JP2013080949A - リアクトルおよびパワーコンディショナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フェライト材磁心と圧粉磁心とを組み合わせた複合磁心リアクトルの磁心構成を最良とし、リアクトル銅損を低減する。
【解決手段】フェライト材で構成された２つの対向する磁心継部１２ａ，１２ｂと、前記磁心継部の間に配置された、軟磁性粉末と樹脂からなる圧粉体で構成された複数の磁心脚部１１ａ〜１１ｄと、前記磁心脚部の周囲に巻かれたコイルからなる環状のリアクトルであって、前記磁心脚部はギャップ１３ａ，１３ｂを介して併設される複数のブロックからなり、かつ、前記ギャップが前記コイルの内部になるように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源回路や太陽光発電システムなどに用いられるリアクトル、およびパワーコンディショナ装置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（電磁鋼板）、アモルファス軟磁性薄帯、ナノ結晶質軟磁性薄帯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、アモルファス軟磁性薄帯とナノ結晶質軟磁性薄帯は、磁心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や圧粉体のように種々の形状には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材が広く用いられている。このフェライト材磁心は、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アモルファス軟磁性薄帯、ナノ結晶質軟磁性薄帯の４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。

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後、高圧でプレス成形した圧粉体から成る。絶縁処理により渦電流損失の発生が抑制され、高周波磁心損失が抑えられている。

特許文献１では、既述したフェライト材磁心と圧粉磁心を組み合わせた複合磁心により、損失、サイズ、磁心重量を低減したリアクトルが示されている。

特開２００７−１２８９５１号公報

特許文献１では、フェライト材磁心と圧粉磁心を組み合わせた複合磁心を用いることで、リアクトルの磁心損失の低減を図っているが、リアクトル損失の多くを占める銅損の低減については明らかでは無い。本発明では、フェライト材磁心と圧粉磁心とを組み合わせた複合磁心リアクトルの磁心構成を最良とし、リアクトル銅損を低減することを課題とする。

本発明は、フェライト材で構成された２つの対向する磁心継部と、前記磁心継部の間に配置された、軟磁性粉末と樹脂からなる圧粉体で構成された複数の磁心脚部と、前記磁心脚部の周囲に巻かれたコイルからなる環状のリアクトルであって、前記磁心脚部はギャップを介して併設される複数のブロックからなり、かつ、前記ギャップが前記コイルの内部になるように配置され、前記ギャップは前記各磁心脚部に一箇所のみ形成され、前記磁心継部と前記磁心脚部との間にはギャップ部材が配置されていないリアクトルである。前記磁心脚部は円柱形状である方が好ましい。また、前記軟磁性粉末としてＦｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末を用いることができる。これらのリアクトルを用いてパワーコンディショナ装置とすることができる。

本発明によれば、ギャップ部の漏れ磁束による銅損の増加を抑制したリアクトルを得ることができる。また、磁心脚部を円柱形状とすることでコイル線長が短くなり、さらに銅損が低減され、リアクトル銅損が大幅に低減される。これにより電力変換効率の高いパワーコンディショナーを製造することができる。これらのリアクトルを用いてパワーコンディショナ装置を製造することで、太陽光発電などで極めてエネルギー変換効率の良い装置を得ることができる。

本発明の実施例のリアクトルを示す図である。 本発明の別のリアクトル実施例を示す図である。 比較例のリアクトルを示す図である。 磁心脚部のギャップの位置とリアクトル損失との関係を示す図である。 本発明に係るリアクトルを用いた昇圧コンバータの回路図である。

本発明のリアクトルは、磁心脚部となる圧粉体ブロック間にギャップを設け、このギャップをコイル内に配置されるようにしたことで、交流銅損を低減できることを見出だしたものである。すなわち、特許文献１に記載されるような磁心継部と磁心脚部の接続部位にギャップを其々設けるリアクトルでは、コイルと鎖交する漏れ磁束が大きくなり、コイルの交流抵抗が増大する。これに対して、磁心脚部となる圧粉体ブロック間にギャップを設ける本発明では、コイル内部にギャップが存在するため、コイル導体のシールド効果により漏れ磁束の広がりが抑制され、コイル交流抵抗が小さくなる。従ってこの磁心構造を用いることで、銅損を低減した低損失のリアクトルを実現できる。さらに磁心脚部を円柱形状とすることで銅損はさらに低減され、リアクトル損失を大幅に低減できることを見出した。

