JP2009094328A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能と耐クラック性能の双方に優れたリアクトルを提供する。
【解決手段】ハウジング１と、少なくとも、２つの平面視がＵ型のＵ型コア２１，２１と、該Ｕ型コア２１，２１間に介装されたギャップ板２２，２２と、からなり、ハウジング１内に収容されるリアクトルコア２と、リアクトルコア２の外周において該リアクトルコア２の周面と隙間をもって、かつ、ボビンレスの姿勢で形成されるコイル３と、リアクトルコア２とコイル３の間の隙間を含むハウジング１内に充填硬化された熱伝導性を有する樹脂とフィラーとからなる封止樹脂体４と、からリアクトル１０が形成されており、この封止樹脂体４は０．７〜４．０（Ｗ／ｍＫ）の範囲の熱伝導率を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド車等に搭載されるリアクトルに関するものである。

電力変換回路のリアクトルは、一般に平面視が略横長環状のリアクトルコアの２つの長手部にコイルが形成された姿勢でハウジング（ケース）内に収容されている。このリアクトルコアは複数の電磁鋼板の積層体もしくは圧粉磁心からなる分割コアから構成されており、各分割コア間には非磁性素材のギャップ板が介装されており、ギャップ板とコアは接着剤にて接着固定されてリアクトルコアが形成されている。

このハウジングの下面（底面）には放熱板（ヒートシンク）が設けてあり、さらにその下方には冷却水やエアを還流させる冷却器が設けられており、コイルに電流が印加した際の発熱を該コイルまたはリアクトルコアからこの放熱板を介し、冷却器を介してクーリングしながら外部へ逃がす構造が一般的である。ここで、ハウジングとハウジング内に収容されたリアクトルコアの間にはモールドされた封止樹脂体が形成されており、コイルまたはリアクトルコアからの熱はこの封止樹脂体を介して放熱板に伝熱される。

従来のリアクトルにおいては、上記コイルとリアクトルコアとの間に樹脂製のボビンまたは絶縁紙を介在させることで双方の接触を防止するとともに、放熱性をも担保していた。このボビンを介在させる形態や絶縁紙を介在させる形態では、それらを別途製作する工程と、たとえばＵ型コアにそれらを設置する工程が製造工程に含まれているが、特にボビン製作工程では、専用の射出成形型を用意する必要があり、これらを製作するために材料コストや製造コストが嵩んでしまうという問題があった。また、絶縁紙はコアの外周に挿入する必要があるが、ボビンに比してその位置決めが困難であり、その寸法精度が出難いという課題も有していた。これらのことから、その製作やコアへの設置に手間と費用を要し、製造効率の低下を招くものであった。

さらに製作されたリアクトルの品質面からの課題を挙げれば、ボビンとコアとの線膨張差の相違から、リアクトルの使用環境におけるヒートショックによって該ボビンにクラックが発生しやすく、このクラックの発生によって絶縁不良が起こり、これがリアクトルの焼損に繋がる虞があった。

また、絶縁紙の素材としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）などが一般に使用されるが、その熱伝導率が０．２（Ｗ／ｍＫ）前後と低く、コアの放熱を妨げるものとなっていた。このためにリアクトルの高負荷時にはコア−コイル間で熱ごもりが起こってしまい、絶縁紙の温度が著しく上昇して劣化が進行し、これが絶縁不良の原因となり得るものであった。特に電気自動車やハイブリッド車等に車載されるリアクトルにおいては、一般に大電流、大電圧が印加されることから、この課題が顕著となる。

ところで、リアクトルコアの外周にボビンレスの姿勢でコイルを形成してなるリアクトルがたとえば特許文献１，２に開示されている。特許文献１に開示のリアクトルは、コイルの外周の絶縁層の外周にフィンを並列配置させ、コアとコイルの間の空隙部およびコイルとカバーの間の空隙部に樹脂を充填固着してできる、放熱性能に優れたリアクトルに関するものである。

一方、特許文献２に開示のリアクトルは、その両端に保持部を有する台座と、コイルが巻き回されてその両端が上記保持部に接して台座上に保持されるコアと、コアの両端を台座の保持部に押し付ける固定部材と、から構成されている。ここで、コアのうちコイルが巻き回された部分と、固定部材のうちコイルに対向する部分と、台座のうちコイルに対向する部分のそれぞれに樹脂モールドが介在している。このリアクトルによれば、コアで発生した熱が保持部および樹脂を介して台座に効率よく放熱されることから、放熱性能に優れたリアクトルが得られるというものである。

