JP2015099818A - High-frequency reactor, and method for designing the same - Google Patents

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操 浪川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-frequency reactor in which an iron core is configured only by an I-type iron core, as a one coil-type high-frequency reactor, and to provide a method for designing the same.SOLUTION: A double square-shaped iron core 20 consists of: three legs in total of a central leg 21 and two side legs 22 and 23 that are bilaterally symmetrical about the central leg 21; and two yokes 24 and 25 magnetically coupling those three legs. In the iron core 20, air gaps 26 are provided between the three legs 21, 22, and 23 and the two yokes 24 and 25, respectively. Thereby, the iron core can be configured by a combination of only I-type iron cores.

Description

本発明は、鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けた鉄心を磁性コアとして使用する高周波リアクトルおよびその設計方法に関するものである。   The present invention relates to a high frequency reactor using an iron core having an air gap in a magnetic path as a magnetic core in order to prevent magnetic saturation of the iron core, and a design method thereof.

近年、パワーエレクトロニックス分野では、省エネルギー・省スペースなどの観点から、スイッチング電源・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。   In recent years, in the field of power electronics, it has been promoted to increase the driving frequency of switching power supplies and inverter power supplies from the viewpoint of energy saving and space saving.

このようなスイッチング電源・インバータ電源に用いられるリアクトルに対しても、駆動周波数の高周波化に対応しつつ、高効率化、小型化が求められており、例えば数kHz〜100kHz程度の高周波域に対応できる高周波リアクトルの安定した大量供給が強く要望されている。   For reactors used in such switching power supplies and inverter power supplies, high efficiency and miniaturization are required while supporting high frequency drive frequencies. For example, high frequency range of several kHz to 100 kHz is supported. There is a strong demand for stable mass supply of high-frequency reactors that can be used.

また、昨今は環境問題に対する関心の高まりに伴い、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。このモータを駆動するための電源としてインバータが使用されており、この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、燃費改善などのため、部品の小型化・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では従来にもまして小型化が強く求められている。   In recent years, with increasing interest in environmental issues, hybrid vehicles have become widespread. A hybrid vehicle is equipped with a high output motor as a driving force source. An inverter is used as a power source for driving the motor, and a high-frequency reactor is also used in the inverter power supply system. In the automotive field, the miniaturization and weight reduction of parts are particularly strongly aimed at improving fuel efficiency. For this reason, the high frequency reactor mounted on the hybrid vehicle is strongly required to be smaller than before.

これら高周波リアクトルの鉄心用材料としては、電磁鋼板などの軟磁性金属材料が用いられることが多い。   As the core material for these high-frequency reactors, soft magnetic metal materials such as electromagnetic steel sheets are often used.

電磁鋼板などを鉄心に用いたリアクトルでは、例えば特許文献1や特許文献2に見られるように、鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けることが一般に行なわれる。   In a reactor using an electromagnetic steel plate or the like for an iron core, as seen in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example, an air gap is generally provided in a magnetic path in order to prevent magnetic saturation of the iron core.

そして、単相ACリアクトルやDCリアクトルにおいては、特許文献1の図1や図3あるいは特許文献2の図15などにみられるように、中央脚と中央脚に対し左右対称の2本の側脚との合計3本の脚とそれら3本の脚を磁気的に結合するヨークからなる日の字型鉄心を有し、中央脚のみにコイルを巻く1コイル型(外鉄型)リアクトルと、例えば特許文献2の図10や図11などに見られるように、2本の脚と脚を磁気的に結合するヨークから構成されるロの字型鉄心を有し、2本の脚にそれぞれコイルを巻く2コイル型(内鉄型)リアクトルとが存在する。   In a single-phase AC reactor or DC reactor, as shown in FIGS. 1 and 3 of Patent Document 1 or FIG. 15 of Patent Document 2, two side legs that are symmetrical with respect to the center leg and the center leg are used. A one-coil type (outer iron type) reactor having a Japanese-shaped iron core consisting of a total of three legs and a yoke that magnetically couples the three legs, and winding a coil only on the central leg, As seen in FIG. 10 and FIG. 11 of Patent Document 2, it has a square-shaped iron core composed of two legs and a yoke that magnetically couples the legs, and a coil is attached to each of the two legs. There are two coil type (inner iron type) reactors that wind.

その内、1コイル型リアクトルにおいては、特許文献1のように、ロの字型に組んだヨークとエアギャップを有する中央脚とで構成されるものや、特許文献3や特許文献4に見られるように、E型鉄心とI型鉄心とで構成されるものがある。   Among them, in the 1-coil reactor, as in Patent Document 1, it is configured by a yoke assembled in a square shape and a central leg having an air gap, or in Patent Document 3 and Patent Document 4. As described above, there is one constituted by an E-type iron core and an I-type iron core.

