(57)【要約】【課題】コイルと磁性コアとの絶縁を確保しつつ、組立作業性に優れるリアクトルを提供する。【解決手段】リアクトル1Aは、巻線2wを巻回してなるコイル2と、このコイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3とを具える。磁性コア3の少なくとも一部が磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成される。リアクトル1Aは、さらに樹脂ケース4を具える。樹脂ケース4は、磁性コア3を収納して磁性コア3とコイル2とを絶縁する。磁性コア3と樹脂ケース4とが、磁性コア3を構成する複合材料によって一体に接合されている。【選択図】図1
2013143454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線を巻回してなるコイルと、このコイルの内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアとを具え、磁性コアの少なくとも一部が磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成されるリアクトルであって、
前記磁性コアを収納して当該磁性コアと前記コイルとを絶縁する樹脂ケースを具え、
前記複合材料の構成樹脂によって、前記磁性コアと樹脂ケースとが一体に接合されていることを特徴とするリアクトル。
【請求項２】
前記磁性コアは、圧粉成形体を含むことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
【請求項３】
前記磁性コアは、
前記コイルの内側に配置される内側コア部と、
前記コイルの外側に配置され、前記内側コア部と共に閉磁路を形成する外側コア部とを具え、
前記内側コア部及び外側コア部のいずれか一方が、他方よりも透磁率の高い前記複合材料を有することを特徴とする請求項１または２に記載のリアクトル。
【請求項４】
前記複合材料における前記磁性体粉末の含有量が、３０体積％以上７０体積％以下であることを特徴とする請求項１〜３に記載のリアクトル。
【請求項５】
前記磁性コアのうち、前記コイルの内側に配置される内側コア部は、圧粉成形体によって構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリアクトル。
【請求項６】
前記コイルは、前記巻線を巻回した一対のコイル素子を互いに並列状態で接続してなり、
前記磁性コアは、
前記各コイル素子の内側に配置される一対の内側コア部と、
前記コイルから露出し、前記各内側コア部と連結して当該内側コア部と環状のコアを形成する一対の外側コア部とを具え、
前記樹脂ケースの形状は、前記一方の外側コア部と前記内側コア部の少なくとも一部とを一体に収納するＬ字状、Ｊ字状、]字状、及びＵ字状のいずれかから構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のリアクトル。
【請求項７】
巻線を巻回してなるコイルと、このコイルの内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアとを具えるリアクトルを構成するためのコア部品であって、
磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料を有する磁性コアと、
前記磁性コアを収納して、当該磁性コアの外周にコイルを配したとき当該磁性コアとコイルとを絶縁する樹脂ケースとを具え、
前記複合材料の構成樹脂によって、前記磁性コアと樹脂ケースとが一体に接合されていることを特徴とするコア部品。
【請求項８】
巻線を巻回してなるコイルの内外に閉磁路を形成する磁性コアを設け、その磁性コアの少なくとも一部を磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成するリアクトルの製造方法であって、
前記磁性コアを収納して当該磁性コアと前記コイルとを絶縁する樹脂ケースを用意するケース準備工程と、
前記樹脂ケース内の少なくとも一部に前記複合材料を充填し、当該複合材料の構成樹脂を硬化して当該複合材料と前記樹脂ケースとを一体に接合するコア部品成形工程とを具えることを特徴とするリアクトルの製造方法。
【請求項９】
スイッチング素子と、前記スイッチング素子の動作を制御する駆動回路と、スイッチング動作を平滑にするリアクトルとを具え、前記スイッチング素子の動作により、入力電圧を変換するコンバータであって、
前記リアクトルは、請求項１〜６のいずれか１項に記載のリアクトルであることを特徴とするコンバータ。
【請求項１０】
入力電圧を変換するコンバータと、前記コンバータに接続されて、直流と交流とを相互に変換するインバータとを具え、このインバータで変換された電力により負荷を駆動するための電力変換装置であって、
前記コンバータは、請求項９に記載のコンバータであることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される車載用ＤＣ−ＤＣコンバータといった電力変換装置の構成部品などに用いられるリアクトル、このリアクトルの構成部品に適したコア部品、このリアクトルの製造方法、このリアクトルを具えるコンバータ、及びこのコンバータを具える電力変換装置に関するものである。特に、組立作業性に優れるリアクトル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧の昇圧動作や降圧動作を行う回路の部品の一つに、リアクトルがある。このリアクトルは、ハイブリッド自動車などの車両に搭載されるコンバータに利用される。そのリアクトルとして、例えば、特許文献１に示すものがある。
【０００３】
