JP2010186803A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】磁性粉末混合樹脂を用いるリアクトルにおいて、磁性飽和によるインダクタンス値の低下を抑制し、所望の性能を発揮するリアクトル及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】通電により磁束を発生するコイル２と、このコイル２の内側及び外周に充填された第１磁性粉末混合樹脂からなる第１コア３と、を有するリアクトル１において、角丸長方形状を有するコイル２の角部円弧内側のコアは磁束密度が高くなる。そこで、磁性粉末量の多い第２磁性粉末混合樹脂からなる第２コア４を角部円弧内側に配置する。これによって、リアクトル１は所定のインダクタンス値を得ることができ、所望の性能を確保することができる。また、第２コア４の配置を角部円弧内側に限定することで、コア全体を第２コア４とする場合に比べて、リアクトル１の重量やコストの増大を必要最小限に抑えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ等の電力変換装置の構成部品として用いられるリアクトルに関する。

従来、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いられるインバータ等の電力変換装置がある。この電力変換装置には、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールやこれを冷却する冷却器、更には、入力電圧を昇圧するための昇圧回路の一部を構成するリアクトル等が、１つのケース内に収納されている。

上記リアクトルとして、例えば特許文献１に開示されているように、通電により磁束を発生するコイルと、このコイルの内側及び外周に充填された磁性粉末混合樹脂からなるコアとを有するものがある。このコアは、液状の磁性粉末混合樹脂を成形型に流し込んだ後、加熱することにより固化する。成形型には予めコイルが配置されており、コイルが磁性粉末混合樹脂と一体に成形されることで、リアクトルを構成する。

特開２００８−１９８９８１号公報

上記の様なリアクトルにおいて、コイルは通電により磁束を発生し、コアに流入する磁束の磁束密度分布はコイル形状に依存する。磁束は、コイルに流れる電流の方向に対し垂直に発生するため、例えば円形のコイルの場合、円弧部内側で磁束同士が重ね合わされ、円弧部内側のコアに磁束が集中することで磁束密度が高くなる。また、角形のコイルの場合、その角部の内側では直交する２辺のコイルまわりの磁束が角部内側で重ね合わされ、角部内側のコアに磁束が集中することで磁束密度が高くなる。このようにして、磁束密度はコア全体で一様ではないため、磁束密度が高い場所において、局所的に磁束量がコアの飽和磁束密度を超える可能性がある。これによって、リアクトルは所定のインダクタンス値が得られず、所望の性能を確保できない懸念がある。そこで、コアが許容する磁束密度を高くするには、樹脂に含まれる磁性粉末量を増やすことで飽和磁束密度を高くすることが考えられるが、リアクトルの重量が増大するほか、材料コストの増大を招くという問題がある。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、磁束飽和を抑制することで所望の性能を確保し、且つ、リアクトルの重量やコストの増大を抑制するリアクトルの提供にある。

（請求項１の発明）
本発明は、通電により磁束を発生するコイルと、このコイルの内側及び外側に充填された磁性粉末混合樹脂からなるコアと、を有するリアクトルにおいて、前記コアは、第１磁性粉末混合樹脂からなる第１コアと、前記第１磁性粉末混合樹脂よりも飽和磁束密度の高い第２磁性粉末混合樹脂からなる第２コアと、を有し、前記コイルの内側の少なくとも一部に前記第２コアが配置されることを特徴とする。

飽和磁束密度の高い第２コアを磁束が集中しやすいコイルの内側に配置することで、コアが磁束飽和することを抑制できる。これによって、リアクトルは所定のインダクタンス値を得ることができ、所望の性能を確保することができる。また、コイルの内側にのみ第２コアを配置することで、コア全体を第２コアとする場合に比べ、リアクトルの重量やコストの増大を最小限に抑えることができる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載のリアクトルにおいて、前記第２磁性粉末混合樹脂は、前記第１磁性粉末混合樹脂よりも磁性粉末量が多いことを特徴とする。

これによって、第２磁性粉末混合樹脂の飽和磁束密度を高くすることができるため、磁束の集中する箇所において、コアが磁性飽和することを抑制することができる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載のリアクトルにおいて、前記第２磁性粉末混合樹脂は、磁性粉末に純鉄を用いることを特徴とする。

これによって、第２磁性粉末混合樹脂の飽和磁束密度を高くすることができるため、磁束の集中する箇所において、コアが磁性飽和することを抑制することができる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載の何れかのリアクトルにおいて、前記コイルは、その形状の一部に円弧部を有すると共に、少なくとも前記円弧部内径側には前記第２コアが配置されることを特徴とする。

コイルの円弧部内径側は周囲よりも磁束密度が高くなるため、円弧部内径側に飽和磁束密度の高い第２コアを配置することによって、円弧部内径側で磁性飽和することを抑制することができる。

（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載の何れかのリアクトルにおいて、前記コイルは、その形状の一部に角部を有すると共に、少なくとも前記角部内側には前記第２コアが配置されることを特徴とする。

