CN104620335A - 复合材料、电抗器、转换器和功率转换器件 - Google Patents

复合材料、电抗器、转换器和功率转换器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种复合材料，其含有磁性粉末和包括呈分散状态的所述磁性粉末的高分子材料，其中，所述磁性粉末相对于整个复合材料的含量大于50体积％且为75体积％以下，所述复合材料的饱和磁通密度为0.6T以上，并且所述复合材料的相对磁导率大于20且为35以下。优选的是，所述磁性粉末的密度比应0.38以上且0.65以下，其中，所述密度比是指(表观密度)/(真密度)的比值。此外，优选的是，所述磁性粉末包括由相同材料制成的多种颗粒。

Description

复合材料、电抗器、转换器和功率转换器件
技术领域
本发明涉及适合用作构成诸如电抗器等磁性部件的材料的复合材料、包括由该复合材料形成的磁芯的电抗器、包括该电抗器的转换器以及包括该转换器的功率转换器件。具体而言，本发明涉及能够降低损耗且部件数量少的电抗器和适用于该电抗器的复合材料。
背景技术
一种包括线圈和设置有该线圈的磁芯在内的磁性部件(例如，电抗器或电动机)被用于多个领域中。例如，专利文献1公开了一种电抗器，其用作安装在诸如混合动力电动汽车等车辆上的转换器等的电路部件。专利文献1公开了一种由诸如纯铁粉末等磁性粉末和含有该粉末的树脂(粘结剂)构成的复合材料，该复合材料作为构成设置在所述电抗器中的磁芯的材料。能够通过用将作为原料的磁性粉末和未固化的液态树脂进行混合而获得的混合物填充具有所需形状等的成型模具，然后固化该树脂来制造该复合材料。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利No.4,692,768
发明内容
技术问题
理想的是，当磁芯具有所需特性时，损耗应尽量小。此外，从诸如电抗器等磁性部件的制造性的观点考虑，理想的是，部件数量应尽量少。因此，理想的是，磁芯应包括的部件数量少。
根据专利文献1，使用复合材料构成磁芯而不设置间隙。因此，可以省略间隙材料，并且能够减少部件的数量。在专利文献1中，为避免设置间隙，复合材料被设置为具有11以下的相对磁导率。由于相对磁导率降低，因此存在磁通泄露的可能性，从而导致因磁通量的泄漏而造成损耗。
因此，本发明的目的在于提供一种能够降低损耗且部件数量少的电抗器。此外，本发明的另一目的在于提供一种适合用于构筑电抗器的复合材料。
本发明的另一目的在于提供一种包括所述电抗器的转换器和一种包括所述转换器的功率转换器件。
解决问题的技术方案
通过将复合材料的相对磁导率设置在特定范围内，本发明能够良好地实现上述目标。
根据本发明的复合材料含有磁性粉末和包括呈分散状态的所述磁性粉末的高分子材料，并且所述磁性粉末相对于整个复合材料的含量大于50体积％且为75体积％以下，所述复合材料的饱和磁通密度为0.6T以上，并且所述复合材料的相对磁导率大于20且为35以下。将在稍后说明的试验例中对测定饱和磁通密度和相对磁导率的方法进行描述。
由于根据本发明的复合材料具有35以下的相对磁导率(相对较低)，因此难以发生磁通饱和的情况。为此，通过在诸如电抗器等磁性部件的磁芯中使用根据本发明的复合材料，能够减少间隙材料和气隙，并且更优选地，省略间隙材料等。因此，能够有助于减少诸如电抗器等磁性部件的部件数量。此外，根据本发明的复合材料具有大于20的相对磁导率。因此，在复合材料用于诸如电抗器等磁性部件的磁芯的情况下，线圈所产生的磁通量难以发生泄漏。因此，通过在诸如电抗器等磁性部件的磁芯中使用根据本发明的复合材料，能够降低损耗，并且有助于降低诸如电抗器等磁性部件中的损耗。此外，根据本发明的复合材料具有大于50体积％的磁性粉末的含量。为此，磁性成分的比例足够高。因此，根据本发明的复合材料可以具有得到提高的且为0.6T以上的饱和磁通密度。由于磁性粉末的含量为75体积％以下，因此在制造时，含有作为复合材料的原料的磁性粉末和高分子材料的混合物能够容易地流动，从而能够以高精度形成具有各种形状的复合材料。因此，根据本发明的复合材料还具有优异的制造性。此外，根据本发明的复合材料还具有优异的形状精度和尺寸精度。
具体而言，在磁性粉末的材料(例如，纯铁、Fe-Si合金等)具有约2T的饱和磁通密度的情况下，磁性粉末的含量为大于50体积％，使得复合材料的饱和磁通密度能够容易地被设置为1.0T以上。在这种情况下，如果磁性粉末的含量为55体积％以上，则复合材料的饱和磁通密度被设置为1.1T以上。更优选的是，复合材料中的磁性粉末的含量应为55体积％以上且70体积％以下。
根据本发明的复合材料存在这样的方面：磁性粉末的密度比为0.38以上且0.65以下。密度比设置为表观密度/真密度。基于JIS Z2504(2000)“金属粉末-表观密度的测定方法”获得表观密度。真密度表示仅物质自身所占体积被设置为密度计算用体积的密度。在构成磁性粉末的各颗粒的内部没有空腔的情况下，真密度等于构成磁性粉末的材料(例如，诸如纯铁等金属)的比重。
例如，通过在原料中利用具有0.38以上且0.65以下的密度比的磁性粉末，能够制造根据上述方面的复合材料。通过使用特定的原料，能够在成型时不施加高压的情况下制造满足特定相对磁导率和特定饱和磁通密度的根据本发明的复合材料。因此，根据上述方面，制造性优异。此外，通过使用具有在满足密度比的范围内的高表观密度的粉末，能够提高填充密度。此外，通过使用具有满足0.65以下的密度比的表观密度的粉末，能够极力抑制通过磁性粉末的颗粒的接触而形成的电连接，从而将复合材料的相对磁导率抑制在低值。结果，能够在设置相对较高的饱和磁通密度的同时实现相对较低的相对磁导率。
根据本发明的复合材料存在这样的方面：所述磁性粉末包括由相同材料构成的多种颗粒。
磁性粉末由单一材料的颗粒构成。因此，只要一种磁性粉末用作复合材料的原料即可。
根据本发明的复合材料存在这样的方面：所述磁性粉末由单一材料构成，所述磁性粉末为铁粉，并且铁粉的表观密度为3.0g/cm3以上且5.0g/cm3以下。
纯铁具有比Fe-Si合金等高的饱和磁通密度。为此，在这方面中，饱和磁通密度易于提高。此外，纯铁具有7.874g/cm3的真密度。为此，在纯铁的表观密度满足该范围的情况下，铁粉具有0.38以上且0.65以下的密度比。因此，根据上述方面，饱和磁通密度较高，而且复合材料容易具有上述大于20且35以下的相对磁导率，并且制造性也优异。
根据本发明的复合材料存在这样的方面：所述磁性粉末包含由彼此具有不同的相对磁导率的多种材料构成的粉末。如果磁性物质的组成不同，则相对磁导率通常发生改变。因此，在这方面中，将相对磁导率用作磁性物质的组成之间的区别的指标。
在这方面中，含有由彼此具有不同的相对磁导率的多种材料形成的磁性粉末，也就是，含有具有高相对磁导率的磁性粉末和具有相对较低的相对磁导率的磁性粉末。因此，能够同时具有各种粉末的特性。更具体而言，具有高相对磁导率的磁性物质通常具有高饱和磁通密度，而且具有低相对磁导率的磁性物质通常具有高电阻率。因此，能够降低涡流损耗。因此，在这方面中，与含有由单一材料形成的磁性粉末的情况相比，高饱和磁通密度和低损耗彼此能够更容易地兼容。此外，在包含具有低相对磁导率的磁性体的方面中，难以发生磁通饱和的情况。为此，能够更容易地减少间隙部件。另外，在制造具有高饱和磁通密度和低损耗的复合材料的情况下，能够降低涡流损耗，而无需使用难以处置的极细磁性粉末，并且能够提高饱和磁通密度。然而，无需随着原料的混合物的粘度的下降而提高磁性粉末的含量。因此，上述方面也具有优异的制造性。
根据本发明的复合材料存在这样的方面：当获得所述磁性粉末的粒径分布时，存在多个峰。
当获取具有粒径分布的粒径rx的频率fx时，上述峰在比粒径rx小预定值k(k为设计值)的粒径rs的频率fs和比粒径rx大预定值k(k为设计值)的粒径rL的频率fL处获得，频率fx为频率fs的1.1倍以上并且为频率fL的1.1倍以上。
可以通过以下步骤制造根据本发明的复合材料：混合作为原料的磁性粉末和诸如树脂或橡胶等高分子材料来制备混合物，用混合物填充预定的成型模具，然后固化高分子材料。通过该制造方法，用于原料的磁性粉末的颗粒的形状或直径在制造之前和之后基本上不发生改变。为此，复合材料中的磁性粉末的粒径分布与用于原料的磁性粉末的粒径分布大致相同。
粒径分布中存在多个峰表明：在粒径分布的柱状图中，峰(高频值)存在于具有小粒径的点和具有大粒径的点。换言之，存在至少两个峰：即存在第一峰和第二峰，当具有第一峰的粒径用r1表示以及具有第二峰的粒径用r2表示时，粒径r1小于粒径r2(r1＜r2)。存在多个峰的方面包括高频处的细磁性粉末和粗磁性粉末。通过包括相对较大量的细磁性粉末，该方面能够降低涡流损耗，从而实现小损耗。此外，通过使用用于原料且含有细粉末和粗粉末的混合粉末，能够容易地提高磁性粉末的填充密度。结果，能够获得具有高比例的磁性成分的复合材料。因此，在这方面中，饱和磁通密度较高。此外，通过利用混合粉末，能够容易地提高填充密度。为此，无需仅使用难以处置的极细粉末。因此，能够利用具有易于处置的尺寸的粉末。因此，在这方面中，将用于原料的磁性粉末能够容易地被处置，并且制造性也优异。另外，在混合粉末用于原料的情况下，具有高分子材料的混合物具有提高的流动性。为此，能够以较高的精度成型甚至具有复杂形状的复合材料。在这点上，上述方面具有优异的制造性。在这方面中，如果磁性粉末由单一材料构成且单一材料为纯铁，则能够提高饱和磁通密度，并且如果单一材料为铁合金，则能够降低涡流损耗。
另外，不管磁性粉末的材料的数量如何，粒径分布中的峰的存在判定峰是否存在于整个磁性粉末中。更具体而言，包括以下情况。
(A)诸如纯铁或铁合金等磁性粉末由单一材料构成，并且可以在粒径分布中看到多个峰。
(B)磁性粉末由不同类型的材料构成(例如，包括纯铁和铁合金)，并且可以在某种材料(例如，纯铁)的粒径分布中看到单一峰，且可以在另一种材料(例如，铁合金)的粒径分布看到单一峰。然而，将形成共同的峰的粒径彼此错开。
(C)包括由不同类型的材料(例如，纯铁和铁合金)构成的磁性粉末，并且可以在某种材料(例如，纯铁)和另一种材料(例如，铁合金)的各粒径分布中看到多个峰。在这种情况下，某种材料(例如，纯铁)的峰和另一种材料(例如，铁合金)的峰可能彼此重叠或可能彼此错开。
(D)包括由不同类型的材料(例如，包括纯铁和铁合金)构成的磁性粉末，并且可以在某种材料(例如，纯铁)的粒径分布中看到单一峰，且可以在另一种材料(例如，铁合金)的粒径分布中看到多个峰。在这种情况下，某种材料(例如，纯铁)的单一峰和另一种材料(例如，铁合金)的单一峰可能彼此重叠或可能彼此错开。
根据本发明的复合材料存在这样的方面：构成磁性粉末的颗粒的圆形度为0.1以上且2.0以下。稍后将对测量圆形度的方法进行描述。
