JP6635316B2 - リアクトル - Google Patents

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Description

本発明は、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。特許文献1は、巻線を螺旋状に巻回してなる一対の巻回部を備えるコイルと、巻回部の内外に配置される環状の磁性コアと、磁性コアのうち巻回部内に配置される直方体状の部分と巻回部間に介在される筒状の介在部材と、コイルと磁性コアとを一体に保持する樹脂モールド部とを備えるリアクトルを開示する。各巻回部は、角部を丸めた四角筒状であり、その軸が平行するように横並びに配置される。磁性コアにおける各巻回部内に配置される直方体状の部分において、巻回部の内周面に対向する四つの角部はいずれも、巻回部の内周面に沿って一様に丸められている。
特開2016−171137号公報
小型でありながら大きなインダクタンスを有することができ、低損失なリアクトルが望まれている。
上述の磁性コアにおける各巻回部内に配置される部分において、角部が一様に丸められた従来形態では、インダクタンス特性について改善の余地があった。
そこで、小型でありながら大きなインダクタンスを有することができ、低損失なリアクトルを提供することを目的の一つとする。
本開示のリアクトルは、
巻線を巻回してなる二つの巻回部を各巻回部の軸が平行するように備えるコイルと、
前記各巻回部内に配置される直方体状の内側コア部と、前記巻回部外に配置されて前記内側コア部同士を連結する外側コア部とを含む磁性コアとを備え、
各内側コア部は、
前記巻回部の内周面に対向する四つの角部のうち、両巻回部が離れる側に配置される二つの外側の角部の少なくとも一方に、前記外側の角部に対向する内側の角部よりも大きく面取りされた角面取り部を備える。
上記のリアクトルは、小型でありながら大きなインダクタンスを有することができ、低損失である。
実施形態1のリアクトルを示す概略斜視図である。 実施形態1のリアクトルに備える磁性コアを示す概略斜視図である。 実施形態1のリアクトルに備える磁性コアをコイルの軸方向に直交する平面で切断した断面図である。 実施形態2のリアクトルをコイルの軸方向に直交する平面で切断した断面図であり、巻回部及びその内部のみを示す。 実施形態3のリアクトルをコイルの軸方向に直交する平面で切断した断面図であり、巻回部及びその内部を示す。 試験例1の各試料に備える内側コア部の形状を説明する説明図である。 試験例1で測定した各試料のインダクタンス(相対値)を示すグラフである。 試験例1で測定した各試料の合計損失(相対値)を示すグラフである。
[本発明の実施形態の説明]
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
(1)本発明の一態様に係るリアクトルは、
巻線を巻回してなる二つの巻回部を各巻回部の軸が平行するように備えるコイルと、
前記各巻回部内に配置される直方体状の内側コア部と、前記巻回部外に配置されて前記内側コア部同士を連結する外側コア部とを含む磁性コアとを備え、
各内側コア部は、
前記巻回部の内周面に対向する四つの角部のうち、両巻回部が離れる側に配置される二つの外側の角部の少なくとも一方に、前記外側の角部に対向する内側の角部よりも大きく面取りされた角面取り部を備える。
「内側の角部」とは、両巻回部が近付く側に配置される角部である。
本発明者らは、内側コア部の角部のうち、特定の角部を大きく面取りすると、上述の従来形態と比較して磁路面積が小さくても、損失の増大が非常に小さい上に、インダクタンスが大きいという知見を得た。本発明は、この知見に基づくものである。
上記のリアクトルによれば、内側コア部における外側の角部が内側の角部に比較して大きく面取りされているものの、大きな面取り箇所を外側の角部のみに限定する。そのため、角面取り部の具備に基づく内側コア部における磁路面積の減少が小さく、磁路面積の減少に起因する漏れ磁束の増大も小さい。ひいては、漏れ磁束に起因する銅損の増大も小さい。また、角面取り部の具備により内側コア部が小さいため、鉄損も低減できる。このような上記のリアクトルは、銅損と鉄損とを合計した損失の増大が小さく、低損失である。また、上記のリアクトルは、上述のように角面取り部の具備によって磁路面積が小さいものの、上述の従来形態と比較してインダクタンスが大きいという格別の効果を奏する(後述の試験例1参照)。このような上記のリアクトルは、インダクタンスを一定とする場合、磁性コアを小さくし易く、小型にできる。従って、上記のリアクトルは、上述の角面取り部の具備によって、リアクトルのサイズを大きくすることなく、インダクタンスを大きくでき、低損失なものとすることができる。
更に、上記のリアクトルは、角面取り部の具備によって、コイルと磁性コアとの組付時などで外側の角部が欠け難く、強度にも優れる。後述する樹脂モールド部や内側介在部材を備える場合には、これらにおける角面取り部を覆う領域を局所的に肉厚にできることからも強度に優れる。樹脂モールド部の形成時に外側の角部に成形圧力が集中しても角面取り部の具備によって角部が欠け難く、この点からも強度に優れる。
(2)上記のリアクトルの一例として、
前記角面取り部は、C面取りされている形態が挙げられる。
上記形態は、小型でありながら大きなインダクタンスを有することができ、低損失である上に、内側コア部における外側の角部がより欠け難く、強度により優れる。後述する樹脂モールド部や内側介在部材を備える場合には、これらにおける角面取り部を覆う領域を更に肉厚にできて、強度をより高め易い。
(3)上記のリアクトルの一例として、
前記内側コア部と前記外側コア部とを一体に保持する樹脂モールド部を備え、
前記樹脂モールド部は、前記各巻回部と前記各内側コア部間に充填され、前記内側コア部の外周の少なくとも一部を覆う内側樹脂部を含む形態が挙げられる。
上記形態は、小型でありながら大きなインダクタンスを有することができ、低損失である上に、樹脂モールド部、特に内側樹脂部の形成時、外側の角部に成形圧力が集中しても角面取り部の具備によって外側の角部が欠け難く、強度にも優れる。また、上記形態は、内側コア部と外側コア部とが樹脂モールド部によって一体化されるため、一体物としての磁性コアの剛性が高いことからも強度に優れる。更に、巻回部と内側コア部間に設けられる四角筒状の空間のうち、巻回部の角部と角面取り部とに挟まれる部分は局所的に大きい。内側樹脂部は、この包囲部分に充填されてなる肉厚な柱状の部分を含むことができる。この柱部分によって内側コア部を支持できるため、一体物としての磁性コアの剛性がより高く、強度により優れる。
