(57)【要約】【課題】飽和しにくく低損失で安価なリアクトルを提供する。【解決手段】リアクトル１０は、トロイダルコア１１と、トロイダルコア１１に所定ターン数で巻回された第１の巻線１２と、トロイダルコア１１に第１の巻線１２と同じターン数で巻回された第２の巻線１３とを備えている。第１及び第２の巻線１２、１３の向きは、第１及び第２の巻線１２、１３に電流を流したときトロイダルコア１１内に生じる磁束が相殺されるように設定されている。このとき、巻線の端子１２ｂ、１３ｂ間にはトロイダルコア１１を通らない漏れ磁束成分によるインダクタンスが発生するので、非常に飽和しにくい小型のリアクトルを実現することができる。【選択図】図１
2008159817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体からなるコア部材と、
前記コア部材に巻回された第１の巻線と、
前記コア部材に巻回され且つ前記第１の巻線に接続された第２の巻線とを備え、
前記第１及び第２の巻線に電流を流したとき、前記第１及び第２の巻線によって前記コア部材内に生じる磁束が互いに打ち消し合うように前記第１及び第２の巻線の向きが設定されていることを特徴とするリアクトル。
【請求項２】
前記コア部材がフェライトコアであることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
【請求項３】
前記第１及び第２の巻線が一本の導線からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のリアクトル。
【請求項４】
前記コア部材が実質的な閉磁路を構成していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリアクトル。
【請求項５】
前記第１の巻線が前記コア部材の所定の位置に集中して巻回され、前記第２の巻線が前記第１の巻線の位置とは異なる前記コア部材の所定の位置に集中して巻回されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のリアクトル。
【請求項６】
直流電源と、前記直流電源より供給される直流電流をスイッチングするスイッチング回路と、前記直流電源回路と前記スイッチング回路との間に挿入された請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリアクトルとを備えることを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアクトル及びこれを用いた電源装置に関し、詳細には、大電流用途に好適なリアクトルの巻線構造、及びこのリアクトルを用いた電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）、ＥＶ（Electric Vehicle）、太陽光発電、小型風力発電、燃料電池発電等のシステムでは、直流電圧の昇降圧回路、ＤＣ／ＡＣ変換回路（インバータ）、フィルタ回路等の受動部品としてリアクトルが使用されている。このリアクトルには大電流を流しても飽和せず、損失の少ないことが求められている。
【０００３】
特許文献１には、コア材料としてケイ素鋼板を用いたリアクトルが開示されている。ケイ素鋼板の飽和磁束密度は２Ｔ程度と高く、低騒音のリアクトルを実現できるが、高周波での損失が大きいという問題もある。しかし、特許文献１に記載のリアクトルは、ケイ素鋼板の帯材を積層し、その断面形状が円形となるように帯材を円形リング状に巻いて形成されたコア部材を用いることにより、低損失を実現するものである。
【０００４】
リアクトルのコア材料としては、ケイ素鋼板の他にも、アモルファスコア、フェライトコア等が知られている。このうち、アモルファスコアは、飽和磁束密度が比較的高く、高周波での損失も少ないが、加工し難く、また高周波の印加により振動が発生し、騒音が大きいという問題がある。また、フェライトコアは、低損失、低騒音、低価格、加工容易といった種々の利点を有するが、飽和磁束密度が低いため、大電流用途には適してない。
【特許文献１】特開２００２−２０３７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、従来のリアクトルのコア材料としては、飽和磁束密度が高く、大電流用途に適したケイ素鋼板が好ましく用いられている。しかしながら、たとえ薄層化されたケイ素鋼板であっても高周波での損失は大きいという問題がある。また、ケイ素鋼板は材料コストが高く、加工し難いといった種々の短所を有する。そのため、低損失・低騒音であり、コスト面や加工面にも優れた新たなリアクトルが求められている。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、飽和しにくく低損失で安価なリアクトルを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、そのようなリアクトルを用いて構成された高性能な電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、磁性体からなるコア部材と、コア部材に巻回された第１の巻線と、コア部材に巻回され且つ第１の巻線に接続された第２の巻線とを備え、第１及び第２の巻線に電流を流したとき、第１及び第２の巻線によってコア部材内に生じる磁束が互いに打ち消し合うように第１及び第２の巻線の向きが設定されていることを特徴とするリアクトルによって達成される。
