JP7022342B2 - リアクトル - Google Patents
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Description
巻回部を有するコイルと、
前記巻回部の内側と前記巻回部の外側とに配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、複数のコア片を組み合わせて構成され、
前記複数のコア片のうち、少なくとも一つのコア片は、磁性粉末と樹脂とを含む複合材料の成形体と非磁性部材とを備える第一のコア片であり、
前記非磁性部材は、
前記複合材料の成形体に一体に保持されており、
前記複合材料の成形体の外周面に沿って配置される基部と、
前記基部から立設される突出片とを備え、
前記突出片は、
前記第一のコア片の軸方向に交差するように前記複合材料の成形体における前記巻回部の内側に配置される箇所の内部に挿入される。
最初に、本開示の実施態様を列記して説明する。
(1)本開示の実施形態に係るリアクトルは、
巻回部を有するコイルと、
前記巻回部の内側と前記巻回部の外側とに配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、複数のコア片を組み合わせて構成され、
前記複数のコア片のうち、少なくとも一つのコア片は、磁性粉末と樹脂とを含む複合材料の成形体と非磁性部材とを備える第一のコア片であり、
前記非磁性部材は、
前記複合材料の成形体に一体に保持されており、
前記複合材料の成形体の外周面に沿って配置される基部と、
前記基部から立設される突出片とを備え、
前記突出片は、
前記第一のコア片の軸方向に交差するように前記複合材料の成形体における前記巻回部の内側に配置される箇所の内部に挿入される。
本開示のリアクトルにおいて第一のコア片は、第一のコア片の軸方向(長手方向)が巻回部の軸方向、即ちコイルの磁束方向に沿うように配置される。その結果、第一のコア片における非磁性部材の突出片は、上記磁束方向に交差するように配置される。このような非磁性部材の突出片は、磁気ギャップとして利用できる。従って、本開示のリアクトルは、使用電流値が大きい場合でも磁気飽和し難い。ひいては、本開示のリアクトルは、使用電流値が大きい場合でも、所定のインダクタンスを維持できる。
本開示のリアクトルは、第一のコア片自体に磁気ギャップとして機能する非磁性部材を備える。第一のコア片を構成する複合材料の成形体と非磁性部材とが一体物であるため、上述の隣り合うコア片の間隔を保持する部材やギャップ板等を省略できる。上記間隔を保持する部材やギャップ板と、コア片とを組み合わせる必要も無い。コア片とギャップ板とを接合する接着剤の固化時間も不要である。これらのことから、組立時間を短縮できるため、リアクトルの製造性に優れる。更に、第一のコア片は複合材料の成形体を主体とする。そのため、第一のコア片の製造過程では、複合材料の成形体を射出成形等で形成すると同時に、複合材料の成形体と非磁性部材とを一体化させられる。第一のコア片を容易に成形できることからも、リアクトルの製造性に優れる。
前記複合材料の成形体の外周面における前記突出片の先端側にゲート痕を有する形態が挙げられる。
前記突出片における前記基部からの突出長さは、前記第一のコア片の軸方向に直交する方向に沿った長さの1/2超であり、
前記突出片における前記軸方向に沿った最大長さは、2mm未満である形態が挙げられる。
前記複合材料の成形体を前記第一のコア片の軸方向に直交する平面で切断した断面の外形を内包する最小の長方形を仮想し、
前記突出片の突出方向は、仮想の前記長方形の長辺に沿った方向である形態が挙げられる。
前記コイルは、隣り合って並ぶ二つの前記巻回部を備え、
前記磁性コアは、前記二つの巻回部の内側にそれぞれ配置される前記突出片を含む前記第一のコア片を備え、
前記各第一のコア片は、前記基部が向かい合うと共に、前記突出片が離反するように配置される形態が挙げられる。
前記複合材料の成形体の比透磁率は、5以上50以下であり、
