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WO2013031711A1 - リアクトルおよび電気機器 - Google Patents

リアクトルおよび電気機器 Download PDF

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WO2013031711A1
WO2013031711A1 PCT/JP2012/071542 JP2012071542W WO2013031711A1 WO 2013031711 A1 WO2013031711 A1 WO 2013031711A1 JP 2012071542 W JP2012071542 W JP 2012071542W WO 2013031711 A1 WO2013031711 A1 WO 2013031711A1
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WO
WIPO (PCT)
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magnetic body
coil
coils
reactor
magnetic
Prior art date
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Application number
PCT/JP2012/071542
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English (en)
French (fr)
Inventor
俊夫 茶村
高橋　実
善信 高柳
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Publication date
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Priority to CN201280041089.5A priority patent/CN103765535A/zh
Priority to KR1020147004502A priority patent/KR20140041867A/ko
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F37/00—Fixed inductances not covered by group H01F17/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields

Definitions

  • the present invention relates to a reactor and an electric device used in a power conditioner for photovoltaic power generation or the like.
  • reactors used in power conditioners for photovoltaic power generation and the like have been widely demanded by the industry for cost reduction and miniaturization along with the widespread use of power conditioners. Recently, the appearance of reactors that have been made more efficient and resource-saving in response to energy savings is desired.
  • FIG. 10 shows an example of a conventional reactor.
  • the reactor R4 includes a first coil 101, a second coil 102, a first magnetic body a (103), a second magnetic body 104, a third magnetic body 105, a first magnetic body b (106), and a conventional one.
  • Reactor bobbins 109a and 109b are provided.
  • a first coil 101 is wound around a bobbin 109a of a conventional reactor for ensuring insulation between the first magnetic body a (103) and the coil.
  • a second coil 102 is wound around a bobbin 109b of a conventional reactor for ensuring insulation between the first magnetic body b (106) and the coil.
  • the bobbins 109a and 109b of the conventional reactor are formed in a U shape so that the first coil 101 and the second coil 102 can be arranged respectively.
  • the bobbin 109a of the conventional reactor is attached around the first magnetic body a (103), and the bobbin 109b of the conventional reactor is attached around the first magnetic body b (106).
  • the first coil 101 and the second coil 102 are insulated from each other by separate windings.
  • a second magnetic body 104 is disposed at one end of the first magnetic body a (103) and one end of the first magnetic body b (106), and the first magnetic body 1a (103) and the first magnetic body are disposed.
  • the third magnetic body 105 is disposed at the other end of b (106).
  • the objective of this invention is providing the small reactor which can reduce the volume of a core and reduction of an electric power loss.
  • the present invention is arranged to be insulated from the first magnetic body, insulated from the first magnetic body, and to surround the first magnetic body, And a pair of coils that are positively coupled in response to a signal input between one end of the first magnetic body, the first magnetic body has first and second ends, and the first and second The two end portions are formed without directly facing each other through a space where the first magnetic body does not exist, and based on an input signal input between one ends of the pair of coils, The reactor outputs an output signal from between the other ends of the pair of coils.
  • the first magnetic body has first and second ends so that the power loss of the reactor can be reduced, and the first and second ends have the first magnetic body.
  • the volume of the magnetic body is reduced by forming an open magnetic path configuration without facing each other through a non-space, and a pair of coils are arranged so as to surround the first magnetic body Therefore, the effect which can be made into a small reactor is acquired.
  • a desirable aspect of the present invention is a reactor in which one of the pair of coils is covered with the other.
  • This reactor is one in which one of the pair of coils is wound and the other coil is wound thereon, and the coil is easily wound.
  • the pair of coils overlap each other, the volume of the first magnetic body can be further reduced.
  • a reactor in which the pair of coils are arranged side by side in the direction of the center line of the first magnetic body may be used.
  • the frequency characteristics of inductance in the pair of coils can be improved by arranging the pair of coils side by side in the direction of the center line of the magnetic body and reducing the stray capacitance between the coils.
  • the pair of coils may be a reactor having a bifilar winding.
  • This reactor has the effect of facilitating the winding by using a bifilar winding.
  • the first magnetic body has a flange portion with respect to the first magnetic body surrounded by the pair of coils, and the reactor is insulated from the pair of coils. It can be.
  • This reactor has an effect of increasing the inductance of the pair of coils by providing the flange portion.
  • a desirable aspect of the present invention is a reactor in which the second and third magnetic bodies made of a material different from the first magnetic body are arranged and connected to face the first and second end portions. it can.
  • the second and third magnetic bodies serve as flanges for the first magnetic body covered with the coils, and the reactor is insulated from the pair of coils. can do.
  • This reactor has an effect of increasing the inductance of the pair of coils by the second and third magnetic bodies provided with the flanges.
  • the saturation magnetic flux density of the first magnetic body is larger than the saturation magnetic flux densities of the second and third magnetic bodies, and the permeability of the first magnetic body is the second and second magnetic bodies.
  • the reactor can be made smaller than the magnetic permeability of the magnetic body 3.
  • a reactor having a coupling degree between the pair of positively coupled coils of 0.8 or more can be used.
  • a reactor in which the input signal is a plurality of positive and negative pulse signals and the output signal is an AC signal can be used.
  • the input signal is a plurality of positive and negative pulse signals
  • the reactor has an effect of converting the output signal into an AC signal.
  • a pair of coils are arranged so as to surround the first magnetic body, and further, the volume of the magnetic body is reduced by the open magnetic path configuration, thereby reducing the power loss and making it possible to make a small reactor. can get.
  • Sectional drawing of reactor R1 which shows one Embodiment of this invention
  • Sectional drawing of reactor R2 which shows other embodiment of this invention
  • Sectional drawing of reactor R3 which shows other embodiment of this invention
  • Other embodiments of the first magnetic body Other embodiments of the first magnetic body
  • Other embodiments of the first magnetic body Other embodiments of the first magnetic body
  • Cross section of conventional reactor R4 Example of reactor connection DC superposition characteristics of the reactor of this embodiment and the conventional reactor
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a reactor R1 of the present embodiment.
  • the reactor R1 has a first coil 1, a second coil 2, a first magnetic body 3, a second magnetic body 4, a third magnetic body 5, and a split coil bobbin 7 provided with a partition.
  • a pair of coils that is, a first coil 1 and a second coil 2 are provided on a first coil 3 and a divided coil bobbin 7 provided with a partition for ensuring insulation from the coil. It is wound.
  • the divided coil bobbin 7 provided with the partition is formed in a U-shape so that the first coil 1 and the second coil 2 can be arranged.
  • the first coil 1 and the second coil 2 are insulated from each other by the divided coil bobbin 7 provided with a partition. That is, the first coil 1 and the first coil 2 are disposed side by side in the direction of the center line of the first magnetic body 3.
  • the center line refers to the line segment of the first magnetic body 3 that is the center in the direction in which the coil of the first magnetic body 3 is wound and its extension.
  • the split coil bobbin 7 provided with a partition is attached around the first magnetic body 3 having a first end and a second end. Further, the second magnetic body 4 is disposed at the first end, and the third magnetic body 5 is disposed at the second end.
  • the second magnetic body 4 and the third magnetic body 5 are disposed in contact with the first end and the second end of the first magnetic body 3, respectively,
  • the maximum width is formed wider than the end portion and the second end portion. Therefore, the 2nd magnetic body 4 and the 3rd magnetic body 5 prescribe
  • the regions where the maximum widths of the second magnetic body 4 and the third magnetic body 5 are wider than the first end portion and the second end portion are all directions in the entire circumferential direction of the first magnetic body 3. It is preferable that
  • the second magnetic body 4 and the third magnetic body 5 are made to have a polygonal structure in response to a request for stably fixing and arranging the second magnetic body 4 and the third magnetic body 5, etc.
