JP5521792B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路を構成するリアクトルに関するものである。

電力変換回路のリアクトルは、一般に平面視が略環状のリアクトルコアの２つの長手部にコイルが形成された姿勢でたとえばハウジング内に収容されている。一般的なリアクトルコアは、複数の電磁鋼板の積層体もしくは圧粉磁心からなる磁性のコア材から構成されており、各コア材間には非磁性素材のギャップ板やスペーサが介装され、ギャップ板等とコア材が接着剤にて接着固定されてリアクトルが形成されている。磁性コア同士は磁気吸引力にて相互に引き合おうとするため、このギャップ板もしくはスペーサを磁性コア間に介在させることによって、所望厚のギャップ長を保証することができる。

従来のリアクトルの一般的な構造を図７を参照して説明すれば、平面視が略Ｕ型のコアａ（Ｕ型コア）と平面視が矩形のコアｂ（Ｉ型コア）とがギャップ板ｃを介して接着剤層ｄによって固定されており、その長手部に不図示の絶縁性ボビン等が形成され、このボビン周囲に不図示のコイルが形成される。このような構成のリアクトルコアに関する従来の公開技術として、例えば特許文献１に開示のリアクトルコアを挙げることができる。

ところで、コア材とギャップ板が接着されている場合には、その接着性の劣化によってリアクトルの耐久性が低下することになる。さらに、コア材とギャップ板双方の製造公差や接着剤層の製造公差により、これらの部材が組付けられてなるリアクトルの平均磁路長が変化し、所望のインダクタンスが得られないといった製品不具合の問題が生じ得る。

すなわち、従来のリアクトルにおいては、磁性のコア材とギャップ板とが接着剤層を介して接着固定される構造となっているが、この接着剤層の製造公差は他のコア材の製造公差に比してその解消が極めて困難であり、また、既述するように他の部材に比して接着剤層の劣化が顕著であることから、この接着剤層がリアクトルの耐久性を決定する主要因となっていた。なお、上記特許文献１のリアクトルでは、製造されたリアクトルに電流が通電されていない状態において、所定の磁路長を容易に確保するのが難しいことを付言する。

また、接着剤層が硬化するまでに磁性コアを固定する必要があり、そのための治具が必要となったり、硬化までのコア固定作業に手間を要するといった課題もある。なお、より具体的には、磁性コアに加えてギャップ板をも治具にて固定し、所望厚の接着剤層が形成されるようにそのための空間を確保した姿勢で接着剤層が形成される必要がある。

さらに、リアクトルがハイブリッド自動車等のエンジンルームに搭載される場合においては、その使用環境の変化によって−４０℃〜１５０℃程度の範囲内での冷熱サイクル環境下に置かれる可能性があるために、ギャップ板が介装されるリアクトルでは、コア材とギャップ板との接着部にて剥離が生じ易いという問題が生じ得る。これは、コア材、ギャップ板、接着剤層それぞれの線膨張係数が異なることによって各部材間で熱膨張差が生じ、この熱膨張差と繰り返しの熱応力によって最も構造的に弱い接着剤層が剥離し易くなるためである。

特開２００４−２４１４７５号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、ギャップ板や接着剤層を廃し、所望するインダクタンス性能を確保しながら、製造効率に優れたリアクトルを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるリアクトルは、複数の磁性コアが該磁性コアの断面積よりも小断面積で該磁性コアと同素材からなる連結部を介して繋がれ、全体が略環状に形成されているものである。

本発明のリアクトルは、従来のリアクトルを構成する、リアクトルコア間に配された硬質なギャップ板や接着剤層を廃して、その代わりに、複数の磁性コア同士をこの磁性コアよりも小断面で磁性コアと同素材の連結部を介して繋いで略環状としたものである。

ここで、磁性コアは、磁性を有するＵ型コアやＩ型コアなどを指称するものであり、２つのＵ型コアからリアクトルを構成することができるし、２つのＵ型コア間に１以上のＩ型コアを介層させてリアクトルを構成することもできる。さらに、この磁性コアは、珪素鋼板を積層してなる積層体から形成してもよいし、軟磁性金属粉末または軟磁性金属粉末が樹脂バインダーで被覆された磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成してもよいが、製造効率を勘案すれば、磁性コアが圧粉磁心から形成されるのが好ましい。

