JP6084433B2

JP6084433B2 - リアクトル

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Publication number: JP6084433B2
Application number: JP2012238935A
Authority: JP
Inventors: 山家　孝志; 孝志山家; 有希阿部
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: JP2014090069A

Description

本発明は、インダクタンスを利用して電圧変換などを行うリアクトルに関する。

液状の熱硬化樹脂と金属軟磁性粉を混合した複合磁性体スラリーを、支持されたコイルを収容する容器に注ぎ込み、複合磁性体スラリーを熱硬化させることにより構成することで、数十Ａから数百Ａの大電流が通電されても軟磁性体が磁気飽和しにくいよう構成されたリアクトルの検討がなされている。

さらに、例えば特許文献１の段落００５８等には、図１１のような構成が記載されている。

図１１は、従来技術である特許文献１のリアクトルを示す断面図である。

図１１に示すように、軟磁性体１０に埋設されたコイル１１表面は絶縁体１２で覆われており、コイル１１の内周面における巻き軸方向端部には磁気抵抗部２１、２２が設けられており、磁気抵抗部２１、２２の中央部を薄くすることにより磁束の密度の分布の平均化を行う提案がなされている。

特開２００６−４９５７号公報

特許文献１に記載された図１１のような構成により磁束の密度の平均化が行われ、インダクタンスが飽和しにくくなるが、その反面、図１１におけるコイル１１近傍の磁束Ｂｉは、磁気抵抗部２１、２２を避けるような方向に磁束が向かうことでコイル１１の内部に磁束が入り込むこととなるために渦電流損失が増加するという問題がある。

従って本発明の目的は、磁気飽和と損失の改善を両立したリアクトルを提供することにある。

上記課題を本発明は、表面が電気絶縁された導体を巻き回したコイルと、金属磁性粉と結合材を主に含有し、比透磁率が５００以下の軟磁性体と、前記軟磁性体よりも低い比透磁率を有する磁気抵抗部を備え、前記軟磁性体は少なくとも前記コイルの内周面、及び前記コイルの巻き軸と平行な巻き軸方向の端面を包囲し、前記磁気抵抗部は、前記巻き軸方向に対する前記コイルの内周面及びその近傍における中央部より巻き軸に向かって延長し、回転対称軸が前記巻き軸と一致するコーン型であり、前記コーン型の磁気抵抗部の外周端部は前記コイルの内周面における巻き軸方向に対する中央部に配されるとともに、前記磁気抵抗部の内周端部は開口した形状であるリアクトルによって解決する。

なお、前記中央部とは、前記コイルの径方向の厚さをＸとした場合の前記内周面の上から巻き軸側へ０．５Ｘまでの範囲でかつ、前記コイルの巻き軸方向に沿った高さをＹとした場合の０．２５Ｙから０．７５Ｙの範囲にある領域であることが望ましい。

また、前記コーン型の磁気抵抗部と前記コイルにおける径方向の成す角θは、１０°から９０°の範囲にあることが望ましい。

また、２つの前記コーン型の磁気抵抗部を備え、前記コーン型の磁気抵抗部は互いに面対称な形状であると共に前記外周端部が互いに近接していることが望ましい。

また、前記外周端部を互いに結合させる結合部をさらに備えることが望ましい。

また、前記外周端部は前記内周面の上に接していることが望ましい。

また、前記外周端部の一部が前記内周面より離れていることが望ましい。

本発明によって、磁気飽和と損失の改善を両立し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示す斜視図である。本発明の実施形態１におけるリアクトルを示す断面図であり、図１におけるＡ面の断面を示している。本発明の実施形態２におけるリアクトルを示す断面図であり、図２の変形例を示している。本発明の実施形態３におけるリアクトルを示す断面図であり、図２の変形例を示している。本発明の実施形態３におけるリアクトルを示す断面図であり、図４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示す断面図であり、図２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示す断面図であり、図２の変形例を示している。本発明の実施形態６におけるリアクトルの作成途中における断面図である。図７は、実施形態１における図１の断面Ａに対応している。本発明の実施形態７におけるリアクトルの作成途中におけるコイルの巻き軸方向から見た正面図である。本発明の実施形態７における磁気抵抗部を回転対称軸に対する垂直方向から見た図である。従来技術である特許文献１のリアクトルを示す断面図である。

