JP5958792B2 - リアクトル、コンバータ、及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される車載用ＤＣ−ＤＣコンバータといった電力変換装置の構成部品などに利用されるリアクトル、このリアクトルを備えるコンバータ、及びこのコンバータを備える電力変換装置に関する。特に、磁気飽和し難く、かつ漏れ磁束が生じ難いリアクトルに関する。

電圧の昇圧動作や降圧動作を行う回路の部品の一つに、リアクトルがある。例えば特許文献１には、ハイブリッド自動車などの車両に搭載されるコンバータに利用されるリアクトルが開示されている。リアクトルは、銅などの巻線を巻回してなるコイルと、コイル内に挿通されて閉磁路を形成する環状の磁性コアとを備える。このような環状の磁性コアを備えるリアクトルでは、磁路が一つの環状に閉じているので、磁束がリアクトル（磁性コア）の外部に漏れ難い。

ここで、リアクトルに備わる磁性コア全体の比透磁率を一様とすると、磁性コアが磁気飽和し易くなるため、大電流での使用には不向きなリアクトルとなる。そこで上記特許文献１のリアクトルでは、磁性コアに、非磁性材料からなるギャップを形成している。このように、磁性コアの磁気特性を部分的に異ならせることで、磁性コア全体の比透磁率を調整し、磁性コアを磁気飽和し難くすることができる。

特開２００９−３３０５１号公報

上記特許文献１のリアクトルには、磁性コアのギャップの位置（即ち、比透磁率が低くなっている位置）で磁束が漏れ易いという問題があった。特許文献１のリアクトルでは、ギャップをコイル内に配置しているため、漏れ磁束がリアクトルの外部に設置される機器に悪影響を及ぼすことはないものの、漏れ磁束がコイルを透過することによるエネルギー損失（銅損）が生じる。これに対して、磁性コアにおけるコイルから露出する部分にギャップを形成すれば、リアクトルの外部に磁束が漏れ、その漏れ磁束が外部機器に悪影響を及ぼす恐れがある。この問題は、リアクトルの外周を非磁性金属などのケースで覆うことで解決できるが、その場合、ケースの分だけ大型化・高重量化するという新たな課題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、磁気飽和し難く、かつ漏れ磁束が生じ難い構成を備えるリアクトルを提供することにある。また、本発明の別の目的は、このリアクトルを備えるコンバータ、及びこのコンバータを備える電力変換装置を提供することにある。

本発明リアクトルは、コイルと、コイル内に挿通されて閉磁路を形成する環状の磁性コアとを備える。この本発明リアクトルでは、磁性コアが、比透磁率が異なる第一コア部と第二コア部とが交互に並ぶ環状コア部、および環状コア部の全周を覆う被覆コア部、を備える。そして、本発明リアクトルでは、第一コア部、第二コア部、および被覆コア部の比透磁率をそれぞれμ_Ｈ、μ_Ｌ、及びμ_Ｃとしたとき、各コア部の比透磁率がμ_Ｈ＞μ_Ｌ、およびμ_Ｈ＞μ_Ｃを満たすことを特徴とする。

上記本発明リアクトルを動作させたとき、コイル内に挿通される環状の磁性コアの形状に沿った環状の磁束の通り道が形成される。この磁束の主たる通り道である磁性コアの環状コア部は、磁気特性の異なる第一コア部と第二コア部とで構成されており、環状コア部全体の比透磁率を容易に調整することができる。そのため、磁気飽和し難い磁性コア（環状コア部）を備えるリアクトルとすることができるので、本発明リアクトルは、大電流での使用に耐え得るリアクトルとなる。

また、上記構成のように、環状コア部の外周を被覆コア部で覆うことで、被覆コア部よりも外側に磁束が漏れることを効果的に抑制でき、磁性コアの外側にあるコイルを磁束が透過することを抑制できる。そのため、本発明リアクトルでは、コイルを磁束が透過することによるエネルギー損失が生じ難い。

さらに、被覆コア部の比透磁率を、環状コア部の第一コア部の比透磁率よりも低くすることで、より磁気飽和し難い磁性コアとすることができる。仮に、本発明リアクトルの構成と異なり、被覆コア部の比透磁率を、第一コア部の比透磁率と同じかそれ以上とした場合、磁束と直交する磁性コアの横断面のうち、第一コア部が配置される部分の横断面は、被覆コア部も含めて高比透磁率の材料のみで構成されることになるため、その部分で磁気飽和し易くなる。これに対して、本発明リアクトルの磁性コアでは、磁束と直交する磁性コアのいずれの横断面も、高比透磁率の材料のみで構成されることはなく、磁気飽和し難い。

本発明リアクトルの一形態として、第一コア部の比透磁率は１５〜５００、第一コア部に比べて低比透磁率の第二コア部および前記被覆コア部の比透磁率は５〜１５、磁性コア全体の比透磁率は１０〜５０、であることが好ましい。

