WO2011158631A1 - リアクトル - Google Patents

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WO2011158631A1
WO2011158631A1 PCT/JP2011/062197 JP2011062197W WO2011158631A1 WO 2011158631 A1 WO2011158631 A1 WO 2011158631A1 JP 2011062197 W JP2011062197 W JP 2011062197W WO 2011158631 A1 WO2011158631 A1 WO 2011158631A1
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WO
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core portion
coil
inner core
reactor
intervening
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PCT/JP2011/062197
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English (en)
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Inventor
和宏 稲葉
伸一郎 山本
晴久 豊田
Original Assignee
住友電気工業株式会社
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Publication date
Application filed by 住友電気工業株式会社 filed Critical 住友電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F37/00—Fixed inductances not covered by group H01F17/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F2003/106—Magnetic circuits using combinations of different magnetic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F2017/048—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with encapsulating core, e.g. made of resin and magnetic powder

Definitions

  • the present invention relates to a reactor used for a component part of a power conversion device such as an in-vehicle DC-DC converter.
  • a reactor used for a component part of a power conversion device such as an in-vehicle DC-DC converter.
  • it relates to a small reactor.
  • Patent Document 1 is one of the circuit components that perform voltage step-up and step-down operations.
  • a reactor utilized for the converter mounted in vehicles such as a hybrid vehicle.
  • Patent Document 1 a cylindrical inner core portion disposed on the inner periphery of one coil, a cylindrical core portion disposed so as to cover the outer periphery of the coil, and a pair disposed on each end surface of the coil.
  • a reactor including a so-called pot-shaped core, which is an E-shaped magnetic core having a disc-shaped core portion (Patent Document 1) is disclosed.
  • the inner core portion and the cylindrical core portion arranged concentrically are connected by the disk-shaped core portion to form a closed magnetic path.
  • Patent Document 1 discloses that a small reactor can be obtained by reducing the cross-sectional area of the inner core portion by making the saturation magnetic flux density of the inner core portion higher than that of the cylindrical core portion and the disk-shaped core portion. Is disclosed.
  • the gap between the coil and the inner core portion As small as possible. However, if this interval is small, the magnetic flux leaking from the inner core may enter the coil and cause loss. In particular, when a gap of a non-magnetic material for adjusting the inductance of the reactor is interposed in the middle of the inner core in the axial direction, magnetic flux leaks from the portion where the gap is provided, and the loss is similarly caused. Will be generated. On the other hand, if the clearance gap between a coil and an inner core part is taken large, it will become restrictions with respect to size reduction of a reactor.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to provide a reactor that can be reduced in size while taking into account the reduction of loss.
  • the reactor of the present invention includes both a coil formed by winding a winding, an inner core portion inserted into the coil, and a connecting core portion that covers the outer periphery of the coil by being coupled to the end of the inner core portion. And a magnetic core that forms a closed magnetic path by the core portion.
  • the reactor includes an intervening core portion between the coil and the inner core portion. When the inner area of the coil is S1 and the transverse area of the intervening core portion is S2, 0 ⁇ S2 / S1 ⁇ 0.15 is satisfied, the saturation magnetic flux density of the inner core portion is B1, and the saturation of the connecting core portion When the magnetic flux density is B2 and the saturation magnetic flux density of the intervening core part is B3, B1> B2 and B1> B3 are satisfied.
  • the intervening core portion fills the gap between the coil and the inner core, thereby suppressing the leakage magnetic flux from the inner core to the coil, and the total of iron loss and copper loss is increased even if the inductance is increased.
  • the rate of increase in loss can be reduced.
  • the saturation magnetic flux density of each part to B1> B2 and B1> B3 since there is no intervening core part and the cross-sectional area of the inner core part can be reduced compared to the case where B1 ⁇ B2, the coil An outer diameter can be made small and it can contribute to size reduction of a reactor.
  • S2 / S1 preferably satisfies 0 ⁇ S2 / S1 ⁇ 0.04.
  • the inner core portion is composed of a green compact.
  • the connecting core portion and the interposing core portion are made of a mixture of a magnetic material and a resin, and the inner core portion, the interposing core portion, and each of the connecting core portions are integrated with the resin. It is mentioned that.
  • the magnetic core is configured in addition to the gap for adjusting the inductance of the reactor. It is not necessary to use an adhesive for joining the divided pieces or the divided pieces and the gap. Therefore, it can be set as a smaller reactor.
  • a magnetic core having predetermined characteristics can be formed, and a reactor can be manufactured.
  • the formation of the connecting core part and the intervening core part, the formation of the magnetic core, and the production of the reactor can be performed simultaneously.
  • the connecting core part and the intervening core part are made of a mixture of a magnetic material and a resin, a magnetic core having desired magnetic characteristics can be easily obtained by adjusting the blending ratio of the magnetic material and the resin. Can be formed.
  • the saturation magnetic flux density B1 of the inner core portion is 1.2 times or more of the saturation magnetic flux density B2 of the connecting core portion, the inner core portion has a relatively sufficiently high saturation magnetic flux density.
  • the cross-sectional area of the inner core portion can be reduced. Therefore, the reactor of this form can be made small.
  • the saturation magnetic flux density B1 of the inner core portion is preferably 1.5 times or more, more preferably 1.8 times or more of the saturation magnetic flux density B2 of the connecting core portion, and there is no particular upper limit.
  • the saturation magnetic flux density (absolute value) B1 of the inner core portion is preferably as high as possible, and is preferably 1.8 T or more, more preferably 2 T or more, and no upper limit is particularly provided.
  • the constituent materials of the inner core portion and the connecting core portion may be adjusted so as to satisfy the saturation magnetic flux density.
  • the reactor includes a case that houses an assembly of the coil and the magnetic core, and the coil and the inner core portion are sealed to the case by a resin that constitutes the connecting core portion and the interposing core portion. It is mentioned that.
  • the coil and the magnetic core can be protected by the case. Further, by using the constituent resin of the connecting core portion and the intervening core portion as the sealing resin, it is not necessary to prepare a potting resin separately as in the prior art.
  • FIG. 1A is a schematic longitudinal sectional view of a reactor according to Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the reactor according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic longitudinal sectional view of a reactor according to the second embodiment.
  • FIG. 2B is a schematic longitudinal sectional view of the reactor according to the third embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the area ratio S2 / S1 and the total loss / L.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the area ratio S2 / S1 and the copper loss / L.
  • the reactor 1A according to the present invention is characterized in that the area ratio S2 / S1 between the area S1 inside the coil 10 and the cross-sectional area S2 of the intervening core portion 25 and the saturation magnetic flux densities B1 to B3 of each core portion are predetermined.
  • the point is defined in the range.
  • the coil 10 is a cylindrical body formed by spirally winding one continuous winding.
  • the winding is preferably a coated wire having an insulating coating made of an insulating material on the outer periphery of a conductor made of a conductive material such as copper or aluminum.
  • a coated rectangular wire is used in which the conductor is made of a rectangular copper wire and the insulating coating is made of enamel.
  • a typical example of the constituent material of the insulating coating is polyamideimide.
  • the thickness of the insulating coating is preferably 20 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, and the thicker the pinholes can be reduced, the higher the insulation.
  • the windings can be used in various shapes such as a circular shape and a polygonal shape in addition to the conductor made of a flat wire.
  • the coil 10 is formed in a cylindrical shape by winding the coated rectangular wire edgewise. By making it cylindrical, the coil 10 can be formed relatively easily even with edgewise winding.
  • the coil may be formed in a rectangular tube shape. For example, the number of turns of the coil 10 is about 30 to 60.
  • the magnetic core 20 includes a cylindrical inner core portion 21 inserted into the coil 10, a connecting core portion 23 formed so as to cover both end portions of the inner core portion 21 and the outer peripheral surface of the coil 10, and the coil 10.
  • An intervening core portion 25 interposed between the inner core portion 21 and the inner core portion 21 is provided.
  • the magnetic core 20 has different magnetic properties because the constituent material of the inner core portion 21 is different from the constituent materials of the connecting core portion 23 and the intervening core portion 25.
  • the inner core portion 21 has a higher saturation magnetic flux density than the connecting core portion 23 and the intervening core portion 25.
  • a powder compact with a high saturation magnetic flux density can be obtained by using a soft magnetic powder with a high saturation magnetic flux density or by increasing the proportion of the soft magnetic material by reducing the blending amount of the binder.
  • the saturation magnetic flux density tends to be increased by changing the molding pressure, specifically, by increasing the molding pressure. It is advisable to select the material of the soft magnetic powder and adjust the molding pressure so as to obtain a desired saturation magnetic flux density.
  • the soft magnetic powder includes Fe-based alloy powders such as Fe-Si, Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Co, Fe-Cr, and Fe-Si-Al as well as iron group metal powders such as Fe, Co, and Ni. Or rare earth metal powder, ferrite powder, etc. can be used.
