JP2015070140A

JP2015070140A - リアクトル

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Publication number: JP2015070140A
Application number: JP2013203815A
Authority: JP
Inventors: 和秀柴田; Kazuhide Shibata
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP6327501B2

Abstract

【課題】放熱性に優れたリアクトルを提供することを目的とする。【解決手段】磁心を収容した樹脂ケースに敷設したコイルを含むインダクタンス部材と、前記インダクタンス部材を載置する金属製の実装部材を備えたリアクトルであって、前記インダクタンス部材のコイルと前記実装部材との間に絶縁性を有する伝熱部材を配置し、前記伝熱部材と前記コイルとを接触させて、前記インダクタンス部材の樹脂ケースと前記実装部材とを固定し、もって前記コイルと前記実装部材とで前記伝熱部材を押圧して挟持する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電、燃料電池、ハイブリッド車、燃料電池車、ＥＶ車やエアコンの室外機などのコンバータ回路、平滑回路、アクティブ回路に用いられるリアクトルに関する。

リアクトルは、コイルと、コイルが巻装された絶縁性樹脂製のケースと、前記ケース内に配置された磁性コアとを含むインダクタンス部材を基本構成とするものであって、コンバータ回路、平滑化回路、アクティブ回路に用いられる。

この様なリアクトルは、電気エネルギーと磁気エネルギーとのエネルギー交換を司るものであり、リアクトル自体の破壊や漏電又は感電を防ぐことが必要である。また、コイルの抵抗損失や磁性コアの磁気エネルギー損失によって著しく発熱するため、放熱性の向上が求められている。

例えば特許文献１には、絶縁性を有する放熱性シートを伝熱部材として用い、その上にコイルを有するリアクトルコアを配置することで、前記伝熱部材を介してコイルの放熱を行うことが開示されている。特許文献１にて示されたリアクトルの構造を、図１１に示した部分断面図にて説明する。このリアクトル１００は、アルミニウム等の金属製のケース１０４と、その中に収容されるリアクトルコア１０１とコイル１０２を有し、それらは封止樹脂１０５によって固定される。封止樹脂１０５は電気絶縁性を確保するためにも用いられる。リアクトルコア１０１とコイル１０２とは組立体（以下インダクタンス部材と呼ぶ）として構成されており、コイル１０２の一部が伝熱部材１０３と接触する様に直接載置されている。伝熱部材１０３は封止樹脂１０５よりも高い放熱性能を有し、コイル１０２からの発熱を、伝熱部材１０３、ケース１０４を介して冷却器として機能する金属製台座やヒートシンク、フレーム、基板等（まとめて「被装着体」と呼ぶ）へ伝熱させて放熱性を向上している。

特開２０１２‐１２４４０１号公報

従来のリアクトルでは、インダクタンス部材は封止樹脂１０５によってケース１０４に固定されるが、封止樹脂１０５は粘度が高く充填時に空気を巻き込み易い。そのため、加温して粘度を下げ、十分な時間をかけたりして充填したり、減圧下で充填することにより、封止樹脂１０５から気泡を取り除いて、その後、充填した封止樹脂を加熱硬化することが必要であって、より簡便な固定手段、電気的絶縁を得る手段が求められていた。

また、太陽光発電用電力変換装置の様に壁面に垂直に配置される機器や、断続的に繰り返し機械振動を与えられる車載用の電力変換装置に用いられるリアクトルでは、被装着体から容易に脱落する事が無い構造が求められる。

そこで本発明は、封止樹脂を用いず、伝熱部材とコイルとの密着性を高めて放熱性を向上することが可能なリアクトルを提供することを第１の目的とする。また、容易に被装着体へ固定することが出来て、容易に脱落する事が無いリアクトルを提供することを第２の目的とする。

本発明は、磁心を収容した樹脂ケースに敷設したコイルを含むインダクタンス部材と、前記インダクタンス部材を載置する金属製の実装部材を備えたリアクトルであって、
前記インダクタンス部材のコイルと前記実装部材との間に絶縁性を有する伝熱部材を配置し、前記伝熱部材と前記コイルとを接触させて、前記インダクタンス部材の樹脂ケースと前記実装部材とを固定し、もって前記コイルと前記実装部材とで前記伝熱部材を押圧して挟持することを特徴とするリアクトルである。

