JP5195003B2 - リアクトル装置及びリアクトル装置製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リアクトル装置及びリアクトル装置製造方法に係り、特に、複数のコアを接合して形成されるリアクトル体が複数の固定部材によってケースに固定されるリアクトル装置及びリアクトル装置製造方法に関する。

磁性材料のコアにコイルを巻回してリアクトル装置を形成する場合、閉じた磁気回路を作るために複数のコアの接合が行われる。このような場合、ケースに取り付けられて収納されたリアクトルが動作して温度が上昇すると、ケース材料の熱膨張係数とコア材料の熱膨張係数の間の相違によってコアの接合部に応力が働くことがある。

例えば、特許文献１には、２つのＵ字コアと複数のＩ字コアとで構成されるリアクトル装置において、一方のＵ字コアはアルミケースに締結ボルトで締結されてアルミケースに対し移動することができないが、他方のＵ字コアは、アルミケースに締結されているリテーナによりアルミケースに押さえつけられており、アルミケースに対しすべりが許容される構成が開示されている。これによって、アルミケースの温度が変化しても、アルミケースとコアとの間の熱膨張性の相違によって生じることのあるコアとコアとの間に形成されたギャップの伸縮を防止できる、と述べられている。

特開２００４-２４１４７５号公報

上記のように、ケースに取り付けられて収納されたリアクトルが動作して温度が上昇すると、ケース材料の熱膨張係数とリアクトルの熱膨張係数の間の相違によってコアの接合部に応力が働き、コアの間の接合を損傷することが生じ得て、信頼性の課題となる。そこで、特許文献１にはいくつかの対策が示されている。

本発明の目的は、新しい考えで、信頼性を向上できるリアクトル装置およびリアクトル装置製造方法を提供することである。また、他の目的は、ケースに取り付けられて収納されたリアクトルを構成するコアの間の接合の損傷を抑制することができるリアクトル装置およびリアクトル製造方法を提供することである。以下の手段は、上記目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係るリアクトル装置は、複数のコアを接合して形成されるリアクトル体と、リアクトル体を収納するケースと、リアクトル体の一方側をケースに固定する一方側の板バネ体と、リアクトル体の他方側をケースに固定する他方側の板バネ体であって、ケースとリアクトル体とが温度上昇するときにおいてケースとリアクトル体との間の熱膨張係数の相違から生じるリアクトル体に対するケースの相対的伸長に応じて一方側の板バネ体が伸長するように、一方側の板バネ体の板厚を他方側の板バネ体の板厚より薄く設定し、または板厚を同じとして互いに異なる材質に設定される一方側の板バネ体と他方側の板バネ体と、を備えることを特徴とする。

また、リアクトル装置において、リアクトル体からのリード線が引き出される引出側においてリアクトル体をケースに固定するために配置される引出側固定部材を他方側の板バネ体とし、引出側と反対側においてリアクトル体をケースに固定するために配置される反対側固定部材を一方側の板バネ体とすることが好ましい。

また、本発明に係るリアクトル装置製造方法は、複数のコアを接合して形成されるリアクトル体を複数の板バネ体でケースに取り付けてリアクトル装置を製造する方法であって、リアクトル体と複数の板バネ体はそのままの状態として、ケースを単独で予め定めた所定温度に昇温して膨張させる工程と、昇温によって膨張したケースにリアクトル体を複数の板バネ体を介して複数の締結部材を用いて取り付ける工程と、ケースにリアクトル体が固定された状態から室温に戻してケースを収縮させ、複数の板バネ体と複数の締結部材とを介してケースに取り付けられたリアクトル体において室温状態の下の圧縮応力を生成させる工程と、を含むことを特徴とする。

上記構成の少なくとも１つにより、リアクトル装置は、複数のコアを接合して形成されるリアクトル体とをケースに固定する複数の固定部材のうち、少なくとも１つの固定部材の剛性が他の固定部材の剛性と異なる。一般的にケースとリアクトルとの間の熱膨張係数が相違し、これによって温度上昇がある場合に、ケースとリアクトルとの間に応力が生じえるが、上記構成によれば、剛性の小さい固定部材が他の固定部材よりも大きく伸縮できるので、ケースとリアクトルとの間の熱膨張係数の相違による伸縮を吸収できる。これによって、ケースに取り付けられて収納されたリアクトルを構成するコアの間の接合の損傷を抑制することができ、リアクトル装置の温度変化時における信頼性を向上させることができる。