  • the Fe-based alloy powder is easy to obtain a green compact with a high saturation magnetic flux density.
  • Such a powder can be produced by an atomizing method (gas or water), a mechanical pulverization method, or the like.
  • a powder made of a nanocrystalline material having a nano-sized crystal preferably a powder made of an anisotropic nanocrystalline material, a compact with a high anisotropy and low coercive force is obtained.
  • Examples of the insulating coating formed on the soft magnetic powder include phosphoric acid compounds, silicon compounds, zirconium compounds, aluminum compounds, and boron compounds.
  • Examples of the binder include thermoplastic resins, non-thermoplastic resins, and higher fatty acids. This binder disappears by the above baking, or changes to an insulator such as silica. Even if the compacted body has an insulator such as an insulating coating, the soft magnetic powders are insulated from each other, eddy current loss can be reduced, and even when high-frequency power is applied to the coil 10, The loss can be reduced.
  • a compacting body is a well-known thing, for example, the thing provided with the coating film of the multilayer structure provided with the said insulating film, a heat resistant film, and a flexible film in order on the surface of the particle
  • the heat-resistant film is made of a material containing an organic silicon compound and having a siloxane crosslinking density of more than 0 and less than 1.5, and the flexible film is selected from silicone resin, epoxy resin, phenol resin, and amide resin. And at least one kind of resin.
  • the inner core portion 21 may be a solid body made entirely of a green compact, or may have a structure in which a gap material, an air gap, or an adhesive is interposed between a plurality of divided pieces made of a green compact. Good. In the former case, since it has a gapless structure, the problem of leakage magnetic flux (schematically illustrated by a broken line in FIG. 1A) due to the existence of the gap can be alleviated. In the latter case, the inductance of the reactor 1A can be easily provided by providing the gap. Can be adjusted.
  • the inner core part 21 is comprised with the solid body which consists of a compacting body.
  • the length of the inner core portion 21 can be selected from the case where it is equal to the length of the coil 10 in the axial direction (hereinafter simply referred to as the length of the coil 10), slightly shorter, or slightly longer. However, it is preferable that the length of the inner core portion 21 is equal to or greater than the length of the coil 10 so that the magnetic flux generated by the coil 10 can be sufficiently passed through the inner core portion 21.
  • the protruding length may be different between one end side and the other end side of the inner core portion 21.
  • the coil 10 and the magnetic core 20 are housed in a case 30 to be described later, but the protruding length is longer than the upper end side of the inner core portion 21.
  • the lower end surface of the inner core portion 21 is arranged on the bottom surface of the case 30 so as to be longer. By doing so, the inner core portion 21 can be stably disposed in the case 30, so that a connecting core portion 23 described later can be easily formed.
  • the inner core portion 21 is formed of a compacted body made of a soft magnetic material in which a silicone coating is formed on a phosphate coating.
  • the saturation magnetic flux density B1 is 1.8T and the relative permeability is 250.
  • a preferable range of the saturation magnetic flux density B1 is 1.6 T or more and 1.2 times or more of the saturation magnetic flux density B2 of the connecting core portion 23, and a preferable range of the relative magnetic permeability is 100 to 500.
  • the connecting core portion 23 is connected to both end portions of the inner core portion 21 and is configured to cover the outer peripheral surface of the coil 10.
  • the connection between the connecting core portion 23 and the inner core portion 21 may be performed on the outer peripheral surface of the end portion of the inner core portion 21 or may be performed on the end surface of the inner core portion 21.
  • the lower end side of the inner core portion 21 has the former connection structure, and the upper end side has the latter connection structure.
  • the connection structure in the both ends of the inner core part 21 may be the same structure.
  • the magnetic core 20 forms a closed magnetic path by the connecting core portion 23 and the inner core portion 21.
  • a mixture (molded and cured body) of a magnetic material and a resin can be suitably used. If a molding hardening body is used for the connection core part 23, the coil 10, the inner core part 21, and the interposition core part 25 mentioned later can be integrated with the constituent resin of the connection core part 23, without interposing an adhesive agent.
  • This molded cured body can typically be formed by injection molding or cast molding.
  • Injection molding usually involves mixing a powder made of a magnetic material (mixed powder with non-magnetic powder added if necessary) and a fluid binder resin, and molding this mixed fluid under a predetermined pressure. After pouring into a mold and molding, the binder resin is cured. In cast molding, a mixed fluid similar to that of injection molding is obtained, and then the mixed fluid is injected into a molding die without applying pressure to be molded and cured.
  • the same magnetic material as the soft magnetic powder used for the inner core portion 21 can be used as the magnetic material.
  • an iron-based material such as pure iron powder or Fe-based alloy powder having an average particle diameter of 10 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less can be suitably used. Since the iron-based material generally has a higher saturation magnetic flux density than a magnetic material such as ferrite, if a magnetic powder made of an iron-based material is used as a raw material, the connecting core portion 23 having a higher saturation magnetic flux density can be obtained.
  • a coating powder having a coating made of iron phosphate or the like on the surface of particles made of a soft magnetic material may be used.
  • thermosetting resin such as an epoxy resin, a phenol resin, or a silicone resin
  • the binder resin When a thermosetting resin is used as the binder resin, the molded body is heated to thermoset the resin.
  • a normal temperature curable resin or a low temperature curable resin may be used as the binder resin.
  • the molded body is allowed to stand at a normal temperature to a relatively low temperature to be cured. Since the molded cured body contains a large amount of binder resin, which is a non-magnetic material, even if the same soft magnetic powder as the powder molded body constituting the inner core portion 21 is used, the saturation magnetic flux density is higher than that of the powder molded body. It is easy to reduce the permeability and the magnetic permeability.
  • a filler made of ceramics such as alumina or silica may be mixed in addition to the magnetic material powder and the binder resin.
  • the powder may precipitate due to its own weight, and the density of the magnetic material in the connecting core portion 23 may become non-uniform.
  • the content of the filler may be 20 volume% to 70 volume% when the connecting core portion 23 is 100 volume%.
  • the combination of the magnetic material powder and the binder resin When using the above injection molding or cast molding, the combination of the magnetic material powder and the binder resin.
  • the magnetic core powder, binder resin, and filler composition can be changed to change the connecting core portion.
  • the relative permeability of 23 and the saturation magnetic flux density can be adjusted. For example, when the blending amount of the magnetic material powder is decreased, the relative magnetic permeability tends to decrease.
  • the relative permeability and saturation magnetic flux density of the connecting core portion 23 may be adjusted so that the reactor 1A has a desired inductance.
  • the connecting core portion 23 is an iron-based material having an average particle size of 100 ⁇ m or less, and is formed of a molded and cured body of a coating powder including the above-described coating and an epoxy resin.
  • the saturation magnetic flux density B2 is 1T, and the relative permeability is 10.
  • a preferable range of the saturation magnetic flux density B2 is 0.5 T or more and less than the saturation magnetic flux density B1 of the inner core portion 21, and a more preferable range of the relative permeability is 5 to 50, and a more preferable range is 5 to 30. is there.
  • an intervening core portion 25 is formed between the coil 10 and the inner core portion 21.
  • the intervening core portion 25 fills at least a part between the coil 10 and the inner core portion 21, and allows the leakage magnetic flux from the inner core portion 21 to pass through the intervening core portion 25, so that the leakage magnetic flux passes through the coil 10. Suppresses the increase in loss.
  • the intervening core portion 25 is also formed of a molded and hardened body like the connecting core portion 23. Since the intervening core portion 25 is also formed of a molded hardened body, each of the coil 10, the inner core portion 21, and the connecting core portion 23 and the intervening core portion 25 can be easily integrated. In that case, the interposition core part 25 may be comprised with the same material as the connection core part 23, and may be comprised with a different material. This different material includes not only the case where the magnetic material and the resin constituting the molded cured body are different from each other, but also the case where both the magnetic material and the resin are the same, but the mixing ratio is different. .
  • connection core part 23 and the interposition core part 25 can be formed collectively.
  • the intervening core portion 25 is an iron-based material having an average particle size of 100 ⁇ m or less, and is formed of a molded and hardened body of a coating powder including the above-described coating and an epoxy resin. Therefore, the saturation magnetic flux density B3 of the intervening core portion 25 is 1T, and the relative permeability is 10.
  • a preferable range of the saturation magnetic flux density B3 is 0.5 T or more and less than the saturation magnetic flux density B1 of the inner core portion 21, and a preferable range of the relative magnetic permeability is 5 to 50, and a more preferable range is 5 to 30. .
  • the inner core portion 21, and the intervening core portion 25 when the area inside the coil 10 is S1 and the transverse area of the intervening core portion 25 is S2, 0 ⁇ S2 / S1 ⁇ 0. 15 is satisfied.
  • the area S1 inside the coil 10 is an area in the turn of the coil 10 when the coil 10 is viewed in the axial direction.