特許文献１のリアクトルは、環状のコア（磁性コア）と、このコアの外周に配置されるコイルと、コアとコイルとの間の絶縁を確保するためのインシュレータとを具える。コアは、中間コア（内側コア部）と端部コア（外側コア部）とを具える。中間コアは、その外周にコイルが配置される箇所で、コア片とギャップ部とを交互に積層して構成される。端部コアは、中間コアの端面同士を連結する。インシュレータは中間コアの外周を覆う筒状部と、コイルの端面に当接される一対の鍔部とを具える。筒状部は、半割れの角筒片同士を接合することで、中間コアの外周を覆う。鍔部は、筒状部の両端部に配置される矩形枠である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７２７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のようにインシュレータを配置することで、コイルと磁性コアとの間隔を保持してコイルと磁性コアとが接触しないようにでき、コイルと磁性コアとの絶縁性を確保できる。上述のリアクトルの場合、内側コア部の外周に筒状のインシュレータを配置し、外側コア部とコイルとの間に鍔状のインシュレータを配置してリアクトルを一体に組み立てる必要があり、部品点数が多く、組立作業性が煩雑になり易い。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、コイルと磁性コアとの絶縁を確保しつつ、組立作業性に優れるリアクトルを提供することにある。
【０００７】
本発明のもう一つの目的は、上記リアクトルに好適に利用できるコア部品を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、上記リアクトルを製造するリアクトルの製造方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、上記リアクトルを具えるコンバータ、このコンバータを具える電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のリアクトルは、巻線を巻回してなるコイルと、このコイルの内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアとを具え、磁性コアの少なくとも一部が磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成されている。磁性コアを収納して当該磁性コアとコイルとを絶縁する樹脂ケースを具える。そして、磁性コアと樹脂ケースとが、複合材料の構成樹脂によって一体に接合されている。
【００１１】
本発明リアクトルは、樹脂ケースを具えることで、樹脂ケースが磁性コアとコイルとを絶縁する絶縁部材として機能するため、コイルと磁性コアとの絶縁を確保できる。また、樹脂ケースと磁性コアとが磁性コアの構成材料で一体に接合されていることで、部品点数が少なく、組立作業性に優れる。
【００１２】
本発明リアクトルの一形態として、磁性コアが、圧粉成形体を含むことが挙げられる。
【００１３】
上記の構成によれば、一般に高透磁率にし易い圧粉成形体を含むことで、部分的に透磁率の異なる磁性コアとすることができる。
【００１４】
本発明リアクトルの一形態として、磁性コアは、コイルの内側に配置される内側コア部と、コイルの外側に配置され、内側コア部と共に閉磁路を形成する外側コア部とを具えることが挙げられる。内側コア部及び外側コア部のいずれか一方が、他方よりも透磁率の高い複合材料を有する。
【００１５】
上記の構成によれば、内側コア部の方が外側コア部よりも透磁率が高い場合、内側コア部の磁束密度を高めることができ、内側コア部をコンパクトにすることができる。外側コア部の方が内側コア部よりも透磁率が高い場合、外側コア部からの漏れ磁束を低減できる。
【００１６】
本発明リアクトルの一形態として、複合材料における磁性体粉末の含有量が、３０体積％以上７０体積％以下であることが挙げられる。
【００１７】
上記の構成によれば、磁性体粉末の含有量を３０体積％以上とすることで、磁性コアに占める磁性成分の割合が十分に高いため、そのコアの飽和磁束密度を高めることができる。磁性体粉末の含有量を７０体積％以下とすることで、流動性に優れ、複合材料の製造性に優れる。
【００１８】
本発明リアクトルの一形態として、磁性コアのうちコイルの内側に配置される内側コア部は、圧粉成形体によって構成されていることが挙げられる。
【００１９】
上記の構成によれば、一般に高透磁率にし易い圧粉成形体で内側コア部を構成することで、内側コア部を高透磁率にできるのでコイル内に磁束をより通過させることができる。その結果、内側コア部を圧粉成形体で構成していないリアクトルと同じ磁束を得る場合、内側コア部を小型化でき、リアクトル全体として小型化を図れる。
【００２０】
本発明リアクトルの一形態として、巻線を巻回した一対のコイル素子を互いに並列状態で接続してなるコイルと、各コイル素子の内側に配置される一対の内側コア部と、コイルから露出し、各内側コア部と連結して内側コア部と環状のコアを形成する一対の外側コア部とを有する磁性コアとを具えることが挙げられる。そして、樹脂ケースの形状が、一方の外側コア部と内側コア部の少なくとも一部とを一体に収納するＬ字状、Ｊ字状、]字状、及びＵ字状のいずれかから構成されていることが挙げられる。
【００２１】
上記の構成によれば、樹脂ケースの形状が上記いずれかであることで、一方の外側コア部と内側コア部の少なくとも一部とを樹脂ケース内に一体に収納することができ、リアクトルを構成する部品点数を低減できる。
【００２２】
本発明のコア部品は、巻線を巻回してなるコイルと、このコイルの内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コアとを具えるリアクトルを構成するための部品で磁性コアと樹脂ケースとを具える。磁性コアは、磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料を有する。樹脂ケースは、磁性コアを収納して、磁性コアの外周にコイルを配したとき当該磁性コアとコイルとを絶縁する。そして、磁性コアと樹脂ケースとが、複合材料の構成樹脂によって一体に接合されている。
【００２３】
本発明のコア部品は、磁性コアを樹脂ケースに収納して磁性コアと樹脂ケースとを一体にできるので、取り扱い易く、リアクトルの構築に好適に利用できる。
【００２４】
