JP6120022B2

JP6120022B2 - リアクトル

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Publication number: JP6120022B2
Application number: JP2015142686A
Authority: JP
Inventors: 伸一郎山本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: JP2015181208A

Description

本発明はリアクトルに関するものである。特に、コア部にギャップがないリアクトルに関するものである。

近年、地球環境保護の観点からハイブリッド自動車が実用化されている。ハイブリッド自動車は、エンジン及びモータを駆動源として具え、その一方又は双方を用いて走行する自動車である。このようなハイブリッド自動車は、バッテリの直流をインバータで交流に変換し、その交流を走行用のモータに供給している。特に、最近のハイブリッド自動車では、バッテリ及びモータの小型化のために昇圧コンバータを備えている。昇圧コンバータは、バッテリの電圧を昇圧してインバータ（モータ）に供給する役割と、ジェネレータ（モータ）からの回生電流をバッテリ電圧に降圧し、バッテリに充電を行う役割を持っている。リアクトルは、電気エネルギーを磁気エネルギーとして蓄えることができ、昇圧コンバータの部品の一つとして利用される。

このようなリアクトル1は、例えば、図７に示すように、コア部10とコイル20とを有し、コイル20を励磁することでコア部10を通る閉磁路を形成する。また、コア部10は、コア片15とギャップ材16とから構成される（類似のコア部の形態を示す文献として特許文献１図１）。

より具体的には、以下のような複数のコア片15とギャップ材16とを組み合わせてリング状のコア部10が構成される。コア部10は、矩形状の端面を有する一対のＵ字状コア片15ｕと、４つのＩ字状コア片15_ｉとを備える。各Ｕ字状コア片15_ｕは、互いの端面同士が対向するように配され、Ｉ字状コア片15_ｉは、Ｕ字状コア片15_ｕの各端面間に２つずつ並べて配置される。コア片15を構成する材料には、例えば積層鋼板等の磁性材料が利用される。

また、上記コア部10には、コア部10に磁気飽和する箇所が生じることなくリアクトルのインダクタンスを所望の値にするため、コア部の透磁率を調整するギャップが形成されている。ギャップは、各コア片の間にギャップ材16を挟み込み、これらコア片15とギャップ材16とを接合することで形成されている。ギャップは比透磁率が１に近い非磁性体により形成される。このギャップは、無機材料のギャップ材16で構成される他、エアギャップとする場合もある。リアクトルのインダクタンスは閉磁路に形成されたギャップ距離により規定されるため、このギャップ距離は高精度に保持される必要がある。そのため、ギャップ材16にはアルミナといった高硬度の非磁性材料でできた板材が利用されることが多い。

そして、このようなコア部10の外周の一部にコイル20が設けられている。このコイル20は、巻線21を巻回して形成されている。このコイル20に電流を流して励磁すれば、環状のコア部10に沿って、コア片15とギャップ材16を通る閉磁路が形成される。

特開２００４−２４１４７５号公報

しかし、ギャップを設けたコア部では、騒音や漏れ磁束の問題を生じてしまう。

リアクトルのコイルを励磁すると、コア片には電磁吸引力が作用する。そのため、特にコア片とギャップ材との接合箇所などで振動が発生し、その振動によりリアクトルから騒音が発生する。

また、コア部にギャップが設けられていると、ギャップ材はコア片に比べて透磁率が小さいため、コア部の外側に磁束が漏れる。例えば、図６(B)に示すように、コア片15の間にギャップ材16が挟み込まれている箇所では、ギャップ材16の外側に磁束（矢印）が湾曲して漏れ出る。このコア部10の外周にコイル20が形成されていると、漏れ磁束がコイル20に侵入し、コイル20内で渦電流損を生じさせることになる。そのため、従来は、コア部10の外周とコイル20の内周との間にスペースを設け、この漏れ磁束がコイル20に影響しないようにしている。

一方、コア部の全てを積層鋼板で構成してギャップをなくしてしまうと、コイルを励磁した際、コア部が磁気飽和して、リアクトルのインダクタンスを所定の範囲に調整することができないという問題がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、ギャップを有することなく、所望のインダクタンスにできるリアクトルを提供することにある。