特開平6−302442号公報JP-A-6-302442 特開平7−22258号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-22258 特開2013−4761号公報JP2013-4761A 実開平6−31122号公報Japanese Utility Model Publication No. 6-31122

本発明者は、高周波リアクトルを1コイル型リアクトルで製造することにして、その際に用いる鉄心について鋭意検討した結果、鉄心をI型鉄心のみで構成することができれば効率的であるとの考えに至った。   The present inventor decided to manufacture the high-frequency reactor with a one-coil reactor, and as a result of earnestly examining the iron core used at that time, it was thought that it would be efficient if the iron core could be composed of only an I-type iron core. It came.

すなわち、I型鉄心は電磁鋼板をせん断して積層するだけで製造できるので、E型鉄心のように電磁鋼板をE形状に打ち抜いて積層したり、ロの字型にヨークのように電磁鋼板を斜角切断してラップ積層したりするのと比較して、製造コストを低減することができる。このため、リアクトルの鉄心をI型鉄心のみで構成することができれば、リアクトルの製造コストを引き下げることができる。   In other words, an I-type iron core can be manufactured by simply laminating and laminating electromagnetic steel sheets, so that an electromagnetic steel sheet can be punched and laminated into an E shape like an E-type iron core, or The manufacturing cost can be reduced as compared with the case where the lap lamination is performed by cutting at an oblique angle. For this reason, if the iron core of a reactor can be comprised only with an I-type iron core, the manufacturing cost of a reactor can be reduced.

また、リアクトルの鉄心をE型鉄心とI型鉄心とで構成する場合には、特許文献2の図16に示されているように、鉄心寸法設計の自由度が大幅に制限されるという問題点もあったが、リアクトルの鉄心をI型鉄心のみで構成することができれば、鉄心寸法設計の自由度を増すことができる。   Further, when the core of the reactor is composed of an E-type core and an I-type core, as shown in FIG. 16 of Patent Document 2, the degree of freedom in designing the core dimensions is greatly limited. However, if the core of the reactor can be composed of only an I-type core, the degree of freedom in designing the core dimensions can be increased.

本発明は、上記の観点によってなされたものであり、1コイル型の高周波リアクトルとして、鉄心をI型鉄心のみで構成するようにした高周波リアクトルおよびその設計方法を提供するものである。   The present invention has been made from the above viewpoint, and provides a high-frequency reactor in which an iron core is configured by only an I-type iron core as a one-coil type high-frequency reactor, and a design method thereof.

前記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。   In order to solve the above problems, the present invention has the following features.

[1]鉄心として、コイルを巻きつけるための中央脚と該中央脚に対し左右対称となる2本の側脚との合計3本の脚とそれら3本の脚を磁気的に結合するヨークとからなる日の字形状を有し、かつ鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けた鉄心を使用する1コイル型の高周波リアクトルにおいて、
3本の脚とヨークとの間にそれぞれエアギャップを設けることで、I型鉄心の組み合わせのみで鉄心を構成できるようにしたことを特徴とする高周波リアクトル。
[1] As an iron core, a total of three legs including a central leg for winding a coil and two side legs symmetrical to the central leg, and a yoke for magnetically coupling the three legs In a one-coil type high frequency reactor that uses an iron core having an air gap in a magnetic path in order to prevent magnetic saturation of the iron core,
A high frequency reactor characterized in that an air gap is provided between each of three legs and a yoke so that the iron core can be constituted only by a combination of I-type iron cores.

[2]中央脚の長さ中間部とヨーク脚の長さ中間部にもそれぞれエアギャップを設けることを特徴とする前記[1]に記載の高周波リアクトル。   [2] The high frequency reactor according to [1], wherein an air gap is also provided in each of the middle length portion of the central leg and the middle length portion of the yoke leg.

[3]前記[1]または[2]に記載の高周波リアクトルを設計するに際して、
インダクタンス値に対する要求性能を満足するように中央脚のみにエアギャップを有する鉄心構造を前提としてリアクトル設計を行なう第1の工程と、
前記第1の工程で設計されたリアクトルの鉄心寸法は変えずに中央脚に設置したギャップの一部を側脚にも配分したリアクトル設計を行なう第2の工程と、
前記第2の工程で設計されたリアクトルに対して、要求仕様を考慮して設計の微調整を行う第3の工程と
を有することを特徴とする高周波リアクトルの設計方法。
[3] When designing the high-frequency reactor according to [1] or [2],
A first step of performing a reactor design on the premise of an iron core structure having an air gap only at the center leg so as to satisfy the required performance with respect to the inductance value;
A second step of performing a reactor design in which a part of the gap installed in the central leg is also distributed to the side legs without changing the core size of the reactor designed in the first step;
A high frequency reactor design method comprising: a third step of finely adjusting a design of the reactor designed in the second step in consideration of a required specification.

