复合材料、电抗器用磁芯、电抗器、转换器和功率转换器装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电抗器1，包括线圈2和磁芯3，所述磁芯3设置在所述线圈2的内部和外部以形成闭合磁路。所述磁芯3的至少一部分是由含有磁性物质粉末和树脂的复合材料制成的，在所述树脂中分散有所述粉末。所述磁性物质粉末包含分别由相对磁导率不同的多种材料而制成的粉末，代表性的为纯铁粉末和铁合金粉末。由于提供了由含有以不同材料制成的磁性物质粉末的复合材料制成的磁芯3，电抗器1能同时实现高饱和磁通密度和低损耗的特性。
【专利说明】复合材料、电抗器用磁芯、电抗器、转换器和功率转换器装
【技术领域】
[0001]本发明涉及适合用作构成电抗器等磁性部件的材料的复合材料，由该复合材料制成的电抗器用磁芯，包括该芯部的电抗器、包括该电抗器的转换器、以及包括该转换器的功率转换器装置。具体而言，本发明涉及一种具有高饱和磁通密度的低损耗复合材料。
【背景技术】
[0002]一种包括线圈和其中设置有该线圈的磁芯的磁性部件(例如，电抗器或发动机)被用于多个领域中。例如，专利文献I公开了这样一种电抗器，其用作安装于混合动力汽车等车辆上的转换器的电路部件。并且，专利文献I还披露了，将由纯铁粉等磁性物质粉末和含有该粉末的树脂(结合剂树脂)形成的复合材料作为构成所述电抗器中所包括的磁芯的材料。所述复合材料可以通过下述的方法制造，将由原材料磁性物质粉末和未固化的液体树脂混合所得到的混合物填充于具有所需形状的模具组件等中，然后固化该树脂。
[0003]引用列表
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本未审查专利申请公开N0.2008-147403
【发明内容】
[0006]技术问题
[0007]当磁芯表现出高饱和磁通密度的同时，也需要该磁芯具有低损耗的特性，这里的损耗为铁芯损耗(磁滞损耗+涡流损耗)等。
[0008]在将复合材料用作构成磁芯的材料的情况下，例如，使用纯铁粉末作为原材料磁性物质粉末时，由于纯铁具有高饱和磁通密度，因此能够提供具有高饱和磁通密度的复合材料。然而，由于纯铁的电阻小，因此使用这样的纯铁可能会导致复合材料的涡流损耗较大。使用由极细颗粒制成的粉末作为这种纯铁粉末时，由于其粒径小，因此能够减少涡流损耗，并因此能够获得低损耗的复合材料。然而，若纯铁粉末的粒径过小则难以处理。这样，造成了加工性降低，并且最终使得复合材料的制造性降低。
[0009]另一方面，专利文献I公开了这样一种复合材料，在该复合材料中，磁性物质粉末为铁合金粉末。由于铁合金的电阻比纯铁大，所以使用铁合金粉末能够减少涡流损耗，并能够获得低损耗的复合材料。然而，由于铁合金的饱和磁通密度小，因此使用铁合金可能会导致复合材料的饱和磁通密度低。在增加磁性物质粉末的同时减少复合材料中的树脂成分，由此提高复合材料中磁性成分的比例(含量)，能够增加饱和磁通密度。然而，原材料磁性物质粉末的含量过大会增加混合物的粘度，因此流动性变差。因此，很难将混合物倒入模具组件中，导致制造性变差。具体而言，当为复杂形状时，混合物可能不会充分填入模具组件中，从而可造成形状精度降低。因此，考虑到抑制损耗和制造性，增加磁性物质粉末的含量是有局限性的。[0010]因此，本发明的目的在于提供一种具有高饱和磁通密度的低损耗的复合材料。
[0011]此外，本发明的另一个目的在于提供一种具有高饱和磁通密度的低损耗的电抗器用磁芯，并提供一种包括该磁芯的电抗器。
[0012]问题的解决方案
[0013]通过采用以多种材料制成的粉末而非由一种材料制成的粉末作为复合材料中的磁性物质粉末，从而使本发明达到了上述目的。
[0014]本发明的复合材料包含磁性物质粉末和树脂，该树脂含有分散于其中的该粉末。所述磁性物质粉末包含分别由相对磁导率不同的多种材料形成的粉末。
[0015]本发明的复合材料包含相对磁导率不同的磁性物质粉末，具体而言，包含相对磁导率高的磁性物质粉末和相对磁导率相对较低的磁性物质粉末。由于本发明的复合材料包含由不同材料形成的磁性物质粉末，因此该复合材料能够具有这两种粉末的特性。即，该复合材料可同时含有具有高饱和磁通密度的磁性物质和低损耗的磁性物质。因此，与含有由单一材料制成的磁性物质粉末的情况相比，本发明的复合材料能够很好地兼具高饱和磁通密度和低损耗特性。此外，由于本发明的复合材料含有分别由多种不同材料制成的磁性物质粉末，因此不需要使用不易于操作的很细的磁性物质粉末，或者使用过多的磁性物质粉末。从而表现出了优异的制造性。另外，本发明的复合材料能够同时含有高饱和磁通密度的磁性物质和低相对磁导率的磁性物质。因此,几乎不会发生磁通量的饱和。
[0016]需要注意的是，当磁性物质的组成不同时，通常会发生相对磁导率的改变。因此，在本发明中，将相对磁导率用作表示任意磁性物质组成间区别的指标。
[0017]作为本发明的复合材料的一种模式,所述磁性物质粉末可含有纯铁粉末。
[0018]由于纯铁具有高饱和磁通密度，因此该模式能提供更高的饱和磁通密度。此外，由于含有由不同材料形成的磁性物质粉末，因此实现了低损耗的特性。
[0019]作为本发明的复合材料的一种模式，所述复合材料可含有铁合金粉末。
[0020]铁合金的电阻比纯铁的电阻大。因此，通过使用含有不同组成的铁合金粉末的模式，则能实现饱和磁通密度的增加。而且，还实现了更低损耗的特性。具体而言，在同时含有具有高饱和磁通密度的纯铁粉末和具有高电阻的铁合金粉末的模式中，饱和磁通密度更高，并且实现了低损耗的特性。
[0021]作为本发明的复合材料的一种模式，所述磁性物质粉末中所含有的纯铁粉末所占的比例最大。
[0022]通过使用该模式，由于饱和磁通密度更高，并且含有由不同材料制成的磁性物质粉末，因此实现了低损耗的特性。
[0023]作为本发明的复合材料的一种模式，所述磁性物质粉末可含有被覆粉末，该被覆粉末包括磁性物质颗粒和包覆各磁性物质颗粒的外周的绝缘覆层。
[0024]通过使用该模式，尤其当所述磁性物质粉末由金属形成时，通过含有具有绝缘覆层的被覆粉末，能够减小涡流损耗并实现低损耗特性。此外，被覆粉末的含量比例越大，损耗越低。
[0025]作为本发明的复合材料的一种模式，在所述磁性物质粉末的粒径分布中可存在多个峰。这些峰中至少有两个峰分别代表由相对磁导率互不相同的材料形成的粉末的峰。需要注意的是，峰的定义如下:在对粒径分布中特定粒径rx的频率fx进行观察时，观察比粒径rx小预定值k (k为设计值)的粒径rs的频率fs，以及比粒径rx大预定值k (k为设计值)的粒径A的频率f10然后，将这样的频率fx视为峰，其中该频率fx满足频率fx比频率fs和大1.1倍以上的条件。
[0026]在粒径分布中存在多个峰是指，在粒径分布的柱状图中，在粒径小的位置和粒径大的位置均存在峰(高频值)。换句话说，存在至少两个峰，即第一峰和第二峰。然后，当把第一峰出现处的粒径定义为A，并把第二峰出现处的粒径定义为r2时，粒径Γι小于粒径r2。在该模式中，粒径Sr1的粉末和粒径为r2的粉末是由不同材料制成的，并且同时以高频率包含该细磁性物质粉末和粗磁性物质粉末。