本発明者らは、ギャップを設けることなくリアクトルを構成することを検討した結果、コア部全体を実質的に所定の低透磁率材料で構成すればよいとの知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明リアクトルは、コア部と、コア部の一部の外側に配されるコイルとを備え、コイルの励磁によりコア部を通る閉磁路が形成されるリアクトルである。そして、前記コア部は、比透磁率が5〜50の材料で実質的に構成されている。

この本発明リアクトルは、従来のリアクトルのコア部にあったギャップをなくし、コア部を実質的に低透磁率材料で構成している。そのため、ギャップがあることに伴う騒音の問題を低減することができる。また、ギャップをなくすことで、漏れ磁束が解消されるため、従来と同じサイズのコア部を用いるのであれば、コア部とコイルとのスペースを小さくできるのでリアクトルの外寸を小さくでき、従来とコイルの外寸が同じリアクトルを構成するのであれば、より大きなコア部を用いることができる。昇圧コンバータの構成部材中、リアクトルがかなり大きな体積を占めるため、リアクトルを小型化できれば、昇圧コンバータの設置スペースを削減する効果が大きい。さらに、コア部全体が実質的に所定の低透磁率材料で構成されているため、コイルを励磁した際にコア部に磁気飽和する箇所が生じることも回避でき、要求されるインダクタンスを得ることができる。なお、比透磁率μ_rは、材料の透磁率μと真空の透磁率μ₀との比率μ／μ₀のことである（真空の透磁率μ₀＝4π×10^-7）。

本発明リアクトルの一形態としては、コア部を圧粉成形体とすることが望ましい。

コア部が圧粉成形体であれば、コア部を様々な三次元形状に成形することが可能であり、かつ低透磁率の材料が得られ、上述した所定の比透磁率を実現することが可能である。

本発明リアクトルの一形態としては、コア部を焼結体とすることが好ましい。

コア部が焼結体であれば、コア部を様々な三次元形状に成形することが可能であり、かつ低透磁率の材料が得られ、上述した所定の比透磁率を実現することが可能である。

本発明リアクトルの一形態としては、コア部を、磁性粉末と流動性のある樹脂との混合体を成形し、得られた成形体の樹脂を硬化させた成形硬化体とすることが望ましい。

コア部が成形硬化体であれば、コア部を様々な三次元形状に成形することが可能であり、かつ低透磁率の材料が得られ、上述した所定の比透磁率を実現することが可能である。

その他、本発明リアクトルの一形態としては、コア部を内側コアと、外側コアと、連結コアとを備える構成とすることが好ましい。内側コアは、コイルの内側に位置する。外側コアは、コイルの外側に位置する。連結コアは、コイルの両端部を覆って内側コアおよび外側コアを連結する。

このようないわゆるポット型コア部は、コイルの外周面の一部または実質的に全部をコア部と直接または間接に接触させることができるので、コア部とコイルとの接触面積を大きくすることができる。そのため、コイルに通電した際、コイルから発生した熱はコア部に伝導させることで、コア部全体から効率的に放熱することができる。

本発明リアクトルによれば、従来設けられていたギャップをなくしながらもコア部の磁気飽和を抑制することができる。その結果、ギャップの存在に伴って問題となっていたリアクトルの騒音や漏れ磁束の問題を低減することができる。

本発明リアクトルの一例を示す部分切欠斜視図である。ポット型コア部を有する本発明リアクトルの一例を示し、(A)は外観斜視図、(B)は縦断面図、(C)は横断面図である。図２のリアクトルの分解斜視図である。試算例に用いたリアクトルの概寸を示す説明図である。比透磁率の異なるコア部を持つリアクトルを励磁した際の電流とインダクタンスとの関係を示すグラフである。コア部を通る磁束とコイルとの関係を示す模式説明図で、(A)は本発明リアクトルを、(B)は従来のリアクトルを示す。従来のリアクトルを示す部分切欠斜視図である。

以下、本発明リアクトルの構成をより詳しく説明する。

〔コア部〕
コア部は、コイルを励磁した際に閉磁路が形成される箇所である。本発明リアクトルに用いられるコア部の具体例としては、環状コア部と、ポット型コア部が挙げられる。