前記巻回部の外側に配置される第二のコア片の比透磁率は、前記複合材料の成形体の比透磁率の2倍以上である形態が挙げられる。
前記第二のコア片の比透磁率は、50以上500以下である形態が挙げられる。
前記磁性コアの少なくとも一部を覆う樹脂モールド部を備える形態が挙げられる。
以下、図面を参照して、本開示の実施形態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。
図1,図2を参照して、実施形態1のリアクトル1を説明する。
図1は、実施形態1のリアクトル1をコイル2の巻回部2a,2bの軸方向(図1では紙面左右方向)と、二つの巻回部2a,2bが並ぶ方向(図1では紙面上下方向)との双方に直交する方向(図1では紙面垂直方向)からみた平面図である。
実施形態1のリアクトル1は、図1に示すように、巻回部を有するコイル2と、巻回部の内側と巻回部の外側とに配置される磁性コア3とを備える。本例のコイル2は隣り合って並ぶ二つの巻回部2a,2bを有する。各巻回部2a,2bは、各軸が平行するように配置される。磁性コア3は、複数のコア片を組み合わせて構成される。本例の磁性コア3は、二つの巻回部2a,2bの内側にそれぞれ配置される箇所を含む第一のコア片31と、巻回部2a,2bの外側に配置される第二のコア片32とを備える。磁性コア3は、これらコア片31,32が環状に組み付けられて構成される。二つのコア片31は、各軸方向が巻回部2a,2bの軸方向に沿うように配置される。二つのコア片32が両コア片31を挟むように配置される。このようなリアクトル1は、代表的には、コンバータケース等の設置対象(図示せず)に取り付けられて使用される。
以下、構成要素ごとに詳細に説明する。
本例のコイル2は、巻線(図示せず)が螺旋状に巻回されてなる筒状の巻回部2a,2bを備える。隣り合って並ぶ二つの巻回部2a,2bを備えるコイル2として、以下の形態が挙げられる。
(ii)1本の連続する巻線から形成される巻回部2a,2bと、巻回部2a,2bを連結する連結部(図示せず)とを備える。連結部は、巻回部2a,2b間に渡される巻線の一部から構成される。
《概要》
本例の磁性コア3は、上述のように二つのコア片31と、二つのコア片32との合計四つのコア片を環状に組み合わせて閉磁路を構成する。本例では、各第一のコア片31は複合材料の成形体30を主体とし、複合材料の成形体30において巻回部2a,2bの内側に配置される箇所に非磁性部材7を含む。また、本例では、各第二のコア片32は、巻回部2a,2bの外側に配置され、非磁性部材7を備えていない。主として巻回部2a,2bの内側に配置されるコア片31と、巻回部2a,2bの外側に配置されるコア片32とを独立したコア片とすることで、コア片の構成材料、特に第一のコア片31では複合材料の成形体30の構成材料の自由度を高められる。本例では、コイル2内のコア片31の構成材料とコイル2外のコア片32の構成材料とが異なる。両コア片31の構成材料は等しい。また、一つの巻回部2a(又は2b)の内側に配置されるコア片の個数が一つである。そのため、磁性コア3、ひいてはリアクトル1の組付部品点数が少ない。コア片の構成材料、個数は適宜変更できる。
本例では、二つのコア片31は、同一形状、同一の大きさである。各コア片31は細長い直方体状であり、上述のように長手方向が巻回部2a,2bの軸方向に沿うように配置される。各コア片31の外周形状は、巻回部2a,2bの内周形状に概ね相似である。各コア片31の端面311,312の形状は、長方形状である(短辺長さ<長辺長さ、図2D)。各コア片31の形状、大きさは、主体である複合材料の成形体30の形状、大きさに依存し、概ね同様である。本例の複合材料の成形体30は、上述のように細長い直方体状であり、外周面は、二つの端面311,312と、四つの周面313~316とを含む(図2A)。以下、第一のコア片31又は複合材料の成形体30において、軸方向(長手方向)に直交する方向のうち、対向する周面313,315を貫通する方向を高さ方向と呼ぶ。また、上記軸方向に直交する方向のうち、対向する周面314,316を貫通する方向を幅方向と呼ぶ。