【０００９】
第１及び第２の巻線に電流を流すとき、第１及び第２の巻線によってコア部材内に生じる磁束は互いに打ち消し合うが、コア部材を通らない漏れ磁束成分が発生し、２つの端子間でインダクタンスが発生する。このインダクタンスは、大きなエアギャップを介して作られるコイルと等価であり、しかもギャップが全体的に分散しているものと見なせるため、非常に飽和しにくい小型のコイルを実現することができる。また、このインダクタンスは、コアの透磁率変動の影響を受けにくいため、温度特性に優れたリアクトルを実現することができる。
【００１０】
本発明においては、コア部材がフェライトコアであることが好ましい。フェライトは飽和磁束密度が低いため、大電流用途のコア材料としては好ましくないが、第１及び第２の巻線１２、１３を用いて上述の巻線構造を採用することにより、飽和磁束密度の問題を解消することができ、大電流用途においても低損失、低騒音、低コスト、加工容易性といったフェライトの長所を活かすことが可能となる。
【００１１】
本発明においては、第１及び第２の巻線が一本の導線からなることが好ましい。これによれば、第１及び第２の巻線の一端同士を結線する作業が不要となる。
【００１２】
本発明においては、コア部材が実質的な閉磁路を構成していることが好ましい。また、第１の巻線がコア部材の所定の位置に集中して巻回され、第２の巻線が第１の巻線の位置とは異なるコア部材の所定の位置に集中して巻回されていることが好ましい。これによれば、コア部材への巻線の形成が容易となり、一方のコイルの漏れ磁束が他方のコイルに対して与える影響を抑制することができる。なお、実質的な閉磁路とは、完全な閉磁路のみならずギャップを有する閉磁路も許容する趣旨である。
【００１３】
本発明の上記目的はまた、直流電源と、直流電源より供給される直流電流をスイッチングするスイッチング回路と、直流電源回路とスイッチング回路との間に挿入された上記リアクトルとを備えることを特徴とする電源装置によっても達成される。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明によれば、飽和しにくく低損失で安価なリアクトルを提供することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、上記の特徴を有するリアクトルを用いて構成された高性能な電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の好ましい実施形態に係るリアクトルの外観構造を示す略斜視図である。また、図２は、図１に示したリアクトルの略平面図である。
【００１８】
図１及び図２に示すように、このリアクトル１０は、トロイダルコア１１と、トロイダルコア１１に所定ターン数で巻回された第１の巻線１２と、トロイダルコア１１に第１の巻線１２と同じターン数で巻回された第２の巻線１３と、第１の巻線１２と第２の巻線１３とを仕切る絶縁板１４とを備えている。
【００１９】
トロイダルコア１１の磁性材料にはフェライトが用いられている。上述の通り、フェライトは飽和磁束密度が低いため、大電流用途のコア材料としては好ましくない。しかし、第１及び第２の巻線１２、１３を用いて以下に示す巻線構造を採用することにより、飽和磁束密度の問題を解消することができ、大電流用途においても低損失、低騒音、低コスト、加工容易性といったフェライトの長所を活かすことが可能となる。
【００２０】
第１の巻線１２は、第１のチョークコイルＬ１を構成しており、第２の巻線１３は、第２のチョークコイルＬ２を構成している。第１の巻線１２はトロイダルコア１１の左側、第２の巻線１３は右側にそれぞれ集中して巻回されており、それらの間には絶縁板１４が設けられている。この絶縁板１４は２つのコイルＬ１、Ｌ２間の絶縁を確実にするために設けられている。第１及び第２の巻線１２、１３には平角導線を用いることが好ましい。平角導線は断面積が大きく、巻線を効率よく巻回することができるからである。
【００２１】
第１及び第２の巻線１２、１３の向きは同じであり、第１の巻線１２に電流が流れたときにトロイダルコア１１内に生ずる磁束Φ１と、第２の巻線１３に電流が流れたときに生ずる磁束Φ２とが互いに打ち消し合うように構成されている。このような構成は、一般にコモンモードフィルタ又はラインフィルタと呼ばれている。
【００２２】