本発明においては、1コイル型の高周波リアクトルとして、鉄心をI型鉄心のみで構成した高周波リアクトルを得ることができる。   In the present invention, as a one-coil type high-frequency reactor, a high-frequency reactor in which an iron core is configured by only an I-type iron core can be obtained.

従来の高周波リアクトルの鉄心を示す図である。It is a figure which shows the iron core of the conventional high frequency reactor. 本発明の一実施形態における高周波リアクトルの鉄心を示す図である。It is a figure which shows the iron core of the high frequency reactor in one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態における高周波リアクトルの鉄心を示す図である。It is a figure which shows the iron core of the high frequency reactor in other embodiment of this invention.

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

新たにリアクトルを設計する場合、新たに設計すべきリアクトルの要求仕様に類似した要求仕様に対して過去に行った設計例があれば、それを参考にして設計を進めることで極めて効率よく設計を行うことができる。   When designing a new reactor, if there is a design example that has been made in the past for a requirement specification similar to the requirement specification of the reactor to be newly designed, it is possible to design extremely efficiently by proceeding with the design. It can be carried out.

ここでも、そのようにして、本発明の一実施形態における高周波リアクトルを設計するようにしている。   Again, in this way, the high frequency reactor in one embodiment of the present invention is designed.

まず、鉄心として、コイルを巻きつけるための中央脚とその中央脚に対し左右対称となる2本の側脚との合計3本の脚とそれら3本の脚を磁気的に結合するヨークとからなる日の字形状を有し、かつ鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けた鉄心を使用する1コイル型リアクトルについては、図1に示すような、E型鉄心11(中央脚12、側脚13、14)とI型鉄心15で鉄心10を構成して、中央脚12のみにエアギャップ16を配するという設計がこれまで数多くなされているため、その設計例も多く、これまでの経験・知見の蓄積も多い。   First, as an iron core, there are a total of three legs, a central leg for winding a coil and two side legs that are symmetrical with respect to the central leg, and a yoke that magnetically couples the three legs. For a 1-coil reactor that uses an iron core that has a shape of a certain day and uses an air gap in the magnetic path to prevent magnetic saturation of the iron core, an E-type iron core 11 ( Since there have been many designs in which the central leg 12 and the side legs 13 and 14) and the I-type iron core 15 constitute the iron core 10 and the air gap 16 is disposed only on the central leg 12, there are many design examples. There are many experiences and knowledge accumulated so far.

一方、前述したように、1コイル型リアクトルの鉄心をI型鉄心のみで構成することができれば、リアクトルの製造コストを引き下げることができるとともに、鉄心寸法設計の自由度を増すことができる。   On the other hand, as described above, if the iron core of the one-coil reactor can be composed of only the I-type iron core, the manufacturing cost of the reactor can be reduced and the degree of freedom in designing the core dimensions can be increased.

例えば、本発明の一実施形態として、図2に示すように、中央脚21とその中央脚21に対し左右対称となる2本の側脚22、23との合計3本の脚とそれら3本の脚を磁気的に結合する2本のヨーク24、25とからなる日の字形状の鉄心20において、3本の脚21、22、23と2本のヨーク24、25との間にそれぞれエアギャップ26を設けることによって、I型鉄心のみの組み合わせで鉄心を構成できる。   For example, as one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, a total of three legs including a central leg 21 and two side legs 22 and 23 that are symmetric with respect to the central leg 21 and the three legs. In a Japanese-shaped iron core 20 composed of two yokes 24 and 25 that magnetically couple the legs of each other, air is provided between the three legs 21, 22, 23 and the two yokes 24, 25, respectively. By providing the gap 26, the iron core can be constituted by a combination of only the I-type iron core.

ただし、従来、磁気回路上の働きとしては、側脚は中央脚において起磁力により発生した磁束を還流させるためのヨークと位置づけられているため、そこにエアギャップを配することは好ましくないものと考えられていた。   However, conventionally, as a function on the magnetic circuit, since the side leg is positioned as a yoke for returning the magnetic flux generated by the magnetomotive force in the central leg, it is not preferable to arrange an air gap there. It was thought.

確かに、商用周波数あるいは数kHz未満といった比較的低い周波数で使用されるリアクトル(低周波リアクトル)においては、設計磁束密度(定格電流駆動時の鉄心磁束密度)が比較的高いので、上記のように、側脚22、23とヨーク24、25の間にエアギャップ26を設けることは漏洩磁束の増大を招くなど好ましくない面がある。   Certainly, the design magnetic flux density (core magnetic flux density at the rated current drive) is relatively high in the reactor (low frequency reactor) used at a relatively low frequency such as a commercial frequency or less than a few kHz, as described above. The provision of the air gap 26 between the side legs 22 and 23 and the yokes 24 and 25 is not preferable because it causes an increase in leakage magnetic flux.

