(57)【要約】【課題】  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低損失のリアクトル装置を提供する。【解決手段】  金属ケースと、前記金属ケース内に配置された平角電線を用いた２つのコイルと、前記金属ケース内に充填された磁性粉末と樹脂を含む混合物とで主に構成された内鉄型のリアクトル装置であり、前記２つのコイルは略平行に配置されて磁気的に結合され、さらに、前記コイルは平角電線同士の間に０．３から２．５ｍｍの隙間が形成されて前記混合物がこの隙間に充填されていることを特徴とするリアクトル装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ケースと、前記金属ケース内に配置された平角電線を用いた２つのコイルと、前記金属ケース内に充填された磁性粉末と樹脂を含む混合物とで主に構成された内鉄型のリアクトル装置であり、
前記２つのコイルは略平行に配置されて磁気的に結合され、さらに、前記コイルは平角電線同士の間に０．３から２．５ｍｍの隙間が形成されて前記混合物がこの隙間に充填されていることを特徴とするリアクトル装置。
【請求項２】
前記の隙間はコイルの中央部よりも端部側の方が大きく開い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。
【請求項３】
前記コイルの側面が金属ケースの底部と内壁部の一面に接するように配置されていることを特長とする請求項１又は請求項２に記載のリアクトル装置。
【請求項４】
直流重畳電流が０Ａ時のインダクタンスＬが２５０〜４５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のリアクトル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ある。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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。特許文献２ではコイル封止型樹脂成形リアクトルについて記載され、二つの平角線コイルを樹脂モールドした後、鉄粉が混入した樹脂を流し入れることでリアクトルが得られることが記載されている。フェライトを用いずに鉄粉が混入した樹脂を使ってリアクトルを成形するために、磁気特性の劣化や損失を抑止しつつ製造コスト低減が可能であると記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３１６０６８５号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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は高い磁性粉末占積率が得られにくい。そのために比透磁率が低く、コイルの巻線を径方向に通過する漏れ磁束によりコイルで発生する渦電流損失が大きい。よって本発明の課題は、漏れ磁束自体が少ない構成とするとともに、コイルの電線内部に進入する漏れ磁束を低減してコイルに発生する渦電流損失を抑えた樹脂成形のリアクトル装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、金属ケースと、前記金属ケース内に配置された平角電線を用いた２つのコイルと、前記金属ケース内に充填された磁性粉末と樹脂を含む混合物とで主に構成された内鉄型のリアクトル装置であり、前記２つのコイルは略平行に配置されて磁気的に結合され、さらに、前記コイルは平角電線同士の間に０．３から２．５ｍｍの隙間が形成されて前記混合物がこの隙間に充填されていることを特徴とする。この構成のリアクトルとすることで直流重畳電流が０Ａ時のインダクタンスＬが２５０〜４５０μｍであるリアクトル装置が得られる。
【０００７】
前記の隙間はコイルの中央部よりも端部側の方が大きく開いているものが好ましい。コイル間の隙間を中央部と端部で変えることで漏れ磁束を極力少なくできる。また、前記コイルの側面が金属ケースの底部と内壁部の一面に接するように配置することが好ましい。コイル側面を金属ケースに極力接するようにすることで漏れ磁束を減らすことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、注型コアで使用する２つのコイルを金属ケースの内壁面に接するように配置して内鉄型リアクトルとしたことで従来の注型リアクトルよりも漏れ磁束を極力減らすとともに、平角電線の厚さ方向の間隔に充填された磁性粉末に磁束が集中するので、電線内部への磁束の進入を妨げることができ、コイルに発生する渦電流損失を低減することができる。このとき、平角電線の厚さ方向の間隔が０．３ｍｍ以上であれば、磁性粉末の充填が容易であり、十分な量の磁性粉末が充填されるので、高い動作磁束密度領域でも、電線内部への磁束の進入を妨げることができる。また、平角電線の厚さ方向の間隔が２．５ｍｍ以下であれば、コイルが占有する体積が少ないので、小型のリアクトル装置が作製できる。そして、平角電線の厚さ方向の間隔が０．３ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲であれば、リアクトルのサイズ及び損失がバランス良く設計された上で、直流重畳電流が０Ａ時のインダクタンスＬが２５０〜４５０μｍの範囲の値を示すので、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のリアクトル装置の製作工程の一例を図３から図７を使って説明する。図５はアルミニウム製の金属ケース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。