なお、本明細書における上記コア部の比透磁率は、次のようにして求めたものとする。まず、各コア部と同じ材料で構成した複合材料を加工し、外径３４ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍのリング状試験片を作製する。このリング状試験片に、一次側３００巻き、二次側２０巻きの巻線を施し、試験片についてのＢ−Ｈ初磁化曲線を、Ｈ＝０〜１００エルステッド（Ｏｅ）の範囲で測定する。測定には、例えば、理研電子株式会社製ＢＨカーブトレーサ「ＢＨＳ−４０Ｓ１０Ｋ」を用いることができる。得られたＢ−Ｈ初磁化曲線の勾配（Ｂ／Ｈ）の最大値が試験片の比透磁率であり、その比透磁率を上記コア部の比透磁率と見做す。因みに、後段でコア部の飽和磁束密度について記載しているが、その飽和磁束密度は、上記試験片に対して電磁石で１００００（Ｏｅ）の磁界を印加し、十分に磁気飽和させたときの試験片の磁束密度である。

上記構成を備えるリアクトルは、１００Ａ以上の大電流で使用しても磁気飽和し難く、例えば、車載用のリアクトルとして好適に利用することができる。

本発明リアクトルの一形態として、第一コア部は、圧粉成形体で形成されており、第二コア部、および被覆コア部は、磁性粉末混合樹脂で一体に形成されていることが好ましい。

ギャップレスに形成される本発明リアクトルにおいて、磁性コアを構成する各コア部は、圧粉成形体もしくは磁性粉末混合樹脂で形成される。高比透磁率の第一コア部は、圧粉成形体もしくは磁性粉末混合樹脂のいずれでも良いが、『第一コア部の比透磁率＞他のコア部の比透磁率』を満たす必要がある。ここで、圧粉成形体と磁性粉末混合樹脂の比透磁率の大小関係は、含まれる磁性成分の含有量を反映して、圧粉成形体＞磁性粉末混合樹脂となるので、上記構成のように第一コア部を圧粉成形体、その他のコア部を磁性粉末混合樹脂とすれば、『第一コア部の比透磁率＞他のコア部の比透磁率』の関係を確実に満たすことができる。このように、第一コア部を圧粉成形体、その他のコア部を磁性粉末混合樹脂とすれば、磁気飽和し難い磁性コアとすることができる。

さらに、上記構成では、第二コア部と被覆コア部とが磁性粉末混合樹脂で一体に形成されているため、磁性コアの作製が容易である。具体的には、磁性コアの全体形状を決める金型内に所定数の第一コア部を離隔した状態で配置し、磁性粉末混合樹脂を金型内に充填するだけで、磁性コアを作製することができる。

本発明リアクトルの一形態として、磁性コアの環状コア部が円環状に形成されており、コイルが磁性コアの外周面全体にわたって配置されている形態を挙げることができる。

上記構成の具体例としては、後述する実施形態１を挙げることができる（図１を参照）。この構成であれば、コイルのターン間に殆ど隙間を設けることなく、磁性コアの外周全体にわたってコイルを配置できる。そのため、小型でありながら磁気特性に優れるリアクトルとすることができる。

本発明リアクトルの一形態として、磁性コアの環状コア部が、四つの柱状部と、各柱状部を繋ぐ四つの角部と、を備える形態を挙げることができる。その場合、コイルを四つの柱状部の外周面に配置し、上記柱状部を第二コア部とする。

上記構成の具体例としては、後述する実施形態２，３を挙げることができる（図２，３を参照）。この構成であれば、リアクトルの組立作業性を向上させることができる。例えば、環状の磁性コアを用意してから、その磁性コアに巻線を巻き付けてコイルを形成する場合、柱状部は湾曲せず真っ直ぐに伸びているため、柱状部に巻線を巻き付け易い。巻線を巻き付けない角部の分だけ作業空間に余裕があることも、柱状部に巻線を巻き付け易い要因の一つである。一方、コイルを形成してから、そのコイルに磁性コアを組み付ける場合、コイルが四つの部分に分かれ、各部分の間が離隔しているため、その離隔した部分から磁性コアを挿入し易い。なお、後者の場合、磁性コアは複数の分割片を組み合わせて構成される。

また、上記構成では、コイルが配置される柱状部を低比透磁率の第二コア部としている。これは、言い換えればコイルが配置されない角部を高比透磁率の第一コア部とすることである。このように角部を高比透磁率とすることで、角部の位置で磁束が漏れることを抑制できる。

本発明のリアクトルは、コンバータの構成部品に好適に利用することができる。本発明のコンバータは、スイッチング素子と、スイッチング素子の動作を制御する駆動回路と、スイッチング動作を平滑にするリアクトルとを備え、スイッチング素子の動作により、入力電圧を変換するものである。そして、リアクトルが上記した本発明のリアクトルであることを特徴とする。

