JP2006344867A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】ギャップに起因する諸問題を解消又は軽減することができるリアクトルコアを提供する。
【解決手段】このリアクトル１は、略トロイダル形状のコア３と、コア３の外周に設けられたコイル５，７とを備えて構成されており、ハイブリッド車又は電気自動車の駆動用の電源系統に用いられる。コア３は、平面視略Ｕ字形の２つの磁性体１１，１３を接合して構成されており、ギャップを介挿しない構成となっている。磁性体１１，１３の材料としては、低透磁率及び低保磁力を実現すべく、また成形容易性の観点から、高異方性ナノ結晶材料等を用いた圧粉磁性材料が用いられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、略トロイダル形状のコアを有し、ハイブリッド車又は電気自動車（本願においては燃料電池車も含む）の駆動用の電源系統に用いられるリアクトルに関する。

従来のリアクトルとしては、コア材料に珪素鋼板を用い、透磁率調節用のセラミック製のギャップを複数介挿したものがある（例えば、特許文献１）。このようなリアクトルでは、ハイブリッド車等の駆動電源系統の高出力に対応するためには、高透磁率の珪素鋼板製のコアの透磁率を下げ、コアを磁気飽和しにくくする必要があり、多数（例えば６箇所）のギャップを分散してコアに介挿している。

特開２００４−９５５７０号公報

しかしながら、上記のような多数のギャップをコアに介挿する構成では、ギャップに起因する漏れ磁束が増加するという問題がある。漏れ磁束は、周辺回路に対するノイズ源になるとともに、周辺の導体に渦電流を誘発し、鉄損を増大させる原因となる。

また、多数のギャップを設ける構成では、コアを多数の部分に分割する必要があるため、コアの組立コストが嵩むとともに、駆動時に各ギャップ部においてギャップと磁性体とが衝突、離反することにより騒音が発生しやすいという問題もある。

そこで、本発明の解決すべき課題は、ギャップに起因する諸問題を解消又は軽減することができるリアクトルコアを提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明では、ハイブリッド車又は電気自動車の駆動用の電源系統に用いられるリアクトルであって、圧粉磁性材料により形成され、ギャップが介挿されていない略トロイダル形状のコアと、前記コアの外周に設けられたコイルとを備える。

また、請求項２の発明では、ハイブリッド車又は電気自動車の駆動用の電源系統に用いられるリアクトルであって、磁性体部分が圧粉磁性材料により形成され、ギャップが１又は２箇所に介挿されている略トロイダル形状のコアと、前記コアの外周に設けられたコイルとを備える。

また、請求項３の発明では、請求項２の発明に係るリアクトルにおいて、前記ギャップは、前記コアの前記コイルよって覆われる部分に介挿されている。

また、請求項４の発明では、請求項１ないし３のいずれかの発明に係るリアクトルにおいて、前記圧粉磁性材料としてナノ結晶材料が用いられている。

請求項１に記載の発明によれば、材料の選択により透磁率の調節が比較的容易な圧粉磁性材料を用いてコアを形成することにより、ギャップのないコアを形成しているため、ギャップに起因する諸問題（漏れ磁束、高コスト化、騒音等）を解消することができる。

請求項２に記載の発明によれば、材料の選択により透磁率の調節が比較的容易な圧粉磁性材料を用いてコアの磁性体部分を形成することにより、ギャップ挿入箇所を１又は２箇所に抑制したコアを形成しているため、ギャップに起因する諸問題（漏れ磁束、高コスト化、騒音等）を低減することができる。

請求項３に記載の発明によれば、ギャップがコアのコイルよって覆われる部分に介挿されているため、ギャップでの漏れ磁束を効果的に抑制することができる。

請求項４に記載の発明によれば、圧粉磁性材料としてナノ結晶材料を用いているため、低透磁率かつ低保磁力のコアを容易に形成することができる。

＜第１実施形態＞
図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係るリアクトルの平面図及び側面図である。このリアクトル１は、図１及び図２に示すように、略トロイダル形状（例えば、略矩形トロイダル形状）のコア３と、コア３の外周に設けられたコイル５，７とを備えて構成されており、ハイブリッド車又は電気自動車の駆動用の電源系統に用いられる。