（環状コア部）
環状コア部の一例としては、図１に示すように、筒状体からなるコア部10が挙げられる。このコア部10は、一体の成形体として構成されており、複数のコア片を接合したものではない。一体の成形体でコア部10を構成すれば、複数のコア片同士を接合する手間を省くことができる。

図７のコア部と比較すれば、本発明に用いるコア部の特徴がよくわかる。従来のリアクトルでは、各コア片はギャップ材を介在させて接合されており、そのギャップ材の配置箇所を覆うようにコイル20が形成されている。本発明リアクトル1では、コア部10のうち、コイル20が形成されない箇所はもちろん、コイル20が形成される箇所にもギャップが形成されていない。

このような筒状体のコア部10は、後述する焼結や圧粉成形または射出成形を利用することで得ることができる。

（ポット型コア部）
ポット型コア部の一例としては、図２、図３に示すように、円柱状の内側コア11と、中空円筒状の外側コア12と、一対の円板状の連結コア13とから構成されるコア部10が挙げられる。このうち、連結コア13は、コイル20の上端を覆う上部連結コア13Uと、コイル20の下端を覆う下部連結コア13Lとからなる。外側コア12の外径と両連結コア13U,13Lの外径とは実質的に同一である。

リアクトルを組み立てる場合、図３に示すように、予め巻線を中空円筒状に巻回したコイル20を用意しておき、このコイル20を外側コイル12の内側にはめ込む。外側コイル12の上下端面には、コイル20を構成する巻線21の両端部を引き出すための切欠121が形成されており、巻線21の両端部がこの切欠121にはめ込まれるようにコイル20を外側コア12内に位置決めする。次に、下部連結コア13Lの中心部の上に内側コア11を位置決めして接合し、コイル20がはめ込まれた外側コア12を下部連結コア13Lの上に接合する。その際、コイル20の内側に内側コア11がはめ込まれる。そして、外側コア12の上に上部連結コア13Uを接合してコイル20をコア部10内に収納する。各コア11,12,13間の接合は、ボルトや接着剤により行なうことができる。ポット型コア部を用いた本発明リアクトル1では、内側コア11、上部連結コア13U、外側コア12、下部連結コア13Lを通って内側コアに戻る閉磁路が形成される。その際、閉磁路の途中には、ギャップが形成されていない。

なお、図２、図３のリアクトルでは、内側コア、外側コア、連結コアの各々で分割できるようにしたが、分割の仕方は種々なバリエーションが考えられる。例えば、内側コアと上部連結コアが一体で、外側コアと下部連結コアが一体の場合や、外側コアが上部外側コアと下部外側コアに分割され、この上部外側コアと上部連結コアが一体で、下部外側コアと下部連結コアが一体の場合などが挙げられる。

ポット型コア部の場合も、内側コア、外側コア、連結コアは、いずれも後述する焼結や圧粉成形、或は射出成形や注型成形を利用することで得ることができる。

（比透磁率）
上述したようなコア部は、比透磁率が5〜50の低透磁率材料で構成する。従来、リアクトルのコア部に用いられている電磁鋼板の比透磁率は4000〜8000程度、圧粉成形体の比透磁率は400〜600程度である。このような高透磁率の材料では、ギャップを設けることなくコア部を構成することが難しい。しかし、本発明リアクトルでは、実質的にコア部全体を比透磁率が5〜50の低透磁率材料で構成することで、ギャップを設けることなくコア部の磁気飽和の問題を解消している。

ここで、コア部を実質的に低透磁率材料で構成するとは、閉磁路の途中に、コア部の構成材料と透磁率が異なる材料からなるインダクタンス調整部（ギャップ）を実質的に有しないことをいう。例えば、コア部が複数のコア片の接合体で構成される場合、この接合箇所には接着剤が介在されることになる。接着剤は、通常非磁性であるが、ここでの接着剤はリアクトルのインダクタンスを調整するためにあるのではなく、単にコア片同士を接合するためにあるにすぎない。そのため、たとえ接着剤が閉磁路の途中に存在していても、このような場合は実質的にコア部が低透磁率材料で構成されているとみなす。