本発明のリアクトルの製造方法は、巻線を巻回してなるコイルの内外に閉磁路を形成する磁性コアを設け、その磁性コアの少なくとも一部を磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成するリアクトルの製造方法で、ケース準備工程と、コア部品成形工程とを具える。ケース準備工程は、磁性コアを収納して磁性コアとコイルとを絶縁する樹脂ケースを用意する。コア部品成形工程は、樹脂ケース内の少なくとも一部に複合材料を充填し、複合材料の構成樹脂を硬化して複合材料と樹脂ケースとを一体に接合する。
【００２５】
本発明リアクトルの製造方法は、コイルと組み合わせた際に磁性コアとコイルとを絶縁できて、かつ組立作業性に優れるリアクトルを製造できる。
【００２６】
本発明リアクトルは、コンバータの構成部品に好適に利用することができる。本発明のコンバータは、スイッチング素子と、上記スイッチング素子の動作を制御する駆動回路と、スイッチング動作を平滑にするリアクトルとを具え、上記スイッチング素子の動作により、入力電圧を変換するものであり、上記リアクトルが本発明リアクトルである形態が挙げられる。この本発明コンバータは、電力変換装置の構成部品に好適に利用することができる。本発明の電力変換装置は、入力電圧を変換するコンバータと、上記コンバータに接続されて、直流と交流とを相互に変換するインバータとを具え、このインバータで変換された電力により負荷を駆動するための電力変換装置であって、上記コンバータが本発明コンバータである形態が挙げられる。
【００２７】
本発明のコンバータや電力変換装置は、コイルと磁性コアとの絶縁を確保しつつ、組立作業性に優れる本発明リアクトルを具えることで、コンバータや電力変換装置の全体として組立作業性に優れ、車載部品などに好適に利用できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のリアクトルは、コイルと磁性コアとの絶縁を確保しつつ、組立作業性に優れる。
【００２９】
本発明のコア部品は、取り扱いが容易なので、リアクトルの構築に好適に利用できる。
【００３０】
本発明のリアクトルの製造方法は、組立作業性に優れるリアクトルを製造できる。
【００３１】
本発明のコンバータや電力変換装置は、車載部品などに好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】(A)は実施形態１に係るリアクトルを示す概略斜視図、(B)は(A)におｋる(B)-(B)断面図である。
【図２】実施形態1に係るリアクトルの概略分解斜視図である。
【図３】実施形態2に係るリアクトルの概略分解斜視図である。
【図４】ハイブリッド自動車の電源系統を模式的に示す概略構成図である。
【図５】本発明コンバータを具える本発明電力変換装置の一例を示す概略回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照して、本発明のリアクトルの実施形態を説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。
【００３４】
《実施形態1》
〔リアクトル〕
図1、図2を参照して、実施形態1のリアクトル1Aを説明する。リアクトル1Aは、コイル2と磁性コア3とを具える。その磁性コア3は複数の分割片から構成され、各分割片は樹脂ケース4に収納されてコア部品10を構成する。リアクトル1Aの特徴とするところは、磁性コア3の少なくとも一部を磁性体粉末と樹脂とを含む複合材料で構成し、その樹脂で磁性コア3と樹脂ケース4とを一体に接合した点にある。本例では、巻線2wを螺旋状に巻回してなる一対のコイル素子2a、2bを有するコイル2と、各コイル素子2a、2b内にそれぞれ配置される一対の内側コア部31（31a，31b）、及びこれら内側コア部31（31a，31b）を連結して閉磁路を形成する外側コア部32（32a，32b）を有する磁性コア3とを用いている。以下、各構成を詳細に説明する。その説明にあたり、本発明の特徴である樹脂ケース4を具えるコア部品10から説明する。
【００３５】
［コア部品］
コア部品10は、ここでは一対あり、それぞれ磁性コア3の一部と、樹脂ケース4a,4bとを具え、磁性コア3と樹脂ケース4a,4bとが、磁性コア3の少なくとも一部を構成する複合材料で一体に接合されている。コイル2とその一対のコア部品10a,10bとを組み合わせて、コイル2を励磁したとき、磁性コア3が閉磁路を形成する。
【００３６】
（樹脂ケース）
樹脂ケース4a,4bは、それぞれ磁性コア3の一部を収納して、コイル2と磁性コア3との絶縁を確保し、磁性コア3を外部環境から保護する。
【００３７】
樹脂ケース4の材質は、コイル2と磁性コア3とを絶縁できる程度の絶縁性を有し、かつ、リアクトル1Aの使用時の熱、及び後述する磁性コア3の複合材料を充填する際の熱に耐えられる程度の耐熱性を有する樹脂が挙げられる。その材質として、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ウレタン樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン（ＡＢＳ）樹脂などを利用できる。或いは、磁性コア3を構成する複合材料の樹脂と同じ樹脂で樹脂ケース4を構成すれば、磁性コア3との密着性を向上できて好ましい。
【００３８】
２つの樹脂ケース4a,4bのうち少なくとも一方の形状は、一方の外側コア部32と内側コア部31の少なくとも一部とを一体に収納できる形状であることが好ましい。そうすれば、外側コア部32と内側コア部31とを一体物として扱えるため、リアクトル1Aを構成する部品点数を低減できる。特に、樹脂ケース4における内側コア部31を収納する内側コア部収納領域と外側コア部32を収納する外側コア部収納領域とが連通していることが好ましく、そうすれば、樹脂ケース4内で内側コア部31と外側コア部32とを直接連結できる。この内側コア部収納領域に相当する箇所がコイル2の内側に配置される。
【００３９】
樹脂ケース4に収納する外コア部32と内側コア部31との組み合わせとして、例えば、「一方の内側コア部31と一方の外側コア部32」、「一方の内側コア部31の一部と他方の内側コア部31と一方の外側コア部32」、「両方の内側コア部31と一方の外側コア部32」、及び「両内側コア部31の一部ずつと一方の外側コア部32」が挙げられる。これらの組み合わせが収納できる樹脂ケース4であることが好ましい。
