さｃとは、ａ≧ｂ≧ｃとされる。

このように構成されたコイル１３０、１４０を備えるリアクトル装置の作用について説明する。コイル１３０、１４０を構成する平角線は、互いに電気的に絶縁された、厚さの異なる平角線Ａ、Ｂ、Ｃが重ねられた厚さ方向に対称な５層構造を有する。そのため、このリアクトル装置に直流電流が重畳した高周波電流が流れると、直流電流は主に内層側の厚い平角線Ａを中心に流れ、高周波電流は主に外層側の薄い平角線Ｃを中心に流れる。したがって、直流電流、高周波電流それぞれが流れる領域を分けることができるので、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、高周波電流の表皮効果の影響による損失を抑えることができる。また、直流電流は主に厚い平角線Ａを中心に流れるため、電流が増加しても発熱を抑えることができる。

一般に高周波電流は、複数の周波数成分を含んでいる。第２実施形態では、上記のように、コイル１３０、１４０を構成する平角線は５層構造を有する。そのため、電流の各周波数成分ごとに流れる領域を確保することができる。電流の各周波数成分ごとに領域を制限することで、表皮効果による損失の増大を抑制することが可能となる。そのため、第２実施形態においても、平角線Ａの厚さａについては、薄くする必要が相対的に軽減されるため、大電流を流すのに必要な断面積を確保できる。その結果、第２実施形態に係るコイル１３０、１４０でも平角線の幅を大きくする必要がなくなり、コイルの小型化が可能となって、リアクトル装置の外形を小さくすることができる。

以上、詳細に説明したように、本発明の第１実施形態によれば、互いに電気的に絶縁された平角線Ａと平角線Ｂとが重ねられた３層構造を有する平角線により、コイル１３０、１４０が形成される。平角線Ａの厚さａと平角線Ｂの厚さｂとは、ａ≧ｂとされる。これにより、直流電流、高周波電流それぞれが流れる領域を分けることができる。

また、本発明の第２実施形態によれば、互いに電気的に絶縁された平角線Ａと平角線Ｂと平角線Ｃとが重ねられた５層構造を有する平角線により、コイル１３０、１４０が形成される。平角線Ａの厚さａと平角線Ｂの厚さｂと平角線Ｃの厚さｃとは、ａ≧ｂ≧ｃとされる。これにより、電流の各周波数成分ごとに流れる領域を確保することができる。

本発明のリアクトル装置の第１及び第２実施形態ともに、直流電流が重畳した高周波電流を流す場合に大電流化及び高周波化に対応することができ、発熱や損失を抑え、リアクトル装置の小型化が可能となる。

また、本発明のリアクトル装置では平角線を使用しているため、捲回する際にボビンが不要であり、丸線と比較してコイルへの加工が容易となる利点がある。さらに、リッツ線に比べてコストが低いという利点もある。

一般にリアクトル装置においては、高周波化するとコアを小型化できることが知られている。上記のように本発明のリアクトル装置では、高周波化に対応することができ、また、平角線の幅を大きくする必要がないため、小さいコアに捲回しても絶縁被膜の破損等のおそれがない。したがって、小型化が要求されるリアクトル装置において、コアを小型化することが可能であり、コアを含めたリアクトル装置の外形を小さくすることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。

コイルを形成する平角線の有する層構造については、厚さ方向に対称であればよい。４本以上の平角線を重ねて巻くことにより、さらに大きい電流にも対応できる。例えば、図７に示されるような４層構造であってもよい。図７において、平角線Ａの厚さａと平角線Ｂの厚さｂとがａ≧ｂとされれば、前記実施形態と同様の効果が得られる。また、第１及び第２実施形態も含めて、平角線Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれの厚さは、内層側の平角線の厚さが外層側の平角線の厚さ以上とされればよく、同じ板厚であってもよいことは言うまでもない。

また、コアの形状は任意であり、図示されたコアの形状に限られるものではない。コアのない空芯リアクトルとしてもよい。

本発明のリアクトル装置の一例を示す斜視図。 同正面図。 同断面図。 本発明に係るコイルの拡大図。 本発明に係るコイルを構成する平角線の側面図（その１）。 本発明に係るコイルを構成する平角線の側面図（その２）。 本発明に係るコイルを構成する平角線の側面図（その３）。 直流電流が重畳した高周波電流の一例。

１００ リアクトル装置
１１０、１２０ Ｕ字コア
１３０、１４０ コイル
１５０ エアギャップ
１６０ Ｉ字コア
Ａ、Ｂ、Ｃ 平角線
ａ、ｂ、ｃ 平角線の厚さ

Claims (4)

1. 平角線を幅方向に捲回してなるコイルを備え大電流に対応するリアクトル装置であって、
   前記平角線は、互いに電気的に絶縁された３本の平角線を重ねた３層構造を有し、前記３層構造の真ん中の平角線の厚さ方向の断面積が前記３層構造の両端の平角線の厚さ方向の断面積より大きいリアクトル装置。
2. 前記３本の平角線それぞれの厚さは、前記３層構造の真ん中の平角線の厚さが前記３層構造の両端の平角線の厚さ以上とされる、請求項１に記載のリアクトル装置。
3. 平角線を幅方向に捲回してなるコイルを備え大電流に対応するリアクトル装置であって、
   前記平角線は、互いに電気的に絶縁された４本以上の平角線を重ねた厚さ方向に対称な多層構造を有し、前記多層構造の内層側の平角線の厚さ方向の断面積が前記多層構造の外層側の平角線の厚さ方向の断面積より大きいリアクトル装置。
4. 前記４本以上の平角線それぞれの厚さは、前記多層構造の内層側の平角線の厚さが前記多層構造の外層側の平角線の厚さ以上とされる、請求項３に記載のリアクトル装置。

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