JP2015099818A - 高周波リアクトルおよびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１コイル型の高周波リアクトルとして、鉄心をＩ型鉄心のみで構成するようにした高周波リアクトルおよびその設計方法を提供する。
【解決手段】中央脚２１とその中央脚２１に対し左右対称となる２本の側脚２２、２３との合計３本の脚とそれら３本の脚を磁気的に結合する２本のヨーク２４、２５とからなる日の字形状の鉄心２０において、３本の脚２１、２２、２３と２本のヨーク２４、２５との間にそれぞれエアギャップ２６を設けることによって、Ｉ型鉄心のみの組み合わせで鉄心を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けた鉄心を磁性コアとして使用する高周波リアクトルおよびその設計方法に関するものである。

近年、パワーエレクトロニックス分野では、省エネルギー・省スペースなどの観点から、スイッチング電源・インバータ電源の駆動周波数を高周波化することが進められている。

このようなスイッチング電源・インバータ電源に用いられるリアクトルに対しても、駆動周波数の高周波化に対応しつつ、高効率化、小型化が求められており、例えば数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の高周波域に対応できる高周波リアクトルの安定した大量供給が強く要望されている。

また、昨今は環境問題に対する関心の高まりに伴い、ハイブリッド自動車が広く普及してきている。ハイブリッド自動車には走行駆動力源として高出力のモータが搭載されている。このモータを駆動するための電源としてインバータが使用されており、このインバータ電源系にも高周波リアクトルが使用されている。自動車分野においては、燃費改善などのため、部品の小型化・軽量化がとりわけ強く志向される。このため、ハイブリッド自動車に搭載される高周波リアクトルでは従来にもまして小型化が強く求められている。

これら高周波リアクトルの鉄心用材料としては、電磁鋼板などの軟磁性金属材料が用いられることが多い。

電磁鋼板などを鉄心に用いたリアクトルでは、例えば特許文献１や特許文献２に見られるように、鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けることが一般に行なわれる。

そして、単相ＡＣリアクトルやＤＣリアクトルにおいては、特許文献１の図１や図３あるいは特許文献２の図１５などにみられるように、中央脚と中央脚に対し左右対称の２本の側脚との合計３本の脚とそれら３本の脚を磁気的に結合するヨークからなる日の字型鉄心を有し、中央脚のみにコイルを巻く１コイル型（外鉄型）リアクトルと、例えば特許文献２の図１０や図１１などに見られるように、２本の脚と脚を磁気的に結合するヨークから構成されるロの字型鉄心を有し、２本の脚にそれぞれコイルを巻く２コイル型（内鉄型）リアクトルとが存在する。

その内、１コイル型リアクトルにおいては、特許文献１のように、ロの字型に組んだヨークとエアギャップを有する中央脚とで構成されるものや、特許文献３や特許文献４に見られるように、Ｅ型鉄心とＩ型鉄心とで構成されるものがある。

特開平６−３０２４４２号公報 特開平７−２２２５８号公報 特開２０１３−４７６１号公報 実開平６−３１１２２号公報

本発明者は、高周波リアクトルを１コイル型リアクトルで製造することにして、その際に用いる鉄心について鋭意検討した結果、鉄心をＩ型鉄心のみで構成することができれば効率的であるとの考えに至った。

すなわち、Ｉ型鉄心は電磁鋼板をせん断して積層するだけで製造できるので、Ｅ型鉄心のように電磁鋼板をＥ形状に打ち抜いて積層したり、ロの字型にヨークのように電磁鋼板を斜角切断してラップ積層したりするのと比較して、製造コストを低減することができる。このため、リアクトルの鉄心をＩ型鉄心のみで構成することができれば、リアクトルの製造コストを引き下げることができる。

また、リアクトルの鉄心をＥ型鉄心とＩ型鉄心とで構成する場合には、特許文献２の図１６に示されているように、鉄心寸法設計の自由度が大幅に制限されるという問題点もあったが、リアクトルの鉄心をＩ型鉄心のみで構成することができれば、鉄心寸法設計の自由度を増すことができる。

本発明は、上記の観点によってなされたものであり、１コイル型の高周波リアクトルとして、鉄心をＩ型鉄心のみで構成するようにした高周波リアクトルおよびその設計方法を提供するものである。