コイルの角部内側は周囲よりも磁束密度が高くなるため、角部内側に飽和磁束密度の高い第２コアを配置することによって、角部内側で磁性飽和することを抑制することができる。

本発明の実施例１における、リアクトルの縦断面図（図２のＢ−Ｂ断面）である。 本発明の実施例１における、リアクトルの横断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。 本発明の実施例１において、コイルが発生する磁束がコイルの角部内径側で集中する様子を示す説明図であり、（Ａ）斜視部、（Ｂ）上面部である。 本発明の実施例２における、リアクトルの横断面図である。 本発明の実施例３における、リアクトルの横断面図である。

（実施例１）
本発明の実施例１に係るリアクトルの構成を、図１、２を用いて説明する。図１はリアクトル１の縦断面図（図２のＢ−Ｂ断面）、図２はリアクトル１の横断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。

本実施例１のリアクトル１は、通電により磁束を発生するコイル２と、このコイル２の内側及び外周に充填された第１コア３と第２コア４と、コアを貫通する中芯５を有する。

コイル２は、銅などの金属材料からなる平角導線を螺旋状に巻き回してなり、図１に示す様に、角丸長方形状を有する。平角導線の両端は、螺旋状部から突出して一対の端子２ａを形成している。この端子２ａは、リアクトル１の上端部のコアから突出しており、他の電気機器（図示せず）と接続している。

第１コア３は、磁性粉末を混合させた樹脂（以下、第１磁性粉末混合樹脂という）を硬化させてなり、図１に示す様に、コイル２全体を覆っている。これによって、コイル２が発生する磁束は透磁率の高い第１コア３を通過するため、リアクトル１のインダクタンス値を大きくすることができる。ここで、上記磁性粉末としては、例えばフェライト粉末や珪素合金鉄粉等が、また上記樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。

第２コア４は、飽和磁束密度を高くするために、第１磁性粉末混合樹脂よりも磁性粉末を多く混合させた樹脂（以下、第２磁性粉末混合樹脂という）を硬化させてなる。この第２コア４は、図２に示す様に、略四角柱形状を有し、コイル２の４箇所の角部円弧内側にそれぞれ配置される。これによって、コイル２の角部で発生する磁束は、角部円弧外側では透磁率の高い第１コア３を、角部円弧内側では透磁率の高い第２コア４を通過するため、リアクトル１のインダクタンス値を大きくできる。ここで、上記磁性粉末と上記樹脂は、第１コア３と同様の材料が用いられる。

中芯５は、図１に示す様に、第１コア３の中心部でリアクトル１を軸方向に貫通するように埋設され、例えばアルミニウムなどの金属材料からなる。この中芯５には、ボルト６を挿通するためのボルト挿通孔が設けられている。

以上の構成からなるリアクトル１は、以下の手順で製造される。

まず、リアクトル成形型とは別の型に第１磁性粉末混合樹脂を注入し、加熱硬化させて柱形状の第２コア４を予め成形しておく。

次に、リアクトル成形型の所定の位置にコイル２と中芯５を配置し、予め成形された第２コア４をコイル２の角部内径側に組み付ける。そして、成形型内に液状の第１磁性粉末混合樹脂を注入し成形型ごと加熱することで、第１磁性粉末混合樹脂は硬化し、コイル２、第２コア４、中芯５は一体に成形される。即ち、コイル２の角部円弧内側には第２コア４が配置され、その他の部分には第１コア３が充填されることとなる。このようにして、リアクトル１は形成される。

成形型から取り外されたリアクトル１は、図１に示す様に、リアクトル１の外形に沿った形状を有すると共に底部を有する収容部８にウレタン７を介して配置される。ウレタン７は、リアクトル１の振動が収容部を介してケースに伝わることを抑制する働きを有する。また、中芯５の挿通孔に挿通するボルト６が収容部底面に設けられたボス部８ａに設けられたボルト穴と螺合することで、リアクトル１は収容部８に固定される。この収容部８は、リアクトル１と共に電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールや、これを冷却する冷却器とからなる主回路部から構成されるインバータ（図示せず）のケース内に一体に設けられる。このケースは、例えばアルミニウムなどの金属材料からなる。ここで、リアクトル１は、端子部２ａを介して主回路部と電気的に接続され、また、外部の電源と電気的に接続されている。そして、リアクトル１は、電源から供給される直流電圧を昇圧して主回路部へ送る昇圧部の一部を構成している。
（実施例１の効果）
実施例１のリアクトル１において、コイル２への通電によって、コイルに流れる電流の方向に対して垂直に磁束が発生する。このため、図3に示す様に、コイル２の角部円弧内側で磁束同士が重ね合わされ、この付近のコアに磁束が集中することで、周囲よりも磁束密度が高くなる。しかし、角部円弧内側には、飽和磁束密度の高い第２コアが配置されることで、コアが磁性飽和することを抑制できる。これによって、リアクトルは所定のインダクタンス値を得ることができ、所望の性能を確保することができる。また、第２コアの配置を磁束密度の高い部分に限定することで、リアクトル１のコア全体を第２コアとする場合に比べて、リアクトルの重量やコストの増大を最小限に抑えることができる。
（実施例２）
本発明の実施例２に係るリアクトル１について、図４を用いて説明する。図４はリアクトル１の横断面図である。