また、本発明のコンバータは、電力変換装置の構成部品に好適に利用することができる。本発明の電力変換装置は、入力電圧を変換するコンバータと、コンバータに接続されて、直流と交流とを相互に変換するインバータとを備え、このインバータで変換された電力により負荷を駆動するためのものである。そして、コンバータが上記した本発明のコンバータであることを特徴とする。

本発明のコンバータ及び電力変換装置は、大電流での使用に耐え得る本発明のリアクトルを備えることで、車載部品などに好適に利用することができる。

本発明リアクトルは、磁気飽和し難く、かつ漏れ磁束が生じ難い。また、本発明のコンバータ及び電力変換装置は、大電流での使用に耐え得る本発明のリアクトルを備えるため、車載部品などに好適に利用することができる。

（Ａ）は実施形態１に係るリアクトルの概略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のリアクトルに備わる環状コア部の水平断面斜視図である。 （Ａ）は実施形態２に係るリアクトルの概略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のリアクトルに備わる環状コア部の水平断面斜視図である。 （Ａ）は実施形態３に係るリアクトルの概略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のリアクトルに備わる環状コア部の水平断面斜視図である。 ハイブリッド自動車の電源系統を模式的に示す概略構成図である。 本発明コンバータを備える本発明電力変換装置の一例を示す概略回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。

＜実施形態１＞
図１に示す本実施形態のリアクトルαは、コイル２と、このコイル２内部に挿通されて閉磁路を形成する環状の磁性コア３と、を備える。磁性コア３は、図１（Ｂ）に示すように、一つの環状に形成されている。この本発明リアクトルαの最も特徴とするところは、〔１〕磁性コア３が、第一コア部３１と第二コア部３２とが交互に並ぶ環状コア部３０、およびその環状コア部３０の全周を覆う被覆コア部３３を備えること、〔２〕第一コア部３１の比透磁率μ_Ｈが、第二コア部３２の比透磁率μ_Ｌ、および被覆コア部３３の比透磁率μ_Ｃに比べて高いこと（μ_Ｈ＞μ_Ｌ，μ_Ｈ＞μ_Ｃ）、にある。以下、このリアクトルαの各構成を詳細に説明する。

≪コイル≫
本実施形態のコイル２は、図１（Ａ）に示すように、螺旋状に巻回される一連長の巻線（単数の巻線でも良いし、複数本の巻線を繋げたものであっても良い）からなり、その全体形状が中空の円環状になっている。コイル２のその中空部分に後述する磁性コア３が挿通されている（言い換えれば、磁性コア３の外周面全体を覆うようにコイル２が配置されている）。

上記巻線は、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体の外周に、絶縁性材料（代表的にはポリアミドイミドといったエナメル材料）からなる絶縁被覆を備える被覆線が好適である。導体は、断面形状が長方形状である平角線、円形状である丸線、多角形状である異形線など、種々の形状のものを利用できる。本実施形態では丸線を使用している。

コイル２を形成する巻線の端部２ａ，２ｂは両方とも、ターン部分から紙面上方に引き延ばされている。端部２ａ，２ｂでは、丸線の絶縁被覆が剥がされ、露出した導体に銅やアルミニウムなどの導電性材料からなる端子部材（図示せず）が取り付けられる。この端子部材を介して、コイル２に電力が供給される。

≪磁性コア≫
磁性コア３は、図１（Ｂ）に示すように、円環状に形成された環状コア部３０
と、その外周面全体を覆う被覆コア部３３と、で構成され、その全体に亘って実質的にギャップが設けられていないギャップレス構造体である。

磁性コア３の断面（環形状に直交する断面）は、本実施形態では円形であるが、これに限定されるわけではない。例えば、断面は、楕円形でも良いし、矩形を含む多角形でも良い。

上記磁性コア３は、繋ぎ目のない一つの部材であっても良いし、複数の分割片（例えば、二つの半円弧状の分割片）を接着剤などで繋ぎ合わせたものであっても良い。磁性コア３が一つの部材である場合、接着剤などを介した繋ぎ目がないため、磁性コア３全体の比透磁率を厳密に調整することが容易である。その反面、磁性コア３の外周にコイル２を配置するときに、磁性コア３の外周に巻線を巻き付ける手間がかかる。一方、磁性コア３が複数の分割片からなる場合、接着剤などを介した繋ぎ目ができるものの、予め巻線を巻回して形成されたコイル２の内部に、後から磁性コア３を挿入できるため、組立作業性に優れる。

［環状コア部］
環状コア部３０は、比透磁率の異なる第一コア部３１と第二コア部３２とが交互に並ぶことで構成される磁性体である。両コア部３１，３２の数は特に限定されないが、両コア部３１，３２の数を多くすると、磁性コア３全体の比透磁率の微調整を行ない易い。また、コア部３１，３２の数を多くすると、環状コア部３０全体の放熱性が均一になり易い。なお、コア部３１の数とコア部３２の数とは必ずしも一致している必要はない。

