JP5900741B2 - 複合磁心、リアクトルおよび電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、昇圧装置等の電源装置に用いられるリアクトルとその複合磁心に関するものである。かかる電源装置は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車等の大出力の電気モータを駆動するために用いられる。

近年、急速に普及しはじめたハイブリッド車や電気自動車では、大出力の電気モータを備えており、これを駆動する電源回路には高電圧大電流に耐えるリアクトルが用いられている。リアクトルにおいては、高い飽和磁束密度Ｂｓを有する磁心材料を用いるとともに、磁心材料間にギャップを設けることで実効透磁率を下げて、大電流でも磁気飽和しにくい構成が用いられている。例えば、ハイブリッド車等の用途では、実効透磁率μｒｅはおおよそ１０から５０程度が実用的な範囲である。

電源回路用リアクトルの磁心材料として、一般に２０ｋＨｚ以下の領域では、主に珪素鋼板、非晶質軟磁性薄帯、微結晶質軟磁性薄帯が、２０ｋＨｚを超える領域では、Ｍｎ−Ｚｎ系やＮｉ−Ｚｎ系などのフェライトが広く用いられている。前者は、飽和磁束密度Ｂｓと透磁率μが高いという長所を持ち、後者のフェライトは、高周波磁心損失が小さく、形状自由度が高く、量産性に優れるという長所を持つ。また、５ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの領域においては、圧粉磁心も用いられている。圧粉磁心は、磁性粉末の表面を絶縁処理したのち成形して得られるもので、絶縁処理により電気抵抗を高められ、渦電流損失が抑制されている。

上述のように、大電流用のリアクトルには、高い飽和磁束密度Ｂｓを有する磁心材料を用いるとともに、磁心材料間にギャップを設ける。しかし、この場合、磁束がギャップの外側に漏れ出るフリンジング磁束が生じる。ここで、高い飽和磁束密度Ｂｓを有する磁心材料として上述の非晶質軟磁性薄帯等を用いると、ギャップ近傍の磁心側面にはフリンジング磁束による渦電流が生じ、磁心損失が増大してしまう。これに対して特許文献１では、図８に示すように非晶質軟磁性薄帯等の高透磁率磁心部８１、８２の間に、電気抵抗の大きい圧粉磁心部８３〜８８を配置し、ギャップ８９〜９２をかかる圧粉磁心部間に設けることで、フリンジング磁束によって生じる損失の低減を図っている。

特開２００７−１２６４７号公報

特許文献１に記載の構成によれば、ギャップを圧粉磁心部間に配置することで、非晶質軟磁性薄帯の磁心部間に配置する場合に比べて、損失の低減が可能である。ここで、かかる圧粉磁心部は金型を用いた加圧成形等によって製造される。加圧成形の際には、成形性の観点から、底面が矩形のキャビティの四隅にアールを設けるのが一般的である。一方、非晶質軟磁性薄帯の磁心部の断面は、通常完全な矩形である。したがって、非晶質軟磁性薄帯の磁心部と磁心断面形状を合わせるために、図８に示すような完全な直方体形状の圧粉磁心部を得る場合には、成形後の圧粉磁心を加工する必要があり、複合磁心の製造工程が複雑なものとなっていた。また、断面矩形の磁心に巻回するコイルは、矩形の角の部分で少なからずアールを有するため、特許文献１に示すような完全な直方体の圧粉磁心部を用いると磁心とコイルとの間の空間を小さくすることが困難であり、リアクトルの小型化を阻害していた。

そこで、上記課題に鑑み、本発明は、大電流用のリアクトルの損失低減に好適であるとともに、簡易な方法で製造可能な複合磁心およびリアクトルの構成を提供することを目的とした。