本実施例２のリアクトル１においては、実施例１において四角柱状としていた第２コア４の形状を、図４に示す様に、略三角柱状とする。

コイル２への通電によって発生する磁束は、コイル２の角部円弧内側で重ね合わされるが、その磁束量はコイルからの距離に反比例する。このため、磁束密度はコイル２の角部の頂点で最も高く、頂点から遠ざかるにつれて低くなっていく。そこで、第２コア４の形状を略三角柱とすることで、磁束密度の特に高い箇所に限定して第２コア４を配置することになる。これによって、重量が大きく高価な第２磁性粉末混合樹脂の使用量を更に削減することができる。

その他の構成、効果は実施例１と同様である。
（実施例３）
本発明の実施例３に係るリアクトル１について、図５を用いて説明する。図５はリアクトル１の横断面図である。

本実施例３のリアクトル１においては、実施例１と２において柱状としていた第２コアの形状を、図５に示す様に、中空柱状とする。

コイル２への通電によって発生する磁束量は、コイル２からの距離に反比例する。このため、コイル２の角部円弧内側のコアにおいて磁束密度は、コイル２付近は高く、中心部に近づくほど低くなる。従って、第２コア４の形状を中空柱状とすることで、磁束密度の高いコイル付近の箇所だけに第２コア４を配置することになる。これによって、重量が大きく高価な第２磁性粉末混合樹脂の使用量を更に抑制することができる。また、第２コア４を柱形状として４本配置する場合に比べ、第２コア４を１つの部材とすることができるため、リアクトル１の製造を更に容易にすることができる。

その他の構成、効果は実施例１、２と同様である。
（変形例）
実施例１〜３のリアクトル１において、第２磁性粉末混合樹脂は、磁性粉末にフェライト粉末や珪素合金鉄粉等を用いる代わりに純鉄を用いることで、より飽和磁束密度を高くすることができる。また、磁性粉末量が第１磁性粉末混合樹脂と同量であっても、純鉄を用いる第２磁性粉末混合樹脂は飽和磁束密度を高くすることができる。

実施例１〜３のリアクトル１において、第２磁性粉末混合樹脂の樹脂として、例えばＰＰＳ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂等を用いる場合には、射出成形によってコアを成形することができる。この場合は、第１磁性粉末混合樹脂と第２磁性粉末混合樹脂とを異なる射出成形工程に分けて行うことで、異なる種類の樹脂を一体に成形することができる。射出成形によれば、樹脂を熱硬化させるよりも寸法規定を正確にできるほか、実施例１〜３のように第２コア４をリアクトル成形型内の所定の位置に組み付ける作業を必要としないため、製造が容易となる。

実施例１〜３のリアクトル１において、コイル２の形状が角型である場合でも、角部内側で磁束が集中するため、本発明は有用である。その他、コイル２の形状が長円である場合でも、円弧部内径側で磁束が集中するため、本発明は有用である。

実施例１〜３のリアクトル１において、コイル２の内側の一部分だけでなく、内側全体を第２コア４としてもよい。この場合、コイル２の内側と外側でコアの種類を変えればよいため、製造が簡単になる。

実施例３のリアクトル１において、コイル２の形状が略真円であった場合でも、コイル２の内径側で磁束同士が重なり合うことで、外径側よりも磁束密度が高くなる。従って、中空円柱状の第２コア４を配置することで、磁性飽和することを抑制できる。

１ リアクトル
２ コイル
３ 第１コア（第１磁性粉末混合樹脂）
４ 第２コア（第２磁性粉末混合樹脂）

Claims (5)

1. 通電により磁束を発生するコイルと、
   このコイルの内側及び外側に充填された磁性粉末混合樹脂からなるコアと、を有するリアクトルにおいて、
   前記コアは、第１磁性粉末混合樹脂からなる第１コアと、前記第１磁性粉末混合樹脂よりも飽和磁束密度の高い第２磁性粉末混合樹脂からなる第２コアと、を有し、
   前記コイルの内側の少なくとも一部に前記第２コアが配置されることを特徴とするリアクトル。
2. 請求項１に記載のリアクトルにおいて、
   前記第２磁性粉末混合樹脂は、前記第１磁性粉末混合樹脂よりも磁性粉末量が多いことを特徴とするリアクトル。
3. 請求項１または２に記載のリアクトルにおいて、前記第２磁性粉末混合樹脂は、磁性粉末に純鉄を用いることを特徴とするリアクトル。
4. 請求項２または３に記載のリアクトルにおいて、前記コイルは、その形状の一部に円弧部を有すると共に、少なくとも前記円弧部内径側には前記第２コアが配置されることを特徴とするリアクトル。
5. 請求項２または３に記載のリアクトルにおいて、前記コイルは、その形状の一部に角部を有すると共に、少なくとも前記角部内側には前記第２コアが配置されることを特徴とするリアクトル。

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