  • the cross-sectional area S2 of the intervening core portion 25 is a cross-sectional area of the intervening core portion 25 cut in a direction orthogonal to the axial direction of the coil 10.
  • the inner core part 21 is configured with a uniform area in the longitudinal direction
  • the intervening core part 25 formed on the outer periphery thereof is also configured with a uniform area in the longitudinal direction.
  • the maximum cross-sectional area is defined as the cross-sectional area S2 of the intervening core part 25.
  • the area ratio is 0 ⁇ S2 / S1 ⁇ 0.15
  • the ratio of the total loss to the inductance of the reactor 1A can be reduced, as will be apparent from a test example described later. That is, the increase rate of the total loss can be suppressed and the inductance can be increased. Therefore, it is expected that the same inductance can be realized with a smaller volume reactor, and the reactor 1A can be reduced in size.
  • the upper limit of the area ratio is exceeded, the area of the intervening core portion 25 having a small saturation magnetic flux density is increased inside the coil 10, so that it is difficult to reduce the size of the reactor 1 ⁇ / b> A.
  • a more preferable range of the area ratio is 0 ⁇ S2 / S1 ⁇ 0.04.
  • the ratio of the copper loss with respect to the inductance of reactor 1A can also be reduced. That is, the increase rate of copper loss can be suppressed and the inductance can be increased. Therefore, the same inductance can be realized by a reactor having a smaller volume, and further reduction in size of the reactor 1A can be expected.
  • the area ratio S2 / S1 can be adjusted by appropriately selecting the inner diameter of the coil 10 and the outer diameter of the inner core portion 21. This is because the intervening core portion 25 is formed by filling the mixture of the magnetic material and the resin between the coil 10 and the inner core portion 21.
  • the saturation magnetic flux density B3 of the intervening core portion 25 is preferably the same as the saturation magnetic flux density B2 of the connecting core portion 23, but may be different. That is, B1> B3> B2 or B1> B2> B3 may be used.
  • an insulator (not shown) at a location where the coil 10 contacts the magnetic core 20.
  • an insulating tape may be attached to the inner and outer peripheral surfaces of the coil 10, and insulating paper or an insulating sheet may be disposed.
  • a bobbin (not shown) made of an insulating material may be disposed on the outer periphery of the inner core portion 21. As for the bobbin, the cylindrical body which covers the outer periphery of the inner core part 21 is mentioned.
  • an insulating resin such as polyphenylene sulfide (PPS) resin, liquid crystal polymer (LCP), polytetrafluoroethylene (PTFE) resin can be suitably used.
  • “Case” 1A and 1B is a form including a case 30 that houses a combination of a coil 10 and a magnetic core 20.
  • the coil 10 and the inner core portion 21 are sealed in the case 30 with a resin constituting the connecting core portion 23. That is, the constituent resin of the connecting core portion 23 also functions as a sealing material for the coil 10 and the inner core portion 21.
  • the axial direction of the coil 10 is orthogonal to the surface (the surface on the lower side in FIG. 1A) that is the installation side of the reactor 1 ⁇ / b> A when the reactor 1 ⁇ / b> A is placed on the installation target (not shown).
  • the coil 10 is stored in the container.
  • the orientation of the arrangement of the coil 10 with respect to the case 30 can be selected as appropriate.
  • the material, shape, and size of the case 30 can be selected as appropriate. For example, it is good also as the cylindrical case 30 along the said assembly.
  • the case 30 is made of a metal such as aluminum, and has a rectangular bottom surface and a side wall erected from the bottom surface.
  • a protrusion provided on the inner peripheral surface of the side wall suppresses the rotation of the coil 10, and a guide protrusion that functions as a guide when the coil 10 is inserted;
  • a positioning part that protrudes to one corner of the peripheral surface and is used for positioning of the end of the winding, and protrudes from the bottom surface on the inner peripheral surface of the case 30 to support the coil 10 and positions the height of the coil 10 with respect to the case 30 A thing provided with a coil support part (illustration omitted) is mentioned.
  • the coil 10 can be accurately placed at a desired position in the case 30, and the position of the inner core portion 21 with respect to the coil 10 is also reduced. It is determined with high accuracy.
  • the guide protrusion, the positioning portion, and the coil support portion may not be all provided, but may have at least one. These parts may be integrally configured as a part of the case 30, or separate members may be prepared, and these separate members may be accommodated in the case 30 and used as guide protrusions or the like.
  • the separate member housed in the case 30 is a molded hardened body made of the same material as the constituent material of the connecting core portion 23, it can be easily integrated when the connecting core portion 23 (intervening core portion 25) is formed. Another member can be used for the magnetic path.
  • the case 30 may be provided with a mounting portion having a bolt hole for fixing the reactor 1A to an installation target (not shown) with a bolt. By having the mounting portion, the reactor 1 ⁇ / b> A can be easily fixed to the installation target with a bolt.
  • Reactor 1A having the above-described configuration has applications such as maximum current (direct current): about 100A to 1000A, average voltage: about 100V to 1000V, use frequency: about 5kHz to 100kHz, typically electric It can be suitably used as a component part of an in-vehicle power converter such as an automobile or a hybrid automobile.
  • the inductance of the reactor 1A can be suitably used so that the inductance when the DC current is 0A: 10 ⁇ H or more and 1 mH or less and the inductance when the maximum current is applied: 30% or more of the inductance when the current is 0A is satisfied. It is expected.
  • the size of the reactor 1 ⁇ / b> A having the above configuration can be appropriately selected within a range that satisfies a desired inductance and satisfies the area ratio and the saturation magnetic flux density.
  • a desired inductance for example, when the reactor 1A of the vehicle component, and the capacity of the reactor 1A, including the case 30 as a 0.2 l (200 cm 3) ⁇ 0.8 liters (800 cm 3) the extent (in this case, 230 cm 3).
  • reactor 1A satisfies the above size, it is small in size and can be suitably used for in-vehicle components.
  • Reactor 1A can be manufactured as follows. First, the inner core part 21 which consists of the coil 10 and a compacting body is prepared, the inner core part 21 is inserted in the coil 10, and the assembly of the coil 10 and the inner core part 21 is produced. As described above, an insulator may be appropriately disposed between the coil 10 and the inner core portion 21.
  • the assembly is stored in the case 30.
  • the assembly can be accurately placed at a predetermined position in the case 30 by using the above-described guide protrusion or the like.
  • a mixed fluid of a magnetic material and a binder resin constituting the connecting core portion 23 and the interposing core portion 25 is appropriately poured to form the connecting core portion 23 and the interposing core portion 25 having a predetermined shape, Reactor 1A is obtained by curing the binder resin.
  • the reactor 1A may be manufactured as follows. First, the inner core portion 21 is accommodated in a cylindrical container-shaped mold, and a mixed fluid of a magnetic material and a binder resin constituting the interposing core portion 25 is appropriately poured between the mold and the inner core portion 21 to bind the binder. The resin is cured. Next, the molded product is extracted from the mold, and a composite core part in which the inner core part 21 and the intervening core part 25 are integrated is produced. Subsequently, the composite core portion is inserted into the coil 10, and the assembly of the coil 10 and the composite core portion is stored in the case 30. And the mixed fluid used as the connection core part 23 is poured in in the case 30, the binder resin is hardened, and the reactor 1A is obtained. According to this method, the connection core part 23 and the interposition core part 25 can be comprised with a different material.
  • the reactor 1A of this example has an adhesive-less structure that does not use any adhesive, and is excellent in productivity because a gap material joining step or the like is not required in forming the inner core portion 21.
  • the reactor 1A simultaneously with the formation of the connecting core portion 23 and the intervening core portion 25, the inner core portion 21 and the connecting core portion 23, the inner core portion 21 and the interposing core portion 25, and the like by the constituent resin of the connecting core portion 23, The magnetic core 20 is formed by joining the intervening core portion 25 and the connecting core portion 23, and as a result, the reactor 1A can be manufactured. Therefore, there are few manufacturing processes and it is excellent in productivity also from this point.
  • the reactor 1A of the present example by adjusting the inner core portion 21 to a green compact, the saturation magnetic flux density can be easily adjusted, and even a complicated three-dimensional shape can be easily formed. From the point of view, it is excellent in productivity.
  • Embodiment 2 in which the configurations of the inner core portion 21 and the connecting core portion 23 are different from those in Embodiment 1 will be described with reference to FIG. 2A.
  • the following description will mainly be made on differences from the first embodiment, and the other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus description thereof will be omitted.
  • This reactor 1B is different from the first embodiment in that the connecting core portion 23 is also joined to the lower end surface of the inner core portion 21. That is, the configuration of the upper end side and the lower end side of the inner core portion 21 can be made more uniform.
  • this reactor 1B does not use a case.