ここで、連結部は磁性コアと一体に成形することができる。すなわち、リアクトルコアの全体形状が画成された成形型のキャビティ内に磁性粉末を充填し、加圧することによって複数の磁性コアと磁性コア同士を繋ぐ連結部からなる略環状のリアクトルコアを一気に成形することができる。

また、連結部は、その断面積が磁性コアの断面積よりも小断面積であればよく、たとえば、相対的に小断面積の１つの連結部で磁性コア同士を繋ぐ形態であってもよいし、複数の連結部で磁性コア同士を繋ぐ形態であってもよい（複数の連結部の断面積の総和が磁性コアの断面積よりも小さい）。

より詳細に説明すれば、磁性コアと同素材の連結部であることから、この連結部自体も磁性を有しており、したがって、非磁性のギャップ板等でギャップを形成する従来のリアクトルコアと同程度のインダクタンス性能を担保するためには、従来のリアクトルコアのギャップ板で確保されていたギャップの磁気抵抗と同程度の磁気抵抗のギャップとなるように、連結部の長さと断面積が調整される必要がある。

磁性コアと連結部が一体に成形されてできるリアクトルコアによれば、成形型のキャビティを製造されるべきリアクトルコアの全体形状に改良するだけで、ギャップ板や接着剤層をリアクトル構成部材から解消しながら、ギャップの厚みをキャビティ形状で精緻に管理することが可能となる。しかも、略環状のリアクトルコアが成形型内での加圧によって一気に製造できることから、極めて短時間にリアクトルコアを製造することが可能となり、リアクトルの製造効率を飛躍的に向上させることができる。

また、ギャップ板や接着剤層の解消によって部品点数も低減でき、材料コストの低減と上記する製造効率の向上によって製造コストの大幅な削減を図ることもできる。

また、磁性コアと連結部それぞれの一部もしくは全部が相互に組み付けられてリアクトルコアを形成するものであってもよい。

この形態のリアクトルコアは、磁性コアと連結部がそれぞれ組み付けられる形態や、１つの磁性コアと１つの連結部が一体にユニット化されていて、ユニット同士を繋いで略環状のコアを形成する形態などを含んでいる。

たとえば、磁性コアである２つのＵ型コアと、各Ｕ型コア間に介層される２つのＩ型コアと、これらＵ型コアとＩ型コアを連結部が繋いでなるリアクトルコアにおいて、Ｕ型コア、Ｉ型コア、連結部がそれぞれ別体となっていて相互に組み付けられてリアクトルコアが形成される形態や、たとえばＵ型コアと連結部が一体に成形されていて、この連結部分とＩ型コアが組み付けられてリアクトルコアが形成される形態などを例示することができる。

ここで、磁性コアと連結部の組み付け形態としては、相互に嵌め合いされる形態や、相互にネジ止めされる形態、ピン止めされる形態など、そのバリーションは多様である。

また、上記するリアクトルにおいては、従来のリアクトルのように略環状の前記磁性コアの周りに絶縁性の樹脂モールド体が形成されているものであってもよい。

この絶縁性の樹脂モールド体により、磁性コアとその外周に形成されるコイルとの絶縁が保証される。

また、形成された樹脂モールド体の一部は隣接する磁性コア間のギャップ内に介在することとなり、樹脂モールド体からなるギャップが形成される。

ギャップ内に樹脂モールド体が介在することにより、連結部周りのギャップ領域がエアのみからなる形態のリアクトルに比してリアクトルの剛性（強度）を格段に高めることができる。

また、磁性コア外周にコイルと磁性コアの絶縁を保証する樹脂モールド体を形成し、その周囲にコイルを形成した後に、これらの外周に放熱性に優れた封止樹脂体を形成してもよいことは勿論のことである。

以上の説明から理解できるように、本発明のリアクトルによれば、従来構造のリアクトルの有する接着剤層やギャップ板を廃しながら、所望する厚みのギャップを精緻に確保することができ、しかも、製造効率の向上と部品点数の低減によって製造コストを大幅に削減することができる。

