JP5288228B2 - リアクトル磁心およびリアクトル - Google Patents

Description

本発明は、電源回路、特に太陽光発電システムなどのパワーコンディショナーに用いられるリアクトル磁心、およびリアクトルに関するものである。

電源回路用リアクトルの磁心としては、３つに大別することが出来る。数十ｋHz以下の領域では、珪素鋼板、アモルファス軟磁性薄帯、ナノ結晶質軟磁性薄帯などが磁心材として主に用いられている。これらの磁心材は鉄を主成分とし、飽和磁束密度Bｓと透磁率μが大きいという長所をもつが、珪素鋼板は高周波磁心損失が大きいという欠点を有し、アモルファス軟磁性薄帯とナノ結晶質軟磁性薄帯は、磁芯形状が巻磁心形状や積層磁心形状などに制約され、後述するフェライトのような種々の形状には成型し難い欠点を有する。

数十ｋHz以上の領域では、Mn-Zn系やNi-Zn系に代表されるフェライト磁心が広く用いられている。このフェライト磁心は、高周波磁心損失が小さく、また成形が比較的容易なため、種々の形状を大量生産できる特長を有する。しかしながら、飽和磁束密度Bｓが前述の珪素鋼板やアモルファス軟磁性薄帯、ナノ結晶質軟磁性薄帯の4分の１から2分の１程度しかないため、大電流用リアクトルでは磁気飽和を避けるために磁心断面積が大きくなる。

数ｋHｚから数百ｋHｚまでの領域に用いられるものとして圧粉磁心がある。圧粉磁心は、磁性粉末の表面を絶縁処理したのち加工成形したもので、絶縁処理により渦電流損失の発生が抑制されている。

パワーコンディショナーに用いられるリアクトルは、小型化、低騒音化、低損失化の要求が強く、リアクトルに用いられる磁心材の磁気特性としては、高い飽和磁束密度Bｓと適切な範囲の透磁率μｒが要求される。ここでいう適切な範囲の透磁率μｒについて以下、説明する。磁界Hと磁束密度Bには、B=μoμｒHの関係がある。ここでμoは真空中の透磁率を示し、磁界Hはリアクトルに流れる電流に比例する。このため、透磁率の高い磁心材では小さなリアクトル電流でも飽和磁束密度Bsに達して、磁心飽和を起こす。よって、従来はリアクトル磁心材として高い飽和磁束密度Bsの磁性材を用い、この磁心材に空隙を設けて実効的な透磁率（実効透磁率）μｒｅを低くし、巻線数との調整により必要なインダクタンスを得る設計がなされている。本用途での実用的な実効透磁率μｒｅはおおよそ３０から１００までの範囲内にあり、前述する圧粉磁心を用いることが好ましい。

大電流用のリアクトル磁心には、飽和磁束密度Bsが高く低損失の磁性材が用いられる。一般に飽和磁束密度Bsが高く低損失な磁性材は透磁率も高いため、リアクトル磁心に用いる場合にはギャップ（空隙）を設ける。このギャップを構成する部材の透磁率は略１であることから、ギャップでは磁束が磁路の外側に漏れ出るフリンジング磁束が生じる。このため、ギャップ近傍のコイル表面に渦電流が生じ、損失が増大する問題点がある。

例えば、特許文献１には、磁心脚部が一体的に作られた円環状リアクトル磁心が一例として開示されている。このリアクトル磁心は、磁心脚部を薄板材に打抜き加工を施して積層することを前提にしたものであり、打抜き材同士を積層する時の接着強度や積層枚数について検討したものである。また、磁心脚部が一体的に作られた円環状リアクトル磁心として、特許文献２に示すように、磁心脚部の端部を磁路方向に対して傾斜して作る案もある。

特開２００３−４５７２４号公報 特開２００５−２４３８０５号公報

これら、ギャップ構造を用いたリアクトル磁心は他にも出願がされているが、その形状については詳細に検討が為されていない。ギャップ構造のリアクトル磁心、リアクトルでは、ギャップからコイルへ磁束が漏れ、銅損が増大しやすいという問題がある。
よって本発明は、ギャップ構造を用いた片側の磁心脚部が一体のブロックである環状のリアクトル磁心、リアクトルにおいて、各磁心部の形状を最適化し銅損の増大を極力抑制したものを提供することを課題とする。