  • the reactor 1B is obtained by housing a combination of the coil 10 and the inner core portion 21 in a molding die and pouring a mixed fluid constituting the connecting core portion 23 and the intervening core portion 25 into the molding die.
  • the coil 10 and the inner core portion 21 are held at a distance from the bottom surface of the mold.
  • a support block made of the same material as the connecting core portion 23 (intervening core portion 25) is placed on the bottom surface of the mold, and the coil 10 and the inner core portion 21 are placed on the support block. Just do it.
  • the reactor 1B can be manufactured by extracting a molded object from a shaping
  • the reactor 1 ⁇ / b> B of this example also has an intervening core portion 25 formed between the inner core portion 21 and the coil 10, and the intervening core portion 25 is made of the same material as the connecting core portion 23. It is common.
  • the configuration of the upper end side and the lower end side of the inner core portion 21 can be made more uniform, and the magnetic flux passing through the magnetic core 20 can be homogenized.
  • Embodiment 3 provided with a gap in the middle of the inner core portion 21 will be described with reference to FIG. 2B.
  • the following description will mainly be made on differences from the second embodiment, and the other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.
  • the inner core portion 21 includes a plurality of divided pieces made of a compacted body, and a gap 40 interposed between these divided knitting pieces.
  • the inner core portion 21 is constituted by two divided pieces, but the number of divided pieces is not particularly limited.
  • the gap 40 is used to adjust the inductance of the reactor 1C, and a nonmagnetic material such as alumina can be suitably used.
  • the number of gaps 40 is not particularly limited. What is necessary is just to select the number of the gaps 40 according to the required inductance of the reactor 1C.
  • the reactor 1 ⁇ / b> C of this example also has an intervening core portion 25 formed between the inner core portion 21 and the coil 10, and the intervening core portion 25 is made of the same material as the connecting core portion 23.
  • the connection core part 23 is connected to both end faces of the same as in the second embodiment.
  • the inductance of each model in this trial calculation is calculated using the value when the current flowing through the coil is 270A.
  • the ratio between the outer diameter of the inner core and the inner diameter of the coil is 1: 1.15.
  • JMAG manufactured by JSOL Co., Ltd.
  • JSOL Co., Ltd. electromagnetic CAE analysis software
  • the inductance increase rate is greater than the loss increase rate. It is clear that That is, it is preferable to provide an intervening core part, and it can be expected to reduce the size of the reactor. Further, as is apparent from Table 1 and FIG. 4, when the area ratio S2 / S1 is about 0.04 or less and about 4% or less in%, the copper loss / L is less than 1, and the volume of the reactor If is constant, it can be seen that the inductance can be improved while suppressing the increase rate of the copper loss.
  • the reactor of the present invention can be used as a component of a power conversion device such as a bidirectional DC-DC converter mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, or a fuel cell vehicle.
  • a power conversion device such as a bidirectional DC-DC converter mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, or a fuel cell vehicle.

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Abstract

巻線を巻回してなるコイル１０と、このコイル１０内に挿通された内側コア部２１、及びこの内側コア部２１の端部に結合して、前記コイル１０の外周を覆う連結コア部２３の両コア部により閉磁路を形成する磁性コア２０とを備えるリアクトル１Ａであって、コイル１０と内側コア部２１との間には、介在コア部２５を設け、コイル１０の内側の面積をＳ１、介在コア部２５の横断面積をＳ２とするとき、０＜Ｓ２／Ｓ１＜０．１５を満たし、内側コア部２１の飽和磁束密度をＢ１、連結コア部２３の飽和磁束密度をＢ２、介在コア部２５の飽和磁束密度をＢ３とするとき、Ｂ１＞Ｂ２及びＢ１＞Ｂ３を満たすことにより、損失の低減を考慮しつつ小型化できるリアクトルを提供する。

Description

リアクトル
　本発明は、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に用いられるリアクトルに関するものである。特に、小型な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、ハイブリッド自動車などの車両に載置されるコンバータに利用されるリアクトルとして、特許文献１に記載のものがある。特許文献１では、一つのコイルの内周に配置される円柱状の内側コア部と、このコイルの外周を覆うように配置される円筒状コア部と、このコイルの各端面に配置される一対の円板状コア部とを備える断面Ｅ字状の磁性コア、所謂ポット型コアを備えるリアクトルを開示している（特許文献１）。ポット型コアでは、上記円板状コア部により、同心状に配置された内側コア部及び円筒状コア部が連結されて閉磁路を形成する。また、特許文献１には、内側コア部の飽和磁束密度を円筒状コア部及び円板状コア部よりも高くすることで内側コア部の断面積を小さくして、小型なリアクトルが得られることが開示されている。