本発明においては、前記伝熱部材が圧縮されて前記コイルと接触するのが好ましい。伝熱部材は、樹脂ケースと実装部材とを固定手段により固定する際に、伝熱部材に与えられる押圧力によって伝熱部材自体が圧縮変形可能であれば、コイルの凹凸に倣って接触して、接触面積が増して放熱性を向上させることが出来る。固定手段としては、実装部材側にフックや貫通孔を設けて樹脂ケース側に突起を設けて係止したり、ネジやボルトによって締結したりするのが好ましい。締結固定であれば前記押圧力の調整が容易であるので一層好ましい。

本発明においては、前記伝熱部材に他の絶縁部材が重ねられ、前記絶縁部材は前記伝熱部材よりも絶縁破壊電圧が大きく、前記伝熱部材が前記コイルと当接し、前記絶縁部材が前記実装部材と当接するのが、絶縁性を一層向上する上で好ましい。また部材間の密着性を向上させるため、少なくともコイルと伝熱部材との間に、高耐熱の放熱グリースを塗付して用いても良い。

本発明においては、前記伝熱部材はシリコーン樹脂からなり、さらにセラミックフィラーを含むのが好ましい。セラミックフィラーとしてはＡｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４等の熱伝導性に優れたセラミックから選択するのが好ましい。シリコーン樹脂に対するセラミックフィラーの混合量は、所望の放熱性、変形能、強度が得られるように調整するのが望ましい。

また本発明において、前記絶縁部材はコイルと実装部材との間の絶縁を確保する。前記絶縁部材として耐熱性、難燃性、機械的強度に優れるアラミド絶縁紙を用い、コイルを巻設した樹脂ケースを載置する実装部材の一面を略全面覆う様な大きさとするのが好ましい。アラミド絶縁紙は、シリコーン樹脂からなる伝熱部材と比べて熱伝導性に劣る。しかしながら典型的には０．８ｍｍ未満の厚みに形成出来て、伝熱部材と比べて十分に薄厚であるので、結果、伝熱部材と実装部材の間に設けても、熱伝導に与える影響は少なくコイルの放熱は維持される。伝熱部材に安価なシリコーン樹脂等をもちいて絶縁に劣化が生じても絶縁性を確保できるという点で好ましい。

更に、実装部材の表面にワニスからなる被覆層を設けるのが好ましい。前記被覆層は絶縁性向上の点で好ましいが、一方で厚いと熱伝導を劣化させる場合があり、絶縁部材で覆われない部分でコイルと近接する表面の一部等に、選択的に用いるのが望ましい。

本発明において前記実装部材は、前記絶縁部材と当接する底板部と、前記底板部から立設する脚部を有し、前記脚部に締結固定のための固定手段を螺入するネジ孔を設けるのが好ましい。固定手段はネジ、ボルトの何れかを用いれば良い。前記脚部に設けるネジ孔に変えて貫通孔、切欠きを設けても良いが、その場合は別途ナットが必要となる。

本発明においては、前記実装部材の脚部の一部に、筒状の樹脂部材に通されたコイルの端部を固定する結束具を通す切欠き又は貫通孔を備えるのが好ましい。コイルの端部は筒状の樹脂部材によって絶縁を確保され、実装部材の脚部に緊結することで容易に固定することが出来る。

また、本発明においては、前記実装部材に被装着体との固定用の貫通孔又は切欠きを形成するのが好ましい。

本発明においては、前記樹脂ケースに、それと一体の腕部を設けて、前記腕部には前記実装部材の脚部に設けられたネジ孔と対応する位置に貫通孔を設けるのが好ましい。この構成を採用することにより樹脂ケースの貫通孔と実装部材のネジ孔とを合わせて締結して、コイルと実装部材との間に重ねられた伝熱部材と絶縁部材とを容易に押圧固定することが出来る。