本発明では比透磁率の範囲を上記のように規定しているが、コア部全体がほぼ均一な透磁率の材料から構成されていることが好ましい。理論上、例えばコア部の一部が比透磁率5の低透磁率材料からなり、そのコア部の残部が比透磁率50の低透磁率材料からなる場合でもよいが、コア部全体がほぼ均一な透磁率の材料からなっていれば、磁束がコア部中を均一に通り、漏れ磁束の問題を一層効果的に解消できる。

（透磁率の調整手法）
コア部の構成材料の透磁率を調整し、比透磁率を上記の規定範囲に調整するには、次のような手法が挙げられる。いずれの場合も、コア部のサイズが大きくなれば、コア部を構成する材料の透磁率を低くすることが好ましい。

＜焼結体の場合＞
焼結体でコア部を得る場合、通常、軟磁性粉末と非磁性粉末およびバインダ樹脂との混合粉末を混合し、この混合粉末を成形後、高温にて焼結する。焼結時、バインダ樹脂はほぼ消失して、軟磁性粉末と非磁性粉末が焼結される。そのため、軟磁性粉末と非磁性粉末の混合比を調整することで低透磁率材料からなるコア部を得ることができる。その他、混合粉末を成形する際の圧力を変えることでもコア部の構成材料の透磁率を調整することができる。非磁性粉末の配合量が多い方が、又は混合粉末の成形圧力が低い方がコア部の透磁率を低くできる傾向がある。

軟磁性粉末としては、Fe、Co、Niの他、Fe-Si、Fe-Ni、Fe-Al、Fe-Co、Fe-Cr、Fe-Si-AlなどのFe基合金粉末、或は希土類金属粉末、フェライト粉末などが利用できる。非磁性粉末としては、Cu、Al、Siなどの非磁性金属粉末の他、Al₂O₃やSiO₂などの非磁性非金属粉末が利用できる。バインダ樹脂としては、熱可塑性樹脂、非熱可塑性樹脂、または高級脂肪酸が好適に利用できる。

＜圧粉体の場合＞
圧粉体でコア部を得る場合、通常、表面に絶縁被膜を設けた軟磁性粉末とバインダ樹脂とを混合し、この混合粉末を成形後、絶縁被膜の耐熱温度以下で焼成する。この場合、軟磁性粉末とバインダ樹脂との混合比を変えることで、低透磁率材料からなるコア部を得ることができる。その他、混合粉末を成形する際の圧力を変えることでもコア部の構成材料の透磁率を調整することができる。バインダ樹脂の配合量が多い方が、または混合粉末の成形圧力が低い方がコア部の透磁率を低くできる傾向にある。圧粉体のコア部は、焼結体のコア部とは異なってバインダ樹脂が残存し、軟磁性粉末同士は絶縁が保たれている。そのため、焼結体のコア部と比較して渦電流損失を低減することができ、コイルに高周波が通電される場合の使用に適している。

軟磁性粉末としては、上記焼結体と同様の軟磁性粉末が利用できる。このような粉末の作製法としては、アトマイズ法（ガス、水）や、機械的粉砕法が挙げられる。軟磁性粉末に形成される絶縁被覆は、リン酸化合物、ケイ素化合物、ジルコニウム化合物またはホウ素化合物などから構成されることが好ましい。バインダ樹脂としては、熱可塑性樹脂、非熱可塑性樹脂、または高級脂肪酸が用いられることが好ましい。