本発明の複合磁心は、平行に対置された一組の圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部を介して対置された、磁性金属板の積層体である一組の積層磁心部とを備えた環状の複合磁心であって、前記圧粉磁心部内、前記圧粉磁心部と前記積層磁心部との間の少なくとも一方に磁気ギャップが配置され、前記圧粉磁心部と前記積層磁心部は、互いに対向する端面が略矩形であるとともに、前記圧粉磁心部は前記端面に垂直な四つの稜線部分にアールを有し、前記積層磁心部の端面が前記圧粉磁心部の端面よりも小さく、かつ前記圧粉磁心部の端面と前記積層磁心部の端面との寸法差が、前記積層磁心部の積層方向よりも、前記積層方向に垂直な方向の方が大きいことを特徴とする。ギャップは圧粉磁心部に設け、それ以外の部分に透磁率が高く、高周波損失の低い積層磁心部を配置する構成は、大電流用のリアクトルに有利な構成である。また、四つの稜線部分にアールを有する圧粉磁心部を、前記四つの稜線部分が積層磁心部の端面と垂直になるように配置することで、圧粉磁心部の周囲に、隙間を小さくなるようにコイルを配置することができる。さらに、圧粉磁心部の端面と積層磁心部の端面との寸法差が、積層磁心部の積層方向よりも積層方向に垂直な方向の方が大きい構成により、フリンジング磁束による損失低減に寄与する。これらの構成によれば、加圧成形等によって形成された四つの稜線部分アールを追加工で削除しなくても、圧粉磁心部と積層磁心部との界面に起因する損失抑制に好適な複合磁心を提供することができる。

また、前記複合磁心において、前記積層磁心部の積層方向の前記積層磁心部の寸法と前記圧粉磁心部の寸法が等しいことが好ましい。かかる構成によれば圧粉磁心部と積層磁心部の位置決めが容易になる。

本発明のリアクトルは、上記いずれかの複合磁心と、少なくとも前記圧粉磁心部を周回するコイルとを備えたことを特徴とする。

また、前記リアクトルにおいて、前記コイルは平角線を巻回した矩形のエッジワイズコイルであることが好ましい。矩形のエッジワイズコイルは外側のみならず内側の角にも所定量のアールが必要となる。そのため、四つの稜線部分にアールを有する上記の圧粉磁心部に係る構成をエッジワイズコイルと組み合わせることが、無駄な空間を低減するという観点から特に有効である。

本発明の電源装置は、上記いずれかのリアクトルを用いたことを特徴とする。

本発明によれば、大電流用のリアクトルの損失低減に好適であるとともに、簡易な方法で製造可能な複合磁心およびリアクトルの構成を提供することができる。

本発明に係る複合磁心の実施形態を示す図である。 圧粉磁心部と積層磁心部の端面の形状と配置の例を示す図である。 本発明に係る複合磁心の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る複合磁心の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る複合磁心の他の実施形態を示す図である。 本発明に係るリアクトルの実施形態を示す図である。 本発明に係るリアクトルを用いた電源装置であるブースト型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。 従来のリアクトルを示す図である。

以下、本発明に係る複合磁心等の実施形態を、図を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、各実施形態において説明する構成は、他の実施形態の趣旨を損なわない限りにおいて他の実施形態においても適用することが可能であり、その場合、重複する説明は適宜省略する。

（複合磁心の第１〜第３の実施形態）
図１（ａ）は本発明の複合磁心の実施形態を示す斜視図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその正面図、（ｄ）は図１（ｂ）のＡの方向から見たときの圧粉磁心部と積層磁心部との対向部分における端面の配置を示す透視図である。図１に示す複合磁心１１は、平行に対置された一組の圧粉磁心部１、２と、圧粉磁心部１、２を介して対置された、一組の積層磁心部３、４とを備えた環状の複合磁心である。複合磁心１１は、略矩形をなしている。略矩形とは、四隅のアール部分を除き全体として矩形と認められるという趣旨であり、矩形には正方形も含む。圧粉磁心部１、２は直方体であり、磁性粉末と絶縁材、結合材等を混合、成形して構成されるＩ字状の磁心である。積層磁心部３、４は、磁性金属板の積層体であり、その積層方向は、環状の複合磁心の径方向である。積層磁心部３、４は、それぞれコーナー部３ａ、４ａと、該コーナー部３ａ、４ａの両端にコーナー部３ａ、４ａと一体の直線部３ｂ、４ｂとを備える、Ｕ字状の磁心である。かかるＵ字状の磁心は、例えば軟磁性合金薄帯を略矩形に巻回し、得られた巻回体をその直線部分で分割することによって得られる、いわゆるカットコアである。以下、特に言及しない限り、積層磁心部は、かかるカットコアとして説明する。

