JP2004193398A - リアクトル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省エネルギ化，低損失化及び低騒音化に対する改善効果をより高め、また、生産性の向上，製造コストの低減及び帯材の無駄解消を図るとともに、設置性（省スペース性，融通性等），放熱性及び剛性を高める。
【解決手段】鉄心２とこの鉄心２に巻回したコイル３とを有するリアクトル４を備えるリアクトル装置であって、複数の鉄心板片２ｐ…を軸心方向Ｆｓに積層した積層構造とし、かつ折曲部を有しない非多角形のリング状に形成するとともに、全幅寸法Ｌｗ／厚さ寸法Ｌｄが所定値（例えば、１０）以上となる偏平形状に構成した鉄心２と、この鉄心２の断面形状に沿って縦形の平角導線Ｗを周方向に巻回したコイル３により構成したリアクトル４を備える。
【選択図】
図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ回路やコンバータ回路等に用いて好適なリアクトル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、積層巻鉄心とこの積層巻鉄心に巻回したコイルとを有するリアクトルは知られており、既に本出願人も、省エネルギ化，低損失化，低騒音化及び小型軽量化を実現できるリアクトルを特開２００２−２０３７２９号公報により提案した。
【０００３】
図８及び図９に同公報開示のリアクトル５０を示す。このリアクトル５０は、帯材５１ｐを、図８に示すように円形のリング状に巻いて積層し、かつ積層断面Ｓの形状が図９に示すように、円形（又はこの近似形状）となる巻鉄芯５１と、この巻鉄芯５１のほぼ全周に亘って、縦形の平角導線５２ｗを巻回させたコイル５２を備えている。
【特許文献１】
特開２００２−２０３７２９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したリアクトル５０に用いるコイル５２は、圧延ロールなどにより平角導線５２ｗを湾曲加工しながら巻回して製造する関係上、コイル５２の曲率をあまり小さくできないため、コイル５２の端面形状は、図９に仮想線で示すような円形となる。また、このような円形のコイル５２に断面四角形の巻鉄心を用いた場合には、コイル５２と巻鉄心間にかなりの隙間を生じ、結局、低損失化及び小型化を図れないことから、巻鉄心５１の積層断面Ｓの形状もコイル５２の端面形状に略相似する円形となるように形成している。
【０００５】
しかし、このようなリアクトル５０では、巻鉄心５１における積層断面Ｓの形状が円形となることから、巻鉄心５１の製造が容易でなく、製造工数の増加による生産性の低下及び製造コストの上昇を招くとともに、巻鉄心５１の製造において帯材５１ｐに１／４程度の無駄を生じる問題があった。
【０００６】
本発明は、このようなリアクトル５０に対して、省エネルギ化，低損失化及び低騒音化に対する改善効果をより高め、また、生産性の向上，製造コストの低減及び帯材の無駄解消を図るとともに、加えて、設置性（省スペース性，融通性等），放熱性及び剛性を飛躍的に高めることができるリアクトル装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び実施の形態】
本発明に係るリアクトル装置１は、鉄心２とこの鉄心２に巻回したコイル３とを有するリアクトル４を備えるリアクトル装置であって、複数の鉄心板片２ｐ…を軸心方向Ｆｓに積層した積層構造とし、かつ折曲部を有しない非多角形のリング状に形成するとともに、全幅寸法Ｌｗ／厚さ寸法Ｌｄが所定値（例えば、１０）以上となる偏平形状に構成した鉄心２と、この鉄心２の断面形状に沿って縦形の平角導線Ｗを周方向に巻回したコイル３により構成したリアクトル４を備えることを特徴とする。
【０００８】
この場合、好適な実施の形態により、鉄心２は、複数に分割した分割鉄心部２ａ，２ｂ…２ｄの組合わせにより構成することができるとともに、コイル３は、鉄心２の断面に略相似する断面形状を有する芯金３１に巻付けて製造することができる。なお、非多角形には、円形，楕円形又は長円形（小判形）が含まれる。一方、リアクトル４は、放熱用ケース１１に収容し、この放熱用ケース１１の内部空間には、充填材を充填することができる。充填材としては、弾性樹脂１２、望ましくは、シリコン樹脂１３に６０〜９０重量パーセントの熱伝導用粉材１４…を含有させた弾性樹脂１２を充填することができる。充填材としては、その他、絶縁油、望ましくは、４０〜９０重量パーセントの熱伝導用粉材１４…を含有させた絶縁油を用いることができるし、セラミックス又はセメントを用いることもできる。
