JP6202807B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、インダクタンスにより直流電力の昇圧、降圧を行う機器に用いるリアクトルに関する。

コイルに大電流を通電するリアクトルでは、コイルや軟磁性コアの発熱によりインダクタンス等の特性が低下する可能性があるため、放熱性を向上するための工夫が行われている。

例えば特許文献１には、熱伝導率の高いコイルと伝熱部材が接することにより放熱性を向上させる提案がされている。

特開２０１２−１２９３７４号公報

大電力用途では特許文献１の提案によっても放熱性が充分ではない場合があり、また、伝熱部材が導体である場合には、渦電流損失によってインダクタンスを充分高くできないという課題がある。

すなわち、本発明の目的は、放熱性と高いインダクタンスを両立させたリアクトルを提供することにある。

本発明は、ケースと、コイルと、金属磁性粉と絶縁性の結合材を主に含有する複合磁性体を備え、前記コイルは前記複合磁性体に埋設され、前記コイルの巻軸は前記ケースにおける底面に対して直交し、前記ケースと対面する前記複合磁性体の表面に前記金属磁性粉が露出し、前記ケースと露出した前記金属磁性粉は直接、もしくは熱伝導部材を介して接触しているリアクトルにより上記課題を解決する。

また、前記ケースと対面する前記複合磁性体の表面に露出しているのは、前記金属磁性粉の断面であることが望ましい。

また、前記ケースの内壁面と前記コイル外周面の一部のみが近接していることが望ましい。

また、前記ケースにおける内壁面より突出し、前記コイルの近傍で前記コイルの外周面に沿って拡面された形状の伝熱部をさらに備えることが望ましい。

また、前記コイルの表面より、前記ケースに覆われていない前記複合磁性体の外表面まで応力緩衝部が設けられていることが望ましい。

また、前記ケースにおける側壁の一部に、前記ケースの内側へ湾曲した湾曲部を有し、前記ケース底面に対する垂直方向に沿った前記ケースの断面における前記湾曲部の近傍が曲線となることが望ましい。

本発明により、放熱性と高いインダクタンスを両立させたリアクトルを提供することができる。

本発明の実施形態１におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図である。 本発明の実施形態１におけるリアクトルの断面図であり、図１におけるＡ−Ａ線の断面図である。 本発明のリアクトルの実施形態２における複合磁性体の断面を示している。図３（ａ）は複合磁性体の外表面を削る前、図３（ａ）は複合磁性体の外表面を削った後を示している。 本発明の実施形態３におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図であり、図１の変形例を示している。 本発明の実施形態４におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図であり、図１の変形例を示している。 本発明の実施形態５におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図であり、図１の変形例を示している。 本発明の実施形態５におけるリアクトルのケース内壁に設けた集熱部及び伝熱部を示すケースの破断図である。 本発明の実施形態５におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図であり、図１の変形例を示している。 本発明の実施形態５におけるリアクトルの断面図であり、図８におけるＢ−Ｂ線の断面図である。図９（ｂ）、図９（ｃ）は、図９（ａ）の変形例である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図である。

コイル１は、複合磁性体２に埋設され、いずれもケース３に収容されている。

ここでＡ−Ａ線はコイル１の巻き軸と湾曲部３１１の一部を含む平面を示している。

図２は、本発明の実施形態１におけるリアクトルの断面図であり、図１におけるＡ−Ａ線の断面図である。

ケース３の側壁３１には、内側に湾曲した湾曲部３１１を有している。

複合磁性体２はコイル１を包囲する内表面２１と、ケース３の内壁面と対向する外表面２２を有する。

ここで、本実施形態におけるリアクトルは、例えば次の方法で作成することができる。

予め金属磁性粉と未硬化で液状の結合材を混合して、硬化前の複合磁性体を作成しておく。

ここで、結合材は熱硬化性エポキシ樹脂等を用いることができるが、これに限られない。

次にケース３の底面３２よりコイル１底面に当たる高さまで硬化前の複合磁性体を注ぎ込み、硬化させる。

さらにコイル１を硬化した複合磁性体の上に乗せ、残りの硬化前の複合磁性体を注ぎ込み硬化させることでコイル１が複合磁性体２に埋設されたリアクトルが完成する。

ここで、湾曲部３１１を設けておくことにより、ケース３から複合磁性体２及び内包するコイル１が外れるのを防いでいる。湾曲部３１１の高さは、ケース３の塑性変形に限度があることから３ｍｍ以下とすることが望ましい。また、ケース３から複合磁性体２及び内包するコイル１が外れるのを確実に防ぐ上では湾曲部３１１の高さが０．１ｍｍ以上であることが望ましい。

なお、湾曲部３１１は、例えばケース３を外周面から凹ませるようポンチ等を押し当てて局部的に変形させることなどにより塑性変形させることで作成することができる。

（実施形態２）
図３は、本発明のリアクトルの実施形態２における複合磁性体の断面を示している。図３（ａ）は複合磁性体の外表面を削る前、図３（ａ）は複合磁性体の外表面を削った後を示している。