【００４０】
樹脂ケース4の具体的な形状は、矩形状、Ｌ字状、Ｊ字状、Ｕ字状、及び］字状などが挙げられる。即ち、樹脂ケース4は、矩形状、Ｌ字状、Ｊ字状、Ｕ字状、及び］字状のいずれかからなる底部と、その底部の各辺から立設する複数の側壁部とで構成され、底部と側壁部とが一体に成形された箱状体が利用できる。Ｌ字状の樹脂ケース4は、例えば、「一方の内側コア部31と一方の外側コア部32」とを一体に収納できる。Ｊ字状の場合、例えば、「一方の内側コア部31の一部と他方の内側コア部31と一方の外側コア部32」とを一体に収納できる。Ｕ字状の場合、例えば、「両内側コア部31と一方の外側コア部32」とを一体に収納できる。］字状の場合、例えば、「一方の内側コア部31の一部と他方の内側コア部31の一部と一方の外側コア部32」とを一体に収納できる。各側壁部は、平面のみで構成されていてもよいし、平面と曲面とで構成されていてもよい。例えば、樹脂ケース4の側壁部における外側コア部の内端面32eとの対向面及び外端面32oとの対向面の少なくとも一方の面が曲面で構成されて、樹脂ケース4における外側コア部32の収納領域が円弧状に形成されていてもよい。樹脂ケース4の底面に対向する側は開口している。この開口部から磁性コア3を収納できる。
【００４１】
２つの樹脂ケース4a,4bを用いてコア部品10a,10bを構成する場合、各樹脂ケース4a,4bの互いの形状が同じであることが好ましい。そうすれば、コア部品10の製造性により優れる。一対の樹脂ケース4a,4bの形状の組み合わせは、代表的には、「Ｌ字状−Ｌ字状」、「Ｊ字状−Ｊ字状」、或いは「］字状−］字状」などが挙げられる。一対の樹脂ケース4をＬ字状同士とすることで、一対のコア部品10を環状に連結する際、コア部品10a,10b同士の連結箇所をコイル2の外側に配置でき、コア部品10a,10b同士を連結し易い。一対の樹脂ケース4a,4bの形状が互いに異なっていてもよい。一対の樹脂ケース4a，4bの形状が互いに異なる組み合わせとしては、例えば、「Ｕ字状−Ｉ字状」が挙げられる。Ｉ字状の樹脂ケースは、Ｉ字状（矩形状）の底部と、この底部の各片から立設する複数の側壁とで構成される。その場合でも、部品点数を低減できるので、リアクトル1Aの組立作業性を向上できる。
【００４２】
ここでは、一対の樹脂ケース4a,4bの互いの形状が同じである。一対の樹脂ケース4a,4bは、Ｌ字状の底部と、その底部に立設する6つの側壁部とで形成されるＬ字状の箱状体で、底部及び側壁部はいずれも平面で構成される。樹脂ケース4は、一方の外側コア部32と一方の内側コア部31とを一体に収納する。樹脂ケース4に収納された内側コア部31と外側コア部32は、角柱状体であり、両コア部31,32の一体物は、Ｌ字状の角柱状体となる。
【００４３】
一方の樹脂ケース4（4a）の端面4e、及びその端面4eに対向する他方の樹脂ケース4（4b）の対向面は、内側コア部31と外側コア部32とのギャップとして機能する。樹脂ケース4(4a)の端面4e、及びその端面4eに対向する樹脂ケース4(4b)の対向面の少なくとも一方に開口部を設けて磁性コア3が露出するようにしてもよい。上記両対向面から磁性コア3を露出させる場合、一方のコア部品10(10a)における内側コア部31(31a)の端面31eと、他方のコア部品10(10b)における外側コア部32（32b）の内端面(32e)とを、樹脂ケース4（4a,4b）を介さずに直接連結させることができ、全体に亘ってギャップのない磁性コア3を形成することができる。コア部品10の作製時に、上記開口部に封止板を配置して、上記開口部から複合材料が漏れないようにしておくことで、樹脂ケース4内に磁性コア3が収納され、かつ上記開口部を具えるコア部品10を作製できる。複合材料の硬化後に封止板を取り除くとよい。
【００４４】
樹脂ケース4は、さらに蓋部40を具えてもよい。樹脂ケース4の開口部を蓋部40で閉じれば、磁性コア3とコイル2との絶縁をより確実に確保できる。蓋部40の形状は、樹脂ケース4の底部（開口部）の形状に沿った形状とすることが挙げられる。ここでは、蓋部40a,40bは、Ｌ字状の平板で構成されている。蓋部40の材質は、樹脂ケース4と同じ材質が利用できる。蓋部40も磁性コア3を構成する複合材料により磁性コア3と一体に接合してもよいし、別途接着剤やテープなどで樹脂ケース4に固定してもよい。
【００４５】
樹脂ケース4の成形には、射出成形が好適に利用できる。
【００４６】
（磁性コア）
磁性コア3は、各コイル素子2a,2bの内側にそれぞれ配置される一対の内側コア部31a,31bと、各コイル素子2a,2bの外側に配置され、内側コア部31a,31bと連結して内側コア部31a,31bと環状のコアを形成する外側コア部32a,32bとを具える。
【００４７】
磁性コア3の少なくとも一部は、磁性体粉末と樹脂を含む複合材料で構成される。磁性コア3全体を複合材料で構成してもよく、その場合、内側コア部31と外側コア部32とで透磁率を異ならせることが好ましい。例えば、内側コア部31を外側コア部32よりも透磁率の高い（低い）複合材料で構成してもよいし、外側コア部32を内側コア部31よりも透磁率の高い（低い）複合材料で構成してもよい。複合材料に含まれる磁性体粉末の含有量を適宜調節することで、各コア部31,32の透磁率を変えることができる。磁性コア3は、複合材料の他に、圧粉成形体や電磁鋼板の積層体を含んでいてもよい。一部に圧粉成形体や電磁鋼板の積層体を含むことで、部分的に透磁率の高い箇所を作ることができる。内側コア部31が圧粉成形体や電磁鋼板の積層体を含んでもよいし、外側コア部32が圧粉成形体や電磁鋼板の積層体を含んでもよい。内側コア部31の透磁率を外側コア32の透磁率よりも高くすることで、磁束をより通過させることができる。外側コア部32の透磁率を内側コア部31の透磁率よりも高くすることで、漏れ磁束を低減できる。
【００４８】