圧粉磁心部１、２は、それぞれ少なくとも一つの直方体の圧粉磁心ブロックを備えればよいが、図１に示す実施形態では、各圧粉磁心部とも一つの圧粉磁心ブロック１ａ、２ａで構成されている。圧粉磁心部１、２（圧粉磁心ブロック１ａ、２ａ）と積層磁心部３、４は、互いに対向する端面が略矩形である。なお、ここでいう対向とは間に他の部材を介する場合も含む趣旨である。また、ここでいう略矩形とは、後述する四隅のアール部分を除き全体として矩形と認められるという趣旨であり、矩形には正方形の場合も含む。図１では圧粉磁心部１、２の端面は四隅にアールを有する正方形、積層磁心部３、４の端面は長方形である。圧粉磁心ブロック１ａ、２ａは、積層磁心部３、４と対向する端面に垂直な、互いに平行な４つの稜線部分にアールＣｂを有している。稜線部分とは、隣接する二つの面が垂直に交わる辺の部分のことである。かかるアールＣｂは、加工等で設けることもできるが、典型的には金型を用いた加圧成形によって得られる。金型を用いた加圧成形の場合、成形性や抜き性等の観点から、底面が矩形のキャビティの四隅にアールを設ける。

圧粉磁心ブロック１ａ、２ａの、アールＣｂが形成された互いに平行な４つの稜線部分は、積層磁心部３、４と対向する端面および積層磁心部３、４の端面と垂直になるように配置されている。すなわち、アールを形成した稜線部分の延びる方向は磁路方向（ｙ方向）である。リアクトル等のコイル部品を構成する場合、圧粉磁心部の磁路方向（ｙ方向）に垂直な四隅にアールを配置することで、圧粉磁心部とコイルとの隙間を小さくすることができる。特に、矩形のエッジワイズコイルは、その製法上外側のみならず内側の角にも所定量のアールを設けることが必要である。そのため、四つの稜線部分にアールを有する圧粉磁心部に係る構成をエッジワイズコイルと組み合わせることが、無駄な空間を低減するという観点から特に有効である。また、稜線部分のアールＣｂを残したまま圧粉磁心ブロックを配置することで、圧粉磁心ブロックのアールを削除するための加工等を必要とせずに、複合磁心を構成することが可能である。したがって、かかる構成によって製造工程が簡略化される。

複合磁心１１の圧粉磁心部１、２内、圧粉磁心部１、２と積層磁心部３、４との間の少なくとも一方に磁気ギャップが配置される。圧粉磁心部では、磁性粉末表面が絶縁処理されているため、積層磁心部に比べて電気抵抗が大きく、磁気ギャップ周辺のフリンジング磁束が通っても渦電流損失を抑えることができる。したがって、大電流用に磁気ギャップを形成する場合であっても、磁気ギャップの両側の磁性体の少なくとも一方に圧粉磁心部を配置することで、リアクトルの損失を抑えることができる。

また、上述の製造工程の簡略化の観点からは、圧粉磁心部と積層磁心部との間は、磁気ギャップを設けてもよいし、設けなくてもよい。圧粉磁心と積層磁心部との間に磁気ギャップを設けない場合は、各圧粉磁心部を複数の圧粉磁心ブロックで構成し、圧粉磁心ブロック間に磁気ギャップを設ければよい。但し、図１に示す実施形態のように、積層磁心部３、４の端面と、それに対向する圧粉磁心ブロック１ａ、２ａとの間に、磁気ギャップＧｃｄを設けることがより好ましい。これは以下の理由による。上述のような軟磁性合金薄帯を用いて構成された積層磁心部に比べて、圧粉磁心部の透磁率が低い。そのため、図８に示すように磁気ギャップを介さずに、これらを接触させた場合でも、積層磁心部の透磁率と圧粉磁心部の透磁率の差が大きい場合には、磁束が磁心から漏れてしまう。磁気ギャップを形成していない場合、漏れた磁束は、必然的に、積層磁心部を構成する軟磁性金属薄帯の平面に垂直な成分を持って軟磁性金属薄帯を通ることになり、渦電流を発生させ、損失が生じる。これに対して、図１に示す実施形態のように、圧粉磁心部１、２とそれに向かい合う直線部３ｂ、４ｂとの間に磁気ギャップＧｃｄを設けることによって、フリンジング磁束の、軟磁性金属薄帯の平面に垂直な成分の割合を低下させることができる。

磁気ギャップＧｃｄは、圧粉磁心部１、２の両側で異なるものとすることもできるが、図１に示す実施形態では、一ヶ所の磁気ギャップでのフリンジング磁束が大きくなりすぎないようにするため、圧粉磁心部１、２の両側で磁気ギャップＧｃｄは同じになるようにしてある。磁気ギャップＧｃｄは、エアギャップでもよいし、樹脂プレート、接着剤、セラミックスなどの非磁性体を配置してもよい。ギャップ寸法精度や強度の観点からはセラミックスを用いることがより好ましい。