特開平８−２２２４４２号公報 特開２００４−９５５７０号公報

上記する特許文献１，２に開示のリアクトルによれば、ともに放熱性能に優れた、ボビンレス構造のリアクトルが得られる一方で、モールドされる樹脂や該樹脂に混合される混合材が具体的に特定されていない。本発明者等によれば、使用される樹脂や混合材の熱伝導性能により、場合によっては、コイルとコア間に熱がこもってしまい、これによって樹脂モールドが劣化し、最終的には絶縁不良に至る危険性があることが特定されている。また、封止樹脂体がコアとコイルの線膨張差を吸収できない場合には、当該封止樹脂体自体にクラックが発生してしまい、これによっても絶縁不良に至る危険性がある。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ボビンレスのリアクトルにかかり、コイルとコアからの放熱性に優れ、リアクトルが駆動した際のヒートサイクルで封止樹脂体にクラックが生じ難いリアクトルを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるリアクトルは、ハウジングと、少なくとも、２つの平面視がＵ型のＵ型コアと、該Ｕ型コア間に介装されたギャップ板と、からなり、ハウジング内に収容されるリアクトルコアと、リアクトルコアの外周において該リアクトルコアの周面と隙間をもって、かつ、ボビンレスの姿勢で形成されるコイルと、リアクトルコアとコイルの間の前記隙間を含む前記ハウジング内に充填硬化された熱伝導性を有する樹脂とフィラーとからなる封止樹脂体と、からなり、前記封止樹脂体が０．７〜４．０（Ｗ／ｍＫ）の範囲の熱伝導率を有していることを特徴とするものである。

ここで、リアクトルコアは、磁性を有する２つのＵ型コアがギャップ板を介して接着された形態や、２つのＵ型コア間に１または２以上のＩ型コアが同様にギャップ板を介して接着された形態などがある。Ｕ型コアやＩ型コアは、電磁鋼板を積層してなる積層体から形成されてもよく、軟磁性金属粉末または軟磁性金属酸化物粉末が樹脂バインダーで被覆された磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成されてもよい。なお、この軟磁性金属粉末としては、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などを用いることができる。また、ギャップ板は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）などのセラミックスで成形することができる。さらに、ハウジングは、アルミニウムまたはそのアルミ合金などで成形することができる。

本発明のリアクトルは、特にリアクトルコア外周に形成されるコイルと該コア間に樹脂製のボビンや絶縁紙を介在させないボビンレス構造のリアクトルに関するものであり、ハウジングとリアクトルコア間に充填硬化される封止樹脂体が、このコアとコイルの間に形成された隙間内で充填硬化されるとともに、その他のコアとハウジング内の間にも充填硬化されたリアクトルである。ハウジング内のコイルとコアの間に隙間を形成するために、たとえばこのハウジングに板バネ等の固定手段を設けておいてコイルが形成されたコアの水平方向および鉛直方向の位置決めをおこない、コイルはその上方から下方へ押圧した姿勢で保持することにより、コアとコイルとの間に所定の隙間を形成することができる。コアおよびコイルの間に隙間が形成された状態でハウジング内に樹脂等を充填することにより、樹脂等がコアとコイル間に充填されるとともに、コアとハウジングの間にも隙間なく充填される。

ここで、この封止樹脂体は、その熱伝導率が０．７〜４．０（Ｗ／ｍＫ）の範囲の熱伝導率を有するように、所定の樹脂およびフィラーの混合材料から成形される。この樹脂とフィラーの組合せとして、たとえば、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂のうちからいずれか一種の樹脂を選定し、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムのいずれか一種またはそれらの組合せのいずれか一種からフィラーを選定することができる。ここで、混合材料の熱伝導性と粘度の双方が最適な範囲となるように、フィラーの含有率はたとえば６０重量％以上に調整されるのがよい。これらの樹脂素材、フィラー素材、およびフィラー含有率により、上記する０．７〜４．０（Ｗ／ｍＫ）の範囲の高い熱伝導性を有する封止樹脂体を得ることができる。

リアクトルを構成するコイルおよびリアクトルコアが発熱した際に、最も熱がこもる部位はリアクトルコアとコイルの間の領域であるが、従来のコイルボビンを有するリアクトルでは、絶縁性を確保するために介装されたコイルボビンが放熱性を阻害していた。このコイルボビンを廃してボビンレス構造とし、かつ、このコイルとコアの間の空間に上記する高放熱性の封止樹脂体を形成することにより、ボビン等の成形工程や設置工程を不要とでき、放熱性にも優れたリアクトルを得ることが可能となるものである。