しかし、数kHzを上回る高周波で使用されるリアクトル(高周波リアクトル)では、高周波鉄損を抑制するために設計磁束密度が比較的低く設定されるため、側脚22、23とヨーク24、25の間にエアギャップ26を設けることによる悪影響は緩和される。さらに、鉄心材料として無方向性の高珪素鋼板を使用する場合には、その悪影響はさらに緩和されることを見出した。   However, in a reactor (high frequency reactor) used at a high frequency exceeding several kHz, the design magnetic flux density is set to be relatively low in order to suppress high frequency iron loss, and therefore, between the side legs 22 and 23 and the yokes 24 and 25. The adverse effect of providing the air gap 26 on the surface is alleviated. Furthermore, when using a non-oriented high silicon steel plate as an iron core material, it discovered that the bad influence was further relieved.

本発明の一実施形態における高周波リアクトルは、上記のような知見に基づいてなされたものであり、以下のような手順で設計するようにしている。   The high frequency reactor in one embodiment of the present invention is made based on the above knowledge, and is designed in the following procedure.

(第1工程)インダクタンス値に対する要求性能を満足するように、図1に示したような、E型鉄心11とI型鉄心15で鉄心を構成して、中央脚11のみにエアギャップ16を有する従来の鉄心10を前提としてリアクトル設計を行なう。なお、ここでは、中央脚12の幅を2a、長さをc、側脚13、14の幅をa、長さをcとし、中央脚12と側脚13、14の間隙をそれぞれbとし、E型鉄心11のヨーク部分の幅をa、長さを4a+2b、I型鉄心15の幅をa、長さを4a+2bとしている。   (First Step) As shown in FIG. 1, an E-type iron core 11 and an I-type iron core 15 constitute an iron core so that the required performance with respect to the inductance value is satisfied, and an air gap 16 is provided only at the center leg 11. Reactor design is performed on the assumption of the conventional iron core 10. Here, the width of the center leg 12 is 2a, the length is c, the width of the side legs 13, 14 is a, the length is c, and the gap between the center leg 12 and the side legs 13, 14 is b, The width of the yoke portion of the E-type iron core 11 is a, the length is 4a + 2b, the width of the I-type iron core 15 is a, and the length is 4a + 2b.

(第2工程)次に、第1工程で設計された上記の鉄心10の寸法は変えずに、中央脚12に設置したエアギャップ16の一部を側脚13、14にも配分したリアクトル設計を行なう。これによって、図2に示したような、中央脚21、側脚22、23とヨーク24、25との間にそれぞれエアギャップ26が設けられて、I型鉄心のみで構成された鉄心20が得られる。   (Second Step) Next, a reactor design in which a part of the air gap 16 installed in the central leg 12 is also distributed to the side legs 13 and 14 without changing the dimensions of the iron core 10 designed in the first step. To do. As a result, as shown in FIG. 2, air gaps 26 are provided between the center legs 21 and the side legs 22 and 23 and the yokes 24 and 25, respectively, and an iron core 20 composed of only an I-type iron core is obtained. It is done.

(第3工程)そして、第2の工程で設計されたリアクトルに対して、要求仕様(要求性能)を考慮して設計の微調整を行う。   (Third step) Then, the design designed in the second step is finely adjusted in consideration of the required specifications (required performance).

このようにして、この実施形態においては、まず、第1段階(第1工程)の設計として、過去の設計例も多くこれまでの経験・知見の蓄積も多い、E型鉄心とI型鉄心で構成して中央脚のみにエアギャップを配するという鉄心10を前提にして設計を行い、次に、第2段階(第2工程)の設計として、鉄心寸法は第1段階の設計ままとして、中央脚のエアギャップを側脚部にも分散配分した鉄心20を想定して設計を行い、さらに、第3段階(第3工程)の設計として、第2段階で設計されたリアクトルに対して、要求仕様を考慮して設計の微調整を行うという手順をとるようにしているので、類似の設計例やこれまでの経験知見があまりないI型鉄心のみからなる鉄心構造で分散エアギャップがある設計をはじめから行う場合に比べて、経験・知見の蓄積を活用できて、はるかに容易に効率的な設計を行うことができる。   In this way, in this embodiment, first, as the design of the first stage (first process), there are many past design examples, and there is much accumulated experience and knowledge so far. The design is made on the assumption that the core 10 is configured and the air gap is arranged only at the center leg. Next, as the design of the second stage (second process), the core dimensions are the same as the design of the first stage. Designed assuming an iron core 20 in which the air gap of the legs is also distributed and distributed to the side legs, and as a design of the third stage (third process), there is a requirement for the reactor designed in the second stage The procedure for fine-tuning the design in consideration of the specifications is taken, so a design with a distributed air gap in an iron core structure consisting only of an I-type iron core that has little previous experience and knowledge is similar. Compared to the case of starting from the beginning, And knowledge accumulated can take advantage of, can be performed much more easily efficient design.

