JP2008098292A - 圧粉体、圧粉磁心、およびリアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】 大電流用リアクトル圧粉磁心に適した、インダクタンスの電流特性が良好で、さらにはギャップのフリンジング磁束によるリアクトル損失の増大を抑制することが可能な、低騒音の圧粉体、圧粉磁心、およびリアクトルを提供する。
【解決手段】 ヤング率が３０ＧＰａ以上で、かつ１．０Ｔに磁化させたときの体積変形率が５ｐｐｍ以下である複数の圧粉体と、前記圧粉体間に設けられた、セラミックス板により構成される圧粉磁心を用いる。圧粉体を構成する軟磁性粉末は、２〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金が好ましい。
【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及びリアクトルに用いられる圧粉体、圧粉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と比透磁率μｒが大きいという長所をもつ。しかしながら、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リアクトル用の磁心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。そのため、高周波磁心損失は珪素鋼板に比べると小さいという長所を持つ。

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特性としては、高い飽和磁束密度Bｓ、適切な範囲の比透磁率μｒ、そして磁化した時の体積変形率が低いことが要求される。ここでいう適切な範囲の比透磁率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、磁心材の比透磁率が、適切な範囲の比透磁率μｒより高い場合、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、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、この磁心材に非磁性ギャップ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。このギャップを構成する部材の透磁率は約１である。しかし、ギャップを設けた部分では、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。このフリンジング磁束がコイルを通過する際、コイルに渦電流が生じ、リアクトル損失が増大する問題点がある。このギャップ長は磁心材の比透磁率と適切な範囲の比透磁率μｒの差が大きいほど、大きくする必要がある。そして、このフリンジング磁束による損失の増分は、ギャップ長が大きいほど増加するので、磁心材の比透磁率が低ければ、フリンジング磁束による損失の増分を低く抑えることができる。ハイブリッド自動車用リアクトルでの実用的な実効透磁率μｒｅはおおよそ５から５０までの範囲内にあり、この実効透磁率μｒｅに近い磁気特性を持つ材料を使用することが好ましい。

大電流用のリアクトル磁心としては、前述の圧粉磁心を用いたものがある。珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などの軟磁性帯板は透磁率が５００〜５０００程度であるが、圧粉磁心は１０〜１５０程度であるため、軟磁性帯板に比べてギャップを少なくすることができる。この場合、フリンジング磁束が、軟磁性帯板に比べて少ないため、コイルに生じる渦電流を抑えることができる。そして、磁心損失の小さい圧粉磁心を用いることによりリアクトル損失を小さくできる。また、圧粉磁心は飽和しにくいので、大電流時に高透磁率が得られるという利点がある。

低騒音を示す圧粉磁心として、特許文献１及び特許文献２が開示されている。特許文献１では、硬さと強度を向上させることにより、騒音を抑制している。また、特許文献２では、圧粉磁心を構成する粉末の粒径を制御することにより、騒音を抑制している
特開平６−１７６９１４号公報 特開２００６−１４７９５９号公報

大電流用リアクトルの磁心として圧粉磁心を用いる場合、リアクトル駆動時に発生する騒音が粉末組成、粉末粒径、絶縁材の種類や量、そして空隙率などに大きく依存し、低騒音と優れた磁気特性の両立が難しいという問題がある。
本発明の課題は、前述の従来の大電流用リアクトル圧粉磁心の問題点を解決し、インダクタンスの電流特性が良好で、さらにはギャップのフリンジング磁束によるリアクトル損失の増大を抑制することが可能な、低騒音の圧粉体、圧粉磁心、およびリアクトルを提供することである。

本発明者らは、圧粉磁心が磁化された時の体積変形率に着目した。磁化された時の体積変形率とは、磁化されていない時の圧粉体の磁路方向の長さをＬ0とし、磁化された時の圧粉体の磁路方向の長さをＬ1としたとき、（Ｌ1−Ｌ0）÷Ｌ0で表される値である。圧粉磁心が磁化される場合、磁路方向に吸引力が働き、この吸引力により圧粉磁心は体積が変形する。この体積変形率が大きい場合、この変化が空気に伝播し、高騒音をもたらす。逆に、この体積変形率が小さい場合は低騒音となる。体積変形率と圧粉磁心の機械的特性の相関を調べた結果、この体積変形率は、圧粉磁心の硬さや強度、圧粉磁心を構成する粉末粒径による関係性は小さく、主に圧粉磁心のヤング率及び軟磁性粉末単体の飽和磁歪λｓに大きく依存することを見出した。ヤング率が高く、軟磁性粉末単体の飽和磁歪λｓが小さい程、体積変形率は小さくなる。

