JP2015046587A - 高周波リアクトル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】初期インダクタンスが不足することなく、且つ、製造コストを増加させることなく、小型化が可能な高周波リアクトル及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】磁路にエアギャップ２が設けられた鉄心を磁性コアとして使用する高周波リアクトルであって、エアギャップ２を介して対向する鉄心同士を接続するブリッジ部３を備える。定格インダクタンスＬｎが問題になるような大電流域では、ブリッジ部３が磁気飽和するので、インダクタンス値はブリッジ部３が存在しない場合とほぼ等しい値となる。初期インダクタンスＬ０が問題になるようなゼロ電流領域では、ブリッジ部３が磁気飽和しないので、インダクタンス値はブリッジ部３が存在しない場合と比較して高くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁路にエアギャップが設けられた鉄心を磁性コアとして使用する高周波リアクトル及びその製造方法に関するものである。

近年、パワーエレクトロニクス分野では、省エネルギーや省スペース等の観点から、スイッチング電源やインバータ電源の駆動周波数を高周波化することが進められている。また、スイッチング電源やインバータ電源に対しては、駆動周波数の高周波化に対応しつつ高効率化及び小型化することが求められており、例えば数kHz〜１００kHz程度の高周波帯域に対応できる高周波リアクトルを安定的に大量供給することが強く求められている。なお、リアクトル用の鉄心材料としては、電磁鋼板等の軟磁性金属材料が用いられることが多い。

一方、昨今の環境問題に対する関心の高まりを受けてハイブリッド自動車が広く普及してきている。ハイブリッド自動車には走行駆動力源として高出力のモータが搭載されている。また、モータを駆動するための電源としてはインバータが使用されており、インバータ電源系にも高周波リアクトルが使用されている。自動車分野においては、燃費改善等のために部品の小型化及び軽量化がとりわけ強く志向される。このため、ハイブリッド自動車に搭載される高周波リアクトルに対しては、従来にも増して小型化が強く求められている。

電磁鋼板等の軟磁性金属材料を鉄心材料として用いたリアクトルでは、鉄心の磁気飽和を抑制するために磁路にエアギャップを設けることが一般的に行われている（特許文献１参照）。また、一般に、リアクトルのインダクタンスは、例えば特許文献２の図６に示されているような直流重畳特性で評価される。以下、本明細書中では、直流電流がゼロである時のリアクトルのインダクタンス値を初期インダクタンスＬ０、リアクトルを使用する時の最大電流と同じ直流電流値の時のインダクタンス値を定格インダクタンスＬｎと呼ぶこととする。

磁路にエアギャップが設けられたリアクトルでは、エアギャップのギャップ長を小さくすれば初期インダクタンスＬ０を大きくすることができる。しかしながら、この場合、鉄心の磁気飽和のために定格インダクタンスＬｎが小さくなり、実用に供し得ない。一方、エアギャップのギャップ長を大きくすれば定格インダクタンスＬｎを所望の値にすることができるが、この場合、初期インダクタンスＬ０が小さくなる。このように、エアギャップのギャップ長によるリアクトルのインダクタンス特性の調整を考える場合、初期インダクタンスＬ０と定格インダクタンスＬｎとはトレードオフの関係にある。

エアギャップのギャップ長をどのように調整しても初期インダクタンスＬ０と定格インダクタンスＬｎとを共に所望の値にすることができない場合、そのとき考慮していた鉄心よりもさらに大きな鉄心を考慮することにして、以下同様にしてエアギャップのギャップ長によるリアクトルのインダクタンス特性の調整を考えてゆく。リアクトルのインダクタンス特性にはコイルの巻き数も影響するので、実際にはさらに複雑な過程を経るのであるが、概念的には上記のような過程を経てリアクトルの鉄心寸法が決定される。

上記したような昨今の小型化要求に対応すべきリアクトルの小型化を図ろうとして鉄心を小さくすることを考えた場合、リアクトルの磁路長は短くなる方向にあるので、鉄心がより飽和しやすいことになる。これを避けるためにエアギャップのギャップ長は小型化を考えない場合よりも大きくとらなければならなくなり、初期インダクタンスＬ０が不足することになる。

