(57)【要約】【課題】リアクトルの直流重畳特性を改善する。【解決手段】コアは、軟磁性体金属粉の成型により形成される。コアは、ボビンに収納され、ボビンにはコイル巻線が巻回される。ボビンは、フェライトにより形成されるケースに収納される。ケースは、コアの方向に突出部を有する。コアから発生する磁束は突出部からケースに流入する。ケースは、突出部の流入面よりも大きな磁束通過面を有する。流入面の面積は、磁束通過面の最大面積の３分の１以下であることが好ましい。また、流入面は、コアの端面に対して略直角に対向することが好ましい。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性金属粉の成型により形成される棒状のコアと、
コイル巻線が巻回され、かつ、前記コアを収納する管状のボビンと、
軟磁性のフェライトにより形成され、前記ボビンの外側面を覆うケースと、を備え、
前記ケースは、前記コアの方向にせり出す突出部を有し、かつ、前記コアから発生する磁束が前記突出部に流入する面である流入面よりも大きな磁束通過面を有することを特徴とするリアクトル。
【請求項２】
前記流入面の面積は、磁束通過面の最大面積の３分の１以下であることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
【請求項３】
前記流入面は、前記コアの端面に対して略直角に対向することを特徴とする請求項１または２に記載のリアクトル。
【請求項４】
前記流入面は前記ケースにおける最小の磁束通過面であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のリアクトル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアクトルに関し、特に、リアクトルの直流重畳特性に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムは、通常、直流電力を交流電力に変換して電力系統に送るためのパワーコンディショナーを有する。パワーコンディショナーは、リアクトルとよばれる重量部品を含む。リアクトルは、コアに導線を巻回したコイル製品であり、現状、１９〜２５ｋＨｚ程度の比較的低い周波数帯で使用されることが多い。
【０００３】
リアクトルは電流の大きさによってはコアが飽和し、インダクタンスが低下することがある。この電流によるインダクタンスの低下度合いを測る指標として「直流重畳特性」がある。
【０００４】
リアクトルのインダクタンスは大きいことが望ましい。また、電流に関わらずインダクタンスが一定に維持されるのが理想的な直流重畳特性である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７１２４８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】馬渕雅夫、豊浦信行、田邊勝隆、中村耕太郎、「ソーラーパワーコンディショナ形ＫＰ４０Ｆの開発」、OMRON TECHNICS Vol.42 No.2 (通巻１４２号)、日本、２００２年、ｐ．１４６−１５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、実際には、電流が大きくなるとインダクタンスは大きく低下してしまう。フェライト・コアのインダクタンスは、電流が所定の閾値以下であればほぼ一定であるが、電流が閾値を超えると急低下する。したがって、電流の許容範囲はこの閾値以下に制限される。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、大電流が流れたときにも高いインダクタンスを維持しやすいリアクトルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るリアクトルは、軟磁性金属粉の成型により形成される棒状のコアと、コイル巻線が巻回され、かつ、コアを収納する管状のボビンと、軟磁性のフェライトにより形成され、ボビンの外側面を覆うケースと、を備える。ケースは、コアの方向にせり出す突出部を有し、かつ、コアから発生する磁束が突出部に流入する面である流入面よりも大きな磁束通過面を有する。
