JP6795979B2 - リアクトル - Google Patents
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Description
(1) コア。
(2) 前記コアの内部に埋設されたコイル。
(3) 前記コイルの内周に設けられた開口部。
(4) 前記コイルの前記開口部内に形成され、前記コイルの軸方向から見た平面形状が長尺と短尺を有するリム部。
(5) 前記コイルの開口部内断面の上面外側に形成されたコアの上ヨーク部。
(6) 前記コイルの断面の下面外側に形成されたコアの下ヨーク部。
(7) 前記リム部の水平断面積S1、上ヨーク部の断面積S2及び下ヨーク部の断面積S3の比率が、S1:S2=1:0.6〜0.8、且つS1:S3=1:0.6〜0.8である。
(8) 前記長尺と前記短尺の比率が、1.2〜15:1である。
(1)コアの断面積と、開口部の形状の関係
本実施形態のリアクトルLは、図1の斜視図に示すように、長辺と短辺に比較して高さが低い側面を有する直方体の外形を有する。リアクトルLの側面の短辺と平行な方向を横断面、リアクトルLの側面の長辺と平行な方向を縦断面、リアクトルLの上部から見た方向を水平断面とする。それぞれの断面を図1に示す。リアクトルLは、図2の水平断面図に示すように、内周に長方形の開口部を備えたコイル1と、長辺と短辺に比較して高さが低い直方体の外形を有し、軟磁性粉末と樹脂を混合して構成され、その内部にコイル1を埋設したコア4を有する。
リム部41の水平断面積S1を1に固定し、上下のヨーク部42,43の断面積S2、S3比を5%ずつ変化させた時の解析値を図7に示す。この図7から分かるように、変化はほぼ直線的となり、S1:S2(=S3)が1:1.00の場合にインダクタンス値が最も高くなる。しかし、リアクトルを薄型化する場合、上下のヨーク部42,43の断面積S2、S3を小さくする必要があることから、単に薄型化しただけでは、磁路が狭くなりインダクタンス値が低下する。
以下、本実施形態のリアクトルの構成要素について説明する。本実施形態のリアクトルは、コアとして、軟磁性粉末である第1粉末と第2粉末とを混合し、それを樹脂によって硬化させたものである。硬化の方法としては、例えば、予め混合粉末と未硬化の樹脂を混合して、それを容器内に配置したコイルの周囲に注入・固化させるものと、混合粉末を容器内に配置したコイルの周囲に充填し、その状態で容器に振動を与えた後、混合粉末に未硬化の樹脂を含浸させて、硬化させるものがある。
第1粉末としては、Fe−6.5Si及びFe−3.5Siが好ましいが、その他の軟磁性粉末、例えば、純鉄、Fe−Si、Fe−Ni、Fe−Al、Fe−Co、Fe−Cr、Fe−N、Fe−C、Fe−B、Fe−P、Fe−Al−SiなどのFe基合金粉末、あるいは希土類金属粉末、非晶質金属粉末、フェライト粉末などが利用できる。
第2粉末としては、第1粉末と同一の材料を使用することができるが、異なる材料としても良い。第2粉末の平均粒子径は5μ〜12μmが好ましい。平均粒子径が12μmを超えると、100μ〜300μmの大きさを有する第1粉末に比較して粒径が大きすぎ、第2粉末が第1粉末間に形成される空隙を埋めきることができず、軟磁性複合材料の密度が低下する。5μmに満たない場合には、第2粉末の製造が困難になると共に、容器を振動した場合に第2粉末が容器底部に集中して、得られた軟磁性複合材料の密度が不均一になる。
樹脂は、第1粉末と第2粉末を均質に混合した状態で保持するものである。この樹脂としては、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が使用できる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂などが使用できる。紫外線硬化性樹脂としては、ウレタンアクリレート系、エポキシアクリレート系、アクリレート系、エポキシ系の樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、ポリイミドやフッ素樹脂などの耐熱性に優れた樹脂を使用することが好ましい。硬化剤を添加することにより硬化するエポキシ樹脂は、硬化剤の添加量などによってその粘度を調整できることから、本発明に適している。
容器としては、その内部にコイルを収容できる形状のものを使用する。一般的には、上方からコイルを挿入でき、また樹脂を注入できるように、上面開口型の箱形や皿形の容器を使用する。容器は、その全部または一部を樹脂成型品によって構成することが好ましい。樹脂成型品の主材料としては、例えば、不飽和ポリエステル系樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、BMC(バルクモールディングコンパウンド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)等を用いることができる。容器の全部または一部に、アルミニウムやマグネシウムなどの熱伝導性の高い金属を使用することができる。これらの金属と容器内のコアとを直接接触させることで、放熱性の向上を図ることができる。