  • at least a straight line portion that is an end portion of a plane that forms a polygonal structure may be in contact with the first end portion and the second end portion, and the first end is formed inside the plane that forms the polygonal structure.
  • the second end may be formed. That is, the 2nd magnetic body 4 and the 3rd magnetic body 5 may form a collar part.
  • the 1st magnetic body 3 has a collar part with respect to the 1st magnetic body 3 enclosed by the coil and the collar part is insulated with a pair of coils, the inductance of a pair of coils is increased. It is possible to make it.
  • both end portions of the first magnetic body 3 are formed without directly facing each other through a space where the first magnetic body 3 does not exist. That is, unlike the general core shape that forms a closed magnetic path, the volume of the first magnetic body 3 is reduced by the open magnetic path configuration. Therefore, it is possible to reduce the power loss caused by the first magnetic body 3 due to the magnetic field generated by the current flowing in the pair of coils as compared with the conventional case.
  • the center line refers to the line segment of the first magnetic body 3 that is the center in the direction in which the coil of the first magnetic body 3 is wound and its extension.
  • a magnetic material for example, iron powder
  • a dust material having a high saturation magnetic flux density is used as the first magnetic body 3
  • the second magnetic body 4 and the third magnetic body 3 are used as the magnetic body 5.
  • a ferrite having a lower magnetic flux density than that of the first magnetic body 3 but having a higher magnetic permeability and a lower power loss than that of the first magnetic body 3 is used.
  • the advantage of the high saturation magnetic flux density of the first magnetic body 3 arranged inside the coil having a large magnetic flux is utilized, so that the direct current superposition characteristic of the inductance can be improved and the power loss can be reduced. Become.
  • the second magnetic body 4 and the third magnetic body 5 have less magnetic flux than the first magnetic body 3 disposed inside the coil, the first magnetic body 3 disposed inside the coil. Therefore, it is possible to make use of the characteristics of ferrite that may have a lower saturation magnetic flux density. That is, the second magnetic body 4 and the third magnetic body 5 which are arranged opposite to both ends of the first magnetic body 3 and are made of a material different from the first magnetic body 3 are the first The magnetic body 3 has a higher magnetic permeability, the second magnetic body 4 and the third magnetic body 5 form a collar portion, and the demagnetizing factor of the magnetic body is extended in the direction in which the magnetic flux flows. The inductance can be increased by the reduction.
  • the saturation magnetic flux density of the first magnetic body is larger than the saturation magnetic flux densities of the second and third magnetic bodies, and even when the current is increased, the saturation magnetic flux density during AC operation is high (that is, the DC superposition characteristics are good).
  • an input signal is input between one end of each of the pair of coils, and an output signal can be obtained from between the other ends of the pair of coils based on this input signal.
  • the input signal may be a continuous AC signal or a pulse signal using a rectangular wave, or when a rectangular wave is used, both positive and negative rectangular waves are used as input signals. Also good.
  • the output signal can also be a continuous AC signal.
  • a pulse signal using a rectangular wave is used as an input signal, a high frequency component of the output signal from the output terminals can be reduced by connecting a capacitor between the pair of output terminals. It has become.
  • the coil is configured to be positively coupled. Therefore, it is possible to increase the inductance of the pair of coils.
  • the first magnetic body 3 and the first magnetic body 3 are insulated from each other and insulated from the first magnetic body 3, and are disposed so as to surround the first magnetic body 3.
  • the first magnetic body 3 has a first end and a second end, and the first end and the second end are The other end of each of the pair of coils is formed on the basis of an input signal that is formed between the one ends of the pair of coils. Since the output signal is output from between, the first magnetic body 3 has first and second end portions so that power loss can be reduced, and the first and second end portions are provided.
  • a pair of coils disposed to surround the first magnetic body 3 can be a small reactor.
  • the 1st magnetic body 3 has the collar part with respect to the 1st magnetic body 3 enclosed by the coil and the collar part is insulated with a pair of coils, increasing the inductance of a pair of coils Is possible.
  • the stray capacitance between the first coil 1 and the second coil 2 is reduced. It can also be reduced.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a reactor R2 that is another embodiment of the present embodiment. What is different from FIG. 1 is the structure of the first coil 11, the second coil 12, and the bobbin 18, and will be described below. It should be noted that description of parts equivalent to the structure in FIG. 1 is omitted.
  • the reactor R2 includes a first coil 11, a second coil 12, a first magnetic body 13, a second magnetic body 14, a third magnetic body 15, and a bobbin 18 without a partition.
  • a coil 11 is wound around a bobbin 18, and a coil 12 is wound thereon.
  • an interlayer tape is wound between the first coil 11 and the second coil 12 in order to reinforce the insulation between the first coil 11 and the second coil 12.
  • the bobbin 18 is formed in a U-shape so that the first coil 11 and the second coil 12 to be wound can be arranged, and the magnetic body and the pair of coils can be insulated. It has become.
  • the bobbin 18 is attached around the first magnetic body 13 having a first end and a second end. Further, the second magnetic body 14 is disposed at the first end, and the third magnetic body 15 is disposed at the second end.
  • This reactor winds one of a pair of coils, and winds the other coil on it, and has the effect that a coil is easy to wind.
  • the pair of coils overlap each other, the volume of the first magnetic body can be further reduced.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a reactor R3 that is another embodiment of the present embodiment. In addition, description about the part equivalent to the structure of FIG. 1 is omitted.
  • the reactor R3 includes a first coil 21, a second coil 22, a first magnetic body 23, a second magnetic body 24, a third magnetic body 25, and an undivided bobbin 28.
  • a first coil 21 and a second coil 22 are wound around a bobbin 28 by a bifilar.
  • the bobbin 28 is formed in a U shape so that the first coil 21 and the second coil 22 wound by the bifilar can be arranged, and the magnetic body and the pair of coils can be insulated. It has become.
  • the bobbin 28 is attached around the first magnetic body 23 having a first end and a second end. Further, a second magnetic body 24 is disposed at the first end, and a third magnetic body 25 is disposed at the second end.
  • This reactor has the effect of facilitating the winding by using a bifilar winding.
  • the first magnetic body has various shapes such as a circle, an ellipse, a square, a rectangle, a polygon and the like in terms of manufacturing convenience.
  • the second magnetic body and the third magnetic body can also take various forms such as a plate shape from a circle, an ellipse, a square, a rectangle, a polygon, and a block shape.
  • the region where the maximum width of the second magnetic body and the third magnetic body is wider than the first end and the second end of the first magnetic body is the entire circumference of the first magnetic body. It is preferable to be all directions.
  • the preferable maximum outer periphery of the region wider than the first end and the second end of the first magnetic body is the same as the maximum outer periphery of the pair of coils, but may be different.
  • the second magnetic body and the third magnetic body are formed in a square, rectangular, or polygonal structure in response to a request for stably fixing and arranging the second magnetic body and the third magnetic body.
  • at least a straight line portion that is an end portion of a plane forming a square, rectangular, or polygonal structure may be in contact with the first end portion and the second end portion. You may form so that a 1st edge part and a 2nd edge part may exist in the plane to form.
  • FIG. 4 shows a first magnetic body having a first end and a second end, in which a second magnetic body 34 is disposed at the first end, and a third magnetic body 35 is disposed at the second end.
