JP2015231024A - リアクトル - Google Patents
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Abstract
Description
最初に、本発明の実施態様を列記して説明する。
(1) 本発明の一態様に係るリアクトルは、巻線を螺旋状に巻回した一対の巻回部を横並びに有するコイルと、圧粉成形体から構成されるU字状のコア片を有する磁性コアとを備える。上記U字状のコア片は、上記一対の巻回部の端面に対向する部分を有しており、上記巻回部に覆われず、上記一対の巻回部間に跨るように配置されるサイド基部と、上記サイド基部から上記一対の巻回部内にそれぞれ配置されるように突出し、ギャップに対向する端面を有する一対のミドル部と、上記サイド基部から上記ミドル部の軸方向に交差する方向に延びるサイド延長部と、上記サイド基部における上記一対のミドル部の横並び方向の中央領域から、上記ミドル部とは反対側に突出する中央突出部とを含む。
上記のリアクトルは、サイド延長部を備えるため、サイド延長部を有さずに同一の磁路断面積を確保する場合に比較して、U字状のコア片のサイド基部における巻回部の軸方向に沿った長さ(以下、厚さと呼ぶことがある)を短くできる。その結果、U字状のコア片における巻回部の軸方向に平行な面を、リアクトルを設置対象に取り付けたときに設置対象に対向する設置面とすると、U字状のコア片の設置面は、上記巻回部の軸方向に沿った長さが小さく、設置面積を小さくできる。従って、上記のリアクトルは、設置面積が小さい。
上記のリアクトルは、U字状のコア片のミドル部において別のコア片との間に設けられるギャップに対向する端面は、ミドル部がコイルの巻回部内に挿入されることで、巻回部内に配置される。そのため、上記のリアクトルは、磁性コアを構成するコア片間に設けるギャップを巻回部内に配置できる。上記のリアクトルは、上述の中間コア片と端部コア片との間のようなコイルの巻回部と巻回部が無い部分との境界にギャップが設けられないため、この境界のギャップからの漏れ磁束に起因する損失が生じ得ず、低損失である。
上記のリアクトルは、ミドル部とサイド基部とを一体に備えるU字状のコア片を構成要素とするため、上述の中間コア片と端部コア片とが別部材である場合と比較して、組立部品数が少なく、工程数を低減でき、ひいては製造性に優れる。また、上記のリアクトルは、上述のようにコイルの巻回部内にギャップを配置できるため、上述の境界に配置するための特定のギャップ材の準備も不要であり、この点からも製造性に優れる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るリアクトル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6を参照して、実施形態1のリアクトル1Aを説明する。以下、図1に示すリアクトル1Aをコンバータケースなどの設置対象(図示せず)に取り付けたとき、図1における下面が設置対象に対向する面(設置対象に接する設置面となる場合がある)として説明する。この設置状態は、例示であり、別の面が設置対象に対向する面となる場合がある。
・全体構成
リアクトル1Aは、巻線2wを螺旋状に巻回したコイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3とを備える。磁性コア3は、コイル2内に配置される複数のコア片31m,…と、コイル2が実質的に配置されず、コイル2から露出される部分を有する一対のU字状のコア片32m,32mとを備える。リアクトル1Aは、コア片32mが特定の形状の圧粉成形体から構成される点を特徴の一つとする。概略を述べると、コア片32mは、コイル2内に配置される部分(ミドル部321)と、コイル2が配置されない部分(サイド基部322)と、コイル2の端面2eを含む仮想面20(図2)に沿って突出する部分(サイド延長部3223)と、コイル2の軸方向にコイル2から離れるように突出する部分(中央突出部3225)とを有する異形のU字状である。以下、より詳細に説明する。なお、図1,図3〜図5、後述する図7〜図10では、分かり易いようにサイド基部322に二点鎖線のクロスハッチングを付している。図1では、サイド基部322における中央突出部分3225に重複する部分には上記クロスハッチングを省略している。図3及び図8では、下面32dに破線の格子状ハッチングを付している。