(4)上述の内側樹脂部を備える上記(3)のリアクトルの一例として、
前記内側樹脂部における前記角面取り部を覆う外角被覆部の最大厚さは、前記内側の角部を覆う内角被覆部の最大厚さよりも厚い形態が挙げられる。
上記形態における外角被覆部は、上述の肉厚な柱部分に相当する。上記形態は、内側コア部の外側の角部に配置される柱状の外被覆部によって内側コア部を支持できる。詳しくは、横並びされる二つの内側コア部における合計四つの外側の角部のうち、対角位置の二つの角部や、対向位置の二つの角部が上述の柱部分によって支持される。このような上記形態は、強度により優れる。
(5)上述の内側樹脂部を備える上記(3)又は(4)のリアクトルの一例として、
前記各巻回部と前記各内側コア部間に介在され、前記各内側コア部に組み付けられる内側介在部材を備え、
前記内側介在部材における前記角面取り部を覆う外角介在部の最大厚さは、前記内側の角部を覆う内角介在部の最大厚さよりも厚い形態が挙げられる。
上記形態における内側コア部は、内側介在部材と樹脂モールド部の内側樹脂部とに覆われると共に、内側樹脂部によって内側コア部に内側介在部材が固定される。内側介在部材における外角介在部は、上述の樹脂モールド部の柱部分と同様な機能を有する。即ち、上記形態は、内側コア部の外側の角部に配置され、内側樹脂部によって固定される柱状の外角介在部によって内側コア部を支持できる。詳しくは、横並びされる二つの内側コア部における合計四つの外側の角部のうち、対角位置の二つの角部や、対向位置の二つの角部が上述の柱状の外側介在部によって支持され、かつこの状態が内側樹脂部によって保持される。このような上記形態は、強度により優れる。更に、上記形態は、内側介在部の具備によって内側コア部を機械的に保護できて、内側コア部の角部を欠け難くできることからも強度に優れる。内側介在部を絶縁性樹脂からなるものとすれば、上記形態は、内側介在部の具備によって、コイルと内側コア部間の絶縁性も高められる。
(6)上記のリアクトルの一例として、
前記内側コア部は、圧粉成形体からなるコア片及び磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料の成形体からなるコア片の少なくとも一方を含む形態が挙げられる。
上記形態は、小型でありながら大きなインダクタンスを有することができ、低損失である上に、圧粉成形体からなるコア片を含むと、より大きなインダクタンスを有し易く、小型にし易い。複合材料からなるコア片を含むと、使用周波数がより高い場合でも交流損失が小さく、より低損失にし易い。
[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るリアクトルを具体的に説明する。図中の同一符号は、同一名称物を示す。
[実施形態1]
図1〜図3を主に参照して、実施形態1のリアクトル1Aを説明する。以下、図1に示すリアクトル1Aをコンバータケースなどの設置対象(図示せず)に取り付けたとき、図1における下面が設置対象に対向する面(設置対象に接する設置面となる場合がある)として説明する。この設置状態は、例示であり、別の面が設置対象に対向する面となる場合もある。
(リアクトル)
((全体構成))
実施形態1のリアクトル1Aは、図1に示すように巻線2wを螺旋状に巻回してなる二つの巻回部2a,2bを備えるコイル2と、巻回部2a,2bの内外に配置される磁性コア3とを備える。磁性コア3は、各巻回部2a,2b内に配置される直方体状の内側コア部31a,31bと、コイル2が実質的に配置されず、巻回部2a,2b外に配置されて内側コア部31a,31b同士を連結する外側コア部32,32とを含む(図2も参照)。実施形態1のリアクトル1Aは、各内側コア部31a,31bの角部のうち、特定の角部が大きく面取りされている。
図3は、磁性コア3を、図1に示す(III)−(III)切断線(巻回部2a,2bの軸方向に直交する平面)で切断した断面図であり、内側コア部31a,31bを示す。図3に示すように、各内側コア部31a,31bは、巻回部2a,2bの内周面に対向する四つの角部(内側コア部31aでは310〜313)、(内側コア部31bでは314〜317)を有する。これらの角部310〜317のうち、両巻回部2a,2bが離れる側に配置される二つの外側の角部(内側コア部31aでは310,312)、(内側コア部31bでは314,316)の少なくとも一方に、外側の角部(310,312)、(314,316)に対向する内側の角部(内側コア部31aでは311,313)、(内側コア部31bでは315,317)よりも大きく面取りされた角面取り部31oを備える。この例では、四つの外側の角部310,312,314,316(以下、まとめて「外角群310等」と呼ぶことがある)に全て角面取り部31oを備え、四つの内側の角部311,313,315,317(以下、まとめて「内角群311等」と呼ぶことがある)よりも大きく面取りされている場合を示す。
以下、詳細に説明する。
((コイル))
この例のコイル2は、図1に示すように1本の連続する巻線2wが螺旋状に巻回されてなる一対の筒状の巻回部2a,2bと、巻線2wの一部からなり、両巻回部2a,2bを接続する連結部2rとを備える。各巻回部2a,2bは、各軸が平行するように横並びに配置される。この例の巻線2wは、銅などからなる平角線の導体と、導体の外周を覆うポリアミドイミドなどからなる絶縁被覆とを備える被覆平角線、いわゆるエナメル線である。この例の巻回部2a,2bはいずれも、角部を丸めた四角筒状のエッジワイズコイルであり、形状・巻回方向・ターン数を同一としている。コイル2は、二つの巻回部2a,2bを横並びに備える公知のものを利用できる。例えば、巻回部2a,2bがそれぞれ異なる巻線で構成されて溶接などで接合されたコイルなどを利用できる。形状、ターン数なども適宜変更できる。
巻線2wの両端部はいずれも、巻回部2a,2bから適宜な方向に引き出され、端子金具(図示せず)が適宜取り付けられ、電源などの外部装置(図示せず)に電気的に接続される。
((磁性コア))
・全体構成