  • the plane is perpendicular to the center line, and is divided into a first magnetic body division 1a (33a) and a first magnetic body division 2b (33b).
  • the first magnetic body can be divided into two or more parts. Moreover, the division
  • FIG. 5 shows a first magnetic body having a first end and a second end, in which the first end and the second end are hooks, and the portion of the magnetic body around which the coil is wound is shown.
  • This is a case where the center is divided equally into the first magnetic body division a (43a) and the first magnetic body division b (43b) on a plane orthogonal to the center line.
  • the division location is not particularly limited.
  • the first magnetic body division a (53a) and the first magnetic body are not limited to the center, and are not centered in the first magnetic body 3, but in a plane perpendicular to the center line. You may divide
  • the inductance is reduced by providing a gap in the divided portion of the magnetic body so that the magnetic flux is not saturated when a large current is used in the coil.
  • the direct current superimposition characteristic of the inductance can be improved. This may be used to adjust the inductance and the direct current superimposition characteristics of the inductance, but the gap between the divided portions can also be adjusted in the above configuration. 1 to 4 and FIG. 6, a gap may be provided between the first magnetic body and the second magnetic body and / or the third magnetic body.
  • FIG. 7 shows the first magnetic body 63 having the first end portion and the second end portion, and the first end portion and the second end portion become a flange portion and are integrated without being divided.
  • the bobbin is divided in advance, and the divided bobbin is arranged around the first magnetic body 63.
  • FIG. 8 shows a first magnetic body 73 having a first end and a second end provided with a flange on only one side of the first end or the second end.
  • FIG. 9 shows a first magnetic body 83 having a first end and a second end, in which both ends of the first end and the second end have no flanges.
  • a reactor in which second and third magnetic bodies made of a material different from the first magnetic body are arranged and connected to face the first and second end portions.
  • the inductance of the pair of coils can be adjusted.
  • the second and third magnetic bodies serve as a flange with respect to the first magnetic body covered with the coil, and the flange is a reactor insulated from the pair of coils. Therefore, the inductance of the pair of coils can be increased by the second and third magnetic bodies provided with the flanges.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of an embodiment of a conventional reactor R4.
  • the first coil 101 is wound around a bobbin 109a having an insulating property for ensuring insulation between the first magnetic body a (103) and the coil.
  • the second coil 102 is wound around a bobbin 109b having insulating properties for ensuring insulation between the first magnetic body b (106) and the coil.
  • the bobbins 109a and 109b are formed in a U-shape so that the first coil 101 and the second coil 102 can be arranged, respectively.
  • An insulating bobbin 109a is attached around the first magnetic body a (103), and an insulating bobbin 109b is attached around the first magnetic body b (106).
  • first coil 101 and the second coil 102 are insulated from each other by separate windings at different spatial locations.
  • a third magnetic body 104 is disposed at one end of the first magnetic body a (103) and one end of the first magnetic body b (106), and the first magnetic body a (103) and the first magnetic body are disposed.
  • the 4th magnetic body 105 is arrange
  • the first coil 101 and the second coil 102 are a pair of coils that are positively coupled in accordance with a signal input between one end of each.
  • the degree of coupling is low because the coils are separated from each other.
  • the first coil 1 and the second coil 2 in FIG. 1 of the present embodiment are also a pair of coils that are positively coupled in accordance with a signal input between one end of each.
  • FIG. 11 is a circuit example using a reactor.
  • a switching waveform generated in the inverter part of the power conditioner for photovoltaic power generation as shown in the example of FIG. 11 is input between one end of the first coil 1 and the second coil 2 of the reactor, and the first coil. 1 is output via a capacitor connected between the other end of the first coil 2.
  • the input switching waveform is a set of rectangular waves subjected to PWM modulation (pulse width modulation).
  • PWM modulation pulse width modulation
  • the switching waveform actually input has a frequency of 15 kHz and an input voltage of 380 V, and is input between the input ends of the first coil 1 and the second coil 2.
  • the magnetic flux generated by the current flowing through the first coil 1 and the second coil 2 is positively coupled to each other. That is, equivalently, the first coil 1 and the second coil 2 are connected in series.
  • a reactor having a coupling degree between the pair of positively coupled coils of 0.8 or more can be obtained.
  • the degree of coupling m is 0.8
  • the inductance ratio is 3: 3.6.
  • the reactor example of this embodiment is equivalent to the configuration of FIG. 2, the first coil 11 has 52 turns ( ⁇ 1 mm1 layer 52 turns 9 layers connected in parallel), and the second coil 12 has 52 turns ( ⁇ 1 mm1 layer 52 turns 9). Layer parallel connection).
  • the first magnetic body 13 in the coil section is a rod-shaped magnetic body having a diameter of 26 mm and a length of 75 mm divided into three parts (each having a diameter of 26 mm and a length of 25 mm), and has an initial permeability of 120 and a saturation magnetic flux density of 1290 mT.
  • Each of the second magnetic body 14 and the third magnetic body 15 is a rectangular parallelepiped and has a size of 46 mm ⁇ 46 mm ⁇ 8 mm, an initial permeability of 2200, and a saturation magnetic flux density of 540 mT.
  • the end portions of the first magnetic body, the second magnetic body, and the third magnetic body are arranged in contact with each other.
  • the conventional reactor example has the configuration shown in FIG. 10.
  • the first coil 101 has 52 turns ( ⁇ 1 mm1 layer 52 turns 9 layers parallel connection), and the second coil 102 has 52 turns ( ⁇ 1 mm1 layer 52 turns 9 layers parallel connection). is there.
  • the first magnetic bodies (103, 106) in the coil section are obtained by dividing a rod-shaped magnetic body having a diameter of 24 mm and a length of 60 mm into three parts (each having a diameter of 24 mm and a length of 20 mm), and have an initial permeability of 100 and a saturation magnetic flux density of 1600 mT.
  • Each of the second magnetic body 104 and the third magnetic body 105 is a rectangular parallelepiped and has a size of 70 mm ⁇ 24 mm ⁇ 20 mm, an initial permeability of 100, and a saturation magnetic flux density of 1600 mT.
  • FIG. 12 is a comparative example of the DC superposition characteristics (current-inductance) of the reactor using the configuration of FIG. 2 of the present embodiment and the conventional reactor.
  • the reactor of this embodiment uses a coil with the same number of turns, the inductance of the pair of coils is large.
  • the inductance of the pair of coils gradually decreases as the current increases.
  • the decrease in inductance of the pair of coils accompanying the increase in current is small.
  • the volume of the magnetic material used at this time is 121487 cubic mm in the reactor example of this embodiment and 78676 cubic mm in the conventional reactor example, and the volume of the core can be reduced by about 40%.
  • the reactor efficiency of the reactor according to the present embodiment is 99.50%, and the reactor efficiency of the conventional reactor is 99.43%, so that the reactor efficiency of the present embodiment is good, that is, the power loss is small.
  • the core volume can be reduced, power loss can be reduced, and the reactor can be downsized.
  • the input signal is a 15 kHz cycle PWM signal (pulse width modulation signal) having positive and negative pulse signals shown in FIG. 11, and the output signal is a 50 Hz sine wave signal (Sin signal).
  • a reactor having a coupling degree between the pair of positively coupled coils of 0.8 or more can be obtained.
  • the degree of coupling m is 0.8
  • the inductance ratio is 3: 3.6.
