电抗器、复合材料、电抗器芯体、变换器、以及功率变换装置制造方法
【专利摘要】一种电抗器1A，包括通过螺旋缠绕导线2w形成的单个线圈2、以及布置在线圈2内侧及外侧并形成闭合磁路的磁芯3。磁芯3包括布置在线圈2内侧的内芯部31、以及布置成覆盖线圈2外周的外芯部32。外芯部32由含有磁粉和树脂的复合材料形成。在此复合材料的断面中，最大气泡直径小于或等于300微米。在电抗器1A中，外芯部32具有小于或等于300微米的最大气泡直径，结果，损耗低，且磁性能不易降低。
【专利说明】电抗器、复合材料、电抗器芯体、变换器、以及功率变换装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及:适合作为磁性元器件(例如电抗器)形成材料的复合材料；这种复合材料形成的电抗器芯体；包括这种芯体的电抗器；包括这种电抗器的变换器；以及包括这种变换器的功率变换装置。特别地，本发明涉及:损耗低且磁性能不易降低的电抗器；以及提供损耗低且磁性能不易降低的电抗器的复合材料。
【背景技术】
[0002]包括线圈和磁芯的磁性元器件用在多个领域中，例如电抗器和电动机。例如,专利文献I披露了一种电抗器，其用作车辆例如混合电动车上所配置变换器的电路元件。作为这种电抗器的磁芯的形成材料，专利文献I还披露了一种复合材料，其由磁粉以及含有这种粉末的树脂(粘结树脂)形成。可以通过将磁粉和未固化液态树脂的原料混合物填充进入具有期望形状的模具，并随后使树脂固化，藉此，制造这种复合材料。
[0003]引文列表
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本未经审查的专利申请公开N0.2008-147403
【发明内容】
[0006]技术问题
[0007]在一些电抗器中，具有由现有复合材料所形成的磁芯，损耗例如铁损变高，或者，磁性能例如相对磁导率及电感变得低于设定值。对现有复合材料的检测显示，存在尺寸大于300微米的大气泡。
[0008]当含有磁粉和树脂的复合材料中存在上述大气泡时，由于气泡具有比磁粉低的相对磁导率，由线圈产生的磁通大多绕过大气泡。当这种磁通绕过现象导致复合材料中磁感应线分布的局部变化时，总体上会使复合材料的相对磁导率降低。相对磁导率的降低会导致电感值低于设定值。磁通绕过也会导致损耗增大。另外，大气泡还会导致复合材料导热率的降低，以及，没有从线圈充分散热会导致损耗的增大。据此，上述大气泡的存在可能是电抗器中损耗增大以及磁性能降低的起因。尚未有人考虑到:包括复合材料的电抗器的损耗及磁性能与复合材料中气泡尺寸之间的相关性，以及，复合材料的导热率与复合材料中气泡尺寸之间的相关性。本发明的发明人首先注意到这些相关性。
[0009]据此，本发明的目的是提供一种电抗器，这种电抗器损耗低、且磁性能不易降低。本发明的另一目的是提供一种电抗器芯体，其提供损耗低且磁性能不易降低的电抗器。此夕卜，本发明的又一目的是提供一种复合材料，其适合作为用于上述电抗器芯体的材料、或者用于上述电抗器磁芯的材料。
[0010]问题的解决方案
[0011]本发明的发明人发现，在含有磁粉和树脂的复合材料的生产步骤中，有意执行从复合材料充分排出气泡(气体)的脱气步骤，从而提供了最大气泡直径小于或等于300微米的复合材料。本发明的发明人还发现，当使用最大气泡直径小于或等于300微米的复合材料作为磁芯的材料时，在包括这种磁芯的电抗器中，磁性能不易从设定值降低、且损耗低。本发明基于上述发现。[0012]根据本发明的复合材料是一种包括磁粉和树脂的复合材料，其中，复合材料断面中气泡的最大直径小于或等于300微米。
[0013]上述根据本发明的复合材料可以由例如下述生产方法制造。特别地，当树脂是热固性树脂或热塑性树脂时，能适当地应用这种生产方法。这种生产方法涉及一种方法，其中，使磁粉与未固化树脂混合，接着使这种树脂固化，以生产该复合材料。本发明的生产方法包括下述混合步骤、填充步骤、脱气步骤、以及固化步骤。
[0014]混合步骤:在脱气状态下搅拌磁粉和树脂以制备液态混合物的步骤。
[0015]填充步骤:这样的步骤，其中，液态混合物呈现最小粘度时的温度定义为Tmin(°C )，选自大于或等于(Tmin-20) °C至小于或等于(Tmin_5) °C范围的温度定义为T1 (°C )和T2CC )，以及，将在温度T1CC )下加热的液态混合物填充进在温度T2CC )下加热的模具。
[0016]脱气步骤:这样的步骤，其中，使已填充进入模具的液态混合物在(Tmin±5) °〇下保持预定时间，同时进行脱气，使得最终真空度成为小于或等于I帕斯卡。
[0017]固化步骤:在经过预定时间后、使树脂固化的步骤。
[0018]根据本发明的电抗器芯体包括上述根据本发明的复合材料。根据本发明的电抗器包括线圈和磁芯，其中，磁芯的至少一部分由上述根据本发明的复合材料形成。也就是，在根据本发明的电抗器中，磁芯的至少一部分由含有磁粉和树脂的复合材料形成，以及，在该复合材料断面中气泡的最大直径小于或等于300微米。
[0019]在根据本发明的复合材料中，在包括这种复合材料的根据本发明的电抗器芯体中，以及，在形成根据本发明电抗器中磁芯的至少一部分的复合材料中，即使气泡存在，气泡的最大直径也小于或等于300微米，因此，能抑制由于气泡存在导致的磁通分布变化。据此，例如，考虑到电感值，设计值与实际值之间差值较小，并且，能充分抑制其由设计值降低。通过使用这种根据本发明的复合材料或根据本发明的电抗器芯体，能生产损耗低且磁性能不易降低的电抗器。根据本发明的电抗器包括上述特定复合材料(其为上述根据本发明的复合材料)、或者根据本发明的电抗器芯体，结果，损耗低，且磁性能不易降低。
[0020]此外，在复合材料断面中气泡的最大直径小于或等于200微米的构成中，即使气泡存在，气泡也较小。据此，通过使用根据这种构成的复合材料，能得到一种电抗器，其中损耗低、且磁性能更不易降低。另外，在包括这种复合材料的电抗器中，损耗低，且磁性能更不易降低。
[0021]在上述生产方法中，首先，通过在磁粉与树脂的混合及搅拌期间执行脱气步骤(典型地，真空处理)，便于气泡从液态混合物排出，以及，大气中的气体很难被引入液态混合物中。因此，所得到的液态混合物具有低气泡含量。其次，在将这种液态混合物填充进入模具过程中，液态混合物和模具二者都在选自特定温度范围的温度T1CC)和T2CC)下加热。结果，液态混合物呈现低粘度。因此，液态混合物具有高流动性，并且易于填充进入模具；另外，由于高流动性，液态混合物中的气泡趋于排出至外部。另外，由于液态混合物和模具都处于相近温度，在接着将液态混合物填充进入模具之后，虽然液态混合物与模具接触，但液态混合物的温度不易降低，并且随后保持于恒定温度。因此，液态混合物能维持呈现低粘度的状态，因此，气泡趋于排出。在液态混合物填充进入模具之后，液态混合物保持处于树脂呈现最小粘度的温度Tmin (°C )上下，因而，使树脂保持处于呈现低粘度的状态。据此，气泡趋于从模具中的液态混合物排出；另外，通过真空处理达到上述预定真空度，能将从液态混合物排出的气体可靠地排向外部。因此，所得到的液态混合物充分脱气。使此液态混合物中的树脂固化，并且，所得到的复合材料具有小于或等于300微米的最大气泡直径。
[0022]如上所述，不仅在混合及填充期间执行脱气，而且单独执行特定脱气步骤，能生产根据本发明具有小于或等于300微米最大气泡直径的复合材料。
[0023]根据本发明的电抗器以及根据本发明的复合材料可以具有这样一种构成，其中，复合材料断面中气泡的总面积百分比小于或等于1%。
[0024]在这种构成中，气泡的最大直径小于或等于300微米，并且，气泡自身的总含量也低。据此，通过使用具有该构成的复合材料，能得到一种电抗器，其中损耗低、且磁性能更不易降低。在具有该构成的电抗器中，损耗低、且磁性能更不易降低。
