JP5247385B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、コアの量を減らすことができ、かつ放熱性に優れたリアクトルに関する。

従来から、電気自動車やハイブリッド車などの車両用のインバータ等に用いられるリアクトルが知られている。このリアクトルは、エポキシ樹脂等に磁性体の粉末（鉄粉）を分散させた磁性粉末混合樹脂からなるコアを備え、このコアの中にコイルと中芯部材とが埋設された構造を有している。

コイルは銅線からなり、中芯部材はアルミニウム等の熱伝導率に優れた金属から構成されている。コイルに電流を流すとコイルおよびコアが発熱するが、この熱は中芯部材に伝わるため、効率よく放熱できる。

特開２００８−１９８９８１号公報

しかしながら、上記コアは製造コストが高いという問題がある。一般に、製造コストは中芯部材（アルミニウム）＜コイル（銅）＜コア（鉄粉＋エポキシ樹脂）の関係がある。そのため、コアの使用量をなるべく少なくしたいという要求がある。
また、放熱性は、コア（鉄粉＋エポキシ樹脂）＜中芯部材（アルミニウム）＜コイル（銅）の関係があるので、放熱性を向上させるという観点からも、コアの使用量を減少させることが好ましい。
なお、リアクトルは所定のインダクタンスを確保する必要があるので、改良を行うにあたり、インダクタンスが所定値以下とならないように工夫する必要がある。

本発明はかかる従来の問題に鑑みてなされたもので、コアの使用量を減少でき、かつ放熱性を向上できるとともに、インダクタンスの低下を防止できるリアクトルを提供することを課題とする。

第１の発明は、絶縁性樹脂の中に磁性体の粉末が分散した磁性粉末混合樹脂からなるコアと、
上記コアに埋設され、通電により磁束が発生する筒状のコイルと、
上記コイルの中心に配置され、該コイルの軸線方向を向く柱状に形成された金属製の中芯部材と、
を備え、上記軸線方向において、上記コイルの両端面は、上記中芯部材の一方の端部と他方の端部との間に各々位置し、
上記中芯部材の軸線方向における中央部と上記一方の端部との間の部分と、該中央部と上記他方の端部との間の部分との、少なくとも一方の部分には、先端に向かうほど外径が拡径する拡径部が形成されており、
上記コイルの軸線を含む断面において、上記拡径部の表面は円弧状にされており、該円弧状に形成された上記拡径部の半径をｒとし、その円弧の中心と上記コアの上面との最短距離をａとし、上記軸線に垂直な方向における上記円弧の中心と上記中芯部材との距離をｂとし、上記コアの底面と上記上面との最短距離をｈとし、上記中芯部材の上記中央部と上記コイルとの最短距離をＴとし、上記コイルの内径をｄとした場合、Ｔ≦ｈ／２であり、かつ、０．２Ｔ＜ａ≦Ｔ、０．２Ｔ＜ｂ≦Ｔ、Ｔ≦ｒ≦ｄ／２を満たし、
上記円弧の中心は、上記コイルの両端面をそれぞれ含む平面の間であって、かつ、上記コイルの内周面の内側に位置していることを特徴とするリアクトルにある（請求項１）。

次に、第１の発明の作用効果につき説明する。
本発明では、拡径部の大きさを大きくできるため、この拡径部の分だけ、コアの量を減らすことが可能となる。これにより、コストの高いコアの使用量を減らすことができ、製造コストを低減することが可能となる。
また、中芯部材はアルミニウム等の金属で構成されているので、樹脂を含むコアよりも熱伝導率が高い。そのため、上述のように拡径部を大きく形成することにより、中芯部材とコアとの接触面積を増やすことができ、コアやコイルから発生する熱の放熱効率を高めることが可能になる。

また、拡径部が上記形状をしていると、インダクタンスの低下を防止することも可能である。すなわち、インダクタンスは、磁束が通過するコアの断面のうち、最も断面積が小さい箇所の影響を受けやすい。拡径部を上記形状とすることにより、磁束が通過するコアの断面の面積が、拡径部とコイルとの間で最小とならず、他の部分が最小となる。そのため、インダクタンスの低下を防止できる。