本発明は、２つの対向する磁心継部５と、前記磁心継部５の間に配置された２本の磁心脚部６からなる環状のリアクトル磁心であって、前記磁心継部５は前記磁心脚部６に向けた突出部を有し、前記磁心脚部６と前記磁心継部５との間にはギャップが形成され、かつ磁心脚部６は一体の磁心ブロックから構成され、前記磁心継部５の突出部の長さＡと前記磁心脚部６の磁路方向の平均長さＢとの比Ａ／Ｂが、１．２以上２．３以下で、前記範囲内でコイル交流抵抗が最小となることを特徴とする。

前記リアクトル磁心が、磁性粉末と樹脂を含む圧粉体で形成されているものが好ましい。この圧粉体の透磁率は２００以下であることが好ましい。

磁心脚部の周囲にコイルを巻回したこれらのリアクトル磁心を用いたリアクトルとすることができる。パワーコンディショナー用リアクトルとして特に有用である。

本発明によれば、ギャップ部の漏れ磁束による銅損の増大を抑制した高効率のリアクトル磁心、およびリアクトルを得ることができる。これにより電力変換効率の高いパワーコンディショナーを製造することができる。

本発明のリアクトルは、磁心継部５から磁心脚部６に向けて突出した突出部を形成し、この突出部の長さＡと、磁心脚部６の磁路方向の平均長さＢとの比Ａ／Ｂの適切化を図ることで、容易に銅損の増大を抑制できることを知見したものである。
すなわち、比Ａ／Ｂが０．３より小さい場合は、一方の突出部（２１、２２）から磁心継部１を介して他方の突出部（２３、２４）に流れるまでの磁束の還流が停滞しやすく、最外部ギャップでの漏れ磁束量が大きくなり、コイル交流抵抗が増大する。また、比Ａ／Ｂが４．０より大きい場合は、突出部が長いために磁心脚部の複数のギャップが中央に集中して配置されるため、この部分の磁気抵抗が大きくなり、全体的にフリンジング磁束量が大きくなって、コイル交流抵抗が増大する。従って比Ａ／Ｂを０．３以上８．０以下に設定することで、フリンジング磁束が小さくなり、コイルに生じる渦電流損失を小さくすることができる。この磁心を用いることにより、低損失のリアクトルを実現できる。

本発明において「突出部の長さＡ」とは、図５（ａ）に示すように、略Ｕ型になる磁心継部の谷の部分から、対向する磁心継部側へ突出している部位の長さである。磁心継部５ａの突出部は、図３に示すように端部と一体的に成形されることもあるし、端部と突出部を別個に製造して接着したものでもよい。図５（ｂ）のように磁心継部５ｂの内径側が円弧形状の場合は、他端の継部から最も離れた谷部７から突出した長さを突出部の長さＡとする。図５（ｃ）のように磁心継部５１ｃ、５２ｃの各突出部の長さ（A1〜A4）が異なる場合は、各突出部の長さの平均値（(A1+A2+A3+A4)/4）を突出部の長さＡとする。
また、本発明において、「磁心ブロックの磁路方向の平均長さＢ」とは、各磁心ブロックの長さの平均値とする

突出部２の磁路方向の断面積と、磁心脚部６の磁路方向の断面積は同じになるようにすることが好ましい。断面積が同じであれば、その間のギャップで漏洩磁束が発生しずらく、銅損の増加を抑制できる。
また、磁心継部５の磁路方向の断面積は、突出部２の磁路方向の断面積、磁心脚部６の磁路方向の断面積と同じか、それよりも大きいことが好ましい。この寸法で形成することで、上記と同様に、銅損の増加を抑制できる。
また、磁心脚部６は磁心の組み立てや、プレス成形を容易にするために直方体状のＩ型磁心ブロックとすることが好ましい。台形形状などのものを適用した場合、磁心脚部の磁路方向の平均長さＢは、磁路の中央部（磁路断面の重心部）に沿った長さである。

