JP5023601B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本願発明は、ハイブリッド車や燃料電池車のような電気自動車に搭載されるリアクトル及びリアクトル用スペーサに関する。

近年、環境問題からハイブリッド車や燃料電池自動車等の直流電源でモータを駆動して走行する自動車が開発されている。これら自動車においては、直流電源であるバッテリーの電圧を昇圧する昇圧コンバータが搭載されており、リアクトルはこの昇圧コンバータの主要部品である。

上記リアクトルは、特許文献１に記載されているように、環状のコアとこのコアの所定部分に巻き回されたコイルとを備えて形成されている。車載用リアクトルでは、搭載スペースや製造方法等の制限から、２以上のコアブロックを、それぞれ組み付けることにより一対の平行状Ｉ字部を構成するとともに、これらＩ字部の両端部に略Ｕ字状コアブロックを接続して形成される略長円形状の環状コアが採用されることが多い。上記各コアブロック間には、上記磁気回路のインダクタンスを調整するためにギャップが設けられており、このギャップに非磁性体から形成されたスペーサが介挿されている。上記コイルに電流を流すことにより、上記コア内に環状の磁気回路が形成される。

特開２００４−２４１４７５

上記スペーサは、非磁性材料から形成されているため、ギャップの周縁部から漏れ磁束が生じやすい。漏れ磁束が生じるとコイルやコアブロックに渦電流が発生して損失が増加し、リアクトルのエネルギ変換効率が低下する。また、上記漏れ磁束によって、コア内部の磁束密度に偏在が生じ、上記コアの振動や騒音が誘起される。

図６に、従来のスペーサＳを、コアブロックＣ，Ｃの間に設けられるギャップＧに介挿した場合の漏れ磁束の状態を模式的に示す。この図に示すように、ギャップＧの周縁部においては、略円弧を描くようにして磁束ＬＦがコアＣ，Ｃの縁部から漏れ出ているのが判る。また、スペーサないしこの近傍のコア内部において磁束密度の偏在が生じているのが判る。

一方、上記ギャップは、上記リアクトルのインダクタンスを調整するために設けられるものであり、所要の性能を得るためにはコア全長に対して所定の長さのギャップを設けなければならない。

本願発明は、上記ギャップ周縁部において生じる漏れ磁束を減少させることにより、損失を減少させるとともに磁束密度の偏在を緩和して、エネルギ変換効率を向上させることのできるスペーサを用いたリアクトルを提供するものである。

請求項１に記載した発明は、略Ｕ字状コアブロックと、２以上の矩形状コアブロックを組み付けることにより構成された一対のＩ字部とを備え、上記一対のＩ字部の両端部に、上記略Ｕ字状コアブロックを接続することにより環状コアが形成されるとともに、上記環状コアの外周にコイルを設けて構成される、リアクトルであって、非磁性材料からなる基材中に、粉状磁性材料を分散して構成された材料からなるスペーサを各コアブロックの間に介挿するとともに、上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサ材料の比透磁率を、上記Ｉ字部を構成する上記矩形状コアブロック間に介挿されるスペーサ材料の比透磁率より大きく設定し、上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサの厚みを、上記Ｉ字部を構成する上記矩形状コアブロック間に介挿されるスペーサの厚みより大きく設定して構成したものである。

コアは磁性体から形成されているため、磁束はコア断面に対して直交する方向に流れる。一方、従来のスペーサは、セラミック等の非磁性材料から形成されているため、このスペーサの外部空間に臨む周縁部を回り込むようにして漏れ磁束が生じやすい。

本願発明においては、スペーサの内部に粉状の磁性体を分散しているため、従来の非磁性体から形成されるスペーサに比べて、スペーサ内部を磁束が通りやすい。このため、上記スペーサの外部への漏れ磁束を低減させることができる。

上記スペーサの形態、比透磁率等は、リアクトルに要求される性能等に応じて設定することができる。また、漏れ磁束の生じやすいギャップ部分に、選択的に本願発明に係るスペーサを設けることもできる。