まず実施形態１の図１におけるケース３を予め分割可能に構成しておくことで、ケース３から複合磁性体２及び内包するコイル１を取り外す。

すると図３（ａ）に示すように、硬化後の状態では複合磁性体２の外表面が結合材２０１により覆われている。すなわち、複合磁性体２より図示されないケースへの熱伝導は結合材２０１により阻害されている。

そこで、複合磁性体２の外表面をやすり等による研磨やエッチング等により薄く削る。

すると図３（ｂ）に示すように、複合磁性体２の外表面にあった結合材２０１が除去され、金属磁性粉２０２が露出する。

さらに一回り小さいケースを複合磁性体２の外表面に装着することで、外表面の結合材２０１による熱伝導の阻害がなくなり複合磁性体２からケースへの伝熱性が改善される。

なお、金属磁性粉２０２の粒径が大きいほど隣り合う金属磁性粉２０２の間に占める結合材２０１の体積の割合が多くなるため、外表面の結合材２０１による熱伝導の阻害を除去することによる伝熱性の改善効果がより大きくなる。

このような伝熱性の改善効果は、金属磁性粉２０２の平均粒子径Ｄ５０が５０μｍ以上となる場合に大きく改善し、平均粒子径Ｄ５０が１２０μｍ以上となる場合に顕著である。

なお、複合磁性体２の外表面とケースの内壁の間にわずかな隙間が生じる場合には、アルミナ粉等のフィラーを配合したグリース等の熱伝導部材を介在させることで伝熱性を確保することができる。

すなわち本発明は、ケース３と、コイル１と、金属磁性粉２０２と絶縁性の結合材２０１を主に含有する複合磁性体２を備え、コイル１は複合磁性体２に埋設され、コイル１の巻軸はケース３における底面３２に対して直交し、ケース３と対面する複合磁性体２の表面に金属磁性粉２０２が露出し、ケース３と露出した金属磁性粉２０２は直接、もしくは熱伝導部材を介して接触しているリアクトルの実施形態を取り得る。

（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図であり、図１の変形例を示している。

実施形態１における図１とは、ケース３が星型の壁面を有している点が異なる。

このように構成することで、複合磁性体２の外周面とケース３の接触面積が増え、実施形態２の工夫を取り入れることで複合磁性体２の外表面を除去すれば、伝熱性をより改善することができる。

なお、図４のような構成に限らず、ケース３の壁面に凹凸を設ける構成であれば、図４の構成と同様に上記伝熱性の改善効果を得ることができる。

（実施形態４）
図５は、本発明の実施形態４におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図であり、図１の変形例を示している。ここで、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）、図５（ｅ）は図５（ａ）の変形例である。

図５（ａ）では、巻き軸から見たコイル１の形状が楕円形であり、コイル１の長軸方向の端部１１が円筒状のケース３の内壁面に近接している。従って、コイル１の端部１１よりケース３への伝熱経路Ｔによりコイル１内部からの放熱性を高めることができる。

例えば、コイル１を銅線で構成した場合は熱伝導率が約４００Ｗ／ｍ・Ｋ、ケース３の材質をアルミとした場合には熱伝導率が約９２〜２００Ｗ／ｍ・Ｋとなるのに対し、複合磁性体２の熱伝導率は約２〜７Ｗ／ｍ・Ｋとなるため、コイル１からケース３へ複合磁性体２を介さずに伝熱した方が放熱性が高いこととなる。

なお、ここでの近接とは、近傍にある場合と接触している場合をいずれも含むものとする。

ここで、コイル１への通電により生じる磁路は、主にコイル１の短軸方向の外側にある複合磁性体２により確保することができる。

図５（ｂ）では、図５（ａ）とは逆にコイル１の形状が円筒状であり、ケース３が楕円形となっている。この場合ではケース３における短軸方向の端部でコイル１と近接しているため、同様にコイル１内部からの放熱性を高めることができる。

図５（ｃ）では、コイル１の形状が三角柱状であり、ケース３の形状が円筒状である。コイル１の外周面における三角柱の端部とケース３の内壁が近接しているため、同様にコイル１内部からの放熱性を高めることができる。

図５（ｄ）は、コイル１及びケース３が共に角柱状である。コイル１外周での１面がケース３の内壁の１面と近接しているため、同様にコイル１内部からの放熱性を高めることができる。

図５（ｅ）も、図５（ｄ）と同様にコイル１及びケース３が共に角柱状であるが、コイル１外周での２面がケース３の内壁の２面と近接している。この場合も同様にコイル１内部からの放熱性を高めることができる。

（実施形態５）
図６は、本発明の実施形態５におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図であり、図１の変形例を示している。