例如，通过使用用于原料且由满足特定圆形度的颗粒构成的磁性粉末，能够制造根据上述方面的复合材料。磁性粉末具有优异的流动性，而且能够充分形成另一颗粒能够设置在满足特定圆形度的颗粒之间的间隙。因此，通过使用特定原料，能够容易地提高磁性粉末的填充密度。由此获得的复合材料具有高比例的磁性成分和高饱和磁通密度。由上可知，在该方面中，能容易地获得具有高饱和磁通密度的复合材料，而且，制造性也优异。圆形度优选为1.0以上且1.5以下，并且更优选为1.0以上且1.3以下。
根据本发明的复合材料可以被合适地用于磁性部件的磁芯，例如，设置在安装于诸如混合动力电动汽车等车辆上的转换器等中的电抗器的磁芯。因此，作为根据本发明的电抗器，提出一种包括线圈和磁芯且磁芯的至少一部分由根据本发明的复合材料构成的电抗器。
根据本发明的电抗器具有由根据本发明的复合材料构成的磁芯的至少一部分。结果，能够产生特别的优点。更具体而言，(1)能够减少间隙部件等，并且优选地，能够省略间隙部件等，使得部件的数量少，(2)线圈所产生的磁通量难以泄漏到磁芯的外侧，使得能够降低损耗，(3)能够包括具有0.6T以上的饱和磁通密度的磁芯，以及(4)能够以高精度制造具有各种形状的磁芯，并且制造性还优异。
可选地，作为根据本发明的电抗器，提出一种包括线圈和磁芯且整个磁芯由根据本发明的复合材料构成的电抗器。
该电抗器也能够产生上述优点(1)至(4)。具体而言，整个磁芯的相对磁导率为大于20且35以下。因此，能够进一步减少间隙部件等，并且优选地，省略间隙部件等。此外，在磁芯的制造中，只要仅制造复合材料即可。与制造包括组合用的压粉成形体等的磁芯的情况相比，能够简化制造过程。因此，根据上述方面的电抗器能够进一步减少部件的数量并且提高制造性。
根据本发明的电抗器可以被合适地用于转换器的部件。因此，作为根据本发明的转换器，提出一种包括根据本发明的电抗器的转换器。
如果根据本发明的转换器包括部件数量少且能够降低损耗的根据本发明的电抗器，则制造性优异，并且能够获得低损耗。
根据本发明的转换器可以被合适地用于包括转换器和逆变器的功率转换器件的部件。因此，作为根据本发明的功率转换器件，提出一种包括根据本发明的转换器的功率转换器件。
如果根据本发明的功率转换器件包括部件数量少且能够降低损耗的根据本发明的电抗器(作为部件)，则制造性优异，并且能够获得低损耗。
本发明的有益效果
根据本发明的电抗器部件数量少且能够降低损耗。根据本发明的复合材料能够构筑部件数量少且能够降低损耗的电抗器的磁芯。
附图说明
图1的(A)是示出根据第一实施例的电抗器的概略透视图，而图1的(B)是示出沿线B-B截取的电抗器的截面图。
图2是示出设置在根据第一实施例的电抗器中的线圈和内侧芯部的组装体的透视图。
图3的(A)是示出根据第三实施例的电抗器的概略透视图，而图3的(B)是示出设置在电抗器中的磁芯的概略透视图。
图4是示意性地示出混合动力电动汽车的电源系统的概略结构图。
图5是示出包括根据本发明的转换器在内的根据本发明的功率转换器件的实例的概略电路图。
具体实施方式
下文将参考附图对本发明的实施例进行具体描述。在各附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
(第一实施例)
参考图1的(A)和图1的(B)，将对根据第一实施例的电抗器1进行描述。电抗器1包括通过螺旋地卷绕导线2w获得的单个筒状线圈2和设置在线圈2的内侧和外侧以形成闭合磁路的磁芯3。在本实例中，线圈2和磁芯3的组装体容纳在壳体4中。电抗器1的特征为磁芯3的构成材料。更具体而言，磁芯3中的设置在线圈2内侧的部分的至少一部分由压粉成形体(powder compact)制成，而设置在线圈2外侧的部分的至少一部分由特定复合材料制成。下文将对磁芯3进行详细描述，并接着将对其它部件进行描述。
[磁芯]
当线圈2通电时，磁芯3是用于形成磁通路径的部件。如图1的(B)所示，根据本实例的磁芯3包括：柱状内侧芯部31，其具有设置在线圈2内侧并被线圈2覆盖的至少一部分；以及外侧芯部32，其设置在线圈2外侧并形成为基本上覆盖内侧芯部31的一部分和线圈2的筒状外周表面。构成内侧芯部31的材料和构成外侧芯部32的材料彼此不同。更具体而言，内侧芯部31由压粉成形体形成，而外侧芯部32由包含磁性粉末和高分子材料的复合材料构成，高分子材料包含分散状态的上述粉末。在电抗器1中，特征之一在于该复合材料具有大于20且35以下的相对磁导率。
{内侧芯部}
根据本实例的内侧芯部31是沿着筒状线圈2的内周形状的柱状部件。能够适当地选择内侧芯部31的截面形状和外形。例如，内侧芯部31可以具有诸如矩形平行六面体形状等棱柱形状、椭圆体形状等，并且可以具有与线圈2的内周形状相似的形状，而且还可以具有不相似的形状。根据本实例的内侧芯部31被假定为其中既没有诸如氧化铝板等间隙部件也没有气隙的实心元件。
当将沿着线圈2的轴向(图1的(B)中的竖直方向)的长度称为内侧芯部31的长度或线圈2的长度时，根据本实例的内侧芯部31的长度大于图1的(B)所示的线圈2的长度。此外，内侧芯部31在壳体4中被容纳为：一个端面(在图1的(B)中设置在壳体4的开口侧的表面)与线圈2的端面基本上齐平，而另一端面(在图1的(B)中设置在壳体4的底面侧的表面)及附近部分突出超过线圈2的另一端面。因此，对于电抗器1而言，在磁芯3中，设置在筒状线圈2的内侧的部分由构成内侧芯部31的一部分的压粉成形体形成，而设置在线圈2的外侧的部分由构成内侧芯部31的其它部分的压粉成形体和构成外侧芯部32的复合材料形成。
能够适当地选择内侧芯部31的突出长度。在此，采用仅内侧芯部31的另一端面侧突出超过线圈2的另一端面的构造。然而，也能够采用内侧芯部31的各个端面都突出超过线圈2的相应端面的构造。此时，也能够采用突出长度彼此相等或彼此不同的任何构造。可选地，能够采用内侧芯部31的长度与线圈2的长度彼此相等的构造，也就是，内侧芯部31的各个端面与线圈2的相应端面均彼此齐平的构造。例如，能够采用这样的构造：在磁芯3中，仅有设置在线圈2的内侧的部分由压粉成形体制成，而设置在线圈2的外侧的整个部分由复合材料制成。所有上述构造都包括复合材料，使得当线圈2通电时会形成闭合磁路。
通常可以通过以下方式获得压粉成形体：成型然后焙烧由磁性颗粒构成的磁性粉末、包括磁性颗粒和形成在磁性颗粒的表面上的绝缘涂层的涂层磁性粉末以及除了具有这些粉末之外还具有适当混合的粘结剂的混合粉末。在将涂层磁性粉末用于原料的情况下，在绝缘涂层的耐热温度以下进行焙烧。原料的涂层磁性粉末中的绝缘涂层的实例包括磷酸盐化合物、有机硅树脂等。原料中的绝缘涂层在某些情况下进行焙烧之后保持完好无损，而在其它情况下进行焙烧则变成化合物(将在后文中描述)等。通过调整磁性颗粒的材料、磁性粉末和粘结剂的混合比以及含有该绝缘涂层的各种涂层的量，并且调节压粉成形体的制造过程中的成型压力，能够改变压粉成形体的磁特性。例如，当使用由具有高饱和磁通密度的材料构成的磁性粉末时，减少粘结剂的混合量来提高磁性成分的比例，或提高成型压力，从而获得具有高饱和磁通密度的压粉成形体。即使压粉成形体处于相对复杂的三维形状，也能够容易地成型压粉成形体，并因此表现出优异的制造性。
磁性颗粒的材料的实例可以为铁基材料(如：诸如Fe、Co或Ni等铁族金属(例如，由Fe和不可避免的杂质制成的纯铁)、主要成分为Fe的铁合金(Fe-Si基合金、Fe-Ni基合金、Fe-Al基合金、Fe-Co基合金、Fe-Cr基合金、Fe-Si-Al基合金等))、稀土类金属合金以及诸如铁氧体(氧化铁)等软磁性材料。具体而言，对于铁基材料而言，更易于获得具有比铁氧体高的饱和磁通密度的压粉成形体。构成形成在压粉成形体上的绝缘涂层的材料的实例包括磷酸盐化合物、硅化合物、锆化合物、铝化合物、硼化合物等。粘结剂的实例包括热塑性树脂、非热塑性树脂、高级脂肪酸等。粘结剂可以通过上述的焙烧而消失或者可以变为诸如二氧化硅等绝缘体。关于压粉成形体，诸如绝缘涂层等绝缘体存在于磁性颗粒之间，使得磁性颗粒之间彼此绝缘。因此，即使在以高频功率对线圈通电的情况下，涡流损耗也是小的。在磁性颗粒由金属形成的情况下，如果存在绝缘涂层的话，则绝缘涂层能够降低涡流损耗。在磁性颗粒由诸如铁氧体等绝缘体形成的情况下，无需包括绝缘涂层。能够使用已知的压粉成形体。
能够适当地选择内侧芯部31的饱和磁通密度或相对磁导率。在要获得恒定磁通的情况下，由于至少内侧芯部31中的被线圈2覆盖的部分中的饱和磁通密度的绝对值较高且至少内侧芯部31中的被线圈2覆盖的部分的饱和磁通密度高于外侧芯部32的饱和磁通密度，因此能够减小被线圈2覆盖的部分的截面面积(磁通穿过的部分的面积)。为此，能够减小具有高饱和磁通密度的内侧芯部31的电抗器1的尺寸(能够减小其体积)。因此，优选的是，至少内侧芯部31中的被线圈2覆盖的部分的饱和磁通密度应该为1.6T或以上，进一步应该为1.8T以上，特别地应该为2T以上，并且应该为外侧芯部32的饱和磁通密度的至少1.2倍以上，进一步应该为外侧芯部32的饱和磁通密度的至少1.5倍以上，特别地应该为外侧芯部32的饱和磁通密度的至少1.8倍以上，上述表述均没有上限。当构成内侧芯部31的材料使用电磁钢板(以硅钢板为代表)的层叠体来替代压粉成形体时，能够容易地进一步增大内侧芯部31的饱和磁通密度。
在此，构成内侧芯部31的压粉成形体由包括诸如绝缘涂层等涂层的软磁性金属粉末形成，并且具有1.6T以上的磁通密度以及100以上且500以下的相对磁导率。
[外侧芯部]
根据本实例的外侧芯部32是设置为基本上覆盖线圈2和内侧芯部31的组装体(图2)的外周且内部既没有设置间隙部件也没有气隙的实心元件。具体而言，外侧芯部32形成为覆盖线圈2的两个端面和外周表面以及内侧芯部31的一个端面和另一端面侧的外周表面，并且如图1的(B)所示，外侧芯部32沿线圈2的轴向截取的截面形状为倒U形。内侧芯部31的一部分和外侧芯部32通过外侧芯部32中的高分子材料彼此粘合，以形成闭合磁路，而且还构成一体的磁芯3。换言之，根据本实例的磁芯3不具有置于内侧芯部31与外侧芯部32之间的诸如粘合剂等另一部件。
如果能够形成闭合磁路，则外侧芯部32可以具有任何形状。例如，也可以采用这样的构造：线圈2的外周的一部分没有被构成外侧芯部32的复合材料覆盖。关于将在后文中描述的水平构造(第五实施例)，能够容易地制造使线圈2的外周的一部分从复合材料露出的构造。
磁性粉末
复合材料中的磁性粉末的材料的实例包括诸如铁族金属(例如纯铁或铁合金)等铁基材料、诸如稀土类金属合金等金属以及诸如化合物(非金属)(例如，铁氧体)等软磁性材料。构成复合材料的磁性粉末的类型可以为与构成内侧芯部31的压粉成形体的磁性粉末的类型相同或者可以含有由不同类型的材料形成的粉末。
示例性纯铁可以为含有99.5质量％(质量百分比)以上的Fe且剩余部分为不可避免的杂质的纯铁。纯铁具有高饱和磁通密度。为此，含有纯铁粉末的复合材料倾向于具有随纯铁粉末的含量比例上升而增大的饱和磁通密度。通过使用复合材料，能够容易地获得具有高饱和磁通密度的磁芯。例如，能够采用磁性粉末含有最大量的纯铁粉末的复合材料或所有磁性粉末均由纯铁粉末构成的复合材料。