[0025]根据本发明的电抗器、以及根据本发明的复合材料可以具有这样一种构成，其中，复合材料断面中气泡的总面积百分比小于或等于0.2%。
[0026]在这种构成中，气泡的最大直径小于或等于300微米，且气泡自身的总含量也非常低。据此，通过使用具有该构成的复合材料，能得到一种电抗器，其中损耗更为降低，且磁性能更不易降低。在具有该构成的电抗器中，损耗更为降低，且磁性能更不易降低。
[0027]根据本发明的电抗器、以及根据本发明的复合材料可以具有这样一种构成，其中，复合材料中磁粉的体积百分比大于或等于30体积％、且小于或等于70体积％。
[0028]在这种构成中，磁性成分的百分比足够高，因此，易于增强磁性能例如饱和磁通密度；另外，磁粉含量也没有过高，因此，便于磁粉与树脂混合，并且易于生产该复合材料。
[0029]根据本发明的电抗器可以具有这样一种构成，其中，部分磁芯的至少一部分由该复合材料形成，该部分磁芯布置在线圈的内侧，该线圈具有筒状外形并且通过缠绕导线形成。
[0030]根据本发明的电抗器中的磁芯可以在不同部分包括不同的材料。
[0031]部分磁芯的至少一部分由上述复合材料形成，该部分磁芯布置在线圈内侧，在上述配置中，例如，当布置于线圈外侧的部分磁芯由相对磁导率高于复合材料的材料形成时，能减少从布置于线圈外侧的部分向外部的磁漏。据此，能减少由于此磁漏导致的损耗，并且，能充分利用由线圈产生的磁通。
[0032]根据本发明的电抗器可以具有这样一种配置，其中，部分磁芯的至少一部分由复合材料形成，该部分磁芯布置在线圈的外侧，该线圈具有筒状外形并通过缠绕导线形成。
[0033]部分磁芯的至少一部分由上述复合材料形成，该部分磁芯(下文中称为外芯部)布置在线圈外侧，在上述配置中，例如，布置在线圈内侧的部分磁芯(下文中称为内芯部)可以由饱和磁通密度高于复合材料的材料形成。在这种配置中，考虑到获得特定磁通的情况，与磁芯完全由相对磁导率较低的材料形成、并且具有均匀饱和磁通密度的情况相比，本发明可以减小内芯部的断面面积。据此，在上述配置中，能实现电抗器尺寸的减小。另外，作为内芯部尺寸减小的结果，还能减小用于形成线圈的导线的长度。据此，在上述配置中，能减轻电抗器的重量。[0034]根据本发明的电抗器可以具有这样一种构成，其中磁芯基本全部由该复合材料形成。
[0035]在这种构成中，含有树脂成分，因此，磁芯完全由相对磁导率相对较低的材料形成。据此，例如，能提供无隙结构。在该构成中，当磁芯全部由单种材料形成时，实现了高生产率。可替代地，在该构成中，例如，通过调整磁粉的材料或含量，能容易地制造按照多个部分具有不同磁性能的磁芯。
[0036]根据本发明的电抗器可以具有这样一种结构，其进一步包括壳体，该壳体容纳线圈和磁芯的组合体。在这种情况下，可以采用这样一种配置，其中，将线圈容纳在壳体中，使得线圈的轴线大致平行于壳体的底面；以及，部分磁芯由复合材料形成，该部分磁芯覆盖线圈外周的至少一部分。
[0037]在这种结构中，线圈容纳在壳体中，使得线圈的外周面朝向壳体的底面。据此，线圈外周面与壳体底面之间的距离趋于较短。因此，在该结构中，线圈的热量趋于传导至壳体底面，并能通过此底面消散至用于电抗器的安装基座。据此，提供了高散热能力。另外，在上述结构中，线圈和磁芯的组合体容纳在壳体中，使得组合体能得到机械保护，并且受到保护以免受外部环境影响。可以通过例如上述生产方法，其中，使用壳体作为模具，并将线圈、或线圈和部分磁芯的组合体容纳在此壳体中，制造具有上述结构的电抗器，以及，根据上述制造方法形成复合材料。这种复合材料构成电抗器磁芯的至少一部分。当使用壳体作为模具时，可以容易地制造上述配置:部分磁芯(该部分布置在线圈外侧)的至少一部分由复合材料形成的配置；以及，磁芯基本全部由复合材料形成的配置。
[0038]在具有这种结构的电抗器中，为了将电抗器的电感调整到预定值，适宜地，根据本发明构成磁芯的复合材料的相对磁导率大于或等于5、且小于或等于50，更宜为大于或等于5、且小于或等于20。特别地，当电抗器的磁芯基本全部由根据本发明的复合材料形成时，理想地，该复合材料具有大于或等于10、且小于或等于20的相对磁导率。
[0039]根据本发明的电抗器能适当地用作变换器的构成部件。根据本发明的变换器可以具有这样一种结构，其包括开关元件、控制开关元件操作的驱动电路、以及使开关操作平稳的电抗器，开关元件构造成操作以变换输入电压，其中电抗器是根据本发明的电抗器。根据本发明的这种变换器能适当地用作功率变换装置的构成部件。根据本发明的功率变换装置可以具有这样一种结构，其包括变换输入电压的变换器；以及，与变换器连接并执行直流与交流之间相互变换的逆变器，该逆变器构造成供给经过变换的功率，用于驱动负载，其中，该变换器是根据本发明的变换器。
[0040]根据本发明的变换器以及根据本发明的功率变换装置包括根据本发明的电抗器，其中损耗低且磁性能不易降低。结果，在该变换器以及功率变换装置中，损耗低，且趋于维持期望的磁性能。
[0041]发明的有益效果
[0042]在根据本发明的电抗器中，损耗低，且磁性能不易降低。根据本发明的电抗器芯体以及根据本发明的复合材料具有小于或等于300微米的最大气泡直径，因此，能有助于获得损耗低且磁性能不易降低的电抗器。
【专利附图】
【附图说明】[0043][图1]是根据第一实施例的电抗器的示意轴测图；
[0044][图2A]是沿图1中(A)-(A)的剖视图；
[0045][图2B]是沿图1中(B)-(B)的剖视图；
[0046][图3A]是根据第一实施例的电抗器外芯部的断面显微照片；
[0047][图3B]是比较例的电抗器外芯部的断面显微照片；
[0048][图4A]是根据第二实施例的电抗器的示意轴测图；
[0049][图4B]是沿图4A中(B)-(B)的剖视图；
[0050][图5A]是根据第三实施例的电抗器的示意轴测图；
[0051][图5B]是这种电抗器的磁芯的示意轴测图；
[0052][图6]是图示复合材料中气泡直径与损耗之间关系的图；
[0053][图7]是图示复合材料中气泡直径与电感之间关系的图；
[0054][图8]是图示复合材料中气泡含量与损耗之间关系的图；
[0055][图9]是图示复合材料中气泡含量与电感之间关系的图；
[0056][图10]是示意性图示混合电动车动力系统的示意结构图；以及
[0057][图11]是图示根据本发明的功率变换装置实施例的示意电路图，其中包括根据本发明的变换器。
【具体实施方式】
[0058]下面，参照附图，说明本发明的实施例。附图中类似的附图标记表示具有相同名称的元件。
[0059]《第一实施例》
[0060]参见图1、图2A和图2B，说明第一实施例中的电抗器1A。电抗器IA包括:单个线圈2，其具有筒状外形，并通过使导线2w螺旋缠绕而形成；磁芯3，其布置在线圈2内侧及外侦牝并形成闭合磁路；以及壳体4A，其容纳线圈2和磁芯3的组合体。一般而言，电抗器IA安装于安装基座，例如冷却基座，其具有例如冷却水用循环通道的冷却机构；以及，使用电抗器IA的同时，用冷却机构对其进行冷却。电抗器IA的壳体4A固定于安装基座。磁芯3包括布置于线圈2内侧的内芯部31、以及布置成覆盖线圈2外周的外芯部32。电抗器IA具有下列特征:布置在筒状线圈2外侧的部分(也就是外芯部32)由复合材料形成，以及，此复合材料中的气泡具有小于或等于300微米的最大直径。下文中，顺序说明电抗器的结构及其生产方法。
[0061][线圈]
[0062]线圈2是通过将导线2w螺旋缠绕而形成的筒状体，导线2w是单根连续导线。导线2w适宜是涂覆导线，其中，在导电材料例如铜、铝或其合金形成的导体的外周，覆盖有由绝缘材料(典型地，漆包材料例如聚酰胺-酰亚胺)形成的绝缘涂层。导体可以选自具有不同形状的导线，例如具有矩形截面的矩形导线、具有圆形截面的圆形导线、以及具有多边形截面的异形导线。特别地，当扁立卷绕矩形导线时，所得到的扁立线圈易于具有高线圈间隙系数。据此，易于得到具有高线圈间隙系数的较小线圈，其有助于减小电抗器的尺寸。这里，线圈2是通过将涂覆矩形导线扁立卷绕而形成的扁立线圈，涂覆矩形导线中的导体由具有矩形截面的矩形铜导线构成，以及，绝缘涂层由漆包形成。[0063](端面形状)