≪概要≫
以下、主に図2を参照して、非磁性部材7を説明する。
第一のコア片31は、少なくとも一つの非磁性部材7を備える。非磁性部材7は、非磁性材料からなる成形体であり、基部70と、突出片71とを備える。本例の非磁性部材7は、基部70と突出片71とが一体に成形された一体物である。
非磁性部材7の形状は適宜変更できる。非磁性部材7の形状は、例えば、基部70や突出片71を構成する部材の形状、一つの基部70における突出片71の個数、突出片71の傾斜角度θ等を調整することで、容易に変更できる。
非磁性部材7の大きさ、特に突出片71の厚さt7、突出長さL7、幅w7等は、リアクトル1が所定の磁気特性を満たす範囲で適宜選択できる。
図1に示す第一のコア片31は、一つの突出片71を有する一つの非磁性部材7を備える。第一のコア片31は、複数の非磁性部材7を備えてもよい(図示せず)。リアクトル1が複数の非磁性部材7を備える場合、各非磁性部材7の突出片71は、第一のコア片31の軸方向の異なる位置に設けられて、複合材料の成形体30に対して同じ向き、又は異なる向きに挿入される。複数の突出片71の挿入方向(突出方向)が同じ形態の一例を以下の(1)に示す。複数の突出片71の挿入方向(突出方向)が異なる形態の一例を以下の(2)に示す。以下の例示の各非磁性部材7は、本例のようなT字状の部材とする。
非磁性部材7は、複合材料の成形体30の軸方向の任意の位置に設けられる。本例では、第一のコア片31における非磁性部材7の形成位置は、第一のコア片31の軸方向の中心である。このような第一のコア片31は、第一のコア片31の軸方向に二等分する線分を軸として、対称形状である。
その他、第一のコア片31は、代表的には、複合材料の成形体30の外周面にゲート痕75(図2B~図2D)を有する。ゲート痕75は、第一のコア片31の製造過程で、複合材料の成形体30を射出成形等で成形する場合、成形型のキャビティ内に原料の流動物を導入するゲート(図示せず)に充填された流動物の残存物である。ゲート痕75は、上記キャビティ内におけるゲートの設置位置に対応して、複合材料の成形体30に設けられる。そのため、複合材料の成形体30におけるゲート痕75の位置は、キャビティ内におけるゲートの配置位置を調整することで変更できる。なお、図2B,図2Dでは、分かり易いようにゲート痕75を誇張して示す。図2Cでは、ゲート痕75を太線の円形で示す。ゲート痕75の形状、大きさは、用いるゲート(例、ピンゲート、ファンゲート等)によって異なる。図2B~図2Dのゲート痕75の形状、大きさは例示である。
本例のリアクトル1のようにコイル2が二つの巻回部2a,2bを備え、巻回部2a,2bの内側にそれぞれ配置される非磁性部材7の突出片71を含む第一のコア片31を備える場合、各第一のコア片31における基部70の向き、突出片71の向きは適宜選択できる。図1に示すように、各第一のコア片31は、基部70が向かい合うと共に、突出片71が離反するように配置される形態(以下、内寄り形態と呼ぶ)としてもよい。又は、各第一のコア片31は、突出片71が向かい合うと共に、基部70が離反するように配置される形態としてもよい(以下、外寄り形態と呼ぶ)。外寄り形態は、実施形態2として後述する。又は、主として一方の巻回部2a内に配置される第一のコア片31の突出片71と、主として他方の巻回部2b内に配置される第一のコア片31の突出片71とが交差するように、例えば直交するように配置される形態(以下、交差形態と呼ぶ)としてもよい。交差形態の一例として、以下が挙げられる。一方の第一のコア片31では、基部70が周面313に配置され、突出片71が周面313から対向する周面315に向かって配置される。他方の第一のコア片31では、基部70が周面314に配置され、突出片71が周面314から対向する周面316に向かって配置される。即ち、各コア片31における基部70の配置位置が90°ずれた位置となるように非磁性部材7が配置される。