圧粉成形体は、代表的には、原料粉末を加圧成形後、適宜熱処理を施すことで製造され、複雑な立体形状であっても、比較的容易に成形することができる。原料粉末には、鉄基材料(鉄族金属や鉄合金)や希土類金属などの軟磁性材料からなる粒子の表面にシリコーン樹脂やリン酸塩などからなる絶縁被覆を具える被覆粉末やフェライト粉末、更に熱可塑性樹脂などの樹脂や高級脂肪酸などの添加剤(代表的には、熱処理によって消失、又は絶縁物に変化するもの)を適宜混合した混合粉末が挙げられる。上記製造方法によって、軟磁性粒子間に絶縁物が介在する圧粉成形体が得られ、この圧粉成形体は、絶縁性に優れるため、渦電流損を低減できる。圧粉成形体は、原料の軟磁性粉末を多くしたり、成形圧力を高めたりするなど、原料や製造条件を調整することで、飽和磁束密度を高めることができる。圧粉成形体は、公知のものを利用することができる。
【００４９】
複合材料は、代表的には、注型成形により製造することができる。注型成形では、磁性体粉末と樹脂とを含む混合物を、圧力をかけることなく成形型（樹脂ケース4）に注入して成形・硬化することで複合材料が得られる。
【００５０】
複合材料中の磁性体粉末は、例えば、圧粉成形体を構成する軟磁性粉末と同様の組成でも異なる組成でもよい。同じ組成の場合でも、複合材料は、非磁性材料である樹脂を含有することから、圧粉成形体よりも飽和磁束密度が低く、かつ透磁率も低くなる。
【００５１】
複合材料中の磁性体粉末は、単一種でも、材質の異なる複数種の粉末を含有していてもよい。即ち、上述の軟磁性粉末の少なくとも一種を含むことが挙げられる。いずれにせよ、複合材料でも、圧粉成形体の場合と同様に被覆粉末であると、軟磁性粒子間の絶縁性を高められ、渦電流損を低減できる。
【００５２】
複合材料中の磁性体粉末の平均粒径は、1μm以上1000μm以下、特に10μm以上500μm以下が挙げられる。磁性体粉末は、粒径が異なる複数種の粉末(粗大粉末及び微細粉末)を含むと、飽和磁束密度が高く、低損失なリアクトルを得易い。なお、複合材料中の磁性体粉末の平均粒径は、原料の粉末のそれと実質的に同じである(維持されている)。平均粒径が上記範囲を満たす粉末を原料に用いると、流動性に優れ、複合材料を生産性よく製造できる。
【００５３】
複合材料中の磁性体粉末の含有量は、複合材料を100％とするとき、体積割合では30体積％以上70体積％以下が挙げられる。磁性体粉末が30体積％以上であることで、磁性成分の割合が十分に高いため磁性コア3全体の飽和磁束密度といった磁気特性を高め易い。磁性体粉末が70体積％以下であると、複合材料の製造性に優れる。
【００５４】
複合材料中のバインダとなる樹脂は、代表的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。その他、PPS樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などの熱可塑性樹脂、常温硬化性樹脂、或いは低温硬化性樹脂を利用できる。
【００５５】
磁性体粉末及び樹脂に加えて、アルミナやシリカなどのセラミックスといった非磁性体からなる粉末(フィラー)を含有する複合材料とすることができる。フィラーは、磁性体粉末の偏在の抑制(均一的な分散)に寄与する。フィラーが微粒であれば、磁性体粒子間に介在することで、フィラーの含有による磁性体粉末の割合の低下を抑制できる。フィラーの含有量は、複合材料を100質量％とするとき、0.2質量％以上20質量％以下、更に0.3質量％以上15質量％以下、特に0.5質量％以上10質量％以下であると、磁性体粉末の偏在抑制効果及び磁性体粉末の含有割合の低下抑制効果を十分に得られる。
【００５６】
外側コア部32（内側コア部31）を内側コア部31（外側コア部32）よりも高透磁率とする場合、外側コア部32（内側コア部31）の比透磁率が15〜500であり、内側コア部31（外側コア部32）の比透磁率が5〜15であり、磁性コア3全体の比透磁率は10〜50であることが挙げられる。
【００５７】
磁性コア3が圧粉成形体を含む場合、圧粉成形体と複合材料の割合は、上記比透磁率を満たすように適宜選択すればよい。圧粉成形体と複合材料の合計を100％とするとき、例えば、外側コア部32（内側コア部31）が圧粉成形体を含む場合、圧粉成形体の体積割合は30体積％以上70体積％以下とすることが挙げられる。
【００５８】
磁性コア3はその全体が一様な材質から構成された形態とすることができるが、ここでは、部分的に材質が異なっている。具体的には、内側コア部31は、複合材料、外側コア部32は、内側コア部31と同じ複合材料と圧粉成形体とでそれぞれ構成されている。このように磁性コア3は、構成材料が異なることで、部分的に磁気特性が異なる。
【００５９】
内側コア部31は、平均粒径75μm以下の鉄基材料(純鉄)からなる粒子の表面に絶縁被膜を具える被覆粉末とエポキシ樹脂との複合材料から構成されている(複合材料中の純鉄粉の含有量:45体積％)。内側コア部31はギャップ材やエアギャップを介在していない。内側コア部31を複合材料によって構成することで、圧粉成形体から構成された外側コア部32よりも透磁率を低くできる。その上、内側コア部31と樹脂ケース4とを一体に接合できる。
【００６０】
外側コア部32を内側コア部31と同じ複合材料と圧粉成形体とによって構成することで、複合材料のみから構成される内側コア部31よりも透磁率を高くできる。そして、複合材料を含むことで、外側コア部32と内側コア部31と一体に接合し易く、外側コア部32と樹脂ケース4とを一体に接合し易い。
【００６１】
本例の１つの樹脂ケース4内において、外側コア部32と内側コア部31との間にはギャップが介在されない。即ち、樹脂ケース4内においてはギャップのない内側コア部31と外側コア部32との一体物とすることができる。そのため、上述のように、一方の樹脂ケース4の端面4eと、一方の樹脂ケース4における他方のケース4の端面4eとの対向面とを開口し、そのケース4を具えるコア部品10同士を環状に組み合わせれば、全体に亘ってギャップのない磁性コア3とすることができる。ギャップを有さないことで、(1)小型化、(2)損失の低減、(3)大電流の通電時におけるインダクタンスの低下の低減、を図ることができる。なお、磁性コア3は、アルミナ板などの非磁性材料からなるギャップ材やエアギャップを介在した形態とすることもできる。