（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示す斜視図である。

図１のリアクトルは、コイル１１の内側にはコーン型の磁気抵抗部２１、２２が配され、全体を金属磁性粉と非磁性の結合材を主に含有する軟磁性体１０によって埋設した構成となっている。軟磁性体１０の比透磁率は、１０以上であることが望ましく、コイル１１への大電流通電により磁気飽和しないよう、５００以下が望ましく、１００以下であることがより望ましい。

ここで、磁気抵抗部２１、２２は、空洞や非磁性体等の磁気ギャップによって構成してもよく、軟磁性体１０よりも低い透磁率を有する軟磁性体で構成してもよい。

また、コイル１１は、表面を絶縁被覆した丸線や平角線を巻き回して構成してもよく、導体箔を絶縁セパレータを介して巻き回すことで構成してもよい。

ここで、数十Ａから数百Ａの大電流を通電するリアクトルとするには、金属磁性粉としては、飽和磁束密度が大きいことが望ましく、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ等の鉄系合金であることが望ましい。また、結合材としては、熱硬化性の液状エポキシ樹脂であることが望ましい。

図１の構成は、図示されない容器内にコイル１１を中空支持して磁気抵抗部２１、２２と共に入れておき、液状で未硬化のエポキシ樹脂と金属軟磁性粉を混合した複合磁性体スラリーを、容器に注ぎ込み、複合磁性体スラリーを熱硬化させることにより作成することができる。

なお、軟磁性体１０を圧粉磁芯で構成してもよく、圧粉磁芯のブロックを組み合わせて軟磁性体１０を構成してもよい。この場合、コイル１１の中芯となる圧粉磁芯ブロックに予め磁気抵抗部２１、２２を設けてコイル１１の周囲に組み上げてもよい。

図２は、本発明の実施形態１におけるリアクトルを示す断面図であり、図１におけるＡ面の断面を示している。

図２ではコイル１１の表面が絶縁体１２で覆われているが、コイル１１を構成する導体の表面に充分強固な絶縁被膜が形成されていれば、絶縁体１２の無い構成としても良い。

コーン型の磁気抵抗部２１、２２の外周端部は、いずれもコイル１１及び絶縁体１２の内周面であって、巻き軸である紙面上下方向に対する中央部と接している。

また、磁気抵抗部２１、２２の内周端部は、コイル１１の内周面によって囲われた領域Ｃにおける巻き軸である紙面上下方向に対する端部に向かっており、図２では領域Ｃよりはみ出している。

ここで、磁束Ｂｉ、Ｂｏはコイル１１へ通電することによって生じる磁束である。

コイル１１近傍の磁束Ｂｉは、図１１の場合と異なり、磁束が磁気抵抗部２１、２２を避けるよう曲がっても、コイル１１内部に入り込むことを図１１の場合よりも抑制することとなる。これは、磁気抵抗部２１、２２の外周端部が既に述べた中央部にあることに起因する。

また、コイル１１より離れた磁束Ｂｏも、磁気抵抗部２１、２２を避けるよう曲がるため、磁束の分布をコイル１１の巻き軸に沿った軟磁性体１０の端部に広げることができるため、直流重畳特性が改善され、鉄損は磁束密度の約２乗に比例することから、磁束密度の均一化は軟磁性体１０のヒステリシス損失の改善にも繋がる。

すなわち本発明は、表面が電気絶縁された導体を巻き回したコイル１１と、金属磁性粉と結合材を主に含有する軟磁性体１０と、軟磁性体１０よりも低い透磁率を有する磁気抵抗部２１、２２を備え、軟磁性体１０は少なくともコイル１１の内周面、及びコイル１１の巻き軸と平行な巻き軸方向の端面を包囲し、磁気抵抗部２１、２２はコイル１１の内周面及びその近傍における巻き軸方向に対する中央部より巻き軸に向かって延長するよう設けられているリアクトルの実施形態を取り得る。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２におけるリアクトルを示す断面図であり、図２の変形例を示している。

実施形態１における図２とは、磁気抵抗部２１、２２の外周端部が絶縁体１２表面から距離Ｘｇだけ離れている点が異なる。

ここで、コイル１１の径方向の厚さをＸｗと、巻き軸方向に沿った高さをＹｗとする。

また、コイル１１における巻き軸方向の一方の端部を基準として、磁気抵抗部２１の外周端部上のコイル１１における巻き軸方向端部側の距離をＹ１、磁気抵抗部２２の外周端部上のコイル１１における巻き軸方向端部側の距離をＹ２とする。