すなわち、本発明は、ヤング率が３０ＧＰａ以上で、かつ１．０Ｔに磁化させたときの体積変形率が５ｐｐｍ以下である圧粉体を用いることを特徴とする。

前記圧粉磁心を構成する軟磁性粉末は、２〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする。

また、本発明はヤング率が３０ＧＰａ以上で、かつ１．０Ｔに磁化させたときの体積変形率が５ｐｐｍ以下である複数の圧粉体と、前記圧粉体間に設けられたセラミックス板により構成される圧粉磁心を用いることを特徴とする。

また、本発明の圧粉磁心は、直流バイアス磁界２００００Ａ／ｍを印加した状態において、周波数１０ｋＨｚの交流磁界により磁化を最大０．３Ｔ変化させたときの騒音が圧粉磁心表面から１０ｃｍの距離で８５ｄＢ以下であることを特徴とする。

また、本発明では、これらの圧粉磁心にコイルを設けることで、騒音を十分に抑制した従来にない高性能のリアクトルを得ることが出来る。

本発明は、ヤング率が３０ＧＰａ以上かつ１．０Ｔに磁化させたときの体積変形率が５ｐｐｍ以下である圧粉体を用いて圧粉磁心としているので、これらの圧粉磁心を交流磁界中で動作させた時の騒音を抑制することができる。

本発明で用いる磁性粉末としては、例えば純鉄の粉、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、これらは適宜組合せた粉末でも良い。

前記圧粉磁心を構成する軟磁性粉末に、２〜８重量％のＳｉを含み、残部は不純物及びＦｅである粉末を用いると、これらの粉末単体のヤング率は１００ＧＰａ以上でなので、騒音を抑制することができる。この場合、圧粉磁心のヤング率を高めるための軟磁性粉末以外の配合剤が少量であり、かつこれらの軟磁性粉末は飽和磁束密度Ｂｓが１．５Ｔ以上なので優れた磁気特性を示す。特に、前記圧粉磁心を構成する軟磁性粉末に、６〜７重量％含むのＳｉを含み、残部は不純物及びＦｅである粉末を用いると、粉末単体の飽和磁歪λｓは１ｐｐｍ以下で、保磁力が２００Ａ／ｍ以下なので、更に優れた磁気特性を示し、かつ騒音を更に抑制することができる。

圧粉磁心のヤング率を向上させ、磁化させたときの体積変形率を減少させる方法としては、軟磁性粉末間のコーティング剤としてアルミナ、シリカ、マグネシア、カオリン等のセラミックス系バインダー及び絶縁材料を用い、これらを多量に配合させることがある。また、圧粉磁心のヤング率を向上させるには本発明の圧粉磁心にエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、ポリアミド樹脂などの有機系の溶液、または水ガラス、コロイダルシリカ、コロイダルアルミナなどの無機系の溶液を含浸させ、その後硬化させることも有効である。

本発明の圧粉磁心は、圧粉体同士の間に設けられたセラミックス板により構成されることにより、磁化させたときの圧粉磁心同士の吸引力によるセラミックス板の縮む量が小さくなるので、騒音を抑制することができる。セラミックス板は、密度が高い程ヤング率が高くなるので、密度が９０％以上、さらには９５％以上であることがより好ましい。

本発明の圧粉磁心にコイルを設けたリアクトルは動作時の磁心振動が小さくなるので、騒音を十分に抑制した従来にない高性能のリアクトルを得ることが出来る。フリンジング磁束が外部回路に影響を与えないように、比透磁率μｒを調整するための非磁性ギャップとして用いたセラミックス板の周囲をコイルで覆う形状に設計することが好ましい。