【００１０】
ケース内にはボビン、更に、ボビン内にはコアが収納される。ケースの一部（突出部）はコアの端面の近辺までせり出す。コアから発生する磁束の多くは突出部の流入面からケース内に吸収されるため、コアおよびケースの間に安定的な磁路を形成しやすくなる。ケースは、外側のコアとして機能する。実験の結果、流入面よりも大きな磁束通過面をケースに設けることにより、リアクトルの直流重畳特性が改善されることが判明した。
【００１１】
流入面の面積は、磁束通過面の最大面積の３分の１以下とすることがより好ましい。流入面は、コアの端面に対して略直角に対向してもよい。流入面がケースにおける最小の磁束通過面となるようにケースを形成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、大電流が流れたときにもリアクトルのインダクタンスを高めに維持しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】パワーコンディショナーのハードウェア構成図である。
【図２】一般的なフェライト・コアの直流重畳特性を示すグラフである。
【図３】ボビンの構造を示す図である。
【図４】リアクトルの外観図である。
【図５】リアクトルの側断面図である。
【図６】Ｓ１（Ｓ２）およびＳ３と直流重畳特性の関係を示すグラフである。
【図７】ＧおよびＭ１と直流重畳特性の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００１５】
図１は、パワーコンディショナー１１０のハードウェア構成図である。直流電圧源である太陽電池１０８は、パワーコンディショナー１１０を介して交流の系統１１４と連結される。パワーコンディショナー１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１０４、ＤＣ／ＡＣインバータ部１０６および制御部１１２を含む。太陽電池１０８の直流電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１０４により昇圧される。ＤＣ／ＡＣインバータ部１０６は、昇圧された直流電圧を系統１１４に同期した交流電圧に変換する。制御部１１２はＤＣ／ＤＣコンバータ部１０４やＤＣ／ＡＣインバータ部１０６などの出力を制御する回路である。
【００１６】
ＤＣ／ＡＣインバータ部１０６においては、２つのリアクトル１００とキャパシタＣ１により、高調波が抑制される。図１に示すように、ＤＣ／ＡＣインバータ部１０６は、通常、２個のリアクトル１００を有する。２個のリアクトル１００により、リアクトルセット１０２が形成される。
【００１７】
図２は、一般的なフェライト・コアの直流重畳特性を示すグラフである。フェライト・コアに流れる電流Ｉが低いときには、インダクタンスＬは最大値Ｌｍで安定する。リアクトルに必要なインダクタンスＬの最低値をＬｎとする。理想的には、電流Ｉが増加してもインダクタンスＬが最大値Ｌｍに維持されることである。少なくとも、電流Ｉが増加してもインダクタンスＬが最低値Ｌｎ以上に維持されることが望ましい。
【００１８】
実際には、電流Ｉ＞Ｉｂとなると、インダクタンスＬは５０％以上も急低下し、Ｌｎよりもはるかに小さな値となってしまう。結果として、電流Ｉの許容範囲は０〜Ｉｂに制限される。ＩｂのようにインダクタンスＬが有意に降下しはじめるときの電流値を「第１閾値」とよぶ。図２の場合、電流Ｉの許容範囲の最大値は第１閾値とほとんど同一である。本実施形態におけるリアクトル１００は、電流Ｉが第１閾値より大きくなっても、Ｌ＞Ｌｎを維持できる直流重畳特性を実現する。