【０００９】
【実施例】
次に、本発明の好適な実施例に係るリアクトル装置１を挙げ、図１〜図７を参照して詳細に説明する。
【００１０】
最初に、リアクトル装置１の製造方法について、各図を参照して具体的に説明する。図４は、製造工程のフローチャートであり、Ｃ１〜Ｃ５は巻線工程，Ｙ１〜Ｙ３は鉄心製造工程，Ａ１〜Ａ５はリアクトル装置組立工程を示す。
【００１１】
図５及び図６は、コイル巻線機３０の要部を示す。本実施例に係るリアクトル装置１に使用するコイル３は、このコイル巻線機３０により製造することができる。コイル巻線機３０において、３４は回転軸であり、回転駆動機構３５により低速回転する。回転軸３４の先端には、支持盤３６を一体に備え、この支持盤３６の先端面に固定盤３２を固定するとともに、この固定盤３２の中央から棒状の芯金３１を直角に突出させる。この芯金３１の断面形状は、後述する鉄心２の断面形状に略相似し、かつ当該断面形状よりも若干大きい断面形状を有する。この芯金３１は、製造するコイル３の種類に対応して交換可能である。また、この芯金３１には、この芯金３１に沿って変位可能な加圧盤３３を装填する。したがって、芯金３１は加圧盤３３の中央を貫通する。この加圧盤３３は、加圧機構３７により矢印Ｆｈ方向、即ち、固定盤３２の方向に加圧される。
【００１２】
コイル巻線機３０を用いたコイル３の製造工程は次のようになる。まず、平角導線Ｗを用意する。平角導線Ｗは、厚さと幅の割合が１：５程度に形成した銅線を使用する。なお、縦形の平角導線Ｗとは、コイル３の軸方向に対して平角導線Ｗの厚さ方向が平行になる場合をいう。平角導線Ｗは、図５に示すように、支持盤３６側に先端Ｗｆを固定する（ステップＣ１）。そして、加圧機構３７により加圧盤３３を矢印Ｆｈ方向へ移動させ、同図に示すように、平角導線Ｗを固定盤３２と加圧盤３３間に挟んだ状態にして加圧する（ステップＣ２）。また、同時に平角導線Ｗを引張機構３８により矢印Ｆｂ方向へ引張るとともに（ステップＣ３）、この状態で芯金３１を回転駆動機構３５により矢印Ｆｒ方向へ低速で回転させる（ステップＣ４）。これにより、平角導線Ｗは芯金３１に巻付けられ、コイル３を製造することができる（ステップＣ５）。なお、得られたコイル３に対しては、絶縁被膜を塗布するなどの必要な仕上処理を行うとともに、図１に仮想線で示すように、コイル３の両端から導出するリード部３ａ，３ｂの先端には、端子金具２０ａ，２０ｂを取付ける。
【００１３】
他方、鉄心２に用いる分割鉄心部２ａ，２ｂ…２ｄの製造を行う。まず、珪素鋼板等の磁性板を打抜成形等することにより図３に示す多数の鉄心板片２ｐ…を得る（ステップＹ１）。この場合、一枚の鉄心板片２ｐは、図３に仮想線で示すように、一定の厚さを有し、かつ平面視が鉄心２の平面形状を四等分した形状に形成する。実施例の鉄心２は、図１に示すように、平面形状が中央に開口を有する小判形（長円形）となるため、四等分した形状は図３のようになる。
【００１４】
次いで、得られた鉄心板片２ｐ…を複数枚積層して分割鉄心部２ａを製造する（ステップＹ２，Ｙ３）。積層に際しては接着剤等により接着する。実施例の分割鉄心部２ａは、四枚の鉄心板片２ｐ…を積層した場合を示す。鉄心２は、このような分割鉄心部２ａを四つ用意し、各分割鉄心部２ａ…の向き等を考慮して組合わせれば、図１に示すような四つの分割鉄心部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとして用いることができる。なお、実施例は、鉄心２の形状として小判形を例示したが、その他、円形，楕円形など、一般的には、折曲部を有しない非多角形のリング状に形成することができる。また、分割鉄心部２ａ…を得るための分割数は任意である。
【００１５】
そして、コイル３と四つの分割鉄心部２ａ，２ｂ…２ｄが得られたなら、リアクトル装置１の組立を行う。まず、コイル３と四つの分割鉄心部２ａ，２ｂ…２ｄを組合わせてリアクトル４を製造する（ステップＡ１（第一組立工程））。この場合、各分割鉄心部２ａ，２ｂ…２ｄの相互間には、図１に示す厚さ１〔ｍｍ〕前後のガラスエポキシ樹脂製のセパレータシート２１…を介在させ、接着剤を用いて各分割鉄心部２ａ，２ｂ…２ｄの相互間を結合する。この際、結合時には、分割鉄心部２ａ，２ｂ…２ｄを、コイル３の内部空間に収容するとともに、分割鉄心部２ａ，２ｂ…２ｄとコイル３間には、必要により絶縁紙等の絶縁材を介在させる。これにより、図７に示すリアクトル４が得られる。