ここで、ａ又はｂがＴより大きくなると、拡径部とコイルとの間隔が狭くなることがあり、磁束が通過するコアの断面積を、拡径部とコイルとの間で充分に確保することができない場合がある。そのため、インダクタンスが低下することがある。また、ａ又はｂが０．２Ｔより小さくなると、拡径部が小さくなり、コスト削減効果と放熱効果を十分に得られないという問題が生じる。
また、ｒがＴより小さくなった場合は、拡径部とコイルとの間隔が狭くなることがあり、磁束が通過するコアの断面積を、拡径部とコイルとの間で充分に確保することができない場合がある。そのため、インダクタンスが低下することがある。ｒがｄ／２より大きくなった場合は、拡径部が小さくなり、コスト削減効果と放熱効果を十分に得られないという問題が生じる。

また、第２の発明は、絶縁性樹脂の中に磁性体の粉末が分散した磁性粉末混合樹脂からなるコアと、
上記コアに埋設され、通電により磁束が発生する筒状のコイルと、
上記コイルの中心に配置され、該コイルの軸線方向を向く柱状に形成された金属製の中芯部材と、
を備え、上記軸線方向において、上記コイルの両端面は、上記中芯部材の一方の端部と他方の端部との間に各々位置し、
上記中芯部材の軸線方向における中央部と上記一方の端部との間の部分と、該中央部と上記他方の端部との間の部分との、少なくとも一方の部分には、先端に向かうほど外径が拡径する拡径部が形成されており、
上記コイルの軸線を含む断面において、上記拡径部の表面は円弧状にされており、円弧状に形成された上記拡径部の半径をｒとし、該円弧の中心と上記コアの上面との最短距離をａとし、上記軸線に垂直な方向における上記円弧の中心と上記中芯部材との距離をｂとし、上記コアの底面と上記上面との最短距離をｈとし、上記中芯部材の上記中央部と上記コイルとの最短距離をＴとし、上記コイルの内径をｄとした場合、Ｔ＞ｈ／２であり、かつ、０．１ｈ＜ａ≦ｈ／２、０．２Ｔ＜ｂ≦Ｔ、Ｔ≦ｒ≦ｄ／２を満たし、
上記円弧の中心は、上記コイルの両端面をそれぞれ含む平面の間であって、かつ、上記コイルの内周面の内側に位置していることを特徴とするリアクトルにある（請求項２）。

次に、第２の発明の作用効果につき説明する。
本発明においても、上記第１の発明と同様の効果を奏する。本発明では、リアクトルの形状がＴ＞ｈ／２である場合にも適用できるという点で、第１の発明と異なる。

ここで、ａがｈ／２より大きくなった場合、またはｂがＴより大きくなった場合は、拡径部とコイルとの間隔が狭くなることがあり、磁束が通過するコアの断面積を、拡径部とコイルとの間で充分に確保することができない場合がある。そのため、インダクタンスが低下することがある。また、ａが０．１ｈより小さい場合、またはｂが０．２Ｔより小さい場合は、拡径部が小さくなり、コスト削減効果と放熱効果を十分に得られないという問題が生じる。
また、ｒがＴより小さくなった場合は、拡径部とコイルとの間隔が狭くなることがあり、磁束が通過するコアの断面積を、拡径部とコイルとの間で充分に確保することができない場合がある。そのため、インダクタンスが低下することがある。ｒがｄ／２より大きくなった場合は、拡径部が小さくなり、コスト削減効果と放熱効果を十分に得られないという問題が生じる。

また、第３の発明は、絶縁性樹脂の中に磁性体の粉末が分散した磁性粉末混合樹脂からなるコアと、
上記コアに埋設され、通電により磁束が発生する筒状のコイルと、
上記コイルの中心に配置され、該コイルの軸線方向を向く柱状に形成された金属製の中芯部材と、
を備え、上記軸線方向において、上記コイルの両端面は、上記中芯部材の一方の端部と他方の端部との間に各々位置し、
上記中芯部材の軸線方向における中央部と上記一方の端部との間の部分と、該中央部と上記他方の端部との間の部分との、少なくとも一方の部分には、先端に向かうほど外径が拡径する拡径部が形成されており、
上記コイルの軸線を含む断面にて、上記拡径部は、その表面が直線となるように形成されていることを特徴とするリアクトルにある。

