JP2007201129A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】製造性および磁気特性に優れたリアクトルを提供する。
【解決手段】本発明リアクトルは、コイル２と、ギャップ３を有するコア１とを具備するリアクトルである。このコイル２の励磁によりギャップを通る閉磁路がコア１に形成される。このリアクトルにおいて、ギャップ３は、コア１に形成した空隙からなるエアギャップ31と、コア１中に介在された非磁性材料からなる中実ギャップ32とを有する。エアギャップ31と非磁性材料からなる中実ギャップ32とを組み合わせることで中実ギャップ32の加工精度のばらつきをエアギャップ31で吸収することができる。それに伴い、加工精度の低い中実ギャップ32を用いることができ、中実ギャップ32の加工に要する時間を短縮して、効率的にリアクトルを生産することができる。
【選択図】図２

Description

本発明はリアクトルに関するものである。特に、製造性および磁気特性に優れたリアクトルに関するものである。

近年、地球環境保護の観点からハイブリッド自動車や電気自動車が実用化されている。ハイブリッド自動車は、エンジン及びモータを駆動源として具え、その一方又は双方を用いて走行する自動車である。このようなハイブリッド自動車等は、モータへの電力供給系統に昇圧回路を備えている。そして、昇圧回路の部品の一つとして、電気エネルギーを磁気エネルギーとして蓄えることができるリアクトルが利用される。

リアクトルは、コイルと、ギャップを有するコアとを具備し、このコイルの励磁によりギャップを通る閉磁路をコアに形成する。ハイブリッド自動車等の昇圧回路に用いられる代表的なリアクトルのコアは、図９に示すようなリング状のコアＭである（類似のコア形態を示す文献として特許文献1 図３（ｄ））。このコアＭは、以下のような複数のコア片を組み合わせて構成されている。コアＭは、矩形状の端面を有するＵ字状コア片ｍ_ｕ一対と、Ｉ字状コア片ｍ_ｉ４つとから成り、各Ｕ字状コア片ｍ_ｕを互いの端面同士が対向するように配し、各端面間にＩ字状コア片ｍ_ｉを２つづつ並べて、それぞれを接合して構成している。そして、このようなコアＭの一部に導線を巻装してコイルＣを形成し、このコイルＣに電流を流すことでコアＭに閉磁路が形成される。上記コアＭを構成する材料は、珪素鋼といった鉄系材料等の強磁性材料である。

また、上記コアＭは、磁気飽和を回避するため、コア片の各接合部にスペーサｓを配することにより、閉磁路中にギャップが設けられている。リアクトルのインダクタンスは、主として閉磁路に形成するギャップの合計長（ここではスペーサｓの合計厚み）により規定される。この合計長は高精度に保持される必要があり、各スペーサｓにはアルミナといった非磁性材料の板材を高精度に加工して利用している。

特開平８-１１１３２２号公報

しかし、上記のリアクトルでは生産効率が低いという問題がある。

ギャップの合計長を高精度に保持するには、各スペーサｓの厚みが高精度に管理されなければならない。例えば、スペーサｓであるアルミナの板材に求められる厚さ精度は百分の数ミリオーダーである。ところが、この厚さの精度管理は、アルミナ板材を研磨することで行われており、要求される加工精度の高さに加え、アルミナ自体が高硬度の難加工材料であることから、容易に行えるものではない。特に、図９に示したコアＭは、閉磁路の磁路長が固定される構造になっていないため、各スペーサｓの厚みにばらつきがあれば、各コア片ｍ_ｕ、ｍ_ｉが高精度に製作されていても磁路長が変動してギャップの合計長も容易に変動する。その結果、ギャップの合計長の調整に多大な時間を要し、リアクトルを効率的に生産することができない。また、これらの事情は、リアクトルの生産コストを上げる要因にもなっている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、ギャップの合計長の調整が容易にできて製造性に優れるリアクトルを提供することにある。