前記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。

［１］鉄心として、コイルを巻きつけるための中央脚と該中央脚に対し左右対称となる２本の側脚との合計３本の脚とそれら３本の脚を磁気的に結合するヨークとからなる日の字形状を有し、かつ鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けた鉄心を使用する１コイル型の高周波リアクトルにおいて、
３本の脚とヨークとの間にそれぞれエアギャップを設けることで、Ｉ型鉄心の組み合わせのみで鉄心を構成できるようにしたことを特徴とする高周波リアクトル。

［２］中央脚の長さ中間部とヨーク脚の長さ中間部にもそれぞれエアギャップを設けることを特徴とする前記［１］に記載の高周波リアクトル。

［３］前記［１］または［２］に記載の高周波リアクトルを設計するに際して、
インダクタンス値に対する要求性能を満足するように中央脚のみにエアギャップを有する鉄心構造を前提としてリアクトル設計を行なう第１の工程と、
前記第１の工程で設計されたリアクトルの鉄心寸法は変えずに中央脚に設置したギャップの一部を側脚にも配分したリアクトル設計を行なう第２の工程と、
前記第２の工程で設計されたリアクトルに対して、要求仕様を考慮して設計の微調整を行う第３の工程と
を有することを特徴とする高周波リアクトルの設計方法。

本発明においては、１コイル型の高周波リアクトルとして、鉄心をＩ型鉄心のみで構成した高周波リアクトルを得ることができる。

従来の高周波リアクトルの鉄心を示す図である。 本発明の一実施形態における高周波リアクトルの鉄心を示す図である。 本発明の他の実施形態における高周波リアクトルの鉄心を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

新たにリアクトルを設計する場合、新たに設計すべきリアクトルの要求仕様に類似した要求仕様に対して過去に行った設計例があれば、それを参考にして設計を進めることで極めて効率よく設計を行うことができる。

ここでも、そのようにして、本発明の一実施形態における高周波リアクトルを設計するようにしている。

まず、鉄心として、コイルを巻きつけるための中央脚とその中央脚に対し左右対称となる２本の側脚との合計３本の脚とそれら３本の脚を磁気的に結合するヨークとからなる日の字形状を有し、かつ鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けた鉄心を使用する１コイル型リアクトルについては、図１に示すような、Ｅ型鉄心１１（中央脚１２、側脚１３、１４）とＩ型鉄心１５で鉄心１０を構成して、中央脚１２のみにエアギャップ１６を配するという設計がこれまで数多くなされているため、その設計例も多く、これまでの経験・知見の蓄積も多い。

一方、前述したように、１コイル型リアクトルの鉄心をＩ型鉄心のみで構成することができれば、リアクトルの製造コストを引き下げることができるとともに、鉄心寸法設計の自由度を増すことができる。

例えば、本発明の一実施形態として、図２に示すように、中央脚２１とその中央脚２１に対し左右対称となる２本の側脚２２、２３との合計３本の脚とそれら３本の脚を磁気的に結合する２本のヨーク２４、２５とからなる日の字形状の鉄心２０において、３本の脚２１、２２、２３と２本のヨーク２４、２５との間にそれぞれエアギャップ２６を設けることによって、Ｉ型鉄心のみの組み合わせで鉄心を構成できる。

ただし、従来、磁気回路上の働きとしては、側脚は中央脚において起磁力により発生した磁束を還流させるためのヨークと位置づけられているため、そこにエアギャップを配することは好ましくないものと考えられていた。

確かに、商用周波数あるいは数ｋＨｚ未満といった比較的低い周波数で使用されるリアクトル（低周波リアクトル）においては、設計磁束密度（定格電流駆動時の鉄心磁束密度）が比較的高いので、上記のように、側脚２２、２３とヨーク２４、２５の間にエアギャップ２６を設けることは漏洩磁束の増大を招くなど好ましくない面がある。

しかし、数ｋＨｚを上回る高周波で使用されるリアクトル（高周波リアクトル）では、高周波鉄損を抑制するために設計磁束密度が比較的低く設定されるため、側脚２２、２３とヨーク２４、２５の間にエアギャップ２６を設けることによる悪影響は緩和される。さらに、鉄心材料として無方向性の高珪素鋼板を使用する場合には、その悪影響はさらに緩和されることを見出した。

