JP2007012866A

JP2007012866A - リアクトル用圧粉磁心

Info

Publication number: JP2007012866A
Application number: JP2005191618A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Takemoto; 聡武本; Takanobu Saito; 貴伸齊藤; Takao Yabumi; 崇生藪見
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】表面の温度上昇を発生する騒音のいずれもが、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ鋼板を用いたリアクトル磁心に比べて小さいリアクトル用圧粉磁心を提供する。
【解決手段】磁路長に直交する複数のギャップを有するリアクトル用圧粉磁心において、磁路長の平均値をＬ（ｍｍ）、ギャップの幅の合計値をＬｇ（ｍｍ）としたとき、次式：１×１０^-3≦Ｌｇ／Ｌ≦１×１０^-2の関係が成立しているリアクトル用圧粉磁心。
【選択図】図１

Description

本発明はリアクトルのコアに用いる圧粉磁心に関し、更に詳しくは、仕様が電力：５００Ｗ〜１０ｋＷ、スイッチング周波数：１〜３０ｋＨｚの電源装置における電力変換回路に用いて好適なリアクトル用圧粉磁心に関する。

エアコン、太陽発電用コンディショナ、マイクロガスタービンなど、各種の電子機器における制御用電源には、スイッチング電源や電圧変換用コンバータが不可欠である。そして、これら電源装置における直流電圧の変換回路には、リアクトル磁心が組み込まれる。
これらの電源装置は、通常、電力が５００Ｗ〜１０ｋＷ、スイッチング周波数が１〜３０ｋＨｚの仕様で運転されているが、このような比較的消費電力の高い電源装置においては、飽和磁束密度の低い材料のリアクトル磁心を用いると、交流を重畳したときに該当磁心が容易に飽和して高い変換効率が得られない。そのため、リアクトル磁心の材料としては、高い飽和磁束密度を有する磁性材料が用いられる。

具体的には、電源装置の使用周波数によって使い分けられるが、例えば、１０ｋＨｚ程度の高周波領域の場合、従来からけい素鋼板が使用されていて、このけい素鋼板を複数枚積層してブロック化することにより、リアクトル磁心が製作されていた。
また、リアクトル磁心の材料の損失が大きいと、通電時に当該磁心が発熱して温度上昇し、変換効率の低下を引き起こすとともに、変換回路に配置されている周辺部品の耐熱性を高めるための処置が必要となり、コスト増を招くことになる。そのため、用いる材料は、損失が少ない材料であることが好ましい。

更に、リアクトル磁心の製作に際しては、その磁路に直交して複数個のギャップを形成し、そのギャップに例えば樹脂製の絶縁材をスペーサとして介装することが行われている。これは、磁心を飽和させる電流値を大きくするための処置であって、この処置を講ずることにより、大電流を通電しても磁束密度の飽和が抑制されて、リアクトル磁心としての機能が確保されることになる。

ところで、従来のけい素鋼板は、高透磁率でしかも電気抵抗効率も低いので、ギャップからの漏れ磁束に基づく渦電流の発生により損失が大きくなり、そのため磁心からの発熱量が増大し、当該リアクトル磁心の変換効率の低下と表面温度の上昇が引き起こされる。
またギャップ箇所では、電磁力が発生するので、リアクトル磁心に振動が誘発され、そのため無視できない騒音が発生している。

また、このリアクトル磁心の場合、ギャップの加工や、その寸法精度に厳しい仕様が課せられるので、製造コストは上昇するという問題点がある。
一方、前記した電源装置の平滑用チョークコイルや昇圧用チョークコイルの磁心には圧粉磁心が多用されているが、この圧粉磁心は、所定組成の軟磁性粉末と絶縁材とを所定の割合で混合し、得られた混合物を所定の形状にプレス成形したのち所定の温度で磁気焼鈍して製造されている。

このような圧粉磁心は高い磁束密度を示すとともに、軟磁性粉末の表面が絶縁材で被覆された構造になっているので電気抵抗率は高く、そのため、けい素鋼板の磁心に比べると渦電流が発生しずらく、損失も小さい。
このようなことから、最近、この圧粉磁心を、けい素鋼板を用いたリアクトル磁心に代えて、大電力用の電力変換リアクトルの磁心に適用する試みがなされている。