本発明リアクトルは、コイルと、ギャップを有するコアとを具備し、このコイルの励磁によりギャップを通る閉磁路がコアに形成されるリアクトルである。そして、このリアクトルにおいて、前記ギャップは、コアに形成した空隙からなるエアギャップと、コア中に介在された非磁性材料からなる中実ギャップとを有することを特徴とする。

この構成によれば、ギャップを空隙からなるエアギャップと非磁性材料からなる中実ギャップとの組み合わせにより構成することで、中実ギャップの加工精度のばらつきをエアギャップで吸収することが行い易い。それに伴い、エアギャップの厚みと中実ギャップの厚みの合計であるギャップの合計長の調整に要する時間を大幅に短縮し、効率的にリアクトルを生産することができる。

このような本発明リアクトルにおいて、好適な構成要件を以下に説明する。各構成要件は、上記リアクトルにいずれか単独で適用してもよいし、複数の構成要件を適宜組み合わせて適用してもよい。

コアは、閉磁路の磁路長を規定するメインコアと、中実ギャップに接するサブコアとを具備し、このメインコアにはギャップの配列空間が形成された構成とすることが好ましい。その際、この配列空間の一部には、サブコアと中実ギャップが配されてメインコアと結合され、前記配列空間の残部をエアギャップとする。

例えば、メインコアをＣ型とし、そのメインコアの一端と他端の間に形成される空間をギャップの配列空間とする。この配列空間の一部に中実ギャップとサブコアを交互に積層して配置し、その積層体をメインコアの一端に結合する。その際、配列空間の残部、つまりメインコアの他端と積層体の間には空間が形成され、その空間をエアギャップとすればよい。

この構成によれば、閉磁路の磁路長がメインコアで規定されているため、中実ギャップの加工精度が低くても、その加工精度のばらつきをエアギャップの間隔で確実に吸収することができる。例えば、中実ギャップの厚みが規定の厚みよりも厚い（薄い）場合、エアギャップが薄く（厚く）なることで、ギャップの合計長を一定にすることができる。従って、厚みを高精度に加工したアルミナ板を中実ギャップに用いる必要がなく、ギャップの合計長を調整する時間を大幅に短縮して効率的にリアクトルを製造することができる。

メインコアは、閉磁路の磁路長が規定できる形態であればよい。特に、鉄系材料などの磁性材料からなる一体物で構成し、途中に中実ギャップのないものがメインコアとして好適である。

サブコアは、中実ギャップに接した状態で、ギャップの配列空間に配しやすい形態が好ましい。代表的には、磁性材料からなる板状体がサブコアとして用いられる。

このようなメインコアとサブコアとを用いて構成されるコアの形態は、ポットコア、Ｅ-Ｉコア、Ｅ-Ｅコア、Ｕ-Ｉコア、Ｕ-Ｕコアなど種々の形態が利用できる。

とりわけ、コアの形態はポットコアとすることが好ましい。ポットコアは、通常、コイルの内側に配される内側コアと、コイルの外側に配される外側コアと、コイルの両端側の各々に配される端部コアとを有する。ポットコアを用いれば、コイルがコア内に収納された状態となるため、コイルの励磁に伴なう振動による騒音を効果的に抑制したり、コイルを機械的に保護したりすることができる。

このようなポットコアを用いた場合、前記エアギャップは、内側コアの端面と一方の端部コアとの間に形成され、前記中実ギャップは内側コアに形成されていることが好ましい。

この構成によれば、外側コアおよび各端部コアがメインコアとなり、各端部コアの間に形成される空間がギャップの配列空間となって、内側コアがサブコアで形成されることになる。その際、コイルの励磁により、内側コアから順次一方の端部コア、外側コア、他方の端部コアを通って再度内側コアに戻る閉磁路が形成されるため、この磁路長はメインコアにより規定されることになる。そして、配列空間には、エアギャップ、サブコア、中実ギャップを順次形成することができる。そのため、中実ギャップの厚みのばらつきをエアギャップの厚みの変動で容易に吸収することができる。