さらに、図１に示す実施形態では、図１、特に（ｃ）（ｄ）から明らかなように、積層磁心部３、４の端面が圧粉磁心部１、２の端面よりも小さい。ここで「小さい」とは、少なくともいずれかの方向において積層磁心部３、４の端面寸法が圧粉磁心部１、２の端面寸法よりも小さく、積層磁心部３、４の端面が圧粉磁心部１、２の端面からはみださないように重ねられることを意味する。かかる構成によれば、圧粉磁心部と積層磁心部の両方に渡ってコイルを配置する場合でも、圧粉磁心部のアールに沿ったコイル配置が可能である。一方、積層磁心部３、４の端面が圧粉磁心部１、２の端面よりも小さい構成を採用する場合、圧粉磁心部と積層磁心部との段差が大きくなると、それだけ積層磁心部の表面に垂直な磁束成分が多くなる。さらに、磁気飽和を防ぐためには積層磁心部の端面の面積（断面積）はなるべく大きくすることが好ましい。そこで、図１に示す実施形態では、圧粉磁心部１、２の端面と積層磁心部３、４の端面との寸法差が、積層磁心部の積層方向（ｘ方向）よりも積層方向に垂直な方向（ｚ方向）の方が大きくなるようにしてある。かかる構成を採用する理由を、図２を用いて説明する。

図２は、図１（ｄ）と同様に、圧粉磁心部と積層磁心部の端面の形状および配置を示す図である。図中の矢印は磁束の向きを示す。積層磁心部では積層方向、すなわち軟磁性合金薄帯の主面に垂直な方向（図１、２ではｘ方向）の成分を持つフリンジング磁束による損失が大きくなる。ここで例えば図２（ｃ）に示す構成のように、圧粉磁心部１と積層磁心部３−２の両方の端面を正方形にし、アールを有する圧粉磁心部端面内に積層磁心部端面を収めようとすると、ｚ方向、ｘ方向とも相対的に積層磁心部が小さくなる。その結果、ｘ方向において、ｚ方向と同様に積層磁心部の表面（軟磁性合金薄帯の主面）に垂直な磁束成分が生じ、渦電流損失の原因となる。また、図２（ｂ）に示す構成のように、圧粉磁心部１の端面と積層磁心部３−１の端面との寸法差が、積層方向に垂直な方向（ｚ方向）よりも積層磁心部の積層方向（ｘ方向）の方が大きくなるようにすると、ｘ方向において、積層磁心部の表面（軟磁性合金薄帯の主面）に垂直な磁束成分がいっそう多くなり、渦電流損失が増加する。これに対して、図２（ａ）に示す構成のように、圧粉磁心部１の端面と積層磁心部３の端面との寸法差が、積層磁心部の積層方向（ｘ方向）よりも積層方向に垂直な方向（ｚ方向）の方が大きくなるようにすることで、積層方向に垂直な方向（ｚ方向）の磁束成分を優勢にし、渦電流損失の原因となるフリンジング磁束の影響を低減しつつ、断面積をより大きく確保することができる。

また、図１に示す実施形態では、積層磁心部３、４の積層方向の、積層磁心部３、４の寸法と圧粉磁心部１、２の寸法が等しい。図３（ａ）に示すように、積層磁心部３−３の積層方向の、積層磁心部３−３の寸法が圧粉磁心部１の寸法よりも小さくなるようにすることも可能である（第２の実施形態）。但し、図１に示す実施形態のように、積層磁心部３、４の積層方向の、積層磁心部３、４の寸法と圧粉磁心部１、２の寸法を等しくして、積層磁心部３、４の側面と圧粉磁心部１、２の側面との間に段差が生じないようにすることが好ましい。積層磁心部３、４と圧粉磁心部１、２の、かかる積層方向の両側の側面同士を面一に配置できるため、圧粉磁心部と積層磁心部の位置決め、さらにはコイルの配置が容易になる。この場合、積層磁心部３，４の積層方向に垂直な方向の、積層磁心部３、４の寸法が、圧粉磁心部１、２のアールＣｂを除いた寸法以下に設定されることになる。積層磁心部の断面積を確保するためには、積層磁心部３，４の積層方向に垂直な方向の、積層磁心部３、４の寸法が、圧粉磁心部１、２のアールＣｂを除いた寸法に等しいことがより好ましい。

