电抗器的制作方法

本发明涉及电抗器。

本申请主张基于2017年5月22日的日本国申请的特愿2017-100955的优先权，援引所述日本国申请中记载的全部记载内容。

背景技术：

作为进行电压的升压动作、降压动作的电路部件之一，有电抗器。例如，在专利文献1、2中公开了具备线圈及配置有线圈的磁芯的电抗器。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本特开2011-119664号公报

专利文献2：日本特开2009-246222号公报

技术实现要素：

本公开的电抗器，

具备线圈和环状的磁芯，该线圈具有一对卷绕部，其中，

所述磁芯具有：配置于所述卷绕部各自的内侧的一对内侧芯部；及分别配置于所述卷绕部的轴向的一端的外侧和另一端的外侧的一对外侧芯部，

所述电抗器具备非磁性的加强构件，该加强构件配置于一对所述卷绕部之间并与所述一对外侧芯部各自的内端面连结，

所述加强构件的轴刚性为2×10⁷n/m以上，

在此，所述轴刚性为与所述卷绕部的轴向正交的所述加强构件的截面积和所述加强构件的杨氏模量之积除以所述加强构件的长度得到的值。

附图说明

图1是实施方式的电抗器的概略立体图。

图2是实施方式的电抗器的概略俯视图。

图3是实施方式的电抗器的磁芯和加强构件的俯视图。

图4是实施方式的电抗器的磁芯的侧视图。

图5是示出磁芯的轴刚性对磁芯的固有振动频率的影响的曲线图。

具体实施方式

[本公开所要解决的课题]

希望降低驱动电抗器时的噪音。

通过向线圈通电规定频率的电流而励磁，由此驱动电抗器。在驱动电抗器时，由于在磁芯会产生磁通，由此会因磁致伸缩、电磁吸引力而振动，产生噪音。

因此，本公开中的目的之一在于提供能够抑制驱动时的噪音的电抗器。

本申请的发明人着眼于电抗器的驱动频率与磁芯的固有振动频率之间的关系，研究驱动频率对电抗器的振动特性的影响。在搭载于混合动力汽车或电动汽车等的电力转换装置中所利用的电抗器中，向线圈通电的电流的驱动频率在5khz～15khz范围内，尤其在5khz～10khz左右。在磁芯的固有振动频率接近该驱动频率的情况下，引起共振，噪音变大。尤其是，在驱动频率处于可听区域(一般为20hz～20khz)的范围的情况下，噪音问题显著。

本申请的发明人基于上述见解，在为了避免磁芯的固有振动频率与驱动频率的共振，提高磁芯的固有振动频率尤为重要的认识下，完成了本申请发明的实施方式的电抗器。

[本申请发明的实施方式的说明]

首先，列举说明本申请发明的实施方式。

＜1＞实施方式的电抗器，具备线圈和环状的磁芯，该线圈具有一对卷绕部，所述磁芯具有配置于述卷绕部各自的内侧的一对内侧芯部及分别配置于所述卷绕部的轴向的一端的外侧和另一端的外侧的一对外侧芯部，所述电抗器具备非磁性的加强构件，该加强构件配置于一对所述卷绕部之间并与所述一对外侧芯部各自的内端面连结，所述加强构件的轴刚性为2×10⁷n/m以上。

在此，所述轴刚性为与所述卷绕部的轴向正交的所述加强构件的截面积和所述加强构件的杨氏模量之积除以所述加强构件的长度得到的值。

若用式子表示上述轴刚性，则如下。

轴刚性＝(加强构件的截面积)×(加强构件的杨氏模量)÷(加强构件的长度)

如上述构成所示，在一对外侧芯部的两内端面连结加强构件，并且使加强构件的轴刚性为规定值以上，由此能够使磁芯在卷绕部的轴向上难以伸缩。其结果，能够使电抗器的磁芯的固有振动频率为难以与电抗器的驱动频率(5khz～15khz，尤其是5khz～10khz)进行共振的高度。形成为具备难以进行共振的磁芯的电抗器，由此能够抑制驱动电抗器时的噪音。