第一コア部３１の比透磁率μ_Ｈと、第二コア部の比透磁率μ_Ｌの大小関係は、既に述べたように、μ_Ｈ＞μ_Ｌである。特に、μ_Ｈは１５〜５００、μ_Ｌは５〜１５とすることが好ましい。これらコア部３１，３２の比透磁率をどのように調節するかは後述する。

［被覆コア部］
被覆コア部３３は、環状コア部３０の外周を覆う薄皮状の磁性体である。被覆コア部３３によって、被覆コア部３３よりも外側に磁束が漏れることを抑制することができる。

また、被覆コア部３３の比透磁率μ_Ｃは、上記第一コア部３１の比透磁率μ_Ｈよりも小さければ良い。好ましくは、μ_Ｃは５〜１５とする。このように、被覆コア部３３の比透磁率μ_Ｃ＜第一コア部３１のμ_Ｈとすることで、被覆コア部３３の比透磁率μ_Ｃ≧第一コア部３１のμ_Ｈとするよりも、磁性コア３を磁気飽和し難くできる。これは、磁束と直交する磁性コア３のいずれの横断面も、高比透磁率の材料のみで構成されることがないからである。例えば、第一コア部３１が配置される部分における磁束と直交する磁性コア３の横断面では、内周側に高比透磁率の第一コア部３１が配置され、その全周を低比透磁率の被覆コア部３３が覆っている。そのため、当該部分で磁気飽和が生じ難い。また、第二コア部３２が配置される部分における磁束と直交する磁性コア３の横断面では、内周側も外周側も低比透磁率であるため、磁気飽和し難い。

被覆コア部３３の比透磁率μ_Ｃと、上記第二コア部３２の比透磁率μ_Ｌの大小関係は特に限定されない。但し、被覆コア部３３よりも外部に磁束がもれないようにするという観点からすれば、μ_Ｃ≧μ_Ｌとすることが好ましく、より好ましくは、μ_Ｃ＞μ_Ｌである。

被覆コア部３３の厚さは、１〜２０ｍｍとすることが好ましい。被覆コア部３３の厚さを１ｍｍ以上とすることで、第一コア部３１と被覆コア部３３で構成される部分の磁気飽和を抑制することができる。加えて、磁性成分が多い第一コア部３１が錆びることを抑制できる。また、被覆コア部３３の厚さを２０ｍｍ以下とすることで、第一コア部３１と被覆コア部３３で構成される部分の飽和磁束密度を高くすることができる。より好ましい被覆コア部３３の厚さは１〜１０ｍｍである。

［各コア部の構成材質］
各コア部３１，３２，３３は、圧粉成形体もしくは磁性粉末混合樹脂のいずれかで構成することができる。

（圧粉成形体）
まず、圧粉成形体について説明する。圧粉成形体は、代表的には、表面に絶縁被膜を有する磁性粉末を加圧成形した後、適宜熱処理を施すことで製造することができる。圧粉成形体の材料には、鉄基材料や希土類金属などの軟磁性材料からなる粒子の表面に絶縁被覆を備える被覆粉末やフェライト粉末に、熱可塑性樹脂などの樹脂や高級脂肪酸などの添加剤（上記熱処理によって消失、又は絶縁物に変化するもの）を加えた混合材料を用いることが挙げられる。上記製造方法によって、軟磁性粒子の周囲が絶縁被覆（例えば、リン酸化合物、珪素化合物、ジルコニウム化合物、アルミニウム化合物、硼素化合物など）で覆われ、当該粒子間に絶縁物が介在する圧粉成形体が得られる。絶縁被覆を備える圧粉成形体は、絶縁性に優れ、渦電流損を低減することができる。軟磁性材料をフェライトとする場合、絶縁被覆を備えていなくても、絶縁性に優れる。

使用する磁性粉末の平均粒径は、１μｍ以上１０００μｍ以下、特に１０μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。磁性粉末は、粒径が異なる複数種の粉末が混合されたものでも良い。微細な粉末と粗大な粉末とを混合した磁性粉末を圧粉成形体の材料に用いた場合、飽和磁束密度が高く、低損失なリアクトルが得られ易い。なお、圧粉成形体における磁性粉末と材料に用いた粉末とは、その大きさが実質的に同じである（維持されている）。

圧粉成形体における磁性粉末（磁性成分）の含有量は、圧粉成形体を１００％とするとき、体積割合では７０体積％以上とすることが望ましく、８０体積％以上とすることがさらに望ましい。圧粉成形体における磁性粉末の含有量の調整は、例えば、磁性粒子の表面に形成される絶縁被覆の厚さや、圧粉成形体の作製時に磁性粉末に加えられる樹脂や添加剤の量によって調節できる。

