JP2007012647A - 複合磁心およびこれを用いたリアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高飽和磁束密度と低磁心損失特性を有した磁心とこれを用いたリアクトルの提供を目的とする。
【解決手段】 環状の複合磁心であって、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とより構成されることを特徴とする複合磁心である。前記複合磁心は略長円形状であり、前記高透磁率磁心部からなる曲率を有するコーナー部と、前記圧粉磁心部と前記ギャップから形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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とその複合磁心に関するものである。

電源回路用リアクトルの磁心としては、３つに大別することが出来る。数十ｋHz以下の領域では、珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などが磁心材として主に用いられている。これらの磁心材は鉄を主成分とし、飽和磁束密度Bｓと透磁率μが大きいという長所をもつが、珪素鋼板は高周波磁心損失が大きいという欠点を有し、非晶質軟磁性帯板と微結晶質軟磁性帯板は、磁芯形状が巻磁心形状や積層磁心形状などに制約され、後述するフェライトのように種々の形状に成型し難い欠点を有する。

数十ｋHz以上の領域では、Mn-Zn系やNi-Zn系に代表されるフェライト磁心が広く用いられている。このフェライト磁心は、高周波磁心損失が小さく、また成形が比較的容易なため、種々の形状を大量生産できる特長を有する。しかしながら、飽和磁束密度Bｓが前述の珪素鋼板や非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板の3分の１から2分の１程度しかないため、大電流用リアクトルでは磁気飽和を避けるために磁心断面積が大きくなる欠点を有する。

数ｋHｚから数百ｋHｚまでの領域に用いられるものとして圧粉磁心がある。圧粉磁心は、磁性粉末の表面を絶縁処理したのち加工成形したもので、絶縁処理により渦電流損失の発生が抑制されている。しかしながら、高周波磁心損失はフェライト材や非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板に比べると大きい。

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用いられている。このリアクトルには小型化、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。ここでいう適切な範囲の透磁率μｒについて以下、説明する。磁界Hと磁束密度Bには、B=μoμｒHの関係がある。ここでμoは真空中の透磁率を示し、磁界Hはリアクトルに流れる電流に比例する。このため、透磁率の高い磁心材では小さなリアクトル電流でも飽和磁束密度Bsに達して、磁心飽和を起こす。よって、従来はリアクトル磁心材として高い飽和磁束密度Bsの磁性材を用い、この磁心材に空隙を設けて実効的な透磁率（実効透磁率）μｒｅを低くし、巻線数との調整により必要なインダクタンスを得る設計がなされている。本用途での実用的な実効透磁率μｒｅはおおよそ１０から５０までの範囲内にある。

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。一般に飽和磁束密度Bsの高い磁性材は透磁率も高いため、リアクトル磁心に用いる場合には空隙を設け、この空隙を構成する部材の透磁率は略１である。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。このため、ギャップ近傍の磁心側面には渦電流が生じ、磁心損失が大幅に増大する問題点があった。フリンジング磁束による渦電流については特許文献１にも記載されている。なお、特許文献１は、５０Ｈｚなどの商用周波数で用いられる一方向性電磁鋼板を使用したリアクトル、変圧器に関するものであり、本発明に係る駆動周波数１ｋＨｚ以上の電源回路に用いられる磁心、リアクトルとは対象が異なるものである。

別の大電流用のリアクトル磁心としては、前述の圧粉磁心がある。圧粉磁心の透磁率は１０〜１５０程度であるため、空隙を設けることなく使用できるが、素材の高周波磁心損失は非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板に比べて大きい。また、初透磁率と大電流時透磁率との差異が大きく、インダクタンスの電流特性が悪いという欠点を持っている。
特開２００４−１８６４５０号公報（（００３４）〜（００４５）、図１）

本発明は、前述した従来の大電流用リアクトル磁心の問題点を解決し、ギャップのフリンジング磁束による磁心損失の増大を抑制し、インダクタンスの電流特性の良好な磁心およびリアクトルを提供することである。

本発明は、環状の複合磁心であって、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とより構成されることを特徴とする複合磁心である。

また、本発明は、前記複合磁心は略長円形状であり、前記高透磁率磁心部からなる曲率を有するコーナー部と、前記圧粉磁心部と前記ギャップから形成される直線状のストレート部からなることを特徴とする。コンバータ損失を少なくするため、高透磁率磁心部と圧粉磁心部は接触していることが好ましい。

また、本発明は、前記磁性体が非晶質軟磁性帯板、または微結晶質軟磁性帯板であることを特徴とする。また、前記磁性粉末が鉄−珪素系合金粉末、または鉄−珪素−アルミニウム系合金粉末、または非晶質軟磁性粉末、または微結晶質軟磁粉末であることを特徴とする。