本発明のリアクトルは、インダクタンス部材のコイルと実装部材との間に伝熱部材を設け、インダクタンス部材の樹脂ケースと実装部材とを固定して伝熱部材を挟持して押圧固定することで、実装部材とコイルとの密着性を高めることが出来て、封止樹脂を用いなくても良く、放熱性に優れたリアクトルを提供することが出来る。

また実装部材によって、リアクトルを容易に被装着体へ固定することができて、放熱性、固定性に優れるため、太陽光発電用や、エアコン等の室外機や、ハイブリッド車や電気自動車等の車載用として好適である。

（ａ）本発明のリアクトルの一実施態様の外観を示す上面側平面図であり、（ｂ）正面側平面図である。本発明のリアクトルの構造を説明するための分解図である。本発明のリアクトルに用いる樹脂ケースを構成するケース部の一実施態様を示す外観斜視図である。本発明のリアクトルに用いる樹脂ケースを構成する蓋部の一実施態様を示す外観斜視図である。本発明のリアクトルに用いる磁心の一実施態様を示す外観斜視図である。本発明のリアクトルに用いる磁心を収容した樹脂ケースの部分断面を含む正面側平面図である。本発明のリアクトルに用いる実装部材の外観斜視図である。本発明のリアクトルに用いる絶縁部材の外観斜視図である。本発明のリアクトルに用いる伝熱部材の外観斜視図である。本発明のリアクトルの組み立ての一例を説明する為の部分拡大図である。従来の他のリアクトルの構造を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して以下詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で追加及び変更が可能である。また各実施形態の説明は特に断りがなければ他の実施形態にも適用される。いずれの実施形態においても、同じ構成部位には同じ参照番号を付与する。なお、以下の説明における上下は図面における上下を意味し、相対的なものであるので、例えば「上方」を「下方」と言い換えても構造が異なる訳ではない。

図１（ａ）は本発明のリアクトルの上面側平面図であり、図１（ｂ）はその正面側平面図である。図２は本発明のリアクトルの構造を説明するための分解図である。本発明のリアクトル１は、基本的な構成として、磁心を収容した樹脂ケースの表面に導線を巻回してなるコイル３０を含むインダクタンス部材３９と、インダクタンス部材３９をネジ８０で締結し保持する実装部材１０と、インダクタンス部材３９と実装部材１０との間に設けられた絶縁部材４０、実装部材５０とを含んでいる。なお、図１（ａ）において、実装部材５０をその配置を明確にする様にハッチングを付して示している。

図３はインダクタンス部材の樹脂ケースを構成するケース部の外観斜視図であり、図４は樹脂ケースを構成する蓋部の外観斜視図であり、図５は樹脂ケースに収容される磁心の外観斜視図であり、図６は磁心を収容した状態の樹脂ケースの部分断面を含む正面側平面図である。以下図３〜図６を参照してインダクタンス部材について説明する。

インダクタンス部材３９の樹脂ケース７０は、ケース部材２０と蓋部材３５を組み合わせて構成される。図３に示す様に、ケース部材２０は内筒状部２６と外筒状部２５とを含む有底の二重壁円筒部と、二重壁円筒部の外筒状部２５の外側面から一体的に延出する複数（図示の例では一対）の腕部２２とを有する。二重壁円筒部には、底部から一体的に上方に同心円状に延びる内筒状部２６と外筒状部２５によって、環状の磁心を収容するように上端が開口した有底環状空間２７が構成されている。

外筒状部２５の外面の直径上の位置（平面視で１８０°離隔した位置）から一対の腕部２２が一体的に延出しており、各腕部２２は、外円筒状部２５の外面から突出する側方突出部と、側方突出部の先端側に固定部２１を有し、敷設されるコイル３０の外形よりも大きく突出する。固定部２１には実装部材１０に装着するネジ８０を通す円形の貫通孔２８が設けられている。実装部材１０に装着可能であれば、貫通孔２８の代わりに切欠きを形成しても良い。更に腕部２２の上下側には補強の為のリブ２３，２４が一体的に形成されている。図示の例では一対の腕部２２であるが、腕部２２の数を３以上としても良い。また、一対の腕部２２を有する場合、二重壁円筒部の直径上に配置されている（それらの中心角は１８０°である）のが好ましい。図示の例では、全ての腕部２２の寸法は同じであるが、必要に応じて異なっていても良い。