次に、第３の発明の作用効果につき説明する。
本発明では、拡径部は、コイルの軸線を含む断面にて、その表面が直線となるように形成されている。このようにすると、中芯部材の加工性が向上するという効果がある。すなわち、中芯部材は、型を用いて形成するのであるが、拡径部が上記形状をしていると、型を外しやすいというメリットがある。

なお、上記コアの表面または上記中芯部材の上記中央部と、上記コイルとを繋ぐ直線を該コイルの軸線周りに一周した軌跡からなるコア断面のうち、断面積が最小となる部分よりも、上記拡径部と上記コイルとを繋ぐ直線を上記軸線周りに一周した軌跡からなるコア断面のうち、断面積が最小となる部分の方が、該断面積が大きくなるように、上記拡径部の外面形状が定められていることが好ましい。
このようにすると、磁束が通過するコアの断面の断面積が、拡径部とコイルとの間で最小にならず、他の部分が最小になる。そのため、拡径部を大きく形成しても、それによってインダクタンスが低下するという不具合を防止できる。

以上のごとく、本発明によると、コアの使用量を減少でき、かつ放熱性を向上できるとともに、インダクタンスの低下を防止できるリアクトルを提供することができる。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記本発明（請求項１又は２）において、上記コアを収納する金属製のコアケースを備え、上記中芯部材は上記コアケースの底面に接続されており、上記中芯部材と前記コアケースとの接続側にのみ上記拡径部が形成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、中芯部材の加工性が向上するという効果がある。また、本発明はコアケースを備える。このコアケースは金属製なので熱伝導性に優れている。本発明は、中芯部材の、コアケースとの接続側にのみ拡径部が形成されている。そのため、拡径部とコアケースとの接触面積を大きくすることができる。これにより、コアおよびコイルから発生した熱が中芯部材を通じて効率よくコアケースに伝達することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるリアクトルにつき、図１〜図２を用いて説明する。
図１、図２に示すごとく、本例のリアクトル１は、絶縁性樹脂の中に磁性体の粉末が分散した磁性粉末混合樹脂からなるコア３を備える。また、通電により磁束Φが発生する筒状のコイル２がコア３に埋設されている。また、コイル２の中心に配置され、コイル２の軸線方向を向く柱状に形成された金属製の中芯部材４を備える。
そして、軸線方向において、コイル２の両端面２１，２２は、中芯部材４の一方の端部４２と他方の端部４３との間に各々位置している。また、中芯部材４の軸線方向における中央部４１と一方の端部４２との間の部分と、中央部４１と他方の端部４３との間の部分との、少なくとも一方の部分には、先端に向かうほど外径が拡径する拡径部５が形成されている。
また、コイル２の軸線８を含む断面において、拡径部５の表面は円弧状にされており、円弧状に形成された拡径部５の半径をｒとし、その円弧の中心Ａとコア３の上面３１との最短距離をａとし、軸線に垂直な方向における円弧の中心Ａと中芯部材４との距離をｂとし、コア３の底面３２と上面３１との最短距離をｈとし、中芯部材４の中央部４１とコイル２との最短距離をＴとし、上記コイルの内径をｄとした場合、Ｔ≦ｈ／２であり、かつ、０．２Ｔ＜ａ≦Ｔ、０．２Ｔ＜ｂ≦Ｔ、Ｔ≦ｒ≦ｄ／２を満たしている。

上記磁性粉末混合樹脂は、エポキシ樹脂に鉄粉を分散させたものである。また、コイル２は銅線を巻き回して構成されている。さらに、コア３はコアケース６に収納されており、コアケース６とコア３との間にウレタン等からなる放熱樹脂７が介在している。コイル２に電流を流すとコイル２が振動する場合があるが、放熱樹脂７によりこの振動を吸収することができる。