  • the second magnetic body 4 connected to the first end through the body passes from the second end to the first magnetic body via the third magnetic body 5 through a space where no magnetic body exists. Return. At this time, through the space where there is no magnetic material, the power loss of the magnetic material through which the magnetic flux that existed in the conventional reactor does not occur can be reduced, and the magnetic material where there is no magnetic material is reduced. it can.
  • the first magnetic body has first and second end portions, and the first and second end portions are the first magnetic body so that the reactor can reduce power loss.
  • the saturation magnetic flux density of the first magnetic body is larger than the saturation magnetic flux densities of the second and third magnetic bodies, and the magnetic permeability of the first magnetic body is smaller than the magnetic permeability of the second and third magnetic bodies.
  • the bobbin can be omitted by using the magnetic body with an insulation coating with an epoxy resin or the like. Furthermore, by using only the insulation coating of the winding for insulation, a bobbin or a magnetic insulation coating can be used.
  • Another desirable aspect of the present embodiment is an electric device having this reactor.
  • a circuit etc. which smooth a switching waveform as a circuit which has this reactor.
  • a power conditioner, an inverter power supply, a DC-DC converter, and the like as devices having the circuit, and various electric devices can be obtained.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

【課題】 コアの体積を削減し電力損失の低減が可能な、小型化のリアクトルを提供する。 【解決手段】 第１の磁性体と、互いに絶縁され、第１の磁性体と絶縁されるとともに、第１の磁性体を囲むように配置され、それぞれの一端間に入力された信号に応じて、正に結合する一対のコイルと、を有し、第１の磁性体は、第１および第２の端部を有し、第１および第２の端部は、第１の磁性体が存在しない空間を介して、互いに直接的に対向することなく形成され、一対のコイルのそれぞれの一端間に入力された入力信号に基づいて、一対のコイルのそれぞれの他端間から出力信号を出力するリアクトルとする。

Description

リアクトルおよび電気機器
　本発明は、太陽光発電用等のパワーコンディッショナで使用されるリアクトル、電気機器に関するものである。
近年、太陽光発電用等のパワーコンディッショナで使用されるリアクトルはパワーコンディッショナの普及と共に低コスト化、小型化が広く産業界から求められてきた。最近では省エネに対する対応からさらなる高効率化や省資源対応で材料削減したリアクトルの出現が望まれる。
従来のリアクトルは特許文献1にあるような閉磁路磁性体構成とするのが一般的であった。図１０は従来のリアクトル例である。リアクトルＲ４は第１のコイル１０１、第２のコイル１０２、第１の磁性体ａ（１０３）、第２の磁性体１０４、第３の磁性体１０５、第１の磁性体ｂ（１０６）、従来リアクトルのボビン１０９ａ、１０９ｂを有する。図１０において、第１の磁性体ａ（１０３）およびコイルとの絶縁を確保するための従来リアクトルのボビン１０９ａに第１のコイル１０１が巻回されている。第１の磁性体ｂ（１０６）およびコイルとの絶縁を確保するための従来リアクトルのボビン１０９ｂに第２のコイル１０２が巻回されている。ここで、従来リアクトルのボビン１０９ａ，１０９ｂはそれぞれ第１のコイル１０１と第２のコイル１０２が配置可能なように、Ｕの字状に形成されている。従来リアクトルのボビン１０９ａは第１の磁性体ａ（１０３）の周囲に取り付けられており、従来リアクトルのボビン１０９ｂは第１の磁性体ｂ（１０６）の周囲に取り付けられている。さらに第１のコイル１０１と第２のコイル１０２は各々別巻線により互いに絶縁された状態となっている。さらに第１の磁性体ａ（１０３）の一端と第１の磁性体ｂ（１０６）の一端に第２の磁性体１０４が配置され、第１の磁性体１ａ（１０３）と第１の磁性体ｂ（１０６）の他端に第３の磁性体１０５が配置されている。しかしながらこの構造では第１のコイル１０１と第２のコイル１０２を近接させる事が難しく第１のコイル１０１と第２のコイル１０２の結合度ｍ＝０．５程度が一般的であり、コイルの結合を十分大きくすることが出来なかった。また、漏れ磁束があるものの閉磁路構成を利用する為、コイルに流れる電流により発生する磁束が閉磁路を形成する磁性体内を通過することにより、磁性体による電力損失が発生していた。また、磁性体の飽和磁束を十分に得るには、磁性体を大型にする必要あり、その結果、リアクトルが大型化してしまうという問題があった。
特開２００９－２５９９７１号（ＴＤＫ株式会社）
本発明の目的は、コアの体積を削減し電力損失の低減が可能な、小型のリアクトルを提供することである。
上述した目的を達成するために、本発明は、第１の磁性体と、互いに絶縁され、前記第１の磁性体と絶縁されるとともに、前記第１の磁性体を囲むように配置され、それぞれの一端間に入力された信号に応じて、正に結合する一対のコイルと、を有し、前記第１の磁性体は、第１および第２の端部を有し、前記第１および第２の端部は、前記第１の磁性体が存在しない空間を介して、互いに直接的に対向することなく形成され、前記一対のコイルのそれぞれの一端間に入力された入力信号に基づいて、前記一対のコイルのそれぞれの他端間から出力信号を出力するリアクトルとする。