磁性コア3は、上述のように内側コア部31a,31bと、外側コア部32,32とを備える。この例の磁性コア3は、図2に示すように複数のコア片31m,32mが環状に組み付けられ、隣り合うコア片間にギャップ材31gが介在される。詳しくは、磁性コア3は、内側コア部31a,31bの主体をなす複数のコア片31mと、内側コア部31a,31bの一部と外側コア部32,32とを構成する一対のU字状のコア片32m,32mと、複数の平板状のギャップ材31gとを備える。これらが環状に組み付けられてなる磁性コア3は、コイル2を励磁したときに閉磁路を形成する。
この例のコア片31mはいずれも同一形状であり、巻回部2a,2bの軸方向に沿った長さが比較的短い直方体状の部材である。
この例のU字状のコア片32mはいずれも同一形状であり、外側コア部32を構成する基部320と、基部320における巻回部2a,2bの端面に対向配置される内端面32eから巻回部2a,2bに向かって突出する突出部321,321とを備える。突出部321,321は、コア片31mと実質的に同様な形状であり、巻回部2a,2b内に配置されて内側コア部31a,31bの一部をなす。向かい合わせに配置される各コア片32m,32mの突出部321,321間に複数のコア片31mが積層状態で配置される。これら複数のコア片31mと突出部321,321との積層体によって、直方体状の内側コア部31a,31bを構成する。
・内側コア部の形状
この例の内側コア部31a,31bはいずれも同一形状であり、四角筒状の巻回部2a,2b内に収納されて、図3に示すように横並びされる巻回部2a,2bの中心線を軸として線対称に配置される。
一方の内側コア部31aにおける巻回部2aの内周面に対向する四つの角部310〜313のうち、図3では右側かつ上側である外側の角部310は対向する内側の角部311よりも大きく面取りされて、角面取り部31oが設けられている。同様に、図3では右側かつ下側である外側の角部312は対向する内側の角部313よりも大きく面取りされて、角面取り部31oが設けられている。
他方の内側コア部31bにおける巻回部2bの内周面に対向する四つの角部314〜317についても同様に、図3では左側かつ上側である外側の角部314は対向する内側の角部315よりも大きく面取りされて、角面取り部31oが設けられている。図3では左側かつ下側である外側の角部316は対向する内側の角部317よりも大きく面取りされて、角面取り部31oが設けられている。
この例では、二つの内側コア部31a,31bに備える外角群310等に全て角面取り部31oを備える。即ち、この例のリアクトル1Aは、合計四つの角面取り部31oを備える。内側コア部31a,31bの全長に亘って、外角群310等の全てが大きく面取りされることで、コイル2と磁性コア3との組付時や後述する樹脂モールド部6Aの形成時などでこれらの角部が欠け難く強度に優れる。
外角群310等において、対角位置の角部の組:(310,316)、(312,314)、対向位置の角部の組:(310,314)、(312,316)という4つの組のうち、少なくとも一組に角面取り部31oを備える形態、外角群310等のうちから選択される三つの角部(310,312,314)又は(312,314,316)に角面取り部31oを備える形態とすることもできる。角面取り部31oが多いほど、外角群310等に欠けが生じ難く、強度に優れる。
この例の角面取り部31oはいずれも、C面取りされており、C面取りの面取り幅cが等しい場合を示す。角面取り部31oにおける面取り量(ここでは面取り幅c)は、磁路面積の減少に起因するインダクタンスの低下、漏れ磁束の増大に起因する銅損の増大などを低減できる範囲で選択する。面取り幅cは、例えば、一つの内側コア部31a(又は31b)について、巻回部2a(又は2b)の軸方向に直交する平面で切断した断面を内包する最小の長方形(正方形の場合がある)を仮想した場合に、この仮想長方形の角部をなす長辺及び短辺のうち、長辺の長さLの0.1%以上20%以下程度、更に0.5%以上10%以下程度が挙げられる。又は、面取り幅cは、例えば0.1mm以上10mm以下程度、更に0.3mm以上6mm以下程度が挙げられる。本例のようにC面取りとすると、外角群310等がより欠け難く、強度に優れる上に、後述する樹脂モールド部6Aを備える場合に角面取り部31oを覆う部分(外角被覆部610,612,614,616)を肉厚にできて、強度により優れる(詳細は後述する)。
角面取り部31oをC面取りに代えて、R面取りとすることもできる。角面取り部31oにおけるR面取りの丸め半径rは、例えば、上述の長辺の長さLの0.1%以上20%以下程度、更に0.5%以上10%以下程度が挙げられる。又は、角面取り部31oにおける丸め半径rは、例えば0.1mm以上10mm以下程度、更に0.3mm以上6mm以下程度が挙げられる。
この例では、内角群311等もR面取りされた場合を示す(図3の内側の角部311,313,315,317参照)。但し、内角群311等のR面取りの丸め半径rは、角面取り部31oのC面取りの面取り幅cよりも小さい。図3に示す面取り幅c、丸め半径rは例示である。
磁性コア3は、上述のように複数(2〜4つ)の角面取り部31oを備える。全ての角面取り部31oについて、面取りの形状(C面取り、R面取り)、面取り量(面取り幅c、丸め半径r)を本例のように等しくしてもよいし、面取りの形状や面取り量が異なる角面取り部31oを備えることもできる。
その他、この例の外側コア部32における設置対象に対向する側(図2では下側)及びその反対側(図2では上側)はいずれも、内側コア部31a,31bよりも突出している。詳しくは、U字状のコア片32mの基部320は、突出部321よりも設置対象に対向する側及びその反対側に延設された部分を有する。このような上下方向の延設部分を備えることで、基部320における巻回部2a,2bの軸方向に沿った大きさを短くでき、この点で小型な磁性コア3とすることができる。基部320における設置対象に対向する面を巻回部2a,2bにおける設置対象に対向する面と面一にすれば、設置対象への放熱性の向上、設置状態の安定性の向上などを図ることができる。更に、この例の基部320は、内端面32eと反対側の面の中央から巻回部2a,2bとは離れる方向に突出する部分を有する。このような突出部分を備えることで、U字状のコア片32mを後述する圧粉成形体からなるものとする場合に成形性に優れる。外側コア部32、コア片32mの形状は例示であり、適宜変更できる。例えば、上述の下側の延設部分及び上側の延設部分の少なくとも一方を省略することができる。又は、例えば、基部320と突出部321とが独立したコア片とすることができる。