コイルは、銅線などの導体に絶縁被覆を形成したものを使用する。導体としては、丸線や平角線などの表面にポリイミド樹脂などの絶縁ワニスを形成したものを使用することが好ましい。コイルは、シリコーン樹脂などの絶縁樹脂内に予め埋設したものを使用しても良いし、外装ケース内部にコイルケースを収納し、このコイルケース内にコイルを配置し状態で、コイルの周囲に絶縁樹脂を注入・固化したものでも良い。コイルを絶縁樹脂で被覆する場合には、導体の表面に絶縁ワニスなどをコーティングしなくても良い。本実施形態では、特に、平角線から成る導体をエッジワイズ巻にて巻回することで、リアクトル内におけるコイルの見掛けの断面積を小さくして、リアクトルの小型化を図ると共に、導体径の長辺に当たる線幅を冷却面と並行にすることでコイルの放熱性向上を可能としている。
本実施形態のリアクトルの製造方法を、図面に従って説明する。本製造方法は、コアを構成する軟磁性粉末を容器内に充填してから、軟磁性粉末に未硬化の樹脂を含浸させて、硬化するもので、容器はリアクトルの外装ケース3としてそのまま使用可能なものである。
本製造方法は、コアの製造時とは別に、予め絶縁樹脂の成型品15に埋設したコイル1を使用する。
図9に示すように、コイル1は、導体である銅線の表面に絶縁ワニスをコーティングした平角線を、長方形に4回×2層分巻回したもので、中心にリアクトルのリム部41となる長方形の開口部11が形成されている。コイル1の両端部12,13は、長方形をしたコイル1の一方の短辺側に、コイル1の最外周部分を延長する方向に引き出されている。コイル1の両端部12,13は、リアクトルに設ける端子2と接続するものであり、そのため、コイル1の巻回部分との間に段部14が設けられている。
図10に示すように、本発明の容器に相当する外装ケース3は、その内部にコイル1を配置することができる大きさと形状を有する直方体の部材で、上面と下面が開口した枠状の樹脂部31と、その下面の開口部を塞ぐ放熱板32とから構成されている。放熱板32は、枠状の樹脂部31に固定されている。この場合、樹脂部31と放熱板32との接合部分を一体成型することにより、外装ケース3内に充填した混合粉末7や含浸する樹脂が接合部分から洩れ出ないようになっている。なお、樹脂部31と放熱板32の接着には一体成型に限らず、接着剤を塗布するなどしても良い。一体成型としては、放熱板32に1つ以上の開口を設け、その開口に樹脂部31を構成する樹脂を流し込み、樹脂部31と共に固化させることで、放熱板32と樹脂部31とを一体に成型してもよい。放熱板32の開口は、リアクトル設置面から樹脂部31に向かって開口の断面が小さくなるようなテーパー状となっているとよい。
本製造方法においては、まず、第1粉末と第2粉末を混合して、混合粉末7を作成しておく。そして、図11に示すように、外装ケース3内に、絶縁樹脂の成型品15内に埋設したコイル1を配置する。その後、図12に示すように、外装ケース3の上面開口部から、外装ケース3と絶縁樹脂の成型品15との隙間に、予め用意した混合粉末7を充填する。この場合、混合粉末7は、外装ケース3の上縁部から、外装ケース3の樹脂部31の肉厚程度低い位置まで充填する。容器内に混合粉末7を充填した後は、容器全体を振動させることで、容器内の混合粉末7の密度を高める。振動の方法としては、容器全体をモータやカムなどを利用して上下または/及び前後左右に振動させたり、タッピングしたり、容器をハンマー状の部材で細かく叩く方法でも良い。容器全体を超音波振動子で振動させても良い。
本製造方法では、外装ケース3内に充填した混合粉末7を振動させることで、平均粒子径の大きな第1粉末の隙間に、平均粒子径の小さな第2粉末を確実に送り込むことができ、軟磁性粉末粒子を容器内に高密度で充填することができる。また、粘度の小さな樹脂8を使用することで、密度が高い混合粉末の狭い隙間にも樹脂8を円滑に含浸させることができ、使用する樹脂量を削減することができ、その点でも軟磁性粉末の密度の向上に繋がる。
本製造方法は、外装ケース3内にコイルケース6を配置して、コイル1を絶縁樹脂の成型品15に埋設する点が、第1の製造方法と相違する。以下にその相違点について詳細に説明する。
本製造方法のコイル1は、図14に示すように、第1の製造方法で使用したコイル1と同様なものを使用するが、絶縁樹脂の成型品15内に埋設していない単体を使用する。コイル1の両端部12,13に端子2が予め溶接されている点も同じである。ただし、第1の製造方法や第2の製造方法において、端子2を予め溶接することなく、リアクトルの組立後に溶接しても良い。本製造方法の端子2、外装ケース3、混合粉末7及び樹脂8は、第1の製造方法と同一のものを使用する。
本製造方法では、図14に示すように、外装ケース3内部に装着するコイルケース6を使用する。コイルケース6は、コイル1を外形に沿った上面開口型の箱形または皿形をした直方体の部材で、外装ケース3と同様な素材で作成されている。コイルケース6の中央部にはコイル1の中央に設けられた開口部11に合わせて、リアクトルのリム部となる開口部61が形成されている。コイルケース6の一方の短辺側には、両端部12,13の位置に合わせて凹部62が一体に設けられている。コイルケース6の対向する長辺には、それぞれ一対の位置決め用の突起63が設けられている。位置決め用の突起63の位置は、長辺に限らず、他の部分でも良い。