上記磁性粉末の含有量から分かるように、圧粉成形体において絶縁成分に比べて磁性成分が圧倒的に多いため、圧粉成形体は高比透磁率でかつ高飽和磁束密度の磁性部材とすることができる。この圧粉成形体の比透磁率は５０〜５００、飽和磁束密度は１．０〜２．０Ｔ、熱伝導率は１０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度とすることが望ましい。

圧粉成形体の磁気特性は、磁性粉末の含有量を変化させることで調整できる。もちろん、磁性粉末の材質を変更することでも圧粉成形体の磁気特性を調整できる。その他、加圧成形時の成形圧力を調整することでも、圧粉成形体の磁気特性（特に、飽和磁束密度）を変化させることができる。その場合、成形圧力を高くすることで、飽和磁束密度が高い圧粉成形体が得られる。

（磁性粉末混合樹脂）
磁性粉末混合樹脂は、代表的には、バインダとなる樹脂に磁性粉末を混合したものである。磁性粉末には、圧粉成形体に利用する磁性粉末と同様のものを利用できる。特に、絶縁被覆を備える被覆粉末を用いることで、磁性粉末混合樹脂における渦電流損を効果的に低減することができる。一方、バインダとなる樹脂には、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる。その他、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などの熱可塑性樹脂、常温硬化性樹脂、或いは低温硬化性樹脂を用いてもよい。

磁性粉末混合樹脂でコア部を形成する場合、代表的には、射出成形、トランスファー成形、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）、注型成形、磁性粉末と粉末状の固形樹脂とを用いたプレス成形などを利用することができる。射出成形の場合は、磁性粉末と樹脂との混合材料を所定の圧力をかけて成形型に充填して成形した後、上記樹脂を硬化させることで磁性粉末混合樹脂を得ることができる。トランスファー成形やＭＩＭの場合も、上記混合材料を成形型に充填して成形を行う。注型成形の場合は、上記混合材料を、圧力をかけることなく成形型に注入して成形・硬化させることで磁性粉末混合樹脂を得ることができる。

磁性粉末混合樹脂における磁性粉末の平均粒径も、圧粉成形体に用いる磁性粉末と同様に、１μｍ以上１０００μｍ以下、特に１０μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。また、磁性粉末は、粒径が異なる複数種の粉末が混合されたものでも良い。平均粒径が上記範囲を満たす磁性粉末を材料に用いると、流動性が高く、射出成形などを利用して磁性粉末混合樹脂を生産性良く製造できる。

その他、磁性粉末混合樹脂には、磁性粉末及び樹脂に加えて、アルミナやシリカなどのセラミックスといった非磁性材料からなる粉末（フィラー）が含有されていても良い。フィラーは、放熱性の向上、磁性粉末の偏在の抑制（均一的な分散）に寄与する。また、フィラーが微粒であり、磁性粒子間に介在することで、フィラーの含有による磁性粉末の割合の低下を抑制できる。フィラーの含有量は、磁性粉末混合樹脂を１００質量％とするとき、０．２質量％以上２０質量％以下、更に０．３質量％以上１５質量％以下、特に０．５質量％以上１０質量％以下であると、上記効果を十分に得られる。

磁性粉末混合樹脂は、磁性粉末混合樹脂における磁性粉末の含有量は、磁性粉末混合樹脂を１００％とするとき、体積割合では２０体積％以上７０体積％以下とすることが好ましい。磁性粉末が２０体積％以上であることで、比透磁率や飽和磁束密度などの磁気特性を確保し易い。磁性粉末が７０体積％以下であると、樹脂との混合が行い易く、磁性粉末混合樹脂の製造性に優れる。磁性粉末混合樹脂は、磁性粉末の含有量を調整したり、磁性粉末の材質を変更することで、比透磁率といった磁気特性を変化させることができる。

上記磁性粉末の含有量から分かるように、磁性粉末混合樹脂は、圧粉成形体に比べて磁性粉末の含有量が少なく、低比透磁率とすることができる。この磁性粉末混合樹脂の比透磁率は５〜５０、飽和磁束密度は０．６〜１．５Ｔ、熱伝導率は０．２５〜２．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度とすることが望ましい。

［各コア部の磁気特性］
実施形態の説明の冒頭に述べたように、環状コア部３０に備わる第一コア部３１の比透磁率をμ_Ｈ、第二コア部３２の比透磁率をμ_Ｌ、被覆コア部３３の比透磁率をμ_Ｃとしたとき、各コア部の比透磁率がμ_Ｈ＞μ_Ｌ、およびμ_Ｈ＞μ_Ｃを満たす。具体的な数値として、μ_Ｈ＝１５〜５００、μ_Ｌ，μ_Ｃ＝５〜１５、磁性コア３全体の比透磁率＝１０〜５０とすることが好ましい。このような磁気特性の関係を持たすためには、各コア部を次のように構成すると良い。
（１）コア部３１＝圧粉成形体／その他コア部３２，３３＝圧粉成形体（但し、コア部３０よりも低比透磁率）
（２）コア部３１＝磁性粉末混合樹脂／その他コア部３２，３３＝磁性粉末混合樹脂（但し、コア部３０よりも低比透磁率）
（３）コア部３１＝圧粉成形体／その他コア部３２，３３＝磁性粉末混合樹脂

