JP2008130945A

JP2008130945A - 直流リアクトル

Info

Publication number: JP2008130945A
Application number: JP2006316418A
Authority: JP
Inventors: Takao Yabumi; 崇生藪見; Kazuhiro Obara; 一浩小原; Koji Tsuru; 弘二鶴
Original assignee: KURETAKE DENKO KK; Daido Steel Co Ltd
Current assignee: KURETAKE DENKO KK; Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】特性安定性を確保しつつ、広い電流範囲で安定かつ十分大きなインダクタンスを得ることができる。
【解決手段】環状の磁心１に形成されたギャップ１３内に、磁芯１に巻回されたコイル３により生じる磁束に対して反対方向の磁束を生じるような永久磁石２を挿置し、永久磁石２として、その残留磁束密度が磁心１の飽和磁束密度の２５％以上でかつ保磁力が７９６ｋＡ／ｍ以上の磁気特性を有するものを使用する。上記永久磁石２としては、Ｓｍ−Ｃｏ系ボンド磁石、あるいはＲ［２０-３５wt％］−Ｆｅ，Ｃｏ［６３-７２wt％］−Ｂ［１．２wt％以下］系（ＲはＬａ系の希土類元素）の希土類ボンド磁石を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明はＤＣ−ＤＣコンバータやフィルタ等に使用される直流リアクトルに関し、特に直流重畳特性を改良し、小型化を図った直流リアクトルに関する。

この種の直流リアクトルでは、広い電流範囲で安定したインダクタンスを有する、直流重畳特性の良いものが望まれている。従来は直流リアクトルの環状磁芯の途中にギャップを形成してこの部分で磁気抵抗を増大させることにより、電流に対するＬ感度を低減させて直流重畳特性の改良を図っている。上記ギャップへの充填材としては従来、ガラスエポキシ等の絶縁材料が多用されている。また、特許文献１では、永久磁石を用いたリアクトルが提案されている。ここでは、界磁磁束に対して反対方向に永久磁石の磁束が印加される（磁石バイアス）ため、広い電流範囲で磁芯（コア）の飽和を回避できる。これにより、従来の直流リアクトルと同じ大きさであっても、広い電流範囲で安定かつ十分大きなインダクタンスを得ることができる。

なお、特許文献２には、磁芯に巻回されたコイルによって生じる磁束に対して、反対方向の磁束を生じるような永久磁石を直流リアクトルのギャップに挿置して、バイアス効果による直線的な可変インダクタンスを得るようにしたものが示されている。
特公昭４６−３７１２８特開２００４−５５７３４

しかし、直流リアクトル（特に、大電流、大インダクタンスが要求される直流リアクトル）では、実用上要求される１３０℃での耐熱性、低損失、３９８ｋＡ／ｍ以上の反磁界下などでの特性安定性（磁気特性安定性）がギャップ材に要求される。よって、保磁力の低いフェライト磁石を用いた場合、熱、反磁界による減磁のため、特性安定性を確保できない。また、保磁力の高い焼結Ｎｄ磁石を用いた場合、磁石の電気抵抗が低いため、大きな損失、発熱が生じる。以上のことから、従来の技術では、直流リアクトルにおいて特性安定性を確保することが難しいという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、特性安定性を確保しつつ、広い電流範囲で安定かつ十分大きなインダクタンスを得ることができる直流リアクトルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、環状の磁芯（１）に形成されたギャップ（１３）内に、磁芯（１）に巻回されたコイル（３）により生じる磁束に対して反対方向の磁束を生じるような永久磁石（２）を挿置し、前記永久磁石（２）として、その残留磁束密度が磁芯（１）の飽和磁束密度の２５％以上でかつ保磁力が７９６ｋＡ／ｍ以上の磁気特性を有するものを使用する。上記永久磁石（２）としては、Ｓｍ−Ｃｏ系ボンド磁石、あるいはＲ［２０-３５wt％］−Ｆｅ，Ｃｏ［６３-７２wt％］−Ｂ［１．２wt％以下］系（ＲはＬａ系の希土類元素）の希土類ボンド磁石が使用できる。