本例では、コア３の表面または中芯部材４の中央部４１と、コイル２とを繋ぐ直線をコイル２の軸線周りに一周した軌跡からなるコア断面のうち、断面積が最小となる部分（図１のＥの部分を一周した断面）よりも、拡径部５とコイル２とを繋ぐ直線を軸線周りに一周した軌跡からなるコア断面のうち、断面積が最小となる部分（図１のＤの部分を一周した断面）の方が、断面積が大きくなるように、拡径部５の外面形状が定められている。

例えば図１に示すごとく、コイル２の上面２１とコア３の上面３１との間隔をＴ１とし、コイル２の内面と中央部４１との間隔をＴ２とし、コイル２の内径をｄとした場合、図１のＢにおけるコア断面の面積Ｓ１と、Ｃにおけるコア断面の面積Ｓ２は以下の式で表すことができる。
Ｓ１＝π×ｄ×Ｔ１
Ｓ２＝（π×ｄ^２／４）−（π×（ｄ−Ｔ２）^２／４）
このようにして、コイル２の周りにおける、コア断面の面積が最も小さい箇所を調べる。図１では、Ｅの部分における面積が最も小さい。Ｅにおけるコア断面の面積をＳ３とする。そして、拡径部５とコイル２との間隔が最も狭い箇所Ｄにおけるコア断面の面積をＳ４とすると、Ｓ３＜Ｓ４となっている。

次に、本例のリアクトルの作用効果について説明する。
本例のリアクトル１は、図１、図２に示すごとく、拡径部５の大きさを大きくできるため、この拡径部５の分だけ、コア３の量を減らすことが可能となる。これにより、コストの高いコア３の使用量を減らすことができ、製造コストを低減することが可能となる。
また、中芯部材４はアルミニウム等の金属で構成されているので、樹脂を含むコア３よりも熱伝導率が高い。そのため、拡径部５を大きく形成することにより、中芯部材４とコア３との接触面積を増やすことができ、コア３やコイル２から発生する熱の放熱効率を高めることが可能になる。

また、拡径部５が上記形状をしていると、インダクタンスの低下を防止することも可能である。すなわち、インダクタンスは、磁束Φが通過するコア３の断面のうち、最も断面積が小さい箇所の影響を受けやすい。
真空の透磁率をμ_０とし、コア３の比透磁率をμ_Ｓとし、コアの断面積をＳとし、コイル２の巻数をＮとし、磁路の長さをｌとした場合、リアクトル１のインダクタンスＬは、
Ｌ＝μ_０×μ_Ｓ×Ｓ×Ｎ^２／ｌ
と表すことができる。すなわちインダクタンスＬは、コア３の断面積が最も小さい箇所の面積に比例する。本例では、拡径部５を大きく形成するにあたり、拡径部５とコイル２との間におけるコア３の断面積が最小にならないように工夫している。
つまり、拡径部５を上記形状とすることにより、磁束Φが通過するコア３の断面の面積が、拡径部５とコイル２との間で最小とならず、他の部分が最小となる。例えば、図１のＤで断面積が最小とならず、他の部分、例えばＥで最小となる。そのため、拡径部５を大きくしたことによりインダクタンスが低下するという問題を防止できる。

なお、ａ又はｂがＴより大きくなると、円弧の中心Ａが例えば図６に示す位置に存在するため、拡径部５とコイル２との間隔Ｄ１が狭くなることがあり、磁束Φが通過するコア３の断面積を、拡径部５とコイル２との間で充分に確保することができない場合がある。そのため、インダクタンスが低下することがある。
また、ａ又はｂが０．２Ｔより小さくなると、円弧の中心Ａが例えば図７に示す位置に存在するため、拡径部５が小さくなり、コスト削減効果と放熱効果を十分に得られないという問題が生じる。
また、ｒがＴより小さくなった場合は、ａとｂが上記条件を満たしていたとしても、拡径部５が例えば図８に示す形状になることがある。そのため、拡径部５とコイル２との間隔Ｄ１が狭くなり、磁束Φが通過するコア３の断面積を、拡径部５とコイル２との間で充分に確保することができない場合がある。そのため、インダクタンスが低下することがある。また、ｒがｄ／２より大きくなった場合は、ａとｂが上記条件を満たしていたとしても、拡径部５が例えば図９に示すように小さくなる場合がある。そのため、コスト削減効果と放熱効果を十分に得られないという問題が生じる。