[0064]如图1和图2B中所示，在线圈2中，端面形状以及正交于轴向的横截面的形状是典型的圆形。即使导线是矩形导线，也易于通过将导线缠绕而形成这种圆形线圈。因此，线圈以高生产率生产，并且容易生产，以具有较小尺寸。可替代地，线圈2的端面形状可以是非圆形的形状，并且具有曲线部分:例如，基本上仅由曲线构成的形状(例如椭圆形)，或者具有曲线部分和直线部分的形状(例如，通过使多边形例如矩形的顶点倒圆而提供的形状，或者直线和圆弧相组合的跑道形状)。当该形状具有直线部分时，可以将线圈容纳在壳体中，使得由直线部分所形成的平面与壳体的底面平行，从而，获得高稳定性和高散热能力。
[0065](导线端部)
[0066]如图1中所示，导线2w构成线圈2，导线2w的两端都从匝形成部适当地伸出；从端部除去绝缘涂层，以露出导体部，并且，将由导电材料例如铜或铝形成的端子件(未示出)与这些导体部连接。通过这些端子件，连接外部装置(未示出)，例如向线圈2供电的电源。可以通过例如焊接如钨极惰性气体电弧焊(TIG)或压力接合，实现导线2w的导体部与端子件之间的连接。注意，导线2w的两端延伸的方向是一种实施例，并且，该方向可以适当改变。
[0067](配置结构)
[0068]如图2A中所示，线圈2容纳在壳体4A中，使得线圈2的轴线与壳体4A的底面40大致平行。简而言之，线圈2容纳成使其相对于壳体4A水平取向(下文中，这种配置结构称为横式结构)。术语“大致平行”包括两种情况，一种情况是外底面40ο和内底面40i 二者都由平面构成,并且线圈2的轴线平行于两个面40o、40i ;另一种情况是外底面40ο和内底面40i的一部分不是由平面构成，并且该部分与线圈2的轴线不平行(例如，外底面40ο由平面构成，以及，内底面40i具有不规则形状)。
[0069][磁芯]
[0070]如图2A和图2B中所示，磁芯3包括内芯部31和外芯部32，内芯部31具有柱状外形，并且穿过线圈2，以及，外芯部32形成为覆盖内芯部31的至少一个端面31e (在本实施例的情况下，两个端面)以及线圈2的外周面。当激励线圈2时，磁芯3形成闭合磁路。在电抗器IA中，磁芯3并不具有均匀的材料构成，而是在不同部分由不同材料形成，并且在不同部分具有不同磁性能。具体而言，内芯部31具有比外芯部32高的饱和磁通密度；以及，外芯部32具有比内芯部31低的相对磁导率。
[0071](内芯部)
[0072]内芯部31是柱状体，与线圈2的内周形状相符。这里，如图2A中所示，内芯部31在线圈2轴向的长度(下文中，简称为长度)大于线圈2的长度；在内芯部31布置于线圈2内侧以穿过线圈2的状态下，内芯部31的两个端面31e以及其外周面中端面附近区域稍稍从线圈2端面凸出。内芯部31的凸出长度可以适当选择。这里，内芯部31以相同凸出长度从线圈2端面凸出。可替代地，凸出长度可以不同，如下文所述第二实施例中那样，或者，可以调整内芯部的长度、或者内芯部相对于线圈的布置位置，使得内芯部只从线圈2的一个端面凸出。可替代地，可以采用内芯部长度等于线圈长度的另一结构、或者内芯部长度小于线圈长度的另一结构。然而，如图2A和图4(B)中所示，内芯部31的长度适宜等于或大于线圈2的长度，由此，由线圈2形成的磁通能充分穿过内芯部31。
[0073]这里，内芯部31由具有涂覆膜例如绝缘涂覆膜的软磁材料所形成的压坯构成。典型地，通过压制覆盖有硅树脂等所形成绝缘涂覆膜的软磁粉、或这种软磁粉与粘结剂适当混合的混合粉末，接着在等于或低于绝缘涂覆膜耐热温度的温度下焙烧粉末，藉此，得到压坯。在压坯的生产中，可以通过例如调整软磁粉的材料、软磁粉与粘结剂的混合比、或者包括绝缘涂覆膜的各种涂覆膜的量，或者通过调整压制压力，改变饱和磁通密度。例如，通过使用具有高饱和磁通密度的软磁粉，通过减少所混合粘结剂的量从而增大软磁材料的比例，或者，通过增大压制压力，能得到具有高饱和磁通密度的压坯。
[0074]软磁粉可以是，例如，铁族金属例如铁(Fe)、钴(Co)、或镍(Ni)所形成的粉末；主要含铁的铁基合金所形成的粉末，例如铁基材料如铁-硅(Fe-Si)、铁-镍(Fe-Ni)、铁-铝(Fe-Al)、铁-钴(Fe-Co)、铁-铬(Fe-Cr)、或铁-硅-铝(Fe-S1-Al);稀土金属粉末；或铁氧体粉末。特别地，与铁氧体相比，铁基材料易于提供具有高饱和磁通密度的磁芯。形成于软磁粉中的绝缘涂覆膜的构成材料是例如磷酸盐化合物、硅化合物、锆化合物、铝化合物、或硼化合物。特别地，当构成软磁粉的磁性颗粒由金属例如铁族金属或铁基合金形成时，形成于磁性颗粒上的绝缘涂覆层允许涡流损耗的有效降低。粘结剂可以是例如热塑性树脂、非热塑性树脂、或者高级脂肪酸。通过上述焙烧，将这种粘结剂去除或者转变成绝缘体例如二氧化硅。即使形状是复杂的三维形状时，压坯也能相对容易地形成。另外，绝缘体(例如存在于磁性颗粒之间的绝缘涂覆膜)使磁性颗粒彼此绝缘，从而降低了涡流损耗；以及，即使将高频功率施加于线圈，也能降低上述损耗。压坯可以是已知的压坯。可以通过用具有期望形状的模具进行压制成为一体产品，或者，可以通过用胶粘剂、胶带等固定多个芯体片成为一体产品，藉此，获得具有柱状外形的内芯部31。
[0075]这里，内芯部31是不包括间隙件或气隙的实心体。由于没有间隙，允许尺寸减小。另外，间隙部中的磁漏也不会影响线圈2，因此，线圈2和内芯部31可以布置成彼此靠近，这也有助于电抗器IA的尺寸减小。此外，由于没有间隙，允许降低损耗以及抑制供给大电流期间电感的减小。可替代地，磁芯3可以具有这样一种结构，其包括相对磁导率低于该压坯的材料、以及下述复合材料，也就是，非磁性材料形成的间隙件，例如，典型地，氧化铝板或气隙；或者具有这样一种结构，其包括相对磁导率高于I的间隙件。构成这种间隙件的材料可以是分散有铁、铁-硅等磁粉的非磁性材料(举例来说，树脂例如不饱和聚酯)。存在相对磁导率高于I的间隙件(也就是，带磁性的间隙件)，便于调节电抗器的电感。为了不使间隙件的厚度过大，间隙件具有的相对磁导率适宜大于I且小于或等于5，更适宜大于或等于1.1且小于或等于1.4。
[0076](外芯部)
[0077]这里，外芯部32基本上覆盖线圈2的整个外周面和两个端面、以及内芯部31的两个端面31e及内芯部31外周面的端面31e附近区域。外芯部32具有的形状与这样的空间相符，该空间由壳体4A内周面以及容纳在壳体4A中的线圈2和内芯部31之组合体的外周面形成。
[0078]外芯部32布置成，使其区域与内芯部31的两个端面31e连接。结果，磁芯3形成闭合磁路。
[0079]外芯部32全部由含有磁粉和树脂的复合材料形成。在这种复合材料的断面中，最大气泡直径小于或等于300微米。
[0080]含有磁粉和树脂的复合材料典型地可以通过注射成型或浇铸制造。在注射成型中，一般而言，将磁粉与具有流动性的树脂(液态树脂)混合；在施加预定压力的情况下，将这种液态混合物注射进模具(包括壳体4A)以具有形状；以及，接着使树脂固化，从而提供复合材料。在浇铸时，如注射成型中那样得到液态混合物；然后，在不施加压力的情况下，将此液态混合物注射进模具以具有形状，并且进行固化，从而提供复合材料。特别地，通过制备液态混合物，并且在下述特定条件下将液态混合物填充进入模具，以及还通过执行特定脱气步骤，能得到最大气泡直径小于或等于300微米的复合材料。在第一实施例中，使用壳体4作为模具。在这种情况下，即使复合材料具有复杂形状，也容易成型。可以制备具有期望形状的多个成型体并组合到一起，从而形成具有期望形状的磁芯。
[0081][气泡]