特開２００９－０３３０５１号公報
　このようなリアクトルを小型化するには、コイルと内側コア部との隙間をできる限り小さくすることが望ましい。しかし、この間隔が小さいと、内側コアから漏れた磁束がコイルに入り込み損失が生じることがある。特に、内側コアの軸方向の中間に、リアクトルのインダクタンスを調整するための非磁性材料のギャップが介在されている場合、このギャップが設けられた個所からも磁束の漏れが起こり、やはり同様に損失を生じさせることになる。一方で、コイルと内側コア部との隙間を大きくとると、リアクトルの小型化に対する制約となる。
　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、損失の低減を考慮しつつ小型化できるリアクトルを提供することにある。
　本発明のリアクトルは、巻線を巻回してなるコイルと、このコイル内に挿通された内側コア部、及びこの内側コア部の端部に結合して前記コイルの外周を覆う連結コア部の両コア部により閉磁路を形成する磁性コアとを備える。このリアクトルは、前記コイルと内側コア部との間に介在コア部を備える。そして、前記コイルの内側の面積をＳ１、介在コア部の横断面積をＳ２とするとき、０＜Ｓ２／Ｓ１＜０．１５を満たし、内側コア部の飽和磁束密度をＢ１、連結コア部の飽和磁束密度をＢ２、介在コア部の飽和磁束密度をＢ３とするとき、Ｂ１＞Ｂ２及びＢ１＞Ｂ３を満たす。
　この構成によれば、介在コア部がコイルと内側コアとの隙間を埋めることで、内側コアからコイルへの漏洩磁束を抑制し、インダクタンスを上昇させても鉄損と銅損の合計である全損失の増加割合を低減することができる。また、各部の飽和磁束密度をＢ１＞Ｂ２及びＢ１＞Ｂ３とすることで、介在コア部がなく、かつＢ１≦Ｂ２とした場合と比較して、内側コア部の横断面積を小さくできることからコイルの外径を小さくでき、リアクトルの小型化に寄与することができる。
　本発明のリアクトルにおいて、Ｓ２／Ｓ１が０＜Ｓ２／Ｓ１＜０．０４を満たすことが好ましい。
　この構成によれば、インダクタンスを上昇させても全損失の増加割合を低減することに加え、銅損の増加割合を抑えることができる。
　本発明のリアクトルにおいて、前記内側コア部は、圧粉成形体から構成されていることが挙げられる。
　内側コア部の構成材料には、連結コア部の構成材料よりも飽和磁束密度が高いものを利用する。高い飽和磁束密度が得やすい材料として、圧粉成形体が好適に利用できる。圧粉成形体は、三次元形状の部材を簡単に形成できるため、例えば、コイルの内周面の形状に適合した外形を有する内側コア部を容易に形成することができる。
　本発明のリアクトルにおいて、前記連結コア部と介在コア部は、磁性材料と樹脂との混合物から構成されており、前記内側コア部と介在コア部及び連結コア部の各々とが前記樹脂により一体化されていることが挙げられる。
　この構成によれば、内側コア部と介在コア部、及び内側コア部と連結コア部とが樹脂により一体化されていると、リアクトルのインダクタンスを調整するためのギャップの他、磁性コアを構成する分割片同士や分割片とギャップとを接合するための接着剤を用いなくてもよい。そのため、より小型なリアクトルとすることができる。特に、上記樹脂によりコイル、内側コア部、連結コア部及び介在コア部とを一体に成形することで、所定の特性を有する磁性コアを形成できると共に、リアクトルを製造することができる。このように連結コア部及び介在コア部の形成、磁性コアの形成、及びリアクトルの製造を同時に行える。更に、上述のように所謂ギャップレス構造とすれば、部品点数が少ない上に、製造工程数を低減できる。その他、この形態では、連結コア部及び介在コア部を、磁性材料と樹脂との混合物とすることから、磁性材料と樹脂の配合割合を調整することで、所望の磁気特性を有する磁性コアを容易に形成することができる。
　本発明のリアクトルにおいて、前記内側コア部の飽和磁束密度Ｂ１は、１．６Ｔ≦Ｂ１、及び１．２×Ｂ２≦Ｂ１を満たすことが挙げられる。
　この構成によれば、内側コア部の飽和磁束密度Ｂ１が連結コア部の飽和磁束密度Ｂ２の１．２倍以上であることで、内側コア部が相対的に十分に高い飽和磁束密度を有しており、内側コア部の断面積を小さくできる。従って、この形態のリアクトルは小型にできる。特に、内側コア部の飽和磁束密度Ｂ１が連結コア部の飽和磁束密度Ｂ２の１．５倍以上、更に１．８倍以上がより好ましく、特に上限は設けない。また、内側コア部の飽和磁束密度（絶対値）Ｂ１は、高いほど好ましく、１．８Ｔ以上、更に２Ｔ以上が好ましく、特に上限は設けない。上記飽和磁束密度を満たすように、内側コア部及び連結コア部の構成材料を調整するとよい。
　本発明のリアクトルにおいて、前記内側コア部の比透磁率が５０以上１０００以下であり、前記連結コア部及び介在コア部の比透磁率が５以上５０以下であることが挙げられる。
　この構成によれば、磁性コアの漏洩磁束を低減できると共に、ギャップレス構造とすることもできる。本発明のリアクトルを車載部品とする場合、連結コア部の比透磁率は、５～３０程度、内側コア部の比透磁率は、１００～５００程度が利用し易い。上記比透磁率を満たすように、内側コア部、連結コア部及び介在コア部の構成材料を調整するとよい。
　本発明のリアクトルにおいて、前記コイルと前記磁性コアとの組合体を収納するケースを備え、前記コイル及び前記内側コア部は、前記連結コア部及び介在コア部を構成する樹脂により前記ケースに封止されていることが挙げられる。
　この構成によれば、ケースによりコイルや磁性コアを保護することができる。また、連結コア部及び介在コア部の構成樹脂を封止樹脂に利用することで、従来のように別途ポッティング樹脂を用意する必要も無い。
　本発明のリアクトルによれば、損失を低減しつつ、小型化を実現することができる。
図１Ａは、実施形態１に係るリアクトルの模式縦断面図である。 図１Ｂは、実施形態１に係るリアクトルの模式横断面図である。 図２Ａは、実施形態２に係るリアクトルの模式縦断面図である。 図２Ｂは、実施形態３に係るリアクトルの模式縦断面図である。 図３は、面積比Ｓ２／Ｓ１と全損失／Ｌとの関係を示すグラフである。 図４は、面積比Ｓ２／Ｓ１と銅損／Ｌとの関係を示すグラフである。
　以下、図を参照して、本発明意の実施形態に係るリアクトルを説明する。なお、図中の同一符号は、同一名称物を示す。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
　〔実施形態１〕
　［概要］
　このリアクトル１Ａは、図１Ａと図１Ｂに示すように、巻線を巻回してなる一つのコイル１０と、コイル１０が配置される磁性コア２０とを備える所謂ポット型形態である。磁性コア２０は、コイル１０内に挿通された内側コア部２１と、コイル１０の外周面を覆って内側コア部２１の端部と連結される連結コア部２３とを有する。さらに、このリアクトル１Ａでは、コイル１０と内側コア部２１との間に介在コア部２５が設けられている。本発明に係るリアクトル１Ａの特徴とするところは、コイル１０の内側の面積Ｓ１と介在コア部２５の横断面積Ｓ２の面積比Ｓ２／Ｓ１や、各コア部の飽和磁束密度Ｂ１～Ｂ３を所定の範囲に規定した点にある。以下、各構成を詳細に説明する。
　［コイル］
　コイル１０は、１本の連続する巻線を螺旋状に巻回してなる円筒状体である。巻線は、銅やアルミニウムといった導電性材料からなる導体の外周に、絶縁性材料からなる絶縁被覆を備える被覆線が好適である。ここでは、導体が銅製の平角線からなり、絶縁被覆がエナメルからなる被覆平角線を利用している。絶縁被覆の構成材料の代表例としては、ポリアミドイミドが挙げられる。絶縁被覆の厚さは、２０μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、厚いほどピンホールを低減できて絶縁性を高められる。巻線は、導体が平角線からなるもの以外に、断面が円形状、多角形状などの種々の形状のものを利用できる。コイル１０は、この被覆平角線をエッジワイズ巻きにして円筒状に形成されている。円筒状とすることで、エッジワイズ巻きであっても比較的容易にコイル１０を形成できる。その他、角筒状にコイルを形成してもよい。コイル１０の巻き数は、例えば３０～６０程度とすることが挙げられる。
　コイル１０を形成する巻線の両端部（図示略）は、ターンから適宜引き延ばされて後述する連結コア部２３の外部に引き出され、絶縁被覆が剥がされて露出された導体部分に端子部材（図示略）が接続される。この端子部材を介して、コイル１０に電力供給を行う電源などの外部装置（図示略）が接続される。巻線の導体部分と端子部材との接続には、ＴIG溶接などの溶接の他、圧着などが利用できる。巻線端部の引き出し方向は、適宜選択することができ、例えば、コイル１０の軸方向に沿った方向とすることが挙げられる。その他、巻線の両端部をコイル１０の軸方向に直交するように引き出してもよいし、各端部の引き出し方向をそれぞれ異ならせてもよい。
　［磁性コア］
　磁性コア２０は、コイル１０内に挿通された円柱状の内側コア部２１と、内側コア部２１の両端部とコイル１０の外周面を覆うように形成された連結コア部２３と、コイル１０と内側コア部２１との間に介在される介在コア部２５とを備える。この磁性コア２０は、内側コア部２１の構成材料と、連結コア部２３及び介在コア部２５の各々の構成材料とが異なることで、磁気特性が異なる。具体的には、内側コア部２１は、連結コア部２３及び介在コア部２５よりも飽和磁束密度が高い。
　《内側コア部》
　内側コア部２１は、コイル１０の内周面の形状に沿った外形を有しており、その全体が圧粉成形体から構成されている。本例では、円柱体で内側コア部２１が構成されている。
