(57)【要約】 【課題】インダクタンスが大きく、磁気飽和し難い複合型のリアクトルおよびこれを用いた直流電圧変換装置を提供する。【解決手段】筒状の第１磁性コア１と、発生する磁束が互いに打ち消しあう向きに前記第１磁性コア１に巻回されてなる巻線部４および巻線部５と、前記第１磁性コア１の内筒部を満たす、第２磁性コア２および磁性粉混練物３を有する構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の第１磁性コアと、発生する磁束が互いに打ち消しあう向きに前記第１磁性コアに巻回されてなる２組の巻線部と、該巻線部から生じた磁束の一部が通過する磁性体を備えたリアクトルであって、前記磁性体は、前記巻線部を施してなる前記第１磁性コアの内筒部を満たすように配されていることを特徴とするリアクトル。
【請求項２】
前記磁性体が成形体からなる第２磁性コアを含んでなることを特徴とする請求項１記載のリアクトル。
【請求項３】
前記磁性体が磁性粉混練物を含んでなることを特徴とする請求項１または２記載のリアクトル。
【請求項４】
前記第１磁性コアが、２以上の筒状体からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のリアクトル。
【請求項５】
前記第１磁性コアが、２以上の周方向分割体からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のリアクトル。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のリアクトルを用いてなることを特徴とする直流電圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧変換装置に用いるリアクトルに関する。
【背景技術】
【０００２】
リアクトルの相互インダクタンスを利用して、昇圧または降圧等の電圧変換を行う直流電圧変換技術が知られている。
【０００３】
特許文献１には、コアとコアに巻装された２相のコンバータコイルと複数のギャップ板を備えた、２相磁気結合リアクトルである、２相コンバータ用リアクトルが記載されている。コアは、断面略Ｔ形状の２つのＴ形部と別の磁性材である別のコア材料により構成される断面直線状で、脚要素である２つのＩ形部とを含み、各Ｔ形部は、互いに向き合うように対向させており、略直線状の基部の対向する側の面である内側面の中央部に、内側に突出する中央脚部を設けている。Ｔ形部の内側部の中央脚部に関して幅方向両側に設けた内側に突出する２つの端脚要素と、ギャップ板およびＩ形部にコンバータコイルを配してリアクトルを構成している。
【０００４】
特許文献２には、小型化を目的とした、平行な２面を有するＩ型フェライトコアと、このＩ型フェライトコアの２面のそれぞれの両端部分に、２つの同形状のＵ型またはＣ型コアの２端面が磁気ギャップを介してそれぞれ接続されているＦｅ基合金圧粉コアからなり、該２つのＦｅ基圧粉コアに、同方向、同巻数になるように導線を巻回されたコイルを備える、２相インターリーブ制御方式力率改善コンバータに用いるインダクタが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−０６５４５３号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０４４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の構成によれば、断面略Ｔ形状のコアの一部とＩ形部を含むコアにのみコンバータコイルを配しているため、巻線を施す磁脚部の磁気回路に占める部分が制限され、巻数増による自己インダクタンスを大きくすることができないという課題がある。
【０００７】
特許文献２の構成によれば、２つのＵ型またはＣ型コアに巻回された各々の巻線から生じる漏洩磁束がＩ型フェライトコアに集中して、磁気飽和しやすくなるという課題がある。
【０００８】