【００１６】
ところで、複数の鉄心板片２ｐ…を積層した積層構造となる鉄心２は、図１及び図７に示すような偏平形状にすることができる。このため、鉄心２の全幅寸法Ｌｗ／厚さ寸法Ｌｄ（図７）は、所定値以上、望ましくは１０以上に選定することが望ましい。これにより、縦形の平角導線Ｗを用いた場合であっても、図７に示す偏平なリアクトル４（リアクトル装置１）を得ることができ、前述した従来のリアクトル装置５０を設置できない狭い隙間等の空間であっても挿入により容易に設置することができる。よって、設置性（省スペース性，融通性等）に優れるため、例えば、自動車等のように配設スペースの制限された設置場所であっても容易に設置することができるとともに、設置場所における設計自由度を高めることができる。
【００１７】
また、前述した従来のリアクトル装置５０では、連続した磁性帯板を成形治具に巻回して積層巻鉄心を得るため、鉄心２の軸心方向Ｆｓ（図７）における剛性が小さくなるが、本実施例に係る鉄心２では、軸心方向Ｆｓにおける剛性が飛躍的に高められる。この結果、リアクトル４の振動が抑制され、鉄心２の構造面からも低騒音化（静音性向上）が図られる。しかも、リアクトル４は、偏平形状となるため、特に、中央側の放熱性が飛躍的に高められる。なお、リアクトル４は、図１に示すように、コイル３を構成する一巻分の各相互間隔は、内側が狭くなり、かつ外側が広くなる。この態様は鉄心２の直線部分でも同様となるため、鉄心２の全周に沿ってコイル３を構成する一巻分の各相互間隔には所定の間隔が生じることになる。
【００１８】
一方、ステップＡ１により得られたリアクトル４は、図７に示すアルミニウムケース（放熱用ケース）１１の内部に収容する（ステップＡ２（第二組立工程））。この際、例えば、シリコンゴム等を用いた複数の保持部材２２…をアルミニウムケース１１の内部底面上に敷き、この上にリアクトル４を載せる。なお、必要により、アルミニウムケース１１の内壁部とリアクトル４間にも同様の保持部材２２…を介在させることが望ましい。そして、アルミニウムケース１１の内部には充填材、望ましくは、シリコン樹脂１３に６０〜９０重量パーセントの熱伝導用粉材１４…を含有させた弾性樹脂１２を充填する（ステップＡ３（第二組立工程））。実施例は、最も効果的な７５重量パーセントの熱伝導用粉材１４…を含有させている。この場合、シリコン樹脂１３は、二液混合の加熱硬化型或いは一液性常温硬化型のシリコンゴムを用いる。また、熱伝導用粉材１４…は、粒子が０．２〔ｍｍ〕以下の酸化アルミニウム（アルミナ）を用いる。熱伝導用粉材１４…は、熱伝導率（放熱性）をより高めるものであり、他の材料としてはボロン材等を用いることができる。
【００１９】
弾性樹脂１２の充填が終了したなら、アルミニウムケース１１の上に蓋２３を載せ、ネジ２４…により固定する（ステップＡ４）。この際、蓋２３には、図１及び図２に示す端子引出孔２５が形成されているため、コイル３の両端から導出されたリード部３ａ，３ｂは、端子引出孔２５の中を通して外部に突出させるとともに、弾性樹脂１２の充填量を設定することにより、蓋２３をアルミニウムケース１１の上に載せた際に、弾性樹脂１２の一部が端子引出孔２５内に進入するようにする（図１参照）。これにより、リード部３ａ，３ｂと蓋２３間の絶縁性が確保される。なお、２６ａ，２６ｂは、リード部３ａ，３ｂに被覆した絶縁チューブを示す。以上の製造工程により、図１及び図２に示すリアクトル装置１が得られる（ステップＡ５）。
【００２０】
次に、本実施例に係るリアクトル装置１の特長について述べる。まず、騒音が低減されるとともに高い放熱性が得られる。特に、リアクトル４を固定する樹脂として、従来、保持強度を考慮してエポキシ樹脂等の硬質の合成樹脂が使用されていたが、本実施例では、弾性樹脂１２を使用したため、リアクトル４から発生する騒音は弾性樹脂１２により吸収され、アルミニウムケース１１には伝達されないとともに、弾性樹脂１２が遮音材として機能する。例えば、インダクタンス０．５〔ｍＨ〕のリアクトル装置１に、電圧５００〔Ｖ〕，周波数１０〔ｋＨｚ〕の電流５０〔Ａ〕を流し、水平方向に１５０〔ｍｍ〕離間した位置でマイクロフォンによる騒音を測定した結果、エポキシ樹脂を充填した場合には、８０．３〔ｄＢ〕，本実施例の弾性樹脂１２を充填した場合には、５５．０〔ｄＢ〕であり、−２５．３〔ｄＢ〕の改善効果が認められた。加えて、本実施例に係るリアクトル装置１は、鉄心２の軸心方向Ｆｓにおける剛性が高いため、リアクトル４の振動が抑制され、鉄心２の構造面からも低騒音化（静音性向上）が図られる。また、弾性樹脂１２を使用することにより、外部の衝撃等に対しても衝撃吸収効果があるとともに、ヒビ割れ等の機械的損傷も回避されるため、耐久性及びコイル３に対する保護効果も高められる。