コア３は、平面視略Ｕ字形の２つの磁性体１１，１３を接合（例えば、接着剤等により接合する）して構成されており、ギャップを介挿しない構成となっている。

磁性体１１，１３の材料としては、低透磁率及び低保磁力を実現すべく、また成形容易性の観点から圧粉磁性材料が用いられている。ここで、低透磁率は、ハイブリッド車等の駆動電源系統の高出力により、コア３が磁気飽和しないようにするために必要な特性である。また、低保磁力は、コア３の鉄損（ヒステリシス損）を抑制するために必要な特性である。例えば、コア３は、透磁率の観点からは、その比透磁率μ_rが次の関係式（１）を満たすように材料及びギャップ挿入数（本実施形態では、ギャップは挿入しない）が決定される。なお、式（１）において、ｌはコア３の磁路長であり、Ｌはリアクトル１のインダクタンスであり、μ₀は真空の透磁率であり、Ｎはコイル５，７の巻数であり、Ｓはコア３の断面積である。

圧粉磁性体とは、金属磁性粉末、又は所定の絶縁被膜で覆った金属磁性粉末を樹脂で結合したものであり、圧粉磁性材料を所定の成型用の型に充填して加圧、圧縮した後、加熱処理することにより形状形成される。このため、圧粉磁性体は、成形が容易であるという利点と、材料選択の自由度により磁気特性（透磁率及び保磁力等）の制御が容易であるという利点がある。

また、低透磁率及び低保磁力を実現する圧粉磁性材料の具体例としては、金属磁性粉末にナノ結晶材料（特に異方性ナノ結晶材料）を用いたもの、圧粉磁性体中の金属粒子間の絶縁膜（又は絶縁層）の膜厚を隣合う粒子内の磁気モーメント同士の相互作用が働かない距離を保持する極薄膜（例えば、膜厚を１０ｎｍ〜１μｍにする）にしたもの、及び結合用の樹脂材料の割合を増加させたものなどが考えられる。なお、絶縁材料としては、高電気抵抗を示し、かつ変形追従性のよい非結晶材料（ガラス、リン酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩等）が挙げられる。

ナノ結晶材料は、結晶サイズがナノサイズになっている金属磁性粉末であり、組成的には、強磁性元素（Fe,Co,Ni等）と、アモルファス化促進元素（O,N,B,Nb等）と、アモルファス化促進元素と化合しやすい元素（Si,Al,希土類等）との組合せ材となっている。異方性を大きくして、透磁率を下げるには、(Fe-Co)-(Si,B）の組み合わせにおいてFeに対するCoの比率を大きくすることがあげられる。ナノ結晶材料の製造は、急冷法（アトマイズ、メルトスパン）で作製した非結晶粉末又は薄帯を熱処理するときに結晶サイズがナノサイズになるように調整する方法が一般的である。具体的な材料例としては、例えば日立金属のファインメット（Fe-Si-B-Nb-Cu）（商品名）等があげられる。

圧粉磁性材料に異方性ナノ結晶材料を用いることで低透磁率の磁性体１１，１３が形成できる点（原理等）については、通常の磁性材料と同様に、磁気異方性を増大させることにより低透磁率を実現している。ただし、通常の磁性材料では磁気異方性が大きくなるにつれて保磁力も増大するのであるが、ナノ結晶材料ではその結晶粒径の特殊性により高異方性でかつ低保磁力が実現できるようになっている。より詳細には、ナノ結晶はアモルファスと異なって結晶構造が存在するため、磁気異方性を発揮し、その磁気異方性を大きくすることで低透磁率が実現できるようになっている。また、通常保磁力は結晶粒径が小さくなってゆくのに伴って増大するが、１００ナノ以下の微細な結晶粒径になると、粒径が小さいほど保磁力が小さくなる傾向に変わるため、この領域に結晶粒径を設定することにより低保磁力を実現している。

また、圧粉磁性体中の金属粒子間の絶縁膜（又は絶縁層）の膜厚を極薄膜にすることで低透磁率及び低保磁力を実現できる点（原理等）については、絶縁膜の膜厚を金属粒子同士の接触点（絶縁の破壊点）を抑制しつつ極薄化（反磁界の影響が無視できる程度に薄くする）すること、金属粒子同士の接触点が減ることにより低透磁率が実現し、反磁界の影響を抑制することにより低保磁力が実現できるようになっている。

