(57)【要約】【課題】数kHz〜150kHz程度の高周波域において駆動させても鉄損の増大を抑制でき、かつ量産性に優れる方向性電磁鋼板を用いた額縁形積鉄心を有する高周波リアクトルを提供する。【解決手段】方向性電磁鋼板を用いた額縁形積鉄心を有し、前記積鉄心の脚部とヨーク部が、鋼板の圧延方向に対して45°方向に切断された断面を積層方向にそろえて対向させたコーナー部を形成し、前記脚部あるいは前記コーナー部の少なくとも一方にギャップが設けられた高周波リアクトル。【選択図】図2
2008305820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向性電磁鋼板を用いた額縁形積鉄心を有し、前記積鉄心の脚部とヨーク部が、鋼板の圧延方向に対して45°方向に切断された断面を積層方向にそろえて対向させたコーナー部を形成し、前記脚部あるいは前記コーナー部の少なくとも一方にギャップが設けられた高周波リアクトル。
【請求項２】
方向性電磁鋼板として、4〜7質量%のSiを含有する高けい素方向性電磁鋼板を用いた請求項1に記載の高周波リアクトル。
【請求項３】
コーナー部に設けられたギャップのギャップ長をLg、前記ギャップのある位置の鉄心の幅または厚みのうち小さい方をLminとしたとき、Lg/Lminが0.03以下である請求項2に記載の高周波リアクトル。
【請求項４】
巻き線がコーナー部あるいは脚部の少なくとも一方のギャップを覆っている請求項1から3のいずれか1項に記載の高周波リアクトル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気飽和を防ぐために磁路中にギャップが設けられたリアクトル、特に、方向性電磁鋼板を用いた額縁形積鉄心を有する高周波リアクトルに関する。
【背景技術】
【０００２】
Siを3質量%程度含む方向性電磁鋼板は、高透磁率、低鉄損といった優れた軟磁気特性を有するため、商用周波数で用いられるトランスやリアクトルの鉄心として広く使用されている。通常、方向性電磁鋼板は、そのきわめて強い磁気異方性を生かすため、巻鉄心として使用される場合が多いが、リアクトルの場合は、磁気飽和を防ぐため磁路中にギャップを設ける必要があり、その製造工程がきわめて複雑になる。製造工程の簡略化が可能なリアクトルとして、例えば特許文献1には、方向性電磁鋼板を積鉄心として使用するリアクトルが開示されている。このリアクトルでは、方向性電磁鋼板がきわめて強い磁気異方性を有するため、鉄心の脚部とヨーク部を、鋼板の圧延方向に対して45°方向に切断された断面を交互にまたはステップ状にずらして鋼板が重なるように接合、いわゆるラップ接合して、磁束の流れをスムーズにし、磁気抵抗の低減を図れるようにしたコーナー部を有する額縁形積鉄心が用いられている。
【０００３】
近年、ハイブリット自動車の電源など、駆動周波数の高周波化が進んでおり、数kHz〜150kHz程度の高周波域に対応できる高周波リアクトルの安定した大量供給が強く要望されている。リアクトルの安定した大量供給には、上述したように、額縁形積鉄心を有するリアクトルとすることが好ましい。
【特許文献１】特開平5‐36545号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献1に記載された方向性電磁鋼板を額縁形積鉄心に用いたリアクトルでは、数kHz〜150kHz程度の高周波域で駆動させると、鉄損が大幅に増大する。また、コーナー部において、断面を交互にまたはステップ状にずらして鋼板を重ねるラップ接合が必要であり、大量供給に対応した十分な量産性が得られないといった問題もある。
【０００５】
本発明は、数kHz〜150kHz程度の高周波域において駆動させても鉄損の増大を抑制でき、かつ量産性に優れる方向性電磁鋼板を用いた額縁形積鉄心を有する高周波リアクトル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】
