JP2013247318A - リアクトルおよびそれを用いた電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ磁束を減らしかつ磁気飽和を抑制したリアクトルを提供する。
【解決手段】非磁性ギャップを用いず、コイルに覆われている磁性コア被覆部の透磁率を下げてコア全体の透磁率を調整する。磁性コア被覆部の磁界が印加される方向の両端の磁性体密度は、中央部の磁性体密度よりも高くなるようにする。
具体的には、例えば磁性コアとコイルとを備えたリアクトルであって、磁性コアはコイルに覆われている被覆部とコイルで覆われていない露出部から成り、磁性コア被覆部は、磁界が印加される方向の端部の磁性体密度が、磁性コア被覆部の中央部の磁性体密度よりも高いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はリアクトルおよびそれを用いた電力変換器に係り、特に電流平滑、ノイズ除去の役割を持つ磁気デバイスとして用いるリアクトルおよびそれを用いた電力変換器に関する。

近年、環境問題からハイブリッド車や燃料自動車などの直流電源でモータを駆動して走行する自動車が開発されている。これらの自動車では、直流電源であるバッテリーの電圧を昇圧する昇圧コンバータを搭載している。係る昇圧コンバータには、リアクトルや変圧器などの磁気デバイスが搭載されている。

磁気デバイス（リアクトル、変圧器）は、磁性コアに銅線を巻いたデバイスである。このうちリアクトルは電流平滑や力率改善、変圧器は電圧変換や絶縁の目的で使用されることが多い。磁気デバイス（リアクトル、変圧器）は、主に太陽光発電、自動車などの昇圧コンバータに適用されている。

図２に非磁性ギャップを有するリアクトルＬの平面図を示す。リアクトルＬはコイルＣ（Ｃ１、Ｃ２）、コイルＣに覆われている磁性コア被覆部５、コイルＣに覆われていない磁性コア露出部３（３Ａ、３Ｂ）からなる。このうち磁性コア被覆部５は、アルミナなどの非磁性ギャップ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈと、
磁性体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆが交互に積層する形で構成されている。例えばリアクトルＬの左側についてみると、４ａ、２ａ、４ｂ、２ｂ、４ｃ、２ｃ、４ｄの順に交互に積層されている。

大電流或いは直流重畳下で使用するリアクトルＬは、通常磁束飽和を防ぐために磁性コアに非磁性材料のギャップ４が設けられている。これにより、透磁率が低下して磁性コアが磁気飽和しづらくなり、直流重畳特性を向上させることが可能となる。しかし、非磁性ギャップ４を設けることにより、漏れ磁束が多くなる、或いは磁性コアのエッジ部分に磁束が集中して磁気飽和が起こってしまう等の問題が生ずる。

例えば図２の非磁性ギャップを有するリアクトルＬの場合には、同図右側に示すように、磁性コア被覆部５の磁性体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆの部分は磁性体密度が高く、非磁性ギャップ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈの部分が低くなるという結果になる。

これらの問題を解決する手段として、特許文献１では非磁性ギャップを用いることなく、コア本体部よりも透磁率の低い低磁性部を設けて、全体の透磁率を調整する構造が記載されている。

なお、磁性コアとして圧粉コアを作製する場合の作成手法が特許文献２に記載されている。

また非特許文献１には、磁性コア内の磁束分布をＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析により求めることが記載されている。

特開２００９−２６６９２９号公報 特開２００９−２３１４８１号公報

B. You. et al、 Vehicle Power and Propulsion Conference、 2009. VPPC 2009. IEEE、 p.730

リアクトルを作製する際には、漏れ磁束を減らすことと、磁気飽和しないようにすることが重要である。しかしながら、上記特許文献１記載の構造のリアクトルでは漏れ磁束抑制、磁気飽和抑制に限界がある。