また、リアクトル装置において、リアクトル体からのリード線が引き出される引出側においてリアクトル体をケースに固定するために配置される引出側固定部材の剛性よりも、引出側と反対側においてリアクトル体をケースに固定するために配置される反対側固定部材の剛性の方が小さい。これによって、引出側における伸縮を抑制しながら、引出側と反対側に大きく伸縮できるので、ケースとリアクトルとの間の熱膨張係数の相違による伸縮を吸収できる。したがって、ケースに取り付けられて収納されたリアクトルを構成するコアの間の接合の損傷を抑制しながら、リード線に対する影響も少なくできる。

また、リアクトル装置製造方法は、ケースを予め定めた所定温度に昇温して膨張させ、膨張されたケースにリアクトル体を複数の締結材を用いて固定し、ケースにリアクトル体が固定された状態から室温に戻し、複数の締結部材の間のリアクトル体において室温状態の下の圧縮応力を生成させる。これによって、リアクトル作動によって温度上昇があっても、圧縮応力を緩和することから始まるので、引張応力の発生までの余裕がある。コアとコアの接合は、圧縮によって損傷することが少ないので、温度上昇がある場合でも、ケースに取り付けられて収納されたリアクトルを構成するコアの間の接合の損傷を抑制することができ、リアクトル装置の温度変化時における信頼性を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、板バネによってリアクトル体の下方側をケースに対して保持するいわゆるフロート構造を有するリアクトルを説明するが、リアクトル体とケースの間の熱膨張係数が異なるものであれば、これ以外の構造でリアクトル体をケースに取り付けるものであってもよい。また、以下で述べる材質、寸法は説明のための一例であって、用途等に応じ適当に変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、リアクトル装置１０の断面構造図であり、図２は、リアクトル装置１０の平面図である。なお、以下では、リアクトル装置１０に蓋を設けないものとして説明するが、勿論、適当な蓋でリアクトル装置１０の上部を覆うものとしてもよい。リアクトル装置１０は、磁性体であるコアにコイルを巻回し、コイルに高周波信号を流すことでインダクタンスとして利用するもので、例えば、スイッチング素子と合わせて用いて、昇圧回路を構成することができるものである。コイルに高周波信号を流すことでコア、コイルは発熱し、例えば、約１００℃から約２００℃程度に温度が上昇することがある。

リアクトル装置１０は、ケース１２と、リアクトル体３０と、リアクトル体３０をケース１２に取り付けるための板バネ体２０，２２とを含んで構成される。なお、リアクトル体３０が収納されたケース１２には、ポッティング樹脂１４が充填されている。このリアクトル装置１０は、リアクトル体３０の下方側を板バネ体２０，２２を介してケース１２に取り付ける構造を有している。リアクトル体を上方側からケースに押し付けるようにして保持する構造と区別して、この保持構造を、板バネによるフロート構造と呼ぶことができる。

ケース１２は、バスタブ状の容器体で、リアクトル体３０を収納する機能を有する。ケース１２の下方には図示されていないが、適当な冷却装置が配置される。ケース１２としては、放熱性のよい材料を用いて成形されたものを用いることができる。例えば、材料としてアルミニウム等の金属材料を用い、適当なバスタブ形状に一体として成形したものを用いることができる。

リアクトル体３０は、複数のコアを組み合わせて全体として環状形状とした環状コア体を適当な樹脂で成形したものにコイル３６，３８を巻回して配置したものである。環状コア体を樹脂で成形したものは、図２に示すように、一方側体３２と他方側体３４とで構成される。図３に、環状コア体を構成する複数のコアと、コアの間に配置される複数のギャップ板の様子を示す。