【００１９】
図３は、ボビン１１８の構造を示す図である。本実施形態におけるリアクトル１００は、コア１１６（図４、図５参照）、ボビン１１８、コイル巻線１２０およびケース１２２（図４、図５参照）を含む。ボビン１１８は、円筒管形状を有し、中空部１２４を有する。また、その両端には鍔（つば）部１２６ａ、１２６ｂが形成される。鍔部１２６ａおよび鍔部１２６ｂはそれぞれ突起部１２８ａと突起部１２８ｂを有する。突起部１２８ａ、１２８ｂはそれぞれ溝（図示せず）を有する。
【００２０】
ボビン１１８は、絶縁性の高分子材料、たとえば、合成樹脂により形成される。鍔部１２６ａ、１２６ｂの直径Ｈ１は４５ｍｍ、中空部１２４の内径Ｈ２は２５ｍｍ強、ボビン１１８の長さＬ１は５５ｍｍである。
【００２１】
中空部１２４には、棒状のコア１１６（図４、図５参照）が挿入される。コアは、飽和磁束密度が大きい材料により形成されることが望ましい。鉄系微粉などの軟磁性金属粉の方がフェライトよりも飽和磁束密度が大きいため、本実施形態におけるコア１１６はセンダスト(Sendust：Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉの合金粉体）により形成している。コア１１６は、たとえば、直径が２５ｍｍ以下、長さが５５ｍｍの円柱形状を有する。
【００２２】
ボビン１１８の外側面には、コイル巻線１２０が巻回される。コイル巻線１２０の一端は突起部１２８ａから、他端は突起部１２８ｂからそれぞれの溝に沿って引き出される。以下、コア１１６、ボビン１１８およびコイル巻線１２０をまとめて、「コアコイル」とよぶ。なお、珪素鋼板を積層することによりコア１１６を形成してもよいが、センダストの方が加工性に優れている。
【００２３】
図４は、リアクトル１００の外観図である。コアコイルは、直方体形状のケース１２２に収納される。ケース１２２は、軟磁性のフェライト粉を成型することにより形成される箱である。ケース１２２は、底面が４９．６ｍｍ×４９．６ｍｍの正方形で、高さがコア１１６の長さ以上となる直方体であり、コアコイルを収容するための空洞１３０を有する。この空洞１３０に図３のコアコイルが収納される。この結果、ボビン１１８やコア１１６の少なくとも外側面はケース１２２に覆われることになる。ケース１２２の側面からは、ボビン１１８の突起部１２８ａ、１２８ｂが露出する。また、コア１１６の両端もケースから露出している。
【００２４】
フェライトは、センダストなどの金属粉に比べると成型しやすいため、コア１１６よりも大きなケース１２２を形成する上で好適である。また、フェライトの透磁率はセンダストと比べて格段に高い。このため、コア１１６から発生した磁束はほとんどフェライトのケース１２２に吸収される。フェライトはセンダストに比べると飽和磁束密度が小さいが、ケース１２２はコア１１６に比べて容積が大きいため、飽和磁束密度の小ささを容積によって補える。
【００２５】
まとめると、コア１１６には大きな飽和磁束密度を確保できる軟磁性金属粉を使用し、ケース１２２には成型しやすく透磁率が大きな軟磁性のフェライトを使用している。フェライトの透磁率が大きいため、コア１１６から発生する磁束がケース１２２の外にまで漏れにくい構成となっている。
【００２６】
詳しくは後述するが、ケース１２２の一部（突出部１３６ａ、１３６ｂ、図５参照）はコア１１６の端部方向にせり出している。このため、コア１１６から発生した磁束のほとんどは突出部１３６ａを介してケース１２２に吸収され、突出部１３６ｂを介して再びコア１１６に戻る。コア１１６とケース１２２が安定的な磁路を形成するため、ケース１２２の特性、いいかえればフェライトの特性がリアクトル１００の直流重畳特性に大きく影響する。図２に関連して説明したように、フェライトは電流Ｉが第１閾値を超えるとインダクタンスＬが急低下するという直流重畳特性を有する。そこで、本実施形態におけるリアクトル１００では、ケース１２２の構造を工夫することにより、直流重畳特性の改善を図っている。
