JP2012212856A - 複合材料、リアクトル用コア、及びリアクトル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リアクトル1は、コイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3とを具える。磁性コア3の少なくとも一部は、磁性体粉末と、この粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含有する複合材料で構成されている。磁性体粉末は、比透磁率が異なる複数の材質からなる粉末、代表的には純鉄粉と鉄合金粉との双方を含む。異種の材質の磁性体粉末を含有する複合材料からなる磁性コア3を具えることで、リアクトル1は、高い飽和磁束密度と低損失とを両立することができる。
【選択図】図1
Description
図面を参照して、実施形態1のリアクトル1を説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。リアクトル1は、巻線2wを巻回してなる一つのコイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3とを具える。リアクトル1の特徴とするところは、磁性コア3の構成材料にある。以下、各構成を詳細に説明する。
コイル2は、1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなる筒状体である。巻線2wは、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体の外周に、絶縁性材料からなる絶縁被覆を具える被覆線が好適である。導体は、横断面形状が長方形である平角線、円形状である丸線、多角形状である異形線などの種々の形状のものを利用できる。絶縁被覆を構成する絶縁性材料は、ポリアミドイミドといったエナメル材料が代表的である。絶縁被覆は厚いほど絶縁性を高められる。具体的な厚さは、20μm以上100μm以下が挙げられる。巻線2wの断面積、巻き数(ターン数)は所望の特性となるように適宜選択することができる。コイル2の端面形状は、図2に示す円環状や楕円状といった外形が曲線のみで構成される形状、レーストラック状や角丸めの長方形状などの外形が曲線と直線とで構成される扁平形状が挙げられる。端面が円環状の円筒コイルは、巻線を巻回し易く、形成し易い。
磁性コア3は、コイル2を励磁した際に閉磁路を形成する部材である。この磁性コア3は、図1(B)に示すように少なくとも一部がコイル2の内側に配置されて、コイル2に覆われる柱状の内側コア部31と、コイル2外に配置されて、内側コア部31の一部及びコイル2の筒状の外周面を実質的に覆うように形成された外側コア部32とを具える。この例では、内側コア部31の構成材料と、外側コア部32の構成材料とが異なっており、内側コア部31は圧粉成形体で構成されて、外側コア部32は、磁性体粉末と、この粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含有する複合材料(成形硬化体)で構成されている。そして、リアクトル1では、この複合材料に含有される磁性体粉末が、比透磁率が異なる複数の粉末からなることを最大の特徴とする。
内側コア部31は、ここでは、コイル2の内周形状に沿った円柱状体である。内側コア部31の断面形状や外形は、適宜選択することができ、コイルの内周形状に沿って、例えば、直方体状などの角柱状、楕円体状などとしてもよいし、コイルの内周形状と非相似な形状としてもよい。また、内側コア部31は、ここでは、アルミナ板といったギャップ材やエアギャップが介在していない中実体としているが、圧粉成形体や複合材料よりも透磁率が低い材料、代表的には非磁性材料からなるギャップ材やエアギャップが介在した形態としてもよい。
外側コア部32は、ここでは、その全体が、磁性体粉末と樹脂との複合材料により構成され、内側コア部31と同様にギャップ材やエアギャップを介在していない。上記樹脂により、外側コア部32と、ケース4に収納された内側コア部31とが接着剤を介在することなく接合され、一体の磁性コア3を構成する。
磁性コア3は、部分的に磁気特性が異なる。この例では、内側コア部31は、外側コア部32よりも飽和磁束密度が高く、外側コア部32は、内側コア部31よりも比透磁率が低い。