在此，磁性粉末可以含有包括磁性颗粒和覆盖磁性颗粒的外周的绝缘涂层在内的涂层粉末。在含有涂层粉末的复合材料中，绝缘涂层置于磁性颗粒之间，并且使磁性颗粒能够彼此绝缘。为此，含有涂层粉末的复合材料能够容易地降低涡流损耗。通过使用复合材料，能够容易获得具有低损耗的磁芯。当磁性粉末中的涂层粉末的含量比例增大时，能够降低涡流损耗，使得能够容易地获得具有低损耗的磁芯。构成绝缘涂层的绝缘材料的实例包括磷酸盐、有机硅树脂、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属磷酸盐化合物、金属硼酸盐化合物、金属硅酸盐化合物等。包括在氧化物、诸如金属盐化合物等化合物中的金属元素的实例包括Fe、Al、Ca、Mn、Zn、Mg、V、Cr、Y、Ba、Sr、稀土元素(不包括Y)等。所列出的材料是非磁性材料，并且包括由非磁性材料构成的绝缘涂层，从而能够抑制相对磁导率的增大。优选的是，纯铁粉末应当为涂层粉末，因为可以如上文所述的那样降低涡流损耗。如果铁合金粉末(将在后文中描述)被设置为涂层粉末，则能够更容易地降低涡流损耗，而且还能够容易地减小相对磁导率。
铁合金的实例包括含有作为添加元素的总量为1.0质量％以上且20.0质量％以下的选自Si、Ni、Al、Co、Cr中的至少一种元素的合金。更具体而言，铁合金的实例包括诸如Fe-Si基合金、Fe-Ni基合金、Fe-Al基合金、Fe-Co基合金、Fe-Cr基合金、Fe-Si-Al基合金等。铁合金通常具有比纯铁高的电阻。具体而言，Fe-Si基合金或Fe-Si-Al基合金(森达斯特合金(Sendust))等含Si的铁合金具有高电阻率。为此，含有铁合金粉末的复合材料能够降低涡流损耗，而且还具有小的磁滞损耗。通过使用复合材料，能够容易地获得具有低损耗的磁芯。例如，能够获得所有磁性粉末均由铁合金粉末(优选地为含有Si的铁合金粉末)构成的复合材料。在复合材料包含具有不同组成的铁合金粉末的一些情况下，除了能够降低涡流损耗之外，还能够提高饱和磁通密度。
复合材料中的磁性粉末可以由如上所述的单种材料(仅为纯铁粉末等)构成。可选地，复合材料中的磁性粉末可以包含由具有不同相对磁导率的多种材料构成的粉末。例如，采用包括纯铁粉末和铁合金粉末的构造以及包括具有多种不同组成的铁合金粉末的构造。在前者的构造中，通过包含纯铁粉末能够提高饱和磁通密度，并且通过包含铁合金粉末能够降低涡流损耗。因此，通过使用复合材料，能够容易地获得具有高饱和磁通密度和低损耗的磁芯。在该构造中，随着纯铁粉末的含量的增大，能够提高饱和磁通密度。为此，在需要提高饱和磁通密度的情况下，磁性粉末优选地包含最大量的纯铁粉末，并且更优选地含有过半数的纯铁粉末。在后者的构造中，所有磁性粉末为铁合金粉末。因此，能够降低涡流损耗。通过使用复合材料，能够容易地获得具有低损耗的磁芯。通过调整铁合金的组成，还能够提高饱和磁通密度。
构成磁性粉末的颗粒可以具有可选的形状，例如球形形状和非球形形状(例如，板形形状、针形形状、棒形形状等其它不同的形状)。用在如上所述的原料中的磁性粉末以及复合材料中的磁性粉末具有彼此大致相同的形状或尺寸。因此通过在原料中使用具有所需颗粒形状的磁性粉末，能够获得包含具有所需颗粒形状(例如，将在后文中描述的圆形度满足特定范围)的磁性粉末的复合材料。
如果构成磁性粉末的颗粒的形状接近于球形形状，则在球形颗粒之间的间隙中倾向于形成能够使另一颗粒(优选地为比所述颗粒更细的颗粒)介入的间隙。结果，倾向于提高磁性粉末的填充密度。通过提高填充密度，能够容易地获得如上文所述的那样的具有高饱和磁通密度的复合材料。此外，当构成磁性粉末的颗粒具有球形形状时，存在复合材料的损耗较小的趋势。随着分散在复合材料中的磁性颗粒彼此接触的部分的数量的增大，如果颗粒由金属形成，则复合材料的相对磁导率过度增大或涡电流流入到磁性颗粒之间的部分中。为此，存在损耗可能增大的担心。即使球形颗粒彼此邻接，但球形颗粒彼此基本上还是简单地点接触，而彼此几乎不会面接触。因此，可以推测，能够降低损耗。因此，在复合材料的制造中，提出将具有1.0以上且2.0以下的圆形度的构成磁性粉末的颗粒用于原料。
圆形度设置为：最大直径/圆当量直径。圆当量直径规定了构成磁性粉末的颗粒的轮廓，并且为具有与由该轮廓包围的面积S等同的面积的圆的直径。换言之，圆当量直径用圆当量直径＝2×{轮廓中的面积S/π}1/2表示。最大直径被设置为具有该轮廓的颗粒的最大长度。例如，通过制造用树脂等使用于原料的磁性粉末硬化的样品并且使用光学显微镜、扫描型电子显微镜(SEM)等观察样品的截面来获得面积S。只要使由此获得的截面的观察图像受到图像处理(例如，二值化处理)等即可，从而提取颗粒的轮廓来计算轮廓中的面积S。关于最大直径，从所提取到的颗粒轮廓中提取颗粒的最大直径。在使用SEM的情况下，测量条件包括截面的数量为50以上(每个截面有一个视野)、放大倍数为50倍至1000倍、每个视野要测量的颗粒数目为10个以上以及颗粒的总数为1000以上。
如上所述测得的圆形度为1的颗粒对应于理想球体。当原料中使用的磁性粉末的圆形度接近1时，能够提高填充密度并且实现优异的流动性。当复合材料中的磁性粉末的圆形度接近1时，能够降低损耗且抑制相对磁导率的过度增大。因此，优选的是，圆形度应为1.0以上且1.5以下，并且特别地应为1.0以上且1.3以下。
如上所述，特别是在颗粒由金属形成的情况下，为了通过颗粒的过度接触来增大相对磁导率并且减少涡电流的产生和增大，理想的是，磁性粉末应为涂层粉末。在原料使用具有接近理想球体(具有满足特定范围的圆形度)的颗粒形状的粉末的情况下，甚至不具有绝缘涂层的磁性颗粒也能够抑制颗粒的过度接触，从而降低了复合材料的相对磁导率。因此，采用用于原料且具有满足特定范围的圆形度的磁性粉末作为用于制造复合材料的有效结构之一，该复合材料的饱和磁通密度具有0.6T以上的极大值，进一步地具有1.0T以上的极大值，同时该复合材料的相对磁导率具有35以下的相对较小值。
为了制造具有满足特定范围的圆形度的粉末，例如通过使用用于冷却介质的惰性气体的气体雾化方法制造粉末，或对具有通过水雾化法等形成的不同形状的粉末(具有特定范围之外的圆形度的粉末)进行诸如研磨等圆化处理。在进行研磨的情况下，通过适当地选择磨粒的粒径能够调整要在原料中使用的磁性粉末的圆形度。然而，获得具有预定圆形度的粉末的方法并不限于这些方法，只要能够通过获得圆形度的方法来制造粉末即可。此外，同样在要用于原料的磁性粉末包含粗粉的一些情况下，利用具有接近于球形的形状的粉末(也就是说，圆形度接近1.0的粉末)能够降低复合材料的损耗。以相对较低的压力形成复合材料，使得构成复合材料中的磁性粉末的各个颗粒的圆形度与构成用于原料的磁性粉末的各个颗粒的圆形度大致相等(圆形度满足1.0以上且2.0以下)。为了测量复合材料中的磁性粉末的圆形度，例如，截取复合材料的截面，并且如上文描述的那样使用显微镜观察截面所观察到的图像。
在具有特定粒径分布(将在后文中描述)的磁性粉末用于原料的情况下，即使颗粒具有非球形形状，也能够有效提高填充密度。结果，能够获得具有高比例磁性成分的复合材料。换言之，在调整将要用于原料的磁性粉末的粒径分布的情况下，在复合材料的制造中原料可以使用具有可选颗粒形状的粉末。因此，能够用于原料的磁性粉末的颗粒形状具有高的自由度。
可以适当地选择复合材料中的磁性颗粒的尺寸。例如，磁性颗粒的粒径为10μm以上且200μm以下。此外，复合材料中的磁性颗粒可以包含彼此具有不同尺寸的各种颗粒。例如，当获得复合材料中的磁性颗粒的粒径分布时，能够获得存在多个峰的构造。简言之，在一定程度上，在高频处存在具有小粒径的特定颗粒和具有大粒径的特定颗粒。根据该构造，微粒可介于形成于粗粒之间的间隙中。为此，因为能够容易地提高磁性粉末的填充密度并且倾向于提高磁性成分的比例，复合材料具有高饱和磁通密度。另外，由于磁性粉末的粒径较小，因此能够降低涡流损耗。因此，含有微粒的复合材料具有低损耗。
峰的数目可以为两个或三个以上。当具有仅包括一个峰的粒径分布(例如，具有宽峰的粉末、具有陡峰的粉末等)的磁性粉末用于原料时，如果磁性粉末微细，则难以处置原料并且操作性降低，而如果磁性粉末粗，则填充密度降低。另一方面，如果根据粒径存在两个峰，则能够抑制操作性的降低，而且能够充分提高填充密度。换言之，当在粒径分布中具有第一峰的粒径和具有第二峰的粒径分别用r1、r2表示时，只要存在满足r1＜r2的两个峰即可。具体而言，在存在满足r1≤(1/2)×r2的两个峰的构造的情况下，粒径r1为粗粒的粒径r2的一半以下的微粒能够充分介入粗粒之间的间隙中，从而能提高填充密度。因此，能够提高饱和磁通密度，而且微粒存在于高频处。结果，能够获得具有低损耗的复合材料。当粒径r1、r2之差(r2–r1)增大时，间隙被微粒有效地填充，从而倾向于提高填充密度。因此，优选的是，粒径r1应满足：r1≤(1/3)×r2。然而，如果粒径r1过小，则难以进行处置，从而操作性倾向于降低。为此，优选的是，应满足：r1≥(1/10)×r2。不管材料如何，当粒径r1较小时，能够降低损耗(具体而言为涡流损耗或铁损)，而当粒径r1较大时，磁性粉末易于处置。
能够采用具有多个峰的磁性粉末由相同类型的材料(相同的组成)构成的构造，即，磁性粉末由单种材料构成的构造，或采用磁性粉末由不同类型的多种材料构成的构造。在前者的单种材料的情况下，例如，当磁性粉末为纯铁粉末时，粒径r1为50μm以上且100μm以下，而粒径r2为100μm以上且200μm以下，并且优选地，粒径r1为50μm以上且70μm以下，而粒径r2为100μm以上且粒径150μm以下(其中，r1＜r2，优选地，r1≤(1/2)×r2)。复合材料在高频处含有相对于具有满足该范围的粒径r1的微粒而言足够大的具有满足该范围的粒径r2的颗粒。结果，粒径r1与粒径r2之差较大，使得能够容易地提高填充密度。为此，磁性成分在复合材料中的比例变得更大，使得能够提高饱和磁通密度。由于磁性粉末为纯铁粉末，因此复合材料具有更高的饱和磁通密度。此外，复合材料在高频处含有相对于粒径r2足够细的颗粒(具有粒径r1的颗粒)，该足够细的颗粒为50μm以上且100μm以下。结果，能够降低涡流损耗。由于粒径r2为200μm以下，因此能够容易地降低涡流损耗，使得复合材料具有低损耗。此外，存在于高频处的最细颗粒的粒径为50μm以上。因此，具有小于50μm的粒径的极细颗粒的数量少，使得能够容易地处置用于原料的铁粉，并且操作性优异。