例えば、次のような分割鉄心がリアクトル磁心として提案されている（特許文献１を参照）。
この分割鉄心は、鉄粉の圧粉成型体であって、鉄損（損失）が非常に小さいので、発熱が少ない磁心である。そして、この分割鉄心の特徴は、複数の鉄粉圧粉成型体をギャップを介して連結した構造になっていて、そのギャップの個数を、用いた鉄粉圧粉成型体の比抵抗との関係で特定したところにある。
特開２００４−９５９３５号公報

この特許文献１の分割磁心の場合、鉄損（損失）との関係で鉄粉圧粉成型体間のギャップの個数を特定することにより、発熱の抑制が意図されているにすぎない。しかしながら、通常、ギャップを有するリアクトル磁心の場合、発熱による温度上昇と並んで、騒音発生も問題されていることを考えると、特許文献１の分割磁心は騒音問題を捨象しているという点で不充分であるといえる。

本発明は、リアクトルのコアとして使用することを前提とし、特許文献１の分割鉄心の上記した問題点に鑑みて開発された圧粉磁心であって、けい素鋼板を用いた従来のリアクトル磁心に比べて、表面の温度上昇が小さく、かつ、発生する騒音も小さくなるように設計されたリアクトル用圧粉磁心の提供を目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明においては、
磁路長に直交する複数のギャップを有するリアクトル用圧粉磁心において、前記磁路長の平均値をＬ（ｍｍ）、前記ギャップの幅の合計値をＬｇ（ｍｍ）としたとき、次式：
１×１０^-3≦Ｌｇ／Ｌ≦１×１０^-2の関係が成立していることを特徴とするリアクトル用圧粉磁心が提供される。

この圧粉磁心は、Ｌｇ／Ｌ値が１×１０^-3〜１×１０^-2の範囲内におさまるように設計されているので、ギャップからの漏れ磁束による電磁誘導に基づく発熱が小さくなるため表面温度の上昇は小さく、同時に騒音の発生も少ない。

本発明者らは、ギャップを有するリアクトル用の圧粉磁心における表面温度の上昇問題と騒音問題に関して次のような考察を行った。
まず、表面温度の上昇は、全体の磁路長を切断しているギャップからの漏れ磁束に基づく電磁誘導によって発生する渦電流が原因であると考えられる。そして、磁路長に対するギャップの切断幅が広くなればなるほど、発生する漏れ磁束は多くなり、したがって電磁誘導も大きくなって磁心の温度は上昇する。

したがって、表面温度の上昇を抑制するためには、磁路長に対するギャップの幅を狭くして、漏れ磁束の発生を抑制することが必要である。
また、騒音の原因はギャップで発生する電磁力によって誘発される振動である。発生する電磁力が強くなればなるほど振動も激しくなり、そのため発生する騒音も大きくなる。そして、磁路長に対するギャップの幅が狭くなるほど発生する電磁力も強くなり、逆にギャップ幅が広くなるほど発生する電磁力は弱くなる。

したがって、騒音の発生を抑制するためには、磁路長に対するギャップ幅を広くして、発生する電磁力を弱くすることが必要である。
このよう、磁路長に対するギャップの幅は、磁心の表面温度の上昇と騒音を規制する因子である。しかしながら、このギャップ幅の広狭は、上記したように、表面温度の上昇の抑制と騒音発生の抑制という問題との関係ではトレードオフの関係にある。

以上の考案を踏まえて本発明者は、従来から低騒音でしかも変換効率が高いとされているＦｅ−６．５％Ｓｉから成る高けい素鋼板を用いたリアクトル磁心よりも表面温度の上昇が小さく、また騒音の発生が少ない圧粉磁心の開発研究に取り組んだ。
その結果、磁路長とそれを切断するギャップの幅との関係を後述するような関係に設定することにより、圧粉磁心の材質には無依存で、上記した従来のリアクトル磁心よりも表面温度の上昇が小さく、かつ騒音の発生が少なくなるとの事実を見出し、本発明のリアクトル用圧粉磁心を開発するに至った。

