JP2008141012A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】高周波かつ高磁場においても良好な特性のリアクトルを提供する。
【解決手段】リアクトルにおいて、アモルファス磁性粉末を圧粉成形後、熱処理して作成したアモルファス圧粉磁心を鉄心として用いる。アモルファス圧粉磁心は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス磁性粉末を、圧粉体密度が５．０〜６．０Ｍｇ／ｍ^３になるように圧粉成形した後、非還元性雰囲気中において４００〜５００℃、１０〜３０分間の熱処理を施すことにより作製する。このアモルファス圧粉磁心にエッジワイズ巻きによるコイルを巻回してリアクトルとする。
【選択図】図５

Description

本発明は、粉末成形法により作製したアモルファス圧粉磁心を鉄心として用いる大容量昇圧回路用リアクトル、アモルファス圧粉磁心及びその製造方法に関する。

図１は、典型的なリアクトルの構成を示す分解図である。リアクトル１０において、Ｕ字型の第１のコア１１と第２のコア１２がロの字型の閉磁気回路を構成するように、これらのコアの端部が合わせて配置される。閉磁気回路を構成する第１のコア１１及び第２のコア１２は、リアクトルコアとしてその周りに第１のコイル１３及び第２のコイル１４が巻回される。

リアクトル用鉄心材料としては、鉄損が低く、かつ低磁場から高磁場まで比較的高い透磁率を示す材料が好ましい。そこで、３〜６．５％Ｓｉを含む珪素綱板あるいはアモルファスリボン等の低鉄損磁性材料の適用が考えられる。しかし、どちらの材料とも最大透磁率が非常に高く、これらの材料でリアクトルコアを作製すると、低磁場側では優れたリアクトル特性を示すものの、中磁場あるいは高磁場側では材料の透磁率が極めて低くなり、優れたリアクトル特性が得られない。近年、大容量昇圧回路用インバータのリアクトルには、高磁場側でのより優れたリアクトル特性が必要とされるようになってきている。そこで、材料の最大透磁率を低下させ、高磁場側でもある程度の透磁率を得るため、コアを切断により分割した図２に示すようなカットコアを作製してギャップ材とともに鉄心を組み立ててリアクトルとしている。アモルファスリボンは帯厚が１０〜３０μｍと非常に薄く、これを稠密に積層するのは手間がかかりコストが高くなってしまうこと、電磁騒音の発生が大きくなることから、通常は３〜６．５％Ｓｉを含む珪素鋼板が用いられている。

ハイブリッド自動車等に用いられている大容量昇圧回路用インバータのリアクトルは、例えば厚さ０．１ｍｍの６．５％珪素鋼板を積層し、かつ閉磁路中に最適数の空隙を切断により形成した空隙リアクトルである。この場合、平角線の平板面が互いに向かい合うように巻くエッジワイズ型巻き線を施し高磁場も形成できる仕様となっている（下記の特許文献１を参照）。

エッジワイズコイルは、線の断面形状が角形であり、断面形状が円形の場合よりも線間の隙間を小さくし、占積率を大きくすることが可能であること、また線の断面積を大きくして抵抗値を低くできるので、大電流を流しても銅損が小さいこと、更にはコイルをフィン状に巻けるので鉄損および銅損による発熱を放出しやすいことから、高磁場を形成するためのコンパクトなコイルに適している。
特開２００３−７７７４６号公報

ハイブリッド自動車等に搭載されるモータ出力の増大等にともない、昇圧回路用インバータのリアクトルには、高周波かつ高磁場での特性が要求されるようになってきている。高周波かつ高磁場においては、珪素鋼板は、板厚０．１ｍｍでも鉄損が大きく、また、カットコアの空隙部に起因する漏洩磁束が発生し鉄損をさらに増加させ、この結果、発熱が大きく、連続して使用できる時間が短くなってしまう。そのため、珪素鋼板を鉄心として用いるリアクトルは、リミッタを付けた部分昇圧回路方式となっており、昇圧回路として本来要求される機能を発揮することができない。