在前者的单种材料的情况下，例如，当磁性粉末为铁合金粉末时，能够采用这样的构造：在粒径为50μm以下的情况下，能够容易地进行处置，并且粒径r1满意50μm以下。例如，能够采用粒径r1为10μm以上且40μm以下的构造。能够采用40μm以上且150μm以下的粒径r2(其中，r1＜r2)。根据该构造，粒径r1较小，并且磁性粉末由铁合金构成。因此，尽管磁性粉末由铁合金构成，也能够获得以下优点：(1)进一步降低涡流损耗，从而能够获得具有低损耗的复合材料；以及(2)由于能够容易地进一步提高填充密度，因此在一定程度上，饱和磁通密度也是高的。此外，具有50μm以下的粒径的相对较细的铁合金能够更容易地形成球形颗粒，并且还具有优异的细球形粉末的制造性。
在后者的不同类型的材料的情况下，例如，能够采用这样的构造：当获得磁性粉末的粒径分布时，存在多个峰，并且峰中的至少两个为由彼此具有不同相对磁导率的材料构成的粉末的峰。关于该构造，在高频处包含细磁性粉末和粗磁性粉末，并且各个部分的粉末的材料彼此不同。关于该构造，包含由不同材料构成的磁性粉末。因此，基于该组成，能够提高饱和磁通密度或降低涡流损耗。此外，关于该构造，包含细粗混合粉末。因此，能够获得高填充密度。因此，饱和磁通密度高。作为更具体的构造，例如，能够采用一个峰为纯铁粉末的峰而其它峰为铁合金粉末的峰的构造、各个峰为具有彼此不同的组成的铁合金粉末的峰的构造。
在包括纯铁粉末和铁合金粉末的构造中，在具有包括最小粒径的任意峰的粉末为纯铁粉末的情况下，也就是说，在纯铁粉末具有粒径r1且铁合金粉末具有粒径r2的情况下，细纯铁粉末被包含在高频处。因此，即使包含纯铁粉末，也能够降低涡流损耗。因此，关于该构造，能够通过高频处的纯铁粉末获得高饱和磁通密度，并且细纯铁粉末和铁合金粉末混合为能够获取低损耗。此外，关于该构造，具有高饱和磁通密度的细纯铁颗粒倾向于连续存在于粗铁合金颗粒周围。为此，磁通能够容易均一地通过。作为根据该构造的具体粒径，粒径r1为50μm以上且100μm以下，而且更进一步为50μm以上且70μm以下。粒径r2为50μm以上且200μm以下(其中，r1＜r2)，而且更进一步为150μm以下。
在包括纯铁粉末和铁合金粉末的构造中，在具有包括最小粒径的任意峰的粉末为铁合金粉末的情况下，也就是说，在铁合金粉末具有粒径r1且纯铁粉末具有粒径r2的情况下，细铁合金粉末被包含在高频处。结果，可以更大地降低涡流损耗。因此，关于该构造，通过包含纯铁粉末能够获得高饱和磁通密度，并且通过包含细铁合金粉末能够进一步获得低损耗。作为根据该构造的具体粒径，粒径r1为50μm以下，而且更进一步为10μm以上且30μm以下。粒径r2为100μm以上且200μm以下，而且更进一步为140μm以上且200μm以下(优选地，r1≤(1/2)×r2)。
关于仅包括铁合金粉末的构造，根据具有包括最小粒径的任意峰的粉末的特性，例如，能够采用具有更高饱和磁通密度的构造或具有更低损耗的构造。作为根据该构造的具体粒径，粒径r1为50μm以下，而且更进一步为10μm以上且30μm以下。粒径r2为30μm以上且200μm以下(其中，r1＜r2)，而且更进一步为40μm以上且150μm以下。
为了测量复合材料中的磁性粉末的粒径分布，例如，除去高分子成分，以提取磁性粉末，并且通过使用粒径分析仪分析由此获得的磁性粉末。因为不存在高分子成分，这种技术能够以高精度测量磁性粉末的粒径分布。在包含由多种不同材料构成的磁性粉末的情况下，可以测得磁性粉末的每种组成的粒径分布，并且然后可以合成这些粒径分布。在复合材料包含非磁性粉末(将在后文中描述)的情况下，例如，优选的是，借助于磁体选择磁性粉末和非磁性粉末。可选地，可以使用X射线衍射、能量色散X射线光谱法(EDX等)来执行成分分析，从而进行选择。可以使用市售的粒径分析仪。
为了制造具有上述粒径分布的复合材料，分别在原料中使用在高频处包含具有满足r10＜r20(优选地为r10≤(1/2)×r20)的粒径r10、r20的颗粒的磁性粉末。在使用市售的粉末的情况下，只要检查粒径分布即可，从而使用满足特定粒径分布的粉末。为了满足所需的粒径，可以通过使用筛子等执行分级。通常可以通过使用雾化法(气体雾化法、水雾化法等)来制造将用于原料的磁性粉末。具体而言，通过使用经由气体雾化法制得的粉末，存在能够获得具有低损耗的复合材料的趋势。还能够通过适当地研磨粗粉末获得所需的粒径。此外，通过制备具有上述不同粒径的多种粉末并且使用满足用于原料的圆形度的粉末，能够容易地获得具有较低损耗和较高饱和磁通密度的复合材料。
通过使用用于原料且具有小粒径差的磁性粉末，复合材料中的磁性粉末的粒径分布可以仅具有一个峰。在将具有相同粒径分布和不同组成的磁性粉末用于原料的情况下，复合材料中的磁性粉末的粒径分布可以仅具有一个宽峰或陡峰。
复合材料中包含的磁性粉末满足：密度比＝表观密度/真密度且为0.38以上且0.65以下。通过使用用于原料且具有0.38以上且0.65以下的密度比的磁性粉末能够制造该复合材料。由此获得的复合材料中的磁性粉末的密度比大致保持用于原料的磁性粉末的密度比。通过使用用于原料且具有0.38以上的密度比的磁性粉末，能够在无需过度升高成型时的压力的情况下制造具有0.6T以上的饱和磁通密度的复合材料。可以容易地制造具有0.65以下的密度比的磁性粉末，而且还能够防止该磁性粉末在混合物中沉积下来，从而在磁性粉末与高分子材料混合时进行分离。结果，能够制造磁性粉末均匀分散的复合材料。此外，如果复合材料中的磁性粉末的密度比为0.65以下，则相对磁导率能够被抑制在低值。因此，能够产生以下突出的优点：(1)具有满足特定范围的密度比的复合材料在原料和复合材料的制造性方面优异，(2)具有满足特定范围的密度比的复合材料是均质的，(3)具有满足特定范围的密度比的复合材料能够降低相对磁导率。
密度比为0.45以上，并且进一步优选为0.5以上，还优选为0.6以下。为了将密度比设置为0.38以上且0.65以下，例如，将具有满足特定范围的圆形度的粉末(球形粉末)用于原料。因此，能够适当地使用通过上述气体雾化法等制得的粉末用于原料。通过除去接触面积经由将用于原料的磁性粉末的分级等而容易地得到增大的粗颗粒，能够容易地提高表观密度。
在磁性粉末为铁粉的情况下，优选的是，铁粉的表观密度应为3.0g/cm3以上且5.0g/cm3以下。在铁粉的表观密度满足该范围的情况下，密度比可以为0.38以上且0.65以下。因此，该构造能够产生以下优点：除了上述(1)优异的制造性、(2)均质和(3)较低的相对磁导率的优点之外，(4)通过包含纯铁粉末能够提高饱和磁通密度。通过调整粒径或铁粉的形状能够改变铁粉的表观密度。存在这样的趋势：当铁粉的粒径较小或铁粉的形状接近球形形状时，表观密度增大。
当用于原料的磁性粉末预先受到适当的表面处理时，可以期待的这样的优点：可以防止凝结并且可以抑制高分子材料(具体而言，树脂)中的沉淀。例如，当预先用硅烷偶联剂等执行表面处理时，能够提高磁性粉末与高分子材料之间的粘合性，使得能够抑制未硬化的高分子材料中的磁性粉末的沉淀。例如，当预先用表面活性剂等执行表面处理时，能够防止凝结。可以顺序执行或同时执行这些表面处理。在磁性粉末和高分子材料的混合物中，还能够混合用于防止沉淀的表面处理剂。然而，存在这样的趋势：通过在混合前执行表面处理，能够获得良好的防沉淀的优点。
复合材料中的磁性粉末相对于整个复合材料的含量(与材料无关的总量)被设置为大于50体积％(体积百分比)且75体积％以下。磁性粉末的含量为大于50体积％，使得磁性成分的比例足够高。结果，能够获得这样的复合材料：饱和磁通密度高，而相对磁导率不过度高但是为大于20且35以下。由于磁性粉末的含量为75体积％以下，因此在复合材料的制造中，作为原料的磁性粉末和未硬化高分子材料的混合物具有优异的流动性。因此，成型模具能够被该混合物良好地填充。因此，甚至能够以高的精度成型具有复杂形状的复合材料，使得复合材料的制造性优异。此外，复合材料的形状精度和尺寸精度优异。具体而言，理想的是，磁性粉末的含量应为55体积％以上且70体积％以下。原料被制备为具有所需含量。通过除去高分子成分来获取磁性成分的体积或对截面的显微镜照片进行图像处理来从截面中的磁性成分的面积比转换体积比，能够获得复合材料中的磁性粉末的含量。
在磁性粉末的含量在该范围内被提高的情况下，例如，在含量被设置为60体积％以上而且更进一步被设置为65体积％以上的情况下，通过使用上述细粉末和粗粉末的混合粉末，能够容易地实现高填充密度。由此获得的复合材料具有高比例的磁性成分和高饱和磁通密度。
高分子材料
作为复合材料中的粘结剂，高分子材料包括树脂和橡胶。树脂的实例包括诸如有机硅树脂、环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚氨酯树脂等热固性树脂，诸如聚苯硫醚(PPS)树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂或氟树脂等等热塑性树脂。还能够使用作为主要成分的含有不饱和聚酯树脂的BMC(团状模塑料)和诸如玻璃纤维等增强材料。橡胶的实例包括硅橡胶、氟橡胶等。所列出的材料中的有机硅树脂、环氧树脂、PPS树脂、硅橡胶等具有优异的耐热性。在使用热固性树脂或橡胶的情况下，填充在成型模具中的混合物被加热至预定温度并由此被硬化。其它高分子材料的实例包括常温固化性树脂或低温固化性树脂。在这种情况下，将填充在成型模具中的混合物置于常温至相对较低的温度下以固化树脂。
复合材料通常具有比粉末化合物多的高分子材料，诸如树脂或橡胶等(为非磁性材料)。因此，同样在包含与构成内侧芯部31的压粉成形体相同的磁性粉末的情况下，由复合材料构成的外侧芯部32容易具有比压粉成形体低的饱和磁通密度和相对磁导率。通过调整磁性粉末的材料或形状、绝缘涂层的有无或厚度、粘结剂的含量等，能够容易地改变复合材料的磁特性。
通常复合材料可以通过注塑成型或铸塑成型来形成。注塑成型在流化状态(液态通常具有粘度)下混合高分子材料和作为原料的磁性粉末，向混合物(浆液状混合物)施加预定压力，将该混合物注入到具有预定形状的成型模具中进行成型，然后硬化高分子材料。铸塑成型获得与注塑成型中的混合物相同的混合物，然后在不施加压力的情况下将该混合物注入到成型模具中进行成型并且硬化。在第一实施例中，壳体4能够用作成型模具。在这种情况下，能够容易地以高精度成型与壳体4的内周形状相符的复合材料(在这种情况下为外侧芯部32)。还能够制造具有所需形状的多个成形体并且组合由这些复合材料构成的成形体，从而构筑具有所需形状的磁芯3。
磁特性
复合材料的饱和磁通密度设置为0.6T以上。当复合材料的饱和磁通密度增大时，能够构筑具有高饱和磁通密度的磁芯，因此0.8T以上甚至1T以上是优选的，更进一步地，1.1T以上是优选的，并且不特定设置上限。然而，在本实例中，饱和磁通密度设置为低于内侧芯部31(压粉成形体)的饱和磁通密度。具体而言，在仅纯铁用于磁性粉末的情况下，能够容易地实现1.15T以上的饱和磁通密度。在仅铁合金用于磁性粉末的情况下能够容易地实现大于1.05T的饱和磁通密度。