車載用では本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の内面には絶縁性を有する高熱伝導シート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などを用いることができる。高熱伝導シート１１の厚さは０．１ｍｍから３ｍｍまでがよい。次に図６に示す第一のコイル２１と第二のコイル２２を一体化したコイル部１２（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。また、２つのコイル間の耐電圧性を向上させるため、図７に示すように２つのコイルの間に絶縁スペーサ１３を付加する。次に磁性粉末と樹脂との混合物１４を金属ケース１０に注入する。この時、混合物１４はコイル部１２の導体間の隙間まで充填されるので、コイル部１２の固定保持がより強固となる。図３は混合物１４が固まり、本発明のリアクトル装置が完成した状態を示す。混合物を充填する際は重力によって流し込まれるので基本的には加圧はしないが、混合物を充填した後に空圧などをかけて充填率を高めてもよいし、減圧下において内部の気泡などを抜いてもよい。
また、混合物は必ずしもコイル全体を埋没させる必要は無く、コイルの側面が見えていても実用に耐えることができる。図４（ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、図４（ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面図である。矢印は磁気の流れを示している。このように本発明のリアクトル装置は、二つのコイルが磁気的に結合しているので、コイルの空洞部に磁束が通って還流する。一方の側から出た磁束はコイルの端部と金属ケースの間に充填された混合物を通過して他方のコイルの空洞部に充填された混合物を通る。
【００１０】
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を用いることができ、これらは各々単独でまたは適宜、組合せた粉末でも良い。これらの磁性粉末は、アトマイズによって作成された球状粉末でもよいし、帯状の磁性薄帯材から粉砕して得たものを使用してもよい。充填率を上げるためには球状の磁性粉末が好ましいが、一律な粒径のものだと磁性粉末間に隙間ができやすいので、その隙間を埋めるような微細粉との混合粉とすることがこのましい。
また、より高磁界中で高い比透磁率を確保すべく磁性体粉末及び樹脂の混成物に対して非磁性フィラーを混合物に加えれば高い磁場中でも優れた透磁率を得ることができるため、製品の仕様によって適宜調整することができる。非磁性フィラーは、シリカ、アルミナなどのセラミック粉末、石英ガラス粉などが使用できる。
【００１１】
樹脂は、前記の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。
【００１２】
コイル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することが好ましい。コイル部品の底部と側面が金属ケース（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。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。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。実施例の図で示すような平角導線を縦巻きにしたコイルがよい。
【００１３】
また、コイルとコイルの間に絶縁部材を設けると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。
【００１４】
本発明を実施例によっ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。
【００１５】
（実施例１）
幅８６ｍｍ、長さ１２３〜２０６ｍｍ、高さ５３のアルミニウム製の金属ケースを準備する。このケースの肉厚は３ｍｍである。そして、金属ケースの内面には高熱伝導シートとして厚さ１ｍｍの電気化学工業（株）製柔軟性シリコンシートが所定の位置に付着されている。次に、幅６ｍｍ、厚さ１．６の平角銅線が幅３６ｍｍ、長さ７２．２〜１５５．８ｍｍ、高さ４８ｍｍになるよう巻かれた３８巻きのコイルを２つ準備し、それを並列に繋げて７６巻きとする。そして、このコイルにおける平角銅線の厚さ方向の間隔は表１の実施例１〜６に示す値に設定した。このコイルを中心部がアルミニウム製の金属ケースの中心に一致するように、高熱伝導シートの付着している位置に合わせて設置する。次に、２つのコイル間の耐電圧性を向上させるため、２つのコイルの間に絶縁スペーサを付加する。
次に、平均粒径が６０μｍで、タップ密度が５．０ｇ/ｃｍ３のＦｅ−６．５％Ｓｉ粉末にエポキシ樹脂を１０重量部添加し、磁性粉末と樹脂の混合物を準備する。このときの、磁性粉末占積率は６７％である。そして、これらの磁性粉末と樹脂の混合物をコイルの設置してあるアルミニウム製の金属ケースに、磁性粉末と樹脂の混合物の上面がコイルの上面と同じ高さになるように注ぐ。次に、このアルミケースを１２０℃に熱し、タッピングすることにより、平角銅線の厚さ方向に存在する隙間に磁性粉末と樹脂の混合物を充填させる。その後１２０℃の状態で２時間保ち、樹脂を硬化させた。