[0027]此处，本发明的复合材料是通过将原材料磁性物质粉末和树脂混合，然后固化该树脂而制造的。由于在制造前后用作原材料的磁性物质粉末的形状和粒径基本上不变，因此本发明的复合材料的粒径分布也基本上与用作原材料的磁性物质粉末的粒径分布一致。该模式的复合材料可通过使用由细粉末和粗粉末构成的混合粉末作为原材料来制备，其中所述粗粉末是由不同于细粉末的材料形成的。此外，使用这样的混合粉末使得更容易提高磁性物质粉末的填充密度。因此，在该模式中，由于含有由不同材料制成的磁性物质粉末，因此可取得高饱和磁通密度和低损耗的特性。另外，由于细磁性物质粉末的含量相对较大，因此可取得低损耗的特性。另外，由于磁性物质粉末具有特定的粒径分布并能够提高填充密度，因此磁性成分的比例高。因此，饱和磁通密度高。
[0028]作为本发明的复合材料的一种模式，在所述磁性物质粉末的粒径分布中可能会存在多个峰，并且这些峰中显示出最小粒径的峰的粉末可为纯铁粉末。
[0029]在该模式中，由于以高频率含有纯铁粉末，因此饱和磁通密度高。此外，由于具有高饱和磁通密度的磁性物质粉末(纯铁粉末)很细，因此能够降低上述的涡流损耗。因此，可实现低损耗的特性。
[0030]作为本发明的复合材料的一种模式，在所述磁性物质粉末的粒径分布中可存在多个峰，并且这些峰中显示出最小粒径的峰的`粉末可为铁合金粉末。
[0031]在该模式中，由于以高频率含有高电阻的铁合金粉末，因此可实现低损耗的特性。此外，由于铁合金粉末很细，因此可实现涡流损耗的进一步降低。因此，损耗变得更低。
[0032]作为本发明的复合材料的一种模式,所述复合材料还可以含有由至少一种材料形成的非磁性物质粉末。具体而言，在由磁性物质粉末和非磁性物质粉末形成的混合粉末的粒径分布中，非磁性物质粉末的峰出现处的最大粒径可小于磁性物质粉末的峰出现处的最小粒径。
[0033]本发明复合材料中含有的磁性物质粉末的“磁性物质”是指广义上的铁磁材料。代表性的为软磁材料。另一方面，非磁性物质粉末中的“非磁性物质”是除了铁磁材料之外的其他物质。所述非磁性物质粉末可为(例如):由金属等无机材料制成的粉末，例如陶瓷或铝；由树脂等有机材料制成的粉末，例如，硅树脂。即使当由上述列举的材料制成的非磁性物质粉末为细粉末形式时，也能够容易地进行处理。除了含有磁性物质粉末以外，使原材料还含有这样的非磁性物质的细粉末，则在复合材料的制造过程中，能够有效地减少磁性物质粉末在树脂中的沉淀。这种对沉淀的抑制能够使得磁性物质粉末均匀地分散在混合物中。通过对这种状态的树脂进行固化，能够得到磁性物质粉末均匀分散于其中的复合材料。即，这种模式能够提供均匀的磁特性，因此是非常可靠的。此外，利用该模式，因为非磁性物质粉末比磁性物质粉末细，所以非磁性物质颗粒能够插入到形成于磁性物质颗粒之间的间隙中，因此能够抑制由于含有非磁性物质粉末而带来的磁性成分的比例降低。
[0034]在含有非磁性物质粉末的模式中，非磁性物质粉末的峰出现处的最大粒径rnmax为磁性物质粉末的峰出现处的最小粒径rmmin的1/3以下(即，满足关系rnmax ^ (1/3) Xrmmin)。此外,对于含有非磁性物质粉末的模式,非磁性物质粉末的峰出现处的粒径rn可以为20 μ m以下。
[0035]在该模式中，由于非磁性物质粉末足够小，因此非磁性物质的细颗粒能够充分地插入到形成于磁性物质颗粒之间的间隙中。此外，由于非磁性物质的细颗粒能够容易地均匀分散在各磁性物质颗粒的外周，因此能有效地抑制磁性物质颗粒的沉淀。另外，由于非磁性物质粉末足够小，因而该非磁性物质颗粒的存在使得间隙得以填充。因此，通过使用该模式，能够抑制由含有非磁性物质粉末带来的磁性成分比例的下降。
[0036]作为含有非磁性物质粉末的模式，非磁性物质粉末相对于复合材料整体的总含量可以为0.2质量％以上。
[0037]使用该模式，由于存在足够的非磁性物质粉末，优选上述非磁性物质细粉末，因而能够有效地抑制磁性物质粉末的沉淀。
[0038]作为本发明的复合材料的一种模式，所述磁性物质粉末相对于复合材料整体的总含量可以为30体积％以上70体积％以下。更优选的是，磁性物质粉末的总含量为40体积％以上65体积％以下。
[0039]使用该模式，由于磁性物质粉末为30体积％以上，磁性成分的比例足够高，因此饱和磁通密度高。此外，使用该模式，由于所含的磁性物质粉末为70体积％以下，因此磁性物质粉末和树脂的混合物在制造过程中可以自由流动，并且表现出优异的制造性。具体而言，当磁性物质粉末为饱和磁通密度为约2T的材料时(如铁或Fe-Si合金)，通过含有30体积％以上的该磁性物质粉末， 复合材料的饱和磁通密度易于达到0.6T以上；而且，通过含有40体积％以上的该磁性物质粉末，复合材料的饱和磁通密度易于达到0.8T以上。尤其是，通过使用由细颗粒粉末和粗颗粒粉末组成的混合粉末作为原材料，可以容易地达到高填充密度，其中，磁性物质粉末的含量为约65体积％。
[0040]作为本发明的复合材料的一种模式，所述复合材料的饱和磁通密度可以为0.6T以上。
[0041]如上所述，本模式可实现低损耗特性，并且饱和磁通密度也非常高。因此，本模式的复合材料适宜用作需要具有这种特性的磁性部件的磁芯，例如，安装在混合动力汽车等车辆上的转换器中所使用的电抗器用磁芯。
[0042]作为本发明的复合材料的一种模式，所述复合材料的相对磁导率可为5至20。
[0043]在该模式中，由于相对磁导率相对较低，因此不容易发生磁通量的饱和。通过使用该模式的复合材料，例如，能够形成具有无间隙结构的磁芯。此外，由于该模式所提供的磁特性适合于安装在混合动力汽车等车辆上的转换器中所使用的电抗器用磁芯，因此也适于用作这种电抗器用磁芯。测量饱和磁通密度和相对磁导率的方法将在后面进行说明。
[0044]作为本发明的复合材料的一种模式，构成磁性物质粉末的各颗粒的圆度可为1.0以上2.0以下。
[0045]通过使用如本模式中的一定圆度的颗粒，可以在颗粒间充分地形成间隙，而其他颗粒能够插入到该间隙中。因此，能够易于增加填充密度，并且粉末也表现出优异的流动性。因此，该模式提供了高饱和磁通密度和优异的制造性。优选的是，其圆度为1.0以上1.5以下，特别为1.0以上1.3以下。测量圆度的方法将在后面进行说明。
[0046]如上所述，本发明的复合材料能够用作电抗器用磁芯。因此，本发明的电抗器用磁芯可由本发明的复合材料制成。
[0047]由于本发明的电抗器用磁芯是由具有如上所述的低损耗特性和高饱和磁通密度的复合材料制成的，因此其损耗低并且饱和磁通密度高。
[0048]本发明的电抗器可包括线圈和其中设置有该线圈的磁芯。磁芯的至少一部分可由本发明的复合材料制成。
[0049]关于本发明的电抗器，因为磁芯的至少一部分是由具有如上所述的低损耗特性和高饱和磁通密度的复合材料制成的，因此该电抗器也能实现低损耗特性并具有高饱和磁通
山/又ο
[0050]或者，本发明的电抗器包括线圈和其中设置有线圈的磁芯。在该磁芯中，某部分中的至少一部分由粉末磁芯制成，而其他部分由本发明的复合材料制成。例如，在该磁芯中，设置于由卷绕线制成的筒状线圈内部的部分中的至少一部分由粉末磁芯制成，并且设置于线圈外部的部分中的至少一部分由本发明的复合材料制成(以下将这种模式称作内部粉末磁芯模式)。或者，例如，在该磁芯中，设置于由卷绕线制成的筒状线圈内部的部分中的至少一部分由本发明的复合材料制成，并且设置于线圈外部的部分中的至少一部分由粉末磁芯制成(以下将这种模式称作外部粉末磁芯模式)。