実施形態１における図１とは、コイル１の近傍でコイル１の外周面に沿って拡面された形状の集熱部３０１、及び集熱部３０１とケース３における内壁面を接続する伝熱部３０２を設けている点が異なる。

すなわち、本実施形態では、コイル１の近傍から集熱部３０１により熱を集めて伝熱部３０２を介してケース３に放熱する構成を設けている。

図７は、本発明の実施形態５におけるリアクトルのケース内壁に設けた集熱部及び伝熱部を示すケースの破断図である。集熱部３０１は、ケース３の底部との間及びケース３内壁面との伝熱部３０２以外の集熱部３０１とケース３の内壁面との間に隙間を設けていることで磁束Ｂの磁路を確保している。

従って、集熱部３０１を設けてもインダクタンスをあまり損なうことなく、コイル１からケース３への放熱性を高めることができる。

なお、集熱部３０１及び伝熱部３０２は、硬化前の複合磁性体をケース３内に注ぎ込む際のコイル１の固定部材としての機能を兼ねることも可能である。

（実施形態６）
図８は、本発明の実施形態５におけるリアクトルを複合磁性体の露出面から見た正面図であり、図１の変形例を示している。

実施形態１における図１とは、応力緩衝部４を設けている点が異なる。

コイル１への通電により、コイル１の抵抗損失及び複合磁性体２のコアロスなどにより内部での発熱が起きた場合、主に金属からなるコイル１と、金属磁性粉と樹脂等の結合材を主に含有する複合磁性体２の熱膨張係数が相違することから、特にコイル１の径方向に内部応力が発生し、主に複合磁性体２の磁気特性や機械特性等に影響を与える可能性がある。

しかし、弾性を有する応力緩衝部４を設けているため、複合磁性体２が内部の発熱などにより熱応力が発生した場合には、弾力性を有する応力緩衝部４が露出面２３から膨張してはみ出したり、収縮して凹んだりすることにより熱応力が緩和される。

なお、熱応力はコイル１の径方向へ主に生じることから、応力緩衝部４はコイル１の内周面、もしくは外周面に沿った円筒もしくはコーン型の形状とするのが望ましい。

図９は、本発明の実施形態５におけるリアクトルの断面図であり、図８におけるＢ−Ｂ線の断面図である。図９（ｂ）、図９（ｃ）は、図９（ａ）の変形例である。

図９（ａ）、図９（ｂ）に示されているように、応力緩衝部４は、コイル１における内周面の中央または中央付近よりケース３の底面及び複合磁性体２の露出面まで延長されているため、弾性を有する複合磁性体２の内部応力を応力緩衝部４を介して露出面２３まで逃がすことができる。

なお、図９（ｃ）に示すように、応力緩衝部４を空隙によって構成してもよく、この場合、例えば未硬化で液状の複合磁性体をケース３に注ぎ込む際、応力緩衝部４に当たる部分にテフロン（登録商標）等の複合磁性体に含まれる結合材との接着性が低い部材を配しておき、硬化後に除去することにより作成することができる。

応力緩衝部４を空隙としても、複合磁性体２の熱応力による膨張もしくは収縮を吸収することができる。

１ コイル
２ 複合磁性体
３ ケース
４ 応力緩衝部
１１ 端部
２１ 内表面
２２ 外表面
２３ 露出面
３１ 側壁
３２ 底面
２０１ 結合材
２０２ 金属磁性粉
３０１ 集熱部
３０２ 伝熱部
３１１ 湾曲部
Ｂ 磁束
Ｔ 伝熱経路

Claims (5)

1. ケースと、
   コイルと、
   金属磁性粉と絶縁性の結合材を主に含有する複合磁性体を備え、
   前記コイルは前記複合磁性体に埋設され、
   前記コイルの巻軸は前記ケースにおける底面に対して直交し、
   前記ケースと対面する前記複合磁性体の表面に前記金属磁性粉が露出し、
   前記ケースと露出した前記金属磁性粉は直接、もしくは熱伝導部材を介して接触し、
   前記コイルの形状が楕円筒、円筒、角丸三角筒、角丸四角筒のうちいずれかであり、
   前記ケースの内壁面と前記コイル外周面の一部のみが近接していることを特徴とするリアクトル。
2. 前記ケースと対面する前記複合磁性体の表面に露出しているのは、前記金属磁性粉の断面であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記ケースにおける内壁面より突出し、前記コイルの近傍で前記コイルの外周面に沿って拡面された形状の伝熱部をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリアクトル。
4. 前記コイルの表面より、前記ケースに覆われていない前記複合磁性体の外表面まで応力緩衝部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のリアクトル。
5. 前記ケースにおける側壁の一部に、前記ケースの内側へ湾曲した湾曲部を有し、
   前記ケース底面に対する垂直方向に沿った前記ケースの断面における前記湾曲部の近傍が曲線となることを特徴とする請求項４に記載のリアクトル。

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