JP2010245111A

JP2010245111A - リアクトル

Info

Publication number: JP2010245111A
Application number: JP2009089248A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kondo; 将寛近藤
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2029-04-01
Also published as: JP5224467B2

Abstract

【課題】コイルの周囲を最適な厚みの絶縁体で覆い、コイル端子間のレヤショートやコイル端子と筐体間との絶縁耐圧を改善したリアクトルを提供すること。
【解決手段】コイル２の端面にキャップ５を嵌合させ、それをコイル部２ａとキャップ５とを一体成形できる成形金型に設置し、そのキャップ５を介してコイル部２ａを所定の厚みとなる力で押圧しながらコイル部２ａを成形金型内に保持固定させ、そのコイル部２ａを押圧しながら成形金型内に成形樹脂６を充填し、硬化させてコイル部２ａが成形樹脂６とキャップ５とで覆われたコイル成形体７にする。続いて、コイル成形体７を筐体４内に配置し、注型樹脂と軟磁性粉末とを混合した磁性粉末複合材料を筐体４内に注ぎ入れ、磁性粉末複合材料を硬化させて図４に示すようにコイル成形体７が磁性体３に埋設された構造のリアクトル１にする。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気磁気特性を利用した平滑回路や、電圧回路、電力回路、フィルタ回路などに用いられるリアクトルに関する。

各種回路に用いられるリアクトルは、磁性体の粉末をプレスするなどして形成した磁性体の磁路に効率良く磁束が生じるようにコイルを配置して構成されている。例えば、パーソナルコンピュータの高速演算処理素子等に給電するための電源電圧を降圧する平滑回路のリアクトルとして、コイルの外周囲を磁性体の粉末で覆うことにより、磁気特性と放熱性とに優れ、小形、大電流化が得られるリアクトルが知られている。

図５は、従来のリアクトルを説明する断面図である。

磁気誘導素子であるリアクトル１ａは、電気絶縁性のワニスで覆われた銅線を円筒状に巻回したコイル部２ａと、コイル部２ａの両端を導き出したコイル端子２ｂとからなるコイル２と、硬化できる注型用樹脂と軟磁性粉末とからなる強磁性粉末複合材料からなる磁性体３とからなっている。
リアクトル１ａは、アルミニウム等の筐体４内にコイルを配置し、そのコイル２が配された筐体４内に強磁性粉末複合材料を注型して硬化させ、図５に示したようにコイル部２ａが磁性体３に覆われ、外部と電気的に接続できるコイル端子２ｂが引き出されている。このようなリアクトル１ａは、例えば、特許文献１に開示されている。

特表２００３−５３４６５６号公報

近年では、再充電可能なバッテリーを有する電車や電気自動車、ハイブリッド自動車などのような大きな電力を用いる装置において自らが生じる回生電力を無駄なくバッテリーに蓄電するための昇圧回路用として大電流の通電が可能で、大きなインダクタンスが得られる高性能なリアクトルの必要性が特に高まっている。

図５に示したような従来のリアクトル１ａに用いられるコイル２は、電気絶縁性のワニスで被膜された棒状の銅線である導体を巻回してコイル部２ａを作製するため、導体の皮膜にキズが生じさせたり、皮膜が薄くなったり、皮膜を剥離させたりすると言う問題が知られている。

特に断面が方形となる平角状の導体を螺旋状に巻回して筒状に形成したコイルでは、巻線金型を用いて行うため、巻線金型によって皮膜にキズを付けたり、皮膜を削ったりすると言う問題と、外周側となる方が伸ばされて皮膜が薄くなると言う問題と、内周側となる方が縮められて銅の表面から剥離すると言う問題とがある。

上述のようなコイルの周囲を電気絶縁材でない軟磁性粉末が含まれた磁性体で覆った場合に、軟磁性粉末を介してコイル部２ａの導体間が短絡してリアクトルの磁気特性を低下させるレヤショートを引き起こすと言う問題がある。