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。
（実施例）
本発明の実施例の一形態を図２に示す。本発明のリアクトルの圧粉磁心は、長円形状であり、長径が１３０ｍｍ、短径が６０ｍｍ、高さ３２ｍｍで平均磁路長が２８０ｍｍの寸法に形成した。半円環状の圧粉体１，２は、径方向の厚みを２０．５ｍｍに形成した。また、ブロック状の圧粉体３〜１２は、径方向の厚みが２０．５ｍｍで、磁路方向の長さが１１ｍｍになるよう形成した。半円環状の圧粉体１，２及びブロック状の圧粉体３〜１２の間には磁気的なギャップ１３〜２４を形成した。このギャップには密度が９９％のアルミナセラミック板を入れ、ギャップ幅（板厚）は全て０．９ｍｍとし、た。圧粉体１、２，３〜１２は平均粒径が４２μｍのFe−６．５％Si系合金粉にカオリン１．５重量部、水ガラス１．５重量部を添加したものを用い、常温にて成形圧力１２００ＭＰａで圧縮成形し、その後成形体に窒素雰囲気中で温度１０７３Ｋの熱処理を施した。そして、熱処理後にエポキシ系樹脂を真空含浸した。このとき、樹脂の含浸量を変化させることによりヤング率を変化させた。
このブロック状の圧粉体３〜１２からなるストレート部に、コイル（図示せず）を設けた。コイルは幅６ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの平角銅線を７６回巻き、かつ全てのギャップを覆うようにして備え付けた。これにより、本発明のリアクトルを得ることができた。
このリアクトルは、周波数１０ｋＨｚ、信号電圧０．５Ｖ、直流重畳電流１６０Ａの時にインダクタンスが２２０μH以上であり、直流重畳電流３３０Ａの時にインダクタンスが５０μH以上あることが確認された。このリアクトルを図３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、直流重畳電流８０Ａ、周波数１０ｋＨｚにおいて実効値１１．５Ａのリップル電流を流した。このとき、圧粉磁心に印加している直流バイアス磁界は２２０００Ａ／ｍで、周波数１０ｋＨｚの交流磁界中における圧粉磁心の磁化の最大変化量は０．２４Ｔである。そして、この条件でのリアクトル動作時に、磁心表面から１０ｃｍの距離で測定した騒音と、圧粉磁心のヤング率の相関を調べた。その結果を図１に示す。図１から明らかなように、圧粉磁心のヤング率が７１ＧＰａにおける騒音は７２ｄＢであり、非常に騒音の少ないリアクトルを得ることができた。また、表１に示すようにヤング率７１ＧＰａを示す圧粉磁心は１．０Ｔに磁化させたときの体積変形率は１ｐｐｍである。

（比較例１）
図２に示すような、長円形状の圧粉磁心を製造した。長径、短径、高さ、平均磁路長とも実施例１と同じ寸法である。また、半円環状及びブロック状圧粉体の寸法、およびそれらの間に形成するギャップの幅は実施例１と同様である。ここで用いた圧粉体には平均粒径が４２μｍのFe−６．５％Si系合金粉にカオリン１．５重量部、水ガラス１．５重量部を添加したＦｅ−Ｓｉ系合金粉末を用いた。このＦｅ−Ｓｉ系合金粉末を常温にて成形圧力１２００ＭＰａで圧縮成形し、その後成形体に窒素雰囲気中で温度１０７３Ｋの熱処理を施した。実施例と異なりエポキシ系樹脂は真空含浸せずに用いた。この圧粉体のヤング率は、表１に示すように１１ＧＰａで、１．０Ｔ磁化させたときの体積変形率は８ｐｐｍである。この圧粉磁心に実施例１と同様にコイルを設け、リアクトルとした。
このリアクトルは、周波数１０ｋＨｚ、信号電圧０．５Ｖ、直流重畳電流１６０Ａの時にインダクタンスが２２０μH以上であり、直流重畳電流３３０Ａの時にインダクタンスが５０μH以上あることが確認された。このリアクトルを図３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、直流重畳電流８０Ａ、周波数１０ｋＨｚにおいて実効値１１．５Ａのリップル電流を流した。そして、この条件でのリアクトル動作時に、磁心表面から１０ｃｍの距離で測定した騒音を調べた。図１に示したように、圧粉磁心のヤング率が１１ＧＰａにおける騒音は９０ｄＢであり、ヤング率が低く、１．０Ｔに磁化させたときの体積変形率が高い圧粉磁心を用いたリアクトルでは、騒音が大きくなることが解った。

リアクトルの騒音と圧粉磁心のヤング率の関係を示した図である。 本発明に係る圧粉磁心の形態を示す図である。 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、２、３〜１２：圧粉体、
１３〜２４：ギャップ（セラミックス板配置スペース）、
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 (5)

1. ヤング率が３０ＧＰａ以上で、かつ１．０Ｔに磁化させたときの体積変形率が５ｐｐｍ以下であることを特徴とする圧粉体。
2. 前記圧粉体を構成する軟磁性粉末は、２〜８重量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉体。
3. ヤング率が３０ＧＰａ以上で、かつ１．０Ｔに磁化させたときの体積変形率が５ｐｐｍ以下である複数の圧粉体と、前記圧粉体間に設けられたセラミックス板により構成されることを特徴とする圧粉磁心。
4. 直流バイアス磁界２００００Ａ／ｍを印加した状態において、周波数１０ｋＨｚの交流磁界により磁化を最大０．３Ｔ変化させたときの騒音が圧粉磁心表面から１０ｃｍの距離で８５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項３に記載の圧粉磁心。
5. 請求項１乃至請求項４に記載の圧粉体もしくは圧粉磁心を用いることを特徴とするリアクトル。

Images