本発明者は、方向性電磁鋼板を額縁形積鉄心に用いたリアクトルにおいて、数kHz〜150kHz程度の高周波域での鉄損特性およびその量産性について検討したところ以下の知見を得た。
【０００７】
1)高周波域における鉄損の増大の抑制には、コーナー部において鋼板の重なり面をなくす、すなわちラップ接合せずに、切断された鋼板断面を積層方向にそろえて対向させることが効果的である。
【０００８】
2)コーナー部を、ラップ接合せずに、切断された鋼板断面を積層方向にそろえて対向させる構造にすることにより、大量供給に対応した十分な量産性を実現できる。
【０００９】
3)方向性電磁鋼板として、4〜7質量%のSiを含有する高けい素方向性電磁鋼板を用いることが、高周波域における鉄損を大きく低減させる上で好ましい。
【００１０】
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、方向性電磁鋼板を用いた額縁形積鉄心を有し、前記積鉄心の脚部とヨーク部が、鋼板の圧延方向に対して45°方向に切断された断面を積層方向にそろえて対向させたコーナー部を形成し、前記脚部あるいは前記コーナー部の少なくとも一方にギャップが設けられた高周波リアクトルを提供する。
【００１１】
本発明の高周波リアクトルでは、方向性電磁鋼板として、4〜7質量%のSiを含有する高けい素方向性電磁鋼板を用いることが好ましい。
【００１２】
4〜7質量%のSiを含有する高けい素方向性電磁鋼板を用いた場合には、コーナー部に設けられたギャップのギャップ長をLg、前記ギャップのある位置の鉄心の幅または厚みのうち小さい方をLminとしたとき、Lg/Lminを0.03以下とすることが好ましい。
【００１３】
また、巻き線がコーナー部あるいは脚部の少なくとも一方のギャップを覆っていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、数kHz〜150kHz程度の高周波域で駆動させても鉄損の増大を抑制でき、かつ量産性に優れる方向性電磁鋼板を用いた額縁形積鉄心を有する高周波リアクトルを製造できるようになった。また、本発明の高周波リアクトルでは、4〜7質量%のSiを含有する高けい素方向性電磁鋼板を積鉄心に使用することにより、この高周波域において鉄損を大きく低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の高周波リアクトルの額縁形積鉄心には、従来の方向性電磁鋼板を用いることができるが、より軟磁気特性の優れた4〜7質量%のSiを含有する高けい素方向性電磁鋼板を用いることにより、数kHz〜150kHz程度の高周波域における鉄損を大きく低減できる。高けい素方向性電磁鋼板のSi含有量をこの範囲に限定した理由は、Si量が4質量%未満だと高周波域における鉄損を大きく低減できず、7質量%を超えるとせん断加工などの加工性が著しく低下するためである。
【００１６】
また、本発明の高周波リアクトルの額縁形積鉄心では、脚部とヨーク部で形成されるコーナー部を、図1(b)のように鋼板を1枚ずつあるいは図1(c)のように鋼板を2枚ずつ交互に積んだ従来の額縁形積鉄心のようなラップ接合ではなく、図1(a)に示すように、切断された鋼板断面を積層方向にそろえて対向させた構造にする。これにより、ラップ接合部における鋼板面を渡る磁束の流れによる渦電流損をなくすことができ、高周波域での鉄損の増大を抑制できるとともに、煩雑なラップ接合工程もなくなるので、量産性を高めることができる。
【００１７】
本発明の高周波リアクトルでは、鉄心のギャップは、脚部あるいはコーナー部の少なくとも一方に設けられる。例えば、コーナー部にのみギャップを設けることができ、また、脚部にギャップがある場合は、切断された鋼板断面を積層方向にそろえて突き合せてコーナー部のギャップ長Lgを0とすることもできる。もちろん、コーナー部および脚部の双方にギャップを設けることもできる。なお、4〜7質量%のSiを含有する高けい素方向性電磁鋼板を用いる場合は、コーナー部のギャップ長Lgとギャップのある位置の鉄心の幅または厚みのうち小さい方であるLminとの比、すなわちLg/Lminを0.03以下とすることが、鉄損の増大を抑制でき、後述するビルディングファクタを小さくできるので、好ましい。