環状コア体は、図３の例では、Ｃ字形状またはＵ字形状をしたコア４０，６０と、Ｉ字形状または棒状形状をしたコア４２，４３，４４，４５，６２，６３を組合わせ、隣接するコアの間にギャップ板４６，４７，４８，４９，５０，５１，６４，６５を挟んで、適当な接着材を用いて、環状形状に一体化したものである。環状コア体の寸法の一例を述べると、平面図における長手方向の寸法が約７０ｍｍから約１００ｍｍ程度、短手方向の寸法が約５０ｍｍから約７０ｍｍ程度、厚さが約１５ｍｍから約３０ｍｍ程度である。

コア４２，４３，４４，４５，６２，６３は、その中を磁束が通る磁性体であり、珪素鋼等の電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き積層したものを用いることができる。あるいは、磁性体圧粉を焼結した圧粉磁心を用いることもできる。ギャップ板４６，４７，４８，４９，５０，５１，６４，６５は、隣接するコアの間の隙間を規制する板材で、例えば、板厚を約１ｍｍから約３ｍｍ程度とするセラミック板等を用いることができる。

環状コア体は、適当な樹脂によって成形されるが、実際には、組立の容易性を考慮して、一方側体３２と他方側体３４の２つに分けて成形される。図３の例では、コア４０，４２，４３，４４，４５とギャップ板４６，４７，４８，４９を組み合わせて接着材で一体化したものをコア４４，４５の端面を覆わないようにして樹脂で周囲を成形した一方側体３２と、コア６０，６２，６３とギャップ板６４，６５を組み合わせて接着材で一体化したものをコア６２，６３の端面を覆わないようにして樹脂で周囲を成形した他方側体３４とに分けて成形される。成形用の樹脂としては、耐熱性のよい材料が用いられる。例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂等を用いることができる。

一方側体３２のコア４４，４５の端面と、他方側体３４のコア６２，６３の端面とは、樹脂で覆わないようにして、この端面の間に、残るギャップ板５０，５１を挟み、適当な接着材でこれらを一体化する。このとき、ギャップ板５０，５１が一方側体３２または他方側体３４の樹脂によって覆われるように、予め一方側体３２または他方側体３４の端部の樹脂部分を長めに成形することが好ましい。なお、次に説明する図４には、一方側体３２と他方側体３４とギャップ板５０，５１が一体化される前の様子が示されているが、ここでは、他方側体３４の端部の樹脂部分が長めに成形され、そこにギャップ板５０，５１の寸法部分が収納されるようになっている。

このようにして形成されたリアクトル体３０は、磁性体であるコアが主要要素であるので、その熱膨張特性は、ほとんどコアの熱膨張係数で決まる。コアの材料である電磁鋼板等の熱膨張係数と、ケース１２の材料であるアルミニウムの熱膨張係数とを比較すると、後者の方が大きい。したがって、リアクトル体３０をケース１２に取り付けた状態でリアクトル装置１０を作動させると、リアクトル体３０が発熱し、リアクトル体３０と共にケース１２の温度が上昇する。このときに、熱膨張係数の差によって、ケース１２の方がリアクトル体３０よりも大きく伸長することになる。

図１、図２に戻り、コイル３６，３８は、環状コア体を樹脂で成形した一方側体３２と他方側体３４が挿入されるように、中空形状に成形した環状コイルである。コイル３６，３８は、そこに流す電流の大きさに対応した断面積の導体を絶縁被覆したものを、内径が一方側体３２、他方側体３４の対応する箇所の外形よりやや大きめの環状内径形状で、所定の巻数で環状に巻回したものを用いることができる。なお、必要があれば適当な樹脂で成形するものとしてもよい。

コイル３６，３８は、それぞれの一方端が引出リード線３７，３９として外部に引き出され、他方端がそれぞれ相互に接続されている。すなわち、引出リード線３７を一方端として環状に巻回されたコイル３６が形成され、コイル３６の他方端はそのままコイル３８の他方端となって、環状に巻回されてコイル３８が形成された後、コイル３８の一方端が引き出されて引出リード線３９となる。このように、コイル３６，３８は一体的に形成される。なお、引出リード線３７，３９は、その端部で、外部のバスバー８，９にそれぞれ接続される。外部のバスバー８，９は、リアクトル装置１０の構成要素ではなく、例えば昇圧回路の端子に対応するものである。