ゆえに、ポリウレタンやポリエステル、ポリアミドなどのワニスで覆われた導体を巻回したコイルと磁性体とが放熱性に優れた金属製の筐体等に収納したリアクトルでは、コイルに大きなパルス状の電圧が加わらないような条件で使用する必要がある。

数十ボルトを超え、かつ数アンペアを超えて使用される例えば電気自動車等に使用される場合には、不慮の事故等によって感電を防止するため、電気的に接地された鉄等からできた車体にリアクトルの筐体が接地されて取り付けられている。

したがって、短絡等の可能性があるものを車体に接続することはできないので、このままでは、電車や電気自動車、ハイブリッド自動車などの装置に使用できないと言う問題がある。

そのため、コイルを電気絶縁性の絶縁ケースに収納してレヤショート対策や電気絶縁性を満足する方法も考えられるが、絶縁ケースにコイルを収納すると、コイルと絶縁ケースとの間に空隙を生じ、その空隙がコイルに通電することで生じた熱の熱伝導性を妨げると言う問題がある。

そのため、コイルの周囲を電気絶縁性の樹脂を用いて一体成形することで、コイルの熱伝導効果を改善したリアクトルも考えられる。
しかしながら、大きな形状のコイルを単に一体成形すると、そのコイルに成形樹脂を注入する際に加わる樹脂充填の圧力によってコイルの成形位置がずれたり、コイルが傾いたりすると言う問題がある。

また、コイルを一体成形する際に成形金型の定まった位置に固定するために金属製の位置決めピン等を用い、それを上下から押圧して保持させる方法も考えられるが、成形金型内のコイルを固定させるための位置決めピン等が被膜に接触することでキズを生じさせたりすると言う問題もある。

本発明は、レヤショートを防止し、熱伝導性も低下しないリアクトルを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、ポリウレタン等の被膜を有した断面が方形の導体を螺旋状に巻回して筒状のコイルに形成し、そのコイルの少なくとも巻線１ターン分の厚みが嵌合する鍔と、そのコイルの端面が嵌合する面とを有した環状の電気絶縁性の樹脂からなるキャップをコイルの両端面に夫々配置する。キャップが配されたコイルを成形金型内の所定の位置に配置し、夫々のキャップを介してコイルの両端面を位置決めし、そのキャップを介して押圧することでコイルの被膜にキズ等を与えることなく、その成形金型内の定まった位置にコイルとキャップとを保持することができる。

次に、その成形金型に配されたコイルとキャップとを絶縁性の樹脂を用いて一体成形することにより、所望の位置で成形樹脂に覆われたコイル成形体にできる。

次に、別の成形金型内にこのコイル成形体を配置し、熱等によって硬化する注型樹脂等と軟磁性粉末とを混合した磁性粉末複合材料をそのケースに注ぎ入れて硬化させ、コイル成形体によって磁性体の少なくと一部に磁束が生じるように埋設することにより、コイルの周囲が電気絶縁性の樹脂で覆われた本発明のリアクトルが製造できる。

キャップは、コイルと嵌合しない面に成形樹脂が回り込むことができる溝を設けることにより、コイルの内周面と外周面とに成形樹脂が均一に回り込ませることができ、かつコイル成形体にキャップも一体成形されて固定できる。

なお、キャップには、キャップの鍔の縁を段状にすることにより、電気絶縁性を満足できる沿面距離を鍔の端から短い直線距離内で確保でき、かつ一体成形した際にキャップと成形樹脂との機械的結合を強くすることができる。

本発明によれば、電気絶縁性の被膜で覆われた導電性の導体を巻回してなる筒状のコイルと、軟磁性の磁気特性を有する粉末と注型樹脂とを混合した磁性粉末複合材料からなる磁性体とを有するリアクトルであって、
前記筒状のコイルの端面に嵌合する面と鍔とを有した電気絶縁性の樹脂からなるキャップを前記端面に夫々配し、前記キャップの少なくとも一部と、前記コイルの露出した面とが電気絶縁性の成形樹脂で覆われたコイル成形体の少なくとも一部が前記磁性体に覆われていることを特徴とするリアクトルが得られる。