[0051]在内部粉末磁芯模式中,粉末磁芯中，粉末磁芯设置在位于线圈内部的部分(以下将该部分称作内侧芯部)，并且本发明的复合材料设置在位于线圈外部的部分(以下将该部分称作外侧芯部)。因此，能够易于提高内侧芯部的饱和磁通密度以高于外侧芯部的饱和磁通密度。与整个磁芯均由磁导率相对较低的材料制成的情况相比，因为内侧芯部的饱和磁通密度较高，因此饱和磁通密度均匀，内侧芯部的截面也能减小。即，能够减小内侧芯部尺寸，并且由于内侧芯部的尺寸小，也能减小线圈的尺寸。因此，内部粉末磁芯模式能够提供小尺寸的电抗器。此外，通过减小线圈的尺寸，也能够实现电抗器重量的减少。另一方面，与上述的内侧粉末磁芯模式相反，在外侧粉末磁芯模式中，内侧芯部是由本发明的复合材料提供的，并且外侧芯部是由粉末磁芯提供的。因此，能够容易地增加外侧芯部的饱和磁通密度以高于内侧芯部的饱和磁通密度，并且能够减少从外侧芯部到外部的漏磁通。此外，在各个这些模式中，一部分磁芯是由本发明的含有树脂成分的复合材料制成的。因此，能够减小整个磁芯的相对磁导率，并因此能够实现(例如)无间隙结构。对于无间隙结构的磁芯，不会有从间隙部分漏出的漏磁通对线圈产生影响。因此，能够将线圈设置在紧靠内侧芯部的位置，因而能够得到小尺寸的电抗器。此外，通过减小线圈的尺寸，也能够缩短线材的长度。因此，能够实现电抗器重量的减小。
[0052]本发明的电抗器能够用作转换器的组成部件。本发明的转换器包括开关元件、控制该开关元件运行的驱动电路、以及使该开关运行平稳的电抗器。通过运行所述开关元件来转换输入电压。所述电抗器可以为本发明的电抗器。本发明的转换器能够适当地用作功率转换器装置的组成部件。本发明的功率转换器装置包括转换输入电压的转换器、以及与该转换器相连以进行直流电和交流电之间相互转换的逆变器。通过所述逆变器的转换得到的功率来驱动负载。所述转换器可以为本发明的转换器。
[0053]由于本发明的转换器和本发明的功率转换器装置包括具有高饱和磁通密度和低损耗特性的本发明电抗器，因此其可实现低损耗特性。
[0054]本发明的有益效果
[0055]本发明的复合材料、本发明的电抗器用磁芯、以及本发明的电抗器都具有低损耗特性和高饱和磁通密度。
[0056]附图简要说明
[0057]图1 (A)为根据第一实施方案的电抗器的示意性透视图，图1⑶为沿直线B-B截取得到的电抗器的截面图。
[0058]图2为示出了由线圈和内侧芯部部分组成的装配产品的透视图，其中，该装配产品包括在根据第一实施方案的电抗器中。
[0059]图3(A)为根据第五实施方案的电抗器的示意性透视图，图3(B)为该电抗器中所包括的磁芯的示意性透视图。
[0060]图4为示意性地示出混合动力汽车的供电系统的构造图。
[0061]图5为示出了包括本发明的转换器的本发明示例性功率转换器装置的电路图。
【具体实施方式】
[0062]下面将对本发明的实施方案进行更详细的说明。
[0063](第一实施方案)
[0064]参照附图对第一实施方案的电抗器I进行说明。附图中相同的参考符号表示相同命名的元件。电抗器I包括由卷绕线2w制成的单线圈2、以及设置在线圈2的内部和外部以形成闭合磁路的磁芯3。电抗器I的特征在于构成磁芯3的材料。以下将对各个结构进行详细的说明。
[0065][线圈2]
[0066]线圈2是由单根连续的线材2w经螺旋缠绕而制成的筒状元件。线材2w适宜为被覆线材，该被覆线材包括由铜或铝、或者铜或铝的合金等导电材料制成的导体，并且该导体的外周上设置有由绝缘材料制成的绝缘覆层。所述导体可以为各种形状，如具有矩形截面形状的矩形线、具有圆形截面形状的圆线、具有多边形截面形状的异形线等。构成这种绝缘覆层的代表性的绝缘材料为聚酰胺-酰亚胺等漆包材料。绝缘覆层的厚度越大，绝缘性能越好。其具体厚度可以为20 μ m以上100 μ m以下。可以适当地选择线材2w的截面积和其卷绕数目(匝数)，以达到所需的特性。线圈2的端面形状可以为这些形状:如图2所示的环形或椭圆形(即，其外形仅由曲线形成)、或可以为跑道形或圆角矩形等平面形状(即，其外形由曲线和直线形成)。当圆柱形线圈的端面为环形时，线材易于缠绕，并易于成形。
[0067]此处，线圈2为由扁立缠绕的被覆矩形线材制成的扁立线圈，该矩形线材包括导体和绝缘覆层，其中所述导体为具有矩形截面形状的矩形铜线，所述绝缘覆层为瓷漆。线圈2的端面形状为环形。
[0068]形成线圈2的线材2w的相对端部由适当的匝拉出并伸到磁芯3的外部(外侧芯部32)。将绝缘覆层剥开以使各相对端部的导体部分暴露出来，通过焊接(如，TIG焊)或压力下固定使由铜或铝等导电材料制成的端子部件(未示出)与该暴露的导体部分连接。为线圈2供电的电源等外部装置(未示出)通过该端子部件进行连接。
[0069]使用本实施例所不的电抗器I,将由线圈2和磁芯3构成的组合体置于具有底座的筒状壳体4中。这样放置线圈2，使得其轴向与壳体4的底面垂直(以下将这种模式称作直立模式)。该直立模式能够减少相对于安装对象(例如，安装有电抗器I的冷却台)的电抗器I的安装面积。
[0070][磁芯3]
[0071]当线圈2被激发时，磁芯3形成闭合磁路。如图1 (B)所示，磁芯3包括:柱状内侧芯部31，其至少部分设置在线圈2的内部并被线圈2覆盖；以及外侧芯部32，其设置在线圈2的外部并形成为几乎覆盖部分内侧芯部31和线圈2的筒状外周面。在该实施例中，内侧芯部31和外侧芯部32由互不相同的材料制成。内侧芯部31由粉末磁芯制成，而外侧芯部32由磁性物质粉末和复合材料(成形硬化制品)制成，其中该复合材料含有分散于其中的所述粉末。此处，电抗器I的最突出的特性在于所述复合材料中所含的磁性物质粉末由相对磁导率不同的多种粉末制成。
[0072]〈〈内侧芯部y>
[0073]此处，内侧芯部31为与线圈2的内周形状一致的柱状元件。可以适当地选择内侧芯部31的截面形状或外形。其可以与线圈的内周形状一致，例如，可以为长方体等棱柱状或椭圆状。或者，其也可以与线圈的内周形状不一致。另外，此处内侧芯部31为其中没有铝板等间隔部件或气隙插入的固体元件。然而，也可以采用这样的模式:其中，插入了由这样的材料制成的间隔部件或气隙，该材料的磁导率低于粉末磁芯或复合材料的磁导率，代表性的材料为非磁性材料。
[0074]粉末磁芯典型地通过这样的方式获得:对含有磁性物质颗粒和绝缘覆层的磁性粉末进行成形，其中所述绝缘覆层由硅树脂等制成并覆盖所述颗粒的表面，或者对通过向磁性粉末中适当加入结合剂而得到的混合粉末进行成形；然后在绝缘覆层的耐热温度下或低于该温度下对该成形粉末进行焙烧。在制备粉末磁芯时，通过调节磁性物质颗粒的材料、磁性粉末和结合剂的混合比、包括绝缘覆层的各种覆层的量，或通过调节成形压力，就能很容易地改变粉末磁芯的磁特性。例如，通过使用具有高饱和磁通密度的粉末，通过减少结合剂的混合量而增加磁性成分的比例、或增加成形压力，就能获得具有高饱和磁通密度的粉末磁芯。
[0075]磁性物质颗粒的材料可以为铁系材料，如:Fe、Co、Ni等铁族金属(例如，由Fe和不可避免的杂质制成的纯铁)、主要成分为Fe的铁合金(例如，Fe-Si系合金、Fe-Ni系合金、Fe-Al系合金、Fe-Co系合金、Fe-Cr系合金、Fe-S1-Al系合金等)、稀土金属、和铁素体等软磁材料。具体而言，通过使用铁系材料，更容易获得饱和磁通密度高于铁素体的粉末磁芯。构成形成于磁性物质颗粒上的绝缘覆层的材料可以为(例如)磷酸盐化合物、硅化合物、锆化合物、铝化合物、硼化合物等。当磁性物质颗粒由如上所述的铁族金属或铁合金等金属制成时，优选使用绝缘覆层，因为能够降低涡流损耗。当磁性物质颗粒由铁素体等绝缘物质制成时，可以省去绝缘覆层。结合剂可以为(例如)热塑性树脂、非热塑性树脂或高级脂肪酸。可以通过上述的焙烧工序除去结合剂，或者变为二氧化硅等绝缘物质。关于粉末磁芯，通过使绝缘覆层等绝缘物质存在于磁性物质颗粒之间，使得磁性物质颗粒被彼此隔离。这样，能够降低涡流损耗。因此，即使在以高频功率激发线圈的情况下，这样的损耗也很小。此外，即使当粉末磁芯为相对复杂的三维形状时，也能够容易地进行成形，并因此表现出优异的制造性。可以使用任何已知的粉末磁芯。此处，构成内侧芯部31的粉末磁芯是由具有绝缘覆层等覆层的软磁性粉末制成的。