このようにして製作したリアクトルのインダクタンスを、ＬＣＲメータを用いて測定した結果、周波数１０ｋＨｚ、電圧０．５Ｖｒｍｓ、直流重畳電流０Ａの条件で表１に示す値を示した。表１から分かるように実施例１〜６のインダクタンスは２５０〜４５０μＨの範囲に入っているので、リアクトルとして動作させるのに適していることが分かる。次に、このリアクトルを駆動周波数１０ｋＨｚのブースト型ＤＣ−ＤＣコンバータのインダクタとして搭載し、入力電圧２００Ｖ、直流重畳電流２０Ａ、周波数１０ｋＨｚにおいて駆動し、コンバータ出力として電圧５００Ｖを得た。そして、この条件でリアクトル動作時のリアクトル損失を調べた。その結果、表１に示すようにリアクトル損失は３１〜３５Ｗであり、低損失であることを確認した。次に、実施例１−２のリアクトルをモデルとした電磁界解析により、コイルを構成する銅線内部に進入する磁束を計算した結果を図１に示す。この結果から分かるように、銅線内部に進入する磁束は少ない。
また、図２は実施例１−２の重畳特性を示すデータである。
【００１６】
（比較例１）
幅８６ｍｍ、長さ１１９〜２２５ｍｍ、高さ５３のアルミニウム製の金属ケースを準備する。このケースの肉厚は３ｍｍである。そして、金属ケースの内面には高熱伝導シートとして厚さ１ｍｍの電気化学工業（株）製柔軟性シリコンシートが所定の位置に付着されている。次に、幅６ｍｍ、厚さ１．６の平角銅線が幅３６ｍｍ、長さ６８．４〜１７４．８ｍｍ、高さ４８ｍｍになるよう巻かれた３８巻きのコイルを２つ準備し、それを並列に繋げて７６巻きとする。また、実施例と同じ絶縁スペーサ、磁性粉末と樹脂の混合物を準備した。そして、コイルを構成する平角銅線の厚さ方向の間隔を表１の比較例１及び２に示す値に設定した。これらの部材を用いて実施例と同様にリアクトル装置を作製した。このようにして製作したリアクトルのインダクタンスを、ＬＣＲメータを用いて測定した結果、周波数１０ｋＨｚ、電圧０．５Ｖｒｍｓ、直流重畳電流０Ａの条件で表１に示す値を示した。表１から分かるように比較例１及び２のインダクタンスは２５０〜４５０μＨの範囲に入っていないので、リアクトルとして動作させるのに適していないことが分かる。次に、このリアクトルを駆動周波数１０ｋＨｚのブースト型ＤＣ−ＤＣコンバータのインダクタとして搭載し、入力電圧２００Ｖ、直流重畳電流２０Ａ、周波数１０ｋＨｚにおいて駆動し、コンバータ出力として電圧５００Ｖを得た。そして、この条件でリアクトル動作時のリアクトル損失を調べた。その結果、表１に示すように比較例１のリアクトル損失は３８Ｗであり、平角銅線の厚さ方向に磁性粉末を充填しない場合と比較して損失が高いことを確認した。次に、比較例１のリアクトルをモデルとした電磁界解析により、コイルを構成する銅線内部に進入する磁束を計算した結果を図１に示す。この結果から分かるように、銅線内部に進入する磁束は多い。実施例１において、低損失が得られたのは、平角銅線の厚さ方向に充填した磁性粉末が銅線内部に進入する磁束を抑制し、それにより生ずる渦電流損失を低減させたためである。
【００１７】
【表１】
2011124245.tif 000003
【００１８】
（実施例２）
アルミニウム製の金属ケースとコイル形状を変えた以外は実施例１と同様にして本発明のリアクトルを作成した。用いた金属ケース、熱伝導シート、絶縁スペーサ、磁性粉末と樹脂の混合物とも実施例1と同じものである。また、その配置の関係も実施例１と同じにした。幅８６ｍｍ、長さ１４２ｍｍ、高さ５３のアルミニウム製の金属ケースを準備する。コイルは、実施例１と同じく、幅６ｍｍ、厚さ１．６の平角銅線が幅３６ｍｍ、長さ９１．２ｍｍ、高さ４８ｍｍになるようかれた３８巻きのコイルを２つ準備し、それを並列に繋げて７６巻きとした。但し、この各コイルの中央部での巻線間の隙間を０．６ｍｍ、コイルの端部での巻線間の隙間を１．０ｍｍとし、中央部から端部に向かって徐々にその間隔が広がるように平角銅線を巻いた。
このコイルを用いたリアクトルを実施例１と同様にしてＬＣＲメータを用いて測定した。（周波数１０ｋＨｚ、電圧０．５Ｖｒｍｓ、直流重畳電流０Ａ）リアクトルのリアクトル損失は３１Ｗであり、表１、実施例1-2の平角銅線の隙間を一律０．６ｍｍにしたものより遥かに低く、実施例1-3の平角銅線の隙間を一律１．０ｍｍにしたものとほぼ同じ値である。つまり、端部側の平角銅線の隙間だけを広げることで効率良く漏れ磁束を少なくできるとともにコイルの全長を短くできるので小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例と比較例の磁束分布計算値を示した図である。
【図２】本発明のリアクトルの直流重畳特性を示す図である。
【図３】本発明のリアクトル装置の概略図である。
【図４】図２のＡ断面とＢ断面の模式図である。
【図５】本発明に係る金属ケースを示す斜視図である。
【図６】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。
【図７】本発明に係る各部材の設置方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００２０】
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 コイル部、１３  絶縁スペーサ、１４  磁性粉末と樹脂との混合物、
【図１】
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【図２】
2011124245.tif 000005
【図３】
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【図４】
2011124245.tif 000007
【図５】
2011124245.tif 000008
【図６】
2011124245.tif 000009
【図７】
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