[0082]上述复合材料的断面可以是通过在线圈2轴向切割提供的断面，或者是通过在正交于轴向的方向切割提供的断面。最大气泡直径如下方式确定:准备复合材料的多个断面(例如，10个断面)，这些断面与具有一定尺寸(例如，5毫米X 7毫米)的视野相对应；基于存在于断面中的气泡的轮廓，计算该轮廓的等效圆直径(具有与气泡相同面积的圆的直径，该圆基于断面中所识别出的气泡轮廓来确定)，并将该等效圆直径视为气泡直径；以及，确定多个断面中气泡直径的最大值。通过用光学显微镜(以约10倍~约50倍的放大倍数)等观察断面，并且用可商购的图像处理系统对观察到的图像进行图像处理，可以容易地进行气泡轮廓的提取、以及等效圆直径的计算。考虑到对磁性能以及损耗的影响，气泡适宜尽可能小。据此，最大气泡直径适宜尽可能小，也就是，小于或等于200微米，更适宜小于或等于100微米。
[0083]当最大直径小于或等于300微米的气泡大量存在时，与大气泡存在的情况一样，由于气泡导致磁通绕过,会导致复合材料中磁感应线分布的局部变化,这会导致磁性能降低或导热率降低。为此，除了最大气泡直径小于或等于300微米的特征之外，气泡的数量也适宜尽可能少。也就是，气泡自身的含量适宜尽可能低。具体而言，复合材料的这种断面中气泡的总面积百分比适宜小于或等于I %。此外，在300微米直径的单个球状气泡存在的情况下，复合材料的这种断面中的气泡总面积百分比更适宜小于或等于越过此气泡直径的截面圆的面积百分比，具体而言，小于或等于0.2%。注意，越过直径300微米(0.3毫米)的球状气泡直径的截面圆的面积为:(0.15毫米半径的平方)X π ^ 0.07平方毫米。据此，当仅这种球状气泡出现时，相对于具有视野尺寸5毫米X 7毫米(35平方毫米)的断面面积，越过此气泡直径的截面圆的面积百分比为:(0.07/35) XlOO = 0.2%。
[0084] 上述总面积百分比表示，相对于上述具有5毫米X7毫米尺寸视野中断面面积的气泡总面积百分比。视野可以具有例如矩形形状或方形形状，只要其具有35±5平方毫米的面积即可。
[0085][磁粉]
[0086]构成外芯部32复合材料的磁粉可以具有与构成内芯部31压坯的上述软磁粉相同或不同的成分。构成外芯部32的复合材料具有相对高的树脂含量，树脂是非磁性材料。据此，即使该磁粉是成分与构成内芯部31的压坯相同的软磁粉，与压坯相比，外芯部32具有更低的饱和磁通密度以及更低的相对磁导率。构成外芯部32的磁粉适宜是由铁基材料(例如纯铁粉)或铁基合金粉末构成的粉末。磁粉可以是由不同材料构成的多种粉末的混合物。特别地，在磁粉由金属材料构成的情况下，当这种粉末是涂覆粉末，在构成此粉末的颗粒表面上具有由磷酸盐等形成的绝缘涂覆膜，此时，能降低涡流损耗。
[0087]构成外芯部32的复合材料的磁粉具有的平均粒径适宜为大于或等于I微米且小于或等于1000微米，特别地，大于或等于10微米且小于或等于500微米。这里，构成外芯部32的复合材料的磁粉具有与用作原料的粉末大致相同的尺寸(维持该尺寸)。当使用尺寸在这种范围内的粉末作为原料粉末时，液态混合物具有较高的流动性，因此，能以高生产率制造复合材料。磁粉可以含有具有不同粒径的多种磁粉。通过使用磁粉中含有细粉和粗粉的复合材料来构成磁芯，易于得到具有高饱和磁通密度并呈现低损耗的电抗器。
[0088]构成外芯部32的复合材料中，磁粉相对于复合材料(100% )的含量可以大于或等于30体积％且小于或等于70体积％，大于或等于40体积％且小于或等于65体积％，特别地，大于或等于40体积％且小于或等于60体积％。当磁粉含量大于或等于30体积％时，磁粉的比例足够高，因此，易于增强磁性能例如饱和磁通密度。特别地，在磁粉由饱和磁通密度为约2特斯拉(T)的材料(例如铁或铁_硅合金)构成的情况下，当磁粉含量大于或等于30体积％时，易于达到大于或等于0.6特斯拉的饱和磁通密度；以及，当含量大于或等于40体积％时，易于达到大于或等于0.8特斯拉的饱和磁通密度。当磁粉含量小于或等于70体积％时，在生产期间可以容易地进行磁粉与树脂之间的混合，并实现高生产率。
[0089][树脂]
[0090]作为构成外芯部32的复合材料中粘结剂的树脂，典型实施例包括热固性树脂例如环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂、氨基甲酸乙酯树脂、以及不饱和聚酯。其它合适作为粘结剂的树脂包括热塑性树脂、冷固化树脂、以及低温固化树脂。热塑性树脂的实施例包括聚苯硫醚(PPS)树脂、聚酰亚胺树脂、以及氟碳树脂。
[0091][含有的其它成分]
[0092]在复合材料的构成中，磁粉以及作为粘结剂的树脂可以与陶瓷形成的填料(典型地，非磁性粉末)混合，陶瓷例如氧化铝或二氧化硅。通过添加比重低于磁粉的填料，能抑制磁粉的不均匀分布，以提供整个复合材料中磁粉均匀分散的复合材料。当填料由具有高导热率的材料构成时，填料能有助于增强散热能力。填料相对于复合材料(100质量％)的含量可以大于或等于0.2质量％。填料的含量越高，例如抑制磁粉不均匀分布以及增强散热能力的效果越佳。据此，填料的含量适宜大于或等于0.3质量％，更宜大于或等于0.5质量％。然而，当填料的含量过高时，磁粉的比例变低。据此，填料的含量适宜小于或等于20质量％，更宜小于或等于15质量特别地,优选小于或等于10质量％。当填料具有的粒径比磁粉小时，填料趋于存在于磁性颗粒之间，并且易于抑制由于添加填料导致的磁粉比例降低。
[0093]这里，外芯部32由复合材料构成，该复合材料含有环氧树脂、以及在铁基材料(纯铁)所形成颗粒的表面上具有绝缘涂覆膜的涂覆粉末，并且具有小于或等于75微米的平均粒径(复合材料中纯铁粉的含量:45体积％ )。
[0094][磁粉的分布状态]
[0095]在复合材料中磁粉的典型配置中，构成粉末的磁性颗粒均匀地分散在复合材料中。可替代地，如下文所述，通过增加脱气步骤中的保持时间，可以提供另外的结构，其中，磁粉大量分布于模具的底面侧(这里，壳体4A的底面40侧)。具体而言，关于这种结构，在外芯部32中，将分布于壳体4A底面40侧的磁粉比例与分布于和底面40相对的开口侧的磁粉比例相比较，底面40侧的分布比例更大。
[0096][形状]
[0097]外芯部32的形状没有特别限制，只要能形成闭合磁路即可。这里，如上所述，构成外芯部32的复合材料大致覆盖线圈2和内芯部31之组合体的整个外周。据此，外芯部32还起到用于线圈2和内芯部31密封材料的作用，以增强使线圈2免受外部环境影响的保护作用、以及对线圈2的机械保护。
[0098]例如，可以提供这样一种结构，其中线圈2外周的一部分没有被构成外芯部32的复合材料覆盖。这种结构的具体实施例包括:一种结构，其中使线圈2外周面中的一区域(该区域位于壳体4A的开口侧)露出而没有被复合材料覆盖；以及一种结构，其中在壳体4A的底面中形成槽部，该槽部可以容纳线圈2的一区域(该区域位于底面侧)的一部分，以及，容纳在此槽部中的部分没有被复合材料覆盖。在这样一种结构中，在线圈2中，使位于开口侧并且离壳体4A底面最远的区域露出，或者增大与壳体4A接触的面积，结果，使散热能力增强。在使线圈2的区域露出的结构中，适宜设置盖住壳体开口的盖子。当此盖子由导电材料例如金属(可以是与壳体中相同的材料)形成时，能抑制从线圈2的露出区域向外部的磁漏，并且此盖子也可以用作散热路径。
[0099]可替代地，可以提供另一结构，其中，在壳体4A的内底面40i上另外布置用于线圈2的定位件(未示出)，并且，线圈2与该定位件接触的区域没有被构成外芯部的复合材料覆盖。出于增强线圈2与壳体4A之间绝缘的目的，定位件的材料适宜是绝缘材料；以及，当此材料具有较高散热能力时，能增强散热能力。用构成外芯部32的复合材料密封定位件和线圈2，使得定位件与线圈2的相对位置固定。
