JP5402850B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置等に用いられるリアクトルに関する。

従来から、車両用のインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置等に用いられるリアクトルが知られている。
リアクトルとしては、例えば、図１４、図１５に示すごとく、通電により磁束Ｍを発生するコイル９２と、絶縁樹脂９３１に磁性粉末９３２を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなると共にコイル９２を内部に埋設してなるコア９３とを備えたリアクトル９１がある（特許文献１参照）。

図１５に示すごとく、リアクトル９１は、絶縁樹脂９３１に磁性粉末９３２を適度に分散させてコア９３を構成している。このような構成とすることにより、分散した磁性粉末９３２間に磁気飽和を防止するための微小なギャップ９４０を形成している。そして、コア９３における磁性粉末９３２の体積率（充填率）を変更することにより、磁性粉末９３２間のギャップ９４０の大きさを調整し、これによってコア９３全体の磁気抵抗を調整している。

特開２００８−１９８９８１号公報

しかしながら、図１５に示すごとく、分散した磁性粉末９３２間に形成された微小なギャップ９４０は、すべてが有効なギャップとして機能しているわけではない。すなわち、磁束Ｍの方向に平行な方向のギャップ９４０ａは、磁気回路として有効なギャップ（以下、有効ギャップという）であるが、磁束Ｍの方向に直交する方向のギャップ９４０ｂは、磁気回路として無効なギャップ（以下、無効ギャップという）である。そして、このような無効ギャップ９４０ｂは、磁気特性にほとんど寄与しない余分なスペースと言える。

そこで、この余分なスペースである無効ギャップ９４０ｂを小さくする方法として、例えば、コア９３における磁性粉末９３２の体積率（充填率）を高くする方法が挙げられる。これにより、磁性粉末９３２を密に分散させ、磁性粉末９３２間の距離を小さくすることができる。そして、無効ギャップ９４０ｂを小さくすることができ、リアクトル９１の小型化を図ることができる。

ところが、この場合には、無効ギャップ９４０ｂを小さくすることができるものの、有効ギャップ９４０ａも小さくなってしまう。そのため、小型化を図ることができるが、ギャップによる磁気飽和防止効果が低下してしまうという問題があった。
よって、従来は、ギャップによる磁気飽和防止効果が十分に得られるように、有効ギャップ９４０ａの大きさをある程度確保していた。そのため、余分なスペースである無効ギャップ９４０ｂを小さくすることができず、リアクトル９１の小型化を阻害していた。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、磁気特性を維持しながら小型化を図ることができるリアクトルを提供しようとするものである。

本発明は、通電により磁束を発生する筒状のコイルと、絶縁樹脂に磁性粉末を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなると共に上記コイルを内部に埋設してなるコアとを有するリアクトルであって、
上記コアには、上記磁束の方向に所定の幅を有する非磁性のギャップ部が設けられており、
該ギャップ部は、上記コイルの外周側に配置されており、上記コイルの表面から該表面に対して垂直な方向に形成され、かつ、上記コイルの表面から少なくとも上記コアの外表面まで形成されていることを特徴とするリアクトルにある（請求項１）。

本発明のリアクトルにおいて、上記コアには、上記磁束の方向に所定の幅を有する非磁性のギャップ部が設けられている。すなわち、通電によって上記コイルの周りに発生する上記磁束の磁路となる上記コアには、上記絶縁樹脂中に分散した上記磁性粉末間に形成される微小なギャップに加えて、所定のまとまった大きな幅を有する上記ギャップ部が設けられている。そのため、該ギャップ部を設けた分だけ上記コアの磁気抵抗を大きくすることができ、磁気飽和防止効果を高めることができる。

そして、上記ギャップ部を設けた効果を利用することにより、上記リアクトルの磁気特性を維持しながら小型化を図ることができる。以下、その理由について説明する。
例えば、上記コアにおける上記磁性粉末の体積率（充填率）を高くすれば、上記磁性粉末が密に分散され、該磁性粉末間の距離が小さくなる。これにより、従来余分なスペースであった上記磁束の方向に直交する方向の無効ギャップを小さくすることができ、上記磁束の方向に直交する方向の小型化を図ることができる。

一方、上記磁性粉末間の距離を小さくすると、上記磁束の方向に直交する方向だけでなく、上記磁束の方向に平行な方向の小型化も図られる。すなわち、上記磁束の方向に直交する方向の無効ギャップだけでなく、上記磁束の方向に平行な方向の有効ギャップも小さくなる。しかしながら、本発明では、有効ギャップが小さくなったことによって磁気飽和防止効果が低下した分を上記ギャップ部によって補うことができる。これにより、ギャップによる磁気飽和防止効果を維持することができる。
よって、上記ギャップ部を設けた効果を利用すれば、上記リアクトルの磁気特性を維持しながら小型化を図ることができる。