磁心継部の突出部の長さＡと磁心ブロックの磁路方向長さＢとの比Ａ／Ｂが、０．３以上８．０以下であることが好ましい。磁心継部に突出部を設けない場合（比Ａ／Ｂ＝０の場合）に比べて、４０％以上もコイル交流抵抗を低下できる。さらに、比Ａ／Ｂは０．５以上４．０以下であることが好ましい。この範囲とすることで、４５％以上もコイル交流抵抗を低下できる。さらに、比Ａ／Ｂは０．７以上２．３以下であることが好ましい。この範囲とすることで、５０％以上もコイル交流抵抗を低下できる。特に、ギャップの幅を全て足した長さが磁路長に対して１〜３％であると、上記値に相当するコイル交流抵抗の低下効果が得られる。

前記リアクトル磁心は、軟磁性粉末と樹脂を含む圧粉体で形成されているものが好ましい。軟磁性粉末が各々絶縁されることで、鉄損の小さいリアクトル磁心とすることができる。リアクトル磁心用の材料として、珪素鋼板、アモルファス軟磁性薄帯、ナノ結晶質軟磁性薄帯など既知の材料を積層したものが適用されているが、これらの積層体を用いた場合、透磁率μｒが軟磁性粉末の圧粉体と異なるために、磁心継部の突出部の長さＡと前記磁心脚部の磁路方向長さＢとの比Ａ／Ｂは大きく異なる範囲となるためである。

前記磁性粉末は、例えば純鉄の粉、Fe−Si合金粉、Fe−Al合金粉、Fe−Si−Al合金粉、Fe−Ni合金粉、Fe−Co合金粉、アモルファス軟磁性粉、ナノ結晶質軟磁性粉などが挙げられ、これらは各々単独でまたは適宜、組合せた粉末でも良い。これら磁性粉末の圧粉体の透磁率μｒは、最大でも２００以下の範囲であるので、本発明で規定する寸法比でリアクトル磁心を構成することで、銅損の小さい高効率のリアクトルが得られる。

本発明で用いる樹脂としては、前記磁性粉の表面を被覆して粉末相互間を絶縁状態にして磁心全体の交流磁化に対する渦電流損が大きくならないように充分な電気抵抗を付与せしめると同時に、これら粉末を結着するバインダーとしても機能するものである。このような樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂など各種の樹脂が挙られ、これらは単独または適宜組合せて使用しても良い。

本発明で用いる圧粉体の磁心の成型方法としては、前記磁性粉末と前記樹脂の混合物をいったん液状化した後に注型して硬化させる注型法、金型中に射出成型することにより成型する射出成型法、金型中に磁性粉末と有機物又は無機物からなる結合材の混合物を充填し加圧して圧粉磁心を成型するプレス成型法などがある。

ギャップＧは、磁気的に空隙部と同等の透磁率を持つ部分であり、エアギャップだけでなく、樹脂などの非磁性材による板状部材などでも良い。この板状部材により位置決めを容易に行うことができる。