＜成形硬化体の場合＞
成形硬化体をコア部とする場合、成形硬化体を得る方法として、射出成形と注型成形とがある。射出成形は、通常、軟磁性粉末（必要に応じてさらに非磁性粉末）と流動性のあるバインダ樹脂とを混合し、この混合流体を、圧力をかけて型に流し込んで成形した後、バインダ樹脂を硬化させる。一方、注型成形は、射出成形と同様の混合流体を得た後、この混合流体を、圧力をかけることなく型に注入して成形・硬化させる。いずれの成形手法においても、バインダ樹脂にはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂が好適に利用される。バインダ樹脂に熱硬化性樹脂を用いた場合、成形体を加熱して樹脂を熱硬化させる。ただし、常温硬化性樹脂或は低温硬化性樹脂を用いて、成形体を常温〜比較的低温に放置して、バインダ樹脂を硬化させてもよい。その他、射出成形後に成形体を高温にて熱処理して、軟磁性粉末同士または軟磁性粉末と非磁性粉末とを焼結させてもよい（MIM：Metal injection molding）。射出成形や注型成形を利用する場合も、焼結させない場合は、軟磁性粉末（非磁性粉末）とバインダ樹脂の配合を変えることで、焼結させる場合は、軟磁性粉末と非磁性粉末との配合を変えることで、コア部を構成する材料の透磁率を調整することができる。

〔コイル〕
このようなコア部の外周にはコイルが設けられる。このコイルは、巻線を巻回することで形成される。この巻線は、代表的には絶縁被膜を有する金属線により構成されている。巻線の断面形状は、円形の他、四角形、六角形などの多角形などが利用できる。例えば、図１や図２のリアクトルでは、断面矩形状の平角金属の巻線21をいわゆるエッジワイズ巻きにしてコイル20を形成している。コイルの形態は、巻線が巻回されるコア部の外形に適合した形態とすればよい。例えば、図１のリアクトルでは、コア部におけるコイル20の巻回箇所が四角柱状であるため、コイルの形態も中空角柱状となっている。一方、図２では内側コアが円柱状であるため、コイル20の形態も円筒状となっている。巻線を構成する金属線は、導電性の高いものが好ましく、銅、銅合金が好適に利用できる。また、絶縁被覆は、エナメルなどの被覆が利用できる。

このようなコイルは、励磁した際にコイルが振動することによる騒音を低減するため、接着剤によりコア部に固定されていることが好ましい。このような接着材には、例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂などが利用できる。

〔その他の構成〕
これら本発明リアクトルは、コイルとコア部とが接触する部分にインシュレータを具えることが好ましい。

コイルには大電流が流れる場合がある。そのため、コイルとコア部との間で発生する絶縁破壊を防ぐ必要があり、さらにコア部表面に発生する渦電流に伴う損失を低減する必要がある。コイルとコア部とが接触する部分にインシュレータを設ければ、コイルとコア部との間をより確実に絶縁することができ、その絶縁破壊や渦電流の発生を防ぐことができる。インシュレータを形成する絶縁材料としては、例えば、PPS(Poly Phenylene Sulfide ポリフェニレンスルフィド)、LCP(Liquid Crystal Polymer 液晶ポリマー)などの樹脂が挙げられる。また、コイルの熱をよりよくコア部に伝えるために、このような樹脂に無機充填剤を添加させてもよい。無機充填剤としては、例えば、ガラス(二酸化珪素)、アルミナ(酸化アルミニウム)、酸化チタンなどの絶縁材料が挙げられる。このような無機充填剤の添加量は、適宜選択するとよい。このようなインシュレータは、分割片を組み合わせて一体となるように構成しておくと、配置し易く好ましい。

［実施例１］
本発明リアクトルと従来のリアクトルとを作製して、両者の特性評価を行った。ここでは、本発明リアクトルとして図１のリアクトルを、従来リアクトルとして図７のリアクトルを作製した。作製されたリアクトルのサイズは、図４（従来リアクトルを表示）に示すように、コア部10の長軸外寸Lo：約80mm、コア部10の長軸内寸Li：約40mm、コア部10の短軸内寸Wi：約20mm、コイル20の外幅Wc：約80mmである。

まず、本発明リアクトルのコア部を作製する。軟磁性粉末として水アトマイズ純鉄粉（平均粒径100μm程度）を、バインダ樹脂としてポリエチレンを用意する。これら鉄粉とポリエチレンを、鉄粉に対してポリエチレンが5〜80質量％となるように混合する。この混合粉を所定の型に充填し、成形圧力980MPaで成形する。そして、成形体を250℃×60分で熱処理して、圧粉成形体を得る。この圧粉成形により一体成形された筒状体が本発明リアクトルのコア部となる。

