JP2008042051A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】磁性粉末密度が高く、より高い透磁率を保持することができ、低損失、低騒音、優れたインダクタンス特性を有するリアクトルを提供することを目的とする。
【解決手段】コイルが樹脂組成物でモールドされたモールドコイルと、前記モールドコイルを貫通する空隙部分に嵌合される磁性体ブロックからなるリアクトルにおいて、前記磁性体ブロックが嵌合された前記モールドコイル全体を磁性体でモールドする。
【選択図】図２

Description

本発明は電気回路に使用されるリアクトルに関するものである。

近年インバータなどの高調波発生機器からの高調波電流が電源側や同一電力系統に接続されている他の機器へ影響を与える問題が顕在化している。

いわゆるインバータ回路は半導体スイッチング素子で変換を行なうため、スイッチング周波数が出力波形に重畳される。このような高調波対策等のために、インバータ回路やスイッチング電源など多くの電子・電気機器に用いられる電気素子の一つとしてリアクトルがある。

リアクトルは、電源への高調波電流流出を抑制し、力率を改善することが求められている。このようなリアクトルに求められる性能としては、低損失、低騒音、インダクタンス特性等があるが、例えば太陽光発電用のような室内に設置されるものは、特に低騒音であることが重要な性能として求められている。

リアクトルにおいて騒音は、ギャップ部の電磁吸引力による振動、積層コア間の振動や材料そのものの磁歪等により発生するため、低騒音化を実現するためには、それらの振動を抑制する必要がある。低騒音化を実現するための従来の方法としては、鉄心の細部にまで樹脂を浸透させ固着させる、或いはギャップ部の接着構造をより強固にするなどの低騒音化技術が用いられている。

特許文献１には、ワニス含浸された複数積層鋼板の突き当て面を予め接着剤で固定し、突き当て面に付着しているワニスを一旦除去した後、突き当て面間又は積層鋼板とギャップスペーサーとの間に接着剤を充填し硬化させることにより両者を強固に固定することが開示されており、その結果、磁路を流れる磁束の変化に伴う吸引力や磁歪により積層鋼板やギャップスペーサーにかかる応力に基づく積層鋼板やギャップスペーサーの振動や両者の接触を防止することが可能となり、騒音低減が図れるとしている。

一方、リアクトルに使用されるコアとしては磁性薄帯のロールからカットしたコアや、積層鉄心に加工したものや磁性圧粉焼結した磁気コアが使われことが一般的であり、これらのコアをコイル状にした電線に挿入して製作されている。

特許文献２にはフェライトにより絶縁被覆された金属粒子からなる磁性粉末中に、酸化絶縁物材料をコーティングしたリードフレーム形状のコイルを埋め込み、圧縮成形して得られたリアクトル等が記載されている。
特開２００５−７２１９９ 特開２００４−３４２９４３

前記特許文献１においては突き当て面に付着した接着剤を機械的外力により除去する際、積層鋼板にストレスがかかり積層鋼板間の接着が剥離する可能性があり、騒音の増大につながる上、全ての突合せ面について実施するために必要な工数が増え、作業性が著しく低下する懸念がある。かかる状況において積層鋼板を用いたコアの場合は効果的に振動を抑制する構造をとることは困難が伴う。

また前記特許文献２の方法は、積層鋼板を用いないで磁性粉末コアを用いたリアクトルの事例であるが、このような方法だと金型内での正確なコイル位置合わせが難しい上、コイルを内蔵した状態で磁性粉末に高圧をかけるとコイルが変形又は位置ずれを起こす可能性が高く、安定した磁気特性を得るのが難しいという問題点がある。

上述のように従来のリアクトルにおいては、コイルという形状が変化しやすい対象物を常に安定的に磁性粉末内に保持することができないという問題点があり、また積層鉄心の振動・磁歪を抑制するリアクトル構造を製作する効果的な手法が見出せていないという現状がある。

本発明のリアクトルは、コイルが樹脂組成物でモールドされたモールドコイルと、前記モールドコイルを貫通する空隙部分に嵌合される磁性体ブロックからなり、前記磁性体ブロックが嵌合された前記モールドコイル全体が磁性体でモールドされていることを特徴とする。