[0100]可以提供一种结构，其中内芯部31的区域没有被构成外芯部32的复合材料覆盖。在这种结构的实施例中，设置支撑件，其支撑内芯部31从线圈2端面凸出的区域，并且，内芯部31与支撑件相接触的区域没有被复合材料覆盖。支撑件确定内芯部31相对于壳体4A的位置；以及，作为内芯部31位置得到确定的结果，也能确定线圈2的位置。另外，通过用构成外芯部32的复合材料进行密封，实现这些位置处的固定。据此，当设置支撑件时，可以省略上述用于线圈2的定位件。当内芯部31和线圈2固定于适当位置处时，易于使电感成为设定值。支撑件可以是整体形成为壳体4A—部分的部件，或者可以是由复合材料或其它材料形成的独立部件。此外，通过由具有高散热能力的材料形成支撑件，能增强散热能力。在这样的结构中，其中，调整支撑件的尺寸，使得在支撑件支撑内芯部31的同时，在线圈2与壳体4A的内底面40i之间形成间隙，能增强线圈2与内底面40i之间的绝缘；以及，在线圈2与内底面40i互相接触的结构中，能增强散热能力。
[0101][内芯部与外芯部之间的结合]
[0102]内芯部31与外芯部32之间的结合，不是由胶粘剂实现的，而是由构成外芯部32的复合材料的树脂实现该结合。这里，外芯部32也不包括间隙件或气隙。因此，磁芯3是一体件，其完全不包括间隙件。据此，关于电抗器1A，磁芯3的制造并不需要使用胶粘剂等的结合步骤，因此，电抗器IA能以高生产率生产。
[0103]可替代地，内芯部31和外芯部32之间的结合可以用胶粘剂实现。在设置有间隙件的另一结构中，内芯部31、外芯部32、以及间隙件之间的结合可以用胶粘剂实现。当用胶粘剂进行结合时，可以通过多个独立的结合步骤进行结合。当胶粘剂的量足够少时，认为胶粘剂不会实质上起到间隙件的作用。
[0104](磁性能)
[0105]这里，内芯部31具有的饱和磁通密度大于或等于1.6特斯拉、并且为外芯部32饱和磁通密度的1.2倍或更大，以及，具有大于或等于100且小于或等于500的相对磁导率；外芯部32具有的饱和磁通密度大于或等于0.5特斯拉、且低于内芯部31的饱和磁通密度，并且具有大于或等于5、且小于或等于30的相对磁导率；以及，由内芯部31和外芯部32构成(在二者之间实质上没有间置间隙件和气隙的情况下)的整个磁芯3具有大于或等于
10、且小于或等于100的相对磁导率。在获得一定磁通的情况下，内芯部的饱和磁通密度的绝对值越高，以及内芯部的饱和磁通密度相比于外芯部越大，越容易使内芯部的断面面积减小。据此，在内芯部具有高饱和磁通密度的结构中，在所得到的磁通与整个磁芯具有均匀饱和磁通密度的磁芯中相同的情况下，能减小内芯部的断面面积，这能有助于减小电抗器的尺寸。内芯部31具有的饱和磁通密度适宜大于或等于1.8特斯拉，更宜大于或等于2特斯拉，但其上限没有限定；以及，内芯部31具有的饱和磁通密度适宜是外芯部32的1.5倍或更大，更宜为1.8倍或更大，但其上限没有限定。取代压坯，通过使用以硅钢片为代表的磁性钢片的层叠结构，内芯部的饱和磁通密度趋于进一步提高。另一方面，例如，当外芯部32的相对磁导率低于内芯部31的相对磁导率时，磁通趋于通过内芯部31。通过设置具有低相对磁导率的部分，能抑制磁饱和，因此，能提供具有无隙结构的磁芯3。
[0106][线圈与磁芯之间的间置件]
[0107]为了增强线圈2与磁芯3之间的绝缘，可以提供一种结构，其中可以将绝缘件间置于线圈2和磁芯3之间。例如，绝缘件可以附着于线圈2的外周面或内周面，或者线圈2的外周面或内周面可以被绝缘纸或绝缘片覆盖。可替代地，在内芯部31外侧或线圈2外侧可以布置筒状绝缘体。适合用于形成绝缘体的材料是绝缘树脂例如PPS树脂、液晶聚合物(LCPs)、以及聚四氟乙烯(PTFE)树脂。当绝缘体由在内芯部31或线圈2径向可分开的可分离片构成时，绝缘体能容易地布置在内芯部31外侧或线圈2外侧。当设置筒状体，其布置于内芯部31外侧并且具有自两端周缘向外侧凸出的环形凸缘，此时，线圈2的端面可以被凸缘覆盖。
[0108]可替代地，例如，可以提供一种线圈成型产品的结构，其中线圈2的外周面、内周面、以及端面被绝缘树脂覆盖。通过调整覆盖线圈2内周面的树脂的厚度，此树脂可以用来确定内芯部31的位置。可替代地，可以提供一种线圈成型产品，其中用绝缘树脂使线圈2和内芯部31成型为一体。在这种情况下，线圈2和内芯部31的一体产品能容易地容纳在壳体4A中。绝缘树脂也能具有维持线圈2形状的功能，或者，维持线圈2处于从其自然长度状态被压缩状态的功能。如上所述，线圈成型产品允许容易地处理线圈2、以及减小线圈2的轴向长度。在线圈成型产品中，树脂的厚度可以是例如约I毫米?约10毫米。线圈成型产品可以通过例如日本未经审查的专利申请公开N0.2009-218293中所描述的生产方法制造。成型可以通过注射成型、传递成型、或者浇铸进行。能适合用作绝缘树脂的树脂是热固性树脂(例如环氧树脂)以及热塑性树脂(例如PPS树脂和LCPs)。当使用混有填料(该填料由选自氮化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼、以及碳化硅中的至少一种陶瓷构成)的绝缘树脂时，能增强散热能力。
[0109]在线圈2中，相比于匝形成部，可以将高电压施加于从匝形成部伸出的导线2w延伸部。据此，在导线2w延伸部的至少一部分中，该部分与磁芯3 (外芯部32)接触，该部分可以被绝缘树脂覆盖；绝缘材料例如绝缘纸、胶布绝缘带(例如，聚酰亚胺带)、或绝缘膜(例如，聚酰亚胺膜)可以缠绕于该部分周围；该部分可以用绝缘材料浸涂；或者在该部分中可以布置绝缘管(热缩管或冷缩管)。结果，能增强线圈2与磁芯3 (这里，特别是外芯部32)之间的绝缘性能。
[0110][壳体]
[0111]典型地，壳体4A可以是长方体形盒件，其由具有矩形板形状的底面40、以及具有矩形框形状并且自底面40竖立的侧壁41构成，该部件在与底面40相对的一侧具有开口。注意，壳体4A的底面40表示，在电抗器IA安装于安装基座时，与安装基座相接触的表面。这里，示出了底面40朝下放置的结构；可替代地，底面40可以面向侧面(图1中，向左或向右)或面向上。当壳体4A安装于安装基座例如冷却基座时，底面40作为冷却面，并且将线圈2的热量通过壳体4A传导至安装基座，使线圈2得到冷却。
[0112]典型地，使用壳体4A作为外壳，其容纳线圈2与磁芯3的组合体，以保护组合体免受外部环境的灰尘及腐蚀的影响，并且机械保护组合体；以及，壳体4A还用作散热路径。据此，适合用作壳体4A构成材料的是具有高导热率的材料，适宜为导热率高于铁磁粉等的材料，例如，金属例如铝、铝合金、镁或者镁合金。这些铝、镁及其合金重量轻，因此也适合作为需要减重的车辆部件的构成材料。另外，由于铝、镁及其合金是非磁性材料并且还是导电材料，能有效地抑制向壳体4A外部的磁漏。这里，壳体4A由铝合金构成。
[0113]如图2A和图2B中所示，底面40可以具有前表面和后表面(内底面40i和外底面40ο)，其为平面。可替代地，如上所述，通过采用设置有与线圈2外周形状相符的槽部、或者设置有支撑内芯部31的支撑件的结构，线圈2或内芯部31的热量易于传导至壳体4A，并能增强散热能力。另外，通过采用在侧壁41上设置散热片等的结构，能增强散热能力。
[0114]另外，如图1中所示，壳体4A配置有安装部45，该安装部45具有螺栓孔45h，用于通过固定部件例如螺栓将电抗器IA固定至安装基座。安装部45的存在，允许通过固定部件例如螺栓将电抗器IA容易地固定至安装基座。具有这种结构的壳体4A易于通过铸造、切削、塑性加工等生产。
[0115]为了增强线圈2与壳体4A之间的绝缘，可以采用在线圈2与壳体4A之间布置上述绝缘材料的结构。可以布置此绝缘材料，使得能保证线圈2与壳体4A之间所要求的最小绝缘性能；当绝缘材料尽可能薄时，能增强散热能力，并且还能实现尺寸减小。当绝缘材料由具有高导热率的材料形成时，能进一步增强散热能力。当绝缘材料是绝缘胶粘剂时，能可靠地将线圈2固定至壳体4A，并且还能保证绝缘。特别地，当此胶粘剂具有高导热率时，例如，含有具有高导热率和高电绝缘性的填料(例如氧化铝)的胶粘剂，能增强散热能力。