図15に示すように、上面が開口した外装ケース3内に、コイルケース6を配置する。この場合、コイルケース6に設けた位置決め用の突起63を樹脂部31の長辺の内面に当接させると共に、外装ケース3の凹部313内にコイルケース6の凹部62を嵌め込むことで、コイルケース6を外装ケース3内の適正な位置に保持させる。次いで、図16に示すように、コイルケース6内にコイル1単体を嵌め込む。この場合、コイル1の両端部12,13を、コイルケース6の凹部62内に嵌め込むと共に、コイル1の開口部11の内側にコイルケース6の開口部61を嵌め込むことで、コイルケース6内でのコイル1の位置決めを行う。
第1の製造方法と同様に、第1粉末や第2粉末の平均粒子径及び平均円形度を適切に選択し、これらに含浸する樹脂の粘度、含浸量を適切に選択したので、高密度及び高透磁率を達成することができる。コイル1の絶縁樹脂の周囲に、コイルケース6や蓋64が設けられているので、絶縁樹脂の成型品15の肉厚を少なくしても、十分な絶縁性能を確保できる。
[3.第1実施形態の作用効果]
本実施形態は、長方形の一例である角丸長方形(トラック型の長方形)に本発明を適用したものである。本発明において、長方形とは、少なくとも長辺に直線部分を有する、長尺方向と短尺方向を有する形状を意味するものであり、四隅の90°の角度の円弧状の面取り部分の半径が大きく、短辺に直線部分が存在しない形状も含む。図22は、第2実施形態のリアクトルの水平断面図であって、本発明のおける長尺Aはリム部41の水平断面の長さ寸法を指し、短尺Bはリム部41の水平断面の幅寸法を指す。また、上ヨーク部42の断面積S2と下ヨーク部43の断面積S3は円弧状をした90°の角度の面取り部分の1/2、すなわち45°の角度の位置を基準として決定する。
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではない。以上の実施形態は例として提示したものであって、その他の様々な形態で実施されることが可能である。発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲、要旨、その均等の範囲に含まれる。下記は、その一例である。
Claims (18)
- コアと、
前記コアの内部に埋設されたコイルと、
前記コイルの内周に設けられた開口部と、
前記コイルの前記開口部内に形成され、前記コイルの軸方向から見た平面形状が長尺と短尺を有するリム部と、
前記コイルの上面外側に形成されたコアの上ヨーク部と、前記コイルの下面外側に形成されたコアの下ヨーク部とを備え、
前記リム部の断面積S1、上ヨーク部の断面積S2及び下ヨーク部の断面積S3の比率が、S1:S2=1:0.6〜0.8、且つS1:S3=1:0.6〜0.8であり、
前記長尺と前記短尺の比率が、1.2〜15:1であるリアクトル。 - 前記コイルが平角線から成る導体を巻回して構成され、その横断面が略四角形である請求項1に記載のリアクトル。
- 前記コイルが前記導体をエッジワイズ巻きまたはフラットワイズ巻きで巻いている請求項2に記載のリアクトル。
- 前記コイルが前記導体をα巻きして巻き回されている請求項3に記載のリアクトル。
- 前記コイルが丸線から成る導体を巻回して構成されている請求項1に記載のリアクトル。
- 前記コアが上面開口型の容器内に収納され、前記容器の下面に前記コアの底面と接触する放熱板が設けられている請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記上面開口型の容器の壁部は樹脂であり、前記壁部と端子台が一体に形成されている請求項6に記載のリアクトル。
- 前記コイルの端部に、回り止め部を備えた端子が設けられている請求項6または請求項7に記載のリアクトル。
- 前記コイルの周囲に絶縁樹脂が設けられ、その絶縁樹脂の外側に前記コアが形成されている請求項6から請求項8のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記絶縁樹脂に、前記コイルの位置決め部材が設けられている請求項9に記載のリアクトル。
- 前記位置決め部材が、コイルの下部に空間部を確保するものであり、この空間部にコアが充填されている請求項10に記載のリアクトル。
- 前記コイルがコイルケース内に収容され、コイルケースの内側に絶縁樹脂が設けられている請求項9に記載のリアクトル。
- 前記コイルケースが蓋を有するものであり、その蓋に開口部が設けられている請求項12に記載のリアクトル。
- 前記コイルケースに、前記コイルの位置決め部材が設けられている請求項12または請求項13に記載のリアクトル。
- 前記位置決め部材が、コイルケースの下部に空間部を確保するものであり、この空間部分にコアが充填されている請求項14に記載のリアクトル。
- 前記容器に、前記位置決め部材が係合する外れ止め部が設けられている請求項10、11、14、15のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記コアが、軟磁性粉末と樹脂を混合して、前記容器内に充填して硬化させたものである請求項6から請求項16のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記コアが、前記容器内に軟磁性粉末を充填して振動した後、前記軟磁性粉末に樹脂を含浸させて硬化させたものである請求項6から請求項16のいずれか1項に記載のリアクトル。
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