また、ポットコアを用いた場合、エアギャップ内に接着剤を配してもよい。例えば、内側コア端面の上部にのみ接着剤を配し、内側コアの端面と、それに対向する端部コアとを接着剤を介して結合してもよい。この構成によれば、内側コアの自由端側を安定させることができる。

さらに、ポットコアを用いた場合、これら内側コア、外側コアおよび端部コアで囲まれる空間内部に樹脂を充填することが好ましい。特にこの空間内部全域に樹脂を充填することが好適である。

この構成により、これらコアの構成部材で囲まれる空間内にコイルを固定することができ、コイルの励磁に伴う振動や、ギャップ付近において生じるコア構成部材の振動による騒音を抑制することができる。この樹脂には、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリエチレンなどの樹脂を利用することができる。また、この樹脂の充填を行う場合、エアギャップが樹脂で充填されてもよい。その他、この樹脂中にフィラー等を含有させることにより、熱伝導性の向上や振動の低減を図ることができる。特に、樹脂中にフィラー等を含有させると樹脂の密度を高められることから振動の低減に効果的である。

さらに、ポットコアを用いた場合、少なくとも一方の端部コアの端面全面に放熱材を接触させることが好ましい。

リアクトルはコイルに通電することで発熱する。その際、端部コアの端面全面に放熱材を接触させることで、端部コアから放熱材を介して効率的にリアクトルの放熱を行うことができる。放熱材は、リアクトルの放熱効率上、熱伝導性に優れる材料で構成されることが好ましく、また、表面積が大きくできる形態とすることが好ましい。

また、上述したようなコアは、いずれの形態であっても、電磁鋼板を積層体としたり、圧粉成形法により形成することができる。特に、圧粉成形体であれば、複雑な三次元形状のコアも容易かつ高精度に成形できて好ましい。

一方、本発明リアクトルのギャップは、一つのエアギャップと、複数の中実ギャップで構成されていることが好ましい。

複数のエアギャップを設ける場合、２つのエアギャップの間に位置するコアや中実ギャップを支持することが難しいが、単一のエアギャップは容易に形成することができる。また、中実ギャップが複数形成されていると、厚みの大きな単一の中実ギャップを設ける場合に比べて、各中実ギャップでの磁束の漏れが少なく、漏れ磁束による導線内の渦電流損を低減することができる。

本発明リアクトルにおいて、中実ギャップは、セラミックス板または樹脂板からなることが望ましい。

これらの中実ギャップ材料は、通常非磁性材料でギャップの構成材料として好ましく、入手も容易にできる。セラミックスとしては、アルミナなどが挙げられる。樹脂としては、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）などが挙げられる。

本発明リアクトルは、自動車の電装部品用に好適に利用できる。特に、ハイブリッド自動車や電気自動車において、モータに供給する電力の昇圧回路用のリアクトルとして用いることが好ましい。その他、発電所、変電所などでの利用も期待できる。

本発明リアクトルのコイルに供給される電力容量は10A以上であることが好ましい。

このような電力容量を有するリアクトルは、自動車、電力設備などの大電流用途に対応することができる。

本発明リアクトルのコアを構成する磁性材料は、7960A/ｍ（100エルステッド(Oe)）の磁界を印加したときの磁束密度が1.0T以上であることが望ましい。

このような磁性材料でコアを形成すると、上記の磁束密度が0.5T程度のフェライトのコアに比べて大電流用途のリアクトルを構成することができる。

本発明リアクトルの透磁率は5〜50とすることが好ましく、より好ましくは10〜30である。

このような透磁率を持つリアクトルは、自動車の昇圧回路用のリアクトルとして好適に利用できる。この透磁率の調整は、ギャップの合計長を変えることで容易に行える。通常、ギャップの合計長が大きくなればリアクトルの透磁率は小さくなり、この合計長が小さくなればリアクトルの透磁率は大きくなる。

本発明リアクトルのコアが圧粉成形で形成されている場合、このコアの充填率を90％以上とすることが好ましい。

コアの充填率を90％以上とすることで、緻密なコアを得ることができ、より高磁束密度のコアを得ることができる。コアの充填率は、「コア重量／コア体積」をアルキメデス法などの手段で測定し、材料固有の密度との比で決定される。