図１に示した実施形態では、圧粉磁心部１、２の端面（断面）が正方形であり、積層磁心部３、４の端面（断面）は環状の複合磁心の軸方向（積層磁心部の積層方向に垂直な方向。ｚ方向）の寸法を小さくした長方形である。かかる構成は、コイルの断面形状も略正方形にすることができるため、コイルの導線の全長を短くすることができる点で優れる。一方、図３（ｂ）に示すように積層磁心部３−４を正方形とし、圧粉磁心部１−１の、環状の複合磁心の軸方向（積層磁心部の積層方向に垂直な方向。ｚ方向）の寸法を大きくした長方形にしてもよい（第３の実施形態）。かかる構成は、積層磁心部および圧粉磁心部とも位置決め・固定するための面（ｘ方向の両側の側面）を広くとることができるため、位置決め・固定が安定する点で優れる。

フリンジング磁束の膨らみの緩和の観点からは、アールＣｂは、丸みを帯びた曲面であってもよいし、平面で面取りしたものでもよい。但し、金型による成形における成形性等の観点からは、アールＣｂは曲面であることがより好ましい。また、アールの大きさは成形性の観点からは大きくとることが好ましいが、これが大きくなりすぎると、圧粉磁心部に対向させる積層磁心部を小さくしなくてはならないため、これらの点を考慮して決めればよい。例えばアールを形成していない状態での一辺の長さに対して、両端のアールによって欠損している部分の長さ合計を１〜５０％とするとよい。

積層磁心部の端面は、積層方向の両側の辺部分に面取り部を有することが好ましい。積層磁心部の端面にも面取り部を設けることで、フリンジング磁束の膨らみが緩和され、軟磁性合金薄帯の主面に垂直な方向のフリンジング磁束の成分が抑制される。なお、積層磁心部側は上記対向する二辺に限らず、四辺すべてに面取り部を設けてもよい。また、積層磁心部の面取りの形状もこれを特に限定するものではないが、平面の面取りが簡易な構成でより好ましい。

上述のように図１に示す実施形態では、積層磁心部３、４は、コーナー部３ａ、４ａと、該コーナー部３ａ、４ａの両端にコーナー部３ａ、４ａと一体の直線部３ｂ、４ｂとを備える。一対の直線部３ｂは、コーナー部３ａから互いに平行に突出し、同じ長さを有し、その端面は同一平面上に位置している。圧粉磁心部１、２とそれに向かい合う直線部３ｂ、４ｂとの間には、磁気ギャップＧｃｄが設けられている。直線部分を設けずにコーナー部のみで積層磁心部を構成することも可能である。但し、直線部を有する図１に示した実施形態によれば、圧粉磁心部１、２と該圧粉磁心部の両端側の直線部３ｂ、４ｂとで構成された磁脚部を周回するコイルを配置してリアクトルを構成する場合、直線部３ｂ、４ｂと圧粉磁心部１、２とに渡ってコイルを配置することができるため、磁気ギャップＧｃｄをコイルで覆うことも可能となる。磁気ギャップＧｃｄをコイルで覆うことにより、磁気ギャップ部分で漏洩した磁束がコイル外に漏れることを防ぐことができる。

（複合磁心の第４の実施形態）
図４（ａ）は本発明の複合磁心の他の実施形態を示す斜視図、（ｂ）は図４（ａ）のＢの方向から見たときの圧粉磁心部と積層磁心部との対向部分における端面の配置を示す透視図である。図４に示す複合磁心４１では、磁性金属板の積層体である一組の積層磁心部５、６の積層方向および積層磁心部５、６の端面（断面）形状が図１に示す実施形態と異なる。すなわち、積層磁心部５、６の磁性金属板の積層方向は環状の複合磁心の軸方向（ｚ方向）である。かかる積層磁心部は、例えば珪素鋼板をＵ字状に打ち抜いて積層し、溶接、接着等の手段によって一体化することで得られる。図１に示す実施形態と同様に、圧粉磁心ブロック１ａ、２ａの、アールＣｂが形成された互いに平行な４つの稜線部分は、積層磁心部５、６と対向する端面および積層磁心部５、６の端面と垂直になるように配置されている。図４に示す実施形態では、圧粉磁心部１、２の端面と積層磁心部５、６の端面との寸法差が、環状の複合磁心の巻回軸方向（ｚ方向）よりも、それに垂直な方向（ｘ方向）の方が大きくなるようにしてある。圧粉磁心部１、２の端面と積層磁心部５、６の端面との寸法差が、積層磁心部の積層方向よりも積層方向に垂直な方向の方が大きくなるようにしてある点では、図１に示す実施形態と同様であるので、図１に示す実施形態で説明した上記効果は図４に示す実施形態でも発揮される。