このリアクトルは電力損失の低減が可能となるように、第１の磁性体は、第１および第２の端部を有し、第１および第２の端部は、第１の磁性体が存在しない空間を介して、互いに直接的に対向することなく形成され、開磁路構成とするにより、磁性体の体積を削減し、第１の磁性体を囲むように一対のコイルを配置しているので小型のリアクトルとする事ができる効果が得られる。
本発明の望ましい態様としては、前記一対のコイルの一方が他方で被覆するリアクトルである。
このリアクトルは前記一対のコイルの一方を巻回し、その上に他方のコイルを巻回するものでありコイルが巻き易い効果がある。また、一対のコイルが重なりあった構造となっているので、第１の磁性体の体積の更なる小型化が可能である。
本発明の望ましい態様としては、前記一対のコイルが前記第１の磁性体の中心線の方向で併設して配置するリアクトルとすることもできる。
このリアクトルは前記一対のコイルが前記１の磁性体の中心線の方向で併設して配置することでコイル間の浮遊容量が少なくなること等により、一対のコイルにおけるインダクタンスの周波数特性が向上できる。
本発明の望ましい態様としては、前記一対のコイルはバイファイラ巻線とするリアクトルとすることもできる。
このリアクトルはバイファイラ巻線とすることで巻線を容易にする効果がある。
本発明の望ましい態様としては、前記第１の磁性体が、前記一対のコイルで囲まれた前記第１の磁性体に対する鍔部を有し、前記鍔部が前記一対のコイルと絶縁されたリアクトルとすることができる。
このリアクトルは鍔部を設けることで一対のコイルのインダクタンスを増加させる効果がある。
本発明の望ましい態様としては前記第１および第２の端部に対向して、前記第１の磁性体とは異なる材質の第２および第３の磁性体を配置し接続したリアクトルとすることができる。
このリアクトルでは、一対のコイルのインダクタンスを調整することが可能である。
本発明の望ましい態様としては、前記第２および第３の磁性体が、前記コイルで覆われた前記第１の磁性体に対する鍔部となり、前記鍔部が前記一対のコイルと絶縁されたリアクトルとすることができる。
このリアクトルは鍔部を設けた第２および第３の磁性体により一対のコイルのインダクタンスを増加させる効果がある。
本発明の望ましい態様としては、前記第１の磁性体の飽和磁束密度が前記第２および第３の磁性体の飽和磁束密度より大きく、前記第１の磁性体の透磁率が前記第２および第３の磁性体の透磁率より小さいリアクトルとすることができる。
本リアクトルによれば、電流を大きくした場合でも、交流動作時の飽和磁束密度が高く（すなわち直流重畳特性が良い）、一対のコイルのインダクタンスの高いリアクトルとする効果がある。
本発明の望ましい態様としては前記正に結合する一対のコイル間の結合度が０．８以上であるリアクトルとすることができる。
結合度を高くすることにより正に結合した一対のコイルのインダクタンスを高くすることができる効果がある。
本発明の望ましい態様としては、前記入力信号が複数の正、および、負のパルス信号であり、前記出力信号が交流信号であるリアクトルとすることができる。
このリアクトルは前記入力信号が複数の正、および、負のパルス信号でありこのリアクトルにより前記出力信号を交流信号に変換する効果がある。
本発明の望ましい態様としてはこのリアクトルを有する電気機器とすることができる。
本リアクトルを有する回路としてスイッチング波形を平滑する回路等がある。また前記回路を有する機器としてパワーコンディショナやインバータ電源、DC-DCコンバータ等があ
り、様々な電気機器とすることができる。
本リアクトルは第１の磁性体を囲むように一対のコイルを配置し、さらに開磁路構成により磁性体の体積を削減することで電力損失を削減し、小型のリアクトルとする事ができる効果が得られる。
本発明の一実施形態を示すリアクトルＲ１の断面図 本発明の他の実施形態を示すリアクトルＲ２の断面図 本発明の他の実施形態を示すリアクトルＲ３の断面図 第１の磁性体の他の形態例 第１の磁性体の他の形態例 第１の磁性体の他の形態例 第１の磁性体の他の形態例 第１の磁性体の他の形態例 第１の磁性体の他の形態例 従来のリアクトルＲ４の断面図 リアクトルの接続例 本実施形態のリアクトルと従来リアクトルの直流重畳特性
以下、本発明の実施の形態を図１から図９に基づいて説明する。図１は本実施形態のリアクトルＲ１の実施形態の断面図である。リアクトルＲ１は第１のコイル１、第２のコイル２、第１の磁性体３、第２の磁性体４、第３の磁性体５、仕切りを設けた分割コイル用ボビン７を有する。
図１において、第１の磁性体３および、コイルとの絶縁を確保するための仕切りを設けた分割コイル用ボビン７に１対のコイル、すなわち、第１のコイル１及び第２のコイル２が巻回されている。ここで、仕切りを設けた分割コイル用ボビン７は第１のコイル１と第２のコイル２が配置可能なように、分割されたそれぞれのボビンがＵの字状に形成され、さらに、一体になった構造となっており、第１のコイル１と第２のコイル２とが仕切りを設けた分割コイル用ボビン７によって、互いに絶縁された状態となっている。つまり、第１のコイル１、第１のコイル２が第１の磁性体３の中心線の方向で併設して配置されている。ここで、中心線とは、第１の磁性体３のコイルが巻かれる方向の中心である第１の磁性体３の線分およびその延長をを指す。また、仕切りを設けた分割コイル用ボビン７は、第１の端部及び第２の端部を持つ第１の磁性体３の周囲に取り付けられている。さらに第１の端部に第２の磁性体４を配置し、第２の端部には第３の磁性体５が配置されている。
ここで、第２の磁性体４および第３の磁性体５とは、第１の磁性体３の第１の端部および第２の端部にそれぞれが接して配置されるとともに、第１の端部および第２の端部より、その最大となる幅が広く形成されている。従って、第２の磁性体４および第３の磁性体５とは、第１のコイル１および第２のコイル２とが配置されるコイルの中心線の長さ方向の領域を規定することになる。また、第２の磁性体４および第３の磁性体５の最大となる幅が第１の端部および第２の端部より広くなる領域は第１の磁性体３の全周囲方向の全方向であることが好ましい。
但し、第２の磁性体４および第３の磁性体５を安定して固定配置するなどの要求に応じて、第２の磁性体４および第３の磁性体５とを多角形構造とする場合においては、少なくとも多角形構造を形成する平面の端部である直線部が第１の端部および第２の端部と接する構造としても良く、多角形構造を形成する平面内部に第１の端部、および第２の端部が存在するように形成されていても良い。すなわち、第２の磁性体４、および、第３の磁性体５が鍔部を形成しても良い。このように、第１の磁性体３が、コイルで囲まれた第１の磁性体３に対する鍔部を有し、鍔部が一対のコイルと絶縁されているので、一対のコイルのインダクタンスを増加させることが可能となっている。
ここで、本実施形態のリアクトルＲ１においては、第１の磁性体３の両端部が、第１の磁性体３が存在しない空間を介して、互いに直接的に対向することなく形成されている。つまり、開磁路構成とするにより、閉磁路を形成する一般的なコア形状とは異なり、第１の磁性体３の体積が低減している。よって、一対のコイルに流れる電流により発生する磁界による第１の磁性体３による電力損失を従来よりも低減することが可能となっている。
なお、本リアクトルＲ１においては、第１のコイル１、第２のコイル２が第１の磁性体３の中心線の方向で併設して配置されているので、第１のコイル１および第２のコイル２間の浮遊容量を低減することも可能となっている。ここで、中心線とは、第１の磁性体３のコイルが巻かれる方向の中心である第１の磁性体３の線分およびその延長をを指す。
