JP2011243887A

JP2011243887A - 磁性素子

Info

Publication number: JP2011243887A
Application number: JP2010116830A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamaya; 孝志山家; Tsugio Takeda; 次夫武田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-21
Also published as: JP5398636B2

Abstract

【課題】通電動作により発生する振動が小さく、熱応力によるクラックが生じにくく、放熱性のよい磁性素子を提供する。
【解決手段】磁性部材１ａと巻き線２とが一体で成形される磁性素子１であり、磁性部材１ａは、巻き線２の中心軸と平行な磁束を妨げない方向に、非磁性体からなる仕切り４により２分割以上に仕切られている。また、前記仕切られた分割部分ごとの機械物性（弾性率、密度）等が異なる磁性素子とする。さらに前記非磁性体は前記磁性部材と弾性率が異なる磁性素子とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性部材と巻き線とが一体で成形される磁性素子に関し、特に電気自動車やハイブリッド自動車等の車体駆動動力用モーターの電力変換装置であるインバータの昇圧回路などに用いられるリアクトル等の磁性素子に関する。

従来この種の磁性素子では、昇圧回路の動作により交流電流が流れるため巻き線の線間に発生するローレンツ力および磁性部材に発生する電磁力、磁歪等による振動や騒音を低減するための種々の取り組みがなされている。また、従来の磁性素子では、動作時の発熱源となる巻き線と磁性部材が一体であるため、放熱性に優れる一方で、熱応力によるクラックが発生する可能性があるため、クラックの発生の低減やさらなる放熱性の向上への取り組みがなされている。

例えば磁性部材自体の弾性率を３０００ＭＰａ以上とし振動を低減する方法が開示されている（特許文献１）。

また、振動の伝達を低減する方法として、磁性素子を収納するケースとの間に低弾性層を設けることも知られている（特許文献２）。

さらに、熱応力によるクラックの発生を抑制する方法として低弾性の粉末を含有させる技術が知られている（特願２００８−２９１７４６）。

特開２００６−４９５８号公報特開２００７−２７１８５号公報

特許文献１のような磁性素子の振動の駆動源となる巻き線間のローレンツ力と磁性部材に発生する電磁力、磁歪等は電流密度、磁束密度等に依存し、磁束の流れは基本的には磁性部材の中を周回する３次元的な分布となるため、その向きと大きさは複数のパターンを有する。また、磁性素子の構造は主に巻き線と絶縁体と磁性体からなり、これらが複合してなる磁性素子としての固有振動モードも複数のパターンとなる。ここで回路動作により発生する振動駆動力のパターンと磁性素子の構造に起因する固有振動のパターンが同じでかつ前記駆動力の周波数と前記固有振動の周波数が近接する場合、特に磁性素子として生じる振動が大きくなり望ましくない。

しかし磁性素子に生じる振動を低減すべく、磁性素子の振動駆動力自体を低減することは磁気回路と磁性材料自体を変更することとなり実際は相当困難である場合が多い。また、構造体としての固有振動は質量と弾性により決定されるため、磁性部材の弾性率を変えれば各モードの固有振動数は一律な方向に変化させることが可能であるが、複数の固有振動パターンを別々に変えることはできず、全体として最適化することは難しく振動の発生を低減することは難しかった。

また、特許文献２の技術では、リアクトルをケースに固定するため部材や放熱性を高めるためにアルミニウムなどの金属製の部材を内蔵する場合、その部材を通して振動が伝達してしまうため振動伝達の低減としては十分ではなく、振動源自体の振動レベルを低減することが必要となっていた。

また、上記の本発明者等が提案した方法においては、熱応力が巻き線と磁性体の直径に対し発生するため変形の絶対量が大きく、その変形の範囲も周方向全体に係るという点で、熱応力の発生の根源を改善出来るものではなかった。

