(57)【要約】【課題】  本発明は、低コスト、良好なインダクタンス特性および低損失特性を有した磁心とこれを用いたリアクトルの提供を目的とする。【解決手段】  環状の複合磁心であって、最大比透磁率５００以上の磁性体よりなる高透磁率磁心部と、磁性粉末と絶縁材を含む複数の圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部間に設けられたギャップとより構成される複合磁心において、前記高透磁率磁心部と圧粉磁心部は隣接しており、かつ両磁心部の磁路方向の断面積が異なることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の複合磁心であって、最大比透磁率５００以上の磁性体よりなる高透磁率磁心部と、磁性粉末と絶縁材を含む複数の圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部間に設けられたギャップとより構成される複合磁心において、前記高透磁率磁心部と圧粉磁心部は隣接しており、かつ両磁心部の磁路方向の断面積が異なることを特徴とする複合磁心。
【請求項２】
前記圧粉磁心部は、前記高透磁率磁心部に隣接する側の断面積が磁路方向に連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載の複合磁心。
【請求項３】
前記圧粉磁心部の最大比透磁率が２００以下の範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合磁心。
【請求項４】
前記複合磁心は略長円形状であり、前記高透磁率磁心部からなる曲率を有するコーナー部と、前記圧粉磁心部と前記ギャップから形成される直線状のストレート部からなることを特徴とする請求項１乃至３に記載の複合磁心。
【請求項５】
前記高透磁率磁心部と圧粉磁心部は接触していることを特徴とする請求項１乃至４に記載の複合磁心。
【請求項６】
前記磁性体が非晶質軟磁性帯板、または微結晶質軟磁性帯板であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の複合磁心。
【請求項７】
前記磁性粉末が鉄−珪素系合金粉末、または鉄−珪素−アルミニウム系合金粉末、または非晶質軟磁性粉末、または微結晶質軟磁粉末であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の複合磁心。
【請求項８】
請求項１乃至７に記載の複合磁心を用いたことを特徴とするリアクトル。
【請求項９】
請求項１乃至７に記載の複合磁心を用い、断面積の小さい磁心部に巻線を設けたことを特徴とするリアクトル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車の大出力の電気モータを駆動するような電源回路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。
【背景技術】
【０００２】
電源回路用リアクトルの磁心としては、３つに大別することが出来る。数十ｋHz以下の領域では、珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などが磁心材として主に用いられている。これらの磁心材は鉄を主成分とし、飽和磁束密度Bｓと透磁率μが大きいという長所をもつが、珪素鋼板は高周波磁心損失が大きいという欠点を有し、非晶質軟磁性帯板と微結晶質軟磁性帯板は、磁芯形状が巻磁心形状や積層磁心形状などに制約され、後述するフェライトのように種々の形状に成型し難い欠点を有する。
【０００３】
数十ｋHz以上の領域では、Mn-Zn系やNi-Zn系に代表されるフェライト磁心が広く用いられている。このフェライト磁心は、高周波磁心損失が小さく、また成形が比較的容易なため、種々の形状を大量生産できる特長を有する。しかしながら、飽和磁束密度Bｓが前述の珪素鋼板や非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板の3分の１から2分の１程度しかないため、大電流用リアクトルでは磁気飽和を避けるために磁心断面積が大きくなる欠点を有する。
【０００４】
数ｋHｚから数百ｋHｚまでの領域に用いられるものとして圧粉磁心がある。圧粉磁心は、磁性粉末の表面を絶縁処理したのち加工成形したもので、絶縁処理により渦電流損失の発生が抑制されている。しかしながら、高周波磁心損失はフェライト材や非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板に比べると大きい。
【０００５】