その他、本発明リアクトルに用いられるコイルは、代表的には絶縁被膜を有する導線を巻回して形成されている。例えば、断面円形の丸導線を巻回したコイルや、断面矩形状の平角導線をいわゆるエッジワイズ巻きにしたコイルを利用することができる。その他、複数の細い丸導線を撚り線として巻回したり、複数の細い丸導線を平行に一体化してテープ線とし、このテープ線をエッジワイズ巻きにしてコイルを形成してもよい。

さらに、コアとコイルとの間には、インシュレータを介在させてもよい。このインシュレータを用いることで、仮にコイルを形成する導線の絶縁被覆が損傷しても、コイルとコアとの絶縁を確保することができる。インシュレータは薄い方がコイルの放熱の妨げにならず好ましいが、薄すぎるとコアとコイルとの絶縁を十分にとることができない場合があるので、適切な厚みを選択すればよい。また、インシュレータの使用により、中実ギャップとサブコアの位置決めを容易にできる。

以上説明したように、本発明リアクトルは、ギャップを空隙からなるエアギャップと非磁性材料からなる中実ギャップとの組み合わせにより構成することで、中実ギャップの加工精度のばらつきをエアギャップで吸収することが行い易い。それに伴い、エアギャップの厚みと中実ギャップの厚みの合計であるギャップの合計長の調整に要する時間を大幅に短縮し、効率的にリアクトルを生産することができる。

以下、図１〜図４を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは、ハイブリッド自動車の昇圧回路用で、ポットコアを用いたリアクトルを例として説明を行う。

図１に示すように、本発明リアクトルはほぼ円筒状のコア1を持つ。また、このコア1の内部には、図２に示すように、コイル2が収納されている。ここで、コア1は、内側コア11、外側コア12および端部コア13A、13Bからなる。また、コア1にはギャップ3が形成され、このギャップ3は、内側コア11の上端側に形成されるエアギャップ31と、内側コア11の中間に形成される中実ギャップ32とからなる。

内側コア11、外側コア12および端部コア13A、13Bはいずれも鉄系の軟磁性材に絶縁被覆を形成した粉末を加圧成形して製造されている。

まず、内側コア11は、コイル2の内側に配される丸棒状のコアである。この内側コア11は円盤状のコア片11A（サブコア）を複数用いて構成されている。より具体的には、複数のコア片11Aと中実ギャップ32とを交互に積層して接合し、丸棒形状の積層体を形成している。コア片11Aと中実ギャップ32との接合は接着剤などを用いて行えばよい。この積層体の高さは、次述する外側コア12の高さよりも小さい。

次に、外側コア12は、コイル2の外側に配される円筒状のコアである。ここでは、図２に示すように、外側コア12の上端側と下端側の一部に内外周に貫通する切欠12A、12Bを形成し、この切欠12A、12Bを、コイル2を形成する導線の挿通口としている。

また、端部コア13A、13Bは、外側コアの上下端に接合される一対の円盤状コアである。下方の端部コア13Aは、さらに内側コア11の下端面とも接合されているが、上方の端部コア13Bは内側コア11の上端面とは接合されていない。ただし、上方の端部コア13Bは内側コア11の上端面とは接着剤などで接合させてもよい。

一方、ギャップ3は、リアクトルのインダクタンスを調整するための非磁性部分である。エアギャップ31は空隙で、中実ギャップ32はアルミナ板で構成されている。ここでは、上側の端部コア32と内側コア11の上端面との間に単一のエアギャップ31が形成され、内側コア11の中間に複数の中実ギャップ32が形成されている。エアギャップ31および各中実ギャップ32の個々の厚みは、予め設定されたギャップ3の合計長をエアギャップ31と中実ギャップ32の合計数で除した厚みとした。