したがって、本発明は、上記の課題を解決し、通電動作により発生する振動が小さく、熱応力によるクラックが生じにくく、放熱性のよい磁性素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、磁性部材と巻き線とが一体で成形される磁性素子において、磁性部材を、磁束を妨げない方向に、非磁性体にて２分割以上に仕切られている磁性素子とする。また、前記非磁性体は収納ケースと一体である磁性素子とする。また、前記仕切られた分割部分ごとの機械物性（弾性率、密度）等が異なる磁性素子とする。さらに前記非磁性体は前記磁性部材と弾性率が異なる磁性素子とする。

即ち、本発明によれば、磁性部材と巻き線とが一体で成形される磁性素子において、前記磁性部材は、前記巻き線の中心軸と平行な方向に、非磁性体からなる仕切りにより少なくとも２分割以上に分割されていることを特徴とする磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記仕切りは、複数の仕切り片からなり、前記仕切り片に前記巻き線を収納する切欠きが設けられたことを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記仕切りは前記磁性部材と弾性率が異なることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また、本発明によれば、前記仕切りは前記磁性部材及び巻き線を収納するケースと一体に形成されたものであることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

以上のように、本発明によれば、磁性部材と巻線とが一体で成形される磁性素子において、各分割部内の磁性体の質量が小さく、さらに磁性部材と仕切りとの弾性が異なるため共振が生じにくく、動作による振動が生じにくい磁性素子を容易に得ることができる。また、磁性体の各分割部の体積が小さく、かつケースと一体である仕切りとの接着面積が大きいため、耐熱応力、放熱性に優れる磁性素子を得ることができる。

本発明の実施の形態における磁性素子の説明図である。図１（ａ）は横断面図である。図１（ｂ）は縦断面図である。図１（ｃ）は斜視図である。本発明の実施の形態における他の例の磁性素子の平面図である。図２（ａ）は５分割の場合を示す図である。図２（ｂ）は６分割の場合を示す図である。図２（ｃ）は８分割の場合を示す図である。本発明の実施の形態における他の例の磁性素子の平面図である。従来の磁性素子の説明図である。図４（ａ）は横断面図である。図４（ｂ）は縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態における磁性素子の説明図であり、図１（ａ）は横断面図、図１（ｂ）は縦断面図、図１（ｃ）は斜視図である。図１（ａ）では磁性素子の高さ方向の中央で切断して示している。図１（ｂ）では仕切りの中央部を切断して示している。図１（ｃ）では巻き線を省略して示している。

図１に示すように、本発明の実施の形態における磁性素子１は、巻き線２と、これを注型する磁性部材１ａと、これらを収納したケース３とで構成したものである。巻き線２をケース３にセットした後、磁性部材のスラリーを所定量流し込み、その後加熱し硬化させることにより磁性素子１が得られる。ここで、図１（ａ）、図１（ｃ）に示すように、予めケース３の内壁に、磁性部材１ａの磁束を妨げない方向（巻き線２の中心軸と同一の方向すなわち平行な方向）で仕切り４を設けておき、仕切り４に巻き線２を収納して、磁性部材１ａを流し込むことにより、磁性部材１ａが分割された磁性素子１が得られる。

本発明におけるケース３は、例えば外形が角筒形状である。ケース３の内側には、仕切り４が設けられている。仕切り４は、外形が矩形の４枚の仕切り片４ａからなり、一体に形成されている。４枚の仕切り片４ａは、隣り合う仕切り片４ａどうしのなす角度は９０°で均等である。また、仕切り片４ａには巻き線を挿入するのに十分な長さの切欠き４ｂが設けられている。切欠き４ｂの形状は、中心軸に垂直な方向で切断した巻き線２の断面と同じ矩形である。ケース３と仕切り４とは、一体が望ましいが、別体でもよい。別体の場合には、ケース３と仕切り４が同じ材質でなくてもよい。仕切り４の厚さは、厚すぎると磁路面積が低下し、薄すぎると伝熱が悪くなり、隔壁としての強度も低下するので、磁性素子１の直径の１／１００から５／１００程度が望ましい。