すなわち、従来のリアクトルは、巻線増による、自己インダクタンス増という技術思想を有さず、多くの場合、磁気回路中の一部分を磁脚として巻線を配置するように構成していた。このため巻数が制限され、自己インダクタンス値を大きくできないという問題があった。また、仮に、磁気回路中に占める磁脚部分の割合を大きくして巻数を増やそうとすると、磁気回路全体を大きくしない限り、漏洩磁束が通る部分の断面積が小さくなるために磁気飽和しやすくなり、漏れインダクタンス値も小さくなるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、自己インダクタンス値を大きくし、かつ磁気飽和を抑制することで漏れインダクタンス値を向上させたリアクトルおよびこれを用いた直流電圧変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明のリアクトルは、筒状の第１磁性コアと、発生する磁束が互いに打ち消しあう向きに前記第１磁性コアに巻回されてなる２組の巻線部と、該巻線部から生じた磁束の一部が通過する磁性体を備え、前記磁性体は、前記巻線部を施してなる前記第１磁性コアの内筒部を満たすように配されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のリアクトルは、前記磁性体が成形体からなる第２磁性コアを含んでなることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のリアクトルは、前記磁性体が磁性粉混練物を含んでなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のリアクトルは、前記第１磁性コアが、２以上の筒状体からなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のリアクトルは、前記第１磁性コアが、２以上の周方向分割体からなることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の直流電圧変換装置は、上記リアクトルを用いてなることを特徴とする。
【００１６】
本発明のリアクトルは、筒状の磁性コアに２以上の巻線を施すことで、２以上のリアクトルを形成し、互いに磁気結合させてカップリングインダクタを構成する。
【００１７】
直流電圧変換装置は、リアクトルのインダクタンスを利用するもので、市場で求められる小型化を進めるためには、なるべく大きなインダクタンスを発生させる必要がある。
【００１８】
したがって、本発明のリアクトルは、たとえばトロイダル形状のような筒状の磁性コアを用いて、磁気回路全体に占める巻線部分の割合を大きくすることで、より大きなインダクタンスを得る。
【００１９】
また、磁気飽和しにくい構成を採用することにより、漏洩インダクタンスを効果的に利用する。
【００２０】
本発明のリアクトルは、筒状の磁性コアの内筒部、すなわち巻線を施した後に生じた中空部を磁性体で満たして、筒方向に垂直な方向の断面積を大きくすることで磁気飽和を防ぎ、自己インダクタンスと漏れインダクタンスのトレードオフを解消するものである。
【００２１】
巻線された前記磁性コアの内筒部を満たす磁性体は、たとえば、あらかじめ成形されてなる、柱状の磁性コア単体または、充填・硬化させた磁性粉混練物単体でもよいが、内筒部に略嵌合するよう、たとえば柱状の磁性コアを配し、生じた間隙に磁性粉混練物を充填し硬化させるのが、より好ましい。
なお、筒状の磁性コアと巻線の間、巻線間、磁性体と巻線の間等に多少の隙間を設けてもよい。
【００２２】
量産に際して、高背の筒状磁性コアが調製しにくい場合は、複数の筒状体、すなわち低背の筒状磁性コアを積層し一体として用いてもよい。
【００２３】
同様に、量産に際して、巻線工数を簡便にするために、たとえば半筒状の分割コアといった、周方向分割体、すなわち周方向に分割された磁性コアを複数用意し、巻線を施した後に、中空部を形成するよう一体とし、筒状の磁性コアとして用いてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、自己インダクタンス値および漏れインダクタンス値を向上させたリアクトルおよびこれを用いた直流電圧変換装置が得られる。
【００２５】