また、コイル2は、内側コア11の外周で、かつ外側コア12の内周において、絶縁被覆を有する導線2Aをらせん状に巻回して構成されている。ここでは、断面が矩形の平角銅線をエッジワイズ巻きしてコイル2としている。コイル2を構成する導線2Aの一端は、上述した切欠のうち上方の切欠12Bから外側コア12の外周に引き出され、導線2Aの他端は、下方の切欠12Aから外側コア12の外周に引き出されている。

このようなリアクトルの組み立ては、図３に示すように行う。

予めコア片11Aと中実ギャップ32とを交互に積層して一体化しておく。ここでは、積層体の上下端共にコア片11Aが位置している。

この積層体を下方の端部コア13Aに接合する。この積層体と端部コア13Aの接合は、接着剤等を用いて行えばよい。

次に、コイル2を外側コア12の内周にはめ込み、そのコイル2を構成する導線の一端を上方の切欠12Bに、導線の他端を下方の切欠12Aにはめ込む。必要に応じて、コイル2の各ターンの中心をずらすなどしてコイル2を一時的に変形させ、コイル2の外側コア12へのはめ込み及び導線端部の切欠12A、12Bへのはめ込みを行ってもよい。

続いて、外側コア12を下方の端部コア13A上に接合する。この接合も接着剤等を用いて行えばよい。この接合により、内側コア11、コイル2、外側コア12は実質的に同心状に保持される。

最後に、外側コア12の上端面に上方の端部コア13Bを接合する。この接合も接着剤等を用いて行えばよい。

以上のように組み立てたリアクトルは、コイルを励磁すると、図４に示すように、内側コア11、一方の端部コア13A、外側コア12、他方の端部コア13B、内側コア11とつながる閉磁路Φを形成する。その際、外側コア12および各端部コア13A、13Bがメインコアとなり、各端部コア13A、13Bの間に形成される空間がギャップの配列空間となる。つまり、メインコアで閉磁路Φの磁路長が規定されることになる。また、内側コア11がサブコアで形成されることになる。そのため、中実ギャップ32の厚さにばらつきがあって積層体の高さがばらついても、配列空間の高さから積層体の高さを減じた間隔がエアギャップ31の厚みとなることで、ギャップ3の合計長を一定に保持することができる。換言すれば、長時間をかけて高精度に厚さが管理されたアルミナ板を用意する必要がなく、効率的にリアクトルを製造することができる。

その他、ポットコアを用いることで、コイルがコア内に収納されており、コイルの励磁による振動で生じる騒音がコアの外部に漏れることを低減でき、低騒音化を実現できる。

また、ポットコアを用いることで、コイルの外周に熱伝導性に優れたコアが位置するため、放熱性に優れるリアクトルとすることができる。特に、上下の端部コアの少なくとも一方に放熱材（図示せず）を全面接触させれば、より一層放熱性に優れるリアクトルとすることができる。

以上の実施形態では、内側コア、一方の端部コア、外側コア、他方の端部コアが全て個別に形成された後に接合していたが、これら各コア構成部材の複数を予め圧粉成形などにより一体成形しておいてもよい。その場合、内側コア、一方の端部コア、外側コア、他方の端部コアの形状も種々のものが考えられる。以下、変形例を図５〜図９に基づいて、図３のリアクトルとの相違点を中心に説明する。図５〜図９はいずれもコアのみ示し、コイルは省略している。

＜変形例１＞
図５に示すように、外側コア12と、下方の端部コア13Aとを一体成形しておく。つまり、有底容器状のコア部1Aと、板状のコア部1Bとを接合してコア1を形成する。

＜変形例２＞
図６に示すように、有底容器状のコア部1Aの内底面に円盤状の突起14を形成しておく。この突起14は、内側コア11と中実ギャップ32の積層体と同径であり、内底面と同心状に形成されている。そのため、積層体を有底容器状のコア部1Aの内底面に接合する際、突起14に合わせて積層体を接合すれば、容易に積層体の適正な位置決めを行うことができる。この有底容器状のコア部の開口側に板状のコア部1Bを接合する。