最近、急速に普及しはじめたハイブリッド自動車では、大出力の電気モータを有しており、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。このリアクトルには小型化、低騒音化、低損失化の要求が強く、リアクトルに用いられる磁心材の磁気特性としては、高い飽和磁束密度Bｓと適切な範囲の透磁率μｒが要求される。ここでいう適切な範囲の透磁率μｒについて以下、説明する。磁界Hと磁束密度Bには、B=μoμｒHの関係がある。ここでμoは真空中の透磁率を示し、磁界Hはリアクトルに流れる電流に比例する。このため、透磁率の高い磁心材では小さなリアクトル電流でも飽和磁束密度Bsに達して、磁心飽和を起こす。よって、従来はリアクトル磁心材として高い飽和磁束密度Bsの磁性材を用い、この磁心材に空隙を設けて実効的な透磁率（実効透磁率）μｒｅを低くし、巻線数との調整により必要なインダクタンスを得る設計がなされている。本用途での実用的な実効透磁率μｒｅはおおよそ１０から５０までの範囲内にある。
【０００６】
大電流用のリアクトル磁心には、飽和磁束密度Bsの高い磁性材が用いられる。一般に飽和磁束密度Bsの高い磁性材は透磁率も高いため、リアクトル磁心に用いる場合には空隙（ギャップ）を設ける。このギャップを構成する部材の透磁率は略１である。しかし、ギャップでは磁束が磁路の外側に漏れ出るフリンジング磁束が生じる。このため、ギャップ近傍の磁心側面には渦電流が生じ、磁心損失が大幅に増大する欠点があった。フリンジング磁束による渦電流については特許文献１にも記載されている。なお、特許文献１は、５０Ｈｚなどの商用周波数で用いられる一方向性電磁鋼板を使用したリアクトル、変圧器に関するものであり、本発明に係る駆動周波数１ｋＨｚ以上の電源回路に用いられる磁心、リアクトルとは対象が異なるものである。
【０００７】
大電流用のリアクトル磁心には、飽和磁束密度Bsの高い磁性材が用いられる。一般に飽和磁束密度Bsの高い磁性材は透磁率も高いため、リアクトル磁心に用いる場合には空隙を設け、この空隙を構成する部材の透磁率は略１である。しかし、ギャップでは磁束が磁路の 外側に漏れ出るフリンジング磁束が生じる。このため、ギャップ近傍の磁心側面には渦電流が生じ、磁心損失が大幅に増大する問題点があった。
【０００８】
別の大電流用のリアクトル磁心としては、前述の圧粉磁心がある。圧粉磁心の透磁率は１０〜１５０程度であるため、ギャップを設けることなく使用できるが、素材の高周波磁心損失は非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板に比べて大きい。また、初透磁率と大電流時透磁率との差異が大きく、インダクタンスの電流特性が悪いという欠点を持っていた。
【０００９】
本出願人は、前述の欠点を解決するものとして、ギャップのフリンジング磁束による磁心損失の増大を抑制し、インダクタンスの電流特性の良好な、高透磁率磁心部と、圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部間に設けられたギャップから構成される複合磁心として別途出願している。この出願では、両磁心部の飽和磁束密度がほぼ同じで、磁心断面積もほぼ同じであるリアクトルにおいて高特性のものが得られる。ただし、両磁心部の飽和磁束密度や断面積が異なる場合、例えば、高透磁率磁心部側の飽和磁束密度が低く、圧粉磁心磁心側が飽和磁束密度が高い場合に大電流で駆動すると、高透磁率磁心部側が先に磁心飽和してしまい、インダクタンスが大きく低下する問題点があった。
【特許文献１】特開２００４−１８６４５０号公報（（００３４）〜（００４５）、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前述した従来の複合磁心型の大電流用リアクトルの問題点を解決し、飽和磁束密度の異なる磁心材を用いても、インダクタンスの電流特性の良好であり、磁心の磁束分布も均一な磁心およびリアクトルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、環状の複合磁心であって、最大比透磁率５００以上の磁性体よりなる高透磁率磁心部と、磁性粉末と絶縁材を含む複数の圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部間に設けられたギャップとより構成される複合磁心において、前記高透磁率磁心部と隣り合う圧粉磁心部の断面積が磁路方向に連続的に変化していることを特徴とする複合磁心である。
飽和磁束密度の低い磁心側の断面積をその分大きくし、両方の磁心の飽和磁束量をほぼ同一にすることができ、各磁心部を不必要に大きくする不要がなくなるためコストの削減が図れる。また断面積の小さい磁心部に巻線を施すことにより、巻線長は短くなり、従来よりも銅損を低減することができる。