本願発明においては、上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサ材料の透磁率は、上記Ｉ字部を構成する上記矩形状コアブロック間に介挿されるスペーサ材料の透磁率より大きく設定される。

スペーサ材料の透磁率を大きくするほど、スペーサからの漏れ磁束を小さくすることができる。このため、漏れ磁束が生じやすい上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサ材料の透磁率を、上記Ｉ字部を構成する上記矩形状コアブロック間に介挿されるスペーサ材料の透磁率より大きく設定することにより、漏れ磁束を効率よく防止することができる。

また、上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサ材料の比透磁率を、他の部位に介挿されるスペーサ材料の比透磁率より大きく設定した場合、一定の性能のリアクトルを構成するには、他のスペーサの厚さ、あるいはスペーサ材料の比透磁率を変更する必要が生じる。このため、上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサ材料の比透磁率を、上記Ｉ字部を構成する上記矩形状コアブロック間に介挿されるスペーサ材料の比透磁率より大きく設定するとともに、上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサの厚みを、上記Ｉ字部を構成する上記矩形状コアブロック間に介挿されるスペーサの厚みより大きく設定することにより、同じ透磁性能を有するスペーサを構成することができる。すなわち、スペーサの性能が同じになるように、スペーサ材料の比透磁率を大きく設定するとともに厚さを大きく設定しているのである。

本願発明に係るスペーサは、上記粉状磁性材料を分散させることにより、比透磁率を１より大きく設定する。漏れ磁束を低減させる効果を発揮させるには、請求項２に記載した発明のように、スペーサ材料の比透磁率を１．５〜５に設定するのが好ましい。

スペーサ材料の比透磁率が１．５以下であると、従来の非磁性体スペーサと同様の漏れ磁束が生じやすく、漏れ磁束を低減させる効果を期待できない。

一方、リアクトルの性能を規定するため、環状コアの全長に対して比透磁率１の換算でギャップを所定長さだけ設けなければならない。したがって、スペーサ材料の比透磁率が１より大きいスペーサを設けた場合、スペーサ材料の比透磁率にほぼ比例してスペーサの厚さを増加させなければならない。たとえば、スペーサ材料の比透磁率が２のスペーサを採用する場合には、スペーサの厚さを約２倍に設定しなければならない。このため、スペーサ材料の比透磁率が５より大きな材料でスペーサを形成した場合、コアの長さに対してスペーサの厚さがあまりに大きくなり、その分装置全体の寸法も大きくなる。また、コアの全長が大きくなると損失が増加する恐れもある。したがって、スペーサ材料の比透磁率は５以下に設定するのが望ましい。

本願の請求項３に記載した発明は、上記スペーサ材料を、比透磁率が１０００以上である粉状磁性材料を、１５容量％〜２５容量％含んで形成したものである。

高い透磁率を有する粉状磁性材料は磁束を引き付けやすく、磁束がスペーサから漏れ出るのを防止することができる。したがって、できるだけ透磁率が大きい磁性材料を採用するのが好ましい。また、粉状磁性材料を非磁性材料から形成された基材中に均等に分散することにより、スペーサ内部における磁束の乱れを防止できる。

上記粉状磁性材料の粒度は特に限定されることはないが、１μｍ〜２５０μｍの粉体状磁性材料を採用するのが好ましい。

上記粉状磁性材料の種類も限定されることはない。また、１種類の粉状磁性材料のみならず、複数種類の磁性材料を混合したものを採用することもできる。たとえば、フェライト、金属磁性粒子（Ｆｅ，ＦｅＳｉ，センダスト等）のうちから選択された１以上の成分を含んだものを採用できる。