[0076]在图1所示的实施例中，内侧芯部31在线圈2轴向上的长度(以下简称为长度)大于线圈2的长度。此外，在该实施例中，内侧芯部31被置于壳体4中，使得内侧芯部31的一个端面(图1 (B)中置于壳体4的开口侧的面)与线圈2的一个端面基本上保持齐平，并且另一个端面(图1 (B)中置于壳体4的底面侧的面)及相邻部分从线圈2的另一个端面伸出。因此，关于电抗器1，磁芯3中设置于筒状线圈2的内部的部分由粉末磁芯形成，该粉末磁芯构成了内侧芯部31的一部分；并且设置于线圈2的外部的部分由粉末磁芯以及复合材料(后面将会说明)形成，其中该粉末磁芯构成了内侧芯部31的其余部分，并且该复合材料构成了外侧芯部32。
[0077]可以适当地选择内侧芯部的伸出长度。此处，尽管只有内侧芯部31的另一个端面侧从线圈2的另一个端面伸出，但是内侧芯部31的两个端面均分别从线圈2的端面伸出也是可能的。此处，伸出长度可以彼此相同或不同。此外，内侧芯部的长度和线圈的长度可以彼此相同。即，内侧芯部的端面和线圈的端面可以彼此保持齐平。例如，在磁芯中，只有设置在线圈之中的部分是由粉末磁芯制成的，并且设置在线圈外部的整个部分可由复合材料制成。在上述的任何模式中，都含有复合材料(后面将会说明)，使得当线圈2被激励时会形成闭合磁路。
[0078]〈〈外侧芯部》
[0079]此处，整个外侧芯部32都是由复合材料构成的，该复合材料由磁性物质粉末和树脂制成。与内侧芯部31类似，没有间隔部件或气隙插入到外侧芯部32中。外侧芯部32和置于壳体4中的内侧芯部31通过树脂互相接合在一起，而无需插入任何粘合剂，从而构成了 一体的磁芯3。
[0080]在该实施例中，形成外侧芯部32以覆盖线圈2的相对端面和外周面，并覆盖内侧芯部31的一个端面以及位于另一端面上的外周面。如图1 (B)所示，沿着线圈2的轴向截取的截面形状为倒置的U形。外侧芯部32的形状没有特别的限制，只要能够形成闭合磁路即可。例如，也可以采用这样的模式:其中，线圈2的外周没有被构成外侧芯部32的复合材料部分覆盖。在后面将会说明的横向模式(第四实施方案)中，能够容易地实施这样的模式:其中，线圈2的外周部分暴露在复合材料的外部。
[0081]复合材料中的磁性物质粉末包含由相对磁导率不同的多种材料形成的粉末。优选地，粉末由上述的软磁性粉末制成。具体而言，可以适当地使用两种均含有Fe但是组成不同的粉末。这种含有Fe的组成可以为由Fe和不可避免的杂质制成的纯铁、和由Fe、添加元素和不可避免的杂质制成的铁合金。
[0082]示例性的纯铁可以为Fe含量为99.5质量％以上的纯铁。当含有纯铁粉末时，可得到具有高饱和磁通密度的复合材料。纯铁粉末的含量比例越高，越容易获得具有高饱和磁通密度的芯部(复合材料)。具体而言，当纯铁粉末为包含由纯铁制成的铁颗粒和包覆各铁颗粒的外周的绝缘覆层的被覆粉末时，因为插入铁颗粒之间的绝缘覆层使铁颗粒彼此隔离，因此能够减小涡流损耗。因此，通过采用含有被覆粉末的模式，能够容易地获得具有高饱和磁通密度的低损耗的芯部。构成绝缘覆层的示例性绝缘材料可以为磷酸盐、硅树脂、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属磷酸盐化合物、金属硼酸盐化合物或金属硅化合物。氧化物和金属盐类化合物等化合物中所含有的金属元素可以为Fe、Al、Ca、Mn、Zn、Mg、V、Cr、Y、Ba、Sr、稀土元素(不包括Y)等。通过采用颗粒由铁合金制成的模式(后面将会说明)，各个颗粒也包括绝缘覆层，能够容易地获得具有低损耗特性的芯。
[0083]当含有铁合金时，涡流损耗减小并且获得低损耗的复合材料。因此，使用除了含有纯铁粉末还含有铁合金粉末的模式时，能够容易地获得具有高饱和磁通密度的低损耗的芯部。在该模式中，纯铁粉末的含量越高，饱和磁通密度的增加量越大。因此，当需要改善饱和磁通密度时，优选的是磁性物质粉末主要由纯铁粉末制成。更优选的是，纯铁粉末的含量为最大。
[0084]或者，可以应用这样的模式:其中不含有这种纯铁粉末，并且复合材料中的磁性物质粉末由具有不同组成的铁合金粉末制成。在这种模式中，由于磁性物质粉末全部为铁合金粉末，因此涡流损耗小并且获得了低损耗的特性。而且，能够通过调整组成来增加饱和磁通密度。
[0085]所述铁合金可以为含有总含量为1.0质量％至20.0质量％的选自于S1、N1、Al、Co和Cr中的至少一种元素作为添加元素的合金。更具体地，所述铁合金可以为Fe-Si系合金、Fe-Ni系合金、Fe-Al系合金、Fe-Co系合金、Fe-Cr系合金、Fe-S1-Al系合金。具体而言，Fe-Si系合金或Fe-S1-Al系合金(森达斯特铝硅铁合金)等含Si的铁合金具有高电阻，能够容易地抑制涡流损耗。此外，磁滞损耗低。因此，能够容易地获得具有低损耗性能的芯部。
[0086]构成复合材料的磁性物质粉末可含有与构成上述内侧芯部31的粉末磁芯的磁性物质粉末相同的粉末，或者可以完全由不同的粉末制得。此外，当构成复合材料的磁性物质粉末预先经过了适当的表面处理时，能够预期得到防止发生凝集、抑制在树脂中的沉淀等效果。例如，当预先用硅烷偶联剂等进行表面处理时，就能够提高磁性物质粉末和树脂之间的密着力，并且能够抑制磁性物质粉末在未固化的树脂中的沉淀。优选对于每种组成使用不同的处理剂来进行表面处理，使得同种类型(相同组成)的磁性物质颗粒不容易凝集。从而不同的磁性物质颗粒能够均匀地分散在整个复合材料中。可以使用各种表面活性剂作为表面处理剂。例如，对于纯铁粉末可以使用疏水试剂，对于铁合金粉末可以使用亲水试剂。表面处理可以依次进行，或同时进行。注意的是，尽管可以在混合磁性物质粉末和树脂的同时混入表面处理剂以阻止沉淀，但是在所述混合之前进行表面处理往往会表现出更好的阻止沉淀的效果。
[0087]构成磁性物质粉末的颗粒各自可以为任意形状，例如球形或非球形(例如，盘状、针状、棒状和其他任意的变形形状)。即，在制造复合材料时，可以使用由任意形状的颗粒制成的粉末作为原材料，并且用作原材料的磁性物质粉末的形状是灵活的。需要注意的是，复合材料中的磁性物质颗粒的形状和大小基本上仍保持为构成用作原材料的粉末的颗粒的形状和大小。因此，当将非球形的磁性物质粉末用作原材料时，复合材料中的磁性物质颗粒也为非球形。
[0088]具体而言，近似球形的颗粒能够充分保证颗粒之间的间隙，在这些间隙中，小于这些颗粒的细颗粒能够插入其中。因此，能够容易地进一步增加填充密度，同时损耗往往较小。因此，一种制备复合材料的方法可以包括使用这样的构成原材料粉末的颗粒，所述各颗粒满足下列条件，即，其圆度为1.0以上2.0以下。
[0089]圆度定义为:最大直径/圆当量直径。通过明确构成磁性物质粉末的各颗粒的轮廓，由此确定具有与由该轮廓包围的面积S等同面积的圆的直径，从而获得圆当量直径。即，圆当量直径表示为:2X{轮廓内的面积S/π}"2。另外，最大直径为具有该轮廓的颗粒的最大长度。例如，可以由这样的方式获得面积S:通过将原材料粉末和树脂等结合在一起以制备样品，然后使用光学显微镜、扫描电子显微镜(即，SEM)等观察样品的截面。应当按照如下方式计算轮廓内的面积S:通过将所得截面的观察图像进行图像处理(例如，二值化处理)等提取颗粒的轮廓。可以通过从选取颗粒的轮廓中选取颗粒的最大长度来获得最大直径。在使用SEM的情况下，测量条件可如下:截面数目为50以上(每个截面有一个视野);放大倍数为50倍至1000倍；每个视野测量颗粒的数目为10个以上；并且颗粒的总数为1000以上。