在此，构件的固有振动频率与该构件的弹簧常数除以质量得到的值的平方根成比例。在加强构件的轴刚性低的情况下，加强构件的质量对磁芯的固有振动频率的影响变大，磁芯的固有振动频率可能向低频率侧偏移。因此，若加强构件的轴刚性低于2×10⁷n/m，则配置加强构件的意义降低，所以将该轴刚性设为2×10⁷n/m是有意义的。

通过使磁芯的固有振动频率高于驱动频率(例如5khz～10khz)，由此能够抑制因振动引起的噪音。尤其是，更优选磁芯的固有振动频率比驱动频率高10％以上，例如可以列举在驱动频率为10khz的情况下，固有振动频率为11khz以上。在该情况下，由于磁芯的固有振动频率充分高于驱动频率，所以能够大幅抑制因振动引起的噪音。

＜2＞作为实施方式的电抗器的一个方式，能够列举所述加强构件的杨氏模量为15gpa以上的方式。

在本实施方式的电抗器中，在一对卷绕部之间的位置配置有加强构件。因此，若配置截面积大的加强构件、即宽度宽的加强构件，则电抗器会大型化。相对于此，通过提高加强构件的杨氏模量，能够在不增大加强构件的截面积的情况下提高加强构件的轴刚性。尤其是，通过使加强构件的杨氏模量为20gpa以上，由此即使减小加强构件的宽度，也容易使加强构件的轴刚性为2×10⁷n/m以上，能够抑制电抗器的大型化。

＜3＞作为实施方式的电抗器的一个方式，能够列举所述加强构件的导热系数为5w/m·k以上的方式。

在一对卷绕部之间容易滞留热，如果热滞留在该部分，则电抗器的磁特性可能发生变化。相对于此，如果配置于一对卷绕部之间的加强构件的导热系数是5w/m·k以上，则热难以滞留在该部分，能够使电抗器的磁特性稳定。

＜4＞作为实施方式的电抗器的一个方式，能够列举所述加强构件由金属构成的方式。

作为构成加强构件的金属例如能够列举铝或其合金、镁或其合金。这些金属杨氏模量高，且是非磁性的，所以适合作为加强构件。

＜5＞作为实施方式的电抗器的一个方式，能够列举具备将一对所述卷绕部连同所述加强构件一起进行模制的模制树脂部的方式。

利用模制树脂部，能够将加强构件牢固地固定于电抗器，所以能够进一步提高磁芯的固有振动频率。

[本申请发明的实施方式的详细内容]

下面参照附图对本申请发明的实施方式的电抗器的具体例进行说明。图中的同一标号表示同一名称物。此外，本申请发明不限于这些例示，由发明的内容表示，意图包括与发明的内容等同的意思及范围内的全部变更。

＜实施方式1＞

《整体结构》

参照图1～4，说明实施方式1的电抗器1。图1、2所示的实施方式1的电抗器1具备：线圈2，具有一对卷绕部2a、2b；及环状的磁芯3。作为该电抗器1的特征之一，能够列举具备配置于一对卷绕部2a、2b之间的加强构件4。下面，详细说明实施方式1的电抗器的结构。

《线圈》

线圈2具备对绕组2w进行卷绕而成的一对卷绕部2a、2b及将两个卷绕部2a、2b相连的连结部2r。卷绕部2a、2b将绕组2w呈螺旋状地卷绕而形成为筒状，两个卷绕部2a、2b以轴向彼此平行的方式横向排列(并列)地配置。在本例中，卷绕部2a、2b的匝数和截面积、绕组2w的截面积是相同的，但是在各卷绕部2a、2b中，匝数、绕组2w的截面积可以不同。另外，在本例中，利用一根绕组2w制造线圈2，但是可以将由不同的绕组2w制成的卷绕部2a、2b连结来制造线圈2。