【００１８】
また、漏洩磁束の観点から、相対的に脚部のギャップ長を長くし、コーナー部のギャップ長Lgを極力短くすることが好ましいが、Lgを0.1mm未満に制御することは実際上難しく、リアクトルのインダクタンスのばらつきが大きくなるので、Lgは0.1mm以上とすることが好ましい。
【００１９】
なお、本発明の高周波リアクトルでは、脚部の本数は特に限定するものでなく、例えば単相用途の2脚構造としてよく、また、3相用途の3脚構造としてもよい。
【００２０】
図2に、本発明である単相高周波リアクトルの額縁形積鉄心の一例を、また、図3に、脚部が3本ある3相高周波リアクトルの額縁形積鉄心の一例を示す。いずれも、鋼板の切断面を積層方向にそろえて対向させた、すなわちラップ接合していないコーナー部と脚部にギャップが設けられており、各脚部には3ヶのギャップが設けられている。
【００２１】
高周波リアクトルでは、ギャップ近傍で鉄損が増加し、ギャップ長が大きいほど鉄損の増加量も大きくなることから、ギャップの数を多くして、1個あたりのギャップ長を小さくすることが、低鉄損化には有効である。このため、図2や3に示すように、高周波リアクトルにおいては、コーナー部を含めた多ギャップ構造とすることが好ましい。
【００２２】
また、巻き線がギャップを覆う構造とすることにより、漏洩磁束を低減し、鉄損を低減できることから、巻き線がギャップを覆う構造とすることが好ましく、例えば脚部に設けたギャップを全て巻き線で覆うようにすることが好ましい。同様に、コーナー部においても、図4のように巻き線がギャップを覆うようにすることが、量産性を若干損なうが、漏洩磁束を低減できるとともに、直流重畳インダクタンス性能を向上させることもできるので、好ましい。
【実施例１】
【００２３】
板厚0.23mmの市販の方向性電磁鋼板(3質量%Siの 23P095)および実験室で試作した板厚0.19mmの高けい素方向性電磁鋼板(5質量%Si)から、せん断加工によって図5に示す寸法、形状の切り板部材A、B、C、Dを作成し、図6の(a)で示す部材組み合わせ方で鋼板2枚を積層し、次いで図6の(b)の組み合わせ方で鋼板2枚を積層するという作業を全積み厚が10mmになるまで繰り返して鉄心とし、厚さ3.0mmの樹脂製ギャップ材を挟んで固定して、図7に示すような積み厚10ｍｍ、脚部ギャップ長3.0mmで、コーナー部をラップ接合した額縁形積鉄心を作成した(比較例)。
【００２４】
次に、図8に示す部材組み合わせ方で鋼板をそろえて積層し、厚さ3.0mmの樹脂製ギャップ材を挟んで固定して、図7に示すような積み厚10ｍｍ、脚部ギャップ長3.0mmで、コーナー部をラップ接合しない、すなわち鋼板断面を積層方向にそろえて突き合わせた(Lg=0)額縁形積鉄心を作成した(発明例)。
【００２５】
そして、コーナー部をラップ接合した額縁形積鉄心と突き合わせた額縁形積鉄心の両脚部分に、ギャップを覆うように巻き線を設け、鉄損を測定した。
【００２６】
測定結果を表1に示す。また、図9に、コーナー部を突き合わせた場合の鉄損とラップ接合した場合の鉄損との比と励磁周波数の関係を示す。
【００２７】
図9より、市販の方向性電磁鋼板では、5kHz以上の高周波域において、また、高けい素方向性電磁鋼板では、2kHz以上の高周波域において、本発明であるコーナー部を突き合わせた鉄心の方が、ラップ接合した鉄心に対して同等な鉄損もしくは低鉄損となることがわかる。
【００２８】
このように、コーナー部を突き合わせた本発明の鉄心は、ラップ接合した従来の鉄心に比較して、鉄心の製造が格段に容易であるためリアクトルの量産性を著しく向上させるばかりでなく、高周波域においては鉄損特性上も有利である。また、使用した鉄心材料の影響を見ると、高けい素方向性電磁鋼板を使用すれば、市販の方向性電磁鋼板を使用する場合に比較して、量産性の優れたコーナー部を突き合わせた鉄心を用いても、より広い周波数範囲において良好な鉄損特性を実現できる。