また、本発明によるリアクトルの好ましい実施の形態において、前記高熱伝導性の樹脂は、さらに、その伸び性能が３０％以上の伸び率を有していることを特徴とするものである。

ボビンを有するリアクトルでは、ボビンと封止樹脂やコア、コイルとの線膨張差が大きなことからクラックが生じ易いという別の課題もあるが、ボビンレス構造とすることで相対的にはクラックを生じ難くできるものの、依然として封止樹脂とコアやコイルとの線膨張差には相違があってクラックの発生を抑止しきれない。本実施の形態では、可撓性のある封止樹脂体を適用することでクラックの発生を可及的に抑止できるものである。本発明者等によれば、封止樹脂体が上記する熱伝導率を有することに加えて、その伸び性能が３０％以上の伸び率を有していることにより、リアクトル駆動時にコアとコイルの双方で熱膨張差が生じた場合でも、これを当該封止樹脂体の伸びによって効果的に吸収することができ、もって封止樹脂体に生じ得るクラックの発生を抑止できることが特定されている。

上記熱伝導率と伸び性能を有する封止樹脂体用の混合材料を生成するための樹脂として、ウレタン樹脂やシリコーン樹脂を使用するのが好ましい。なお、樹脂の架橋密度の相違によって、常温で硬質の樹脂、ゴム状の樹脂、ゲル状の樹脂といった具合に樹脂の性状が変化するが、いずれの性状であっても、上記素材の樹脂を使用することにより、３０％以上の伸び率を有する封止樹脂体を成形することが可能となる。

また、使用される上記混合材料を形成するフィラーの素材や含有率によって、封止樹脂体の熱伝導率が変化するとともに粘度も変化する。一般にフィラー含有率が高くなると熱伝導率も粘度も高くなる傾向にあるが、粘度が高くなり過ぎると、ハウジング内への混合材料の注型性が悪くなり、ハウジング内に隙間なく材料が充填され難くなってしまう。本発明者等は、熱伝導性、対クラック性に加えてこの注型性にも優れた樹脂素材、フィラー素材、およびフィラー含有率を特定した。ここで、樹脂素材、フィラー素材は既述の通りであるが、注型性をも向上できるフィラー含有率としては、６０〜８０重量％程度が好ましいと言える。

本発明のリアクトルは、上記のごとく放熱性能および耐クラック性能の双方に優れていることから、高性能で耐久性のある搭載機器を有することを課題とする近時のハイブリッド車や電気自動車等への適用に最適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のリアクトルによれば、放熱性能と耐クラック性能の双方に優れたリアクトルを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のリアクトルの一実施の形態の断面図であり、図２は図１のII−II矢視図であって、製造時に使用する固定治具をともに示した図である。図３は樹脂素材とフィラー素材、フィラーの含有率を変化させて混合材料を生成し、各混合材料から成形される封止樹脂体の粘度と熱伝導率の関係に関する実験結果であり、図４はコイルの押し付け試験の概要を説明した図である。

図１は、本発明のリアクトルの一実施の形態の断面図であり、図２はそのII−II矢視図である。リアクトル１０は、平面視がＵ型の２つのＵ型コア２１，２１の端部同士をギャップ板２２，２２を介して接着剤にて固着してできる円環状のリアクトルコア２と、このリアクトルコア２のコア外周に隙間を設けた姿勢で形成されたコイル３，３と、このコイル３が形成されたリアクトルコア２を収容するハウジング１と、ハウジング１の内部に樹脂とフィラーの混合材料が充填硬化された封止樹脂体４と、から大略構成されている。なお、ハウジング１の底版１２の下方にラジエータ等からのクーリング水を内部で還流させる冷却器などが設けられた構造であってもよい。

封止樹脂体４形成用の混合材料を構成する樹脂とフィラーの組合せとして、樹脂は、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂のいずれか一種から選定でき、フィラーは、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムのいずれか一種またはそれらの組合せのいずれか一種から選定できる。これらの樹脂およびフィラーの組合せでできる混合材料からなる封止樹脂体は高い放熱性能を有し、さらに、その伸び性能も優れていることからコイルやリアクトルコアの熱変形を吸収でき、したがってクラックも生じ難い。

たとえばシリコーン樹脂に窒化ホウ素とシリカからなるフィラーを所定の含有率で混ぜ合わせて混合材料を生成し、これをリアクトルコアが配設されたハウジング内に充填硬化させることで図示のリアクトル１０が形成される。

