JP2014225516A - リアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】 電力変換等に好適に用いられるリアクトルの提供を行うこと。【解決手段】 表面が絶縁体１１により覆われたコイル部と、軟磁性粉及び結合材を主に含有する複合磁性体３と、複合磁性体３よりも透磁率が低い磁気抵抗部２を備え、コイル部は１つの導体を巻回した巻線１により構成され、コイル部及び磁気抵抗部２は、複合磁性体３に埋設され、コイル部における導体の巻き軸方向端部に交流電流分布が集中し、コイル部における内周面側の巻き軸方向端部に、磁気抵抗部２が配されているリアクトルとする。【選択図】 図２

Description

本発明は、磁性コアに巻線を施し、巻線への通電により生じるインダクタンスを利用したリアクトルに関する。

金属軟磁性粉を用いることで、高い飽和磁化を保ちつつも透磁率を下げた磁性コアにコイルを埋設し、コイルに大電流を通電した場合のインダクタンス低下を抑制したリアクトルが提案されている。

特許文献１（特に段落００５３から段落００５８、図１８）には、コイル内周面の巻き軸方向に対する端部に高磁気抵抗部材を設けることで、インダクタンスの飽和を抑制する技術が開示されている。

一方、特に昇圧回路等にリアクトルを用いる場合には、損失の改善が重要となる。

特許文献２は、コイル表面に交流電流分布を集中させることで、近接効果に起因する損失を改善する技術が開示されている。

特開２００６−００４９５７号公報 特開２０１３−０２６５８９号公報

電力変換等に用いられるリアクトルは、通電時の高インダクタンスと低損失の両立が求められるという課題がある。

従って本発明は、電力変換等に好適に用いられるリアクトルの提供を行うことを目的とする。

上記課題を本発明は、表面が絶縁体により覆われたコイル部と、軟磁性粉及び結合材を主に含有する複合磁性体と、前記複合磁性体よりも透磁率が低い磁気抵抗部を備え、前記コイル部は１つの導体を巻回した巻線、または複数の前記巻線を積層し、かつ相互に並列接続した巻線集合体、または前記巻線もしくは前記巻線集合体を２つ、互いの通電による発生磁束の向きが同じ向きとなるよう直列接続することにより構成され、前記コイル部及び前記磁気抵抗部は、前記複合磁性体に埋設され、前記コイル部における前記導体の巻き軸方向端面に交流電流分布が集中し、前記コイル部における内周面側の巻き軸方向端部に、前記磁気抵抗部が配されているリアクトルにより解決する。

これにより、導体の巻き軸方向端面に集中した交流電流により生じる磁束は、その端面近傍に集中するため、磁気抵抗部を配することで通電時のインダクタンスを向上させることができる。

また、前記磁気抵抗部は、前記導体に囲まれた領域より、巻き軸方向における外側に配されていることが望ましい。

これにより、コイル内側の複合磁性体からの漏れ磁束はコイル端部の外側を通ることになり、導体端部からの磁束浸入による渦電流が抑制され、損失が改善する。

また、前記磁気抵抗部の前記巻き軸方向に沿った厚み寸法は、前記端部の近傍で均一か、または前記端部の近傍に近接するにつれて小さくなることが望ましい。

また、前記磁気抵抗部の長手方向は、前記コイル部の巻き軸方向の端面と平行であることが望ましい。

これにより、磁気抵抗部とコイル部の絶縁体の境界部に漏れ磁束が集中するため、導体端部からの磁束浸入による渦電流が抑制され、損失が改善する。

また、前記端部における前記絶縁体の厚さ寸法は、前記磁気抵抗部の前記端部近傍における巻き軸方向の厚さ寸法の１／１０以上であることが望ましい。

これにより、絶縁体の中を上記漏れ磁束が通ることとなり、導体端部からの磁束浸入による渦電流が抑制され、損失が改善する。

また、前記複合磁性体は、液状で未硬化の状態から硬化させたものであり、前記磁気抵抗部は、前記コイル部の巻き軸近傍に貫通穴の開いた形状であることが望ましい。

磁気抵抗部に穴を設けることで、未硬化で液状の複合磁性体をコイル及び磁気抵抗部を固定した型に注ぎ込む際に複合磁性体がコイル内周に回りこみ易くなり、生産効率が良い。

また、前記巻線、もしくは前記巻線集合体の巻き軸方向に対する高さ寸法は、前記コイルへの交流通電電流の周波数における表皮深さの２倍以上であり、前記導体の巻き径方向に対する厚さは、前記表皮深さの２倍以下であることが望ましい。