本実施形態においては、第１の巻線１２の一端１２ａと第２の巻線１３の一端１３ａとが結線され、コイルＬ１とコイルＬ２とが直列接続された構成となっている。これはつまり、コモンモードフィルタの２つの出力端子間を短絡した構成と同じである。そして、第１及び第２の巻線の他端１２ｂ、１３ｂがリアクトル１０の入出力端子として使用される。なお、第１及び第２の巻線１２、１３は一本の導線で構成されてもよい。これによれば、第１及び第２の巻線の端部同士を結線する作業を不要にすることができ、シンプルで信頼性の高い巻線構造とすることができるからである。
【００２３】
チョークコイルＬ１、Ｌ２の直列回路に電流を流すとき、チョークコイルＬ１、Ｌ２で作られる磁束のすべてがトロイダルコア１１中を流れれば、コイルＬ１、Ｌ２で作られる磁束は互いに逆向き且つ等しい値になるため、互いに打ち消し合う。したがって、このような状態で２つの端子間のインダクタンスを測定するとゼロになるはずである。
【００２４】
しかし、第１及び第２の巻線１２、１３を図示のように左右に分割して巻回すると、実際にはトロイダルコアを通らない磁束成分（図２の破線参照）が発生し、２つの端子間でインダクタンスが発生する。従来、この種のインダクタンスは「リーケージインダクタンス」、或いは「寄生インダクタンス」と呼ばれ、意図しないインダクタンス成分である。しかし、リーケージインダクタンスは、大きなエアギャップを介して作られるコイルと等価であるものと見なすことができるので、ギャップ入りのコアと同じ特徴を有している。ただし、実際には、通常のギャップ入りコアのような局所的なギャップを設けることなくそれを実現しているため、非常に優れた特性を持っている。つまり、ギャップが全体的に分散しているものと見なせるため、非常に飽和しにくい小型のリアクトルを実現することができる。また、エアギャップの効果によりコアの透磁率変動の影響を受けにくく、インダクタンスのコア特性への依存が少ない。そのため、温度特性に優れたリアクトルを実現することができる。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態のリアクトル１０によれば、トロイダルコア１１に巻回された第１及び第２の巻線１２、１３に電流を流したときトロイダルコア１１内に生じる磁束が相殺されるように、第１及び第２の巻線１２、１３の向きが設定されているので、トロイダルコア１１を通らない漏れ磁束成分によるインダクタンスを発生させることができ、非常に飽和しにくい小型のリアクトルを実現することができる。
【００２６】
本発明のリアクトルに用いるコアの形状はトロイダルコアに限定されず、種々の形状を採用することができる。
【００２７】
図３は、本発明の第２の実施形態に係るリアクトルの外観構造を示す略斜視図である。また、図４は、図３に示したリアクトルの略平面図である。
【００２８】
図３及び図４に示すように、このリアクトル２０は、第１の巻線１２が巻回された第１のコの字型コア２１と、第２の巻線が巻回された第２のコの字型コア２２との組み合わせによって構成されている。コの字型コア２１、２２の先端同士は接続されており、これによりエアギャップのない閉磁路が構成されている。第１の巻線１２と第２の巻線１３は直線状の同一のコア部分に巻回され、横並びの配置となっている。第１及び第２の巻線１２、１３の向きは同じであり、第１の巻線１２の一端１２ａと第２の巻線１３の一端１３ａは結線されている。また、第１及び第２の巻線の他端１２ｂ、１３ｂはリアクトル２０の入出力端を構成している。第１及び第２の巻線１２、１３に電流を流したとき、第１及び第２の巻線１２、１３によってコア部材内に生じる磁束Φ１、Φ２が互いに打ち消し合うように前記第１及び第２の巻線の向きが設定されている。
【００２９】
図５は、本発明の第３の実施形態に係るリアクトルの構成を示す略平面図であって、図３及び図４に示したリアクトル２０の変形例を示すものである。
【００３０】
図５に示すように、このリアクトル３０は、第１の巻線１２と第２の巻線１３の向きが互いに逆向きとなっている点が上述のリアクトル２０と異なっている。一方、第１の巻線１２と第２の巻線１３との間の接続関係も異なっており、第１の巻線１２の一端１２ａと第２の巻線１３の他端１３ｂが結線されており、第１の巻線の他端１２ｂ及び第２の巻線の一端１３ａがリアクトル３０の入出力端を構成している。そのため、全体としては、第１及び第２の巻線１２、１３に電流を流したときコア部材内に生じる磁束Φ１、Φ２が相殺されるように、第１及び第２の巻線１２、１３の向きが設定されている。
【００３１】
このように、第２及び第３の実施形態に係るリアクトル２０、３０によれば、コア部材に巻回された第１及び第２の巻線１２、１３に電流を流したときコア部材内に生じる磁束が相殺されるように、第１及び第２の巻線１２、１３の向きが設定されているので、コア部材を通らない漏れ磁束成分によるインダクタンスを発生させることができ、非常に飽和しにくい小型のリアクトルを実現することができる。
【００３２】
図６は、本発明の第４の実施形態に係るリアクトル４０の構成を示す略平面図である。