エッジワイズ巻きに薄肉の平角線を用いると、コイルが型くずれし易く安定した巻き線を得ることが難しいため、従来のエッジワイズコイルに用いられる平角線には、角形比（厚みに対する幅の比）が最大でも３程度のものが用いられている。エッジワイズコイルに厚肉の平角線を用いると、巻き数を多くすることができず、高磁場を得にくいとともに高磁場において高いインダクタンスを得ることができない。

本発明者らは、上記の課題を解決するため、種々の検討を行い、アモルファス磁性粉末を所定の密度に圧粉成形し、適正条件で熱処理を施すことにより、低鉄損等の優れた磁気特性を示すアモルファス圧粉磁心が得られることを見出した。本発明のリアクトルは、このアモルファス圧粉磁心を鉄心として用いることを特徴としている。

アモルファス磁性粉末は、アモルファスリボンと同様にＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系の溶湯を急冷凝固して作製する。本発明では、この粉末にＳｉＯ_２等の無機系絶縁被膜をコーティングしたものを圧粉体密度が５．０〜６．０Ｍｇ／ｍ^３になるように圧粉成形した後、非還元性雰囲気中において４００〜５００℃、１０〜３０分間の熱処理を施すことにより作製したアモルファス圧粉磁心を鉄心として用いることを特徴としている。

アモルファス磁性粉末の粒径は、組成や冷却速度で多少は異なるが、通常２１２μｍ以下となるが、１５０μｍ以下であることが好ましく、５３μｍ以下であることがより好ましい。

アモルファス圧粉磁心の形状はＵ字型であり、２個のアモルファス圧粉磁心の端部を合わせて閉磁路を形成することでロの字型のリアクトルコアとし、このリアクトルコアが２個のアモルファス圧粉磁心の合わせ面以外に空隙を有さないことが好ましい。

角形比３〜１５と、エッジワイズ巻きに用いる平角線としては従来よりも角形比が大きい平角線を角型エッジワイズ巻きにより巻き線することにより、本発明のリアクトルに好適なコイルが得られる。

アモルアァス圧粉磁心とコイルとの間には、コアの断面積の１２５％以下に相当する空間を設けることが望ましい。

アモルファス磁性粉末を圧粉成形する場合には、成形金型の強度を考慮して、端部をＲ形状とする必要があるが、圧粉したままの形状で２個のコアの端部を合わせると、Ｒ部で形成される空隙からの漏洩磁束により鉄損の増大を招いてしまう。そこで、切削加工等によりＲ部を切除することが好ましい。加工されるアモルファス圧粉磁心の強度を確保するためには、加工する前にワニスを含浸し、硬化処理しておくことが好適である。ワニスは少なくとも２００℃の耐熱性を有する樹脂であり、１００℃以上、非還元性雰囲気中において硬化処理されることが好ましい。

上記のようなアモルファス圧粉磁心は、低磁場から高磁場まで優れたリアクトル特性を示す。また、内部に多くの気孔を有するため、珪素鋼板やアモルファスリボンで作製したリアクトルコアのように切断による空隙を設け、高い位置合わせ精度で組み立てる必要がなく、積層工程も不要であるため、空隙に起因する漏洩磁束による鉄損の増大が防止できるとともに、組み立てに要する工数も大幅に低減できる。

平角線を用いるエッジワイズ型コイルは、占積率を高くすることができるが、丸型エッジワイズコイルでは、同心円状にしかコイルを形成できないため、スペースに制限のある昇圧回路用リアクトルとしては、設計自由度が制約を受けるが、長方形状にもコイルを形成できる角型エッジワイズコイルを採用することで、設計自由度を向上させることができる。また、従来よりも角形比が大きい薄肉の平角線を用いることで、コイルの巻き数を多くすることができ、過電流側でのインダクタンスを向上させることができる。

アモルファス圧粉磁心とコイルの間に空間を設けることで、放熱性を向上することができるとともに、空間部とコア部の比率を制御することにより透磁率を制御し、インダクタンスを大きくするとともに磁気飽和の影響を小さくして、過電流、高磁場側でのリアクトル特性を向上することができる。

このようなアモルファス圧粉磁心と角型エッジワイズコイルから構成されるリアクトルは、溶接機、レーザー加工機、ハイブリッド自動車、太陽光発電装置等の電源装置に搭載される大容量昇圧回路用インバータのリアクトルとして優れた特性を示す。

Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス磁性粉末からなる圧粉磁心は、適切な熱処理を施すと、図３に示すように殆どヒステリシス現象が認められなくなるため、ヒステリシス損を非常に小さくできる。図３（ａ）はＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス磁性粉末からなるアモルファスコアのヒシテリシスを示し、図３（ｂ）は従来の圧粉磁心のヒシテリシスを示す。

このようにアモルファス磁性粉末による圧粉磁心を用いると、図４に示すように低鉄損とすることができる。図４は、従来の圧粉磁心と、積層珪素鋼板コアと、アモルファスコアの鉄損の周波数依存性を比較して示すものである。

図４に見られるように、アモルファスコアは鉄損が小さいという優れた特性を有するが、アモルファス磁性粉末が硬く変形しにくいため、圧粉成形による高密度化が難しく、圧粉磁心の最大透磁率を高くすることが困難である。そのため、従来、アモルファス圧粉磁心のリアクトルヘの適用は、低磁場側での特性に課題があり、不適当であるとされてきた。

しかし、本発明者らの検討により、低磁場から高磁場までの特性を要求されるリアクトル用としての透磁率とインダクタンスのバランスを考慮すると、リアクトルの鉄心に適用するアモルファス圧粉磁心は、必ずしも高密度である必要はないことが明らかになった。

図５はアモルファス圧粉体における磁束密度の磁場に対する依存性を示すもので、アモルファス圧粉体の密度は（ａ）５．０Ｍｇ／ｍ^３、（ｂ）５．５Ｍｇ／ｍ^３、（ｃ）６．０Ｍｇ／ｍ^３、（ｄ）６．２Ｍｇ／ｍ^３である。なお、図５（ａ）〜（ｄ）の相違が明らかになるように、図中の曲線の端点を破線で結んで示した。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、５．０〜６．０Ｍｇ／ｍ^３の範囲の圧粉体密度のアモルファス圧粉磁心は、８００００Ａ／ｍの高磁場においても、磁束密度が飽和せず、低磁場から高磁場まで安定した透磁率を示す。これは、アモルファス圧粉磁心の内部に適度な量の気孔が分散していることにより、低磁場側での透磁率が低く、高磁場側でも磁束密度が飽和せず、透磁率の低下が抑制されるためである。

５．０Ｍｇ／ｍ^３未満の密度では、全体的に透磁率が低くなり過ぎるためリアクトルへの適用は不適当である。一方、６．０Ｍｇ／ｍ^３を超える密度では、図５（ｄ）に示すように低磁場側での透磁率は高くなるものの、高磁場側では磁束密度が飽和して透磁率が小さくなってしまう。

圧粉体に施す熱処理は、非還元性雰囲気中、４００〜５００℃で１０〜３０分間施すことが望ましい。熱処理雰囲気は、絶縁被膜の分解防止のため非還元性ガスであることが必要であるが、製造経済上大気または窒素が好ましい。熱処理温度については、４００℃未満では圧粉成形による歪みの除去が不充分であり、５００℃を超えると結晶化が始まってしまう。共にヒステリシス損の増大を招くため、熱処理温度は４００〜５００℃の温度範囲が好ましい。熱処理時問に関しても、充分な歪みの除去と、結晶化防止の観点から、１０〜３０分間が好ましい。１０分未満では圧粉成形による歪みの除去が不充分であり、３０分を超えると結晶化が始まってしまう。

原料粉末の粒径が微細であるほど、圧粉磁心の初透磁率が低くなり、高磁場側での透磁率の低下を抑制できるため、アモルファス磁性粉末は、１５０μｍ以下であることが好ましく、５３μｍ以下の微粉末であることがより好ましい。

しかしながら、アモルファス磁性粉末の粒径を２５μｍ以下とすると、粉末の圧縮率が著しく悪化するため、５．０Ｍｇ／ｍ^３以上の圧粉体が得られず、インダクタンスの絶対値が小さくなり過ぎるため、好ましくない。