すなわち、本発明の圧粉磁心は、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ鋼板を用いた従来のリアクトル磁心に比べて、表面温度の上昇が小さく、かつ騒音の発生が少なくなるように設計されている。
本発明の圧粉磁心の一例を図１に示す。
この圧粉磁心は２個の馬蹄形磁心１Ａ、１Ｂから成り、各磁心１Ａ、１Ｂの端面１ａ、１ｂをギャップ２、２を介して対向させた構造になっている。そして、ギャップ２、２にはそれぞれ例えばポリフェニルサルファイドのような熱硬化性樹脂や、ポリアミド紙などから成る絶縁材が介装されたり、またはエアギャップ状態にされ、各馬蹄形磁心１Ａ、１Ｂには巻線が施されて実施用に供される。

本発明の圧粉磁心は、上記した構造において、平均磁路長（これをＬとする）と２個のギャップのそれぞれの幅の合計値（これをＬｇとする）の間で、次式１×１０^-3≦Ｌｇ／Ｌ≦１×１０^-2で示される関係が成立している。
なお、ここでいう平均磁路長（Ｌ）とは、図１において、磁心の外周をＬ_out、磁心の内周をＬ_inとしたとき、
Ｌ＝（Ｌ_out+Ｌ_in）／２
として算出される値のことをいい、各磁心１Ａ、１Ｂにおけるそれぞれの端面１ａ、１ｂの中心点を通って周回する馬蹄形曲線の長さで近似させることもできる。

Ｌｇ／Ｌ値は、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ鋼板を用いた従来のリアクトル磁心の表面の温度上昇と発生騒音との関係で設定される。
仮にＬｇ／Ｌ値が１×１０^-3より小さい値である場合、すなわち全体形状が比較的大型で、そしてギャップ２の幅が比較的狭い場合には、ギャップ２からの漏れ磁束が少なくなるので、比較的良好な変換効率が確保され、その圧粉磁心の表面の温度上昇は従来のリアクトル磁心に比べて大幅に小さくなる。しかし、騒音は従来のリアクトル磁心のそれに近似してくるので、温度上昇と騒音のいずれをも小さくするいう本発明の目的にそぐわなくなる。

また、Ｌｇ／Ｌ値が１×１０^-2より大きい値である場合、すなわち全体形状が比較的小型で、そしてギャップ２の幅が比較的広い場合には、ギャップからの漏れ磁束は多くなるので、発生する騒音は小さくなる。しかし、他方では、初透磁率が低くなりすぎ、変換効率も低下し、そして、表面温度上昇が進み、従来のリアクトル磁心のそれに近似してくる。

本発明の圧粉磁心は所定の軟磁性粉末と絶縁材とを所定の割合で混合し、得られた混合物を例えばプレス成形して所望形状の成形体にし、ついでその成形体を所定の温度で磁気焼鈍して製造される。
軟磁性粉末としては、格別限定されるものではないが、高磁束密度を示すものが好適である。例えば、Ｓｉ含有量が８質量％以下のＦｅ−Ｓｉ系粉末が好適である。

そして、このＦｅ−Ｓｉ系の組成においては、０．２〜８質量％の範囲内で例えばＡｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｖの１種または２種以上を積極的に添加してもよい。
[実施例]
実施例１〜１５、比較例１〜１６
・圧粉磁心の製造
表１で示した組成で、粒径１０〜１５０μｍ（平均：６０μｍ）の軟磁性粉末１００質量部に対し、シリコーン樹脂（絶縁材）０．８質量部を混合し、軟磁性粉末の表面をシリコーン樹脂で被覆した。ついで、この混合物にステアリン酸亜鉛（潤滑剤）を０．５質量部添加したのち、圧力１９６０ＭＰａでプレス成形し、サイズが異なる各種の馬蹄形成形体を成形した。そして最後に、Ａｒ雰囲気下において、温度７５０℃で１時間の磁気焼鈍を行って、馬蹄形の圧粉磁心とした。

同種類の圧粉磁心を平均の磁路長（Ｌ）が２２７ｍｍとなるように組み合わせて図１で示したようなリアクトル用の圧粉磁心を組み立てた。このとき、ギャップ２の幅を表１で示したように変化させた。
比較のために、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ鋼板（厚み０．１ｍｍ）を積層して、平均の磁路長（Ｌ）が２２７ｍｍで、ギャップの幅が表１で示した値になっている従来型のリアクトル磁心を組み立てた。

