JP2009117442A - 複合リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】磁気特性を劣化させることなく、生産性に優れた、特にハイブリッド自動車のモータコアとして最適なリアクトルを提供する。
【解決手段】積層磁心形状を有する複合リアクトルである。巻き線を施す脚部にはSi：3.5〜７％を含有する方向性電磁鋼板を、ヨーク部には、圧粉磁心、焼結磁心、無方向性電磁鋼板のいずれか一つをそれぞれ用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ハイブリッド自動車の大出力の電気モータを駆動するような電源回路に用いられるリアクトルに関するものである。

磁性部品であるトランスやリアクトルには、高磁束密度でかつ低鉄損な鉄心材料が求められている。その中でも、特に、太陽光発電、エアコン、ハイブリッド車、燃料電池、無停電電源装置を始めとする各種産業機器電源に用いられるパワー系インバータ、コンバータ電源は近年高周波化が進んでおり、トランスやリアクトル用鉄心材料として極薄けい素鋼板やフェライト、アモルファス、パーマロイ、ダストコア（圧粉磁心）が用いられている。
しかしながら、使用される状況も環境もさまざまである上、それぞれの鉄心材料には一長一短があるため、一つの鉄心材料があらゆるトランス、リアクトルに対して最高のコストパフォーマンスを発揮することは難しい。

中でも、最近、急速に普及しはじめたハイブリッド自動車では、大出力の電気モータを有しており、これを駆動する電源回路には高電圧大電流に耐えるリアクトルが必要である。また、駆動周波数は概ね１ｋHz以上である。
さらに、ハイブリッド自動車に用いられる上記リアクトルに対しては、上記に加え、小型化、低騒音化、低損失化の要求が強く、リアクトルに用いられる磁心材の磁気特性としては、高い飽和磁束密度Bｓと適切な範囲の透磁率μｒが要求される。
このような事情に絡んで、ハイブリッド車に使われる比較的高周波大電流のリアクトルの磁心となる材料は限られている。
特許文献１では、最大比透磁率５００以上の磁性体よりなる高透磁率磁心部と、磁性粉末と絶縁材を含む複数の圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部間に設けられたギャップより構成される環状の複合磁心が開示されている。
しかしながら、特許文献１では、高透磁率磁心部には巻磁心（巻きコアともいう）を使用している。そのため、量産性、生産性が悪い。巻きコアを特許文献１のような形状でリアクトルの磁心として用いようとする場合、まず箔帯を必要幅にスリットしたのち必要に応じて皮膜塗布し、次いで、巻き加工、適切な熱処理、ワニス含浸、ギャップ部の切断作業を行う。このように工程数が多いため、量産性が悪く、スリット加工費と巻き工数、ギャップ部の切断加工費が嵩み高価となる。特に、材料が板厚0.025ｍｍのアモルファス（鉄系非晶質磁性体、鉄系アモルファス）のように薄い場合はこの傾向が顕著である。
また、大電流用のリアクトル磁心には、飽和磁束密度Bsの高い磁性材が用いられるのが一般的で透磁率も比較的高い。そのため、空隙（ギャップともいう）を設ける必要がある。しかし、ギャップでは磁束が磁路の外側に漏れ出るフリンジング磁束が生じるため、ギャップ近傍の磁心側面および巻線には渦電流が生じ、磁心損失や銅損が大幅に増大する問題点がある。これは特許文献１においても発生する問題である。
これに対して、磁心損失や銅損を少なくするために、所定のギャップを設定する際には、ギャップの数を増やしそれぞれのギャップ長を短くすることが通常行われるが、この作業は作業性が悪く加工コストの大幅アップとなってしまう。
特開２００７−１２６４７号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、磁気特性を劣化させることなく、生産性に優れた、特にハイブリッド自動車のモータコアとして最適なリアクトルを提供することを目的とする。