【００２１】
さらに、弾性樹脂１２は、シリコン樹脂１３に所定量の熱伝導用粉材１４…を含有するため、熱伝導率（放熱性）がより高められる。上記の騒音測定条件の下でコイル３自身の上昇温度を測定した結果、エポキシ樹脂を充填した場合に比べ、シリコン樹脂１３に７５重量パーセントの酸化アルミニウムを含有させた弾性樹脂１２を充填した場合には、約３０〔％〕の放熱改善効果が認められた。加えて、本実施例に係るリアクトル装置１は、偏平形状となるため、特に、中央側の放熱性が飛躍的に高められる。なお、コイルの内部寸法を同一条件とした場合、積層断面の形状が四角形となる本実施例に係るリアクトル装置１におけるリアクトル４は、図８及び図９に示した積層断面Ｓの形状が円形となる巻鉄心５１を有する従来のリアクトル５０に比べ、積層断面の面積が約２７〔％〕大きくなるため、磁束密度が小さくなって鉄損が減少する。しかも、放熱効果が高められるため、流せる電流も大きくなり、従来のリアクトル５０に対して実質２倍程度の電流を流すことができ、結果的に、より省エネルギ化及び低損失化が改善される。
【００２２】
また、複数の鉄心板片２ｐ…を積層した積層構造となる鉄心２は、偏平形状にできることから、従来のリアクトル装置５０を設置できない狭い隙間等の空間であっても挿入により容易に設置することができる。したがって、前述したように、自動車等の配設スペースが制限された設置場所であっても容易に設置でき、設置性（省スペース性，融通性等）に優れるとともに、設置場所における設計自由度を高めることができる。しかも、従来のリアクトル５０では、巻鉄心５１における積層断面Ｓの形状が円形となることから、巻鉄心５１の製造が容易でなく、製造工数の増加による生産性の低下及び製造コストの上昇を招くとともに、巻鉄心５１の製造において帯材５１ｐに１／４程度の無駄を生じる問題があったが、本実施例に係るリアクトル装置１では、これらの問題が全て解消され、材料コストが低減される。
【００２３】
以上、実施例について詳細に説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、細部の構成，形状，材料，数量，数値，手法等おいて、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。
【００２４】
例えば、鉄心２として、アモルファス，パーマロイ，ナノ結晶合金，フェライト，Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金，純鉄等を用いた焼結タイプを排除するものではない。また、放熱用ケースとしてアルミニウムケース１１を例示したが、他の放熱用素材により形成した放熱用ケースを排除するものではない。一方、充填材として、弾性樹脂１２、特に、シリコン樹脂１３に熱伝導用粉材１４…を含有させた弾性樹脂１２を例示したが、他の充填材としては、絶縁油、望ましくは、上述した熱伝導用粉材１４…を４０〜９０重量パーセント含有させた絶縁油を用いることもできるし、セラミックス又はセメントを用いることもできる。セラミックスを用いる場合には、アルミニウムケース１１の内部に粉材を充填した後、加熱することにより固化させればよい。さらに、実施例は、単一のリアクトル４を用いたリアクトル装置１を例示したが、例えば、アルミニウムケース１１…を複数個分一体化構成することにより、複数のリアクトル４…を有するリアクトル装置１として構成してもよく、よりコンパクト化、部品点数の削減及び省スペース化を図ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
このように、本発明に係るリアクトル装置は、複数の鉄心板片を軸心方向に積層した積層構造とし、かつ折曲部を有しない非多角形のリング状に形成するとともに、全幅寸法／厚さ寸法が所定値以上となる偏平形状に構成した鉄心と、この鉄心の断面形状に沿って縦形の平角導線を周方向に巻回したコイルにより構成したリアクトルを備えるため、次のような顕著な効果を奏する。
