JP5246411B2 - リアクトル、コンバータ、およびリアクトルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波数の電流が流される分野での利用に適したリアクトル、及びその製造方法に関するものである。特に、絶縁特性に優れるリアクトルに関する。

リアクトルは、巻線を巻回してなるコイルと、このコイルが配置される磁性コアとを具える構成が代表的であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車といった車両において、電圧の昇降圧動作を行うコンバータの部品に利用されている。

ハイブリッド自動車などに具える電源では、高周波化による部品の小型化が検討されている。電流の周波数を高めると、表皮効果により導体の交流抵抗が大きくなることから、銅損が大きくなる。そこで、表皮効果による銅損を低減するために、線径が非常に小さい導体の外周に絶縁膜を具える素線を複数束ねてなるリッツ線を巻線に利用することが検討されている(特許文献1)。

特開平11-251158号公報

しかし、従来のリッツ線コイルでは、コイルを形成するターン間の絶縁が十分でない恐れがある。

リッツ線を構成する各素線における導体の線径が小さいほど、銅損を低減し易い。しかし、上記線径が0.1mm以下の極細の導体では、この導体の外周に、薄く、均一的に絶縁膜を形成することが難しく、絶縁膜にピンホールが形成される恐れがある。絶縁膜にピンホールが存在すると、ターン間で放電してターン間で短絡する恐れがあり、ターン間の絶縁を十分に確保できる構成が望まれる。

そこで、本発明の目的は、高周波数の電流が流される分野に好適に利用することができ、絶縁特性に優れるリアクトルを提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記リアクトルの製造方法を提供することにある。

ターン間の絶縁を確保するために、束ねられた複数の素線の外周を絶縁材により覆うことが考えられる。この場合、絶縁材を厚くすることによりコイルが大きくなったり、絶縁材の放熱特性が悪いと、コイルが放熱し難くなってリアクトルの発熱が大きくなったりする恐れがある。そこで、本発明リアクトルでは、リッツ線を巻回する絶縁ボビンの形状を工夫することで、上記目的を達成する。

本発明のリアクトルは、巻線を螺旋状に巻回してなるコイルと、このコイルが配置される磁性コアと、コイルと磁性コアとの間に介在される絶縁ボビンとを有するものである。上記巻線は、導体の外周に絶縁膜を具える複数の素線を束ねたリッツ線とする。上記絶縁ボビンは、上記巻線が巻回される巻胴部と、この巻胴部の外周に立設され、上記コイルを形成するターン間に配置される仕切部とを具える。

上記構成によれば、コイルを形成する巻線がリッツ線であることから、高周波数の電流が流された場合に銅損が少ない。かつ、本発明リアクトルは、巻線がつくるターン間に絶縁材料からなる仕切部が介在されることで、特に、高電圧が印加される場合において、素線の絶縁膜にピンホールが存在していても、ターン間で放電することを防止することができる。従って、本発明リアクトルは、ターン間で短絡することを抑制でき、絶縁特性に優れる。

本発明において巻線を構成する素線の導体の線径や本数は、使用周波数などにより適宜選択することができ、特に限定しない。例えば、コイルの使用環境が10kHz以上で100A程度の電流が流される環境である場合、素線の本数は1000本以上が望まれる。リッツ線は、縦添えした複数の素線を絶縁材により束ねたもの、複数の素線を撚り合わせた撚り線や撚り線を更に撚り合せた撚り線集合体、上記撚り線や撚り線集合体の外周を絶縁材で覆ったもののいずれでもよい。上記絶縁材は、例えば、ポリウレタン、ポリエステルなどが利用できる。上記リッツ線やこのリッツ線を構成する素線として、公知のものを用いてもよい。

本発明において絶縁ボビンの構成材料は、絶縁特性に優れる材料、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、液晶ポリマー(LCP)などが挙げられる。

本発明の一形態として、仕切部は、複数の分割片からなる構成が挙げられる。

仕切部は、螺旋状に連続した形態が望ましいが、この形態は、金型による成形が難しい。一方、仕切部を複数の分割片からなる形態とすると、絶縁ボビンを形成し易い。例えば、各分割片を巻胴部の周方向に配置されるC字状のものとし、これらの分割片が巻胴部の軸方向に並列に配置された形態が挙げられる。特に、巻胴部の軸方向から透視したとき、隣り合う分割片の切欠箇所の一部が重複するように各分割片が並列されていると、巻線の移行を行い易い上に、ターン間に分割片を存在させ易く、ターン間の絶縁を十分に確保することができる。