なお、比較例４〜比較例６、比較例１４〜比較例１６に関しては、平均磁路長は変えることはなく、ギャップの個数を表１で示したように変化させた。
・特性の測定
各磁心に６０ターンの巻線を施し、ＬＣＲメータにて０〜８０００Ａ／ｍまで直流磁界を印加し、初透磁率（μｏ）と磁界８０００Ａ／ｍにおける透磁率（μ₈₀₀₀）を測定した。

また、各磁心をゴムひもで吊り下げ、室温（２５℃）において２０Ａ、６０〜１０ｋＨｚで作動させ、磁心から１３０ｍｍ離れた位置における騒音を精密騒音計で測定し、同時に表面温度をサーモグラフで測定した。
以上の結果を一括して表１に示した。

表１から次のことが明らかである。
・実施例の圧粉磁心とＦｅ−６．５％鋼板を用いたリアクトル磁心を対比すると、ギャップの数、ギャップの幅が同じ値である場合には、圧粉磁心の方が騒音の発生が少なく、かつ表面温度は低くなっている。
これは、圧粉磁心の方が初透磁率（μｏ）が低いので高磁界で充分な透磁率を得るために必要なギャップを狭くすることができるため、ギャップからの漏れ磁束による電磁誘導が起こりにくいからである。

また、圧粉磁心の場合、直流磁界８０００Ａ／ｍを印加したときの透磁率（μ₈₀₀₀）はＦｅ−６．５％鋼板を用いたリアクトル磁心に比べて大きくなっており、大電流を通電しても飽和しにくい磁心になっている。
・Ｆｅ−６．５％鋼板を用いたリアクトル磁心において発生騒音の最底値は４５ｄＢであるが、圧粉磁心の場合、Ｌｇ／Ｌ値を１×１０^-3以上となるように設計することにより、発生騒音を４５ｄＢ以下にすることができる。

また、いずれの圧粉磁心の表面温度も、Ｌｇ／Ｌ値とは無関係にＦｅ−６．５％鋼板を用いたリアクトル磁心に比べて低温になっている。
このようなことから、表面温度の上昇が抑制され、かつ騒音発生が少ない圧粉磁心を製造する場合には、Ｌｇ／Ｌ値が１×１０^-3以上になるように設計すべきであることがわかる。

しかしながら、実際問題として、初透磁率（μｏ）は低くなり、例えばμｏがより低くなると実施用に耐えることができないので、最低でも６０のμｏ値を確保するためには、Ｌｇ／Ｌ値を１×１０^-2以下にすることが必要である。このようなことから、Ｌｇ／Ｌ値は１×１０^-3〜１×１０^-2の範囲内におさめることが必要になる。

本発明の圧粉磁心は、低損失でしかも変換効率の高いＦｅ−６．５％Ｓｉ鋼板を用いたリアクトル磁心に比べて、表面温度の上昇が小さく、同時に騒音の発生が少ない。しかも高磁界を印加した場合、ギャップ幅が狭くても高い透磁率を保つことができ、従来のリアクトル磁心に比べて大電流を通電しても飽和しにくい磁心になっている。
したがって、本発明の圧粉磁心は、高電力用電源装置における電力変換用リアクトルの磁心として充分に使用可能である。

本発明のリアクトル用圧粉磁心の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ馬蹄形の磁心
１ａ、１ｂ磁心１Ａ、１Ｂの端面
２ギャップ

Claims

磁路長に直交する複数のギャップを有するリアクトル用圧粉磁心において、前記磁路長の平均値をＬ（ｍｍ）、前記ギャップの幅の合計値をＬｇ（ｍｍ）としたとき、次式：
１×１０^-3≦Ｌｇ／Ｌ≦１×１０^-2の関係が成立していることを特徴とするリアクトル用圧粉磁心。
初透磁率をμｏ、直流磁界８０００Ａ／ｍ印加時の透磁率をμ₈₀₀₀としたとき、μｏ≧６０、μ₈₀₀₀≧４５を同時に満たしている請求項１のリアクトル用圧粉磁心。