以上のごとく、本例によると、コア３の使用量を減少でき、かつ放熱性を向上できるとともに、インダクタンスＬの低下を防止できるリアクトル１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、リアクトル１の形状を変えた例である。本例のリアクトル１は、図３に示すごとく、Ｔ＞ｈ／２となっている。
また、コイル２の軸線を含む断面において、拡径部５の表面は円弧状にされており、円弧状に形成された拡径部５の半径をｒとし、円弧の中心とコア３の上面との最短距離をａとし、軸線に垂直な方向における円弧の中心と中芯部材４との距離をｂとし、コア３の底面と上面との最短距離をｈとし、中芯部材４の中央部４１とコイル２との最短距離をＴとし、上記コイルの内径をｄとした場合、Ｔ＞ｈ／２であり、かつ、０．１ｈ＜ａ≦ｈ／２、０．２Ｔ＜ｂ≦Ｔ、Ｔ≦ｒ≦ｄ／２を満たしている。
その他、実施例１と同様の構成を有する。

次に、本例のリアクトル１の作用効果について説明する。
本例は、リアクトル１の形状がＴ＞ｈ／２である場合にも適用できるという点で、実施例１と異なる。コイル２は、コア３の上面３１と底面３２との中間に位置している。
本例は、実施例１と同様に、拡径部５を大きく形成しているので、コア３の使用量を減らすことができ、低コストのリアクトル１となる。また、拡径部５とコア３との接触面積が大きいので、放熱効果が高い。

上記ａ，ｂ，ｃの臨界的意義を説明する。ａがｈ／２より大きくなった場合、またはｂがＴより大きくなった場合は、拡径部５とコイル２との間隔が狭くなることがあり、磁束Φが通過するコア３の断面積を、拡径部５とコイル２との間で充分に確保することができない場合がある。そのため、インダクタンスが低下することがある。また、ａが０．１ｈより小さい場合、またはｂが０．２Ｔより小さい場合は、拡径部５が小さくなり、コスト削減効果と放熱効果を十分に得られないという問題が生じる。
また、ｒがＴより小さくなった場合は、拡径部５とコイル２との間隔が狭くなることがあり、磁束Φが通過するコア３の断面積を、拡径部５とコイル２との間で充分に確保することができない場合がある。そのため、インダクタンスが低下することがある。ｒがｄ／２より大きくなった場合は、拡径部５が小さくなり、コスト削減効果と放熱効果を十分に得られないという問題が生じる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（参考例）
本例は、拡径部５の形状を変えた例である。図４に示すごとく、本例のリアクトル１は、コイル２の軸線を含む断面にて、拡径部５が、その表面が直線となるように形成されている。
その他、実施例１と同様の構成を有する。

参考例の作用効果につき説明する。
本例では、図４に示すごとく、拡径部５は、コイル２の軸線を含む断面にて、その表面が直線となるように形成されている。このようにすると、中芯部材４の加工性が向上するという効果がある。すなわち、中芯部材４は、型を用いて形成するのであるが、拡径部５が上記形状をしていると、型を外しやすいというメリットがある。

なお、コア３の表面または中芯部材４の中央部４１と、コイル２とを繋ぐ直線をコイル２の軸線周りに一周した軌跡からなるコア断面のうち、断面積が最小となる部分よりも、拡径部５とコイル２とを繋ぐ直線を軸線周りに一周した軌跡からなるコア断面のうち、断面積が最小となる部分の方が、断面積が大きくなるように、拡径部５の外面形状が定められていることが好ましい。
このようにすると、磁束Φが通過するコア３の断面の断面積が、拡径部５とコイル２との間で最小にならず、他の部分が最小になる。そのため、インダクタンスが低下するという不具合を防止できる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、拡径部５の形状を変えた例である。図５に示すごとく、本例では、コア３を収納する金属製のコアケース６を備え、中芯部材４はコアケース６の底面に接続されており、中芯部材４と前記コアケース６との接続側にのみ拡径部５が形成されている。
この場合には、中芯部材４の加工性が向上するという効果がある。また、コアケース６は金属製なので熱伝導性に優れている。本例では、中芯部材４の、コアケース６との接続側にのみ拡径部５が形成されている。そのため、拡径部５とコアケース６との接触面積を大きくすることができる。これにより、コア３およびコイル２から発生した熱が中芯部材４を通じて効率よくコアケース６に伝達することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、リアクトルの断面図。 図１の要部拡大図。 実施例２における、リアクトルの断面図。 参考例における、リアクトルの断面図。 実施例３における、リアクトルの断面図。 ａまたはｂがＴより大きい場合の比較例 ａまたはｂが０．２Ｔより小さい場合の比較例。 ｒがＴより小さい場合の比較例。 ｒがｄ／２より大きい場合の比較例。