[0116]电抗器IA具有横式结构,其中线圈2容纳为相对于壳体4A水平取向。在横式结构中，线圈2外周面与壳体4A内底面40i之间的接触面积趋于较大，以及,线圈2外周面的区域、靠近壳体4A内底面40i的区域，也就是靠近于安装基座的区域，趋于较大。据此，在横式结构中，线圈2的热量能有效地传导至壳体4A，并且，通过与安装基座相接触的壳体4A外底面40ο，将此热量传导至安装基座。所以，横式结构具有高散热能力。[0117][应用]
[0118]具有上述这种结构的电抗器1A，能适合在下列电气条件下的应用中使用，其中，例如，最大电流(直流)为约100安培?约1000安培，平均电压为约100伏特?约1000伏特，以及，所使用频率为约5千赫兹?约100千赫兹:典型地，用于电动车或混合电动车的车载功率变换装置的部件。
[0119][电抗器尺寸]
[0120]当使用电抗器IA作为车载部件时，包括壳体4A的电抗器IA的体积适宜为约0.2升(200立方厘米)?约0.8升(800立方厘米)。具体而言，在线圈具有圆形端面的情况下，内径可以为20毫米?80毫米，以及，匝数可以是30?70 ;在内芯部具有筒状外形的情况下，直径可以为10毫米至70毫米，以及，高度(轴向长度)可以为20毫米至120毫米；以及，长方体盒形壳体底面的边可以具有30毫米至100毫米的长度。在此实施例中，该体积为约500立方厘米。
[0121][电抗器的制造方法]
[0122]按照下列方法，可以制造包括下述外芯部32的电抗器1A，该外芯部32由最大气泡直径小于或等于300微米的复合材料形成。
[0123](准备步骤)
[0124]首先，准备作为模具的壳体4A，以及，要容纳在壳体4A中的线圈2和内芯部31之组合体。可以采用这样一种结构，其中，前述绝缘材料间置于线圈2和内芯部31之间。
[0125](混合步骤)
[0126]准备期望磁粉以及期望树脂和可选的非磁性粉末，将这些材料置于容器中，并进行混合及搅拌，以制备液态混合物。特别地，在混合步骤期间，进行脱气。脱气可以通过真空处理进行。混合步骤的最终真空度适宜为约10帕?约1000帕。这里，选择约500帕。混合步骤最有可能从大气引入气体(主要是空气)，并且所引入的气体趋于残留成为复合材料中的气泡。据此，通过在脱气下进行混合，易于减小复合材料中气泡的大小及数量。用可商购的配置有脱气机构(其允许容器脱气)的搅拌装置，能容易地进行此混合步骤。注意，混合步骤可以在室温(约20°C至约25°C )下进行。
[0127](填充步骤)
[0128]一般而言，热固性树脂和热塑性树脂的温度越高，则粘度越低，并且，流动性越高。据此，在从混合步骤将液态混合物填充进入模具(这里，壳体4A)的过程中，使液态混合物的温度升高。该温度低于液态混合物粘度最小时的温度Tmin，低的程度大于或等于5°C、并且小于或等于20°C。具体而言，此温度T1选自(Tmin-20) 1:至(Tmin_5) °C。通过将液态混合物的温度设定为T1 (V )，可以使液态混合物呈现足够低的粘度，以易于填充。
[0129]通过以期望的比例混合期望磁粉、期望树脂、以及可选非磁性粉末来制备液态混合物，并且预先检查温度与液态混合物粘度之间的关系，可以确定期望液态混合物的温度Tmin。基于温度Tmin，可以确定温度1\。在制备具有多种组成的磁粉和树脂的情况下，预先制造具有不同混合量的多种液态混合物，并且预先确定这些液态混合物的粘度-温度关系，以提供测量数据，通过参照此测量数据，能容易地确定期望液态混合物的温度Tmin。
[0130]另外，将模具(这里，容纳准备好的组合体的壳体4A)的温度设定为选自上述温度范围(Tmin-20) °C至(Tmin_5) °C的温度T2 (°C )。结果，液态混合物与模具之间的温差较小(最大为15°C )。可以消除液态混合物与模具之间的温差，使得液态混合物与模具设定为相同的温度(T1 = T2)。与液态混合物和模具中的至少之一处于室温的情况相比，通过将液态混合物与模具的温度都设定为预定温度0\、T2),容易排出液态混合物中的气泡。另外，由于液态混合物与模具之间的温差较小(最大为15°C )，能抑制下列现象:填充进入模具的液态混合物被模具加热从而导致粘度的增大，或者液态混合物被模具冷却从而使气泡排出困难。将温度为T1 Ce)的液态混合物填充进入温度ST2CC)的模具。在填充期间还进行真空处理(适宜地，最终真空度小于或等于1000帕)，气泡量趋于进一步减少。也可以通过将模具放置在恒温槽中以使模具能维持于恒定温度，执行填充步骤。这里，温度Tmin为80°C，以及，液态混合物的温度T1和模具(壳体4A)的温度T2设定为70°C ((Tmin-1O) V )。
[0131](脱气步骤)
[0132]将液态混合物填充进入模具(这里，壳体4A)之后，将液态混合物以Tmin± 5 (°C )的温度在脱气状态下保持预定时间。作为在温度TminCC)左右保持液态混合物的结果，液态混合物呈现最小粘度，因此，液态混合物中的气泡趋于移动，并且易于从液态混合物中排出。另外，通过真空处理进行脱气，已从液态混合物排出的气泡能可靠地排向外部。特别地，通过将最终真空度设定为达到小于或等于I帕，便于气泡的排出。
[0133]保持温度适宜为Tmin±3(°C )，更宜为TminCC )。最终真空度适宜小于或等于0.1帕，更宜小于或等于0.01帕(IX 10_2帕)。保持时间取决于例如液态混合物中树脂的粘度、或者液态混合物中磁粉的含量。例如，保持时间可以是约10分钟至约20分钟。脱气步骤能通过真空处理进行，同时将模具(这里，壳体4A)置于恒温槽中。这里，采用了 80°C的保持温度、约15分钟的保持时间、以及1X10—2帕的最终真空度。注意，用可商购的标准粘度计测量80°C下树脂的粘度、以及液态混合物的粘度，以及，发现树脂具有约I帕.秒的粘度，并且发现液态混合物具有约4帕.秒的粘度。
[0134]这里，按照常规做法，在生产复合材料的情况下，为了达到使磁粉均匀分布在复合材料中的状态，在将液态混合物填充进入模具(包括壳体)之后，在磁粉发生沉降之前尽可能快地使树脂固化。与之不同，在本发明中，在填充液态混合物之后，有意地执行这样的步骤:不仅简单进行真空处理，而且在液态混合物呈现最小粘度的温度下将液态混合物保持预定时间。据此，本发明可以具有这样一种结构，其中，所得到复合材料中磁粉的量在模具(这里，壳体4A)底面侧大于在模具开口侧。特别地，当增大上述保持时间(例如，大于或等于30分钟)时，趋于提供一种结构，其中磁粉集中于模具(这里，壳体4A)的底面侧。通过添加上述由非磁性粉末形成的填料，能抑制复合材料中磁粉的不均匀分布。注意，与下述竖式结构中相比，在横式结构的情况下，磁粉在壳体4A底面侧集中的不均匀分布对电感的影响较小。另外，通过使用集中于壳体底面侧的磁粉作为散热路径，线圈的热量能容易地传导至壳体的底面，并且能增强散热能力。
[0135](固化步骤)
[0136]在脱气步骤之后，使树脂固化。可以根据树脂适当地选择固化温度。在增加树脂交联密度的情况下，可以执行两段固化步骤，将树脂保持于固化温度，然后，将树脂保持于允许增加交联密度的温度。在该固化步骤中，不必进行真空处理；然而，当在脱气步骤期间在恒温槽中建立真空、接着在恒温槽中执行固化步骤时，可以在真空状态下执行固化。这里，执行上述两段固化步骤，其中，以120°C的保持温度、2小时的保持时间执行第一段，并以150°C的保持温度、4小时的保持时间执行第二段。作为树脂固化的结果，可以形成外芯部32,同时,能提供电抗器1A。
[0137]在使用冷固化树脂或低温固化树脂作为复合材料中树脂的情况下，通过使用在室温或预定低温下具有足够低粘度的树脂，并且采用上述生产方法中除温度条件以外的条件(在脱气下搅拌、以及在脱气下保持预定时间)，能得到最大气泡直径小于或等于300微米的复合材料。