交流電流分布が巻き軸方向端面へ、より集中する周波数となるよう構成することで、近接効果による損失を改善する効果を好適に享受することができる。

また、前記周波数は、５０ｋＨｚ以下であることが望ましい。

５０ｋＨｚ以下では近接効果が支配的となるからである。

本発明によって、電力変換等に好適に用いられるリアクトルを提供することができる。

本発明における実施形態を示す斜視図である。 本発明における実施形態を示す断面図である。図２は、図１におけるＡ面の断面図を示している。 コイルを複合磁性体に埋設したリアクトルの磁束密度分布、及び導体内の銅損分布の図である。図３（ａ）は、コイルをエッジワイズ巻きとした場合、図３（ｂ）は、コイルをフラットワイズ巻きとした場合、図３（ｃ）は、本発明における実施形態の構成を取る場合を示している。

（実施形態）
図１は、本発明における実施形態を示す斜視図である。

コイルを構成する巻線１は、図示されない絶縁体により覆われ、磁気抵抗部２と共に複合磁性体３に埋設されている。

ここで、磁気抵抗部２の中央には貫通穴が設けられている。

図２は、本発明における実施形態を示す断面図である。図２は、図１におけるＡ面の断面図を示している。

巻線１と絶縁体１１によりコイル部を構成する。また、巻線１を覆う絶縁体１１と磁気抵抗部２は接している。

交流電流分布は巻線１の中心から最も離れた表面に集中する。

巻線１は巻き軸方向に平行な導体板を巻き回したものであるため、交流電流分布は巻き軸方向に対する端面に集中する。

この場合の磁束分布は、特許文献２では明らかにされていないが、後述のように、磁束も巻き軸方向に対する端面近傍に集中するため、磁気抵抗部２をコイル部内周面の巻き軸方向端部近傍に配することで磁気飽和を抑制し、コイルへの直流電流を重畳した場合のインダクタンスが向上し、直流重畳特性が改善される。

図３は、コイルを複合磁性体に埋設したリアクトルの磁束密度分布、及び導体内の銅損分布の図である。図３（ａ）は、コイルをエッジワイズ巻きとした場合、図３（ｂ）は、コイルをフラットワイズ巻きとした場合、図３（ｃ）は、本発明における実施形態の構成を取る場合を示している。

ここで、図３における銅損の大小は、交流電流密度の大小と対応している。

フラットワイズ巻きの図３（ａ）に比べ、エッジワイズ巻きとした図３（ｂ）のほうが巻線１の巻き軸方向端面近傍での磁束密度が高い。

巻線１のコイル部内周面の巻き軸方向端部近傍に磁気抵抗部２を配した図３（ｃ）では、絶縁体１１と磁気抵抗部２の境界付近に複合磁性体３からの漏れ磁束が集中している。

絶縁体１１と磁気抵抗部２の境界部への磁束集中により、巻線１の導体への磁束浸入が防がれている。

これは、巻線１の内側領域にある複合磁性体３内の磁束がコイル部内周面の巻き軸方向端部近傍の先端部へ向けて漏れ出す傾向を示しており、磁気抵抗部３を、巻線１の導体に囲まれた領域より、巻き軸方向における外側に配することで複合磁性体３からの漏れ磁束は巻線１内周面端部の外側を通ることになり、導体端部からの磁束浸入による渦電流が抑制され、損失が改善することとなる。

これに対し、特許文献１における図１８の構成は、磁気抵抗部が巻線に近づくに従って、巻線の内周面中央部に向けて厚くなる構成であり、導体内周面端部からの磁束浸入による渦電流の抑制を考慮していない。