【００６２】
[コイル]
コイル2は、接合部の無い1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなる一対のコイル素子2a,2bと、両コイル素子2a,2bを連結するコイル連結部2rとを具える。各コイル素子2a,2bは、互いに同一の巻数の中空の筒状体であり、各軸方向が平行するように並列(横並び)されている。両コイル素子2a,2bの内側は、それぞれコア部品10a,10bの一部が配置される箇所である（図1（A））。それにより、コア部品10a,10bが環状に組み合わされてリアクトル1Aが形成される。コイル2の他端側(図2では右側)において、巻線2wの一部がU字状に屈曲されてコイル連結部2rが形成されている。この構成により、両コイル素子2a,2bの巻回方向は同一となっている。
【００６３】
各コイル素子を別々の巻線により作製し、各コイル素子の巻線の一端部同士を溶接や半田付け、圧着などにより接合されたコイルとすることもできる。
【００６４】
巻線2wは、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体の外周に、絶縁性材料からなる絶縁被覆を具える被覆線を好適に利用できる。導体は、平角線が代表的であり、その他、横断面が円形状、楕円形状、多角形状などの種々の形状のものを利用できる。平角線は、(1)占積率が高い、(2)後述する底板部40に具える接合層42との接触面積を広く確保し易い、(3)後述する端子金具8との接触面積を広く確保し易い、といった利点がある。ここでは、導体が銅製の平角線からなり、絶縁被覆がエナメル(代表的にはポリアミドイミド)からなる被覆平角線を利用し、各コイル素子2a,2bは、この被覆平角線をエッジワイズ巻きにしたエッジワイズコイルである。各コイル素子2a,2bの端面形状（図1(B)）は、長方形の角部を丸めた形状であるが、円形状など適宜変更することができる。
【００６５】
コイル2を形成する巻線2wの両端部は、コイル2の一端側においてターン形成部分から適宜引き延ばされて外部に引き出される。巻線2wの両端部は、絶縁被覆が剥がされて露出された導体部分に、銅やアルミニウム、その合金といった導電材料からなる端子金具（図示せず）の一端部が半田や溶接、圧着などにより接続される。端子金具を介して、コイル2に電力供給を行う電源などの外部装置(図示せず)が接続される。
【００６６】
〔用途〕
上記構成を具えるリアクトル1Aは、通電条件が、例えば、最大電流(直流):100A〜1000A程度、平均電圧:100V〜1000V程度、使用周波数:5kHz〜100kHz程度である用途、代表的には電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用電力変換装置の構成部品に好適に利用できる。
【００６７】
〔リアクトルの製造方法〕
リアクトル1Aの製造方法は、ケース準備工程と、コア部品成形工程とを具え、以下のようにして製造できる。まず、樹脂ケース4と外側コア部32の一部を構成する圧粉成形体とをそれぞれ用意する。樹脂ケース4は、所望の形状に射出成形などにより成形して用意してもよいし、予め同様に成形された樹脂ケース4を購入するなどして用意する。用意した樹脂ケース4内の外側コア部32の収納領域に、圧粉成形体を配置する。次に、内側コア部31を構成する複合材料を樹脂ケース4内に充填する。このとき、外側コア部32の収納領域に配置された圧粉成形体が複合材料で覆われるように充填する。充填した複合材料を硬化して、内側コア部31を作製すると共に、内側コア部31と外側コア部32とを一体に連結する。この複合材料により内側コア部31と外側コア部32と樹脂ケース4と蓋部40とが一体になったコア部品10が作製される。その際、複合材料の樹脂が硬化する前に樹脂ケース4に蓋部40を配置して、樹脂で蓋部40も合わせて樹脂ケース4と一体に固定する。こうしてコア部品10を一対作製する。そして、コイル素子2a,2bの内側に、コア部品10a,10bの一部をそれぞれ挿入し、コア部品10a,10b同士を連結する。コア部品10a,10b同士は、接着剤などで一体に連結することができる。この工程によりリアクトル1Aを製造することができる。
【００６８】
〔作用効果〕
上述のリアクトル1Aによれば、内側コア部31と外側コア部32を収納する樹脂ケース4を具えることで、これらコア部と31,32とコイル2とを絶縁できる。そのため、例えば、複数の部材で構成されるインシュレータなどの絶縁部材が不要であるため部品点数を低減できる上に、磁性コア3とインシュレータを組みつける作業が不要になる。加えて、樹脂ケース4内に内側コア部31と外側コア部32とを収納して、これらコア部31,32を構成する複合材料で、これらコア部31,32と樹脂ケース4とを一体に接合することで、内側コア部31と外側コア部32と樹脂ケース4とを一体に具えるコア部品10とすることができ、部品点数を少なくできる上に、取り扱い易い。そして、コア部品10をコイル2に組み付けることでリアクトル1Aを製造できるため、リアクトル1Aの組立作業性に優れる。樹脂ケース4内に外側コア部32を構成する圧粉成形体を配置して、内側コア部31及び外側コア部32を構成する複合材料を充填するだけで、部分的に透磁率の異なる磁性コアを容易に形成できる。
【００６９】
《変形例1》
実施形態1では、樹脂ケース4内に収納される磁性コア3において、外側コア部32を圧粉成形体と複合材料とで形成し、内側コア部31を複合材料で形成した。変形例1では、磁性コアにおいて、外側コア部の比透磁率が15〜50であり、内側コア部の比透磁率が5〜15であり、磁性コア全体の比透磁率は10〜40である。具体的には、外側コア部を高透磁率の複合材料（複合材料中の純鉄粉の含有量:65体積％）、内側コア部を低透磁率の複合材料（複合材料中の純鉄粉の含有量:40体積％）でそれぞれ形成する。このように磁性コア3は、構成材料が異なることで、部分的に磁気特性が異なる。
【００７０】
