JP4465635B2 - リアクトル装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ハイブリッド車あるいは電気自動車の駆動用モータなどに用いられるリアクトル装置に関する。
従来のリアクトル装置として、例えば特開2004-095570号公報に記載されているように、薄い珪素鋼板を積層した積層型コアに複数のギャップを介挿したものが知られている。このようなリアクトル装置では、コアの透磁率を下げて磁気飽和しにくくする必要があり、多数のギャップを分散してコアに介挿している。
しかし積層型コアは、コストが高いという問題がある。一方で、粉末冶金法による軟質磁性材料の磁気特性が大幅に向上し、近年では圧粉磁心よりなるコアが注目されている。圧粉磁心は 100μｍ程度の磁性粉末一つ一つを絶縁し、少量の有機バインダを混合後、圧縮成形及び熱処理することにより製造される。
ところが熱処理温度は絶縁物やバインダが分解しない温度で行わねばならず、圧粉磁心は焼結磁性体のような緻密化は期待できない。そこで高圧で圧縮成形されることで高密度化されている。しかしながら高圧で圧縮成形すると、バリの発生が避けられない。リアクトルコアにこのようなバリが生じていると、コイルの巻回時にコイルの絶縁皮膜を損傷することがある。またリアクトル組付工程における治具や金型などの破損が生じたり、エッジ部から粉末が脱落することによってギャップ長が変化したりする場合もある。
そこで切削加工によってバリを除去することができるが、例えばアトマイズ粉末など球状の粉末の場合には粉末どうしの絡み合いが少なく、バリ取り加工時に粉末の脱落が生じやすい。そのため、このようにして製造されたリアクトルコアのバリ取り面（プレス表面）どうしを対向させてギャップを介挿した場合には、ギャップ長が変化してリアクトル損失が生じるという問題がある。
一方、特開2005−226152号公報には、得られた圧粉成形体を加圧成形し塑性加工により外形形状を修正することが提案されている。このような方法で製造されたリアクトルコアによれば、バリがないので上記した不具合を回避することができる。しかしこのようなリアクトルコアにおいては、塑性加工した表面どうしを対向させてギャップを介挿すると、塑性加工によって粉末どうしが冶金的に結合した部分がリング状に存在する結果、磁路断面に沿う方向、つまり磁束が透過する方向に直交する方向に渦電流が流れ、リアクトル損失が増大するという不具合があった。
また特開平05−326240号公報には、磁気的に異方性をもつ扁平状あるいは針状の粉末を用い、磁路に平行となるように磁場を印加しながら成形する方法が記載されている。この製造方法によれば、粉末が磁場に平行に配向し、μが高く高性能のリアクトルコアを製造することができる。しかしこの方法では、アトマイズ粉末など球状の粉末を用いることができず、原料選択の自由度が低い。
さらに特開2006−344867号公報には、異方性ナノ結晶材料を粉末原料として用いることで、ギャップを不用あるいは少なくしたリアクトルが記載されている。この技術によれば、異方性ナノ結晶材料を用いることで高磁気異方性と低透磁率さらには低保磁力を実現することができる。またアトマイズ粉末を用いることができ、原料選択の自由度も高い。しかしこの公報には、バリの問題は記載されていない。
特開2005−226152号公報 特開平05−326240号公報 特開2006−344867号公報
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、原料選択の自由度が高くバリの問題も回避でき、かつ渦電流の発生を抑制できるリアクトル装置とすることを解決すべき課題とする。
上記課題を解決する本発明のリアクトル装置の特徴は、圧粉磁心よりなるリアクトルコアと、リアクトルコアの外周に巻回されたコイルと、よりなるリアクトル装置であって、リアクトルコアは、圧縮成形時に形成された一対のプレス表面を有し、プレス表面のエッジ部は加圧処理により塑性加工され、コイルに通電された際に生じる磁束がプレス表面を透過しない向きに配置されていることにある。