しかも、1コイル型リアクトルの鉄心をI型鉄心のみで構成しているので、リアクトルの製造コストを引き下げることができるとともに、鉄心寸法設計の自由度を増すことができる。   Moreover, since the iron core of the one-coil reactor is composed of only the I-type iron core, it is possible to reduce the manufacturing cost of the reactor and increase the degree of freedom in designing the core dimensions.

さらに、エアギャップを中央脚21だけでなく側脚22、23にも設けて、1箇所あたりのエアギャップ長さを小さくすることができるようにしたので、広いエアギャップを設けることによる漏洩磁束の増大やエアギャップ部における損失増大を抑制することができる。   Furthermore, since the air gap is provided not only in the central leg 21 but also in the side legs 22 and 23 so that the length of the air gap per location can be reduced, the leakage magnetic flux generated by providing a wide air gap can be reduced. Increase and loss increase in the air gap portion can be suppressed.

なお、図3は、本発明の他の実施形態を示すものである。図3に示すように、この実施形態における鉄心30は、図2に示した実施形態における鉄心20に対して、さらに、中央脚21の脚の長さ中間部と側脚22、23の長さ中間部にもそれぞれエアギャップ31を設けたものである。   FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the iron core 30 in this embodiment is further longer than the iron core 20 in the embodiment shown in FIG. 2, in the middle of the leg length of the central leg 21 and the lengths of the side legs 22 and 23. An air gap 31 is also provided in each intermediate portion.

一般に、リアクトルのエアギャップ位置はコイルによる磁束閉じ込め効果なども考えられることから、脚とヨークの間に設けるよりも、コイル内部となる脚の長さ中間部に設けることが好ましいとされているが、図3に示した実施形態においては、側脚22、23の長さ中間部にエアギャップ31を配する場合には、側脚22、23とヨーク24、25の間のエアギャップ26の長さをエアギャップ31の長さよりも短く設定する必要は必ずしもない。   In general, the air gap position of the reactor is considered to be provided in the middle part of the length of the leg inside the coil rather than between the leg and the yoke because the magnetic flux confinement effect by the coil is considered. In the embodiment shown in FIG. 3, when the air gap 31 is arranged in the middle part of the length of the side legs 22 and 23, the length of the air gap 26 between the side legs 22 and 23 and the yokes 24 and 25. It is not always necessary to set the length shorter than the length of the air gap 31.

本発明の実施例1として、上記の本発明の一実施形態に基づいて、インバータ用ACリアクトルを設計・製作した。   As Example 1 of the present invention, an AC reactor for an inverter was designed and manufactured based on the above-described embodiment of the present invention.

インバータ用ACリアクトルの要求仕様は、定格電流50Hz−50Armsにおけるインダクタンス350μH以上、リアクトルの重畳リップル電流は10kHz−22Apeak to peak、設置場所の雰囲気温度は40℃、冷却条件は自然放冷、絶縁規格F種(耐熱温度155℃)前提というものであった。   The required specifications of the AC reactor for the inverter are an inductance of 350 μH or more at a rated current of 50 Hz to 50 Arms, the reactor superimposed ripple current is 10 kHz-22 Peak to peak, the ambient temperature of the installation site is 40 ° C., the cooling condition is natural cooling, and the insulation standard F It was a seed (heat-resistant temperature 155 degreeC) premise.

リップル電流が10kHzという高周波であることおよびリアクトルの要求性能にはリアクトルの低騒音化要求もあったため、6.5質量%珪素素鋼板(板厚0.1mm)を鉄心材料に用いることとして、当該高周波リアクトルの設計を市販の磁界解析ソフトウエアを用いて実施した。   Since the ripple current is a high frequency of 10 kHz and the required performance of the reactor is required to reduce the noise of the reactor, it is necessary to use a 6.5 mass% silicon steel sheet (plate thickness: 0.1 mm) as the iron core material. The design of the high frequency reactor was carried out using commercially available magnetic field analysis software.

はじめに、第1工程として、従来のリアクトルと同様に、図1に示すようにE型鉄心とI型鉄心とで構成する鉄心ことを前提として検討した。この場合、従来からなされているのと同様に、鋼板から鉄心部材を打ち抜き採取する際の材料歩留まりをよくするために、a=b、c=2a+bとうい寸法制限を考慮しつつ検討した。   First, as a first step, as in the case of a conventional reactor, an investigation was made on the premise that the core is composed of an E-type iron core and an I-type iron core as shown in FIG. In this case, in order to improve the material yield when punching and extracting the iron core member from the steel plate, as in the conventional case, the study was made in consideration of the dimension restrictions such as a = b and c = 2a + b.