（複合磁心の第５の実施形態）
図１〜図４に示す実施形態では、各圧粉磁心部の圧粉磁心ブロックの数は１つであるが、圧粉磁心ブロックの数は２つ以上であってもよい。圧粉磁心部の構成が図１に示す実施形態と異なる他の実施形態（第５の実施形態）を図５に示す。圧粉磁心部以外の部分は図１に示す実施形態と同じであるので説明を省略する。図５に示す複合磁心５１では、圧粉磁心部１、２が、それぞれ磁気ギャップＧｄｄを介して配置された複数の圧粉磁心ブロック１ａ／１ｂ／１ｃ、２ａ／２ｂ／２ｃを有する。必要な総ギャップ量を確保する場合、圧粉磁心部１、２にギャップを設けることで、圧粉磁心部１、２と、積層磁心部３、４の直線部との間の磁気ギャップを小さくすることができるため、かかる部分でのフリンジング磁束による損失を低減することができる。また、圧粉磁心部では、磁性粉末表面が絶縁処理されているため、電気抵抗が大きく、渦電流損失が小さい。したがって、磁気ギャップを圧粉磁心部に設けることで磁心損失の増加を抑えることができるため、かかる構成は、実効透磁率μｅを低くするためにギャップを設ける、２０Ａ以上の電源回路に用いる大電流リアクトル用として好適である。図５に示す実施形態では、圧粉磁心ブロック１ａ〜１ｃ（２ａ〜２ｃ）はそれぞれ同じ形状・寸法にしてあるが、磁路方向の長さを異なるものとすることも可能である。図５に示す実施形態では、アールを有する稜線部分が延びる方向は全ての圧粉磁心ブロックで同方向であり、積層磁心部３、４と対向する端面および対向する積層磁心部３、４の端面に垂直な方向である。また、図５に示す実施形態では、各圧粉磁心部をそれぞれ３個の圧粉磁心ブロックで構成しているが、その数はこれに限定するものではない。必要な総ギャップ量を確保する場合、圧粉磁心部の磁気ギャップ数を増やすことによって、個々の磁気ギャップにおける漏洩磁束を少なくして損失低減を図ることができる。また、各圧粉磁心部に形成された複数の磁気ギャップＧｄｄの大きさを互いに異なるものにすることも可能であるが、図５に示す実施形態では一ヶ所あたりの漏洩磁束が少なくなるように、複数の磁気ギャップＧｄｄの大きさを同じにしてある。磁気ギャップを形成することの実効性の観点からは、平均磁路長全体に対する総磁気ギャップ量の比率は、１〜８％にするとよい。また、各磁気ギャップの大きさは、２．５ｍｍ以下にするとよい。

（リアクトルの第１の実施形態）
図６は、上述の複合磁心と、少なくとも圧粉磁心部を周回するコイルとを備える、本発明のリアクトルの実施形態を示す、複合磁心の厚さ方向の中間の位置における断面図である。図６に示すリアクトル６１は、複合磁心５１と、圧粉磁心部１、２と圧粉磁心部１、２の両端側の積層磁心部の直線部３ｂ、４ｂとで構成された直線状の磁脚部を周回するコイル７、８とを備える。図６に示すリアクトル６１では、複合磁心として図５に示す実施形態のものを用いているが、他の実施形態のものを用いてもよい。コイル７、８は、その巻回軸方向の長さが、圧粉磁心部１、２とその両端の磁気ギャップＧｃｄとの和よりも長いものを用いることで、圧粉磁心部１、２と該圧粉磁心部１、２の両端側の積層磁心部の直線部３ｂ、４ｂとの間の磁気ギャップＧｃｄがコイル７、８の内側になるように配置されている。積層磁心部３、４が直線部３ｂ、４ｂを備えているため、かかるコイルを用いて磁気ギャップＧｃｄをコイルで覆うことが可能になっている。なお、コイル７、８の長さはボビンを用いる場合であっても、巻線部分での長さを指すこととする。圧粉磁心部１、２と該圧粉磁心部１、２の両端側の直線部３ｂ、４ｂとの間の磁気ギャップＧｃｄがコイル７、８の内側になるように配置されていることで、コイル外側への磁束の漏洩を低減することができる。