本発明のリアクトル装置では、プレス表面のエッジ部は加圧処理により塑性加工されているので、コイルを巻回する際にコイルの絶縁皮膜を損傷するような不具合を防止することができる。またプレス表面のエッジ部を加圧処理により塑性加工することで、粉末の脱落を防止でき、ギャップ長の変化を防止することができる。
さらに本発明のリアクトル装置では、コイルに通電された際に生じる磁束がプレス表面を通過しない向きに配置されている。したがって塑性加工によってプレス表面に絶縁性が低いエッジ部が存在していても、渦電流が生じるのを抑制することができ、リアクトル損失の増大を大きく抑制することができる。またトロイダル形状をなし複数のギャップが介挿されたリアクトル装置とすれば、リアクトルコアのプレス表面がギャップに対向していないので、渦電流の発生とバリによる磁束の漏れなどが防止される結果、高性能のリアクトル装置とすることができる。
本発明のリアクトル装置は、圧粉磁心よりなるリアクトルコアと、リアクトルコアの外周に巻回されたコイルと、から構成される。リアクトルコアの原料となる磁性体粉末としては、純鉄、Fe−Ｐ系、Fe−Ni系、Fe−Si系、Fe−Al−Si系、Fe−Co系パーメンジュール、Fe−Cr−Si系ステンレスなどを用いることができる。
このリアクトルコアを製造するには、磁性体粉末の一つ一つを絶縁し、少量の有機バインダを混合後、圧縮成形することにより製造することができる。磁性体粉末の一つ一つを絶縁するには、ガラス、リン酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩など、高電気抵抗を示しかつ変形追従性のよい絶縁材料を用い、磁性体粉末と混合することで絶縁被膜を形成することができる。
圧縮成形は、成形用金型に絶縁処理された磁性体粉末を充填し、例えば700MPa以上で加圧することで行うことができる。成形圧力の上限は、成形金型の寿命などを考慮して決定される。成形金型の内面（キャビティの型面）には、高級脂肪酸系の潤滑剤を塗布しておくことが望ましい。成形温度は、潤滑剤と粉末との反応に適した温度が好ましく、例えば 100〜 200℃とすることができる。
得られた圧粉成形体には、プレス表面の周縁部にバリが生じている。本発明では、移送時のバリの脱落や他部品の損傷を防止するために、加圧処理により塑性加工してバリを無くしている。この加圧処理としては、特許文献１に記載されたような金型による塑性加工を用いてもよいし、ロールにより加圧する方法などを用いることも可能である。
こうして得られたリアクトルコアにコイルが巻回され、リアクトル装置とされる。コイルは、従来用いられている一般的な絶縁皮膜付きのコイルを用いることができる。
ここで本発明のリアクトル装置では、コイルに通電された際に生じる磁束がリアクトルコアのプレス表面を透過しない向きとなるようにリアクトルコアを配置している。したがってプレス表面に絶縁性が低いエッジ部が存在していても、渦電流が生じるのを抑制することができ、リアクトル損失の増大を大きく抑制することができる。
またコイルはプレス面を横断するように巻回されることになるが、プレス表面のエッジ部は加圧処理により塑性加工され、面取りされているので、コイルの絶縁皮膜を損傷するような不具合が回避される。
本発明のリアクトル装置は、複数のリアクトルコアが列設され、複数のギャップが介挿されたトロイダル形状のものに好適に用いられる。ギャップによって透磁率を自在に調節することができるとともに、プレス表面のバリが面取りされているので、バリあるいはバリから脱落した粉末によるギャップ長変化が防止され、かつ磁束の漏れなどを回避することができる。このギャップには、ジルコニア板など公知のものを用いることができる。またギャップとリアクトルコアとは、例えば接着剤により接着される。
以下、実施例、比較例及び参考例により本発明を具体的に説明する。
（実施例）
図１に本実施例のリアクトル装置を示す。このリアクトル装置は、トロイダル形状をなし、コア１と、コア１の外周に巻回された一対のコイル２と、から構成されている。このリアクトル装置は、ハイブリッド車のモータに配置され、コイル２への通電時に生じる磁束は図１に示す矢印方向となる。