ケース部材２０の上端開口部は蓋部材３５によって閉じられる。図４に示す様に、蓋部材３５はリング状に形成され、その内外径はケース部材２０の有底環状空間２７に収まる様に形成されている。

樹脂ケース７０を構成するケース部材２０及び蓋部材３５は、優れた絶縁性、耐熱性及び成形性を有する樹脂により形成するのが好ましく、具体的にはポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等が好ましい。それらの成形には射出成形法を用いることができる。

ケース部材２０の有底環状空間２７に入れる磁心６０は、（ａ）電磁鋼板の積層体コア、（ｂ）Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｃ系合金等の非晶質合金薄帯又はＦｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｂ系合金等のナノ結晶合金薄帯のトロイダルコア又は積層体コア、（ｃ）純Ｆｅ、あるいはＦｅ−Ｓｉ系合金，Ｆｅ−Ｎｉ系合金，Ｆｅ−Ａｌ系合金，Ｆｅ−Ｃｏ系合金，Ｆｅ−Ｃｒ系合金，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍ系合金（ＭはＣｒ又はＡｌ）等の軟磁性Ｆｅ基合金の粉末とバインダー樹脂との成形体コア、（ｄ）フェライトコア等を用いることができる。必要に応じて磁気ギャップを設けても良く、扇状や柱状等の形成された磁性コアを複数の磁気ギャップを介して環状の有底環状空間２７に並べて構成しても良い。磁気ギャップは耐熱樹脂、非磁性セラミック、空隙等で形成することが出来る。また、有底環状空間２７の高さが高く、特に圧粉磁心等でその高さに形成が困難な場合には、図５に示す様に高さ方向に複数に分割した磁心６０ａ，６０ｂを重ねて用いても良い。

図６に示すように、ケース部材２０の有底環状空間２７に磁心６０ａ，６０ｂを入れた後で、蓋部材３５を有底環状空間２７に入れ、樹脂ケース７０を組み立てる。その際に磁心６０ａ，６０ｂ及び樹脂ケースを構成する各部材をエポキシ樹脂系の接着剤などの接着手段で固定しても良い。また、樹脂ケース７０を組み立てて、蓋部材３５の一面側がケース部材２０の二重壁円筒部の上端よりも僅かに突き出すようにしておけば、樹脂ケース７０の筒状部に敷設されるコイルによって作用する押圧力によって、ケース部材２０の底面と蓋部材３５とで磁心６０ａ，６０ｂを挟持して、接着しなくても固定することが出来る。

樹脂ケース７０の筒状部の外周に、導線（例えば、銅線にポリアミドイミドを被覆したエナメル線）を巻回してコイル３０を構成する。コイル３０を形成する導線は円形状、長方形状等の種々の断面形状のものを用いることができる。コイル６０の巻数は、要求されるインダクタンスに基づいて適宜設定し、また線径も通電される電流により適宜選択する。なお、図６では図示の簡単化のためにコイルを省略している。

磁心全体が絶縁性樹脂からなる樹脂ケースの閉鎖された環状空間に収容されるので、磁心６０ａ，６０ｂとコイル３０との間に十分な絶縁性が確保される。

図７は実装部材の外観斜視図である。実装部材１０には、アルミニウム又はその合金、マグネシウム又はその合金、銅又はその合金等のような熱伝導率に優れた非磁性金属を用いることができる。板状の母材を金型で打ち抜くとともに折り曲げ等の加工を施して所定の形状としている。実装部材１０は、円盤状の底板部１９と、底板部１９の外周から一体的に高さ方向に延出する複数（図示の例では一対）の脚部１１と、底板部１９の外周から一体的に延出する複数（図示の例では一対）の腕部１７を有する。脚部１１は樹脂ケース７０の腕部２２の端部２１と対応する位置にあって、その端部は折り曲げられて底板部１９の一面と略平行となる様に形成されている。脚部１１の端部には、樹脂ケース７０の腕部２２の貫通孔２８と一致する位置にネジ孔１３を有している。また、一方の脚部１１にはコイル３０の端部３０ａ，３０ｂを固定する結束具を通す貫通孔を備えた延長部１２を有している。また、実装部材１０の腕部１７には被装着体との固定用の貫通孔１８が設けられている。なお被装着体に固定可能であれば、貫通孔１８の代わりに切欠きを形成しても良い。実装部材１０の底板部１９は被装着体（図示せず）と接触する部分であるため、リアクトル１が固定される部位の被装着体の形状に合わせた形状のとしても良いが、図示した様に平坦とし、被装着体の部位も平坦とするのが好ましい。