また、本発明は、これら前述の複合磁心に巻線を施したリアクトルである。

本発明のリアクトルでは、非晶質軟磁性帯板や微結晶質軟磁性帯板などからなる高透磁率磁心部と、磁性粉末と絶縁材、結合材を混合成型してなる圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部内に設けられたギャップとより構成された複合磁心を用いる。これに対して従来のリアクトルの磁心は、珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などからなる高透磁率磁心部とギャップから構成される。この高透磁率磁心部に用いられる鋼板（または帯板）は電気抵抗の低い材質であるため、空隙により発生するフリンジング漏れ磁束が鋼板、薄板の面部分に垂直に近い角度で侵入し、過大な渦電流を発生させ、大きな損失となる。本発明では、圧粉磁心部内に空隙が設けられているので、ギャップに発生するフリンジング漏れ磁束は同様に圧粉磁芯の面方向にほぼ垂直に進入するが、圧粉磁芯は既述したように磁性粉末表面を絶縁処理しているため、電気抵抗が大きく僅かな渦電流しか発生せず、損失は小さい。よって実効透磁率μeを低くするために空隙を設けても、磁心損失は増大せず、２０Ａ以上の電源回路に用いる大電流リアクトル用として好適である。ここでギャップとは磁気的に空隙部と同等の透磁率を持つ部分を有し、エアギャップだけでなく、樹脂などの非磁性材による板状部材などでも良い。この板状部材により位置決めを容易に行うことができる。

本発明の高透磁率磁心部で用いる非晶質軟磁性帯板として、合金組成がFe_aSi_bB_cC_dＭ′_α（原子％）（但し、Ｍ′はCr,Mo,Zr,Hf及びNbからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、76≦a≦84%、0＜b≦30%、0＜c≦25%、０≦ｄ≦３％、０≦α≦５％を満たす非晶質軟磁性帯板がを用いることができる。不可避な不純物としてMn, S, P, Sn, Cu, Al, Ti, から少なくとも1種以上の元素を0.50％以下含有してもよい。例えば米国Metglas社製の鉄系非晶質軟磁性材2605SA1が用いえる。
また、微結晶質軟磁性帯板として、一般式：Fe_{100−ｘ−ｙ−ｚ−α−β−γ}Cu_ｘSi_ｙＢ_ｚＭ′_αＭ″_βＸ_γ（原子％）（但し、Ｍ′はNb,W,Ta,Zr,Hf,Ti及びMoからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ″はV,Cr,Mn,Al,白金属元素,Sc,Y,Au,Zn,Sn,Reからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはC,P,Ge,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、x,y,z,α，β，及びγはそれぞれ0.1≦ｘ≦3,0＜ｙ≦30,0＜ｚ≦25,5≦ｙ＋ｚ≦30,0.1≦α≦30,0≦β≦10及び０≦γ≦10を満たす。）により表わされる組成を有し、組織の少なくとも50％が微細な結晶粒からなり、各結晶粒の最大寸法で測定した粒径の平均が1000Å以下であるFe基合金を用いることができる。例えば、日立金属製のナノ結晶質軟磁性材ファインメット（登録商標）が用いえる。

本発明で用いる磁性粉末としては、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などが挙げられ。これらは各々単独でまたは適宜、組合せた粉末でも良い。特にSiを6〜７％含むFe−Si合金粉は、磁歪、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。特に、上記に記した米国Metglas社製の鉄系非晶質軟磁性材2605SA1を高透磁率磁心部として用いた場合、Siを6〜７％含むFe−Si合金粉を充填率７０〜８０％程度で圧粉することで、両者ともほぼ同等の飽和磁束密度とすることができ、損失の少ないリアクトルとすることができる。求められるリアクトル特性から、圧粉磁心部の最大比透磁率は２００以下の範囲にあるものが好ましい。

本発明で用いる樹脂としては、前記磁性粉の表面を被覆して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、これら粉末を結着するバインダーとしても機能するものである。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、これらは単独にまたは適宜組合せて使用しても良い。

本発明で用いる圧粉磁心部の成型方法としては、前記磁性粉末と前記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して圧粉磁心 を成型するプレス成型法などがある。

本発明の複合磁心は、高透磁率磁心部と圧粉磁心部と圧粉磁心部内に設けられたギャップとで構成され、磁心全体としての飽和磁束密度が高く、直流重畳に対する透磁率の低下が小さい。また、ギャップを圧粉磁心部内に設けたことにより、ギャップのフリンジング磁束によって生じる渦電流損失も小さい。この磁心を用いることにより、良好なインダクタンス特性を有し、さらに小型、低損失の特性をもつリアクトルを実現できる。
また本発明の複合磁心は、高透磁率磁心部と圧粉磁心部との接合部に発生する隙間を、本発明の明細書に記載する軟磁性金属粉末を樹脂と混合してなる接着剤で埋めることで、複合磁心としたとき特性劣化の一因である透磁率低下を防止することができる。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