[0138]图3A:实施例示出电抗器IA的外芯部32断面的显微照片。如图3A中所示，作为由包括上述特定脱气步骤的生产方法形成外芯部32的结果，构成外芯部32的复合材料中最大气泡直径小于或等于300微米。另外，在此实施例中，气泡的数量非常少，并且气泡大体上不存在。另一方面，在比较例中，没有执行上述特定脱气步骤:紧接在执行上述填充步骤之后，执行固化步骤，以生产电抗器；以及，用显微镜类似方式观察外芯部的剖面。结果，如图3B中所示，在比较例的电抗器中，构成外芯部的复合材料中含有气泡，其具有大于300微米(0.3毫米)的最大直径。在这种实施例中,最大气泡直径大于或等于500微米(0.5毫米)，并且气泡数量也较多。发现复合材料断面中的气泡面积百分比(对于出现在复合材料断面(5毫米X 7毫米)中的所有气泡，气泡的总面积相对于断面(5毫米X 7毫米)的百分比)为1.4%。类似方式观察复合材料的其它断面，并且类似方式测量气泡面积百分比；发现气泡的面积百分比为2.8%和3.7%。如上所述，在比较例的电抗器所含有的复合材料中，存在大气泡，并且复合材料的各断面中气泡的面积百分比没有达到小于或等于I %。
[0139][优点]
[0140]在电抗器IA中，由含有磁粉和树脂的复合材料构成磁芯3的一部分，以及，在该复合材料中，最大气泡直径小于或等于300微米。据此，能减少损耗，并且，能抑制磁性能的降低。所以，电抗器IA是呈现低损耗且具有优良磁性能的电抗器。
[0141]另外，在电抗器IA中，外芯部32由复合材料形成。据此，即使外芯部32具有局部覆盖线圈2或内芯部31的复杂形状时，外芯部32也能容易地形成。
[0142]此外，在电抗器IA中，外芯部32由复合材料形成；并且，通过使用壳体4A作为模具，形成外芯部32，同时，构成外芯部32的树脂导致内芯部31与外芯部32之间的结合，以形成磁芯3，结果，能生产出电抗器1A。据此，生产步骤的数量较少。另外，由于电抗器IA具有无隙结构，不需要进行间隙件的结合步骤。考虑到这些方面，就生产率而言电抗器IA也是优良的。
[0143]此外，电抗器IA具有单个线圈2，并且具有横式结构，其中将此线圈2容纳在壳体4A中，使得线圈2的轴向与壳体4A的外底面40ο大致平行。据此，线圈2的外周面与壳体4Α之间的距离较短，并且实现了高散热能力。电抗器IA也不庞大，并具有较小尺寸。
[0144]另外，由于外芯部32由复合材料形成，提供了下列优点:(I)外芯部32的磁性能能容易地改变；⑵覆盖线圈2外周的材料含有磁粉，因此，相比于该材料仅由树脂形成的情况，导热率较高，并且提供了高散热能力；以及(3)由于外芯部32含有树脂成分，即使壳体4Α具有开口，也能保护线圈2和内芯部31免受外部环境影响并加以机械保护。
[0145]《第二实施例》
[0146]参照图4Α和图4Β，说明第二实施例中的电抗器1Β。电抗器IB的基本结构与上述第一实施例中电抗器IA的相同。电抗器IB包括线圈2、磁芯3、以及容纳该线圈2和磁芯3的壳体4B。磁芯3包括布置成穿过线圈2的内芯部31、以及覆盖线圈2外周的外芯部32。外芯部32由含有磁粉和树脂的复合材料形成。在这种复合材料中，最大气泡直径小于或等于300微米。电抗器IB不同于电抗器IA之处在于线圈2的容纳结构。下文中，具体说明此区别及其优点。省略对与第一实施例共有的其它结构以及优点的具体说明。
[0147]壳体4B包括具有矩形板形状的底面40、以及具有矩形框形状并且从底面40竖立的侧壁41。
[0148]线圈2容纳在壳体4B中，使得在壳体4B的内底面40i上，线圈2的轴线与底面40 (外底面40ο)垂直(下文中，这种结构称为竖式结构)。另外,还容纳有穿过线圈2的内芯部31，使得内芯部31的轴线与底面40垂直；以及，内芯部31的端面31e与壳体4Β的内底面40i接触。外芯部32覆盖:壳体4B中所容纳线圈2的外周面，靠近一个端面31e的内芯部31外周面区域，内芯部31的另一端面31e，以及，靠近另一端面31e的内芯部31外周面区域。
[0149]如图4B中所示，在壳体4B中，为了将线圈2布置在壳体4B中部，设置用于线圈2的定位件(未示出)。定位件可以是整体形成为壳体4B—部分的部件，或者，可以是由例如构成外芯部32的复合材料形成的独立部件。可以采用一种结构，其中还设置有用于内芯部31的定位件(未示出；例如，从内底面40i凸出的凸部)。
[0150]在具有竖式结构的电抗器IB中，可以使壳体4B的底面40尺寸较小，因此，与具有横式结构的电抗器IA相比，能减小安装面积。在内芯部31中，端面31e作为与壳体4B的接触面，因此,能获得相对于壳体4B的高稳定性。
[0151 ] 具有竖式结构的电抗器IB能按照与横式结构电抗器IA相同的方式生产。特别地，在竖式结构的情况下，复合材料向上延伸，排出气泡用的通道趋于较长。然而，通过执行上述特定脱气步骤，能抑制大气泡的产生。
[0152]《第一变化例》
[0153]在上述第一实施例和第二实施例中，描述了内芯部31由压坯构成而仅有外芯部32由复合材料构成的结构。可替代地，可以采用其它结构件，其中内芯部也由含有磁粉和树脂的复合材料构成。也就是，能采用这样的结构，其中磁芯大体全部由复合材料形成。在这种情况下，单独将线圈容纳在壳体中，接着将液态混合物填充进入壳体以覆盖线圈的内侧及外侧。结果，能提供内芯部和外芯部由相同复合材料构成的结构。另外，根据这种结构，可以通过一个步骤制造磁芯，就生产率而言这是优良的。
[0154]可替代地，可以采用另一结构，其中内芯部和外芯部由在磁粉的材料或含量方面不同的复合材料构成。在这种情况下，例如，具有柱状外形的复合材料可以由具有期望成分的液态混合物单独形成，并且，可以将这种复合材料用作内芯部。
[0155]在这种复合材料的生产中，通过采用包括上述特定脱气步骤的生产方法，也能将构成内芯部的复合材料形成为具有小于或等于300微米的最大气泡直径。通过采用在磁粉的材料或含量方面不同的复合材料，能提供内芯部饱和磁通密度比外芯部高的结构，或者，提供外芯部饱和磁通密度比内芯部高的结构。当磁粉的含量较高时，趋于得到具有高饱和磁通密度的复合材料；以及，当含量较低时，趋于得到具有低相对磁导率的复合材料。
[0156]《第二变化例》
[0157]可替代地，可以采用另一结构，其中，如上所述使用具有柱状外形的复合材料作为内芯部，以及，外芯部由压坯构成。在这种结构中，能使内芯部的相对磁导率低于外芯部的相对磁导率，并且，能使外芯部的饱和磁通密度高于内芯部的饱和磁通密度。根据这种结构，能减小外芯部中的磁漏。
[0158]《第三实施例》
[0159]在前文第一实施例和第二实施例中，说明了分别包括单个线圈2的结构。可替代地，可以采用如图5A中电抗器IC所示的另一结构，其包括:线圈2，线圈2具有一对线圈元件2a、2b，通过将作为单根连续导线的导线2w螺旋缠绕，形成该线圈元件2a、2b ;以及环形磁芯3 (参见图5B)，线圈元件2a、2b布置于环形磁芯3周围。
[0160]典型地，线圈2具有下列结构:成对的线圈元件2a、2b并排(平行)布置，使其轴线互相平行，并且，将导线2w —部分回折形成联结部2r，通过该联结部2r使线圈元件2a、2b联结。可替代地，可以采用另一结构，其中线圈元件2a、2b由独立导线形成，并且通过焊接例如TIG焊接、压力接合、钎焊等使构成线圈元件的导线的端部联结，或者通过单独准备的联结件使端部联结。线圈元件2a、2b具有相同的匝数和相同的缠绕方向，并且形成为具有中空筒状外形。
[0161]磁芯3具有:一对柱状内芯部31、31，其布置在线圈元件2a、2b内；以及一对柱状外芯部32、32，其布置在线圈2外部并且暴露于线圈2外部。如图5B中所示，在磁芯3中，布置成彼此分开的内芯部31、31的端面通过一个外芯部32连接，以及，内芯部31、31的另一端面通过另一外芯部32连接。因此，磁芯3形成为具有环形形状。