复合材料的相对磁导率设置为大于20且35以下。由于复合材料的相对磁导率大于20，因此当复合材料用于磁芯3(具体而言，在这种情况下为设置在线圈2外侧的外侧芯部32)时，还能够降低损耗。由于复合材料的相对磁导率为35以下，因此当复合材料用于磁芯3时，磁芯3难以磁饱和，并且能够减少间隙部件或气隙。当复合材料的相对磁导率减小时，能够容易地减少间隙部件等，从而有助于减少电抗器1中的部件的数量。因此，优选的是，复合材料的相对磁导率应为大于20且30以下。
在此，构成外侧芯部32的复合材料由包括具有位于磁性颗粒的表面上的绝缘涂层的涂层粉末以及环氧树脂在内的复合材料形成，并且具有0.6T以上的饱和磁通密度以及大于20且35以下的相对磁导率。涂层粉末的含量为大于50体积％且75体积％以下。因此，磁芯3具有部分不同的磁特性。内侧芯部31具有比外侧芯部32高的饱和磁通密度，而外侧芯部32具有比内侧芯部31低的相对磁导率。外侧芯部32的相对磁导率低于内侧芯部31的相对磁导率，内侧芯部31的相对磁导率为100以上且500以下。结果，磁通能够容易地通过内侧芯部31。
根据本实例的磁芯3具有大于20且100以下的整体相对磁导率。磁芯3具有上述相对较低的整体相对磁导率，并且可以整体具有一体化的无隙结构，而不使用间隙部件或气隙。
[线圈2]
线圈2是通过螺旋地卷绕单根连续导线2w而获得的管状部件。导线2w优选为在由诸如铜、铝及其合金等导电材料制成的导体的外周上具有由绝缘材料制成的绝缘涂层的涂层导线。能够使用具有各种形状的导体，例如具有矩形横截面的矩形线、具有圆形横截面的圆线、具有多边形横截面的异形线等。构成绝缘涂层的代表性的绝缘材料为诸如聚酰胺亚胺(polyamideimide)等瓷漆材料。绝缘涂层越厚越能提高绝缘性能。绝缘涂层的具体厚度为20μm以上且100μm以下。可以适当地选择导线2w的横截面面积和卷绕数量(匝数)，以具有所需特性。线圈2的端面的形状可以为外形仅由曲线形成的形状，例如图2所示的环形形状、椭圆形形状(未示出)等，并且线圈2的端面的形状可以为外形由曲线和直线形成的扁平形状，例如跑道形状、圆角矩形形状(参见图3，其将在后文中描述)等。具有环形端面的筒状线圈易于卷绕导线，并且制造性优异。
此处，线圈2为由扁立(edgewise)卷绕的涂层矩形导线制成的扁立线圈，该矩形导线包括导体和绝缘涂层，其中所述导体为具有矩形横截面形状的矩形铜线，所述绝缘涂层为瓷漆。线圈2的端面形状具有环形形状。
诸如用于将电力供应至线圈2的电源等外部装置(未示出)与形成线圈2的导线2w的两端连接。通常，导线2w的两端适当地从匝部延伸(其从图1的(A)和图1的(B)中的壳体4引出)，端子部件与通过剥离绝缘涂层而露出的导体部分连接，并且外部装置通过端子部件与导线2w的两端连接。端子部件由诸如铜或铝等导电材料构成。使用焊接(例如，TIG焊接)、压接法等来连接端子部件。
本实例所示的电抗器1采用这样的构造(在下文中称为竖直类型)：线圈2和磁芯3的组装体被容纳为线圈2的轴向与壳体4的底面垂直。关于该竖直类型，能够减小电抗器1在安装对象(例如将安装电抗器1的冷却台)上的安装面积。
[壳体]
根据本实例的壳体4是构造有矩形底面和从底面竖起的四个侧壁的长方体状的容器，并且具有使得与底面相面对的面敞开的底管状形状。壳体4容纳线圈2和磁芯3的组装体，以保护且机械保护线圈2和磁芯3不受环境影响，而且当电抗器1被固定在诸如冷却台等安装对象上时，壳体4还被用作散热路径。因此，构成壳体4的材料是具有优异导热性的材料，并且优选地为具有比诸如铁等磁性粉末的导热率高的导热率的材料。例如，能够适当地使用诸如铝、铝合金、镁或镁合金等金属作为构成材料。由于铝、镁和合金都是轻质的，因此它们也适合用作构成需要为轻质的汽车部件的材料。此外，铝、镁和合金为非磁性材料且为导电材料。为此，还能够有效地防止泄漏到壳体4外侧的漏磁通。这里，壳体4由铝合金制成。
另外，根据本实例的壳体4具有一体形成的安装部41。安装部41用于将电抗器1固定在安装对象上。安装部41具有螺栓孔，并且能够借助于螺栓(未示出)容易地将电抗器1安装在安装对象上。此外，如果壳体4包括用于将线圈2或内侧芯部31放置在预定位置的定位部分，则能够将线圈2或内侧芯部31设置在壳体4的适当位置中。壳体4具有定位部分(未示出)，使得线圈2被设置在如图1的(B)所示的壳体4的中央部分中。此外，如果由诸如铝等导电材料构成的盖以相同的方式设置在壳体4中，则能够防止漏磁通并且能够保护或机械保护外侧芯部32不受环境影响。优选的是，盖应当设置有凹口或通孔，以引出构成线圈2的导线2w的端部，或应调整盖的尺寸，以形成间隙。可选地，还能够通过单独将树脂填充在壳体4的开口部附近来形成由树脂制成的盖。
[其它结构]
为了提高线圈2与磁芯3之间的绝缘性能，能够采用线圈2的外周被绝缘树脂覆盖的构造或者线圈2的外周被诸如绝缘纸、绝缘片、绝缘带等绝缘材料覆盖。绝缘树脂的实例包括环氧树脂、聚氨酯树脂、聚苯硫醚(PPS)树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂、不饱和聚酯等。此外，为了提高线圈2与内侧芯部31之间的绝缘性能，能够采用在内侧芯部31的外周上设置绝缘绕线筒的构造。该绕线筒可以包括设置在内侧芯部31的外周上的管状部件和设置在管状部件的两端上的环形凸缘部。如果绕线筒采用多个分割件组成一个单元的构造，则能够容易地设置在内侧芯部31中。构成绕线筒的材料的实例包括PPS树脂、液晶聚合物(LCP)、聚四氟乙烯(PTFE)树脂等。另外，可以用诸如热缩套管等绝缘套管覆盖内侧芯部31的外周。此外，在线圈2与壳体4接触的情况下，可以在线圈2与壳体4之间设置绝缘材料，以提高这两者之间的绝缘性能。当在导线2w的引出位置处的磁芯3的接触部分也被绝缘树脂、绝缘材料、热收缩管等覆盖时，能够提高绝缘性能。
可选地，可以省略壳体4。通过省略这种壳体，能够减少电抗器的尺寸和重量。在本实例中，在包括线圈2和磁芯3的组装体的外周表面由复合材料构成的情况下，包含诸如树脂等高分子成分。因此，同样在磁芯3被露出的构造中，能够保护和机械保护线圈2不受外部环境的影响。在包括线圈2和磁芯3的组装体的外周进一步被绝缘树脂覆盖的构造中，能够保护(提高耐腐蚀性)且机械保护包括线圈2和磁芯3不受外部环境的影响。如果绝缘树脂包含例如由具有高导热率的陶瓷制成的填料，则散热能力较高，这是优选的。此外，安装部可以与覆盖有树脂的部分一体地成型。
[用途]
具有上述结构的电抗器1可以优选地用于在以下通电条件下使用：最大电流(直流)在约100A至1000A的范围内，平均电压在约100V至1000V的范围内，使用频率在约5kHz至100kHz的范围内，或者具有上述结构的电抗器1通常用于诸如电动汽车、混合动力电动汽车等车辆中的车载功率转换器件的部件。
[电抗器的制造方法]
例如，可以按照如下方式制造电抗器1。首先，制备由压粉成形体形成的线圈2和内侧芯部31，并且将内侧芯部31插入到线圈2中，以制作如图2所示的线圈2和内侧芯部31的组装体。然后，将该组装体容纳在壳体4中。
制备构成外侧芯部32(图1的(A)和图1的(B))的磁性粉末和高分子材料(未硬化)的混合物。将这些材料充分混合为使得磁性粉末均匀分散开，然后将由此获得的混合物注入到成型模具(在此为壳体4)中。由于该混合物的上述流动性优异，因此能够以高精度填充到用作存在线圈2和内侧芯部31的复杂成型空间的壳体4中。在填充之后，硬化混合物的高分子材料，从而可以形成由复合材料构成的外侧芯部32。在此，如图1的(B)所示，外侧芯部32形成为与内侧芯部31的一个端面和内侧芯部31的另一端面侧的外周表面接触。结果，能够提供在线圈2通电时形成闭合磁路的磁芯3。在本实例中，在外侧芯部32形成的同时获得电抗器1。
[优点]
构成磁芯3的至少一部分(在此为外侧芯部32)的复合材料满足特定的相对磁导率，从而能够降低损耗。因此，电抗器1具有低损耗。此外，构成磁芯3的至少一部分(在此为外侧芯部32)的复合材料满足特定的磁导率。结果，能够减少间隙部件或气隙(在此，它们能够被省略)。因此，电抗器1的部件数量少，并且能够减少间隙部件的装配步骤或粘结步骤(在此，它们能够被省略)。因此，生产性也是优异的。
此外，因为构成外侧芯部32的复合材料的磁性成分的比例较高(磁性粉末的含量为多于50体积％)，电抗器1具有高饱和磁通密度(0.6T以上)。特别是，在电抗器1中，内侧芯部31由压粉成形体制成，从而内侧芯部31也具有高饱和磁通密度。因此，在电抗器1中，与整个磁芯3由复合材料构成的情况相比，整个磁芯3具有更高的饱和磁通密度(通过对磁芯3的饱和磁通密度求平均而得到的值)。
此外，电抗器1的外侧芯部32由复合材料构成。结果，能够获得以下优点：(1)能够容易地改变磁特性；(2)由于具有诸如树脂等高分子成分，因此线圈2和内侧芯部31被覆盖而受到保护和机械保护，从而使这两者不受外部环境的影响；(3)诸如树脂等高分子成分可以为用于粘结在内侧芯部31上的粘结材料；以及(4)能够在形成外侧芯部32的同时形成电抗器1，从而制造性优异。
另外，关于电抗器1，内侧芯部31的饱和磁通密度高于外侧芯部32的饱和磁通密度。结果，在获得与由单种材料构成的芯部(总体具有均一的饱和磁通密度的芯部)的磁通相同的磁通的情况下，能够减小内侧芯部31(特别是被线圈2覆盖的部分)的截面面积。通过减小内侧芯部31的尺寸，还能够减小线圈2的尺寸(缩短导线2w)。此外，电抗器1具有无隙结构。为此，能够降低由间隙部分中的磁通泄漏造成的铜损。因此，线圈2和内侧芯部31能够设置为彼此靠近。由上可知，电抗器1的尺寸小。此外，能够通过减小线圈2的尺寸(缩短线圈2)来减少电抗器1的重量。
(第二实施例)
在第一实施例中，提出这样的构造：形成磁芯的一部分的复合材料由磁性粉末和高分子材料(树脂)构成。另外，在磁芯的至少一部分由复合材料构成的情况下，能够采用复合材料包含由至少一种类型的材料构成的非磁性粉末的构造，也就是，磁芯由含有磁性粉末、非磁性粉末和高分子材料的复合材料构成的构造。假定磁性粉末的“磁性材料”为广义上的铁磁材料，并且通常为软磁性材料。假定非磁性粉末的“非磁性材料”不为铁磁材料。
非磁性粉末
非磁性粉末具有用于在制造复合材料时抑制磁性粉末的沉淀的效果。为了充分获得该效果，优选的是，非磁性粉末应具有比磁性粉末小的比重。更具体而言，非磁性粉末的实例包括诸如Al等金属、诸如陶瓷或硅(Si)等非金属无机材料(例如SiO2、Al2O3、Fe2O3、BN、AlN、ZnO或TiO2)、诸如有机硅树脂等有机材料等。具体而言，SiO2(二氧化硅)可以将触变性(thixotropic property)施加给树脂，并且在高分子材料设置为树脂的情况下能够容易地抑制磁性粉末的沉淀。如果包含由具有高导热率的材料(例如，SiO2、Al2O3、BN或AlN)构成的非磁性粉末，则能够提高该复合材料的散热性能。因此，通过使用复合材料，能够获得具有散热性能优异的磁芯或电抗器。如果包含含有有机硅树脂的粉末，则能够抑制在复合材料上产生裂缝。相应地，通过使用复合材料，能够获得具有高强度的磁芯或电抗器。在有机硅树脂用于将作为粘结剂的高分子材料的情况下，将粉末状的有机硅树脂添加到未固化的有机硅树脂中。还能够采用包含由一种材料构成的非磁性粉末的构造以及包含由多种不同材料构成的非磁性粉末的构造。另外，关于包含非磁性粉末的构造，非磁性颗粒存在于磁性颗粒之间，从而还能够容易地减小复合材料的相对磁导率。