本発明の一形態として、巻胴部に巻回されたコイルが巻き解れることを防止するコイル保持部材を具えた形態が挙げられる。

上記構成によれば、巻線であるリッツ線自体で巻回状態を保持し難い場合であっても、巻線の巻き解れを効果的に防止することができる。コイル保持部材は、一対の把持爪と、両把持爪間を連結する連結部とを有するものが挙げられる。このとき、絶縁ボビンを、巻胴部の各端部からそれぞれ外方に突出する一対の鍔部を具えたものとし、上記把持爪が両鍔部を挟むことでコイル保持部材が絶縁ボビンに取り付けられる形態とすると、コイル保持部材の取付が容易である。この構成によれば、上記一対の把持爪で両鍔部を挟むようにコイル保持部材を配置させることで、上記連結部が巻胴部に巻回されたコイルの外周に配置される。そのため、コイルをつくる巻線が巻き解れて、巻胴部の外方に広がって崩れることを防止できる。また、絶縁ボビンの鍔部に把持爪が嵌め込まれる係合溝を設けておくと、コイル保持部材を鍔部に簡単に固定することができて好ましい。

本発明の一形態として、このリアクトルの外周が樹脂で覆われている形態が挙げられる。

上記構成によれば、コイル及び磁性コアが樹脂で覆われることで、(1)機械的な保護、腐食や粉塵などの外部環境からの保護を図ることができる、(2)コイル及び磁性コアを一体物として取り扱える、(3)巻線の巻回状態を保持できる、(4)特に、絶縁性の樹脂とすることで、周囲の部材との間で絶縁を確保できる、(5)特に、放熱性に優れる樹脂とすることで樹脂を通して、リアクトルが載置される冷却器にリアクトルの熱(コイルの発生熱など)を効果的に逃がすことができる、といった種々の効果を奏する。この構成において、巻胴部とその内側に挿通配置される磁性コアとの間にも上記樹脂が充填されることが好ましい。このとき、巻胴部の内周面に上記樹脂が流れ込み易いように、流通溝を具えることが好ましい。

上記構成を具える本発明リアクトルは、以下の本発明リアクトルの製造方法により製造することができる。本発明のリアクトルの製造方法は、以下の工程を具える。
(1) 絶縁ボビンの巻胴部に、巻線を螺旋状に巻回してコイルを形成する工程。
上記巻線は、導体の外周に絶縁膜を具える複数の素線を束ねたリッツ線とする。そして、上記巻胴部の外周に立設された仕切部が上記コイルを形成するターン間に介在されるように、上記巻線を巻回する。
(2) 上記絶縁ボビンの巻胴部内に磁性コアを配置する工程。

本発明リアクトルは、高周波数の電流が流される分野に利用された場合に銅損が少なく、絶縁特性にも優れる。また、本発明リアクトルの製造方法は、本発明リアクトルを容易に製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図1は、本発明リアクトルの概略斜視図、図2は、本発明リアクトルに具える絶縁ボビンの概略斜視図、図3は、本発明リアクトルにおいて、コイルが配置された絶縁ボビンとコイル保持部材との配置状態を説明する分解斜視図である。以下、図中の同一符号は同一名称物を示す。

リアクトル1は、リッツ線からなる巻線2wを螺旋状に巻回してなるコイル2と、このコイル2が配置される磁性コア3と、コイル2と磁性コア3との間に介在される絶縁ボビン4とを具える。リアクトル1の特徴とするところは、絶縁ボビン4の形態にある。以下、各構成部材をより詳細に説明する。

[コイル]
コイル2は、1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回して構成される。巻線2wは、導体の外周に絶縁膜を具える素線(図示せず)を複数束ねたリッツ線である。ここでは、導体の線径が0.08mmであり、絶縁膜がエナメルからなる素線を1500本縦添えして、適宜絶縁材により束ねたリッツ線を利用している。

巻線2wの両端部は、ターン形成部分から適宜引き延ばされて、導電材料からなる端子部材(図示せず)が接続される。端子部材は、各素線の絶縁膜を剥いで露出させた導体部分に半田などを用いて接続する。この端子部材を介して、コイル2に電力供給を行う電源などの外部装置(図示せず)が接続される。