請求項４に記載した発明は、上記非磁性材料を樹脂材料から形成したものである。上記樹脂材料の種類は限定されることはなく、スペーサとして機能しうる磁気特性、硬度及び成形性があれば、種々の樹脂材料を採用することができる。たとえば、フェノール樹脂を採用できる。また、請求項５に記載した発明のように、上記非磁性材料としてセラミック材料を採用できる。

上記スペーサを形成する手法も特に限定されることはない。すなわち、請求項６に記載した発明のように、上記スペーサとして、圧粉成形体又は焼結成形体を採用することができる。さらに、樹脂を基材とする場合には、射出成形体、押し出し成形体を採用することもできる。

請求項７に記載した発明は、上記コアブロックを、粉状磁性体とバインダ樹脂とを含む圧粉成形体から形成するとともに、上記スペーサを、上記コアブロックのバインダ樹脂の配合量を変更することによりスペーサ材料の比透磁率を所定の値に設定した圧粉成形体から形成したものである。

コアを製造するのと同じ材料及び手法を利用することにより、共通の製造設備を利用できる。また、これにより、コストを低減することもできる。

ギャップ周縁部において生じる漏れ磁束を減少させることにより、損失を減少させるとともに磁束密度の偏在を緩和して、エネルギ変換効率を向上させることのできるリアクトル用スペーサ及びこのスペーサを用いたリアクトルを提供することができる。

図１に示すように、リアクトル１は、環状のコア２と、このコア２の周囲に装着されたコイル３とを備えて構成される。上記コア２と上記コイル３との間には、上記コイル３を上記コア２の外周部に所定間隔をあけて保持するためのボビンが介挿されるとともに全体が図示しない箱状のケースに収容されている。

図２は、上記環状コア２の全体斜視図である。本実施例では、３個の矩形状コアブロック４ａ，４ｂ，４ｃをそれぞれ組み付けることにより一対の平行状Ｉ字部４，４を構成するとともに、これらＩ字部の両端部に略Ｕ字状のコアブロック５，５を接続して略長円状の環状コア２が形成されている。上記各コアブロック５，４ａ，４ｂ，４ｃの間に設けられたギャップ６には、板状のスペーサ７がそれぞれ介挿されている。

図３は、本実施例に係るスペーサの内部構造を模式的に表したものである。

スペーサ７は、フェノール樹脂からなる基材７に、粉状磁性材料９を均一に分散して形成されている。本実施例では、上記樹脂材料として粉状のフェノール樹脂を採用するとともに、粉状磁性材料として平均粒度が１５０μｍのＦｅ−６．５％Ｓｉ粉末を採用し、これらの混合体を圧粉成形することにより、矩形板状の上記スペーサ７が形成されている。上記粉状樹脂材料の種類は特に限定されることはなく、上記フェノール樹脂の他、エポキシ樹脂等を採用することができる。

また、本実施例では、上記粉状磁性材料９を、スペーサ７の１７容量％配合することにより、上記スペーサ材料の比透磁率を約２に設定している。なお、上記磁性材料の配合量、比透磁率は、リアクトルの性能に応じて設定することができる。

図４に、上記構成のスペーサ７をコアブロック４ａ，４ｂの間に形成されるギャップ６に介挿してリアクトルを作動させた場合の磁束の状態を模式的に示す。本実施例では、上記スペーサ７を構成するスペーサ材料の比透磁率を２に設定しているため、図６に示す比透磁率１の従来のスペーサＳに比べて厚さを２倍に設定している。これにより、従来のスペーサと同等の機能を発揮させることができる。

図４と図６とを比較すると明らかなように、本実施例に係るスペーサ７においては、スペーサの縁部における漏れ磁束ＬＦが少なくなる。また、スペーサないしこの近傍のコア内部における磁束の乱れも少ない。このため、渦電流等の発生が少なくなり、損失が減少してリアクトルの効率を高めることができる。