なお、本リアクトルＲ１においては、例えば第１の磁性体３として飽和磁束密度の高い圧粉材による磁性体（例えば、鉄粉による）を使用し、第２の磁性体４、および、第３の磁性体５として、第１の磁性体３よりも飽和磁束密度の低いものの透磁率が高く、第１の磁性体３よりも電力損失が少ないフェライトを使用することで、一対のコイルに流れる電流よって発生する磁束において、磁束が多いコイル内部に配置された第１の磁性体３の飽和磁束密度が高い特長を活かせるので、インダクタンスの直流重畳特性を良くし、電力損失を少なくすることが可能となる。さらに、第２の磁性体４、および、第３の磁性体５は、コイル内部に配置された第１の磁性体３よりも磁束が少ない為にコイル内部に配置された第１の磁性体３よりも飽和磁束密度が少なくても良いフェライトの特徴を活かすことができる。つまり、第１の磁性体３の両端部に対向して配置されるとともに、第１の磁性体３とは異なる材質の第２の磁性体４、および、第３の磁性体５は、第１の磁性体３より透磁率が高く、さらに第２の磁性体４、および、第３の磁性体５が鍔部を形成し、磁性体が磁束の流れる方向に伸びていることによる反磁場係数の低減により、インダクタンスを大きくすることができる。その結果、第１の磁性体の飽和磁束密度が第２および第３の磁性体の飽和磁束密度より大きく、電流を大きくした場合でも、交流動作時の飽和磁束密度が高く（すなわち直流重畳特性良い）、一対のコイルのインダクタンスの高いリアクトルとすることが可能となる。
次に、リアクトルＲ１の動作について、説明する。一対のコイルのそれぞれの一端間には入力信号が入力され、この入力信号に基づいて、一対のコイルのそれぞれの他端間から出力信号を得ることが可能になっている。ここで、入力信号は連続的な交流信号、あるいは、矩形波を利用するパルス信号であってもよく、あるいは、矩形波を利用する場合は、正おおび負の矩形波の両方を入力信号としても良い。連続的な交流信号を入力信号とする場合、出力信号も連続的な交流信号とすることが可能である。また、矩形波を利用するパルス信号を入力信号とする場合は、一対の出力端の間にコンデンサを接続することにより、出力端間からの出力信号の高周波成分を低減した信号とすることが可能となっている。また、正および負の矩形波の両方を入力信号とする場合も、また、一対の出力端の間にコンデンサを接続することで、出力信号の高周波成分を低減することが可能となるので、適宜、コンデンサの値を調整することで、高周波成分（リップル、ノイズ成分）が低減された所望の出力信号を得ることが可能となっている。なお、所望の信号を出力できる場合、コンデンサを出力端間に接続しなくても良い。
ここで、第１のコイル１と第２のコイル２の一対のコイルのそれぞれの入力端間に入力信号が入力され、一対のコイルのそれぞれの出力端間から出力信号を出力するに当たり、一対のコイルは正に結合するように構成されている。従って、一対のコイルのインダクタンスを上げることが可能となっている。
ここで、第１のコイル１と第２のコイル２の一対のコイルのそれぞれの入力端間に入力信号が入力され一対のコイルのそれぞれの出力端間から出力信号を出力するとき、第１のコイル１と第２のコイル２に電流が流れる。この時流れる電流により第１のコイル１と第２のコイル２に磁束が発生するが、各々の磁束が強めあうよう状態が正に結合するという。すなわち第１のコイル１と第２のコイル２のインダクタンスがそれぞれＬ１＝Ｌ２＝Ｌであれば、第１のコイル1と第２のコイル２からなる一対のコイルの直列インダクタンスＬｓ＝Ｌ１＋Ｌ２＋２ｍ√（Ｌ１・Ｌ２）となるように第１のコイル１と第２のコイル２が接続される。ここで、ｍは第１のコイル１と第２のコイル２の結合度である（ｍは0～１）。
本リアクトルによれば、第１の磁性体３と、互いに絶縁され、第１の磁性体３と絶縁されるとともに、第１の磁性体３を囲むように配置され、それぞれの一端間に入力された信号に応じて、正に結合する一対のコイルと、を有し、　第１の磁性体３は、第１および第２の端部を有し、第１および第２の端部は、第１の磁性体３が存在しない空間を介して、互いに直接的に対向することなく形成され、一対のコイルのそれぞれの一端間に入力された入力信号に基づいて、一対のコイルのそれぞれの他端間から出力信号を出力しているので、電力損失の低減が可能となるように、第１の磁性体３は、第１および第２の端部を有し、第１および第２の端部は、第１の磁性体３が存在しない空間を介して、互いに直接的に対向することなく形成され、第１の磁性体３を囲むように一対のコイルを配置しているので小型のリアクトルとする事ができる。
また、第１の磁性体３が、コイルで囲まれた第１の磁性体３に対する鍔部を有し、鍔部が一対のコイルと絶縁されているので、一対のコイルのインダクタンスを増加させることが可能となっている。
また、第１のコイル１、第２のコイル２が第１の磁性体の中心線の方向で併設して配置されているので、第１のコイル１および第２のコイル２間の浮遊容量を低減することも可能となっている。
図２は本実施形態の他の実施形態であるリアクトルＲ２の断面図である。図１と異なるのは第１のコイル１１、第２のコイル１２、および、ボビン１８の構造であるので、以下に説明する。なお、図１の構造と同等部分いついての記載は割愛する。リアクトルＲ２は第１のコイル１１、第２のコイル１２、第１の磁性体１３、第２の磁性体１４、第３の磁性体１５、仕切りのないボビン１８を有する。
図２において、ボビン１８にコイル１１が巻回され、さらにその上にコイル１２が巻回されている。第１のコイル１１の巻回の後に、第１のコイル１１と第２のコイル１２との間の絶縁を強化する為に第１のコイル１１と第２のコイル１２の間に層間テープを巻回しても良い。ここで、ボビン１８は巻回される第１のコイル１１と第２のコイル１２が配置可能なようにボビン１８がＵの字状に形成され、磁性体と一対のコイルとの絶縁が可能となっている。また、ボビン１８は、第１の端部及び第２の端部を持つ第１の磁性体１３の周囲に取り付けられている。さらに第１の端部に第２の磁性体１４を配置し第２の端部には第３の磁性体１５を配置する。
このリアクトルは一対のコイルの一方を巻回し、その上に他方のコイルを巻回するものでありコイルが巻き易い効果がある。また、一対のコイルが重なりあった構造となっているので、第１の磁性体の体積の更なる小型化が可能となっている。
図３は本実施形態の他の実施形態であるリアクトルＲ３の断面図である。なお、図１の構造と同等部分についての記載は割愛する。リアクトルＲ３は第１のコイル２１、第２のコイル２２、第１の磁性体２３、第２の磁性体２４、第３の磁性体２５、仕切りのないボビン２８を有する。
図３において、ボビン２８に第１のコイル２１と第２のコイル２２がバイファイラにて巻回されている。ここで、ボビン２８はバイファイラにより巻回される第１のコイル２１と第２のコイル２２が配置可能なようにボビン２８がＵの字状に形成され、磁性体と一対のコイルの絶縁が可能となっている。また、ボビン２８は、第１の端部及び第２の端部を持つ第１の磁性体２３の周囲に取り付けられている。さらに第１の端部に第２の磁性体２４を配置し第２の端部には第３の磁性体２５を配置する。
このリアクトルはバイファイラ巻線とすることで巻線を容易にする効果がある。
ここで、リアクトルＲ１、リアクトルＲ２、リアクトルＲ３において、第１の磁性体は断面が円、楕円、正方形、長方形、多角形等製造上の便宜等から多様な形態がある。また、第２の磁性体、第３の磁性体も、また、円、楕円、正方形、長方形、多角形等の板状のものからブロック状のもの等様々な形態を取ることができる。ここで、第２の磁性体および第３の磁性体の最大となる幅が第１の磁性体の第１の端部および第２の端部より広くなる領域は第１の磁性体の全周囲方向の全方向であることが好ましい。さらに、第１の磁性体の第１の端部および第２の端部より広くなる領域の好ましい最大外周は一対のコイルの最大外周と同じであることであるが、異なっても良い。