特に、上記（３）の構成とすると、例えば１００Ａ以上の大電流での使用でも磁気飽和し難いリアクトルαを作製することができる。圧粉成形体の比透磁率と磁性粉末混合樹脂の比透磁率との差が大きいため、磁性コア３全体の飽和磁束密度を大きくすることができるからである。

≪リアクトルの製造方法≫
磁性コア３の説明の冒頭で簡単に触れたように、本発明リアクトルαは、先に円環状の磁性コア３を作製し、その磁性コア３に後から巻線を巻回してコイル２を形成することで作製できる。この場合、磁性コア３に接着剤などを介した繋ぎ目が形成されないため、磁性コア３全体の比透磁率を厳密に調整することが容易である。

また、リアクトルαは、巻線を巻回してコイル２を作製してから、そのコイル２内に磁性コア３を挿入することで作製することもできる。当然、後者の場合、磁性コア３は複数の分割片を接着剤などで繋ぎ合わせる形態とする。この場合、コイル２内部に磁性コア３の分割片を挿入するだけで良く、組立作業性に優れる。なお、本発明において接着剤はギャップとは考えない。

一方、リアクトルαに備わる磁性コア３は、種々の製造方法により作製することができる。代表して、第一コア部３１を圧粉成形体、第二コア部３２と被覆コア部３３を磁性粉末混合樹脂で構成する場合を以下に説明する。

まず、圧粉成形体からなる第一コア部３１を複数用意し、それら第一コア部３１を所定の間隔を空けて金型内に配置する。その際、金型の内周面と第一コア部３１の外周面を離隔部材で離隔しておく。そして、金型内に磁性粉末と樹脂との混合材料を注入して樹脂を硬化させれば、第二コア部３２と被覆コア部３３を同時に形成することができる（つまり、μ_Ｃ＝μ_Ｌとなる）。離隔部材は磁性粉末混合樹脂で構成することが好ましい。この方法であれば、繋ぎ目のない環状の磁性コア３でも、磁性コア３の分割片でも容易に作製することができる。

≪本発明リアクトルの効果≫
本発明リアクトルαは、磁気飽和し難く、かつ漏れ磁束が生じ難いリアクトルである。そのため、このリアクトルαは、ケースを必要としない。リアクトルαで漏れ磁束が殆ど生じないのは、コイル２の外周面の位置に磁性コア３が配置されておらず、磁性コア３が完全な一つの閉磁路を形成しているためである。

＜実施形態２＞
実施形態２では、矩形環状の磁性コア５を備えるリアクトルβを図２に基づいて説明する。

図２（Ｂ）に示すように、リアクトルβの磁性コア５は、環状コア部５０と、その外周面全体を覆う被覆コア部５３とを備える。環状コア部５０は、互いに直交する四つの柱状部Ｓ１〜Ｓ４と、これら柱状部Ｓ１〜Ｓ４を繋ぐ四つの角部Ｃ１〜Ｃ４とからなる。柱状部Ｓ１〜Ｓ４は、直方体状の第二コア部５２であり、隣接する柱状部同士は互いに直交している。一方、角部Ｃ１〜Ｃ４は、直角に折れ曲がるブロック状の第一コア部５１であり、上面視すれば正方形の一つの角を正方形状に切り欠いた形状となっている。

上記環状コア部５０の外周面全体を被覆する被覆コア部５３は、実施形態１と同様に、環状コア部５０の外周面の形状に沿って形成される。この被覆コア部５３も、実施形態１と同様に、第二コア部５２（つまり、柱状部Ｓ１〜Ｓ４）と一体に形成されていても良いし、別個に形成されていても良い。

一方、図２（Ａ）に示すように、リアクトルβのコイル４は、第二コア部５２である柱状部Ｓ１〜Ｓ４の外周に配置されている。つまり、コイル４で覆われずに露出している角部Ｃ１〜Ｃ４は第一コア部５１で構成されているため、この角部Ｃ１〜Ｃ４の位置でリアクトルβ外への漏れ磁束は生じ難い。

以上説明したリアクトルβも、磁気飽和し難く、リアクトルβ外部への漏れ磁束が殆どないリアクトルであり、ケースを必要としない。

＜実施形態３＞
実施形態３では、矩形環状の磁性コア７を備えるリアクトルγを図３に基づいて説明する。このリアクトルγと実施形態２のリアクトルβとの相違点は、磁性コア７の角部Ｃ５〜Ｃ８の形状と、その形状に沿った被覆コア部７３の形状のみであり、両リアクトルγ，βで使用するコイル４は共通である。以下、リアクトルγに備わる磁性コア７を中心に説明する。