また、ケース３の仕切りの仕切り片の数は、分割数と間隔により適宜決めることができる。例えば、図２、図３のように設定することができる。図２は、本発明の実施の形態における他の例の磁性素子の平面図であり、図２（ａ）は５分割の場合を示す図、図２（ｂ）は６分割の場合を示す図、図２（ｃ）は８分割の場合を示す図である。図３は、本発明の実施の形態における他の例の磁性素子の平面図である。図２、図３では、磁性部材と巻き線を省略して示している。図２（ａ）に示すように、５枚の仕切り片からなる仕切り１４を用い、均等に５分割とした場合、隣り合う仕切り片どうしのなす角度は７２°の構成の磁性素子１１が得られる。また、図２（ｂ）に示すように、６枚の仕切り片からなる仕切り２４を用い、均等に６分割とした場合、隣り合う仕切り片どうしのなす角度は６０°の構成の磁性素子２１が得られる。また、図２（ｃ）に示すように、８枚の仕切り片からなる仕切り３４を用い、均等に８分割とした場合、隣り合う仕切り片どうしのなす角度は４５°の構成の磁性素子３１が得られる。さらに、隣り合う仕切り片どうしのなす角度が不均等とすることもできる。図３に示すように、対応する４分割部分を１５°又は３０°の構造とすることもできる。不均等な場合の分割数はこれに限られない。なお、実用上では、２分割から８分割が好適である。特に４分割が最適である。

また、ケース３の材質は、弾性率、破壊強度、破断伸びなどの機械的性質は磁性素子として使用される通電条件による発熱と、使用環境、冷却機構などによる温度上昇に対し、十分な耐熱性と耐寒性を有するとともに、熱ストレスによる破壊が生じないことはもちろん、巻き線との組み付け、嵌合などのハンドリングにより容易に破壊しない材料であればよく、例えば破断伸びが比較的大きく、非磁性のアルミニウムを用いることができる。また、熱伝導率が十分に高く、線膨張係数が許容される範囲であればいずれでもよく、純鉄、ステンレス鋼、熱伝導性の高いプラスチックなどを用いることができる。

本発明における磁性部材１ａは、例えばＦｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系などの鉄系の磁性粉末と熱硬化性などの液状の樹脂を混合しスラリー状としたコンポジット磁性体を用いることができる。鉄系の磁性粉末は非鉄成分を含有することにより飽和磁歪および結晶磁気異方性が小さくなる組成があり鉄損は小さくできるが、逆に非鉄成分が多くなると飽和磁束密度が低下し、磁性素子としたときの磁気飽和が生じやすくなるため非鉄成分種と含有量は用途により適宜選択される。熱硬化性の樹脂はスラリーとしたときの流動性が十分であるよう低粘度のものが好ましい。また、熱硬化性樹脂の硬化後の弾性率、破壊強度、破断伸びなどの機械的性質は磁性素子として使用される通電条件による発熱と、使用環境、冷却機構などによる温度上昇に対し、十分な耐熱性と耐寒性を有するとともに、熱ストレスによる破壊が生じないことが必要であり、例えば破壊強度が高いエポキシ樹脂や破断伸びが大きいシリコーン樹脂などを用いることができる

本発明における巻き線は平角線をエッジワイズ形状に巻回したものが占積率が高く小型化に適するが、丸線を巻回したものでも良い。また、巻き線の巻き形状は円形が一般的であるが、これに限ったものではなく長円形状やコーナーがＲである矩形でもよい。

コンポジット磁性部材の弾性率は、１〜３０ＧＰａ程度であるのに対し、例えば仕切りとするアルミニウムは７０ＧＰａと大きいため、これらが一体となった素子の合成された弾性率はコンポジット磁性部材だけのものより高くなる。その結果、振動の駆動力に対し変形しにくい、つまり、振動しにくくなる。さらに、例えば４分割された隣り合う部分を、硬化後の弾性率が３０００ＭＰａであるエポキシ樹脂と１ＭＰａであるエポキシ樹脂を用いて作製したコンポジット磁性部材を注型して硬化させることにより硬化後の磁性素子の弾性率を場所ごとに変えることができる。磁性素子は構成部材の弾性率が高いと固有振動数が高く、弾性率が低いと固有振動数は低くなるため、上記の構成である磁性素子は、固有振動数が場所により異なり、固有振動は分散し不鮮明なものとなるため共振が生じにくくなる。