本实施方式的各卷绕部2a、2b形成为方筒状。方筒状的卷绕部2a、2b是指其端面形状为对四边形状(包括正方形状)的角进行了倒角的形状的卷绕部。当然，卷绕部2a、2b也可以形成为圆筒状。圆筒状的卷绕部是指其端面形状为闭合曲面形状(椭圆形状、正圆形状、跑道形状等)的卷绕部。

包括卷绕部2a、2b的线圈2能够由包覆线构成，该包覆线在由铜、铝、镁或者其合金这样的导电性材料构成的扁平线、圆线等导体的外周具备由绝缘性材料构成的绝缘包覆。在本实施方式中，导体由铜制的扁平线(绕组2w)构成且绝缘包覆由瓷漆(代表性地为聚酰亚胺类树脂)构成的包覆扁平线形成为扁绕卷绕，来形成各卷绕部2a、2b。

线圈2的两端部2a、2b从卷绕部2a、2b拉长延伸，与未图示的端子构件连接。在两端部2a、2b，瓷漆等绝缘覆盖层被剥掉。经由该端子构件连接有向线圈2供给电力的电源等外部装置。

《磁芯》

磁芯3的结构只要是能够形成环状的闭合磁路的结构就没有特别限定，能够利用公知的结构。为了方便，磁芯3能够分为一对内侧芯部31、31和一对外侧芯部32、32。

内侧芯部31是主要配置于线圈2的卷绕部2a、2b各自的内部的部分。在此，内侧芯部31是指磁芯3中的沿着线圈2的卷绕部2a、2b的轴向的部分。例如，在本例中，内侧芯部31中的轴向端部从卷绕部2a、2b的端面向外侧突出。图1、2所示的双点划线是假想的内侧芯部31与外侧芯部32的边界。

另一方面，外侧芯部32是配置于卷绕部2a、2b的外部的部分，具备将一对内侧芯部31、31的端部连接的形状。本例的外侧芯部32的上表面及下表面分别与内侧芯部31的上表面及下表面平坦地相连。也可以与本例不同，外侧芯部32的上表面(下表面)比内侧芯部31的上表面(下表面)更向上方(下方)突出。

磁芯3能够将多个芯片接合而构成。能够适当选择将何种形状的芯片接合。在本例中，如图3、4所示，将大致u字型的两个芯片32m和长方体状的6个芯片31m经由间隙材料31g接合，来形成磁芯3。在该例子中，由一对芯片32m的u字的突出部分、3个芯片31m和4个间隙材料31g形成一个内侧芯部31。另外，由芯片32m的u字的根部分形成一个外侧芯部32。

芯片31m、32m可以由相同的材料构成，也可以由不同的材料构成。作为前者的例子，例如列举由压粉成型体或复合材料构成全部的芯片31m、32m。作为后者的例子，例如列举由压粉成型体构成芯片31m，由复合材料构成芯片32m。作为间隙材料31g，能够利用由氧化铝等非磁性材料构成的板材。但是，也可以没有间隙材料31g。

复合材料是包含软磁性粉末和树脂的磁性体。软磁性粉末是由铁等铁族金属或其合金(fe-si合金、fe-si-al合金、fe-ni合金等)等构成的磁性粒子的集合体。可以在磁性粒子的表面形成磷酸盐等绝缘覆盖膜。作为树脂，例如能够利用热固性树脂、热塑性树脂等，热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂、聚氨酯树脂等，热塑性树脂为pps树脂、尼龙6、龙66这样的pa树脂、聚酰亚胺树脂、氟树脂等。复合材料中也可以含有填料等。作为填料，例如能够利用碳酸钙、滑石、二氧化硅、粘土或者芳族聚酰胺纤维、碳纤维、玻璃纤维等各种纤维，此外能够利用云母、玻璃片等。