高周波（２〜１００ｋＨｚあたり）において、優れた磁気特性（高い磁束密度と適切な範囲の透磁率）を得るためには、磁心材として、Si：３．５〜７％含有する方向性電磁鋼板（以下、方向性高けい素鋼板と称す）を用いることが好ましい。
ここで、一般的には、方向性電磁鋼板は巻きコアの状態で使用されている。その理由は、方向性電磁鋼板は磁気特性上異方性をもっており、使用する上で特性の悪い方向を有するためである。従って、積層コアとして用いた場合は、隅の部分の鉄損が高くなる問題がある。巻きコアの状態で磁心材に使用した場合は、このような特性上の問題はないものの前述のように量産性が悪い。
そこで、これらを受けて、本発明では、方向性高けい素鋼板を磁心材として使用する事を前提とし、磁気特性を劣化させることなく、生産性をあげるために、種種検討した。そして、以下の知見を得た。
まず、量産性の点から、方向性高けい素鋼板を巻きコアではなく積層コアの状態で使用することとする。
そして、積層コアとして用いた場合の鉄損の問題に対しては、リアクトルの磁気回路を考慮し、それぞれの磁心部位に最適な鉄心材料を充てることで解決できないかと考えた。そうしたところ、方向性と無方向性の組み合わせでリアクトルを構成する、具体的には、脚部に方向性高けい素鋼板を、ヨーク部に無方向性の材料である圧粉磁心、焼結磁心、無方向性電磁鋼板のいずれか一つを充てることで、各磁心材の特徴を最大限に活かしつつ、磁気特性および量産性に優れたリアクトルが得られることを見出した。
本発明は、以上の見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
積層磁心形状を有する複合リアクトルであり、巻き線を施す脚部にはSi：３．５〜７％を含有する方向性電磁鋼板を、ヨーク部には、圧粉磁心、焼結磁心、無方向性電磁鋼板のいずれか一つを用いてなる複合リアクトルである。

本発明によれば、磁気特性および量産性に優れたリアクトルが得られる。特に高周波領域で優れた特性を有するため、ハイブリッド自動車、UPS、太陽光、風力発電、燃料電池や産業インバータに用いられるリアクトルコアとして好適である。