前記コイルがモールドされている樹脂組成物に無機充填材が含まれていることが好ましい。

前記磁性体ブロックの初期透磁率が１００〜６０，０００Ｈ／ｍであることが好ましい。

前記磁性体ブロックが嵌合された前記モールドコイルがモールドされた後の前記磁性体の初期透磁率が２０〜１０，０００Ｈ／ｍであることが好ましい。

本発明のリアクトルは、コイルが樹脂組成物でモールドされたモールドコイルと、前記モールドコイルを貫通する空隙部分に嵌合される磁性体ブロックからなり、前記磁性体ブロックが嵌合された前記モールドコイル全体が磁性体でモールドされていることにより、高圧による圧縮成形が可能となり、その結果、磁性粉末密度が著しく高まり、より高い透磁率を保持することができ、高インダクタンス等、リアクトルとして優れた磁気特性を発現することが可能となる。

前記コイルがモールドされている樹脂組成物に無機充填材が含まれていることにより、モールドコイルの機械的強度の向上、熱膨張率低減、そして放熱特性の向上が図ることが可能となり、より低騒音のリアクトルが可能となる。

前記磁性体ブロックの初期透磁率が１００〜６０，０００Ｈ／ｍであることにより、磁気特性に優れたリアクトルとすることが可能となる。

前記磁性体ブロックが嵌合された前記モールドコイルがモールドされた後の前記磁性体の初期透磁率が２０〜１０，０００Ｈ／ｍであることにより、さらに磁気特性に優れたリアクトルが実現できる。

以下に本発明のリアクトルについて図を用いて説明する。図１がモールドコイル２および磁性体ブロック３の斜視図であり、図２がリアクトル１の斜視図である。

本発明のリアクトル１は、コイル４が樹脂組成物５でモールドされたモールドコイル２と、前記モールドコイル２を貫通する空隙部分６に嵌合される磁性体ブロック３からなり、前記磁性体ブロック３が嵌合された前記モールドコイル２全体がさらに磁性体７によってモールドされている。

前記モールドコイル２は、銅線等からなるコイル４が樹脂組成物５によりモールドされている。このときに用いる樹脂としては、ポリアセタール樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。これらの樹脂成分には必要に応じて硬化剤、反応促進剤、安定剤、離型剤等を添加しさらなる性能の向上を図ることができる。

これらの樹脂は通常のモールド方法でコイル４をモールドすることが可能であり、常圧や真空注型を問わず、加圧ゲル化注型、射出成形、キャスティング等の手法を用いることができる。熱硬化性樹脂を使用した場合は機械的強度や電気絶縁性等の改善を目的としたアフターキュアーを行うことも適宜選択できる。

また本発明に用いるこれらの樹脂組成物５に無機充填材を添加することで、モールドコイル２の機械的強度向上或いは熱膨張率低減、又は放熱性向上を図ることができる。無機充填材としては、シリカ、アルミナ、タルク、ガラス繊維、ガラスビーズ、マイカ、窒化ホウ素等があげられる。これら無機充填材の添加量はコイルの形状、寸法、巻数及び樹脂成分の種類、モールド装置及び温度、圧力等のモールド条件に応じ最適な範囲で設定することが好ましい。

前記モールドコイル２に設けられた空隙部分６に嵌合される磁性体ブロック３に用いる磁性体およびモールドコイル２全体をモールドしている磁性体７は、組成としては通常用いられる鉄−シリコン系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−コバルト系合金、アトマイズ鉄粉、センダスト等の金属磁性粉末もしくはこれらの表面を絶縁皮膜で被覆した金属磁性粉末、或いはフェライト等があげられる。

これらの磁性粉末の粒子形状は破砕型、球状、扁平等を必要に応じて選択可能であり、粒子径や粒度分布についても特に限定するものではないが、より緻密な圧粉コアを製作するには平均粒径が１×１０^-６ｍ台、もしくはそれ以下の粒径が一般的には用いられる。

またこれらの磁性粉末作成においては必要に応じ各種添加剤を用いてもよい。例えばバインダーとして一般的に用いられるポリビニルアルコールをはじめフェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂などがあげられる。また磁性粉末とこれらバインダーの結合を高める目的でカップリング剤等での処理を適宜行うことができる。