これまでもリアクトルのインダクタンス特性を改善するための試みが幾つかなされている。例えば特許文献３には、コイル内に複数本の柱状体と空隙とを備え、空隙で磁束経路が分断されていることを特徴とするリアクトルが開示されている。しかしながら、特許文献３記載の技術は、コイル電流に対してインダクタンス比が安定する（値が安定する）効果は認められるが、逆にこのことは定格インダクタンスＬｎよりも大きな初期インダクタンスＬ０を改善する目的には供し得ない。

また、特許文献２には、コイルが巻回されていない非巻回部磁性体の断面積をコイルが巻回されている巻回部磁性体のそれよりも大きくすることによってリアクトルの直流重畳特性を改善する技術が記載されている。しかしながら、特許文献２記載の技術は、大電流におけるインダクタンス値の改善効果は認められるが、初期インダクタンスＬ０を改善する目的には供し得ない。

特開平６−３０２４４２号公報 特開２００７−２４３１３６号公報 特開２０１０−５６２３７号公報 特開昭５７−１９３００７号公報

上述の通り、昨今の小型化要求に対応すべくリアクトルの小型化を図ろうとして鉄心を小さくすることを考えた場合、リアクトルの磁路長は短くなる方向にあるので、鉄心がより磁気飽和しやすくなる。このため、エアギャップのギャップ長は、小型化を考えない場合よりも大きくしなければならず、初期インダクタンスＬ０が不足することになる。しかしながら、従来の技術によれば、定格インダクタンスＬｎの改善を図ることはできるが、同時に初期インダクタンスＬ０をも改善することはできない。

なお、このような問題を解決するために、鉄心を構成している磁性体とは別の磁性体をエアギャップ付近に配置することによってインダクタンス特性を改善する方法を用いることが考えられる（特許文献４参照）。しかしながら、このような方法によれば、鉄心とエアギャップとを組み立てる工程に加えて、別の磁性体をエアギャップ付近に配置して固定するという新たな工程が別途必要になるために、リアクトルの製造コストが増加する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、初期インダクタンスが不足することなく、且つ、製造コストを増加させることなく、小型化が可能な高周波リアクトル及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高周波リアクトルは、磁路にエアギャップが設けられた鉄心を磁性コアとして使用する高周波リアクトルであって、前記エアギャップを介して対向する鉄心同士を接続するブリッジ部を備えることを特徴とする。

本発明に係る高周波リアクトルは、上記発明において、前記ブリッジ部は、磁性コアの磁路内周側に設けられていることを特徴とする。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高周波リアクトルの製造方法は、薄鋼板から少なくとも前記鉄心及び前記ブリッジ部を含む形状の部材を一体的に作製し、該部材を所定の厚さに積層して前記磁性コアを形成するステップを含むことを特徴とする。

本発明によれば、初期インダクタンスが不足することなく、且つ、製造コストを増加させることなく、小型化が可能な高周波リアクトル及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明に係る高周波リアクトルの鉄心の構成例を示す図である。 図２は、図１に示す高周波リアクトルの直流重畳特性を示す図である。 図３は、高周波リアクトルの直流重畳特性の一例を示す図である。 図４は、従来の高周波リアクトルの鉄心の構成例を示す図である。 図５は、図４に示す高周波リアクトルの直流重畳特性を示す図である。 図６は、従来の高周波リアクトルの鉄心の構成例を示す図である。 図７は、図６に示す高周波リアクトルの直流重畳特性を示す図である。 図８は、ギャップ・ブリッジ部を有さない鉄心及びギャップ・ブリッジ部を有する鉄心の構成例を示す模式図である。 図９は、ギャップ・ブリッジ部を有するＩ字型部材及びギャップ・ブリッジ部を有さないＩ字型部材の構成例を示す図である。 図１０は、図９に示すＩ字型部材を積層することによって形成されたＩ字型鉄心を組み合わせることにより作製されたリアクトル鉄心の構成例を示す図である。 図１１は、ギャップ・ブリッジ部を有するＬ字型部材の構成例を示す図である。 図１２は、図１１に示すＬ字型部材を積層することによって形成されたＬ字型鉄心を組み合わせることにより作製されたリアクトル鉄心の構成例を示す図である。