この圧粉磁心部は、前記高透磁率磁心部に隣接する側の断面積が磁路方向に連続的に変化していることが好ましい。両磁心部が隣接し合う面で、磁路の断面積が急激に変化するように形成してしまうと、磁束分布に不均一が生じて、部分的に過大な発熱部が生じてしまう。端面側から徐々に磁路の断面積を小さく、若しくは大きくなるよう磁心部を形成させることで上記の問題が抑制できる。全ての圧粉磁心部が、断面積が磁路方向に連続的に変化しているように形成される必要はなく、高透磁率磁心部に隣接する圧粉磁心部だけ前記形状に成形してもよい。また、１つの圧粉磁心部で、断面積が磁路方向に連続的に変化している部分と、一律同じ部分とができるような形状でも良い。
【００１２】
また、本発明は、前記複合磁心は略長円形状であり、前記高透磁率磁心部からなる曲率を有するコーナー部と、前記圧粉磁心部と前記ギャップから形成される直線状のストレート部からなることを特徴とする。コンバータ損失を少なくするため、高透磁率磁心部と圧粉磁心部は接触していることが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、前記磁性体が非晶質軟磁性帯板、または微結晶質軟磁性帯板であることを特徴とする。また、前記磁性粉末が鉄−珪素系合金粉末、または鉄−珪素−アルミニウム系合金粉末、または非晶質軟磁性粉末、または微結晶質軟磁粉末であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、これら前述の複合磁心に巻線を施したリアクトルである。また、巻線を断面積の小さい磁心部に設けたリアクトルである。前記したように、断面積の小さい圧粉磁心部に巻線を施すことにより、巻線長は短くなり、銅損が低減される。
【００１５】
本発明のリアクトルでは、非晶質軟磁性帯板や微結晶質軟磁性帯板などからなる高透磁率磁心部と、磁性粉末と絶縁材、結合材を混合成型してなる圧粉磁心部と、前記圧粉磁心部内に設けられたギャップとより構成された複合磁心で、前記高透磁率磁心部より前記圧粉磁心部の飽和磁束密度が高く、前記高透磁率磁心部と隣り合う圧粉磁心部の断面積が磁路方向に連続的に変化している。これに対して従来のリアクトルの複合型磁心は、珪素鋼板、非晶質軟磁性帯板、微結晶質軟磁性帯板などからなる高透磁率磁心部とギャップから構成される。この高透磁率磁心部に用いられる鋼板（または帯板）は電気抵抗の低い材質であるため、空隙により発生するフリンジング漏れ磁束が鋼板、薄板の面部分に垂直に近い角度で侵入し、過大な渦電流を発生させ、大きな損失となる。本発明では、圧粉磁心部内に空隙が設けられているので、ギャップに発生するフリンジング漏れ磁束は同様に圧粉磁芯の面方向にほぼ垂直に進入するが、圧粉磁芯は既述したように磁性粉末表面を絶縁処理しているため、電気抵抗が大きく僅かな渦電流しか発生せず、損失は小さい。よって実効透磁率μeを低くするために空隙を設けても、磁心損失は増大せず、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。ここでギャップとは磁気的に空隙部と同等の透磁率を持つ部分を有し、エアギャップだけでなく、樹脂などの非磁性材による板状部材などでも良い。この板状部材により位置決めを容易に行うことができる。
さらに、従来のリアクトルの複合型磁心は、高透磁率磁心部と圧粉磁心部の断面積がほぼ同一に設定されており、高透磁率磁心部の飽和磁束密度が圧粉磁心部に比べて低い場合には、高透磁率磁心部が先に磁心飽和に至る問題が生じる。それは、大電流で駆動した時に、高透磁率磁心部が先に飽和して複合磁心の実効透磁率が大幅に低下するため、リアクトルのインダクタンスが大きく低下することである。本発明の複合磁心は、磁心の異なる飽和磁束密度に対応して、飽和磁束密度の小さい高透磁率磁心部の磁路断面積を大きくし、飽和磁束量をほぼ同じにするとともに、高透磁率磁心部と隣り合う圧粉磁心部は、磁路断面積が高透磁率磁心側端面から連続的に減少してもう一方の磁心端面に至る構造をとる。最小となった前記端面は、ギャップを介して隣の圧粉磁心部と対向するが、この対向面同士は略同一の断面積を有する。
【００１６】
本発明の高透磁率磁心部で用いる非晶質軟磁性帯板として、合金組成がFeaSibBcCdＭ′α（原子％）（但し、Ｍ′はCr,Mo,Zr,Hf及びNbからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、76≦a≦84%、0＜b≦30%、0＜c≦25%、０≦ｄ≦３％、０≦α≦５％を満たす非晶質軟磁性帯板を用いることができる。不可避な不純物としてMn, S, P, Sn, Cu, Al, Ti, から少なくとも1種以上の元素を0.50％以下含有してもよい。例えば米国Metglas社製の鉄系非晶質軟磁性材2605SA1が用いえる。