モールドコイル２の空隙部分６に嵌合される磁性体ブロック３は、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形等の一般的に用いられる成形方法により製作することができる。なお成形した磁性粉末の密度を３．０〜７．５ｇ／ｃｍ^３、好ましくは４．５〜７．５ｇ／ｃｍ^３とすることで好適な磁気特性を得ることができる。

モールドコイル２の空隙部分６に嵌合される前記磁性体ブロック３の初期透磁率を１００〜６０，０００Ｈ／ｍとすることでより磁気特性に優れたリアクトルとすることが可能となる。磁性体ブロック３の初期透磁率が１００Ｈ／ｍ以下であると、リアクトルとしてのインダクタンス特性を得るのが非常に困難になる。また、初期透磁率の値は大きい方が好ましいが初期透磁率が６０，０００Ｈ／ｍ以上の軟磁性材料を得ることは現状技術的に極めて困難であり、実用的ではないために、上述の範囲としている。

前記磁性体ブロック３が挿入又は嵌合されたモールドコイル２全体を磁性体７でモールドする方法は特に限定されるものではなく、各種成形法を適用可能である。例えば金型を用いた圧縮成形法は比較的高い圧力で成形することが可能であり、射出成形法などは連続生産に有利となる。

尚、この成形により得られるモールド後の磁性体の密度は３．０〜５．０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。３．０ｇ／ｃｍ^３以下だと十分な透磁率を得ることができない。

さらにモールド後の磁性体７の初期透磁率を２０〜１０，０００Ｈ／ｍとすることで、よりリアクトルとしての優れた磁気特性を発現することができる。モールドコイル２全体を覆う磁性体７の初期透磁率が２０Ｈ／ｍ以下だと、リアクトルとしてのインダクタンス特性を得るのが非常に困難になる。また、初期透磁率の値は大きい方が好ましいが１０，０００Ｈ／ｍ以上の軟磁性材料を得ることは現状技術的に極めて困難であり、実用的ではない。前記磁性体ブロック３の初期透磁率の上限よりも低くなっているのは、磁性体７はモールドコイル２等を含むために、前記磁性体ブロック３と同程度には成形圧力を高くすることができず密度が下がるので、上限が１０，０００Ｈ／ｍとなっている。

モールド後の磁性体７の肉厚は設計範囲内で最適化することが求められるが、磁性体ブロック３からの漏れ磁束を低減するため、モールドコイル２のコイル厚みと、磁性体７の肉厚の比率は、Ｃ’／Ａ’＝０．２５〜１であることが好ましい（図３参照）。

本発明によればモールドコイル２を磁性体７でモールドする工程において、前記モールドコイル２が変形のないリジッドな構造体であるため、容易に金型内での正確な位置決めが可能となる。さらにこれを圧縮成形する工程においても前記モールドコイル２が堅牢な樹脂組成物５による構造体であるため、高圧による圧縮成形が可能となり、その結果、磁性粉末密度が著しく高まることにより高い透磁率を保持でき、高インダクタンス等、リアクトルとして優れた磁気特性を発現することが可能となる。

また一般的に特許文献２に記載されているようなコイル内蔵圧粉コアを用いたリアクトルの場合、コイルを貫通する磁性粉末の密度は、原理的にコイル外周の磁性粉末密度以上に高くすることができないため、磁性粉末の成形圧力は内蔵コイルが変形又は破壊、位置ズレを起こさない程度の圧力に制限される。

このため磁性粉末の密度を上げることで初期透磁率を高め、リアクトル用コアとして好適な磁性粉末コアを得ることに強い制約があるが、本発明のリアクトル１は、前記モールドコイル２に予め高圧で圧縮成形された磁性体である前記磁性体ブロック３が挿入或いは嵌合される構造をとっているため、内蔵されたコイル４の変形又は破壊、位置ズレとは無関係にコアを高圧で作成することができる。このため前記モールドコイル２を用いることにより、従来のコイル内蔵圧粉コアを用いた場合に比べ、磁気特性に優れるリアクトルを提供することができる。