[0090]通过上述测量方法所得圆度为I的颗粒相当于完美的球形。原材料粉末的圆度越接近于1，则越易于降低损耗，易于抑制相对磁导率的过度增加，并获得提高填充密度或达到优异的流动性等效果。因此，优选的是，原材料粉末的圆度满足圆度为1.0以上1.5以下，特别地为1.0以上1.3以下的条件。通过使用球形颗粒，即使当颗粒彼此靠近的时候，基本上这些颗粒也仅仅是互相间发生点接触，而不会发生相互间的面接触。此处，在分散在复合材料的树脂中的磁性物质颗粒彼此间发生多点接触的情况下，复合材料的相对磁导率可能会变得过大。此外，当磁性物质颗粒由金属制成时，涡流可能会在颗粒之间流动。为了抑制这种相对磁导率的增加或者由于颗粒间的过多接触而导致的涡流的发生或增加，尤其是当磁性物质颗粒由金属制成时，磁性物质粉末应当为具有由非磁性材料制成的绝缘覆层的磁性物质粉末，例如上述被覆粉末。另一方面，当将满足圆度条件的那些均接近于完美球形的颗粒用作原材料粉末时，即使磁性物质颗粒不具有绝缘覆层，也能抑制颗粒间的过多接触，并且能够将复合材料的相对磁导率抑制至低值。因此，使用满足圆度条件的原材料粉末是获得如下复合材料的有效构成，该复合材料具有0.6T以上的高饱和磁通密度，并且同时其相对磁导率为20以下的较低值。
[0091]例如，可通过如下方式获得圆度落入上述范围内的粉末:通过将惰性气体用作冷却介质的气雾化法来制备粉末；或使通过水雾化等形成的变形粉末(即，圆度没有落入上述范围内的粉末)进行研磨等磨圆处理。当进行研磨时，通过适当选择磨粒的粒度，能够对原材料粉末的圆度进行调整。此外，在原材料粉末还含有粗粉末的情况下，当粉末接近于球形时，即，当粉末的圆度接近于1.0时，复合材料的损耗可能会变得更小。需要注意的是，由于本发明的复合材料是在相对较低的压力下成形的，因此构成复合材料中磁性物质粉末的各个颗粒的圆度基本上与构成原材料粉末的各个颗粒的圆度相同。例如，本发明的复合材料的圆度的测量可以这样进行:获得复合材料的截面，然后使用通过显微观察上述截面获得的观察图像。
[0092]获得复合材料中磁性物质颗粒的粒径分布，在粒径分布中可存在多个峰。通过这种方式，具有特定的小粒径的颗粒和具有特定的大粒径的颗粒以一定程度的高频率同时存在。在形成于粗颗粒之间的空隙中，能够插入细颗粒。因此，通过使用该复合材料，能够容易地增加磁性物质粉末的填充密度，并且磁性成分的比例高。
[0093]虽然根据粒径的不同，峰的数目可以为二个、三个或多个，但是存在两个峰即能够充分地增加填充密度。例如，在粒径分布中，当第一峰出现处的粒径为F1并且第二峰出现处的粒径为1"2时，可存在满足关系式(l/2)Xr2的两个峰。粒径为1^的细颗粒(其粒径为粗颗粒的粒径r2的一半或一半以下)能够充分地插入到粗颗粒之间的空隙中，并因此能够增加填充密度。粒径^和粒径r2之间的粒径差越大，就能够更有效地使颗粒插入到间隙中，并且往往更容易地增加填充密度。因此，进一步优选的是，粒径^满足关系式:(1/3) Xr2。然而，当粒径F1过小时，原材料粉末也会变细而难以处理。因而可能会导致加工性变差。因此，优选满足关系式:^彡(1/10) Xr20
[0094]虽然具有多个峰的磁性物质粉末可以由相同类型(相同组成)的材料制成，但是优选地，该具有多个峰的磁性物质粉末由不同材料制成。具体地，一个峰为纯铁粉末的峰，而另一个峰为铁合金粉末的峰；或者这些峰为具有不同组成的铁合金粉末的峰。
[0095]在同时含有纯铁粉末和铁合金粉末的模式中，在示出最小粒径的峰的粉末为纯铁粉末的情况下，即，在粒径A为纯铁粉末的粒径并且粒径r2为铁合金粉末的粒径的情况下，因为含有高频率的细纯铁粉末，因此尽管存在纯铁粉末，也能够减小涡流损耗。因此，通过使用该模式，由于存在高频率的纯铁粉末，因而实现了高饱和磁通密度，并且由于细纯铁粉末和铁合金粉末混合存在，因而实现了低损耗的特性。此外，通过使用该模式，由于具有高饱和磁通密度的细纯铁颗粒易于连续存在于粗铁合金颗粒的周围，因此磁通量易于均匀地通过。
[0096]另一方面，在同时含有纯铁粉末和铁合金粉末的模式中，在示出最小粒径的峰的粉末为铁合金粉末的情况下，即，在粒径A为铁合金粉末的粒径并且粒径r2为纯铁粉末的粒径的情况下，由于以高频率含有细铁合金粉末，因此能够进一步减少涡流损耗。因此，通过使用该模式，由于含有纯铁粉末，因而实现了高饱和磁通密度，并且由于细纯铁粉末，因而进一步实现了低损耗的特性。
[0097]在只含有铁合金粉末的模式中，取决于示出最小粒径的峰的粉末的特性，可实现更高的饱和磁通密度或进一步实现低损耗的特性。
.[0098]关于具体的粒径，在第一峰为纯铁粉末的峰的情况下，优选粒径F1为50 μ m以上IOOym以下，并且尤其优选的是粒径Γι为50μπι至70μπι。由于以高频率存在的最细颗粒的粒径为50 μ m以上，因此测量值小于50 μ m的极细颗粒的数目很少。这样，即使当颗粒由纯铁制成时，也能够容易地对原材料粉末进行处理。另一方面，在第一峰为铁合金粉末的峰的情况下，因为即使各颗粒测量值小于50 μ m时也易于对铁合金进行处理，所以粒径Γι可为50 μ m以下。例如，粒径A可以为10 μ m以上30 μ m以下。采用该模式时，由于粒径F1更小并且颗粒是由铁合金制成的，可取得下述效果:(1)由于涡流损耗减少，因此能够容易地得到具有低损耗的复合材料；以及(2)由于能够更容易地增加填充密度，因此尽管颗粒由铁合金制成，饱和磁通密度也能高达一定程度。另外，使用铁合金时，当粒径相对较细时，例如，50 μ m以下时，能够容易地形成球形颗粒。因此，即使使用细球形颗粒的粉末也能实现优异的制造性。在上述范围内的粒径^越小，损耗减少得越多；粒径T1越大，加工性越好。
[0099]在第二峰为纯铁粉末的峰的情况下，粒径r2优选为100 μ m以上200 μ m以下，粒径r2尤其优选为140 μ m至200 μ m (优选Γι < (1/2) Xr2))。而且，在示出了第一峰和第二峰的粉末均为组成不同的铁合金粉末的情况下，粒径r2可为30 μ m以上200 μ m以下(其中r!<r2)，并且进一步可为40 μ m以上150 μ m以下。由于相对于测量值为50 μ m至100 μ m、或50 μ m以下的极细颗粒(粒径为η的颗粒)，以高频率含有极大的颗粒(粒径为r2的颗粒)，因此复合材料的填充密度增加并且磁性成分的比例升高。因此，能够实现高饱和磁通密度并且能够进一步减少涡流损耗。而且，由于粒径r2满足上述的范围，粒径&和粒径r2之间的粒径差很大。因此，如上所述，能够容易地增加填充密度。并且，由于粒径r2S 200ym以下，能够容易地减少润流损耗。
[0100]构成外侧芯部32的复合材料中磁性物质粉末的粒径分布可以(例如)这样测量:通过除去树脂成分来提取磁性物质粉末，然后使用粒径分析仪对所得到的磁性物质粉末进行分析。也可以测量磁性物质粉末的各种组成的粒径分布，然后对粒径分布进行组合。当复合材料含有后面将会说明的非磁性物质粉末时，应当通过利用磁体将磁性物质粉末和与^磁性物质粉末选择性地分离。或者，可通过使用X-射线衍射、能量色散X射线光谱(即EDX)等进行成分分析而将磁性物质粉末和非磁性物质粉末选择性地分离。可以使用任何市场上可得到的粒径分析仪。在这样的方案下，由于不存在树脂组分，因此能够以高度精确测量磁性物质粉末的粒径分布。