本発明の一実施形態における高周波リアクトルは、上記のような知見に基づいてなされたものであり、以下のような手順で設計するようにしている。

（第１工程）インダクタンス値に対する要求性能を満足するように、図１に示したような、Ｅ型鉄心１１とＩ型鉄心１５で鉄心を構成して、中央脚１１のみにエアギャップ１６を有する従来の鉄心１０を前提としてリアクトル設計を行なう。なお、ここでは、中央脚１２の幅を２ａ、長さをｃ、側脚１３、１４の幅をａ、長さをｃとし、中央脚１２と側脚１３、１４の間隙をそれぞれｂとし、Ｅ型鉄心１１のヨーク部分の幅をａ、長さを４ａ＋２ｂ、Ｉ型鉄心１５の幅をａ、長さを４ａ＋２ｂとしている。

（第２工程）次に、第１工程で設計された上記の鉄心１０の寸法は変えずに、中央脚１２に設置したエアギャップ１６の一部を側脚１３、１４にも配分したリアクトル設計を行なう。これによって、図２に示したような、中央脚２１、側脚２２、２３とヨーク２４、２５との間にそれぞれエアギャップ２６が設けられて、Ｉ型鉄心のみで構成された鉄心２０が得られる。

（第３工程）そして、第２の工程で設計されたリアクトルに対して、要求仕様（要求性能）を考慮して設計の微調整を行う。

このようにして、この実施形態においては、まず、第１段階（第１工程）の設計として、過去の設計例も多くこれまでの経験・知見の蓄積も多い、Ｅ型鉄心とＩ型鉄心で構成して中央脚のみにエアギャップを配するという鉄心１０を前提にして設計を行い、次に、第２段階（第２工程）の設計として、鉄心寸法は第１段階の設計ままとして、中央脚のエアギャップを側脚部にも分散配分した鉄心２０を想定して設計を行い、さらに、第３段階（第３工程）の設計として、第２段階で設計されたリアクトルに対して、要求仕様を考慮して設計の微調整を行うという手順をとるようにしているので、類似の設計例やこれまでの経験知見があまりないＩ型鉄心のみからなる鉄心構造で分散エアギャップがある設計をはじめから行う場合に比べて、経験・知見の蓄積を活用できて、はるかに容易に効率的な設計を行うことができる。

しかも、１コイル型リアクトルの鉄心をＩ型鉄心のみで構成しているので、リアクトルの製造コストを引き下げることができるとともに、鉄心寸法設計の自由度を増すことができる。

さらに、エアギャップを中央脚２１だけでなく側脚２２、２３にも設けて、１箇所あたりのエアギャップ長さを小さくすることができるようにしたので、広いエアギャップを設けることによる漏洩磁束の増大やエアギャップ部における損失増大を抑制することができる。

なお、図３は、本発明の他の実施形態を示すものである。図３に示すように、この実施形態における鉄心３０は、図２に示した実施形態における鉄心２０に対して、さらに、中央脚２１の脚の長さ中間部と側脚２２、２３の長さ中間部にもそれぞれエアギャップ３１を設けたものである。

一般に、リアクトルのエアギャップ位置はコイルによる磁束閉じ込め効果なども考えられることから、脚とヨークの間に設けるよりも、コイル内部となる脚の長さ中間部に設けることが好ましいとされているが、図３に示した実施形態においては、側脚２２、２３の長さ中間部にエアギャップ３１を配する場合には、側脚２２、２３とヨーク２４、２５の間のエアギャップ２６の長さをエアギャップ３１の長さよりも短く設定する必要は必ずしもない。

本発明の実施例１として、上記の本発明の一実施形態に基づいて、インバータ用ＡＣリアクトルを設計・製作した。

インバータ用ＡＣリアクトルの要求仕様は、定格電流５０Ｈｚ−５０Ａｒｍｓにおけるインダクタンス３５０μＨ以上、リアクトルの重畳リップル電流は１０ｋＨｚ−２２Ａｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ、設置場所の雰囲気温度は４０℃、冷却条件は自然放冷、絶縁規格Ｆ種（耐熱温度１５５℃）前提というものであった。

リップル電流が１０ｋＨｚという高周波であることおよびリアクトルの要求性能にはリアクトルの低騒音化要求もあったため、６．５質量％珪素素鋼板（板厚０．１ｍｍ）を鉄心材料に用いることとして、当該高周波リアクトルの設計を市販の磁界解析ソフトウエアを用いて実施した。