次に、実施例、参考例及び比較例を用いて本発明のリアクトルについてさらに説明を行う。

（モールドコイルの製作）
エポキシ樹脂１００重量部に硬化剤８０重量部及び無機充填材としてのシリカ粉末３５０重量部を配合した液状樹脂組成物を、金型にセットしたコイルに０．６７ｋＰａ以下で真空注型し１００℃で１２時間硬化させモールドコイルを得る。モールドコイルは位置合わせ用突起を備えた構造とした。

（磁性体ブロックの製作及びモールドコイルへの嵌合）
磁性粉末（６．５Ｓｉ−Ｆｅ）を金型に充填し、圧力５．０ｔ／ｃｍ^２で圧縮成形した後、焼成を行い初期透磁率７５０Ｈ／ｍの磁性体ブロックを得る。これを前記モールドコイルの空隙部分に嵌合する。

（モールドコイルの磁性体によるモールド）
金型に磁性粉末（６．５Ｓｉ−Ｆｅ）を入れ、磁性体ブロックを嵌合したモールドコイルの位置合わせ用突起と金型の対応する凹部に嵌合させたのち、磁性粉末で金型内を充填し圧力１．０ｔ／ｃｍ^２で圧縮成形し、リアクトルを得る。得られたモールドコイル全体を覆う磁性体の初期透磁率は１２５Ｈ／ｍとなるように調整した。

ブロック磁性体の初期透磁率を１２５Ｈ／ｍに調整したことを除き、実施例1と同様の方法でリアクトルを得た。

参考例１

ブロック磁性体の初期透磁率を５３Ｈ／ｍに調整したことを除き、実施例１と同様の方法でリアクトルを得た。

参考例２

モールドコイル全体を覆う磁性体のモールド後の初期透磁率を１４Ｈ／ｍに調整した以外は、実施例１と同様の方法でリアクトルを得た。

比較例１

コイルは実施例１に用いたものと同様のモールドコイルを用い、コアとして通常の積層鋼板を用いた構造をもつリアクトルを作成した。

比較例２

コアとして鉄心の細部にまで樹脂を浸透させ固着させた積層鋼板を用いた以外は比較例１と同様の構造としたリアクトルを作成した。

上述の実施例１，２、参考例１，２、および比較例１，２の各リアクトルについて、下記の条件で、インダクタンス測定・騒音測定をおこなった。そして、測定結果について表１に示している。
・インダクタンス測定条件：１０ｋＨｚ １Ｖ
・騒音測定条件：電流波形ＡＣ２０Ａに 周波数１７ｋＨｚで７．６Ａｐ−ｐ重畳を通電し１００ｍｍの距離で測定

実施例１および２は、参考例１，２および比較例１，２と比較すると、インダクタンスおよび騒音共に優れた結果を示している。参考例１および２は、比較例１，２と比較すると、騒音性能が優れていることがわかる。

そして、実施例１，２と参考例１，２とを比較すると、磁性体の初期透磁率を適切な範囲で高く設定することにより、優れたインダクタンスを得られることがわかる。

このように、本発明により、優れたインダクタンス特性を有し、従来よりも低騒音なリアクトルが実現可能となる。

（ａ）は、モールドコイルの斜視図であり、（ｂ）が磁性体ブロックの斜視図であり、（ｃ）が空隙部分に磁性体ブロックが嵌合されたモールドコイルの斜視図である。 （ａ）は、本発明のリアクトルの斜視図であり、（ｂ）が本発明のリアクトルの透過斜視図である。 図１（ａ）のＡ−Ａ線によるリアクトルの断面図である。

符号の説明

１ リアクトル
２ モールドコイル
３ 磁性体ブロック
４ コイル
５ 樹脂組成物
６ 空隙部分
７ 磁性体

Claims (4)

1. コイルが樹脂組成物でモールドされたモールドコイルと、前記モールドコイルを貫通する空隙部分に嵌合される磁性体ブロックからなり、前記磁性体ブロックが嵌合された前記モールドコイル全体が磁性体でモールドされていることを特徴とするリアクトル。
2. 前記コイルがモールドされている前記樹脂組成物に無機充填材が含ま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。
3. 前記磁性体ブロックの初期透磁率が１００〜６０，０００Ｈ／ｍであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のリアクトル。
4. 前記磁性体ブロックが嵌合された前記モールドコイルがモールドされた後の前記磁性体の初期透磁率が２０〜１０，０００Ｈ／ｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリアクトル。
   
   

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