构成非磁性粉末的磁性颗粒的形状的实例包括球形形状、非球形形状(例如，板形形状、针形形状、棒形形状等)等。具体而言，如果采用球形形状，则存在这样的优点：非磁性粉末能够容易地被填充在形成于磁性颗粒之间的间隙中，并且具有优异的流动性。此外，非磁性颗粒可以为实心体或中空体。在中空体的情况下，能够减少复合材料的重量。市售的粉末可以用作非磁性粉末。还能够采用包含具有一种形状的非磁性粉末的构造或包含具有多种不同形状的非磁性粉末的构造。
优选的是，复合材料中的磁性粉末和非磁性粉末应具有不同的粒径。具体而言，存在以下优选构造：当采用包含磁性粉末和非磁性粉末的混合粉末的粒径分布时，具有非磁性粉末中的峰的最大粒径rnmax小于具有磁性粉末中的峰的最小粒径rmmin。关于该构造，具有比非磁性颗粒大的粒径的磁性颗粒存在于高频处。为此，细非磁性颗粒能够存在于形成在磁性颗粒之间的间隙中，通过含有非磁性粉末，能够防止磁性粉末的填充密度被降低，或能够防止填充密度大幅降低。换言之，该构造能够防止因含有非磁性粉末而使磁性成分的比例被降低。
当磁性颗粒和非磁性颗粒的粒径之差增大时，能够容易地获得该优点。因此，优选的是，具有非磁性粉末中的峰的最大粒径rnmax应为具有磁性粉末中的峰的最小粒径rmmin的1/3以下(rnmax≤(1/3)rmmin)，和/或具有非磁性粉末中的峰的最大粒径应为20μm以下(rnmax≤20μm)。随着非磁性粉末的变小，间隙能够被更有效地填充，优选地，非磁性粉末能够仅设置在间隙中，并且能够容易地均匀扩散到磁性颗粒周围。因此，能够有效抑制磁性颗粒的沉淀。因此，更优选的是，rnmax≤(1/5)×rmmin且rnmax≤10μm。例如，能够使用粒径在约1μm至10μm范围内的非磁性粉末或粒径小于1μm的细非磁性粉末。即使非磁性粉末因此是细的，也能够容易地处置非磁性粉末，并且非磁性粉末具有优异的操作性。具体构造的实例包括这样的复合材料：在混合粉末的粒径分布中，磁性粉末的第一峰的粒径r1和第二峰的粒径r2、以及在混合粉末的粒径分布中具有非磁性粉末的峰的粒径rn满足这样的关系r2＝2r1并且rn＝(1/3)×r1。能够采用包含具有单一粒径的非磁性粉末的构造(也就是，具有非磁性粉末的单一峰的构造)和包含具有多种不同粒径的非磁性粉末的构造(也就是，存在非磁性粉末的多个峰的构造)中的任一构造。在后者的情况下，磁性粉末和非磁性粉末均具有多个峰。
如果非磁性粉末相对于整个复合材料的含量为0.2质量％以上，则非磁性颗粒能够在磁性粉末周围充分扩散，使得能够有效抑制磁性粉末的沉淀。在非磁性粉末由具有高导热率的材料构成的情况下，如果含有0.2质量％以上的非磁性粉末，则非磁性粉末充分存在。因此，能够更大地提高复合材料的散热性能。另外，利用上述非磁性粉末的均匀存在，复合材料可以具有均匀的散热性能。非磁性粉末的量越大，越能极大地获得优点。因此，非磁性粉末相对于整个复合材料的含量(在包括多种材料的情况下的总量)优选为0.3质量％以上，并进一步优选为0.5质量％以上。然后，如果过度含有非磁性粉末，则会降低磁性成分的比例。为此，非磁性粉末的含量优选为20质量％以下，进一步优选为15质量％以下，并且特别优选为10质量％以下。
含有非磁性颗粒的复合材料在制造时能够有效防止原料的混合物中的磁性粉末的沉淀。因此，混合物具有优异的流动性并且能够在成型模具(第一实施例中的壳体4)中良好地填充。因此，即使复合材料具有复杂的形状，也能高度精确地制造复合材料。此外，磁性颗粒能够容易地均匀分散在混合物中，并且能够在磁性粉末均匀分散的状态下成型和硬化。因此，能够获得磁性粉末和非磁性粉末均匀分散的复合材料。换言之，几乎不会产生因局部存在磁性粉末从而导致高损耗的部分。结果是，能够获得可以降低整个复合材料的损耗的复合材料。此外，由于复合材料整体上表现出了均匀的磁特性和均匀的热特性，因此复合材料是高度可靠的。
[试验例]
制备含有磁性粉末和高分子材料的复合材料，并且查验由此获得的复合材料的磁特性。
制备纯铁粉末(Fe：99.5质量％以上)、Fe-Si合金粉末(Si：6.5质量％，其余部分为Fe和不可避免的杂质)作为原料的磁性粉末。纯铁粉末被设置为在纯铁颗粒外周上包括由磷酸盐构成的绝缘涂层的涂层粉末，而Fe-Si合金粉末被设置为不具有绝缘涂层的裸粉末。
使用市售装置(麦奇克(Microtrac)粒径分布分析仪MT3300，由NIKKISO CO.制造)将制备得到的各磁性粉末的粒径分布作为示例，这些仪器采用激光衍射和散射法。结果(众数：μm，高频粒径：μm)如表1和表2所示。包括在涂层粉末中的绝缘涂层的厚度约为0.1μm以下，这非常薄。因此，大致不会影响涂层粉末的粒径。为此，将涂层粉末的粒径视为磁性粉末的粒径。
通过使用制备得到的磁性粉末的截面的显微镜观察图像，如上文所述的那样查验圆形度(最大直径/圆当量直径)(测量颗粒的数量：1000以上)。结果如表1和表2所示。
由此获得制备得到的磁性粉末的密度比＝表观密度/真密度。结果如表3所示。基于JIS Z 2504(2000)“金属粉末-表观密度的测定方法”获得表观密度。制备得到的纯铁粉末的表观密度具有：细粉末(众数为54μm)：3.4g/cm3、粗粉末(众数为109μm)：3.29g/cm3、以及细/粗混合粉末：3.62g/cm3。Fe-Si合金粉末的表观密度具有：细粉末(众数为11μm)：2.82g/cm3、粗粉末(众数为141μm)：3.25g/cm3、以及细/粗混合粉末：3.34g/cm3。基于构成元素的组成和比重获得真密度。通过查验文献值等获得纯铁粉末与Fe-Si合金粉末单体的真密度。此外，在包含由多种不同材料制得的粉末的情况下，获得混合粉末的密度比。例如，在包含纯铁粉末与Fe-Si合金粉末的情况下，根据(铁的真密度×纯铁粉末含量(体积％)+Fe-Si合金的真密度×Fe-Si合金粉末含量(体积％))×100，通过执行计算来获得密度比。
对于所有样品而言，制备环氧树脂作为原料的高分子材料。还制备含有非磁性粉末的复合材料。制备用于非磁性粉末的二氧化硅填料(粒径为5nm以上且50nm以下，众数为12nm≤20μm)。制备非磁性粉末，使其相对于整个复合材料的含量为0.3质量％(≥0.2质量％)。是否包含非磁性粉末也列于表3中。
制备磁性粉末、高分子材料和非磁性粉末(适宜地)，使磁性粉末相对于整个复合材料的含量等于表1和表2所示的量(体积％)，并且可以获得具有能够充分制备将在后文中描述的样品的尺寸的复合材料。除了磁性粉末之外的其余部分为高分子材料和非磁性粉末(适宜地)。
尽管为便于说明各个表的尺寸而在三个表中示出了表1至表3，但在这三个表中均示出了样品编号1-1至编号1-10的样品条件。例如，作为磁性粉末，样品编号1-1仅包括纯铁粉末，样品编号1-5仅包括Fe-Si合金粉末，而样品编号1-9包括纯铁粉末和Fe-Si合金粉末。
[表1]
[表2]
[表3]
样品编号 非磁性粉末 密度比
1-1 无 0.46
1-2 无 0.43
1-3 无 0.42
1-4 有 0.46
1-5 无 0.45
1-6 无 0.38
1-7 无 0.44
1-8 有 0.45
1-9 无 0.47
1-10 有 0.47
混合制备得到的磁性粉末、高分子材料(树脂)和非磁性粉末(适宜地)，以制成混合物，将该混合物填充到具有预定形状的成型模具中，然后固化树脂，以获得复合材料。在此，制取具有φ34mm的外径、φ20mm的内径和5mm的厚度的圆盘状样品作为用于测定磁特性的样品，并且制取具有φ50mm的直径和5mm的厚度的圆盘状样品作为用于测定散热性能的样品。
对于由此获得的各复合材料而言，测定饱和磁通密度(T)、相对磁导率μ和铁损(W/cm3)。这些结果如表4所示。
饱和磁通密度被设置为当借助于电磁体将10000(Oe)(＝795.8kA/m)的磁场施加于环形复合材料并且充分实现磁饱和时而获得的磁通密度。
按如下方式测定相对磁导率。将具有300匝的一次侧和20匝的二次侧的导线应用于各样品的环形复合材料，在H＝0(0e)至100(0e)的范围内测定B-H初磁化曲线，获得B-H初磁化曲线的B/H的最大值，并且将该最大值设置为相对磁导率μ。在此，磁化曲线是所谓的直流磁化曲线。
按如下方式计算铁损。通过对各样品的环形复合材料使用BH曲线描绘器来测定在1kG(＝0.1T)的励磁磁通密度Bm和10kHz的测定频率下的磁滞损耗Wh(W/cm3)和涡流损耗We(W/cm3)，并且磁滞损耗Wh+涡流损耗We被计算作为铁损(W/cm3)。
除去树脂成分，以从所获得的复合材料提取磁性粉末，并且以上述相同的方式通过激光衍射和散射法执行所获得的磁性粉末的粒径分析。结果，在柱状图中，具有表1和表2所示的众数的粒径的点具有峰。样品编号1-1、编号1-4、编号1-5和编号1-8至编号1-10具有多个峰。在含有非磁性粉末的复合材料中，非磁性粉末具有在粒径分布中包括峰的最小粒径。此外，以上述相同的方式找到从所得到的复合材料中提取的磁性粉末的密度比。结果，密度比大致等于表1和表2所示的值。因此，在该试验中制得的复合材料中的磁性粉末大致保持用于原料的粉末的粒径分布和密度比。
[表4]
如表4所示，将具有由相同材料构成的磁性粉末的样品彼此比较(样品编号1-1、编号1-2、编号1-3和编号1-4的比较或样品编号1-5、编号1-6、编号1-7和编号1-8的比较)。与不满足大于20且35以下的相对磁导率的复合材料相比，具有大于20且35以下的相对磁导率的复合材料具有更高的饱和磁通密度。一般来说，存在这样的趋势：当饱和磁通密度提高时，铁损随着饱和磁通密度的增大而增大。然而，在具有大于20且35以下的相对磁导率的样品中，与饱和磁通密度的增大相关联的铁损几乎不会增大或能够使该铁损相对较小。
此外，如表4所示，结果表明，与包括具有单一峰的磁性粉末的复合材料(样品编号1-2、编号1-3、编号1-6、编号1-7)相比，包括粒径分布具有多个峰的磁性粉末的复合材料(样品编号1-1、编号1-4、编号1-5、编号1-8、编号1-9、编号1-10)能够容易地具有大于20的相对磁导率。此外，当具有由相同材料形成的磁性粉末的样品比较(样品编号1-1、编号1-2、编号1-3、编号1-4的比较或样品编号1-5、编号1-6、编号1-7、编号1-8的比较)时，与包括具有单一峰的磁性粉末的复合材料(也就是，仅包括细磁性粉末或粗磁性粉末中的一种的复合材料)相比，包括粒径分布具有多个峰的磁性粉末的复合材料具有更高的饱和磁通密度。此外，结果表明，在包括粒径分布具有多个峰的磁性粉末的复合材料中，与饱和磁通密度的增大相关联的铁损几乎不会增大或能够使该铁损相对较小。另外，包括粒径分布具有多个峰的磁性粉末(也就是说，包括细磁性粉末和粗磁性粉末的粉末)的复合材料的饱和磁通密度大于仅包括细磁性粉末的复合材料的饱和磁通密度和仅包括粗磁性粉末的复合材料的饱和磁通密度的插值的期望值。获得这样结果的原因是未知的。然而，通过混合细磁性粉末和粗磁性粉末，可以推测能改变消磁系数。此外，包括粒径分布具有多个峰的磁性粉末的复合材料具有低损耗的原因被认为如下。换言之，细磁性粉末存在于高频处，从而降低涡流损耗。