いま図３の曲線Ｌ１に示すインダクタンスの直流重畳特性を有する高周波リアクトルの鉄心を小型化した場合を考える。この場合、初期インダクタンスＬ０が同じ値になるようにエアギャップのギャップ長とコイルの巻き数とを調整した時、鉄心が小型化しているので、鉄心の磁路長が短くなり、磁気飽和が早く起こることによって、直流重畳特性は図３の曲線Ｌ２に示すようになる。また、磁気飽和が早く起こることを抑制するために、大電流域でもインダクタンスを確保できるように図３の曲線Ｌ２に示す直流重畳特性を有する高周波リアクトルのエアギャップのギャップ長を大きくすると、直流重畳特性は図３の曲線Ｌ３に示すようになる。すなわち、大電流域のインダクタンス値は確保できるものの、初期インダクタンスＬ０は小さくなってしまう。

上述したように、昨今の小型化要求に対応すべきリアクトルの小型化を図ろうとして鉄心を小さくすることを考えた場合、リアクトルの磁路長は短くなる方向にあるので、鉄心がより磁気飽和しやすいことになる。そして、これを避けるためには、小型化を考えない場合よりもエアギャップのギャップ長を大きくとらなければならなくなり、初期インダクタンスＬ０が不足することになる。このように、初期インダクタンスＬ０と定格インダクタンスＬｎとはいわばトレードオフの関係になる。昨今の小型化要求に対応すべくリアクトルの小型化を図ろうとして鉄心を小さくすることを考えた場合、従来の技術ではエアギャップのギャップ長を大きく設定して定格インダクタンスＬｎの確保を図るのと同時に、初期インダクタンスＬ０をも改善することはできない。

リアクトルを設計する場合、定格インダクタンスＬｎの要求仕様を満足することはいわば至上命題である。しかしながら、それに比して初期インダクタンスＬ０の仕様はそれほど厳密でなく、ある程度仕様を緩和する余地があるケースもあり、そのような場合にはエアギャップのギャップ長を大きく設定して定格インダクタンスＬｎの確保を図った小型化設計がそのまま採用されることもある。しかしながら、初期インダクタンスＬ０はインバータ出力が低出力の時に必要となるリアクトルのインダクタンス値であり、低出力時はリップル電流も小さい方が好ましく、リップル電流を抑制するためのインダクタンス値は大きな値である方が好ましいことは言うまでもない。

このため、本発明の発明者らは、リアクトルの小型化を図ろうとして鉄心を小さくし、エアギャップのギャップ長を大きく設定して定格インダクタンスＬｎの確保を図った時に不足することになる初期インダクタンスＬ０を改善する方策を種々検討した。その結果、図８（ｂ）に示すようにエアギャップ２を介して対向する鉄心を接続するブリッジ部３を設けることによって、インダクタンスの直流重畳特性を改善できることを見出した。ここで、図８（ａ）はエアギャップ２にブリッジ部３を有さない鉄心、図８（ｂ）はエアギャップ２にブリッジ部３を有する鉄心の構成例を示す模式図である。鉄心は、複数の鉄心ブロック１ａ〜１ｄを備え、コイルはブロック１ｂ，１ｄそれぞれに巻回される。対向する鉄心ブロック１ｂ_１と鉄心ブロック１ｂ_２との間、鉄心ブロック１ｂ_２と鉄心ブロック１ｂ_３との間、鉄心ブロック１ｄ_１と鉄心ブロック１ｄ_２との間、及び鉄心ブロック１ｄ_２と鉄心ブロック１ｄ_３との間にはエアギャップ２が形成されている。

ブリッジ部３によってインダクタンスの直流重畳特性が改善される理由は、定格インダクタンスＬｎが問題になるような大電流域では、ブリッジ部３が磁気飽和するので、インダクタンス値がブリッジ部３が存在しない場合とほぼ等しい値となり、初期インダクタンスＬ０が問題になるようなゼロ電流領域では、ブリッジ部３が磁気飽和しないので、インダクタンス値がブリッジ部３が存在しない場合と比較して高くなるためであると考えられる。本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。