＜変形例３＞
図７に示すように、一対の有底容器状のコア部1A,1B同士を突き合わせてコアを形成する。つまり、図３における外側コア12を上下に２分割し、各分割外側コアを端部コア13A、13Bの各々に一体化することで、一対の有底容器状のコア部1A,1Bを構成すればよい。

＜変形例４＞
図８に示すように、一対の有底容器状のコア部1A,1B同士を突き合わせてコアを形成する。変形例３との相違点は、有底容器状のコア部1A,1Bのいずれにも、その内底面に円盤状の突起14が形成されていることにある。この場合、内側コア11と中実ギャップ32の積層体はいずれか一方の突起14上に接合されることになるが、変形例２と同様に積層体の有底容器状のコア部1A,1Bに対する位置決めを容易に行うことができる。

本発明リアクトルは、特に大電流がコイルに流されるリアクトル、より具体的にはハイブリッド自動車等の昇圧回路用や発電・変電設備用のリアクトルとして利用することができる。

本発明リアクトルの外観斜視図である。 本発明リアクトルの内部構造を示す部分切欠斜視図である。 本発明リアクトルの分解斜視図である。 本発明リアクトルの励磁時における閉磁路の説明図である。 図１のリアクトルの第一の変形例を示す説明図である。 図１のリアクトルの第二の変形例を示す説明図である。 図１のリアクトルの第三の変形例を示す説明図である。 図１のリアクトルの第四の変形例を示す説明図である。 従来のリアクトルを示す部分切欠斜視図である。

符号の説明

1 コア
1A,1B コア部 11 内側コア 11A コア片 12 外側コア 12A,12B 切欠
13A,13B 端部コア 14 突起
2 コイル 2A 導線
3 ギャップ 31 エアギャップ 32 中実ギャップ
Φ 閉磁路 Ｒ リアクトル Ｍ コア Ｃ コイル
ｍ_ｕ Ｕ字状コア ｍ_ｉ Ｉ字状コア ｓ スペーサ

Claims (12)

1. コイルと、ギャップを有するコアとを具備し、このコイルの励磁によりギャップを通る閉磁路がコアに形成されるリアクトルであって、
   前記ギャップは、
   コアに形成した空隙からなるエアギャップと、
   コア中に介在された非磁性材料からなる中実ギャップとを有することを特徴とするリアクトル。
2. 前記コアは、閉磁路の磁路長を規定するメインコアと、中実ギャップに接するサブコアとを具備し、
   前記メインコアにはギャップの配列空間が形成され、
   この配列空間の一部にはサブコアと中実ギャップが配されてメインコアと結合され、前記配列空間の残部をエアギャップとしたことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
3. コアは、コイルの内側に配される内側コアと、コイルの外側に配される外側コアと、コイルの両端側の各々に配される端部コアとを有し、
   前記エアギャップは、内側コアの端面と一方の端部コアとの間に形成され、
   前記中実ギャップは内側コアに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
4. コアは、コイルの内側に配される内側コアと、コイルの外側に配される外側コアと、コイルの両端側の各々に配される端部コアとを有し、
   これら内側コア、外側コアおよび端部コアで囲まれる空間内部に樹脂を充填したことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
5. コアは、コイルの内側に配される内側コアと、コイルの外側に配される外側コアと、コイルの両端側の各々に配される端部コアとを有し、
   少なくとも一方の端部コアの端面全面に放熱材を接触させたことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
6. 前記エアギャップが一つ形成され、
   前記中実ギャップが複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
7. 前記中実ギャップは、セラミックス板または樹脂板からなることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
8. 前記リアクトルが自動車の電装部品用であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
9. 前記コイルに供給される電力容量が10A以上であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
10. 前記コアを構成する磁性材料は、7960A/ｍ（100エルステッド）の磁界を印加したときの磁束密度が1.0T以上であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
11. 前記リアクトルの透磁率が5〜50であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
12. 前記コアが圧粉成形で形成され、
    このコアの充填率が90％以上であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。

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