・材質
この例のコア片31m,32mはいずれも圧粉成形体である。圧粉成形体は、代表的には、磁性粉末と適宜バインダや潤滑剤とを含む原料粉末を所定の形状に圧縮成形したもの、更に成形後に熱処理を施したものが挙げられる。圧粉成形体を構成する磁性粉末は、代表的には、純鉄や鉄基合金(Fe−Si合金、Fe−Ni合金など)などといった軟磁性金属からなる金属粉末、更に軟磁性金属の粒子の外周にリン酸塩などからなる絶縁被覆を備える被覆粉末などが挙げられる。バインダは樹脂などを利用でき、その含有量は30体積%以下程度、更に20体積%以下、10体積%以下程度が挙げられる。熱処理を施すと、成形に伴う歪みを除去できてヒステリシス損などの損失を低減でき、低損失な磁性コア3とすることができる。また、熱処理によってバインダを消失させたり、熱変性させて粉末粒子間の絶縁材としたりすることができる。上述の絶縁被覆を備えるなどして粉末粒子間に絶縁材を備えると、渦電流損を低減でき、低損失な磁性コア3とすることができる。成形には、プレス成形などの公知の手法、装置を利用できる。
圧粉成形体は、後述する複合材料の成形体よりも磁性粉末の含有量を高められて、大きなインダクタンスを有し易い。そのため、圧粉成形体からなるコア片31m,32mを備える磁性コア3は、インダクタンスを一定とする場合により小型にし易い。このような磁性コア3を備えるリアクトル1Aは、より小型である。
又は、コア片31m,32mを磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料の成形体とすることができる。複合材料の成形体は、代表的には、上述の軟磁性金属や、フェライトなどの非金属の軟磁性材料からなる磁性粉末(上述の絶縁被覆を備えるものでもよい)と樹脂とを含む流動状態の原料を射出成形や注型成形などによって成形したものが挙げられる。
複合材料中の磁性粉末の含有量は、例えば、30体積%以上80体積%以下、更に50体積%以上75体積%以下が挙げられる。複合材料中の樹脂の含有量は10体積%以上70体積%以下、更に20体積%以上50体積%以下が挙げられる。複合材料の成形体は、上述の圧粉成形体よりも樹脂の含有量が多いため、磁性粉末(特に金属粉末)に生じる渦電流損を低減し易い。そのため、複合材料の成形体からなるコア片31m,32mを備える磁性コア3は、使用周波数がより高い場合でも渦電流損などの損失を低減でき、低損失な磁性コア3とすることができる。樹脂を多く含むため、コイル2と磁性コア3との絶縁性にも優れる。
複合材料中の樹脂は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、常温硬化性樹脂、低温硬化性樹脂などが挙げられる。熱可塑性樹脂は、例えば、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、液晶ポリマー(LCP)、ナイロン6やナイロン66といったポリアミド(PA)樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)樹脂などが挙げられる。熱硬化性樹脂は、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。その他、不飽和ポリエステルに炭酸カルシウムやガラス繊維が混合されたBMC(Bulk molding compound)、ミラブル型シリコーンゴム、ミラブル型ウレタンゴムなども利用できる。
磁性粉末及び樹脂に加えて、アルミナやシリカなどの非磁性かつ非金属粉末を含有する複合材料とすると、放熱性の向上などが期待できる。非磁性かつ非金属粉末の含有量は、0.2質量%以上20質量%以下、更に0.5質量%以上10質量%以下が挙げられる。
その他、磁性コア3は、圧粉成形体からなるコア片と、複合材料の成形体からなるコア片との双方を含むことができる。
・ギャップ
ギャップ材31gは、コア片31m,32mよりも比透磁率が低い材料、代表的にはアルミナなどの非磁性材、樹脂中に少量の磁性粉末が分散された分散材などで構成される。コア片31m及びギャップ材31gの個数、ギャップ材31gの形状・配置位置などは適宜選択できる。ギャップ材31gに代えて、又はギャップ材31gと併用してエアギャップを備えたり、ギャップ材31gを省略してギャップレス構造としたりすることもできる。この例では、ギャップ材31gを巻回部2a,2b内に配置するため、コイル2外への漏れ磁束に起因する損失が実質的に生じず、この点から低損失なリアクトル1Aとすることができる。コア片31m,32mとギャップ材31gとは例えば接着剤などで接合すると、磁性コア3を環状に維持し易い。
((樹脂モールド部))
実施形態1のリアクトル1Aは、更に、内側コア部31a,31bと外側コア部32,32とを一体に保持する樹脂モールド部6A(図1、図3では仮想線(二点鎖線)で示す)を備えることができる。樹脂モールド部6Aによって一体に保持されることで、磁性コア3は環状の一体物としての剛性を高められて強度に優れる。樹脂モールド部6Aが絶縁性樹脂からなり、コイル2と磁性コア3間に介在される場合には、この両者の絶縁性を高められる。その他、樹脂モールド部6Aは、磁性コア3(特に外側コア部32)を外部環境から保護することもできる。樹脂モールド部6Aは、磁性コア3を一体に保持できれば、磁性コア3の一部を覆い、他部を露出させることができる。例えば、外側コア部32における設置対象と対向する領域を樹脂モールド部6Aに覆われず露出させる形態などが挙げられる。この形態は、冷却構造を有する設置対象である場合に外側コア部32における上述の露出領域を設置対象に近接させて、放熱性に優れるリアクトル1Aとすることができる。
樹脂モールド部6Aは、図3に示すように各巻回部2a,2bと各内側コア部31a,31b間に充填され、内側コア部31a,31bの外周の少なくとも一部を覆う内側樹脂部61a,61bを含むことができる。図3では、内側樹脂部61a,61bが内側コア部31a,31bの全周を覆う場合を例示する。一方の巻回部2aと一方の内側コア部31a間に設けられる四角筒状の空間に内側樹脂部61aが介在する。他方の巻回部2bと他方の内側コア部31b間に設けられる四角筒状の空間に内側樹脂部61bが介在する。これら内側樹脂部61a,61bを備えるリアクトル1Aは、各巻回部2a,2bと各内側コア部31a,31b間の絶縁性に優れる。