ケース4は、ここでは、矩形状の底面と、底面から立設される四つの側壁とで構成される直方体状の箱体であり、底面との対向面が開口している。このケース4は、コイル2と磁性コア3との組合体を収納する容器として利用され、コイル2や磁性コア3の環境からの保護及び機械的保護を図ると共に、冷却台といった設置対象にリアクトル1が固定されたときに放熱経路に利用される。従って、ケース4の構成材料は、熱伝導性に優れる材料、好ましくは鉄などの磁性体粉末よりも熱伝導率が高い材料、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金といった金属を好適に利用できる。これらアルミニウムやマグネシウム、その合金は、軽量であることから、軽量化が望まれる自動車部品の構成材料にも好適である。また、これらアルミニウムやマグネシウム、その合金は、非磁性材料で、かつ導電性材料でもあることから、ケース4外部への漏れ磁束も効果的に防止できる。ここでは、ケース4は、アルミニウム合金からなる。
コイル2と磁性コア3との間の絶縁性を高めるために、コイル2の外周を絶縁性樹脂で被覆した形態、コイル2の外周を絶縁紙や絶縁シート、絶縁テープといった絶縁材で覆った形態とすることができる。絶縁性樹脂は、エポキシ樹脂やウレタン樹脂、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)樹脂、不飽和ポリエステルなどが挙げられる。また、内側コア部31とコイル2と間の絶縁性を高めるために、内側コア部31の外周に絶縁性ボビンを具える形態とすることができる。このボビンは、内側コア部31の外周に配置される筒状部と、この筒状部の両端に設けられた環状のフランジ部とを具える形態が挙げられる。特に、ボビンは、複数の分割片を組み合せて一体となる形態とすると、内側コア部31に容易に配置できる。ボビンの構成材料は、PPS樹脂、液晶ポリマー(LCP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂などが挙げられる。その他、内側コア部31の外周を熱収縮チューブなどの絶縁チューブで覆ってもよい。更に、コイル2がケース4に接する場合、コイル2とケース4との間の絶縁性を高めるために上述の絶縁材を介在させた形態とすることができる。巻線2wの引出箇所において磁性コア3との接触部分も上述の絶縁性樹脂や絶縁材、その他熱収縮チューブなどで覆うと、絶縁性を高められる。
上記構成を具えるリアクトル1は、通電条件が、例えば、最大電流(直流):100A〜1000A程度、平均電圧:100V〜1000V程度、使用周波数:5kHz〜100kHz程度である用途、代表的には電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用電力変換装置の構成部品に好適に利用することができる。
リアクトル1は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、コイル2、及び圧粉成形体からなる内側コア部31を用意し、図2に示すようにコイル2内に内側コア部31を挿入して、コイル2と内側コア部31との組物を作製する。そして、組物をケース4内に収納する。
磁性コア3の一部(ここでは外側コア部32)を構成する複合材料中の磁性体粉末は、比透磁率が異なる複数種の材質からなる粉末の混合粉により構成されている。磁性体粉末中に材質が異なる粉末を含有することで、この複合材料は高い飽和磁束密度と、低損失とを兼ね備えることができる。
(1) 製造時、磁性体粉末を取り扱い易く、製造性に優れる。
(2) 磁性体粉末を過度に多くしなくても、この複合材料は磁性成分の割合がある程度高いため、製造時、磁性体粉末と樹脂との混合物が流動性に優れる。この点からも製造性に優れる。
(3) 上記混合物が流動性に優れることで、複雑な形状の複合材料(ここでは外側コア部32)であっても、精度良く形成できる。
磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料を作製し、得られた複合材料の磁気特性を調べた。
試料No.1-1〜1-3,1-100,1-200の複合材料の作製にあたり、純鉄粉(ここでは燐酸塩からなる絶縁被覆を有する被覆粉末)及びFe-Si合金粉(ここでは絶縁被覆を有しない粉末)として、粒径の異なるものを用意した。レーザ回折・散乱法を用いた市販の装置(日機装株式会社製マイクロトラック粒度分布測定装置MT3300)を用いて、各粉末の粒度分布を調べた。得られた粒度分布のヒストグラムにおいて、純鉄粉は、最頻値:54μm、高頻度の粒径:48μm〜57μmであり、Fe-Si合金粉は、最頻値:141μm、高頻度の粒径:125μm〜176μmである。なお、絶縁被覆の厚さは0.1μm程度以下であり非常に薄いことから、被覆粉末の粒径に実質的に影響しないため、上記被覆粉末の粒径は、磁性体粉末の粒径として扱う。複合材料全体に対する各粉末の含有量が表1に示す量(体積%)となるように、かつ、後述するサンプルが十分に作製可能な程度の大きさの複合材料が得られるように、純鉄粉、Fe-Si合金粉、及び樹脂(複合材料中の含有量:50体積%)を用意した。なお、各粉末の断面の顕微鏡観察画像を用いて上述のように円形度(最大径/円相当径)を調べたところ(測定粒子数:1000個以上)、純鉄粉は、1.9、Fe-Si合金粉は、1.1であった。