また、本発明によれば、自己インダクタンスと相互インダクタンスのトレードオフを解消し、さらなる小型化、損失改善を実現したリアクトル及びこれを用いた直流電圧変換装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のリアクトルにおける第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】本発明のリアクトルにおける第２の実施の形態を示す部分切欠斜視図である。
【図３】本発明のリアクトルにおける第３の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明のリアクトルにおける第４の実施の形態を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は本発明のリアクトルにおける第１の実施の形態を示す斜視図である。
【００２９】
第１磁性コア１に、巻線部４および巻線部５を施し、第１磁性コア１の内筒部には磁性体として第２磁性コア２、および内筒部の隙間には同じく磁性体として磁性粉混練物３を充填し硬化させてリアクトル１００を構成している。
【００３０】
第１磁性コア１は、ＦｅＮｉ圧粉磁芯からなるトロイダル形状のコアで、外径５４ｍｍ、内径２４ｍｍ、高さ２７ｍｍである。
【００３１】
第２磁性コア２は、第１磁性コア１と同じ高さを有する、ＦｅＮｉ圧粉磁芯からなる円柱形状のコアで、外径１６ｍｍ、高さ２７ｍｍである。
【００３２】
巻線部４と巻線部５はφ2mmの銅線からなり、各々の発生する磁束が互いに打消し合うように、かつ、第１磁性コア１が形成する磁気回路の９０％を占めるように各２８Ｔ巻回されている。
【００３３】
磁性粉混練物３は、磁性粉として６．５％ＳｉＦｅ粉末と、バインダーとしてエポキシ樹脂を混練したものを用い、第１磁性コア１と第２磁性コア２、および巻線部４と巻線部５の間隙に充填したのち、硬化させ、第１磁性コア１と第２磁性コア２を一体化している。
【００３４】
巻線部４および巻線部５への通電による自己インダクタンス値は各々１７０μＨで、一方の巻線部の端に交流電圧を印加し、他方の巻線部の端を開放し、開放端における誘導電圧を測定して、巻線部同士の結合係数を調べたところ、およそ０．５となった。巻線部４および巻線部５に各々２０Ａの直流電流を印加して漏洩インダクタンス値を調べたところ、７０μＨ程度であった。
【００３５】
上記より、第２磁性コア２として、第１磁性コア１の巻線後の内筒部に略嵌合する形状のコアを用い、かつ磁性粉混練物３を間隙に充填して、内筒部全体を中央磁脚部とし、漏洩磁束の通路たる中央磁脚部の断面積を可能な限り大きくすることにより、磁気飽和しにくいリアクトルが得られる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図２は本発明のリアクトルにおける第２の実施の形態を示す部分切欠斜視図である。
【００３７】
本実施の形態は、第１磁性コアおよび第２磁性コアの構成を除き、第１の実施の形態と同じである。
【００３８】
第１磁性コアは、筒状コア１１１および筒状コア１１２を、各々の内筒部が連続するように積層して構成される。筒状コア１１１および筒状コア１１２は、ＦｅＮｉ圧粉磁芯から成る、外径５４ｍｍ、内径２４ｍｍ、高さ２７ｍｍのトロイダル形状を有する。
【００３９】
第２磁性コアは、分割コア２１１および分割コア２１２を高さ方向に積層して構成される。分割コア２１１および分割コア２１２は、ＦｅＮｉ圧粉磁芯から成る外径１６ｍｍ、高さ２７ｍｍの円柱形状を有する。
【００４０】
巻線部４１と巻線部５１は、第１の実施の形態と同様のものを用い、各々の発生する磁束が互いに打消し合うように、かつ、第１磁性コアが形成する磁気回路の８０％を占めるように各２６Ｔ巻回されている。
【００４１】
磁性粉混練物３１は、第１の実施の形態と同様のものを用い、第１磁性コアと第２磁性コア、および巻線部４１と巻線部５１の間隙に充填したのち、硬化され、第１磁性コアと第２磁性コアを一体化している。
【００４２】
上記構成としたリアクトル１０１において、第１の実施の形態と同様の方法で自己インダクタンス値及び漏洩インダクタンス値を調べたところ、各々３３０μＨ、１４０μＨ程度であった。
【００４３】