[0101]可以通过使用这样的具有所需组成的磁性物质粉末作为原材料来制造具有上述粒径分布的复合材料，所述磁性物质粉末以高频率含有具有粒径r1(l和r2(l的颗粒，并且粒径r1Ci和r2(l满足r1(l〈r2(l(优选r1(l ( (1/2) Xr2(l)。当使用任意市售可得的粉末时,应检验其粒径粉末以使用具有上述特定粒径分布的粉末。可以通过使用筛子等对粉末进行分级，这样就得到所需的粒径。典型地，可以通过雾化(气雾化、水雾化等)来制造原材料粉末。具体而言，使用由气雾化制造的粉末往往可提供具有低损耗的复合材料。可适当地对粗粉末进行粉碎，这样就得到所需的粒径。此外，作为原材料粉末，通过制备如上所述的分别具有所需组成的多种粉末，并使用满足于上述圆度的粉末，就能够容易地获得损耗更小且饱和磁通密度更高的复合材料。
[0102]需要注意的是，当使用由具有较小粒径差的颗粒制成的磁性物质粉末作为原材料时，在复合材料的磁性物质粉末的粒径分布中可能只存在一个峰。此外，在制造本发明的复合材料时，也可以使用粒径分布相同但是组成互不相同的磁性物质粉末作为原材料。在这种情况下，在复合材料的磁性物质粉末的粒径分布中，也只存在一个宽峰或一个尖峰。
[0103]当磁性物质粉末相对于复合材料整体的总含量为30体积％以上70体积％以下时，磁性成分的比例足够高，并且能够获得具有高饱和磁通密度的复合材料。此外，当磁性物质粉末的总含量为70体积％以下时，则在复合材料制造过程中原材料磁性物质粉末和未固化树脂的混合物会表现出优异的流动性。因此，该混合物能够很好地填充到模具组件中。这样，就实现了复合材料的优异的制造性。具体而言，磁性物质粉末的含量为40体积％以上65体积％以下时，可操作性优异。制备原材料以达到所需的含量。复合材料中磁性物质粉末的含量能够通过这样的方式获得:通过除去树脂成分来获得磁性成分的体积；或将截面的显微照片进行上述图像处理，从而将截面中磁性成分的面积比例转换为体积比例。
[0104]作为用作复合材料中的结合剂的树脂，可以适当地使用环氧树脂、酚醛树脂、硅树月旨、聚氨酯树脂等热固性树脂。当使用热固性树脂时，对模具组件中填充的混合物进行加热来进行树脂的热固化。或者，作为用作结合剂的树脂，可以使用室温固化树脂或低温固化树月旨。在这种情况下，将模具组件中填充的混合物置于室温至相对低的温度下来固化树脂。或者，作为用作结合剂的树脂，可以使用聚苯硫醚(PPS)树脂、聚酰亚胺树脂、氟树脂等热塑性树脂。
[0105]在复合材料中，由于存在相对大量的通常为非磁性材料的树脂，由复合材料制成的外侧芯部32的饱和磁通密度往往低于构成内侧芯部31的粉末磁芯的饱和磁通密度，并且相对磁导率趋于降低。通过调整磁性物质粉末的材料、上述绝缘覆层的厚度、树脂的量等，能够容易地改变复合材料的磁特性。
[0106]典型地，复合材料可以通过注射成形或铸造成形来形成。在注射成形中，将磁性物质粉末和具有流动性的树脂(即，液态树脂，通常具有粘度)互相混合。将混合物(浆状混合物)在预定的压力下倾倒入预定形状的模具组件中，并进行成形。然后，树脂固化。在铸造成形中，获得与注射成形中所得混合物类似的混合物。然后，在不施加压力的条件下将混合物倾倒入模具组件中，然后成形并固化。在第一实施方案中，壳体4能够用作该模具组件。在这个壳体中，能够容易地对预定形状的复合材料(此处为外侧芯部32)进行成形。也可以制备多个所需形状的成形制品并加以组合，从而形成所需形状的磁芯。
[0107]此处，外侧芯部32由这样的复合材料构成，该被覆材料由被覆粉末、环氧树脂和铁合金粉末制成，其中该被覆粉末由表面被绝缘覆层包覆的纯铁粉末。此外，该复合材料中铁粉末(被覆粉末)的含量大于铁合金粉末的含量。
[0108]〈〈磁特性》
[0109]磁芯3的磁特性存在部分区别。在该实施例中，内侧芯部31的饱和磁通密度比外侧芯部32的饱和磁通密度高，并且外侧芯部32的相对磁导率比内侧芯部31的相对磁导率低。
[0110]此处，内侧芯部31的饱和磁通密度为1.6T以上，并且相对磁导率为100至500。此外，内侧芯部31的饱和磁通密度比外侧芯部32的饱和磁通密度高1.2倍以上。此处，在要获得一定的磁通量的情况下，由于内侧芯部31中至少被线圈2覆盖的部分的饱和磁通密度的绝对值更大，并且由于该部分的饱和磁通密度相对于外侧芯部32而言更大，因此能够至少减少该部分的截面积。因此，能够减小其中内侧芯部31的饱和磁通密度高的电抗器I的尺寸(即，能够减小其体积)。内侧芯部31的至少被线圈2覆盖的部分的饱和磁通密度优选为1.8T以上，并且进一步优选为2T以上；优选为外侧芯部32的饱和磁通密度的1.5倍以上，并且进一步优选为1.8倍以上，在各种情况中均没有上限。需要注意的是，当作为内侧芯部31的材料的粉末磁芯被电磁钢板的层叠制品(代表性的为娃钢板)取代时，内侧芯部31的饱和磁通密度能够容易地得到进一步提高。
[0111]此处，优选的是，外侧芯部32的饱和磁通密度为0.6T以上。外侧芯部32的饱和磁通密度优选为尽可能的高。优选为0.8T以上，更优选为IT以上。然而，此处外侧芯部32的饱和磁通密度限定为小于内侧芯部31的饱和磁通密度。
[0112]优选的是,外侧芯部32的相对磁导率大于I小于20。此处,外侧芯部32的相对磁导率优选为5至20，5至18，并进一步优选为5至15。外侧芯部32的相对磁导率低于内侧芯部31的相对磁导率可以使得磁通更容易穿过内侧芯部31。
[0113]由具有上述磁特性的内侧芯部31和外侧芯部32构成的磁芯3整体的相对磁导率为10至100。由于整个磁芯3的相对磁导率相对较低，因此磁芯3整体在没有任何铝板等间隔部件或气隙插入的情况下能够实现一体化的无间隙结构。显然地，可以在部分磁芯3中适当地插入间隔部件。[0114][壳体]
[0115]这里所指的壳体4为盒状的矩形部件，其由一个四边形的底面和四个直立于底面的侧壁构成，并且与底面相对的面是敞开的。壳体4用作放置由线圈2和磁芯3组成的组合体的容器。壳体4可实现保护线圈2和磁芯3免于环境的影响以及机械保护。此外，当电抗器I固定在冷却台等安装对象上时，壳体4可作为散热通道。因此，能够适当地用作构成壳体4的材料为表现出优异的导热性的材料，优选为比铁等磁性物质粉末的导热性更高的材料，例如铝、铝合金、镁、镁合金等金属。由于铝、镁、铝或镁合金都是轻质的，因此它们也适合用作构成需要具有较轻质量的汽车部件的材料。此外，由于铝、镁、铝或镁合金均为非磁性材料和导电材料，因此能够有效地防止向壳体4外部的漏磁通。这里，壳体4由铝合金制成。
[0116]在如图1所示的实施例中，用于将电抗器I固定在安装对象上的连接部41与壳体4形成为一体。各连接部41均具有螺栓孔，并且电抗器I能够通过螺栓固定在安装对象上。另外，当壳体4设置有用于将线圈2和内侧芯部31固定在预定位置上的定位部时，能够将线圈2或内侧芯部31置于壳体4中的合适位置。此处，壳体4设置有定位部(未示出)，这样线圈2就能够定位在如图1 (B)所示的壳体4的中心部分。此外，当设置有类似于壳体4的由铝等导电材料制成的盖子时，能够避免漏磁通，并且能够实现保护外侧芯部32免于环境的影响以及机械保护。盖子设有槽口或通孔，这样能够使构成线圈2的线材2w的端部被拉出。或者，可以通过填充树脂而形成盖子。
[0117][其他结构]
