(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波磁束が流れても、発熱を抑制することのできる磁気鉄心を提供する。【解決手段】リアクトルのコア１１が、３．５%珪素鋼板からなる第１コア素材と６．５％珪素鋼板からなる第２コア素材との組み合わせからなる。コア１１は、複数枚の第１コア素材と複数枚の第２コア素材を積層して得られるが、積層方向の中央部に第２コア素材を配置することで低鉄損領域を設ける。低鉄損領域を挟む積層方向の両側には、それぞれ、第１コア素材を配置することで、高鉄損領域を配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層方向の中央部分に配置される第１領域と、
前記第１領域の前記積層方向の両側に配置される第２領域と、を備え、
前記第１領域の鉄損が、前記第２領域の鉄損よりも低い、
ことを特徴とする磁気鉄心。
【請求項２】
前記第１領域は、６．５％珪素鋼板からなる複数の第１コア素材を積層して構成され、
前記第２領域は、３．５％珪素鋼板からなる複数の第２コア素材を積層して構成される、
請求項１に記載の磁気鉄心。
【請求項３】
電源から供給される電源電力を整流して直流電力に変換し、スイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体素子で構成され、
前記スイッチング素子がリアクトルを介して一対の導電経路の間を短絡させるコンバータ回路であって、
前記リアクトルが、請求項１又は２に記載の磁気鉄心からなる、
ことを特徴とするコンバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気鉄心に関し、特に電源昇圧回路に含まれるトランス、リアクトルに好適な磁気鉄心に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和装置の圧縮機を駆動する電動機に供給する電力を制御するインバータ（電力供給装置）には、コンバータ回路を備えているものが知られている。このコンバータ回路は、商用電源から供給される電源電力を整流して直流電圧を得るものであり、スイッチング素子を用いて電源電力の力率改善を実現する。
コンバータ回路は、電源電流の波形が電源電圧と同位相の正弦波になるように各スイッチ素子を制御している。スイッチング素子のスイッチング周波数を上げれば、スイッチング素子の制御性を向上できる。スイッチング周波数を上げれば、コンバータ回路における受動部品であるリアクトル、トランスなど小型化することができる。
従来、コンバータ回路のスイッチング素子には、トランジスタ、Ｓｉ−ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。しかし、このＳｉ−ＩＧＢＴはスイッチング速度が遅いという問題を抱えていた。
【０００３】
そこで、特許文献１は、リアクトルを介して電源ライン間を短絡させるスイッチング素子を備え、電源電力を整流して直流電力に変換するコンバータ回路において、スイッチング素子をＳｉＣ素子、ＧａＮ素子などのワイドバンドギャップ半導体素子で構成することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８６０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体素子で構成することにより、高周波スイッチングできるので、１スイッチングあたりの電力変換量が少なくなり、磁気部品の磁束変化を小さくすることができるので、リアクトルなどの磁気部品を小型化できる。一方で、磁気部品には、高周波磁束が流れることで、鉄損（ヒステリシス損や渦電流損）が増大するので、発熱が大きくなり、高温になって冷却が困難になる場合もある。
そこで本発明は、電力供給装置に用いられた際に、高周波磁束が流れても、発熱を抑制することのできる磁気鉄心を提供することを目的とする。また本発明は、この磁気鉄心を備えることで、高周波スイッチングをしても過熱を抑制できるコンバータ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これまで磁気鉄心に一般的に用いられてきた珪素（Ｓｉ）を３．５質量％程度含む珪素鋼は鉄損が大きいため、過熱を防ぐことが難しい。一方で、磁歪定数がほぼ０になる組成であるＳｉを６．５質量％まで増やした６．５％珪素鋼は、硬く脆いために圧延加工に高い技術が必要であることに起因して、極めて効果である。したがって、価格が抑えられることを要求される用途には、６．５％珪素鋼を使うことは困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、磁気鉄心を、３．５％珪素鋼と６．５％珪素鋼を組み合わせて作製することで、コストを抑えつつ磁気鉄心の過熱を防ぐことを提案する。つまり本発明の磁気鉄心は、積層方向の中央部分に配置される第１領域と、第１領域の積層方向の両側に配置される第２領域と、を備え、第１領域の鉄損が、第２領域の鉄損よりも低いことを特徴とする。
【０００８】
本発明の磁気鉄心によると、中央部分に低鉄損な第１領域が配置されるので、当該部分における発熱による温度上昇を抑えることができる。中央部分を挟む両側には、高鉄損な第２領域が配置されるが、両側からは外気に向けて放熱できるため、温度上昇を抑制することができる。したがって、コアの温度上昇を低く、かつ温度勾配を平均化することができる。