上記構成とすることで、量産においても簡便に、第１磁性コアの磁気回路を構成する断面積を大きして、自己インダクタンス値を増加させることができる。同様に、量産においても簡便に、第２磁性コアの高さ調整が可能となり、磁気飽和しにくいリアクトルが得られる。
【００４４】
なお、筒状コア１１１と筒状コア１１２は量産性を考慮すれば同形状が好ましいが、外径寸法および内径寸法が等しいものであれば、異なる高さのコアを用いてもよい。また、図２では、２つの筒状コアの積層例を示したが、２以上の筒状コアを積層して第１磁性コアを構成してもよい。
【００４５】
分割コア２１１と分割コア２１２は量産性を考慮すれば同形状が好ましい。また、筒方向に垂直な方向の断面形状が等しいもの同士が好ましいが、巻線後の内筒部に略嵌合するものであれば、異なる高さのコアを用いてもよい。なお、図２では、２つの分割コアの積層例を示したが、単体もしくは２以上の分割コアを積層してもよい。高さ方向の分割コアを例示したが、内筒部の周方向に分割コアを束ねて、第２磁性コアを構成してもよい。
【００４６】
（第３の実施の形態）
図３は本発明のリアクトルにおける第３の実施の形態を示す断面図で、筒方向に垂直な方向の断面を示す。
【００４７】
第１磁性コアは、周方向に２分割された周分割コア１２１と周分割コア１２２を対向させて筒状体を構成する。周分割コア１２１と周分割コア１２２は同形状であり、第１磁性コアの筒方向に垂直な方向の断面形状がロの字となるように、角部を有している。
【００４８】
周分割コア１２１には、あらかじめボビンに巻線を施してなるボビン付巻線部４２１とボビン付巻線部４２２を、各々角部を挟んで挿入する。同様に、周分割コア１２２にも、あらかじめボビンに巻線を施してなるボビン付巻線部５２１とボビン付巻線部５２２を、各々角部を挟んで挿入する。
【００４９】
次に、周分割コア１２１と周分割コア１２２を、各々の角部が対角の位置になるように一体となして、生じた内筒部には磁性体として第２磁性コア２２、および内筒部の隙間には同じく磁性体として磁性粉混練物３２を充填し硬化させてリアクトル１０２を構成している。
【００５０】
ボビン付巻線部４２１の巻終わり端と、ボビン付巻線部４２２の巻始め端は、巻線接続部６１で接続されており、ボビン付巻線部５２１の巻終わり端と、ボビン付巻線部５２２の巻始め端は、巻線接続部６２で接続されている。
【００５１】
周分割コア１２１と周分割コア１２２は、ＦｅＮｉ圧粉磁芯からなり、一体となした断面ロの字形状のコアは、外辺は３５ｍｍ×４０ｍｍ、内辺は２０ｍｍ×２５ｍｍ、高さ２７ｍｍである。
【００５２】
第２磁性コア２２は、ＦｅＮｉ圧粉磁芯からなり、外辺は１５ｍｍ×２０ｍｍ、高さ２７ｍｍの角柱形状のコアである。
【００５３】
φ２ｍｍの銅線を用いて、ボビン付巻線部４２１およびボビン付巻線部４２２に施された巻線と、ボビン付巻線部５２１とボビン付巻線部５２２に施された巻線は、各々の発生する磁束が互いに打消し合い、磁気回路の７０％を占めるよう１０Ｔずつ巻回されている。
【００５４】
磁性粉混練物３２は、磁性粉として６．５％ＳｉＦｅ粉末と、バインダーとしてエポキシ樹脂を混練したものを用い、内筒部の間隙に充填、硬化させている。
【００５５】
上記構成とすることにより、本発明の技術思想を損なうことなく、簡便に巻線部を形成することができ、量産性にすぐれたリアクトルが得られる。
【００５６】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明のリアクトルにおける第４の実施の形態を示す回路図で、上記第１の実施の形態で説明したリアクトルを用いた直流電圧変換装置を示す。
【００５７】
入力端子部７１は、リアクトルにおける巻線部４の一端４３１、および巻線部５の一端５３１と接続される。
【００５８】
巻線部４の他端４３２は、第１スイッチ部ＳＷ１の一端、および第１ダイオードＤ１のアノードと接続される。
【００５９】
巻線部５の他端５３２は、第２スイッチ部ＳＷ２の一端、および第２ダイオードＤ２のアノードと接続される。
【００６０】
接地電位部ＧＮＤは、第１スイッチ部ＳＷ１の他端、および第２スイッチ部ＳＷ２の他端と接続される。
【００６１】
出力端子部７２は、第１ダイオードＤ１のカソード、および第２ダイオードＤ２のカソードと接続される。
【００６２】