本発明によれば、前記筒状のコイルは、断面が方形であることを特徴とするリアクトルが得られる。

本発明のリアクトルは、筒状のコイルの端部に電気絶縁性の樹脂からなるキャップを配して電気絶縁性の成形樹脂で一体成形することにより、コイルにダメージを与えることなく成形樹脂で覆われることにより、高いパルス電圧に耐え、コイルと筐体との間の電気絶縁性を高く、コイル成形体の最適な位置にコイルを寸法精度良く配置できる効果を奏する。

本発明のリアクトルに係るコイルを説明する斜視図。本発明のリアクトルに係るキャップを説明する図。図２（ａ）は平面図。図２（ｂ）は正面図。図２（ｃ）は底面図。図２（ｄ）はＡ−Ａ断面図。本発明のリアクトルに係るコイル成形体を説明する図。図３（ａ）は斜視図。図３（ｂ）はＢ−Ｂ断面図。本発明のリアクトルを説明する図。図４（ａ）は斜視図。図４（ｂ）はＣ−Ｃ断面図。従来のリアクトルを説明する断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明のリアクトルに係るコイルを説明する斜視図である。

本発明の筒状のコイル２は、電気絶縁性の絶縁被覆で覆われた断面が方形の導体を螺旋状に巻回して筒状のコイル部２ａと、そのコイル部２ａの両端を引き出したコイル端子２ｂとを有するように形成する。

導体の被膜には、薄膜状で電気絶縁性に優れ、かつ入手性に優れたポリウレタンやポリエステル、ホルマール、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミドなどの樹脂を用いることができる。

導体には、電気用軟銅線や、電気用アルミニウム線などを用いることができる。

コイル部２ａは、導体の面と面との間が密着するように巻回して一定の高さとなるようにするのが良い。

なお、コイル部２ａは、断面が円や長円、楕円となる導体を用いて筒状に形成してもできるが、その場合、筒状の端面を両側から押圧しても崩れないように形成するのが良い。

コイル端子２ｂは、導体を直接引き出して形成して良い、また、コイル部２ａの端部に絶縁材で覆われたコイル端子２ｂを溶接接続等して形成しても良い。なお、コイル端子２ｂは、電気絶縁性のチューブや成形樹脂で覆われていても良い。

図２は、本発明のリアクトルに係るキャップを説明する図で、図２（ａ）は平面図で、図２（ｂ）は正面図で、図２（ｃ）は底面図で、図２（ｄ）は、Ａ−Ａ断面図である。

キャップ５は、環状の電気絶縁性の樹脂からなり、図１に示すようなコイル２の端面２ｃと嵌合する側の面にコイル２の端面２ｃの絶縁被覆で覆われた導体が嵌合する、溝状のコイル嵌合部５ａと、鍔部５ｂと、そのコイル２のコイル端子２ｂが引き出せる端子引出部５ｃとを設け、さらに、嵌合しない面と側面とに成形樹脂を充填した際に回り込むことができる溝状の溝部５ｄを設けるように形成する。

キャップ５の樹脂は、ポリプロピレンやポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性樹脂やポリブチレンテレフタレートやエポキシ、フェノールなどの熱硬化性樹脂などを用いることができる。なお、キャップ５は、ポリプロピレン等の成形樹脂を用いてコイルと共に一体成形される温度で形状の変化や材質の変質が生じない耐熱性に優れた樹脂を選定するのが好ましい。

コイル嵌合部５ａと鍔部５ｂは、筒状のコイル２の両方の端面２ｃにキャップ５をそれぞれ嵌合させてコイル２がキャップ５によって挟持できるようにすれば良い。また、端子引出部５ｃは、図２に示すようなコイル端子２ｂが引き出せるように溝、または孔を有するように形成すれば良い。なお、キャップ５の鍔部５ｂの縁は、段状にすることにより、電気絶縁のための沿面距離を鍔の端から短い直線距離内で確保できる。

溝部５ｄは、嵌合しない面と側面とを連通するようにし、環状の中心から放射状に少なくとも二つ以上均等に設けるのが良い。

図３は、本発明のリアクトルに係るコイル成形体を説明する図で、図３（ａ）は斜視図で、図３（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。