なお、本発明において、第１領域と第２領域の鉄損の高低については、平均値を比較して定める。例えば、第１領域の一部に第２領域と同等の鉄損を有する部分があったとしても、各々の領域における鉄損の平均値を比較して、第２領域の方が高くなればよい。
【０００９】
本発明の磁気鉄心において、第１領域は、６．５％珪素鋼板からなる複数の第１コア素材を積層して構成され、第２領域は、３．５％珪素鋼板からなる複数の第２コア素材を積層して構成されることが好ましい。第２領域は、外気への放熱が期待できるので、低価格な３．５％珪素鋼を用いる。一方、第１領域は、温度上昇を極力抑えるために、高価格ではあるが鉄損の小さい６．５％珪素鋼を用いる。
【００１０】
本発明は、電源から供給される電源電力を整流して直流電力に変換し、スイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体素子で構成され、スイッチング素子がリアクトルを介して一対の導電経路の間を短絡させるコンバータ回路であって、リアクトルとして以上の磁気鉄心を適用することを提案する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の磁気鉄心によると、中央部分に低鉄損な第１領域が配置されるので、当該部分における発熱による温度上昇を抑えることができる。中央部分を挟む両側には、高鉄損な第２領域が配置されるが、両側からは外気に向けて放熱できるため、温度上昇を抑制することができる。したがって、コアの温度上昇を低く、かつ温度勾配を平均化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態におけるコンバータの回路構成を示す図である。
【図２】図１のコンバータに用いられるリアクトルのコアの構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図３】図１のコンバータに用いられるリアクトルのコアに磁束が生じたときの温度分布を示す図である。
【図４】本実施形態のコアの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。本実施形態は、本発明に基づく磁気鉄心を備えるコンバータ回路を含む電力供給装置１に用いた例について説明する。
【００１４】
電力供給装置１は、電源２から電力の供給を受けるとともに、供給された電力をリアクトル１０と、コンバータ回路２０と、負荷３０とが順に接続される。電力供給装置１は、例えば空気調和装置を構成する電動圧縮機の電動機にインバータ回路を介して制御電力を供給する。この場合、インバータ回路と電動機が負荷３０に該当する。
【００１５】
電源２は、例えば商用電源が適用される。この電源２は、単相電源であって一対の電源ライン３，４が接続されており、リアクトル１０は、一方の電源ライン３（又は４）に設けられている。リアクトル１０の詳細については、後述する。
【００１６】
コンバータ回路２０は、ブリッジ方式のコンバータ回路であって、電源２から供給される電源電力を整流して直流電力に変換している。コンバータ回路２０は、この機能を発揮するために、整流回路２１と平滑回路２２が電源２の側からこの順に接続されている。
【００１７】
整流回路２１は、電源２から電源ライン３，４を介して電源電力が供給され、電源電力を整流する。整流回路２１は、リアクトル１０を介して電源ライン３と電源ライン４の間を短絡させる４つのスイッチング素子２５を有し、単相ブリッジに構成されている。これらスイッチング素子２５と並列にダイオード２６が接続されている。そして、整流回路２１の出力側が一対の直流電源ライン６，７に接続されている。
また、平滑回路２２は、整流回路２１と並列に直流電源ライン６，７に接続されており、コンデンサ２３を備えている。
【００１８】
ここで、スイッチング素子２５は、ワイドバンドギャップ半導体素子からなる。ワイドバンドギャップ半導体素子としては、ＳｉＣ素子、ＧａＮ素子が用いられる。ＳｉＣ素子は、従来のＳｉ素子の３倍程度のバンドギャップを有しており、１５ｋＨｚ以上、さらには１００ｋＨｚ以上の周波数でスイッチングが可能である。この高速のスイッチングが可能であることに基づいて、巻線部品であるリアクトル１０の小型・軽量化を実現する。そして、スイッチング素子２５は、スイッチング素子２５を閉じたとき（ＯＦＦ）に、リアクトル１０に流れていた電流が流入するダイオード２６の電流定格よりも小さい電流定格のスイッチング素子で構成されている。
【００１９】
負荷３０は、直流電源ライン６，７に接続される。負荷３０としては、前述したインバータ回路と圧縮機の電動機が該当する。この負荷３０において、コンバータ回路２０から供給される直流電力をインバータ回路にて交流電力に変換して電動機に供給される。
【００２０】
次に、電力供給装置１の動作について説明する。
電源２から供給される単相交流電力は、リアクトル１０を介して整流回路２１に供給される。整流回路２１の各スイッチング素子２５は、例えば、１００ｋＨｚ以上の周波数でスイッチングし、リアクトル１０を介して電源ライン３，４間を短絡させる。
【００２１】
供給された電源電力は、整流回路２１の次に、平滑回路２２おいて平滑に制御され、単相交流電力が直流電力に変換される。こうしてコンバータ回路２０で制御された直流電力が負荷３０に供給される。負荷３０は、直流電力をインバータ回路で所定の交流電力に変換し、交流電力を電動機に供給し、圧縮機を駆動する。
【００２２】