在将复合材料设为100％时，复合材料中的软磁性粉末的含有量可以列举50体积％以上且80体积％以下。磁性体粉末是50体积％以上，由此磁性成分的比例足够高，因此易于提高饱和磁通密度。若磁性体粉末是80体积％以下，则磁性体粉末和树脂的混合物的流动性高，能够形成成型性优异的复合材料。磁性体粉末的含有量的下限可列举60体积％以上。另外，磁性体粉末的含有量的上限可列举设为75体积％以下，进一步设为70体积％以下。

对于复合材料，压粉成型体是对含有软磁性粉末的原料粉末进行加压成型而成的磁性体。也可以在磁性粒子的表面形成有磷酸盐等绝缘覆盖膜。原料粉末中可以含有粘合剂等树脂，也可以含有填料等。

《加强构件》

加强构件4是配置于一对卷绕部2a、2b之间并利用粘接剂等与一对外侧芯部32、32各自的内端面(内侧芯部31侧的面)连结的构件。另外，加强构件4与外侧芯部32也可以通过凹凸等机械性的卡合而连结。加强构件4以连接环状的磁芯3中的一个外侧芯部32的内端面和另一个外侧芯部32的内端面的方式配置，由此从环的内侧支撑磁芯3，抑制磁芯3向卷绕部2a、2b的轴向的伸缩。利用加强构件4抑制磁芯3的伸缩，由此能够提高磁芯3的固有振动频率。其结果，能够抑制磁芯3与电抗器1的驱动频率进行共振。

加强构件4是与磁芯3分开准备的构件。因此，在配置加强构件4时，优选以不损伤卷绕部2a、2b的绝缘包覆的方式配置于卷绕部2a、2b之间。例如，将卷绕部2a、2b之间扩开，将加强构件4夹入该扩开的部分，之后将磁芯3组装于卷绕部2a、2b。如果在被卷绕部2a、2b夹入的加强构件4的两端面涂敷粘接剂，则能够将加强构件4与磁芯3的外侧芯部32的内端面连结。作为粘接剂，优选利用固化时的硬度高且伸展小的粘接剂。例如，能够利用环氧类粘接剂、陶瓷类粘接剂等。通过利用这样的粘接剂，在磁芯3要在卷绕部2a、2b的长度方向伸长时，加强构件4能够有效地抑制其伸缩。

加强构件4由非磁性且能够使后述的加强构件4的轴刚性为2×10⁷n/m以上的材料构成。例如，加强构件4能够由铝或其合金、镁或其合金等非磁性金属构成。除此以外，加强构件4也能够由陶瓷、高杨氏模量的树脂、纤维增强塑料等构成。

加强构件4的轴刚性为2×10⁷n/m以上。轴刚性能够通过与卷绕部2a、2b的轴向正交的加强构件4的截面积(mm²)与加强构件4的杨氏模量(mpa)之积除以加强构件4的长度(mm)来求出。具有加强构件4的轴刚性越高，磁芯3的固有振动频率越高的趋势，能够使磁芯3的固有振动频率与电抗器1的驱动频率的偏离量增大。例如，优选磁芯3的固有振动频率相对于电抗器1的驱动振动频率偏离超过1％，更优选偏离超过2.5％。当偏离量变大时，能够抑制磁芯3与电抗器1的驱动频率进行共振。从这些观点出发，加强构件4的轴刚性优选为4×10⁷n/m以上，更优选为4×10⁸n/m以上。

加强构件4配置于一对卷绕部2a、2b之间的狭窄的间隙，所以难以增大加强构件4的截面积。为了增大该截面积，需要增大加强构件4的高度(在图1的纸面上下方向上，电抗器1的高度方向上的加强构件4的长度)或者增大加强构件4的宽度(在图2的纸面上下方向，卷绕部2a、2b的并列方向上的加强构件4的长度)。在此，若增大加强构件4的宽度，则卷绕部2a、2b之间的距离变大，可能导致电抗器1的大型化。为了抑制电抗器1的大型化且将加强构件4的截面积确保为规定值以上，优选形成为宽度小但高度高的平板状的加强构件4。