コイル2は、図1,図2に示すように1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回して形成された一対の筒状(ここでは角部を丸めた四角筒状)の巻回部2a,2bと、巻線2wの一部から形成されて両巻回部2a,2bを接続する連結部2rとを備える。各巻回部2a,2bは、各軸方向が平行するように横並び(並列)されている。この例では、巻線2wは、平角線の導体(銅など)と、この導体の外周を覆う絶縁被覆(ポリアミドイミドなど)とを備える被覆平角線(いわゆるエナメル線)であり、巻回部2a,2bはエッジワイズコイルである。巻線2wの両端部はいずれも、巻回部2a,2bから適宜な方向に引き出されて、その先端(導体)に端子金具(図示せず)が接続される。コイル2は、端子金具を介して電源などの外部装置(図示せず)に電気的に接続される。
磁性コア3は、図1,図2に示すように複数の柱状のコア片31m,…と、一対のU字状のコア片32m,32mと、コア片間に介在されるギャップ(ここではギャップ材31g)とを備える。コア片32m,32mは、U字の開口部が向かい合うように配置され、コア片31m及びギャップ材31gは、コア片32m,32m間に配置される。より具体的には、磁性コア3は、一方のU字状のコア片32mに備えるミドル部321,321と他方のU字状のコア片32mに備えるミドル部321,321との間に、コア片31mを含む柱状の積層物をそれぞれ挟むように、コア片31m,32mが環状に組み付けられて、コイル2を励磁したときに閉磁路を形成する。
この例では、コア片31m,32mはいずれも圧粉成形体である。圧粉成形体は、代表的には、鉄や鉄合金(Fe−Si合金、Fe−Ni合金など)といった軟磁性の金属の粉末と、適宜バインダ(樹脂など)や潤滑剤とを含む原料粉末を成形した後、成形に伴う歪みの除去などを目的とした熱処理を施して得られる。金属粉末に絶縁処理を施した被覆粉末や、金属粉末と絶縁材とを混合した混合粉末を原料粉末に用いることで、成形後、金属粒子と金属粒子間に介在する絶縁材とによって実質的に構成される圧粉成形体が得られる。この圧粉成形体は、絶縁材を含むことで、渦電流を低減できて低損失である。上記の成形には、代表的には、貫通孔を有するダイと、貫通孔に挿入されて原料粉末を押圧する上パンチ及び下パンチとを備える金型を利用する。U字状のコア片32mの成形の詳細は後述する。
各U字状のコア片32m,32mは、いずれも同一形状であり、平面視U字状(図3)、正面視長方形状(図5)である。具体的にはコア片32mは、図1に示すようにコイル2の巻回部2a,2bに覆われず、コイル2の一対の巻回部2a,2b間を跨ぐように配置されるサイド基部322と、サイド基部322から一対の巻回部2a,2b内にそれぞれ配置されるように突出する一対のミドル部321,321とを備える。この点は、平面視U字状、正面視及び側面視が直方体状の従来のU字コア片、即ち、コア片の厚さ及び高さがU字に沿った全長に亘って一様なものと類似する。更に、コア片32mは、サイド基部322が、巻回部2a,2bの端面2e,2eを含む仮想面20(図2)に対向するように配置され、端面2e,2eに対向する部分を有する。また、コア片32mは、側面視Γ字状であり(図4)、下面32dがミドル部321,321の下面321dよりも突出している。そして、コア片32mは、図1〜図3に示すように外端面の一部がミドル部321の突出方向とは逆方向に突出している。より具体的にはコア片32mは、サイド基部322からミドル部321の軸方向に交差する方向に延びるサイド延長部3223と、サイド基部322における一対のミドル部321,321の横並び方向(図3では左右方向。以下、単にミドル部の並列方向と呼ぶことがある)の中央領域から、ミドル部321とは反対側に突出する中央突出部3225とを備える。
サイド基部322は、直方体状の仮想領域(図1、図3〜図5において二点鎖線のクロスハッチング部分)である。この例では、サイド基部322は、外周面として、上面32uと、一対の側面32s,32sと、コイル2の巻回部2a,2bの端面2e,2eに対向する内端面32i(図2〜図5)と、ミドル部321,321の端面321i,321iにそれぞれ対向する縁外端面322soとを備える。上面32uは、異形のU字状の平面(図3)、側面31sはΓ字状の平面(図4)、内端面32iは⊥字状(逆T字状)の平面(図5)、縁外端面322soは長方形状の平面である。上面32uに対して、側面32s、内端面32i、及び縁外端面322soはいずれも、直交に設けられている。巻回部2a,2bの端面2e,2e(仮想面20(図2))に対して、内端面32i及び縁外端面322soはいずれも、平行に設けられている。この内端面32iは、端面2e,2eに対向する部分である。