[0118]为了增强线圈2和磁芯3之间的绝缘性，线圈2的外周可以用绝缘树脂覆盖，或者线圈2的外周可以用绝缘纸、绝缘片、绝缘带等绝缘部件覆盖。所述绝缘树脂可以为环氧树脂、聚氨酯树脂、聚苯硫醚(PPS)树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂、不饱和聚酯等。此外，为了增强内侧芯部31和线圈2之间的绝缘性，可以在内侧芯部31的外周设置绝缘线轴。该线轴可包括设置于内侧芯部31的外周的筒状部，并且设置在筒状部的相对端部的环形法兰部。具体而言，当线轴由多个分离片的组合构成为一体时，就能够容易地将其设置于内侧芯部31中。构成线轴的材料包括PPS树月旨、液晶聚合物(LCP)、聚四氟乙烯(PTFE)树脂等。另外，可以用热缩套管等绝缘套管覆盖内侧芯部31的外周。此外，在使线圈2与壳体4接触的情况下，为了增强线圈2和壳体4之间的绝缘性,可以插入上述的绝缘部件。当与磁芯3接触的线材2w的伸出部分也被绝缘树脂、绝缘部件或其他上述热缩套管覆盖时，也能够增强绝缘性。
[0119]或者，可以省去壳体。省去壳体能够实现电抗器的尺寸和重量的减少。当磁芯3的外周面由构成外侧芯部32的复合材料制成时，因为含有树脂成分，所以磁芯3可能暴露。然而，当磁芯3的外周被绝缘树脂覆盖时，能够实现保护磁芯3免于环境的影响以及机械保护。当将绝缘树脂设计为含有由表现出高导热性的陶瓷等制成的填料时，因为表现出优异的散热特性而是优选的。被树脂覆盖的部分可以与上述的连接部一体成形。
[0120][应用]
[0121]如上所述构造的电抗器I能够适当地用于激发条件如下的用途，例如:最大电流(直流)为约100A至1000A ;平均电压为约100V至1000V ;并且工作频率为约5kHz至IOOkHz。典型地，电抗器I能够适当地用作电动车、混合动力汽车等车载功率转换器装置的组成部件。
[0122][电抗器的制造方法]
[0123]例如，可以按照如下方法制造电抗器I。首先，制备线圈2和由粉末磁芯制成的内侧芯部31。然后，如图2所示，将内侧芯部31插入到线圈2中，以制备由线圈2和内侧芯部31组成的组装体。之后，将组装体置于壳体4中。
[0124]制备了用于构成外侧芯部32 (图1)的多种磁性物质粉末和未固化树脂的混合物。充分搅拌混合物，使得具有不同原料组成的磁性物质粉末均匀分散，然后将混合物倾倒入壳体4中，壳体4也用作模具组件。此处，通过将混合物中磁性物质粉末的总含量设定为70体积％以下，则该混合物具有优异的流动性。这样，就能充分地将混合物填充在壳体4中，该壳体4因线圈2和内侧芯部31的存在而具有复杂的空间。填充工序之后，将混合物中的树脂固化。由此可形成由复合材料制成的外侧芯部32。此外，此处如图1 (B)所示，通过这样形成外侧芯部32，使其与内侧芯部31的一个端面以及内侧芯部31的位于另一端面侧的外周面接触，从而可形成磁芯3，该磁芯3在线圈2受到激发时会形成闭合磁路。因此，外侧芯部32形成的同时能够得到电抗器I (图1)。
[0125][效果]
[0126]构成部分磁芯3 (此处指外侧芯部32)的复合材料中的磁性物质粉末由以相对磁导率不同的多种材料组成的混合粉末构成。由于磁性物质粉末含有不同材料的粉末，因此复合材料能同时获得高饱和磁通密度和低损耗的特性。
[0127]由于电抗器I包括由复合材料制成的外侧芯部32，并且该外侧芯部32由具有特定组成的磁性物质粉末和树脂构成，因此电抗器I具有高饱和磁通密度和低损耗的特性。具体而言，对于电抗器I，由于内侧芯部31是由粉末磁芯构成的,所以内侧芯部31的饱和磁通密度也很高。因此，整个磁芯3的饱和磁通密度(通过对磁芯3的饱和磁通密度求平均而得到的值)高于完全由复合材料构成的磁芯的饱和磁通密度。
[0128]此外，通过使用这样的复合材料，能够达到饱和磁通密度的进一步提升，或者通过进一步减少涡流损耗而达到低损耗的特性，其中该复合材料中所包含的磁性物质粉末不仅材料不同，而且尺寸也互不相同。另外，通过使用含有细颗粒和粗颗粒的混合粉末的复合材料的模式，能够得到下列效果。
[0129](I)在制造过程中能够很容易地处理磁性物质粉末，因此表现出优异的制造性。
[0130](2)因为复合材料中磁性组分的比例高达一定程度，因此无需过度增加磁性物质粉末的量，磁性物质粉末和树脂的混合物即可在制造过程中表现出优异的流动性。从这一方面来看，也表现出了优异的制造性。
[0131](3)由于混合物表现出了优异的流动性，所以即使具有复杂的形状时，也能够高度精确地形成复合材料(此处为外侧芯部32)。
[0132]此外，对于电抗器1，由于外侧芯部32是由复合材料构成的，因此能够得到下列效果:(I)能够容易地改变磁特性；(2)由于含有树脂成分，因此通过用树脂覆盖线圈2和内侧芯部31，就能保护它们免于环境的影响并进行机械保护；(3)树脂成分能够被用于接合外侧芯部32与内侧芯部31 ;以及(4)形成外侧芯部32时，能够同时形成电抗器1，并表现出优异的制造性。
[0133]另外，关于电抗器1，由于内侧芯部31的饱和磁通密度高于外侧芯部32的饱和磁通密度，因此在所获得的磁通量与由单一材料制成的芯体(芯体整体的饱和磁通密度是均匀的)的磁通量相等的情况下，能够减小内侧芯部31 (尤其是被线圈2覆盖的部分)的截面积(磁通穿过的部分的面积)。由于内侧芯部31的尺寸减小，使得线圈2的尺寸也能减小。此外，由于电抗器I具有无间隙的结构，因此能将线圈2和内侧芯部31设置为彼此靠近。由于上述几点，电抗器I的尺寸小。由于线圈2的尺寸减小，也能够实现电抗器I的重量减轻。此外，由于电抗器I具有无间隙结构，因此能够省去间隔部件的接合工序。从这一方面来看，表现出了优异的加工性。
[0134][试验例I]
[0135]制备了含有磁性物质粉末和树脂的复合材料。对所得到的复合材料的磁特性进行测试。
[0136]作为原材料磁性物质粉末，准备了纯铁粉末(Fe含量为99.5质量％以上)、Fe-Si合金粉末(Si含量为6.5质量％，余量为铁和不可避免的杂质)。此外，作为用作粘结剂的树月旨，每个样品都使用了环氧树脂。
[0137](样品N0.1-1 至 N0.1-3、N0.1-100、N0.1-200:纯铁粉末 < 铁合金粉末)
[0138]在制备样品N0.1-1至N0.1-3, N0.1-100, N0.1-200的复合材料时，作为纯铁粉末(此处为具有由磷酸盐制成的绝缘覆层的被覆粉末)和Fe-Si合金粉末(此处为无绝缘覆层的粉末)，制备了粒径不同的粉末。使用市售可得的仪器(麦奇克(MiciOtrac)粒径分布分析仪MT3300，由NIKKIS0 C0.，LTD.制造)对各粉末的粒径分布进行测定，这些仪器利用了激光衍射和散射。在所得到的粒径分布的柱状图中，对于纯铁粉末，其众数粒径(mode)为54 μ m并且高频率粒径为48 μ m至57 μ m ;而对于Fe-Si合金粉末，其众数粒径为141 μ m并且高频率粒径为125 μ m至176 μ m。需要注意的是，由于绝缘覆层的厚度为约0.1 μ m以下并且极薄，因此其基本上不会影响被覆粉末的粒径。因此，将被覆粉末的粒径视为磁性物质粉末的粒径。制备了纯铁粉末、Fe-Si合金粉末和树脂(在复合材料中的含量为50体积％)，使得每种粉末相对于整体复合材料的含量为如表I所示的量(体积百分比)，并且得到了将在后面描述的具有足够大尺寸的复合材料来制造样品。需要注意的是，使用上述方式利用各粉末截面的显微镜观察图像进行圆度(最大直径/圆当量直径)的测定(测量的颗粒的数目为1000以上)，结果为，纯铁粉末的圆度为1.9并且Fe-Si合金粉末的圆度为1.1。
[0139](样品N0.1-1UN0.1-12、N0.1-110、N0.1-210:铁合金粉末〈纯铁粉末)