従来と同様に、E型鉄心とI型鉄心とで鉄心を構成する場合には、上記の要求仕様と類似した要求仕様に対する設計事例もいくつかあり、これまでの経験知見が生かせるので、比較的容易に設計が行えた。   As before, when an iron core is composed of an E-type iron core and an I-type iron core, there are several design examples for the required specifications similar to the above-mentioned required specifications. It was easy to design.

検討の結果得られた鉄心寸法は、a=b=20mm、c=60mm、鋼板積層厚d=40mm、エアギャップ長さ3.8mmとなった。また、コイルは、厚さ0.35mm、幅55.7mmの銅薄板と厚さ0.13mmの絶縁紙を用いて巻き数23ターンとなった。このとき、定格運転時の想定温度上昇は鉄心64.1℃、コイル93.9℃となった。   The dimensions of the iron core obtained as a result of the study were a = b = 20 mm, c = 60 mm, steel sheet lamination thickness d = 40 mm, and air gap length 3.8 mm. In addition, the coil has 23 turns using a copper thin plate having a thickness of 0.35 mm and a width of 55.7 mm and an insulating paper having a thickness of 0.13 mm. At this time, the assumed temperature rise during rated operation was 64.1 ° C. for the iron core and 93.9 ° C. for the coil.

次に、第2工程として、鉄心寸法はa=b=20mm、c=60mm、鋼板積層厚d=40mmのまま、コイル巻き数23ターンままとして、図2に示すように、鉄心をI型コアのみで構成する構造とする設計を検討した。   Next, as a second step, the iron core dimensions are a = b = 20 mm, c = 60 mm, the steel sheet lamination thickness d = 40 mm, the number of coil turns remains 23 turns, and the iron core is an I-type core as shown in FIG. A design with a structure consisting only of the above was studied.

その際に、エアギャップは例えば側脚とヨークの間はゼロとして鉄心同士を直接つき合わせるようにすることも可能だが、その部分が電磁吸引力による騒音の原因となるので、溶接による固定などが必要になるというマイナス面があり、脚とヨークの間に必ずエアギャップを設けるようにした。すなわち、合計6箇所にエアギャップを設けた。   At that time, the air gap can be zero, for example, between the side legs and the yoke, and the iron cores can be brought into direct contact with each other. However, since this part causes noise due to electromagnetic attraction, fixing by welding, etc. There was a downside that it was necessary, and an air gap was always provided between the leg and the yoke. That is, air gaps were provided at a total of six locations.

また、鋼板のせん断時の送り長さを20mmと40mmに替えるだけで、60mm幅の鋼板フープを共通に用いて中央脚と側脚とを製造することができて、準備する鋼板フープ幅の種類を少なくすることができるので、エアギャップ長さは6箇所とも同一長さとして検討した。   Moreover, only by changing the feeding length at the time of shearing of the steel plate to 20 mm and 40 mm, the central leg and the side leg can be manufactured using the steel plate hoop having a width of 60 mm in common, and the types of the steel plate hoop width to be prepared Therefore, the air gap length was considered as the same length at all six locations.

そして、そのエアギャップ長さは、鉄心内磁束の流れを考慮して、E型鉄心とI型鉄心とで鉄心を構成した場合のエアギャップ長さ3.8mmの1/4の値である0.95mmとして検討を開始した。   The air gap length is a value that is ¼ of the air gap length of 3.8 mm when an iron core is configured with an E-type iron core and an I-type iron core in consideration of the flow of magnetic flux in the iron core. Investigation started at .95 mm.

しかし、エアギャップ部における磁束のフリンジング(湾曲)の程度がエアギャップ長さによって変化してエアギャップ部の磁気抵抗が変化するためと推定されるが、エアギャップ長さ0.95mm×6箇所とした場合は、インダクタンス仕様を満足できないことが分かった。   However, it is presumed that the degree of fringing (curving) of the magnetic flux in the air gap portion changes depending on the air gap length and the magnetic resistance of the air gap portion changes, but the air gap length is 0.95 mm × 6 locations. It was found that the inductance specification could not be satisfied.

このため、第3工程として、ギャップ長を微調整する検討をさらに行った結果、ギャップ長さ0.85mm×6箇所とすれば、インダクタンス仕様を満足できることが分かった。   For this reason, as a result of further studies to finely adjust the gap length as the third step, it was found that the inductance specification can be satisfied if the gap length is 0.85 mm × 6 locations.