第１スイッチ部ＳＷ１は、一定周期で開閉動作が繰り返され、第２スイッチ部ＳＷ２は、第１スイッチ部ＳＷ１から１８０度位相がずれた開閉動作が繰り返される。
【００６３】
入力端子部７１には少なくとも直流成分を有する電圧Ｖｉｎが入力され、出力端子部７２からは少なくとも直流成分を有する電圧Ｖｏｕｔおよび電流Ｉｏｕｔが出力される。
【００６４】
出力された電圧Ｖｏｕｔおよび電流ＩｏｕｔはコンデンサＣにより平滑化され、負荷Ｒにより消費される。
【００６５】
上述のように、本発明のリアクトルを用いることにより、さらなる小型化、損失改善を実現した直流電圧変換装置が得られる。
【００６６】
上述の実施の形態において、各磁性コアはＦｅＮｉ圧粉磁芯を例示したが、純鉄やＦｅ−Ｓｉ系等の圧粉磁芯、ＭｎＺｎフェライトなどの一般的に用いられる軟磁性材料を用いてもよい。特に飽和磁束密度が０．８Ｔ以上の軟磁性材料を用いた圧粉磁芯が好ましい。
【００６７】
上述の実施の形態において、第１磁性コアとしてトロイダル形状またはロの字形状のコアを例示したが、単体もしくは組み合わせにより、筒状のコアとなるものであれば、いかなる形状のものでも用いることができる。
【００６８】
上述の実施の形態において、巻線はφ２ｍｍの銅線を用いたが、一般的に巻線として用いられるものであれば、材質および太さは必要に応じて選択することができる。
【００６９】
第１磁性コアの磁脚に占める巻線の割合が多く、たとえば、第１磁性コアに隙間なく巻線を施した場合は、通電時に巻線部から生じた磁束の一部、すなわち漏洩磁束が内筒部を通らなくなる。
【００７０】
その一方で、第１磁性コアの磁脚に占める巻線の割合を少なくすれば、必要なインダクタンスが確保できないばかりでなく、第１磁性コアに施された一方の巻線と他方の巻線の磁気結合が小さくなり、相互の磁気結合による巻線通電電流の振幅抑制効果が得られなくなり、これによる磁性コア、及び巻線における交流損失が増加する。
【００７１】
そのため、一方の巻線部側の磁脚の実効透磁率をμ１、断面積をＳ１とし、他方の巻線部側の磁脚の実効透磁率をμ２、断面積をＳ２とし、一方の巻線部と他方の巻線部との間に形成される隙間より、内筒部を満たす磁性体に接続する部分の実効透磁率をμｉ、断面積をＳｉとした場合、Ｆｏ＝（μ１・Ｓ１＋μ２・Ｓ２）/２、Ｆｉ＝μi・Ｓｉとして、０．５Ｆｏ＜Ｆｉ＜３Ｆｏとすることが望ましい。
【００７２】
第４の実施の形態に示した直流電圧変換回路に本発明のリアクトルを接続した場合、昇圧、または降圧の機能を果たす上では、巻線部の通電電流の平均値をＩave、振幅をΔＩp-pとすると、０．３＜ΔＩp-p/Ｉave＜０．５となるよう上記隙間を調整することが望ましい。
【００７３】
上述の実施の形態において、１組の巻線部を有するリアクトルを例示したが、鎖交磁束の磁気結合による相殺が行い易いように、同形状かつ偶数個であれば、１組以上の巻線部を備えてもよい。
【００７４】
さらには、同形状の２つの巻線部を備えたリアクトルが好ましい。また、巻線部の結合係数は０．５程度であるのがより好ましい。
【００７５】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の変更や修正が可能である。すなわち、当業者であれば成し得る各種変形、修正もまた本発明に含まれる。 
【符号の説明】
【００７６】
１  第１磁性コア
１１１、１１２  筒状コア
１２１、１２２  周分割コア
２、２２  第２磁性コア
２１１、２１２  分割コア
３、３１、３２  磁性粉混練物
４、４１、５、５１  巻線部
４２１、４２２、５２１、５２２  ボビン付巻線部
４３１、５３１  巻線部の一端
４３２、５３２  巻線部の他端        
６１、６２  巻線接続部
７１  入力端子部
７２  出力端子部
１００、１０１、１０２  リアクトル
ＳＷ１  第１スイッチ部
ＳＷ２  第２スイッチ部
Ｄ１  第１ダイオード
Ｄ２  第２ダイオード
Ｃ  コンデンサ
Ｒ  負荷
ＧＮＤ  接地電位部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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