コイル成形体７は、図１に示すようなコイル２の二つの端面２ｃに、図２に示すようなキャップ５を各々嵌合させ、それをコイル２とキャップ５とを一体成形できる成形金型内に設置し、充填する成形樹脂６が流動する溝部５ｄを除く外面を嵌合させてコイルとキャップとを成形金型内に位置決めする。続いて、そのキャップをコイルが所定の厚みとなるように押圧しながらコイルを成形金型内に保持固定する。続いて、そのコイルを押圧しながら成形金型内に成形樹脂６を充填し、硬化させて図３に示すような成形樹脂６とキャップ５とでコイル部２ａが覆われたコイル成形体７にする。

成形樹脂６は、ポリプロピレン等の熱可塑性の樹脂等を用いて射出成形すれば良い。また、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの硬化できる樹脂を用いてコイルとキャップとを一体成形しても良い。

図４は、本発明のリアクトルを説明する図で、図４（ａ）は斜視図で、図４（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。

リアクトル１は、図３に示すようなコイル成形体７を筐体４に配置して収納し、化学反応によって硬化する主剤と硬化剤とからなる注型樹脂と軟磁性粉末とを混合した磁性粉末複合材料を筐体４内に注ぎ入れ、図４に示すようにコイル成形体７が磁性体３に埋設して形成する。なお、コイル成形体７は、少なくとも一部が磁性体３に埋設した構造でも良い。軟磁性粉末は、例えば、軟磁性の磁気特性を有するフェライト粉末や、センダスト等の合金粉末、アモルファス粉末などを用いることができる。注型樹脂は、例えば、熱硬化型のエポキシ樹脂や熱硬化型のシリコン樹脂、化学反応によって硬化するエポキシ樹脂、化学反応によって硬化するシリコン樹脂などを用いることができる。

以下、本発明のリアクトルについて説明する。

実施例のリアクトルは、ポリアミドイミドの被膜に覆われ、幅９ｍｍで、厚み０．８ｍｍとなる断面が方形の銅線をエッジワイズ巻線により、螺旋状に３２ターン巻回して外径が７８．５ｍｍで、高さが概３５ｍｍとなる図１に示すような円筒状のコイル部２ａとコイル端子２ｂとを有するコイル２を作製した。

続いて、ポリブチレンテレフタレートの樹脂を用いて外径８１．５ｍｍで、内径７５．５ｍｍで、厚み４ｍｍとなる図２に示すようなコイル嵌合部５ａと、鍔部５ｂと、端子引出部５ｃと、溝部５ｄとを有する図２に示すような環状のキャップ５を作製した。

コイル嵌合部５ａは、コイル２の端面と概嵌合できる深さ１．５ｍｍの環状に作製した。鍔部５ｂは、コイル２の端面の縁から２〜３ｍｍの長さで覆われるように作製した。端子引出部５ｃは、幅９ｍｍで、厚み０．８ｍｍの平角状の銅線が引き出せるように溝を作製した。なお、本実施例の端子引出部５ｅは、逆方向に巻いたコイルでも引き出せるように両側に形成したが、コイル端子２ｂの形状が固定される量産時には、コイル端子２ｂの引き出し方向に合わせて少なくとも一つ形成すれば良い。溝部５ｄは、コイル２と嵌合しない面に深さ０．８ｍｍで、環状の中心から放射状で外周での幅が９ｍｍとなるような溝を環状の中心が直交する４箇所の位置に設けた。

続いて、コイル２の両端面にキャップ５を嵌合させ、成形金型内に設けたキャップ５に嵌合する位置に配置し、コイルの高さが３２ｍｍとなるようにキャップ５を押圧しながらポリプロピレンの熱可塑性の成形樹脂６を金型内に充填し、硬化させて図３に示すような外径が８１ｍｍで、厚み３５ｍｍコイルとなるコイル成形体７を作製した。