コイル７、８の巻回軸方向の長さを、圧粉磁心部３、４の長さ、圧粉磁心部３、４の両側の二つの磁気ギャップＧｃｄの長さおよび圧粉磁心部３、４の両側の積層磁心部の直線部のうちの一方の直線部３ｂ（または４ｂ）の長さの合計よりも大きくしておくことで、コイルの位置ずれが生じても、磁気ギャップＧｃｄがコイルの外側に位置することを防ぐことができる。また、圧粉磁心部と該圧粉磁心部の両端側の積層磁心部の前記直線部との間の磁気ギャップＧｃｄの位置がコイルの内側にあることで磁束漏洩の低減効果は得られるが、かかる効果をより確実にするには、コイルの端部から３ｍｍ以上内側であることがより好ましい。磁気ギャップＧｃｄの位置とは、図６に示すようにコイル７、８の端部から磁気ギャップの端部、すなわち積層磁心部３、４の直線部３ｂ、４ｂの末端までの距離ｄで表す。各磁脚において、両側の磁気ギャップＧｃｄとコイルの端部との距離ｄが均等になるように、スペーサを用いるなどして、コイルを配置することがより好ましい。

コイルに使用する導体は、断面形状が長方形の平角線、円形の丸線など種々の形態のものを用いることができる。丸線は、柔軟性に優れ、巻回が容易である。一方、平角線を用いたエッジワイズコイルでは、丸線に比べて線間に不要な空間が生じないため、占積率が高いコイルが得られ、リアクトルの小型化に寄与する。また、同一断面積において、丸線を使用する場合に線径を大きくしたのと同様の効果が得られ、発熱量を低く抑えることができる。例えば厚さ１〜２ｍｍ、幅４〜８ｍｍの平角線を用いればよい。このうち、本発明においては、コイルとして平角線を巻回した矩形のエッジワイズコイルを用いることがより好ましい。上述のように、矩形のエッジワイズコイルは、その製法上外側のみならず内側の角にも所定量のアールを設ける必要がある。そのため、四つの稜線部分にアールを有する上記の複合磁心の実施形態に係る構成をエッジワイズコイルと組み合わせることが、無駄な空間を低減するという観点から特に有効である。

エッジワイズコイルを用いたリアクトルの場合、圧粉磁心部のアールが、エッジワイズコイルの内側の角のアールと同心状になるようにすることが好ましい。圧粉磁心部とコイルとの間の空間を低減することができる。また、同心状でない場合には、圧粉磁心部のアールが、エッジワイズコイルの内側の角のアールよりも大きいことが好ましい。かかる構成によれば、圧粉磁心部の外周面とコイルの内面とを近接させる際、圧粉磁心部の角とコイルの内側の角とが干渉することを防ぐことができる。

積層磁心部に用いる軟磁性合金薄帯としては、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系等の非晶質軟磁性合金薄帯を用いることができる。商用に供されているものとしては、例えば米国Ｍｅｔｇｌａｓ社製の鉄系非晶質軟磁性材２６０５ＳＡ１などである。また、軟磁性合金薄帯として、例えばＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｕ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｕ−Ｎｂ系等の組成を有し、１０００Å以下の微結晶が晶出したナノ結晶軟磁性合金薄帯を用いることができる。例えば、日立金属製のファインメット（登録商標）を用いることができる。積層磁心部の作製には、従来からのカットコアの製造方法を適用すればよい。その例を以下に示す。まず矩形状等の巻芯に、軟磁性合金薄帯を所定の形状まで巻回した後、熱処理を行う。熱処理後の磁心は熱硬化樹脂を用いた樹脂含浸に供され、樹脂硬化後、切断されＵ型等の形状のカットコアを得る。切断後の磁心の切断面は機械的研磨、化学的研磨等を行う。

一方、圧粉磁心部用の磁性粉末としては、例えば純鉄の粉、Ｆｅ−６．５％Ｓｉで代表されるＳｉを６〜７％含む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、非晶質軟磁性合金粉、微結晶質軟磁性合金粉などが挙げられ。これらは各々単独で用いてもよいし、適宜、組合せて用いても良い。特にＳｉを６〜７％含むＦｅ−Ｓｉ合金粉は、磁歪、磁心損失、飽和磁束密度Ｂｓの各特性に優れており、圧粉磁心部に好適な磁性粉末である。圧粉磁心部は通常の製造プロセスによって作製することができる。例えば、絶縁性を付与するとともに、粉末を結着するバインダーとしても機能する樹脂は、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を用いればよい。圧粉磁心部の成型方法としては、磁性粉末と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。