本発明の実施例１を図1に示す。高透磁率磁心部１１、１２は鉄系非晶質磁性帯板（米国Metglas社製2605SA1材）の巻磁心を切断して作製したブロックである。圧粉磁心部２１〜２６はFe−6.5％Si系合金粉にカオリン８ｖｏｌ％、水ガラス６ｖｏｌ％を添加したものを用い、成形圧力８００ＭＰａ、熱処理温度１０７３Ｋで圧縮成形した。ギャップ３１、３２、３３、３４は圧粉磁心部の間に設けている。比較用に作製した従来例１を図２に示す。高透磁率磁心１〜６は前記と同じ鉄系非晶質磁性帯板の巻磁心を切断して作製したブロックであり、このブロックの間にギャップ４１〜４６を設けている。磁心形状はともに長さ１０２ｍｍ、幅５２ｍｍ、高さ４５ｍｍである。実施例１の高透磁率磁心部１１、１２と、従来例１の高透磁率磁心１、２は同材質で同形状である。

前述の実施例１と従来例１の磁心に巻線を施した。巻線は磁心のストレート部に、同じ５０回巻で同一線材による巻線を施し、ギャップを調整して、電流８０Aでインダクタンス約３２５マイクロHのリアクトルをそれぞれ作製した。このリアクトルを図４に示す駆動周波数１０ｋＨｚのブースト型DC−DCコンバータのＬ１として搭載し、入力電圧１００Ｖでコンバータを動作させた。そして、コンバータ出力として１６ｋW（電圧２００V、電流８０A）を得た時の特性の比較を表１に示す。

表1から判るように、本発明の実施例１の磁心を用いたリアクトルは、従来例１の磁心を使ったリアクトルと比べると、コンバータ損失を５５Ｗ低減している。この比較においては、磁心の構成以外は差異が無いことから、この５５Ｗの損失低減は、本発明による磁心損失の低減によるものと判断できる。また、図３のように、本願発明に対して高透磁率磁心部と圧粉磁心部の位置を入れ替えたリアクトルでは、複数の積層した高透磁率磁心部間にギャップが設けられているため、コンバータ損失が実施例１よりも大きくなることが解った。

高透磁率磁心部と圧粉磁心部 の間に隙間が生じた場合、この隙間からの漏れ磁束により、高透磁率磁心部に渦電流損失が発生する。また、高透磁率磁心部自体あるいは圧粉磁心部自体を複数の磁心ブロックの組合せで構成する場合もある。これらの磁心ブロック間に隙間が生じて、渦電流損失の発生や実効透磁率μｅが低下する問題がある。これらを解決するには、透磁率の高い接着剤を用いて磁心部間や磁心ブロック間を接合してこの隙間を埋めればよい。この接着剤は、例えば軟磁性金属粉末をエポキシ樹脂等に混合することにより容易に作製することができる。

前述した実施例は、口字型形状の複合磁心であるが、ＥＩ、ＥＥ等の日字型形状においても、本発明の複合磁心構造とすることにより本発明の実施例と同様の効果が得られる。

本発明に係る複合磁心の実施例１を示す図である。 従来のリアクトル用磁心を示す図である。 比較用のリアクトル用磁心を示す図である。 本発明に係るリアクトルを用いたブースト型DC−DCコンバータの回路図である。

符号の説明

１〜６，１１〜１８：高透磁率磁心部、２１〜２６，５１，５２：圧粉磁心部、３１〜３４，４１〜４６，６１〜６４：ギャップ、Ｌ１ リアクトル、Ｑ１ トランジスタ、Ｄ１ ダイオード、Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ

Claims (7)

1. 環状の複合磁心であって、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とより構成されることを特徴とする複合磁心。
2. 前記圧粉磁心部の最大比透磁率が２００以下の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の複合磁心。
3. 前記複合磁心は略長円形状であり、前記高透磁率磁心部からなる曲率を有するコーナー部と、前記圧粉磁心部と前記ギャップから形成される直線状のストレート部からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合磁心。
4. 前記高透磁率磁心部と圧粉磁心部は接触していることを特徴とする請求項１乃至３に記載の複合磁心。
5. 前記磁性体が非晶質軟磁性帯板、または微結晶質軟磁性帯板であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の複合磁心。
6. 前記磁性粉末が鉄−珪素系合金粉末、または鉄−珪素−アルミニウム系合金粉末、または非晶質軟磁性粉末、または微結晶質軟磁粉末であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の複合磁心。
7. 請求項１乃至６に記載の複合磁心を用いたことを特徴とするリアクトル。
   

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