【００２７】
図５は、リアクトル１００の側断面図である。ただし、ここでは説明を簡単にするため、コア１１６とケース１２２の関係のみを描いている。コイル巻線１２０に電流が流れると、コア１１６の同図向かって左側端部１３２から磁束が発生し、右側端部１３４に磁束が帰還する。ケース１２２は透磁率が非常に高いため、コア１１６から発生する磁束はほとんどケース１２２に吸収される。結果として、ケース１２２およびコア１１６は、図５に示すように安定した磁路を形成する。
【００２８】
ケース１２２は、突出部１３６ａ、本体部１７０、突出部１３６ｂの３つのパーツに分けることができる。ケース１２２の底面（正方形面）の一辺の長さをＭ１、高さをＭ４とする。また、突出部１３６ａや突出部１３６ｂの厚みをＪ２とすると、本体部１７０の高さはＭ４−２×Ｊ２となる。コア１１６の直径をＪ１とする。
【００２９】
突出部１３６ａと突出部１３６ｂは、Ｍ１×Ｍ１×Ｊ２の直方体に、直径Ｍ２の円筒をくり抜いた形状となる。本体部１７０は、Ｍ１×Ｍ１×（Ｍ４−２×Ｊ２）の直方体に直径Ｍ３の円筒をくり抜いた形状となる。Ｍ３＞Ｍ２であるため、コア１１６の端部１３２方向に突出部１３６ａ、端部１３４方向に突出部１３６ｂがそれぞれせりだすような構造となる。したがって、端部１３２から発生した磁束は、ほとんどが突出部１３６ａの流入面１３８からケース１２２内に流入する。端部１３２の面と流入面１３８は略直角に対向する。ケース１２２内に流入した磁束のほとんどは突出部１３６ｂの流出面１４０から端部１３４に流入する。端部１３４の面と流出面１４０は略直角にて対向する。
【００３０】
コア１１６と流入面１３８の空隙の大きさをＧとする。Ｇ＝（Ｍ２−Ｊ１）／２である。コア１１６の端部１３２の面は、突出部１３６ａの厚み方向中央に来るように設定される。コア１１６の端部１３４の面も突出部１３６ｂの厚み方向中央に来るように設定される。
【００３１】
流入面１３８はちょうど円筒形状となり、その面積Ｓ１はＭ２×π×Ｊ２となる。流出面１４０も円筒形状となり、その面積Ｓ２はＳ１と等しい。
【００３２】
ケース１２２内における磁束の通過面１４２は円環形状となり、その面積Ｓ３は、Ｍ１×Ｍ１−（Ｍ３／２）×（Ｍ３／２）×πとなる。「通過面」とは、ケース１２２内において磁束が通過する面のことであり、流入面１３８や流出面１４０も通過面の一種である。本実施形態においては、本体部１７０の中央部における通過面１４２が最大面積の通過面である、として説明する。本発明者らによるシミュレーション実験の結果、Ｍ１、Ｇ、Ｊ２の関係を調整することにより、リアクトル１００の直流重畳特性が改善できることが判明した。
【００３３】
図６は、Ｓ１（Ｓ２）およびＳ３と直流重畳特性の関係を示すグラフである。横軸は電流Ｉ（Ａ）、縦軸はリアクトル１００のインダクタンスＬ（ｍＨ）を示す。Ｌｍ＝０．５（ｍＨ）、Ｌｎ＝０．３（ｍＨ）とする。特性１４４は、流入面１３８の面積Ｓ１が通過面１４２の面積Ｓ３よりも大きい場合の特性を示す。具体的には、Ｊ１＝２５．０ｍｍ、Ｍ３＝４６．０ｍｍ、Ｍ１＝５１．０ｍｍ、Ｊ２＝１０．０ｍｍ、Ｇ＝４．０ｍｍの特性を示す。このとき、Ｓ１＝１０３７（平方ｍｍ）、Ｓ３＝９３９（平方ｍｍ）となる。特性１４４の場合、第１閾値は４０（Ａ）近辺であり、インダクタンスＬは０．３（ｍＨ）まで低下し、そのあとはなだらかに減少する。実質的には、電流Ｉの許容範囲は０〜４３（Ａ）程度となる。
【００３４】
特性１４６は、Ｓ１＜（Ｓ３／３）、すなわち、Ｓ１がＳ３の１／３以下の場合の特性を示す。具体的には、Ｊ２＝２．５ｍｍとし、Ｊ２以外は特性１４４の場合と同じである。このとき、Ｓ１＝２５９（平方ｍｍ）、Ｓ３＝９３９（平方ｍｍ）となる。また、特性１４４と特性１４６のＬｍを同一とするため、ボビン１１８の巻数を調整している。特性１４６の第１閾値は３０（Ａ）近辺となり、特性１４４の第１閾値よりも小さいが、インダクタンスＬは０．４（ｍＨ）近辺までしか低下していない。第１閾値以上の電流Ｉを流してもインダクタンスＬはしばらく０．３５〜０．３８（ｍＨ）の範囲で安定し、電流Ｉが４７（Ａ）を超えたあたりから再び低下する。このときの電流Ｉの値を「第２閾値」とよぶ。インダクタンスＬがＬｎ以下となるのは、電流Ｉが５０（Ａ）まで増えたときである。特性１４６の場合、電流Ｉの許容範囲は第２閾値以降まで拡大されている。