内側コア部と外側コア部の両コア部を磁性体粉末の含有量が異なる複合材料で形成する際、製造時において、樹脂ケース内における両コア部のそれぞれの収納領域の間に仕切り板を介在させることが好ましい。その場合、一方のコア部の構成材料を充填・硬化後、他方のコア部の構成材料を充填・硬化してもよいし、両コア部の構成材料を各々の収納領域に同時に充填して硬化してもよい。前者の場合は一方のコア部の構成材料の硬化後に取り外してもよい。後者の場合は両コア部の構成材料をケース内に充填後に仕切り板を取り外してもよい。後者の場合、両コア部の境界で、各コア部の構成樹脂同士の一部が混合し、一方のコア部と他方のコア部とを密着性よく一体に連結できる。その上、両コア部の境界近傍で、一方のコア部から他方のコア部へ磁性体粉末の含有量が傾斜した磁性コアとすることができる。そうすれば、両コア部の間で透磁率が急激に変化することを抑制できる。いずれの場合でも、仕切り板を介在させたままにしてギャップ板として利用してもよい。
【００７１】
《変形例2》
変形例2では、磁性コアにおいて、外側コア部を複合材料のみで、内側コア部を外側コア部と同じ複合材料と圧粉成形体とで、それぞれ構成することができる。磁性コア3は、構成材料が異なることで、部分的に磁気特性が異なる。具体的には、内側コア部31は、外側コア部32よりも飽和磁束密度が高く、外側コア部32は、内側コア部31よりも透磁率が低い。より具体的には、内側コア部は、飽和磁束密度:1.6T以上、かつ外側コア部の飽和磁束密度超で、好ましくは外側コア部の1.2倍以上、比透磁率:100〜500、外側コア部は、飽和磁束密度:0.5T以上内側コア部31の飽和磁束密度未満、比透磁率:5〜30、内側コア部及び外側コア部からなる磁性コア全体の比透磁率は10〜100である。内側コア部31の飽和磁束密度は、1.8T以上、更に2T以上が好ましく、外側コア部32の飽和磁束密度の1.5倍以上、更に1.8倍以上が好ましい。
【００７２】
《変形例3》
変形例3として、コイルの外周の少なくとも一部を覆って、コイルの形状を保持する樹脂モールド部を具えるコイル成形体とすることができる。
【００７３】
樹脂モールド部の構成樹脂として、例えば、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、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、液晶ポリマー(LCP)などの熱可塑性樹脂が好適に利用できる。窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ほう素、及び炭化珪素から選択される少なくとも1種のセラミックスからなるフィラーを上記樹脂に混合したものを樹脂モールド部に利用すると、絶縁性を向上できる上に、放熱性も高められる。特に、熱伝導率が1W/m・K以上、更に2W/m・K以上を満たすものを樹脂モールド部に利用すると放熱性に優れて好ましい。
【００７４】
この樹脂モールド部によって、コイルとコア部品とを一体に保持してもよい。その場合、樹脂ケースが蓋部を具えていなくてもよい。コイル成形体を作製する際、磁性コアと樹脂ケース（蓋部なし）とを具えるコア部品とコイルとを組みわせて成形型内に収納する。樹脂モールド部の構成樹脂を成形型内に充填してコイルの外周を覆う際、併せて樹脂ケースの開口部を樹脂モールド部の構成樹脂で覆えばよい。このとき、樹脂ケースの底部及び側壁部は、コイル内周面に接触させ、樹脂ケースの開口部とコイルの内周面との間には隙間を形成した状態で樹脂モールド部の構成樹脂を充填することが好適である。それにより、磁性コアはコイルと同軸に配置できる。この構成樹脂を充填することで、コイル成形体を作製すると共に樹脂モールド部の構成樹脂で蓋部を形成でき、樹脂ケースの開口部を封止できる。そのため別途蓋部を用いなくてもよい。その上、コイル成形体とコア部品とを一体に成形できる。
【００７５】
《実施形態2》
図3を参照して、実施形態2のリアクトル1Bを説明する。実施形態2のリアクトル1Bは、コイル2が一つである点、樹脂ケース4の形状の組み合わせが「Ｅ字状−Ｉ字状」である点、樹脂ケース4に収納される磁性コア3が透磁率の異なる2種類の複合材料で構成される点、が実施形態1と相違する。以下、実施形態1と相違する点を中心に説明する。
【００７６】
[コア部品]
（樹脂ケース）
樹脂ケース4aは、Ｅ字状の底部と、その底部に立設してなる12個の側壁部とで形成されるＥ字状の箱状体で、底部及び側壁部はいずれも平面で構成されている。樹脂ケース4bは、Ｉ字状（矩形状）の底部と、その底部の各辺から立設する4つの側壁部とで構成されるＩ字状の箱状体で、底部及び側壁部はいずれも平面で構成されている。即ち、樹脂ケース4aは、内側コア部31と、外側コア部32の一部（外側コア部32a）とを収納し、樹脂ケース4bは外側コア部32の一部（外側コア部32b）を収納する。樹脂ケース4aに収納された内側コア部31は直方体状の角柱状体で、外側コア部32aはＵ字状の角柱状体であり、両コア部31,32aの一体物は、Ｅ字状の角柱状体となる。一方、樹脂ケース4bに収納された外側コア部32は、Ｉ字状（直方体状）の柱状体となる。樹脂ケース4a,4bは、それぞれ平板からなる蓋部40a,40bを具える。各蓋部40a,40bの形状は、それぞれの底部と同じ形状であり、蓋部40aの形状はＥ字状で、蓋部40bは矩形状である。また、一対の樹脂ケース4a,4bの形状の組み合わせを「Ｅ字状−Ｅ字状」としてもよい。
【００７７】
（磁性コア）
磁性コア3において、内側コア部31と外側コア部32の両方とも複合材料で構成し、外側コア部32の方が、内側コア部31よりも高透磁率の複合材料で構成している。
【００７８】
上述したように、磁性コア3を作製する際、樹脂ケース4a内に仕切り板を設けることが好ましい。そうすれば、樹脂ケース4a内で各コア部31,32aを所望の収納領域内に形成できる。樹脂ケース4a内に両コア部31,32aの構成材料を個々に充填してもよいし、同時に充填してもよい。
【００７９】
[コイル]
コイル2は、1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなる筒状体である。この筒状体の内側に、コア部品10aにおける内側コア部31が収納される箇所が挿入される。コイル2の端面形状（コイル2の軸に直交する方向の断面形状）は、矩形状の各角部を丸めた形状である。コイル2の端面形状は、その他に、楕円などの実質的に曲線のみからなる形状や直線と円弧とを組み合わせてなるレーストラック形状といった直線と曲線とを組み合わせてなる形状などが挙げられる。