このことから、本発明の目的は、漏れ磁束を減らしかつ磁気飽和を抑制したリアクトルおよびそれを用いた電力変換器を提供することである。

非磁性ギャップを用いず、コイルに覆われている磁性コア被覆部の透磁率を下げてコア全体の透磁率を調整する。磁性コア被覆部の磁界が印加される方向の両端の磁性体密度は、中央部の磁性体密度よりも高くなるようにする。

具体的には、例えば磁性コアとコイルとを備えたリアクトルであって、磁性コアはコイルに覆われている被覆部とコイルで覆われていない露出部から成り、磁性コア被覆部は、磁界が印加される方向の端部の磁性体密度が、磁性コア被覆部の中央部の磁性体密度よりも高いことを特徴とする。

漏れ磁束を減らし、かつ磁気飽和を抑制が可能となる。

実施例１のリアクトルにおける作製工程の説明図である。 非磁性ギャップを有するリアクトルの平面図である。 実施例１のリアクトルの平面図である。 実施例２のリアクトルの平面図である。 リアクトルコアの作製方法の説明図である。 実施例３のリアクトルの平面図である。

以下、本発明の実施形態に係わるリアクトルを説明する。

図１に実施例１に係るリアクトルの作製工程の説明図を示す。リアクトルＬの作製工程は作製工程１〜４からなる。以下、これらの作製工程を説明する。

作製工程１は、磁性コアの作製工程である。まず磁性コアのうち、磁性コア被覆部５の作製工程について説明する。磁性コア被覆部５は、複数の磁性体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆから成る。実施例１では磁性コア被覆部５が、６つの磁性体に分割されて構成されている構造を示しているが、これに限定されるものではない。詳細は後述するが、磁性コア被覆部５の磁性体２ａ、２ｄは、磁性コア露出部３Ａに接続される。同様に、磁性コア被覆部５の磁性体２ｃ、２ｆは、磁性コア露出部３Ｂに接続される。

なお磁性コアのうち磁性コア露出部３は、３Ａと３Ｂが個別に作製されている。

ここでは、磁性コアとして圧粉コアを作製する場合に説明する。圧粉コアの作製は、以下の手順により行うことが知られている。ここではまず絶縁被覆を磁性粉末に施す必要がある。絶縁被覆の手法は使用する磁性粉末によって異なるが、例えば純鉄粉末の場合にはリン酸系、Ｆｅ−Ｓｉ系粉末、アモルファス粉末の場合には特許文献２に示されるようなシリカ系の絶縁被覆が使用できる。

次に、潤滑剤を磁性粉末に混練させる。潤滑剤は例えばステアリン酸亜鉛などが使用できる。

次に、磁性粉末に圧力を加え、圧粉コアを作製する。圧力は使用する磁性粉末の圧縮性によって異なるが、純鉄粉末の場合には圧縮性が良いため１０〜１２ＭＰａ程度、Ｆｅ−Ｓｉ系粉末、アモルファス粉末の場合には圧縮性が悪いため１５〜２０ＭＰａ程度の範囲にすることが多い。

次に成形した圧粉コアを熱処理する。熱処理の目的は、成型時に加わった歪みを取ることである。熱処理温度は、純鉄粉末、Ｆｅ−Ｓｉ系粉末の場合には６００〜８００℃、アモルファス系粉末の場合には４５０〜５５０℃の範囲にすることが好ましい。以上の工程により、圧粉コアを作製することが可能である。

作製工程２はＵ型コアの組み立てである。ここでは、磁性コア被覆部５を構成する複数の磁性体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、および磁性コア露出部３Ｂを接続して、Ｕ型コア６を作製する。Ｕ型コア６は、通電した際の振動による騒音を低減するため、磁性コア同士は接着剤などを用いて固定しておくことが望ましい。接着剤は、例えば、エポキシ樹脂などの耐熱性の高いものが好ましい。さらに機械強度を向上させるため、磁性コアを樹脂製のケース（図示せず）に収納しても構わない。