各ミドル部321,321はいずれも、正面視長方形状(図5)の平面からなる端面321iを有する直方体状(図2)の部分であり、サイド基部322に対して、そのミドル部の並列方向の中央領域を挟むように離間して設けられている(図2、図3、図5)。
サイド延長部3223は、この例では、コイル2(巻回部2a,2b)の軸方向に交差する方向のうち、設置対象に向かう方向(ここでは下方)に延びている(図1、図4、図5)。U字状のコア片32mは、このサイド延長部3223における設置対象に対向する下面32dを設置面とする。
中央突出部3225は、サイド基部322におけるミドル部の並列方向の中央領域、より具体的には内端面32iにおける一対のミドル部321,321に挟まれる領域に対向して部分的に存在する(図2)。また、中央突出部3225は、コイル2の巻回部2a,2bの端面2e,2eにおける隣り合う領域に対向して存在するともいえる(図1)。この中央突出部3225は、正面視においてサイド基部322の一部にのみ存在するミドル部321とは異なり、背面視において上面32uから下面32dの全長に亘って連続して存在する(図1,図4)。
図1に示すU字状のコア片32mでは、上述のミドル部321の四つの角部、中央突出部3225の角部の他、上面32uと側面32sとの角部(ミドル部321,321の上外側の角部を含む)、下面32dと側面32sとの角部をR面取りしている。R面取りに代えてC面取りとしたり、R面取り及びC面取りを省略したりすることができる。R面取りの半径や、C面取りの切落とし辺の長さは、コア片32mにおける過度な体積減少を招かない範囲で適宜選択できる。例えば、R面取りの半径は、0.5mm以上5mm以下程度、更には2mm以上4mm以下程度、C面取りの切落とし辺の長さは、0.5mm以上5mm以下程度、更には2mm以上4mm以下程度が挙げられる。
・・・・磁路断面積
サイド延長部3223及び中央突出部3225の大きさは、サイド基部322とサイド延長部3223と中央突出部3225との合計磁路断面積が、ミドル部321の磁路断面積(ここでは端面321iの面積に等しい)に同等又は同等以上となるように設定する。具体的には、サイド基部322とサイド延長部3223と中央突出部3225とを含む箇所を図2に示すX−X切断線(コイル2の磁束に直交方向の切断線)で切断したときの断面積(合計磁路断面積)と、ミドル部321の磁路断面積とが同等、又は前者合計磁路断面積の方が若干大きくなるように設計する。この例では前者合計磁路断面積の方が極僅かに大きい。
図3に示すように、サイド基部322におけるミドル部321の軸方向に沿った長さ(厚さT)と中央突出部3225の突出長さL3225との合計を厚さTAとし、ミドル部321の突出長さL321とサイド基部322の厚さTとの合計を厚さTBとするとき、厚さの比TA/TBが0.5以上2以下であることが好ましい。後述するようにU字状のコア片32mの成形にあたり、ミドル部321の軸方向を成形時の押圧方向とすると、ミドル部321の端面321iと、外端面322so,322co及び傾斜面322ioとをパンチ形成面にできる。この場合、ミドル部321の軸方向及び並列方向の双方に直交する方向を押圧方向とする、即ち上面32u及び下面32dをパンチ形成面にする場合に比較して、サイド延長部3223の割れや不十分な押圧などを防止でき、成形し易い。
一対のミドル部321,321の横並び方向(並列方向)に沿って、サイド基部322の側面32sから中央突出部3225の側縁(ここでは中央外端面322coの側縁)までの長さを幅W1Sとし、中央突出部3225の中央外端面322coの長さを幅W1Cとする。ミドル部321における上記並列方向に沿った長さを幅W2Sとし、上記並列方向に沿った一対のミドル部321,321間の長さを幅W2Cとする。このとき、内外の幅の比(W1S/W1C)/(W2S/W2C)が0.8以上1.25以下であることが好ましい。更に左右の幅の比(W1S/W2S)及び中央の幅の比(W1C/W2C)のいずれもが0.8以上1.25以下を満たすことがより好ましい。この例では、幅W1Sは、中央外端面322coの側縁までの長さとし、傾斜面322ioで覆われる傾斜部分を含む。
図6を参照して、U字状のコア片32mの製造方法を説明する。