【００３５】
Ｓ１＜Ｓ３のとき、階段型の直流重畳特性が現れてくる。このため、電流Ｉが第１閾値を超えても、インダクタンスＬをＬｎ以上に維持できる。特に、Ｓ１＜（Ｓ３／３）となると、第２閾値がはっきりと現れ、電流Ｉの許容範囲をいっそう拡大できる。また、第１閾値から第２閾値までの期間において、インダクタンスＬの値がほぼ一定に安定するため、この期間においてもリアクトル１００の制御性を維持しやすくなる。
【００３６】
図７は、ＧおよびＭ１と直流重畳特性の関係を示すグラフである。横軸は電流Ｉ（Ａ）、縦軸はリアクトル１００のインダクタンスＬ（ｍＨ）を示す。いずれの特性も、Ｊ１＝２５．０ｍｍ、Ｍ３＝４６．０ｍｍ、Ｊ２＝２．５ｍｍである。
【００３７】
各特性曲線の設定は以下の通りである。各特性のＬｍを同一とするため、ボビン１１８の巻数をそれぞれ調整している。
特性１５０：Ｍ１＝４９．６ｍｍ、Ｇ＝０．５ｍｍ、Ｓ３＝７９８（平方ｍｍ）
特性１５２：Ｍ１＝４９．６ｍｍ、Ｇ＝１．０ｍｍ、Ｓ３＝７９８（平方ｍｍ）
特性１５４：Ｍ１＝４９．６ｍｍ、Ｇ＝２．１ｍｍ、Ｓ３＝７９８（平方ｍｍ）
特性１５６：Ｍ１＝４９．６ｍｍ、Ｇ＝４．０ｍｍ、Ｓ３＝７９８（平方ｍｍ）
特性１５８：Ｍ１＝５１．０ｍｍ、Ｇ＝４．０ｍｍ、Ｓ３＝９３９（平方ｍｍ）
特性１６０：Ｍ１＝５３．０ｍｍ、Ｇ＝４．０ｍｍ、Ｓ３＝１１４７（平方ｍｍ）
【００３８】
図７の各特性を参照すると、ＧやＭ１が大きいほど、直流重畳特性が改善されることがわかる。特に、特性１５８では、第１閾値以降もインダクタンスＬが安定するため、電流Ｉの許容範囲を６０（Ａ）近くまで拡大できる。ただし、ＧやＭ１を大きくするためにはリアクトル１００のサイズを大きくする必要があるため、リアクトル１００のサイズは直流重畳特性とトレードオフの関係にある。
【００３９】
以上、実施形態に基づいてリアクトル１００およびリアクトルセット１０２について説明した。本実施形態に示すリアクトル１００によれば、コア１１６から発生する磁束はフェライトのケース１２２に吸収・捕捉され、安定した磁路が形成される。ここで、流入面１３８よりも大きな通過面１４２をケース１２２設けることにより、リアクトル１００の直流重畳特性を改善できることが判明した。特に、流入面１３８よりも３倍以上大きな通過面１４２を設けるのが好ましい。製造容易性を考慮すると、流入面１３８よりも３倍〜３０倍の範囲に最大面積の通過面１４２が収まるようにケース１２２を形成することが望ましい。流出面１４０についても同様である。流入面１３８および流出面１４０は、ケース１２２のうちの最小の通過面１４２であってもよい。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
【符号の説明】
【００４１】
１００  リアクトル、１０２  リアクトルセット、１０４  ＤＣ／ＤＣコンバータ部、１０６  ＤＣ／ＡＣインバータ部、１０８  太陽電池、１１０  パワーコンディショナー、１１２  制御部、１１４  系統、１１６  コア、１１８  ボビン、１２０  コイル巻線、１２２  ケース、１２４  中空部、１２６  鍔部、１２８  突起部、１３０  空洞、１３６  突出部、１３８  流入面、１４０  流出面、１４２  通過面、１７０  本体部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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