試料No.1-11,1-12,1-110,1-210の複合材料の作製にあたり、上記試料No.1-1などと粒径が異なる純鉄粉及びFe-Si合金粉(ここでは、いずれも絶縁被覆を有していない粉末)を用意した。上記試料No.1-1などと同様にして、各粉末の粒度分布、及び円形度を調べた。純鉄粉は、最頻値:65μm、高頻度の粒径:62μm〜74μm、円形度:1.5であり、Fe-Si合金粉は、最頻値:30μm、高頻度の粒径:26μm〜34μm、円形度:1.4である。複合材料全体に対する各粉末の含有量が表2に示す量(体積%)となるように、かつ、上記試料No.1-1などと同様の大きさの複合材料が得られるように、純鉄粉、Fe-Si合金粉、及び樹脂(複合材料中の含有量:50体積%)を用意した。
上記実施形態1では、磁性コアの一部が、磁性体粉末と樹脂との複合材料で構成された形態としたが、磁性コアの少なくとも一部を磁性体粉末と非磁性体粉末と樹脂との複合材料で構成された形態とすることができる。非磁性体粉末の機能として、複合材料の製造時、磁性体粉末の沈降を抑制することが挙げられる。
磁性体粉末と樹脂と非磁性体粉末とを含有する複合材料を作製し、得られた複合材料の磁気特性を調べた。
上記実施形態1では、磁性コアの一部のみが本発明複合材料で構成された形態としたが、磁性コアの全てが本発明複合材料で構成された形態、即ち、コイル2の内外が本発明複合材料により覆われた形態とすることができる。この形態のリアクトルは、例えば、実施形態1で説明したケース4の適宜な位置にコイル2を配置し、このケース4に磁性体粉末と樹脂とを含む混合物を充填した後、当該樹脂を硬化することで製造でき、生産性に優れる。得られたリアクトルは、磁性コアの全体が本発明複合材料により構成されることで、一様な飽和磁束密度及び比透磁率を有する。また、この磁性コアは透磁率を比較的低くすると、ギャップレス構造とすることができ、この場合、上述のように小型化・軽量化を図ることができる。
上記実施形態1では、縦型形態としたが、コイルの軸方向がケース4の底面に平行するようにコイル2が収納された形態(以下、横型と呼ぶ)とすることができる。横型形態は、コイルの外周面からケースの底面までの距離が短くなることで放熱性を高められる。
上記実施形態1では、コイルを一つ具える形態としたが、図3(A)に示すリアクトル15のように1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回して形成された一対のコイル素子2a,2bを有するコイル2と、これらコイル素子2a,2bが配置される環状の磁性コア3(図3(B))とを具える形態とすることができる。
上記実施形態1〜5のリアクトルは、例えば、車両などに載置されるコンバータの構成部品や、このコンバータを具える電力変換装置の構成部品に利用することができる。
2 コイル 2w 巻線 2a,2b コイル素子 2r 連結部
3 磁性コア 31 内側コア部 31m コア片 31g ギャップ材
32 外側コア部
4 ケース 41 取付部
5 インシュレータ 52 枠板部
1100 電力変換装置 1110 コンバータ 1111 スイッチング素子
1112 駆動回路 L リアクトル 1120 インバータ
1150 給電装置用コンバータ 1160 補機電源用コンバータ
1200 車両 1210 メインバッテリ 1220 モータ 1230 サブバッテリ
1240 補機類 1250 車輪
Claims (22)
- 磁性体粉末と、この粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含有する複合材料であって、
前記磁性体粉末は、比透磁率が異なる複数の材質からなる粉末を含有することを特徴とする複合材料。 - 前記磁性体粉末は、純鉄粉を含有することを特徴とする請求項1に記載の複合材料。
- 前記磁性体粉末は、鉄合金粉を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の複合材料。
- 前記磁性体粉末は、純鉄粉を最も多く含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合材料。
- 前記磁性体粉末の粒度分布をとったとき、複数のピークが存在し、
