JP5445801B2 - リアクトル、及び昇圧回路 - Google Patents
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Description
(2)粒径の標準偏差(σ)と平均粒径(μ)との比である変動係数Cv(σ/μ)が0.40以下であること。
(3)円形度が0.8以上1.0以下であること。
(2)この複合磁性粒子を加圧成形してリアクトル用コアの所定形状に成形する工程。
(3)得られた成形体に熱処理を施して、前記加圧成形時に複合磁性粒子に導入された欠陥を軽減する工程。
円形度=4π×金属磁性粒子の面積/金属磁性粒子の外周長さの2乗
ハイブリッド自動車等の昇圧回路に用いられる代表的なリアクトルRのコアは、図1に示すようなリング状のコアMである。このコアMは、以下のような複数のコア片を組み合わせて構成されている。コアMは、矩形状の端面を有するU字状コア片mu一対と、I字状コア片mi4つとから成り、各U字状コア片muを互いの端面同士が対向するように配し、各端面間にI字状コア片miを2つずつ並べて、それぞれを接合して構成している。上記コアMは、絶縁被膜を有する金属磁性粒子、つまり複合磁性粒子を加圧成形して得ることができる。
上述したようなコアを構成する複合磁性粒子は、金属磁性粒子の表面に絶縁被膜が形成された粉末である。
金属磁性粒子としては、鉄を50質量%以上含有するものが好ましく、例えば、純鉄(Fe)が挙げられる。その他、鉄合金、例えば、鉄(Fe)-シリコン(Si)系合金、鉄(Fe)-アルミニウム(Al)系合金、鉄(Fe)-窒素(N)系合金、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)系合金、鉄(Fe)-炭素(C)系合金、鉄(Fe)-ホウ素(B)系合金、鉄(Fe)-コバルト(Co)系合金、鉄(Fe)-リン(P)系合金、鉄(Fe)-ニッケル(Ni)−コバルト(Co)系合金、及び鉄(Fe)-アルミニウム(Al)-シリコン(Si)系合金から選択される1種からなるものが利用できる。特に、透磁率及び磁束密度の点から、99質量%以上がFeである純鉄が好ましい。また、純鉄は、鉄合金と比較して安価であり、経済性にも優れる。
絶縁被膜は、金属磁性粒子間の絶縁層として機能する。この金属磁性粒子を絶縁被膜で覆うことによって、金属磁性粒子同士の接触を抑制し、成形体の比透磁率を抑えることができる。また、絶縁被膜の存在により、金属磁性粒子間に渦電流が流れるのを抑制して、成形体の渦電流損を低減させることができる。絶縁被膜は、リン化合物、ケイ素化合物、ジルコニウム化合物およびアルミニウム化合物からなる群より選択された少なくとも一種を含む材質が好適に利用できる。これらの物質は絶縁性に優れているため、金属磁性粒子を流れる渦電流を効果的に抑制できる。具体例としては、リン酸鉄、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、酸化シリコンや酸化ジルコニウムなどが挙げられる。また、絶縁被膜には、金属酸化物、金属窒化物、または金属炭化物や、リン酸金属塩化合物、ホウ酸金属塩化合物、または珪酸金属塩化合物などの絶縁性物質が利用できる。ここでの金属には、Fe、Al、Ca、Mn、Zn、Mg、V、Cr、Y、Ba、Sr、希土類元素などから選択された少なくとも一種が利用できる。このような材質からなる絶縁被膜は、単層でもよいし複数層でもよい。
(準備工程)
まず、準備工程では、上述した平均粒径、変動係数、円形度の金属磁性粒子を用意する。金属磁性粒子の変動係数を変えるには、金属磁性粒子をふるいにかけて分級するなどして、その粒径のばらつきを小さくする。また、円形度が0.8以上の金属磁性粒子を得るには、アトマイズ法にて金属磁性粒子を作製する場合、噴霧した金属が凝固する際の冷却速度を遅くしたりすることが挙げられる。アトマイズ法には、ガスアトマイズ法で生成された粉末や、水アトマイズ法で生成された粉末がある。このうち、前者がほぼ球状の粒子であり、後者は表面に凹凸が形成された非球状の粒子である。ただし、この水アトマイズ法で生成された金属磁性粒子であっても、ボールミルなどで粉砕して球状に形成することで0.8以上の円形度を得ることができる。