このように、本発明は、磁気特性を維持しながら小型化を図ることができるリアクトルを提供しようとするものである。

実施例１における、リアクトルの構造を示す断面説明図。 実施例１における、コアの内部を示す拡大説明図。 実施例１における、成形型内にコイルを配置する工程を示す説明図。 実施例１における、成形型内に非磁性体板を配置する工程を示す説明図。 実施例１における、成形型内に磁性粉末混合樹脂を充填する工程を示す説明図。 実施例１における、リアクトルの構造の別例を示す断面説明図。 実施例１における、リアクトルの構造の別例を示す断面説明図。 実施例１における、リアクトルの構造の別例を示す断面説明図。 実施例２における、リアクトルの構造を示す断面説明図。 実施例２における、成形型内にコイルを配置する工程を示す説明図。 実施例２における、成形型内に磁性粉末混合樹脂を充填する工程を示す説明図。 実施例２における、リアクトルの構造の別例を示す断面説明図。 実施例２における、リアクトルの構造の別例を示す断面説明図。 従来における、リアクトルの構造を示す断面説明図。 従来における、コアの内部を示す拡大説明図。

本発明において、上記リアクトルは、例えば、車両用のインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置等に用いることができる。
また、上記コアを構成する上記磁性粉末混合樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂等の絶縁性の樹脂に鉄粉等の磁性粉末を混合して分散させたものを用いることができる。

また、上記ギャップ部は、上記コアに１又は複数設けることができる。上記ギャップ部の個数や配設位置等は、自由に設定することができる。
また、上記ギャップ部の幅は、上記リアクトルが所望の磁気特性となるように、具体的には上記コア全体の磁気抵抗が所望の磁気抵抗となるように、自由に設定することができる。

また、上述したように、上記リアクトルの小型化を図る方法として、上記コアにおける上記磁性粉末の体積率（充填率）を高くする方法がある。例えば、上記コアにおける上記磁性粉末の体積率は、６０〜９０体積％であることが好ましい。
この場合には、上記磁性粉末間の距離を小さくすることができ、上記リアクトルの小型化を十分に図ることができる。

一方、上記コアにおける上記磁性粉末の体積率が６０体積％未満の場合には、上記磁性粉末間の距離を小さくし、上記リアクトルの小型化を十分に図ることができないおそれがある。
また、上記コアにおける上記磁性粉末の体積率が９０体積％を超える場合には、上記磁性粉末の割合が高すぎて上記磁性粉末混合樹脂の流動性が低下し、上記コアの成形が困難になる等、製造上の問題が生じるおそれがある。

また、上記ギャップ部は、非磁性体材料からなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、非磁性の上記ギャップ部を容易に形成することができる。また、上記非磁性体材料として加工、成形等が容易な材料を用いることにより、所望の形状の上記ギャップ部を容易に得ることができる。
なお、上記非磁性体材料としては、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等を用いることができる。

また、上記ギャップ部は、上記磁束の方向に所定の幅を有する空間であるエアギャップであることが好ましい（請求項３）。
この場合には、非磁性の上記ギャップ部を容易に形成することができる。また、上記ギャップ部を空間によって形成するため、該ギャップ部を構成する材料や部品が必要ない。これにより、材料や部品の削減を図ることができる。

また、上記ギャップ部は、上記コイルの表面から該表面に対して垂直な方向に形成され、かつ、上記コイルの表面から少なくとも上記コアの外表面まで形成されている。
これにより、上記磁束が上記コイルの表面に対して平行な方向に形成されることから、上記磁束の方向に所定の幅を有する上記ギャップ部を容易に設けることができる。また、上記ギャップ部が上記コイルの表面から上記コアを貫通するように形成されるため、上記ギャップ部を設けることが製造上容易となる。特に、上記ギャップ部をエアギャップとした場合には、上記コアの外表面に開口する形状となるため、エアギャップ（空間）よりなる上記ギャップ部を容易に形成することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるリアクトルについて、図を用いて説明する。
本例のリアクトル１は、図１、図２に示すごとく、通電により磁束Ｍを発生する筒状のコイル２と、絶縁樹脂３１に磁性粉末３２を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなると共にコイル２を内部に埋設してなるコア３とを有する。コア３には、磁束Ｍの方向に所定の幅Ｗを有する非磁性のギャップ部４１が設けられている。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、リアクトル１は、例えば、車両用のインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置等に用いられるものである。
リアクトル１は、通電により磁束Ｍを発生するコイル２と、コイル２への通電により発生した磁束Ｍの磁路を構成するコア３と、コア３に設けられた非磁性のギャップ部４１とを有する。