磁心継部５と磁心脚部６の太さは、最終製品のリアクトルの寸法、および必要なリアクトル特性により適宜決めるものである。積層鋼板を用いたリアクトルでは、各部の積層方向を小さくして、鋼板の積層枚数を減らすなどの考慮が必要となる。本発明のような圧粉体を適用したものは、それらの懸念事項を考慮することなく自在に設計が可能である。リアクトル磁心高さをｈ、各部の磁路に直行する幅をｄとすると、磁路に直行する断面積ｓはｈ×ｄとなる。特に磁心脚部６は周囲にコイルを巻く必要があるため、磁心脚部６の周長は短い方が好ましい。よって、同じ断面積ｓを得るにしても、高さｈと幅ｄは近い値であるほど周長が短くなる。これにより、巻きまわすコイルが短くて済み、コスト削減になるとともに、軽量化にも繋がる。但し上記したように、これらの寸法比は要望される最終製品としての収納性に併せる必要がある。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
本発明のリアクトル磁心として、まず図３に示す形状の環状リアクトル磁心を作成した。図３中、磁心継部５は、端部１１、および突出部２１、２３からなるＵ字状磁心であり、他端に備えられた磁心継部５は、端部１２、および突出部２２、２４からなるＵ字状磁心である。このときの端部１１の形状を図４に別途示す。端部１１と突出部２１、２３は固着させて、磁気的に一体の磁心継部５とした。端部１２と突出部２２、２４も同様である。尚、端部１１と突出部２１，２３は別々に構成した後固着される場合のほか、最初から一体のものとして構成してもよい。
磁心脚部６は2本のＩ型磁心ブロック３１、３２を設けた。また、磁心脚部６のＩ型磁心ブロック３１，３２は両端にギャップＧ１〜Ｇ４が形成されるように配置した。また、ギャップＧ１〜Ｇ４は、図示されていないが、板状セラミックをギャップ材として使用している。
このギャップＧ１〜Ｇ４の長さを全て足した総ギャップ長は、５．４ｍｍとした。各ギャップの幅は一定とした。
磁心継部５と磁心脚部６の各Ｉ型磁心ブロック３は、Fe−６．５％Si系合金粉にカオリン１．５重量部、水ガラス１．５重量部を添加したものを用い、常温にて成形圧力１２００ＭＰａで圧縮成形し、その後窒素雰囲気中で成形体に温度１０７３Ｋの熱処理を施したものである。この圧粉体の透磁率μｒは５０であった。磁心継部１１，１２間の距離（突出部２１，２２、ギャップＧ１、Ｇ２、Ｉ型磁心ブロック３１を足した長さ）は８５．２ｍｍとした。
磁心継部５の端部１１，１２は、突出部２１〜２４が固着される反対側の形状は、磁路にそって円弧を描くように外部が丸くなっている形状とした。この端部１１，１２と、突出部２１〜２４、および磁心脚部６のＩ型磁心ブロック３１、３２の磁路に直行する断面積は全て同じになるようにした。端部１１の寸法は、高さｈを３２ｍｍ、縦幅ｗを６０ｍｍ、横幅ｄを２０．５ｍｍとし、端部の曲面ｒは半径２０．５である。

また、突出部２１，２２の長さＡと、各Ｉ型磁心ブロックの長さＢを変えた各リアクトル磁心を作成した。磁路長が一定になるように磁心継部１１，１２間の距離（突出部２１，２２、ギャップＧ１、Ｇ２、Ｉ型磁心ブロック３１を足した長さ）を一定の８５．２ｍｍとした。ギャップ長（Ｇ１〜Ｇ４を足した長さ）も一定の５．４ｍｍ（片側２．７ｍｍ）とした。このリアクトル磁心の磁心脚部に同一線材の７６回巻コイルを装着し、直流重畳電流２０A時でインダクタンス約４５０μHとなるリアクトルを作製し、比Ａ／Ｂによりコイル交流抵抗がどのように変わるか比較した。比較した各々のリアクトルでの、突出部の長さＡ、Ｉ型磁心ブロックの長さＢ、寸法比Ａ／Ｂ、コイル交流抵抗の値を表１に示す。表１のコイル交流抵抗は、前記リアクトルの直列抵抗を、プレシジョンＬＣＲメータ４２８４Ａ（アジレント社製）の測定器を使用し、電圧レベル０．５Ｖ、周波数１０ｋＨｚで測定したものである。７６回巻コイルのみの交流抵抗は０．１２１オームであった。

表１の比Ａ／Ｂとコイル交流抵抗の関係をグラフにしたものを図１に示す。図１からコイル交流抵抗は、比Ａ／Ｂが１．２近傍で最小になることが解った。比Ａ／Ｂが０．６〜３の範囲内でコイル交流抵抗は０．２オーム以下になる。