図３（Ｂ）に示すように、リアクトルγの磁性コア７は、環状コア部７０と、その外周面全体を覆う被覆コア部７３とを備える。環状コア部７０は、互いに直交する四つの柱状部Ｓ５〜Ｓ８と、これら柱状部Ｓ５〜Ｓ８を繋ぐ四つの角部Ｃ５〜Ｃ８とからなる。柱状部Ｓ５〜Ｓ８は、実施形態２のリアクトルβの柱状部Ｓ１〜Ｓ４と同様に、直方体状の第二コア部７２である。一方、角部Ｃ５〜Ｃ８は、ちょうど実施形態２に示す角部Ｃ１〜Ｃ４の外周側を角丸めした形状を備える第一コア部７１である。つまり、角部Ｃ５〜Ｃ８を上面視したときの輪郭線のうち、内周側は直交する二辺からなり、外周側は四分の一円弧で構成されている。

上記環状コア部７０の外周面全体を被覆する被覆コア部７３も、環状コア部７０の外周面の形状に沿って形成される。もちろん、この被覆コア部７３も、第二コア部７２（つまり、柱状部Ｓ５〜Ｓ８）と一体に形成されていても良いし、別個に形成されていても良い。

一方、図３（Ａ）に示すように、リアクトルγのコイル４は、第二コア部７２である柱状部Ｓ５〜Ｓ８の外周に配置されている。つまり、コイル４で覆われずに露出している角部Ｃ５〜Ｃ８は第一コア部７１で構成されているため、この角部Ｃ５〜Ｃ８の位置でリアクトルβ外への漏れ磁束は生じ難い。

以上説明したリアクトルγも、磁気飽和し難く、リアクトルγ外部への漏れ磁束が殆どないリアクトルであり、ケースを必要としない。また、リアクトルγでは、角部Ｃ５〜Ｃ８の位置で磁性コア７の外周縁が丸みを帯びており、その分だけ磁性コア７の構成材料を少なくすることができる。即ち、リアクトルγを軽量化することができる。磁性コア７において丸みを帯びた形状とするためにカットされた部分にはもともとあまり磁束が通らない部分であるため、磁性コア７の磁気特性が著しく低下することはない。

＜変形実施形態＞
磁性コアの全体形状は、上述した実施形態１〜３の形状に限定されるわけではない。例えば、磁性コアの全体形状は、対向する一対の柱状部と、その柱状部を繋ぐ一対の連結部とを備える概略レーストラック形状であっても良い。その場合、二つの柱状部の位置にコイルを配置すれば良い。なお、連結部は、平面視したときに、円弧状のものや、ドーム形状のものが利用できる。

＜実施形態４＞
上述した本発明に係る実施形態１〜３のリアクトルα〜γは、コイルの通電条件が、例えば、最大電流（直流）：１００Ａ〜１０００Ａ程度、平均電圧：１００Ｖ〜１０００Ｖ程度、使用周波数：５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度である用途、代表的にはハイブリッド自動車や電気自動車などの車載用電力変換装置の構成部品に利用できる。

例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車といった車両１２００は、図４に示すようにメインバッテリ１２１０と、メインバッテリ１２１０に接続される電力変換装置１１００と、メインバッテリ１２１０からの供給電力により駆動して走行に利用されるモータ（負荷）１２２０とを備える。モータ１２２０は、代表的には、３相交流モータであり、走行時、車輪１２５０を駆動し、回生時、発電機として機能する。ハイブリッド自動車の場合、車両１２００は、モータ１２２０に加えてエンジンを備える。なお、図４では、車両１２００の充電箇所としてインレットを示すが、プラグを備える形態であってもよい。

電力変換装置１１００は、メインバッテリ１２１０に接続されるコンバータ１１１０と、コンバータ１１１０に接続されて、直流と交流との相互変換を行うインバータ１１２０とを有する。この例に示すコンバータ１１１０は、車両１２００の走行時、２００Ｖ〜３００Ｖ程度のメインバッテリ１２１０の直流電圧（入力電圧）を４００Ｖ〜７００Ｖ程度にまで昇圧して、インバータ１１２０に給電する。また、コンバータ１１１０は、回生時、モータ１２２０からインバータ１１２０を介して出力される直流電圧（入力電圧）をメインバッテリ１２１０に適合した直流電圧に降圧して、メインバッテリ１２１０に充電させている。インバータ１１２０は、車両１２００の走行時、コンバータ１１１０で昇圧された直流を所定の交流に変換してモータ１２２０に給電し、回生時、モータ１２２０からの交流出力を直流に変換してコンバータ１１１０に出力している。