作製工程３は、コイルＣの作製である。コイルＣはコイルＣ１、Ｃ２から成り、電気的に直列に接続されている。コイルＣに使用される導線はエナメルなどの絶縁被覆が施してあり、導線同士或いは導線と磁性コアが短絡しないようになっている。導線の断面形状は円形、多角形など様々なものがあるが、平角形状の導線を用いて放熱性がよく、形状維持も容易なエッジワイズ型コイルを採用することが好ましい。

作製工程４は、磁性コアの組み立てである。この工程では磁性コア露出部３ＡをＵ型コア６の磁性コア被覆部５に接続する。従って、全ての磁性コアは磁気的に接続されており、磁性コアに沿って磁束が閉ループとなり磁気回路を形成する。

図３に実施例１のリアクトルの平面図を示す。磁性コアの選定基準となる１つめの物性値は透磁率である。コイル中心から離れるにしたがって磁性コアから磁束が漏れやすくなるため、コイル中心から離れている部材ほど透磁率の高いものを用いる必要がある。

したがって、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂ、磁性コア被覆部５を構成する磁性体のうち２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｆ、磁性コア被覆部５を構成する磁性体のうち２ｂ、２ｄの順に透磁率の高い磁性コアを使用することが望ましい。

この関係を満たすためには、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂは漏れ磁束を減らすため、透磁率の高い磁性コア、つまり透磁率が数千程度を有する箔体の磁性コアが望ましい。磁性コア露出部３Ａ、３Ｂとしては例えば、珪素鋼板、アモルファス、鉄系ナノ結晶などのコア材料が使用できる。

次に磁性コア被覆部５を構成する磁性体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆは、磁気飽和を抑制するため、透磁率の低い磁性コア、つまり透磁率が数十から数百程度の圧粉コアが望ましい。

更に磁性コア被覆部５の中心に位置する（コイル中心に位置する）磁性体２ｂ、２ｄは、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂに接する側の磁性体２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｆよりも透磁率が低く、透磁率が数十程度の圧粉コアであることがなお好ましい。

磁性コアの選定基準となる２つめの物性値は、飽和磁束密度である。非特許文献１に記載されているように、磁性コア内の磁束分布はＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析により求めることができる。

磁束が集中する箇所は、磁性コアの寸法、物性値によって異なるが、通常磁性コア内周のエッジ部分に磁束が集中する。したがって、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂ、磁性コア被覆部５を構成する磁性体のうち磁性コア露出部３Ａ、３Ｂに接する側の磁性体２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｆは、コイル中心側の磁性体２ｂ、２ｄよりも飽和磁束密度の高い磁性コアを使用することが望ましい。

ところで、磁性コアの選定基準となる２つの物性値（透磁率および飽和磁束密度）は、いずれも磁性体密度が大きいほど大きくなる。したがって、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂ、磁性コア被覆部５を構成する磁性体のうち磁性コア露出部３Ａ、３Ｂに接する側の磁性体２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｆは、コイル中心側の磁性体２ｂ、２ｄよりも磁性体密度を高くすれば良い。

前述の通り、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂは箔体コアを使用し、磁性コア被覆部５を構成する磁性体２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆは圧粉コアを使用する。このため、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂの方が、磁性体密度が高い。

以下に、コイル中心側の磁性体２ｂ、２ｄの磁性体密度を、磁性コア被覆部５を構成する磁性体のうち磁性コア露出部３Ａ、３Ｂに接する側の磁性体２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｆよりも低くするための方法を述べる。

磁性コア被覆部５を構成する複数の磁性体について磁性体密度に差をつける方法の１つめは、磁性材料を変えることである。つまり、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂに接する側の磁性体２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｆは、圧縮性の高い磁性粉末、例えばＦｅ粉末などを用いる。これに対し、コイル中心側の磁性体２ｂ、２ｄは、圧縮性の低い磁性粉末、例えばＦｅ−Ｓｉ粉末やアモルファス粉末などを用いる。