続いて、直径が９３ｍｍで、深さ５２ｍｍとなる方円形の穴を有するアルミニウムの筐体４内の所定に位置にコイル成形体７を配置し、エポキシ系の熱硬化性の注型樹脂と透磁率が１３となる軟磁性粉末とを混合した磁性粉末複合材料を筐体４内に注ぎ入れて磁性粉末複合材料を硬化させ、図３に示すようなコイル成形体７が磁性体３に埋設され、周波数１００ｋＨｚで、無負荷時のインダクタンスが２５０μＨで、ＤＣ１９０Ａ重畳時のインダクタンスが１８０μＨ以上となる図４に示すようなリアクトル１を得た。なお、コイル端子２ｂの磁性体３中に埋設された部分は、磁性体３と絶縁できる図示していない電気絶縁性のチューブを通して引き出している。

（比較例）
比較例として、実施例と等しい図１に示すようなコイル２を作製し、実施例のコイル成形体が配されたアルミニウムの筐体内の位置にキャップと成形樹脂とを除いたコイル２を配置し、エポキシ系の熱成形樹脂と透磁率が１３となる軟磁性粉末とを混合した磁性粉末複合材料を筐体内に注ぎ入れて磁性粉末複合材料を硬化させ、周波数１００ｋＨｚで、無負荷時のインダクタンスが２５０μＨで、ＤＣ１９０Ａ重畳時のインダクタンスが１８０μＨ以上となる比較例のリアクトルを作製した。なお、コイル端子の磁性体中に埋設された部分子は、磁性体と絶縁できる電気絶縁性のチューブを通して引き出している。

実施例のリアクトル１のコイル端子２ｂ間に開放時の電圧の波高値が１００Ｖとなるインパルス信号を各１０回印加してレヤショートの有無とパルス波形の変化とを１０個確認した結果、レヤショートを生じなかった。また、実施例のリアクトル１のコイル端子２ｂと筐体４との間にＤＣ２０００Ｖの電圧を１分間印加する試験を１０個に行った結果、短絡や絶縁抵抗の低下等の異常を生じなかった。

比較例のリアクトルのコイル端子間に開放時の電圧の波高値が１００Ｖとなるインパルス信号を各１０回印加してレヤショートの有無とパルス波形の変化とを１０個確認した結果、レヤショートが２個発生した。また、比較例のリアクトルのコイル端子と筐体との間にＤＣ２０００Ｖの電圧を１分間印加する試験を１０個に行った結果、全ての製品が短絡（ショート）した。

以上の結果より、実施例のリアクトルは、コイル端子間のレヤショートと、コイル端子と筐体間との絶縁耐圧とを改善することができた。

以上実施例を用いて、本発明を具体的に説明したが、本発明は、これらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での変更があっても本発明に含まれる。即ち、当業者であれば当然なしえるであろう各種変形や、変更、修正もまた本発明に含まれる。

本発明のリアクトルは、大きな電力の電圧を昇圧したり、降圧したりする電車や電気自動車などの電動モータを用いる機器や、太陽光発電等の発電機器、電力をインバータ制御するインバータ機器などの分野に用いることができる。

１リアクトル
２コイル
２ａコイル部
２ｂコイル端子
２ｃ端面
３磁性体
４筐体
５キャップ
５ａコイル嵌合部
５ｂ鍔部
５ｃ端子引出部
５ｄ溝部
５ｅ端子引出部
６成形樹脂
７コイル成形体

Claims

電気絶縁性の被膜で覆われた導電性の導体を巻回してなる筒状のコイルと、軟磁性の磁気特性を有する粉末と注型樹脂とを混合した磁性粉末複合材料からなる磁性体とを有するリアクトルであって、
前記筒状のコイルの端面に嵌合する面と鍔とを有した電気絶縁性の樹脂からなるキャップを前記端面に夫々配し、前記キャップの少なくとも一部と、前記コイルの露出した面とが電気絶縁性の成形樹脂で覆われたコイル成形体の少なくとも一部が前記磁性体に覆われていることを特徴とするリアクトル。
前記筒状のコイルは、断面が方形であることを特徴とする請求項１記載のリアクトル。