コア１は、図２に分解して示すように、２個の円弧コア10と、４個の直方体コア11と、厚さ 1.6mmのジルコニア製ギャップ12とからなる。円弧コア10は略Ｕ字形状に形成され、一対の脚部 101を有している。一対の円弧コア10は、互いの脚部 101が対向するように配置され、対向する脚部 101どうしの間にそれぞれ２個の直方体コア11が直列に配置されている。円弧コア10の脚部 101と直方体コア11の間、及び直方体コア11どうしの間には、それぞれギャップ12が介挿されている。円弧コア10の脚部 101とギャップ12とは、エポキシ樹脂系の接着剤層３により接合され、ギャップ12と直方体コア11も同じ接着剤層３により接合されている。
円弧コア10及び直方体コア11は、それぞれ圧粉成形により形成されている。以下、その製造方法について説明する。
原料粉末として、アトマイズ法にて製造されたFe−Si粉末（Si：３質量％、平均粒径 100μｍ）を用意した。
市販のシリコーン系樹脂（東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、「SR−2400」）を５倍の有機溶媒（トルエン）に溶解した被覆処理液を調製した。次に、この被覆処理液を、空気流で流動させた原料粉末にスプレー噴霧した後、 180℃で30分間乾燥させた。こうして、原料粉末 100質量％に対してシリコーン樹脂１質量％の割合で原料粉末の各粒子の表面を被覆し（コーティング工程）、シリコーン系樹脂で被覆された被覆処理粉末を得た。
次に、図３に示す鋼製の成形用金型を用意した。この金型４は、筒状の固定型40と、固定型40内を上下に移動可能な上型41及び下型42とから構成されている。
次いで、平均粒径が20μｍ、融点約 225℃のステアリン酸リチウムの20質量部と、界面活性剤（ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル）１質量部と、界面活性剤（「ホウ酸エステルエマルボンT-80」東邦化学社製）１質量部と、消泡剤（「FSアンチフォーム80」ダウコーニング社製） 0.2質量部と、が 100質量部の蒸留水に分散した分散液を調製した。この分散液をフッ素樹脂がコーティングされたボールを用いたボールミルにて 100時間ミリングし、その後、蒸留水にて20倍に希釈して希釈液を調製した。
この希釈液を用い、スプレーガンにて金型４の型面に塗布した。これにより金型４の成形キャビティを形成する型面には、ステアリン酸リチウムが均一に塗布された。
ステアリン酸リチウムが塗布された金型４をヒータにて 120℃〜 150℃に加熱し、そのキャビティに予め 120℃〜 150℃に加熱された上記被覆処理粉末の所定量を投入した。そして金型４の温度を 120℃〜 150℃に保持した状態で、図３に示すように上型41と下型42とを互いに近接する方向へ駆動し、950MPa〜1568 MPaの成形圧力にて圧粉成形した。脱型後に、歪みを除去するために、窒素ガス雰囲気中にて 750℃で30分間保持する熱処理を行った。
ここで、直方体コア11については、図２に示す辺(ａ)と辺(ｂ)とで囲まれた平面が上型41と下型42で押圧される平面（プレス表面）となるように圧縮成形を行った。したがって得られた成形体には、図３に示すように、辺(ａ)と辺(ｂ)とにバリ11a が形成され、辺(ｃ)にはバリは形成されていない。
そこで表面が平滑なロールを用いてバリ11a を押圧し、塑性加工によって辺(ａ)と辺(ｂ)との面取りを行った。切削油やクーラントは使用せず、ドライ条件下で辺(ａ)と辺(ｂ)のバリ11a （エッジ部）に回転するロールを押圧した。このとき摩擦熱によって、エッジ部のFe−Si粒子どうしが冶金的に結合した。
なお面取りの幅については、幅が大きくなると電気抵抗が小さくなるため、製品特性を満足できる許容範囲を考慮して、Ｃ 0.5mm以下とした。
円弧コア10については、図４に矢印で示す方向を圧縮方向としたこと以外は、上記した直方体コア11の成形方法に準じて成形した。脚部 101のバリは上下の辺(ｄ)にのみ形成され、左右の辺(ｅ)にはバリは形成されないので、ロールによる塑性加工は辺(ｄ)のみに行った。