【００８０】
巻線2wを螺旋状に巻回してなる巻線2wの両端部は、コイル2の一端側に配置された形態としてもよいし、巻線2wの各端部はコイル2の軸方向の異なる方向に配置してもよい。ここでは、巻線2wの両端部は、コイル2の一端側に配置している。具体的には、巻線2wの一端部をコイル2の他端側から一端側に折り返してコイル2の軸方向と平行とし、巻線2wの他端部をコイル2の径方向に伸ばし、コイル2の一端側に向かって折り曲げて同様に軸方向と平行にしている。このように巻線2wの両端部をコイル2の一端側に配置しているので、端子部材などの取り付けを行い易い。
【００８１】
《実施形態３》
実施形態1,2や変形例1〜3のリアクトルは、例えば、車両などに載置されるコンバータの構成部品や、このコンバータを具える電力変換装置の構成部品に利用することができる。
【００８２】
例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車といった車両1200は、図4に示すようにメインバッテリ1210と、メインバッテリ1210に接続される電力変換装置1100と、メインバッテリ1210からの供給電力により駆動して走行に利用されるモータ(負荷)1220とを具える。モータ1220は、代表的には、3相交流モータであり、走行時、車輪1250を駆動し、回生時、発電機として機能する。ハイブリッド自動車の場合、車両1200は、モータ1220に加えてエンジンを具える。なお、図4では、車両1200の充電箇所としてインレットを示すが、プラグを具える形態とすることができる。
【００８３】
電力変換装置1100は、メインバッテリ1210に接続されるコンバータ1110と、コンバータ1110に接続されて、直流と交流との相互変換を行うインバータ1120とを有する。この例に示すコンバータ1110は、車両1200の走行時、200V〜300V程度のメインバッテリ1210の直流電圧(入力電圧)を400V〜700V程度にまで昇圧して、インバータ1120に給電する。また、コンバータ1110は、回生時、モータ1220からインバータ1120を介して出力される直流電圧(入力電圧)をメインバッテリ1210に適合した直流電圧に降圧して、メインバッテリ1210に充電させている。インバータ1120は、車両1200の走行時、コンバータ1110で昇圧された直流を所定の交流に変換してモータ1220に給電し、回生時、モータ1220からの交流出力を直流に変換してコンバータ1110に出力している。
【００８４】
コンバータ1110は、図5に示すように複数のスイッチング素子1111と、スイッチング素子1111の動作を制御する駆動回路1112と、リアクトルLとを具え、ON/OFFの繰り返し(スイッチング動作)により入力電圧の変換(ここでは昇降圧)を行う。スイッチング素子1111には、FET,IGBTなどのパワーデバイスが利用される。リアクトルLは、回路に流れようとする電流の変化を妨げようとするコイルの性質を利用し、スイッチング動作によって電流が増減しようとしたとき、その変化を滑らかにする機能を有する。このリアクトルLとして、上記実施形態1〜3や変形例1〜3のリアクトルを具える。組立作業性に優れるリアクトル1Aなどを具えることで、電力変換装置1100やコンバータ1110の生産性に優れる。
【００８５】
なお、車両1200は、コンバータ1110の他、メインバッテリ1210に接続された給電装置用コンバータ1150や、補機類1240の電力源となるサブバッテリ1230とメインバッテリ1210とに接続され、メインバッテリ1210の高圧を低圧に変換する補機電源用コンバータ1160を具える。コンバータ1110は、代表的には、DC-DC変換を行うが、給電装置用コンバータ1150や補機電源用コンバータ1160は、AC-DC変換を行う。給電装置用コンバータ1150のなかには、DC-DC変換を行うものもある。給電装置用コンバータ1150や補機電源用コンバータ1160のリアクトルに、上記実施形態1〜3や変形例1〜3のリアクトルなどと同様の構成を具え、適宜、大きさや形状などを変更したリアクトルを利用することができる。また、入力電力の変換を行うコンバータであって、昇圧のみを行うコンバータや降圧のみを行うコンバータに、上記実施形態1,2や変形例1〜3のリアクトルなどを利用することもできる。
【００８６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明リアクトルは、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、燃料電池自動車といった車両に搭載されるDC-DCコンバータや空調機のコンバータといった電力変換装置の構成部品に利用することができる。本発明コア部品は、上述の電力変換装置に用いられるリアクトルの構成部品に利用することができる。
【符号の説明】
【００８８】
1A,1B  リアクトル  10,10a,10b  コア部品
2  コイル  2a,2b  コイル素子  2r  コイル連結部  2w  巻線
3  磁性コア  31,31a,31b  内側コア部  31e  端面
32,32a,32b  外側コア部  32e  内端面  32o  外端面
4,4a,4b  樹脂ケース  4e  端面  40,40a,40b  蓋部
1100  電力変換装置  1110  コンバータ  1111  スイッチング素子
1112  駆動回路  L  リアクトル  1120  インバータ
1150  給電装置用コンバータ  1160  補機電源用コンバータ
1200  車両  1210  メインバッテリ  1220  モータ  1230  サブバッテリ
1240  補機類  1250  車輪
【図１】
2013143454.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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