但し、第２の磁性体および第３の磁性体を安定して固定配置するなどの要求に応じて、第２の磁性体および第３の磁性体とを、正方形、長方形、多角形構造とする場合においては、少なくとも正方形、長方形、多角形構造を形成する平面の端部である直線部が第１の端部および第２の端部と接する構造としても良く、正方形、長方形、多角形構造を形成する平面内部に第１の端部、および第２の端部が存在するように形成されていても良い。
図４～図９は第１の磁性体の別の実施形態例である。図４は第１の端部及び第２の端部を持つ第１の磁性体において第１の端部に第２の磁性体３４、第２の端部に第３の磁性体３５が配置されて、さらに第１の磁性体の中央で、中心線と直交する平面で、第１の磁性体分割１ａ（３３ａ）、第１の磁性体分割２ｂ（３３ｂ）に２分割されている。なお、第１の磁性体は２分割以上に複数に分割することもできる。また、分割箇所は等分にしなくても良い。
図５は第１の端部及び第２の端部を持つ第１の磁性体において第１の端部及び第２の端部が鍔部となり、さらにコイルが巻回された部分の磁性体の中央で、中心線と直交する平面で第１の磁性体分割ａ（４３ａ）、第１の磁性体分割ｂ（４３ｂ）に等しく分割された場合である。なお、分割箇所は特に限定されない。
例えば、図６のように、分割は中央に限らず第１の磁性体３の中央で無い部分において、中心線と直交する平面で第１の磁性体分割ａ（５３ａ）、第１の磁性体分割ｂ（５３ｂ）に分割されても良い。
さらに、第１の磁性体を使用したコイルでは磁性体の分割部に隙間を設けることで、コイルに大電流を使用する場合において、磁束の飽和が発生しないようにするために、インダクタンスを減少しかつインダクタンスの直流重畳特性を改善することができる。これを利用してインダクタンスやインダクタンスの直流重畳特性を調整することがあるが、上記構成においても分割部の隙間は調節可能である。また、図１～４、図６の構成では、第１の磁性体と、第２の磁性体および／または第３の磁性体との間に隙間を設けても良い。
図７は第１の端部及び第２の端部を持つ第１の磁性体６３において第１の端部及び第２の端部が鍔部となり分割しないで一体としたものである。この場合にボビンを使用する場合はボビンはあらかじめ分割されていて、分割されたボビンが第１の磁性体６３の周りに配置される事になる。
図８は第１の端部及び第２の端部を持つ第１の磁性体７３においてが第１の端部あるいは第２の端部のどちらか片側のみ鍔部を設けたものである。
図９は第１の端部及び第２の端部を持つ第１の磁性体８３において第１の端部及び第２の端部の両端部が鍔部をもたないものである。
上記の通り、図１～図９のように、様々な変形が考えられ、これらの変形をそれぞれ組み合わせても良い。
なお、図１から図６の実施形態においては、第１および第２の端部に対向して、第１の磁性体とは異なる材質の第２および第３の磁性体を配置し接続したリアクトルとしてもよく、一対のコイルのインダクタンスを調整することが可能である。
なお、図１～７の実施形態では、第２および第３の磁性体が、コイルで覆われた第１の磁性体に対する鍔部となり、鍔部が前記一対のコイルと絶縁されたリアクトルとすることができるので、鍔部を設けた第２および第３の磁性体により一対のコイルのインダクタンスを増加させることが可能である。
（実施例１）
以下、上記構成の動作を図１の構成例で説明する。最初に参考例として、図１０のリアクトルの構成について説明する。ここで、図１０は従来のリアクトルＲ４の実施形態の断面図である。
図１０において、第１の磁性体ａ（１０３）およびコイルとの絶縁を確保するための絶縁性を有するボビン１０９ａに第１のコイル１０１が巻回されている。第１の磁性体ｂ（１０６）およびコイルとの絶縁を確保するための絶縁性を有するボビン１０９ｂに第２のコイル１０２が巻回されている。ここで、ボビン１０９ａ，１０９ｂはそれぞれ第１のコイル１０１と第２のコイル１０２が配置可能なように、Ｕの字状に形成されている。絶縁性を有するボビン１０９ａは第１の磁性体ａ（１０３）の周囲に取り付けられており、絶縁性を有するボビン１０９ｂは第１の磁性体ｂ（１０６）の周囲に取り付けられている。さらに第１のコイル１０１と第２のコイル１０２は、各々空間的に異なる場所に別巻線により互いに絶縁された状態となっている。さらに第１の磁性体ａ（１０３）の一端と第１の磁性体ｂ（１０６）の一端に第３の磁性体１０４が配置され、第１の磁性体ａ（１０３）と第１の磁性体ｂ（１０６）の他端に第４の磁性体１０５が配置されている。
第１のコイル１０１と、第２のコイル１０２はそれぞれの一端間に入力された信号に応じて正に結合する一対のコイルである。ここで、第１のコイル１０１と第２のコイル１０２のインダクタンスがそれぞれＬ１＝Ｌ２＝Ｌであれば、コイル同士が離れているため結合度が低い。結合度ｍ＝０．５の場合　一対のコイルの直列インダクタンスＬｓ＝Ｌ１＋Ｌ２＋２ｍ√（Ｌ１・Ｌ２）＝３Ｌとなる。
本実施形態の図１における第１のコイル１と第２のコイル２もそれぞれの一端間に入力された信号に応じて正に結合する一対のコイルである。図１１はリアクトルを使用した回路例である。
太陽光発電用等パワーコンディッショナのインバータ部で生成された図１１の例にあるようなスイッチング波形をリアクトルの第１のコイル１と第２のコイル２の一端間に入力し第１のコイル１と第２のコイル２の他端間に接続されたコンデンサを介して出力する。入力されるスイッチング波形とは、ＰＷＭ変調（パルス幅変調）された矩形波の集合である。ここで、実際に入力するスイッチング波形は周波数１５ｋＨｚ、入力電圧３８０Ｖであり、第１のコイル１と第２のコイル２の入力端間に入力した。このときに第１のコイル１と第２のコイル２に流れる電流による磁束はお互いに強めあう正の結合となる。つまり、等価的には第１のコイル１と第２のコイル２を直列に接続することになる。本実施形態では一対のコイルすなわち第１のコイル１及び第２のコイル２が近接して巻回されているので第１のコイル１と第２のコイル２の結合度は大きくｍ＝０．９程度になる。本実施形態ではｍ＝０．９の場合Ｌｓ＝３．８Ｌとなり同じ巻数の場合はインダクタンス比は３：３．８（約２６．７％大きい）となる。
本実施例では、前記正に結合する一対のコイル間の結合度が０．８以上であるリアクトルとすることができる。結合度ｍ＝０．８の場合　一対のコイルの直列インダクタンスＬｓ＝Ｌ１＋Ｌ２＋２ｍ√（Ｌ１・Ｌ２）＝３．６Ｌとなり同じ巻数の場合はインダクタンス比は３：３．６となる。結合度を高くすることにより正に結合した一対のコイルのインダクタンスを高くすることができる効果がある。
一対のコイルの直列インダクタンスを同じとする場合は本実施形態の場合は巻数を少なくすることができる。そこで、以下のような構成を使用したリアクトルを作成した。本実施形態のリアクトル例は図２の構成と同等であり第１のコイル１１は、５２ターン（Φ１ｍｍ１層５２ターン９層並列接続）、第２のコイル１２は、５２ターン（Φ１ｍｍ１層５２ターン９層並列接続）である。また、コイル部内の第１の磁性体１３はφ２６ｍｍ長さ７５ｍｍの棒状の磁性体を三分割したもの（各々φ２６ｍｍ長さ２５ｍｍ）で初透磁率１２０、飽和磁束密度１２９０ｍＴである。第２の磁性体１４、及び第３の磁性体１５は共に直方体で４６ｍｍｘ４６ｍｍｘ８ｍｍ、初透磁率２２００、飽和磁束密度５４０ｍＴである。ここで、第１の磁性体、第２の磁性体、第３の磁性体のそれぞれの端部同士を接触させて配置した。