本発明においては、磁石バイアスの効果によって広い電流範囲で安定かつ大きなインダクタンスを得ることができるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ等に好適に利用可能となる。また、直流リアクトルにおけるコアの断面積を小さくしてもガラスエポキシ等の絶縁材料によるギャップ材を使用したものと同等のインダクタンスを得ることができる。

なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以上のように、本発明の直流リアクトルによれば、ギャップ材に高い反磁界耐力を有する高保磁力磁石でバインダーなどにより十分高い電気抵抗がある磁石を用いることにより、直流リアクトル（特に、大電流、大インダクタンスが要求される直流リアクトル）において、特性安定性を確保しつつ、広い電流範囲で安定かつ十分大きなインダクタンスを得ることができる。

本発明の直流リアクトルＤＲの構造の一例を図１に示す。直流リアクトルＤＲの磁芯１は、略長方形環状体を対称形に切断して一対のコア部１１，１２とした磁路の断面が２５ｍｍ×１６ｍｍであり平均磁路長が２２７ｍｍあるカットコアで構成されており、両コア部１１，１２の対向面間にはそれぞれ１ｍｍ幅のギャップ１３が形成されて、ここに永久磁石としてのボンド磁石２が挿入接合されている。カットコアの各コア部１１，１２は０．１ｍｍ厚の６．５％Ｓｉ−Ｆｅ板を積層したものである。なお、Ｓｉ−Ｆｅ板を巻回したものを用いても良い。ボンド磁石２は厚みが１ｍｍと、従来のガラスエポキシ等の絶縁材料の厚みと同じ１ｍｍ、縦横がそれぞれ２５ｍｍ、１６ｍｍの直方体である。一方、互いに直列に接続されたコイル部３１，３２で構成されたコイル３が磁芯１に巻回されており、これらコイル部３１，３２は各ボンド磁石２を覆っている。各コイル部３１，３２により生じる磁束（図１中の破線矢印）はボンド磁石２による磁束（図１中の実線矢印）とは反対方向となっている。

上記直流リアクトルＤＲは例えば図２にその回路図を示すような昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに使用される。図２において、直流リアクトルＤＲのコイル３はその一端が直流定電圧Ｖinの入力端Ｔ１に接続されており、その他端にはアース端Ｔ２との間にスイッチング素子４１が接続されて、数ＫＨｚ〜数ＭＨｚで開閉作動させられる。上記コイル３の印加電流Ｉinはダイオード４２を経てコンデンサ４３に蓄積され平滑化されて、直流電圧Ｖoutとして出力端Ｔ３に出力される。この時のＶoutとＩinの関係を下式（１）に示す。式（１）中、ｆはスイッチング周波数、Ｎは磁芯１に巻回されたコイル３の巻数、Ａは磁芯１の断面積、Ｌは上記コイル３のインダクタンスである。ここで、Ｎ、Ａは一定の値であり、Ｌの値を広い電流範囲に亘って安定かつ大きな値とする必要がある。

Ｖout＝４・ｆ・Ｎ・Ａ・Ｌ・Ｉin …（１）

ボンド磁石２として、その残留磁束密度が磁芯１の飽和磁束密度の２５％以上でかつ保磁力が７９６ｋＡ／ｍ以上の磁気特性を有するものを使用すると、コイルインダクタンスＬの値を広い電流範囲にわたって安定かつ大きな値に保持できる。このようなボンド磁石２としては、Ｓｍ−Ｃｏ系ボンド磁石、あるいはＲ［２０-３５wt％］−Ｆｅ，Ｃｏ［６３-７２wt％］−Ｂ［１．２wt％以下］系（ＲはＬａ系の希土類元素）の希土類ボンド磁石が使用できる。Ｌａ系の希土類元素Ｒは、例えばＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕである。これは、ランタノイド系希土類元素−鉄−ボロン系材料により磁気特性の良好な異方性磁石が得られるからである。