こうして得られた円弧コア10と、直方体コア11と、ギャップ12とを図２に示すように配置し、エポキシ系接着剤を用いて接合することで、トロイダル形状をなす本実施例のリアクトル装置を得た。このリアクトル装置では、直方体コア11の辺(ａ)と辺(ｃ)とで囲まれた平面を磁束が透過し、円弧コア10の辺(ｄ)と辺(ｅ)で囲まれた平面を磁束が透過する。
ここで直方体コア11の辺(ａ)と、円弧コア10の辺(ｄ)とは、ロールによる塑性加工によって粉末どうしが冶金的に結合された状態であり、絶縁性が低くなっている。しかし、直方体コア11の辺(ｃ)と、円弧コア10の辺(ｅ)とは成形されたままの状態であり、Fe−Si粒子どうしは高い絶縁性が維持されている。したがって磁束が透過する際には、直方体コア11の辺(ａ)と辺(ｃ)とで囲まれた平面と、円弧コア10の辺(ｄ)と辺(ｅ)で囲まれた平面とに渦電流が発生するのが抑制されている。
また成形時に生じたバリは塑性加工によって潰されているので、コイル２の絶縁皮膜を損傷することがない。さらにギャップ長が変化することもなく、磁束の漏れも防止される結果、高性能のリアクトル装置となる。
（参考例）
ロールによる塑性加工を行わなかったこと以外は実施例と同様にして、円弧コア10及び直方体コア11を形成し、実施例と同様にしてリアクトル装置を製造した。このリアクトル装置では、粉末どうしが冶金的に結合された部分が無いので、渦電流の発生は未然に防止されている。しかし直方体コア11の辺(ａ)と辺(ｂ)とにバリ11a が残り、円弧コア10の辺(ｄ)にもバリがそのまま残っているため、コイル２の絶縁皮膜が損傷する恐れがあり、またバリから脱落したFe−Si粒子によってギャップ長が変化したり治具などが損傷する恐れもある。
（比較例）
直方体コア11の成形において、辺(ａ)と辺(ｃ)とで囲まれた平面がプレス表面となるようにしたこと以外は実施例と同様にして、円弧コア10及び直方体コア11を形成し、実施例と同様にしてリアクトル装置を製造した。このリアクトル装置では、直方体コア11の辺(ａ)と辺(ｃ)とで囲まれた平面の全周にバリが生じ、その全周で塑性加工によってFe−Si粒子どうしが冶金的に結合されている。また磁束は、直方体コア11の辺(ａ)と辺(ｃ)とで囲まれた平面を透過する。したがって直方体コア11の辺(ａ)と辺(ｃ)とで囲まれた平面には渦電流が発生し、リアクトル損失が大きくなってしまう。
＜試験例＞
本実施例のリアクトル装置の特性を確認するため、上記した３つの例のリアクトル装置についてリアクトル損失を測定した。結果を図５に示す。なお、リアクトル動作時の入力電力と出力電力との差分をリアクトル損失とした。
図５から、実施例のリアクトル装置は比較例のリアクトル装置に比べてリアクトル損失が大幅に低減され、参考例のリアクトル装置と比べて遜色ない特性を有している。これは、渦電流の発生が抑制されたことによる効果であることが明らかである。
本発明のリアクトル装置は、トロイダル形状のものばかりでなく、ステータコア、アノードリアクタコア、ロータコアなどにも用いることができる。
本発明の一実施例に係るリアクトル装置の斜視図である。 本発明の一実施例に係るリアクトル装置に用いたリアクトルコアの分解斜視図である。 本発明の一実施例に係るリアクトル装置に用いた直方体コアの製造方法を示す説明図である。 本発明の一実施例に係るリアクトル装置に用いた円弧コアの成形方法を示す説明図である。 リアクトル損失を示すグラフである。
符号の説明
１：コア ２：コイル ３：接着剤層
４：金型 10：円弧コア 11：直方体コア
12：ギャップ

Claims (2)

  1. 圧粉磁心よりなるリアクトルコアと、該リアクトルコアの外周に巻回されたコイルと、よりなるリアクトル装置であって、
    該リアクトルコアは、圧縮成形時に形成された一対のプレス表面を有し、該プレス表面のエッジ部は加圧処理により塑性加工され、該コイルに通電された際に生じる磁束が該プレス表面を透過しない向きに配置されていることを特徴とするリアクトル装置。
  2. 該リアクトルコアはトロイダル形状をなし、複数のギャップが介挿されている請求項１に記載のリアクトル装置。
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