前記磁心継部を構成するフェライト磁心材は、例えばＭｎ−Ｚｎ系フェライトやＮｉ−Ｚｎ系フェライトなどが挙げられる。フェライト材の透磁率は、後述する磁心脚部を構成する圧粉体の１０倍以上の透磁率を有することが望ましい。

前記磁心脚部を構成する圧粉体に用いる軟磁性粉は、例えば純Ｆｅ粉、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉、Ｆｅ−Ｎｉ合金粉、Ｆｅ基アモルファス軟磁性粉、Ｆｅ基ナノ結晶質軟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。

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。
（実施例１）
本発明のリアクトルとして、図１に示す複合磁心リアクトルを作製した。図１でコイル（図示せず）の巻回される磁心脚部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは同寸法の直方体形状の圧粉磁心で、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ系磁性粉末を用いた圧粉体である。寸法はＡ１＝１４．５ｍｍ、Ｂ１＝１６．５ｍｍ、Ｃ１＝２５ｍｍである。磁心脚部１１ａと１１ｂの間にギャップ１３ａが設けられ、磁心脚部１１ｃと１１ｄの間にギャップ１３ｂが設けられている。磁心継部１２ａ、１２ｂは同寸法の板状フェライト磁心で、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト材（日立金属製ＭＬ２４Ｄ材）を用いた。寸法はＤ１＝５７ｍｍ、Ｅ１＝３０ｍｍ、Ｆ１＝１０ｍｍである。コイルのターン数は１４０で、ギャップ１３ａ、１３ｂのギャップ長を調整し、電流０Ａ時に１４６８マイクロＨのインダクタンスを得た。

（実施例２）
本発明の別のリアクトルとして、図２に示す複合磁心リアクトルを作製した。図２でコイル（図示せず）の巻回される磁心脚部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは同寸法の円柱形状の圧粉磁心で、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ系磁性粉末を用いた圧粉体である。磁心脚部２１ａと２１ｂの間にギャップ２３ａが設けられ、磁心脚部２１ｃと２１ｄの間にギャップ２３ｂが設けられている。寸法はＡ２（直径）＝１７．５ｍｍ、Ｃ２＝２５ｍｍである。磁心継部２２ａ、２２ｂは同寸法の板状フェライト磁心で、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト材（日立金属製ＭＬ２４Ｄ材）を用いた。寸法はＤ２＝５７ｍｍ、Ｅ２＝３０ｍｍ、Ｆ２＝１０ｍｍである。コイルのターン数は１４０で、ギャップ２３ａ、２３ｂのギャップ長を調整し、電流０Ａ時に１４６５マイクロＨのインダクタンスを得た。

（比較例）
比較用リアクトルとして、図３に示す複合磁心リアクトルを作製した。コイルの巻回される磁心脚部３１ａ、３１ｂは同寸法の直方体形状の圧粉磁心で、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ系磁性粉末を用いた圧粉体である。寸法はＡ３＝１４．５ｍｍ、Ｂ３＝１６．５ｍｍ、Ｃ３＝５０ｍｍである。磁心継部３２ａ、３２ｂは同寸法の板状フェライト磁心で、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト材（日立金属製ＭＬ２４Ｄ材）を用いた。寸法はＤ３＝５７ｍｍ、Ｅ３＝３０ｍｍ、Ｆ３＝１０ｍｍである。ギャップ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄは、磁心脚部３１ａ、３１ｂと磁心継部３２ａ、３２ｂの接続部位に設けられ、コイルの巻き回される範囲から外れた磁心継部側に設けられている。コイルのターン数は１４０で、ギャップ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄのギャップ長を調整し、電流０Ａ時に１４６２マイクロＨのインダクタンスを得た。

図５に太陽光発電システムなどのパワーコンディショナに使われる昇圧コンバータの回路図を示す。前述の実施例１、実施例２、そして比較従来例のリアクトルを図５の昇圧コンバータのリアクトルＬ１として搭載し、駆動周波数１７ｋＨｚ、入力電圧２００Ｖでコンバータを動作させた。そして、昇圧コンバータ出力として１．４７ｋＷ（電圧３５０Ｖ、電流４．２Ａ）を得た時のリアクトル損失を測定した。結果を表１に示す。

比較従来例のリアクトルに対して、実施例１は同形状ながらリアクトル損失は約５％低減している。さらに、実施例２のリアクトル損失は比較例に対して約１５％も低減している。

従来構造の複合磁心リアクトルでは、インダクタンス値を調整するためのギャップを、磁心継部と磁心脚部の接続部位の計４箇所設けているのに対し、本発明の実施例では磁心脚部内の２箇所のみとなっており、ギャップ部材数とギャップの設置工数を減らすこともできた。