板バネ体２０，２２は、リアクトル体３０をケース１２に取り付ける機能を有する固定部材である。板バネ体２０は、リアクトル体３０の一方側をケース１２に取り付けるために用いられ、板バネ体２２は、リアクトル体３０の他方側をケース１２に取り付けるために用いられる。ここで、リアクトル体３０の一方側とは、リアクトル体３０を構成するコイル３６，３８の引出リード線３７，３９が引き出される側で、図１、図２の例では、紙面上で、リアクトル体３０の左側である。このことから、板バネ体２０を引出側固定部材、板バネ体２２を引出側と反対側を固定する反対側固定部材と呼ぶことができる。

板バネ体２０，２２は、Ｌ字形状に折曲成形された板材である。折り曲げられた一方側には固定用の穴２１，２３（図４参照）が設けられ、その穴２１，２３を用いて、適当な締結部材によって、板バネ体２０，２２がケース１２に固定される。図２の例では、板バネ体２０がボルト２４，２５によってケース１２に固定され、板バネ体２２がボルト２６，２７によってケース１２に固定される様子が示されている。折り曲げられた他方側は、リアクトル体３０の端部に取り付けられる。取り付け方は、リアクトル体３０の端部に設けられた溝にはめ込み、適当な接着材で固定するものとできる。または、板バネ体２０，２２をリアクトル体３０と一体化成形によって一体化するものとしてもよい。

引出側固定部材である板バネ体２０と反対側固定部材である板バネ体２２は、リアクトル体３０に取り付けられた端部と、ケース１２に取り付けられた端部との間における剛性が異なっている。具体的には、引出側固定部材である板バネ体２０の剛性よりも、反対側固定部材である板バネ体２２の剛性のほうが小さい。具体的には、反対側固定部材である板バネ体２２の板厚が、引出側固定部材である板バネ体２０の板厚よりも薄く設定される。例えば、板バネ体２０，２２の材料を共に鉄板とし、板バネ体２０の板厚を約１ｍｍ、板バネ体２２の板厚を約０．５ｍｍとすることができる。

板バネ体２０，２２は、リアクトル体３０に取り付けられた端部と、ケース１２に取り付けられた端部との間における剛性が異なればよく、鉄板でなくてもよい。例えば、鉄以外の金属材料の板材であってもよい。また、適当な耐熱性と弾性を有していれば、プラスチック材料、ゴム材料等で板バネ体２０，２２を形成するものとしてもよい。また、剛性の相違は、上記のように、同じ材料で板厚を異ならせて得ることができるが、それ以外に、相互の形状を異なるものとして、リアクトル体３０に取り付けられた端部と、ケース１２に取り付けられた端部との間における剛性が相互に異なるものとしてもよい。また、形状、板厚を同じとして、材質を相互に異ならせて剛性を異ならせるものとしてもよい。その他、これらの組み合わせで、相互に剛性が異なるものとしてもよい。その意味で板バネ体とは、板状で、弾性を有する部品であればよい。

図４は、リアクトル体３０の組立の様子、およびリアクトル体３０と板バネ体２０，２２との関係を説明する図である。ここでは、図３に関連して説明したように、一方側体３２と、他方側体３４と、ギャップ板５０，５１とが一体化される前の状態で示されている。この状態で、ギャップ板５０，５１の両端面、一方側体３２のコア４４，４５の樹脂に覆われていない端面、他方側体３４のコア６２，６３の樹脂に覆われていない端面等に適当な接着材が塗布される。そして、これらが一体化される前に、コイル３６，３８の中空環状部分に、一方側体３２の半環状の部分、他方側体３４の半環状の部分がそれぞれ挿入される。

挿入の際に、一方側体３２のコア４４と他方側体３４のコア６２との間にギャップ板５０を挟みこみ、一方側体３２のコア４５と他方側体３４のコア６３との間にギャップ板５１を挟みこむ。そして、一方側体３２とギャップ板５０，５１と他方側体３４とを一体化する。これによって、樹脂で覆われた環状コア体にコイル３６，３８が巻回されて配置されたリアクトル体３０が形成される。