非磁性部材7を構成する非磁性材料は、非金属であることが好ましい。渦電流損等の損失を低減でき、低損失なリアクトル1にできるからである。非磁性の非金属材料の一例として、各種の樹脂、セラミックス等が挙げられる。非磁性部材7の構成材料が樹脂である場合、製造過程で、複合材料の成形体30の原料(流動物)に接しても変形したり、溶解したりしない程度の耐熱性を有する樹脂が好ましい。例えば、熱変形温度が200℃以上、好ましくは250℃以上の樹脂が挙げられる。
磁性コア3を構成する複数のコア片は、軟磁性材料を主体とする成形体等が挙げられる。軟磁性材料は、鉄や鉄合金(例、Fe-Si合金、Fe-Ni合金等)といった金属、フェライト等の非金属等が挙げられる。上記成形体は、複合材料の成形体、圧粉成形体、軟磁性材料からなる板材の積層体、焼結体等が挙げられる。複合材料の成形体は、磁性粉末と樹脂とを含む(詳細は後述する)。圧粉成形体の詳細は後述する。板材の積層体は、代表的には電磁鋼板等の板材が積層されたものが挙げられる。焼結体は、代表的には、フェライトコア等が挙げられる。全てのコア片の構成材料が等しい形態、全て異なる形態、構成材料が同じであるコア片を一部に含む形態(本例)のいずれも利用できる。但し、磁性コア3を構成する複数のコア片のうち、非磁性部材7を備える第一のコア片31は、複合材料の成形体からなるものとする。
複合材料の成形体において、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%以下が挙げられる。複合材料中の樹脂の含有量は、例えば10体積%以上70体積%以下が挙げられる。磁性粉末の含有量が多く、樹脂の含有量が少ないほど、飽和磁束密度や比透磁率を高めたり、放熱性を高めたりし易い。飽和磁束密度や比透磁率の向上、放熱性の向上を望む場合等では、磁性粉末の含有量を50体積%以上、更に55体積%以上、60体積%以上としてもよい。磁性粉末の含有量が少なく、樹脂の含有量が多いほど、電気絶縁性を高められて渦電流損失を低減し易い。製造過程では、複合材料の流動性に優れる。損失の低減、流動性の向上を望む場合等では、磁性粉末の含有量を75体積%以下、更に70体積%以下としてもよい。又は樹脂の含有量を30体積%超としてもよい。
圧粉成形体は、代表的には、磁性粉末(上述参照)とバインダーとを含む混合粉末を所定の形状に圧縮成形した後、熱処理を施したものが挙げられる。バインダーは樹脂等を利用できる。バインダーの含有量は30体積%以下程度が挙げられる。熱処理を施すと、バインダーが消失したり、熱変性物になったりする。そのため、圧粉成形体は、複合材料の成形体よりも磁性粉末の含有割合を高め易い(例えば80体積%超、更に85体積%以上)。磁性粉末の含有割合が多いことで、圧粉成形体は、樹脂を含有する複合材料の成形体よりも飽和磁束密度や比透磁率が高い傾向にある。
第一のコア片31において複合材料の成形体30の比透磁率は、例えば5以上50以下であることが挙げられる。複合材料の成形体30の比透磁率は、10以上45以下、更に40以下、35以下、30以下とより低くしてもよい。このような低透磁率の複合材料の成形体30を含む磁性コア3を備えるリアクトル1は、磁気飽和し難い。そのため、非磁性部材7の突出片71の厚さt7を薄くし易い。突出片71の厚さt7が薄ければ、突出片71の配置箇所からの漏れ磁束を低減できる。ひいては、上述のように低損失で小型なリアクトル1にできる。
第一のコア片31に備えられる複合材料の成形体30,第二のコア片32と同様の組成からなるリング状の試料(外径34mm、内径20mm、厚さ5mm)を作製する。
上記リング状の試料に一次側:300巻き、二次側:20巻きの巻線を施し、B-H初磁化曲線をH=0(Oe)~100(Oe)の範囲で測定する。
得られたB-H初磁化曲線のB/Hの最大値を求める。この最大値を比透磁率とする。ここでの磁化曲線とは、いわゆる直流磁化曲線である。
複合材料の成形体30の比透磁率の測定に用いるリング状の試料は、非磁性部材7が無いものとする。