[0140]在制备样品N0.1-1UN0.1-12,N0.1-110,N0.1-210的复合材料时，作为纯铁粉末和Fe-Si合金粉末，制备了粒径不同于样品N0.1-1和其他样品的粉末(此处，均为没有绝缘覆层的粉末)。使用与样品N0.1-1和其他的样品相似的方法对每种粉末的粒径分布和圆度进行检测。对于纯铁粉末，其众数粒径为65 μ m并且高频率粒径为62 μ m至74 μ m，圆度为1.5 ;而对于Fe-Si合金粉末，其众数粒径为30 μ m,并且高频率粒径为26 μ m至34 μ m，圆度为1.4。制备了纯铁粉末、Fe-Si合金粉末和树脂(在复合材料中的含量为50体积％)，使得每种粉末相对于整体复合材料的含量为如表2所示的量(体积百分数)，并且得到了与样品N0.1-1和其他样品尺寸类似的复合材料。
[0141]通过混合所制备的磁性物质粉末和树脂来制得混合物。将混合物填充于预定形状的模具组件中。之后，树脂固化得到了复合材料。此处，制备了外径为Φ34πιπι、内径为Φ20πιπι、并且厚度为5mm的环形样品作为用以测试磁特性的样品。此外，制备了直径为Φ 50mm并且厚度为5mm的盘形样品作为用于测试散热特性的样品。
[0142]对于所得到的各复合材料，测量饱和磁通密度、相对磁导率和铁芯损耗。饱和磁通密度应当为通过下述方法得到的饱和磁通密度:通过使用电磁体对环形复合材料施加IOOOO(Oe) (=795.8kA/m)的磁场，使得该复合材料完全磁饱和。相对磁导率按照下列方法进行测定。对各环形复合材料，将线材在初级侧缠绕300匝，并在二级侧缠绕20匝。在H=O (Oe)至IOO(Oe)的范围内对B-H初始磁化曲线进行测定。得到了 B-H初始磁化曲线的B/H最大值，该最大值即确定为相对磁导率μ。需要注意的是，此处的磁化曲线是指所谓的DC磁化曲线。铁芯损耗是按照下述方法使用环形复合材料进行测定的。使用BH曲线描绘仪，在励磁磁通密度Bm为IkG (=0.1Τ)且测量频率为IOkHz下测定磁滞损耗Wh (W/m3)和润流损耗We (W/m3),并且基于磁滞损耗Wh+润流损耗We来计算铁芯损耗(W/m3)。另外,利用温度梯度法来测定所得到的盘形复合材料的热传导率。测定结果如表I和2所示。
[0143]将树脂成分从所得到的样品N0.1-1至N0.1-3,N0.1-11和N0.1-12的复合材料中除去，以得到磁性物质粉末。按照与上述类似的方式，利用激光衍射和散射对所得到的磁性物质粉末的粒径进行分析。在柱状图中，样品N0.1-1至N0.1-3在54 μ m和141 μ m的点上均具有峰，而样品N0.1-11和N0.1-12在30 μ m和65 μ m的点上均具有峰。换言之，在各复合材料的磁性物质粉末的粒径分布中均存在多个峰，基本上保持了作为原材料的粉末的粒径分布。
[0144][表 I]
[0145]
【权利要求】
1.一种复合材料，其含有磁性物质粉末和含有所述粉末的树脂，其中所述粉末分散在所述树脂中，其中 所述磁性物质粉末包含分别由相对磁导率不同的多种材料制成的粉末。
2.根据权利要求1所述的复合材料,其中 所述磁性物质粉末包含纯铁粉末。
3.根据权利要求1和2中任意一项所述的复合材料，其中 所述磁性物质粉末包含铁合金粉末。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的复合材料，其中 所述磁性物质粉末中包含的所述纯铁粉末所占的比例最大。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的复合材料，其中 在所述磁性物质粉末的粒径分布中存在多个峰，并且 所述峰中的至少两个峰为分别由相对磁导率不同的材料制成的粉末的峰。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的复合材料，其中 在所述磁性物质粉末的粒径分布中存在多个峰，并且 所述峰中显示出具有最小粒径的峰的粉末为所述纯铁粉末。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的复合材料，其中 在所述磁性物质粉末的粒径分布中存在多个峰，并且 所述峰中显示出具有最小粒径的峰的粉末为所述铁合金粉末。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的复合材料，其中 所述复合材料含有由至少一种材料制成的非磁性物质粉末，并且在由所述磁性物质粉末和所述非磁性物质粉末形成的混合粉末的粒径分布中，所述非磁性物质粉末的峰出现处的最大粒径小于所述磁性物质粉末的峰出现处的最小粒径。
9.根据权利要求8中所述的复合材料，其中 所述非磁性物质粉末的峰出现处的最大粒径为所述磁性物质粉末的峰出现处的最小粒径的1/3以下。
10.根据权利要求8和9中任意一项所述的复合材料，其中 所述非磁性物质粉末的峰出现处的粒径为20 μ m以下。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的复合材料，其中 所述磁性物质粉末包含被覆粉末，该被覆粉末包括磁性物质颗粒和包覆各个所述磁性物质颗粒的外周的绝缘覆层。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的复合材料，其中 所述磁性物质粉末相对于所述复合材料整体的总含量为30体积％以上70体积％以下。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的复合材料，其中 所述复合材料的饱和磁通密度为0.6T以上。
14.根据权利要求1至13中任意一项所述的复合材料，其中 所述复合材料的相对磁导率为5至20。
15.根据权利要求1至14中任意一项所述的复合材料，其中 所述复合材料包含由至少一种材料制成的非磁性物质粉末，并且 所述非磁性物质粉末相对于所述复合材料整体的总含量为0.2质量％以上。
16.根据权利要求1至15中任意一项所述的复合材料，其中 构成所述磁性物质粉末的各个颗粒的圆度为1.0以上2.0以下。
17.一种电抗器用磁芯，由根据权利要求1至16中任意一项所述的复合材料制成。
18.一种电抗器，包括线圈和其中设置有该线圈的磁芯，其中 所述磁芯的至少一部分是由根据权利要求1至16中任意一项所述的复合材料制成的。
19.一种电抗器，包括线圈和其中设置有该线圈的磁芯，其中 在所述磁芯中，设置于由卷绕线制成的筒状线圈内部的部分中的至少一部分由粉末磁芯制成，并且设置于所述线圈外部的部分中的至少一部分由根据权利要求1至16中任意一项所述的复合材料制成。
20.一种电抗器，包括线圈和其中设置有该线圈的磁芯，其中 在所述磁芯中，设置于由卷绕线制成的筒状线圈内部的部分中的至少一部分由根据权利要求I至16中任意一项所述的复合材料制成，并且设置于所述线圈外部的部分中的至少一部分由粉末磁芯制成。
21.一种转换器，包括开关元件、控制该开关元件运行的驱动电路、以及使该开关运行平稳的电抗器，通过所述开关元件的运行来转换输入电压，其中 所述电抗器为根据权利要求18至20中任意一项所述的电抗器。
22.—种功率转换器装 置，包括转换输入电压的转换器、以及与该转换器相连以实现直流电和交流电之间相互转换的逆变器，通过所述逆变器的转换得到的功率来驱动负载，其中 所述转换器为根据权利要求21所述的转换器。
【文档编号】H01F37/00GK103430250SQ201280012862
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年3月7日 优先权日:2011年3月24日
【发明者】稻叶和宏, 前田彻 申请人:住友电气工业株式会社