更に、上述の四角筒状の空間のうち、各巻回部2a,2bの外側の角部と角面取り部31oとに挟まれる部分は、各巻回部2a,2bの内側の角部と内角群311等とに挟まれる部分に比較して大きい。そのため、内側樹脂部61a,61bにおける各巻回部2a,2bの外側の角部と角面取り部31o間に充填された部分は肉厚な柱部分をなす。この柱部分、即ち内側樹脂部61a,61bにおける角面取り部31oを覆う外角被覆部610,612,614,616の最大厚さは、内角群311等を覆う内角被覆部611,613,615,617の最大厚さよりも厚い。この例のリアクトル1Aでは、内側コア部31a,31bにおける四つの外側の角部310,312,314,316が内側樹脂部61a,61bの柱部分(外角被覆部610,612,614,616)によって支持される。このような磁性コア3は、一体物としての剛性がより高く、強度により優れる。
樹脂モールド部6Aは、磁性コア3のみを覆う形態、磁性コア3に加えて、更にコイル2の外周も一体に覆う形態とすることができる。後者の形態は、樹脂モールド部6Aによってコイル2と磁性コア3とが一体に保持されて、リアクトル1Aの一体物としての剛性を高められる。このようなリアクトル1Aは、強度に優れる、振動し難く騒音の発生も低減し易い、コイル2も外部環境から保護できるなどの効果を奏する。コイル2の外周面の少なくとも一部、例えば設置対象と対向する領域などを樹脂モールド部6Aに覆われず露出させる形態などとすることができる。この形態は、冷却構造を有する設置対象である場合にコイル2における上述の露出領域を設置対象に近接させて、放熱性に優れるリアクトル1Aとすることができる。
樹脂モールド部6Aの構成材料は、複合材料の項で説明した熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などの絶縁性樹脂が挙げられる。絶縁性樹脂に上述の非磁性かつ非金属粉末を含有する場合には、放熱性や絶縁性などを向上できる。樹脂モールド部6Aは、図1に示すコイル2と磁性コア3との組物を成形型に収納して位置決めし、射出成形などの各種の成形方法によって成形することが挙げられる。射出成形には、熱可塑性樹脂を好適に利用できる。原料となる流動性樹脂の導入部は、巻回部2a,2bと内側コア部31a,31b間に設けられる四角筒状の空間のうち、巻回部2a,2bの端面及び外角群310等を含む外側寄りの領域とすると導入し易いと考えられる。
(用途)
実施形態1のリアクトル1Aは、例えば、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、燃料電池自動車などの車両に搭載される車載用コンバータ(代表的にはDC−DCコンバータ)や、空調機のコンバータなどの種々のコンバータ、電力変換装置の構成部品に利用できる。
(作用効果)
実施形態1のリアクトル1Aは、内側コア部31a,31bにおける巻回部2a,2bの内周面に対向する角部310〜317のうち、外角群310等に角面取り部31oを備える。リアクトル1Aは、角面取り部31oが設けられることで、内側コア部31a,31bにおける磁路面積が減るものの、上述の全ての角部を一様に丸めている従来形態と比較して、サイズを大きくすることなく、大きなインダクタンスを有することができる。即ち、リアクトル1Aは、インダクタンスを一定とする場合、より小型である。かつ、リアクトル1Aは、磁路面積の減少に起因する損失(特に漏れ磁束の増大に起因する銅損)の増大も小さく、低損失である。これらの効果を後述の試験例1で具体的に説明する。
また、実施形態1のリアクトル1Aは、角面取り部31oを備えることで、上述のように外角群310等が欠け難く、強度にも優れる。
実施形態1のリアクトル1Aが、内側樹脂部61a,61bを含み、磁性コア3を一体に保持する樹脂モールド部6Aを備える場合には、内側樹脂部61a,61bに角面取り部31oを覆う肉厚の柱部分を備える。磁性コア3は、外角群310等を四つの柱部分によって支持されるため一体物としての剛性を高められる点からも、リアクトル1Aは強度に優れる。樹脂モールド部6Aの形成時、上述のように外角群310等の近傍を原料の流動性樹脂の導入部とし、外角群310等に成形圧力が集中した場合でも、角面取り部31oの具備によって外角群310等が欠け難い点からも、リアクトル1Aは強度に優れる。
[実施形態2]
図4を参照して、実施形態2のリアクトル1Bを説明する。リアクトル1Bの基本的な構成は、樹脂モールド部6Aを備える実施形態1のリアクトル1Aと同様であり、巻回部2a,2bを含むコイル2と、外角群310等に角面取り部31oを備える磁性コア3と、内側コア部31a,31bと外側コア部32,32(図1)とを一体に保持し、内側樹脂部61a,61bを含む樹脂モールド部6Bとを備える。実施形態2のリアクトル1Bは、コイル2と磁性コア3間に介在される介在部材5Bを備える点を実施形態1との主な相違点とする。以下、この相違点を詳細に説明し、その他の構成及び効果などについては詳細な説明を省略する。
この例の介在部材5Bは、各巻回部2a,2bと各内側コア部31a,31b間に介在され、各内側コア部31a,31bに組み付けられる内側介在部材5a,5bを備える。各内側介在部材5a,5bは、直方体状の内側コア部31a,31bの外形に沿った四角筒状の部材である。内側介在部材5a,5bのうち、角面取り部31oを覆う箇所は、角面取り部31oに沿ってC面取りされたような形状であり、内角群311等を覆う箇所の形状(小さなR面取りされたような形状)とは異なる。各内側介在部材5a,5bは、一体成形された筒状部材とすることができるが、複数の分割片の組物(例えば、図4の上下方向に分割可能な分割片の組など)とすると内側コア部31a,31bに組み付け易い。また、各内側介在部材5a,5bの適宜な位置に貫通孔や溝(図示せず)などを設けて、樹脂モールド部6Bの原料の流動性樹脂を流す流路とすると、充填作業性に優れる上に、内側介在部材5a,5bと樹脂モールド部6Bとの接触面積を増大でき、内側介在部材5a,5bをコイル2や磁性コア3に強固に一体化できる。