【００３３】
図６に示すように、このリアクトル３０も、２つのコの字型コア４１、４２の組み合わせによって構成されており、第１の巻線１２と第２の巻線１３は互いに対向する直線状のコア部分にそれぞれ巻回され、向かい合わせの配置となっている点に特徴を有している。また、第１の巻線１２の位置には、２つのコの字型コア４１、４２の一方の接続点があり、第２の巻線１３の位置には他方の接続点がある。第１の巻線１２の一端１２ａと第２の巻線１３の一端１３ａは結線されており、第１及び第２の巻線の他端１２ｂ、１３ｂはリアクトル２０の入出力端を構成している。そして、第１及び第２の巻線１２、１３に電流を流したとき、第１及び第２の巻線１２、１３によってコア部材内に生じる磁束が互いに打ち消し合うように第１及び第２の巻線の向きが設定されている。
【００３４】
このように、第４の実施形態に係るリアクトル４０も、コア部材に巻回された第１及び第２の巻線１２、１３に電流を流したときコア部材内に生じる磁束が相殺されるように、第１及び第２の巻線１２、１３の向きが設定されているので、コア部材を通らない漏れ磁束成分によるインダクタンスを発生させることができ、非常に飽和しにくい小型のリアクトルを実現することができる。
【００３５】
図７は、本発明に係るリアクトルを用いた電源装置の一例を示す回路図である。
【００３６】
図７に示すように、この電源装置５０は、直流電源５１、昇圧チョッパー回路５２、スイッチング回路としてのＰＷＭインバータ５３、及び平滑フィルタ５４が順に接続された回路構成を有している。そして、昇圧チョッパー回路５２内のリアクトルＬｃや平滑フィルタ５４内のリアクトルＬＳ１、ＬＳ２として、上述の各実施形態で示したリアクトル１０乃至４０が用いられる。このように、本実施形態の電源装置５０においては、直流電源とスイッチング回路との間に、大電流を流しても飽和せず、損失の少ないリアクトルが挿入されているので、高性能な電源装置を実現することができる。
【００３７】
本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、これらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。
【００３８】
例えば、上記実施形態においては、ギャップのないコアを用いてリアクトルを構成しているが、ギャップを有するコアを用いて構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態に係るリアクトル１０の外観構造を示す略斜視図である。また、
【図２】図２は、図１に示したリアクトル１０の略平面図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係るリアクトル２０の外観構造を示す略斜視図である。
【図４】図４は、図３に示したリアクトル１０の略平面図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態に係るリアクトル３０の構成を示す略平面図であって、図３及び図４に示したリアクトル２０の変形例を示すものである。
【図６】図６は、本発明の第４の実施形態に係るリアクトル４０の構成を示す略平面図である。
【図７】図７は、本発明に係るリアクトルを用いた電源装置の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０    リアクトル
１１    トロイダルコア
１２    第１の巻線
１２ａ    第１の巻線の一端
１２ｂ    第１の巻線の他端
１３    第２の巻線
１３ａ    第２の巻線の一端
１３ｂ    第２の巻線の他端
１４    絶縁板
２０    リアクトル
２１    コの字型コア
２２    コの字型コア
３０    リアクトル
４０    リアクトル
４１    コの字型コア
４２    コの字型コア
５０    電源装置
５１    直流電源
５２    昇圧チョッパー回路
５３    ＰＷＭインバータ
５４    平滑フィルタ
Ｌ１    第１のチョークコイル
Ｌ２    第２のチョークコイル
Φ１    第１のチョークコイルによる磁束
Φ２    第２のチョークコイルによる磁束
Ｌｃ    昇圧チョッパー回路５２内のリアクトル
ＬＳ１    平滑フィルタ５４内のリアクトル
ＬＳ２    平滑フィルタ５４内のリアクトル
【図１】
2008159817.tif 000003
【図２】
2008159817.tif 000004
【図３】
2008159817.tif 000005
【図４】
2008159817.tif 000006
【図５】
2008159817.tif 000007
【図６】
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【図７】
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