なお、上記の磁気特性に関ずる記述は、φ２０ｍｍ×φ３０ｍｍ×５ｍｍの試験片を用いての測定結果に基づくものである。

１．アモルファス圧粉磁心の作製
組成がＳｉ：５．３重量％、Ｂ：３重量％および残部がＦｅおよび不可避不純物であり、粒径が５３μｍ以下のＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系アモルファス磁性粉末の表面をＳｉＯ_２被覆した粉末を、常温にて金型成形により圧粉体密度が５．２Ｍｇ／ｍ^３となるよう圧粉し、得られた圧粉体に大気中、４５０℃、１０分間の熱処理を施した。この熱処理体にワニス含浸、硬化処理を施した後、端部を加工して、図６に示す形状のアモルファス圧粉磁心とした。

２．巻き線
０．５ｍｍ×４５ｍｍの銅板を用いたロール巻き、２．６ｍｍ×８ｍｍの平角線を用いた丸型エッジワイズ巻きおよび１ｍｍ×１２ｍｍの薄肉の平角線を用いた角型エッジワイズ巻きによりコイルを作製した。

３．リアクトル特性の評価
表１に示すリアクトルを作製し、インダクタンス−電流値特性を評価した結果を図７に示す。なお、（１）〜（３）のリアクトルは、２個の図６の形状を有するアモルファス圧粉磁心の端面を合わせてロの字型のコアとし、（４）のリアクトルは、厚みを図６の形状の２倍の４０ｍｍとしたアモルファス圧粉磁心を２個用いてロの字型のコアとした。

０．５ｍｍ×４５ｍｍの銅板を用いたロール巻きでコイルを作製したリアクトル（１）は、低電流側では、比較的良好な特性を示すが、過電流側では、インダクタンスの低下が顕著であった。

２．６ｍｍ×８ｍｍの平角線を用いた丸型エッジワイズ巻きでコイルを作製したリアクトル（２）および１ｍｍ×１．２ｍｍの薄肉の平角線を用いた角型エッジワイズ巻きによりコイルを作製したリアクトル（３）は、低電流側では、リアクトル（１）よりもインダクタンスが低くなったが、過電流側では、インダクタンスの低下が抑制され、リアクトル（１）よりもインダクタンスが高くなった。

薄肉かつ幅広の平角線を用いた角型エッジワイズコイルは、線の断面積を確保しつつ巻き数を多くできるため、リアクトル（２）のほうがリアクトル（１）よりもインダクタンスが高くなった。

さらに、コアの厚みを４０ｍｍとして断面積を大きくし、１ｍｍ×１２ｍｍの薄肉の平角線を層いた角型エッジワイズ巻きにより長方形状コイルを作製したリアクトル（４）では、より高いインダクタンスが得られた。

４．ヒートラン特性の評価
次に、アモルファスコアおよびロール巻きのコイルでなるリアクトルによるヒートラン特性を評価した。リアクトルは樹脂モールドし、コイルとコア間に温度測定のための熱電対を設置した。

８０Ａの直流を通電した時のヒートラン特性について測定したところ、ヒートラン前の気温１９℃、巻線抵抗４．９５ｍΩ、通電によるヒートラン後の気温１５℃、巻線抵抗６．１８ｍΩであった。この結果から抵抗法によりコイル温度の上昇値を算出すると６８Ｋであった。図８の曲線ａに、上記ＤＣ特性測定時の熱電対により測定した温度変化を示す。ヒートラン前後でのコイルとコアの間の温度上昇値は約６０Ｋであった。

この直流でのヒートラン特性の測定に引き続いて、８０Ａの交流を通電した時のヒートラン特性についても測定を行ったところ、ヒートラン後の気温１３℃、巻線抵抗６．５２ｍΩであった。この結果から抵抗法によりコイル温度の上昇値を算出すると８７Ｋであった。図９の曲線ａに、上記ＡＣ特性測定時の熱電対により測定した温度変化を示す。ヒートラン前後でのコイルとコアの間の温度上昇値は約８０Ｋであった。