前述した実施例の磁心継部は外側２角面がＲ２０．５ｍｍで円状となっているが、磁心継部が直方体形状であっても、比Ａ／Ｂとコイル交流抵抗には同様の傾向が見られた。

（実施例２）
実施例１と同様にして、形状の環状リアクトル磁心を作成した。実施例１のリアクトルに対して、ギャップ長（Ｇ１〜Ｇ４を足した長さ）を倍にし、１０．８ｍｍ（片側５．４ｍｍ）とした。各ギャップの幅は一定とした。磁心継部１１，１２間の距離（突出部２１，２２、ギャップＧ１、Ｇ２、Ｉ型磁心ブロック３１を足した長さ）は、８７．９ｍｍとした。
端部１の形状は実施例１と同じである。各Ｉ型磁心ブロック３、突出部２の形状は実施例１と同様にして、表１に示すものと同じ形状で作成した。
このリアクトル磁心の磁心脚部に、実施例１と同様にして、同一線材の７６回巻コイルを装着し、直流重畳電流６０A時でインダクタンス約２７５μHとなるリアクトルを作製し、比Ａ／Ｂによりコイル交流抵抗がどのように変わるか比較した。比較した各々のリアクトルでの、突出部の長さＡ、Ｉ型磁心ブロックの長さＢ、寸法比Ａ／Ｂ、コイル交流抵抗の値を表２に示す。

また、表1データと併せた結果を図２に示す。総ギャップ長が長くなったためにコイル交流抵抗の値は、実施例２のリアクトル磁心の方が大きくなってはいるが、比Ａ／Ｂの値とコイル交流抵抗との増減の関係については実施例１と同様である。

（実施例３）
実施例１〜３と同様の検討を、磁場解析ソフトを用いて検証したところ、コイル交流抵抗の値に差は発生するが、コイル交流抵抗と比Ａ／Ｂとの大小関係については相関が取れていることが確認できた。
また、他の軟磁性粉末（純鉄の粉、Fe−Al合金粉、Fe−Si−Al合金粉、Fe−Ni合金粉、Fe−Co合金粉、アモルファス軟磁性粉、ナノ結晶質軟磁性粉）を用いたと仮定し、磁場解析ソフトにてコイル交流抵抗と比Ａ／Ｂとの関係を解析したところ、コイル交流抵抗の値に多少の差は出るが、比Ａ／Ｂとコイル交流抵抗の大小関係については同様の結果が得られた。環状リアクトル磁心に圧粉体を用いる場合には、上記の合金粉末のいずれを用いても、比Ａ／Ｂについては本発明の範囲内とすることが望ましい。

本発明に係るリアクトルのコイル交流抵抗と比Ａ／Ｂの関係を示す特性図である。 ギャップ長を変えた場合のコイル交流抵抗と比Ａ／Ｂの関係を示す特性図である。 本発明に係るリアクトルの磁心全体を示す図である。 本発明に係るリアクトルの磁心継部を示す図である。 磁心継部の突出部を説明するための模式図である。

符号の説明

１１，１２：端部、２１〜２４：突出部、３１、３２：Ｉ型磁心ブロック、Ｇ：ギャップ、５：磁心継部、６：磁心脚部、

Claims (5)

1. ２つの対向する磁心継部５と、前記磁心継部５の間に配置された２本の磁心脚部６からなる環状のリアクトル磁心であって、
   前記磁心継部５は前記磁心脚部６に向けた突出部を有し、
   前記磁心脚部６と前記磁心継部５との間にはギャップが形成され、かつ磁心脚部６は一体の磁心ブロックから構成されており、
   前記磁心継部５の突出部の長さＡと前記磁心脚部６の磁路方向の平均長さＢとの比Ａ／Ｂが、１．２以上２．３以下で、前記範囲内でコイル交流抵抗が最小となることを特徴とするリアクトル磁心。
2. 前記磁心継部５及び磁心脚部６が、磁性粉末と樹脂を含む圧粉体からなることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル磁心。
3. 前記圧粉体の透磁率が２００以下であることを特徴とする請求項２に記載のリアクトル磁心。
4. 請求項１乃至請求項３に記載のリアクトル磁心を用いたリアクトルであって、前記磁心脚部の周囲にコイルが巻回されたことを特徴とするリアクトル。
5. パワーコンディショナー用である請求項４に記載のリアクトル。
   

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