以下に、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態であるリアクトルを示す図である。図１において、１は脚部、２はヨーク部、３は巻き線である。図１によれば、リアクトルはSiを6.5％含有する方向性電磁鋼板とSiを3.2％含有する無方向性電磁鋼板との組み合わせから構成され、ヨーク部２ではSiを3.2％含有する無方向性電磁鋼板が、脚部１ではSiを6.5％含有する方向性電磁鋼板が用いられている。図１によれば、脚部１では一方向に対して最も優れた高飽和磁束密度と低鉄損特性を有する高けい素方向性電磁鋼板を用い、ヨーク部２のコーナーで発生する回り込み磁界に対しては方向性電磁鋼板よりもむしろ低鉄損特性を発揮する無方向性電磁鋼板を用いることで解消し、そしてこれらを組み合わせて使用することにより、それぞれの有する特徴と欠点をカバーしあい、優れたリアクトル特性（小型化、高効率）を有することとなる。そして、このような構成とすることで、従来と同様の単純形状のブロックコアを使用することが可能となり、方向性電磁鋼板を四角の板の形状で積層して使用する場合に起こる隅の鉄損劣化の問題が解決される。
このように、本発明においては、Si：３．５〜７％を含有する方向性電磁鋼板（方向性高けい素鋼板）を脚部に用いることとする。脚部は、磁束密度が他の部位に比べて高くなり、さらに、巻き線に囲まれて抜熱性の最も悪い部位である。そのようなところに、磁束密度が極めて高くかつ非常に低鉄損な方向性高けい素鋼板は最適といえる。
脚部に用いられる方向性高けい素鋼板としては、例えば、以下からなる鋼板を用いることができる。
板厚は0.05〜0.3mmが好ましく用いられる。板厚をこの範囲とすることで、フリンジング漏れ磁束によって発生する渦電流損失を少なくすることができる。
また、鋼板表層から板厚中心方向にかけてのSi濃度は均一であっても、表層部分と板厚中心部分で濃度差があってもよい。用いられる周波数によって、適宜使い分けられる。例えば、５ｋＨｚあたりでは、鋼板表層から板厚方向にかけてのSi濃度が均一な方向性高けい素鋼板を、１０ｋＨｚを超える領域では、鋼板表層部分と板厚中心部分で濃度差がある方向性高けい素鋼板を用いることが好ましい。特に好ましくは、表層部分と板厚中心部分での濃度差ΔSi＝0.5〜3.5％である。また、磁気特性の観点からは鋼板表層のSi濃度は５〜７％とするのが好ましい。なお、特に低騒音が重要な場合にはSi濃度が均一な方向性けい素鋼板を選択することが望ましく、そのSi濃度は５．５〜７％程度が好ましい。
そして、上記鋼板をリアクトルの磁心材として用いる場合は、まず、脚部のサイズに合わせ鋼板をプレス（切断）加工し、次いで、所定の厚さになるように積層し接着あるいは溶接、テープ巻き固定して磁心材とする。
一方、ヨーク部には回り込み磁界が発生することを考慮して、無方向性のもの、例えば、圧粉磁心、焼結磁心またはSi：１〜７％を含有する無方向性電磁鋼板のいずれかを用いることとする。
用いる圧粉磁心、焼結磁心としては、例えば、純鉄の粉、Siを6〜７％含むFe−6.5％Siで代表されるFe−Si合金粉、Fe−Al合金粉、Fe−Si−Al合金粉、Fe−Ni合金粉、Fe−Co合金粉、非晶質金属磁性粉、微結晶質金属磁性粉、Mn-ZnやNi-Znフェライトなどが挙げられる。これらは各々単独でまたは適宜、組合せた粉末で用いることもできる。特にFe−Si合金粉は、磁心損失、飽和磁束密度Ｂｓの各特性に優れており、本発明に好適な磁性粉末である。
圧粉磁心、焼結磁心をリアクトルとして用いる場合、一般的に行われる成型方法により、成型して用いる。成型方法としては、磁性粉末と樹脂の混合物をいったん液状化した後に注型して硬化させる注型法、金型中に射出成型することにより成型する射出成型法、金型中に磁性粉末と有機物又は無機物からなる結合材の混合物を充填し加圧、熱処理して圧粉磁心を成型するプレス成型法などがある。
Si：1〜７％含有する無方向性電磁鋼板としては、板厚：0.05〜0.3mmが好ましく用いられる。また、鋼板表層から板厚方向にかけてのSi濃度は均一であっても、表層部分と板厚中心部分で濃度差があってもよい。
さらに、本発明では、通常行われるように圧粉磁心、焼結磁心または磁性鋼板（方向性電磁鋼板、無方向性電磁鋼板）に、接着および／または電気絶縁を目的として、樹脂を被覆してよい。用いる樹脂としては、前記鋼板および／または前記磁性粉の表面を被覆して、前記鋼板および／または粉末相互間を絶縁状態にして磁心全体の交流磁化に対する渦電流損が大きくならないように充分な電気抵抗を付与せしめると同時に、前記鋼板および／または粉末を結着するバインダーとしても機能するものが好ましい。このような樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂など各種の樹脂が挙られる。また、これらの樹脂は単独にまたは適宜組合せて使用しても良い。
以上のような複合リアクトルとすることで、以下の特性向上が見込まれる。
１）巻きコアの場合には、積層方向がリアクトルの中心に向かって垂直方向である。一方、積層コアの場合には、いずれの場合も可能であるがリアクトルの中心に向かって平行方向とすることができる。リアクトルに流れる磁束は最短距離を取ろうとするため内側へより流れようとする。ゆえに、積層コアの場合、積層方向をリアクトルの中心に向かって平行方向とすることにより、磁心内部の磁束がそれぞれの板にほぼ均等に分散して流れることになる。一方、巻きコアの場合は、巻き磁心の内側部分に磁束が集中する。その結果、巻きコアに比べて、積層コアは、約10〜20％程度鉄損が下がる。すなわち、本発明の複合リアクトルのうち、積層コア同士の組み合わせ（例えば、方向性高けい素鋼板と無方向性高けい素鋼板）の場合には、従来の巻きコアにより製作されるリアクトルに比べて鉄損が10〜20％程度低減される。
２）リアクトルを設計する場合に、特に重要な点は抜熱と個々のギャップの長さとギャップ部の巻線の配置である。そして、脚部は発熱体である巻線（銅、アルミ）が回りに配置されて（巻かれて）いるため特に低鉄損であることが要求される。また、通常でも脚部は150℃を超える温度となるために、温度特性が悪く、磁束密度も極めて低いフェライトは適さない。熱伝導率が低く、磁束密度や鉄損において負の温度依存性を持ち、フリンジング漏れ磁束による渦電流損失の大きいアモルファスも好ましくない。この点から、方向性高けい素鋼板は、例えば、Si：４〜7％含有する無方向性ケイ素鋼板と比べてさらなる低鉄損とさらなる高磁束密度を有し、熱伝導率もアモルファスより大きいので、脚部磁心材料として最も適しており、設計上、小型化の効果が見込まれる。
３）リアクトルの小型化を行うに際しては、脚部の磁束密度を如何に上げるかが最も重要となる。脚部は巻き線が施されているため、脚部磁心の幅が狭くなると外寸Aが幅分だけ縮まる上に、巻線の使用量が減り、さらには、ヨーク部磁心の長さAも縮まることになり、小型化の効果が非常に大きい。一方、ヨーク部は外寸Bの内、ヨーク部磁心の幅が縮まるのみである。そして、枠（脚部とヨーク部で構成される）面積はリアクトルの体積を決める大きな要素であり、この枠は巻線の太さと巻数と脚部磁心の幅で決められる。脚部磁心の設計磁束密度を上げることができれば、ギャップの長さを短くできるとともに一巻きあたりのインダクタンスを上げることができるために巻数を減らすことができ、脚部磁心の長さを短くできるとともに漏れ磁束による渦電流損をさげることができる。あるいは、巻線の数は変えずに脚部磁心の幅を狭くし、磁心重量を減らすとともに、枠面積を減らし、体積を大きく減らすことも可能である。以上より、脚部に磁気特性に優れた方向性高けい素鋼板を用いることで、巻き線、ヨーク部への小型化、減量化に寄与することが可能となる。
さらに、本発明の複合リアクトルは、図1で示すように、限定はされないものの、通常、断面積は磁気回路上、どこでも均一である。これに対して、本発明では、脚部に高磁束密度、低鉄損である方向性高けい素鋼板を用いることで、脚部の断面積を小さくすることができる。一方、ヨーク部は、抜熱のため広い断面積を必要とし、小型化が難しい。しかし、ヨーク部コアからの発熱の冷却方法を工夫し十分な抜熱を施すことでヨークの断面積を小さくすることは可能である。以上をもとにすれば、脚部＋ヨーク部両方の断面積を小さくし、コア全体での小型化も可能となる。