なお、アモルファスコアおよびエッジワイズ巻きのコイルでなるリアクトルに対して同様にヒートラン特性を評価したところ、３０〜４０Ｋの温度上昇がみられた（図８及び図９の曲線ｂ）。また、比較のために珪素鋼板コアおよびロール巻きコイルでなるリアクトルのヒートラン特性を測定したところ１００〜１５０Ｋの温度上昇が見られた（図８及び図９の曲線ｃ）。この結果は、珪素鋼板コアを用いたリアクトルでは、通電によりコア自体の温度が大きく上昇することを示している。

このように、アモルファスコアを用いたリアクトルは、従来の珪素鋼板コアを用いたリアクトルと比較すると、通電による温度上昇が著しく小さいという優れたヒートラン特性を有する。さらに、アモルファスコアを用いたリアクトルにおいては、ロール巻きコイルよりもエッジワイズ巻きコイルが通電による温度上昇が小さくヒートラン特性が優れている。

なお、上述の実施例では、Ｕ字形の形状のアモルファス圧粉磁心によりコアを構成したが、本願はこれに限定されない。Ｅ字型の形状のアモルファス圧粉磁心を用いてもよい。また、Ｅ字型及びＩ字型の形状の一組またはＵ字型及びＴ字型の形状の一組を用いてもよい。

本発明のリアクトルは、低磁場から高磁場まで優れた特性を示し、溶接機、レーザー加工機、ハイブリッド自動車、太陽光発電装置等の電源装置に搭載される大容量昇圧回路用インバータのリアクトルとして有用である。

典型的なリアクトルの構成を示す分解図である。 カットコアの１例の斜視図である。 （ａ）アモルファス圧粉磁心のＢ−Ｈ曲線図および（ｂ）従来の圧粉磁心のＢ−Ｈ曲線図である。 アモルファス圧粉磁心、従来の圧粉磁心および積層珪素鋼板コアの鉄損を比較した図である。 アモルファス圧粉磁心の密度が及ぼすＢ−Ｈ曲線への影響を示す図である。 本発明のリアクトルの実施例に用いたアモルファス圧粉磁心の形状を示す図である。 本発明のリアクトルの実施例のインダクタンス−電流特性を示す図である。 リアクトルに８０Ａの直流を通電したときのコイルとコアの間の温度変化を示す図である。 リアクトルに８０Ａの交流を通電したときのコイルとコアの間の温度変化を示す図である。

符号の説明

１０ リアクトル
１１ 第１のコア
１２ 第２のコア
１３ 第１のコイル
１４ 第２のコイル

Claims (9)

1. アモルファス磁性粉末を圧粉成形後、熱処理して作製したアモルファス圧粉磁心を鉄心として用いることを特徴とするリアクトル。
2. アモルファス圧粉磁心は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス磁性粉末を、圧粉体密度が５．０〜６．０Ｍｇ／ｍ^３になるように圧粉成形した後、非還元性雰囲気中において４００〜５００℃、１０〜３０分間の熱処理を施すことにより作製されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
3. アモルファス磁性粉末の粒径は、１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のリアクトル。
4. アモルファス圧粉磁心の形状がＵ字型またはＥ字型であり、２個のアモルファス圧粉磁心の端部を合わせて閉磁路を形成することでコアとし、このコアが２個のアモルファス圧粉磁心の合わせ面以外に空隙を有さないことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のリアクトル。
5. Ｅ字型及びＩ字型の形状の一組またはＵ字型及びＴ字型の形状の一組のアモルファス圧粉磁心の端部を合わせて閉磁路を形成することでコアとし、このコアが２個のアモルファス圧粉磁心の合わせ面以外に空隙を有さないことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のリアクトル。
6. 角形比が３〜１５の平角線を、角型エッジワイズ巻きによりアモルファス圧粉磁心に巻いてコイルとすることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のリアクトル。
7. アモルファス圧粉磁心が、ワニスを含浸され、硬化された後、端部に切削等の加工を施されていることを特微とする請求項４または５に記載のリアクトル。
8. 前記ワニスが、少なくとも２００℃の耐熱性を有する樹脂であり、１００℃以上、非還元性雰囲気中において硬化処理されていることを特徴とする請求項４または５に記載のリアクトル。
9. 昇圧回路用インバータに用いることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載のリアクトル。

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