加强构件4的宽度优选为1mm以上且5mm以下。宽度的上限更优选为3mm以下，最优选为2mm以下。另一方面，加强构件4的高度只要根据卷绕部2a、2b的大小适当选择即可，优选在不妨碍电抗器1设置的范围内尽可能地大。例如，可列举在侧视观察卷绕部2a、2b时，在加强构件4不从卷绕部2a、2b的上端面及下端面突出的范围内，使加强构件4的高度最大的情况。

如上所述，由于难以增大加强构件4的截面积，所以为了提高加强构件4的轴刚性，优选由杨氏模量高的材料构成加强构件4。加强构件4的杨氏模量优选为15gpa以上，更优选为20gpa以上。尤其是，通过将加强构件4的杨氏模量设为20gpa以上，易于使加强构件4的轴刚性为2×10⁷n/m以上。作为具有20gpa以上的杨氏模量的加强构件4的材料，能够列举上述的铝等金属。铝等金属的导热系数是5w/m·k以上，在提高电抗器1的散热性这一点上，优选作为加强构件4的材料。

在此，示出代表性的加强构件4的材质的杨氏模量。例如，铝或其合金的杨氏模量为70～75gpa左右，镁合金的杨氏模量为45gpa左右，氧化铝的杨氏模量为400gpa左右。

《效果》

具有加强构件4的电抗器1是由振动引起的噪音小的电抗器1。这是因为，通过加强构件4提高磁芯3的固有振动频率，而偏离电抗器1的驱动频率。

《用途》

实施方式1的电抗器1例如可以适用于搭载于混合动力汽车、插电式混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等车辆的车载用转换器(代表性的为dc-dc转换器)、空调机的转换器等各种转换器、以及电力转换装置的构成部件。

《其他结构》

实施方式的电抗器1也可以具备以下的结构。

(1)可以具备介于线圈2与磁芯3之间的夹设构件(未图示)。夹设构件由电绝缘材料形成，确保线圈2与磁芯3之间的电绝缘。

作为上述夹设构件例如可列举介于卷绕部2a、2b的内周面与内侧芯部31的外周面之间的内侧夹设构件(未图示)和介于卷绕部2a、2b的端面与外侧芯部32的内端面之间的外侧夹设构件(未图示)。作为这些夹设构件的形成材料，例如能够利用聚苯硫醚(pps)树脂、聚四氟乙烯树脂、液晶聚合物、尼龙6、尼龙66这样的聚酰胺(pa)树脂、聚对苯二甲酸丁二酯树脂等热塑性树脂。

(2)也可以具备收纳线圈2与磁芯3的组合体的壳体(未图示)。由此，能够保护组合体免受外部环境(粉尘、腐蚀等)的影响，或者机械地保护组合体。如果是金属制的壳体，则能够将其整体在散热路径上利用，因此能够高效地将在线圈2、磁芯3产生的热散发到外部的设置对象，散热性提高。

另外，在将组合体收纳于壳体的情况下，也可以具备将壳体内的组合体进行密封的密封树脂。由此，能够实现对组合体进行电气、机械地保护、免受外部环境影响的保护等。密封树脂例如能够利用环氧树脂、聚氨酯树脂、硅树脂、不饱和聚酯树脂、pps树脂等。从提高散热性的观点出发，也可以在密封树脂中混合氧化铝、二氧化硅等导热系数高的陶瓷填料。

(3)也可以具备将卷绕部2a、2b连同加强构件4一起进行模制的模制树脂部5(参照图2的双点划线)。通过形成模制树脂部5，能够将加强构件4牢固地固定于电抗器1，能够进一步提高磁芯3的固有振动频率。另外，模制树脂部5也可以是与线圈2一起对磁芯3进行模制的结构。在该情况下，不使用壳体，就能够电气、机械性地保护线圈和磁芯的组合体免受外部环境的影响。模制树脂部例如可列举由环氧树脂、pps树脂、pa树脂等形成。