圧縮性の高い磁性粉末は圧粉成形のプロセスにおいて、空隙を埋めるように組成変形が起こり、磁性体密度が高くなる。圧縮性の低い磁性粉末は圧粉成形のプロセスにおいて、粉末の形状が変化せず、磁性体密度が低くなる。したがって、磁性材料を変えることで磁性体密度の差をつけることが可能である。

磁性体密度の差をつける方法の２つめは、成形圧力を変えることである。圧粉成形時の成形圧力を大きくすると、磁性粉末は空隙を埋めるように組成変形が起こり、磁性体密度が高くなる。したがって、成形圧力を変えることで磁性体密度の差をつけることが可能である。

磁性体密度の差をつける方法の３つめは、潤滑剤の混入量を変えることである。粉末混合のプロセスにおいて潤滑剤の量を増やすと、磁性粉末の占める割合が少なくなり、成形後の磁性体密度が低くなる。よって、コイル中心側の磁性体２ｂ、２ｄは潤滑剤を多く、磁性コア露出部３Ａ、３Ｂに接する側の磁性体２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｆは潤滑剤を少なくすれば良い。したがって、潤滑剤の混入量を変えることで磁性体密度の差をつけることが可能である。

図４に実施例２のリアクトルの平面図を示す。以下、実施例１と相違する部分のみ説明する。実施例２のリアクトルＬは、磁性コア被覆部５が２つの磁性体部品２Ａ，２Ｂから構成されている。ここで磁性体部品２Ａは、図３の磁性体２ａ、２ｂ、２ｃを一体に構成したものということができる。

磁性コア被覆部５を構成する２つの磁性体部品２Ａ，２Ｂは、磁界印加方向（Ｘ）両端の磁性体密度が高くなっており、透磁率および飽和磁束密度が高い。以下、このような磁性体密度の分布を持つ磁性コアの作製方法について述べる。

なお、磁界印加方向（Ｘ）両端の磁性体密度が高い磁性体部品２Ａ，２Ｂは、別の表現をすると磁性コア露出部３Ａ、３Ｂに接する側の磁性体密度が高いものということができる。

図５にリアクトルコアの作製方法の説明図を示す。成形時に使用するプレス機は、ダイ１５、上パンチ１６、下パンチ１７からなる。潤滑剤、バインダーなどが混練された磁性粉末１８を充填した後、上パンチ１６、下パンチ１７により磁性粉末１８に圧力を加え、圧粉コアを作製する。

磁性体密度の分布を持つ磁性コアの作製方法の１つ目は、複数の磁性粉末を使用することである。粉末充填の際に、圧縮性の高い磁性粉末１８Ａ、圧縮性の低い磁性粉末１８Ｂ、圧縮性の高い磁性粉末１８Ａの順に磁性粉末を充填する。それにより上パンチ１６および下パンチ１７に接している部分のみ磁性体密度の高い圧粉コアを作製することができる。

磁性体密度の分布を持つ磁性コアの作製方法の２つ目は、潤滑剤の混入量を変えることである。粉末充填の際に、潤滑剤の混入量の少ない磁性粉末、粉末充填の際に、潤滑剤の混入量の多い磁性粉末、粉末充填の際に、潤滑剤の混入量の少ない磁性粉末の順に磁性粉末を充填する。それにより上パンチ１６および下パンチ１７に接している部分のみ磁性体密度の高い圧粉コアを作製することができる。

磁性体密度の分布を持つ磁性コアの作製方法の３つ目は、磁性粉末に加わる圧力の分布を利用することである。上パンチ１６を下降、下パンチ１７を上昇させると磁性粉末に圧力が加わり、圧粉コアが作製される。磁性粉末間の摩擦により、上パンチ１６と下パンチ１７の中間部は成形圧力が伝わらず、磁性体密度が低くなる。したがって、上パンチ１６および下パンチ１７に接している部分のみ磁性体密度の高い圧粉コアを作製することができる。