　圧粉成形体は、代表的には、表面に絶縁被膜を備える軟磁性粉末を成形後、上記絶縁被膜の耐熱温度以下で焼成することにより得られる。軟磁性粉末に加えて適宜結合剤を混合した混合粉末を利用したり、上記絶縁被膜としてシリコーン樹脂などからなる被膜を備えた粉末を利用したりすることができる。圧粉成形体の飽和磁束密度は、軟磁性粉末の材質や、上記軟磁性粉末と上記結合剤との混合比、種々の被膜の量などを調整することで変化させることができる。例えば、飽和磁束密度の高い軟磁性粉末を用いたり、結合剤の配合量を低減して軟磁性材料の割合を高めたりすることで、飽和磁束密度が高い圧粉成形体が得られる。その他、成形圧力を変える、具体的には、成形圧力を高くすることでも飽和磁束密度を高められる傾向にある。所望の飽和磁束密度となるように軟磁性粉末の材質の選択や成形圧力の調整などを行うとよい。
　上記軟磁性粉末は、Ｆｅ、Ｃo、Ｎｉといった鉄族金属粉末の他、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。特に、Ｆｅ基合金粉末は、飽和磁束密度が高い圧粉成形体を得易い。このような粉末は、アトマイズ法（ガス又は水）や、機械的粉砕法などにより製造することができる。また、結晶がナノサイズであるナノ結晶材料からなる粉末、好ましくは、異方性ナノ結晶材料からなる粉末を用いると、高異方性で低保磁力の圧粉成形体が得られる。
　軟磁性粉末に形成される絶縁被膜は、例えば、燐酸化合物、珪素化合物、ジルコニウム化合物、アルミニウム化合物、又は硼素化合物などが挙げられる。結合剤は、例えば、熱可塑性樹脂、非熱可塑性樹脂、又は高級脂肪酸が挙げられる。この結合剤は、上記焼成により消失したり、シリカなどの絶縁物に変化したりする。圧粉成形体は、絶縁被膜などの絶縁物が存在することで、軟磁性粉末同士が絶縁されて、渦電流損失を低減でき、コイル１０に高周波の電力が印加される場合であっても、上記損失を少なくすることができる。圧粉成形体は、公知のもの、例えば、上記軟磁性材料からなる粒子の表面に、順に、上記絶縁被膜と、耐熱性膜と、可撓性膜とを備える多層構造の被膜を備えるもの（特開２００６－２０２９５６号公報に記載の軟磁性材料）を利用してもよい。上記耐熱性膜は、有機シリコン化合物を含み、シロキサン架橋密度が０超１．５以下の材料からなるもの、上記可撓性膜は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びアミド樹脂から選択される少なくとも一種の樹脂からなるものが挙げられる。
　この内側コア部２１は、全て圧粉成形体からなる中実体であっても良いし、圧粉成形体からなる複数の分割片の間にギャップ材やエアギャップ、接着剤が介在された構成でもよい。前者の場合、ギャップレス構造であるため、ギャップの存在に伴う漏洩磁束（図１Ａに破線で模式的に図示）の問題を緩和でき、後者の場合、ギャップを設けることで、リアクトル１Ａのインダクタンスを容易に調整することができる。本例では、圧粉成形体からなる中実体で内側コア部２１を構成している。
　内側コア部２１の長さは、コイル１０の軸方向の長さ（以下、単にコイル１０の長さと呼ぶ）に対して等しい場合、若干短い場合、若干長い場合のいずれもが選択できる。但し、内側コア部２１の長さがコイル１０の長さと同等以上であることで、コイル１０がつくる磁束を内側コア部２１に十分に通過させることができて好ましい。
　内側コア部２１の各端面がコイル１０の各端面から突出している場合、その突出長さは、内側コア部２１の一端側と他端側とで異なっても良い。例えば、図１Ａおよび図１Ｂのリアクトル１Ａでは、後述するケース３０内にコイル１０と磁性コア２０が収納されているが、前記突出長さを内側コア部２１の上端側よりも下端側の突出長さを長くし、内側コア部２１の下端面をケース３０底面上に配置している。こうすることで、内側コア部２１をケース３０内に安定して配置できるため、後述する連結コア部２３を形成し易い。
　ここでは、内側コア部２１は、燐酸塩被膜の上にシリコーン被膜を形成した軟磁性材料からなる圧粉成形体で構成されている。その飽和磁束密度Ｂ１は、１．８Ｔ、比透磁率は、２５０である。この飽和磁束密度Ｂ１の好ましい範囲は、１．６Ｔ以上で、かつ連結コア部２３の飽和磁束密度Ｂ２の１．２倍以上であり、比透磁率の好ましい範囲は、１００～５００である。
　《連結コア部》
　連結コア部２３は、内側コア部２１の両端部に連結され、かつコイル１０の外周面を覆うように構成されている。連結コア部２３と内側コア部２１との連結は、内側コア部２１の端部の外周面に対して行われている場合と、内側コア部２１の端面に対して行われている場合がある。図１Ａでは、内側コア部２１の下端側が前者の連結構造となっており、上端側が後者の連結構造となっている。勿論、内側コア部２１の両端部における連結構造が同じ構造であっても構わない。このような連結コア部２３と内側コア部２１とにより、磁性コア２０は、閉磁路を形成する。
　この連結コア部２３の構成材料としては、磁性材料と樹脂との混合物（成形硬化体）が好適に利用できる。連結コア部２３に成形硬化体を用いれば、コイル１０、内側コア部２１、及び後述する介在コア部２５とを接着剤を介在することなく、連結コア部２３の構成樹脂により一体化できる。この成形硬化体は、代表的には、射出成形、注型成形により形成することができる。
　射出成形は、通常、磁性材料からなる粉末（必要に応じて更に非磁性粉末を加えた混合粉末）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、所定の圧力をかけて成形型に流し込んで成形した後、バインダ樹脂を硬化させる。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成形型に注入して成形・硬化させる。
　いずれの成形手法も、磁性材料には、内側コア部２１に利用する軟磁性粉末と同様のものを利用することができる。特に、連結コア部２３に利用する軟磁性粉末は、平均粒径が１０μｍ以上５００μｍ以下の純鉄粉末やＦｅ基合金粉末といった鉄基材料が好適に利用できる。鉄基材料は、一般に、フェライトなどの磁性材料に比較して飽和磁束密度が高いことから、鉄基材料からなる磁性粉末を原料に用いれば、飽和磁束密度が高い連結コア部２３が得られる。この磁性粉末には、軟磁性材料からなる粒子の表面に燐酸鉄などからなる被膜を備える被覆粉末を利用してもよい。
　また、いずれの成形手法も、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できる。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。バインダ樹脂に常温硬化性樹脂、或は低温硬化性樹脂を用いてもよく、この場合、成形体を常温～比較的低温に放置して樹脂を硬化させる。成形硬化体は、非磁性材料であるバインダ樹脂が多く残存するため、内側コア部２１を構成する圧粉成形体と同じ軟磁性粉末を用いたとしても、圧粉成形体よりも飽和磁束密度が低く、かつ透磁率も低くすることが容易にできる。
　連結コア部２３の構成材料として、上記磁性材料の粉末及び上記バインダ樹脂に加えて、アルミナやシリカといったセラミックスからなるフィラーを混合させてもよい。上述の鉄基材料といった磁性材料の粉末とバインダ樹脂との混合物を硬化中、当該粉末の自重により沈澱して、連結コア部２３中の磁性材料の密度が不均一になる恐れがある。上記フィラーを混入することで磁性材料の粉末の沈澱を抑制して、磁性材料の粉末を連結コア中に均一的に分散させ易くなる。また、上記フィラーがセラミックスから構成される場合、例えば、放熱性を高められる。上記フィラーの含有量は、連結コア部２３を１００体積％とするとき、２０体積％～７０体積％が挙げられる。
　上記射出成形や注型成形を利用する場合、磁性材料の粉末とバインダ樹脂との配合、上述したフィラーを含有する場合、磁性材料の粉末、バインダ樹脂、フィラーの配合を変えることで、連結コア部２３の比透磁率、飽和磁束密度を調整することができる。例えば、磁性材料の粉末の配合量を減らすと、比透磁率は、小さくなる傾向にある。リアクトル１Ａが所望のインダクタンスを有するように、連結コア部２３の比透磁率、飽和磁束密度を調整するとよい。
　ここでは、連結コア部２３は、平均粒径１００μｍ以下の鉄基材料であって、上記被膜を備える被覆粉末とエポキシ樹脂との成形硬化体から構成されている。その飽和磁束密度Ｂ２は、１Ｔ、比透磁率は、１０である。この飽和磁束密度Ｂ２の好ましい範囲は、０．５Ｔ以上で内側コア部２１の飽和磁束密度Ｂ１未満であり、比透磁率のより好ましい範囲は、５～５０、より好ましい範囲は、５～３０である。
　《介在コア部》
　さらに、コイル１０と内側コア部２１との間には、介在コア部２５が形成されている。この介在コア部２５は、コイル１０と内側コア部２１との間の少なくとも一部を埋め、内側コア部２１からの漏洩磁束を介在コア部２５に通すことで、漏洩磁束がコイル１０に通って損失が増大することを抑制する。
　この介在コア部２５も連結コア部２３と同様に成形硬化体で構成することが好ましい。介在コア部２５も成形硬化体で構成することで、コイル１０、内側コア部２１、及び連結コア部２３の各々と介在コア部２５とを容易に一体化することができる。その場合、介在コア部２５は、連結コア部２３と同一材料で構成しても良いし、異なる材料で構成しても良い。この異なる材料には、成形硬化体を構成する磁性材料と樹脂の少なくとも一方の材質が異なる場合は勿論、磁性材料と樹脂の双方の材質が同じであっても、その混合割合が異なる場合も含む。特に、介在コア部２５を連結コア部２３と同一材料で構成すれば、コイル１０の内側に内側コア部２１を配置し、その周囲に磁性材料と樹脂との混合物を充填・硬化させることで、連結コア部２３と介在コア部２５とを一括して形成することができる。