図５に、本願発明に係るスペーサ２７ａ，２７ｄと従来のスペーサ２７ｂ，２７ｃの双方を、図２に示す形態の環状コア２２に採用した場合の例を示す。この実施例では、矩形状コアブロック２４ａ，２４ｂ，２４ｃ間に設けられるギャップに従来のセラミック材料から形成されたスペーサ２７ｂ，２７ｃを採用する一方、漏れ磁束の生じやすい略Ｕ字状コアブロック２５，２５と矩形状コアブロック２４ａ，２４ｃとの間に設けられるギャップに本願発明に係るスペーサ２７ａ，２７ｄを採用している。

上記従来のセラミックから形成されたスペーサ２７ｂ，２７ｃは、比透磁率が１の材料から形成されており、一方、上記スペーサ２７ａ，２７ｄは、比透磁率が２の材料から形成されている。実施例ではこれらの磁気回路中での性能を同じにするため、上記スペーサ２７ａ，２７ｄの厚さを、上記スペーサ２７ｂ，２７ｃの約２倍に設定している。

上記略Ｕ字状コアブロック２５と矩形状コアブロック２４ａ，２４ｃの間に設けられるギャップにおいては、漏れ磁束が生じやすかったが、上記構成を採用することにより、この部分における漏れ磁束を減少させ、リアクトルの効率を向上させることができる。

実施例では、スペーサを矩形板状に形成したが、寸法形態はリアクトルの形態に応じて設定することができる。

また、基材を構成する非磁性材料及び粉状磁性材料の種類、配合量等も実施例に限定されることはなく、必要に応じて種々の材料を用いて、所望の比透磁率及び形態のスペーサを形成することができる。

本願発明は、上述の実施例に限定されることはない。今回開示された実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本願発明に係るリアクトルの外観を示す斜視図である。 図１に示すリアクトルのコアの外観を示す斜視図である。 第１の実施例に係るスペーサの内部構造を模式的に示す図である。 本願発明に係るスペーサを環状コア中のギャップに介挿してリアクトルを作動させた場合の磁束の状態を模式的に表した断面図である。 環状のコアブロックに、従来のスペーサと本願発明のスペーサを用いた場合の平面図である。 従来スペーサを環状コア中に設けられるギャップに介挿してリアクトルを作動させた場合の磁束の状態を模式的に表した断面図である。

４ａコアブロック
４ｂコアブロック
７スペーサ

Claims (7)

1. 略Ｕ字状コアブロックと、２以上の矩形状コアブロックを組み付けることにより構成された一対のＩ字部とを備え、上記一対のＩ字部の両端部に、上記略Ｕ字状コアブロックを接続することにより環状コアが形成されるとともに、上記環状コアの外周にコイルを設けて構成される、リアクトルであって、
   非磁性材料からなる基材中に、粉状磁性材料を分散して構成された材料からなるスペーサを各コアブロックの間に介挿するとともに、
   上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサ材料の比透磁率を、上記Ｉ字部を構成する上記矩形状コアブロック間に介挿されるスペーサ材料の比透磁率より大きく設定し、
   上記Ｉ字部と上記略Ｕ字状コアブロックとの間に介挿されるスペーサの厚みを、上記Ｉ字部を構成する上記矩形状コアブロック間に介挿されるスペーサの厚みより大きく設定した、リアクトル。
2. 上記スペーサ材料の比透磁率が、１．５〜５である、請求項１に記載のリアクトル。
3. 上記スペーサ材料は、比透磁率が１０００以上である粉状磁性材料を、１５容量％〜２５容量％含んで形成されている、請求項１に記載のリアクトル。
4. 上記非磁性材料が樹脂材料である、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。
5. 上記非磁性材料がセラミック材料である、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。
6. 上記スペーサは、圧粉成形体又は焼結成形体である、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。
7. 上記コアブロックを、粉状磁性体とバインダ樹脂とを含む圧粉成形体から形成するとともに、
   上記スペーサは、上記コアブロックのバインダ樹脂の配合量を変更することにより比透磁率を所定の値に設定した圧粉成形体から形成されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のリアクトル。

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