另外，试验结果表明，当使用纯铁粉末时，饱和磁通密度较高，当使用铁合金时，在没有绝缘涂层的情况下获得低损耗。此外，通过例如“样品编号1-2与编号1-3”之间的比较和“样品编号1-6与编号1-7”之间的比较，结果表明，不管材料如何，越小的粒径容易具有越小的损耗。
此外，通过例如“样品编号1-1与编号1-4”之间的比较、“样品编号1-5与编号1-8”之间的比较以及“样品编号1-9与编号1-10”之间的比较，结果表明，包含非磁性粉末的复合材料具有更低的损耗。原因被认为如下。换言之，磁性粉末和非磁性粉末均匀地存在于复合材料中，基本上没有局部存在更多磁性粉末的部分。此外，结果表明，相对磁导率较低。原因被认为如下。更具体而言，在复合材料中，非磁性颗粒设置在磁性颗粒之间。
关于制备得到的圆盘状复合材料，通过温度倾斜法测定导热率。结果，包括细粗混合的磁性粉末的复合材料的导热率高于仅使用细磁性粉末和粗磁性粉末中的一者的情况的最大值，而且还高于插值的期望值。原因被认为如下。更具体而言，细磁性颗粒设置在粗磁性颗粒之间，以形成连续的热传导路径。
(第三实施例)
在第一实施例中，采用仅磁芯的一部分由特定复合材料构成的构造。另外，能够采用所有磁芯均由特定复合材料构成的构造，也就是，由根据本发明的复合材料构成的磁芯存在于线圈2的内侧和外侧的构造。
作为具体的构造，例如，整个磁芯的磁特性是均一的。换言之，整个磁芯的饱和磁通密度为0.6T以上(优选地为1.0T以上)，相对磁导率为大于20且35以下(优选地为大于20且30以下)，磁性粉末的含量为大于50体积％且75体积％以下，并且在磁芯的可选部分中采用相同的值。关于该构造，整个磁芯的相对磁导率足够低(最大为35以下)。因此，能够极大地减少间隙部件，并且优选地，可以采用无隙结构。因此，在该构造中，能够进一步减少部件的数量且减小尺寸和重量。在无隙结构的情况下，不会造成间隙部分的磁通泄漏，并且还能够抑制因间隙的存在而造成的电抗器的尺寸的增大。
能够例如通过以下步骤制造根据该构造的磁芯：使用第一实施例所述的壳体4作为成型模具，将线圈2容纳在壳体4的适当位置中，然后用含有磁性粉末和诸如树脂等高分子材料(磁性粉末和高分子材料为原料)的混合物填充壳体4，并且固化诸如树脂等高分子材料。关于该构造，可以同时成型第一实施例所述的内侧芯部和外侧芯部，而且无需内侧芯部和外侧芯部的装配步骤和粘结步骤等，使得制造性优异。此外，根据该构造，壳体4用作成型模具。结果，不管磁芯3的复杂形状如何，都能够容易地形成磁芯3。同样在这方面，生产性也优异。此外，在线圈的内侧和外侧被复合材料覆盖的构造中，可以利用复合材料的高分子成分保护线圈。外侧芯部的外形通常与壳体4的内周形状一致。
可选地，利用特定复合材料制作柱状成形体，并且可以通过使用柱状成形体中的至少一个构筑磁芯。例如，第一实施例所述的内侧芯部被设置为利用特定复合材料制作的柱状成形体，并且通过用上述原料的混合物填充壳体4来制造外侧芯部。在该构造中，无需内侧芯部和外侧芯部的装配步骤和粘结步骤，使得制造性优异。此外，根据该构造，壳体4用作成型模具。结果，不管磁芯的复杂形状如何，都能够容易地形成磁芯(具体而言为外侧芯部)。同样在这方面，生产性也优异。此外，在线圈的外侧被复合材料覆盖的构造中，可以由复合材料的高分子成分保护线圈。外侧芯部的外形通常与壳体4的内周形状一致。
可选地，能够采用这样的构造：内侧芯部和外侧芯部均用作由特定复合材料构成的柱状成形体，并且装配这些柱状成形体，以形成磁芯。关于该构造，可以省略间隙部件或可以省略壳体。因此，能够减少部件的数量且减小尺寸和重量。此外，根据该构造，只要使用一种混合物来制造柱状成形体即可。因此，能够容易地执行制备，并且制造性优异。
在所有情况下，能够采用这样的构造：通过调整磁性粉末的材料、形状、尺寸、含量等来部分地改变磁芯的磁特性。关于该构造，在磁性粉末的材料相同的情况下，通过调整含量能够容易地改变磁特性，从而能够容易地制造具有所需特性的复合材料。例如，当磁性粉末的混合量增大时，能够容易地获得具有高饱和磁通密度和高相对磁导率的复合材料，而当磁性粉末的混合量减小时，能够容易地获得具有低饱和磁通密度和低相对磁导率的复合材料。通过利用由上述至少一种复合材料形成的柱状成形体和使用壳体成型的复合材料，或仅利用由多种复合材料形成的柱状成形体，能够容易地构筑磁芯的磁特性被部分改变的构造。
例如，通过调整磁性粉末的材料、含量等，可以按照与第一实施例相同的方式使构成内侧芯部的复合材料中的饱和磁通密度和相对磁导率高于构成外侧芯部的复合材料中的饱和磁通密度和相对磁导率。在这种情况下，能够减小上述尺寸。可选地，可以使构成外侧芯部的复合材料中的饱和磁通密度和相对磁导率高于构成内侧芯部的复合材料中的饱和磁通密度和相对磁导率。在这种情况下，能够减少磁通从外侧芯部到外部的泄漏，从而降低损耗。因此，在整个磁芯由复合材料构成的情况下，通过用由复合材料构成的成形体构筑磁芯的至少一部分，能够容易地部分改变磁芯的磁特性。
(第四实施例)
与根据第一实施例的结构相反，能够采用这样的构造：磁芯中的设置在通过卷绕导线而形成的管状线圈的内侧的部分的至少一部分由特定复合材料构成，而设置在线圈外侧的部分的至少一部分由压粉成形体构成。例如，制作由特定复合材料(磁性粉末的含量：大于50体积％且75体积％以下；饱和磁通密度：0.6T以上，优选为1.0T以上；相对磁导率：大于20且35以下，优选为大于20且30以下)构成的柱状成形体并将该柱状成形体设置为内侧芯部，而外侧芯部由压粉成形体构成。例如，外侧芯部包括设置在线圈外周上的管状部件和设置在线圈的各端面上的板状部件。通过组合均由复合材料构成的成形体和压粉成形体，能够构筑磁芯。磁芯可以具有这样的构造：包括诸如树脂等高分子成分的内侧芯部的相对磁导率低于外侧芯部的相对磁导率，并且由压粉成形体构成的外侧芯部的饱和磁通密度高于内侧芯部的饱和磁通密度。利用这种结构，能够减少磁通从外侧芯部到外部的泄漏，从而降低损耗。
(第五实施例)
尽管在第一实施例中采用的是竖直类型的构造，但也能够采用线圈2在壳体4中容纳为线圈的轴向与壳体4的底面平行的构造(在下文中称为水平类型)。关于这种水平构造，因为缩短了从线圈2的外周表面到壳体4的底面的距离，因此能够提高散热性能。
(第六实施例)
尽管在第一实施例中采用的是设置有单一线圈的构造，但也能够采用这样的构造：设置图3的(A)所示的电抗器15中的具有通过螺旋地卷绕单根连续导线2w而形成的一对线圈元件2a、2b的线圈2以及设置有这些线圈元件2a、2b的环形磁芯3(图3的(B))。
线圈2通常采用这样的构造：线圈元件2a和2b二者并排水平设置为各个线圈元件2a、2b的轴向彼此平行，并且利用通过回折导线2w的一部分而形成的联接部2r彼此联接。其它线圈的实例包括这样的构造：各个线圈元件2a、2b借助于两根不同的导线单独形成，并且构成各个线圈元件2a、2b的导线的端部通过焊接、压接、锡焊等方法结合而组成一体。线圈元件2a、2b以相同的卷绕量沿相同的卷绕方向形成为中空管的形状。
磁芯3具有分别设置在各个线圈元件2a、2b内侧的一对柱状内侧芯部31、31和设置在线圈2外侧并从线圈2露出的一对柱状外侧芯部32、32。如图3的(B)所示，设置为彼此分离的内侧芯部31、31二者的端面通过外侧芯部32之一彼此联接，而内侧芯部31、31二者的另一端面通过另一外侧芯部32彼此联接，使得磁芯3形成环形。
另外，电抗器15包括用于提高线圈2和磁芯3之间的绝缘性能的绝缘体5。该绝缘体5包括设置在柱状内侧芯部31、31的外周上的一对管状部(未示出)和抵靠在线圈2的端面(线匝看起来为环形形状的面)上并且具有可以被内侧芯部31、31插入的两个通孔(未示出)的一对框板部52。对于绝缘体5的构成材料而言，能够使用诸如PPS树脂、PTFE树脂或LCP等绝缘材料。还能够采用不设置绝缘体5的构造。
关于包括线圈元件2a、2b的电抗器15，磁芯3的至少一部分由特定复合材料构成。更具体而言，复合材料满足以下条件：磁性粉末的含量：大于50体积％且75体积％以下；饱和磁通密度：0.6T以上，优选为1.0T以上；相对磁导率：大于20且35以下，并且优选为大于20且30以下。
作为磁芯3的具体构造，例如，能够采用如第一实施例所述那样的复合材料与另一构造中的磁性材料(压粉成形体和电磁钢板的层叠体)组合的构造(也就是，磁芯的一部分由根据本发明的复合材料构成的构造)。该构造能够容易地以与第一实施例相同的方式部分改变磁芯的磁特性。
例如，能够采用这样的构造：将要分别插入到线圈元件2a、2b中的内侧芯部31、31由压粉成形体构成，并且外侧芯部32、32由特定复合材料所形成的柱状成形体构成。关于该构造，能够通过装配压粉成形体和由复合材料形成的柱状成形体来构筑环形磁芯3。在该构造中，可以省略间隙部件或可以省略壳体。因此，能够减少部件的数量且减小尺寸和重量。在该构造中，内侧芯部31的饱和磁通密度和相对磁导率高于外侧芯部32的饱和磁通密度和相对磁导率。
作为另一构造，能够采用这样的构造：与第一实施例一样，线圈元件2a、2b和压粉成形体的组装体被特定复合材料覆盖。在该构造中，以与第一实施例相同的方式，壳体(未示出)用作成型模具，并且线圈2和内侧芯部31、31的组装体容纳在壳体中，然后用作为原料的混合物填充该壳体，并且固化诸如树脂等高分子材料，从而制造复合材料(此时，也可以制造电抗器15)。成型复合材料，以将内侧芯部31、31联接起来并且构筑外侧芯部32。因此，无需其装配步骤和粘结步骤等，使得制造性优异。此外，不管磁芯的复杂形状如何，通过使用壳体作为成型模具，复合材料能够容易地形成磁芯。同样在这方面，生产性也优异。此外，在线圈的外侧被复合材料覆盖的构造中，可以利用复合材料的高分子成分保护线圈。外侧芯部的外形通常与壳体的内周形状一致。
在这些构造中，如上所述，由压粉成形体构成且将要插入到线圈元件2a、2b中的内侧芯部31、31的饱和磁通密度高于由含有诸如树脂等高分子材料的复合材料构成的外侧芯部32、32的饱和磁通密度。因此，能够减小内侧芯部31的尺寸。因此，该构造能够实现以下效果：(1)减小电抗器的尺寸；(2)通过缩短导线2w而减少电抗器的重量。
可选地，能够采用这样的构造：将要分别插入到线圈元件2a、2b中的内侧芯部31、31由特定复合材料所形成的柱状成形体构成，并且外侧芯部32、32由压粉成形体构成。该构造能够通过装配由复合材料形成的柱状成形体以及压粉成形体来构筑环形磁芯3。