また、微結晶質軟磁性帯板として、一般式：Fe100−ｘ−ｙ−ｚ−α−β−γCuｘSiｙＢｚＭ′αＭ″βＸγ（原子％）（但し、Ｍ′はNb,W,Ta,Zr,Hf,Ti及びMoからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ″はV,Cr,Mn,Al,白金属元素,Sc,Y,Au,Zn,Sn,Reからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはC,P,Ge,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、x,y,z,α，β，及びγはそれぞれ0.1≦ｘ≦3,0＜ｙ≦30,0＜ｚ≦25,5≦ｙ＋ｚ≦30,0.1≦α≦30,0≦β≦10及び０≦γ≦10を満たす。）により表わされる組成を有し、組織の少なくとも50％が微細な結晶粒からなり、各結晶粒の最大寸法で測定した粒径の平均が1000Å以下であるFe基合金を用いることができる。例えば、日立金属製のナノ結晶質軟磁性材ファインメット（登録商標）が用いえる。
【００１７】
本発明で用いる磁性粉末としては、例えば純鉄の粉、Siを6〜７％含むFe−6.5％Siで代表される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、非晶質金属磁性粉、微結晶質金属磁性粉などが挙げられ。これらは各々単独でまたは適宜、組合せた粉末でも良い。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、本発明に好適な磁性粉末である。
【００１８】
本発明で用いる樹脂としては、前記磁性粉の表面を被覆して粉末相互間を絶縁状態にして磁心全体の交流磁化に対する渦電流損が大きくならないように充分な電気抵抗を付与せしめると同時に、これら粉末を結着するバインダーとしても機能するものである。このような樹脂としては、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各種の樹脂が挙られ、これらは単独にまたは適宜組合せて使用しても良い。
【００１９】
本発明で用いる圧粉磁心部の成型方法としては、前記磁性粉末と前記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。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の複合磁心は、高透磁率磁心部と隣り合う圧粉磁心部の磁路断面積を変えたことで、各磁心部に必要以上の磁路が形成されず、原価コストを低下させることができる。また、高透磁率磁心部と隣り合う圧粉磁心部の磁路断面積が高透磁率磁心側端面から連続的に減少してもう一方の磁心端面に至る構造をとり、最小となった前記端面はギャップを介して隣の圧粉磁心部と略同一の断面積で対向するので、磁路方向での断面積変化は滑らかであり、磁心中の磁束分布も均一になる。よって、部分的で過剰な磁束集中による異常発熱は発生せず、急激な磁心透磁率変化も無い。また、断面積の小さい圧粉磁心部に巻線を施すことにより、巻線長は短くなり、銅損が低減される。よって、本複合磁心を用いることにより、良好なインダクタンス特性を有し、さらに小型、低損失の特性をもつリアクトルを実現できる。
また本発明の複合磁心は、高透磁率磁心部と圧粉磁心部との接合部に発生する隙間を、本発明の明細書に記載する軟磁性金属粉末を樹脂と混合してなる接着剤で埋めることで、複合磁心としたとき特性劣化の一因である透磁率低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
本発明の実施例１を図1に示す。高透磁率磁心部１１、１２はナノ結晶質軟磁性材ファインメット（登録商標）（日立金属製FT-3材）の巻磁心を切断して作製したブロックである。この磁心ブロックの占積率を含めた飽和磁束密度は、０．９８Ｔである。圧粉磁心部１３〜１８はFe−6.5％Si系合金粉にカオリン８ｖｏｌ％、水ガラス６ｖｏｌ％を添加したものを用い、成形圧力８００ＭＰａ、熱処理温度１０７３Ｋで圧縮成形した。この圧粉磁心の飽和磁束密度は１．３６Ｔである。圧粉磁心部１３，１５，１６，１８は、一端面が高透磁率磁心部１１，１２に接している。高透磁率磁心部に接している側の圧粉磁心部の断面積は、高透磁率磁心部と同じ断面積であり、磁路方向に連続的に変化し、そこから離れるに従い徐々に断面積が狭くなる略台形形状である。また、圧粉磁心部１４，１７は直方体形状の磁心であり、圧粉磁心部１３，１５，１６，１８の他端面と同じ断面積を持つ。高透磁率磁心部１１、１２と圧粉磁心部１４，１７はほぼ同じ飽和磁束密度になるよう、調整されている。さらに、ギャップ３１〜３４は圧粉磁心部の間に設けているものであり、図示されていないが、板状の樹脂によるギャップが形成されている。全体の磁心形状は長さ１２０ｍｍ、幅６３ｍｍ、高さ（最大）３５ｍｍであり、圧粉磁心部１４、１７の形状は長さ４０ｍｍ、幅１９ｍｍ、高さ２５ｍｍである。
【００２３】
（比較例１）