さて、本実施形態の電力供給装置１は、図２に示すように、リアクトル１０のコア１１が、３．５%珪素鋼板からなる第１コア素材１１ａと６．５％珪素鋼板からなる第２コア素材１１ｂとの組み合わせからなる。コア１１は、複数枚の第１コア素材１１ａと複数枚の第２コア素材１１ｂを積層して得られるが、積層方向の中央部に第２コア素材１１ｂを配置することで低鉄損領域ＡＬを設ける。低鉄損領域ＡＬを挟む積層方向の両側には、それぞれ、第１コア素材１１ａを配置することで、高鉄損領域ＡＨを配置する。
【００２３】
コア１１が以上の構成を備えることによる効果を、図３を参照して説明する。
スイッチング素子２５が高周波で作動すると、リアクトル１０のコア１１に高周波の磁束が生ずるので、コア１１には鉄損に応じて発熱が生ずる。
仮に第１コア素材１１ａのみからコア（従来コア）を作製したとすると、そのコア１１の温度分布は、図３の曲線（従来）で示されるように、積層方向の中央部分１１Ｃの温度がピークを示し、両側の端部１１Ｅに向けて低下する傾向を示す。両側の端部１１Ｅの温度が低いのは、端部１１Ｅは外気に向けて放熱できるためである。これに対して中央部分１１Ｃは、積層方向については、第１コア素材１１ａを伝導した放熱しかできないので、熱が籠る結果、温度が高くなる。
第１コア素材１１ａとの組み合わせからなるコア１１の場合には、中央部分１１Ｃには第２コア素材１１ｂからなる低鉄損領域ＡＬが配置される。したがって、発熱による温度自体が従来コアに比べて低く抑えることができる。中央部分１１Ｃを挟む両側の端部１１Ｅには、第１コア素材１１ａが積層された高鉄損領域ＡＨが配置されるが、端部１１Ｅは外気に向けて放熱できるため、温度上昇を抑制することができる。したがって、図３の曲線（実施形態）に示すように、コア１１の加熱温度を低く、かつ温度勾配を平均化することができる。
【００２４】
第１コア素材１１ａに適用される３．５％珪素鋼の３．５％はあくまで典型的な組成であり、ＪＩＳ Ｃ ２５５２（無方向性），２５５３（無方向性）に従って作製される珪素鋼を適用することができる。３．５％珪素鋼は、鉄損Ｗ１／１０Ｋが２０〜３０Ｗ／ｋｇの範囲にある。
第２コア素材１１ｂに適用される６．５％珪素鋼も同様であり、Ｓｉ含有量が６．５％から若干のずれを許容する。６．５％珪素鋼は、鉄損が３．５％珪素鋼の１／３程度に抑えることができる。
第１コア素材１１ａ、第２コア素材１１ｂの製造方法は任意であるが、溶解、鋳造、熱間・冷間加工を経て作製された鋼板を打抜いてコアの形状にすることが一般的である。第２コア素材１１ｂについては、６．５％珪素鋼は冷間における加工が非常に難しい。そのために、浸珪技術を利用して６．５％珪素鋼を作製する技術も既に開発されている。
【００２５】
低鉄損領域ＡＬと高鉄損領域ＡＨの比率は、コア１１の加熱温度を低く、かつ温度勾配を平均化するという目的を達成できる限り任意である。また、高鉄損領域ＡＨを設けるのは、コア１１の全てを低鉄損領域ＡＬにすると、コストが非常に高くなるので、温度上昇を抑えることのできる端部１１Ｅには、コストを抑えることのできる高鉄損領域ＡＨを設ける。したがって、低鉄損領域ＡＬと高鉄損領域ＡＨの比率は、コストをも考慮すると、低鉄損領域ＡＬを１０〜５０％の範囲で設けることが好ましく、２０〜４０％の範囲で設けるのがより好ましい。この範囲は、積層方向の寸法（厚さ）を対象としている。
【００２６】
以上説明した電力供給装置１によると、スイッチング素子２５にワイドバンドギャップ半導体素子を用いたので、変換効率を落とすことなくスイッチング周波数を高周波化できる。
このワイドバンドギャップ半導体素子を用いることに対応して、リアクトル１０のコア１１を低鉄損領域ＡＬと高鉄損領域ＡＨを組み合わせる構成とした。したがって、コア１１に高周波の磁束が生じたとしても、コア１１の加熱温度を低く、かつ温度勾配を平均化することができるので、スイッチング素子２５にワイドバンドギャップ半導体素子を用いることによるリアクトル１０の小型化を実現するのに寄与する。
【００２７】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、低鉄損領域ＡＬ及び高鉄損領域ＡＨの各々を構成する第１コア素材１１ａ及び第２コア素材１１ｂは、他の材質を用いることができる。例えば、アモルファス軟磁性合金、超微結晶軟磁性合金などを用いることができる。
また、第１コア素材１１ａ及び第２コア素材１１ｂについて以上説明した以外の部分については任意であり、例えば、渦電流を減少させるために表面に絶縁被膜を形成させるなどの慣用技術を適用できる。
さらに、本実施形態では電力供給装置のリアクトルに本発明を適用した例を示したが、本発明の磁気鉄心の用途はこれに限定されるものではなく、高周波駆動される磁性部品に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  電力供給装置
２  電源
３，４  電源ライン
６，７  直流電源ライン
１０  リアクトル
１１  コア
１１Ｃ  中央部分
１１Ｅ  端部
１１ａ  第１コア素材
１１ｂ  第２コア素材
２０  コンバータ回路
２１  整流回路
２２  平滑回路
２３  コンデンサ
２５  スイッチング素子
２６  ダイオード
３０  負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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