符号の説明

１ リアクトル
２ コイル
３ コア
４ 中芯部材
４１ 中央部
５ 拡径部
６ コアケース

Claims (3)

1. 絶縁性樹脂の中に磁性体の粉末が分散した磁性粉末混合樹脂からなるコアと、
   上記コアに埋設され、通電により磁束が発生する筒状のコイルと、
   上記コイルの中心に配置され、該コイルの軸線方向を向く柱状に形成された金属製の中芯部材と、
   を備え、上記軸線方向において、上記コイルの両端面は、上記中芯部材の一方の端部と他方の端部との間に各々位置し、
   上記中芯部材の軸線方向における中央部と上記一方の端部との間の部分と、該中央部と上記他方の端部との間の部分との、少なくとも一方の部分には、先端に向かうほど外径が拡径する拡径部が形成されており、
   上記コイルの軸線を含む断面において、上記拡径部の表面は円弧状にされており、該円弧状に形成された上記拡径部の半径をｒとし、その円弧の中心と上記コアの上面との最短距離をａとし、上記軸線に垂直な方向における上記円弧の中心と上記中芯部材との距離をｂとし、上記コアの底面と上記上面との最短距離をｈとし、上記中芯部材の上記中央部と上記コイルとの最短距離をＴとし、上記コイルの内径をｄとした場合、Ｔ≦ｈ／２であり、かつ、０．２Ｔ＜ａ≦Ｔ、０．２Ｔ＜ｂ≦Ｔ、Ｔ≦ｒ≦ｄ／２を満たし、
   上記円弧の中心は、上記コイルの両端面をそれぞれ含む平面の間であって、かつ、上記コイルの内周面の内側に位置していることを特徴とするリアクトル。
2. 絶縁性樹脂の中に磁性体の粉末が分散した磁性粉末混合樹脂からなるコアと、
   上記コアに埋設され、通電により磁束が発生する筒状のコイルと、
   上記コイルの中心に配置され、該コイルの軸線方向を向く柱状に形成された金属製の中芯部材と、
   を備え、上記軸線方向において、上記コイルの両端面は、上記中芯部材の一方の端部と他方の端部との間に各々位置し、
   上記中芯部材の軸線方向における中央部と上記一方の端部との間の部分と、該中央部と上記他方の端部との間の部分との、少なくとも一方の部分には、先端に向かうほど外径が拡径する拡径部が形成されており、
   上記コイルの軸線を含む断面において、上記拡径部の表面は円弧状にされており、円弧状に形成された上記拡径部の半径をｒとし、該円弧の中心と上記コアの上面との最短距離をａとし、上記軸線に垂直な方向における上記円弧の中心と上記中芯部材との距離をｂとし、上記コアの底面と上記上面との最短距離をｈとし、上記中芯部材の上記中央部と上記コイルとの最短距離をＴとし、上記コイルの内径をｄとした場合、Ｔ＞ｈ／２であり、かつ、０．１ｈ＜ａ≦ｈ／２、０．２Ｔ＜ｂ≦Ｔ、Ｔ≦ｒ≦ｄ／２を満たし、
   上記円弧の中心は、上記コイルの両端面をそれぞれ含む平面の間であって、かつ、上記コイルの内周面の内側に位置していることを特徴とするリアクトル。
3. 請求項１又は請求項２において、上記コアを収納する金属製のコアケースを備え、上記中芯部材は上記コアケースの底面に接続されており、上記中芯部材と前記コアケースとの接続側にのみ上記拡径部が形成されていることを特徴とするリアクトル。

Images