実施形態2のリアクトル1Bでは、内側コア部31a,31bに内側介在部材5a,5bが組み付けられ、この内側介在部材5a,5bの外周を覆うように内側樹脂部61a,61bが設けられる。この例では、内側介在部材5a,5bにおける角面取り部31oを覆う箇所は、上述のように角面取り部31oに沿った形状であり、巻回部2a,2bの内周形状に沿っていない。そのため、巻回部2a,2bと内側介在部材5a,5b間に設けられる四角筒状の空間のうち、各巻回部2a,2bの外側の角部と内側介在部材5a,5bにおける角面取り部31oを覆う箇所とに挟まれる部分は、その他の部分に比較して大きい。内側樹脂部61a,61bにおける上記の挟まれる部分に充填された箇所は、上述の肉厚な柱部分をなす。この柱部分、即ち、内側樹脂部61a,61bにおける角面取り部31oを覆う外角被覆部610,612,614,616の最大厚さは、内角群311等を覆う内角被覆部611,613,615,617の最大厚さよりも厚い。この例のリアクトル1Bでは、内側コア部31a,31bにおける四つの外側の角部310,312,314,316が内側樹脂部61a,61bの柱部分(外角被覆部610,612,614,616)によって支持される。即ち、内側コア部31a,31bにおける対角位置の角部(310,316)、(312,314)かつ対向位置の角部(310,314)、(312,316)のいずれも柱部分によって支持されて、機械的強度を高められる。このような磁性コア3は、一体物としての剛性がより高く、強度により優れる。
介在部材5Bの構成材料は、樹脂モールド部6Aの項で述べた熱可塑性樹脂などの絶縁性樹脂が挙げられる。内側介在部材5a,5bの厚さは、樹脂モールド部6Bにおける内側樹脂部61a,61bの厚さを考慮して、適宜選択できる。この例では、図4に示すように内側介在部材5a,5bの厚さを全体に亘って一様な厚さとしている。
実施形態2のリアクトル1Bは、実施形態1のリアクトル1Aと同様の効果を奏する。即ち、小型でありながら大きなインダクタンスを有することができる上に低損失であること、角面取り部31oの具備による高強度化といった効果を奏する。更に、実施形態2のリアクトル1Bは、介在部材5B、特に内側介在部材5a,5bの具備によって、樹脂モールド部6Bの成形時における外角群310等の欠け防止、内側コア部31a,31bの機械的保護、巻回部2a,2bと内側コア部31a,31b間の絶縁性の向上、といった効果も奏する。また、実施形態2のリアクトル1Bは、樹脂モールド部6Bによる柱部分(外角被覆部610,612,614,616)の具備による高強度化という効果も奏する。
その他、介在部材5Bは、巻回部2a,2bの端面と外側コア部32(コア片32m)の内端面32e間にそれぞれ介在される一対の枠状部材(図示せず)を備えることができる。この場合、コイル2と磁性コア3間の絶縁性をより高められる。各枠状部材と内側介在部材5a,5bとを一体物とすると、部品点数を低減できる。枠状部材を備える場合には、樹脂モールド部6Bの原料の流動性樹脂を導入するための流路となる溝や貫通孔、切欠などを適宜設けるとよい。
[実施形態3]
図5を参照して、実施形態3のリアクトル1Cを説明する。リアクトル1Cの基本的な構成は、実施形態2のリアクトル1Bと同様であり、巻回部2a,2bを含むコイル2と、外角群310等に角面取り部31oを備える磁性コア3と、内側コア部31a,31bと外側コア部32,32(図1)とを一体に保持し、内側樹脂部61a,61bを含む樹脂モールド部6Cと、コイル2と磁性コア3間に介在される介在部材5Cとを備える。この例の介在部材5Cは、内側介在部材5a,5bを備え、内側介在部材5a,5bの外周を覆うように内側樹脂部61a,61bが設けられる。実施形態3のリアクトル1Cでは、内側介在部材5a,5bにおける角面取り部31oを覆う箇所が局所的に厚い点を実施形態2との主な相違点とする。以下、この相違点を詳細に説明し、その他の構成及び効果などについては詳細な説明を省略する。上記の相違点を除いて、介在部材5Cの詳細は、実施形態2の介在部材5Bを参照することができる。
上述のように内側介在部材5a,5bにおける角面取り部31oを覆う箇所は、局所的に肉厚である。即ち、内側介在部材5a,5bにおける角面取り部31oを覆う外角介在部510,512,514,516の最大厚さは、内角群311等を覆う内角介在部511,513,515,517の最大厚さよりも厚い。一方、内側介在部材5a,5bにおける外角介在部510,512,514,516以外の箇所は内側コア部31a,31bの外形に概ね沿っている。そのため、巻回部2a,2bと内側介在部材5a,5b間に設けられる四角筒状の空間は、全体に亘って一様な厚さであり、この空間に充填される内側樹脂部61a,61bも全体に亘って一様な厚さの筒状になっている。リアクトル1Cは、内側コア部31a,31bにおける四つの外側の角部310,312,314,316が内側介在部材5a,5bの柱部分(外角介在部510,512,514,516)によって支持され、この状態が内側樹脂部61a,61bによって固定される。即ち、内側コア部31a,31bにおける対角位置の角部(310,316)、(312,314)かつ対向位置の角部(310,314)、(312,316)のいずれも柱部分(外角介在部510,512,514,516)によって支持されて、機械的強度を高められる。このような磁性コア3は、一体物としての剛性がより高く、強度により優れる。
実施形態3のリアクトル1Cは、実施形態2のリアクトル1Bと同様の効果、即ち、小型でありながら大きなインダクタンスを有することができる上に低損失であること、角面取り部31oの具備による高強度化、介在部材5C、特に内側介在部材5a,5bの具備による樹脂モールド部6Cの成形時での外角群310等の欠け防止、内側コア部31a,31bの機械的保護、巻回部2a,2bと内側コア部31a,31b間の絶縁性の向上、といった効果を奏する。また、実施形態3のリアクトル1Cは、内側介在部材5a,5bによる柱部分(外角介在部510,512,514,516)の具備による高強度化という効果も奏する。介在部材5Cが上述の枠状部材を備え、更に内側介在部材5a,5bとこの枠状部材とが一体成形品であれば、介在部材5C自体の剛性が高い。このような介在部材5Cが樹脂モールド部6Cによって磁性コア3に固定されることで、強度により優れるリアクトル1Cとすることができる。