本発明のリアクトルの一実施の形態の斜視図である。 （ａ）は、本発明のリアクトルの他の実施の形態の斜視図であり、（ｂ）は、分割体の嵌め合い構造を説明した図である。 （ａ）は、磁性コアと連結部の断面積の関係を説明した模式図であり、（ｂ）は、本発明のリアクトル構造におけるギャップの長さと連結部の断面積の関係を説明した模式図であり、（ｃ）は従来のリアクトル構造におけるギャップの長さと連結部の断面積の関係を説明した模式図である。 本発明のリアクトルの他の実施の形態の斜視図である。 本発明のリアクトルのさらに他の実施の形態の斜視図である。 一定のインダクタンス性能を充足するための連結部の断面積と長さ（ギャップの厚み）の関係を示したグラフである。 従来のリアクトルの一般構造を説明した斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例ではリアクトルを構成するコイルの図示を省略している。また、リアクトルを構成する磁性コアの基数や形態は図示例に限定されるものではなく、２つのＵ型コアのみからなる形態、Ｉ型コアが２つもしくは４つの形態、Ｉ型コアが８以上の形態であってもよいことは勿論のことである。

図１，２はいずれもリアクトルの実施の形態を示した図であり、図３ａは、磁性コアと連結部の断面積の関係を説明した模式図であり、図３ｂは、ギャップの体積と連結部の幅の関係を説明した模式図である。

図１で示すリアクトル１０は、平面視がＵ型の２つの磁性コア１，１と、これらの間に配設される平面視がＩ型の６つの磁性コア２，…と、磁性コア１，２を繋ぎ、磁性コア１，２よりも断面積が相対的に小さくて磁性コア１，２と同素材からなる連結部３，…とから大略構成され、その全体が略環状を呈している。

ここで、Ｕ型、Ｉ型の磁性コア１，２と、連結部３を形成する磁性粉末は、軟磁性金属粉末または軟磁性金属粉末が樹脂バインダーで被覆された磁性粉末であり、この軟磁性金属粉末としては、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などを用いることができる。また、軟磁性金属酸化物粉末を使用してもよく、たとえば、マンガン系、ニッケル系、マグネシウム系などのフェライトを挙げることができる。

図１で示すリアクトル１０は、不図示の成形型のキャビティ内に上記磁性粉末を充填し、加圧成形することで一気に成形されるものである。

そして、図１、３ａで示すように、磁性コア１，２の断面積Ａ１に比して小さな断面積Ａ２を有する連結部３が磁性コア１，２もしくは磁性コア２，２を繋ぐことにより、連結部３の側方には空間が形成され、これがギャップＧとなっている。

一方、図２ａで示すリアクトル１０Ａは、リアクトルの全体が一気に成形されるものではなく、Ｕ型の磁性コアと連結部３’が一体となっている分割体１Ａ，連結部を具備しないＵ型の磁性コアの分割体１Ｂ，Ｉ型の磁性コアと連結部３’が一体となっている分割体２Ａから構成されている。

そして、分割体１Ａには、その２つの連結部３’の端面に嵌合突起６が設けてあり、これが、分割体２Ａの端部に開設された嵌合凹溝５に嵌め合いされるようになっており、同様に、分割体２Ａの連結部３’の端面にも嵌合突起６が設けてあって、これが隣接する分割体２Ａの嵌合凹溝５に嵌め合いされるようなっている。また、図示を省略するが、分割体１Ｂの端面にも嵌合凹溝が開設されていて、隣接する分割体２Ａの嵌合突起６がここに嵌め合いされることにより、図２ａで示す略環状のリアクトル１０Ａが形成される。

ここで、図３ｂ、ｃを参照してギャップの長さと連結部の断面積の関係を説明する。なお、図３ｂは本発明のリアクトル構造を示しており、図３ｃは従来のリアクトル構造を示している。