在该构造中，含有诸如树脂等高分子成分的内侧芯部31的相对磁导率低于设置在线圈元件2a、2b外侧的外侧芯部32的相对磁导率，并且由压粉成形体形成的外侧芯部32的饱和磁通密度高于内侧芯部31的饱和磁通密度。通过这种结构，能够减少磁通从外侧芯部32到外部的泄漏，从而能够降低损耗。
在磁芯3的一部分设置有具有高相对磁导率的磁性材料(例如，压粉成形体或电磁钢板的层叠体)的情况下，为了调整电感，允许在由压粉成形体、复合材料等形成的芯件31m之间或在单个芯件31m的中间设置由具有比芯件31m低的磁导率的材料(通常为诸如氧化铝等非磁性材料)构成的间隙材料。在图3的(B)所示的实例中，内侧芯部31和外侧芯部32均设置为只有铁芯片31m。对于间隙材料而言，还能够使用非磁性材料以及具有1.05以上且2以下的相对磁导率的磁性材料。磁性材料的实例包括具有诸如聚苯硫醚(PPS)等非磁性材料和诸如铁粉等磁性材料的混合物等。
可选地，如第三实施例所描述的那样，能够采用这样的构造：设置在线圈元件2a、2b的内侧和外侧的所有磁芯3均由特定复合材料构成。根据该构造的磁芯3的可选部分满足以下条件：磁性粉末的含量：大于50体积％且75体积％以下；饱和磁通密度：0.6T以上，优选为1.0T以上；相对磁导率：大于20且35以下，并且优选为大于20且35以下。换言之，内侧芯部31和外侧芯部32均具有满足特定范围的含量、饱和磁通密度和相对磁导率。在该构造中，整个磁芯3具有35以下的相对磁导率。因此，在该构造中，能够极大地减少间隙部件，并且优选地，可以采用无隙结构，能够进一步减少部件的数量，并且能够减小尺寸和重量。在无隙结构的情况下，不会造成间隙部分的磁通泄漏，并且还能够抑制因间隙的存在而造成的电抗器的尺寸的增大。
作为更具体的构造，能够采用这样的构造：整个磁芯3的材料是一致的。能够例如通过以下步骤制造该构造：使用壳体(未示出)作为成型模具，将线圈2容纳在壳体的适当位置中，然后用作为原料的混合物填充壳体，并且固化诸如树脂等高分子材料。关于该构造，可以同时成型内侧芯部31和外侧芯部32，而且无需它们的装配步骤和粘结步骤等，使得制造性优异。此外，根据该构造，壳体用作成型模具。结果，不管磁芯3的复杂形状如何，都能够容易地形成磁芯3。同样在这方面，制造性也优异。此外，在线圈的内侧和外侧被复合材料覆盖的构造中，可以由复合材料的高分子成分保护线圈。外侧芯部的外形通常与壳体的内周形状一致。
可选地，如第三实施例所描述的那样，通过特定复合材料制作柱状成形体，并且可以通过使用柱状成形体中的至少一个构筑磁芯3。例如，内侧芯部31、31被设置为由特定复合材料制作的柱状成形体，并且能够通过使用壳体(未示出)作为成型模具以及用上述原料的混合物填充壳体来制造外侧芯部。成型外侧芯部，以联接内侧芯部31、31。为此，无需它们的装配步骤和粘结步骤等，使得制造性优异。壳体被用作成型模具。结果，不管磁芯的复杂形状如何，都能够容易地形成磁芯3(具体而言为外侧芯部32)。同样在这方面，生产性也优异。此外，在线圈的外侧被复合材料覆盖的构造中，可以由复合材料的高分子成分保护线圈。外侧芯部的外形通常与壳体的内周形状一致。
可选地，能够采用这样的构造：内侧芯部31、31和外侧芯部32、32均用作由特定复合材料构成的柱状成形体，并且装配这些柱状成形体，以形成磁芯3。关于该构造，可以省略间隙部件或可以省略壳体。因此，能够减少部件的数量且减小尺寸和重量。此外，根据该构造，只要使用一种混合物来制造柱状成形体即可。因此，能够容易地执行制备，并且制造性优异。
作为另一构造，能够采用这样的构造：如第三实施例所描述的那样，通过调整磁性粉末的材料、形状、尺寸、含量等来部分改变磁芯3的磁特性。关于该构造，在磁性粉末的材料相同的情况下，通过调整含量能够容易地改变磁特性，从而能够容易地制造具有所需特性的复合材料。例如，当磁性粉末的混合量增大时，能够容易地获得具有高饱和磁通密度和高相对磁导率的复合材料，而当磁性粉末的混合量减小时，能够容易地获得具有低饱和磁通密度和低相对磁导率的复合材料。如上所述，通过利用由至少一种复合材料形成的柱状成形体和使用壳体成型的复合材料，或仅利用由多种复合材料形成的柱状成形体，能够容易地构筑该构造。
例如，通过调整磁性粉末的材料、含量等，可以使构成内侧芯部31、31的复合材料中的饱和磁通密度和相对磁导率高于构成外侧芯部32、32的复合材料中的饱和磁通密度和相对磁导率。因此，可以减小内侧芯部的尺寸。因此，能够实现尺寸的减小。可选地，可以使构成外侧芯部32、32的复合材料中的饱和磁通密度和相对磁导率高于构成内侧芯部31、31的复合材料中的饱和磁通密度和相对磁导率。在这种情况下，能够减少磁通从外侧芯部到外部的泄漏，从而降低损耗。
(第七实施例)
可以使用根据第一实施例至第六实施例的电抗器作为安装于车辆等上的转换器的部件或作为包括该转换器的功率转换器件的部件。
例如，如图4所示，混合动力电动汽车或电动汽车等车辆1200包括主电池1210、与主电池1210相连的功率转换器件1100以及由主电池1210供电而被驱动且用于行进的电动机(负载)1220。电动机1220通常为三相交流电动机。电动机1220在行进期间驱动车轮1250，而在蓄电期间用作发电机。在混合动力电动汽车的情况下，除了包括电动机1220外，车辆1200还包括发动机。图4示出了作为车辆1200的充电部的插口；然而也可以包括插塞。
功率转换器件1100包括与主电池1210相连的转换器1110以及与转换器1110相连且进行直流电和交流电之间的转换的逆变器1120。在车辆1200的行进期间，转换器1110将主电池1210的在约200V至300V范围内的直流电压(输入电压)升压至约400V至700V范围内的水平，然后向逆变器1120供电。另外，在蓄电期间，转换器1110将从电动机1220经逆变器1120输出的直流电压(输入电压)降低到适合主电池1210的直流电压，然后使用直流电压对主电池1210进行充电。当车辆1200的行进期间，逆变器1120将由转换器1110升压后的直流转换成预定的交流电并且向电动机1220供应交流电。在蓄电期间，逆变器1120将从电动机1220输出的交流电转换为直流电并且将该直流电输出至转换器1110。
如图5所示，转换器1110包括多个开关元件1111、控制开关元件1111运行的驱动电路1112、以及电抗器L。转换器1110通过重复进行ON/OFF操作(开关操作)来转换(在这种情况下为进行升压和降压)输入电压。开关元件1111均使用功率器件，如场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。电抗器L利用了线圈的能扰乱流经电路的电流变化的这种特性，因此当通过开关操作使电流增加或降低时，电抗器L具有缓和这种变化的功能。电抗器L为根据第一实施例至第六实施例的电抗器。部件数量减少，从而能够降低损耗。通过包括电抗器1等，功率转换器件1100和转换器1110具有优异的制造性并且具有低损耗。
除了包括转换器1110之外，车辆1200还包括与主电池1210连接的供电装置转换器1150、以及辅助电源转换器1160，辅助电源转换器1160与用作辅助装置1240的电源的备用电池1230连接并且还与主电池210连接，以将主电池1210的高压转换成低压。转换器1110通常进行直流-直流(DC-DC)转换，而供电装置转换器1150和辅助电源转换器1160进行交流直流(AC-DC)转换。供电装置转换器1150可以包括进行直流-直流转换的类型。供电装置转换器1150和辅助电源转换器1160均可以包括与根据第一实施例至第六实施例的电抗器类似的构造，并且可适当改变电抗器的尺寸和形状。另外，根据第一实施例至第六实施例的电抗器可以用于进行输入功率的转换且只进行升压或降压的转换器。
本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行适当的修改。例如，根据本发明的复合材料可以用在电动机的芯部中。
工业实用性
根据本发明的复合材料可以用于构成磁芯的材料，其中该磁芯将用于包括线圈的磁性部件，如电抗器、电动机等。根据本发明的电抗器能够用于诸如安装在车辆(例如混合动力电动汽车、插电式混合动力汽车、电动汽车或燃料电池汽车)上的双向直流-直流转换器或空调机的转换器等功率转换器件的部件。
附图标记列表
1,15：电抗器
2：线圈
2w：导线
2a，2b：线圈元件
2r：联接部
3：磁芯
31：内侧芯部
31m：芯件
32：外侧芯部
4：壳体
41：安装部
5：绝缘体
52：框板部
1100：功率转换器件
1110：转换器
1111：开关元件
1112：驱动电路
L：电抗器
1120：逆变器
1150：供电装置转换器
1160：辅助电源转换器
1200：车辆
1210：主电池
1220：电动机
1230：备用电池
1240：辅助装置
1250：车轮

Claims (11)

1.一种复合材料，其含有磁性粉末和包括呈分散状态的所述磁性粉末的高分子材料，其中
所述磁性粉末相对于整个复合材料的含量大于50体积％且为75体积％以下，
所述复合材料的饱和磁通密度为0.6T以上，并且
所述复合材料的相对磁导率大于20且为35以下。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中
所述磁性粉末的密度比为0.38以上且0.65以下，并且
所述密度比设置为表观密度/真密度。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其中，所述磁性粉末包括由相同材料构成的多种颗粒。
4.根据权利要求3所述的复合材料，其中
所述磁性粉末为铁粉，并且
所述铁粉的表观密度为3.0g/cm3以上且5.0g/cm3以下。
5.根据权利要求1或2所述的复合材料，其中，所述磁性粉末包含由彼此具有不同的相对磁导率的多种材料构成的粉末。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的复合材料，其中，当获得所述磁性粉末的粒径分布时，存在多个峰。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的复合材料，其中，构成所述磁性粉末的颗粒的圆形度为1.0以上且2.0以下。
8.一种电抗器，其包括线圈和磁芯，其中
所述磁芯的至少一部分由根据权利要求1至7中的任一项所述的复合材料构成。
9.一种电抗器，其包括线圈和磁芯，其中
整个所述磁芯由根据权利要求1至7中的任一项所述的复合材料构成。
10.一种转换器，其包括根据权利要求8或9所述的电抗器。
11.一种功率转换器件，其包括根据权利要求10所述的转换器。
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