そして、リアクトル体３０の一方側体３２の端部の下方に設けられた溝に引出側固定部材である板バネ体２０の折曲部がはめ込まれ、同様に、リアクトル体３０の他方側体３４の端部の下方に設けられた溝に反対側固定部材である板バネ体２２の折曲部がはめ込まれる。板バネ体２０，２２とリアクトル体３０とは、適当な接着材等でしっかりと固定される。上記のように、リアクトル体３０と板バネ体２０，２２が一体化成形される構造をとるときは、これらのはめ込み、接着材固定を省略できる。

このようにして、リアクトル体３０と板バネ体２０，２２が一体化されると、板バネ体２０，２２に設けられた穴２１，２３を用いて、図２に示されるように、ボルト２４，２５，２６，２７によって、板バネ体２０，２２がケース１２に固定される。これによって、リアクトル体３０が、剛性の相互に異なる板バネ体２０，２２を介して、ケース１２に固定される。その後、適当なポッティング樹脂１４によって、ケース１２の内部が充填される。ポッティング樹脂１４としては、耐熱性と適当な弾性を有する樹脂を用いることができ、例えばシリコン樹脂を用いることができる。

かかる構成の作用を以下に説明する。上記のように、リアクトル体３０が作動によって発熱し、リアクトル体３０とともにケース１２の温度が上昇したとき、熱膨張係数の差によって、ケース１２の方がリアクトル体３０よりも大きく伸長する。このとき、その伸長の差は、２つの板バネ体２０，２２の伸長によって吸収される。

上記のように、引出側固定部材である板バネ体２０の剛性よりも、反対側固定部材である板バネ体２２の剛性のほうが小さい。したがって、ケース１２とリアクトル体３０の間の伸長量は、大部分が反対側固定部材である板バネ体２２で吸収される。すなわち、図１、図２で言えば、引出側固定部材である板バネ体２０は余り伸長せず、反対側固定部材である板バネ体２２が、リアクトル体３０に対するケース１２の相対的伸長に応じて伸長する。これによって、ケース１２に取り付けられて収納されたリアクトル体３０を構成するコアの間の接合に働く引張応力を低減でき、接合の接着の損傷を抑制できる。

また、引出側固定部材である板バネ体２０は余り伸長しないことから、引出リード線３７，３９のケース１２に対する相対的位置関係をほとんど変化しないものとできる。これによって、リアクトル体３０と共にケース１２の温度が上昇したときに、ケース１２に取り付けられて収納されたリアクトル体３０を構成するコアの間の接合の損傷を抑制しながら、引出リード線３７，３９に対する影響を少なくできる。

上記では、ケース１２に取り付けられて収納されたリアクトル体３０を構成するコアの間の接合の損傷を抑制するために、相互に剛性の異なる板バネ体２０，２２を用いた。次の方法は、板バネ体２０，２２の剛性が同じものであっても、ケース１２に取り付けられて収納されたリアクトル体３０を構成するコアの間の接合の損傷を抑制することができる。勿論、板バネ体２０，２２の剛性を異ならせることで、さらに信頼性の向上が図れる。

図５は、板バネ体２０，２２の剛性が同じものであっても、ケース１２に取り付けられて収納されたリアクトル体３０を構成するコアの間の接合の損傷を抑制することができるリアクトル装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。ここでは、まず、ケース１２のみを適当な温度に加熱し、膨張させる（Ｓ１０）。この加熱のときは、ケース１２にリアクトル体３０が取り付けられていない。つまり、Ｓ１０では、ケース１２のみを単独で加熱し、膨張させる。加熱温度は、リアクトル装置の作動状態において上昇する温度と同程度がよい。上記の例では、作動時の温度が約１００℃から約２００℃であるので、例えば、約２００℃に加熱し、ケース１２を膨張させる。

ケース１２が加熱によって十分に膨張すると、つぎに、室温状態にあるリアクトル体３０を、２つの板バネ体とボルト２４，２５，２６，２７を用いてケース１２に取り付け、しっかりと締結固定する（Ｓ１２）。２つの板バネ体の剛性は同じものであってもよい。つまり、同じ板バネ体を２つ用いるものとできる。