はじめに、第１工程として、従来のリアクトルと同様に、図１に示すようにＥ型鉄心とＩ型鉄心とで構成する鉄心ことを前提として検討した。この場合、従来からなされているのと同様に、鋼板から鉄心部材を打ち抜き採取する際の材料歩留まりをよくするために、ａ＝ｂ、ｃ＝２ａ＋ｂとうい寸法制限を考慮しつつ検討した。

従来と同様に、Ｅ型鉄心とＩ型鉄心とで鉄心を構成する場合には、上記の要求仕様と類似した要求仕様に対する設計事例もいくつかあり、これまでの経験知見が生かせるので、比較的容易に設計が行えた。

検討の結果得られた鉄心寸法は、ａ＝ｂ＝２０ｍｍ、ｃ＝６０ｍｍ、鋼板積層厚ｄ＝４０ｍｍ、エアギャップ長さ３．８ｍｍとなった。また、コイルは、厚さ０．３５ｍｍ、幅５５．７ｍｍの銅薄板と厚さ０．１３ｍｍの絶縁紙を用いて巻き数２３ターンとなった。このとき、定格運転時の想定温度上昇は鉄心６４．１℃、コイル９３．９℃となった。

次に、第２工程として、鉄心寸法はａ＝ｂ＝２０ｍｍ、ｃ＝６０ｍｍ、鋼板積層厚ｄ＝４０ｍｍのまま、コイル巻き数２３ターンままとして、図２に示すように、鉄心をＩ型コアのみで構成する構造とする設計を検討した。

その際に、エアギャップは例えば側脚とヨークの間はゼロとして鉄心同士を直接つき合わせるようにすることも可能だが、その部分が電磁吸引力による騒音の原因となるので、溶接による固定などが必要になるというマイナス面があり、脚とヨークの間に必ずエアギャップを設けるようにした。すなわち、合計６箇所にエアギャップを設けた。

また、鋼板のせん断時の送り長さを２０ｍｍと４０ｍｍに替えるだけで、６０ｍｍ幅の鋼板フープを共通に用いて中央脚と側脚とを製造することができて、準備する鋼板フープ幅の種類を少なくすることができるので、エアギャップ長さは６箇所とも同一長さとして検討した。

そして、そのエアギャップ長さは、鉄心内磁束の流れを考慮して、Ｅ型鉄心とＩ型鉄心とで鉄心を構成した場合のエアギャップ長さ３．８ｍｍの１／４の値である０．９５ｍｍとして検討を開始した。

しかし、エアギャップ部における磁束のフリンジング（湾曲）の程度がエアギャップ長さによって変化してエアギャップ部の磁気抵抗が変化するためと推定されるが、エアギャップ長さ０．９５ｍｍ×６箇所とした場合は、インダクタンス仕様を満足できないことが分かった。

このため、第３工程として、ギャップ長を微調整する検討をさらに行った結果、ギャップ長さ０．８５ｍｍ×６箇所とすれば、インダクタンス仕様を満足できることが分かった。

このように、まず、第１工程として、過去の設計例も多くこれまでの経験・知見の蓄積も多い、Ｅ型鉄心とＩ型鉄心で構成して中央脚のみにエアギャップを配するという鉄心１０を前提にして設計を行い、次に、第２段階として、鉄心寸法は第１工程での設計ままとして、中央脚のエアギャップを側脚部にも分散配分した鉄心を想定して設計を行い、さらに、第３工程として、第２工程で設計されたリアクトルに対して、要求仕様を考慮して設計の微調整を行うという手順をとるようにしたので、類似の設計例やこれまでの経験知見があまりないＩ型鉄心のみからなる鉄心構造で分散エアギャップがある設計をはじめから行う場合に比べて、経験・知見の蓄積を活用できて、はるかに容易に効率的な設計を行うことができる。

本発明の実施例２として、上記の実施例１で設計した、Ｅ型とＩ型とで鉄心を構成したリアクトル（従来例）と、Ｉ型のみからなる鉄心構造のリアクトル（本発明例）を、それぞれ市販の６．５質量％珪素鋼板（板厚０．１ｍｍ）を用いて製作した。なお、コイルは、厚さ０．３５ｍｍ、幅５５．７ｍｍの銅薄板と厚さ０．１３ｍｍの絶縁紙を用いて巻き数２３ターンと、両者全く同一とした。