【００２６】
（１） 従来のリアクトル（図８及び図９のリアクトル５０）に対して、省エネルギ化，低損失化及び低騒音化に対する改善効果をより高めることができるとともに、加えて生産性の向上，製造コストの低減及び帯材の無駄解消を図ることができる。
【００２７】
（２） 複数の鉄心板片を積層した積層構造となる鉄心は、偏平形状にできるため、従来のリアクトル装置を設置できない狭い隙間等の空間であっても挿入により容易に設置することができる。したがって、例えば、自動車等のように配設スペースの制限された設置場所であっても容易に設置でき、設置性（省スペース性，融通性等）に優れるとともに、設置場所における設計自由度を高めることができる。
【００２８】
（３） 鉄心の軸心方向における剛性が高いため、リアクトルの振動が抑制され、鉄心の構造面からも低騒音化（静音性向上）を図ることができるとともに、偏平なリアクトル装置により、特に、中央側の放熱性を飛躍的に高めることができる。
【００２９】
（４） 好適な実施の形態により、リアクトルを収容した放熱用ケース（アルミニウムケース）の内部空間に、充填材を充填すれば、耐久性及びコイルに対する保護効果を高めることができる。特に、熱伝導用粉材を含有させることにより、熱伝導率（放熱性）をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例に係るリアクトル装置の断面側面図、
【図２】同リアクトル装置の一部を破断かつ省略した平面図、
【図３】同リアクトル装置に用いる分割鉄心部（鉄心板片）の斜視図、
【図４】同リアクトル装置の製造方法に係る製造工程のフローチャート、
【図５】同リアクトル装置の製造方法に用いるコイル巻線機の要部を示す一部断面側面図、
【図６】同コイル巻線機の要部を示す斜視図、
【図７】同リアクトル装置の一部断面分解図、
【図８】従来の技術に係るリアクトルの一部を省略した平面図、
【図９】同リアクトルの一部を省略した断面側面図、
【符号の説明】
１ リアクトル装置
２ 鉄心
２ａ… 分割鉄心部
２ｐ… 鉄心板片
３ コイル
４ リアクトル
１１ 放熱用ケース
１２ 弾性樹脂
１３ シリコン樹脂
１４… 熱伝導用粉材
３１ 芯金
Ｗ 平角導線
Ｆｓ 軸心方向
Ｌｗ 全幅寸法
Ｌｄ 厚さ寸法

Claims (12)

1. 鉄心とこの鉄心に巻回したコイルとを有するリアクトルを備えるリアクトル装置において、複数の鉄心板片を軸心方向に積層した積層構造とし、かつ折曲部を有しない非多角形のリング状に形成するとともに、全幅寸法／厚さ寸法が所定値以上となる偏平形状に構成した鉄心と、この鉄心の断面形状に沿って縦形の平角導線を周方向に巻回したコイルにより構成したリアクトルを備えることを特徴とするリアクトル装置。
2. 前記所定値は１０に選定することを特徴とする請求項１記載のリアクトル装置。
3. 前記鉄心は、複数に分割した分割鉄心部の組合わせにより構成することを特徴とする請求項１記載のリアクトル装置。
4. 前記コイルは、前記鉄心の断面に略相似する断面形状を有する芯金に巻付けて製造することを特徴とする請求項１記載のリアクトル装置。
5. 前記非多角形には、円形，楕円形又は長円形（小判形）を含むことを特徴とする請求項１記載のリアクトル装置。
6. 前記リアクトルは、放熱用ケースに収容することを特徴とする請求項１記載のリアクトル装置。
7. 前記リアクトルを収容した前記放熱用ケースの内部空間に、充填材を充填することを特徴とする請求項６記載のリアクトル装置。
8. 前記充填材は、弾性樹脂であることを特徴とする請求項７記載のリアクトル装置。
9. 前記弾性樹脂は、６０〜９０重量パーセントの熱伝導用粉材を含有させたシリコン樹脂であることを特徴とする請求項８記載のリアクトル装置。
10. 前記充填材は、絶縁油であることを特徴とする請求項７記載のリアクトル装置。
11. 前記絶縁油には、４０〜９０重量パーセントの熱伝導用粉材を含有することを特徴とする請求項１０記載のリアクトル装置。
12. 前記充填材は、セラミックス又はセメントであることを特徴とする請求項７記載のリアクトル装置。

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