従来リアクトル例は図１０の構成であり第１のコイル１０１は、５２ターン（Φ１ｍｍ１層５２ターン９層並列接続）、第２のコイル１０２は、５２ターン（Φ１ｍｍ１層５２ターン９層並列接続）である。また、コイル部内の第１の磁性体（１０３、１０６）はφ２４ｍｍ長さ６０ｍｍの棒状の磁性体を三分割したもの（各々φ２４ｍｍ長さ２０ｍｍ）で初透磁率１００、飽和磁束密度１６００ｍＴである。第２の磁性体１０４、及び第３の磁性体１０５は共に直方体で７０ｍｍｘ２４ｍｍｘ２０ｍｍ、初透磁率１００、飽和磁束密度１６００ｍＴである。
図１２は前記本実施形態の図２の構成を使用したリアクトルと従来リアクトルの直流重畳特性（電流―インダクタンス）の比較例である。本実施形態のリアクトルでは同じ巻数のコイルを使用しているにも関わらず、一対のコイルのインダクタンスが大きく、従来リアクトルでは電流の増加と共に一対のコイルのインダクタンスが徐々に低下しているが、本実施形態のリアクトル例では電流の増加に伴う一対のコイルのインダクタンスの低下が少ない。この時の使用した磁性体の体積は本実施形態のリアクトル例で１２１４８７立方ｍｍ、従来リアクトル例では７８６７６立方ｍｍであり、コアの体積を約４０％削減できる。また、本実施形態のリアクトルにおけるリアクトルの効率は９９．５０％、従来リアクトルではリアクトルの効率は９９．４３％であり、本実施形態のリアクトルの効率が良い、すなわち電力損失が少ない。この結果コアの体積を削減し電力損失低減、リアクトルの小型化の可能となった。
なお、第１の磁性体を３分割せずひとつの磁性体で形成された場合も同様の結果となった。なお、入力信号は図１１に示された正、および、負のパルス信号を有する１５ｋＨｚサイクルのＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）で、出力信号は５０Ｈｚの正弦波信号（Ｓｉｎ信号）である。
図２に開示された実施形態でも、前記正に結合する一対のコイル間の結合度が０．８以上であるリアクトルとすることができる。結合度ｍ＝０．８の場合　一対のコイルの直列インダクタンスＬｓ＝Ｌ１＋Ｌ２＋２ｍ√（Ｌ１・Ｌ２）＝３．６Ｌとなり同じ巻数の場合はインダクタンス比は３：３．６となる。結合度を高くすることにより正に結合した一対のコイルのインダクタンスを高くすることができる効果がある。
また、電流を大きくした場合でも、交流動作時の飽和磁束密度が高く（すなわち直流重畳特性が良い）、一対のコイルのインダクタンスの高いリアクトルとすることが可能となった。
図１のリアクトルに入力されたスイッチング波形により第１のコイル１及び第２のコイル２に電流が流れ、これによる磁束が第１のコイル１及び第２のコイル２の内側にある第１の磁性体を通り第１の端部に接続された第２の磁性体４より磁性体が存在しない空間を介して第３の磁性体５を経由して第２の端部から第１の磁性体に戻る。このとき磁性体が存在しない空間を介することで従来のリアクトルでは存在していた磁束が通過する磁性体の電力損失が発生しないために電力が軽減でき、磁性体が存在しない部分の磁性体を削減できる。つまり、このリアクトルは電力損失の低減が可能となるように、第１の磁性体は、第１および第２の端部を有し、第１および第２の端部は、第１の磁性体が存在しない空間を介して、互いに直接的に対向することなく形成され、磁性体の体積を削減し、第１の磁性体を囲むように一対のコイルを配置しているので、小型のリアクトルとする事ができる効果が得られる。これにより材料削減、小型化、高効率が可能となった。
また、第１の磁性体の飽和磁束密度が第２および第３の磁性体の飽和磁束密度より大きく、第１の磁性体の透磁率が前記第２および第３の磁性体の透磁率より小さくすることで、電流を大きくした場合でも、交流動作時の飽和磁束密度が高く（すなわち直流重畳特性が良い）、一対のコイルのインダクタンスの高いリアクトルとすることが可能となった。
本実施形態の構成例として磁性体とコイルの絶縁の為にボビンを有する場合を記載したがエポキシ樹脂等で磁性体を絶縁コーディングして使用することでボビンを使用しないこともできる。さらには巻線の絶縁被覆だけを用いて絶縁を取ることによりボビンも磁性体の絶縁コーティングも使用しないで構成することもできる。
本実施形態の望ましい別の態様としてはこのリアクトルを有する電気機器とすることができる。本リアクトルを有する回路としてスイッチング波形を平滑する回路等がある。また前記回路を有する機器としてパワーコンディショナやインバータ電源、DC-DCコンバータ
等があり、様々な電気機器とすることができる。
１ 第１のコイル
２ 第２のコイル
３ 第１の磁性体
４ 第２の磁性体
５ 第３の磁性体
７ 仕切りを設けた分割コイル用ボビン
１１ 第１のコイル 
１２ 第２のコイル 
１３ 第１の磁性体 
１４ 第２の磁性体 
１５ 第３の磁性体 
１８ 仕切りの無いボビン 
２１ 第１のコイル
２２ 第２のコイル
２３ 第１の磁性体
２４ 第２の磁性体
２５ 第３の磁性体
２８ 仕切りの無いボビン
３３ａ 第１の磁性体分割ａ
３３ｂ 第１の磁性体分割ｂ
３４ 第２の磁性体
３５ 第３の磁性体
４３ａ 第１の磁性体分割ａ 
４３ｂ 第１の磁性体分割ｂ 
５３ａ 第１の磁性体分割ａ 
５３ｂ 第１の磁性体分割ｂ 
６３ 第１の磁性体
７３ 第１の磁性体
８３ 第１の磁性体
１０１ 第１のコイル 
１０２ 第２のコイル 
１０３ 第１の磁性体ａ 
１０４ 第２の磁性体 
１０５ 第３の磁性体 
１０６ 第１の磁性体ｂ 
１０９ａ 従来リアクトルのボビン 
１０９ｂ 従来リアクトルのボビン 
Ｒ１ 本実施形態のリアクトルＲ１
Ｒ２ 本実施形態のリアクトルＲ２
Ｒ３ 本実施形態のリアクトルＲ３
Ｒ４ 従来のリアクトルＲ４

Claims (11)

  1. 　第１の磁性体と、互いに絶縁され、前記第１の磁性体と絶縁されるとともに、前記第１の磁性体を囲むように配置され、それぞれの一端間に入力された信号に応じて、正に結合する一対のコイルと、を有し、　前記第１の磁性体は、第１および第２の端部を有し、前記第１および第２の端部は、前記第１の磁性体が存在しない空間を介して、互いに直接的に対向することなく形成され、前記一対のコイルのそれぞれの一端間に入力された入力信号に基づいて、前記一対のコイルのそれぞれの他端間から出力信号を出力するリアクトル。
  2. 　前記一対のコイルの一方が他方で被覆された請求項１に記載のリアクトル。
  3. 　前記一対のコイルが前記第１の磁性体の中心線の方向で併設して配置された請求項１に記載のリアクトル。
  4. 　前記一対のコイルはバイファイラ巻線である請求項１に記載のリアクトル。
  5. 　前記第１の磁性体が、前記コイルで囲まれた前記第１の磁性体に対する鍔部を有し、前記鍔部が前記一対のコイルと絶縁された請求項１乃至４に記載のリアクトル。
  6. 　前記第１および第２の端部に対向して、前記第１の磁性体とは異なる材質の第２および第３の磁性体を配置し接続した請求項１乃至５に記載のリアクトル。
  7. 　前記第２および第３の磁性体が、前記コイルで覆われた前記第１の磁性体に対する鍔部となり、前記鍔部が前記一対のコイルと絶縁された請求項６にリアクトル。
  8. 　前記第１の磁性体の飽和磁束密度が前記第２および第３の磁性体の飽和磁束密度より大きく、前記第１の磁性体の透磁率が前記第２および第３の磁性体の透磁率より小さい請求項６または７に記載のリアクトル。
  9. 　前記入力信号が複数の正、および、負のパルス信号であり、前記出力信号が交流信号である請求項１乃至８に記載のリアクトル。
  10. 　前記正に結合する一対のコイル間の結合度が０．８以上である請求項１乃至９に記載のリアクトル。
  11. 請求項１乃至１０に記載のリアクトルを有する電気機器。　
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