以下に、本発明の実施例の磁性素子について説明する。
（実施例１）
図１に示す構造の磁性素子１を作製した。素線は厚さ０．８ｍｍ、幅９ｍｍの平角銅線にＡＩＷ被膜を施したものを用い、内径は６０ｍｍにてエッジワイズ形状で３２ターン巻き回し、２箇所の端末が上方向となるように端末を曲げて巻き線２を作製した。巻き線２の寸法は、外径７８ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ３２ｍｍである。

次いで液状の絶縁樹脂としてナガセケムテックス社製の２液混合熱硬化型エポキシ樹脂ＸＮＲ４４５５と硬化剤ＸＮ１２１３を所定量混合したものを容器に取り、巻き線２を浸漬し、真空度４．０×１０^２Ｐａにて真空含浸を行い、これを引き上げた後１２０℃、３時間で硬化させた。

絶縁樹脂を硬化させた巻き線２をケース３の仕切り片４ａにセットした後、磁性部材１ａを注型し加熱硬化させ、実施例１の磁性素子１を得た。磁性素子１の寸法は、直径９３ｍｍ、高さ５１ｍｍである。また、ケース３の厚さは、５ｍｍであり、仕切り４の厚さは２ｍｍである。磁性部材１ａは、磁性粉末としてＦｅ６．５％Ｓｉのガスアトマイズ粉末を６０体積％、残分が２液混合熱硬化型エポキシ樹脂であるジャパンエポキシレジン社製エピコート８２７とキュアＷを所定の比率とし混合し作製した。

（実施例２）
図２（ｃ）に示す仕切り構造の磁性素子１１、２１、３１を作製した。実施例１とは仕切りの仕切り片の枚数と磁性部材の個数が異なるのみで、他は実施例１と同様に作製した。

（実施例３）
図３に示す仕切り構造の磁性素子４１を作製した。実施例１とは仕切りの仕切り片の枚数と磁性部材の個数が異なるのみで、他は実施例１と同様に作製した。

（比較例）
比較例として、実施例１と同様にして、図４に示すような磁性部材１ａ、巻き線２、ケース３から構成される磁性素子５１を作製した。

上記にようにして作製した実施例及び比較例による磁性素子の各２０個について急激な温度変化を与えるべく、１５０℃の恒温槽で２時間保持したのち２０℃の水に浸漬した。

その結果、実施例１〜３ではクラックが発生しなかったが、比較例では、素子の２個でクラックが発生した。本発明の実施例では、いずれの例でもクラックが発生せず、比較例に比べ、高い信頼性を有する磁性素子を得ることができた。

なお、以上の実施例では、４分割以上の仕切りの例を示したが、２分割、３分割でも同様の効果が得られた。

また、本発明は、上述した実施の形態及び実施例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いて種々の変更が可能である。

１、１１、２１、３１、４１、５１磁性素子
１ａ磁性部材
２巻き線
３ケース
４、１４、２４、３４、４４、５４仕切り
４ａ仕切り片
４ｂ切欠き

Claims

磁性部材と巻き線とが一体で成形される磁性素子において、前記磁性部材は、前記巻き線の中心軸と平行な方向に、非磁性体からなる仕切りにより少なくとも２分割以上に分割されていることを特徴とする磁性素子。
前記仕切りは、複数の仕切り片からなり、前記仕切り片に前記巻き線を収納する切欠きが設けられたことを特徴とする請求項１記載の磁性素子。
前記仕切りは前記磁性部材と弾性率が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の磁性素子。
前記仕切りは前記磁性部材及び巻き線を収納するケースと一体に形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁性素子。