図３ｃで示す従来のリアクトルでは、ギャップが非磁性のギャップ板ＧＩ等で形成され、これによってリアクトルのインダクタンス性能が保証されている。これに対して、図３ｂで示す本発明のリアクトルでは、このようなギャップ板やギャップ板と磁性コアを繋ぐ接着剤層を廃し、その代わりに磁性コア２と同素材で相対的に断面積の小さな連結部３で磁性コア２，２を繋ぎ、この連結部３の側方の２つの空間にギャップＧ，Ｇが形成されるものである。

ここで、図３ｃで示す従来のリアクトルにおいて、ギャップ板ＧＩにおける磁気抵抗：Ｒ_ｇａｐは下式（１）で表すことができる。
Ｒ_ｇａｐ＝ｔ／（μｏＳ）・・・・・・・・・・・・・・・・（式１）
ここで、μｏは真空の透磁率である。

一方、図３ｂで示すリアクトルのギャップ部の磁気抵抗Ｒ_ｇａｐ’は、２つのギャップＧの磁気抵抗と連結部３の磁気抵抗の総和となり、２つのギャップＧの面積Ｓ１’の総面積をＳ１，連結部３の面積をＳ２（Ｓ１＋Ｓ２＝Ｓ）とし、連結部（コア）の比透磁率をμｓ、ギャップＧの長さをｔ１とした際に、ギャップＧの磁気抵抗：Ｒａ＝ｔ１／（μｏＳ１）、連結部３の磁気抵抗：Ｒｃ＝ｔ１／（μｏμｓＳ２）となる。これらより、図３ｂで示すリアクトルのギャップ部の磁気抵抗Ｒ_ｇａｐ’は下式で表すことができる。
Ｒ_ｇａｐ’＝ＲａＲｃ／（Ｒａ＋Ｒｃ）＝ｔ１／μｏ（μｓＳ２＋Ｓ１）・・・（式２）

従来構造のリアクトルと同等のインダクタンスを得るには、磁気抵抗Ｒ_ｇａｐと Ｒ_ｇａｐ’が等しくなればよく、上式１，２より、以下の式を導くことができる。
ｔ１＝（（μｓ−１）Ｓ２＋Ｓ）ｔ／Ｓ・・・・・・・・・・・（式３）

上式３を満たすような連結部の長さｔ２と面積Ｓ２の組み合わせとなるように調整することで、従来構造のリアクトルと同等のインダクタンス性能が得られることになる。

図１、２ａで示すリアクトル１０，１０Ａはいずれも、連結部３，３’の長さがその成形時の精度によって規定され、この連結部３，３’の長さによって所望するギャップＧの厚みが高い精度で保証される。したがって、精度管理に手間がかかる接着剤層の厚み管理にギャップの厚み精度が依存していた従来のリアクトルに比して、高い製造効率のもとでより一層高い精度の厚みを有するギャップを備えたリアクトルが得られる。

図４には、リアクトルの他の実施の形態を示している。図示するリアクトル１０Ｂは、図１で示すリアクトル１０の外周に絶縁性の樹脂モールド体４を形成し、その外周に不図示のコイルを形成することでコイルと磁性コアとの絶縁が確保されたものである。なお、樹脂モールド体４０の周囲に形成されたコイルの外周に放熱性に優れた不図示の封止樹脂体をさらに具備するものであってもよい。

また、図５には、リアクトルのさらに他の実施の形態を示している。図示するリアクトル１０Ｃは、リアクトル１０，１０Ｂと同様に磁性コアと連結部が一体に生成されたものであるが、この連結部３Ａが２つの連結部３，３から構成されている。２つの連結部３，３の断面積の総和が磁性コア１，２の断面積より小さくなっており、しかも、図１で示すリアクトル１０の具備する１つの連結部３に比してギャップＧを形成する連結部の剛性を高めることができる。なお、１つのギャップを３つ以上の連結部から構成する形態であってもよい。また、リアクトル１０Ｂのように、リアクトル１０Ｃの周囲に樹脂モールド体が形成されてもよいし、その外周に形成されたコイルの周囲にさらに封止樹脂体が形成されてもよい。

［一定のインダクタンス性能を充足するための連結部の断面積とギャップの長さ（ギャップの厚み）の関係に関する検証とその結果］
本発明者等は、図示する磁性を有する連結部をギャップに備えたリアクトルに関し、この連結部を具備しない従来のリアクトル（非磁性のギャップ板と接着剤層からなる）と同等のインダクタンス性能を充足するための、連結部の断面積とその長さ（すなわち、ギャップの厚み）の関係を検証した。