このように、まず、第1工程として、過去の設計例も多くこれまでの経験・知見の蓄積も多い、E型鉄心とI型鉄心で構成して中央脚のみにエアギャップを配するという鉄心10を前提にして設計を行い、次に、第2段階として、鉄心寸法は第1工程での設計ままとして、中央脚のエアギャップを側脚部にも分散配分した鉄心を想定して設計を行い、さらに、第3工程として、第2工程で設計されたリアクトルに対して、要求仕様を考慮して設計の微調整を行うという手順をとるようにしたので、類似の設計例やこれまでの経験知見があまりないI型鉄心のみからなる鉄心構造で分散エアギャップがある設計をはじめから行う場合に比べて、経験・知見の蓄積を活用できて、はるかに容易に効率的な設計を行うことができる。   In this way, first, as the first step, there are many past design examples and much experience and knowledge has been accumulated, and an iron core consisting of an E-type iron core and an I-type iron core with an air gap only on the center leg. Designed on the premise of 10 and then, as the second stage, the design is based on an iron core in which the air gap of the center leg is also distributed and distributed to the side legs, with the core dimensions remaining as designed in the first step. In addition, as the third step, the reactor designed in the second step is designed to fine-tune the design in consideration of the required specifications. Compared to designing from the beginning with a core structure consisting only of type I cores with little experience, and having a distributed air gap, it is possible to make use of accumulated experience and knowledge and make designing much easier and more efficient. Can do.

本発明の実施例2として、上記の実施例1で設計した、E型とI型とで鉄心を構成したリアクトル(従来例)と、I型のみからなる鉄心構造のリアクトル(本発明例)を、それぞれ市販の6.5質量%珪素鋼板(板厚0.1mm)を用いて製作した。なお、コイルは、厚さ0.35mm、幅55.7mmの銅薄板と厚さ0.13mmの絶縁紙を用いて巻き数23ターンと、両者全く同一とした。   As Example 2 of the present invention, the reactor (conventional example) configured in E type and I type, which is designed in Example 1 above, and the reactor of the iron core structure consisting only of I type (example of the present invention) are used. Each was manufactured using a commercially available 6.5 mass% silicon steel plate (plate thickness: 0.1 mm). The coil was completely the same, using a copper thin plate having a thickness of 0.35 mm and a width of 55.7 mm and an insulating paper having a thickness of 0.13 mm, and having 23 turns.

インバータ装置を用いて、定格条件(基本波電流50Hz−50Arms、リップル電流10kHz−22App)におけるリアクトル損失特性をワットメータによって測定した結果、従来例ではリアクトル損失が41.2Wに対して、本発明例ではリアクトル損失が38.2Wと低減した。   As a result of measuring the reactor loss characteristics under a rated condition (basic wave current 50 Hz-50 Arms, ripple current 10 kHz-22 App) with a wattmeter using an inverter device, the reactor loss is 41.2 W in the conventional example. Then, the reactor loss was reduced to 38.2W.

これは、従来例はエアギャップ長さが1箇所で3.8mmと大きいのに比べて、本発明例は1箇所のエアギャップ長が0.85mmと小さく、いわゆるギャップ分散効果によって鉄心の鉄損が低減しているためと推定される。   This is because the conventional example has a small air gap length of 3.8 mm at one location, whereas the example of the present invention has a small air gap length of 0.85 mm at one location. Is estimated to be reduced.

これによって、本発明においては、製造コストを低くすることができる上に、定格運転時の損失も低くできることが確認できた。   As a result, in the present invention, it was confirmed that the manufacturing cost can be reduced and the loss during rated operation can be reduced.

上述したように、実施例1におけるリアクトルの設計検討は、リアクトル設置場所の雰囲気温度が40℃であるとして実施し、コイルの温度上昇は93.9℃(コイルの到達温度は40+93.9=133.9℃)との想定であった。   As described above, the design study of the reactor in the first embodiment is performed on the assumption that the ambient temperature of the reactor installation place is 40 ° C., and the temperature rise of the coil is 93.9 ° C. (the reached temperature of the coil is 40 + 93.9 = 133). .9 ° C).

ところが、その後、リアクトルの要求仕様は変わらないが、リアクトル設置場所の雰囲気温度が40℃よりも高くなる可能性が生じたので、再度設計見直しが必要となった。   However, after that, although the required specifications of the reactor did not change, there was a possibility that the atmospheric temperature of the reactor installation location would be higher than 40 ° C. Therefore, it was necessary to review the design again.

リアクトル設置場所の雰囲気温度が40℃よりも高くなる場合に問題になるのは、コイル到達温度であるので、コイル温度上昇を実施例1の設計よりも10℃程度低くした83.9℃以下にする検討を行った。   When the atmospheric temperature of the reactor installation location is higher than 40 ° C., the problem is the coil reaching temperature, so that the coil temperature rise is about 10 ° C. lower than the design of Example 1 to 83.9 ° C. or less. I made an examination.