図１に示すごとく、コイル２は、導体線としての銅線を螺旋状に巻回して円筒状に形成されている。コイル２は、コア３の内部に埋設されている。
図１、図２に示すごとく、コア３は、絶縁樹脂３１としてのエポキシ樹脂に磁性粉末３２としての鉄粉を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなる。コア３は、コイル２の周りを全体的に覆うように形成されている。

図１に示すごとく、ギャップ部４１は、非磁性材料である液晶ポリマー（ＬＣＰ）からなる非磁性体板４１０により構成されている。ギャップ部４１は、コイル２の外周側において全周にわたって円環板状に形成されている。具体的には、ギャップ部４１は、コイル２の外周面２０２から外側に突出するように、その外周面２０２に対して垂直な方向に形成されている。また、ギャップ部４１は、コイル２の外周面２０２からコア３の外周面３０２まで形成されている。また、ギャップ部４１は、磁束Ｍの方向に所定の幅Ｗを有する。

同図に示すごとく、コイル２への通電を行った場合には、コイル２の周りに磁束Ｍが発生する。そして、磁束Ｍは、コア３の内部を通過するように形成される。このとき、磁束Ｍは、ギャップ部４１に対して垂直に交わるように形成される。すなわち、磁束Ｍは、ギャップ部４１内をギャップ部４１の幅方向に通過する。

次に、本例のリアクトル１の製造方法について簡単に説明する。
本例のリアクトル１を製造するに当たっては、図３に示すごとく、コア成形用の成形型５内の所定の位置に、治具等を用いてコイル２を配置する。
次いで、図４に示すごとく、成形型５内のコイル２の外周側、具体的にはコイル２の外周面２０２と成形型５の内周面５０１との間に、最終的にギャップ部４１となる円環板状の非磁性体板４１０を配置する。

次いで、図５に示すごとく、成形型５内に液状の磁性粉末混合樹脂３０を充填し、コイル２及び非磁性体板４１０を磁性粉末混合樹脂３０内に埋設させる。このとき、液状の磁性粉末混合樹脂３０が成形型５内に容易に充填されるように、非磁性体板４１０に磁性粉末混合樹脂３０を通過させるための貫通孔を設けておいてもよい。
次いで、同図に示すごとく、磁性粉末混合樹脂３０を熱処理により硬化させ、コア３を成形する。その後、コア３から成形型５を取り外す。
以上により、図１のリアクトル１を得る。

次に、本例のリアクトル１における作用効果について説明する。
本例のリアクトル１において、コア３には、磁束Ｍの方向に所定の幅Ｗを有する非磁性のギャップ部４１が設けられている。すなわち、通電によってコイル２の周りに発生する磁束Ｍの磁路となるコア３には、絶縁樹脂３１中に分散した磁性粉末３２間に形成される微小なギャップ４０（図２参照）に加えて、所定のまとまった大きな幅を有するギャップ部４１が設けられている。そのため、ギャップ部４１を設けた分だけコア３の磁気抵抗を大きくすることができ、磁気飽和防止効果を高めることができる。

そして、ギャップ部４１を設けた効果を利用することにより、リアクトル１の磁気特性を維持しながら小型化を図ることができる。以下、その理由について説明する。
例えば、コア３における磁性粉末３２の体積率（充填率）を高くすれば（図１５の状態から図２の状態へ）、磁性粉末３２が密に分散され、磁性粉末３２間の距離が小さくなる。これにより、従来余分なスペースであった磁束Ｍの方向に直交する方向の無効ギャップ４０ｂ（図２参照）を小さくすることができ、磁束Ｍの方向に直交する方向の小型化を図ることができる。

一方、磁性粉末３２間の距離を小さくすると、磁束Ｍの方向に直交する方向だけでなく、磁束Ｍの方向に平行な方向の小型化も図られる。すなわち、磁束Ｍの方向に直交する方向の無効ギャップ４０ｂだけでなく、磁束Ｍの方向に平行な方向の有効ギャップ４０ａ（図２参照）も小さくなる。しかしながら、本例では、有効ギャップ４０ａが小さくなったことによって磁気飽和防止効果が低下した分をギャップ部４１によって補うことができる。これにより、ギャップによる磁気飽和防止効果を維持することができる。
よって、ギャップ部４１を設けた効果を利用すれば、リアクトル１の磁気特性を維持しながら小型化を図ることができる。

また、本例では、ギャップ部４１は、非磁性体材料である液晶ポリマー（ＬＣＰ）からなる。そのため、非磁性のギャップ部４１を容易に形成することができる。また、非磁性体材料である液晶ポリマー（ＬＣＰ）は、加工、成形等が容易であるため、所望の形状のギャップ部４１を容易に得ることができる。