図８は絶縁部材の外観を示す斜視図である。絶縁部材４０は、実装部材１０の底板部１９に合わせて略円状に形成され、その外周には実装部材１０の脚部１１に合わせて複数の突起部４２が設けられている。突起部４２は組立時の位置決めに用いられる。絶縁部材４０は耐熱性、難燃性、機械的強度に優れるアラミド絶縁紙を用いるのが好ましい。その絶縁破壊電圧は１０ＫＶ／ｍｍ以上であるのが好ましい。本実施の形態では厚み０．３８ｍｍのアラミド絶縁紙を用いた。

図９は伝熱部材の外観を示す斜視図である。リアクトル１に用いられる伝熱部材５０は、シリコーン樹脂の放熱シート（シートに変えてスペーサと呼ばれる場合もある）を用いるのが好ましい。熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫ以上であるのが好ましく、より好ましくは３．０Ｗ／ｍＫ以上である。また、絶縁部材４０と合わせて用いられるが、それでも絶縁破壊電圧は３ＫＶ／ｍｍ以上であるのが望ましい。本実施の形態ではシリコーン樹脂性で厚み２ｍｍの放熱シートを用いた。図示した態様では伝熱部材５０の形状を矩形としているが特に限定するものでは無い。伝熱部材５０は、コイル３０の実装部材１０の底板部１９に投影される面積の８０％以上を覆う面積とするのが望ましい。

インダクタンス部材３９の外周に突出た腕部２２の端部２１と、実装部材１０の脚部１１とを合わせ、リアクトル１の各構成部材を図２の分解平面図に示す様に重ねる。アラミド絶縁紙は優れた絶縁性を有するので、図示した様に絶縁部材４０の厚みは伝熱部材５０よりも十分に薄くすることが出来る。一方伝熱部材５０は押圧による変形代を含めて絶縁部材４０よりも厚く構成される。実装部材１０の底板部１９に、絶縁部材４０、伝熱部材５０の順で重ねて配置する。更に伝熱部材５０上にインダクタンス部材３９が載置されて、コイル３０と伝熱部材５０とが当接する。この時、インダクタンス部材３９の腕部２２の端部２１と実装部材１０の脚部１１の端部とは接触せず間隔を持って対向している。

インダクタンス部材３９の腕部２２の端部２１に設けられた貫通孔２８に、ばね座金８１、平座金８２を通したネジ８０を入れ、更に実装部材１０の脚部１１に設けたネジ孔１３に螺入して、インダクタンス部材３９と実装部材１０とを締結固定する。ネジ８０を締め付けた程度に応じて、絶縁部材４０、伝熱部材５０を押圧して挟持し、更に伝熱部材５０が圧縮されてコイル３０と一層接触する。

コイル３０の端部３０ａ，３０ｂは実装部材１０の一方の脚部１１側に引き出されて、他の接続配線３６ａ，３６ｂに電気的に接続される。接続部を含むコイル３０の端部３０ａ，３０ｂと他の接続配線３６ａ，３６ｂとは、絶縁の為に筒状の樹脂部材９０に通されている。脚部１１にはコイルの端部を固定する結束具１００を通す貫通孔１４が設けられており、結束具１００で脚部１１にコイルの端部を縛って固定してリアクトル１とする。本実施の形態でのリアクトル１は、インダクタン部材３９のコイル３０の上面から実装部材１０の底板部１９の底面までが、コイルの端部を除いて約４５ｍｍであり、インダクタンス部材３９の腕部２２の両端間が８０ｍｍである。