本発明のリアクトル構造は、ギャップ内に磁性を有する連結部が配設されていることから、この磁性コアからなる連結部をギャップに具備しない従来のリアクトルと同程度の磁気抵抗を有するものでないと、従来のリアクトルと同等のインダクタンス性能は得られない。すなわち、従来のリアクトルと同程度の磁気抵抗を有するようにギャップの長さと連結部の断面積を調整する必要がある。

図示する各リアクトルのように連結部の高さが磁性コアの高さと同じ場合において、従来のリアクトルと同等のインダクタンスを保証するためには、連結部の幅と長さ（ギャップの厚み）を増減調整する必要があることから、双方の相関を検証したものである。

検証結果を図６に示している。なお、同図においては、縦軸に連結部の断面積を示しており、断面積が１ｍｍ^２、４ｍｍ^２、９ｍｍ^２の際に、ともに同等のインダクタンスを確保するための連結部の長さを求めたものである。

検証の結果、断面積が１ｍｍ^２、４ｍｍ^２、９ｍｍ^２のそれぞれに対して、ギャップ長は２．４ｍｍ、３．８ｍｍ、６．２ｍｍという結果が得られている。

そして、各検証結果を図示する座標系に落とし込み、これらの相関グラフを作成すると、連結部の断面積はギャップ長を変数としてリニアな相関を示すことが理解できる。

すなわち、磁性コアと連結部の高さを同一としてリアクトルを製作した際には、所望するインダクタンス性能を充足するギャップ部の磁気抵抗が決定されたら、このギャップ部に形成される連結部の幅と長さをともに比例関係で増減させる必要がある。このことは、たとえばギャップ部の剛性を高めるために連結部の幅を大きくしようとした際に、この幅の増加に応じて連結部の長さを長くする必要があることを示すものであり、この連結部の長さの調整はリアクトルの限界最大寸法によって律則されることから、連結部の剛性と全体寸法が密に関連することを示している。

本発明のリアクトルによれば、従来のリアクトルの構成部材であるギャップ板や接着剤層が廃されており、特に接着剤層を具備する場合の課題である、被接着部材であるコアやギャップ板等の表面管理や厚みの精度管理の困難性やこれに起因する製造時間の長期化、製造歩留まりの低下を解消することができる。すなわち、本発明のリアクトルはその製造プロセスにおいてギャップの厚み管理精度が格段に向上するとともに、その製造効率も格段に向上するものであり、この製造効率の向上と製造歩留まりの向上、さらには部品点数の低減が相俟って、製造コストも大幅に削減できるものである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…磁性コア（Ｕ型）、１Ａ，１Ｂ…磁性コア（Ｕ型）の分割体、２…磁性コア（Ｉ型）、２Ａ…磁性コア（Ｉ型）の分割体、３，３’…連結部、４…樹脂モールド体、５…嵌合凹溝、６…嵌合突起、１０、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…リアクトル、Ｇ…ギャップ

Claims (5)

1. 複数の磁性コアが該磁性コアと同素材からなる２つまたは３つ以上の連結部を介して繋がれ、それぞれの連結部はいずれも、該磁性コアの断面積よりも小断面積の２つまたは３つ以上の小連結部が相互に隙間をもって併設して構成されており、該２つまたは３つ以上の小連結部の断面積の総和である１つの連結部の断面積も磁性コアの断面積より小さい断面積であり、全体が略環状に形成されているリアクトル。
2. 複数の前記磁性コアと磁性コア同士を繋ぐ連結部が一体に成形されている請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記磁性コアと前記連結部それぞれの一部もしくは全部が相互に組み付けられている請求項１に記載のリアクトル。
4. 略環状の前記磁性コアの周りに絶縁性の樹脂モールド体が形成されている請求項１〜３のいずれかに記載のリアクトル。
5. 前記樹脂モールド体が隣接する磁性コア間のギャップを形成している請求項４に記載のリアクトル。

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