一方、従来リアクトルの場合、珪素鋼板の積層体で、一対のＵ字状コア片と、４つのＩ字状コア片とを作製する。そして、各コア片をギャップとなるアルミナ板を介在して接合することでコア部とする。アルミナ板は合計６枚用いている。

得られた各コア部の外側にコイルを設ける。コイルは、平角銅線に絶縁被覆を施した巻線を巻回して形成する。巻線は、断面における幅：約1mm、厚さ：約5mmであり、コイルの巻数は50ターンである。

ここで、まず従来リアクトルのインダクタンス（自己インダクタンス）を測定する。インダクタンスの測定は、アジレントテクノロジー株式会社製LCRメータを用いて行った。リアクトルのインダクタンスは、コイルの巻数の二乗に比例し、磁気抵抗に反比例する。また、磁気抵抗は閉磁路の磁路長に比例し、コア部の構成材料の透磁率とコア部の断面積の積に反比例する。そのため、インダクタンスを求めることで、コア部における積層鋼板とアルミナ板とを平均的に見た透磁率を求めることができる。その結果、従来リアクトルのコア部の平均的な比透磁率は約30であった。

次に、得られた各コア部の構成材料について透磁率を測定した。透磁率の測定は、理研電子株式会社製のＢＨトレーサを用いて行った。

圧粉成形体の場合、樹脂量比、充填率と比透磁率の関係は表１の通りであった。「樹脂量比」は「樹脂質量／樹脂と鉄粉の合計質量」であり、「充填率」は混合粉末を成形した後の「鉄粉体積／樹脂と鉄粉の合計体積」である。

一方、従来リアクトルのコア部は、積層鋼板の比透磁率が4000〜5000、アルミナ板の比透磁率が1であった。

次に、従来リアクトルのコア部の平均的な比透磁率μ_rが約30であったことから、表１における比透磁率μ_rが30の圧粉成形体を用いて本発明リアクトルを作製し、表１における比透磁率μ_rが100の圧粉成形体を用いて比較リアクトを作製した。比較リアクトルのコア部は本発明リアクトルのコア部と同様に一体成形された圧粉成形体である。そして、各リアクトルのコイルに通電して、その際の電流とインダクタンスとの関係を求めた。その結果を図５に示す。

このグラフは、比透磁率μ_rが30における電流I＝0のときのインダクタンスを1として示している。また、このグラフにおける網掛け領域が、要求されるインダクタンスの仕様範囲である。グラフを見れば明らかなように、本発明リアクトルでは、電流−インダクタンス特性が、要求される仕様範囲に収まっていることがわかる。これに対し、比較リアクトルでは、特に電流値が低い場合に電流−インダクタンス特性が仕様範囲から大きく逸脱していることがわかる。

以上のことから、本発明リアクトルは、ギャップを設けることなく、所定のインダクタンスに調整できていることがわかる。そして、ギャップを設けていないため、リアクトルを励磁した際の騒音や漏れ磁束の問題が大きく改善できていると思われる。例えば、リアクトルにギャップがなければ、図６(A)に示すように、磁束がコア部10の内部を通るため、その磁束がコイル20に影響することがない。

なお、上記の実施例は、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る。本発明の範囲は、上記実施例に限定されるわけではない。

本発明リアクトルは、ハイブリッド自動車や電気自動車などの昇圧コンバータの一部品として好適に利用することができる。

1 リアクトル
10 コア部
11 内側コア 12 外側コア 13 連結コア
13U 上部連結コア 13L 下部連結コア
121 切欠
15 コア片
15u Ｕ字状コア片 15i Ｉ字状コア片 16 ギャップ材
20 コイル
21 巻線

Claims

コア部と、コア部の一部の外側に配されるコイルとを備え、コイルの励磁によりコア部を通る閉磁路が形成されるリアクトルであって、
前記コア部は、前記コイルに通電する電流が０のときの比透磁率が５〜１５の材料で、かつ、全体が均一な透磁率の材料から実質的に構成され、
前記コア部を構成する材料が、軟磁性粉末と樹脂との成形硬化体であり、
前記軟磁性粉末が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ基合金から選択される少なくとも一種であり、
ギャップを実質的に有しないリアクトル。