コイル５，７は、平角線又は丸線を用いて構成されており、磁性体１１，１３の接合部を外囲するようして、コア３の対向する２辺の外周にそれぞれ装着されている。

以上のように、本実施形態によれば、材料の選択により透磁率の調節が比較的容易な圧粉磁性材料を用いてコア３の磁性体１１，１３を形成することにより、ギャップのないコア３を形成しているため、ギャップに起因する諸問題（漏れ磁束、高コスト化、騒音等）を解消することができる。

また、圧粉磁性材料として異方性ナノ結晶材料等を用いていることにより、低透磁率かつ低保磁力のコア３を容易に形成することができる。

＜第２実施形態＞
図３は本発明の第２実施形態に係るリアクトルの平面図であり、図４は図３のリアクトルのコアを分解した図である。本実施形態に係るリアクトル２１が上述の第１実施形態に係るリアクトル１と実質的に相違する点は、コア２３にギャップ２５，２６を挿入した点及びその関連ポイントのみであり、互いに対応する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るリアクトル２１では、図３及び図４に示すように、コア２３の磁性体１１，１３の接合部にギャップ２５，２７を１つそれぞれ介挿しており、これによって、ギャップ２５，２７によるコア２３の透磁率の微調整を行っている。すなわち、本実施形態では、磁性体１１，１３の圧粉磁性材料の選択によってコア２３の透磁率の大まかな調整を行っておくことにより、ギャップ２５，２７の挿入数を最小限に抑えている。なお、変形例として、ギャップ２５，２７の挿入箇所を１箇所にしてもよい（この場合、磁性体１１，１３のいずれか一方の腕部の長さを左右非対称に調節する必要がある）。

磁性体１１，１３に用いる圧粉磁性材料としては、第１実施形態と同様な材料が用いられる。

ギャップ２５，２７は、例えば厚みが約１ｍｍ（又は約１ｍｍ以下）に設定され、セラミック等により形成される。磁性体１１，１３とギャップ２５，２７との接合部は、例えば接着剤等により接着される。

コイル５，７は、コア２３のギャップ２５，２７が介挿される部分を外囲するようして、コア２３の対向する２辺の外周にそれぞれ装着されている。

以上のように、本実施形態によれば、材料の選択により透磁率の調節が比較的容易な圧粉磁性材料を用いてコア２３の磁性体１１，１３を形成することにより、ギャップ挿入箇所を２箇所に抑制したコア２３を形成しているため、ギャップ２５，２７に起因する諸問題（漏れ磁束、高コスト化、騒音等）を低減することができる。

また、ギャップ２５，２７がコア２３のコイル５，７よって覆われる部分に介挿されているため、ギャップ２５，２７での漏れ磁束を効果的に抑制することができる。

また、圧粉磁性材料として異方性ナノ結晶材料等を用いていることにより、低透磁率かつ低保磁力のコア２３を容易に形成することができる。

本発明の第１実施形態に係るリアクトルの平面図である。 図１のリアクトルの側面図である。 本発明の第２実施形態に係るリアクトルの平面図である。 図３のリアクトルのコアを分解した図である。

符号の説明

１ リアクトル
３ コア
５，７ コイル
１１，１３ 磁性体
２１ リアクトル
２３ コア
２５，２７ ギャップ

Claims (4)

1. ハイブリッド車又は電気自動車の駆動用の電源系統に用いられるリアクトルであって、
   圧粉磁性材料により形成され、ギャップが介挿されていない略トロイダル形状のコアと、
   前記コアの外周に設けられたコイルと、
   を備えることを特徴とするリアクトル。
2. ハイブリッド車又は電気自動車の駆動用の電源系統に用いられるリアクトルであって、
   磁性体部分が圧粉磁性材料により形成され、ギャップが１又は２箇所に介挿されている略トロイダル形状のコアと、
   前記コアの外周に設けられたコイルと、
   を備えることを特徴とするリアクトル。
3. 請求項２に記載のリアクトルにおいて、
   前記ギャップは、前記コアの前記コイルよって覆われる部分に介挿されていることを特徴とするリアクトル。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のリアクトルにおいて、
   前記圧粉磁性材料としてナノ結晶材料が用いられていることを特徴とするリアクトル。

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