図１，２において、リアクトルコア２とコイル３の間に形成された隙間には高熱伝導性の封止樹脂体４ａが充填硬化されており、この封止樹脂体４ａによってコイル３やリアクトルコア２で生じる熱を効果的に放熱することができる。

リアクトルの製造方法を概説すると、コイル３が形成されたリアクトルコア２をハウジング１内に収容し、ハウジング１の側壁１１に取り付けられた板バネ５にてリアクトルコア２の水平方向の位置決めをおこない、この姿勢で図２で示すごとく固定治具６にてコイル３を下方へ押圧することにより（矢印方向）、コイル３とリアクトルコア２双方の間に所定の隙間が形成されながら、双方の水平方向および鉛直方向の位置決めがおこなわれる。

この隙間をはじめとするハウジング１の内部に上記する混合材料を充填し、硬化させることで図示するリアクトル１０が製造される。

[樹脂とフィラー、フィラーの含有率を変化させてできる封止樹脂体を有するリアクトルの実施例および比較例と、絶縁紙を有するリアクトル（比較例）の各熱伝導率に関する実験およびその結果と、粘度に関する実験およびその結果]
本発明者等は、樹脂とフィラー、フィラーの含有率を変化させてできる複数の封止樹脂体をコイルとリアクトルコアの間に形成してなるボビンレス構造のリアクトル（実施例と比較例がある）を試作し、さらに、コイルとリアクトルコアの間に絶縁紙を介装させたリアクトル（比較例）をも試作し、それぞれの所定部位におけるリアクトル駆動時の温度を測定した。なお、この温度測定部位は図１で示すＡ点とＢ点でともにコイルとリアクトルコアの間の部位であり（それぞれの温度をＴ１、Ｔ２）、絶縁紙を有する比較例ではこのＡ点、Ｂ点に対応する絶縁紙の部位にて計測した。計測結果を以下の表１に示す。

表１において、実施例１は、ウレタン樹脂と、シリカおよびアルミナからなるフィラーを６０重量％程度混合した混合材料からなる封止樹脂体を有したリアクトルである。以下、実施例２は、エポキシ樹脂と、窒化ホウ素およびシリカからなるフィラーを７０重量％程度混合した混合材料からなる封止樹脂体を、実施例３は、シリコーン樹脂と、窒化ホウ素およびアルミナからなるフィラーを７０重量％程度混合した混合材料からなる封止樹脂体を、それぞれ有している。また、比較例４は、ウレタン樹脂と、シリカを５５重量％程度混合した混合材料からなる封止樹脂体を有したリアクトルであり、比較例５は、シリコン樹脂と、窒化ホウ素およびアルミナおよび酸化マグネシウムからなるフィラーを８５重量％程度混合した混合材料からなる封止樹脂体を有したものである。

上記各実施例において、実施例１〜３の封止樹脂体は、その熱伝導率が０．７〜４．０（Ｗ／ｍＫ）と高い熱伝導率を有しており、各実施例のリアクトルでは、発明者等が目標とする基準温度の１３０℃を下回る結果となっている。

一方、比較例１〜４では目標基準温度以上の熱ごもりが残ってしまう結果となり、比較例５では、混合材料の粘度が高すぎて注型できないという結果となった。

ここで、ボビンレス構造のリアクトルにかかる実施例１〜３と比較例４，５を取り出し、これらの封止樹脂体を形成する混合材料の粘度を計測し、熱伝導率とともにグラフ化した結果を図３に示している。

図３において、実施例１〜３に対応するプロットがそれぞれＸ１〜Ｘ３であり、比較例４，５に対応するプロットがＹ１，Ｙ２である。この実験結果より、熱伝導率が大きくなることに対応して混合材料の粘度も増加する傾向にあるが、これは、混合材料中のフィラーの含有率が高くなることに起因している。

本発明者等の検証によれば、確実にハウジング内に注型できる粘土の境界としておよそ３００Ｐａｓ（パスカル秒）程度を規定することができ、比較例５（プロットＹ２）のように６００Ｐａｓでは全く注型できない。フィラーの素材にもよるが、一般にフィラー含有率が高くなることで混合材料の熱伝導率は高くなるものの、今度はその粘度も増加することで注型できないという事態が生じることから、熱伝導性と注型性の双方を満足するフィラーの含有率は、６０〜８０重量％程度が好ましいと特定することができる。