[磁性コア]
磁性コア3は、コイル2内に挿通配置される円柱状の内側片(図示せず)と、コイル2の外周に配置される一対の外側片3oと、これら内側片及び外側片3oを連結する板状の連結片3cとを有する一対のE型コア片3eを組み合わせて構成される。より具体的には、各E型コア片3eの内側片の端面同士、各外側片3oの端面同士が接するように、或いは対向するように両コア片3eが配置されて組み合わされる。磁性コア3は、鉄や鋼などの鉄を含有する軟磁性材料からなる磁性部材であり、軟磁性粉末の圧粉成形体や、複数の電磁鋼板を積層した積層体が利用できる。内側片や外側片を複数の分割コア片の組合体とし、分割コア片間にアルミナなどの非磁性材料からなるギャップ材(図示せず)を適宜配置したり、エアギャップを設けた構成としたり、E型コア片3e間にギャップを設けた構成とすることができる。リアクトル1が所望のインダクタンスとなるように、ギャップの数などを適宜調整するとよい。

[絶縁ボビン]
リアクトル1は、コイル2と磁性コア3の内側片との間に絶縁材料(ここでは、PPS樹脂)からなる絶縁ボビン4を具えて、コイル2と磁性コア3との間の絶縁性を高めている。絶縁ボビン4は、図2に示すように磁性コアの円柱状の内側片の外周に配置される円筒状の巻胴部4dと、巻胴部4dの各端部からそれぞれ外方に突出する一対の円環状の鍔部4fとを具える。絶縁ボビン4の特徴とするところは、巻胴部4dの外周に垂直に立設される仕切部4pを具える点にある。

仕切部4pは、巻胴部4dの外周に一体に成形された複数の分割片4p₁,4p₂,4p₃により構成される。各分割片4p₁,4p₂,4p₃は、巻胴部4dの周方向に沿ったC字状であり、分割片間に巻線2wが配置できるような隙間をあけて、巻胴部4dの軸方向に並列して立設されている。また、各分割片4p₁,4p₂,4p₃の切欠箇所(C字における隙間部分)は、巻胴部4dの周方向の位置が少しずつずれており、巻胴部4dの軸方向から透視したとき、各分割片4p₁,4p₂,4p₃の切欠箇所の一部が重複するように巻胴部4dに並列配置されている。つまり、仕切部4pは、巻胴部4dに対して軸方向及び周方向に若干の隙間を有するように設けられている。上記切欠箇所がつくる隙間には、巻線において、あるターンから次のターンに移行する部分が配置される。各分割片4p₁,4p₂,4p₃は、上記移行に必要な分だけ切り欠かれている。各分割片4p₁,4p₂,4p₃において巻胴部4dからの突出高さは、巻線2w(図1,3)の半径以上であると、コイル2を形成するターン間での短絡を防止し易い。ここでは、上記突出高さを巻線2wの直径にほぼ等しくしている。仕切部4pを構成する分割片の形状、数、突出高さなどは適宜選択することができる。

また、この実施形態に示す絶縁ボビン4は、巻胴部4dの内周面に、後述する樹脂が流れ易いように一対の流通溝4cが設けられている。ここでは、各流通溝4cはそれぞれ、弓状の湾曲面からなり、巻胴部4dの軸方向に平行に設けられている。流通溝の形状、配置位置、大きさなどは適宜選択することができる。例えば、平面からなる形状でもよいし、巻胴部の軸方向に非平行に設けられていてもよいし、一つでもよい。このような複雑形状の絶縁ボビン4は、例えば、原料を射出成形することで容易に形成することができる。