また、磁気抵抗部２１、２２がコイル１１の径方向となす角をθとする。

このように各パラメータを定義した場合、コイル１１内部に磁束が入り込むことを防ぐことで渦電流損失を改善しつつ、磁束密度の均一化により直流重畳特性を改善する上では、距離Ｘｇは０．５Ｘｗ以下が望ましく、０．１４Ｘｗ以下であることがより望ましく、距離Ｙ１は０．７５Ｙｗ以下が望ましく、０．６１Ｙｗ以下がより望ましく、距離Ｙ２は、０．２５Ｙｗ以上であることが望ましく、０．３９Ｙｗ以上であることがより望ましく、なす角θは０°以上であることが望ましく、３０°以上であることがより望ましく、さらに８０°以下であることが望ましく、７０°以下であることがより望ましい。

すなわち本実施形態では、上記中央部とは、コイル１１の径方向の厚さをＸｗとした場合のコイル１１の内周面の上から０．５Ｘｗだけ巻き軸側までの範囲でかつ、コイル１１の巻き軸方向に沿った高さをＹｗとした場合の０．２５Ｙｗから０．７５Ｙｗの範囲にある領域であるリアクトルの実施形態を取り得る。

また本発明は、磁気抵抗部２１、２２は回転対称軸がコイル１１の巻き軸と一致するコーン型の磁気抵抗部２１、２２であり、コーン型の磁気抵抗部２１、２２の外周端部はコイル１１の内周面における巻き軸方向に対する中央部に配されているリアクトルの実施形態を取り得る。

また本発明は、磁気抵抗部２１、２２の外周端部がコイル１１もしくは絶縁体１２の内周面の上に接しているリアクトルの実施形態を取り得る。

また本発明は、コーン型の磁気抵抗部２１、２２とコイル１１における径方向の成す角θは、０°から８０°の範囲にあ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示す断面図であり、図２の変形例を示している。

実施形態１における図２とは、磁気抵抗部２２を設けていない点が異なる。このような構成でも実施形態１と同様にコイル１１近傍の磁束Ｂｉがコイル１１内部に入り込むことを抑制することができる。

図５は、本発明の実施形態３におけるリアクトルを示す断面図であり、図４の変形例を示している。

実施形態２における図３と同様に厚さＸｗ、高さＹｗ、距離Ｘｇ、距離Ｙ１、Ｙ２、なす角θを定義すると、コイル１１内部に磁束が入り込むことを防ぐことで渦電流損失を改善しつつ、磁束密度の均一化により直流重畳特性を改善する上では、距離Ｘｇは０．５Ｘｗ以下が望ましく、０．１４Ｘｗ以下であることがより望ましく、距離Ｙ１は０．７５Ｙｗ以下が望ましく、０．６１Ｙｗ以下がより望ましく、距離Ｙ２は、０．２５Ｙｗ以上であることが望ましく、０．３９Ｙｗ以上であることがより望ましく、なす角θは０°以上であることが望ましく、３０°以上であることがより望ましく、さらに８０°以下であることが望ましく、７０°以下であることがより望ましい。

（実施形態４）
図６は、本発明の実施形態４におけるリアクトルを示す断面図であり、図２の変形例を示している。

実施形態１における図２とは、磁気抵抗部２１、２２の内周端部の断面が折れ曲がっている点が異なっている。

コイル１１より離れた磁束Ｂｏの分布を調整するために、図６のように内周端部を曲げるよう構成しても良い。

また、磁気抵抗部２１、２２を内周端部にゆくに従って薄くする構成とすることで磁束分布を微調整してもよい。

（実施形態５）
図７は、本発明の実施形態５におけるリアクトルを示す断面図であり、図２の変形例を示している。

実施形態１における図２とは、磁気抵抗部２１、２２の内周端部を互いに結合させる結合部２３を設けている点が異なる。

結合部２３により磁気抵抗部２１、２２を一体化することができるため、磁気抵抗部２１、２２間の位置ずれや磁気抵抗部２１、２２とコイル１１の巻き軸とのずれを防ぐことができる。

