JP2011124242A - リアクトル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁粉や樹脂などの混合物を注型して製造するリアクトル装置として、銅損熱を金属ケースに従来よりも効率よく伝導させてコイルの温度上昇を抑えたリアクトル装置を提供する。
【解決手段】 ケースと、前記ケース内に配置された絶縁被覆が施されたコイル部品と、磁性粉末、セラミックス粉末、及び樹脂を含む混合物が充填されたリアクトル装置であって、前記コイル部品は磁気的に結合された２個のコイルを有し、かつ前記コイル部品は高熱伝導性を有する絶縁性シートを介してケースの底部および一対の側面に隣接するように配置されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源回路に用いられるリアクトル装置に関するものでる。特にハイブリッド自動車などの車載用、あるいは太陽光発電システムなどのパワーコンディショナー用などの用途に適するリアクトル装置に関するものである。

リアクトルの製造方法として、磁性粉末と樹脂の混合体を成形してコイルを囲覆した構造をもつコイル封止型樹脂成形リアクトルが知られている。例えば、特許文献１には、絶縁被覆を施したコイルが、鉄系磁性粉末とエポキシ系樹脂との混合物により包み込まれるように成形したものが示されている。樹脂を磁性粉末のみの体積に対し４／６から１／９の割合で混合させることで得られたリアクトルの特性は、インダクタンス値に対する許容電流が従来比で２倍となり、さらに鉄系磁性粉末を使用したことで、従来品に対し小型化が達成されている。

前述したハイブリッド自動車では、大出力の電気モータを有しており、これを駆動する電源回路には大電流に耐えうるリアクトル装置が求められている。このようなリアクトル装置には小型化の要求が強く、前述した特許文献１の方法で、小型化を図ることが考えられる。

リアクトル装置のコイル部では、コイル抵抗と電流の実効値の自乗との積で損失（銅損）が発生するので、大電流時には大きな損失が発生する。実用的には、この大きな銅損を効率的に放熱する必要がある。
例えば、特許文献２では、磁束を発生するコイルが磁性粉末混合樹脂の内部に含浸されたリアクトルが開示され、その特徴として周囲のケースのの内壁面に突起部を形成して放熱性を高める技術が記載されている。

特開平５−２９１０４６号公報 特開２００８−４２０９４号公報

特許文献１の方法は、コイル部品が磁心部内に埋設される外鉄型構造をとるので、コイル部で発生した銅損熱は磁心部を介して金属ケースから放散するが、熱伝導率の低い樹脂を多く含む混合物で構成された磁心部は熱伝導が悪く、銅損熱が内部に籠ってしまい、コイル部の温度上昇が過大となる欠点がある。また、昨今ではリアクトル装置の小型化の要求により、コイル部品は複数に分割して並べるようにコイルを配置する仕様を採用せざるを得ない。特許文献２の方法では、放熱性は高まるものの、複雑なコイル形状を用いると十分な放熱性能を保つことが難しい。
よって本発明の課題は、磁粉や樹脂などの混合物を注型して製造するリアクトル装置として、銅損熱を金属ケースに従来よりも効率よく伝導させてコイルの温度上昇を抑えたリアクトル装置を提供することである。

本発明は、ケースと、前記ケース内に配置された絶縁被覆が施されたコイル部品と、磁性粉末、セラミックス粉末、及び樹脂を含む混合物が充填されたリアクトル装置であって、前記コイル部品は磁気的に結合された２個のコイルを有し、かつ前記コイル部品は高熱伝導性を有する絶縁シートを介してケースの底部および一対の側面に隣接するように配置されることを特徴とする。コイルが磁気的に結合されている状態とは２個のコイルの内部を通る磁路が形成される状態を指す。また、高熱伝導性の絶縁シートは１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の絶縁性ものが好ましい。

本発明のリアクトル装置は、前記コイルは、前記ケースに隣接するコイルの周側面が平らな形状に形成されているものが好ましい。図３に示すような平角導線を縦巻きにしたコイルが好適である。

本発明のリアクトル装置は、前記の２個のコイルの間には絶縁性部材が配置されたものが好ましい。板状の部材を用いることが好ましい。絶縁部材を設けたことでコイル間の耐電圧性を向上でき、リアクトル性能が向上する。

本発明によれば、コイル部品の底部と側面が高熱伝導率の絶縁性シートを介して金属ケース（または外部放熱体）に接して熱的に結合しているため、コイル部品の銅損熱が効率的に放熱される。また、高熱伝導性の絶縁性シートを介して金属ケースに接触するため、コイル部品の絶縁皮膜がケースとの摺動によって剥れることがなく、リアクトル特性の経年劣化を抑制できる。また、コイル部品の周側面を平らにしているのでケースと隣接する面積が大きく、冷却性能が高い。また、コイルとコイルの間に絶縁部材を設けたことでコイル間の耐電圧性が向上し、リアクトル性能が高いリアクトル部材を提供できる。
従って、大電流時でもコイルの温度上昇が抑制された高信頼性のリアクトル装置を得ることができる。本発明は車載用やパワーコンディショナー用のリアクトル装置として特に有用である。

本発明のリアクトル装置は、注型成型と呼ばれる製法により製造されたもので、注型成型とはケースにコイル部品を設置し、そのコイル部品とケースの間に磁性粉末、セラミックス粉末、樹脂などを含むスラリー状の混合物を流し込んで一体化する技術である。流し込まれた混合物はコイルの内径部にも充填され、コイルに電流を流した場合には磁路となる。
流し込む際に加圧する必要はないが、混合物を注型した後に圧をかけてケース中の混合物の占積率を高めることもできる。
また、注型成型では混合物がコイルの巻き線間にまで隙間なく充填されるので、コイルの固定保持が強固となったリアクトル装置を製造できる。