図２に示すリアクトルを、表1に示す組み合わせで製作した。ギャップは、片側3箇所、計6箇所とした。なお、用いた材料の詳細については、表１に示す通りである。
ここで表１における本発明例の方向性高けい素鋼板はSi含有量を3.5％〜7％の範囲、表層のＳｉ量を5％〜7％の範囲とし、板厚方向のＳｉ濃度を調整して表１に示す磁束密度Ｂ（Ｔ）を得るものである。また、表１における無方向性高けい素鋼板の傾斜材は、表層のＳｉ量を6％〜7％、Ｓｉ含有量を5〜6％とし、均一材はＳｉ含有量を6.5％、無方向性けい素鋼板はＳｉ含有量を3％とするものである。
各々のリアクトルは、巻き数はいずれも45ターンとし、各リアクトルのインダクタンスが変わらないことを前提として、積厚は一定のまま、脚部の幅を変化させた。ギャップ長は同じとした。
得られた複合リアクトルに対して、入力電圧100V、コンバータ出力20kV、駆動周波数15kHzにおける効率およびコア損出比を算出した。なお、効率は（入力電力−コンバータ損出）／入力電力である。また、表１に示す脚部およびヨーク部の、それぞれの幅、磁心体積比は、比較例である無方向性高けい素鋼板を脚部およびヨーク部に用いた場合の幅、磁心体積比を１００とし、これを基準に求めた。また、コア損失比は比較例である無方向性高けい素鋼板のコンバータ損失を基準として表している。得られた結果を表1に併せて示す。

まず、本発明では、脚部に方向性高けい素鋼板を巻きコアではなく積層コアの状態で使用しているため、量産性、生産性に優れている。
そして、本発明では、リアクトルとして要求される磁気特性を十分に確保している。すなわち、磁気特性に優れた複合リアクトルである。
さらに、ヨーク部の材料の組み合わせ次第で、さらなる効果として、高効率化および／または小型化が達成できる。例えば表１に示すように、フェライトコアをヨーク部に用いた場合は、高効率化が、板厚0.2mmの無方向性3％けい素鋼板をヨーク部に用いた場合は小型化が達成できる。また、例えば表１に示すように、無方向性高けい素鋼板をヨーク部に用いた場合は、高効率化および小型化に優れる。
このように、脚部には、高周波低鉄損でかつ高持磁束密度である方向性高けい素鋼板を使用し、ヨーク部には、例えば、コストを重視するならば、安価なフェライトコア、鉄系ダストコアや薄物無方向性けい素鋼板のいずれかを用いる、例えば、鉄損（効率）を重視するならば、無方向性高けい素鋼板やアモルファス、センダストコア、ハイフラックスコア、Fe-6.5％Siダストコアのいずれかを用いるなど、それぞれの目的に応じて適宜ヨーク部の材料を組み合わせることが可能となる。

本発明の複合リアクトルの一実施形態を示す図である。 本発明の複合リアクトルの他の実施形態を示す図である。（実施例１）

符号の説明

１ 脚部
２ ヨーク部
３ 巻き線

Claims (1)

1. 積層磁心形状を有する複合リアクトルであり、巻き線を施す脚部にはSi：３．５〜７％を含有する方向性電磁鋼板を、ヨーク部には、圧粉磁心、焼結磁心、無方向性電磁鋼板のいずれか一つを用いてなる複合リアクトル。