＜试验例1＞

通过试验，对具备实施方式中所说明的加强构件4的电抗器1的振动特性进行评价。具体地说，对未设置加强构件4的磁芯3(样品no.100)与设置有使杨氏模量变化了的加强构件4的多个磁芯3(样品no.1～10)的振动特性进行比较。通过使用构造分析软件的cae(computeraidedengineering：计算机辅助工程)分析来进行振动特性的评价，求出磁芯的固有振动频率。cae分析用的网格利用六面体(hexa)网格创建。在试验例1中，构造分析软件使用mscnastran(有限元分析求解器，软件名称)(msc软件株式会社制)进行固有值分析及频率应答分析，作为磁芯的固有振动频率，求出在x方向(长度方向)上伸缩的振动模式的固有振动频率。

《磁芯的设定》

磁芯3的各部分的尺寸(mm)如下(参照图3、4)。

磁芯3的长度(a)：82.5

磁芯3的宽度(b)：70.5

内侧芯部31的宽度(c)：22.5

外侧芯部32的厚度(d)：18.0

外侧芯部32的高度(e)：42.0

构成磁芯3的材料及其特性以如下的方式设定。

芯片31m、32m：设想压粉成型体，杨氏模量设定为38500mpa，泊松比设定为0.25，密度设定为7200kg/m³。

间隙材料31g：设想陶瓷，杨氏模量设定为320000mpa，泊松比设定为0.23，密度设定为3700kg/m³。

《加强构件的设定》

加强构件4以如下的方式设定。

关于加强构件4的尺寸，厚度固定为2mm，高度固定为42mm，长度固定为46.5mm(即，图3中的a-2d)。另外，使加强构件4的杨氏模量在5000mpa(5gpa)～1000000mpa(1000gpa)的范围内变化。顺便说一下，铝或其合金的杨氏模量为70～75gpa左右，镁合金的杨氏模量为45gpa左右，氧化铝的杨氏模量为400gpa左右。除此之外，作为杨氏模量为1000gpa左右的材料，能够列举金刚石烧结体等。加强构件4的泊松比和密度分别固定为0.3和2700kg/m³。

利用以上的条件通过cae分析，求出不具备加强构件4的基准模型(样品no.100)和使加强构件4的杨氏模量变化时的各模型(样品no.1～10)的固有振动频率。将其结果示出于表1及图5。在表1中，一并示出加强构件4的尺寸、杨氏模量等物理特性、分析结果等。表1的偏离率(％)以百分率表示各样品的固有振动频率相对于基准模型的固有振动频率的增加量。另外，表1的评价c表示偏离率为1％以下，噪音的降低效果不充分，评价b表示偏离率超过1％且在2.5％以下，能够预见到一定程度的噪音降低效果，评价a表示相差率超过2.5％，能够预见到足够的噪音降低效果。另外，图5中的横轴表示加强构件4的轴刚性，纵轴表示固有振动频率(hz)。图5的横轴为对数表示。

【表1】

根据表1、图5所示的结果可知，通过增大加强构件4的杨氏模量，即增大加强构件4的轴刚性，能够提高磁芯3的固有振动频率。尤其明确可知，在加强构件4的杨氏模量为15gpa、轴刚性为2.7×10⁷n/m以上(2×10⁷n/m以上)的样品no.3中，磁芯3的固有振动频率比基准模型高1.8％(超过1％)，能够预见到一定的噪音降低效果。另外，明确可知，在加强构件4的轴刚性为9×10⁷n/m以上(4×10⁷n/m以上)的样品no.5中，磁芯3的固有振动频率比基准模型高6％(超过2.5％)，能够预见到充分的噪音降低效果。而且，在加强构件4的轴刚性为9×10⁸n/m以上(4×10⁸n/m以上)的样品no.9中，磁芯3的固有振动频率比基准模型高22％以上。

【标号说明】

1电抗器

2线圈

2a、2b卷绕部2a、2b端部2w绕组2r连结部

3磁芯31内侧芯部32外侧芯部

31m、32m芯片31g间隙材料

4加强构件

5模制树脂部