コア片32mの成形には、例えば、貫通孔110hを有するダイ110と、ダイ110内に挿入され、貫通孔110hの内周面と共に原料粉末Pの給粉空間を形成する押圧面113uを有する下パンチ113と、下パンチ113と共に原料粉末Pを押圧する押圧面112dを備える上パンチ112とを備える金型100を利用する。
貫通孔110hの内周の平面形状は、U字状のコア片32mの正面形状(図5)と同様に角部を丸めた長方形状である。貫通孔110hの内周面のうち、平面部分が平面からなる上面32u,下面32d,側面32sを形成し、丸められた角部分が直交する二つの面32u,32s、面32d,32sを繋ぐ角部(ここではR面取り部)を形成する。
図6の上段に示すように、貫通孔110hに下パンチ113を挿入して給粉空間を形成して、原料粉末Pを給粉空間に充填する。コア片32mと給粉空間とができるだけ相似形状となるように下パンチ113の位置を調整する。ここでは、図6の中段に示すように、下パンチ114,120の押圧面114u,120uを、下パンチ116,118の押圧面116u,118uよりも上方に突出させて原料粉末Pを充填し、原料粉末Pの表面を平坦としている。
各コア片31mは、図2に示すようにいずれも同一形状であり、この例ではU字状のコア片32mのミドル部321の端面321iと同一形状の端面31iを有する直方体状である。コア片31mの端面31iは、コア片32mの端面321iと同様にギャップ材31gに対向する面である。
ギャップ材31gは、コア片31m,32mよりも比透磁率が低い材料、代表的にはアルミナなどの非磁性材で構成される。この例では、ギャップ材31gは、平面視長方形状の非磁性材の平板としている。コア片31m及びギャップ材31gの個数、ギャップ材31gの形状は適宜選択できる。ギャップ材31gに代えて、又はギャップ材31gと併用してエアギャップとすることができる。
実施形態1のリアクトル1Aは、特定のU字状のコア片32mを構成要素とすることで、設置面積が小さく、低損失であり、製造性にも優れる。具体的には、以下の通りである。
図7〜図10を参照して、実施形態2のリアクトル1Bを説明する。リアクトル1Bの基本的な構成は、実施形態1のリアクトル1Aと同様であり、コイル2と磁性コア3とを備える。磁性コア3は、多方向に突出する異形状のU字状のコア片32m,32mと、コア片32m,32m間に配置されるコア片31m及びギャップ材31g(図1,図2)とを備える。特に、リアクトル1Bに備えるコア片32mは、サイド延長部の突出状態が実施形態1と異なる。以下、この相違点を詳細に説明し、その他の構成は説明を省略する。
実施形態1のリアクトル1Aでは、サイド延長部3223が設置対象に向かう側に延びた形態を説明した。その他、サイド延長部は、一対のミドル部321,321の横並び方向(ミドル部の並列方向)に延びた形態とすることができる。この形態は、図1を参照して簡単にいうと、サイド基部322の左右方向に延びた形態である。このような左右方向に延びるサイド延長部を備えることで、この形態も、U字状のコア片におけるコイル2の巻回部2a,2bの軸方向に沿った長さ(厚さTA)を小さくできる。
リアクトル1A,1Bなどは、以下の部材を備えることができる。これらの部材の少なくとも一つを省略することもできる。
温度センサ、電流センサ、電圧センサ、磁束センサなどのリアクトル1A,1Bなどの物理量を測定するセンサ(図示せず)を備えることができる。
コイル2の外周面の任意の箇所に放熱板(図示せず)を備えることができる。例えば、コイル2の設置面(ここでは下面)に放熱板を備えると、コンバータケースなどの設置対象にコイル2の熱を、放熱板を介して良好に伝えられて放熱性を高められる。放熱板の構成材料は、アルミニウムやその合金といった金属や、アルミナなどの非金属などの熱伝導性に優れるものを利用できる。放熱板をリアクトル1A,1Bなどの設置面(ここでは下面)全体に設けてもよい。放熱板は、例えば、後述の接合層によってコイル2と磁性コア3との組物に固定できる。
リアクトル1A,1Bなどの設置面(ここでは下面)のうち、少なくともコイル2の設置面(ここでは下面)に接合層(図示せず)を備えることができる。接合層を備えることで、設置対象又は上述の放熱板を備える場合には放熱板にコイル2を強固に固定でき、コイル2の動きの規制、放熱性の向上、設置対象又は上記放熱板への固定の安定性などを図ることができる。接合層の構成材料は、絶縁性樹脂、特にセラミックスフィラーなどを含有して放熱性に優れるもの(例えば、熱伝導率が0.1W/m・K以上、更に1W/m・K以上、特に2W/m・K以上)が好ましい。具体的な樹脂は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂や、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、液晶ポリマー(LCP)などの熱可塑性樹脂が挙げられる。