〔実施例１〕
市販の６．５％ケイ素鋼板（板厚０．１ｍｍ）を鉄心材料として用いた高周波リアクトルの設計を市販の磁界解析ソフトウェアを用いて実施した。リアクトルの要求特性は、初期インダクタンス値２５０μＨ以上、定格インダクタンス値は電流値１５０Ａの時に２００μＨ以上、風速１．５ｍ／ｓの強制冷却、コイルの許容最高温度１６０℃という仕様であった。

始めに、従来のリアクトルと同様に鉄心の磁路にエアギャップ２を有する構造を前提として検討した。検討の結果得られた鉄心寸法は、図４（ａ），（ｂ）に示したものとなった。このとき、鉄心の総重量は１．６５３ｋｇであった。また、鋼板の積層厚を４４ｍｍとし、コイルは０．８ｍｍ厚の銅フォイルを鉄心ブロック１ｂ，１ｄにそれぞれ２１ターンずつ、合計４２ターン巻回すれば、図５に示すようなインダクタンスの直流重畳特性が得られることがわかった。これは前記仕様を満たすものである。

次に、鋼板の積層厚を減らすことによる鉄心の小型化を検討した。コイル巻数を変更するとコイルの許容最高温度１６０℃という要求仕様を満たすことが困難になるので、コイル巻数は変更しないで検討を行った。検討の結果、図６（ａ），（ｂ）に示すように、エアギャップ２のギャップ長を２．７ｍｍに変更すれば、鋼板の積層厚を４１．５ｍｍにまで減らしても電流値１５０Ａの時に２００μＨ以上という定格インダクタンスに対する要求仕様を満足できることがわかった。このとき、鉄心重量は１．５５９ｋｇであった。しかし、図７に示すように初期インダクタンス値は２２９μＨとなり、初期インダクタンス値２５０μＨ以上という要求仕様を満足することができない。

次に、図１に示すように、上記のリアクトル鉄心の鋼板積層厚を４１．５ｍｍのまま、エアギャップ２のギャップ長も２．７ｍｍのままとして、エアギャップ２に図８（ｂ）に示すようなブリッジ部３を初期インダクタンスが２５０μＨ以上になるように付加することを検討した。このとき、ブリッジ部３の幅を大きく取ると定格インダクタンスの値が小さくなってしまうので、ブリッジ部３の幅は初期インダクタンスを２５０μＨ以上にできる最小の値に調整した結果、ブリッジ部３の幅を０．３ｍｍとすることによって、インダクタンスの直流重畳特性は図２に示すようになり、定格インダクタンス２００μＨ以上という仕様をも満足することができた。

以上の結果から、図１に示す高周波リアクトルと図４に示す高周波リアクトルとを比較すると、高周波リアクトルの鉄心のエアギャップ２にブリッジ部３を配置することによって、インダクタンス仕様を満たしつつ、鉄心の小型化が実現できることが確かめられた。また、エアギャップ２にブリッジ部３を設けるようにしたので、鋼板の打ち抜きにより製造した部材を積層してリアクトルを製造する場合には、打ち抜き後の部材はブリッジ部３で繋がった状態になるために、打ち抜き後の部品点数が少なくなり、積層組立工程が容易になる。

〔実施例２〕
本実施例では、市販の６．５％ケイ素鋼板（板厚０．１ｍｍ）から打ち抜きにより図９（ａ），（ｂ）に示すようなギャップ・ブリッジ部を有するＩ字型部材Ａ及びギャップ・ブリッジ部を有さないＩ字型部材Ｂを作製した。次に、これらの部材を４１．５ｍｍまで積層してＩ字型部材Ａからなる鉄心Ａ及びＩ字型部材Ｂからなる鉄心Ｂをそれぞれ２個ずつ作製した。そして最後に、鉄心Ａ及び鉄心Ｂを図１０（ａ）に示すように組み合わせて固定し、４２ターンのコイルを巻回してインダクタンス特性を評価した。これをリアクトルＡとする。次に、図１０（ｂ）に示すように鉄心を組み合わせて固定し、０．８ｍｍ厚の銅フォイルを鉄心Ａにそれぞれ２１ターン、合計４２ターン巻回してインダクタンス特性を測定した。これをリアクトルＢとする。