（実施形態６）
図８は、本発明の実施形態６におけるリアクトルの作成途中における断面図である。図７は、実施形態１における図１の断面Ａに対応している。

図示されない容器内にコイル１１、絶縁体１２、磁気抵抗部２１、２２を支持して、未硬化の軟磁性体１０を注ぎ込む際、磁気抵抗部２１、２２と絶縁体１２の間には隙間２１１、２２１が設けられているため、未硬化の軟磁性体１０が磁気抵抗部２１と絶縁体１２の隙間に溜まったり、磁気抵抗部２２と絶縁体１２の間に空洞が残ったりすることを防ぐことができる。

（実施形態７）
図９は、本発明の実施形態７におけるリアクトルの作成途中におけるコイルの巻き軸方向から見た正面図である。図９は、軟磁性体を設ける前の磁気抵抗部２１、２２と絶縁体１２で覆われたコイルを組み上げた状態を示している。なお図９は、コイルの巻き軸方向によって、磁気抵抗部２１、２２のいずれかが見えることを示している。

磁気抵抗部２１、２２と絶縁体１２の間には隙間２１１、２２１が設けられている部分と、接触もしくは結合している部分がある。

図９におけるＤＤ面の断面は、軟磁性体を設けた後は図３のような構成となり、ＥＥ面の断面は、図７のような構成となる。

図１０は、本発明の実施形態７における磁気抵抗部を回転対称軸に対する垂直方向から見た図である。

磁気抵抗部２１、２２の間は結合部２３により結合されているため、磁気抵抗部２１、２２間の位置ずれや磁気抵抗部２１、２２とコイルの巻き軸とのずれを防ぐことができる。

すなわち本発明は、２つのコーン型の磁気抵抗部２１、２２を備え、コーン型の磁気抵抗部２１、２２は互いに面対称な形状であると共に前記外周端部が互いに近接しているリアクトルの実施形態を取り得る。

また本発明は、２つのコーン型の磁気抵抗部２１、２２の外周端部を互いに結合させる結合部２３をさらに備えたリアクトルの実施形態を取り得る。

また本発明は、２つのコーン型の磁気抵抗部２１、２２の外周端部の一部が前記内周面より離れている隙間２１１、２２１を有するリアクトルの実施形態を取り得る。

１０軟磁性体
１１コイル
１２絶縁体
２１、２２磁気抵抗部
２３結合部
２１１、２２１隙間
Ｂｉ、Ｂｏ磁束
Ｃ領域
Ｘｗ厚さ
Ｘｇ距離
Ｙｗ高さ
Ｙ１、Ｙ２距離
θ なす角

Claims

表面が電気絶縁された導体を巻き回したコイルと、
金属磁性粉と結合材を主に含有し、比透磁率が５００以下の軟磁性体と、
前記軟磁性体よりも低い比透磁率を有する磁気抵抗部を備え、
前記軟磁性体は少なくとも前記コイルの内周面、及び前記コイルの巻き軸と平行な巻き軸方向の端面を包囲し、
前記磁気抵抗部は、前記巻き軸方向に対する前記コイルの内周面及びその近傍における中央部より巻き軸に向かって延長し、回転対称軸が前記巻き軸と一致するコーン型であり、前記コーン型の磁気抵抗部の外周端部は前記コイルの内周面における巻き軸方向に対する中央部に配されるとともに、前記磁気抵抗部の内周端部は開口した形状であることを特徴とするリアクトル。
前記中央部とは、
前記コイルの径方向の厚さをＸとした場合の前記内周面の上から巻き軸側へ０．５Ｘまでの範囲でかつ、
前記コイルの巻き軸方向に沿った高さをＹとした場合の０．２５Ｙから０．７５Ｙの範囲にある領域であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
前記コーン型の磁気抵抗部と前記コイルにおける径方向の成す角θは、０°から８０°の範囲にある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。
２つの前記コーン型の磁気抵抗部を備え、
前記コーン型の磁気抵抗部は互いに面対称な形状であると共に前記外周端部が互いに近接し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。
前記外周端部を互いに結合させる結合部をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載のリアクトル。
前記外周端部は前記内周面の上に接していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のリアクトル。
前記外周端部の一部が前記内周面より離れていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のリアクトル。