インバータ装置を用いて、定格条件（基本波電流５０Ｈｚ−５０Ａｒｍｓ、リップル電流１０ｋＨｚ−２２Ａｐｐ）におけるリアクトル損失特性をワットメータによって測定した結果、従来例ではリアクトル損失が４１．２Ｗに対して、本発明例ではリアクトル損失が３８．２Ｗと低減した。

これは、従来例はエアギャップ長さが１箇所で３．８ｍｍと大きいのに比べて、本発明例は１箇所のエアギャップ長が０．８５ｍｍと小さく、いわゆるギャップ分散効果によって鉄心の鉄損が低減しているためと推定される。

これによって、本発明においては、製造コストを低くすることができる上に、定格運転時の損失も低くできることが確認できた。

上述したように、実施例１におけるリアクトルの設計検討は、リアクトル設置場所の雰囲気温度が４０℃であるとして実施し、コイルの温度上昇は９３．９℃（コイルの到達温度は４０＋９３．９＝１３３．９℃）との想定であった。

ところが、その後、リアクトルの要求仕様は変わらないが、リアクトル設置場所の雰囲気温度が４０℃よりも高くなる可能性が生じたので、再度設計見直しが必要となった。

リアクトル設置場所の雰囲気温度が４０℃よりも高くなる場合に問題になるのは、コイル到達温度であるので、コイル温度上昇を実施例１の設計よりも１０℃程度低くした８３．９℃以下にする検討を行った。

鉄心断面積、コイル巻き数およびエアギャップ長は実施例１の設計のまま変更せず、コイルに使用する銅薄板の厚さを実施例１の設計値０．３５ｍｍよりも厚くするだけで対応できれば、それが最も簡便な方法である。

検討の結果、銅薄板の厚さを０．３５ｍｍから０．４ｍｍに変更し、かつ鉄心寸法ｂを２０ｍｍから２２ｍｍに変更すれば、インダクタンス値の要求仕様を満足して、かつコイル温度上昇を８０．３℃にできることが分かった。

従来例のように、Ｅ型鉄心とＩ型鉄心とで鉄心を構成する場合には、鉄心寸法ａ、ｂ、ｃの相互関係に制限があって、鉄心のｂ寸法だけの微調整は現実にはできないが、本発明例のように、Ｉ型鉄心のみで鉄心を構成している場合には、設計の自由度が高く、寸法の微調整も容易であることが理解できる。

１０ 鉄心
１１ Ｅ型鉄心
１２ 中央脚
１３ 側脚
１４ 側脚
１５ Ｉ型鉄心
１６ エアギャップ
２０ 鉄心
２１ 中央脚
２２ 側脚
２３ 側脚
２４ ヨーク
２５ ヨーク
２６ エアギャップ
３０ 鉄心
３１ エアギャップ

Claims (3)

1. 鉄心として、コイルを巻きつけるための中央脚と該中央脚に対し左右対称となる２本の側脚との合計３本の脚とそれら３本の脚を磁気的に結合するヨークとからなる日の字形状を有し、かつ鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けた鉄心を使用する１コイル型の高周波リアクトルにおいて、
   ３本の脚とヨークとの間にそれぞれエアギャップを設けることで、Ｉ型鉄心の組み合わせのみで鉄心を構成できるようにしたことを特徴とする高周波リアクトル。
2. 中央脚の長さ中間部とヨーク脚の長さ中間部にもそれぞれエアギャップを設けることを特徴とする請求項１に記載の高周波リアクトル。
3. 請求項１または２に記載の高周波リアクトルを設計するに際して、
   インダクタンス値に対する要求性能を満足するように中央脚のみにエアギャップを有する鉄心構造を前提としてリアクトル設計を行なう第１の工程と、
   前記第１の工程で設計されたリアクトルの鉄心寸法は変えずに中央脚に設置したギャップの一部を側脚にも配分したリアクトル設計を行なう第２の工程と、
   前記第２の工程で設計されたリアクトルに対して、要求仕様を考慮して設計の微調整を行う第３の工程と
   を有することを特徴とする高周波リアクトルの設計方法。

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