図３は横軸に磁界の強さを、縦軸に磁束密度をとって、各種ボンド磁石のヒステリシス曲線を示したもので、図中、線ａは磁石材料Ａ、線ｂは磁石材料Ｂ、線ｃは磁石材料Ｃ、線ｄは磁石材料Ｄ、線ｅはＳｍＣｏ系の各ボンド磁石である。ここで、各磁石材料Ａ〜Ｄの組成は表１に示すものである。これらのボンド磁石はいずれも残留磁束密度が磁芯１の飽和磁束密度の２５％（図３のＫ点）以上あり、かつ保磁力も７９６ｋＡ／ｍ（図３のＬ点）以上ある。

上記各ボンド磁石のうち磁石材料Ａ〜磁石材料Ｄを使用した場合の直流リアクトルＤＲの直流重畳特性は、図４に示すようなものになる。なお、図４中、線ｗは磁石材料Ａ、線ｘ１、ｘ２は磁石材料Ｂ、線ｙは磁石材料Ｃ、線ｚは磁石材料Ｄのものである。また、図４中、横軸は磁界の強さ（ＡＴ）で、コイル３の巻数Ｎ（例えば６０ターン）を一定にすれば電流に比例する。縦軸はＡＬ値（μＨ／Ｎ²）で、コイルの巻数Ｎを一定にすればコイルインダクタンスに比例する。なお、印加電流Ｉinの交流分は１０ＫＨｚ、リップル０．１Ａrmsであった。

図４より明らかなように、磁石材料Ａ〜磁石材料Ｄを使用した直流リアクトルは従来のガラスエポキシ材（線ｍ）を使用したものに比してコイルインダクタンスが広い電流範囲に亘って安定かつ大きな値に保持されている。なお、線ｘ１は磁石材料Ｂを使用した雰囲気温度２５℃のもの、線ｘ２（同じく磁石材料Ｂを使用）は直流リアクトルに通常要求される使用最大温度の雰囲気温度１３０℃のものであり、広い温度範囲にわたって特性が良好に保たれていることがわかる。これは磁石材料Ａ，Ｃ，Ｄについても同様である。

これに対して、図３のヒステリシス曲線において保磁力が７９６ｋＡ／ｍ以下の、Ｓｍ−Ｃｏ系ボンド磁石（組成は表１の磁石材料ｆを参照）を使用したもの（図３の線ｆ）では、図５の線ｘに示すように、電流の大きい領域ではコイルインダクタンスが、ガラスエポキシ材を使用したもの（線ｍ）よりも大きく低下してしまう。

本発明の直流リアクトルの構造の一例を示す概略断面図である。本発明の直流リアクトルを使用したＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。各種ボンド磁石のヒステリシス曲線を示すグラフである。本実施例におけるボンド磁石の直流重畳特性を示すグラフである。比較例におけるボンド磁石の直流重畳特性を示すグラフである。

符号の説明

１…磁芯、１３…ギャップ、２…ボンド磁石（永久磁石）、３…コイル。

Claims

環状の磁芯に形成したギャップ内に、磁芯に巻回されたコイルにより生じる磁束に対して反対方向の磁束を生じるような永久磁石を挿置し、前記永久磁石として、その残留磁束密度が磁芯の飽和磁束密度の２５％以上でかつ保磁力が７９６ｋＡ／ｍ以上のものを使用したことを特徴とする直流リアクトル。
前記永久磁石として、Ｓｍ−Ｃｏ系ボンド磁石、あるいはＲ［２０-３５wt％］−Ｆｅ，Ｃｏ［６３-７２wt％］−Ｂ［１．２wt％以下］系（ＲはＬａ系の希土類元素）の希土類ボンド磁石を使用した請求項１に記載の直流リアクトル。