そして室温に戻す（Ｓ１４）。これによって、ケース１２は収縮する。この室温への温度降下によって、ケース１２とリアクトル体３０との間の熱膨張係数の差によって、ケース１２の方がリアクトル体３０よりも大きく収縮する。これによって、リアクトル体３０およびケース１２に圧縮応力が生じる。その後、ポッティングが行われる（Ｓ１６）。

このようにして製造されたリアクトル装置は、常温の下で、リアクトル体３０およびケース１２に圧縮応力が生じている。リアクトル体３０のコアの間の接合は、圧縮状態において損傷することは少ない。ここで、リアクトル装置が作動して、リアクトル体３０が発熱すると、リアクトル体３０およびケース１２の温度が上昇する。この温度上昇のとき、熱膨張係数の差によって、ケース１２の方がリアクトル体３０よりも大きく伸長し、リアクトル体３０を引っ張るようになる。ここで、リアクトル体３０には、常温において圧縮応力が生じているので、この引っ張りは、圧縮応力を緩和することから始まるので、差し引きの引張応力の発生までの余裕がある。このように、常温においてリアクトル体３０に予め圧縮応力を与えておくことができるので、リアクトル体３０と共にケース１２に温度上昇がある場合でも、ケース１２に取り付けられて収納されたリアクトル体３０を構成するコアの間の接合の損傷を抑制することができ、リアクトル装置の温度変化時における信頼性を向上させることができる。

本発明に係る実施の形態におけるリアクトル装置の断面構造図である。 本発明に係る実施の形態において、リアクトル装置の平面図である。 本発明に係る実施の形態において、環状コア体を構成する複数のコアと、コアの間に配置される複数のギャップ板の様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、リアクトル体の組立の様子、およびリアクトル体と板バネ体との関係を説明する図である。 他の実施形態において、リアクトル装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

８，９ バスバー、１０ リアクトル装置、１２ ケース、１４ ポッティング樹脂、２０，２２ 板バネ体、２１，２３ 穴、２４，２５，２６，２７ ボルト、３０ リアクトル体、３２ 一方側体、３４ 他方側体、３６，３８ コイル、３７，３９ 引出リード線、４０，４２，４３，４４，４５，６０，６２，６３ コア、４６，４７，４８，４９，５０，５１，６４，６５ ギャップ板。

Claims (3)

1. 複数のコアを接合して形成されるリアクトル体と、
   リアクトル体を収納するケースと、
   リアクトル体の一方側をケースに固定する一方側の板バネ体と、リアクトル体の他方側をケースに固定する他方側の板バネ体であって、ケースとリアクトル体とが温度上昇するときにおいてケースとリアクトル体との間の熱膨張係数の相違から生じるリアクトル体に対するケースの相対的伸長に応じて一方側の板バネ体が伸長するように、一方側の板バネ体の板厚を他方側の板バネ体の板厚より薄く設定し、または板厚を同じとして互いに異なる材質に設定される一方側の板バネ体と他方側の板バネ体と、
   を備えることを特徴とするリアクトル装置。
2. 請求項１に記載のリアクトル装置において、
   リアクトル体からのリード線が引き出される引出側においてリアクトル体をケースに固定するために配置される引出側固定部材を他方側の板バネ体とし、引出側と反対側においてリアクトル体をケースに固定するために配置される反対側固定部材を一方側の板バネ体とすることを特徴とするリアクトル装置。
3. 複数のコアを接合して形成されるリアクトル体を複数の板バネ体でケースに取り付けてリアクトル装置を製造する方法であって、
   リアクトル体と複数の板バネ体はそのままの状態として、ケースを単独で予め定めた所定温度に昇温して膨張させる工程と、
   昇温によって膨張したケースにリアクトル体を複数の板バネ体を介して複数の締結部材を用いて取り付ける工程と、
   ケースにリアクトル体が固定された状態から室温に戻してケースを収縮させ、複数の板バネ体と複数の締結部材とを介してケースに取り付けられたリアクトル体において室温状態の下の圧縮応力を生成させる工程と、
   を含むことを特徴とするリアクトル装置製造方法。

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