鉄心断面積、コイル巻き数およびエアギャップ長は実施例1の設計のまま変更せず、コイルに使用する銅薄板の厚さを実施例1の設計値0.35mmよりも厚くするだけで対応できれば、それが最も簡便な方法である。   If the cross-sectional area of the iron core, the number of coil turns and the air gap length are not changed as in the design of the first embodiment, the thickness of the copper thin plate used for the coil can be dealt with by making it thicker than the design value of 0.35 mm of the first embodiment. That is the simplest method.

検討の結果、銅薄板の厚さを0.35mmから0.4mmに変更し、かつ鉄心寸法bを20mmから22mmに変更すれば、インダクタンス値の要求仕様を満足して、かつコイル温度上昇を80.3℃にできることが分かった。   As a result of the examination, if the thickness of the copper thin plate is changed from 0.35 mm to 0.4 mm and the iron core dimension b is changed from 20 mm to 22 mm, the required specification of the inductance value is satisfied and the coil temperature rise is increased by 80. It was found that it could be 3 ° C.

従来例のように、E型鉄心とI型鉄心とで鉄心を構成する場合には、鉄心寸法a、b、cの相互関係に制限があって、鉄心のb寸法だけの微調整は現実にはできないが、本発明例のように、I型鉄心のみで鉄心を構成している場合には、設計の自由度が高く、寸法の微調整も容易であることが理解できる。   As in the conventional example, when an iron core is configured with an E-type iron core and an I-type iron core, there is a limitation in the interrelationship between the iron core dimensions a, b, and c. However, it can be understood that when the iron core is composed of only the I-type iron core as in the example of the present invention, the degree of freedom of design is high and the fine adjustment of the dimensions is easy.

10 鉄心
11 E型鉄心
12 中央脚
13 側脚
14 側脚
15 I型鉄心
16 エアギャップ
20 鉄心
21 中央脚
22 側脚
23 側脚
24 ヨーク
25 ヨーク
26 エアギャップ
30 鉄心
31 エアギャップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Iron core 11 E type iron core 12 Central leg 13 Side leg 14 Side leg 15 I type iron core 16 Air gap 20 Iron core 21 Central leg 22 Side leg 23 Side leg 24 Yoke 25 York 26 Air gap 30 Iron core 31 Air gap

Claims (3)

鉄心として、コイルを巻きつけるための中央脚と該中央脚に対し左右対称となる2本の側脚との合計3本の脚とそれら3本の脚を磁気的に結合するヨークとからなる日の字形状を有し、かつ鉄心の磁気飽和を防止するために磁路にエアギャップを設けた鉄心を使用する1コイル型の高周波リアクトルにおいて、
3本の脚とヨークとの間にそれぞれエアギャップを設けることで、I型鉄心の組み合わせのみで鉄心を構成できるようにしたことを特徴とする高周波リアクトル。
As an iron core, there are a total of three legs, a central leg for winding a coil, two side legs symmetrical to the central leg, and a yoke that magnetically couples the three legs. In a one-coil type high frequency reactor that uses an iron core having an air gap in the magnetic path to prevent magnetic saturation of the iron core,
A high frequency reactor characterized in that an air gap is provided between each of three legs and a yoke so that the iron core can be constituted only by a combination of I-type iron cores.
中央脚の長さ中間部とヨーク脚の長さ中間部にもそれぞれエアギャップを設け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。   The high frequency reactor according to claim 1, wherein an air gap is also provided in each of an intermediate length portion of the central leg and an intermediate length portion of the yoke leg. 請求項1または2に記載の高周波リアクトルを設計するに際して、
インダクタンス値に対する要求性能を満足するように中央脚のみにエアギャップを有する鉄心構造を前提としてリアクトル設計を行なう第1の工程と、
前記第1の工程で設計されたリアクトルの鉄心寸法は変えずに中央脚に設置したギャップの一部を側脚にも配分したリアクトル設計を行なう第2の工程と、
前記第2の工程で設計されたリアクトルに対して、要求仕様を考慮して設計の微調整を行う第3の工程と
を有することを特徴とする高周波リアクトルの設計方法。
In designing the high frequency reactor according to claim 1 or 2,
A first step of performing a reactor design on the premise of an iron core structure having an air gap only at the center leg so as to satisfy the required performance with respect to the inductance value;
A second step of performing a reactor design in which a part of the gap installed in the central leg is also distributed to the side legs without changing the core size of the reactor designed in the first step;
A high frequency reactor design method comprising: a third step of finely adjusting a design of the reactor designed in the second step in consideration of a required specification.
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