その他、リアクトル1は、コイル2と磁性コア3との間に介在される保持部材5を備えてもよい。図1では、保持部材5を二点鎖線で仮想的に示す。
その他、リアクトル1は、磁性コア3の少なくとも一部を覆う樹脂モールド部6を備えてもよい。図1では、樹脂モールド部6を二点鎖線で仮想的に示す。
実施形態1のリアクトル1は、例えば、コア片31,32を用意して、コイル2と組み付けることで製造できる。適宜、保持部材5を組み付ける。樹脂モールド部6を備える場合には、コイル2と磁性コア3と保持部材5とを組み付けたものを樹脂モールド部6の成形金型(図示せず)に収納し、流動状態の樹脂によって磁性コア3を被覆することで製造できる。
実施形態1のリアクトル1は、電圧の昇圧動作や降圧動作を行う回路の部品、例えば種々のコンバータや電力変換装置の構成部品等に利用できる。コンバータの一例として、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、燃料電池自動車等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等が挙げられる。
実施形態1のリアクトル1は、第一のコア片31に備えられる非磁性部材7の突出片71を磁気ギャップとして利用できる。第一のコア片31が複合材料の成形体30を主体とし、複合材料中の樹脂が磁気ギャップとして機能することからも、磁気飽和し難い。従って、リアクトル1は、使用電流値が大きい場合でも磁気飽和し難い。
(a)非磁性部材7の突出片71が巻回部2a,2bの内側に配置される。そのため、巻回部2a,2bの外側に配置される場合に比較して、突出片71の配置箇所からの漏れ磁束を低減できる。従って、リアクトル1は、所定のインダクタンスを良好に確保できる。
各巻回部2a,2bの内側に配置される箇所を有するコア片がいずれも第一のコア片31であり、複合材料の成形体30を主体とする。複数のコア片を射出成形等で容易に形成できることからも、製造性に優れる。また、各巻回部2a,2bの内側に配置される箇所を有するコア片が第一のコア片31であれば、上述のように非磁性部材7の突出片71の配置箇所からの漏れ磁束を低減できる。そのため、より低損失で小型である。
以下、主に図3を参照して、実施形態2のリアクトル1を説明する。
実施形態2のリアクトル1の基本的構成は、実施形態1と同様である。実施形態2における実施形態1との主な相違点は、主として各巻回部2a,2bの内側に配置される各第一のコア片31における非磁性部材7の配置状態にある。実施形態2のリアクトル1は、上述の外寄り形態である。以下、この相違点を詳細に説明し、実施形態1と重複する構成及び効果は詳細な説明を省略する。
外寄り形態のリアクトル1は、以下に説明するように、設置対象に近い側に非磁性部材7の突出片71が寄せられた状態であると、放熱性に優れる。
例えば、上述の実施形態1,2に対して、以下の少なくとも一つの変更が可能である。
この場合、突出片における突出方向に沿った長さが長くなり易い。そのため、突出片における複合材料の成形体との接触面積を増大できる。従って、非磁性部材は、複合材料の成形体に強固に保持される。
この形態は、例えば、複合材料の成形体と圧粉成形体とを備える実施形態1に比較して、磁気飽和し難い。そのため、非磁性部材の突出片の厚さを薄くし易い。突出片の配置箇所からの漏れ磁束を低減できることで、低損失なリアクトルにできる。また、各コア片が電気絶縁性にも優れ、渦電流損失(鉄損)といった交流損失を低減できることからも、低損失である。
コア片の個数が少ないほど、リアクトルの組立部品点数を削減でき、製造性に優れる。コア片の個数が多いと、実施形態1で説明したように各コア片の構成材料の自由度を高められ、磁気特性等を調整し易い。
コア片の個数が2個の場合、例えば、U字状のコア片を二つ備える形態、L字状のコア片を二つ備える形態、U字状のコア片とI字状のコア片とを備える形態等が利用できる。いずれの形態も、複合材料の成形体と非磁性部材とを備えるコア片を含み、このコア片において巻回部内に配置される箇所に非磁性部材の突出片を備えるとよい。