前記ピークのうち、少なくとも二つのピークは、比透磁率が異なる材質からなる粉末のピークであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合材料。 - 前記磁性体粉末の粒度分布をとったとき、複数のピークが存在し、
前記ピークのうち、最小の粒径におけるピークをとる粉末は純鉄粉であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合材料。 - 前記磁性体粉末の粒度分布をとったとき、複数のピークが存在し、
前記ピークのうち、最小の粒径におけるピークをとる粉末は鉄合金粉であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合材料。 - 前記複合材料は、少なくとも1種の材質から構成される非磁性体粉末を含有し、
前記磁性体粉末と前記非磁性体粉末とを合わせた混合粉末の粒度分布をとったとき、前記非磁性体粉末においてピークをとる最大の粒径は、前記磁性体粉末においてピークをとる最小の粒径よりも小さいことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の複合材料。 - 前記非磁性体粉末においてピークをとる最大の粒径は、前記磁性体粉末のピークをとる最小の粒径の1/3以下であることを特徴とする請求項8に記載の複合材料。
- 前記非磁性体粉末においてピークをとる粒径は、20μm以下であることを特徴とする請求項8又は9に記載の複合材料。
- 前記磁性体粉末は、磁性体粒子と、前記磁性体粒子の外周を覆う絶縁被覆とを具える被覆粉末を含有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の複合材料。
- 前記複合材料全体に対する前記磁性体粉末の合計含有量は、30体積%以上70体積%以下であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の複合材料。
- 前記複合材料の飽和磁束密度は、0.6T以上であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の複合材料。
- 前記複合材料の比透磁率は、5〜20であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の複合材料。
- 前記複合材料は、少なくとも1種の材質から構成される非磁性体粉末を含有し、
前記複合材料全体に対する前記非磁性体粉末の合計含有量は、0.2質量%以上であることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の複合材料。 - 前記磁性体粉末を構成する粒子の円形度は、1.0以上2.0以下であることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の複合材料。
- 請求項1〜16のいずれか1項に記載の複合材料からなることを特徴とするリアクトル用コア。
- コイルと、このコイルが配置される磁性コアとを具えるリアクトルであって、
前記磁性コアの少なくとも一部が請求項1〜16のいずれか1項に記載の複合材料から構成されていることを特徴とするリアクトル。 - コイルと、このコイルが配置される磁性コアとを具えるリアクトルであって、
前記磁性コアのうち、巻線を巻回してなる筒状のコイルの内側に配置される箇所の少なくとも一部は、圧粉成形体で構成されており、このコイル外に配置される箇所の少なくとも一部は、請求項1〜16のいずれか1項に記載の複合材料から構成されていることを特徴とするリアクトル。 - コイルと、このコイルが配置される磁性コアとを具えるリアクトルであって、
前記磁性コアのうち、巻線を巻回してなる筒状のコイルの内側に配置される箇所の少なくとも一部は、請求項1〜16のいずれか1項に記載の複合材料から構成されており、このコイル外に配置される箇所の少なくとも一部は、圧粉成形体で構成されていることを特徴とするリアクトル。 - スイッチング素子と、前記スイッチング素子の動作を制御する駆動回路と、スイッチング動作を平滑にするリアクトルとを具え、前記スイッチング素子の動作により、入力電圧を変換するコンバータであって、
前記リアクトルは、請求項18〜20のいずれか1項に記載のリアクトルであることを特徴とするコンバータ。 - 入力電圧を変換するコンバータと、前記コンバータに接続されて、直流と交流とを相互に変換するインバータとを具え、このインバータで変換された電力により負荷を駆動するための電力変換装置であって、
前記コンバータは、請求項21に記載のコンバータであることを特徴とする電力変換装置。
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