（実施例３）
実施例１の形状のリアクトルで、磁心脚部の中央に設けているギャップを図４（ａ）〜（ｃ）に示す位置を変え、どのようにリアクトル損失が変化するか磁場解析ソフトを用いて検証した。図４（ａ）はギャップ４３ａ，４３ｂの位置を中央から５ｍｍずらして磁心脚部のブロック４１ａ，４１ｂの長さを２０ｍｍと３０ｍｍのものとしたリアクトルである。図４（ｂ）はギャップ５３ａ，５３ｂの位置を中央から５ｍｍずらして磁心脚部のブロック５１ａ，５１ｂの長さを２０ｍｍと３０ｍｍのものとし、かつ、磁心脚部のブロック形状が点対称となるように配置したものである。図４（ｃ）はギャップ６３ａ，６３ｂの位置を中央から１０ｍｍずらして磁心脚部のブロック６１ａ，６１ｂの長さを１５ｍｍと３５ｍｍのものとし、かつ、磁心脚部のブロック形状が点対称となるように配置したものである。
図４（ａ）の形状と図４（ｂ）を比較すると、磁心脚部のブロックを点対称になるように配置することでリアクトル損失が下がることが解る。図４（ｃ）のように、ギャップの位置を中央から１０ｍｍ（片方の磁心脚部総長の２０％）ずらしても、従来の磁心脚部の端部４箇所にギャップを入れたものよりリアクトル損失を下げることができる。但し、図４（ａ）のように、磁心脚部のブロックを線対称になるように配置するものでは、ギャップの位置を中央から１０ｍｍずらすと従来のリアクトルよりもリアクトル損失は悪化していた。磁心脚部のブロックを線対称になるように配置する場合は、ギャップの位置を中央から片方の磁心脚部総長の１５％以下の範囲でずらす必要がある。

１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、２１ａ〜２１ｄ、４１ａ、４１ｂ、５１ａ、５１ｂ、６１ａ、６１ｂ：磁心脚部、
１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ、５２ａ、５２ｂ、６２ａ、６２ｂ：磁心継部、
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ〜３３ｄ、４３ａ、４３ｂ、５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂ：ギャップ

本発明は、フェライト材で構成された２つの対向する磁心継部と、前記磁心継部の間に配置された、軟磁性粉末を用いた圧粉体で構成された複数の磁心脚部と、前記磁心脚部の周囲に巻かれたコイルからなる環状のリアクトルであって、前記磁心脚部はギャップを介して併設される複数のブロックからなり、かつ、前記ギャップが前記コイルの内部になるように配置され、前記磁心継部と前記磁心脚部との接続部分において、前記磁心継部の前記環状のリアクトルの軸方向の寸法が、前記磁心脚部の前記軸方向の寸法よりも大きいリアクトルである。また、別の本発明は、フェライト材で構成された２つの対向する磁心継部と、前記磁心継部の間に配置された、軟磁性粉末を用いた圧粉体で構成された複数の磁心脚部と、前記磁心脚部の周囲に巻かれたコイルからなる環状のリアクトルであって、前記磁心脚部はギャップを介して併設される複数のブロックからなり、かつ、前記ギャップが前記コイルの内部になるように配置され、前記磁心継部の対向方向から見て、前記磁心脚部が、前記磁心継部の外縁よりも、前記環状のリアクトルの軸方向内側に配置されているリアクトルである。前記磁心脚部は円柱形状である方が好ましい。また、前記軟磁性粉末としてFe-Si系軟磁性粉末を用いることができる。これらのリアクトルを用いてパワーコンディショナ装置とすることができる。

Claims (4)

1. フェライト材で構成された２つの対向する磁心継部と、前記磁心継部の間に配置された、軟磁性粉末と樹脂からなる圧粉体で構成された複数の磁心脚部と、前記磁心脚部の周囲に巻かれたコイルからなる環状のリアクトルであって、前記磁心脚部はギャップを介して併設される複数のブロックからなり、かつ、前記ギャップが前記コイルの内部になるように配置され、前記ギャップは前記各磁心脚部に一箇所のみ形成され、前記磁心継部と前記磁心脚部との間にはギャップ部材が配置されていないことを特徴とするリアクトル。
2. 前記磁心脚部は円柱形状であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
3. 前記軟磁性粉末が、Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末であることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載のリアクトル。
4. 請求項１乃至請求項３に記載のリアクトルを用いたことを特徴とするパワーコンディショナ装置。

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