磁性粉末は、例えば純鉄の粉、Fe−Si合金粉、Fe−Al合金粉、Fe−Si−Al合金粉、Fe−Ni合金粉、Fe−Co合金粉、アモルファス軟磁性粉、ナノ結晶質軟磁性粉などで、これらは各々単独でまたは適宜、組合せた粉末でも良い。
磁性粉末の形状は特に限定されず、偏平状のものでも球状のものでもよい。球状の磁性粉末を用いた方が、ケース内の磁性粉末の占積率を上げやすく、リアクトル特性を向上させやすい。球状の磁性粉末は例えば水アトマイズやガスアトマイズ、ＳＷＡＰなどの既知の製造方法を用いることで製造できる。
また、球状粉と偏平状粉の混合粉や、粒度分布の異なる粉末の混合粉を用いてケース内の磁性粉末の占積率を挙げることもできる。

前記高熱伝導のセラミックス粉末は、アルミナの他にシリカ、マグネシア、カオリン、タルク、窒化アルミ、窒化珪素、チタニア、ジルコニウムなどが用いられる。特にアルミナは熱伝導率が高く、リアクトルの放熱に有利であるという利点も有する。これらは各々単独でまたは適宜、組合せた粉末でも良い。

前記樹脂としては、前記磁性粉の表面を被覆して粉末相互間を絶縁状態にして磁心全体の交流磁化に対する渦電流の発生を抑えるよう充分に大きな電気抵抗を付与せしめると同時に、これら粉末を結着する結合剤として機能するもので、さらに磁性粉末と混合した状態で絶縁体として機能できるものである。このような樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、シリコン樹脂など各種の樹脂が用いられ、これらは単独または適宜組合せて使用しても良い。
リアクトル装置が使用される環境下を考慮すると熱硬化性樹脂を用いることが好ましいが、光硬化性樹脂、化学反応性硬化樹脂などでもよい。

用いるコイルは特に限定されないが、図３に示すように、本実施例では縦巻にした平角導線を２列並べた磁気的に結合したものを使用した。一本の平角導線を使って製造したものであるが、別個にコイルを作成して、接合部を別途形成したものでも良い。コイル２１，２２の一端を互いに接続して双眼鏡のような構造とし、また、接続されていない側のコイルの端部を伸ばして電極端子１２とした。

リアクトル装置に放熱性を持たせるためにケースは熱伝導性、熱伝達性に優れたものが好ましい。使用するケースは例えばアルミ合金のような軽合金製、アルミナのようなセラミックス製のものが使用できる。
リアクトル装置は交流電流によって周期的に磁歪が発生し、その振動が問題となる。また、自動車用途などで使用する場合は高温環境に耐えられる材料を用いる必要がある。よって、適用する環境で適宜材料を選定する必要がある。

本発明を図を用いて具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
本発明のリアクトル装置２０の製作工程を図１から図４を使って説明する。図２はアルミ合金製の金属ケース１０である。本ケースの形状はリアクトル装置の用途などにより異なる。車載用ではケースの一部を水冷するか、あるいは水冷された冷却装置に結合させることでリアクトル素体を冷却する。金属ケース１０内側の底部及び側面には高熱伝導シート１１が所定の位置に付着されている。高熱伝導シート１１としては例えば電気化学工業（株）製の柔軟性シリコンシート、あるいは松下電器産業（株）製の絶縁性を付加したグラファイトシートを用いる。高熱伝導シート１１の厚さは０．１ｍｍから３ｍｍまでが用いられる。次に図３に示すコイル２１とコイル２２からなるコイル部品（絶縁被覆付き）を高熱伝導シート１１の付着している位置に合わせて設置する。コイル部品はその幅がケースの高熱伝導シート間に隙間なく配置されるように設計がされている。
次に図４に示すように磁性粉末と高熱伝導セラミックス粉末と樹脂との混合物１３を金属ケース１０に注入する。この時、混合物１３はコイルの導体間の隙間まで充填されるので、コイル部品の固定保持がより強固となる。また、２つのコイル２１、２２の間の耐電圧性を向上させる場合は、混合物１３を注入する前に２つのコイルの間に絶縁スペーサ１４を付加する。コイル部品の端部は上部に伸ばして電極端子１２とする。図１は混合物１３が固まり、本発明のリアクトル装置２０が完成した状態を示したものである。
磁路は一方のコイルから他方のコイルの内部を通るロの字型のループを形成する。

本発明の実施例のリアクトル装置の概略図である。 本発明に係る金属ケースを示す斜視図である。 本発明に係る第一のコイルと第二のコイルを示す斜視図である。 本発明に係る混合物の注入を説明する図である。

符号の説明

２０：リアクトル装置、１０：金属ケース、１１：高熱伝導シート、２１：第一のコイル、
２２：第二のコイル、１２：電極端子、１３：混合物、１４：絶縁スペーサ

Claims (3)

1. ケースと、前記ケース内に配置された絶縁被覆が施されたコイル部品と、磁性粉末、セラミックス粉末、及び樹脂を含む混合物が充填されたリアクトル装置であって、前記コイル部品は磁気的に結合された２個のコイルを有し、かつ前記コイル部品は高熱伝導性を有する絶縁性シートを介してケースの底部および一対の側面に隣接するように配置されることを特徴とするリアクトル装置。
2. 前記コイルは、前記ケースに隣接するコイルの周側面が平らな形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル装置。
3. 前記の２個のコイルの間には絶縁性部材が配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリアクトル装置。
   

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