実施例は図２の構成を取る。巻線１は、巻き数が３６、内径Ｄｉが４５．５ｍｍ、外径Ｄｏが６６．３ｍｍ、高さＨが２８．０ｍｍとなる。絶縁体１１の厚さは１．０ｍｍとなる。磁気抵抗部２は、厚さＧｔが０．８ｍｍ、長さＧｌが１０．４ｍｍとなる。複合磁性体３はＦｅ−Ｓｉ軟磁性粉と熱硬化型エポキシ樹脂を主に含有し、比透磁率が１３〜１５、直径Φｃｏｒｅが７９．３ｍｍ、高さＴｃｏｒｅが４４ｍｍ、外厚Ｄｃｏが５．５ｍｍ、上下厚Ｄｃｕが７．０ｍｍとなる。

比較例１は、実施例の磁気抵抗部を巻線の巻き軸方向に対する中央部に移動し、２つの磁気抵抗部が合わさった磁気抵抗部の厚さＧｔが１．６ｍｍとなる他は実施例と同じ条件となる。

比較例２は、図３（ｂ）のように磁気抵抗部を設けず、他は実施例１と同じ条件となる。

比較例３は、図３（ａ）の構成を取る。

巻線１への通電電流の条件を、周波数１０ｋＨｚ、直流重畳電流４５Ａ、交流電流振幅２９Ａとして、損失を評価すると、実施例が１６７．９Ｗ、比較例１が１５５．７Ｗ、比較例２が１７８．９Ｗ、比較例３が１８４．８Ｗであった。

巻線１へ直流電流を２１５Ａ重畳通電した場合のインダクタンスは、実施例が１７５．０μＨ、比較例１が１６９．０μＨ、比較例２が１６８．１μＨ、比較例３が１８１．１μＨであった。

従って、実施例の構成が損失と直流重畳特性の両面で比較例１、２、３よりも優れている。

１ 巻線
２ 磁気抵抗部
３ 複合磁性体
１１ 絶縁体

Claims (8)

1. 表面が絶縁体により覆われたコイル部と、
   軟磁性粉及び結合材を主に含有する複合磁性体と、
   前記複合磁性体よりも透磁率が低い磁気抵抗部を備え、
   前記コイル部は１つの導体を巻回した巻線、または複数の前記巻線を積層し、かつ相互に並列接続した巻線集合体、または前記巻線もしくは前記巻線集合体を２つ、互いの通電による発生磁束の向きが同じ向きとなるよう直列接続することにより構成され、
   前記コイル部及び前記磁気抵抗部は、前記複合磁性体に埋設され、
   前記コイル部における前記導体の巻き軸方向の端面に交流電流分布が集中し、
   前記コイル部における内周面側の巻き軸方向の端部に、前記磁気抵抗部が配されていることを特徴とするリアクトル。
2. 前記磁気抵抗部は、前記導体に囲まれた領域より、巻き軸方向における外側に配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. 前記磁気抵抗部の前記巻き軸方向に沿った厚み寸法は、前記端部の近傍で均一か、または前記端部の近傍に近接するにつれて小さくなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリアクトル。
4. 前記磁気抵抗部の長手方向は、前記コイル部の巻き軸方向の端面と平行であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のリアクトル。
5. 前記端部における前記絶縁体の厚さ寸法は、前記磁気抵抗部の前記端部近傍における巻き軸方向の厚さ寸法の１／１０以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のリアクトル。
6. 前記複合磁性体は、液状で未硬化の状態から硬化させたものであり、
   前記磁気抵抗部は、前記コイル部の巻き軸近傍に貫通穴の開いた形状であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のリアクトル。
7. 前記巻線、もしくは前記巻線集合体の巻き軸方向に対する高さ寸法は、前記コイルへの交流通電電流の周波数における表皮深さの２倍以上であり、
   前記導体の巻き径方向に対する厚さは、前記表皮深さの２倍以下であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のリアクトル。
8. 前記周波数は、５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項７に記載のリアクトル。

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