実施例２の長所は、実施例１と比べて、部品点数が少ないことである。実施例１では磁性コア被覆部を例えば６つの部品で構成していたが、実施例２では磁性コア被覆部を２つの部品で構成する。このように部品点数を少なくすることで、製造コスト低下が可能である。

図６に実施例３のリアクトルの平面図を示す。以下、実施例１と相違する部分のみ説明する。実施例３のリアクトルＬを実施例１と比較すると、磁性コア露出部３Ａの部分もコイルＣ３で覆い、磁性コア被覆部５とされている。この場合には、磁性コア露出部３Ｂに接する側の磁性体密度を高くし、磁性コア露出部３Ｂから離れるほど磁性体密度を低く設定すればよい。

以上のようにして製造されたリアクトルは、直流電源、変換回路と組み合わされて電力変換器を構成することができる。電力変換器として例えば昇圧コンバータとする場合には、直流電源とリアクトルと変換回路が直列に接続され、変換回路の両端から出力が取り出される。また、降圧コンバータとする場合には、直流電源とダイオードと変換回路が直列に接続され、ダイオード端子間にリアクトルが接続される。

太陽光発電、自動車などの昇圧コンバータに適用が可能であり、電力変換効率の向上および騒音の抑制が期待できる。

２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ：磁性体
３（３Ａ、３Ｂ）磁性コア露出部
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈ：非磁性ギャップ
５：磁性コア被覆部
１５：ダイ
１６：上パンチ
１７：下パンチ
１８：磁性粉末
Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）：コイル
Ｌ：リアクトル

Claims (8)

1. 磁性コアとコイルとを備えたリアクトルであって、
   前記磁性コアは前記コイルに覆われている被覆部とコイルで覆われていない露出部から成り、
   前記磁性コア被覆部は、磁界が印加される方向の端部の磁性体密度が、前記磁性コア被覆部の中央部の磁性体密度よりも高いことを特徴とするリアクトル。
2. 請求項１記載のリアクトルであって、
   磁性コア被覆部が圧粉コアで作られていることを特徴とするリアクトル。
3. 請求項２記載のリアクトルであって、
   磁性コア被覆部の磁界が印加される方向の両端に圧縮性の高い磁性粉末、中央部に圧縮性の低い磁性粉末を用いたことを特徴とするリアクトル。
4. 請求項２記載のリアクトルであって、
   磁性コア被覆部の磁界が印加される方向の両端にＦｅ粉末、中央部にＦｅ−Ｓｉ粉末或いはアモルファス粉末を用いたことを特徴とするリアクトル。
5. 請求項２記載のリアクトルであって、
   前記圧粉コアは、前記磁性コア被覆部の磁界が印加される方向と平行に加重を加えられ、成形されたたことを特徴とするリアクトル。
6. 磁性コアとコイルとを備えたリアクトルにおいて、
   前記磁性コアは前記コイルに覆われている被覆部とコイルで覆われていない露出部から成り、
   前記磁性コア被覆部は、前記露出部と接する側の磁性体密度が高く、前記露出部から離れた部位の磁性体密度が低くされていることを特徴とするリアクトル。
7. 磁性コアとコイルとを備えたリアクトルにおいて、
   前記磁性コアは前記コイルに覆われている被覆部とコイルで覆われていない露出部から成り、前記露出部の間に前記被覆部が配置され、
   前記磁性コア被覆部は、前記露出部と接する側の磁性体密度が、前記磁性コア被覆部の中央部の磁性体密度よりも高いことを特徴とするリアクトル。
8. 直流電源と変換回路とリアクトルを含む電力変換器であって、
   前記リアクトルは、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のリアクトルを用いたことを特徴とする電力変換器。

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