更に、この実施形態では、図3に示すようにコイル保持部材5を具える。コイル保持部材5は、一対のL字状の把持爪5gと、これら両把持爪5gを連結する平板状の連結部5cとを具える]状の部材である。絶縁ボビン4の両鍔部4fを挟むように両把持爪5gを配置することで、連結部5cがコイル2のターン部分の外周に配置されて、巻線2wが巻き解れることを防止することができる。絶縁ボビン4の各鍔部4fには、L字状の把持爪5gが嵌め込まれるL字状の係合溝4eが設けられており、把持爪5gを鍔部4fの係合溝4eに嵌め込むことで、コイル保持部材5を絶縁ボビン4に取り付けられる。ここでは、鍔部4fの直径方向に一対のコイル保持部材5が対向して配置される構成としている。このようなコイル保持部材5は、上記絶縁ボビン4と同様に絶縁材料により形成する(ここでは、PPS樹脂)。コイル保持部材5において、把持爪の形状、連結部の形状、絶縁ボビンに対する配置位置、個数、構成材料などは適宜選択することができる。また、コイル保持部材の固定に接着剤などを利用してもよい。

なお、図1に示すコイル保持部材5は、連結部において、把持爪を有していない箇所にL字状の押え片5pを設けている。この押え片5pは、巻線2wの両端が近接して配置されるように、巻線2wの一端側を押えて、巻線2wの他端側に寄せるための部材であり、図3に示すように省略してもよい。

[樹脂被覆]
上記リアクトル1は、コイル2及び磁性コア3の外周を覆うように樹脂部(図示せず)を設けることができる。この樹脂部は、例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂などが利用できる。

或いは、コイル2及び磁性コア3をアルミニウムなどから構成されるケース(図示せず)に収納し、更に、このケース内に樹脂(図示せず)を充填して、コイル2及び磁性コア3の外周を樹脂で覆う構成とすることができる。この樹脂は、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、車載用コンバータのリアクトルにおいてポッティング樹脂として利用されている樹脂などが利用できる。なお、端子部材が接続される巻線の端部は、上記樹脂部やケースに充填する樹脂から露出させる。

[リアクトルの製造]
上記構成を具えるリアクトル1は、以下のようにして形成することができる。

まず、巻線2wとなるリッツ線を用意する。そして、絶縁ボビン4の巻胴部4dに巻線2wを巻回して、コイル2を形成する。より具体的には、巻胴部4dの仕切部4pを構成する分割片4p₁,4p₃と鍔部4fとの間や分割片4p₁,4p₂間、分割片4p₂,4p₃間に巻線2wを配置して、螺旋状に巻回する。こうすることで、コイル2をつくるターン間に、仕切部4pを構成する分割片4p₁,4p₂,4p₃が介在される。巻線2wを巻回した後、絶縁ボビン4にコイル保持部材5を配置する。より具体的には、両鍔部4fをコイル保持部材5の把持爪5gで挟むようにコイル保持部材5を配置して、把持爪5gを鍔部4fの係合溝4eに嵌め込む。

次に、巻胴部4d内に、一対のE型コア片3eの内側片を挿入すると共に、両E型コア片3eの内側片同士、外側片3o同士を接着剤などにより接合することでリアクトル1が得られる。更に、上述したようにコイル2及び磁性コア3との組合体の外周に樹脂部を設けたり、この組合体をケース内に収納して、ケース内に樹脂を充填した構成としてもよい。なお、樹脂部やケース内の樹脂から引き出した巻線2wの端部において各素線の導体を露出させ、この露出させた導体部分に端子部材を接続する。

[効果]
上記構成を具えるリアクトル1は、絶縁ボビン4の巻胴部4dの外周に仕切部4pが突設され、この絶縁材料からなる仕切部4pがコイル2を形成するターン間に介在されることで、巻線2wを構成する各素線の絶縁膜にピンホールが存在していたとしても、ターン間で短絡することを効果的に抑制することができる。

また、リアクトル1に具える絶縁ボビン4の仕切部4pは、複数の分割片4p₁,4p₂,4p₃から構成されることで、絶縁ボビン4を射出成形などにより容易に形成することができる。更に、分割片4p₁,4p₂,4p₃が切欠を有するC字状であり、この切欠箇所が巻胴部4dの周方向にずれて配置されることで、あるターンから次のターンに巻線2wを移行させる際に、分割片がつくる隙間を利用して容易に移行でき、巻線2wを巻回し易い。かつ、上述のように切欠箇所がずれていることで、分割片4p₁,4p₂,4p₃がターン間に存在し易く、ターン間の絶縁を確保し易い。加えて、リアクトル1は、コイル保持部材5を具えることで、螺旋状に巻回した巻線2wが巻き解れることを効果的に防止することができ、巻回状態を維持し易い。特に、リアクトル1では、絶縁ボビン4の鍔部4fにコイル保持部材5の把持爪5gが嵌め込まれる係合溝4eを有することで、絶縁ボビン4にコイル保持部材5を容易に取り付けられる上に、絶縁ボビン4からコイル保持部材5が脱落することを防止することができる。その他、リアクトル1がその外周を樹脂で覆われる場合、絶縁ボビン4が流通溝4cを有することで、磁性コア3の内側片と、絶縁ボビン4の巻胴部4dの内周面との間に樹脂を十分に充填させることができる。

なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、巻線を構成する素線の線径、素線の本数を適宜変更したり、素線を撚り線としたり、仕切部を連続する一つの突条としたりすることができる。その他、絶縁ボビンの巻胴部に巻線が嵌め込まれる溝を設けたり、コイル保持部材に代えて、絶縁性テープなどで巻線の巻回状態を保持してもよい。

本発明リアクトルは、高周波電流が流される用途のリアクトル、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池自動車などの車両に搭載される双方向DC-DCコンバータにおいてソフトスイッチングを行う際の共振用リアクトルに好適に利用することができる。本発明リアクトルの製造方法は、上記本発明リアクトルの製造に好適に利用することができる。

実施形態に示すリアクトルの概略斜視図である。 実施形態に示すリアクトルに具える絶縁ボビンの概略斜視図である。 実施形態に示すリアクトルにおいて、コイルが配置された絶縁ボビンとコイル保持部材との配置状態を説明する分解斜視図である。

符号の説明

1 リアクトル 2 コイル 2w 巻線 3 磁性コア 3e E型コア片
3o 外側片 3c 連結片 4 絶縁ボビン 4d 巻胴部 4p 仕切部
4p₁,4p₂,4p₃ 分割片 4f 鍔部 4c 流通溝 4e 係合溝
5 コイル保持部材 5g 把持爪 5c 連結部 5p 押え片

Claims (6)

1. 巻線を螺旋状に巻回してなるコイルと、このコイルが配置される磁性コアと、コイルと磁性コアとの間に介在される絶縁ボビンとを有するリアクトルであって、
   前記巻線は、導体の外周に絶縁膜を具える複数の素線を束ねたリッツ線であり、
   前記絶縁ボビンは、前記巻線が巻回される巻胴部と、この巻胴部の外周に立設され、前記コイルを形成するターン間に配置される仕切部とを具え、
   前記仕切部は、前記巻胴部の周方向に配置される複数のC字状の分割片から構成され、
   各分割片は、前記巻胴部の軸方向から透視したとき、隣り合う分割片の切欠箇所の一部が重複するようにこの軸方向に並列に配置されていることを特徴とするリアクトル。
2. 更に、前記巻胴部に巻回された巻線が巻き解れることを防止するコイル保持部材を具えており、
   前記絶縁ボビンは、前記巻胴部の各端部からそれぞれ外方に突出する一対の鍔部を具えており、
   前記コイル保持部材は、前記両鍔部を挟む一対の把持爪と、両把持爪間を連結する連結部とを有し、この連結部が前記巻胴部に巻回されたコイルの外周に配置されることを特徴とする請求項1に記載のリアクトル。
3. 前記鍔部は、前記把持爪が嵌め込まれる係合溝を有することを特徴とする請求項2に記載のリアクトル。
4. 前記リアクトルの外周は、樹脂で覆われ、
   前記巻胴部の内周面には、前記樹脂が流れ込む流通溝を具えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリアクトル。
5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のリアクトルを用いたコンバータ。
6. 絶縁ボビンの巻胴部に、巻線を螺旋状に巻回してコイルを形成する工程と、
   前記ボビンの巻胴部内に磁性コアを配置する工程とを具え、
   前記巻線は、導体の外周に絶縁膜を具える複数の素線を束ねたリッツ線であり、
   前記巻胴部は、その外周に立設された仕切部を具え、
   前記仕切り部は、前記巻胴部の周方向に配置される複数のC字状の分割片から構成され、
   各分割片は、前記巻胴部の軸方向から透視したとき、隣り合う分割片の切欠箇所の一部が重複するようにこの軸方向に並列に配置されており、
   前記仕切部が前記コイルを形成するターン間に介在されるように、前記巻線を巻回することを特徴とするリアクトルの製造方法。

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