　介在コア部２５の外周面とコイル１０の内周面との間には、隙間のないことが好ましい。つまり、内側コア部２１とコイル１０との間を介在コア部２５で埋めることで、内側コア部２１からの漏洩磁束がコイル１０を通ることを抑制しやすい。この隙間を実質的になくすことは、介在コア部２５を連結コア部２３と同一材料で構成し、コイル１０の内側に内側コア部２１を配置して、その周囲に磁性材料と樹脂との混合物を充填・硬化させることで、容易に実現できる。
　ここでは、介在コア部２５は、連結コア部２３と同様に、平均粒径１００μｍ以下の鉄基材料であって、上記被膜を備える被覆粉末とエポキシ樹脂との成形硬化体で構成している。そのため、介在コア部２５の飽和磁束密度Ｂ３は、１Ｔ、比透磁率は、１０である。この飽和磁束密度Ｂ３の好ましい範囲は、０．５Ｔ以上で内側コア部２１の飽和磁束密度Ｂ１未満であり、比透磁率の好ましい範囲は、５～５０、より好ましい範囲は、５～３０である。
　《面積比》
　以上のコイル１０、内側コア部２１及び介在コア部２５を備えるリアクトル１Ａにおいて、コイル１０の内側の面積をＳ１、介在コア部２５の横断面積をＳ２とするとき、０＜Ｓ２／Ｓ１＜０．１５を満たす。コイル１０の内側の面積Ｓ１とは、コイル１０を軸方向に見た場合に、コイル１０のターン内の面積である。また、介在コア部２５の横断面積Ｓ２とは、コイル１０の軸方向に対して直交する方向に切断した介在コア部２５の断面積である。通常、内側コア部２１は、長手方向に一様な面積で構成されており、その外周に形成される介在コア部２５もその長手方向に一様な面積で構成されている。但し、介在コア部２５の横断面積が同コア部の長手方向で異なる場合、最大横断面積を介在コア部２５の横断面積Ｓ２とする。
　この面積比が０＜Ｓ２／Ｓ１＜０．１５であれば、後述する試験例から明らかなように、リアクトル１Ａのインダクタンスに対する全損失の割合を低減することができる。つまり、全損失の増加割合を抑えて、かつインダクタンスを増加させることができる。そのため、同じインダクタンスをより小さな体積のリアクトルで実現でき、リアクトル１Ａを小型化できると期待される。但し、この面積比の上限を超えると、コイル１０の内側に飽和磁束密度の小さな介在コア部２５の領域が多くなるため、リアクトル１Ａを小型化することが難しくなる。より好ましい面積比の範囲は、０＜Ｓ２／Ｓ１＜０．０４である。この範囲を満たすことで、リアクトル１Ａのインダクタンスに対する銅損の割合をも低減することができる。つまり、銅損の増加割合も抑えて、かつインダクタンスを増加させることができる。そのため、同じインダクタンスをより小さな体積のリアクトルで実現でき、より一層のリアクトル１Ａの小型化が期待できる。
　面積比Ｓ２／Ｓ１の調整は、コイル１０の内径と内側コア部２１の外径を適切に選択することで行える。磁性材料と樹脂の混合物をコイル１０と内側コア部２１の間に充填することで介在コア部２５が形成されるためである。
　《飽和磁束密度》
　本発明のリアクトル１Ａでは、内側コア部２１の飽和磁束密度をＢ１、連結コア部２３の飽和磁束密度をＢ２、介在コア部２５の飽和磁束密度をＢ３とするときＢ１＞Ｂ２及びＢ１＞Ｂ３を満たす。この関係を満たすように各コア部を構成することで、内側コア部２１を細くしてリアクトル１Ａの小型化を図りつつ、内側コア部２１からコイル１０への漏洩磁束を抑制して損失の少ないリアクトル１Ａを実現できる。
　介在コア部２５の飽和磁束密度Ｂ３は、連結コア部２３の飽和磁束密度Ｂ２と同じであることが好ましいが異なっても構わない。つまり、Ｂ１＞Ｂ３＞Ｂ２でも良いし、Ｂ１＞Ｂ２＞Ｂ３でも良い。
　［その他の構成要素］
　《インシュレータ》
　コイル１０と磁性コア２０との間の絶縁性をより高めるために、コイル１０において磁性コア２０に接触する箇所には、インシュレータ（図示略）を介在させることが好ましい。例えば、コイル１０の内・外周面に絶縁性テープを貼り付けたり、絶縁紙や絶縁シートを配置したりすることが挙げられる。また、内側コア部２１の外周に絶縁性材料からなるボビン（図示略）を配置してもよい。ボビンは、内側コア部２１の外周を覆う筒状体が挙げられる。また、筒状体の両端から周方向に延びる環状のフランジ部を備えるボビンを利用すると、コイル１０の端面と連結コア部２３との間の絶縁性を高められる。ボビンの構成材料には、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂などの絶縁性樹脂が好適に利用できる。
　《ケース》
　図１Ａおよび図１Ｂのリアクトル１Ａは、コイル１０と磁性コア２０との組合体を収納するケース３０を備える形態である。上記組合体においてコイル１０と内側コア部２１とは、連結コア部２３を構成する樹脂により、ケース３０に封止される。即ち、連結コア部２３の構成樹脂は、コイル１０と内側コア部２１との封止材としても機能する。このケース３０は、リアクトル１Ａを設置対象（図示略）に配置したときに当該リアクトル１Ａの設置側となる面（図１Ａにおいて下方側の面）に対して、コイル１０の軸方向が直交するようにコイル１０を収納する。ケース３０に対するコイル１０の配置の向きは、適宜選択することができる。
　ケース３０の材質、形状、大きさは、適宜選択することができる。例えば、上記組合体に沿った円筒状のケース３０としてもよい。ここでは、ケース３０は、アルミニウムといった金属製とし、矩形状の底面と、この底面から立設される側壁とを備え、一方が開口した箱体である。
　より具体的なケース３０の構成としては、側壁の内周面に設けられた突起で、コイル１０の回転を抑制すると共に、コイル１０の挿入時にガイドとして機能するガイド突起部と、ケース３０の内周面の一角に突出して巻線の端部の位置決めに利用される位置決め部と、ケース３０の内周面において底面から突出してコイル１０を支持し、ケース３０に対するコイル１０の高さを位置決めするコイル支持部（図示略）とを備えるものが挙げられる。ガイド突起部、位置決め部、コイル支持部を備えるケース３０を利用することで、ケース３０内の所望の位置にコイル１０を精度良く配置でき、引いては、コイル１０に対する内側コア部２１の位置も精度良く決められる。ガイド突起部、位置決め部及びコイル支持部は、全てを備えていなくても、少なくとも一つを有する構成としてもよい。また、これら各部は、ケース３０の一部として一体に構成されてもよいし、別部材を用意して、これら別部材をケース３０に収納して、ガイド突起部などとして利用してもよい。ケース３０に収納する上記別部材を連結コア部２３の構成材料と同様の材料からなる成形硬化体とすると、連結コア部２３（介在コア部２５）の形成時に容易に一体化できる上に、当該別部材を磁路に利用することができる。その他、ケース３０には、リアクトル１Ａを設置対象（図示略）にボルトにより固定するためのボルト孔を有する取付部を備えてもよい。取付部を有することで、ボルトによりリアクトル１Ａを設置対象に容易に固定することができる。
　［用途］
　上記構成を備えるリアクトル１Ａは、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、電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用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。この用途では、直流通電が０Ａのときのインダクタンス:１０μＨ以上１ｍＨ以下、最大電流通電時のインダクタンス:０Ａのときのインダクタンスの３０％以上を満たすように、リアクトル１Ａのインダクタンスを調整すると好適に利用できると期待される。
　［リアクトルの大きさ］
　上記構成を備えるリアクトル１Ａの大きさは、所望のインダクタンスを満たすと共に、上記面積比及び飽和磁束密度を満たす範囲で、適宜選択することができる。例えば、車載部品としてのリアクトル１Ａの場合、ケース３０を含めたリアクトル１Ａの容量を０．２リットル（２００ｃｍ３）～０．８リットル（８００ｃｍ３）程度としている（ここでは、２３０ｃｍ３）。リアクトル１Ａが上記大きさを満たすことで、小型であり、車載部品に好適に利用することができる。
　［リアクトルの製造方法］
　リアクトル１Ａは、以下のようにして製造することができる。まず、コイル１０、及び圧粉成形体からなる内側コア部２１を用意し、コイル１０内に内側コア部２１を挿入して、コイル１０と内側コア部２１との組物を作製する。上述のようにコイル１０と内側コア部２１との間に適宜インシュレータを配置させてもよい。
　次に、上記組物をケース３０内に収納する。上述したガイド突起部などを利用して、当該組物をケース３０内の所定の位置に精度良く配置することができる。このケース３０内に、連結コア部２３と介在コア部２５を構成する磁性材料とバインダ樹脂との混合流体を適宜流し込んで、所定の形状の連結コア部２３及び介在コア部２５を成形した後、バインダ樹脂を硬化させることでリアクトル１Ａが得られる。
　その他、次のようにリアクトル１Ａの製造を行ってもよい。まず、内側コア部２１を円筒容器状の成形型に収納し、この成形型と内側コア部２１との間に介在コア部２５を構成する磁性材料とバインダ樹脂との混合流体を適宜流し込んでバインダ樹脂を硬化させる。次に、この成形型から成形物を抜き出して、内側コア部２１と介在コア部２５とが一体化された複合コア部を作製する。続いて、この複合コア部をコイル１０内に挿入して、コイル１０と複合コア部との組物をケース３０内に収納する。そして、ケース３０内に連結コア部２３となる混合流体を流し込んでバインダ樹脂を硬化させ、リアクトル１Ａを得る。この方法によれば、連結コア部２３と介在コア部２５とを異なる材料で構成することができる。
　［作用・効果］
　このようなリアクトル１Ａは、内側コア部２１の飽和磁束密度が連結コア部２３よりも高いことで、全体の飽和磁束密度が均一的な磁性コア２０と同じ磁束を得る場合、内側コア部２１の断面積（磁束が通過する面）を小さくすることができる。かつ、内側コア部２１とコイル１０との間に介在コア部２５を備え、その介在コア部２５の面積比Ｓ２／Ｓ１を所定の範囲に限定することで、内側コア部２１からの漏洩磁束がコイル１０に侵入することを抑制し、リアクトル１Ａの損失を低減できる。