例えば、第一のコア片以外のコア片を圧粉成形体等としてもよい。
この形態は、巻回部とコア片との間隔を広く確保し易い。そのため、非磁性部材において突出片の配置箇所からの漏れ磁束に起因する損失(例、銅損)を低減できる。
(F-1)温度センサ、電流センサ、電圧センサ、磁束センサ等のリアクトルの物理量を測定するセンサ。
放熱板は、例えば金属板、熱伝導性に優れる非金属無機材料からなる板材等が挙げられれる。特に非磁性部材を備える第一のコア片が配置される巻回部に放熱板を設けると、放熱性に優れて好ましい。上述のように非磁性部材を有する第一のコア片が配置される巻回部は、非磁性部材における突出片の配置箇所からの漏れ磁束に起因して、発熱し易いからである。第一のコア片が配置されない巻回部に放熱板を設けてもよい。
接合層は、例えば接着剤層が挙げられる。電気絶縁性に優れる接着剤とすると、放熱板が金属板であっても、巻回部と放熱板との間の絶縁性を高められて好ましい。
2 コイル
2a,2b 巻回部
3 磁性コア
30 複合材料の成形体、31 第一のコア片、32 第二のコア片
311,312 端面、313,314,315,316 周面
5 保持部材
6 樹脂モールド部
61 内側樹脂部、62 外側樹脂部
7 非磁性部材
70 基部、7o 外側面、7i 内側面、71 突出片、75 ゲート痕
Claims (8)
- 巻回部を有するコイルと、
前記巻回部の内側と前記巻回部の外側とに配置される磁性コアとを備え、
前記磁性コアは、複数のコア片を組み合わせて構成され、
前記複数のコア片のうち、少なくとも一つのコア片は、磁性粉末と樹脂とを含む複合材料の成形体と非磁性部材とを備える第一のコア片であり、
前記非磁性部材は、
前記複合材料の成形体に一体に保持されており、
前記複合材料の成形体の外周面に沿って配置される基部と、
前記基部から立設される突出片とを備え、
前記突出片は、
前記第一のコア片の軸方向に交差するように前記複合材料の成形体における前記巻回部の内側に配置される箇所の内部に挿入されるリアクトル。 - 前記複合材料の成形体の外周面における前記突出片の先端側にゲート痕を有する請求項1に記載のリアクトル。
- 前記突出片における前記基部からの突出長さは、前記第一のコア片の軸方向に直交する方向に沿った長さの1/2超であり、
前記突出片における前記軸方向に沿った最大長さは、2mm未満である請求項1又は請求項2に記載のリアクトル。 - 前記複合材料の成形体を前記第一のコア片の軸方向に直交する平面で切断した断面の外形を内包する最小の長方形を仮想し、
前記突出片の突出方向は、仮想の前記長方形の長辺に沿った方向である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のリアクトル。 - 前記コイルは、隣り合って並ぶ二つの前記巻回部を備え、
前記磁性コアは、前記二つの巻回部の内側にそれぞれ配置される前記突出片を含む前記第一のコア片を備え、
前記各第一のコア片は、前記基部が向かい合うと共に、前記突出片が離反するように配置される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリアクトル。 - 前記複合材料の成形体の比透磁率は、5以上50以下であり、
前記巻回部の外側に配置される第二のコア片の比透磁率は、前記複合材料の成形体の比透磁率の2倍以上である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリアクトル。 - 前記第二のコア片の比透磁率は、50以上500以下である請求項6に記載のリアクトル。
- 前記磁性コアの少なくとも一部を覆う樹脂モールド部を備える請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のリアクトル。
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