コアを製造するには、上記複合磁性粒子を所望の形状に成形する。成形は、所望の金型に複合磁性粒子を充填し、パンチで押圧することで行う。押圧時の圧力は、390MPa以上1500MPa以下が好ましい。390MPa未満では、圧縮度合いが少ないため、コアの密度が小さくなり易く、1500MPa超では、粉末同士の接触により、絶縁被膜が損傷することがある。より好ましくは、700MPa以上1300MPa以下である。成形時の雰囲気は、複合磁性粒子が大気中の酸素により酸化されることを防止するために、Arなどの不活性ガス雰囲気や減圧雰囲気が好ましい。
得られた成形体に熱処理を施し、成形により複合磁性粒子に導入された歪みなどの欠陥を除去して、ヒステリシス損の向上を図る。熱処理の温度は、高いほどヒステリシス損の低減が行えるため好ましいが、絶縁被膜材料の熱分解温度に応じて、その熱分解温度未満の適切な値を選択する。通常、絶縁被膜がリン酸鉄やリン酸亜鉛などの非晶質リン酸塩被膜の場合、熱処理温度はせいぜい500℃程度までである。一方、金属酸化物などからなる耐熱性の高い絶縁被膜の場合、熱処理温度は550℃以上、特に600℃以上、更に650℃以上が好ましい。保持時間は、30分以上60分以下が挙げられる。加熱温度や保持時間は、絶縁被膜の種類によって変更してもよい。
その他、本発明リアクトル用コアとコイルとの間には、インシュレータを介在させてもよい。このインシュレータを用いることで、仮にコイルを形成する巻線の絶縁被膜が損傷しても、コイルとコアとの絶縁を確保することができる。このインシュレータは、予め樹脂を射出成形するなどして構成することができる。
金属磁性粒子の準備→絶縁被膜の形成→複合磁性粒子と添加剤の混合→混合材料の成形→成形品の熱処理からなる工程によりリアクトル用コアの試料を作製した。
円形度=4π×金属磁性粒子の面積/金属磁性粒子の外周長さの2乗
得られた各試料のコアについて、直流重畳特性および渦電流損をそれぞれ測定した。
(鉄損)=(ヒステリシス損係数)×(周波数)+(渦電流損係数)×(周波数)2
(渦電流損)=(渦電流損係数)×(周波数)2
その他、試料No.2とNo.4については、得られた成形体の密度と抵抗率も調べた。
表1に示すように、試料No.2、No.3、No.11の対比から、金属磁性粒子の平均粒径が50〜70μmの試料は、渦電流損が小さくなっていることがわかる。また、試料No.3とNo.13の対比から、変動係数Cvの小さい試料ではインダクタンスの低下量が小さく、直流重畳特性に優れていることが分かる。さらに、試料No.3とNo.14の対比から、円形度Sfが大きいほど直流重畳特性と渦電流損失を抑制できることがわかる。そして、試料No.2は成形体の密度と抵抗率がそれぞれ7.55g/cm3、1.6×105μΩmであったのに対し、No.4の成形体の密度と抵抗率はそれぞれ7.50g/cm3、0.8×105μΩmであり、潤滑剤を適用した方がより高密度で渦電流損の小さい成形体が得られることがわかった。
mu U字状コア片 mi I字状コア片 s スペーサ
Claims (2)
- コアと、前記コアに巻線を巻回して形成したコイルとを備えるリアクトルであって、
前記コアは、絶縁被膜で覆った金属磁性粒子を加圧成形してなり、
前記金属磁性粒子は、
99質量%以上がFeである純鉄からなり、
平均粒径が50μm以上70μm以下であり、
粒径の標準偏差(σ)と平均粒径(μ)との比である変動係数Cv(σ/μ)が0.40以下であり、
円形度が0.8以上1.0以下であり、
前記絶縁被膜は、
リン化合物、ケイ素化合物、ジルコニウム化合物およびアルミニウム化合物からなる群より選択された少なくとも一種を含み、
前記絶縁被膜の平均厚みは10nm以上1μm以下であり、
印加電流が0Aの時のインダクタンスL 0A に対する印加電流が8Aの時のインダクタンスL 8A の比(L 8A /L 0A )が0.77以上であるリアクトル。
ただし、円形度は、無作為に抽出した1000個以上の金属磁性粒子について断面を顕微鏡で観察し、各金属磁性粒子の面積および外周長さを算出し、以下の式により求めた値の平均値である。
円形度=4π×金属磁性粒子の面積/金属磁性粒子の外周長さの2乗 - 請求項1に記載のリアクトルを備える昇圧回路。
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