コイル2と磁性コア3との間に介在される絶縁部材(図示せず)を備えることができる。絶縁部材は、1.ボビンなどの成形部品、2.絶縁テープや絶縁紙などの巻回層、3.ワニスといった絶縁塗料などの塗布層、4.コイル2及び磁性コア3の少なくとも一方に絶縁性樹脂を射出成形などで成形したモールド部などが挙げられる。ボビンやモールド部の構成樹脂は、PPS樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、LCP、ナイロン6、ナイロン66、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。絶縁部材を備えることで、コイル2と磁性コア3との間の絶縁性を高められる。
2 コイル 2a,2b 巻回部 2r 連結部 2w 巻線 2e 端面
20 仮想面
3 磁性コア 31m,32m コア片 31g ギャップ材 31i 端面
321 ミドル部 321i 端面 321d 下面
322 サイド基部 3223 サイド延長部 3225 中央突出部
3223d 下側サイド延長部 3223u 上側サイド延長部
32i 内端面 322co 中央外端面 322so 縁外端面
322io 傾斜面
32u 上面(設置面の対向面) 32d 下面(設置面) 32s 側面
100 金型 110 ダイ 110h 貫通孔 112 上パンチ
113,114,116,118,120 下パンチ
112d,113u,114u,116u,118u,120u 押圧面
P 原料粉末 200 圧縮物
Claims (7)
- 巻線を螺旋状に巻回した一対の巻回部を横並びに有するコイルと、
圧粉成形体から構成されるU字状のコア片を有する磁性コアとを備え、
前記U字状のコア片は、
前記一対の巻回部の端面に対向する部分を有しており、前記巻回部に覆われず、前記一対の巻回部間に跨るように配置されるサイド基部と、
前記サイド基部から前記一対の巻回部内にそれぞれ配置されるように突出し、ギャップに対向する端面を有する一対のミドル部と、
前記サイド基部から前記ミドル部の軸方向に交差する方向に延びるサイド延長部と、
前記サイド基部における前記一対のミドル部の横並び方向の中央領域から、前記ミドル部とは反対側に突出する中央突出部とを含むリアクトル。 - 前記サイド延長部は、前記交差する方向のうち前記リアクトルを設置対象に取り付けたときに前記設置対象に向かう方向に延びており、前記サイド延長部における前記設置対象に対向する面が設置面である請求項1に記載のリアクトル。
- 前記サイド延長部は、前記交差する方向のうち前記設置対象から離れる方向にも延びている請求項2に記載のリアクトル。
- 前記ミドル部の軸方向に沿った前記サイド基部の厚さと前記中央突出部の突出長さとの合計を厚さTAとし、前記ミドル部の軸方向に沿った突出長さと前記サイド基部の厚さとの合計を厚さTBとするとき、厚さの比TA/TBが0.5以上2以下である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記一対のミドル部の横並び方向に沿って前記サイド基部の側面から前記中央突出部の側縁までの長さを幅W1Sとし、
前記中央突出部における前記一対のミドル部の横並び方向に平行な中央外端面の長さを幅W1Cとし、
前記各ミドル部における前記一対のミドル部の横並び方向に沿った長さをそれぞれ幅W2Sとし、
前記一対のミドル部の横並び方向に沿った前記一対のミドル部間の長さを幅W2Cとするとき、内外の幅の比(W1S/W1C)/(W2S/W2C)が0.8以上1.25以下である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のリアクトル。 - 左右の幅の比(W1S/W2S)、中央の幅の比(W1C/W2C)のいずれもが0.8以上1.25以下である請求項5に記載のリアクトル。
- 前記U字状のコア片の少なくとも一つの角部は、R面取り又はC面取りがなされている請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のリアクトル。
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