複合磁心の典型的な製造方法は、平行に対置された一組の圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部を介して対置された、一組の積層磁心部とを備えた環状の複合磁心の製造方法であって、前記各圧粉磁心部として、一軸性のプレス成型によって得られた、矩形の端面（キャビティの底面に相当）に垂直で、互いに平行な４つの稜線部分にアールを有する少なくとも一つの圧粉磁心ブロックを用い、前記積層磁心部として端面が矩形の、磁性金属板の積層体を用い、これらを互いに対向させ、かつ前記圧粉磁心部内、前記圧粉磁心部と前記積層磁心部との間の少なくとも一方に磁気ギャップを形成するように配置する製造方法である。かかる圧粉磁心部および積層磁心部として、前記積層磁心部の端面が前記圧粉磁心部の端面よりも小さく、かつ前記圧粉磁心部の端面と前記積層磁心部の端面との寸法差が、前記積層磁心部の積層方向よりも、前記積層方向に垂直な方向の方が大きくなるものを使用する。また、リアクトルの典型的な製造方法は、さらに上記複合磁心の製造方法に加えて、少なくとも前記圧粉磁心部を周回するコイルを配置する工程を含む。コイルは環状の複合磁心を構成した後に配置してもよいし、形状を保持したコイルやボビンに巻回されたコイルを用いて環状の複合磁心を構成する際に、かかるコイルに圧粉磁心部、積層磁心部の少なくとも一方を挿入してリアクトルを構成してもよい。さらに上記製造方法によって複合磁心やリアクトルを構成する際に、上述の各実施形態になるように圧粉磁心部および積層磁心部を配置すればよい。

本願発明では、圧粉磁心部と積層磁心部に異なる磁性部材を用いているが、それらの飽和磁束量の差は小さいことが好ましい。例えば、圧粉磁心部側の飽和磁束密度Ｂｓｄと断面積Ｓｄとの積Ｂｓｄ・Ｓｄと、積層磁心部側の飽和磁束密度Ｂｓｃと断面積Ｓｃとの積Ｂｓｃ・Ｓｃの平均値（（Ｂｓｄ・Ｓｄ＋Ｂｓｃ・Ｓｃ）／２）に対して、Ｂｓｄ・Ｓｄ及びＢｓｃ・Ｓｃの偏差が２０％以内であることが好ましく、１０％以内がより好ましい。この場合、例えば圧粉磁心部として、積層磁心部よりも飽和磁束密度の低いものを用いてもよい。

次に、本発明のリアクトル用いて構成する電源装置としてＤＣ−ＤＣコンバータの例を示す。図７は、駆動周波数１０ｋＨｚのブースト型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成を示している。図中のインダクタＬ１に上述のリアクトルを搭載する。なお、本発明のリアクトルを適用する電源装置は、図７に示すようなＤＣ−ＤＣコンバータに限らず、インバータ等、車両用、太陽光発電用等の各種の大電流電源装置に適用することができる。

１、２：圧粉磁心部
３〜６：積層磁心部
７、８：コイル
８１、８２：高透磁率磁心部
８３〜８８：圧粉磁心部
８９〜９２：ギャップ

Claims (5)

1. 平行に対置された一組の圧粉磁心部と、
   前記圧粉磁心部を介して対置された、磁性金属板の積層体である一組の積層磁心部とを備えた環状の複合磁心であって、
   前記圧粉磁心部内、前記圧粉磁心部と前記積層磁心部との間の少なくとも一方に磁気ギャップが配置され、
   前記圧粉磁心部と前記積層磁心部は、互いに対向する端面が略矩形であるとともに、前記圧粉磁心部は前記端面に垂直な四つの稜線部分にアールを有し、
   前記積層磁心部の端面が前記圧粉磁心部の端面よりも小さく、かつ前記圧粉磁心部の端面と前記積層磁心部の端面との寸法差が、前記積層磁心部の積層方向よりも、前記積層方向に垂直な方向の方が大きいことを特徴とする複合磁心。
2. 前記積層磁心部の積層方向の前記積層磁心部の寸法と前記圧粉磁心部の寸法が等しいことを特徴とする請求項１に記載の複合磁心。
3. 請求項１または２に記載の複合磁心と、少なくとも前記圧粉磁心部を周回するコイルとを備えたリアクトル。
4. 前記コイルは平角線を巻回した矩形のエッジワイズコイルであることを特徴とする請求項３に記載のリアクトル。
5. 請求項３または４に記載のリアクトルを用いたことを特徴とする電源装置。

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