[0162]另外，电抗器IC包括绝缘体5，用于增强线圈2与磁芯3之间的绝缘。此绝缘体5具有:筒状部(未示出)，布置在柱状内芯部31的外侧；以及一对框板部52，其与线圈2的端面(在此端面观察，匝具有环形形状)相接触，并且具有穿过内芯部31、31的两个通孔(未示出)。可以用来构成绝缘体5的材料包括例如PPS树脂、PTFE树脂、以及LCPs的绝缘材料。
[0163]在这样一种结构中，例如，磁芯3可以具有:配置(3-1),其中，与第一实施例和第二实施例中一样，布置在线圈元件2a、2b内侧的部分(也就是内芯部31、31)由压坯等构成，以及，布置在线圈2外侧的部分(也就是外芯部32、32)由上述复合材料构成；配置(3-2)，其中，布置在线圈元件2a、2b内侧的部分(也就是内芯部31、31)由上述复合材料构成，以及，布置在线圈2外侧的部分(也就是外芯部32、32)由压坯等构成；或者配置(3-3)，其中，与第一变化例中一样，磁芯3全部由上述复合材料构成。在这三种配置(3-1)、(3-1)、以及(3-3)的每一个中，可以采用一种配置，其中各内芯部31仅由磁性材料例如复合材料或压坯构成；可替代地，如图5B中所示，可以采用一种配置，其中各内芯部31由层叠结构构成,通过交替层叠由上述磁性材料构成的芯体片31m与由相对磁导率低于芯体片31m的材料构成的间隙件31g，形成该层叠结构。如上所述，间隙件31g可以由非磁性材料形成，或者可以由含有非磁性材料和磁粉并且相对磁导率大于I (相对磁导率适宜大于I且小于或等于5，更宜为大于或等于1.1且小于或等于1.4)的混合材料构成。可以采用一种配置，其中，各外芯部32由例如芯体片31m构成，该芯体片31m由上述磁性材料构成。可以采用基于配置(3-1)的另一配置，其中，与第一实施例中一样，布置上述复合材料，以覆盖线圈2和内芯部31、32之组合体的外周。
[0164]在上述配置(3-1)中，能容易地使由压坯等构成的内芯部31的饱和磁通密度高于由含有树脂的复合材料所构成的外芯部32的饱和磁通密度。当内芯部31具有高饱和磁通密度时，如上所述，能减小内芯部31的断面尺寸。作为配置(3-1)中内芯部31尺寸减小的结果，如上所述，能构成较小的电抗器。另外，作为配置(3_1)中内芯部31尺寸减小的结果，能减少导线2w的长度，从而减轻电抗器的重量。
[0165]在上述配置(3-2)中，与配置(3-1)不同，能容易地使外芯部32的饱和磁通密度高于内芯部31的饱和磁通密度，因此，能减少从外芯部32向外部的磁漏。据此，在配置(3-2)中，能减少由于磁漏导致的损耗，并且能充分利用由线圈2所产生的磁通。
[0166]在上述配置(3-3)中，当整个磁芯由该材料均匀方式构成时，不仅在将磁芯制造成单个成型产品的情况下，而且在由多个芯体片构成磁芯的情况下，都能容易地以高生产率生产磁芯。在配置(3_3)中，在调整磁粉的材料或含量以提供具有低相对磁导率(例如，相对磁导率大于或等于10且小于或等于20)的复合材料的情况下，能提供无隙结构。据此，不会导致从间隙部的磁漏，并且也能抑制由于存在间隙导致的电抗器尺寸增大。可替代地，在配置(3-3)中，通过使用在磁粉的材料或含量方面不同的芯体片，可以使磁芯还具有基于这些部分的不同磁性能，与配置(3-1)和配置(3-2)中一样。另外，在配置(3-3)中，通过采用线圈内侧及外侧被复合材料覆盖的结构，能由复合材料的树脂成分保护线圈。
[0167]与第一实施例中一样，第三实施例中的电抗器IC的内芯部31，也可以通过用具有期望形状的模具压制成一体产品，或者，可以通过用胶粘剂、胶带等将多个芯体片固定成为一体产品。通过构成内芯部31或外芯部32的复合材料中的树脂，可以实现内芯部31与外芯部32之间的结合。在这种情况下，无需胶粘剂，实现内芯部31与外芯部32之间的结合。通过利用复合材料中的树脂来实现结合，能消除对胶粘剂的需求。据此，能减少步骤的数量，使得电抗器IC能以高生产率生产。可替代地，与第一实施例中一样，内芯部31与外芯部32之间的结合可以由胶粘剂实现；或者，在设置间隙件的另一配置中，内芯部31、外芯部32、以及间隙件之间的结合可以用胶粘剂实现。结合可以由多个结合步骤进行。当胶粘剂的量足够少时，认为胶粘剂不会实质上起到间隙件的作用。
[0168]《试验例I》
[0169]通过仿真，测试复合材料中气泡尺寸(这里，直径)、损耗(这里，铁损)、以及电感之间的关系。
[0170]这里，成型第一实施例中的电抗器(线圈、磁芯(内芯部和外芯部)、以及容纳磁芯和线圈之组合体的壳体)，作为试验样本。考虑一种情况:在构成外芯部的复合材料中，出现具有表I中所列直径的单个气泡(成型气泡)；以及，通过三维磁场分析，计算由于直径变化导致的铁损变化和电感变化。这种分析用可商购的计算机辅助工程(CAE)软件进行。结果描述在表1、图6(损耗)、以及图7(电感)中。样本N0.1为没有气泡的理想状态，其铁损值和电感值定义为基准(I)。关于各样本N0.2?6，确定相对于理想状态下样本N0.1铁损的铁损增大程度，以及，确定相对于处于理想状态下样本N0.1电感的电感降低程度。关于电感，供给的电流值是170安培。
[0171][表I]
【权利要求】
1.一种电抗器,包括线圈和磁芯， 其中，所述磁芯的至少一部分由含有磁粉和树脂的复合材料形成，以及 在所述复合材料的断面中，气泡的最大直径小于或等于300微米。
2.根据权利要求1所述的电抗器，其中，在所述复合材料的断面中，气泡的总面积百分比小于或等于I %。
3.根据权利要求1所述的电抗器，其中，在所述复合材料的断面中，气泡的总面积百分比小于或等于0.2%。
4.根据权利要求1所述的电抗器，其中，在所述复合材料中，磁粉的体积百分比大于或等于30体积％、且小于或等于70体积％。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项权利要求所述的电抗器，其中，部分磁芯的至少一部分由所述复合材料形成，该部分磁芯布置在所述线圈的内侧，所述线圈具有筒状外形并且通过缠绕导线形成。
6.根据权利要求1至权利要求4中任一项权利要求所述的电抗器，其中，部分磁芯的至少一部分由所述复合材料形成，该部分磁芯布置在所述线圈的外侧，所述线圈具有筒状外形并且通过缠绕导线形成。
7.根据权利要求1至权利要求4中任一项权利要求所述的电抗器，其中，所述磁芯基本上全部由所述复合材料形成。
8.根据权利要求1至权利要求4中任一项权利要求所述的电抗器，进一步包括壳体，其容纳所述线圈和所述磁芯的组合体， 其中，所述线圈容纳在所述壳体中，使得所述线圈的轴线大致平行于所述壳体的底面；以及 部分磁芯由所述复合材料形成，该部分磁芯覆盖所述线圈的外周的至少一部分。
9.一种复合材料，包括磁粉和树脂， 其中，在所述复合材料的断面中，气泡的最大直径小于或等于300微米。
10.根据权利要求9所述的复合材料，其中，在所述复合材料的断面中，气泡的总面积百分比小于或等于1%。
11.根据权利要求9所述的复合材料，其中，在所述复合材料的断面中，气泡的总面积百分比小于或等于0.2%。
12.—种包括根据权利要求9至权利要求11中任一项权利要求所述的复合材料的电抗器芯体。
13.一种变换器，包括开关元件、控制所述开关元件操作的驱动电路、以及使开关操作平稳的电抗器，所述开关元件构造成操作以变换输入电压， 其中，所述电抗器是根据权利要求1至权利要求8中任一项权利要求所述的电抗器。
14.一种功率变换装置，包括使输入电压变换的变换器、以及与所述变换器连接并执行直流与交流之间相互变换的逆变器，所述逆变器构造成供给变换后的功率用于驱动负载， 其中，所述变换器是根据权利要求13所述的变换器。
【文档编号】H01F37/00GK103534770SQ201280020820
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年4月20日 优先权日:2011年4月28日
【发明者】稻叶和宏 申请人:住友电气工业株式会社