また、ギャップ部４１は、コイル２の表面（外周面２０２）からその表面（外周面２０２）に対して垂直な方向に形成され、かつ、コイル２の表面（外周面２０２）からコア３の外表面（外周面３０２）まで形成されている。磁束Ｍがコイル２の表面（外周面２０２）に対して平行な方向に形成されることから、磁束Ｍの方向に所定の幅Ｗを有するギャップ部４１を容易に設けることができる。また、ギャップ部４１がコイル２の表面（外周面２０２）からコア３を貫通するように形成されるため、ギャップ部４１を設けることが製造上容易となる。

このように、本例によれば、磁気特性を維持しながら小型化を図ることができるリアクトル１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図９に示すごとく、ギャップ部４１の構成を変更した例である。
本例では、同図に示すごとく、ギャップ部４１は、磁束Ｍの方向に所定の幅Ｗを有する空間であるエアギャップである。具体的には、ギャップ部４１は、コイル２の外周面２０２からその外周面２０２に対して垂直な方向に形成され、コア３の外周面３０２に開口している。すなわち、コア３の外周面３０２からコイル２の外周面２０２まで内側に切り込まれたように凹溝状に形成されている。
その他は、実施例１と同様の構成である。

次に、本例のリアクトル１の製造方法について説明する。
本例のリアクトル１を製造するに当たっては、図１０に示すごとく、複数の型枠５１を組み合わせて構成されたコア成形用の成形型５を準備する。成形型５には、ギャップ部４１を形成するためのギャップ形成部５２が設けられている。ギャップ形成部５２は、成形型５の内周面５０１からコイル２の外周面２０２まで内側に突出するように円環板状に形成されている。
次いで、同図に示すごとく、成形型５内の所定の位置に、治具等を用いてコイル２を配置する。具体的には、成形型５のギャップ形成部５２の内側にコイル２を配置する。

次いで、図１１に示すごとく、成形型５内に液状の磁性粉末混合樹脂３０を充填し、コイル２を磁性粉末混合樹脂３０内に埋設させる。
次いで、同図に示すごとく、磁性粉末混合樹脂３０を熱処理により硬化させ、コア３を成形する。その後、コア３から成形型５を取り外す。そして、ギャップ形成部５２があった部分にエアギャップ（空間）よりなるギャップ部４１が形成される。
これにより、図９のリアクトル１を得る。

次に、本例のリアクトル１における作用効果について説明する。
本例のリアクトル１において、ギャップ部４１は、磁束Ｍの方向に所定の幅Ｗを有する空間であるエアギャップである。そのため、非磁性のギャップ部４１を容易に形成することができる。また、ギャップ部４１を空間によって形成するため、ギャップ部４１を構成する材料や部品が必要ない。これにより、材料や部品の削減を図ることができる。

また、ギャップ部４１は、コイル２の表面（外周面２０２）からその表面（外周面２０２）に対して垂直な方向に形成され、コア３の外表面（外周面３０２）に開口している。このようにギャップ部４１をコア３の外周面３０２に開口する形状とすることにより、エアギャップ（空間）よりなるギャップ部４１を容易に形成することができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、本例では、図９に示すごとく、エアギャップ（空間）よりなるギャップ部４１は、コア３の外周面３０２からコイル２の外周面２０２まで内側に切り込まれたように凹溝状に形成されているが、例えば、図１２に示すごとく、ギャップ部４１は、コア３の上面３０３からコイル２の上面２０３まで下方に切り込まれたように凹溝状に形成されていてもよいし、図１３に示すごとく、コア３の下面３０４からコイル２の下面２０４まで上方に切り込まれたように凹溝状に形成されていてもよい。

１ リアクトル
２ コイル
３ コア
４１ ギャップ部

Claims (3)

1. 通電により磁束を発生する筒状のコイルと、絶縁樹脂に磁性粉末を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなると共に上記コイルを内部に埋設してなるコアとを有するリアクトルであって、
   上記コアには、上記磁束の方向に所定の幅を有する非磁性のギャップ部が設けられており、
   該ギャップ部は、上記コイルの外周側に配置されており、上記コイルの表面から該表面に対して垂直な方向に形成され、かつ、上記コイルの表面から少なくとも上記コアの外表面まで形成されていることを特徴とするリアクトル。
2. 請求項１に記載のリアクトルにおいて、上記ギャップ部は、非磁性体材料からなることを特徴とするリアクトル。
3. 請求項１に記載のリアクトルにおいて、上記ギャップ部は、上記磁束の方向に所定の幅を有する空間であるエアギャップであることを特徴とするリアクトル。

Images