図１０はインダクタンス部材と実装部材との他の固定方法を説明する為の図である。ケース部２０の腕部２２の端部に突起３３を設け、実装部材１０の脚部１１には前記突起３３に対応した貫通孔３４が設けられる。実装部材１０の脚部１１の内側を案内面とし、ケース部２０の腕部２２の突起３３を摺動させて嵌合する。その際、インダクタンス部材３９と実装部材１０とで、絶縁部材４０、伝熱部材５０を押圧する。インダクタンス部材３９は、その腕部２２を実装部材１０の脚部１１に挟持されるとともに、伝熱部材１０から受ける力によって実装部材１０と固定される。なお、図１０には固定の状態が分かり易い様に、コイル３０等を省略するとともに、実装部材１０を点線で示している。

本実施の形態に係るリアクトルによれば、絶縁部材４０、伝熱部材５０によって実装部材１０との間の絶縁が確保され、またインダクタンス部材３９と実装部材１０とがネジ等の固定手段によって固定されるので、封止樹脂を用いる必要が無い。また、インダクタンス部材３９と実装部材１０との固定によって、伝熱部材５０と絶縁部材４０とを押圧して挟持し、伝熱部材５０がシリコーン樹脂であるので、圧縮されてコイル３０と接触することで、放熱性を向上させることが出来る。

また、リアクトル１には様々な磁性材料の磁心を採用できるが、中には磁歪の大きな磁性材料で構成される場合がある。リアクトル１に通電すると、電流変化によって磁心の形状変化によって振動を生じさせることがある。磁歪の大きな磁性材料ではその振動が顕著となるが、振動が、伝熱部材５０や、インダクタンス部材３９の腕部２２、実装部材１０の脚部１１に吸収されて、実装部材１０の底板部１９に伝達するのを抑制する。もってリアクトル１と被装着体との接触で異音が発生するのを効果的に減じる効果も得られる。

１リアクトル
１０実装部材
２０ケース部材
３０コイル
３５蓋部材
４０絶縁部材
５０伝熱部材
６０磁心
７０樹脂ケース

Claims

磁心を収容した樹脂ケースに敷設したコイルを含むインダクタンス部材と、前記インダクタンス部材を載置する金属製の実装部材を備えたリアクトルであって、
前記インダクタンス部材のコイルと前記実装部材との間に絶縁性を有する伝熱部材を配置し、前記伝熱部材と前記コイルとを接触させて、前記インダクタンス部材の樹脂ケースと前記実装部材とを固定し、もって前記コイルと前記実装部材とで前記伝熱部材を押圧して挟持することを特徴とするリアクトル。
請求項１に記載のリアクトルであって、前記伝熱部材が圧縮されて前記コイルと接触することを特徴とするリアクトル。
請求項１又は２に記載のリアクトルであって、前記伝熱部材に他の絶縁部材が重ねられ、前記絶縁部材は前記伝熱部材よりも絶縁破壊電圧が大きく、前記伝熱部材が前記コイルと当接し、前記絶縁部材が前記実装部材と当接することを特徴とするリアクトル。
請求項３に記載のリアクトルであって、
前記絶縁部材がアラミド絶縁紙であることを特徴とするリアクトル。
請求項１乃至４のいずれかに記載のリアクトルであって、
前記伝熱部材がシリコーン樹脂からなることを特徴とするリアクトル。
請求項１乃至５のいずれかに記載のリアクトルであって、
前記実装部材は、前記絶縁部材と当接する底板部と、前記底板部から立設する脚部を備え、前記脚部に締結固定のための固定手段を螺入するネジ孔を有することを特徴とするリアクトル。
請求項６に記載のリアクトルであって、
前記実装部材の脚部の一部に、筒状の樹脂部材に通されたコイルの端部を固定する結束具を通す切欠き又は貫通孔を備えたことを特徴とするリアクトル。
請求項６又は７に記載のリアクトルであって、
前記実装部材の底板部に被装着体との固定用の貫通孔又は切欠きを有することを特徴とするリアクトル。
請求項６乃至８のいずれかに記載のリアクトルであって、
前記樹脂ケースは一体の腕部を有し、前記腕部には前記実装部材の脚部に設けられたネジ孔と対応する位置に貫通孔を有することを特徴とするリアクトル。