比較用に作製した従来例１を図２に示す。高透磁率磁心１、２は実施例で用いた高透磁率磁心と同じであり、日立金属製FT-3材の巻磁心を切断して作製したブロックである。圧粉磁心部３〜８は、磁路の断面積を、高透磁率磁心部に隣接する側の圧粉磁心部の断面積を、磁路方向に連続的に変化させた形状にした。材料、成形方法は実施例１と同じ方法で作製した。このブロックの間にギャップ５１〜５４を設けた。全体の磁心形状は長さ１２０ｍｍ、幅６３ｍｍ、高さ３５ｍｍである。
【００２４】
（実施例２）
高透磁率磁心６１、６２は、実施例１と同じ日立金属製FT-3材の巻磁心を切断して作製したブロックである。圧粉磁心部６３〜６８は、断面積が高透磁率磁心６１、６２よりも小さく、かつ直方体形状である。寸法条件以外は実施例１と同じ方法で作製している。このブロックの間に樹脂製のギャップ７１〜７４を設けている。全体の磁心形状は長さ１２０ｍｍ、幅６３ｍｍ、高さ（最大）３５ｍｍであり、圧粉磁心部６４，６７は実施例１の圧粉磁心部１４、１７と同材質、同形状である。
【００２５】
前述の実施例１と従来例１の磁心に巻線を施した。巻線は磁心のストレート部に、同じ５０回巻で同一線材による巻線を施し、ギャップを調整して、電流６０Aでインダクタンス約３５０マイクロHのリアクトルをそれぞれ作製した。このリアクトルを図４に示す駆動周波数１０ｋＨｚのブースト型DC−DCコンバータのＬ１として搭載し、入力電圧１００Ｖでコンバータを動作させた。そして、コンバータ出力として１２ｋW（電圧２００V、電流６０A）を得た時の特性の比較を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表1から判るように、本発明の実施例１の磁心を用いたリアクトルは、従来例１の磁心を使ったリアクトルと比べると、コンバータ損失を２１Ｗ低減している。この差異は、実施例１では巻線される磁心部の断面積が小さくなっているため、従来例に比べて全巻線長が１５％程度短くなっていることの寄与（巻線損失の低減）が大きいと推定される。実施例２は、実施例１とほぼ同じ全巻線長となっているので、従来例１より巻線損失は低減されているが、高透磁率磁心部と圧粉磁心部の隣接面で、磁束分布に不均一が生じて磁心損失が増大しているため、トータルの損失低減は僅かである。ただし、材料コストは従来例１よりも少なく、価格競争力に優れる。
【００２８】
本発明の別の実施例を図５に示す。高透磁率磁心部２１、２２はナノ結晶質軟磁性材ファインメット（登録商標）（日立金属製FT-3材）を積層したブロックである。圧粉磁心部２３〜２８は実施例１と同様にFe−6.5％Si系合金粉を使って作製したものである。ギャップ４１〜４４も実施例１と同様に圧粉磁心部の間に設けている。高透磁率磁心部２１、２２は、磁性材を高さ方向に積層した磁心ブロックである。高透磁率磁心部２１、２２は、幅方向に積層した磁心ブロックでも良いが、図示の形状では、高さ方向に積層した方が積層枚数を少なく出来るため、製造コストが小さくなる利点がある。
【００２９】
高透磁率磁心部と圧粉磁心部 の間に隙間が生じた場合、この隙間からの漏れ磁束により、高透磁率磁心部に渦電流損失が発生する。また、高透磁率磁心部自体あるいは圧粉磁心部自体を複数の磁心ブロックの組合せで構成する場合もある。これらの磁心ブロック間に隙間が生じて、渦電流損失の発生や実効透磁率μｅが低下する問題がある。これらを解決するには、透磁率の高い接着剤を用いて磁心部間や磁心ブロック間を接合してこの隙間を埋めればよい。この接着剤は、例えば軟磁性金属粉末をエポキシ樹脂等に混合することにより容易に作製することができる。
【００３０】
前述した実施例は、口字型形状の複合磁心であるが、ＥＩ、ＥＥ等の日字型形状においても、本発明の複合磁心構造とすることにより本発明の実施例と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る複合磁心の実施例１を示す図である。
【図２】従来のリアクトル用磁心を示す図である。
【図３】本発明に係る複合磁心の別の実施例を示す図である。
【図４】本発明に係るリアクトルを用いたブースト型DC−DCコンバータの回路図である。
【図５】本発明に係る複合磁心の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１，２，１１，１２，２１，２２，６１，６２：高透磁率磁心部、
３〜８，１３〜１８，２３〜２８，６３〜６８：圧粉磁心部、
３１〜３４，４１〜４４，５１〜５４，７１〜７４：ギャップ、
Ｌ１  リアクトル、Ｑ１  トランジスタ、Ｄ１  ダイオード、Ｃ１，Ｃ２  キャパシタ
【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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