その他、各内側コア部31a,31bに組み付けられる内側介在部材5a,5bの形状を異ならせて、各内側コア部31a,31bを支持する上述の柱部分が異なる形態などとすることができる。例えば、一方の内側コア部31aには、実施形態2の均一的な厚さの内側介在部材5aを組み付けると共に、外側の角部310,312を支持する柱部分として、樹脂モールド部による外角被覆部610,612を備える。他方の内側コア部31bには、実施形態3の不均一な厚さの内側介在部材5bを組み付けると共に、外側の角部314,316を支持する柱部分として実施形態3の外角介在部514,516を備える。
[試験例1]
内側コア部における角部の面取り量が異なるリアクトルについて、インダクタンス及び損失をシミュレーションによって求めた。
ここでは、実施形態1で説明したようなリアクトル、即ち、二つの巻回部を横並びに備えるコイルと、巻回部内に配置される直方体状の内側コア部と、巻回部外に配置される外側コア部とを含む環状の磁性コアとを備えるものを基本構成とし、内側コア部の角部の面取り状態を異ならせる点を除いて、同一仕様とする。以下の四つの試料はいずれも、リアクトルの外形寸法を共通とする。図6に、各試料の内側コア部を示す。図6は、巻回部及び内側コア部を巻回部の軸方向に直交する平面(図1の(III)−(III)切断線参照)で切断した断面を模式的に示す。図6に示すように、各試料において、内側コア部の角部の大きさは面取り量に応じて異なるものの、巻回部の外形寸法、内側コア部の上記断面を包絡する最小長方形の寸法は同一とする。
(No.101)
試料No.101は、各内側コア部における巻回部の内周面に対向する四つの角部を一様にR面取りした試料であり、従来形態に相当する。R面取りの丸め半径rは3mmである。
(No.1)
試料No.1は、各内側コア部における巻回部の内周面に対向する四つの角部のうち、外側の角部をいずれもC面取りし、内側の角部をいずれもR面取りした試料である。C面取りの面取り幅cは4.5mm、R面取りの丸め半径rは3mmであり、外側の角部における面取り幅cは、内側の角部における丸め半径rよりも大きい。そのため、試料No.1の内側コア部の磁路面積は、試料No.101よりも小さい。
(No.102)
試料No.102は、試料No.1に対して内外の面取りを逆にした試料である。即ち、外側の角部をいずれもR面取りし(丸め半径r=3mm)、内側の角部をいずれもC面取り(面取り幅c=4.5mm)しており、外側の角部における丸め半径rは、内側の角部における面取り幅cよりも小さい。試料No.102の内側コア部の磁路面積は、試料No.101よりも小さく、試料No.1と実質的に等しい。
(No.103)
試料No.103は、試料No.101に対して四つの角部を一様にC面取りした試料である(面取り幅c=4.5mm)。試料No.103の内側コア部の磁路面積は、試料No.101,102及び試料No.1よりも小さく、四つの試料のうち最小である。
各試料のリアクトルに、0A超400A以下の範囲から選択した電流を流したときのインダクタンス(μH)をシミュレーションにより求める。200A〜350Aから選択した所定の電流値におけるインダクタンスの一例を表1及び図7に示す。表1及び図7は、試料No.101のインダクタンスを基準として、その他の試料のインダクタンスを相対値で示す(各試料のインダクタンス/試料No.101のインダクタンス)。図7は、各試料のインダクタンスを相対値で示すグラフであり、横軸が試料No.、縦軸がインダクタンス(相対値)を示す。インダクタンスの測定のシミュレーション、及び後述の合計損失のシミュレーションには、市販のソフトウェア(例、株式会社JSOL製 JMAG−Designer)を用いることができる。
各試料のリアクトルを、直流電流50A、入力電圧300V、出力電圧300V、周波数10kHzで駆動したときの直流銅損(W)、鉄損(W)、交流銅損(W)をシミュレーションにより求め、これら直流銅損、鉄損、交流銅損を合計した合計損失を表1及び図8に示す。表1及び図8は、試料No.101の合計損失を基準として、その他の試料の合計損失を相対値で示す(各試料の合計損失/試料No.101の合計損失)。図8は、各試料の合計損失を相対値で示すグラフであり、横軸が試料No.、縦軸が合計損失(相対値)を示す。また、表1に、試料No.101の鉄損を基準として、その他の試料の鉄損を相対値で示す(各試料の鉄損/試料No.101の鉄損)。
Figure 0006635316
表1、図7に示すように、内側コア部における巻回部の内周面に対向する角部のうち、外側の角部のみを大きく面取りした試料No.1は、内外の角部を一様に小さく面取りした試料No.101と比較して、インダクタンスが大きいことが分かる。また、試料No.1は、外側ではなく内側の角部を大きく面取りした試料No.102に比較して、インダクタンスの増大が大きい。一方、内外の角部を一様に大きく面取りした試料No.103は、試料No.101よりもインダクタンスが小さいことが分かる。ここで、試料No.103に示すように、磁路面積の低下は、通常、インダクタンスの低下を招く。試料No.1は、試料No.101に比較して磁路面積が減少しているものの、インダクタンスが大きい。この理由の一つとして、外側の角部が内側の角部に比較して大きく面取りされるという形状に起因して、磁束が内側コア部のより内側に集中し易くなって漏れ磁束が低減され易くなったため、と考えられる。なお、表1では一例を示すが、200A〜350Aの範囲において同様の傾向を示すことを確認している。
表1、図8に示すように、内側コア部における巻回部の内周面に対向する角部のうち、外側の角部のみを大きく面取りした試料No.1は、内外の角部を一様に小さく面取りした試料No.101と比較して、損失の増大が小さい。ここでは、損失の増加率は0.29%程度である。また、試料No.1は、外側ではなく内側の角部を大きく面取りした試料No.102(増加率:0.49%程度)、内外の角部を一様に大きく面取りした試料No.103(増加率:1.05%程度)に比較して、損失の増大が非常に小さい。ここで、大きな面取りによって内側コア部を小さくすれば、鉄損を低減できる。しかし、試料No.103に示すように、磁路面積の低下は、漏れ磁束の増大を招き、この漏れ磁束に起因する銅損の増大を招く。また、磁束のループの側よりも側の方が、磁束が漏れ易いと考えられるため、試料No.102のように内側コア部における内側の角部を面取りすると、漏れ磁束がより生じ易いと考えられる。試料No.102,103は、漏れ磁束に起因する銅損が非常に大きくなったため損失が増大したと考えられる。試料No.1は、内側コア部における外側の角部を面取りすることで漏れ磁束の増大を抑制し、漏れ磁束に起因する銅損の増大を小さくできた上に、表1に示すように鉄損も低減できたことで、銅損と鉄損との合計損失を小さくできたと考えられる。