[封止樹脂体の伸び性能に関する実験とその結果]
本発明者等は、混合材料を形成する樹脂を変化させた場合でフィラー素材およびその含有率を一定とした場合の各封止樹脂体を有するリアクトルを試作し、各封止樹脂体の伸び性能を計測した。封止樹脂体の伸び性能は、これが高いほど、リアクトルのヒートサイクルによるコアやコイルの熱変形に対する封止樹脂体の追随性が良好であることを意味している。試験結果を以下の表２に示す。なお、各実施例、比較例ともに、シリカおよびアルミナからなるフィラーを６０重量％の含有率で混合している。また、性状がゲル状の樹脂である実施例４，５での針入度に関しては、針が３ｍｍ入る状態を３０とし、１０ｍｍ入る状態を１００としており、ともにその伸び率は２００％よりもはるかに大きな値を呈している。また、クラック発生の有無はＸ線透過試験によるものである。

表２において、実施例１はウレタン樹脂を使用した場合を、実施例２〜５はシリコーン樹脂を使用した場合を、比較例１，２はエポキシ樹脂を使用した場合をそれぞれ示している。さらに、実施例２〜５ではシリコーン樹脂の架橋密度が相違しており、実施例２，３ではゴム状を呈し、実施例４，５ではゲル状を呈している。

表２より、伸び率が３０％以上の実施例１〜５ではヒートサイクル試験でクラックの発生は全くないこと、伸び率が３０％よりも小さな比較例１，２では所定のサイクル時点でクラックが発生することが特定された。この結果より、封止樹脂体に耐クラック性を要求する場合には、混合材料としてウレタン樹脂、シリコーン樹脂を使用するのが好ましいと結論付けることができる。

[コイルとリアクトルコア間に隙間を形成する際の固定治具による押圧荷重に関する実験とその結果]
本発明者等は、図２で示す固定治具にてコイルを押圧する際に、該コイルを変形させない押圧荷重をコイルモデルを使用して実証した。図４はこのコイルモデルＭ１に治具モデルＭ２を押圧している状況を説明した図である。なお、図中のａ１は５０ｍｍ、ａ２は６０ｍｍ、ｔ１は６ｍｍ、ｔ２は１０ｍｍのモデル寸法である。実験結果を以下の表３に示す。

表３より、コイルを固定治具によって押圧しながら混合材料を充填する際の押圧力は２０〜２０００Ｎ程度の範囲に調整されるのが好ましいことが特定された。

上記する本発明のリアクトルによれば、コイルとコア間に高熱伝導性の樹脂、フィラーからなる混合材料が充填硬化されてなる封止樹脂体が形成されていることで、放熱性能と耐クラック性能に優れたリアクトルを得ることができる。さらに、フィラー素材やその含有率を調整することにより、ハウジング内に確実に混合材料が充填された高品質なリアクトルを得ることができる。この高品質で高性能なリアクトルは、搭載機器に高性能化が要求される近時のハイブリッド車や電気自動車等への適用に最適である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のリアクトルの一実施の形態の断面図である。 図１のII−II矢視図であって、製造時に使用する固定治具をともに示した図である。 樹脂素材とフィラー素材、フィラーの含有率を変化させて混合材料を生成し、各混合材料から成形される封止樹脂体の粘度と熱伝導率の関係に関する実験結果である。 コイルの押し付け試験の概要を説明した図である。

符号の説明

１…ハウジング、１１…側壁、１２…底版、２…リアクトルコア、２１…Ｕ型コア、２２…ギャップ板、３…コイル、４…封止樹脂体、４ａ…コイルとコア間の封止樹脂体、５…板バネ、６…固定治具、１０…リアクトル、Ｍ１…コイルモデル、Ｍ２…治具モデル

Claims (3)

1. ハウジングと、
   少なくとも、２つの平面視がＵ型のＵ型コアと、該Ｕ型コア間に介装されたギャップ板と、からなり、ハウジング内に収容されたリアクトルコアと、
   リアクトルコアの外周において該リアクトルコアの周面と隙間をもって、かつ、ボビンレスの姿勢で形成されるコイルと、
   リアクトルコアとコイルの間の前記隙間を含む前記ハウジング内に充填硬化された熱伝導性を有する樹脂とフィラーとからなる封止樹脂体と、からなり、
   前記封止樹脂体が０．７〜４．０（Ｗ／ｍＫ）の範囲の熱伝導率を有していることを特徴とする、リアクトル。
2. 前記封止樹脂体は、その伸び性能が３０％以上の伸び率を有している、請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記樹脂が、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂のいずれか一種からなり、前記フィラーが、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムのいずれか一種またはそれらの組合せのいずれか一種からなる、請求項１または２に記載のリアクトル。

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