コンバータ１１１０は、図５に示すように、複数のスイッチング素子１１１１と、スイッチング素子１１１１の動作を制御する駆動回路１１１２と、リアクトルＬとを備え、ＯＮ／ＯＦＦの繰り返し（スイッチング動作）により入力電圧の変換（ここでは昇降圧）を行う。スイッチング素子１１１１には、ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのパワーデバイスが利用される。リアクトルＬは、回路に流れようとする電流の変化を妨げようとするコイルの性質を利用し、スイッチング動作によって電流が増減しようとしたとき、その変化を滑らかにする機能を有する。このリアクトルＬとして、上述した実施形態１〜３のリアクトルα〜γを備える。コイルにおける銅損による損失を低減することが可能な本発明に係るリアクトルα〜γを備えることで、電力変換装置１１００やコンバータ１１１０は、リアクトルの損失が少なく、高効率である。

なお、車両１２００は、コンバータ１１１０の他、メインバッテリ１２１０に接続された給電装置用コンバータ１１５０や、補機類１２４０の電力源となるサブバッテリ１２３０とメインバッテリ１２１０とに接続され、メインバッテリ１２１０の高圧を低圧に変換する補機電源用コンバータ１１６０を備える。コンバータ１１１０は、代表的には、ＤＣ−ＤＣ変換を行うが、給電装置用コンバータ１１５０や補機電源用コンバータ１１６０は、ＡＣ−ＤＣ変換を行う。給電装置用コンバータ１１５０の中には、ＤＣ−ＤＣ変換を行うものもある。給電装置用コンバータ１１５０や補機電源用コンバータ１１６０のリアクトルに、上述した実施形態のリアクトルα〜γなどと同様の構成を備え、適宜、大きさや形状などを変更したリアクトルを利用することができる。また、入力電力の変換を行うコンバータであって、昇圧のみを行うコンバータや降圧のみを行うコンバータに、上述した実施形態１や変形実施形態のリアクトルなどを利用することもできる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更して実施することが可能である。

本発明のリアクトルは、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車といった車両に搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータや空調機のコンバータといった電力変換装置の構成部品に利用することができる。

α，β，γ リアクトル
２，４ コイル ２ａ，２ｂ コイル端部
３，５，７ 磁性コア
３０，５０，７０ 環状コア部
３１，５１，７１ 第一コア部 ３２，５２，７２ 第二コア部
３３，５３，７３ 被覆コア部
Ｓ１〜Ｓ８ 柱状部 Ｃ１〜Ｃ８ 角部
１１００ 電力変換装置 １１１０ コンバータ １１２０ インバータ
１２００ 車両
１１１１ スイッチング素子 １１１２ 駆動回路 Ｌ リアクトル
１１５０ 給電装置用コンバータ １１６０ 補機電源用コンバータ
１２１０ メインバッテリ １２２０ モータ
１２３０ サブバッテリ １２４０ 補機類 １２５０ 車輪

Claims (6)

1. コイルと、前記コイル内に挿通されて閉磁路を形成する環状の磁性コアとを備えるリアクトルであって、
   前記磁性コアは、
   比透磁率が異なる第一コア部と第二コア部とが交互に並ぶ環状コア部と、
   前記環状コア部の全周を覆う被覆コア部と、を備え、
   前記第一コア部、第二コア部、および被覆コア部の比透磁率をそれぞれμ_Ｈ、μ_Ｌ、及びμ_Ｃとしたとき、各コア部の比透磁率がμ_Ｈ＞μ_Ｌ、およびμ_Ｈ＞μ_Ｃを満たし、
   前記コイルは、前記磁性コアにおける前記第二コア部に相当する部分に配置され、
   前記磁性コアは、前記コイルに覆われることなく露出する部分を有するリアクトル。
2. 前記第一コア部の比透磁率は１５〜５００、
   前記第二コア部および前記被覆コア部の比透磁率は５〜１５、
   前記磁性コア全体の比透磁率は１０〜５０、である請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記第一コア部は、圧粉成形体で形成されており、
   前記第二コア部、および前記被覆コア部は、磁性粉末混合樹脂で一体に形成されている請求項１または請求項２に記載のリアクトル。
4. 前記環状コア部は、四つの柱状部と、各柱状部を繋ぐ四つの角部と、を備え、
   前記コイルは、前記四つの柱状部の外周面に配置されており、
   前記柱状部は、前記第二コア部である請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のリアクトル。
5. スイッチング素子と、前記スイッチング素子の動作を制御する駆動回路と、スイッチング動作を平滑にするリアクトルとを備え、前記スイッチング素子の動作により、入力電圧を変換するコンバータであって、
   前記リアクトルは、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のリアクトルであるコンバータ。
6. 入力電圧を変換するコンバータと、前記コンバータに接続されて、直流と交流とを相互に変換するインバータとを備え、このインバータで変換された電力により負荷を駆動するための電力変換装置であって、
   前記コンバータは、請求項５に記載のコンバータである電力変換装置。

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