測定の結果、リアクトルＡでは、図２に示すインダクタンス特性と同一のインダクタンス特性が得られることが確認できた。これに対して、リアクトルＢでは、ＤＣバイアス電流が低い領域では高インダクタンス値を示すものの、ＤＣバイアス電流が高い領域ではインダクタンス値が低下して所望のインダクタンス特性が得られなかった（初期インダクタンス２５０μＨ以上は確保できたが、定格インダクタンスが２００μＨを下回った）。この理由は定かではないが、鉄心内の磁束流れを考えてみると、リアクトルＡでは、ブリッジ部３は磁束が通る磁路の長さが短くなる磁性コアの磁路内周側に設けられているので、比較的低いＤＣバイアス電流値でブリッジ部３の磁気飽和が起こると考えられる。これに対して、リアクトルＢでは、磁束が通る磁路の長さがリアクトルＡより長くなるので、ＤＣバイアス電流値がより高い値でないと磁気飽和しないと考えられる。

〔実施例３〕
実施例１の結果からリアクトル鉄心は図１に示す寸法とすればよいことがわかったので、本実施例では、生産性の観点での検討を進めた。始めに、図１１に示すようにエアギャップの２ヶ所が細いブリッジ部で繋がったＬ字型部材を市販の６．５％ケイ素鋼板（板厚０．１ｍｍ）から打ち抜き製造した。次に、このＬ字型部材を積層して積層厚４１．５ｍｍのＬ字型鉄心を２個作製した。最後に、２個のＬ字型鉄心を図１２に示すように組み合わせて図１に示すリアクトル鉄心と同じ寸法のリアクトル鉄心を作製した。このリアクトル鉄心に０．８ｍｍ厚の銅フォイルをそれぞれ２１ターン、合計４２ターン巻回してインダクタンス特性を測定したところ、図２に示すインダクタンス特性と同じインダクタンス特性が得られることが確認できた。

以上の結果から、薄鋼板から一体的に打ち抜き加工で作製したブリッジ部と鉄心部とを含む形状を有する部材を積層、組み合わせて磁性コアを形成することによって、組み立て部品点数が少なく（本例では組み立て部品点数は２）、また組み立て工程も少なくできることが確認できた。また、本実施例では、鋼板積層厚が４１．５ｍｍと比較的厚いため、ブリッジ部は細いのにも係わらず積層したＬ字型鉄心の機械的剛性も十分確保できてハンドリング性も良好であり、安定して所望のインダクタンス特性が得られた。一般に、ギャップ部を有する鉄心では、ギャップ部は樹脂等で充填され、その製造においてはギャップ部の寸法を精度よく管理する必要があるが、本実施例のようにブリッジ部と鉄心部とが一体的に製造される場合には、ギャップ部の寸法の精度管理も容易に行うことができる。

なお、本実施例では、鉄心ブロックを２個として例示したが、鉄心ブロックの数は必要に応じて適宜変更できる。また、ギャップ長及びブリッジ部の幅は、定格インダクタンスの仕様と初期インダクタンスの仕様とをそれぞれ満たすことができれば、任意の大きさに設計できることは言うまでもない。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 鉄心ブロック
２ エアギャップ
３ ブリッジ部

Claims (3)

1. 磁路にエアギャップが設けられた鉄心を磁性コアとして使用する高周波リアクトルであって、
   前記エアギャップを介して対向する鉄心同士を接続するブリッジ部を備えることを特徴とする高周波リアクトル。
2. 前記ブリッジ部は、磁性コアの磁路内周側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高周波リアクトル。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高周波リアクトルの製造方法であって、薄鋼板から少なくとも前記鉄心及び前記ブリッジ部を含む形状の部材を一体的に作製し、該部材を所定の厚さに積層して前記磁性コアを形成するステップを含むことを特徴とする高周波リアクトルの製造方法。

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