以上の試験から、二つの巻回部を横並びに備えるコイルと、巻回部内に配置される直方体状の内側コア部を含む磁性コアとを備えるリアクトルにおいて、内側コア部における巻回部の内周面に対向する外側の角部を内側の角部よりも大きく面取りすると、リアクトルのサイズを大きくすることなく大きなインダクタンスを有することができる上に、低損失であることが示された。このようなリアクトルは、インダクタンスを一定とする場合、より小型にし易いといえる。また、このようなリアクトルは、外側の角部が欠け難く、強度にも優れる。
本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、実施形態1〜3のリアクトル1A〜1Cに対して、以下の少なくとも一つの変更や追加が可能である。
(1)温度センサ、電流センサ、電圧センサ、磁束センサなどのリアクトルの物理量を測定するセンサ(図示せず)を備える。
(2)コイル2が樹脂モールド部6Aなどで覆われず露出されている場合、巻回部2a,2bに放熱板(図示せず)を備える。この形態は、放熱性に優れるリアクトル1Aなどとすることができる。
(3)コイル2が樹脂モールド部6Aなどで覆われず露出されている場合、巻回部2a,2bを構成する隣り合うターン同士を接合する熱融着樹脂部(図示せず)を備える。この形態は、巻回部2a,2bを内側樹脂部61a,61bの成形型に利用して、磁性コア3を一体に保持する樹脂モールド部6Aなどを成形することができる。
(4)コイル2と磁性コア3とを含む組物を収納するケース(例、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属からなるもの)を備える。この形態は、組物を外部環境から保護できる、金属製のケースをコイル2などの放熱経路に利用して放熱性に優れるリアクトル1Aなどとすることができる。
更に、組物とケースの内底面間に放熱層を備える。この形態は、コイル2と金属製のケース間の絶縁性を高められる、放熱性により優れるリアクトル1Aなどとすることができる。放熱層の具体的な材料は、放熱性に優れるフィラー(アルミナなどの非磁性かつ非金属粉末)と樹脂(接着剤でもよい)とを含むものが挙げられる。
更に、ケース内に組物を埋設する封止材(エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂、更に上述のフィラーを含有することができる)を備える。この形態は、組物を外部環境から保護できる、封止材及び金属製のケースをコイル2などの放熱経路に利用して放熱性に優れるリアクトル1Aなどとすることができる。
1A,1B,1C リアクトル
2 コイル
2a,2b 巻回部
2w 巻線
2r 連結部
3 磁性コア
31m,32m コア片
31g ギャップ材
31a,31b 内側コア部
31o 角面取り部
310,312,314,316 外側の角部
311,313,315,317 内側の角部
32 外側コア部
32e 内端面
320 基部
321 突出部
5B,5C 介在部材
5a,5b 内側介在部材
510,512,514,516 外角介在部
511,513,515,517 内角介在部
6A,6B,6C 樹脂モールド部
61a,61b 内側樹脂部
610,612,614,616 外角被覆部
611,613,615,617 内角被覆部

Claims (4)

  1. 巻線を巻回してなる二つの巻回部を各巻回部の軸が平行するように備えるコイルと、
    前記各巻回部内に配置される直方体状の内側コア部と、前記巻回部外に配置されて前記内側コア部同士を連結する外側コア部とを含む磁性コアと、
    前記内側コア部と前記外側コア部とを一体に保持する樹脂モールド部とを備え、
    各内側コア部は、
    前記巻回部の内周面に対向する四つの角部のうち、両巻回部が離れる側に配置される二つの外側の角部の少なくとも一方に、前記外側の角部に対向する内側の角部よりも大きく面取りされた角面取り部を備え
    前記樹脂モールド部は、
    前記各巻回部と前記各内側コア部間に充填され、前記内側コア部の外周の少なくとも一部を覆う内側樹脂部を含み、
    前記内側樹脂部における前記角面取り部を覆う外角被覆部の厚さが局所的に厚く、前記外角被覆部の最大厚さは、前記内側の角部を覆う内角被覆部の最大厚さよりも厚いリアクトル。
  2. 巻線を巻回してなる二つの巻回部を各巻回部の軸が平行するように備えるコイルと、
    前記各巻回部内に配置される直方体状の内側コア部と、前記巻回部外に配置されて前記内側コア部同士を連結する外側コア部とを含む磁性コアと、
    前記内側コア部と前記外側コア部とを一体に保持する樹脂モールド部と、
    前記各巻回部と前記各内側コア部間に介在され、前記各内側コア部に組み付けられる内側介在部材とを備え、
    各内側コア部は、
    前記巻回部の内周面に対向する四つの角部のうち、両巻回部が離れる側に配置される二つの外側の角部の少なくとも一方に、前記外側の角部に対向する内側の角部よりも大きく面取りされた角面取り部を備え、
    前記樹脂モールド部は、
    前記各巻回部と前記各内側コア部間に充填され、前記内側コア部の外周の少なくとも一部を覆う内側樹脂部を含み、
    前記内側介在部材における前記角面取り部を覆う外角介在部の厚さが局所的に厚く、前記外角介在部の最大厚さは、前記内側の角部を覆う内角介在部の最大厚さよりも厚いリアクトル。
  3. 前記内側コア部は、圧粉成形体からなるコア片及び磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料の成形体からなるコア片の少なくとも一方を含む請求項1又は請求項2に記載のリアクトル。
  4. 前記角面取り部は、C面取りされている請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のリアクトル。
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