【００２９】
【表１】
2008305820.tif 000003
【実施例２】
【００３０】
板厚0.23mmの市販の方向性電磁鋼板(3質量%Siの23P095)および実験室で試作した板厚0.18mmの高けい素方向性電磁鋼板(6質量%Si)を用い、せん断加工によって図10に示す寸法、形状の切り板部材を作成し、部材をそろえて積層し、厚さ1.5mmの樹脂製ギャップ材を各脚部2箇所に挟んで固定して、図10に示すような積み厚25ｍｍ、コーナー部をラップ接合しない、すなわち対向させた額縁形積鉄心を作成した。そして、両脚部分にギャップを覆うように巻き線を設け、0.05T、20kHzにおける鉄損W0.5/20ｋを、コーナー部の突き合わせ部分4箇所に挿入する樹脂製ギャップ材の厚さ、すなわちコーナー部のギャップ長Lgを変えて測定した。なお、コーナー部4箇所のギャップ長Lgは同一とした。また、測定した鉄損値と30mm×100mmの小型試験片を用いたエプスタイン試験によって測定した鉄損値W0.5/20ｋ、市販の方向性電磁鋼板では32.4W/kg、高けい素方向性電磁鋼板では11.3W/kgとの比であるビルディングファクタを求めた。
【００３１】
結果を表2に示す。なお、ギャップが存在する脚部の鉄心の幅と厚みとのうち小さい方の値をLminとすると、リアクトルの鉄損特性を議論する場合、ギャップ長/Lminとの関係性が論じられることが多い。そこで、図11に、ビルディングファクタとLg/Lminとの関係を示す。ここで、コーナー部のギャップ長Lgはコーナー部の突き合わせ部分4箇所に挿入する樹脂製ギャップ材の厚さであり、Lminは積み厚(25mm)である。
【００３２】
表2および図11から、市販の素方向性電磁鋼板ではLg/Lminが0の場合しか、ビルディングファクタを1.30以下にできないが、高けい素方向性電磁鋼板ではLg/Lminが0〜0.03の範囲でビルディングファクタを1.30以下にでき、ギャップをコーナー部に設けても鉄心材料の特性を十分に生かせ、リアクトル設計上の幅が広いことがわかる。
【００３３】
【表２】
2008305820.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】額縁形積鉄心のコーナー部の断面構造を模式的に示す図である。
【図２】本発明である単相高周波リアクトルの額縁形積鉄心の一例を示す図である。
【図３】本発明である3相高周波リアクトルの額縁形積鉄心の一例を示す図である。
【図４】コーナー部のギャップに設けた巻き線の一例を示す図である。
【図５】実施例に用いた積鉄心用切り板部材の寸法、形状を示す図である。
【図６】実施例に用いた積鉄心における切り板部材の積み方を説明する図である。
【図７】実施例に用いた額縁形積鉄心を示す図である。
【図８】実施例に用いた積鉄心における切り板部材の別の積み方を説明する図である。
【図９】コーナー部を突き合わせた場合の鉄損とラップ接合した場合の鉄損との比と励磁周波数の関係を示す図である。
【図１０】実施例に用いた別の額縁形積鉄心を示す図である。
【図１１】ビルディングファクタとLg/Lminとの関係を示す図である。
【図１】
2008305820.tif 000005
【図２】
2008305820.tif 000006
【図３】
2008305820.tif 000007
【図４】
2008305820.tif 000008
【図５】
2008305820.tif 000009
【図６】
2008305820.tif 000010
【図７】
2008305820.tif 000011
【図８】
2008305820.tif 000012
【図９】
2008305820.tif 000013
【図１０】
2008305820.tif 000014
【図１１】
2008305820.tif 000015