　このリアクトル１Ａは、磁性コア２０の全体に亘って、ギャップ材が一切存在しないことで、ギャップ箇所での漏洩磁束がコイル１０に影響を及ぼすことが無いため、この点からも損失を低減できる。
　また、本例のリアクトル１Ａは、接着剤を一切用いない接着剤レス構造であり、内側コア部２１の形成にあたり、ギャップ材の接合工程などが不要であることから、生産性に優れる。特に、リアクトル１Ａでは、連結コア部２３及び介在コア部２５の形成と同時に、連結コア部２３の構成樹脂により内側コア部２１と連結コア部２３、内側コア部２１と介在コア部２５、さらには、介在コア部２５と連結コア部２３とを接合して磁性コア２０を形成し、その結果リアクトル１Ａを製造できる。そのため製造工程が少なく、この点からも生産性に優れる。その他、本例のリアクトル１Ａでは、内側コア部２１を圧粉成形体とすることで、飽和磁束密度の調整を簡単に行える上に、複雑な三次元形状であっても容易に形成でき、この点からも生産性に優れる。
　更に、このリアクトル１Ａでは、ケース３０を備えることで、上記コイル１０と磁性コア２０との組合体を粉塵や腐食といった外部環境から保護したり、機械的に保護したりすることができる。特に、連結コア部２３及び介在コア部２５が樹脂成分を備えることで、ケース３０が開口していても、コイル１０や内側コア部２１に対する外部環境からの保護や機械的保護を図ることができる。加えて、ケース３０を金属製にすることで、ケース３０自体も放熱経路に利用することができ、放熱性に優れたリアクトル１Ａとできる。とりわけ、コイル１０が配置された内側コア部２１がケース３０に接していることで、コイル１０の熱を効果的に放出できる。
　〔実施形態２〕
　次に、内側コア部２１と連結コア部２３の構成が実施形態１とは異なる実施形態２を図２Ａに基づいて説明する。以下の説明は、主として実施形態１との相違点について行い、他の構成については、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
　このリアクトル１Ｂは、内側コア部２１の下端面にも連結コア部２３が接合されている点で実施形態１とは、相違している。つまり、内側コア部２１の上端側と下端側との構成をより均質とすることができる。
　また、このリアクトル１Ｂは、ケースを用いていない。このリアクトル１Ｂは、成形型内にコイル１０と内側コア部２１との組物を収納し、その成形型内に連結コア部２３と介在コア部２５を構成する混合流体を流し込むことで得られる。コイル１０と内側コア部２１は、成形型の底面から間隔をあけて保持される。この保持を行うには、連結コア部２３（介在コア部２５）と同一材料で構成した支持ブロックを成形型の底面に配置しておき、その支持ブロック上にコイル１０と内側コア部２１を載せればよい。そして、混合流体のバインダ樹脂が硬化した後、成形型から成形体を抜き出すことでリアクトル１Ｂが製造できる。成形型を分割式としておくことで、連結コア部２３及び介在コア部２５の樹脂を硬化させた後、成形体を成形型から抜き出すことが容易に行える。
　本例のリアクトル１Ｂも、上記内側コア部２１とコイル１０との間に介在コア部２５が形成され、この介在コア部２５が連結コア部２３と同一材料からなっている点で実施形態１と共通である。
　このリアクトル１Ｂによれば、内側コア部２１の上端側と下端側との構成をより均質とすることができ、磁性コア２０を通る磁束を均質化できる。
　〔実施形態３〕
　次に、内側コア部２１の途中にギャップを備える実施形態３を図２Ｂに基づいて説明する。以下の説明は、主として実施形態２との相違点について行い、他の構成については、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
　このリアクトル１Ｃでは、内側コア部２１が圧粉成形体からなる複数の分割片と、これら分割編の間に介在されるギャップ４０を備える。本例では、２つの分割片で内側コア部２１を構成しているが、分割片の数は、特に問わない。ギャップ４０は、リアクトル１Ｃのインダクタンスを調整するために用いられるもので、アルミナなどの非磁性材料が好適に利用できる。ギャップ４０の数も特に問わない。要求されるリアクトル１Ｃのインダクタンスに応じて適宜ギャップ４０の数を選択すればよい。
　本例のリアクトル１Ｃも、上記内側コア部２１とコイル１０との間に介在コア部２５が形成され、この介在コア部２５が連結コア部２３と同一材料からなっている点、内側コア部２１の両端面に連結コア部２３が連結されている点は、実施形態２と共通している。
　このリアクトル１Ｃによれば、内側コア部２１の途中にギャップ４０を介在させることで、リアクトル１Ｃのインダクタンスを容易に調整できる。また、ギャップ４０が設けられていても、そのギャップ４０の外周とコイル１０との間に介在コア部２５が設けられているため、ギャップ４０の外周からの漏洩磁束がコイル１０に侵入することを抑制でき、損失の低減を実現できる。
　〔試験例〕
　実施形態１に相当するリアクトルのモデルについて、上述の面積比Ｓ２／Ｓ１を変え、その場合のリアクトルの全損失とコイルの銅損を試算した。この試算は、コイル、内側コア、連結コアのサイズが一定であることを前提とし、面積比Ｓ２／Ｓ１が異なるようにコイルと内側コアの間に介在コア部を形成したモデルを用いて、面積比が０のとき、つまり介在コア部が存在しないときのリアクトルのインダクタンスに対する各損失の割合を１．０とし、上記全損失と銅損の各々を規格化することで行った。具体的な試算条件は、次の通りである。試算結果を表１及び図３、図４に示す。表１では、上記面積比を１００×Ｓ２／Ｓ１（％）で示している。
　この試算における各モデルのインダクタンスは、コイルに通電する電流が２７０Ａのときの値で計算している。内側コアの外径とコイル内径との比率は、１:１．１５である。また、この試算には、電磁気ＣＡＥ解析ソフトであるＪＭＡＧ（株式会社ＪＳＯＬ社製）を使用した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　この表１と図３から明らかなように、介在コア部を設けた場合、全損失／Ｌが１未満になっており、リアクトルの体積が一定であれば、インダクタンスの増加割合が損失増加割合よりも大きいことがわかる。つまり、介在コア部を設けることが好ましく、リアクトルを小型化することが期待できる。また、表１と図４から明らかなように、面積比Ｓ２／Ｓ１が０．０４以下程度、％表示で４％以下程度の場合、銅損／Ｌが１未満になっており、リアクトルの体積が一定であれば、銅損の増加割合を抑えてインダクタンスを向上できることがわかる。そのため、特に面積比Ｓ２／Ｓ１を０．０４以下（％表示で４％以下）とすることで損失の抑制とリアクトルの小型化に効果的であることがわかる。さらに、介在コア部を設けることで、特に大電流側のインダクタンスを上昇させることに効果的であることもわかった。
　なお、上述した実施の形態は、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り、上述した構成に限定されるものではない。
　本発明リアクトルは、ハイブリッド自動車や電気自動車、燃料電池車といった車両に搭載される双方向ＤＣ－ＤＣ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。
　１Ａ、１Ｂ、１Ｃ　リアクトル
　１０　コイル
　２０　磁性コア
　２１　内側コア部
　２３　連結コア部
　２５　介在コア部
　３０　ケース
　４０　ギャップ

Claims (7)

  1. 　巻線を巻回してなるコイルと、このコイル内に挿通された内側コア部、及びこの内側コア部の端部に結合して前記コイルの外周を覆う連結コア部の両コア部により閉磁路を形成する磁性コアとを備えるリアクトルであって、
    　前記コイルと内側コア部との間に介在コア部を備え、
    　前記コイルの内側の面積をＳ１、介在コア部の横断面積をＳ２とするとき、０＜Ｓ２／Ｓ１＜０．１５を満たし、
    　内側コア部の飽和磁束密度をＢ１、連結コア部の飽和磁束密度をＢ２、介在コア部の飽和磁束密度をＢ３とするとき、Ｂ１＞Ｂ２及びＢ１＞Ｂ３を満たすことを特徴とするリアクトル。
  2. 　Ｓ２／Ｓ１が０＜Ｓ２／Ｓ１＜０．０４を満たすことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
  3. 　前記内側コア部は、圧粉成形体から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のリアクトル。
  4. 　前記連結コア部と介在コア部は、磁性材料と樹脂との混合物から構成されており、
    　前記内側コア部と介在コア部及び連結コア部の各々とが前記樹脂により一体化されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のリアクトル。
  5. 　前記内側コア部の飽和磁束密度Ｂ１は、１．６Ｔ≦Ｂ１、及び１．２×Ｂ２≦Ｂ１を満たすことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のリアクトル。
  6. 　前記内側コア部の比透磁率が５０以上１０００以下であり、
    　前記連結コア部及び介在コア部の比透磁率が５以上５０以下であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のリアクトル。
  7. 　前記コイルと前記磁性コアとの組合体を収納するケースを備え、
    　前記コイル及び前記内側コア部は、前記連結コア部及び介在コア部を構成する樹脂により前記ケースに封止されてい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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